用於渦輪機中的葉輪和輪葉的熱管溫度管理系統的製作方法

2023-06-25 19:51:36 1

本發明的示例性實施例涉及渦輪機領域，並且更具體地涉及用於渦輪機中的葉輪和輪葉的熱管溫度管理系統。

渦輪機包括可操作地連接至渦輪的壓縮機，渦輪繼而又驅動另一個機器，諸如發電機。壓縮機壓縮進入的空氣流，其輸送至燃燒器以與燃料混合且點燃以形成高溫高壓的燃燒產物。高溫高壓的燃燒產物用於驅動渦輪。由於燃燒產物的高溫，燃氣渦輪葉輪和輪葉需要冷卻。已知的材料具有其限制，且冷卻允許葉輪和輪葉在這些高溫下操作。這種冷卻最常見是利用從壓縮機獲取的空氣實現且較不常見利用蒸汽。然而，壓縮機空氣冷卻的負面屬性是循環輸出能力和效率的降低，而蒸汽冷卻的負面屬性包括由於複雜性的額外構件成本。因此，存在對於替代的葉輪和輪葉冷卻方法的需要。

本發明的簡要描述

在本發明的一個方面，一種渦輪機包括壓縮機，其構造成壓縮在進氣部分處接收的空氣以形成壓縮空氣流，壓縮空氣流排出到出口部分中。燃燒器與壓縮機可操作地連接，且燃燒器接收壓縮空氣流。渦輪與燃燒器可操作地連接。渦輪接收來自燃燒器的燃燒氣流。渦輪具有多個葉輪和多個輪葉。渦輪接收壓縮機放出空氣來冷卻該多個葉輪的至少一部分和該多個輪葉的至少一部分。冷卻系統可操作地連接至渦輪。冷卻系統包括沿軸向位於該多個葉輪中的至少一個的上遊的多個熱管。該多個熱管可操作地連接至軸承冷卻器系統。該多個熱管和軸承冷卻器系統構造成從壓縮機放出空氣向一個或多個熱交換器傳遞熱。

在本發明的另一個方面，提供了一種用於渦輪機的溫度管理系統。渦輪機包括壓縮機，其構造成壓縮在進氣部分處接收的空氣以形成壓縮空氣流，壓縮空氣流排出到出口部分中。燃燒器與壓縮機可操作地連接，且燃燒器接收壓縮空氣流。渦輪與燃燒器可操作地連接，且渦輪接收來自燃燒器的燃燒氣流。渦輪具有多個葉輪和多個輪葉。渦輪從壓縮機接收壓縮機放出空氣來冷卻多個葉輪中的至少一部分。溫度管理系統包括沿軸向位於該多個葉輪中的至少一個的上遊的多個熱管。該多個熱管可操作地連接至軸承冷卻器系統。該多個熱管和軸承冷卻器系統構造成從壓縮機放出空氣向一個或多個熱交換器傳遞熱。

在本發明的還有另一個方面，提供了一種從渦輪機傳遞熱的方法。該方法包括使空氣流經過壓縮機的經過步驟。壓縮機作用在空氣流上以產生壓縮空氣流，且壓縮空氣流的一部分傳送至向渦輪葉輪引導的壓縮機放出空氣流。獲取步驟通過熱傳導熱至多個熱管來從壓縮機放出空氣流獲取熱。該多個熱管與一個或多個熱交換器熱連通。傳導步驟從該多個熱管向軸承傳導熱。軸承具有潤滑油，且潤滑油向潤滑油冷卻器傳遞熱。壓縮機放出空氣流由該多個熱管冷卻。

附圖的簡要描述

圖1示出了渦輪機的簡化示意圖。

圖2示出了根據本發明的方面的穿過渦輪機的一部分的局部示意性軸向截面視圖。

圖3示出了根據本發明的方面的穿過渦輪機的一部分的局部示意性軸向截面視圖。

圖4示出了根據本發明的方面的冷卻系統的截面視圖。

圖5示出了根據本發明的方面的圓形或圓柱形熱管的截面形狀。

圖6示出了根據本發明的方面的橢圓形熱管的截面形狀。

圖7示出了根據本發明的方面的多邊形熱管的截面形狀。

圖8示出了根據本發明的方面的帶圓角矩形的熱管的截面形狀。

圖9示出了根據本發明的方面的具有多個翼片的圓形或圓柱形熱管的截面形狀。

圖10示出了根據本發明的方面的冷卻和熱管理系統的示意性展示。

圖11示出了根據本發明的方面的用於冷卻壓縮機放出空氣流的方法。

本發明的詳細描述

下文將描述本發明的一個或多個特定方面/實施例。在致力於提供這些方面/實施例的簡要描述中，可不在說明書中描述實際實現方式的所有特徵。應當認識到，在任何這樣的實際實現方式的開發中，如在任何工程或設計項目中那樣，必須作出許多實現方式特定的決定來達到開發者的例如符合機器相關、系統相關及商業相關的約束的特定目的，其可從一個實現方式變化到另一個實現方式。此外，應當認識到，這樣的開發努力可能是複雜和耗時的，但對那些具有本公開內容的益處的普通技術人員來說，這種開發工作將不過是設計、生產和製造的例行任務。

