CN102588120A - 用于对通过转子的流进行控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对通过转子的流进行控制的系统和方法，所述系统包括所述转子中的一个入口和所述转子中的一个出口。所述出口与所述入口成流体连通。一个可变孔设置于所述入口或出口中的至少一个口中。一种用于对通过转子的流进行控制的方法，所述方法包括对工艺流体进行分流以及使所分流的工艺流体流过所述转子中的一个流体通道。所述方法进一步包括减少通过所述转子中所述流体通道的分流工艺流体流。

Description

用于对通过转子的流进行控制的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及一种用于对通过转子的流进行控制的系统和方法。例如，本发明的各特定实施例可对通过转子的分流流体量进行控制，以加热转子。
背景技术
燃气涡轮机广泛应用于工业生产和商业运作中。典型的燃气涡轮机包括位于前部的压缩机、位于中间的一个或多个燃烧室和位于尾部的涡轮机。压缩机向工作流体(例如，空气)施加动能，以产生压缩的工作流体并使之处于高能状态。随后，压缩的工作流体离开压缩机并流向燃烧室，在燃烧室中，压缩的工作流体与燃料混合并燃烧，从而产生高温高压的燃烧气体。燃烧气体流向涡轮机，在涡轮机中，燃烧气体膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮机中膨胀可使连接至发电机的轴旋转以使发电机发电。
压缩机和涡轮机通常共用一个公用转子，所述公用转子从压缩机的前部附近延伸、通过燃烧室部分、到达涡轮机的后部附近。由于受转子长度和大小的影响，转子的总重量可能接近或超过100吨。燃气涡轮机启动期间，由于压缩的工作流体流过压缩机而燃烧气体流过涡轮机，因此转子的外部比转子的内部热得快，从而在转子廓线上形成温度梯度。转子廓线上的温度梯度所产生的大量热应力通常与Tmax-Tave成比例。Tmax为转子廓线上的最高温度。在压缩机部分，Tmax可接近离开压缩机的压缩的工作流体的温度，在涡轮部分，Tmax可接近进入涡轮机的燃烧气体的温度。Tave为转子廓线上的平均温度，在燃气涡轮机冷启动期间，最初为环境温度。转子上的热应力会持续到转子廓线上的温度达到平衡为止，可能是12小时或更长时间，这实质上减少对转子低循环疲劳的限制。
所属领域已知的各种系统和方法均可用于减少转子上的热应力。例如，工艺流体可从压缩机中分流通过转子，从而降低Tmax与Tave之间的温差，并在较短时间内达到平衡温度。然而，流体分流会减少压缩机产生压缩的工作流体的量，从而降低压缩机的效率。此外，当分流流体重新引入压缩机气流中时，便形成湍流，而且所述湍流可使压缩机叶片成层状分离。因此，一种用于对通过转子的流进行控制的改良系统和方法将很有用。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一项实施例为一种用于对通过转子的流进行控制的系统。所述系统包括转子中的入口和转子中的出口。所述出口与所述入口成流体连通。可变孔设置于所述入口或出口中的至少一个口中。
所述系统进一步包括设置于所述转子中所述入口与所述出口之间的多个通道。所述可变孔包括一个阀。所述可变孔具有第一位置和第二位置，其中所述第一位置允许流体通过所述入口或所述出口中的至少一个口，且其中所述第二位置阻止流体通过所述入口或所述出口中的至少一个口。所述系统进一步包括一个连接到所述可变孔的控制器，所述控制器向所述可变孔产生信号，其中所述信号以温度为依据，或者以时间为依据。
本发明的另一项实施例为一种用于加热转子的系统。所述系统包括通过转子的流体通道。阀设置于流体通道中，用以对通过流体通道的流体流进行控制。
所述阀具有第一位置和第二位置，其中所述第一位置允许所述流体流过所述流体通道，且其中所述第二位置阻止所述流体流过所述通道。所述系统进一步包括一个连接到所述阀的控制器，所述控制器向所述阀产生信号，其中所述信号以温度为依据，或者以时间为依据。
本发明还可包括用于对通过转子的流进行控制的任何方法。所述方法包括对工艺流体进行分流，并使分流工艺流体流过转子中的流体通道。所述方法进一步包括减少通过转子中的流体通道的分流工艺流体流。
所述方法进一步包括对来自一台压缩机中的所述工艺流体进行分流；包括依据预定的温度界限减少通过所述转子中所述流体通道的分流工艺流体流，或者包括依据预定的时间界限减少通过所述转子中所述流体通道的分流工艺流体流。所述方法进一步包括运行一个阀以减少通过所述转子中所述流体通道的分流工艺流体流；及向所述阀产生信号，其中所述信号以温度为依据、或者以时间为依据。
所属领域的一般技术人员可通过查看说明书的内容来更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细披露了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的转子的简化截面图；
