具有可变入口导向叶片的双卷轴工业燃气涡轮发动机的制作方法

本发明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。美国政府享有本发明的某些权利。

本发明总体上涉及双卷轴(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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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。本发明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，将更容易理解对本发明及其附带优点和特征的更完整理解，其中：

图1示出了根据本发明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的联合循环发电厂中的如图1所示的涡轮增压的工业燃气涡轮发动机；

图3示出了根据本发明的可变几何结构的叶片的等距视图，叶片的旋转轴位于翼片的压力中心后面，叶片具有三个不同的位置；

图4示出了根据本发明的翼片敞开位置、标称位置及闭合位置下的两个相邻的可变导向叶片的顶视图；

图5示出了根据本发明的涡轮机可变入口导向叶片的侧视图，其具有端壁之间的外径和内径间隙；图6示出了根据本发明的导向叶片的翼片及上扣合部结构的近视图；以及

图7示出了根据本发明的导向叶片的翼片及下扣合部结构的近视图。

具体实施方式

本发明涉及一种双卷轴工业燃气涡轮发动机5(这里简称为发动机5)，其应用于发电，其中，即便在气温大大超过该发动机的设计工作温度的炎热的天气下，发动机5仍然能够以满载功率运行。图1示出了具有直接驱动发电机55的高卷轴的发动机5(即，不通过齿轮箱来驱动)，该发动机55工作在美国市场的60赫兹和欧洲市场的50赫兹的频率下。高卷轴包括高压压缩机(hpc)51，其通过高卷轴传动轴50连接到高压涡轮机(hpt)52。连接于hpc51和hpt52之间的高压燃烧室53。可变入口导向叶片(igv)组件57，其位于高压压缩机51的上游。本发明的双卷轴涡轮增压工业燃气涡轮发动机5能够以60赫兹的频率输出超过500mw的功率并能以50赫兹的频率输出超过720mw的功率。

本发明还涉及应用于涡轮机的可变入口导向叶片，在涡轮机中，翼片的旋转轴位于翼片的空气动力中心的后方，以消除两个端壁的泄漏间隙。上述的结构通过将涡轮叶片铰接在低压涡轮机的入口的轴上来实现，该轴位于空气动力学压力中心的尾部。这种尾部的使用将旋转轴与大直径端壁的扣合部结合在一起，使翼片的od和id界面与端壁的间隙最小化。通过将空气动力学中心的旋转中心放置在翼型的后部上方的压力泄漏间隙最小化。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。

以翼片的压力的空气动力学中心为中心的旋转轴在叶片上产生力，使得系统固有地要关闭，这被视为负系统功能。然而，使翼片到端壁的间隙最小化的益处是，产生了超过当今现有技术的性能改进(即，轴在翼片的空气动力学压力中心前方的结构)。应用在同步环系统上附加的安全装置，驱动安全装置以使得叶片杆部铰接在一起，这将确保致动器力能够完全控制叶片的位置使其置于在所需角度。

再次参考图1带低压涡轮机(lpt)61的低卷轴61通过低卷轴传动轴连接到低压压缩机(lpc)62。低卷轴起到高卷轴的涡轮增压器的作用。第一可变入口导向叶片组件58位于lpt61的上游。第二可变入口导向叶片组件64位于lpc62的上游。由于高卷轴并没有在低卷轴的外部转动(也就是同心)，这在诸如飞行器动力系统的双卷轴燃气涡轮发动机中是常见的，因此高卷轴能够相对低卷轴独立地运转。进一步，高卷轴以与当地电网速率同步的速率直接驱动发电机55以进行发电。lpc62包括出口涡螺部件(volute)63，压缩空气从lpc62流入该出口涡螺部件63。压缩机出口涡螺部件63通过诸如管子、导管、管道的压缩空气线67连接到入口涡螺部件56。

