CN102444477B - 用于燃气轮机系统的进口段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气轮机系统的进口段。具体而言，公开了用于燃气轮机系统壳体(64)的进口段(100)。进口段(100)包括限定在壳体(64)中的多个孔口(106)和多个筒管(104)，其中，多个孔口围绕壳体(64)设置成环形阵列，而多个筒管中的各个均构造成与多个孔口中的一个相配合。多个筒管(104)中的各个均包括用于使冷却介质(102)经由其流动的入口(120)和出口(122)。进口段(100)还包括设置在多个筒管(104)中的各个中以改变经由多个筒管(104)中的各个的冷却介质(102)的流动的至少一个流动调节器(130)。多个筒管(104)中的各个均可从多个孔口的各个上独立地移除。

Description

用于燃气轮机系统的进口段
技术领域
本文所公开的主题主要涉及燃气轮机系统，并且更具体地涉及用于供给冷却介质至燃气轮机系统中的各种构件的进口段(inducer)。
背景技术
燃气轮机系统广泛地用于诸如动力生成的场合。常规燃气轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机供给压缩空气至燃烧器，在其中压缩空气与燃料相混合且燃烧，从而产生热气体。该热气体供给至涡轮，在其中从热气体获取能量以做功。
在燃气轮机系统操作期间，系统中的各种构件和区域会受到高温流，这会导致构件和区域的损坏。由于温度较高的流动通常导致燃气轮机系统性能、效率和功率输出的提高且因此在燃气轮机系统中合乎需要，因此受到高温流的构件和区域必须冷却以容许燃气轮机系统利用温度升高的流动来操作。
应当冷却的区域的实例有涡轮区段的叶轮空间以及转子接合部(joint)，其中，叶轮空间为涡轮区段的包绕涡轮转子叶轮的区域，而转子接合部为压缩机转子与涡轮转子之间的接合部。例如，当叶轮空间中的温度由于经过叶轮空间的流动的温度升高或由于燃气轮机系统外的环境温度升高而升高时，诸如转子和轮叶组件构件的叶轮空间中的构件会经历热膨胀。这种热膨胀可最终导致各种构件彼此摩擦或以其它的方式接触，或可在构件中产生过大的应力，潜在地导致对构件和燃气轮机系统灾难性的破坏。转子接合部同样会经历由于流温度和/或环境温度升高而造成的温度升高，且因此可能成为系统的寿命限制构件。
用于冷却叶轮空间和转子接合部以防止损坏燃气轮机系统的各种策略在本领域中是公知的。例如，许多现有技术的策略采用进口段来使来自于压缩机的部分空气流动以冷却叶轮空间和转子接合部。进口段使经由其流动的压缩机排气空气加速，从而在空气进入叶轮空间和/或与转子接合部相互作用之前降低空气的温度。
典型的现有技术的进口段是昂贵的、复杂的装置。例如，许多现有技术的进口段铸造成位于压缩机与涡轮之间的燃气轮机系统的各种部分，且包括用于使经由其的空气流加速的多层结构。这些现有进口段存在多种缺点。例如，如上文所述，进口段的制造可能很昂贵和复杂。此外，由于典型的现有技术的进口段是铸造的，故进口段在系统的测试、检验或试机期间不能改变或调节，以及进口段的各种构件不容易修理。
因此，本领域中期望有一种用于燃气轮机系统的改进的进口段。例如，期望有一种进口段，其在燃气轮机系统中的制造和安装相对能承受和简单。此外，包括可改变或调节的特征(或器件，feature)且还可容易地修理的进口段将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下说明中部分地阐述，或可从该说明中清楚，或可通过实施本发明而懂得。
公开了一种用于燃气轮机系统的壳体的进口段。进口段包括：限定在壳体中的多个孔口，该多个孔口围绕壳体设置成环形阵列；以及多个筒管(cartridge)，该多个筒管中的各个均构造成与多个孔口中的一个相配合。多个筒管中的各个均包括用于使冷却介质经由其流动的入口和出口。进口段还包括设置在多个筒管中的各个中用于改变经由多个筒管中的各个的冷却介质的流动的至少一个流动调节器。多个筒管中的各个均可从多个孔口中的各个上独立地移除。
参照以下说明和所附权利要求，本发明的这些及其它特征、方面和优点将会得到更好的理解。并入本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，且结合说明一起用于阐述本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中，针对本发明的普通技术人员阐明了本发明包括其最佳模式的完整和能够实施的公开内容，在附图中：
图1为本公开内容的燃气轮机系统的各种构件的一个实施例的侧剖面视图；
图2为根据本公开内容的一个实施例的进口段的透视图；
图3为根据本公开内容的一个实施例的进口段的前分解视图；
