CN103195570A - 用于操作燃气涡轮发动机的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作燃气涡轮发动机的方法和设备。燃气涡轮包括压缩机、位于压缩机下游的燃烧器和传热系统，其中，传热系统从压缩机接收压缩工作流体。流体联接件位于传热系统与燃烧器之间，其中，流体联接件从传热系统接收压缩工作流体。调节器与压缩机流体连通，并且流体联接件位于传热系统与调节器之间，其中，流体联接件从传热系统接收冷却介质。用于操作燃气涡轮的方法包括：使压缩工作流体从压缩机流到传热系统、将热能从压缩工作流体传递到传热系统、使压缩工作流体从传热系统流到燃烧器，和使冷却介质从传热系统流到压缩机入口。
Description
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮和用于操作燃气涡轮的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机广泛用于产生用于许多应用的功率。常规燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。在典型燃气涡轮发动机中，压缩机为燃烧器提供压缩空气。进入燃烧器的空气与燃料混合并且燃烧。热的燃烧气体从燃烧器排出，并且流经涡轮的叶片，以便使连接于叶片的涡轮的轴旋转。旋转轴的机械能中的一些驱动压缩机和/或其他机械系统。
现代燃气涡轮燃烧器中的温度可超过两千度华氏温度。因此，暴露于燃烧器内的这些温度的机械构件可在燃气涡轮的操作期间经历相当大的热应力，因此显著地缩短燃烧器的机械使用期限。另外，当燃气涡轮在进入压缩机的空气的周围温度高于某些水平的环境中操作时，核心发动机温度可上升到不可接受的高水平，因此影响发动机效率并且可能地缩短燃气涡轮构件的使用期限。
各种方法存在用于降低燃气涡轮内的温度。例如，用于控制燃气涡轮的燃烧器内的温度的一种方法涉及使空气穿过压缩机入口处的冷冻器进入压缩机，由此减小压缩空气在它进入压缩机时的温度。然而，以该方式提供给燃烧器的压缩空气温度可不提供燃烧器内的机械构件的充分冷却。另外，该方法不允许将冷却的压缩空气引导到燃烧器内的单独构件或区域。因此，改进的燃气涡轮和用于操作燃气涡轮的方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面在下列描述中被提出，或者可从描述是明显的，或者可通过本发明的实践学习。
本发明的一个实施例为一种燃气涡轮，其大体包括压缩机，其中，压缩机包括入口并且生产压缩工作流体。燃烧器位于压缩机下游，并且传热系统位于压缩机下游和燃烧器上游，其中，传热系统从压缩机接收压缩工作流体。第一流体联接件位于传热系统与燃烧器之间，其中，第一流体联接件从传热系统接收压缩工作流体。调节器与入口流体连通，并且第二流体联接件位于传热系统与调节器之间，其中，第二流体联接件从传热系统接收冷却介质。
本发明的第二实施例为一种燃气涡轮，其大体包括压缩机，其中，压缩机包括入口并且生产压缩工作流体。燃烧器位于压缩机下游，并且装置用于将冷却的压缩工作流体供应到燃烧器，并且将冷却介质供应到压缩机的入口。
本发明的实施例还可包括一种用于操作燃气涡轮的方法，其包括：使压缩工作流体从压缩机流到传热系统、将热能从压缩工作流体传递到传热系统、使压缩工作流体从传热系统流到燃烧器，和使冷却介质从传热系统流到压缩机的入口。
本领域技术人员在审阅说明书之后将更好地理解这种实施例和其他实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开（包括对本领域技术人员而言的其最佳模式）在说明书的其余部分被更特别地提出，包括参考附图，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的示例性燃气涡轮的方块图；并且
图2是如图1所示的示例性燃烧器的截面图。
部件列表
10燃气涡轮
12压缩机
14燃烧器
16涡轮
18工作流体
20压缩机入口
22压缩工作流体
24冷却的压缩工作流体
30传热系统
32换热器
34流体联接件
36调节器
50吸收式冷冻器
52发生器
54冷凝器
56蒸发器
58吸收器
60供给管线
62膨胀阀
64流体泵
66旁通阀
70冷凝物存储器
72过滤器
80端盖
82燃料喷嘴
84过渡件
86燃烧衬套
88端盖
90外壳
94热气体路径
96第一燃烧区域
98第二燃烧区域
100流量调节器
102预混合区域
104室
106燃料供应管道
