一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机是一种利用燃气能量来产生动力的机械装置。它通常由三个部分组成：燃气发动机、发电机和辅助设备。在燃气发动机中，燃气经过压缩后，与空气混合，在高温下燃烧。燃烧产生的高温气体会流过活塞，使活塞上下运动，从而带动转子转动。在转子上安装有发电机，转子转动时发电机也会转动，产生电能。辅助设备包括冷却系统、油路系统、排气系统等，它们的作用是帮助燃气发动机正常工作。例如，冷却系统可以使燃气发动机的温度保持在合适的范围内；油路系统可以为燃气发动机提供润滑油；排气系统则可以将燃气发动机产生的废气排出。
3.爆震燃烧(detonation combustion)是一种燃烧技术，它通过爆震波的传播来实现燃烧。爆震波是一种激波，它可以在爆震反应中传播，使得反应物和氧气在接触之后能够快速反应。爆震燃烧技术可以用于提高燃烧效率，减少污染，并在较高的压力和温度下工作。爆震燃烧技术目前被用于汽车、航空和航天领域。
4.传统燃气轮机，特别是在燃气轮机应用于联合循环系统时，燃气轮机的烟气需要通往余热锅炉，而燃气轮机在变工况工作时，排气温度随工况变化而改变，因此无法保证进入余热锅炉中的烟气温度和流量始终处于余热锅炉和下游汽轮机的最佳效率点。
5.在燃气轮机应用于冷热电联供时，同样存在为满足电功率需求时，烟气的热值往往不能很好的匹配冷、热需求的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术实施例提供一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，以在燃机-蒸汽联合循环中，通过调节高低压涡轮中的补燃爆震燃烧室，可以更大范围的调节燃机的出口温度，在燃机-蒸汽联合循环系统内，保证下游余热锅炉在更高效的工作区间内工作；在燃气轮机冷热电三联供中，通过调节补燃爆震燃烧室的功率，可以更大范围的调节烟气热量，同时满足电、热、冷的需求。
7.本技术实施例提供以下技术方案：一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，包括：
8.燃气轮机主体，所述燃气轮机主体包括通过主轴依次同轴联接的起发电机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮；
9.缓燃燃烧室，所述缓燃燃烧室的进气口连接所述低压压气机的排气口，所述缓燃燃烧室的排气口连接所述高压涡轮的进气口；
10.爆震燃烧室，所述爆震燃烧室的进气口连接所述高压涡轮的排气口，所述爆震燃烧室的排气口连接所述低压涡轮的进气口；
11.所述低压压气机的进气口连接大气，用于将大气压缩增压，压缩后的大气进入所述缓燃燃烧室内，与燃料混合燃烧，产生的烟气进入所述高压涡轮，推动所述高压涡轮做
功；从所述高压涡轮排出的烟气进入所述爆震燃烧室，在所述爆震燃烧室内与燃料混合爆震燃烧，产生的爆震烟气进入所述低压涡轮，推动所述低压涡轮做功；
12.所述高压涡轮和所述低压涡轮做功，带动所述起发电机产生电能。
13.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧室外设置爆震燃烧冷却系统，用于对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却。
14.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道的进气口与所述低压压气机的排气口连接，所述冷却通道的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连接，使经过所述低压压气机压缩后的大气在所述冷却通道内对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后在所述爆震燃烧室的排气段与爆震产生的高速高压烟气混合排至所述低压涡轮。
15.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道的进气口连接燃料输入管路，所述冷却通道的排气口分别接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室，使燃料进入所述冷却通道对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后分别进入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室。
16.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道内通入循环冷却液。
