專利名稱：使用渦輪排氣的壓縮機間隙控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大體涉及燃氣渦輪發(fā)動機，且更具體地講，涉及用于通過使用渦輪排氣來提供前端轉(zhuǎn)子葉片間隙或其它類型的間隙控制的壓縮機間隙控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當整體功率需求低時，功率生產(chǎn)者常常將他們的發(fā)電設(shè)備調(diào)到低功率水平，以便 節(jié)約燃料。就燃氣渦輪發(fā)動機而言，壓縮機入口周圍的入口導葉可接近最小角，以便降低穿 過其中的氣流和整體功率輸出。特別地，穿過入口導葉的空氣可能會在低入口導葉角處經(jīng) 歷很大的壓降。壓縮機的前端基本充當渦輪，且在稱為渦輪作用(turbining)的現(xiàn)象中從 空氣流中抽取能量。從而低壓可能會使得壓縮機入口殼體周圍的空氣流的溫度迅速下降。 這種低溫可能會需要殼體和轉(zhuǎn)子葉片之間的更加穩(wěn)定的狀態(tài)間隙，以允許穩(wěn)定。因為壓縮機的金屬殼體比轉(zhuǎn)子葉片具有更慢的熱響應(yīng)時間，所以轉(zhuǎn)子葉片可能會 比殼體膨脹得更快，從而使轉(zhuǎn)子葉片在殼體上封閉起來，且在過渡到較高的載荷或在超速 條件下時，可能抵靠殼體而摩擦。摩擦可能會造成轉(zhuǎn)子葉片的提早損壞和可能的故障。因 此，運行的轉(zhuǎn)子葉片/殼體間隙必須適應(yīng)這些不同的膨脹率。這些間隙會影響且從而限制 可被抽入壓縮機中的芯流的量。因此，期望的是用于壓縮機的改進的間隙控制系統(tǒng)和方法，以便改進整體的燃氣 渦輪發(fā)動機性能和效率。優(yōu)選地，改進的壓縮機間隙控制系統(tǒng)和方法還應(yīng)當處理低載荷或 無載荷條件期間的渦輪作用以及載荷過渡期間的轉(zhuǎn)子葉片摩擦。特別地，在運行時段上減 小間隙范圍，而沒有間隙不足的危險(摩擦、損壞)或間隙過大的危險(性能損失、失速、損 壞)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機間隙控制系統(tǒng)。燃氣渦輪發(fā) 動機包括產(chǎn)生排氣的渦輪和具有殼體與若干轉(zhuǎn)子葉片的壓縮機。壓縮機間隙控制系統(tǒng)可包 括定位在壓縮機的殼體周圍的殼體熱交換器和用于來自渦輪的排氣的抽取端口。抽取端口 與殼體熱交換器連通，以便用來自渦輪的排氣加熱壓縮機的殼體。本申請進一步描述了一種為具有產(chǎn)生排氣的渦輪和帶有殼體與若干轉(zhuǎn)子葉片的 壓縮機的燃氣渦輪發(fā)動機提供間隙控制的方法。該方法包括以下步驟；使殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉 片旋轉(zhuǎn)；從渦輪中抽取熱；將該熱傳遞到殼體；以及使殼體熱膨脹或者阻止殼體熱收縮。本申請進一步提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機間隙控制系統(tǒng)。燃氣渦輪 發(fā)動機包括產(chǎn)生排氣的渦輪和具有殼體與若干轉(zhuǎn)子葉片的壓縮機。壓縮機間隙控制系統(tǒng)可 包括定位在壓縮機的殼體周圍的殼體熱交換器，用于來自渦輪的排氣的抽取端口，以及自 抽取端口延伸到殼體熱交換器以便用來自渦輪的排氣加熱壓縮機的殼體的一個或多個導 管。當結(jié)合幾幅附圖和所附的權(quán)利要求書審閱以下詳細描述之后，本申請的這些和其它特征和改進將對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見。


圖1是已知的燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖。圖2是定位在壓縮機殼體周圍的轉(zhuǎn)子葉片的截面圖。 圖3是具有如本文所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖。圖4是具有如本文所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)的一個備選實施例的燃氣渦輪發(fā) 動機的示意圖。部件列表10燃氣渦輪發(fā)動機20壓縮機22轉(zhuǎn)子葉片24殼體26入口 28 出口 30燃燒室40渦輪42出口 50外部載荷60入口導葉70入口抽氣加熱系統(tǒng)80入口 抽氣加熱歧管90抽取部100壓縮機間隙控制系統(tǒng)110殼體熱交換器120抽取部130導 管140泵150閥200壓縮機間隙控制系統(tǒng)210入口熱交換器220殼體熱交換器230導 管235制冷流體240泵250閥
