CN113551264A - 一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，设于动力涡轮与燃气涡轮之间，包括混合过渡结构、点火器、旋转爆震环形燃烧室和强化掺混结构；旋转爆震环形燃烧室位于混合过渡结构与强化掺混结构之间；混合过渡结构包括环形收缩‑扩张段和喷油环；环形收缩‑扩张段连接着燃气涡轮与旋转爆震环形燃烧室；喷油环位于环形收缩‑扩张段径向内侧且与旋转爆震环形燃烧室入口连接；强化掺混结构包括火焰稳定器与环形混合区。提高地面燃机联合循环功率和燃气涡轮后燃气温度，增加涡轮级间内燃烧室的压力；体积小、结构更加紧凑，减少燃料损失，点火一次就可产生稳定自持传播的旋转爆震波，不改变主燃烧室的工作状态，同时增加地面燃机联合循环功率。

Description

一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及燃烧室技术领域，尤其涉及一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室。

背景技术

为了增加地面燃机联合循环的循环热效率，通过提高燃气涡轮后温度来达到目标，目前有一种新型的思路是采用涡轮级间燃烧室来使得发动机的热力循环从传统的布雷顿循环转变为接近等容循环，这有利于为地面燃机联合循环提供更高的推力性能，并使得地面燃机联合循环中更多的热能转变为气体动能，增加涡轮级间燃烧室(Inter-stageTurbine Burner,ITB)是燃气轮机的一种中间再热过程，即在地面燃机联合循环的动力涡轮与燃气涡轮之间增加一个副燃烧室，来提高低压涡轮进口温度，进而增大热效率。

美国国家科学院2020年4月发布的《先进燃气轮机技术》报告提出了针对单循环和联合循环燃气轮机开发非常规热力循环，其中有提到采用旋转爆震增压燃烧技术来提高热效率，同时能够满足与燃气轮机性能的其他诸如生命周期等要素之间的取舍。旋转爆震发动机的工作模式是燃料与氧化剂掺混，通过局部热点起爆产生爆震波，产生的旋转爆震波沿圆周方向向前传播，波后产生高温高压工质沿圆周方向膨胀排出产生推力，具有释热快、自增压、熵增小等优点。引入级间旋转爆震燃烧室提高燃气轮机循环的热效率是一种可行性的方案，能够大幅度提高涡轮的热效率。

目前美国空军研究实验室(AFRL)提出的超紧凑燃烧UCC技术以实现小尺寸、轻重量和涡轮内补燃增推等技术为目标，研究已经取得了重大进展，其贫油熄火油气比只有目前系统的25％-50％，其涡轮导向器与补燃器一体化的涡轮内燃烧器可以实现涡轮内燃烧ITB构想，旋转爆震作为一种效率高、只需一次起爆就可以持续工作的燃烧方式，将其应用于涡轮级间燃烧室有利于在未来提高地面燃机联合循环的发电效率。

当前的地面燃机联合循环主要是以布雷顿循环为主的热力循环，这使得燃料没法在燃烧过程中得到完全消耗，燃气涡轮出口处的高温燃气仍然存在可释放的能量，为了提高燃料的利用率，解决燃料消耗量大的问题，本发明采用级间旋转爆震燃烧室作为燃气涡轮与动力涡轮之间用于二次释放能量的结构，为地面燃机联合循环提供更高的推力性能，进而增加燃料的使用效率，提高地面燃气轮机的循环热效率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，在地面燃机联合循环的动力涡轮与燃气涡轮之间增加一个级间旋转爆震燃烧室，以提高动力涡轮进口温度，进而增大热效率；通过旋转爆震燃烧使得主燃烧室后多余的氧气得到再次消耗，同时旋转爆震作为一种压力增益燃烧，对比采用布雷顿循环的燃烧室，旋转爆震燃烧效率更高，可以使得喷油环喷射的燃料得到更充分的燃烧，并且产生更高的压力增益，进而提升地面燃机联合循环的发电功率。

