用于燃气涡轮的空气供应和调节系统的制作方法

本文中公开的主题涉及燃气涡轮，且更具体而言，涉及用于将压缩空气供应至燃气涡轮进口系统的自清洁过滤器的空气供应和调节系统。

背景技术：

燃气涡轮发动机以连续流过的次序包括压缩机、燃烧区段和涡轮。在具体构造中，燃气涡轮包括进口系统，该进口系统定位在压缩机进口的上游。进口系统大体上包括各种过滤器、冷却盘管、湿气分离器和/或其他装置，该其他装置可用于净化和以其他方式调节进入燃气涡轮的空气或其他工作流体。在具体构造中，过滤器可为自清洁的。

燃气涡轮系统通常包括提供空气供应的空气处理单元(APU)，其用于脉动地提供跨过和/或穿过自清洁过滤器的压缩空气，因此将碎片和/或污染物吹离过滤器。此外，APU可对一个或更多个阀提供空气供应以作为仪器空气(instrument air)。通常从压缩机直接提取被供应至APU的空气。例如，可从提取端口和/或从排放壳体提取空气，该提取端口配置在压缩机的特定级处，该排放壳体在压缩机的下游。

从压缩机提取的空气是相当热的(即，400-800℉)，且需要在被注射到过滤器壳体之前充分地冷却且降低压力。在APU内提供各种装置，诸如空气对空气热交换器和减压阀)，以冷却且降低在进口和/或仪器的上游的空气供应的压力。然而，在温暖的气候中，空气对空气热交换器可努力对进口系统上游的空气提供足够的冷却。因此，用于燃气涡轮系统的改善的空气供应和调节系统将是有用的。

技术实现要素：

本发明的方面和优点下面在随后的描述中得到阐述，或可从描述而变得明显，或可通过本发明的实施而习得。

本发明的一个实施例为用于燃气涡轮的进口系统的空气供应和调节系统。该空气供应和调节系统包括空气处理单元，该空气单元处理单元具有进口，该进口构造成接收来自燃气涡轮的压缩机的压缩空气。该空气处理单元包括在进口的下游的热交换器。涡流冷却器配置在空气处理单元的进口的下游。涡流冷却器与热交换器且与空气处理单元的出口流体地连通。该系统还包括自清洁过滤器，该自清洁过滤器配置在进口系统的管道内。该自清洁过滤器与空气处理单元的出口或涡流冷却器的出口中的至少一者流体地连通。

本发明还包括燃气涡轮。该燃气涡轮包括进口系统、配置在该进口系统的下游的压缩机、定位在该压缩机的下游的燃烧区段和定位在该燃烧区段的下游的涡轮。该进口系统包括进口管道和配置在该进口管道内的至少一个自清洁过滤器。该燃气涡轮还包括空气供应和调节系统，该空气供应和调节系统与压缩机且与一个或更多个自清洁过滤器中的至少一个流体地连通。该空气供应和调节系统包括空气处理单元，该空气单元处理单元具有构造成接收来自燃气涡轮的压缩机的压缩空气的进口，且其包括配置在该进口的下游的热交换器。涡流冷却器配置在空气处理单元的进口的下游，且与热交换器且与空气处理单元的出口流体地连通。该自清洁过滤器与涡流冷却器的出口流体地连通。

技术方案1：一种用于燃气涡轮的进口系统的空气供应和调节系统，包括：

空气处理单元，其具有进口，所述进口构造成接收来自所述燃气涡轮的压缩机的压缩空气，其中，所述空气处理单元包括在所述进口的下游的热交换器；

涡流冷却器，其配置在所述空气处理单元的进口的下游，其中，所述涡流冷却器与所述热交换器且与所述空气处理单元的出口流体地连通；和

自清洁过滤器，其配置在所述进口系统的管道内，其中，所述自清洁过滤器与所述空气处理单元的出口或所述涡流冷却器的出口中的至少一者流体地连通。

技术方案2：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述涡流冷却器配置在所述空气处理单元的出口的下游。

