CN105525995A - 用于冷却通向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片及其冷却方法 - Google Patents

用于冷却通向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片及其冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于冷却流向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片。介质垫片可以包括具有人字形波纹表面的第一介质薄板和具有波浪状波纹表面的第二介质薄板，人字形波纹表面具有第一除雾器，波浪状波纹表面具有第二除雾器。

Description

用于冷却通向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片及其冷却方法
技术领域
本申请以及所形成的专利大致涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及一种具有整体式除雾特征的蒸发冷却介质垫片表面设计，用于改善用于动力增大的水流分配和蒸发。
背景技术
传统的燃气涡轮发动机包括用于压缩外界空气流的压缩机、用于混合压缩的外界空气流与燃料流并且使混合物燃烧的燃烧器以及由燃烧混合物驱动以产生动力和排气的涡轮。用于提高燃气涡轮发动机能够产生的动力的量的各种策略是已知的。用于增大动力输出的一种方法是通过冷却压缩机上游是外界空气流。这种冷却可以使得空气具有高密度，由此产生进入压缩机内的更高的质量流率。进入压缩机内的更高的质量流率使得更多的空气被压缩以便使得燃气涡轮发动机能够产生更大的动力。此外，冷却外界空气流一般可以提高燃气涡轮发动机在高温环境中的综合效率。
各种系统和方法可被用于冷却进入燃气涡轮发动机内的外界空气流。例如，热交换器可被用于通过潜热冷却或通过显热冷却来冷却外界空气流。这种热交换器通常可以利用介质垫片以便于外界空气流的冷却。这些介质垫片可以使得在外界空气流与例如为水流的冷却剂流之间进行热和/或质量传递。外界空气流与介质垫片中的冷却剂流相互作用用于与其进行热交换。
通过这些介质垫片的气流通路旨在提供有效水蒸发并提供外界空气流与来自水流的水蒸汽的混合。但是，随着空气速度增大，可能出现水的流泻(watershedding)。具体地，空气带有的水滴可能聚集在下游进入管中和/或流入压缩机内。这些水滴可能引起叶片磨损等。已知的进口空气系统因此可能结合有具有下游除雾器的蒸发冷却系统。但是，这种除雾器需要非常大的空间和额外的材料。此外，这种除雾器一般需要日常维护和相关的停机时间。已知系统还增加了减小整体燃气涡轮输出的压力损失。
因此，期望一种在不需要更远下游的除雾器的情况下提供有效冷却的改进的介质垫片。这种介质垫片可以利用与已知系统相比更小的空间需求和更少的材料来提供冷却效率。此外，这种介质可以提供与已知系统相比更小的系统压降。
发明内容
本申请及其所形成的专利因此提供一种用于冷却流向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片。介质垫片可以包括具有人字形波纹表面的第一介质薄板和具有波浪状波纹表面的第二介质薄板，人字形波纹表面具有第一除雾器，波浪状波纹表面具有第二除雾器。
其中，所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从前缘延伸至后缘。
其中，所述前缘面向所述进口空气流。
其中，所述人字形波纹表面和所述波浪状波纹表面从所述前缘朝向所述后缘延伸。
其中，所述第一除雾器和所述第二除雾器关于所述后缘定位。
其中，所述前缘和所述后缘包括类似菱形形状。
其中，所述类似菱形形状包括结合部分和扩展部分。
其中，所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从顶缘延伸至底缘。
其中，所述顶缘面向水流。
其中，所述人字形波纹表面包括具有对角升高部分和对角降低部分的多个人字形通道。
其中，所述第一除雾器以锐角从对角降低部分延伸。
其中，所述波浪状波纹表面包括具有波峰和波谷的多个波浪状通道。
其中，所述第二除雾器以锐角从波谷延伸。
其中，所述第一除雾器和所述第二除雾器包括整体式除雾器。
