CN104812995A - 具有缩短中段的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种最大输出功率至少为75兆瓦的工业燃气涡轮发动机(10)，包括：筒环形燃烧总成(80)；和单个转子轴(114)，其中，最后一排压缩机翼片(20、22)的后缘(28)与第一排涡轮机轮叶(56)的前缘(54)之间的燃烧段长度(112)小于第一排压缩机翼片的前缘(26)与最后一排涡轮机翼片(60、62)的后缘(66)之间的发动机长度(154)的20％。

Description

具有缩短中段的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种工业燃气涡轮发动机，其具有配置为支持较短的转子轴的筒环形燃烧总成，以及可改善缩短的燃气涡轮发动机的空气动力学性能的径向扩散器。

背景技术

工业燃气轮机主要用于发电，而其它燃气涡轮发动机可能具有其它主要用途。例如，航空燃气涡轮发动机设计得重量很轻，并且尽可能小，以便为飞机提供推进力。航改型燃气涡轮发动机是改造为用于发电的航空燃气涡轮发动机。由于其原用于航空目的，因此航改型发动机比工业燃气涡轮发动机重量轻，比较便携，但是坚固性和发电能力要差一些。对于工业燃气轮机，在重量轻、便携或空气动力学性能方面没有什么要求，因此工业燃气轮机通常由重型部件构成，其主要考虑是发动机的长寿命和电力输出。这常常导致工业燃气涡轮发动机比航空型或航改型燃气涡轮发动机笨重庞大。这种体量能实现更长的发动机寿命和更高的输出能力，但是会增加设计和维护的复杂性与成本。

附图说明

下面将参照附图详述本发明。在附图中：

图1是具有常规燃烧系统的工业燃气涡轮发动机的截面图；

图2是图1的常规燃烧段的截面图；

图3是图1的工业燃气轮机的燃烧段配有重构燃烧总成的截面图；

图4是包含图3的重构燃烧系统并具有径向扩散器的一个示例性实施例的重构燃烧段的截面图；

图5是图4的重构燃烧段包含径向扩散器的一个可替代示例性实施例的截面图；

图6是图4的重构燃烧段包含径向扩散器的另一个可替代示例性实施例的截面图；

图7是图4的重构燃气涡轮发动机的截面图。

具体实施方式

本发明人找到了一个使用筒环形燃烧室系统缩短工业燃气涡轮发动机中的转子长度的途径。筒环形燃烧系统的筒形燃烧室可重构至径向更向外、轴向更靠近涡轮机的位置，并具有相对于由涡轮机进汽环室限定的平面的角度更小的燃烧室纵轴。通过以这种方式重新设置燃烧室的朝向，可增大燃烧总成(包括所有燃烧室和燃烧室与涡轮机之间的结构)的直径。本发明人认识到，在重新设置燃烧总成的朝向后，与传统朝向的筒环形燃烧室占据的长度相比，燃烧段占据的沿发动机轴线的长度可减小。燃烧室段长度的减小和随带的发动机长度的减小可以很显著。例如，在从压缩机翼片(导叶或轮叶，以在前的为准)的第一排的前缘算起至涡轮机翼片(导叶或轮叶，以在后的为准)的最后一排的后缘为止的发动机长度为5-6米的较小工业燃气涡轮发动机中，燃烧总成的轴向长度的减小以及发动机长度的减小在某些新兴技术设计中可为1/2米左右。在发动机长度为10-12米的较大工业燃气涡轮发动机中，轴向长度的减小可为1米左右。其它尺寸的发动机，包括发动机长度在两米以下的工业燃气涡轮发动机，也能获得类似的长度减小。在此所用的燃烧室段长度是最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的长度。在具有不只一个涡轮机的工业燃气涡轮发动机中，是指第一涡轮机的第一排涡轮机轮叶。与第一排旋转涡轮机轮叶相邻并处于上游的第一排固定导叶在此被视为燃烧段的一部分。

