CN106121821A - 用于改善排气能量回收的系统及方法 - Google Patents

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M.M.巴拉迪
A.沙米姆
J.A.科特罗内奥
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Abstract

本发明涉及用于改善排气能量回收的系统及方法。具体而言，一种系统包括带有膨胀区段的涡轮，膨胀区段构造成使排气流沿下游方向膨胀，使得膨胀区段包括多个级，以及在膨胀区段下游联接的扩散器区段。扩散器区段沿排气通路接收排气流，且沿壁接收激励流，且扩散器区段包括壁，壁包括内表面，如此壁围绕排气通路设置，以及在膨胀区段的该多个级的末级处或下游设置在壁中的激励端口。激励端口构造成沿壁的内表面引导激励流以沿壁激励边界层，且激励流的第一压力高于激励端口处的排气流的第二压力。

Description

用于改善排气能量回收的系统及方法
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，诸如用于改善排气回收的系统及方法。
背景技术
燃气涡轮系统大体上包括压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生热燃烧气体，热燃烧气体被引导至涡轮以产生功，诸如驱动发电机。压缩机压缩来自进气口的空气，且随后将压缩空气引导至燃烧器。
用于涡轮的传统空隙控制单元使用来自燃气涡轮的压缩机区段的加压放出空气来用于涡轮叶片的空隙控制。然而，用于压缩放出空气的能量损失，从而降低燃气涡轮系统的效率。
发明内容
在范围上与原来提出的发明相当的某些实施例在下文中概述。这些实施例不意在限制提出的发明的范围，而相反，这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与下文所述的实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括构造成使排气流在多个膨胀区段中沿下游方向膨胀的涡轮。涡轮包括冷却歧管和围绕扩散器区段设置的通路。扩散器区段构造成沿排气通路接收排气流和沿排气通路的壁以及沿壁的内表面接收激励流，其中许多激励端口在膨胀区段的多个级的末级处或下游设置在壁中，使得激励端口沿壁的内表面引导激励流以沿壁激励边界层，且激励流的第一压力大于激励端口处的排气流的第二压力。
在第二实施例中，一种方法包括使排气流通过涡轮区段的多个涡轮级膨胀，使得排出气体沿下游方向流过多个涡轮级，在涡轮区段下游的扩散器区段中接收排出气体，以及通过在涡轮区段下游喷射激励流来加强扩散器区段的激励端口下游的激励流的边界层，使得边界层设置在扩散器区段的壁与排出气体之间，激励流具有高于激励端口处的排出气体的压力，且边界层构造成减小穿过扩散器区段的排出气体的压力损失。
在第三实施例中，一种冷却歧管围绕涡轮的膨胀区段设置，使得冷却歧管构造成朝膨胀区段的涡轮壳引导冷却流。扩散器区段可联接到冷却歧管，使得扩散器区段构造成从膨胀区段接收排出气体且从冷却歧管接收冷却流，且扩散器区段包括激励端口，其构造成在壁与排出气体之间利用冷却流激励边界层。
技术方案1. 一种系统，包括：
涡轮，包括：
构造成使排气流沿下游方向膨胀的膨胀区段，其中所述膨胀区段包括多个级；以及
在所述膨胀区段下游联接的扩散器区段，其中所述扩散器区段构造成沿排气通路接收所述排气流且沿壁接收激励流，且所述扩散器区段包括：
包括内表面的所述壁，其中所述壁围绕所述排气通路设置；以及
在所述膨胀区段的所述多个级的末级处或下游设置在所述壁中的激励端口，其中所述激励端口构造成沿所述壁的内表面引导所述激励流以沿所述壁激励边界层，且所述激励流的第一压力高于所述激励端口处的排气流的第二压力。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其中，所述激励流包括蒸汽或二氧化碳。
技术方案3. 根据技术方案1所述的系统，其中，所述系统包括联接至所述涡轮的冷却歧管，其中所述冷却歧管构造成朝围绕所述膨胀区段的所述多个级设置的涡轮壳引导冷却流，且所述激励端口构造成从所述冷却歧管接收所述冷却流的至少一部分作为所述激励流。
