一种燃气轮机空气启动装置及系统的制作方法

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃气轮机空气启动装置及系统。

背景技术：

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。燃气轮机在启动时必须依靠外界动力带动转子达到一定的转速，使压气机吸入空气增压，然后在燃烧室中燃烧，生成的高温高压燃气推动推力产生大于压气机所需的功率，来实现燃气轮机的启动。

现有的燃气轮机空气启动系统通过压缩机组将大气压缩，形成高压气流，通过该高压气流可以对燃气轮机进行启动。该高压空气启动系统需要体积和功率庞大的压缩机组，不利于规模化推广应用，尤其是不适用于中小微型燃气轮机。

技术实现要素：

本发明提供了一种燃气轮机空气启动装置及系统，以降低空气压缩机组的功率、减少空气压缩机组的体积，以及实现非接触式的柔性启动从而提高启动稳定性。

为达到上述目的，本发明提供了一种燃气轮机空气启动装置，包括压缩机、压气机、截止阀、第一气流管路、第二气流管路和第三气流管路，其中：所述压缩机的进气端与所述第一气流管路的出气口连通，压缩机的出气端与所述第二气流管路的进气口连通；所述压气机的进气端与所述第二气流管路的出气口连通，压气机的出气端与所述第一气流管路的进气口连通，所述压气机还包括从大气中吸入气流的开放式进气端；所述第三气流管路的进气口与所述第一气流管路的进气口连通，第三气流管路的出气口与燃气轮机的燃烧室连通；所述截止阀设置于所述第一气流管路和/或所述第二气流管路上。

优选地，所述压缩机为变频压缩机。

优选地，所述燃气轮机空气启动装置还包括稳压阀，所述稳压阀设置于所述第二气流管路上。

优选地，所述稳压阀为气体稳压阀。

优选地，所述燃气轮机空气启动装置还包括安全阀，所述安全阀设置于所述第二气流管路上。

优选地，所述压气机内设置有叶轮。

优选地，所述第二气流管路的出气口的高压气流流入压气机，所述高压气流推动叶轮转动。

优选地，所述第二气流管路的出气口正对所述压气机的叶轮叶尖，第二气流管路的出气口的高压气流吹向叶轮叶尖推动叶轮转动。

本发明实施例提供的燃气轮机空气启动装置，可以将压气机出气端的气流分流一部分作为启动气流，该启动气流经过压缩机加压后再输入压气机中推动压气机叶轮，使燃气轮机加速至自持转速。该启动系统简单，在启动过程中，利用了压气机对启动空气进行预压缩，减轻了压缩机的负荷，从而可以降低压缩机的功率和体积要求。

本发明还提供了一种燃气轮机空气启动系统，包括燃气轮机和如上所述的燃气轮机空气启动装置。

该燃气轮机空气启动系统不仅具有启动负荷小、启动平稳、简单易操作等优点，其实施安装还方便快捷，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明一种实施例的燃气轮机空气启动装置结构示意图；

图2为本发明另一种实施例的燃气轮机空气启动装置结构示意图；

图3为本发明燃气轮机空气启动装置的压气机区域局部结构示意图。

附图标记：

1-压缩机

2-压气机

201-开放式进气端

202-叶轮

3-截止阀

4-第一气流管路

5-第二气流管路

6-第三气流管路

7-稳压阀

8-安全阀

具体实施方式

为降低燃气轮机的启动负荷并提高启动稳定性，本发明实施例提供了一种燃气轮机空气启动系统。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

参考图1，本发明一种实施例提供的燃气轮机空气启动装置，包括压缩机1、压气机2、截止阀3、第一气流管路4、第二气流管路5和第三气流管路6，其中：压缩机1的进气端与第一气流管路4的出气口连通，压缩机1的出气端与第二气流管路5的进气口连通；压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通，压气机2的出气端与第一气流管路4的进气口连通，该压气机2还包括从大气中吸入气流的开放式进气端201；第三气流管路6的进气口与第一气流管路4的进气口连通，第三气流管路6的出气口与燃气轮机的燃烧室连通；截止阀3设置于第一气流管路4和/或第二气流管路5上。优选在第一气流管路4和第二气流管路5上皆设置截止阀3，这两个截止阀3同开同闭，对于气流的流通控制效果更好且管路安全性更高。压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通时，第二气流管路5中的高压气流从压气机2的进气端流入时吹在压气机2的叶轮叶尖处，从而达到更好的传动启动效果。

