本發(fā)明涉及一種具有自適應(yīng)預(yù)旋流器的燃?xì)廨啓C(jī)單元。

背景技術(shù)：

如公知的，在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中，葉片和其他渦輪機(jī)膨脹級(jí)組件在使用中必須被冷卻，否則它們將會(huì)因?yàn)闃O高溫度的工作流體(從燃燒室排出的熱氣體)而在短時(shí)間內(nèi)受損。新鮮空氣通常用于冷卻，其從壓縮機(jī)引出并通過冷卻回路(也稱為副空氣回路)供應(yīng)，該冷卻回路由部分地存在于定子和轉(zhuǎn)子之間并且部分地位于葉片內(nèi)部的流體通道所限定。冷卻空氣隨后通過葉片表面的孔流出并導(dǎo)入到工作流體的主流中。

轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片都需要冷卻。然而對(duì)于前者來說，有效冷卻系統(tǒng)的實(shí)施出現(xiàn)了更顯著的問題，因?yàn)槔鋮s空氣在固定且旋轉(zhuǎn)的組件之間流過。供應(yīng)冷卻空氣的回路中可能發(fā)生的壓力下降會(huì)導(dǎo)致溫度的升高，從而降低了冷卻系統(tǒng)的效率。除了機(jī)器輸出功率可能下降之外，低效的冷卻系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)組件的過早劣化，在某些情況下甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的損壞。為了避免這類問題，必須向冷卻氣流施加圍繞機(jī)器的主軸線的旋轉(zhuǎn)，使得冷卻氣流的切向速度分量保持與轉(zhuǎn)子速度成比例。這意味著在來自定子的冷卻氣流的切向速度分量和冷卻氣流在固定且旋轉(zhuǎn)的組件之間流過之處的、距離主軸線一定距離處的轉(zhuǎn)子的切向速度之間存在預(yù)定比率，也稱為渦旋率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該目的主要通過使用沿著冷卻回路的旋流器或預(yù)旋流器以需要的方式偏移氣流來實(shí)現(xiàn)。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中已知的解決方案具有顯著的限制。預(yù)旋流器被設(shè)計(jì)為在特定的工作情況下獲得最優(yōu)渦旋率，該情況下燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的時(shí)間更多。在這些運(yùn)行情況下，氣流速度是可預(yù)見和恒定的，因此也可以確定的是向氣流施加旋轉(zhuǎn)從而使其與轉(zhuǎn)子速度成比例。然而，運(yùn)行情況并非總是相同的。在用于產(chǎn)生電力的現(xiàn)代系統(tǒng)中，例如，供應(yīng)到配電網(wǎng)的電力必須與用戶的需求和本地操作員限定的預(yù)計(jì)使用成比例，其在日常循環(huán)中具有顯著的差異(特別地，通常存在處于標(biāo)定功率下的常規(guī)運(yùn)行期和在盡可能低的容量下的運(yùn)行期)。獨(dú)立的發(fā)電單元需要參與電網(wǎng)頻率的監(jiān)視，因此在不可預(yù)見的時(shí)間時(shí)可能需要做出貢獻(xiàn)。當(dāng)電力供應(yīng)變化時(shí)，在預(yù)旋流器中的氣流速度模塊也會(huì)根據(jù)所需的不同輸出而變化，同時(shí)其方向基本上保持恒定，轉(zhuǎn)子的速度也是一樣。氣流速度的減小導(dǎo)致了切向分量的相應(yīng)減小，使得其不再根據(jù)最優(yōu)渦旋率與轉(zhuǎn)子的速度成比例。通過舉例的方式在圖1中示出使用現(xiàn)有技術(shù)中已知類型的預(yù)旋流器的后果，其中矢量V_R表示對(duì)應(yīng)于預(yù)旋流器出口的、轉(zhuǎn)子在距離主軸線一定距離處的切向速度，矢量V_I1、V_I2各自表示預(yù)旋流器進(jìn)口處的冷卻氣流在第一運(yùn)行情況(例如處于標(biāo)定功率下)和第二運(yùn)行情況(例如處于最小容量下)下的速度，并且矢量V_O1、V_O2各自表示預(yù)旋流器出口處的冷卻氣流在第一運(yùn)行情況和第二運(yùn)行情況下的速度。