當介紹本發明的各種實施例的元件時，冠詞「一個」、「一種」和「該」意在表示存在一個或多個元件。用語「包括」、「包含」和「具有」意在為包含性的，且表示可存在除所列元件之外的額外元件。操作參數和/或環境條件的任何示例並不排除公開的實施例的其它參數/條件。此外，應當理解的是，提到的本發明的「一個實施例」、「一個方面」或「實施例」或「方面」不意在理解為排除也包括所述特徵的另外的實施例或方面的存在。

圖1示出了渦輪機100的簡化圖。渦輪機包括可操作地連接至燃燒器120的壓縮機110，且燃燒器120可操作地連接至渦輪130。渦輪的排氣可操作地連接至餘熱回收蒸汽發生器(HRSG)140。HRSG 140生成被引導到蒸汽渦輪150中的蒸汽。在該示例中，所有獨立渦輪機以單軸構造配置，且軸160驅動發電機170。將理解的是，用語渦輪機包括壓縮機、渦輪或其組合。

圖2是根據本發明的方面的穿過渦輪機的一部分的局部示意性軸向截面視圖。渦輪機100包括具有進氣部分202和出口部分204的壓縮機110。壓縮機壓縮在進氣部分202處接收的空氣且形成壓縮空氣流，其從出口部分204排出/排到出口部分204中。燃燒器120與壓縮機110可操作地連接，且燃燒器120接收壓縮空氣流。渦輪130與燃燒器120可操作地連接，且渦輪130從燃燒器120接收燃燒氣流。渦輪還包括附接至多個葉輪131的多個輪葉132，以及多個噴嘴134。用語「輪葉」和「葉片」可互換使用，且理解為表示燃氣渦輪中的旋轉元件。

渦輪機的渦輪130使用從壓縮機110獲取的空氣來將熱的金屬構件冷卻至構件基礎金屬性質可忍受的溫度。渦輪旋轉構件(例如，葉輪131和輪葉132)經由內部通路冷卻，同時靜止構件(例如，噴嘴134)經由外部通路冷卻。由於外部通路更易接近，故本領域中已知用於增進靜止構件的冷卻的若干方法。旋轉構件可通過壓縮機放出的空氣冷卻。該壓縮機放出空氣經由管道240傳送至旋轉構件(即，葉輪131和輪葉132)。放出空氣在葉輪131上經過且穿過輪葉132，從而經由對流熱傳遞來冷卻構件。

然而，如果冷卻空氣的溫度降低，則該冷卻(或溫度管理)過程可改善。根據本發明，冷卻系統250包括多個熱管260，其沿軸向位於多個葉輪131中的至少一個的上遊。作為一個示例，多個熱管260可在葉輪131的上遊側周圍沿周向定位或配置。熱管可附連至轉子筒冷卻室136的內部。熱管260經由線路262可操作地連接至軸承冷卻器系統270。線路262也可為熱管。軸承冷卻器系統270冷卻軸承280(有時稱作軸承#2)和與軸承280相關聯的潤滑油。熱管260、262和軸承冷卻器系統270構造成從壓縮機放出空氣(從管道240排出)向一個或多個熱交換器290傳遞熱。

圖3是根據本發明的方面的穿過渦輪機的一部分的局部示意性軸向截面視圖。冷卻系統350包括多個熱管260，其沿軸向位於多個葉輪131中的至少一個的上遊。熱管260經由線路362可操作地連接至軸承冷卻器系統370。線路362也可為熱管。軸承冷卻器系統370冷卻軸承380(有時稱作軸承#1)和與軸承380相關聯的潤滑油。熱管260、362和軸承冷卻器系統370構造成從壓縮機放出空氣(從管道240排出)向一個或多個熱交換器390傳遞熱。

熱管260、262包括熱傳遞介質，其可為液態金屬、熔鹽或Qu材料。僅作為示例，熱傳遞介質可為以下項中的一者或組合：鋁、鈹、鈹-氟合金、硼、鈣、銫、鈷、鉛-鉍合金、液態金屬、鋰-氯合金、鋰-氟合金、錳、錳-氯合金、汞、熔鹽、鉀、鉀-氯合金、鉀-氟合金、鉀-氮-氧合金、銠、銣-氯合金、銣-氟合金、鈉、鈉-氯合金、鈉-氟合金、鈉-硼-氟合金、鈉-氮-氧合金、鍶、錫、鋯-氟合金。作為一個特定示例，熱傳遞介質可為包括鉀、鈉或銫的熔鹽。熱管260、262的外部可由能夠用於高導熱性、高強度和對來自熱傳遞介質的腐蝕的高抵抗性的多個目的的任何適合的材料製成。

