CN104302894B - 具有初级和次级润滑油冷却器的燃气涡轮机及操作其的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括涡轮机组件(101)，该涡轮机组件(101)容纳压缩机(105；107)、高压涡轮机(109)和动力涡轮机(111)。该燃气涡轮机包括用于冷却涡轮机组件的内部的通风系统以及润滑油回路。该润滑油回路包括润滑油泵(177)、润滑油箱(173)、初级润滑油冷却器(189)。次级润滑油冷却器(163)在比燃气涡轮机的转轴(115)低的位置处布置于涡轮机组件(101)中。通风系统被布置和设计成使得至少一部分组件冷却气流与次级润滑油冷却器(163)接触，以从在次级润滑油冷却器中循环的润滑油去除热。

Description

具有初级和次级润滑油冷却器的燃气涡轮机及操作其的方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机，特别是航空改型(aeroderivative)燃气涡轮机。更具体地，本发明涉及对用于燃气涡轮机的润滑油回路和润滑油换热器的改进。

背景技术

润滑油(或机油)特别用于在燃气涡轮机中以对支承燃气涡轮机的转轴的轴承进行润滑和冷却。根据燃气涡轮机的结构和设计，燃气涡轮机可以包括一个或多个转轴。

在一些已知的燃气涡轮机中，润滑油还用于改变燃气涡轮机的固定或旋转的轮叶和叶片的几何形状，例如以使几何形状适应特定的操作条件。在该情况下，润滑油回路将不仅向轴承提供润滑油，而且还向包括液压致动器的液压系统提供润滑油以用于控制涡轮机的几何形状。

这造成大量的热被传递给润滑油。从润滑油去除热变得必要，以便将润滑油并且因此将润滑油循环通过的机械部件保持在可接受的温度下。

图1示意性地示出了具有润滑油循环系统的燃气涡轮机。燃气涡轮机作为整体由附图标记1示出。在图1中所示的实施例中，燃气涡轮机包括压缩机3、高压涡轮机5、动力涡轮机7(也被称为低压涡轮机)、以及燃烧器9。燃气涡轮机被容纳在涡轮机组件(图1的示意图中未示出)中。压缩机3的转子和高压涡轮机5的转子扭转地连接至公共的轴11。该公共的轴11在机器外壳中由轴承13和15支承。压缩机3和高压涡轮机5以相同的转速旋转。动力涡轮机7的转子扭转地连接至转轴17，该转轴17在机器外壳中由轴承19和21支承。

被压缩机3压缩的空气进入燃烧器9，在燃烧器9处，压缩空气与气态或液态燃料混合。燃料被点燃并且产生高压高温的燃烧气体。燃烧气体在高压涡轮机5中膨胀，以产生功率以用于通过轴11驱动压缩机3。部分膨胀的燃烧气体随后在动力涡轮机7中进一步膨胀。动力涡轮机中的进一步膨胀所产生的功率用于驱动负载，例如压缩机或压缩机组、发电机等。在图1的示意图中，负载被大体示为23。

润滑油循环通过轴承13、15、19和21，以润滑轴承并且从轴承去除热。为此目的提供润滑油回路23。润滑油回路包括润滑油箱25，润滑油通过润滑油泵27从润滑油箱25被吸入，该润滑油泵27通过润滑油管29进给润滑油。润滑油随后被分配给燃气涡轮机1的轴承。来自轴承13、15、19和21的润滑油被收集在收集管道31中并且通过清洗泵33回到润滑油箱25，止回阀35设置于该清洗泵33的下游。清洗泵33将轴承13、15、19和21保持在略微负压下，以避免润滑油离开轴承并溢流至燃气涡轮机1。初级润滑油冷却器37设置于清洗泵33与润环油箱25之间，润滑油流动通过该初级润滑油冷却器37并且在润滑油回到润滑油箱25之前从润滑油去除热。初级润滑油冷却器37可以包括油/空气换热器。附图标记39示意性地表示鼓风机，该鼓风机产生气流，以用于从流过初级润滑油冷却器37的润滑油去除热。初级润滑油冷却器37也可以是油/水换热器，而不是油/空气换热器。

