CN216198489U - 一种燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃气轮机，包括转轴、压气机、燃烧室和涡轮，压气机和涡轮安装于转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连通，燃烧室的出气端与涡轮的进气端连通，燃烧室内设有喷嘴，喷嘴与燃料存储罐连通；还包括为喷嘴喷出燃料增压增速的外部气源，外部气源与喷嘴连通并提供压力气体。本实用新型的燃气轮机，通过外部气源对经喷嘴喷出的燃料进行增压增速，燃料经增速后由喷嘴喷入燃烧室内燃烧，由于燃料的喷出速度增加，火焰的位置前移，远离了喷嘴，从而可防止火焰回烤喷嘴，可有效地保护喷嘴，避免喷嘴被烧坏或堵塞。

Description

一种燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及一种可防止火焰回烤喷嘴的燃气轮机，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。

燃烧室工作时，燃料通过喷嘴喷出燃烧形成火焰，燃料的火焰传播速度和燃料的喷出速度决定形成的火焰的位置。若压差不足，则容易导致火焰回烤喷嘴，尤其是由火焰传播速度较小的燃料(例如甲烷)更换成火焰传播速度较大的燃料(例如氢气)时，燃料的火焰传播速度增加(例如氢气的火焰传播速度约为甲烷的7倍)，而燃料的喷出速度不变或增加量不足，从而使得火焰的位置移向喷嘴，导致火焰回烤喷嘴，使得喷嘴承受较大的热负荷，容易烧坏、堵塞，甚至发生安全问题。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型提供了一种可防止火焰回烤喷嘴的燃气轮机。本实用新型通过外部气源对喷嘴喷出的燃料进行增压增速，从而起到防止火焰回烤喷嘴的效果。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种燃气轮机，包括转轴、压气机、燃烧室和涡轮，压气机和涡轮安装于转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连通，燃烧室的出气端与涡轮的进气端连通，燃烧室内设有喷嘴，喷嘴与燃料存储罐连通；还包括为喷嘴喷出燃料增压增速的外部气源，外部气源与喷嘴连通并提供压力气体；所述外部气源为压力大于燃料存储罐压力的气源。

进一步地，所述转轴上还安装有气体轴承，所述气体轴承可以是径向轴承和/或推力轴承。

进一步地，所述外部气源与气体轴承连通并为气体轴承供气，即外部气源复用为气体轴承和喷嘴的气源。

进一步地，所述气体轴承为静压轴承或动静压混合轴承；当气体轴承为静压轴承时，外部气源同时为气体轴承和喷嘴供气；当气体轴承为动静压混合轴承时，在气体轴承的静压阶段(启动和停止)，外部气源为或只为气体轴承供气；在气体轴承的动压阶段，外部气源只为喷嘴供气。

所述外部气源提供的高压气体的压力，可根据燃料类别、燃料存储罐压力和/或燃烧室内压力而灵活调节，例如，当更换燃料(如更换为氢气)后可调节(增加)外部气源的出口压力，以进行匹配。

进一步地，所述外部气源通入喷嘴的气体压力大于压气机通入燃烧室的气体压力，有利于使火焰的位置远离喷嘴，避免火焰回烤喷嘴，例如其压差大于1个大气压。

进一步地，经由外部气源增压增速后，喷嘴出口处燃料的喷出速度大于等于20m/s，优选大于等于50m/s，更优选大于等于340m/s(超音速)，超音速状态下的燃料不易燃烧，从而可在喷嘴出口处形成对喷嘴的保护，超音速燃料远离喷嘴后速度下降，燃料再被点燃，形成燃烧火焰。

进一步地，所述喷嘴包括：具有燃料通道的燃料管，所述燃料通道与燃料存储罐连通；具有压力气通道的压力气管，所述压力气通道围绕燃料通道设置并且与外部气源连通。此种结构的喷嘴，压力气对单纯燃料进行增压增速，所述单纯燃料可以是氢气(点明氢气的火焰传播速度很高)。

进一步地，所述压力气管的长度大于燃料管的长度。

进一步地，所述压力气管的前端具有缩口，以利于燃料进一步增速。

进一步地，为了更好地混合燃料，所述喷嘴还包括具有常压气通道的常压气管，常压气管位于燃料管与压力气管之间，所述常压气通道与常压气源连通。此种结构的喷嘴，燃料(如氢气)先与常压气体混合，然后压力气对混合气进行增压增速。

进一步地，所述常压气管的长度大于燃料管的长度且小于压力气管的长度。

进一步地，所述常压气管具有临近燃料管设置的第一喷口。

进一步地，所述常压气管超出燃料管的位置处具有第二喷口。

进一步地，所述第二喷口倾斜设置。

进一步地，所述外部气源为气泵，其结构为：包括泵轴，以及依次安装于泵轴的增压器和电机。

进一步地，所述增压器包括在轴向上同向设置的第一增压器和第二增压器，电机位于第一增压器和第二增压器之间。该结构的气泵，通过第一增压器和第二增压器同时增压，从而可提高增压效率。

