用于代替燃气轮机的燃烧器组件的方法及相应的燃气轮的制造方法
【专利摘要】一种航空衍生的环罐式燃气轮机，具有燃气轮机核心，所述核心以适于与环罐式燃烧器组件(122)结合的几何方式包括高压压缩机(65)和通过高压轴(142)而与所述航空高压压缩机(65)相互连接的高压涡轮机(73)，所述环罐式燃烧器组件(122)用于接收来自所述高压压缩机(65)的压缩空气，将燃烧气体加速并将该气体引导到高压涡轮机(73)的第一排叶片(126)上。本发明还涉及在传统的航空衍生燃气轮机中安装环罐式燃烧器组件(122)的相应方法。
【专利说明】用于代替燃气轮机的燃烧器组件的方法及相应的燃气轮机[0001 ] 关于联邦政府赞助研发的声明
[0002]本发明的研发由美国能源部授权的合约N0.DE-FC26-05NT42644提供部分支持。因此，美国政府能够享有本发明的某些权利。
【技术领域】
[0003]本发明涉及将航空燃气轮机转化成用于产生电能的航空衍生的燃气轮机。具体地，本发明涉及在航空衍生的燃气轮机中使用改进的过渡管燃烧组件。
【背景技术】
[0004]航空衍生的燃气轮机为混合气体涡轮发动机，通常采用来自用于航空领域(诸如给航空器供能)的燃气轮机的压缩机、燃烧系统、以及涡轮机，并将其与动力涡轮结合以驱动发电机。通常，在航空发动机中的涡轮设计成只驱动压缩机，并且该涡轮排出具有足够高的压力的燃烧气体，由于发动机排放处与大气之间的压力差而推动航空器。为了进行航空衍生的应用，将动力涡轮添加到航空发动机的涡轮中，以在排放之前利用燃烧气体的额外能量，从而驱动发电机以产生电能。
[0005]航空发动机、动力涡轮、以及发电机可以通过多种结构连接。在第一种结构中，动力涡轮不连接于航空发动机，而是仅仅接收从航空发动机排出的气体，所述排出的气体提供能量以使动力涡轮旋转。在这种结构中，动力涡轮轴是添加轴，其将动力涡轮连接至发电机。在第二种结构中，航空发动机和动力涡轮可以旋转地连接。可以通过用航空衍生的低压轴来代替航空发动机的低压轴来实现这种连接。所述航空衍生的低压轴可以进一步向后延伸穿过涡轮动力，并且 由在动力涡轮后部的额外轴承来支撑。为了连接发电机，所述航空衍生的低压轴可以进一步向后延伸至放置有发电机的下游。或者，所述轴的上游端可以向上游延伸至放置有发电机的上游。在第二种结构的两种变形种，动力涡轮轴均与低压轴相同。
[0006]经常使用航空衍生发动机提供电能进行小型安装，或者在需求增加时为发电厂提供补充的电能。航空衍生发动机可以用于为工业燃气轮机作补充，也可以单独使用。在单独使用的结构中，通常将两个航空衍生发动机组装到用于发电的一个发电机上。这种结构使一个航空衍生发动机必须在第一方向上旋转(例如，具有右旋叶片)，并且其动力涡轮轴向后延伸以连接至发动机轴的第一端。第二个航空衍生发动机配置成在相反的方向上旋转(例如具有左旋叶片)，其动力涡轮轴向后延伸以连接至同一个发电机轴的第二端。在这种结构中，两个航空衍生发动机相互朝彼此排放气体，但是相对于发电机在相同方向上旋转。这样的结构是，第一个航空衍生发动机的动力涡轮轴连接至发电机的通轴，该通轴也连接至第二航空衍生发动机的动力涡轮轴。相应的动力涡轮轴是否连接至相应的发动机的低压轴取决于如前所述的相应燃气轮机的结构。航空燃气轮机更小、更轻、便于移动，然而用于发电的工业燃气轮机却更大、更重、不便于移动。但是，为了更小和更轻，航空衍生的燃气轮机通常由更贵且更不耐久的材料制成。此外，在通常用于航空发动机种的环形燃烧器中的燃烧有意地较猛烈，以在不定的发动机需求条件下产生可靠的火焰，但是也因为这样，航空燃气轮机通常相比工业燃气轮机要产生更多诸如NOx的污染物。此外，航空衍生发动机相比工业燃气轮机所需要的维护也更频繁、更困难。因此，在本领域中存在提升的空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是现有技术中的传统环罐式工业燃气轮机的剖视图。