在一些实施例中，本领域技术人员已知的是，燃气涡轮机包括几何形状可变的液压系统40。该系统使用在润滑油回路23中循环的润滑油来驱动燃气涡轮机1的可移动叶片的移动，以便使燃气涡轮机的几何形状适应操作条件。提供高压润滑油泵41以增大润滑油的压力并且将加压润滑油进给至几何形状可变的液压系统40的致动器。从几何形状可变的液压系统40回到润滑油管29中的润滑油已被加热并且其温度已升高。在一些情况下，次级润滑油冷却器43变得需要，以去除当润滑油在几何形状可变的液压系统40中循环时传递给润滑油的过量的热。例如，该次级润滑油冷却体43可以是油/空气或油/水换热器。

当燃气涡轮机1停机时，清洗泵33停止并且阻止润滑油从收集管道31流向润滑油箱25。这可以造成涡轮机械的轴承的溢流。

发明内容

根据一些实施例，次级润滑油冷却器布置于涡轮机组件内部。有利地，次级润滑油冷却器布置于涡轮机组件内，使得一部分冷却气流流过次级润滑油冷却器并且从其去除热，所述冷却气流在涡轮机组件中循环并且被提供用于冷却燃气涡轮机外壳。次级润滑油冷却器布置于使得在停机的情况下防止燃气涡轮机的溢流的位置处。这例如通过将次级润滑油冷却器布置在燃气涡轮机的旋转轴线下方(即燃气涡轮机轴下方)的位置处得以实现。在该背景下，如果燃气涡轮机具有多于一个的轴，例如一个布置于另一个内的两个或多个共轴的轴(如同通常为双轴或多轴航空改型燃气涡轮机提供的)，定义“燃气涡轮机轴下方”应当被理解成表示燃气涡轮机的一个或多个轴的组合下方的部位或位置处。更具体地，燃气涡轮机轴下方的意思是处于比轴(多个轴)以及相关轴承低的位置。

在一些实施例中，提供一种燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括涡轮机组件，其中布置有至少一个压缩机、一个高压涡轮机和一个动力涡轮机。该燃气涡轮机还可以包括用于冷却所述涡轮机组件内部的通风系统。还可以提供润滑油回路，该润滑油回路可以包括至少：润滑油泵、润滑油箱、初级润滑油冷却器。除了初级润滑油冷却器，该润滑油回路还包括次级润滑油冷却器。有利地，次级润滑油冷却器在比所述燃气涡轮机的转轴或多个转轴低的位置处布置于涡轮机组件中。通风系统被布置和设计成使得至少一部分组件冷却气流与所述次级润滑油冷却器接触，以用于从在所述次级润滑油冷却器中循环的润滑油去除热。

在一些实施例中，润滑油回路包括清洗泵，所述清洗泵布置于燃气涡轮机贮油槽的润滑油贮油槽或者用于收集所述润滑油的任何其它合适的收集装置与所述初级润滑油冷却器之间。清洗泵与初级润滑油冷却器之间可以设置额外的部件。例如，单向阀(即止回阀)可以布置于清洗泵与初级润滑油冷却器之间。在一些实施例中，初级润滑油冷却器布置于润滑油箱的上游。然而，在其它实施例中，初级润滑油冷却器可以定位在润滑油箱的下游。在这种布置中，润滑油箱将布置于清洗泵与初级润滑油冷却器之间。

在一些实施例中，可以提供与燃气涡轮机的压缩机或多个压缩机流体连通的燃烧空气进气增压装置(combustion-air intake plenum)。该燃烧空气进气增压装置有利地在涡轮机组件中布置于主要组件室(燃气涡轮机布置于该主要组件室处)与冷却空气进气室之间。侧向气流通道可以形成于涡轮机组件的侧壁与燃烧空气进气增压装置之间。在一些实施例中，至少一个底部气流通道形成于燃烧气体进气增压装置与所述涡轮机组件的底壁之间。此外，在一些实施例中，次级润滑油冷却器跨过气流通道布置，该气流通道与在燃烧气体进气增压装置之下延伸的底部气流通道流体连通。

