CN105569743A - 一种变布雷顿循环燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变布雷顿循环燃气轮机，沿气流方向依次包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮，低压压气机和低压涡轮同轴，高压压气机和高压涡轮同轴，低压轴与高压轴为共轴心的套轴安装形式，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，低压压气机的进口导叶和前一级或前多级导叶设置为可转导叶，动力涡轮第一级或前两级导叶为可转导叶。本发明不但能明显改善燃气轮机在低工况下的工作稳定性和性能，而且还具备良好的极端工况适应性。

Description

一种变布雷顿循环燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，尤其涉及一种变布雷顿循环燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种动力装置，主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。燃气轮机可分为简单循环和复杂循环。简单循环的燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮等主要部件组成。复杂循环燃气轮机是在简单循环燃气轮机的基础上添加一些其他部件，比如在低压压气机和高压压气机之间增添间冷器的间冷循环，可有效降低压气机耗功等。由于燃气轮机的单机功率高，比功率质量小，机动性好，振动噪声小，运行平稳，长寿命等优点得到了普遍地承认和广泛地应用。

对于船用燃气轮机来说，其在寿命期90％以上的时间里都处于部分负荷工况下运行。由于非设计点运行时热力参数的改变，进而导致其耗油率急剧升高。并且，在低负荷工况下压气机也面临着工作稳定性问题，此时必须使防喘振装置工作，以保证燃气轮机工作运行的稳定性。

现有的中间级放气或旁通调节防喘措施虽然可以在广泛的范围内调节燃气轮机的参数，但却使装置结构复杂化，特别是旁通并入调节系统时更是这样。放气和旁通一般都带来附加损失，放气损失可达15％～20％，从而恶化了船用燃气轮机装置的经济性，因此希望尽可能不采用放气防喘。

目前，在燃气轮机装置中，广泛采用进口导叶可调和第一级导叶可调。为了扩大稳定工作范围，有的燃气轮机发动机不仅把第一级做成可转，而且把第二、第三和更多级也做成可转导叶。从经济性方面看，采用可转导叶比放气防喘要好，但结构上比较复杂，且复杂程度与防喘性能呈正相关。此外，可转导叶方法只能近似改善沿叶高的某一半径上的流动情况，如照顾到平均半径时，就不能很满意地照顾到叶尖和叶根。

由于现有技术的不足，一直以来，人们希望有一种具有优良低工况稳定性及性能的燃气轮机。此外，人们对具有针对极端工况(比如沙漠地区、高温季节、寒冷季节或极地等)的良好的工作适应性的燃气轮机也有很大需求，而在这方面也尚未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供能大幅提高燃气轮机的低工况稳定性及性能，还具有良好的极端工况适应性的一种变布雷顿循环燃气轮机。

本发明的目的是这样实现的：，沿气流方向依次设置低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮，所述低压压气机和低压涡轮同轴设置，高压压气机和高压涡轮同轴设置，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，其特征是：低压压气机的进口导叶和前一级或前多级导叶设置为可转导叶，且动力涡轮第一级或前两级导叶为可转导叶。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括进气管，且进气管与低压压气机相连。

2.还包括排气管，且排气管与动力涡轮相连。

3.低压压气机和高压压气机之间还设置有间冷器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在充分考虑压气机、涡轮可变几何对燃气轮机整机性能影响的基础上，通过优化压气机、涡轮可变几何的级数及调节规律，不但能明显改善燃气轮机在低工况下的工作稳定性和性能，而且还能提高燃气轮机的极端工况适应性。此外，本发明的结构也相对较简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明另一种结构形式。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明所要解决的技术目的是，联合可变几何压气机和可变几何涡轮，通过可变几何涡轮，改善燃气轮机低工况性能，并通过可变几何涡轮转动，改变燃气轮机运行线，并结合压气机可转导叶转动避免压气机在低负荷下喘振，从而大幅提高燃气轮机的低工况性能及工作稳定性。本发明还要解决的技术问题在于在确保防喘性能的前提下采用少量的压气机可转导叶排数，从而确保压气机结构简单化。

实施方式1：

结合图1，本发明沿气体流动方向依次包括低压压气机VGLPC、高压压气机HPC、燃烧室CC、高压涡轮HPT、低压涡轮LPT和动力涡轮VGPT，低压压气机VGLPC和低压涡轮LPT同轴，高压压气机HPC和高压涡轮HPT同轴，低压轴与高压轴为共轴心的套轴安装形式，动力涡轮VGPT通过齿轮箱与负载相连，低压压气机一般为轴流式多级压气机，其进口导叶为可转的，为了扩大压气机稳定范围，根据具体的压气机工作范围等参数，其前一级或前几级也可做成可转动形式，具体可转的排数通过经验或者大规模数值计算确定。另外，动力涡轮一般是轴流式多级涡轮，第一级或前两级导叶也是可转动的，具体可转的排数同样通过经验或者大规模数值计算确定。

