CN102839997A - 压力和温度促动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力和温度促动系统，该系统具有高温低压区(448)、低温高压区(446)、边界、压力促动机构(74)、以及温度机构。位于高温低压区(448)内的气体具有大于位于低温高压区(446)内的气体的气体温度。位于低温高压区(446)内的气体具有大于位于高温低压区(448)内的气体的气体压力。边界将高温低压区(448)与低温高压区分离。压力促动机构(74)位于边界内并且构造成在高温低压区(448)或低温高压区(446)内的指定气体压力下打开。温度促动机构位于边界内并且构造成在高温低压区(448)或低温高压区(446)内的指定气体压力下打开。

Description

压力和温度促动系统
技术领域
本文中公开的本主题涉及一种压力和温度促动系统，且更具体而言涉及如下系统，即其中压力促动机构和温度促动机构选择性地打开，以允许低温高压区与高温低压区之间的气体流动。
背景技术
燃气涡轮通常包括压缩机、燃烧器、一个或多个燃料喷嘴、以及涡轮。空气经进气口进入燃气涡轮并且由压缩机加压。加压空气然后与由燃料喷嘴供给的燃料混合。空气-燃料混合物以指定比例供给到燃烧器用于燃烧。燃烧生成加压排气，加压排气驱动涡轮的叶片。
燃气涡轮的效率随着燃烧气体的温度提高而提高。这是因为温度较高的燃烧气体包含较多能量并且在燃烧气体在燃气涡轮内膨胀时产生较多的功。然而，为了将燃气涡轮的内部构件的温度维持在可以接受的水平，引入冷却空气。例如，位于喷嘴组件与涡轮的压缩机出口扩散器之间的涡轮的前叶轮空间承受升高的温度。压缩机中的其它位置包括例如后叶轮空间或末级叶轮空间。
存在用于在压缩机中引导冷却空气的若干种方法，然而这些方法的每一种均具有缺点。例如，在一种方法中，形成打开的冷却通道，以允许冷却空气流入期望位置，诸如前叶轮空间。然而，冷却通道允许冷却空气在所有操作状态下进入前叶轮空间而不进行流动控制，这有时引起不希望的冷却空气的抽取和燃气涡轮性能的相应损失。在另一种方法中，提供一种用于向前叶轮空间供给冷却空气的专用外部管道系统。然而，这种方法可能是成本高昂且复杂的。因此，将期望提供一种节约成本的系统，该系统根据操作压力或温度而为涡轮提供冷却空气。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种压力和温度促动系统，该系统具有高温低压区、低温高压区、边界、压力促动阀机构、以及温度阀机构。气体位于高温低压区和低温高压区两者内。位于高温低压区内的气体具有大于位于低温高压区内的气体的气体温度。位于低温高压区内的气体具有大于位于高温低压区内的气体的气体压力。边界将高温低压区与低温高压区分离。压力促动阀机构位于边界内并且构造成在低温高压区、高温低压区内的指定气体压力下或低温高压区与高温低压区之间的压差下打开。打开压力促动阀机构允许气体从低温高压区逸出到高温低压区内。温度促动阀机构位于边界内并且构造成用于在低温高压区或高温低压区内的指定气体温度下打开。打开温度促动阀机构允许位于低温高压区内的气体进入高温低压区。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃气涡轮。该燃气涡轮包括低压区和高压区。气体位于低压区和高压区两者内。位于高压区内的气体具有大于位于低压区内的气体的气体压力。位于燃气涡轮内的边界将低压区与高压区分离。压力促动阀机构位于边界内并且构造成在指定气体压力下打开。打开压力促动阀机构允许气体从高压区逸出到低压区内。
