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CN113107679A - 一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件 - Google Patents

一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，包括外缸体、内腔体、离心式压气机、轴流式动力涡轮和燃烧室；离心式压气机与轴流式动力涡轮之间设有过渡段，沿过渡段外周切向布置有燃烧室，过渡段包裹部分轴流式动力涡轮；过渡段为双层结构，包括外缸体和内腔体，内腔体内部为燃烧室高温来气流道，内腔体与外缸体之间为压气机来气流道；离心式压气机与燃烧室通过压气机来气流道连通；燃烧室与轴流式动力涡轮通过燃烧室高温来气流道连通。本发明的有益效果是：本发明进行结构的集约化设计，合理利用离心式压气机与轴流式动力涡轮的结构特点，设计复合过渡段结构对接离心式压气机并包裹轴流式动力涡轮，实现体积最小。

Description

一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件
技术领域
本发明涉及燃气轮机，具体涉及一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件。
背景技术
燃气轮机作为以连续流动气体作为工质带动叶轮旋转将化学能转化为功的内燃式动力机械，其由三大核心部件构成：压气机、燃烧室和燃气涡轮。其中压气机将空气压缩成高压气体，压缩后的气体进入燃烧室与燃料混合燃烧形成高温高压的燃气，高温高压燃气进入燃气涡轮膨胀做功，燃气涡轮旋转带动压气机的同时还同时输出机械功带动发电机等。而与大型燃机轮机的应用场合不同，小型燃气轮机就是为了满足小场景的使用如大厦供电供热等，其结构简单，对燃气轮机的集成性要求更高。
大型燃气轮机燃烧室数量多，环绕中心轴周向布置，通过特定的过渡段结构将高温气体导入透平入口，大致的实施方案见图4，相关专利为：燃气轮机燃烧室过渡段的冷却机构及燃气轮机燃烧室(CN204082339U)，在过渡段本体的背部设置导流壳体以形成冷却通道，引气管的一端与导流壳体连接，另一端连接在压气机级间，将压气机中的压缩空气导入导流壳体内对流冷却过渡段本体的背部，强化了过渡段背部的冷却，同时，设置在过渡段本体腹部下的扩压器的进气冲击在过渡段腹部上，对过渡段腹部进行冷却。图4中：1、扩压器；2、过渡段本体；3、燃压缸；4、火焰筒；5、透平一级静叶；6、过渡段本体腹部；7、过渡段本体背部；8、导流壳体；9、冷却通道；10、引气管；11、气量调节阀。
但是大型燃气轮机压气机基本都为轴流式压气，因为级间压比小的原因，一般级数较多，因此设备复杂且较大，而基于小型燃气轮机集约化的要求，为了保证基本压比，且外形要求小，一般均采用离心压气，但离心压气与常规的多燃烧室布置方案有所冲突，因此需要寻找更优的方案。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件。
这种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，包括外缸体、内腔体、离心式压气机、轴流式动力涡轮和燃烧室；离心式压气机与轴流式动力涡轮之间设有过渡段，沿过渡段外周切向布置有燃烧室，过渡段包裹部分轴流式动力涡轮；过渡段为双层结构，包括外缸体和内腔体，内腔体内部为燃烧室高温来气流道，内腔体与外缸体之间为压气机来气流道；离心式压气机与燃烧室通过压气机来气流道连通；燃烧室与轴流式动力涡轮通过燃烧室高温来气流道连通。
作为优选：包裹轴流式动力涡轮的位置开有冷却孔，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮内部的孔。
作为优选：离心式压气机与压气机来气流道之间设有隔板，隔板底部开有冷却孔，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮的中心转子的孔。
作为优选：内腔体为从燃烧室通往轴流式动力涡轮方向的渐缩结构。
作为优选：燃烧室与内腔体连接处设有若干个支撑连接件，支撑连接件为插装式双层支撑连接件，支撑连接件的双层端与内腔体插装连接，支撑连接件的单层端与燃烧室的内筒配合卡接。
作为优选：外缸体内壁和内腔体外壁上设有肋片。
作为优选：内腔体内壁涂覆TBC涂层。
作为优选：过渡段与燃烧室之间设有燃烧室连接口，燃烧室连接口沿过渡段外周切向布置。
作为优选：过渡段两侧布置相间180°的两个燃烧室，或者只布置单一的燃烧室，或者沿过渡段周向均匀布置三个以上燃烧室。
这种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件的工作方法：压气机来气在压气机来气流道内包裹着内腔体流动，部分压气机来气通过冷却孔进入轴流式动力涡轮冷却其内部构件，而主要的压气机高压来气通过沿过渡段外周切向布置的燃烧室连接口流向燃烧室参与燃气的燃烧，而燃烧室高温来气通过燃烧室高温来气流道进口进入内腔体，经过渐缩结构加速燃烧室高温来气从内腔体冲向轴流式动力涡轮的叶片去完成做功，并且进入轴流式动力涡轮的燃烧室高温来气带有一定旋度。
本发明的有益效果是：