本发明还包括进气管，且进气管与低压压气机相连。

本发明还包括排气管，且排气管与动力涡轮相连。

燃气轮机的工作过程属于布雷顿循环，然而在本发明中，由于压气机和涡轮为可变几何形式，从而使得本发明的燃气轮机工作过程属于可变的布雷顿循环。一般地，空气经由压气机提升压力和温度进入燃烧室，燃烧室中高压空气和燃料燃烧得到高温高压的燃气，高温高压的燃气进入涡轮并推动涡轮做功，带动压气机转动并对外输出轴功。

在燃气轮机处于低转速下，通过压气机可转导叶机构减小导叶安装角，在一定的流量系数下，可以改善导叶本身气流的冲角，避免了导叶气流分离，从而协调压气机工作，喘振边界左移，扩大压气机的运行范围。在燃气轮机处于极低转速下，压气机可转导叶的调节能力受限，此时，转动动力涡轮导叶，加大涡轮出口截面，可使燃气轮机的共同工作线向右方移动，从而增加压气机喘振裕度。此时，压气机增压比将略有下降，压气机压缩功也下降。虽然流过燃气轮机的空气流量有所增大，但燃气初温的下降起主要作用，因而使功率降低。另外，燃气轮机各部件间的参数匹配也由于涡轮可转导叶转动而得到明显改善，从而提高燃气轮机在低工况下的气动性能及经济性。

并且，当燃气轮机需要处于超设计负荷工况下运行，此时也可通过开大动力涡轮可转导叶的开度来实现。

在燃气轮机处于寒冷季节或极地，燃气轮机进气温度很低，此时压气机耗功减少，而动力涡轮输出功明显增加。为满足既定功率的要求，此时，关小动力涡轮可调导叶，减少燃气轮机工作气体的流量，从而维持功率不变或近似不变。

在燃气轮机处于高温季节，燃气轮机进气温度升高，此时压气机耗功明显增加，导致燃气轮机输出功率大幅降低，此时，通过开大动力涡轮可调导叶，增加燃气轮机进气流量，以维持功率不变或近似不变。

在沙漠地区，气温日变化非常大，可通过适时或者定时调整动力涡轮可调导叶的开度，来维持平稳的燃气轮机功率输出。

实施方式2：

结合图2，在图1基础上，通过在低压压气机VGLPC和高压压气机HPC之间增设间冷器IC，构成间冷循环燃气轮机，其属于复杂循环燃气轮机。

其他同实施方式1。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

一种变布雷顿循环燃气轮机，沿气流方向依次包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮，低压压气机和低压涡轮同轴，高压压气机和高压涡轮同轴，低压轴与高压轴为共轴心的套轴安装形式，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，低压压气机的进口导叶和前一级或前多级导叶设置为可转导叶，且动力涡轮第一级或前两级导叶为可转导叶。

本发明还可以包括：

1、还包括进气管，且进气管与低压压气机相连。

2、还包括排气管，且排气管与动力涡轮相连。

本发明的目的在于提供一种变布雷顿循环燃气轮机，沿气流方向依次包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮，低压压气机和低压涡轮同轴，高压压气机和高压涡轮同轴，低压轴与高压轴为共轴心的套轴安装形式，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，低压压气机的进口导叶和前一级或前多级导叶设置为可转导叶，动力涡轮第一级或前两级导叶为可转导叶。本发明不但能明显改善燃气轮机在低工况下的工作稳定性和性能，而且还具备良好的极端工况适应性。

Claims (5)

1.一种变布雷顿循环燃气轮机，沿气流方向依次设置低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮，所述低压压气机和低压涡轮同轴设置，高压压气机和高压涡轮同轴设置，动力涡轮通过齿轮箱与负载相连，其特征是：低压压气机的进口导叶和前一级或前多级导叶设置为可转导叶，且动力涡轮第一级或前两级导叶为可转导叶。

2.根据权利要求1所述的一种变布雷顿循环燃气轮机，其特征是：还包括进气管，且进气管与低压压气机相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种变布雷顿循环燃气轮机，其特征是：还包括排气管，且排气管与动力涡轮相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种变布雷顿循环燃气轮机，其特征是：低压压气机和高压压气机之间还设置有间冷器。

5.根据权利要求3所述的一种变布雷顿循环燃气轮机，其特征是：低压压气机和高压压气机之间还设置有间冷器。