CN116097036A - 蒸汽发电机 - Google Patents

Abstract

一种可以是移动的或静止的蒸汽发电机。该蒸汽发电机包括燃烧室，该燃烧室的出口连接到旋风分离器部段；旋风分离器部段的出口通向水管蒸汽锅炉，该旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉之间的连接使得旋风分离器部段基本上将水管蒸汽锅炉与燃烧室中的火的辐射热隔离；结构外壳容纳燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉，并且被布置成如果容纳的部件在使用中失效则提供保护壳，并且还在使用中承受施加到发电机的任何结构负载。

Description

蒸汽发电机

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发电机。本发明的发电机特别设计成由固体燃料，特别是木材或类似的固体生物质燃料，例如甘蔗渣、坚果壳作燃料。然而，本发明的蒸汽发电机也可由固体化石燃料诸如煤或焦炭燃烧，或由液体或气体燃料燃烧，包括不纯的或污染的液体或气体燃料。

本发明的蒸汽发电机已经被设计成特别用作车辆(例如机车、拖拉机或卡车)的一部分，并且将特别参考该应用进行描述。然而，本发明的蒸汽发电机可以用于任何广泛的应用中，并且不限于车辆使用。

背景技术

现有技术的讨论并不意味着所讨论的现有技术是相关领域中的公知常识的一部分。

在蒸汽动力车辆中，燃料在燃烧室中燃烧，燃烧热用于将锅炉中的水温升高到100摄氏度以上以产生蒸汽。该蒸汽用于驱动一个或多个活塞；已知类型的连杆可用于将活塞的线性运动转换为车轮的旋转运动。可替代地，蒸汽可以用于以已知的方式驱动一个或多个涡轮机。

迄今为止，大多数机车被设计成燃烧煤、焦炭或油形式的化石燃料。这些燃料在燃烧时是高热的，并且倾向于以已知的热质量均匀且可靠地燃烧。另一个优点是焦炭和油燃料倾向于产生较少的火花，并且可以预清洁煤以降低火花的风险。火花对于沿铁路轨道引起火灾是众所周知的，并且生物质燃料被认为具有比化石燃料高得多的产生火花的风险。火花也代表燃料损失，在高蒸汽速率下将机车锅炉的效率降低多达50％。

一种已知的用于减少燃烧气体中的燃料颗粒(火花)携带的技术是将炉内气体引导到旋风分离器中，该旋风分离器可用作二次炉以燃烧燃料颗粒和/或用作收集器以聚集和收集燃料和灰烬颗粒。由于正是燃料颗粒引起火花，因此以该方式使用旋风分离器也将降低产生火花的风险。在美国专利2804854中公开了这种类型的布置，该布置涉及固定炉。

生物质燃料的另一个已知的缺点是它们在燃烧时倾向于产生较少的热量，因此需要更高的发动机效率来实现。然而，从环境角度来看，燃烧化石燃料是不期望的，并且化石燃料变得稀缺且更昂贵。因此，如果能够克服生物质燃料的已知缺点，则考虑到生物质燃料在用于给常规蒸汽锅炉提供燃料时与化石燃料相比容易获得、可快速更换并且便宜，它们作为燃料的建议将具备吸引力。

传统的蒸汽机车主要由火管型锅炉制成。

如本文所用，术语“火管锅炉”是指其中来自燃烧室的热燃烧气体穿过锅炉中的管的锅炉；管被包含在锅炉中的大量水包围，并且管中的热量将该大量水加热成蒸汽。水还通过在双壁燃烧室的水空间周围循环水而被加热；以下称为“湿”燃烧室。通常，约30％的锅炉蒸汽输出从湿燃烧室生成。

如本文所用，术语“水管锅炉”是指其中来自燃烧室的热燃烧气体经过包含在锅炉中的一个或多个管的外表面的锅炉；要被加热成蒸汽的水通过这些管循环，并且对流地进行热传递。典型地，水管锅炉的大多数设计还在“湿”燃烧室中辐射传热，该燃烧室由管构成，待加热成蒸汽的水在该管中循环。

