涡轮发动机组件及其操作方法与流程

本公开大体上涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于调节压缩机放出空气的系统及方法。

背景技术：

至少一些已知的燃气涡轮发动机包括以串流关系联接在一起的至少一个压缩机、燃烧器和高压涡轮。更具体而言，压缩机和高压涡轮通过轴联接来形成高压转子组件。进入涡轮发动机的空气与燃料混合并且点燃来形成高能气体流。高能气体流流过高压涡轮来可旋转地驱动高压涡轮，使得轴可旋转地驱动压缩机。在从高压涡轮排放之后，气体流在其流过定位在高压涡轮后方的低压涡轮时继续膨胀。低压涡轮包括联接于传动轴和风扇的转子组件。低压涡轮通过传动轴可旋转地驱动风扇。在一些实施例中，从涡轮排放的气体流导送穿过余热回收蒸汽发生器。就此而言，产生热蒸汽，并且蒸汽导送穿过蒸汽涡轮组件用于进一步产生动力。

许多现代商业涡轮发动机在不断升高的温度下操作，以便于提高发动机性能和效率。然而，在不断升高的温度下操作可导致在延长的操作时段内对热气体路径构件的损坏。就此而言，至少一些已知的涡轮发动机包括主动冷却系统，其便于降低热气体路径构件的温度。例如，热气体路径构件典型地利用从高压压缩机排放的压缩机放出空气流冷却。在一些应用中，压缩机放出空气在朝热气体路径构件导送之前冷却用于冷却目的。然而，从压缩机放出大量旁通空气可导致总体发动机效率的降低。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种涡轮发动机组件。组件包括压缩机，以及联接成与压缩机流动连通的空气导管。空气导管构造成将来自压缩机的放出空气流导送穿过其。组件还包括联接成与空气导管流动连通的流体供应系统，其中流体供应系统构造成朝空气导管导送流体流以基于涡轮发动机组件的操作状态来修改放出空气的温度。

在另一方面，提供了一种用于在冷却包括压缩机的涡轮发动机组件中的压缩机放出空气时使用的系统。系统包括联接成与压缩机流动连通的空气导管。空气导管构造成将来自压缩机的放出空气流导送穿过其。系统还包括联接成与空气导管流动连通的流体供应系统，其中流体供应系统构造成朝空气导管导送流体流以基于涡轮发动机组件的操作状态来修改放出空气的温度。

在又一方面，提供了一种操作涡轮发动机组件的方法。该方法包括朝空气导管导送流体流，该空气导管将放出空气流导送穿过其，以及将流体流喷射到空气导管中或将流体流排放到空气导管的外表面上中的至少一种，使得放出空气的温度基于涡轮发动机组件的操作状态修改。

技术方案1. 一种涡轮发动机组件，包括：

压缩机；

空气导管，其联接成与所述压缩机流动连通，所述空气导管构造成将来自所述压缩机的放出空气流导送穿过其；以及

流体供应系统，其联接成与所述空气导管流动连通，其中所述流体供应系统构造成朝所述空气导管导送流体流，以基于所述涡轮发动机组件的操作状态来修改所述放出空气的温度。

技术方案2. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统包括水源和蒸汽源，所述流体供应系统构造成朝所述空气导管选择性地导送水或蒸汽中的一种。

技术方案3. 根据技术方案2所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统包括构造成预热从所述水源排放的水的换热装置。

技术方案4. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统构造成在所述涡轮发动机组件处于稳态操作状态时朝所述空气导管导送具有低于预定阈值的温度的流体，并且构造成在所述涡轮发动机组件处于瞬变操作状态时朝所述空气导管导送具有大于所述预定阈值的温度的流体。

技术方案5. 根据技术方案4所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统构造成在所述涡轮发动机组件在大于预定负载百分比阈值下操作时朝所述空气导管导送具有低于所述预定阈值的温度的流体，并且在所述涡轮发动机组件在低于所述预定负载百分比阈值下操作时朝所述空气导管导送具有大于所述预定阈值的温度的流体。

技术方案6. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统包括至少一个喷嘴，其构造成将所述流体流喷射到所述空气导管中，使得所述流体流和所述放出空气流在所述空气导管内混合。

技术方案7. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述流体供应系统包括构造成将所述流体流排放到所述空气导管的外表面上的至少一个喷嘴。

