燃气轮机的制作方法

1.本发明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：

2.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。
3.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，进而导致燃料燃烧不稳定，降低燃烧效率，严重时甚至会发生安全问题。现有技术中通常采用加强对喷嘴的防护的方式以保护喷嘴，比如公开号为cn 106556030 a的中国发明专利，通过在喷嘴处设置热防护结构的方式保护喷嘴。但这样的方式并不能从根本上解决火焰回烤喷嘴的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明提供了一种可防止火焰回烤喷嘴的燃气轮机。本发明通过增压器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。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种燃气轮机，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；还包括增压器，增压器包括轴，以及同轴连接的增压器压气机和增压器涡轮，增压器压气机和增压器涡轮可同步转动；压气机的出气端和/或涡轮的排气端与增压器涡轮的进气端连通，增压器压气机的出气端与喷嘴连通，增压器压气机提供高压气体，以为通过喷嘴喷出的燃料增压增速。
7.进一步地，所述压气机的出气端还与增压器压气机的进气端连通。
8.优选地，所述压气机的出气端分别与燃烧室的进气端、增压器压气机的进气端连通，涡轮的排气端与增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于压气机的排气，增压器涡轮的动力来自于涡轮的排气。
9.优选地，所述压气机的出气端分别与燃烧室的进气端、增压器压气机的进气端、增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于压气机的排气，增压器涡轮的动
力也来自于压气机的排气。
10.优选地，所述压气机的出气端分别与燃烧室的进气端、增压器压气机的进气端、增压器涡轮的进气端连通，涡轮的排气端与增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于压气机的排气，增压器涡轮的动力来自于压气机的排气和涡轮的排气。
11.优选地，所述压气机的出气端只与燃烧室的进气端连通，涡轮的排气端与增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于外部环境，增压器涡轮的动力来自于涡轮的排气。
12.优选地，所述压气机的出气端分别与燃烧室的进气端、增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于外部环境，增压器涡轮的动力来自于压气机的排气。
13.优选地，所述压气机的出气端分别与燃烧室的进气端、增压器涡轮的进气端连通，涡轮的排气端与增压器涡轮的进气端连通。此时，增压器压气机的进气来自于外部环境，增压器涡轮的动力来自于压气机的排气和涡轮的排气。
14.进一步地，还包括自由涡轮，自由涡轮与涡轮和/或增压器涡轮对置，涡轮和/或增压器涡轮的排气可带动自由涡轮转动做功，例如自由涡轮轴连接于发电机，以进一步带动发电机发电。
15.进一步地，所述增压器还包括电机，电机可以为增压器压气机提供助力。
16.进一步地，所述增压器压气机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。
17.进一步地，所述增压器压气机通入喷嘴的高压气体的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。
18.进一步地，通过喷嘴喷出的燃料经增压增速后，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。
19.进一步地，所述喷嘴前端具有缩口，以利于燃料进一步增速。
20.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。
21.进一步地，所述增压器压气机的出气端与气体轴承连通并为气体轴承供气。
22.进一步地，所述气体轴承为静压轴承或动压轴承或动静压混合轴承；当气体轴承为静压轴承或动静压混合轴承时，还设有与气体轴承连通的外部气源，以为气体轴承供气。
23.本发明的燃气轮机，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。增压器压气机为喷嘴供气，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。
24.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，增压器无需向喷嘴供气。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，则控制增压器向喷嘴供气，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。
25.本发明的燃气轮机，通过增压器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，使燃料燃烧的稳定性和燃烧效率不受影响，使燃气轮机的运行稳定。增压器的动力来源于压气机或涡轮，可充分利用压气机的排气或涡轮的排气，无需外置动力源，成本低，能耗低。
26.本发明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，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
27.图1：实施例1的燃气轮机的结构示意图。
28.图2：喷嘴的结构示意图。
29.图3：具有缩口的喷嘴的结构示意图。
30.图4：实施例2的燃气轮机的结构示意图。
31.图5：实施例3的燃气轮机的结构示意图。
32.图6：实施例4的燃气轮机的结构示意图。
33.图7：实施例5的燃气轮机的结构示意图。
34.图8：实施例6的燃气轮机的结构示意图。
35.图9：实施例7的燃气轮机的结构示意图。
36.图10：实施例8的燃气轮机的结构示意图。
37.其中，10、转轴；20、压气机；30、涡轮；40、燃烧室；50、外部气源；60、气体轴承；70、喷嘴；80、燃料存储罐；90、增压器；910、轴；920、增压器压气机；930、增压器涡轮；it、压气机的进气端；et、涡轮的排气端；fu、燃料；ha、高压气体。箭头所示方向为气体或燃料的流动方向。
具体实施方式
38.下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
39.实施例1
40.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；压气机20的出气端与增压器压气机920的进气端连通，增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气
端连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
41.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，一部分通入燃烧室40与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合，另一部分通入增压器压气机920，经增压器压气机920进一步压缩后，通入喷嘴70为燃料增压增速；燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。高温高压气体在涡轮中做功后，通过涡轮30的排气端et排出，其中一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于压气机20的部分排气进行增压。
42.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，增压器无需向喷嘴供气。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，则控制增压器向喷嘴供气，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。
43.所述增压器还包括电机，电机可以为增压器压气机提供助力。
44.所述增压器压气机920提供的高压气体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。
45.所述增压器压气机920通入喷嘴70的高压气体ha的压力，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。
46.所述通过喷嘴喷出的燃料经增压增速后，喷出速度大于等于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。
47.所述喷嘴70的结构如图2所示。
48.喷嘴70的前端可以具有缩口，如图3所示，有利于燃料进一步增速。
49.实施例2
