用于控制与燃气涡轮发动机一起使用的支撑基底中的温度的系统和方法与流程

用于控制与燃气涡轮发动机一起使用的支撑基底中的温度的系统和方法


背景技术：

1.本公开的技术领域整体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地讲，涉及控制与燃气涡轮发动机一起使用的支撑基底的温度。
2.从涡轮的气流中提取的能量用于为至少一些已知的旋转机器的机械负载提供动力。具体地讲，至少一些已知的旋转机器包括以串流布置方式布置的压缩机部分、燃烧器部分和涡轮部分。压缩机部分压缩空气以与燃烧器部分内的燃料燃烧，并且涡轮部分从燃烧器部分中产生的燃烧气体提取能量。燃烧器部分和涡轮部分从燃烧的气体辐射热量。在燃烧器部分和涡轮部分内产生的热量可从旋转机器辐射到用于支撑旋转机器的基底中。
3.至少一些已知的涡轮支撑基底被制成具有最高额定操作温度，该最高额定操作温度表示基底被额定能够支撑旋转机器的最高操作温度。然而，随着改进件或替换件的安装，例如，至少一些旋转机器可辐射足够的热量，使得基底的操作温度可升高到最高额定操作温度以上。因此，期望设计出一种用于将基底的温度保持在最高额定操作温度以下的系统。


技术实现要素：

4.在一个方面，提供了一种用于与旋转机器一起使用的基底温度控制系统。该基底温度控制系统定位在该旋转机器和支撑该旋转机器的基底之间。该基底温度控制系统包括隔热罩、定位在该隔热罩下方的隔热包，以及至少部分地由该隔热罩和该隔热包限定的气隙。该隔热罩、该隔热包和该气隙被取向成有利于将支撑该旋转机器的该基底的温度保持在该基底的最高额定操作温度以下。
5.在另一方面中，提供了一种旋转机器。该旋转机器包括压缩机、燃烧器、基底和基底温度控制系统。该压缩机被构造成压缩入口空气流。该燃烧器被构造成接收该入口空气流和燃料流，并且通过将该燃料硫和该空气流一起燃烧来产生热量。该热量从该旋转机器中辐射出来。该基底被构造成支撑该旋转机器。该基底温度控制系统定位在该旋转机器和该基底之间。该基底温度控制系统包括隔热罩、定位在该隔热罩下方的隔热包，以及至少部分地由该隔热罩和该隔热包限定的气隙。该隔热罩、该隔热包和该气隙将该基底的温度保持在该基底的最高额定操作温度以下。
6.在另一方面，提供了一种用新的旋转机器替换由支撑系统支撑的现有的旋转机器的方法。该支撑系统包括基底以及安装在该基底上的多个竖直支撑件、多个水平支撑件和支撑该多个水平支撑件的多个基座垫。该方法包括从该支撑系统移除该现有的旋转机器。该方法还包括在该支撑系统内安装基底温度控制系统。该基底温度控制系统包括隔热罩、隔热包，以及至少部分地由该隔热罩和该隔热包限定的气隙。该方法还包括将该新的旋转机器安装在该支撑系统上，使得该基底温度控制系统位于该支撑系统和该新的旋转机器之间。在操作期间，该新的旋转机器朝向该基底辐射热量，并且该隔热罩、该隔热包和该气隙将该基底的温度保持在该基底的最高额定操作温度以下。
附图说明
7.当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的字符在整个附图中表示相同的部件，其中：
8.图1是由基底支撑的示例性旋转机器的示意图；
9.图2是图1所示的旋转机器的示意性端视图；
10.图3是与图2所示的旋转机器一起使用的隔热罩的示意性剖视图；
11.图4是与图2所示的旋转机器一起使用的隔热包的示意性剖视图；并且
12.图5是用图1所示的旋转机器替换由基底支撑的现有的旋转机器的示例性方法的流程图。
13.除非另外指明，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施方案的特征。据信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施方案的多种系统。因此，附图不旨在包括本领域的普通技术人员已知的实践本文所公开的实施方案所需的所有常规特征。
具体实施方式
14.在以下说明书和权利要求书中，将引用多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。
