CN101994524A - 用于改变转子推力的系统和方法 - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及用于调节转子推力的系统和方法，具体而言，涡轮(36)包括定子(62)和转子(38)，转子(38)包括转子腔(68，70)。容纳过程副产品气体(42)的供应气室(40)和控制阀(44)连接到至少一个转子腔(68，70)上，以将过程副产品气体(42)供应至至少一个转子腔(68，70)。用于操作涡轮(36)的方法包括：将涡轮(36)与转子(38)连接；在转子(38)内产生多个腔(68，70)；以及将过程副产品气体(42)注入至少一个腔(68，70)。该方法还包括：根据预先编程的参数调节进入至少一个腔(68，70)中的过程副产品气体(42)的流。

Description

用于改变转子推力的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及用于改变转子上的轴向推力的系统和方法。具体而言，本发明将过程副产品气体供应给转子腔以在燃气涡轮机的转子上产生轴向推力。
背景技术
燃气涡轮机广泛地用于动力生产的商业运营中。图1图示了在现有技术中已知的典型的燃气涡轮机10。如图1中所示，燃气涡轮机10通常包括在前部的压缩机12、在中间部周围的一个或多个燃烧器14、和在后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16典型地共用公共转子18。
压缩机12包括附接到转子18上的多级压缩机叶片20。周围空气进入压缩机12的入口22，并且压缩机叶片20的转动给予工作流体(空气)动能以将工作流体带至高度增能状态。工作流体离开压缩机12并流至燃烧器14。
工作流体在燃烧器14中与燃料混合，并且点燃混合物以产生具有高温、高压和高速度的燃烧气体。燃烧气体离开燃烧器14，并流至涡轮16，燃烧气体在涡轮16处膨胀以做功。
周围空气在压缩机12中的压缩在转子18上沿向前方向朝向压缩机入口22产生轴向力。燃烧气体在涡轮16中的膨胀在转子18上沿向后方向朝向涡轮机排气口24产生轴向力。在燃气涡轮机10前部的推力轴承26将转子18保持就位，并防止转子18的轴向运动。为了减少转子18上的净轴向力，并因此降低推力轴承26的尺寸和相关成本，燃气涡轮机10典型地设计成使得由压缩机12和涡轮16产生的轴向力具有相似的量级。
图1图示了用来控制净轴向转子力的一种设计。空气抽吸管路28将压缩机12连接到涡轮16上。空气抽吸管路28为工作流体提供了绕过燃烧器14并且直接流至涡轮16的通路。分开的空气抽吸管路28将压缩机12的在前的级连接到涡轮16的在后的级上。通过这种装置，抽吸的工作流体具有比在喷射涡轮级处的燃烧气体更高的压力，从而确保抽吸的工作流体在与燃烧气体相同的方向上行进。抽吸的工作流体进入涡轮16并且加入到通过涡轮16的燃烧气体的流，从而在转子18上在向后方向上朝向涡轮机排气口24增加轴向力。
图1中所示的设计具有若干缺点。例如，抽吸的工作流体绕过燃烧器14，从而减小燃烧气体的体积以及燃气涡轮机10的总效率和输出。
另外，由于压缩机12通过转子18转动地联接到涡轮16上，因此可获得的抽吸的工作流体的量和压力直接依赖于燃气涡轮机10的运行水平。尽管在稳态运行期间是可接受的，但该设计在部分载荷运行或瞬态期间是较不理想的，在部分载荷操作或瞬态时，压缩机12的运行水平且因此压缩机的轴向推力可能实质上不同于涡轮16的运行水平，在推力轴承26上产生轴向力的不平衡，其可导致振动和不稳定。结果，推力轴承26必须更大，以在瞬态期间或在不同的运行水平时容纳净轴向转子力的更大变化。此外，由于抽吸的工作流体的量和压力直接根据燃气涡轮机的运行水平而变化，为了在任何给定的运行水平下产生期望的轴向推力，涡轮机转子的设计几何形状必然要受约束。
因此，需要一种系统和方法以独立于压缩机或涡轮的任一者的运行水平而控制轴向转子力。理想地，该系统和方法在稳态和瞬态操作水平期间都将最小化在推力轴承上的净轴向推力，并且将不减少燃气涡轮机的总效率，还将允许最优的转子几何形状以降低部件重量和成本。
发明内容
本发明的多个方面和优点在下面的描述中提出，或者可通过描述变得显而易见，或者可通过本发明的实践而获悉。