图4为根据本公开内容的一个实施例的筒管的透视图；
图5为沿线5-5截取的图4中的筒管的截面视图；
图6为根据本公开内容的另一实施例的筒管的透视图；
图7为沿线7-7截取的图6中的筒管的截面视图；以及
图8为根据本公开内容的又一实施例的筒管的透视图。
零件清单
10燃气轮机系统
12压缩机
14燃烧器
16涡轮
20压缩机定子构件
22压缩机转子构件
24扩散部
26排气仓室(plenum)
30空气流
40涡轮定子构件
42涡轮转子构件
44涡轮叶轮
45涡轮叶轮空间
46涡轮转子叶片
48涡轮定子叶片
50凸缘
52凸缘
54转子
56转子接合部
60凸缘
62凸缘
64壳体
70前方叶轮空间
100进口段
102冷却介质
104筒管
106孔口
110径向方向
112纵向方向
114切向方向
120入口
122出口
130流动调节器
132通道
134导叶
140对准特征
具体实施方式
现将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。各实例均通过阐述本发明而非限制本发明的方式提供。实际上，本领域的技术人员很清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一实施例来使用以产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
图1为根据本公开内容的燃气轮机系统10的各种构件的一个实施例的剖面视图。系统10可包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。此外，系统10可包括多个压缩机12、燃烧器14和涡轮16。如下文所述，压缩机12和涡轮16可联接在一起。
如图所示，压缩机12通常包括压缩机定子构件20(其一部分可称为压缩机排气壳体)，以及内部转子构件22。压缩机12还可包括扩散部24，其可至少部分地由压缩机定子构件20限定。排气仓室26可提供成邻近扩散部24且与扩散部24成流体连通。在文中称为空气流30的空气或作为备选的任何适合的气体，可传送穿过压缩机12且通常在压缩机12中加压，以及扩散部24和排气仓室26可有助于将空气流30导送至燃烧器14。例如，在压缩机12中压缩之后，空气流30可流动经过扩散部24并提供给排气仓室26。空气流30然后可从排气仓室26流至燃烧器14。
涡轮16通常包括涡轮定子构件40和内部转子构件42。转子构件42可连结到涡轮叶轮44或多个涡轮叶轮44上，而涡轮叶轮44或多个涡轮叶轮44可设置在涡轮叶轮空间45中。各种涡轮转子叶片46可安装到涡轮叶轮44上，同时涡轮定子叶片48可设置在涡轮12中。转子叶片46和定子叶片48通常可形成涡轮级。压缩机转子22和涡轮转子42的邻接端可包括各种连结构件，举例来说，例如配合凸缘50和52，该连结构件可通过螺栓连接或以其它的方式彼此连结以形成内部旋转构件或转子54。转子接合部56可连结配合凸缘50和52。压缩机定子构件20和涡轮定子构件40的邻接端也可包括各种连结构件，举例来说，例如配合凸缘60和62，该连结构件可通过螺栓连接或以其它的方式彼此连结，以便形成包绕转子54的外部静止壳体64。作为备选，压缩机定子构件20和涡轮定子构件40可由单个构件形成，使得不需要凸缘或接合部来形成壳体64。因此，压缩机12和涡轮16可包括且在其间限定转子54和壳体64。
转子54和壳体64通常还可在其间限定前方叶轮空间70。前方叶轮空间70可大致为叶轮空间45的上游部分。转子接合部56和叶轮空间45可经由前方叶轮空间70接近。
在许多情况下，叶轮空间45和/或转子接合部56可能需要冷却。因此，本公开内容还涉及一种进口段100。进口段100通常可使部分空气30(文中称为冷却介质102)经由其流动来冷却叶轮空间45和/或转子接合部56。如下文所述，进口段100通常可与壳体64相关且设置在壳体64中。因此，冷却介质102可从排气仓室26流经进口段100，可从进口段100排放到前方叶轮空间70中。然后，冷却介质102可流经前方叶轮空间70，从而与叶轮空间45和转子接合部56相互作用且冷却叶轮空间45和转子接合部56。
如图2和图3中所示，本公开内容的进口段100可包括多个筒管104且限定多个孔口106。孔口106通常可限定在壳体64中且围绕壳体64设置成环形阵列。多个筒管104中的各个均可构造成与多个孔口106中的一个相配合。例如，各筒管104均具有适于与配合孔口106的内部形状和尺寸相匹配的外部本体形状和尺寸，使得筒管104可放置到孔口106中且与孔口106相配合。
应当理解的是，孔口106和筒管104可具有任何适合的尺寸和形状。如图1至图8中所示的孔口106和筒管104的尺寸和形状仅为了示范的目的，而并非意图限制本公开内容。
