CN102032046A - 用于燃气涡轮机的冷却系统和对应的操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气涡轮机的操作方法，包括：通过压缩机来压缩工作流体；将这个压缩工作流体供给到至少一个燃烧室中，在该至少一个燃烧室中使压缩工作流体过热；在至少一个膨胀涡轮中使这个过热工作流体膨胀，以产生能量；执行来自压缩机的压缩工作流体的第一分流，以将其供给到涡轮的第一空腔中，以进行冷却；在第一分流的下游执行工作流体的第二分流，以将其供给到第一空腔的上游的涡轮的第二空腔中，以进行冷却；以及将第一分流流体地连接到第二分流上，以在部分负载运行状态期间通过第二分流的一部分选择性地供给第一分流，以将第一空腔的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮机的一种方法及其相应的冷却系统；本发明还涉及包括这个冷却系统的燃气涡轮机。
背景技术
在其主要特征方面，燃气涡轮机包括封闭在加压箱内的轴向压缩机、若干个燃烧室和膨胀涡轮。来自大气的空气进入压缩机中，并且被压缩，以供给到燃烧室中，在燃烧室中，空气与可燃物反应，形成处于高温(典型地约1000-1300℃)的气体；然后热气沿着膨胀线路供给到膨胀涡轮中，在膨胀涡轮中，热气膨胀，从而启动叶片而将其本身的热能转化成机械能。
一般而言，建造燃烧室所用的材料需要强大的冷却器来避免破裂。它们在机器的这个区域中经受极高的温度。对于机器的效率和可靠性而言，直接经受高温气体的膨胀涡轮构件的冷却也是特别关键的。
实际上，涡轮机的最大可分配功率基本上取决于过程气体可达到的最大温度，其基本上由制造与气体直接接触的构件所用的材料的抵抗力来限制。
因此非常重要的是正确地冷却这些构件，以增大最大可分配功率，同时降低破裂的可能性，破裂对于机器而言将可能是灾难性的。
注意到过程气体的温度沿着膨胀线路而降低，在该膨胀线路上，经受最高温度的构件在燃烧室附近布置在膨胀线路的上游。实际上，如果这些构件不被冷却，它们会比不直接经受热气的构件损坏得更快，即使是当在具有或不具有热障的情况下由特殊材料制成时也是如 此。
具体而言，考虑到布置在膨胀线路的上游的这些构件的重要性，已经发展出尤其精制并且同时生产和维护昂贵的冷却技术，其中有例如薄膜冷却、冲击、受迫的湍流或适当的热障的使用(如本领域熟练人员众所周知的)。
还注意到，用于直接经受处于最高温度的气体的构件的冷却系统大体上有助于冷却空气的流动调节；然而，为了修改这些构件中的一个的冷却，通常必须对系统作出大的修改或更换构件；从而导致维护和改造成本增加。
另一方面，存在不直接经受过程气体的膨胀涡轮的构件和区域，并且通常它们不需要特殊材料来构造它们，而且，如果它们不被冷却，它们不会像直接经受过程气体的构件那样损坏的那么快。因此，这些构件较不关键，并且因此，用来冷却它们的技术更简单且较不昂贵。
那么，目前，不管技术发展如何都是有问题的，并且存在以相对有限的成本制造具有不断改进的性能的燃气涡轮机的需要；这些机器一般设计成具有更好的性能，并且在满负载运行状态期间抵抗可达到的最大温度。
发明内容
本发明有这样的目的：对用于燃气涡轮机的冷却系统作出一些改进，以克服上述缺点中的至少一些。
本发明的特定目的通过以下事实给出：实现用于燃气涡轮机的一种方法及其有关冷却系统，达到在特定运行状态期间改进机器的某些构件或区域的冷却的程度。这些目的和好处在本质上是通过根据权利要求1的功能性方法、根据权利要求4的冷却系统和根据权利要求7的燃气涡轮机而获得的。
