CN104769222A - 位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统 - Google Patents

位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统 Download PDF

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CN104769222A CN201380057715.4A CN201380057715A CN104769222A CN 104769222 A CN104769222 A CN 104769222A CN 201380057715 A CN201380057715 A CN 201380057715A CN 104769222 A CN104769222 A CN 104769222A
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J.A.福斯纳
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B.K.休尔塔尼恩
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Abstract

一种用在燃气轮机发动机(10)中的冷却流体空气喷射系统(40)，包括外部冷却流体源(42)、至少一个转子冷却管(46)、管道系统(44)、鼓风系统(50)和阀系统(48)，至少一个转子冷却管用于将来自源的冷却流体喷射进转子室(RC)中，管道系统提供源与转子冷却管之间的流体连通，鼓风系统用于将冷却流体传输通过管道系统和转子冷却管而进入转子室。阀系统在全负荷发动机操作期间闭合，以防止来自源的冷却流体穿过管道系统，在低于全负荷发动机操作期间打开，以允许来自源的冷却流体穿过管道系统。

Description

位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统
技术领域
本发明涉及一种位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统，其中，该系统可在低于全负荷操作期间操作，以在发动机的选定区域内产生更均匀的温度分布。
背景技术
在燃气轮机发动机操作期间，空气在压缩器部分中压缩，然后在燃烧部分中与燃料混合并燃烧，以产生热燃烧气体。在筒环形燃气轮机发动机中，燃烧部分包括燃烧器设备的环形阵列，有时称为“筒”或“燃烧器”，其均将热燃烧气体供应到发动机的涡轮部分，在涡轮部分，热燃烧气体膨胀以从中提取能量来提供输出功率，输出功率又用于发电。
发明内容
根据本发明，提供了一种燃气轮机发动机，包括压缩器部分、燃烧部分和涡轮部分，在压缩器部分中压缩拉入发动机中的空气，在燃烧部分中，燃料与来自压缩器部分的压缩空气的至少一部分混合并燃烧，以产生热燃烧气体，在涡轮部分中，来自燃烧部分的热燃烧气体膨胀以从中提取能量，其中，提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转。发动机还包括转子室、至少一个转子冷却管和冷却流体喷射系统，转子室与在涡轮部分内要冷却的结构连通，至少一个转子冷却管在第一发动机操作模式期间将从发动机中提取的冷却空气喷射进转子室中。冷却流体喷射系统包括外部冷却流体源、至少一个转子冷却管、管道系统、鼓风系统和阀系统，外部冷却流体仅在包括低于全负载操作的第二发动机操作模式期间喷射进转子室中，至少一个转子冷却管用于在第二发动机操作模式期间将来自外部冷却流体源的冷却流体喷射进转子室中，管道系统提供外部冷却流体源与至少一个转子冷却管之间的流体连通，鼓风系统用于将来自外部冷却流体源的冷却流体输送通过管道系统和至少一个转子冷却管，进入转子室。阀系统在第一发动机操作模式期间闭合，以防止来自外部冷却流体源的冷却流体被鼓风系统输送通过管道系统，阀系统在第二发动机操作模式期间打开，以允许来自外部冷却流体源的冷却流体被鼓风系统输出通过管道系统。