在一些实施例中，次级润滑油冷却器布置于冷却空气进口室的空气可通过的底板之下。

次级润滑油冷却器具有润滑油出口，该润滑油出口与所述燃气涡轮机的轴承直接或间接地流体连通。

在一些示例性实施例中，燃气涡轮机包括形成润滑油回路的一部分的几何形状可变的液压系统。

根据另一个方面，本发明还涉及操作燃气涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：

提供涡轮机组件以及布置于所述涡轮机组件中的燃气涡轮机；

产生组件冷却气流；

将一部分所述组件冷却气流分开并且使所述一部分所述组件冷却气流循环通过布置于所述涡轮机组件内的次级润滑油冷却器，因此从在所述次级润滑油冷却器中循环的润滑油去除热；

使所述组件冷却气流循环通过所述涡轮机组件，以从燃气涡轮机外壳去除热。

除了次级润滑油冷却器之外，次级润滑油冷却器与燃气涡轮机的轴承之间的流动连接也优选地布置于涡轮机组件内，从而通过防止来自润滑油回路的润滑油散布在环境中以使得设计更加紧凑并且更加可靠。

次级润滑油冷却器在燃气涡轮机轴线的位置下方的布置防止机器在停机以及清洗泵停止的情况下溢流。清洗泵将阻碍润滑油流向润滑油箱。然而，由于次级润滑油冷却器处于比围绕燃气涡轮机的轴线定位的轴承低的位置处，因此容纳在次级润滑油冷却器中的润滑油将不会溢流至轴承以及涡轮机。

本主题的各特征以及实施例在本说明书下文得以公开并且在所附权利要求中得以进一步阐述，所附权利要求形成本描述的整体部分。上文的简要描述阐述了本发明的各个实施例的特征，以便随后的详细描述可以被更好的理解并且以便对本领域的该贡献可以得以更好的领会。当然，存在将在下文中描述并且将在所附权利要求中阐述的本发明的其它的特征。就这方面而言，在详细地解释本发明的若干实施例之前，应当理解，本发明的各个实施例的应用并不限于下文的描述中所阐述的或附图中所示的构造的细节和部件的布置。本发明可以具有其它实施例并且以各种方式实施和执行。此外，应当理解，本说明书中所采用的短语和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。

这样一来，本领域技术人员将领会，可以容易地利用本发明所基于的理念作为为了实施本发明的若干目的的用于设计其它的结构、方法、和/或系统的基础。因此，权利要求书被看作包括只要在不偏离本发明的精神和范围的情况下的这种等同构造是重要的。

附图说明

通过在结合附图考虑时参照下文的详细描述，本发明的所公开的实施例的更完整的领会及其多个同样将可稳定的获得的优点变得更好理解，在附图中：

图1示意性地示出了根据现有技术的燃气涡轮机和润滑油回路；

图2示出了燃气涡轮机组件的侧视图；

图3示出了实施本说明书中所公开的主题的燃气涡轮机的示意图；

图4示出了燃气涡轮机组件和被容纳在其中的相关的涡轮机械的透视图和局部剖视图；以及

图5示出了根据本发明的润滑油的液压回路的示意图。

具体实施方式

下文对示例性实施例的详细描述参照附图。相同的附图标记在不同的附图中表示相同或相似的元件。此外，附图不必成比例。此外，下文的详细描述不对本发明构成限制。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的参照的意思是结合一个实施例所描述的特定特征、结构或特性被包含在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的多个位置处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”不必表示相同的实施例(多个实施例)。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中结合。

在附图中，燃气涡轮机的组件布局作为整体被标记为100。该布局包括燃气涡轮机组件101(在下文也被简称为组件或涡轮机组件)，燃气涡轮机103被容纳在该燃气涡轮机组件101中。在一些实施例中，燃气涡轮机103可以是双轴航空改型燃气涡轮机，例如可以购自GEAviation，Evendale，Ohio，USA的LM6000航空改型燃气涡轮机。可以使用其它的航空改型燃气涡轮机。

燃气涡轮机103的结构在图3中示意性地示出。燃气涡轮机103包括低压压缩机105、高压压缩机107、高压涡轮机109和动力涡轮机(即低压涡轮机)111。环境空气被低压压缩机105压缩至第一压力值并且进一步被高压压缩机107压缩。压缩空气与燃料混合并且空气-燃料混合物在燃烧器113中燃烧，以用于产生高压高温燃烧气体，所产生的高压高温燃烧气体在高压涡轮机109中并且在动力涡轮机111中顺序地膨胀。第一轴115支承高压压缩机107的转子以及高压涡轮机109的转子。第二轴117与第一轴115共轴地延伸。第二轴117机械地连接低压压缩机105的转子和动力涡轮机111的转子。