矢量V_O1、V_O2在矢量V_R的方向上需要具有不同的切向分量V_O1T、V_O2T。因此明顯的是，例如，來自預(yù)旋流器的氣流的切向速度分量和轉(zhuǎn)子的切向速度之間的比率僅給出了在一個(gè)操作情況下的最優(yōu)渦旋率。除了該特定的情況，例如，如果通過預(yù)旋流器輸送的空氣的速度降低(如通過矢量V_I2產(chǎn)生的那樣)，則來自預(yù)旋流器的氣流的切向速度分量和轉(zhuǎn)子的切向速度之間的比率遠(yuǎn)離所述最優(yōu)值。

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種燃?xì)廨啓C(jī)，其可以克服或至少減少上述的限制，且特別地，其可以在多種運(yùn)行情況下使冷卻氣流的切向速度分量適應(yīng)于轉(zhuǎn)子的速度。

根據(jù)本發(fā)明提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)單元，其包括：

沿著主軸線延伸的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)；

冷卻回路，其配置為從壓縮機(jī)朝著渦輪機(jī)輸送冷卻氣流；以及

預(yù)旋流器，其沿著冷卻回路布置，并且配置為向冷卻氣流施加圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)，

其中，預(yù)旋流器包括多條流通道，其每一個(gè)都具有具有第一通流截面的進(jìn)口部分、具有第二通流截面的出口部分以及位于進(jìn)口部分和出口部分之間的連接段；

連接段形成第一彎曲部，其被成形為使得連接段的、限定第一彎曲部的內(nèi)側(cè)的第一壁通過康達(dá)效應(yīng)使冷卻氣流圍繞主軸線偏移一定角度，該角度與冷卻氣流的進(jìn)口速度的絕對(duì)值相關(guān)；并且

出口部分的第二通流截面使得根據(jù)連接段引發(fā)的旋轉(zhuǎn)來獲得冷卻氣流的多個(gè)出口角度。

附圖說明

現(xiàn)在將通過參考所附附圖來描述本發(fā)明，附圖示出本發(fā)明的某些非限制性的實(shí)施例，其中：

圖1是示出與現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)單元相關(guān)的參數(shù)的視圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)單元沿軸向、縱向平面截取的側(cè)視圖；

圖3示出了圖2的燃?xì)廨啓C(jī)單元的放大部分；

圖4是圖1的燃?xì)廨啓C(jī)單元的組件的一部分的立體圖；

圖5是以沿著圖4的平面V-V截取的剖面示出的、圖4中的組件的立體圖；

圖6是圖4的組件的一部分的示意圖；

圖7是圖4中的組件的相同部分處于第一操作配置的示意圖；

圖8是圖4中的組件的相同部分處于第二操作配置的示意圖；

圖9是示出與圖2中的燃?xì)廨啓C(jī)單元相關(guān)的參數(shù)的視圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的替選實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)單元的組件的一部分的立體圖；

圖11是圖10中的組件的平面示意圖；

圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)替選實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)單元的組件的一部分沿著軸向、縱向平面截取的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

在圖2中，整體示出了用于電能生產(chǎn)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)單元1。

燃?xì)廨啓C(jī)單元1包括定子2，沿著主軸線A延伸的轉(zhuǎn)子3以及燃燒室6。

定子2限定了殼體，以用于容納可圍繞主軸線A旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子3。進(jìn)一步的，定子2和轉(zhuǎn)子3構(gòu)成了具有所述轉(zhuǎn)子3的壓縮機(jī)4和渦輪機(jī)5。

更準(zhǔn)確地說，轉(zhuǎn)子3裝配有布置為環(huán)形陣列的多個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片7和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片8，它們沿著轉(zhuǎn)子3的軸線A連續(xù)地定位。

壓縮機(jī)定子翼片9和渦輪機(jī)定子翼片10附接到殼體2，它們各自位于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片7和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片8之間。

壓縮機(jī)4和渦輪機(jī)5通過被稱為中心空心軸11的旋轉(zhuǎn)元件隔開。

在此處描述的實(shí)施例中，燃燒室6為環(huán)形狀，并圍繞中心空心軸11定位于壓縮機(jī)4和渦輪機(jī)5之間。然而，這并非被認(rèn)為是唯一的選擇，因?yàn)楸景l(fā)明也可以優(yōu)選地采用不同類型的燃燒室，特別是筒倉式或環(huán)管式燃燒室。

