专利名称：燃气轮机的冷却的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及燃气轮机且更具体而言，涉及用于冷却燃气轮机内的构件的系统。
背景技术：
一般而言，燃气轮机采用燃烧器来燃烧压缩空气与燃料的混合物来产生热燃烧气体。燃烧器可从压缩机接收压缩气体且可燃烧该压缩空气与燃料以产生热燃烧气体。燃烧气体可流动通过一个或多个涡轮级以生成动力用于负载和/或压缩机。由于在涡轮机内的高温，冷却流体可提供给燃气轮机以冷却热气体路径和/或燃气轮机内的构件。
发明内容
在范围上符合最初要求保护的本发明的某些实施例在下文中概述。这些实施例预期并不限制所要求保护的本发明的范围，而是这些实施例预期仅提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文所述的实施例的多种形式。在第一实施例中，系统包括燃气轮机；压缩机；燃烧器；压缩机排放壳体，其被布置成从压缩机接收排放空气，且将排放空气的第一部分引导至燃烧器，且将排放空气的第二部分引导至燃气轮机的喷嘴组件，以冷却燃气轮机的构件；以及，传热装置，其被配置成接收冷却流体且利用该冷却流体来冷却该压缩机排放空气的第二部分。在第二实施例中，一种系统包括燃气轮机；压缩机；燃烧器；压缩机排放壳体，其被布置成从压缩机接收排放空气，且将排放空气的第一部分引导至燃烧器，且将排放空气的第二部分引导至燃气轮机的喷嘴组件的叶片内；以及，管，其延伸到压缩机排放壳体内且被配置成将氮气引导至喷嘴组件附近的压缩机排放壳体内以冷却压缩机排放空气的第二部分。在第三实施例中，系统包括燃气轮机；压缩机，其被配置成产生排放空气和前级提取空气；燃烧器；压缩机排放壳体，其被布置成从压缩机接收排放空气，且将排放空气的第一部分引导至燃烧器，且将排放空气的第二部分引导至燃气轮机的喷嘴组件，以冷却燃气轮机的构件；以及，热交换器，其被配置成接收冷却流体，且利用该冷却流体来冷却该压缩机排放空气或前级提取空气。
当参看附图来阅读本发明下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中
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图1是可采用用于燃气轮机的冷却系统的整体气化联合循环(IGCC)系统的实施例的示意流程图；图2示出穿过纵轴线所截取的图1的燃气轮机的实施例的截面图；图3是在线3-3内所截取的图2的燃气轮机的一部分的细节图且其描绘了冷却系统的实施例；图4是图2的燃气轮机的一部分的截面图且其描绘了冷却系统的另一实施例；图5是图2的燃气轮机的一部分的截面图且其描绘了冷却系统的另一实施例；图6是冷却系统的一实施例的示意图，该冷却系统包括热交换器且其可用于图1 的燃气轮机中；图7是冷却系统的另一实施例的示意图，该冷却系统包括热交换器且其可用于图 1的燃气轮机中；以及图8是冷却系统的另一实施例的示意图，该冷却系统包括热交换器且其可用于图 1的燃气轮机中。元件列表10. IGCC 系统11.燃气轮机
12.气化系统
14.发电系统
16.燃料源
18.原料制备系统
20.燃料浆
24.气化和洗涤系统
26.氧气
27.蒸汽
28.空气分离器
30.空气
32.氮气
34.气体冷却与处理系统
36.渣
38.渣处理系统
40.黑水
42.黑水处理系统
43.溶解的气体
44.细粒
45.灰水
46.排料
48.灰水处理系统
50.排放(b lowndown)
52.洗涤的合成气
54.脱硫的合成气
56.燃烧器部段
57.空气
58.压缩机
60.燃烧气体
62.稀释氮气压缩机
64.燃气轮机
66.发电机
68.排气
70.HRSG系统
72.蒸汽
74.蒸汽轮机
76.发电机
78.排放蒸汽
80.冷凝器
82.冷凝的蒸汽
84.冷却流体
86.冷却塔
88.纵轴线
90.燃料喷嘴
92.燃烧器
94.空气引入部段
96.级
98.级
100级
101泄放端口
102过渡件
103扩散器部段
104级
106级
108级
109喷嘴组件
110桨叶
112轮
114轴
116排气部段
117入口部段
118燃烧腔室
120壳体
说明书
