CN106438046B - 具有自适应预旋流器的燃气轮机单元 - Google Patents

具有自适应预旋流器的燃气轮机单元 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机单元包括：沿着主轴线(A)延伸的压缩机(4)和涡轮机(5)；朝着涡轮机(5)输送冷却空气的冷却回路(12)；以及向冷却气流施加围绕主轴线(A)的旋转的预旋流器(15)。预旋流器(15)装配有流通道(17)，其每一个都具有进口部分(17a)、出口部分(17b)和连接段(17c)。连接段(17c)形成弯曲部，其被成形为使得连接段(17c)的、位于弯曲部内侧上的壁(17d)通过康达效应使冷却气流围绕主轴线(A)偏移与冷却气流的进口速度(VI)的绝对值相关的角度。出口部分(17b)的通流截面(S2)使得根据连接段(17c)所引发的旋转来获得冷却气流的多个出口角度。

Description

具有自适应预旋流器的燃气轮机单元
技术领域
本发明涉及一种具有自适应预旋流器的燃气轮机单元。
背景技术
如公知的，在燃气轮机系统中，叶片和其他涡轮机膨胀级组件在使用中必须被冷却，否则它们将会因为极高温度的工作流体(从燃烧室排出的热气体)而在短时间内受损。新鲜空气通常用于冷却，其从压缩机引出并通过冷却回路(也称为副空气回路)供应，该冷却回路由部分地存在于定子和转子之间并且部分地位于叶片内部的流体通道所限定。冷却空气随后通过叶片表面的孔流出并导入到工作流体的主流中。
转子叶片和定子叶片都需要冷却。然而对于前者来说，有效冷却系统的实施出现了更显著的问题，因为冷却空气在固定且旋转的组件之间流过。供应冷却空气的回路中可能发生的压力下降会导致温度的升高，从而降低了冷却系统的效率。除了机器输出功率可能下降之外，低效的冷却系统会导致涡轮机组件的过早劣化，在某些情况下甚至会导致灾难性的损坏。为了避免这类问题，必须向冷却气流施加围绕机器的主轴线的旋转，使得冷却气流的切向速度分量保持与转子速度成比例。这意味着在来自定子的冷却气流的切向速度分量和冷却气流在固定且旋转的组件之间流过之处的、距离主轴线一定距离处的转子的切向速度之间存在预定比率，也称为涡旋率。
发明内容
该目的主要通过使用沿着冷却回路的旋流器或预旋流器以需要的方式偏移气流来实现。
然而，现有技术中已知的解决方案具有显著的限制。预旋流器被设计为在特定的工作情况下获得最优涡旋率，该情况下燃气轮机运行的时间更多。在这些运行情况下，气流速度是可预见和恒定的，因此也可以确定的是向气流施加旋转从而使其与转子速度成比例。然而，运行情况并非总是相同的。在用于产生电力的现代系统中，例如，供应到配电网的电力必须与用户的需求和本地操作员限定的预计使用成比例，其在日常循环中具有显著的差异(特别地，通常存在处于标定功率下的常规运行期和在尽可能低的容量下的运行期)。独立的发电单元需要参与电网频率的监视，因此在不可预见的时间时可能需要做出贡献。当电力供应变化时，在预旋流器中的气流速度模块也会根据所需的不同输出而变化，同时其方向基本上保持恒定，转子的速度也是一样。气流速度的减小导致了切向分量的相应减小，使得其不再根据最优涡旋率与转子的速度成比例。通过举例的方式在图1中示出使用现有技术中已知类型的预旋流器的后果，其中矢量VR表示对应于预旋流器出口的、转子在距离主轴线一定距离处的切向速度，矢量VI1、VI2各自表示预旋流器进口处的冷却气流在第一运行情况(例如处于标定功率下)和第二运行情况(例如处于最小容量下)下的速度，并且矢量VO1、VO2各自表示预旋流器出口处的冷却气流在第一运行情况和第二运行情况下的速度。
矢量VO1、VO2在矢量VR的方向上需要具有不同的切向分量VO1T、VO2T。因此明显的是，例如，来自预旋流器的气流的切向速度分量和转子的切向速度之间的比率仅给出了在一个操作情况下的最优涡旋率。除了该特定的情况，例如，如果通过预旋流器输送的空气的速度降低(如通过矢量VI2产生的那样)，则来自预旋流器的气流的切向速度分量和转子的切向速度之间的比率远离所述最优值。