15.除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数引用。
16.除非另外指示，否则如本文所使用的近似语言，诸如“大体地”、“基本上”和“约”指示如本领域普通技术人员将认识到的，如此修饰的术语可以仅适用于近似程度，而不是绝对或完美程度。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，可以识别范围限制。除非上下文或语言另有指示，否则这些范围可以组合和/或互换，并且包括其中包含的所有子范围。
17.除此之外，除非另外指示，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并且不旨在对这些术语所指的项目施加顺序、位置或分级要求。此外，例如，对“第二”项目的引用不要求或排除存在例如“第一”或较低编号的项目或者“第三”或更高编号的项目。
18.如本文所用，术语“轴向”和“轴向地”是指基本上平行于旋转机器的纵向轴线延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”是指基本上垂直于旋转机器的纵向轴线延伸的方向和取向。此外，如本文所用，术语“周向”和“周向地”是指围绕旋转机器的纵向轴线弧形延伸的方向和取向。进一步地，如本文所用，术语“上游”是指旋转机器的前端或入口端，并且术语“下游”是指旋转机器的后端或排出口端。当讨论通过部件的流体流动时，流体流动的起始方向被描述为“上游”，并且流体流动所遵循的方向被描述为“下游”。
19.本文所述的方法和系统涉及用于保持或控制基底的温度的系统和方法，该基底用于支撑旋转机器以有利于基底保持低于其最高额定操作温度。更具体地讲，在示例性实施方案中，燃气涡轮发动机包括以串联流动布置方式布置的压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机将空气引导到燃烧器，并且燃烧器将燃料流与空气一起燃烧以产生热量。至少一些热量从旋转机器朝向支撑旋转机器的基底辐射。因此，在操作期间，基底的温度升高。然而，使用本文所述的系统和方法，基底的温度可保持在最高额定操作温度以下。最高额定操作温度是针对基底被额定能够支撑旋转机器的基底的最高操作温度。
20.在示例性实施方案中，本文所述的基底温度控制系统包括隔热罩和隔热包，该隔热包被定位成使得气隙至少部分地限定在隔热罩和隔热包之间。因此，在示例性实施方案中，该基底温度控制系统是分层绝热系统，该分层绝热系统被布置成有利于在旋转机器的操作期间将基底的温度保持在最高额定操作温度以下。更具体地讲，隔热罩和隔热包各自通过传导来传递热量，而气隙实现对流热传递。因此，基底温度控制系统用对流和传导机制抵抗热传递。
21.在示例性实施方案中，旋转机器由支撑系统支撑，该支撑系统包括多个竖直支撑件、多个水平支撑件、多个基座垫和基底。至少一些已知的现有的旋转机器可被替换成以较高操作温度操作的更新的或不同的旋转机器。替换的旋转机器的较高操作温度可将基底的温度升高到其最高额定操作温度以上。然而，为了有利于控制现有的基底的温度，可将本文所述的基底温度控制系统安装在新的或现有的支撑系统内，而不改变现有的基底。因此，本文所述的基底温度控制系统使得现有的旋转机器能够被替换成更新的或不同的旋转机器，而基本上不改变现有的基底，从而减少资金成本并减少构造时间。
22.图1为示例性旋转机器100(即，涡轮机)，并且更具体地涡轮发动机的示意图。在示例性实施方案中，旋转机器100是燃气涡轮发动机。另选地，旋转机器可以是任何其他涡轮发动机和/或旋转机器，包括但不限于蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮风扇飞机发动机、其他飞机发动机、风力涡轮机、压缩机或泵。在示例性实施方案中，燃气涡轮发动机100包括进气部分102、联接在进气部分102下游的压缩机部分104、在压缩机部分104下游的燃烧器部分106、在燃烧器部分106下游的涡轮部分108以及在涡轮部分108下游的排气部分110。涡轮部分108经由转子轴112耦接到压缩机部分104。