进一步地，所述增压器包括在轴向上相向设置的第一增压器和第二增压器，电机位于第一增压器和第二增压器之间。该结构的气泵，通过第一增压器和第二增压器同时增压，从而可提高增压效率；第一增压器和第二增压器相向设置，有利于平衡轴向力，使气泵的运行更加稳定。

进一步地，所述第一增压器与第二增压器为并联设置或串联设置。所述串联设置的具体方式为：第一增压器的出气端连通第二增压器的进气端。该结构的气泵，空气通过第一增压器增压后，又通过第二增压器进一步增压，从而可提高气泵的出气压力。

本实用新型的燃气轮机，工作时，压气机的进气端从外部环境吸入空气(氧化剂)并进行压缩，压缩后通入燃烧室；同时，燃料存储罐内的燃料经喷嘴喷出，压缩空气与燃料混合燃烧推动涡轮旋转，并通过涡轮的排气端排出。外部气源一方面可为气体轴承供气，另一方面可为喷嘴供气，以为通过喷嘴喷出的燃料增压增速，燃料经增速后由喷嘴喷入燃烧室内燃烧。由于燃料的喷出速度增加，火焰的位置前移，远离了喷嘴，从而可防止火焰回烤喷嘴。并且，高压气能够降低燃料的反应剧烈程度，减少燃气轮机运行过程中的氮氧化物的排放。

实际应用过程中，若燃料为火焰传播速度较小的燃料(如甲烷)，或未出现火焰回烤喷嘴情况，出于节约成本的考虑，外部气源无需向喷嘴供气。当燃料为火焰传播速度较大的燃料(如氢气)时，或将火焰传播速度较小的燃料(例如甲烷)切换为火焰传播速度较大的燃料(例如氢气)时，或因压差不足出现火焰回烤喷嘴情况时，则控制外部气源向喷嘴供气，以为通过喷嘴喷出的燃料增压增速，使火焰的位置前移以远离喷嘴，防止火焰回烤喷嘴，避免喷嘴被烧坏或堵塞。

本实用新型的燃气轮机，通过外部气源对经喷嘴喷出的燃料进行增压增速，防止火焰回烤喷嘴，可有效地保护喷嘴，避免喷嘴被烧坏或堵塞。喷嘴和气体轴承可以共用一个外部气源。外部气源可以为气泵。气泵的增压器可以为两个以上，以提高增压效率；增压器可以同向设置，也可以相向设置，以更好地平衡轴向力，保证运行稳定。

本实用新型使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本实用新型所表述的含义为准。

附图说明

图1：燃气轮机的结构示意图。

图2：喷嘴的结构示意图。

图3：实施例1的喷嘴的结构示意图。

图4：实施例2的喷嘴的结构示意图。

图5：实施例2的喷嘴的结构示意图(设有第一喷口和第二喷口)。

图6：实施例3的气泵的结构示意图。

图7：实施例4的气泵的结构示意图。

图8：实施例5的气泵的结构示意图。

图9：实施例6的气泵的结构示意图。

图10：实施例7的气泵的结构示意图。

其中，10、转轴；20、压气机；30、涡轮；40、燃烧室；50、外部气源；510、泵轴；520、增压器；521、第一增压器；522、第二增压器；530、电机；60、气体轴承；70、喷嘴；710、压力气管；720、常压气管；730、燃料管；740、第一喷口；750、第二喷口；80、燃料存储罐；IT、压气机的进气端；ET、涡轮的排气端；FU、燃料；HA、压力气体；LA：常压气体；PI、增压器的进气端；PI1、第一增压器的进气端；PI2、第二增压器的进气端；PO、增压器的出气端；PO1、第一增压器的出气端；PO2、第二增压器的出气端。箭头所示方向为气体或燃料的流动方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的说明。然而，本实用新型的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本实用新型的精神和范围的前提下，可以对本实用新型进行各种变化和修饰。

实施例1

一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20、涡轮30均安装于转轴10上，压气机20的出气端与燃烧室40的进气端连通，燃烧室40的出气端与涡轮30的进气端连通，燃烧室40内设有喷嘴70，喷嘴70与燃料存储罐80连通，如图1所示；还包括为喷嘴70喷出的燃料FU增压增速的外部气源50，外部气源50与喷嘴70连通并提供压力压力气体HA，以为通过喷嘴70喷出的燃料FU增压增速。所述外部气源50为压力大于燃料存储罐压力的气源。