图2示出了图1所述的双卷轴涡轮增压工业燃气涡轮发送机以及循环动力系统，其中，余热蒸汽发生器(hrsg)40用于将从低压涡轮机(lpt)61的排气中产生蒸汽以驱动第二发电机38。从lpt61中排出的热气流通过管线68流入hrsg40，以产生依次流向高压蒸汽涡轮机36和低压蒸汽涡轮机37的蒸汽，上述蒸汽涡轮机驱动第二发电机38。冷却的气体从hrsg40内通过连接到hrsg40的排气囱41排出。第一中间冷却器65用于冷却从低压压缩机(lpc)62内通过带气流控制阀66的压缩空气管线67排出的压缩气体。也可以使用涡轮叶片冷却回路，其中，从lpc62排出的部分压缩空气通过第二中间冷却器71后，进入以电动机73驱动的冷却回路压缩机72来增加压力，以使得涡轮机翼片76能被经由此的压缩空气气流冷却后，能剩下足够的压力流入高压燃烧室53。在冷却回路压缩机72和涡轮叶片76之间的压缩气体管线75以及在涡轮叶片76和高压燃烧室53之间的压缩气体管线77分别将冷却空气引导至诸如定子叶片的空气冷却的涡轮叶片以及将冷却空气从该涡轮叶片中引导出来。带气流控制阀80的升压器78用以为高压压缩机(hpc)51加压。

运转过程中，自hpc51的压缩空气流入高压燃烧室53，燃料在其中燃烧以产生流入到高压涡轮机(hpt)52的热气流。经由hpt52排出的热气流流入lpt61，用以驱动lpc62。经由lpc62的压缩空气流经压缩空气管线67并流入hpc51的入口(例如流入入口涡螺部件56)。高卷轴驱动发电机55并由此产生电力。三组可变入口导向叶片57、58、64用于分别调整进入到hpc51、lpt61和lpc62的压缩空气气流。

按照国际标准组织(iso)的标准，发动机5设计为在室外气温为60华氏度的标准天气下以满功率输出。然而，在炎热的天气下(例如，90华氏度)，空气的密度将降低，因此，对于一般的发动机，流经发动机的气流量将降低，发动机将以稍低的功率水平运作。在单卷轴工业发动机中，只使用一条传动轴，该传动轴驱动发电机。这样，已知的单卷轴工业发动机设计为在寒冷天气或炎热天气其中的一种下(不同时兼容两者)以一种频率运转，美国市场对应的频率是60赫兹，欧洲市场对应的频率是50赫兹。在炎热天气下(例如90华氏度)，已知的单卷轴工业发动机以设计频率运转，但输出功率将会降低，因为空气的密度降低并且通过发动机的气流量降低。对于现有已知一般的双卷轴工业发动机来说，压缩机53，lpc62，hpt52和/或lpt61的结构设计的限制及涡轮机可变入口导向叶片组件的缺少，将使得燃气发生器压缩机/涡轮机不能将实际速度提升到满足iso标准天气下(设计速度)的发动机流量/功率的水平。

相反，本发明提出的双卷轴发动机，高卷轴用以驱动发电机55并在不同的室温下以发电机55的设计速度连续运转(对于60赫兹的发动机以3600rpm的转速，对于50赫兹的发动机以3000rpm的转速)。在炎热的天气下，带lpc62的低卷轴以更高的速度运转以补偿空气密度的降低，以使更多的压缩空气流入hpc51以保持功率输出的恒定。可以关闭连接到lpt61的igv组件58以增加经由lpt61的压缩比，因而增加lpt61的输出功率来以更高的速度驱动lpc62，来为hpc51产生更多的压缩空气。本发明的核心部分是，在结构容许的情况下设计lpt61，使其物理速度(每分钟转速)能够在外界温度(即，室外气温)大于iso标准天气时提高到更高水平。这样，设计低卷轴，使其能够以比外界温度条件下设计的普通速度更快的速度运转。例如，将低卷轴设计为能在90华氏度和60华氏度的条件下运转，使其在炎热的天气下(90华氏度)以更高的速度运转，以使得高卷轴能以满功率运转。这样，设置和运行igv组件57、58、64，用以产生恒定的质量流通过高卷轴，以使得发动机5以满功率输出驱动发电机55。

发动机5的lpc62和lpt61的设计速度高于iso的标准运作温度(60华氏度)所需的速度，以使得在炎热天气条件下，标准质量流流经发动机并以满功率驱动发电机55。在炎热的天气下(即90华氏度)，通过改变igv组件57、58、64以增加低卷轴相对于iso标准天气的转速并将高卷轴的转速维持在发电机设计速度，来将输出功率维持在iso标准天气的水平。这样，无论室外环境气温如何，发动机5都将以满功率运转。

