CN107100735B - 一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，该发电燃气轮机沿气流方向依次包括低压压气机、高压压气机、组合式燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮及负载；低压压气机和低压涡轮同轴，高压压气机和高压涡轮同轴，低压轴与高压轴为同轴心的套轴安装形式，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，燃烧室包括内外两个燃烧室，外部为等压环形燃烧室，内部为连续旋转爆轰燃烧室。内外两种燃烧室通过变几何导向阀切换，确保在不同工况下，燃烧室工作稳定，启动点火迅速可靠。本发明的上述技术能够克服现有技术的不足。

Description

一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术，尤其涉及一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机。

背景技术

传统等压燃烧室容易起爆、可靠性高，但由于受等压燃烧和爆燃的原理和特性的制约，其存在燃烧速度慢、效率低等不足，很难在其基础上大幅度提高燃气轮机的效率。爆轰燃烧相比于传统等压燃烧传播速度快、热效率高、结构也更加简单紧凑，然而，其也存在以下缺点：爆轰点火能量高，使得点火困难；工作强度大，持续工作易造成零部件的扭曲变形甚至烧毁；低当量比进气时由于能量不足易发生熄火，当量比趋于1进气时由于排气温度高易烧导叶。这些都是开发满足日益提高的船舶动力装置要求的船用燃气轮机亟待解决的问题。

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组合式燃烧室的船用燃气轮机，以至少解决现有的传统等压燃烧室所存在的燃烧速度慢、效率低的问题以及爆轰燃烧室所存在的爆轰点火能量高导致点火困难等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，基于组合式燃烧室的船用燃气轮机沿气流方向依次设有低压压气机、高压压气机、组合式燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮及负载；低压压气机与低压涡轮沿低压轴同轴设置，高压压气机与高压涡轮沿高压轴同轴设置，其中，低压轴与高压轴为同轴心的套轴安装形式，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连；组合式燃烧室包括同轴设置的外部燃烧室和内部燃烧室，外部燃烧室采用等压环形燃烧室，而内部燃烧室采用连续旋转爆轰燃烧室，连续旋转爆轰燃烧室设于等压环形燃烧室内；组合式燃烧室还设有一个或多个变几何导向阀，该一个或多个变几何导向阀用于切换等压环形燃烧室与连续旋转爆轰燃烧室的启动。

进一步地，一个或多个变几何导向阀用于：当组合式燃烧室处于低工况条件时切换至等压环形燃烧室，以使来自高压压气机的气流经等压环形燃烧室燃烧后流至高压涡轮；当组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时切换至连续旋转爆轰燃烧室，以使来自高压压气机的气流经连续旋转爆轰燃烧室后流至高压涡轮。

进一步地，一个或多个变几何导向阀包括第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，第一变几何导向阀设于高压压气机与组合式燃烧室之间，而第二变几何导向阀设于组合式燃烧室与高压涡轮之间；在组合式燃烧室处于低工况条件时，第一变几何导向阀和第二变几何导向阀均切换至等压环形燃烧室；在组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时，第一变几何导向阀和第二变几何导向阀均切换至连续旋转爆轰燃烧室。

进一步地，基于组合式燃烧室的船用燃气轮机还包括进气道，进气道连接至低压压气机的进口端。

进一步地，还包括排气道，排气道连接至动力涡轮的出口端。

进一步地，等压环形燃烧室采用常规等离子体点火器进行点火。

进一步地，连续旋转爆轰燃烧室采用高能等离子体点火器直接点火。

本发明能够克服传统等压燃烧室效率低、爆轰燃烧室起爆点火要求高的不足，提供一种效率高、易于起爆、有良好的变工况适应性、结构紧凑的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机。

本发明的有益效果是：所发明的一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，采用传统等压燃烧室作为组合式燃烧室的外层燃烧室，其能够有效防止由于起爆不成功造成的燃气轮机熄火，在低工况下用等离子点火器即可实现燃烧室迅速、可靠地启动点火，且连焰性好，保证了燃气轮机工作的稳定性和可靠性；本发明采用连续旋转爆轰燃烧室作为组合式燃烧室的内层燃烧室，大幅度提高了燃气轮机效率，有效提高了燃气轮机的动力性和燃料的经济性；组合式燃烧室中两种燃烧室的布置形式使燃气轮机结构更紧凑，变几何导向阀切换二者交替工作也合理地组织了燃烧进、出口流场的分布，减小对零部件的损耗，延长了燃气轮机使用寿命。

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为本发明的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机的整体结构示意图；

图2为图1所示组合式燃烧室正视剖面图；

图3为图1所示组合式燃烧室A-A剖视图；

图4为图1所示组合式燃烧室中等压燃烧室A-A剖视图；

图5为图1所示组合式燃烧室中连续旋转爆轰燃烧室A-A剖视图。

图中：1.低压压气机，2.高压压气机，3、5.变几何导向阀，4.组合式燃烧室，6.高压涡轮，7.低压涡轮，8.动力涡轮，9.负载，10.等压环形燃烧室，11.连续旋转爆轰燃烧室。

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组合式燃烧室的船用燃气轮机，基于组合式燃烧室的船用燃气轮机沿气流方向依次设有低压压气机、高压压气机、组合式燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮及负载；低压压气机与低压涡轮沿低压轴同轴设置，高压压气机与高压涡轮沿高压轴同轴设置，其中，低压轴与高压轴为同轴心的套轴安装形式，高压轴套在低压轴外，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连；组合式燃烧室包括同轴设置的外部燃烧室和内部燃烧室，外部燃烧室采用等压环形燃烧室，而内部燃烧室采用连续旋转爆轰燃烧室，连续旋转爆轰燃烧室设于等压环形燃烧室内；组合式燃烧室还设有一个或多个变几何导向阀，该一个或多个变几何导向阀用于切换等压环形燃烧室与连续旋转爆轰燃烧室的启动。

下面结合图1至图5来描述本发明的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机。

图1为本发明的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机的整体结构示意图。如图1所示，基于组合式燃烧室的船用燃气轮机沿气流方向依次设有低压压气机1、高压压气机2、组合式燃烧室4、高压涡轮6、低压涡轮7、动力涡轮8及负载9。

低压压气机1与低压涡轮7沿低压轴同轴设置，高压压气机2与高压涡轮6沿高压轴同轴设置，其中，低压轴与高压轴为同轴心的套轴安装形式，高压轴套在低压轴外，动力涡轮8通过齿轮箱与负载9相连。

如图2和图3所示，组合式燃烧室4包括同轴设置的外部燃烧室10和内部燃烧室11，外部燃烧室10采用等压环形燃烧室，而内部燃烧室11采用连续旋转爆轰燃烧室，连续旋转爆轰燃烧室设于等压环形燃烧室内。

其中，等压环形燃烧室可采用常规等离子体点火器进行点火，而连续旋转爆轰燃烧室可采用高能等离子体点火器直接点火。需要说明的是，这里所说的“常规等离子体点火器”是指点火能量大于16J的等离子体点火器，而“高能等离子体点火器”是指点火能量大于25J的等离子体点火器。

组合式燃烧室4还设有一个或多个变几何导向阀，该一个或多个变几何导向阀用于切换等压环形燃烧室与连续旋转爆轰燃烧室的启动。

根据一个实现方式，一个或多个变几何导向阀可以用于：当组合式燃烧室处于低工况条件时切换至等压环形燃烧室，以使来自高压压气机的气流经等压环形燃烧室燃烧后流至高压涡轮，即等压环形燃烧室工作、而连续旋转爆轰燃烧室不工作；当组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时切换至连续旋转爆轰燃烧室，以使来自高压压气机的气流经连续旋转爆轰燃烧室后流至高压涡轮，即连续旋转爆轰燃烧室工作、而等压环形燃烧室不工作。其中，这里所说的“当组合式燃烧室处于低工况条件时”是指当组合式燃烧室的进口压力小于3个大气压时。

根据一个实现方式，一个或多个变几何导向阀包括第一变几何导向阀3和第二变几何导向阀5，第一变几何导向阀3设于高压压气机2与组合式燃烧室4之间，而第二变几何导向阀5设于组合式燃烧室4与高压涡轮6之间。

在组合式燃烧室4处于低工况条件时，第一变几何导向阀3和第二变几何导向阀5均切换至等压环形燃烧室；而在组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时，第一变几何导向阀3和第二变几何导向阀5均切换至连续旋转爆轰燃烧室。

此外，本发明的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机还包括进气道和排气道，进气道连接至低压压气机的进口端，而排气道连接至动力涡轮的出口端，以完成燃气轮机的进排气工作。

图2、3为本发明中的组合式燃烧室剖视图，组合式燃烧室4包括外部的等压燃烧室10和内部的连续旋转爆轰燃烧室11。图4、5分别为本发明中组合式燃烧室外侧等压环形燃烧室10和内侧连续旋转爆轰燃烧室11的剖视图。组合式燃烧室4两侧布置第一和第二变几何导向阀3、5用于在不同工况下实现两种燃烧室的切换。

燃气轮机工作时，在低工况下，流体流经低压压气机1和高压压气机2后，当燃烧室4的进口压力低于3个大气压时，低能量难以实现爆轰点火，此时由第一变几何导向阀3和第二变几何导向阀5控制组合式燃烧室4中的等压环形燃烧室10启动工作，用等离子点火器(如16J)完成对等压环形燃烧室10的点火，其燃料进行爆燃燃烧，燃烧波的传播速度为米每秒量级，燃烧过程中，压强略降，体积大幅膨胀，可看作等压燃烧，此时组合式燃烧室4的工作效果相当于常规等压环形燃烧室。当燃烧室进口压力为3～8个大气压时，等压环形燃烧室10由于受到等压燃烧原理的制约以无法达到对动力性能的要求，此时由第一变几何导向阀3和第二变几何导向阀5控制组合式燃烧室4中的连续旋转爆轰燃烧室11启动工作进行爆轰燃烧，高能等离子点火器(如25J)直接对连续旋转爆轰燃烧室11点火，其内爆轰波传播速度可达千米每秒量级，燃烧过程中压强和温度骤增，体积略减小，可近似为等容燃烧。相比于传统等压燃烧其放热快、产生的熵增较小，出口的高温推动涡轮做工能力提升，其热效率明显高于传统爆燃燃烧，此时组合式燃烧室4的工作效果相当于连续旋转爆轰燃烧室。两种燃烧形式分别发生在内外分布的两类燃烧室内，根据燃烧室进口压力的大小自动选择。组合式燃烧室4的前后布置变几何导向阀3、5进行切换，合理组织燃烧室进口流场和温度场的分布，调整燃烧室进口温度避免烧导叶。组合式燃烧室4排除气体流经高压涡轮6和低压涡轮7推动动力涡轮8带动负载9做功，完成燃气轮机工作过程。

由上述工作过程可知，本发明的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机在工作过程中组合式燃烧室4的燃烧室选择通过第一和第二变几何导向阀3、5控制，启动迅速、可靠且连焰性好，且具有很好的变工况的适应性。组合式燃烧室4外部的环形燃烧室10点火能量低易于起爆且输出稳定，能保证船用燃气轮机在低工况下稳定运行；组合式燃烧室4内部的连续旋转爆轰燃烧室11燃烧迅速且效率高，提高了高工况下船用燃气轮机的动力性能和经济性。考虑到二者在几何上均为环腔结构，两种燃烧室的合理组合能够提高燃烧室的紧凑性，同等输出下缩小了燃气轮机尺寸。并且，组合式燃烧室4在不同工况下启动不同类型燃烧室改变了传统燃气轮机高工况下依靠单个燃烧室所承受高温、高负荷的工作状态，也相对降低了外部等压环形燃烧室10对材料的要求，提高其使用寿命。

由此可知，本发明的内外两种燃烧室通过变几何导向阀切换，确保在不同工况下，燃烧室工作稳定，启动点火迅速可靠。同时，本发明在燃气轮机在较高工况下工作时启动的连续旋转爆轰燃烧室效率大大高于传统等压燃烧室，极大地提高了燃气轮机的动力性能和经济性；两种燃烧室在不同工况下切换工作的形式相对改善了单一燃烧室长时间处于高温、高负荷工作状态的情况，一定程度上降低了对组合式燃烧室外部等压环形燃烧室的设计要求，延长燃气轮机的寿命；两种环形燃烧室相套的设计相对与其他布置形式更紧凑，缩小了燃气轮机尺寸。

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 (6)

1.一种基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于，所述基于组合式燃烧室的船用燃气轮机沿气流方向依次设有低压压气机、高压压气机、组合式燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮及负载；

所述低压压气机与所述低压涡轮沿低压轴同轴设置，所述高压压气机与所述高压涡轮沿高压轴同轴设置，其中，所述低压轴与所述高压轴为同轴心的套轴安装形式，所述动力涡轮通过齿轮箱与所述负载相连；

所述组合式燃烧室包括同轴设置的外部燃烧室和内部燃烧室，所述外部燃烧室采用等压环形燃烧室，而所述内部燃烧室采用连续旋转爆轰燃烧室，所述连续旋转爆轰燃烧室设于所述等压环形燃烧室内；

所述组合式燃烧室还设有一个或多个变几何导向阀，该一个或多个变几何导向阀用于切换所述等压环形燃烧室与所述连续旋转爆轰燃烧室的启动；

所述一个或多个变几何导向阀用于：

当所述组合式燃烧室处于低工况条件时切换至所述等压环形燃烧室，以使来自所述高压压气机的气流经所述等压环形燃烧室燃烧后流至所述高压涡轮；

当所述组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时切换至所述连续旋转爆轰燃烧室，以使来自所述高压压气机的气流经所述连续旋转爆轰燃烧室后流至所述高压涡轮。

2.根据权利要求1所述的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于，所述一个或多个变几何导向阀包括第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，所述第一变几何导向阀设于所述高压压气机与所述组合式燃烧室之间，而所述第二变几何导向阀设于所述组合式燃烧室与所述高压涡轮之间；

在所述组合式燃烧室处于低工况条件时，所述第一变几何导向阀和所述第二变几何导向阀均切换至所述等压环形燃烧室；

在所述组合式燃烧室的进口压力达3～8个大气压时，所述第一变几何导向阀和所述第二变几何导向阀均切换至所述连续旋转爆轰燃烧室。

3.根据权利要求1所述的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于还包括进气道，所述进气道连接至所述低压压气机的进口端。

4.根据权利要求3所述的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于还包括排气道，所述排气道连接至所述动力涡轮的出口端。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于，所述等压环形燃烧室采用常规等离子体点火器进行点火。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的基于组合式燃烧室的船用燃气轮机，其特征在于，所述连续旋转爆轰燃烧室采用高能等离子体点火器直接点火。