在工业燃气涡轮发动机中，由于注重采用重型部件，因此导致转子轴和配套的轴承很长并且很重。随着转子轴长度的增大，转子轴的动力学指标会提高。转子动力学指标的提高需要越来越复杂的转子轴设计和越来越大的轴承，以应对转子轴。因此，转子轴尺寸的任何缩减都会导致转子轴减小，转子轴设计的复杂性降低，轴承减小，以及叶尖余隙减小，其中每个因素都会降低成本和复杂性。利用本发明的教导，能够获得长度较短、寿命和功率输出不变、并且制造和维护成本较低的工业燃气涡轮发动机。

本发明人还认识到，通过利用径向扩散器把从压缩机流出的压缩空气从轴向移动方向转至更偏于径向的移动方向，能够提高压缩空气的空气动力学性能，从而提高发动机的性能。径向扩散器在一种新兴的筒环形燃气涡轮发动机的燃烧室技术设计中可能特别有用，这种燃气涡轮发动机包括把燃烧气体从燃烧点导向第一排涡轮机轮叶的结构，在该结构的末端(即，第一排涡轮机轮叶的上游)不需要一排导叶，在该处，结构能够正确导引和加速燃烧气体。每个导流结构包括燃烧室筒和相应的流道，流道把燃烧气体从燃烧室沿一条直流路以正确的速度和朝向导向第一排涡轮机轮叶，而无需第一排导叶。燃烧总成包括所有导流结构，每个燃烧点有一个导流结构。在班卡拉里等人于2010年5月25日公布的美国专利7,721,547中披露了一个这样的燃烧总成，该内容通过完整引用并入本文。在于2009年4月8日提交的威尔逊等人的美国专利授予前公开文件2010/0077719中披露了另一个这样的燃烧总成，该燃烧总成还包括在第一排涡轮机轮叶直接上游的环形室，该公开文件的内容通过完整引用并入本文。具体而言，在重新定向的构造中，由于燃烧室入口布置在更加径向向外的位置，并且在这种新兴燃烧室技术中压缩器出口布置在更靠近压缩机段的后壁的位置，因而径向扩散器能实现惊人的空气动力性能改善。利用这种新兴技术的燃烧室的任何工业燃气涡轮发动机都能受益于径向扩散器。包括从发动机长度小于两米、额定电力输出低于1兆瓦的小型工业燃气涡轮发动机直至发动机长度大于12米、额定电力输出大于100兆瓦的大型工业燃气涡轮发动机。

图1是现有技术的工业燃气涡轮发动机10的截面图，该工业燃气涡轮发动机10包括压缩机段12、常规燃烧段14、涡轮段16、以及常规转子轴18。压缩机段12包括压缩机导叶20和压缩器轮叶22。在此所用的压缩机段长度24指从第一排压缩机翼片(压缩机导叶20或压缩器轮叶22)的(叶根的)前缘26至最后一排压缩机翼片(压缩机导叶20或压缩器轮叶22)的(叶根的)后缘28的长度。扩散器32固定至压缩机段12的后端30，该扩散器配置为从压缩机段12接收压缩空气，并在把压缩空气输送至常规燃烧段14之前对其进行散流。

常规燃烧段14包括燃烧总成40，燃烧总成40包括各个燃烧室筒42和各个常规过渡气道44，过渡气道44配置为从相应的燃烧室筒42接收燃烧气体，并把燃烧气体输送至涡轮段16。常规燃烧段14还包括由常规转子燃烧段壳体48限定的增压腔46，增压腔46从扩散器32接收经过散流的压缩空气，并且在经过散流的压缩空气朝每个燃烧室筒的燃烧室入口50行进的过程中作为容纳该压缩空气的一种压力容器。在此所用的常规燃烧段长度52是从最后一排压缩机翼片(压缩机导叶20或压缩器轮叶22)的(叶根的)后缘28至第一排56涡轮机轮叶的(叶根的)前缘54的长度。常规燃烧段长度52包括位于第一排涡轮机轮叶56的上游并与之相邻的常规过渡气道44末端的一排导叶58。

涡轮段16包括涡轮机导叶60和涡轮机轮叶62。在此所用的涡轮段长度64是从第一排涡轮机轮叶56的(叶根的)前缘54至最后一排涡轮机翼片(涡轮机导叶60或涡轮机轮叶62)的(叶根的)后缘66的长度。

