CN1971003A - 具备轮机密封空气和主动间隙控制的集成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用压缩机排气(76、82)的主动间隙控制系统(80)，其用于控制工业燃气轮机和压缩机的叶尖间隙。气流(82)来自冷却和密封空气回路(74)，并被重新引导用于主动间隙控制。用过的间隙控制空气被再引导(90、92)进入用于冷却和密封燃气轮机的热燃气通道。

Description

具备轮机密封空气和主动间隙控制的集成系统及方法
技术领域
本发明涉及一种具备能主动控制间隙的系统的燃气轮机。
背景技术
美国专利No.5,685,693所公开的内容作为参考文献引入本文，该专利公开了一种工业燃气轮机，该轮机具有一个机轮外壳围绕着一个内壳支承着某些级的不可转动部分。尤其是，内壳支承第一和第二级喷嘴，以及第一和第二级围带。外壳直接支承其余级的喷嘴和围带。可以看到内壳和外壳都是绕着转轴沿周向延伸形成，一般是分成两个180°的半圆壳体(上半壳和下半部壳)。在上述专利中，内壳由在内壳和外壳之间延伸的销支承，以防止壳体彼此之间产生周向、轴向和径向上的位移，同时使得内壳能相对于外壳产生径向膨胀和收缩从而控制围带和叶尖之间的间隙。
在上述专利中，间隙控制系统有一对气室在内壳的每个半壳内，这些气室通过一个通道相互连通。尤其是，对于内壳的每个半壳而言，覆盖第一级围带和叶尖的第一或前气室有一个接收冷却空气的入口，冷却空气在气室内沿周向流到内半壳的中线处。沿着径向对应的中线轴向延伸的通道从前气室向后延伸到覆盖第二级围带和叶片的一个同样沿周向延伸的后气室。后气室有一个出口。所以，稳态运行下来自外部空气源的冷却空气被供给第一级气室入口，从而围绕该气室、轴向沿着中线且围绕第二级气室流到出口。可以看到，由于在所述热力循环中流入了一种热介质，内壳响应热介质的流动会在径向上产生收缩和膨胀。所以，通过控制内壳相对于第一级和第二级的叶尖在径向上的热膨胀或热收缩，能提供顶端间隙控制。然而，随着受让人的更高级燃气轮机设计的出现，就证明了必须有一种增强的内壳冷却循环。
美国专利No.6.422.807所公开的内容作为参考文献引入本文，公开了另一种间隙控制系统。那种燃气轮机包括一个具有半壳的内壳，每个半壳都有一个包含着彼此连通的气室的前分段和后分段，这样，一种热介质被供给一个分段，从而沿轴向流到另一个分段，并且又一个分段。尤其是，对于内壳的每个半壳而言，通过入口供给热介质，在内壳第一半壳的第一气室中沿周向流动，并且沿着与第二分段的第一气室相连的第一组通道作基本上沿轴向的流动在其中作周向流动。第二分段的第一气室与第二分段的第二气室连通，由此，流体反方向流动从而围绕第二分段周向流动，然后沿着第二组沿着内壳半壳中线的轴向通道流到第一分段的第二气室。流体沿周向延伸的第二通道部分进入第一分段的第二气室，从而排出且返回到热介质供给源。
发明内容
在负荷和外界温度范围内，将燃气轮机叶尖间隙尽可能地保持紧密，可以最大限度地提高联合循环的输出功率和效率。所以，配备一个能主动控制燃气轮机和压缩机的叶尖间隙的系统是十分有利的。
本发明具体化为一个控制燃气轮机和压缩机设备中叶尖间隙的主动叶尖间隙控制系统，包括：一个流动路径，用来引导压缩机排气流流过一个通道，该通道定义在(1)轮机内壳和(2)压缩机排气壳体中的至少一者中，以便主动地控制那里的叶尖间隙；还有一个流动路径，用来引导用过的控制空气排出进入(1)燃气轮机外侧壁槽和(2)燃气轮机排气中的至少一者中。