參考圖3的示意圖，冷卻回路12在定子2和轉(zhuǎn)子3中部分地延伸，以允許冷卻氣流AF從壓縮機(jī)4輸送至渦輪機(jī)5，從而避免渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片8和渦輪機(jī)定子翼片10過熱。冷卻回路12包括預(yù)旋流器15，其配置為向從壓縮機(jī)4輸送來的冷卻氣流AF施加圍繞軸線A的旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，預(yù)旋流器15包含在定子2中被稱為軸蓋16的一部分中，并大致上由定位在中心空心軸11周圍的圓柱壁所限定。預(yù)旋流器15在最接近壓縮機(jī)4的下游處流體地耦合冷卻回路12的第一部分，并耦合冷卻回路12的第二部分，該第二部分在軸蓋16(其固定、作為定子2的一部分)和中心空心軸11(其旋轉(zhuǎn)、作為轉(zhuǎn)子3的一部分)之間的環(huán)形空腔中延伸。

參考圖4-6，預(yù)旋流器15包括圍繞主軸線A設(shè)置的多條流通道17。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，流通道17為軸蓋16上的通孔，并各自沿著圍繞主軸線A彎曲部的路徑延伸。特別地，流通道17的形狀允許根據(jù)轉(zhuǎn)子3的角速度來修正冷卻氣流AF的切向速度分量，該角速度基本上是恒定的。在此處和本文余下部分中，施加在給定點(diǎn)處的速度矢量，尤其是涉及冷卻氣流AF的速度矢量，將理解為具有軸向分量、徑向分量和切向分量，該軸向分量平行于主軸線A，該徑向分量垂直于主軸線A，該切向分量定位為與圓周相切，該圓周與主軸線A同心并具有與到基圓的主軸線A的距離或者到速度矢量的起始點(diǎn)的距離相等的半徑。

更精確地(尤其參照?qǐng)D6)，每條流通道17都包括進(jìn)口部分17a、出口部分17b和位于進(jìn)口部分17a和出口部分17b之間的連接段17c。另外，流通道17的中線大致上在某一平面中延伸，該平面例如(但并非必須的)為垂直于主軸線A的平面。

進(jìn)口部分17a可以是徑向的。出口部分17b具有某一寬度，該寬度允許冷卻氣流AF以出口速度V_O離開預(yù)旋流器15，該出口速度V_O相對(duì)于進(jìn)口部分17a中的進(jìn)口速度V_I的方向形成可在一定范圍內(nèi)變化的出口角度α(圖5)，該范圍例如包含在40°和89°之間。為此，進(jìn)口部分17a的通流截面S₁和出口部分17b的通流截面S₂之間的比率在0.3和3之間的范圍內(nèi)。

連接段17c限定第一彎曲部，且被配置為通過康達(dá)效應(yīng)來基于進(jìn)口速度V_I的絕對(duì)值使冷卻氣流AF偏移可變的角度。特別地，連接段17c由第一彎曲部?jī)?nèi)部的第一側(cè)壁17d以及與第一側(cè)壁17d相對(duì)且位于第一彎曲部外部的第二側(cè)壁17e所界定。

第一側(cè)壁17d可以具有恒定的曲率半徑。為了在進(jìn)口速度V_I包含在20m/s和250m/s之間的情況下通過康達(dá)效應(yīng)獲得所需的偏移，進(jìn)口部分17a的通流截面S₁的當(dāng)量直徑與第一側(cè)壁17d的曲率半徑R₁之間的比率可包含在0.02和6之間。在此處和本文余下部分中，給定通道的“當(dāng)量直徑”理解為指的是具有圓形截面的通道的直徑，該圓形截面的面積與給定通道的通流截面的面積相等。

在這些情況下，冷卻氣流AF趨向于附著在流通道17的第一彎曲部的第一內(nèi)側(cè)壁17d上，并因此被偏移到分離點(diǎn)，如圖7所示(在低進(jìn)口速度下，分離點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于流通道17的出口邊緣)。當(dāng)絕對(duì)速度值增大時(shí)，相對(duì)于流通道17內(nèi)的路徑，分離點(diǎn)從內(nèi)壁17d進(jìn)一步向后移動(dòng)。冷卻氣流AF因此被更大程度地偏移，并且當(dāng)進(jìn)口速度V_I具有較低的絕對(duì)速度時(shí)承受較大的旋轉(zhuǎn)，反之亦然。