根据本发明的又一实施例，提供一种压力和温度促动系统，其包括：高温低压区和低温高压区，气体位于所述高温低压区和所述低温高压区两者内，位于所述高温低压区内的气体具有大于位于所述低温高压区内的气体的气体温度，并且位于所述低温高压区内的气体具有大于位于所述高温低压区内的气体的气体压力；将所述高温低压区与所述低温高压区分离的边界；压力促动机构，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区与所述高温低压区中的一者内的指定气体压力下打开，其中，打开所述压力促动机构允许气体从所述低温高压区逸出到所述高温低压区内；以及温度促动机构，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区、所述高温低压区中的一者内的指定气体温度和所述低温高压区与所述高温低压区之间的压差下打开，其中，打开所述温度促动机构允许位于所述低温高压区内的气体进入所述高温低压区，并且当气体从所述低温高压区流向所述高温低压区时，冷却流被提供到所述高温低压区。
这些和其它优点及特征将从结合附图的以下描述中变得更加显而易见。
附图说明
视为本发明的本主题在说明书的总结处的权利要求书中特别指出并清楚地主张权利。从以下结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它特征及优点显而易见，在附图中：
图1是示例性燃气涡轮系统的局部剖视图；
图2是图1中所示的压缩机、燃烧器和涡轮区段的一部分的剖视图；
图3是图1中所示的排气区段的剖视图；
图4-6是阀组件的图示，其中，图4示出了位于关闭位置的阀组件且图5-6示出了位于打开位置的阀组件；
图7是示出图4-6中所示的阀组件的操作的图表；
图8是图4-6中所示的阀组件的备选实施例；
图9是图4-6中所示的阀组件的一种构型的图示；
图10示出了图4-6中所示的阀组件的构型的另一实施例；以及
图11是阀组件的又一实施例。
详细描述借助于参照附图的实例解释了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表
10  功率生成系统
20  压缩机
22  燃烧器
24  涡轮
30  进气口
34  燃料喷嘴
39  排气框架
40  阀组件 
42  壁
44  压缩机排气外壳
46  压室
48  前叶轮空间
50  涡轮喷嘴隔膜腔
51  相邻的叶轮空间区域
52  涡轮外壳
54  两个涡轮腔
56  壁
60  叶轮空间
62  轴承腔(bearing cavity)
64  导叶
70  壁
72  组合的温度促动机构
74  压力促动机构 
76  阀壳体
80  阀柱塞或盘
84  顶部
86  开口
88  出口通路
140 阀组件
172 温度促动机构
174 单独的压力促动机构
240 阀组件
256 壁
290 阀部
292 冷却孔
294 通路
372 温度促动机构
374 压力促动机构
392 冷却孔
440 压力促动阀组件
446 高压区
448 低压区
474 压力促动机构
476 阀壳体
480 盘
484 顶部。
具体实施方式
图1示出了由附图标记10指示的示例性示意性功率生成系统。功率生成系统10是具有压缩机20、燃烧器22和涡轮24的燃气涡轮系统。空气经位于压缩机20中的进气口30进入功率生成系统10，并由压缩机20压缩。然后，压缩空气通过燃烧器22的燃料喷嘴34与燃料混合。燃料喷嘴34以特定比例将空气-燃料混合物喷射到燃烧器22内用于燃烧。燃烧生成驱动位于涡轮24内的叶片(未示出)的热加压排气。热气体离开涡轮24并且进入排气区段或排气框架39。
图2是压缩机20、燃烧器22和涡轮24的放大视图，示出了阀组件40的一个示例性实施例。在如图2所示的实施例中，阀组件40定位在压缩机排气外壳44的边界或壁42中。该壁将低温高压区，诸如压室46与高温低压区，诸如前叶轮空间48分离。高压压缩机排气通常位于压室46中。压室46中的空气的温度低于位于前叶轮空间中的空气的温度。然而，位于压室46中的空气的压力大于位于叶轮空间48中的空气或气体的压力。
尽管图2示出了位于压室46与前叶轮空间48之间的阀组件40，但应理解，该阀组件也可以位于功率生成系统10内的其它位置。具体而言，阀组件40可以安放在存在压差和温差的任何边界分离区域内。例如，参照图2，在备选实施例中，阀组件40可以定位在多个涡轮喷嘴隔膜腔50中的任一个与相邻的叶轮空间区域51之间。在另一实施例中，阀组件40可以安放在两个涡轮腔54之间的涡轮外壳52内。