23.应当注意，如本文所用，术语“耦接”不限于部件之间的直接机械、热、电气和/或流体连通连接，也可以包括多个部件之间的间接机械、热、电气和/或流体连通连接。在示例性实施方案中，燃烧器部分106包括多个燃烧器114。燃烧器部分106耦接到压缩机部分104，使得每个燃烧器114与压缩机部分104流体连通。转子轴112还耦接到负载116，诸如但不限于发电机和/或机械驱动应用。在示例性实施方案中，压缩机部分104和涡轮部分108中的每一者包括耦接到转子轴112的至少一个转子组件118。
24.在示例性实施方案中，旋转机器100还包括支撑系统130，该支撑系统包括基底132、多个支撑件134和基底温度控制系统136。基底132是旋转机器100支靠在其上的基础基座或支撑结构。具体地讲，在示例性实施方案中，基底132是支撑旋转机器100的混凝土垫。更具体地讲，在例示的实施方案中，基底132是强化混凝土垫，其包括强化材料，诸如但不限于钢筋。在另选的实施方案中，基底132可以是使得旋转机器100能够如本文所述操作的任何其他支撑结构，包括但不限于存在于海上建筑物结构或船或任何其他工业设施、地面和/或任何其他支撑结构中的金属基底。
25.基底132具有表示能够支撑旋转机器100的基底132的最高额定操作温度的最高额定操作温度。具体地讲，最高额定操作温度是基底132在安全地支撑旋转机器100时可具有的最高温度。制成基底132的材料至少部分地确定了最高额定操作温度。在示例性实施方案中，基底132是支撑旋转机器100的混凝土垫。
26.在运行期间，进气部分102将入口空气120引向压缩机部分104。压缩机部分104将入口空气120压缩至较高压力，然后朝向燃烧器部分106排放压缩空气122。压缩空气122被
引导到燃烧器部分106，在该燃烧器部分中压缩空气与燃料(未示出)混合并燃烧以产生高温燃烧气体124。燃烧气体124向下游引向涡轮部分108并冲击涡轮叶片(未示出)，在该涡轮叶片处将热能转换为机械旋转能量，该机械旋转能量用于驱动转子组件118围绕纵向轴线126旋转。通常，燃烧器部分106和涡轮部分108被称为涡轮发动机100的热气体部分。如果旋转机器100是作为联合循环发电厂的一部分的燃气涡轮，则排气128随后穿过排气部分110排放到环境大气或蒸汽涡轮(未示出)。
27.当燃烧器114和涡轮部分108操作并暴露于燃烧气体124时，至少一些热量从燃烧器114和涡轮部分108朝向基底132辐射。至少一些已知的旋转机器100辐射足够的热量，使得基底132的温度升高到最高额定操作温度以上。随着时间的推移，用高于其最高额定操作温度的基底132持续操作可能会削弱基底132的结构强度。将基底温度控制系统136定位在基底132和旋转机器100之间有利于将基底132与辐射热量隔绝，从而有利于将基底132的温度保持在其最高额定操作温度以下。
28.图2是旋转机器100和支撑系统130的端视图。支撑系统130包括基底132、支撑件134和基底温度控制系统136。在示例性实施方案中，支撑件134包括多个水平支撑梁138、多个竖直支撑梁或基底基座底板140，以及多个基座垫142。水平支撑梁138直接支撑旋转机器100并通过竖直支撑梁140联接到基底132。基座垫142定位在水平支撑梁138下方并支撑水平支撑梁138。在示例性实施方案中，水平支撑梁138和竖直支撑梁140包括i型梁支撑件。在另选的实施方案中，水平支撑梁138和竖直支撑梁140可以是使得支撑系统130能够如本文所述操作的任何其他类型的支撑件。
29.在示例性实施方案中，基底温度控制系统136包括隔热罩144和隔热包146。另外，在示例性实施方案中，水平支撑梁138、基座垫142、隔热罩144和隔热包146被取向成使得气隙148至少部分地限定在它们之间。隔热罩144、隔热包146和气隙148有利于将基底132与从旋转机器100辐射的热量隔绝。具体地讲，隔热罩144、隔热包146和气隙148的布置有利于防止在旋转机器100的操作期间基底132的温度升高到基底132的最高额定操作温度以上。