根据第一方面，本发明的目的是一种至少包括以下阶段的用于燃气涡轮机的功能性方法：通过压缩机来压缩工作流体；将这个压缩工 作流体供给到至少一个燃烧室中，在该至少一个燃烧室中使压缩工作流体过热；在至少一个膨胀涡轮中使这个过热工作流体膨胀，以产生能量；执行来自压缩机的压缩工作流体的至少第一分流(tapping)，以将其供给到膨胀涡轮的第一空腔中，以进行冷却；在第一分流的下游执行工作流体的第二分流，以将其供给到置于第一空腔的上游的膨胀涡轮的至少第二空腔中，以进行冷却；以及将第一分流流体地连接到第二分流上，以在部分负载运行状态期间通过第二分流的一部分选择性地供给第一分流，以将第一空腔的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
关于“膨胀涡轮的空腔”，在本描述和所附的权利要求书的范围内，其意指不直接经受在膨胀涡轮中流通的高温流体的所有空腔或叶片，且特别地理解为表示在涡轮机箱上制造的定子空腔或涡轮的叶轮空间。
简而言之，将盘空腔或叶轮空间理解为表示定子结构和膨胀涡轮的叶片的支承盘之间的空间，或支承盘和相邻的盘之间的空间；因此其大体上包括显示的机器的所有构件或部件，同样见下面的描述。
工作流体大体上通过将空气从大气中吸入压缩机来产生；因此，过热工作流体产生处于高温的大气空气和燃烧气体的混合物。
在涉及本发明的特别有利的行为中，调节阶段(e)具有特定的应用，并且无论其是由于特定装置的故障的原因还是由于特定大气条件的原因(诸如，例如，当需要可分配功率的仅一小部分时，或在呈现突然的大气热范围时或在机器的启动期间等)，当第一分流的压力不足以产生足够强到冷却空腔的流体流时，启动该调节阶段。
具体而言，注意到在一些工业应用中，存在特别设计成持续地以满负载工作、以便以普遍恒定的输出提供最大量的可用能量的燃气涡轮机，例如用来引导发电机的涡轮机。在这种情况下，运行状态很大程度上对应于机器的启动或停机或者偶然的、即时的机器阻塞期间的状态。
另一方面，在其它工业应用中，涡轮机特别设计成不以满负载工作，以供应可变量的能量输出，例如用作航空马达或者用于启动处于可变负载下的机器(压缩机或其它)的涡轮机。
根据行为的有利形式，又一个阶段就绪，以持续且直接地监测第一空腔的温度，即通过设置在同一导叶的内侧处的适当的位置上的温度(来监测)，或者间接地监测第一空腔的温度，即通过一个或多个参考热力学参数、轴向压缩机的温度和/或压力、未加载的气体的温度、机器的功率、机器的负载以及压缩机内或其它地方的任何形状不同的叶片的倾度(来监测)。
根据另一方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮机的冷却系统；本发明还涉及一种燃气涡轮机，包括：第一管道，其适于执行来自压缩机的压缩工作流体的第一分流，以将其供给到至少第一空腔中，以进行冷却；第二管道，其适于在第一分流的下游执行工作流体的第二分流，以将其供给到布置在第一空腔的上游的涡轮的至少第二空腔中，以进行冷却；流体动力学系统，其适于将第一分流结合到第二分流，以在部分负载运行状态期间选择性地增加第一分流流，以将其至少在第一空腔中的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内；以及控制系统，其以电子的方式连接到流体动力学系统上，以由于对运行参数的监测在部分负载运行状态期间将第二分流的一部分选择性地供给到第一管道中，以将第一空腔的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
该控制系统是有利的，因为能够直接监测第一空腔的温度，即通过布置在同一导叶内侧的适当位置上的温度传感器来监测，或者间接监测第一空腔的温度，即通过一个或多个参考热力学参数、轴向压缩机的温度和/或压力、未加载的气体的温度、机器的功率、机器的负载以及在压缩机内或其它地方就位的任何形状不同的叶片的倾度来监测。
