CN106050330A - 用于涡轮机的热管温度管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮机包括压缩机、燃烧器和涡轮。中间冷却器可操作地连接至压缩机。中间冷却器包括延伸到压缩机的级间间隙中的第一多个热管，且热管可操作地连接至第一歧管。热管和歧管构造成将热从压缩空气流传递至一个或更多个换热器。第一冷却系统可操作地连接至涡轮。第一冷却系统包括第二多个热管，其附接至或嵌入多个轮体中的至少一个内。压缩机放出空气构造成冲击到多个轮体中的至少一个或第二多个热管上。第二多个热管和压缩机放出空气构造成冷却多个轮体中的至少一个。
Description
技术领域
本发明的示例性实施例涉及涡轮机的领域，并且更具体地涉及用于涡轮机的热管中间冷却器。
背景技术
涡轮机包括可操作地连接到涡轮上的压缩机，涡轮继而又驱动另一个机器，诸如发电机。压缩机压缩进气的空气流，其输送至燃烧器来与燃料混合，且点燃以形成高温高压燃烧产物。高温高压燃烧产物用于驱动涡轮。在一些情况中，离开压缩机的压缩空气流再压缩，以实现一定燃烧效率。然而，再压缩该压缩空气流使空气流温度升高到高于期望极限。因此，在再压缩之前，空气流经过中间冷却器。在两个压缩机级之间的中间冷却器降低压缩空气流的温度，使得在再压缩后，再压缩的空气流的温度在期望极限内。然而，常规中间冷却器是需要大量基础设施和资金成本的大型系统。
简单循环和联合循环的燃气轮机系统设计成在较宽范围的温度下使用范围从气体到液体的多种燃料。在一些情况中，在相比于压缩排放空气温度时，燃料可在相对低温度下。使用低温燃料影响燃气轮机系统的排放、性能和效率。为了改善这些特征，期望在燃烧燃料之前提高燃料温度。
通过在其焚烧之前提高燃料的温度，燃气轮机系统的总体热性能可提高。燃料加热大体上通过减少实现期望焚烧温度所需的燃料量来改善燃气轮机系统的效率。加热燃料的一个途径在于使用电热器或从联合循环过程取得的热来提高燃料温度。然而，现有的联合循环燃料加热系统通常使用蒸汽流，其可在其它情况下引导到汽轮机中来增加联合循环输出。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种涡轮机包括压缩机，其包括进气部分和出口部分。压缩机具有多个转子叶片和多个定子导叶，且级间间隙存在于相邻排的转子叶片和定子导叶之间。压缩机压缩在进气部分处接收到的空气，以形成排出到出口部分中的压缩空气流。燃烧器与压缩机可操作地连接，且燃烧器接收压缩空气流。涡轮与燃烧器可操作地连接，且涡轮接收来自燃烧器的燃烧气流。涡轮具有多个轮体、多个喷嘴，以及形成涡轮的外壳的涡轮壳。涡轮接收压缩机放出空气来冷却多个轮体中的至少一个。中间冷却器可操作地连接到压缩机上。中间冷却器包括延伸到级间间隙中的第一多个热管。第一多个热管可操作地连接到第一歧管上，且第一多个热管和第一歧管构造成将热从压缩机空气流传递至一个或更多个换热器。第一冷却系统可操作地连接到涡轮上。第一冷却系统包括第二多个热管，其附接到或嵌入多个轮体中的至少一个内。压缩机放出空气构造成冲击到多个轮体中的至少一个或第二多个热管上。第二多个热管和压缩机放出空气构造成冷却多个轮体中的至少一个。
在本发明的另一个方面中，提供了一种用于涡轮机的温度管理系统。一种涡轮机具有压缩机，其包括进气部分和出口部分。压缩机具有多个转子叶片和多个定子导叶，以及存在于相邻排的转子叶片和定子导叶之间的级间间隙。压缩机压缩在进气部分处接收到的空气，以形成排出到出口部分中的压缩空气流。燃烧器与压缩机可操作地连接，且燃烧器接收压缩空气流。涡轮与燃烧器可操作地连接，且涡轮接收来自燃烧器的燃烧气流。涡轮具有多个涡轮叶片、多个轮体、多个喷嘴，以及形成涡轮的外罩的涡轮壳。涡轮接收压缩机放出空气来冷却多个轮体中的至少一个。温度管理系统包括可操作地连接到压缩机上的中间冷却器。中间冷却器包括延伸到级间间隙中的第一多个热管。第一多个热管可操作地连接到第一歧管上，且第一多个热管和第一歧管构造成将热从压缩机空气流传递至一个或更多个换热器。温度管理系统还包括可操作地连接到涡轮上的第一冷却系统。第一冷却系统包括第二多个热管，其附接到或嵌入多个轮体中的至少一个内。来自压缩机的压缩机放出空气构造成冲击到多个轮体中的至少一个或第二多个热管上。第二多个热管和压缩机放出空气构造成冷却多个轮体中的至少一个。
本发明的第一技术方案提供了一种涡轮机，包括：压缩机，其包括进气部分和出口部分，所述压缩机具有多个转子叶片和多个定子导叶，且级间间隙存在于相邻排的转子叶片与定子导叶之间，所述压缩机压缩在所述进气部分处接收到的空气以形成排出到所述出口部分中的压缩空气流；与所述压缩机可操作地连接的燃烧器，所述燃烧器接收所述压缩空气流；与所述燃烧器可操作地连接的涡轮，所述涡轮接收来自所述燃烧器的燃烧气流，所述涡轮具有多个轮体和多个喷嘴，形成所述涡轮的外罩的涡轮壳，且所述涡轮接收压缩机放出空气来冷却所述多个轮体中的至少一个；可操作地连接至所述压缩机的中间冷却器，所述中间冷却器包括延伸到所述级间间隙中的第一多个热管，所述第一多个热管可操作地连接至第一歧管，所述第一多个热管和所述第一歧管构造成将热从所述压缩空气流传递至一个或更多个换热器；以及可操作地连接至所述涡轮的第一冷却系统，所述第一冷却系统包括附接至或嵌入所述多个轮体中的至少一个内的第二多个热管，所述压缩机放出空气构造成冲击在所述多个轮体中的至少一个或所述第二多个热管上，以及其中所述第二多个热管和所述压缩机放出空气构造成冷却所述多个轮体中的至少一个。