CN102852644A - 燃气涡轮机进口加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气涡轮机进口加热系统。在一个实施例中，系统包括：压缩机和导管，压缩机具有与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口、和流体连接到进口喇叭口的出口，导管连接到压缩机的出口，导管包括控制阀，导管用于将压缩空气的第一部分从压缩机的出口转移至进口喇叭口。
Description
技术领域
本发明所公开的主题涉及燃气涡轮机进口加热系统。具体地，本发明所公开的主题涉及用于从压缩机排出部分抽取空气以对燃气涡轮机进口的一部分进行加热的系统。
背景技术
常规燃气涡轮机动力系统采用无数的管路和导管以对高压进口排出空气进行加热。更具体地，常规燃气涡轮机系统将受热的压缩空气从压缩机抽取排出歧管、经由管线转移到压缩机的进口导管。由隔离阀和控制阀来控制从压缩机被转移的受热压缩空气的流动。在经过控制阀之后，被转移的空气随后流过加热器管的阵列，并最终到达压缩机的进口导叶(IGV)，以循环通过压缩机、并可能用于邻接的燃气涡轮机中。被转移的压缩空气在到达压缩机的IGV之前需要行进的距离会导致性能损失，并且传输这种被转移的空气所需要的硬件(例如，管路、导管等)会是昂贵的。
其他常规燃气涡轮机系统(例如，航空发动机)可以包括比在(上述的)常规动力系统中少的管路，但是这些系统对被转移的空气的流动几乎不提供控制。即，这些系统通常仅具有简单的“通/断”开关，“通/断”开关根据开关的位置来提供、或者不提供被转移的压缩机空气。在这种情况下，发动机控制者简单地触动开关，以使得大部分的受热压缩机空气被转移离开涡轮机、并到达压缩机进口。这会引起涡轮机的输出显著降低，并使得系统效率低。此外，被转移到压缩机进口的空气量是固定的，并受到开/关阀尺寸的影响。
发明内容
本发明公开了一种燃气涡轮机进口加热系统。在一个实施例中，所述系统包括：压缩机和导管，压缩机具有与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口、和流体连接到进口喇叭口的出口；导管连接到压缩机的出口，导管包括控制阀，导管用于将压缩空气的第一部分从压缩机的出口转移至进口喇叭口。
本发明的第一方面包括系统，所述系统具有压缩机和导管，压缩机包括与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口、和流体连接到进口喇叭口的出口；导管连接到压缩机的出口，导管包括控制阀，导管用于将压缩空气的第一部分从压缩机的出口转移至进口喇叭口。
所述系统还包括控制系统，所述控制系统可操作地连接到所述控制阀，所述控制系统构造成向所述控制阀提供指令，以将所述压缩空气的所述第一部分从所述出口提供至所述进口。所述进口喇叭口具有约70英寸至约95英寸的内径。所述系统还包括连接到所述压缩机的燃气涡轮机。所述燃气涡轮机构造成从所述压缩机的出口接收所述压缩空气的第二部分，所述第二部分不同于所述第一部分。所述系统还包括旁通导管，所述旁通导管与所述控制阀上游的所述导管流体连接。所述旁通导管构造成将所述压缩空气的所述第二部分从所述压缩机的出口提供至所述燃气涡轮机的分级。
本发明的第二方面包括燃气涡轮机系统，其具有涡轮机、压缩机和导管，压缩机在压缩机的出口处连接到涡轮机，压缩机包括与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口、和流体连接到进口喇叭口的出口；导管连接到压缩机的出口；导管包括控制阀，导管用于将压缩空气的第一部分从压缩机的出口转移至进口喇叭口。
所述燃气涡轮机系统还包括控制系统，所述控制系统可操作地连接到所述控制阀，所述控制系统构造成指示所述控制阀，以将所述压缩空气的所述第一部分从所述出口提供至所述进口。所述进口喇叭口具有约70英寸至约95英寸的内径。所述涡轮机构造成从所述压缩机的出口接收所述压缩空气的第二部分，所述第二部分不同于所述第一部分。所述燃气涡轮机系统还包括旁通导管，所述旁通导管与所述控制阀上游的所述导管流体连接。所述旁通导管构造成将所述压缩空气的所述第二部分从所述压缩机的出口提供至所述燃气涡轮机的分级。
