[发明专利]对用于涡轮机的斗叶冷却供给的主动控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于对涡轮机进行冷却的设备和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机按照惯例包括压缩机，用于对将与燃料混合并且在燃烧器中点燃以产生热燃烧气体的环境空气进行压缩。涡轮机从燃烧器接收热燃烧气体并且从所接收的热燃烧气体提取能量，以用于为压缩机提供动力并且产生输出功率（例如以用于为发电机提供动力）。涡轮机按照惯例包括一级或多级定子喷嘴或叶片、斗叶或涡轮轮叶、以及围绕涡轮轮叶以用于与其保持适当间隙的环形护罩。当涡轮机进口温度已升高从而改进燃气涡轮发动机的效率时，向涡轮叶片、斗叶和护罩提供冷却流体（例如空气）以将那些部件的温度保持在其材料能够承受的水平变得必需，从而保证部件的令人满意的使用寿命。对涡轮机的冷却通常通过从压缩机提取由压缩机所压缩的空气的一部分，以及将该部分压缩空气引导至涡轮机的内部（其中包括涡轮叶片、斗叶和护罩）以对其进行冷却来实现。在压缩机中被压缩并且未用于产生燃烧气体的任何空气都必然降低涡轮机的效率。因此，使从压缩机泄出的冷却空气的量最小化是有利的。

涡轮机通常被设计成在全负荷下进行操作。然而，随着生成能量的备选方法（例如风力涡轮机）变得更受欢迎，燃气涡轮机能够在部分负荷条件下高效地进行操作变得重要，以产生补充生成能量的备选方法所需的足够的功率。此外，当生成能量的备选方法不可用时，涡轮机必须是可用于产生功率从而弥补生成能量的损失的备选方法。类似地，当条件是非于涡轮机设计时（例如，热天），涡轮机可能不能在全负荷下进行操作。在这些天，在部分负荷条件下操作涡轮机变得必需，以将涡轮机操作保持在其设计操作参数内。

总体而言，涡轮机中的冷却回路对于全负荷操作而言是最佳的。因此，在部分负荷操作中，冷却回路所提供的冷却通常比所需的多。

发明内容

总体而言，本发明提供一种用于涡轮转子的冷却气体流控制装置。该冷却气体流控制装置具有：内部冷却气体路径，内部冷却气体路径定位在压缩机部段的出口与用于涡轮部段的涡轮内腔的进口之间；以及可调节气体流量阀，可调节气体流量阀定位在压缩机的出口与用于转子腔的进口之间，位于冷却气体路径中，其中可调节气体流量阀基于离开涡轮机的压缩机的压缩气体的物理参数来调节通过冷却气体路径的气体流。

所述可调节气体流量阀包括形状记忆材料，所述形状记忆材料包括形状记忆合金。所述形状记忆材料包括贯穿所述形状记忆材料的通道，并且所述通道适于从所述压缩机部段接收气体。所述可调节空气流量阀还可包括安装件、具有第一端部和第二端部的形状记忆材料、以及限流器，其中所述安装件连接至所述形状记忆材料的所述第一端部，并且所述限流器连接至所述形状记忆材料的所述第二端部。

所述可调节空气流量阀可进一步包括附连至多个单独的限流器的多个形状记忆材料。所述多个单独的限流器形成尺寸为、并且成形为配合在一起，以减少通过所述可调节气体流量阀的气体流。或者，所述可调节空气流量阀包括连接至单一限流器的多个形状记忆材料。所述单一限流器包括手风琴状结构。所述单一限流器包括定位在连接轮的孔中的阀盘，其中所述连接轮定位在涡轮机的所述压缩机部段与所述涡轮部段之间、并且连接所述涡轮机的所述压缩机部段与所述涡轮部段。所述安装件定位在凹槽中，所述凹槽定位成邻近所述连接轮中的孔洞。

所述形状记忆材料由改变形状以降低通过所述形状记忆材料的流速的分段形成，其中每一分段都具有不同的转变温度。所述形状记忆材料可在圆柱形形状与截锥形状之间发生改变，以调节通过所述可调节气体流量阀的气体流。

所述冷却气体路径定位在连接轮中，所述连接轮连接燃气涡轮机的压缩机部段与涡轮部段。

此外，本发明还提供了一种控制用于涡轮部段的内腔的冷却气体以对涡轮机的涡轮部段的斗叶和其它部件进行冷却的方法。该方法包括以下步骤：a)从涡轮机的压缩机部段抽吸冷却气体，所述冷却气体具有一定温度；b)将冷却气体引导至内部路径中，内部路径连接涡轮机的压缩机部段与涡轮部段的内腔；以及c)使内部路径中的冷却气体通过可调节气体流量阀，可调节气体流量装置包括形状记忆材料，其中形状记忆材料基于到该形状记忆材料的输入温度改变形状，以调节冷却气体通过内部路径到达涡轮转子的腔的流动。

所述压缩机具有从其排放的压缩气体，所述压缩气体具有一定温度，并且所述输入温度是从所述压缩机被排放的压缩气体的温度，还可以是被引导至所述内部路径中的冷却气体的温度。

所述形状记忆材料包括贯穿所述形状记忆材料的通道，并且压缩气体通过所述通道，所述形状记忆材料响应通过所述通道的压缩气体的温度。