CN101709673B - 用于冷却燃气涡轮机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机(2)的冷却系统，包括：鼓风机(12)，配置成产生穿过涡轮机(2)的转子空腔的冷却气流(22，24)；管道(14，18)，配置成传送冷却气流(22，24)至涡轮机(2)；以及至少一个阀(15，17，21，19)，配置成控制冷却气流(22，24)。管道(14，18)可操作地连接到涡轮机(2)的转子(34，36，38)上。冷却涡轮机的方法，包括：用鼓风机产生穿过涡轮机的转子空腔的冷却气流；以及传送冷却气流至涡轮机。

Description

用于冷却燃气涡轮机的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于冷却燃气涡轮机的装置和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括用于压缩外界气体的压缩机，该外界气体用于与燃料混合并在燃烧器中被点燃以产生燃烧气体。涡轮机接收热的燃烧气体，并从其中吸取能量以向压缩机提供动力和产生输出动力，例如，向发电机提供动力。涡轮机通常包括一级或多级定子喷嘴或静叶(vane)、转子叶片(rotor blade)以及围绕涡轮叶片(turbine blade)以与其保持适当间隙(clearance)的环形罩。由于涡轮机入口温度已经升高以改进燃气涡轮发动机的效率，因而有必要向涡轮机静叶(turbinevanes)、叶片(blades)以及罩提供诸如气体的冷却流体以将这些构件的温度保持在其材料能够承受的水平，从而确保构件的令人满意的使用寿命。冷却是典型地通过从压缩机吸取被压缩机压缩的气体的一部分并将其引导至涡轮机的构件以冷却它们而完成的。任何在压缩机中被压缩却没有被用于产生燃烧气体的气体必然降低发动机的效率。因此，期望减小从压缩机流出的冷却气体的量。
涡轮设备(turbo-machinery)的性能和可靠性受到旋转硬件和静止硬件之间的间隙的影响。更紧密的间隙产生更高的效率，但也增加了来自摩擦的损坏的可能性。在工作期间，燃气涡轮机的外壳比典型的涡轮机转子上的转子冷却地更快。在热重启的期间，外壳和转子之间的热失配可能导致转子比定子具有更大的热增长的初始分量(initialcomponent)，随后，由于单元的速度增加，转子承受机械增长(mechanical growth)的附加分量。这导致短暂的间隙夹点(clearancepinch point)。随着时间推移和定子升温，外壳逐渐疏远转子，导致更开放的全速全负荷(FSFL)间隙。单元的构造间隙(build clearance)必须以在短暂夹点期间避免摩擦并在FSFL时依然紧密的方式设定。将最小间隙和FSFL间隙之间的差别定义为“授权(entitlement)”。该授权由转子和外壳之间的热失配决定。
致力于该问题的以前的尝试包括主动的间隙控制系统。例如，涡轮机内壳可以在启动期间与介质(例如空气、N2、蒸汽)一起被加热以使定子逐渐疏远转子，或者在FSFL被冷却以使壳更靠近转子。作为另一个示例，在该单元已达到FSFL后，可以使用液压缸(hydraulic ram)移动转子沿轴向进入位置。涡轮机中的动叶尖端(bucket tip)和外壳罩(casing shroud)的角度大于相关角度，并且，压缩机和该角度失配能够在短暂夹点期间消除动叶尖端和外壳罩之间的摩擦。
在短暂夹点期间避免摩擦的现有的尝试要求动叶和外壳之间的相对较大的间隙，和/或连续地运转以在处于FSFL的燃气涡轮机工作的期间获得间隙的昂贵系统的使用。
发明内容
根据一个实施例，用于涡轮机的冷却系统包括：鼓风机，配置成产生穿过涡轮机的转子空腔的冷却气流；管道，配置成传送冷却气流至涡轮机；以及至少一个阀，配置成控制冷却气流。管道可操作地连接到涡轮机的转子上。
冷却燃气涡轮机的方法包括冷却涡轮机的方法，该方法包括：用鼓风机产生穿过涡轮机的转子空腔的冷却气流；以及传送冷却气流至涡轮机。
附图说明
图1示意性地描绘了包括根据本发明的一个实施例的用于冷却燃气涡轮机的装置的涡轮机。
具体实施方式
参考图1，燃气涡轮机2包括压缩机部分4和燃烧器6。压缩机可以是轴向压缩机，其具有被布置成多级以依次地压缩气体的定子叶片和转子叶片的交替的行，并且，各个随后的下游级将压力增加得越来越高直至气体以最大压强从压缩机出口排出。燃烧器6从压缩机部4接收被压缩的出口气体。还提供有常规的燃料供给管和喷射器(未显示)以将合适的燃料与被压缩的出口气体混合，从而经过燃烧器6中的燃烧而产生热的燃烧气体。