优选地，第二气流管路5的出气口的高压气流流入压气机2，如图3所示，本发明燃气轮机空气启动装置的压气机2内设置有叶轮202，流入压气机2内的高压气流推动叶轮202转动。叶轮202转动形成的负压将大气气流吸入压气机2中进行增压。根据受力原理分析可知，当高压气流吹在压气机2叶轮的叶尖部分时，其推力力臂越长，相应的该高压气流的效率更高，因此优选第二气流管路5的出气口正对压气机2的叶轮202叶尖，第二气流管路5的出气口的高压气流吹向叶轮202叶尖推动叶轮202转动。

在本发明实施例的技术方案中，该燃气轮机空气启动装置将压气机2出气端的气流通过第一气流管路4分流一部分作为启动气流，该启动气流经过压缩机1加压后再输入压气机2中推动压气机叶轮，使燃气轮机不断加速至自持转速。发动机由起动机带动，直到加速到一个转速阈值的时候才可以脱开起动机自行转动，该转速阈值即为该发动机的自持转速。

本实施例的燃气轮机空气启动装置工作状态为：打开截止阀3并开启压缩机1，第一气流管路4中的气流被吸入压缩机1，该气流经压缩机1增压后在通过第二气流管路5输入到压气机2中，从而推动压气机2的叶轮转动形成负压，同时大气气流在负压的作用下经开放式进气端201流入压气机2进行压缩。压气机2中的高压气流大部分通过第三气流管路6流入到燃气轮机的燃烧室内进行压缩燃烧，但第一气流管路4会分流一部分高压气流作为下一阶段压缩机1的启动气流。当燃气轮机转速达到自持转速时，先慢慢关闭压缩机，再同时关闭截止阀3即完成了燃气轮机的启动过程。本发明的燃气轮机空气启动装置利用了压气机2对启动气流进行预压缩，降低了压缩机1的启动负荷并提高了燃气轮机的启动稳定性，从而可以降低压缩机1的功率和体积要求。

优选地，本发明燃气轮机空气启动装置的压缩机1为变频压缩机。变频压缩机的选用可以进一步地提高本发明的启动稳定性。在对燃气轮机进行启动的过程中，由于压缩机1，压气机2、第一气流管路4和第二气流管路5构成一个完整的气流循环，根据质量守恒，则可以对压气机区域气流作出以下气压及气流流量假设：大气压强为p₀，开放式进气端201的气流流量为Q₀；第二气流管路5流入压气机2的气流流量为Q₁，压强为p₂；压气机2流入第三气流管路6的气流流量为Q₀-Q₁，压强为p₁；压气机2分流流入第一气流管路4的气流流量为Q₁，压强为p₁。则可以近似得出启动过程中的流量与压力关系式：Q₁·(p₂ⁿ-p₁ⁿ)≈Q₀·(p₁ⁿ-p₀ⁿ)，其中m为压缩过程中的多变指数。为了减小气流分流对燃气轮机启动的影响，保证启动过程中压气机2平稳工作，可以保持气流分流流量Q₁不变，通过调节压缩机1的转速从而调节压力p₂来满足上述的流量与压力关系式。此时调节压缩机1的转速即可通过调频压缩机来完成。

实施例二：

在本发明提供的实施例二中，燃气轮机空气启动装置包括压缩机1、压气机2、截止阀3、第一气流管路4、第二气流管路5，第三气流管路6和稳压阀7，其中：压缩机1的进气端与第一气流管路4的出气口连通，压缩机1的出气端与第二气流管路5的进气口连通；压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通，压气机2的出气端与第一气流管路4的进气口连通，该压气机2还包括从大气中吸入气流的开放式进气端201；第三气流管路6的进气口与第一气流管路4的进气口连通，第三气流管路6的出气口与燃气轮机的燃烧室连通；截止阀3设置于第一气流管路4和/或第二气流管路5上；稳压阀7设置于第二气流管路5上。优选在第一气流管路4和第二气流管路5上皆设置截止阀3，这两个截止阀3同开同闭，对于气流的流通控制效果更好且管路安全性更高。压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通时，第二气流管路5中的高压气流从压气机2的进气端流入时吹在压气机2的叶轮叶尖处，从而达到更好的传动启动效果。

