CN102641626A - 用于将微粒与流体流分离的设备、方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于将微粒与流体流分离的设备、方法和系统，所述设备包括一个或多个将冷却流体提供给一组件的冷却通道。所述冷却通道通过旋转组件。所述旋转机器进一步包括所述旋转组件中的一个或多个微粒分离槽，微粒分离槽与所述一个或多个通道成流体连通，用于去除微粒污染。
Description
技术领域
本发明大体上涉及一种用于将微粒与流体分离的设备、系统和方法，确切地说，涉及一种用于将微粒与涡轮机的冷却气流分离的设备、系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机或燃烧器可将燃料或燃料空气混合物的化学能转化为热能。燃气涡轮机包括压缩机，所述压缩机对传送到燃烧器的空气进行压缩，在燃烧器中，空气与燃料混合并点燃以产生燃烧气体。燃烧气体向下游流过涡轮机的一个或多个级，并通过涡轮机叶片使涡轮机旋转，从而为压缩机提供动力且驱动一些涡轮机的机械输出。留给涡轮机使用的能量来源于排气温度的降低。能量是以轴动力、压缩空气和推力的任意组合的形式提取的，而且所述能量可为发机器、飞机、火车和船提供动力。
一个涡轮机级包括一排涡轮机转子叶片，其紧固在转子盘的外围，转子盘具有固定的涡轮机喷嘴，喷嘴具有从该喷嘴的上游设置的多个定子轮叶。燃烧气体在定子轮叶与涡轮机叶片之间流动，从而提取能量以使转子盘旋转。燃气涡轮机内的温度可能会超过2500°F，因此就叶片寿命而言，对涡轮机叶片进行冷却非常重要。涡轮机叶片和轮叶包括较小的内腔和通道以进行冷却。如果不进行冷却，则涡轮机叶片很快就会受损。
由于燃烧气体是热气体，因此为了冷却，涡轮机轮叶和叶片通常用从压缩机中排出的一部分空气进行冷却。转移任一部分在燃烧器中使用的压缩机空气必定会降低燃气涡轮机的整体效率。因此，需要在尽量少排出压缩机空气的情况下对轮叶和叶片进行冷却。冷却空气受到微粒污染可妨碍或限制冷却气流通过冷却腔或冷却通道。
因此，需要提供一种微粒分离器系统，将微粒与冷却气流分开而不会对供给压缩机的冷却气流产生可能会对性能不利的影响，或可以将此影响降到最低。
发明内容
本发明的一项示范性实施例公开一种旋转机器，所述旋转机器包括第一机器部分(machine portion)、第二机器部分和将所述第一机器部分连接到第二机器部分的旋转机器部分。所述旋转机器部分包括一个或多个冷却通道，从而将冷却空气提供给第二机器部分，以及一个或多个微粒分离槽，其使所述一个或多个冷却通道中的一个或多个与一个腔进行流体连通。
本发明的另一项示范性实施例公开一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括用于对流体进行压缩的压缩机、用于获取压缩和燃烧之后的流体的涡轮机，以及将压缩机连接到涡轮机的转子轴。转子轴中的一个或多个冷却通道可将冷却空气提供给涡轮机，且一个或多个微粒分离槽使所述一个或多个冷却通道中的一个或多个与环绕转子轴的转子轴腔进行流体连通。
本发明的又一项示范性实施例公开一种将污染物微粒与冷却流分离的方法，所述方法包括提供旋转机器(rotating machine)。所述旋转机器包括第一机器部分、第二机器部分，以及旋转机器部分。所述方法进一步包括从第一机器部分中提取流体流，将所提取的流体流提供给旋转机器部分，以及将所述流体流从旋转机器部分提供给第二机器部分。从旋转机器器部分中转移一部分流体流，以便去除流体流中的污染物微粒。
本发明实施例的一个优点包括在对涡轮机的性能影响最小的情况下将微粒与吸入的空气分离开。
通过以下对优选实施例的描述并结合附图将清楚地了解本发明的其他特征和优点，附图以实例的方式说明本发明的原理。
附图说明
图1为根据本发明的旋转机器的框图。
图2为根据本发明的燃气涡轮机的一项示范性实施例的部分截面示意图。
图3为图2的一部分的放大示意图。
图4为图3的一部分的放大示意图。
图5为图3的转子轴的接头的截面示意图。
附图中相同的参考编号尽可能始终表示相同部分。
元件符号列表：
具体实施方式
现在将参考附图在下面更全面地描述本发明，各附图显示了本发明的示范性实施例。然而，本发明可通过许多不同的形式进行实施，且不应解释为限于本说明书中所列出的各实施例。
图1所示为旋转机器10的框图，旋转机器10包括第一机器部分12、第二机器部分14，以及将第一机器部分12连接到第二机器部分14的旋转机器部分16。所述旋转机器10可为燃气涡轮机、燃气燃烧器、用于将化学能转化为机械能的旋转机器，或具有穿过旋转组件的至少一个冷却通道的其他旋转机器。