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122.衬套
124.流动套筒
126.立而盖
128.集气室(plenum)
129.壳体
130.冲击套筒
132.环形区域
134.帽组件
136.冷却系统
138.管
140.端部
142.端部
143.内带
144.外带
145.叶片
146.传热盘管
147.开口
148.端部
150.热交换器
152.端部
156.热交换器
157.冷却流体
158.排放空气
162.冷却的排放空气
164.温热的冷却流体
166.前级提取空气
168.冷却的前级提取空气
169.温热的氮气
170.前级提取空气
172.后级提取空气
174.冷却的后级提取空气
176.温热的前级提取空气
具体实施例方式
将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可不描述实际实施方式的所有特点。应了解在任何这样实际实施方式的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多具体实施决策来实现开发者的具体目的， 例如符合系统相关和商务相关约束，对于不同的实施方式，这些约束可不同。此外，应了解， 这些开发努力可为复杂的且耗时的，但仍是受益于本公开内容的本领域普通技术人员设计、制作和制造的常规任务。当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”预期表示存在这些元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”预期是包括性的且意味着可存在除了所列出元件之外的额外元件。本公开内容是涉及用于燃气轮机的冷却系统。冷却系统可提供冷却流体给燃气轮机的热气体路径内的构件以冷却这些构件，从而延长构件寿命和/或允许在燃气轮机内存在更高的操作温度。用于在燃气轮机内燃烧的压缩空气的一部分可从压缩机转移且用作冷却流体来冷却热气体构件。但是，使用压缩空气来冷却可能减少可用于燃烧的空气量，而这可能会降低燃气轮机的效率和/或可能增加燃气轮机的排放。因此，本公开内容涉及使用另一冷却流体，例如氮气，来补充和/或替换由从压缩机转移的空气提供的冷却。根据某些实施例，氮气可喷射到压缩机排放壳体内以与压缩机排放空气混合，从而冷却该压缩机排放空气。氮气与压缩机排放空气的混合然后可用作冷却流体。在其它实施例中，氮气可被引导通过热交换器以冷却该压缩机排放空气，从而提供更冷的压缩机排放空气，而这可减少用于冷却的压缩机排放空气量。图1示出整体气化联合循环(IGCC)系统10，其可包括用于冷却燃气轮机11的构件的冷却系统。IGCC系统10包括与发电系统14整合的气化系统12，发电系统14包括燃气轮机11。在气化系统12内，含碳燃料源16可用作产生合成气的能源。燃料源16可包括煤、石油焦炭、生物质、木质材料、农业废料、焦油、焦炉煤气和浙青，或者其它含碳物质。燃料源16可经由原料制备系统18而引入到气化系统12内。原料制备系统18可 (例如)通过将燃料源16切碎、研磨、击碎、磨碎、压块或粒化而重整燃料源16的大小或形状以生成燃料浆20。根据某些实施例，原料制备系统18可包括研磨机。另外，在原料制备系统18内，添加剂22，例如水或其它合适液体，可添加到燃料源16以形成燃料浆20。但是， 在其它实施例中，在不采用液体添加剂的情况下，燃料源16可产生干原料。自原料制备系统18，燃料浆20可引导至气化和洗涤系统对。气化和洗涤系统M 可包括气化器，其中燃料浆20可与氧气沈和蒸汽27混合以产生合成气。氧气沈可由空气分离器观提供，空气分离器观将空气30分成氧气沈和氮气32。蒸汽27可在IGCC系统10内再循环且可从下游气体冷却与处理系统34提供。在气化和洗涤系统M内，气化器可使燃料浆20与有限量的氧气在高压(例如，大约20巴至85巴的绝对压力)和高温(例如，大约700°C至1600°C )起反应(例如，部分氧化)以部分地氧化该燃料浆20且产生合成气。不可气化的灰分材料和未转化和/或未完全转化的燃料浆20可为处理副产物，其可作为熔渣的较大粒子和较小粒子(被称作细粒)存在。气化和洗涤系统M也可包括冷却器，例如辐射合成气冷却器或骤冷单元。在冷却器内，合成气可被冷却且饱和，造成不太合乎需要的组分固化。