CN103089339B - 用于燃气涡轮机的主动间隙控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于燃气涡轮机的主动间隙控制系统和方法。所述燃气涡轮机具有多级压缩机以及涡轮机叶片在涡轮机壳内旋转的涡轮机。所述方法包括：选择从中抽取压缩空气的第一压缩机级；管输来自所述第一压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；输送来自所述第一压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热收缩；选择从中抽取压缩空气的第二压缩机级，并且取消选择所述第一压缩机级；管输来自所述第二压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；以及输送来自所述第二压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机具有主动间隙控制系统，以确保旋转叶片不会摩擦燃气涡轮机的固定壳体中的密封件。
背景技术
在燃气涡轮机中，燃烧气体流经涡轮机的壳体与转子之间的环形气体通道。桨叶等旋转叶片从转子径向伸出，并且伸入该环形气体通道。流经叶片的热燃烧气体使涡轮机旋转，从而驱动燃气涡轮机。
为了实现热燃烧气体的能量到机械能的转换最大化，需要使所有燃烧气体流经涡轮机的叶片，并且避免燃烧气体泄露而进入涡轮机的壳体、或穿过涡轮机叶片的叶尖与涡轮机壳体的内表面之间的空隙。壳体可包括围绕涡轮机桨叶的叶尖延伸的环形密封表面。使环形密封表面与叶片的叶尖之间的空隙最小化，会减少燃烧气体的泄露并且增加燃气涡轮机的热力学效率。
由于在壳体中的密封件与叶片的叶尖之间的空隙较小，因此存在一种风险，即叶片的叶尖将影响，例如摩擦，密封件。当燃气涡轮机在开机期间受热并且在停机期间冷却时，这种摩擦的风险增大。壳体和密封件的热膨胀率可能不同于包括叶片的涡轮机转子的热膨胀率。壳体与转子之间的热膨胀差异导致叶片的叶尖与密封件之间的间隙在开机、停机、以及其他负载变化期间燃气涡轮机转变时变化。如果间隙变得非常小，那么叶尖可能影响，例如摩擦，壳体的密封件。摩擦可能对燃气涡轮机造成损坏，例如，使叶片和密封件断裂或者以其他方式损坏。因此，长期需要用于主动控制燃气涡轮机中叶尖间隙的改进方法和设备。
发明内容
本发明提供一种针对具有多级压缩机以及涡轮机的燃气涡轮机而构想的间隙控制系统，所述系统包括：第一压缩气体通道，所述第一压缩气体通道经连接以从所述压缩机的一个级抽取压缩气体；第二压缩气体通道，所述第二压缩气体通道经连接以从所述压缩机的另一级抽取压缩气体；阀组件，用于调节通过所述第一和第二压缩气体通道的所述压缩气体的流动，其中所述阀组件经致动以使抽取的压缩气体选择性地从第一和第二气体通道中的所选一个通道通过；以及第三压缩气体通道，所述第三压缩气体通道将所述抽取的压缩气体从所述阀传输到所述涡轮机的壳体。
连接到所述第一压缩气体通道的所述级是所述压缩机的末级。所述间隙控制系统进一步包括热交换器，其连接到所述第一和第二压缩气体通道中的至少一个，其中所述热交换器向所述压缩气体增加热能。所述气体通道中的每个通道均具有所述热交换器中的相应一个热交换器。所述间隙控制系统进一步包括控制器，其中所述控制器从所述燃气涡轮机接收关于所述燃气涡轮机的运行模式的数据，并且所述控制器基于所述运行模式，致动所述阀以引导气体从所述压缩气体通道中的一个通道通过所述阀。