本发明的一个实施例是一种燃气涡轮机，其包括：压缩机；处在压缩机下游包括多个定子的涡轮；和将压缩机连接到涡轮上的转子。转子包括多个转子腔。该燃气涡轮机还包括容纳过程副产品气体的供应气室。供应气室包括控制阀，并且供应气室连接到至少一个转子腔上以将过程副产品气体供应至至少一个转子腔。
在本发明的另一个实施例中，燃气涡轮机包括：压缩机；处在压缩机下游包括多个定子的涡轮；和将压缩机连接到涡轮上的转子。转子包括多个转子腔。该燃气涡轮机还包括容纳过程副产品气体的供应气室。供应气室连接到至少一个转子腔上以将过程副产品气体供应到至少一个转子腔。控制器调节过程副产品气体到至少一个转子腔的流。
本发明的另一个实施例是用于操作具有压缩机和涡轮的燃气涡轮机的方法。该方法包括：通过转子将压缩机连接到涡轮上；在转子中产生多个腔；以及将过程副产品气体注入多个腔中的至少一个。该方法还包括根据预先编程的参数调节过程副产品气体进入多个腔中的至少一个的流。
本领域技术人员在查看说明书后将会更好地理解此类实施例的特征和方面及其它。
附图说明
在说明书的剩余部分中(包括参考附图)更具体地提出了本发明的完整且能够实施的公开，包括对本领域技术人员而言的本发明的最佳模式，其中：
图1示出了用于控制净轴向转子力的现有技术设计；
图2是本发明的一个实施例的系统示意图；
图3是图2中所示的燃气涡轮机的简化的横截面图；
图4是根据本发明一个实施例的图3所示的涡轮机的简化的横截面图；以及
图5是根据本发明的一个备选实施例的图3所示的涡轮机的简化的横截面图。
部件列表
10  燃气涡轮机
12  压缩机
14  燃烧器
16  涡轮
18  转子
20  压缩机叶片
22  压缩机入口
24  涡轮排气口
26  推力轴承
28  抽吸管路
30  燃气涡轮机系统
32  压缩机
34  燃烧器
36  涡轮
38  转子
40  供应气室
42  副产品气体
44  控制阀
46  压缩机叶片
48  压缩机入口
50  涡轮机排气口
52  推力轴承
54  推力轴承传感器
56  涡轮机外壳
58  翼型件
60  旋转间隔件
62  定子
64  叶轮
66  螺栓
68  转子-转子腔
70  转子-定子腔
72  隔膜密封件
74  阻挡件
76  控制器
78  传感器
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，本发明的一个或多个示例在附图中示出。详细的描述使用数字和字母标号来指示附图中的特征。在附图和描述中的相同或同样的标号用来指示本发明的相同或同样的部件。
作为对本发明的解释而非限制而提供了各个示例。事实上，本领域技术人员将清楚的是在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分而图示或描述的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因而，本发明意图覆盖落在所附权利要求书及其等同物的范围内的此类改型和变型。
图2示出了根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机30的框图。如图2中所示，燃气涡轮机30通常包括在前部的压缩机32、在中间部周围的一个或多个燃烧器34、以及在后部的涡轮36。压缩机32和涡轮36共用公共转子38。
燃气涡轮机30还包括容纳过程副产品气体42的供应气室40。供应气室40可包括一个或多个控制阀44，并且供应气室40连接到转子38中的腔上以将过程副产品气体供应至至少一个转子腔。过程副产品气体42可为商业系统所产生的任何废气，而不是压缩机32产生的气体或工作流体。例如，整体煤气化联合循环(IGCC)设备典型地包括用于从空气中产生氧气的空气分离单元。空气分离单元产生作为过程副产品气体的大量的排出氮，氮是适合用于本发明中的过程副产品气体，因为它具有类似于工作流体的分子量。然而，可使用其它的排出过程副产品气体并且落入本发明的范围内。
图3提供了图2中所示的燃气涡轮机30的简化的横截面图。压缩机32包括附接到转子38上的多级压缩机叶片46。周围空气进入压缩机32的入口48，并且压缩机叶片46的转动给予工作流体(空气)动能以使工作流体处于高度增能状态。工作流体离开压缩机32并流至燃烧器34。