特别地，熔渣可迅速冷却且固化成粗渣粒子36，粗渣粒子36可从气化和洗涤系统M排放且提供给渣处理系统38。渣处理系统38可包括例如锁料斗、拖链运输机和/或渣槽等设备。在渣处理系统38内，渣36 可被筛选以降低水分且然后被引导至场外的处理点。举例而言，渣36可用作路基或另外的建筑材料。除了产生渣36之外，气化和洗涤系统M还可产生黑水40，黑水40包括渣的细微粒子。黑水40可在骤冷单元内和/或在气化和洗涤系统M内从合成气移除。特别地，在洗涤器内，可移除额外细粒和其它夹带的气体，例如氯化氢。黑水40可从气化和洗涤系统 24排放且被引导至黑水处理系统42。黑水处理系统42可包括例如下列设备例如闪蒸罐、沉淀槽和冷凝器以及用于分离溶解的气体43和浓缩细微粒子的其它设备。根据某些实施例，溶解的气体43可包括合成气，其可在气体冷却与处理系统34中回收。黑水处理系统42也可包括沉淀处理，其产生分离的细粒44和灰水45，灰水45可在气化和洗涤系统M中再次使用。黑水处理系统42还可产生灰水的一部分，被称作灰水排料46，其被排出以进行处理移除不太合乎需要的组分。 分离的细粒44可再循环到原料制备系统14，其中细粒可用于提供额外燃料。灰水排料46 可被引导到灰水处理系统48，其中灰水排料46可经历进一步处理来移除气体，例如氨和固体以产生处理的排放50。除了产生渣36和黑水40之外，气化和洗涤系统M还产生洗涤的合成气52。洗涤的合成气52可被弓I导至合成气冷却和处理系统34，在合成气冷却和处理系统34，合成气可被进一步纯化以产生脱硫的合成气M。脱硫的合成气M可用于在发电系统14内发电。特别地，脱硫的合成气M可被引导至燃烧器部段56，其中脱硫的合成气M可比进给到原料制备系统18的原始含碳燃料更高效地燃烧。空气57也可从压缩机58提供到燃烧器部段56，以与脱硫的合成气M以促进脱硫的合成气M燃烧的燃料与空气比混合，以产生燃烧气体60。氮气32可经由稀释氮气压缩机62从空气分离器观提供给燃烧器部段56，以冷却燃烧反应且向燃气轮机的热气体路径构件提供冷却。如在下文中关于图3至图7进一步详细地描述的，氮气32的一部分可用于冷却系统内以向燃气轮机11提供冷却。自燃烧器部段56的燃烧气体60可被弓I导至燃气轮机64，燃气轮机64可驱动压缩机58和/或发电机66。然后自燃气轮机64的排气68可被进给到热回收蒸汽发生(HRSG) 系统70，其可从排气68和从自气体冷却和处理系统34接收的蒸汽27回收热。所回收的热可用于生成蒸汽72来驱动蒸汽轮机74，而蒸汽轮机74可驱动发电机76以发电。自蒸汽轮机74的排放蒸汽78可被引导通过冷凝器80，其中蒸汽78可被冷凝以提供冷凝的蒸汽82。为了使蒸汽78冷凝，例如水的冷却流体84可从冷却塔86循环通过冷凝器80。自冷凝器80的冷凝的蒸汽82然后可再循环到HRSG系统70，在HRSG系统70，冷凝的蒸汽82可再次被加热以生成用于蒸汽轮机74的蒸汽72。在IGCC系统10内，自空气分离器观的氮气32可用于冷却燃气轮机11的构件。 另外，在某些实施例中，可使用自压缩机58的前级提取空气作为燃气轮机11的冷却流体。 尽管燃气轮机11在IGCC系统10的情形下描绘，但IGCC系统10的构件只是以举例说明的方式提供且预期并无限制意义。举例而言，在某些实施例中，例如阀、温度传感器、压力传感器、控制器和/或储存槽等的额外设备可包括于IGCC系统10内。另外，在其它实施例中， 本文所述的冷却系统可用于其它类型的燃气轮机中。举例而言，燃气轮机11可为独立系统的部分，其生成动力来驱动发电机66而无需包括蒸汽轮机74。另外，在某些实施例中，燃气轮机11可从不是IGCC系统10的部分的单独供应来接收氮气32。图2示出沿着纵轴线88所截取的图1的燃气轮机11的实施例的截面侧视图。如在下文中进一步描述，冷却系统可用于燃气轮机11中以增强提供给燃气轮机64的冷却。举例而言，冷却流体可被引导经过和/或通过热气体路径构件，例如喷嘴、叶片、护罩、桨叶和轮等。燃气轮机11包括位于燃烧器部段56内的一个或多个燃料喷嘴90。在某些实施例中，燃气轮机12可包括安置于燃烧器部段56内呈环形布置的多个燃烧器92。另外，每个燃烧器92可包括以环形或其它布置附连到每个燃烧器92的头端或附近的多个燃料喷嘴90。