108套管。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的目前实施例，在附图中示出该实施例的一个或更多个实例。详细描述使用数字标记和字母标记以表示附图中的特征。附图和描述中的同样或相似的标记用于表示本发明的同样或相似的部件。如在本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地用于将一个构件与另一个构件区别开，并且不意图表示单独构件的位置或重要性。另外，用语“上游”和“下游”表示流体通道中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件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。
每个实例作为本发明的说明而不是本发明的限制被提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出修改和变化。例如，作为一个实施例的部分被示出或描述的特征可使用在另一个实施例中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物的范围内的这种修改和变化。
本发明的各种实施例包括燃气涡轮和用于将冷却的压缩工作流体和冷却介质供应到燃气涡轮的方法。燃气涡轮大体包括压缩机、传热系统、燃烧器和涡轮。在特别实施例中，压缩机可与传热系统和燃烧器流体连通，由此允许从压缩机提出的压缩工作流体的至少一部分流动穿过传热系统，其中，可从压缩工作流体提出热能。以该方式，由换热器提出的能量可冷却压缩工作流体，并且/或者可提供能量以操作传热系统和/或燃气涡轮的其他辅助构件，诸如冷冻器。虽然本发明的示例性实施例将在工业燃气涡轮和用于操作工业燃气涡轮的方法的背景下被大体描述，但是出于说明的目的，本领域技术人员将容易理解，本发明的实施例可应用于任何燃气涡轮，并且不受限于工业燃气涡轮，除非在权利要求中特别地叙述。
图1提供了根据本发明的一个实施例的燃气涡轮10的简化方块图。如示出的，燃气涡轮10可大体包括压缩机12、位于压缩机12下游的至少一个燃烧器14和位于燃烧器14下游的涡轮16。压缩机12可为轴流式压缩机12，其中，诸如周围空气的工作流体18通过压缩机入口20进入压缩机12，并且穿过固定静叶和旋转叶片的交替级，其逐渐地给予工作流体18动能以生产压缩工作流体22的连续流。压缩工作流体22的至少一部分可从压缩机提出以支持燃气涡轮10的各种操作。剩余的压缩工作流体22的至少一部分可流到燃烧器14，在燃烧器14中，它与燃料混合并且点燃以产生具有高压的热气体。热气体流到涡轮16并且膨胀以生产功。
本发明的各种实施例包括装置，其用于将冷却的压缩工作流体24供应到燃烧器14，并且将冷却介质供应到压缩机入口20。如图1所示，用于装置的结构可包括位于压缩机12下游并位于燃烧器14上游的至少一个传热系统30。传热系统30可包括一个或更多个换热器32和一个或更多个流体联接件34。一个或更多个换热器32可包括壳管型和/或制冷型换热器32。然而，本领域技术人员应当理解，一个或更多个换热器32可包括将热能传递到传热介质和/或从传热介质传递热能的、现有技术中当前已知的任何类型和/或任何组合的换热器32。在特别实施例中，传热介质可包括诸如氨和水的任何液体溶液或适合于在换热器32内传递热能的任何液体、气体和/或固体介质。一个或更多个流体联接件34可包括管子、导管、软管、连接器或适合于使压缩工作流体22和/或传热介质流动的任何尺寸和/或形状的任何结构。在替代性方案中或者另外，装置可进一步包括调节器36，例如与传热系统30和压缩机入口20流体连通的冷冻器。调节器36可通过一个或更多个流体联接件34与传热系统30流体连通。
如图1所示，在本发明的范围内的特别实施例中，传热系统30可包括吸收式冷冻器50。大体上，吸收式冷冻器50可包括发生器52、冷凝器54、蒸发器56、吸收器58以及一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个。在特别实施例中，传热介质可包括氨和水的溶液，其中，制冷剂为氨。本领域技术人员应当理解，传热介质可包括通常用于如下应用的任何溶液，其中，制冷剂可被蒸馏。仅作为实例，吸收式冷冻器的下列描述将大体描述氨/水吸收式冷冻器的操作。
