CN114704383B - 一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统 - Google Patents

一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，包括主压气机，外置压气机，燃烧室，燃气透平，预旋喷嘴，以及中心冷却腔室；主压气机和燃气透平安装在同一转轴上；预旋喷嘴位于转轴上，并与开设在转轴中心的中心冷却腔室相连通；低压抽气口和末两级进气口间布置管道连通，中压抽气口和第二级进气口与末两级进气口间布置管道连通，高压抽气口和首级进气口与第二级进气口间布置管道连通，外置压气机的一根出口管道接入高压抽气口与首级进气口间的连通管道，外置压气机的另一根出口管道与中心进气口相连通。本发明可以实时确保不同运行模式下燃气透平第一级静叶和动叶的冷却效果，提高机组的安全性、高效性和高适应性。

Description

一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统
技术领域
本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统。
背景技术
燃气轮机的发展必然伴随着燃气透平入口温度的不断提高，因此，燃气轮机热端部件，尤其是燃气透平第一级静叶和动叶，承受着极高的热负荷且分布不均匀。虽然高温材料的发展取得了一定的进展，但其研发速度相较于燃气透平进口温度的增长来说还是较慢，因此，面临着燃气温度远超热端部件材料熔点的问题。此外，高速旋转的燃气透平动叶还承受着极高的离心力，高温燃气表现出强烈的非定常流动特性，工作环境十分复杂。因此，为了冷却和保护燃气轮机的高温部件，其内部通常布置有一套二次空气系统。
传统的二次空气系统的冷却空气一般来自于不同压气机级，通过抽气槽、管路、预旋喷嘴、旋转盘腔、封严结构等一系列流动元件，按照设计的流动路径和状态参数(压力，温度和流量等)输送到规定的位置完成预定的功能，最后由设计的多个出口位置汇入高温主流或直接排放到环境。然而，一方面，在燃气轮机启动和变工况时，压气机无法提供足量足压的冷却空气，而燃气透平叶片承受的不均匀热载荷极高，造成冷却需求和冷却供应的不平衡，导致热端部件寿命大幅降低甚至烧毁；另一方面，冷却需求的提升伴随着抽气量的增加，从而降低了机组的效率。基于以上原因，本发明提出了一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，通过引入单独的外置压气机，实现了多种运行模式下燃气透平第一级静叶和动叶冷却效果的实时精准调控，具有提高整机安全性和效率、降低主压气机冷却负担、加速机组启动和工况变更、扩宽机组稳定运行工况范围等优势。
发明内容
传统的二次空气系统需要从不同压气机级抽取获得冷却空气，不同运行工况下，压气机的供冷响应差、供冷量不足，对高温部件安全性造成了极大的威胁，为了避免现有技术存在的不足，本发明提出了一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，该系统可以实时确保不同运行模式下燃气透平第一级静叶和动叶的冷却效果，提高机组的安全性、高效性和高适应性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，包括主压气机，外置压气机，燃烧室，燃气透平，预旋喷嘴，以及中心冷却腔室；
主压气机和燃气透平安装在同一转轴上；低压抽气口、中压抽气口和高压抽气口分别位于主压气机的低压级、中压级和高压级抽气位置对应的外缸壁上，首级进气口、第二级进气口和末两级进气口分别位于燃气透平的首级、第二级和末两级叶栅顶部冷却空气入口对应的外缸壁上，中心进气口位于主压气机和燃气透平中部连接的静止缸壁处；预旋喷嘴位于转轴上，并与开设在转轴中心的中心冷却腔室相连通；
低压抽气口和末两级进气口间布置管道连通，中压抽气口和第二级进气口与末两级进气口间布置管道连通，高压抽气口和首级进气口与第二级进气口间布置管道连通，外置压气机的一根出口管道接入高压抽气口与首级进气口间的连通管道，外置压气机的另一根出口管道与中心进气口相连通。
本发明进一步的改进在于，在低压抽气口下游设置有第一阀门。
本发明进一步的改进在于，在第二级进气口上游设置有第二阀门。
本发明进一步的改进在于，在末两级进气口上游设置有第三阀门。
本发明进一步的改进在于，在第二级进气口上游设置有第五阀门。
本发明进一步的改进在于，在首级进气口上游设置有第四阀门。