第一机器部分12可为固定或旋转的机器部分。在一项实施例中，第一机器部分12可为旋转机器部分。在一项实施例中，第一机器部分12可为压缩机。在一项实施例中，第一机器部分12可为燃气涡轮机的压缩机部分。
第二机器部分14可为固定或旋转的机器部分。在一项实施例中，第二机器部分14可为旋转机器部分。在一项实施例中，第二机器部分14可为涡轮机。在一项实施例中，第二机器部分14可为燃气涡轮机的涡轮机部分。
旋转机器部分16包括旋转部件18。旋转部件18包括第一旋转部件部分18a和第二旋转部件部分18b。在另一项实施例中，旋转部件18可能包括一个或多个旋转部件部分。旋转机器部分16可进一步包括旋转支撑件、轴承和/或其他旋转机器部分组件(未图示)。在一项实施例中，旋转部件18可为转子轴。在另一项实施例中，旋转部件18可为燃气涡轮机的转子轴。
旋转部件18包括第一旋转部件部分18a和第二旋转部件部分18b，这两部分在接口19处接合。在另一项实施例中，旋转部件18可包括一个或多个旋转部分。在另一项实施例中，旋转部件18可包括在一个或多个接头处接合的两个或多个旋转部分。在一项实施例中，接头19可为螺栓接头。在一项实施例中，接头19可为转子轴的合并接头(marriage joint)。在另一项实施例中，接头19可为通过冶金接合的接口，例如但不限于，焊接接口。在另一项实施例中，其中旋转部件18为单个整体结构，可省去接头19。
旋转部件18包括冷却通道22，从而将冷却流体的流体流从第一机器部分12提供给第二机器部分14。冷却通道22与第一机器部分12和第二机器部分14成流体连通。在另一项实施例中，旋转部件18可包括一个或多个冷却通道，从而将冷却流体从第一机器部分12提供给第二机器部分14。在一项实施例中，冷却流体可以为空气。在一项实施例中，冷却流体从第一机器部分12的第一机器部分流体系统中排到冷却通道22。在另一项实施例中，冷却流体从第一机器部分12的压缩机部分中排出。在又一项实施例中，冷却流体从燃气涡轮机的压缩机中排出。
旋转部件18进一步包括与冷却通道22成流体连通的微粒分离槽24。在另一项实施例中，旋转部件18可包括一个或多个微粒分离槽24。在又一项实施例中，旋转部件18可包括与一个或多个冷却通道22成流体连通的一个或多个微粒分离槽24。微粒分离槽24将冷却流体从冷却通道22中排出，并将所述冷却流体提供给流体腔26。流体腔26可为用于获取冷却流体的空隙、通道或其他空间。流体腔26可与另一流体空隙、通道或空间(未图示)成流体连通。在一项实施例中，流体腔26可与第二机器部分14成流体连通。
微粒分离槽24设置于在接头19处接合的第一和第二旋转部件部分18a、18b之间。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽24可设置于一个或多个接头19中。在又一项实施例中，微粒分离槽可设置于旋转部件18的实心部分中。微粒分离槽24可通过加工、浇铸或以其他方式形成于第一和/或第二旋转部件部分18a、18b中。
微粒分离槽24将约1％体积比(1volume percent (vol.％))到约10％体积比(10vol.％)的冷却流体从冷却通道22转移到流体腔26。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽24将约1％体积比到约10％体积比的冷却流体从冷却通道22转移到流体腔26。在又一项实施例中，一个或多个微粒分离槽24将约1％体积比到约6％体积比的冷却流体从冷却通道22转移到流体腔26。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽24将约1％体积比到约4％体积比的冷却流体从冷却通道22转移到流体腔26。在再一项实施例中，一个或多个微粒分离槽24将约1％体积比的冷却流体从冷却通道22转移到流体腔26。这样，污染物微粒与冷却流体分离开，同时最小化了对旋转机器10性能的影响。
图2所示为根据本发明的燃气涡轮机100的一项示范性实施例的部分图。燃气涡轮机100包括压缩机112、燃烧器114和涡轮机116。压缩机112包括压缩机叶片112a，并将压缩空气提供给燃烧器114。压缩空气流的方向通常由箭头A表示。将燃料注入燃烧器114，在燃烧器114中与压缩空气混合，且在燃烧室117中点燃。燃烧的热气产物流到涡轮机116，从而通过用于驱动轴118的多个涡轮机叶片120来提取热气产生的功，这又可以驱动压缩机112。
