CN108369158A - 压缩空气储能燃烧室的试验设施 - Google Patents

Abstract

一种用于试验大型工业燃气涡轮发动机的燃烧室或其它部件的系统和方法。一种用于试验燃气涡轮发动机部件的试验设施包括储存器、具有连接到储存器的第一流体流动通道和第二流体流动通道的换热器(13)、连接到换热器(13)的第二流体流动通道的燃烧器(18)、在第二流体流动通道内流动的来自燃烧器的热气体流、和连接到换热器(13)的第二流体流动通道的燃气涡轮发动机的试验部件。来自储存器(11)的压缩空气穿过换热器(13)的第一流体流动通道，并且由穿过第二流体流动通道的热气体流预加热，而来自换热器(13)的预加热的压缩空气进到试验部件中以进行试验。

Description

压缩空气储能燃烧室的试验设施

技术领域

本发明总地涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于试验大型工业燃气涡轮发动机的燃烧室或其它部件的装置和方法。

背景技术

大框架重型工业燃气涡轮(IGT)发动机通常用于驱动发电机和产生电能。这些发动机可产生超过200MW的电力。IGT发动机将具有带有多排或多级转子叶片和定子导叶的压缩机、带有以环形阵列布置的多个筒形燃烧器的燃烧室(也被称为筒形环状燃烧室)和带有多排转子叶片和定子导叶的涡轮机。航空发动机通常具有环形燃烧室而不是像IGT发动机中的那样以环形阵列设置的筒形燃烧室。

将新技术引入到大框架发电用燃气涡轮发动机中的单个最大的障碍是，新技术可能在发动机运行期间失效的风险，并且导致数千万美元的设备损坏和可能导致在发电厂停机时间期间更换电力的成本。由此，这些发动机之一的所有者非常不愿意在试验新技术时使用发动机。因此，十分难以将新技术引入到共用发电厂中。因此，绝大多数发电制造商具有试验设施，以在进行引入之前试验尽可能多的部件。不幸的是，试验设施和进行试验的成本阻止了广泛的试验，并且通常仅能够在将新燃气涡轮发动机安装在公用事业场所之前发现早期失效问题。

试验大型IGT发动机整体或试验发动机的部分或部件两者都是非常昂贵、非常困难并且复杂的。在试验大型发动机时，必须耗散所产生的功率。耗散所产生的能量的一个方法是，驱动发动机并且倾泄所产生的电能。在试验期间产生的过量的电能可被供回到电网中。然而，这对于电力公司会变成实际问题。因为发动机试验可能仅持续数小时，持续数小时供应大量的电力到电网并且然后停止，会对电力公司引起实际问题，特别是如果在试验期间由于离线切断燃气涡轮发动机的问题而使电源突然停止。

试验航空发动机或大框架发动机的另一问题是试验成本非常高。在某些IGT发动机试验台中，可使用水断路器或电加热器电阻来耗散由发动机所产生的载荷，而不是使用发电机供应电阻负载。这些耗散载荷的方法对于上述产生电力的方法具有的优点是，未产生对电网的扰动。然而，缺点是所有所产生的能量损失了。

在使用IGT发动机以驱动发电机并且产生电力的发电厂中，本地社区要求的电力诸如在凉爽的日子中或在夜间从高负载(峰值负载)到低负载循环。使供电与发电厂的要求匹配的一个方法是使用压缩空气储能(CAES)系统。在低负载时，发动机用于驱动压缩机而不是发电机以产生高压空气，该高压空气接着被储存在地下洞穴，诸如盐矿洞穴内，而不是使发动机停机。大量压缩空气被收集，并且然后用于在峰值负载期间供应整个发动机。

在试验诸如大型工业发动机或航空发动机的燃气涡轮发动机或这些发动机之一的部件(诸如燃烧室)时，发动机或部件需要在不同的运行情况下而不是仅在稳态情况下试验。必须试验发动机部分负载情况，并且因此要求不同的燃料和压缩空气流。发动机上的负载也在试验过程中从稳态情况下的全负载变化到部分负载。由此，所耗散的能量的大小在发动机试验过程中变化。