技术方案4. 根据技术方案3所述的系统，其中，所述系统包括联接至所述涡轮的压缩机，其中所述涡轮构造成驱动所述压缩机，且所述冷却流包括来自所述压缩机的放出流。
技术方案5. 根据技术方案3所述的系统，其中，所述系统包括联接至所述涡轮的压缩机和涡轮排放壳，其中所述涡轮构造成驱动所述压缩机，所述涡轮排放壳构造成从所述压缩机接收压缩的空气流，且所述涡轮排放壳围绕所述冷却歧管和主涡轮壳的膨胀区段设置。
技术方案6. 根据技术方案5所述的系统，其中，所述系统包括封壳，其中所述涡轮包括航改燃气涡轮，且压缩机排放壳设置在所述封壳内。
技术方案7. 根据技术方案6所述的系统，其中，所述冷却流和所述压缩空气流与所述封壳隔离。
技术方案8. 根据技术方案1所述的系统，其中，所述系统包括联接至下游区段的下游系统，其中所述下游系统构造成从所述排气流和所述激励流取得能量。
技术方案9. 根据技术方案8所述的系统，其中，所述下游系统包括余热回收蒸汽发生器(HRSG)。
技术方案10. 根据技术方案1所述的系统，其中，所述壁的内径沿下游方向增大，且所述壁与所述扩散器区段的轴线之间的角度为大约5°到30°。
技术方案11. 一种方法，包括：
使排出气体通过涡轮区段的多个涡轮级膨胀，其中所述排出气体沿下游方向流过所述多个涡轮级；
在所述涡轮区段下游的扩散器区段中接收所述排出气体；以及
激励所述扩散器区段的激励端口下游的边界层，其中所述边界层沿所述扩散器区段的壁设置，所述激励流具有高于所述激励端口处的排出气体的压力，且所述边界层构造成减小穿过所述扩散器区段的排出气体的压力损失。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法包括：
经由联接至所述扩散器区段的下游系统从所述激励流和所述排出气体取得能量。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述下游系统包括余热回收蒸汽发生器(HRSG)。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述激励流包括蒸汽流，且所述蒸汽流从所述HRSG接收。
技术方案15. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法包括经由冷却流冷却所述涡轮区段，其中所述激励端口构造成接收所述冷却流作为所述激励流。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，冷却所述涡轮区段包括使所述冷却流通过冷却歧管朝围绕所述多个涡轮级设置的涡轮壳引导，且所述冷却歧管构造成将所述冷却流从所述涡轮壳引导至所述激励端口。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述方法包括经由利用所述冷却流冷却所述涡轮壳来控制所述涡轮壳与所述涡轮区段的旋转构件之间的空隙。
技术方案18. 一种燃气涡轮系统，包括：
围绕涡轮的膨胀区段设置的冷却歧管，其中所述冷却歧管构造成朝所述膨胀区段的涡轮壳引导冷却流；以及
联接至所述冷却歧管的扩散器区段，其中所述扩散器区段构造成从所述膨胀区段接收排出气体和从所述冷却歧管接收冷却流，且所述扩散器区段包括激励端口，其构造成在壁与所述排出气体之间利用所述冷却流激励边界层。
技术方案19. 根据技术方案18所述的燃气涡轮系统，其中，所述冷却流包括蒸汽流。
技术方案20. 根据技术方案18所述的燃气涡轮系统，其中，所述燃气涡轮系统包括：
围绕所述燃气涡轮系统的燃烧器、所述冷却歧管和所述膨胀区段设置的压缩机排放壳，其中所述压缩机排放壳构造成接收压缩的空气流，且将所述压缩的空气流引导至所述燃烧器，所述压缩机排放壳构造成将所述冷却流、所述压缩的空气流和所述排出气体与所述压缩机排放壳周围的外部环境隔离开。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：
图1为燃气涡轮系统和用于改善排气能量回收的系统的实施例的框图；
图2为燃气涡轮系统和改善的排气能量回收系统的实施例的径向截面视图；
图3为通过柯恩达吹送孔/槽口呈现出柯恩达效应的燃气涡轮系统的实施例的框图；
