CN1324433A - 燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机,包括由压缩机涡轮驱动的压缩机,压缩机(116)接受一部分压缩空气(A);压缩机涡轮转盘(118);涡轮转盘(114)。一小部分压缩空气通过开口(123)供给到燃烧室(116)。燃料通过管子(117)供给,废气(D)流过涡轮再流过压缩机涡轮。大部分压缩空气(B)从压缩机流出直接绕过涡轮转盘(114)的区域(122)和(124)进入区域(128)中,用于驱动涡轮转盘(114)的空气(B)被供到涡轮叶片(115)的通道(126)中以冷却它们,再被喷出并混合进主要废气(D)中。

Description

燃气轮机
本申请可以相互参照三个共同待审(copending)的美国申请。这三个申请中的每一个作为美国专利申请系列No.09/161104、09/161114和09/161170相应地于1998.9.25日提交，每个该共同待审的美国申请在这里引入以作参考。
本发明涉及燃气轮机领域，尤其地涉及使用压缩机流体使涡轮叶片和来自燃烧室的加热流体之间保持热边缘层的改进型燃气轮机。
本发明的背景技术
现有技术的燃气涡轮具有压缩机、燃料源、用于燃烧的空气源、壳体和燃烧室，从而准备来自燃料和燃烧空气中的加热流体。燃烧室具有连接到燃烧空气源和燃料源中的燃烧区域。它具有用来冷却到达涡轮之前所产生的加热流体的冷却区域。燃烧室的冷却区域连接到压缩机中。加热流体温度根据工作条件而波动。在传统燃气轮机中，这些温度波动导致在发动机零件上产生较强的由温度所引起的应力。
在这些现有技术燃气涡轮中，实际上整个压缩机流体流量被导向燃烧室。在燃烧室内进行加热的流体借助于燃烧室冷却区域内的压缩机流体流量来冷却。发动机具有涡轮转盘，该转盘具有接受来自燃烧室的加热流体的叶片。加热流体的温度很高，并且在某些条件下，流体使涡轮转盘叶片过热。为了防止这种过热，每个叶片具有接受来自压缩机的空气的内部通道。其结果是，部分来自压缩机的流体(大约3％到5％的总流量)供给到叶片的内部通道中，从而把它们的温度保持在设计的极限内。燃气轮机的一个例子公开在授权给Branstrom等人的美国专利3826084中。
加热流体还不得不在燃料燃烧之后进行冷却。通常，在燃烧室内实现这个操作，而来自压缩机的流体的主要部分进入到燃烧室中。
因此，在现有技术的燃气涡轮中，基本上来自压缩机的所有流体供给到燃烧室冷却区域中，从而在它进入涡轮之前冷却流体。当来自压缩机的流体与燃烧室冷却区域内的加热流体进行混合时，损失了大约3％到5％的流体能量。使大约3％的来自压缩机的流体转向到涡轮转盘叶片会导致另外的3％的损失。此外，现有技术燃气涡轮的燃烧室不得不形成得较大来提供冷却区域。
本发明的概述
本发明的目的是提供一种具有更好的效率和较小的有害排放的燃气轮机。
本发明的另一目的是减少现有技术燃烧室的冷却区域损失。
本发明的另一目的是提供一种更加紧凑的燃气轮机。
本发明的另一目的是延长燃气轮机的寿命。
上面这些目的通过设计一种燃气轮机来实现，该燃气轮机具有涡轮叶片流动部分，而该流动部分设置在叶片进入边缘和出口边缘之间，并且具有压缩机来供给流体流量，该流体流量包括沿着叶片流动部分的外表面的主要部分的压缩机流体输出，因此提供了绝热边缘层，在该边缘层上流动着来自压缩机的加热流体。形成于燃烧室内的加热流体在没有进行进一步的冷却情况下就直接流到涡轮叶片中，因此减少了与冷却有关的损失。
从优选实施例的下面详细描述和附图中可以知道，本发明的其它目的和优点将是显而易见的。
附图的简短说明
图1示出了本发明的燃气轮机的示意图；
图2示出了本发明的燃气轮机的侧剖视图(未示出压缩机)；
图3示出了涡轮转盘叶片的各种实施例(沿着图2的线Ⅱ-Ⅱ所截取的横剖视图)；
图4示出了本发明的燃气轮机的另一个实施例，它与图2所描述的相类似(未示出压缩机)。
附图的详细说明
在图1中，燃气轮机具有壳体10、用来供给压缩流体的压缩机12、安装在压缩机12的下游处的涡轮转盘14、为涡轮准备加热流体的燃烧室16和用来驱动压缩机12的压缩机涡轮转盘18。涡轮转盘14沿着与压缩机转盘18的旋转方向相对的方向进行旋转。流体从涡轮转盘14直接流到压缩机涡轮转盘18中。燃烧室16具有喷嘴21来接纳从燃料源(未示出)供给来的燃料。燃烧室16限制出燃烧区20，该燃烧区基本上占据了燃烧室16的整个内部空间。燃烧空气沿着箭头A所示方向供给到设置有喷嘴21的燃烧室16的入口部分上。
如箭头B所示一样，来自压缩机12的大多数流体通过壳体10内的通道22绕过燃烧室16供给到涡轮转盘14中。直接流到涡轮的流体范围处于接近55％和85％的总流体流量之间。基本上小于55％的任何流量不能实现涡轮叶片和有关元件的理想冷却，并且基本上大于85％的流动会导致损失，因为它在燃烧室内会导致不完全燃烧。流体流量进入到涡轮转盘14中、包围涡轮叶片并且进入到压缩机涡轮转盘18中，从而驱动压缩机12。部分这种流体如下面所述一样到达燃烧室16中。来自压缩机涡轮转盘18的排出气体沿着箭头C所示的方向通过排气支管24排出。