本发明的第三方面包括燃气涡轮机系统，其具有涡轮机、压缩机、导管和控制系统，压缩机在压缩机的出口处连接到涡轮机，压缩机包括与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口、和流体连接到进口喇叭口的出口；导管连接到压缩机的出口和进口喇叭口，导管包括控制阀；及控制系统，其构造成指示/指令控制阀，以将压缩空气的第一部分从压缩机的出口提供至进口喇叭口。
所述进口喇叭口具有约70英寸至约95英寸的内径。所述涡轮机构造成从所述压缩机的出口接收所述压缩空气的第二部分，所述第二部分不同于所述第一部分。所述燃气涡轮机系统还包括旁通导管，所述旁通导管与所述控制阀上游的所述导管流体连接。所述旁通导管构造成将所述压缩空气的所述第二部分从所述压缩机的出口提供至所述燃气涡轮机的分级。
附图说明
根据结合附图对本发明的各个方面的下列详细描述，将更容易地理解本发明的这些和其他特征，附图示出本发明的各种实施例，其中：
图1示出根据本发明的实施例的系统的示意图。
应注意的是，本发明的附图没有必要按照比例绘制。附图旨在仅仅描绘本发明的典型方面，因此不应当被认为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的附图标记表示附图之间相同的元件。
6 进口喇叭口
附图标记列表： 8 进口导叶(IGVs)
2 系统(燃气涡轮机进
口加热系统)
4 压缩机 10 出口(压缩机)
14 导管
16 控制阀 23 进口(涡轮机)
18 控制系统 24 出口(涡轮机)
20 涡轮机 26 截止阀
22 旁通导管
具体实施方式
如上所示，本发明的各个方面提供燃气涡轮机进口加热系统。具体地，本说明书所公开的主题涉及用于从压缩机排出部分抽取空气以对燃气涡轮机进口的一部分进行加热的系统。
如上所述，为了加热压缩机的进口空气，已经采用两种常规系统以从该压缩机转移受热压缩空气。第一种常规系统是燃气涡轮机动力系统。该系统采用无数的管路和导管以对高压进口排出空气进行加热。更具体地，常规燃气涡轮机系统将受热压缩空气从压缩机抽取排出歧管经由管线转移到压缩机的进口导管。由隔离阀和控制阀来控制被转移的受热压缩空气从压缩机的流动。在经过控制阀之后，被转移的空气随后流过加热器管子，并最终到达压缩机的进口导叶(IGV)，以循环通过压缩机、并可能用于邻接的燃气涡轮机中。被转移的压缩空气在到达压缩机的IGV之前需要行进的距离会导致性能损失，并且传输这种被转移的空气所需要的硬件(例如，管路、导管等)会是昂贵的。
第二种常规系统是发动机(例如，航空发动机)。航空发动机包括比在(上述的)常规动力系统中少的管路，并且为了防冰(例如，在冷天)而利用被转移的受热压缩机空气。尽管这种常规系统确实利用更少的硬件(例如，管路)将被转移的压缩机空气反馈回到压缩机进口，但是这种系统对被转移的空气的流动几乎不提供控制。即，航空发动机设计成具有简单的“通/断”开关，“通/断”开关根据开关的位置来提供、或者不提供被转移的受热压缩机空气。在这种情况下，发动机控制者(例如，飞行驾驶员)简单地触动开关，以使得大部分的受热压缩机空气被转移离开涡轮机、并到达压缩机进口。这会引起涡轮机的输出显著降低，并使得系统效率低。此外，被转移到压缩机进口的空气量是固定的，并受到开/关阀尺寸的影响。
与上述常规系统不同，本发明的各个方面提供一种燃气涡轮机进口加热系统，其具有一种压缩机，所述压缩机包括与一组进口导叶(IGV)相邻的进口喇叭口；和流体连接到进口喇叭口的出口；及包括控制阀的导管，所述导管用于将压缩空气的一部分从压缩机的出口转移到进口喇叭口。
参照图1，所示为本发明系统(例如，燃气涡轮机进口加热系统)2的示意图，系统2包括压缩机4，压缩机4具有与一组进口导叶(IGVs)8(以阴影示出为压缩机4内的内部组件)相邻的进口喇叭口(inletbellmouth)6。压缩机4还可以包括出口10(例如，出口歧管)，如在本说明书中进一步所述的，出口10经由导管14流体连接到进口喇叭口6。如图所示，导管14可以连接到压缩机4的出口10。导管14可以包括控制阀16，在本说明书中将参照根据本发明的实施例的控制系统18和控制过程来进一步描述控制阀16。在本发明的实施例中，导管14用于将压缩空气的第一部分从压缩机4的出口10转移到进口喇叭口6。即，与常规系统不同，系统2能够将来自压缩机4的出口10的排出压缩空气经由进口喇叭口6(或歧管)直接转移到进口导叶8。这些常规系统不具有参照图1示出并描述的进口喇叭口6。
