CN104033248B - 一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，包括压气机、储气室、多个供气管路、多个脉冲爆震燃烧室、压力整形室、涡轮、转子和尾喷管。其中，压气机设置于该地面燃气轮机的最前端，压气机的出气端依次与储气室、压力整形室、涡轮和尾喷管相连接，转子设置于压气机与涡轮的中心，并通过两个轴承分别与压气机和涡轮相连接，转子的一端从尾喷管处引出；多个脉冲爆震燃烧室设置在储气室与压力整形室的周向，储气室的出口分别通过多个供气管路与多个脉冲爆震燃烧室的入口相连接，多个脉冲爆震燃烧室的出口分别与压力整形室的入口相连接，单个脉冲爆震燃烧室的周向设有火花塞和燃料管路。使用时，转子的引出端通过变速器与发电机组件相连。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种燃气轮机，特别涉及一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机。
【背景技术】
地面燃气轮机均采用等压燃烧的方式释放燃料热量，等压燃烧是一种缓燃燃烧，其火焰传播速度较低，一般约为几米到十几米每秒，而燃气轮机中压气机出口流速较高，燃烧室火焰极易被吹熄。为保证燃烧室火焰稳定可靠，一般需精心设计燃烧室的结构，采用旋流器、凹腔、沙丘驻涡等火焰稳定器，在燃烧室头部形成低速漩涡区，使部分已燃高温燃烧产物产生回流运动，形成具有自动补偿能力的持续点火源，以不断点燃新鲜未燃的可燃混合物，从而达到稳定火焰的目的。但随着市场对地面燃气轮机污染物排放指标的法规和要求日益严格，燃气轮机燃烧室的设计费用和技术难度不断增加，先进的低污染燃烧室目前均采用贫燃预混燃烧方式。由于燃烧室燃料一直处于贫燃状态，故燃烧室更易被高速气流吹熄，导致燃烧室的燃烧稳定性区域变窄。
为了确保燃气轮机能长时间稳定工作，针对燃烧室燃烧稳定性区域变窄的情况，必须设计极其复杂的燃烧室控制***，且对控制精度和控制***反应速度提出了严格的要求。当燃气轮机部件升级、部件拆除安装或更换、部件检修、燃料成分变化等情况发生时，燃气轮机燃烧室的稳定性区域都将发生变化，此时还需对燃气轮机进行复杂的燃烧调整试验，以确保燃烧室工作在燃烧稳定区域的中间值，故燃气轮机的安全性和可靠性完全依赖于燃烧室的燃烧调整和控制技术。
目前基于等压燃烧的燃气轮机主要存在如下问题：1、燃烧室结构复杂；2、燃烧室冷却***复杂，需大量空气对其进行冷却，实际参与燃烧的空气比例小；3、燃烧室燃烧稳定区域窄，容易熄火，需复杂的火焰稳定结构稳定燃烧室火焰；4、燃烧室控制***复杂；5、需频繁进行燃烧调整试验；6、燃气轮机热力循环整体性能的提高受涡轮耐高温材料的限制。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有地面燃气轮机所存在的燃烧室结构复杂、实际参与燃烧的空气比例小、燃烧稳定区域窄、容易熄火以及需频繁进行燃烧调整等问题，提出一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其所采用的燃烧室结构简单，无冷却气膜孔结构，不需复杂的火焰稳定器；燃烧室不需冷却空气，压缩空气可全部参与燃烧；燃烧室火焰以超声速传播，不存在燃烧稳定性和熄火问题，且不需对燃烧室进行燃烧调整试验，同时燃烧污染物排放低；此外燃烧过程具有自增压特点，故可减少压气机级数，降低压气机耗功，增加发电量，提高循环热效率。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，包括压气机、储气室、多个供气管路、多个脉冲爆震燃烧室、压力整形室、涡轮、转子和尾喷管；其中，压气机设置于该地面燃气轮机的最前端，压气机的出气端依次与储气室、压力整形室、涡轮和尾喷管相连接，转子设置于压气机与涡轮的中心，并通过两个轴承分别与压气机和涡轮相连接，转子的一端从尾喷管处引出；多个脉冲爆震燃烧室设置在储气室与压力整形室之间，且以转子为中心呈环形均匀布置，储气室的出口分别通过供气管路与多个脉冲爆震燃烧室的入口相连接，多个脉冲爆震燃烧室的出口分别与压力整形室的入口相连接，单个脉冲爆震燃烧室的周向设有火花塞和燃料管路。
