一种以氨为燃料的高压旋转爆震燃气轮机

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种以氨为燃料的高压旋转爆震燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机(gas turbine)是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的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。其最简单的工作流程是由压气机从外界大气环境吸入空气并压缩送入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。相比于汽油发动机和柴油发动机，燃气轮机具有单位功率重量尺寸小、机组功率较大、良好的机动性能和能连续输出功率等优点，使其被广泛应用于航空航天、船舶、发电等领域。
3.近年来，燃气轮机技术发展非常迅速，性能日益完善。在燃烧发电方面，燃气轮机联合循环电场的发电功率等级超过汽轮机，发电效率最高可达65％，特别是一些如预混贫燃料燃烧、多级燃烧和催化燃烧等先进燃烧技术的研发，减少了燃气轮机污染严重的问题，使其能够进一步发展。然而，以天然气、汽柴油、重油等为燃料的传统燃气轮机难以满足日益严格的环保标准。并且，传统燃气轮机大多只有单一的进气通道，许多未燃燃料不能进一步反应，而是随着废气一起被处理，导致燃料利用率不高；此外燃气轮机内部温度高，特别是出口部分的超高热负荷也会导致设备损坏严重、寿命低等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种以氨为燃料的高压旋转爆震燃气轮机，在储氨罐与旋转爆震燃烧室之间增加高压共轨管道，以提高进气压力，进而提高燃烧效率，同时通过空气二次风使未燃氨气进行二次燃烧以提高燃料利用率减少氮氧化物排放。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种以氨为燃料的高压旋转爆震燃气轮机，包括空气系统、氨燃料系统、辅助燃料罐、旋转爆震燃烧室、涡轮转子、传动轴、变速器、发电机组；所述空气系统包括依次连接的进气道、空气压缩机、储气罐和分气歧管；所述分气歧管设有两个出气端口，所述旋转爆震燃烧室的头部设有一次风进口，旋转爆震燃烧室的后部设有二次风进口，所述分气歧管的两个出气端口分别连接一次风进口和二次风进口；所述氨燃料系统包括依次连接的储氨罐和高压共轨管道，所述辅助燃料罐和高压共轨管道分别连接旋转爆震燃烧室的头部，所述旋转爆震燃烧室的尾部连接涡轮转子，所述涡轮转子通过传动轴连接变速器，所述变速器连接发电机组。
7.所述旋转爆震燃烧室包括外筒体、内筒体、喷油环和点火器；所述内筒体设于外筒体内，二者之间形成环形燃烧室主体；所述喷油环设于内筒体的头部，其中，高压共轨管道
中的氨燃料经喷油环进入环形燃烧室主体；所述点火器设于外筒体的头部；所述外筒体的头部还设有辅助燃料喷嘴和所述一次风进口，辅助燃料经辅助燃料喷嘴进入环形燃烧室主体；其中，氨燃料、辅助燃料和高压空气在环形燃烧室主体的头部预混，经点火器点燃形成局部热点，局部热点诱导旋转爆震波的产生，旋转爆震波沿着环形燃烧室主体的圆周方向传播并向下游传递，波后产生高温高压工质沿圆周方向膨胀排出产生推力，随着喷油环源源不断供应燃料，燃料与高压空气不断混合形成新的预混区，由此旋转爆震波能够在环形燃烧室主体不断产生并传递。
8.所述旋转爆震燃烧室还包括火焰混合器，所述火焰混合器设于环形燃烧室主体的后部，与环形燃烧室主体一体化设计；所述火焰混合器包括依次设置的梯形火焰稳定器、环形混合器和收缩扩张段，所述二次风进口设于环形混合器处；其中，梯形火焰稳定器对环形燃烧室主体出口处的火焰进行稳定作用，减少旋转爆震波的震荡频率，并通过形成回流区产生稳定的流场，环形混合器用于提供高压空气与未燃的氨气及辅助燃料混合燃烧，收缩扩张段用于膨胀加速高温燃气，为涡轮转子提供更大的推力，以便于提高发电机功率。
9.所述喷油环包括进油管、喷油针和环形集气腔，所述进油管与高压共轨管道连接，氨气由进油管射入环形集气腔，再沿环形集气腔圆周等间距排列的横向喷油针喷入旋转爆震燃烧室头部。
