CN106837555A - 热交换器和用于燃气涡轮机的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热交换器和用于燃气涡轮机的冷却方法。描述了一种燃气涡轮机（10），其包括压缩机（20）、在压缩机下游的燃烧器（30）、在燃烧器下游的涡轮机（40）、热交换器（70）、第一冷却流体系统（50）和第二冷却流体系统（60）。第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自被构造和布置成从压缩机抽取冷却流体，并且使用冷却流体冷却燃气涡轮机的一部分。第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自从压缩机延伸到热交换器以及从热交换器延伸到待冷却的燃气涡轮机的部分。热交换器被构造和布置成将热从第二冷却流体系统中的冷却流体交换到第一冷却流体系统中的冷却流体。还描述了带有热交换器的转子盖（100）和操作方法。

Description

热交换器和用于燃气涡轮机的冷却方法

技术领域

本公开涉及燃气涡轮机，且尤其涉及带有热交换器的燃气涡轮机。

背景技术

在今天的燃气涡轮机中，许多部分经受极端温度，尤其是在燃烧器和涡轮机内，且因此提供有效的冷却系统是重要的。为了有助于冷却，使用外部冷却单元，但是应该理解，设计的改变可减少对于外部冷却单元的需要。

发明内容

本发明在所附独立权利要求中限定，现在将参考该独立权利要求。本发明的有利特征在从属权利要求中陈述。

第一方面提供一种燃气涡轮机，其包括：压缩机、在压缩机下游的燃烧器、在燃烧器下游的涡轮机、热交换器、第一冷却流体系统和第二冷却流体系统，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自被构造和布置成从压缩机抽取冷却流体并且使用该冷却流体冷却燃气涡轮机的一部分，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自从压缩机延伸到热交换器以及从热交换器延伸到待冷却的燃气涡轮机的部分，并且其中，热交换器被构造和布置成将热从在第二冷却流体系统中的冷却流体交换到在第一冷却流体系统中的冷却流体。

这能够允许使用第二冷却流体系统中的低压（即，更低压力且更低温度）的流体冷却第一冷却流体系统中的高压（且高温）流体。这能够在比当前设计中更低的温度下提供高压冷却流体，这允许改进冷却。因此在温度方面，低压冷却流体的温度升高，但是低压冷却流体的温度一般来说不那么重要，且温度的一些升高（以及导致的冷却的减少）通常是可接受的。还能够避免高压和低压流动的混合以及高压冷却流体的相关损失。

这还能够减少或消除对于补充冷却系统（热交换器）的需要，从而导致简化、空间需要降低和/或成本降低。

优选地，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统中的至少一个在热交换器的上游分成两个部分，其中，所述部分中的一个被构造和布置成传递冷却流体通过热交换器，且所述部分中的另一个被构造和布置成使冷却流体绕过热交换器。优选地，两个部分在热交换器的下游重新结合。优选地，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统中的至少一个在热交换器的下游分开。这些选择能够在冷却流体的分布和使用中提供更大的灵活性。

优选地，热交换器在燃气涡轮机中。这能够节省空间，且能够允许在热交换器中的高压流体和低压流体之间的热传递保持在燃气涡轮机循环内，这能够最小化热损失。例如，热交换器能够在燃气涡轮机的结构部分或部件中，诸如转子盖、压缩机导叶壳体/承载件、涡轮机导叶承载件、涡轮机壳体、压缩机壳体或燃烧器承载件。

第二方面提供一种用于燃气涡轮机的转子盖，转子盖包括热交换器，热交换器包括用于第一冷却流体流动的第一通道和用于第二冷却流体流动的第二通道，且被构造和布置成将热从第二冷却流体流动传递到第一冷却流体流动。这能够通过在现有部件内提供热交换器来提供紧凑设计，且能够导致节省空间。