图4为使用来自排气能量回收系统中的压缩机的压缩空气的燃气涡轮系统的实施例的框图；
图5为使用来自排气能量回收系统中的下游过程的压缩空气的燃气涡轮系统的实施例的框图；
图6为燃气涡轮系统的燃气涡轮的膨胀区段和扩散器区段的实施例的透视图；
图7为燃气涡轮系统的燃气涡轮的膨胀区段和扩散器区段的实施例的透视图；以及
图8为示出用于改善排气能量回收的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。在致力于提供这些实施例的简明描述中，可不在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何这样的实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实现方式特定的决定来达到开发者的例如符合系统相关及商业相关的约束的特定目的，其可从一个实现方式变化到另一个实现方式。此外，应当认识到，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但对那些具有本公开内容的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将不过是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词"一个"、"一种"、"该"和"所述"意在表示存在一个或多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"意在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的额外元件。
下文详细描述了用于通过使用用过的空隙控制冲击流体(例如，空气、蒸汽)改善排气能量回收的系统及方法。排气能量回收系统的实施例包括围绕燃气涡轮设置的冷却歧管以将冷却流体引导至涡轮壳和第二外壳来引导冲击(例如，冷却)流体至主流动流具有分离可能性的关键区域。如下文所论述，将冷却流体引导至关键区域可减小主流动流与燃气涡轮的内部(例如，内)表面的分离，从而减小主流动流的压力损失。在一些实施例中，用于改善排气能量回收的方法和系统中的燃气涡轮可包括航改燃气涡轮发动机。在一些实施例中，涡轮壳的一部分利用冷却流体(诸如来自压缩机区段的加压放出空气)冷却，以通过控制涡轮壳的部分的热膨胀和热收缩来帮助保护容纳在涡轮壳中的内部构件免于与涡轮壳的内侧内部表面影响。冷却流体(例如，来自涡轮的压缩机区段的加压放出空气、来自下游过程的蒸汽)具有可用于在燃气涡轮系统内做额外的有用功(例如，加热流体、驱动涡轮)的能量。由主流的弱边界层引起的末级涡轮叶片下游的主流(例如，排出气体)的分离可减小主流的压力，这可减少可从末级涡轮叶片下游的主流回收的有用功。如本文所论述，喷射冷却流体(例如，冲击流体、压缩机放出流、蒸汽、低压空气)可激励燃气涡轮的末级涡轮叶片下游的边界层。相信利用流体激励边界层将朝末级涡轮叶片下游的扩散器区段的内部表面吸引主流(例如，排出气体)，故主流不会从其流动通路分开。
在一些实施例中，冷却流体(例如，空气、蒸汽)可用于控制多个涡轮叶片和其它内部零件与涡轮壳的空隙。冷却流体可包括但不限于空气(例如，加压空气、低压空气)、蒸汽(例如，高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽、低等级蒸汽、低等级废蒸汽)、二氧化碳(例如，高压二氧化碳、低压二氧化碳)，以及它们的组合。冷却流体可进一步用于空隙控制发生之处的膨胀区段下游的扩散器区段中。冷却流体可引导至涡轮的扩散器区段，其中冷却流体可用于某些位置以减少或消除边界层分离。如本文所论述，冷却流体的一部分被引导穿过联接到冷却歧管的通路(例如，流收集通路)。通路构造成接收用于空隙控制的冷却流体，且将冷却流体引导至主流的边界层趋于与扩散器区段分开的点，从而减小主流的压力。用于空隙控制且随后用于通路(例如，流收集通路)中的冷却流体(例如，空气流)可从压缩机或另一源(诸如蒸汽涡轮)接收。由冷却歧管接收的冷却流体相对于周围环境可在大约0.001到50psig之间，大约0.01到40psig之间，大约0.1到30psig之间或大约1到20psig之间(大约0.007到345千帕、大约0.067到276千帕、大约0.689千帕到207千帕或大约6.895千帕到138千帕)。