專利名稱：減少關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱損失的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)，且更具體地涉及減少關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱損失的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)通常包括壓縮機(jī)、至少一個(gè)燃燒器和渦輪。壓縮機(jī)將壓縮空氣 提供給燃燒器。燃燒器燃燒壓縮空氣和燃料以產(chǎn)生熱氣。熱氣通過渦輪膨脹以產(chǎn)生有用功。具體地，燃?xì)鉁u輪機(jī)可包括限定該機(jī)器的外部的定子罩，和可縱向地延伸通過機(jī) 器的內(nèi)部上的定子罩的轉(zhuǎn)子。在該渦輪機(jī)內(nèi)，若干渦輪葉片可置于與轉(zhuǎn)子相聯(lián)的盤的周圍， 并且當(dāng)熱氣膨脹時(shí)能量可轉(zhuǎn)移至渦輪葉片。所引起的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可傳遞至發(fā)電機(jī)或其它負(fù) 載，以便導(dǎo)致有用功。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)也可用在壓縮機(jī)中以產(chǎn)生壓縮空氣。為此目的，可在壓縮 機(jī)中的轉(zhuǎn)子周圍放置若干壓縮機(jī)葉片。在燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行期間，渦輪機(jī)的不同部件膨脹和收縮。例如，可能由于與渦輪 機(jī)運(yùn)行相關(guān)的相對(duì)高的溫度而發(fā)生熱膨脹，并且可能由于與內(nèi)部部件的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的向心力 而發(fā)生機(jī)械膨脹。燃?xì)鉁u輪機(jī)具有的一個(gè)問題是不同部件以不同的和變化的速率膨脹和收縮。變化 的速率由部件的材料、幾何形狀、位置和目的之間的不同導(dǎo)致。為適應(yīng)膨脹和收縮速率的差 異，在燃?xì)鉁u輪機(jī)中在葉片的末梢和護(hù)罩之間設(shè)計(jì)了間隙。該間隙通過允許葉片不接觸護(hù) 罩而膨脹來減少渦輪機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。然而，通過允許一部分熱氣在不執(zhí)行有用功的情況下 經(jīng)過葉片逸出，該間隙實(shí)質(zhì)上降低了渦輪機(jī)效率，這浪費(fèi)了否則可用來提取的能量。在壓縮 機(jī)中可在壓縮機(jī)葉片和壓縮機(jī)殼之間設(shè)計(jì)類似的間隙，其可允許空氣不壓縮而經(jīng)過壓縮機(jī) 葉片逸出。間隙的大小可在燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期中的多個(gè)階段期間變化，原因是在這些階 段期間燃?xì)鉁u輪機(jī)中變化的熱條件和機(jī)械條件。在圖1中示意性地示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)的一 個(gè)示例性運(yùn)轉(zhuǎn)周期。如圖所示，燃?xì)鉁u輪機(jī)典型地從通過增加轉(zhuǎn)子速度的“冷啟動(dòng)”開始， 并隨后拖曳負(fù)載，其對(duì)渦輪葉片的末梢和渦輪護(hù)罩之間的間隙具有圖示的效果。然后可將 燃?xì)鉁u輪機(jī)關(guān)機(jī)一短段時(shí)間，以便修正已知的問題。在關(guān)機(jī)期間，可移除負(fù)載，轉(zhuǎn)子速度會(huì) 降低，并且部件會(huì)開始收縮和冷卻。接著，可發(fā)生“熱重啟”，其中在部件恢復(fù)到冷構(gòu)造條件 之前重啟燃?xì)鉁u輪機(jī)。在這些運(yùn)行階段期間，間隙可在不同的“窄點(diǎn)(pinch point) ”處處于相對(duì)最小值。 例如，在渦輪機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(SS FSFL)之前，渦輪機(jī)可經(jīng)歷處于全速無負(fù)載(FSNL)和全 速全負(fù)載(FSFL)的窄點(diǎn)。這些窄點(diǎn)的各個(gè)窄點(diǎn)處的間隙在冷啟動(dòng)周期和熱重啟周期期間 可以不同，且最小間隙發(fā)生在全速全負(fù)載下的熱重啟周期期間。為此原因，燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)計(jì) 成具有選擇來適應(yīng)處于熱重啟全速全負(fù)載的限制點(diǎn)的冷構(gòu)造間隙，這導(dǎo)致渦輪機(jī)在穩(wěn)定狀 態(tài)下以低效的大間隙運(yùn)行。換句話說，冷構(gòu)造間隙是考慮防止熱重啟周期期間末梢摩擦而 不是考慮在冷啟動(dòng)和穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間獲得最大效率而進(jìn)行選擇的。
在熱重啟周期期間所觀測(cè)到的緊密間隙可部分地由關(guān)機(jī)期間燃?xì)鉁u輪機(jī)在外部 (定子)比在內(nèi)部(轉(zhuǎn)子)冷卻相對(duì)更快而引起。例如，渦輪機(jī)的內(nèi)部部件可能保持溫暖， 而定子罩可冷卻并向內(nèi)部收縮。在關(guān)機(jī)期間，定子罩的冷卻可由沿燃?xì)鉁u輪機(jī)的長度移動(dòng) 的冷卻空氣流而加劇。更具體地，燃?xì)鉁u輪機(jī)可具有沿壓縮機(jī)放置的一系列入口導(dǎo)向葉片， 其允許空氣進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)以壓縮并隨后膨脹。由于這些入口導(dǎo)向葉片可在關(guān)機(jī)期間保持 打開，空氣會(huì)繼續(xù)進(jìn)入壓縮機(jī)?？諝饪赏ㄟ^轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而沿燃?xì)鉁u輪機(jī)的長度吸入，這 是由其質(zhì)量(mass)所要求的。引起的氣流可在關(guān)機(jī)期間進(jìn)一步冷卻定子罩，從而導(dǎo)致在熱 重啟時(shí)更緊密的間隙。本領(lǐng)域所需要的是用來在燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期期間(尤其是關(guān)機(jī)周期期間)減少 定子和轉(zhuǎn)子部件之間熱響應(yīng)差異的系統(tǒng)和方法。本領(lǐng)域還需要無需增加相當(dāng)多的部件或?qū)?質(zhì)上重新設(shè)計(jì)熱氣通道而可在現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪機(jī)上實(shí)現(xiàn)的此類系統(tǒng)和方法
發(fā)明內(nèi)容
一種運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，該燃?xì)鉁u輪機(jī)包括壓縮機(jī)段、渦輪段和抽吸冷卻系 統(tǒng)。該方法包括監(jiān)視燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行；響應(yīng)于燃?xì)鉁u輪機(jī)的正常運(yùn)行而通過抽吸冷卻 系統(tǒng)將冷卻空氣流從壓縮機(jī)段引向渦輪段；并響應(yīng)于燃?xì)鉁u輪機(jī)的關(guān)機(jī)而通過抽吸冷卻系 統(tǒng)將加溫空氣流引向壓縮機(jī)段和渦輪段。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，在查看了以下附圖和具體實(shí)施方式
