CN1474034A - 一种重型燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种重型燃气轮机，由进气机匣、进口可调导向叶片、压气机、扩散器、燃烧室、透平及排气机匣组成，进气机匣的内、外壳体与承力的整流支板用整体铸造成为一体，各部件的机匣之间用轴向螺栓相联，压气机与透平转子均为盘鼓式结构，其间以轴向螺栓紧紧相联，组成一个鼓筒式的压气机——透平转子，支承在前、后两个滑动式的平轴承上，构成一个双支承的单转子结构，输出轴在前，通过弹性联轴器与发电机轴相联，本发明具有较高级增压比的压气机，干低污染排放的燃烧室，能承受较高燃气温度的多级气冷式透平，且整机相对质量较轻，运输方便。

Description

一种重型燃气轮机

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，特别涉及一种用于燃气轮机发电机组的动力装置。

背景技术

已有的重型燃气轮机都是由压气机、燃烧室、透平再加上进、排气机匣这几大主要部分组成。要设计、制造一台好的重型燃气轮机，就要求各主要部件具有较高的性能，稳定的工作范围。要求压气机具有高的增压比，高的压气机效率，特别是较高的级增压比，而且有一定的稳定工作裕度；要求燃烧室在燃机运行的所有状态下，随工况参数变化时，不会引起过贫燃烧而影响燃烧稳定性和燃烧完全度，也不能允许在某些状态下，燃烧贫度不够，而使燃气排放物中的NOx含量增加，因此要求燃烧室在喷嘴和燃烧组织中恰当的匹配、组合，保证燃机在较宽的运行范围内都能保持高效、稳定的燃烧且低NOx排放；要求透平在较高的燃气温度中能稳定可靠地工作，则透平转、静子叶片必须采取多级、可靠的强迫气冷降温，包括采用将冷却空气经体外冷却后再去冷却叶片。然而现有的燃气轮机由于主要部件技术性能的局限性和整体设计的匹配，致使其性能不一定尽如人意。

发明内容

针对现有燃气轮机的状况，本发明提供一种重型燃气轮机。

该重型燃气轮机，由多级轴流式压气机、若干个火焰筒组成的回流式环管燃烧室、多级轴流式透平以及进、排气机匣等主要大部件组成，构成一个单转子、双支承、前输出的结构形式。

本发明由进气机匣(1)、进口可调导向叶片(2)、多级轴流式压气机(3)、扩散器(8)、多个火焰筒组成的回流式环管燃烧室(9)、多级轴流式透平(10)以及排气机匣(11)等主要部件组成。

进气机匣的内、外壳体与若干块承力的整流支板用整体铸造成为一体。各部件的机匣之间用轴向螺栓相联，压气机转子与透平转子都是盘鼓结构，其间以轴向螺栓紧紧相联，组成一个鼓筒式的压气机——透平转子，支承在前、后两个滑动式的平轴承上，形成了一个双支承的单转子结构，输出轴在前端，通过弹性联轴器与发电机轴相联。

本发明的压气机由压气机静子和转子组成，转子前安装有进口可调导向叶片，压气机静子整流器由内、外环和整流叶片等组成。转子上安装有1～15级轮盘，1～15级压气机叶片，前轴颈和两级后鼓筒承力盘，其转子的后端与透平转子前端用轴向螺栓连接形成一个压气机——透平整体转子。

在压气机进口前装有可调进口导流叶片，在第一、二级机匣内壁上设置了处理机匣结构，分别在一、二级机匣内壁上沿周向设置了若干个专用的斜槽。它可以改善压气机第一、二级工作叶片叶尖气流的流场，从而扩大进口处的稳定工作裕度，在压气机第5、10和15级后设有放气口，并装有放气活门，进行起动放气，调整放气量可以扩大压气机非额定工况的稳定工作裕度。

压气机的静子机匣，分成前后两段，前机匣有水平分界安装边，后机匣有垂直分界安装边，这种结构的特点可以保证整个机匣组合后水平和垂直方向的刚性基本一致，加强了整机刚性。

