CN108138659A - 压气机装置和燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压气机装置(100)和包括该压气机装置(100)的燃气涡轮发动机。压气机装置(100)包括主压气机部段(10)，该主压气机部段再包括穿过主压气机部段(10)的主流体路径(13)的边界壁(11、12)。主压气机部段(10)还包括多排动叶(16)和多排静叶(17)，主压气机部段(10)并分段成上游子部段(14)和下游子部段(15)，上游子部段(14)和下游子部段(15)中的每一个包括布置在主流体路径(13)内的至少一排动叶(16)和至少一排静叶(17)。过渡件(20)被提供并且位于主压气机部段(10)的多排动叶(16)的下游，过渡件(20)包括穿过过渡件(20)的主流体路径(13)的另外的边界壁(21、22)。压气机装置(100)包括环形腔体(30)、将下游子部段(15)或过渡件(20)与腔体(30)连接的溢流开口(48)、在操作期间控制从主流体路径(13)经由溢流开口(48)到腔体(30)中的压气机流体(41)的溢流的至少一个阀(40)、以及连接腔体(30)与主压气机部段(30)的在操作期间引导腔体(30)和主压气机部段(10)的主流体路径(13)之间的流体的通道(50)，其中通道(50)位于上游子部段(14)和下游子部段(15)之间，并且通道(50)位于溢流开口(48)的上游的至少一排动叶(16)和至少一排静叶(17)处。

Description

压气机装置和燃气涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种压气机装置，即燃气涡轮发动机的子部段，其允许将转移的主流体再注入回到压气机部段中的位置处的主流体路径中。此外，本发明涉及一种燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机像其它旋转机械或涡轮机一样需要在一系列的操作模式下运行。特别是，可能需要在宽负载范围上操作燃气涡轮发动机。此外，可能需要在不同环境温度水平下操作燃气涡轮发动机。此外，可能需要针对所有不同操作模式满足排放要求。
在燃气涡轮发动机中，通常环境空气作为相对冷的流体可以被压气机压缩(例如，燃气轮机的压气机部段)并且被提供给燃烧装置，在该燃烧装置中仍然基本上冷的流体(温度在压气机部段的排出处可以是几百摄氏度，但至少比燃气涡轮发动机的燃烧装置内的作业条件要冷得多)将与燃料一起反应，以为后续的涡轮机部段提供驱动力，在后续的涡轮机部段中来自燃烧装置的热和经加压的流体将驱动涡轮机的转子动叶，以再驱动轴。轴可以再驱动压气机部段的动叶，以执行环境空气的压缩，并且剩余的动力将驱动附接至燃气涡轮发动机的轴的发电机或旋转负载。
在燃烧装置中或在越过燃烧装置的下游部段中，高温可能出现在引导热流体通过燃气涡轮发动机的部件上。温度可以高达1500℃或者甚至更高。关于排放，例如对于一氧化碳(化学符号：CO)和未燃烧的碳氢化合物的排放，高的燃烧温度可以是有利的。
此外，应当注意的是，即使这可能降低压气机的效率，但是已知并非所有的压缩空气都可以被用于燃烧。一部分空气可以以其它不同方式而被使用，如在压气机的进口或燃气涡轮发动机的入口处的除冰，或者涡轮机动叶冷却，或者其它部件的冷却。因此，根据应用，通常在压气机级之中或之后从发动机内取得经压缩的空气。这种转移的压缩空气通常被称为引气，并且通常不被提供给燃烧器用于燃烧。
还可以有理由从压气机提取空气并将其直接引导至燃气涡轮发动机的排气。尽管这是有计划的措施，但这导致整体效率降低。此外，潜在的空气提取可能在压气机的流动中产生不平衡，这可能引发压气机不稳定(例如压气机喘振、失速)或发动机不稳定(例如，不均匀的发动机温度、在燃烧器中火焰闪灭)。
应当注意的是，作为通常在燃气轮机设计中的一般目标，力求于在满负载下利用尽可能少的燃料供应进行稀薄燃烧，特别是为了减少燃料的消耗。稀薄燃烧通常可以针对满负载操作而被配置和被优化。
由于低负载操作通常远离最佳设计条件，在连续的低负载操作中运行燃气涡轮发动机可能是有问题的。对于瞬态低负载操作，短时间的超过法定排放可能不是问题，但对于连续的低负载操作，应当符合给定的排放要求。
目标是提供一种解决方案，用以扩展充分满足排放要求的操作模式的范围。
在WO2008/123904A2中可以找到一个选项，即，在部分负载模式中以降低的CO排放操作燃气涡轮发动机。存在多个管道，用以将压气机空气引流至大气、排气或入口。
发明内容
本发明寻求提供解决方案以扩展燃气涡轮发动机的操作模式的范围，而不会有与排放有关的实质性的负面影响。
这一目标通过独立权利要求而被实现。从属权利要求描述了本发明的有利改进和修改。