17.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧室中采用包括连续旋转爆震、脉冲爆震中的任一种增压燃烧方式。
18.根据本技术一种实施例，接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室内的燃料输入管路上分别设置调节控制阀。
19.根据本技术一种实施例，该燃气轮机在起动过程时，所述起发电机为电机工作模式；该燃气轮机在低工况及正常工作状态时，所述起发电机为发电机工作模式。
20.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧室在所述缓燃燃烧室的发电功率和烟气排放热量均满足需求时不工作，在电功率满足要求而烟气排放热量不满足系统需求时，所述爆震燃烧室工作。
21.本发明实施例采用传统缓燃燃烧室在前燃烧，爆震燃烧室在后补燃的结构，传统缓燃燃烧室燃烧产生的烟气带动高压涡轮转子转动，爆震燃烧室爆震燃烧产生的烟气带动低压涡轮转子转动，高压涡轮和低压涡轮共同做功，提高整体燃机的发电效率。其中传统缓燃燃烧室主要用于燃气轮机的稳定运转，为爆震燃烧室提供稳定的入口空气条件，同时根据工况要求，实现部分发电功率。补燃爆震燃烧室主要用于进行高效率、低污染的发电，提升整体燃机的发电效率，降低整体污染物排放。
22.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：相对传统缓燃燃气轮机，采用爆震燃烧室进行补燃，有效提升了燃气轮机的整体循环效率，降低了整体污染物排放；同时，采用缓燃燃烧后的过剩氧气作为爆震燃烧室的入口氧气，为爆震燃烧室提供稳定的入口空气条件，解决了纯爆震燃机，启动困难、连续工作不稳定等问题。在此基础上，在更大范围内满足燃气轮机-蒸汽联合循环条件下烟气出口温度和流量与余热锅炉的匹配，在更大范围内满足燃气轮机冷热电三联供条件下，电-热-冷的匹配，同时提高系统的能源利用率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1是传统燃气轮机结构示意图；
25.图2是本发明实施例的燃气轮机结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1所示，图1是传统燃气轮机结构示意图。其机械连接结构为：起发电机、低压压气机、高压压气机、涡轮通过主轴连接。燃气轮机起动时，起发电机为电动机工作模式，带动低压压气机、高压压气机、涡轮旋转；发电工况，涡轮推动低压压气机、高压压气机、电机转动，电机向外输出功率。其中，低压压气机吸入空气，增压后进入高压压气机，高压压气机进一步增压后进入燃烧室与燃料混合燃烧，产生的高温烟气推动涡轮做功，带动低压压气机、高压压气机和电机。
29.但传统燃气轮机整体的发电效率难以提升，污染物排放降低难度较大。基于此，本发明采用了传统缓燃燃烧室在前燃烧，爆震燃烧室在后补燃的结构，以解决上述问题，同时解决了纯爆震燃机，启动困难、连续工作不稳定等问题。
30.如图2所示，本发明实施例提供了一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，包括：
31.燃气轮机主体，所述燃气轮机主体包括通过主轴依次同轴联接的起发电机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮；
32.缓燃燃烧室，所述缓燃燃烧室的进气口连接所述低压压气机的排气口，所述缓燃燃烧室的排气口连接所述高压涡轮的进气口；爆震燃烧室，所述爆震燃烧室的进气口连接所述高压涡轮的排气口，所述爆震燃烧室的排气口连接所述低压涡轮的进气口；
33.所述低压压气机的进气口连接大气，用于将大气压缩增压，压缩后的大气进入所述缓燃燃烧室内，与燃料混合燃烧，产生的烟气进入所述高压涡轮，推动所述高压涡轮做功；从所述高压涡轮排出的烟气进入所述爆震燃烧室，在所述爆震燃烧室内与燃料混合爆震燃烧，产生的爆震烟气进入所述低压涡轮，推动所述低压涡轮做功；所述高压涡轮和所述低压涡轮做功，带动所述起发电机产生电能。
34.本发明实施例中设置了高压涡轮和低压涡轮的双级涡轮结构，双级涡轮可以实现更高的效率，烟气在第一级高压涡轮膨胀做功后，再次进入第二级低压涡轮做功。其中，上述的高、低压涡轮是指涡轮进口压力，高压涡轮在前，燃烧烟气膨胀后压力降低，进入后面的第二级涡轮，因此第二级涡轮称为低压涡轮。
35.其中，所述爆震燃烧室在所述缓燃燃烧室的发电功率和烟气排放热量均满足需求
时不工作，在电功率满足要求而烟气排放热量不满足系统需求时，所述爆震燃烧室开始工作，进行补燃。