压气机转子1～3级盘设计成前伸悬臂式。4级盘与前轴颈用电子束焊焊接在一起形成整体结构。5～10级盘鼓和11～15级盘鼓两个鼓筒加强盘均为电子束焊焊成的单元体。转子1～4级盘间用轴向螺栓相连。4级盘、5～10级盘、11～15级盘三个单元体之间分别采用径向销钉连接，在1～15级盘上装有1～15级叶片，转子前轴颈缩入1～3级盘内大大缩短了转子的长度，和目前重型单轴燃气轮机比它是本压气机的一大特点。压气机转子盘间的连接分别采用了螺栓、焊接和径向销钉组合的形式，方便了转子分步平衡方案的实施，有利于提高转子平衡精度，减少转子工作时的内应力也是本压气机的特点之一。

为向透平的轮盘和叶片输送冷却空气，本方案采用向透平不同级分别输送不同压力、温度的冷却空气的方案以提高对每级透平轮盘和叶片的冷却效果，具体实施方法是采用辐射式引气管和分层套管组成的转子内腔冷却空气传输装置，冷却空气从鼓筒开孔处引入，由沿圆周均布的若干个径向辐射状引气管收集，沿内腔的分层套管输向透平的轮盘和叶片对它们进行冷却，该装置用环形件固定在压气机转子轮盘的内径处与压气机转子一起转动，辐射引气管的作用是减少对转子内腔引出的冷却空气因轮盘旋转效应而升温，分层套管的作用一方面隔离不同压力和温度的冷却空气形成通道，另外还起到隔热屏的作用，减少对冷却空气的辐射传热。这种技术方案的特点是，克服了重型燃机中通常采用的单股冷却空气顺序冷却透平各级轮盘和叶片的方案中冷却效果欠佳的缺点。采用本装置可大幅度提高冷却效果，特别是透平后几级轮盘和叶片的冷却效果。

本发明的燃烧室由多个分燃烧室(火焰筒)组成，环绕在压气机后部机匣的外侧，在每个分燃烧室头部的中间位置，设置一个燃料喷嘴及与它相匹配的燃料空气预混器(即双燃料喷嘴)，在每个分燃烧室内，将贫油预混气用分区分段燃烧的方式完成燃烧过程，实现低NOx和CO的排放，在每个分燃烧室处于中间位置的燃料喷嘴的中心引出一路燃料，该路燃料占供入燃烧室全部燃料的一小部分，它不参与空气的预混，从而在每个分燃烧室的中心位置上形成了一个局部的恰当化学当量比的燃烧区，保证在低贫工况时成为一个稳定的火源。

在每个分燃烧室里，通过多个双燃料的燃料空气预混器，使无论是气体或液体燃料均能与空气完成充分的预混合，同时将已预混燃料空气混合气分区分段地完成燃烧，这样就实现了燃气轮机在很宽的运行范围内都能保持供入分燃烧室内的燃料均能在一定的贫油范围内完全燃烧，从而保证燃气轮机不但在额定工作状态，而且在较宽的非额定的运行状态下，都能保持高的燃烧稳定性及燃烧效率和低的污染排放。

在每个燃烧室头部中间位置设置的燃料空气预混器的周围设置多个燃料空气预混器，空气经预混器的涡旋叶片获得涡旋力，燃料经预混器与空气混合后喷入燃烧区。

在燃烧室头部设置气膜壁将燃料空气预混器及其下游的燃烧区分隔开，当燃机在小状态工作时，燃料耗量较小，为了使燃烧区里的贫油燃烧控制在设定的油气比范围内，以获得稳定的燃烧和低的污染排放，只向某几个燃料空气预混器内供燃料，因此，燃烧也只在它们下游的燃烧区内进行，燃料空气预混器下游形成的迴流区保持燃烧的连续进行。

为了保证燃料被完全燃烧，提高燃烧效率，在迴流区的下游设置了若干个火焰稳定装置，在此装置后形成一个迴流区，使未燃尽的燃料继续完成燃烧。

由于燃烧是分区、分段完成的，在每个区、段内完成了部分燃料的燃烧，所以在每个区段内燃料释放的热量，比集中一次迅速完成(不分区段)燃烧而释放的热量相对较低，也就是每个燃烧区的温度也相对较低，因此有利于保证在燃烧完全的前提下，获得较低的污染排放。

本发明的透平是在透平机盘鼓轴系上，依次设有工作叶片组，每组具有若干与盘鼓轴系相连，因枞树形榫齿的透平工作叶片，在透平机缸体上，于每两组工作叶片之间设有喷嘴环叶片组，每组具有若干与透平缸体相连的喷嘴环叶片；各级透平工作叶片均用枞树形榫槽固定在盘鼓轴系上，其叶片缘板内外表面作为热气流流道边界；喷嘴环叶片外缘板通过双支点固定在透平缸体内安装边上，此缘板内外表面作为热气流流道边界，透平工作叶片通过流过透平机的工作介质的动量转换而驱动透平转子，喷嘴环叶片用于对每两个工作叶片间工作介质的流动进行导向。

为使燃气轮机从燃烧室流出的工作介质温度达到1200℃～1300℃，增加燃机功率，透平机各叶片又能运转正常，且寿命长，为此，必须对一些透平工作叶片和喷嘴环叶片使用冷却空气冷却，本发明前几级叶片采用复合式冷却叶片，其中I级喷嘴环叶片，叶片内腔设有导流片和平板，构成双腔式结构，导流片叶背方向、叶盆方向均开有孔，叶片前缘型腔开有气膜孔，叶片之叶背、叶盆内部沿叶形不同间距设有散热筋，且沿工作介质流动方向散热筋间距越来越小，与此相邻还依次设有具有不同交会角的涡流长矩阵型槽，具有扰流柱的不同交会角的涡流短矩阵型槽；透平工作叶片内腔前缘设有径向断续筋，叶盆叶背间设有隔墙，次道隔墙左右间之叶盆叶背内壁上设有不同倾角且互不连接的筋条，在叶盆叶背内壁上依次设有不同交会角和间距的涡流长矩阵型槽，涡流短矩阵型槽和具有扰流柱的涡流短矩阵型槽。工作时，其冷却空气的流动是来自燃烧室二股气流的冷却空气由下端进入导流叶片，一部分冷却空气通过平板上的孔进入前缘型腔，再经前缘的气膜孔对叶身前缘进行气膜对流冷却，另一部分空气经导流片叶背方向上的孔进入沿叶形不同间距的散热筋，叶盆方向上的孔进入沿叶形不同间距的散热筋，由此出来的空气进入长、短涡流矩阵型槽，最后由排气边缝隙流出，进入工作介质主流道；二是来自经外置水冷却器冷却后的空气流经外部导管进入盘鼓轴系的中心管系，增压后依次流入盘孔，叶片根部变截面通道，冷却叶片前缘径向断续筋，经隔墙节流后，流经叶盆叶背不同倾角且互不连接的筋条，长、短涡流矩阵型槽后从排气缝隙流入工作介质主流道。

采用上述结构技术特征的各大部件，组合成的重型燃气轮机，具有较高增压比的压气机；干低污染排放的燃气室；能承受较高燃气温度的多级气冷式透平，而且是一台在重型燃气轮机中相对质量较轻的中等功率(110000kw)的重型燃气轮机，尽管整机净质量对于重型燃机来说不是主要指标，但对于长途运输，特别是向偏远山区运输，同等功率的燃机中，质量较轻运输方便，就显其优势。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明压气机的结构示意图；

图3为本发明燃烧室的结构示意图；

图4为本发明燃烧室中分燃烧室头部结构示意图；

图5为本发明燃烧室所设空气预混器结构示意图；

图6为本发明燃烧室中分燃烧室的结构示意图；

图7为本发明透平结构示意图；

图8为本发明透平冷却流路示意图；

图中：1进气机匣，2进口可调导向叶片，3压气机，4前轴颈，5辐射式引气管，6双燃料喷嘴，7火焰筒，8扩散器，9环管燃烧室，10透平，11排气机匣，12后轴颈，13中心管系，14处理机匣，15压气机整流叶片，16压气机工作叶片，17压气机转子，18轮盘，19放气口，20喷嘴环叶片，21分层套管，22后鼓筒承力盘，23压气机1～3级盘，24盘鼓轴系，25压气机5～10级盘，26鼓筒开孔处，2711～15级盘，28压气机静子机匣，29透平转子，30分燃烧室，31燃烧室，32燃烧室外壁，33燃料空气预混器，34分燃烧室外壁，35气膜壁，36稳定装置，37中心燃料喷嘴，38-42分区段燃烧的各燃烧区，43透平工作叶片，44透平机缸体。

具体实施方式

本发明的整体结构如图1所示，由进气机匣1、进口可调导向叶片2、多级轴流式压气机3、扩散器8、多级火焰筒组成的回流式环管燃烧室9、多级轴流式透平10以及排气机匣11等主要部件构成。进气机匣1的内外壳体与19块承力的整流支板整体铸造为一体，各部件的机匣之间用轴向螺栓相联，压气机3和透平10均为盘鼓结构，其间以轴向螺栓紧紧相联，并组成一个鼓筒式的压气机——透平转子，支承在前、后两个滑动的平轴承上，呈双支承、单转子结构。

本发明的压气机3如图2所示。

由压气机静子(28)和压气机转子(17)组成。转子前安装有进口可调导流叶片(2)，压气机静子整流器由内、外环和整流叶片(15)组成。转子上安装有1～15级轮盘(18)，1～15级压气机叶片(16)，前轴颈(4)和两级后鼓筒承力盘(22)，压气机转子后端与透平转子前端间用轴向螺栓连接形成一个压气机——透平整体转子。

压气机的流道采用先进的气动设计方法确定。此气动设计和叶片选型的优化组合使其在15级压气机的机结构上达到压比为14.7，设计点的效率达0.84，平均级压比达1.196。

本发明的压气机综合利用了各种提高非工作状态下稳定工作裕度的办法。在压气机进口装有可调进口导流叶片(2)，在第一、二级机匣内壁上设置了处理机匣结构(14)，在壁面上开有若干个斜置的小槽。它可以改善压气机第一、二级工作叶片叶尖气流的流场，从而扩大进口处的稳定工作裕度。在压气机第5、10和15级出口处外壁上设计有放气口(19)，调整起动放气量可以扩大压气机非额定工况下的稳定工作裕度。

压气机的静子机匣(28)，分成前后两段。前机匣有水平分界安装边，后机匣有垂直分界安装边，这种设计特点可以保证整个机匣组合后水平和垂直方向的刚性基本一致，加强整机刚性。

压气机转子1～3级盘(23)设计成前伸悬臂式，4级盘与前轴颈(4)用电子束焊联在一起形成整体结构，5～10级盘鼓(25)和11～15级盘鼓(27)与两个鼓筒加强盘间均为电子束焊焊成的单元体。转子1～4级盘用轴向螺栓相连，4级盘、5～10级盘和11～17级盘单元体之间分别采用径向销钉连接。在1～15级盘上装有1～15级工作叶片(16)。转子前轴颈缩入1～3级盘内大大缩短了转子的长度。

为向透平的轮盘和叶片输送冷却空气，本方案采用向透平不同级分别输送不同压力、温度的冷却空气的方案以提高每级透平轮盘和叶片的冷却效果。具体实施方法是采用辐射式引气管(5)和分层套管(21)组成的转子内腔冷却空气传输装置。冷却空气从鼓筒开孔处(26)引入，由沿圆周均布的若干个径向辐射状引气管收集，沿内腔的分层套管输向透平的轮盘和叶片对它们进行冷却。该装置用环形件固定在压气机转子轮盘的内径处与压气机转子一起转动。辐射引气管的作用是减少对转子内腔引出的冷却空气因轮盘旋转效应而升温，分层套管的作用一方面隔离不同压力和温度的冷却空气形成通道，另外还起到隔热屏的作用减少对冷却空气的辐射传热。

如图3所示，本发明的燃烧室是由20个火焰筒组成的环管型燃烧室，环绕在压气机后部机匣的外侧，由压气机流出的高压空气，经扩散器后回流到燃烧室，从火焰筒头部经涡流器进入，与喷嘴喷出的燃料进行渗混、燃烧。这样的结构形式有利于安装、检修、更换喷嘴及火焰筒，且缩短了压气机——透平转子两个支点间的距离。

每个火焰筒的头部均有一组三槽组合式双燃料喷嘴，该组喷嘴由1个居于中央的三槽组合式主燃料喷嘴，与周围均布的8个三槽双燃料导向喷嘴组成，共同构成一组既能烧气体燃料——天然气、又能烧液体燃料——柴油的双燃料喷嘴，由于采用了燃料预混技术，恰当地组织贫油燃烧及分段燃烧的技术措施，使得燃烧室排出的燃气中燃烧产物NOx的含量：

