CN112282939A - 一种燃气轮机及提高其响应速度的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种燃气轮机及提高其响应速度的方法，其燃气轮机包括：压气机、透平、燃烧室和加热装置；压气机包括：压气机转子以及套设在压气机转子上的压气机气缸；透平包括：透平转子以及套设在透平转子上的透平气缸；燃烧室位于压气机与透平之间，燃烧室输入端与压气机输出端相连，燃烧室输出端与透平输入端相连；加热装置包覆并固连于压气机气缸及透平气缸的外表面上。本公开通过对燃气轮机布置加热装置，从而较为准确的控制燃气轮机气缸温度，保证气缸热胀变形达到预定值。

Description

一种燃气轮机及提高其响应速度的方法

技术领域

本公开涉及燃气轮机的技术领域，尤其涉及一种燃气轮机及提高其响应速度的方法。

背景技术

燃气轮机在能源、电力、军事系统中承担着越来越重要的角色，相对于传统蒸汽轮机，燃气轮机的响应速度有较大提高，可较快启动，且能快速的提供电力或者机械驱动力，满足用户动力需求的及时性。因此，燃气轮机在飞机、轮船、发电机大型驱动装置的应用领域中得到了快速发展。

随着电力系统和军事装备的发展需求，对燃气轮机快速响应能力的要求进一步提高。但是燃气轮机气缸及转子受其各自热容量的影响，转子热胀变形速度比气缸热胀变形速度快，导致二者受热后的变形协调量不一致，易引起气缸及转子间的转静碰摩，进而危害燃气轮机的安全运行。

此外，为使燃气轮机气缸及转子变形协调量尽量保持一致，常用方法是延长燃气轮机气缸的加热时间，但是该方法使燃气轮机响应速度及启动速度变慢，不能满足用户对动力需求的及时性要求。

因此，提高气缸和转子变形协调能力，可以提高启动阶段转静间隙，从而提高转子系统转速升高的速率，提高燃气轮机快速响应能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种燃气轮机及提高其响应速度的方法，以解决现有技术中上述技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本公开提供了一种燃气轮机及提高其响应速度的方法，至少解决了以上部分问题。

为达到上述目的，本公开提供了一种燃气轮机，包括：

压气机，包括：

压气机转子，以及

压气机气缸，套设在所述压气机转子上；

透平，包括：

透平转子，以及

透平气缸，套设在所述透平转子上；

燃烧室，位于所述压气机与所述透平之间，所述燃烧室输入端与所述压气机输出端相连，所述燃烧室输出端与所述透平输入端相连；以及

加热装置，包覆并固连于所述压气机气缸及所述透平气缸的外表面上；

工作介质从大气中被所述压气机吸入，在所述压气机气缸及所述压气机转子之间流动，并被压缩增压；所述工作介质进入所述燃烧室，与燃料混合后经点燃进行燃烧，点燃后的工作介质进入所述透平中并在所述透平气缸及所述透平转子之间流动，所述点燃后的工作介质对外做功后的废气经所述透平出口排出所述燃气轮机。

在本公开的一些实施例中，所述加热装置包括：

电源；

功率调节装置，所述功率调节装置的一端与所述电源的一端相连，用于调节所述燃气轮机加热装置的用电功率，从而调节所述加热装置的加热温度；

电加热丝，所述电加热丝的一端与所述功率调节装置另一端通过所述导线相连，所述电加热丝的另一端与所述电源的另一端通过所述导线相连，形成闭环电路。

在本公开的一些实施例中，所述电加热丝的材料为铁铬铝合金或镍铬合金。

在本公开的一些实施例中，所述压气机气缸外表面上设置的所述加热装置为一个或多个；所述透平气缸外表面上设置的所述加热装置为一个或多个。

在本公开的一些实施例中，所述压气机气缸上沿靠近所述燃烧室一侧向远离所述燃烧室一侧，所述加热装置的包覆面积逐渐减小。

在本公开的一些实施例中，所述透平气缸上沿靠近所述燃烧室一侧向远离所述燃烧室一侧，所述加热装置的包覆面积逐渐减小。

在本公开的一些实施例中，所述压气机转子为轮盘式、轮毂式或轮盘轮毂混合式中的一种；所述透平转子为轮盘式、轮毂式或轮盘轮毂混合式中的一种。

在本公开的一些实施例中，所述压气机为轴流式压气机、离心式压气机、混流式压气机中的一种，或几种组合的组合式压气机。

在本公开的一些实施例中，所述燃烧室是单管燃烧室、环管燃烧室、环形燃烧室中的一种。

为达到上述目的，本公开提供了一种提高如上所述的燃气轮机响应速度的方法，包括：

步骤一：所述燃气轮机启动之前，开启所述加热装置，对所述压气机气缸及所述透平气缸进行预热；

步骤二：当所述压气机气缸及所述透平气缸的温度达到并保持在正常工作温度的50％时，关闭所述加热装置并启动所述燃气轮机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供了一种燃气轮机及提高其响应速度的方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)通过对燃气轮机布置加热装置，从而较为准确的控制燃气轮机气缸温度，保证气缸热胀变形达到预定值。