在将冷却流体引导至冷却歧管以控制涡轮壳与内部构件(例如，叶片)之间的空隙之后，冷却流体可在通路(例如，流收集通路)中进一步使用。通路可构造成将冷却流体引导至扩散器区段的各个区域或区段来激励(例如，增强、加强)边界层。通路可构造成通过多个孔口或开口将冷却流体引导至燃气涡轮壳和/或扩散器区段。冷却流体的热能可经由一个或多个下游系统(例如，余热回收蒸汽发生器(HRSG)、蒸汽涡轮)连同排出气体的热能取得。此外，将冷却流体从冷却歧管引导至扩散器区段可减少或消除封壳内排出的冷却流体，封壳至少部分地包绕燃气涡轮。减少或消除排至封壳的冷却流体可降低封壳内的环境的温度，从而减小封壳内的操作者和/或控制器的应力和/或温度影响。
现在转到附图，图1示出了燃气涡轮系统10和用于改善排气能量回收的系统的实施例的框图。燃气涡轮系统10可通向大气，或可容纳在封壳11中，诸如隔音封壳。压缩机12经由进气口16将环境空气14引入燃气涡轮系统10中。环境空气14经由适合的机构(诸如冷空气进气口)由进气口16吸入燃气涡轮系统10中，以用于随后将入口空气18输送到压缩机12中。如本文所论述，入口空气18可为氧化剂，其包括但不限于环境空气14、氧、富氧空气、再循环排出空气或它们的任何组合。压缩机12通过旋转压缩机12内的叶片压缩入口空气18从而形成加压空气20。当压缩机12压缩入口空气18时，压缩机将能量加至入口空气18，从而升高压力和温度，使得加压空气20较热且处于高于环境空气14的压力。加压空气20可排放到一个或多个燃料喷嘴22中，其混合加压空气20和燃料24(例如，液体燃料和/或气体燃料，诸如天然气)，以产生适于燃烧的空气－燃料混合物26。
如图所示，加压空气20进入燃料喷嘴22，且与燃料24混合。燃料喷嘴22将空气燃料混合物26引导到燃烧器28中。燃烧器28点燃和燃烧空气-燃料混合物26，以形成燃烧产物30。燃烧产物30被引导至燃气涡轮32，燃烧产物30在那里膨胀且围绕轴34驱动燃气涡轮32的叶片。燃气涡轮32联接到压缩机12且通过公共轴34驱动压缩机12。燃气涡轮32还可经由公共轴34驱动负载36。压缩机导叶或叶片被包括为压缩机12的构件。压缩机12内的叶片联接到由燃气涡轮32驱动的轴34。公共轴34可联接到贯穿燃气涡轮系统10的若干构件(例如，压缩机12、燃气涡轮32、负载36)。如将认识到的那样，负载36可包括发电机、压缩机、飞机的推进器等。最后，燃烧产物30离开燃气涡轮32作为排出气体38，其然后经由排气口离开燃气涡轮系统10。排出气体38被引导到封壳11外。
如本文所论述，来自下游过程42的加压流体40可引导至燃气涡轮系统10，且用于冷却系统44中以改善排气能量回收。加压流体40可包括但不限于空气(例如，加压空气、低压空气)、蒸汽(例如，高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽、低等级蒸汽、低等级废蒸汽)、二氧化碳(例如，高压二氧化碳、低压二氧化碳)，或具有大于外部环境的环境压力的压力的其任何组合。尽管下文论述的加压流体的一些实施例使用蒸汽，但不意在将加压流体限于蒸汽。加压流体40可限定为在喷射的地方具有高于排出气体的压力。加压流体40可撞击(例如，以高速)到燃气涡轮壳46的目标位置上，以增大局部对流系数，且增大从燃气涡轮壳46的热传递。涡轮壳46将基于涡轮壳46的温度热膨胀或收缩，从而影响容纳在燃气涡轮32中的旋转构件和静止构件与燃气涡轮32的内部表面54之间的空隙。如下文详细论述，在加压流体40用于经由涡轮壳46的温度的控制来控制涡轮壳46的空隙之后，加压流体40可喷射到燃气涡轮32的末排的叶片下游的流动通路中，在该处，排出气体38的主流具有较弱的边界层，其具有与内壁表面54分离的可能性和压力损失。喷射的加压流体40具有高于主流动通路气体的压力，且因此，射流技术可用于激励燃气涡轮32的扩散器区段的边界层。激励边界层可减小或消除流分离和排出气体38从内壁表面54的再循环流动。因此，激励边界层可引起越过燃气涡轮32的扩散器区段62的较低压降，从而允许经由燃气涡轮32下游联接的系统的增大的排气压力恢复。此外，通过喷射用过的冷却流体40加至排出气体38的主流的热能可增大由下游系统回收的能量。