本发明进一步改进在于：多个脉冲爆震燃烧室呈环管形倾斜式安装在燃气轮机储气室的***，脉冲爆震燃烧室为等截面圆筒形燃烧室，包括依次连接的燃烧室头部端盖、燃烧室点火段、燃烧室起爆段、燃烧室爆震段和燃烧室过渡段；其中，燃烧室头部端盖上设有主喷嘴，主喷嘴设有主喷嘴气路和主喷嘴燃料管路，燃烧室起爆段和燃烧室爆震段的周向设有3～8个等间距的辅助喷嘴，辅助喷嘴上设有辅助喷嘴气路和辅助喷嘴燃料管路；火花塞设置在燃烧室点火段的周向，供气管路通过设置在其出口端的空气分配器分别与主喷嘴气路和3～8个辅助喷嘴气路相连通，且在空气分配器分别与若干辅助喷嘴气路相连通的管路上均设有辅助喷嘴空气开关电磁阀，燃烧室过渡段的出口连接压力整形室的入口。
本发明进一步改进在于：燃烧室爆震段内侧的周向设置有螺旋形强化爆震结构。
本发明进一步改进在于：转子的引出端通过变速器与发电机组件相连接。
本发明进一步改进在于：多个供气管路上均设有空气流量调节阀和空气流量计。
本发明进一步改进在于：尾喷管为一直角弯头喷管。
本发明进一步改进在于：储气室的末端设有放气旁路，且放气旁路上设有用于控制放气旁路开关的高频电磁阀。
本发明进一步改进在于：储气室的入口为扩张式环形通道，压气机出口亚音速气流经扩张式环形通道后减速增压，储气室的主体部分为等截面的环形腔体。
本发明进一步改进在于：压力整形室包括机匣Ⅰ，机匣Ⅰ内部由多个长度不一的环形隔板Ⅰ分成多个环形通道，且多个环形通道通过十字形的隔板支架Ⅰ加强。
本发明进一步改进在于：压力整形室包括机匣Ⅱ，机匣Ⅱ内部由多个轴线长度相等的环形隔板Ⅱ分成多个扩张或收敛形环形通道，且多个环形通道通过十字形的隔板支架Ⅱ加强。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明与传统地面燃气轮机相比，因脉冲爆震燃烧具有自增压、火焰传播速度快(一般在103m/s量级)、燃烧效率高、污染物排放低等优点，故本发明采用脉冲爆震燃烧室替换传统等压燃烧室后，燃气轮机可大大减小压气机级数，降低压气机压缩功，进而使涡轮输出轴功率中用于发电的比例增加，整体上提高燃气轮机的循环热效率；
因脉冲爆震燃烧传播速度在103m/s量级，燃烧室内可燃混合物在爆震燃烧波的作用下瞬间燃烧释热，燃烧效率高且不存在燃烧稳定性和容易熄火的问题，故本发明可成功解决传统燃气轮机中采用低污染燃烧技术后燃烧室燃烧稳定区域变窄和容易熄火等问题；
因脉冲爆震燃烧不存在燃烧稳定和熄火的问题，故本发明可大幅度降低燃烧室的燃烧控制***，且可省去传统燃气轮机中需频繁进行燃烧调整的试验工序；同时脉冲爆震燃烧是一种均相预混燃烧，且其燃烧速度很快，燃烧产物在高温区的停留时间很短，可大大减小NOx、CO等污染物的排放；此外由于脉冲爆震燃烧具有周期式间歇性，燃烧室和涡轮叶片并不一直处于高温、高压燃气的恶劣工作环境，故其对燃烧室的材料和冷却技术要求较低，与现有燃气轮机相比，采用脉冲爆震燃烧后燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片不再存在温度受限问题。
【附图说明】
图1是本发明一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机的整体构成图；
