位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种位于燃气轮机发动机中的外部冷却流体喷射系统，其中，该系统可在低于全负荷操作期间操作，以在发动机的选定区域内产生更均匀的温度分布。
【背景技术】
[0002]在燃气轮机发动机操作期间，空气在压缩器部分中压缩，然后在燃烧部分中与燃料混合并燃烧，以产生热燃烧气体。在筒环形燃气轮机发动机中，燃烧部分包括燃烧器设备的环形阵列，有时称为“筒”或“燃烧器”，其均将热燃烧气体供应到发动机的涡轮部分，在涡轮部分，热燃烧气体膨胀以从中提取能量来提供输出功率，输出功率又用于发电。
【发明内容】
[0003]根据本发明，提供了一种燃气轮机发动机，包括压缩器部分、燃烧部分和涡轮部分，在压缩器部分中压缩拉入发动机中的空气，在燃烧部分中，燃料与来自压缩器部分的压缩空气的至少一部分混合并燃烧，以产生热燃烧气体，在涡轮部分中，来自燃烧部分的热燃烧气体膨胀以从中提取能量，其中，提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转。发动机还包括转子室、至少一个转子冷却管和冷却流体喷射系统，转子室与在涡轮部分内要冷却的结构连通，至少一个转子冷却管在第一发动机操作模式期间将从发动机中提取的冷却空气喷射进转子室中。冷却流体喷射系统包括外部冷却流体源、至少一个转子冷却管、管道系统、鼓风系统和阀系统，外部冷却流体仅在包括低于全负载操作的第二发动机操作模式期间喷射进转子室中，至少一个转子冷却管用于在第二发动机操作模式期间将来自外部冷却流体源的冷却流体喷射进转子室中，管道系统提供外部冷却流体源与至少一个转子冷却管之间的流体连通，鼓风系统用于将来自外部冷却流体源的冷却流体输送通过管道系统和至少一个转子冷却管，进入转子室。阀系统在第一发动机操作模式期间闭合，以防止来自外部冷却流体源的冷却流体被鼓风系统输送通过管道系统，阀系统在第二发动机操作模式期间打开，以允许来自外部冷却流体源的冷却流体被鼓风系统输出通过管道系统。
[0004]根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作燃气轮机的方法。空气在发动机的压缩器部分中压缩。燃料与压缩空气的至少一部分混合，该混合物在发动机的燃烧部分中燃烧，以产生热燃烧气体。热燃烧气体在发动机的涡轮部分中膨胀以从中提取能量，其中，提取的能量的至少一部分用于在包括全负荷操作的第一发动机操作模式期间使涡轮转子旋转。在第一发动机操作模式期间经由至少一个转子冷却管将从发动机提取的空气喷射进转子室中。喷射的空气提供对涡轮部分内的要冷却结构的冷却。在包括低于全负荷操作的第二发动机操作模式期间，鼓风系统的操作使得可将来自外部冷却流体源的冷却流体输出通过管道系统，到达至少一个转子冷却管，并经由至少一个转子冷却管将来自外部冷却流体源的冷却流体喷射进转子室中。
【附图说明】
[0005]尽管说明书以特别指出并明确要求本发明的权利要求结束，但是应认为，结合附图，通过以下描述可更好地理解本发明，在附图中，类似的参考标号表示类似的元件，附图中:
[0006]图1是根据本发明实施例的包括冷却流体喷射系统的燃气轮机发动机的部分截面侧视图；
[0007]图1A是图1的放大部分，示出用于将冷却流体传输到发动机涡轮部分内要冷却结构的流体回路；以及
[0008]图2是图1所示冷却流体喷射系统的示意图。
【具体实施方式】
[0009]在下面对优选实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，在附图中，仅以说明性方式而不以限制性方式示出可实施本发明的指定优选的实施例。应理解，可使用其它实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行改变。