空气可通过空气引入部段94进入燃气轮机11且可由压缩机58压缩。压缩机58 可包括压缩空气的一系列级96、98和100。每个级96、98和100可包括一组或多组固定叶片和桨叶，这些叶片和桨叶旋转以逐渐地增加压力来提供压缩空气。如图2所示，压缩机58 包括大约八个级，为了清楚起见，标注了三个级96、98和100。但是，在其它实施例中，任意多个级可包括于压缩机58内。根据某些实施例，空气可从压缩机级96、98和100例如通过泄放端口 101泄放且用于冷却燃烧器92和/或燃气轮机64内的构件。自压缩机58的压缩排放空气可通过压缩机58的扩散器部段103从压缩机58出来，且可被引导至燃烧器部段56，在燃烧器部段56内，压缩空气可与燃料混合。举例而言， 燃料喷嘴90可以适合于最佳燃烧、排放、燃料消耗和动力输出的比例将燃料-空气混合物喷射到燃烧器92内。如上所指出的那样，多个燃烧器92可环形地安置于燃烧器部段56内。 每个燃烧器92可包括过渡件102，过渡件102将热燃烧气体从燃烧器92引导至燃气轮机 64。特别地，每个过渡件102可大体上限定从燃烧器92到包括于燃气轮机64的第一级104 内燃气轮机64的喷嘴组件的热气体路径。自压缩机58的压缩排放空气的一部分58也可被直接引导至第一级104(即，通过在第一级喷嘴中的冷却通路)以向燃气轮机64的构件提供冷却。如所描绘的那样，燃气轮机64包括三个单独的级104、106和108。每一级104、 106和108可包括联接到转子轮112的一组桨叶110，转子轮112可旋转地附连到轴114。 每一级104、106和108也可包括直接安置于每一组桨叶110上游的喷嘴组件109。喷嘴组件109可将热燃烧气体引导至桨叶110，其中热燃烧气体可向桨叶110施加原动力以使桨叶 110旋转，从而转动轴114。热燃烧气体可通过级104、104和106中的每一个流动，向每一级104、106和108内的桨叶110施加原动力。热燃烧气体然后可通过排气部段116从燃气轮机64出来。尽管燃气轮机64被图示为三级涡轮机，但本文所述的冷却系统可用于具有任意多个级和轴的任何合适类型的涡轮机。举例而言，冷却系统可包括于单级燃气轮机或双涡轮系统中，双涡轮系统包括低压涡轮和高压涡轮。图3是在图2的线3-3内所示的燃烧器部段56的部分的细节图且描绘了可用于冷却燃气轮机构件的冷却系统的实施例。燃烧器92包括燃烧腔室118，其大体上由壳体120、 衬套122和流动套筒124限定。燃料喷嘴90在燃烧器92的头端附近附连到端盖1 上。 压缩燃料通过端盖126引导到燃料喷嘴90中的每一个，燃料喷嘴90将燃料分配到燃烧腔室118。任何合适的可燃燃料可用于燃料喷嘴90。但是，根据某些实施例，燃料可包括合成气体(合成气)或者其它高反应性燃料(即，具有低甲烷和惰性含量的燃料)，例如氢气、乙炔和乙烯，或者其组合。另外，液体和/或气体可燃燃料可用于燃料喷嘴90。自压缩机58的压缩排放空气可通过扩散器部段103从压缩机58出来且流到压缩机排放壳体129的集气室128内。压缩机排放壳体1 可为环形结构，其包围用于燃烧器 92中每一个的过渡件102，以及用于燃气轮机64的第一级104的喷嘴组件109。集气室1 可大体上由压缩机排放壳体129限定，集气室1 可为包围用于燃烧器92中每一个的过渡件102以及用于第一级104的喷嘴组件109的环形集气室。压缩机排放壳体1 可被设计成将自集气室1 的排放空气的第一部分引导至燃烧器92内，其中第一部分可与燃料组合以产生燃烧气体。压缩机排放壳体1 也可将自集气室128的排放空气的第二部分通过第一级喷嘴组件109引导至第一级104内，其中，第二部分可用于冷却燃气轮机64的构件。另外，第二部分中的某些可通过压缩机排放壳体1 引导至包括于下游(第二级、第三级等)喷嘴组件109内的热气体路径构件。排放空气的第一部分可通过过渡件102的冲击套筒130引导至燃烧器92。根据某些实施例，冲击套筒 130可包括孔，孔允许空气流入到过渡件102与冲击套筒130之间的环形区域132内。然后空气可通过在流动套筒1 与衬套122之间形成的环形区域132流向端盖126。在空气到达端盖1 时，端盖1 可将空气往回引导至燃烧腔室118且空气可通过燃料喷嘴90和通过帽组件134内形成的孔进入燃烧腔室118。