图3所示为图2的一部分的更详细的图。如图3所示，轴118包括第一转子轴部分134、第二转子轴部分136、转子内孔138，以及中心线139。第一转子轴部分134可为压缩机后轴。第二转子轴部分136可为涡轮机定距块(turbine distance piece)。在另一项实施例中，轴118可包括一个或多个转子轴部分。在又一项实施例中，轴118可为单个整体转子轴部分。轴118至少部分设置于转子轴腔124中。转子轴腔124为设于轴118与涡轮机内壁126之间的空间。
第一和第二转子轴部分134、136在接口或接头140处接合。所述第一和第二转子轴部分134、136通过螺栓143进行接合。在此示范性实施例中，第一和第二转子轴部分134、136通过30个螺栓143进行接合。在另一项实施例中，第一和第二转子轴部分134、136可通过多个螺栓143进行接合。在一项实施例中，接头140可为合并接头且螺栓143可为多个合并螺栓(marriage bolts)。在另一项实施例中，轴118可包括在一个或多个接头处连接的两个或多个轴部分。在又一项实施例中，轴118可包括通过一个或多个合并接头进行接合的两个或多个轴部分。
参考图3、图4和图5，轴118包括冷却通道122。在此示范性实施例中，轴118包括15个冷却通道122(见图5)。在另一项实施例中，轴118可包括一个或多个冷却通道。冷却通道122与压缩机112和涡轮机116成流体连通。冷却通道122将空气从压缩机112中引出或排出，且将所述空气提供给涡轮机116。接着，所述空气可对多个涡轮机叶片120进行冷却。在另一项实施例中，所述空气可对涡轮机116的其他组件进行冷却。冷却空气流通常由箭头B表示(见图3)。在另一项实施例中，冷却通道122可位于燃气涡轮机100的另一旋转组件中。
在此示范性实施例中，空气从空气压缩机流路中排出，通常由箭头C表示。在另一项实施例中，空气可从燃气涡轮机100的另一个固定或旋转结构或点中排出。在又一项实施例中，空气可从压缩机112的一个固定或旋转结构或点中排出。例如，空气可从外围提取腔131或扩散器区113中排出。
在此实施例中，冷却通道122将空气提供给涡轮机116，确切地说，提供给转子腔119。在另一项实施例中，冷却通道122可将空气提供给涡轮机116的另一结构或点。在又一项实施例中，可将空气提供给涡轮机116的另一固定或旋转结构或点。
参考图4，接头140形成于第一与第二转子轴部分134、136之间，在接头处，第一转子轴部分末端表面144与第二转子轴部分末端表面会合、接合并接触。冷却通道122通过接头140从第一转子轴部分134横穿到第二转子轴部分136，确切地说是通过第一和第二转子轴部分表面144、146。
微粒分离槽148形成于接头中、由第一和第二转子轴部分134、136构成并位于这两部分之间。微粒分离槽148使冷却通道122与内桶腔150进行流体连通，内桶腔150为转子轴腔124(见图2)的一部分。内桶腔150由轴118的外表面157和内桶152的内桶表面158构成。
图5所示为沿着线L-L截得的接头140的截面图。线L-L经过延伸以将整个轴118分成图3所示的轴118的部分示意图。如图5所示，接头孔154围绕轴118在圆周上均匀分布。微粒分离槽148使冷却通道122与轴118的外表面156和内桶腔150进行流体连通(见图4)。在此示范性实施例中，多个冷却流体通道122将相应数目的微粒分离槽148连接到外表面156。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽148可将一个或多个冷却通道122中的一个或多个连接到外表面156。
微粒分离槽148将约1％体积比到约10％体积比的气流从冷却通道122转移到转子轴腔124(见图2)。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽148将约1％体积比到约10％体积比的气流从冷却通道122转移到内桶腔150。在又一项实施例中，一个或多个微粒分离槽148将约1％体积比到约6％体积比的气流从冷却通道122转移到内桶腔150。在另一项实施例中，一个或多个微粒分离槽148将约1％体积比到约4％体积比的气流从冷却通道122转移到内桶腔150。在再一项实施例中，一个或多个微粒分离槽148将约1％体积比的气流从冷却通道122转移到内桶腔150。
如图5进一步所示，另一微粒分离槽148a使转子内孔138与外表面156和内桶腔150(见图4)进行流体连通。在另一项实施例中，一个或多个另一微粒分离槽148a可使转子内孔138与外表面156进行流体连通。在又一项实施例中，可省去所述另一微粒分离槽148a。
