雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室的製作方法

2023-09-19 17:09:35

專利名稱：雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機、蒸汽輪機技術領域，即雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室。雙工質聯合循環透平機針對燃氣輪機消除熱傷害、提高熱效率、降低自耗功的方法。適用於陸路、水路大小行走機械和座臺機械的動力源。
背景技術：
熱力學認為「『熱』不能直接轉化成為機械功，必須藉助於工質」。在現有技術中，「熱 工質一機械功」，「熱」的來源是燃料的熱值，是個固定值；「工質」是熱功轉換的介質，它被「氣燃比」和發動機的結構精準固定，也是個固定值；「機械功」是用固定的「工質」轉化固定的「熱」，得到的「機械功」結果，必然也是個固定值。·
所以，用固定值轉化固定值得到的結果必然是固定值，這就是熱力機械熱效率提高不上去的根本原因。閉口燃燒方式的發動機只能利用第一梯階的化學能，對第二梯階以後的能量只能作為「剩餘熱」排放到大氣中，作無用功。開口燃燒方式的發動機對第一梯階能量不具備利用和轉化的設備條件，只能利用第二梯階的物理能，對第一梯階和第三梯階以後的熱能無償排放，作無用功。燃氣輪機(簡單)循環的熱效率18%，工作溫度提高到1430°C熱效率可達38%。高溫、高速的工質對葉輪葉片的傷害非常嚴重。燃氣輪機熱效率低、熱傷害嚴重、自耗功大、選材要求高，製造成本高、實際應用受限。A、熱效率18 38%。B、工作溫度134(Tl43(TC (燃氣指標)。C、提高熱效率的理念是儘量提高工作溫度，用增大工質「比容」的方法提高工質流量。D、為了降低高溫對燃燒室和葉輪的傷害，需要大量的空氣對燃氣輪機進行冷卻，進入壓氣機的空氣2/3作為冷卻工質，只有1/3是為燃料供氧的，壓氣機的負擔非常沉重。E、葉輪和燃燒室必須採用高級耐高溫材質。程氏循環在一部燃氣輪機中並聯完成勃雷登循環和郎肯循環。A、熱效率 53%。B、第二工質在餘熱鍋爐內完成相變。C、蒸汽與燃氣等壓狀態補入燃燒室。D、相變勢能在儲存和輸送衰減後才得以利用。E、餘熱鍋爐和配套設施佔用巨大空間。F、餘熱回收利用。雙機聯合循環熱力機組燃氣輪機與蒸汽輪機共同使用一份燃料能，使用兩種不同工質。分別完成勃雷登循環和郎肯循環，分別作輸出功。雙機熱效率 55%。不適用於小型機械和行走機械。內燃機「氣燃比」是確保碳氫化合物完全氧化供氧需求的精準比例，而不是保證「熱功轉換」精準「工質需求」。A、汽油機熱效率27 30%，柴油機熱效率37 42%。B、單一工質完成單一循環。C、活塞連杆組慣量大，運轉震動大，噪音大、故障率高、維修周期短。D、強制冷卻系統散失熱量30%，尾氣攜走熱量30%，作了無用功。如何實現工質總量調控，是消除熱傷害、提高熱效率的關鍵。

發明內容
本發明的目的是針對上述不足而提供一種以燃氣、水為工質，在一部透平中，第二工質的相變勢能與第一工質的燃燒勢能銜接作功，串聯完成勃雷登循環和郎肯循環，雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室為這一設想提供了功能互補的設備保證。本發明的技術解決方案是雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室包括環形室，環形室其間有隔離板，隔成燃燒室和相變室。隔離板為波紋板。燃燒室的噴油嘴呈45°單列多孔圓錐型噴射角。燃燒室入口處設置有紅外線網罩。燃燒室是環圓錐縱向波紋空間。相變室是燃燒室外壁隔離板與相變室外壁間的倒錐縱向波紋空間。第二工質必須在燃燒室等壓空間的相變室內完成相變，但，相變潛熱不能從燃氣 中直接攝取，完成相變後的溼蒸汽與完全燃燒的燃氣混合換熱，共同推動葉輪作功。