在出口部分17b中，第二側(cè)壁17e限定了第二彎曲部，當(dāng)被冷卻氣流AF覆蓋時(shí)，第二彎曲部施加了與第一彎曲部所施加的旋轉(zhuǎn)相反的旋轉(zhuǎn)。在此處和本文余下部分中，“相反的旋轉(zhuǎn)”或“以相反的方向旋轉(zhuǎn)”指的是如果在給定系統(tǒng)中第一彎曲部向冷卻氣流AF施加了順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，則第二彎曲部在同一個(gè)給定系統(tǒng)中向冷卻氣流AF施加了逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)(反之亦然)。實(shí)際上，在垂直于主軸線A并包含流通道17的中線的平面上，第二彎曲部給予了第二側(cè)壁17e相對(duì)于第一側(cè)壁17d擴(kuò)張的輪廓。第二側(cè)壁17e的形狀相對(duì)于第一側(cè)壁17d提供了額外的貢獻(xiàn)，并且使得可由預(yù)旋流器15獲得的、出口速度V_O的出口角度α的范圍得到進(jìn)一步增大.進(jìn)一步地，第二彎曲部被設(shè)計(jì)為僅在絕對(duì)速度值在可接受的范圍內(nèi)超過臨界閥值時(shí)完全地被冷卻氣流AF覆蓋(圖8).該臨界閥值根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)單元的運(yùn)行情況詳細(xì)確定，且可以對(duì)應(yīng)于滿負(fù)荷情況下的冷卻氣流AF的速度。對(duì)于小于該閥值的絕對(duì)速度值，冷卻氣流AF被第二側(cè)壁17e偏移，從而不接觸第二彎曲部(圖7)。在這些情況下，第二彎曲部實(shí)際上并不起作用。根據(jù)非限制性的實(shí)施例，第一彎曲部的曲率中心C₁和第二彎曲部的曲率中心C₂之間的徑向距離D(距離主軸線A的距離之間的差值，圖6)等于通過乘法系數(shù)K計(jì)算的、第一彎曲部的曲率半徑R₁和第二彎曲部的曲率半徑R₂的算術(shù)平均值，例如，K小于10：

當(dāng)進(jìn)口速度V_I接近可接受范圍內(nèi)的最小值時(shí)，第一彎曲部通過康達(dá)效應(yīng)產(chǎn)生的偏移最大。冷卻氣流AF并非顯著地被第二彎曲部影響。

隨著進(jìn)口速度V_I增大，分離點(diǎn)從第一側(cè)壁17d向后移動(dòng)，因而使得由第一彎曲部施加的旋轉(zhuǎn)逐步地減小.

當(dāng)進(jìn)口速度接近臨界閥值時(shí)，第二側(cè)壁17e的第二彎曲部的效應(yīng)開始顯現(xiàn)。實(shí)際上，第二彎曲部向冷卻氣流AF施加了與第一彎曲部所施加的旋轉(zhuǎn)相反的旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步減小了由流通道17提供的整體旋轉(zhuǎn)。

如圖9的定性表示所示，冷卻氣流AF的速度的絕對(duì)值的增大和旋轉(zhuǎn)的減小之間的平衡使得切向速度分量在燃?xì)廨啓C(jī)單元1的所有運(yùn)行情況下基本保持恒定。如所示的，具有較大絕對(duì)值的進(jìn)口速度V_I1對(duì)應(yīng)于出口速度V_O1的、較小的角度α₁的旋轉(zhuǎn)，而具有較小絕對(duì)值的進(jìn)口速度V_I2對(duì)應(yīng)于出口速度V_O2的、較大的角度α₂的旋轉(zhuǎn).切向速度分量V_O1T，V_O2T在兩種情形下基本上相等。