参考图4和图5，微粒分离槽148最初可进行浇铸或随后加工到接头140中。在一项实施例中，微粒分解槽148可形成于第一转子轴末端表面144和/或第二转子轴末端表面146中的一个或两个表面上。在又一项实施例中，微粒分离槽148可形成于第一和第二转子轴末端表面144、146这两个表面上。在再一项实施例中，微粒分离槽148可对应地位于第一和第二转子轴末端表面144、146上，以便这两个表面均设有微粒分离槽148。在另一项实施例中，微粒分离槽148最初可进行浇铸或随后加工到轴118的实体部分(solid portion)中，槽148可位于沿着中心线139(见图2)的任何位置并与冷却通道122和转子轴腔124成流体连通。
现在将描述运行微粒分离系统的方法的一项实施例。在运行期间，含有污染物微粒的空气通过冷却通道122从压缩机112流到涡轮机116。当空气流过微粒分离槽148时，有一部分冷却空气被转移到微粒分离槽148中。通过旋转轴118的离心力作用，污染物微粒(未图示)与所转移的空气一起进入微粒分离槽148。污染物微粒通过微粒分离槽148朝向轴118的外表面156流动。
在另一项实施例中，通过通道、导管或管道(未图示)将空气从压缩机112提供给转子内孔138。在一项实施例中，提供给转子内孔138的空气来自于另一空气源，例如但不限于，燃气涡轮机100。所述空气从转子内孔138通过通道、导管或管道(未图示)提供给涡轮机116。当空气流过另一微粒分离槽148a时，有一部分空气被转移到所述另一微粒分离槽148a。污染物微粒(未图示)受到旋转轴118的离心力作用，从而使污染物微粒与所转移的空气一起进入所述另一微粒分离槽148a。污染物微粒通过所述另一微粒分离槽148a朝向轴118的外表面156流动，并进入内桶腔150。
再次参考图3和图4，当污染物微粒离开微粒分离槽148、148a时，离心力便促进污染物微粒进入内桶腔150并朝向内桶152移动，在其中可在内桶表面158上收集污染物微粒中的一些或全部。在另一项实施例中，污染物微粒从微粒分离槽148、148a流到转子轴腔124中。在一项实施例中，可在涡轮机内壁126上收集污染物微粒。
再次参考图3，可通过转子轴腔124将空气从压缩机112提供给涡轮机116。所述空气可通过泄漏进行提供，或通过工程设计进行提供。在一项实施例中，通过旋转密封件160将空气提供给转子轴腔124。在一项实施例中，提供给转子轴腔124的空气可去除累积在内桶表面158上的一些或全部污染物微粒。在另一项实施例中，提供给转子轴腔124的空气可去除转子轴腔124中的一些或全部污染物微粒。从内桶表面158和/或转子轴腔124中去除的污染物微粒可提供给涡轮机116。在又一项实施例中，从内桶表面158和/或转子轴腔124中去除的污染物微粒可提供给涡轮机116，其中燃烧气体通过涡轮机116。在再一项实施例中，可去除转子轴腔124中的一些或全部污染物微粒，并将所去除的污染物微粒提供给涡轮机168，且/或使之分散和/或在其他燃气涡轮机组件上进行收集。
虽然仅图示并描述了本发明的某些特征和实施例，但所属领域的技术人员可对本发明进行多种修改和变化(例如，可改变多种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料、颜色、方向等)而实质上无需脱离权利要求书中所述的本发明的新颖教示和优点。根据各替代性实施例，任意工艺或方法步骤的顺序均可进行变化或重新排序。因此，应理解，所附权利要求书意图涵盖本发明真实精神范围内的所有此类修改和变化。此外，为了简要描述各示范性实施例，可能不会描述实际实施方案的所有特征(即，与目前预期用于执行本发明的最佳模式无关的特征，或与实现本发明无关的特征)。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应做出与特定实施方案相关的各种决定。此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何，对于受益于本揭示案的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作且无需进行过度实验。
Claims (20)
1.一种旋转机器，包括：
第一机器部分；
第二机器部分；以及
将所述第一机器部分连接到所述第二机器部分的旋转机器部分；
其中所述旋转机器部分包括一个或多个将冷却空气提供给所述第二机器部分的冷却通道；以及