30.在示例性实施方案中，隔热罩144位于相邻的水平支撑梁138之间，并且形成基底温度控制系统136的顶部隔热层。更具体地讲，气隙148在隔热罩144下方并且形成基底温度控制系统136的中间隔热层或中部隔热层。隔热包146定位在气隙148下方并且在基底132上方延伸。在示例性实施方案中，隔热包146形成基底温度控制系统136的下隔热层。隔热罩144和隔热包146各自通过传导来传递热量，而气隙148通过对流来传递热量。基底温度控制系统136的对流热传递和传导热传递的组合有利于控制从旋转机器100到基底132的热传递，从而有利于在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。
31.图3是隔热罩144的剖视图。在示例性实施方案中，隔热罩144包括上层150、中层152和下层154。在示例性实施方案中，上层150和下层154由不锈钢钢板制成，并且中层152由隔热材料形成。在示例性实施方案中，隔热材料可包括玻璃纤维、矿物棉、纤维素、天然纤维、聚苯乙烯、聚氨酯、蛭石、珍珠岩和/或使得隔热罩144能够如本文所述操作的任何其他隔热材料或者材料的组合。在另选的实施方案中，上层150、中层152和下层154由使得隔热罩144能够如本文所述操作的任何材料形成。在示例性实施方案中，上层150和下层154各自具有第一热导率，并且中层152具有大于第一热导率的第二热导率。可变地选择相关联的材
料，以确保第一热导率和第二热导率有利于在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。在示例性实施方案中，第一热导率和第二热导率介于约0.01w/m-k和约0.5w/m-k之间。
32.如图2所示，水平支撑梁138、基座垫142、隔热罩144和隔热包146被取向成至少部分地限定气隙148。气隙148的尺寸和取向被设定成使得空气流能够从源149穿过气隙148引导到出口(未示出)。空气流在空气被引导到出口之前，冷却穿过隔热罩144辐射的热量的一部分。因此，气隙148有利于将由旋转机器100辐射的热量移除到基底温度控制系统136中，从而减少引入到基底132中的热量的量。更具体地讲，气隙148通过对流传递热量，从而减少从旋转机器100传递到基底132的热量的量。因此，有利于在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。
33.在示例性实施方案中，进入到气隙148的空气流的源149是用于容纳旋转机器100的设施的通风系统。在另选的实施方案中，进入到气隙148的空气流的源149可以是使得气隙148能够如本文所述操作的任何其他源。另外，在另选的实施方案中，气隙148可以是在隔热罩144和隔热包146之间延伸的管道或其他导管，而不是由水平支撑梁138、基座垫142、隔热罩144和隔热包146限定，并且该气隙被取向成引导空气流，如本文所述。
34.图4是隔热包146的剖视图。在示例性实施方案中，隔热包146包括隔热材料156和包封隔热材料156的保护层158。在示例性实施方案中，隔热材料156可包括玻璃纤维、矿物棉、纤维素、天然纤维、聚苯乙烯、聚氨酯、蛭石、珍珠岩和/或使得隔热包146能够如本文所述操作的任何其他隔热材料或者材料的组合。在示例性实施方案中，保护层158包括有利于屏蔽隔热材料156免受环境影响的金属保护层(即不锈钢保护层)。在另选的实施方案中，保护层158可由使得隔热包146能够如本文所述操作的任何材料形成。在示例性实施方案中，隔热包146具有介于约0.01w/m-k和约0.5w/m-k之间的热导率。