工作流体在燃烧器34中与燃料混合，并且点燃混合物以产生具有高温、高压和高速度的燃烧气体。燃烧气体离开燃烧器34并流至涡轮36，燃烧气体在涡轮36处膨胀以做功。
周围空气在压缩机32中的压缩沿向前方向朝向压缩机入口48在转子38上产生轴向力。燃烧气体在涡轮36中的膨胀沿向后方向朝向涡轮机排气口50在转子38上产生轴向力。在燃气涡轮机30前部的推力轴承52将转子38保持就位，并防止转子38的轴向运动。尽管图3示出了在燃气涡轮机30前部的推力轴承52，但该推力轴承52可位于沿着转子38的任何位置。为了减少转子38上的净轴向力，并因此降低推力轴承52的尺寸和相应成本，理想地将燃气涡轮机30设计成使得由压缩机32和涡轮36产生的轴向力大体上相等且反向。
推力轴承传感器54可用来测量由转子38施加到推力轴承52上的轴向推力的量和方向。传感器54可以是构造成测量施加到推力轴承52的力和方向的压电电桥。
图4提供了根据本发明的一个实施例的图3中所示的涡轮36的简化的横截面图。涡轮机外壳56包围了旋转翼型件58、旋转间隔件60和固定的喷嘴或定子62的交替的排。翼型件58附接到叶轮64上，并且螺栓66将叶轮64和旋转间隔件60连接到转子38上。定子62附接到外壳56上。
来自燃烧器34的燃烧气体流向涡轮36。当燃烧气体穿过翼型件58时，燃烧气体膨胀，导致翼型件58、叶轮64、间隔件60和转子38旋转。燃烧气体然后流向定子62，定子62将燃烧气体再引导至下一排的旋转翼型件58，并且该过程在随后的级中重复。
转子38包括不同的腔，称为转子-转子腔68和转子-定子腔70。在定子62和旋转间隔件60之间的隔膜密封件72形成转子-定子腔70的边界，并防止或限制在相邻的转子-定子腔70之间的流。类似地，在叶轮64内部的阻挡件74防止或限制在转子38内的相邻的转子-转子腔68之间的流。结果，相邻的转子-转子腔68可具有不同的内压，从而在转子38上产生轴向力。
如图4中所示，容纳过程副产品气体42的供应气室40可连接到转子38的每一侧上。控制器76指示在各个供应气室40中的控制阀44的位置控制，以调节过程副产品气体42至转子-转子腔68的流。根据控制器76的指示，过程副产品气体42增加转子-转子腔68中的压力，以在转子-转子腔68之间产生压差并在转子38上产生任一方向的轴向推力。另外，过程副产品气体42清除转子-转子腔68的任何热燃烧气体，从而降低转子-转子腔68中的温度。
控制器76可从多个源中的任何一个接受信号以确定控制阀44的适当位置，从而实现转子-转子腔68之间的期望压差。例如，推力轴承传感器54(图3中示出)可将反映施加到推力轴承52上的净轴向力的方向和量的信号发送至控制器76，然后控制器76可调节控制阀44的位置以实现在推力轴承52上的期望的净轴向力。在备选实施例中，转子38可包括转子-转子腔68中的传感器78。传感器78可将反映转子-转子腔68中的压力或温度的信号发送至控制器76，然后控制器76可调节控制阀44的位置以实现转子-转子腔68之间的期望压差或转子-转子腔68中的期望温度。在又一个实施例中，控制器76可接收反映压缩机32、燃烧器34或涡轮36的运行水平的信号，并根据预先编程的计划调节控制阀44以对于给定的功率水平而实现在转子38上的期望的轴向推力。
图5是根据本发明的一个备选实施例的图3中所示的涡轮机的简化的横截面图。参考图4对涡轮36的构件进行了描述。在该实施例中，容纳过程副产品气体42的供应气室40穿过外壳56和定子62，以将过程副产品气体提供给转子-定子腔70。控制器76再次指示在各个供应气室40中的控制阀44的定位，以调节过程副产品气体42至转子-定子腔70的流。根据控制器76的指示，过程副产品气体42增加转子-定子腔70中的压力，以在间隔件60上并且进而在转子38上产生任一方向上的轴向推力。另外，过程副产品清除转子-定子腔的任何高温燃烧气体，并防止任何高温燃烧气体在运行期间进入转子-定子腔，从而防止高温燃烧气体增加转子38的温度。
