CN107725195A - 一种进气蜗壳以及燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源系统设计领域，公开一种进气蜗壳以及燃气轮机，进气蜗壳用于连接燃烧室和高压导向器，包括收缩管、环形管以及至少一组导流叶片，其中：收缩管连接于燃烧室的出气口，且沿背离燃烧室方向，收缩管的横截面面积逐渐减小；环形管连通收缩管的出气口和高压导向器，环形管的气流方向与收缩管的气流方向垂直；至少一组导流叶片沿环形管的周向方向均匀设置在环形管内以形成导气通道，在高温高压燃气经过导气通道时，高温高压燃气在导流叶片的作用下气流从较大的出口气流角偏转为接近轴向，使得高压导向器的入口气流角较小，从而保证高温高压燃气推动涡轮的做功能力及效率，实现进入高压导向器的气体的气流角较小，且结构紧凑，制造方便。
Description
技术领域
本发明涉及能源系统设计领域，特别涉及一种进气蜗壳以及燃气轮机。
背景技术
在能源技术领域，燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质、将热能转换为机械能的旋转式动力机械，主要由压气机、燃烧室和燃气透平三部件组成，而由于单管或者环管燃烧室与燃气透平的高压导向器之间的截面形状以及面积的不同，一般采用进气蜗壳进行转接，进气蜗壳是外形类似蜗牛壳的集气室，用于从燃烧室引入并收集气体。
目前，燃气透平采用轴流涡轮，进气蜗壳需要将从燃烧室流出的气流由垂直于机组中心线的管道引入，通过蜗壳的管道截面积的逐渐收缩在周向将气流流量均匀分配，然后转弯90°变成环状轴向流动至燃气透平的高压导向器进口的叶片，而为了保证涡轮效率，通常高压导向器进口的气流角(气流方向与轴向的夹角)需要尽可能的接近0°，但是由于进气蜗壳出口具有相对较大的周向速度，导致进气蜗壳出口气流角通常都比较大，而为了保证涡轮效率，将涡轮入口气流角设计成轴向进气时，涡轮进口会出现负攻角，导致叶片压力面出现严重的分离现象，堵塞流道，影响涡轮做功。而通过放大蜗壳体积来减小周向速度，从而减小蜗壳出口气流角的方法虽然可行，但是会显著增大整机的体积。
发明内容
本发明提供了一种进气蜗壳以及燃气轮机，该进气蜗壳能够提高值班级燃料、主燃级燃料以及空气混合的均匀性，结构简单且操作方便。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种进气蜗壳，用于连接燃烧室和高压导向器，包括收缩管、环形管以及至少一组导流叶片，其中：
所述收缩管连接于所述燃烧室的出气口，且沿背离所述燃烧室方向，所述收缩管的横截面面积逐渐减小；
所述环形管连通所述收缩管的出气口和高压导向器，所述环形管的气流方向与所述收缩管的气流方向垂直；
所述至少一组导流叶片沿所述环形管的周向方向均匀设置在所述环形管内以形成导气通道。
在上述进气蜗壳中，空气在燃烧器内与燃料混合后燃烧形成高温高压燃气经过燃烧室的出气口进入进气蜗壳，由于环形管的气流方向与收缩管的气流方向垂直，故进入高压导向器的气流方向与燃烧室的出气口处的气流方向垂直；在高温高压燃气经过收缩管时，由于沿背离燃烧室方向，收缩管的横截面面积逐渐减小，使得高温高压燃气能够周向流量均匀分配，但是同时高温高压燃气的流速变大，收缩管出口的气流角较大，气流在转向90°后进入环形管的出口气流角同样很大，在高温高压燃气经过导气通道时，高温高压燃气在导流叶片的作用下气流从较大的出口气流角偏转为接近轴向，使得高压导向器的入口气流角较小，从而保证高温高压燃气推动涡轮的做功能力及效率，而上述进气蜗壳只是在环形管内增加了导流叶片，就能够实现进入高压导向器的气体的气流角较小，结构紧凑，制造方便。
因此，上述进气蜗壳能够减小高压导向器的入口气流角，且结构简单，便于制造。
优选地，所述导气通道的出口气流角不大于10°。
优选地，一组所述导流叶片相对于环形管轴线的偏转角为所述环形管的出口气流角。
优选地，所述环形管的出口气流角为多组所述导流叶片相对于环形管轴线的偏转角之和。
优选地，所述一组导流叶片的数目与所述高压导向器的叶片数一致。
优选地，所述导流叶片与所述高压导向器的叶片交错设置。
优选地，所述导流叶片为直叶片。
优选地，所述收缩管与环形管一体成型。
优选地，所述收缩管与环形管焊接连接。
