CN108386275B - 一种压气机进气冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种压气机进气冷却系统及其冷却方法，其中所述冷却系统包括：压气机和冷却器，冷却器位于压气机的进气端的前方；在压气机的进口导叶内设置第一冷却通道，第一冷却通道的入口和出口均为设在进口导叶与轮缘连接处的开口；且第一冷却通道的入口与冷却器的出口相连，第一冷却通道的出口通过循环泵与冷却器的入口相连。本发明提供的压气机进气冷却系统利用压气机已有的结构作为换热器，节省了材料和空间，实现紧凑式的冷却机构，提高压气机的折合转速，使得压气机做功能力增强；同时，在不增加换热器、不延长压气机进气通道和不喷入冷却水的情况下，降低压气机进气端的主流气体的温度，不会带来额外的气动损失。

Description

一种压气机进气冷却系统及其冷却方法

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，更具体地，涉及一种压气机进气冷却系统及其冷却方法。

背景技术

燃气轮机是一种容积式动力机械，其输出功率受到压气机进口温度的显著影响。当压气机进口温度升高，空气密度减小，由于进气道允许的体积流量一定，所以质量流量相应降低，折合转速降低，燃气轮机机组的做功能力明显降低。

为了在较高进口温度下保证燃气轮机负荷，燃气轮机电厂可采用进气冷却的方式，即在燃气轮机压气机进口加装冷却装置，对于空气进行冷却，从而提高燃气轮机负荷。按照冷却形式划分，可以分为直接接触式与间接接触式两大类：直接接触式冷却原理为向压气机进口喷入水，利用水在空气中蒸发吸热来降低空气湿度；间接接触式冷却则为在压气机进口处设置表面换热器，空气与冷源工质在换热器中换热。

然而，现有技术存在以下不足：直接接触式进气冷却向压气机主流中喷入冷却工质，两种工质掺混会带来额外气动损失；间接接触式进气冷却需要在压气机进口布置额外的换热器与管路，既增大了燃气轮机机组所占空间，又由于进口段延长带来了额外气动损失。因此，需要针对压气机进气冷却发展一种更为紧凑的、无额外气动损失的进气冷却方式。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提供一种压气机冷却系统及其冷却方法。

第一方面，本发明提供一种压气机冷却系统，包括：压气机和冷却器，所述冷却器位于所述压气机的进气端的前方；在压气机的进口导叶内设置第一冷却通道，所述第一冷却通道的入口和出口均为设在所述进口导叶与轮缘连接处的开口；且所述第一冷却通道的入口与冷却器的出口相连，所述第一冷却通道的出口通过循环泵与所述冷却器的入口相连。

其中，所述的压气机冷却系统，还包括：与轮缘一体成型的第二冷却通道，所述第二冷却通道的入口和出口均为设在所述轮缘的表面的开口，所述轮缘与所述进口导叶的顶部相连；所述第二冷却通道的入口与所述冷却器的出口相连，所述第二冷却通道的出口通过所述循环泵与所冷却器的入口相连。

其中，所述的压气机冷却系统，还包括：设置在轮毂内的第三冷却通道，所述第三冷却通道的入口和出口均为设在所述轮毂的表面的开口，所述轮毂与所述进口导叶的根部相连；所述第三冷却通道的入口与所述冷却器的出口相连，所述第三冷却通道的出口通过所述循环泵与所冷却器的入口相连。

其中，在所述第一冷却通道的内表面设有扰流柱。

其中，在所述第二冷却通道的内表面设有扰流柱。

其中，在所述第三冷却通道的内表面设有扰流柱。

第二方面，本发明提供一种利用上述的压气机冷却系统的冷却方法，包括：S1，将冷却器出口处的冷却工质输送至第一冷却通道的入口，以使冷却工质冷却进口导叶的壁面；S2，将所述第一冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。

其中，在所述S1之前还包括：利用所述冷却器冷却所述冷却工质，以使所述冷却工质的温度低于压气机进气端处空气的温度。

其中，所述的压气机进气冷却方法，还包括：将冷却器出口处的冷却工质输送至第二冷却通道的入口，以使冷却工质冷却轮缘；将所述第二冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。

其中，所述的压气机进气冷却方法，还包括：将冷却器出口处的冷却工质输送至第三冷却通道的入口，以使冷却工质冷却轮毂；将所述第三冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。

本发明提供的一种压气机冷却系统及其冷却方法，通过在压气机的进口导叶内设置第一冷却通道，且使得冷却工质利用该第一冷却通道降低进口导叶的壁面温度，利用该第二冷却通道降低轮缘温度，利用该第三冷却通道降低轮毂温度；以及利用压气机进气端的主流气体需与进口导叶、轮缘、轮毂的壁面接触，进而将压气机进气端的主流气体冷却，且在冷却压气机进气端的主流气体时，利用压气机已有的结构作为换热器，节省了材料和空间，实现紧凑式的冷却机构，提高压气机的折合转速，使得压气机做功能力增强；同时，将冷却工质与主流气体隔离，可以减小压气机的气动损失；并在不延长压气机进气通道的情况下，降低压气机进气端的主流气体的温度，不会带来额外的气动损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压气机进气冷却系统的结构示意图；

图2为图1中所示的压气机进气冷却系统中进口导叶上第一冷却通道剖视图；

其中，1-冷却器；2-进口导叶；3-第一冷却通道；4-轮缘；5-循环泵；6-第二冷却通道；7-轮毂；8-第三冷却通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的压气机冷却系统的示意图，如图1所示，该压气机冷却系统包括：压气机和冷却器1，所述冷却器1位于所述压气机的进气端的前方；在压气机的进口导叶2内设置第一冷却通道3，所述第一冷却通道3的入口和出口均为设在所述进口导叶2与轮缘4连接处的开口；且所述第一冷却通道3的入口与冷却器1的出口相连，所述第一冷却通道3的出口通过循环泵5与所述冷却器1的入口相连。

其中，压气机主要由主轴、多级叶片和轮缘4等组成，且压气机的进口导叶2安装在压气机第一级叶片之前，且该进口导叶2与轮缘4和轮毂7接触。

具体地，在压气机的进气端的前方设置冷却器1，且利用该冷却器1降低冷却工质温度，例如，冷却工质为水或制冷剂等。在压气机的进口导叶2内设置第一冷却通道3，即，在进口导叶2内布置沿径向的冷却通道，例如，第一冷却通道3包括多个冷却通道，即在进口导叶2上设有多个进口冷却通道和多个出口冷却通道，如图2所示。且第一冷却通道3的入口与冷却器1的出口相连，例如，第一冷却通道3的入口通过输送管道与冷却器1的出口相连，则使得冷却工质可利用该第一冷却通道3降低进口导叶2的壁面温度。然后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的壁面接触时，由于进口导叶2的壁面被冷却，则可降低压气机的主流气体的温度。

以及，将第一冷却通道3的出口通过循环泵5与冷却器1的入口相连，例如，第一冷却通道3的出口通过输送管道与循环泵5及冷却器1的入口相连，则进入第一冷却通道3的冷却工质，在将进口导叶2的壁面温度降低后，可通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第一冷却通道3内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

在本发明实施例中，通过在压机器的进口导叶2内设置第一冷却通道3，且使得冷却工质利用该第一冷却通道3降低进口导叶2的温度，利用压气机已有的结构作为换热器，节省了材料和空间，实现紧凑式的冷却机构，提高压气机的折合转速，使得压气机做功能力增强；对压气机进气端的主流气体冷却时，冷却工质与主流气体隔离，可以减小压气机的气动损失；同时，无需布置额外换热器，在不增加换热器、不延长压气机进气通道和不喷入冷却水的情况下，降低压气机进气端的主流气体的温度，不会带来额外的气动损失。

在上述实施例的基础上，所述的压气机冷却系统，还包括：与轮缘4一体成型的第二冷却通道6，所述第二冷却通道6的入口和出口均为设在所述轮缘4的表面的开口，所述轮缘4与所述进口导叶2的顶部相连；所述第二冷却通道6的入口与所述冷却器1的出口相连，所述第二冷却通道6的出口通过所述循环泵5与所冷却器1的入口相连。