之后，所公開的減少來 自燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱損失或熱差異的系統(tǒng)和方法的其它系統(tǒng)、裝置、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯 而易見的或?qū)⒆兊蔑@而易見。所有此類另外的系統(tǒng)、裝置、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)旨在包括在描 述的范圍內(nèi)，并旨在受所附權(quán)利要求保護(hù)。


參考以下圖形將更好地理解本發(fā)明公開。匹配的標(biāo)號(hào)表示貫穿多個(gè)圖形的相應(yīng)部 分，并且圖形中的部件不一定按比例。圖1是圖示對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)鉁u輪機(jī)間隙、轉(zhuǎn)子速度和負(fù)載之間關(guān)系的圖表。圖2是現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了抽吸冷卻系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施 例。圖3是燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。圖4是燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例。圖5是燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的再一個(gè)實(shí)施例。圖6是燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個(gè)附加實(shí)施例。圖7是燃?xì)鉁u輪機(jī)的橫截面視圖，其圖示了減少在關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的定 子罩的熱損失的系統(tǒng)的一個(gè)附加實(shí)施例。部件列表
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)的方法，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)包括壓縮機(jī)段002)、渦 輪段(204)和抽吸冷卻系統(tǒng)001)，所述方法包括監(jiān)視所述燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的運(yùn)行；響應(yīng)于所述燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的正常運(yùn)行，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將冷卻空氣 流從所述壓縮機(jī)段(20 引向所述渦輪段O04)；響應(yīng)于所述燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的關(guān)機(jī)，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將加溫空氣流引 向所述壓縮機(jī)段(20 和所述渦輪段(204)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括將加溫空氣流引到所述渦輪段(204)周圍的定子罩Q06)的一部分上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括將加溫空氣流引到所述壓縮機(jī)段(20 周圍的所述定子罩O06)的一部分上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括中斷通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)的冷卻空氣流。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)(201)引導(dǎo)加溫空氣 流包括沿相反的方向引導(dǎo)加溫空氣流通過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機(jī)而關(guān)閉所 述壓縮機(jī)段O02)中的進(jìn)口導(dǎo)向葉片(330)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機(jī)而中斷通 過所述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)到所述燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的內(nèi)部的空氣流。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響應(yīng)于所述關(guān)機(jī)而通過所 述抽吸冷卻系統(tǒng)O01)將加溫空氣流從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的內(nèi)部引向定子罩006)。
9.一種用于減少關(guān)機(jī)周期期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)O00)的定子罩Q06)的熱損失的系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括熱交換器(318)；可操作來將空氣引入所述熱交換器(318)的外部空氣源(320)；可操作來將熱提供給所述熱交換器(318)的外部熱源(322)；與所述熱交換器和所述定子罩(206)成流體連通的至少一個(gè)供應(yīng)管線；以及可操作來響應(yīng)于所述關(guān)機(jī)周期而觸發(fā)所述外部空氣源(320)的控制器(324)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部空氣源(320)包括適于將周圍空 氣引入所述熱交換器(318)的鼓風(fēng)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及減少關(guān)機(jī)期間來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱損失的系統(tǒng)和方法，具體而言，公開了一種運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)的方法，該燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)包括壓縮機(jī)段(202)、渦輪段(204)和抽吸冷卻系統(tǒng)(201)。該方法包括監(jiān)視燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)的運(yùn)行；響應(yīng)于燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)的正常運(yùn)行，通過抽吸冷卻系統(tǒng)(201)將冷卻空氣流從壓縮機(jī)段(202)引向渦輪段(204)；以及響應(yīng)于燃?xì)鉁u輪機(jī)(200)的關(guān)機(jī)，通過抽吸冷卻系統(tǒng)(201)將加溫空氣流引向壓縮機(jī)段和渦輪段(204)。
文檔編號(hào)F02C9/20GK102094713SQ201010115018
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月29日
發(fā)明者A·R·克尼蘭德, B·J·米勒, H·G·小巴拉德, I·D·威爾遜, K·D·布萊克, R·格策, S·C·基科 申請(qǐng)人:通用電氣公司