系统2还可以包括控制系统18，控制系统18可操作地连接到控制阀16。控制系统18和控制阀16可以采用能够控制经过导管14(导管14可以是用于输送流体的常规导管)的流体(例如空气)的流动的任意常规形式。例如，在控制阀16是机械受控阀的情况下，控制系统18可以包括用于打开和关闭控制阀16的机械组件。在控制阀16构造成(例如，经由电气开关)被电子控制时，控制系统18可以是至少部分的电子系统。在某些情况下，控制系统18和/或控制阀16可以是机电装置。在某些实施例中，控制系统18和/或控制阀16可以至少部分地受软件控制。在任意情况下，控制系统18可以构造成向控制阀16提供指令，以将压缩空气的一部分从出口10提供至进口喇叭口6。
控制系统18还可以构造成监测涡轮机20和/或压缩机4的参数，以确定被转移经过导管14(和/或旁通导管22)的空气的量。即，控制系统18可以监测涡轮机20和/或压缩机4中一个或多个的温度、流率、容量、输出、轴速等，以确定被转移经过导管14、并提供至进口喇叭口6的空气的量。此外，控制系统18可以包括、或者可操作地连接温度传感器，以确定在压缩机4和/或涡轮机20附近的环境温度。这使得控制系统18可以确定例如防冰条件是否有效。
进口喇叭口6可以设计成直接从导管14接收从出口10排出的压缩空气。在某些实施例中，进口喇叭口6可以具有约38英寸至约66英寸的内径。在其他实施例中，进口喇叭口6可以具有约70英寸至约95英寸的内径。
如图所示，压缩机4可以连接到燃气涡轮机20，燃气涡轮机20可以是用于将气体跨流过涡轮机20内的涡轮机叶片的运动转化成涡轮机轴的旋转运动的常规燃气涡轮机。在某些实施例中，燃气涡轮机20构造成经由第二或旁通导管(bypass conduit)22接收来自压缩机4的出口10的压缩空气的第二部分。如图所示，旁通导管22可以与控制阀16上游的第一导管14连接。即，旁通导管22在比第一导管14内的控制阀16的位置更靠近压缩机4的出口10的位置处连接到第一导管14。旁通导管22构造成接收来自压缩机4的排出物的、与提供至压缩机进口喇叭口6的部分不同的部分。在某些情况下，旁通导管22构造成从压缩机4的出口10将旁通压缩空气提供至燃气涡轮机20的一个级，所述级位于涡轮机进口23和涡轮机出口24之间。即，在燃气涡轮机20的低压部分中，旁通导管22构造成将旁通压缩空气提供至燃气涡轮机在涡轮机进口23下游的一部分。可以通过截止阀(shut-off valve)26(例如，经由控制系统18、或可选地，单独地)控制压缩空气经过旁通导管22的流动。如本领域技术人员将理解的，从压缩机4的出口10抽取并提供至进口喇叭口6的压缩空气的量，可以是控制阀16的位置、压缩机IGV(8)的角位置、和压缩机测量到的压力比的函数。截止阀24以及控制阀(16)可以受到控制系统18控制。
与常规系统不同，本发明的各个方面提供控制系统18，控制系统18用于主动地控制控制阀16(和/或截止阀26)以将压缩空气的预定部分从压缩机出口10提供至IGVs 8，从而能够对压缩机进口喇叭口6进行加热。其中，这可以在压缩机进口喇叭口6周围的区域实现防冰。由于本说明书的所述系统中公开的构造将压缩空气直接传送到IGVs，所以压缩机进口喇叭口6设计成接收比在常规系统中更高压力、更高温度的压缩空气。在某些情况下，这会要求压缩机进口喇叭口6包括组合的、或增强的部分，该组合的或增强的部分构造成接收更高压力、更高温度的压缩空气。通过限定，进口喇叭口6可以包括比压缩机4的围绕IGVs 8的部分具有更大进口直径的向外扩张、或钟形部分。即，进口喇叭口6的内径尺寸使得进口喇叭口6可以接收来自导管14的更高压力的压缩空气。在某些情况下，进口喇叭口6可以采用常规歧管形状，常规歧管形状包括随着从进口轴向接近IGV s8而渐进式变窄的部分或台阶。与常规压缩机进口不同，进口喇叭口6可以沿着其内表面具有多个台阶或部分，以用于接收来自导管14的空气。
本说明书示出并描述的系统2可以至少在下列情况下提供以增强性能：a)停机操作，其中有意地使涡轮机的输出降低；b)防冰，其中环境温度条件足够冷，以保证对压缩机进口(或压缩机外表)进行加热；和c)喘振(Surge)控制，其中对涡轮机输出中的不期望的变化进行调节。与常规发电系统相比，本说明书示出并描述的系统2可以减少硬件组件(例如，附加管路、阀等)、并同时维持系统的性能目标。此外，与常规发动机系统(例如，航空发动机)相比，本发明的各个方面能够实现(经由控制系统18)对从压缩机出口10抽取的压缩空气的量的控制，这可以实现与那些常规发动机系统相比改进的性能。
