CN103459804A - 用于冷却涡轮机级的方法和具有冷却的涡轮机级的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种具有涡轮机级（8）的燃气轮机，具有能够以由冷却介质冷却的方式运行的导向叶片（11）和用于将冷却介质输送到导向叶片（11）的内部中的冷却介质输送装置（19至24），所述导向叶片在其后缘（16）的区域中在其压力侧（18）具有至少一个冷却介质排出开口（25），冷却介质能够穿过所述冷却介质排出开口从导向叶片（11）的内部中流出到主流中，其中冷却介质输送装置（19至24）具有用于控制穿过至少一个冷却介质排出开口（25）的质量流的质量流控制装置（20），借助所述质量流控制装置，与燃气轮机（1）的全负荷运行相比，在燃气轮机（1）的部分负荷运行中穿过至少一个冷却介质排出开口（25）的质量流能够增大。

Description

用于冷却涡轮机级的方法和具有冷却的涡轮机级的燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种具有涡轮机级的燃气轮机，所述燃气轮机具有能够以由冷却介质冷却的方式运行的导向叶片和用于将冷却介质输送到导向叶片的内部中的冷却介质输送装置，以及涉及一种用于冷却涡轮机级的方法。

背景技术

燃气轮机例如在发电厂中为了产生电能而与发电机联接，并且在部分负荷运行中和在全负荷运行中以相同的转速运行。燃气轮机具有压缩机、燃烧室和涡轮机，其中由压缩机抽吸并且压缩环境空气，所述环境空气在燃烧室中在燃烧燃料的情况下被加热。被加热且被压缩的空气在涡轮机中以进行做功的方式膨胀，其中借助由此获取的余功来驱动发电机。传统地，涡轮机以轴流式构型构造，其中导向叶片组和转子叶片组在主流动方向上交替地且相继地设置。为了实现燃气轮机的尽可能高的热力学效率，值得期望的是：在尽可能高的涡轮机进口温度下运行燃气轮机。从涡轮机的、尤其是涡轮机的导向叶片组和转子叶片组的热负荷能力中得出最大允许的涡轮机进口温度。

那么，在例如对直接在燃烧室出口的下游的第一导向叶片组进行冷却时，可能提高最大允许的涡轮机进口温度。为了冷却导向叶片组，例如从GB1338354和GB938247中已知：导向叶片组的导向叶片构成为是空心的并且由冷却空气穿流，所述冷却空气例如取自压缩机。

如果燃气轮机在部分负荷运行中运转，那么与燃气轮机的全负荷运行相比，燃气轮机的总压缩比和涡轮机进口温度降低，由此，燃气轮机在部分负荷运行中的热力学效率不利地降低。此外，在燃气轮机的部分负荷运行中，通过燃气轮机的主流的总质量流降低，由此，涡轮机转子叶片的、尤其是在第一导向叶片组的下游的转子叶片组的涡轮机转子叶片的相对流入角不利地不同于设计状态下的流入角。这在燃气轮机的部分负荷运行中引起涡轮机转子叶片的不正确的迎流

，由此不利地降低涡轮机转子叶片中的功转换。此外，在燃气轮机的部分负荷运行的情况下，到燃烧室中的燃料输送减少，由此燃气轮机中的火焰温度降低。由此，在燃烧室中能够出现不利的燃烧不稳定性，所述燃烧不稳定性在部分负荷运行中对燃气轮机的可用性和运行造成损害。

如果燃气轮机从全负荷运行开始运转到部分负荷运行中，那么燃气轮机的各个级压缩比进而总压缩比降低并且排气温度在涡轮机进口温度基本上保持不变的情况下上升。由此，能够进入排气温度超过最大允许的最大值的运行状态。在该部分负荷运行中，对此的适当反应能够降低涡轮机进口温度，因此排气温度再次等于或小于其最大允许的最大值，由此，当然不利的是，伴随出现燃气轮机的热力学效率的下降。

根据GB1338354通过在额定负荷中所需要的冷却空气消耗而提出二次空气消耗。然后，由于在部分负荷下的温度降低，能够节约一部分的冷却空气。然后，所节约的份额作为“喷气襟翼空气（jet flap air）”在导向叶片的后缘处被吹出以影响转向。在GB1338354中没有提出二次空气消耗的与运行状态相关的变化。然而，根据GB938247，能够提出关闭对涡轮机导向叶片的冷却。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机和一种用于冷却燃气轮机的涡轮机级的方法，其中燃气轮机在部分负荷运行中能够稳定地以高的热力学效率运行。