第三方面提供一种如上所述的燃气涡轮机，其包括如上所述的转子盖。

第四方面提供一种操作燃气涡轮机的方法，燃气涡轮机包括压缩机、在压缩机下游的燃烧器、在燃烧器下游的涡轮机、热交换器、第一冷却流体系统和第二冷却流体系统，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自被构造和布置成从压缩机抽取冷却流体，且使用该冷却流体冷却燃气涡轮机的一部分，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统各自从压缩机延伸到热交换器，以及从热交换器延伸到待冷却的燃气涡轮机的部分，并且其中，热交换器被构造和布置成将热从第二冷却流体系统中的冷却流体交换到第一冷却流体系统中的冷却流体，所述方法包括如下步骤：从压缩机中的第一位置抽取冷却流体的第一流动且馈送第一流动的至少部分通过第一冷却流体系统到热交换器，从压缩机中的第二位置抽取冷却流体的第二流动且馈送第二流动的至少部分通过第二冷却流体系统到热交换器，第二流动比第一流动处于更高的温度，使用第一流动冷却热交换器中的第二流动，且将第一流动和第二流动馈送到燃气涡轮机的一个或多个部分。

优选地，第一冷却流体系统和第二冷却流体系统中的至少一个在热交换器的上游分成两个部分，且一部分的冷却流体被馈送通过热交换器，且另一部分的冷却流体绕过热交换器。这能够提供改变通过热交换器的两个冷却流体流动的相对流动的选择，且能够因此允许冷却流体流动的温度的变化，从而导致燃气涡轮机部件的冷却的变化。

优选地，冷却流体在热交换器的下游重新结合。这能够在不使所有流动都传递通过热交换器的情况下提供热交换器的益处。

优选地，在两个部分中的相对冷却流体流动被控制以控制在热交换器下游的冷却流体的温度。这能够是有益的的时候的一个示例是在燃气涡轮机操作改变期间，诸如启动和关闭，例如帮助控制在邻近部件之间的间隙。

附图说明

现在将仅以举例的方式且参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出燃气涡轮机的示意图，所述燃气涡轮机带有用于在两个冷却系统中的两个冷却流体流动之间交换热量的热交换器；

图2示出类似于图1中的燃气涡轮机的燃气涡轮机，其中，示出在涡轮机中冷却流体流动的进入位置；

图3示出类似于图1中的燃气涡轮机的燃气涡轮机，其中，每个冷却流体流动的一部分均能够绕过热交换器；

图4示出类似于图3中的燃气涡轮机的燃气涡轮机，其中，示出在涡轮机和燃气涡轮机部件中冷却流体流动的进入位置；

图5示出类似于图4中的燃气涡轮机的燃气涡轮机，其中，仅高压冷却流体被分流；

图6示出类似于图4中的燃气涡轮机的燃气涡轮机，其中，仅低压冷却流体被分流；

图7示出带有热交换器的转子盖的横截面；

图8是沿着图7中的A-A的横截面，其更详细地示出可能的热交换器布置；以及

图9是沿着图7中的A-A的横截面，其更详细地示出另一可能的热交换器布置。

具体实施方式

图1示出燃气涡轮机10的示例，相对于燃气涡轮机流动12的方向其带有压缩机20、在压缩机20下游的燃烧器30和在燃烧器30下游的涡轮机40。在第一压缩机抽取位置22处，附接第一冷却系统50，且在第二压缩机抽取位置24处，附接第二冷却系统60。来自压缩机的流体传递到第一和第二冷却系统中。

当与在第二压缩机抽取位置处抽取的流体相比较时，在第一压缩机抽取位置处抽取的流体处于更低的压力（且因此还处于更低的温度）。第一和第二冷却系统（冷却流体系统）传递通过热交换器70，其中，来自第二冷却系统中的流体的热被传递到第一冷却系统中的流体。来自第一和第二冷却系统的流体然后能够被馈送到燃气涡轮机中的其他地方以冷却燃气涡轮机的一个或多个部分。

图2示出图1中的燃气涡轮机的示例，其中，第一和第二冷却系统50、60延伸到涡轮机40，以提供冷却流体到涡轮机40。通常，第一冷却系统50延伸到涡轮机40的第一区，且第二冷却系统60延伸到涡轮机40的第二区，其中，相比在第二区中，在第一区中的流动12处于更低的压力。

