CN203822433U - 用于高效燃气涡轮机排气管道流路径的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供用于高效燃气涡轮机排气管道流路径的系统。在实施例中，可以通过初始测量结果来计算排气管道流路径的效率而产生排气管道流路径。初始测量结果可以变化并且分析效率。随后可以将具有变化的测量结果的排气管道流路径的效率与具有初始测量结果的排气管道流路径的效率比较。
Description
技术领域
技术领域总体涉及燃气涡轮机并且更具体地涉及排气管道流路径。
背景技术
发电厂（例如联合循环发电厂）通常结合燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机燃烧燃料以产生热燃烧气体，所产生的热燃烧气体流过涡轮以驱动负荷（例如，发电机）。在高速和高温下，排气离开涡轮并且进入排气扩散器。排气扩散器将离开涡轮最后一级斗叶的流的动能转化成呈增大的静压形式的势能。这是通过引导流穿过横截面积增大的管道而实现的。尽管排气扩散器在发电中具有益处，但是排气扩散器可能构成燃气涡轮机的长度的大约50%。该长度可能消耗发电厂中可以用于其它目的的有价值的空间，例如其它的发电设备。
实用新型内容
本说明书中公开了用于高效排气管道流路径的方法、过程、和系统。在实施例中，一种方法包括确定燃气涡轮机的第一排气管道流路径，该第一排气管道流路径分为多个站；确定多个站中的第一站的第一壳体角度；分析第一排气管道流路径，包括第一排气管道流路径的多个站中的第一站的第一壳体角度；使第一站的第一壳体角度变为第一站的第二壳体角度；分析第一排气管道流路径包括第二壳体角度；确定具有第二壳体角度的第一排气管道流路径比具有第一壳体角度的第一排气管道流路径更有效率；以及产生具有第二壳体角度的第一排气管道流路径。
所述多个站包括至少三个站。
所述方法还包括相对于排气扩散器的中心线来测量所述第一站的所述第一壳体角度。
所述更有效率包括比具有所述第一壳体角度的第一排气管道流路径的可压缩静压恢复系数的值高的具有所述第二壳体角度的第一排气管道流路径的可压缩静压恢复系数的值。所述方法还包括相对于排气管道流路径的扩散器进口涡流角度或长度中的至少一个来测量可压缩静压恢复系数。所述方法还包括将所述第一站的第一长度变为第一站的第二长度。
进一步地，所述第一站的第一长度以大约1英寸的增量变为所述第一站的第二长度。
所述方法还包括制造包括所述第一站的第二壳体角度的第二排气管道流路径，其中所述第二排气管道流路径比具有所述第一壳体角度的第一排气管道流路径更有效率。
在实施例中，一种用于制造排气管道流路径的方法包括以下步骤：计算燃气涡轮机的第一排气管道流路径的参数，第一排气管道流路径分为多个站；分析第一排气管道流路径的效率包括第一排气管道流路径的多个站中的第一站的第一测量结果；将第一站的第一测量结果变为第一站的第二测量结果；分析第一排气管道流路径的效率包括第二测量结果；以及确定具有第二测量结果的第一排气管道流路径比具有第一测量结果的第一排气管道流路径更有效率。
所述多个站包括至少三个站。
所述方法还包括相对于排气扩散器的中心线来测量所述第一站的第一测量结果。
其中，更有效率包括比具有所述第一测量结果的第一排气管道流路径的可压缩静压恢复系数的值高的具有所述第二测量结果的第一排气管道流路径的可压缩静压恢复系数的值。
所述方法还包括相对于排气管道流路径的排气管道进口涡流角度或长度中的至少一个来测量可压缩静压恢复系数。
进一步地，所述第一测量结果或所述第二测量结果包括长度或壳体角度中的至少一个。
所述方法还包括所述第一站的第一长度变为所述第一站的第二长度。
在实施例中，一种系统包括：处理器，该处理器适于执行计算机可读指令；以及存储器，该存储器通信地连接至所述处理器。存储器中存储有计算机可读指令，如果由处理器执行的话，所述计算机可读指令使处理器执行操作，所述操作包括：确定燃气涡轮机的第一排气管道流路径，第一排气管道流路径分为多个站；确定多个站中的第一站的第一壳体角度；分析第一排气管道流路径包括排气管道流路径的多个站中的第一站的第一壳体角度；使第一站的第一壳体角度变为第一站的第二壳体角度；分析第一排气管道流路径包括第二壳体角度；确定具有第二壳体角度的第一排气管道流路径比具有第一壳体角度的第一排气管道流路径更有效率；以及产生具有第二壳体角度的第一排气管道流路径。
