专利名称：用于增强涡轮机性能的冷却回路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于增强涡轮机性能的结构和方法，并且更具体 地，本发明涉及一种使压缩机排气转向的冷却回路，以补充总体所需 的清洗气流并冷却关键的涡轮机部件。
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背景技术：
经过燃气涡轮机的高压充填(HPP)泄露的压缩机排气典型地在第 一级喷嘴和第一级动叶之间经由第一前部叶轮空间(wheel space)而返 回到主要气路。该次要气路指的是HPP回路。该气体使用于两个目的 (1)把它使用为在第 一 叶轮空间中的清洗气流，以防止热气吞(gas 15 ingestion);且(2)它冷却在HPP回路中的关键部件。在HPP回路中的 一些关键部件包括压缩机的连接螺栓、结合凸缘(marriagejoint)、喷嘴 支撑环和第一级叶轮。
在一些设计中，由于部件温度的需要，在HPP回路中的气流级别 (flow level)要高于叶轮空间的清洗需求。所以，理想的解决方法应该
20 能将总体回路气流降低到满足叶轮空间的清洗需求的级别，而同时将 回路中的所有关键部件都保持在所希望的温度需求下。而且，优选的 解决方法还能够对付强烈变化的周围环境和涡轮机的操作条件。最 后，解决方法应该能够在现有的碌/f牛上改型翻新。
在先前General Electric的涡轮机设计(9H涡轮机)中，HPP回路使
25 用了已冷却的冷却空气旁路系统。该回路使用换热器以冷却被抽取的 压缩机排气，并且把已冷却的冷却空气带回到HPP回路的前部，以不 仅仅冷却压缩机部件的最后级，而且防止后一级的气流进入HPP回路 中。该系统使用传统的密封技术来密封HPP,并且不能尝试把所需的
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清洗气流调节成超过传统的角翼(angle wing)密封。已冷却的冷却空气 是不可调节的。
在其它的涡轮机设计中已实现了刷式密封来减少清洗气流。然 而，由于较低的压缩机排气温度和因此在HPP回路中较低的温度导致 5足够的叶轮空间的温度裕度(temperature margin),所以在那里将不需 要已冷却的冷却空气。
发明内容
在示范性实施例中，在燃气涡轮机中的冷却回路用做来增加在涡 10 轮机的高压充填(HPP)回路中的气流。该冷却回路包括接收压缩机排 气的进气管，和经由歧管与进气管成流体连通(fluid communication)的 至少一个已冷却的冷却空气管。歧管使排气分散穿过至少一个已冷却 的冷却空气管。上游密封设置在HPP回路的入口上游，并且下游密封 设置在HPP回路的下游。 15 在另一个示范性实施例中，使用冷却回路来增加在涡轮机的高压
充填(HPP)回路中的气流以改进涡4仑机性能的方法包括步骤在进气 管中接收压缩机排气；穿过多个已冷却的冷却空气管*排气；以及 把上游密封设置在HPP回路的入口上游以调节进入HPP回路的空气 和把下游密封设置在HPP回路的下游以调节对于叶轮空间的清洗空 20 气的需要。
在又一个示范性实施例中，冷却回路包括接收压缩机排气的进气 管；经由歧管与进气管流体连通的至少一个已冷却的冷却空气管，该 歧管使排气穿过至少一个已冷却的冷却空气管而分散；直接与至少一 个已冷却的冷却空气管和已转向的(diverted)空气中的 一 个相接触的冷 25 却源；设置在进气管和至少一个已冷却的冷却空气管之间的岡，该阀 基于HPP回路的温度调节已转向的空气的质量流量(mass flow)和温 度；设置在HPP回路的入口上游的上游密封；以及设置在HPP回路 下游的下游密封。
图1显示了一个示范性实施例的冷却回路；而 图2显示了可选示范性实施例的冷却回路。
附图标记一览
密封装置 12
进气管或者说进气管道 14
已冷却的冷却空气管道 16
10 歧管 18
热交换器 20
喷雾器 22
喷射器 24
管路 26
15 阀 28
开口 30
具体实施例方式