本发明进一步的改进在于，外置压气机的一根出口管道接入高压抽气口与首级进气口间的连通管道，且接入位置位于第四阀门下游、首级进气口上游，且出口管道上设置有第六阀门。
本发明进一步的改进在于，外置压气机的另一根出口管道与中心进气口相连通，且出口管道上设置有第七阀门。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、传统的燃气轮机二次空气系统的冷却空气均从压气机不同位置抽气所得，然而这存在一个致命的问题，燃气轮机机组刚启动时，压气机不能马上进入额定工况，所提供的冷却空气压力和流量较低，远远无法完成设计的冷却任务；与此同时，燃烧室出口的温度快速升高，且具有强烈的不均匀性，从而导致燃气透平叶片，特别是第一级静叶，承受的局部热负荷极高，最终导致第一级静叶寿命大幅降低甚至烧毁。而本发明通过引入单独的外置压气机，用于启动过程中为燃气透平第一级静叶和动叶提供稳定且足够的冷却空气；与此同时，利用压力相对较高的压气机中压缸和高压缸的抽气，分别对燃气透平的低压级和中压级进行冷却，从而保障了燃气透平全级叶片和机组的安全性。
2、在燃气轮机机组变工况运行时，压气机所提供的冷却空气参数会急剧降低，但是燃气透平的温度载荷却不会马上降低，从而导致冷却供应量与需求量的不匹配，同样危机叶片和机组的安全性。因此，在该过程中本发明同样通过引入外置压气机，承担变工况过程中燃气透平第一级静叶和动叶的冷却任务，并分别利用压气机中压缸和高压缸抽取的冷却空气实现燃气透平低压级和中压级的冷却，大大提高了安全性。
3、燃气透平第一级静叶和动叶的自身工作情况对整台机组的运行状态起着至关重要的影响，在本发明这种二次空气系统中，启动和变工况运行时，均切换至已经以额定工况运行的外部外置压气机，对最危险部位(第一级静叶和动叶)实现冷却空气参数的单独精准控制，以保障其安全性和最佳工作状态，从而使得整个机组可以更快、更高效、更安全可靠地完成启动和变工况过程。
4、随着先进燃气轮机的发展，燃气透平入口温度不断提升，二次空气系统设计时的冷却任务和难度不断增加，避免不了地需要从压气机抽取更多的压缩冷却空气，从而导致压气机主流泄露严重，内部流动更加复杂，效率也严重降低，同时对压气机设计提出了更高的要求。本发明的二次空气系统可以利用外部外置压气机和主压气机高压级抽气，对燃气透平第一级静叶和动叶进行协同冷却，降低主压气机冷却负担，提高主压气机效率，进而提高整机效率。此外，外置压气机提供的空气温度低，与主压气机高压级抽气混合后的冷却空气温度也相对较低，进一步减少了冷却空气的使用量，从而进一步提高了燃机效率
5、当主压气机在喘振边界附近运行时，小幅度的流量变化都会引起机组大幅的运行状态变更，从而无法精准调控燃气透平叶片的冷却效果；当主压气机在堵塞边界运行时，无法压缩更多流量，从而满足不了更高的冷却需求。而本发明通过引入独立的外置压气机，在上述两种情况下采用协同冷却模式，通过外置压气机侧的冷却空气调整，一方面实现燃气透平第一级静叶和动叶冷却效果的实时精准调控，另一方面提高了机组整个稳定运行的工况范围。
附图说明
图1是本发明一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统示意图；
图2是本发明燃气轮机二次空气系统启动和变工况运行时的冷却空气流动示意图；
图3是本发明燃气轮机二次空气系统额定工况运行时的冷却空气流动示意图；
图4是本发明燃气轮机二次空气系统协同冷却运行时的冷却空气流动示意图。
附图标记说明：
1-主压气机，2-外置压气机，3-燃烧室，4-燃气透平，5-预旋喷嘴，6-中心冷却腔室，7-转轴，C1-低压抽气口，C2-中压抽气口，C3-高压抽气口，F1～F7-第一阀门至第七阀门，J1-首级进气口，J2-第二级进气口，J3-末两级进气口，J4-中心进气口
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明提供的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，包括主压气机1，外置压气机2，燃烧室3，燃气透平4，预旋喷嘴5，中心冷却腔室6，低压抽气口C1，中压抽气口C2，高压抽气口C3，第一阀门至第第七阀门F1～F7，首级进气口J1，第二级进气口J2，末两级进气口J3，中心进气口J4。
