用於控制燃氣渦輪機內冷卻空氣溫度的方法和裝置的製作方法
2023-04-28 01:31:11
專利名稱：用於控制燃氣渦輪機內冷卻空氣溫度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種燃氣渦輪機，更具體地說，涉及一種用於控制燃氣渦輪機內冷卻空氣溫度的方法和裝置。
背景技術：
燃氣渦輪機通常包括一個多級軸向式壓縮機、一燃燒器和一渦輪機。進入壓縮機的氣流被壓縮並被導向燃燒器，並在燃燒器內與燃料混合併被點燃，以產生用於驅動渦輪機的熱燃燒氣體。為了控制熱燃燒氣體進入渦輪機而產生的熱傳遞，通常利用渦輪機冷卻通路來引導冷卻空氣，並且利用冷卻空氣來冷卻渦輪機。
壓縮機排氣通常被用作渦輪機冷卻通路的冷卻空氣源。另外，在燃氣渦輪機內保持足夠的冷卻空氣對於發動機的正常運行及其部件的使用壽命來說是很重要的。但是，在燃氣渦輪機運行期間，流過壓縮機的空氣的溫度通常在壓縮機的每一級都增大。因此，壓縮機排氣的溫度可能太高，以至於不足以把燃氣渦輪機部件的運行溫度降低到期望的溫度。
發明內容
依據本發明的一方面，提供了一種運行燃氣渦輪機的方法，該燃氣渦輪機包括一壓縮機，一燃燒器和一高壓渦輪機，它們以串聯流動排列的形式連接在一起。該方法包括，把工作流體引導到冷卻系統集管內，該集管與一管道連接，該管道把冷卻空氣供應給高壓渦輪機，把所述流體排出到所述渦輪機冷卻空氣供應管道中，從而降低引導到所述高壓渦輪機的壓縮冷卻氣流的溫度。
依據本發明的另一方面，提供了一種用於燃氣渦輪機的冷卻系統。該冷卻系統包括一核心燃氣渦輪機，該核心燃氣渦輪機包括一壓縮機、一位於所述壓縮機下遊的燃燒器和一位於所述燃燒器下遊的高壓渦輪機，以及一冷卻系統，該冷卻系統包括一貯存容器、貯存在所述貯存容器中的工作流體以及與一管道連接的集管，該管道把冷卻空氣供應給高壓渦輪機，所述冷卻系統被構造成便於將所述工作流體從所述貯存容器中排出到所述集管中，從所述集管排出到渦輪機冷卻空氣供應管道中，從而有利於降低引導到所述高壓渦輪機的壓縮冷卻氣流的溫度。
圖1示出了一個示例性的燃氣渦輪機；圖2是圖1中示例性燃氣渦輪機的示意圖，其包括一示例性的冷卻系統；圖3是穿過圖2中冷卻系統的截面3-3的示意圖；圖4是在正常運行期間表示圖2和3中冷卻系統的圖表模型；圖5是在正常運行期間表示圖2和3中冷卻系統的另一個圖表模型；圖6是一個圖表模型，其表示貯存在容器中的工作流體的量與期望的渦輪機冷卻空氣溫度降低峰值之間的關係。
具體實施例方式
參照附圖，圖1是一個示例性燃氣渦輪機10的示意圖，該燃氣渦輪機包括風扇組件12、包括一高壓壓縮機14的核心發動機(core engine)13、一燃燒器16和一高壓渦輪機。在該示例性的實施例中，燃氣渦輪機10還包括一低壓渦輪機20和一升壓器22。風扇組件12包括從轉子盤26徑向向外延伸的一組風扇葉片24。燃氣渦輪機10具有進氣側28和排氣側30。風扇組件12和渦輪機20通過第一轉子軸31連接，壓縮機14和渦輪機18通過第二轉子軸32連接。
在工作期間，空氣沿中心軸34流過風扇組件12，壓縮空氣被供給高壓壓縮機14。高度壓縮的空氣被輸送給燃燒器16。來自燃燒器16的氣流(圖1中未示出)驅動渦輪機18和20，渦輪機20通過軸31驅動風扇組件12。
圖2包括一個示例性冷卻系統100的燃氣渦輪機10的示意圖，該冷卻系統可以用來降低導向燃氣渦輪機10的一部分的冷卻氣流的工作溫度，所述燃氣渦輪機的一部分例如是高壓渦輪機18。圖3是冷卻系統100的簡示圖。燃氣渦輪機10的功率輸出至少部分地與沿著氣流通路的各位置的氣流溫度有關。因此，降低供給高壓渦輪機18的冷卻氣流溫度可以冷卻氣流減小並使燃氣渦輪機10的功率輸出增大。另外，渦輪機18的冷卻氣流溫度的降低可以延長渦輪機部件的壽命。
為了有利於降低進入高壓渦輪機18的冷卻氣流溫度，冷卻系統100與從高壓壓縮機14引導到高壓渦輪機18的氣流流體連通。更具體地說，從高壓壓縮機14排出的氣流被引導到高壓渦輪機18之前，利用冷卻系統100，該氣流的工作溫度被有利地降低。