本发明还提供一种针对具有多级压缩机以及涡轮机的燃气涡轮机提供间隙控制的方法，所述涡轮机具有在涡轮机壳内旋转的涡轮机桨叶，所述方法包括：选择第一压缩机级，以从中抽取压缩空气；管输(ducting)来自所述第一压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；输送来自所述第一压缩机级的所述压缩空气，以使所述涡轮机壳热收缩；选择第二压缩机级，从中抽取压缩空气并且取消选择所述第一压缩机级；管输来自所述第二压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；以及输送来自所述第二压缩机级的所述压缩空气，以使所述涡轮机壳热膨胀。
所述第二压缩机级是所述压缩机中的压缩机末级，并且来自所述压缩机末级的所述压缩空气是压缩机排气。所述第一压缩机级是所述压缩机的中间部分中的压缩机级。其中，通过致动与所抽取的压缩空气流体连通的阀，来选择所述第二压缩机级而不选择所述第一压缩机级。所述方法进一步包括在所述压缩空气从所述压缩机抽取出之后、并且在所述压缩空气进入所述涡轮机壳之前，向所述压缩空气增加热能。其中，在确定环境空气温度低于阈值温度的基础上，增加所述热能。所述管输来自所述第二压缩机级的所述压缩气体到所述涡轮机壳的步骤发生在所述燃气涡轮机的开机和停机运行模式中的至少一个模式期间。所述管输来自所述第一压缩机级的所述压缩气体到所述涡轮机壳的步骤发生在所述燃气涡轮机的负载或基本负载运行模式期间。
本发明进一步提供一种针对具有多级压缩机以及涡轮机的燃气涡轮机提供间隙控制的方法，所述涡轮机具有在涡轮机壳内旋转的涡轮机桨叶，所述方法包括：在燃气涡轮机的开机、或停机模式期间，选择第一压缩机级以从中抽取压缩空气，将来自所述第一压缩机级的所述压缩空气管输到所述涡轮机壳，并且输送来自所述第一压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热膨胀；在燃气涡轮机的负载或基本负载模式期间，选择第一压缩机级以从中抽取压缩空气，选择第二压缩机级以从中抽取压缩空气、并且取消选择所述第一压缩机级，将来自所述第二压缩机级的所述压缩空气管输到所述涡轮机壳，并且输送来自所述第二压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热收缩；以及通过致动阀组件来选择所述第一压缩机级或所述第二压缩机级。
所述第二压缩机级是所述压缩机中的压缩机末级，并且来自所述压缩机末级的所述压缩空气是压缩机排气。所述第一压缩机级是所述压缩机的中间部分中的压缩机级。所述方法进一步包括在所述压缩空气从所述压缩机抽取出之后、并且在所述压缩空气进入所述涡轮机壳之前，向所述压缩空气增加热能。其中，在确定环境空气温度低于阈值温度的基础上，增加所述热能。
附图说明
图1为具有主动间隙控制系统的燃气涡轮机的示意图。
图2为传统燃气涡轮机的一部分的截面图。
图3为示例性过程的流程图，所述过程即施加从压缩机的两个或更多级抽取的压缩空气，通过热交换器加热或冷却空气，并且将经过温度控制的压缩空气施加到涡轮机或压缩机的壳体、以加热或冷却所述壳体，从而提供主动间隙控制。
具体实施方式
图1所示为具有压缩机12、燃烧室14和涡轮机16的燃气涡轮机10。旋转轴18将所述涡轮机连接到所述压缩机。大气进入压缩机，并且在增压空气进入燃烧室时排出，在燃烧室中，空气与燃料20混合并且燃烧。增压的热燃烧气体从燃烧室流经涡轮机，并且使其旋转。涡轮机的旋转使轴和压缩机转动。
发电机22或其他负载连接到轴，并且由轴驱动。控制系统24可以调节进入燃烧室的燃料，以及基于燃气涡轮机的功率输出、轴旋转速度以及涡轮机排气温度等运行条件，设置压缩机的入口处的导叶。
主动间隙控制系统26用于加热涡轮机的壳体，以确保转子的热膨胀不会导致涡轮机的旋转叶片的叶尖与涡轮机的壳体内的固定密封件进行摩擦。主动间隙控制系统26可包括气体通道、阀以及热交换器，以将从压缩机12抽取的较暖压缩空气引导至涡轮机16的壳体。