121和123分别代表燃气涡轮机103的冷端驱动和热端驱动。负载可以连接至冷端驱动121或热端驱动123或者连接至二者。在图2的示例性实施例中，负载125连接至燃气涡轮机103的热端驱动。

燃气涡轮机103被容纳在组件101中，如图4中所示。组件101可以包括顶壁131、底壁133、侧壁135和端壁137。

在一些实施例中，涡轮机组件101包括第一室139、和第二室143，实际的燃气涡轮机103被容纳在该第二室143中。第二室143设置有空气逸出开孔143A，冷却空气通过该空气逸出开孔143A离开涡轮机组件101。

燃烧空气进气增压装置145布置于第一室139中。燃烧空气进气增压装置145包括进口开孔145A，该进口开孔145A与空气进气线路147(图2)流体连通。空气被串联布置的低压压缩机105和高压压缩机107的吸力作用吸入通过空气进气线路147。

第一室139形成通风系统的一部分，以用于在容纳有燃气涡轮机103的第二室143中使冷却空气循环。第一室139与冷却空气进气线路149流体连通，鼓风机151可以布置于该冷却空气进气线路149中。进入冷却空气进气线路149的空气循环通过第一室139并且进入第二室143，部分地沿侧向气流通道逸出，所述侧向气流通道由箭头fL代表且形成于涡轮机组件101的侧壁135与燃烧气体进气增压装置145之间。一小部分或一部分进入冷却空气进气线路149的空气流过底板161，该底板161设置于定位在第一室139的下部中的气流通道。底板161布置于燃气涡轮机103的旋转轴线A-A位置下方的位置处，并且因此布置于比燃气涡轮机103的轴115和117以及相关轴承低的位置处。

在一些实施例中，底板161可以形成为网格，或者形成为设置有开孔的实心板等。冷却空气被允许流过底板161并且流过次级润滑油冷却器163，所述次级润滑油冷却器163跨过气流通道164布置于底板161之下，这建立了第一室139和至少部分地在第二室143之下延伸的底部气流通道165之间的流动连接。流过次级润滑油冷却器163的冷却空气从在次级润滑油冷却器中循环的润滑油去除热，并且进一步朝向布置有燃气涡轮机103的涡轮机组件101的第二室143流过底部气流通道165(见箭头f165)且流入该第二室143中。在一些实施例中，在第二室143的中心部分之下提供具有开孔顶板167的底部气流通道165，冷却气流可以通过该开孔顶板167逸出底部气流通道165并且进入第二室143。

次级润滑油冷却器163形成润滑油回路的一部分，这在图5中示意性地示出。在该附图中，润滑油回路作为整体标记为171。次级润滑油冷却器再次被标记为163。

在图5中所示的示例性实施例中，润滑油回路171还包括润滑油箱173，润滑油通过润滑油泵177沿管175从该润滑油箱173被抽出。被润滑油泵177泵送的润滑油通过管179被传输至全局被表示为181的几何形状可变的液压系统。如本领域技术人员已知的，至少一小部分在管179中循环的润滑油可以被泵送到几何形状可变的液压系统181中并且通过管183返回主要润滑油回路。管183与次级润滑油冷却器163流体连通。离开次级润滑油冷却器163的经过冷却的润滑油被传输至需要润滑和/或冷却的燃气涡轮机的部件，例如轴115、117的轴承。这些元件未在图5的视图中详细地示出，但是定位在图5中由虚线DL代表的区域中。传输过滤器185可以被布置于次级润滑油冷却器163下游，如图5的示例性示意液压回路中所示。

离开轴承的润滑油例如通过贮油槽由清洗泵187收集，该清洗泵187通过初级润滑油冷却器189传输收集到的润滑油。润滑油管190将清洗泵187连接至初级润滑油冷却器189。在一些实施例中，清洗过滤器191可以沿润滑油管路设置，例如设置于初级润滑油冷却器189的出口侧与收集润滑油的润滑油箱173之间。