根据本发明，提供了一种压气机装置(即燃气轮机发动机的子部件)包括主压气机部段、过渡件和环形腔体。主压气机部段(特别是涡轮压气机或轴流式压气机)包括穿过主压气机部段的主流体路径的边界壁，主压气机部段包括多排动叶和多排静叶并且主压气机部段被分段为上游子部段和下游子部段，上游子部段和下游子部段的每一个包括布置在主流体路径内的至少一排动叶和至少一排静叶。主压气机部段特别地是燃气涡轮发动机的一体部分。过渡件位于主压气机部段的多排动叶的下游(即过渡件不包括动叶并且优选地也不包括静叶)，过渡件包括穿过过渡件的主流体路径的另外的边界壁。这意味着过渡件的另外的边界壁将引导从主压气机部段提供的主流体。所提及的腔体优选地不是主流体路径的一部分，并且优选地径向地包围主流体路径。此外，腔体是环形腔体。压气机装置并且具体是主压气机部段包括将下游子部段或过渡件、与环形腔体连接的溢流开口。压气机装置还包括至少一个阀，以在操作期间控制从主流体路径(即从过渡件或从下游子部段)经由溢流开口到腔体中的压气机流体的溢流，即，经由通过阀限定的通道的流体的流通被控制和/或被偏置，例如，可能甚至完全被关闭。此外，压气机装置包括连接腔体与主压气机部段的通道，以在操作期间引导腔体和主压气机部段的主流体路径之间的流体，其中通道位于上游子部段和下游子部段之间，并且通道位于溢流开口上游的至少一排动叶和至少一排静叶处。
本发明因此允许将主流体的一部分(即压缩空气)从过渡件(在过渡件处的主流体在这种情况下称为压气机排出流体)或者从下游子部段重新导向返回到主压气机部段的中间部段处的流体路径中。由于过渡件处主流体的温度被升高，这种升高温度的流体被注入到流体路径中，进入更低温度的主流体中，增加了经过混合点(即通道的下游)的主流体的总体温度。因此，在过渡件处的主流体的温度随时间而上升。然后主流体的一部分被重新导向，并且主流体的剩余部分(占主要部分)被提供至过渡件下游的燃烧装置。由于这种持续的重新导向(或再循环)流体流，过渡件处的主流体的总体温度升高，特别是提供至燃烧装置的流体的总体温度升高。压气机中气流的重新分配以改变的转子转速并且以可能降低的效率和增加的燃料消耗而为燃气轮机建立了新的平衡点，因此升高了火焰温度并改善了燃尽。
除了温度的影响外，质量流也随时间而减少，以使特别是更少的空气(也是更少的氧气)被输送至燃烧装置。原因主要是具有改变的转子转速新平衡点。另外，体积中的一部分首先被转移而不被提供至燃烧器。此外，温度增加的主流体自身携带更少的氧气以及具有更少的质量流。
因此，假定针对燃烧装置的燃料供应保持恒定，则燃烧区中的燃料对空气的比率增加。混合物变得更富集。从而，即使是针对燃气涡轮发动机的部分负载的操作，燃烧温度也增加。
如上所述，该主流体的主要部分(具有升高温度)从过渡件被提供至下游的燃烧装置。与没有激活再循环的主流体相比较，增加的温度导致更高的燃烧温度，这是由于压气机排出的更高的温度并且由于燃料对空气比例中更高的燃料含量，因此这还允许改善在部分负载或低的环境温度情况下的(即更稳定)的操作，并且仍然满足排放要求。由于没有至发动机排气或至周边环境的引流，“废弃”热量被保持在过程内。
要注意的是，主流体通常是环境空气，环境空气从燃气轮机入口提供至压气机(特别是主压气机部段)，并且还经由过渡件到达燃烧装置。
过渡件处或下游子部段处的主流体的压力通常高于主压气机部段内任何更上游级处的压力。因此，当阀被打开时，仅由于所经历的压力差，主流体的一部分将自动流动到腔体中，并且随后经由通道返回到主压气机部段的主流体路径中。
由于腔体是环形的，压气机流体的提取和/或所提取的压气机流体的分配将更均匀。
环形空腔优选地包围主压气机部段或过渡件的边界壁，以使边界壁的部段也形成腔体的壁。因此，不需要外部的管路。
优选地，该操作模式可以经由提及的阀而被激活、停用和/或控制。在第一操作模式期间，该通道在至少一个阀处于打开位置时可以提供流体从腔体到主流体路径中的流动。
在第二操作模式期间，该通道在至少一个阀处于关闭位置时可以不提供流体从主流体路径到腔体中或者相反的流动。
此外，在第三操作模式期间，该通道在至少一个阀处于关闭位置时可以提供流体从主流体路径到腔体中的流动，特别地，第三操作模式依赖于另外的条件，如引流阀的存在和配置。
优选地，腔体还被用作引流腔体，以及提及的通道也用作引流通道。“引流”在该方面意指将主流体的一部分从主压气机部段转移到引流腔中、并且可能进一步转移到燃气轮机的入口和/或燃气涡轮发动机的排气。因此，根据本发明的通道还可以在初始提及的相反的方向上传输引流流体(依赖于阀的设置和压力差)。
通道优选是环形通道或环形槽或环形开口。通道优选位于主压气机部段或过渡件的边界壁中。
通常，由燃气涡轮发动机产生的“引气”是从这些发动机的主压气机部段转离以使引气离开主流体路径的压缩空气。
这意味着，在实施例中，压气机装置还包括布置在引流管道中的引流阀，该引流管道从腔体转离。在第四操作模式期间，该通道在至少一个阀处于关闭位置和引流阀处于打开位置时，可以提供流体从主流体路径到腔体的流动。此外，在第五操作模式期间，该通道在至少一个阀处于关闭位置和引流阀处于关闭位置时可以不提供流体的流动。要注意的是，第五种操作模式可以与先前介绍的第三种操作模式相同。
主压气机部段可以具有若干级的多排动叶和多排静叶。第一排动叶或多排动叶(例如三排、四排或五排)可以是可变的导流静叶，并且可以基于操作模式进行位置调整。此外，可变导流静叶的之后可以是多排固定取向动叶，例如三排、四排、五排、六排或七排。
用于将流体再注入到主流体路径的通道的位置在所述上游子部段和下游子部段之间。上游子部段可以包括所有可变导流静叶。备选地，上游子部段可以包括三排、四排、五排或甚至更多排的动叶。下游子部段可以包括所有的固定导流静叶。备选地，下游子部段可以包括三排、四排、五排或甚至更多排的动叶。
优选地，下游子部段是压气机的后部或尾部部段。下游子部段包括(在流动方向上的)压气机的最后一级。