主动间隙控制系统26可具有从压缩机12的两个或更多级抽取压缩空气的气体通道28、30，所述压缩机可为具有连续压缩级的轴流式压缩机。每个级包括固定到压缩机壳体的环状排列的定子，以及固定到压缩机盘和轴18的环状排列的压缩机叶片。例如，通道28可以抽取从压缩机末级(最后一级)排出的高度压缩的热空气。另一气体通道30可以从压缩机的上游级抽取压缩程度较低的暖空气，所述上游级例如，压缩机中级、或位于压缩机入口与压缩机中级之间的级。与流经通道28的高度压缩热空气相比，流经通道30的、所抽取的压缩程度较低的暖空气处于较低压力和温度下。
基于间隙控制系统设计以及用于加热或冷却涡轮机壳体的空气的温度要求，可以选择间隙控制系统用来抽取压缩空气的通道28、30的数量以及压缩机上每个通道抽取压缩空气的位置，例如，对应的压缩机级。流经通道28的压缩空气的温度将明显高于通道30中空气的温度，因为处于压缩机末级的压缩空气的温度远远高于压缩机上游级中压缩空气的温度。
流经一个或多个通道的压缩空气的温度可以通过与每个通道关联的热交换器32、33进行调节，例如，进行冷却或加热。例如，对于高度压缩热空气而言，通道28中的热交换器32可用于将压缩气体温度冷却到所需温度，以适合于加热或冷却涡轮机16的壳体。来自涡轮机的热废气的一部分可以流经热交换器32，并且用作热能来源以加热流经所述热交换器的压缩气体。控制器24可将控制信号(A)发送至热交换器，以调节加热/冷却流体的流动，从而调节从压缩机流出并通过热交换器的压缩气体的温度变化。
间隙控制系统26可包括阀34，用以通过气体通道36将从压缩机抽取的压缩空气引导至涡轮机壳体。所述阀可为单向或双向控制阀，其直接安装到燃气涡轮机的壳体、或者设置于燃气涡轮机附近。所述阀可为单个阀或者一列阀。控制阀34或阀组件连接到抽取的压缩空气的通道28、30中的每个通道的出口，并且连接到阀与涡轮机壳体之间的气体通道36的入口。
阀34可由控制器24进行控制(A)，以调节流向涡轮机壳体的压缩空气的流动。例如，阀34可设置成只允许来自压缩空气通道28、30中的一个通道的压缩空气流经所述阀，并且流向涡轮机的壳体。所述控制器可以选择通道28或30以向涡轮机壳体提供空气，方法是选择温度最接近涡轮壳体所需温度的压缩气体。阀还可经配置以组合来自压缩机的通道28、30中的两个或更多通道的压缩气体，以形成具有用于加热涡轮机壳体的所需温度的压缩气体。
控制器24可包括：计算机或处理器；以及电子存储器，用以存储关于燃气涡轮机的涡轮机壳体接近度探针和气体温度等条件的数据；以及可执行程序，具有用于控制间隙控制系统，尤其是控制阀34和热交换器32的算法和指令。所述控制器可从与燃气涡轮机关联的各个传感器接收数据输入，所述传感器例如温度和接近度探针传感器，用以监控涡轮机壳体、废气和环境空气温度、轴旋转速度以及流向燃烧室的燃料流。控制器可以使用所述数据输入来执行存储的算法和指令过程，从而自动执行下述关于间隙控制的部分或所有过程。
控制器可以基于来自各个来源的数据对阀34进行控制，所述数据包括：例如在压缩机入口处测量的环境空气条件、发电机施加给燃气涡轮机的负载、轴18的旋转速度，以及来自压缩机以及在燃烧室入口处的气体排出压力。基于所述数据，控制器可以对阀进行调节，以提供通过通道36的具有所选流量的压缩气体、以及通过通道36的具有所选气体温度的气体。通过调节阀34以及选择是否致动热交换器32、33，控制器可使压缩气体从具有处于特定温度的空气的压缩机级中抽取，所述温度最接近要流经涡轮机壳体的气体的所需温度。例如，来自压缩机末级的热压缩气体可以管输通过涡轮机壳体以使涡轮机壳体膨胀。类似地，较冷的压缩气体可从压缩机较前的级抽取以使涡轮机壳体收缩。
流经涡轮机壳体以进行间隙控制的压缩气体可从涡轮机中排出，并且排入涡轮机的废气流。
图2为传统燃气涡轮机10的一部分的截面图。涡轮机16的转子包括一系列旋转的涡轮机叶轮38，每个叶轮都带有环状排列的涡轮机桨叶40。隔离片或圆盘39夹在叶轮之间。在涡轮机叶轮之间，固定喷嘴(轮叶)42布置成圆周阵列。喷嘴42和桨叶40位于来自燃烧室且流经涡轮机的燃烧气体41的环形流路中。环形防护罩44，例如，环状密封件，布置在每个桨叶28的叶尖周围。该防护罩阻止热燃烧气体径向向外流出涡轮机桨叶的叶尖。
每个防护罩44的内部环形表面与每个桨叶40的叶尖之间的环形空隙46使所述叶尖与涡轮机壳体之间存在间隙。空隙46偏小，以便最小化燃烧气体通过间隙的泄露，但也必须足够大以避免涡轮机桨叶叶尖与防护罩之间发生摩擦。
燃气涡轮机壳体包括外部结构安全壳(outerstructuralcontainmentshell)48和内壳50。外壳和内壳可为传统的，并且形成为沿水平中线连接的半圆形部分。内壳50可相对于转子进行径向膨胀和收缩，从而调节防护罩44与涡轮机桨叶40的叶尖之间的空隙46。使抽取的压缩机气体管输通过位于内壳中以及可选地介于外部和内部涡轮机壳之间的通道52，从而以受控的方式使内壳50进行膨胀和收缩，以便调节所述空隙。
涡轮机开机期间，可以供应受热空气，以使其在内壳半体的各个通道52中进行循环，从而使所述内壳径向膨胀，并且因此使防护罩比桨叶的叶尖更进一步地径向向外移置。与涡轮机转子相比，内壳50可更快地受热以使所述内壳热膨胀，并且因此使空隙46充分扩展以确保开机期间防护罩与桨叶叶尖之间具有足够的间隙。在涡轮机的稳态运行期间，供应给内壳的通道52的空气的温度可以进行调节，以使内壳相对于桨叶叶尖进行收缩或膨胀，从而调节空隙，并且因此使防护罩与桨叶叶尖之间达到最小间隙以提高涡轮机运行效率。在涡轮机停机期间，内壳50的热收缩率可控制成小于转子和轮叶的收缩率。
图3为燃气涡轮机的示例性一般间隙控制过程/方法的流程图。所述过程/方法可取决于燃气涡轮机的运行条件。例如，燃气涡轮机开机阶段期间的间隙控制过程/方法可不同于燃气涡轮机的稳态运行期间的间隙控制过程以及燃气涡轮机的停机期间的间隙控制过程/方法。这些过程中的不同之处可包括：从一个或多个压缩机级抽取的压缩机空气的量，例如，压缩机抽出空气；从抽取的压缩机空气中增加或抽取的热能的量；以及抽取的压缩机空气在流入涡轮机壳体时的温度。
在步骤100中，大气等工作流体在燃气涡轮机的压缩机中进行压缩。在步骤102中，选择压缩机中的一个或多个压缩机级，空气将从所述压缩机级进行抽取，以便在涡轮机中使用间隙控制。大部分所述工作流体继续流经压缩机，并且流向燃气涡轮机的燃烧室。控制器可以选择一个或多个压缩机级以供应用于进行间隙控制的压缩空气。压缩机级可通过调节阀34进行选择，以使来自所选级的压缩空气流经所述阀、并且流入连接到涡轮机壳体的气体通道36。
在步骤104中，来自所选压缩机级或多个所选压缩机级的压缩空气在热交换器32中可选地进行加热或冷却。控制系统可激活或避开热交换器32、33以调节从压缩机抽取的压缩空气的温度。例如，控制器可调节热交换器以获得流经热交换器并流向阀34以及流向涡轮机壳体的压缩空气的所需温度。控制器也可调节阀34的设置以混合从不同压缩机级抽取的压缩机抽出空气，从而获得流向涡轮机壳体的压缩空气的所需温度。
在步骤106中，将压缩空气从阀34施加到涡轮机壳体中的通道，以使所述壳体热膨胀或热收缩，并且因此调节涡轮机桨叶的叶尖与壳体之间的间隙，例如空隙。
图3所示过程/方法可以针对燃气涡轮机的不同运行模式进行调整。例如，在涡轮机开机和停机模式期间，控制器可对阀34进行设置，以使来自压缩机末级的压缩空气流经通道28和36、并且流向涡轮机壳体。控制器可基于指明环境空气温度的温度数据，来确定压缩空气是否在热交换器32中进行加热。如果环境空气温度低于阈值，例如20摄氏度，则控制器可使通道28中的压缩气体管输通过热交换器28，从而增加可供传输到涡轮机壳体的压缩气体的热能。如果环境温度高于阈值，则控制器可使通道28中的压缩空气绕过热交换器，并且直接流向涡轮机壳体。
控制器可将压缩空气引导至涡轮机壳体以使涡轮机壳体热膨胀，从而增大叶片间隙、并且避免初始叶片摩擦。在开机模式期间，控制器可使压缩空气继续流向涡轮机壳体，直到燃气涡轮机稳定且处于全速、无负载条件下。在停机模式期间，控制器可使压缩空气继续流向涡轮机壳体，直到桨叶停止在涡轮机壳体内旋转。
在燃气涡轮机运行的负载和基本负载模式期间，控制器可以执行间隙控制系统的冷却循环，以最小化空隙46，并且提高燃气涡轮机的效率。在基本负载模式期间，燃气涡轮机能够以稳定的旋转速度运行。当燃气涡轮机处于负载或基本负载模式时，控制器可致动阀34以使压缩气体从较低压缩机级进行抽取，通过通道30和36流向涡轮机壳体。
阀34可以进行设置，这样，当空气从较低压缩机级流出并流经通道30时，压缩空气就不会从压缩机末级抽取至通道28中。由于在不同压缩机级抽取的气体的压力不同，因此，阀34可经配置以使气体每次仅流经一个通道28、30，并且隔绝(closeoff)另一通道30、28，同时将压缩空气抽取至第一通道中。另外，通道28和30中的气体压力控制装置可平衡这些通道中的气体压力，以使流入通道36的气体的压力大体相同，而无需顾虑提供气体的是哪个压缩机级。
流向涡轮机壳体的压缩气体的温度可能低于涡轮机壳体的金属温。当较冷的压缩空气循环通过涡轮机壳体时，壳体收缩并且减小壳体的防护罩与桨叶的叶尖之间的间隙，例如空隙。控制器可使在通道30中流动的压缩气体管输通过热交换器33以增加或减少热能，从而使压缩空气达到用以冷却涡轮机壳体的所需温度。控制器可基于环境空气温度、或者基于涡轮机壳体温度、或接近度探针，来确定是否输送压缩气体通过热交换器。
控制器可以监控通道36中的压力，方法是从连接到该通道的压力传感器56接收压力数据。控制器可以控制阀34或卸压装置58，以确保流经涡轮机壳体的气体的压力处于所述壳体的适当压力水平。
虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，相反，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。
Claims (17)
1.一种用于具有多级压缩机和涡轮机的燃气涡轮机的间隙控制系统，所述系统包括：
第一压缩气体通道，所述第一压缩气体通道经连接以从所述压缩机的一个级抽取压缩气体；
第二压缩气体通道，所述第二压缩气体通道经连接以从所述压缩机的另一个级抽取压缩气体；
阀组件，用于调节通过所述第一和第二压缩气体通道的所述压缩气体的流动，其中所述阀组件经致动以选择性地从第一和第二气体通道中的所选一个通道输送抽取的压缩气体；
第三压缩气体通道，所述第三压缩气体通道将所述抽取的压缩气体从所述阀组件传输到所述涡轮机的壳体；以及
热交换器，其连接到所述第一和第二压缩气体通道中的至少一个，其中所述热交换器向所述压缩气体增加热能。
2.根据权利要求1所述的间隙控制系统，其中连接到所述第一压缩气体通道的所述级是所述压缩机的末级。
3.根据权利要求1所述的间隙控制系统，其中所述气体通道中的每个通道均具有所述热交换器中的相应一个热交换器。
4.根据权利要求1所述的间隙控制系统，进一步包括控制器，其中所述控制器从所述燃气涡轮机接收关于所述燃气涡轮机的运行模式的数据，并且所述控制器基于所述运行模式，致动所述阀组件以引导气体从所述压缩气体通道中的一个通道通过所述阀组件。
5.一种针对燃气涡轮机提供间隙控制的方法，所述燃气涡轮机具有多级压缩机以及涡轮机桨叶在涡轮机壳内旋转的涡轮机，所述方法包括：
选择从中抽取压缩空气的第一压缩机级；
管输来自所述第一压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；
输送来自所述第一压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热收缩；