具體實施例方式現(xiàn)在參看附圖，其中相同標號在幾個附圖中始終指示相同元件，圖1和2顯示了燃 氣渦輪發(fā)動機10的示意圖。已知的是，燃氣渦輪發(fā)動機10可包括用以壓縮進入的空氣流 的壓縮機20。壓縮機20包括定位在殼體24內(nèi)的若干轉(zhuǎn)子葉片22。壓縮機20將壓縮空氣 流輸送到燃燒室30。燃燒室30使該壓縮空氣流與燃料流混合，且點燃混合物。(雖然僅顯 示了單個燃燒室30，但是燃氣渦輪發(fā)動機10可包括任何數(shù)量的燃燒室30。)。熱的燃燒氣 體又被輸送到渦輪40。熱的燃燒氣體驅(qū)動渦輪40，以便產(chǎn)生機械功。在渦輪40中產(chǎn)生的 機械功驅(qū)動壓縮機20和外部載荷50，例如發(fā)動機等。燃氣渦輪發(fā)動機10可使用天然氣、各 種類型的合成氣以及其它類型的燃料。燃氣渦輪發(fā)動機10可為9FA渦輪機或由紐約斯卡奈塔第的通用電氣公司提供的 類似的裝置。本文可使用其它類型的燃氣渦輪發(fā)動機10。燃氣渦輪發(fā)動機10可具有其它 構(gòu)造，且可使用其它類型的構(gòu)件?？梢黄鹗褂枚鄠€燃氣渦輪發(fā)動機10、其它類型的渦輪機和 /或其它類型的發(fā)電設(shè)備?？刹糠值赝ㄟ^使用定位在壓縮機20的入口 26周圍的若干入口導葉60，使對燃氣 渦輪發(fā)動機10的載荷控制可行。特別地，可通過改變?nèi)肟趯~60的位置以便更改進入壓 縮機20的空氣量，來調(diào)節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機10的輸出。燃氣渦輪發(fā)動機10還可使用入口抽氣加熱(inlet bled heat)系統(tǒng)70來加熱入 口空氣。入口抽氣加熱系統(tǒng)70可定位在壓縮機20的入口的上游，在過濾器殼體中，或者別 處。已知的是，入口抽氣加熱系統(tǒng)70可包括定位在壓縮機20的入口 26的上游的入口抽氣 加熱歧管80。入口抽氣加熱歧管80可與來自壓縮機出口 28的壓縮空氣的抽取端口 90連 通。來自抽取端口 90的空氣穿過入口抽氣加熱歧管80，以便使進入的空氣流變暖。使進入 的空氣流變暖有助于限制渦輪作用可能引起的后果(即會導致葉片摩擦的殼體縮小)。本 文可使用其它方法和構(gòu)造。然而，通過從壓縮機20的出口 28中抽取壓縮空氣且使用該壓縮空氣來加熱入口 空氣流可損害壓縮機循環(huán)的效率。因而，整體燃氣渦輪發(fā)動機效率同樣可被降低。同樣地， 其它類型的渦輪可能不使用入口抽氣加熱系統(tǒng)70，而被抑制的入口溫度可能仍然是個問題。圖3顯示了如本文所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)100。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100可 如以上描述的那樣安裝在燃氣渦輪發(fā)動機10內(nèi)。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100同樣可與其它 類型的渦輪機系統(tǒng)一起使用。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100可包括壓縮機殼體熱交換器110。殼體熱交換器110可 為在入口 26周圍將熱傳遞到壓縮機20的殼體24(或相反)的任何類型的熱交換器?？稍?任何級中或任何位置上使用壓縮機殼體熱交換器100。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100進一步包 括在所有渦輪級的下游的渦輪40的出口 42附近的抽取端口 120。特別地，可通過抽取端口 120移除來自渦輪40的出口 42的熱排氣。來自抽取端口 120的熱排氣可通過一個或多個 導管130與殼體熱交換器110連通。在氣體穿過殼體熱交換器110之后，就可將該氣體排 放或者通過管道輸送回渦輪出口 42處的排氣，而對整體的大量排氣溫度有很小的影響。如 果需要，可將泵140定位在導管130附近。同樣地，可根據(jù)需要將一個或多個閥150定位在 導管130上。因此，來自渦輪40的熱排氣的熱被傳遞到壓縮機20的入口 26周圍的殼體24的 金屬。因而，可控制壓縮機20的殼體24的縮小或熱收縮，以避免被轉(zhuǎn)子葉片22摩擦。同 樣地，可促進殼體24的膨脹。因此可在入口導葉60由于例如低載荷或無載荷條件而接近 最小角或約在最小角處時使用壓縮機間隙控制系統(tǒng)100。同樣地，可在寒冷的環(huán)境條件下以 及載荷過渡期間使用壓縮機間隙控制系統(tǒng)100。因此，燃氣渦輪發(fā)動機10可調(diào)低到較低的 功率，而由于渦輪作用引起轉(zhuǎn)子葉片摩擦的可能性會更小。同樣地，入口導葉60可接近較 低的角，以便更進一步調(diào)低功率輸出。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100不僅允許調(diào)得較低，而且還可促進較高的整體功率輸 出。在給定通過較長的轉(zhuǎn)子葉片22而對殼體溫度有增大的可控性的情況下，可收緊整體的 運行的轉(zhuǎn)子葉尖間隙。特別地，收緊轉(zhuǎn)子葉片間隙會導致功率輸出提高。對于不同類型的 渦輪，改進將有很大不同。此外，壓縮機間隙控制系統(tǒng)100使用來自渦輪40的廢熱，以便限 制與已知的入口抽氣加熱系統(tǒng)和其它已知的技術(shù)相關(guān)聯(lián)的效率損失。壓縮機間隙控制系統(tǒng)100可安裝在新的或現(xiàn)有的燃氣渦輪發(fā)動機10中?？稍谄?中渦輪作用或活動的間隙控制可能有問題的任何機器上使用壓縮機間隙控制系統(tǒng)100。