专利名称：Brayton循环工业空气压缩机的制作方法
背景技术：
本发明总的涉及空气压缩机，尤其涉及装有燃气透平动力装置的无油空气压缩机。
在
图1中表示一般的工业空气压缩机。一原动机10，它可以是电马达或活塞式内燃机，由齿轮或联轴器12连于压缩机20。该压缩机20，通常为多级中冷压缩机，可以是活塞式压缩机，螺旋式压缩机或离心式压缩机。吸入空气22经进气滤清器供给压缩机20。经压缩后，该空气通常在后冷却器25内冷却。冷却后的压缩空气然后被输送到储气罐或储存箱50，压缩空气自那里再流入空气分配装置52。
如果需要压缩空气更加干燥，则该压缩空气经干燥装置30进行处理。图1表示一种常用的两箱烘干干燥装置。干燥装置30由两干燥床34a，34b和相关的阀装置组成，一个系统标以“a”，而另一系统标以“b”(开启阀件以“0”表示，关闭阀件以“c”表示)。如在图1中所示，“a”系统在被回热，“b”系统在使用中。供给空气输入阀36a，36b引导压缩空气进入工作箱34a，34b，在工作箱内，吸潮干燥剂吸收来自被冷却的压缩供气的潮气。供气输出阀38a、38b引导工作箱的排气进入储气罐50。回热空气输入阀37a、37b或者引导来自辅助燃烧室32的加热空气，或者引导后冷却器25前自压缩机输出的未冷却压缩空气。在每一种情况下，空气均是非饱和的，且较被冷却的供气为干。暴露于未饱和空气的结果，先前吸收的潮气自干燥剂释放出来。包含被分离的潮气的回热空气由再回热空气输入阀39a、39b引导到回热泵气管40。该回热空气或被释放到集气罐或被释放到排气道。
回热空气的排出导致压缩空气内压缩能量的损失，并导致由辅助燃烧器32(若使用的话)添加的能量的损失。回热空气的排出能导致被正在回热的干燥床34a、34b两端有较大的压力降。干燥剂床34a，34b进出口的压力降常常大得足以损坏该干燥床。
上面说明了一些缺陷，这些缺陷已知存在于现有工业空气压缩机系统中。这样，提出一种旨在克服上述一个或多个缺陷的替代方案显然将是有利的。因此，提出了一个适当的替代方案，其特点在下面更充分地公开。
发明叙述本发明的一个方面是通过提供Brayton循环空气压缩机来实现的，它包括一燃烧室；至少一个透平，由燃烧室的废气驱动；一个向该燃烧室供应燃烧空气的压气机，由所述至少一个透平之一驱动，该压气机的工作容量超过为向燃烧室供应燃烧空气所需的容量，Brayton循环空气压缩机的工作副产品被提取成额外的压缩空气。
在连同附图一起考虑时，根据下面对本发明的详细叙述，本发明的上述和其它方面会变得更加明显。
附图简介图1为现有技术工业空气压缩机系统；图2为Brayton循环工业空气压缩机系统的一个实施例简图；图3为Brayton循环工业空气压缩机系统的一个替代实施例简图。
发明详述图2表示有一压气机单元70和72(多级)的Brayton循环工业空气压缩机系统的一个实施例，该压气机单元对燃气透平60，64，66和集气罐50供应空气。各压气机级70，72分别由专用透平64，66驱动。可采用一级、二级、三级或多级压缩，取决于所需的排气压力。多级压气机70，72内压缩空气的一部分通常经一干燥器系统30输送到集气罐50和空气分配系统52，而其余的空气继续流经Brayton循环组件，燃烧室60，任选的回流换热器68和透平64，66。该压气机的双重用途(用于供应空气和燃烧空气)省去了发动机驱动装置和传统的单独的空气压缩机单元之间的机械连接装置。用热力学的术语说，Brayton循环的工作副产品被提取成额外的空气压缩，而不是轴功率。
Brayton循环空气压缩系统的一个主要用途是通过采用透平驱动无油离心空气压缩机来生产无油压缩空气。