附图说明
通过下文结合附图以举例方式给出的描述，可以获得更详细的理解，在附图中：
图1是燃气涡轮机的横截面的示意图；
图2是排气管道的流路径的示意图；
图3是排气管道的流路径的示意图；
图4示出了产生高效燃气涡轮机排气管道流路径的非限制性示例性方法；
图5是具有高效燃气涡轮机排气管道流路径和基线排气管道流路径的参数的Sovran和Klomp图的示意图；
图6示出了产生高效燃气涡轮机排气管道流路径的非限制性示例性方法；以及
图7是代表其中可以结合本说明书中所公开的方法和系统的方面或其一部分的通用计算机系统的示例性方框图。
具体实施方式
传统地，排气管道流路径通过平坦或非常急剧角度的中心体以及非最佳外壁（壳体）被设计成用于全速全负荷-国际标准化组织（FSFL-ISO）性能。随着设备性能关键质量因素（CTQ）扩展到不仅具有FSFL-ISO，而且还具有冷天和部分负荷，排气管道流路径设计可能是具有挑战的。本说明书中所公开的实施例允许不仅可以满足FSFL-ISO，还可以满足其它操作条件的高效排气管道流路径设计。传统地，当期望排气扩散器的性能提高时，排气管道流路径的长度将同时增大。如本说明书中所公开的，可以显著提高性能，同时还减小排气管道的长度。
排气管道流路径设计的优化是增强涡轮部件，并且因此增强燃气涡轮机系统性能的方式。排气管道流路径设计因此可以有助于高效厂性能以及使排气管道流路径的长度最小化或减小。排气管道可以被绘制成多个部段。所述部段可以被递归测试（recursively tested），以为每个部段构造最佳壳体角度和长度。
图1是燃气涡轮机的横截面的示意图。如图1中所示，燃气涡轮机10具有燃烧部段12以及涡轮16。燃烧部段12可以包括燃烧室燃烧罐20的环形阵列。联接涡轮16以旋转地驱动压缩机（未示出）和功率输出驱动轴（未示出）。空气进入燃气涡轮机10并且通过压缩机。来自压缩机的高压空气进入燃烧部段12，在燃烧部段12处，高压空气与燃料混合、并且通过燃烧罐（例如，燃烧罐20）燃烧。高能燃烧气体离开燃烧部段12以为涡轮16提供动力，涡轮16随后驱动压缩机和输出功率轴。燃烧气体离开涡轮16穿过排气管道流路径18，并且可以进入余热蒸汽发生器（HRSG），以从排气提取额外能量。
图2和图3是排气管道流路径的示意图。如图2和3中所示，排气管道流路径可以被分为多个部段（例如，四个站（station）），其中每一个站都可以具有用于排气管道流路径壳体（外半径）的角度。例如，排气管道流路径200可以是基线流路径。本说明书中更详细地讨论的，排气管道流路径300可以被认为是基线排气管道流路径200的更有效率的版本。如本说明书中所描述的，站角度相对于排气扩散器的中心线。
图4是用于设计和产生高效燃气涡轮机排气管道流路径的示例性方法400。方法400可以完全或部分地通过包括服务器或者能够执行计算功能的任何其它装置的计算设备来执行。在实施例中，在步骤401处，可以选择基线排气管道流路径几何形状。排气管道流路径几何形状可以分为多个站（部段）。在步骤405处，可以使用图（例如图5中所示的Sovran和Klomp图（SK图））来比较基线与用于优化排气管道流路径几何形状（例如，图3）的选定的一组的点（站）。基线站测量结果可以是预先存在的排气管道流路径设计。排气管道流路径200是可以用于方法400中的基线排气管道流路径的例子。所述站中的每一个站可以首先被绘制在SK图上以用于设计的相对比较。参照图5，x轴505是L/ΔR，其中L是排气管道的长度并且ΔR是排气管道的进口处的外半径减去内半径。y轴510是面积比减1。面积比是出口面积减进口面积。如果排气管道流路径的每一个站的长度和排气管道流路径的每一个站的面积比是已知的，那么就可以形成排气管道流路径几何形状。