也要求试验大框架重型工业燃气涡轮发动机的部件。发动机的每一个部件均要求试验。压缩机、燃烧室或涡轮机可作为独立于发动机的单元来试验。例如，在燃烧室的试验中，要求将处于高压(15-100巴(bars))下的大量压缩空气供应到燃烧室，以与燃料一起燃烧用于试验。需要一个或多个压缩机以产生如此大量的压缩空气，从而再现由燃气涡轮发动机的压缩机产生的实际压力和流量，流体被输送至燃烧室以产生穿过涡轮机的热气体流。由此，需要具有20-200MW及以上的功率输出的大型电动机以驱动一个或多个压缩机。由此，对燃烧室的试验需要较大的资本支出和维护要求。

当要试验大型工业或航天用燃气涡轮发动机的部件，诸如燃烧室模块或涡轮机模块或压缩机模块时，运行整个发动机仅为了试验这一个部件模块。要求整个发动机运行，从而产生试验该部件模块所需要的工况。因此，当要运行整个发动机时，试验燃气涡轮发动机中的单个部件是非常昂贵的。同样，在燃气涡轮发动机的用于试验诸如涡轮机模块的部件模块之一的运行期间，有负载连接到涡轮机，从而在试验期间产生阻抗。如上所述，在整个发动机试验过程中，该负载通常损失了或难以耗散。

在试验压缩机模块时，在试验过程期间所产生的压缩空气由于储存压缩空气用以将来使用的较高成本而被浪费。因此，在压缩机模块的试验过程中所产生的能量也被浪费。

要求较高的空气流马赫数的、用于试验的翼型通常被供应来自压缩空气储存箱的压缩空气，该储存箱是相对较小的，并且在构造方面非常重以便承受高压。由于压缩空气箱有限的尺寸，试验周期在几秒的数量级上，而这限制了试验数据的精度和可测量的数据的类型。

近来，若干个燃气涡轮机初始设备制造商(OEM's)已表示对远超现有设施的流动容量和压力配给的燃烧研究能力方面的需求。这种对于新的燃烧研究设施的需求首先是由设计更环境友好的燃气涡轮机的需求来驱动的，更环境友好的燃气涡轮机使用氢气或在此期间使用混合氢气燃料极大地减少温室气体的排放。这一需要与现有OEM燃烧研究设施的朽坏(老化)和将现有设施远离市区重新定位的需求是重合的。

存在对于具有比目前存在的设施显著提高的空气质量流率和压缩比的燃烧研究设施的迫切的市场需要。所寻求的燃烧研究容量和能力对下一代工业燃气涡轮机是必需的，下一代燃气涡轮机将采用比目前的发动机高得多的压力比，并且将燃烧各种气态和液态燃料，同时总是减少温室气体排放。基于广泛的美国煤炭储量和能源安全议程，由环境友好的煤的气化所产生的氢对于美国政府而言是重要的绿色目标。

国家研究委员会航空航天研究所(The National Research Council Institutefor Aerospace Research)(IAR)的燃气涡轮机实验室(GTL)已进行了类似的燃烧研究和技术示范。GTL R&TD在传统燃料和替代燃料两方面进行，但处于比未来技术发展、示范和验证所需要的更低的压力比和空气质量流率下。对于该设施足够的最小设施空气质量流率和运行压力比会是在60:1的压力比下的150磅/秒(lb/sec)。这要求80MW驱动功率的压缩机，尽管有冗余会是高度期望的设施属性。压缩机协会设计标准规定，由一根轴驱动的压缩机容量不应大于40MW。这意味着需要至少两个40MW燃气涡轮机，但使用超过两个驱动燃气涡轮机可能是明智的，从而能够节省成本地运送小于一个发动机尺寸的级别。这种尺寸的试验设施据估计花费约2亿美元。更期望的设施能力是，在60:1的最小压力比下以300-550磅/秒提供空气，但会需要约150MW的压缩机驱动能力。全容量的设施会在60:1的压力比下以550磅/秒运送空气，但具有超过6亿美元的投资资本。

