專利名稱：用于冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通常包括用于壓縮外界氣體的壓縮機(jī)，該外界氣體用于與燃料混 合并在燃燒器中被點燃以產(chǎn)生燃燒氣體。渦輪機(jī)接收熱的燃燒氣體，并從其中吸取能量以 向壓縮機(jī)提供動力和產(chǎn)生輸出動力，例如，向發(fā)電機(jī)提供動力。渦輪機(jī)通常包括一級或多級 定子噴嘴或靜葉(vane)、轉(zhuǎn)子葉片(rotor blade)以及圍繞渦輪葉片(turbine blade)以 與其保持適當(dāng)間隙(clearance)的環(huán)形罩。由于渦輪機(jī)入口溫度已經(jīng)升高以改進(jìn)燃?xì)鉁u輪 發(fā)動機(jī)的效率，因而有必要向渦輪機(jī)靜葉(turbinevanes)、葉片(blades)以及罩提供諸如 氣體的冷卻流體以將這些構(gòu)件的溫度保持在其材料能夠承受的水平，從而確保構(gòu)件的令人 滿意的使用壽命。冷卻是典型地通過從壓縮機(jī)吸取被壓縮機(jī)壓縮的氣體的一部分并將其引 導(dǎo)至渦輪機(jī)的構(gòu)件以冷卻它們而完成的。任何在壓縮機(jī)中被壓縮卻沒有被用于產(chǎn)生燃燒氣 體的氣體必然降低發(fā)動機(jī)的效率。因此，期望減小從壓縮機(jī)流出的冷卻氣體的量。
渦輪設(shè)備(turbo-machinery)的性能和可靠性受到旋轉(zhuǎn)硬件和靜止硬件之 間的間隙的影響。更緊密的間隙產(chǎn)生更高的效率，但也增加了來自摩擦的損壞的可能 性。在工作期間，燃?xì)鉁u輪機(jī)的外殼比典型的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子冷卻地更快。在熱重 啟的期間，外殼和轉(zhuǎn)子之間的熱失配可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子比定子具有更大的熱增長的初始分 量(initialcomponent)，隨后，由于單元的速度增加，轉(zhuǎn)子承受機(jī)械增長(mechanical growth)的附加分量。這導(dǎo)致短暫的間隙夾點(clearanc印inch point)。隨著時間推移 和定子升溫，外殼逐漸疏遠(yuǎn)轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致更開放的全速全負(fù)荷(FSFL)間隙。單元的構(gòu)造間隙 (build clearance)必須以在短暫夾點期間避免摩擦并在FSFL時依然緊密的方式設(shè)定。將 最小間隙和FSFL間隙之間的差別定義為"授權(quán)(entitlement)"。該授權(quán)由轉(zhuǎn)子和外殼之 間的熱失配決定。 致力于該問題的以前的嘗試包括主動的間隙控制系統(tǒng)。例如，渦輪機(jī)內(nèi)殼可以在 啟動期間與介質(zhì)(例如空氣、K、蒸汽) 一起被加熱以使定子逐漸疏遠(yuǎn)轉(zhuǎn)子，或者在FSFL 被冷卻以使殼更靠近轉(zhuǎn)子。作為另一個示例，在該單元已達(dá)到FSFL后，可以使用液壓缸 (hydraulic ram)移動轉(zhuǎn)子沿軸向進(jìn)入位置。渦輪機(jī)中的動葉尖端(bucket tip)和外殼罩 (casing shroud)的角度大于相關(guān)角度，并且，壓縮機(jī)和該角度失配能夠在短暫夾點期間消 除動葉尖端和外殼罩之間的摩擦。 在短暫夾點期間避免摩擦的現(xiàn)有的嘗試要求動葉和外殼之間的相對較大的間隙， 和/或連續(xù)地運轉(zhuǎn)以在處于FSFL的燃?xì)鉁u輪機(jī)工作的期間獲得間隙的昂貴系統(tǒng)的使用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例，用于渦輪機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)，配置成產(chǎn)生穿過渦輪機(jī)的 轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；管道，配置成傳送冷卻氣流至渦輪機(jī)；以及至少一個閥，配置成控制冷卻氣流。管道可操作地連接到渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上。 冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法包括冷卻渦輪機(jī)的方法，該方法包括用鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生穿過 渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；以及傳送冷卻氣流至渦輪機(jī)。


圖1示意性地描繪了包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的裝 置的渦輪機(jī)。
具體實施例方式
參考圖1，燃?xì)鉁u輪機(jī)2包括壓縮機(jī)部分4和燃燒器6。壓縮機(jī)可以是軸向壓縮 機(jī)，其具有被布置成多級以依次地壓縮氣體的定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片的交替的行，并且，各個 隨后的下游級將壓力增加得越來越高直至氣體以最大壓強(qiáng)從壓縮機(jī)出口排出。燃燒器6從 壓縮機(jī)部4接收被壓縮的出口氣體。還提供有常規(guī)的燃料供給管和噴射器(未顯示)以將 合適的燃料與被壓縮的出口氣體混合，從而經(jīng)過燃燒器6中的燃燒而產(chǎn)生熱的燃燒氣體。