雙工質聯合循環透平機包括渦輪及軸、渦輪葉片；左邊渦輪軸上有壓氣機葉輪，壓氣機葉片，壓氣機殼體，環形燃燒室環形相變室其間由隔離板隔開，隔成環錐形燃燒室和倒環錐形相變室；環形室左端設有環形噴油嘴和環形噴水嘴，環形噴油嘴與燃燒室相通；環形噴水嘴與環形相變室相通；環形室另一端的蒸汽和燃氣在短雙氣通道內匯合後經導流板共同吹向渦輪葉片，大量、低溫雙氣(勢能)共同作功。隔離板為縱向錐形波紋板。噴油嘴呈45°、單列、多孔、圓錐型噴射角。燃燒室入口處與噴油嘴間設置有圓環形螺旋紅外線網罩。燃燒室是環圓錐縱向波紋空間。相變室是燃燒室外壁波紋板14與相變室外壁25間的倒錐縱向波紋空間。「燃燒勢能」是燃料燃燒化學反應過程中不可逆的勢能，這個化學反應過程所汲取並轉化的能量設為「第一梯階」的化學能。「相變勢能」利用「燃燒勢能」作功剩餘的熱進行熱功轉化，這是「第二階梯」可逆的物理能，尾氣中的熱能設為「第三梯階能量」，排放的雙氣中的能量設為「第四梯階能量」……
低熱密度的熱能被第二工質從低溫熱源逐步攜回(而不是傳遞)到高溫熱源，再吸收燃燒室外壁(波紋隔板)高溫熱源的熱量，完成相變，產生相變勢能，直接作有用功。環形燃燒室和相變室正是雙質透平可以對燃料能中第一梯階的化學能和第二梯階及以後的物理能同時進行熱功轉化的互補設備條件。雙工質聯合循環透平機的工質採用燃氣和水(只能是水，經濟、無汙染、低熱值，但不絕對限於水，也可以是其它工質，如氟利昂、液態氨、等液態物資。)，燃氣和水在燃燒室內分隔進入；第二工質水在相變室發生相變後以溼蒸汽與燃氣匯合、控溫、作功，實現工質總量可調。第二工質水以汽液界面溫度補入相變室，為零部件降溫的同時發生相變。雙工質聯合循環透平機(簡稱雙質透平)以燃氣輪機的結構和工作原理為基礎完成勃雷登循環，以蒸汽輪機的工作原理為基礎在燃氣輪機的透平中完成郎肯循環。把不同燃燒方式的兩部透平式發動機精簡成一部透平，使用兩種不同的工質在一部透平中串聯完成勃雷登循環和郎肯循環。在雙質透平中絕熱壓縮過程和定壓加熱、定壓吸熱過程是單獨完成的；絕熱膨脹過程和定壓放熱過程是在同一個透平中共同完成的。「可調工質總量」是掌控「熱功轉換能力」新思路。在一部透平中串聯完成勃雷登循環和郎肯循環。以變量的工質轉化固定值的燃料內能，掌控熱能利用率，可使熱效率> 60%(因為「『熱』不能直接轉化成為機械功，必須藉助於工質」。以提高工質總量替代提高工質比容的做法，)。工作溫度最低可調控480°C (水是低熱物資，相變潛熱很大，相變勢能很強，)。葉輪和燃燒室採用普通耐高溫耐酸材料。第二工質以汽液界面溫度補入相變室。以燃氣勢能的壓力高峰值為其壓力起點在相變室完成相變。無活塞慣量，轉速高、故障率低、維修周期長、持續運轉特性好。本發明的優點是
I、結構簡單、緊湊；燃料分布均勻，容易與空氣接觸，第二工質與燃燒室高溫表面接觸均勻，接觸面積大；燃燒點和相變點與透平葉輪距離近(效率高)；燃氣的燃燒過程和第二工質的相變過程必須在同一個壓力空間獨立完成，不從燃氣中直接攝取汽化熱，不影響燃料正常燃燒。2、雙質透平與燃氣輪機比較熱效率高，消除熱傷害，自耗功小、排放符合最高標準，選材容易，製造成本低。雙工質可在超微型、微型、小型、中性、重型、超重型、超超重型中 實施聯合循環。熱效率>60%。工作溫度最低可調控480°C (雙氣平衡指標)。透平葉輪、燃燒室採用普通耐高溫耐酸材質即可。3、雙質透平與「程氏循環」比較在一部透平中串聯完成勃雷登循環和郎肯循環。熱效率>60%。第二工質以汽液界面溫度補入相變室，在相變室完成相變。燃氣壓力高峰是相變勢能壓力起點，體現強勢利用。第二工質補給系空間佔用小。直接和回收相結合利用餘熱。4、雙質透平與「雙機聯合循環熱力機組」比較在一部透平中使用燃燒勢能完成勃雷登循環，使用相變勢能完成郎肯循環。單機輸出機械功。單機熱效率60%。適用於陸路、水路大小行走機械和座臺機械的動力源。5、雙質透平與內燃機比較工質總量可調。