10.所述高压共轨管道包括内管、外管、电子控制单元(ecu)、电磁阀、压力限制器、轨压传感器、氨气高压泵；所述内管用于氨燃料的运输，所述外管用于防止氨燃料泄露；所述轨压传感器、电磁阀、压力限制器和氨气高压泵均连接电子控制单元；其中，氨燃料经氨气高压泵加压后进入高压共轨管道中，电子控制单元通过轨压传感器对高压共轨管道的轨压进行监测，压力限制器防止轨压过高保护管道系统，当满足标准后，电子控制单元控制电磁阀打开，高压共轨管道中的氨燃料进入旋转爆震燃烧室。
11.所述所述高压共轨管道还包括氨气泄漏指示器，所述氨气泄漏指示器连接电子控制单元，用于对管道实时监控防止管道泄漏。
12.所述高压共轨管道还包括流量阻尼器，高压共轨管道中的氨燃料通过流量阻尼器进入旋转爆震燃烧室。
13.本发明还包括过滤器，所述过滤器设于储氨罐和氨气高压泵之间；其中，储氨罐中的液氨经过滤器过滤后，由氨气高压泵加压送入高压共轨管道。
14.所述辅助燃料包括氢气、甲烷、柴油等。
15.本发明将清洁能源氨气作为旋转爆震燃气轮机的燃料，利用旋转爆震燃烧的高温高压特性，有效解决氨气燃烧速度慢，热效率低等问题，利用氨气的高稳定性来为燃气轮机提供较高压缩比，进而提高爆震燃气轮机的燃烧效率，并且与传统燃料的爆震燃气轮机相比，能够显著提高空气中氧气的消耗率，减少温室气体的排放。
16.相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
17.1、由于氨气属于清洁能源，其完全燃烧产物只有水和氮气，不会产生温室气体，与传统的煤炭及碳氢燃料相比，氨气在燃气轮机中的应用会大大减少环境污染。
18.2、相对于常见的传统等压燃烧，高温高压的爆震燃烧具有更快的放热速率、更高的热循环效率和自增压等优点，对于解决氨气燃烧速度慢，热效率低等问题非常有效。
19.3、氨气与传统燃料相比具有更高的辛烷值，特殊设计的压缩比能够达到40:1到
100:1，是传统燃料燃气轮机的四倍左右，可以通过增大压缩比来提高燃气轮机的效率。
20.4、通过引入二级燃烧来对燃烧室中未燃的残余氨气及辅助活性气体进一步利用，提高了燃料利用率和燃烧效率，同时由二次风流道进入的常温空气，既能够改善燃烧室的热负荷，也能够减少反应污染物氮氧化物的排放。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为高压共轨管道的结构示意图；
23.图3为旋转爆震燃烧室的结构示意图。
24.附图标记：氨气高压泵1，轨压传感器2，电子控制单元3，电磁阀4，流量阻尼器5，压力限制器6，氨气泄漏指示器7，一次风进口8，喷油环9，辅助燃料喷嘴10，点火器11，二次风进口12，火焰混合器13，涡轮转子14，传动轴15，变速器16，发电机组17。
具体实施方式
25.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
26.如图1～3所示，本实施例包括如图1～3所示，本实施例一种以氨为燃料的高压旋转爆震燃气轮机，包括空气系统、氨燃料系统、辅助燃料罐、旋转爆震燃烧室、涡轮转子14、传动轴15、变速器16、发电机组17；
27.所述空气系统包括依次连接的进气道、空气压缩机、储气罐和分气歧管；所述分气歧管设有两个出气端口，所述旋转爆震燃烧室的头部设有一次风进口8，旋转爆震燃烧室的后部设有二次风进口12，所述分气歧管的两个出气端口分别连接一次风进口8和二次风进口12；所述氨燃料系统包括依次连接的储氨罐和高压共轨管道，所述辅助燃料罐和高压共轨管道分别连接旋转爆震燃烧室的头部，所述旋转爆震燃烧室的尾部连接涡轮转子14，所述涡轮转子 14通过传动轴15连接变速器16，所述变速器16连接发电机组17。
28.所述旋转爆震燃烧室包括外筒体、内筒体、喷油环9和点火器11；所述内筒体设于外筒体内，二者之间形成环形燃烧室主体；所述喷油环9设于内筒体的头部，其中，高压共轨管道中的氨燃料经喷油环9进入环形燃烧室主体；所述点火器11设于外筒体的头部；所述外筒体的头部还设有辅助燃料喷嘴10和所述一次风进口8，辅助燃料经辅助燃料喷嘴10进入环形燃烧室主体。