因此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机，其可以克服或至少减少上述的限制，且特别地，其可以在多种运行情况下使冷却气流的切向速度分量适应于转子的速度。
根据本发明提供了一种燃气轮机单元，其包括：
沿着主轴线延伸的压缩机和涡轮机；
冷却回路，其配置为从压缩机朝着涡轮机输送冷却气流；以及
预旋流器，其沿着冷却回路布置，并且配置为向冷却气流施加围绕主轴的旋转，
其中，预旋流器包括多条流通道，其每一个都具有具有第一通流截面的进口部分、具有第二通流截面的出口部分以及位于进口部分和出口部分之间的连接段；
连接段形成第一弯曲部，其被成形为使得连接段的、限定第一弯曲部的内侧的第一壁通过康达效应使冷却气流围绕主轴线偏移一定角度，该角度与冷却气流的进口速度的绝对值相关；并且
出口部分的第二通流截面使得根据连接段引发的旋转来获得冷却气流的多个出口角度。
附图说明
现在将通过参考所附附图来描述本发明，附图示出本发明的某些非限制性的实施例，其中：
图1是示出与现有技术的燃气轮机单元相关的参数的视图；
图2是根据本发明的实施例的燃气轮机单元沿轴向、纵向平面截取的侧视图；
图3示出了图2的燃气轮机单元的放大部分；
图4是图1的燃气轮机单元的组件的一部分的立体图；
图5是以沿着图4的平面V-V截取的剖面示出的、图4中的组件的立体图；
图6是图4的组件的一部分的示意图；
图7是图4中的组件的相同部分处于第一操作配置的示意图；
图8是图4中的组件的相同部分处于第二操作配置的示意图；
图9是示出与图2中的燃气轮机单元相关的参数的视图；
图10是根据本发明的替选实施例的燃气轮机单元的组件的一部分的立体图；
图11是图10中的组件的平面示意图；
图12是根据本发明的另一个替选实施例的燃气轮机单元的组件的一部分沿着轴向、纵向平面截取的侧视图。
具体实施方式
在图2中，整体示出了用于电能生产系统的燃气轮机单元1。
燃气轮机单元1包括定子2，沿着主轴线A延伸的转子3以及燃烧室6。
定子2限定了壳体，以用于容纳可围绕主轴线A旋转的转子3。进一步的，定子2和转子3构成了具有所述转子3的压缩机4和涡轮机5。
更准确地说，转子3装配有布置为环形阵列的多个压缩机转子叶片7和涡轮机转子叶片8，它们沿着转子3的轴线A连续地定位。
压缩机定子翼片9和涡轮机定子翼片10附接到壳体2，它们各自位于压缩机转子叶片7和涡轮机转子叶片8之间。
压缩机4和涡轮机5通过被称为中心空心轴11的旋转元件隔开。
在此处描述的实施例中，燃烧室6为环形状，并围绕中心空心轴11定位于压缩机4和涡轮机5之间。然而，这并非被认为是唯一的选择，因为本发明也可以优选地采用不同类型的燃烧室，特别是筒仓式或环管式燃烧室。
参考图3的示意图，冷却回路12在定子2和转子3中部分地延伸，以允许冷却气流AF从压缩机4输送至涡轮机5，从而避免涡轮机转子叶片8和涡轮机定子翼片10过热。冷却回路12包括预旋流器15，其配置为向从压缩机4输送来的冷却气流AF施加围绕轴线A的旋转。
根据本发明的一个实施例，预旋流器15包含在定子2中被称为轴盖16的一部分中，并大致上由定位在中心空心轴11周围的圆柱壁所限定。预旋流器15在最接近压缩机4的下游处流体地耦合冷却回路12的第一部分，并耦合冷却回路12的第二部分，该第二部分在轴盖16(其固定、作为定子2的一部分)和中心空心轴11(其旋转、作为转子3的一部分)之间的环形空腔中延伸。