技术方案3：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述涡流冷却器配置在所述热交换器的上游和所述空气处理单元的出口的上游。

技术方案4：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述涡流冷却器配置在所述热交换器的下游和所述空气处理单元的出口的上游。

技术方案5：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述热交换器是空气对空气热交换器。

技术方案6：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述空气处理单元包括水分离器、压力调整阀或无热式空气干燥器中的至少一个。

技术方案7：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述空气处理单元的进口经由一个或更多个提取端口流体地联接至所述压缩机，其中，所述一个或更多个提取端口中的至少一个提取端口沿所述压缩机的中间部分或者沿压缩机排放壳体配置，所述压缩机排放壳体定位在所述压缩机的下游。

技术方案8：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述压缩空气在大约400华氏度和大约800华氏度之间下进入所述空气处理单元的进口，且在大约50华氏度和大约150华氏度之间下离开所述涡流冷却器的出口。

技术方案9：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，其中，所述压缩空气在大约250 psia的压力下进入所述空气处理单元的进口，且在大约100 psia下离开所述涡流冷却器的出口。

技术方案10：根据技术方案1所述的空气供应和调节系统，还包括配置在所述涡流冷却器的下游的一个或更多个仪器。

技术方案11：一种燃气涡轮，包括：

进口系统、在所述进口系统的下游的压缩机、在所述压缩机的下游的燃烧区段和在所述燃烧区段的下游的涡轮，所述进口系统具有进口管道和配置在所述进口管道内的至少一个自清洁过滤器；和

空气供应和调节系统，其与所述压缩机且与所述至少一个自清洁过滤器流体地连通，所述空气供应和调节系统包括：

空气处理单元，其具有进口，所述进口构造成接收来自所述燃气涡轮的压缩机的压缩空气，其中，所述空气处理单元包括在所述进口的下游的热交换器；和

涡流冷却器，其配置在所述空气处理单元的进口的下游，其中，所述涡流冷却器与所述热交换器且与所述空气处理单元的出口流体地连通；

其中，所述自清洁过滤器与所述涡流冷却器的出口流体地连通。

技术方案12：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述涡流冷却器配置在所述空气处理单元的出口的下游。

技术方案13：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述涡流冷却器配置在所述热交换器的上游和所述空气处理单元的进口的下游。

技术方案14：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述涡流冷却器配置在所述热交换器的下游和所述空气处理单元的出口的上游。

技术方案15：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述热交换器是空气对空气热交换器。

技术方案16：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述空气处理单元包括水分离器、压力调整阀或无热式空气干燥器中的至少一个。

技术方案17：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述空气处理单元的进口经由一个或更多个提取端口流体地联接至所述压缩机，其中，所述一个或更多个提取端口中的至少一个提取端口沿所述压缩机的中间部分或沿压缩机排放壳体配置，所述压缩机排放壳体定位在所述压缩机的下游。

技术方案18：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述压缩空气在大约400华氏度和大约800华氏度之间下进入所述空气处理单元的进口，且在大约50华氏度和大约150华氏度之间下离开所述涡流冷却器的出口。

技术方案19：根据技术方案11所述的燃气涡轮，其中，所述压缩空气在大约250 psia的压力下进入所述空气处理单元的进口，且在大约100 psia下离开所述涡流冷却器的出口。

技术方案20：根据技术方案11所述的燃气涡轮，还包括配置在所述涡流冷却器的下游的一个或更多个仪器。

在阅读说明书之后，本领域技术人员将更好地理解这种实施例和其他实施例的特征和方面。

附图说明

本发明的针对本领域技术人员的完整且能够实现的公开，包括其最佳实施方式，在说明书的其余部分中得到更具体的阐述，包括对附图的参照，在附图中：

图1是示范燃气涡轮的功能框图，该示范燃气涡轮可将本发明的各种实施例并入；且

图2是图1所示的燃气涡轮的示意框图，其包括根据本发明的至少一个实施例的空气供应和调节系统的示范实施例；

图3是图1所示的燃气涡轮的示意框图，其包括根据本发明的至少一个实施例的空气供应和调节系统的示范实施例；且

图4是图1所示的燃气涡轮的示意框图，其包括根据本发明的至少一个实施例的空气供应和调节系统的示范实施例。

部件列表

10 燃气涡轮

12 进口区段

14 工作流体

16 压缩机

18 压缩工作流体

20 燃料

22 燃料供应

24 燃烧器

26 燃烧气体

28 涡轮

30 轴

32 排气气体

34 排气区段

36 排气烟道

38 进口部分

40 护罩(hood)/百叶窗(louver)

