CN111894734A - 一种中小燃气轮机的透平机及工作方法 - Google Patents
一种中小燃气轮机的透平机及工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种燃气轮机的透平机及工作方法,属于20‑30MW等级的中小燃气轮机透平机技术领域。解决的是现有的燃气轮机冷却结构不适用于中小燃气轮机透平机的问题。包括透平缸体、透平机入口、透平机出口、高压涡轮转子、低压涡轮转子、一级静叶、一级动叶、二级静叶、二级动叶和护环,透平缸体的两端具有透平机入口和透平机出口,透平缸体的入口侧到出口侧依次设置高压涡轮转子和低压涡轮转子,透平缸体的出口侧与护环连接,一级静叶与透平缸体连接,一级动叶与高压涡轮转子连接,二级静叶与护环连接,二级动叶与低压涡轮转子连接。通过两级转速不同的转子实现高转速下的气动效率,减小叶片应力,动静叶片均采用矩阵肋的冷却结构形式,冷却效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的透平机及工作方法,属于20-30MW等级的中小燃气轮机透平机技术领域。
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内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机,燃气轮机在空气和燃气的主要流程中,只有压气机、燃烧室和透平机这三大部件组成的燃气轮机循环,通称为简单循环,大多数燃气轮机均采用简单循环方案。
目前,对于燃气轮机机组,提高其循环效率的一个有效方法是提高透平的气动效率和冷却效率,重型燃气轮机透平静叶基本采用冲击和气膜结合的冷却结构形式,第一级动叶基本采用蛇形通道和气膜结合的冷却机构方式,这种结构仅适用于重型燃气轮机,而不适用于20-30MW等级的中小燃气轮机透平机,无法满足高转速下不同转速的中小燃气轮机透平机整机要求。
因此,亟需提出一种中小燃气轮机的透平机及工作方法,以解决上述技术问题。
发明内容
本发明研发解决的是现有的燃气轮机冷却结构不适用于中小燃气轮机透平机的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述,以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解,这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分,也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案:
一种中小燃气轮机的透平机,包括透平缸体、透平机入口、透平机出口、高压涡轮转子、低压涡轮转子、一级静叶、一级动叶、二级静叶、二级动叶和护环,透平缸体的两端分别具有透平机入口和透平机出口,透平缸体的入口侧到出口侧依次设置高压涡轮转子和低压涡轮转子,透平缸体的出口侧与护环连接,一级静叶与透平缸体连接,一级动叶与高压涡轮转子连接并驱动高压涡轮转子旋转,二级静叶与护环连接,二级动叶与低压涡轮转子连接并驱动低压涡轮转子旋转,一级静叶、一级动叶、二级静叶和二级动叶依次布置在透平缸体内;
所述一级静叶包括多个静叶片,所述一级静叶的多个静叶片圆周阵列在透平缸体上,二级静叶每三支静叶片组成整体三胞胎结构,多个整体三胞胎结构圆周阵列在护环上,静叶片的外形均为沿圆周方向扭转的流线形;
所述一级动叶包括多个动叶片,所述一级动叶的多个动叶片圆周阵列在高压涡轮转子上,二级动叶包括多个动叶片,所述二级动叶的多个动叶片圆周阵列在低压涡轮转子上。
优选的:所述一级静叶和二级静叶均采用矩阵肋结构,一级静叶前缘设有气膜孔;一级动叶和二级动叶均采用矩阵肋结构。
优选的:所述透平缸体沿轴O设有若干个冷却空气通道,所述冷却空气通道与一级静叶、一级动叶、二级静叶和二级动叶的内部通道以及燃气通道相通。
优选的:所述透平机入口与燃烧室过渡段连接,透平机出口与动力涡轮过渡段连接。
优选的:所述燃气通道为沿轴向逐渐扩张的环形通道,所述燃气通道的内侧壁面与一级静叶和二级动叶基本与轴O平行,一级动叶和二级静叶以一定弧度向内收缩,一级静叶的外侧壁面沿轴O以一定角度向内收缩,一级动叶、二级静叶和二级动叶的外侧壁按照一定弧度向外扩张。
优选的:所述一级静叶的燃气通道中径为1753mm,一级静叶的静叶片径向长度为53.5mm;所述一级动叶的燃气通道中径为1758mm,一级动叶的动叶片径向长度为61mm;所述二级静叶的燃气通道中径为1812mm,二级静叶的静叶片径向长度为106mm;所述二级动叶的燃气通道中径为1815mm,二级动叶的动叶片径向长度为110.5mm。