其中一个或多个微粒分离槽使所述一个或多个冷却通道中的一个或多个与腔进行流体连通。
2.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述一个或多个微粒分离槽将约1％体积比到约10％体积比的冷却流体从所述一个或多个冷却通道中分流出来。
3.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述一个或多个微粒分离槽将约1％体积比到约4％体积比的冷却流体从所述一个或多个冷却通分流出来。
4.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器部分包括在接头处连接到第二部分的第一部分，其中，所述一个或多个微粒分离槽被设置成通过所述接头。
5.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，提供给所述一个或多个冷却通道的冷却空气来自于所述第一机器部分。
6.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述一个或多个冷却通道将冷却流体提供给所述第二机器部分的各组件。
7.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述腔环绕所述旋转机器部分。
8.一种燃气涡轮机，包括：
用于压缩流体的压缩机；
用于获取压缩之后的所述流体的涡轮机；以及
将所述压缩机连接到所述涡轮机的转子轴；
所述转子轴中的一个或多个冷却通道，其用于将冷却空气提供给所述涡轮机；以及
一个或多个微粒分离槽，其使所述一个或多个冷却通道中的一个或多个与环绕所述转子轴的转子轴腔进行流体连通。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述一个或多个微粒分离槽将约1％体积比到约10％体积比的冷却流体从所述一个或多个冷却通道中分流出来。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述一个或多个微粒分离槽将约1％体积比到约4％体积比的冷却流体从所述一个或多个冷却通道中分流出来。
11.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述转子轴包括在接头处连接到第二部分的第一部分，其中，所述一个或多个微粒分离槽被设置成通过所述接头。
12.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，提供给所述一个或多个冷却通道的冷却空气来自于所述压缩机。
13.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述一个或多个冷却通道将冷却流体提供给所述涡轮机的涡轮机叶片。
14.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述一个或多个冷却通道包括通过所述转子轴的钻孔。
15.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，进一步包括固定内桶，所述固定内桶在绕所述转子轴的外表面形成开放腔，其中所述一个或多个微粒分离槽连接到所述外表面。
16.一种将污染物微粒与冷却流分开的方法，包括：
提供旋转机器，所述旋转机器包括第一机器部分、第二机器部分，
以及旋转机器部分；
从第一机器部分提取流体流；
将所提取的流体流提供给旋转机器部分；以及
将所述流体流从所述旋转机器部分提供给第二机器部分；
其中，一部分所述流体流从所述旋转机器部分分流出来，以便去除
所述流体流中的污染物微粒。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述旋转机器部分为转子轴，且所述流体流通过所述转子轴内的一个或多个冷却通道。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二机器部分为旋转机器部分。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二机器部分为涡轮机。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述旋转机器为燃气涡轮机。
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