利用将处理供给空气(标为Ms)的干燥剂进行烘干(或回热)的发动机空气供给的一部分，相对于为该工作花费一部分压缩机输出的传统方法是一种额外的效益，而且降低了成本。在本发明中，该干燥空气回路并不导致空气损失(排出)，且相对于包括一辅助燃烧器的回热干燥剂系统大为简化。在本发明中，干燥空气和接收的潮气返回到发动机循环，用于经驱动透平膨胀。剩余的潮气对循环是有利的。干燥空气和获得的潮气的返回还消除了冷凝液配置的公共环境问题。
工业空气压缩系统通常包含许多冷凝液罐，用于去除该系统管路的冷凝。来自这些冷凝罐的冷凝液还能添加到返回到发动机循环的燃烧空气。这消除了冷凝液配置的另一个环境问题。
图2所示的实施例还省去了两个调节部分负荷运转的通用装置。这些装置是可控进口导流叶片和变速马达控制器。图2中的实施例能受控在宽广的流量范围内保证恒压输送。再则，该机器能方便调节，将恒压设定点改变到不同的压力，其范围远大于普通的空气压缩机。而且，和普通的恒速、导叶控制压气机不同，图2中所示的实施例在较低的压力设定点上工作效率更高。
燃料经燃料节流阀62供应给空气加热系统，诸如带热交换器(未示)的外燃室或内燃室60。在该优先实施例中，燃料跟燃烧室60内的预热压缩燃烧空气混合。在美国专利No.5,450,724中叙述了该优先燃烧室。燃烧室60的排气被引导到第一级透平64。温度传感器76测量透平64的燃气进口温度。按需要对燃烧供应进行节流，以保持该进口温度处于预定的最小和最大极限之间。然后，第一级透平64的排气进入第二级透平66。作为一种选择，可将回流换热器68增加到Brayton循环发动机，以改善燃料经济性。在此情况下，第二极透平66的排气流过回流换热器68，在那里，该排气在经通气管90自该系统排出之前预热该燃烧空气Ma。
输入空气22经输入空气滤清器(未示)供给第一级压气机72。第一级压气机72由第二级透平66驱动。来自第一级压气机72的压缩空气在进入第二级压气机70之前在任选的中冷器74内冷却，第二级压气机70由第一级透平64驱动。
虽然图2中所示的系统为一个带二个透平和二个压气机的二级系统，然而该系统可以为单级或三级或多级。在单级系统中，一个透平驱动一个压气机。在三级系统中，第一级压气机由第三级透平驱动；第二级压气机由第二级透平驱动；第三级压气机由第一级透平驱动。第一级透平的排气被引向第二级透平，第二级透平的排气被引向第三级透平。第一级压气机的排气进入第二级压气机，第二级压气机的排气进入第三级压气机。多于三级的空气压缩系统按类似方式设计。
最后一级(在图2、3中为第二级)压气机70的排气分成三部分供应空气部分Ms，燃烧空气部分Ma和回热空气部分Mr。供应空气Ms在流过空气节流阀84后在后冷器内冷却，然后通常经一干燥系统30进入集气罐50。较少的回热空气部分Mr，流经干燥系统30以回热干燥系统30内的干燥剂。燃烧空气Ma进入回流换热器68，在那里在进入燃烧室60之前它被预热。回热空气Ms在燃烧室60处返回到Brayton循环发动机。在一般工况下Ma∶Ms∶Mr为64∶34∶2。然而，当空气需要改变时，这些比值可以变化。
压力开关88被设定在处于或接近于集气罐处所希望的高、低压力设定点。对燃烧室60的燃料供应由响应压力开关88的燃料操作阀62调节。温度传感器76能超越压力传感器的控制，以保持透平64的进口温度处在可接受的范围内。
