[发明专利]用于涡轮冷却的装置及相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于涡轮冷却的装置及相关方法。

背景技术

燃气涡轮机(“GT”)通常使用从主GT压缩机的一个或多个级/端口排放的空气来提供对在GT内的高温气体通路中的构件的冷却和/或密封。空气从压缩机中抽取，并且从外部输送到涡轮段中需要冷却的位置。在压缩机中受到压缩且未用于产生燃烧气体的任何空气都会降低发动机的效率。因此，希望减少从压缩机中排放的冷却空气的量。

这种空气的压力必须充分地高于GT内的热燃烧气体的压力(背压裕度)，以防止将高温气体意外地吸收到冷却系统中。涡轮构件所需的压力决定了空气从压缩机抽取的级。为了保证足够的输送压力，希望选择具有较高压力的抽取级/端口。为消除失速和浪涌的抽取端口的位置为沿着压缩机级限制可用抽取点的另一个参数。然而，从最早可能的压缩机级抽取空气，将通过减少在抽取空气中损失的做功量而提高压缩机的效率。因此，希望使用压缩机最低的可能的级来抽取以得到用于涡轮构件的具有足够背压裕度的冷却流。

压缩机具有位于不同级处的抽取端口，用以抽取具有适当压力的空气来用于涵盖整个燃气涡轮机运行状况的涡轮冷却。然而，为了满足设计要求(例如，最小流量、背压裕度、源库压力比)而在最坏的运行状况下(即工作负载、环境温度)对系统分级会导致在其它运行状况下过多的压缩机放气。这就导致有效功率输出和效率的损失。

图1示出了在涡轮机中的常规冷却系统的工作原理。压缩机10具有用以吸取环境空气的入口16。压缩机空气可从压缩机的各个位置处抽取，并且供给到涡轮14中需要冷却的各个位置上。抽取位置选择成用以供给处于所需压力下的空气。剩余的压缩机空气18供给到燃烧器12中，在此处压缩机空气18与燃料20相混合。然后，热燃烧气体通过气流22而供给到涡轮构件14中。单个的轴34驱动发电机32。流动气流26，28和30表示从压缩机中所抽取的输送到涡轮机的涡轮段的冷却空气，以用于冷却热的气体通路构件。气流26和气流28分别供给低压冷却剂和中压冷却剂，并且它们可通过外部管路而输送到需要冷却的部件上。气流30供给高压冷却剂，并且是从较高的级单元(例如，级15或级16或压缩机排气)中抽取的，以便满足背压裕度和质量流需求。气流30通常在涡轮机内部输送，例如经由压缩机-涡轮转子的孔。

中压空气和/或低压空气穿过常规的孔口如涡轮级喷嘴，该孔口在中压空气和/或低压空气进入涡轮14之前调节用于冷却而输送的质量流并降低过大的压力。然而，静态孔口不会针对环境温度下的日常变化而作出调整。由于环境温度的变化引起空气压力的变化，故这种设计就会导致冷却流的过度抽取以及随之而来的性能损失。

通常，流量调节阀作为上述系统的改进而引入到中压空气和/或低压空气的通路中，以帮助调节随着环境日常变化的冷却质量流率。然而，这并不会消除节流需求。

如美国专利6,550,253所述，一种更进一步的改进涉及在中间流路中使用喷射器。在这种改进的系统中，较低级的流(例如，第9级的抽取空气)用作吸入流，而中间级的抽取空气(例如，出自第13级)用作原动流。这就会节省昂贵的中间级冷却空气和相关的压缩功。喷射器的性能对于上游的吸入压力和排出压力变化相当敏感。为此，环境日常变化极大地影响该性能。

Priestley(美国专利6,389,793)公开了一种备选的冷却方法，其中，吸入环境空气的外部压缩机安装成与主GT压缩机平行。这样就提高了用于燃烧的空气的利用率，且因此增加了GT功率输出。图2示出了这种备选方法的实例。为方便起见，与在图1中所使用的相似的参考标号用于对应的构件，但加上了前缀“1”。相应的低压冷却空气流126、中压冷却空气流128和高压冷却空气流130由受电动机138驱动的单独的外部压缩机136产生。然而，该方法要求外部压缩机供给高压力比，且因而必须进行相应地设计。此外，所涉及的容积流率较高，因此增加了外部压缩机的尺寸、重量，并由此增加了成本。

Kozak(美国专利4,901,520)公开了一种用于GT发动机的冷却系统，其中，空气从最后的压缩机中排放，并且随后又由次级压缩机加压，以在其输送到发动机的涡轮段之前增大压力。然而，在上述冷却系统中，次级压缩机位于燃气涡轮机内部，作为第一级的主压缩机的扩充。除抽取压力较高外，空气在次级压缩机之后的最终温度仍然较高。因此，在冷却流要求和相关的不可增压空气方面的益处不会有任何降低。

发明内容