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括：可操作地连接至所述涡轮的第二冷却系统，所述第二冷却系统包括位于所述多个喷嘴中的至少一部分中的第三多个热管，所述第三多个热管可操作地连接至第三歧管，所述第三多个热管和所述第三歧管构造成将热从所述多个喷嘴传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，还包括：可操作地连接至所述涡轮壳的第三冷却系统，所述第三冷却系统包括附接至所述涡轮壳且与所述涡轮壳热连通的第四多个热管，所述第四多个热管可操作地连接至第四歧管，所述第四多个热管和所述第四歧管构造成将热从所述涡轮壳传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，还包括：可操作地连接至所述压缩机的所述出口部分的后冷却器，所述后冷却器包括延伸到所述出口部分中的第五多个热管，所述第五多个热管可操作地连接至第五歧管，所述第五多个热管和所述第五歧管构造成将热从所述出口部分中的所述压缩空气流传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括热传递介质，其包括以下中的一者或组合：铝、铍、铍-氟合金、硼、钙、铯、钴、铅-铋合金、液态金属、锂-氯合金、锂-氟合金、锰、锰-氯合金、汞、熔盐、钾、钾-氯合金、钾-氟合金、钾-氮-氧合金、铑、铑-氯合金、铑-氟合金、钠、钠-氯合金、钠-氟合金、钠-硼-氟合金、钠-氮-氧合金、锶、锡、锆-氟合金。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括熔盐热传递介质，其包括以下中的一者或组合：钾、钠或铯。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，还包括：位于对应于所述压缩机的空气放出级的所述级间间隙中的所述第一多个热管；
从所述压缩机的第一级和所述压缩机的第三级处或它们之间取得的所述压缩机放出空气；以及位于第一级涡轮轮体中或上的所述第二多个热管，且所述压缩机放出空气构造成冲击所述第一级涡轮轮体的内低压半径。
本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管具有一定截面形状，所述截面形状大体上包括以下中的至少一者：圆形、椭圆形、具有圆角的矩形，或多边形。
本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，所述第一多个热管或所述第二多个热管中的至少一者还包括多个翅片，所述多个翅片构造成增大所述多个热管的热传递能力。
本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，所述一个或更多个换热器包括热管换热器，其可操作地连接至以下中的至少一者：燃料加热换热器；或余热回收蒸汽发生器换热器；或燃料加热换热器和余热回收蒸汽发生器换热器。
本发明的第十一技术方案提供了一种用于涡轮机的温度管理系统，所述涡轮机具有包括进气部分和出口部分的压缩机，所述压缩机具有多个转子叶片和多个定子导叶，以及相邻排的转子叶片与定子导叶之间的级间间隙，所述压缩机压缩在所述进气部分处接收的空气以形成排出到所述出口部分的压缩空气流，与所述压缩机可操作地连接的燃烧器，所述燃烧器接收所述压缩空气流；以及与所述燃烧器可操作地连接的涡轮，所述涡轮接收来自所述燃烧器的燃烧气流，所述涡轮具有多个涡轮叶片、多个轮体和多个喷嘴，形成所述涡轮的外罩的涡轮壳，所述涡轮接收压缩机放出空气以冷却所述多个轮体中的至少一个，所述温度管理系统包括：可操作地连接至所述压缩机的中间冷却器，所述中间冷却器包括延伸到所述级间间隙中的第一多个热管，所述第一多个热管可操作地连接至第一歧管，所述第一多个热管和所述第一歧管构造成将热从所述压缩空气流传递至一个或更多个换热器；以及可操作地连接至所述涡轮的第一冷却系统，所述第一冷却系统包括附接至或嵌入所述多个轮体中的至少一个内的第二多个热管，来自所述压缩机的所述压缩机放出空气构造成冲击在所述多个轮体中的至少一个或所述第二多个热管上，以及其中所述第二多个热管和所述压缩机放出空气构造成冷却所述多个轮体中的至少一个。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，还包括：可操作地连接至所述涡轮的第二冷却系统，所述第二冷却系统包括位于所述多个喷嘴中的至少一部分中的第三多个热管，所述第三多个热管可操作地连接至第三歧管，所述第三多个热管和所述第三歧管构造成将热从所述多个喷嘴传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第十三技术方案是在第十一技术方案中，还包括：可操作地连接至所述涡轮壳的第三冷却系统，所述第三冷却系统包括附接至所述涡轮壳且与所述涡轮壳热连通的第四多个热管，所述第四多个热管可操作地连接至第四歧管，所述第四多个热管和所述第四歧管构造成将热从所述涡轮壳传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第十四技术方案是在第十一技术方案中，还包括：可操作地连接至所述压缩机的所述出口部分的后冷却器，所述后冷却器包括延伸到所述出口部分中的第五多个热管，所述第五多个热管可操作地连接至第五歧管，所述第五多个热管和所述第五歧管构造成将热从所述出口部分中的所述压缩空气流传递至所述一个或更多个换热器。