本发明可以有效提高地面燃机联合循环的发电效率，在获得相同的地面燃机联合循环发电效率下，提高动力涡轮入口温度和速度，减少燃气压缩机的级数；且与加力燃烧室相比，级间旋转爆震燃烧室的重量与长度都减小，结构更加紧凑，油耗下降，可以减少污染物的排放。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，主要由混合过渡结构、点火器、旋转爆震环形燃烧室以及强化掺混结构组成。所述旋转爆震环形燃烧室位于混合过渡结构与强化掺混结构之间。

所述混合过渡结构由环形收缩-扩张段与喷油环复合，环形收缩-扩张段连接于燃气涡轮与旋转爆震环形燃烧室之间，从燃气涡轮出口的高温燃气通过环形收缩-扩张段后，高温燃气的速度与压力得到显著提高，到达旋转爆震燃烧的要求，高温燃气内未反应的氧气将作为旋转爆震燃烧的氧化剂。

所述喷油环由进油管、环形集气腔以及喷油针组成，位于环形收缩-扩张段径向内侧且与旋转爆震环形燃烧室入口连接，燃料通过进油管进入环形集气腔后，通过沿着环形集气腔等间距排列的喷油针向旋转爆震环形燃烧室头部喷射燃料，喷油针出口处燃料与环形收缩-扩张段出口处的氧化剂对撞，在旋转爆震环形燃烧室内形成均匀的混气区。

所述点火器位于旋转爆震环形燃烧室头部，在燃料与氧化剂形成的混气区处点火一次，点燃混气区形成局部热点，在旋转爆震环形燃烧室诱导旋转爆震波产生，点火器在级间旋转爆震燃烧室工作时间内只需要启动一次。

所述局部热点诱导产生的旋转爆震波沿着旋转爆震环形燃烧室圆周方向运动，且在旋转爆震环形燃烧室入口处混气区的压力推动下，旋转爆震波向下游传递到达强化掺混结构，其中旋转爆震环形燃烧室的平均压力低于来流压力，以防止火焰回传。

所述强化掺混结构由火焰稳定器与环形混合区复合，火焰稳定器位于旋转爆震环形燃烧室末端，火焰稳定器由多个梯形钝体组成且沿周向均匀设置在所述旋转爆震环形燃烧室末端，使来流的旋转爆震火焰在梯形钝体之后形成回流区，从而使火焰更加均匀稳定，同时使得燃料充分燃烧；

经过火焰稳定器后得到的拥有稳定速度场与温度场的高温燃气进入环形混合区，与环形混合区侧壁面处通过矩形喷气孔喷射的空气快速掺混，加强高温燃气的稳定性，为下游提供整流火焰，同时在不改变燃烧室内部压力增益的前提下，降低下游动力装置的热负荷。

所述级间旋转爆震燃烧室可以为地面燃机联合循环的动力涡轮提供更高的动能，在同等的地面燃机联合循环工作效率下，使用级间旋转爆震燃烧室能减少燃气压缩机的压缩级数。

所述级间旋转爆震燃烧室可增加燃气涡轮后的燃气温度，进而增大地面燃机联合循环的热效率。

所述级间旋转爆震燃烧室安装在动力涡轮与燃气涡轮之间，体积小、结构更加紧凑，可以减少燃料损失，并且旋转爆震波比较稳定，不会改变主燃烧室的工作状态。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、级间旋转爆震燃烧室位于地面燃机联合循环的动力涡轮与燃气涡轮之间，并且结构紧凑，不影响主燃烧室的性能，是燃气轮机的一种中间再热过程，通过在地面燃机联合循环的动力涡轮与燃气涡轮之间增加一个副燃烧室，来提高动力涡轮进口温度，进而增大热效率；

2、旋转爆震作为一种压力增益循环，相比于布雷顿循环，其对燃料的反应更加充分，并且反应物与产物的压力比更大，对动力涡轮功率提升更明显；与加力燃烧室相比耗油率相对较低，位于燃气涡轮转子之后的旋转爆震环形燃烧室的进口马赫数越低，性能增益越明显；