图3示出了带叶片压力中心后的旋转轴线的可变入口导向叶片10的等距视图。图4示出了图3的叶片的跨中(mid-span)截面视图，圆形半径表示当叶片角度围绕所选择的叶片旋转轴线时咬接时喉部区域变化。图5示出了外径和内径端壁之间的外径和内径间隙，其对于发散的涡轮机流向路径而言是最小化的，其中可变导向叶片与叶片压力中心后面的旋转轴铰接。

图3示出了用于涡轮机的可变入口导向叶片10的其中一块翼片，其中，翼片11在外扣合部或上扣合部12和内扣合部或下扣合部13之间延伸，并具有延伸至外扣合部12的调节轴14。两个扣合部12和13较现有的扣合部的直径更大。图3示出了示出了翼片的三种不同的位置的其中一种，其中敞开位置11a是在一端，关闭状态11c在另一端，标称位置11b在上述两者之间。尽管图3示出了全部三种位置，但需要理解的是翼片11在任何一个时刻内只能处于上述三种位置中的一种。翼片的旋转中心(cr)以虚线的方式展示出来。作为非限制性的实施例，可变入口导向叶片10可用于涡轮机上，例如lpt61，并且可以处于涡轮机的卷轴叶片的气流方向的上游位置。

图4示出了在涡轮机可变入口导向叶片组件中的两个相邻的翼片的顶视图，图中示出了翼片的三个位置11a、11b和11c。均示出了两块翼片11中的每一个的压力的空气动力学中心(cp)以及旋转中心(cr)。如图4所示，每一块翼片11的旋转中心(cr)均位于压力的空气动力学中心cp的尾部位置(即，在气流方向上，cr位于cp的下游位置)。当相邻的两块翼片11围绕其旋转中心(cr)转动时，相邻的两块翼片11之间的距离从da变为dc，其中，da为处于位置11a的相邻两块翼片之间的距离，dc是处于位置11c的相邻两块翼片之间的距离。da大于dc。距离db为处于标称位置11b的两块相邻翼片之间的距离。图4中的三个圆圈代表的来自后缘，以在三个不同的位置11a到11c下的相邻两块翼片之间的距离为半径的圆。

图5示出了本发明提出的涡轮机可变入口导向叶片组件的多块翼片11中的一块，在其两端分别具有用于将翼片11安装到涡轮机外壳或其他涡轮机静态结构23的上扣合部12和下扣合部13。旋转中心(cr)位于压力的空气动力学中心(cp)的尾部(即，比起翼片11的前缘le，旋转中心更靠近后缘)。由于翼片11在两个扣合部12和13处形成端部，随着翼片11从翼片敞开位置11a转动到翼片闭合位置11c，翼片后缘位置和扣合部之间将不会产生间隙。如图5所示，翼片后缘(te)从两个扣合部12和13中的每一个的外半径沿翼片的弦向方向向内定位。换一种方式说，内扣合部12和外扣合部13中的每一个的外半径比在翼片的弦向方向上翼片后缘(te)到翼片旋转中心(cr)的距离更大。这种结构使得翼片后缘(te)和涡轮机静态结构之间不存在泄漏气流的间隙。扣合部12，13中的每一个的半径均小于在翼片的弦向方向上翼片前缘(le)到翼片旋转中心(cr)的距离。因为翼片11前缘(le)位于两个扣合部12和13的外半径沿翼片的弦向方向，在翼片11的前缘位置的确存在间隙21和22(并且这两个间隙会随着翼片位置从11a转动到11c而改变)。这样，由于后缘(te)和涡轮机外壳或其他涡轮机静态结构23之间不存在间隙，因此，不存在气流从任何间隙处泄漏的情况(例如，从前缘(le)和涡轮机外壳23之间的间隙21和22处)。因为翼片后缘的高度大于前缘的高度，上述的间隙会随着翼片从在不同位置之间的转动而增大。由于涡轮机内的气体是高温的，因此，发生在涡轮机中的气体泄漏比在压缩机中的气体泄漏情况更加危险。由于侵蚀和热应力的问题，高温气体泄漏将导致性能的下降以及部件寿命的缩短。