涡轮部分8位于燃烧器6的下游，并且热的燃烧气体的能量被涡轮部分8转化为功。热的气体膨胀，并且在涡轮部分8的喷嘴部分中一部分热能被转化为动能。喷嘴部分包括多个定子叶片或喷嘴28、30、32。例如，第一级喷嘴包括定子叶片28，第二级喷嘴包括定子叶片30，第三级喷嘴包括定子叶片32。
涡轮部分8还包括动叶(bucket)部分。在动叶部分中，一部分动能被传递至分别连接到转子轮34、36、38上的动叶40、42、44，然后被转化为功。轮34和动叶40形成第一级，轮36和动叶42形成第二级，轮38和动叶44形成第三级。在各对转子轮之间可以提供隔离件(spacer)50、52。
在涡轮机2的停机期间，提供鼓风机12以冷却涡轮部分8的转子。鼓风机12通过第1级管道14和第2级管道18而连接到后盘(aftdisk)的后轴(aft shaft)26的内径上，第1级管道14配置成在第一级和第二级之间传送气体的流动，第2级管道18配置成在第二级和第三级之间传送气体的流动。在第1级管道14中可以提供包括鼓风机止回阀15和管道止回阀17的第一组止回阀。在第2级管道18中可以提供包括鼓风机止回阀21和管道止回阀19的第二组止回阀。在第1级管道和第2级管道中可以分别提供混合三通管16、20。备选地，可以用真空装置替代鼓风机12，以将气体吸出涡轮机2。
鼓风机12通过诸如动叶供给系统的外部供给孔(externally fedbore)(EFB)回路10而连接到燃气涡轮机2上。对于现有的燃气涡轮机而言，通过在后轴26之下改装孔插头(bore plug)，可以将鼓风机改装到燃气涡轮机2上。鼓风机管道14、18可以连接到后轴26的内径上并结合回止阀15、17、19、21一起使用。在正常工作期间，即非停机条件下，鼓风机12停止，鼓风机止回阀15、21关闭且管道止回阀17、19打开。
在燃气涡轮机2的可能包括跳闸之间或清洗时等的停机的以任何速度工作的期间，操作鼓风机12以冷却涡轮部分8的转子，设定鼓风机12的大小和时间，使得转子的冷却速率等于或快于燃气涡轮机2的外壳的冷却速率。这允许燃气涡轮机2在任何时刻重启并使转子温度等于或低于定子温度。鼓风机12的工作可以由控制器48控制。控制器48可以是经过专门编程的通用计算机，或者是微处理器。控制器48也可以是ASIC。控制器48可以基于被发送到控制器48的来自诸如转子和外壳的涡轮部分中的温度传感器的信号而控制鼓风机12的工作。鼓风机12可以被用来在FSFL工作的期间冷却其它设备硬件，例如排气框架/外壳。
当通过鼓风机12产生预定的气态流时，第一鼓风机止回阀15和第二鼓风机止回阀21配置成打开。同时，第一管道止回阀17和第二管道止回阀19配置成关闭，使得所有的鼓风机的流被引导至涡轮部分8。应当认识到，第一止回阀组15、17和第二止回阀组19、21可以配置成在相同或不同的气态流打开。例如，第一止回阀组15、17可以配置成在第一气态流打开，第二止回阀组19、21可以配置成在比第一气态流高的第二气态流打开。应当认识到，可以使用除止回阀以外的其它阀。还应当认识到，控制器48可以配置成控制阀的工作。
如图1所示，第1级的冷却流22用实线表示，第2级的冷却流24用虚线表示，涡轮清洗54的流用点线表示。
相对于现有技术系统的主动间隙控制选项，EFB回路10和鼓风机12的使用以更低的成本在机械增长和超出圆度允许时向燃气涡轮机2提供充足的间隙。设有EFB回路10和鼓风机12的燃气涡轮机2能够以更紧密的间隙运行，且不需要连续地运行以获得所需要的间隙的昂贵系统。当转子比外壳热时，鼓风机12运行在非FSFL条件下。这可以被用来实行其它的设备功能，例如FSFL期间的排气框架的冷却。
可以实行热传递分析，该分析模拟鼓风机在停机期间冷却涡轮部分8的转子，以确定需要多少气流来匹配定子时间常数，从而使转子的冷却速率与燃气涡轮机2的外壳的冷却速率匹配。因而，通过使停机时间常数与转子的增大相匹配来控制间隙。与使用在启动或FSFL的期间对移动定子进行处理的间隙控制系统的现有技术系统不同，设有鼓风机12和EFB回路10的燃气涡轮机2具有以下优点：它在非设计点(non-design points)的期间作用于转子，因此在产品成本方面相对不贵，且不代表FSFL期间的燃气涡轮机2的性能上的流失。
虽然上述实施例以燃气涡轮机为上下文，但应当认识到，上述冷却装置和方法也可应用于蒸汽涡轮机。
