CN102536467A - 燃气涡轮发动机和其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机和其操作方法。用于操作燃气涡轮发动机的方法包括：在压缩机中压缩空气流，以及通过在燃烧器中燃烧离开压缩机的压缩空气流而产生后燃烧气体。后燃烧气体在第一涡轮中膨胀。离开第一涡轮的膨胀的燃烧气体被分流成第一流和第二流。膨胀的燃烧气体的第一流在再热燃烧器中燃烧。利用膨胀的燃烧气体的第二流来冷却再热燃烧器。

Description

燃气涡轮发动机和其操作方法

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且尤其涉及燃气涡轮发动机中的再热燃烧器的冷却。

背景技术

常规的燃气涡轮发动机包括用于压缩空气(有时称为氧化剂，因为由于氧气的存在，空气具有氧化潜力)的压缩机，压缩空气在燃烧器中与燃料相混合，并且混合物被燃烧而产生称为后燃烧气体(postcombustion gas)的高压、高温气流。后燃烧气体在涡轮(高压涡轮)中膨胀，该涡轮将来自后燃烧气体的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。

通常，在燃烧器中的燃烧过程期间，空气中的氧气含量没有被完全消耗掉。结果，离开高压涡轮的热的后燃烧气体伴随着大约15％至大约18％质量的氧气，并且因此具有氧化更多燃料的潜力。因此，一些燃气涡轮发动机部署了再热燃烧器，其中后燃烧气体在与额外的燃料混合之后被再次燃烧。再次燃烧过的后燃烧气体在另一涡轮区段(低压涡轮)中膨胀而产生额外的功率。再热燃烧器和低压涡轮的部署因此利用了后燃烧气体的氧化潜力，从而提高了发动机的效率。

然而，再热燃烧器在操作期间对于冷却空气具有高的需求，通常通过从压缩机中提取空气流来提供该冷却空气。空气的提取降低了发动机效率，因为被提取的空气流不能用于高压涡轮中的膨胀。用于冷却再热燃烧器的压缩机空气的提取因此减少了部署再热燃烧器的好处。

因此，期望具有一种备选方法，以在不会不利地影响发动机效率的情况下冷却再热燃烧器。

发明内容

根据本发明的一个实施例，公开了一种用于操作燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：在压缩机中压缩空气流，以及通过在燃烧器中燃烧离开压缩机的压缩空气流而产生后燃烧气体。后燃烧气体在第一涡轮中膨胀。离开第一涡轮的膨胀的燃烧气体被分流成第一流和第二流。膨胀的燃烧气体的第一流在再热燃烧器中燃烧。利用膨胀的燃烧气体的第二流来冷却再热燃烧器。

根据本发明的另一实施例，公开了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机和用于通过燃烧离开压缩机的压缩空气而产生后燃烧气体的燃烧器。燃气涡轮发动机还包括用于使后燃烧气体膨胀的第一涡轮。燃气涡轮发动机还包括分流区域，该分流区域用于将离开第一涡轮的膨胀的燃烧气体分流成第一流和第二流。燃气涡轮发动机还包括再热燃烧器，以用于燃烧膨胀的燃烧气体的第一流。利用膨胀的燃烧气体的第二流来冷却再热燃烧器。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中，相似的标号在图中始终表示相似的部件，其中：

图1显示根据本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机。

图2显示根据本发明的一个实施例的在第一涡轮和第二涡轮之间具有气动联接的燃气涡轮发动机。

图3显示根据图1和图2的一个实施例的燃气涡轮发动机的分流区域和再热燃烧器。

图4显示根据图1和图2的一个实施例的具有处于完全打开位置的分流器(flow diverter)的分流区域。

图5显示根据图1和图2的一个实施例的具有处于部分打开位置的分流器的分流区域。

图6显示根据图1和图2的一个实施例的具有处于关闭位置的分流器的分流区域。

图7显示具有联接至由控制器控制的伺服马达的分流器的分流区域。

具体实施方式

如以下详细论述的那样，本发明的实施例提供了一种用于冷却燃气涡轮发动机的再热燃烧器的方法。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现，而不应当认为局限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得该公开将更加透彻和完整，并且将把本发明的范围完全传达给本领域技术人员。

图1显示根据本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机10。图1显示了压缩机12、燃烧器14、第一涡轮16、分流区域18、再热燃烧器20以及第二涡轮22。包括大气的空气流24被供给至压缩机12中，以便压缩至期望的温度和压力。在压缩之后，空气流24作为压缩空气流26而离开压缩机12，并在燃烧器14中与燃料流28相混合。混合物在燃烧器14中被点燃(燃烧)，产生高温、高压的后燃烧气体30的流。后燃烧气体30在第一涡轮16中膨胀而将伴随着后燃烧气体28的热能转换成机械能，并且作为膨胀的燃烧气体32而离开第一涡轮16。根据一个实施例，第一涡轮16经由轴34而联接至压缩机12，并且驱动压缩机12。在一个特定的实施例中，第一涡轮16是高压涡轮。

