CN109751131A - 一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法，该调整方法根据燃气轮机的运行状态，通过动态调整燃气轮机转子部件的相对燃气轮机外缸的轴向位置：在燃气轮机启动时和停机后，增大涡轮动叶与外缸之间的间隙；当燃气轮机达到完全暖机状态，减小涡轮动叶与外缸之间的间隙。本发明无需对燃机轮机压气机、燃烧室及涡轮等核心部件进行重大改变，而是在核心部件已设计定型的基础上，通过在一定范围内灵活改变压气机间隙和涡轮机间隙，既能确保燃气轮机启动过程中动静叶不发生碰撞、安全启动，又能提升燃气轮机平稳运行时的效率和功率。

Description

一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，特别地，涉及一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的旋转叶轮式热力发动机，其主要由压气机、燃烧室及涡轮三大部件构成。在燃气轮机安全运行的基础上，为节能减排，燃气轮机必然追求更高的效率，现有燃气轮机设计普遍采用提高压气机压比或提高燃气初温的方式提高燃气轮机效率，但这两种方式意味着压气机或燃烧室需要重新设计，相当于重新设计定型一款新燃气轮机，且压气机压比和燃气初温的提高受限于压气机、燃烧室及涡轮等核心部件的材料、加工制造工艺等。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法，这种调整方法不对燃机轮机压气机、燃烧室及涡轮等核心部件进行重大改变，而是在核心部件已设计定型的基础上，通过在一定范围内灵活改变压气机间隙和涡轮机间隙，既能确保燃气轮机启动过程中动静叶不发生碰撞、安全启动，又能提升燃气轮机平稳运行时的效率和功率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法，该调整方法根据燃气轮机的运行状态，动态调整燃气轮机转子部件的相对燃气轮机外缸的轴向位置：在燃气轮机启动时和停机后，增大涡轮动叶与外缸之间的间隙；当燃气轮机达到完全暖机状态，减小涡轮动叶与外缸之间的间隙。

进一步的，燃气轮机转子部件的相对燃气轮机外缸的轴向位置的动态调整通过将上述燃气轮机的转子部件中压气机端轴承设计为滑动轴承，通过该滑动轴承动态调整转子部件的轴向位置。

进一步的，燃气轮机外缸的轴向近压气机一侧设有主推位置，近涡轮一侧设有副推位置；在燃气轮机启动时和停机后，通过压气机端轴承的推力瓦将转子部件推至副推位置；当燃气轮机达到完全暖机状态时，通过压气机端轴承的推力瓦将转子部件推至主推位置；其中，主推位置和副推位置的间距∆x同时满足以下条件：

（1）∆x ＜x₁₀且∆x ＜x₂₀，其中x₁₀、x₂₀分别为压气机动叶-静叶间隙最小预设值、涡轮动叶-静叶间隙最小预设值；

（2）∆x＜z₂·cot（β），其中z₂为当转子部件位于主推位置处时且当外缸膨胀量达到最大时涡轮动叶与外缸之间的间隙最大值，β为涡轮气道的锥度。

进一步的，上述主推位置和副推位置的间距∆x还需要满足以下条件：

（3）∆x＜z₁·cot（β），其中，z₁为当转子部件位于主推位置处时涡轮动叶与外缸之间的预留间隙。

本发明还提供了一种采用上述调整方法进行燃气轮机平稳运行的调整装置，该调整装置用于对转子部件进行轴向位置调整，转子部件包括转子轴以及装配在转子轴上的压气机动叶、涡轮动叶；该调整装置包括压气机轴承座和涡轮轴承座；转子轴两端分别设有压气机端轴承和涡轮端轴承，通过压气机端轴承和涡轮端轴承安装于对应的压气机轴承座和涡轮轴承座上；压气机端轴承为滑动轴承；涡轮端轴承为径向轴承。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明无需对燃机轮机压气机、燃烧室及涡轮等核心部件进行重大改变，而是在核心部件已设计定型的基础上，通过在一定范围内灵活改变压气机间隙和涡轮机间隙，既能确保燃气轮机启动过程中动静叶不发生碰撞、安全启动，又能提升燃气轮机平稳运行时的效率和功率。

附图说明

图1为本发明调整装置用于燃气轮机的结构示意图；

图2为图1中燃气轮机预设状态的结构示意图。

图中，1-压气机，2-燃烧室，3-涡轮，4-燃气轮机外缸，5-转子轴，6-压气机轴承座，7-涡轮轴承座，11-压气机动叶，12-压气机静叶，31-涡轮动叶，32-涡轮静叶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提供了一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法，这种调整方法不对燃机轮机压气机、燃烧室及涡轮等核心部件进行重大改变，而是在核心部件已设计定型的基础上，通过在一定范围内灵活改变压气机间隙和涡轮机间隙，既能确保燃气轮机启动过程中动静叶不发生碰撞、安全启动，又能提升燃气轮机平稳运行时的效率和功率。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

