CN105067266A - 一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其包括气体供给设备、燃油供给设备、气体燃油预混设备、实验燃烧室、点火设备、给风设备和测量设备；气体供给设备用于向气体燃油预混设备中供给氧气、二氧化碳及空气的混合气体；燃油供给设备用于向气体燃油预混设备中供给燃油；气体燃油预混设备用于预混合送入其内的混合气体和燃油，以形成送入实验燃烧室中的气体燃油混合体；点火设备用于点燃气体燃油混合体；给风设备用于向实验燃烧室中提供风；测量设备用于测量燃烧室中的产物、温度、速度及压力。本发明可用于研究不同实验条件对燃烧实验的影响，具有功能多、适用性强等优点，因而尤其适用于燃气轮机燃烧室的研究。

Description

一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统

技术领域

本发明属于燃烧室实验装置领域，更具体地，涉及一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统。

背景技术

燃烧室是燃气轮机和航空发动机的重要组成部分，燃料在燃烧室内燃烧，燃烧过后高温高压的燃气推动燃烧室后的涡轮做功。燃气轮机和航空发动机对燃烧室的要求极高，如燃烧室能够快速点火、稳定燃烧等。因此燃烧室内的燃烧稳定性直接影响燃气轮机和航空发动机的性能稳定，甚至直接影响到燃气轮机及其航空发动机的寿命。

随着燃气轮机及其航空发动机的发展，对如何提高燃烧效率、污染物排放、强化燃烧室内的燃烧成为研究热点同时也是研究的难点。在燃烧室中，由于燃油和空气混合物不像气态或者液态那样存在简单的流动模型，而且在燃烧过程中存在各种物理和化学模型包括燃料的蒸发与雾化、湍流的输运、热辐射和热扩散，所以对燃油和空气的二项混合燃烧建立数学模型十分复杂，因此目前在燃气轮机和航空发动机的燃烧室设计中主要以实验为主。

现有的针对燃气轮机及航空发动机燃烧室的实验装置较少，大部分实验装置为燃氢燃烧室，其存在如下问题：首先现有的实验装置利用空气对燃烧室进行清洗，而残留在燃烧室中的空气对实验结果具有影响；其次现有的实验装置只能用于研究空气燃油非预混燃烧实验，无法研究空气燃油预混燃烧实验，试验研究具有局限性，并且在实验时气体直接吹入燃烧室实验部分，没有实现预混，使得各个部分气体混合不充分，且速率和质量难以调节，对实验结果影响较大；再次现有的实验装置无法研究实验中二次风对实验的影响，且对燃烧产物和废水不能有效的处理，环境污染大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能燃烧室实验系统，其中通过增设气体燃油预混设备，以实现气体和燃油的提前预混，保证各气体成分与燃油的充分混合，使得该实验系统适用于气体燃油预混燃烧实验的研究；并且通过系统中各个设备的相互配合及合理使用，使得本实验系统可用于模拟冷态、热态实验，并可用于研究一次风、二次风等多种不同实验条件对燃烧实验的影响，具有功能多、适用性强的优点，因而尤其适用于燃气轮机燃烧室的研究。

为实现上述目的，本发明提出了一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，包括气体供给设备、燃油供给设备、气体燃油预混设备、实验燃烧室和测量设备，其中：

该气体供给设备用于向所述气体燃油预混设备中供给包含氧气、二氧化碳及空气的混合气体；

该燃油供给设备包括相互连接的氮气瓶和燃油瓶，所述氮气瓶用于将所述实验燃烧室中的空气排出；所述燃油瓶用于向所述气体燃油预混设备中供给燃油；

该气体燃油预混设备为预混瓶，其用于预混合送入其内的混合气体和燃油，以形成气体燃油混合体；该气体燃油混合体通过输送管道送入所述实验燃烧室中；所述输送管道上设置有阀门、质量流量计、加热器、空气雾化机和压力表；