膨胀的燃烧气体32与一定量的未利用的受热氧气(按质量计为大约15％至大约18％)相关联。因此，代替将膨胀的燃烧气体32释放至大气中，燃气涡轮发动机10部署了再热燃烧器20和第二涡轮22以产生额外的功率。根据一个实施例，在进入再热燃烧器20之前，膨胀的燃烧气体32被引导穿过分流区域18，在该分流区域18，膨胀的燃烧气体32被分流成两个流(如后面的图中所示)。膨胀的燃烧气体32的第一流在再热燃烧器20中燃烧，而膨胀的燃烧气体32的第二流用于冷却再热燃烧器20。分流区域18和膨胀的燃烧气体32的分流的细节结合后面的图来进一步论述。在用于冷却之后，膨胀的燃烧气体32的第二流在再热燃烧器20中与燃烧过的第一流相混合，并且混合物作为流33而供给至第二涡轮22中。这里应当注意，膨胀的燃烧气体32的第二流在用于再热燃烧器20的冷却之后可能部分或全部参与再热燃烧器20内的燃烧过程。流33在第二涡轮22中膨胀而产生功率。在一个实施例中，第二涡轮22由轴36联接至第一涡轮16。

图1还显示了从压缩机12的不同级中抽出的分别用于第一涡轮16和第二涡轮22的冷却的压缩机空气流35和压缩机空气流37。常规地，在燃气涡轮发动机的操作期间，从压缩机的不同级中抽出空气，用于冷却各种构件，例如燃烧器、再热燃烧器以及高压涡轮和低压涡轮。用于冷却各种构件的压缩机空气的使用导致了常规的燃气涡轮发动机的效率损失，因为用于冷却的压缩机空气部分不能用于高压涡轮中的完全加速和膨胀。这里应当注意，这种常规的燃气涡轮发动机中的效率损失对于用于冷却再热燃烧器和低压涡轮的压缩机空气而言是最大的。本发明提出使用膨胀的燃烧气体32以冷却再热燃烧器20，从而减少为了冷却目的而提取的压缩机空气的量，并且提高了效率。

在本发明的一个实施例中，膨胀的燃烧气体的第二流与冷却剂39混合，并且混合物被用来冷却再热燃烧器20。冷却剂39可以由任何合适的装置引入再热燃烧器20中。例如，可以通过一系列沿周向间隔开的入口喷嘴而引入冷却剂39，这些入口喷嘴放置在膨胀的燃烧气体32的提取位置的下游，但是位于再热燃烧器衬套(liner)冷却剂注入孔(图1中未显示)的上游，使得膨胀的燃烧气体32和冷却剂39具有足够的体积和时间进行混合。在一个特定的实施例中，冷却剂39包括压缩机空气。应当注意，与仅仅通过压缩机空气冷却再热燃烧器的常规机制相比，使用作为冷却剂39的一些压缩机空气与一部分膨胀的燃烧气体32一起用于冷却仍然节省了可观的量的压缩机空气。在另一实施例中，冷却剂包括蒸汽。

在一些实施例中，膨胀的燃烧气体32的温度处于大约1500华氏度至大约1600华氏度的范围内。在一个特定的实施例中，膨胀的燃烧气体32用于冷却再热燃烧器20，使得再热燃烧器20的任何金属材料的温度均保持在例如1700华氏度以下或更低。取决于发动机设计和操作点，再热燃烧器气体29(图3所示)可以具有处于2200至3200华氏度的范围内的温度。冷却机制的数量和效力将决定作为结果的材料温度。

图2显示一个备选实施例，其中，第二涡轮22气动地联接至第一涡轮16上，但是位于独立轴31上。在该实施例中，第一涡轮16驱动压缩机12，并且第二涡轮22提供轴功率，例如以驱动发电机27。

图3显示了分流区域18和再热燃烧器20的放大图。在分流区域18中，利用分流器38和分流器40，膨胀的燃烧气体32被分流成第一流34和第二流36。应当注意，分流器38、40是用于分流膨胀的燃烧气体32的示例性的实施例。可部署各种其它装置，以用于分流膨胀的燃烧气体32。另外，在其它示例性的实施例中，分流器系统可以不局限于两个分流器。换句话说，可以有围绕再热燃烧器20的周边部署的一个或多个这种分流器，或者分流器系统。根据一个实施例，分流器38和分流器40定位于再热燃烧器20的上游。在一个特定的实施例中，分流器38和分流器40通过铰链接头而分别在位置42和位置44处联接至再热燃烧器20的本体。分流器38和分流器40能够在位置42和位置44处围绕铰链接头旋转，并且控制将膨胀的燃烧气体32的流分流成第一流34和第二流36，将在后面的图中论述。第一流34构成流向再热燃烧器20的主流，并且在再热燃烧器20的主室46中经历燃烧。

