CN101793269A - 利用轴承油余热的压缩机间隙控制系统 - Google Patents

利用轴承油余热的压缩机间隙控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机间隙控制系统(100)，燃气涡轮发动机(10)具有带有油流(85)的油再循环系统(70)以及带有外壳(24)和多个转子叶片(22)的压缩机(20)。压缩机间隙控制系统(100)可包括位于压缩机(20)的外壳(24)周围的外壳热交换器(100)和与外壳热交换器(110)和油再循环系统(70)连通的管道(120)，以便利用来自油再循环系统(70)的油流(85)来加热压缩机(20)的外壳(24)。

Description

利用轴承油余热的压缩机间隙控制系统
技术领域
本申请大致涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及到压缩机间隙控制系统，该压缩机间隙控制系统通过利用轴承油余热来提供对前端转子叶片间隙或其它类型间隙的控制。
背景技术
当总功率需求低的时候，电力生产者往往把他们的发电设备调至低功率水平以节省燃料。在燃气涡轮发动机的情况下，压缩机入口周围的入口导向叶片可关闭到最小角度，以减少流过的气流和总功率输出。特别地，通过入口导向叶片的空气在低入口导叶角度时可能会经历相当大的压力下降。压缩机的前端本质上作为涡轮起作用，并在称为自由回转(turbining)现象中从气流中提取能量。因此，低压可导致围绕着压缩机入口外壳的气流温度迅速下降。考虑到稳定性，如此低的温度可能需要外壳和转子叶片之间的更加稳定状态的间隙。
因为压缩机的金属外壳具有慢于转子叶片的热响应时间，当过渡到更高负载或在超速条件下的时候，转子叶片可能以快于外壳的速度膨胀，导致转子叶片靠近外壳并可能与其摩擦。摩擦可导致早期的转子叶片的损坏和可能的失效。因此，操作的转子/外壳间隙必须适应这些不同的膨胀速度。这些间隙发生作用并因此限制了可进入压缩机的核心流的量。
因此需要用于压缩机的改进的间隙控制系统和方法，以改进整体燃气涡轮发动机的性能和效率。优选的是，改进的压缩机间隙控制系统和方法还应解决在低负载或无负载情况期间的自由回转问题，以及负载过渡期间的转子叶片摩擦问题。特别地，在没有间隙不够(摩擦，损坏)或间隙太大(性能的损失，失速，损坏)的危险的情况下，减小操作方式方面的间隙的范围。
发明内容
因此本申请提供了用于燃气涡轮发动机的压缩机间隙控制系统，该燃气涡轮发动机具有带有油流的油再循环系统以及带有外壳和多个转子叶片的压缩机。该压缩机间隙控制系统可包括位于压缩机的外壳周围的外壳热交换器和与外壳热交换器及油再循环系统连通的管道，以便利用来自油再循环系统的油流来加热压缩机的外壳。
本申请还提供了为燃气涡轮发动机提供间隙控制的方法，该燃气涡轮发动机具有带有油流的油再循环系统以及带有外壳和多个转子叶片的压缩机。该方法可包括下面步骤：旋转位于外壳内的转子叶片，使油流过轴承箱来获得其中的热，引导油流围绕压缩机的外壳，在油流和外壳之间交换热，以及使外壳热膨胀或阻止外壳热收缩。
本申请还提供了用于燃气涡轮发动机的压缩机间隙控制系统，该燃气涡轮发动机具有带有外壳和多个转子叶片的压缩机。该压缩机间隙控制系统可包括与压缩机连通的带有油流的油再循环系统，位于压缩机的外壳周围的外壳热交换器和与外壳热交换器和油再循环系统连通的管道，以便利用来自油再循环系统的油流来加热压缩机的外壳。
对本领域技术人员来说，通过阅读结合下面若干附图和权利要求的详细描述，本申请的这些和其它特征以及改进将变得清楚。
附图说明
图1是已知的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是位于压缩机外壳周围的转子叶片的横截面图。