(2)通过对燃气轮机气缸的加热，可以整体提高燃气轮机气缸及转子系统的平均温度，从而提高关键零部件的热应力，提高低周疲劳寿命。

(3)通过布置外部加热装置，使燃气轮机气缸及转子的热胀变形协调量趋于一致，降低了二者间隙设计的难度，避免二者之间发生转静碰摩，进而提高了燃气轮机运行的安全性。

(4)加热装置对燃气轮机的压气机气缸和透平气缸提前预热，提高了燃气轮机响应速度，缩短了燃气轮机启动时间。

附图说明

图1为本公开实施例的燃气轮机的结构示意图。

图2为图1中加热装置的结构示意图。

图3是图1的A-A截面示意图。

图4是采用加热装置前后燃气轮机转静间隙变化对比及启动时间对比。

符号说明：

1-电源；

2-电加热丝；

3-功率调节装置；

4-导线；

5-压气机

51-压气机转子

52-压气机气缸

6-燃烧室

7-透平

71-透平气缸

72-透平转子

8-加热装置

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开提供了一种燃气轮机及提高其响应速度的方法。如图1所示，该燃气轮机包括：压气机5，透平7，燃烧室6等主要部件。燃烧室6是单管燃烧室、环管燃烧室、环形燃烧室，或者是通过换热器对工质进行加热，该燃烧室6位于压气机5与透平7之间，燃烧室6输入端与压气机5输出端相连，燃烧室6输出端与透平7输入端相连。

燃气轮机工作时，工作介质从压气机5进入燃气轮机，在压气机气缸52和压气机转子51之间流动，并被压缩；高压工作介质离开压气机5后进入燃烧室6，通过燃烧或者换热器加热，工作介质的温度被进一步升高；高温高压的工作介质进入透平7，并在透平气缸71和透平转子72之间流动，并对外做功，待工作介质的温度及压力降低后，经透平7出口排出燃气轮机，透平7连接外界轮船、飞机等动力需求设备，并对其做功，为动力需求设备的启动提供必要的外界动力。

燃气轮机启动过程中，各个部件从常温逐步升高到工作温度，燃气轮机工作状态稳定后，燃气轮机压气机转子51和压气机气缸52的工作温度可达300-400摄氏度，透平转子72和透平气缸71的温度可能更高。由于压气机气缸52和透平气缸71的质量较大，热惯性较强，且气缸变形较慢，需要在较长的工作时间内吸收较多的热量才能达到热平衡；而压气机转子51、透平转子72质量小，离心力效应，可较快达到热平衡，两种转子的变形也较快，通过比较可以看出，转子热胀变形速度比气缸热胀变形速度快，因此，为了保证燃气轮机转子和气缸不发生危险的碰摩，需要给予燃气轮机气缸52和透平气缸71较长的加热时间及足够的响应时间。

其中，压气机5为轴流式压气机、离心式压气机、混流式压气机中的一种，或几种组合的组合式压气机，例如：轴流式压气机和离心式压气机组合的组合式压气机；轴流式压气机、离心式压气机和混流式压气机组合的组合式压气机；离心式压气机和混流式压气机组合的组合式压气机；轴流式压气机和混流式压气机组合的组合式压气机。

压气机5包括：压气机气缸52及压气机转子51。透平7包括：透平气缸71及透平转子72。

该燃气轮机还包括一加热装置8，该加热装置8包覆并固连于压气机气缸52及透平气缸71的外表面上，对压气机气缸52及透平气缸71进行加热保温，以提高燃气轮机的启动速度。