火管锅炉与水管锅炉相比打造更昂贵，并且维护起来也昂贵得多。而且，由于火管锅炉包含大量的水，所以在工作周期开始时需要相当长的时间将该水从冷加热到蒸汽的工作压力。相反地，在工作周期结束时，大量的热水被留在锅炉中冷却，这代表了显著的能量浪费。该设计的另一个缺点是锅炉的大直径将锅炉内生成的最大压力限制在相对低的不能获得高的发动机效率的水平(通常约350磅每平方英寸)。实际上大的压力容器(即锅炉)的存在和其在使用时包含的水的高温也存在严重的安全风险。

尽管存在上述缺点，但是机车工程师通常认为，由火管锅炉提供的大量热水实际上对于处理负载的快速变化是必要的，该负载的快速变化是蒸汽驱动的车辆的特征。多年来，人们已经意识到，相对小体积的水管锅炉在蒸汽驱动的车辆中不能令人满意地运行。

在大多数机车设计中，诸如机车的热交换器部分(不管是水管还是火管)的压力系统部件形成机车的承载结构的基本部分。这意味着，除了由包含的流体的压力和来自加热部件的膨胀/收缩引起的热交换器上的应力之外，还存在由机车的运动引起的结构应力。这极大地增加了总应力，并且可以对系统故障做出显著贡献。

发明目的

本发明的一个目的是设计一种紧凑、重量轻的固体燃料蒸汽发电机，其可以燃烧固体燃料，包括生物质固体燃料，以安全和有效地生成蒸汽，同时减少有害的排放。

本发明的另一个目的是在传统机车型锅炉的一般形式和布局中实现这一点，从而本发明可用作直接替换。

本发明的另一个目的是设计一种固体燃料蒸汽发电机，其中锅炉外壳在功能上独立于压力系统部件，使得锅炉外壳可以是发电机的结构元件，而不对压力系统部件施加额外的应力。

发明内容

本发明提供一种蒸汽发电机，其包括：

·燃料可以在其中燃烧的燃烧室；

·旋风分离器部段，其连接到该燃烧室，使得进入该旋风分离器部段的入口与来自该燃烧室的出口连通；

·水管蒸汽锅炉，其连接到该旋风分离器部段的出口，使得来自该旋风分离器部段的气体进入该锅炉；

·旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉之间的连接使得旋风分离器部段在使用中基本上将水管蒸汽锅炉与燃烧室中的火的辐射热隔离；

·结构外壳，其适于用于容纳该燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉，该外壳被构造成如果该燃烧室、旋风分离器部段和水管锅炉中的任一者在使用中失效则提供保护壳；

·所述结构外壳还适于承受在使用中施加到蒸汽发电机的任何结构载荷，使得燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉在使用中不用作蒸汽发电机的结构构件。

优选地，旋风分离器部段是单个旋风分离器。然而，旋风分离器部段可以由多于一个的旋风分离器组成，其中旋风分离器串联或并联布置。水管蒸汽锅炉可以是单管锅炉或多管锅炉，优选是强制循环锅炉。

通过锅炉的燃烧气体流可以是径向的或轴向的或两者的某种组合，但优选是轴向流(即基本上平行于锅炉的长度)或与沿锅炉的长度的多个径向流组合的轴向流。

优选地，蒸汽发电机还包括连接到锅炉的蒸汽出口的蒸汽分离器。

同样优选地，从蒸汽分离器排出的水再循环回到锅炉中。从蒸汽分离器排出的水可以供给给水加热器。

优选地，蒸汽发电机还包括蒸汽过热器。

优选地，蒸汽发电机还包括由所述结构外壳的一端形成的烟箱，该烟箱布置成使得已经通过锅炉的气体进入烟箱，该烟箱设置有用于排出所述气体的烟道，并且设置有气流生成布置以产生通过烟道的气流。

