CN1942656B - 带防冷却的压缩机外壳的燃气轮机和运行燃气轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有防冷却的压缩机外壳的燃气轮机以及一种用于运行燃气轮机的方法。本发明提供了一种具有透平和包括压缩机外壳(14)的压缩机(10)的燃气轮机以及一种用于运行该燃气轮机的方法，其中，为了对所述透平进行冷却借助于至少一个用于获取压缩或部分压缩的空气的抽气管道(16)对所述压缩机(10)进行抽气，以及所述抽气管道(16)具有截止装置、尤其是阀门(19)，使得可以调节抽吸空气的流出以及进而调节对外壳(14)的冷却。

Description

带防冷却的压缩机外壳的燃气轮机和运行燃气轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种具有防冷却、尤其防止快速冷却的压缩机外壳的燃气轮机。相应地，本发明不只涉及燃气轮机的整体，而且还涉及一种具有防冷却的压缩机外壳的压缩机以及压缩机外壳本身。另外，本发明涉及一种用于运行此类燃气轮机的方法。

背景技术

燃气轮机是一般地公知的。对于燃气轮机而言也已知多种不同的冷却装置。但是，这些冷却装置主要涉及到在燃烧室或透平部段的区域内的冷却，参见例如EP 0988 441(其涉及燃烧室壁的冷却)或者EP 0791127 B1、EP 1245806 A1、WO 01/55559 A1、US 6,120,249(它们全部涉及到透平叶片的冷却)。

此外，从US 4,332,133中已知一种带有压缩机的飞机用燃气轮机。该压缩机为了冷却透平借助于抽气管道获取压缩或部分压缩的空气，其中，抽气管道具有一个用于调整冷却空气流的阀门。

US 3,736,069公开了一种带有可调节地冷却遭受热燃气的透平叶片功能的燃气轮机。为此，一个环形元件与一个阀座位置相对，它们由于不同的热膨胀系数形成一个可变化的间隙。由此可以调节冷却介质的流通量。

同样地，US 4,213,738公开了一种用于冷却空气系统的流动线路，其具有可供冷却空气流通用的可变化的缝隙，以用于调节冷却。

同样地，从US 2,951,340以及US 3,632,221已知一种用于燃气轮机的可调节的冷却方法。

另外，US 5,154,578公开了一种飞机用燃气轮机的压缩机外壳，其中，连接压缩机的外壳与内壳的径向支柱可被一种用于调节压缩机的工作叶片的径向间隙的热介质或冷介质流过。

此外，US 5,605,437公开了一种安置在压缩机外壳内的用于减小压缩的自由导向叶片的径向间隙波动的装置。导向叶片圈为此分别具有一个在叶根侧、亦即设置在压缩机外壳内的环形通道，热介质可以流过该环形通道。环形通道通过溢流通道相互交汇连接，使得热介质可与压缩机运行无关地顺序流过所述环形通道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种防止或者至少延缓压缩机外壳冷却的可能性，以便能降低慢速冷却元件与快速冷却元件、亦即例如外壳与转子之间接触的危险。

迄今为止，关于上述接触危险的问题只是建议，将这些元件之间的间距、尤其是转子与外壳壁之间的所谓径向间隙设计得足够大。

上述技术问题按照本发明是通过本发明技术方案的特征解决的。为此，在具有透平和包括压缩机外壳的压缩机的燃气轮机中，为了对所述透平进行冷却借助于至少一个用于获取压缩或部分压缩的空气的抽气管道对所述压缩机进行抽气，其中，所述抽气管道具有截止装置、尤其是阀门。上述同一技术问题同样是通过具有本发明技术方案的特征的压缩机或者压缩机外壳解决的。

另外，上述技术问题同样是通过本发明的用于运行燃气轮机的方法这样解决的：在所述燃气轮机减速运行时所述截止装置、尤其是所述阀门关闭或部分关闭。

本发明从下述认知出发，即，在燃气轮机中一些确定的元件比其它元件更快地冷却。更快速冷却的元件尤其是与周围空气体积直接接触的元件，也就是说，例如涉及燃气轮机的外壳或者该外壳的构件、尤其是压缩机外壳。在透平内部的其它元件、例如转子，确切地说透平轴以及在其上安装的叶片基本上更缓慢地冷却。这种情况要求例如在转子与环绕的外壳之间由所涉及元件的热膨胀程度确定的间距在其尺寸上要足够大。转子与外壳之间的最小间距处于转子的叶片端部区域内。该叶片端部与外壳之间的间距被称为径向间隙。在热态起动时，也就是说，在燃气轮机起动时其转子只是局部被冷却，但是外壳已最大程度地被冷却，因此在径向间隙的尺寸设计得不够大时，存在转子卡固在壳体内的危险。因此在设计转子与外壳之间的径向间隙的几何形状时考虑热态起动也就是限制标准，因为无论如何必须避免叶片扫掠在外壳内壁上。