用于将流体再注入到主流体路径中的通道的位置还可以依赖于另外的引流腔体的存在。可能地，根据本发明的腔体不能占用被需要用于另外的引流腔体的空间。出于不同的原因，可能需要这些另外的腔体。可以需要一个引流腔来提取空气，以用于冷却不同部件。另一个引流腔可以被用来支持发动机的启动。
腔体使用的组合也是可能的，即，用于冷却的提取和用于启动目的的提取这两者以及还有用于先前所提及的目的的提取。
在一个优选实施例中，主流体路径和腔体之间的通道是环形通道。它可以被认为是环形槽。备选地(可能次选地)，通道可以包括多个不同的周向开口。
腔体可以由壳体(压气机的外壳或燃气涡轮发动机的主壳体)径向地包围。壳体的部段可以限定腔体的径向外壁。壳体可以提供至腔体的外部开口，特别地以允许引流至外部管路。腔体可以径向向外地由壳体来限定(从穿过压气机的中心轴线看)以及径向向内地由主压气机部段和/或过渡件的外部边界壁的背面来限定。因此，由于在主壳体的内部，腔体可以被认为是内部腔体。理论上，它还可以经由壳体外部的管道而被连接，尽管这可能较复杂。
根据实施例，不同数量的阀可以被提供，以在操作期间控制从过渡件或下游子部段到腔体中的压气机流体的溢流。优选地，可以存在四个、五个或六个阀。优选地，这些阀可以围绕过渡件或下游子部段的圆周等距地被定位。
备选地，可移动的节流圈可以被用作阀，以打开或关闭细长的或周向的间隙，以在操作期间控制从过渡件或下游子部段到腔体中的压气机流体的溢流。
在另一个实施例中，过渡件(或下游子部段)到腔体之间的开口呈单孔的形式，由单个阀控制。不过，可以存在多个孔和阀门。
至少一个阀之一可以包括第一致动器、能够由第一致动器纵向地调节的锥形部段、以及用于引导流体穿过开口的基本上圆柱形和/或锥形的开口，其中锥形部段在由第一致动器纵向地调节的情况下能够在操作期间关闭、限制或打开锥形部段和对应的开口之间的流体通道。
致动器可以优选为杠杆。圆柱形或锥形的开口可以优选为套筒，流体可以穿过该套筒。
套筒可以优选具有外锥形端部。如果(内)锥形部段将完全匹配以使开口能够完全被闭合，这可以是有利的。
开口还可以具有不同的、更复杂的形状。继而，开口的形状可以优选地正好与另一个部段的形状相对应，以打开或关闭开口。
在过渡件(或下游子部段)到腔体之间具有阀的另一个方式是：至少一个阀之一可以包括第二致动器、能够由第二致动器转动的翼片、以及用于引导流体穿过开口的开口，其中翼片在操作期间能够关闭或打开翼片和开口之间的流体通道。
翼片可以具有截头锥体的形式。开口可以具有匹配翼片的截头锥体的对应的形状。为了转动翼片(即摆动打开和关闭)，例如一组杠杆可以与枢轴点或铰链组合而被布置，以使翼片能够围绕铰链转动以打开或关闭。
阀可以具有打开位置、关闭位置、以及用于节制通流的多个或连续的中间位置。
如果这种“再循环”特征应当被应用于已有的燃气涡轮发动机，则致动器可以被安装在燃气涡轮发动机的探测器开口中，燃气涡轮发动机的探测器开口被提供用于探测器的临时安装。探测器可以是温度或压力测量探测器。
从过渡件到腔体中的分支可以从过渡件的主流动路径中直接发生。因此，至少一个阀之一可以被定位在过渡件的主流体路径的另外的边界壁处。
备选地，至少一个阀之一可以被定位在连接至主流体路径的侧分支腔的壁处。侧分支腔可以是位于主流体路径与前面介绍的腔体之间的环形腔。
侧分支腔和主流体路径之间的流体连接可以经由流动均衡板而被提供，根据流动均衡器的取向，流动均衡板可以是圆柱形、锥形或呈环形板的形式。
流动均衡器可以具有多个通孔，多个通孔允许主流体的通行但不允许突然的大量主流体的通行。因此，到侧分支中的主流体的流体流动得以均衡。
经由侧分支腔和/或经由流动均衡器的提取还可以允许围绕压气机圆周(特别是围绕主压气机部段)的均匀的流动提取。
压气机装置还可以包括控制实体。控制实体适于在操作期间执行至少以下步骤：
-测量燃烧温度或者用于指示燃烧温度的物理参数(在该方面，“指示”意指允许燃烧温度被计算或被获得的一个或一组测量)；
-将所测量的燃烧温度或所提及的物理参数与下阈值进行比较，以及如果所测量的燃烧温度低于下阈值，则打开至少一个阀；和/或
-将所测量的燃烧温度或所提及的物理参数与上阈值进行比较，以及如果所测量的燃烧温度高于上阈值，则关闭至少一个阀。
可选地，可以进行连续操作，以使得控制实体根据负载的水平为阀的设置提供校正值。
因此，阀并且还可能有可选地可用引流阀可以基于操作条件和/或环境条件而被操作。例如，控制可以响应于负载信息(即指定负载的数据)和/或环境温度信息(指定环境温度的数据)和/或燃烧温度信息(指定燃烧温度的数据)。
燃烧温度信息可以不是直接收集，而是从与燃烧温度直接相关的另一个参数中获得，这样的参数例如涡轮机入口温度、排气温度、或者甚至可能是如燃烧动态的参数。此外，轴上的驱动负载或扭矩可以指示燃烧温度。
本发明还可以涉及操作阀的控制方法。
此外，本发明还涉及燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机包括先前段落中所限定的压气机装置。
来自下游子部段(即来自主压气机部段)的主流体的分支偏离可以被称为引流。所提取的主流体可以被称为引气。如果从过渡件分支(即所有压气机动叶的下游)，术语引流可能不太常见，但可以被用在本发明的上下文中。
本发明可能有利的是，由于阀将高压区域(例如在过渡件处)与腔体连接，因此引起内部流动再循环，内部流动再循环将减少进入燃烧装置稳流腔的总体的空气流动，这将再次提供主流体至燃烧装置，以用于燃料与所提供的主流体进行燃烧。此外，可能地，这种分支的流体流动将在腔体中围绕压气机均匀地分布。