渦輪部分8位于燃燒器6的下游，并且熱的燃燒氣體的能量被渦輪部分8轉(zhuǎn)化為 功。熱的氣體膨脹，并且在渦輪部分8的噴嘴部分中一部分熱能被轉(zhuǎn)化為動能。噴嘴部分 包括多個定子葉片或噴嘴28、30、32。例如，第一級噴嘴包括定子葉片28，第二級噴嘴包括 定子葉片30，第三級噴嘴包括定子葉片32。 渦輪部分8還包括動葉(bucket)部分。在動葉部分中，一部分動能被傳遞至分別 連接到轉(zhuǎn)子輪34、36、38上的動葉40、42、44，然后被轉(zhuǎn)化為功。輪34和動葉40形成第一 級，輪36和動葉42形成第二級，輪38和動葉44形成第三級。在各對轉(zhuǎn)子輪之間可以提供 隔離件(spacer) 50、52。 在渦輪機(jī)2的停機(jī)期間，提供鼓風(fēng)機(jī)12以冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子。鼓風(fēng)機(jī)12通 過第1級管道14和第2級管道18而連接到后盤(aftdisk)的后軸(aft shaft) 26的內(nèi)徑 上，第1級管道14配置成在第一級和第二級之間傳送氣體的流動，第2級管道18配置成在 第二級和第三級之間傳送氣體的流動。在第1級管道14中可以提供包括鼓風(fēng)機(jī)止回閥15 和管道止回閥17的第一組止回閥。在第2級管道18中可以提供包括鼓風(fēng)機(jī)止回閥21和 管道止回閥19的第二組止回閥。在第1級管道和第2級管道中可以分別提供混合三通管 16、20。備選地，可以用真空裝置替代鼓風(fēng)機(jī)12，以將氣體吸出渦輪機(jī)2。
鼓風(fēng)機(jī)12通過諸如動葉供給系統(tǒng)的外部供給孔(externally fedbore) (EFB)回 路10而連接到燃?xì)鉁u輪機(jī)2上。對于現(xiàn)有的燃?xì)鉁u輪機(jī)而言，通過在后軸26之下改裝孔 插頭(bore plug)，可以將鼓風(fēng)機(jī)改裝到燃?xì)鉁u輪機(jī)2上。鼓風(fēng)機(jī)管道14、 18可以連接到后 軸26的內(nèi)徑上并結(jié)合回止閥15、17、19、21 —起使用。在正常工作期間，即非停機(jī)條件下， 鼓風(fēng)機(jī)12停止，鼓風(fēng)機(jī)止回閥15、21關(guān)閉且管道止回閥17、 19打開。 在燃?xì)鉁u輪機(jī)2的可能包括跳閘之間或清洗時等的停機(jī)的以任何速度工作的期 間，操作鼓風(fēng)機(jī)12以冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子，設(shè)定鼓風(fēng)機(jī)12的大小和時間，使得轉(zhuǎn)子的冷 卻速率等于或快于燃?xì)鉁u輪機(jī)2的外殼的冷卻速率。這允許燃?xì)鉁u輪機(jī)2在任何時刻重啟 并使轉(zhuǎn)子溫度等于或低于定子溫度。鼓風(fēng)機(jī)12的工作可以由控制器48控制?？刂破?8 可以是經(jīng)過專門編程的通用計算機(jī)，或者是微處理器。控制器48也可以是ASIC。控制器48可以基于被發(fā)送到控制器48的來自諸如轉(zhuǎn)子和外殼的渦輪部分中的溫度傳感器的信號 而控制鼓風(fēng)機(jī)12的工作。鼓風(fēng)機(jī)12可以被用來在FSFL工作的期間冷卻其它設(shè)備硬件，例 如排氣框架/外殼。 當(dāng)通過鼓風(fēng)機(jī)12產(chǎn)生預(yù)定的氣態(tài)流時，第一鼓風(fēng)機(jī)止回閥15和第二鼓風(fēng)機(jī)止回 閥21配置成打開。同時，第一管道止回閥17和第二管道止回閥19配置成關(guān)閉，使得所有 的鼓風(fēng)機(jī)的流被引導(dǎo)至渦輪部分8。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，第一止回閥組15、17和第二止回閥組19、 21可以配置成在相同或不同的氣態(tài)流打開。例如，第一止回閥組15、17可以配置成在第一 氣態(tài)流打開，第二止回閥組19、21可以配置成在比第一氣態(tài)流高的第二氣態(tài)流打開。應(yīng)當(dāng) 認(rèn)識到，可以使用除止回閥以外的其它閥。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，控制器48可以配置成控制閥的 工作。 如圖1所示，第1級的冷卻流22用實線表示，第2級的冷卻流24用虛線表示，渦 輪清洗54的流用點線表示。 相對于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的主動間隙控制選項，EFB回路10和鼓風(fēng)機(jī)12的使用以更 低的成本在機(jī)械增長和超出圓度允許時向燃?xì)鉁u輪機(jī)2提供充足的間隙。設(shè)有EFB回路10 和鼓風(fēng)機(jī)12的燃?xì)鉁u輪機(jī)2能夠以更緊密的間隙運行，且不需要連續(xù)地運行以獲得所需要 的間隙的昂貴系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子比外殼熱時，鼓風(fēng)機(jī)12運行在非FSFL條件下。這可以被用來 實行其它的設(shè)備功能，例如FSFL期間的排氣框架的冷卻。 可以實行熱傳遞分析，該分析模擬鼓風(fēng)機(jī)在停機(jī)期間冷卻渦輪部分8的轉(zhuǎn)子，以 確定需要多少氣流來匹配定子時間常數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的冷卻速率與燃?xì)鉁u輪機(jī)2的外殼的 冷卻速率匹配。因而，通過使停機(jī)時間常數(shù)與轉(zhuǎn)子的增大相匹配來控制間隙。