本发明的第十五技术方案是在第十一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括热传递介质，其包括以下中的一者或组合：铝、铍、铍-氟合金、硼、钙、铯、钴、铅-铋合金、液态金属、锂-氯合金、锂-氟合金、锰、锰-氯合金、汞、熔盐、钾、钾-氯合金、钾-氟合金、钾-氮-氧合金、铑、铑-氯合金、铑-氟合金、钠、钠-氯合金、钠-氟合金、钠-硼-氟合金、钠-氮-氧合金、锶、锡、锆-氟合金。
本发明的第十六技术方案是在第十一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括熔盐热传递介质，其包括以下中的一者或组合：钾、钠或铯。
本发明的第十七技术方案是在第十一技术方案中，还包括：位于对应于所述压缩机的空气放出级的所述级间间隙中的所述第一多个热管；从所述压缩机的第一级和所述压缩机的第三级处或它们之间取得所述压缩机放出空气；以及位于第一级涡轮轮体中或上的所述第二多个热管，且所述压缩机放出空气构造成冲击所述第一级涡轮轮体的内低压半径。
本发明的第十八技术方案是在第十一技术方案中，所述第一多个热管和所述第二多个热管具有一定截面形状，所述截面形状大体上包括以下中的至少一者：圆形、椭圆形、具有圆角的矩形，或多边形。
本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，所述第一多个热管或所述第二多个热管中的至少一者还包括多个翅片，所述多个翅片构造成增大所述多个热管的热传递能力。
本发明的第二十技术方案是在第十一技术方案中，所述一个或更多个换热器包括热管换热器，其可操作地连接至以下中的至少一者：燃料加热换热器；或余热回收蒸汽发生器换热器；或燃料加热换热器和余热回收蒸汽发生器换热器。
附图说明
图1示出了涡轮机的简化示意图。
图2示出根据本发明的方面的穿过涡轮机的一部分的局部示意性轴向截面视图。
图3示出了根据本发明的方面的中间冷却器的截面且示意性视图。
图4示出了根据本发明的方面的中间冷却器的局部示意性且径向截面视图。
图5示出了根据本发明的方面的结合第二多个热管的涡轮轮体的轴向截面视图。
图6示出了根据本发明的方面的结合第二多个热管的涡轮轮体的局部周向截面视图。
图7示出了根据本发明的另一个方面的第二冷却系统的截面且示意性视图。
图8示出了根据本发明的另一个方面的第二冷却系统的截面且示意性视图。
图9示出了根据本发明的方面的第二冷却系统的局部示意性且径向截面视图。
图10示出了根据本发明的方面的圆形或圆柱形热管的截面形状。
图11示出了根据本发明的方面的椭圆形热管的截面形状。
图12示出了根据本发明的方面的多边形热管的截面形状。
图13示出了根据本发明的方面的带圆角矩形的热管的截面形状。
图14示出了根据本发明的方面的具有多个翅片的圆形或圆柱形热管的截面形状。
图15示出了根据本发明的方面的结合中间冷却器和冷却系统的涡轮机的示意图。
图16为根据本发明的方面的穿过涡轮机的一部分的局部示意性轴向截面视图。
图17示出了根据本发明的方面的第三冷却系统的截面且示意性视图。
图18示出了根据本发明的方面的第三冷却系统的局部示意性且径向截面视图。
图19示出了根据本发明的方面的后冷却器的截面且示意性视图。
图20示出了根据本发明的方面的后冷却器的局部示意性且径向截面视图。
图21示出了根据本发明的方面的第四冷却系统的截面且示意性视图。
图22示出了根据本发明的方面的第四冷却系统的示意图。
图23示出了根据本发明的方面的结合中间冷却器、第一冷却系统、第二冷却系统、第三冷却系统和后冷却器的涡轮机的简化框图。
零件列表
100 涡轮机
110 压缩机
111 转子叶片
112 定子导叶
113 级间间隙
114 第一级排放放出端口
120 燃烧器
122 过渡件
130 涡轮
131 涡轮壳
132 轮叶
133 涡轮轮体
134 喷嘴
140 HRSG
150 汽轮机
160 轴
170 发电机
202 进气部分
204 出口部分
210 冷却系统(第一)
212 热管(第二)
214 压缩机放出空气
216 至涡轮排气器的管线
220 中间冷却器
222 热管(第一多个)
223 热传递介质
224 歧管(第一)
225 冷却剂/热传递介质
230 压缩机壳
240 热管换热器
241 燃料加热换热器
242 燃料预热换热器
243 HRSG换热器
244 换热器
250 冷却系统(第二)
252 热管(第三多个)
254 热管(第三多个)
256 歧管(第三)
260 旁通管线
261 阀
310 导管
320 泵
410 管线
501 燕尾区
502 内径向部分/位置
504 外径向部分/位置
506 周向槽口
852 热管(第三多个)
856 歧管
910 管线
1122 具有椭圆截面的热管
1222 具有多边形截面的热管
1322 热管-矩形
1422 热管
1423 翅片
1500 温度管理系统
1560 燃料气体
1570 水
1590 蒸汽
1620 后冷却器
1622 热管(第五多个)
1623 热传递介质
1624 第四歧管
1625 冷却剂/热传递介质
1640 冷却系统(第四)
1641 导管
1642 热管(第六多个)
1643 转子筒冷却室
1644 管线，热管
1645 轴承冷却器系统
1646 轴承
1647 换热器
1648 管线，热管
1650 冷却系统(第三)
1652 热管(第四多个)
1653 热传递介质
1654 歧管(第四)
1810 管线
2010 管线
2210 轴承润滑油
2220 润滑油冷却器/换热器
2222 热传递介质