熱效率S 60%ο在一部透平中「雙工質」聯合循環。無活塞慣量，轉速高、故障率低、維修周期長、持續運轉特性好。第二工質為部件冷卻的同時發生相變，無強制冷卻系統，尾氣不直接排放，使無用功變有用功。6、排放任何熱機的燃燒溫度都很高，熾熱點均在2000°C以上，在高熱的熾熱環境中，二氧化碳有可能被第二次熱解，生成一氧化碳和氧氣，氮氣可以被氧化，生成氮氧化合物。雙質機採用低溫燃燒技術，始終不存在熾熱點，低碳環保。7、在雙質機中大量的水蒸汽取代了(需要消耗燃料的)燃氣，使耗油率降低，二氧化碳的排放也同比例的降低，節能環保。8、雙質透平大量提高了工質總質量，第二工質為零部件降溫的同時發生相變。燃氣溫度適於調控在1300±50°C。不僅消除熱傷害，還可以杜絕有害氣體的產生。下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步詳細描述。


圖I是雙工質聯合循環透平機整體結構簡圖。圖2是縱向波紋隔離板橫截面結構簡圖。
具體實施方式
參見圖I、2，零部件名稱如下渦輪及軸I，壓氣機葉輪2，壓氣機葉片3，壓氣機殼體4，潤滑油入口 5，燃油入口 6，紅外線網罩7，油、水嘴中體8，噴油嘴9，排氣口 10，噴水嘴
11,水嘴壓蓋12，環形燃燒室13，縱向波紋隔離板14，燃燒室內壁15，旋流導板16，渦輪葉片17，定片導板18，隱形換熱器19，溫水出口 20，排氣管21，緩衰補芯22，燃油備用入口 23，第二工質入口 24，相變室外壁25，冷水入口 26，相變室27。雙工質聯合循環透平機包括一個運動部件、燃料供給系、第二工質補給系、電器系、潤滑系、負載。具體實驗結構是它包括左邊渦輪及軸I、右邊渦輪、渦輪葉片17 ;左邊渦輪及軸I上有壓氣機葉輪2，壓氣機葉片3，壓氣機殼體4 ；環形燃燒室13相變室27，由縱向錐形波紋隔離板14隔開。環形噴油嘴9和環形噴水嘴11呈45°單列多孔圓錐型噴射角。環形噴油嘴9與燃燒室13連通；環形噴水嘴11與環形相變室27連通；環形室另一端的蒸汽和燃氣匯合後經導流板共同吹向渦輪葉片17 ;渦輪殼體上有燃油入口 6、第二工質人口 24。燃燒室13入口處設置有紅外線網罩7。燃燒室13是環圓錐縱向波紋空間。相變 室27是燃燒室外壁隔離板14與相變室外壁25間的倒錐縱向波紋空間。參見圖2，燃燒室13與相變室27之間由縱向波紋隔離板14隔開，隔離板14既是燃燒室13的外壁又是相變室27的內壁。壓氣機圓周送氣。燃油噴嘴是環形的，45°錐角圓周噴出。窄環形壓氣通道接通環形燃燒室13的窄環形入口。燃燒室13可以分為兩種直燃式和紅外線式。直燃式燃料以45°錐角近距離噴向燃燒室13窄環形入口，燃料在入口處開始燃燒；紅外線式在入口前設置紅外線網罩7，燃料在紅外線網罩7環形空間燃燒。燃燒室13是「環圓錐縱向波紋空間」。燃氣的燃燒過程和第二工質的相變過程在同一個壓力空間獨立完成，不從燃氣中直接攝取汽化熱，不影響燃料正常燃燒。低熱密度的熱能被第二工質逐步回收攜回(而不是傳遞)到高溫熱源，再吸收燃燒室外壁波紋隔離板14的熱量，完成相變，產生相變勢能，直接作有用功。閉口燃燒方式的發動機只能利用第一梯階的化學能，對第二梯階以後的能量只能作為「剩餘熱」排放到大氣中，作無用功。開口燃燒方式的發動機對第一梯階能量不具備利用和轉化的設備條件，只能利用第二梯階的物理能，對第一梯階和第三梯階以後的熱能無償排放作無用功。環形燃燒室和相變室正是雙質透平可以對燃料能中第一梯階的化學能和第二梯階及以後的物理能同時進行熱功轉化的互補設備條件。向相變室補充液態工質，使液態工質發生相變，降低燃料消耗，減少低密度的空氣，進一步降低壓氣機的壓縮功消耗，節餘軸功完全提供給負載。壓氣機供空氣消耗2(Γ25%透平功，其餘75%軸功完全提供給負載。工作過程1、啟動啟動時首先斷開負載，打開點火器電源，用壓縮空氣(或電動機)啟動透平轉子。當轉速達到8，000^10, 000轉/分時，迅速打開燃氣(燃氣用液化氣代替)閥門的40%，預熱運轉，適時全開液化氣閥門。