在一个实施例中，再热燃烧器20包括壳体41和外部衬套43。分流器38和分流器40配置成以这样的方式分流膨胀的燃烧气体32：膨胀的燃烧气体32的第二流36流过位于再热燃烧器20的壳体41和外部衬套43之间的通道48，以及位于内部衬套47和发动机中心线53之间的通道51。第二流36用于冷却再热燃烧器20的内部衬套47和外部衬套43。第二流36通过各种机制而用于冷却再热燃烧器20。在一个实施例中，采用了冲击冷却，其中，第二流36冲击再热燃烧器20的冷表面，该冷表面为与第二流36接触的表面。在另一实施例中，采用了泻流冷却或薄膜冷却，其中，第二流36通过衬套43、47的注入孔49而被注入，以在由再热燃烧气体界定边界的再热燃烧器20的表面之上形成薄膜冷却层。将注意到，也能够采用两种或更多种机制的组合，以利用第二流36来冷却再热燃烧器20。

在用于冷却之后，如图所示，第二流36进入再热燃烧器20的主室46中。再热燃烧器20的外部衬套43可以包括注入孔49，该注入孔49促进第二流36进入主室46中。注入孔49可以用于稀释或薄膜冷却的目的。在一些实施例中，内部衬套47可以包括注入孔55。在进入主室46之后，第二流36与第一流34(经历燃烧)进行混合，并且在该过程中，一部分第二流36也可能在主室46中经历燃烧。燃烧过的第一流34和第二流36(其一部分可能已经经历了燃烧)的混合物作为流33而离开再热燃烧器20。流33在第二涡轮22(图1中示出)中膨胀。

在一些实施例中，第二流36在通道48中与冷却剂39混合，并且，混合物用来冷却再热燃烧器20。在一个特定的实施例中，冷却剂39是从压缩机12(图1)的级中抽出的空气。在另一实施例中，冷却剂39是蒸汽。

图4显示了分流区域18的进一步放大的图。分流区域18包括定位于再热燃烧器20(图1)的上游的分流器38和分流器40。在所示的实施例中，分流器38和分流器40分别在位置42和位置44处经由铰链接头而联接至再热燃烧器20(图1和图2中示出)的本体。根据一个实施例，分流器38、40中的各个具有空气动力学形状，以最大限度地减小流分离和相关联的压力损失。分流器38、40将膨胀的燃烧气体32的流分流成第一流34和第二流36。分流器38、40围绕相应的铰链接头的旋转调节了将从后燃烧气体32中分流出的用于冷却再热燃烧器20(图1、2中示出)的第二流36的量。图4显示了处于完全打开位置的分流器38、40，该完全打开位置使得能够经由通道48、51而从膨胀的燃烧气体32中抽出最大质量的第二流36。再热燃烧器20的燃烧温度越高，对于再热燃烧器20的冷却需求就越大。因此，随着提高再热燃烧器20的燃烧温度，通道48，51的开口通过分流器38、40的旋转而增大，从而能够从后燃烧气体32中抽出增加的量的第二流36以用于再热燃烧器20的冷却。

图5显示了分流器38、40处于部分打开位置的分流区域18。与图4中的分流器38、40的完全打开位置相比，部分打开位置减小了用于第二流36流动的通道48、51的开口，从而减少了从膨胀的燃烧气体32中提取的第二流36的质量。当涡轮上的负载减少时，对于再热燃烧器(图1)的冷却需求减少，并且分流器从完全打开位置旋转至部分打开位置。

图6显示了分流器38、40处于关闭位置的分流区域18。与图4中所示的分流器38、40的完全打开位置和图5中所示的部分打开位置相比，关闭位置只允许有第二流36的小的泄漏流，并且，几乎所有的后燃烧气体32均作为第一流34而进入再热燃烧器20(图1)中。当再热燃烧器20(图1)没有燃烧膨胀的燃烧气体32的需求时，分流器38、40常常保持在关闭位置。在这种情形下，对于再热燃烧器20(图1)的冷却而言，没有需求，并且因此没有膨胀的燃烧气体32被偏流成用于再热燃烧器20(图1)的冷却的第二流36(图4、5)。