本申请及其形成的专利还提供一种冷却用于燃气涡轮发动机的进口空气流的方法。该方法可以包括以下步骤：关于燃气涡轮发动机的进口定位具有第一波纹表面、第二波纹表面和整体式烟雾消除器的介质垫片，使水通过第一波纹表面和第二波纹表面从介质垫片的顶部流动至底部，在进口空气流与水流之间交换热，在整体式烟雾消除器中捕获来自水流的任何雾气，以及使所捕获的雾气流回至第一波纹表面和第二波纹表面。
本申请及其所形成的专利还提供一种用于冷却流向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片。介质垫片可以包括具有导向第一除雾器的多个人字形通道的第一介质薄板和导向多个波浪状通道的第二介质薄板，多个波浪状通道导向第二除雾器。第一除雾器和第二除雾器可以组合形成整体式除雾器，以便在其中捕获任何水雾以及使水雾返回。
其中，所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从面向进口空气流的前缘延伸至具有整体式除雾器的后缘。
其中，所述前缘和所述后缘包括类似菱形形状。
其中，所述多个人字形通道包括对角升高部分和对角降低部分。
其中，所述多个波浪状通道包括波峰和波谷。
本申请的有益技术效果至少为：通过本申请的介质垫片100可以在酷热天气中提高整体空气流量，以便避免或限制简化系统中的整体燃气涡轮输出减小和性能退化。
基于在结合几个附图和所附权利要求时对以下详细说明的审阅，本领域普通技术人员将变得容易理解本申请以及所产生的专利的这些和其他特征以及改进。
附图说明
图1是具有进口空气冷却系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是可以在本文中说明的介质垫片的第一侧的透视图。
图3是图2的介质垫片的第二侧的透视图。
图4是图2的介质垫片的侧视图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的数字在全部几个附图中指代相同元件，图1是燃气涡轮发动机10的例子的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。尽管示出仅单个燃烧器14，但是在此可以采用任何数量的燃烧器14，燃烧器14定位在圆周阵列等内。压缩机12和涡轮16可以通过轴18联接。轴18可以是单个轴或联接在一起的多个轴段。轴18还可以驱动比如为发电机等的负载。
燃气涡轮发动机10还可以包括燃气涡轮空气进口20。空气进口20可以构造成接收进口空气流22。例如，空气进口20可以是燃气涡轮进口壳体等的形式。可替代地，空气进口20可以是燃气涡轮发动机10的任何部分，比如压缩机12的任何部分或可以接收进口空气流22的压缩机12的上游的任何设备。进口空气流22可以是外界空气并且可被调节或不被调节。
燃气涡轮发动机10还可以包括排气出口24。排气出口24可被构造成排出燃气涡轮排气流26。排气流26可被引导至余热回收蒸汽发生器(未示出)。可替代地，排气流26可以例如被引导至吸收式冷冻器(未示出)以冷冻水流32、被引导至余热回收蒸汽发生器(未示出)、被引导至脱盐车间或被全部或部分地分配到外界空气内。
燃气涡轮发动机10还可以包括一个或更多个热交换器30。热交换器30可被构造成在进口空气流22进入压缩机12之前对其进行冷却。例如，热交换器30可以围绕燃气涡轮空气进口20布置。可替代地，热交换器30可以在燃气涡轮进口20的上游或下游。热交换器30可以使得进口空气流22和比如为水流32的热交换介质能够在其中交换热。热交换介质还可以是任何适当类型的流体流。热交换器30因此可以便于进口空气流22和水流32在其中相互作用，以便在进口空气流22进入压缩机12之前对其进行冷却。
热交换器30可以是直接接触式热交换器30。热交换器30可以包括热交换介质进口34、热交换介质出口36和其之间的介质垫片38。水流32或其他类型的热交换介质可以流过热交换介质进口34到达介质垫片38。热交换介质进口34可以包括喷嘴、多个喷嘴、具有孔口或多个孔口的歧管等。热交换介质出口36可以接收从介质垫片38排出的水流32。热交换介质出口36可以是沿水流32的方向布置在介质垫片38的下游的贮槽。水流32可以从热交换介质进口34沿大致或大约向下方向引导通过介质垫片38，同时进口空气流22可被沿大致或大约垂直于水流32的方向引导通过热交换器30。也可以使用其他类型的反向或交叉流布置。