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作燃气轮机的方法。空气在发动机的压缩器部分中压缩。燃料与压缩空气的至少一部分混合，该混合物在发动机的燃烧部分中燃烧，以产生热燃烧气体。热燃烧气体在发动机的涡轮部分中膨胀以从中提取能量，其中，提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转。在第一发动机操作模式期间经由至少一个转子冷却管将从发动机提取的空气喷射进转子室中。喷射的空气提供对涡轮部分内的要冷却结构的冷却。在包括低于全负荷操作的第二发动机操作模式期间，鼓风系统的操作使得可将来自外部冷却流体源的冷却流体输出通过管道系统，到达至少一个转子冷却管，并经由至少一个转子冷却管将来自外部冷却流体源的冷却流体喷射进转子室中。
附图说明
尽管说明书以特别指出并明确要求本发明的权利要求结束，但是应认为，结合附图，通过以下描述可更好地理解本发明，在附图中，类似的参考标号表示类似的元件，附图中：
图1是根据本发明实施例的包括冷却流体喷射系统的燃气轮机发动机的部分截面侧视图；
图1A是图1的放大部分，示出用于将冷却流体传输到发动机涡轮部分内要冷却结构的流体回路；以及
图2是图1所示冷却流体喷射系统的示意图。
具体实施方式
在下面对优选实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，在附图中，仅以说明性方式而不以限制性方式示出可实施本发明的指定优选的实施例。应理解，可使用其它实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行改变。
参见图1，示出根据本发明的燃气轮机发动机10。发动机10包括压缩器部分12、包括多个燃烧器16(本文中还称为“燃烧器设备”)的燃烧部分14和涡轮部分18。应注意，根据本发明的发动机10优选地包括布置在发动机10的纵向轴线LA周围的燃烧器16环形阵列，纵向轴线限定出发动机10内的轴向方向。这种构造通常称为“筒环形燃烧系统”。
压缩器部分12引入并加压进入空气，进入空气的至少一部分被引导至燃烧器壳体20，以传输至燃烧器16。燃烧器壳体20中的空气在下文中称为“壳体空气”。加压空气的其它部分可从压缩器部分12提取出，以冷却发动机10内的各部件，比如涡轮部件18中的部件。
在进入燃烧器16时，来自压缩器部分12的压缩空气与燃料混合，并被点燃以在相应燃烧器16内产生以湍流方式高速流动的高温燃烧气体。然后，每个燃烧器16中的燃烧气体流过相应过渡管22(图1仅示出一个过渡管22)到达涡轮部分18，在涡轮部分，燃烧气体膨胀以从中提取能量。从燃烧气体中提取的能量的一部分用于提供涡轮转子24的旋转，涡轮转子平行于可旋转轴26延伸，可旋转轴沿纵向轴线LA轴向地延伸通过发动机10。
如图1所示，提供发动机外壳30以围绕相应发动机部分12、14、18。外壳30的布置在燃烧部分14周围的一部分30A包括限定出燃烧器壳体20的外壳壁32，即，燃烧器壳体20限定出外壳部30A内的内部容积。如图2所示，外壳壁32包括顶壁部分32A、左侧壁部分和右侧壁部分32B、32C以及底壁部分32D。
现在描述根据本发明方面的外部冷却流体喷射系统40。参见图2，所示实施例中的冷却流体喷射系统40包括外部冷却流体源42，在所示实施例中，外部冷却流体源包括环境空气入口。尽管根据该实施例的外部冷却流体源42包括单个环境空气入口，但是除了环境空气或者代替环境空气，可使用其它冷却流体源，比如喷雾、蒸汽或水。另外，可提供额外的环境空气端口。
