CN106895439B - 一种高效低污染核心机 - Google Patents

一种高效低污染核心机 Download PDF

Info

Publication number
CN106895439B
CN106895439B CN201710095149.6A CN201710095149A CN106895439B CN 106895439 B CN106895439 B CN 106895439B CN 201710095149 A CN201710095149 A CN 201710095149A CN 106895439 B CN106895439 B CN 106895439B
Authority
CN
China
Prior art keywords
air
rotor
gas
outlet
wave rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710095149.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106895439A (zh
Inventor
产世宁
邢菲
张凯丽
胡好生
罗灿
蔡江千
阮灿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN201710095149.6A priority Critical patent/CN106895439B/zh
Publication of CN106895439A publication Critical patent/CN106895439A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106895439B publication Critical patent/CN106895439B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Abstract

一种高效低污染核心机，涉及燃气轮机。设有波转子、管道、燃料进口和无焰燃烧室；波转子包括一个转子、进气端口盘和出气端口盘，进气端口盘和出气端口盘分别设于转子的两侧；转子上有一圈并联的气流通道，进气端口盘上设有波转子空气进口和回流烟气进口，出气端口盘上设有高温低氧混气出口和烟气出口；波转子空气进口、回流烟气进口、高温低氧混气出口和烟气出口作为气体工质的进出口；转子与进气端口盘和出气端口盘的相对旋转使得转子通道进出口周期性地打开、关闭；管道连接波转子与无焰燃烧室构成流道，使得进入管道的回流烟气与空气混合，形成高温低氧混气；所述燃料进口设在管道或/和无焰燃烧室上。

