CN103032174B - 用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法 - Google Patents

用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法。用于调节至燃气涡轮的空气流的系统包括过滤器外壳和在过滤器外壳内的调节介质，以调节流动穿过过滤器外壳的空气的温度。调节介质的深度或密度中的至少一个横跨过滤器外壳变化。用于调节至燃气涡轮的空气流的方法包括使空气流动穿过连接于燃气涡轮的过滤器外壳和使空气横跨过滤器外壳中的调节介质流动。该方法进一步包括调节空气流以横跨过滤器外壳的尺寸减小离开过滤器外壳的空气的温差。

Description

用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法。特别地，本发明的各种实施例使调节介质的深度或密度中的至少一个变化以产生至燃气涡轮的空气流的期望温度分布(temperatureprofile)。
背景技术
燃气涡轮广泛地使用在工业和商业操作中。例如，工业燃气涡轮典型地包括一个或更多个燃烧器以产生功率或推力。用于产生电力的典型商业燃气涡轮包括位于前面的压缩机、在中部附近的一个或更多个燃烧器和位于后面的涡轮。环境空气作为工作流体进入压缩机，并且压缩机将动能逐渐地给予工作流体以在高供能状态下产生压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并且流动到燃烧器，其中，压缩工作流体与燃料混合并且点燃以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流动到涡轮，它们在涡轮中膨胀以产生功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接于发电机的轴旋转以产生电。
进入压缩机的环境空气的物理特性显著地影响燃气涡轮的效率、功率输出和性能。例如，在环境温度方面的1oF增大可产生在燃气涡轮的功率输出方面的对应0.3至0.5%减小。相似地，环境空气的湿度的变化相反地影响环境空气的密度和因此燃气涡轮的功率输出。因此，许多燃气涡轮包括用于调节进入燃气涡轮的环境空气的系统以提高燃气涡轮的效率、功率输出和/或性能。
用于调节至燃气涡轮的环境空气流的系统可包括例如过滤器的一个或多个级、冷却介质和/或除湿器，其在环境空气进入燃气涡轮之前调整环境空气的清洁度、温度和/或湿度。虽然在调整环境空气的温度和/或湿度方面有效，但是系统的物理极限可产生离开系统并流动到燃气涡轮的环境空气的不平坦温度分布。环境空气的不平坦温度分布可超出燃气涡轮的设计极限并且在压缩机承口(bellmouth)中引起温度应力。因此，产生至燃气涡轮的空气的期望温度分布的、用于调节环境空气的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下列描述中在下面提出，或可从该描述是显而易见的，或可通过本发明的实践而学习。
本发明的一个实施例是一种用于调节至燃气涡轮的空气流的系统，其包括限定用于空气流的截面的过滤器外壳。在过滤器外壳内的调节介质横跨截面径向地延伸，以调节流动穿过过滤器外壳的空气的温度。调节介质的深度或密度中的至少一个横跨过滤器外壳的截面变化。
本发明的另一个实施例是一种用于调节至燃气涡轮的空气流的系统，其包括限定用于至燃气涡轮的空气流的路径的过滤器外壳。过滤器外壳的入口限定用于空气流进入过滤器外壳的第一截面。在入口下游的过滤器外壳的出口限定用于空气流离开过滤器外壳的第二截面，其小于第一截面。调节介质在入口和出口之间横跨过滤器外壳径向地延伸，以调整从入口流动到出口的空气的温度。调节介质的深度或密度中的至少一个横跨过滤器外壳变化。
本发明还可包括一种用于调节至燃气涡轮的空气流的方法，其包括使空气流动穿过连接于燃气涡轮的过滤器外壳和使空气横跨过滤器外壳中的调节介质流动。该方法进一步包括调节空气流以横跨过滤器外壳的尺寸减小离开过滤器外壳的空气的温差。
本领域技术人员在审阅说明书之后将更好地理解这些实施例的特征和方面，以及其他。
附图说明
本发明的全面且能够实现的公开(包括对本领域技术人员而言的其最佳模式)更具体地提出在说明书的剩余部分(包括参考附图)中，其中：
图1是在本发明的各种实施例的范围内的示范系统的侧视图；
图2是各种空气流温度分布的示范图表；
图3是根据本发明的第一实施例的系统的侧视图；
图4是根据本发明的第二实施例的系统的侧视图；
图5是根据本发明的第三实施例的系统的侧视图；
图6是根据本发明的第四实施例的系统的侧视图；
图7是根据本发明的第五实施例的系统的侧视图；和
图8是根据本发明的第六实施例的系统的侧视图。
部件列表
10系统
12通风外壳
14燃气涡轮
16空气流
18截面或路径
20入口
22出口
24第一截面
26第二截面
28天气罩
30过渡件
32除湿器
34管网
40调节介质
42除湿器
44基线分布
46示范分布
50深度
52密度。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，在附图中示出本发明的一个或更多个实例。详细的描述使用数字标记和字母标记以指示附图中的特征。附图和描述中的同样或相似的标记用于指示本发明的同样或相似的部件。