图7显示分流器38和分流器40被联接至由控制器54控制的伺服马达52的分流区域18。控制器54经由伺服马达52而控制分流器38和分流器40的旋转，从而调节通道48、51的开口。空气动力学形状的分流器38、40配置成基于燃气涡轮发动机的操作点而分流膨胀的燃烧气体。操作点可以是负载需求、入口空气温度、燃料类型等的函数。在一个实施例中，控制器54基于燃气涡轮发动机10(图1)的负载或再热燃烧器20的燃烧温度而控制膨胀的燃烧气体32的分流，致使分流器38和分流器40处于完全打开、部分打开或者关闭的位置，如结合图4、5及6所论述的。在一个特定的实施例中，通道48、51的开口由分流器38、40的旋转来调整，使得第二流36按质量计为后燃烧气体32的流的大约20％至大约45％。

虽然本文中仅仅显示和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将会想到许多修改和改变。因此，将会懂得，所附的权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这种修改和改变。

Claims (22)

1.一种操作燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括：

在压缩机中压缩空气流；

通过在燃烧器中燃烧离开所述压缩机的压缩空气流来产生后燃烧气体；

使所述后燃烧气体在第一涡轮中膨胀；

将离开所述第一涡轮的膨胀的燃烧气体分流成第一流和第二流；

在再热燃烧器中燃烧所述膨胀的燃烧气体的所述第一流；以及

利用所述膨胀的燃烧气体的所述第二流来冷却所述再热燃烧器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将冷却了所述再热燃烧器之后的所述膨胀的燃烧气体的所述第二流与所述再热燃烧器的所述膨胀的燃烧气体的燃烧过的第一流相混合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括使混合物在第二涡轮中膨胀，所述混合物包括所述膨胀的燃烧气体的第二流和所述再热燃烧器的所述燃烧过的第一流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨胀的燃烧气体的所述第二流为离开所述第一涡轮的所述膨胀的燃烧气体的质量的大约20％至大约45％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却包括通过冲击冷却、泻流冷却和薄膜冷却中的至少一种而利用所述膨胀的燃烧气体的所述第二流来冷却所述再热燃烧器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在冷却所述再热燃烧器之前将所述膨胀的燃烧气体的所述第二流与冷却剂相混合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，冷却包括通过冲击冷却、泻流冷却和薄膜冷却中的至少一种而利用混合物来冷却所述再热燃烧器，所述混合物包括所述膨胀的燃烧气体的所述第二流和所述冷却剂。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括从所述压缩机中提取的空气。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括蒸汽。

10.一种燃气涡轮发动机，包括：

压缩机，用于压缩空气；

燃烧器，用于通过燃烧离开所述压缩机的压缩空气而产生后燃烧气体；

第一涡轮，用于使所述后燃烧气体膨胀；

分流区域，用于将离开所述第一涡轮的膨胀的燃烧气体分流成第一流和第二流；以及

再热燃烧器，用于燃烧所述膨胀的燃烧气体的所述第一流，其中，利用所述膨胀的燃烧气体的所述第二流来冷却所述再热燃烧器。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述分流区域包括一个或更多空气动力学形状的分流器，该分流器配置成以如下方式分流所述膨胀的燃烧气体：所述膨胀的燃烧气体的所述第二流流过所述再热燃烧器的内部衬套和外部衬套中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述再热燃烧器的内部衬套和外部衬套中的至少一个包括注入孔，以用于使所述膨胀的燃烧气体的所述第二流在冷却了所述再热燃烧器之后进入所述再热燃烧器中，并且与燃烧过的第一流相混合。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括第二涡轮，以用于使来自所述再热燃烧器的燃烧过的第一流和膨胀的燃烧气体的所述第二流的混合物膨胀。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括联接所述第一涡轮和所述第二涡轮的轴。

15.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述一个或更多空气动力学形状的分流器定位于所述再热燃烧器的上游。

16.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述一个或更多空气动力学形状的分流器被机械地联接至所述再热燃烧器。

17.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述一个或更多空气动力学形状的分流器配置成基于所述燃气涡轮发动机的操作点而分流所述膨胀的燃烧气体。

18.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括至少一个伺服马达，以用于促动所述一个或更多空气动力学形状的分流器来分流所述膨胀的燃烧气体。

19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括至少一个伺服马达，以用于控制所述一个或更多空气动力学形状的分流器的促动。

20.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，促动所述一个或更多空气动力学形状的分流器包括将所述一个或更多空气动力学形状的分流器定位于完全打开、部分打开或者关闭的位置。

21.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述再热燃烧器还包括内部衬套和外部衬套，其中，利用所述膨胀的燃烧气体的所述第二流来冷却所述内部衬套和所述外部衬套。

22.一种方法，包括：

将来自第一涡轮的膨胀的燃烧气体流分流成第一流和第二流；

在再热燃烧器中燃烧所述膨胀的燃烧气体的所述第一流；以及

利用所述后燃烧气体的所述第二流来冷却所述再热燃烧器。

Images