CN115059545A - 一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，包括轴向上依次安装于转轴的压气机和涡轮，以及与压气机的出气端连接的燃烧室，燃烧室为环形燃烧室，燃烧室环绕转轴和涡轮设置，燃烧室包括第一燃烧部、第二燃烧部和气室，第二燃烧部位于第一燃烧部下方，气室环绕并包围第一燃烧部，气室具有与压气机的出气端连接的燃烧室进气口，第一燃烧部具有朝向涡轮的燃烧室排气口；第二燃烧部与料仓连接。本发明公开的燃气轮机，能够直接利用固态燃料来运行工作以降低运行成本，并通过环形燃烧室的设置，保证整个燃烧室的工作效率。

Description

一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机

技术领域

本发明属于热机领域，具体涉及一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机。

背景技术

燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功。

目前，燃气轮机的燃料一般为液态或气态燃料，然而液态或气态燃料的成本较高，固态燃料的成本相对较低，但是通常的燃气轮机往往难以直接利用固态燃料。

发明内容

本发明提供一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，能够直接利用固态燃料来运行工作，以降低运行成本。

本发明实施例提供一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，包括轴向上依次安装于转轴的压气机和涡轮，以及与压气机的出气端连接的燃烧室；燃烧室为环形燃烧室，燃烧室环绕转轴和涡轮设置，燃烧室包括第一燃烧部、第二燃烧部和气室，第二燃烧部位于第一燃烧部下方，气室环绕并包围第一燃烧部，气室具有与压气机的出气端连接的燃烧室进气口，第一燃烧部具有朝向涡轮的燃烧室排气口；第二燃烧部与料仓连接，料仓用于容纳含固态燃料。

根据本发明实施例的一个方面，至少部分气室位于第一燃烧部和第二燃烧部之间，第二燃烧部包括烟气板并通过烟气板与气室连通。

根据本发明实施例的一个方面，还包括回热器，涡轮的排气端与回热器的第一流道的入口连接，压气机的排气端与回热器的第二流道的入口连接，第二流道的出口与气室的入口连接，第一流道与第二流道内的气体在回热器内换热。

根据本发明实施例的一个方面，燃烧室包括第一壳体、第二壳体、端板和第三壳体，第一壳体、第二壳体均为中空环形结构，且第二壳体设置于第一壳体中空环形结构中，第二壳体内形成环状的第一燃烧部并具有对应燃烧室排气口的开口；第一壳体和端板至少部分包围第二壳体并与其共同限定气室；第二壳体具有连通气室与第一燃烧部的通孔；第三壳体位于第一燃烧部下方，并与第一壳体、端板连接以限定第二燃烧部。

根据本发明实施例的一个方面，料仓包括舱室、进料口、输送装置、加压口和第一注液口，舱室内容纳有含固态燃料；进料口位于舱室上侧并设置有可开闭的气密门；输送装置位于舱室下侧并通过输出口与第二燃烧部的输入口连接；加压口与气源连接并向舱室通入加压气体；第一注液口与供水装置连接并向舱室注入润湿含固态燃料的液体。

根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部和第一燃烧部之间设置有冷却部，冷却部与第一燃烧部连接，并且至少部分位于第一燃烧部的朝向第二燃烧部的一侧。

根据本发明实施例的一个方面，冷却部在周向上完全包围第一燃烧部，或者冷却部在周向上包围第一燃烧部的一半；并且冷却部中具有冷却通道，冷却通道内设置有气态或液态冷却介质，和/或冷却通道设置为有气态或液态冷却介质流过。

根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部还包括：第二注液口，伸入到烟气板下方且与供水装置连接，并向第二燃烧部的燃烧区注入液体；和/或，第三注液口，临近输入口设置且与供水装置连接，并注入润湿含固态燃料的液体。

根据本发明实施例的一个方面，当第二燃烧部包括第二注液口时，第二注液口的数量为多个，多个第二注液口环绕第二燃烧部的燃烧区排布，通过第二注液口注入的液体为饱和水。

根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部内设置有加热装置，加热装置临近第二燃烧部的输入口设置，和/或，环绕第二燃烧部的燃烧区排布。

根据本发明的具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，通过设置有包括第一燃烧部、第二燃烧部和气室的燃烧室，以及与第二燃烧部连接的容纳含固态燃料的料仓，使得该燃气轮机能够直接利用固态燃料来运行工作，以降低运行成本。并且，通过环形燃烧室的设置，保证整个燃烧室的工作效率的同时实现燃气轮机结构紧凑，可在移动装备上布置，并且可利用常规的燃气轮机改造而成，进一步降低成本。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。