冷却流体喷射系统40还包括管道系统44，其设置成将来自外部冷却流体源42的冷却流体输送到多个转子冷却管46A、46B、46C、46D，多个转子冷却管关于外壳壁32的圆周大致均匀地间隔开，如图2所示。尽管根据该实施例的冷却流体喷射系统40包括四个转子冷却管46A-D，但是可提供任何合适数量的转子冷却管。如下所讨论的，转子冷却管46A-D将来自外部冷却流体源42的冷却流体喷射进转子室RC中，转子室与涡轮部分18内要冷却的结构连通，比如可旋转的涡轮叶片TB排、支撑涡轮叶片TB排并形成转子24一部分的叶盘结构BDS，和/或位于叶盘结构BDS与相邻静止涡轮轮叶TV排之间的涡轮盘空腔TDC，见图1A。如图1A最清楚示出，转子室RC至少部分地位于燃烧部分14中，并与燃烧器壳体20隔离，即转子室RC未直接暴露于燃烧器壳体20。
如图2所示，冷却流体喷射系统40又包括阀系统48、鼓风系统50和可选的冷却器52，在所示实施例中，阀系统包括第一和第二阀48A、48B，但是还可使用额外或更少的阀，在所示实施例中，鼓风系统包括单个鼓风器，但是还可使用额外的鼓风器或排出器。阀系统48和鼓风系统50由控制器54控制，以选择性地允许或防止来自外部冷却流体源42的冷却流体穿过管道系统44，如下更详细所述。当阀系统48打开时，鼓风系统50设置成从外部冷却流体源42提取冷却流体，并将提取的冷却流体输送通过管道系统44，到达转子冷却管46A-D，并进入转子室RC。冷却器52设置成冷却冷却流体。如图2所示，过滤器56可设置在外部冷却流体源42和转子室RC之间，以从冷却流体过滤颗粒。根据图2所示实施例，过滤器56固定到鼓风系统50的鼓风器的上游侧，但是过滤器56可位于外部冷却流体源42的下游的任何地方。
现在描述一种操作发动机10的方法。在发动机10正常操作期间，还已知为全负荷或基本负荷操作并在本文中还称为第一发动机操作模式，燃烧器壳体20和转子室RC之间的压差导致壳体空气中的一些朝向转子室RC经由位于外壳壁32的底壁部分32D处的出口58流出燃烧器壳体20(见图1和2)，即，在发动机10的正常操作期间，转子室RC中的压力小于燃烧器壳体20中的压力。应注意，出口58可位于外壳壁32中的其它位置。在第一发动机操作模式期间朝向转子室RC经由出品流出燃烧器壳体20的这部分空气在本文中还称为“主路空气(primary path air)”。如图2所示，主路空气沿主回路60流过主阀62，并穿过冷却器52，以经由转子冷却管46A-D传输进转子室RC中，主阀仅在第一发动机操作模式期间打开。应注意，尽管本文所述主路空气包括来自燃烧器壳体20的壳体空气，但是主路空气可包括来自发动机10的其它部分的空气。例如，主路空气可直接从压缩器部分12放出。
一旦在转子室RC中，主路空气便经由流体回路64传输至涡轮部分18中的要冷却结构，见图1A。如本领域技术人员所明白的，流体回路64可包括例如位于转子室RC和涡轮部分18中的要冷却结构之间的部件中的一系列通道。例如，一个或多个通道66(见图2)可形成穿过转子24，通道66可与形成在涡轮部分18的叶盘结构BDS中的通道(未示出)连通。叶盘结构BDS中的通道又可导向涡轮叶片TB排和/或相邻的涡轮盘空腔TDC，如图1A所示。应注意，图1A示意性示出冷却回路64，冷却回路可具有任何适合的构造，以将流体传输至涡轮部分18中的要冷却结构。
在第一发动机操作模式期间，第一和第二阀48A、48B闭合，鼓风系统50关掉或者不工作。因此，阀系统48明显地防止来自外部冷却流体源42的冷却流体被鼓风系统50输送通过管道系统44并进入转子室RC，但是应注意，在第一发动机操作模式期间，壳体空气经由主回路60传送进转子室RC中，如上所讨论的。
在开始关闭操作(turn down operation)(实施成使发动机10转换为停机状态或回转状态(turning gear state))时，最终停止燃料至燃烧器16的供给，使得在燃烧器16中产生高温燃烧气体减少至零。当燃烧气体不再在燃烧器16中产生时，涡轮转子24的旋转不能通过燃烧气体实现，涡轮转子24的旋转减慢至接近停止。在减慢至接近停止之后，涡轮转子24的缓慢旋转可在本文中称为回转状态的操作状态中通过外部电源(未示出)实现，比如启动电机。在典型的发动机10中，这种关闭操作可花费至少约10-15分钟来使发动机10完全转换为回转状态，在这期间，燃烧器16中的燃烧最终停止。或者，涡轮转子24的旋转可在本文中称为停机状态的操作状态中完全停止。如本文所使用的，第二发动机操作模式意在涵盖发动机10的关闭操作、回转状态或停机状态，它们均是低于全负荷操作(即第一发动机操作模式)的所有发动机操作状态。
根据本发明的方面，在开始关闭操作以使发动机10转换为回转状态或停机状态时，控制器54打开第一和第二阀48A、48B，闭合主阀62，以防止空气穿过主回路60。在第二发动机操作模式期间，鼓风系统50由控制器54打开或者动作，以从外部冷却空气源42提取冷却流体。鼓风系统50将冷却流体传输(即泵送)通过管道系统44和转子冷却管46A-D，并将冷却流体喷射进转子室RC中。当处于转子室RC中时，冷却流体经由流体回路64输送以冷却涡轮部分18内的结构，见图1A。
根据本发明的另一方面，回转状态可运行一预定时间，或者直到一个或多个选定发动机部件到达预定温度为止，在这时，发动机10可转换为停机状态。在该布置下，在回转状态期间，阀48A、48B维持打开位置，鼓风系统50继续操作以从外部冷却流体源42提取冷却流体，以将提取的冷却流体传输通过管道系统44和转子冷却管46A-D，并将提取的冷却流体喷射进转子室RC中。然而，在发动机10进入停机状态时，即在完成回转状态之后，鼓风系统50可通过控制器54关闭或停止运行，以停止泵送冷却流体。在停机状态期间，阀48A、48B可保持打开或者控制器54可闭合它们，但是在开始发动机启动过程以使发动机10返回全负荷操作时，它们可通过控制器54闭合，主阀62打开。
根据本发明的又一方面，在第二发动机操作模式期间，控制器54可基于发动机外壳部30A的顶壁部分32A和发动机外壳部30A的底壁部分32D之间温差打开/关闭阀系统48，并使鼓风系统50的操作开始/停止。例如，在第二发动机操作模式期间，如果确定了顶壁部分32A的温度比底壁部分32D的温度大多于第一预定量，则阀系统48可打开，鼓风系统50的操作可开始，直到确定了顶壁部分32A的温度比底壁部分32D的温度大低于第二预定量为止。应注意，发动机10内各地点的温差(比如外壳30的与涡轮部分18相关联的部分的顶部和底部之间的温差)还可用于启动阀系统48的打开/关闭以及鼓风系统50的操作的开始/停止。
根据本发明的又一方面，在第二发动机操作模式期间，鼓风系统50的操作可与旋转冷却操作交替。在示例性旋转冷却操作期间，鼓风系统50可关闭，以停止将来自外部冷却流体源42的冷却流体传输通过管道系统44并进入转子室RC，转子24的转速可增加到预定速度，比如约850RPM，而不会在燃烧部分14中燃烧空气和燃料，即使得在燃烧器16中不会产生燃烧气体。旋转冷却操作可执行一预定时期，比如约五分钟的预定时间周期，直到选择的发动机部件到达期望温度为止，直到部件温差到达预定目标为止等。
在执行旋转操作之后，鼓风系统50的操作可再次开始，以将来自外部冷却流体源42的冷却流体传输通过管道系统44和转子冷却管46A-D而进入转子室RC。如上所述，在第二发动机操作模式期间，旋转冷却操作可与鼓风系统50的操作交替，以使对涡轮部分18中的要冷却结构(尤其是涡轮转子24)的冷却最大，并还促进发动机10内的更均匀冷却。
通过冷却流体喷射系统40供给至转子空腔RC的冷却流体对涡轮部分18内的要冷却结构(例如可旋转涡轮叶片TB排、叶盘结构BDS、涡轮盘空腔TDC等)的冷却减少了叶盘结构BDS和涡轮叶片TB的热膨胀。另外，通过冷却流体对涡轮部分18内的要冷却结构的冷却在涡轮部分18内产生了更均匀的温度分布，由于更热的空气趋向于移动至涡轮部分18中的外壳30的顶部，从而导致外壳30顶部处的温度比底部处更热。
通过冷却流体喷射系统40实现的叶盘结构BDS和涡轮叶片TB的热膨胀的减少以及涡轮部分18内的更均匀温度被认为减少或防止了由于涡轮部分18内和周围的部件以不同速率热生长而导致的问题，比如发动机外壳30的变形和/或涡轮部分18中的涡轮叶片TB(见图1A)顶端TT与涡轮叶片TB外部的环段RS(见图1A)的磨擦，从而延长了这些部件的寿命，并在全负荷操作期间维持了紧密的叶片顶端TT间隙，以改进了涡轮效率。涡轮叶片顶端TT与环段RS的摩擦的减少/防止还减少/防止了由过热引起的顶端氧化，因为这些部件的摩擦会堵塞形成在涡轮叶片顶端TT上的冷却孔。
