用于控制燃气涡轮机内冷却空气温度的方法和装置

摘要

一种用于燃气涡轮机(10)的冷却系统(100)，该燃气涡轮机包括一压缩机(14)，一燃烧器(16)和一高压涡轮机(18)，它们以串联流动排列的形式连接在一起。所述冷却系统包括一贮存容器(110)、贮存在该贮存容器中的工作流体以及与一管道连接的集管(116)，该管道把冷却空气供应给高压涡轮机。所述工作流体被从所述集管排出到所述涡轮机冷却空气供应管道中，从而降低引导到所述高压涡轮机的压缩冷却气流的温度。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种燃气涡轮机，更具体地说，涉及一种用于控制燃气涡轮机内冷却空气温度的方法和装置。

背景技术

燃气涡轮机通常包括一个多级轴向式压缩机、一燃烧器和一涡轮机。进入压缩机的气流被压缩并被导向燃烧器，并在燃烧器内与燃料混合并被点燃，以产生用于驱动涡轮机的热燃烧气体。为了控制热燃烧气体进入涡轮机而产生的热传递，通常利用涡轮机冷却通路来引导冷却空气，并且利用冷却空气来冷却涡轮机。

压缩机排气通常被用作涡轮机冷却通路的冷却空气源。另外，在燃气涡轮机内保持足够的冷却空气对于发动机的正常运行及其部件的使用寿命来说是很重要的。但是，在燃气涡轮机运行期间，流过压缩机的空气的温度通常在压缩机的每一级都增大。因此，压缩机排气的温度可能太高，以至于不足以把燃气涡轮机部件的运行温度降低到期望的温度。

发明内容

依据本发明的一方面，提供了一种运行燃气涡轮机的方法，该燃气涡轮机包括一压缩机，一燃烧器和一高压涡轮机，它们以串联流动排列的形式连接在一起。该方法包括，把工作流体引导到冷却系统集管内，该集管与一管道连接，该管道把冷却空气供应给高压涡轮机，把所述流体排出到所述涡轮机冷却空气供应管道中，从而降低引导到所述高压涡轮机的压缩冷却气流的温度。

依据本发明的另一方面，提供了一种用于燃气涡轮机的冷却系统。该冷却系统包括一核心燃气涡轮机，该核心燃气涡轮机包括一压缩机、一位于所述压缩机下游的燃烧器和一位于所述燃烧器下游的高压涡轮机，以及一冷却系统，该冷却系统包括一贮存容器、贮存在所述贮存容器中的工作流体以及与一管道连接的集管，该管道把冷却空气供应给高压涡轮机，所述冷却系统被构造成便于将所述工作流体从所述贮存容器中排出到所述集管中，从所述集管排出到涡轮机冷却空气供应管道中，从而有利于降低引导到所述高压涡轮机的压缩冷却气流的温度。

附图说明

图1示出了一个示例性的燃气涡轮机；

图2是图1中示例性燃气涡轮机的示意图，其包括一示例性的冷却系统；

图3是穿过图2中冷却系统的截面3-3的示意图；

图4是在正常运行期间表示图2和3中冷却系统的图表模型；

图5是在正常运行期间表示图2和3中冷却系统的另一个图表模型；

图6是一个图表模型，其表示贮存在容器中的工作流体的量与期望的涡轮机冷却空气温度降低峰值之间的关系。

具体实施方式

参照附图，图1是一个示例性燃气涡轮机10的示意图，该燃气涡轮机包括风扇组件12、包括一高压压缩机14的核心发动机(core engine)13、一燃烧器16和一高压涡轮机。在该示例性的实施例中，燃气涡轮机10还包括一低压涡轮机20和一升压器22。风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的一组风扇叶片24。燃气涡轮机10具有进气侧28和排气侧30。风扇组件12和涡轮机20通过第一转子轴31连接，压缩机14和涡轮机18通过第二转子轴32连接。

在工作期间，空气沿中心轴34流过风扇组件12，压缩空气被供给高压压缩机14。高度压缩的空气被输送给燃烧器16。来自燃烧器16的气流(图1中未示出)驱动涡轮机18和20，涡轮机20通过轴31驱动风扇组件12。

图2包括一个示例性冷却系统100的燃气涡轮机10的示意图，该冷却系统可以用来降低导向燃气涡轮机10的一部分的冷却气流的工作温度，所述燃气涡轮机的一部分例如是高压涡轮机18。图3是冷却系统100的简示图。燃气涡轮机10的功率输出至少部分地与沿着气流通路的各位置的气流温度有关。因此，降低供给高压涡轮机18的冷却气流温度可以冷却气流减小并使燃气涡轮机10的功率输出增大。另外，涡轮机18的冷却气流温度的降低可以延长涡轮机部件的寿命。