燃氣從燃油入口 6進入環形噴油嘴9 ;由壓氣機供給壓縮空氣，在環形噴油嘴9處混合(電火花點燃)，直接進入環形燃燒室13燃燒，燃氣將縱向波紋隔離板14燒熱；2、經3(Γ40秒的運轉預熱，啟動第二工質補給系，微量打開閥門，讓少量水進入相變室27，冷卻燃燒室隔離板14同時發生相變；3、溼蒸汽與燃氣在縱向波紋隔離板14的出口處進入雙氣通道混合換熱4、事先加注在蓄水箱(換熱器)中的冷水經冷水入口 26進入隱形換熱器19，吸收尾氣熱量，進一步升溫，由溫水出口 20進入燃燒室冷卻水套，吸收燃燒室內壁的熱量，達到汽液界面溫度，熱水通過入口 24進入環形噴水嘴11，經環形噴水嘴11噴向波紋隔離板14，為環形燃燒室13降溫同時發生相變，發生相變的水蒸汽從排氣口 10經汽水分離器進入雙氣通道；5、溼蒸汽在隔離板14出口處與燃氣混合、換熱，過熱蒸汽和燃氣經旋流導板16的紊流混合換熱，加速後共同吹向渦輪葉片17 ;6、定片導板18阻止雙氣的旋流起到一個導向作用，並回推給渦輪葉片17—個反作用力；7、透平功通過渦輪及渦輪及軸I帶動壓氣機葉輪2為壓氣機提供壓縮功，同時帶動負載作軸功。·
權利要求
1.一種雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於包括環形室，環形室其間有隔離板(14)，隔成燃燒室(13)和相變室(27)。
2.按照權利要求I所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於隔離板(14)為波紋板。
3.按照權利要求I或2所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於燃燒室(13)的噴油嘴(9)呈45°單列多孔圓錐型噴射角。
4.按照權利要求3所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於燃燒室(13)入口處設置有紅外線網罩(7)。
5.按照權利要求4所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於燃燒室(13 )是環圓錐縱向波紋空間。
6.按照權利要求5所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於相變室(27)是燃燒室外壁隔離板(14)與相變室外壁(25)間的倒錐縱向波紋空間。
7.按照權利要求2所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於燃燒室(13 )是環圓錐縱向波紋空間。
8.按照權利要求2或7所述的雙工質聯合循環透平機環形燃燒相變室，其特徵在於相變室(27)是燃燒室外壁隔離板(14)與相變室外壁(25)間的倒錐縱向波紋空間。
全文摘要
本發明涉及一種雙工質聯合循環透平機環形燃燒室相變室。環形室其間由縱向波紋隔離板隔開，隔成燃燒室和相變室；環形室一端裝有環形噴油嘴和環形噴水嘴，環形室另一端的蒸汽和燃氣匯合換熱後經導流共同吹向透平葉輪。結構簡單、緊湊，燃料分布均勻，容易與空氣接觸，第二工質必須在燃燒室等壓空間的相變室內完成相變，完成相變後的溼蒸汽與完全燃燒的燃氣混合換熱，共同推動葉輪作功。第二工質與燃燒室高溫表面接觸均勻，接觸面積大；燃燒點和相變點與透平葉輪距離近。採用雙工質大大提高了工質總質量，第二工質為零部件降溫的同時發生相變，不僅消除熱傷害，相變勢能與燃燒勢能銜接作功，大幅度改善單機的熱功轉化能力，熱效率≥60%。
文檔編號F02C7/00GK102900538SQ20121043809
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者胡堂林, 朱俊義, 姜成果, 王寶玉, 王軍, 何景華 申請人:通化師範學院