每个实例作为本发明的解释而不是本发明的限制被提供。事实上，对本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明作出修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可使用在另一个实施例上以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明涵盖在所附权利要求和它们的等同的范围内的这些修改和变化。
本发明的各种实施例包括用于调节至燃气涡轮的空气流的系统和方法。在具体实施例中，过滤器外壳位于燃气涡轮上游，并且过滤器外壳中的调节介质调整流动穿过过滤器外壳的空气的温度。调节介质的深度和/或密度横跨过滤器外壳变化以产生向下游流至燃气涡轮的空气流的期望温度分布。如在本文中使用的，术语“上游”和“下游”指示构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流动到构件B，则构件A位于构件B上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B位于构件A下游。
图1提供了在本发明的各种实施例的范围内的示范系统10的侧视图。如示出的，系统10大体包括连接于燃气涡轮14的过滤器外壳12以调节至燃气涡轮14的空气流16。空气流16可直接或间接地来源于系统10位于其中的外界或环境空气，并且过滤器外壳12大体限定空气流16在进入燃气涡轮14之前穿过的截面或路径18。例如，过滤器外壳12可包括入口20和在入口20下游的出口22。入口20可限定空气流16进入过滤器外壳12的第一截面24，并且出口22可限定空气流16离开过滤器外壳12的第二截面26。
过滤器外壳12可进一步包括连接于入口20的天气罩28和连接于出口22的过渡件30。天气罩28可横跨入口20的部分或整个入口20延伸，并且可包括一个或更多个除湿器32以防止诸如雨、雪和冰的天气进入过滤器外壳12，以减少过滤器外壳12中的空气流16的液体含量。过渡件30可使过滤器外壳12连接于管网34，其最后连接于燃气涡轮14。虽然图1示出了连接于过滤器外壳12的底部部分的过渡件30，但是在可选实施例中，过渡件30可连接在过滤器外壳12的其他高度处。以该方式，入口20的第一截面24可大于出口22的第二截面26，并且过渡件30可进一步减小出口22的第二截面26以加速空气流16，并且使管网34与燃气涡轮14入口的形状更接近地一致。
如图1所示，系统10进一步包括过滤器外壳12内的调节介质40，以调整流动穿过过滤器外壳12的空气的温度。调节介质40可包括本领域技术人员已知的一个或更多个装置，用于与流体流传热或换热。例如，调节介质40可包括冷冻器、制冷管、蒸发冷却器、喷雾冷却器或它们的组合。调节介质可在入口20和出口22之间横跨过滤器外壳12的截面18径向地延伸，并且可跟随有在调节介质下游的除湿器42，以从空气流16移除附加冷凝物或水滴。以该方式，空气流16可穿过入口20并且流动到调节介质40上，以在流动穿过出口22之前与调节介质40换热。
图2提供了离开过滤器外壳12的空气流16的各种温度分布的示范图表。水平轴线反映离开过滤器外壳12的空气流16的温度，并且竖直轴线反映空气流16在出口22或过渡件30中的高度。现有技术系统的示范基线温度分布44示出，离开过滤器外壳12的空气16温度在出口22或过渡件30的顶部处最低，并且朝向出口22或过渡件30的底部逐渐增大。空气16温度的变化大体由接近出口22的过滤器外壳12的截面18的减小和在过渡件30附近的、横跨调节介质40的下部分的空气16速度的对应增大而引起。空气16速度和温度的变化可减少通过调节空气流16而寻找的好处，并且/或者可超过用于进入燃气涡轮14的空气流16温度的可接受变化的设计限制。本发明的实施例不改变环境空气的流/速度分布，而是通过供应与更高空气速度相符合的更厚或更密集介质而抵消当前温度分布，使得具有更高速度的区域将具有更厚或更密集介质和因此更低离开空气温度。调节介质40的变化深度50和/或密度52向空气流16提供增强的阻力和/或换热能力，以产生离开过滤器外壳12的更平坦温度分布。
图3至5提供了图1中示出的系统10的侧视图，其中，调节介质40的深度50横跨过滤器外壳12的截面18变化。如图3至5所示，调节介质40的深度50大体在过渡件30附近增大，以提供在增大空气流16的区域附近的附加换热能力。特别地，调节介质40的深度50可横跨过滤器外壳12的截面18大致线性地增大，如图3所示。在该具体实施例中，调节介质40的深度50的大致线性增大提供在过渡件30附近的换热能力的对应大致线性增大。可选地或另外地，调节介质40的深度50可横跨过滤器外壳12的截面18比大致线性更大地增大(如图4所示)，以提供在过渡件30附近的换热能力的对应的比线性更大的增大。在又一个实施例中，调节介质40的深度50可横跨过滤器外壳12的截面18以步进变化而增大，如图5所示。调节介质40的深度50的步进变化可反映在过渡件30附近的换热能力的模块化构造和/或调整。本领域技术人员将容易理解，图3至5中示出的实施例的各种组合可导致又一些实施例，并且本发明不受限于调节介质40的深度50的增大的任何具体速率或位置，除了在权利要求中特别地叙述之外。
