CN103953445B - 带对转压气机的多转子燃气发生器 - Google Patents
带对转压气机的多转子燃气发生器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供带对转压气机的多转子燃气发生器，低压压气机与低压涡轮安装在低压转子上，高压压气机与高压涡轮安装在高压转子上，低压涡轮动叶与高压涡轮动叶的安装角方向相反，低压涡轮动叶导叶与高压涡轮导叶的安装角方向相同，低压涡轮导叶与高压涡轮动叶的安装角方向相同；高压压气机动叶与高压压气机导叶的安装角方向相反，低压压气机动叶与高压压气机导叶的安装角方向相同，高压压气机动叶与低压压气机导叶的安装角方向相同。实现了高低压压气机旋转方向相反的多转子燃气发生器，通过减少低压涡轮导叶、低压压气机出口导叶和高压压气机进口导叶的数量，可以减少低压涡轮导叶级间的压力损失、冷却涡轮的空气量、设备重量及机匣上所受到的合力矩。
Description
技术领域：
本发明涉及燃气轮机部件领域，具体涉及一种带对转压气机的多转子燃气发生器。
背景技术：
自二十世纪七十年代以来，由于燃气轮机装置的优越性能，同时具有体积小、功率密度大、启动快、维护方便等特点，在工业调峰发电、压缩天然气输送管道、航空发动机、海上平台发电和燃-蒸联合循环电站等领域上得到了广泛的应用。
无论是作为机械驱动的燃气轮机装置，还是作为工业发电用燃气轮机装置，它们都包括一个主要部件，这就是燃气发生器。燃气发生器是由压气机、燃烧室和燃气涡轮等三大部件组成，它可以看成是能够连续不断地产生具有一定压力和温度燃气的单元。按照燃气发生器的转子数来划分，可大致分为单转子和多转子燃气发生器，在一般情况下，多转子燃气发生器是指双转子和三转子的燃气发生器，压气机是由低压压气机、中压压气机和高压压气机组成，燃气涡轮是由低压涡轮、中压涡轮和高压涡轮组成。通常低压压气机与低压涡轮装配在一个转子上，高压压气机与高压涡轮装配在一个转子上，这时低压涡轮与高压涡轮是安装在两个不同的转子上，这种结构的燃气发生器被称为双转子燃气发生器；在低压压气机和高压压气机之间增加一个中压压气机，中压压气机与中压涡轮装配在一个转子上，此时低压涡轮、中压涡轮和高压涡轮是安装在不同的三个转子上，这种结构的燃气发生器被称为三转子燃气发生器。燃气涡轮是由低压涡轮和高压涡轮组成，低压涡轮是由低压涡轮静子导向叶片（简称导叶）、低压涡轮转子叶片（简称动叶）、低压涡轮机匣、低压涡轮盘、低压涡轮转子轴、低压轴承等组成，低压涡轮导叶与低压涡轮机匣装配在一起组成静止部件，而低压涡轮动叶与低压涡轮盘和低压涡轮转子轴装配在一起组成一个转动部件。高压涡轮是由高压涡轮静子导向叶片（简称导叶）、高压涡轮转子叶片（简称动叶）、高压涡轮机匣、高压涡轮盘、高压涡轮转子轴、高压轴承等组成，高压涡轮导叶与高压涡轮机匣装配在一起组成静止部件，而高压涡轮动叶与高压涡轮盘和高压涡轮转子轴装配在一起组成一个转动部件。高压涡轮是由在高压涡轮动叶前面的导叶喷嘴环是为了实现高温高压燃气膨胀加速获得动能，以很大的速度冲击动叶，这时单位质量的燃气对高压涡轮涡轮和低压涡轮转子产生动量矩，从而实现将燃气所具有的能量转换为常规涡轮转子上的机械能。常规的多转子燃气发生器中，由于低压压气机转子与高压压气机转子的旋转方向是一致的，气流在高压涡轮流道内流动时对高压涡轮动叶产生的作用力矩，迫使高压涡轮转子沿着某一个方向旋转，在流过低压涡轮导叶后气流发生较大的转折，接着流入低压涡轮的动叶流道内，气流对低压涡轮动叶产生的作用力矩迫使低压涡轮转子仍保持沿着同一个方向旋转。这样使得低压压气机出口导叶、高压压气机进口导叶、低压涡轮导叶及动叶的稠度较大，且低压涡轮导叶的折转角较大，级间的压力损失较大和冷却涡轮导叶的空气量较多等不利因素。
发明内容：
本发明的任务是提供一种带对转压气机的多转子燃气发生器，它不仅结构简单、低压涡轮导叶级间的压力损失小，而且还能减少冷却涡轮的空气量及机匣上所受到的合力矩。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：带对转压气机的多转子燃气发生器，包括机匣、压气机、燃烧室和燃气轮机，低压压气机与低压涡轮安装在一个低压转子上，高压压气机与高压涡轮安装在高压转子上，低压涡轮上的低压涡轮动叶与高压涡轮动叶的安装角方向相反，低压涡轮动叶导叶与高压涡轮导叶的安装角方向相同，低压涡轮导叶与高压涡轮动叶的安装角方向相同；
