[发明专利]一种高效低污染核心机

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机，尤其是涉及一种高效低污染核心机。

背景技术

燃气轮机作为现代制造业的“动力之源”随技术发展需要不断优化，催生了一种新型的波转子技术。波转子可替代燃气轮机中原有的高压压气机、高压涡轮和轴，并具有降低耗油率、提高单位功率、提高热效率和减重等优点，且不需要对原有燃气轮机做重大改动，对未来燃气轮机的发展指明了一条新型道路。波转子操作中要求空气与燃烧产物完全分离，但实际操作中不可避免会存在掺混，降低了波转子的工作效率。

随着世界各国对环境的不断重视，工业排放的要求也越来越高，这就要求研究新型的低污染燃烧方式，因此出现了“无焰燃烧”的概念。无焰燃烧最直观的特点是燃烧过程没有明显火焰面，燃烧空间弥散到更大的范围内，整个空间内温度分布均匀且污染物排放低。但实现无焰燃烧的条件相对苛刻，基本条件是高温低氧，这对燃烧室结构设计和在燃气轮机的操作范围稳定燃烧提出了巨大挑战，如何实现高温低氧混气组织稳定燃烧是个难题。

美国专利US2399394A提出一种波转子压力交换器。该专利提出了波转子的机械特征——转静子的定性结构、原理——激波(或压缩波)与膨胀波完成增压、膨胀；提及两股工质；但未提及波转子的烟气回流现象，也未提及回流烟气对无焰燃烧的任何贡献。

美国专利US2461186A提出一种将波转子组装到燃气轮机的方式。该专利提出波转子与低压压气机、低压涡轮、燃烧室的工作配合关系；但未提及波转子的烟气回流现象，也未提及回流烟气对无焰燃烧的任何贡献。

中国专利CN1031422C提出一种气波增压器，即汽车发动机领域对“波转子”概念的另一种名称。该专利提出了一种主要尺寸值固定的气波增压器结构；但未提及波转子在燃气轮机中的任何组装方式或功能。

中国专利CN101625130A提出一种无焰燃烧组织结构。该燃烧室利用燃烧室内部机械的回流结构形成大量的回流烟气，与空气掺混达到提高空气温度并稀释空气的目的。但物理的回流结构相对复杂且回流烟气与空气掺混过程不易控制，不利于形成稳定的无焰燃烧。

发明内容

本发明的目的在于提供可有效缩小传统燃气轮机的核心机体积，提高工作效率，组织稳定燃烧且降低氮氧化物等污染物排放的一种高效低污染核心机。

本发明设有波转子、管道、燃料进口和无焰燃烧室；所述波转子包括一个转子、进气端口盘和出气端口盘，进气端口盘和出气端口盘分别设于转子的两侧；所述转子上有一圈并联的气流通道，所述进气端口盘上设有波转子空气进口和回流烟气进口，所述出气端口盘上设有高温低氧混气出口和烟气出口；所述波转子空气进口、回流烟气进口、高温低氧混气出口和烟气出口作为气体工质的进出口；转子与进气端口盘和出气端口盘的相对旋转使得转子通道进出口周期性地打开、关闭，从而触发适当的非定常激波(或压缩波)、膨胀波，实现波转子的增压、膨胀功能；所述管道连接波转子与无焰燃烧室构成流道，使得进入管道的回流烟气与空气混合，形成高温低氧混气；所述燃料进口设在管道或/和无焰燃烧室上。

所述无焰燃烧室可采用传统的单筒燃烧室，不需要为形成无焰燃烧而增加机械结构；实现无焰燃烧，使得燃烧产物温度更均匀，燃烧性能优化，且降低氮氧化物等污染排放。

所述波转子空气进口角度可为78±5°，高温低氧混气出口角度可为77±5°，回流烟气进口角度可为67±5°，烟气出口角度可为58±5°；波转子空气进口与回流烟气进口中心位置相距可为163°±5°，高温低氧混气出口与烟气出口中心位置相距可为133±5°。

本发明在进入稳定工作状态时，空气进入波转子增压，利用波转子并列通道中非定常的内部流动，自发地冷却波转子，既可以提高单位功率，又可以提高热效率。调整波转子的工作状态可以有效地控制烟气与空气的混合比例，再经管道充分混合形成高温低氧气体。随后，该高温低氧气体在燃烧室自燃，实现稳定的无焰燃烧，不需要持续点火。燃烧后低排放的气体又通过管道回流进入波转子膨胀并压缩波转子内的空气，最后温度和压力降低后的气体进入涡轮继续膨胀做功，作为燃气发生器，实现燃气轮机核心机的功能。

本发明可以有效结合波转子与无焰燃烧的优点，提高燃气轮机核心机的性能；采用波转子部件，利用波转子自发冷却壁面的特性承受更高的循环最高温度，突破常规燃气轮机的涡轮进口温度限制，提高循环最高温度进而提高燃气轮机功率与效率；采用无焰燃烧技术，组织稳定高效燃烧，降低燃气轮机污染物排放；将波转子与无焰燃烧结合起来，发挥两项新技术的互补作用，在兼顾性能与环保特性的同时缩小核心机体积，提高燃气轮机的工作效率。