虽然结合目前被认为是最实用和优选的实施例来描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，旨在覆盖被包括在所附的权利要求的要旨和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (19)

1.一种用于涡轮机的冷却系统，包括：
鼓风机，配置成产生穿过所述涡轮机的转子空腔的冷却气流；
管道，将所述鼓风机连接到所述涡轮机的后轴上，所述管道配置成在所述涡轮机的多级之间传送所述冷却气流；以及
至少一个阀，配置成控制所述冷却气流；
其中，所述管道可操作地连接到所述涡轮机的转子上。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个阀在所述涡轮机的全速全负载工作的期间，配置成关闭，在所述涡轮机的非基本负载工作的期间，配置成打开。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括控制器，该控制器配置成控制所述鼓风机的工作以提供所述冷却气流，从而与无所述鼓风机时的工作相比加快所述转子的冷却速率。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括控制器，该控制器配置成控制所述至少一个阀的工作。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统连接到外部冷却传送回路上。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，将所述鼓风机操作为真空装置，以从所述涡轮机内抽出冷却气体。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述管道包括第一级管道，该第一级管道配置成在所述涡轮机的第一级和第二级之间传送所述冷却气流。
8.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个阀包括可操作地连接到所述鼓风机上的第一鼓风机止回阀和可操作地连接到所述涡轮机的所述第一级管道上的第一管道止回阀。
9.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，所述管道包括第二级管道，该第二级管道配置成在所述涡轮机的第二级和第三级之间传送所述冷却气流。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个阀还包括可操作地连接到所述鼓风机上的第二鼓风机止回阀和可操作地连接到所述涡轮机的所述第二级管道上的第二管道止回阀。
11.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却气流包括空气。
12.一种涡轮机，包括权利要求1的冷却系统。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机是燃气涡轮机。
14.一种冷却涡轮机的方法，包括：
用鼓风机产生穿过所述涡轮机的转子空腔的冷却气流；以及
在所述涡轮机的多级之间传送所述冷却气流穿过管道，所述管道将所述鼓风机连接到所述涡轮机的后轴上，其中，所述冷却气流的传送由至少一个阀控制。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，产生所述冷却气流包括在所述涡轮机的外壳之外产生所述冷却气流。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述涡轮机的非基本负载工作的期间产生所述冷却气流。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，产生所述冷却气流，从而与无鼓风机时的工作相比加快所述涡轮机的转子的冷却速率。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷却气流包括空气。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述涡轮机的多级之间传送所述冷却气流穿过管道包括在所述涡轮机的第一级和第二级之间传送所述冷却气流穿过第一级管道。
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