过滤器42可以沿进口空气流22的方向布置在介质垫片38的上游。过滤器42可被构造成从进口空气流22去除微粒，以便防止微粒进入燃气涡轮发动机10内。可替代地，过滤器42可以沿进口空气流22的方向布置在介质垫片38的下游。漂浮物清除器44可以沿进口空气流22的方向布置在介质垫片38的下游。漂浮物清除器44可以作用为在进口空气流22进入压缩机12之前从进口空气流22去除水流32的液滴。
热交换器30可被构造成通过潜热或蒸发冷却来冷却进口空气流22。潜热冷却(Latentcooling)指的是从比如为空气的气体去除热以便改变气体的含水量的冷却方法。潜热冷却可以涉及液体在接近环境湿球温度处蒸发以冷却气体。具体地，潜热冷却可被用于将气体冷却至接近其湿球温度。
可替代地，热交换器30可被构造成通过显热冷却来冷冻进口空气流22。显热冷却(Sensiblecooling)指的是冷却从比如为空气的气体去除热以便改变空气的干球温度和湿球温度的位置的方法。显热冷却可以涉及冷冻液体以及然后利用冷冻的液体来冷却气体。具体地，显热冷却可被用于将气体冷却至其湿球温度以下。
应当理解，潜热冷却和显热冷却并非是互斥的冷却方法。相反地，这些方法可以唯一地或组合地应用。还应理解的是，本文中说明的热交换器30不局限于潜热冷却和显热冷却方法，而可以通过可能需要的任何适当的冷却或加热方法冷却或加热进口空气流22。
图2-4示出如可以在本文中说明的用作进口热交换器110等的介质垫片100的例子。介质垫片100可以包括其中的至少一对介质薄板120。在该例子中，示出第一介质薄板130和第二介质薄板140，尽管在此可以使用另外的薄板。在此可以采用任何适当的尺寸、形状或构造的任何数量的介质薄板120。
介质薄板120可以由无纺合成纤维热形成，具有或不具有亲水表面增强。例如，无纺合成纤维可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、尼龙、聚酯、聚丙烯等。亲水表面增强可以包括高加工温度下的强力碱处理、碱性介质中的聚乙烯醇等的应用。在此可以使用其他材料和处理。介质薄板120可以是可湿的，以便通过其表面面积接收、吸收、流通和分配水流32或其他类型的热交换介质。介质薄板120可以利用不同类型的热交换介质。
介质薄板120可以具有基本三维的成型形状150。具体地，介质薄板120可以包括面向进入的进口空气流22的前缘160和围绕压缩机12的下游后缘170。同样地，介质薄板120可以具有用于接收水流32的顶缘180和下游底缘190。
在该例子中，第一介质薄板130可以具有类似人字形的波纹表面200。类似人字形波纹表面200可以具有位于其中的多个人字形通道210。在此可以采用任何适当的尺寸、形状或构造的任何数量的人字形通道210。具体地，人字形通道210可以具有对角升高部分220和对角降低部分230。对角升高部分220可以从前缘160延伸，并且关于其顶点240交会对角降低部分230。升高部分和降低部分的角可以变化。人字形通道210中的每一个可以在第一侧除雾器部分250处终止。第一侧除雾器部分250可以在对角降低部分230中的每一个的最低点260处以锐角向上对角地延伸。第一侧除雾器部分250可以从最低点260朝向后缘170延伸。在此可以采用其他部件以及其他构造。
第二介质薄板140可以具有波浪状波纹表面270。具体地，波浪状波纹表面270可以具有多个波浪状通道280。在此可以采用任何适当的尺寸、形状或构造的任何数量的波浪状通道280。具体地，波浪状通道280可以具有带有多个波峰300和波谷310的基本正弦式形状290。波浪状通道280可以从前缘160延伸至第二侧除雾器部分320。第二侧除雾器部分320可以从正弦式形状290的波谷310之一以锐角向上对角地延伸。第二侧除雾器部分320可以从波谷310向后缘170延伸。在此可以采用其他部件以及其他构造。
图4示出结合至第二介质薄板140的第一介质薄板130。前缘160因此形成类似菱形形状330。类似菱形形状330可以包括结合部分340和扩展部分350，介质薄板130、140在结合部分340处相交并且可以经由胶合剂等结合，所述扩展部分350用于良好气流的通过。后缘170同样可以包括类似菱形形状330，用于良好的气流的穿过。第一侧除雾器部分250和第二侧除雾器部分320可以组合形成关于后缘170的基本一致形状的整体式除雾器360。在此可以采用其他部件以及其他构造。