只有用于燃料雾化的那部分总流体(大约是来自压缩机的流体总量的25％)通过开口23供给到燃烧室16中。燃烧室16内没有冷却区，流体沿着箭头D所示的方向从燃烧室16中未经冷却就到达涡轮转盘10中。流体如箭头E所示一样移动来冷却离开燃烧室16的加热流体并且保护涡轮转盘的叶片以防损坏。
参照图2，在图2中，相同的零件以与图1中相同的标号加上100来表示，涡轮转盘114具有借助于根部115a而安装在转盘上的叶片115，并且紧接设置在燃烧室116的下游处，从而接受形成于燃烧区域120内的加热流体，如箭头D所示一样。燃烧室116还接受需要量的燃烧空气，该需要量是普通技术人员所公知的。燃烧空气通过未示出的独立线路来供给。
组织燃烧空气的供给是本领域普通技术人员所公知的，因此在这里不作详细描述。但是应该注意到，空气沿与燃烧室内的通常流动方向成切线的方向加入(参见图1中的箭头D)。把自旋传递给加热流体的流动中是公知的方法。这种帮助使得加热流体的流动适合于压缩机涡轮转盘的旋转。另一方面，进入涡轮转子叶片的角度可以用来得到同样的结果。在那种情况下，不需要沿切线加入燃烧空气。
压缩机涡轮转盘118安装在涡轮转盘114的下游处并且具有叶片119。通道122连接涡轮转盘114和区域124内的压缩机(未示出)之间的空间，该区域124借助于燃烧室116的内环形来限制出。来自压缩机的流体沿着箭头B的方向进行移动并且加入到涡轮转盘叶片115中。
在图3中，叶片115具有内部通道126，该内部通道126具有入口128、锥形部分130和直的部分132。内部通道126的壁以进入的最佳角度来设置，该最佳角度保证了在通道壁上的流体流动的平稳进入，这种进入的最佳角度对于本领域普通技术人员来讲容易确定。叶片115具有位于燃烧室116侧上的进入边缘134和位于相对侧上的出口边缘136。该进入边缘具有流体出口槽138，开口138′沿着进入边缘而设置，或者进入边缘具有若干沿着许多线而布置的开口138″。各种出口可以设置在涡轮转盘叶片115上，如许多槽、成排的开口和类似物。涡轮转盘的叶片115没有可拆下的根部并且可以与转盘形成一体。
叶片115的进入边缘和出口边缘之间的部分140限制出叶片流动部分，沿着该流动部分，来自压缩机的流体在离开内部通道126的直部分132之后进行移动。该流体包围叶片115的流动部分140，因此在叶片表面上形成了一层流体，并且提供了绝热层以防来自燃烧室116的加热流体。使用通过管子117由燃料源(未示出)所供给的燃料，加热流体形成于燃烧室的燃烧区域120，并且移动到叶片115中而没有进行预先冷却。当该加热流体到达叶片115时，它将在由压缩机所供给的相对较冷的流体层上方沿着叶片的流动部分140进行移动，并且只是部分地与它混合。热流体和冷流体的这种层分离保护了叶片以防过热。如图2所看到的那样，来自压缩机的一部分流体离开叶片115的内部通道126，沿着箭头A移动并且返回到叶片115的罩142的内表面中。同时，来自涡轮转盘114上游处的空间124的部分流体如箭头B′所示一样通过燃烧室116的内环形壁的边缘和叶片115的边缘之间的间隙。该流体保护了进入叶片空间内的剩余表面。
当加热流体离开涡轮转盘114的叶片115时，它移动到压缩机涡轮转盘118的叶片119中。应该注意到，来自包围涡轮叶片115的压缩机的流体还移动到压缩机涡轮叶片119中。当加热流体和来自压缩机的流体到达压缩机涡轮转盘时，它们大约具有相同的温度。
冷却流体充满了环形空间144。该流体将在壳体和迷宫式密封件146之间进行移动，从而保护这个区域内的壳体的内表面。
这个实施例的描述表明，在燃烧室116内没有冷却区域。在燃烧室116内缺少冷却区域意味着较小的燃烧室尺寸大小并且消除了在混合加热流体和冷却流体时所产生的冷却区域损失。当加热流体在来自压缩机的流体层上方沿着叶片114的流动部分进行移动时，这两种流体只是不完全混合，因此这个区域内的损失达到了最小。由于压缩机流体较冷，因此它具有较小的粘度。这种较小的粘性流体沿着叶片表面进行移动并且决定了边缘损失。根据流体机械的原理，由于温度大约为2000K的加热流体具有较大的粘性，因此它可以防止较小的粘性流体移过叶片表面。在加热流体和发动机零件的表面之间没有直接接触，因此这些零件没有受到与现有技术燃气轮机相同程度的、由热导致的应力作用。而且，相对于直接来自燃烧室内的加热流体的侵蚀作用而言，接触叶片材料的、由压缩机供给的冷却流体的成分和温度减少了对叶片材料的流体侵蚀作用。这就延长了叶片寿命。