图3示出燃气涡轮机，其中，两个冷却系统50、60附接到压缩机，且每个系统然后均分成两个部分。第一冷却系统50的第一部分52传递通过热交换器70，然而，第一冷却系统的第二部分54绕过热交换器直接到达涡轮机。第一部分52可包括控制阀53，用于控制通过第一部分52的流动。

类似地，第二冷却系统60的第一部分62传递通过热交换器，且第二冷却系统的第二部分64直接到达涡轮机。第一部分62可包括控制阀63，用于控制通过第一部分62的流动。

第一冷却系统50的第一部分52和第二部分54可在涡轮机的上游重新结合，或者可延伸到涡轮机上的不同位置或者延伸到其他燃气涡轮机部件。类似地, 第二冷却系统60的第一部分62和第二部分64可在涡轮机的上游重新结合，或者可延伸到涡轮机上的不同位置或者延伸到其他燃气涡轮机部件。

图4示出类似于图3的燃气涡轮机，且示出其中冷却系统50、60可延伸到的一个示例。大部分布置如图3中所示。除此之外，第一冷却系统50的第一部分52延伸到涡轮机，且第二冷却系统60的第一部分62延伸到高压燃气涡轮机部件80。

图5示出另一燃气涡轮机，这一次具有未分裂的第一冷却系统50和如图4中所示的那样分成两个部分的第二冷却系统60。图6示出另一燃气涡轮机，这一次具有未分裂的第二冷却系统60和如图4中所示的那样分成两个部分的第一冷却系统50，除了在图6中，第一和第二部分52、54在热交换器的下游重新结合（沿着冷却流体的流动的方向）。由于重新结合，第二部分54能够认为是绕过热交换器的旁路。可替代地或额外地在第二冷却系统60上设置类似的旁路。

在图6中，控制阀53是三通阀，然而在图3和图4中，示出了双通阀。其他控制选择也是可能的；例如，也可在图5中的第一和第二部分62、64之间的接合处使用三通阀，而不是所示的双通阀。

图7示出可在图1到6中使用的热交换器的示例。在这种情况下，热交换器被并入到转子盖100中。转子盖100在压缩机20和涡轮机40（在图7中未示出）之间延伸。第一冷却系统50在转子盖的一端（在该示例中最靠近压缩机的端部）处进入，且在转子盖的另一端（在该示例中最靠近涡轮机的端部）处离开，其中，第一冷却系统50包括在转子盖中的通道110。类似地，第二冷却系统60在转子盖的一端（在该示例中最靠近涡轮机的端部）处进入，且包括在转子盖中的通道112。通道112通向在转子和转子盖之间的通道130，但是其可额外地或替代地通向在转子盖下游的第二冷却系统60的另外的区段，以允许将冷却的高压流体供应到燃气涡轮机的其他部分。

在转子盖周围的燃气涡轮机10的更多细节也在图7中示出作为背景。压缩机20包含一个或多个叶片120和导叶122。导叶附接到压缩机导叶承载件124，且叶片附接到转子126。通道130在转子和转子盖之间延伸，包括一个或多个密封件132。这些特征以示例示出，且可在不改变本文中所述的核心转子盖设计的情况下在不同的燃气涡轮机改变。

能够在转子盖中提供各种热交换结构，且图8和图9通过示出沿着图7的A-A的横截面以两种可能的布置示出两个示例。在转子盖100中，两个通道110、112彼此邻近，其中，壁115将它们分开。壁在所示出的横截面（垂直于燃气涡轮机轴线的方向15的横截面）中是正弦形状。图9示出第二示例，其中，提供通道110、112的不同的布置，即，成组通道112在成组通道110的每一侧上。其他布置也是可能的。

在使用期间，流体（典型地空气或空气和再循环烟道气体的混合物）进入压缩机20。其在其传递通过压缩机时被压缩。部分流体从压缩机传递到燃烧器30，且部分流体从压缩机抽取，例如用于冷却。在图1到图6中示出的示例中，流体在两个抽取位置处（并且在两个不同的抽取压力下）被抽取，虽然还可使用三个或更多个抽取位置。保留在压缩机中的流体然后被传递到燃烧器，在燃烧器处，其与燃料一起燃烧，且燃烧产品传递到涡轮机。

