一種重型燃氣輪機的製作方法

2023-09-16 16:23:35 1

專利名稱：一種重型燃氣輪機的製作方法
技術領域：
本發明屬於動力機械技術領域，特別涉及一種用於燃氣輪機發電機組的動力裝置。
該重型燃氣輪機，由多級軸流式壓氣機、若干個火焰筒組成的回流式環管燃燒室、多級軸流式透平以及進、排氣機匣等主要大部件組成，構成一個單轉子、雙支承、前輸出的結構形式。
本發明由進氣機匣(1)、進口可調導向葉片(2)、多級軸流式壓氣機(3)、擴散器(8)、多個火焰筒組成的回流式環管燃燒室(9)、多級軸流式透平(10)以及排氣機匣(11)等主要部件組成。
進氣機匣的內、外殼體與若干塊承力的整流支板用整體鑄造成為一體。各部件的機匣之間用軸向螺栓相聯，壓氣機轉子與透平轉子都是盤鼓結構，其間以軸向螺栓緊緊相聯，組成一個鼓筒式的壓氣機——透平轉子，支承在前、後兩個滑動式的平軸承上，形成了一個雙支承的單轉子結構，輸出軸在前端，通過彈性聯軸器與發電機軸相聯。
本發明的壓氣機由壓氣機靜子和轉子組成，轉子前安裝有進口可調導向葉片，壓氣機靜子整流器由內、外環和整流葉片等組成。轉子上安裝有1～15級輪盤，1～15級壓氣機葉片，前軸頸和兩級後鼓筒承力盤，其轉子的後端與透平轉子前端用軸向螺栓連接形成一個壓氣機——透平整體轉子。
在壓氣機進口前裝有可調進口導流葉片，在第一、二級機匣內壁上設置了處理機匣結構，分別在一、二級機匣內壁上沿周向設置了若干個專用的斜槽。它可以改善壓氣機第一、二級工作葉片葉尖氣流的流場，從而擴大進口處的穩定工作裕度，在壓氣機第5、10和15級後設有放氣口，並裝有放氣活門，進行起動放氣，調整放氣量可以擴大壓氣機非額定工況的穩定工作裕度。
壓氣機的靜子機匣，分成前後兩段，前機匣有水平分界安裝邊，後機匣有垂直分界安裝邊，這種結構的特點可以保證整個機匣組合後水平和垂直方向的剛性基本一致，加強了整機剛性。
壓氣機轉子1～3級盤設計成前伸懸臂式。4級盤與前軸頸用電子束焊焊接在一起形成整體結構。5～10級盤鼓和11～15級盤鼓兩個鼓筒加強盤均為電子束焊焊成的單元體。轉子1～4級盤間用軸向螺栓相連。4級盤、5～10級盤、11～15級盤三個單元體之間分別採用徑向銷釘連接，在1～15級盤上裝有1～15級葉片，轉子前軸頸縮入1～3級盤內大大縮短了轉子的長度，和目前重型單軸燃氣輪機比它是本壓氣機的一大特點。壓氣機轉子盤間的連接分別採用了螺栓、焊接和徑向銷釘組合的形式，方便了轉子分步平衡方案的實施，有利於提高轉子平衡精度，減少轉子工作時的內應力也是本壓氣機的特點之一。
為向透平的輪盤和葉片輸送冷卻空氣，本方案採用向透平不同級分別輸送不同壓力、溫度的冷卻空氣的方案以提高對每級透平輪盤和葉片的冷卻效果，具體實施方法是採用輻射式引氣管和分層套管組成的轉子內腔冷卻空氣傳輸裝置，冷卻空氣從鼓筒開孔處引入，由沿圓周均布的若干個徑向輻射狀引氣管收集，沿內腔的分層套管輸向透平的輪盤和葉片對它們進行冷卻，該裝置用環形件固定在壓氣機轉子輪盤的內徑處與壓氣機轉子一起轉動，輻射引氣管的作用是減少對轉子內腔引出的冷卻空氣因輪盤旋轉效應而升溫，分層套管的作用一方面隔離不同壓力和溫度的冷卻空氣形成通道，另外還起到隔熱屏的作用，減少對冷卻空氣的輻射傳熱。這種技術方案的特點是，克服了重型燃機中通常採用的單股冷卻空氣順序冷卻透平各級輪盤和葉片的方案中冷卻效果欠佳的缺點。採用本裝置可大幅度提高冷卻效果，特別是透平後幾級輪盤和葉片的冷卻效果。