此外，在第二发动机操作模式期间通过冷却流体喷射系统40实现的主动冷却涡轮部件18中的要冷却结构(更确切地，涡轮转子24)被认为提供发动机10的工作中断时间的减小。例如，发动机10能够在冷却流体注射系统40一冷却涡轮转子24便工作，而在没有冷却流体注射系统40的情况下，发动机10必须在工作之前处于回转状态至少约14小时或者处于旋转冷却操作一延长时期，因为涡轮转子24对于涡轮部分18的工作来说会过热。应认为，通过使用冷却流体喷射系统40来冷却涡轮转子24，发动机10可立即工作。另外，冷却流体喷射系统40提供同时的组合方式来冷却涡轮转子24并在发动机外壳30内产生更均匀温度分布来减少/防止发动机外壳30的变形。
尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多其它改变和修改。因此，意在于所附权利要求书中涵盖位于本发明范围内的所有这些改变和修改。

Claims (20)

1.一种燃气轮机发动机，包括：
压缩器部分，在所述压缩器部分中压缩进入所述发动机的空气；
燃烧部分，在所述燃烧部分中，燃料与来自所述压缩器部分的压缩空气的至少一部分混合，并燃烧以产生热燃烧气体；
涡轮部分，在所述涡轮部分中，来自所述燃烧部分的热燃烧气体膨胀以从中提取能量，其中，所提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转；
转子室，与所述涡轮部件内的要冷却结构连通；
至少一个转子冷却管，在所述第一发动机操作模式期间将从所述发动机提取的冷却空气喷射进所述转子室中；以及
冷却流体喷射系统，包括：
外部冷却流体源，所述外部冷却流体仅在包括低于全负荷操作的第二发动机操作模式期间喷射进所述转子室中；
所述至少一个转子冷却管，用于在所述第二发动机操作模式期间将来自所述外部冷却流体源的冷却流体喷射进所述转子室中；
管道系统，提供所述外部冷却流体源与所述至少一个转子冷却管之间的流体连通；
鼓风系统，用于将来自所述外部冷却流体源的冷却流体传输通过所述管道系统和所述至少一个转子冷却管而进入所述转子室；以及
阀系统：
所述阀系统在所述第一发动机操作模式期间闭合，以防止来自所述外部冷却流体源的冷却流体通过所述鼓风系统传输通过所述管道系统；以及
所述阀系统在所述第二发动机操作模式期间打开，以允许来自所述外部冷却流体源的冷却流体通过所述鼓风系统传输通过所述管道系统。
2.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，所述外部冷却流体源包括至少一个环境空气入口。
3.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，还包括位于所述外部冷却流体源和所述转子室之间的过滤器，用于从在所述第二发动机操作模式期间喷射进所述转子室中的冷却流体中过滤颗粒。
4.如权利要求3所述的燃气轮机发动机，其中，所述过滤器安置成固定到所述鼓风系统。
5.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，还包括控制器，基于发动机外壳的顶壁部分与所述发动机外壳的底壁部分之间的温差打开和闭合所述阀系统。
6.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，所述阀系统：
在关闭操作开始时通过控制器打开以使所述发动机转换为停机状态和回转状态之一；以及
在启动操作开始时通过所述控制器闭合以使所述发动机转换为所述第一发动机操作模式。
7.如权利要求6所述的燃气轮机发动机，其中，在所述停机状态或所述回转状态期间，所述涡轮转子没有通过从燃烧气体提取的能量旋转。