一旦流体已经在两个抽取位置处从压缩机抽取，两个抽取的流体流动（通过第一和第二冷却系统50、60）中的每一个的至少一些被传递到热交换器70，在热交换器处，在两个流体流动之间发生热交换。两个流体流动然后继续流到燃气涡轮机的其他部分，诸如压缩机和/或涡轮机，在该处，其用作冷却流体。

在操作期间，可例如通过使用控制阀在不同的位置处改变冷却流体流动速率，以对不同的冷却和机械完整性要求作出反应。例如，与在稳定状态操作期间以及在关闭期间相比，在燃气涡轮机启动期间，相对于第二冷却系统中的流动速率，第一冷却系统中的流动速率可不同。流动速率的该差异能够用于控制在热交换器的下游所得到的流体流动的温度且因此控制燃气涡轮机部件的冷却。例如，由于高温或由于启动期间温度的快速增大，燃气涡轮机的一些部分受到应力，且冷却流体流动速率可被改变以降低到这些部分的冷却流体的温度，且还可能提高到这些部分的流动速率。通过以该方式改变流动速率，还能够控制在部分之间的间隙，且在一些情况下，期望在启动期间增大某些部分的加热速率（或在关闭期间减小冷却速率）。这也能够通过改变流动速率实现。作为使用图3中的布置的特定示例，通过第一冷却系统的第一部分52的冷却流体流动的增加能够降低通过第二冷却系统的第一部分62的冷却流体流动的温度，且因此增加通过第二冷却系统的第一部分冷却的部分的冷却，并且减少通过第一冷却系统的第二部分冷却的部分的冷却（由于冷却流体流动的减少）。

附图示出一般的示意性示例，且不必然示出冷却系统的全部范围。例如，在图2中的冷却系统各自被示出为延伸到涡轮机上的单个位置，但是冷却系统可被分开以冷却涡轮机的若干部分，且还可延伸以冷却燃气涡轮机的其他部分。图1到6中的实施例的各种组合尤其也是可能的。

在被在压缩机20中压缩之前，高压和低压冷却流体都具有相同的起源，即，馈送到压缩机入口的流体（沿燃气涡轮机流动方向，在压缩机的上游端）。由于高压流体相对于低压流体的更大压缩，所以第二冷却系统中的高压流体的初始温度比第一冷却系统中的低压流体的初始温度更高。

在本申请中，“高压”和“低压”旨在作为相对术语，其中高压相比低压更高。作为示例，高压可在20个和35个大气压之间，且低压可在1个和10个大气压之间。上游和下游也是相对术语，不管是相对于燃气涡轮机流动12还是相对于在使用中冷却流体系统中的冷却流体的流动方向。

第一和第二压缩机抽取位置22、24可以在压缩机中的各种位置处，其中沿着压缩机的长度（在燃气涡轮机流动12的方向上）在不同位置处的抽取提供处于不同压力的冷却流体。抽取位置22、24可以是单个抽取位置或围绕压缩机的圆周（相对于燃气涡轮机轴线14）间隔开的多个抽取位置。类似地，冷却流体在冷却系统的下游端处被馈送到燃气涡轮机的部分（部件）中的位置可以以各种方式分开以分布冷却流体。

尽管通常优选的是不与本发明一起使用外部冷却系统，但是诸如单程冷却器的外部冷却系统能够用于为冷却流体流动中的一个或多个提供进一步的冷却，例如在图2中通过第二冷却系统60的冷却流体流动。

冷却系统50、60通常为冷却管道系统，其包括冷却流动能够例如使用泵或使用冷却系统内的自然压力梯度沿其馈送的管道。冷却系统还可包括输送冷却流动的其他装置，诸如在其他部件内的通道或导管，例如在转子盖和/或涡轮机外壳内的通道或导管。

在一些实施例中示出控制阀53、63，但是还可使用其他控制布置，例如以提供额外或替代的控制选择。例如，在图3中示出的布置中，每个冷却系统的第二部分54、64均还能够设有控制阀，或者控制阀能够设置在冷却系统的第一部分52、62和第二部分54、64之间的接合处，类似于在图6中示出的第一冷却系统中的控制阀53。