技术方案8. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述组件还包括定位在所述压缩机下游的涡轮，所述涡轮包括构造成接收从所述空气导管排放的所述放出空气流的至少一个热气体路径构件。

技术方案9. 一种用于在冷却包括压缩机的涡轮发动机组件中的压缩机放出空气时使用的系统，所述系统包括：

空气导管，其联接成与所述压缩机流动连通，所述空气导管构造成将来自所述压缩机的放出空气流导送穿过其；以及

流体供应系统，其联接成与所述空气导管流动连通，其中所述流体供应系统构造成朝所述空气导管导送流体流，以基于所述涡轮发动机组件的操作状态来修改所述放出空气的温度。

技术方案10. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统包括水源和蒸汽源，所述流体供应系统构造成朝所述空气导管选择性地导送水或蒸汽中的一种。

技术方案11. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统包括构造成预热从所述水源排放的水的换热装置。

技术方案12. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统构造成在所述涡轮发动机组件处于稳态操作状态时朝所述空气导管导送具有低于预定阈值的温度的流体，并且构造成在所述涡轮发动机组件处于瞬变操作状态时朝所述空气导管导送具有大于所述预定阈值的温度的流体。

技术方案13. 根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统构造成在所述涡轮发动机组件在大于预定负载百分比阈值下操作时朝所述空气导管导送具有低于所述预定阈值的温度的流体，并且在所述涡轮发动机组件在低于所述预定负载百分比阈值下操作时朝所述空气导管导送具有大于所述预定阈值的温度的流体。

技术方案14. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统包括至少一个喷嘴，其构造成将所述流体流喷射到所述空气导管中，使得所述流体流和所述放出空气流在所述空气导管内混合。

技术方案15. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述流体供应系统包括构造成将所述流体流排放到所述空气导管的外表面上的至少一个喷嘴。

技术方案16. 一种操作涡轮发动机组件的方法，所述方法包括：

朝将放出空气流导送穿过其的空气导管导送流体流；以及

将所述流体流喷射到所述空气导管中或将所述流体流排放到所述空气导管的外表面上中的至少一种，使得所述放出空气的温度基于所述涡轮发动机组件的操作状态修改。

技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括朝所述涡轮发动机组件内的至少一个热气体路径构件排放来自所述空气导管的所述放出空气。

技术方案18. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，导送流体流包括将水流从水源朝所述空气导管导送。

技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预热从所述水源排放的所述水流。

技术方案20. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，导送流体流包括从包括余热回收蒸汽发生器的蒸汽源朝所述空气导管导送蒸汽流。

附图说明

图1为示例性涡轮发动机组件的示意图示；

图2为可与图1中所示的涡轮发动机组件一起使用的高压涡轮的一部分的截面视图；

图3为根据本公开的第一实施例的可与图1中所示的涡轮发动机组件一起使用的空气导管的截面视图；

图4为根据本公开的第二实施例的可与图1中所示的涡轮发动机组件一起使用的空气导管的截面视图；以及

图5为根据本公开的第三实施例的可与图1中所示的涡轮发动机组件一起使用的空气导管的截面视图。

部件列表

10 涡轮发动机组件

12 燃气涡轮发动机

14 低压压缩机

16 高压压缩机

18 燃烧器组件

20 高压涡轮

22 低压涡轮

24 动力涡轮

26 进入空气

28 中心线

30 排出气体

32 空气导管

34 流体供应系统

36 水源

38 蒸汽源

40 发生器(HRSG)

42 水管线

44 蒸汽管线

46 控制阀

48 控制器

50 换热装置

52 外涡轮壳

54 内涡轮壳

56 第一空气导管

58 第二空气导管

60 第一仓室

62 第二仓室

64 内部

66 侧壁

68 外表面

70 放出空气流

72 喷嘴

74 流体流

76 外护套。

具体实施方式

本公开的实施例涉及涡轮发动机组件，其包括用于在修改压缩机放出空气的温度时使用的系统。更具体而言，本文中描述的涡轮发动机组件包括换热器，其在压缩机放出空气与具有高于或低于压缩机放出空气的温度的温度的一个或更多个流体源之间传递热。例如，使压缩机放出空气冷却便于减少冷却燃气涡轮的涡轮区段中的一个或更多个热气体路径构件所需的放出空气的量。此外，加热压缩机放出空气使得加热的放出空气能够减小燃气涡轮中的旋转构件与静止构件之间的热梯度，这在燃气涡轮处于瞬变操作状态时以不同速率升高或降低温度。就此而言，本公开的实施例提供了用于涡轮壳和热气体路径构件的热管理益处，并且基于涡轮发动机组件的操作状态减少了压缩机放出流。本文中所述的实施例还提供了管理内涡轮壳和外涡轮壳的热增长，由此向涡轮发动机中的涡轮组件提供减小的叶片末端空隙的能力。