图1示出根据本发明一个实施例的燃气轮机的结构示意图。

图2示出图1中燃烧室的结构示意图。

图3示出图2中烟气板的结构示意图。

图4示出环形燃烧室的结构示意图。

图5示出图1中料仓的结构示意图。

图6示出具有第二、三注液口的燃气轮机的结构示意图。

图7示出图6中燃烧室的结构示意图。

图8示出具有冷却部的燃气轮机的结构示意图。

图9示出图8中冷却部的一个实施例的结构示意图。

图10示出图8中冷却部的另一个实施例的结构示意图。

图11示出图8中冷却部的又一个实施例的结构示意图。

图12示出具有加热装置的燃气轮机的结构示意图。

图13示出图12中燃烧室的一个实施例的结构示意图。

图14示出图12中燃烧室的另一个实施例的结构示意图。

图15示出图13中加热装置的一个实施例的结构示意图。

图16示出图13中加热装置的另一个实施例的结构示意图。

图17示出图13中加热装置的再一个实施例的结构示意图。

图18示出图13中加热装置的又一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

目前燃料一般有液态、气态和固态，固态分布广泛，存在形式多样，并且获取(开采)成本较低，使得价格较低，例如煤(粉)、秸秆，甚至厨余垃圾、污泥、沼气渣等废物废料都具有一定的热值，能够用作固态燃料，同时也进行了无害化处理。然而，这些固态燃料不易直接利用，需要进行提炼转化等二次处理，这样就增加了成本，同时这些固态燃料分布广泛却很分散，运输集中会导致附加的运输和贮藏成本。

因此，亟需一种固态燃料利用装置，能够将固态燃料转化为热能、动能和/或电能等可直接利用能源，并且能够在分布有固态燃料的地区实现本地化利用。

为实现上述目的，图1示出根据本发明一个实施例的燃气轮机的结构示意图，本发明提供一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，包括轴向上依次安装于转轴100的压气机200和涡轮300，以及与压气机200的出气端连接的燃烧室400。燃气轮机还包括回热器800，涡轮300的排气端与回热器800的第一流道的入口连接，压气机200的排气端与回热器800的第二流道的入口连接，第二流道的出口与气室410的入口连接，第一流道与第二流道内的气体在回热器800内换热。回热器800可以包括换热翅片以使第一流道与第二流道中的气体换热，换热后的高温气体(300℃-600℃)进入气室410中再利用，当高温气体的温度处于较高水平时能够引燃第二燃烧部430中的含固态燃料。

其中，转轴100可以是一体式转轴，也可以是分段式并通过联轴器连接的转轴。转轴的材质可以是钢，也可以是其他合适金属、合金或复合材质。转轴100通过轴承支撑于燃气轮机的壳体或轴承座。图1示例性地示出了轴承500，该轴承可以是滚珠轴承，也可以是磁轴承、空气轴承、气磁混合轴承等非接触轴承。本发明实施例中优选为空气轴承。

压气机200可以是轴流式压气机或离心式压气机。在一些实施例中，压气机200可以包括压气机叶轮和扩压器。压气机200的进气口与外部环境连通以用于吸气，吸入的气体(例如空气)经过压气机200压缩后通过压气机200的出气端进入燃烧室400中。

涡轮300可以是轴流式涡轮或离心式涡轮。涡轮300的材质可以是耐高温材料，例如镍或镍合金。涡轮300一般与燃烧室400的排气端相连，以接收来自于燃烧室400的高温燃气并利用高温燃气做功。

燃烧室400包括第一燃烧部420、第二燃烧部430和气室410。气室410的进气端与压气机200的出气端连接。气室410至少部分围绕第一燃烧部420设置，即气室410可以周向上完全环绕第一燃烧部420，或者气室410周向上环绕第一燃烧部420的一部分，这取决于第一燃烧部420的进气通路(进气孔)的设计位置但能够满足均匀充分的进气条件以及实现适当的火焰位置和燃烧温度。气室410与第一燃烧部420之间能够进行气体连通，例如气室410与第一燃烧部420之间通过气孔导通，来自于压气机200的压力气能够进入到第一燃烧部420中参与燃烧(例如提供足够氧化剂)。第二燃烧部430位于第一燃烧部420下方，第二燃烧部430内容纳有含固态燃料。

