專利名稱：用于冷卻燃氣渦輪機的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于冷卻燃氣渦輪機的裝置和方法。
背景技術：
燃氣渦輪發(fā)動機通常包括用于壓縮外界氣體的壓縮機，該外界氣體用于與燃料混 合并在燃燒器中被點燃以產(chǎn)生燃燒氣體。渦輪機接收熱的燃燒氣體，并從其中吸取能量以 向壓縮機提供動力和產(chǎn)生輸出動力，例如，向發(fā)電機提供動力。渦輪機通常包括一級或多級 定子噴嘴或靜葉(vane)、轉(zhuǎn)子葉片(rotor blade)以及圍繞渦輪葉片(turbine blade)以 與其保持適當間隙(clearance)的環(huán)形罩。由于渦輪機入口溫度已經(jīng)升高以改進燃氣渦輪 發(fā)動機的效率，因而有必要向渦輪機靜葉(turbinevanes)、葉片(blades)以及罩提供諸如 氣體的冷卻流體以將這些構(gòu)件的溫度保持在其材料能夠承受的水平，從而確保構(gòu)件的令人 滿意的使用壽命。冷卻是典型地通過從壓縮機吸取被壓縮機壓縮的氣體的一部分并將其引 導至渦輪機的構(gòu)件以冷卻它們而完成的。任何在壓縮機中被壓縮卻沒有被用于產(chǎn)生燃燒氣 體的氣體必然降低發(fā)動機的效率。因此，期望減小從壓縮機流出的冷卻氣體的量。
渦輪設備(turbo-machinery)的性能和可靠性受到旋轉(zhuǎn)硬件和靜止硬件之 間的間隙的影響。更緊密的間隙產(chǎn)生更高的效率，但也增加了來自摩擦的損壞的可能 性。在工作期間，燃氣渦輪機的外殼比典型的渦輪機轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子冷卻地更快。在熱重 啟的期間，外殼和轉(zhuǎn)子之間的熱失配可能導致轉(zhuǎn)子比定子具有更大的熱增長的初始分 量(initialcomponent)，隨后，由于單元的速度增加，轉(zhuǎn)子承受機械增長(mechanical growth)的附加分量。這導致短暫的間隙夾點(clearanc印inch point)。隨著時間推移 和定子升溫，外殼逐漸疏遠轉(zhuǎn)子，導致更開放的全速全負荷(FSFL)間隙。單元的構(gòu)造間隙 (build clearance)必須以在短暫夾點期間避免摩擦并在FSFL時依然緊密的方式設定。將 最小間隙和FSFL間隙之間的差別定義為"授權(entitlement)"。該授權由轉(zhuǎn)子和外殼之 間的熱失配決定。 致力于該問題的以前的嘗試包括主動的間隙控制系統(tǒng)。例如，渦輪機內(nèi)殼可以在 啟動期間與介質(zhì)(例如空氣、K、蒸汽) 一起被加熱以使定子逐漸疏遠轉(zhuǎn)子，或者在FSFL 被冷卻以使殼更靠近轉(zhuǎn)子。作為另一個示例，在該單元已達到FSFL后，可以使用液壓缸 (hydraulic ram)移動轉(zhuǎn)子沿軸向進入位置。渦輪機中的動葉尖端(bucket tip)和外殼罩 (casing shroud)的角度大于相關角度，并且，壓縮機和該角度失配能夠在短暫夾點期間消 除動葉尖端和外殼罩之間的摩擦。 在短暫夾點期間避免摩擦的現(xiàn)有的嘗試要求動葉和外殼之間的相對較大的間隙， 和/或連續(xù)地運轉(zhuǎn)以在處于FSFL的燃氣渦輪機工作的期間獲得間隙的昂貴系統(tǒng)的使用。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例，用于渦輪機的冷卻系統(tǒng)包括鼓風機，配置成產(chǎn)生穿過渦輪機的 轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；管道，配置成傳送冷卻氣流至渦輪機；以及至少一個閥，配置成控制冷卻氣流。管道可操作地連接到渦輪機的轉(zhuǎn)子上。 冷卻燃氣渦輪機的方法包括冷卻渦輪機的方法，該方法包括用鼓風機產(chǎn)生穿過 渦輪機的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；以及傳送冷卻氣流至渦輪機。
圖1示意性地描繪了包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于冷卻燃氣渦輪機的裝 置的渦輪機。
具體實施例方式
參考圖1，燃氣渦輪機2包括壓縮機部分4和燃燒器6。壓縮機可以是軸向壓縮 機，其具有被布置成多級以依次地壓縮氣體的定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片的交替的行，并且，各個 隨后的下游級將壓力增加得越來越高直至氣體以最大壓強從壓縮機出口排出。燃燒器6從 壓縮機部4接收被壓縮的出口氣體。還提供有常規(guī)的燃料供給管和噴射器(未顯示)以將 合適的燃料與被壓縮的出口氣體混合，從而經(jīng)過燃燒器6中的燃燒而產(chǎn)生熱的燃燒氣體。