优选地，通过流体地关联到第一管道的喷射器，以及具有适于流 体地连接喷射器与第二管道的连接阀的连接管道，来实现上述流体动力学系统。该喷射器有利地且优选地适于产生低压，从而使得由于从第二管道行进的流体的突然膨胀来增加来自第一管道的流体流；该喷射器另外优选地适于将流基本朝向一个方向引导，或者适于阻止流体通过进入第一管道来进行回流或再流通。
注意到使第二分流在压缩机中的第一分流的下游，所以第一分流的压力低于第二分流的压力；以相同的方式，至少第二空腔布置在膨胀涡轮中的第一空腔的上游，因此，第二空腔置于相对于第一空腔的温度处于更高的温度的涡轮的区域中。因此，用处于较低压力的第一分流冷却处于较低温度的第一空腔，而用处于较高压力的第二分流冷却处于较高温度的第二空腔，这样，就存在机器的性能的优化。
根据另一方面，本发明涉及一种包括上述类型的冷却系统的燃气涡轮机。
本发明的一个优点由以下事实给出，无论是在满负载的运行状态期间，还是在非常低的部分负载的运行状态期间，即当第一分流的压力不足以保证在第一导叶处的有效冷却时，有效地冷却第一空腔都是可行的。另一个优点在于，相对于目前机器的状态在(压缩机中的流体的)最小最低流量的状态中有效地冷却膨胀涡轮的空腔是可行的。
根据特定的行为，在新的和现有的机器两者上容易地且以合理的成本实现这个冷却系统是可行的，从而限制了另外的仪器或新的传感器系统的安装。
最后，这个方法和冷却系统允许非常可靠地且多方面地调节冷却流体，以及根据机器的运行状态和/或大气条件极佳地且小心地优化机器的性能。
在所附的权利要求书中指出了实现根据本发明的方法和装置的另外的有利的特性和方式，并且将在以下部分中参照非限制性行为的一些实例来对它们进行进一步的描述。
附图说明
可对本发明进行进一步记述，并且参照所附的示意图，对于本领域熟练人员而言，本发明的许多目的和优点将变得显而易见，所附的示意图显示了限于在其中所找到的内容的实际范例。在图中：
图1A是根据本发明的行为的一种形式的机器的一部分的纵向截面示意图；
图1B显示了图1的制造中提供的装置的示意性截面；
图2显示了图1的放大的细节；且
图3显示了图2的放大的细节。
具体实施方式
在附图中(其中相同的标号在所有的不同的图中对应于相同的部件)，涡轮机用1来指示，见图1，并且在其主要特征方面，该涡轮机包括封闭在加压箱8中的轴向压缩机2、若干个燃烧室5(出于简明的目的在图中显示了其中的单独一个)和由在高压7处看到(called)的第一部分和在低压9处看到的随后的部分形成的膨胀涡轮6。加压箱8最终由关联在它们之间的一个或多个外壳形成。
来自大气的空气进入(见箭头F1)在压缩机上游的进气口，在压缩机中，空气被压缩，然后通过适当的槽路11供给(箭头F2)到燃烧室5中；在燃烧室5中，压缩空气与可燃物反应，形成典型地在约1000-1300℃的热气。热气沿着大体由12指示的膨胀线路供给(箭头F3)到膨胀涡轮中、高压7处，并且随后供给到低压涡轮9，在膨胀涡轮中，热气膨胀，从而将其自身的热能转化成机械能；最后，膨胀气体离开机器(F4)。
处于高压的膨胀涡轮7大体由一个或多个转子叶片13R和定子叶片13S构成，并且膨胀涡轮7通过围绕轴X1的第一旋转轴17启动压缩机3；处于低压的膨胀涡轮9也由一个或多个转子叶片15R和定子叶片15S(同样见图2)构成，并且膨胀涡轮9通过与第一轴17共轴的 第二轴18启动外部机器(大体上但不限于电流发生器或压缩机，为了简明的目的，其未在图中显示)。对于本领域熟练人员而言显而易见的是，根据所制造的特定的机器，放置单个连续的轴而非这里描述的第一轴17和第二轴18是可行的。
