CN103321693A - 用于冷却涡轮机排气框架的压缩器抽气流的主动控制 - Google Patents

用于冷却涡轮机排气框架的压缩器抽气流的主动控制 Download PDF

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Abstract

本发明是用于冷却涡轮机排气框架的压缩机抽气流的主动控制。涉及并公开一种燃气涡轮机，其包括：至少一个燃烧器和排气框架；压缩器，所述压缩器适合于将空气供应到燃烧器并且将排出空气供应到排气框架。冷却空气供应管道布置成将环境空气供应到排气框架并且至少一个喷射器布置成将排出空气供应到在排气框架的上游的冷却空气供应管道。控制阀配置成根据涡轮机排气温度和/或涡轮机负荷状态和在各种涡轮机负荷状态下的冷却要求控制压缩器排出空气到冷却空气供应管道和排气框架的供应。

Description

用于冷却涡轮机排气框架的压缩器抽气流的主动控制
技术领域
本发明总体上涉及用于涡轮机械的冷却装置，并且更具体地，涉及使用来自压缩器的排出空气冷却涡轮发动机排气框架。
背景技术
燃气涡轮机系统中的涡轮机冷却流管理对于在包括部分负荷状态所有操作状态下获得增加的使用寿命和性能是至关重要的。已发现相比于基本负荷状态，排气温度在部分负荷和调低状态较高。因此，排气框架冷却需求在部分负荷和调低下较高。
在常规系统中，考虑到主流动路径中的较高压力由于较高二次流动阻力，冷却剂供应在部分负荷状态下减小。备选地，一些排气框架冷却系统使用外部吹风机，但是吹风机典型地尺寸被确定用于基本负荷操作状态，并且以大致恒定的速率供应冷却流，不考虑涡轮机状态。可以领会，当冷却需求高于在基本负荷状态下需要的冷却需求时，该类型的吹风机不足以提供所需的排气框架冷却。
其它已知配置使用一个或多个引射器将来自压缩器或来自涡轮机壳体的内部的空气吸引到气流中或形成于壳体中的冷却孔中。例如参见美国专利第5,450,719和3,631,672号。然而，不存在取决于特定发动机状态调节通过（一个或多个）引射器的空气流。
所以仍然需要提供一种用于涡轮机排气框架的冷却装置，其满足在包括部分负荷和调低状态的所有涡轮机状态下的冷却要求，从而优化排气框架的使用寿命。
发明内容
在第一示例性但非限定性实施例中，提供一种涡轮机排气框架冷却装置，其包括：至少一个燃烧器和排气框架；压缩器，所述压缩器适合于将空气供应到所述至少一个涡轮机燃烧器并且将排出空气供应到所述排气框架；冷却空气供应管道，所述冷却空气供应管道布置成将环境空气供应到所述排气框架；至少一个喷射器，所述至少一个喷射器布置成将压缩器排出空气供应到在所述排气框架的上游的所述冷却空气供应管道；以及控制阀，所述控制阀配置成根据涡轮机负荷状态和在所述负荷状态下的冷却要求控制压缩器排出空气到所述冷却空气供应管道和所述排气框架的供应。
在又一个方面中，本发明提供一种燃气涡轮机，其包括：压缩器；涡轮机，所述涡轮机具有至少一个燃烧器和排气框架，其中所述排气框架由环境空气和来自所述压缩器的排出空气冷却；冷却空气供应管道，所述冷却空气供应管道布置成将环境空气供应到所述排气框架，所述冷却空气供应管道形成有横截面减小的喉部区域；位于所述喉部区域内的至少一个喷射器，所述至少一个喷射器连接到管路，所述管路布置成将来自所述压缩器的排出空气供应到所述冷却空气供应管道；以及控制阀，所述控制阀配置成根据涡轮机负荷和/或排气温度主动地控制来自所述压缩器的排出空气经由所述至少一个喷射器到所述冷却空气供应管道的流动。
在又一个方面中，提供一种冷却涡轮机的排气框架的方法，包括：将环境空气供应到所述涡轮机排气框架；供应来自压缩器的排出空气以与所述排气框架的上游的环境空气混合；以及根据发动机负荷状态和在所述负荷状态下的冷却要求控制来自所述压缩器的排出空气的流动。
现在将结合下面识别的附图详细地描述本发明。
附图说明
图1是根据本发明的示例性但非限定性实施例的包括用于涡轮机排气框架的冷却装置的燃气涡轮机的简化示意图；以及
图2是曲线，示出了基于涡轮机排气温度和涡轮机负荷的冷却流相比于与负荷和/或排气温度无关的常规恒定冷却流系统。
具体实施方式
参考图1，显示简化示意流动图，该图包括涡轮机10、压缩器12、一个或多个燃烧器14和由涡轮机驱动的发电机16。将领会涡轮机10供应有来自压缩器12的进入空气并且离开涡轮机的热燃烧气体经由排气框架18排出。
为了改善排气框架18的冷却，一个或多个喷射器20插入排气框架冷却回路中。每个喷射器20供应有来自压缩器12的排出空气并且将冷却空气喷射到环境空气冷却流管路22中，所述环境空气冷却流管路也经由表示为24的入口将环境空气吸引到管路中。喷射器20包括位于排气框架18的上游的冷却流管道22的横截面减小的文氏管或喉部区域28内的喷嘴26。压缩器排出空气在喷嘴26处在冷却流的方向上引入，并且由阀30控制，所述阀根据当前涡轮机负荷状态调节或主动控制压缩器排出空气到一个或多个喷射器20的流动。更具体地，在各种负荷状态（例如起动、部分负荷、基本负荷和调低）下的冷却要求可以基于那些状态的每一个下的排气温度进行确定。冷却要求与负荷控制阀30相关使得在各种负荷状态下，阀对供应压缩器排出空气流作出响应，目标是满足那些冷却要求。确定各种负荷状态下的冷却要求、选择和程序设计负荷控制阀以根据当前负荷状态操作以及整合到装置操作控制系统中完全在本领域的普通技术人员的知识范围内。因此，即使在部分负荷和调低状态下，控制阀也可以保证到达（一个或多个）喷射器20的冷却流足以与环境空气混合并且根据需要冷却排气框架。
将领会文氏管22将具有加速管路22内的冷却流并且通过环境空气入口24吸入更多空气的理想效果。
将领会喷射器20的类型和数量可以变化，并且各种流动参数将随着具体应用（例如随着不同框架尺寸）而变化。
图2大体上显示了涡轮发动机负荷、冷却要求和排气温度之间的关系。该图形显示了已知的冷却设计（已知设计），其中冷却流在各种操作状态期间保持大致恒定。涡轮机排气温度可以在部分负荷处增加并且可以在部分负荷状态期间保持在升高水平。
继续参考图2，根据本文中所述的示例性但非限定性实施例，冷却流跟随涡轮机排气温度从较低初始速率增加，在大约20%负荷处达到更高。冷却速率然后可以在增加的部分负荷状态期间保持大致恒定，再次跟随排气温度，目标是保持在现有冷却速率之上。在全或基本负荷（100%）处，排气温度降低并且因此冷却要求也可以降低到大致匹配基本负荷状态。本发明因此认识到冷却要求可以在部分负荷期间提高并且可以相应地经由负荷控制阀30增加冷却流。通过根据涡轮发动机负荷理解排气温度，可以通过将负荷控制阀30程序设计成根据排气温度和/或涡轮发动机负荷状态增加/减小到达排气框架的冷却流而满足冷却要求。
尽管结合当前被认为是最可行和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的实施例，而是相反地，旨在涵盖包括在附带权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (20)