图2是本发明地面燃气轮机的燃烧室的剖面简图；
图3是本发明地面燃气轮机的压力整形室第一方案的结构简图；
图4是图3的A-A向视图；
图5是本发明地面燃气轮机的压力整形室第二方案的结构简图；
图6是图5的B-B向视图。
其中：1、压气机；2、储气室；3、供气管路；4、空气流量调节阀；5、空气分配器；6、辅助喷嘴空气开关电磁阀；7、脉冲爆震燃烧室；8、压力整形室；9、涡轮；10、转子；11、变速器；12、发电机组件；13、尾喷管；14、放气旁路；15、空气流量计；16、轴承；17、放气旁路开关电磁阀；18、燃烧气体流路；19、主喷嘴气路；20、主喷嘴；21、主喷嘴燃料管路；22、火花塞；23、辅助喷嘴；24、辅助喷嘴气路；25、辅助喷嘴燃料管路；26、螺旋形强化爆震结构；27、燃烧室过渡段；28、燃烧室爆震段；29、燃烧室起爆段；30、燃烧室点火段；31、燃烧室头部端盖；32、隔板支架Ⅰ；33、环形隔板Ⅰ；34、机匣Ⅰ；35、隔板支架Ⅱ；36、环形隔板Ⅱ；37、机匣Ⅱ。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，包括压气机1、储气室2、多个供气管路3、多个脉冲爆震燃烧室7、压力整形室8、涡轮9、转子10和尾喷管13，并形成如图1中箭头所示通过它们的燃烧气体的流路，即燃烧气体流路18。
其中，压气机1设置于该地面燃气轮机的最前端，压气机1的出气端依次与储气室2、压力整形室8、涡轮9和尾喷管13相连接，转子10设置于压气机1与涡轮9的中心，并通过两个轴承16分别与压气机1和涡轮9相连接，转子10的一端从尾喷管13处引出；多个脉冲爆震燃烧室7设置在储气室2与压力整形室8之间，且以转子(10)为中心呈环形均匀布置，储气室2的出口分别通过供气管路3与多个脉冲爆震燃烧室7的入口相连接，多个脉冲爆震燃烧室7的出口分别与压力整形室8的入口相连接，单个脉冲爆震燃烧室7的周向设有火花塞22和燃料管路。使用时，转子10的引出端通过变速器11与发电机组件12相连接。
参见图2，多个脉冲爆震燃烧室7呈环管形倾斜式安装在燃气轮机储气室2的***，其中，脉冲爆震燃烧室7为等截面圆筒形燃烧室，包括依次连接的燃烧室头部端盖31、燃烧室点火段30、燃烧室起爆段29、燃烧室爆震段28和燃烧室过渡段27，其为从圆形逐渐过渡到扇形截面的弯管构件；其中，燃烧室头部端盖31上设有主喷嘴20，主喷嘴20设有主喷嘴气路19和主喷嘴燃料管路21，燃烧室起爆段29和燃烧室爆震段28的周向设有3～8个等间距的辅助喷嘴23，这可减小脉冲爆震燃烧室7的填充时间，提高脉冲爆震燃烧室7的工作频率，辅助喷嘴23上设有辅助喷嘴气路24和辅助喷嘴燃料管路25，燃烧室爆震段28内侧的周向设置有螺旋形强化爆震结构26；火花塞22设置在燃烧室点火段30的周向，供气管路3通过设置在其出口端的空气分配器分别与主喷嘴气路19和若干辅助喷嘴气路24相连通，且在空气分配器分别与若干辅助喷嘴气路24相连通的管路上均设有辅助喷嘴空气开关电磁阀6，通过辅助喷嘴空气开关电磁阀6控制各辅助喷嘴23的燃料供给，而主喷嘴20与空气分配器5直接相连，即主喷嘴20一直处于开路状态，但由于爆震燃烧具有自增压作用，当脉冲爆震燃烧室7内产生爆震波后，脉冲爆震燃烧室7内压力突然升高，脉冲爆震燃烧室7压力大于主喷嘴20出口气流压力，致使主喷嘴20燃料在压力差的作用下自动停止供给，而当爆震波排出脉冲爆震燃烧室7后，脉冲爆震燃烧室7压力迅速下降，压力差降为0或更小，则主喷嘴20又会自动恢复燃料供给，即主喷嘴20始终工作在自适应燃料供给模式；燃烧室过渡段27的出口连接压力整形室8的入口。
进一步地，供气管路3为金属圆管，多个供气管路3上均设有空气流量调节阀4和空气流量计15，可对空气流量大小进行精确控制，以满足不同负荷下燃气轮机各种工作模式的空气流量要求。尾喷管13为一直角弯头喷管，可将燃气流动方向改变90度。