图2示出了燃气涡轮系统10和改善的排气能量回收系统的实施例的径向截面视图。如上文所论述，加压流体40首先引导至燃气涡轮32的涡轮壳46以控制燃气涡轮32的内部零件(例如，涡轮叶片)与涡轮壳46的空隙，且随后引导穿过联接到冷却歧管50的通路48(例如，流收集通路)。加压流体40的一部分通过冷却歧管50的冷却通路52引导至涡轮壳46。冷却流体40的部分通过多个冷却歧管开口60引导至外部表面56。冷却歧管开口60中的一个或多个(例如，所有)可一次使用以将冷却流体40分配至外部表面56，从而冷却涡轮壳46。冷却歧管50和冷却通路52可联接到围绕扩散器区段62设置的通路48。将冷却流体40从冷却歧管50引导至扩散器区段62消除冷却流体40从封壳11内排出，使得封壳11的环境的温度降低。在一些实施例中，冷却流体40和压缩的空气流可与封壳11隔离开。在一些实施例中，冷却流体40可比燃气涡轮系统10周围的周围环境更热，且冷却流体40可比穿过燃气涡轮32的排出气体38更冷。在用作低压流体40时，低压流的比热可大于周围环境的空气或压缩机放出空气。
如本文所论述，在加压流体40冷却外部表面56之后，冷却流体40可用于其它目的，从而回收冷却流体40的至少一些能量。例如，冷却流体40可在燃气涡轮32的膨胀区段61下游使用，以激励排出气体38的主流的边界层。燃气涡轮32的膨胀区段61使排出气体沿下游方向77膨胀，且可包括多个膨胀级。膨胀级可对应于叶片86的各级。冷却流体40可喷射到通路48中，通路48可联接到冷却歧管50。通路48(例如，流收集通路)可经由冷却通路52从冷却歧管50收集冷却流体40，使得冷却流体40引导至扩散器区段62。冷却流体40引导至扩散器区段62以激励边界层且减少或消除流分离，因此改善扩散器压力恢复。在冷却流体40喷射到扩散器区段62之前，示出了排出气体38的第一速度轮廓64。在膨胀区段61的出口处的第一速度轮廓64绘出了较弱的边界层。在将冷却流体40喷射到扩散器区段62之后，形成第二速度轮廓69。如图所示，边界层由于激励边界层的冷却流体40(例如，吹送流)加强。
图3为柯恩达吹送槽口75的图解。对于与扩散器区段62的发散内表面72相切的槽口喷射的情况，柯恩达效应可用于保持附接到内部表面72的边界层。该柯恩达效应描述了移动空气或其它流体沿着附近的弯曲或倾斜表面的趋势。柯恩达效应大体上适用于流体的边界层碰到固体表面且遵循围绕曲线的表面的任何情形。在此情况中，槽口通路的流出方向79相对于扩散器区段62主流动通路为凸出弯曲的，以用于从通路48引导空气。如将描述的那样，图6中绘出了吹送槽口几何形状的简化等距视图。
如图7中所示，离散的孔具有在燃气涡轮排气系统中更容易实施的优点。加压流体40可收集到联接至冷却歧管50的通路48中。随后，连接到至通路48的小激励端口66可用于将加压流体40喷射到主流中。在一些实施例中，通路48的截面可为激励端口66的直径的至少15到20倍，以避免带有周向变化的喷射。加压流体40通过离散孔的喷射可使较高动量的自由流的流与较低动量的边界层混合，且作用为激励边界层。
激励端口66可为圆形、三角形、方形、矩形或任何其它多边形形状。激励端口66为圆形的优点在于，圆形形状可促进边界层中的三维干扰沿扩散器区段62壁形成。这可加强混合，且可减小第二加压流体40的所需质量流率，因此提高了吹送方案的有效性。
可大致减小加压流体40的所需量的备选实施例可包括在扩散器壁边界层中喷射脉动加压流体40以防止分离。由于扩散器壁边界层中的相关结构的人为生成和发展，其大致加强低动量边界层流与高动量核心的混合，故不稳定的喷射可在延迟分离下比稳态喷射更有效。如果使用该实施例，则可考虑诸如脉动频率、工作循环和脉动幅度的因素。