具体地，在轮缘4内设置第二冷却通道6，即，在轮缘4的表面开口或打孔等，并将开口或孔连通，则形成第二冷却通道6。且第二冷却通道6的入口与冷却器1的出口相连，则使得经冷却器1冷却的冷却工质可利用该第二冷却通道6降低轮缘4的温度。且由于进口导叶2的顶部与轮缘4相连，则可进而降低进口导叶2的顶部的温度和轮缘4的温度。然后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的顶部和轮缘4接触时，由于进口导叶2的顶部和轮缘4被冷却，则可进而进一步降低压气机的进气端的主流气体的温度。

以及，将第二冷却通道6的出口通过循环泵5与冷却器1的入口相连，则进入第二冷却通道6的冷却工质，在将进口导叶2的顶部温度和轮缘4的温度降低后，可通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第二冷却通道6内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

在本发明实施例中，在进口导叶2内设置第一冷却通道3的基础上，在与进口导叶2的顶部相连的轮缘4上设置第二冷却通道6，则通过多个冷却通道冷却进口导叶2的壁面和顶部的温度，进而达到快速降低进口导叶2顶部主流的温度的目的，进而使得进口导叶2能够较快的冷却压气机进气端的主流气体，提高压气机的气动性能；同时，第一冷却通道3和第二冷却通道6均设在压气机原有的结构内，没有增加其他的设备，也没有扩大压气机的占用空间，实现了紧凑式的进气冷却系统，提高压气机折合转速，使得压气机的做功能力增强。

在上述实施例的基础上，所述的压气机冷却系统，还包括：设置在轮毂7内的第三冷却通道8，所述第三冷却通道8的入口和出口均为设在所述轮毂7的表面的开口；所述轮毂7与所述进口导叶2的根部相连；所述第三冷却通道8的入口与所述冷却器1的出口相连，所述第三冷却通道8的出口通过所述循环泵5与所冷却器1的入口相连。

具体地，在压气机中进口导叶2通过轮毂7与主轴相连，在轮毂7内设置第三冷却通道8，即，在轮缘4的表面开口或打孔等，并将开口或孔连通，则形成第三冷却通道8。且第三冷却通道8的入口与冷却器1的出口相连，则使得经冷却器1冷却的冷却工质可利用该第三冷却通道8降低轮缘4温度。且由于进口导叶2的根部与轮毂7相连，则可降低进口导叶2根部主流的温度。然后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的根部接触时，由于进口导叶2的根部被冷却，则可进一步降低压气机的进气端的主流气体的温度。

以及，将第三冷却通道8的出口通过循环泵5与冷却器1的入口相连，则进入第三冷却通道8的冷却工质，在将进口导叶2的根部的温度降低后，可通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第三冷却通道8内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

在本发明实施例中，在进口导叶2内设置第一冷却通道3、在与进口导叶2的顶部相连的轮缘4内设置第二冷却通道6的基础上，在与进口导叶2的根部相连的轮毂7上设置第三冷却通道8，则通过多个冷却通道冷却进口导叶2的壁面和端部，进而使得进口导叶2能够较快的冷却压气机进气端的主流气体，提高压气机的气动性能；同时，第一冷却通道3、第二冷却通道6和第三冷却通道8均设在压气机原有的结构内，没有增加其他的设备，也没有扩大压气机的占用空间，实现了紧凑式的进气冷却系统，提高压气机折合转速，使得压气机做功能力增强。

在上述各实施例的基础上，在所述第一冷却通道3的内表面设有扰流柱。在所述第二冷却通道6的内表面设有扰流柱。在所述第三冷却通道8的内表面设有扰流柱。

其中，扰流柱常用于换热设备中，使用扰流柱可以增强流体的流动性能，达到强化传热和节能的效果。

具体地，在第一冷却通道3的内表面设置扰流柱，可以提高第一冷却通道3内流体的流动性能，进而提高冷却工质与进口导叶2壁面的换热效果，即可在较短时间内降低进口导叶2的壁面温度，则可以有效减小边界层的厚度，从而降低进口导叶2中的气动损失，提高压气机的气动性能。

另外，也可以在第一冷却通道3的内表面设置肋片，可以增加第一冷却通道3的换热面积，即可以通过第一冷却通道3的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现冷却工质与进口导叶2壁面的换热，从而快速的降低进口导叶2的壁面温度，进而可以较快的降低压气机进气端的主流气体的温度。

在第二冷却通道6的内表面设置扰流柱，可以提高第二冷却通道6内流体的流动性能，进而提高冷却工质与轮缘4的换热效果，即可在较短时间内降低与进口导叶2的顶部相连的轮缘4的温度，进而降低压气机进气端的主流气体的温度，提高压气机的气动性能。

另外，也可以在第二冷却通道6的内表面设置肋片，可以增加第二冷却通道6的换热面积，即可以通过第二冷却通道6的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现冷却工质与轮缘4的换热，从而快速的降低与进口导叶2的顶部相连的轮缘4的温度，进而降低压气机进气端的主流气体的温度，提高压气机的气动性能。

在第三冷却通道8的外表面设置扰流柱，可以提高第三冷却通道8内流体的流动性能，进而提高冷却工质与轮毂7的换热效果，即可在较短时间内降低与进口导叶2的根部相连的轮毂7的温度，即达到降低进口导叶2的根部主流的温度的目的，进而降低压气机进气端的主流气体的温度，提高压气机的气动性能。

另外，也可以在第三冷却通道8的内表面设置肋片，可以增加第三冷却通道8的换热面积，即可以通过第三冷却通道8的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现冷却工质与轮毂7的换热，从而快速的降低与进口导叶2的根部相连的轮毂7的温度，即达到降低进口导叶2的根部的温度的温度的目的，进而降低压气机进气端的主流气体的温度，提高压气机的气动性能。

本发明实施例提供一种利用上述压气机冷却系统的冷却方法，包括：S1，将冷却器1出口处的冷却工质输送至第一冷却通道3的入口，以使冷却工质冷却进口导叶2的壁面；S2，将所述第一冷却通道3的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器1的入口。在所述S1之前还包括：利用所述冷却器1冷却所述冷却工质，以使所述冷却工质的温度低于压气机进气端处空气的温度。

具体地，在压气机的进气端的前方设置冷却器1，且利用该冷却器1冷却冷却工质，例如，冷却工质为水或制冷剂等；然后，将冷却工质通过输送管道输送至第一冷却通道3内，使得冷却工质可利用该第一冷却通道3降低进口导叶2的壁面温度。之后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的壁面接触时，由于进口导叶2的壁面被冷却，则可将该进口导叶2的壁面的冷能传递给主流气体，进而降低压气机的进气端的主流气体的温度。

以及，将进入第一冷却通道3的冷却工质，在降低进口导叶2的壁面温度后，通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第一冷却通道3内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

在本发明实施例中，通过冷却工质利用该第一冷却通道3降低进口导叶2的温度；以及利用压气机进气端的主流气体需与进口导叶2接触，进而将压气机进气端的主流气体冷却，且在冷却压气机进气端的主流气体时，利用压气机已有的结构作为换热器，节省了材料和空间，实现紧凑式的冷却机构，提高压气机的折合转速，使得压气机做功能力增强；同时，将冷却工质与主流气体隔离，可以减小压气机的气动损失；并在不延长压气机进气通道的情况下，降低压气机进气端的主流气体的温度，不会带来额外的气动损失。

在上述实施例的基础上，所述的压气机进气冷却方法，还包括：将冷却器1出口处的冷却工质输送至第二冷却通道6的入口，以使冷却工质冷却轮缘4；将所述第二冷却通道6的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器1的入口。所述的压气机进气冷却方法，还包括：将冷却器1出口处的冷却工质输送至第三冷却通道8的入口，以使冷却工质冷却轮毂7；将所述第三冷却通道8的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器1的入口。

具体地，将经冷却器1冷却的冷却工质通过输送管道输送至第二冷却通道6，使得冷却工质可利用该第二冷却通道6降低轮缘4的温度。且由于进口导叶2的顶部与轮缘4相连，则可进而降低进口导叶2的顶部的温度和轮缘4的温度。然后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的顶部和轮缘4接触时，由于进口导叶2的顶部和轮缘4被冷却，则可进而进一步降低压气机的进气端的主流气体的温度。