如本文中使用的，用语"轴向"和"轴向地"是指大致平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，用语"径向"和"径向地"是指大致垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，如本文中使用的，用语"周向"和"周向地"是指绕着涡轮发动机的中心线弓形地延伸的方向和定向。

图1为示例性涡轮发动机组件10的示意图示。在示例性实施例中，涡轮发动机组件10包括燃气涡轮发动机12，其包括低压压缩机14、高压压缩机16和定位在高压压缩机16下游的燃烧器组件18。燃气涡轮发动机12还包括定位在燃烧器组件18下游的高压涡轮20、定位在高压涡轮20下游的低压涡轮22，以及定位在低压涡轮22下游的动力涡轮24。

在操作中，进入空气流26导送穿过低压压缩机14，并且压缩空气流从低压压缩机14导送至高压压缩机16。压缩空气从高压压缩机16排放，并且朝燃烧器组件18导送，其中空气与燃料混合并且燃烧以形成朝高压涡轮20排放的燃烧气体流。从燃烧器组件18排放的燃烧气体流绕着燃气涡轮发动机12的中心线28驱动高压涡轮20，并且燃烧气体流导送穿过涡轮20和22，并且接着以排出气体流30的形式从燃气涡轮发动机12排放。

涡轮发动机组件10还包括空气导管32，其联接成与高压压缩机16流动连通，并且构造成朝涡轮20和22导送压缩机放出空气流。如将在下面更详细所述，压缩机放出空气朝涡轮20和22导送，例如以提供用于涡轮壳和其中的热气体路径构件的热管理。如本文中使用的，"热气体路径"是指用于燃气涡轮发动机12内的燃烧气体的流动路径，并且"热气体路径构件"是指接触热气体路径内的燃烧气体的任何构件。在备选实施例中，压缩机放出空气还可用于其它冷却和/或加热目的。例如，放出空气可用于吹扫转子组件的轮空间内的流体。

在示例性实施例中，涡轮发动机组件10包括联接成与空气导管32流动连通的流体供应系统34。流体供应系统34朝空气导管32导送流体流，以基于涡轮发动机组件10的操作状态来修改放出空气的温度。更具体而言，流体类型或流体温度中的至少一种基于燃气涡轮发动机12的操作状态选择。

例如，在一个实施例中，流体供应系统34包括水源36和实施为余热回收蒸汽发生器(HRSG)40的蒸汽源38。HRSG40定位在燃气涡轮发动机12下游用于从排出气体30回收废热。就此而言，水管线42和蒸汽管线44朝控制阀46导送流体流。控制器48联接成与控制阀46连通，并且能够操作成使得水或蒸汽中的一种可朝空气导管32选择性地导送。在备选实施例中，蒸汽可从使得流体供应系统34能够如本文中所述地起作用的任何源供应。

在一个实施例中，控制器48能够监测高压涡轮20中的叶片末端空隙，并且能够基于空隙数据、发动机输出数据和压缩机放出空气的温度来调整导送穿过管线42和44的流体的质量流速和温度。

如上文所述，朝空气导管32导送的流体的类型或流体的温度中的至少一种基于燃气涡轮发动机12的操作状态选择。更具体而言，选择基于导送穿过空气导管32的放出空气是否在朝涡轮20和22导送之前冷却或加热。例如，当用于在稳态操作状态下的燃气涡轮发动机12内的静止构件与旋转构件之间的空隙控制时，使放出空气流冷却改进了放出空气的冷却效率。如上文提到的，使放出空气流冷却还便于减少从压缩机16放出所需的空气的量。此外，流体供应系统34提供加热放出空气流的选择，使得燃气涡轮发动机12内的静止构件和旋转构件在瞬变操作状态期间以类似速率升高或降低温度。

