CN103321748B - 立式燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式燃气轮机，包括燃汽轮机外壳，位于燃气轮机外壳内部的压气机、燃烧室、燃气透平、转轴、非液态油润滑轴承，所述转轴垂直于地面设置，压气机和燃气透平通过非液态油润滑轴承分别安装在转轴的两端，燃烧室位于压气机与燃气透平之间，所述压气机与燃气透平的进气口和出气口均为径向进气口、径向出气口。本发明实现叶轮机械转子立式安装，提高了叶轮机械的转子动力学性能，增加其寿命和可靠性；使流通工质径向进气、径向出气的形式流经各部件，减少气体流动转弯损失，实现较高的压比，提高了气动效率；不产生轴向气动负荷，减轻了轴向摩擦损失；提高了机械效率；采用非液态油润滑轴承，简化了结构，缩短了叶轮机械的轴向长度。

Description

立式燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种叶轮机械，具体涉及转轴直立布置的立式燃气轮机。

背景技术

叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的机械，可以是原动机、也可以是工作机。叶轮机械的工作过程，是流体或流程性材料（如粉末、颗粒）的能量与机械能相互转换或不同能量的流体之间能量传递的过程。由于在几乎所有的技术和生活领域中都需要借助于流体或流程性材料进行能量转换或需要输送流体介质或流程性材料，因此叶轮机械是一类应用极为广泛的机械设备。随着新技术、新工艺以及新材料不断产生，各个行业对叶轮机械各项性能指标提出更高的要求。

当代叶轮机械主要有卧式叶轮机械和立式叶轮机械两类。卧式叶轮机械中，转子是水平安装的，重力会对转子的运动产生影响，主要表现在，即使转子不旋转，由于透平质量（有些叶轮机械还有压气机质量）的不平衡，转轴出现静挠曲，在转子旋转起来之后，重力会在自转轴线上产生一个交变力矩，该力矩使得转子获得角加速度，进而影响转子的动力学特性，降低叶轮机械转子的稳定性。同时，现有燃气轮机普遍采用油膜润滑轴承或滚动轴承，油膜润滑轴承的润滑和密封方式决定了燃气轮机只能水平安装，而非油膜润滑轴承（例如电磁轴承、空气轴承）取代油膜润滑轴承减少了润滑，使得燃气轮机立式安装成为可能。立式安装能够使转子重心处于轴心，不产生静挠曲，重力在轴线上产生的力矩为零，消除重力对叶轮机械转子转动产生影响，能够提高叶轮机械的稳定性。

卧式叶轮机械中，转轴水平放置。为保证转轴静止放置时的稳定性，需安装若干个轴承平衡转轴及安装在转轴上的其他机构的重力，其中转轴与若干个轴承的接触均为线接触（当采用球轴承时为椭圆点接触），接触面积比较大，导致摩擦力比较大，进而使叶轮机械的工作效率较低。

传统的燃气轮机一般采用油膜润滑轴承或滚动轴承，需要开通油道向轴承输送润滑油，这需要消耗功率。润滑油的循环过程为：润滑油由储油机构经过机油滤清结构流进主流道，然后再流经分油道到达润滑部位，最后经过回油油道流回储油机构，完成一圈循环。此循环过程需要开通许多油道，会降低结构件的强度，为保证强度需要增大叶轮机械的整体结构尺寸。

传统的燃气轮机轴承润滑需要设计布置密封结构以保证润滑油不泄露，例如密封环式密封、迷宫式密封等等，这些密封结构是强烈的非线性振动激励源，且油气混合两相流场，工作机理复杂，对燃气轮机的转子动力学特性有重要影响。同时，这些密封结构会增加燃气轮机的机械摩擦损失、使结构更复杂、降低可靠性。

燃气轮机现有轴流式（轴流进气、轴流出气）、径流式和混流式三种。径流式透平机，进气方式为径向进气、轴向出气，也称为向心式；压气机采用轴向进气，径向出气，称为离心式，这使得气体进口气流角与出口气流角呈90°布置，气体流动损失大、降低了气动效率；现有的轴向进气、径向出气结构较径向进气、径向出气的径流式压气机压比将更低。同时，现有技术表明：混流透平由于其转弯损失较径流透平小，比径流透平气动效率高2%～8%，因此径向进气、径向出气结构的透平将提高透平气动效率。此外，径流式叶轮机械的压气机（轴向进气、径向出气）和透平（径向进气、轴向出气）产生了很大的轴向气动负荷，叶轮机械必须安装止推轴承承受轴向气动负荷，而径向进出气结构的透平与压气机不产生轴向气动负荷。轴流式叶轮机械中，气流会受到动叶片和静叶片对其方向的规整，轴向尺寸较长。