渦輪部分8位于燃燒器6的下游，并且熱的燃燒氣體的能量被渦輪部分8轉(zhuǎn)化為 功。熱的氣體膨脹，并且在渦輪部分8的噴嘴部分中一部分熱能被轉(zhuǎn)化為動能。噴嘴部分 包括多個定子葉片或噴嘴28、30、32。例如，第一級噴嘴包括定子葉片28，第二級噴嘴包括 定子葉片30，第三級噴嘴包括定子葉片32。 渦輪部分8還包括動葉(bucket)部分。在動葉部分中，一部分動能被傳遞至分別 連接到轉(zhuǎn)子輪34、36、38上的動葉40、42、44，然后被轉(zhuǎn)化為功。輪34和動葉40形成第一 級，輪36和動葉42形成第二級，輪38和動葉44形成第三級。在各對轉(zhuǎn)子輪之間可以提供 隔離件(spacer) 50、52。 在渦輪機2的停機期間，提供鼓風機12以冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子。鼓風機12通 過第1級管道14和第2級管道18而連接到后盤(aftdisk)的后軸(aft shaft) 26的內(nèi)徑 上，第1級管道14配置成在第一級和第二級之間傳送氣體的流動，第2級管道18配置成在 第二級和第三級之間傳送氣體的流動。在第1級管道14中可以提供包括鼓風機止回閥15 和管道止回閥17的第一組止回閥。在第2級管道18中可以提供包括鼓風機止回閥21和 管道止回閥19的第二組止回閥。在第1級管道和第2級管道中可以分別提供混合三通管 16、20。備選地，可以用真空裝置替代鼓風機12，以將氣體吸出渦輪機2。
鼓風機12通過諸如動葉供給系統(tǒng)的外部供給孔(externally fedbore) (EFB)回 路10而連接到燃氣渦輪機2上。對于現(xiàn)有的燃氣渦輪機而言，通過在后軸26之下改裝孔 插頭(bore plug)，可以將鼓風機改裝到燃氣渦輪機2上。鼓風機管道14、 18可以連接到后 軸26的內(nèi)徑上并結(jié)合回止閥15、17、19、21 —起使用。在正常工作期間，即非停機條件下， 鼓風機12停止，鼓風機止回閥15、21關閉且管道止回閥17、 19打開。 在燃氣渦輪機2的可能包括跳閘之間或清洗時等的停機的以任何速度工作的期 間，操作鼓風機12以冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子，設定鼓風機12的大小和時間，使得轉(zhuǎn)子的冷 卻速率等于或快于燃氣渦輪機2的外殼的冷卻速率。這允許燃氣渦輪機2在任何時刻重啟 并使轉(zhuǎn)子溫度等于或低于定子溫度。鼓風機12的工作可以由控制器48控制?？刂破?8 可以是經(jīng)過專門編程的通用計算機，或者是微處理器?？刂破?8也可以是ASIC?？刂破?8可以基于被發(fā)送到控制器48的來自諸如轉(zhuǎn)子和外殼的渦輪部分中的溫度傳感器的信號 而控制鼓風機12的工作。鼓風機12可以被用來在FSFL工作的期間冷卻其它設備硬件，例 如排氣框架/外殼。 當通過鼓風機12產(chǎn)生預定的氣態(tài)流時，第一鼓風機止回閥15和第二鼓風機止回 閥21配置成打開。同時，第一管道止回閥17和第二管道止回閥19配置成關閉，使得所有 的鼓風機的流被引導至渦輪部分8。應當認識到，第一止回閥組15、17和第二止回閥組19、 21可以配置成在相同或不同的氣態(tài)流打開。例如，第一止回閥組15、17可以配置成在第一 氣態(tài)流打開，第二止回閥組19、21可以配置成在比第一氣態(tài)流高的第二氣態(tài)流打開。應當 認識到，可以使用除止回閥以外的其它閥。還應當認識到，控制器48可以配置成控制閥的 工作。 如圖1所示，第1級的冷卻流22用實線表示，第2級的冷卻流24用虛線表示，渦 輪清洗54的流用點線表示。 相對于現(xiàn)有技術系統(tǒng)的主動間隙控制選項，EFB回路10和鼓風機12的使用以更 低的成本在機械增長和超出圓度允許時向燃氣渦輪機2提供充足的間隙。設有EFB回路10 和鼓風機12的燃氣渦輪機2能夠以更緊密的間隙運行，且不需要連續(xù)地運行以獲得所需要 的間隙的昂貴系統(tǒng)。當轉(zhuǎn)子比外殼熱時，鼓風機12運行在非FSFL條件下。這可以被用來 實行其它的設備功能，例如FSFL期間的排氣框架的冷卻。 可以實行熱傳遞分析，該分析模擬鼓風機在停機期間冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子，以 確定需要多少氣流來匹配定子時間常數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的冷卻速率與燃氣渦輪機2的外殼的 冷卻速率匹配。因而，通過使停機時間常數(shù)與轉(zhuǎn)子的增大相匹配來控制間隙。與使用在啟 動或FSFL的期間對移動定子進行處理的間隙控制系統(tǒng)的現(xiàn)有技術系統(tǒng)不同，設有鼓風機 12和EFB回路10的燃氣渦輪機2具有以下優(yōu)點它在非設計點(non-design points)的 期間作用于轉(zhuǎn)子，因此在產(chǎn)品成本方面相對不貴，且不代表FSFL期間的燃氣渦輪機2的性 能上的流失。 雖然上述實施例以燃氣渦輪機為上下文，但應當認識到，上述冷卻裝置和方法也 可應用于蒸汽渦輪機。 雖然結(jié)合目前被認為是最實用和優(yōu)選的實施例來描述了本發(fā)明，但應當理解，本 發(fā)明不限于所公開的實施例，相反，旨在覆蓋被包括在所附的權利要求的要旨和范圍內(nèi)的 各種修改和等同布置。