在步骤410处，可以基于SK图产生第一排气管道流路径。在步骤415处，可具有多个站（例如，四个站）的第一排气管道流路径的长度或角度可以迭代变化。该改变可以发生在每一个站处。在每个角度或长度变化之后，可以通过与基线排气管道流路径比较来测试排气管道流路径的性能。计算流体动力学（CFD）可以用于分析排气管道流路径。
例如，相对于使用CFD，在特定的角度下，使用所获得的每一个流路径的可压缩静压恢复系数（Cp）来测试高效排气管道流路径并且与基线排气管道流路径比较。性能等式或Cp等于（出口静压-进口静压）/（进口总压力-进口静压）。所述出口例如可以被限定在一英尺间隔处并且与基线相比较。Cp的测量结果和比较可以使用不同的角度在特定长度下、或者使用不同长度在特定角度下迭代（iteratively）完成。角度或长度可以基于测试结果发生变化。能够在硬件或软件计算机仿真中执行测试。每一个一英寸位置处的Cp测量结果都可以有助于确定每一站中的变化参数（如果存在任何参数的话）。角度变化使排气管道流路径内的流发生变化，并且角度可以发生变化以围绕排气管道流路径中的阻塞（例如，支柱）更好地引导流。所述角度和长度的变化最终可以使排气管道流路径的性能提高。在步骤420处，可以物理地或数字地产生高效流路径。
可以采用总体方法来设计和产生如本说明书中所讨论的高效燃气涡轮机排气管道流路径。再次参照图3，在实施例中，例如，排气流路径200、S1和S2可以被重新设计，以用于使通过早期扩散的损失减少，而S3和S4可以被重新设计以使性能最大化和长度减小。在实施例中，排气管道流路径可以通过S1的角度可高度攻击性（highly aggressive）的方式设计，以减少支柱阻塞之前的马赫数。所述高度攻击性角度（highly aggressive angle）可以被认为是管道外壁角度比传统壁角度大大约10度的设计。如果在不具有正确工程评价的情况下完成的话，使用高度攻击角度可能造成流与壁分离，从而随后可能使扩散器性能大大下降。S2角度可以被设计成攻击较小，以改进部分负荷性能。较小的攻击角度可以被认为小于外壁角度10度。S3可以被设计成在各个操作条件下具有稳健的扩散器性能。稳健的扩散器性能可以是即使上游或下游部件行为存在容许限度内的变化仍然保持其性能的扩散器。S3处的角度也可以是高度攻击性的。S4可以被设计成具有高效和平滑的过渡到HRSG，从而可以包括较小的攻击性角度。从排气扩散器离开到达HRSG的流应当非常均匀并且处于有限的速度范围内，以用于HRSG的寿命和效率（例如，高效和平滑的过渡）。
图3是与基线排气管道流路径200相比更有效率的排气管道流路径300的例子。如本说明书中所公开的每一个站的定制角度和相应长度的总体效果可以允许更有效率并且较短的排气管道流路径。在实施例中，站1（S1）320可以具有相比排气扩散器的中心线大10度（greater than10degrees）的壳体（外壁）角度306。S2322可以具有相比排气扩散器的中心线小10度（less than10degrees）的壳体角度。S3324可以具有相比排气扩散器的中心线大10度的壳体角度。S4326可以具有相比排气扩散器的中心线小10度（less than10degrees）的壳体角度。
在更有效率的排气管道流路径300的实施例中，S3还可以具有底部角度310，该底部角度310可以小于10度。S3的底部段可以与旋涡带315相连接，旋涡带315也可以使扩散器的性能提高。随着流通过中心体上方并且进入扩散器排放部（dump），可能存在来自向后面向的中心体台阶的中心体尾迹（center-body wake）。所述尾迹可能攀爬中心体壁，并且膨胀以使流提升。旋涡带的独特形状可以使所述流停止攀爬璧、或者停止使壁膨胀。旋涡带还可以使旋涡尺寸最小化并且使主流夹带（entrain）朝向毂，由此使毂流场更强以用于更稳健的扩散器性能。本说明书中所描述的旋涡带与其它设计元件的组合可以显著地改进排气管道流路径的效率。
图6是设计或产生高效燃气涡轮机排气管道路径的另一个示例性方法。在步骤601处，可以计算燃气涡轮机的第一排气管道流路径（例如，基线流路径）的参数，其中第一排气管道流路径可以分为多个站。在步骤605处，可以确定具有初始测量结果的第一排气管道流路径的效率。在步骤610处，第一站的初始测量结果可以发生变化，并且可以确定具有变化的测量结果的第一排气管道流路径的效率。在步骤615处，确定第二测量结果的效率是否小于阈值效率。如果不小于阈值效率，则继续步骤605和610。如果处于阈值内，则在620处准备制造排气管道流路径。仿真可以包括来自所实施的物理排气管道流路径以及相关联的涡轮设备的测量结果。制造物理排气管道流路径过程中的参数可以包括排气管道流路径的大体尺寸、站的位置、以及排气管道流路径可以连接至其它的涡轮设备的位置。所述参数可以包括多维度的图形视图以及如果制造的话物理排气管道流路径看上去的样子的视点。测量结果可以包括排气管道流路径的部段或其它相关部分的角度（例如，壳体角度）或长度。
如本说明书中所讨论的，所述设计方法和系统可以产生更有效率的管道流路径，该管道流路径包括与基线流路径相比更短的管道长度。当比较排气管道流路径200和300时，效率和设计增益的例子是明显的。可以通过与基线相比更短的长度在一定范围的热和冷的操作条件内产生更有效率的性能。例如旋涡带的元件的组合以及每一个站的构成（即，长度和角度）可以有助于效率增益。在高效流路径的实施例中，存在与基线管道流路径相比在操作条件下具有更高性能的FSFL-ISO处存在大约3.5MW的功率增益。
在实施例中，更有效率的排气管道流路径比基线排气管道流路径短大约10%。已经测试了高效排气扩散器和基线排气扩散器（例如，现有技术）的排气扩散器性能实现（roll-up）、以及高效排气管道流路径。如本说明书中所描述的，所述高效排气管道流路径在整个范围的排气管道涡流角度（例如，不同的性能负荷）下都具有比基线排气管道流路径更好的性能。例如，在-20度的排气管道进口涡流角度下，基线排气管道流路径的整体可压缩静压恢复系数（Cp）为大约0.5，而在大约0.8的可压缩静压恢复系数（Cp）下高效排气管道流路径明显更好。
不以任何方式对本说明书中所出现的权利要求的范围、理解、或应用构成限制，本说明书中所公开的示例性实施例中的一个或多个实施例的技术效果是对排气管道流路径的设计提供调节以提高效率。本说明书中所公开的实施例中的一个或多个实施例的另一个技术效果是高效排气管道流路径设计的长度可以比基线管道流路径短大约10%，从而可以是机械制造成本有效的，同时提高各个操作条件下的性能，如本说明书中所讨论的。在实施例中，相对于基线，观察到FSFL-ISO处3.5MW的功率增益。通过高效排气管道流路径，涡轮出口处的静压下降随后可能导致涡轮出口总体压力的下降，从而可能允许涡轮更多地膨胀并且由此对于相同燃料喷射增加总体燃气涡轮机功率输出。
如本说明书中所提到的排气管道流路径可以是涡轮机系统中的排气管道流路径的物理表现形式（例如，金属）或计算机产生的表示形式。可以使用具有测试设备、排气管道流路径的计算机规范和相应的计算机分析等的物理排气管道流路径来完成对排气管道流路径的测试。可以在特定的排气管道流路径设计上完成测试，例如被制造成用于一个或多个发电机模型、并且实施成物理排气管道流路径的物理形式或数字表示形式的排气管道。例如，可以使用来自实施排气管道流路径的测量结果来完成对排气管道流路径的仿真。
图7以及下文的讨论旨在提供对其中可以实施本说明书中所公开的方法和系统以及/或者其一部分的合适的计算环境的简要的大体描述。尽管不需要，但是本说明书中所公开的方法和系统是在可由计算机（例如客户工作站、服务器或个人计算机）执行的计算机可执行指令（例如程序模块）的大体背景下描述的。总体而言，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的常规程序、程序、对象、部件、数据结构等。此外，应当领会，本说明书中所公开的方法和系统以及/或者其一部分可以通过其它的计算机系统构造来实施，其中包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子设备、网络PC、微型计算机、大型计算机等。本说明书中所公开的方法和系统还可以在分布式计算环境中实施，其中通过由通信网络联结的远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境下，程序模块可以定位在当地和远程存储装置中。
图7是代表通用计算机的方框图，其中可以结合本说明书中所公开的方法和系统的方面以及/或者其一部分。如图所示，示例性通用计算系统包括计算机720等，其中包括处理单元721、系统存储器722、和系统总线723，系统总线723将包括系统存储器在内的各个系统部件连接至处理单元721。系统总线723可以是若干类型的总线结构中的任何类型，其中包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、和使用多个总线结构中的任何总线结构的局部总线。系统存储器包括只读存储器（ROM）724和随机存取存储器（RAM）725。包含有助于在计算机720内的元件之间传输信息的基本常规程序的基础输入/输出系统726（BIOS）例如在启动期间存储在ROM724中。
计算机720还可以包括用于从硬盘（未示出）读取和写入硬盘的硬盘驱动器727、用于从移动磁盘729读取或写入移动磁盘729的磁盘驱动器728、以及用于从移动光盘731（例如CD-ROM或其它的光学介质）读取或写入移动光盘731的光盘驱动器730。硬盘驱动器727、磁盘驱动器728、和光盘驱动器730分别通过硬盘驱动器接口732、磁盘驱动器接口733、和光学驱动器接口734连接至系统总线723。驱动器及其相关联的计算机可读介质提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和用于计算机720的其它数据的非易失性存储。
尽管本说明书中所描述的示例性环境采用硬盘、移动磁盘729、和移动光盘731，但是应当领会，能够存储由计算机存取的数据的其它类型的计算机可读介质也可以用于示例性操作环境下。这种其它类型的介质包括但不限于磁带盒、闪速存储器卡、数字视频或通用盘、Bernoulli盒、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
多个程序模块可以存储在硬盘、磁盘729、光盘731、ROM724或RAM725中，其中包括操作系统735、一个或多个应用程序736、其它的程序模块737以及程序数据738。用户可以通过输入装置（例如键盘740和定点装置742）将命令和信息键入计算机720中。其它的输入装置（未示出）可以包括麦克风、操纵杆、游戏手柄、盘形卫星接收器、扫描器等。这些和其它的输入装置通常通过串行端口接口746连接至处理单元721，该串行端口接口746连接至系统总线，但是也可以通过其它的接口（例如平行端口、游戏端口、或者通用串行总线（USB））连接。监测器747或者其它类型的显示装置也通过接口连接至系统总线723，例如视频适配器748。除了监测器747，计算机可以包括其它的外围输出装置（未示出），例如扬声器和打印机。图7的示例性系统还包括主机适配器755、小型计算机系统接口（SCSI）总线756、以及连接至SCSI总线756的外部存储装置762。
计算机720可以使用与一个或多个远程计算机（例如远程计算机749）的逻辑连接在连网环境下操作。远程计算机749可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等装置（peer device）或者其它的常见网络节点，并且可以包括上文参照计算机720所描述的多个或所有的元件，但是图7中仅示出了存储装置750。图7中所示的逻辑连接包括局域网（LAN）751以及广域网（WAN）752。这种连网环境在办公室、企业范围计算机网络、内联网、和互联网中是普遍的。
当用于LAN连网环境中时，计算机720通过网络接口或适配器753连接至LAN751。当用于WAN连网环境中时，计算机720可以包括调制解调器754或者用于在广域网752（例如互联网）中建立通信的其它装置。可以位于内部或外部的调制解调器754通过串行端口接口746连接至系统总线723。在连网环境中，相对于计算机720或其一部分示出的程序模块可以存储在远程存储装置中。应当领会，所示的网络连接是示例性的并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其它装置。
计算机720可以包括多种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质能够是能由计算机720存取的任何可获得的介质并且包括易失性和非易失性介质、移动和不移动介质。通过举例的方式并且非限制性地，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储信息（例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或者其它数据）的任何方法或技术实施的易失性和非易失性、移动和不移动介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器或者其它的存储技术、CD-ROM、数字通用光盘（DVD）或者其它的光盘存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或者其它的磁性存储装置、或者能够用于存储需要的信息并且能够由计算机720存取的任何其它的介质。上述中的任何计算机存储介质的组合也应当包括在可以用于存储用于实施本说明书中所描述的方法和系统的源代码的计算机可读介质的范围内。本说明书中所公开的特征或元件的任何组合都可以用于一个或多个实施例中。
在描述本实用新型的主题的优选实施例的过程中，如附图中所示，采用特定术语用于清楚的目的。然而，不期望所要求保护的主题限于所选择的特定术语，并且不应当被理解成每一个特定元件都包括以类似方式进行操作以实现类似的目的的所有的技术等同形式。
本说明书使用例子对本实用新型进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本实用新型（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本实用新型的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。
Claims (4)
1.一种系统，所述系统包括：
燃气涡轮机；
连接到所述燃气涡轮机的排气管道，其用于来自所述燃气涡轮机的排气从中排出，其中所述排气管道界定第一排气管道流路径
处理器，所述处理器通信地连接至所述燃气涡轮机和所述排气管道、并适于执行计算机可读指令；以及
存储器，所述存储器通信地连接至所述处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，如果所述计算机可读指令由所述处理器执行，所述计算机可读指令使所述处理器执行包括如下的操作：
确定所述燃气涡轮机的所述第一排气管道流路径，所述第一排气管道流路径分为多个站；
确定所述多个站中的第一站的第一壳体角度；
使用所述第一站的第一壳体角度来分析所述第一排气管道流路径；
使所述第一站的第一壳体角度变为所述第一站的第二壳体角度；
使用所述第二壳体角度来分析所述第一排气管道流路径；
确定具有所述第二壳体角度的所述第一排气管道流路径比具有所述第一壳体角度的第一排气管道流路径更有效率；以及
产生具有所述第二壳体角度的第一排气管道流路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所产生的具有所述第二壳体角度的第一排气管道流路径的参数一致地制造的物理排气管道流路径。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，相对于排气扩散器的中心线来测量所述第一站的第一壳体角度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一排气管道流路径是数字表现形式。
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