專利名稱：燃氣輪機的冷卻系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到燃氣輪機，這種燃氣輪機具有空壓機部件它能排出空氣，用以冷卻該燃氣輪機部件。
一臺燃氣輪機包括有三個主要部分一個壓縮機部分，空氣在其中被壓縮;一個燃燒部分，壓縮空氣在其中被燃燒著的燃料加熱;以及一個渦輪部分，自燃燒部分來的熱壓縮空氣在其中膨脹。要使氣輪機達到最大輸出功率，希望將流過燃燒部分的氣體加熱到盡可能高的溫度。所以，暴露于熱氣體中渦輪部分的部件必須得到適當的冷卻，以使構成這些部件的材料的溫度維持在可允許的范圍內。
通過使相對冷的空氣從渦輪組件的表面或從其內部流過而實現這樣的冷卻。因為這種冷卻空氣必須加壓才有效果，通常的做法是放出一部分從壓縮機部分排出的氣體，并將其引到渦輪部分以達到冷卻的目的。雖然冷卻空氣最終與渦輪中膨脹的熱氣體混合在一起，但是由于它繞過了燃燒過程，所以不是所有壓縮冷卻空氣所做的功都在膨脹過程中被回收。因此，要使氣輪機的輸出功率和效率達到最大，就希望盡量減少所用的冷卻空氣量。
遺憾的是，由于伴隨壓縮機中壓強升高的溫度上升，從壓縮機放出的空氣較熱，其溫度由壓縮比決定，在315℃到425℃范圍內。所以在本行業(yè)中眾所周知的是，從壓縮機放出的用以冷卻目的的空氣的量可通過在引到渦輪部件之前就將其冷卻來減少，從而增加其吸熱能力。
一種常用的對冷卻空氣進行冷卻的方法采用空氣-空氣冷卻器，從壓縮機放出的空氣藉此可流過帶葉片的管子，管子外面有機動風扇吹動其周圍空氣，從而把壓縮空氣中的熱傳到大氣中。雖然這種方法實現了適當的冷卻，但它有兩個明顯的缺點。第一，因為該系統(tǒng)需要一個空氣冷卻器、連接管道、結構支承部件、風扇、電動機以及相應的電控制系統(tǒng)，所以氣輪機的成本顯著增加。第二個缺點涉及到性能。在冷卻器中從壓縮空氣提取的熱丟失到大氣中，從而有損于氣輪機的熱效率。另外，驅動風扇所需功率必須從渦輪產生的功率中減去，從而降低了氣輪機的凈功率輸出。
另一種方法，其中氣輪機在一個聯合的氣體和蒸汽渦輪循環(huán)系統(tǒng)中工作，采用一個空氣-水冷卻器。按此方法，從壓縮機放出的空氣流過其內有鍋爐給水流過的管子。雖然這種方法回收了從壓縮空氣中取出的熱，并將其送回循環(huán)系統(tǒng)中，從而避免了上述方法的性能缺點，但是它牽涉到空氣-水冷卻器的較高費用，在管子損壞時使渦輪受到水淹帶來的損壞，并且需要一個水循環(huán)系統(tǒng)，以備熱水鍋爐器不工作時用。
所以本發(fā)明的主要目的是提供一種以冷卻為目的的廉價、易于操作、可靠且不損害氣輪機性能的、用于冷卻從壓縮機放出的空氣的系統(tǒng)和方法。
鑒于此目的，本發(fā)明體現在一種冷卻燃氣輪機的渦輪部件的方法，該氣輪機包括一個壓縮機部分，一個燃燒部件和一個渦輪部分。在此方法里，自壓縮機部分來的一部分空氣被引出，用以冷卻所述渦輪部分。其特征在于所述空氣在被引到所述渦輪部分之前，通過把水蒸發(fā)到所述引出空氣中而被冷卻。
從下面以附圖作為例子顯示的一個最佳實施例及對它們的描述可以更清楚地了解本發(fā)明。


圖1是體現本發(fā)明的冷卻方法的氣輪機的縱向剖面圖;
圖2是一個氣輪機和蒸汽輪機聯合循環(huán)系統(tǒng)的示意圖，它顯示本發(fā)明結合成這樣一個系統(tǒng)。
參照這些附圖，圖1中顯示一個氣輪機40的縱向剖面。氣輪機由三個主要部分構成一個壓縮機部分1，一個燃燒部分2，和一個氣輪部分3。一個轉子4布置在氣輪中心并穿過上述三個部分。壓縮機部分由包括交替排列的靜止葉片70和旋轉葉片71的圓筒5組成。靜止葉片固定在圓筒5上，旋轉葉片71固定在沿轉子軸73軸向分開的多個圓盤72上。