瞬时卸压试验是已在航空航天试验中使用了许多年的技术。该技术用于减小发展试验所需的情况而需要的压缩和真空泵的尺寸和成本。例如，压缩机可运行几天或更长，以将箱充填到非常高的压力，或将真空腔室充填到非常低的压力。然后，排放气体用于试验。根据试验期间所需要的质量流，实际试验时间可从几毫秒变化到许多分钟。尽管使用卸压设施想法将压缩和真空设备的成本保持得较低，但是压力和真空箱方面的成本变得非常大。NASA兰利(Langley)具有一些可获得用于试验的最大高压箱，以产生非常高马赫数的流动。

发明内容

本发明有利地提出了用于试验大型工业燃气涡轮发动机的燃烧室或其它部件的方法和系统。在一个实施例中，用于试验燃气涡轮发动机的部件的试验设施包括：储存器，其能够储存足够的压缩空气，以对大框架重型工业燃气涡轮发动机的燃烧室进行至少一小时的连续正常运行的试验；换热器，其具有连接到储存器的第一流体流动通道和第二流体流动通道，压缩空气在第一流体流动通道内流动；燃烧器，其连接到换热器的第二流体流动通道，燃烧器产生热气体流，该热气体流在第二流体流动通道内流动；以及试验物，其连接到换热器的第二流体流动通道，试验物是燃气涡轮发动机的部件。来自储存器的压缩空气穿过换热器的第一流体流动通道，并且由穿过第二流体流动通道的热气体流预加热，而来自换热器的预加热的压缩空气进到试验物中以进行试验。

在一个实施例中，储存器是地下洞穴。

在一个实施例中，试验物是大框架重型工业燃气涡轮发动机的部件。在一个实施例中，试验物是燃烧室或涡轮机。

在一个实施例中，换热器是第一换热器，试验设施还包括第一燃烧器、第二换热器、第二燃烧器、第三换热器和第三燃烧器，第一、第二和第三换热器以及第一、第二和第三燃烧器以串流方式连接。

在一个实施例中，第一、第二和第三换热器是逆流换热器。

在一个实施例中，系统还包括与试验物流体连通的蓄热器(recuperator)，换热器包括外部筒(cylinder)和在外部筒内的内部筒，外部筒与内部筒之间的空间形成第一流体流动通道，而内部筒形成与蓄热器流体连通的第二流体流动通道，第二流体流动通道包括与蓄热器流体连通的多个燃烧器气体流动管。

在一个实施例中，第一流体流动通道包括由耐高温薄板金属形成的第一壁、由不太耐高温薄板金属的薄板金属形成的第二壁、以及在第一壁与第二壁之间的隔热层。

在一个实施例中，燃烧器气体流动管由耐高温薄板金属形成。

在一个实施例中，第一流体流动通道内的压力与燃烧器气体流动管内的压力近似相同。

这在一个实施例中，试验物是燃烧室，并且试验设施还包括：位于燃烧器下游的蓄热器，用于预加热来自储存器的压缩空气；和位于燃烧器下游并且位于蓄热器上游的水急冷器(water quencher)，用于冷却来自燃烧器的热气体流。

这在一个实施例中，试验物是燃烧室，并且试验设施还包括：在第一换热器上游的氧气源，氧气从氧气源添加到第一换热器上游的压缩空气；和位于燃烧器上游的氢气源，氢气被添加到被试验的燃烧室上游的热气体流。