50.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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4所示；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；压气机20的出气端还分别与增压器压气机920的进气端、增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
51.与同实施例1的不同之处在于：压气机20的出气端分别与燃烧室40的进气端、增压器压气机920的进气端、增压器涡轮930的进气端连通，涡轮30的排气端不与增压器涡轮930的进气端连通。
52.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，分为三部分：第一部分通入燃烧室40与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合，第二部分通入增压器压气机920，经增压器压气机920进一步压缩后，通入喷嘴70为燃料增压增速；第三部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于压气机20的部分排气进行增压。燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。
53.实施例3
54.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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5所示；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；压气机20的出气端还分别与增压器压气机920的进气端、增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
55.与实施例1的不同之处在于：压气机20的出气端还与增压器涡轮930的进气端连通，即：增压器涡轮930的动力，既可以来自于压气机20的排气，也可以来自于涡轮30的排气，也可以是二者的结合。
56.与实施例2的不同之处在于：涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气端连通。
57.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，分为三部分：第一部分通入燃烧室40与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合，第二部分通入增压器压气机920，经增压器压气机920进一步压缩后，通入喷嘴70为燃料增压增速；第三部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于压气机20的部分排气进行增压。燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。高温高压气体在涡轮中做功后，通过涡轮30的排气端et排出，其中一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于压气机20的部分排气进行增压。
58.实施例4
59.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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6所示；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
60.与实施例1的不同之处在于：增压器压气机的进气来自于外部环境(即压气机20的出气端不与增压器压气机920的进气端连通)。
61.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与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合。增压器压气机920从外部环境吸入空气并进行压缩，压缩后通入喷嘴70为燃料增压增速。燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。高温高压气体在涡轮中做功后，通过涡轮30的排气端et排出，其中一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于外部环境得到空气进行压缩。
62.实施例5
63.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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7所示；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；压气机20的出气端还与增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
64.与实施例2的不同之处在于：增压器压气机的进气来自于外部环境(即压气机20的出气端不与增压器压气机920的进气端连通)。
65.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，压缩后分为两部分：其中一部分通入燃烧室40与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合，另一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于外部环境得到空气进行压缩。增压器压气机920从外部环境吸入空气并进行压缩，压缩后通入喷嘴70为燃料增压增速。燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。
66.实施例6
67.一种燃气轮机，包括转轴10、压气机20、燃烧室40和涡轮30，压气机20和涡轮30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8所示；还包括增压器90，增压器90包括轴910，以及同轴连接的增压器压气机920和增压器涡轮930，增压器压气机920和增压器涡轮930可同步转动；压气机20的出气端还与增压器涡轮930的进气端连通，涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气端连通，增压器压气机920的出气端与喷嘴70连通，增压器压气机920提供高压气体ha，以为通过喷嘴70喷出的燃料fu增压增速。
68.与实施例3的不同之处在于：增压器压气机的进气来自于外部环境(即压气机20的出气端不与增压器压气机920的进气端连通)。
69.与实施例5的不同之处在于：涡轮30的排气端与增压器涡轮930的进气端连通。即：
增压器涡轮930的动力，既可以来自于压气机20的排气，也可以来自于涡轮30的排气，也可以是二者的结合。
70.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，压缩后分为两部分：其中一部分通入燃烧室40与通过喷嘴70喷出的燃料fu混合，另一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于外部环境得到空气进行压缩。增压器压气机920从外部环境吸入空气并进行压缩，压缩后通入喷嘴70为燃料增压增速。燃料存储罐80内的燃料fu经增压增速后由喷嘴70喷入燃烧室40内，燃烧生成高温高压的气体；高温高压气体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。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。高温高压气体在涡轮中做功后，通过涡轮30的排气端et排出，其中一部分通入到增压器涡轮930的进气端，推动增压器涡轮930转动，进而带动增压器压气机920转动，从而对来自于外部环境得到空气进行压缩。
71.实施例7
72.一种燃气轮机，结构同实施例1(如图9所示)，不同之处在于：所述转轴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。气体轴承60的位置，可以是转轴10上远离涡轮30的一端，也可以位于压气机20和涡轮30之间，或者同时设置。
73.所述增压器压气机920的出气端可与气体轴承60连通并为气体轴承60供气。
74.所述气体轴承60可以是静压轴承或动静压混合轴承，气体轴承60可与外部气源50连通。
75.所述外部气源50可以为气泵。
76.实施例8
77.一种燃气轮机，结构同实施例2(如图10所示)，不同之处在于：所述转轴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。气体轴承60的位置，可以是转轴10上远离涡轮30的一端，也可以位于压气机20和涡轮30之间，或者同时设置。
78.所述增压器压气机920的出气端可与气体轴承60连通并为气体轴承60供气。
79.所述气体轴承60可以是静压轴承或动静压混合轴承，气体轴承60可与外部气源50连通。
80.所述外部气源50可以为气泵。
81.实施例9
82.一种燃气轮机，结构同实施例1，不同之处在于：还包括自由涡轮，自由涡轮与涡轮和/或增压器涡轮对置，涡轮和/或增压器涡轮的排气可带动自由涡轮转动做功，例如自由涡轮轴连接于发电机，以进一步带动发电机发电。
83.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。