36.本发明实施例的结构设置和工作原理为：在机械连接部分，起发电机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮通过主轴连接，工作在同一转速下。该燃气轮机在起动过程时，起发电机为电机工作模式，通过主轴带动低压涡轮、高压涡轮转动；在低工况下，起发电机为发电机工作模式，高压涡轮以及低压涡轮推动低压压气机以及起发电机转动，起发电机对外输出功率。其中，燃气轮机在起动过程以及低工况下，补燃爆震燃烧室不工作。燃气轮机在正常工作状态下，起发电机为发电机工作模式，高压涡轮以及低压涡轮推动低压压气机以及起发电机转动，起发电机对外输出功率；同时，正常工作状态下，用于补燃的爆震燃烧室工作，进一步提升进入低压涡轮燃气的温度和压力，带动低压涡轮做功。
37.其中，大气环境空气通过低压压气机增压后，进入缓燃燃烧室，与燃料混合燃烧后，产生的烟气进入高压涡轮做功。
38.传统的缓燃燃烧室出口温度，主要受限于燃烧室材料以及下游涡轮的耐温性能，因此出口燃烧烟气的温度一般工作在1000-1700k之间，而燃烧当量比等于1时，燃料和空气中的氧气完全反应生成的烟气温度要大于2200k以上，因此传统的缓燃燃烧室内燃烧当量比小于1，因此进入高压涡轮中的烟气含有大量氧气，燃烧后的烟气在高压涡轮做功后，温度压力下降，进入用于补燃的爆震燃烧室内，与燃料再次混合爆震燃烧，使烟气的温度压力再次提升，从而进入低压涡轮后推动低压涡轮做功，而后排入大气。采用爆震燃烧室进行补燃，有效提升燃气轮机的整体循环效率，降低整体污染物排放的同时，为爆震燃烧室提供稳定的入口空气条件，解决了纯爆震燃机，启动困难、连续工作不稳定等问题。在此基础上，在更大范围内满足燃气轮机-蒸汽联合循环条件下烟气出口温度和流量与余热锅炉的匹配，在更大范围内满足燃气轮机冷热电三联供条件下，电-热-冷的匹配，同时提高系统的能源利用率。
39.由于所述爆震燃烧室内为较高的压力和温度的工作环境，需设置冷却系统使燃气发动机的温度保持在合适的范围内。因此本发明实施例中，所述爆震燃烧室外设置爆震燃烧冷却系统，用于对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却。
40.在一种具体实施例中，采用低压压气机排出的空气对爆震燃烧室进行冷却。具体结构为：所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道的进气口与所述低压压气机的排气口连接，所述冷却通道的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连接，使经过所述低压压气机压缩后的大气在所述冷却通道内对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后在所述爆震燃烧室的排气段与爆震产生的高速高压烟气混合排出，进入低压涡轮做功。
41.由于爆震燃烧室置于高压涡轮出口，因此爆震燃烧室进口压力小于高压涡轮进口和低压压气机出口压力，爆震燃烧后爆震燃烧室出口压力虽然有所上升，但依旧低于低压压气机出口压力。因此低压压气机出口的空气在冷却爆震燃烧室后，还可以与爆震燃烧室出口的烟气进行掺混，降低爆震燃烧室出口烟气的温度，形成适于低压涡轮可以接受的高温烟气，以对低压涡轮形成保护。
42.在另一种具体实施例中，采用燃料冷却的方式对爆震燃烧室进行冷却。具体结构为：所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通
道的进气口连接燃料输入管路，所述冷却通道的排气口分别接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室，使燃料进入所述冷却通道对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后分别进入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室。进一步地，接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室内的燃料输入管路上分别设置调节控制阀，便于操作控制。
43.在另一种具体实施例中，可采用外置液冷循环的方式对爆震燃烧室进行冷却。具体结构为：所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道内通入循环冷却液，具体可通过循环泵实现循环冷却。
44.在其他实施例中，还可采用上述的低压压气机排出的空气冷却、燃料冷却、外置液冷循环等的多种冷却方式结合的结构，在管路上分别通过控制阀门独立控制，可根据爆震燃烧室的耐高温性能情况选择使用。
45.本发明实施例中，所述爆震燃烧室可以是连续旋转爆震、脉冲爆震、或其他形式的增压燃烧技术。
46.本发明实施例中，采用传统缓燃燃烧室在前燃烧，爆震燃烧室在后补燃的结构，其中传统缓燃燃烧室主要负责燃气轮机的稳定运转，为爆震燃烧室提供稳定的入口空气条件，同时根据工况要求，实现部分发电功率。爆震燃烧室主要负责进行高效率、低污染的发电，提升整体燃机的发电效率，降低整体污染物排放。并且，解决了纯爆震燃机，启动困难、连续工作不稳定等问题。