1、本发明进行结构的集约化设计，合理利用离心式压气机与轴流式动力涡轮的结构特点，设计复合过渡段结构对接离心式压气机并包裹轴流式动力涡轮，实现体积最小，满足小型燃气轮机的集约化设计要求。
2、本发明将离心式压气机出口与过渡段有机结合在一起，最大程度冷却过渡段，该结构形式的过渡段壁面面积大，对冷却要求高，该压气机至燃烧室流道与燃烧室至涡轮流道有机结合的方式可以最大程度的冷却保护过渡段壁面。
3、本发明燃烧室在单一过渡段上切向布置，切向布置的燃烧室产生的高温气体在单一过渡段的圆形结构中旋转会自然产生一定旋度，带有旋度后，轴流式动力涡轮中的一级静叶片在设计导流效果时更有裕度。
附图说明
图1为小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件的结构示意图；
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为插装式双层支撑连接件安装示意图；
图4为现有燃气轮机的实施方案示意图。
附图标记说明：外缸体1、内腔体2、隔板3、支撑连接件4、离心式压气机5、轴流式动力涡轮6、燃烧室7、插装位置8。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，通过独特的结构形式实现离心式压气机、燃烧室与轴流式动力涡轮的集约化设计，如图1所示。其结构包括外缸体1、内腔体2、离心式压气机5、轴流式动力涡轮6和燃烧室7；离心式压气机5与轴流式动力涡轮6之间设有过渡段，沿过渡段外周切向布置有燃烧室，过渡段包裹部分轴流式动力涡轮6；过渡段为双层结构，包括外缸体1和内腔体2，内腔体2内部为燃烧室高温来气流道，内腔体2与外缸体1之间为压气机来气流道；离心式压气机5与燃烧室7通过压气机来气流道连通；燃烧室7与轴流式动力涡轮6通过燃烧室高温来气流道连通。相互匹配的离心式压气机5外径要远大于轴流式动力涡轮6的外径，因此设计了该双层结构，外缸体1和内腔体2相结合。
作为一种优选的实施例，包裹轴流式动力涡轮的位置开有冷却孔用以冷却叶顶或是冷却空心叶片，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮内部的孔，外侧的冷气(即压气机来气)通过冷却孔有的通往动力涡轮叶顶以冷却叶顶，有的通往空心叶片，其中叶顶和空心叶片均是轴流式动力涡轮内部的构件。离心式压气机5与压气机来气流道之间设有隔板3，用以隔开离心式压气机5与压气机来气流道，隔板3底部开有用以冷却中心转子的冷却孔，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮的中心转子的孔，以冷却转动部件，中心转子为轴流式动力涡轮中心的转动部件，转动部件包括中心转轴以及中心转轴的离心叶轮和轴流涡轮的涡轮盘等。这些冷却孔的存在使得压气机来气会有部分气体包裹着内腔体流动，而主要的压气机高压来气通过两侧相间180°布置的燃烧室连接口流向燃烧室去参与燃气的燃烧，如图2所示。而燃烧室高温来气通过这两个压气机来气流道出口中心的燃烧室高温来气流道进口进入内腔体2，经过设计的渐缩结构加速燃烧室高温来气从内腔体冲向轴流式动力涡轮的叶片去完成做功。
作为一种优选的实施例，基于可装配性考虑，在燃烧室与内腔体连接处设有两个支撑连接件4，如图2所示，用以连接燃烧室的内筒与内腔体。支撑连接件4为插装式双层支撑连接件，支撑连接件4的双层端与内腔体2插装连接，支撑连接件4的单层端与燃烧室的内筒配合卡接。取掉该支撑连接件，可以顺利的将内腔体从外缸体中取出，从而在装配时不会出现干涉。
作为一种优选的实施例，可以适当的在外缸体1内壁和内腔体2外壁上添加一定数量的肋片强化冷却，且可在内腔体内部涂覆TBC涂层保护壁面。
作为一种优选的实施例，如图2所示，过渡段与燃烧室7之间设有燃烧室连接口，燃烧室连接口沿过渡段外周切向布置。过渡段两侧布置相间180°的两个燃烧室，也可只布置单一的燃烧室或是沿周向均匀分布多个燃烧室，同样可以起到一样的作用。
实施例二
本申请实施例二提供一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件的工作方法：压气机来气在压气机来气流道内包裹着内腔体2流动，部分压气机来气通过冷却孔进入轴流式动力涡轮6冷却其内部构件，而主要的压气机高压来气通过沿过渡段外周切向布置的燃烧室连接口流向燃烧室7参与燃气的燃烧，而燃烧室高温来气通过燃烧室高温来气流道进口进入内腔体2，经过渐缩结构加速燃烧室高温来气从内腔体2冲向轴流式动力涡轮6的叶片去完成做功，并且进入轴流式动力涡轮6的燃烧室高温来气带有一定旋度。
本发明对比现有结构方案，(1)可以很好的实现压气机冷气对过渡段壁面的冷却保护；(2)可以将轴流式动力涡轮中的动力透平部分包裹在过渡段内以实现集约化要求；(3)在单一过渡段上采用燃烧室双侧切向布置，出口高温气体带有预旋，更有利于动力涡轮叶片设计。
本发明的过渡段设计基于离心式压气机与轴流式动力涡轮架构的结构部件，可以合理的利用低温的压气机来气实现对过渡段壁面的冷却保护，且利用合理的结构设计避免离心式压气机外径大于轴流式动力涡轮外径造成的空间浪费，从而满足小型燃气轮机的集约化要求，减小燃气轮机体积。在单一的过渡段上相间180°设计的双燃烧室在该过渡段结构形式下使得燃烧室出口的高温气体经过过渡段后形成带有一定旋度的气体进入动力涡轮，这对动力涡轮的叶片设计是有利的。