膨胀涡轮7的转子叶片13R通过相应的配合的旋转盘17A以机械的方式连接到轴17上，而定子叶片13S相对于与轴17配合在一起的它们的相应的配合的定子盘17B关联地密封；盘17A和17B布置成彼此交替，并且稳固地联接在一起，以形成单个旋转件。以相同的方式，低压膨胀涡轮9的转子叶片15R通过相应的配合的旋转盘18A以机械的方式连接到轴18上。涡轮9的定子叶片15S继而相对于与轴18配合在一起的它们的相应的配合的定子盘18B关联地密封；盘18A和18B布置成彼此交替，并且稳固地联接在一起。同样见下面的描述。
还注意到，大体上，密封件在盘17A、17B和18A、18B、叶片13R、13S和15R、15S以及箱8之间就位，以沿着膨胀的线路11尽可能最佳地隔离气体，以提高机器的性能，这是本领域熟练人员众所周知的。
根据本发明的有利行为，具有流体动力学装置27A的第一管道21就位(同样见参照图1B进行的描述)，这个管道21适于执行来自压缩机3的压缩工作流体的第一分流，以供给到第一空腔S1中；第二管道23，其适于在第一分流的下游执行来自压缩机3的工作流体的第二分流，以供给到第一空腔S1的上游的第二空腔S2和S3中，以进行冷却；以及具有连接阀27B的连接管道22，其装配成流体地连接流体动力学装置27A和第二管道23。
控制系统C以电子的方式连接到阀27B上，以在特定运行状态期间将第二分流的一部分选择性地供给到第一管道21中，以将第一空腔S1的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
图1还显示了用于旋转轴17的机械支承垫33，以及热保护器29，大体上预见热保护器29沿着膨胀线路11基本根据气体的压力来分开 高压膨胀涡轮7与低压涡轮9。当项目技术要求不需要保护器29时，就可省去这个保护器29。
现在，这个图显示了通道35，其将来自压缩机3的流流体地连接到导叶37上，导叶37绘制成在轴17内与高压膨胀涡轮7的旋转空间共轴，继而与该旋转空间流体地连接，以通过在通道35(箭头F9)中截取的工作流体的部分进行持续的冷却，而无需任何类型的调节或控制。但是，可结合本发明来使用已知的任何数量的冷却系统，并且出于简明的原因而没有在这里对它们进行描述。
图1B对用于喷射的类型的流体动力学装置27A进行了示意性描述，其包括吸入入口127A、喷嘴127B、马达流体入口127C、蒸气室127D和扩散器127E。
简要而言，管道21将第一分流的流体供给(箭头F5)到喷射器27A中，当阀27B打开时，连接管道22通过喷射器27A供给(箭头Fc)第二分流的液体。第二分流的流体大体上呈现高于来自第一分流的流体的动量(或者用其它的术语-压力)的动量，由此从喷射器出来的动量(或压力)相对于第一分流和第二分流的压力提高到中间值处。此外，喷射器27A由于其结构而阻止流体从第一管道21传送而返回到压缩机3。
显然，这个喷射器27A在本文是作为实例来描述的——这个装置可为适于此目的的任何其它类型。图2显示了图1的膨胀涡轮9的放大，其中，尤其注意形成于第一旋转盘18A和第二旋转盘18A(第一定子盘18B置于它们之间)之间的第一叶轮空间S1；形成于热保护器29和第一旋转盘18A之间的第二叶轮空间S2；以及继而形成于第二旋转盘18A和箱8之间的第三或最后的叶轮空间S3。叶轮空间S1-S3封闭在箱8的侧壁内。
根据所描述的行为的形式，第一管道21穿过在箱8中绘制的第二定子叶片8S”，并且随后穿过第二定子叶片15S而分别被引入膨胀低压涡轮9的第二叶轮空间S2和第三叶轮空间S3中；第二管道23 穿过绘制在箱8中的第一定子叶片8S’，然后穿过第一定子叶片15S而被引入同一涡轮9的第一叶轮空间S1中。
显而易见，箱8、定子叶片8S’和8S”以及叶轮空间S1、S2和S3的叶片13R、13S和15R、15S的形状是作为实例而阐明的，并且它们的形状可根据构造或使用的特定需要来以不同的数量和形式来布置，例如，不能提供定子叶片8S’和8S”，且因此叶片18S’和16S”可直接固定到箱8上，通道21和23也可以以不同的数量或以别的方式布置。
注意到，在所描述的生产中，通道21和23不对导叶8S’和8S”分别提供开口，但是不排除可预见它们将冷却流体的至少一部分供给到相应的导叶中。
有利地，第一传感器29A(见图3)置于第二叶轮空间S2中，处在这样的位置，该位置使得能够优选地在同一叶片15S的附近升高它的最高温度；第二传感器29B和第三传感器29C置于相同叶片15S内；第二传感器29B和第三传感器29C置于第一导叶叶轮空间S1内，这一个也处在使得能够在机器的操作期间升高最高温度的位置，并且第四传感器29D置于叶轮空间S3内的适当位置上。这些传感器29A-29D以电子的方式连接，并且由控制单元C(同样见图1)监测。这样，控制单元C就能够直接且实时监测叶轮空间S1-S3中的温度变化，并且在需要时操作阀27B。
在实施方式的另一种有利的形式中，可行的是通过适于测量一个或多个参考热力学参数的一个或多个传感器来提供对各个叶轮空间S1-S3的温度的间接监测，例如针对外部温度的传感器29E、针对轴向压缩机3的温度和/或压力的传感器29F、针对来自机器的废料管的气体的温度的传感器29G、针对机器的功率的传感器29H、用于测量机器的负载或监测(未在图中显示)置于压缩机3或另一个的内部的形状不同的叶片(为了简明的目的而未在图中显示)的倾度的传感器29I。在这种情况下，控制单元C接收来自传感器29E-29I的数据，控制单元C根据该数据得到叶轮空间S1-S3的温度的变化，以用于按要求操 作阀27B的目的。不排除能够提供传感器29A-29I以外的数量和/或类型，或者能够使用传统地安装在特定涡轮机1中的传感器中的至少一些。图3具体地显示了定子叶片15S，其呈现为具有通过传统的迷宫式密封层31相对于第一定子盘18B的上端关联地密封的下端；转子叶片15R提供部分翼片，以限制各个叶轮空间S1-S3和膨胀通道12之间的通路开口，冷却空气大体上通过该通路开口排出。
在定子叶片8S’和8S”中，存在处于箱8的外部的接头或固定区域，其不与过程气体直接接触，并且可为其给出避免或限制热气的任何吸入的机械密封系统(为了简明的目的而未在图中显示)；因此这些定子叶片8S’和8S”可提供独立的冷却系统。这不排除可根据特定应用或需要应用本发明来至少部分地冷却同样是这些定子叶片8S’和8S”，如上所述。
具体而言，根据本发明的冷却系统可根据不同的和无数的构造来实现为冷却不直接经受在膨胀线路12中流通的高温流体的膨胀涡轮的其它空腔的方式。参照图2和图3显示的实施方式的形式实际上是作为实例来描述的，并且不将本发明限制于这个功能。例如，通道21和/或23可流体地连接和直接冷却其它定子叶片，或者可提供更多个通道21、23来冷却机器中的不同的空腔，或者可提供特定的流体动力学线路，以使用单个流体流来冷却更多个空腔，等等。
根据本发明的冷却系统的操作提供了通道21和23，如果机器以高负载运行状态工作，则通道21和23将冷却流体独立地供给到相应的叶片S1、S2、S3中，或者当管道21中的流体的压力足够高以高效地冷却导叶S1时更佳。另一方面，当机器以部分负载运行状态工作时，或者当管道21中的流体的压力不足以有效地冷却导叶S1时，通道23通过上述装置流体地连接到通道21上。
当机器的分配的功率减小以符合运行规格时，或者备选地，当大气条件出现很大的变化(例如在地球的特定的区域中的白天和夜晚之间)时等，可实现上述部分负载运行状态。在这些情况下，冷却系统调 节冷却流体流，以将所有叶轮空间S1-S3的温度保持在允许的值内。