在如图所示的现有技术的工业燃气涡轮发动机中，能够看出，常规燃烧段长度52大约为常规发动机长度68的23％，在此所用的常规发动机长度68是从第一排压缩机翼片的前缘26至最后一排涡轮机翼片的后缘66的长度。例如，具有350兆瓦输出功率的燃气涡轮发动机的轴承间长度可为10米，其中，第一轴承布置在第一排压缩机翼片附近，第二轴承布置在最后一排涡轮机翼片附近。本发明人还未听说过有任何现有技术的工业燃气涡轮发动机采用布置在单个转子轴周围的筒环形燃烧段布置形式并且能产生至少75兆瓦输出，而且常规燃烧段长度52小于常规发动机长度68的23％。(在此所用的单个转子轴周围的筒环形燃烧段布置方式所指的是在第一排压缩机翼片和最后一排涡轮机翼片之间不具有同心转子轴的工业燃气涡轮发动机。)本发明人提出，把该百分比降低至不大于20％的值。对于给定的工业燃气涡轮发动机10，本发明人提出，通过把常规燃烧室筒移动至更处于径向的位置，可把发动机长度缩减8％至10％。例如，在原来具有10米轴承间长度的350兆瓦燃气涡轮发动机中，本发明人提出，把长度从10米减小为9米。在下文中进一步详述的一个示例性实施例中，本发明人以新兴技术的燃烧总成(又称重构燃烧总成)代替常规燃烧总成40，但是使相应部分中的压缩机段12和涡轮段16保持不变。当使用新兴技术型燃烧总成时，原来具有10米轴承间长度的350兆瓦燃气涡轮发动机的长度可从10米进一步减小为8.8米。

图2示出了图1的工业燃气涡轮发动机10的常规燃烧段14。可以看出，燃烧室筒42和常规过渡气道44的朝向决定常规燃烧段长度52。在如图所示的现有技术实施例中，常规燃烧室筒42的中心轴70与由涡轮机进汽环室72限定的平面之间的角度α约为60度。在其它现有技术结构中，燃烧室筒42处于大致平行于燃气涡轮发动机纵轴76的朝向，而常规的过渡气道44仍处于如图2所示的朝向。在此所用的涡轮机进汽环室是垂直朝向燃气涡轮发动机纵轴76的一个环带。其内径由第一排涡轮机轮叶56的(叶根的)前缘54的扫掠长度限定，并且它限定在其附近流动的燃烧气体的内边界。其外径在轴向上对正燃气涡轮发动机纵轴76，但是处于内径的径向向外位置，并限定进入涡轮机的燃烧气体的外边界。因此，涡轮机进汽环室76处于垂直于燃气涡轮发动机纵轴76的进汽环室平面中，并限定该涡轮机进汽环室平面。

常规燃烧总成40沿燃气涡轮发动机纵轴76占据常规燃烧系统轴向长度74(从燃烧室入口50的前端至第一排涡轮机轮叶56的前缘54)。可以看出，常规燃烧系统轴向长度74几乎与常规燃烧段长度52一样长，并且对常规燃烧段长度52的大小有很大影响。还能看出，处于常规过渡气道44末端的一排导叶58占据导叶长度78，该导叶长度78是常规转子轴18所必须容纳的。

FIG.图3示出了图1的工业燃气涡轮发动机10，但是其中的常规燃烧总成40被替换为上述的新兴技术型重构燃烧总成80的一个示例性实施例，该重构燃烧总成包括燃烧室82，并且在所示的示例性实施例中，对于每个燃烧室82，还包括锥形筒84和集成出口部件(“IEP”)86。锥形筒84配置为从相应的燃烧室82接收燃烧气体，并把燃烧气体导入IEP 86。而IEP又把燃烧气体以适合于直接输送至第一排涡轮机轮叶56的速度和朝向导引至第一排涡轮机轮叶56。锥形筒84和IEP 86可共同视为流道。在一个示例性实施例中，筒环形燃烧总成80包括环形室85，该环形室85配置为把多个独立的流道(以及流路)汇合为在第一排涡轮机轮叶56直接上游的环形流道。环形室85由共同工作的相邻lEP的部分组成。因而重构燃烧总成80省掉了常规过渡气道44末端的导叶58，该导叶58原用于导向和加速燃烧气体，以便输送至第一排涡轮机轮叶56。

