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剖析|G/H级燃气轮机燃烧室技术研发

2016-07-13 16:40:16 来源:网络

GE公司DLN2系列燃烧室的燃烧组织原理为预混喷嘴自稳火,每个喷嘴均形成局部的低速区域将预混火焰稳定在中心体端壁处。采用Gatecycle软件计算得到9HA燃气轮机的燃烧室总当量比为0.533;由于DLN2.6+燃烧室只有帽罩、密封处消耗冷却气,按典型气量分配,上述两处的冷却气量不超过燃烧室总进气量的4%,所以燃烧区平均温度将超过1920K,该温度已超过热力型NOx开始大量生成的临界温度1850K。基于热力型机理,NOx的生成量与燃烧当量比呈指数关系,因此对于G/H级燃气轮机,优化喷嘴的燃料混合均匀性尤为重要。由于进口压力、燃烧温度明显增加带来的预混火焰传播速度增加,G/H级燃气轮机的自稳火喷嘴更易发生回火。根据边界层回火机理,除了保证气流平均速度大于火焰传播速度(典型气流平均速度大于40m/s),还应保证气流速度梯度大于回火临界速度梯度。气流速度梯度受喷嘴流道结构影响较大,DLN2.5H、DLN2.6+喷嘴采用翼型旋流叶片以及将旋流叶片与外壁面做成一体,改善了气流速度分布、当量比分布,并避免了局部低速区域的形成。估算的9HA燃气轮机的燃烧室的燃烧温度较9F.05高约150K,进口空气温度增加约60K,二者较F级均增加了8.5%左右。根据火焰筒壁对流传热基本原理,热侧壁温主要受壁面导热系数,热侧、冷侧对流换热系数,燃气温度、进口空气温度的影响。假设壁面导热系数,热侧、冷侧对流换热系数恒定,燃烧温度及进口温度增加8.5%,则热侧壁温也近似增加8.5%,若F级燃烧室的最高壁温达到了1000K,则H级最高壁温可达1085K。因此,DLN2.5H、DLN2.6+燃烧室采用肋片、冲击的方式提高换热系数,并在火焰筒、过渡段内表面涂有能够将壁温降低50~100K的先进TBC涂层。

综上所述,GE公司H级燃气轮机的燃烧室设计大部分继承于其F级的DLN燃烧室技术。H级燃烧室主要是F级天然气燃烧室的喷嘴气动性能及稳定燃烧措施不断优化的结果。气动性能包括燃料/空气混合均匀性、预混通道内的回火裕度,稳定燃烧措施包括喷嘴的扩散燃料路、热声振荡调节措施及燃料分级策略;此外,H级燃烧室的冷却方式在F级基础上进一步提高了冷却效率和采用先进的TBC涂层。

2 Siemens公司G/H级燃烧室的研发

Siemens公司的H级型号有SGT5-8000H、SGT6-8000H共2种,其中,SGT6-8000H为60Hz的型号,SGT5-8000H为50Hz的型号,由于Siemens公司在90年代后期并购了Westinghouse公司的发电设备部,Westinghouse公司的G级燃气轮机W-501G成为其旗下的SGT6-6000G燃气轮机型号,F级的W-501F成为SGT6-5000F燃气轮机型号。

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