任意数目的筒管104和孔口106都可围绕壳体64提供成环形阵列。在一些示例性实施例中，筒管104和孔口106的数目可等于提供在燃烧器14中的燃烧器筒(未示出)的数目。例如，具有十六个燃烧器筒的系统10可包括以环形阵列围绕壳体64设置的十六个孔口106和十六个筒管104。在备选实施例中，进口段100可包括十四、十二、十、八或六个孔口106和筒管104。然而，应当理解的是，本公开内容不限于上文公开数目的孔口106和筒管104。确切而言，等于、大于或小于燃烧器筒数目的任意数目的孔口106和筒管104都在本公开内容的范围和精神内。
如图所示，各孔口106通常均可限定在壳体64中。在一些实施例中，孔口106可限定在壳体64的压缩机定子构件20中，而在其它实施例中，孔口105可限定在壳体64的涡轮定子构件40中。
通常，多个筒管104中的各个均可从多个孔口106中的各个独立地移除。例如，各孔口106均可从筒管104所配合的孔口106独立地移除。因此，根据本公开内容的任一筒管104均可独立于进口段100中的其它筒管104而移除。例如，各筒管104均可使用任何适合的紧固装置如螺母和螺栓或螺钉而独立地紧固到配合的孔口106上。有利的是，各筒管104均可独立于其它筒管104如所期望那样从进口段100移除，以便修理或更换。因此，本公开内容的进口段100可容许进口段100的各种构件的便宜且高效的修理和更换。此外，本公开内容的进口段100可容许调节。例如，在测试、检验或试机期间，具有各种特征和/或特性的筒管104可移除、更换和对换，以获得对于进口段100和系统10的各种所期望的特性。
此外，在如图1至图3中所示的本公开内容的示例性实施例中，筒管104可经由壳体64的外表面移除。有利的是，这可容许筒管104移除而无需移除、调整或以其它方式干扰系统10的其它构件，例如壳体64的其它构件或转子54的构件。筒管104的这种简便的可接近性可容许筒管如所期望或需要那样快速和高效地修理和更换。
在一些示例性实施例中，筒管104可从配合孔口106沿径向移除。例如，如图所示，孔口106可经由壳体64的外表面而限定在壳体64中且在壳体64中环形地设置。因此，为了从限定在壳体64外表面中的孔口106移除筒管104，该筒管必须沿大致径向方向110移动。在一些备选实施例中，筒管104可沿纵向或切向移除，因此需要沿大致纵向方向112或大致切向方向114运动。此外，在一些备选实施例中，筒管104可通过沿具有任何适合的径向、纵向或切向分量的方向的运动来移除。
应当理解的是，径向方向110、纵向方向112和切向方向114针对如本文所述的系统10的各构件单独地限定，例如针对各单独的筒管104和针对如下文所述的流经各筒管104的冷却介质102。例如，各种方向相对于由壳体64的外表面所限定的圆周针对各筒管104单独地限定，使得例如移除一个筒管104的径向方向110不同于移除另一个筒管104的径向方向110。例如，图3示出了如针对各种筒管104所限定的各种方向110，112，114。
如图4至图8中所示，各筒管104均可包括用于使冷却介质102流经筒管104的入口120和出口122。因此，冷却介质102可从排气仓室26经由入口120进入筒管104，且从筒管104经由出口122排入前方叶轮空间70中。各筒管104通常均可构造成用以增大经由其流动的冷却介质102的流速。因此，在一些实施例中，筒管104的入口120的截面面积可大于筒管104的出口122的截面面积。在这些实施例中，流经筒管104的冷却介质102可至少部分地由于入口120与出口122之间的面积方面的差异而经由筒管104加速。然而，在备选实施例中，筒管104的入口120和出口122的截面面积可为相似的，或筒管104的出口122的截面面积可大于筒管104的入口120的截面面积。在这些实施例中，流经筒管104的冷却介质102可由于筒管104的其它构件如流动调节器130的操作而加速穿过筒管104，如下文所述。
如上文所述，本公开内容的进口段100还可包括设置在筒管104中的流动调节器130。因此，各筒管104均可在其中包括至少一个流动调节器130或多个流动调节器130。流动调节器130可提供在筒管104中用于改变经由筒管104的冷却介质102的流动。例如，流动调节器130可改变冷却介质102的流动方向和/或可使冷却介质102加速。
如图4、图5和图8中所示，在一个实施例中，流动调节器130可为限定在筒管104中的通道132。通道132可延伸经过入口120与出口122之间的筒管104长度的至少一部分。在一些实施例中，通道132可改变冷却介质102的流动方向，如下文所述。例如，在一些实施例中，通道132可具有导叶状或翼型状的形状。在一些实施例中，通道132可为渐缩形的。例如，通道132可为渐缩形使得邻近出口122的通道端部具有小于邻近入口120的通道端部的截面面积，致使流经通道132的冷却介质102加速。