图6示出了在上扣合部12的翼片11，翼片从扣合部延伸且不会从中产生任何的间隙。图7示出了翼片和下扣合部13之间的类似的结构配置。同样也不会在te的下跨度范围内产生任何的间隙。这样，当翼片从敞开位置转动到闭合位置时，在后缘位置不会产生任何泄漏气流的间隙。

在一个实施例中，用于发电的大型框架重型工业燃气涡轮发动机包括：具有高压压缩机(51)的高卷轴，燃烧室(53)，及高压涡轮机(52)；发电机(55)，其通过高卷轴以与当地电网同步的速度驱动以产生电力；具有低压涡轮机(61)的低卷轴，以及低压压缩机(62)，该低卷轴和高卷轴连接在一起，使得从高压涡轮机(52)排出的涡轮排气驱动低压涡轮机(61)；压缩空气管线(67)，其将低压压缩机(62)连接到高压压缩机(51)，以向高压压缩机(51)提供压缩空气；第一可变入口导向叶片组件(58)，其应用于低压涡轮机(61)；以及第二可变入口导向叶片组件(64)，其应用于低压压缩机(62)，用于低压涡轮机(61)的可变入口导向叶片组件(58)调整功率输出，以驱动低压压缩机(62)，使得高卷轴能在标准天气的温度和炎热天气的温度下均能以满功率运转。

在本实施例的一个方面，该大型框架重型工业燃气涡轮发动机还包括第三可变入口导向叶片组件(57)，其应用于高压压缩机(51)。

在本实施例的一个方面，低卷轴设计为以高于标准iso工作温度所需的速度运转，以使得在炎热的天气条件下，仍可以标准质量流通过发动机(5)，并以满功率驱动发电机(55)。

在本实施例的一个方面，低卷轴不在高卷轴内转动。

在本实施例的一个方面，发电机(55)是60赫兹的发电机，并且工业燃气涡轮发动机(5)能产生500mw的功率。

在本实施例的一个方面，发电机(55)是50赫兹的发电机，并且工业燃气涡轮发动机(5)能产生720mw的功率。

在一个实施例中，应用于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：可变入口导向叶片(10)，其位于涡轮机的卷轴叶片的气流方向的上游位置，该可变入口导向叶片(10)具有翼片(11)，上扣合部(12)以及下扣合部(13)，该翼片在上扣合部(12)和下扣合部(13)之间延伸，该翼片具有前缘(le)，后缘(te)，压力的空气动力学中心(cp)，以及旋转中心(cr)，旋转中心(cr)置于翼片(11)的压力的空气动力学中心(cp)沿气流方向的下游位置。

在本实施例的一个方面，所述翼片的后缘(te)从上下扣合部(12,13)的外半径沿翼片弦向向内定位。

在本实施例的一个方面，翼片(11)的后缘(te)延伸到所述上扣合部(12)和下扣合部(13)中的每一个内，使得所述翼片(11)的后缘(te)和所述涡轮机的静态结构之间没有可以使泄漏物流出的间隙。

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(11)，可变入口导向叶片组件具有外扣合部(12)和内扣合部(13)，包括，前缘(le)，后缘(te)，压力的空气动力中心(cp)，以及旋转中心(cr)，翼片的旋转中心(cr)在翼片的压力空气动力中心(cp)的尾部，翼片(11)在外扣合部(12)和内扣合部(13)之间延伸，并且内扣合部和外扣合部(12，13)中的每一个的外半径均大于翼片后缘(te)到翼片(11)弦向的旋转中心(cr)的距离。

在本实施例的一个方面，内扣合部和外扣合部(12，13)中每一个的外半径小于翼片前缘(le)到翼片弦向的旋转中心(cr)的距离。

本领域技术人员将理解，本发明不限于上文特别示出和描述的内容。另外，除非上面提到相反的情况，否则应该注意，所有附图都未按比例绘制。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，根据上述教导可以进行各种修改和变化，本发明的范围和精神仅受以下所述权利要求的限制。