另外，本发明还提供了一种燃气轮机，还包括如上述任一项技术方案所述的进气蜗壳，所述进气蜗壳与所述燃烧室以及涡轮的高压导向器相连接。
在上述燃气轮机中，由于进气蜗壳能够减小高压导向器的入口气流角，且结构简单，便于制造，因此具有该进气蜗壳的燃气轮机最大程度保证涡轮效率和做功能力，结构紧凑，便于制造。
附图说明
图1是本发明提供的一种进气蜗壳的结构示意图；
图2是图1中A位置的放大示意图；
图3是本发明提供的一种燃气轮机的结构示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1、图2以及图3所示，一种进气蜗壳6，用于连接燃烧室5和高压导向器7，包括收缩管61、环形管62以及至少一组导流叶片63，其中：
收缩管61连接于燃烧室5的出气口，且沿背离燃烧室5方向，收缩管61的横截面面积逐渐减小；
环形管62连通收缩管61的出气口和高压导向器7，环形管62的气流方向与收缩管61的气流方向垂直；
至少一组导流叶片63沿环形管62的周向方向均匀设置在环形管62内以形成导气通道。
在上述进气蜗壳6中，空气在燃烧室5内与燃料混合后燃烧形成高温高压燃气经过燃烧室5的出气口进入进气蜗壳6，由于环形管62的气流方向与收缩管61的气流方向垂直，故进入高压导向器7的气流方向与燃烧室5的出气口处的气流方向垂直；在高温高压燃气经过收缩管61时，由于沿背离燃烧室5方向，收缩管61的横截面面积逐渐减小，使得高温高压燃气能够周向流量均匀分配，但是同时高温高压燃气的流速变大，收缩管61出口的气流角较大，气流在转向90°后进入环形管62的出口气流角同样很大，在高温高压燃气经过导气通道时，高温高压燃气在导流叶片63的作用下气流从较大的出口气流角偏转为接近轴向以调节出口气流角，使得高压导向器7的入口气流角较小，从而保证高温高压燃气推动涡轮的做功能力及效率，而上述进气蜗壳6只是在环形管62内增加了导流叶片63，就能够实现进入高压导向器7的气体的气流角较小，结构紧凑，制造方便。
因此，上述进气蜗壳6能够减小高压导向器7的入口气流角，且结构简单，便于制造。
为了进一步保证高温高压燃气涡轮的做功能力及效率，一种优选的实施方式，导气通道的出口气流角不大于10°。
在上述进气蜗壳6中，导气通道的出口气流角可以为10°、9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°、0°，根据进气蜗壳6的具体实际情况选择导气通道的出口气流角，在导气通道的出口气流角为0°时，高压导向器7的入口气流角为0°，高温高压燃气在进入涡轮时轴向进气，能够最大程度地保证涡轮的做功能力及效率，根据实验数据，当导流叶片63将涡轮平均入口气流角从50°左右减小到小于8°时，涡轮效率提升1.2％，做功提高近3％。
具体地，一组导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角可以为环形管62的出口气流角。
在上述进气蜗壳6中，为了确定导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角，可先计算出不安装导流叶片63时进气蜗壳6的出口气流角即环形管62的出口气流角，而高压导向器7是轴向进气，即进口气流角为0°，这两个角度的差值即为导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角，当环形管62内设置一组导流叶片63时，为了保证导气通道的出口气流角不大于10°，每一个导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角可以为环形管62的出口气流角，还可以为满足要求的其他角度。
具体地，环形管62的出口气流角可以为多组导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角之和。
在上述进气蜗壳6中，当进气蜗壳6出口气流角过大时，在环形管62内仅设置一组导流叶片63会使得导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角过大而出现流动分离的现象，不利于气流的稳定性，且会对进气蜗壳6造成损伤，此时可以在环形管62内设置多组导流叶片63以分担环形管62的出口气流角，环形管62的出口气流角可以为多组导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角之和，多组导流叶片63相对于环形管62轴线的偏转角可以相同，也可以不同。