进一步地，储气室2的入口为扩张式环形通道，压气机1出口亚音速气流经扩张式环形通道后减速增压，储气室2的主体部分为一等截面的环形腔体，其末端设有放气旁路14，且放气旁路14上设有用于控制放气旁路14开关的高频电磁阀17。通过高频电磁阀17控制放气旁路的开关，当脉冲爆震燃烧室7产生爆震波时，可通过放气旁路14将多余的压缩空气直接排出至燃烧室出口。
压力整形室8位于脉冲爆震燃烧室7的下游，压力整形室8的主要作用是对脉冲爆震压力波进行整形，减小、平缓脉冲爆震燃气的压力脉动，通过压力整形室8可减小脉冲爆震燃气的压力波动，利于涡轮9对爆震燃气的能量提取。
为此，本发明提供了两种压力整形室方案，图3是压力整形室第一方案的结构简图，其主要由长度不一的等截面环形隔板Ⅰ33和隔板支架Ⅰ32构成，三层环形隔板Ⅰ33将压力整形室8划分成隔板间距由外层至内层逐渐增加的四个环形通道，由于气流粘性力作用，从脉冲爆震燃烧室7过渡段排出的燃气在第一方案压力整形室8内隔板间距离最大的通道的平均流速最快，而在隔板间距离最小的通道燃气平均流速最低，故经第一方案压力整形室8后，单个强脉冲爆震压力波被分解成了四个时间上具有先后次序的压力波。
图4是压力整形室第二方案的结构简图，其主要由轴向长度相等的变截面环形隔板Ⅱ36和隔板支架Ⅱ35组成，三层环形隔板Ⅱ36将压力整形室8划分成四个扩张或收敛形变截面环形通道，由于超声速气流在扩张形通道是增速降压，而在收敛形通道则是减速增压，因此从脉冲爆震燃烧室过渡段排出的超声速燃气经第二方案压力整形室8后，单个强脉冲爆震压力波也可被分解成四个时间上具有先后次序的压力波，起到压力平缓整形的效果。
此外，由于爆震燃烧具有自增压优势，压气机1与传统燃气轮机压气机相同，但级数降为2至3级。涡轮9与传统燃气轮机涡轮相同。变速器11和发电机组件12与传统燃气轮机所采用的变速器和发电机组件相同。
为了对发明进一步了解，现对其工作过程做一说明。
本发明一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机工作时，外界空气被压气机1吸入燃气轮机，并经压缩增压后进入储气室2，通过供气管路3并由空气分配器5将压缩空气分成多股气流与燃料一起经燃烧室主喷嘴20和多路辅助喷嘴23填充脉冲爆震燃烧室，待填充结束后由爆震室头部火花塞22点火形成爆震燃烧波，爆震燃烧波以超声速传播燃烧燃料并放热，高速、高温脉冲爆震燃气经压力整形室8后，通过涡轮9膨胀做功，膨胀完的乏气最终经尾喷管13排出，涡轮功以轴功率的形式输出给压气机1和发电机组件12，在转子10与发电机组件12之间通过变速器11连接。
进一步具体地说，利用起动气源填充脉冲爆震燃烧室，由控制***发出点火命令通过火花塞22点火，同时控制***发出命令关闭辅助喷嘴空气开关电磁阀6，爆震室形成爆震波后经燃烧室过渡段27进入压力整形室8，爆震燃气经整形后高速进入涡轮9内膨胀做功，涡轮9以轴功率的形式输出功率给压气机1和发电机12，膨胀做功后的低速乏气经尾喷管13排出，压气机1吸入并压缩外界环境空气，压缩后的空气经扩张形通道减速增压流入储气室2，然后经供气管路3和空气分配器5供给各个脉冲爆震燃烧室7，当爆震波传出燃烧室后，各辅助喷嘴空气开关电磁阀6打开，主喷嘴20和辅助喷嘴23同时填充燃烧室，待火花塞22点火后，各辅助喷嘴空气开关电磁阀6又关闭，如此循环，在此过程中，当储气室2压力达到放气压力时，放气旁路开关电磁阀17打开，压缩空气通过放气旁路直接排出至燃烧室过渡段27。
Claims (7)