2340 换热器。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或更多个特定方面/实施例。为了提供这些方面/实施例的简要描述，可在说明书中不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现开发者的特定目标，诸如符合机器相关、系统相关和业务相关的约束，这可从一个实施方式到另一个不同。此外，应当认识到的是，此开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员仍是设计、制造和生产的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，词语"一个"、"一种"和"该"旨在意指存在一个或更多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。操作参数和/或环境条件的任何实例并未排除公开实施例的其它参数/条件。此外，应当理解的是，提到的本发明的"一个实施例"、"一个方面"或"实施例"、"方面"不旨在理解为排除也结合所述特征的附加实施例或方面的存在。
图1示出了涡轮机100的简图。涡轮机包括可操作地连接到燃烧器120上的压缩机110，以及可操作地连接到涡轮130上的燃烧器120。涡轮的排气可操作地连接到余热回收蒸汽发生器(HRSG)140上。HRSG140生成蒸汽，其被引导到汽轮机150中。在该实例中，所有涡轮机以单轴构造布置，且轴160驱动发电机170。将理解的是，用语涡轮机包括压缩机、涡轮或它们的组合。
图2为根据本发明的方面的穿过涡轮机的一部分的局部示意性轴向截面视图。涡轮机100包括具有进气部分202和出口部分204的压缩机110。压缩机压缩在进气部分202处接收到的空气，且形成压缩空气流，其排出自/到出口部分204。燃烧器120与压缩机110可操作地连接，且燃烧器120接收压缩空气流。涡轮130与燃烧器120可操作地连接，且涡轮130从燃烧器120接收燃烧气流。涡轮130包括涡轮壳131。涡轮壳131形成涡轮130的外罩。涡轮还包括多个轮叶132、涡轮轮体133和多个喷嘴134。
中间冷却器220可操作地连接到压缩机110的级间间隙113。级间间隙113为压缩机中的转子叶片111与定子导叶112之间的间隙。级间间隙可位于任何相邻转子叶片与定子导叶之间。中间冷却器220包括延伸到级间间隙中的第一多个热管222。例如，级间间隙可位于压缩机的空气放出级中的第一级与末级之间，或在特定应用中按期望在任何(多个)级处或之间。第一热管222可操作地连接到第一歧管224上，且热管222和歧管224构造成将热从压缩机中的压缩空气流传递至一个或更多个换热器240。
第一热管222置于或位于级间间隙中，使得第一热管从压缩机壳230的外部延伸且延伸到级间间隙中。在所示实例中，第一热管222延伸到对应于压缩机的第13级的级间间隙中，第13级对应于空气放出级。然而，第一热管可位于沿压缩机110的任何期望点或级处。各个第一热管222延伸穿过涡轮机壳，且延伸到压缩空气流通路中。第一热管222吸收来自压缩空气流的热，且降低其温度。
第一冷却系统210包括第二多个热管212，其附接到或基本嵌入/位于涡轮轮体131中的至少一个内。例如，如图2中所示，热管212可位于第一级涡轮轮体内。作为备选，热管212可围绕轮体133的上游侧沿周向定位和/或布置，或位于多个涡轮轮体级中。第二多个热管可附连到转子筒冷却室1643(见图16)的内侧上。热管212从轮体133(例如，轮叶132附近)的外半径位置延伸至轮体的内半径位置。以此构造，热管212将从轮体133的较热的外径向部分传递或传导热至轮体的较冷的内径向部分。
压缩机放出空气214在压缩机110较早级处从压缩机110获取。例如，放出空气214可从由114指出的压缩机的第一级排放端口，或在第一压缩机级与第三压缩机级之间，或在特定应用中如期望那样在任何适合的压缩机级处获取。在相比于较后的压缩机级时，较早的压缩机级的优点在于获取(放出)的空气将处于较低温度下。低温空气由于其相对于较热涡轮构件的增大的温差而冷却较好。压缩机放出空气214可经由任何适合的导管系统(为了清楚起见未示出)发送至转子筒冷却室1643和/或轮体133。例如，放出空气导管系统可路线沿压缩机110和涡轮130的径向内部。在所示实例中，压缩机放出空气构造成冲击第一级涡轮轮体的内低压径向/半径部分。轮体的该径向内部将由经过的放出空气冷却且除去热。在与轮体133接触之后，压缩机放出空气可如线216所示引导至涡轮排气。
第二冷却系统250可操作地连接到涡轮130上。例如，第二冷却系统250包括第三多个热管252，其位于喷嘴134的至少一部分中。热管252与喷嘴热连通，且热管还可与涡轮壳131热连通。从喷嘴134吸收且随后进入热管252的热传递至热管254，热管254可容纳在涡轮壳内或附接到涡轮壳上。第三多个热管可包括热管252和热管254两者。来自第三多个热管的热传导至第三歧管256。这些热然后可传递至热管换热器240。第三多个热管252,254可围绕涡轮沿周向定位和/或定位在一个或更多个涡轮喷嘴中。
当涡轮130操作时，燃烧气体生成热，且这些热中的一些传递至喷嘴134。这些热可由第三热管252,254获得。热管252,254将这些热传递至第三歧管256且随后传递至一个或更多个换热器。作为非限制性实例，第三多个热管可位于喷嘴134内，或位于喷嘴中且在涡轮壳131内。在后一情况中，热管构造成保持与涡轮壳131热连通。在其它实施例中，热管252,254可部分地嵌入涡轮壳中，或热管可延伸到涡轮壳外。热管252,254可按特定应用中的需要位于涡轮的第一级到末级之间(且包括)的喷嘴中，或任何独立喷嘴级中。