图2为沿着线A--A截得的图1所示转子叶轮的一侧的透视图；以及
图3为沿着线B--B截得的图1所示转子叶轮的另一侧的透视图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  10   转子   12   转子叶轮
  14   连杆   16   中心线
  18   旋转叶片   20   固定喷嘴
  24   入口   26   出口
  28   可变孔   30   阀
  32   活塞   34   隔膜
  36   控制器   38   信号
  22   腔
具体实施方式
现在将详细阐述本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同的部分。
各个实例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，所属领域的一般技术人员可对本发明作各种修改和变化。例如，作为一项实施例一部分的特征可用于其他实施例中，从而得到另一项实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
本发明范围内的各实施例提供一种用于增加转子的预期寿命且提高燃气涡轮机的效率的系统和方法。在各实施例中，本发明可对通过转子的流体流进行控制，以加热转子，从而减少转子廓线上的热应力。所减少的热应力会增加对转子低循环疲劳的限制。此外，本发明范围内的各实施例通过对通过转子的流体流的量和/或持续时间进行控制来提高燃气涡轮机效率。
图1为根据本发明的一项实施例的转子10的上半部分的简化截面图。如图所示，转子10可包括多个转子叶轮12，其通过连杆14轴向连接，以围绕中心线16一起旋转。在压缩机部分，每个转子叶轮12可与旋转叶片18或固定喷嘴20相关联，如图1所示。类似地，在涡轮部分，每个转子叶轮12可与旋转桨叶或定子相关联。
如图1所示，转子10包括多个腔22，其位于相邻转子叶轮12之间并通过转子叶轮12。腔22可减少转子10的总重量。此外，腔22在相邻转子叶轮12之间和周围提供一个或多个流体通道。所述流体通道包括至少一个入口24和与入口24成流体连通的至少一个出口26。入口24和/或出口26可包括通过单个转子叶轮12或在相邻转子叶轮12之间的任意合适的通道、空间或通路。例如，如图2所示，入口24或出口26可包括一个设于相邻转子叶轮12之间的径向钻孔。这样，流体可流过入口24而进入流体通道，而且在通过出口26离开流体通道之前流过转子叶轮12和/或在其周围流动，如图1中的流箭头所示。
可变孔28可设于入口24或出口26中的至少一个口中的流体通道内，以便对通过流体通道的流体流进行控制。例如，可变孔28可具有第一位置，即，允许通过入口24或出口26中的至少一个口的流体流的位置；以及第二位置，即，减少和/或阻止通过入口24或出口26中的至少一个口的流体流的位置。可变孔28可包括所属领域的一般技术人员已知的任意合适的机构，用于阻止流体流。例如，如图3所示，可变孔28可包括热致动阀30，其对转子叶轮12的温度变化作出响应。如图3所示，阀30可包括连接到阀30内的隔膜34的活塞32或圆盘。温度较低时，隔膜34可收缩，以将活塞32或圆盘缩到阀30中，从而使可变孔28位于第一位置，即，允许或准许通过入口24或出口26中的至少一个口的流体流的位置。随着转子叶轮12温度升高，且因此转子10温度升高，隔膜34可扩展，以迫使活塞32或圆盘离开阀30，从而阻塞或完全密封相关入口24或出口26。在活塞32或圆盘延伸到相关入口24或出口26中的情况下，可变孔28处于第二位置，即，减少或阻止通过入口24或出口26中的至少一个口的流体流的位置。
如图1所示，可变孔28可连接到控制器36，从而远程运作本发明范围内各替代性实施例中的可变孔28。如本说明书中所述，控制器36的技术效果是将信号38传输到可变孔28，以远程运作可变孔28。控制器36可为独立部件，例如，温度传感器或计时器，或者可为所属领域已知的任何计算机系统中所含的子部件，例如，便携式计算机、个人计算机、微型计算机或主计算机。本说明书中所述的多种控制器和计算机系统均不限于任何特定的硬件体系结构或配置。本说明书中所述的系统和方法的各实施例均可通过一个或多个通用或专用的控制器进行实施，所述控制器以任意合适的方式改造，从而提供所要的功能。例如，控制器36可经过改造以提供补充本发明或与本发明无关的额外功能。使用软件时，可使用任意合适的程序设计、脚本或其他类型的语言或语言的组合，从而实施本说明书中所含的教示。然而，本说明书中所述并公开的某些系统和方法也可通过硬布线逻辑或其他电路进行实施，包括，但不限于，专用集成电路。当然，还可使用计算机可执行的软件和硬布线逻辑或其他电路的各种组合。
