针对单轴燃气轮机的扩大范围的低排放燃烧减少空气质量流量的装置和方法
【专利摘要】一种用于减小通过具有包括部分负荷工况的大运行范围的单轴燃气涡轮发动机中的压气机（10）的空气流量以提供低排放燃烧的装置。该装置包括设置成用于将压缩空气喷射到压气机的进口区（24）中的至少一个喷嘴（40，60）。所述喷嘴定向成与旋转方向相切地和以与该旋转方向相同的角方向引导压缩空气，用以在流向压气机导流片的进气中产生漩涡。该装置还包括在压气机扩压器（30）和喷嘴之间流动连通的管道（44，46，62，64）、可操作地连接以控制从扩压器到喷嘴的压缩空气的流的至少一个阀（66），以及可操作地连接到所述阀以使压缩空气在处于部分负荷工况下的运行期间流向所述喷嘴的控制器（50）。
【专利说明】针对单轴燃气轮机的扩大范围的低排放燃烧减少空气质量流量的装置和方法
[0001]本申请要求于2011年6月29日提交的美国专利申请N0.13/171，538的优先权，该专利申请的内容通过引用结合入本文。
【技术领域】
[0002]本发明涉及单轴燃气涡轮发动机。更具体地，本发明涉及能在包含满(100%)负荷和部分负荷的负荷范围内运行的低排放的单轴燃气涡轮发动机。
【背景技术】
[0003]要求在100% (“满负荷”)和部分负荷(例如满负荷的70%)之间的额定运行范围内低排放的燃气涡轮发动机可以三种基本方式实现，所有这三种方式均是通过减小进入燃烧室内的空气流量用以在不会产生由超稀薄燃烧导致的过多有毒一氧化碳气体的情况下保持可接受的燃料/空气比率。
[0004]第一种方式，通过使用包括气体发生器模块和动力模块——这两个模块各自具有单独的能独立旋转的轴——的所谓双轴涡轮发动机，该气体发生器模块被有目的地控制以在部分负荷工况下具有减小的速度并因而自动地具有减小的空气流量。
[0005]第二种方式，单轴涡轮发动机可构造成以损失总效率为代价在燃烧室的上游将来自压气机的一部分空气流排弃，或者构造成使部分空气流绕开燃烧室并于涡轮的前面重新喷射，从而节约压缩空气的能量。
[0006]在部分负荷工况下减小空气流量的第三种方式是通过使用可动的进口导流叶片来节流进入压气机的空气，以将进气引导成在轴流式压气机的第一级或离心式压气机的导流片位置的旋转方向上的漩涡。
【发明内容】
[0007]本发明在没有进口导流叶片的情况下通过将空气射流大致切向地沿旋转方向喷射到靠近压气机进口的区域中(参见图1)，在空气动力学上实现了减小进入燃烧室内的空气流量。喷射器/射流可布置在空气进气道的外周或毂区域中的任一者或两者上，参见图
2。根据来自发动机控制器的指令，一个或多个阀将接通和关断去往喷射器的空气。通过所述喷射器的空气流将从压气机出口区被抽出，并将根据需要减少一氧化碳(CO)的多少而变化、且名义上总计达到发动机的总空气质量流量的10%_15%。本发明会减少压气机做功，但将会由于与待压缩的空气混合的喷射空气的较高的温度而产生一些损失。然而，作为对这样的装置和方法的回报来说这是很小的代价，其中所述装置和方法降低了额外硬件的成本、出现失效部件的危险以及与在未使用时(例如在满负荷工况下)的导流叶片相关联的空气动力学损失。
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种用于减小具有包括部分负荷工况的扩大运行范围的单轴燃气涡轮发动机中的空气质量流量的装置，该燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线、进口区和出口区的旋转式空气压气机。所述装置包括设置成用于将压缩空气喷射到进口区中的至少一个喷嘴。所述喷嘴定向成用于与旋转方向相切地和以与该旋转方向相同的角方向来引导压缩空气用以在流向该压气机的进气中产生漩涡。所述装置还包括与所述至少一个喷嘴相连通的压缩空气源，和可操作地连接以控制到所述至少一个喷嘴的压缩空气的流量的至少一个阀。所述装置还包括控制器，该控制器可操作地连接到所述至少一个阀以在处于特定的部分负荷工况下的运行期间使压缩空气流向所述至少一个喷嘴。
[0009]根据本发明的另一方面，提供了一种用于减小包括部分负荷工况的扩大运行范围的单轴燃气涡轮发动机中的空气流量的方法，该方法包括在处于部分负荷工况下的运行期间通过与旋转方向大致相切地和以与该旋转方向相同的角方向可控制地将压缩空气喷射到压气机进口区中而在进气质量流中产生漩涡。
[0010]本发明的附加方面的一部分将在下面的描述中阐述，一部分根据所述描述将是显而易见的，或者可通过本发明的实例而获知。
[0011]应当理解，前面的总体描述和下面的详细描述仅仅是示例性和说明性的，而不会对由随附权利要求书限定的本发明构成限制。
[0012]并入本说明书并且构成本说明书一部分的附图示出了本发明的若干实施例，并且用于与描述一起解释本发明的原理。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是单轴径流式燃气涡轮发动机的压气机部分的示意性侧截面图，其中示出用于节流进入到压气机进口的空气质量流量的装置；
[0014]图2是沿图1中的图2-图2处的压气机轴线的示意性截面图；