图3是带有本文所述的压缩机间隙控制系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图4是带有本文所述的压缩机间隙控制系统的备选实施例的燃气涡轮发动机的示意图。部件列表10 燃气涡轮发动机20 压缩机22 转子叶片24 外壳26 入口28 出口30 燃烧器40 涡轮机50 外部负载60 入口导向叶片70 轴承油再循环系统75 轴承箱80 轴承油热交换器81 输入管道82 输出管道85 油流90 轴承油再循环系统91 轴承箱92 轴承油热交换器100 压缩机间隙控制系统110 外壳热交换器120 管道130 泵140 阀200 压缩机间隙控制系统210 外壳热交换器220 管道230 泵240 阀
具体实施方式
现在参考附图，其中若干图中相同的标号指相同的元件，图1和2示出燃气涡轮发动机10的示意图。众所周知，燃气涡轮发动机10可包括压缩机20来压缩进来的气流。压缩机20包括位于外壳24内的多个转子叶片22。压缩机20输送压缩气流到燃烧器30。燃烧器30将压缩气流与燃料流混合并点燃该混合物。(虽然只显示了一个燃烧器30，燃气涡轮发动机10可包括任何数量的燃烧器30。)热燃烧气体接着被输送到涡轮机40。热燃烧气体驱动涡轮机40，以产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功驱动压缩机20和诸如发电机等的外部负载50。燃气涡轮发动机10可使用天然气，各种类型的合成气，以及其它类型的燃料。
燃气涡轮发动机10可以是由New York的Schenectady的通用电气公司提供的9FA涡轮机或类似设备。本文可使用其它类型的燃气涡轮发动机10。燃气涡轮发动机10可具有其它的配置和使用其它类型的部件。多个燃气涡轮发动机10，其它类型的涡轮机，和/或其它类型的发电设备可一起使用。
可能通过使用多个位于压缩机的20的入口26周围的入口导向叶片60来部分控制燃气涡轮发动机10的负载。特别地，可通过改变入口导向叶片60的位置来调节燃气涡轮发动机10的输出以改变进入压缩机20的空气的量。
燃气涡轮发动机10还可利用轴承油再循环系统70。油流润滑转子和其它部件周围的轴承。轴承油再循环系统70从油流除去当油通过轴承箱75时所获得的余热。众所周知，轴承油再循环系统70可包括与压缩机20连通的轴承油热交换器80。轴承油再循环系统70可具有与轴承箱75和轴承油热交换器80连通的输入管道81和输出管道82。油流85当通过轴承箱75时可获得约50至60华氏度(约10至15.6摄氏度)。所获得的温度可以变化。佘热一般是相对低级别的热量，因此，该热通常是被排出或以其它方式散失。本文可使用其他方法和配置。
图3示出本文所述的压缩机间隙控制系统100。压缩机间隙控制系统100可安装到如上所述的燃气涡轮发动机10。压缩机间隙控制系统100可同样地与其它类型的涡轮机系统一起使用。
压缩机间隙控制系统100可包括压缩机外壳热交换器110。外壳热交换器110可以是任何类型的热交换器，该热交换器绕入口26或以其它方式将热传递给压缩机20的外壳24。压缩机外壳热交换器110可用在任何阶段或任何位置。压缩机间隙控制系统100还包括一个或多个与压缩机20的轴承油再循环系统70的轴承箱75连通的管道120。特别地，热轴承油流85可通过外壳热交换器110来加热压缩机20的外壳24。通过外壳热交换器110后，接着，油流85可以被泵送回到轴承油热交换器80。如果需要，泵130可位于管道120的周围。同样，根据需要，一个或多个阀140可位于管道120上。油流85可从任何方向流过外壳热交换器110。
因此，来自轴承箱75的热轴承油流85的热被传递到围绕着压缩机20的入口26的外壳24的金属上。因此，压缩机20的外壳24的收缩或热收缩可被控制来避免由转子叶片22造成的摩擦。同样，可促进外壳24的膨胀。因此，当由于例如低负载或无负载情况入口导向叶片60接近或大约在最小角度的时候可利用压缩机间隙控制系统100。同样，压缩机间隙控制系统100可用于寒冷环境条件下以及负载过渡期间。因此，燃气涡轮发动机10可被调低至低功率，由于自由回转或其它原因导致的转子叶片摩擦的机会会更小。同样，入口导向叶片60可闭合至更低的角度，以进一步地调低功率输出。