该实验燃烧室用于模拟燃气轮机的燃烧室，其上连接有点火设备与给风设备，所述点火设备用于点燃通入所述实验燃烧室中的气体燃油混合体；所述给风设备用于向所述实验燃烧室中提供所述气体燃油混合体输送和燃烧所需的风；

该测量设备包括烟气测量装置和流场测量装置，其中，所述烟气测量装置用于测量所述气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比；所述流场测量装置用于测量所述实验燃烧室中的燃烧温度、燃烧速度及压力。

作为进一步优选的，所述气体供给设备包括氧气瓶、二氧化碳瓶、空气瓶和气体混合瓶，其中，所述氧气瓶、二氧化碳瓶和空气瓶分别通过气体输送管道与所述气体混合瓶相连，以便分别向所述气体混合瓶中供给氧气、二氧化碳和空气；所述气体混合瓶中的氧气、二氧化碳和空气按一定比例混合后获得的混合气体通过气体输送管道送入所述预混瓶中；每个所述气体输送管道上均设置有阀门和质量流量计；所述空气瓶还连接有为其提供空气的鼓风机。

作为进一步优选的，所述给风设备为压气机，所述压气机通过一次风输送管道与所述实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入输送所述气体燃油混合体的一次风；所述压气机通过二次风输送管道与所述实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入增强所述气体燃油混合体燃烧的二次风。

作为进一步优选的，所述一次风输送管道上设置有阀门、质量流量计和压力表；所述二次风输送管道上设置有阀门、换热器、加热器、压力表和质量流量计。

作为进一步优选的，所述烟气测量装置包括依次连接的冷凝器、烟气分析仪和引风机，其中，所述冷凝器与所述实验燃烧室相连，所述烟气分析仪用于分析所述气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比，并将上述分析结果传输至计算机数据处理设备中；所述流场测量设备包括与所述实验燃烧室通过数据传送线相连的信息采集单元，该信息采集单元用于采集实验燃烧室内的燃烧温度、燃烧速度及压力，并将上述检测结果传输至所述计算机数据处理设备中。

作为进一步优选的，所述燃油瓶通过燃油输送管道与所述预混瓶相连，所述燃油输送管道上设置有质量流量计和阀门。

作为进一步优选的，所述燃烧室实验系统还设置有回收设备，所述回收设备包括废水储存瓶和废气储存瓶，该废水储存瓶和废气储存瓶分别与所述实验燃烧室相连，以用于回收实验燃烧室中的废水和废气。

作为进一步优选的，所述燃烧室实验系统还设置有降温设备，所述降温设备为高压水泵，所述高压水泵通过输送水管道与所述实验燃烧室相连，所述输送水管道上设置有阀门。

作为进一步优选的，所述氮气瓶还通过氮气输送管道与所述实验燃烧室相连，通过所述氮气瓶中的氮气对所述实验燃烧室进行清洗。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的多功能燃烧室实验系统通过在气体供给设备、燃油供给设备与实验燃烧室之间增设气体燃油预混设备，以实现气体和燃油的提前预混，保证各气体成分与燃油的充分混合，使得该实验系统适用于气体燃油预混燃烧实验的研究；并且通过气体供给设备、燃油供给设备、气体燃油预混设备、实验燃烧室、点火设备、给风设备、测量设备等的相互配合及合理使用，使得本实验系统可用于模拟冷态、热态实验，并可用于研究一次风、二次风等对实验的影响，即使用同一实验系统可进行不同的实验，具有功能多、适用性强的优点

2.本发明的多功能燃烧室实验系统直接采用燃油供给设备中的氮气对燃烧室进行清洗，操作简单方便，且对实验结果影响小；本发明可以调节燃烧室进口的各个成分的比例，对实验时的速度、压力、温度进行检测，并对燃烧尾气进行分析，方便研究不同条件下燃烧室的实验效果；此外，本发明还对废气、废水进行回收，可防止对环境产生污染。

附图说明

图1是本发明的多功能燃烧室实验系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，包括气体供给设备、燃油供给设备、气体燃油预混设备、实验燃烧室、点火设备、给风设备和测量设备，其中：