高压压气机动叶与高压压气机导叶的安装角方向相反，低压压气机动叶与高压压气机导叶的安装角方向相同，高压压气机动叶与低压压气机导叶的安装角方向相同，从而得到一种对转压气机的多转子发生器。
由于常规多转子燃气发生器的低压压气机与低压涡轮安装在低压转子上，高压压气机与高压涡轮安装在高压转子上，通过改变低压涡轮导叶的叶型，低压压气机或高压压气机导叶和动叶的安装角，使气流在流过低压涡轮导叶后仅发生较小的转折，流入低压涡轮动叶流道内，气流对低压涡轮动叶所产生的作用力迫使低压涡轮转子沿着一个方向旋转，而气流对高压涡轮动叶所产生的作用力迫使高压转子沿着另一个方向旋转，即实现高压压气机的旋转方向与低压压气机的旋转方向相反。
本发明具有如下有益效果：由于采用上述技术方案，实现了低压压气机与高压压气机旋转方向相反的多转子燃气发生器，通过减少低压涡轮导叶、低压压气机出口导叶和高压压气机进口导叶的数量，可以减少低压涡轮导叶级间的压力损失、冷却涡轮的空气量、设备重量及机匣上所受到的合力矩。
附图说明：
图1是常规双转子燃气发生器的结构简图。
图2是常规双转子燃气发生器的叶栅流道简图，沿着空气流动方向（由左至右）看，来假设转动方向。
图3是带对转压气机的双转子燃气发生器的叶栅流道简图。
在图2和图3中，高压涡轮导叶（11）前的截面用0-0表示，高压涡轮动叶（13）前的截面用1-1表示，高压涡轮动叶（13）后的截面用2-2表示，低压涡轮动叶（14）前的截面用3-3表示，低压涡轮动叶（14）后的截面用4-4表示，低压压气机动叶（15）前的截面用5-5表示，低压压气机动叶（15）后的截面用6-6表示，高压压气机动叶（17）前的截面用7-7表示，高低压压气机动叶（17）后的截面用8-8表示。
图中箭头 表示气流的速度矢量，也表示高压压气机动叶（17）、低压压气机动叶（15）、高压涡轮动叶（13）、低压涡轮动叶（14）的旋转方向。
图中字母 αi 表示气流绝对速度与截面i-i气流牵连速度的夹角；
βi 表示气流相对速度与截面i-i气流牵连速度的夹角；
ci表示气流在截面i-i的绝对速度；
wi 表示气流在截面i-i的相对速度；
ui表示气流在截面i-i的牵连速度。
图中1-机匣，2-压气机，3-燃烧室，4-燃气涡轮，5-低压压气机，6-高压压气机，7-低压涡轮，8-高压涡轮，9-低压转子， 10-高压转子11-高压涡轮导叶，12-低压涡轮导叶，13-高压涡轮动叶，14-低压涡轮动叶，15-低压压气机动叶，16-低压压气机导叶，17-高压压气机动叶，18-高压压气机导叶。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1结合图2、图3所示，带对转压气机的多转子燃气发生器，包括机匣1、压气机2、燃烧室3和燃气轮机4，低压压气机5与低压涡轮7安装在低压转子9上，高压压气机6与高压涡轮8安装在高压转子10上，每排涡轮动叶和导叶相对于燃气轮机中心线均有一定的安装角，当气流流过导叶时改变气流方向，流过动叶时气动力作用于动叶，从而使动叶绕轴旋转，低压涡轮动叶14与高压涡轮动叶13的安装角方向相反，低压涡轮动叶14导叶与高压涡轮导叶11的安装角方向相同，低压涡轮导叶12与高压涡轮动叶13的安装角方向相同；
高压压气机动叶17与高压压气机导叶18的安装角方向相反，低压压气机动叶15与高压压气机导叶18的安装角方向相同，高压压气机动叶17与低压压气机导叶16的安装角方向相同，从而得到一种对转压气机的多转子发生器。
由图1结合图2所示，低压压气机5与低压涡轮7装配在低压转子9上，高压压气机6与高压涡轮8装配在高压转子10上。空气进入低压压气机5中，流至截面5-5，气流以相对速度w5进入低压压气机动叶15中，经过压缩后以相对速度w6流出截面6-6，并以绝对速度c6流入低压压气机导叶16，随后流入高压压气机6中，流至截面7-7，气流以相对速度w7进入高压压气机动叶17中，经过再次压缩后以相对速度w8流出截面8-8，并以绝对速度c8流入高压压气机导叶18，最后气流从由高压压气机出口导叶流出，流入燃烧室3里。