具有涡轮机级的根据本发明的燃气轮机具有能够以由冷却介质冷却的方式运行的导向叶片和用于将冷却介质输送到导向叶片的内部中的冷却介质输送装置，所述导向叶片在其后缘的区域中在压力侧具有至少一个冷却介质排出开口，冷却介质能够穿过所述冷却介质排出开口从导向叶片的内部中流出到主流中，其中冷却介质输送装置具有用于控制穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流的质量流控制装置，借助所述质量流控制装置，与燃气轮机的全负荷运行相比，在燃气轮机的部分负荷运行中穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流能够增大。根据本发明的用于冷却燃气轮机的涡轮机级的方法具有下述步骤：燃气轮机在部分负荷运行中运行；对质量流控制装置进行控制，使得与在燃气轮机的全负荷运行中穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流相比提高穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流。

能够以由冷却介质冷却的方式运行的导向叶片设计成，使得其在全负荷运行中在输送相应足够大的冷却介质的质量流的情况下能够在设计点中以足够长的使用寿命运行。在设计导向叶片时考虑：冷却介质的质量流大至使得通过冷却介质对导向叶片的冷却作用来抑制导向叶片的热学超负荷。导向叶片的轮廓选择成，使得在考虑通过冷却介质的冷却作用和其空气动力学的影响的情况下，导向叶片满足在设计点中限定的设计要求。

通过使冷却介质穿过在导向叶片的后缘的区域中的至少一个冷却介质排出开口在压力侧流出，与在使冷却介质穿过在导向叶片的后缘的区域中的至少一个冷却介质排出开口较少地流出或不流出的情况下的导向叶片转向作用相比，导向叶片的转向作用加强。如果因此借助于质量流控制装置在燃气轮机运行时提高在压力侧从至少一个冷却介质排出开口中流出的冷却介质的质量流，那么由此导向叶片的转向作用加强。

鉴于通过冷却介质实现的必要的冷却效果，不需要提高冷却介质的质量流。冷却介质的质量流的提高引起导向叶片的转向作用的加强。因此，在导向叶片运行时，即使导向叶片以由冷却介质充分冷却的方式运行，在提高在压力侧从导向叶片中在其后缘的区域中流出的冷却介质的质量流的情况下，能够通过相应地选择冷却介质的质量流来设定导向叶片的转向角度。

这在燃气轮机的部分负荷运行中是尤其有利的，在所述部分负荷运行中，导向叶片的转向作用不利地降低。通过借助用于控制穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流的质量流控制装置，与燃气轮机的全负荷运行相比增大在燃气轮机的部分负荷运行中穿过至少一个冷却介质排出开口的质量流，能够有利地抵抗上述降低。由此，在燃气轮机的部分负荷运行中能够有利地增大导向叶片的转向作用，其中导向叶片因此被充分地冷却。此外，通过相应地操作质量流控制装置能够调节穿过至少一个冷却介质排出开口的冷却介质的质量流，使得提高关于导向叶片和转子叶片的级压缩比。级压缩比的提高能够实现在排气温度保持相同的情况下提高涡轮机进口温度，由此伴随出现燃气轮机的单位功率和热力学效率的提高。

优选地，质量流控制装置具有用于进行质量流控制的节流阀，并且，导向叶片在全负荷运行中针对冷却介质的由节流阀进行节流的质量流来设计。此外优选的是，导向叶片在部分负荷运行中针对冷却介质的未由节流阀进行节流的质量流来设计。冷却介质优选地为压缩机出口空气并且质量流控制装置优选地由压缩机出口供给压缩机出口空气。

优选地，在燃气轮机的部分负荷运行中引导压缩机出口空气绕过燃烧室。例如因此在燃气轮机的部分负荷运行中引导压缩机出口空气绕过燃烧室，以便在降低涡轮机进口温度的情况下避免火焰温度的过强下降并且抑制燃烧不稳定性。在部分负荷运行中被引导绕过燃烧室的压缩机出口空气是过量的进而优选地提供给冷却介质输送装置以用于冷却导向叶片。

在部分负荷运行中，质量流控制装置优选地以未节流的方式运行，其中将被引导绕过燃烧室的压缩机出口空气应用于冷却导向叶片。如果相反地，燃气轮机在全负荷中运行，那么质量流控制装置的节流阀是节流的，由此降低冷却介质的质量流。如此降低冷却介质的质量流优选地选择成，使得在燃气轮机运行时始终得出导向叶片的足够的转向作用和充分的冷却。

导向叶片优选地具有冷却介质入口和冷却介质储存器，其中冷却介质能够穿过所述冷却介质入口流入到导向叶片的内部中，其中借助所述冷却介质储存器，由质量流控制装置将冷却介质提供给冷却介质入口。冷却介质储存器有利地作为用于冷却介质的缓冲容器来提供，使得能够由冷却介质储存器尤其补偿导向叶片对冷却介质的极不稳定的需求。此外，在冷却介质储存器中，流动速度水平是低的，使得在冷却介质储存器中的流动损失是低的。

优选地，质量流控制装置由燃气轮机的压缩机增压室供给。特别地，将压缩机出口空气的在燃气轮机的部分负荷运行中被引导绕过燃烧室的份额引导到压缩机增压室中。此外，在压缩机增压室中主要为压缩机出口压强，使得在压缩机增压室中，优选地以足够高的压强来提供冷却介质，以用于借助节流阀相应地进行节流。

被冷却的导向叶片优选地是燃气轮机的第一涡轮机级的直接设置在燃气轮机的燃烧室的下游的第一导向叶片。此外，按照根据本发明的方法优选的是，将质量流设定成，使得关于热力学效率和/或设置在导向叶片的下游的转子叶片的迎流角

和/或燃气轮机的涡轮机的排气温度和/或燃气轮机的燃烧室中的火焰稳定性来优化燃气轮机的部分负荷运行。

已知地，随着涡轮机负荷减小，压缩机质量流的绝对值和二次质量流的绝对值也降低。为了然后还是引起部分负荷运行中的更高的冷却空气消耗，提出随着燃气轮机负荷减小——关于压缩机抽吸质量流——提高冷却介质质量流的百分比值。这与全负荷运行相比提高在部分负荷运行中的冷却介质的相对消耗量。

附图说明

下面，根据附上的示意图详细阐明本发明。附图示出横贯燃气轮机的一个根据本发明的实施形式在涡轮机的和燃烧室的区域中的纵截面图。

具体实施方式

如从附图中可见，燃气轮机1具有壳体2，在所述壳体中设置有压缩机（未示出）、燃烧室3和具有多个涡轮机级8、9的涡轮机。在压缩机出口的下游设置有转向扩散器（未示出），所述转向扩散器通到构成为壳体3中的空腔的压缩机增压室5中，在所述压缩机增压室中设置有燃烧室3。在燃气轮机1运行时，由压缩机抽吸环境空气并且压缩到压缩机出口压强上。压缩机出口空气从压缩机出口进入到燃烧室3的燃烧室内腔4中并且与液态或气态的燃料混合。由此在燃烧室内腔4中形成可燃的混合物，所述可燃的混合物被点燃并且在燃烧室3中燃烧。燃烧室内腔4中的燃烧基本上等压地进行。在燃烧室3的燃烧室出口6处，混合物具有通过燃烧而相应地引起的高的温度并且经由过渡通道7被引导至燃气轮机1的涡轮机。

在附图中示出涡轮机中的第一涡轮机级8和第二涡轮机级9。每个涡轮机级8、9都具有导向叶片组10和转子叶片组12。第一涡轮机级8的导向叶片组10由在环周上等距设置的、相同的多个导向叶片11形成。第一涡轮机级8的转子叶片组12由在环周上等距设置的、相同的多个转子叶片13形成。导向叶片11和转子叶片13以轴流式构型构成。导向叶片11在其径向外侧的端部上由导向叶片承载件14保持。转子叶片13在其径向内侧的端部上分别配设有叶片根部，所述叶片根部与燃气轮机1的转子15形状配合地接合。每个导向叶片11具有带有后缘16、前缘以及抽吸侧（未示出）和压力侧18的叶身。在导向叶片11的前缘的区域中，在过渡通道7中引导的热气混合物进入到第一涡轮机级8中，其中热气混合物被导向叶片组10转向并且在输出功的情况下在转子叶片组12中膨胀。

热气混合物的涡轮机进口温度越高，燃气轮机1的热力学效率就越高。导向叶片11的材料的热负荷极限得出最大允许的涡轮机进口温度。为了提高最大允许的涡轮机进口温度，在燃气轮机1运行时冷却导向叶片11，以便降低导向叶片11的热负荷。为此，导向叶片11构成为是空心的，其中导向叶片11由冷却介质穿流以用于冷却。

燃气轮机具有作为冷却介质输送装置的排放管道19、节流阀20、输送管道21、冷却空气储存器22、冷却空气入口23和腔室24，其中节流阀20构成为质量流控制装置。排放管道19以引导流体的方式连接到压缩机增压室5上并且经由节流阀20过渡到输送管道21中。输送管道21通到冷却空气储存器22中，所述冷却空气储存器径向地设置在导向叶片环10之外并且构成为环形腔。直接地在导向叶片11的径向外侧并且与冷却空气储存器24同心地设置腔室24，所述腔室通到导向叶片11的内腔中。为每个导向叶片11借助冷却空气入口23跨过腔室24和冷却空气储存器22之间的径向间距。

压缩机出口空气从压缩机出口经由转向扩散器流入到压缩机增压室5中，在所述压缩机增压室中提供作为冷却介质（冷却空气）的压缩机空气。借助排放管道19将冷却空气从压缩机增压室5中排出。根据节流阀20的节流而得出排放管道19和输送管道21中的相应的冷却空气质量流。冷却空气从输送管道21流动到冷却空气储存器22中并且在冷却空气储存器22中提供。冷却空气储存器22中的冷却空气的压强尤其从穿过冷却空气入口23从冷却空气储存器22中流出的冷却空气质量流、穿过输送管道21流入到冷却空气储存器22中的冷却空气质量流和节流阀20的节流位置中得出。冷却空气从冷却空气储存器22经由冷却空气入口23流动到腔室24中，从所述腔室起冷却空气流动到导向叶片11的内腔中。导向叶片11在其后缘16的区域中在其压力侧18分别具有冷却空气排出开口25的基本上径向延伸的一排，冷却空气穿过所述冷却空气排出开口从导向叶片11的内部中流出到主流中。

排放管道19的、输送管道21的和冷却空气入口23的横截面的尺寸设计为，使得导向叶片11在燃气轮机1的全负荷运行中供应有高的冷却空气质量流，使得当节流阀20具有特定的节流位置时，得到对导向叶片11的充分的冷却。在此，将导向叶片11处的流出角设定成，使得转子叶片13在其前缘17处以相应于设计流入角的流入角来迎流。在设计导向叶片11时考虑：冷却空气的质量流足够大，使得通过冷却空气对导向叶片11的冷却作用来抑制导向叶片11的热学超负荷进而转子叶片13最佳地迎流。

通过冷却空气穿过在导向叶片11的后缘16的区域中的冷却空气排出开口25在压力侧流出，加强导向叶片11的转向作用。因此，在燃气轮机11的部分负荷运行中打开在全负荷运行中节流的节流阀20，由此提高穿过冷却空气排出开口25的冷却空气的质量流。由此的结果是，提高导向叶片11的转向作用。

关于通过冷却空气引起的必要的冷却空气效果，不需要如此提高冷却空气的质量流。附加地，冷却空气的质量流的提高引起导向叶片11的转向作用的加强，由此通过在操作节流阀20的情况下相应地选择冷却空气质量流能够设定导向叶片11的转向角。

在燃气轮机的不利地降低导向叶片11的转向作用的部分负荷运行中，节流阀20被打开，在极端情况下被完全地打开，由此增大穿过冷却空气排出开口25的质量流。由此，在燃气轮机1的部分负荷运行中，有利地增大导向叶片11的转向作用，其中转子叶片13的前缘17最佳地迎流并且导向叶片11充分地冷却。

在燃气轮机1的部分负荷运行中，与在全负荷运行中相比，在压缩机增压室5中提供更大量的压缩机空气，因为在部分负荷运行中，压缩机出口空气被引导绕过燃烧室3，以便在涡轮机进口温度降低时避免火焰温度过强地下降并且抑制燃烧不稳定性。过量的所述压缩机出口空气有利地提供用于输送至导向叶片11。在燃气轮机1的极端的部分负荷运行中，节流阀20设成为未节流的，使得将最高的冷却空气质量流输送给导向叶片11。如果相反地，燃气轮机1以全负荷运行，那么节流阀20是节流的，由此降低冷却空气质量流。冷却空气质量流的所述降低能够选择成，使得在燃气轮机1运行时始终引起导向叶片11的足够的转向作用和充分的冷却。