如图1、2所示，燃气轮机的工作过程是，压气机1连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室2，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入涡轮3中膨胀做功，推动涡轮3带着压气机1一起旋转，加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而涡轮3在带动压气机1的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。压气机静叶12和涡轮静叶32装配在燃气轮机外缸4上，统称为静子部件。压气机动叶11和涡轮动叶31装配在转子轴5上，统称为转子部件。转子轴5前端装配有轴承，安装于压气机轴承座6上，转子轴5后端同样装配有轴承，安装于涡轮轴承座7上，燃气轮机运行时，转子部件高速旋转。压气机动叶11顶端与燃气轮机外缸4之间的间隙称为压气机间隙y，涡轮动叶31顶端与燃气轮机外缸4之间的间隙称为涡轮间隙z，压气机动叶与静叶之间、涡轮动叶与静叶之间有一个轴向间隙x₁、x₂。

燃气轮机启动过程中，压气机动叶11、涡轮动叶31温度的上升速度比压气机、涡轮处外缸的温度上升速度快，这导致压气机动叶11和涡轮动叶31的膨胀量明显大于其外缸的膨胀量，而且温度越高，这种现象越严重。在压气机动叶11、涡轮动叶31的膨胀量达到最大值时，会有一个最小压气机间隙值y₀、最小涡轮间隙值z₀，最小压气机间隙值y₀和最小涡轮间隙值z₀并非同时达到。压气机、涡轮动叶和静叶同样会因温度升高而膨胀，导致压气机、涡轮动叶与静叶间隙变小，在压气机、涡轮动叶和静叶膨胀量达到最大值时，压气机动叶与静叶、涡轮动叶与静叶之间的间隙会有一个最小值x₁₀、x₂₀。因此，为保证燃气轮机动叶与外缸、动叶与静叶的装配，也为防止启动过程中，动叶与外缸、动叶与静叶相碰撞，保障燃气轮机安全运行，在设计燃气轮机时需在压气机动叶与外缸、涡轮动叶与外缸、压气机动叶与静叶、涡轮动叶与静叶之间预留一定的间隙y₁、z₁、x₁₁、x₁₂（不同燃气轮机因型号等级、所用材料等不同而需预留的各间隙值y₁、z₁、x₁₁、x₁₂不同，但对于已设计定型的燃气轮机，为保证其安全运行并兼顾高效，各预留间隙值y₁、z₁、x₁₁、x₁₂都已设计确定），以保证燃气轮机安全运行。因涡轮承受的温度极高，甚至高达1200℃以上，所以涡轮动叶与外缸需预留的间隙最大。由于动叶与外缸预留间隙的存在，漏气损失不可避免，必然会降低燃气轮机效率，且该部分损失正比于动叶与外缸间隙大小。在压气机、涡轮动叶的膨胀量达到最大值后，压气机、涡轮处外缸会继续膨胀，导致压气机、涡轮动叶与外缸的间隙在此后逐渐增大，直至外缸的膨胀量达到最大值，间隙逐渐增大导致漏气损失逐渐增多，这让设计时预留的动叶与外缸间隙显得“多余”，此时涡轮间隙为z₂（即当外缸膨胀量达到最大时涡轮动叶顶端与外缸之间的间隙最大值，该间隙由涡轮动叶与外缸之间的预留间隙z₁及涡轮动叶和外缸热膨胀系数决定）。当压气机、涡轮和外缸膨胀量都达到最大值后，压气机、涡轮动叶与外缸的间隙不再变化，即燃气轮机达到完全暖机状态。燃气轮机停机时，涡轮动叶先收缩，外缸后收缩，涡轮间隙逐渐增大，直至涡轮动叶收缩量最大时，而后外缸继续收缩，涡轮间隙逐渐减小，直至外缸收缩量最大时，但这个过程中涡轮间隙都比停机时的间隙大，即停机时涡轮动叶与外缸不会碰撞。

本发明提供的调整方法就是当燃气轮机启动时和停机后，燃气轮机转子部件被固定在靠近涡轮侧的位置（即副推位置），该位置的涡轮间隙充分保证燃气轮机启动安全。当燃气轮机达到完全暖机状态，将转子部件沿轴向压气机方向移动∆x的距离，移动并固定在靠近压气机侧的位置（即主推位置），该位置使涡轮动叶与外缸间隙变小，从而损失减小，燃气轮机效率和功率得以提升。转子部件沿轴向压气机方向移动∆x距离时，压气机间隙增大了∆y=∆x·tan（α），涡轮间隙减小了∆z=∆x·tan（β）。由于燃气轮机机械设计的固有特点：压气机气道的锥度远小于涡轮气道的锥度，即α＜β，故压气机间隙增大值∆y＜涡轮间隙减小值∆z，即涡轮由此增加的功率比压气机损失的功率大，从而在总体上使燃气轮机的功率和效率提高。转子部件沿轴向压气机方向移动距离∆x后压气机间隙变大，所以压气机动叶与外缸不会碰撞，但这个移动距离∆x受到以下三个因素制约：1、移动后压气机动叶与静叶、涡轮动叶与静叶不发生碰撞，即∆x ＜x₁₀且∆x ＜x₂₀；2、移动后涡轮动叶与外缸不碰撞，即∆z=∆x·tan（β）＜z₂，故∆x＜z₂·cot（β）；3、为保障紧急停机等突发情况燃气轮机安全，亦需保证在移动后的位置涡轮动叶与外缸均冷却收缩后亦不碰撞，即∆z=∆x·tan（β）＜z₁，故∆x＜z₁·cot（β）。