用天然气燃料时，不超过50mg/Nm³；

用液体燃料(柴油)时，不超过250mg/Nm³。

本发明的透平为4级轴流式透平机。

4级轴流式透平中，I、II级工作叶片及I、II、III级导向器均为气冷式，以保证承受较高的燃气温度。

为充分可靠地冷却透平工作叶片和导向器，通过管路分别引自压气机不同级后的压缩空气，有目的去冷却相应的不同级的透平工作叶片和导向器，而不像常规那样引压气机的压缩空气，从前向后顺序冷却透平各级的叶片和盘。比如，从机匣外引压气机8级后的空气，去冷却透平III级导向叶片和III、IV级透平叶片的尖部，从压缩机——透平转子的内部，通过专用管路引7级后的压缩空气，去冷却III、IV级透平叶片的根部；引10级后的压缩空气，去冷却II级透平工作叶片和III级导向叶片的根部；这些专用的管路，安装在转子内部，是随转子同步运转的。另外，为了提高对透平I级工作叶片和II级导向叶片的冷却效果，特从15级压气机后，引高压空气经外置水冷却器，将空气冷却降温至150℃左右，再通过管路引至转子中心管系同时旋转增压，然后去冷却I级透平盘、榫齿、叶片及II级导向叶片。

I级导向叶片的内部采用双腔结构，冷却气流经蛇形通道通过小孔形成气膜冷却，冷却空气经过交错排列，大小不等的管系形成涡流矩阵，从而使I级导向叶片的表面有效地降温达500℃以上。

Claims (10)

1、一种重型燃气轮机，包含有进气机匣、进口可调导向叶片、压气机、扩散器、燃烧室、透平及排气机匣，其特征在于进气机匣的内、外壳体与承力的整流支板用整体铸造成为一体，各部件的机匣之间用轴向螺栓相联，压气机与透平转子均为盘鼓结构，其间以轴向螺栓紧紧相联，组成一个鼓筒式的压气机——透平转子，支承在前、后两个滑动式的平轴承上，构成一个双支承的单转子结构，输出轴在前，通过弹性联轴器与发电机轴相联。

2、根据权利要求1所述的重型燃气轮机，其特征在于所述压气机为多级轴流式压气机，在其第5、10、15级后装有供起动放气的放气活门，在1、2级压气机壁面上设有处理机匣孔。

3、根据权利要求2所述的重型燃气轮机，其特征在于所述压气机各级盘鼓之间多采用电子束焊连接，各段转子之间采用径向销钉连接，其前4级盘鼓之间，用轴向螺栓连接成一体，且前3级盘以悬臂形式支承在4级盘上，4级盘直接与前轴颈焊接为一体，形成悬臂结构。

4、根据权利要求2所述的重型燃气轮机，其特征在于所述压气机，其1、2、3、4级压气机叶片由钛合金制成。

5、根据权利要求1所述的重型燃气轮机，其特征在于所述燃烧室是由多个火焰筒组成的环管式燃烧室，环绕在压气机后部机匣的外侧，每个火焰筒头部均有一组三槽组合式双燃料喷嘴，该组喷嘴由1个居于中央的三槽组合式主燃料喷嘴，与其周围均布的若干个三槽双燃料导向喷嘴组成，共同构成一组既能烧气体燃料又能烧液体燃料的双燃料喷嘴。

6、根据权利要求1所述的重型燃气轮机，其特征在于所述透平为多级轴流式透平，其I、II级工作叶片及I、II、III级导向器均为气冷式。

7、根据权利要求6所述的重型燃气轮机，其特征在于所述透平工作叶片和导向器的冷却是通过管路分别引自压气机不同级后的压缩空气，去冷却相应的不同级的工作叶片和导向器。

8、根据权利要求7所述的重型燃气轮机，其特征在于所述透平的冷却方式，从机匣外引压气机8级后的空气，去冷却透平III级导向叶片和III、IV级透平叶片的尖部，从压气机——透平转子的内部，通过专用管路引7级后的压缩空气，去冷却III、IV级透平叶片的根部，引10级后的压缩空气去冷却II级透平工作叶片和III级导向叶片的根部，其专用的管路安装在转子内部，随转子同步运转，透平I级工作叶片和II级导向叶片的冷却是引高压空气经外置水冷却器，冷却降温后再通过管路引至转子中心管系，同时旋转增压后去冷却I级透平盘、榫齿、叶片及II级导向叶片。

9、根据权利要求6所述的重型燃气轮机，其特征在于所述透平I级导向叶片的内部采用双腔结构，冷却气流通过的蛇形通道，通过小孔形成气膜冷却，冷却空气经过交错排列、大小不等的管系形成涡流矩阵。

10、根据权利要求1所述的重型燃气轮机，其特征在于所述多级轴流压气机为15级轴流压气机；所述多个火焰筒组成的环管式燃烧室为20个火焰筒组成的环管燃烧室；所述多级轴流式透平为4级轴流气冷式透平。

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