與使用在啟 動或FSFL的期間對移動定子進(jìn)行處理的間隙控制系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不同，設(shè)有鼓風(fēng)機(jī) 12和EFB回路10的燃?xì)鉁u輪機(jī)2具有以下優(yōu)點它在非設(shè)計點(non-design points)的 期間作用于轉(zhuǎn)子，因此在產(chǎn)品成本方面相對不貴，且不代表FSFL期間的燃?xì)鉁u輪機(jī)2的性 能上的流失。 雖然上述實施例以燃?xì)鉁u輪機(jī)為上下文，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，上述冷卻裝置和方法也 可應(yīng)用于蒸汽渦輪機(jī)。 雖然結(jié)合目前被認(rèn)為是最實用和優(yōu)選的實施例來描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本 發(fā)明不限于所公開的實施例，相反，旨在覆蓋被包括在所附的權(quán)利要求的要旨和范圍內(nèi)的 各種修改和等同布置。
權(quán)利要求
一種用于渦輪機(jī)(2)的冷卻系統(tǒng)，包括鼓風(fēng)機(jī)(12)，配置成產(chǎn)生穿過所述渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22，24)；管道(14，18)，配置成傳送所述冷卻氣流(22，24)至所述渦輪機(jī)(2)；以及至少一個閥(15，17；21，19)，配置成控制所述冷卻氣流(22，24)；其中，管道(14，18)可操作地連接到所述渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(34，36，38)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，在所述渦輪機(jī)(2)的全速全負(fù)載工 作的期間，所述至少一個閥(15,21)配置成關(guān)閉，在所述渦輪機(jī)(2)的非基本負(fù)載工作的期 間，所述至少一個閥(15,21)配置成打開。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制器(48)，該控制器配 置成控制所述鼓風(fēng)機(jī)(12)的工作以提供氣體流，從而與無所述鼓風(fēng)機(jī)時的工作相比加快 所述轉(zhuǎn)子的冷卻速率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(48)配置成控制所述至 少一個閥(15， 17， 21， 19)的工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)連接到外 部冷卻傳送回路(10)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，將所述鼓風(fēng)機(jī)(12)操 作為真空裝置，以從所述渦輪機(jī)(2)內(nèi)抽出冷卻氣體。
7. —種渦輪機(jī)，包括權(quán)利要求1 6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)。
8. —種冷卻渦輪機(jī)(2)的方法，包括用鼓風(fēng)機(jī)(12)產(chǎn)生穿過所述渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22,24);以及 傳送所述冷卻氣流(22,24)至所述渦輪機(jī)(2)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生所述冷卻氣流(22,24)包括在所述渦 輪機(jī)的外殼之外產(chǎn)生所述冷卻氣流(22，24)，傳送所述冷卻氣流(22,24)包括傳送所述冷 卻氣流(22,24)穿過連接到所述渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(34， 36， 38)上的管道(14，18)，其中，所 述冷卻氣流的傳送由至少一個閥控制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述渦輪機(jī)的非基本負(fù)載工作 的期間產(chǎn)生所述冷卻氣流，從而與無鼓風(fēng)機(jī)時的工作相比加快所述渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的冷卻速 率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機(jī)(2)的冷卻系統(tǒng)，包括鼓風(fēng)機(jī)(12)，配置成產(chǎn)生穿過渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流(22，24)；管道(14，18)，配置成傳送冷卻氣流(22，24)至渦輪機(jī)(2)；以及至少一個閥(15，17；21，19)，配置成控制冷卻氣流(22，24)。管道(14，18)可操作地連接到渦輪機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(34，36，38)上。冷卻渦輪機(jī)的方法，包括用鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生穿過渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子空腔的冷卻氣流；以及傳送冷卻氣流至渦輪機(jī)。
文檔編號F02C7/18GK101709673SQ20091017593
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者E·勞什, G·弗里, I·D·威爾遜, J·R·赫斯, M·W·弗拉納根 申請人:通用電氣公司