优选地结合已知的冷却(技术)来实现上述冷却系统，以获得具有性能和高的热效率的特别有效的机器，例如转子叶片的冷却系统和定子叶片的冷却系统，以及用于机械轴承的那些冷却系统。
此外，如果要求保护本文描述的系统，则还可结合根据特定的应用提供了冷却空气的恒定量的流入的、用于叶轮空间的传统冷却系统来实现本文描述的系统。
显而易见，在冷却回路中联结一个或多个冷却装置或实现不同的控制方法是可行的，以完美地且小心地优化机器的性能，以及大大地增加机器的构件的使用寿命。
说明的目的是阐明行为的仅可能的形式；这些并不限制本发明，它们可在形式和布置上变化，而不偏离本发明的基本概念。在所附的权利要求书中提供参考标号仅是为了有利于根据之后的描述以及根据附图进行阅读的目的，并且不以任何方式限制保护的范围。
Claims (7)
1.一种用于燃气涡轮机的操作方法，包括：
用压缩机压缩工作流体；
通过将压缩工作流体供给到至少一个燃烧室中来使所述压缩工作流体过热；
在至少一个膨胀涡轮中使过热工作流体膨胀，以产生能量；
将来自所述压缩机的压缩工作流体供给到第一空腔，以便由所述压缩工作流体的第一分流冷却所述膨胀涡轮；
将来自所述压缩机的压缩工作流体供给到第二空腔，以便由所述压缩工作流体的第二分流冷却所述膨胀涡轮，其中，用于冷却所述膨胀涡轮的所述第二空腔在用于冷却所述膨胀涡轮的所述第一空腔的上游，且其中，压缩工作流体的所述第二分流在压缩工作流体的所述第一分流的下游；
流体地连接所述第一分流和所述第二分流；以及
在部分负载运行状态期间将所述第二分流的压缩工作流体的一部分选择性地供给到所述第一分流，以将所述第一空腔的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一分流的压力不够产生足以冷却所述第一空腔的流体通量时，启动在部分负载运行状态期间将所述第二分流的压缩工作流体的一部分选择性地供给到所述第一分流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直接或间接地持续监测所述第一空腔的温度。
4.一种用于燃气涡轮机的冷却系统，包括：
第一管道，构造成以便将来自压缩机的压缩工作流体的第一分流的压缩工作流体供给到第一空腔，以冷却膨胀涡轮；
第二管道，构造成以便将来自所述压缩机的压缩工作流体的第二分流的压缩工作流体供给到第二空腔，以冷却膨胀涡轮；
流体动力学系统，构造成以便作为在部分负载运行状态期间选择性地增加所述第一分流的工作流体流的一种方式，将来自所述第一分流的工作流体结合到所述第二分流的工作流体，以将至少在所述第一空腔中的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内；以及
控制系统，用电子的方式连接到所述流体动力学系统上，构造成以便基于对运行参数的监测来在部分负载运行状态期间将来自所述第二分流的工作流体的一部分选择性地供给到所述第一管道中，以将所述第一空腔的温度保持在材料的抵抗力的可接受极限内。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统进一步构造成以便直接或间接地监测至少所述第一空腔中的温度，以冷却所述膨胀涡轮。
6.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述流体动力学系统包括流体地关联到所述第一管道上的喷射器，以及具有连接阀的连接管道，所述连接阀构造成以便流体地连接所述喷射器与所述连接管道。
7.一种包括根据权利要求4所述的冷却系统的燃气涡轮机。
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