CN104863713A - 一种集成提供高压气体的辅助动力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种集成提供高压空气的辅助动力装置。本发明提供采用非匹配流量的压气机涡轮串联主机结构，通过两级减速齿轮箱，驱动启发一体电机以及涡旋泵头，为载体提供所需的电能，各种压力的空气以及高于250bar压力的空气。本发明通过压气机提供该装置所有结构需要的空气，通过齿轮箱充分利用燃烧热能，使得整个辅助动力装置具有结构简单、控制调节逻辑简单、可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种集成提供高压空气的辅助动力装置。
背景技术
现有的辅助动力装置主要用于飞机、车辆以及舰船上，主要为搭载该装置的载体提供电能以及提供4bar左右压力的空气。
然而此种结构的辅助动力装置，对能够提供4bar空气的性能要求非常的苛刻，要求其随着转速流量的变化维持稳定的压力输出，从而使得此辅助动力装置的结构非常的复杂。
同时使用辅助动力装置的载体上，搭载有相应的液压系统，其动力一般也是由辅助动力装置来提供。但是液压系统的可靠性较差，发生轻微的泄漏也会导致液压系统的失效。
辅助动力装置提供的4bar左右的空气有一部分会通过增压装置压缩至250bar以上，满足其他方面的需求。该增压装置一般采用容积式压缩机，由电机驱动，如果采用高压空气代替液压系统，则需要大幅的增加增压系统的体积和重量，同时作为驱动的电机重量也会大幅增加。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供整体集成解决方案的辅助动力装置，采用非匹配流量的压气机涡轮串联主机结构，通过两级减速齿轮箱，驱动启发一体电机以及涡旋泵头，为载体提供所需的电能，各种压力的空气以及高于250bar压力的空气。本发明通过压气机提供该装置所有结构需要的空气，通过齿轮箱充分利用燃烧热能，使得整个辅助动力装置具有结构简单、控制调节逻辑简单、可靠性高等特点。
本发明的技术方案是：一种集成提供高压气体的辅助动力装置，包括驱动电能产生机构、中压稳定气体产生机构和高压气体产生机构，其中驱动电能产生机构包括燃烧室(2)，涡轮(3)、齿轮箱(8)、启发一体电机(9)，压气机(1)与燃烧室(2)相连，燃烧室(2)与涡轮(3)相连，所述的高压气体产生机构包括冷却器(6)，涡旋泵头(7)，冷却器(6)与压气机(1)输出口相连，经冷却后再送入涡旋泵头(7)，其特征在于：所述的涡轮(3)、压气机(1)、齿轮箱(8)为单轴串联结构，齿轮箱(8)与启发一体电机(9)和涡旋泵头(7)连接。其有益效果是：将燃烧室燃烧产生热能转变为电能，并可通过该热能产生中压气体和高压气体，使该装置启动后，可长期稳定运行，且体积小。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的中压稳定气体产生机构包括调节阀(4)和稳压阀(5)。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的齿轮箱(8)为两级减速齿轮箱。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：它还包括电机控制器(10)，所述的电机控制器(10)将启发一体电机(9)发出的高频交流电转化为所需标准的电能输出。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的所述的涡旋泵头(7)为多级压缩，每一级出来的空气都会进入冷却器(6)降温后再进入下一级压缩。其有益效果是：减小泵头的耗功，并最终将压力提高至250bar以上输出。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的涡旋泵头(7)转速不小于6000rpm。其有益效果是：这样可以减小涡旋泵头体积，减小齿轮箱的体积，简化整个装置的结构和重量。
根据如上所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的压气机(1)采用非匹配流量压气机，压气机的压比通过多级压缩可以做到10以上。其有益效果是：可以大幅降低涡旋泵头所需要的体积，简化整个装置的结构。
附图说明
图1为本发明的整体集成提供高压空气的辅助动力装置的基本结构原理示意图。
具体实施方式
附图标记说明：
1—压气机；2—燃烧室；3—涡轮；4—调节阀；5—稳压阀；6—冷却器；7—涡旋泵头；8—齿轮箱；9—启发一体电机；10—电机控制器。
以下结合附图对本发明做出说明。
如附图1所示，本发明的整体集成提供高压空气的辅助动力装置包括压气机1，燃烧室2，涡轮3，调节阀4，稳压阀5，冷却器6，涡旋泵头7，齿轮箱8，启发一体电机9和电机控制器10，其中齿轮箱8为两级减速齿轮箱，压气机1最好为非匹配流量的压气机1。
本装置包括驱动电能产生机构、中压稳定气体产生机构和高压气体产生机构，其中驱动电能产生机构包括燃烧室2，涡轮3、齿轮箱8、启发一体电机9和电机控制器10，压气机1与燃烧室2通过较粗的管子连接，燃烧室2与涡轮3连接，其中压气机1流量的60％以上气体可以进入燃烧室2，燃烧室2产生的高温气体燃气驱动涡轮3做功。涡轮3可通过齿轮箱8推动启发一体电机9和涡旋泵头7工作，电机控制器10将启发一体电机9发出的高频交流电转化为所需标准的电能输出。
