一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机制造技术

本发明专利技术属于燃气轮机领域，公开了一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机。该等容燃烧室包括：壳体、轮盘、叶片、导向槽以及至少一个等容燃烧单元；轮盘和多个叶片设于壳体内部；轮盘具有导向槽，叶片沿轮盘的径向可伸缩地设于对应的导向槽内；相邻叶片与壳体的内壁以及轮盘的外周面密封配合形成燃烧腔；等容燃烧单元包括沿壳体周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口，排气空间设有排气口；壳体的周向内壁面位于进气空间内的部分沿轮盘的旋转方向渐扩过渡，位于排气空间内的部分沿轮盘的旋转方向渐缩过渡，位于等容燃烧空间的部分则与轮盘的外周面组成同心圆。本发明专利技术比等压燃烧效率更高、更轻便，应用范围更广。范围更广。范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机


[0001]本专利技术属于燃气轮机领域，更具体地，涉及一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机。

技术介绍

[0002]从燃气轮机问世至现在，循环加热方式都是采用等压燃烧方式。这种燃烧方式实现其燃烧的机构较为简单，圆筒式、环管式，容易实现。且流动是连续的，适应大流量、大功率发动机。但其循环热效率较低。简单循环热效率只能达到20～40％，在航空使用、热效率较高一些，在陆地与海洋上使用效率低一些，与蒸汽热力动力机构联合循环的热效率高一些，可达到52～60％；但与燃烧温度有关，如初温1200℃时热效率单机34％，联合循环可达53％；1400℃时单机为38％，联合循环57％；1550℃时，单机为40％，联合循环60％。所谓联合循环是燃气轮机与蒸汽轮机组合的联合循环，即是燃气轮机排出的高温气体引导到锅炉中把水加热成蒸汽，使蒸汽驱动蒸汽轮机做功。这样一个动力装置结构复杂、体积大、质量重，完全失去了燃气轮机的体积小，重量轻的优势，除了发电装置和大型船舶装置能采用外，其他方面无用武之地。
[0003]但是为了提高单机热效率并保持其体积小、重量轻、单机功率大的特点，按热力学原理，将等压燃烧加热改为等容燃烧加热循环，可提高其热效率。一般情况可以把单机热效率提高到55％～60％，可与联合循环相媲美。但其结构、体积、重量远小于联合循环装置。由于等容燃烧加热，比等压加热更能提高燃气的温度压力，这样可减少压气机的压比，减少压气机的级数，从而可以使得在同等功率下，单机结构比等压燃烧时的更紧凑，体积更小，重量更轻，更有利于应用。
[0004]等容燃烧的热效率的论证与计算
[0005]【一】、论证
[0006]等容燃烧、定压燃烧和混合燃烧的热效率的比较在热力学中已证明得很清楚。在压缩比相同、吸热量相同的情况下，等容加热的热效率高于其它两种。如图1的T-S图所示，因压缩比相同，压缩线1-2重合，工质的吸热量相同，即T-S图上等容加热的面积234562等于混合加热的面积22'3'4'5'62等于定压加热面积23”4”5”62。但是在相同的放热条件下各自的放热量不一样。等容加热循环的放热量面积14561小于混合加热循环放热面积14'5'61更小于定压放热面积14”5”61。吸热量相同，放热量少的热效率高。所以等容加热循环的热效率最高。
[0007]【二】、等容燃烧的热力计算(以某一场景下的具体取值为例)
[0008]设定流量：m＝0.25公斤/秒
[0009]体积压缩比：ε＝8
[0010]大气条件(标准气压及室温)：P1＝0.1Mpa T1＝298K
[0011]标准大气压下空气比容：v1＝0.8299＝0.83米3/公斤
[0012]压缩后的空气比容：
[0013]按等熵过程，则有：
[0014]压缩后的增压比：π1＝P2/P1＝(v1/v2)
k
＝(8/1)
1.4
＝18.379
[0015]压缩后的压力：P2＝P1×
(v1/v2)
k
＝0.1
×
18.379＝1.8379Mpa
[0016]压缩后的温度：T2＝T1×
(v1/v2)
k-1
＝298
×81.4-1
＝684.6242K
[0017]设计的标准体积流量：V1＝v1×
m＝0.83
×
0.25＝0.21米3/秒
[0018]压缩后的体积流量：V2＝V1/8＝0.21/8＝0.026米3/秒
[0019]等容燃烧温度：T3＝T2+ξHu/[αL0(1+γ)C
V
][0020]几种燃料的发热量：
[0021]汽油：Hu＝44MJ/Kg
[0022]柴油：Hu＝42.5MJ/Kg
[0023]一公斤燃油燃烧所需的空气量：