在特别实施例中，一个或更多个供给管线60可提供压缩机12与发生器52之间的流体连通。一个或更多个供给管线60可包括管子、导管、软管、连接器或适合于使压缩工作流体22流动的任何尺寸和/或形状的任何结构。以该方式，压缩工作流体22从压缩机12流动并且穿过发生器52，其中，热能可从压缩工作流体22传递到氨/水传热介质，因此允许制冷剂的至少一部分从传热介质蒸馏成加热的蒸发制冷剂，并且允许剩余的氨/水溶液再循环穿过吸收器58。以该方式，传热循环可在吸收式冷冻器50内开始，因此提供冷却的压缩工作流体24。发生器52可通过一个或更多个流体联接件34中的第一流体联接件与燃烧器14流体连通。以该方式，冷却的压缩工作流体24可流到燃烧器14中。因此，冷却的压缩工作流体24可增强压缩工作流体24和燃料的预混合，并且/或者可减小燃烧器14内的热应力。另外或者可选地，提供在传热系统30与燃烧器14之间的流体连通的一个或更多个流体联接件34中的至少一个可包括流量调节器100。以该方式，进入燃烧器14的冷却的压缩工作流体24的流可调节成适应燃烧器14和/或燃气涡轮10的操作条件。
加热的蒸发制冷剂可从发生器52流动穿过一个或更多个流体管道34中的一个或更多个，并且进入冷凝器54，在冷凝器54中，它被冷却，并且转变成高压液体制冷剂。来自冷凝器54的热经由周围空气耗散，但是可使用其他冷却介质。在特别实施例中，一个或更多个风扇可用于提供横跨冷凝器的冷却流以增强冷凝器性能。高压液体制冷剂从冷凝器54流动穿过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个并且穿过例如恒温膨胀阀的膨胀阀62，以生产低压液体或2-相制冷剂。低压液体或2-相制冷剂流动穿过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个并且流到蒸发器56。低压制冷剂在蒸发器56中沸腾，因此提供冷却或制冷效果。在某些实施例中，蒸发器56可通过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个与调节器36流体连通。因此，蒸发器56可为调节器36提供冷却介质。以该方式，流动穿过调节器36并且进入压缩机入口20的工作流体18的温度可减小，因此提高燃气涡轮的总效率。
当低压制冷剂在蒸发器56中沸腾时，低压制冷剂转变成高温低压制冷剂蒸汽。低压制冷剂蒸汽通过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个流到吸收器58，并且混合到从发生器52再循环的氨/水溶液中，因此再生产初始浓度的氨/水液体溶液混合物。吸收器58通过使热能耗散到周围空气或任何其他可用的冷却介质而将热能从液体溶液传递走。在特别实施例中，一个或更多个风扇可用于增强吸收器的冷却效率。例如，单个风扇可用于冷却冷凝器和吸收器。在其他实施例中，吸收器可具有用于冷却的专用风扇。液体溶液通过一个或更多个流体泵64往回泵送到发生器52，以重复传热循环。在特别实施例中，包括至少一个旁通阀66的流体联接件34中的一个或更多个可提供在冷凝器与吸收器之间的流体连通。以该方式，蒸发器可被至少部分地或完全地绕过，以便为吸收式冷冻器50提供冷却能力控制。本领域技术人员应当理解，吸收式冷冻器的操作和吸收式冷冻器的构件的前述描述意图是吸收式冷冻器传热循环和它的构件的简要且大体的叙述，并且不意味着以任何方式为限制性的。
另外或者在替代性方案中，燃气涡轮可包括与调节器36和/或蒸发器56和/或燃烧器14流体连通的冷凝物存储器70。以该方式，冷凝物存储器70可收集从流经调节器36和/或蒸发器56的工作流体18冷凝的水。水可从冷凝物存储器70流到与冷凝物存储器70流体连通的过滤器72，并且可通过一个或更多个流体泵64中的一个或更多个和/或一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个从过滤器72泵送到燃烧器14中。因此，水可喷射到燃烧器14中以增强压缩工作流体18和燃料的混合，以控制NOx排放物并且/或者为燃烧器14提供冷却。
图2提供如图1所示的示例性燃烧器14的截面图。如图2所示，燃烧器14可包括端盖80、一个或更多个燃料喷嘴82、过渡件84、燃烧衬套86、端盖88和/或外壳90，其至少部分地围绕燃烧器14。过渡件84和/或燃烧衬套86可提供轴向地延伸穿过外壳90的至少部分环形的通路。因此，至少部分环形的通路和外壳90可限定用于在燃烧器14内流动的压缩工作流体22和/或热气体的、燃烧室和/或一个或更多个流动路径。燃烧器14可包括第一燃烧区域96和/或轴向地位于第一燃烧区域96下游的第二燃烧区域98。燃烧器14可包括流体联接件34中的一个或更多个中的一个或更多个，其提供在传热系统30与燃烧器14之间的流体连通。以该方式，冷却的压缩工作流体24可从传热系统30流到燃烧器14。
