CN104421001B - 冷却燃气涡轮发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冷却燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括从所述燃气涡轮发动机除去载荷。所述方法还包括使所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的额定速度下运行。所述方法进一步包括调整邻近所述燃气涡轮发动机的压缩机部分的进口处设置的至少一级进口导叶的角度，其中调整所述角度将改变进口流的流量以减少所述燃气涡轮发动机的冷却时间。

Description

冷却燃气涡轮发动机的方法

技术领域

本说明书中所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及一种冷却燃气涡轮发动机的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机操作的经济性表明，燃气涡轮可供用于最大可能程度地产生动力。但是，已知在设备的寿命期间需要有计划和无计划的停工以便进行燃气涡轮维护和修理。有利的是能够迅速关闭燃气涡轮发动机、建立进行维护所需的条件，然后在完成维护之后快速返回到操作。

上文所概述的过程的一个部分确切地涉及被称为冷却循环的用于燃气涡轮发动机的冷却程序。冷却循环与燃气涡轮发动机在从全速满载(FSFL)下的全面运行转变到完全或暂时关闭期间的运行关联。燃气涡轮发动机的使用者希望尽可能快速地进行这个过程以减少总停机时间，不论是用于定期维护还是用于非预期停工。与冷却循环有关的一个考虑因素涉及部件寿命影响。确切地，冷却过程的速度影响强加在燃气涡轮发动机不同部件上的应力，并且这种热循环直接影响部件寿命。通常，基于对强加在部件上的可接受应力的保守确定，向使用者提供了单一时间段(single time period)。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种冷却燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括从燃气涡轮发动机除去载荷。所述方法还包括使燃气涡轮发动机在燃气涡轮发动机的额定速度下运行。所述方法进一步包括调整紧邻燃气涡轮发动机压缩机部分的进口设置的至少一级进口导叶的角度，其中调整所述角度改变进口流的流量，以用于减少燃气涡轮发动机的冷却时间。

根据本发明的另一方面，提供一种冷却燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括使燃气涡轮发动机在燃气涡轮发动机的额定速度下运行。所述方法还包括将燃气涡轮发动机的转子速度降低到第一预定冷却转子速度。所述方法进一步包括将转子速度从第一预定冷却转子速度提高到第二预定冷却转子速度。所述方法又进一步包括调整至少一级进口导叶的角度以改变进口流的流量。所述方法还包括将水注入到燃气涡轮发动机的区域中。所述方法进一步包括将转子速度保持在第二预定冷却转子速度，持续由周围条件确定的一段时间。

结合附图阅读以下说明可以更好地了解这些和其他优点和特征。

附图说明

在本说明书结尾处的权利要求书中具体地指出并且明确地要求认定为本发明的主题。结合附图阅读以下具体实施方式可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图；

图2是冷却燃气涡轮发动机的方法期间以燃气涡轮速度作为时间的函数的曲线图；以及

图3是示出冷却燃气涡轮发动机的方法的流程图。

具体实施方式参考附图，以实例方式解释本发明的各实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参照图1，涡轮机系统(例如燃气涡轮发动机)以参考数字10示意性地示出。燃气涡轮发动机10包括压缩机部分12、燃烧器部分14、涡轮部分16、转子18和燃料喷嘴20。应理解，燃气涡轮发动机10的一个实施例可包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、转子18和燃料喷嘴20。压缩机部分12和涡轮部分16由转子18联接。转子18可以是单轴，或联接在一起以形成转子18的多个轴段。

燃烧器部分14使用可燃液体和/或气体燃料，如天然气或富氢合成气，以使燃气涡轮发动机10运转。例如，燃料喷嘴20与空气供给装置和燃料供给装置22流体连通。燃料喷嘴20产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器部分14中，从而引起燃烧以产生热加压排气。燃烧器部分14引导热加压气体穿过过渡连接件而进入涡轮喷嘴(或“一级喷嘴”)，和其他级动叶和喷嘴，从而使涡轮叶片在涡轮部分16的外壳体24内旋转。

参照图2，示出一种冷却燃气涡轮发动机10的方法30。冷却方法30可响应于多种情况而被采用。一个实例是燃气涡轮发动机10由于定期维护的有计划关闭。另一实例是由于各种因素的无计划关闭。不管是由于有计划关闭还是无计划关闭而采用冷却方法30，冷却方法30有利地减少充分冷却燃气涡轮发动机10的部件所需的时间。此外，如下文将详细描述，冷却方法30提供与冷却时间段有关的使用者选项。

图2中的曲线图示出在冷却方法30时间段的至少一部分期间作为时间的函数的转子速度32。出于说明目的，示出燃气涡轮发动机10最初具有在100％的转子速度32并且具有与其联接的载荷，从而表示时间段34内的全速满载(FSFL)的运行条件。应理解，燃气涡轮发动机10通常在称为额定速度(rated speed)的速度下运行，所述额定速度通常大于上文所提及的全速(即，100％)的约90％。因此，本说明书中所论述的速度和相对百分比可与全速或额定速度有关。

