CN115075945A - 一种利用固态燃料的燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用固态燃料的燃气轮机，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，燃烧室包括第一燃烧部、第一气室和第二气室，第一气室和第二气室至少部分围绕第一燃烧部设置并且分别与第一燃烧部连通，压气机的出气端与第一气室连通；燃气轮机还包括第二燃烧部，第二燃烧部具有含固态燃料燃烧腔并且第二燃烧部的排气端与第二气室连通；燃烧室还包括排渣部，排渣部位于含固态燃料燃烧腔的背向烟腔一侧并与含固态燃料燃烧腔连接。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，同时保证燃气轮机运行的高效。
Description
技术领域
本发明属于热机领域，具体涉及一种利用固态燃料的燃气轮机。
背景技术
现有的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
本发明实施例提供一种利用固态燃料的燃气轮机，能够直接利用固态燃料来运行工作，以降低运行成本，同时保证燃气轮机运行的高效。
本发明实施例提供一种利用固态燃料的燃气轮机，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，燃烧室包括第一燃烧部、第一气室和第二气室，第一气室和第二气室至少部分围绕第一燃烧部设置并且分别与第一燃烧部连通，压气机的出气端与第一气室连通，燃气轮机还包括第二燃烧部，第二燃烧部具有含固态燃料燃烧腔和烟腔，并且第二燃烧部的排气端与第二气室连通；第二燃烧部还包括排渣部，排渣部位于含固态燃料燃烧腔的背向烟腔一侧并与含固态燃料燃烧腔连接。
根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部包括外壳和第一隔板，由外壳围绕限定并至少由第一隔板分隔形成含固态燃料燃烧腔和烟腔，烟腔位于含固态燃料燃烧腔上方；第二燃烧部还包括设置于隔板的烟气板，含固态燃料燃烧腔和烟腔通过烟气板连通。
根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部还具有输入口和排气端，其中输入口设置于含固态燃料燃烧腔上，而排气端设置于烟腔上。
根据本发明实施例的一个方面，烟气板包括连通含固态燃料燃烧腔和烟腔的多个烟气板连通孔，烟气板连通孔的孔径为0.1mm至100mm。
根据本发明实施例的一个方面，排渣部包括容渣室、排渣口、排渣门和作动机构，容渣室与含固态燃料燃烧腔连通；排渣口位于容渣室的背向含固态燃料燃烧腔一侧；排渣门气密地且可滑动地连接至容渣室内壁；作动机构与排渣门连接并带动排渣门在容渣室内移动。
根据本发明实施例的一个方面，排渣门可移出排渣口，排渣部还包括清渣装置以清理位于排渣门上的灰渣。
根据本发明实施例的一个方面，至少部分排渣门倾斜设置。
根据本发明实施例的一个方面，第二燃烧部还包括清洗口，清洗口位于烟腔的背向含固态燃料燃烧腔一侧并与烟腔连通。
根据本发明实施例的一个方面，烟气板设置为可移动或可翻转。
根据本发明实施例的一个方面，燃气轮机还包括加热装置，加热装置位于第二燃烧部内，临近第二燃烧部的输入口设置。
根据本发明实施例的利用固态燃料的燃气轮机，通过设置有包括第一燃烧部、第二燃烧部和气室的燃烧室，第二燃烧部具有含固态燃料燃烧腔，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。并且，气室分为第一气室和第二气室，第一气室和第二气室至少部分围绕第一燃烧部设置并且分别与第一燃烧部连通，压气机的出气端与第一气室连通，第二燃烧部的排气端与第二气室连通，如此设置使得第二燃烧部中含固态燃料燃烧产生的高温烟气进入第二气室中并通过第二气室更均匀地进入到第一燃烧部中进行二次燃烧，这样能够保证第一燃烧部的燃烧稳定并提高固态燃料的利用率，同时排渣部的设置可以提高固态燃料的供给效率。
附图说明
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中第二燃烧部的结构示意图，此时排渣门处于第一位置。
图3示出图2中烟气板的结构示意图。
图4示出排渣门处于第二位置的结构示意图。
图5示出排渣门处于第三位置的结构示意图。
图6示出根据本发明第二燃烧部的另一个实施例的结构示意图。
图7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8示出图7中第二燃烧部的一个实施例的结构示意图。