在一个实施例中，流体供应系统34在燃气涡轮发动机12处于稳态操作状态或产生预定功率输出时朝空气导管32导送具有低于预定阈值的温度的流体，并且在燃气涡轮发动机12处于瞬变操作状态时朝空气导管32导送具有大于预定阈值的温度的流体。甚至更具体而言，流体供应系统34在燃气涡轮发动机12在大于预定负载百分比阈值下操作时导送具有低于预定阈值的温度的流体，并且在燃气涡轮发动机12在低于预定负载百分比阈值下操作时导送具有大于预定阈值的温度的流体。在一个实施例中，预定负载百分比阈值限定在基础负载操作的大约百分之80到大约百分之90之间的范围内。

当使放出空气流冷却时，流体供应系统34将来自水源36或蒸汽源38的具有低于预定阈值的温度的水或蒸汽朝空气导管32导送。在一个实施例中，换热装置50定位在水源36与空气导管32之间。换热装置50预热从水源36排放的水。预热水便于减小比较热构件如空气导管32(在由水接触时)上的热应力。作为备选，任何适合的加热系统可用于预热朝空气导管32导送的水。

当加热放出空气流时，流体供应系统34将来自蒸汽源38的具有大于预定阈值的温度的蒸汽朝空气导管32导送。在备选实施例中，具有低于预定阈值的温度的水或蒸汽可朝空气导管32导送，并且提供有附加的热，使得水或蒸汽具有大于预定阈值的温度。附加的热可由源提供，如但不限于来自燃气涡轮发动机12的废热(包括来自排出气体30的热或来自轴承润滑油的热)。

图2为可与涡轮发动机组件10(图1中所示)一起使用的高压涡轮20的一部分的截面视图。在示例性实施例中，涡轮20包括外涡轮壳52和从外涡轮壳52沿径向向内定位的内涡轮壳54。第一空气导管56导送来自压缩机16的放出空气的第一部分，而第二空气导管58导送来自压缩机16的放出空气的第二部分。由于从压缩机16的较后的级放出，故第一部分中的放出空气大体上比第二部分更热。就此而言，放出空气的第一部分在用于涡轮20内的第一喷嘴(未示出)的热管理之前，导送穿过限定在壳52和54之间的第一仓室60。同样地，放出空气的第二部分导送穿过限定在壳52和54之间的第二仓室62，并且用于内涡轮壳54和涡轮20内的第二喷嘴(未示出)的热管理。

如上文所述，流体供应系统34朝空气导管32导送流体流，以修改导送穿过其的放出空气的温度。如将在下面更详细所述，流体供应系统34将流体流喷射到空气导管56和58中，使得流体流和放出空气流在其中混合，或者流体流排放到空气导管56和58的外表面上，以便于在其间传递热。

图3-5为根据本公开的第一实施例、第二实施例和第三实施例的可与涡轮发动机组件10(图1中所示)一起使用的空气导管32的截面视图。参照图3，空气导管32包括由侧壁66限定的内部64，并且侧壁66包括外表面68。放出空气流70导送穿过空气导管32的内部64。

此外，在示例性实施例中，流体供应系统34(图1中所示)包括用于从其排放流体流74的至少一个喷嘴72。更具体而言，喷嘴72的至少一部分延伸穿过空气导管32的侧壁66用于将流体流74喷射到空气导管32中。就此而言，放出空气流70的温度在流体流74和放出空气流70在空气导管32内混合时修改。

参照图4，至少一个喷嘴72定位成离空气导管32的外表面68一距离。喷嘴72将流体流74从其排放到空气导管32的外表面68上。热在流体流74与空气导管32之间传递，这便于经由侧壁66的导热性修改放出空气流70的温度。

参照图5，流体供应系统34包括沿空气导管32的侧壁66延伸并且从其沿径向向外定位的外护套76。如上文所述，在一个实施例中，当在热构件与待用于冷却目的的流体之间存在比较极端的温差时，流体流预热成便于减小热构件，如空气导管32上的热应力。在示例性实施例中，流体流74在喷射到空气导管32中之前导送穿过外护套76。就此而言，流体流74的温度在流体流74从流体源朝喷嘴72导送时逐渐地升高。

该书面的描述使用实例以公开各种实施(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践各种实施(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本公开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实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实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，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。