优选地，该旋风分离器部段的旋风分离器或每个旋风分离器的入口部段包括由多个周边叶片围绕的实心中心部段，使得在使用中从该燃烧室出口流到该旋风分离器部段的气体必须穿过所述叶片；每个所述叶片与所述实心中心部段的平面成锐角。每个叶片的角度可以是可调节的。优选地，每个所述叶片与所述实心中心部段的平面成5°-80°范围内的角度，最优选地在20°-30°范围内。所述叶片的目的是在旋风分离器部段内生成旋风流。

优选地，结构外壳采取如附图所示的传统火管“机车锅炉”的形式。

附图说明

仅通过示例的方式，参考附图详细描述本发明的优选实施例，其中：-

图1是通过根据本发明的固体燃料蒸汽发电机的示意性垂直截面图；

图2是图1的线2.2上的截面；

图3是图1的线3.3上的截面；

图4是图1的简化版本，包括控制系统的示图；并且

图5是多管锅炉的示意性侧视图。

具体实施方式

参照附图，固体燃料蒸汽发电机10包括三个主要部分：燃烧室11、单个旋风分离器12形式的旋风分离器部段和锅炉13。这三个部段被描绘为是水平布置的，但这不是必须的：-它们可以被竖直地布置，即旋风分离器竖直地在燃烧室上方并且锅炉竖直地在旋风分离器上方。燃烧室11、旋风分离器部段12和锅炉13以及下文所述的辅助设备容纳在结构外壳10a内，该结构外壳10a容纳并保护这些部件，并用作蒸汽发电机的主要结构构件，以使容纳在外壳内的部件上的结构应力最小。燃烧室和/或旋风分离器可设置有冷却夹套(未示出)、水、空气或其他冷却介质通过该冷却夹套循环；所得的加热介质可用于预热燃烧空气或锅炉给水。

然而，加热的介质主要用于冷却燃烧室和/或旋风分离器，而不是用于产生蒸汽。该类型的布置被称为“干”燃烧室。

“干燥”燃烧室的使用意味着燃烧室中产生的基本上所有热量都可用于燃料燃烧：-几乎没有热量消散到燃烧室壁，以加热壁内的水，如在“湿”燃烧室中。这意味着燃料的燃烧保持在高温下直到燃烧反应完成，导致污染物的显著减少。

在“湿的”燃烧室中，充满水的燃烧室壁保持冷却，并因此倾向于使接触壁的燃烧气体骤冷。这导致挥发性有机化合物和烟灰夹带在燃烧室气体中。

由于采用了低容积强制循环热交换器(如下所述)，干燃烧室的使用是可能的，该热交换器提供了从燃烧气体到锅炉水的对流热的有效传递。

燃烧室11是由耐热材料(例如钢、不锈钢)制成的外壳，并且可以在内部和/或外部涂覆有耐高温耐火涂层。燃烧室装配有炉排14，待燃烧的燃料停留在该炉排14上。灰接收器15和排灰门16以已知的方式(图4中未示出)位于炉排下方。燃烧室11的横截面大致为矩形，但是与燃烧室出口17相邻的下壁11a相对于炉排14的平面以钝角倾斜，以提供气体从燃烧室到相邻旋风分离器12的平滑过渡，并避免在旋风分离器12的相邻部分过度加热。

次空气入口11b可以形成在下壁11a中，并且这也有助于减少旋风分离器12的相邻部分处的任何过度加热。

灰接收器15的横截面从炉排14向下到排灰门16逐渐变细。

燃烧室11在与旋风分离器12相对的燃烧室壁上设有门18；在使用中，燃料通过门18送入并落到炉排14上。门18在枢轴19处枢转，并且在打开时向内枢转到燃烧室中。当门18部分打开时，它引导二次燃烧空气流进入燃烧室。

门18可以是单个门或者可以是多个门。根据所使用的燃料供给系统的类型，门可以位于图1所示的位置或位于燃烧室11的顶部或侧面。另一种可能性是用机械加煤机作为下部进料供应燃料。