Description

一种高效低污染核心机
技术领域
本发明涉及燃气轮机，尤其是涉及一种高效低污染核心机。
背景技术
燃气轮机作为现代制造业的“动力之源”随技术发展需要不断优化，催生了一种新型的波转子技术。波转子可替代燃气轮机中原有的高压压气机、高压涡轮和轴，并具有降低耗油率、提高单位功率、提高热效率和减重等优点，且不需要对原有燃气轮机做重大改动，对未来燃气轮机的发展指明了一条新型道路。波转子操作中要求空气与燃烧产物完全分离，但实际操作中不可避免会存在掺混，降低了波转子的工作效率。
随着世界各国对环境的不断重视，工业排放的要求也越来越高，这就要求研究新型的低污染燃烧方式，因此出现了“无焰燃烧”的概念。无焰燃烧最直观的特点是燃烧过程没有明显火焰面，燃烧空间弥散到更大的范围内，整个空间内温度分布均匀且污染物排放低。但实现无焰燃烧的条件相对苛刻，基本条件是高温低氧，这对燃烧室结构设计和在燃气轮机的操作范围稳定燃烧提出了巨大挑战，如何实现高温低氧混气组织稳定燃烧是个难题。
美国专利US2399394A提出一种波转子压力交换器。该专利提出了波转子的机械特征——转静子的定性结构、原理——激波(或压缩波)与膨胀波完成增压、膨胀；提及两股工质；但未提及波转子的烟气回流现象，也未提及回流烟气对无焰燃烧的任何贡献。
美国专利US2461186A提出一种将波转子组装到燃气轮机的方式。该专利提出波转子与低压压气机、低压涡轮、燃烧室的工作配合关系；但未提及波转子的烟气回流现象，也未提及回流烟气对无焰燃烧的任何贡献。
中国专利CN1031422C提出一种气波增压器，即汽车发动机领域对“波转子”概念的另一种名称。该专利提出了一种主要尺寸值固定的气波增压器结构；但未提及波转子在燃气轮机中的任何组装方式或功能。
中国专利CN101625130A提出一种无焰燃烧组织结构。该燃烧室利用燃烧室内部机械的回流结构形成大量的回流烟气，与空气掺混达到提高空气温度并稀释空气的目的。但物理的回流结构相对复杂且回流烟气与空气掺混过程不易控制，不利于形成稳定的无焰燃烧。
发明内容
本发明的目的在于提供可有效缩小传统燃气轮机的核心机体积，提高工作效率，组织稳定燃烧且降低氮氧化物等污染物排放的一种高效低污染核心机。
本发明设有波转子、管道、燃料进口和无焰燃烧室；所述波转子包括一个转子、进气端口盘和出气端口盘，进气端口盘和出气端口盘分别设于转子的两侧；所述转子上有一圈并联的气流通道，所述进气端口盘上设有波转子空气进口和回流烟气进口，所述出气端口盘上设有高温低氧混气出口和烟气出口；所述波转子空气进口、回流烟气进口、高温低氧混气出口和烟气出口作为气体工质的进出口；转子与进气端口盘和出气端口盘的相对旋转使得转子通道进出口周期性地打开、关闭，从而触发适当的非定常激波(或压缩波)、膨胀波，实现波转子的增压、膨胀功能；所述管道连接波转子与无焰燃烧室构成流道，使得进入管道的回流烟气与空气混合，形成高温低氧混气；所述燃料进口设在管道或/和无焰燃烧室上。
所述无焰燃烧室可采用传统的单筒燃烧室，不需要为形成无焰燃烧而增加机械结构；实现无焰燃烧，使得燃烧产物温度更均匀，燃烧性能优化，且降低氮氧化物等污染排放。
所述波转子空气进口角度可为78±5°，高温低氧混气出口角度可为77±5°，回流烟气进口角度可为67±5°，烟气出口角度可为58±5°；波转子空气进口与回流烟气进口中心位置相距可为163°±5°，高温低氧混气出口与烟气出口中心位置相距可为133±5°。
本发明在进入稳定工作状态时，空气进入波转子增压，利用波转子并列通道中非定常的内部流动，自发地冷却波转子，既可以提高单位功率，又可以提高热效率。调整波转子的工作状态可以有效地控制烟气与空气的混合比例，再经管道充分混合形成高温低氧气体。随后，该高温低氧气体在燃烧室自燃，实现稳定的无焰燃烧，不需要持续点火。燃烧后低排放的气体又通过管道回流进入波转子膨胀并压缩波转子内的空气，最后温度和压力降低后的气体进入涡轮继续膨胀做功，作为燃气发生器，实现燃气轮机核心机的功能。
本发明可以有效结合波转子与无焰燃烧的优点，提高燃气轮机核心机的性能；采用波转子部件，利用波转子自发冷却壁面的特性承受更高的循环最高温度，突破常规燃气轮机的涡轮进口温度限制，提高循环最高温度进而提高燃气轮机功率与效率；采用无焰燃烧技术，组织稳定高效燃烧，降低燃气轮机污染物排放；将波转子与无焰燃烧结合起来，发挥两项新技术的互补作用，在兼顾性能与环保特性的同时缩小核心机体积，提高燃气轮机的工作效率。
与传统燃气轮机核心机相比，本发明的优点是：
同时具有波转子增压、膨胀功能与无焰燃烧功能。波转子对工质的增压、膨胀在同一个部件内完成，结构紧凑，而且可以自发冷却壁面，提高循环最高温度进而提高燃气轮机性能；无焰燃烧呈现分布式，提高燃烧性能，尤其是降低氮氧化物等污染物排放。
与美国专利US2461186A相比，本发明的结构简洁，部件数量更少，各部件结构复杂性更低，又能实现更丰富的功能。
与其他类型的无焰燃烧室、常规压气机、涡轮组成的核心机相比，本发明的优点是：
(1)烟气回流由波转子在燃烧室外部实现，比燃烧室内部回流更稳定，并且可以在波转子、管道内充分掺混，更有利于无焰燃烧。
(2)回流烟气与空气的掺混量可以由波转子独立控制，此控制操作不影响燃烧室的其他工作条件，可以在保持燃烧室宽工作范围的前提下，实现稳定无焰燃烧。
(3)燃烧室不需要为烟气提供回流的空间，因此燃烧室体积可以缩小，相应地热强度也可以提高；而波转子本身就具有结构紧凑的特点，体积小于常规压气机涡轮与轴的总和；所以，整个核心机的体积小，结构紧凑。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的波转子进气端口与排气端口示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行说明，即此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和2所示，本发明实施例设有波转子1、管道2、燃料进口3和无焰燃烧室4；所述波转子1包括一个转子11、进气端口盘12和出气端口盘13，进气端口盘12和出气端口盘13分别设于转子11的两侧；所述转子11上有一圈并联的气流通道，所述进气端口盘12上设有波转子空气进口121和回流烟气进口122，所述出气端口盘13上设有高温低氧混气出口131和烟气出口132；所述波转子空气进口121、回流烟气进口122、高温低氧混气出口131和烟气出口132作为气体工质的进出口；转子11与进气端口盘12和出气端口盘13的相对旋转使得转子通道进出口周期性地打开、关闭，从而触发适当的非定常激波(或压缩波)、膨胀波，实现波转子的增压、膨胀功能；所述管道2连接波转子1与无焰燃烧室4构成流道，使得进入管道2的回流烟气与空气混合，形成高温低氧混气；所述燃料进口3设在管道2或/和无焰燃烧室4上。
所述无焰燃烧室可采用传统的单筒燃烧室，不需要为形成无焰燃烧而增加机械结构；实现无焰燃烧，使得燃烧产物温度更均匀，燃烧性能优化，且降低氮氧化物等污染排放。
本发明工作中，存在两股气体工质，一股从波转子空气进口121进入波转子1，被激波(或压缩波)增压，最后从高温低氧混气出口131流出波转子1，经过管道2流入无焰燃烧室4后进行无焰燃烧；第二股来自无焰燃烧室4产生的烟气，从回流烟气进口122进入波转子1之后被膨胀波膨胀，最后从烟气出口132流出波转子1；两股气体工质流经波转子1时，各有一部分相互混入对方，其中烟气混入空气的过程称为烟气回流，发生烟气回流的那一部分烟气称为回流烟气。
本发明中的波转子端口角度分别为：所述波转子空气进口121角度可为78±5°，高温低氧混气出口131角度可为77±5°，回流烟气进口122角度可为67±5°，烟气出口132角度可为58±5°；波转子空气进口121与回流烟气进口122中心位置相距可为163°±5°，高温低氧混气出口131与烟气出口132中心位置相距可为133±5°。经过计算，按照上述参数设计的波转子在设计工作状态下，可以有效地控制烟气与空气的混合比例，再经管道充分混合形成高温低氧气体。
本发明可通过商用软件Chemkin对燃烧进行燃烧模拟，经过计算，在无焰燃烧室进口为高温低氧进气时，NOx的排放均在10ppm以下，低于传统燃烧形式。
综上所述，本发明可高效实现传统燃气轮机核心机功能，可有效缩小燃气轮机体积，提高工作效率与功率，组织稳定无焰燃烧，降低污染物排放。