图3示出了根据本发明的方面的中间冷却器220的截面且示意性视图。第一热管222延伸穿过压缩机壳230或涡轮机壳，且延伸到压缩机空气流中。仅作为一个实例，热管222位于级间间隙113中，其可为具有第13级转子叶片111和第13级定子导叶112的第13级。然而，将理解的是，如特定应用中期望那样，热管222可位于叶片与导叶之间的任何间隙，或压缩机的任何级之间的间隙中。热管222包括热传递介质223，诸如液态金属或熔盐。歧管224包括冷却剂/热传递介质225，诸如水、乙二醇或油。歧管224热连接到热管换热器240上。导管310将热管换热器240连接到多个其它换热器上。例如，其它换热器可为燃料加热换热器241、燃料预热换热器242、HRSG换热器243和任何其它期望的换热器244。热管换热器240将热从歧管224传递至导管310中的热传递介质。仅作为实例，导管的热传递介质可为水、乙二醇、油或任何其它适合的流体。泵320可用于迫使流体穿过导管310和换热器。换热器还可包括阀控制的旁通管线260(为了清楚起见仅示出一个)。阀261可操作成使得其经由旁通管线/导管260围绕换热器(例如，242)引导流。如果特定换热器将从沿导管310的流"除去"(可能暂时地)，则该特征可为期望的。阀261可手动地控制或远程地控制。
图4示出了根据本发明的方面的中间冷却器220的局部示意性且径向截面视图。热管222围绕涡轮机100或压缩机110沿周向定位和分布。歧管224连接到由线410表示的回路中。例如，歧管224可形成围绕涡轮机的大体上连续的流动环。该流动环的一部分中断且发送至热管换热器240，且其出口发送回歧管224。以此方式，由压缩机空气流生成的热可(经由热管222)传递至换热器240。
图5示出了根据本发明的方面的结合第二多个热管212的涡轮轮体的轴向截面视图。涡轮轮体133包括围绕轮体的外径向部分沿周向布置的多个燕尾部。轮叶132(未示出)插入这些燕尾部中。燕尾区由501指出。热管212构造成从轮体133的内径向部分/位置502延伸至外径向部分/位置504。内径向部分可包括周向槽口506，其容纳沿周向设置的热管部分。热管212可包括沿周向设置的热管部分和多个径向分支，其向外延伸至轮体133的外径向部分。在操作中，热管212将热从轮体133的较热外径向部分504传递至内径向部分502，由此冷却轮体133的外部和附接到其上的轮叶132。
图6示出了根据本发明的方面的结合第二多个热管212的涡轮轮体133的局部周向截面视图。轮叶132以影线示出。热管212从外径向部分504延伸，且可延伸穿过轮叶的燕尾部的底部直至内径向部分502。轮叶132暴露于热燃烧气体，且这些热将传导到轮体133中。这些热中的一些可由热管212传导远离外径向部分504，这将热传导或热传递到内径向部分。低温和低压的压缩机放出空气214可引导至冲击该内径向部分。
图7示出了根据本发明的一个方面的第二冷却系统250的截面且示意性视图。热管252位于喷嘴134中，且与热管254热连通。第三多个热管252(例如，第一分组热管)位于多个喷嘴中，例如，一个喷嘴中可存在一个热管，且热管254(例如，第二分组热管)可容纳在涡轮壳内或附接到涡轮壳上。第三歧管256热连接到多个热管254上，且热管254可围绕涡轮壳/罩131沿周向布置。歧管256包括冷却剂/热传递介质，诸如水、蒸汽、乙二醇或油。歧管256热连接到热管换热器240上。导管310将热管换热器240连接到多个其它换热器上。例如，其它换热器可为燃料加热换热器241、燃料预热换热器242、HRSG换热器243和任何其它期望的换热器244。热管换热器240将热从(多个)歧管256传递至导管310中的热传递介质。仅作为实例，导管的热传递介质可为水、乙二醇、油、蒸汽或任何其它适合的流体或气体。泵320可用于迫使流体穿过导管310和换热器。换热器还可包括阀控制旁通管线260(为了清楚起见仅示出一个)。阀261可操作成使得其经由旁通管线/导管260围绕换热器(例如，242)引导流。如果特定换热器将从沿导管310的流"除去"(可能暂时地)，则该特征可为期望的。阀261可手动地控制或远程地控制。
图8示出了根据本发明的另一个方面的第二冷却系统250的截面且示意性视图。第三多个热管852位于喷嘴134中，且延伸穿过涡轮壳131。热管852与第三歧管856热连通。歧管856热连接到多个热管852上，且歧管856可围绕涡轮壳/罩131沿周向布置。来自喷嘴134的热从热管852传递至歧管856。
图9示出了根据本发明的方面的第二冷却系统250的局部示意性且径向截面视图。第三多个热管252位于喷嘴134的至少一部分中。热管254围绕涡轮壳131沿周向定位和分布。第三歧管256连接到由线910表示的回路中。例如，第三歧管256可形成围绕涡轮130的大体上连续的流动环。该流动环的一部分中断且发送至热管换热器240，且其出口发送回歧管256。以此方式，由喷嘴134和热管252,254生成的热可传递或传导至换热器240。热管252,254或852可称为第三多个热管。