图9示出根据本发明的环形燃烧室的结构示意图。
图10示出根据本发明的环形燃烧室的另一实施例的结构示意图。
图11示出图10中环形燃烧室的剖面图。
图12示出根据本发明的单筒燃烧室的结构示意图。
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。
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，如图1所示，本发明提供一种利用固态燃料的燃气轮机，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。
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。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、第一气室410和第二气室430。第一气室410和第二气室430至少部分围绕第一燃烧部420设置，即第一气室410和第二气室430可以周向上完全环绕第一燃烧部420，或者第一气室410和第二气室430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。第一气室410和第二气室430分别与第一燃烧部420连通，例如第一气室410与第一燃烧部420之间通过气孔导通。压气机200的出气端与第一气室410连通，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)。燃气轮机还包括第二燃烧部500并且第二燃烧部500的排气端与第二气室430连通，第二燃烧部500具有含固态燃料燃烧腔，含固态燃料燃烧腔内可以容纳含固态燃料。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500中可以是完全燃烧、部分燃烧、反应制气(可燃气体，例如一氧化碳和/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。本文优选为第二燃烧部500中至少部分反应制气，制得的可燃气体进入第一燃烧部420中进行二次燃烧。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500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)。
第二燃烧部500还包括排渣部570，排渣部570位于第二燃烧部500的含固态燃料燃烧腔下部。
进一步地，第二气室430可与第一燃烧部420的主燃区连通。即第二燃烧部500产生的烟气进入第一燃烧部420的主燃区中，这样既能够为主燃区提供燃料，又能够尽量通过主燃区的更高温度对第二燃烧部500产生的烟气进行燃尽，以尽量去除烟气中的灰烬。
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可以储存有气态燃料和/或液态燃料，并向第一燃烧部420供给。
如图2所示，第二燃烧部500包括外壳503和第一隔板504，由外壳503围绕限定并至少由第一隔板504分隔形成含固态燃料燃烧腔510和烟腔520。外壳503为相对于含固态燃料燃烧腔510和烟腔520的壳体，外壳503外侧还可以具有其他壳体以起到诸如保护的作用。第二燃烧部500还具有输入口501和排气端502，其中输入口501设置于含固态燃料燃烧腔510上，而排气端502设置于烟腔520上。外壳503和第一隔板504可以是一体成型，也可是单独制造并通过连接件或焊接等方式连接一起。外壳503和第一隔板504可以是钢，也可以是镍或镍合金等耐高温材料。烟腔520位于含固态燃料燃烧腔510上方，含固态燃料燃烧腔510中容纳的含固态燃料燃烧生成烟气向上进入到烟腔520内。含固态燃料燃烧腔510还可以具有引气口，以引入适当的助燃气(例如空气)。
进一步地，第二燃烧部500还包括设置于隔板504的烟气板530，含固态燃料燃烧腔510和烟腔520通过烟气板530连通。烟气板530可控制含固态燃料燃烧腔510的火焰高度，使高度火焰更均匀并避免火焰向上窜起。如图3所示，烟气板530包括连通含固态燃料燃烧腔510和烟腔520的多个烟气板连通孔。图3示出了矩形的烟气板530，然而烟气板530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530的材料可以是镍或镍合金，例如烟气板530可以是镍网。烟气板530为高目数孔板，以尽量阻隔燃烧灰尘进入到第二气室430中，并使反应气进入到第二气室430中。例如，烟气板连通孔的孔径为0.1mm至100mm。