现在转向图3，图3是排气区段39的另一部分的放大视图，阀组件40也可以安放在将后叶轮空间60与轴承腔62分离的边界或壁56中。在另一实施例中，阀组件40可以安放在位于轴承腔62中的导叶64中。在又一实施例中，阀组件40可以安放在轴承腔62与排气翼型件冷却腔66之间的壁70中。应注意，虽然图1-3示出了在燃气涡轮系统中采用的阀组件40，但应理解，也可以在其它应用中采用阀组件40。例如，在另一实施例中，阀组件可以位于内燃发动机内。在内燃发动机中，可以为实现如下目的而采用阀组件，即：用于排放物控制的影响燃料与空气比例的空气抽取；暴露于燃烧器区段中的升高的温度、过压力的构件或部件的冷却；以及通过提供切断能力而充分防止不希望的气体损失。
现在转向图4-6，示出了示出为位于壁56内的阀组件40的示例性示意图。在所示实施例中，阀组件40是组成单一、整体的阀的组合的温度促动机构72和压力促动机构74，然而应理解，在另一实施例中，温度促动机构72和压力促动机构74可以安放在单独的阀中，或者安放在其中温度促动机构72和压力促动机构74可以被彼此独立地促动的同一阀组件中。备选地，温度促动机构72和压力促动机构74的促动也可以彼此独立。组合的阀的图示在图7中示出。此外，可以采用协同工作的多个温度促动机构和压力促动机构来调节冷却空气并且用于抽取气体。
参照图4，阀组件40包括温度促动机构72、压力促动机构74、阀壳体76、以及阀柱塞或盘80。温度致动机构72通常是为了基于温度变化而调节气体流而促动的阀机构，并且包括热敏元件，诸如双金属元件或液体填充波纹管。尽管示出了盘80，但阀组件40也可以是用于调节气体流的各种阀机构，诸如弹簧加载的枢轴、滚珠和止挡件或蝶板阀。在所示的示例性实施例中，热敏元件是双金属元件。图4示出了位于关闭位置的阀，其中盘80的顶部84抵靠在壳体76中的开口86而就位。在关闭位置，气体通常不能从低温高压区46逸出并且进入到高温低压区48内。当位于低温高压区46内的气体的温度达到指定温度时，随后温度促动机构72形成使盘80的顶部84脱位(unseat)的机械位移，并且阀组件40被促动到如图5中所示的打开位置。具体而言，如图5中所示，双金属元件从大体水平布置致动进入大体弧形布置，以使盘80的顶部84从开口86拉开。备选地，在另一实施例中，当位于高温低压区48内的气体的温度达到指定温度时，温度致动机构72被促动，并且阀组件40打开。
当位于打开位置时，阀组件40在功率生成系统10的特定操作状态期间允许气体从低温高压区46进入高温低压区48。具体而言，在一个实施例中，温度促动机构72构造成在高负载燃气涡轮状态期间在指定温度打开。阀组件40位于低温高压区46与高温低压区48之间。低温高压区46通常包含高压冷却空气，以缓解高温并且冷却涡轮或其它类型的构件。具体而言，阀组件40的温度致动机构72被促动到打开位置，以允许位于低温高压区46内的高压冷却空气经离开通路88进入高温低压区48。在一个实例中，如果低温高压区或压室46(在图2中所示)的指定温度在约300℃至约450℃(该指定温度与高温低压区48内的构件金属温度相关联)之间，则阀组件40打开。
阀组件40的打开有利于通过允许冷却空气从低温高压区46进入高温低压区48而在环境温度升高和燃气涡轮高负载状态期间冷却位于高温低压区48内的构件。温度致动机构72通常在恒定的温度下保持在打开位置，直到位于低温高压区46或高温低压区48内的气体的温度下降到指定温度以下。具体而言，如果位于低温高压区46或高温低压区48内的气体的温度下降到指定温度以下，则促动温度致动机构72，以将盘80的顶部84重新就位到图4中所示的关闭位置。因此，阀组件40允许在环境温度升高和燃气涡轮高负载操作期间将冷却空气调节到高温低压区48内，并且在环境温度较低或燃气涡轮减小负载操作期间被促动到关闭位置。在环境温度较冷或减小负载操作期间关闭阀组件40将通过大体防止不希望的冷却空气进入高温低压区48而减小性能损失。
