專(zhuān)利名稱(chēng)：燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到燃?xì)廨啓C(jī)，這種燃?xì)廨啓C(jī)具有空壓機(jī)部件它能排出空氣，用以冷卻該燃?xì)廨啓C(jī)部件。
一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)包括有三個(gè)主要部分一個(gè)壓縮機(jī)部分，空氣在其中被壓縮;一個(gè)燃燒部分，壓縮空氣在其中被燃燒著的燃料加熱;以及一個(gè)渦輪部分，自燃燒部分來(lái)的熱壓縮空氣在其中膨脹。要使氣輪機(jī)達(dá)到最大輸出功率，希望將流過(guò)燃燒部分的氣體加熱到盡可能高的溫度。所以，暴露于熱氣體中渦輪部分的部件必須得到適當(dāng)?shù)睦鋮s，以使構(gòu)成這些部件的材料的溫度維持在可允許的范圍內(nèi)。
通過(guò)使相對(duì)冷的空氣從渦輪組件的表面或從其內(nèi)部流過(guò)而實(shí)現(xiàn)這樣的冷卻。因?yàn)檫@種冷卻空氣必須加壓才有效果，通常的做法是放出一部分從壓縮機(jī)部分排出的氣體，并將其引到渦輪部分以達(dá)到冷卻的目的。雖然冷卻空氣最終與渦輪中膨脹的熱氣體混合在一起，但是由于它繞過(guò)了燃燒過(guò)程，所以不是所有壓縮冷卻空氣所做的功都在膨脹過(guò)程中被回收。因此，要使氣輪機(jī)的輸出功率和效率達(dá)到最大，就希望盡量減少所用的冷卻空氣量。
遺憾的是，由于伴隨壓縮機(jī)中壓強(qiáng)升高的溫度上升，從壓縮機(jī)放出的空氣較熱，其溫度由壓縮比決定，在315℃到425℃范圍內(nèi)。所以在本行業(yè)中眾所周知的是，從壓縮機(jī)放出的用以冷卻目的的空氣的量可通過(guò)在引到渦輪部件之前就將其冷卻來(lái)減少，從而增加其吸熱能力。
一種常用的對(duì)冷卻空氣進(jìn)行冷卻的方法采用空氣-空氣冷卻器，從壓縮機(jī)放出的空氣藉此可流過(guò)帶葉片的管子，管子外面有機(jī)動(dòng)風(fēng)扇吹動(dòng)其周?chē)諝?，從而把壓縮空氣中的熱傳到大氣中。雖然這種方法實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)?shù)睦鋮s，但它有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。第一，因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要一個(gè)空氣冷卻器、連接管道、結(jié)構(gòu)支承部件、風(fēng)扇、電動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的電控制系統(tǒng)，所以氣輪機(jī)的成本顯著增加。第二個(gè)缺點(diǎn)涉及到性能。在冷卻器中從壓縮空氣提取的熱丟失到大氣中，從而有損于氣輪機(jī)的熱效率。另外，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇所需功率必須從渦輪產(chǎn)生的功率中減去，從而降低了氣輪機(jī)的凈功率輸出。
另一種方法，其中氣輪機(jī)在一個(gè)聯(lián)合的氣體和蒸汽渦輪循環(huán)系統(tǒng)中工作，采用一個(gè)空氣-水冷卻器。按此方法，從壓縮機(jī)放出的空氣流過(guò)其內(nèi)有鍋爐給水流過(guò)的管子。雖然這種方法回收了從壓縮空氣中取出的熱，并將其送回循環(huán)系統(tǒng)中，從而避免了上述方法的性能缺點(diǎn)，但是它牽涉到空氣-水冷卻器的較高費(fèi)用，在管子損壞時(shí)使渦輪受到水淹帶來(lái)的損壞，并且需要一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，以備熱水鍋爐器不工作時(shí)用。