在特别实施例中，冷却的压缩工作流体24可从传热系统30流动穿过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个，并且进入端盖80，从而提供较低冷却温度，因此减小端盖80内的热应力。在可选实施例中，一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个可引导冷却的压缩工作流体24穿过外壳90并且进入大体位于第一燃烧区域96上游的预混合区域102。因此，冷却工作流体24可降低热气体的温度，因此通过增大对逆燃的抵抗和延长压缩工作流体22和燃料的自燃延迟时间而增强预混合器能力。另外，流到预混合区域102的冷却的压缩工作流体24可通过减小在燃烧器14内的逆燃以及自燃的风险而显著地提高燃烧器14的性能和延长燃烧器14的使用期限。
在另外的实施例中，一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个可引导冷却的压缩工作流体24穿过燃烧衬套86和/或穿过过渡件84，并且进入位于第一燃烧区域96下游和第二燃烧区域98上游的燃烧器14的热气体路径94。以该方式，冷却的压缩工作流体24可降低热气体在它离开第一燃烧区域96时的温度，因此降低燃烧器14内的温度。另外，在第二燃烧区域98上游的冷却的压缩工作流体24的引入可增强燃料和压缩工作流体22在第二燃烧区域98中的预混合。在其他实施例中，一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个可将冷却的压缩工作流体24的至少一部分引导到至少部分地环绕燃烧器14的室104中，因此增强燃烧器14内的冷却。在可选实施例中，提供在传热系统30与燃烧器14之间的流体连通的一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个可将冷却的压缩工作流体24的至少一部分提供给与燃烧器14流体连通的燃料供应管道106中。以该方式，冷却工作流体24可用于提供围绕燃料的膜，因此不允许燃料在燃烧之前被加热，由此减小燃烧器14内的燃料在燃料管线中焦化或自燃的可能性。
关于图1-图2示出和描述的各种实施例还可提供用于操作燃气涡轮10的方法。该方法大体包括：使压缩工作流体22从压缩机12流到传热系统30、将热能从压缩工作流体22传递到传热系统30、使压缩工作流体22从传热系统30流到燃烧器14、以及使冷却介质从传热系统30流到压缩机的入口20。该方法还可包括使工作流体18流动穿过调节器36并且进入压缩机12。在特别实施例（其中，传热系统30包括与压缩机12流体连通的吸收式冷冻器50）中，该方法可包括将热能从压缩工作流体22传递到在吸收式冷冻器50内流动的传热介质，以冷却压缩工作流体22和启动吸收式冷冻器50的传热循环。该方法可进一步包括使压缩工作流体22的至少一部分从传热系统30流动穿过一个或更多个流体联接件34中的一个或更多个并且进入燃烧器14内的端盖80、第一预混合区域102、第一燃烧区域96、第二燃烧区域98、热气体路径94或一个或更多个燃料喷嘴82中的至少一个。在可选实施例中，该方法可包括使压缩工作流体22的至少一部分与燃料供应管道106中的燃料混合，并且使混合物流动到燃烧器14中，燃料供应管道106与一个或更多个流体联接件34和燃烧器14流体连通。该方法可进一步包括使压缩工作流体22的至少一部分从传热系统30流动穿过流体联接件34中的一个或更多个，进入围绕燃料管道106的套管108并且进入燃烧器14。另外或者在替代性方案中，该方法可进一步包括从流动穿过调节器36的工作流体18收集冷凝物和使冷凝物流到燃烧器14。
关于图1-图2示出和描述的各种实施例提供了相对于先前燃气涡轮和用于操作燃气涡轮的方法的一个或更多个商业和/或技术优点。例如，通过使热压缩工作流体从压缩机流动穿过传热系统并且进入燃烧器，由此减小燃烧器内的热应力和/或燃烧器内的火焰保持或逆燃的可能性，燃烧器的机械使用期限可延长。因此，操作员可延长用于修理的停机之间的时段，由此减少操作和维护燃气涡轮的成本。另外，通过为压缩机入口提供冷却介质以冷却进入压缩机的工作流体，燃气涡轮可以以更高的效率操作，因此节省燃料并且提高能量输出。
该书面的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(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。
Claims (20)
1. 一种燃气涡轮，其包括：
a. 压缩机，其中，所述压缩机包括入口，并且生产压缩工作流体；
b. 燃烧器，其位于所述压缩机下游；
c. 传热系统，其位于所述压缩机下游和所述燃烧器上游，其中，所述传热系统从所述压缩机接收所述压缩工作流体；