然后转子速度32在时间段44内降低42到第一预定冷却速度46。在时间38处将载荷从燃气涡轮发动机10除去，并且燃气涡轮发动机10在时间段40内短暂地在全速无载荷(FSNL)或额定速度下运行。应理解，在一些情况下，载荷可在时间段44期间除去。第一预定冷却速度46将根据具体应用而变化。在一个实施例中，第一预定冷却速度46包括被称为“棘轮速度(ratchet speed)”或“盘车装置速度(turning gear speed)”的速度。术语棘轮速度和盘车装置速度各自对应于转子18由可操作地联接到转子18的机械装置驱动情况下的相对缓慢的转子速度。转子速度32可由转子18极慢的等速旋转或间歇转动来限定。在一个实施例中，第一预定冷却速度46对应于每1至5分钟约转子18的1/4圈。第一预定冷却速度46的精确速度可根据应用而变化。如所示的，在某些实施例中，在达到第一预定冷却速度46之前，转子速度32实际上可降低到由0％转子速度表示的完全停止。在一个实施例中，第一预定冷却速度46对应于盘车装置速度并且在约0.1％至约10％转子速度的范围内变化。

在达到第一预定冷却速度46之后，转子速度32保持在第一预定冷却速度46，持续可选择的时间段。具体来说，向使用者提供在多个时间段之间的选项，在这些时间段中，转子速度32保持在第一预定冷却速度46。示出称为第一时间段48、第二时间段50和第三时间段52的三个时间段。这些时间段表示在将转子速度32提高到第二预定转子速度54之前处于第一预定冷却速度46的保持时间。在一个实施例中，第二预定转子速度54可对应于转子18的“曲柄速度(crank speed)”。在这种实施例中，转子速度32在约10％至约40％的范围内变化。

第一时间段48表示在第一预定冷却速度46下约0分钟的保持时间。换句话说，直接越过第一预定冷却速度46或保持一段较短时间(如小于1分钟)沿线49将转子速度32提高到第二预定冷却速度54。第三时间段52表示在沿线53将转子速度32提高到第二预定冷却速度54之前处于第一预定冷却速度46的最长保持时间选项。第二时间段50表示相对于第一时间段48和第三时间段52的中间保持时间。在保持持续第二时间段50之后，将转子速度32沿线51提高到第二预定冷却速度54。尽管已在本说明书中示出并且描述三个持续时间，但是应理解，可向使用者提供或多或少的持续时间选项。如从下文描述中应理解，多个时间段中的每一个都与相应的维护因素影响关联，使用者基于维护因素影响来确定哪个时间段选项。

有利地，使用者能够基于燃气涡轮发动机10的具体操作从多个时间段中选择。具体地说，一些使用者主要在基本载荷(FSFL)下并且并非以循环方式操作燃气涡轮发动机10。此类使用者对受热循环期间所强加的热应力影响转子循环能力的关注并不如对减少的停工时间的关注。这些使用者从利用第一时间段48(其中几乎没有在第一预定冷却速度46下的保持时间)的选项获得最大益处。另一方面，使燃气涡轮发动机10频繁循环的使用者从第三时间段52获得最大益处，所述第三时间段52花费更长时间使燃气涡轮发动机10达到FSFL，但是保守地考虑到强加在转子18上的热应力。第二时间段50对使用者来说是上文所述的极端之间的中间选项。如所指出，可采用比所述三个选项更多或更少的选项，并且这三个选项并不希望进行限制。

不管使用者选择哪个选项，转子速度32都提高到第二预定冷却速度54，并且保持由与燃气涡轮发动机10关联的不同装置所检测到的周围条件所确定的持续时间。设想到也可采用周围条件来确定对应于第一预定冷却速度46的多个时间段。此类条件可包括例如温度、压力和湿度。自动或手动地将周围条件输入到转子分析模型中以确定保持在第二预定冷却速度54的持续时间。在保持期结束时，可将转子速度32朝向全速提高或降低成处于完全关闭。或者，可将转子速度32提高到对应于升高的曲柄速度的第三预定冷却速度68。

在第二预定冷却速度54下运行期间，冷却方法30包括用于促成燃气涡轮发动机10有效且时间减少的冷却的一个或多个冷却动作。一个冷却动作包括调整至少一个进口导叶组的角度。通常，紧邻压缩机部分12的进口设置多个进口导叶(IGV)。可调整至少一级但最多所有级IGV以更改它们相对于进入压缩机部分12的进口流的相应角度。相对于进口流的角度可根据燃气涡轮发动机10的具体状况而增大或减小。在一个实施例中，IGV被调整到“全开”位置，这充分增大进入压缩机部分12的进口流的流量，从而增强对燃气涡轮发动机10不同部件的冷却作用。可微调IGV被调整到的具体角度以考虑到不同的运行和/或周围条件。可采用的另一冷却动作是出于减少涡轮发动机10的冷却时间的热传递目的将水注入到燃气涡轮发动机10的至少一个区域中。水所注入进的区域可变化。在一个实施例中，将水注入到压缩机部分12中。这种实施例冷却流过压缩机部分12的空气，这允许空气从燃气涡轮发动机10吸收另外的热量并且进一步减少冷却持续时间。在替代实施例中，设想到将水注入到燃气涡轮发动机10的其他区域中，如涡轮部分16、燃烧器部分14，或涡轮部分16、燃烧器部分14和压缩机部分12的组合。