燃燒部分2包括一個氣缸61，它形成一個小室，其中布置有多個燃燒器7和連接燃燒器與渦輪部分的管道8。轉子軸的一部分穿過燃燒部分，在那里被一個護罩26包圍。而且，下面將得到進一步討論的冷卻空氣回管24和25穿入氣缸6中，并穿過該小室延伸到一個集溶管39而終止，該集溶管環(huán)繞護罩26的一部分。
渦輪部分3由一個外氣缸75組成，它封裝有一個內氣缸9。內氣缸9內裝有交替布置的多列靜止葉片10-13和旋轉葉片14-17。靜止葉片固定在內氣缸9上，旋轉葉片固定在多個旋轉圓盤18-21上，它們構成轉子4的渦輪部分。第一個旋轉圓盤18固定在轉子軸73的端部。
壓縮機把周圍空氣30從其入口吸入，并把壓縮空氣31排到由氣缸6形成的小室39中。室中的空氣31的絕大部分通過其上的孔(未示出)進入燃燒器7。在燃燒器中，燃料與壓縮空氣混合并燃燒，從而提高壓縮空氣的溫度。然后，熱壓縮氣體32流過管道8，隨后通過在渦輪部分中交替布置的靜止葉片到10-13和旋轉葉片到14-17，并在那里膨脹而產生驅動轉子4的功率。之后，膨脹氣體33從渦輪機排出。
渦輪部分中的旋轉葉片14-17和圓盤18-21暴露于來自燃燒器7的溫度可能接近1100℃氣體中，且由于旋轉而加于其上的離心力的原因容易遭受高的應力。由于隨著溫度升高，構成旋轉葉片和圓盤的材料的抗應力能力會降低，所以至關重要的是提供適當的冷卻以維持這件部件的溫度在可允許的水平。在最佳實施方案中，這種冷卻是將來自氣缸6構成的小室中的壓縮空氣31的一部分34導到轉子的渦輪部分來實現的。這種引導是靠從氣缸6伸出的外放管23放出空氣來實現的，冷卻的空氣34在通過回氣管24和25被冷卻后再返回到氣輪機，下面再解釋?；貧夤?將空氣引到集流管39，集流管39如前所述包圍了封閉轉子的護罩26的一部分。進入集流管后，冷卻空氣經孔27穿過護罩26並進到一個間隙86中，該間隙86形成在護罩26和轉子軸73之間。然后，冷卻空氣從間隙86流過轉子軸73的圓周上的孔28，進入轉子軸73的中空區(qū)85。冷卻空氣從轉子軸的中空區(qū)通過在旋轉圓盤18-20中的孔74流到轉子的渦輪部分。到轉子渦輪部分后，冷卻空氣流過旋轉圓盤和葉片中的多路交錯的冷卻通道(未示出)，以實現所期望的冷卻。
重要的是要注意到冷卻空氣繞過了燃燒器。即使它最終與在渦輪中膨脹的熱氣體混合，從通過渦輪的壓縮空氣的膨脹所回收的功遠小于在燃燒器中被加熱的壓縮空氣膨脹所收的功。事實上，由于壓降和機械效率帶來的損失，從冷卻空氣回收的功小于在壓縮機中壓縮空氣所需的功。所以，所用的冷卻空氣量越大，氣輪機的凈輸出功率越小。
根據本發(fā)明，從壓縮機排出口放出的冷卻空氣34的量通過在空氣進入回氣管24和25之前，把空氣冷卻和增加其質量流得以減小，從而增加其吸熱能力冷卻渦輪組件的能力。這是通過當冷卻空氣34流過泄放管23時向其中噴水蒸發(fā)得以實現的。冷卻空氣中的熱通過水的汽化向水中轉移從而降低了空氣的溫度，而且蒸發(fā)了的水增加了其質量流量。
蒸發(fā)是通過向一個噴嘴35提供帶壓力的水實現的。噴嘴布置在外放管23中，以在冷卻空氣回到氣輪機之前保證水的適當蒸發(fā)，以免因液態(tài)水滴落到熟的渦輪部件上引起熱沖擊。噴嘴可以是蒸汽輪機過熱器中常用的類型，應該能提供足夠細小的水珠38以保證良好的蒸發(fā)。具體噴嘴的選擇主要取決于噴嘴所要傳遞的水流量，而后者取決于所期望的冷卻空氣下降的溫度，以及水與冷卻空氣之間的壓差。
為了保證噴嘴的良好噴射性能，加到噴嘴的水壓應該比冷卻空氣的壓強(即壓縮機的排放壓力)高3.5到10.5公斤/平方厘米。因為現代氣輪機的壓縮機在10.5到18公斤/平方厘米的排放壓力范圍內工作，在該最佳實施例中，加到噴嘴的水壓在18到21公斤/平方厘米范圍內。