47.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，包括：燃气轮机主体，所述燃气轮机主体包括通过主轴依次同轴联接的起发电机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮；缓燃燃烧室，所述缓燃燃烧室的进气口连接所述低压压气机的排气口，所述缓燃燃烧室的排气口连接所述高压涡轮的进气口；爆震燃烧室，所述爆震燃烧室的进气口连接所述高压涡轮的排气口，所述爆震燃烧室的排气口连接所述低压涡轮的进气口；所述低压压气机的进气口连接大气，用于将大气压缩增压，压缩后的大气进入所述缓燃燃烧室内，与燃料混合燃烧，产生的烟气进入所述高压涡轮，推动所述高压涡轮做功；从所述高压涡轮排出的烟气进入所述爆震燃烧室，在所述爆震燃烧室内与燃料混合爆震燃烧，产生的爆震烟气进入所述低压涡轮，推动所述低压涡轮做功；所述高压涡轮和所述低压涡轮做功，带动所述起发电机产生电能。2.根据权利要求1所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧室外设置爆震燃烧冷却系统，用于对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却。3.根据权利要求2所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道的进气口与所述低压压气机的排气口连接，所述冷却通道的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连接，使经过所述低压压气机压缩后的大气在所述冷却通道内对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后在所述爆震燃烧室的排气段与爆震产生的高速高压烟气混合排至所述低压涡轮。4.根据权利要求2所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道的进气口连接燃料输入管路，所述冷却通道的排气口分别接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室，使燃料进入所述冷却通道对所述爆震燃烧室的壁面进行冷却，而后分别进入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室。5.根据权利要求2所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧冷却系统包括围绕设置在所述爆震燃烧室外壁的冷却通道，所述冷却通道内通入循环冷却液。6.根据权利要求1所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧室中采用包括连续旋转爆震、脉冲爆震中的任一种增压燃烧方式。7.根据权利要求1或4所述的带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，接入所述缓燃燃烧室和所述爆震燃烧室内的燃料输入管路上分别设置调节控制阀。8.根据权利要求1所述的并联爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，该燃气轮机在起动过程时，所述起发电机为电机工作模式；该燃气轮机在低工况及正常工作状态时，所述起发电机为发电机工作模式。9.根据权利要求1所述的并联爆震燃烧室的燃气轮机，其特征在于，所述爆震燃烧室在所述缓燃燃烧室的发电功率和烟气排放热量均满足需求时不工作，在电功率满足要求而烟气排放热量不满足系统需求时，所述爆震燃烧室工作。

技术总结
本发明提供一种带补燃爆震燃烧室的燃气轮机，包括：燃气轮机主体，包括通过主轴依次同轴联接的起发电机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮；缓燃燃烧室，其进气口连接低压压气机的排气口，排气口连接高压涡轮的进气口；爆震燃烧室，其进气口连接高压涡轮的排气口，排气口连接低压涡轮的进气口；低压压气机的进气口连接大气，压缩后的大气进入缓燃燃烧室内与燃料混合燃烧，产生的烟气进入高压涡轮，推动高压涡轮做功；从高压涡轮排出的烟气进入爆震燃烧室，与燃料混合爆震燃烧，产生的爆震烟气进入低压涡轮，推动低压涡轮做功；高压涡轮和低压涡轮做功，带动起发电机产生电能。本发明能够有效提升燃气轮机的整体循环效率，降低污染物排放。物排放。物排放。


技术研发人员：于宁 王琳 韦焕程 曹新巧 赵学松
受保护的技术使用者：清航空天（北京）科技有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/28