42 进口过滤器隔室

44 进口管道

46 进口风室

48 第一管道部分

50 弯管

52 第二管道部分

54 消音器

56 进口/放出热量布置

58 过滤器

60 压缩空气

62 压缩空气

64 压缩空气

66 压缩空气

67-99 未使用

100 系统

102 空气处理单元

104 涡流冷却器

106 进口/APU

108 提取端口

110 压缩机排放壳体

112 热交换器

114 水分离器

116 压力调整阀

118 压力调整阀

120 无热式空气干燥器

122 出口/APU

124 进口/涡流冷却器

126 涡流旋流室

128 热端部

130 出口/涡流冷却器

132 出口-热端部/涡流冷却器

134 阀/仪器

135-199 未使用。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的现有实施例，实施例的一个或更多个示例在附图中例示。详细描述使用数字和字母标号，以指附图中的特征。在附图和说明中的类似或相似的标号用于指本发明的类似或相似的部分。如在本文中使用的，用语“第一”、“第二”、和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不意图表示单独的构件的场所或重要性。用语“上游”和“下游”指关于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”指流体从其流动的方向，且“下游”指流体流向其的方向。用语“径向地”指基本上垂直于特定构件的轴向中心线的相对方向，且用语“轴向地”指基本上平行于特定构件的轴向中心线的相对方向。

作为本发明的解释而非本发明的限制来提供各示例。事实上，对本领域技术人员而言将是显而易见的是，可在本发明中作出更改和修改而不脱离其范围或精神。例如，作为一个实施例的部分而例示或描述的特征可用在另一实施例上，以产生又一实施例。因此，意图本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种更改和修改。尽管将大体上在用于陆基功率生成燃气涡轮的空气供应和调节系统的背景下描述本发明的示范实施例以用于例示的目的，但本领域技术人员将容易理解，本发明的实施例可适用到用于任何类型的燃气涡轮(诸如船用或飞行器燃气涡轮)的任何进口系统，且不限于陆基功率生成燃气涡轮，除非在权利要求中特别地列举。

现在参考附图，其中，同样的标号指示贯穿附图的相同元件，图1提供示范燃气涡轮10的功能框图，该示范燃气涡轮10可将本发明的各种实施例并入。如图所示，燃气涡轮10大体上包括进口系统12，该进口系统12可包括一系列的过滤器、冷却盘管、湿气分离器、和/或其他装置，该其他装置用于净化和以其他方式调节进入燃气涡轮10的空气或空气流14或其他工作流体的流量。空气14从进口系统12流至压缩机区段，在此，压缩机16将动能逐渐地给予空气14，以产生压缩空气18。

压缩空气18与来自燃料供应系统22的燃料20混合，以在一个或更多个燃烧器24内形成可燃混合物。该可燃混合物被焚烧，以产生具有高温度、压力和速率的燃烧气体26。燃烧气体26流过涡轮区段的涡轮28以产生功。例如，涡轮28可连接于轴30，以便涡轮28的旋转驱动压缩机16来产生压缩空气18。备选地或此外，轴30可将涡轮28连接至发电机(未示出)，以用于产生电。来自涡轮28的排气气体32流过排气区段34，排气区段34将涡轮28连接于涡轮28下游的排气烟道36。排气区段34可包括例如热回收蒸汽发生器(未示出)，以用于在释放至外界之前清洁排气气体32且从其提取额外的热量。