进入蒸汽发电机的气流用双向箭头标记：-当门18打开时，允许空气进入燃烧室，并且门18还可以形成有穿过它或围绕它的通风孔。空气允许空气通过围绕炉排14下侧的多个入口20(具有或不具有风门控制(未示出))。附图中所示的设计不提供燃烧空气的预热，但是可以设想，这可能是有利的，并且可以例如使用发动机排出蒸汽或其他废热源，或者通过围绕燃烧室的空气夹套来增加该特征。

燃烧室出口17形成旋风分离器12的入口部段。具体参照图2，出口17的横截面是圆形的，并具有由一系列周边成角度的叶片23围绕的实心中心22。叶片可以在内部冷却(未示出)。

每个叶片23与中心22的平面成锐角；以该方式使叶片倾斜使得燃烧气体(图1中的单头箭头所示)和离开燃烧室的夹带颗粒在进入旋风分离器12时形成涡流。每个叶片23可以与中心22的平面成5-80度范围内的角度，但20-30度范围内的角度是优选的。该角度可以是可调节的。叶片23可以以已知的方式弯曲和/或成形以改善空气动力学性能。

旋风分离器12的横截面是圆形的，在旋风分离器出口处具有倒截头圆锥形部分24。在旋风分离器中，涡旋的燃烧气体围绕旋风分离器循环，其中较重的夹带颗粒朝向旋风分离器的外壁移动。旋风分离器可以在内部和/或外部涂覆有耐高温耐火材料，并且在其最低点形成有开口(未示出)，以允许去除任何积聚的灰。

图1中以虚线示出了另一种旋风分离器出口设计，倒置的截头圆锥形部分24由平面为矩形的直边出口24a代替。

本质上，旋风分离器提供了离开燃烧室和进入锅炉13的燃烧气体之间的延迟，并且该延迟允许气体和任何夹带的燃料颗粒的完全燃烧。另外的空气可以进入旋风分离器以确保存在足够的氧气用于完全燃烧。该空气可以切向地进入，以帮助空气在旋风分离器中的螺旋流动。实现完全燃烧提高了系统的整体效率，并且还意味着旋风分离器充当火花避雷器，因为所有或几乎所有的火花材料在旋风分离器中完成其燃烧并且不能被携带通过锅炉进入排气系统；这有效地消除了来自火花的火灾风险。此外，由于大部分夹带的颗粒在旋风分离器中完全燃烧或沉积在旋风分离器中，这消除了固体颗粒被携带到锅炉13中和堵塞锅炉管的各圈之间的气体通道和/或引起加热表面的机械腐蚀的问题。

此外，如果证明有必要(在某些操作条件下)保持或增加旋风分离器中气体的速度，则可以使蒸汽切向进入旋风分离器。

设置旋风分离器的另一个优点是旋风分离器将燃烧室与锅炉分开，从而将锅炉管与来自燃烧室的辐射热分开。这有助于防止锅炉管的局部过热。而且，该布置使得蒸汽发电机更可控，因为向锅炉的热量供应完全由通过锅炉的气流控制，而不是由来自燃烧室中的火的辐射热控制，该辐射热不直接与锅炉上的负载成比例。因此，通过旋风分离器部段将燃烧室与锅炉分离克服了小体积水管锅炉的主要缺点，即可变负载。

气体在旋风分离器中的涡旋作用导致离开旋风分离器的气体的温度基本上均匀。这改善了锅炉运行的条件，例如通过使锅炉经受更均匀的热通量来延长锅炉的寿命。当使用多管锅炉时，这是特别有价值的：-在多管锅炉中，不均匀的热通量会导致锅炉的一些管中的流动不稳定，并导致过热。

在图1-4中，锅炉13被描绘为单管锅炉，其具有围绕中心汽缸26以多层螺旋缠绕的单管25。然而，锅炉可以是多管锅炉，如下文参照图5所述。在任一情况下，锅炉是“水管”型的，即水循环通过一个或多个管，以被离开旋风分离器并通过盘绕的单管之间或多管之间的间隙的热气体加热。

应当注意的是，由生物质固体燃料作燃料的蒸汽机车迄今主要是“火管”型(即燃烧气体通过被待加热的水包围的管)，因为，连同上述原因，生物质燃料的燃烧倾向于产生相对大比例的夹带固体颗粒，并且这些众所周知地倾向于堵塞单管或相邻管的圈之间的空气空间，导致蒸汽容量的降低。

对于锅炉管，螺旋缠绕单管是优选的布置，因为这种构造提供了高效的热交换并且制造相对便宜。设想管将由钢或不锈钢制成。所用管的直径取决于锅炉直径；例如，对于240mm的锅炉直径，已发现12.7mm的外管直径是合适的。单管锅炉的一种可能的构造方法是形成一系列螺旋缠绕管单元，并且端对端地连接这些单元以形成单个连续管。迄今为止，单管锅炉主要与液体或气体燃料一起使用，因为这些燃料允许容易地控制燃烧速率并因此调节蒸汽温度。通过控制燃烧速率来调节温度对于固体燃料燃烧的燃烧室不是实际的建议，其中优选地能够使用恒定的燃烧速率并通过可选择的控制装置来调节蒸汽温度，如下所述。

要被加热成蒸汽的水(“给水”)通过入口27被供给到单管的一端，并围绕螺旋的整个长度通过，在通过单管的螺旋缠绕层的间隙的热燃烧气体(由单个箭头示出)时被加热。蒸汽通过出口管道28离开锅炉，然后通过管道29沿汽缸26的中心向下行进到锅炉13端部的出口30。

出口30可以直接连接到需要蒸汽的设备(例如发动机活塞或涡轮机)，但是优选地首先引导到蒸汽分离器，然后引导到过热器，如下面参考图4所述。

在附图所示的实施例中，热燃烧气体通过锅炉的流动基本上是轴向的，即沿着锅炉的纵向轴线。相信通过相对长且小直径的锅炉的轴向气流将提供最高的传热系数并因此提供最高的效率。然而，对于其他形状的锅炉和/或可替代的锅炉管布置，其他气流模式可能是优选的。例如，热燃烧气体可以通过锅炉中心的穿孔管，并允许通过管中的穿孔渗出，从而通过管绕组之间的间隙。

一旦燃烧气体通过锅炉，它们就进入烟箱31并从烟道32排出。从活塞排出的蒸汽可以以已知的方式被反馈到烟箱31中，以产生沿烟道32向上的气流。

图5示出了多管锅炉40的示意图。在这种构造中，两个相同的管41、42(两者都螺旋地缠绕)经由供应管线43供应待加热成蒸汽的水，该供应管线43供应分别连接到管41、42的两个分支44、45。每个分支44、45设有直径减小的孔口46，47。

在多管锅炉中，重要的是确保向所有管供应基本等量的水以防止干燥管状态或过度溢流管状态。这可以通过提供具有如上所述的直径减小的孔口的供应管线或通过借助于单独的泵和单独的温度控制系统供应每个管线来实现。

使用直径减小的孔口是对该问题的更简单的解决方案：-因为孔口具有减小的直径，所以它在通过管供给的水中产生显著的压降，使得管内的小的压力变化不影响水被递送到那些管。

多管锅炉可具有两个以上的管。多管锅炉的控制以与单管锅炉相同的方式实现，如下所述。

为了安全和有效地操作任何蒸汽发电机，有必要控制锅炉的供水(给水)、蒸汽温度、蒸汽压力和燃烧速率(即燃料在燃烧室中燃烧的速率)。一系列已知的控制系统可用于控制上述蒸汽发电机，并且下文描述的系统仅仅是实现必要控制的一种可能方式。下面参照单管锅炉描述控制系统，但该控制系统同样适用于多管锅炉。

特别地参照图4，给水控制借助于蒸汽操作的泵50，其通过止回阀52将水从水箱65或其他供应源供给到锅炉管25的入口27。供给水可选择地在水箱65和入口27之间的供给水加热器(未示出)中预热。泵50优选为蒸汽驱动的直接作用活塞类型，并且通过启动和停止向泵50供应蒸汽来控制向锅炉管供应给水的速率，如下文所述。止回阀52防止锅炉管25中的水流出锅炉并回到泵50。

一旦给水进入锅炉管25，它就绕过管的炉管，当它通过时被热燃烧气体加热，如上所述。当到达锅炉管出口30时，尽管有一些水被蒸汽夹带，但是给水主要是蒸汽。此时，蒸汽通过连接到温度控制器57的温度探针56。温度控制器57被布置成当由温度探针56测量的温度超过预定温度(通常略高于在最大锅炉压力下的饱和蒸汽温度)时，打开对水泵50的蒸汽供应。然后操作泵50直到管25中的水位几乎被推向出口30；这冷却了温度探针56，然后温度控制器57关闭泵50。

有利的是设置用于泵50的控制系统，使得稍微过量的水被提供给锅炉管25，因为通过管25的水流带走杂质并且还提供最大的传热系数；这提供了来自锅炉的稳定蒸汽压力。

来自锅炉管出口30的蒸汽当然可以直接用于任何需要蒸汽的应用。然而，对于在蒸汽机车中使用，优选使蒸汽过热。首先，离开出口30的蒸汽/水进入蒸汽/水分离器55以“干燥”蒸汽，即除去夹带的水。通常，分离器55是已知类型的旋风分离器。分离的干燥、清洁的蒸汽通过蒸汽管线60离开分离器55，并且分离的热水积聚在分离器55的底部。

蒸汽管线60连接到过热器元件61，该过热器元件61可以是许多已知类型的过热器中的任何一种。例如，过热器可以是水管62(图1)的形式，水管62布置为旋风分离器出口和锅炉管之间的炉管。热燃烧气体将在离开旋风分离器之后立即经过过热器管的壁，使蒸汽过热。进入和/或离开过热器的蒸汽的温度可以使用温度探针(未示出)以已知的方式测量。为了调节离开过热器的蒸汽的温度，可以以受控的量注入冷凝水。由于冷凝水被蒸馏过而清洁不含杂质，所以使用该冷凝水。

离开过热器的蒸汽被供应到发动机活塞或涡轮机(在图4中以方框80示出)。

通常用于从分离器中排出水的布置是在分离器中设置浮阀，当积聚了一定量的水时，该浮阀自动打开以排出水。然而，该系统的缺点在于其占据了分离器中的空间。

在本发明中，水通过手动阀63从分离器55排出到给水箱65，该手动阀63位于出口管线55a上。打开阀63允许水通过直径减小的孔口64排出；直径减小的孔口64的存在保持了系统中的压力。通过管线55a排出的水示出为排到给水箱65，但实际上可以排到给水加热器(如果存在的话)或热井(未示出)。

孔口64的直径被设定成使得来自给水加热器的排水略微大于由泵50供应的过量给水的量，这确保了所有的水从分离器排出。

当锅炉在一段时间内未被点火时，阀63可被关闭以保存锅炉压力。

应当理解，上述排水系统非常简单，并且具有从分离器中不断地排出杂质的附加优点。

此外，上述系统实际上在分离器本身中不需要任何设备，因此分离器55可以小于其他可能的分离器。可替代地，可以采用已知类型的各种蒸汽疏水阀来执行类似的功能。

水泵50由蒸汽电磁阀67控制，该蒸汽电磁阀67控制到泵50的蒸汽供应；供应泵50的蒸汽管线68被描绘为从蒸汽分离器55连接到蒸汽管线60，但是实际上可以连接到蒸汽供应的任何方便的部分。

作为上述布置的可替代方案，还可以连续地操作泵50，并通过在供水管线中设置旁通阀来控制给水供应，并根据需要关闭和打开该阀。如果采用该系统，则系统的其余部分如上所述工作，因为打开给水供应增加了系统中的压力。

现在转向蒸汽压力的控制和燃烧速率的控制，这两个因素是关联的，因为蒸汽压力实际上由燃烧速率控制，即燃料在燃烧室中燃烧的速率。燃烧速率由通过系统的气流控制。

可以通过使用加压空气供应来迫使燃烧气体穿过该系统进入燃烧室11中；如果采用该系统，颗粒燃料一般与增压空气供应一起被吹入。然而，此类系统相对复杂并且对于本申请不是优选的，尽管可以采用它。

优选地，在蒸汽发电机的操作期间，空气和燃烧气体通过通风系统在烟箱31中产生的减小的压力而被抽吸通过系统。

通过以已知的方式提供位于烟箱31中邻近烟道32的下端71的排气喷嘴70来生成气流。喷嘴70被供有来自发动机排气的蒸汽，该蒸汽被引导成竖直向上通过烟道32，并因此从燃烧室31和烟道32向上抽吸燃烧气体。

由喷嘴70提供的通风量由系统提供，该系统通过根据锅炉压力调节排气喷嘴70的面积来改变发动机上的背压，使得当锅炉压力增加时，喷嘴面积增加并减小发动机背压，因此略微减小通风量。该系统产生的气流大部分与蒸汽消耗成比例；背压的调节确保了最大效率，而不会像过度通风那样浪费能量。

通过烟道32的气流可以在必要时通过提供围绕喷嘴70的穿孔炉管72而被增强，该穿孔炉管72被布置成提供有蒸汽(例如来自蒸汽分离器55)，以提供对通过烟道32的气流的速率的快速且可控的增强。蒸汽仅在需要时供应到炉管72，且可手动或自动控制。

更有效的布置是用高压蒸汽膨胀喷嘴的环代替穿孔炉管72，该高压蒸汽膨胀喷嘴通过手动或自动阀接收锅炉压力下的蒸汽。

锅炉管与燃烧室11中的火的辐射热隔离的事实有助于蒸汽发电机的快速和精确控制，因此锅炉产生蒸汽的速率主要取决于从燃烧气体到锅炉管中的水/蒸汽的对流热传递。因此，如果通过减少供应到喷嘴70或炉管/喷嘴72的蒸汽量来减少气流(即，通过烟道32的气流)，则这立即导致蒸汽产生的减少；如果锅炉管暴露于燃烧室的辐射热，这将是不可能的。

上述系统能够在非常宽的锅炉压力范围内操作，高达几千磅每平方英寸绝对压力(psia)。这意味着饱和蒸汽温度具有同样宽的范围-例如，如果锅炉在非常低的压力下操作，则饱和蒸汽出口温度可以低至100℃，但是更典型地，锅炉将在300psi和1000psi之间操作，饱和蒸汽温度在200℃和285℃之间。通常，用于机车应用的过热蒸汽温度为约350-450摄氏度。

加固上述各种系统的是采用传统火管机车锅炉外壳形式的结构外壳10a。该外壳执行几个关键功能：

-其以紧凑的方式封装燃烧室、旋风分离器部段、水管锅炉、蒸汽分离器和烟箱以及相关设备，具有小的正面面积，从而减小了应用于蒸汽驱动车辆的空气阻力；

-它还与蒸汽驱动的车辆的现有设计直接兼容，允许其用作例如铁路、道路和农业机车上的嵌入式替换物。

-蒸汽驱动的车辆通常采用蒸汽发电机作为主要或辅助结构构件。历史上，当水管锅炉适于机车使用时，压力系统部件也用作结构构件。发现在机车使用的动态条件下产生的循环载荷很快给泄漏和破裂的管道带来麻烦。传统水管锅炉刚度的缺乏也损害了机车的整体结构。本发明提供的结构外壳通过减轻除了压力系统部件本身的质量的负载之外的任何负载的整个压力系统克服了这个困难。

-结构外壳的另一功能是安全。结构外壳和压力系统被设计成使得在灾难性压力系统失效的情况下，施加在外壳上的最大压力将不超过0.05MPa的完全安全压力。因此，外壳用作保护壳，安全地容纳和耗散压力系统故障时释放的能量。这是通过获取外壳的内部体积并从其计算蒸汽和水的最大体积来实现的，如果该蒸汽和水一次全部从压力系统释放，将不会超过机车蒸汽发电机的外壳内的上述安全压力。