为了有利于降低进入高压涡轮机18的冷却气流温度，冷却系统100与从高压压缩机14引导到高压涡轮机18的气流流体连通。更具体地说，从高压压缩机14排出的气流被引导到高压涡轮机18之前，利用冷却系统100，该气流的工作温度被有利地降低。

在该示例性的实施例中，冷却系统100包括一容器或贮存器110，至少一个泵112与容器110流体连通，输送管114与泵112流体连通，集管116与输送管114流体连通，若干个喷嘴118与集管116流体连通，回流管120在集管116和容器110之间流体连通。

在一个实施例中，容器110的容量为贮存大约20质量磅(lbm)到100lbm之间的工作流体。在该示例性的实施例中，容器110是大体上球形的容器，其容量为贮存大约28质量磅(lbm)到98质量磅(lbm)之间的工作流体，并采用水作为工作流体。可选择的是，除了水之外的流体也可以用做工作流体。容器110被安置和/或连接在核心罩空间(core cowl space)122内以利于把容器110内贮存的工作流体保持在期望的工作温度。在该示例性的实施例中，容器110被安置在靠近核心燃气涡轮机13的一个位置，在不利用额外冷却系统的情况下，该位置处的工作空气温度足以把容器110内贮存的工作流体保持在预定的工作温度。因此，在工作期间，利用通过罩空间(cowl space)122引导的空气对容器110内贮存的工作流体进行对流冷却。

泵112包括一入口或吸气侧130以及一出口或排气侧132，所述吸气侧130与容器110流体连通，所述排气侧132与输送管114流体连通。在该示例性的实施例中，泵112的规格为能通过输送管114引导期望数量的流体。

输送管114包括第一端140、第二端142以及在两者之间延伸的基本空心的本体144。第一端140与泵排出侧132连接，第二端142与集管116连接。另外，输送管114与燃气涡轮机10连接，使得本体144穿过高压涡轮机排气叶片组件146而径向向内延伸。根据燃气涡轮机构造的不同，可选择的是，供应容器110、泵112、输送管114和回流管120可以被重新定位，从而更加方便地为集管116供应流体。更具体地说，输送管114穿过涡轮机排气叶片组件146延伸，使得输送管第二端142位于一空腔148内，该空腔被限定在从涡轮机排气叶片组件146径向向内和第二转子轴32径向向外的范围内。因此，输送管114穿过涡轮机排气叶片组件146延伸，使得输送管第二端142和集管116中的每一个从燃烧器16和涡轮机排气叶片组件146径向向内地定位，而且它们中的每一个从排出管道组件150径向向外地定位。在该示例性的实施例中，利用一种隔热材料152对输送管114的至少一部分进行隔热，以利于把流过输送管的工作流体保持在一预定的工作温度。

在该示例性的实施例中，集管116是环形的，并包括一入口160和一出口162，该入口与输送管第二端142连接，该出口与回流管120连接。在该示例性的实施例中，环形形状被定义为基本圆形的中空结构，即油炸面圈的形状，该环形集管包括一限定在其内部的径向空腔166，因此穿过集管116的工作流体沿第一径向方向168和相反的第二径向方向170大体朝着回流管120被引导。

冷却系统100还包括若干个喷嘴118，这些喷嘴大体上沿集管116的外表面等距分布。在该示例性的实施例中，集管116包括沿集管116的轴向前表面182并延伸穿过集管的若干个开孔180，喷嘴118以螺纹方式连接在各个开孔180内。在另一个实施例中，利用例如焊接或铜焊工艺把每个喷嘴118连接到集管116上。在另一个实施例中，冷却系统100不包括喷嘴118，而且，开孔180被有选择地设定尺寸，使得预定量的工作流体穿过该开孔而被引导。每个喷嘴118包括一开孔184，其尺寸能使足够量的工作流体穿过喷嘴118排出，并进入冷却空气气流以产生大约0.022到大约0.025之间的水/空气比。在该示例性的实施例中，每个开孔184的尺寸产生的水/空气比在大约0.0235到大约0.0236之间。

回流管120包括一入口190和一出口192，该入口与集管出口162流体连通，该出口与容器110流体连通。在该示例性的实施例中，回流管120有利于把任何未使用的工作流体部分引导返回容器110。

冷却系统100还包括一控制系统200，其被构造为对泵112进行致动。在该示例性的实施例中，控制系统200是一个包括算法的计算机，该算法被构造为根据选定的输入启动和/或停止泵112。更具体地说，在该示例性的实施例中，控制系统200包括至少一个温度传感器210和至少一个质量流量传感器212，它们分别被用于监测引导到高压涡轮机18的气流温度和流速，并根据该温度或流速启动或停止泵112。