附图说明

通过参照结合附图考虑的以下详细的说明书，将更完整地理解本发明，并且将更容易地理解本发明的附带优点及其特征，附图中：

图1示出本发明的第一实施例的、用于燃烧室试验物的试验设施的示意图；

图2示出本发明的第二实施例的、用于燃烧室试验物的试验设施的示意图，该试验设施具有一系列三个燃烧器、三个换热器以及预加热蓄热器；

图3示出本发明的第三实施例的、用于燃烧室试验物的试验设施的示意图，其具有图2构造、带有用于预加热压缩空气的附加的燃烧器；

图4示出本发明的第四实施例的、用于燃烧室试验物的试验设施的示意图，其具有一系列三个电加热器；

图5示出本发明的第五实施例的、用于燃烧室试验物的试验设施的示意图，其仅具有预加热蓄热器；

图6示出用于预加热压缩空气的换热器之一的前剖视图连同侧视图；

图7示出图6中由圆圈代表的换热器的部分放大图；

图8示出具有实心内部筒的换热器的第二实施例的正剖视图；以及

图9示出试验设施的图2实施例中所使用的压缩空气流和预加热空气的温度的曲线图；

具体实施方式

本发明是用于试验燃气涡轮发动机的部件、诸如工业燃气涡轮机的燃烧室的试验设施。该试验设施包括用于储存大量高压压缩空气的地下储存器，该大量高压压缩空气将用于试验涡轮机部件或用于运行整个燃气涡轮发动机。作为非限制性示例，该地下储存器可以是足够大的并且构造为保持一定量的压缩空气，该一定量的压缩空气将允许对大型试验对象，诸如大框架重型工业燃气涡轮发动机的燃烧室或涡轮机，连续试验至少一小时。尽管本文中讨论的是试验燃气涡轮发动机的燃烧室，但将理解的是该试验设施也可用于试验其它部件。该试验设施也包括用于将压缩空气预加热到一定温度的预加热器组件，该压缩空气通常会用于运送到燃气涡轮发动机的燃烧室中。预加热器产生预加热的压缩空气以模仿来自燃气涡轮发动机的压缩机的压缩空气。来自储存器的预加热空气也是具有正常含氧量的无损失(污染)的压缩空气，因为在将被供应到试验物中的压缩空气内未发生燃烧。这更真实地模仿了来自正在被试验的特定部件的正常压缩机的压缩空气。

各图中用箭头示出的流动路径表示，由带箭头的流动路径连接的各部件相互流体连通，并且因此流体(例如气体或液体)会如文中所描述地在各部件之间经过。

图1示出用于试验诸如燃烧室的燃气涡轮发动机部件的试验设施的一个实施例。压缩空气储存单元或地下储存器11，诸如地下盐矿洞穴，用于储存压缩空气。在该实施例中，所储存的压缩空气处于约75巴(1巴是环境压力或大气压力)的压力和最高120°F的温度。压缩空气储存器11通过具有调节阀12的导管或管件连接到换热器13。压缩空气从换热器13到燃烧室试验物14中，在燃烧室试验物14中燃料被喷射并且与压缩空气一起燃烧以产生热气体流。来自燃烧室14的热气体流使用水急冷器15(也称为“H₂O急冷器”)借助水来急冷。然后，冷却的热气体流通过废气排气管17排除。第二调节阀16用于调节在水急冷器15与废气排气管17之间的管线中的压力。

来自储存器11的压缩空气在换热器13中用燃烧器18预加热，该燃烧器燃烧诸如天然气的燃料以产生热气体流，该热气体流穿过换热器13以在排放到燃烧室试验物14之前预加热压缩空气。例如，换热器13可包括供来自储存器11的压缩空气流经的第一流体流动通道和供来自燃烧器18的热气体流流经的第二流体流动通道，第一和第二流体流动通道的流动相反，并且相互热交换。来自燃烧器18的热气体通过第二废气排气管21排放，但也可从主废气排放管17排放。第三调节阀19用于调节在换热器13与废气排气管21之间的管线中的压力。在图1实施例中，来自储存器11的压缩空气在预加热期间不遭受氧气损失，该压缩空气然后被供应到试验物以模仿供应自压缩机的压缩空气(即，预加热器13是无损失(non-vitiating)加热器)。

图1实施例中，压缩空气从储存器11中以约420磅/秒(lbm/second)流动到换热器13中，以在进入燃烧室试验物14之前在70巴的压力下被预加热到1,330°F。预加热的压缩空气处于不要求进一步加热以在燃烧室试验物中使用的温度。

