一种组合式旋转爆轰燃烧室及其控制方法

本发明涉及燃气轮机，尤其涉及一种可用于燃气轮机的组合式旋转爆轰燃烧室及其控制方法。

背景技术：

1、自然界常见的燃烧模式是缓燃，火焰的传播依赖于质量和热量的扩散，传播速度一般几米到几十米每秒，目前几乎大部分燃气轮机都采用等压模式组织燃烧，该燃烧方式稳定性高、技术成熟度高；爆轰是一种激波与化学反应强耦合，以km/s量级超声速传播的燃烧模式，与等压燃烧模式的热机相比，拥有更高的循环热效率，从而提高燃气轮机燃料经济性。旋转爆轰燃气轮机通常采用环形燃烧室，燃料和氧化剂连续喷注，燃烧室内存在一个或多个爆震波头沿周向持续传播，爆震波后的高温高压产物迅速膨胀从燃气轮机尾部高速排出，从而产生持续的输出功。与脉冲爆轰相比，旋转爆轰燃气轮机只需单次点火即可形成稳定的连续旋转爆震波，震动与噪声较小。总之，旋转爆轰燃气轮机具有热循环效率高、放热速率快、容热强度大、结构紧凑等特点，但在燃料空气当量比较低时容易产生熄爆，存在稳定性不足的问题。

2、因此，如何将传统的等压燃烧与旋转爆轰燃烧的优势相结合，成为技术人员的重点研究方向。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可用于燃气轮机的组合式旋转爆轰燃烧室。利用旋转爆轰燃烧和传统燃烧的优势，用于解决旋转爆轰燃烧室起爆困难、传统燃烧室熵增较大等问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种组合式旋转爆轰燃烧室，包括：

3、筒形燃烧室，所述筒形燃烧室用于等压燃烧；

4、环形燃烧室，所述环形燃烧室环绕于所述筒型燃烧室外围，用于旋转爆轰燃烧；

5、进气组件，所述进气组件位于燃烧室的前端，用于为所述筒型燃烧室及环形燃烧室提供氧化剂。

6、优选地，所述进气组件包括进口部、柱形连接部、锥形连接部，所述柱形连接部与锥形连接部同轴设置并与进口部连通，柱形连接部与锥形连接部的后端分别连通至所述筒形燃烧室及环形燃烧室；所述进口部连接至压气机，以提供压缩空气或压缩氧气作为氧化剂。

7、优选地，所述筒形燃烧室的前端连通有缓燃喷嘴，用于为所述筒型燃烧室提供燃料，所述缓燃喷嘴同轴设置于所述进口部的内侧；缓燃喷嘴包括单孔喷嘴、多孔式喷嘴、预混式喷嘴、组合式多级喷嘴中的一种。

8、优选地，所述柱形连接部靠近筒形燃烧室的后端内壁设置有旋流器，以使氧化剂经过旋流器形成一定旋流角的气流并形成主回流区，从而形成主燃区；所述筒型燃烧室的后端侧壁开有若干个掺混孔，燃料在主燃区内发生化学反应并形成高温烟气，与掺混孔中的冷空气混合后，达到燃气轮机涡轮前温度要求，从筒形燃烧室后端连接的第一出口部排出，从而产生输出功。

9、优选地，所述第一锥形连接部与所述环形燃烧室通过进口收缩段及第一喉部段连接，所述第一喉部段沿径向设置有爆轰喷嘴，所述爆轰喷嘴用于为环形燃烧室提供燃料，所述爆轰喷嘴包括直喷式喷油环、环形阵列孔、旋流雾化器中的一种。

10、优选地，还包括切向安装在环形燃烧室外壁的预爆轰管。

11、优选地，所述环形燃烧室的后端依次连接有出口收缩段及第二喉部段，所述出口收缩段用于控制环形燃烧室内的环境压力。

12、优选地，所述筒型燃烧室的外壁设置有冷却通道。

13、优选地，筒形燃烧室、环形燃烧室各设置有一组进气控制阀，以控制氧化剂的开度。

14、本发明还提供一种所述的组合式旋转爆轰燃烧室的控制方法，包括如下步骤：

15、s1：在燃气轮机起动阶段，由起动电机带动压气机达到点火转速，在点火转速前，关闭环形燃烧室的进气控制阀，使压气机出口的氧化剂全部进入筒形燃烧室中参与传统缓慢燃烧过程；

16、s2：点火成功后，逐渐增加燃料量、提升涡轮转速；直至100％转速后，达到了燃料量最小、空气量最大的工况；逐渐增大负载，直至达到30％的额定负载后，准备开启环形燃烧室的进气控制阀，此时将环形燃烧室的进气控制阀控制在事先调试完毕的设定开度，同时调整筒形燃烧室的进气控制阀，保证其不会出现熄火或高燃空比的情况；