冷却空气储存器22作用为用于冷却空气的缓冲容器，使得能够由冷却空气储存器22补偿在燃气轮机1运行时对冷却空气的极不稳定的需求。此外，将冷却空气储存器的容积大小选择成，使得冷却空气储存器中的流动速度水平是低的。

Claims (11)

1.一种用于冷却燃气轮机（1）的具有多个导向叶片（11）的涡轮机级（8）的方法，所述燃气轮机（1）的导向叶片（11）能够以由冷却介质冷却的方式运行，并且所述燃气轮机（1）具有用于将冷却介质输送到所述导向叶片（11）的内部中的冷却介质输送装置（19至24），其中所述导向叶片（1）在其后缘（16）的区域中在其压力侧（18）具有至少一个冷却介质排出开口（25），所述冷却介质能够穿过所述至少一个冷却介质排出开口（25）从所述导向叶片（11）的内部中流出到主流中，

其中所述冷却介质输送装置（19至24）具有用于控制穿过所述至少一个冷却介质排出开口（25）的质量流的质量流控制装置（20），

所述方法具有下述步骤：

-所述燃气轮机（1）在部分负荷运行中运行；

-控制所述质量流控制装置（20），使得与在所述燃气轮机（1）的全负荷运行中穿过所述至少一个冷却介质排出开口（25）的质量流相比，提高穿过所述至少一个冷却介质排出开口（25）的质量流。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述质量流控制装置具有用于进行质量流控制的节流阀（20），并且，所述导向叶片（11）在全负荷运行中针对所述冷却介质的由所述节流阀（20）进行节流的质量流来设计。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中所述导向叶片（11）在部分负荷运行中针对所述冷却介质的未由所述节流阀（20）进行节流的质量流来设计。

4.根据权利要求2或3所述的方法，

其中所述冷却介质是压缩机出口空气并且所述质量流控制装置（20）被供给来自压缩机出口的所述压缩机出口空气。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中在所述燃气轮机（1）的部分负荷运行中引导所述压缩机出口空气绕过所述燃气轮机（1）的燃烧室（3）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，

其中所述导向叶片（11）具有冷却介质入口（23）和冷却介质储存器（22），其中所述冷却介质能够穿过所述冷却介质入口（23）流入到所述导向叶片（11）的内部中，其中借助所述冷却介质储存器（22）由所述质量流控制装置（20）将所述冷却介质提供给所述冷却介质入口（23）。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，

其中所述质量流控制装置（20）由所述燃气轮机（1）的压缩机增压室（5）进行供给。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，

其中所述导向叶片是所述燃气轮机（1）的第一涡轮机级（8）的直接设置在所述燃气轮机（1）的所述燃烧室（3）的下游的第一导向叶片（11）。

9.根据权利要求1至8之一所述的方法，

其中将质量流设定成，使得关于热力学效率和/或设置在所述导向叶片（11）的下游的转子叶片（13）的迎流角和/或所述燃气轮机（1）的涡轮机的排气温度和/或所述燃气轮机（1）的所述燃烧室（3）中的火焰稳定性来优化所述燃气轮机（1）的部分负荷运行。

10.一种用于运行燃气轮机的方法，所述燃气轮机具有：涡轮机级（8），所述涡轮机级（8）具有由冷却介质冷却的多个导向叶片（11）；以及冷却介质输送装置（19至24），所述冷却介质输送装置用于将所述冷却介质输送到所述导向叶片（11）的内部中，所述导向叶片（11）在其外面中具有多个冷却介质排出开口（25），所述冷却介质能够穿过所述冷却介质排出开口（25）从所述导向叶片（11）的内部中流出到主流中，其中所述冷却介质输送装置（19至24）具有用于控制穿过所述冷却介质排出开口（25）的质量流的质量流控制装置（20），使得在运行期间，冷却介质质量流具有关于压缩机抽吸质量流的百分比值，

其特征在于,该方法包括下述方法步骤：随着燃气轮机功率的降低，提高所述百分比值。

11.一种燃气轮机，所述燃气轮机具有用于执行根据权利要求1至10之一所述的方法的设备。

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