圖4顯示了壓縮機間隙控制系統(tǒng)200的另一個實施例。此實施例也包括在入口 26 周圍定位在壓縮機20的殼體24上的殼體熱交換器210。壓縮機間隙控制系統(tǒng)200還包括 渦輪排氣熱交換器220。渦輪排氣熱交換器220可定位在渦輪40的出口或其它類型的下 游排氣系統(tǒng)附近，以與其進行熱交換。壓縮機20的殼體熱交換器210和渦輪40的渦輪排 氣熱交換器220可通過一個或多個導管230連通。導管230可在其中具有用于從渦輪排氣 熱交換器220流通到殼體熱交換器210以及返回的傳統(tǒng)的制冷流體或其它類型的工作流體 235。一個或多個泵240可定位在導管230附近。同樣地，一個或多個閥250可定位在導管 230 上。可通過渦輪排氣在渦輪排氣熱 交換器220中加熱工作流體235，且然后使工作流 體235流通通過壓縮機200的殼體24周圍的殼體熱交換器210，以便與殼體24的金屬進行 熱交換。然后可使工作流體235流通回到渦輪排氣熱交換器220。同樣可在本文中使用其 它類型的熱循環(huán)系統(tǒng)。
將顯而易見的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請的某些實施例，且在不偏離由所附的權(quán) 利要求書及其等效物限定的本發(fā)明的一般精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本文 中做出許 多改變和修改。
權(quán)利要求
一種用于具有產(chǎn)生排氣的渦輪(40)和帶有殼體(24)與若干轉(zhuǎn)子葉片(26)的壓縮機(20)的燃氣渦輪發(fā)動機(10)的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，包括定位在所述壓縮機(20)的所述殼體(24)周圍的殼體熱交換器(110)；以及來自所述渦輪(40)的排氣的抽取部(120)；其中，所述抽取部(120)與所述殼體熱交換器(110)連通，以便利用來自所述渦輪(40)的排氣加熱所述壓縮機(20)的所述殼體(24)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述殼體熱交換器 (100)和所述抽取部(120)通過一個或多個導管(130)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述壓縮機間隙控 制系統(tǒng)(100)進一步包括定位在所述一個或多個導管(130)上的泵(140)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述壓縮機間隙控 制系統(tǒng)(100)進一步包括定位在所述一個或多個導管(130)上的閥(150)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述排氣通過所述 一個或多個導管(130)與所述抽取部(120)和所述殼體熱交換器(110)連通，且通過所述 一個或多個導管(130)與所述殼體熱交換器(110)和所述渦輪(40)的出口(42)連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述壓縮機間隙控 制系統(tǒng)(100)進一步包括渦輪排氣熱交換器(220)。
7.一種為具有產(chǎn)生排氣的渦輪(40)和帶有殼體(24)與若干轉(zhuǎn)子葉片(26)的壓縮機 (20)的燃氣渦輪發(fā)動機(10)提供間隙控制的方法，包括使所述殼體(24)內(nèi)的所述若干轉(zhuǎn)子葉片(26)旋轉(zhuǎn)；從所述渦輪(40)中抽取熱；將該熱傳遞到所述殼體(24)；以及使所述殼體(24)熱膨脹，或者阻止所述殼體(24)熱收縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將該熱傳遞到所述殼體(24)的步驟包括 將殼體熱交換器(110)定位在所述殼體(24)周圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，從所述渦輪(40)中抽取熱的步驟包括從 所述渦輪(40)中抽取排氣。
全文摘要
本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃氣渦輪發(fā)動機(10)的壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)。燃氣渦輪發(fā)動機(10)包括產(chǎn)生排氣的渦輪(40)和具有殼體(24)與若干轉(zhuǎn)子葉片(26)的壓縮機(20)。壓縮機間隙控制系統(tǒng)(100)可包括定位在壓縮機(20)的殼體(24)周圍的殼體熱交換器(110)和來自渦輪(40)的排氣的抽取部(120)。抽取部(120)與殼體熱交換器(110)連通，以便用來自渦輪(24)的排氣加熱壓縮機(20)的殼體(24)。
文檔編號F02C9/00GK101845998SQ201010005529
公開日2010年9月29日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者D·A·斯奈德, M·W·弗拉納根, S·W·蒂爾里 申請人:通用電氣公司