29.所述旋转爆震燃烧室还包括火焰混合器13，所述火焰混合器13设于环形燃烧室主体的后部，与环形燃烧室主体一体化设计；所述火焰混合器13包括依次设置的梯形火焰稳定器、环形混合器和收缩扩张段，所述二次风进口12设于环形混合器处；其中，梯形火焰稳定器对环形燃烧室主体出口处的火焰进行稳定作用，减少旋转爆震波的震荡频率，并通过形成回流区产生稳定的流场，环形混合器用于提供高压空气与未燃的氨气及辅助燃料混合燃烧，收缩扩张段用于膨胀加速高温燃气，为涡轮转子14提供更大的推力，以便于提高发电机功率。
30.所述喷油环9包括进油管、喷油针和环形集气腔，所述进油管与高压共轨管道连接，氨气由进油管射入环形集气腔，再沿环形集气腔圆周等间距排列的横向喷油针喷入旋
转爆震燃烧室头部，喷油环9在工作时间内源源不断向旋转爆震燃烧室内喷射氨气。具体地，氨燃料通过喷油环9中的环形集气腔气化后射入旋转爆震燃烧室与辅助燃料以及一次风进口8流入的高压空气充分预混。
31.所述的高压共轨管道是一种闭环供油管道系统，能够将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过电子控制单元3能够监测共轨油管内油压并精确控制喷油量。具体地，所述高压共轨管道包括内管、外管、电子控制单元3、电磁阀4、压力限制器6、轨压传感器2、氨气高压泵1、氨气泄漏指示器7、流量阻尼器5；所述内管用于氨燃料的运输，所述外管用于防止氨燃料泄露；所述轨压传感器2、电磁阀4、压力限制器6、氨气泄漏指示器7和氨气高压泵1均连接电子控制单元3。
32.本实施例还包括过滤器，所述过滤器设于储氨罐和氨气高压泵1之间；其中，储氨罐中的液氨经过滤器过滤后，由氨气高压泵1加压送入高压共轨管道。
33.本发明所述的辅助燃料主要是一些高活性的燃料，例如氢气、甲烷、柴油等，在与氨气混合后能够显著增加氨气的层流火焰速度，减小点火延迟时间，使氨气能够在高压条件下产生旋转爆震波。
34.本发明的工作原理和方法如下：
35.1、旋转爆震高压燃气轮机工作时，加压空气由旋转爆震燃烧室头部进入，氨燃料经氨气高压泵1加压后进入高压共轨管道中，然后电子控制单元3通过轨压传感器2对高压共轨管道的轨压进行监测，其中压力限制器6能防止轨压过高保护管道系统，满足标准后，电子控制单元3控制电磁阀4打开，高压共轨管道中氨燃料通过流量阻尼器5进入喷油环9，并且氨气泄漏指示器7对管道实时监控防止管道泄漏；
36.2、通过喷油环9进入旋转爆震燃烧室的氨气以及通过辅助燃料喷嘴10进入旋转爆震燃烧室的辅助燃料与一次风进口8进入的高压空气在环形燃烧室主体的头部充分预混形成预混区，随后点火器11在预混区头部点火，诱导旋转爆震燃烧室内产生局部热点，并诱导旋转爆震波的产生，旋转爆震波沿着环形燃烧室主体的圆周方向传播并向下游传递，波后产生高温高压工质沿圆周方向膨胀排出产生推力，随着喷油环9源源不断供应燃料，燃料与高压空气不断混合形成新的预混区，由此旋转爆震波能够在环形燃烧室主体不断产生并传递；
37.3、环形燃烧室主体出口处的旋转爆震波首先经过火焰混合器13头部的梯形火焰稳定器，高温燃气在梯形火焰稳定器后获得较为均匀稳定的流场，稳定后的高温燃气进入环形混合器，环形混合器与二次风进口12相连，二次风进口12射入的高压常温空气与未燃的高温高压氨气以及辅助燃料掺混后再次燃烧，燃烧后的高温燃气沿着环形混合器的壁面形成一个回流区，得到比较稳定、均匀的温度场和速度场，火焰沿着环形混合器壁面向上传播进入收缩扩张段，高温燃气经过收缩扩张段进一步膨胀加速，为其后的涡轮转子14提供更高的推力，高速旋转的涡轮转子14通过传动轴15带动变速器16运转，从而带动发电机组17运转发电。
38.本发明可以有效利用清洁能源氨气作为高压旋转爆震燃气轮机的主要燃料，进而减少传统能源所造成的温室气体污染，旋转爆震造成的高温高压燃烧环境对氨气的燃烧特性有一定的改善作用，并且由于氨气的高稳定性，能够提供更高的压缩比来提高燃气轮机的燃烧效率。此外，通过引入二级燃烧相比于一级燃烧来说能够有效提高燃料利用率，降低
旋转爆震燃烧室的热负荷，并且对于反应污染物氮氧化物的产生也有一定的抑制作用。