气体供给设备包括氧气供给装置、二氧化碳供给装置、空气供给装置及气体混合装置，氧气供给装置包括氧气瓶1、氧气输送管道2、阀门3和质量流量计4，氧气瓶1通过氧气输送管道2与气体混合瓶5相连，以向气体混合瓶5中供给氧气，阀门3和质量流量计4设置在氧气输送管道2上；二氧化碳供给装置包括二氧化碳瓶11、二氧化碳输送管道13、阀门、质量流量计，二氧化碳瓶11通过二氧化碳输送管道13与气体混合瓶5相连，以向气体混合瓶5中供给二氧化碳，阀门和质量流量计设置在二氧化碳输送管道13上；空气供给装置包括鼓风机10、空气瓶12、质量流量计14、空气输送管道15和阀门，空气瓶12通过空气输送管道15与气体混合瓶5相连，以向气体混合瓶5中供给空气，阀门和质量流量计14设置在空气输送管道15上，鼓风机10为空气瓶12提供所需的空气；供给至气体混合瓶5中的氧气、二氧化碳和空气按一定比例混合后获得的混合气体通过气体输送管道送入气体燃油预混设备(即图中的预混瓶6)中，该气体输送管道上设置有阀门16和质量流量计17，其中氧气、二氧化碳和空气的混合比例可随意调节，可满足不同的实验条件。

燃油供给设备包括燃油瓶36、氮气瓶35、燃油输送管道20、质量流量计、阀门，氮气瓶35与燃油瓶36相连，用于向气体燃油预混设备(即图中的预混瓶6)中供给燃油，燃油瓶36通过燃油输送管道20与预混瓶6相连，质量流量计和阀门设置在燃油输送管道20上。

气体燃油预混设备为预混瓶6，其用于预混合送入其内的混合气体和燃油以形成气体燃油混合体，气体燃油混合体通过输送管道21送入实验燃烧室中；输送管道21上设置有阀门7、质量流量计、加热器18、空气雾化机19和压力表。加热器18对气体燃油混合体进行加热，达到实验所需的温度，以便于研究不同温度对燃烧特性的影响，空气雾化机19对气体燃油混合体进行雾化，使得气体燃油混合体液滴颗粒变小、变均匀，以增强燃烧效率，使燃烧更充分。

实验燃烧室可用于模拟燃气轮机或航空发动机的燃烧室，其内设置有燃烧实验件25；点火设备为点火器23，点火器23与实验燃烧室相连，用于点燃通入实验燃烧室中的气体燃油混合体。

给风设备为压气机8，压气机8通过一次风输送管道22与实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入输送气体燃油混合体的一次风；压气机8通过二次风输送管道42与实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入增强气体燃油混合体燃烧的二次风，其中，一次风输送管道22上设置有阀门、质量流量计和压力表；二次风输送管道42上设置有阀门、换热器41、加热器40、压力表和质量流量计39。

测量设备包括烟气测量装置和流场测量装置，其中，烟气测量装置包括依次连接的冷凝器27、烟气分析仪28和引风机30，冷凝器27与实验燃烧室相连，烟气分析仪28用于分析气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比，并将上述分析结果传输至计算机数据处理设备29中；流场测量设备包括与实验燃烧室通过数据传送线26相连的信息采集单元9，数据传送线26末端设有压力、温度、速度探针，用于检测实验燃烧室内的燃烧温度、燃烧速度及压力，信息采集单元9用于采集实验燃烧室内的燃烧温度、燃烧速度及压力，并将上述检测结果传输至计算机数据处理设备29中。

本发明的多功能燃烧室实验系统还设置有回收设备和降温设备，其中，回收设备包括废水储存瓶31和废气储存瓶32，废水储存瓶31通过废水输送管道与实验燃烧室相连，用于回收实验燃烧室中的废水，废气储存瓶32通过废气输送管道33与实验燃烧室相连，用于回收实验燃烧室中的废气；降温设备为高压水泵24，高压水泵24通过输送水管道与实验燃烧室相连，所述输送水管道上设置有阀门。此外，氮气瓶35还通过氮气输送管道38与实验燃烧室相连，通过氮气瓶35中的氮气对实验燃烧室进行清洗，排出实验燃烧室中多余的空气。