[0024]汽油：L0＝14.80Kg空气/Kg汽油
[0025]柴油：L0＝14.36Kg空气/Kg柴油
[0026]空气的等容比热：
[0027]1300℃ Cv＝0.829KJ/Kg.K
[0028]2000℃ Cv＝0.8985KJ/Kg.K
[0029]T3＝685+(44000
×
0.85)/[2.2
×
14.80
×
(1+0.02)
×
0.8985][0030]＝1938.35K
[0031]上述公式中，k表示绝热指数，ξ表示热利用系数，α表示过量空气系数，γ表示剩余废气系数；
[0032]等容加热后的压力相关计算：
[0033]等容加热后的压力：
[0034]P3＝[T3/T2]×
P2＝(1938.35/684.6242)
×
1.8379＝5.2036MPa
[0035]等容加热后的压力升高比：P3/P2＝T3/T2＝1938.35/684.6242＝2.83126
[0036]涡轮的等熵膨胀功：
[0037]L
T
＝k/(k-1)
×
RT3×
[1-(1/π
2(k-1)/k
)
[0038]＝1.4/(1.4-1)
×
0.287
×
1938.35
×
[1-1/(5.2036/0.1)
0.4/1.4
][0039]＝1317.584KJ/Kg
[0040]π2＝P3/P1[0041]其中，R表示气体常数，k表示绝热指数；
[0042]压气机的等熵压缩功：
[0043]L
c
＝[k/(k-1)]×
RT1×
[π
1(K-1)/K-1][0044]＝[1.4/(1.4-1)]×
0.287
×
298
×
[(1.8379/0.1)
0.4/1.4-1][0045]＝386.9282KJ/Kg
[0046]涡轮对外的驱动功：
[0047]L
tv
＝L
T-L
c
＝1317.584-386.9282＝930.6558KJ/Kg
[0048]压缩功与膨胀功之比：
[0049]β＝L
c
/L
T
＝386.9282/1317.584＝0.2937＝0.2937
[0050]这就说明涡轮的膨胀功只用29.37％来驱动压气机压缩空气；而其余的70.63％作
为有用功输出。
[0051]在此情况下不计其他损失，则等容燃烧效率可达：
[0052]η
t
＝930.6558/1317.584＝0.7063
[0053]如果按定压加热，则有：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等容燃烧室，其特征在于，包括：壳体(1)、轮盘(6)、叶片(8)、导向槽(9)以及至少一个等容燃烧单元；轮盘(6)和多个叶片(8)设于壳体(1)内部；轮盘(6)沿周向等距排列多个导向槽(9)，每个叶片(8)均沿轮盘(6)的径向可伸缩地设于一个对应的导向槽(9)内；任意相邻的两个叶片(8)均与壳体(1)的内壁以及轮盘(6)的外周面密封配合形成一个燃烧腔(3)；壳体(1)的内壁包括周向内壁面和两个内侧壁面；所述等容燃烧单元由壳体(1)的内壁与轮盘(6)的外周面围成，包括沿壳体(1)周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口(2)，排气空间设有排气口(4)；壳体(1)的周向内壁面位于进气空间内的部分沿轮盘(6)的旋转方向渐扩过渡，位于排气空间内的部分沿轮盘(6)的旋转方向渐缩过渡，位于等容燃烧空间的部分则与轮盘(6)的外周面组成同心圆；工作过程中，随着轮盘(6)的旋转：当燃烧腔(3)经过进气空间时由预设的喷油器喷油并通过进气口(2)进气形成可燃混合气，此过程中，由于壳体(1)的周向内壁面有一段渐扩过渡，与该渐扩过渡段配合的叶片(8)处于收缩状态；随着轮盘(6)的继续旋转，受压缩的叶片(8)逐渐沿渐扩过渡段伸长，壳体(1)的周向内壁面与轮盘(6)的外周面组成同心圆，当燃烧腔(3)经过等容燃烧空间的预定位置时由预设于等容燃烧空间内的点火器点火进行等容燃烧；当燃烧腔(3)经过排气空间时通过排气口(4)排气，此过程中，由于壳体(1)的周向内壁面有一段渐缩过渡，与该渐缩过渡段配合的叶片(8)处于收缩状态，燃烧腔(3)容积逐渐缩小直至内部气体排空。2.如权利要求1所述的一种等容燃烧室，其特征在于，导向槽(9)内设置有压缩弹簧(7)，叶片(8)底部与压缩弹簧(7)连接实现伸缩。3.如权利要求1或2所述的一种等容燃烧室，其特征在于，导向槽(9)内设置有导向块(10)，与叶片(8)配合以对叶片(8)的伸缩进行导向。4.一种等容燃烧室，其特征在于，包括：壳体(1)、星轮、导...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伯棠，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：