[0015]图3是沿图1中的图3-图3处的压气机轴线的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0016]现在将更详细地参考本发明的在附图中示出的多个示例性实施例。在任何可能的情况下，相同的附图标记将在所有的附图中指代相同或类似的部件。
[0017]本发明的装置和方法意在与单轴燃气涡轮发动机一起使用，S卩，其中压气机部件以与驱动涡轮相同的速度(RPM)被驱动。图1示意性地示出了这种单轴发动机的压气机
10。虽然未在图1中示出，本领域普通技术人员将理解压气机10会将压缩空气提供给燃烧室(未示出)用于与燃料一起燃烧，由此产生的燃气被引导至涡轮部件。涡轮部件(未示出)将从所述燃气中提取能量以驱动压气机10和合适的功率输出装置——例如发电机或液压/气动马达(也未示出)。
[0018]具体地，图1示出的压气机10是包括具有定子部分14和转子部分16的毂12的类型的离心式压气机。转子部分16安装有压气机叶片18用以在轴20上绕旋转轴线22旋转。压气机10还包括位于叶片18的导流片部分26上游的进口区24，和包括扩压器30的出口区28。压气机10还包括压气机罩盖32，该罩盖部分地限定出通过压气机叶片18的空气流路34并且还限定出从进气道区38到叶片18的导流片26的空气流路36。
[0019]虽然在图1中示出的压气机10是离心式压气机，该离心式压气机可选择性地用在具有径向流入式涡轮(未示出)的燃气涡轮发动机中，但将在下文中描述的用于在部分负荷工况下减小空气质量流量的本发明可与轴流式燃气涡轮发动机中的轴流式压气机一起使用。因此，不希望本发明被局限于离心式压气机或具有离心式压气机的发动机。
[0020]根据本发明，用于减小具有包括部分负荷工况的扩大运行范围的单轴燃气涡轮发动机中的空气质量流量的装置包括:至少一个定位成用于将压缩空气喷射到进口区中的喷嘴。该喷嘴定向成与旋转方向相切且以与该旋转方向相同的角方向来引导压缩空气，用以在流向压气机的进气中产生漩涡。如本文中所实施的并参考图1和图2，一个或多个喷嘴40在刚好位于导流片26上游的压气机进口区24中的位置“A”处安装在罩盖32中。虽然理论上可以使用单个喷嘴40，但优选使用成角度地分布在罩盖32上的2-8个喷嘴。喷嘴40被定向成以与如图2所示的转子16的旋转相同的角方向切向地来引导空气进入进口区24中。
[0021]进一步根据本发明，所述装置包括:与一个或多个喷嘴连通的压缩空气源；可操作地连接以控制去往所述一个或多个喷嘴的压缩空气流的一个或多个阀；控制器，其可操作地连接到所述一个或多个阀以在处于部分负荷工况下的发动机运行期间使压缩空气流向所述一个或多个喷嘴。
[0022]在示出的实施例中，压缩空气取自压气机出口区28—例如取自扩压器30，并通过管道42被引导至喷嘴40，所述管道42包括从扩压器30出来的主管道44和通向独立的喷嘴40的一个或多个支管道46。单个阀48设置在管道44中，然而多个阀也可以用在支管道46中。阀48可以是通-断阀(双位阀,on-off valve)或比例阀,该阀由控制器50来控制，该控制器具有代表发动机负荷的信号52作为输入。控制器50可以是发动机控制器或单独的控制设备。
[0023]可以优选地在部分负荷运行工况一诸如在满负荷的约90%到约70%的范围内——的全部或部分期间控制通往喷嘴40的压缩空气。预计在这个范围内压缩空气流量会在满负荷工况下的压缩空气质量流量的约10%到约15%的范围内。
[0024]压缩空气喷射的预期效果是在入射到转子16的导流片部分26上的进气中产生漩涡。由于叶片18的朝向(方位)通常被设定为相对于轴线22以预定角度(大致以零度)接收来流空气，因此通过漩涡改变来流空气的入射角度将使压气机效率变低并因而起到节流空气质量流量的作用。尽管如此，仍期望通过使用本发明来提高在发动机部分负荷功率范围内的整体运行性能。此外，诸如通过使用比例阀作为阀48来改变喷射的压缩空气的量以获得期望的漩涡，可以减小低效率的影响。
[0025]图1和图3中示出了用于在部分负荷发动机运行期间减小通过压气机的空气质量流量的装置的替代或附加的构型。在这样的构型中，一个或多个喷嘴60在图1的位置“B”处安装在毂定子14中。此外，尽管可以使用单个喷嘴60，但优选使用2-8个成角度分布的喷嘴60。喷嘴60可通过从扩压器3出来的单个管道62并随后通过通向独立的喷嘴60的单独的支管道64。单个阀66设置在管道62中，但可以使用单独的阀来控制管道64中的流动。根据负荷通过来自控制器50的信号由阀66控制压缩空气的流量。如果压气机10包括具有固定的进口导流叶片(如图3所示的固定的进口导流叶片70)的进气道，则喷嘴60的位置优选应当在进口导流叶片70的下游。此外，如图3所示的喷嘴60可替代图2中示出的喷嘴40或者与图2中示出的喷嘴40配合使用。如果所述装置同时包括喷嘴40和60，则单个控制器(诸如图1中示意性示出的控制器50)可用来同时控制这两组喷嘴。[0026]通过思考本文公开的本发明的说明书和实例，本发明的其它实施例对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，说明书和示例应当被认为只是示例性的，本发明的真实范围和精神由随附权利要求表明。
【权利要求】