图4是在正常运行期间系统100的图表模型。更具体地说，图4是表示图系统100的图表模型，系统100的运行有利于降低进入高压涡轮机18的冷却空气气流的温度。如图4所示，在排出指令开始时，根据控制时间表，具有相对高压的工作流体，例如水，被从容器110通过集管116喷射到高温涡轮机冷却气流中，从而保持一个最终恒定的涡轮机冷却供应温度(T_C)。图4示出了三种不同的情形，利用系统100实现进入涡轮机19的气流供给温度从供给气流温度(T3)分别降低大约175、150和125的目标温度降低。

图5是一个图表模型，其表示累积工作流体用量随时间变化以及获得的涡轮机冷却空气温度降低之间的关系。如图5所示，在排出指令开始时，根据控制时间表，具有相对高压的工作流体，例如水，被从容器110通过集管116喷射到高温涡轮机冷却气流中，从而保持一个最终恒定的涡轮机冷却供应温度(T_C)。图4示出了三种不同的情形，利用系统100实现进入涡轮机19的气流供给温度从供给气流温度(T3)分别降低大约175、150和125的目标温度降低。因此，系统100利用大约79.3lbm来使气流温度降低大约175，利用大约61.8lbm来使气流温度降低大约150，利用大约44.6lbm来使气流温度降低大约125。

图6是一个图表模型，其表示在涡轮机工作期间，贮存在容器110中的工作流体的量与期望的涡轮机冷却空气温度降低峰值之间的关系，其中涡轮机冷却空气温度降低的范围为100到200。如图所示，消耗掉大约28lbm到98lbm之间的工作流体时，分别获得的温度降低为100和200。在目标涡轮机冷却空气温度降低为150的情况下，对总的系统重量进行估算。在该示例性的实施例中，总重量为61.8时，可消耗的工作流体负荷是大约157lbm，消耗的工作流体负荷是大约95.2lbm。因此，包括有工作流体的系统100的累积重量是一个在巡航时进行惩罚的相对小的剩余重量(该句不懂)，而且也明显小于一重量值，该重量值是利用至少一个公知的设计为与利用系统100得到相同温度降低的空气-空气热交换器所需的重量。

在该示例性的实施例中，利用系统100获得的温度、流速和工作流体使用率是基于示例性的燃气涡轮机10中采用的冷却系统的。因此，根据系统100连接的发动机，气流温度降低、工作流体流速和用量可能不同于本实施例。

上述气流冷却系统包括一工作流体贮存容器和一泵，该泵设置在高压涡轮机级1叶片入口平面附近的选定的核心罩空间(core cowl space)内。在运行期间，泵把例如水的工作流体供应给具有相对小直径的、隔热的输送管，该输送管穿过叶片内部冷却腔到环形(例如圈)集管，所述集管被安置在给高压涡轮机进口段供给流体的排出管入口附近。该集管配备有若干个与排出管连接的小喷嘴。该集管还包括一回流管，用于在发动机起动、怠速、滑行和输出辊起动前被保持期间，使水再循环流回贮存容器中。

工作时，在预定的飞行条件期间，核心罩空腔内的对流冷却有利于水温保持在一预定的温度。例如，在排出指令开始时，一直持续到选定的中水平上升点期间，再循环管道被关闭，输送管中的阀被致动，根据控制时间表，利用环形集管把高压水从容器喷射到高温涡轮机冷却气流中，从而有利于保持一个相对恒定的涡轮机冷却供应温度。当飞行器到达规定的高度时，T3降低到可接受的水平，停止系统的工作，剩余的水被再循环到贮存容器中和/或排放到大气中。

因此，加热过冷却水(sub-cooled water)、吸收融化潜热、然后把水汽加热到最终的空气-水混合物温度的热力学过程，提供了冷却空气温度的明显降低。水/空气比率相对较小-在大约0.0235到大约0.0236的范围内，因此采用一种比其他公知的冷却系统重量小的的系统来获得显著的冷却空气温度降低。

前面详细描述了冷却系统的示例性实施例。该冷却系统并不限于在此描述的具体实施例，而是，该系统的部件可以单独地使用，也可以与此处所述的其它部件分开使用。具体地说，在此描述的冷却系统可以用于任何公知的燃气涡轮机。

尽管通过各种具体实施例的方式描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内，可以对本发明进行改进和实施。

部件列表

10燃气涡轮机

12风扇组件

13核心发动机

14高压压缩机

16燃烧器

18高压涡轮机

20低压涡轮机

22升压器

24风扇叶片

26转子盘

28进气侧

30排气侧

31第一转子轴

32第二转子轴

34中心轴

100冷却系统

110容器

112泵

114输送管

116集管

118喷嘴

120回流管

122罩空间

130吸气侧

132排气侧

140第一端

142第二端

144本体

146涡轮机排气叶片组件

148空腔

150管道组件

152隔热材料

160入口

162出口

166径向空腔

168第一径向方向

170相反的第二径向方向

180开孔

182前表面

184开孔

190入口

200控制系统

210温度传感器

212质量流量传感器