本文所述的含固态燃料是指至少含有固态燃料的单一状态燃料或混合状态燃料，例如固态的煤粉，液态水与固态煤粉混合的煤浆等。含固态燃料在第二燃烧部430中可以是完全燃烧、部分燃烧、反应制气(可燃气体，例如一氧化碳或氢气等)，反应制得的可燃气体(例如一氧化碳)进入第一燃烧部420中进行二次燃烧。气室410与第二燃烧部430之间能够进行气体连通，例如气室410与第二燃烧部430之间通过气孔导通，来自于第二燃烧部430的燃烧气能够进入到气室410中，再通过气室410进入到第一燃烧部420中参与提供高温燃烧气或进行进一步的燃烧。在一些可选的实施例中，当含固态燃料为煤或其他含单质碳的燃料，且向第二燃烧部430中通入水(尤其是水蒸气)时，反应制气的化学反应可以包含类似于煤气化反应(碳与水在700℃-1200℃高温下反应生成一氧化碳和氢气，即水煤气)。

本发明提供的燃气轮机还包括容纳含固态燃料的料仓600。第二燃烧部430与料仓600连接，以接收来自于料仓600的含固态燃料。料仓600可以时可密封的具有一定压力的贮存仓。

根据本发明实施例的具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，通过设置有包括第一燃烧部420、第二燃烧部430和气室410的燃烧室400，以及与第二燃烧部430连接的容纳含固态燃料的料仓600，使得该燃气轮机能够直接利用固态燃料来运行工作，以降低运行成本或增加燃气轮机的地域适用范围。

进一步地，如图2所示，图2示出图1中燃烧室的结构示意图，至少部分气室410位于第一燃烧部420和第二燃烧部430之间。这样能够进一步提高第二燃烧部430产生的高温燃烧气进入第一燃烧部420的均匀性，并且气室410作为第一燃烧部420和第二燃烧部430之间的缓冲，尽量避免火焰直接烘烤第一燃烧部420，提高第一燃烧部420材料耐用性。第二燃烧部430包括烟气板432并通过烟气板432与气室410连通。烟气板432可控制第二燃烧部430的火焰高度，使高度火焰更均匀并避免火焰向上窜起。

进一步地，如图3所示，图3示出图2中烟气板的结构示意图，烟气板432包括连通第二燃烧部430和气室410的多个烟气板连通孔。图3示出了矩形的烟气板432，然而烟气板432还可以是圆形、三角形、椭圆形等其他形状。图3示出了圆形的烟气板连通孔，然而烟气板连通孔还可以是矩形、三角形、椭圆形等其他形状。烟气板432的材料可以是镍或镍合金，例如烟气板432可以是镍网。烟气板432为高目数孔板，以尽量阻隔燃烧灰尘进入到气室410中，并使燃烧高温气和/或反应气进入到气室410中。例如，烟气板连通孔的孔径为0.1mm至100mm。

在一些可选的实施方式中，如图1所示，燃气轮机还包括燃料罐700。燃料罐700可以储存由气态燃料和/或液态燃料。第一燃烧部420设置有喷嘴490，喷嘴490与燃料罐700连接。通过喷嘴490喷出气态燃料和/或液态燃料的燃烧方式用于燃气轮机的启动阶段和停机阶段，或者通过喷嘴490的燃烧方式还可以用于辅助燃烧，使得燃烧室400能够提供足够的稳定的温度，并使第二燃烧部430产生的燃烧气或未燃尽燃料进行二次燃烧，使燃烧室400整体燃烧更充分。

在一些可选的实施方式中，涡轮300的排气端可以设置除尘装置和/或三元催化器，以提高燃气轮机的排放标准。其中，除尘装置可以是布袋除尘装置、静电除尘装置等。

图4示出根据本发明的环形燃烧室的结构示意图，燃烧室400为环形燃烧室，燃烧室400环绕转轴100和涡轮300设置，气室410环绕并包围第一燃烧部420，气室410具有与压气机200的出气端连接的燃烧室进气口413，第一燃烧部420具有朝向涡轮300的燃烧室排气口422。

