用於渦輪機組的冷卻及密封空氣系統的混合器的製作方法

2023-06-12 13:06:26

專利名稱：用於渦輪機組的冷卻及密封空氣系統的混合器的製作方法
技術領域：
本發明大致涉及渦輪機式機組內的冷卻及密封空氣系統。具體 地，本發明涉及另一種用在渦輪機組內的冷卻及密封空氣系統的混合器。
背景技術：
渦輪機組(例如，渦輪機)內的冷卻及密封空氣系統利用來自壓縮機(例如，軸流式壓縮機)的空氣來(l)冷卻燃氣渦輪機的內部部分， (2)冷卻渦輪機外殼和排氣框架，(3)密封渦輪機軸承，(4)防止壓縮機 發生脈動，並且(5)為空氣操作閥提供空氣源。以下示例介紹了示例性的燃氣渦輪機內的冷卻及密封空氣系統 的一些功能，但不以任何方式限制本發明的範圍。在啟動燃氣渦輪機 順序期間，空氣在軸流式壓縮機的笫9級和第13級^皮抽耳又出來，並 且排放到大氣中。該第9級和第13級的抽取，和在密封位置的入口 導向輪葉一起，限制了通過壓縮機的氣流並且防止了壓縮^/L的脈動。在燃氣渦輪機的正常運行期間，從第9級和第13級來的空氣用 於冷卻和密封燃氣渦輪的第2級和第3級。這通過使用外部管道和符 合燃氣渦輪機最壞運行要求(典型地冷天和熱天的運行狀態)的流控制 孔來實現。經壓縮的空氣進入罩住集合管的第2級和第3級以淨化從 笫2級和第3級機輪空間腔室來的熱渦輪機空氣。當卸載或關閉渦輪機時，冷卻及密封空氣系統繼續冷卻並密封渦 輪機輪空間腔室和渦輪機的內部部件。從壓縮機第9級和第13級來 的空氣再次通過排氣框架排出。這防止了壓縮機在渦輪機減速期間的 脈動。5從軸流式壓縮機來的轉向了的空氣能夠消耗大部分的通過壓縮 機的氣流總量，例如多達20%。對寄生氣流的管理和控制明顯地提升 了渦輪機的性能。抽取埠經常提供具有很高的壓力和/或溫度的冷卻 氣流，而典型地該氣流;波節流，這導致了能量的淨損失。通過使用噴射器，低壓力/溫度氣流(例如來自壓縮機第9級)可以和高壓力/溫度氣流相混合，提供具有基本上和冷卻渦輪機部件所需求的壓力和溫度相 匹配的中間壓力和溫度的氣流，與此同時利用了低壓力和溫度的空 氣，否則其將作為廢棄的能量而浪費掉。通過將高壓力空氣替換為相對低廉的低壓力空氣，在燃氣渦輪機 的冷卻及密封空氣系統內的噴射器有助於減少昂貴的(也即，從所消耗 的功的角度來看)高壓力空氣的使用。由噴射器泵送的低壓力空氣總體 流量與消^^的高壓力空氣的比率叫做攜帶率。為了將噴射器系統收益 最大化，在所有燃氣渦輪機運行狀態下都期望有很高的攜帶率。依據 渦輪機對冷卻氣流的需求，在若干運行狀態下需要旁路流。高攜帶率 全面地提高燃氣渦輪機的性能(效率以及輸出量)。然而，噴射器不具有可移動的部分，並且設計成運行在特定的依椐ISO白天狀態的設計點。ISO標準白天狀態指的是，59°F、 14.7磅 /平方英寸、60%相對溼度，或者說15。C(288。K)、 101.3千帕斯卡、 60%相對溼度。出於渦輪機的應用，渦輪機到噴射器入口的狀態是渦 輪機組運行的環境白天狀態。由燃氣渴輪看到的環境白天的變化可以 改變，例如從-20下到+ 120°F,其結果是給噴射器入口/出口狀態帶 來大概50%的溫度和50%壓力變化。該變化對於噴射器的運行特性 的範圍有巨大的影響，在許多環境白天狀態下，噴射器不能提供足夠 的冷卻和/或淨化氣流。也就是說，噴射器在不同日期和每天不同的期間運轉地不同，而在特定的日期，噴射器會提供不充足的收益。 發明內容在本發明的一個方面，提供了一種系統，該系統用於引導來自壓 縮機內多個埠的空氣，以把冷卻和/或密封空氣引導至相關渦輪機工站，以用於優化渦輪機性能。來自壓縮機某個壓力級(pressure stage) 的第 一氣流具有第 一壓力和笫 一溫度，來自壓縮機另 一個壓力級的第 二氣流具有第二壓力和第二溫度。該第一壓力和溫度不同於第二壓力 和溫度。噴射器具有用於接收笫一氣流的第一入口、用於接收第二氣 流的第二入口 、和用於將第 一氣流和第二氣流結合成第三氣流的出 口。第三氣流具有第三壓力和第三溫度，其不同於第一、第二壓力和 第一、第二溫度。