Claims (2)

1.一种高效低污染核心机，其特征在于设有波转子、管道、燃料进口和无焰燃烧室；所述波转子包括一个转子、进气端口盘和出气端口盘，进气端口盘和出气端口盘分别设于转子的两侧；所述转子上有一圈并联的气流通道，所述进气端口盘上设有波转子空气进口和回流烟气进口，所述出气端口盘上设有高温低氧混气出口和烟气出口；所述波转子空气进口、回流烟气进口、高温低氧混气出口和烟气出口作为气体工质的进出口；所述波转子空气进口角度为78±5°；所述高温低氧混气出口角度为77±5°；所述回流烟气进口角度为67±5°；所述烟气出口角度为58±5°；所述波转子空气进口与回流烟气进口中心位置相距为163±5°；所述高温低氧混气出口与烟气出口中心位置相距为133±5°；所述管道连接波转子与无焰燃烧室构成流道，从无焰燃烧室 流入的回流烟气通过管道进入波转子与空气混合形成高温低氧混气，所述高温低氧混气通过管道流入无焰燃烧室；所述燃料进口设在管道或/和无焰燃烧室上。
2.如权利要求1所述一种高效低污染核心机，其特征在于所述无焰燃烧室为单筒燃烧室。
CN201710095149.6A 2017-02-22 2017-02-22 一种高效低污染核心机 Active CN106895439B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710095149.6A CN106895439B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 一种高效低污染核心机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710095149.6A CN106895439B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 一种高效低污染核心机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106895439A CN106895439A (zh) 2017-06-27
CN106895439B true CN106895439B (zh) 2019-03-22