本发明的多功能燃烧室实验系统可实现多种实验的模拟测试，其操作方法如下：

首先按照实验系统，连接好实验装置，打开氮气瓶35氮气输送管道38阀门，利用氮气冲洗燃烧室实验部件25，然后关闭阀门。

研究冷态实验时，即只通入混合气体，不通入燃油情况的实验，以及在冷态实验中分别考虑有无风对燃烧室燃烧实验的影响，首先利用鼓风机10往空气瓶12内冲入空气，然后按照实验所需要的空气成分调节氧气瓶、二氧化碳瓶、空气瓶上的阀门和质量流量计，在气体混合瓶5内达到实验所需要的不同比例的混合气体，混合气体通过混合气体输送管道送入混合瓶中，调节质量流量计17以控制混合气体的流量、速度，混合气体经过预混瓶6、加热器18和空气雾化计19后进入燃烧室实验件25，在该冷态实验时，将燃烧实验件25测量处的速度、温度、压力通过信息采集单元9输入计算机29进行数据处理，通过测量温度、速度、压力对燃烧室中温度分布进行分析，最终获得不同实验条件下燃烧室中温度、速度、压力分布情况及规律，通过该规律可评价燃烧室均匀性程度。

为研究冷态实验时一次风(即用于输送气体燃料混合体的风)对实验的影响，开启压气机8，打开阀门，通过一次风输送管道22向燃烧室中送入一次风，并通过质量流量计调节流速，同时将燃烧实验件25测量处的速度、温度、压力通过信息采集单元9输入计算机29进行数据处理。

研究热态实验时，即同时通入混合气体和燃油情况下的实验，以及考虑有无中心风对燃烧室燃烧实验的影响，将氮气瓶35阀门打开，与燃油瓶36内燃油混，然后将燃油输送管道20上的阀门打开，将燃油输入到预混瓶6中，同时打开气体混合瓶5下面的阀门16，氧气、二氧化碳和空气的混合气体通过混合气体输送管道输送到预混瓶6中，通过质量流量计可调节燃油、混合气体的流量、速度，并调节混合比例；混合气体和燃油按一定比例混合后形成气体燃油混合体，气体燃油混合体通过输送管道21送入实验燃烧室中；然后通过点火器23进行点火实验。热态实验时，燃烧产生的烟气通过引风机30，引入冷凝器27中，冷凝后再进入烟气分析仪28中进行分析，以分析气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比，并将上述分析结果传输至计算机数据处理设备29中；同时，通过燃烧室内探测元件进行探测，将数据通过数据线26输入信息采集单元9中进行分析，获得实验燃烧室内的燃烧温度、燃烧速度及压力，并将上述检测结果传输至计算机数据处理设备29中。热态实验后，打开高压水泵24，将水通过管道输入燃烧室中，对其进行冷却。实验产生的废水和废气分别通过管道输入到废水储存瓶31和废气储存瓶32进行储存和回收，以防止对环境产生污染。通过测出产物及成分，可对衡量燃烧室技术性能的排气污染指标进行分析，最终获得产物中污染物(N0x,CO,CXHy)在每千克燃料下的质量。

为研究二次风(即用于增强气体燃料混合体的风)对燃烧室燃烧的影响，打开压气机8，二次风通过二次风输送管道42经过换热器41进行换热，然后进入加热器40进行加热，送入燃烧室中，通过质量流量计控制流量，研究二次风对燃烧的影响。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，包括气体供给设备、燃油供给设备、气体燃油预混设备、实验燃烧室和测量设备，其中：

