CN113567143A - 一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，包括压缩空气供给装置、天然气供给装置、燃气轮机燃烧室实验装置以及TDLAS测量设备。本发明采用TDLAS设备测量燃烧室温度、组分以及压力等参数，实现火焰筒流场参数实时可视化；采用利用空气和天然气逆流式进气结构冷却火焰筒壁面，确保燃烧室实验件不被天然气和空气燃烧产生的高温燃气烧损。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统。
背景技术
燃气轮机燃烧室燃烧实验的主要任务是通过有效的方法获得燃烧室压力、温度、污染物排放以及火焰面等燃烧室流场特性参数与燃烧室进气参数之间的定性、定量关系，为燃烧稳定性、污染物排放控制、燃烧室部件的结构优化等提供帮助。
为准确获取燃气轮机燃烧室的流场特性参数，实现燃气轮机燃烧室流场参数变化可视化，首先实验所采用的测量设备可在不干扰燃气轮机燃烧室流场结构的前提下，准确获取燃烧室温度、压力、组分等流场特性参数，实现燃烧室流场特性参数可视化。其次，需要保证燃气轮机燃烧室实验装置，尤其是燃烧室本身可长期在天然气和空气燃烧产生的高温燃气环境下正常工作。
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)的TDLAS设备可在不接触高温燃气、不干扰燃烧室流场结构的情况下，测量燃烧室温度、组分以及压力等参数，实现燃烧室流场参数实时可视化；采用逆流冷却可有效冷却燃烧室实验件，确保燃烧室实验件可长期工作在天然气和空气燃烧产生的高温燃气环境下。
发明内容
为准确获取燃气轮机燃烧室的流场特性参数，实现燃气轮机燃烧室流场特性参数可视化，本发明提供了一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，该系统采用TDLAS设备测量燃烧室温度、组分以及压力等参数，实现燃烧室流场参数实时可视化；采用逆流式进气结构与水冷结构结合的方式冷却燃烧室壁面，确保燃烧室实验件不被天然气和空气燃烧产生的高温燃气烧损。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，包括压缩空气供给装置、天然气供给装置、燃气轮机燃烧室实验装置以及TDLAS测量设备；
压缩空气供给装置由空气压缩机、减压阀、空气质量流量控制仪组成，空气压缩机输出的压缩空气经空气减压阀调整至实验需求的压力、经空气质量流量控制仪设定、调整至实验需求的空气供给流量，并经空气管道输送至燃气轮机燃烧室实验装置；
天然气供给装置由天然气瓶组和天然气减压阀、天然气质量流量控制仪组成；天然气气瓶组提供的天然气经天然气减压阀调整至实验需求的天然气供给压力、经天然气质量流量控制仪设定、调整至实验需求的天然气供给流量，并经天然气管道输送至燃气轮机燃烧室实验装置；
燃气轮机燃烧室实验装置包括燃气轮机旋流喷嘴和双层火焰筒，双层火焰筒上布置有压缩空气集气腔、压缩空气排气腔、天然气集气腔和天然气排气腔，以及压缩空气冷却通道和天然气冷却通道连通；压缩空气供给装置和天然气供给装置向燃气轮机燃烧室实验装置用于提供符合实验进气要求的天然气和压缩空气；
压缩空气先进入双层火焰筒上的压缩空气集气腔整流，经压缩空气冷却通道逆流向上冷却双层火焰筒，再进入燃气轮机旋流喷嘴；天然气先进入双层火焰筒上的天然气集气腔整流，再经天然气冷却通道逆流向上冷却双层火焰筒，再进入燃气轮机旋流喷嘴；进入燃气轮机旋流喷嘴的天然气和压缩空气经燃气轮机旋流喷嘴整流形成回流区，并在双层火焰筒内混合、燃烧形成高温燃气，排入大气环境；
TDLAS燃烧温度测量设备，包括2只激光器、2台激光控制器、1只光纤耦合器、1只激光准直器、1台锁相放大器和1只光电探测器；2台激光控制器用于驱动2只激光器分别发射2束单模激光；2束单模激光经光纤耦合器耦合为1束激光，并传输至激光准直器；耦合为1束的激光经激光准直器将激光准直后形成1束平行激光光束并穿过双层火焰筒燃烧流场，由位于燃烧室待测流场另一侧的光电探测器接收，并将穿过火焰筒燃烧流场的激光光信号转化为电信号；锁相放大器对光电探测器转化的电信号进行锁相放大处理，并发出调制信号至多功能数据采集模块；多功能数据采集分析模块将调制信号转化为燃烧室温度、压力和组分燃烧流场特性参数，并实时显示。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的燃气轮机旋流喷嘴、双层火焰筒之间通过法兰连接。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒的压缩空气集气腔和天然气集气腔布置在双层火焰筒尾部，压缩空气排气腔和天然气排气腔布置在双层火焰筒尾部的头部，压缩空气集气腔和压缩空气排气腔通过压缩空气冷却通道连通，天然气集气腔和天然气排气腔通过天然气冷却通道连通。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒内的压缩空气冷却通道和天然气冷却通道相邻间隔布置，整体呈环形布置在双层火焰筒夹层中。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒上布置有光学监测孔，且采用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器和光电探测器和高温燃气直接接触。