Family

ID=59184529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710095149.6A Active CN106895439B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 一种高效低污染核心机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106895439B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113756876B (zh) * 2021-09-29 2024-04-12 北京航空航天大学宁波创新研究院 一种新型气动自旋波转子结构
CN114576005A (zh) * 2022-02-28 2022-06-03 北京航空航天大学宁波创新研究院 一种基于波转子的核心机

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2461186A (en) * 1942-02-20 1949-02-08 Bbc Brown Boveri & Cie Gas turbine installation
CN102156049A (zh) * 2011-03-16 2011-08-17 北京工业大学 气波转子开发研究的测试装置
CN202510225U (zh) * 2012-03-31 2012-10-31 郑鲁生 具有波转子顶层回热循环的微型燃气轮机发电系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2461186A (en) * 1942-02-20 1949-02-08 Bbc Brown Boveri & Cie Gas turbine installation
CN102156049A (zh) * 2011-03-16 2011-08-17 北京工业大学 气波转子开发研究的测试装置
CN202510225U (zh) * 2012-03-31 2012-10-31 郑鲁生 具有波转子顶层回热循环的微型燃气轮机发电系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
四端口通流波转子的波系分析;产世宁;《航空动力学报》;20130228;第411-412页 *
燃气轮机无焰燃烧技术的研究进展;毛艳辉;《热能动力工程》;20110930;第501页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106895439A (zh) 2017-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6324846B1 (en) Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine
CN105723065B (zh) 不对称双涡流蜗壳
Chadwell et al. Boosting simulation of high efficiency alternative combustion mode engines
US11015553B2 (en) Exhaust gas recirculation and control with twin scroll turbines
JP2013044331A (ja) Ｅｇｒベンチュリディーゼル噴射
CN106895439B (zh) 一种高效低污染核心机
CN110067637A (zh) 燃气发动机预燃组件、含该组件的气缸及气缸的供气系统
CN101839166A (zh) 侧卷流燃烧室
JP2011149329A (ja) 舶用内燃機関
CN208816234U (zh) 发动机
CN105937462A (zh) 直喷涡流活塞顶部燃烧室
CN109973222A (zh) 一种有效降噪的脉动喷气发动机
CN106640360B (zh) 一种转子发动机旋涡燃烧室
CN109945183B (zh) 一种具有内部自循环功能的分级旋流燃烧器
CN110425531A (zh) 一种多燃烧面水冷预混燃气燃烧器及其燃烧方法
EP3980693B1 (en) Method of controlling deflagration combustion process in pistonless combustor
FI129140B (en) Combustion chamber without piston
FI129141B (en) A method for controlling a deflagration combustion process in a piston-free combustion chamber
CN203809141U (zh) 一种小型汽油发动机新型汽缸头
CN114060141B (zh) 一种柴油机两级串联脉冲联合增压装置及其控制方法
ES2657082B2 (es) Equipo de recuperacion de energia de gases procedentes de la combustion
CN107313859B (zh) 一种基于组合式燃烧室的发电燃气轮机
CN102410622B (zh) 一种家用脉动燃烧热水器
CN209726175U (zh) 一种燃油燃烧机稳焰盘
US6647709B2 (en) Turbo shaft engine with acoustical compression flow amplifying ramjet

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Chan Shining

Inventor after: Xing Fei

Inventor after: Zhang Kaili

Inventor after: Hu Haosheng

Inventor after: Luo Can

Inventor after: Cai Jiangqian

Inventor after: Ruan Can

Inventor before: Chan Shining

Inventor before: Xing Fei

Inventor before: Zhang Kaili

Inventor before: Luo Can

Inventor before: Cai Jiangqian

Inventor before: Ruan Can

SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant