一種高效低污染核心機的制作方法

本發明涉及燃氣輪機，尤其是涉及一種高效低污染核心機。

背景技術：

燃氣輪機作為現代制造業的“動力之源”隨技術發展需要不斷優化，催生了一種新型的波轉子技術。波轉子可替代燃氣輪機中原有的高壓壓氣機、高壓渦輪和軸，并具有降低耗油率、提高單位功率、提高熱效率和減重等優點，且不需要對原有燃氣輪機做重大改動，對未來燃氣輪機的發展指明了一條新型道路。波轉子操作中要求空氣與燃燒產物完全分離，但實際操作中不可避免會存在摻混，降低了波轉子的工作效率。

隨著世界各國對環境的不斷重視，工業排放的要求也越來越高，這就要求研究新型的低污染燃燒方式，因此出現了“無焰燃燒”的概念。無焰燃燒最直觀的特點是燃燒過程沒有明顯火焰面，燃燒空間彌散到更大的范圍內，整個空間內溫度分布均勻且污染物排放低。但實現無焰燃燒的條件相對苛刻，基本條件是高溫低氧，這對燃燒室結構設計和在燃氣輪機的操作范圍穩定燃燒提出了巨大挑戰，如何實現高溫低氧混氣組織穩定燃燒是個難題。

美國專利US2399394A提出一種波轉子壓力交換器。該專利提出了波轉子的機械特征——轉靜子的定性結構、原理——激波(或壓縮波)與膨脹波完成增壓、膨脹；提及兩股工質；但未提及波轉子的煙氣回流現象，也未提及回流煙氣對無焰燃燒的任何貢獻。

美國專利US2461186A提出一種將波轉子組裝到燃氣輪機的方式。該專利提出波轉子與低壓壓氣機、低壓渦輪、燃燒室的工作配合關系；但未提及波轉子的煙氣回流現象，也未提及回流煙氣對無焰燃燒的任何貢獻。

中國專利CN1031422C提出一種氣波增壓器，即汽車發動機領域對“波轉子”概念的另一種名稱。該專利提出了一種主要尺寸值固定的氣波增壓器結構；但未提及波轉子在燃氣輪機中的任何組裝方式或功能。

中國專利CN101625130A提出一種無焰燃燒組織結構。該燃燒室利用燃燒室內部機械的回流結構形成大量的回流煙氣，與空氣摻混達到提高空氣溫度并稀釋空氣的目的。但物理的回流結構相對復雜且回流煙氣與空氣摻混過程不易控制，不利于形成穩定的無焰燃燒。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供可有效縮小傳統燃氣輪機的核心機體積，提高工作效率，組織穩定燃燒且降低氮氧化物等污染物排放的一種高效低污染核心機。

本發明設有波轉子、管道、燃料進口和無焰燃燒室；所述波轉子包括一個轉子、進氣端口盤和出氣端口盤，進氣端口盤和出氣端口盤分別設于轉子的兩側；所述轉子上有一圈并聯的氣流通道，所述進氣端口盤上設有波轉子空氣進口和回流煙氣進口，所述出氣端口盤上設有高溫低氧混氣出口和煙氣出口；所述波轉子空氣進口、回流煙氣進口、高溫低氧混氣出口和煙氣出口作為氣體工質的進出口；轉子與進氣端口盤和出氣端口盤的相對旋轉使得轉子通道進出口周期性地打開、關閉，從而觸發適當的非定常激波(或壓縮波)、膨脹波，實現波轉子的增壓、膨脹功能；所述管道連接波轉子與無焰燃燒室構成流道，使得進入管道的回流煙氣與空氣混合，形成高溫低氧混氣；所述燃料進口設在管道或/和無焰燃燒室上。

所述無焰燃燒室可采用傳統的單筒燃燒室，不需要為形成無焰燃燒而增加機械結構；實現無焰燃燒，使得燃燒產物溫度更均勻，燃燒性能優化，且降低氮氧化物等污染排放。

所述波轉子空氣進口角度可為78±5°，高溫低氧混氣出口角度可為77±5°，回流煙氣進口角度可為67±5°，煙氣出口角度可為58±5°；波轉子空氣進口與回流煙氣進口中心位置相距可為163°±5°，高溫低氧混氣出口與煙氣出口中心位置相距可為133±5°。

本發明在進入穩定工作狀態時，空氣進入波轉子增壓，利用波轉子并列通道中非定常的內部流動，自發地冷卻波轉子，既可以提高單位功率，又可以提高熱效率。調整波轉子的工作狀態可以有效地控制煙氣與空氣的混合比例，再經管道充分混合形成高溫低氧氣體。隨后，該高溫低氧氣體在燃燒室自燃，實現穩定的無焰燃燒，不需要持續點火。燃燒后低排放的氣體又通過管道回流進入波轉子膨脹并壓縮波轉子內的空氣，最后溫度和壓力降低后的氣體進入渦輪繼續膨脹做功，作為燃氣發生器，實現燃氣輪機核心機的功能。

本發明可以有效結合波轉子與無焰燃燒的優點，提高燃氣輪機核心機的性能；采用波轉子部件，利用波轉子自發冷卻壁面的特性承受更高的循環最高溫度，突破常規燃氣輪機的渦輪進口溫度限制，提高循環最高溫度進而提高燃氣輪機功率與效率；采用無焰燃燒技術，組織穩定高效燃燒，降低燃氣輪機污染物排放；將波轉子與無焰燃燒結合起來，發揮兩項新技術的互補作用，在兼顧性能與環保特性的同時縮小核心機體積，提高燃氣輪機的工作效率。

與傳統燃氣輪機核心機相比，本發明的優點是：

同時具有波轉子增壓、膨脹功能與無焰燃燒功能。波轉子對工質的增壓、膨脹在同一個部件內完成，結構緊湊，而且可以自發冷卻壁面，提高循環最高溫度進而提高燃氣輪機性能；無焰燃燒呈現分布式，提高燃燒性能，尤其是降低氮氧化物等污染物排放。

與美國專利US2461186A相比，本發明的結構簡潔，部件數量更少，各部件結構復雜性更低，又能實現更豐富的功能。

與其他類型的無焰燃燒室、常規壓氣機、渦輪組成的核心機相比，本發明的優點是：

(1)煙氣回流由波轉子在燃燒室外部實現，比燃燒室內部回流更穩定，并且可以在波轉子、管道內充分摻混，更有利于無焰燃燒。

(2)回流煙氣與空氣的摻混量可以由波轉子獨立控制，此控制操作不影響燃燒室的其他工作條件，可以在保持燃燒室寬工作范圍的前提下，實現穩定無焰燃燒。

(3)燃燒室不需要為煙氣提供回流的空間，因此燃燒室體積可以縮小，相應地熱強度也可以提高；而波轉子本身就具有結構緊湊的特點，體積小于常規壓氣機渦輪與軸的總和；所以，整個核心機的體積小，結構緊湊。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構組成示意圖。

圖2為本發明實施例的波轉子進氣端口與排氣端口示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的實施例進行說明，即此處所描述的實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1和2所示，本發明實施例設有波轉子1、管道2、燃料進口3和無焰燃燒室4；所述波轉子1包括一個轉子11、進氣端口盤12和出氣端口盤13，進氣端口盤12和出氣端口盤13分別設于轉子11的兩側；所述轉子11上有一圈并聯的氣流通道，所述進氣端口盤12上設有波轉子空氣進口121和回流煙氣進口122，所述出氣端口盤13上設有高溫低氧混氣出口131和煙氣出口132；所述波轉子空氣進口121、回流煙氣進口122、高溫低氧混氣出口131和煙氣出口132作為氣體工質的進出口；轉子11與進氣端口盤12和出氣端口盤13的相對旋轉使得轉子通道進出口周期性地打開、關閉，從而觸發適當的非定常激波(或壓縮波)、膨脹波，實現波轉子的增壓、膨脹功能；所述管道2連接波轉子1與無焰燃燒室4構成流道，使得進入管道2的回流煙氣與空氣混合，形成高溫低氧混氣；所述燃料進口3設在管道2或/和無焰燃燒室4上。

所述無焰燃燒室可采用傳統的單筒燃燒室，不需要為形成無焰燃燒而增加機械結構；實現無焰燃燒，使得燃燒產物溫度更均勻，燃燒性能優化，且降低氮氧化物等污染排放。

本發明工作中，存在兩股氣體工質，一股從波轉子空氣進口121進入波轉子1，被激波(或壓縮波)增壓，最后從高溫低氧混氣出口131流出波轉子1，經過管道2流入無焰燃燒室4后進行無焰燃燒；第二股來自無焰燃燒室4產生的煙氣，從回流煙氣進口122進入波轉子1之后被膨脹波膨脹，最后從煙氣出口132流出波轉子1；兩股氣體工質流經波轉子1時，各有一部分相互混入對方，其中煙氣混入空氣的過程稱為煙氣回流，發生煙氣回流的那一部分煙氣稱為回流煙氣。

本發明中的波轉子端口角度分別為：所述波轉子空氣進口121角度可為78±5°，高溫低氧混氣出口131角度可為77±5°，回流煙氣進口122角度可為67±5°，煙氣出口132角度可為58±5°；波轉子空氣進口121與回流煙氣進口122中心位置相距可為163°±5°，高溫低氧混氣出口131與煙氣出口132中心位置相距可為133±5°。經過計算，按照上述參數設計的波轉子在設計工作狀態下，可以有效地控制煙氣與空氣的混合比例，再經管道充分混合形成高溫低氧氣體。

本發明可通過商用軟件Chemkin對燃燒進行燃燒模擬，經過計算，在無焰燃燒室進口為高溫低氧進氣時，NOx的排放均在10ppm以下，低于傳統燃燒形式。

綜上所述，本發明可高效實現傳統燃氣輪機核心機功能，可有效縮小燃氣輪機體積，提高工作效率與功率，組織穩定無焰燃燒，降低污染物排放。