具有可变入口导向叶片的双卷轴工业燃气涡轮发动机制造技术

一种大型框架重型工业燃气涡轮发动机，其能够产生两倍于普通单卷轴工业发动机的功率输出并且在炎热的天气下仍然能以满功率运转。该发动机包括以当地电网同步的速度直接驱动发电机的高卷轴，具有低压涡轮机(LPT)的低卷轴，该低卷轴通过来自高压涡轮机排出的排气来驱动低压压缩机(LPC)。低压卷轴能够以比标准温度条件所需的速度更高的速度来运转以产生更大的质量流。具有可变IGV的涡轮机，其中，叶片翼片在内扣合部和外扣合部之间延伸，翼片的旋转中心位于翼片的压力空气动力中心的尾部。翼片的后缘(TE)在多个扣合部之间延伸，以消除翼片TE以及涡轮机静态部分之间的间隙。

Double-Roller Industrial Gas Turbine Engine with Variable Inlet Guide Blade

A large frame heavy-duty industrial gas turbine engine capable of generating twice the power output of a conventional single-scroll industrial engine and still operating at full power in hot weather. The engine consists of a high reel that directly drives the generator at the synchronous speed of the local power grid and a low reel of a low-pressure turbine (LPT), which drives a low-pressure compressor (LPC) through exhaust gas from a high-pressure turbine. Low-pressure reels can operate at a higher speed than required under standard temperature conditions to produce a larger mass flow. A turbine with variable IGV, in which the blade blade extends between the inner and outer fasteners, and the rotating center of the blade is located at the tail of the pressure aerodynamic center of the blade. The trailing edge (TE) of the blade extends between multiple buckles to eliminate the gap between the TE of the blade and the static part of the turbine.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可变入口导向叶片的双卷轴工业燃气涡轮发动机政府许可权利本专利技术是在美国政府支持下，按照能源部授予的合同号DE-FE0023975完成的。美国政府享有本专利技术的某些权利。
本专利技术总体上涉及双卷轴(spool)工业燃气涡轮发动机，进一步说涉及一种具有第二卷轴的工业燃气涡轮发动机，第二卷轴具有应用于低压涡轮机的可变入口导向叶片组件。
技术介绍
在发电厂中应用大型框架，重型工业燃气涡轮发动机以驱动发电机并产生电力。在美国，电网工作在60赫兹，这样的话，工业发动机驱动60赫兹的工作在3600rpm的发电机。为了提高发动机的效率，该发动机直接驱动所述发电机而不使用齿轮箱，因为齿轮箱会将效率降低大约1％。典型的300MW功率的工业涡轮发动机设计为3600rpm，以与60赫兹的发电机同步。所述发动机设计为产生最大质量流以产生最大功率。所述工业发动机按照所谓的ISO天气(ISOday)的标准来设计，例如，在60华氏度的室外气温或环境温度下。当室外气温变得更高的时候，例如90华氏度，空气的质量密度变得更低，这样通过工业发动机的质量流就减少了，导致工业发动机的输出功率降低，因而也降低了发电机产生的电功率。同样的问题会出现在为欧洲市场设计的工业发动机上，此类型的发动机工作频率为50赫兹，发动机和发电机工作在3000rpm的转速。应用可变角度的叶片来改变通过压缩机和涡轮通道的质量流。与具有整体外壁和内壁的固定叶片相比，可变叶片在翼片和端壁之间具有泄漏区域。这些泄漏通道产生了不良的空气动力损失。