包括兩個圓柱形部分的混合器把第一氣流和第三氣 流結合以^是供第四氣流。多個孔形成在內部圓柱形部分內。第四氣流 的壓力和溫度處於第 一 氣流壓力和溫度與第三氣流壓力和溫度之間。 混合器具有用於接收第三氣流的第一混合入口 、和用於接收第一氣流 的第二混合入口。在兩氣流交匯時，第一氣流和第三氣流的方向之間 的夾角小於90度。在本發明的另一個方面，提供了一種系統，該系統用於混合來自 壓縮機的氣流。噴射器接收來自壓縮機的笫一氣流和笫二氣流，並且 將第 一氣流和第二氣流結合成第三氣流。第 一氣流具有第 一壓力和笫 一溫度，而第二氣流具有第二壓力和第二溫度。第一壓力不同於笫二 壓力，第一溫度不同於笫二溫度。包括第一同心部件和第二同心部件 的混合器把第一氣流和第三氣流結合以提供第四氣流。笫一同心部件 的一部分包含在第二同心部件內。第四氣流的壓力和溫度處於第一氣 流的壓力和溫度與第三氣流的壓力和溫度之間。在本發明的另一個方面，提供了一種系統，該系統用於混合來自 壓縮機的氣流。噴射器接收來自壓縮機的第一氣流和第二氣流，並且 將第一氣流和第二氣流結合成第三氣流。混合器將第一氣流和第三氣 流結合成第四氣流。混合器包括第一內部部件和第二外部部件。第一 內部部件的一部分位於第二外部部件內。另外，第一內部部件具有多 個用於混合笫一氣流和第三氣流的孔。


圖1是示例性渦輪機組的壓縮機部分、渦輪機部分、冷卻及密封 空氣系統的示意圖。圖2是用在圖1所示的示例性的渦輪機組的冷卻及密封空氣系統內的T形結合部混合器的截面放大圖。圖3是用在圖1所示的示例性的渦輪機組的冷卻及密封空氣系統 內的、改進了的混合結合部的一個實施例的截面圖。圖4是可以和圖3所示混合結合部聯合使用的噴嘴頂端的示例性 實施例的透一見圖。圖5是從圖4所示的噴嘴頂端排放的冷卻氣流的透視圖。
具體實施方式
現在參考附圖，具體地參考圖1,其中顯示了標號為100的示例 性渦輪機組，其包括壓縮機102和渦輪機104。壓縮機102具有用於 接收環境空氣的入口 106,該環境空氣隨後經壓縮機102數個不同級 得以壓縮。每個級都把空氣壓縮至更高的壓力和溫度。壓縮過的空氣 首先傳送至燃燒器108，在此增壓的空氣和燃料結合併且燃燒，為渦 輪機104的多種燃燒級提供高溫氣體。抽出的空氣典型地從壓縮機的 各個級去除，以作為渦輪機104內的冷卻/淨化氣流。因此，出於這些 其它的目的，壓縮機102氣流的一部分從燃燒器108的氣流中轉移。 例如，冷卻空氣經常被提供至渦輪機104的噴嘴。圖1中，作為典型 示例，高壓力空氣的抽取來自壓縮機102的笫13級120，並且作為冷 卻氣流經過流道122被提供至渦輪機104的第一工站124，例如第二 級噴嘴。類似地，抽出的空氣抽取自較早的級，例如壓縮機102的第 9級130，並且經過流道132作為冷卻空氣提供至渦輪機的第二工站 134，例如第三級噴嘴。出於將在下文所說明的目的，旁路流道142 內提供了節流閥140。8在流道122內使用了噴射器150，其有效地消除了對穿過流道132 內的孔或類似裝置的抽出空氣的壓力的浪費，並且允許混合從流道 122和132來的抽出空氣以調節抽取氣流，從而優化機組性能。噴射 器150是不具有可移動部件或需要外部能量輸入的機械設備，其依據 動量交換而混合兩個流體流。噴射器150具有用於經過管道122"t妄收 高壓力動力流體的入口 152、用於經過流道132、 136接收低壓力或吸 流體的入口 154。通過在流道122內設置噴射器150,來自壓縮機102第11級120 的高壓力抽取流可以當作入口 152處的動力流(motive flow)來用。經 過流道132的較低壓力、#支低溫度的氣流經過交叉流道136流至噴射 器150,並且當作經過入口 154的吸收流來使用。因此，兩個氣流混 合在一起，並且經過噴射器150的出口 156，形成第三氣流158，其 壓力和溫度在各自的動力流和吸收流的壓力和溫度之間。應當iU只件的特定設計點上。