8.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，在所述第一发动机操作模式期间由所述至少一个转子冷却管喷射进所述转子室中的冷却空气包括从与所述燃烧部分相关联的燃烧器壳体提取的壳体空气。
9.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，所述转子室至少部分位于所述燃烧部分中。
10.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，在所述第二发动机操作模式期间，所述鼓风系统的操作与旋转冷却操作交替，其中，在旋转冷却操作期间：
所述鼓风系统关闭；以及
所述转子的转速增加到预定速度，而不会燃烧所述燃烧部分中的空气和燃料。
11.如权利要求10所述的燃气轮机发动机，其中，在执行旋转冷却操作之后，所述鼓风系统的操作运行，以将来自所述外部冷却流体源的冷却流体传输通过所述管道系统和所述至少一个转子冷却管而进入所述转子室中。
12.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述旋转冷却操作执行一预定时间。
13.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，还包括冷却器，用于在冷却流体经由所述至少一个转子冷却管喷射进所述转子室之前冷却来自所述外部冷却流体源的冷却流体。
14.一种用于操作燃气轮机发动机的方法，包括：
压缩所述发动机的压缩器部分中的空气；
在所述发动机的燃烧部分中混合燃料与压缩空气的至少一部分，并燃烧混合物，以产生热燃烧气体；
在所述发动机的涡轮部分中使所述热燃烧气体膨胀以从中提取能量，其中，所提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转；
在所述第一发动机操作模式期间经由至少一个转子冷却管将从所述发动机提取的空气喷射进转子室中，所喷射的空气提供了对所述涡轮部分内的要冷却结构的冷却；
在包括低于全负荷操作的第二发动机操作模式期间：
运行鼓风系统的操作，以：
将来自所述外部冷却流体源的冷却流体传输通过管道系统而到达至少一个转子冷却管；以及
经由所述至少一个转子冷却管将来自所述外部冷却流体源的冷却流体喷射进所述转子室中。
15.如权利要求14所述的方法，其中，来自所述外部冷却流体源的冷却流体在所述第一发动机操作模式期间没有注射进所述转子室中，来自所述发动机的空气在所述第二发动机操作期间没有经由至少一个转子冷却管注射进所述转子室中。
16.如权利要求15所述的方法，其中，阀系统在所述第二发动机操作模式期间打开，以允许来自所述外部冷却流体源的冷却流体通过所述鼓风系统传输通过所述管道系统。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述阀系统在所述第一发动机操作模式期间闭合，以防止来自空气通过所述鼓风系统传输通过所述管道系统。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述阀系统基于发动机外壳的顶壁部分和所述发动机外壳的底壁部分之间的温差由控制器打开和闭合，所述发动机外壳布置在所述发动机的各部分周围。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述阀系统：
在关闭操作开始时通过控制器打开以使所述发动机转换为停机状态和回转状态之一；以及
在启动操作开始时通过所述控制器闭合以使所述发动机转换为所述第一发动机操作模式。
20.如权利要求14所述的方法，还包括：
在所述鼓风系统操作一预定周期之后，使所述鼓风系统的操作停止，并通过增加转子的转速而不会燃烧所述燃烧部分中的空气和燃料来执行旋转冷却操作；以及
在执行所述旋转冷却操作之后，使所述鼓风系统的操作运行，以将来自所述外部冷却流体源的冷却流体传输通过所述管道系统和所述至少一个转子冷却管而进入所述转子室。
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