本发明进一步的改进在于，耐高温石英玻璃的厚度介于8mm～10mm。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒上布置的耐高温石英玻璃贴有滤光片，用于过滤燃烧室天然气和空气燃烧发出的背景光，以提高TDLAS测量设备的测量精度。
本发明进一步的改进在于，两个激光器均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室H2O、NO和CO吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS测量设备测量燃烧状态参数的需求。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，双层火焰筒内布置有天然气冷却通道和压缩空气冷却通道，采用逆流式天然气和压缩空气进气方式冷却双层火焰筒，可降低燃烧室实验件被天然气和空气燃烧产生的高温燃气烧损的可能性。
进一步，双层火焰筒内布置有天然气冷却通道和压缩空气冷却通道，且冷却通道本身在加强双层火焰筒内壁面的散热性能的同时，可加强燃烧室的机械强度。
进一步，双层火焰筒内设有的压缩空气冷却通道和天然气冷却通道相邻间隔布置，可均匀冷却双层火焰筒，避免双层火焰筒出现局部热应力分布不均匀的现象。
本发明提供的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，采用TDLAS设备测量燃烧室温度、组分以及压力等参数，可在不干扰燃烧室流场的前提下，实现燃烧室流场参数实时可视化。
进一步，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒上布置的耐高温石英玻璃贴有滤光片，可过滤燃烧室天然气和空气燃烧自发的背景光，提高TDLAS测量设备的测量精度。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明实施例示意图。
附图标记说明：
1.燃气轮机燃烧室实验装置；101.燃气轮机旋流喷嘴；102双层火焰筒；1021.压缩空气集气腔；1022.压缩空气冷却通道；1023.压缩空气排气腔；1024.天然气集气腔；1025.天然气冷却通道；1026.天然气排气腔。
2.压缩空气供给系统；201.空气压缩机；202.压缩空气减压阀；203.空气质量流量计。
3.天然气供给系统；301.天然气气瓶组；302.天然气减压阀；303.天然气质量流量计。
4.TDLAS测量设备；401.激光控制器A；402.激光控制器B；403.激光器A；404.激光器B；405.光电耦合器；406.激光准直器；407.光电探测器；408.锁相放大器；409.多功能数据采集分析仪；410.显示器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述，但本发明不限于此实施例。
如图1所示，本发明提供的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，包括燃气轮机燃烧室实验装置1、压缩空气供给系统2、天然气供给系统3以及TDLAS测量设备4，且燃气轮机燃烧室实验装置1通过压缩空气供给管道和天然气供给管道分别与压缩空气供给系统2和天然气供给系统3连通。
工作时，1)压缩空气供给系统2中的空气压缩机201产生压缩空气，压缩空气减压阀202将压缩空气的压力调整至实验需求值，压缩空气质量流量计203将压缩空气的流量调整至实验需求值，再通过压缩空气管道将压力和流量均满足实验需求值的压缩空气输送至燃气轮机燃烧室实验装置1；
2)天然气气瓶组301产生高压天然气，天然气减压阀302将天然气的压力调整至实验需求值，天然气质量流量计303将天然气的流量调整至实验需求值，再通过天然气管道将压力和流量均满足实验需求值的天然气输送至燃气轮机燃烧室实验装置1；
3)压缩空气供给系统2提供的压缩空气先进入燃气轮机燃烧室实验装置1的压缩空气集气腔1021，再注入压缩空气冷却通道1022冷却双层火焰筒102，再经压缩空气排气腔1023上的排气孔注入燃气轮机旋流喷嘴101；天然气供给系统3提供的天然气先进入燃气轮机燃烧室实验装置1的压缩空气集气腔1024，再注入天然气冷却通道1025冷却双层火焰筒102，再经天然气排气腔1026上的排气孔注入燃气轮机旋流喷嘴101；压缩空气和天然气在燃气轮机旋流喷嘴101内整流，形成旋流，在双层火焰筒102内混合、燃烧；
