CN104763475B - 三转子燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型三转子燃气轮机，通过改变涡轮导叶的叶型，导叶和动叶的安装角，当气流在流过高压涡轮时，使高压转子沿着一个方向旋转，气流在流过低压涡轮导叶后仅发生较小的转折，使得低压涡轮转子沿着另一个方向旋转，而动力涡轮是一个独立的转子则沿着与高压转子同一个方向旋转，实现高压转子与低压转子的旋转方向相反，高压转子与动力涡轮转子旋转方向相同。由于采用上述技术方案，实现了一种对转涡轮的新型三转子燃气轮机，通过减少低压涡轮导叶、动力涡轮导叶、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
本发明专利是一种三转子燃气轮机，它可以广泛应用在燃-蒸联合循环电站、压缩天然气输送管路、工业调峰发电、海上平台和船舶动力等技术领域。
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、压缩天然气输送管路、海上平台和燃-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，还是作为发电用燃气轮机，它是由燃气发生器和动力涡轮两大部件组成，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，通常，燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮等三个主要部件，它可分为单转子和多转子燃气轮机，多转子燃气轮机是指双转子和三转子燃气轮机，当低压压气机与低压涡轮装配在一个低压转子上，高压压气机与高压涡轮装配在一个高压转子上，这时低压涡轮与高压涡轮分别安装在不同的两个转子上，而动力涡轮是一个独立的转子，这种结构的燃气轮机被称为三转子燃气轮机；动力涡轮是由动力涡轮静子导向叶片（简称导叶）、动力涡轮转子叶片（简称动叶）、动力涡轮机匣、动力涡轮盘、动力涡轮转子轴、轴承等组成，动力涡轮导叶与机匣装配在一起组成静止部件，而动叶与动力涡轮盘和动力涡轮转子轴装配在一起组成一个转动部件，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、低压涡轮和动力涡轮的转子产生动量矩，从而实现将燃气所具有的能量转换为涡轮转子上的机械能。
但是这种三转子燃气轮机的一个共同特点就是：当气流在低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮以及动力涡轮的流道内流动时对动叶产生的作用力使得低压涡轮转子、高压涡轮转子和动力涡轮都沿某一个方向旋转，这样使得低压压气机出口导叶、高压压气机进口导叶、动力涡轮导叶、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
为了解决上述问题，本发明的任务是提供一种三转子燃气轮机。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：三转子燃气轮机，包括低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮、燃烧室和动力涡轮，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，而动力涡轮是一个独立的转子，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；
低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；
动力涡轮转子与负载是机械连接，动力涡轮导叶与低压涡轮动叶安装角方向相同，动力涡轮动叶与低压涡轮导叶安装角方向相同，从而得到一种三转子燃气轮机。
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，随后气流在流进动力涡轮导叶时发生较小的转折，气流对动力涡轮动叶所产生的作用力迫使动力涡轮转子沿着与高压转子旋转方向相同的方向旋转，即实现高压涡轮与低压涡轮的旋转方向相反，高压涡轮与动力涡轮的旋转方向相同。
本发明具有如下有益效果：由于采用上述技术方案，实现了低压涡轮与高压涡轮的旋转方向相反、动力涡轮与高压涡轮的旋转方向相同的三转子燃气轮机，通过减少低压涡轮导叶、动力涡轮导叶、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是三转子燃气轮机的结构简图；
图2是本发明三转子燃气轮机的叶栅流道简图，沿着空气流动方向（由左至右）看，来假设转动方向。
在图2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，高压压气机动叶17后的截面用8-8表示，动力涡轮导叶19前的截面用9-9表示，动力涡轮动叶20前的截面用10-10表示，动力涡轮动叶20后的截面用11-11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）、动力涡轮动叶（20）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-低压压气机，2-高压压气机，3-高压涡轮，4-低压涡轮，5- 动力涡轮，6-低压转子，7-燃烧室，8-高压转子，9-动力涡轮转子，10-负载，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，19-动力涡轮导叶，20-动力涡轮动叶。
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所示，三转子燃气轮机，包括低压压气机1、高压压气机2、低压涡轮4、高压涡轮3、燃烧室7和动力涡轮5，低压压气机1与低压涡轮4安装在低压转子6上，高压压气机2与高压涡轮3安装在高压转子8上，动力涡轮5是一个独立的动力涡轮转子9，每排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；
低压压气机导叶16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；
动力涡轮是一个独立的动力涡轮转子9且与负载10是机械连接,动力涡轮导叶19与低压涡轮动叶14安装角方向相同，动力涡轮动叶20与低压涡轮导叶12安装角方向相同，从而得到一种三转子燃气轮机。
空气进入低压压气机1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7里。
从燃烧室7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；
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；
随后燃气以某一速度c10沿着α10气流方向流向动力涡轮导叶19，即气流从截面9-9流进动力涡轮导叶19，气流在此仅发生较小的折转后从截面10-10流出，这时气流的流动方向从α10变到α11，速度由c10变为 c11；然后气流以相对气流角β10和相对气流速度w 10进入动力涡轮动叶20中，转弯膨胀后以相对气流角β11和相对气流速度w 11从截面11-11流出，这时气流的速度由c10变为c11，气流对动力涡轮动叶20所产生的作用力使得动力涡轮转子9则沿着顺时针的方向旋转带动负载10旋转。
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16和低压压气机动叶15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8沿着顺时针方向旋转，而低压转子6沿着逆时针方向旋转，而动力涡轮导叶19的叶型和安装角改变，使动力涡轮转子9也沿着顺时针方向旋转，在气流从低压压气机1流向低压涡轮4和动力涡轮5的过程中，气流作用在低压压气机导叶16、低压涡轮导叶12、动力涡轮导叶19上的气动力矩方向发生了改变，因而使得作用在机匣上的合力矩也相应地减小。
采用这种对转涡轮式的三转子燃气轮机，通过减少低压涡轮导叶、动力涡轮导叶、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)
1.一种三转子燃气轮机，包括低压压气机(1)、高压压气机(2)、低压涡轮(4)、高压涡轮(3)、燃烧室(7)和动力涡轮(5)，其特征在于：低压压气机(1)与低压涡轮(4)安装在低压转子(6)上，高压压气机(2)与高压涡轮(3)安装在高压转子(8)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)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；
低压压气机导叶(16)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；
动力涡轮转子(9)是一个独立的转子且与负载(10)是机械连接，动力涡轮导叶(19)与低压涡轮动叶(14)安装角方向相同，动力涡轮动叶(20)与低压涡轮导叶(12)安装角方向相同，从而得到一种三转子燃气轮机；
由于高压涡轮动叶（13）与低压涡轮动叶（14）的旋转方向相反，由于高压转子（8）沿着顺时针方向旋转，而低压转子（6）沿着逆时针方向旋转，而动力涡轮导叶（19）的叶型和安装角改变，使动力涡轮转子（9）也沿着顺时针方向旋转，在气流从低压压气机（1）流向低压涡轮（4）和动力涡轮（5）的过程中，气流作用在低压压气机导叶（16）、低压涡轮导叶（12）、动力涡轮导叶（19）上的气动力矩方向发生了改变，因而使得作用在机匣上的合力矩也相应地减小。
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