在該示例性的實施例中，冷卻系統100包括一容器或貯存器110，至少一個泵112與容器110流體連通，輸送管114與泵112流體連通，集管116與輸送管114流體連通，若干個噴嘴118與集管116流體連通，回流管120在集管116和容器110之間流體連通。
在一個實施例中，容器110的容量為貯存大約20質量磅(lbm)到100lbm之間的工作流體。在該示例性的實施例中，容器110是大體上球形的容器，其容量為貯存大約28質量磅(lbm)到98質量磅(lbm)之間的工作流體，並採用水作為工作流體。可選擇的是，除了水之外的流體也可以用做工作流體。容器110被安置和/或連接在核心罩空間(core cowl space)122內以利於把容器110內貯存的工作流體保持在期望的工作溫度。在該示例性的實施例中，容器110被安置在靠近核心燃氣渦輪機13的一個位置，在不利用額外冷卻系統的情況下，該位置處的工作空氣溫度足以把容器110內貯存的工作流體保持在預定的工作溫度。因此，在工作期間，利用通過罩空間(cowl space)122引導的空氣對容器110內貯存的工作流體進行對流冷卻。
泵112包括一入口或吸氣側130以及一出口或排氣側132，所述吸氣側130與容器110流體連通，所述排氣側132與輸送管114流體連通。在該示例性的實施例中，泵112的規格為能通過輸送管114引導期望數量的流體。
輸送管114包括第一端140、第二端142以及在兩者之間延伸的基本空心的本體144。第一端140與泵排出側132連接，第二端142與集管116連接。另外，輸送管114與燃氣渦輪機10連接，使得本體144穿過高壓渦輪機排氣葉片組件146而徑向向內延伸。根據燃氣渦輪機構造的不同，可選擇的是，供應容器110、泵112、輸送管114和回流管120可以被重新定位，從而更加方便地為集管116供應流體。更具體地說，輸送管114穿過渦輪機排氣葉片組件146延伸，使得輸送管第二端142位於一空腔148內，該空腔被限定在從渦輪機排氣葉片組件146徑向向內和第二轉子軸32徑向向外的範圍內。因此，輸送管114穿過渦輪機排氣葉片組件146延伸，使得輸送管第二端142和集管116中的每一個從燃燒器16和渦輪機排氣葉片組件146徑向向內地定位，而且它們中的每一個從排出管道組件150徑向向外地定位。在該示例性的實施例中，利用一種隔熱材料152對輸送管114的至少一部分進行隔熱，以利於把流過輸送管的工作流體保持在一預定的工作溫度。
在該示例性的實施例中，集管116是環形的，並包括一入口160和一出口162，該入口與輸送管第二端142連接，該出口與回流管120連接。在該示例性的實施例中，環形形狀被定義為基本圓形的中空結構，即油炸面圈的形狀，該環形集管包括一限定在其內部的徑向空腔166，因此穿過集管116的工作流體沿第一徑向方向168和相反的第二徑向方向170大體朝著回流管120被引導。
冷卻系統100還包括若干個噴嘴118，這些噴嘴大體上沿集管116的外表面等距分布。在該示例性的實施例中，集管116包括沿集管116的軸向前表面182並延伸穿過集管的若干個開孔180，噴嘴118以螺紋方式連接在各個開孔180內。在另一個實施例中，利用例如焊接或銅焊工藝把每個噴嘴118連接到集管116上。在另一個實施例中，冷卻系統100不包括噴嘴118，而且，開孔180被有選擇地設定尺寸，使得預定量的工作流體穿過該開孔而被引導。每個噴嘴118包括一開孔184，其尺寸能使足夠量的工作流體穿過噴嘴118排出，並進入冷卻空氣氣流以產生大約0.022到大約0.025之間的水/空氣比。在該示例性的實施例中，每個開孔184的尺寸產生的水/空氣比在大約0.0235到大約0.0236之間。
回流管120包括一入口190和一出口192，該入口與集管出口162流體連通，該出口與容器110流體連通。在該示例性的實施例中，回流管120有利於把任何未使用的工作流體部分引導返回容器110。
冷卻系統100還包括一控制系統200，其被構造為對泵112進行致動。在該示例性的實施例中，控制系統200是一個包括算法的計算機，該算法被構造為根據選定的輸入啟動和/或停止泵112。更具體地說，在該示例性的實施例中，控制系統200包括至少一個溫度傳感器210和至少一個質量流量傳感器212，它們分別被用於監測引導到高壓渦輪機18的氣流溫度和流速，並根據該溫度或流速啟動或停止泵112。
圖4是在正常運行期間系統100的圖表模型。更具體地說，圖4是表示圖系統100的圖表模型，系統100的運行有利於降低進入高壓渦輪機18的冷卻空氣氣流的溫度。如圖4所示，在排出指令開始時，根據控制時間表，具有相對高壓的工作流體，例如水，被從容器110通過集管116噴射到高溫渦輪機冷卻氣流中，從而保持一個最終恆定的渦輪機冷卻供應溫度(TC)。圖4示出了三種不同的情形，利用系統100實現進入渦輪機19的氣流供給溫度從供給氣流溫度(T3)分別降低大約175、150和125的目標溫度降低。
圖5是一個圖表模型，其表示累積工作流體用量隨時間變化以及獲得的渦輪機冷卻空氣溫度降低之間的關係。如圖5所示，在排出指令開始時，根據控制時間表，具有相對高壓的工作流體，例如水，被從容器110通過集管116噴射到高溫渦輪機冷卻氣流中，從而保持一個最終恆定的渦輪機冷卻供應溫度(TC)。圖4示出了三種不同的情形，利用系統100實現進入渦輪機19的氣流供給溫度從供給氣流溫度(T3)分別降低大約175、150和125的目標溫度降低。因此，系統100利用大約79.3lbm來使氣流溫度降低大約175，利用大約61.8lbm來使氣流溫度降低大約150，利用大約44.6lbm來使氣流溫度降低大約125。
圖6是一個圖表模型，其表示在渦輪機工作期間，貯存在容器110中的工作流體的量與期望的渦輪機冷卻空氣溫度降低峰值之間的關係，其中渦輪機冷卻空氣溫度降低的範圍為100到200。如圖所示，消耗掉大約28lbm到98lbm之間的工作流體時，分別獲得的溫度降低為100和200。在目標渦輪機冷卻空氣溫度降低為150的情況下，對總的系統重量進行估算。在該示例性的實施例中，總重量為61.8時，可消耗的工作流體負荷是大約157lbm，消耗的工作流體負荷是大約95.2lbm。因此，包括有工作流體的系統100的累積重量是一個在巡航時進行懲罰的相對小的剩餘重量(該句不懂)，而且也明顯小於一重量值，該重量值是利用至少一個公知的設計為與利用系統100得到相同溫度降低的空氣-空氣熱交換器所需的重量。
在該示例性的實施例中，利用系統100獲得的溫度、流速和工作流體使用率是基於示例性的燃氣渦輪機10中採用的冷卻系統的。因此，根據系統100連接的發動機，氣流溫度降低、工作流體流速和用量可能不同於本實施例。
上述氣流冷卻系統包括一工作流體貯存容器和一泵，該泵設置在高壓渦輪機級1葉片入口平面附近的選定的核心罩空間(core cowl space)內。在運行期間，泵把例如水的工作流體供應給具有相對小直徑的、隔熱的輸送管，該輸送管穿過葉片內部冷卻腔到環形(例如圈)集管，所述集管被安置在給高壓渦輪機進口段供給流體的排出管入口附近。該集管配備有若干個與排出管連接的小噴嘴。該集管還包括一回流管，用於在發動機起動、怠速、滑行和輸出輥起動前被保持期間，使水再循環流回貯存容器中。
工作時，在預定的飛行條件期間，核心罩空腔內的對流冷卻有利於水溫保持在一預定的溫度。例如，在排出指令開始時，一直持續到選定的中水平上升點期間，再循環管道被關閉，輸送管中的閥被致動，根據控制時間表，利用環形集管把高壓水從容器噴射到高溫渦輪機冷卻氣流中，從而有利於保持一個相對恆定的渦輪機冷卻供應溫度。當飛行器到達規定的高度時，T3降低到可接受的水平，停止系統的工作，剩餘的水被再循環到貯存容器中和/或排放到大氣中。
因此，加熱過冷卻水(sub-cooled water)、吸收融化潛熱、然後把水汽加熱到最終的空氣-水混合物溫度的熱力學過程，提供了冷卻空氣溫度的明顯降低。水/空氣比率相對較小-在大約0.0235到大約0.0236的範圍內，因此採用一種比其他公知的冷卻系統重量小的的系統來獲得顯著的冷卻空氣溫度降低。
前面詳細描述了冷卻系統的示例性實施例。該冷卻系統並不限於在此描述的具體實施例，而是，該系統的部件可以單獨地使用，也可以與此處所述的其它部件分開使用。具體地說，在此描述的冷卻系統可以用於任何公知的燃氣渦輪機。