本发明也具体化为一种控制燃气轮机和压缩机设备中的叶尖间隙的方法，包括：引导压缩机排气流流过(1)轮机内壳和(2)压缩机排气壳体中的至少一者，以便主动地控制那里的叶尖间隙，然后引导用过的控制空气排出进入(1)燃气轮机外侧壁槽和(2)燃气轮机排气中的至少一者中。
根据本发明的另一个实施例，提供一种间隙控制系统，其结合了燃气轮机的冷却和密封空气系统来控制燃气轮机和压缩机的叶尖间隙。更进一步，在本发明的这种实施例中，提供一种结合了轮机密封空气和主动控制间隙的系统，其用于具有压缩机的机轮设备，该压缩机包括一个压缩机排气壳体，所述机轮包括一个在那装有轴向间隔排列的叶片以便形成部分轮机级的转子，以及一个保护外壳，一个在转子附近的、在那设置有喷嘴以形成所述机轮级其它部分的内壳，以及在对应的所述轮机级的所述叶片的顶端附近的围带，以及一个形成在所述内壳中、用于使热介质流动以控制所述内壳的热位移的通道，该系统包括：一个冷却和密封空气路径用于将来自压缩机的压缩机排气引导至轮机壳体，对叶片进行冷却或密封两者中的至少一者；和一个以选择性的方式与所述冷却和密封空气路径相通的主动间隙控制路径，用来引导所述的压缩机排气中的一部分进行循环，并且至少流过(1)内壳内第一轴向位置处的所述通道，所述第一轴向位置部分地对应于所述轮机的第一级和第二级中的至少一者的一个轴向位置和(2)所述压缩机排气壳体两者中的一者，这样能主动控制那里的叶尖间隙。
附图说明
结合附图对本发明的优选实施例作更加详细的说明，通过认真研读这些说明能够更好地理解和认识到本发明的种种优点和效果，其中：
图1是燃气轮机的一部分的片断剖视图，示出了内壳和外壳部分；
图2是相关技术中的一种间隙控制系统设计的示意图；
图3是本发明的一种间隙控制系统具体实施例的示意图。
图中各附图标记的含义如下：12转子；14、16、18叶轮；23螺栓；24、26隔叶块或轮盘；28、30、32喷嘴；34结构性保护外壳；36内壳；38前壳段；40后壳段；42、44围带；52销；54充气压缩机；ITS轮机内壳；CDC压缩机排气壳体；58循环压缩机；60热交换器；62加热器；64除湿器；70压缩机；72轮机内壳；74冷却和密封空气系统；76冷却空气路径；78叶片冷却和密封；80间隙控制系统；82压缩机排气流；84热交换器；86经过轮机内壳的循环；88经过压缩机排气壳体的循环；90进入外侧壁槽的排气；92进入排气的排放物；94控制阀。
具体实施方式
参考附图，特别是图1，示出了用于本发明的燃气轮机的一部分。该轮机包括只示出一部分的转子12，该转子包括轮机叶轮14、16和18，每个叶轮都有一环形阵列的叶片，这里示出了轮机叶轮14和16的叶片20和22。隔叶块或轮盘24、26插在叶轮之间，并且层叠的叶轮和隔叶块用螺栓23拧在一起从而形成转子12。喷嘴也布置成环形阵列，与叶轮上的叶片交替着，图中示出了喷嘴28、30和32。可以看出轮机的第一级包括喷嘴28和叶片20；第二级包括喷嘴30和叶片22；第三级包括喷嘴32和叶轮18的叶片，诸如此类，由燃气轮机的级数决定。
燃气轮机包括结构性保护外壳34和内壳36。内壳和外壳都成形为半圆形部件，沿着水平中线接合，图中示出了外壳和内壳的上半部。内壳36包括相应的前壳段38和后壳段40，通过销52的安装能相对于外壳34发生径向的收缩和膨胀。美国专利No.5,685,693中描述了一种销装置用来将内壳和外壳安装到另一者上。足以说明内壳以一种可控制的方式相对转子沿径向进行膨胀和收缩，以便调整分别由前、后壳段支撑的围带42和44之间的间隙。所以，内壳可相对于相应级的叶尖，也就分别是叶片20和22，沿径向进行调整。
所以，举例来说，在轮机起动过程中，为内壳上半部中的各种通道内的循环提供热空气从而使内壳沿径向膨胀，并且由此使围带沿径向向外进一步移动超出叶尖。可以看出起动时内壳体的受热程度超过转子以保证围带和叶尖之间保持合适的间隙。在稳定工况下，可以调整供给内壳的空气的温度使得内壳相对于叶尖进行收缩或膨胀，由此提供了围带和叶尖之间的最小间隙并且提高了轮机运行的效率。在轮机停机过程中，保持内壳的收缩率小于转子和叶片的收缩率对避免轮机顶端和围带之间的接触来说是很重要的。所以，可以调整热介质的温度从而在停机过程中保持一个可控的叶尖间隙。
根据相关技术，一种间隙控制系统将外界空气充入一个额定的压力中，根据燃气轮机工作模式将该空气加热到一个预设温度，并使空气流经轮机内壳和压缩机排气壳体。图2示出了这样一种系统而且该系统用于控制燃气轮机和压缩机的叶尖间隙。如前所述，该系统吸入外界空气并且通过充气压缩机54压缩该空气。外界空气不断地被压缩和加入系统中，直到质量流速达到系统额定出口温度下的预设值。该空气通过一台循环压缩机58在一个包括轮机内壳(ITS)和压缩机排气壳体(CDC)的闭环系统中循环。排出CDC的空气在热交换器60中冷却，以满足循环压缩机58对入口温度的要求，然后根据燃气轮机的压缩机的出口温度在加热器62中再加热到系统温度预设值。
从图2可以看出，这里所描述的间隙控制系统是一种模块的形式，其包括充气压缩机54、循环压缩机58、加热器62、热交换器60和除湿器64。如果确定用温度更高、压力更大的空气源来主动控制间隙，就可以省去图2系统所包含的大部分零件。通过使用高温压缩空气来主动控制间隙这样一种更简单的解决方案，可以如上所述省去系统中复杂的硬件，这样将提高系统可靠性。另外，在燃气轮机起动并处于基本负荷过程中，使用如图2所述的间隙控制系统将会消耗大量的辅助动力，从而导致性能下降。如果如本文所提议的省去大部分零件，辅助动力的消耗会明显下降。
本文提出一种与燃气轮机冷却和密封空气系统相结合的间隙控制系统配置，来控制燃气轮机和压缩机的叶尖间隙。图3示出了本发明的示范性实施例的配置。
更具体地参考图3，其中，压缩机70和轮机内壳72只是示意性的，用一个冷却和密封空气系统74引导压缩机排气通过冷却空气路径76从而冷却和密封叶片如78处所示。间隙控制系统，用80示意性表示，接收来自普通冷却和密封空气回路74的压缩机排气流82，并用其实现主动间隙控制。为了实现基本负荷运行，用一个热交换器84来将排气冷却到所需的温度。
一旦排气达到内壳72所需的温度，以获得预定量的热传递，那么，温度可控的空气就如86所示那样流过轮机内壳(ITS)，然后如88所示那样流到压缩机排气壳体(CDC)，从而主动地控制燃气轮机叶尖间隙，就像807专利中那样。一旦空气流经轮机内壳和压缩机排气壳体，它就在90处排入燃气轮机的外侧壁槽(OSWC)和/或在92处排入排气。如图所示，本发明的实施例在冷却和密封空气回路74和间隙控制系统80中都设有多个控制阀94，这样能调节压缩机排气的流量，和进入燃气轮机外侧壁槽的空气流量以及进入排气的空气流量。
从本发明考虑的间隙控制系统可以看出，这种新的设计方案省去了复杂的间隙控制零件，减少了对昂贵硬件的需要。另外，图3的系统中所用到的热交换器36可以相对小一些，因此，所提议的系统不会占用发电厂额外的空间。另外，因为图3中的设计方案只用了少量复杂的硬件部件和较少的硬件设备，从而提高了间隙控制系统的可靠性。最后，本发明的间隙控制系统提高了燃气轮机的性能，因为它减少了间隙控制系统在基本负荷时所消耗的辅助动力。
虽然连同目前认为是最具实践性和优选的实施例对本发明进行了说明，但是应当理解本发明并不局限于所公开的实施例，而是，意味着覆盖了在本发明的精神和以下权利要求的范围内的各种改型和等效配置。

Claims (11)

1.一种用于控制燃气轮机和压缩机设备中的叶尖之间的间隙的主动叶尖间隙控制系统(80)，包括：
流动路径(82)，用来引导压缩机排气流流过通道(86，88)，所述通道形成在轮机内壳(ITS)和压缩机排气壳体(CDC)中的至少一个内，以便主动地控制那里的叶尖间隙；和
流动路径，用来引导使用过的控制空气排放(90、92)到燃气轮机外侧壁槽和燃气轮机排气中的至少一个内。
2.如权利要求1所述的主动叶尖间隙控制系统，其特征在于，用来引导所述压缩机排气流的所述流动路径(82)与用来使压缩机排气在所述燃气轮机的冷却和密封回路(74)中流动的流动路径(76)流动连通。
3.如权利要求1所述的主动叶尖间隙控制系统，其特征在于，所述系统还包括用于选择性控制所述压缩机排气流(82)的温度的热交换器(84)。
4.一种用于涡轮的具备涡轮密封空气(74)和主动间隙控制(80)的集成系统，所述涡轮包括：压缩机(70)，其具有压缩机排气壳体(CDC)和转子(12)，所述转子具有支承为形成了轮机级的一部分的轴向间隔排列的叶片(20、22)；保护外壳(34)；围绕着转子的内壳(36、72)，其包括支承为形成所述轮机级的其它部分的喷嘴(28、30、32)和围绕着所述轮机级的相应叶尖的围带(42、44)；以及形成在所述内壳(36、72)中的通道(86)，用于使热介质流动以控制所述内壳的热位移，
所述系统包括：
冷却和密封空气路径(76)，用来将来自压缩机的压缩机排气引导至轮机壳体，用于实现叶片冷却和密封(78)中的至少一个；和
主动间隙控制路径(82)，其与所述冷却和密封空气路径(76)选择性地流动连通，用来引导所述压缩机排气的一部分至少流过所述内壳内的所述通道(86)和所述压缩机排气壳体(CDC)中的至少一个，以便主动控制那里的叶尖间隙，其中所述通道(86)处于与所述轮机的第一级和第二级中的至少一个的轴向位置部分地相对应的第一轴向位置处。
5.如权利要求4所述的集成系统，其特征在于，所述系统还包括热交换器(84)，用于选择性地控制所述压缩机排气(76)的所述一部分(82)的温度到一个目标水平。
6.如权利要求4所述的集成系统，其特征在于，所述系统还包括一个通道(90、92)，用来将流经所述内壳的所述通道(86)和所述压缩机排气壳体(CDC)中至少一个的空气排放到燃气轮机外侧壁槽和燃气轮机排气中的至少一个内。
7.如权利要求4所述的集成系统，其特征在于，所述主动间隙控制路径形成为穿过轮机内壳的通道(86)，并穿过(88)所述压缩机排气壳体，以便主动地控制这两者中的叶尖间隙。
8.如权利要求4所述的集成系统，其特征在于，所述系统还包括多个控制阀(94)，其沿着用于间隙控制空气的所述流动路径(82)以及用于冷却和密封空气的流动路径(76)而布置，以便选择性控制流过各所述路径的流量。
9.一种控制燃气轮机和压缩机装备中的叶尖间隙的方法，包括：
引导压缩机排气流(82)流过(86、88)轮机内壳和压缩机排气壳体中的至少一个，以便主动地控制那里的叶尖间隙，然后引导使用过的控制空气排放(90、92)到燃气轮机外侧壁槽和燃气轮机排气中的至少一个内。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩机排气流(82)来自冷却和密封空气回路(74)中的气流(76)。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩机排气流流经热交换器(84)，以便选择性地控制其温度。
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