图2示出本发明的第二实施例，其中，压缩空气在排放到燃烧室试验物14之前被进一步加热到约1,530°F的温度。图2实施例包括第一燃烧器18和第一换热器23、第二燃烧器26和第二换热器24、以及第三燃烧器27和第三换热器25。第一燃烧器18、第二燃烧器26和第三燃烧器27以及第一换热器23、第二换热器24和第三换热器25如图2所示以串流方式连接。此外，换热器23、24、25中的每一个都是逆流换热器，其中，换热器内的第一流体流动沿与换热器内的第二流体流动相反的方向。例如，如对于图1中的换热器13所描述的，换热器23、24、25包括供来自储存器11的压缩空气流经的第一流体流动通道和供来自燃烧器18的热气体流流经的第二流体流动通道，第一和第二流体流动通道的流动相反，并且相互热交换。第二实施例还包括预加热蓄热器22，以使用燃烧室试验物的废气来预加热来自储存器11的压缩空气。以串流方式连接的三个换热器23、24、25的主要益处是，热气体流动压力损失较高，这促进了换热器内更高的传热率并且因此促进了小得多的换热器。更小的换热器比具有较低的压力损失的换热器成本低得多。

处于80巴和120°F(最高温度)下的压缩空气通过外部通道穿过第一换热器23、第二换热器24和第三换热器25以被预加热。然后，该预加热的压缩空气穿过预加热蓄热器22以使用燃烧室试验物14废气增加额外的热量。某些预加热的压缩空气转向并且进入到第一燃烧器18中，以产生随后穿过换热器23、24、25的热气体流，该热气体流接着穿过第一燃烧器18、第二燃烧器26和第三燃烧器27，以及第一换热器23、第二换热器24和第三换热器25，以预加热来自储存器11的压缩空气。

未转向到第一燃烧器18中的来自预加热蓄热器22的预加热的压缩空气通过下文中描述的内部通道穿过三个换热器23、24、25。这样就在排放到燃烧室试验物14中之前进一步加热压缩空气。来自燃烧室试验物14的废气借助急冷器15中的水冷却，然后穿过预加热蓄热器22以对来自储存器11的压缩空气预加热。随后，来自预加热蓄热器22的废气从废气排气管17排出。

从图6和图7中可看出三个换热器23、24、25中的每一个的结构和运行的细节。图6在左侧示出沿着第一换热器23、第二换热器24和第三换热器27中的一个的轴线的正剖视图，并且在右侧示出侧视图。图7示出图6的圈出部分的放大图。每一个换热器23、24、25均包括包围内部筒36的外部筒37，在它们之间有空间(例如，外部筒37具有比内部筒36大的直径)，使得外部筒37和内部筒36一起限定外部通道39。内部筒36形成内部通道45。外部筒37用作压力容器，其中外部通道39和内部通道45的压力两者均可较高，例如是约70或80巴。内部通道45包括可承载由燃烧器18、26、27所产生的热气体的多个燃烧器气体管38。来自预加热蓄热器22的预加热的压缩空气穿过包围燃烧器气体管38的内部通道45。来自储存器11的未加热的压缩空气在进入到预加热蓄热器22中之前穿过外部通道39，该预加热蓄热器22既用于预加热压缩空气又用于冷却换热器23、24、25。如果未使用蓄热器22，则来自储存器11的压缩空气在流到试验物14之前会穿过外部通道39和内部通道45。如果内部通道45的压力与燃烧器气体管38中的压力近似相同(例如±10巴)，则传热(速)率是非常高的，因为两个气体流的速度非常快。在现有技术的换热器中，诸如在使用天然气以产生在接近环境压力(1巴)下的热气体流和要在高压(100巴)下被加热的冷却器通道的换热器中，从热气体流到凉气体流的传热率是较低的。还有，在热气体管中形成会减小换热器的使用寿命的较高的应力水平。通过使换热器中的热气体流和低气体流的压力平衡，可显著提高传热率，且由此可形成更小并且更便宜的换热器。此外，当这两个压力接近时，应力水平较低，并且因此使换热器可具有更长的使用寿命。还有，允许热气体流的压力从入口端到出口端大幅减少将也会提高在换热器13(或换热器23、24、25)或蓄热器22中从热气体到更凉的气体流的传热率。对于蓄热器22而言，最初的分析指出：当冷却的气体流以70巴进入并且以69巴离开而更热的气体流以70巴进入并且以30巴离开时，出现最佳传热率。