[0008]图2是现有技术中的航空燃气轮机的剖视图。
[0009]图3是根据本发明的航空衍生的燃气轮机的剖视图。
[0010]图4是图3的航空衍生的燃气轮机的示意图。
【具体实施方式】
[0011]航空发动机的核心包括:航空高压压缩机、航空燃烧器、航空高压涡轮机、将航空高压压缩机连接至航空高压涡轮机的航空高压轴、航空高压轴的轴承装置、以及与航空高压轴及航空高压轴承结合的动力输出装置。航空发动机的核心结构大部分由航空高压轴的轴动力驱动，该轴动力进而很大程度上受航空高压轴的长度影响。航空高压轴的长度改变需要在实质上重新设计航空发动机核心部分。但是，相比能够装配于航空高压压缩机和航空高压涡轮机之间的轴向长度，工业环罐式燃烧器占据更多的轴向长度。因此，到目前为止，不能实现用工业环罐式燃烧系统来替代航空发动机的环形燃烧器，因为这会引起航空发动机的大部分都需要重新设计。
[0012]在环罐式燃气轮机中所使用的燃烧系统的改进已经产生了改进的过渡管设计，其中通常出现在传统燃气轮机中的第一排叶片被去除了。作为替换，来自燃烧器的燃烧气体可以从燃烧器沿着不连续的直流路径流动，直到被加速到适于被传送至第一排涡轮机叶片的速度。在某些改进的过渡管设计中，燃烧气体在被传送至第一排涡轮机叶片时仍保持直流路径。在另外的改进的过渡设计中，燃烧气体与来自邻近燃烧器的燃烧气体混合，单个混合流被传送至第一排涡轮机叶片。但是，改进的燃烧系统的轴向长度比传统的工业燃气轮机的长度要短。Bancalari等的美国专利7721547公开了这种改进的过渡管的实例。
[0013]本发明的发明人已经认识到，改进的环罐式燃烧系统的轴向长度使得其能够安装在与环形燃烧器一起使用的航空发动机的航空高压压缩机和航空高压涡轮机之间，不用改变航空发动机中心的其它部件，而传统的环罐式燃烧系统则不能这样。这是可以实现的，因为改进的环罐式燃烧系统将安装在航空发动机的轴向空间内，该空间之前用于容纳航空环形燃烧器和第一排航空涡轮叶片。因此，发明人提出一种修改的航空有关的发动机，其中环形航空燃烧器由改进的环罐式燃烧系统代替，而不需要改变航空发动机核心的其它部件。改进的航空衍生发动机保持其理想的较小尺寸和便携性，但是又具有更加耐用和更易于维护的燃烧系统，并产生更少的污染物，诸如NOx。该改进的航空衍生发动机可以由与航空环形燃烧器组装在一起的核心航空发动机部件构成，或者可以作为现有(已组装)航空发动机或现有航空衍生发动机的改进而制成。可以对非核心部件进行修改或不进行修改，包括航空低压压缩机、航空低压涡轮机、航空低压轴和/或航空低压轴承装置。如果对这些部件中的任何部件进行修改，可能需要或者可能不需要对容纳这些被修改部件的相应航空壳体部分进行修改。[0014]有利地，用改进的工业气体涡轮燃烧系统来代替航空环形燃烧器还可以简化维护要求。具体地，改进的燃烧系统包括多个燃烧器和改进的过渡管，所述多个燃烧器和改进的过渡管可以现场组装和拆卸。相反，通常与航空发动机结合的航空环形燃烧器需要去除整个燃烧部分外壳，航空环形燃烧器需要被送到维修工厂进行维修。因此，改进的燃烧系统更易于现场拆卸和维护，从而降低了维修成本。