具体地，燃烧室400包括第一壳体411、第二壳体421、端板412和第三壳体433，其中第一壳体411、第二壳体421均为中空环形结构，且第二壳体421设置于第一壳体411中空环形结构中，第二壳体421内形成环状的第一燃烧部420并具有对应燃烧室排气口422的开口。第一壳体411和端板412至少部分包围第二壳体421并与其共同限定气室410。第二壳体421具有连通气室410与第一燃烧部420的通孔。第三壳体433位于第一燃烧部420下方，并与第一壳体411、端板412连接以限定第二燃烧部430。进一步地，烟气板432临近第二壳体421设置于第三壳体433。

图5示出图1中料仓的结构示意图，料仓600包括舱室610、进料口620和输送装置630。舱室610内容纳有含固态燃料。进料口620位于舱室610上侧并设置有可开闭的气密门，气密门在打开时可通过进料口620向舱室610投料，气密门在关闭时与进料口620形成气密连接，以利于维持料仓600内的压力。输送装置630位于舱室610下侧并通过输出口601与第二燃烧部430的输入口439连接。输送装置630可以是螺杆输送机，输送履带等。

进一步地，料仓600还包括加压口640和第一注液口650。加压口640与气源连接并向舱室610通入加压气体，以维持舱室610内压力，以尽量防止燃烧室400的压力气倒灌。第一注液口650与供水装置连接并向舱室610注入润湿含固态燃料的液体。注入液体与含固态燃料混合，能够改善固态燃料的燃烧特性，使燃烧更稳定并能针对性控制反应产物(例如，当液体是水，混合燃料在第二燃烧部430燃烧可控反应生成氢气，氢气进入第一燃烧部420中进行二次燃烧)。该液体可以是水或者其他能够稳定燃烧或辅助反应的液体。

图6示出根据本发明另一个实施例的燃气轮机的结构示意图，图7示出图6中燃烧室的结构示意图，第二燃烧部430还包括第二注液口451和/或第三注液口452。其中，第二注液口451伸入到烟气板432下方且与供水装置连接，并向第二燃烧部430的燃烧区注入液体。第三注液口452临近输入口439设置且与供水装置连接，并注入润湿含固态燃料的液体。该液体可以是水或者其他能够稳定燃烧或辅助反应的液体。注入液体与含固态燃料混合，能够改善固态燃料的燃烧特性，使燃烧更稳定并能针对性控制反应产物。在一些可选的实施例中，第二注液口451可以在燃气轮机停机(尤其是紧急停机时)喷出大量的液体(例如水)以熄灭第二燃烧部430中的火焰，实现停机目的。

具体地，当第二燃烧部430包括第二注液口451时，第二注液口451的数量为多个，多个第二注液口451环绕第二燃烧部430的燃烧区排布，以使液体与含固态燃料更均匀地混合。

进一步地，当第二燃烧部430包括第二注液口451时，通过第二注液口451注入的液体为饱和水。饱和水为温度达到临近沸腾的水，这样避免冷水升温对燃料的消耗，可提高能源利用率，并且能够避免冷水导致燃烧区域的温度不均和过度冷却，以尽量避免对燃烧稳定性和反应温度的影响。

进一步地，与第二注液口451连接的供水装置包括热交换管路，热交换管路设置于涡轮300的排气端，以对燃气轮机排出的高温排气进行利用，实现部分热回收。

在一些可选的实施方式中，如图8至图11所示，图8示出根据本发明又一个实施例的燃气轮机的结构示意图，图9至图11示出图8中燃烧室的不同实施例的结构示意图，燃烧室400还包括冷却部460。冷却部460与第一燃烧部420连接，并且至少部分位于第一燃烧部420的朝向第二燃烧部430的一侧。这样，冷却部460能够进一步阻隔第二燃烧部430的火焰直接烘烤，以保护第一燃烧部420。

进一步地，如图11所示，冷却部460在周向上完全包围第一燃烧部420。全包围的形式制作较为简单。或者，如图9和图10所示，冷却部460在周向上包围第一燃烧部420的一半。半包围的形式能降低材料成本，并更有利于第一燃烧部420的进气孔的排布。

进一步地，冷却部460中具有冷却通道，在一些实施例中，冷却通道内设置有气态或液态冷却介质，这样冷却部460能够起到吸热和均热的作用，不需要外部冷却物质，在第二燃烧部430的火焰高度不高时可采用这样的设置方式。在另一些实施例中，冷却通道设置为有气态或液态冷却介质流过，这样冷却部460起到强制冷却的作用，尤其用于第二燃烧部430的火焰高度直接烘烤时的冷却。上述两种方式可以混合使用。