回到图2，通路48可构造成将加压流体40引导至具有较弱边界层的燃气涡轮系统10的扩散器区段62的区域或区段。较弱边界层的趋势可由于扩散流的不利压力梯度而在扩散器区段中发生。这些弱化的边界层可导致扩散器区段中的分离的流和增大的能量损失。为了加强边界层和避免过早分离，通路48可构造成使加压流体40通过多个激励端口66引导至扩散器区段62。激励端口66中的一个或多个可一次使用以将冷却流体40分配至扩散器区段62的内表面72，以加强穿过扩散器区段62的排出气体38的边界层。控制加压流体40的流动且将其引导至末级膨胀区段(例如，末排涡轮叶片)下游的关键区域可减小穿过扩散器区段62的排出气体38的流的流分离和压力损失。沿排出气体38的流的减少的流分离可增大用于流过的排出气体38的主流动通路68的有效区域67。此外，将加压流体40从冷却歧管50引导至扩散器区段62可减少或消除封壳11内排出的加压流体40，封壳11至少部分地包绕燃气涡轮32，因此减小封壳11内的控制器(例如，电路元件、处理器、存储器)和/或操作者上的应力和/或温度效应。
控制器74联接到至少一个阀组件82以经由控制管线80控制一个或多个阀。控制器74可构造成打开和关闭阀组件82的阀以控制加压流体40的流动。在某些实施例中，控制器74可使用存储器76来储存指令和处理器78来处理指令。在一些实施例中，控制器74可经由储存在存储器76中的指令确定加压流体40的期望流率。在某些实施例中，第一处理器78可接收第一组指令来控制至冷却歧管50的加压流体40的流率。在某些实施例中，第二处理器78可接收第二组指令来控制加压流体40至通路48的流率以用于分配至扩散器区段62。加压流体40可从冷却通路84直接地接收，或加压流体40可在其被用来冷却涡轮壳46之后接收。在一些实施例中，控制器74可经由储存在存储器76中的指令确定待喷射到通路48中的加压流体40的期望流率应当增大来保持边界层，从而减小扩散器区段62中的排出气体38的压力损失。在一些实施例中，控制器74可经由储存在存储器76中的指令确定待喷射到通路48中的加压流体40的期望压力可减小，而不会大致影响穿过扩散器区段62的排出气体的压力损失。更进一步，在一些实施例中，如果较弱(例如，更易碎)的材料包括在涡轮32的扩散器区段62中，则控制器74经由储存在存储器76中的指令确定可在较低温度下喷射到通路48中的加压流体40的期望温度。在一些实施例中，涡轮32的末级膨胀区段越下游，则由于扩散器区段62的更强烈的扩散角而更有可能出现边界层的可能较弱的区域。内部表面72与扩散器区段62的轴向轴线77之间的角度可在从大约5°到30°的范围。在一些实施例中，扩散器区段62可包括沿扩散器区段62内的内部表面72设置在更下游的额外的激励端口66。一个或多个(例如，所有)激励端口66可一次使用以将用过的冷却流体40分配至扩散器区段62。
图4示出了使用来自排气能量回收系统中的压缩机的压缩空气的燃气涡轮系统的实施例的框图。如上文所述，环境空气14可给送至进气口16以将入口空气18传送至压缩机12。压缩机12使用其内部构件(包括压缩机叶片和导叶)来加压入口空气18以形成加压空气20。燃料24和加压空气20混合以产生空气－燃料混合物26。空气混合物26传送至燃烧器28。燃烧器28点燃和燃烧空气燃料混合物26，从而产生燃烧产物30。燃烧产物30传送至燃气涡轮32，以用于膨胀来驱动联接至轴34的负载36。在一些实施例中，加压空气20的部分41从压缩机出口引导至冷却系统44。加压空气20的部分41可用于主动地控制燃气涡轮32中的叶片86的空隙。这通过将加压空气20的部分41经由冷却歧管50引导至涡轮壳发生。冷却歧管50接收加压空气20的部分41。加压空气41的全部或一部分可通过激励端口66分配。在一些实施例中，流过激励端口66的加压空气的量可包括加压空气20的大约0.01%到4%、0.1%到3%、1%到2%，以及其间的所有子范围。流过激励端口66的加压空气41的量可相对于周围环境加压至大约0.001到50psig，大约0.01到40psig，大约0.1到30psig或大约1到20psig(大约0.007到345千帕、大约0.067到276千帕、大约0.689千帕到207千帕，或大约6.895千帕到138千帕)。
在一些实施例中，阀组件82可包括相同或不同类型的一个或多个阀，以控制加压部分41至冷却歧管50的流动。例如，阀组件82可包括一个或多个闸阀、蝶阀、球形阀、球阀、止回阀或其它阀类型。此外，阀组件82可包括阀的组合。阀组件82可构造成经由冷却歧管50调整至涡轮壳58的总体积流。此外，阀组件82可构造成控制至冷却歧管50的流的分配。冷却歧管50可包括多个开口60，其可围绕冷却歧管50设置。在将加压空气20喷射到通路48之前，开口60可一次全部使用，或由传感器85确定。