图10-14示出了用于热管的各种截面形状，且将理解的是，这些形状可应用于本文所述的所有热管。图10示出了根据本发明的方面的圆形或圆柱形热管222的截面形状。圆柱形热管容易以常规工具制造和安装。图11示出了根据本发明的方面的椭圆形热管1122的截面形状。椭圆形热管可具有相比圆形热管改善的热传递特征。图12示出了根据本发明的方面的多边形热管1222的截面形状。多边形可包括矩形、六边形、正方形或任何其它适合的多边形。图13示出了带圆角矩形热管1322的截面形状。由于增大的表面面积，故带圆角矩形的形状可具有优于椭圆形热管的改善热传递。图14示出了根据本发明的方面的具有多个翅片1423的圆形或圆柱形热管1422的截面形状。翅片构造成增大热管的热传递能力，可如图所示轴向地，或径向地布置，且可包括具有高导热性的材料，诸如铜或铝。
图15示出了根据本发明的方面的结合中间冷却器220、第一冷却系统210和第二冷却系统250的温度管理系统1500的示意图。涡轮机包括压缩机110、燃烧器120和涡轮130。中间冷却器220包括连接到第一歧管224上的多个热管(为了清楚起见未示出)。第一歧管224连接到热管换热器240上。第一冷却系统210包括第二多个热管212(为了清楚起见未示出)，以及低压低温压缩机放出空气214的供应源，其引导到热管212或第一级涡轮轮体133的内径向位置。将理解的是，热管212可位于任何级的涡轮轮体上或中。第二冷却系统250包括连接到第三歧管256上的第三多个热管(为了清楚起见未示出)。第三歧管256连接到热管换热器240上。泵320使冷却剂循环穿过导管系统和多个换热器。热管换热器连接到燃料/气体预热器换热器242上。燃料气体1560输入且行进至燃烧器120。燃料/气体预热器换热器连接到余热回收蒸汽发生器(HRSG)换热器243上。水1570输入换热器243，且加热至升高温度或成蒸汽，且输出至HRSG节约器(未示出)。各个换热器均可包括旁通管线260和阀261，以有选择地绕过相应的换热器。为了清楚起见，仅示出了一个此类旁通管线。主燃料加热器换热器241可由来自HRSG(未示出)的蒸汽1590进料，且所得的加热燃料输送至燃烧器120。
阀261和旁通管线260(如果连接到所有换热器上)允许对燃料加热和机器效率的改善控制。例如，换热器240和243可连接在环中以仅加热输入HRSG的水。换热器240和242可连接在环中以预热燃料供应。该构造可极大地减少或消除从HRSG回收的蒸汽，且将允许更多蒸汽引导到汽轮机(未示出)中。作为另一个实例，换热器240, 242和243可连接在环中。该构造将预热燃料1360且加热进入HRSG的水1570。换热器240, 242和241可连接在环中，且这将最大化燃料加热潜力。作为备选，所有换热器可连接在环中，使得所有换热器将受益于从压缩机的压缩空气流除去的热。
图16为根据本发明的方面的穿过涡轮机的一部分的局部示意性轴向截面视图。第三冷却系统1650可操作地连接到涡轮壳131上。例如，第四多个热管1652附接到涡轮壳上，且热管还与涡轮壳热连通。热管1652可围绕涡轮壳沿周向定位，且通过焊接、紧固件、螺栓、焊接支架、夹具或任何其它适合的附接机构来附接到其上。第四多个热管1652可操作地连接到第四歧管1654上，且热管1652和歧管1654构造成将热从涡轮壳131传递至一个或更多个换热器240。热管1652吸收来自涡轮壳131的热。当涡轮130操作时，热燃烧气体流过各种涡轮级(示出了三个)。一些热传递至涡轮壳，且这些热可由热管1652获得。在一个实例中，热管焊接到涡轮壳上，且热管构造成保持与涡轮壳的外表面紧密接触(以改善热传递)。在其它实施例中，热管1652可为异型的，以遵循涡轮壳的形状，或热管可嵌入涡轮壳中。
后冷却器1620可操作地连接压缩机110的出口部分204上。后冷却器1620包括延伸到出口部分204中的第五多个热管1622。热管1622可操作地连接到第五歧管1624上，且第五多个热管1622和第五歧管1624构造成将热从出口部分204中的压缩空气流传递至一个或更多个换热器240。如由位于压缩机的末级的出口附近的热管1622所示，一些热管1622位于燃烧器120的径向内侧的压缩机排放壳(CDC)230中。各个热管1622延伸穿过CDC230，且延伸到压缩空气流通路中。位于压缩机120的径向外侧的压缩机出口部分204中的热管1622示为位于过渡件122附近和压缩机120的压缩空气流入口附近。径向内侧和径向外侧的热管1622可单独使用，或两者可一起使用。例如，为了更大的除热，可使用两组沿径向定位的热管1622。热管1622吸收来自压缩空气的热，且降低其温度。
涡轮机的涡轮130使用从压缩机110获取的空气来将热金属构件冷却至构件基础金属性质可忍受的温度。涡轮旋转构件(例如，轮体133和轮叶132)经由内部通路冷却，同时静止构件(例如，喷嘴134)经由外部通路冷却。旋转构件可由压缩机放出的空气冷却。该压缩机放出空气经由导管1641发送至旋转构件(例如，轮体133)。放出空气穿过轮体133，由此经由对流热传递冷却构件。然而，如果冷却空气温度降低，则这种冷却(或温度管理)过程可改善。根据本发明，第四冷却系统1640包括位于多个轮体133中的至少一个的轴向上游的第六多个热管1642。作为一个实例，第六多个热管1642可沿周向围绕轮体133的上游侧定位或布置。热管可附连到转子筒冷却室1643的内侧上。热管1642经由管线1644可操作地连接到轴承冷却器系统1645上。管线1644也可为热管。轴承冷却器系统1645冷却轴承1646(有时称为轴承#2)和与轴承1646相关联的润滑油。热管1642,1644和轴承冷却器系统1645构造成将热从压缩机放出空气(从导管1641流出)传递至一个或更多个换热器1647。