在燃烧腔室118内，燃料与空气可混合且燃烧以形成燃烧气体。燃烧气体可流动通过燃烧腔室118且可流动通过过渡件102以进入燃气轮机64的第一级104。随着热燃烧气体流动通过第一级104，第一级104的构件，例如喷嘴组件109的叶片和桨叶110(图1) 可从热燃烧气体吸热。因此，可包括冷却系统136以向燃气轮机64的某些构件提供冷却。 举例而言，冷却系统136可用于冷却构件，例如在喷嘴组件109内的叶片，和/或燃气轮机 64的叶片110、轮112和/或护罩以及其它构件。冷却系统136可包括传热装置，例如延伸穿过压缩机排放壳体129到集气室1 内的管138。管138包括入口端140，入口端140可连接到供应管线以从氮气供应(例如图 1所示的空气分离器28)接收氮气32。根据某些实施例，入口端140可从稀释氮气压缩机 62 (图1)接收压缩的氮气。但是，在其它实施例中，入口端140可直接连接到空气分离器观。另外，在其它实施例中，入口端140可连接到独立的氮气供应。氮气可通过入口端140进入管138且可通过管138进入集气室128。然后，氮气可通过管138的出口端142喷射到集气室128内。在集气室128内，氮气可与集气室128内的压缩机排放空气混合以冷却集气室128内的排放空气。根据某些实施例，管138可通往第一级104的喷嘴组件109以促进通过喷嘴组件109进入第一级104的排放空气的第二部分的冷却。举例而言，管138可延伸到喷嘴组件109附近的集气室128内和/或可向喷嘴组件109成角度以提供对排放空气的第二部分的冷却。根据某些实施例，管138的出口端142可安置于喷嘴组件109附近以将氮气引导至喷嘴组件109内。在这些实施例中，刚好在进入喷嘴组件109之前，氮气可与排放空气的第二部分混合，且也可继续与排放空气的第二部分混合，因为氮气与排放空气的第二部分一起流入到喷嘴组件109内。另外，尽管在图3中示出仅一个管138，在其它实施例中，多个管138可安置成绕压缩机排放壳体1 周围的环形布置。举例而言，在某些实施例中，管 138可安置于过渡件102中每一个附近的环形位置，过渡件102容纳于压缩机排放壳体1 内。喷嘴组件109可包括内带143和外带144，内带143和外带144将过渡件102连接到燃气轮机64的第一级104以将燃烧气体从过渡件102引导至第一级104内。叶片145可在内带143与外带144之间延伸以引导燃烧气体通过桨叶110(图2)。外带144可包括孔或开口，孔或开口允许排放空气的第二部分进入叶片145内部。排放空气的第二部分可流动通过叶片145的内部，且可通过叶片145的冷却孔出来。随着空气流经叶片145，空气可冷却该叶片145且随着空气流经喷嘴组件109，也可向喷嘴组件109的其它构件提供冷却。 根据某些实施例，管138可定位成使得自集气室128的最冷的空气(其已与从管138出来的氮气混合)进入第一级104，以向燃气轮机64的第一级喷嘴109的构件提供冷却。在集气室128内，氮气也可与排放空气的第一部分混合，其通过过渡件102的冲击套筒130内的开口而引导至燃烧器92。进入燃烧器92的氮气可用作稀释剂来降低在燃烧区中产生的排放。图4描绘了冷却系统136的另一实施例。如图4所示，冷却系统136包括管138和入口端140，入口端140可连接到空气分离器28和/或稀释氮气压缩机62以接收氮气32。 管138的出口端142可连接到传热盘管146，传热盘管146位于集气室128内。盘绕形状可提供额外的传热面积用于在集气室128内的排放空气与在传热盘管146内流动的氮气之间进行热交换。但是，在其它实施例中，传热盘管146可由另一几何形状的传热装置，例如直管、多管阵列、散热器式热交换器、或板翅式热交换器等替换。另外，在某些实施例中，管 138可为传热盘管146的整体部分。举例而言，管138可与盘绕部分为一个连续件，盘绕部分形成传热盘管146，且直的部分通过压缩机排放壳体1 延伸到集气室128内。在其它实施例中，所有或部分管138可与壳体129为一体。氮气可通过管138流动且通过出口管142进入传热盘管146。然后，氮气可通过传热盘管146流动且可在氮气通过传热盘管146流动时冷却集气室128内的排放空气。传热盘管146可在靠近喷嘴组件109的集气室1 的区域连接到管138的出口端142，以促进氮气对排放空气的第二部分的冷却。但是，并非立即在喷嘴组件109的附近将氮气排放到集气室128内，如图3所示，传热盘管146可延伸穿过集气室128以提供额外传热表面积和/ 或在传热盘管146内的驻留时间来利用氮气冷却压缩机排放空气。传热盘管146也可允许氮气更靠近燃烧器92喷射到集气室128内，在燃烧器92 中氮气可用作稀释剂。举例而言，传热盘管146的出口端148可位于朝向燃烧器92的头端处。氮气可通过出口端148从传热盘管146出来且可在集气室128中与空气混合。另外， 在某些实施例中，氮气可通过沿着传热盘管146长度的中间开口 147从传热盘管146出来。 但是，在其它实施例中，可省略中间开口 147且氮气仅可通过出口端148从传热盘管146出来。由于氮气与集气室128中的排放空气混合，氮气可向排放空气提供进一步冷却。氮气与空气混合物然后可通过喷嘴组件109进入燃烧器92和/或第一级104。另外，在某些实施例中，氮气与空气混合物中的某些可通过集气室128引导至下游喷嘴组件109。如图所示，传热盘管146在集气室128内沿着过渡件102的长度从第一级104附近的区域向燃烧器92延伸。但是，在其它实施例中，传热盘管146的长度和/或几何形状可不同。举例而言，在其它实施例中，任意多个盘管可包括于传热盘管146内。另外，在某些实施例中，传热盘管146的长度可改变以更靠近第一级104或者更靠近燃烧器92的头端来安置出口端148。图5描绘了冷却系统136的另一实施例。冷却系统136包括传热装置，例如热交换器150，热交换器150可安置于压缩机排放壳体129内和/或安装到压缩机排放壳体1 上。如图所示，热交换器150穿过压缩机排放壳体1 设管。在此实施例中，压缩机排放壳体1 可包括内部通路，内部通路允许排放空气从集气室1 流动经过热交换器150。在其它实施例中，热交换器150可安装于压缩机排放壳体129内以促进排放空气流动经过热交换器150。另外，在其它实施例中，热交换器150可安装于压缩机排放壳体1 外部。在这些实施例中，热交换器150可为壳与管式热交换器，其允许氮气通过管侧流动而排放空气通过壳侧流动。但是，在其它实施例中，可采用任何合适类型的热交换器。热交换器150包括入口端152，入口端152可连接到冷却流体源，例如来自图1所示的空气分离器观和/或稀释氮气压缩机62的氮气。在其它实施例中，前级提取空气，例如，通过如图2所示的泄放端口 101从压缩机级96、98或100之一泄放的空气可用作通过热交换器150流动的冷却流体。在通过热交换器150流动之后，前级提取空气可被引导回到涡轮机用于后级(较低压力)喷嘴/热气体路径冷却。此外，在其它实施例中，冷却流体可包括其它合适流体，例如水或燃料，其具有比排放空气的温度更低的温度。冷却流体可通过热交换器150流动且可从集气室128内的排放空气吸热以冷却该排放空气。在通过热交换器150流动之后，冷却流体可通过出口端IM从热交换器150出来。根据某些实施例， 出口端IM可连接到供应管线，供应管线将氮气引导至燃烧器，例如，以减少燃烧器内的排放。在其它实施例中，出口端1 可引导至燃气轮机11的其它需要氮气的区域，或者氮气可排到大气。如图5所示，热交换器150安装于压缩机排放壳体129内。但是，在其它实施例中， 热交换器可安装于燃气轮机11的其它部件中以提供对下游级106或108的冷却。举例而言，在某些实施例中，热交换器150可安装于燃气轮机64的护罩内以向燃气轮机64的第二级106或第三级108提供冷却。图6是冷却系统136的另一实施例的示意图。在此实施例中，冷却系统136包括在压缩机排放壳体1 外部的热交换器156。根据某些实施例，热交换器156可为壳与管式热交换器、翅与管式热交换器或其它合适类型的热交换器。热交换器156可采用冷却流体157来冷却通过扩散器部段103从压缩机58出来的压缩机排放空气158。根据某些实施例，冷却流体157可为来自图1所示的空气分离器观和/或稀释氮气压缩机62的氮气 32。但是，在其它实施例中，冷却流体可为来自压缩机58的前级提取空气。举例而言，前级提取空气可通过泄放端口 101之一从压缩机58移除且提供到热交换器156。在通过热交换器156流动之后，前级提取空气可被引导回到涡轮机用于后级(较低压力)喷嘴/热气体路径冷却。