專利名稱：減少關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的熱損失的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及燃氣渦輪機，且更具體地涉及減少關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的熱損失的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
典型的燃氣渦輪機通常包括壓縮機、至少一個燃燒器和渦輪。壓縮機將壓縮空氣 提供給燃燒器。燃燒器燃燒壓縮空氣和燃料以產(chǎn)生熱氣。熱氣通過渦輪膨脹以產(chǎn)生有用功。具體地，燃氣渦輪機可包括限定該機器的外部的定子罩，和可縱向地延伸通過機 器的內(nèi)部上的定子罩的轉(zhuǎn)子。在該渦輪機內(nèi)，若干渦輪葉片可置于與轉(zhuǎn)子相聯(lián)的盤的周圍， 并且當熱氣膨脹時能量可轉(zhuǎn)移至渦輪葉片。所引起的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可傳遞至發(fā)電機或其它負 載，以便導(dǎo)致有用功。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)也可用在壓縮機中以產(chǎn)生壓縮空氣。為此目的，可在壓縮 機中的轉(zhuǎn)子周圍放置若干壓縮機葉片。在燃氣渦輪機的運行期間，渦輪機的不同部件膨脹和收縮。例如，可能由于與渦輪 機運行相關(guān)的相對高的溫度而發(fā)生熱膨脹，并且可能由于與內(nèi)部部件的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的向心力 而發(fā)生機械膨脹。燃氣渦輪機具有的一個問題是不同部件以不同的和變化的速率膨脹和收縮。變化 的速率由部件的材料、幾何形狀、位置和目的之間的不同導(dǎo)致。為適應(yīng)膨脹和收縮速率的差 異，在燃氣渦輪機中在葉片的末梢和護罩之間設(shè)計了間隙。該間隙通過允許葉片不接觸護 罩而膨脹來減少渦輪機損壞的風(fēng)險。然而，通過允許一部分熱氣在不執(zhí)行有用功的情況下 經(jīng)過葉片逸出，該間隙實質(zhì)上降低了渦輪機效率，這浪費了否則可用來提取的能量。在壓縮 機中可在壓縮機葉片和壓縮機殼之間設(shè)計類似的間隙，其可允許空氣不壓縮而經(jīng)過壓縮機 葉片逸出。間隙的大小可在燃氣渦輪機的運轉(zhuǎn)周期中的多個階段期間變化，原因是在這些階 段期間燃氣渦輪機中變化的熱條件和機械條件。在圖1中示意性地示出了燃氣渦輪機的一 個示例性運轉(zhuǎn)周期。如圖所示，燃氣渦輪機典型地從通過增加轉(zhuǎn)子速度的“冷啟動”開始， 并隨后拖曳負載，其對渦輪葉片的末梢和渦輪護罩之間的間隙具有圖示的效果。然后可將 燃氣渦輪機關(guān)機一短段時間，以便修正已知的問題。在關(guān)機期間，可移除負載，轉(zhuǎn)子速度會 降低，并且部件會開始收縮和冷卻。接著，可發(fā)生“熱重啟”，其中在部件恢復(fù)到冷構(gòu)造條件 之前重啟燃氣渦輪機。在這些運行階段期間，間隙可在不同的“窄點(pinch point) ”處處于相對最小值。 例如，在渦輪機達到穩(wěn)定狀態(tài)(SS FSFL)之前，渦輪機可經(jīng)歷處于全速無負載(FSNL)和全 速全負載(FSFL)的窄點。這些窄點的各個窄點處的間隙在冷啟動周期和熱重啟周期期間 可以不同，且最小間隙發(fā)生在全速全負載下的熱重啟周期期間。為此原因，燃氣渦輪機設(shè)計 成具有選擇來適應(yīng)處于熱重啟全速全負載的限制點的冷構(gòu)造間隙，這導(dǎo)致渦輪機在穩(wěn)定狀 態(tài)下以低效的大間隙運行。換句話說，冷構(gòu)造間隙是考慮防止熱重啟周期期間末梢摩擦而 不是考慮在冷啟動和穩(wěn)定狀態(tài)運行期間獲得最大效率而進行選擇的。
在熱重啟周期期間所觀測到的緊密間隙可部分地由關(guān)機期間燃氣渦輪機在外部 (定子)比在內(nèi)部(轉(zhuǎn)子)冷卻相對更快而引起。例如，渦輪機的內(nèi)部部件可能保持溫暖， 而定子罩可冷卻并向內(nèi)部收縮。在關(guān)機期間，定子罩的冷卻可由沿燃氣渦輪機的長度移動 的冷卻空氣流而加劇。更具體地，燃氣渦輪機可具有沿壓縮機放置的一系列入口導(dǎo)向葉片， 其允許空氣進入燃氣渦輪機以壓縮并隨后膨脹。由于這些入口導(dǎo)向葉片可在關(guān)機期間保持 打開，空氣會繼續(xù)進入壓縮機?？諝饪赏ㄟ^轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動而沿燃氣渦輪機的長度吸入，這 是由其質(zhì)量(mass)所要求的。引起的氣流可在關(guān)機期間進一步冷卻定子罩，從而導(dǎo)致在熱 重啟時更緊密的間隙。本領(lǐng)域所需要的是用來在燃氣渦輪機運轉(zhuǎn)周期期間(尤其是關(guān)機周期期間)減少 定子和轉(zhuǎn)子部件之間熱響應(yīng)差異的系統(tǒng)和方法。本領(lǐng)域還需要無需增加相當多的部件或?qū)?質(zhì)上重新設(shè)計熱氣通道而可在現(xiàn)有燃氣渦輪機上實現(xiàn)的此類系統(tǒng)和方法
發(fā)明內(nèi)容
一種運行燃氣渦輪機的方法，該燃氣渦輪機包括壓縮機段、渦輪段和抽吸冷卻系 統(tǒng)。該方法包括監(jiān)視燃氣渦輪機的運行；響應(yīng)于燃氣渦輪機的正常運行而通過抽吸冷卻 系統(tǒng)將冷卻空氣流從壓縮機段引向渦輪段；并響應(yīng)于燃氣渦輪機的關(guān)機而通過抽吸冷卻系 統(tǒng)將加溫空氣流引向壓縮機段和渦輪段。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，在查看了以下附圖和具體實施方式