所以本發(fā)明的主要目的是提供一種以冷卻為目的的廉價(jià)、易于操作、可靠且不損害氣輪機(jī)性能的、用于冷卻從壓縮機(jī)放出的空氣的系統(tǒng)和方法。
鑒于此目的，本發(fā)明體現(xiàn)在一種冷卻燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部件的方法，該氣輪機(jī)包括一個(gè)壓縮機(jī)部分，一個(gè)燃燒部件和一個(gè)渦輪部分。在此方法里，自壓縮機(jī)部分來(lái)的一部分空氣被引出，用以冷卻所述渦輪部分。其特征在于所述空氣在被引到所述渦輪部分之前，通過(guò)把水蒸發(fā)到所述引出空氣中而被冷卻。
從下面以附圖作為例子顯示的一個(gè)最佳實(shí)施例及對(duì)它們的描述可以更清楚地了解本發(fā)明。


圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的冷卻方法的氣輪機(jī)的縱向剖面圖;
圖2是一個(gè)氣輪機(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的示意圖，它顯示本發(fā)明結(jié)合成這樣一個(gè)系統(tǒng)。
參照這些附圖，圖1中顯示一個(gè)氣輪機(jī)40的縱向剖面。氣輪機(jī)由三個(gè)主要部分構(gòu)成一個(gè)壓縮機(jī)部分1，一個(gè)燃燒部分2，和一個(gè)氣輪部分3。一個(gè)轉(zhuǎn)子4布置在氣輪中心并穿過(guò)上述三個(gè)部分。壓縮機(jī)部分由包括交替排列的靜止葉片70和旋轉(zhuǎn)葉片71的圓筒5組成。靜止葉片固定在圓筒5上，旋轉(zhuǎn)葉片71固定在沿轉(zhuǎn)子軸73軸向分開(kāi)的多個(gè)圓盤(pán)72上。
燃燒部分2包括一個(gè)氣缸61，它形成一個(gè)小室，其中布置有多個(gè)燃燒器7和連接燃燒器與渦輪部分的管道8。轉(zhuǎn)子軸的一部分穿過(guò)燃燒部分，在那里被一個(gè)護(hù)罩26包圍。而且，下面將得到進(jìn)一步討論的冷卻空氣回管24和25穿入氣缸6中，并穿過(guò)該小室延伸到一個(gè)集溶管39而終止，該集溶管環(huán)繞護(hù)罩26的一部分。
渦輪部分3由一個(gè)外氣缸75組成，它封裝有一個(gè)內(nèi)氣缸9。內(nèi)氣缸9內(nèi)裝有交替布置的多列靜止葉片10-13和旋轉(zhuǎn)葉片14-17。靜止葉片固定在內(nèi)氣缸9上，旋轉(zhuǎn)葉片固定在多個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)18-21上，它們構(gòu)成轉(zhuǎn)子4的渦輪部分。第一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)18固定在轉(zhuǎn)子軸73的端部。
壓縮機(jī)把周?chē)諝?0從其入口吸入，并把壓縮空氣31排到由氣缸6形成的小室39中。室中的空氣31的絕大部分通過(guò)其上的孔(未示出)進(jìn)入燃燒器7。在燃燒器中，燃料與壓縮空氣混合并燃燒，從而提高壓縮空氣的溫度。然后，熱壓縮氣體32流過(guò)管道8，隨后通過(guò)在渦輪部分中交替布置的靜止葉片到10-13和旋轉(zhuǎn)葉片到14-17，并在那里膨脹而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子4的功率。之后，膨脹氣體33從渦輪機(jī)排出。