优选的:所述一级动叶和二级动叶通过动叶轮盘分别与高压涡轮转子和低压涡轮转子连接,动叶轮盘上设置有轴向冷却空气通道和斜向冷却通道,一级动叶具有尾缘梳齿结构,二级动叶具有尾缘针型孔。
优选的:所述二级静叶由高压压气机第五级级后顶部抽气。
一种中小燃气轮机的透平机工作方法,内部抽气为:第一股气体由第一通路进入一级静叶从一级静叶静叶片前缘气膜孔排出进入燃气通道,第二股气体由第二通路进入一级静叶后从一级静叶尾部梳齿结构排出进入燃气通道,第三股气体由第三通路依次通过支撑环和高压涡轮转子进入一级动叶,冷却一级动叶后从尾缘梳齿结构排出;
所述外部抽气:气体经过二级静叶后一部分从二级静叶尾部梳齿结构排出,一部分从二级静叶底部排出后经过低压涡轮转子上的斜向冷却通道进入二级动叶内部,冷却二级动叶后从尾部针型孔排出。
本发明具有以下有益效果:
1.通过两级转速不同的转子实现高转速下的气动效率,同时较小叶片径向高度,减小叶片应力;
2.采用两级动静叶片,动静叶片均采用矩阵肋的冷却结构形式,一级静叶和一级动叶的冷却空气来自于压气机排气抽气,二级静叶冷却来自高压压气机第五级叶顶抽气,冷却二级静叶后一部分冷却二级动叶,冷却效率高,保证了该中小燃气轮机的气动效率和冷却效率。
附图说明
图1是一种中小燃气轮机的透平机示意图;
图2是气膜孔的立体图;
图3是尾部梳齿结构的立体图;
图4是尾缘梳齿结构的立体图;
图5是尾部梳齿结构的立体图;
图6是尾缘针型孔的立体图;
图7是冷却空气流路结构示意图;
图中1-透平缸体,2-透平机入口,3-透平机出口,4-高压涡轮转子,5-低压涡轮转子,6-一级静叶,7-一级动叶,8-二级静叶,9-二级动叶,10-燃烧室过渡段,11-动力涡轮过渡段,12-护环,30-气膜孔,31-尾部梳齿结构,40-尾缘梳齿结构,50-尾缘针型孔,62-支撑环,63-第一通路,64-第二通路,65-第三通路,70-尾部梳齿结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接,所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式,所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式,未明确限定具体连接方式时,默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能,本领域技术人员可根据需要自行选择。例如:固定连接选择焊接连接,可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一:结合图1-图7说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,包括透平缸体1、透平机入口2、透平机出口3、高压涡轮转子4、低压涡轮转子5、一级静叶6、一级动叶7、二级静叶8、二级动叶9和护环12,透平缸体1的两端分别具有透平机入口2和透平机出口3,透平缸体1的入口侧到出口侧依次设置高压涡轮转子4和低压涡轮转子5,透平缸体1的出口侧与护环12连接,一级静叶6与透平缸体1连接,一级动叶7与高压涡轮转子4连接并驱动高压涡轮转子4旋转,二级静叶8与护环12连接,二级动叶9与低压涡轮转子5连接并驱动低压涡轮转子5旋转,一级静叶6、一级动叶7、二级静叶8和二级动叶9依次布置在透平缸体1内,并在内部形成燃气通道;
所述一级静叶6包括多个静叶片,数量为36-43个,多个静叶片沿圆周方向互相独立的固定在透平缸1上,二级静叶8每三支静叶片组成整体三胞胎结构,三胞胎的数量为15-17个,多个整体三胞胎结构圆周阵列在护环12上,静叶片的外形均为沿圆周方向扭转的流线形,三胞胎为三静叶片只连在一起,例如静叶片45只,安装的时候安装15个三胞胎就可以,即15*3=45;
所述一级动叶7包括多个动叶片,数量为84-88个,所述一级动叶7的多个动叶片圆周阵列在高压涡轮转子4上,二级动叶9包括多个动叶片,数量与一级动叶7数量一致,所述二级动叶9的多个动叶片圆周阵列在低压涡轮转子5上。
透平机工作时,高温燃气从透平机入口2沿轴O流入,每次经过一级静叶6和二级静叶8后产生圆周方向的流速,并依次吹动一级动叶7和二级动叶9带动高压涡轮转子4和低压涡轮转子5发生旋转。
具体实施方式二:结合图1-图6说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述一级静叶6和二级静叶8均采用矩阵肋结构,一级静叶6前缘设有气膜孔30;一级动叶7和二级动叶9均采用矩阵肋结构,矩阵肋为有规则的结构。