本说明书使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而并非旨在限制本发明。如本说明书所使用的，除非上下文中清楚地表明其他情况之外，单数形式的术语还意欲包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用时，术语“包括”指定存在陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是并未排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
本说明书使用示例来公开本发明(包括最佳实施方式)，还使得任意本领域技术人员可实现本发明(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等价结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围。
Claims (10)
1.一种系统(2)，其包括：
压缩机(4)，所述压缩机包括：
进口喇叭口(6)，其与一组进口导叶(8)相邻；和
出口(10)，其流体连接到所述进口喇叭口(6)；以及
导管(14)，其连接到所述压缩机(4)的出口(10)，所述导管(14)包括控制阀(16)，所述导管(14)用于将压缩空气的第一部分从所述压缩机的出口(10)转移至所述进口喇叭口(6)。
2.根据权利要求1所述的系统(2)，其特征在于，所述系统(2)还包括控制系统(18)，所述控制系统(18)可操作地连接到所述控制阀(16)，所述控制系统(18)构造成向所述控制阀(16)提供指令，以将所述压缩空气的所述第一部分从所述出口(10)提供至所述进口(6)。
3.根据权利要求1所述的系统(2)，其特征在于，所述进口喇叭口(6)具有约70英寸至约95英寸的内径。
4.根据权利要求1所述的系统(2)，其特征在于，所述系统(2)还包括连接到所述压缩机(4)的燃气涡轮机(20)。
5.根据权利要求4所述的系统(2)，其特征在于，所述燃气涡轮机(20)构造成从所述压缩机(4)的出口接收所述压缩空气的第二部分，所述第二部分不同于所述第一部分。
6.根据权利要求5所述的系统(2)，其特征在于，所述系统(2)还包括旁通导管(22)，所述旁通导管(22)与所述控制阀(16)上游的所述导管(14)流体连接。
7.根据权利要求6所述的系统(2)，其特征在于，所述旁通导管(22)构造成将所述压缩空气的所述第二部分从所述压缩机的出口(10)提供至所述燃气涡轮机(20)的分级。
8.一种燃气涡轮机系统，其包括：
涡轮机(20)；
压缩机(4)，其在所述压缩机(4)的出口(10)处连接到所述涡轮机(20)，所述压缩机(4)包括：
进口喇叭口(6)，其与一组进口导叶(8)相邻；和
出口(10)，其流体连接到所述进口喇叭口(6)；以及
导管(14)，其连接到所述压缩机(4)的出口(10)，所述导管(14)包括控制阀(16)，所述导管(14)用于将压缩空气的第一部分从所述压缩机(4)的出口(10)转移至所述进口喇叭口(6)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机系统，其特征在于，所述燃气涡轮机系统还包括控制系统(18)，所述控制系统(18)可操作地连接到所述控制阀(16)，所述控制系统(18)构造成指示所述控制阀(16)，以将所述压缩空气的所述第一部分从所述出口(10)提供至所述进口(6)。
10.一种燃气涡轮机系统，其包括：
涡轮机(20)，
压缩机(4)，其在所述压缩机(4)的出口(10)处连接到所述涡轮机(20)，所述压缩机(4)包括：
进口喇叭口(6)，其与一组进口导叶(8)相邻；和
出口(10)，其流体连接到所述进口喇叭口(6)；
导管(14)，其连接到所述压缩机(4)的出口(10)和所述进口喇叭口(6)，所述导管(14)包括控制阀(16)；以及
控制系统(18)，其构造成指示所述控制阀(16)，以将所述压缩空气的所述第一部分从所述压缩机(4)的出口(10)提供至所述进口喇叭口(6)。
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