翼片的期望摆角越大，使这些间隙最小化的挑战就越大。具有可调节的叶片喉部的好处大大地超过泄漏所产生的坏处。在压缩机及涡轮中同时应用可变入口的导向叶片。然而，用于涡轮的可变入口导向叶片的结构与压缩机的并不相同。在压缩机中，当通过压缩机级的压缩空气的压力增加时，气流路径的高度减小。因此，叶片后缘的径向或翼展方向高度在压缩空气的流动方向上减小。这在涡轮中正好相反，涡轮中的压缩空气在气流方向上会增加或扩张。因此，叶片后缘翼展方向的高度在压缩空气的流动方向上增加。因此，由于这种结构，在后缘处越过叶片端部的泄漏将具有更大的面积。除了控制间隙之外，还需要考虑作用在叶片上的空气动力以选择最佳旋转轴线。叶片的压力中心是力矩为零的位置。贯穿压力中心的旋转轴线使叶片的铰接不会产生额外的摩擦力。当叶片的交错角度改变时，该压力中心的位置将发生变化。
技术实现思路
一种大型框架重型工业燃气涡轮发动机，能够在宽范围的室外气温下工作，同时仍保持全功率输出，以使得全功率驱动发电机。工业燃气涡轮发动机包括具有可单独操作的低卷轴或涡轮增压器的高卷轴，以产生供高卷轴的高压压缩机使用的压缩空气。高卷轴包括高压压缩机，燃烧室及直接驱动发电机并且连续地以与当地电网频率同步的速度工作的高压涡轮，例如60赫兹或50赫兹，以产生电能。低卷轴或涡轮增压器包括驱动低压压缩机的低压涡轮机。HPC、LPT和LPC中的每一者均包括可变入口导叶组件，使得通过调节一个或多个可变入口导叶组件，可以在各种环境温度下以同步速度连续操作发电机。低卷轴或涡轮增压器工作速度设计为比室温条件下工作的发动机所设计的普通工作速度更高。在炎热的天气下(高于普通室温的设计条件)，低卷轴需要以更高的速度工作，以向高卷轴提供更高的质量流，以便在发动机的同步速度下运行。由于使用了低卷轴作为高卷轴的涡轮增压器，并且在低压涡轮机和低压压缩机中使用了可变入口导向叶片，本专利技术所述的工业发动机能够以两倍于现有已知的工业燃气涡轮发动机的功率来运行。现有已知最大的60赫兹的工业发动机能够产生约350MW的最大功率输出，50赫兹的发动机则能够产生约500MW的最大功率出。本专利技术提出的双卷轴涡轮增压工业燃气发动机，对于60赫兹的情况能够产生超过500MW的输出，对于50赫兹的情况能够产生超过720MW的输出。一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机可变入口导向组件，例如具有低压涡轮机的工业燃气涡轮发动机，其中可变入口导向叶片组件包括导向叶片，导向叶片具有在大直径的外部和内部按钮部件之间延伸的翼片，其中翼片后缘延伸到两个按钮部件中，使得在后缘和涡轮机壳体之间不形成间隙。该翼片具有旋转中心，该旋转中心位于空气动力学压力中心的后方或下游，这将减小在翼片从打开位置到闭合位置的运动中形成的任何间隙，从而提高涡轮机的性能。对于给定的泄漏间隙，由于翼片的高速运转，后方的泄漏流量及每单位气流的性能损失相对于前部更大。在一个实施例中，应用于发电的大型框架重型工业燃气涡轮发送机包括：具有高压压缩机的高卷轴，燃烧室，高压涡轮机；发电机，由高卷轴以与当地电网同步的速度直接驱动以产生电力；具有低压涡轮机和低压压缩机的低卷轴，低卷轴和高卷轴相连接，使得高压涡轮机排出的排气驱动低压涡轮机；压缩空气管线，压缩空气管线连接低压压缩机和高压压缩机以向高压压缩机提供压缩空气；应用于低压涡轮机的第一可变入口导向叶片组件；应用于低压压缩机的第二可变入口导向叶片组件，应用于低压涡轮机的可变入口导向叶片组件调节驱动低压压缩机的功率输出，以使得所述高卷轴能够在正常温度和炎热天气的情况下满功率运转。在实施例的第一个方面，大型框架重型工业燃气涡轮发动机还包括应用于高压压缩机的第三可变入口导向叶片组件。在实施例的一个方面，低卷轴设计成以高于标准iso工作温度所需的速度下运行，以使得在炎热的天气下，标准质量流能够通过发动机并以满载功率驱动发电机。在实施例的一个方面，低卷轴不在所述高卷轴内转动。在实施例的一个方面，发电机是60赫兹的发电机并且所述工业燃气涡轮发动机具有产生500MW输出的能力。在实施例的一个方面，发电机是50赫兹的发电机并且所述工业燃气涡轮发动机具有产生720MW输出的能力。在一个实施例中，应用到燃气涡轮发动机的具有可变入口导向叶片组件的涡轮机包括：位于涡轮机转子叶片的气流方向上游的可变入口导向叶片，可变入口导向叶片具有翼片，上扣合部(button)以及下扣合部(button)，翼片在上扣合部和下扣合部之间延伸，翼片具有前缘和后缘，压力空气动力中心，以及旋转中心，旋转中心位于翼片的压力的空气动力中心沿气流方向的下游。在实施例的一个方面，翼片的后缘从上扣合部(12)下扣合部(13)的外半径沿翼片弦向方向向内定位。在实施例的一个方面，翼片的后缘延伸到上扣合部和下扣合部中的每一个内，使得翼片的后缘和涡轮机的静态结构(例如涡轮机壳体)之间没有泄漏物可以在其间流动的间隙。