冷卻回路12的效率因此在所有運(yùn)行情況下都保持在最優(yōu)水平，并且避免或至少顯著地降低了冷卻氣流AF的速度變化造成壓力降低和溫度升高從而影響機(jī)器的整體效率并且長(zhǎng)遠(yuǎn)來看影響其整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，有利地，該結(jié)果是通過利用康達(dá)效應(yīng)獲得的。由于其形狀，預(yù)旋流器15因而可以根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整冷卻氣流AF的切向速度分量，而不需要調(diào)節(jié)件和移動(dòng)部件。特別地，第一彎曲部能夠在低速下獲得大的偏移。相反，第二彎曲部減小了冷卻氣流AF在高速下的旋轉(zhuǎn)，本質(zhì)上能夠使得所接受的速度范圍得到擴(kuò)展。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如圖10和11所示，構(gòu)建在燃?xì)廨啓C(jī)單元的軸蓋116(未完全示出)中的預(yù)旋流器115包括多個(gè)切向翼片118，其限定了圍繞主軸線的相同的流通道117，該主軸線在此處標(biāo)示為A’。圖11中示出了預(yù)旋流器115的平面示意圖。具體地，每個(gè)翼片118都具有彼此相對(duì)的第一表面188a和第二表面118b。每條通道117因此由翼片118的第一表面118a和鄰近的翼片118的第二表面118b所限定。流通道117是彎曲的，且包含進(jìn)口部分117a、出口部分117b和位于進(jìn)口部分117a和出口部分117b之間的連接段117c。連接段117c形成第一彎曲部，該第一彎曲部界定在一個(gè)相應(yīng)的翼片118的第一表面118a的內(nèi)側(cè)和另一個(gè)相應(yīng)的翼片118的第二表面118b的外側(cè)。連接段117c的第一彎曲部配置為通過康達(dá)效應(yīng)來基于進(jìn)口速度V_I’的絕對(duì)值使冷卻氣流AF’圍繞主軸線A’偏移可變的角度。此外，出口部分117b形成第二彎曲部，其再次通過康達(dá)效應(yīng)在絕對(duì)速度值接近臨界閥值時(shí)向冷卻氣流AF’施加相反的旋轉(zhuǎn)。第二彎曲部由界定了流通道117的、翼片118的第二表面118b的端部來限定。

為了通過康達(dá)效應(yīng)獲得需要的氣流偏移，根據(jù)非限制性的實(shí)施例，氣流通道117可以具有已經(jīng)參考圖3-9限定的參數(shù)，特別地：

進(jìn)口部分117a的通流截面S₁’和出口部分117b的通流截面S₂’之間的比率包含在0.3和3之間；

對(duì)于包含在20m/s和250m/s之間的進(jìn)口速度V_I’，進(jìn)口部分117a的通流截面S₁’的當(dāng)量直徑與第一表面118a的曲率半徑R₁’之間的比率包含在0.02和6之間；并且

第一彎曲部的曲率中心C₁’和第二彎曲部的曲率中心C₂’之間的徑向距離D’等于通過乘法系數(shù)K’計(jì)算的、第一彎曲部的曲率半徑R₁’和第二彎曲部的曲率半徑R₂’的算術(shù)平均值，例如，K’小于

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如圖12所示，燃?xì)廨啓C(jī)單元(僅部分示出)包括冷卻回路212，其部分地延伸穿過渦輪機(jī)定子翼片201和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片208。至少在渦輪級(jí)內(nèi)，冷卻回路包括環(huán)213，其具有U形橫截面并限定了環(huán)形室214。環(huán)213將渦輪機(jī)定子翼片210的端部相連接，并且除了具有結(jié)構(gòu)性功能之外，還作為容器，從而朝著冷卻回路在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片208內(nèi)部延伸的部分輸送冷卻空氣。環(huán)213裝配有包括多條流通道217的預(yù)旋流器215。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，流通道217由將室214與環(huán)213的外部相連接并相對(duì)于主軸線A”傾斜地延伸的孔限定。流通道217被成形為大致上如前面所描述的那樣通過康達(dá)效應(yīng)根據(jù)冷卻氣流的速度施加圍繞主軸線A”的旋轉(zhuǎn)。特別地，流通道217形成：第一彎曲部，其具有內(nèi)壁，該內(nèi)壁在冷卻氣流的低速下施加最大的旋轉(zhuǎn)；以及第二彎曲部，其在冷卻氣流速度接近臨界閾值時(shí)施加與第一彎曲部所施加的旋轉(zhuǎn)相反的旋轉(zhuǎn)。

最后，顯而易見的是，在沒有超出所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，本文所述的燃?xì)廨啓C(jī)單元可以進(jìn)行修改和變化。