如图6和图7中所示，在另一实施例中，流动调节器130可为设置在筒管104中的导叶134。导叶134可延伸经过入口120与出口122之间的筒管长度的至少一部分。通常，当冷却介质102流过导叶134时，导叶134可用于使冷却介质102分流为一股以上的流动。在一些实施例中，导叶134可改变冷却介质102的流动方向，如下文所述。例如，在一些实施例中，导叶134可具有翼型状的形状。在一些实施例中，导叶134可为渐缩形的。例如，导叶134可为渐缩形的，使得大致邻近入口120的导叶134端部具有大于大致邻近出口122的导叶134端部的截面面积。作为备选，导叶134可为渐缩形的，使得大致邻近出口122的导叶134端部具有大于大致邻近入口122的导叶端部的截面面积，致使流经筒管104中的导叶134的冷却介质102可加速。
在示例性实施例中，冷却介质102的流动方向可在冷却介质102流经筒管104时改变。例如，诸如通道132和/或导叶134的流动调节器130可改变冷却介质102的流动方向。在一些实施例中，经由入口120进入筒管104的冷却介质102可在流动分量沿大致纵向方向112和径向方向110的情况下传送。在一些实施例中，各筒管104中的流动调节器130或多个流动调节器130可改变冷却介质102的流动，使得从筒管104的出口122排出的冷却介质102具有从在入口120处的流动分量改变的流动分量。例如，流动调节器130或多个流动调节器130可增加或消除切向方向114的流动分量、纵向方向的流动分量112，和/或径向方向110的流动分量。此外或作为备选，流动调节器130可例如相对于一个或多个流动分量改变冷却介质102的流动速度。
在一个示例性实施例中，例如，从筒管104排出的冷却介质102可在流动分量至少沿大致径向方向110和大致切向方向114的情况下流动。因此，流动调节器130可设置和定位在筒管104内，以便改变至少沿大致径向方向110和大致切向方向114流动的冷却介质102流。
从筒管104排出的冷却介质102还可沿大致纵向方向112流动经过前方叶轮空间70。例如，冷却介质102可大致沿纵向朝叶轮空间45流动，或大致沿纵向朝转子接合部56流动，或部分冷却介质102可大致沿纵向朝叶轮空间45流动，而另一部分大致沿纵向朝转子接合部56流动。各种管和钻孔可限定在系统10中，例如在转子54和壳体64中，以便促进这些不同的纵向流动方向。
如上文所述，冷却介质102在其流经进口段100时可大致加速。例如，如上文所述，筒管104和/或流动调节器130在此可构造成用以加速冷却介质102的流动。在示例性实施例中，进口段100且因此筒管104和/或流动调节器130可设计成以某一速度排放冷却介质102，且具体而言是以具有某一速度的流动分量来排放冷却介质102。例如，在一个实施例中，从筒管104排出的冷却介质102可以切向方向114的流动分量流动，该切向方向114的流动分量具有速度大致等于或大于转子54的速度，例如大致等于或大于转子54的旋转速度。
应当理解的是，本公开内容的筒管104不限于如本文所公开那样具有通道132或导叶134。例如，在备选实施例中，流动调节器130可为具有穿过其限定的多个钻孔的板、管、适合的凸起，或任何其它适合的流动调节器130。因此，应当理解的是，在冷却介质102流经筒管104时用于改变冷却介质102的流动方向和/或使冷却介质102加速的任何流动调节器130都在本公开内容的范围和精神内。
如图8中所示，根据本公开内容的筒管104还可包括对准特征140或多个对准特征140。通常，对准特征140可容许筒管104仅以一个定向与孔口106相配合。换言之，对准特征140为″波卡纠偏(poka-yoke)″或故障安全或防错的特征。如图8中所示，例如，对准特征140可为构造成用以容纳适合的紧固装置以便将筒管104紧固在孔口106中的多个钻孔中的一个。对准特征140可如图8中所示那样与其余的钻孔偏离，或例如可具有不同的尺寸、定向或其它特征。因此，对准特征140容许筒管104仅以一个定向来定位，以便将筒管104适当地配合和/或紧固在孔口106中。然而，应当理解的是，对准特征140不必为钻孔，而是可为任何适合的特征，例如筒管的部分形状，或筒管上的凸起或凹陷，其容许筒管104在孔口106中仅以一个定向配合。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差别的同等结构元件，则认为这些其它实例处在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于燃气轮机系统的壳体的进口段，所述进口段包括：