d. 第一流体联接件，其位于所述传热系统与所述燃烧器之间，其中，所述第一流体联接件从所述传热系统接收所述压缩工作流体；
e. 调节器，其与所述入口流体连通；和
f. 第二流体联接件，其位于所述传热系统与所述调节器之间，其中，所述第二流体联接件从所述传热系统接收冷却介质。
2. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述冷却介质包括水、溴化锂或氨中的至少一种。
3. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括与所述燃烧器流体连通的冷凝物存储器，其中，所述冷凝物存储器从流经所述调节器的周围空气收集冷凝物。
4. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述传热系统包括吸收式冷冻器。
5. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括在所述第一流体联接件中的流量调节器。
6. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述第一联接件为所述燃烧器中的端盖、燃烧室、燃料喷嘴或过渡件中的至少一个提供流体连通。
7. 一种燃气涡轮，其包括：
a. 压缩机，其中，所述压缩机包括入口，并且生产压缩工作流体；
b. 燃烧器，其位于所述压缩机下游；
c. 装置，其用于将冷却的压缩工作流体供应到所述燃烧器，并且将冷却介质供应到所述压缩机的入口。
8. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述冷却介质包括水、溴化锂或氨中的至少一种。
9. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括与所述燃烧器流体连通的冷凝物存储器，其中，所述冷凝物存储器从流动到所述入口中的周围空气收集冷凝物。
10. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述装置包括吸收式冷冻器。
11. 根据权利要求10所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括流体联接件和旁通阀，其中，所述流体联接件和所述旁通阀串联地连接，并且提供在吸收式冷冻器的冷凝器与吸收器之间的流体连通。
12. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括在所述装置与所述燃烧器之间的流量调节器。
13. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括与所述入口流体连通的调节器。
14. 根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，进一步包括联接件，其位于所述装置与所述燃烧器中的端盖、燃烧室、燃料喷嘴或过渡件中的至少一个之间。
15. 一种用于操作燃气涡轮的方法，其包括：
a. 使压缩工作流体从压缩机流到传热系统；
b. 将热能从所述压缩工作流体传递到所述传热系统；
c. 使所述压缩工作流体从所述传热系统流到燃烧器；和
d. 使冷却介质从所述传热系统流到所述压缩机的入口。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述传热系统包括至少部分地位于所述压缩机入口上游并与所述冷却介质流体连通的调节器，进一步包括使工作流体流动穿过所述调节器并且进入所述压缩机。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述传热系统包括与所述压缩机流体连通的吸收式冷冻器，进一步包括将所述热能从所述压缩工作流体传递到在所述吸收式冷冻器内流动的传热介质。
18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述压缩工作流体的至少一部分从所述传热系统流动到所述燃烧器的端盖中。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述压缩工作流体的至少一部分从所述传热系统流动到所述燃烧器内的预混合区域中。
20. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述压缩工作流体的至少一部分从所述传热系统流动到所述燃烧器中的一个或更多个燃料喷嘴中。
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