以及，将第二冷却通道6的出口通过循环泵5与冷却器1的入口相连，则进入第二冷却通道6的冷却工质，在将进口导叶2的顶部和轮缘4的温度降低后，可通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第二冷却通道6内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

将经冷却器1冷却的冷却工质通过输送管道输送至第三冷却通道8，使得冷却工质可利用该第三冷却通道8降低轮毂7温度。且由于进口导叶2的根部与轮毂7相连，则可进而降低进口导叶2的根部与轮毂7的温度。然后，从压气机的进气端进入的主流气体与进口导叶2的轮毂7接触时，由于进口导叶2的轮毂7被冷却，则可进一步降低压气机的进气端的主流气体的温度。

以及，将第三冷却通道8的出口通过循环泵5与冷却器1的入口相连，则进入第三冷却通道8的冷却工质，在将进口导叶2的根部和轮毂7的温度降低后，可通过循环泵5泵送至冷却器1的入口，进而使冷却工质的流道形成一个闭环回路；即，第三冷却通道8内的冷却工质不与压气机的进气端的主流气体接触，进而避免了冷却工质与主流气体掺混而引起的气动损失。

上述各实施例提供的压气机进气冷却系统及其冷却方法，在冷却工质与压气机进气端的主流气体进行换热的过程中，利用压气机已有结构作为换热器，节省了换热器的耗材以及所占空间，可实现紧凑式的进气冷却，提高压气机折合转速，使得压气机做功能力增强；且未延长压气机进气道，不额外增加进气道气动损失；以及将冷却工质与主流气体进行隔离，没有产生掺混引起的气动损失；且将进口导叶2、轮缘4及轮毂7冷却，能够有效减小流动边界层的厚度，从而降低进口导叶2中的气动损失，提高压气机气动性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种压气机进气冷却系统，其特征在于，包括：压气机和冷却器，所述冷却器位于所述压气机的进气端的前方；

在压气机的进口导叶内设置第一冷却通道，所述第一冷却通道的入口和出口均为设在所述进口导叶与轮缘连接处的开口；

且所述第一冷却通道的入口与冷却器的出口相连，所述第一冷却通道的出口通过循环泵与所述冷却器的入口相连；

还包括：与轮缘一体成型的第二冷却通道，所述第二冷却通道的入口和出口均为设在所述轮缘的表面的开口，所述轮缘与所述进口导叶的顶部相连；

所述第二冷却通道的入口与所述冷却器的出口相连，所述第二冷却通道的出口通过所述循环泵与所冷却器的入口相连；

还包括：设置在轮毂内的第三冷却通道，所述第三冷却通道的入口和出口均为设在所述轮毂的表面的开口，所述轮毂与所述进口导叶的根部相连；

所述第三冷却通道的入口与所述冷却器的出口相连，所述第三冷却通道的出口通过所述循环泵与所冷却器的入口相连。

2.根据权利要求1所述的压气机进气冷却系统，其特征在于，在所述第一冷却通道的内表面设有扰流柱。

3.根据权利要求1所述的压气机进气冷却系统，其特征在于，在所述第二冷却通道的内表面设有扰流柱。

4.根据权利要求1所述的压气机进气冷却系统，其特征在于，在所述第三冷却通道的内表面设有扰流柱。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的压气机进气冷却系统的冷却方法，其特征在于，包括：

S1，将冷却器出口处的冷却工质输送至第一冷却通道的入口，以使冷却工质冷却进口导叶的壁面；

S2，将所述第一冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。

6.根据权利要求5所述的压气机进气冷却系统的冷却方法，其特征在于，在所述S1之前还包括：

利用所述冷却器冷却所述冷却工质，以使所述冷却工质的温度低于压气机进气端处空气的温度。

7.根据权利要求5所述的压气机进气冷却系统的冷却方法，其特征在于，还包括：

将冷却器出口处的冷却工质输送至第二冷却通道的入口，以使冷却工质冷却轮缘；

将所述第二冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。

8.根据权利要求5-7任一项所述的压气机进气冷却系统的冷却方法，其特征在于，还包括：

将冷却器出口处的冷却工质输送至第三冷却通道的入口，以使冷却工质冷却轮毂；

将所述第三冷却通道的出口处的冷却工质泵送至所述冷却器的入口。