压力致动机构74通常是为了基于压力变化而调节气体流而促动的阀机构，并且包括压敏元件，诸如波纹管或隔膜。在所示的示例性实施例中，压敏元件是成组的可移动波纹管。图4示出了位于关闭位置的阀，其中气体通常不能在低温高压区46与高温低压区48之间逸出。当位于低温高压区46或高温低压区48内的气体的压力达到指定压力时，随后促动压力促动机构74，以使盘80的顶部84脱位，并且阀组件40被促动到打开位置中，如图6中所示。具体而言，压敏波纹管收缩而从开口86拉开。在另一实施例中，压力促动机构74被促动并且阀组件40根据低温高压区46与高温低压区48之间的压差而打开。
当位于打开位置时，阀组件40允许气体从低温高压区46进入高温低压区48。有时在涡轮24的特定操作状态期间需要燃烧器22的空气流抽取。例如，在一个实施例中，在功率生成系统10的弹性操作(turndown)模式期间，为了减少排放物，需要从压室46(在图2中示出)抽出空气流。因此，阀组件40的压力致动机构74被促动到打开位置，以允许位于压室46内的热气体或空气逸出到前叶轮空间48内。在一个实例中，如果压室或低温高压区46的指定压力低于约520 KPa，则阀组件40打开。阀组件40的打开允许在前叶轮空间48处于相对低的压力下时从压室46的内部抽取气体。如果位于低温高压区46内的气体的压力高于指定压力，则促动压力致动机构74，以使盘80的顶部84重新就位到在图4中所示的关闭位置内。
图7是示出了阀组件40的操作的示例性图表。该图表在x轴上示出温度(T)并且在y轴上示出压力(P)。在如图所示的实施例中，功率生成系统10(图1)包括通过高负载线A示出的燃气涡轮高负载操作状态和通过低负载线B示出的燃气涡轮低负载操作。阀组件40(图4-6)包括三种不同的操作状态。在指示为附图标记1的第一操作状态中，温度致动机构72将阀组件40促动到打开位置(图5)，以允许在高负载操作状态期间进行冷却。具体而言，当功率生成系统10在由高负载线A指示的高负载状态操作时，阀组件40允许气体从低温高压区46进入高温低压区48。当位于低温高压区46或高温低压区48内的气体的温度(T)达到指定温度时，温度致动机构72打开。在通过附图标记2指示的第二操作状态中，温度致动机构72和压力致动机构74两者均被促动，使得阀组件40位于图4中所示的关闭位置。在由附图标记3指示的第三操作状态中，阀组件40的压力致动机构74将阀组件40促动到打开位置(图6)，以允许气体抽取。具体而言，当功率生成系统10在由低负载线B指示的低负载状态操作时，阀组件40允许气体从低温高压区46进入高温低压区48。当位于高温低压区46或高温低压区48内的气体的压力(P)达到指定压力时，压力致动机构74打开。备选地，压力促动机构74根据在低温高压区46与高温低压区48之间的压差而打开。
现在转向图8，示出了阀组件140的备选示意图。阀组件140包括单独的温度促动机构172和单独的压力促动机构174，温度促动机构172和压力促动机构174协同工作，以允许阀组件140在环境温度升高和燃气涡轮高负载操作期间将冷却空气调节到高温低压区48内，并且还允许在燃气涡轮低负载操作期间从低温高压区46进行抽取。温度促动机构172和压力促动机构174各自包括阀壳体176和阀柱塞或盘180。
阀组件40也可以包括不同的构型。图9是阀组件240的一个实施例的示意图。阀组件240位于壁256内。在所示的实施例中，主阀部290包括温度促动机构(未示出)和压力促动机构(未示出)，该温度促动机构和压力促动机构协同工作，以允许阀组件140在环境温度升高期间将冷却空气调节到高温低压区48(在图4-6中示出)内并且也允许从低温高压区46(在图4-6中示出)抽出气体。在所示的实施例中，多个冷却孔292呈大体圆形模式布置在主阀部290的周围，然而应理解，冷却孔292也可以采用其它构型布置。一系列通路294将主阀组件290与冷却孔292流体地连接。这种阀布置将允许气体从安装在远侧的主阀部290流经冷却孔292中的一个或多个。在一个实施例中，二级温度促动机构272、二级压力促动机构274或这两者也可以安装在冷却孔292中的一个或多个上。以这种构型，主阀部292可以基于其中气体将流入该通路并且流向二级温度促动机构272或二级压力促动机构274的第一状态而促动。二级温度促动机构272或二级压力促动机构274然后可以基于第二状态而促动。
