CN115075946A - 一种双燃烧部燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双燃烧部燃气轮机，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，燃烧室为单筒燃烧室，燃烧室位于转轴一侧设置，第一气室和第二气室轴向上并列设置并环绕第一燃烧部，第一气室具有与压气机的出气端连接的压力气进气口，第二气室具有烟气进气口，燃烧室进气口与燃烧室排气口同向设置；燃气轮机还包括具有含固态燃料燃烧腔的第二燃烧部，以及容纳含固态燃料的料仓。本发明公开的燃气轮机，在不改变现有燃气轮机结构的基础上，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。

Description

一种双燃烧部燃气轮机

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种双燃烧部燃气轮机。

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双燃烧部燃气轮机，在不改变现有燃气轮机结构 的基础上，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。

本发明实施例提供一种双燃烧部燃气轮机，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，燃烧室为单筒燃烧室，燃烧室位于转轴一侧设 置，第一气室和第二气室轴向上并列设置并环绕第一燃烧部，第一气室具有 与压气机的出气端连接的压力气进气口，第二气室具有烟气进气口，燃烧室 进气口与燃烧室排气口同向设置；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；燃气轮机 还包括容纳含固态燃料的料仓，第二燃烧部与料仓连接。

根据本发明实施例的一个方面，燃烧室包括第一壳体、第二壳体和第二 隔板，第二壳体围绕形成单筒状的第一燃烧部并于轴向一端具有对应燃烧室 排气口的开口；第一壳体至少部分包围第二壳体并与其共同限定腔体，该腔 体由两个以上第二隔板分隔成沿轴向排布的第一气室和第二气室；第二壳体 具有连通气室与第一燃烧部的通孔以及连通第二气室与第一燃烧部的通孔。

根据本发明实施例的一个方面，第二气室内具有连通两侧第一气室的气 体通道。

根据本发明实施例的一个方面，第二气室的数量为多个且沿轴向排布， 不同第二气室接收来自于不同第二燃烧部的烟气。

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，以及 由外壳围绕限定并至少由第一隔板分隔的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上的多个烟气板连通孔连通。

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，输入口连接 料仓，排气端连接第二气室。

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，料仓包括舱室、进料口和输送装置，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。

根据本发明实施例的一个方面，料仓还包括：加压口，与气源连接并向 舱室通入加压气体；和/或，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，燃气轮机还包括燃料罐，第一燃烧部设 置有喷嘴，喷嘴与燃料罐连接。

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，进而保证以固态燃料作为能源的 燃气轮机的工作效果；并且由于第一气室和第二气室将第一燃烧部包围在内 侧，能够尽量防止第一燃烧部的温度径向向外散逸，既节约能源，又可降低 燃烧室的隔热要求，节约成本。

附图说明

图1示出根据本发明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。

图3示出图2中烟气板的结构示意图。

图4示出根据本发明的单筒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中第二燃烧部的结构示意图

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，如图1所示，本发明提供一种双燃烧部燃气轮机，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)。

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。

如图2所示，第二燃烧部500包括外壳503和第一隔板504，以及由外 壳503围绕限定并至少由第一隔板504分隔的含固态燃料燃烧腔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。

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500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。由于采用 了燃烧含固态燃料的第二燃烧部500，可以相应减少气态燃料和/或液态燃料 的用量，并且可以监控第二燃烧部500中的燃烧情况来动态调整喷嘴490喷 出的燃料量。燃气轮机的启动阶段可以先通过喷嘴490喷出足够的燃料量以 使燃气轮机进入稳定运行阶段，再点燃第二燃烧部500同时逐渐减少喷嘴 490喷出的燃料量，从而实现对固态燃料的利用。燃气轮机的停机阶段可以 通过先熄灭第二燃烧部500中的燃烧，同时增加喷嘴490喷出的燃料量，以 保证燃气轮机稳定运行，再逐渐减少喷嘴490喷出的燃料量，从而实现燃气 轮机平稳停机。

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。

如图4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的排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4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。

如图5所示，燃气轮机还包括容纳含固态燃料的料仓600，第二燃烧部 500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 是可密封的具有一定压力的贮存仓。

具体地，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500的输入口501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500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。

在一些可选的实施方式中，如图6和7所示，第二燃烧部500还包括第 二注液口541和第三注液口542。其中，第二注液口541伸入到烟气板530 下方且与供水装置连接，并向第二燃烧部500的燃烧区注入液体。第三注液 口542临近输入口501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541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500 中的火焰，实现停机目的。

具体地，第二注液口541的数量为多个，多个第二注液口541环绕第二 燃烧部500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，通过第二注液口541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541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)

1.一种双燃烧部燃气轮机，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，所述燃烧室为单筒燃烧室，所述燃烧室位于所述转轴一侧设置，所述第一气室和所述第二气室轴向上并列设置并环绕所述第一燃烧部，所述第一气室具有与所述压气机的出气端连接的压力气进气口，所述第二气室具有烟气进气口，所述燃烧室进气口与所述燃烧室排气口同向设置；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并且所述第二燃烧部的排气端与所述第二气室连通；所述燃气轮机还包括容纳含固态燃料的料仓，所述第二燃烧部与所述料仓连接。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室包括第一壳体、第二壳体和第二隔板，所述第二壳体围绕形成单筒状的所述第一燃烧部并于轴向一端具有对应所述燃烧室排气口的开口；所述第一壳体至少部分包围所述第二壳体并与其共同限定腔体，该腔体由两个以上第二隔板分隔成沿轴向排布的所述第一气室和所述第二气室；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以及连通所述第二气室与所述第一燃烧部的通孔。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二气室内具有连通两侧所述第一气室的气体通道。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二气室的数量为多个且沿轴向排布，不同所述第二气室接收来自于不同所述第二燃烧部的烟气。

5.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，以及由所述外壳围绕限定并至少由所述第一隔板分隔的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上的多个烟气板连通孔连通。

6.根据权利要求5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，输入口连接料仓，排气端连接第二气室。

7.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。

8.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、进料口和输送装置，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。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于，所述料仓还包括：

加压口，与气源连接并向所述舱室通入加压气体；和/或，

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。

10.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机还包括燃料罐，所述第一燃烧部设置有喷嘴，所述喷嘴与所述燃料罐连接。

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