在图3中还示出了重构内燃机壳体88，它也可用于代替常规燃烧段壳体48。重构内燃机壳体88可配置为具有较小的内部容积。通过减小其尺寸和表面面积，作用在重构内燃机壳体88上的压力产生较小的总力。因此，重构内燃机壳体88不必像常规燃烧段壳体48那样需要结构强化。而且，重构内燃机壳体88可包括独立的顶帽90，这些顶帽90配置为包住各个燃烧室82，从而进一步减小内部容积和相应的与压力相关的力。这些顶帽90可形成周向布置的顶帽开口92，这些顶帽开口穿过重构内燃机壳体88的环形部分94，其中，环形部分94从压缩机段12直至涡轮段16。在这种构造中，对于某个燃烧室82，压缩空气会被包含在由环形部分94形成的增压腔46中，并穿过顶帽开口92进入顶帽90，然后到达燃烧室入口50。

本发明人认识到，在重构燃烧室总成80中，燃烧室筒42的朝向更加径向向外，更靠近涡轮机，并且燃烧室纵轴87与由涡轮机进汽环室72限定的平面之间的角度β更小。这个更小的角度β(35度以下)使得重构燃烧总成80具有重构燃烧系统轴向长度96。能够看出，与现有技术的常规燃烧系统轴向长度74相比，重构燃烧系统轴向长度96占常规燃烧段长度52(以虚线表示)的比例要小得多。这保留了常规燃烧段长度52的剩余长度98。重构燃烧总成不局限于图3所示的形式，它可包括传统燃烧室筒52和过渡部分44，但是也改向为35度以下的角度β。

可预期的是，这种构造可采用常规转子轴18和燃烧室段48的壳体，此时重构燃烧总成80不会引起任何问题。但是，剩余长度98和导叶长度78是常规转子轴18必须容纳的常规发动机长度68的一部分。(当然，已知的是，在某些现有技术的燃气涡轮发动机中，常规转子轴18的延伸长度可超过压缩机段12和涡轮段16，为了便于说明，在此所用的常规转子发动机长度等于常规发动机长度68。)本发明人认识到，如果剩余长度98和/或导叶长度78能够在设计中除去，那么就可缩短常规转子轴18、常规燃烧段14和常规燃烧段壳体48，这会降低转子轴的动力学指标，简化相关的设计，并降低制造和维护成本。

图4示出了一种工业燃气轮机10，其中，常规燃烧段14已缩短，成为具有重构燃烧系统长度112的重构燃烧段110。能够看出，重构燃烧系统轴向长度96占重构燃烧系统长度112的百分比要大得多，因此空间利用效率要高得多。为了缩短常规燃烧段14，常规转子轴18被缩短为重构转子轴114。由于压缩机段12和涡轮段16仍保持原长度，因此常规燃烧段14的缩短使得重构转子轴114具有比常规转子轴18的短的重构转子轴发动机长度。所以，整个工业燃气涡轮发动机10也具有较短的重构发动机长度。

重构燃烧段110需要移动扩散器32，使其在轴向上更靠近重构燃烧段110的后侧116。所以，从扩散器出口118流出的压缩空气有可能沿轴向继续移动一段距离，直到遇到阻塞，例如IEP 86或重构燃烧段后侧116本身。燃烧效率在很大程度上取决于压缩空气是否能平稳、可预测、高效地流过增压腔46。因此，任何阻碍都会引入紊流、局部压力变化和压力损失，其中每个因素都会降低燃烧效率并增加有害排放。