进一步地，第二燃烧部500还包括排渣部570，排渣部570位于含固态燃料燃烧腔510的背向烟腔520一侧并与含固态燃料燃烧腔510连接。具体地，排渣部570包括容渣室571、排渣口572、排渣门573和作动机构574。容渣室571与含固态燃料燃烧腔510连通。排渣口572位于容渣室571的背向含固态燃料燃烧腔510一侧。排渣门573气密地且可滑动地连接至容渣室571内壁。作动机构574与排渣门573连接并带动排渣门573在容渣室571内移动。作动机构574可以是螺杆传动杆、气压杆、液压杆等直线移动机构。
如图4所示，随着燃气轮机的运行，第二燃烧部500内的积灰会增加，可以使排渣门573在容渣室571内气密地背向烟气板530移动，以增加容纳积灰的空间，避免积灰影响燃烧。
进一步地，如图5所示，排渣门573可移出排渣口572，排渣部570还包括清渣装置575以清理位于排渣门573上的灰渣。清渣装置575可以包括作动机构和位于作动机构一端的清扫装置，以横向清理排渣门573上的积灰。
进一步地，至少部分排渣门573倾斜设置。这样能够便于积灰沿倾斜面落下。
如图6所示，第二燃烧部500还包括清洗口576，清洗口576位于烟腔520的背向含固态燃料燃烧腔510一侧并与烟腔520连通。有选地，清洗口576位于第二燃烧部500顶端。清洗口576具有可开闭的气密门。当第二燃烧部500工作时，清洗口576的气密门关闭并气封。当第二燃烧部500需要清理时，清洗口576的气密门打开并可通入清洗流体，以冲刷第二燃烧部500内的积灰等杂物。清洗流体可以是气体(例如压力气)或液体(例如水)。清洗流体中可以掺混有固体颗粒物(例如用于魔力流的流体)以增加清洗效果。清洗流体冲刷后可经由排渣门573排出。
进一步地，烟气板530设置为可移动或可翻转。在第二燃烧部500清洗时，烟气板530移开(翻转)，以便于积灰和液体从中漏下。
在一些可选的实施方式中，如图7所示，燃气轮机还包括加热装置550，加热装置550位于第二燃烧部500内。加热装置550用于引燃第二燃烧部500中的含固态燃料或辅助引燃含固态燃料。
进一步地，如图8所示，加热装置550临近第二燃烧部500的输入口501设置。
进一步地，加热装置550的数量为多个，多个加热装置550环绕第二燃烧部500的燃烧区排布。
在一些可选的实施方式中，如图9所示，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，第一气室410和第二气室430轴向上并列设置并环绕第一燃烧部420，第一气室410具有与压气机200的出气端连接的压力气进气口413，第二气室430具有与第二燃烧部500的出气端502连接的烟气进气口433，第一燃烧部420具有朝向涡轮300的燃烧室排气口422。
具体地，在一些实施例中，继续如图9所示，燃烧室400包括第一壳体411、第二壳体421、端板412和第二隔板431。第二壳体421围绕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并与其共同限定腔体，该腔体由第二隔板431分隔成沿轴向排布的第一气室410和第二气室430。第二壳体421具有连通第一气室410与第一燃烧部420以及连通第二气室430与第一燃烧部420的通孔。图9中以不同样式的箭头区别不同类型的气体(压气机压力气和烟气等)。
进一步地，在另一些实施例中，如图10和图11所示，燃烧室400还包括第三隔板432和第四隔板434。第二隔板431、第三隔板432和第四隔板434将第一壳体411、端板412和第二壳体421限定的腔体分隔成彼此连通的多个子腔体。第二壳体421的临近转轴100的部分具有引入压气机200排气的通孔，使得进入到第一气室410的压气机200排气能够到达临近转轴100一侧，以对第二壳体421全方位冷却，并能够冷却临近转轴100的第一壳体411，以提高燃烧室400整体冷却效果，提高材料使用寿命。图10和图11中以不同样式的箭头区别不同类型的气体(压气机压力气和烟气等)。
进一步地，上述彼此连通的多个子腔体可以沿轴向均匀排布，以提高进气效果。子腔体的截面形状和连通形式不限于图11所示形式。
在一些可选的实施方式中，如图12所示，燃烧室400为单筒燃烧室，燃烧室400位于转轴100一侧设置，第一气室410和第二气室430轴向上并列设置并环绕第一燃烧部420，第一气室410具有与压气机200的出气端连接的压力气进气口413，第二气室430具有与第二燃烧部500的出气端连接的烟气进气口433，燃烧室进气口413与燃烧室排气口422同向设置。