润滑油回路的各个部件的布置可以与附图中所示的不同。例如，初级润滑油冷却器189可以沿管175布置，即布置于润滑油箱173的下游。

在图5的图示中，示出了润滑油在沿回路171的各个点处的温度。T1表示润滑油箱173中的润滑油的温度。几何形状可变的液压系统181的进口处的润滑油处于基本相同的温度T1。在流过几何形状可变的液压系统181之后，润滑油的温度以从T1升高至T2，其中：

T2＝T1+ΔT₁℃

温度T2通常比燃气涡轮机的轴承中的可容许温度高，并且因此从次级润滑油冷却器163中的润滑油去除热。T3是次级润滑油冷却器163的出口侧处的温度，其中：

T3＝T2-ΔT₂℃

润滑油在温度T3下进入燃气涡轮机103的轴承，并且在轴承中循环期间去除热之后，离开燃气涡轮机103的润滑油具有温度T4，该温度T4通常比T3高大约60℃，即：

T4＝T3+ΔT₃℃＝T3+60℃

通过流过初级润滑油冷却器189，润滑油从温度T4冷却降温至温度T1，例如：

T1＝T4-60℃

在图3的示意图中，示出了润滑油分配管184，润滑油从该润滑油分配管184传输至燃气涡轮机103的轴承。这些轴承示意性地由192、194、196表示。离开轴承192、194、196的润滑油由管190A、190B、190C收集并且从所述管190A、190B、190C被收集到收集器管、或涡轮贮油槽190D中，以用于传输至清洗泵187。

尽管本说明书中所描述的主题的所公开的实施例已在附图中示出并且在上文具体且详细地结合若干示例性实施例进行了的全面描述，但是对于本领域普通技术人员而言应当显而易见的是，在不显著偏离新颖的教导、本说明书中所阐述的原理和理念、以及所附权利要求中所列举的主题的优点的情况下，可以进行多种修改、变化、和省略。因此，本发明的正确范围应当仅由所附权利要求的最宽泛的解释来确定，以便涵盖所有的这种修改、变化、和省略。

Claims (8)

1.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：

涡轮机组件(101)；

燃气涡轮机，所述燃气涡轮机布置于所述涡轮机组件中；

通风系统，所述通风系统用于冷却所述涡轮机组件的内部；

润滑油回路，所述润滑油回路包括至少：润滑油泵(177)、润滑油箱(173)、初级润滑油冷却器(189)、次级润滑油冷却器(163)，所述次级润滑油冷却器(163)在比所述燃气涡轮机的转轴(115)低的位置处布置于所述涡轮机组件中；

其中所述通风系统被布置和设计成使得至少一部分在所述涡轮机组件中循环的冷却气流与所述次级润滑油冷却器(163)接触，以用于从在所述次级润滑油冷却器(163)中循环的润滑油去除热。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述润滑油回路包括清洗泵，所述清洗泵布置于所述初级润滑油冷却器的上游。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述清洗泵布置于所述初级润滑油冷却器与所述燃气涡轮机的轴承之间，所述次级润滑油冷却器被布置在比所述轴承低的位置处。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其包括燃烧气体进气增压装置，所述燃烧气体进气增压装置与压缩机流体连通；其中侧向气流通道形成于所述涡轮机组件的侧壁与所述燃烧气体进气增压装置之间，并且至少一个底部气流通道在所述燃烧气体进气增压装置与所述涡轮机组件的底壁之间延伸；并且其中所述次级润滑油冷却器跨过与所述底部气流通道流体连通的气流通道布置。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述次级润滑油冷却器布置于冷却空气进口室的空气可通过的底板之下。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述次级润滑油冷却器具有与所述燃气涡轮机的轴承流体连通的润滑油出口。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述润滑油回路包括几何形状可变的液压系统。

8.一种操作设置有涡轮机组件(101)的燃气涡轮机的方法，所述燃气涡轮机具有用于冷却所述涡轮机组件的内部的通风系统，所述燃气涡轮机包括润滑油回路，所述润滑油回路由至少初级润滑油冷却器(189)和次级润滑油冷却器(163)构成，其中所述次级润滑油冷却器在比所述燃气涡轮机的转轴(115)低的位置处布置于所述涡轮机组件中；所述方法包括以下步骤：

产生组件冷却气流；

使至少一部分所述组件冷却气流循环通过所述次级润滑油冷却器，从在所述次级润滑油冷却器中循环的润滑油去除热；

使所述组件冷却气流循环通过所述涡轮机组件。