除了进行不完全混合之外，当它们相遇时，加热流体和来自压缩机的流体进行膨胀，从而降低了它们的温度。因此，燃烧室下游处的氧化反应没有现有技术发动机中的那样强烈。这意味着形成的NOx较少，并且因此使本发明的发动机对环境的损害较小。
当流体从压缩机供给到涡轮叶片时，它载有大量的能量。该流体在叶片的出口和进口之间的区域内进行膨胀。在现有技术的发动机中，流体在燃烧室的冷却区域内损失了一部分能量。这些冷却损失在本发明中可以避免。膨胀过程中所进行的工作大约为半个涡轮功率。流体量大于来自燃烧室的热气体量，但是它较冷，这解释了为什么作功量只是涡轮功率的一半。
在图4所示的另一个实施例中，相同零件用图2中的相同标号加上200来表示，唯一的区别在于燃气轮机具有一个涡轮转盘214，压缩机212借助于轴248来驱动。在其它情况下，这个实施例的设计和工作是相同的。
上面已经描述了本发明的优选实施例。但是，应当明白，在没有脱离附加权利要求所限定的本发明范围和精神实质的情况下，对这里的实施例进行各种变型和改进是可能的。

Claims (11)

1．一种操作燃气轮机的方法，该燃气轮机具有用来形成流体流的压缩机、壳体、所述壳体内的燃烧区域、具有叶片的涡轮转盘，而每个叶片具有入口边缘和出口边缘，从而在它们之间限制出叶片流动部分，所述方法包括：
把燃料和燃烧空气供给到所述燃烧区域中从而准备加热的流体；
把所述加热流体从所述燃烧区域在没有作进一步冷却的情况下沿着所述叶片流动部分直接供给到所述叶片流动部分中；
把所述流体流从所述压缩机中供给到所述叶片流动部分中。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：每个所述叶片具有内部通道，所述流体流通过所述内部通道而供给到所述叶片流动部分中。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述压缩机供给到所述叶片流动部分中的所述流体流包括55％和85％之间的来自压缩机的总流体流。
4．一种燃气轮机，它包括：
用来形成流体流的压缩机；
燃料源；
燃烧空气的源；
壳体；
所述壳体内的燃烧区域，所述燃烧区域与所述燃料源和燃烧空气的所述源相连通，从而准备加热流体；
具有叶片的涡轮转盘，每个所述叶片具有入口边缘和出口边缘，在所述入口边缘和所述出口边缘之间限制出叶片流动部分，所述进入边缘紧接所述燃烧区域的下游而设置，从而接受来自燃烧区域的所述加热流体，从而使所述加热流体沿着所述叶片流动部分进行运动，所述叶片流动部分与所述压缩机连通，从而供给所述流体流，从而使所述流体流沿着所述叶片流动部分进行运动。
5．如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于：每个所述叶片具有内部通道，所述流体流通过所述内部通道而供给到所述叶片流动部分中。
6．如权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于：每个内部通道具有通过量，所述通过量基本上与借助于所述叶片的数量所分开的所述流体流相一致。
7．如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于：从所述压缩机供给到所述叶片流动部分中的所述流体流包括55％和85％之间的来自压缩机的总流体。
8．一种燃气轮机，它包括：
用来形成流体流的压缩机；
燃料源；
燃烧空气的源；
壳体；
所述壳体内的燃烧区域，所述燃烧区域与所述燃料源和燃烧空气的所述源相连通，从而准备加热流体；
具有叶片的涡轮转盘，每个所述叶片具有入口边缘和出口边缘，在所述入口边缘和所述出口边缘之间限制出叶片流动部分，所述进入边缘紧接所述燃烧区域的下游而设置，从而接受来自燃烧区域的所述加热流体，从而使所述加热流体沿着所述叶片流动部分进行运动；
具有叶片的压缩机涡轮转盘，所述涡轮转盘沿着与所述压缩机涡轮转盘的旋转方向相对的方向进行旋转；
所述叶片流动部分与所述压缩机连通，从而供给所述流体流，从而使之沿着所述叶片流动部分进行流动。
9．如权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于：每个所述叶片具有内部通道，所述流体流通过所述内部通道而供给到所述叶片流动部分中。
10．如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于：每个内部通道具有通过量，所述通过量基本上与借助于所述叶片的数量所分开的所述流体流相一致。
11．如权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于：从所述压缩机供给到所述叶片流动部分中的所述流体流包括55％和85％之间的来自压缩机的总流体。
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