熱管260、262也可由具有很高導熱性的「Qu材料」形成。Qu材料可為設在熱管的內表面上的多層塗層的形式。例如，固態熱傳遞介質可在三個基礎層中施加到內壁。頭兩層由暴露於熱管的內壁的溶液製備。首先，第一層(其主要包括離子形式的鈉、鈹、諸如錳或鋁的金屬、鈣、硼和重鉻酸自由基的各種組合)吸收到內壁中達到0.008mm至0.012mm的深度。隨後，第二層(其主要包括離子形式的鈷、錳、鈹、鍶、銠、銅、B-鈦、鉀、硼、鈣、諸如鋁的金屬和重鉻酸自由基的各種組合)累積在第一層的頂部上，且在熱管的內壁上形成具有0.008mm至0.012mm的厚度的膜。最後，第三層為粉末，其包括以下項的各種組合：氧化銠、重鉻酸鉀、氧化鐳、重鉻酸鈉、重鉻酸銀、單晶矽、氧化鈹、鉻酸鍶、氧化硼、B-鈦和諸如重鉻酸錳或重鉻酸鋁的金屬重鉻酸鹽，它們自身越過內壁均勻地分配。這三層施加到熱管，且然後熱極化以形成超導熱管，其在很少或沒有淨熱損失的情況下傳遞熱能。

圖4示出了根據本發明的另一個方面的冷卻系統250的截面視圖和示意圖。熱管260位於轉子筒冷卻室136中。熱管262(其連接至熱管260)延伸到軸承280和/或熱交換器290且與軸承280和/或熱交換器290熱連通。熱管260圍繞轉子筒冷卻室136沿周向配置。來自壓縮機釋放的放出空氣的熱從熱管260、262向軸承280和熱交換器290傳遞。

圖5示出了根據本發明的方面的圓形或圓柱形熱管260的截面形狀。圓柱形熱管容易利用常規工具製造和安裝。圖6示出了根據本發明的方面的橢圓形熱管660的截面形狀。橢圓形熱管660相比於圓柱形熱管可具有改善的熱傳遞特性。圖7示出了根據本發明的方面的多邊形熱管760的截面形狀。多邊形形狀可包括矩形、六邊形、方形或任何其它適合的多邊形形狀。圖8示出了帶圓角矩形的熱管860的截面形狀。由於增大的表面面積，帶圓角矩形的形狀可具有優於橢圓形熱管660的改善的熱傳遞特性。圖9示出了根據本發明的方面的帶有多個翼片963的圓形或圓柱形熱管960的截面形狀。翼片963構造成增大熱管的熱傳遞能力，可如圖所示沿軸向或沿徑向配置，且可包括具有高導熱性的材料，諸如銅或鋁。

圖10示出了根據本發明的方面的冷卻和熱管理系統1000的示意性展示。壓縮機放出空氣被排出管道240且衝擊在葉輪131上。空氣也可行進穿過輪葉132。來自放出空氣的熱由熱管260、262吸收且傳導或傳遞到軸承280。軸承潤滑油1010從軸承和熱管262吸收熱，且潤滑油冷卻器/熱交換器1020將吸收的熱傳遞到熱傳遞介質1022，諸如環境空氣或水。往回參照圖2至圖4，熱交換器290、390可包括軸承280、油1010和/或熱交換器1020中的一些或全部。

圖11示出了用於冷卻壓縮機放出空氣流的方法1100。該方法包括使空氣流經過壓縮機110的步驟1110。壓縮空氣流的一部分傳送至經由管道240向渦輪葉輪131引導的壓縮機放出空氣流。獲取步驟1120通過熱傳導熱至多個熱管260、262來從壓縮機放出空氣流獲取熱。熱管260、262可包括熔鹽熱傳遞介質，諸如鉀、鈉、銫、液態金屬或其組合。熱管260、262與一個或多個軸承280、380和一個或多個熱交換器290、390熱連通。傳導步驟1130從熱管260、262向軸承傳導熱。壓縮機放出空氣流在步驟1140中冷卻。

本發明的冷卻和溫度管理系統提供若干優點。渦輪區段輪葉和葉輪可由於較冷壓縮機放出空氣流而具有改善的壽命。對壓縮機放出空氣的需要也減少，且壓縮空氣可重新引導到燃燒器中以用於改善的效率。

該書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何包含的方法。本發明可申請專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權利要求的字面語言不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構要素，則意在使這些其它示例處於權利要求的範圍內。