本發明的燃燒室由多個分燃燒室(火焰筒)組成，環繞在壓氣機後部機匣的外側，在每個分燃燒室頭部的中間位置，設置一個燃料噴嘴及與它相匹配的燃料空氣預混器(即雙燃料噴嘴)，在每個分燃燒室內，將貧油預混氣用分區分段燃燒的方式完成燃燒過程，實現低NOx和CO的排放，在每個分燃燒室處於中間位置的燃料噴嘴的中心引出一路燃料，該路燃料佔供入燃燒室全部燃料的一小部分，它不參與空氣的預混，從而在每個分燃燒室的中心位置上形成了一個局部的恰當化學當量比的燃燒區，保證在低貧工況時成為一個穩定的火源。
在每個分燃燒室裡，通過多個雙燃料的燃料空氣預混器，使無論是氣體或液體燃料均能與空氣完成充分的預混合，同時將已預混燃料空氣混合氣分區分段地完成燃燒，這樣就實現了燃氣輪機在很寬的運行範圍內都能保持供入分燃燒室內的燃料均能在一定的貧油範圍內完全燃燒，從而保證燃氣輪機不但在額定工作狀態，而且在較寬的非額定的運行狀態下，都能保持高的燃燒穩定性及燃燒效率和低的汙染排放。
在每個燃燒室頭部中間位置設置的燃料空氣預混器的周圍設置多個燃料空氣預混器，空氣經預混器的渦旋葉片獲得渦旋力，燃料經預混器與空氣混合後噴入燃燒區。
在燃燒室頭部設置氣膜壁將燃料空氣預混器及其下遊的燃燒區分隔開，當燃機在小狀態工作時，燃料耗量較小，為了使燃燒區裡的貧油燃燒控制在設定的油氣比範圍內，以獲得穩定的燃燒和低的汙染排放，只向某幾個燃料空氣預混器內供燃料，因此，燃燒也只在它們下遊的燃燒區內進行，燃料空氣預混器下遊形成的迴流區保持燃燒的連續進行。
為了保證燃料被完全燃燒，提高燃燒效率，在迴流區的下遊設置了若干個火焰穩定裝置，在此裝置後形成一個迴流區，使未燃盡的燃料繼續完成燃燒。
由於燃燒是分區、分段完成的，在每個區、段內完成了部分燃料的燃燒，所以在每個區段內燃料釋放的熱量，比集中一次迅速完成(不分區段)燃燒而釋放的熱量相對較低，也就是每個燃燒區的溫度也相對較低，因此有利於保證在燃燒完全的前提下，獲得較低的汙染排放。
本發明的透平是在透平機盤鼓軸繫上，依次設有工作葉片組，每組具有若干與盤鼓軸系相連，因樅樹形榫齒的透平工作葉片，在透平機缸體上，於每兩組工作葉片之間設有噴嘴環葉片組，每組具有若干與透平缸體相連的噴嘴環葉片；各級透平工作葉片均用樅樹形榫槽固定在盤鼓軸繫上，其葉片緣板內外表面作為熱氣流流道邊界；噴嘴環葉片外緣板通過雙支點固定在透平缸體內安裝邊上，此緣板內外表面作為熱氣流流道邊界，透平工作葉片通過流過透平機的工作介質的動量轉換而驅動透平轉子，噴嘴環葉片用於對每兩個工作葉片間工作介質的流動進行導向。
為使燃氣輪機從燃燒室流出的工作介質溫度達到1200℃～1300℃，增加燃機功率，透平機各葉片又能運轉正常，且壽命長，為此，必須對一些透平工作葉片和噴嘴環葉片使用冷卻空氣冷卻，本發明前幾級葉片採用複合式冷卻葉片，其中I級噴嘴環葉片，葉片內腔設有導流片和平板，構成雙腔式結構，導流片葉背方向、葉盆方向均開有孔，葉片前緣型腔開有氣膜孔，葉片之葉背、葉盆內部沿葉形不同間距設有散熱筋，且沿工作介質流動方向散熱筋間距越來越小，與此相鄰還依次設有具有不同交會角的渦流長矩陣型槽，具有擾流柱的不同交會角的渦流短矩陣型槽；透平工作葉片內腔前緣設有徑向斷續筋，葉盆葉背間設有隔牆，次道隔牆左右間之葉盆葉背內壁上設有不同傾角且互不連接的筋條，在葉盆葉背內壁上依次設有不同交會角和間距的渦流長矩陣型槽，渦流短矩陣型槽和具有擾流柱的渦流短矩陣型槽。