如上文所论述，在加压空气20的部分41用于控制叶片86的空隙之后，其可经由通路48引导来激励燃气涡轮32的扩散器区段62的边界层。控制冷却流体40(例如，加压部分41)的流动且将其引导至膨胀区段61下游的关键区域(例如，涡轮叶片86的末排的下游)允许用过的冷却流体40的热能回收且用于做额外的有用功。此外，将冷却流体40从冷却歧管50引导至扩散器区段62可减少或消除封壳11内排出的冷却流体40，封壳11至少部分地包绕燃气涡轮32。
图5示出了使用来自排气能量回收系统中的下游过程的压缩空气的燃气涡轮系统的实施例的框图。在一些实施例中，加压流体40可为来自下游过程90(例如，余热回收蒸汽发生器(HRSG)、蒸汽涡轮)的低压蒸汽91(例如，低等级废蒸汽)，其可用于主动地控制燃气涡轮32中的叶片86的空隙。这通过将低压蒸汽91经由一个或多个冷却歧管50引导至涡轮壳的外部表面56而发生。该一个或多个冷却歧管50可接收低压蒸汽91的一部分，或一个冷却歧管50可接收全部的低压蒸汽91。在一个实施例中，阀组件82可包括构造成将低压蒸汽91引导至两个或多个单独的冷却歧管50的两个或多个阀。单独的冷却歧管50可使用单独的传感器85来提供对应于其位置处的状态的输出信号。使用用于涡轮壳58的不同区域的单独的冷却歧管50允许涡轮壳58的较热区段接收低压蒸汽91的较高体积以冷却涡轮壳58和控制叶片86与燃气涡轮32的内部表面54的空隙。低压蒸汽91可引导穿过激励端口66以激励边界层，从而加强边界层且抑制排出气体38与扩散器区段62的内部表面72的分离。流收集通路48的一个或多个激励端口66可连接到冷却歧管50，且构造成接收用于冷却歧管50中的低压蒸汽40。
一个或多个通路48可一次全部使用或一次使用一个或多个。在一些实施例中，一个或多个激励端口66可联接到通路48。激励端口66可围绕扩散器区段62沿周向73或沿轴向77设置。控制器74可构造成打开和关闭阀以控制低压蒸汽91通过阀组件82流至该一个或多个通路48。在某些实施例中，控制器74可包括储存指令的存储器76，以及构造成处理指令的处理器78。在一些实施例中，阀组件82可包括相同或不同类型的一个或多个阀。例如，阀组件82可包括一个或多个闸阀、蝶阀、球形阀、球阀、止回阀或其它阀类型。此外，该一个或多个阀组件82可包括阀的组合。阀组件82可构造成调整至通路48的总体积流。此外，阀组件82可构造成控制至通路48的流的分配。通路48可包括多个激励端口66，其可联接到通路48，且围绕扩散器区段62沿周向73和/或沿轴向77设置。
在一些实施例中，该一个或多个通路48可结合或不结合冷却歧管50使用。即，该一个或多个通路48可接收来自冷却歧管50的加压流体40，或该一个或多个通路可直接接收来自另一个源(例如，压缩机区段、HRSG、下游过程)的加压流体40。在一些实施例中，控制器74可经由储存在存储器76中的指令确定低压蒸汽40的期望流率可由于较大激励需要在较高流率下喷射到通路48中。在一些实施例中，控制器74可经由储存在存储器76中的指令确定低压蒸汽40的期望压力可在较低压力下通过扩散器区段62喷射到通路48中。如将认识到的那样，激励端口66用于燃气涡轮32的扩散器区段62中，以允许带有较弱边界层的区段接收较高体积的低压蒸汽91，以再激励边界层且增大用于主流68的流动通路。
图6示出了用于燃气涡轮系统中的燃气涡轮的膨胀区段61和扩散器区段62的实施例的透视图。在一些实施例中，扩散器区段62的环形区域88至少部分地包绕膨胀区段61的一部分。流收集通路48将加压流体40引导穿过扩散器区段62与涡轮壳46的膨胀区段61的外部表面56之间的环形区域88。即，环形区域88形成激励端口66，其带有围绕膨胀区段61的大致环形形状。如上文所述，激励端口66沿扩散器区段62的内部表面72引导加压流体40，从而激励沿内部表面72的边界层以减小或消除排出气体38的主流与内部表面72的分离。图7示出了燃气涡轮系统的燃气涡轮32的膨胀区段61和扩散器区段62的实施例的透视图。在一些实施例中，流收集通路48将加压流体40引导至多个激励端口66，激励端口66围绕膨胀区段61的外部表面56沿周向设置且设置在扩散器区段62上游。该多个激励端口66可将加压流体40引导至沿扩散器区段62的内部表面89的离散点。