渦輪部分中的旋轉(zhuǎn)葉片14-17和圓盤(pán)18-21暴露于來(lái)自燃燒器7的溫度可能接近1100℃氣體中，且由于旋轉(zhuǎn)而加于其上的離心力的原因容易遭受高的應(yīng)力。由于隨著溫度升高，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)葉片和圓盤(pán)的材料的抗應(yīng)力能力會(huì)降低，所以至關(guān)重要的是提供適當(dāng)?shù)睦鋮s以維持這件部件的溫度在可允許的水平。在最佳實(shí)施方案中，這種冷卻是將來(lái)自氣缸6構(gòu)成的小室中的壓縮空氣31的一部分34導(dǎo)到轉(zhuǎn)子的渦輪部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種引導(dǎo)是靠從氣缸6伸出的外放管23放出空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，冷卻的空氣34在通過(guò)回氣管24和25被冷卻后再返回到氣輪機(jī)，下面再解釋。回氣管2將空氣引到集流管39，集流管39如前所述包圍了封閉轉(zhuǎn)子的護(hù)罩26的一部分。進(jìn)入集流管后，冷卻空氣經(jīng)孔27穿過(guò)護(hù)罩26並進(jìn)到一個(gè)間隙86中，該間隙86形成在護(hù)罩26和轉(zhuǎn)子軸73之間。然后，冷卻空氣從間隙86流過(guò)轉(zhuǎn)子軸73的圓周上的孔28，進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸73的中空區(qū)85。冷卻空氣從轉(zhuǎn)子軸的中空區(qū)通過(guò)在旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)18-20中的孔74流到轉(zhuǎn)子的渦輪部分。到轉(zhuǎn)子渦輪部分后，冷卻空氣流過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)和葉片中的多路交錯(cuò)的冷卻通道(未示出)，以實(shí)現(xiàn)所期望的冷卻。
重要的是要注意到冷卻空氣繞過(guò)了燃燒器。即使它最終與在渦輪中膨脹的熱氣體混合，從通過(guò)渦輪的壓縮空氣的膨脹所回收的功遠(yuǎn)小于在燃燒器中被加熱的壓縮空氣膨脹所收的功。事實(shí)上，由于壓降和機(jī)械效率帶來(lái)的損失，從冷卻空氣回收的功小于在壓縮機(jī)中壓縮空氣所需的功。所以，所用的冷卻空氣量越大，氣輪機(jī)的凈輸出功率越小。
根據(jù)本發(fā)明，從壓縮機(jī)排出口放出的冷卻空氣34的量通過(guò)在空氣進(jìn)入回氣管24和25之前，把空氣冷卻和增加其質(zhì)量流得以減小，從而增加其吸熱能力冷卻渦輪組件的能力。這是通過(guò)當(dāng)冷卻空氣34流過(guò)泄放管23時(shí)向其中噴水蒸發(fā)得以實(shí)現(xiàn)的。冷卻空氣中的熱通過(guò)水的汽化向水中轉(zhuǎn)移從而降低了空氣的溫度，而且蒸發(fā)了的水增加了其質(zhì)量流量。
蒸發(fā)是通過(guò)向一個(gè)噴嘴35提供帶壓力的水實(shí)現(xiàn)的。噴嘴布置在外放管23中，以在冷卻空氣回到氣輪機(jī)之前保證水的適當(dāng)蒸發(fā)，以免因液態(tài)水滴落到熟的渦輪部件上引起熱沖擊。噴嘴可以是蒸汽輪機(jī)過(guò)熱器中常用的類(lèi)型，應(yīng)該能提供足夠細(xì)小的水珠38以保證良好的蒸發(fā)。具體噴嘴的選擇主要取決于噴嘴所要傳遞的水流量，而后者取決于所期望的冷卻空氣下降的溫度，以及水與冷卻空氣之間的壓差。