工作時，其冷卻空氣的流動是來自燃燒室二股氣流的冷卻空氣由下端進入導流葉片，一部分冷卻空氣通過平板上的孔進入前緣型腔，再經前緣的氣膜孔對葉身前緣進行氣膜對流冷卻，另一部分空氣經導流片葉背方向上的孔進入沿葉形不同間距的散熱筋，葉盆方向上的孔進入沿葉形不同間距的散熱筋，由此出來的空氣進入長、短渦流矩陣型槽，最後由排氣邊縫隙流出，進入工作介質主流道；二是來自經外置水冷卻器冷卻後的空氣流經外部導管進入盤鼓軸系的中心管系，增壓後依次流入盤孔，葉片根部變截面通道，冷卻葉片前緣徑向斷續筋，經隔牆節流後，流經葉盆葉背不同傾角且互不連接的筋條，長、短渦流矩陣型槽後從排氣縫隙流入工作介質主流道。
採用上述結構技術特徵的各大部件，組合成的重型燃氣輪機，具有較高增壓比的壓氣機；幹低汙染排放的燃氣室；能承受較高燃氣溫度的多級氣冷式透平，而且是一臺在重型燃氣輪機中相對質量較輕的中等功率(110000kw)的重型燃氣輪機，儘管整機淨質量對於重型燃機來說不是主要指標，但對於長途運輸，特別是向偏遠山區運輸，同等功率的燃機中，質量較輕運輸方便，就顯其優勢。
本發明的壓氣機3如圖2所示。
由壓氣機靜子(28)和壓氣機轉子(17)組成。轉子前安裝有進口可調導流葉片(2)，壓氣機靜子整流器由內、外環和整流葉片(15)組成。轉子上安裝有1～15級輪盤(18)，1～15級壓氣機葉片(16)，前軸頸(4)和兩級後鼓筒承力盤(22)，壓氣機轉子後端與透平轉子前端間用軸向螺栓連接形成一個壓氣機——透平整體轉子。
壓氣機的流道採用先進的氣動設計方法確定。此氣動設計和葉片選型的優化組合使其在15級壓氣機的機結構上達到壓比為14.7，設計點的效率達0.84，平均級壓比達1.196。
本發明的壓氣機綜合利用了各種提高非工作狀態下穩定工作裕度的辦法。在壓氣機進口裝有可調進口導流葉片(2)，在第一、二級機匣內壁上設置了處理機匣結構(14)，在壁面上開有若干個斜置的小槽。它可以改善壓氣機第一、二級工作葉片葉尖氣流的流場，從而擴大進口處的穩定工作裕度。在壓氣機第5、10和15級出口處外壁上設計有放氣口(19)，調整起動放氣量可以擴大壓氣機非額定工況下的穩定工作裕度。
壓氣機的靜子機匣(28)，分成前後兩段。前機匣有水平分界安裝邊，後機匣有垂直分界安裝邊，這種設計特點可以保證整個機匣組合後水平和垂直方向的剛性基本一致，加強整機剛性。
壓氣機轉子1～3級盤(23)設計成前伸懸臂式，4級盤與前軸頸(4)用電子束焊聯在一起形成整體結構，5～10級盤鼓(25)和11～15級盤鼓(27)與兩個鼓筒加強盤間均為電子束焊焊成的單元體。轉子1～4級盤用軸向螺栓相連，4級盤、5～10級盤和11～17級盤單元體之間分別採用徑向銷釘連接。在1～15級盤上裝有1～15級工作葉片(16)。轉子前軸頸縮入1～3級盤內大大縮短了轉子的長度。
為向透平的輪盤和葉片輸送冷卻空氣，本方案採用向透平不同級分別輸送不同壓力、溫度的冷卻空氣的方案以提高每級透平輪盤和葉片的冷卻效果。具體實施方法是採用輻射式引氣管(5)和分層套管(21)組成的轉子內腔冷卻空氣傳輸裝置。冷卻空氣從鼓筒開孔處(26)引入，由沿圓周均布的若干個徑向輻射狀引氣管收集，沿內腔的分層套管輸向透平的輪盤和葉片對它們進行冷卻。該裝置用環形件固定在壓氣機轉子輪盤的內徑處與壓氣機轉子一起轉動。輻射引氣管的作用是減少對轉子內腔引出的冷卻空氣因輪盤旋轉效應而升溫，分層套管的作用一方面隔離不同壓力和溫度的冷卻空氣形成通道，另外還起到隔熱屏的作用減少對冷卻空氣的輻射傳熱。