参考图1,系统使用密封装置12,比如刷式密封件、可调节密封 20 件等等，来防止来自压缩机排气和次要(旁路)已冷却的冷却空气系统 的过多气流，以补偿总体所需的清洗气流并且冷却关4定部件。可调节 密封可以是在发动机瞬态期间缩回的一种密封，以最小化对密封的磨 损或损坏，或者该可调节密封可以是在使用中用于调节的一种密封， 以适应密封性能的退化。 25 在密封所有的关键部件和现有的蜂窝(honeycomb)之前，把密封件
12置于HPP回路的入口上游或者邻近该HPP回路的入口 。如所提及 的，密封可以是传统的刷式密封、带有致动系统的可调节密封等等。
定位进气管道14或进气管14，以接收压缩机排气。优选地，回 路包括直径大约3"的两个进气管道14或进气管14。
在进气管14中把已转向的空气经由歧管18流到多个已冷却的冷 却空气管16。歧管18使来自进气管14的排气M穿过已冷却的冷却 空气管16。已冷却的冷却空气管16把压缩机排气引导到HPP回路。 在优选的布置中，冷却回路包括12个已冷却的冷却空气管，该 5 冷却空气管在压缩机的排气箱的竖直凸缘处穿过并且在后缘处沿着 压缩机的排气箱的支柱延伸。已冷却的冷却空气管优选地直径是3/4" 或1"。经由压縮机的排气箱的支柱的定位用做来最小化施加在主要气 流上的空气动力学。已实施了计算流体动力学分析，以确保所增加的 管路系统在主要气流上具有可忽略的影响。管道16还经由适当的孔
10穿过压缩机的排气箱的内桶凸缘。
回路优选地还包括与进气管14和已冷却的冷却空气管16中的任 一个或二者连通的冷却源。在一种布置中，冷却源包括环境空气，该 环境空气用来在气流穿过已冷却的冷却空气管16行进时冷却该气流。 可选地，冷却源可包括换热器20，比如管壳式换热器等等。
15 用于冷却源的又一个可选物是喷雾器22，该喷雾器22喷射与或
者已转向的空气或者已冷却的冷却空气管16相接触的水滴。喷雾器 22优选地产生微米级别的水滴，直接喷射该微米级别的水滴以冷却被 抽取的空气。把气流冷却15(TF所需的水量将把主要气路的气流湿度 级别提高仅仅2。/。。局部地在HPP回路中，比湿度比起在进口处的条
20 件将典型地是4-5倍。该较高的湿度一般对回路部件是无害的。
图2图解了对于在图1中所示的热交换器20或喷雾器22的可选 物。图2图解了喷射器24,该喷射器24把来自压缩机第13级的、或 其它适当的压缩机抽气口的空气与压缩机排气相混合。经由适当的管 路26或类似物把第13级的空气引导到喷射器。在喷射器出口处已混
25 合的第13级(的空气)和压缩机排气将具有所希望的温度，以及低于压 缩机排气的压力。因为使用了来自级13的相对较便宜的空气，较便 宜是由于在空气上只做了较少的工作来压缩和加热它，所以可获得额 外的涡轮机性能。
通过设置在进气管14和已冷却的冷却空气管16之间的阀28可 以变换出口温度和质量流量。当使用喷雾器22时可以提供额外的阀 以控制水的质量。通过控制信号可以或者手动地或者自动地操作两个 阀。优选地，基于在HPP回路处的温度测量值，可以自动地调节阀， 5 以(获得)所希望的已冷却的冷却空气的质量流量和温度。不论所使用 的冷却机构，都可以使用这种阀来调节CCA回路。基于在HPP回路 中得到的温度测量值将可控制这些阀；把这些阀典型地制造在叶轮空 间中的几个位置处，但是也可制造在HPP回路中的任何关键位置处。 ^使用温度测量值不^l可以确定冷却空气^f皮充分冷却，还可以识別到叶
10 轮空间中的热气吞。
已冷却的冷却空气管16相对于HPP回路在各个位置处传递冷却 空气。如在图1和图2中所示的，把开口 30优选地提供在内桶中， 以便把已冷却的冷却空气供给到涡轮机的连接螺栓和结合凸缘。把 CCA的剩余部分直接通到第一前部叶轮空间中。
15 所描述的系统和方法尽力节省在HPP回路中所需的压缩机排气
的数量，并且把该压缩机排气再次引导返回到主要流程上，以增强涡 轮机的性能。通过引入次要气流系统以把已冷却的冷却空气带入回路 中可有效获得上述情形。由叶轮空间的清洗需求来指示在回路中所需 的总体气流量。叶轮空间的清洗需求和当前气流之间的差足够明显以
20 证实执行了次要已冷却的冷却空气回路。密封把进入HPP回路中的空 气限制到最小的可能，以便由已冷却的冷却空气回路来提供尽可能多 的所需清洗空气。在叶轮空间处经由耐磨角翼密封所改进的密封减少 了所需的清洗空气量。被混合的压缩机排气和已冷却的冷却空气应该 是足以防止叶轮空间的热气吞，而同时把回路中的关键部件保持在温