热交换器70可在燃气涡轮机中，诸如在图7中的示例中，或者在燃气涡轮机外侧。在上述示例中的每一个中，均示出仅一个热交换器70，但是还能够设置两个或更多热交换器。系统不受限于任何特定类型的热交换器。在附图中示出两个冷却流动，但是还可抽取三个或更多个，例如，低压、中间压力和高压冷却流动，其中，所抽取的流动中的一些或全部中的部分或全部在一个或多个热交换器中交换热。在一个示例中，中间压力冷却流动不传递通过热交换器，且低压和高压冷却流动传递通过热交换器，其中，高压流动传递热量到低压流动。在转子盖中的热交换器作为示例在图7中示出，但是诸如涡轮机壳体、压缩机外壳或导叶承载件的其他部件也可具有并入到其中的类似热交换器。在燃气涡轮机中（即，在燃气涡轮机的外壳的结构中或在燃气涡轮机的外壳内侧）具有热交换器能够减小燃气涡轮机所需的空间的量，且还能够减少热损失。在现有部件或结构部分中设置热交换器能够避免对于其他部件的需求，且还能够是有空间效益的。

高压燃气涡轮机部件80能够包括在高压区域中，尤其是在燃烧器周围的部件。在高压区域中的这些部件通常经受可能潜在地限制部件寿命的高温。具有更低温度的冷却流体源能够缓和寿命约束。示例包括燃烧器衬里（连续衬里）、转子或转子筒（转子的部分，其在压缩机端部和涡轮盘之间，因此在压缩机和涡轮机之间）、涡轮盘（转子的通过燃气涡轮机的涡轮机区段围绕的部分）、转子盖、压缩机的最后级（最下游的一组或多组叶片/导叶）和涡轮机的第一级（最上游的一组或多组叶片/导叶）。

更一般地，附图示出各种示例，其中来自第一和第二冷却系统的冷却流体能够在传递通过或者不传递通过热交换器的情况下均被引导。冷却流体还能够被传递到燃气涡轮机的其他部分，诸如压缩机壳体和燃烧器衬里。例如，图3示出被引导到涡轮机40的部分（例如，涡轮机导叶壳体或导叶）的冷却流体，且图4示出被引导到在燃烧器中的高压燃气涡轮机部件80和在燃烧器周围的区域的冷却流体。图7示出在传递通过转子盖中的热交换器之前（在邻近涡轮机一侧）和之后（在邻近压缩机一侧）均传递到在转子盖和转子之间的通道130中的冷却流体。在转子盖100中，流动的其他组合是可能的。例如，来自第一冷却系统的冷却流体可邻近涡轮机而不是邻近压缩机进入，和/或来自第二冷却系统的冷却流体可邻近压缩机而不是邻近涡轮机进入。

转子盖可具有各种名字，诸如中间区段结构部分、转子封装器、涡轮机导叶内径支撑结构、或者压缩机端部扩散器结构。转子盖可为更大部件，诸如燃烧器承载件或压缩机导叶承载件的部分。转子盖100通常在压缩机20和涡轮机40之间的转子126周围延伸。转子盖可被模块化，其中，模块中的一个或多个包含一个或多个热交换器，以及一个或多个模块不包含一个或多个热交换器。

在转子盖内的热交换器的不同结构是可能的；例如，通路110和112可采用在图8和图9中示出的那些之外的各种形状。壁115还可采用各种形状，但是大体被设计成最大化表面面积，且最大化从通道112到通道110的热传递，同时仍然保持在通道110、112中的流动分开。

在不脱离通过所附权利要求限定的本发明的情况下，对所描述的实施例的各种修改是可能的，且本领域技术人员将想到这些修改。

附图标记

10 燃气涡轮机

12 燃气涡轮机流动

14 燃气涡轮机轴线

15 燃气涡轮机轴线方向

20 压缩机

22 第一压缩机抽取位置

24 第二压缩机抽取位置

30 燃烧器

40 涡轮机

50 第一冷却系统

52 第一冷却系统的第一部分

53 控制阀

54 第一冷却系统的第二部分

60 第二冷却系统

62 第二冷却系统的第一部分

63 控制阀

64 第二冷却系统的第二部分

70 热交换器

80 高压燃气涡轮机部件

100 转子盖

110 第一冷却系统50的通道

112 第二冷却系统60的通道

115 壁

120 叶片

122 导叶

124 压缩机导叶承载件

126 转子

130 在转子和转子盖之间的通道

132 密封件

Q 热。

Claims (11)