具体实施方式三:结合图1说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述透平缸体1沿轴O设有若干个冷却空气通道,所述冷却空气通道与一级静叶6、一级动叶7、二级静叶8和二级动叶9的内部通道以及燃气通道相通,低温空气经由所述缸体1上的冷却空气通道流入一级静叶6和二级静叶8的内部通道,最终流入燃气通道,并冷却沿程部件。
具体实施方式四:结合图1说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述透平机入口2与燃烧室过渡段10连接,透平机出口3与动力涡轮过渡段11连接。
具体实施方式五:结合图1-图7说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述燃气通道为沿轴向逐渐扩张的环形通道,所述燃气通道的内侧壁面与一级静叶6和二级动叶9基本与轴O平行,一级动叶7和二级静叶8以一定弧度向内收缩,一级静叶6的外侧壁面沿轴O以一定角度向内收缩,一级动叶7、二级静叶8和二级动叶9的外侧壁按照一定弧度向外扩张,向内收缩就是向着轴O的方向(下),向外扩张就是远离轴O的方向(上)。
具体实施方式六:结合图1-图7说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述一级静叶6的燃气通道中径为1753mm,一级静叶6的静叶片径向长度为53.5mm;所述一级动叶7的燃气通道中径为1758mm,一级动叶7的动叶片径向长度为61mm;所述二级静叶8的燃气通道中径为1812mm,二级静叶8的静叶片径向长度为106mm;所述二级动叶9的燃气通道中径为1815mm,二级动叶9的动叶片径向长度为110.5mm。
具体实施方式七:结合图1、图4、图6说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机,所述一级动叶7和二级动叶9通过动叶轮盘分别与高压涡轮转子4和低压涡轮转子5连接,动叶轮盘上设置有轴向冷却空气通道14和斜向冷却通道13,一级动叶7具有尾缘梳齿结构40,二级动叶9具有尾缘针型孔50;来自空气系统的低温空气从所述高压涡轮转子4和低压涡轮转子5的内部空间经由轴向冷却空气通道14和斜向冷却通道13流入一级动叶7和二级动叶9内部矩阵肋通道,最终从一级动叶7的尾缘梳齿结构40排出,尾缘梳齿结构40数量为7-9个,二级动叶9的尾缘针型孔50流入燃气通道,尾缘针型孔50数量为25-28个;另一部分低温空气通过叶片的级间流入燃气通道。
具体实施方式八:结合图1、图7说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机透平机的空气冷却流路中,转子的冷却采用从压气机末级排气内部抽气,冷却一级静叶6和一级动叶7,所述二级静叶8由高压压气机第五级级后顶部抽气,冷却二级静叶8和二级动叶9。
具体实施方式九:结合图1-图7说明本实施方式,本实施方式的一种中小燃气轮机的透平机工作方法,内部抽气为:第一股气体由第一通路63进入一级静叶6从一级静叶6静叶片前缘气膜孔30排出进入燃气通道,一级静叶6具有尾部梳齿结构31,第二股气体由第二通路64进入一级静叶6后从一级静叶6尾部梳齿结构31排出进入燃气通道,透平缸体1上加工有支撑环62,一级动叶7具有尾缘梳齿结构40,第三股气体由第三通路65依次通过支撑环62和高压涡轮转子4进入一级动叶7,冷却一级动叶7后从尾缘梳齿结构40排出;
所述外部抽气:二级静叶8具有尾部梳齿结构70,尾部梳齿结构70数量为17-19个,气体经过二级静叶8后一部分从二级静叶8尾部梳齿结构70排出,一部分从二级静叶8底部排出后经过低压涡轮转子5上的斜向冷却通道13进入二级动叶9内部,冷却二级动叶9后从尾缘针型孔50排出。
需要说明的是,在以上实施例中,只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合,本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能,因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明,但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
本实施方式只是对本专利的示例性说明,并不限定它的保护范围,本领域技术人员还可以对其局部进行改变,只要没有超出本专利的精神实质,都在本专利的保护范围内。
Claims (9)