4)TDLAS测量设备4实时测量双层火焰筒102内的待测流场；激光控制器A 401驱动激光器A 403，发射1束单模激光；激光控制器B 402驱动激光器B 404，发射1束单模激光；2束单模激光经光纤耦合器405耦合为1束激光，并传输至激光准直器406；耦合为1束的激光经准直器406准直形成1束平行激光光束并穿过双层火焰筒102待测流场，由位于待测流场另一侧的光电探测器407接收，并将穿过火焰筒燃烧流场的激光光信号转化为电信号；锁相放大器408对光电探测器407转化的电信号进行锁相放大处理，并发出调制信号至多功能数据采集分析仪409；多功能数据采集分析仪409将调制信号转化为燃烧室温度、压力和组分燃烧流场特性参数，并在显示器410上实时显示，实现双层火焰筒102内待测流场参数可视化。
优选的，双层火焰筒102内的压缩空气冷却通道1022和天然气冷却通道1025可相邻间隔布置，空气冷却通道1022和天然气冷却通道1025分别呈环形布置在双层火焰筒102的夹层中。
优选的，双层火焰筒102上布置有光学监测孔，且采用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器406和光电探测器407和高温燃气直接接触。
优选的，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒102光电探测器407侧布置的耐高温石英玻璃贴有滤光片，用于过滤双层火焰筒内天然气和空气燃烧发出的背景光，以提高TDLAS测量设备4的测量精度。
优选的，激光器A402和激光器B 404均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室H2O(水蒸汽)、NO、CO等组分有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS测量设备4的需求。
实施例
如图2所示，本发明提供的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，压缩空气供给系统2、天然气供给系统3、TDLAS测量设备4布置在燃气轮机燃烧室实验装置1远端。
工作时：
1)压缩空气供给系统2中的空气压缩机201产生压缩空气，压缩空气减压阀202将压缩空气的压力调整至实验需求值，压缩空气质量流量计203将压缩空气的流量调整至实验需求值，再通过压缩空气管道将压力和流量均满足实验需求值的压缩空气输送至燃气轮机燃烧室实验装置1；
2)天然气气瓶组301提供高压天然气，天然气减压阀302将天然气的压力调整至实验需求值，天然气质量流量计303将天然气的流量调整至实验需求值，再通过天然气管道将压力和流量均满足实验需求值的天然气输送至燃气轮机燃烧室实验装置1；
3)压缩空气供给系统2提供的压缩空气先进入燃气轮机燃烧室实验装置1的压缩空气集气腔1021，再注入压缩空气冷却通道1022冷却双层火焰筒102，再经压缩空气排气腔1023上的排气孔注入燃气轮机旋流喷嘴101；天然气供给系统3提供的天然气先进入燃气轮机燃烧室实验装置1的压缩空气集气腔1024，再注入天然气冷却通道1025冷却双层火焰筒102，再经天然气排气腔1026上的排气孔注入燃气轮机旋流喷嘴101；压缩空气和天然气在燃气轮机旋流喷嘴101内整流。形成旋流，在双层火焰筒102内混合、燃烧；
4)TDLAS测量设备4实时测量双层火焰筒102内的待测流场；激光控制器A 401驱动激光器A 403，发射1束单模激光；激光控制器B 402驱动激光器B 404，发射1束单模激光；2束单模激光经光纤耦合器405耦合为1束激光，并传输至激光准直器406；耦合为1束的激光经准直器406准直形成1束平行激光光束并穿过双层火焰筒102待测流场，由位于待测流场另一侧的光电探测器407接收，并将穿过火焰筒燃烧流场的激光光信号转化为电信号；锁相放大器408对光电探测器407转化的电信号进行锁相放大处理，并发出调制信号至多功能数据采集分析仪409；多功能数据采集分析仪409将调制信号转化为燃烧室温度、压力和组分燃烧流场特性参数，并在显示器410上实时显示，实现双层火焰筒102内待测流场参数可视化。
优选的，双层火焰筒102内的布置有6个压缩空气冷却通道1022，以及6个天然气冷却通道1025，2个压缩空气冷却通道1022之间布置有1个天然气冷却通道1025，且6个压缩空气冷却通道1022和6个天然气冷却通道分别呈环形布置在双层火焰筒102的夹层中，以实现均匀冷却双层火焰筒。
优选的，距离双层火焰筒102出口平面10mm～15mm截面位置布置有直径不大于10mm的光学监测孔，光学监测孔采用厚度介于8mm～10mm的耐高温石英玻璃进行封闭，可防止激光准直器406和光电探测器407和高温燃气直接接触。
优选的，TDLAS测量设备4中的激光准直器406和光电探测器407可距离双层火焰筒出口截面10mm～15mm之间的任意横截面上，此位置火焰筒内待测流场的温度、压力、组分等状态参数的分布基本均匀，且已经定型，其参数可用于燃烧稳定性、污染物排放控制、燃烧室部件的结构优化等研究。
优选的，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒102光电探测器407侧布置的耐高温石英玻璃贴有滤光片，用于过滤双层火焰筒内天然气和空气燃烧发出的背景光，以提高TDLAS测量设备4的测量精度。