参考图4-6，预旋流器15包括围绕主轴线A设置的多条流通道17。根据一个实施例，流通道17为轴盖16上的通孔，并各自沿着围绕主轴线A弯曲部的路径延伸。特别地，流通道17的形状允许根据转子3的角速度来修正冷却气流AF的切向速度分量，该角速度基本上是恒定的。在此处和本文余下部分中，施加在给定点处的速度矢量，尤其是涉及冷却气流AF的速度矢量，将理解为具有轴向分量、径向分量和切向分量，该轴向分量平行于主轴线A，该径向分量垂直于主轴线A，该切向分量定位为与圆周相切，该圆周与主轴线A同心并具有与到基圆的主轴线A的距离或者到速度矢量的起始点的距离相等的半径。
更精确地(尤其参照图6)，每条流通道17都包括进口部分17a、出口部分17b和位于进口部分17a和出口部分17b之间的连接段17c。另外，流通道17的中线大致上在某一平面中延伸，该平面例如(但并非必须的)为垂直于主轴线A的平面。
进口部分17a可以是径向的。出口部分17b具有某一宽度，该宽度允许冷却气流AF以出口速度VO离开预旋流器15，该出口速度VO相对于进口部分17a中的进口速度VI的方向形成可在一定范围内变化的出口角度α(图5)，该范围例如包含在40°和89°之间。为此，进口部分17a的通流截面S1和出口部分17b的通流截面S2之间的比率在0.3和3之间的范围内。
连接段17c限定第一弯曲部，且被配置为通过康达效应来基于进口速度VI的绝对值使冷却气流AF偏移可变的角度。特别地，连接段17c由第一弯曲部内部的第一侧壁17d以及与第一侧壁17d相对且位于第一弯曲部外部的第二侧壁17e所界定。
第一侧壁17d可以具有恒定的曲率半径。为了在进口速度VI包含在20m/s和250m/s之间的情况下通过康达效应获得所需的偏移，进口部分17a的通流截面S1的当量直径与第一侧壁17d的曲率半径R1之间的比率可包含在0.02和6之间。在此处和本文余下部分中，给定通道的“当量直径”理解为指的是具有圆形截面的通道的直径，该圆形截面的面积与给定通道的通流截面的面积相等。
在这些情况下，冷却气流AF趋向于附着在流通道17的第一弯曲部的第一内侧壁17d上，并因此被偏移到分离点，如图7所示(在低进口速度下，分离点可对应于流通道17的出口边缘)。当绝对速度值增大时，相对于流通道17内的路径，分离点从内壁17d进一步向后移动。冷却气流AF因此被更大程度地偏移，并且当进口速度VI具有较低的绝对速度时承受较大的旋转，反之亦然。
在出口部分17b中，第二侧壁17e限定了第二弯曲部，当被冷却气流AF覆盖时，第二弯曲部施加了与第一弯曲部所施加的旋转相反的旋转。在此处和本文余下部分中，“相反的旋转”或“以相反的方向旋转”指的是如果在给定系统中第一弯曲部向冷却气流AF施加了顺时针的旋转，则第二弯曲部在同一个给定系统中向冷却气流AF施加了逆时针的旋转(反之亦然)。实际上，在垂直于主轴线A并包含流通道17的中线的平面上，第二弯曲部给予了第二侧壁17e相对于第一侧壁17d扩张的轮廓。第二侧壁17e的形状相对于第一侧壁17d提供了额外的贡献，并且使得可由预旋流器15获得的、出口速度VO的出口角度α的范围得到进一步增大.进一步地，第二弯曲部被设计为仅在绝对速度值在可接受的范围内超过临界阀值时完全地被冷却气流AF覆盖(图8).该临界阀值根据燃气轮机单元的运行情况详细确定，且可以对应于满负荷情况下的冷却气流AF的速度。对于小于该阀值的绝对速度值，冷却气流AF被第二侧壁17e偏移，从而不接触第二弯曲部(图7)。在这些情况下，第二弯曲部实际上并不起作用。根据非限制性的实施例，第一弯曲部的曲率中心C1和第二弯曲部的曲率中心C2之间的径向距离D(距离主轴线A的距离之间的差值，图6)等于通过乘法系数K计算的、第一弯曲部的曲率半径R1和第二弯曲部的曲率半径R2的算术平均值，例如，K小于10：
Figure BSA0000135223560000061
当进口速度VI接近可接受范围内的最小值时，第一弯曲部通过康达效应产生的偏移最大。冷却气流AF并非显著地被第二弯曲部影响。
随着进口速度VI增大，分离点从第一侧壁17d向后移动，因而使得由第一弯曲部施加的旋转逐步地减小.
