CN105298645A - 一种外涵回热燃气轮机循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外涵回热燃气轮机循环系统，涉及燃气轮机技术领域。所述外涵回热燃气轮机循环系统，包含高压涡轮、低压压气机、高压压气机、空气涡轮、涡轮组件、补燃燃烧室及回热器，其中，补燃燃烧室布置在高压涡轮和涡轮组件之间，经高压涡轮排出的燃气进入补燃燃烧室进一步燃烧，进入涡轮组件的燃气温度提高，涡轮组件的排气温度升高；回热器吸收涡轮组件的排气中的热量，并对经低压压气机压缩后排出的外涵气进行加热。本发明有益之处在于：本发明中的外涵回热燃气轮机循环系统中增添了补燃燃烧室，使得涡轮组件排出的气体温度较高，回热器回收涡轮组件排气的温度，并对经低压压气机排出的外涵气进行加热，提高了燃气轮机的功率和热效率。

Description

一种外涵回热燃气轮机循环系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种外涵回热燃气轮机循环系统。

背景技术

外涵回热燃气轮机是俄罗斯提出的新型燃气轮机循环系统，具有输出功率大、热效率高、最大限度地利用原型机的部件等优点。为了扩大外涵回热燃气轮机循环系统的应用范围，需要进一步提高外涵回热燃气轮机循环系统的功率计热效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种外涵回热燃气轮机循环系统，以解决背景技术中需要进一步提高外涵回热燃气轮机系统功率及热效率的问题。

本发明的技术方案是：提供一种外涵回热燃气轮机循环系统，包含高压涡轮、低压压气机、高压压气机、空气涡轮、涡轮组件、补燃燃烧室及回热器，其中，所述补燃燃烧室布置在高压涡轮和涡轮组件之间，经高压涡轮排出的燃气进入补燃燃烧室进一步燃烧，进入涡轮组件的燃气温度得到提高，涡轮组件做功后的排气温度升高；所述回热器吸收涡轮组件的排气中的热量，并对经低压压气机压缩后排出的外涵气进行加热。

优选地，所述外涵回热燃气轮机循环系统进一步包含第一转子及第二转子，其中，所述低压压气机与涡轮组件之间了通过第一转子连接，且低压压气机与涡轮组件同轴，所述高压涡轮与高压压气机之间通过所述第二转子连接，且高压涡轮与高压压气机同轴。

优选地，所述涡轮组件包含低压涡轮及动力涡轮，燃气进入低压涡轮后膨胀做功驱动动力涡轮。

优选地，所述第一转子的一端用于连接第二负载，所述低压压气机布置在所述涡轮组件与第二负载之间。

优选地，所述低压压气机的进气端背离涡轮组件的排气端。

优选地，所述低压压气机同旋向的叶片叶型沿第一转子的轴线对称布置。

优选地，所述涡轮组件同时驱动低压压气机及第二负载。

本发明的有益效果：本发明中的外涵回热燃气轮机循环系统中增添了补燃燃烧室，使得低压涡轮与动力涡轮组件排出的气体温度较高，回热器回收低压涡轮与动力涡轮组件排气的温度，并对经低压压气机排出的外涵气进行加热，加热后的外涵气进入空气涡轮驱动空气涡轮做功，相比现有技术，提高了燃气轮机的功率和热效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的外涵回热燃气轮机循环系统的示意图。

其中：1-第一负载，2-空气涡轮，3-第二负载，4-第一转子，5-低压压气机，6-涡轮组件，7-补燃燃烧室，8-高压涡轮，9-燃烧室，10-高压压气机，11-第二转子，12-回热器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种外涵回热燃气轮机循环系统，包含有第一负载1、空气涡轮2、第二负载3、第一转子4、低压压气机5、涡轮组件6、补燃燃烧室7、高压涡轮8、燃烧室9、高压压气机10、第二转子11及回热器12，其中涡轮组件6包含低压涡轮及动力涡轮，燃气进入低压涡轮后膨胀做功驱动动力涡轮。