1.一种用于减小在包括部分负荷工况的扩大运行范围内的单轴燃气涡轮发动机中的空气质量流量的方法，该燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线、进口区和出口区的旋转式空气压气机，该方法包括: 在部分负荷状态下的运行期间，通过以与旋转方向大致相切地和以与该旋转方向相同的角方向可控制地将压缩空气喷射到压气机的进口区中而在进气流中产生漩涡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括从压气机的出口区提取待喷射的压缩空气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在介于满负荷的约90%和约70%之间的发动机运行期间喷射所述压缩空气。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被喷射的压缩空气的流量由响应于涡轮发动机气体控制器而动作的至少一个阀来控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阀是通-断阀或比例阀。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括从位于压气机的出口区中的扩压器提取压缩空气。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被喷射的压缩空气的流量在大于满负荷工况下通过压气机的空气质量流量的0%和小于或等于满负荷工况下通过压气机的空气质量流量的约15%之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压气机包括进口罩盖，且所述的可控制地喷射包括使压缩空气流过设置在该入口罩盖中的一个或多个喷嘴。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压气机包括进口定子毂，且所述的可控制地喷射压缩空气包括使压缩空气流过设置在该进口定子毂中的至少一个喷嘴。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用2-8个成角度地间隔开的喷嘴喷射压缩空气。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用2-8个成角度地间隔开的喷嘴喷射压缩空气。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述压气机还包括进口定子毂，且所述的可控制地喷射压缩空气还包括使压缩空气流过设置在该进口定子毂中的至少一个喷嘴。
13.一种用于减小具有包括部分负荷工况的扩大运行范围的单轴燃气涡轮发动机中空气质量流量的装置，该燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线、进口区和出口区的压气机，所述装置包括: 设置成用于将压缩空气喷射到所述进口区中的至少一个喷嘴，所述喷嘴定向成与旋转方向相切地和以与该旋转方向相同的角方向引导所述压缩空气，用以在流向所述压气机的进气中产生漩涡； 与一个或多个喷嘴连通的压缩空气源； 可操作地连接以控制去往所述一个或多个喷嘴的压缩空气流的一个或多个阀； 控制器，该控制器可操作地连接到所述一个或多个阀，以在处于部分负荷工况下的发动机运行期间引起压缩空气流向所述一个或多个喷嘴。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括发动机控制器，该发动机控制器还控制所述压缩空气流。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压缩空气源是位于所述压气机的出口区中的扩压器。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阀是通-断阀或比例阀。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述控制器构造成在约90%和约70%部分负荷工况之间提供压缩空气喷射。
18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，通过所述一个或多个喷嘴的压缩空气质量流量处于满负荷燃气涡轮发动机空气质量流量的约10%和约15%之间。
19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压气机包括进口罩盖，并且所述一个或多个喷嘴包括安装在该进口罩盖中的2-8个喷嘴。
20.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压气机包括具有毂的进口定子，并且所述一个或多个喷嘴包括安装在定子毂中的2-8个喷嘴。
【文档编号】F04D29/42GK103703218SQ201280031794
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月6日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】R·J·莫维尔 申请人:欧普拉技术有限公司