稳压阀7根据不同的应用领域和具体结构分为气体稳压阀、液体稳压阀、排气稳压阀和蒸汽稳压阀等。本发明优选采用气体稳压阀，燃气轮机启动装置的工质为空气，而且不能随意排气减压，因此排气稳压阀不适用。稳压阀7用于稳定压缩机1出气端的气流压力，进一步提高本发明燃气轮机空气启动装置的启动稳定性。

经过稳压阀7稳压的高压气流从第二气流管路5的出气口流入压气机2，如图3所示，本发明燃气轮机空气启动装置的压气机2内设置有叶轮202，流入压气机2内的高压气流推动叶轮202转动。叶轮202转动形成的负压将大气气流吸入压气机2中进行增压。根据受力原理分析可知，当高压气流吹在压气机2叶轮的叶尖部分时，其推力力臂越长，相应的该高压气流的效率更高，因此优选第二气流管路5的出气口正对压气机2的叶轮202叶尖，第二气流管路5的出气口的高压气流吹向叶轮202叶尖推动叶轮202转动。

在本发明实施例的技术方案中，该燃气轮机空气启动装置将压气机2出气端的气流通过第一气流管路4分流一部分作为启动气流，该启动气流经过压缩机1加压后再输入压气机2中推动压气机叶轮，使燃气轮机不断加速至自持转速。发动机由起动机带动，直到加速到一个转速阈值的时候才可以脱开起动机自行转动，该转速阈值即为该发动机的自持转速。

本实施例的燃气轮机空气启动装置工作状态为：打开截止阀3并开启压缩机1，第一气流管路4中的气流被吸入压缩机1，该气流经压缩机1增压后在通过第二气流管路5输入到压气机2中，从而推动压气机2的叶轮202转动形成负压，同时大气气流在负压的作用下经开放式进气端201流入压气机2进行压缩。压气机2中的高压气流大部分通过第三气流管路6流入到燃气轮机的燃烧室内进行压缩燃烧，但第一气流管路4会分流一部分高压气流作为下一阶段压缩机1的启动气流。当燃气轮机转速达到自持转速时，先慢慢关闭压缩机，再同时关闭截止阀3即完成了燃气轮机的启动过程。本发明的燃气轮机空气启动装置利用了压气机2对启动气流进行预压缩，降低了压缩机1的启动负荷并提高了燃气轮机的启动稳定性，从而可以降低压缩机1的功率和体积要求。

实施例三：

在本发明提供的实施例三中，燃气轮机空气启动装置包括压缩机1、压气机2、截止阀3、第一气流管路4、第二气流管路5，第三气流管路6和安全阀8，其中：压缩机1的进气端与第一气流管路4的出气口连通，压缩机1的出气端与第二气流管路5的进气口连通；压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通，压气机2的出气端与第一气流管路4的进气口连通，该压气机2还包括从大气中吸入气流的开放式进气端201；第三气流管路6的进气口与第一气流管路4的进气口连通，第三气流管路6的出气口与燃气轮机的燃烧室连通；截止阀3设置于第一气流管路4和/或第二气流管路5上；安全阀8设置于第二气流管路5上。优选在第一气流管路4和第二气流管路5上皆设置截止阀3，这两个截止阀3同开同闭，对于气流的流通控制效果更好且管路安全性更高。压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通时，第二气流管路5中的高压气流从压气机2的进气端流入时吹在压气机2的叶轮叶尖处，从而达到更好的传动启动效果。

设置于第二气流管路5上的安全阀8对整个装置的管路和设备起安全保护作用。当管路压力超过规定值时，安全阀8打开，将管路中的一部分气流排出，从而防止管道或设备超压，保证不因压力过高而发生事故。安全阀8的具体压力阈值本发明不做具体限定，实际应用中根据管道及设备的压力上限来选择。更优选地，在具有稳压阀7的情况下，安全阀8在气流流向路径上设置在稳压阀7下游，能够使得安全阀8的测定值更为稳定，从而提高其稳定性。