1.一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：包括压气机(1)、储气室(2)、多个供气管路(3)、多个脉冲爆震燃烧室(7)、压力整形室(8)、涡轮(9)、转子(10)和尾喷管(13)；其中，压气机(1)设置于该地面燃气轮机的最前端，压气机(1)的出气端依次与储气室(2)、压力整形室(8)、涡轮(9)和尾喷管(13)相连接，转子(10)设置于压气机(1)与涡轮(9)的中心，并通过两个轴承(16)分别与压气机(1)和涡轮(9)相连接，转子(10)的一端从尾喷管(13)处引出；多个脉冲爆震燃烧室(7)设置在储气室(2)与压力整形室(8)之间，且以转子(10)为中心呈环形均匀布置，储气室(2)的出口分别通过供气管路(3)与多个脉冲爆震燃烧室(7)的入口相连接，多个脉冲爆震燃烧室(7)的出口分别与压力整形室(8)的入口相连接，单个脉冲爆震燃烧室(7)的周向设有火花塞(22)和燃料管路；
其中，多个脉冲爆震燃烧室(7)呈环管形倾斜式安装在燃气轮机储气室(2)的***，脉冲爆震燃烧室(7)为等截面圆筒形燃烧室，包括依次连接的燃烧室头部端盖(31)、燃烧室点火段(30)、燃烧室起爆段(29)、燃烧室爆震段(28)和燃烧室过渡段(27)；其中，燃烧室头部端盖(31)上设有主喷嘴(20)，主喷嘴(20)设有主喷嘴气路(19)和主喷嘴燃料管路(21)，燃烧室起爆段(29)和燃烧室爆震段(28)的周向设有3～8个等间距的辅助喷嘴(23)，辅助喷嘴(23)上设有辅助喷嘴气路(24)和辅助喷嘴燃料管路(25)；火花塞(22)设置在燃烧室点火段(30)的周向，供气管路(3)通过设置在其出口端的空气分配器分别与主喷嘴气路(19)和3～8个辅助喷嘴气路(24)相连通，且在空气分配器分别与若干辅助喷嘴气路(24)相连通的管路上均设有辅助喷嘴空气开关电磁阀(6)，燃烧室过渡段(27)的出口连接压力整形室(8)的入口；
转子(10)的引出端通过变速器(11)与发电机组件(12)相连接；
多个供气管路(3)上均设有空气流量调节阀(4)和空气流量计(15)。
2.根据权利要求1所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：燃烧室爆震段(28)内侧的周向设置有螺旋形强化爆震结构(26)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：尾喷管(13)为一直角弯头喷管。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：储气室(2)的末端设有放气旁路(14)，且放气旁路(14)上设有用于控制放气旁路(14)开关的高频电磁阀(17)。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：储气室(2)的入口为扩张式环形通道，压气机(1)出口亚音速气流经扩张式环形通道后减速增压，储气室(2)的主体部分为等截面的环形腔体。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：压力整形室(8)包括机匣Ⅰ(34)，机匣Ⅰ(34)内部由多个长度不一的环形隔板Ⅰ(33)分成多个环形通道，且多个环形通道通过十字形的隔板支架Ⅰ(32)加强。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用脉冲爆震燃烧的地面燃气轮机，其特征在于：压力整形室(8)包括机匣Ⅱ(37)，机匣Ⅱ(37)内部由多个轴线长度相等的环形隔板Ⅱ(36)分成多个扩张或收敛形环形通道，且多个环形通道通过十字形的隔板支架Ⅱ(35)加强。
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