此外，在其它实施例中，冷却流体可包括其它合适流体，例如水或燃料，其具有比排放空气的温度更低的温度。根据某些实施例，所有或部分压缩机排放空气158可被引导通过热交换器156，在热交换器156，压缩机排放空气158可由冷却流体157冷却以产生冷却的排放空气162。在某些实施例中，压缩机排放空气158可转移到扩散器部段103内的热交换器156。但是，在其它实施例中，压缩机排放空气158可从集气室1 转移到热交换器156。冷却的排放空气162然后可被引导至集气室128，在集气室128，排放空气的第一部分可进入燃烧器92且排放空气的第二部分可进入第一级104以提供冷却，如在上文中关于图3所述。根据某些实施例，冷却的排放空气162可被引导至第一级104的喷嘴组件109 附近的集气室1 以促进对进入第一级104的排放空气的第二部分的冷却。但是，在其它实施例中，冷却的排放空气162可在集气室128内其它合适位置被引导至集气室128。另外，在某些实施例中，冷却的排放空气162可在多个进入点被引导至集气室128。此外，在其它实施例中，冷却的排放空气162可用管路直接接入到第一级喷嘴和/或到任何其它热气体路径构件。随着冷却流体157通过热交换器156流动，冷却流体157可从排放空气158吸热以产生温热的冷却流体164。温热的冷却流体164可用于燃气轮机11内或排到大气。举例而言，在冷却流体164是氮气32的实施例中，氮气可喷射到燃烧器92内以充当稀释剂和/ 或减少排放。在冷却流体164是来自压缩机的前级提取空气的其它实施例中，冷却流体164 可提供给后级106和/或108以提供冷却或用于其它目的。图7是包括热交换器156的冷却系统136的另一实施例的示意图。在此实施例中，热交换器156可接收氮气32，氮气32可用于冷却来自压缩机58的前级提取空气166。 举例而言，热交换器156可从图1所示的空气分离器观和/或稀释氮气压缩机62接收氮气32。在其它实施例中，并非氮气32，而是另一冷却流体，例如水或燃料，可被引导通过热交换器156。前级提取空气166可通过泄放端口 101中的一个或多个从压缩机级96、98或 100之一提取。提取空气166可被引导通过热交换器156，在热交换器156中，提取空气可由氮气 32冷却以产生冷却的前级提取空气168。冷却的前级提取空气168可用于冷却燃气轮机64 内的其它构件。举例而言，前级提取空气168可被引导至燃气轮机64的第二级106和/或第三级108以冷却这些级106和108内的构件。根据某些实施例，冷却的前级提取空气162 可被引导通过例如第二级106和第三级108的叶片、护罩、轮、桨叶和/或翼面这样的构件内的冷却回路。随着氮气32通过热交换器156流动，氮气32可从前级提取空气166吸热以产生温热的氮气169。温热的氮气169可用作燃气轮机11内的氮气源。举例而言，在某些实施例中，氮气可被喷射到燃烧器92内以充当稀释剂和/或减少排放。另外，在某些实施例中， 所有或部分温热的氮气164可被排到大气。在替代实施例中，取决于提取空气的级，提取空气可替代地用于冷却氮气，然后氮气可用于其它冷却目的。举例而言，提取空气可用于冷却氮气，氮气然后可被引导至管138， 如在上文中关于图3和图4所述。在另一实例中，冷却的氮气可被引导至其它热气体构件和/或下游喷嘴组件109。图8是包括热交换器156的冷却系统136的另一实施例的示意图。在此实施例中， 热交换器156可采用前级提取空气170作为冷却流体。前级提取空气170可用于冷却下游前级提取空气172，下游前级提取空气172可从该前级提取空气的后级抽取。举例而言，如图所示，自第一级96的前级提取空气170可用于冷却自第二级98的后级提取空气172。在其它实施例中，前级提取空气和后级提取空气可从其它级抽取，其中前级提取空气从后级提取空气上游的级抽取。前级提取空气170和后级提取空气172可通过泄放端口 101从压缩机58抽取，泄放端口 101允许从扩散器部段103上游抽取该提取空气。随着前级提取空气170通过热交换器156流动，前级提取空气170可冷却后级提取空气172以产生冷却的后级提取空气174。冷却的后级提取空气174可用于冷却燃气轮机64内的构件。举例而言，冷却的后级提取空气174可被引导至燃气轮机64的第二级106 或第三级108以冷却这些级106和108内的构件。根据某些实施例，冷却的后级提取空气