选择从中抽取压缩空气的第二压缩机级，并且取消选择所述第一压缩机级；
管输来自所述第二压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳；以及
输送来自所述第二压缩机级的所述压缩空气以使涡轮机壳热膨胀。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二压缩机级是所述压缩机中的压缩机末级，并且来自所述压缩机末级的所述压缩空气是压缩机排气。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一压缩机级是所述压缩机的中间部分中的压缩机级。
8.根据权利要求5所述的方法，其中通过致动与所抽取的压缩空气流体连通的阀，来选择所述第二压缩机级而不选择所述第一压缩机级。
9.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在来自所选择的所述第一压缩机级或/和第二压缩机级的所述压缩空气从所述压缩机抽取出之后、并且在所述压缩空气进入所述涡轮机壳之前，向所述压缩空气增加热能。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在确定环境空气温度低于阈值温度的基础上，增加所述热能。
11.根据权利要求5所述的方法，其中管输来自所述第二压缩机级的所述压缩气体到所述涡轮机壳的步骤发生在所述燃气涡轮机的开机和停机运行模式中的至少一个模式期间。
12.根据权利要求5所述的方法，其中管输来自所述第一压缩机级的所述压缩气体到所述涡轮机壳的步骤发生在所述燃气涡轮机的负载或基本负载运行模式期间。
13.一种针对燃气涡轮机提供间隙控制的方法，所述燃气涡轮机具有多级压缩机以及涡轮机桨叶在涡轮机壳内旋转的涡轮机，所述方法包括：
在所述燃气涡轮机的开机或停机模式期间，选择从中抽取压缩空气的第一压缩机级，管输来自所述第一压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳，并且输送来自所述第一压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热膨胀；
在所述燃气涡轮机的负载或基本负载模式期间，选择从中抽取压缩空气的第一压缩机级，选择从中抽取压缩空气的第二压缩机级、并且取消选择所述第一压缩机级，管输来自所述第二压缩机级的所述压缩空气到所述涡轮机壳，并且输送来自所述第二压缩机级的所述压缩空气以使所述涡轮机壳热收缩；以及
通过致动阀组件来对所述第一压缩机级或所述第二压缩机级进行选择。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二压缩机级是所述压缩机中的压缩机末级，并且来自所述压缩机末级的所述压缩空气是压缩机排气。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一压缩机级是所述压缩机的中间部分中的压缩机级。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在来自所选择的所述第一压缩机级或/和第二压缩机级的所述压缩空气从所述压缩机抽取出之后、并且在所述压缩空气进入所述涡轮机壳之前，向所述压缩空气增加热能。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在确定环境空气温度低于阈值温度的基础上，增加所述热能。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160330 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |