CN101649780A - 压气机独立驱动的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机装置，主要特征在于：由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)组成，压气机(1)与透平(3)不同轴，由独立动力装置(5)带动压气机(1)旋转工作。本发明避免了原有技术中压气机与透平匹配工作所导致的气动稳定性问题，燃气轮机在低负荷也可以很好地工作，简化了压气机结构，有效避免压气机出现喘振现象，工作范围和可靠性增大，且压气机轴(6)与透平轴(8)方向可以布置成任意夹角形式。

Description

压气机独立驱动的燃气轮机

(一)技术领域：

本发明涉及一种内燃式热力机械，尤其是一种燃气轮机装置。

(二)背景技术：

燃气轮机是一种内燃式热力机械，具有重量轻、尺寸小、功率大等特点，在工业和交通运输等方面有广泛的应用。现有技术的燃气轮机装置主要由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)等主要部件所组成。压气机(1)通过连接轴(9)与透平(3)联接在一起，压气机(1)由透平(3)来驱动并同速旋转。空气流入压气机(1)后，气体的压力增加，进入燃烧室(2)加热，流出的高温、高压燃气流过透平(3)进行膨胀做功。燃气轮机不能自启动，需配备有启动装置。当燃气轮机启动时，首先由启动装置将压气机(1)和透平(3)一起带动到某个自持转速，这时燃烧室(2)点火，压气机(1)在透平(3)的带动下转速继续增加，燃气轮机才可以运转起来。

由于压气机与透平同轴安装，两部件之间必须满足功率平衡和转速相等以及气动等方面的约束条件，当燃气轮机在低负荷状态工作时，则压气机常常需要在低转速的非设计状态下工作，使流入压气机的空气流量偏小，容易导致压气机发生旋转失速和喘振，这种非稳定的工作状态也会在燃气轮机的启动加速过程和停车减速过程中出现，为了防止压气机发生旋转失速和喘振，常常需要在燃气轮机启动与停车过程中对多级压气机采取中间级放气以及转动导叶和静叶等措施，增加了控制的难度，且放掉的空气量有时将超过流入压气机的空气流量的20％～30％，燃气轮机的热力循环工作效率降低较多。因此，现有技术的燃气轮机并不适合在低转速、低负荷状态下工作。

此外，燃气轮机中的透平必须先满足压气机的功率要求，剩余的功率才能作为输出功率，而这个输出功率往往占透平总功率的一半不到，导致其热效率较低。为了提高燃气轮机的热效率，就必须提高透平进口的燃气温度，并相应提高压气机的总增压比。高透平进口燃气温度对透平叶片等的材料耐热性能以及冷却等提出了更苛刻的要求，增加了透平的设计技术难度和制造成本；而要实现更高的增压比，常常需要更多的压气机级数，级数多和总增压比高都使得压气机在非设计状态下工作时更容易出现前、后级工作的不协调，也更容易发生旋转失速和喘振，使燃气轮机的设计、制造和工作过程的控制与调节更加困难。从结构上来看，压气机和透平级数增加，使其联接轴加长，结构设计困难，加工成本也将上升。

1905年，瑞士的A.比希曾提出了柴油机-压气机-透平复合装置的方案，并在1911～1914年间进行了样机试验。在这种复合式动力装置中，主体为柴油机，而压气机和透平只作为辅助装置，且压气机与透平之间没有独立的燃烧室，压气机流出的高压气体也与透平工作无关，透平则是利用柴油机的高温、高压排气来驱动，压气机增压后的气体作为柴油机的进气。经过几十年的研究，除废气透平增压装置已获得广泛应用外，其他各类复合式装置由于过于复杂仅在特定的使用场合得到有限的发展。

(三)发明内容：

为克服现有技术存在的一些不足，本发明提出了一种压气机独立驱动的燃气轮机装置。

本发明与现有技术的主要区别在于：燃气轮机装置由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)及独立动力装置(5)组成；压气机轴(6)与透平轴(8)分离；透平(3)发出的功率全部输出带动外部负载；独立动力装置(5)的工作可不受压气机(1)和透平(3)工作状态的影响，可以独立改变输出功率，其动力输出轴(7)与压气机转轴(6)相连，驱动压气机(1)旋转工作；独立动力装置(5)采用诸如往复活塞式内燃机(汽油机或柴油机)、三角转子发动机、电动机、蒸汽轮机、废气能量回收透平或者燃气轮机等；独立动力装置(5)位于压气机(1)的气流进口一侧，也可以布置在压气机(1)的气流出口一侧。压气机轴(6)与透平轴(8)无直接机械联系，则两轴中心线之间的夹角(10)可以为0°～180°之间的任意值。

在该燃气轮机装置中，其基本工作原理为空气经压气机(1)压缩后，流入燃烧室(2)加热，流出的高温、高压燃气在透平(3)中膨胀做功。独立动力装置(5)不但是压气机工作的动力来源，还兼具有燃气轮机启动装置的功能，它不受燃烧室(2)、透平(3)等部件中气体流动参数变化的影响，可以独立改变工作状态，使压气机的工作状态改变更方便、灵活。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.压气机与透平之间没有直接的机械联系，两者可以在不同的转速下工作。当透平输出的功率随外部负载的需求大幅变化时，借助于燃烧室出口温度的改变，压气机的工作状态可实现在小范围内变化，使得压气机在燃气轮机的较宽工作范围内保持较高的效率，有可能实现压气机无喘振地工作，工作可靠性也大幅增加，提高了燃气轮机的机组效率和安全性；

2.由于透平的输出功率可以大范围地变化，当用于驱动发电机组时，不仅可以满足基本负荷的要求，同时又具有调峰的能力，可以减少配套的调峰机组，节省了投资成本和运营成本。

3.压气机和透平之间更容易实现气动匹配，降低了压气机的设计技术难度、以及燃气轮机调节的技术难度和调节装置的复杂程度；

4.燃气轮机启动时，直接启动独立动力装置，带动压气机转动，当压气机达到工作转速后，燃烧室点火，透平就可以正常工作。燃气轮机停车时，燃烧室首先熄火，然后独立动力装置停止工作，压气机和透平的转速相应下降，直至停车。不论是启动过程还是停车过程，当燃烧室处于熄火状态时，压气机都工作在流量偏大的状态，因此，在启动和停车过程中压气机不需要采用放气和转动导叶、静叶等措施进行防喘控制，更容易控制，并使压气机结构简化。

5.压气机轴与透平轴旋转中心之间可以有任意夹角，装置的轴系布置形式更加灵活、方便，更容易满足不同的要求。

(四)附图说明：

图1是现有技术的燃气轮机装置构成示意图。

图2是本发明的压气机轴与透平轴夹角180°时燃气轮机装置示意图。

图3是本发明的压气机轴与透平轴夹角180°时燃气轮机装置示意图。

图4是本发明的压气机与透平轴系方向相对任意夹角布置时燃气轮机装置示意图。

图5是本发明的压气机与透平轴系方向夹角为0°时燃气轮机装置示意图。

图中：1-压气机    2-燃烧室    3-透平    4-功率输出轴

      5-独立动力装置

      6-压气机轴    7-独立动力装置动力输出轴    8-透平轴

      9-压气机与透平连接轴    10-压气机轴与透平轴之间的夹角

(五)具体实施方式：

实施例一

本实施例采用的燃气轮机由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)组成，其中透平轴(8)从透平出口伸出，独立动力装置(5)为活塞式内燃机，安装在压气机(1)的进口一侧，其动力输出轴(7)与压气机轴(6)相连，压气机轴(6)与透平轴(8)之间的夹角(10)为180°。

实施例二

本实施例采用的燃气轮机由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)组成，其中透平轴(8)从透平出口伸出，独立动力装置(5)为三角转子发动机，安装在压气机(1)的出口一侧，其动力输出轴(7)与压气机轴(6)相连，压气机轴(6)与透平轴(8)之间的夹角(10)为180°。

实施例三

本实施例采用的燃气轮机由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)组成，其中透平轴(8)从透平出口伸出，独立动力装置(5)为蒸汽轮机，安装在压气机(1)的进口一侧，其动力输出轴(7)与压气机轴(6)相连，压气机轴(6)与透平轴(8)之间的夹角(10)为90°。

实施例四

本实施例采用的燃气轮机由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)组成，其中透平轴(8)从透平出口伸出，独立动力装置(5)为电动机，安装在压气机(1)的进口一侧，其动力输出轴(7)与压气机轴(6)相连，压气机轴(6)与透平轴(8)之间的夹角(10)为0°，即压气机轴(6)与透平轴(8)相互平行。

Claims (4)

1.一种压气机独立驱动的燃气轮机装置，其特征在于包括压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)和独立动力装置(5)等主要部件，压气机(1)与透平轴(3)不同轴。独立动力装置(5)的功率输出轴(7)与压气机转轴(6)相连，带动压气机(1)旋转工作，透平(3)的功率全部由透平轴(8)输出带动外部负载。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机装置，独立动力装置(5)采用往复活塞式内燃机(汽油机和柴油机)、三角转子发动机、电动机、蒸汽轮机、废气能量回收透平或者燃气轮机。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机装置，独立动力装置(5)安装在压气机(1)的气流进口一侧，或安装在压气机(1)的气流出口一侧。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机装置，压气机轴(6)与透平轴(8)之间夹角(10)的变化范围为0°～180°。

Images