[0015]本发明人还认识到，工业燃气轮机的改进燃烧系统不再需要通常出现在航空发动机中的静止的第一排涡轮轮叶(螺旋桨叶)，所述第一排涡轮轮叶通常由航空燃烧器外壳支撑。因此，当去除航空燃烧器时，第一排涡轮轮叶也可以去除。如果不对现有的航空压缩机外壳进行任何修改，那么仅通过中现有的燃烧器部分安装改进的燃烧系统就完成了改进的燃烧系统的安装，安装适于围绕改进的燃烧系统的外壳(下文称为航空衍生外壳)，使得该外壳将与现有的航空压缩机外壳以及现有的航空涡轮机外壳匹配。可以根据需要进行其它修改。例如，可以用具有更大直径的航空衍生内壳来替换航空内壳，由于航空内壳有必要制成具有更小直径，从而为环绕环形航空燃烧器提供空间。发明人已经认识到，当在航空衍生发动机上使用时，改进的燃烧系统更加径向向外的定向提供了这种意料之外的额外优势。
[0016]参考附图，图1示出现有技术中传统的环罐式工业燃气轮机10，包括具有传统压缩机外壳14的传统的压缩机部分12、具有传统燃烧器外壳18的传统的燃烧部分16、以及具有传统润轮机外壳22的润轮机部分20。传统的燃烧器外壳18放置在传统压缩机外壳14和传统的润轮机外壳22之间，以便传统的燃烧器外壳18的上游端24被固定至传统的压缩机外壳14的后端26,传统的燃烧器外壳18的后端28被固定至传统的润轮机外壳22的上游端30。
[0017]传统的环罐式工业燃气轮机10使用传统的燃烧系统32，该燃烧系统32包括燃烧器34和传统的过渡管36，将燃烧气体供应到第一排涡轮机轮叶38。虽然第一排涡轮机轮叶38在功能上与涡轮机结合，但是所述叶片38在结构上与传统的燃烧部分16结合，因为所述叶片38在结构上固定至传统的燃烧部分16。
[0018]传统的燃烧系统32占据传统的燃烧系统的轴向长度40，这是由过渡管的角度α、以及燃烧器34和传统的过渡管36的传统组合长度48决定的，所述角度α由传统的过渡管纵轴42和垂直于发动机纵轴46的平面44形成。在传统的燃烧系统中，相比环形燃烧系统(未示出)，该过渡管角度α和组合长度48使传统的燃烧系统占据相对大的传统燃烧系统轴向长度40。因此，所述传统的燃烧系统轴向长度40迫使传统的燃烧器外壳18必须具有传统燃烧器外壳轴向长度50，以足够容纳燃烧器34和传统过渡管36的组合长度48。
[0019]图2示出现有技术中的航空燃气轮机60，其包括:具有航空压缩机外壳64和航空高压压缩机65的航空压缩机部分62 ;具有航空燃烧器外壳68的航空燃烧器部分66 ;以及，具有航空涡轮机外壳72和航空高压涡轮机73的航空涡轮机部分70。该航空燃烧器外壳68放置在航空压缩机外壳64和航空涡轮机外壳72之间，使得航空燃烧器外壳68的上游端74被固定至航空压缩机外壳64的后端76,而航空燃烧器外壳68的后端78被固定至航空涡轮机外壳72的上游端80。
[0020]航空燃气轮机60使用航空燃烧系统82，该燃烧系统82包括航空环形燃烧器84，所述燃烧器84将燃烧气体供应至与航空高压涡轮机73结合的第一排涡轮机轮叶38。在此，在传统的燃烧部分中，第一排涡轮机轮叶38在结构上与航空压缩机外壳64结合。
[0021]该航空燃烧系统82占据了航空燃烧系统轴向长度85的空间。当与图1的传统燃烧系统32的传统燃烧系统轴向长度40相比时，在航空燃烧系统82中，航空环形燃烧器84占据了相对小的航空燃烧系统轴向长度85。因此，航空燃烧器外壳轴向长度86会相对地短于传统的燃烧器外壳轴向长度50。因此，不可能在移除航空环形燃烧器84并用传统的燃烧系统32代替它的情况下不用重新设计航空燃气轮机60来容纳传统的燃烧系统32所增加的轴向长度。还可以从图2中看到航空环形燃烧器内壳88，所述内壳88具有较小的直径以便在航空环形燃烧器84的内侧90上留出用于让空气流过的空间。