限定在所述壳体中的多个孔口，所述多个孔口围绕所述壳体设置成环形阵列；
多个筒管，所述多个筒管中的各个均构造成用以与所述多个孔口中的一个紧密配合，所述多个筒管中的各个均包括用于使冷却介质经由其流动的入口和出口；以及
设置在所述多个筒管中的各个中用于改变所述冷却介质经由所述多个筒管中的各个的流动的至少一个流动调节器，
其中，所述多个筒管中的各个均可从所述多个孔口中的各个独立地移除，以及其中所述至少一个流动调节器为设置在所述多个筒管中的各个中的导叶。
2.根据权利要求1所述的进口段，其特征在于，所述进口段还包括多个流动调节器。
3.根据权利要求1所述的进口段，其特征在于，所述多个筒管中的各个均设置在所述壳体的涡轮定子构件中。
4.根据权利要求1所述的进口段，其特征在于，所述多个筒管中的各个均可从配合孔口沿径向移除。
5.根据权利要求1所述的进口段，其特征在于，所述多个筒管中的各个的入口的截面面积大于所述多个筒管中的各个的出口的截面面积。
6.根据权利要求1所述的进口段，其特征在于，流经所述多个筒管中的各个的所述冷却介质从所述多个筒管中的各个排出，以径向方向流动分量和切向方向流动分量流动。
7.根据权利要求6所述的进口段，其特征在于，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质以切向方向流动分量流动，所述切向方向流动分量具有大致等于或大于所述燃气轮机系统的转子速度的速度。
8.根据权利要求6所述的进口段，其特征在于，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质的一部分还以朝所述燃气轮机系统的转子接合部的纵向方向流动分量流动，以及其中，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质的一部分还以朝所述燃气轮机系统的叶轮空间的纵向方向流动分量流动。
9.一种燃气轮机系统，包括：
压缩机和涡轮，所述压缩机和涡轮包括在其间的壳体和转子；以及
进口段，所述进口段包括：
限定在所述壳体中的多个孔口，所述多个孔口围绕所述壳体设置成环形阵列；
多个筒管，所述多个筒管中的各个均构造成用以与所述多个孔口中的一个紧密配合，所述多个筒管中的各个均包括用于使冷却介质经由其流动的入口和出口；以及
设置在所述多个筒管中的各个中用于改变所述冷却介质经由所述多个筒管中的各个的流动的至少一个流动调节器，
其中，所述多个筒管中的各个均可从所述多个孔口中的各个独立地移除。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述至少一个流动调节器为限定在所述多个筒管中的各个中的通道。
11.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述至少一个流动调节器为设置在所述多个筒管中的各个中的导叶。
12.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述燃气轮机系统还包括多个流动调节器。
13.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述孔口中的各个均限定在所述壳体的涡轮定子构件中。
14.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述多个筒管中的各个均可从配合孔口沿径向移除。
15.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，所述多个筒管中的各个的入口的截面面积大于所述多个筒管中的各个的出口的截面面积。
16.根据权利要求9所述的燃气轮机系统，其特征在于，流经所述多个筒管中的各个的所述冷却介质从所述多个筒管中的各个排出，以径向方向流动分量和切向方向流动分量流动。
17.根据权利要求16所述的燃气轮机系统，其特征在于，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质以切向方向流动分量流动，所述切向方向流动分量具有速度大致等于或大于所述转子的速度。
18.根据权利要求16所述的燃气轮机系统，其特征在于，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质的一部分还以朝所述燃气轮机系统的转子接合部的纵向方向流动分量流动，以及其中，从所述多个筒管中的各个排出的所述冷却介质的一部分还以朝所述燃气轮机系统的叶轮空间的纵向方向流动分量流动。
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