儘管通過各種具體實施例的方式描述了本發明，但是本領域技術人員將認識到，在權利要求的精神和範圍內，可以對本發明進行改進和實施。
部件列表10燃氣渦輪機12風扇組件13核心發動機14高壓壓縮機16燃燒器18高壓渦輪機20低壓渦輪機22升壓器24風扇葉片
26轉子盤28進氣側30排氣側31第一轉子軸32第二轉子軸34中心軸100冷卻系統110容器112泵114輸送管116集管118噴嘴120回流管122罩空間130吸氣側132排氣側140第一端142第二端144本體146渦輪機排氣葉片組件148空腔150管道組件152隔熱材料160入口162出口166徑向空腔168第一徑向方向170相反的第二徑向方向180開孔182前表面
184開孔190入口200控制系統210溫度傳感器212質量流量傳感器
權利要求
1.一種用於燃氣渦輪機(10)的冷卻系統(100)，該燃氣渦輪機包括一壓縮機(14)，一燃燒器(16)和一高壓渦輪機(18)，它們以串聯流動排列的形式連接在一起，所述冷卻系統包括一貯存容器(110)；貯存在該貯存容器中的工作流體；以及連接成在所述燃燒器和所述高壓渦輪機之間流體連通的集管(116)，所述冷卻系統被構造成便於將所述工作流體從所述貯存容器中排出到所述集管中，從而有利於降低引導到所述高壓渦輪機的壓縮氣流的工作溫度。
2.根據權利要求1的冷卻系統(100)，其特徵在於，所述貯存容器(110)、所述集管(116)和所述燃氣渦輪機(10)被安裝在一飛行器上。
3.根據權利要求1的冷卻系統(100)，其特徵在於，所述集管(116)包括一環形集管。
4.根據權利要求1的冷卻系統(100)，其特徵在於，所述燃氣渦輪機(10)包括一排出管道和一高壓渦輪機進口段，所述集管(116)安置在供給所述高壓渦輪機進口段工作流體的排出管道入口附近。
5.根據權利要求1的冷卻系統(100)，其特徵在於，還包括一泵(112)，該泵與所述貯存容器(110)和所述集管(116)流體連通，所述泵選擇性地被致動，以便將所述工作流體從所述貯存容器引導到所述集管內。
6.根據權利要求5的冷卻系統(100)，其特徵在於，所述貯存容器(110)和所述泵(112)都被安置在靠近高壓渦輪機級1葉片入口的平面、選定的核心罩空間(122)內，以利於把工作流體保持在一預定的工作溫度。
7.根據權利要求1的冷卻系統(100)，其特徵在於，還包括與所述集管(116)連接的若干個噴嘴(118)，所述噴嘴被構造成便於將預定量的工作流體噴射到進入高壓渦輪機(18)的氣流中。
8.一種燃氣渦輪機裝置(10)，包括一核心燃氣渦輪機(13)，其包括一壓縮機(14)；一位於所述壓縮機下遊的燃燒器(16)；以及一位於所述燃燒器下遊的高壓渦輪機(18)；以及一冷卻系統(100)，其包括一貯存容器(110)；貯存在所述貯存容器中的工作流體；以及與一管道連接的集管(116)，該管道把冷卻空氣供應給高壓渦輪機，該集管將所述流體排入渦輪機冷卻空氣供應管道內，從而降低引導到所述高壓渦輪機的壓縮冷卻氣流的溫度。
9.根據權利要求8的燃氣渦輪機組件(10)，其特徵在於，所述冷卻系統(100)和所述核心燃氣渦輪機(13)被安裝在一飛行器上。
10.根據權利要求8的燃氣渦輪機組件(10)，其特徵在於，所述集管(116)包括一環形集管。
全文摘要
一種用於燃氣渦輪機(10)的冷卻系統(100)，該燃氣渦輪機包括一壓縮機(14)，一燃燒器(16)和一高壓渦輪機(18)，它們以串聯流動排列的形式連接在一起。所述冷卻系統包括一貯存容器(110)、貯存在該貯存容器中的工作流體以及與一管道連接的集管(116)，該管道把冷卻空氣供應給高壓渦輪機。所述工作流體被從所述集管排出到所述渦輪機冷卻空氣供應管道中，從而降低引導到所述高壓渦輪機的壓縮冷卻氣流的溫度。
文檔編號F02C7/18GK101092907SQ20071013884
公開日2007年12月26日 申請日期2007年1月8日 優先權日2006年1月6日
發明者R·F·伯格霍爾茨 申請人:通用電氣公司