[0022]发明人已经认识到，形成的燃烧系统设计包括使用燃烧器以及改进的过渡管的改进过渡管燃烧系统，其包括足够短的轴向长度，从而改进燃烧系统可以用来代替航空燃气轮机60中的环形航空燃烧器系统82，以生成如图3所示的航空衍生的燃气轮机100，而不需要对航空燃气轮机60进行大幅度修改。该航空衍生的燃气轮机100包括:具有航空衍生压缩机外壳104和航空高压压缩机65的航空衍生的压缩机部分102 ;具有航空衍生燃烧器外壳108的航空衍生燃烧器部分106 ;以及，具有航空衍生涡轮机外壳112和航空高压涡轮机73的航空衍生涡轮机部分110。如果航空低压压缩机(未示出)没有被改变，那么航空衍生压缩机外壳104可以与航空压缩机外壳64相同。同样地，如果航空低压涡轮机(未示出)没有被改变，那么航空有关涡轮机外壳112可以与航空涡轮机外壳72相同。可以看至IJ，第一排涡轮机轮叶38 (未示出)不存在于图3所示的航空衍生的燃气轮机100中。
[0023]航空衍生燃烧器外壳108位于航空衍生压缩机外壳104与航空衍生涡轮机外壳112之间，以便航空衍生燃烧器外壳108的上游端114固定至航空衍生压缩机外壳104的后端116，航空衍生燃烧器外壳108的后端118固定至航空衍生的涡轮机外壳112的上游端120。
[0024]航空衍生燃气轮机100采用改进的环罐式燃烧组件122，所述燃烧组件122包括燃烧器34和改进的过渡管124。改进的过渡管124合适地定向，并使燃烧气体加速以运送到第一排涡轮机叶片126。因此，不再需要在传统环罐式工业燃气轮机10和航空燃气轮机60中所出现的第一排涡轮机轮叶38。由于在现有技术中第一排涡轮机轮叶38由相应的燃烧器外壳支撑，而在航空衍生的燃气轮机100中可以不使用第一排涡轮机轮叶38，所以相应的燃烧器外壳也可以被去除而不会造成任何影响。因此，可以看到，图3的航空衍生燃气轮机100使用航空燃气轮机的核心而不使用第一排涡轮轮叶38和航空环形燃烧器84。
[0025]改进的环罐式燃烧组件122占据了改进的环罐式燃烧系统轴向长度125，其由改进的过渡管角度β、以及改进的过渡管124和燃烧器34的改进组合长度130决定的，所述过渡管角度β由改进的过渡管纵轴128与垂直于发动机纵轴46的平面44形成。在改进的环罐式燃烧组件122中，过渡管角度β和改进的组合长度130使得，改进的环罐式燃烧组件122与传统的燃烧系统32相比占据了相对小的改进的环罐式燃烧系统轴向长度125。改进的环罐式燃烧系统轴向长度125使航空环形燃烧器84可以从航空燃气轮机60中移除，改进的环罐式燃烧组件122可以放置到航空燃烧器部分66中，而不需要改变航空燃烧系统轴向长度85。因此，所得到的航空衍生燃气轮机100不需要大幅度地进行重新设计。此外，由于改进的过渡管124更加径向朝外地定向，因此邻近会有更多的空间，航空环形燃烧器内壳88可以放置到所述空间里。[0026]图4所示意性地示出，航空衍生燃气轮机100可包括由航空衍生的低压轴136所连接的航空衍生的低压压缩机部分132和航空衍生的低压涡轮机部分134。当航空衍生的燃气轮机100被组装时，这些部件如果没有被改变的话可以是航空部件。或者，这些部件可以被改变。将具有航空高压压缩机部分138和航空高压涡轮机部分140，这两个部分由航空高压轴142连接。航空衍生的低压轴136可以由航空衍生低压轴承144支撑，而航空衍生的高压轴则可以由航空高压轴承146来支撑。在航空燃气轮机60和航空衍生燃气轮机100中的高压轴动力对合适的发动机运行是至关重要的，高压轴动力和高压轴承的设计和结构直接受到轴长度的影响。因此，通过避免对高压轴动力进行改变，能够保持相同的高压轴长度提供了很大的优势。
[0027]图4还示出了航空衍生燃烧器外壳108，包括航空衍生燃烧器外壳开口 148，所述开口 148使得能够接触到所围出的体积。航空衍生的燃烧器外壳开口 148可以构建成，使各燃烧器34和相应的改进的过渡管124可以从航空衍生的燃气轮机100中移除，而不需要对航空衍生的燃气轮机100进行大规模的拆卸。
[0028]此外，动力涡轮机149可以用于接收从航空衍生的燃气轮机100中排出的气体并将其转化成转动能。这可以经由与动力涡轮149以及产生电能的发动机152结合的航空衍生燃气轮机100来实现。动力涡轮轴150可以与航空衍生低压轴136分离。在这种情况下，航空衍生低压轴136可以简单地是原始的航空低压轴。动力涡轮轴150可以与航空衍生低压轴136为一体。由此，可以用更长的、更大负荷的航空衍生低压轴136来代替动力涡轮轴150，并且，可以将额外的航空衍生低压轴承154定位在动力涡轮149的下游以支撑额外的长度。作为替换(未示出)，发电机152可以放置在航空衍生燃气轮机100的上游端，在这种情况下，航空衍生低压轴136可以向上游延伸至发电机152。如果航空衍生低压轴136向上游延伸，那么最上游端的航空衍生低压轴承156可以重新定位以支撑额外的长度。
[0029]将航空燃气轮机转换成航空衍生的燃气轮机还包括将航空压缩机部分62内一些或全部的可调整压缩机叶片改变到固定位置。由于多种原因，这种调整在航空衍生燃气轮机100中不一定是必要的。可以通过本领域技术人员已知的方式将可调整的叶片改变成固定叶片，包括将叶片焊接到位或者将任何调整机构锁定到固定位置，等等。
[0030]应理解，在将航空燃气轮机代替成航空衍生燃气轮机期间，不需要对高压压缩机、高压涡轮机、高压轴或者高压轴承实质性的重新设计。但是，还应该理解，这些部件中某些或全部已磨损的部件可以用新的部件来替代。这些新的部件可以是与航空发动机现有形式完全相同的设计，也可以是与之不同的形式(即样式或形式)。只要新部件不涉及大幅度地重新设计航空燃气轮机核心以容纳改进的燃烧系统，那么这种替换就认为包括在本发明的范围之内。例如，可以使用具有改进材料性能的轴来替换现有的轴，这种替换不能被认为是大幅度地重新设计航空燃气轮机。
[0031]此外，由于航空燃烧系统轴向长度85保持不变，所以航空衍生燃烧器外壳108能够制成具有与航空燃烧器外壳68相同的轴向长度，能够以相同的方式并且可能用相同的安装座(mount)而固定至航空压缩机外壳64和航空涡轮机外壳72。当没有对航空压缩机外壳64和航空涡轮机外壳72进行任何修改时，最终效果将会是简单地用航空衍生燃烧器外壳108来替代航空燃烧器外壳68。此外，再参考图3，可以用航空衍生燃烧器内壳129来替换航空环形燃烧器内壳88，所述航空衍生燃烧器内壳129具有更大的直径以允许接近其中所围绕的区域。
[0032]一旦组装完成并开始运行，航空衍生的燃气轮机还能节约维护成本。具体地，航空环形燃烧器可能需要更频繁的维护，其中某些维护需要将航空环形燃烧器运输到维修工厂中。这种移除是非常昂贵的，因为还涉及根据需要去除整个燃烧器外壳以移除大的航空环形燃烧器。相反，使用航空衍生的燃气轮机时，每个改进的燃烧系统可以单独移除和更换，而不需要移除燃烧器外壳。因此，可以更省力地完成很多维护操作且所需的停机时间更少。除了节省维护成本，航空衍生燃气轮机可以持续更长时间并产生更少的排放。更进一步地，去除第一排涡轮机轮叶减少了有关第一排涡轮机轮叶的部件成本和泄露损失。因此，此处所公开的本发明代表了对本领域的改进。
[0033]虽然此处已经示出和描述了本发明的多种实施方式，但是很明显，这些实施方式仅以示例的方式给出。在不脱离本发明的情况下，可以进行多种变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅受到所附权利要求书的精神和范围的限制。
【权利要求】