图6至8相似地提供了图1中示出的系统10的侧视图，其中，调节介质40的密度52横跨过滤器外壳12的截面18变化。如在本文中使用的，调节介质40的密度52指示调节介质40的换热能力，其通过使调节介质40中的制冷剂、冷却盘管和/或每单位面积的流体流中的一个或更多个的集中度变化而实现。如图6至8所示，调节介质40的密度52大体在过渡件30附近增大，以提供在增大空气流16的区域附近的附加换热能力。特别地，调节介质40的密度52可横跨过滤器外壳12的截面18大致线性地增大，如图6所示。在该具体实施例中，调节介质40的密度52的大致线性增大提供在过渡件30附近的换热能力的对应大致线性增大。可选地或另外地，调节介质40的密度52可横跨过滤器外壳12的截面18比大致线性更大地增大(如图7所示)，以提供在过渡件30附近的换热能力的对应的比线性更大的增大。在又一个实施例中，调节介质40的密度52可横跨过滤器外壳12的截面18以步进变化而增大，如图8所示。调节介质40的密度52的步进变化可反映在过渡件30附近的换热能力的模块化构造和/或调整。本领域技术人员将容易理解，图6至8中示出的实施例的各种组合可导致又一些实施例，并且本发明不受限于调节介质40的密度52的增大的任何具体速率或位置，除了在权利要求中特别地叙述之外。
图3至8中示出的各种实施例还可提供用于调节至燃气涡轮14的空气流的方法。该方法可包括使空气16流动穿过连接于燃气涡轮14的过滤器外壳12和使空气16横跨过滤器外壳12中的调节介质40流动。该方法可进一步包括调节空气流以横跨过滤器外壳12的尺寸减小离开过滤器外壳12的空气16的温差。在具体实施例中，该调节可包括使空气16横跨调节介质40的变化深度50或变化密度52中的至少一个流动，以产生至燃气涡轮14的空气流16的期望温度分布。例如，该方法可包括增大在连接在过滤器外壳12下游的过渡件30附近的调节介质40的深度50或密度52中的至少一个。
该书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其他实例。如果其他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其他实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种用于调节至燃气涡轮的空气流的系统，其包括：
过滤器外壳，其限定用于空气流的截面；
所述过滤器外壳内的调节介质，其横跨所述截面径向地延伸以调整流动穿过所述过滤器外壳的所述空气的温度；
其中，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳的截面变化。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳的截面大致线性地增大。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳的截面比大致线性更大地增大。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳的截面以步进变化而增大。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括在所述调节介质下游连接于所述过滤器外壳的过渡件，其中，所述调节介质的深度在所述过渡件附近增大。
6.一种用于调节至燃气涡轮的空气流的系统，其包括：
过滤器外壳，其限定用于至所述燃气涡轮的空气流的路径；
所述过滤器外壳的入口，其中，所述入口限定用于空气流进入所述过滤器外壳的第一截面；
所述过滤器外壳的出口，其位于所述入口下游，其中，所述出口限定用于空气流离开所述过滤器外壳的第二截面，其中，所述第二截面小于所述第一截面；
调节介质，其在所述入口和所述出口之间横跨所述过滤器外壳径向地延伸，以调整从所述入口流动到所述出口的所述空气的温度；
其中，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳变化。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳大致线性地增大。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳比大致线性更大地增大。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调节介质的深度横跨所述过滤器外壳以步进变化而增大。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，进一步包括在所述调节介质下游连接于所述出口的过渡件，其中，所述调节介质的深度在所述过渡件附近增大。
11.一种用于调节至燃气涡轮的空气流的方法，其包括：
使空气流动穿过连接于所述燃气涡轮的过滤器外壳；和
使所述空气横跨所述过滤器外壳中的调节介质流动；
调节所述空气流以横跨所述过滤器外壳的尺寸减小离开所述过滤器外壳的所述空气的温差；
其中，所述调节步骤包括使所述空气横跨所述调节介质的变化深度流动，以产生至所述燃气涡轮的所述空气流的期望温度分布。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括横跨所述过滤器外壳增大所述调节介质的深度。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括横跨所述过滤器外壳大致线性地增大所述调节介质的深度。
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