压气机轴承座6和涡轮轴承座7的功能是分别在压气机端和透平端支撑燃气轮机转子，轴承座内壳装有轴承和密封环。压气机端轴承设计成一种中分式滑动轴承，其设置有主副推力瓦轴瓦，当主推力油腔的活塞进油阀门开、回油阀门关，副推力油腔的活塞进油阀门关、回油阀门开，主推力油腔的活塞被注入压力16MPa的高压油，活塞对推力瓦有一个作用力，推力瓦进而推动轴瓦及转子部件至主推位置（靠近压气机侧）；当主推力油腔的活塞进油阀门关、回油阀门开，副推力油腔的活塞进油阀门开、回油阀门关，副推力油腔的活塞被注入压力16MPa的高压油，活塞对推力瓦有一个作用力，推力瓦进而推动轴瓦及转子部件至副推位置（靠近涡轮侧）。涡轮端轴承7为一径向轴承，其轴瓦及转子部件可跟随压气机端轴瓦及转子部件沿轴向移动。当燃气轮机启动时和停机后，将燃气轮机转子部件利用上述方法固定在副推位置，该位置的涡轮间隙充分保证燃气轮机启动安全。当燃气轮机达到完全暖机状态，将转子部件沿轴向压气机方向移动∆x的距离，移动并固定在主推位置，该位置使涡轮动叶与外缸间隙变小，从而损失减小，效率和功率提高。压气机轴瓦及转子部件可移动的距离∆x根据上文所述制约因素设计。

本发明提供的调整方法是在燃气轮机核心部件已设计定型的基础上，通过在一定范围内灵活改变压气机间隙和涡轮机间隙，既能确保燃气轮机启动过程中动静叶不发生碰撞、安全启动，又能提升燃气轮机平稳运行时的效率和功率。

Claims (5)

1.一种提升燃气轮机效率和功率的调整方法，其特征在于，所述调整方法根据燃气轮机的运行状态，通过动态调整燃气轮机转子部件的相对燃气轮机外缸的轴向位置：在燃气轮机启动时和停机后，增大涡轮动叶与外缸之间的间隙；当燃气轮机达到完全暖机状态，减小涡轮动叶与外缸之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的调整方法，其特征在于，所述燃气轮机转子部件的相对燃气轮机外缸的轴向位置的动态调整通过将所述燃气轮机的转子部件中压气机端轴承设计为滑动轴承，通过该滑动轴承动态调整转子部件的轴向位置。

3.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，所述燃气轮机外缸的轴向近压气机一侧设有主推位置，近涡轮一侧设有副推位置；在燃气轮机启动时和停机后，通过压气机端轴承的推力瓦将转子部件推至副推位置；当燃气轮机达到完全暖机状态时，通过压气机端轴承的推力瓦将转子部件推至主推位置；所述主推位置和副推位置的间距∆x同时满足以下条件：

（1）∆x ＜x₁₀且∆x ＜x₂₀，其中x₁₀、x₂₀分别为压气机动叶与静叶之间间隙最小预设值、涡轮动叶与静叶之间间隙最小预设值；

（2）∆x＜z₂·cot（β），其中z₂为当转子部件位于主推位置处时且当外缸膨胀量达到最大时涡轮动叶与外缸之间的间隙最大值，β为涡轮气道的锥度。

4.根据权利要求3所述的调整方法，其特征在于，所述主推位置和副推位置的间距∆x还需要满足以下条件：

（3）∆x＜z₁·cot（β），其中，z₁为当转子部件位于主推位置处时涡轮动叶与外缸之间的预留间隙。

5.一种采用权利要求1至4任一所述调整方法进行燃气轮机平稳运行的调整装置，该调整装置用于对转子部件进行轴向位置调整，所述转子部件包括转子轴以及装配在转子轴上的压气机动叶、涡轮动叶；其特征在于，所述调整装置包括压气机轴承座和涡轮轴承座；所述转子轴两端分别设有压气机端轴承和涡轮端轴承，通过压气机端轴承和涡轮端轴承安装于对应的压气机轴承座和涡轮轴承座上；所述压气机端轴承为滑动轴承；所述涡轮端轴承为径向轴承。