一种全电爆震燃气轮机系统的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种全电爆震燃气轮机系统。


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，主要通过提高压气机压比、燃烧室出口温度提升燃气轮机的整体循环热效率，但受限于材料、工艺和气动设计难度，无论是压气机压比还是燃烧室出口温度都很难有大幅度的提升，因此限制了整体发电效率的提升。同时传统燃气轮机还存在污染物排放降低难度较大等问题。相对传统技术，爆震燃烧可以大幅度提升燃气轮机的整体循环效率，同时降低nox污染物排放。但爆震燃烧同样存在启动困难，工作范围窄等问题。
5.另外，传统燃气轮机中压气机、涡轮、起发电机由转子刚性连接，始终工作在同一工作转速，同时压气机、涡轮、负载功率必须匹配，部件性能匹配困难，因此在非设计点工况下，很难满足各部件均工作在最佳效率点，导致非设计点工作条件下，部件效率下降，整机部件效率低。
6.并且，传统的燃气轮机在负荷突然变化时，响应速度较慢，孤网运行条件下容易导致电压和频率变化，稳定性较差。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术实施例提供一种全电爆震燃气轮机系统，以实现系统整体的效率最优以及稳定性最佳的目的。
8.本技术实施例提供以下技术方案：一种全电爆震燃气轮机系统，包括：
9.第一压气机组，所述第一压气机组包括第一压气机和第一压气机电机，所述第一压气机和第一压气机电机通过第一联轴器连接；
10.第二压气机组，所述第二压气机组包括第二压气机和第二压气机电机，所述第二压气机和第二压气机电机通过第二联轴器连接；
11.涡轮机组，所述涡轮机组包括涡轮和涡轮电机，所述涡轮和涡轮电机通过第三联
轴器连接；
12.爆震燃烧室，所述第一压气机和所述第二压气机的进气口均通入空气，用于对空气压缩增压，所述第一压气机的排气口连通所述爆震燃烧室的进气口，使压缩后的空气进入所述爆震燃烧室内，与燃料混合爆震燃烧；所述第二压气机的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连通，并共同连接至所述涡轮，使压缩后的空气与所述爆震燃烧室产生的爆震烟气进行掺混，混合气进入所述涡轮，推动所述涡轮做功，以带动所述涡轮电机产生电能；
13.直流母线，所述直流母线上分别连接所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机和用户负载。
14.根据本技术一种实施例，所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机和用户负载分别通过双向ac-dc电路与所述直流母线连接。
15.根据本技术一种实施例，还包括超级电容储能和电池组，所述超级电容储能和所述电池组均与所述直流母线连接。
16.根据本技术一种实施例，所述第一压气机组包括多个第一压气机和多个第一压气机电机，多个所述第一压气机与多个所述第一压气机电机分别通过多个所述第一联轴器独立连接；
17.所述第二压气机组包括多个第二压气机和多个第二压气机电机，多个所述第二压气机与多个所述第二压气机电机分别通过多个所述第二联轴器独立连接。
18.根据本技术一种实施例，所述涡轮机组包括多个涡轮和多个涡轮电机，多个所述涡轮和多个所述涡轮电机分别通过多个所述第三联轴器独立连接；所述爆震燃烧室的数量为多个，且与所述涡轮的数量一致，单个所述爆震燃烧室的排气口连接单个所述涡轮。
19.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧室的数量为多个，多个所述爆震燃烧室的排气口均通过烟气总管与所述涡轮连接；其中，所述涡轮为带有可调导叶的涡轮。
20.根据本技术一种实施例，还包括第一压缩空气总管和第二压缩空气总管，多个所述第一压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的进气口之间通过所述第一压缩空气总管连接，多个所述第二压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的排气口之间通过所述第二压缩空气总管连接。
21.根据本技术一种实施例，所述爆震燃烧室的进气口和排气口上分别设置比例调节阀。
22.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。
23.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。
24.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：
25.(1)多个压气机、涡轮可以分别工作在不同的转速和负载下，因此可以实现系统整体的效率最优。
26.(2)在外界负载发生剧烈变化，例如甩负荷等情况时，超级电容储能系统工作，可以对直流母线进行稳定，保证系统的稳定性。
27.(3)电池组可以保证较长时间的超负荷运转。
28.(4)同时外界负载过小，燃机整体效率较低时，可以关闭燃机系统，单纯依赖电池组供电，保证长时间条件下系统的效率最大化。
29.(5)针对爆震燃烧室工作区间窄，本发明采用了两组独立的压气机，同时两组压气机可以独立调节负载、出口压力和温度，因此通过两组压气机的匹配可以满足各工况下爆震燃烧室的稳定工作。
附图说明
30.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。
31.图1是本发明全电爆震燃气轮机系统第一实施例的结构示意图；
32.图2是本发明全电爆震燃气轮机系统第二实施例的结构示意图；
33.图3是本发明全电爆震燃气轮机系统第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