本发明的实施例可能有利的是，提供围绕压气机圆周的均匀的流动提取。假设存在经由已有接头进入腔体的泄漏流动，压气机的泄漏流动的控制可以被控制。如果不需要外部的管路和外部的阀，用于引流控制的阀的空间可以被减少。
与引流至的燃气涡轮发动机的出口或排气(热空气被“废弃”)相比较，可能存在减少的效率损失。废弃的热量被保持在过程中，并且甚至主动被用于提升总体的压气机排出温度。
可能地，如果若干个引流阀被用在已有的燃气涡轮发动机中，则引流阀之一可以可能不再被需要，从而复杂的外部引流管路可以被减少。
利用本发明，具有在扩展的负载区间的排放要求(即，在甚至更低的负载下的操作，例如，小于目标负载的60％或小于目标负载的50％)以及扩展的环境温度范围(即，在更冷的环境条件下的操作)可以通过增加燃烧腔中的燃烧温度来实现。为了增加燃烧温度，燃料对空气的比率可以被增加。这能够通过分支的压气机流体被内部引导穿过所提供的内部阀系统的内部压气机再循环来实现。
特别地，本发明不涉及压气机启动。本发明主要涉及正常的稳定操作模式，但也适用于瞬态操作。尽管本发明力求稳定或连续的操作，但它允许在较低负载下的操作，例如在满负载的45％至60％之间，否则将超过排放要求。
还要注意的是，内部腔体优选地被使用而不是外部管路，外部管路将导致大量的作业量用于组装。
本发明还涉及上文所限定的压气机装置的用途，用以减少非瞬态低负载条件下的排放。为此，至少一个阀被控制以适于从主流体路径经由溢流开口到腔体中的压气机流体的溢流。这产生了上文提及的优点。在这种配置中，另外的引流阀可以被关闭以使所有的空气再循环。
另外，本发明还可以涉及同时完成两项任务的压气机的用途，首先是在非瞬态低负载条件下减少排放，其次是为其它部件(如燃烧装置)提供冷却空气。在该配置中，至少一个阀以及还有另外的引流阀可以被打开，以使仅有所抽取的空气的一部分再循环并且另一部分是引气以提供至其它部件。
另一方面是，原则上可以通过有限的额外设备和对燃气轮机壳体的有限影响而从低压腔体引流全压空气。
应当注意的是，已经参照不同的主题描述了本发明的实施例。
具体地，已经参照装置类型权利要求描述了一些实施例，而已经参照方法类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得知，除非另有说明，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，涉及与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为通过本申请而被公开。
此外，本发明还可以涉及独立式压气机，特别是轴流式或涡轮式压气机。它可以被连接到燃烧装置，主流体被提供至该燃烧装置。尽管如此，本发明的主要应用可以是在一个共同的模块中容纳压气机、燃烧装置和涡轮机的一体式燃气涡轮发动机。
上文所述的方面和本发明的其它方面根据下文将描述的实施例的示例是显而易见的，并且参照实施例的示例而被解释。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示例性地示出的压气机装置的横截面示意图；
图2示出示例性的压气机装置的横截面的备选实施方式的详细视图；
图3示出具有第一阀实施方式的本发明的实施例；
图4示出在另一操作模式中的与本发明的图3相同的具有第一阀实施方式的实施例；
图5示出具有第二阀实施方式的本发明的实施例；
图6示出在另一操作模式中的与本发明的图5相同的具有第二阀实施方式的实施例。
附图中的说明是示意性的。要注意的是，对于不同附图中的相似或相同的元件，将使用相同的附图标记。
将对于组装好并且操作的燃气轮机来解释一些特征以及特别的优点，但是显然这些特征也可以应用于燃气轮机的单个部件或者甚至其它涡轮机器，但是可以仅在组装好并在操作过程中显示出优点。但是，借助于操作期间的燃气轮机进行解释时，所有细节都不应当局限于操作中的燃气轮机。
具体实施方式
为了简要地说明燃气涡轮发动机的操作方式，燃气轮机(燃气涡轮发动机的简称)包括在一个轴向端部处的空气入口，空气入口之后是压气机，进入的空气在压气机中被压缩以用于施加到一个或多个燃烧装置，燃烧装置可以是环形的(所谓的环管形或筒形类型)，环管形类型燃烧装置围绕涡轮机轴线周向地分布。燃料被引入到燃烧装置中并在其中与从压气机取出的大部分压缩空气进行混合。作为燃烧装置中燃烧结果，具有高速度的热气体被导向至涡轮机部段内的一组涡轮机动叶，由一组导流静叶引导(即重新导向)。涡轮机动叶和轴(涡轮机动叶被固定至该轴)形成转子的一部分并且作为热气体流动的影响结果而围绕轴线旋转。该旋转的转子(或另一个被连接的转子)还使压气机的动叶旋转，使得一旦操作，则到燃烧装置的压缩空气供应由压气机的转子动叶(即由所用的与静态静叶相互作用的旋转动叶)产生。燃气涡轮发动机中可以有多于一个的转子和/或多于一个的转子轴。越过涡轮机部段，在燃气轮机的第二轴向端部和涡轮机部段的下游处，经燃烧的气体将被引导至燃气轮机的排气，经由该排气，经燃烧的气体将被释放到环境空气中或被引导至另外的部件(如蒸汽锅炉或蒸汽轮机)。排出的气体也可能包含燃烧排放物(如CO)。