主压气机1和燃气透平4安装在同一转轴7上。低压抽气口C1、中压抽气口C2和高压抽气口C3分别位于主压气机1的低压级、中压级和高压级抽气位置对应的外缸壁上。首级进气口J1、第二级进气口J2和末两级进气口J3分别位于燃气透平4的首级、第二级和末两级叶栅(静叶与动叶)顶部冷却空气入口对应的外缸壁上。中心进气口J4位于主压气机1和燃气透平4中部连接的静止缸壁处。预旋喷嘴5位于转轴7上，并与开设在转轴7中心的中心冷却腔室6相连通。低压抽气口C1和末两级进气口J3间布置管道连通，并在低压抽气口C1下游设置有第一阀门F1。中压抽气口C2和第二级进气口J2与末两级进气口J3间布置管道连通，并分别在第二级进气口J2和末两级进气口J3上游设置有第二阀门F2和第三阀门F3。高压抽气口C3和首级进气口J1与第二级进气口J2间布置管道连通，并分别在首级进气口J1和第二级进气口J2上游设置有第四阀门F4和F5。外置压气机2的一根出口管道接入高压抽气口C3与首级进气口J1间的连通管道，接入位置位于第四阀门F4下游、首级进气口J1上游，同时设置有第六阀门F6；外置压气机2的另一根出口管道与中心进气口J4相连通，并设置有第七阀门F7。
为了对本发明进一步了解，现对其工作过程原理做进一步说明。
参见图2，当燃气轮机启动和变工况运行时，关闭第一阀门F1、第二阀门F2和第四阀门F4，开启第三阀门F3、第五阀门F5、第六阀门F6和第七阀门F7。已处于正常工作状态的外置压气机2出口的一路高压冷却空气通过连接管道输送至首级进气口J1，并通过首级静叶和动叶上方的冷却孔输送至叶顶和叶片内部，完成对应的冷却任务；另一路高压冷却空气通过连接管道输送至中心进气口J4，然后通过预旋喷嘴5输送至中心冷却腔室6，完成燃气透平4各级的轮盘冷却等任务。对于还未处于正常工作状态的主压气机1，其中压抽气口C2的冷却空气通过连接管道输送至末两级进气口J3，并通过末两级静叶上方的冷却孔输送至叶顶和叶片内部，完成对应的冷却任务；其高压抽气口C3的冷却空气通过连接管道输送至第二级进气口J2，并通过第二级静叶和动叶上方的冷却孔输送至叶顶和叶片内部，完成对应的冷却任务。
值得指出的是，①针对启动工况，传统的燃气轮机二次空气系统的冷却空气均从主压气机1不同位置抽气所得，然而这存在一个致命的问题，燃气轮机机组刚启动时，主压气机1不能马上进入额定工况，所提供的冷却空气压力和流量较低，难以达到设计的冷却要求，存在冷却量不够导致叶片事故的风险；与此同时，燃烧室3出口的温度快速升高，且具有强烈的不均匀性，从而导致燃气透平4叶片，特别是第一级静叶，承受的局部热负荷极高，最终导致第一级静叶寿命大幅降低甚至烧毁。而本发明通过引入单独的外置压气机2，用于启动过程中为燃气透平4第一级静叶和动叶提供稳定且足够的冷却空气；与此同时，利用压力相对较高的主压气机1中压缸和高压缸的抽气，分别对燃气透平4的低压级和中压级进行冷却，从而保障了燃气透平4全级叶片和机组的安全性；②针对变工况，主压气机1所提供的冷却空气参数会急剧降低，但是燃气透平4的温度载荷却存在热惯性，不会马上降低，从而导致冷却供应量与需求量的不匹配，同样危机叶片和机组的安全性。因此，在该过程中本发明同样通过引入外置压气机2，承担变工况过程中燃气透平4第一级静叶和动叶的冷却任务，并分别利用主压气机1中压缸和高压缸抽取的冷却空气实现燃气透平4低压级和中压级的冷却，大大提高了安全性；③燃气透平4第一级静叶和动叶的自身工作情况对整台机组的运行状态起着至关重要的影响，在本发明这种二次空气系统中，启动和变工况运行时，均切换至已经以额定工况运行的外置压气机2，对最危险部位(燃气透平4第一级静叶和动叶)实现冷却空气参数的单独精准控制，以保障其安全性和最佳工作状态，从而使得整个机组可以更快、更高效、更安全可靠地完成启动和变工况过程。
参见图3，当燃气轮机额定工况运行时，关闭第三阀门F3、第五阀门F5和第六阀门F6，开启第一阀门F1、第二阀门F2、第四阀门F4和第七阀门F7。对于已处于正常工作状态的主压气机1，其低压抽气口C1，中压抽气口C2和高压抽气口C3处的低压、中压和高压冷却空气分别通过对应管道输送至燃气透平4的末两级进气口J3，第二级进气口J2和首级进气口J1，并通过各级静叶和动叶上方的冷却孔输送至叶顶和叶片内部，完成对应的冷却任务。外置压气机2出口的冷却空气通过连接管道输送至中心进气口J4，然后通过预旋喷嘴5输送至中心冷却腔室6，完成燃气透平4各级的轮盘冷却等任务。
参见图4，当燃气轮机协同冷却运行时，关闭第三阀门F3和第五阀门F5，开启第一阀门F1、第二阀门F2、第四阀门F4、第六阀门F6和第七阀门F7。该运行模式下，低压抽气口C1和中压抽气口C2处的低压和中压冷却空气分别通过对应管道输送至燃气透平4的末两级进气口J3和第二级进气口J2，高压抽气口C3的高压冷却空气与外置压气机4的一路高压冷却空气通过对应管道同时输送至燃气透平4的首级进气口J1。被输送至燃气透平4各进气口的冷却空气通过各级静叶和动叶上方的冷却孔输送至叶顶和叶片内部，完成对应的冷却任务。外置压气机4的另一路冷却空气通过连接管道输送至中心进气口J4，然后通过预旋喷嘴5输送至中心冷却腔室6，完成燃气透平4各级的轮盘冷却等任务。