本发明的优点在于，通过截止装置可以调节压缩机外壳的热损失。在所述燃气轮机减速运行时将所述截止装置、尤其是所述阀门关闭或部分关闭，以达到压缩机外壳确定的热损失。按照这种方式可以确保，压缩机外壳和在其内旋转的转子大体同等程度地冷却。这种均匀的冷却至少保证将叶片扫掠在外壳内壁上的危险降至最低。

此外，所述抽气管道具有沿所获取或可获取的空气流动方向位于所述截止装置前的凹穴。因此凹穴的容积起到一个隔热绝缘子的作用。在凹穴内含有具有其温度基本上对应于转子温度的空气。也就是说，凹穴通过隔离效应防止或延迟压缩机外壳的冷却。

另外，凹穴这样成形在所述压缩机的外壳中，即，它从所述抽气管道的入口位置和一个处于该区域内的固定叶片开始至少还一直延伸到下一个固定叶片的区域，由此使起绝缘子作用的凹穴的有效面积增大。

如果所述凹穴一直延伸到一个沿周围空气流入到所述压缩机中的方向后续的固定叶片的区域，则凹穴的纵向延伸是对应于周围空气的流动方向以及进而对应于压缩机外壳的温度梯度的主方向。

本发明的另一个特征在于，所述凹穴具有截止机构，使得可以将凹穴的体积与通过压缩机外壳的体积流分隔开。

本发明及其实施方式的优点在于，所述凹穴可以用于冷却后面压缩机级的壳体。由此，减小了在压缩机内的流动通道受热引起的总膨胀。抽吸空气可以相应地继续“在后面”从壳体中排出。

附图说明

下面借助于附图中对本发明的实施方式予以详细阐述。在所有的附图中相同的元件标注以相同的附图标记。附图中：

图1表示从燃气轮机的压缩机区域的半剖面中截取的一部分；

图2表示图1所示部分带有一个可通过截止装置截止的抽气管道；

图3表示一个带有鉴于对压缩机外壳所希望的热影响来构造和扩大的凹穴的抽气管道；和

图4表示所述可通过一个截止装置来截止的凹穴。

具体实施方式

燃气轮机及其工作方式是一般地公知的。据此燃气轮机具有用于燃烧空气的压缩机、燃烧室以及用于驱动压缩机和工作机械(例如发电机)的透平。为此，透平和压缩机安装在一个共同的也被称为透平转子的透平轴上，所述工作机械也与该透平轴相连以及可围绕其纵轴线旋转地支承。燃烧室装有至少一个用于燃烧液态或气态燃料的燃烧器。

压缩机以及透平分别具有一定数量的与透平轴连接的可旋转的工作叶片。这些工作叶片圈形地安置在所述透平轴上以及由此构成一些工作叶片组。此外，压缩机和透平还包括一定数量的固定的导向叶片，它们同样成圈形地固定在压缩机或透平的外壳内壁上，以构成一些导向叶片组。在透平中工作叶片用于通过流过该透平的工作介质的冲量传递来驱动透平轴。而导向叶片用于在分别两个沿工作介质流动方向看前后相继的工作叶片组或工作叶片圈之间对工作介质的流动起导向作用。由一组或一圈导向叶片和一组或一圈工作叶片组成的一个相继的对在此也被称为透平级或压缩机级。

图1以沿燃气轮机纵轴线的垂直剖面表示从这样一种燃气轮机的总体上用附图标记10标注的压缩机的半剖面中截取的一部分。图中示出了固定叶片11和安装在透平轴13上的旋转叶片交替变换的顺序。在旋转叶片12与作为燃气轮机或燃气轮机的压缩机10的外壳14的组成部分的固定叶片11之间保留一个径向间隙15。

在运行时，压缩机10吸入周围空气以及将其压缩。参照图1空气沿从左向右的方向流过压缩机10。进入到压缩机10的那部分空气在经过部分压缩后被取出加以利用，以用于冷却在燃气轮机的透平部段内的固定叶片(未示出)。这些固定叶片尤其基于从每个燃烧器出来的以及导入到透平部段中的热的压缩气体而被加热。该热的压缩气体流过透平部段内的各组固定叶片及旋转叶片，在那里气体膨胀作功，这种所产生的功率将透平轴13置于旋转之中。为了至少冷却透平部段内的固定叶片，借助于一个抽气管道16从压缩机10中提取压缩或部分压缩的周围空气；压缩机被“抽气”。在抽气管道16的行程中设有一个凹穴17、亦即在外壳14内的空腔。抽气管道16的入口18在所述其中一个旋转叶片12区域内位于外壳14的内侧面上。