因為入口狀態是環境白天狀態的函數，且因此提 供至噴射器的氣流特性也是環境白天狀態的函數，所以噴射器的運行 特性會受到影響，並且噴射器的運行因時間和空氣條件而不同。固定噴嘴噴射器的性能在 一組固定的運行條件(也即入口和出口 的壓力和溫度)下是最優的。然而，燃氣渦輪機壓縮機102的抽取壓力 (也即噴射器105的運動壓力和吸入壓力)和渦輪機104所需的提供冷 卻氣流的壓力(例如噴射器150的排出壓力)隨環境溫度和運行負載而 改變。對於噴射器150，最佳運行狀態發生在環境溫度處於7(TF以上 且部分地負載(例如渦輪機104負載低於50%)時。因此在冷天運行狀 態(例如環境溫度在70。F以下)下，需要提供並聯至噴射器150的旁路 線路142,以提供渦輪機104所需的額外冷卻氣流，該氣流不能由噴 射器150單獨提供。混合噴射器輸出158和旁路流142的常規混合方法是使用標準T 形結合部。T形結合部如圖1和圖2所示，標示為160。參考圖2， T形結合部160把夾角為直角的噴射器輸出流158和旁路流142混合。 圖1和圖2上的165指示了 T形結合部160的輸出。當這兩股氣流以 90。角混合時，所結合的輸出流165的總體速度下降。這導致在噴射器 150上產生更高的反壓力。噴射器150的性能對於噴射器的排放壓具 有很強的作用，並且在冷天運行條件下，常規方法將導致很低的攜帶 或者無攜帶。本文介紹了一個更好的方法和裝置(如本發明所示)，用 於混合噴射器輸出流158和旁路流142，其在冷天和部分負載的運行 狀態下使噴射器排放壓產生了更高的性能收益。圖3顯示了改進的混合結合部300(如本發明所示)，以取代標準T 形組件160，用以混合噴射器流和旁路流。158指示了噴射器的輸出， 而142指示了旁路流。噴射器流和旁路流的混合從混合結合部300上 的165處流出。在一個示例中，混合結合部300包括兩個同心的圓柱 形管道部件302和304。內部管道部分302接收自噴射器來的輸出流(如 158所示)，並把結合後的噴射器氣流和旁路流在165處輸出。外部管 道部分304和端部部分305 —起，形成包圍內部管道部分302的腔室 310。旁路流142經過輸入聯接部320而輸入至腔室310中。多個斜孔(angled holes)形成在內部管道部分302壁上。孔315在 腔室310和內部管道部分302的內部之間提供了通道。如圖3所示的 截面圖只顯示了兩個孔，但在管道302上可以安置任意數量的孔。孔 的數量優選地採用單數，均勻地分布在管道的周圍，以減少反向流體 流之間的交互作用，並且，依據管道的尺寸能夠使用3個至25個或 者更多的孔。然而，孔315也能夠隨機地布置。孔的優選截面形狀是 圓形的或者圓環形的，但是任何其它形狀(諸如矩形的、橢圓的等)也 都可以使用。孔的尺寸能夠變化，並且能夠同時使用不同尺寸的孔以 提升混合器300的流動特性。孔310相對於管道部分302內壁的角度 優選地在約0度至約50度之間，或更優選地在約10度至約45度之 間。來自旁路線路142的高壓力/溫度流進入腔室310,並隨後糹皮迫穿 過斜孔315。斜孔315允許噴射器流158和旁路流142在它們各自的流方向上以小角度來混合。因旁路流142不使初級噴射器流減速，旁 路線路142內所有可利用的壓力能夠用來有效地減少噴射器反壓力， 於是提高了整體攜帶比率。穿過斜孔315的旁路流142的高速度還有 助於減少噴射器流越過混合器300時產生的壓降。這等同於降低了排 放壓力，並提高了噴射器150的性能。在本發明的另一方面，內部管道302能夠做得比外部管道304更 厚，或反之亦然。還能夠改變內部管道302在外部管道304內部的設 置。圖4從截面角度顯示了一個示例，其內部管道302位於外部管道 304內部的中間(也即，同心設置)。該實施例中顯示有三個孔315,但 可以認識到的是這僅僅是為了清楚表示，而任意數量的孔能夠布置在 管道302內。另外，孔的定位可以是均勻的也可以是不均勻的，還可 以沿管道302的軸線交錯布置。雖然僅僅列舉了一排孔315，但仍可 以使用多排孔。多排孔315可以沿管道302的縱向而軸向地布置。圖5顯示了另一個示例，在截面內，其內部管道302離心地 (eccentrically)設置在外部管道304內(也即，離心設置)。該設計可以用 來降低腔室310內的壓力不均勻性。在一些應用中，由於在腔室310 內的高壓旁路流的流樣式，每個孔315的各自壓力可以是不同的。通 過改變內部管道302的位置(例如，內部管道302離心地設置在外部管 道304內)，經過每個孔的壓力(且因此，氣流)都能夠變得更加均勻。混合器300能夠以非常小的壓降來混合具有不同壓力和溫度的兩 股流體流。壓降是渦輪機組系統IOO最終性能的重要方面。在一些實 例中，高壓流體流進入腔室310，並且腔室310的內部形狀可以產生 反向流(例如， 一些流改變方向並反作用於自己)。這些流的改變4皮稱 為流內的旋渦，並且它們能夠幹擾平滑流。為了緩解旋渦的問題，限 流器(未顯示)能夠安裝在腔室310內。在本發明的一個實施例內，限 流器可以是小的金屬調整片，其附在(例如，通過焊接、螺栓連接、拴 扣、或者利用粘合劑等方式)腔室310的內部。限流器消除掉旋渦並在 腔室310內提供平滑流。總體上，由於兩個流的混合，該構造減少了壓降，並且產生了對 可利用的高速旁路流的改進了的利用，以降低噴射器出口處的壓強。儘管本文結合了目前所認為的一個優選實施例而介紹了本發明， 應當認識到本發明並不受限於該公開實施例，而正相反，其旨在包含 多種修改和同等的構造，只要這樣的修改落在所附的權利要求的精神 和範圍內。
權利要求
1、一種系統，其用於引導來自壓縮機(102)內的多個埠的空氣以提供冷卻和/或密封空氣給相關渦輪機(104)工站，所述系統包括來自壓縮機(102)的某一壓力級的第一流(122)，所述第一流(122)具有第一壓力和第一溫度；來自壓縮機(102)的另一壓力級的第二流(132)，其具有第二壓力和第二溫度，其中，所述第二壓力和第二溫度不同於所述第一壓力和第一溫度；噴射器(150)，其具有用於接收所述第一流(122)的第一入口(152)和用於接收所述第二流(132)的第二入口(154)，所述噴射器(150)還具有噴射出口(156)以將所述第一流和所述第二流結合成第三流(158)，所述第三流(158)具有第三壓力和第三溫度，其中所述第三壓力和第三溫度不同於所述第一、第二壓力和所述第一、第二溫度；旁路線路，其連接在所述第一流(122)和所述第三流(158)之間，所述旁路線路提供旁路流(142)；混合器(300)，其用來結合所述旁路流(142)和所述第三流(158)以提供第四流(165)，所述混合器(300)包括第一部件(302)和第二部件(304)，所述第一部件(302)通常具有圓柱形的截面並且在其中具有多個孔(315)，所述第四流(165)具有介於所述旁路流(142)與所述第三流(158)的壓力和溫度之間的壓力和溫度，所述混合器(300)具有接收所述第三流(158)的第一混合入口和接收所述旁路流(142)的第二混合入口，其中，當所述旁路流(142)與所述第三流(158)在所述混合器(300)內交匯時，所述旁路流(142)的方向和所述第三流(158)的方向之間的夾角小於約90度。
2、 一種系統，其用於混合來自壓縮機(102)的流，所述系統包括 用於接收來自所述壓縮機(102)的笫一流(122)和第二流(132)的噴射器(150),和用於把所述第一流和所述第二流結合成第三流(158)的噴射器出口(156);具有第一壓力和第一溫度的所述笫一流(122),和具有第二壓力和 第二溫度的所述第二流(132)，其中，所述第一壓力不同於所述第二壓 力，而所述第一溫度不同於所述第二溫度；旁路，其連接在所述笫一流(122)和所述第三流(158)之間，所述旁 路提供旁路流(142);混合器(300),其用於結合所述旁路流(142)和所述第三流(158)以 提供第四流(165)，所述第四流(165)具有處於所述旁路流(142)與所述 笫三流(158)的壓力和溫度之間的壓力和溫度，所述混合器(300)包括第 一部件(302)和第二部件(304)，所述第一部件(302)在其中具有多個孔 (315),並且所述第一部件(302)的一部分包含在所述第二部件(304)內。
3、 一種系統，其用於混合來自壓縮機(102)的流，所述系統包括 用於接收來自所述壓縮機(102)的第一流(122)和第二流(132)的噴射器(150)，和將所述第一流和所述笫二流結合成第三流(158)的噴射器 出口(156);旁路，其連接在所述第一流(122)和所述第三流(132)之間，所述旁 路提供旁路流(142);混合器(300)，其用於結合所述旁路流(142)和所述笫三流(158)以 提供笫四流(165),其中，混合器(300)包括第一部件(302)和第二部件 (304)，所述第一部件(302)的一部分位於所述第二部件(304)內；所述第一部件(302)在其中具有多個孔(315)，所述多個孔(315)允 許位於所述第二部件(304)內的旁路流(142)與位於所述第一部件(302) 內的笫三流(158)相混合。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的系統，其特徵在於，當所述旁 路流(142)與所述第三流(158)在所述混合器(300)內交匯時，所述旁路 流(142)的方向和所述第三流(158)的方向之間的夾角在約10度到約45 度之間。
5、 根據權利要求l、 2或3所述的系統，其特徵在於，所述混合器(300)在所述第一部件(302)內包括奇數數量的孔(315)。
6、 根據權利要求l、 2或3所述的系統，其特徵在於，所述多個 孔(315)構造成從所述第一部件(302)的外部表面通到所述第一部件 (302)的內部表面上，所述多個孔(315)具有孔軸線方向，而所述第一部 件(302)具有笫一軸線方向，其中，所述第一軸線方向和所述孔軸線方 向之間的夾角小於約50度。
7、 根據權利要求l、 2或3所述的用於混合流的系統，其特徵在 於，所述第一部件(302)同心地設置在所述第二部件(304)內。
8、 根據權利要求l、 2或3所述的用於混合流的系統，其特徵在 於，所述第一部件(302)離心地設置在所述第二部件(304)內。
9、 一種混合器(300)，其用於混合至少兩股流，所述混合器(300) 包括第一部件(302),其具有通常為圓柱形的截面，包含第一流(158), 所述第 一部件(302)具有形成在其中的多個孔(315);第二部件(304)，其包含第二流(142);所述第一部件(302)的一部分包含在所述第二部件(304)內；所述多個孔(315)具有孔軸線方向，而所述第 一部件(302)具有第一 軸線方向，其中，所述孔軸線方向和所述第一軸線方向之間的夾角小 於約45度。
10、 根據權利要求9所述的混合器，其特徵在於，所述第一部件 (302)同心地或離心地設置在所述第二部件(304)內。
全文摘要
一種系統，用於引導來自多個壓縮機(102)埠的空氣、以把冷卻和/或密封的空氣提供給相關渦輪機(104)工站。來自壓縮機(102)某一壓力級的第一流(122)具有與來自壓縮機(102)另一壓力級的第二流(132)不同的壓力和溫度。噴射器(150)具有用於接收第一流和第二流的兩個入口，和用於將第一流和第二流結合成第三流(158)內的出口。第三流(158)的壓力和溫度不同於第一、第二流的壓力和溫度。旁路連接在第一和第三流之間，並提供旁路流(142)。混合器將旁路流(142)和第三流(158)結合成第四流(165)，其具有介於旁路流(142)與第三流(158)壓力和溫度之間的壓力和溫度。混合器包括內部和外部。內部具有大致圓柱形的截面及其中的多個孔。當旁路流和第三流在混合器內交匯時，它們的方向夾角小於約90度。
文檔編號F02C7/18GK101255820SQ20081008194
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月26日 優先權日2007年2月27日
發明者D·W·小鮑爾, K·N·惠林, R·P·S·埃盧裡帕蒂, 華 張 申請人:通用電氣公司