当进口速度接近临界阀值时，第二侧壁17e的第二弯曲部的效应开始显现。实际上，第二弯曲部向冷却气流AF施加了与第一弯曲部所施加的旋转相反的旋转，从而进一步减小了由流通道17提供的整体旋转。
如图9的定性表示所示，冷却气流AF的速度的绝对值的增大和旋转的减小之间的平衡使得切向速度分量在燃气轮机单元1的所有运行情况下基本保持恒定。如所示的，具有较大绝对值的进口速度VI1对应于出口速度VO1的、较小的角度α1的旋转，而具有较小绝对值的进口速度VI2对应于出口速度VO2的、较大的角度α2的旋转.切向速度分量VO1T，VO2T在两种情形下基本上相等。
冷却回路12的效率因此在所有运行情况下都保持在最优水平，并且避免或至少显著地降低了冷却气流AF的速度变化造成压力降低和温度升高从而影响机器的整体效率并且长远来看影响其整体结构的风险。
另外，有利地，该结果是通过利用康达效应获得的。由于其形状，预旋流器15因而可以根据运行情况调整冷却气流AF的切向速度分量，而不需要调节件和移动部件。特别地，第一弯曲部能够在低速下获得大的偏移。相反，第二弯曲部减小了冷却气流AF在高速下的旋转，本质上能够使得所接受的速度范围得到扩展。
根据一个实施例，如图10和11所示，构建在燃气轮机单元的轴盖116(未完全示出)中的预旋流器115包括多个切向翼片118，其限定了围绕主轴线的相同的流通道117，该主轴线在此处标示为A’。图11中示出了预旋流器115的平面示意图。具体地，每个翼片118都具有彼此相对的第一表面188a和第二表面118b。每条通道117因此由翼片118的第一表面118a和邻近的翼片118的第二表面118b所限定。流通道117是弯曲的，且包含进口部分117a、出口部分117b和位于进口部分117a和出口部分117b之间的连接段117c。连接段117c形成第一弯曲部，该第一弯曲部界定在一个相应的翼片118的第一表面118a的内侧和另一个相应的翼片118的第二表面118b的外侧。连接段117c的第一弯曲部配置为通过康达效应来基于进口速度VI’的绝对值使冷却气流AF’围绕主轴线A’偏移可变的角度。此外，出口部分117b形成第二弯曲部，其再次通过康达效应在绝对速度值接近临界阀值时向冷却气流AF’施加相反的旋转。第二弯曲部由界定了流通道117的、翼片118的第二表面118b的端部来限定。
为了通过康达效应获得需要的气流偏移，根据非限制性的实施例，气流通道117可以具有已经参考图3-9限定的参数，特别地：
进口部分117a的通流截面S1’和出口部分117b的通流截面S2’之间的比率包含在0.3和3之间；
对于包含在20m/s和250m/s之间的进口速度VI’，进口部分117a的通流截面S1’的当量直径与第一表面118a的曲率半径R1’之间的比率包含在0.02和6之间；并且
第一弯曲部的曲率中心C1’和第二弯曲部的曲率中心C2’之间的径向距离D’等于通过乘法系数K’计算的、第一弯曲部的曲率半径R1’和第二弯曲部的曲率半径R2’的算术平均值，例如，K’小于
Figure BSA0000135223560000071