1. 一种燃气涡轮机（10），其包括压缩机（20）、在所述压缩机下游的燃烧器（30）、在所述燃烧器下游的涡轮机（40）、热交换器（70）、第一冷却流体系统（50）和第二冷却流体系统（60），

所述第一冷却流体系统和所述第二冷却流体系统各自被构造和布置成从所述压缩机抽取冷却流体并且使用所述冷却流体冷却所述燃气涡轮机的一部分，所述第一冷却流体系统和所述第二冷却流体系统各自从所述压缩机延伸到所述热交换器以及从所述热交换器延伸到待冷却的所述燃气涡轮机的部分，并且

其中，所述热交换器被构造和布置成将热从所述第二冷却流体系统中的冷却流体交换到所述第一冷却流体系统中的冷却流体。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机（10），其中，所述第一冷却流体系统（50）和所述第二冷却流体系统（60）中的至少一个在所述热交换器（70）的上游被分成两个部分（52、54、62、64），其中，所述部分中的一个（52、62）被构造和布置成传递冷却流体通过所述热交换器，且所述部分中的另一个（54、64）被构造和布置成使冷却流体绕过所述热交换器。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机（10），其中，所述两个部分（52、54、62、64）在所述热交换器的下游重新结合。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃气涡轮机（10），其中，所述第一冷却流体系统（50）和所述第二冷却流体系统（60）中的至少一个在所述热交换器（70）的下游被分开。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的燃气涡轮机（10），其中，所述热交换器（70）在所述燃气涡轮机中。

6.一种用于燃气涡轮机（10）的转子盖（100），所述转子盖包括热交换器，

所述热交换器包括用于第一冷却流体流动的第一通道（110）和用于第二冷却流体流动的第二通道（112），且被构造和布置成将热从所述第二冷却流体流动传递到所述第一冷却流体流动。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮机（10），其包括根据权利要求6所述的转子盖（100）。

8.一种操作燃气涡轮机的方法，所述燃气涡轮机包括：压缩机（20）、在所述压缩机下游的燃烧器（30）、在所述燃烧器下游的涡轮机（40）、热交换器（70）、第一冷却流体系统（50）和第二冷却流体系统（60），所述第一冷却流体系统和所述第二冷却流体系统各自被构造和布置成从所述压缩机抽取冷却流体且使用所述冷却流体冷却所述燃气涡轮机的一部分，所述第一冷却流体系统和所述第二冷却流体系统各自从所述压缩机延伸到所述热交换器以及从所述热交换器延伸到待冷却的所述燃气涡轮机的部分，并且其中，所述热交换器被构造和布置成将热从所述第二冷却流体系统中的冷却流体交换到所述第一冷却流体系统中的冷却流体，所述方法包括如下步骤：

从所述压缩机中的第一位置（22）抽取冷却流体的第一流动，且将所述第一流动的至少部分通过所述第一冷却流体系统馈送到所述热交换器，

从所述压缩机中的第二位置（24）抽取冷却流体的第二流动，且将所述第二流动的至少部分通过所述第二冷却流体系统馈送到所述热交换器，相比所述第一流动，所述第二流动处于更高温度，

使用所述第一流动冷却所述热交换器中的所述第二流动，以及

将所述第一流动和所述第二流动馈送到所述燃气涡轮机的一个或多个部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一冷却流体系统（50）和所述第二冷却流体系统（60）中的至少一个在所述热交换器（70）的上游被分成两个部分（52、54、62、64），且使所述冷却流体的一部分（52、62）馈送通过所述热交换器，且使所述冷却流体的另一部分（54、64）绕过所述热交换器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述冷却流体在所述热交换器（70）的下游重新结合。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，控制在所述两个部分（52、54、62、64）中的相对冷却流体流动以控制在所述热交换器（70）下游的冷却流体的温度。