控制器36所产生的信号38可依据所监测到的若干个参数中的任意参数，所述参数反映转子10温度、转子廓线上的热梯度和/或转子10上的热应力。例如，信号38可反映出或依据表明转子10上的温度廓线已达到平衡的转子10温度。类似地，信号38可反映出或依据压缩的工作流体离开压缩机或燃烧气体流过涡轮机时的温度，所述温度表明转子10的外部最高温度。在另一个实例中，信号38可反映出或依据一定的时间间隔，所述时间间隔通过计算或测试而确定为转子10达到平衡所需的充足时间。
运作期间，可变孔28可在燃气涡轮机启动期间处于第一位置，即，打开位置，以通过入口24对工艺流体的一部分进行分流，例如，流过压缩机的工作流体。接着，分流流体将流过转子10中的流体通道、通过出口26离开并返回至通过压缩机的压缩的工作流体流或涡轮机中的燃烧气体流。随着分流流体加热转子10，可变孔28最终将闭合。例如，如果进行热致动，那么所升高的温度使可变孔28复位到第二位置，即，闭合位置，从而减少或阻止通过流体通道的流体流。或者(此外)，根据需要，控制器36可向可变孔28产生信号38，以使可变孔28再定位在第一位置或第二位置之间。
针对图1到图3描述且图示的系统还可提供一种用于对通过转子10的流进行控制的方法。所述方法可包括对工艺流体分流，例如，压缩机中的被压缩的工作流体；以及使分流工艺流体流过转子10中的流体通道。所述方法进一步可包括减少通过转子10中的流体通道的分流工艺流体流，例如，基于预定的温度界限或预定的时间界限。在各特定实施例中，可变孔28或阀可用于减少通过转子10中的通道的分流工艺流体流，控制器36可基于温度或时间产生信号38。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (14)

1.一种用于对通过转子(10)的流体进行控制的系统，其包括：
所述转子(10)中的一个入口(24)；
所述转子(10)中的一个出口(26)，其中所述出口(26)与所述入口(24)成流体连通；
一个可变孔(28)，其设置于所述入口(24)或所述出口(26)中的至少一个口中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括所述入口(24)与所述出口(26)之间所述转子(10)中的多个通道(22)。
3.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述可变孔(28)包括一个阀(30)。
4.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述可变孔(28)具有第一位置和第二位置，其中所述第一位置允许流体通过所述入口(24)或所述出口(26)中的至少一个口，且其中所述第二位置阻止流体通过所述入口(24)或所述出口(26)中的至少一个口。
5.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，进一步包括连接到所述可变孔(28)的一个控制器(36)。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器(36)向所述可变孔(28)产生信号(38)，其中所述信号(38)以温度为依据。
7.根据权利要求5到6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器(36)向所述可变孔(28)产生信号(38)，其中所述信号(38)以时间为依据。
8.一种用于对通过转子(10)的流体进行控制的方法，其包括：
对一种工艺流体分流；
使所分流的工艺流体流过所述转子(10)中的一个流体通道(22)；以及
减少通过所述转子(10)中所述流体通道(22)的转向工艺流体流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括对来自一台压缩机中的所述工艺流体进行分流。
10.根据权利要求8到9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括依据预定的温度界限减少通过所述转子(10)中所述流体通道(22)的转向工艺流体流。
11.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括依据预定的时间界限减少通过所述转子(10)中所述流体通道(22)的转向工艺流体流。
12.根据权利要求8到11中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括运作一个阀(30)以减少通过所述转子(10)中所述流体通道(22)的转向工艺流体流。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括向所述阀(30)产生信号(38)，其中所述信号(38)以温度为依据。
14.根据权利要求12到13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括向所述阀(30)产生信号(38)，其中所述信号(38)以时间为依据。
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