值得指出的是，①随着先进燃气轮机的发展，燃气透平4入口温度不断提升，二次空气系统设计时的冷却任务和难度不断增加，避免不了地需要从主压气机1抽取更多的压缩冷却空气，从而导致主压气机1主流泄露严重，内部流动更加复杂，效率也严重降低，同时对主压气机1设计提出了更高的要求。本发明的二次空气系统可以利用外部外置压气机2和主压气机1高压级抽气，对燃气透平4第一级静叶和动叶进行协同冷却，降低主压气机1冷却负担，提高主压气机1效率，进而提高整机效率。此外，外置压气机2提供的空气温度低，与主压气机1高压级抽气混合后的冷却空气温度也相对较低，进一步减少了冷却空气的使用量，从而进一步提高了燃机效率；②当主压气机1在喘振边界附近运行时，小幅度的流量变化都会引起机组大幅的运行状态变更，从而无法精准调控燃气透平4叶片的冷却效果；当主压气机1在堵塞边界运行时，无法压缩更多流量，从而满足不了更高的冷却需求。而本发明通过引入独立的外置压气机2，在上述两种情况下采用协同冷却模式，通过外置压气机2侧的冷却空气调整，一方面实现燃气透平4第一级静叶和动叶冷却效果的实时精准调控，另一方面提高了机组整个稳定运行的工况范围。
本发明的外置压气机4优选采用具有高效稳定、体积小、单级压比高、调节灵活的离心式压气机。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，包括主压气机(1)，外置压气机(2)，燃烧室(3)，燃气透平(4)，预旋喷嘴(5)，以及中心冷却腔室(6)；
主压气机(1)和燃气透平(4)安装在同一转轴(7)上；低压抽气口(C1)、中压抽气口(C2)和高压抽气口(C3)分别位于主压气机(1)的低压级、中压级和高压级抽气位置对应的外缸壁上，首级进气口(J1)、第二级进气口(J2)和末两级进气口(J3)分别位于燃气透平(4)的首级、第二级和末两级叶栅顶部冷却空气入口对应的外缸壁上，中心进气口(J4)位于主压气机(1)和燃气透平(4)中部连接的静止缸壁处；预旋喷嘴(5)位于转轴(7)上，并与开设在转轴(7)中心的中心冷却腔室(6)相连通；
低压抽气口(C1)和末两级进气口(J3)间布置管道连通，中压抽气口(C2)和第二级进气口(J2)与末两级进气口(J3)间布置管道连通，高压抽气口(C3)和首级进气口(J1)与第二级进气口(J2)间布置管道连通，外置压气机(2)的一根出口管道接入高压抽气口(C3)与首级进气口(J1)间的连通管道，外置压气机(2)的另一根出口管道与中心进气口(J4)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，在低压抽气口(C1)下游设置有第一阀门(F1)。
3.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，在第二级进气口(J2)上游设置有第二阀门(F2)。
4.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，在末两级进气口(J3)上游设置有第三阀门(F3)。
5.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，在第二级进气口(J2)上游设置有第五阀门(F5)。
6.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，在首级进气口(J1)上游设置有第四阀门(F4)。
7.根据权利要求6所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，外置压气机(2)的一根出口管道接入高压抽气口(C3)与首级进气口(J1)间的连通管道，且接入位置位于第四阀门(F4)下游、首级进气口(J1)上游，且出口管道上设置有第六阀门(F6)。
8.根据权利要求1所述的一种具有外置压气机的燃气轮机多模式二次空气系统，其特征在于，外置压气机(2)的另一根出口管道与中心进气口(J4)相连通，且出口管道上设置有第七阀门(F7)。
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CN206071727U (zh) * 2016-08-16 2017-04-05 上海电气燃气轮机有限公司 一种用于燃气轮机的二次空气流路系统

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