虽然普遍认为燃气涡轮发动机能够使用如此布置的扩散器32正常工作，但是在一个示例性实施例中，本发明人应用了一个径向扩散器壁130，它配置为接收从扩散器出口118流出的轴向流动压缩空气，并把其转向至更处于径向的方向。径向扩散器壁130还可把任何位置的压缩空气从稍稍处于径向的方向导向环形室85之外的径向目标位置，以及垂直于燃气涡轮发动机纵轴76的方向。径向扩散器壁130甚至能够把压缩空气流导向大于90度的方向，从而使压缩空气流相对于从扩散器出口118流出时的轴流方向径向向外并向后流动，因而压缩空气流的移动方向朝向压缩机段12和径向向外方向。在这种方式中，径向扩散器壁130可把压缩空气流的外周部分直接导入顶帽开口92中。在由虚线所示的一个示例性实施例中，径向扩散器壁130把压缩空气流导向平行于燃烧室纵轴87的方向。在一个示例性实施例中，径向扩散器壁130可为一块板，并且从相邻IEP 86之间的位置到IEP 86的上游沿其外周在轴向上为波浪形。在另一个示例性实施例中，径向扩散器壁可主要布置在相邻IEP 86之间，并且具有开口，或者仅是不延伸到IEP 86附近。

图5示出了扩散器32的一个可替代示例性实施例。在此，不是增加径向扩散器壁132，而是修改扩散器32本身，使其包含平直的扩散器径向内壁140和平直的扩散器径向外壁142。在此示例性实施例中，扩散器径向内壁140可为锥形，它沿燃气涡轮发动机纵轴76扩张。平直的径向外壁142也可为锥形，也沿燃气涡轮发动机纵轴76扩张。平直的径向外壁142可配置为以比平直的径向内壁140更快的速度扩张，从而这种发散为其中的压缩空气提供扩散效果。发散速度可根据需要变化。扩散器32(尤其是平直的扩散器径向内壁140)可包括用于把压缩空气导引到lEP 86周围的几何形状，而不是把压缩空气直接导引至IEP的上游表面144。

图6示出了扩散器32的另一个可替代示例性实施例，其中，可使用弯曲的扩散器径向内壁146和弯曲的扩散器径向外壁148。在此示例性实施例中，弯曲的扩散器径向内壁146可为弧形形状，沿燃气涡轮发动机纵轴76径向向外扩张。弯曲的扩散器径向外壁148也可为弧形形状，沿燃气涡轮发动机纵轴76径向向外扩张。弯曲的扩散器径向外壁148可构造为以比弯曲的扩散器径向内壁146更快的速度增加其半径。发散速度可根据需要变化。扩散器32(尤其是弯曲的扩散器向内壁146)可包括用于把压缩空气导引到lEP 86周围的几何形状，而不是把压缩空气直接导引至IEP的上游表面144。

而且，可以组合使用弯曲扩散器和锥形扩散器。例如，一个壁可以是弯曲的，而另一个壁是平直的，或者，一个壁或两个壁可包含弯曲和/或平直段。使用平直和/或弯曲壁的各种示例性实施例可随意采用，只要能把压缩空气从大致轴向的方向转至更径向向外的方向。

图7示出了图1的燃气涡轮发动机，但是其中的常规燃烧总成40被重构燃烧总成80替代。从图中能够看出，压缩机段长度24保持不变。涡轮段长度64也保持不变。但是，重构燃烧段长度152比常规燃烧段长度52短。较短的燃烧段长度152使得重构发动机长度154比常规发动机长度68短得多。因此，能够通常地显著减小重构转子长度。这又能降低转子轴、轴承和相关系统的设计、制造和维护成本，并且在包含径向扩散器时，对燃烧段内的空气动力学特性没有显著的不良影响。因此，本发明所公开之内容是技术进步。

在此披露的缩短工业燃气轮机可用于多种应用。一个应用包括作为把缩短的燃气涡轮发动机与自由涡轮结合使用的工业燃气涡轮发动机组件的一部分。在这种情况中，本文所披露的缩短的工业燃气涡轮发动机的涡轮的排气可导入自由涡轮中。缩短的工业燃气涡轮发动机的涡轮的排气中的剩余能量用于转动自由涡轮。结果是，不与缩短的工业燃气涡轮发动机的转子轴机械连接的自由涡轮能够把剩余能量转化为电力，而该电力又增加可从该燃烧气体提取的电量，以避免燃烧气体的浪费。