之后，所公開的減少來 自燃氣渦輪機的熱損失或熱差異的系統(tǒng)和方法的其它系統(tǒng)、裝置、方法、特征和優(yōu)點將是顯 而易見的或?qū)⒆兊蔑@而易見。所有此類另外的系統(tǒng)、裝置、方法、特征和優(yōu)點旨在包括在描 述的范圍內(nèi)，并旨在受所附權(quán)利要求保護。


參考以下圖形將更好地理解本發(fā)明公開。匹配的標號表示貫穿多個圖形的相應(yīng)部 分，并且圖形中的部件不一定按比例。圖1是圖示對于現(xiàn)有技術(shù)燃氣渦輪機間隙、轉(zhuǎn)子速度和負載之間關(guān)系的圖表。圖2是現(xiàn)有技術(shù)燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了抽吸冷卻系統(tǒng)的一個實施 例。圖3是燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個實施例。圖4是燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的另一個實施例。圖5是燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的再一個實施例。圖6是燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個附加實施例。圖7是燃氣渦輪機的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個附加實施例。部件列表
權(quán)利要求
1.一種運行燃氣渦輪機(200)的方法，所述燃氣渦輪機(200)包括壓縮機段002)、渦 輪段(204)和抽吸冷卻系統(tǒng)001)，所述方法包括監(jiān)視所述燃氣渦輪機O00)的運行；響應(yīng)于所述燃氣渦輪機O00)的正常運行，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將冷卻空氣 流從所述壓縮機段(20 引向所述渦輪段O04)；響應(yīng)于所述燃氣渦輪機O00)的關(guān)機，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將加溫空氣流引 向所述壓縮機段(20 和所述渦輪段(204)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括將加溫空氣流引到所述渦輪段(204)周圍的定子罩Q06)的一部分上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括將加溫空氣流引到所述壓縮機段(20 周圍的所述定子罩O06)的一部分上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括中斷通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)的冷卻空氣流。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括沿相反的方向引導(dǎo)加溫空氣流通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機而關(guān)閉所 述壓縮機段O02)中的進口導(dǎo)向葉片(330)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機而中斷通 過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)到所述燃氣渦輪機O00)的內(nèi)部的空氣流。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機而通過所 述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將加溫空氣流從所述燃氣渦輪機O00)的內(nèi)部引向定子罩006)。
9.一種用于減少關(guān)機周期期間來自燃氣渦輪機O00)的定子罩Q06)的熱損失的系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括熱交換器(318)；可操作來將空氣引入所述熱交換器(318)的外部空氣源(320)；可操作來將熱提供給所述熱交換器(318)的外部熱源(322)；與所述熱交換器和所述定子罩(206)成流體連通的至少一個供應(yīng)管線；以及可操作來響應(yīng)于所述關(guān)機周期而觸發(fā)所述外部空氣源(320)的控制器(324)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部空氣源(320)包括適于將周圍空 氣引入所述熱交換器(318)的鼓風(fēng)機。
全文摘要
本發(fā)明涉及減少關(guān)機期間來自燃氣渦輪機的熱損失的系統(tǒng)和方法，具體而言，公開了一種運行燃氣渦輪機(200)的方法，該燃氣渦輪機(200)包括壓縮機段(202)、渦輪段(204)和抽吸冷卻系統(tǒng)(201)。該方法包括監(jiān)視燃氣渦輪機(200)的運行；響應(yīng)于燃氣渦輪機(200)的正常運行，通過抽吸冷卻系統(tǒng)(201)將冷卻空氣流從壓縮機段(202)引向渦輪段(204)；以及響應(yīng)于燃氣渦輪機(200)的關(guān)機，通過抽吸冷卻系統(tǒng)(201)將加溫空氣流引向壓縮機段和渦輪段(204)。
文檔編號F02C9/20GK102094713SQ201010115018
公開日2011年6月15日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月29日
發(fā)明者A·R·克尼蘭德, B·J·米勒, H·G·小巴拉德, I·D·威爾遜, K·D·布萊克, R·格策, S·C·基科 申請人:通用電氣公司