图2是图1中加热装置8的结构示意图，图3是图2的沿A-A剖面线的截面视图。该加热装置8包括：电源1、电加热丝2、功率调节装置3和导线4，其中，电源1为燃气轮机加热装置提供电能；功率调节装置3与电源1的一端相连，用于控制燃气轮机加热装置8的用电功率，使得燃气轮机气缸温度保持在预定水平，该功率调节装置3包括热分析系统，可根据热分析系统的热分析结果调整功率调节装置3的功率，以控制加热装置的加热温度；电加热丝2一端与电源1的另一端相连，电加热丝2的另一端与功率调节装置3相连，加热丝2用于将电源1提供的电能转化为热能，为燃汽轮机加热，该电加热丝2的材料为铁铬铝合金或镍铬合金；导线4用于将电源1、功率调节装置3、电加热丝2相连组成闭环电路。

该加热装置8及燃气轮机启停步骤如下：

燃气轮机启动之前，开启所述加热装置8，对所述压气机气缸52及所述透平气缸71进行预热。

当所述压气机气缸52及所述透平气缸71的温度保持在预定水平，关闭所述加热装置8，并启动所述燃气轮机，以避免所述压气机气缸52及所述透平气缸71的热胀变形与所述压气机转子51及所述透平转子72的热胀变形不一致而发生危险碰摩。

燃气轮机工作时，工作介质被压气机气缸52压缩经压气机转子51送入燃烧室6内，将压气机5输入的工作介质点火并使工作介质充分燃烧，产生高温高压的工作介质，并将其输入透平7；高温高压的工作介质在透平转子72及透平气缸71内流动并降温降压，随后经透平7出口排出燃气轮机对外做功。

燃气轮机停机后，开启所述加热装置8，对所述压气机气缸52及所述透平气缸71进行加热和保温，使所述压气机气缸52及所述透平气缸71的温度维持在指定的温度水平，以避免所述压气机气缸52及所述透平气缸71的冷缩变形与所述压气机转子51及所述透平转子72的冷缩变形不一致而发生危险碰摩。

由以上步骤可知，虽然转子变形快于气缸变形，但是由于气缸已经经过提前预热，可以避免燃气轮机开机时，转子快速启动带来的燃气轮机转子和气缸热胀变形不一致而引起碰摩，因此机组只需要很少的时间就可以启动。如图4所示，本实施例提供的燃气轮机的启动时间从t1减小至t2，由此证明，布置加热装置8可使燃气轮机快速启动，从而增加了燃气轮机运行的灵活性。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机，包括：

压气机，包括：

压气机转子，以及

压气机气缸，套设在所述压气机转子上；

透平，包括：

透平转子，以及

透平气缸，套设在所述透平转子上；

燃烧室，位于所述压气机与所述透平之间，所述燃烧室输入端与所述压气机输出端相连，所述燃烧室输出端与所述透平输入端相连；以及

加热装置，包覆并固连于所述压气机气缸及所述透平气缸的外表面上；

工作介质从大气中被所述压气机吸入，在所述压气机气缸及所述压气机转子之间流动，并被压缩增压；所述工作介质进入所述燃烧室，与燃料混合后经点燃进行燃烧，点燃后的工作介质进入所述透平中并在所述透平气缸及所述透平转子之间流动，所述点燃后的工作介质对外做功后的废气经所述透平出口排出所述燃气轮机。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述加热装置包括：

电源；

功率调节装置，所述功率调节装置的一端与所述电源的一端相连，用于调节所述加热装置的用电功率，从而调节所述加热装置的加热温度；

电加热丝，所述电加热丝的一端与所述功率调节装置另一端通过所述导线相连，所述电加热丝的另一端与所述电源的另一端通过所述导线相连，形成闭环电路。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机，其中，所述电加热丝的材料为铁铬铝合金或镍铬合金。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述压气机气缸外表面上设置的所述加热装置为一个或多个；所述透平气缸外表面上设置的所述加热装置为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述压气机气缸上沿靠近所述燃烧室一侧向远离所述燃烧室一侧，所述加热装置的包覆面积逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述透平气缸上沿靠近所述燃烧室一侧向远离所述燃烧室一侧，所述加热装置的包覆面积逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述压气机转子为轮盘式、轮毂式或轮盘轮毂混合式中的一种；所述透平转子为轮盘式、轮毂式或轮盘轮毂混合式中的一种。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述压气机为轴流式压气机、离心式压气机、混流式压气机中的一种，或几种组合的组合式压气机。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述燃烧室是单管燃烧室、环管燃烧室、环形燃烧室中的一种。

10.一种提高如权利要求1～9中任一项所述的燃气轮机响应速度的方法，包括：

步骤一：所述燃气轮机启动之前，开启所述加热装置，对所述压气机气缸及所述透平气缸进行预热；

步骤二：当所述压气机气缸及所述透平气缸的温度达到并保持在正常工作温度的50％时，关闭所述加热装置并启动所述燃气轮机。

Images