在外部通道39和内部通道45中的两股高压流提供了在内部筒36与外部筒37之间的压力平衡。外部筒37变成允许在内部通道和外部通道中的高压的压力容器，使得更薄的管可用于提高传热率、降低成本并且增加换热器的使用寿命。通过这样做，我们能够将较便宜的钢用于压力容器材料，同时使用金属薄板、诸如(哈氏合金国际公司(Haynes International,Inc.),印第安纳州，科科莫(Kokomo,IN))以限定包含最内部的换热器(即内部通道45和燃烧器气体管38)的第一壁51。最外部的流39在换热器中被预加热，然后穿过包围各个热燃烧器气体管38的内部通道45。第一壁51可以是隔热或非隔热的。第一壁51是较薄的，并且具有泄孔(weep holes)以使得第二壁52能够承受外部通道39与内部通道45之间较小的压差，第二壁可由不太昂贵的材料组成(例如AISI4340合金钢板)。由于该设计，可以以节约成本的方式使用具有更高传热率的更昂贵的材料。

三个换热器23、24、25各自由能承受一定温度的材料制成，使得进入燃烧室试验物14的预加热的压缩空气将具有合适的温度，从而再现由燃气涡轮发动机的压缩机产生的温度。如上所讨论的，内部筒36包括由诸如薄板金属的耐高温材料组成的第一圆柱形壁51和由例如AISI 4340合金钢薄板金属组成的第二圆柱形壁52，在第一壁51与第二壁52之间有隔热层53，诸如图7所示的低温隔热件。燃烧器气体管38也由诸如薄板金属的耐高温材料制成。为了允许非常薄的材料板，外部通道39与内部通道45之间的压差处于最小。泄孔或压力平衡孔形成在内部筒36中，将外部通道39连接到内部通道45，使得压差最小化，并且使得通过泄孔有非常小的流动发生。泄孔允许以最小的交叉流量进行压力平衡。薄板材料是非常昂贵的，并且因此本发明寻求使换热器的成本最低。通过将外部通道39与内部通道45之间的压差保持在最小，圆柱形板的厚度也可保持在最小。再有，使用耐高温的薄板金属可允许高温气体流达到重现燃气涡轮发动机中的压缩机出口温度所需要的高温。

在本发明的一个实施例中，三个换热器23、24、25将具有以下这些规格。外部筒37将由具有32英寸内直径和0.500英寸壁厚的AISI 4340压力容器材料组成。内部筒36将由圆柱形第一壁51和第二圆柱形壁52形成，圆柱形第一壁51由具有28英寸内直径和0.065英寸厚度的 薄板金属板组成，而第二圆柱形壁52由具有28.88英寸内直径和0.065英寸厚度的AISI 4340薄板材料组成。低温隔热件53具有0.375英寸的厚度。燃烧器气体管38由具有0.190英寸内直径和0.065英寸厚度的材料制成。在图2和图3的实施例中，三个换热器23、24、25具有不同的长度。在较佳实施例中，第一换热器23具有50英尺的轴向长度，第二换热器24具有75英尺的轴向长度，而第三换热器25具有100英尺的轴向长度。在运行中，三个换热器23、24、25具有在外部通道39与外部筒37的外侧之间的压差75巴。

图2实施例中的预加热蓄热器和串联(inline)燃烧器以及换热器的运行如下。在约80巴和120°F(最高温度)下、具有约540磅/秒的流率的压缩空气穿过三个换热器23、24、25中的每一个的外部通道39以由穿过换热器的热气体流预加热。然后，来自三个换热器23、24、25的预加热的压缩空气穿过预加热蓄热器22以获得额外的热量，并且在约1,150°F下离开蓄热器22。然后，来自蓄热器22的预加热的压缩空气中的大部分穿过三个换热器23、24、25的内部通道45以将额外的热量添加到穿过燃烧器气体管38的压缩空气，该压缩空气来自穿过三个燃烧器18、26、27的燃烧器气体流。然后，预加热的压缩空气在约1,530°F的温度、约70巴的压力和约420磅/秒的流率下离开最后一个换热器23，并且接着被排放到燃烧室试验物14中。然后，加热的燃烧室试验物气体被排放到水急冷器15中，以用于在穿过蓄热器22然后通过废气排气管17出去之前进行冷却。如果试验物是燃烧室，则要求在穿过蓄热器22之前对来自试验物14的热气体的冷却，因为燃烧室废气气体流温度对于形成蓄热器22的材料而言是过高的。来自蓄热器22的预加热的压缩空气中的一些转向到第一燃烧器18中，其具有约1,150°F的温度、约120磅/秒的流率。然后，转向的压缩空气穿过一系列燃烧器18、26、27，这些燃烧器串联地(连续地)添加热量以传递到穿过内部通道45的预加热的压缩空气中。

