圧力増大燃焼で作動する高効率ガスタービンの実証研究

高效燃气轮机增压燃烧运行示范研究

基本信息

批准号：
21K04481
负责人：
櫻井毅司
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04481/
关键词：
圧力増大燃焼ガスタービンパルス燃焼熱効率サイクル解析

项目摘要

パルス燃焼と定圧燃焼の2本の燃焼室を組み合わせて使用する本研究の燃焼器では，各燃焼室の燃焼ガスが合流する燃焼器出口において圧力増大を評価することが課題であった．そのため，本年度は燃焼器出口における燃焼ガスの圧力や流速，温度を計測できる観測部を新たに製作した．流速計測には水蒸気の赤外波長吸収特性を応用した半導体レーザ吸収法（TDLAS）の適用を試み，計測光学系を構築した．パルス燃焼が圧縮機やタービンの作動に与える影響を調査した．40サイクル毎秒でパルス燃焼するときのタービン回転数と燃焼サイクル速度を比較したところ，燃焼1サイクルの間にタービン翼は60回転していることがわかった．これはパルス燃焼で生じた高温高圧の燃焼ガスがタービンを駆動しているのはわずかであり，熱効率向上への寄与が非常に小さいことを意味する．パルス燃焼時の圧縮機の作動状態を調べたところ，圧縮機の圧力や流量はパルス燃焼時の圧力上昇によりせき止めのような作用を受けていることがわかった．圧力や流量の変動は燃焼サイクルと同じ周期で非常に大きく変動しており，圧縮機断熱効率が悪化していることが示唆された．圧縮機やタービンの断熱効率が圧力増大燃焼を応用したガスタービンにどのような影響を持つか調べるためにサイクル解析を行った．圧力増大燃焼では燃焼圧力に加えて燃焼温度も同一の当量比で定圧燃焼した値より高くなる．これが熱効率の向上に寄与していることを明確にした．一方，圧縮機やタービンの断熱効率を考慮し，タービン入口温度の制限を加えると，圧力増大燃焼による熱効率向上の効果は小さくなり，また低い圧力比の場合に限定されることが明らかとなった．

在本研究中使用的燃烧器中，使用两个燃烧室的组合进行脉冲燃烧和恒压燃烧，面临的挑战是评估来自每个燃烧室的燃烧气体合并的燃烧器出口处的压力增加。因此，今年我们新建了一个观测段，可以测量燃烧器出口处燃烧气体的压力、流速和温度。为了测量流速，我们尝试应用二极管激光吸收法（TDLAS），该方法利用了水蒸气的红外波长吸收特性，并构建了测量光学系统。我们研究了脉冲燃烧对压缩机和涡轮机运行的影响。比较每秒40个循环的脉冲燃烧时的涡轮转速和燃烧循环速度，发现涡轮叶片在一个燃烧循环中旋转60次。这意味着脉冲燃烧产生的高温高压燃烧气体只有少量驱动涡轮，其对提高热效率的贡献极小。当我们研究脉冲燃烧期间压缩机的运行状况时，我们发现，由于脉冲燃烧期间压力增加，压缩机压力和流量受到堤坝效应的影响。与燃烧循环相同的时期，压力和流量的波动非常大，表明压缩机的绝热效率正在恶化。进行循环分析是为了研究压缩机和涡轮机的绝热效率如何影响采用增压燃烧的燃气轮机。增压燃烧时，除了燃烧压力外，在相同当量比下，燃烧温度也比定压燃烧高。据了解，这有助于提高热效率。另一方面，当考虑压气机和涡轮的绝热效率，并且限制涡轮入口温度时，通过增压燃烧提高热效率的效果就变小，显然仅限于较低的温度。压力比．．