-此外，结构外壳保护包含在其内部的部件并密封以防止雨/尘或其他气载微粒材料的积聚，否则这些物质的组合将导致压力系统部件的严重腐蚀。重要的是，结构外壳防止周围空气泄漏到燃烧室、旋风分离器部段或锅炉中，这些空气以足够的量冷却燃烧气体，降低了蒸汽发电机的效率。

Claims (21)

1.一种蒸汽发电机，包括：

·燃料可以在其中燃烧的燃烧室；

·旋风分离器部段，连接到所述燃烧室，使得进入所述旋风分离器部段的入口与来自所述燃烧室的出口连通；

·水管蒸汽锅炉，连接到所述旋风分离器部段的所述出口，使得来自所述旋风分离器部段的气体进入所述锅炉；

·所述旋风分离器部段和所述水管蒸汽锅炉之间的连接使得所述旋风分离器部段在使用中基本上将所述水管蒸汽锅炉与所述燃烧室中的火的辐射热隔离；

·结构外壳，适于用于容纳所述燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉，所述外壳被构造成如果所述燃烧室、旋风分离器部段和水管锅炉中的任一者在使用中失效，则提供保护壳；

·所述结构外壳还适于承受在使用中施加到蒸汽发电机的任何结构载荷，使得所述燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉在使用中不用作所述蒸汽发电机的结构构件。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述旋风分离器部段包括单个旋风分离器。

3.根据权利要求1所述的发电机，其中所述旋风分离器部段由两个或多个旋风分离器组成，所述旋风分离器串联或并联布置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉是单管锅炉。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉是多管锅炉。

6.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉是强制循环锅炉。

7.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉被设计成在使用时允许燃烧气体沿基本平行于所述锅炉长度的轴向流动方向流过。

8.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉被设计成在使用时允许燃烧气体在沿所述锅炉的长度的多个位置处沿基本平行于所述锅炉的长度的轴向方向以及基本垂直于所述锅炉的长度的多个径向方向流过。

9.根据前述权利要求中任一项所述的发电机，其中所述水管蒸汽锅炉包括至少一个螺旋缠绕的锅炉管。

10.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述燃烧室是如上定义的干燃烧室。

11.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉沿水平轴线彼此相邻地定位。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述燃烧室、旋风分离器部段和水管蒸汽锅炉沿竖直轴线彼此相邻地定位。

13.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，还包括连接到所述水管蒸汽锅炉的蒸汽出口的蒸汽分离器。

14.根据权利要求13所述的蒸汽发电机，其中在使用中，从所述蒸汽分离器排出的水被再循环到所述水管蒸汽锅炉。

15.根据权利要求13或14所述的蒸汽发电机，还包括蒸汽过热器，所述蒸汽过热器连接到所述蒸汽分离器，以便在使用中从所述蒸汽分离器接收蒸汽。

16.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述蒸汽发电机还包括由所述结构外壳的一端形成的烟箱，所述烟箱布置成使得在使用中，已经穿过所述锅炉的燃烧气体进入所述烟箱，所述烟箱设置有用于排出所述气体的烟道，并且设置有在使用中产生穿过所述烟道的气流的气流生成布置。

17.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述旋风分离器部段的所述旋风分离器或每个旋风分离器的所述入口部段包括由多个周边叶片围绕的实心中心部段，使得在使用中从所述燃烧室出口流到所述旋风分离器部段的气体必须通过所述叶片，每个所述叶片与所述实心中心部段的平面成锐角。

18.根据权利要求17所述的蒸汽发电机，其中每个所述叶片与所述实心中心部段的平面成5°-80°范围内的角度。

19.根据权利要求18所述的蒸汽发电机，其中每个所述叶片与所述实心中心部段的平面成20°-30°范围内的角度。

20.根据权利要求17或18所述的蒸汽发电机，其中每个所述叶片的角度是可调节的。

21.根据前述权利要求中任一项所述的蒸汽发电机，其中所述蒸汽发电机还包括连接到温度控制器的温度探针，所述温度控制器布置成打开或关闭水泵，所述水泵在使用中向所述水管蒸汽锅炉供给水。

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