1.一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:包括透平缸体(1)、透平机入口(2)、透平机出口(3)、高压涡轮转子(4)、低压涡轮转子(5)、一级静叶(6)、一级动叶(7)、二级静叶(8)、二级动叶(9)和护环(12),透平缸体(1)的两端分别具有透平机入口(2)和透平机出口(3),透平缸体(1)的入口侧到出口侧依次设置高压涡轮转子(4)和低压涡轮转子(5),透平缸体(1)的出口侧与护环(12)连接,一级静叶(6)与透平缸体(1)连接,一级动叶(7)与高压涡轮转子(4)连接并驱动高压涡轮转子(4)旋转,二级静叶(8)与护环(12)连接,二级动叶(9)与低压涡轮转子(5)连接并驱动低压涡轮转子(5)旋转,一级静叶(6)、一级动叶(7)、二级静叶(8)和二级动叶(9)依次布置在透平缸体(1)内;
所述一级静叶(6)包括多个静叶片,所述一级静叶(6)的多个静叶片圆周阵列在透平缸体(1)上,二级静叶(8)的每三支静叶片组成整体三胞胎结构,多个整体三胞胎结构圆周阵列在护环(12)上,静叶片的外形均为沿圆周方向扭转的流线形;
所述一级动叶(7)包括多个动叶片,所述一级动叶(7)的多个动叶片圆周阵列在高压涡轮转子(4)上,二级动叶(9)包括多个动叶片,所述二级动叶(9)的多个动叶片圆周阵列在低压涡轮转子(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述一级静叶(6)和二级静叶(8)均采用矩阵肋结构,一级静叶(6)前缘设有气膜孔(30);一级动叶(7)和二级动叶(9)均采用矩阵肋结构。
3.根据权利要求1所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述透平缸体(1)沿轴O设有若干个冷却空气通道,所述冷却空气通道与一级静叶(6)、一级动叶(7)、二级静叶(8)和二级动叶(9)的内部通道以及燃气通道相通。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述透平机入口(2)与燃烧室过渡段(10)连接,透平机出口(3)与动力涡轮过渡段(11)连接。
5.根据权利要求3所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述燃气通道为沿轴向逐渐扩张的环形通道,所述燃气通道的内侧壁面与一级静叶(6)和二级动叶(9)基本与轴O平行,一级动叶(7)和二级静叶(8)以一定弧度向内收缩,一级静叶(6)的外侧壁面沿轴O以一定角度向内收缩,一级动叶(7)、二级静叶(8)和二级动叶(9)的外侧壁按照一定弧度向外扩张。
6.根据权利要求3或5所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述一级静叶(6)的燃气通道中径为1753mm,一级静叶(6)的静叶片径向长度为53.5mm;所述一级动叶(7)的燃气通道中径为1758mm,一级动叶(7)的动叶片径向长度为61mm;所述二级静叶(8)的燃气通道中径为1812mm,二级静叶(8)的静叶片径向长度为106mm;所述二级动叶(9)的燃气通道中径为1815mm,二级动叶(9)的动叶片径向长度为110.5mm。
7.根据权利要求2所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述一级动叶(7)和二级动叶(9)通过动叶轮盘分别与高压涡轮转子(4)和低压涡轮转子(5)连接,动叶轮盘上设置有轴向冷却空气通道(14)和斜向冷却通道(13),一级动叶(7)具有尾缘梳齿结构(40),二级动叶(9)具有尾缘针型孔(50)。
8.根据权利要求1所述的一种中小燃气轮机的透平机,其特征在于:所述二级静叶(8)由高压压气机第五级级后顶部抽气。
9.一种中小燃气轮机的透平机工作方法,其特征在于:内部抽气为:第一股气体由第一通路(63)进入一级静叶(6)从一级静叶(6)静叶片前缘气膜孔(30)排出进入燃气通道,一级静叶(6)具有尾部梳齿结构(31),第二股气体由第二通路(64)进入一级静叶(6)后从一级静叶(6)尾部梳齿结构(31)排出进入燃气通道,透平缸体(1)上加工有支撑环(62),一级动叶(7)具有尾缘梳齿结构(40),第三股气体由第三通路(65)依次通过支撑环(62)和高压涡轮转子(4)进入一级动叶(7),冷却一级动叶(7)后从尾缘梳齿结构(40)排出;
所述外部抽气:二级静叶(8)具有尾部梳齿结构(70),气体经过二级静叶(8)后一部分从二级静叶(8)尾部梳齿结构(70)排出,一部分从二级静叶(8)底部排出后经过低压涡轮转子(5)上的斜向冷却通道(13)进入二级动叶(9)内部,冷却二级动叶(9)后从尾缘针型孔(50)排出。
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