根据不同的应用领域和具体结构安全阀也分为很多种，本发明根据使用环境来对安全阀进行选择。当用于大型高温高压燃气轮机时安全阀也得选用耐高温高压的安全阀。

经过安全阀8稳压的高压气流从第二气流管路5的出气口流入压气机2，如图3所示，本发明燃气轮机空气启动装置的压气机2内设置有叶轮202，流入压气机2内的高压气流推动叶轮202转动。叶轮202转动形成的负压将大气气流吸入压气机2中进行增压。根据受力原理分析可知，当高压气流吹在压气机2叶轮的叶尖部分时，其推力力臂越长，相应的该高压气流的效率更高，因此优选第二气流管路5的出气口正对压气机2的叶轮202叶尖，第二气流管路5的出气口的高压气流吹向叶轮202叶尖推动叶轮202转动。

在本发明实施例的技术方案中，该燃气轮机空气启动装置将压气机2出气端的气流通过第一气流管路4分流一部分作为启动气流，该启动气流经过压缩机1加压后再输入压气机2中推动压气机叶轮，使燃气轮机不断加速至自持转速。发动机由起动机带动，直到加速到一个转速阈值的时候才可以脱开起动机自行转动，该转速阈值即为该发动机的自持转速。

本实施例的燃气轮机空气启动装置工作状态为：打开截止阀3并开启压缩机1，第一气流管路4中的气流被吸入压缩机1，该气流经压缩机1增压后在通过第二气流管路5输入到压气机2中，从而推动压气机2的叶轮202转动形成负压，同时大气气流在负压的作用下经开放式进气端201流入压气机2进行压缩。压气机2中的高压气流大部分通过第三气流管路6流入到燃气轮机的燃烧室内进行压缩燃烧，但第一气流管路4会分流一部分高压气流作为下一阶段压缩机1的启动气流。当燃气轮机转速达到自持转速时，先慢慢关闭压缩机，再同时关闭截止阀3即完成了燃气轮机的启动过程。本发明的燃气轮机空气启动装置利用了压气机2对启动气流进行预压缩，降低了压缩机1的启动负荷并提高了燃气轮机的启动稳定性，从而可以降低压缩机1的功率和体积要求。

实施例四：

本发明还提供了一种燃气轮机空气启动系统，包括燃气轮机和如上所述的燃气轮机空气启动装置。该燃气轮机空气启动系统不仅具有启动负荷小、启动平稳、简单易操作等优点，其实施安装还方便快捷，便于推广应用。

如图2所示，其中，燃气轮机空气启动装置包括压缩机1、压气机2、截止阀3、第一气流管路4、第二气流管路5，第三气流管路6、稳压阀7和安全阀8，其中：压缩机1的进气端与第一气流管路4的出气口连通，压缩机1的出气端与第二气流管路5的进气口连通；压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通，压气机2的出气端与第一气流管路4的进气口连通，该压气机2还包括从大气中吸入气流的开放式进气端201；第三气流管路6的进气口与第一气流管路4的进气口连通，第三气流管路6的出气口与燃气轮机的燃烧室连通；截止阀3设置于第一气流管路4和/或第二气流管路5上；稳压阀7和安全阀8设置于第二气流管路5上。优选在第一气流管路4和第二气流管路5上皆设置截止阀3，这两个截止阀3同开同闭，对于气流的流通控制效果更好且管路安全性更高。压气机2的进气端与第二气流管路5的出气口连通时，第二气流管路5中的高压气流从压气机2的进气端流入时吹在压气机2的叶轮叶尖处，从而达到更好的传动启动效果。

稳压阀7根据不同的应用领域和具体结构分为气体稳压阀、液体稳压阀、排气稳压阀和蒸汽稳压阀等。本发明优选采用气体稳压阀，燃气轮机启动装置的工质为空气，而且不能随意排气减压，因此排气稳压阀不适用。稳压阀7用于稳定压缩机1出气端的气流压力，进一步提高本发明燃气轮机空气启动装置的启动稳定性。