用迹线60表示将转子速度32从FSFL或额定速度降低到第二预定转子速度54的替代实施例。这个实施例不需要将转子速度32降低到对应于第一预定冷却速度46或比第一预定冷却速度46慢的速度。应理解，在这个实施例中，第二预定转子速度54可对应于上文所述的曲柄速度，或者替代地，可以是升高的曲柄速度68，其中升高的曲柄速度68大于比全速或额定速度的约40％大的曲柄速度。

参照图3，流程图进一步示出冷却方法30。冷却方法30包括：从燃气涡轮发动机除去载荷70和使燃气涡轮发动机在燃气涡轮发动机的额定速度下运行72。所述方法还包括将燃气涡轮发动机的转子速度降低到第一预定冷却转子速度74。所述方法进一步包括将转子速度从第一预定冷却转子速度提高到第二预定冷却转子速度76。所述方法又进一步包括调整至少一级进口导叶的角度以改变进口流的流量78。所述方法还包括将水注入到燃气涡轮发动机的区域中80。所述方法进一步包括将转子速度保持在第二预定冷却转子速度，持续由周围条件确定的一段时间82。冷却方法30的另外特征参照图2在上文详细描述。

有利地，冷却方法30显著节约冷却过程的时间，从而帮助更快速地开始停工工作。此外，使用者可从上文所述的多个时间段中选择以适合于燃气涡轮发动机10的具体运行需要，其中特别着重与时间段中的每一个关联的维护因素影响。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述本发明，但应容易理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以涵盖前文未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、更改、替代或等效布置。此外，尽管已描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受限于前述说明书，而仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (9)

1.一种冷却燃气涡轮发动机(10)的方法(30)，所述方法包括：

从所述燃气涡轮发动机除去载荷(70)；

使所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的额定速度下运行(72)；以及

调整邻近所述燃气涡轮发动机的压缩机部分(12)的进口设置的至少一级进口导叶的角度(78)；

通过调整所述进口导叶的至少一级的角度来改变进口流的流量；

通过调整所述进口导叶的至少一级的角度来减少所述燃气 涡轮发动机的冷却时间；

将水注入到所述燃气涡轮发动机的至少一个区域中；并且

将所述燃气涡轮发动机的转子速度降低到第一预定冷却速度，所述第一预定冷却速度在所述燃气涡轮发动机的全速的约0.1％至约10％的范围内变化。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将所述燃气涡轮发动机的转子速度降低到第一预定冷却速度(74)，所述第一预定冷却速度包括每1至5分钟约所述转子的1/4圈。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括选择性地将所述转子速度保持在所述第一预定冷却速度，持续多个时间段中的一个时间段。

4.如权利要求3所述的方法，其中使用者基于对应于所述多个时间段中的每一个时间段的维护因素影响从所述多个时间段中选择。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述多个时间段包括第一时间段(48)和第二时间段(50)，其中所述第二时间段大于所述第一时间段。

6.如权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括：

将所述转子速度提高到第二预定冷却速度(76)，所述第二预定冷却速度在所述燃气涡轮发动机的所述全速的约10％至约40％的范围内变化；以及

将所述转子速度保持在所述第二预定冷却速度，持续第二速度时间段(82)。

7.如权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：

检测所述燃气涡轮发动机的环境的周围条件；以及

基于所述周围条件确定所述第二速度时间段和所述多个时间段中的至少一个时间段。

8.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：

检测所述燃气涡轮发动机的环境的周围条件；

将所述燃气涡轮发动机的转子速度降低到所述涡轮发动机的第一转子速度；

将所述涡轮发动机的所述转子速度提高到对应于所述涡轮发动机的曲柄速度的第二转子速度；以及

将所述转子速度保持在所述第一转子速度、持续第一时间段，并且保持在所述曲柄速度、持续第二时间段，所述第一时间段和所述第二时间段由所述周围条件确定。

9.一种冷却燃气涡轮发动机的方法(30)，所述方法包括：

使所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的额定速度下运行(72)；

将所述燃气涡轮发动机的转子速度降低到第一预定冷却转子速度(74)，所述第一预定冷却速度在所述燃气涡轮发动机的全速的约0.1％至约10％的范围内变化；

将所述转子速度从所述第一预定冷却转子速度提高到第二预定冷却转子速度(76)；

调整至少一级进口导叶的角度以改变进口流的流量(78)；

将水注入到所述燃气涡轮发动机的区域中(80)；以及

将所述转子速度保持在所述第二预定冷却转子速度，持续由周围条件确定的一段时间(82)。