专利名称：用于控制通过转子的流的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于控制通过转子的流的系统和方法。例如，本发明的特定实施例可控制转向通过转子的流体的量以加热转子。
背景技术：
燃气涡轮被广泛用于工业和商业操作中。一种典型的燃气涡轮包括位于前部的压缩机、中部周围的一个或更多燃烧器以及位于后部的涡轮。压缩机赋予动能给工作流体(例如空气)以产生处于高能状态的压缩工作流体。该压缩工作流体离开压缩机并且流至燃烧器，其在此与燃料混合并点燃而产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体流至涡轮，其在此膨胀而产生功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接至发电机的轴旋转而发电。压缩机和涡轮通常共享公共的转子，该转子从压缩机的前部附近延伸通过燃烧器区段到涡轮的后部附近。由于转子的长度和尺寸，该转子的总重量可接近或超过100吨。在燃气涡轮的启动期间，由于压缩工作流体流过压缩机且燃烧气体流过涡轮，转子的外部比转子的内部升温更快，从而产生跨过转子轮廓的温度梯度。跨过转子轮廓的温度梯度产生跨过转子的较大热应力，其通常与Tmax-Tave成比例。Tmax为跨过转子轮廓的最高温度。在压缩机区段中，Tfflax可接近离开压缩机的压缩工作流体的温度，而在涡轮区段中，Tfflax可接近进入涡轮的燃烧气体的温度。T·是跨过转子轮廓的平均温度，并且在燃气涡轮的冷启动期间最初为环境温度。跨过转子的热应力持续存在，直到跨过转子轮廓的温度达到平衡(其可为12小时或更长)，并且大大降低转子的低周疲劳极限。本领域中已知多种用于减少跨过转子的热应力的系统和方法。例如，可使工艺流体(process fluid)从压缩机转向(divert)而流过转子，以减少Tmax和Tave之间的温差并允许转子在较短时段内达到平衡温度。然而，通过降低由压缩机产生的压缩工作流体的量，转向流体降低了压缩机的效率。此外，转向流体在它被再次引入压缩机气流中时形成紊流，并且该紊流可跨过压缩机叶片形成层流分离。因此，用于控制通过转子的流的改进的系统和方法将是有益的。
发明内容
本发明的方面和优点在下文的描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。本发明的一个实施例是一种用于控制通过转子的流的系统。该系统包括转子中的入口和转子中的出口。出口与入口流体连通。固定孔口设置在入口或出口中的至少一个中。可变孔口在与固定孔口分开的位置设置在入口或出口中的至少一个中。本发明的另一个实施例是一种用于加热转子的系统。该系统包括通过转子的流体通道。第一阀设置在流体通道中，以控制通过流体通道的流体的流。第二阀设置在流体通道中与第一阀不同的位置，以控制通过流体通道的流体的流。
本发明还可包括用于控制通过转子的流的任何方法。该方法包括使工艺流体转向以及使转向的工艺流体流动通过转子中的流体通道，该流体通道包括第一孔口和与第一孔口分开的第二孔口。该方法还包括通过使用第一孔口、第二孔口或其组合来减少通过转子中的流体通道的转向工艺流体的流。在阅读该说明书后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例以及其它实施例的特征和方面。
在说明书的其余部分中(包括参考附图)更具体地阐述了本发明的完整且能够实现的公开，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在附图中
图1是根据本发明的一个实施例的转子的简化剖视图2是图1中所示的转子叶轮的一侧沿线A-A截取的透视图；以及图3是图1中所示的转子叶轮的另一侧沿线B-B截取的透视图。附图标记
10转子
12转子叶轮
14连杆(tie rod)
16中心线
18旋转叶片
20固定喷嘴
22腔室
24入口
26出口
28可变孔口
30阀
32活塞
34膜片(diaphragm)
36控制器
38信号
40固定孔口。
具体实施例方式现在将详细地对本发明的实施例做出参考，在附图中示出了这些实施例的一个或更多示例。该详细描述使用数字标记和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中使用相同或类似的标记来表示本发明的相同或类似的部分。每个示例以本发明的说明而非本发明的限制的方式提供。实际上，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分所显示或描述的特征可用在另一实施例上以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图包括落入所附权利要求及其等同的范围内的这种修改与变型。本发明的范围内的实施例提供了用于增加转子的预期寿命和提高燃气涡轮效率的系统和方法。在各种实施例中，本发明可控制通过转子的流以加热转子，从而降低跨过转子轮廓的热应力。降低的热应力将提高转子的低周疲劳极限。此外，本发明的范围内的实施例通过控制通过转子的流体流的量和/或持续时间来提高燃气涡轮效率。在这方面，已经确定可利用双重计量(dual metering)来提供固定的计量区域，其控制流体流直到满载状态(当第二单独的工作计量区域可用来减少流时)。图1提供了根据本发明的一个实施例的转子10的上半部分的简化剖视图。如图所示，转子10可包括多个转子叶轮12，它们由连杆14轴向地连接以围绕中心线16—起旋转。在压缩机区段中，每个转子叶轮12可与旋转叶片18或固定喷嘴20相关联，如图1所示。类似地，在涡轮区段中，每个转子叶轮12可与旋转动叶或定子相关联。如图1所示，转子10包括介于相邻转子叶轮12之间并通过它们的多个腔室22。腔室22减少转子10的总重量。此外，腔室22提供介于相邻转子叶轮12之间并围绕它们的一个或更多流体通道。流体通道包括至少一个入口 24以及与入口 24流体连通的至少一个出口 26。入口 24和/或出口 26可包括通过单个转子叶轮12或介于相邻转子叶轮12之间的任何合适的通道、气室或通路。例如，如图2所示，入口 24或出口 26可包括介于相邻转子叶轮12之间的径向孔。这样，流体可在通过出口 26离开流体通道之前流动通过入口24进入流体通道中，并且通过和/或围绕转子叶轮12,如由图1中的流向(flow arrow)所
/Jn ο可变孔口 28可设置在入口 24或出口 26中的至少一个中的流体通道中以控制通过流体通道的流体流。例如，可变孔口 28可具有第一位置和第二位置，第一位置允许流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个,而第二位置减少和/或阻止流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个。可变孔口 28可包括本领域普通技术人员已知的用于防止或阻止流体流的任何合适机构。例如，如图3所示，可变孔口 28可包括热促动阀30，其响应转子叶轮12中的温度变化。如图3所示，阀30可包括连接至阀30内的膜片34的活塞32或盘。在较低的温度下，膜片34可收缩而使活塞32或盘缩回阀30中，以将可变孔口 28置于允许或容许流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个的第一位置。当转子叶轮12 (和因此转子10)温度升高时，膜片34可扩张而迫使活塞32或盘到阀30之外，以阻塞或完全密封相关联的入口 24或出口 26。在活塞32或盘延伸到相关联的入口 24或出口 26中的情况下，可变孔口 28处于减少或防止流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个的第二位置。与可变孔口 28分开的固定孔口 40也可设置在入口 24或出口 26中的至少一个中的流体通道中，以控制通过流体通道的流体流。例如，固定孔口 40可具有第一位置和第二位置，第一位置允许流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个，而第二位置减少和/或防止流体流通过入口 24或出口 26中的至少一个。固定孔口 40可最初控制流体流直到满载状态。这样，固定孔口 40连同可变孔口 28可更可靠地控制吹扫流(purge flow)。类似于可变孔口 28，固定孔口 40可包括本领域普通技术人员已知的用于防止或阻止流体流的任何合适机构。如图1所示，可变孔口 28和固定孔口 40可连接至控制器36，用于在本发明的范围内的备选实施例中对可变孔口 28远程操作。虽然未示出，但可变孔口 28和固定孔口 40可由单独的控制器控制，这也是本领域普通技术人员可理解的。如本文中所述，控制器36的技术效果是将信号38传递至可变孔口 28和/或固定孔口 40以远程地操作这样的(多个)孔口。控制器36可为独立的构件，例如温度传感器或计时器，或者是包括在本领域中已知的任何计算机系统(例如手提式电脑、个人计算机、迷你计算机或主计算机)中的子构件。本文中所论述的各种控制器和计算机系统并不限于任何特定的硬件结构或配置。本文中所阐述的系统和方法的实施例可由一个或更多适于以任何合适方式提供期望功能的通用或定制的控制器来实现。例如，控制器36可适于提供额外的功能，对本主题进行补充或者与其无关。当使用软件时，任何合适的编程语言、脚本语言或其它类型的语言或者语言的组合可用来实现本文中包含的教导。但是，本文中所阐述和公开的一些系统和方法也可通过硬连线逻辑或其它电路(包括但不限于特定应用的电路)来实现。当然，计算机执行的软件和硬连线逻辑或其它电路的各种组合也可能合适。由控制器36产生的信号38可基于反映转子10的温度、跨过转子轮廓的热梯度和/或跨过转子10的热应力的被监控的若干参数中的任意参数。例如，信号38可反映或基于转子10的温度，其表示跨过转子10的温度分布已达到平衡。类似地，信号38可反映或基于离开压缩机的压缩工作流体或流过涡轮的燃烧气体的温度，其表示转子10的最大外部温度。作为另一个示例，信号38可反映或基于通过计算或试验确定的时间间隔为足以使转子10达到平衡的时间。在操作期间，固定孔口 40可在燃气涡轮的启动期间处于第一或打开位置以使工艺流体(例如流过压缩机的工作流体)的一部分转向通过入口 24。转向流体然后会流过转子10中的流体通道，通过出口 26离开，并且通过压缩机返回压缩工作流体的流或者涡轮中的燃烧气体。由于转向流体加热转子10，可变孔口 28将最终关闭。例如，如果被热促动，升高的温度将导致可变孔口 28重新定位到第二或关闭位置，以减少或防止流体流通过流体通道。备选地或另外，控制器36可产生信号38至可变孔口 28，以使可变孔口 28根据需要重新定位在第一或第二位置之间。这样，利用本公开的双重计量允许固定孔口 40控制流体流直到满载状态，并且允许可变孔口 28 (其位于分开的位置处)减少流体流。关于图1-图3描述和示出的系统还可提供一种用于控制通过转子10的流的方法。该方法可包括使工艺流体(例如来自压缩机的压缩工作流体)转向，以及使转向的工艺流体流动通过转子10中的流体通道，这种流体通道包括彼此分开的第一孔口和第二孔口。该方法还可包括使用第一孔口和/或第二孔口来减少通过转子10中的流体通道的转向工艺流体的流，例如基于预定的温度限制或预定的时间限制。在特定实施例中，可变孔口28或阀可用来减少通过转子10中的通道的转向工艺流体的流，并且控制器36可基于温度或时间产生信号38。该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于控制通过转子的流的系统，包括 a.所述转子中的入口； b.所述转子中的出口，其中，所述出口与所述入口流体连通； c.固定孔口，其设置在所述入口或出口中的至少一个中；以及 d.可变孔口，其在与所述固定孔口分开的位置设置在所述入口或出口中的至少一个中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括所述转子中介于所述入口和所述出口之间的多个通道。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定孔口、可变孔口或其组合包括阀。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定孔口、可变孔口或其组合具有第一位置和第二位置，其中，所述第一位置允许流通过所述入口或出口中的至少一个，并且其中，所述第二位置阻止流通过所述入口或出口中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括连接至所述固定孔口、可变孔口或其组合的控制器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器产生信号至所述固定孔口、可变孔口或其组合，其中，所述信号基于温度。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器产生信号至所述固定孔口、可变孔口或其组合，其中，所述信号基于时间。
8.一种用于加热转子的系统，包括 a.通过所述转子的流体通道； b.第一阀，其设置在所述流体通道中，以控制通过所述流体通道的流体的流；以及 c.第二阀，其设置在所述流体通道的与所述第一阀不同的位置，以控制通过所述流体通道的流体的流。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一阀、第二阀或其组合具有第一位置和第二位置，其中，所述第一位置允许所述流体流过所述流体通道，并且其中，所述第二位置阻止所述流体流过所述通道。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括连接至所述第一阀、第二阀或其组合的控制器。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器产生信号至所述第一阀、第二阀或其组合，其中，所述信号基于温度。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器产生信号至所述第一阀、第二阀或其组合，其中，所述信号基于时间。
13.一种用于控制通过转子的流的方法，包括 a.使工艺流体转向； b.使所述转向的工艺流体流动通过所述转子中的流体通道，所述流体通道包括第一孔口和与所述第一孔口分开的第二孔口 ；以及 c.通过使用所述第一孔口、第二孔口或其组合来减少通过所述转子中的流体通道的所述转向工艺流体的流。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述工艺流体从压缩机转向。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括基于预定温度限制减少通过所述转子中的流体通道的所述转向工艺流体的流。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括基于预定时间限制减少通过所述转子中的流体通道的所述转向工艺流体的流。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一孔口、第二孔口或其组合包括阀。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括产生信号至所述阀，其中，所述信号基于温度。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括产生信号至所述阀，其中，所述信号基于时间。
全文摘要
本发明涉及用于控制通过转子的流的系统和方法。本发明的一个实施例是一种用于控制通过转子的流的系统。该系统包括转子中的入口以及转子中的出口。出口与入口流体连通。固定孔口设置在入口或出口中的至少一个中。可变孔口在与固定孔口分开的位置设置在入口或出口中的至少一个中。
文档编号F01D5/18GK103046966SQ201210385340
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者H.K.梅卡, N.阿雷 申请人:通用电气公司