第六多个热管1642也可经由管线1648(或作为备选)操作地连接到轴承冷却器系统1645'上。管线1648也可为热管。轴承冷却器系统1645'冷却轴承1646'(有时称为轴承#1)和与轴承1646'相关联的润滑油。热管1642,1648和轴承冷却器系统1645'构造成将热从压缩机放出空气(从导管1641流出)传递至一个或更多个换热器1647'。
图17示出了根据本发明的一个方面的第三冷却系统1650的截面且示意性视图。第四多个热管1652附接到涡轮壳131上。热管1652包括热传递介质1653，诸如液态金属或熔盐。第四歧管1654包括冷却剂/热传递介质，诸如水、蒸汽、乙二醇或油。歧管1654热连接到热管换热器240上。导管310将热管换热器240连接到多个其它换热器上。例如，其它换热器可为燃料加热换热器241、燃料预热换热器242、HRSG换热器243和任何其它期望的换热器244。热管换热器240将热从歧管144传递至导管310中的热传递介质。
图18示出了根据本发明的方面的第三冷却系统1650的局部示意性且径向截面视图。第四多个热管1652围绕涡轮壳131沿周向定位和分布。第四歧管1654连接到由线1810表示的回路中。例如，歧管1654可形成围绕涡轮130的大体上连续的流动环。该流动环的一部分中断且发送至热管换热器240，且其出口发送回歧管1654。以此方式，由涡轮壳131生成的热可(经由热管1652)传递至换热器240。
图19示出了根据本发明的方面的后冷却器1620的截面且示意性视图。第五多个热管1622延伸穿过CDC壳230或涡轮机壳，且延伸到压缩机的出口部分204中。热管1622包括热传递介质1623，诸如液态金属或熔盐。第五歧管1624包括冷却剂/热传递介质1625，诸如水、乙二醇或油。第五歧管1624热连接到热管换热器240上。导管310将热管换热器240连接到多个其它换热器上。例如，其它换热器可为燃料加热换热器241、燃料预热换热器242、HRSG换热器243和任何其它期望的换热器244。热管换热器240将热从歧管1624传递至导管310中的热传递介质。
图20示出了根据本发明的方面的后冷却器1620的局部示意性且径向截面视图。热管1622围绕涡轮机100或压缩机110沿周向定位或分布。歧管1624连接到由线2010表示的回路中。例如，歧管1624可形成围绕涡轮机的大体上连续的流动环。该流动环的一部分中断且发送至热管换热器240，且其出口发送回歧管1624。以此方式，由压缩机空气流生成的热可(经由热管1622)传递至换热器240。
图21示出了根据本发明的一个方面的第四冷却系统1640的截面且示意性视图。第六多个热管1642位于转子筒冷却室1643中。连接到热管1644上的热管1642延伸至轴承1646和/或换热器1647，且与其热连通。热管1642围绕转子筒冷却室1643沿周向布置。来自压缩机排放放出空气的热从热管1642,1644传递至轴承1646和换热器1647。
图22示出了根据本发明的方面的第四冷却系统1640的示意图。压缩机放出空气流出导管1641且冲击轮体133。来自放出空气的热由热管1642吸收，且传导或传递至轴承1646。轴承润滑油2210吸收来自轴承和热管1642,1644的管，且润滑油冷却器/换热器2220将吸收的热传递至热传递介质2222，诸如环境空气或水。换热器1647,1647'可包括轴承1646、油2210和/或换热器2220中的一些或所有。
图23示出了根据本发明的方面的结合第一冷却系统210、中间冷却器220、第二冷却系统250、后冷却器1620和第三冷却系统1650的涡轮机100的简化框图。中间冷却器、后冷却器和第一、第二和第三冷却系统可连接到换热器2340上，换热器2340可为一个换热器或一个以上的换热器。此外，中间冷却器、后冷却器和/或冷却器的所有或任何组合可用于期望的应用。仅作为非限制性实例，涡轮机可仅使用中间冷却器220和第一冷却系统210，或涡轮机可使用中间冷却器220、第一冷却系统210和第二冷却系统250，或涡轮机可使用中间冷却器220、第一冷却系统210、第二冷却系统250和第三冷却系统1650，或涡轮机可使用中间冷却器220、第一冷却系统210、第二冷却系统250、第三冷却系统1650和后冷却器1620，或中间冷却器、后冷却器、第一冷却系统、第二冷却系统、第三冷却系统和第四冷却系统的任何子组合。
本文所述的歧管可包括热传递介质，诸如水、蒸汽、乙二醇或油，或任何其它适合的流体。各个歧管均可连接到多个热管上，且热管可沿周向围绕压缩机、涡轮或涡轮机布置。热管包括热传递介质，其可为液态金属、熔盐或Qu材料。仅作为实例，热传递介质可为以下中的一者或组合：铝、铍、铍-氟合金、硼、钙、钴、铅-铋合金、液态金属、锂-氯合金、锂-氟合金、锰、锰-氯合金、汞、熔盐、钾、钾-氯合金、钾-氟合金、钾-氮-氧合金、铑、铑-氯合金、铑-氟合金、钠、钠-氯合金、钠-氟合金、钠-硼-氟合金、钠-氮-氧合金、锶、锡、锆-氟合金。作为一个特定实例，热传递介质可为包括钾和/或钠的熔盐。热管的外部可由能够用于高导热性、高强度和对来自热传递介质的腐蚀的高抵抗性的多个目的的任何适合的材料制成。
本文所述的热管也可由具有很高导热性的"Qu材料"形成。Qu材料可为设在热管的内表面上的多层涂层的形式。例如，固态热传递介质可施加到三个基础层中的内壁上。头两层由暴露于热管的内壁的溶液制备。首先，主要包括离子形式的钠、铍、诸如锰或铝的金属、钙、硼和重铬酸自由基的各种组合的第一层吸收到内壁中达到0.008mm到0.012mm的深度。随后，主要包括离子形式的钴、锰、铍、锶、铑、铜、B-钛、钾、硼、钙、诸如铝的金属和重铬酸自由基的各种组合的第二层累积在第一层的顶部上，且在热管的内壁上形成具有0.008mm到0.012mm的厚度的膜。最后，第三层为粉末，其包括以下的各种组合：氧化铑、重铬酸钾、氧化镭、重铬酸钠、重铬酸银、单晶硅、氧化铍、铬酸锶、氧化硼、B-钛和金属重铬酸盐(诸如重铬酸锰或重铬酸铝)，它们最终自身分配穿过内壁。三层施加到热管上，且然后热极化来形成超导热管，其以很少或没有净热损失传递热能。