應該注意，根據本發(fā)明，為了降低溫度而從冷卻空氣中排出的熱不象在一些已有技術的方法中那樣散失到大氣中，而是被加到水中，水與冷卻空氣一起在渦輪中與燃燒的氣體混合并產生附加的功率。
另外，因為水蒸汽代替了部分冷卻空氣，所以從壓縮機放出的空氣的量必須降低。減少了從壓縮機放出的空氣而使流過渦輪的熱氣體量增加，從而使氣輪機的輸出功率增加。因為在現代氣輪機中，每秒通過渦輪的氣流量增加一磅，渦輪的功率輸出就增加約250到350千瓦，在每秒中每向冷卻空氣中蒸發(fā)一磅水，就少從壓縮機放出一磅空氣，相應地從渦輪機產生250到350千瓦的附加功率輸出。
雖然降低冷卻空氣溫度是人們所希望的(因為，如前所述，這樣可減少必須從壓縮機排放口放出的冷卻空氣量)，但是若把冷卻空氣溫度降到一定值以下則是不明智的。這是因為雖然冷卻空氣降低了渦輪部件的溫度，從而增加了其抗應力能力，但它也增加了熱梯度，從而在這些部件中產生熱應力。所以有一個最佳冷卻空氣溫度，它能導致渦輪部件適當的冷卻而不產生過大的熱應力。
所需的水流量主要取決于用于冷卻的空氣的量，所以可以表示為每磅冷卻空氣需要多少磅水這樣一個比例。要維持前述的最佳冷卻空氣溫度，這個比例必須隨為了冷卻而放出的空氣的溫度(冷卻空氣溫度又隨氣輪機的輸出功率和輸入的大氣溫度而變)和加到噴嘴的水的溫度而變。
舉例來說，如果在最大氣輪機輸出功率下，從壓縮機放出的冷卻空氣的溫度在378到398℃范圍內(而最佳冷卻空氣溫度為413℃)，水溫在107到129℃范圍內，則水與冷卻空氣之比在0.075到0.085范圍內。因為水的最大需要量對應最大功率輸出，所以這些數字表明所需的水與冷卻空氣的最大比例。這是因為輸出功率最大時，從壓縮機放出的冷卻空氣的溫度達到最大值。可見這些數字表明將冷卻空氣冷卻在最佳溫度范圍413℃±5%時所需水量相對較少。
因為從壓縮機放出的冷卻空氣的溫度是按上述方式變化的，蒸發(fā)的水量必須也變化以使冷卻空氣的溫度維持在其最佳值。所以根據本發(fā)明，采用圖2所示的裝在加壓水供應線53中的一個流量控制閥80，來改變流向噴嘴的加壓水流量。通過采用較熱的水可以增加注入的水量。最大注入水量是在混合氣中保持27℃過熱蒸汽的水量。若混合冷卻空氣的出口溫度為413℃，則水蒸汽的飽和溫度應限制在約162℃。
眾所周知，水中雜質，尤其是一些金屬如鈉，鉀可腐蝕渦輪中處于高溫的部件。所以希望在把水蒸發(fā)到冷卻空氣中之前盡可能地除去溶在水中的固體來對水進行處理。適當處理水的方法在本行業(yè)中是常見的，包括化學處理，離子交換和除礦化。
將本發(fā)明用于在氣體和蒸汽聯合的渦輪循環(huán)系統(tǒng)中工作的燃氣輪機是特別有利的。圖2示出這樣一個系統(tǒng)，在這樣系統(tǒng)中典型的是，從氣輪機40排出的氣體33流過一個熱回收蒸汽發(fā)生器。熱回收蒸汽發(fā)生器包括一個過熱器62，高壓蒸發(fā)器61，加溫器60，和低壓蒸發(fā)器57。在流過熱回收蒸汽發(fā)生器并為產生蒸汽給出其大部分潛熱之后，尾氣59被排放到大氣中。
在圖2所示的系統(tǒng)中，熱回收蒸汽發(fā)生器產生的蒸氣54在氣輪機42中膨脹，從而產生附加的功率。從蒸汽輪機排出的蒸汽55在冷凝器43中凝結，冷凝水暫時存在冷凝器熱井44中。由于水會不可避免地通過滲漏和壓縮機轉子放氣等從系統(tǒng)散失，補充水49被按需要加到熱井44中。用前述人們熟知的方法在水處理設備45中處理生水48，從而制成補充水。