3、级间旋转爆震燃烧室的点火器可以只点火一次即可在地面燃机联合循环的发电过程产生稳定自持传播的旋转爆震波，为动力涡轮提供动力；

4、本发明利用混合过渡结构、点火器、旋转爆震环形燃烧室以及强化掺混结构复合而成级间旋转爆震燃烧室，结构简单，紧凑，体积小，混合过渡结构、点火器、旋转爆震环形燃烧室以及强化掺混结构相互之间工作无缝衔接。

附图说明

图1为地面燃机联合循环系统流程图；

图2为级间旋转爆震燃烧室的结构示意图；

图3为喷油环的结构示意图；

图4为环形收缩-扩张段的结构示意图；

图5为强化掺混结构的结构示意图。

附图标记：燃烧室外筒体1，燃烧室内筒体2，喷油环3，进油管4，环形集气腔5，喷油针6，混合过渡结构7，环形收缩-扩张段8，点火器9，旋转爆震环形燃烧室10，强化掺混结构11，环形混合区12，矩形喷气孔13，梯形钝体14。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～5所示，本实施例一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，主要由混合过渡结构7、点火器9、旋转爆震环形燃烧室10以及强化掺混结构11组成。所述旋转爆震环形燃烧室10位于混合过渡结构7与强化掺混结构11之间，为旋转爆震火焰提供周向传播通道；旋转爆震环形燃烧室10、混合过渡结构7与强化掺混结构11，这三者通过燃烧室外筒体1和燃烧室内筒体2复合一体设置，燃烧室外筒体1和燃烧室内筒体2之间形成有环形通道。

所述混合过渡结构7位于级间旋转爆震燃烧室头部，由环形收缩-扩张段8与喷油环3复合；

所述环形收缩-扩张段8位于级间旋转爆震燃烧室入口，并连接于燃气涡轮与旋转爆震环形燃烧室10，环形收缩-扩张段8对燃气涡轮出口处的高温燃气进行压缩增速并将氧化剂通过窄喉喷入旋转爆震环形燃烧室10；

所述喷油环3由进油管4、环形集气腔5以及喷油针6组成，喷油环3位于环形收缩-扩张段8径向内侧且与旋转爆震环形燃烧室10入口连接，喷油环3为旋转爆震环形燃烧室10提供燃料，燃料首先经过进油管4向环形集气腔5注入燃料，再通过喷油针6向燃烧室头部喷射燃料并与氧化剂对撞混合形成混气区。

所述点火器9位于旋转爆震环形燃烧室10头部，点燃混气区形成局部热点，诱导旋转爆震波产生，火焰沿着圆周方向传播并向下游传递，在这个过程中对主燃烧室内未反应的氧气进行二次消耗，并增加燃气涡轮后的燃气温度。所述点火器9在燃烧室工作时间内只需要点火一次。

所述强化掺混结构11由火焰稳定器与环形混合区12复合；

所述火焰稳定器由多个梯形钝体14组成且沿周向均匀设置在所述旋转爆震环形燃烧室10末端(即出口)，其作用是减少旋转爆震波的震荡频率，并使来流的旋转爆震火焰在梯形钝体14之后形成回流区产生稳定的流场；

所述环形混合区12位于火焰稳定器后，设有环形凹腔和收缩扩张段，所述环形凹腔的侧壁上设有矩形喷气孔13，作用是提供新鲜空气与经过火焰稳定器的火焰进行快速掺混再次稳定火焰的同时降低动力涡轮的热负荷；所述收缩扩张段的作用是掺混气经过膨胀加速，为动力涡轮提供更大的推力，以便于提高发电机功率。

本发明的工作原理如下：

1、级间旋转爆震燃烧室工作时，来自地面燃机联合循环主燃烧室内的高温燃气通过燃气涡轮之后，进入混合过渡结构7；

2、高温燃气通过环形收缩-扩张段8时，速度与压力显著提高，此时安装在燃烧室内筒体2内的喷油环3，通过进油管4运输燃料进入环形集气腔5，再从安装在环形集气腔5圆周等间距排列的喷油针6向旋转爆震环形燃烧室10内喷射燃料，燃料与经过环形收缩-扩张段8的氧化剂对撞混合，在旋转爆震环形燃烧室10内形成混气区；