在下文中，将标识从空气入口、经由压气机被引导至燃烧装置的环境空气为“流体”或“主流体”，其中“流体”或“主流体”沿着主流体路径13引导穿过上述部件，主流体路径13是环形路径，主流体经由该环形路径被输送，并且主流体的物理特性在该环形路径中被改变。
要注意的是，下文中，一个部件相对于第二个部件的定位是关于流体(通常是主流体)的流动方向而做出的。术语“上游”定义流体早于“下游”位置而流过的位置。这意味着压气机的上游端是空气从燃气轮机的入口进入压气机的部段。下游端定义空气从压气机排出的位置。从压气机的上游端到压气机的下游端的方向也被定义为(正)轴向方向。垂直于燃气涡轮发动机的旋转轴线的方向被称为径向方向。此外，从圆柱形表面上的定位给出的方向可以包括轴向矢量分量、径向矢量分量和周向矢量分量，所有三个分量垂直于彼此。因此，周向方向是横向于圆柱形表面或横向于环形腔的方向。
在图1中以横截面图示出了简化燃气涡轮发动机的部段。特别示出了压气机装置100，压气机装置100之后是燃烧装置110。燃烧装置在该实例中为环管形，但也可以是环形的。燃烧装置还可以包括燃烧器107和燃烧腔(其也由附图标记110表示)。燃料经由燃烧器107而被提供。燃料和空气在燃烧腔中被混合和燃烧。空气是从压气机装置100提供的流体(主流体)。燃烧产生了燃烧流体113，燃烧流体113被导向至涡轮机部段112，涡轮机部段112包括至少一排涡轮机静叶140和至少一排涡轮机动叶129。
该排涡轮动叶129被附接至燃气轮机轴102。燃气轮机轴102还驱动压气机装置100的多排动叶16。
压气机装置100包括主压气机部段10，主压气机部段10限定了穿过压气机装置100的主流体路径13。主流体路径13是穿过压气机的环形通道，作业流体(通常是取自环境的空气)通过该环形通道被引导。主压气机部段10包括穿过主压气机部段10的主流体路径13的边界壁(内边界壁11和外边界壁12，内和外是相对于径向方向而言)。主压气机部段10包括提及的多排动叶16和多排静叶17。此外，主压气机部段10可以被分成上游子部段14和下游子部段15，上游子部段14和下游子部段15中的每一个包括被布置在主流体路径13内的至少单排的动叶16和至少单排的静叶17。优选，包含多于一排的动叶16和多于一排的静叶17。“上游”是关于主流体流动的主要方向而被定义，并且再被定义为早于“下游”端输送主流体的区域。
来自燃气轮机入口144的空气由箭头标识为环境空气供应135，并且通向至主压气机部段10的上游子部段14。
在燃气涡轮发动机的操作期间，压气机的旋转动叶16将经由主流体路径13提供主流体的移动，从上游子部段14起并且经由上游子部段14、经由下游子部段15直至随后的过渡件20。过渡件20位于主压气机部段10的多排动叶16的下游。过渡件20包括穿过过渡件20的主流体路径13的另外的边界壁21(外壁；参见图2)和边界壁22(内壁；参见图2)。逐级地，由于动叶16和静叶17的相互作用，主流体还被压缩，形成在过渡件20处的压气机排出的压缩流体41(参见图2)，。
主压气机部段可以具有一个或多个引流开口。在图1中，仅示出作为通道50的一个引流开口。通道50是穿过外边界壁12的环形槽。槽可以成角度，使得当从通道50的最内侧位置评估时，通道50具有正轴向方向上的矢量分量。可以存在另外的引流开口，其中一个引流开口在图2中经由附图标记120示出。
外边界壁12还限定了压气机的壁或壳体62。在该壳体62中(或者被壳体62的一部分包围)可以存在环形腔体30。优选地，腔体30是燃气涡轮发动机壳体的内部部件，即壳体62的壁的径向内部。根据图1，燃气轮机的壳体可以被分支，以便提供外部壳体和内部壁，作为用于压气机主流体路径的边界壁，“外部”和“内部”相对于径向方向而言。在该外部壳体和内部壁之间围成腔体30。
优选地，腔体30是具有三个入口和/或出口的封闭腔体。一个组合入口和出口是已经提及的通道50，通道50连接腔体30和主压气机部段10，以在操作期间在腔体30和主压气机部段10的主流体路径13之间引导流体。通道50位于上游子部段14和下游子部段15之间。这意味着通道50不在压气机入口处压气机的很靠前处，也不在压气机出口处压气机的很靠后端处。通道50优选位于(上游子部段14的)多个上游压气机动叶和静叶与多个下游压气机动叶和静叶之间。
通道50穿透内壳体壁。此外，腔体30具有穿透外壳体壁的引流管道61。引流管道61通向引流阀60(在图1中仅通过符号抽象地示出)。引流管道61、腔体30和通道50一般可以在一种操作模式中用作引流，以使流体从主流体路径13经由通道50而被提取，以提供到腔体30中，并且进一步经由打开的引流阀60而被传送至燃气涡轮发动机的另一位置。
腔体30包括溢流开口48，该溢流开口48可以被定位成，使得其可以将下游子部段15或过渡件20、与腔体30连接。根据附图，溢流开口48连接过渡件20和腔体30。此外，存在至少一个阀40用于控制压气机流体41在操作期间从主流体路径13(在图中从过渡件20)经由溢流开口48溢流进入腔体30。可能地，若干个阀40可以围绕压气机的圆周而被定位，例如4个或6个阀。这还意味着溢流开口48的数目优选是不同的，例如还是4个或6个。优选地，阀40和溢流开口48是一个共同的部件，以使多个阀40之一被定位在多个溢流开口48之一中。
阀40可以被完全关闭。如前所述，继而腔体30和通道50可以被用于引流。或者如果阀40和引流阀60也都被关闭，则腔体30可以被完全密封。