冷凝水和補充水混合的水56在除氣器46中被來自低壓蒸發(fā)器的蒸汽84加熱和除氣。出自除氣器的被加熱和除氣的水50隨即在一個鍋爐的給水泵的排出端51分裂成兩部分而結合到系統(tǒng)中的;部分52進到熱回收蒸汽發(fā)生器的加溫部分60，部分53被加到噴嘴35。因為，除氣器一般在1.4到2.8公斤/平方厘米壓強范圍內工作，加到噴嘴的水的溫度將在107到109℃范圍內。一個流量控制閥80如前所述調節(jié)流向噴嘴的水流量。所以，通過按這里所述的方式將本發(fā)明結合到氣體和蒸汽渦輪聯合循環(huán)系統(tǒng)中，用以少許的增加設備費用，確切地說就是提高現有的水處理器45和鍋爐給水泵47的容量，就可以實現本發(fā)明的優(yōu)點。
所以，可以看出，根據本發(fā)明的對冷卻空氣進行冷卻的方法提供了下列優(yōu)點。
(ⅰ)降低了設備成本，結合到氣體和蒸汽渦輪聯合循環(huán)系統(tǒng)中的本發(fā)明的實施例尤其是這樣，(ⅱ)氣輪機輸出功率高，(ⅲ)無須改動內部的渦輪冷卻布置，這是因為加入的水量較小，冷卻空氣的流體性質基本上保持不變。
權利要求
1.一種冷卻燃氣輪機的渦輪部件的方法，該燃氣輪機包含有一個壓縮機部件(1)，一個燃燒器部件(2)，和一個渦輪部件(3)，其中自所述壓縮機部件來的部分空氣被引到所述渦輪部件，其特征在于，所述引出空氣在被引到所述渦輪部件之前通過向所述引出空氣中噴水蒸發(fā)而被冷卻。
2.根據權利要求1的一種方法，其特征在于水被加壓，而且所述加壓水被噴到所述引出空氣中。
3.根據權利要求2的一種方法，其特征在于，水被噴到所述引出空氣中之前，其中溶解固體的量被減少。
4.根據權利要求2或3的一種方法，其特征在于，所述水在107到130℃的溫度下被噴到所述引出空氣中。
5.根據權利要求2、3、或4的一種方法，其特征在于，所述冷卻空氣是從壓力為10。5到18公斤/平方厘米范圍內的所述壓縮空氣中放出，所述水的壓力維持在18到21公斤/平方厘米范圍內，溫度在107到129℃范圍內，所述供水量與所述冷卻空氣量的最大比例范圍是，每公斤冷卻空氣為0.075到0.085公斤水。
6.根據權利要求5的一種方法，其特征在于，提供所述流量的水以使送到所述渦輪部件的冷卻空氣的溫度(約)為190℃。
7.根據權利要求6的一種方法，其特征在于，水的噴速被限制到使冷卻空氣中的水蒸汽保持有26℃過熱。
8.一個氣輪機系統(tǒng)，其中包括一個壓縮機部分(1)用以壓縮空氣，一個相連的燃燒部分(2)，用以接納來自所述壓縮機部分(1)的壓縮空氣，并通過在所述壓縮空氣中燒燃料來產生熱壓縮空氣，一個相連的渦輪部分(3)，用于接納來自所述燃燒部分(2)的熱壓縮空氣以膨脹所述熱壓縮空氣產生功率，以及連接通道裝置(23)，用以把輸送部分所述壓縮空氣冷卻所述的渦輪部分，其特征在于，設有裝置(35)，用于在所述引出空氣被用來冷卻所述渦輪部分之前先向所述引出空氣中噴水以使其冷卻。
9.根據權利要求8的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述連接通道裝置包括一個外管(23)，所述噴射裝置(3)裝在所述外管(23)中。
10.根據權利要求8或9的一個系統(tǒng)，其中接有一個熱回收蒸汽發(fā)生器(41)以接納從所述渦輪部分(3)中排放的膨脹氣體，從而在所述熱回收蒸汽發(fā)生器(41)中，從來自加壓水的排放氣體產生蒸汽，其特征在于，所述噴水裝置被與所述熱回收蒸汽發(fā)生器相連接，以向噴水裝置(35)提供的一部分所述加壓水。
全文摘要
在燃氣輪機中，通過把壓縮機排放口放出的用于冷卻渦輪的空氣進行蒸發(fā)冷卻，從而減少所需的冷卻空氣量。蒸發(fā)冷卻是通過把加壓水噴到壓縮機排放口到渦輪的冷卻空氣排放管中實現的。
文檔編號F02C7/14GK1045442SQ9010040
公開日1990年9月19日 申請日期1990年1月25日 優(yōu)先權日1989年1月27日
發(fā)明者安德魯·雅各布·科斯基 申請人:西屋電氣公司