3、点火器9在混气区点火，产生局部热点，并诱导旋转爆震波的产生，火焰沿着旋转爆震环形燃烧室10的圆周方向传播并向下游传递，到达强化掺混结构11；

4、火焰到达强化掺混结构11时，首先经过梯形钝体14产生回流区，从而获得较为稳定的流场，同时减小压力振荡频率，经过稳定后的火焰进入环形混合区12，与环形混合区侧壁面处的矩形喷气孔13处喷射的空气进行快速掺混，加强高温燃气的稳定性，掺混后的火焰满足进入地面燃机联合循环内动力涡轮的温度负荷要求，为下游提供整流火焰。

本发明通过在动力涡轮与燃气涡轮之间引入级间旋转爆震燃烧室，可以有效提高地面燃机联合循环内动力涡轮与燃气涡轮的级间温度，进而提升地面燃机联合循环的循环热效率，为地面燃机联合循环内的动力涡轮提供更高的推力性能，并使得地面燃机联合循环内更多的热能转变为气体动能，其次，可对燃气涡轮后的高温燃气内的氧气进行再次消耗，有效减少污染气体排放量，同时相比于加力燃烧室，级间旋转爆震燃烧室结构更加紧凑，体积小，因此消耗的燃料量更少，并且旋转爆震火焰比较稳定，只需要单次点火即可在工作过程中产生稳定自持传播的旋转爆震波，可以减小压力振荡频率，不会改变主燃烧室的工作状态。

Claims (6)

1.一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，设于动力涡轮与燃气涡轮之间，其特征在于：包括混合过渡结构、点火器、旋转爆震环形燃烧室以及强化掺混结构；

所述旋转爆震环形燃烧室位于混合过渡结构与强化掺混结构之间，为旋转爆震火焰提供周向传播通道；所述点火器设于旋转爆震环形燃烧室头部；

所述混合过渡结构包括环形收缩-扩张段和喷油环；所述环形收缩-扩张段位于级间旋转爆震燃烧室入口，并连接着燃气涡轮与旋转爆震环形燃烧室；所述喷油环位于环形收缩-扩张段径向内侧且与旋转爆震环形燃烧室入口连接；

所述强化掺混结构包括火焰稳定器与环形混合区；所述火焰稳定器位于旋转爆震环形燃烧室出口，通过产生回流区来稳定上游旋转爆震火焰；所述环形混合区位于火焰稳定器后，稳定后的火焰进入环形混合区中与喷气孔喷射的空气进行快速掺混并得到稳定、均匀的温度场和速度场。

2.如权利要求1所述的一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述喷油环包括进油管、环形集气腔和喷油针；所述进油管设于环形集气腔的内侧，所述喷油针设于环形集气腔的外周；其中，燃料通过进油管进入环形集气腔后，通过沿着环形集气腔等间距排列的喷油针向旋转爆震环形燃烧室头部喷射燃料，喷油针出口处燃料与环形收缩-扩张段出口处的氧化剂对撞，在旋转爆震环形燃烧室内形成均匀的混气区。

3.如权利要求1所述的一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述点火器在燃料与氧化剂形成的混气区处点火一次，点燃混气区形成局部热点，在旋转爆震环形燃烧室诱导旋转爆震波产生，点火器在级间旋转爆震燃烧室工作时间内只启动一次。

4.如权利要求3所述的一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述局部热点诱导产生的旋转爆震波沿着旋转爆震环形燃烧室圆周方向运动，且在旋转爆震环形燃烧室入口处混气区的压力推动下，旋转爆震波向下游传递到达强化掺混结构，其中旋转爆震环形燃烧室的平均压力低于来流压力，以防止火焰回传。

5.如权利要求1所述的一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述火焰稳定器由多个梯形钝体组成且沿周向均匀设置在所述旋转爆震环形燃烧室末端，使来流的旋转爆震火焰在梯形钝体之后形成回流区，从而使火焰均匀稳定，同时使得燃料充分燃烧。

6.如权利要求1所述的一种用于地面燃机联合循环的级间旋转爆震燃烧室，其特征在于：所述喷气孔采用矩形喷气孔，其设于环形混合区侧壁面处。

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