使用中，水流32可以从介质薄板120的顶缘180流动至底缘190。介质薄板120可以由流过其的水流32完全润湿。进口空气流22经由前缘160进入并且与水流32接触用于与其进行热交换。由于在介质薄板120之间产生扭转和旋涡气流，因此水流32可以蒸发成进口空气流22，以便将水流32的温度降低至大约进口空气湿球温度。具体地，扭转和旋涡气流提高了通过其的传热和传质。
类似人字形波纹表面200在第一介质薄板130上的使用帮助朝向前缘160分配水流32。第二介质薄板140的波浪状波纹表面270提供刚性并且在介质深度上更加平均地散布水流32。整体式除雾器360与穿过其的气流以锐角向上延伸。该角依赖于急转弯处的任何水滴中的惯性力。水滴因此可以在下重力下向下排泄并且保持在介质薄板120内。这些捕获的水帮助保持整体式除雾器360润湿以便进一步提高蒸发冷却。整体式除雾器360的使用还为整个介质垫片100提供进一步的结构强度。此外，整体式除雾器360在不使用独立的除雾器44的情况下减小整个热交换器的整体轴向长度。
类似菱形形状330在前缘160和后缘170处的使用还用于减小通过其的气压损失。本文中说明的介质垫片100因此可以在酷热天气中提高整体空气流量，以便避免或限制简化系统中的整体燃气涡轮输出减小和性能退化。
应该明显的是，上述内容仅涉及本申请以及所产生专利的某些实施例。本领域技术人员在不脱离由以下权利要求及其等同所限定的本发明的基本精神和范围的情况下可以在此做出众多改变和变型。

Claims (10)

1.一种用于冷却通向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片，包括：
第一介质薄板；
所述第一介质薄板包括具有第一除雾器的人字形波纹表面；以及
第二介质薄板；
所述第二介质薄板包括具有第二除雾器的波浪状波纹表面。
2.根据权利要求1所述的介质垫片，其特征在于，所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从前缘延伸至后缘。
3.根据权利要求2所述的介质垫片，其特征在于至少以下特征之一或其任意组合：
所述前缘面向所述进口空气流；
所述人字形波纹表面和所述波浪状波纹表面从所述前缘朝向所述后缘延伸；
所述第一除雾器和所述第二除雾器关于所述后缘定位；
所述前缘和所述后缘包括类似菱形形状。
4.根据权利要求3所述的介质垫片，其特征在于，所述类似菱形形状包括结合部分和扩展部分。
5.根据权利要求1所述的介质垫片，其特征在于，所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从顶缘延伸至底缘，所述顶缘面向水流。
6.根据权利要求1所述的介质垫片，其特征在于，所述人字形波纹表面包括具有对角升高部分和对角降低部分的多个人字形通道，所述第一除雾器以锐角从对角降低部分延伸。
7.根据权利要求1所述的介质垫片，其特征在于，所述波浪状波纹表面包括具有波峰和波谷的多个波浪状通道，所述第二除雾器以锐角从波谷延伸；以及/或所述第一除雾器和所述第二除雾器包括整体式除雾器。
8.一种冷却用于燃气涡轮发动机的进口空气流的方法，包括：
关于所述燃气涡轮发动机的进口定位具有第一波纹表面、第二波纹表面和整体式除雾器的介质垫片；
使水通过所述第一波纹表面和所述第二波纹表面从所述介质垫片的顶部流动至底部；
在进口空气流与水流之间交换热；
在所述整体式除雾器中捕获来自水流的任何雾气；以及
使所捕获的雾气流回至所述第一波纹表面和所述第二波纹表面。
9.一种用于冷却通向燃气涡轮发动机的压缩机的进口空气流的介质垫片，包括：
第一介质薄板；
所述第一介质薄板包括导向第一除雾器的多个人字形通道；以及
第二介质薄板；
所述第二介质薄板包括导向第二除雾器的多个波浪状通道；
其中，所述第一除雾器和所述第二除雾器形成整体式除雾器。
10.根据权利要求9所述的介质垫片，其特征在于至少以下特征之一或其任意组合：
所述第一介质薄板和所述第二介质薄板从面向进口空气流的前缘延伸至具有整体式除雾器的后缘，所述前缘和所述后缘包括类似菱形形状；
所述多个人字形通道包括对角升高部分和对角降低部分；
所述多个波浪状通道包括波峰和波谷。
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