中压稳定气体产生机构包括排气比例调节阀4以及稳压阀5，调节阀4最好为排气比例调节阀4，压气机1输出的气体一部分输入调节阀4以及稳压阀5，通过调节阀4和稳压阀5的联动调解，得到压力范围为1ba至10bar的稳定压力空气。
高压气体产生机构包括冷却器6，涡旋泵头7，冷却器6与压气机1输出口相连接，经冷却后再送入涡旋泵头7。其中涡旋泵头7为多级压缩，每一级出来的空气都会进入冷却器6降温后再进入下一级压缩，减小泵头的耗功，并最终将压力提高至250bar以上输出。本发明的涡旋泵头7转速不小于6000rpm，通过齿轮箱获得所需驱动能量，这样可以减小涡旋泵头7体积，减小齿轮箱的体积，简化整个装置的结构和重量。
为了克服一般辅助动力装置结构复杂、制造复杂和控制调节逻辑复杂等缺陷，本发明的辅助动力装置还具有以下结构特点：涡轮3、非匹配流量的压气机1、齿轮箱8为单轴串联结构，齿轮箱8再与启发一体电机9和涡旋泵头7连接，即涡轮3转动可推动压气机1、齿轮箱8旋转；齿轮箱8再驱动启发一体电机9和涡旋泵头7工作。这样可以通过简单的结构将非匹配流量的压气机1的流量设计为涡轮3所需流量和中亚、高压气体所需引气流量之和，压气机的压比通过两级压缩可以做到10以上，产生中压气体和高压气体，且体积小。
本发明的启动过程如下：启发一体电机9先接入外部电源，由电机控制器10按设定规律控制启动，通过齿轮箱8带动压气机1，涡轮3所在的主轴转动，排气比例调节阀4开启相应开度，排出多余空气，用于降低整机启动负载，整机转速通过怠速后，电机控制器10断开提供给启发一体电机9的电源，并将功能由电机驱动切换为逆变整流，根据负载转换输出启发一体电机9产生的电能。这样可以大幅减少机构的复杂性，通过一个装置实现了两种重要功能，减小了体积，减轻了重量。
本发明的辅助动力装置的工作工程为：空气由压气机1吸入，压气机1将1bar的空气压缩至10bar后排出，压缩后的空气分为三路，第一路为主路，该路的空气流量占压气机1流量的60％以上，进入燃烧室2和燃料定压燃烧后，产生高温高压的燃气驱动涡轮3做功，涡轮3和压气机1为单轴串联结构，涡轮3驱动压气机1做功后，再驱动齿轮箱8将能量传递给启发一体电机9和涡旋泵头7；第二路为中压引气，通过排气比例调节阀4以及稳压阀5联动调解，得到所需的压力小于10bar的稳定压力空气；第三路提供涡旋泵头7进一步增压，在通过冷却器6降温后，进入涡旋泵头7进一步加压，将压力提高至250bar以上，涡旋泵头7为多级压缩，每一级出来的空气都会进入冷却器6降温后再进入下一级压缩，减小泵头的耗功；电机控制器10在启动和停车时作为控制启发一体电机9作为动力源带动整个装置运行，在装置正常运转时，电机控制器10将启发一体电机9发出的高频交流电转化为所需标准的电能输出。
本发明的辅助动力装置的作用：第一为发电，即启发一体电机9输出电能，供给所在载体设备的电子仪器及蓄电池；第二为输出压力小于10bar的空气，供给送风，增压，相关空调及储气罐充气使用；第三为输出压力大于250bar的空气，供给给高压储气罐及高压驱动系统，主要是用于主发动机的再启动以及驱动大型调节机构。
Claims (7)
1.一种集成提供高压气体的辅助动力装置，包括驱动电能产生机构、中压稳定气体产生机构和高压气体产生机构，其中驱动电能产生机构包括燃烧室(2)，涡轮(3)、齿轮箱(8)、启发一体电机(9)，压气机(1)与燃烧室(2)相连，燃烧室(2)与涡轮(3)相连，所述的高压气体产生机构包括冷却器(6)，涡旋泵头(7)，冷却器(6)与压气机(1)输出口相连，经冷却后再送入涡旋泵头(7)，其特征在于：所述的涡轮(3)、压气机(1)、齿轮箱(8)为单轴串联结构，齿轮箱(8)与启发一体电机(9)和涡旋泵头(7)连接。
2.根据权利要求1所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的中压稳定气体产生机构包括调节阀(4)和稳压阀(5)。
3.根据权利要求1或2所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的齿轮箱(8)为两级减速齿轮箱。
4.根据权利要求1或2所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：它还包括电机控制器(10)，所述的电机控制器(10)将启发一体电机(9)发出的高频交流电转化为所需标准的电能输出。
5.根据权利要求1或2所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的涡旋泵头(7)为多级压缩，每一级出来的空气都会进入冷却器(6)降温后再进入下一级压缩。
6.根据权利要求1或2所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的涡旋泵头(7)转速不小于6000rpm。
7.根据权利要求1或2所述的集成提供高压气体的辅助动力装置，其特征在于：所述的压气机(1)采用非匹配流量压气机，压气机的压比通过多级压缩做到10以上。
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