图3示出本发明的第三实施例，其中，氧气被添加到来自储存器11的压缩空气，并且然后在燃烧室试验物14正好上游的燃烧器中与氢气燃烧以进一步提高压缩空气的温度。氧气源31连接到在储存器11与换热器25之间的压缩空气管线，用于将氧气喷射到压缩空气流中。氢气源32位于燃烧器33上游，该燃烧器33用于使氢气与包含在压缩空气流内的氧气燃烧，以在进入到燃烧室试验物14之前进一步加热压缩空气。目的是再现来自压缩机输出的情况，该压缩机输出通常会用于供应给燃烧室加压空气以与燃料一起燃烧，从而产生用于燃气涡轮发动机中的涡轮机的热气体流。

图4的实施例示出具有第一电加热器41、第二电加热器42和第三电加热器43的预加热蓄热器22，第一电加热器41、第二电加热器42和第三电加热器43串联连接以在排放到燃烧室试验物14之前预加热来自蓄热器22的压缩空气。在该实施例中，来自储存器11的压缩空气以420磅/秒、在75巴的压力和120°F的最高温度下流动，并且进到蓄热器22中以被预加热到1,150°F。然后，预加热的压缩空气穿过三个电加热器42、42、43，以在排放到燃烧室试验物14中之前被预加热到1,530°F、处于70巴和420磅/秒的流率下。然后，来自燃烧室试验物14的废气穿过蓄热器22以用于预加热来自储存器11的压缩空气，并且然后通过废气排气管17排放。

图5示出仅具有预加热蓄热器22的本发明的一实施例。来自储存器11的压缩空气穿过蓄热器22以被预加热，并且然后直接进到燃烧室试验物14中。水急冷器15用于冷却燃烧室试验物14的排放气体流。在启动对流经蓄热器22的气体流进行预加热期间，使用风道燃烧器(duct burner)35，直至燃烧室试验物14废气气体流热得足以预加热来自储存器11的压缩空气。在图5的实施例中，从蓄热器22中流出的压缩空气将具有处于1,530°F和70巴的压力下的420磅/秒的流率。风道燃烧器35要在燃烧室试验设施构造中使用，以提供用于下游蓄热器22的加热空气源，允许来自加压储存区域11的预加热空气运送到在启动期间处于升高的温度下的燃烧室试验物14。一旦燃烧室试验物14被点燃，则风道燃烧器35可在反馈回路中使用以提高入口温度和到蓄热器22的流率，或替代地风道燃烧器35可在燃烧室试验物14运行期间被关闭。

图8示出在图2和图3的实施例中所使用的换热器23、24、25的第二实施例。图8的实施例使用了由例如材料板组成的单一圆柱形壁55，而不是使用具有两个圆柱形壁51和52且在其间带有隔热层的内部筒。

图9示出图2实施例的压缩空气的温度方面的增长的曲线图，其具有三个换热器23、24、25和预加热蓄热器22，两者均用于预加热来自储存器11的压缩空气。曲线图上具有“之”字形的顶部的线代表通过三个燃烧器18、26、27和三个换热器23、24、25的热气体流，其用于预加热来自储存器11的压缩空气流。该空气流在曲线图右侧上处于1,150°F进入一系列燃烧器18、26、27和换热器23、24、25，并且在第一燃烧器18中被加热到1,730°F，在第一换热器23中冷却到1,581°F，接着在第二燃烧器26中被加热到1,810°F，在第二换热器24中冷却到1,468°F，随后在第三燃烧器27中被加热到1,910°F并且在第三换热器25中冷却到1,250°F。