具体地，燃烧室400包括第一壳体411、第二壳体421和第二隔板431，第二壳体421围绕形成单筒状的第一燃烧部420并于轴向一端具有对应燃烧室排气口422的开口。第一壳体411至少部分包围第二壳体421并与其共同限定腔体，该腔体由两个以上第二隔板431分隔成沿轴向排布的第一气室410和第二气室430。第二壳体421具有连通气室410与第一燃烧部420的通孔以及连通第二气室430与第一燃烧部420的通孔。图12中以不同样式的箭头区别不同类型的气体(压气机压力气和烟气等)。
进一步地，第二气室430内具有连通两侧第一气室410的气体通道。使得进入到第一气室410的压气机200排气能够到达喷嘴490位置并通过旋流器与喷嘴490喷出的燃料混合燃烧。
进一步地，第二气室430的数量为多个且沿轴向排布，不同第二气室430接收来自于不同第二燃烧部500的烟气。这样，不同第二燃烧部500可以燃烧不同的燃料，以对多样燃料进行同步利用。并且，可以将单个较大第二燃烧部500分成多个较小的第二燃烧部500，可以对不同的第二燃烧部500进行更精细地控制，实现燃气轮机输出功率的调节和冗余保护。
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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。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)
1.一种利用固态燃料的燃气轮机，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，所述燃烧室包括第一燃烧部、第一气室和第二气室，所述第一气室和所述第二气室至少部分围绕所述第一燃烧部设置并且分别与所述第一燃烧部连通，所述压气机的出气端与所述第一气室连通，所述燃气轮机还包括第二燃烧部，所述第二燃烧部具有含固态燃料燃烧腔和烟腔，并且所述第二燃烧部的排气端与所述第二气室连通；所述第二燃烧部还包括排渣部，所述排渣部位于所述含固态燃料燃烧腔的背向所述烟腔一侧并与所述含固态燃料燃烧腔连接。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二燃烧部包括外壳和第一隔板，由所述外壳围绕限定并至少由所述第一隔板分隔形成含固态燃料燃烧腔和烟腔，所述烟腔位于所述含固态燃料燃烧腔上方；所述第二燃烧部还包括设置于所述隔板的烟气板，所述含固态燃料燃烧腔和所述烟腔通过所述烟气板连通。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，第二燃烧部还具有输入口和排气端，其中输入口设置于含固态燃料燃烧腔上，而排气端设置于烟腔上。
4.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述烟气板包括连通所述含固态燃料燃烧腔和所述烟腔的多个烟气板连通孔，所述烟气板连通孔的孔径为0.1mm至100mm。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述排渣部包括容渣室、排渣口、排渣门和作动机构，所述容渣室与所述含固态燃料燃烧腔连通；所述排渣口位于所述容渣室的背向所述含固态燃料燃烧腔一侧；所述排渣门气密地且可滑动地连接至所述容渣室内壁；所述作动机构与所述排渣门连接并带动所述排渣门在所述容渣室内移动。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于，所述排渣门可移出所述排渣口，所述排渣部还包括清渣装置以清理位于所述排渣门上的灰渣。
7.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于，至少部分所述排渣门倾斜设置。
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清洗口，所述清洗口位于所述烟腔的背向所述含固态燃料燃烧腔一侧并与所述烟腔连通。
9.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述烟气板设置为可移动或可翻转。
10.根据权利要求3所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机还包括加热装置，所述加热装置位于所述第二燃烧部内，临近所述第二燃烧部的输入口设置。
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