13174可被引导通过例如第二级106和第三级108的叶片、护罩、轮、桨叶和/或翼面这样的构件内的冷却回路。在热交换器156内，前级提取空气170可从后级提取空气172吸热以产生温热的前级提取空气176。温热的前级提取空气176可用作燃气轮机11内的压缩空气源。举例而言，根据某些实施例，温热的前级提取空气176可被引导至燃烧器92，引导至集气室128，和 /或引导至第一级104，或者引导至可冷却的其它构件和/或区域。另外，在其它实施例中， 温热的前级提取空气176可返回到压缩机58。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，且也能使本领域技术人员实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。专利保护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的这些修改和其它实例。如果其它实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求书的字面语言并无实质不同的等效结构元件，其它实例预期在权利要求书的保护范围内。
权利要求
1.一种系统(11)，其包括燃气轮机(64)；压缩机(58)；燃烧器(56)；压缩机排放壳体(1 )，其被配置成从所述压缩机(56)接收排放空气，且将所述排放空气的第一部分引导到所述燃烧器内，且将所述排放空气的第二部分引导到所述燃气轮机 (64)的喷嘴组件(109)内，以冷却所述燃气轮机(64)的构件；以及传热装置(138，146，150，156)，其被配置成接收冷却流体，且利用所述冷却流体来冷却所述排放空气的第二部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传热装置(138，146)包括管，所述管延伸到所述压缩机排放壳体(1 )内，且被配置成喷射所述冷却流体到所述压缩机排放壳体(129) 内，以冷却所述压缩机排放空气。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传热装置包括热交换器(150，156)，所述热交换器(150，156)被配置成从所述压缩机排放空气向所述冷却流体传热。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述热交换器(150)安置于所述压缩机排放壳体 (129)内部。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述热交换器(156)安置于所述压缩机排放壳体外部。
6.根据权利要求1所述的系统，其包括空气分离器( )，所述空气分离器08)被配置成提供氮气作为冷却流体。
7.根据权利要求1所述的系统，其包括在所述压缩机(58)内的泄放端口(101)，所述泄放端口(101)被配置成提供来自所述压缩机(58)的前级提取空气作为冷却流体。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述喷嘴组件(109)包括至少一个外带(144)，所述外带(144)被配置成将所述排放空气的第二部分引导至所述喷嘴组件(109)的至少一个叶片(145)内。
全文摘要
本发明涉及燃气轮机的冷却，在一实施例中，燃气轮机的压缩机排放壳体(129)被设计成从压缩机(58)接收排放空气，且将排放空气的第一部分引导至所述燃气轮机的燃烧器(56)内，且将所述排放空气的第二部分引导至燃气轮机的喷嘴组件(109)内，以冷却燃气轮机(64)的构件。传热装置(138，146，150，156)被配置成接收冷却流体，且利用所述冷却流体来冷却所述排放空气的第二部分。
文档编号F02C7/12GK102235243SQ20111005870
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年5月6日
发明者A·J·加西亚-克雷斯波, A·K·阿南德, B·P·莱西, R·E·楚普, R·J·古斯塔夫森 申请人:通用电气公司