如圖3所示，本發明的燃燒室是由20個火焰筒組成的環管型燃燒室，環繞在壓氣機後部機匣的外側，由壓氣機流出的高壓空氣，經擴散器後回流到燃燒室，從火焰筒頭部經渦流器進入，與噴嘴噴出的燃料進行滲混、燃燒。這樣的結構形式有利於安裝、檢修、更換噴嘴及火焰筒，且縮短了壓氣機——透平轉子兩個支點間的距離。
每個火焰筒的頭部均有一組三槽組合式雙燃料噴嘴，該組噴嘴由1個居於中央的三槽組合式主燃料噴嘴，與周圍均布的8個三槽雙燃料導向噴嘴組成，共同構成一組既能燒氣體燃料——天然氣、又能燒液體燃料——柴油的雙燃料噴嘴，由於採用了燃料預混技術，恰當地組織貧油燃燒及分段燃燒的技術措施，使得燃燒室排出的燃氣中燃燒產物NOx的含量用天然氣燃料時，不超過50mg/Nm3；用液體燃料(柴油)時，不超過250mg/Nm3。
本發明的透平為4級軸流式透平機。
4級軸流式透平中，I、II級工作葉片及I、II、III級導向器均為氣冷式，以保證承受較高的燃氣溫度。
為充分可靠地冷卻透平工作葉片和導向器，通過管路分別引自壓氣機不同級後的壓縮空氣，有目的去冷卻相應的不同級的透平工作葉片和導向器，而不像常規那樣引壓氣機的壓縮空氣，從前向後順序冷卻透平各級的葉片和盤。比如，從機匣外引壓氣機8級後的空氣，去冷卻透平III級導向葉片和III、IV級透平葉片的尖部，從壓縮機——透平轉子的內部，通過專用管路引7級後的壓縮空氣，去冷卻III、IV級透平葉片的根部；引10級後的壓縮空氣，去冷卻II級透平工作葉片和III級導向葉片的根部；這些專用的管路，安裝在轉子內部，是隨轉子同步運轉的。另外，為了提高對透平I級工作葉片和II級導向葉片的冷卻效果，特從15級壓氣機後，引高壓空氣經外置水冷卻器，將空氣冷卻降溫至150℃左右，再通過管路引至轉子中心管系同時旋轉增壓，然後去冷卻I級透平盤、榫齒、葉片及II級導向葉片。
I級導向葉片的內部採用雙腔結構，冷卻氣流經蛇形通道通過小孔形成氣膜冷卻，冷卻空氣經過交錯排列，大小不等的管系形成渦流矩陣，從而使I級導向葉片的表面有效地降溫達500℃以上。
權利要求
1.一種重型燃氣輪機，包含有進氣機匣、進口可調導向葉片、壓氣機、擴散器、燃燒室、透平及排氣機匣，其特徵在於進氣機匣的內、外殼體與承力的整流支板用整體鑄造成為一體，各部件的機匣之間用軸向螺栓相聯，壓氣機與透平轉子均為盤鼓結構，其間以軸向螺栓緊緊相聯，組成一個鼓筒式的壓氣機——透平轉子，支承在前、後兩個滑動式的平軸承上，構成一個雙支承的單轉子結構，輸出軸在前，通過彈性聯軸器與發電機軸相聯。
2.根據權利要求1所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述壓氣機為多級軸流式壓氣機，在其第5、10、15級後裝有供起動放氣的放氣活門，在1、2級壓氣機壁面上設有處理機匣孔。
3.根據權利要求2所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述壓氣機各級盤鼓之間多採用電子束焊連接，各段轉子之間採用徑向銷釘連接，其前4級盤鼓之間，用軸向螺栓連接成一體，且前3級盤以懸臂形式支承在4級盤上，4級盤直接與前軸頸焊接為一體，形成懸臂結構。
4.根據權利要求2所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述壓氣機，其1、2、3、4級壓氣機葉片由鈦合金製成。