压缩机间隙控制系统100不仅允许更低的调节，而且还可促进更高的整体功率输出。总体的操作的转子叶片顶端间隙可被收紧，通过更长的转子叶片22使得对外壳温度的可控性增加。特别地，收紧转子叶片间隙会导致功率输出的增加。对于不同类型的涡轮机，改进将有很大的不同。此外，压缩机间隙控制系统100利用来自轴承箱75的余热，以避免与已知的入口排热系统和其他已知的技术有关的效率障碍。
压缩机间隙控制系统100可安装在新的或现有的燃气涡轮发动机10上。压缩机间隙控制系统100可用在任何有自由回转或主动间隙控制问题的机器上。
图4示出压缩机间隙控制系统200的另一个实施例。本实施例也包括位于入口26周围的压缩机20的外壳24上的外壳热交换器210。在此实施例中，涡轮机40也包括轴承油再循环系统90和与涡轮机轴承油热交换器92连通的轴承箱91。压缩机间隙控制系统200也包括一个或多个与涡轮机40的轴承油再循环系统90的轴承箱91连通的管道220。特别地，热轴承油流可通过外壳热交换器210来加热压缩机的20的外壳24。通过外壳热交换器210后，接着，油流85可被泵送回到轴承油热交换器92。如果需要，泵230可位于管道220的周围。同样，根据需要，一个或多个阀240可位于管道220上。油流85可从任何方向流过外壳热交换器210。本文可使用其它类型的热和/或油循环系统。
很明显，上述内容只涉及本申请的某些实施例，在不违背权利要求书及其等价物所限定的本发明的一般精神和范围情况下，本领域技术人员可进行很多变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机间隙控制系统(100)，所述燃气涡轮发动机(10)具有带有油流(85)的油再循环系统(70)以及带有外壳(24)和多个转子叶片(22)的压缩机(20)，所述压缩机间隙控制系统(100)包括：
位于所述压缩机(20)的所述外壳(24)周围的外壳热交换器(110)；和
与所述外壳热交换器(110)和所述油再循环系统(70)连通的管道(120)，以便利用来自所述油再循环系统(70)的所述油流(85)来加热所述压缩机(20)的所述外壳(24)。
2.根据权利要求1所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括位于一个或多个所述管道(120)上的泵(130)。
3.根据权利要求1所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括位于一个或多个所述管道(120)上的阀(140)。
4.根据权利要求1所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括压缩机轴承油箱(75)。
5.根据权利要求4所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括与所述压缩机轴承油箱(75)连通的压缩机轴承油热交换器(80)。
6.根据权利要求1所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括涡轮机轴承油箱(91)。
7.根据权利要求6所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括与所述涡轮机轴承油箱(91)连通的涡轮机轴承油热交换器(92)。
8.根据权利要求1所述的压缩机间隙控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机间隙控制系统(100)还包括位于所述压缩机(20)周围的多个入口导向叶片(60)。
9.一种为燃气涡轮发动机(10)提供间隙控制的方法，所述燃气涡轮发动机(10)具有带有油流(85)的油再循环系统(90)以及带有外壳(24)和多个转子叶片(22)的压缩机(20)，所述方法包括：
旋转位于所述外壳(24)内的所述多个转子叶片(22)；
使油(85)流过轴承箱(75)来获得其中的热；
引导所述油流(85)围绕所述压缩机(20)的所述外壳(24)；
在所述油流(85)和所述外壳(24)之间交换热；以及
使所述外壳(24)热膨胀或阻止所述外壳(24)热收缩。
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