通道50位于溢流开口48上游的至少一排(也可能两排或三排或四排)的动叶16和至少一排(可能还是两排或三排或四排)的静叶17处。“上游”是相对于在主流体路径13内的主流体流动的方向而言。根据图2，通道50位于压气机排出端之前的第5排动叶16处。
当此时阀40被打开以及引流阀60被关闭时，则产生了流体的再循环，因为高压流体从过渡件20中被提取，流体经过溢流开口48，引向腔体30中，并且最终经由通道50排回到主流体路径13中。因此，根据特定操作模式下的压力差，通道50可以在两个方向上提供流体流动。
要注意的是，在图1中，从过渡件20的提取经由侧分支腔70而被执行，侧分支腔70在过渡件20处经由流动均衡板71被连接至主流体路径13。特别地，流动均衡板71是具有大量通孔的环形圈，大量通孔允许流体利用强的压降连续经过流体均衡板71。因此，在提供给燃烧装置稳流腔108的过渡件20中剩余的流体流动(流体的主要份额)利用流体体积的连续下降而保持基本稳定。侧分支腔70可以是具有一个壁的环形腔体，溢流开口48位于该壁处。
侧分支腔70在相对于压气机流体41的流体流动的下游端处具有环形开口(可能具有安装的流动均衡板71)。因此，侧分支腔70在与主流体方向相反的方向上被提供压气机流体41。通过使用侧分支腔70，流体的提取可以均匀地围绕压气机装置的圆周而发生。
流体均衡板71可以被定位成使主流体可能需要以基本上180度重新导向其流动方向，而能够经过流动均衡板71的孔。
流量平衡板71还支持围绕压气机装置的圆周的均匀流体提取。
如上所述，主流体的再循环可以经由侧分支腔70、溢流开口48、腔体30和通道50而产生。由此，氧气(化学式：O2)被再循环，以使到达燃烧装置的流体的体积、还有流体的质量流被减少。更少的O2被提供至燃烧装置。附加的效果是，从过渡件20提取的更热的流体经由通道50被重新导向到主流体路径13中的更上游的位置中，更冷的流体在该更上游的位置中行进。更冷的流体与更热的再循环流体混合，导致经过通道50的主流体路径13中(即在下游子部段15的区域中)流体的流体温度整体增加。更高的温度也减少了流体的质量流。同样，这导致提供至燃烧装置的更少的O2。
优选地，大于0和高达20vol％的流体可以从过渡件20处的主流体路径13中被提取，以用于再循环。
在许多燃气涡轮发动机中，燃烧装置110的燃料供应可以以有限的方式而被控制。O2的供应在另一方面取决于转子(即燃气轮机轴102)的速度和/或转矩，以及经由环境空气供应135提供的环境空气的环境温度。高温的环境空气单位体积可以携带更少的质量流、更少的的O2分子。
燃气涡轮发动机通常被设计用于稳定的“满负载操作”。燃烧装置110和来自燃烧装置的排放物被优化用于全负载操作。在不做出本发明的情况下，在稳定的部分负载操作中，过多的主流体(即过多的O2)可能由压气机提供至燃烧装置110。在燃料供应不变的情况下，燃料对空气的比率被降低(即针对相同量的燃料，存在更多的O2)，燃烧腔中的火焰温度被降低，因此导致更多的CO排放。本发明允许增加主流体的温度并且使更少的O2提供至燃烧装置110，因此导致更高的燃料对空气的比率和更高的燃烧温度(作为更高的燃料对空气比率和更高的主流体温度的结果)。因此，当本发明的再循环发生时，排放将变低。本发明的再循环的另一个结果是，当转子可以在不同的速度下运转时，燃气轮机还将找到将进一步增加燃料对空气的比率新的平衡点。
部分负载操作被认为是用于稳定操作的操作模式，不是发动机的启动或关停、或瞬态操作。本发明可以允许在满负载的60％、50％或者甚至40％下的操作，仍然能够通过稀薄燃烧来操作并且满足排放要求。
因此，本发明允许在更宽负载范围的下的操作。
在环境温度低的情况下出现类似的效果。继而主流体携带更高的质量流和更多的O2含量，因此燃料对空气的比率下降。因此，如果继而阀40被连续打开，则反向流动通过溢流开口48和通道50而发生。效果与之前解释的相同，提供至燃烧装置的流体的温度升高，质量流减少。总体而言，由于增加的燃料对空气比率，燃烧温度升高。CO排放量将被减少。因此，本发明允许在更宽范围的环境温度下操作。
要注意的是，引流阀60通常可以在稳定操作期间被关闭。然而，引流阀60可以被打开用于启动或瞬态操作。
流体的再循环可以“填充压气机级”，因此更少的“新鲜空气”能够进入压气机，结果，这减少了到达燃烧装置的空气(和氧气)流动。对于燃气涡轮发动机通常还将有新的平衡点，这对相同的发动机输出而言意味着更低的效率、更少的空气流动以及因而更高的燃烧温度。
图2示出与图1类似的实施例，但是示出了略微不同的腔体30的实施例，以及与图1相比示出了一些更多的细节。然而，所有先前指明的部件及其附图标记在图2中被再次使用，因此具有相同参考符号的相同部件不再进行再次解释。先前的解释适用于所有附图。
根据图2，除了已经引入的通道50和腔体30之外，还示出了第二引流腔体121，第二引流腔体121与第二引流开口120流体连通。该第二引流腔体121可以存在，以用于发动机的启动或提取用于冷却涡轮机部段的部件的冷却流体。在图2中未示出可能需要的用于引流腔体121的管路和阀。
在图2中更详细地但仍然以抽象的方式示出了侧分支腔70与腔体30之间的溢流开口48。位于溢流开口48内，定位有阀40。阀的一部分可以形成为锥形部段43，锥形部段43可以阻塞溢流开口48的对应的圆柱形或锥形开口44。阀40被定位在侧分支腔70和腔体30之间的壁72处。阀的位置可以经由第一致动器42而被控制，可能地，可以改变阀在圆柱形或锥形开口44中的纵向位置。在图示中，第一致动器42操作杆，其中阀40的锥形部段43附接至该杆。