所述燃气轮机的转轴10上还安装有气体轴承60，气体轴承60可以是径向轴承和/或推力轴承，外部气源50与气体轴承60连通并为气体轴承60供气(即外部气源50复用为气体轴承60和喷嘴70的气源)。气体轴承60的位置，可以是转轴10上远离涡轮30的一端(如图1)，也可以位于压气机20和涡轮30之间，或者同时设置。

所述气体轴承60可以为动静压混合轴承，在气体轴承60的静压阶段(启动和停止)，外部气源50只为气体轴承60供气；在气体轴承60的动压阶段，外部气源50只为喷嘴70供气。

所述喷嘴70包括：具有燃料通道的燃料管730，所述燃料通道与燃料存储罐连通；具有压力气通道的压力气管710，所述压力气通道围绕燃料通道设置并且与外部气源连通；如图2所示。此种结构的喷嘴，压力气体HA对单纯燃料进行增压增速，所述单纯燃料可以是氢气(点明氢气的火焰传播速度很高)。

所述压力气管710的长度大于燃料管730的长度。

所述压力气管710的前端可以具有缩口，如图3所示，以利于燃料进一步增速。

上述结构的燃气轮机，工作时，压气机20的进气端IT从外部环境吸入空气(氧化剂)并进行压缩，压缩后通入燃烧室40；同时，燃料存储罐80内的燃料FU经喷嘴70喷出，压缩空气与燃料FU混合燃烧推动涡轮30旋转，并通过涡轮30的排气端ET排出。外部气源50一方面为气体轴承60供气，另一方面为喷嘴70供气，以为通过喷嘴70喷出的燃料FU增压增速，燃料FU经增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内燃烧。由于燃料FU的喷出速度增加，火焰的位置前移，远离了喷嘴70，从而可防止火焰回烤喷嘴70。

实际应用过程中，若燃料为火焰传播速度较小的燃料(如甲烷)，或未出现火焰回烤喷嘴情况，出于节约成本的考虑，外部气源无需向喷嘴供气。当燃料为火焰传播速度较大的燃料(如氢气)时，或将火焰传播速度较小的燃料(例如甲烷)切换为火焰传播速度较大的燃料(例如氢气)时，或因压差不足出现火焰回烤喷嘴情况时，则控制外部气源向喷嘴供气，以为通过喷嘴喷出的燃料增压增速，使火焰的位置前移以远离喷嘴，防止火焰回烤喷嘴，避免喷嘴被烧坏或堵塞。

所述外部气源50提供的压力气体HA的压力，可根据燃料类别、燃料存储罐压力和/或燃烧室内压力而灵活调节，例如，当更换燃料(如更换为氢气)后可调节(增加)外部气源的出口压力，以进行匹配。

所述外部气源50通入喷嘴70的压力气体HA的压力，可以大于压气机20通入燃烧室40的气体压力，有利于使火焰的位置远离喷嘴，避免火焰回烤喷嘴，例如其压差大于1个大气压。

经由外部气源增压增速后，喷嘴出口处燃料的喷出速度大于等于20m/s，优选大于等于50m/s，更优选大于等于340m/s(超音速)，超音速状态下的燃料不易燃烧，从而可在喷嘴出口处形成对喷嘴的保护，超音速燃料远离喷嘴后速度下降，燃料再被点燃，形成燃烧火焰。

实施例2

一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40、涡轮30和气体轴承60，压气机20、涡轮30和气体轴承60安装于转轴10上，压气机20的出气端与燃烧室40的进气端连通，燃烧室40的出气端与涡轮30的进气端连通，燃烧室40内设有喷嘴70，喷嘴70与燃料存储罐80连通，如图1所示；还包括外部气源50，外部气源50分别与喷嘴70、气体轴承60连通，外部气源50提供高压气体HA，以为通过喷嘴70喷出的燃料FU增压增速。所述外部气源50为压力大于燃料存储罐压力的气源。

所述气体轴承60的位置，可以是转轴10上远离涡轮30的一端(如图1)，也可以位于压气机20和涡轮30之间，或者同时设置。

所述喷嘴70包括：具有燃料通道的燃料管730，所述燃料通道与燃料存储罐连通；具有压力气通道的压力气管710，所述压力气通道围绕燃料通道设置并且与外部气源50连通；具有常压气通道的常压气管720，常压气管720位于燃料管730与压力气管710之间，常压气通道与常压气源连通；如图4所示。此种结构的喷嘴，燃料(如氢气)先与常压气体LA混合，然后压力气体HA对混合气进行增压增速。