35.在示例性实施方案中并且如图2所示，隔热罩144具有高度160，隔热包146具有高度162，并且气隙148具有高度164。在示例性实施方案中，隔热罩高度160介于约1毫米(mm)至约500mm之间。具体地讲，在例示的实施方案中，隔热罩高度160为约45mm。在示例性实施方案中，隔热包高度162介于约1mm至约500mm之间。具体地讲，在例示的实施方案中，隔热包高度162为约35mm。在示例性实施方案中，气隙高度164介于约1mm和约500mm之间。具体地讲，在例示的实施方案中，气隙高度164为约100mm。
36.在旋转机器100的操作期间，燃烧气体124将燃烧器114和涡轮部分108加热到热量从旋转机器100朝向基底132辐射的程度。定位在基底132和旋转机器100之间的基底温度控制系统136有利于将基底132与从机器100辐射的热量隔绝。具体地讲，虽然热量朝向隔热罩144辐射，但隔热罩144有利于限制传递到基底132中的热量的量。通过气隙148内的空气流来降低穿过隔热罩144辐射的热量的一部分的温度。更具体地讲，空气流吸收穿过隔热罩144辐射的热量的一部分，并且引导任何所吸收的热量到气隙148的排放。因此，气隙148有利于减少从旋转机器100穿过基底温度控制系统136到基底132的热传递。通过隔热包146降低穿过气隙148辐射的任何热量的温度。因此，基底温度控制系统136将基底132的温度保持在最高额定操作温度以下。
37.经组合的隔热罩144、隔热包146和气隙148有利于限制从旋转机器100传递到基底132的热量的量。具体地讲，隔热罩144和隔热包146各自有利于限制通过传导而传递的热量
的量，而气隙148有利于限制通过对流而传递的热量的量。因此，基底温度控制系统136通过对流和传导来传递热量，并且有利于限制用对流机构和传导机构传递的热量的量。对流热传递和传导热传递的组合有利于限制从旋转机器100传递到基底132的热量的量，并且在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。
38.至少一些现有的旋转机器100不辐射足够的热量以在旋转机器100的操作期间将基底132的温度升高到基底132的最高额定操作温度以上。然而，更新的或替换的旋转机器100可具有较高操作温度，并且可辐射足够的热量以在旋转机器100的操作期间将基底132的温度升高到基底132的最高额定操作温度以上。至少一些发电设施可从现有的旋转机器100升级到更新的或替换的旋转机器100，以便产生更多电力。现有的旋转机器100可从基底132移除，并且可将新的或替换的旋转机器100(包括新的支撑系统130)定位在现有的基底132上。
39.在将新的旋转机器100安装在新的支撑系统130上之前，将基底温度控制系统136安装在新的支撑系统130内，以有利于在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。即，新的支撑系统130被改装成包括基底温度控制系统136，以有利于在旋转机器100的操作期间将基底132的温度保持在基底132的最高额定操作温度以下。更具体地讲，基底温度控制系统136安装在现有的基底132上和新的支撑系统130内，而不替换或修改现有的基底132和/或新的支撑系统130。因此，基底温度控制系统136使得能够用新的旋转机器100替换现有的旋转机器100，而不替换或修改现有的基底132，从而减少构造成本。
40.图5是用更新的或不同的旋转机器替换由支撑系统支撑的现有的旋转机器的示例性方法500的流程图。与现有的旋转机器100一起使用的支撑系统130包括基底130以及安装在基底130上的多个竖直支撑件140、多个水平支撑件138和支撑多个水平支撑件138的多个基座垫142。方法500包括从支撑系统移除502现有的旋转机器。方法500还包括将基底温度控制系统安装504在旋转机器和基底之间的支撑系统内。该基底温度控制系统包括隔热罩、隔热包，以及至少部分地由该隔热罩和该隔热包限定的气隙。方法500还包括将替换的(新的)旋转机器安装506在支撑系统上。当新的旋转机器朝向基底辐射热量时，该隔热罩、该隔热包和该气隙有利于将基底的温度保持在该基底的最高额定操作温度以下。