25 度界限之下。
尽管本发明已结合当前被认为是最实用并且最优选的实施例进 行了描述，但是可以理解的是本发明并不被限制在所公开的实施例 中，相反地，本发明意在覆盖被包含在所附权利要求的精神和范围中 的各种修改和等价布置。
权利要求
1. 一种在燃气涡轮机中用于增加在所述涡轮机的高压充填(HPP)回路中的气流的冷却回路，所述冷却回路包括接收压缩机排气的进气管(14)；经由歧管(18)与所述进气管成流体连通的至少一个已冷却的冷却空气管(16)，所述歧管使所述排气通过所述至少一个已冷却的冷却空气管而分散；设置在所述HPP回路的入口上游的上游密封装置(12)；和设置在所述HPP回路下游的下游密封装置(12)。
2. 根据权利要求1所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却回 路还包括与所述至少一个已冷却的冷却空气管连通的冷却源
3. 根据权利要求2所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却源 15 包括环境空气。
4. 根据权利要求2所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却源 包括热交换器(20)。
5. 根据权利要求2所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却源 包括喷雾器(22),所述喷雾器(22)喷射与已转向的空气和所述至少一个 已冷却的冷却空气管(16)中的 一 个相接触的水滴。
6. 根据权利要求2所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却源 包括喷射器(24)，所述喷射器(24)把来自包含所述压缩机排气的至少两 个压缩机级的空气混合。
7. 根据权利要求1所述的冷却回^各，其特征在于，所述已冷却 25的冷却空气管(16)穿过所述压缩机的排气箱的竖直凸缘，并且在后缘处沿着压缩机排气箱支柱而延伸。
8. 根据权利要求1所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却回 路还包括设置在所述进气管(14)和所述已冷却的冷却空气管(16)之间 的阀(28),所述阀基于所述HPP回路的温度而调节所述已转向的空气 的质量流量和温度。
9. 根据权利要求1所述的冷却回路，其特征在于，所述冷却回 路还包括在内桶中的开口 (30),以允许来自所述已冷却的冷却空气管(16)的已冷却的冷却空气到达所述涡轮机中的连接螺栓和结合凸缘中 的至少一个处。
10. —种使用冷却回路通过增加在所述涡轮机的高压充填(HPP) 回路中的气流以改进涡轮机性能的方法，所述方法包括在进气管(14)中接收压缩机排气； 10 使所述排气分散穿过多个已冷却的冷却空气管(16);以及把上游密封装置(12)设置在所述HPP回路的入口上游以调节进入 所述HPP回路的空气，并把下游密封装置(12)设置在所述HPP回路下 游以调节对于叶轮空间清洗空气的需要。
全文摘要
本发明涉及一种用于增强涡轮机性能的冷却回路。在具有压缩机排气箱的燃气涡轮机中，冷却回路朝着高压充填(HPP)回路使压缩机排气转向。冷却回路包括接收压缩机排气的进气管(14)。一个或几个已冷却的冷却空气管(16)经由歧管(18)与进气管成流体连通，该歧管使排气穿过已冷却的冷却空气管而分散。把密封装置(12)设置在HPP回路的入口上游以限制气流进入HPP回路中，并且在叶轮空间处把第二密封装置(12)设置在HPP回路下游，以限制气吞和因此所需的清洗空气流。回路用做来减少在HPP回路中所需的清洗气流，以便可以把一定的压缩机排气量返回到主要流程，由此改进涡轮机性能。
文档编号F02C7/12GK101392687SQ20081016800
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月17日 优先权日2007年9月18日
发明者B·方, C·E·沃尔夫, J·J·布特基维奇, M·S·凯特, O·萨穆德拉拉, T·麦戈文 申请人:通用电气公司