17、s3：开启环形燃烧室的燃料通道，开启环形燃烧室的进气控制阀，随后启动预爆轰管进行点火，此时总燃料流量理论上能够使得燃气轮机处于80％左右的额定负载，保持此工况一段时间；确保燃气轮机各项指标不存在异常后，逐渐关闭筒形燃烧室中的燃料通道和进气控制阀，使燃料全部从环形燃烧室进入，空气全部进入环形燃烧室和冷却通道中；观察各项动态指标，确保各项静态和动态指标全部正常后，逐渐提高燃气轮机负载，直至100％负载；

18、s4：在燃气轮机停机阶段中，将燃气轮机负载逐渐降低至80％，此时开启筒形燃烧室的进气控制阀，环形燃烧室的燃料逐渐降低至50％负载的理论流量，筒形燃烧室逐渐增大燃料流量，使燃机保持在80％负载左右；进一步降低环形燃烧室的燃料流量，直至熄爆后，关闭环形燃烧室的燃料通道和进气阀门；此时筒形燃烧室的运行使燃气轮机处于30％的负载，逐步降低筒形燃烧室的负载，直至空载；逐步降低燃料量，涡轮转速逐步降低，达到30％以下转速后，关闭所有燃料通道；最后燃气轮机进行盘车阶段，清吹残留燃料，冷却各个部件接近常温。

19、如上所述，本发明提供一种组合式旋转爆轰燃烧室及其控制方法，该组合式旋转爆轰燃烧室，能够克服传统燃烧室的低效率、高排放、大压降等问题，使得燃气轮机在高负载工况下具备低污染、高效、结构紧凑等特点，而传统燃烧室能够有效防止由于起爆不成功或熄火导致的燃气轮机运行失败，本发明也考虑了冷却设计，环形燃烧室内壁和筒形燃烧室壁面可共用统一冷却系统，降低了冷却设计的复杂性和加工成本。另外燃气轮机处于两者切换的过渡阶段时，优先保证爆轰燃烧的较高的燃料空气比。本发明的燃烧室能够将旋转爆轰燃烧与传统等压燃烧的优势相结合，实现高效率的同时又保证了稳定性。

技术特征：

1.一种组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述进气组件包括进口部、柱形连接部、锥形连接部，所述柱形连接部与锥形连接部同轴设置并与进口部连通，柱形连接部与锥形连接部的后端分别连通至所述筒形燃烧室及环形燃烧室；所述进口部连接至压气机，以提供压缩空气或压缩氧气作为氧化剂。

3.根据权利要求2所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述筒形燃烧室的前端连通有缓燃喷嘴，用于为所述筒型燃烧室提供燃料，所述缓燃喷嘴同轴设置于所述进口部的内侧；缓燃喷嘴包括单孔喷嘴、多孔式喷嘴、预混式喷嘴、组合式多级喷嘴中的一种。

4.根据权利要求2所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述柱形连接部靠近筒形燃烧室的后端内壁设置有旋流器，以使氧化剂经过旋流器形成一定旋流角的气流并形成主回流区，从而形成主燃区；所述筒型燃烧室的后端侧壁开有若干个掺混孔，燃料在主燃区内发生化学反应并形成高温烟气，与掺混孔中的冷空气混合后，达到燃气轮机涡轮前温度要求，从筒形燃烧室后端连接的第一出口部排出，从而产生输出功。

5.根据权利要求2所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述第一锥形连接部与所述环形燃烧室通过进口收缩段及第一喉部段连接，所述第一喉部段沿径向设置有爆轰喷嘴，所述爆轰喷嘴用于为环形燃烧室提供燃料，所述爆轰喷嘴包括直喷式喷油环、环形阵列孔、旋流雾化器中的一种。

6.根据权利要求1所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：还包括切向安装在环形燃烧室外壁的预爆轰管。

7.根据权利要求1所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述环形燃烧室的后端依次连接有出口收缩段及第二喉部段，所述出口收缩段用于控制环形燃烧室内的环境压力。

8.根据权利要求1所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：所述筒型燃烧室的外壁设置有冷却通道。

9.根据权利要求1所述的组合式旋转爆轰燃烧室，其特征在于：筒形燃烧室、环形燃烧室各设置有一组进气控制阀，以控制氧化剂的开度。

10.一种如权利要求1-9任一所述的组合式旋转爆轰燃烧室的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明提供一种组合式旋转爆轰燃烧室及其控制方法，该组合式旋转爆轰燃烧室，能够克服传统燃烧室的低效率、高排放、大压降等问题，使得燃气轮机在高负载工况下具备低污染、高效、结构紧凑等特点，而传统燃烧室能够有效防止由于起爆不成功或熄火导致的燃气轮机运行失败，本发明也考虑了冷却设计，环形燃烧室内壁和筒形燃烧室壁面可共用统一冷却系统，降低了冷却设计的复杂性和加工成本。另外燃气轮机处于两者切换的过渡阶段时，优先保证爆轰燃烧的较高的燃料空气比。本发明的燃烧室能够将旋转爆轰燃烧与传统等压燃烧的优势相结合，实现高效率的同时又保证了稳定性。技术研发人员：高闯,朱海天,黄伟光受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院技术研发日：技术公布日：2024/3/31