41.任选地，方法500还可包括操作新的旋转机器。方法500还可包括引导空气流穿过气隙(图5中未示出)。空气流有利于从基底温度控制系统移除热量。移除502现有的旋转机器还可包括从现有的基底移除多个水平支撑件、多个竖直支撑件和多个基座垫，并且将多个新的水平支撑件、多个新的竖直支撑件和/或多个新的基座垫安装在现有的基底上。将基底温度控制系统安装506在旋转机器和基底之间的支撑系统内还可包括将隔热包安装在基底上以及将隔热罩安装在隔热包上方，使得隔热罩和隔热包至少部分地限定气隙。将基底温度控制系统安装506在旋转机器和基底之间的支撑系统内还可包括将隔热罩安装在多个水平支撑件之间，使得水平支撑件和基座垫至少部分地限定气隙。
42.上述系统和方法涉及用于将旋转机器的基底的温度保持在最高额定操作温度以下的系统和方法。更具体地讲，在示例性实施方案中，燃气涡轮发动机包括以串联流动布置方式布置的压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机将空气引导到燃烧器，并且燃烧器将燃料流与空气一起燃烧以产生热量。至少一些热量从旋转机器朝向支撑旋转机器的基底辐射。因此，在
操作期间，基底的温度升高。然而，使用本文所述的系统和方法，基底的温度可保持在最高额定操作温度以下。最高额定操作温度是针对基底被额定能够支撑旋转机器的基底的最高操作温度。
43.在示例性实施方案中，本文所述的基底温度控制系统包括隔热罩和隔热包，该隔热包被定位成使得气隙至少部分地限定在隔热罩和隔热包之间。因此，在示例性实施方案中，该基底温度控制系统是分层绝热系统，该分层绝热系统被布置成有利于在旋转机器的操作期间将基底的温度保持在最高额定操作温度以下。更具体地讲，隔热罩和隔热包各自通过传导来传递热量，而气隙实现对流热传递。因此，基底温度控制系统用对流和传导机制抵抗热传递。
44.在示例性实施方案中，旋转机器由支撑系统支撑，该支撑系统包括多个竖直支撑件、多个水平支撑件、多个基座垫和基底。至少一些已知的现有的旋转机器可被替换成以较高操作温度操作的更新的或不同的旋转机器。替换的旋转机器的较高操作温度可将基底的温度升高到其最高额定操作温度以上。然而，为了有利于控制现有的基底的温度，可将本文所述的基底温度控制系统安装在新的或现有的支撑系统内，而不改变现有的基底。因此，本文所述的基底温度控制系统使得现有的旋转机器能够被替换成更新的或不同的旋转机器，而基本上不改变现有的基底，从而减少资金成本并减少构造时间。
45.另外，本文所述的系统和方法的一个示例性技术效果包括以下项中的至少一项：(a)将基底的温度保持在基底的最高额定操作温度以下；(b)引导空气流穿过基底温度控制系统内的气隙；以及(c)从基底温度控制系统移除热量。
46.上文详细描述了用于将旋转机器的基底的温度保持在最高额定操作温度以下的系统和方法的示例性实施方案。该系统和方法不限于本文描述的具体实施方案，而是系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，该方法也可与其他旋转机器组合使用，并且不限于仅采用如本文所述的燃气涡轮发动机进行的实践。而是，示例性实施方案可以结合许多其他旋转机器应用来实施和使用。
47.尽管本公开的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施方案的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。
48.本书面描述使用示例来公开本公开的实施方案，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本公开的实施方案，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本文描述的实施方案的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。