所述压力气管710的长度大于燃料管730的长度，所述常压气管720的长度大于燃料管730的长度且小于压力气管710的长度。

所述常压气管720可以具有临近燃料管730设置的第一喷口740，如图5所示。

所述常压气管720超出燃料管730的位置处可以具有第二喷口750，如图5所示，第二喷口750可以倾斜设置。

实施例3

一种燃气轮机，结构同实施例1，不同之处在于：外部气源50为气泵，其结构为：包括泵轴510，以及依次安装于泵轴510的增压器520和电机530，如图6所示。

工作时，电机530带动增压器520转动，空气从进气端PI进入增压器520，经增压后从出气端PO排出，为气体轴承和/或喷嘴供气。

实施例4

一种燃气轮机，结构同实施例3，不同之处在于：增压器520包括在轴向上同向设置的第一增压器521和第二增压器522，如图7所示，电机530位于第一增压器521和第二增压器522之间。

工作时，电机530带动第一增压器521和第二增压器522转动，空气从进气端PI1进入第一增压器521、从进气端PI2进入第一增压器522，经增压后，从出气端PO1、PO2排出，经出气端PO1、PO2排出的高压气体合并至一个管路中，为气体轴承和/或喷嘴供气。

该结构的气泵，通过第一增压器521和第二增压器522同时增压，从而可提高增压效率。

实施例5

一种燃气轮机，结构同实施例4，不同之处在于：第一增压器521的出气端PO1连通第二增压器522的进气端PI2，如图8所示。

工作时，电机530带动第一增压器521和第二增压器522转动，空气从进气端PI1进入第一增压器521，经增压后，从出气端PO1排出，然后从进气端PI2进入第二增压器522，经增压后，从出气端PO2排出，为气体轴承和/或喷嘴供气。

该结构的气泵，空气通过第一增压器521增压后，又通过第二增压器522进一步增压，从而可提高气泵的出气压力。

实施例6

一种燃气轮机，结构同实施例3，不同之处在于：增压器520包括在轴向上相向设置的第一增压器521和第二增压器522，如图9所示，电机530位于第一增压器521和第二增压器522之间。

工作时，电机530带动第一增压器521和第二增压器522转动，空气从进气端PI1进入第一增压器521、从进气端PI2进入第一增压器522，经增压后，从出气端PO1、PO2排出，经出气端PO1、PO2排出的高压气体合并至一个管路中，为气体轴承和/或喷嘴供气。

该结构的气泵，第一增压器521和第二增压器522相向设置，有利于平衡轴向力，使气泵的运行更加稳定。

实施例7

一种燃气轮机，结构同实施例6，不同之处在于：第一增压器521的出气端PO1连通第二增压器522的进气端PI2，如图10所示。

工作时，电机530带动第一增压器521和第二增压器522转动，空气从进气端PI1进入第一增压器521，经增压后，从出气端PO1排出，然后从进气端PI2进入第二增压器522，经增压后，从出气端PO2排出，为气体轴承和/或喷嘴供气。

该结构的气泵，空气通过第一增压器521增压后，又通过第二增压器522进一步增压，从而可提高气泵的出气压力。对置的第一增压器521和第二增压器522能够平衡轴向力，保证气泵运行稳定。

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机，包括转轴、压气机、燃烧室和涡轮，压气机和涡轮安装于转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连通，燃烧室的出气端与涡轮的进气端连通，燃烧室内设有喷嘴，喷嘴与燃料存储罐连通；其特征在于：还包括为喷嘴喷出燃料增压增速的外部气源，外部气源与喷嘴连通并提供压力气体。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于：所述转轴上还安装有气体轴承，所述气体轴承为径向轴承和/或推力轴承，所述外部气源与气体轴承连通并为气体轴承供气。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于：所述喷嘴包括：

具有燃料通道的燃料管，所述燃料通道与燃料存储罐连通；

具有压力气通道的压力气管，所述压力气通道围绕所述燃料通道设置并且与所述外部气源连通。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机，其特征在于：所述压力气管的长度大于所述燃料管的长度；

和/或：所述压力气管的前端具有缩口。

5.根据权利要求3或4所述的燃气轮机，其特征在于：所述喷嘴还包括具有常压气通道的常压气管，常压气管位于所述燃料管与所述压力气管之间，所述常压气通道与常压气源连通。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于：所述常压气管的长度大于所述燃料管的长度且小于所述压力气管的长度。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于：所述常压气管具有临近所述燃料管设置的第一喷口；

和/或：所述常压气管超出所述燃料管的位置处具有第二喷口。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于：所述第二喷口倾斜设置。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于：所述外部气源为气泵，其结构为：包括泵轴，以及依次安装于泵轴的增压器和电机。

10.根据权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于：所述增压器包括在轴向上同向设置的第一增压器和第二增压器，电机位于第一增压器和第二增压器之间；

或：所述增压器包括在轴向上相向设置的第一增压器和第二增压器，电机位于第一增压器和第二增压器之间；

所述第一增压器与所述第二增压器为并联设置或串联设置。

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