低压压气机5与涡轮组件6通过第一转子4连接，且低压压气机5与涡轮组件6同轴，第一转子4的一端用于连接有第二负载3。

本发明相比现有技术，将低压涡轮与动力涡轮组装为涡轮组件6。减少了零件的数量，缩短了第一转子4的轴向长度，提高了系统的可靠性，涡轮组件6同时带动低压压气机5及第二负载3。

低压压气机5布置在涡轮组件6与第二负载3之间，且低压压气机5的进气端远离涡轮组件6的排气端(附图1中，低压压气机5的右端为低压压气机5的进气端，涡轮组件6的右端为涡轮组件6的排气端)。低压压气机5同旋向的叶片叶型沿第一转子4的轴线对称布置得到反旋向的叶片叶型，使得涡轮组件6和低压压气机5的气流方向相反，而旋向相同。

低压压气机5的进气端远离涡轮组件6的排气端的优点在于：低压压气机5的进口温度不受涡轮组件6的排气的影响，提高了低压压气机5进口的空气质量。

空气进入低压压气机5后，低压压气机5压缩空气，并将压缩后的空气分为内涵气和外涵气两部分排出。内涵气进去高压压气机10进一步压缩，外涵气经过回热器12加热后进入空气涡轮2，空气涡轮2做功带动第一负载1，流入空气涡轮2的外涵气做功后经空气涡轮2排出到大气中。

高压涡轮8与高压压气机10通过第二转子11连接，且高压涡轮8与高压压气机11同轴，在高压涡轮8与高压压气机10之间布置有燃烧室9，高压压气机10将内涵气进一步压缩后，内涵气进入燃烧室9。在燃烧室9内喷入燃料，燃料在高压空气下燃烧生成高温高压燃气，高温高压燃气流入高压涡轮8用于高压涡轮8做功，高压涡轮8做功用于通过第二转子11带动高压压气机10运转。

本发明相比现有技术，包含有第一转子4和第二转子11，其优点在于：现有技术中的转子需要穿过高压压气机10、燃烧室9、高压涡轮8，转子的轴向距离较长，不利于转子轴承布置和转子动力学设计。而本发明中采用了两个转子，转子轴向长度明显降低，大幅提高了转子的刚度，有利于转子的动力学设计，使得燃气轮机工作过程中更加稳定。

补燃燃烧室7布置在第二转子11上的高压涡轮8与第一转子4上的涡轮组件6之间。补燃燃烧室7对从高压涡轮8流出的燃气再次加热，补燃燃烧室7内喷入燃料，燃料在补燃燃烧室7中的高温高压气流中充分燃烧，燃烧后的燃气流入涡轮组件6做功，涡轮组件6通过第一转子4带动低压压气机5和第二负载3。

增加补燃燃烧室7的优点在于：可提高涡轮组件6进口燃气的温度，使燃气轮机的循环功加大，而且补燃燃烧室7中的压力较高，燃烧效率也高，因而既提高了功率又使热效率保持较高的水平，对降低污染物排放、减少发动机冷却气量、提高燃气轮机安全性等十分有利。

经过补燃燃烧室7对从高压涡轮8流出的燃气再次加热后，涡轮组件6的排气温度更高，涡轮组件6的排气进入回热器12，回热器12吸收涡轮组件6的排气热量，然后释放到大气中，回热器12吸收的热量用于加热经低压压气机5压缩后排出的外涵气。

本发明的外涵回热燃气轮机循环系统的功率相比现有技术可提高57.3％，热效率提高8.4％，同时重量没有显著增加，功重比可提高50％以上。

其计算公式为：

压气机压缩单位质量空气消耗功：

$L_k=\frac{k}{k-1}{\mathrm{RT}}_B^{*}\frac{{\mathrm{\π}}_k^{{*}^{\frac{k-1}{k}}}-1}{{\mathrm{\η}}_k^{*}}=\frac{k}{k-1}R\left(T_k^{*}-T_B^{*}\right)$