如先前参考图4中所示的实施例所描述的，控制器76可从多个源中的任一个接收信号，比如推力轴承传感器54(图3中所示)；温度或压力传感器78；或者压缩机32、燃烧器34或涡轮36的运行水平，以确定控制阀44的适当位置，进而实现在转子-定子腔70之间的期望压差，以产生期望的轴向推力。
本发明还包括用于操作根据前述的任何一个实施例的燃气涡轮机的方法。参考图3、图4和图5，例如，该方法通过转子38将压缩机32连接到涡轮36上。该方法还包括：在转子38中产生多个腔68、70；以及将过程副产品气体42注入多个腔68、70中的至少一个。过程副产品气体42可被直接注射通过转子38(如图4所示)或通过定子62(如图5所示)。该方法根据预先编程的参数调节过程副产品气体42进入多个腔68、70中的至少一个的流。预先编程的参数可包括，例如，转子38上的期望的轴向推力或转子腔68、70中的期望的温度或压力。
本领域技术人员应当了解的是，在不脱离于所附权利要求书及其等同物中所提出的本发明的范围和精神的情况下，可对在本文中提出的本发明的实施例做出改型和变型。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮机(30)，包括：
压缩机(32)；
在所述压缩机(32)的下游的涡轮(36)，其中，所述涡轮(36)包括多个定子(62)；
将所述压缩机(32)连接到所述涡轮(36)上的转子(38)，所述转子(38)包括多个转子腔(68，70)；以及
容纳过程副产品气体(42)的供应气室(40)，其中，所述供应气室(40)包括控制阀(44)，并且所述供应气室(40)连接到至少一个所述转子腔(68，70)上以将所述过程副产品气体(42)供应至至少一个所述转子腔(68，70)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(30)，其特征在于，所述供应气室(40)连接到多个转子腔(68，70)上。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮机(30)，其特征在于，所述供应气室(40)通过至少一个定子(62)连接到至少一个所述转子腔(68，70)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮机(30)，其特征在于，所述燃气涡轮机还包括控制器(76)，所述控制器用来调节到至少一个所述转子腔(68，70)的所述过程副产品气体(42)的流。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮机(30)，其特征在于，所述控制器(76)根据转子腔压力或温度调节到至少一个所述转子腔(68，70)的所述过程副产品气体(42)的所述流。
6.根据权利要求4所述的燃气涡轮机(30)，其特征在于，所述控制器(76)根据所述涡轮(36)的功率水平调节到至少一个所述转子腔(68，70)的所述过程副产品气体(42)的所述流。
7.一种用来操作具有压缩机(32)和涡轮(36)的燃气涡轮机(30)的方法，包括：
通过转子(38)将所述压缩机(32)连接到所述涡轮(36)上；
在所述转子(38)中产生多个腔(68，70)；
将过程副产品气体(42)注入所述多个腔(68，70)中的至少一个；以及
根据预先编程的参数调节进入所述多个腔(68，70)中的至少一个的所述过程副产品气体(42)的流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：接收穿过在所述涡轮(36)内的定子而进入所述多个腔(68，70)中的至少一个的所述过程副产品气体(42)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据在所述腔(68，70)中的压力或温度调节进入所述多个腔(68，70)中的至少一个的所述过程副产品气体(42)的所述流。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据在所述转子(38)上的力调节进入所述多个腔(68，70)中的至少一个的所述过程副产品气体(42)的所述流。
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