设置于第二气流管路5上的安全阀8对整个装置的管路和设备起安全保护作用。当管路压力超过规定值时，安全阀8打开，将管路中的一部分气流排出，从而防止管道或设备超压，保证不因压力过高而发生事故。安全阀8的具体压力阈值本发明不做具体限定，实际应用中根据管道及设备的压力上限来选择。更优选地，在具有稳压阀7的情况下，安全阀8在气流流向路径上设置在稳压阀7下游，能够使得安全阀8的测定值更为稳定，从而提高其稳定性。

根据不同的应用领域和具体结构安全阀也分为很多种，本发明根据使用环境来对安全阀进行选择。当用于大型高温高压燃气轮机时安全阀也得选用耐高温高压的安全阀。

经过稳压阀和安全阀8稳压的高压气流从第二气流管路5的出气口流入压气机2，如图3所示，本发明燃气轮机空气启动装置的压气机2内设置有叶轮202，流入压气机2内的高压气流推动叶轮202转动。叶轮202转动形成的负压将大气气流吸入压气机2中进行增压。根据受力原理分析可知，当高压气流吹在压气机2叶轮的叶尖部分时，其推力力臂越长，相应的该高压气流的效率更高，因此优选第二气流管路5的出气口正对压气机2的叶轮202叶尖，第二气流管路5的出气口的高压气流吹向叶轮202叶尖推动叶轮202转动。

在本发明实施例的技术方案中，该燃气轮机空气启动装置将压气机2出气端的气流通过第一气流管路4分流一部分作为启动气流，该启动气流经过压缩机1加压后再输入压气机2中推动压气机叶轮，使燃气轮机不断加速至自持转速。发动机由起动机带动，直到加速到一个转速阈值的时候才可以脱开起动机自行转动，该转速阈值即为该发动机的自持转速。

本实施例的燃气轮机空气启动装置工作状态为：打开截止阀3并开启压缩机1，第一气流管路4中的气流被吸入压缩机1，该气流经压缩机1增压后在通过第二气流管路5输入到压气机2中，从而推动压气机2的叶轮202转动形成负压，同时大气气流在负压的作用下经开放式进气端201流入压气机2进行压缩。压气机2中的高压气流大部分通过第三气流管路6流入到燃气轮机的燃烧室内进行压缩燃烧，但第一气流管路4会分流一部分高压气流作为下一阶段压缩机1的启动气流。当燃气轮机转速达到自持转速时，先慢慢关闭压缩机，再同时关闭截止阀3即完成了燃气轮机的启动过程。本发明的燃气轮机空气启动装置利用了压气机2对启动气流进行预压缩，降低了压缩机1的启动负荷并提高了燃气轮机的启动稳定性，从而可以降低压缩机1的功率和体积要求。

优选地，本发明燃气轮机空气启动装置的压缩机1为变频压缩机。变频压缩机的选用可以进一步地提高本发明的启动稳定性。在对燃气轮机进行启动的过程中，由于压缩机1，压气机2、第一气流管路4和第二气流管路5构成一个完整的气流循环，根据质量守恒，则可以对压气机区域气流作出以下气压及气流流量假设：大气压强为p₀，开放式进气端201的气流流量为Q₀；第二气流管路5流入压气机2的气流流量为Q₁，压强为p₂；压气机2流入第三气流管路6的气流流量为Q₀-Q₁，压强为p₁；压气机2分流流入第一气流管路4的气流流量为Q₁，压强为p₁。则可以近似得出启动过程中的流量与压力关系式：Q₁·(p₂ⁿ-p₁ⁿ)≈Q₀·(p₁ⁿ-p₀ⁿ)，其中m为压缩过程中的多变指数。为了减小气流分流对燃气轮机启动的影响，保证启动过程中压气机2平稳工作，可以保持气流分流流量Q₁不变，通过调节压缩机1的转速从而调节压力p₂来满足上述的流量与压力关系式。此时调节压缩机1的转速即可通过调频压缩机来完成。

燃气轮机根据结构和功率大小可分为重型、轻型和微型燃气轮机。由于本发明的燃气轮机空气启动装置通过分流高压气流预压缩，然后作为下一步启动加速的启动气流。这就导致了本发明对于燃气轮机的启动不是一步到位的，而是逐渐增大燃气轮机的转速直至达到自持转速。因此对于微型燃气轮机的启动更为方便快捷，也更为实用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。