1.一种涡轮机，其包括：
至少一个燃烧器和排气框架；
压缩器，所述压缩器适合于将空气供应到所述至少一个燃烧器并且将排出空气供应到所述排气框架；
冷却空气供应管道，所述冷却空气供应管道布置成将环境空气供应到所述排气框架；
至少一个喷射器，所述至少一个喷射器布置成将压缩器排出空气供应到在所述排气框架的上游的所述冷却空气供应管道；以及
控制阀，所述控制阀配置成根据涡轮机负荷状态和在所述涡轮机负荷状态下的冷却要求控制压缩器排出空气到所述冷却空气供应管道和所述排气框架的供应。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个喷射器定向成在环境空气流动的方向上将压缩器排出空气引入所述冷却空气供应管道中。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述冷却空气供应管道形成有横截面减小的喉部区域，并且所述喷射器的出口位于所述喉部区域内。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述冷却空气供应管道形成有横截面减小的喉部区域，并且所述喷射器的出口位于所述喉部区域内。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括燃气涡轮机。
6.一种燃气涡轮发动机，其包括：
压缩器；
涡轮机部段，所述涡轮机部段具有至少一个燃烧器和排气框架，其中所述排气框架由环境空气和由来自所述压缩器的排出空气冷却；
冷却空气供应管道，所述冷却空气供应管道布置成将环境空气供应到所述排气框架，所述冷却空气供应管道形成有横截面减小的喉部区域；
位于所述横截面减小的喉部区域内的至少一个喷射器，所述至少一个喷射器连接到管路，所述管路布置成将来自所述压缩器的排出空气供应到所述冷却空气供应管道；以及
控制阀，所述控制阀配置成根据涡轮机负荷和/或排气温度主动地控制来自所述压缩器的排出空气经由所述至少一个喷射器到所述冷却空气供应管道的流动。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述喷射器定向成在环境空气流动的方向上将压缩器排出空气引入所述冷却空气供应管道中。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述管路径向地突出到所述冷却空气供应管道中并且所述至少一个喷射器轴向地突出到所述喉部区域中。
9.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述控制阀位于所述压缩器和所述至少一个喷射器之间。
10.一种冷却涡轮机的排气框架的方法，包括：
a）将环境空气供应到所述涡轮机排气框架；
b）供应来自压缩器的排出空气以与所述排气框架的上游的环境空气混合；以及
c）根据发动机负荷状态和在所述负荷状态下的冷却要求控制来自所述压缩器的排出空气的流动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述发动机负荷状态包括部分负荷、基本负荷和调低负荷。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，部分地通过将压缩器排出空气引入供应环境空气的管道中执行步骤b）。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用位于所述管道的喉部区域内的至少一个喷射器将压缩器排出空气引入所述管道中。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用运载来自压缩器的排出空气的管路中的负荷控制阀执行步骤c）。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用运载来自压缩器的排出空气的管路中的负荷控制阀执行步骤c）。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述冷却要求基于在所述负荷状态下的涡轮机排气温度。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，排出空气在环境空气流动到所述排气框架的方向上供应到所述管道。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，使用位于所述管道的喉部区域内的至少一个喷射器将压缩器排出空气引入所述管道中。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，来自压缩器的排出空气的流率在部分负荷状态下增加。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，排出空气的流率随后在基本负荷下减小。
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