从燃烧室3流出的高温燃气是以某一速度c0流向高压涡轮导叶11，气流从截面0-0流至截面1-1，气流方向从α0变为α1，速度由c0变为 c1；然后气流以相对气流角β1和相对速度w 1进入高压涡轮动叶13中，在此转弯膨胀后流至截面2-2，燃气以相对气流角β2和相对速度w 2流出，这时气流的速度由c1变为 c2，气流对高压涡动叶13所产生的作用力使得高压转子10沿着顺时针方向旋转；随着燃气又以某一速度c2沿着α2气流方向从截面2-2流向低压涡轮导叶12中，在此气流将发生较大的转折后从截面3-3流出，这时气流的流动方向从α2变为α3，速度由c2变为 c3，然后气流又以相对气流角β3和相对气流速度w 3进入低压涡轮动叶14中，转弯膨胀后以相对气流角β4和相对气流速度w 4从截面4-4流出，这时气流速度由c3变为 c4，气流对低压涡轮动叶14所产生的作用力使得低压转子9也沿着顺时针方向旋转。
由于低压压气机动叶15与高压压气机动叶17的旋转方向相同，这使得高压涡轮动叶13与低压涡轮动叶14的旋转方向也是相同的,即高压转子10与低压转子9也是按顺时针转动。气流从压气机2流向燃气涡轮4的过程中，气流分别作用在低压压气机导叶16、高压压气机导叶18、高压涡轮导叶11以及低压涡轮导叶12上的气动力矩是沿着某一个方向。
结合图1和图3可以看出，低压压气机5与低压涡轮7装配在低压转子9上沿着逆时针方向旋转，高压压气机6与高压涡轮8装配在高压转子10上则沿着顺时针方向旋转。空气进入低压压气机5中，流至截面5-5，气流以相对速度w5进入低压压气机动叶15中，经过压缩后以相对速度w6流出截面6-6，并以绝对速度c6流入低压压气机导叶16，随后流入高压压气机6中，流至截面7-7，气流以相对速度w7进入高压压气机动叶17中，经过再次压缩后以相对速度w8流出截面8-8，并以绝对速度c8流入高压压气机导叶18，最后从由高压压气机6出口导叶流出，流入燃烧室3里。从燃烧室3中流出的高温燃气是以某一速度c0流向高压涡轮导叶11，即气流从截面0-0流至截面1-1，气流方向从α0变为α1，速度由c0增加到 c1；然后气流以相对气流角β1和相对气流速度w 1进入高压涡轮动叶13中，在此转弯膨胀后流至截面2-2，燃气以相对气流角β2和相对气流速度w 2流出，这时气流的速度由c1变为 c2，气流对高压涡轮动叶所产生的作用力使得高压转子10沿着顺时针方向旋转；随后燃气又以某一速度c2沿着α2气流方向流向低压涡轮导叶12 ，即气流从截面2-2流进低压涡轮导叶(12)，气流在此仅发生较小的折转后从截面3-3流出，这时气流的流动方向从α2变到α3，速度由c2变为 c3；然后气流以相对气流角β3和相对气流速度w 3进入低压涡轮动叶14中，转弯膨胀后以相对气流角β4和相对气流速度w 4从截面4-4流出，这时气流的速度由c3变为c4，气流对低压涡轮动叶14所产生的作用力使得低压转子9则沿着逆时针的方向旋转。
从图3与图2对比还可以看出，由于低压涡轮导叶12的叶型和安装角不同，低压压气机导叶15和低压压气机动叶16的安装角也不同，使得高压涡轮动叶13与低压涡轮动叶14的旋转方向相反。由于高压转子10沿着顺时针方向旋转，而低压转子9沿着逆时针方向旋转，在气流从压气机2流向燃气涡轮4的过程中，气流作用在低压压气机导叶16和低压涡轮导叶12上的气动力矩方向发生了改变，因而使得作用在机匣1上的合力矩也相应地减小。
采用带对转压气机的多转子燃气发生器，通过减少低压涡轮导叶、低压压气机出口导叶和高压压气机进口导叶的数量，可以减少级间压力损失、冷却涡轮的空气量和部件重量。
Claims (1)
1.一种带对转压气机的多转子燃气发生器，包括机匣(1)、压气机(2)、燃烧室(3)和燃气轮机(4)，其特征在于：低压压气机(5)与低压涡轮(7)安装在低压转子(9)上，高压压气机(6)与高压涡轮(8)安装在高压转子(10)上，低压涡轮动叶(14)与高压涡轮动叶(13)的安装角方向相反，低压涡轮动叶(14)导叶与高压涡轮导叶(11)的安装角方向相同，低压涡轮导叶(12)与高压涡轮动叶(13)的安装角方向相同；
高压压气机动叶(17)与高压压气机导叶(18) 安装角方向相反，低压压气机动叶(15)与高压压气机导叶(18)的安装角方向相同，高压压气机动叶(17)与低压压气机导叶(16)的安装角方向相同，从而得到一种对转压气机的多转子发生器。
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