该气体供给设备用于向所述气体燃油预混设备中供给包含氧气、二氧化碳及空气的混合气体；

该燃油供给设备包括相互连接的氮气瓶(35)和燃油瓶(36)，所述氮气瓶(35)用于将所述实验燃烧室中的空气排出；所述燃油瓶(36)用于向所述气体燃油预混设备中供给燃油；

该气体燃油预混设备为预混瓶(6)，其用于预混合送入其内的混合气体和燃油，以形成气体燃油混合体；该气体燃油混合体通过输送管道(21)送入所述实验燃烧室中；所述输送管道(21)上设置有阀门、质量流量计、加热器(18)、空气雾化机(19)和压力表；

该实验燃烧室用于模拟燃气轮机的燃烧室，其上连接有点火设备与给风设备，所述点火设备用于点燃通入所述实验燃烧室中的气体燃油混合体；所述给风设备用于向所述实验燃烧室中提供所述气体燃油混合体输送和燃烧所需的风；

该测量设备包括烟气测量装置和流场测量装置，其中，所述烟气测量装置用于测量所述气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比；所述流场测量装置用于测量所述实验燃烧室中的燃烧温度、燃烧速度及压力。

2.如权利要求1所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述气体供给设备包括氧气瓶(1)、二氧化碳瓶(11)、空气瓶(12)和气体混合瓶(5)，其中，所述氧气瓶(1)、二氧化碳瓶(11)和空气瓶(12)分别通过气体输送管道与所述气体混合瓶(5)相连，以便分别向所述气体混合瓶(5)中供给氧气、二氧化碳和空气；所述气体混合瓶(5)中的氧气、二氧化碳和空气按一定比例混合后获得的混合气体通过气体输送管道送入所述预混瓶(6)中；每个所述气体输送管道上均设置有阀门和质量流量计；所述空气瓶(12)还连接有为其提供空气的鼓风机(10)。

3.如权利要求1或2所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述给风设备为压气机(8)，所述压气机(8)通过一次风输送管道(22)与所述实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入输送所述气体燃油混合体的一次风；所述压气机(8)通过二次风输送管道(42)与所述实验燃烧室相连，以向实验燃烧室中通入增强所述气体燃油混合体燃烧的二次风。

4.如权利要求3所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述一次风输送管道(22)上设置有阀门、质量流量计和压力表；所述二次风输送管道(42)上设置有阀门、换热器(41)、加热器(40)、压力表和质量流量计(39)。

5.如权利要求4所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述烟气测量装置包括依次连接的冷凝器(27)、烟气分析仪(28)和引风机(30)，其中，所述冷凝器(27)与所述实验燃烧室相连，所述烟气分析仪(28)用于分析所述气体燃油混合体燃烧后的产物及各产物的质量比，并将上述分析结果传输至计算机数据处理设备(29)中；所述流场测量装置包括与所述实验燃烧室通过数据传送线(26)相连的信息采集单元(9)，该信息采集单元(9)用于采集实验燃烧室内的燃烧温度、燃烧速度及压力，并将上述检测结果传输至所述计算机数据处理设备(29)中。

6.如权利要求4或5所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述燃油瓶(36)通过燃油输送管道(20)与所述预混瓶(6)相连，所述燃油输送管道(20)上设置有质量流量计和阀门。

7.如权利要求7所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述燃烧室实验系统还设置有回收设备，所述回收设备包括废水储存瓶(31)和废气储存瓶(32)，该废水储存瓶(31)和废气储存瓶(32)分别与所述实验燃烧室相连，以用于回收实验燃烧室中的废水和废气。

8.如权利要求8所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述燃烧室实验系统还设置有降温设备，所述降温设备为高压水泵(24)，所述高压水泵(24)通过输送水管道与所述实验燃烧室相连，所述输送水管道上设置有阀门。

9.如权利要求7或8所述的适用于燃气轮机的多功能燃烧室实验系统，其特征在于，所述氮气瓶(35)还通过氮气输送管道(38)与所述实验燃烧室相连，通过所述氮气瓶(35)中的氮气对所述实验燃烧室进行清洗。