图2表示对应于本发明的改动的抽气管道16。为了防止压缩机的外壳14冷却，可以截止或至少局部地截止该抽气管道16，以便阻止或减小空气流过该抽气管道16。为此，在抽气管道16内设有一个表示为阀门19的截止装置。

通过按照本身公知的方式操纵阀门19可以局部或完全地封闭所述抽气管道16。周围空气不再通过抽气管道16流出或者只是仍然减少地流出。否则与周围空气流出相关的热损耗相应地被中断或被减小。

为了在操纵阀门19时同样地彻底或部分地封闭所述凹穴17，而使阀门19沿周围空气的流动方向通过抽气管道16地位于该凹穴17之后。这样，该凹穴如一个绝缘子那样起作用以及另外有效地防止压缩机外壳14冷却。

图3基本上表示的是与图2相同的示意图。但是针对压缩机外壳14所希望的热影响来构造凹穴17。为此，凹穴17一方面被扩大了，而另一方面成形为：它沿其纵向延伸长度至少包括两个前后相继的旋转叶片12的区域。通过如此构造的凹穴17获得一种对于其作为绝缘子的功能特别有利的形状。凹穴也可以设计得比图中表示的更长。其尺寸和形状基本上只受到对压缩机外壳14的强度要求的限制。

因为压缩机也变热了，所以对其的冷却、尤其在后压缩机通道的区域内的冷却是非常重要的。因此图3中所示的凹穴17的特殊结构同样是非常有意义的，因为，在空气流过凹穴17时抽吸空气吸收压缩机外壳14的热量以及因而有助于对其的冷却。

图4表示一个与图3相比增添了一个截止机构20的示意图。在燃气轮机的所谓“连续运行(Turnbetrieb)”期间，即在与燃气轮机的运行相结合地实施冷却期间，凹穴17在流动技术上借助于一个舱壁等形式的截止机构20与压缩机通道断开连接，截止机构20的运动通过垂直箭头表示。为此，截止机构20设置在凹穴17的起始端的区域内，使得通过该截止机构可以将凹穴容积的主要部分与压缩机通道分隔开。在凹穴17内才能更好地储存已加热的压缩机空气，该压缩机空气防止压缩机外壳14与燃气轮机转子相比快速的冷却。

在燃气轮机开始冷却时有针对性地向凹穴17施加压缩机空气，使得冷却沿流动方向在后面的(以及由此更热的)压缩机级，以便按照此方式达到延迟加热所述压缩机外壳14。这样，对压缩机外壳14的加热与加热转子同等程度地进行。

因此，可以对本发明作如下概述：

提供了一种在用于从压缩机10中获取冷却空气的抽气管道18中设有截止装置的燃气轮机，使得可以保护压缩机外壳14减弱冷却。外壳和转子大约同等程度地冷却，使得可以获得一种均匀的热结构。按照这种方式可以防止更强烈地冷却外壳14以及因而紧缩较缓慢地冷却的转子。这使得热态起动更顺利，因为最大程度地排除了转子在以与该转子同样方式冷却的外壳内壁上扫掠。

Claims (6)

1.一种具有压缩机外壳(14)的压缩机(10)，其适合或用于具有透平的燃气轮机，并且借助于至少一个用于获取压缩或部分压缩的空气的抽气管道(16)对所述压缩机(10)进行抽气，其中，所述抽气管道(16)具有截止装置，以及所述抽气管道(16)具有沿所获取的空气流动方向位于所述截止装置前的凹穴(17)，

其特征在于：为了对所述外壳(14)施加热影响，所述凹穴(17)这样沿着其纵向延伸成形在所述压缩机外壳(14)中，即，它从所述抽气管道(16)的入口(18)的位置和一个处于该区域内的固定叶片(12)开始至少还一直延伸到下一个固定叶片(12)的区域内，其中所述凹穴(17)在其起始处具有截止机构(20)。

2.按照权利要求1所述的压缩机，其中，所述凹穴(17)一直延伸到一个沿周围空气流入到所述压缩机(10)中的方向后续的固定叶片(12)的区域内。

3.按照权利要求1或2所述的压缩机，其中，所述截止装置是阀门(19)。

4.一种具有按照权利要求1至3中任一项所述的压缩机的燃气轮机。

5.一种用于运行按照权利要求4所述的燃气轮机的方法，其中，在所述燃气轮机减速运行时，截止装置关闭或部分关闭。

6.一种用于运行按照权利要求4所述的燃气轮机的方法，其中，在所述燃气轮机连续运行时借助于所述截止机构(20)封闭所述凹穴。

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