[0010]参见图1，示出根据本发明的燃气轮机发动机10。发动机10包括压缩器部分12、包括多个燃烧器16 (本文中还称为“燃烧器设备”)的燃烧部分14和涡轮部分18。应注意，根据本发明的发动机10优选地包括布置在发动机10的纵向轴线La周围的燃烧器16环形阵列，纵向轴线限定出发动机10内的轴向方向。这种构造通常称为“筒环形燃烧系统”。
[0011]压缩器部分12引入并加压进入空气，进入空气的至少一部分被引导至燃烧器壳体20，以传输至燃烧器16。燃烧器壳体20中的空气在下文中称为“壳体空气”。加压空气的其它部分可从压缩器部分12提取出，以冷却发动机10内的各部件，比如涡轮部件18中的部件。
[0012]在进入燃烧器16时，来自压缩器部分12的压缩空气与燃料混合，并被点燃以在相应燃烧器16内产生以湍流方式高速流动的高温燃烧气体。然后，每个燃烧器16中的燃烧气体流过相应过渡管22 (图1仅示出一个过渡管22)到达涡轮部分18，在涡轮部分，燃烧气体膨胀以从中提取能量。从燃烧气体中提取的能量的一部分用于提供涡轮转子24的旋转，涡轮转子平行于可旋转轴26延伸，可旋转轴沿纵向轴线1^轴向地延伸通过发动机10。
[0013]如图1所示，提供发动机外壳30以围绕相应发动机部分12、14、18。外壳30的布置在燃烧部分14周围的一部分30A包括限定出燃烧器壳体20的外壳壁32，S卩，燃烧器壳体20限定出外壳部30A内的内部容积。如图2所示，外壳壁32包括顶壁部分32A、左侧壁部分和右侧壁部分32B、32C以及底壁部分32D。
[0014]现在描述根据本发明方面的外部冷却流体喷射系统40。参见图2，所示实施例中的冷却流体喷射系统40包括外部冷却流体源42，在所示实施例中，外部冷却流体源包括环境空气入口。尽管根据该实施例的外部冷却流体源42包括单个环境空气入口，但是除了环境空气或者代替环境空气，可使用其它冷却流体源，比如喷雾、蒸汽或水。另外，可提供额外的环境空气端口。
[0015]冷却流体喷射系统40还包括管道系统44，其设置成将来自外部冷却流体源42的冷却流体输送到多个转子冷却管46A、46B、46C、46D，多个转子冷却管关于外壳壁32的圆周大致均匀地间隔开，如图2所示。尽管根据该实施例的冷却流体喷射系统40包括四个转子冷却管46A-D，但是可提供任何合适数量的转子冷却管。如下所讨论的，转子冷却管46A-D将来自外部冷却流体源42的冷却流体喷射进转子室&中，转子室与涡轮部分18内要冷却的结构连通，比如可旋转的涡轮叶片Tb排、支撑涡轮叶片Tb排并形成转子24 —部分的叶盘结构Bds，和/或位于叶盘结构Bds与相邻静止涡轮轮叶T v排之间的涡轮盘空腔T DC，见图1Ao如图1A最清楚示出，转子室Rc至少部分地位于燃烧部分14中，并与燃烧器壳体20隔离，即转子室R。未直接暴露于燃烧器壳体20。
[0016]如图2所示，冷却流体喷射系统40又包括阀系统48、鼓风系统50和可选的冷却器52，在所示实施例中，阀系统包括第一和第二阀48A、48B，但是还可使用额外或更少的阀，在所示实施例中，鼓风系统包括单个鼓风器，但是还可使用额外的鼓风器或排出器。阀系统48和鼓风系统50由控制器54控制，以选择性地允许或防止来自外部冷却流体源42的冷却流体穿过管道系统44，如下更详细所述。当阀系统48打开时，鼓风系统50设置成从外部冷却流体源42提取冷却流体，并将提取的冷却流体输送通过管道系统44，到达转子冷却管46A-D，并进入转子室R。。冷却器52设置成冷却冷却流体。如图2所示，过滤器56可设置在外部冷却流体源42和转子室Rc之间，以从冷却流体过滤颗粒。根据图2所示实施例，过滤器56固定到鼓风系统50的鼓风器的上游侧，但是过滤器56可位于外部冷却流体源42的下游的任何地方。
[0017]现在描述一种操作发动机10的方法。在发动机10正常操作期间，还已知为全负荷或基本负荷操作并在本文中还称为第一发动机操