虽然本发明在上文中是通过各种实施例来展示和说明的，但显而易见的是，这些实施例仅是示例性的。在不脱离本发明的精神的前提下，能够进行无数的变化、更改和替换。因此，本发明仅受所附权利要求书的精神和范围的限定。

Claims (17)

1.一种工业燃气涡轮发动机，包括：

筒环形燃烧总成；和

单个转子轴；

其中，最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的燃烧段长度小于第一排压缩机翼片的前缘与最后一排涡轮机翼片的后缘之间的发动机长度的20％；并且

所述发动机的最大输出功率至少为75兆瓦。

2.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，发动机长度至少为5米，燃烧段长度不大于1米。

3.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，发动机长度至少为6米，燃烧段长度不大于1.2米。

4.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，输出功率至少为100兆瓦。

5.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述转子轴由流体动力轴承支撑。

6.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，燃烧室筒的中心轴与由涡轮机进汽环室限定的平面之间的角度不大于35度。

7.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，筒环形燃烧总成包括多个独立的流道，这些流道配置为从各个燃烧室接收燃烧气体，并沿着直流路以适于把燃烧气体直接输送至第一排涡轮机轮叶的速度和朝向来输送燃烧气体。

8.如权利要求7所述的工业燃气涡轮发动机，其中，筒环形燃烧总成包括环形室，该环形室配置为把多个独立的流道汇合为在第一排涡轮机轮叶直接上游的单个环形流路。

9.如权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，还包括燃烧段壳体，该燃烧段壳体包括配置为封住相应的燃烧室筒的至少一部分的顶帽。

10.一种工业燃气涡轮发动机组件，包括如权利要求1所述的工业燃气轮机以及自由涡轮。

11.一种工业燃气涡轮发动机，包括：

筒环形燃烧总成，包括多个燃烧室，其中，燃烧室筒的中心轴与由涡轮机进汽环室限定的平面之间的角度不大于35度，筒环形燃烧总成包括多个独立的流道，这些流道配置为从各个燃烧室接收燃烧气体，并沿着直流路以适于把燃烧气体直接输送至第一排涡轮机轮叶的速度和朝向来输送燃烧气体；

其中，最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的转子轴长度小于第一排压缩机翼片的前缘与最后一排涡轮机翼片的后缘之间的转子轴长度的20％。

12.如权利要求10所述的工业燃气涡轮发动机，还包括燃烧段壳体，该燃烧段壳体包括配置为封住相应的燃烧室筒的至少一部分的顶帽。

13.如权利要求10所述的工业燃气涡轮发动机，其中，最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的转子轴长度小于1米，第一排压缩机翼片的前缘与最后一排涡轮机翼片的后缘之间的转子轴长度至少为5米。

14.如权利要求10所述的工业燃气涡轮发动机，其中，最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的转子轴长度小于1.2米，第一排压缩机翼片的前缘与最后一排涡轮机翼片的后缘之间的转子轴长度至少为6米。

15.一种工业燃气涡轮发动机，包括：

筒环形燃烧总成，包括多个独立且平直的流道，这些流道配置为从各个燃烧室接收燃烧气体，并适当地定向和加速燃烧气体，把燃烧气体直接输送至第一排涡轮机轮叶，而无需在第一排涡轮机轮叶上游有转动导片；和

单个转子轴；

其中，最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的转子轴长度小于第一排压缩机翼片的前缘与最后一排涡轮机翼片的后缘之间的转子轴长度的20％；并且

所述发动机的最大输出功率至少为75兆瓦。

16.如权利要求15所述的工业燃气涡轮发动机，还包括燃烧段壳体，该燃烧段壳体包括配置为封住相应的燃烧室筒的至少一部分的顶帽。

17.如权利要求15所述的工业燃气涡轮发动机，其中，筒环形燃烧总成包括环形室，该环形室配置为把多个独立的流道汇合为在第一排涡轮机轮叶直接上游的单个环形流路。