其中：

L_k为单位质量空气压缩耗功，k为绝热指数，

R为气体常数，为压气机进口总温

为压气机压比，为压气机效率

为压气机出口总温；

涡轮膨胀单位质量空气发出功：

$L_r=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r{T}_r^{*}(1-\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{{*}^{\frac{k_r-1}{k_r}}}}){\mathrm{\η}}_T^{*}=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r(T_r^{*}-T_T^{*})$

其中：

L_r单位质量空气膨胀功，k_r为绝热指数

R为气体常数，为涡轮进口涡轮总温

为涡轮膨胀比，为涡轮效率

为涡轮出口总温；

燃烧室油气比：

$f=\frac{i_{a3}^{*}-i_{a2}^{*}}{{\mathrm{\ηH}}_{\mathrm{\μ}}+{\mathrm{\ΔI}}_f+H_0-H_3^{*}}$

其中：

f为油气比，为出口空气焓(出口温度下单位质量空气焓)，

η为燃烧效率，为入口空气焓(入口温度下单位质量空气焓)，

为焓差，H_μ为燃料低热值(燃烧产物为水蒸气时的热值)，

ΔI_f为温度差引起的燃料焓差(温差乘平均比热容，一般忽略)，

H₀为燃料入口温度下的焓差。

假设现有技术中低压压气机的进气温度为288K，流量为120kg/s，其中内涵气流量为60kg/s，外涵气流量为60kg/s，低压压比为3，高压压比为8.5，燃烧室出口温度为1600K，燃料热值42700KJ/kg，经计算可得燃机功率为21749KW,热效率为44.4％。。

而在相同假设条件下，本发明中的外涵回热燃气轮机循环系统计算参数为：低压压气机的进气温度为288K，其中内涵气流量为60kg/s，外涵气流量为60kg/s，低压压比为3，高压压比为8.5，燃烧室出口温度为1600K，燃料热值为42700KJ/kg，补燃燃烧室出口温度为1600K，补燃燃烧室效率为0.97，补燃燃烧室总压回复系数为0.975，高压涡轮、低压涡轮冷气量均为10％，经计算可得燃机功率为34216KW，相比现有技术中的功率提高了57.3％，热效率为48％，提高8.4％。

经计算对比表明，本发明的外涵回热燃气轮机系统可显著提高燃气轮机的功率计热效率。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种外涵回热燃气轮机循环系统，包含高压涡轮(8)、低压压气机(5)、高压压气机(10)及空气涡轮(2)，其特征在于：进一步包含涡轮组件(6)、补燃燃烧室(7)及回热器(12)，其中，

所述补燃燃烧室(7)布置在高压涡轮(8)和涡轮组件(6)之间，经高压涡轮(8)排出的燃气进入补燃燃烧室(7)进一步燃烧，进入涡轮组件(6)的燃气温度得到提高，涡轮组件(6)做功后的排气温度升高；

所述回热器(12)吸收涡轮组件(6)的排气中的热量，并对经低压压气机(5)压缩后排出的外涵气进行加热。

2.根据权利要求1所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述外涵回热燃气轮机循环系统进一步包含第一转子(4)及第二转子(11)，其中，

所述低压压气机(5)与涡轮组件(6)之间了通过第一转子(4)连接，且低压压气机(5)与涡轮组件(6)同轴，所述高压涡轮(8)与高压压气机(10)之间通过所述第二转子(11)连接，且高压涡轮(8)与高压压气机(10)同轴。

3.根据权利要求1所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述涡轮组件(6)包含低压涡轮及动力涡轮，燃气进入低压涡轮后膨胀做功驱动动力涡轮。

4.根据权利要求2所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述第一转子(4)的一端用于连接第二负载(3)，所述低压压气机(5)布置在所述涡轮组件(6)与第二负载(3)之间。

5.根据权利要求4所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述低压压气机(5)的进气端背离涡轮组件(6)的排气端。

6.根据权利要求2所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述低压压气机(5)同旋向的叶片叶型沿第一转子(4)的轴线对称布置。

7.根据权利要求4所述的外涵回热燃气轮机循环系统，其特征在于：所述涡轮组件(6)同时驱动低压压气机(5)及第二负载(3)。