图8为展示用于通过向燃气涡轮的膨胀区段下游喷射空隙控制冲击(例如，冷却)空气来改善排气能量回收的方法92的实施例的流程图。燃气涡轮使气流(例如，排出气体)通过膨胀区段中的多个涡轮叶片膨胀(框94)。排出气体向膨胀区段的末级涡轮叶片下游流动，且在涡轮的扩散器区段中接收(框96)。激励(加强)至扩散器区段的边界层减小了穿过扩散器区段的排出气体的压力损失，且允许冷却流体的能量经由下游系统(例如，膨胀涡轮、蒸汽涡轮、HRSG)取得(框100)。因此，从排出气体和冷却流体的增加的能量回收可提高燃气涡轮系统的总体热动力循环效率。在一些实施例中，从排出气体取得(框100)的能量用于生成(框102)蒸汽。生成的蒸汽可用于各种目的，诸如驱动蒸汽涡轮或预热燃气涡轮系统的流体流。此外，能量可从排出气体取得以用于扩散器区段中。在一些实施例中，涡轮的膨胀区段利用生成的蒸汽冷却(框104)。
本发明的技术效果包括引导冷却流体穿过多个激励端口以激励扩散器区段的边界层，从而减小穿过扩散器区段的排出气体的压力损失，且增加可用能量以用于膨胀区段和用于下游系统。冷却流体可从燃气涡轮系统中的其它区域使用以在燃气涡轮的末级膨胀区段下游做更多有用功，因此提高燃气涡轮系统的总体热动力循环效率。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种系统，包括：
涡轮，包括：
构造成使排气流沿下游方向膨胀的膨胀区段，其中所述膨胀区段包括多个级；以及
在所述膨胀区段下游联接的扩散器区段，其中所述扩散器区段构造成沿排气通路接收所述排气流且沿壁接收激励流，且所述扩散器区段包括：
包括内表面的所述壁，其中所述壁围绕所述排气通路设置；以及
在所述膨胀区段的所述多个级的末级处或下游设置在所述壁中的激励端口，其中所述激励端口构造成沿所述壁的内表面引导所述激励流以沿所述壁激励边界层，且所述激励流的第一压力高于所述激励端口处的排气流的第二压力。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激励流包括蒸汽或二氧化碳。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括联接至所述涡轮的冷却歧管，其中所述冷却歧管构造成朝围绕所述膨胀区段的所述多个级设置的涡轮壳引导冷却流，且所述激励端口构造成从所述冷却歧管接收所述冷却流的至少一部分作为所述激励流。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统包括联接至所述涡轮的压缩机，其中所述涡轮构造成驱动所述压缩机，且所述冷却流包括来自所述压缩机的放出流。
5. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统包括联接至所述涡轮的压缩机和涡轮排放壳，其中所述涡轮构造成驱动所述压缩机，所述涡轮排放壳构造成从所述压缩机接收压缩的空气流，且所述涡轮排放壳围绕所述冷却歧管和主涡轮壳的膨胀区段设置。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统包括封壳，其中所述涡轮包括航改燃气涡轮，且压缩机排放壳设置在所述封壳内。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷却流和所述压缩空气流与所述封壳隔离。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括联接至下游区段的下游系统，其中所述下游系统构造成从所述排气流和所述激励流取得能量。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述下游系统包括余热回收蒸汽发生器(HRSG)。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述壁的内径沿下游方向增大，且所述壁与所述扩散器区段的轴线之间的角度为大约5°到30°。
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