CN107313859B - 一种基于组合式燃烧室的发电燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，该发电燃气轮机沿气流方向依次设有发电机、压气机、冷却器、组合式燃烧室和涡轮；发电机由压气机带动前驱布置，压气机与涡轮同轴设置；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管燃烧室，而内部燃烧室采用连续旋转爆轰燃烧室；组合式燃烧室的两侧设有第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，以使在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机启动时采用等压环管燃烧室，而在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机发电时采用连续旋转爆轰燃烧室。本发明具有启动点火迅速可靠且高效环保、在发电工况下效率大大高于传统等压燃烧室等优点。

Description

一种基于组合式燃烧室的发电燃气轮机

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发电燃气轮机。

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，作为发电燃气轮机很难达到能量要求。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动力装置要求的发电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发电燃气轮机，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发电燃气轮机，基于组合式燃烧室的发电燃气轮机沿气流方向依次设有发电机、压气机、冷却器、组合式燃烧室和涡轮；发电机由压气机带动前驱布置，压气机的出口端连接冷却器的进口端，冷却器的出口端连接组合式燃烧室的进口端，组合式燃烧室的出口端连接涡轮的进口端，其中，压气机与涡轮同轴设置；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管燃烧室，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管燃烧室内；组合式燃烧室的两侧设有第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，其中，第一变几何导向阀连接于冷却器与组合式燃烧室之间，而第二变几何导向阀连接于组合式燃烧室与涡轮之间；第一变几何导向阀和第二变几何导向阀用于切换连续旋转爆轰燃烧室和等压环管燃烧室的启动，以使在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机启动时采用等压环管燃烧室，而在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机发电时采用连续旋转爆轰燃烧室。

进一步地，基于组合式燃烧室的发电燃气轮机还包括进气道，进气道连接压气机的进口端。

进一步地，基于组合式燃烧室的发电燃气轮机还包括排气道，排气道连接涡轮的出口端。

进一步地，等压环管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。

本发明的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，能够克服传统等压燃烧室效率低、爆轰燃烧室起爆点火启动要求高的不足，提供一种易于启动、低污染、高效、结构紧凑的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机。本发明的发电燃气轮机在启动过程中使布置在组合式燃烧室外层的传统等压环管燃烧室，其能有效防止由于起爆不成功造成的燃气轮机熄火，在启动中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，保证了燃气轮机启动的稳定性和可靠性；本发明在燃气轮机发电时采用布置在组合式燃烧室内层的连续旋转爆轰燃烧室，其能够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，从而提高燃气轮机的发电能力；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。压气机与燃烧室之间添加冷却器的设想，将燃气轮机循环定义为“中冷爆轰循环燃气轮机”，大大提高了旋转爆轰增压燃烧室的增压比，提高燃气做功能力，从而提高燃气轮机的发电能力。

本发明能够确保在燃气轮机的不同工作阶段，燃烧室启动点火迅速可靠且高效环保；同时，本发明的燃气轮机在发电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，极大地提高了发电燃气轮机的发电能力，燃气的充分燃烧也有效地降低了对环境的污染；在压气机和组合式燃烧室间布置冷却器的设计降低了压气机的出口温度提高了增压比，进而提高了燃气轮机的做功能力；两种燃烧室在不同工作阶段下分别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管燃烧室的设计要求，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。

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发电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环管燃烧室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.发电机，2.压气机，3.冷却器，4.第一变几何导向阀，5.组合式燃烧室，6.第二变几何导向阀，7.涡轮，8.等压环管燃烧室，9.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发电燃气轮机，基于组合式燃烧室的发电燃气轮机沿气流方向依次设有发电机、压气机、冷却器、组合式燃烧室和涡轮；发电机由压气机带动前驱布置，压气机的出口端连接冷却器的进口端，冷却器的出口端连接组合式燃烧室的进口端，组合式燃烧室的出口端连接涡轮的进口端，其中，压气机与涡轮同轴设置；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管燃烧室，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管燃烧室内；组合式燃烧室的两侧设有第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，其中，第一变几何导向阀连接于冷却器与组合式燃烧室之间，而第二变几何导向阀连接于组合式燃烧室与涡轮之间；第一变几何导向阀和第二变几何导向阀用于切换连续旋转爆轰燃烧室和等压环管燃烧室的启动，以使在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机启动时采用等压环管燃烧室，而在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机发电时采用连续旋转爆轰燃烧室。

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发电燃气轮机。

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发电燃气轮机沿气流方向依次设有发电机1、压气机2、冷却器3、组合式燃烧室5和涡轮7。

发电机1由压气机2带动前驱布置，压气机2的出口端连接冷却器3的进口端，冷却器3的出口端连接组合式燃烧室5的进口端，组合式燃烧室5的出口端连接涡轮7的进口端，其中，压气机2与涡轮7同轴设置。

组合式燃烧室5包括同轴设置的外部燃烧室8和内部燃烧室9，外部燃烧室8采用等压环管燃烧室，而内部燃烧室9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管燃烧室内。图2和图3为本发明中的组合式燃烧室剖视图，如图2和图3所示，组合式燃烧室5包括外部的等压环管燃烧室8和内部的连续旋转爆轰燃烧室9。图4、5分别为本发明中组合式燃烧室外侧等压环管燃烧室8和内侧连续旋转爆轰燃烧室9的剖视图。

组合式燃烧室5的两侧设有第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6，其中，第一变几何导向阀4连接于冷却器3与组合式燃烧室5之间，而第二变几何导向阀6连接于组合式燃烧室5与涡轮7之间。

第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6用于切换连续旋转爆轰燃烧室和等压环管燃烧室的启动，以使在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机启动时采用等压环管燃烧室，而在基于组合式燃烧室的发电燃气轮机发电时采用连续旋转爆轰燃烧室。组合式燃烧室5两侧布置第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6，以在不同工作阶段实现两种燃烧室的切换，压气机2与燃烧室5间布置冷却器3以提高增压比。

由此，两个燃烧室之间通过第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6能够切换控制组合式燃烧室5的启动。也就是说，在发电燃气轮机启动时通过切换第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6使得等压环管燃烧室工作、而连续旋转爆轰燃烧室不工作；在发电燃气轮机发电时通过切换第一变几何导向阀4和第二变几何导向阀6使得连续旋转爆轰燃烧室工作、而等压环管燃烧室不工作。

基于组合式燃烧室的发电燃气轮机还包括进气道和排气道，进气道连接压气机的进口端，而排气道连接涡轮的出口端，以完成燃气轮机的进排气工作。

此外，等压环管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。

燃气轮机开始发电时，启动过程中，流体流经进气道进入压气机2后，此时由第一变几何导向阀4控制启动组合式燃烧室5外部的等压环管燃烧室8，用等离子点火器(如16J)完成对等压环管燃烧室8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5的工作效果相当于常规等压环管燃烧室。当燃气轮机进行发电时，等压环管燃烧室8由于受到等压燃烧原理的制约以无法达到对发电能力的要求，此时由变几何导向阀4控制组合式燃烧室5中的连续旋转爆轰燃烧室9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9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，燃气轮机发电能力大大提升，此时组合式燃烧室5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，根据发电的不同阶段自动选择。组合式燃烧室5的前后布置第一和第二变几何导向阀4、6进行切换，合理控制不同阶段的燃烧室选择，保证发电燃气轮机启动迅速可靠，同时保证发电能力。考虑到压气机2出口高温会使增压比大幅度下降，在压气机2与组合式燃烧室5之间布置的冷却器3，将该燃气轮机循环定义为“中冷爆轰循环燃气轮机”,冷却压气机出口气体虽会减少进入组合式燃烧室5内的总焓，但是却大大提高了连续旋转爆轰燃烧室9的增压比，提高了燃气的做功能力和循环热效率，进而提高了燃气轮机的发电能力。发电机1由压气机2带动发电，排出的气体流经涡轮7由排气道排出，完成发电燃气轮机工作过程。

由上述工作过程可知，本发明的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机在启动过程和发电过程由第一和第二变几何导向阀4、6控制分别启用组合式燃烧室5的内外侧两种燃烧室进行工作，启动迅速可靠，发电能力强效率高。组合式燃烧室5外部的等压环管燃烧室8点火能量低易于起爆且工作稳定，能保证发电燃气轮机的迅速、稳定启动；组合式燃烧室5内部的连续旋转爆轰燃烧室9燃烧迅速且效率高，提高了发电过程中燃气轮机的发电能力。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；组合式燃烧室5在不同工作阶段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管燃烧室8对材料的要求，提高其使用寿命；并且，爆轰燃烧的模式能够使燃料燃烧更完全，排气更符合国家标准，降低了对环境的污染。

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 (5)

1.一种基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，其特征在于，所述基于组合式燃烧室的发电燃气轮机沿气流方向依次设有发电机、压气机、冷却器、组合式燃烧室和涡轮；

所述发电机由所述压气机带动前驱布置，所述压气机的出口端连接所述冷却器的进口端，所述冷却器的出口端连接所述组合式燃烧室的进口端，所述组合式燃烧室的出口端连接所述涡轮的进口端，其中，所述压气机与所述涡轮同轴设置；

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管燃烧室，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管燃烧室内；

所述组合式燃烧室的两侧设有第一变几何导向阀和第二变几何导向阀，其中，所述第一变几何导向阀连接于所述冷却器与所述组合式燃烧室之间，而所述第二变几何导向阀连接于所述组合式燃烧室与所述涡轮之间；

所述第一变几何导向阀和所述第二变几何导向阀用于切换所述连续旋转爆轰燃烧室和所述等压环管燃烧室的启动，以使在所述基于组合式燃烧室的发电燃气轮机启动时采用所述等压环管燃烧室，而在所述基于组合式燃烧室的发电燃气轮机发电时采用所述连续旋转爆轰燃烧室。

2.根据权利要求1所述的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，其特征在于还包括进气道，所述进气道连接所述压气机的进口端。

3.根据权利要求2所述的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，其特征在于还包括排气道，所述排气道连接所述涡轮的出口端。

4.根据权利要求1所述的基于组合式燃烧室的发电燃气轮机，其特征在于，所述等压环管燃烧室采用常规等离子体点火器进行点火。

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发电燃气轮机，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。