优选的，激光器A 402和激光器B 404均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室H2O(水蒸汽)、NO、CO等组分有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS测量设备4的需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，包括压缩空气供给装置、天然气供给装置、燃气轮机燃烧室实验装置以及TDLAS测量设备；
压缩空气供给装置由空气压缩机、减压阀、空气质量流量控制仪组成，空气压缩机输出的压缩空气经空气减压阀调整至实验需求的压力、经空气质量流量控制仪设定、调整至实验需求的空气供给流量，并经空气管道输送至燃气轮机燃烧室实验装置；
天然气供给装置由天然气瓶组和天然气减压阀、天然气质量流量控制仪组成；天然气气瓶组提供的天然气经天然气减压阀调整至实验需求的天然气供给压力、经天然气质量流量控制仪设定、调整至实验需求的天然气供给流量，并经天然气管道输送至燃气轮机燃烧室实验装置；
燃气轮机燃烧室实验装置包括燃气轮机旋流喷嘴和双层火焰筒，双层火焰筒上布置有压缩空气集气腔、压缩空气排气腔、天然气集气腔和天然气排气腔，以及压缩空气冷却通道和天然气冷却通道连通；压缩空气供给装置和天然气供给装置向燃气轮机燃烧室实验装置用于提供符合实验进气要求的天然气和压缩空气；
压缩空气先进入双层火焰筒上的压缩空气集气腔整流，经压缩空气冷却通道逆流向上冷却双层火焰筒，再进入燃气轮机旋流喷嘴；天然气先进入双层火焰筒上的天然气集气腔整流，再经天然气冷却通道逆流向上冷却双层火焰筒，再进入燃气轮机旋流喷嘴；进入燃气轮机旋流喷嘴的天然气和压缩空气经燃气轮机旋流喷嘴整流形成回流区，并在双层火焰筒内混合、燃烧形成高温燃气，排入大气环境；
TDLAS燃烧温度测量设备，包括2只激光器、2台激光控制器、1只光纤耦合器、1只激光准直器、1台锁相放大器和1只光电探测器；2台激光控制器用于驱动2只激光器分别发射2束单模激光；2束单模激光经光纤耦合器耦合为1束激光，并传输至激光准直器；耦合为1束的激光经激光准直器将激光准直后形成1束平行激光光束并穿过双层火焰筒燃烧流场，由位于燃烧室待测流场另一侧的光电探测器接收，并将穿过火焰筒燃烧流场的激光光信号转化为电信号；锁相放大器对光电探测器转化的电信号进行锁相放大处理，并发出调制信号至多功能数据采集模块；多功能数据采集分析模块将调制信号转化为燃烧室温度、压力和组分燃烧流场特性参数，并实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的燃气轮机旋流喷嘴、双层火焰筒之间通过法兰连接。
3.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒的压缩空气集气腔和天然气集气腔布置在双层火焰筒尾部，压缩空气排气腔和天然气排气腔布置在双层火焰筒尾部的头部，压缩空气集气腔和压缩空气排气腔通过压缩空气冷却通道连通，天然气集气腔和天然气排气腔通过天然气冷却通道连通。
4.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒内的压缩空气冷却通道和天然气冷却通道相邻间隔布置，整体呈环形布置在双层火焰筒夹层中。
5.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒上布置有光学监测孔，且采用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器和光电探测器和高温燃气直接接触。
6.根据权利要求5所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，耐高温石英玻璃的厚度介于8mm～10mm。
7.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，燃气轮机燃烧室实验装置中的双层火焰筒上布置的耐高温石英玻璃贴有滤光片，用于过滤燃烧室天然气和空气燃烧发出的背景光，以提高TDLAS测量设备的测量精度。
8.根据权利要求1所述的一种可视化燃气轮机燃烧室实验系统，其特征在于，两个激光器均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室H2O、NO和CO吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS测量设备测量燃烧状态参数的需求。
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Citations (8)
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2021
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