发明内容

为克服现有技术的不足，减少燃气轮机中转子重力对系统振动的影响，并尽可能的提高燃气轮机的效率，本发明提出了一种立式燃气轮机，其轴承采用非液态油润滑轴承，如电磁轴承，空气轴承。叶轮机械中流通工质（主要为气体）均采用径向进气、径向出气的形式流经各部件。转轴采用与地面垂直的方式安装。该立式燃气轮机（1）实现叶轮机械转子立式安装，避免转轴重力对其稳定性的影响，提高了燃气轮机的转子动力学性能，增加其寿命和可靠性。（2）流通工质（主要为气体）均采用径向进气、径向出气的形式流经各部件，减少气体流动转弯损失，实现较高的压比，提高了气动效率；不产生轴向气动负荷，减轻了轴向摩擦损失；提高了机械效率；（3）燃气轮机采用非液态油润滑轴承，免去了传统油膜轴承所需要的油道及密封结构，简化了整体结构，缩短了燃气轮机的轴向长度。

本发明所述的立式燃气轮机，包括燃汽轮机外壳，位于燃气轮机外壳内部的压气机、燃烧室、燃气透平、转轴、非液态油润滑轴承，其特征在于，所述转轴垂直于地面设置，压气机和燃气透平通过非液态油润滑轴承分别安装在转轴的两端，燃烧室位于压气机与燃气透平之间，所述压气机与燃气透平的进气口、出气口均为径向进气口、径向出气口。

优选地，所述压气机的进气口和出气口之间的夹角为α，180°≤α≤360°，所述燃气透平的进气口和出气口之间的夹角为β，180°≤β≤360°。

优选地，所述燃气透平为一级透平，所述一级透平的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述燃气透平为多级透平，所述多级燃气透平具有多个依次安装在转轴上的透平叶轮，所述多级燃气透平的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或螺旋形向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述压气机为一级压气机，所述一级压气机的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述压气机为多级压气机，所述多级压气机具有多个依次安装在转轴上的压气机叶轮，所述多级压气机的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋向上或螺旋向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述二次曲线为圆弧、椭圆弧、抛物线或渐开线。

优选地，所述非液态油润滑轴承为电磁轴承、空气轴承或脂润滑轴承、气雾润滑球轴承中的一种。

优选地，所述燃烧室为圆筒型燃烧室，所述圆筒型燃烧室具有均布于圆周的多个燃料喷嘴，截面呈环状结构。

优选地，所述燃烧室为环管型燃烧室，所述环管型燃烧室包括多个小燃烧室，多个小燃烧室分布在由内壳体、外壳体所围成的环形腔内，相邻小燃烧室之间以连通管相通，每个小燃烧室具有一个燃料喷嘴。

本发明具有以下有益效果：

（1）实现叶轮机械转子立式安装，避免转轴重力对其稳定性的影响，提高了叶轮机械的转子动力学性能，增加其寿命和可靠性。

（2）流通工质，主要为气体，均为径向进气、径向出气的形式流经各部件，减少气体流动转弯损失，实现较高的压比，提高了气动效率；不产生轴向气动负荷，减轻了轴向摩擦损失；提高了机械效率；

（3）燃气轮机采用非液态油润滑轴承，免去了传统油膜轴承所需要的油道及密封结构，简化了整体结构，缩短了叶轮机械的轴向长度。

附图说明

图1为本发明所述立式燃气轮机第一实施例的结构简图。

图2为圆筒形燃烧室俯视图。

图3为本发明所述立式燃气轮机第二实施例的结构简图。

图4为圆筒形燃烧室俯视图。

附图标记说明：

1-压气机，2-非液态油润滑轴承，3-转轴，4-压气机叶轮，5-圆筒型燃烧室，6-燃气透平，7-透平叶轮，8-燃料喷嘴，9-环管型燃烧室，10-连通管。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明所述的立式燃气轮机，包括燃汽轮机外壳，位于燃气轮机外壳内部的压气机1、燃烧室、燃气透平6、转轴3、非液态油润滑轴承2，所述转轴3垂直于地面设置，压气机1和燃气透平6通过非液态油润滑轴承2分别安装在转轴3的两端，燃烧室位于压气机1与燃气透平6之间，所述压气机1与燃气透平6的进气口、出气口均为径向进气口、径向出气口。为了与燃气轮机径向进气、径向出气的结构相匹配，燃烧室采用两种新的结构，即圆筒型燃烧室5和环管型燃烧室9。