1.一种航空衍生的环罐式燃气轮机，包括: 航空燃气轮机核心，以适于与航空环形燃烧器结合的几何方式包括航空高压压缩机和通过航空高压轴而与航空高压压缩机相互连接的航空高压涡轮机，但是所述环形燃烧器和所述航空高压涡轮机的第一排轮叶不存在；以及 环罐式燃烧器组件，与航空燃气轮机核心组装在一起，用于接收来自所述航空高压压缩机的压缩空气，将燃烧气体加速并将该气体引导到所述航空高压涡轮机的第一排叶片上。
2.如权利要求1所述的航空衍生的环罐式燃气轮机，其中，所述环罐式燃烧器组件包括多个燃烧器和相应的改进过渡管，所述航空衍生的环罐式燃气轮机包括改进的航空衍生燃烧器外壳，所述外壳构造成允许移除穿过所述外壳的各燃烧器以及相应的改进过渡管。
3.如权利要求1所述的航空衍生的环罐式燃气轮机，包括改进的航空衍生的燃烧器内壳，相比起与所述航空环形燃烧器结合的环形燃烧器内壳，所述内壳围出的体积更大。
4.如权利要求1所述的航空衍生的环罐式燃气轮机，进一步包括动力涡轮。
5.一种发电组件，包括如权利要求4所述的航空衍生的环罐式燃气轮机以及与所述动力涡轮结合的发电机。
6.一种航空衍生的环罐式燃气轮机，包括: 航空高压压缩机； 航空高压涡轮机，在最上游端包括第一排涡轮旋转叶片； 航空高压轴组件，使所述航空高压压缩机与所述航空高压涡轮机相互连接； 环罐式燃烧器组件，装配在所述航空高压压缩机与所述航空高压涡轮机之间； 其中，环罐式燃烧器组件的环罐式燃烧器接收来自所述航空高压压缩机的压缩空气，使燃烧气体加速并将该气体直接引导至所述第一排涡轮旋转叶片。
7.如权利要求6所述的航空衍生的环罐式燃气轮机，进一步包括动力涡轮。
8.一种发电组件，包括如权利要求7所述的航空衍生的环罐式燃气轮机以及与所述动力涡轮结合的发电机。
9.如权利要求6所述的航空衍生的环罐式燃气轮机，包括用于围绕环罐式燃烧器组件的燃烧器外壳，其中，所述环罐式燃烧器组件包括多个燃烧器以及相应的改进过渡管，所述燃烧器外壳包括通道口，所述通道口足以允许移除穿过所述通道口的燃烧器及相应的改进过渡管。
10.一种升级航空衍生的燃气轮机的方法，该方法包括: 移除现有的航空燃烧器外壳； 移除现有的航空环形燃烧器； 移除现有的第一排航空涡轮机轮叶； 在航空衍生的燃气轮机的轴向空间中安装环罐式燃烧器组件，所述空间由所述现有的航空环形燃烧器以及所述现有的第一排航空涡轮机轮叶腾出，所述环罐式燃烧器组件使燃烧气体加速并将该气体 直接引导至所述第一排航空涡轮机叶片；以及安装航空衍生的环罐式燃烧器组件的外壳。
11.如权利要求10所述的方法，包括:安装环罐式燃烧器组件，而不用改变从包括航空高压轴和航空高压轴承在内的组中选择的至少一种部件的形式。
12.如权利要求10所述的方法，包括:安装环罐式燃烧器组件，而不用改变从包括航空高压轴和航空高压轴承在内的组中选择的至少一种部件。
13.如权利要求10所述的方法，包括:使用现有的航空压缩机外壳安装座和现有的航空涡轮机外壳安装座来将航空衍生的环罐式燃烧器组件外壳固定至航空压缩机外壳与航空涡轮机外壳。
14.如权利要求10所述的方法，包括:使用航空衍生的环罐式燃烧器组件内壳来替代现有的航空燃烧器内壳，所述航空衍生的环罐式燃烧器组件内壳能够有效地提高对所围绕区域的接近性。
15.如权利要求10所述的方法，包括:将可调整的压缩机叶片转化成固定的压缩机叶片。
【文档编号】F02C3/14GK103987942SQ201280059690
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月2日 优先权日:2011年10月4日
【发明者】D.J.维比 申请人:西门子能量股份有限公司