图2表示一种任取的干燥器系统。该系统的操作除了一个主要的差别外相同于上述现有技术干燥器系统。压气机70的压缩空气被分为三部分回热空气Mr，燃烧空气Ma和供给空气Ms。被加热(压缩加热)的回热空气Mr流过干燥剂，自该干燥剂吸收潮气。包括附加潮气的回热空气Mr在燃烧空气Ma流过回流换热器68后，跟燃烧空气Ma混合。该附加潮气对于Brayton循环燃烧室透平组合是有益的。各种有益之一是降低诸如NOx的排放。如果需要，为获得最佳性能，回热空气Mr可单独进入燃烧室60，例如进入预燃室。在某些情况下，设有节流阀85，使节流阀85和干燥床34a，34b两端的压降跟回流换热器68两端的压降匹配。这就能使回热空气Mr和燃烧空气Ma的剩余部分混合。这防止了Brayton循环的压力损失增加，这种增加会有害地影响燃料经济性。对于一般的系统，该回热空气Mr为供给空气Ms的15％。
本发明的一个实施例采用普通固定外形尺寸的透平和压气机(1，2或3级)。为把流量调节在规定的恒压设定点，起动了燃料阀62和空气节流阀84。该空气节流阀是一种蝶形阀那样的面积可变的阀84，它调节流至集气罐50的空气流量。关阀该阀84使流经发动机透平区的流量不成比例。燃料节流阀62响应高转子压气机(high spool compressor)排气压力(图2中的64)的变化。这种简单的方法允许在要求发动机起动/关闭循环之前系统流量下调比处在2和4之间。这表示较图1所示的普通压气机系统情况下所能达到的范围大许多。
上述本发明的第二实施例在部分负荷流量情况下可使燃烧经济性的改善。为使部分负荷效率最高，对于2∶1下调范围，可对透平单元添加可变喷嘴特性。这种增加的控制自由度将允许高透平进口温度保持在较宽的流量范围内，因而改善了燃烧经济性。相应于直到4∶1下调范围的即使更宽的高效范围，对压气机单元可添加可变扩压管子这一附加的装置将和可变喷嘴透平及燃料节流阀一起工作。
Brayton循环空气压缩机系统的另一实施例示于图3。诸如发电机或交流发电机的发电机100，101可连接一个或二个透平70，72。
用一个或多个发电机100，101连接于透平70，72，在供应空气宽广的变化范围内会保持高的系统效率。当集气罐50和空气分配系统52压力增加到压力控制阀84的设定点时，该阀便开始将节流阀关闭。当压气机70，72上的背压增加时，发电机100，101便开始吸收负荷。图3中所示的系统自动地将负荷，将Brayton循环系统的工作副产品，分配在压气机70，72和发电机100，101之间。在该系统内保留温度传感器76，以使透平进口温度保持在可接受的范围内。
权利要求
1.Brayton循环空气压缩机，包括一个燃烧室；至少一个透平，该至少一个透平由所述燃烧室排气驱动；一个向所述燃烧室供给燃烧空气的压气机，该压气机受所述至少一个透平之一驱动，该压气机容量超过为将燃烧空气供给所述燃烧室所需的容量，Brayton循环空气压缩机的工作副产品被提取成过量的压缩空气。
2.按权利要求1所述的Brayton循环空气压缩机，其特征在于透平的数量为一个。
3.按权利要求1所述的Brayton循环空气压缩机，其特征在于还包括一个附加的压气机，其中透平的数量是二个，每一透平驱动一个压气机。
4.按权利要求1所述的Brayton循环空气压缩机，其特征在于还包括二个附加的压气机，其中透平的数量是三个，每一透平驱动一个压气机。
5.按权利要求1所述的Brayton循环空气压缩机，其特征在于还包括一个回流换热器，所述至少一个透平之一的排气供给所述回流换热器，燃烧空气在供给燃烧室之前流过该回流换热器，该排气预热所述燃烧空气。
6.一种装置，包括一个燃烧室；一个供给所述燃烧室的燃料源；一个由燃烧室排气驱动的第一透平；一个由第一透平排气驱动的第二透平；一个受第二透平驱动、用以压缩输入空气的第一压气机；一个由第一透平驱动、用以压缩来自第一压气机的压缩空气的第二压气机，来自第二压气机的压缩空气被分为两部分，第一部分供给所述燃烧室，该第一部分构成了燃烧空气部分，第二部分被提取以形成压缩空气源，该第二部分构成供给空气部分。