图1所示为本发明的第一实施例，所述燃烧室为圆筒型燃烧室5，所述圆筒型燃烧室5具有均布于圆周的多个燃料喷嘴8，截面呈环状结构。圆筒型燃烧室5安装在压气机1与燃气透平6之间，气体通过压气机1压缩，流入燃烧室，与喷入燃料混合，燃烧膨胀，然后流入燃气透平6。所述燃气透平6为一级透平，流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。所述压气机1为一级压气机，流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。所述二次曲线圆弧、椭圆弧、抛物线或渐开线等。

图2所示为本发明的第二实施例，所述燃烧室为环管型燃烧室9，所述环管型燃烧室9包括多个小燃烧室，多个小燃烧室分布在由内壳体、外壳体所围成的环形腔内，相邻小燃烧室之间以连通管10相通，每个小燃烧室具有一个燃料喷嘴8。从压气机1中流出的气体依次进入各个燃烧室，与燃料混合，燃烧膨胀，然后流入燃气透平6。

进一步地，本实施例中，所述燃气透平6为具有多个透平叶轮7的多级燃气透平，所述的多个依次安装在转轴3上的透平叶轮7，较佳地，所述的多个透平叶轮7尺寸从上向下依次减小，所述多级燃气透平的透平壳6内的气体流道的中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋向上或螺旋向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。所述压气机为具有多个压气机叶轮4的多级压气机，所述的多个压气机叶轮4依次安装在转轴上；较佳地，所述多个压气机叶轮4的尺寸从下向上依次减小，所述多级压气机的压气机壳内的气体流道的中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或螺旋形向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

以上实施例为本发明的个别实施方式，并非穷举，本领域技术人员在本发明的基础上所做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.立式燃气轮机，其特征在于，包括燃气轮机外壳，位于燃气轮机外壳内部的压气机(1)、燃烧室、燃气透平(6)、转轴(3)、非液态油润滑轴承(2)，其特征在于，所述转轴(3)垂直于地面设置，压气机(1)和燃气透平(6)通过非液态油润滑轴承(2)分别安装在转轴(3)的两端，燃烧室位于压气机(1)与燃气透平(6)之间，所述压气机(1)与燃气透平(6)的进气口、出气口均为径向进气口、径向出气口；

所述压气机(1)的进气口和出气口之间的夹角为α，180°≤α≤360°，所述燃气透平(6)的进气口和出气口之间的夹角为β，180°≤β≤360°；所述非液态油润滑轴承(2)为电磁轴承、空气轴承或脂润滑轴承、气雾润滑球轴承中的一种。

2.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述燃气透平(6)为一级透平，所述一级透平的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

3.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述燃气透平(6)为多级燃气透平，所述多级燃气透平具有多个依次安装在转轴(3)上的透平叶轮(7)，所述多级燃气透平的流道中心线为二次曲线或三次及以上曲线，并呈螺旋向上或螺旋向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

4.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述压气机(1)为一级压气机，所述一级压气机的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

5.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述压气机(1)为多级压气机，多级压气机具有多个依次安装在转轴(3)上的压气机叶轮(4)，所述多级压气机的流道中心线为二次曲线或三次及以上曲线，并呈螺旋形向上或螺旋形向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

6.根据权利要求2-5任一项所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述二次曲线为圆弧、椭圆弧、抛物线或渐开线。

7.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室为圆筒型燃烧室(5)，所述圆筒型燃烧室(5)具有均布于圆周的多个燃料喷嘴(8)，截面呈环状结构。

8.根据权利要求1所述的立式燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室为环管型燃烧室(9)，所述环管型燃烧室(9)包括多个小燃烧室，多个小燃烧室分布在由内壳体、外壳体所围成的环形腔内，相邻小燃烧室之间以连通管(10)相通，每个小燃烧室具有一个燃料喷嘴(8)。