CN101008351B - 使发动机能够减弱运转的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

使发动机能够减弱运转的方法和装置，本发明公开了一种使涡轮发动机(10)能够减弱运转的方法，包括：在进入涡轮发动机(10)的燃烧区(23)之前，从工作流体通路(94)中抽吸压缩机排放空气(25)出来；和将抽吸的空气(25)再导入到燃烧室出口(46)的工作流体通路(94)下流。本发明还公开了涉及燃气涡轮机(10)的装置，包括：压缩机段(14)，一个或多个位于压缩机段(14)下游的燃烧室(30)，位于压缩机段(14)下游的涡轮段(44)；和至少一个导管(54，72)，其用于响应处于减弱运转状况的涡轮机(10)，在燃烧区(23)之前从工作流体通路(94)中抽吸压缩机排放空气(25)和将抽吸空气(25)再导入到燃烧室出口(46)下游的工作流体通路(94)中。

Description

使发动机能够减弱运转的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及旋转设备，并且更特别而言，本发明涉及改良低荷载下操作能力的方法。
背景技术
许多已知的燃气涡轮机在燃烧室组件中燃烧碳氢化合物-空气混合物并且产生传送到涡轮组件的燃气流。所述涡轮组件将燃气流能量转化为可以用来驱动机器的扭转力，所述机器例如为发电机或者泵。在多数情形中，所述涡轮机都与转速为固定速率的发电机相连，所述固定速率由电栅极发电频率而限定。燃气流温度是指燃烧室出口温度。燃气流温度的一般范围为大约2400°F～2600°F。在一些上述涡轮机中，由于燃烧室能力的原因，可能存在温度下限，从而可以在低温下完全燃烧碳氢燃料。当所述燃烧过程不完全时，高浓度的一氧化碳(CO)将会存在于涡轮排气系统中。但是，高CO排放浓度是管理机关所禁止的。一般而言，当涡轮在高荷载下操作时，燃烧室出口温度较高并且CO排放保持在最低量。当涡轮荷载降低时，在许多燃气涡轮机中，就需要降低燃烧室出口温度，这会导致CO排放增加。为了防止上述CO排放的增加，期望一种可以在涡轮机处于低荷载时保持高燃烧室温度的方法。
为了使排放保持在低于期望的限度，燃烧室排气温度必须保持在特定范围之内。由于涡轮热气通路部件的结构完整性，比如喷嘴和叶片与工作流体流速和温度以及冷却剂温度和流速相关，控制燃气轮机发电机荷载降低会具有显著的使用寿命优点，同时可以满足严格控制排放的需求。
发明内容
在此公开了一种使涡轮机能够减弱运转的方法，包括：
在空气进入涡轮发动机燃烧区之前，从工作流体通路中抽吸压缩机排放空气；以及将抽吸的空气再导入到燃烧室出口下游的工作流体通路。
本发明进一步公开了涉及燃气涡轮机的装置，其包括：压缩机段，一个或者多个压缩机段下游的燃烧室，压缩机段下游的涡轮段；和至少一个导管，响应于处于减弱运转状态的涡轮机，其用于在进入燃烧区之前，从工作流体通路中抽吸压缩机排放空气以及将抽吸的空气再导入到燃烧室出口下游的工作流体通路。
附图说明
以下说明不应当认为是以任何方式进行的限定。参考附图，其中相同的元件具有相同的附图标记：
图1表明了根据本发明实施方案的气体涡轮发动机的部分横剖面视图；
图2表明了第一级喷嘴区域和将辅助空气传送到图1涡轮流路的方法；和
图3表明了第一级喷嘴的展开图和根据本发明实施方案的插件。
具体实施方式
燃气涡轮机通常包括压缩机段、燃烧室段和涡轮段。所述压缩机段由涡轮段一般通过共用轴连接进行驱动。所述燃烧室段一般包括一系列间隔开的燃烧室。燃料/空气混合物在各个燃烧室中燃烧，从而产生热能气体，该气体通过过渡件流到涡轮段。为了说明的目的，仅仅讨论和图解说明了一个燃烧室，但是应当理解，围绕涡轮布置的任何数量的其它燃烧室可以实质上与第一燃烧室相同，其中包括所有基本彼此相同的燃烧室。
本领域技术人员应当理解，本发明的其它实施方案可以应用到具有多个轴涡轮的机器上和具有单个室状燃烧室段的机器上，它们可以为环形或者可以围绕机器非对称的进行定位。
参考图1，根据本发明实施方案的气体涡轮机通常表示为10。从压缩机段14流出的工作流体(在此表示为压缩机排放空气20)通过发动机罩18包含在涡轮发动机10中。称作燃烧室空气24的部分压缩机排放空气20流入燃烧室30中。所述燃烧室空气沿燃烧室衬套22的外壁21轴向流入燃烧室前部26。然后，大部分前部空气进入燃料喷射器34中，在此将其与燃料混合，随后在燃烧室衬套22内的燃烧区23内进行燃烧。燃烧室前部26中的另一部分空气成为了冷流体，在此图解为抽吸空气25。燃烧之后，在穿过第一段喷嘴42和进入涡轮段44之前，燃烧气体98穿过过渡件38和被称为燃烧室出口46的燃烧室部分。
所述燃烧过程发生在燃烧室30内，并且满足期望排放限值所必需的参数基本上都是在燃烧室30内进行控制。已经确定，燃烧过程的温度在机器是否能够满足期望的排放限值中起着关键性的作用。燃烧室出口46处的温度特别是与排放输出具有很强的相关性，表现为，如果燃烧室出口46的温度降低到某一水平，那么排放就会迅速升高。燃烧室出口46的温度取决于多种因素，例如为气流和燃料流量。通过降低空气流量和燃料流量，在燃烧室30中燃烧的空气和燃料总量就会得到降低，由此导致进入涡轮的热函水平降低。上述热函的降低导致涡轮机输出功率以恒定速度降低。在这种情况下，由于空气燃料比率保持在可接受的水平上，因此燃烧室出口46的温度也可以得到保持，从而可以使排放保持在可接受水平上。
本领域熟练技术人员应当理解，可以将本发明实施方案应用到利用可变叶片构造、压缩机可变引导定片构造和气体涡轮可变转速构造降低其荷载的机器上。
对于给定的递送到喷嘴34的燃料水平，通过改变抽吸空气25的量，本发明实施方案保持了燃烧区23中的空气燃料比率。更具体而言，通过将抽吸空气25转入到抽吸套管50中，抽吸空气25在燃烧区23的上游得以除去。然后使其通过可以绝热的抽吸导管54和任意阀门27并且与其它燃烧室前部26流出的抽吸空气合并；如果多于一个燃烧室前部26具有抽吸空气，那么在将其送到加压泵58之前将这些抽吸空气合并。虽然该实施方案注明了应用增压泵58，但是应当理解，不具有增压泵58的实施方案同样可以应用，以下将对其进行更为详细地描述。另外，其它实施方案可以利用阀门27改变抽吸空气25的量，其中不应用泵58，并且其它实施方案可以应用阀门27和泵58，然而当阀门27和泵58都进行应用时，泵58应当为非正移动类型，从而使得流量变量可以通过阀门27进行控制。本领域熟练技术人员应当理解，不必从涡轮发动机10的整个燃烧室前部26中抽吸空气，然而，如果期望通过所有燃烧室30的空气流量均衡时，那么就可以任选上述步骤。所述增压泵58位于发动机罩18的外部并且通过泵驱动器62进行驱动。所述泵驱动器62可以为任何动力系统，例如可变速电动机或者汽轮机。如果使用汽轮机，那么联合循环动力装置的余热回收蒸汽发生器(HRSG)的膨胀蒸汽，例如，如图1中所示，可以由HRSG通过供给管66进行供应和经过回流管68返回到HSRG。所述增压泵58可以在更宽的速度范围内运行。通过使用基于其转速而产生给定体积流量速率的罗茨泵(Roots pump)用作增压泵58，泵出口流量60可以得到预先控制。本领域熟练技术人员应当理解，可以使用很多增压泵58，从而在一个增压泵58停工时间期间内可以继续进行空气泵送。
然后，加压出口流60经回流管72引导返回并且经第一段喷嘴42进入到工作流体通路94中。通过将出口流60(燃烧室出口46的下游)再引入到第一段喷嘴翼面96和平台102，使在空气在不会对喷嘴尾端轴面的温度分布产生显著影响的情况下进入到工作流体通路94中。确定翼面96和平台102流量的适当比例将会使得系统对临界核心流动温度分布的影响得到最小化。热气体通路硬件(图2和3)温度的变化将导致局部温度升高，这将导致下游热气体通路部分使用寿命降低。
本发明实施方案以降低涡轮工作流体通路94的平均温度同时对温度分布影响最小的方式将出口流60引入到工作流体通路94中。上述平均温度的降低是出口流60与燃烧空气98混合的结果，所述混合产生了较低的平均温度并且延长了涡轮硬件的寿命。
现在参考图2和3，泵出口流60冷却在此实施方案中图解为第一插件80、第二插件82、第一段喷嘴翼面96的热气体通路部件，从而延长了它们的使用寿命。应当理解，其它实施方案可以在第一级之后将泵出口流60传送到喷嘴，这仍然在本发明范围之内。可以绝热的回流管72将泵出口流60传送通过发动机罩18并且传送到围绕第一级喷嘴42外部的涡轮发动机10周围的支管76中。跨接管84将支管76流体连接到第一级喷嘴42上。泵出口流60流入到分别插入到第一级喷嘴42翼面96的第一空腔88和第二空腔92的第一插件80和第二插件82中。撞击孔100形成在插件80，82中以及冷却孔104形成在翼面96上，并且平台102上的冷却孔106允许泵出口流60流过那里，从而将其与离开燃烧室30过渡件38的燃烧气体混合。冷却孔104和106的尺寸可以导致泵出口流60以一定比例得到再引入，从而改良热气体通路部件的冷却均匀性，由此延长它们的使用寿命。还应当理解，如上所述，本发明实施方案可以根本不必使用泵58，可以依靠燃烧室前部26与第一级喷嘴42的压差使得压缩机排放空气20沿导管54，72流向第一级喷嘴42。
在图解说明的例证性实施方案中，除了增强热气体通路部件的冷却之外，在第一级喷嘴42之前抽吸空气25(冷却流体)与燃烧气体98的再合并确保了最大功率生产可以得到实现，因为所有的压缩机排放空气20(工作流体)将穿过所有气体涡轮机10的涡轮段44。
泵出口流60重复流过第一级喷嘴42将使得机器减弱运转得到显著延伸。为了最小化双重泵出口流60上第一级喷嘴42内的压力上升，应当对插件80，82内撞击孔100直径和喷嘴翼面96和/或平台102上的冷却孔直径进行度量，从而使其满足增压泵58的反压需要。
本发明一些实施方案的一些优点包括：满足期望的排放限值的同时增加机器减弱运转的范围、改良和均匀冷却热气体通路部件、增加热气体通路部件的寿命和降低低荷载时的燃料消耗。
虽然本发明公开的方法和装置实施方案已经参考例证性实施方案进行了描述，但是本领域熟练技术人员应当理解，可以对其进行多种改变并且其元件可以替换成等同元件，这并不背离本发明公开的方法和装置实施方案的范围。此外，可以对本发明公开方法和装置实施方案的教导进行多种变形以适合于具体情形或者材料，这并不背离本发明的本质范围。因此，意图认为本发明公开的方法和装置实施方案并不限于预期作为实现本发明公开方案和装置实施方案最佳模式公开的具体实施方案，而是本发明公开的方法和装置实施方案将包括所有落入附属权利要求范围内的实施方案。

Claims (9)

1.一种使涡轮发动机(10)减弱运转的方法，包括：
在空气进入涡轮发动机(10)的燃烧区(23)之前，从工作流体通路(94)中抽吸压缩机排放空气(25)；以及
将抽吸的空气(25)经喷嘴(42)再导入到燃烧室出口(46)下游的工作流体通路(94)。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括：
用涡轮发动机(10)驱动的泵(58)泵送抽吸空气(25)；和
改变泵(58)的速度以改变抽吸空气(25)的流速，从而保持空气燃料比率。
3.根据权利要求2的方法，其中所述泵(58)一体形成至涡轮发动机(10)上。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括：
利用阀门(27)改变抽吸流速以保持空气燃料比率。
5.根据权利要求1的方法，进一步包括：
从燃烧室前部(26)中获取抽吸空气(25)；
通过喷嘴(42)翼面(96)上的孔(104)和喷嘴(42)平台(102)上的孔(106)将抽吸空气(25)再导入到第一级喷嘴(42)中；
对翼面(96)上的孔(104)和平台(102)上的孔(106)进行定尺寸以分流通过那里的气流，从而改良冷却的均匀性；
保持足够的燃烧室(30)温度以满足期望的排放水平。
6.一种燃气涡轮机，包括：
压缩机段(14)；
一个或者多个压缩机段(14)下游的燃烧室(30)；
压缩机段(14)下游的涡轮段(44)；和
至少一个导管(54，72)，响应处于减弱运转状态的涡轮机(10)，用于在燃烧区(23)之前从工作流体通路(94)中抽吸压缩机排放空气(25)并且将抽吸空气(25)经喷嘴(42)再导入到燃烧室出口(46)下游的工作流体通路(94)中。
7.根据权利要求6的燃气涡轮机，其中，包括：
泵(58)，用于泵送抽吸空气(25)；
所述泵(58)由燃气涡轮机(10)驱动；
泵(58)的速度是可变的，从而改变抽吸空气(25)的流速；和
所述泵(58)一体形成至涡轮机(10)上。
8.根据权利要求6的燃气涡轮机，其中：
所述导管(54，72)与至少一个燃烧室前部(26)流体连接。
9.根据权利要求6的燃气涡轮机，其中：
所述抽吸空气(25)通过喷嘴(42)至少一个翼面(96)上的孔(104)和至少一个平台(102)上的孔(106)再导入。
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