在一个实施例中，在涡轮机的可变入口导向叶片组件中使用了翼片，可变入口导向叶片组件具有外扣合部和内扣合部，包括，前缘，后缘，压力的空气动力中心，以及旋转中心，翼片的旋转中心在翼片的压力空气动力中心的后方，翼片在外扣合部和内扣合部之间延伸，并且内扣合部和外扣合部中的每一个的外半径均大于翼片后缘到翼片旋转中心沿弦向方向的距离。在本实施例的一个方面，内扣合部和外扣合部中每一个的外半径小于翼片前缘到翼片弦向的旋转中心的距离。附图说明当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易理解对本专利技术及其附带优点和特征的更完整理解，其中：图1示出了根据本专利技术的具有可变入口导向叶片的双卷轴工业燃气涡轮发动机的横截面视图；图2示出了在一个具有HRSG的联合循本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于发电的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，所述大型框架重型工业燃气涡轮发动机包括：高卷轴，所述高卷轴具有高压压缩机(51)、燃烧室(53)、以及高压涡轮机(52)；发电机(55)，所述发电机以与本地电网同步的速度由所述高卷轴直接驱动以产生电力；低卷轴，所述低卷轴具有低压涡轮机(61)以及低压压缩机(62)，所述低卷轴以及高卷轴连接在一起，以使得自所述高压涡轮机(52)排出的涡轮排气驱动所述低压涡轮机(61)；压缩空气管线(67)，所述压缩空气管线将所述低压压缩机(62)连接到所述高压压缩机(51)，以向所述高压压缩机(51)提供压缩空气；用于所述低压涡轮机(61)的第一可变入口导向叶片组件(58)；以及用于所述低压压缩机(62)的第二可变入口导向叶片组件(64)，用于所述低压涡轮机(61)的可变入口导向叶片组件(58)调节功率输出以驱动所述低压压缩机(62)，以使得所述高卷轴能够在标准温度的天气及炎热温度的天气下均以满功率运转。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.25 US 15/137,248;2016.06.06 US 15/174,0511.一种用于发电的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，所述大型框架重型工业燃气涡轮发动机包括：高卷轴，所述高卷轴具有高压压缩机(51)、燃烧室(53)、以及高压涡轮机(52)；发电机(55)，所述发电机以与本地电网同步的速度由所述高卷轴直接驱动以产生电力；低卷轴，所述低卷轴具有低压涡轮机(61)以及低压压缩机(62)，所述低卷轴以及高卷轴连接在一起，以使得自所述高压涡轮机(52)排出的涡轮排气驱动所述低压涡轮机(61)；压缩空气管线(67)，所述压缩空气管线将所述低压压缩机(62)连接到所述高压压缩机(51)，以向所述高压压缩机(51)提供压缩空气；用于所述低压涡轮机(61)的第一可变入口导向叶片组件(58)；以及用于所述低压压缩机(62)的第二可变入口导向叶片组件(64)，用于所述低压涡轮机(61)的可变入口导向叶片组件(58)调节功率输出以驱动所述低压压缩机(62)，以使得所述高卷轴能够在标准温度的天气及炎热温度的天气下均以满功率运转。2.根据权利要求1所述的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，还包括：用于所述高压压缩机(51)的第三可变入口导向叶片组件(57)。3.根据权利要求1所述的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，其中，所述低卷轴设计成以高于标准iso工作温度所需的速度下运行，以使得在炎热的天气下，标准质量流能够通过所述发动机(5)并以满载功率驱动发电机(55)。4.根据权利要求1所述的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，其中，所述低卷轴不在所述高卷轴内转动。5.根据权利要求1所述的大型框架重型工业燃气涡轮发动机(5)，其中：所述发电机(55)为60赫兹的发电机；并且所述工业燃气涡轮发动机(5)能够产生500MW的功率。6.根据权利要求1所述的大型框...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·E·默里，J·D·布罗斯特迈尔，R·B·琼斯，B·J·布朗，J·T·采卡，
申请(专利权)人：佛罗里达涡轮技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US