在图10中所示的另一实施例中，多个冷却孔392均设置有温度促动机构372和压力促动机构374。温度促动机构372和压力促动机构374两者均安装在冷却孔392中相应的一个上。在所示的实施例中，温度促动机构372和压力促动机构374呈大体圆形模式布置，然而应理解，温度促动机构372和压力促动机构374也可以以其它构型布置。
在又一实施例中，在图11中示出了压力促动阀440。压力促动阀组件440可以位于功率生成系统10(在图1中示出)内的各种位置。具体而言，阀组件440可以安放在存在压差的任何边界分离区域内。例如，阀组件440可以定位在如图2-3中所示的任何位置，诸如，例如多个涡轮喷嘴隔膜腔50中的任何一个与相邻的叶轮空间区域51之间、两个涡轮腔54之间的涡轮外壳52内、将后叶轮空间60与轴承腔62分离的壁56中、位于轴承腔62中的导叶64中、或在轴承腔62与排气翼型件冷却腔66之间的壁70中。
在所示的实施例中，阀组件440包括压力促动机构474、阀壳体476和阀柱塞或盘480。压力致动机构474通常是由于压力变化而促动的任何类型的阀机构，并且包括压敏元件，诸如，例如波纹管或隔膜。图11示出了位于关闭位置的阀组件440，其中气体大体不能在高压区446与低压区448之间逸出。在一个实施例中，当位于高压区446内的气体的压力达到指定压力时，随后压力促动机构474被促动，以使盘480的顶部484脱位，并且阀组件440被促动到打开位置(未示出)。
当位于打开位置时，阀组件440允许气体从高压区446进入低压区448。在涡轮24的特定操作状态期间，有时需要在燃烧器22(图1)中进行空气流抽取。例如，在一个实施例中，在功率生成系统10的弹性操作模式期间，为了减少排放物，需要从压室46(在图2中示出)抽出空气流。因此，阀组件440的压力致动机构474被促动到打开位置，以允许位于压室46内的热气体或空气逸出到前叶轮空间48内。在一个实例中，如果压室或低温高压区46的指定压力低于约560 KPa，则阀组件440打开。阀组件440的打开允许在燃气涡轮弹性操作低负载操作状态期间从压室46的内部抽取气体。如果位于高压区446内的气体的压力高于指定压力，则压力致动机构474被促动，以使盘480的顶部484重新就位到关闭位置中。
在另一实施例中，可以将阀组件440用作过压力阀。亦即，如果高压区446的气体压力高于一定阈值，则被捕集在高压区448内的气体可以逸出到低压区448内。具体而言，如果高压区446的气体温度超过指定压力极限，则阀组件440打开。在一个实例中，如果高压区446的指定压力极限低于约2100 KPa，则压力致动机构474被促动到打开位置。为了安全操作，指定压力极限基于燃气涡轮的操作极限。阀组件440的打开允许在相对高的压力期间从压室46的内部抽取气体。如果位于高压区446内的气体的压力低于指定压力极限，则压力致动机构474被促动，以使盘480的顶部484重新就位到关闭位置中。
虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这种公开的实施例。而是，可以对本发明进行修改以合并此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受限于前面的描述，而仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种压力和温度促动系统，包括：
高温低压区(448)和低温高压区(446)，气体位于所述高温低压区(448)和所述低温高压区(446)两者内，位于所述高温低压区(448)内的气体具有大于位于所述低温高压区(446)内的气体的气体温度，并且位于所述低温高压区(446)内的气体具有大于位于所述高温低压区(448)内的气体的气体压力；