35.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。
36.如图1所示，本发明实施例提供了一种全电爆震燃气轮机系统，包括：
37.第一压气机组，所述第一压气机组包括第一压气机和第一压气机电机，所述第一压气机和第一压气机电机通过第一联轴器连接；第二压气机组，所述第二压气机组包括第二压气机和第二压气机电机，所述第二压气机和第二压气机电机通过第二联轴器连接；涡轮机组，所述涡轮机组包括涡轮和涡轮电机，所述涡轮和涡轮电机通过第三联轴器连接；
38.爆震燃烧室，所述第一压气机和所述第二压气机的进气口均通入空气，用于对空气压缩增压，所述第一压气机的排气口连通所述爆震燃烧室的进气口，使压缩后的空气进入所述爆震燃烧室内，与燃料混合爆震燃烧；所述第二压气机的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连通，并共同连接至所述涡轮，使压缩后的空气与所述爆震燃烧室产生的爆震烟气进行掺混，混合气进入所述涡轮，推动所述涡轮做功，以带动所述涡轮电机产生电能；
39.直流母线，所述直流母线上分别连接所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机和用户负载。
40.本发明的机械连接部分，第一压气机组、第二压气机组和涡轮机组中分别采用独立的联轴器连接，三个机组分别可以分别工作在不同的转速和负载下，避免了部件性能匹配困难的问题，因此可以实现系统整体的效率最优。
41.在一种实施例中，所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机分别通过双向ac-dc电路与所述直流母线连接，另外，所述直流母线上通过双向ac-dc电路还连接用户负载，负载端可输出三相电。
42.本实施例的工作原理为：空气通过第一压气机的压缩后，进入爆震燃烧室，与燃料混合产生爆震燃烧，生成高温烟气。空气通过第二压气机的压缩后，与爆震燃烧室出口的高温烟气混合，对烟气进行降温后，再进入涡轮做功，涡轮带动电机做功，对外输出功率，以通过直流母线向压气机电机以及用户负载提供电能。压缩空气与爆震燃气进行掺混，以形成适于涡轮可以接受的高温烟气，解决了爆震燃气温度太高，涡轮无法工作的问题，提高了涡轮的寿命和可靠性，降低成本。
43.在一种实施例中，还包括超级电容储能和电池组，所述超级电容储能和所述电池组均与所述直流母线连接。在外界负载发生剧烈变化，例如甩负荷等情况时，所述超级电容储能系统工作，可以对直流母线进行稳定，保证系统的稳定性。电池组可以保证较长时间的超负荷运转。同时外界负载过小，燃机整体效率较低时，可以关闭燃机系统，单纯依赖电池组供电，保证长时间条件下系统的效率最大化。本实施例在直流母线上增加超级电容储能和电池组储能，能够很好的吸收功率冲击和维持功率平衡，提升整体系统的稳定性。
44.在本发明另一实施例中，如图2所示，所述第一压气机组包括多个第一压气机和多个第一压气机电机，多个所述第一压气机与多个所述第一压气机电机分别通过多个所述第一联轴器独立连接；所述第二压气机组包括多个第二压气机和多个第二压气机电机，多个所述第二压气机与多个所述第二压气机电机分别通过多个所述第二联轴器独立连接。
45.多台压气机分布式设置，且均可以工作在不同的负载和转速下，解决了在大规模应用需要多台燃机组网运行时，受限单台燃机的功率特性，很难实现系统的最优效率的问题，系统可以为爆震燃烧室提供更好和更稳定的入口条件，保证爆震燃烧室的稳定工作。
46.在本实施例的一种优选方案中，所述涡轮机组包括多个涡轮和多个涡轮电机，多个所述涡轮和多个所述涡轮电机分别通过多个所述第三联轴器独立连接；所述爆震燃烧室的数量为多个，且与所述涡轮的数量一致，单个所述爆震燃烧室的排气口连接单个所述涡轮。该方案中，各压气机、涡轮、爆震燃烧室均可以单独打开和关闭，可以单独调节每台压气机、爆震燃烧室、涡轮的负载。
47.在本实施例另一优选方案中，如图3所示，所述爆震燃烧室的数量为多个，多个所述爆震燃烧室的排气口均通过烟气总管与所述涡轮连接；其中，所述涡轮为带有可调导叶的涡轮。本方案中，多个爆震燃烧室产生的烟气均进入烟气总管，烟气总管中所有的烟气进入带有可调导叶的涡轮做功，带动发电机发电。烟气总管出口连接一台带有可调导叶的涡轮，当爆震燃烧室工作数量发生变化，导致烟气流量改变时，通过调整可调涡轮导叶的角度，保证涡轮的工作入口条件。并且，涡轮进口通过可调导叶结构，在大流量变化范围内均可以保证工作效率。
48.本实施例中，还包括第一压缩空气总管和第二压缩空气总管，多个所述第一压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的进气口之间通过所述第一压缩空气总管连接，多个所述第二压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的排气口之间通过所述第二压缩空气总管连接。
49.压缩空气总管的设置，使一部分压气机出口接入第一压缩空气总管、一部分压气机出口接入第二压缩空气总管。第一压缩空气总管和第二压缩空气总管的压力可以不同，也可以相同。第一压缩空气总管和第二压缩空气总管分开有利于提高系统效率，但也可以所有压气机出口均汇入一根母管。
50.本实施例中，所述爆震燃烧室的进气口和排气口上分别设置比例调节阀。每台爆震燃烧室通过比例调节阀与第一压缩空气总管连接，通过比例调节阀可以实现单台爆震燃烧室的引气量的调节，第一压缩空气总管的压缩空气进入爆震燃烧室后与燃料混合爆震燃烧，产生高温烟气。爆震燃烧室出口的高温烟气与来自压第二压缩空气总管的压缩空气混合，降低温度后进入涡轮做功，掺混冷却气的流量可以通过比例调节阀调节。针对爆震燃烧室工作区间窄的问题，通过比例调节阀从压缩空气总管提取空气和掺混气，可以保证单台爆震燃烧室始终工作在最佳设计点。