根据一个实施例，如图12所示，燃气轮机单元(仅部分示出)包括冷却回路212，其部分地延伸穿过涡轮机定子翼片201和涡轮机转子叶片208。至少在涡轮级内，冷却回路包括环213，其具有U形横截面并限定了环形室214。环213将涡轮机定子翼片210的端部相连接，并且除了具有结构性功能之外，还作为容器，从而朝着冷却回路在涡轮机转子叶片208内部延伸的部分输送冷却空气。环213装配有包括多条流通道217的预旋流器215。根据一个实施例，流通道217由将室214与环213的外部相连接并相对于主轴线A”倾斜地延伸的孔限定。流通道217被成形为大致上如前面所描述的那样通过康达效应根据冷却气流的速度施加围绕主轴线A”的旋转。特别地，流通道217形成：第一弯曲部，其具有内壁，该内壁在冷却气流的低速下施加最大的旋转；以及第二弯曲部，其在冷却气流速度接近临界阈值时施加与第一弯曲部所施加的旋转相反的旋转。
最后，显而易见的是，在没有超出所附权利要求所述的本发明的保护范围的情况下，本文所述的燃气轮机单元可以进行修改和变化。

Claims (8)

1.一种燃气轮机单元，其包括：
沿着主轴线延伸的压缩机和涡轮机；
冷却回路，其配置为从压缩机朝着涡轮机输送冷却气流；以及
预旋流器，其沿着冷却回路布置，并且配置为向冷却气流施加围绕主轴的旋转，
其中，预旋流器包括多条流通道，其每一个都具有进口部分、出口部分以及位于进口部分和出口部分之间的连接段，该进口部分具有第一通流截面，该出口部分具有第二通流截面；
连接段形成第一弯曲部，其被成形为使得连接段的、限定第一弯曲部的内侧的第一壁通过康达效应使冷却气流围绕主轴线偏移一定角度，该角度与冷却气流的进口速度的绝对值相关；并且
出口部分的第二通流截面使得根据连接段引发的旋转来获得冷却气流的多个出口角度，进口部分的第一通流截面的当量直径与第一壁的第一曲率半径之间的比率包含在0.02和6之间。
2.如权利要求1所述的燃气轮机单元，其中，连接段的第一壁被配置为，使得当进口速度的绝对值较低时，冷却气流以较大的角度围绕主轴线偏移，并且当进口速度的绝对值较大时，冷却气流以较小的角度围绕主轴线偏移。
3.如权利要求1所述的燃气轮机单元，其中，流通道被成形为，使得冷却气流在预旋流器的出口处的出口速度相对于进口速度的方向形成包含在40°和89°之间的出口角度。
4.如权利要求1所述的燃气轮机单元，其中，进口部分的第一通流截面和出口部分的第二通流截面之间的比率包含在0.3和3之间。
5.如权利要求1所述的燃气轮机单元，其中，每条流通道都由第二壁界定，该第二壁与第一壁相对并限定了第二弯曲部，当被冷却气流覆盖时，该第二弯曲部通过康达效应向冷却气流施加与第一弯曲部所施加的旋转相反的旋转。
6.如权利要求5所述的燃气轮机单元，其中，第二弯曲部布置在第二壁的一部分上，该部分在进口速度的绝对值大于阀值时接触冷却气流，并且在进口速度的绝对值小于该阀值时不与冷却气流相互作用。
7.如权利要求1所述的燃气轮机单元，其中，第一弯曲部的曲率中心和第二弯曲部的曲率中心之间的径向距离与第一弯曲部的第一曲率半径和第二弯曲部的第二曲率半径相关。
8.如权利要求7所述的燃气轮机单元，其中，第一弯曲部的曲率中心和第二弯曲部的曲率中心之间的径向距离与第一弯曲部的第一曲率半径和第二弯曲部的第二曲率半径成比例。
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