蒸汽发电机的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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％。

4、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。

5、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。

6、传统的蒸汽机车主要由火管型锅炉制成。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、发明目的

13、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。

14、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。

15、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。

技术实现思路

1、本发明提供一种蒸汽发电机，其包括：

2、·燃料可以在其中燃烧的燃烧室；

3、·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；

4、·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；

5、·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；

6、·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；

7、·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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、优选地，蒸汽发电机还包括蒸汽过热器。

13、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。

14、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。

15、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。