进一步地，当第二燃烧部430包括烟气板432且烟气板432包括多个烟气板连通孔的实施例中，所有烟气板连通孔在轴向上的尺寸位于冷却部460的轴向尺寸范围内，这样能够控制第二燃烧部430的火焰在轴向的范围，尽量避免火焰烘烤第一燃烧部420的端侧。

在一些可选的实施方式中，如图12所示，图12示出根据本发明再另一个实施例的燃气轮机的结构示意图，燃气轮机还包括加热装置480，加热装置480位于第二燃烧部430内。加热装置480用于引燃第二燃烧部430中的含固态燃料或辅助引燃含固态燃料。

进一步地，如图13所示，图13示出图12中燃烧室的一个实施例的结构示意图，加热装置480临近第二燃烧部430的输入口439设置。

进一步地，加热装置480的数量为多个，多个加热装置480环绕第二燃烧部430的燃烧区排布。

进一步地，如图14至图18所示，图14示出图12中燃烧室的另一个实施例的结构示意图，图15至图18示出图13中加热装置的不同实施例的结构示意图，加热装置480为单加热管、多加热管、加热环或加热盘。

依照本发明如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例，各个实施例之间是可以组合的。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种具有环形燃烧室的固态燃料燃气轮机，包括轴向上依次安装于转轴的压气机和涡轮，以及与所述压气机的出气端连接的燃烧室，其特征在于：

所述燃烧室为环形燃烧室，所述燃烧室环绕所述转轴和所述涡轮设置，所述燃烧室包括第一燃烧部、第二燃烧部和气室，所述第二燃烧部位于第一燃烧部下方，所述气室环绕并包围所述第一燃烧部，所述气室具有与所述压气机的出气端连接的燃烧室进气口，所述第一燃烧部具有朝向所述涡轮的燃烧室排气口；所述第二燃烧部与料仓连接，所述料仓用于容纳含固态燃料。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，至少部分所述气室位于所述第一燃烧部和所述第二燃烧部之间，所述第二燃烧部包括烟气板并通过所述烟气板与所述气室连通。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，还包括回热器，所述涡轮的排气端与所述回热器的第一流道的入口连接，所述压气机的排气端与所述回热器的第二流道的入口连接，所述第二流道的出口与所述气室的入口连接，所述第一流道与所述第二流道内的气体在所述回热器内换热。

4.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室包括第一壳体、第二壳体、端板和第三壳体，

第一壳体、第二壳体均为中空环形结构，且第二壳体设置于第一壳体中空环形结构中，第二壳体内形成环状的第一燃烧部并具有对应燃烧室排气口的开口；

所述第一壳体和所述端板至少部分包围所述第二壳体并与其共同限定所述气室；

所述第二壳体具有连通所述气室与所述第一燃烧部的通孔；

第三壳体位于第一燃烧部下方，并与第一壳体、端板连接以限定第二燃烧部。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述料仓包括舱室、进料口、输送装置、加压口和第一注液口，所述舱室内容纳有含固态燃料；所述进料口位于所述舱室上侧并设置有可开闭的气密门；所述输送装置位于所述舱室下侧并通过输出口与所述第二燃烧部的输入口连接；所述加压口与气源连接并向所述舱室通入加压气体；所述第一注液口与供水装置连接并向所述舱室注入润湿所述含固态燃料的液体。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二燃烧部和第一燃烧部之间设置有冷却部，所述冷却部与所述第一燃烧部连接，并且至少部分位于所述第一燃烧部的朝向所述第二燃烧部的一侧。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，所述冷却部在周向上完全包围所述第一燃烧部，或者所述冷却部在周向上包围所述第一燃烧部的一半；并且所述冷却部中具有冷却通道，所述冷却通道内设置有气态或液态冷却介质，和/或所述冷却通道设置为有气态或液态冷却介质流过。

8.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二燃烧部还包括：

第二注液口，伸入到所述烟气板下方且与供水装置连接，并向所述第二燃烧部的燃烧区注入液体；和/或，

第三注液口，临近输入口设置且与供水装置连接，并注入润湿所述含固态燃料的液体。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于，当所述第二燃烧部包括所述第二注液口时，所述第二注液口的数量为多个，多个所述第二注液口环绕所述第二燃烧部的燃烧区排布，通过所述第二注液口注入的液体为饱和水。

10.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二燃烧部内设置有加热装置，所述加热装置临近所述第二燃烧部的输入口设置，和/或，环绕所述第二燃烧部的燃烧区排布。

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