图2为空气供应和调节系统100的示意例示，空气供应和调节系统100在本文中称为用于将空气供应至燃气涡轮进口系统12的自清洁过滤器的“系统”。如图2所示，进口系统12包括进口部分38，该进口部分38可包括一个或更多个天气护罩或百叶窗40。进口部分38提供用于空气14从周围环境进入进口过滤器隔室42的流动路径。进口管道44构造成容纳空气14且将其发送至进口风室46。

进口管道44可包括可在定向和几何构造方面变化的多个区段。例如，第一管道部分48示为在通过弯管50重定向至第二管道部分52之前具有相对水平的定向，第二管道部分52具有相对竖直的定向。各种其他构件可配置在第一管道部分48或第二管道部分52内。此种构件可包括消音器54和/或进口放出热量布置56。进口风室46可构造成提供相对无湍流的区域，以用于空气14立即进入压缩机16。在各种实施例中，进口过滤器隔室42包括至少一个，但是通常多个自清洁的过滤器58(以虚线示出)。

仍参考图2，例示空气供应和调节系统100的第一实施例。如图2所示，系统100包括空气处理单元(APU)102和涡流冷却器104，空气处理单元102与压缩机18流体地连通，涡流冷却器104配置在APU 102的下游和多个过滤器58的上游。

APU 102的进口106经由一个或更多个空气提取端口108和各种流体联接件和/或导管(未示出)与燃气涡轮10流体地连通。例如，在一个实施例中，提取端口108可提供从压缩机16的中间部分或级到APU 102的进口106的流体连通。此外或在备选方案中，提取端口108可提供从压缩机排放壳体110到APU 102进口106的流体连通，该压缩机排放壳体110定位在压缩机16的下游。以此方式，压缩空气18的流过压缩机16和或如由箭头60示意地指示的那样在压缩机排放壳体110内流动的部分可被从其提取，且被发送至APU 102的进口106。

APU 102可包括各种构件和/或阀，以用于调节来自(多个)提取端口108的压缩空气60。例如，APU 102可包括热交换器112，该热交换器112流体地联接至APU 102的进口106。在具体实施例中，热交换器112可为空气对空气或空气对液体类型的热交换器。APU 102还可包括一个或更多个其他构件，这些构件可包括水分离器114、一个或更多个压力调整阀116、118和/或无热式空气干燥器120。APU 102的出口122将涡流冷却器104流体地连接至APU 102。

在操作中，如在图2中共同地示出的，压缩空气60从(多个)提取端口108经由进口106流到热交换器112中。压缩空气60可在第一温度和第一压力下进入APU 102的进口106。取决于燃气涡轮的操作和/或(多个)提取端口108的场所，第一温度可为大约400℉至大约800℉。第一压力可为大约250 psia，且也取决于(多个)提取端口108的场所。

在一个实施例中，如图2所示，热交换器112将压缩空气60冷却至第二温度，同时维持相对不变的压力，因此对APU 102的各种其他构件提供相对于压缩空气60如由箭头62示意性地指示的更冷的压缩空气。例如，压缩空气62可流过减压阀116、118、水分离器114和无热式空气干燥器120中的一个或更多个。压缩空气62然后可被经由各种流体联接件和/或导管(未示出)从APU 102的出口122发送至涡流冷却器104的进口124。

然后将压缩空气62通过发电机(未示出)切向地注射到涡流冷却器104中，且注射到涡流冷却器104的涡流旋流室126中。压缩空气62以外涡流的形式朝涡流发生器104的热端部128旋流，且压缩空气62的一部分可通过控制阀(未示出)逸出。仍然旋流，剩余的压缩空气62反转方向，且形成内涡流，该内涡流被往回推动穿过由朝热端部128流动的压缩空气62形成的外涡流的中央。内涡流以热量的形式将动能释放到外涡流，且在第三温度和压力下如由箭头64示意地指示的那样作为冷却的压缩空气经由出口130离开涡流冷却器104，该第三温度和压力低于离开APU 102的压缩空气62的温度和压力。例如，压缩空气64可在大约70℉至大约150℉下，且优选地在大约100 psia下离开涡流冷却器。

剩余的压缩空气62穿过出口132如由箭头66示意地指示的那样作为热空气离开，出口132与出口130相反地配置在热端部128处。冷却的压缩空气64的一部分可作为仪器空气分配至一个或更多个阀134。然后经由各种流体联接件(未示出)将冷却的压缩空气64的另一部分发送至自清洁过滤器58。可促动或打开与自清洁过滤器58流体地连通的各种阀(未示出)，从而允许冷却的压缩空气64流动跨过并且/或者吹动穿过过滤器，从而从其清除碎片。

图3和4提供分别根据第二和第三示范实施例的空气供应和调节系统100的示意例示。在具体实施例中，如图3和4所示，涡流冷却器104可配置在进口106与APU 102的出口122之间。例如，在如图3中示出的一个实施例中，涡流冷却器104可配置在进口106的下游、热交换器112的上游和APU 102出口122的上游。

在操作中，如图3所示，压缩空气60进入涡流冷却器104的进口124。该压缩空气60然后被冷却且降低压力。更冷的压缩空气62然后可流到热交换器112中，以用于在使压缩空气62行进至APU 102的各种其他构件之前进行额外的冷却。压缩空气62作为冷却的压缩空气从APU 102的出口流动，如通过箭头64所示意例示的。冷却的压缩空气64的一部分可作为仪器空气而被分配至一个或更多个阀134。然后经由各种流体联接件(未示出)将冷却的压缩空气64的另一部分发送至自清洁过滤器58。可促动或打开与自清洁过滤器58流体地连通的各种阀(未示出)，从而允许冷却的压缩空气64流动跨过并且/或者吹动穿过自清洁过滤器，从而从其清除碎片。

在第三实施例中，如图4所示，涡流冷却器104可配置在热交换器112的下游和APU 102出口122的上游。在操作中，压缩空气60进入热交换器112，在此其被冷却。冷却的压缩空气62然后流到涡流冷却器104的进口124中。该冷却的压缩空气62然后被进一步冷却且降低压力。冷却的压缩空气64从涡流冷却器104的出口130流至APU 102的各种其他构件。然后经由各种流体联接件(未示出)将冷却的压缩空气64的一部分发送至自清洁过滤器58。可促动或打开与自清洁过滤器58流体地连通的各种阀(未示出)，因此允许冷却的压缩空气64流动跨过过滤器和/或吹动穿过其，从而从其清除碎片。在具体实施例中，冷却的压缩空气64的一部分可被作为仪器空气分配至一个或更多个阀134。

如图2-4中所示且如本文所描述的系统100提供用于将压缩空气供应至进口系统12的自清洁过滤器58的方法。例如，该方法可包括：使压缩空气60从压缩机流至APU 102的进口、使压缩空气62从APU 102流至涡流冷却器104的进口、且然后将冷却的压缩空气64发送至一个或更多个自清洁过滤器58。该方法还可包括：在涡流冷却器104的出口的下游和(多个)自清洁过滤器58的上游将压缩空气60的温度从大约400-800华氏度降低至大约50-150华氏度，和将压缩空气60的压力从大约250 psia降低至大约100 psia。

如图2、3和4所示和如本文所描述的系统100提供优于用于对进口系统，具体而言对自清洁过滤器提供压缩空气的已知的空气供应和调节系统的各种技术益处。例如，涡流冷却器104允许有效地冷却从压缩机16和/或压缩机排放壳体110流进环境中的压缩空气60，在环境处，APU 102，具体而言APU 102的热交换器112不能充分地冷却用于在自清洁过滤器58中使用的该压缩空气60。这在具有高的周围温度和热交换器114为空气对空气类型热交换器的区域中可能是特别有益的。

在涡流冷却器104配置在热交换器112的上游的具体实施例中，诸如在图3中，可使用更小的热交换器112，从而节省成本。此外或在备选方案中，如果在涡流冷却器104的上游安装可通过移除空气60的湿气和降低压缩空气60的压力来改善热交换能力。通过将涡流冷却器104安装在热交换器112的下游，可提高热交换器能力，特别是在具有高的周围温度和热交换器114为空气对空气类型热交换器的区域中。

本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。