權利要求
一種用于渦輪機(2)的冷卻系統(tǒng)，包括鼓風機(12)，配置成產(chǎn)生穿過所述渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22，24)；管道(14，18)，配置成傳送所述冷卻氣流(22，24)至所述渦輪機(2)；以及至少一個閥(15，17；21，19)，配置成控制所述冷卻氣流(22，24)；其中，管道(14，18)可操作地連接到所述渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子(34，36，38)上。
2. 根據(jù)權利要求l所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，在所述渦輪機(2)的全速全負載工 作的期間，所述至少一個閥(15,21)配置成關閉，在所述渦輪機(2)的非基本負載工作的期 間，所述至少一個閥(15,21)配置成打開。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制器(48)，該控制器配 置成控制所述鼓風機(12)的工作以提供氣體流，從而與無所述鼓風機時的工作相比加快 所述轉(zhuǎn)子的冷卻速率。
4. 根據(jù)權利要求3所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(48)配置成控制所述至 少一個閥(15， 17， 21， 19)的工作。
5. 根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)連接到外 部冷卻傳送回路(10)上。
6. 根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，將所述鼓風機(12)操 作為真空裝置，以從所述渦輪機(2)內(nèi)抽出冷卻氣體。
7. —種渦輪機，包括權利要求1 6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)。
8. —種冷卻渦輪機(2)的方法，包括用鼓風機(12)產(chǎn)生穿過所述渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22,24);以及 傳送所述冷卻氣流(22,24)至所述渦輪機(2)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生所述冷卻氣流(22,24)包括在所述渦 輪機的外殼之外產(chǎn)生所述冷卻氣流(22，24)，傳送所述冷卻氣流(22,24)包括傳送所述冷 卻氣流(22,24)穿過連接到所述渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子(34， 36， 38)上的管道(14，18)，其中，所 述冷卻氣流的傳送由至少一個閥控制。
10. 根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述渦輪機的非基本負載工作 的期間產(chǎn)生所述冷卻氣流，從而與無鼓風機時的工作相比加快所述渦輪機的轉(zhuǎn)子的冷卻速 率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機(2)的冷卻系統(tǒng)，包括鼓風機(12)，配置成產(chǎn)生穿過渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22，24)；管道(14，18)，配置成傳送冷卻氣流(22，24)至渦輪機(2)；以及至少一個閥(15，17；21，19)，配置成控制冷卻氣流(22，24)。管道(14，18)可操作地連接到渦輪機(2)的轉(zhuǎn)子(34，36，38)上。冷卻渦輪機的方法，包括用鼓風機產(chǎn)生穿過渦輪機的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；以及傳送冷卻氣流至渦輪機。
文檔編號F02C7/18GK101709673SQ20091017593
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者E·勞什, G·弗里, I·D·威爾遜, J·R·赫斯, M·W·弗拉納根 申請人:通用電氣公司