5.根據權利要求1所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述燃燒室是由多個火焰筒組成的環管式燃燒室，環繞在壓氣機後部機匣的外側，每個火焰筒頭部均有一組三槽組合式雙燃料噴嘴，該組噴嘴由1個居於中央的三槽組合式主燃料噴嘴，與其周圍均布的若干個三槽雙燃料導向噴嘴組成，共同構成一組既能燒氣體燃料又能燒液體燃料的雙燃料噴嘴。
6.根據權利要求1所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述透平為多級軸流式透平，其I、II級工作葉片及I、II、III級導向器均為氣冷式。
7.根據權利要求6所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述透平工作葉片和導向器的冷卻是通過管路分別引自壓氣機不同級後的壓縮空氣，去冷卻相應的不同級的工作葉片和導向器。
8.根據權利要求7所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述透平的冷卻方式，從機匣外引壓氣機8級後的空氣，去冷卻透平III級導向葉片和III、IV級透平葉片的尖部，從壓氣機——透平轉子的內部，通過專用管路引7級後的壓縮空氣，去冷卻III、IV級透平葉片的根部，引10級後的壓縮空氣去冷卻II級透平工作葉片和III級導向葉片的根部，其專用的管路安裝在轉子內部，隨轉子同步運轉，透平I級工作葉片和II級導向葉片的冷卻是引高壓空氣經外置水冷卻器，冷卻降溫後再通過管路引至轉子中心管系，同時旋轉增壓後去冷卻I級透平盤、榫齒、葉片及II級導向葉片。
9.根據權利要求6所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述透平I級導向葉片的內部採用雙腔結構，冷卻氣流通過的蛇形通道，通過小孔形成氣膜冷卻，冷卻空氣經過交錯排列、大小不等的管系形成渦流矩陣。
10.根據權利要求1所述的重型燃氣輪機，其特徵在於所述多級軸流壓氣機為15級軸流壓氣機；所述多個火焰筒組成的環管式燃燒室為20個火焰筒組成的環管燃燒室；所述多級軸流式透平為4級軸流氣冷式透平。
全文摘要
一種重型燃氣輪機，由進氣機匣、進口可調導向葉片、壓氣機、擴散器、燃燒室、透平及排氣機匣組成，進氣機匣的內、外殼體與承力的整流支板用整體鑄造成為一體，各部件的機匣之間用軸向螺栓相聯，壓氣機與透平轉子均為盤鼓式結構，其間以軸向螺栓緊緊相聯，組成一個鼓筒式的壓氣機——透平轉子，支承在前、後兩個滑動式的平軸承上，構成一個雙支承的單轉子結構，輸出軸在前，通過彈性聯軸器與發電機軸相聯，本發明具有較高級增壓比的壓氣機，幹低汙染排放的燃燒室，能承受較高燃氣溫度的多級氣冷式透平，且整機相對質量較輕，運輸方便。
文檔編號F01D1/04GK1474034SQ0313374
公開日2004年2月11日 申請日期2003年7月16日 優先權日2003年7月16日
發明者崔榮繁, 龐為, 張國華, 王更新, 崔樹森, 王偉, 李孝堂, 尹家錄, 桑偉森, 李泳凡, 金革, 楊養花 申請人:瀋陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司, 瀋陽黎明航空發動機(集團)有限責任