应当注意的是，腔体30位于两个壁之间，即壳体62的壁和径向内壁之间，径向内壁存在，以例如用于安装静叶17以及提供外边界壁12。
在腔体30和第二引流腔体121之间可以有分隔壁，分隔壁不具有用于将这些腔体的分隔开的通道。
图3和图4此时示出了具有阀的第一配置的压气机的部段，其类似于先前公开的压气机的部段。
阀40包括具有圆柱形部段和外锥形部段的套筒49。套筒49限定了先前提及的圆柱形或锥形开口44。阀40的移动部分包括杆80，锥形部段43被附接至杆80。锥形部段43是完美匹配外锥形开口44的内锥体。图3指示了阀40的关闭位置，其中没有流体流动穿过溢流开口48。同样，不存在穿过通道50的流动。此外，不发生穿过流动均衡板71的流动。
因此，图3示出了本发明停用的操作模式，例如，当在满负载下操作或环境空气的温度足够高以使排放没有超过给定的限制时。
图4此时示出了如果阀40被打开的相同的配置。流体流动通过箭头而被指示，特别是穿过流动均衡板71、穿过溢流开口48以及穿过通道50。这产生了压气机流体的再循环，导致(如前面详细解释的)在部分或低负载操作的情况下和/或在环境空气温度升高的情况下燃烧过程中的更少排放。
图5和图6示出了不同阀设计的相同原理。在这种情况下，阀40包括翼片46。翼片关闭开口47，开口47表示溢流开口48。存在第二致动器45，以作用于翼片46。第二致动器45可以包括多个杆或杠杆。另外，翼片46可以被固定至枢轴点，翼片46可以围绕枢轴点转动。
翼片46的一个表面可以具有直接与开口47的表面相对应的形式。两者可以都是锥形。由此，开口47可以完全被关闭(参见没有流体流动的图5)或被打开(参见具有由箭头指示的流体流动的图6)。
控制实体可以控制阀40的可移动部分(例如翼片46)的位置。
如果本发明要改装到已有的燃气涡轮发动机上，在已有的燃气涡轮发动机中存在探测器入口(例如允许温度测量)，则图3至图6的给定示例可能是有利的。该探测器入口可以被配备有所提出的阀40及其致动器(42和45)。对于新设计的燃气涡轮发动机，不同的阀可能是有利的。例如，如果开口44或47或溢流开口48不仅仅是有限尺寸的孔而是由环圈所覆盖的环形槽，则可以转动或移动整个环圈以允许关闭环形开口。
总而言之，本发明提供了产生更富集的混合物和具有更高温度的燃烧的解决方案。这可以被用于低负载和部分负载操作，以扩展满足所需排放要求的可接受负载的范围。燃烧或循环的效率将提高。这是特殊的，因为压气机的操作将被有意地修改以使压气机操作效率变差，原因是，压气机中更热的空气，使得可以被输送的O2更少，而降低压气机效率，因为。尽管如此，燃烧效率反而可以改善。
本发明特别地被设计用于稳定和/或连续和/或恒定和/或永久和/或非瞬态操作(这些术语被认为在本发明内定义相同的操作状态)，而非特别地用于启动或瞬态。因此，打开的阀40也是持续的设置，不仅是短期配置以避免故障。
尽管不是主要的目的所在，如果需要，本发明也可以被用于启动或瞬态。
例如，在瞬态或非瞬态操作中，压气机的下游子部段15处或随后的过渡件20处的提取点允许提取升高温度的高压流体，该升高温度的高压流体可以被用于经由引流阀60从腔体30中提取而被使用(被单独使用或与再循环组合使用)，以用于压气机入口或其它部件的防冰。
另一方面，如果溢流开口48被阀40关闭，则更低压力的更冷流体可以经由通道50而被提取。该所提取的流体可以继而经由引流阀60被传递到另一个部件，以用于冷却目的。
因此，装置可以被用于压气机或燃气轮机装置操作期间的不同的需要。
应当注意的是，压气机或涡轮机中的每一次改变可能带来新的燃气轮机的平衡点。因此，以上优点的一些解释可以稍微简化。当“再循环”特征被激活时，转子速度、气流、空气温度和/或压气机效率可能改变，以及通过该改变，可能被需要更多的燃料，以保持动力要求。从而，燃烧装置中的火焰温度将按预期增加。

Claims (15)

1.一种压气机装置(100)，特别是燃气涡轮发动机的一部分，包括：
一个主压气机部段(10)，其包括穿过所述主压气机部段(10)的主流体路径(13)的边界壁(11、12)，所述主压气机部段(10)包括多排动叶(16)和多排静叶(17)，所述主压气机部段(10)被分段成上游子部段(14)和下游子部段(15)，所述上游子部段(14)和所述下游子部段(15)中的每一个均包括被布置在所述主流体路径(13)内的至少一排动叶(16)和至少一排静叶(17)；
一个过渡件(20)，其位于所述主压气机部段(10)的所述多排动叶(16)的下游，所述过渡件(20)包括穿过所述过渡件(20)的所述主流体路径(13)的另外的边界壁(21、22)；
一个环形腔体(30)；
一个溢流开口(48)，其将所述下游子部段(15)或所述过渡件(20)、与所述腔体(30)连接；
至少一个阀(40)，在操作期间控制从所述主流体路径(13)经由所述溢流开口(48)到所述腔体(30)中的压气机流体(41)的溢流；
一个通道(50)，其将所述腔体(30)与所述主压气机部段(10)连接，以在操作期间引导所述腔体(30)与所述主压气机部段(10)的所述主流体路径(13)之间的流体，其中所述通道(50)位于所述上游子部段(14)和所述下游子部段(15)之间，并且所述通道(50)位于所述溢流开口(48)的上游的至少一排动叶(16)和至少一排静叶(17)处。