将所述高温低压区(448)与所述低温高压区分离的边界；
压力促动机构(74)，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区(446)与所述高温低压区(448)中的一者内的指定气体压力下或者在所述低温高压区(446)与所述高温低压区(448)之间的压差下打开，其中，打开所述压力促动机构(74)允许气体从所述低温高压区(446)逸出到所述高温低压区(448)内；以及
温度促动机构，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区(446)、所述高温低压区(448)中的一者内的指定气体温度下打开，其中，打开所述温度促动机构允许位于所述低温高压区(446)内的气体进入所述高温低压区(448)，并且当气体从所述低温高压区(446)流向所述高温低压区时，冷却流被提供到所述高温低压区。
2.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述压力促动机构(74)和所述温度促动机构两者均流体地连接到通路，所述通路与位于所述边界内并且将所述高温低压区(448)连接到所述低温高压区(446)的多个冷却孔(292)连通。
3.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述多个冷却孔(292)包括位于所述多个冷却孔(292)中的至少一个内的另一压力促动机构(74)和另一温度促动机构中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述指定压力出现在高环境状态与燃气涡轮(24)高负载操作状态中的至少一者期间。
5.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述指定压力至少部分基于燃气涡轮(24)弹性操作低负载操作状态。
6.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述压力促动机构(74)和所述温度促动机构组合成单一、整体的阀并且以如下构型促动，即所述构型是彼此独立和彼此依赖中的一者。
7.根据权利要求1所述的压力和温度促动系统，其特征在于，所述压力促动机构(74)和所述温度促动机构均为单独的阀。
8.一种涡轮(24)，包括：
高温低压区(448)和低温高压区(446)，气体位于所述高温低压区(448)和所述低温高压区(446)两者内，位于所述高温低压区(448)内的气体具有大于位于所述低温高压区(446)内的气体的气体温度，位于所述低温高压区(446)内的气体具有大于位于所述高温低压区(448)内的气体的气体压力；
边界，其位于所述涡轮(24)内并且将所述高温低压区(448)与所述低温高压区分离；
压力促动机构(74)，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区(446)与所述高温低压区(448)之间的指定气体压差下打开，其中，打开所述压力促动机构(74)允许气体从所述低温高压区(446)逸出到所述高温低压区(448)内；以及
温度促动机构，其位于所述边界内并且构造成在所述低温高压区(446)和所述高温低压区(448)内的指定气体温度下打开，其中，打开所述温度促动机构允许位于所述低温高压区(446)内的气体进入所述高温低压区(448)，并且当气体从所述低温高压区(446)流到所述高温低压区时，冷却流被提供到所述高温低压区。
9.根据权利要求8所述的涡轮(24)，其特征在于，所述边界使压室(46)和前叶轮空间(48)、涡轮喷嘴隔膜和叶轮空间区域、两个相对的涡轮(24)腔、后叶轮空间(60)和轴承腔(62)、以及所述轴承腔(62)和排气翼型件冷却腔中的一者分离。
10.根据权利要求8所述的涡轮(24)，其特征在于，位于所述高压低温区内的气体是冷却空气。
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