曲线图上的具有直的并且向上倾斜的形状的底部线代表来自储存器11的压缩空气流。压缩空气流在曲线图的左侧上以1,150°F进入一系列燃烧器18、26、27和换热器23、24、25，并且在作为进入到燃烧室试验物14中的运送温度的1,530°F离开。第一换热器23添加26.1MW能量到压缩空气流，第二换热器24添加13.7MW，而第三换热器25添加6.0MW能量。在增加图3实施例中的燃烧器33的情况下，进入到燃烧室试验物14的压缩空气将被预加热到1,630°F。

本领域的技术人员将理解本发明不限于上文中已具体示出和描述的内容。而且，除非与上文提到的相反，应注意的是，所有的附图都不是按比例的。根据以上教导，在不脱离仅由以下权利要求书所限定的本发明的范围和精神的情况下，各种改型和变型是可能的。

Claims (12)

1.一种用于试验燃气涡轮发动机的部件的试验设施，所述试验设施包括：

储存器，其能够储存足够的压缩空气，以对大框架重型工业燃气涡轮发动机的燃烧室进行至少一个小时的连续正常运行的试验；

换热器，其具有连接到所述储存器的第一流体流动通道和第二流体流动通道，所述压缩空气在所述第一流体流动通道内流动；

燃烧器，其连接到所述换热器的所述第二流体流动通道，所述燃烧器产生热气体流，所述热气体流在所述第二流体流动通道内流动；以及

试验物，其连接到所述换热器的所述第二流体流动通道，所述试验物是燃气涡轮发动机的部件，

来自所述储存器的所述压缩空气穿过换热器的第一流体流动通道，并且由穿过所述第二流体流动通道的所述热气体流预加热，而来自所述换热器的预加热的压缩空气进到所述试验物中以进行试验。

2.如权利要求1所述的试验设施，其特征在于，所述试验物是大框架重型工业燃气涡轮发动机的部件。

3.如权利要求1所述的试验设施，其特征在于，所述试验物是燃烧室或涡轮机。

4.如权利要求1所述的试验设施，其特征在于，所述换热器是第一换热器，所述试验设施还包括：

第一燃烧器；

第二换热器；

第二燃烧器；

第三换热器；以及

第三燃烧器，所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器以及所述第一燃烧器、所述第二燃烧器和所述第三燃烧器以串流方式连接。

5.如权利要求1所述的试验设施，其特征在于，所述储存器是地下洞穴。

6.如权利要求4所述的试验设施，其特征在于，所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器是逆流换热器。

7.如权利要求1所述的试验设施，其特征在于，系统还包括与所述试验物流体连通的蓄热器，其中，所述换热器包括：

外部筒；和

在所述外部筒内的内部筒，在所述外部筒与所述内部筒之间的空间形成所述第一流体流动通道，而所述内部筒形成与所述蓄热器流体连通的所述第二流体流动通道，

所述第二流体流动通道包括与所述燃烧器流体连通的多个燃烧器气体流动管。

8.如权利要求7所述的试验设施，其特征在于，所述第一流体流动通道包括：

由耐高温薄板金属形成的第一壁；

由不太耐高温的薄板金属形成的第二壁；以及

在所述第一壁与所述第二壁之间的隔热层。

9.如权利要求7所述的试验设施，其特征在于，所述燃烧器气体流动管由耐高温薄板金属形成。

10.如权利要求7所述的试验设施，其特征在于，在所述第一流体流动通道内的压力与在所述燃烧器气体流动管内的压力近似相同。

11.如权利要求4所述的试验设施，其特征在于，所述试验物是燃烧室，所述试验设施还包括：

位于所述燃烧器下游的蓄热器，用于预加热来自所述储存器的压缩空气，

位于所述燃烧器下游并且位于所述蓄热器上游的水急冷器，其用于冷却来自所述燃烧器的热气体流。

12.如权利要求4所述的试验设施，其特征在于，所述试验物是燃烧室，所述试验设施还包括：

在所述第一换热器上游的氧气源，来自所述氧气源的氧气被添加到在所述第一换热器上游的压缩空气流；以及

位于所述燃烧器上游的氢气源，氢气被添加到被试验的燃烧室上游的热气体流。