2.根据权利要求1所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述压气机装置(100)被配置成以第一操作模式操作，其中所述通道(50)在所述至少一个阀(40)处于打开位置时被布置成：提供流体从所述腔体(30)到所述主流体路径(13)中的流动。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述压气机装置(100)被配置成以第二操作模式操作，其中所述通道(50)在所述至少一个阀(40)处于关闭位置时被布置成：不提供流体从所述主流体路径(13)到所述腔体(30)中的流动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述压气机装置(100)被配置成以第三操作模式操作，其中所述通道(50)在所述至少一个阀(40)处于关闭位置时被布置成：提供流体从所述主流体路径(13)到所述腔体(30)中的流动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于，所述压气机装置(100)还包括被布置在引流管道(61)中的引流阀(60)，所述引流管道(61)从所述腔体(30)转离，以及
其特征在于
(a)所述压气机装置(100)被配置成以第四操作模式操作，其中所述通道(50)在所述至少一个阀(40)处于关闭位置和所述引流阀(60)处于打开位置时被布置成：提供流体从所述主流体路径(13)到所述腔体(30)中的流动，以及
(b)所述压气机装置(100)被配置成以第五操作模式操作，其中所述通道(50)在所述至少一个阀(40)处于关闭位置和所述引流阀(60)处于关闭位置时被布置成：不提供流体的流动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述上游子部段(14)和/或所述下游子部段(15)至少包括三排动叶(16)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述腔体(30)被所述燃气涡轮发动机的壳体(62)径向地包围，其中所述壳体(62)提供至所述腔体(30)的一个开口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述至少一个阀(40)之一包括：一个第一致动器(42)，能够由所述致动器(42)纵向调节的一个锥形部段(43)，以及一个基本上圆柱形或锥形的开口(44)，用于引导流体穿过所述开口(44)，
其中在操作期间，所述锥形部段(43)在被所述致动器(42)纵向调节的情况下能够关闭、调节或打开在所述锥形部段(43)与所述开口(44)之间的一个流体通道。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述至少一个阀(40)之一包括：一个第二致动器(45)，能够由所述第二致动器(45)转动的一个翼片(46)，以及一个开口(47)，用于引导流体穿过所述开口(47)，
其中所述翼片(46)能够在操作期间关闭或打开在所述翼片(46)与所述开口(47)之间的一个流体通道。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述第一致动器(42)和/或所述第二致动器(45)被安装所述燃气涡轮发动机的一个探测器开口中，其中所述探测器开口被提供用于一个探测器的临时安装。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述至少一个阀(40)之一被定位在所述过渡件(20)的所述主流体路径(13)的所述另外的边界壁(21、22)处，或者被定位在连接至所述主流体路径(13)的一个侧分支腔(70)的一个壁(72)处。
12.根据权利要求11所述的压气机装置(100)，
其特征在于
在所述侧分支腔(70)与所述主流体路径(13)之间的流体连接经由一个流动均衡板(71)而被提供。
13.根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)，
其特征在于
所述压气机装置(100)还包括一个控制实体，所述控制实体适于在操作期间至少执行以下步骤：
测量燃烧温度或者用于指示所述燃烧温度的至少一个物理参数；
将测量的所述燃烧温度或所述物理参数与下阈值进行比较；以及
如果测量的所述燃烧温度低于所述下阈值，则打开所述至少一个阀(40)，和/或
将测量的所述燃烧温度或所述物理参数与上阈值进行比较；以及
如果测量的所述燃烧温度高于所述上阈值，则关闭所述至少一个阀(40)。
14.一种燃气涡轮发动机，
其特征在于
所述燃气涡轮发动机包括根据前述权利要求中任一项所述的压气机装置(100)。
15.压气机装置(100)的用途，用于在非瞬态低负载条件下减少排放，
其特征在于
所述压气机装置(100)根据权利要求1至13中任一项而被限定，以及
所述至少一个阀(40)被控制，以适于从所述主流体路径(13)经由所述溢流开口(48)到所述腔体(30)中的压气机流体(41)的溢流。
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