一种优选的实施方式，一组导流叶片63的数目可以与高压导向器7的叶片数一致。
在上述进气蜗壳6中，一组导流叶片63的数目可以与高压导向器7的叶片数一致，一组导流叶片63的数目也可以与高压导向器7的叶片数大致相当，一组导流叶片63的数目可以根据进气蜗壳6以及高压导向器7的实际情况进行选择。
具体地，导流叶片63与高压导向器7的叶片交错设置。
在上述进气蜗壳6中，高温高压燃气导气通道的导流叶片63时，导流叶片63尾缘后会产生低速低压的尾迹区，尾缘半径越大，尾迹区越宽，为了避免尾迹对高压导向器7叶片性能产生影响，导流叶片63与高压导向器7的叶片采用交错排列，即导流叶片63尾缘的延伸线位于高压导向器7两个叶片的中间位置。
具体地，导流叶片63为直叶片。
在上述进气蜗壳6中，由于高温高压燃气经过导气通道后进入到高压导向器7内膨胀做功，故任意两个导流叶片63之间形成的气体通道从进口到出口的面积尽可能保持不变。导流叶片63可以采用直叶片的形式，直叶片的加工成本较低，导流叶片63还可以采用能够满足要求的其他结构形式。
为了便于加工制造，一种优选的实施方式，收缩管61与环形管62一体成型。
在上述进气蜗壳6中，收缩管61与环形管62可以通过模具一次成型，无需进行二次加工，精度较高，成型方便。
为了便于装拆更换，一种优选的实施方式，收缩管61与环形管62焊接连接。
在上述进气蜗壳6中，收缩管61与环形管62可以通过焊接实现两个部件的固定连接，还可以通过其他能够满足密封等要求的固定连接方式实现两个部件的固定连接。
另外，本发明还提供了一种燃气轮机，还包括如上述任一项技术方案的进气蜗壳6，进气蜗壳6与燃烧室5以及涡轮的高压导向器7相连接。
在上述燃气轮机中，空气经压气机1增压后，经过扩压器2进入机匣3，从机匣3的两侧出口4流入燃烧室5，在燃烧室5内与燃料混合后燃烧形成高温高压燃气进入进气蜗壳6，经过进气蜗壳6的作用气流在转向90°且减小高压导向器7的入口气流角后流入高压导向器7，推动涡轮旋转做功，从燃烧室5进入进气蜗壳6的燃气高温高压燃气速度较大，经过进气蜗壳6的作用进入涡轮时的周向流量能够均匀分配，而高压导向器7的入口气流角较小能够避免轴向进气的涡轮气流通道的严重堵塞，提高涡轮做功能力及效率。内部组件设置在机匣3结构内，整体结构紧凑，便于制造。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种进气蜗壳，用于连接燃烧室和高压导向器，其特征在于，包括收缩管、环形管以及至少一组导流叶片，其中：
所述收缩管连接于所述燃烧室的出气口，且沿背离所述燃烧室方向，所述收缩管的横截面面积逐渐减小；
所述环形管连通所述收缩管的出气口和高压导向器，所述环形管的气流方向与所述收缩管的气流方向垂直；
所述至少一组导流叶片沿所述环形管的周向方向均匀设置在所述环形管内以形成导气通道。
2.根据权利要求1所述的进气蜗壳，其特征在于，所述导气通道的出口气流角不大于10°。
3.根据权利要求2所述的进气蜗壳，其特征在于，一组所述导流叶片相对于环形管轴线的偏转角为所述环形管的出口气流角。
4.根据权利要求2所述的进气蜗壳，其特征在于，所述环形管的出口气流角为多组所述导流叶片相对于环形管轴线的偏转角之和。
5.根据权利要求1所述的进气蜗壳，其特征在于，所述一组导流叶片的数目与所述高压导向器的叶片数一致。
6.根据权利要求5所述的进气蜗壳，其特征在于，所述导流叶片与所述高压导向器的叶片交错设置。
7.根据权利要求6所述的进气蜗壳，其特征在于，所述导流叶片为直叶片。
8.根据权利要求1所述的进气蜗壳，其特征在于，所述收缩管与环形管一体成型。
9.根据权利要求1所述的进气蜗壳，其特征在于，所述收缩管与环形管焊接连接。
10.一种燃气轮机，包括燃烧室和涡轮，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的进气蜗壳，所述进气蜗壳与所述燃烧室以及涡轮的高压导向器相连接。
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