51.由于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。
52.在一种具体实施例中，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接入所述爆震燃烧室，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，而后进入所述爆震燃烧室。进一步地，接入所述爆震燃烧室内的燃料输入管路上设置调节控制阀，便于操作控制。
53.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。
54.在其他实施例中，还可采用上述的燃料冷却、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。
55.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。
56.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：
1.一种全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，包括：第一压气机组，所述第一压气机组包括第一压气机和第一压气机电机，所述第一压气机和第一压气机电机通过第一联轴器连接；第二压气机组，所述第二压气机组包括第二压气机和第二压气机电机，所述第二压气机和第二压气机电机通过第二联轴器连接；涡轮机组，所述涡轮机组包括涡轮和涡轮电机，所述涡轮和涡轮电机通过第三联轴器连接；爆震燃烧室，所述第一压气机和所述第二压气机的进气口均通入空气，用于对空气压缩增压，所述第一压气机的排气口连通所述爆震燃烧室的进气口，使压缩后的空气进入所述爆震燃烧室内，与燃料混合爆震燃烧；所述第二压气机的排气口与所述爆震燃烧室的排气口连通，并共同连接至所述涡轮，使压缩后的空气与所述爆震燃烧室产生的爆震烟气进行掺混，混合气进入所述涡轮，推动所述涡轮做功，以带动所述涡轮电机产生电能；直流母线，所述直流母线上分别连接所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机和用户负载。2.根据权利要求1所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压气机电机、所述第二压气机电机、所述涡轮电机和用户负载分别通过双向ac-dc电路与所述直流母线连接。3.根据权利要求1所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，还包括超级电容储能和电池组，所述超级电容储能和所述电池组均与所述直流母线连接。4.根据权利要求1所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压气机组包括多个第一压气机和多个第一压气机电机，多个所述第一压气机与多个所述第一压气机电机分别通过多个所述第一联轴器独立连接；所述第二压气机组包括多个第二压气机和多个第二压气机电机，多个所述第二压气机与多个所述第二压气机电机分别通过多个所述第二联轴器独立连接。5.根据权利要求4所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，所述涡轮机组包括多个涡轮和多个涡轮电机，多个所述涡轮和多个所述涡轮电机分别通过多个所述第三联轴器独立连接；所述爆震燃烧室的数量为多个，且与所述涡轮的数量一致，单个所述爆震燃烧室的排气口连接单个所述涡轮。6.根据权利要求4所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，所述爆震燃烧室的数量为多个，多个所述爆震燃烧室的排气口均通过烟气总管与所述涡轮连接；其中，所述涡轮为带有可调导叶的涡轮。7.根据权利要求5或6所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，还包括第一压缩空气总管和第二压缩空气总管，多个所述第一压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的进气口之间通过所述第一压缩空气总管连接，多个所述第二压气机的排气口和多个所述爆震燃烧室的排气口之间通过所述第二压缩空气总管连接。8.根据权利要求7所述的全电爆震燃气轮机系统，其特征在于，所述爆震燃烧室的进气口和排气口上分别设置比例调节阀。9.根据权利要求1所述的全电爆震燃气轮机系统，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。
10.根据权利要求9所述的全电爆震燃气轮机系统，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。

技术总结
本发明提供了一种全电爆震燃气轮机系统，包括：第一压气机组，包括通过第一联轴器连接的第一压气机和第一压气机电机，第二压气机组，包括通过第二联轴器连接的第二压气机和第二压气机电机，涡轮机组，包括通过第三联轴器连接的涡轮和涡轮电机；爆震燃烧室，第一压气机和第二压气机的进气口均通入空气，第一压气机的排气口连通爆震燃烧室的进气口；第二压气机的排气口与爆震燃烧室的排气口连通，并共同连接至涡轮，使压缩空气与爆震烟气掺混，混合气推动涡轮做功，以带动涡轮电机产生电能；直流母线，直流母线上分别连接第一压气机电机、第二压气机电机、涡轮电机和用户负载。本发明的燃气轮机系统可实现系统整体的效率最优以及稳定性最佳。及稳定性最佳。及稳定性最佳。


技术研发人员：于宁 赵学松 韦焕程 曹新巧 王琳
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：2023/6/26