本发明的中间冷却、后冷却和冷却系统提供一定数目的优点。压缩机和涡轮效率可改善，且减少用于燃料加热的蒸汽需求导致改善的联合循环热效率。压缩机质量流速可提高，且减少用于燃料加热的蒸汽需求改善联合循环输出。涡轮区段轮叶、轮体和燃烧气体过渡件可由于较冷的压缩机排放空气流和较低操作温度而具有改善的寿命。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。
Claims (10)
1. 一种涡轮机，包括：
压缩机，其包括进气部分和出口部分，所述压缩机具有多个转子叶片和多个定子导叶，且级间间隙存在于相邻排的转子叶片与定子导叶之间，所述压缩机压缩在所述进气部分处接收到的空气以形成排出到所述出口部分中的压缩空气流；
与所述压缩机可操作地连接的燃烧器，所述燃烧器接收所述压缩空气流；
与所述燃烧器可操作地连接的涡轮，所述涡轮接收来自所述燃烧器的燃烧气流，所述涡轮具有多个轮体和多个喷嘴，形成所述涡轮的外罩的涡轮壳，且所述涡轮接收压缩机放出空气来冷却所述多个轮体中的至少一个；
可操作地连接至所述压缩机的中间冷却器，所述中间冷却器包括延伸到所述级间间隙中的第一多个热管，所述第一多个热管可操作地连接至第一歧管，所述第一多个热管和所述第一歧管构造成将热从所述压缩空气流传递至一个或更多个换热器；以及
可操作地连接至所述涡轮的第一冷却系统，所述第一冷却系统包括附接至或嵌入所述多个轮体中的至少一个内的第二多个热管，所述压缩机放出空气构造成冲击在所述多个轮体中的至少一个或所述第二多个热管上，以及其中所述第二多个热管和所述压缩机放出空气构造成冷却所述多个轮体中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
可操作地连接至所述涡轮的第二冷却系统，所述第二冷却系统包括位于所述多个喷嘴中的至少一部分中的第三多个热管，所述第三多个热管可操作地连接至第三歧管，所述第三多个热管和所述第三歧管构造成将热从所述多个喷嘴传递至所述一个或更多个换热器。
3. 根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
可操作地连接至所述涡轮壳的第三冷却系统，所述第三冷却系统包括附接至所述涡轮壳且与所述涡轮壳热连通的第四多个热管，所述第四多个热管可操作地连接至第四歧管，所述第四多个热管和所述第四歧管构造成将热从所述涡轮壳传递至所述一个或更多个换热器。
4. 根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
可操作地连接至所述压缩机的所述出口部分的后冷却器，所述后冷却器包括延伸到所述出口部分中的第五多个热管，所述第五多个热管可操作地连接至第五歧管，所述第五多个热管和所述第五歧管构造成将热从所述出口部分中的所述压缩空气流传递至所述一个或更多个换热器。
5. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括热传递介质，其包括以下中的一者或组合：
铝、铍、铍-氟合金、硼、钙、铯、钴、铅-铋合金、液态金属、锂-氯合金、锂-氟合金、锰、锰-氯合金、汞、熔盐、钾、钾-氯合金、钾-氟合金、钾-氮-氧合金、铑、铑-氯合金、铑-氟合金、钠、钠-氯合金、钠-氟合金、钠-硼-氟合金、钠-氮-氧合金、锶、锡、锆-氟合金。
6. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一多个热管和所述第二多个热管还包括熔盐热传递介质，其包括以下中的一者或组合：钾、钠或铯。
7. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
位于对应于所述压缩机的空气放出级的所述级间间隙中的所述第一多个热管；
从所述压缩机的第一级和所述压缩机的第三级处或它们之间取得的所述压缩机放出空气；以及
位于第一级涡轮轮体中或上的所述第二多个热管，且所述压缩机放出空气构造成冲击所述第一级涡轮轮体的内低压半径。
8. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一多个热管和所述第二多个热管具有一定截面形状，所述截面形状大体上包括以下中的至少一者：
圆形、椭圆形、具有圆角的矩形，或多边形。
9. 根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述第一多个热管或所述第二多个热管中的至少一者还包括多个翅片，所述多个翅片构造成增大所述多个热管的热传递能力。
10. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或更多个换热器包括热管换热器，其可操作地连接至以下中的至少一者：
燃料加热换热器；或
余热回收蒸汽发生器换热器；或
燃料加热换热器和余热回收蒸汽发生器换热器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161026 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |