CN101382088A - 燃气涡轮发动机入口蒸发冷却增压的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机入口蒸发冷却增压的设备和方法，该设备包括受压水管和喷嘴设备(17)，用于在通向入口(9)的气流中产生水喷射(13)；和蒸发介质(14)，用于接收该喷射(13)并且导致空气流中的空气受压。

Description

燃气涡轮发动机入口蒸发冷却增压的设备和方法

技术领域

[0001]此处的发明涉及一种燃气涡轮发动机，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机冷却的受压蒸发冷却器系统。

背景技术

[0002]常规燃气涡轮发动机的蒸发冷却系统设置在燃气涡轮的入口过滤室内，并设置在过滤元件的下游。该蒸发冷却器系统的功能是通过水的蒸发来冷却进入该机械装置的入口空气来增大发动机的动力输出。常规燃气涡轮蒸发冷却器模块包括：外部蒸发冷却壳体；蒸发冷却介质垫；配水管道和集水坑。配水和收集系统的实施例将介质供应蒸发冷却需要的水。一些实施例进一步包括位于蒸发冷却系统下游的漂浮物清除器系统，从而防止任何来自介质的水残留物进入到燃气涡轮发动机。

[0003]在传统蒸发冷却系统中，水从介质垫顶部到底部流过蒸发冷却介质。水从顶部到底部充满介质。通过入口过滤器过滤的周围空气流过蒸发冷却介质，由此水蒸发。这使得周围空气在进入到涡轮之前冷却。没有在介质中蒸发的水慢慢地流过多孔介质垫，并且在介质的底部的积水坑处汇集。这些水通过介质重新循环。

[0004]虽然蒸发冷却系统的适用提高了燃气轮机的效率，但是系统的布置以及位于燃气轮机之前的其它构件导致产生压降，该压降在涡轮上产生负荷。

[0005]燃气轮机入口压降的常规值从一英寸水柱变化到六英寸水柱。该入口阻力减小了燃气轮机的能量输出。通常，对于商品化尺寸的燃气涡轮发动机而言，一英寸的入口压降导致1.0到2.0MW的动力输出损失。如果穿过入口过滤室的压降可以降低的话，那么燃气涡轮发动机可产生更大的动力。

[0006]图1显示了带有位于过滤元件下游的蒸发冷却器模块的常规现有技术的燃气轮机入口过滤系统。另外，提供了蒸发冷却器介质的视图以及该蒸发冷却器系统的侧视图。位于蒸发冷却器前面的过滤模块通常包括多个空气过滤器。

[0007]图2提供了带有蒸发冷却器介质的现有技术的蒸发冷却器系统的三维(3D)视图。在介质的下游，显示有漂浮物清除器，其将除去任意可能承载除介质以外的物质的水。图3是高级别的示意图，描述了现有技术蒸发冷却系统的方面，显示了从顶部到介质的配水机构。该视图提供了蒸发冷却器介质的详细视图，其显示水从顶部流动以及侧向气流。

[0008]相应的，所需要的是向燃气轮机提供入口冷却、同时限定、减小或者消除现有技术冷却系统(例如此处公开的技术)所产生的负荷的技术。

发明内容

[0009]在一实施例中，提供了一种冷却通向燃气轮机的入口的空气的设备，该设备包括受压水管和喷嘴设备，用于在通向入口的气流中产生水喷射；和蒸发介质，用于接收该喷射并且导致空气流中的空气的增压。

[0010]在另一实施例中，提供一种用于使燃气轮机的入口加压的方法，该方法包括将水喷射到入口上游的气流中；并促使气流内空气受压。

[0011]在又一实施例中，提供一种用于增大燃气轮机的输出效率的设备，该设备包括用于通过向入口的气流喷射水来使进入燃气轮机的入口处的空气加压的装置。

附图说明

[0012]现在参照附图，其中在这几幅图中相同元件被标注相同附图标记。

[0013]此处图1A、图1B和图1C共同称为图1，显示了现有技术蒸发冷却系统的方面；

[0014]图2和图3进一步描述了图1中现有技术系统的方面；

[0015]图4提供了根据此处教义的蒸发喷射系统的总视图；

[0016]图5描述了图4中的蒸发喷射系统的进一步的方面；和

[0017]图6A和图6B此处共同称为图6，描述了喷射模式的实施例。

具体实施方式

[0018]此处公开的是用于燃气涡轮发动机的受压蒸汽冷却系统。该受压蒸汽冷却系统通过限制、减少和消除由现有技术中的冷却系统在燃气涡轮机上所产生负载中的至少一种方式，来提供比现有技术的蒸汽冷却系统改进的性能。

[0019]现在参照图4，显示了受压蒸汽冷却系统的示例性实施例。受压蒸汽冷却系统中包括多个充水空气喷嘴12，每一个用于产生充水空气喷射13。每一个充水空气喷射13都被导引到低压梯度蒸发介质14。在低压梯度蒸发介质14下游包含有漂浮物清除器15。除了别的外，漂浮物清除器15提供用于防止水残留物从低压梯度蒸发介质14中进入到燃气轮机的入口9内。

[0020]利用喷嘴12将用于蒸发的水喷射在低压梯度蒸发介质14上。喷射水扇动并弄湿该介质，导致空气冷却。另外，喷射水将气流内的空气朝着入口9推进，由此使燃气轮机的入口受压。

[0021]在图4中，显示了两个圆锥体16的水正从受压水管和喷嘴设备17中喷射。受压水管和喷嘴设备17通常包括泵、分配管道、流量调节器、喷嘴12和其它有利于生成水喷射13的构件。水喷射13被认定为圆锥体16或者某些其它形式。在该实施例中，圆锥体16沿进入到低压梯度蒸发介质14的气流方向被喷射到气流路径中。当喷射水时，低压梯度蒸发介质14饱含水，当气流流过介质时，导致空气冷却，并且冷却空气接着进入到涡轮机的入口9。另外，水的喷射13朝着入口9推动空气。相应的，空气速度和空气压力都增大，导致产生燃气轮机改进的效率。来自水喷射13的力矩至少一部分从水扇传递到空气流，由此导致空气压力的增大。

[0022]设计受压蒸发冷却系统10可顾及和考虑受压的理想程度以及任意相关的特征。

[0023]低压梯度蒸发介质14设计用于与喷射系统协作。例如，低压梯度蒸发介质14提供改进的压降与空气速度之间的比值特性以及更好的湿润性能。由此，增大所实现的冷却量。在低压梯度蒸发介质14中，水和空气都沿入口9的方向流动。

[0024]在一些实施例中，水通常沿气流方向流动，同时过量水流出介质，例如向下(可通过在集水坑18处的重力收集来实现)。

[0025]相反，对很多现有技术设计而言，水和空气通常以不同角度在通道中流动。参照图1B，这里水以45度向下的角度流动，空气以15度向下的角度流动。这种现有技术的设计导致随着速度的增大压降增大。如图4所示，通过此处提供的介质设计，消除了现有技术的问题。由于空气流动角度和水流动角度的变化，消除了这个问题，至少是部分的消除。然而，受压蒸发冷却系统10可以采用这些类型的蒸发介质中的一种、以及现有技术中已知的或以后发明的其它类型。

[0026]此处的教义提供用于减少蒸发冷却系统10的压降，从而为燃气轮机入口9提供“加压空气”或“正加压”，导致产生来自燃气涡轮发动机的增大的动力。该加压至少部分补偿了燃气轮机在入口处产生的抽吸。这就导致产生来自燃气涡轮发动机增大的动力输出和增大的效率。也就是，由受压水管和喷嘴设备17所消耗的抽吸能量远小于通过将空气推动到涡轮入口9由内燃气涡轮发动机所获得的动力增加。由此，实现了来自燃气轮机的增大的输出。

[0027]为了方便，要认定术语“入口”包括所有可被放置在燃气轮机的压缩机上游的所有设备。这种设备可包括例如消音板和排流加热器。相应的，术语“入口”不限定于燃气轮机的压缩机的输入。

[0028]可修改水的喷射模式或水扇，从而最有效的推动空气。也就是，喷射模式不限于圆锥体喷射、凸状喷射、水扇或者此处公开的其它模式。

[0029]图5显示了将空气推动到入口9的水扇22。可以推测，可具有多种形式的喷嘴12、水流速和喷嘴水压，从而在入口9处实现期望量的压力增益。水扇9可以是圆锥体、凸状(正如图5所示)或者呈现任意认定合适的形式。

[0030]在另一实施例中，受压蒸发冷却系统10包括带有水喷射的空气洗涤器。除了提供此处描述的其它功能外，向下的喷射洗涤器冲洗掉流动空气中的灰尘和碎片。应当注意，在这个实施例中，喷射垂直于气流，同时在一些其它实施例中基本平行。相应的，喷射可以以一定角度提供，或者以角度的组合，其中喷射与气流平行、垂直或者呈一定角度。

[0031]图6显示了带有水喷射12的受压蒸发冷却系统10，覆盖滤室的整个表面。在图6A中，进入到介质14和喷嘴12上的水喷射12设置穿过滤室的表面。几何形状提供了对蒸发冷却系统10的介质14的完全覆盖。在图6B中，提供了图6A中系统的侧视图。在该视图中，热空气从过滤系统起从左侧进入，并在穿过该蒸发冷却系统10时冷却，接着进入压缩机。

[0032]可以意识到，介质14和漂浮物清除器的布置可具有多种形式。例如，喷嘴12不限于单个的平面阵列，可以以多平面阵列形式展开，在中间展开介质和漂浮物清除器中的至少一个。

[0033]在提供的不同优势中，蒸发冷却系统10提供了：将过滤室保持在地平面上；与现有技术设计相比较小的管道过滤室；自由能量增益(例如，比现有技术的饱和蒸发冷却器增大80％)；减少堵塞以及盐渍和污染物，改善过滤器寿命。

[0034]虽然已经参照示例性实施例对本发明做了描述，但是应当理解，在不偏离本发明的情况下，可以做出不同变化，并且用等同物替换其中的元件。另外，可进行很多修改来使特定情况或材料适应于本发明的教义，而不会偏离本发明的使实质范围。因此，本发明不意欲限定于所描述的认定为实施本发明的最佳实施例的特定实施例，而是本发明将包括所有落入附带的权利要求范围内的所有实施例。

部件清单

图4

入口                   9

受压蒸发冷却系统       10

喷嘴                   12

水喷射                 13

低压梯度蒸发介质       14

漂浮物清除器           15

圆锥体                 16

受压水管和喷嘴设备     17

集水坑                 18

图5

水扇               21

图6A带有水喷射的空气空气洗涤器    61

图6B

高效漂浮物清除器   31

水扇介质           22

Claims (10)

1.一种用于冷却通向燃气轮机的入口(9)的空气的设备，该设备包括:

受压水管和喷嘴设备(17)，用于在通向入口(9)的气流中产生水喷射(13)；

和蒸发介质(14)，用于接收该喷射(13)并且导致空气流中的空气受压。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于:该蒸发介质(14)包括低压梯度蒸发介质(14)。

3.根据权利要求1的设备，其特征在于:该蒸发介质(14)沿气流方向和重力方向中的至少一个方向流动。

4.根据权利要求1的设备，其特征在于:该蒸发介质(14)包括带有通道的介质，引发以向上角度和向下角度进行的流动。

5.根据权利要求1的设备，还包括:至少一个漂浮物清除器(15)。

6.根据权利要求5的设备，其特征在于:该漂浮物清除器(15)设置在位于受压水管和喷嘴设备(17)内的喷嘴(12)的上游和下游。

7.根据权利要求1的设备，还包括:受压水管和喷嘴设备(17)的水管(12)的设计，其产生圆锥体模式、凸式喷射模式、空气洗涤器和水扇(21)中一种。

8.一种用于使燃气轮机的入口加压的方法，该方法包括:

将水喷射到入口(9)上游的气流中；并

促使气流内空气受压。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于:增压补偿了燃气轮机的入口(9)处的抽吸压力。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于:喷射包括产生圆锥体水喷射、水扇、空气洗涤器和凸式水喷射(12)模式中的至少一个。

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