CN107084049B - 一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，它包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室、热射流起爆管、掺混器、低压涡轮、高压涡轮、动力涡轮、负载、冷源。将旋转爆轰燃烧室应用于船用燃气轮机，采用低压压气机空气参与燃烧——高压压气机空气参与掺混冷却的方式，保证涡轮进口处工质未超温，且经过爆轰燃烧的工质具有更高的做功能力。本发明利用旋转爆轰燃烧室的增压特性，在涡轮进口处温度、部件效率、压气机压比相同的条件下，使燃气轮机循环热效率提高了3‑5％。

Description

一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术，尤其涉及一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机。

背景技术

燃气轮机循环热效率是评定燃气轮机设计技术水平的最主要性能指标，减小燃气轮机循环过程熵增是提高燃气轮机循环热效率的一个重要方式。在布雷顿循环中，等压燃烧过程熵增最大的热力过程，降低该热力过程的熵增受到了等压燃烧原理的限制，进而限制了基于简单布雷顿循环燃气轮机效率的大幅度提高。随着科技的发展对燃气轮机性能要求逐步提高，等压燃烧污染物排放高、火焰长度长等缺陷也日益突显出来。

爆轰燃烧室结构相对简单、污染小、能量转换率小，且由于爆轰燃烧近似于等容燃烧，燃烧过程熵增较等压燃烧明显减小，有一定的增压能力。爆轰燃烧室有三种实现形式：脉冲爆轰燃烧室、驻定爆轰燃烧室和旋转爆轰燃烧室。脉冲爆轰燃烧室结构简单、比冲性能较高，但间歇性工作方式使其需要多次点火；驻定爆轰燃烧室增压比高，熵增最小，但需要较高马赫数的进气条件；而旋转爆轰燃烧室是只需要一次点火且工作范围宽泛，更易应用在燃气轮机上。

旋转爆轰燃烧室是一种环形燃烧室，头部有多个喷嘴用于燃料和氧化剂的掺混和供给。旋转爆轰燃烧室由热射流起爆管起爆，燃烧室内爆轰波传播速度达到10³m/s量级，燃料驻留时间为10^-4s量级，放热快，排放低。但旋转爆轰燃烧室在燃料——空气当量比较低时燃烧不稳定，极易发生熄爆现象，而在燃料——空气当量比较高时，燃烧室出口温度过高，涡轮叶片无法接受，这成为能否将旋转爆轰燃烧室应用在燃气轮机上的一个关键问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，以至少解决旋转爆轰燃烧室不易应用在燃气轮机上的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室、掺混器、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮、负载和冷源；低压压气机的入口端连接冷源，低压压气机的出口端分别连接高压压气机的进口端和旋转爆轰燃烧室的进口端，以使得经低压压气机压缩后的空气分为两部分：一部分空气进入高压压气机继续压缩，而另一部分空气进入旋转爆轰燃烧室参与燃烧过程；旋转爆轰燃烧室的出口端连接掺混器的第一进口端，高压压气机的第一出口端连接掺混器的第二进口端，以通过对经过高压压气机压缩的至少部分高压空气与经旋转爆轰燃烧室增压的工质进行掺混来降低工质温度；掺混器的出口端连接高压涡轮的进口端，高压涡轮的出口端连接低压涡轮的进口端，低压涡轮的出口端连接动力涡轮的进口端，动力涡轮的出口端连接冷源；动力涡轮连接负载。

进一步地，高压压气机还设有第二出口端，该第二出口端连接高压涡轮的进口端以用于对高压涡轮进行冷却。

进一步地，冷源为大气环境，循环工质在动力涡轮膨胀做功后直接排出至大气环境，低压压气机从大气环境中吸入空气。

进一步地，旋转爆轰燃烧室为非预混燃烧室，采用热射流起爆管起爆，其燃料供给方式为低压压气机出口的部分空气在燃烧室入口和燃料一边掺混一边进入燃烧室参与燃烧。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室、热射流起爆管、掺混器、低压涡轮、高压涡轮、动力涡轮、负载、冷源，经低压压气机压缩的空气一部分进入高压压气机继续压缩，另一部分直接进入旋转爆轰燃烧室参与燃烧过程；经高压压气机压缩的空气一部分进入掺混器实现旋转爆轰燃烧室出口工质的降温过程，另一部分用于涡轮冷却等过程。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，提出了一种新的循环方式，利用低压压气机出口空气参与旋转爆轰增压燃烧，利用高压压气机出口空气充入掺混器给燃烧室出口工质降温，从而满足涡轮叶片耐温要求。将旋转爆轰燃烧应用在燃气轮机循环中，克服了基于等压燃烧的传统燃烧室熵增过大的问题，提高燃气轮机循环热效率，降低了污染物排放。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，在涡轮进口处温度、部件效率、压气机压比相同的条件下，燃气轮机循环热效率提高了3-5％，同时也使NOx排放降低一个数量级。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示意性地示出本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机的一个示例的结构图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室、掺混器、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮、负载和冷源；低压压气机的入口端连接冷源，低压压气机的出口端分别连接高压压气机的进口端和旋转爆轰燃烧室的进口端，以使得经低压压气机压缩后的空气分为两部分：一部分空气进入高压压气机继续压缩，而另一部分空气进入旋转爆轰燃烧室参与燃烧过程；旋转爆轰燃烧室的出口端连接掺混器的第一进口端，高压压气机的第一出口端连接掺混器的第二进口端，以通过对经过高压压气机压缩的至少部分高压空气与经旋转爆轰燃烧室增压的工质进行掺混来降低工质温度；掺混器的出口端连接高压涡轮的进口端，高压涡轮的出口端连接低压涡轮的进口端，低压涡轮的出口端连接动力涡轮的进口端，动力涡轮的出口端连接冷源；动力涡轮连接负载。

图1给出了本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机的一个示例的结构图。

如图1所示，在该示例中，基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室(即图1中的“燃烧室”)、掺混器、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮、负载和冷源。

低压压气机的入口端连接冷源，低压压气机的出口端分别连接高压压气机的进口端和旋转爆轰燃烧室的进口端，以使得经低压压气机压缩后的空气分为两部分：一部分空气进入高压压气机继续压缩，而另一部分空气进入旋转爆轰燃烧室参与燃烧过程。

旋转爆轰燃烧室的出口端连接掺混器的第一进口端，高压压气机的第一出口端连接掺混器的第二进口端。这样，掺混器通过对经过高压压气机压缩的至少部分高压空气与经旋转爆轰燃烧室增压的工质进行掺混来降低工质温度。由此，通过对燃烧室出口工质进行降温，使工质降低温度后再进入涡轮。

掺混器的出口端连接高压涡轮的进口端，高压涡轮的出口端连接低压涡轮的进口端，低压涡轮的出口端连接动力涡轮的进口端，动力涡轮的出口端连接冷源；动力涡轮连接负载。

根据一个实现方式，高压压气机还设有第二出口端，该第二出口端连接高压涡轮的进口端以用于对高压涡轮进行冷却(图中未示出)。

根据一个实现方式，冷源为大气环境，循环工质在动力涡轮膨胀做功后直接排出至大气环境，低压压气机从大气环境中吸入空气。

此外，根据一个实现方式，旋转爆轰燃烧室为非预混燃烧室，采用热射流起爆管起爆，其燃料供给方式为低压压气机出口的部分空气在燃烧室入口和燃料一边掺混一边进入燃烧室参与燃烧。

如图1所示，从循环工质进入低压压气机压缩过程开始，1)低压压气机压缩：空气经低压压气机压缩，升温升压；2)高压压气机压缩：第一部分经低压压气机压缩的空气进入高压压气机进行压缩；3)旋转爆轰燃烧：第一部分经低压压气机压缩的工质与燃料进入非预混式旋转爆轰燃烧室，经过化学反应放热，产生具有高做功能力的高温、高压工质；4)掺混器冷却：第二部分经低压压气机压缩的空气进入燃烧室尾部掺混器，与燃烧室出口高温高压工质进行掺混，使掺混器出口工质降温至涡轮第一级叶片可以承受的范围；5)高压涡轮膨胀做功：经掺混器掺混的高温高压工质进入高压涡轮膨胀做功，降温降压；6)低压涡轮膨胀做功：经高压涡轮膨胀做功的工质进入低压涡轮继续膨胀做功，降温降压；7)动力涡轮膨胀做功：经低压涡轮膨胀做功的工质进入动力涡轮继续膨胀做功，降温降压；8)放热：动力涡轮出口工质向冷源放热，重新回到压缩过程的初始点。

通过以上描述可知，本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，它包括低压压气机、高压压气机、旋转爆轰燃烧室、热射流起爆管、掺混器、低压涡轮、高压涡轮、动力涡轮、负载、冷源。将旋转爆轰燃烧室应用于船用燃气轮机，采用低压压气机空气参与燃烧——高压压气机空气参与掺混冷却的方式，保证涡轮进口处工质未超温，且经过爆轰燃烧的工质具有更高的做功能力。本发明利用旋转爆轰燃烧室的增压特性，在涡轮进口处温度、部件效率、压气机压比相同的条件下，使燃气轮机循环热效率提高了3-5％。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，通过低压压气机空气参与燃烧——高压压气机空气参与掺混冷却的方式，将旋转爆轰燃烧燃烧室应用在船用燃气轮机上，克服了基于等压燃烧的传统燃烧室熵增过大的问题，利用爆轰燃烧熵增小、放热快、有一定的增压能力的优点，提高了燃气轮机循环热效率，降低了污染物排放。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机提高循环热效率、降低污染物排放的原理：旋转爆轰燃烧过程熵增小，工质做功能力的损失小，因而较基于等压燃烧的传统燃烧室出口工质具有更高的做功能力；在旋转爆轰燃烧室中爆轰波的传播速度达到103m/s量级，燃烧剧烈，放热极快，燃料在燃烧室内的驻留时间处于10-4s量级，小于基于等压燃烧的传统燃烧室一个量级，因而污染物排放低。

本发明的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机采用低压压气机空气参与燃烧——高压压气机空气参与掺混冷却的方式，使旋转爆轰燃烧室出口工质降温至涡轮叶片能接受的范围，从而将旋转爆轰燃烧室应用在船用燃气轮机上。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，包括低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮和负载，其特征在于，所述基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机还包括旋转爆轰燃烧室、掺混器和冷源；

所述低压压气机的入口端连接冷源，所述低压压气机的出口端分别连接所述高压压气机的进口端和所述旋转爆轰燃烧室的进口端，以使得经所述低压压气机压缩后的空气分为两部分：一部分空气进入所述高压压气机继续压缩，而另一部分空气进入所述旋转爆轰燃烧室参与燃烧过程；

所述旋转爆轰燃烧室的出口端连接所述掺混器的第一进口端，所述高压压气机的第一出口端连接所述掺混器的第二进口端，以通过对经过所述高压压气机压缩的至少部分高压空气与经所述旋转爆轰燃烧室增压的工质进行掺混来降低工质温度；

所述掺混器的出口端连接所述高压涡轮的进口端，所述高压涡轮的出口端连接所述低压涡轮的进口端，所述低压涡轮的出口端连接所述动力涡轮的进口端，所述动力涡轮的出口端连接冷源；所述动力涡轮连接负载。

2.根据权利要求1所述的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，其特征在于，所述高压压气机还设有第二出口端，该第二出口端连接所述高压涡轮的进口端以用于对所述高压涡轮进行冷却。

3.根据权利要求1所述的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，其特征在于，所述冷源为大气环境，循环工质在所述动力涡轮膨胀做功后直接排出至大气环境，所述低压压气机从大气环境中吸入空气。

4.根据权利要求1所述的基于旋转爆轰燃烧的船用三轴燃气轮机，其特征在于，所述旋转爆轰燃烧室为非预混燃烧室，采用热射流起爆管起爆，其燃料供给方式为所述低压压气机出口的部分空气在燃烧室入口和燃料一边掺混一边进入燃烧室参与燃烧。