Claims (10)

1.一种小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：包括外缸体(1)、内腔体(2)、离心式压气机(5)、轴流式动力涡轮(6)和燃烧室(7)；离心式压气机(5)与轴流式动力涡轮(6)之间设有过渡段，沿过渡段外周切向布置有燃烧室，过渡段包裹部分轴流式动力涡轮(6)；过渡段为双层结构，包括外缸体(1)和内腔体(2)，内腔体(2)内部为燃烧室高温来气流道，内腔体(2)与外缸体(1)之间为压气机来气流道；离心式压气机(5)与燃烧室(7)通过压气机来气流道连通；燃烧室(7)与轴流式动力涡轮(6)通过燃烧室高温来气流道连通。
2.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：包裹轴流式动力涡轮的位置开有冷却孔，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮内部的孔。
3.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：离心式压气机(5)与压气机来气流道之间设有隔板(3)，隔板(3)底部开有冷却孔，该冷却孔为压气机来气流道通向轴流式动力涡轮的中心转子的孔。
4.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：内腔体(2)为从燃烧室(7)通往轴流式动力涡轮(6)方向的渐缩结构。
5.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：燃烧室(7)与内腔体(2)连接处设有若干个支撑连接件(4)，支撑连接件(4)为插装式双层支撑连接件，支撑连接件(4)的双层端与内腔体(2)插装连接，支撑连接件(4)的单层端与燃烧室的内筒配合卡接。
6.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：外缸体(1)内壁和内腔体(2)外壁上设有肋片。
7.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：内腔体(2)内壁涂覆TBC涂层。
8.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：过渡段与燃烧室(7)之间设有燃烧室连接口，燃烧室连接口沿过渡段外周切向布置。
9.根据权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件，其特征在于：过渡段两侧布置相间180°的两个燃烧室，或者只布置单一的燃烧室，或者沿过渡段周向均匀布置三个以上燃烧室。
10.一种如权利要求1所述的小型燃气轮机的复合切向进气的过渡段部件的工作方法，其特征在于：压气机来气在压气机来气流道内包裹着内腔体(2)流动，部分压气机来气通过冷却孔进入轴流式动力涡轮(6)冷却其内部构件，而主要的压气机高压来气通过沿过渡段外周切向布置的燃烧室连接口流向燃烧室(7)参与燃气的燃烧，而燃烧室高温来气通过燃烧室高温来气流道进口进入内腔体(2)，经过渐缩结构加速燃烧室高温来气从内腔体(2)冲向轴流式动力涡轮(6)的叶片去完成做功，并且进入轴流式动力涡轮(6)的燃烧室高温来气带有一定旋度。
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