7.按权利要求6所述的装置，其特征在于还包括一个回流换热器，第二透平的排气供给该回流换热器，该燃烧空气部分在供给所述燃烧室之前流经该回流换热器，所述排气预热该燃烧空气部分。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于该压缩空气的供给空气部分供给一分配系统；并具一个随分配系统内压力而变的压力控制装置，用以控制供给燃烧室的燃料量。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于还包括对进入第一透平的燃烧室排气的温度作出反应的温度控制装置，以控制供给燃烧室的燃料量。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于该温度控制装置将进入第一透平的燃烧室排气的温度保持在预定的最小温度和最大温度之间。
11.按权利要求8所述的装置，其特征在于所述分配系统包括一储存箱，所述压力控制装置对该储存箱内的压力作出反应。
12.按权利要求6所述的装置，其特征在于还包括一个用以冷却供给空气部分的装置；一个用以自供给空气部分中消除潮气的干燥器系统，它包括能利用高于冷却了的供给空气部分温度的空气进行回热的潮气吸收物质，另一部分燃烧空气以回热该潮气吸收物质，该部分的燃烧空气构成回热空气部分。
13.按权利要求12所述的装置，其特征在于包含任何自潮气吸收物质分离的潮气的回热空气部分返回到所述燃烧空气部分。
14.按权利要求6所述的装置，其特征在于还包括一个用以冷却在进入第二压气机前来自第一压气机的压缩空气的中冷器。
15.按权利要求6所述的装置，其特征在于还包括一个用以发电的由第一或第二透平之一驱动的第一装置。
16.按权利要求15所述的装置、其特征在于还包括一个用以发电由第一或第二透平之另一驱动的第二装置。
17.按权利要求15所述的装置，其特征在于还包括一个对进入第一透平的排气的温度作出反应的温度控制装置，用以控制供给燃烧室的燃料量。
18.一种压缩空气的方法，包括提供一燃料源；提供一燃烧空气源；加热回流换热器内的燃烧空气；将燃烧空气和燃料混合；燃烧燃烧空气和燃料混合物；在第一透平内使已燃燃烧空气和燃料混合物膨胀；在第一透平内使已燃燃烧空气和燃料混合物继续膨胀；用第一压气机压缩补给进口空气，该第一压气机受第二透平驱动；用第二压气机压缩来自第一压气机的压缩空气，该第二压气机受第一透平驱动；将来自第二压气机的压缩空气分为两部分，将第一部分供给回流换热器，将第二部分供给空气分配系统；将来自第二透平的已燃空气和燃料混合物供给回流换热器，该已燃空气和燃料混合物加热供给回流换热器的压缩空气部分。
19.按权利要求18所述的方法，其特征在于还包括测量空气分配系统内的压力；按照空气分配系统内的压力变化控制跟燃烧空气混合的燃料量。
20.按权利要求18所述的方法，其特征在于还包括测量进入第一透平的已燃空气和燃料混合物的温度；按照进入第一透平的已燃空气和燃料混合物的温度变化控制跟燃烧空气混合的燃料量，将已燃空气和燃料混合物的温度保持在预定最高温度以下。
全文摘要
一种具有两个透平压气机和一个相互连接的余热利用燃烧室的Brayton循环空气压缩机系统。一部分热压缩高压空气用作燃烧室的燃烧空气。此外，一部分燃烧空气可用作回热任取空气干燥器内的干燥剂的热源。
文档编号F02C6/00GK1151784SQ95193827
公开日1997年6月11日 申请日期1995年12月5日 优先权日1994年12月19日
发明者J·B·凯塞利, S·P·包德温 申请人:北方研究及工程公司