為了保證噴嘴的良好噴射性能，加到噴嘴的水壓應(yīng)該比冷卻空氣的壓強(qiáng)(即壓縮機(jī)的排放壓力)高3.5到10.5公斤/平方厘米。因?yàn)楝F(xiàn)代氣輪機(jī)的壓縮機(jī)在10.5到18公斤/平方厘米的排放壓力范圍內(nèi)工作，在該最佳實(shí)施例中，加到噴嘴的水壓在18到21公斤/平方厘米范圍內(nèi)。
應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明，為了降低溫度而從冷卻空氣中排出的熱不象在一些已有技術(shù)的方法中那樣散失到大氣中，而是被加到水中，水與冷卻空氣一起在渦輪中與燃燒的氣體混合并產(chǎn)生附加的功率。
另外，因?yàn)樗羝媪瞬糠掷鋮s空氣，所以從壓縮機(jī)放出的空氣的量必須降低。減少了從壓縮機(jī)放出的空氣而使流過(guò)渦輪的熱氣體量增加，從而使氣輪機(jī)的輸出功率增加。因?yàn)樵诂F(xiàn)代氣輪機(jī)中，每秒通過(guò)渦輪的氣流量增加一磅，渦輪的功率輸出就增加約250到350千瓦，在每秒中每向冷卻空氣中蒸發(fā)一磅水，就少?gòu)膲嚎s機(jī)放出一磅空氣，相應(yīng)地從渦輪機(jī)產(chǎn)生250到350千瓦的附加功率輸出。
雖然降低冷卻空氣溫度是人們所希望的(因?yàn)?，如前所述，這樣可減少必須從壓縮機(jī)排放口放出的冷卻空氣量)，但是若把冷卻空氣溫度降到一定值以下則是不明智的。這是因?yàn)殡m然冷卻空氣降低了渦輪部件的溫度，從而增加了其抗應(yīng)力能力，但它也增加了熱梯度，從而在這些部件中產(chǎn)生熱應(yīng)力。所以有一個(gè)最佳冷卻空氣溫度，它能導(dǎo)致渦輪部件適當(dāng)?shù)睦鋮s而不產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。
所需的水流量主要取決于用于冷卻的空氣的量，所以可以表示為每磅冷卻空氣需要多少磅水這樣一個(gè)比例。要維持前述的最佳冷卻空氣溫度，這個(gè)比例必須隨為了冷卻而放出的空氣的溫度(冷卻空氣溫度又隨氣輪機(jī)的輸出功率和輸入的大氣溫度而變)和加到噴嘴的水的溫度而變。
舉例來(lái)說(shuō)，如果在最大氣輪機(jī)輸出功率下，從壓縮機(jī)放出的冷卻空氣的溫度在378到398℃范圍內(nèi)(而最佳冷卻空氣溫度為413℃)，水溫在107到129℃范圍內(nèi)，則水與冷卻空氣之比在0.075到0.085范圍內(nèi)。因?yàn)樗淖畲笮枰繉?duì)應(yīng)最大功率輸出，所以這些數(shù)字表明所需的水與冷卻空氣的最大比例。這是因?yàn)檩敵龉β首畲髸r(shí)，從壓縮機(jī)放出的冷卻空氣的溫度達(dá)到最大值。可見(jiàn)這些數(shù)字表明將冷卻空氣冷卻在最佳溫度范圍413℃±5%時(shí)所需水量相對(duì)較少。
因?yàn)閺膲嚎s機(jī)放出的冷卻空氣的溫度是按上述方式變化的，蒸發(fā)的水量必須也變化以使冷卻空氣的溫度維持在其最佳值。所以根據(jù)本發(fā)明，采用圖2所示的裝在加壓水供應(yīng)線53中的一個(gè)流量控制閥80，來(lái)改變流向噴嘴的加壓水流量。通過(guò)采用較熱的水可以增加注入的水量。最大注入水量是在混合氣中保持27℃過(guò)熱蒸汽的水量。若混合冷卻空氣的出口溫度為413℃，則水蒸汽的飽和溫度應(yīng)限制在約162℃。
眾所周知，水中雜質(zhì)，尤其是一些金屬如鈉，鉀可腐蝕渦輪中處于高溫的部件。所以希望在把水蒸發(fā)到冷卻空氣中之前盡可能地除去溶在水中的固體來(lái)對(duì)水進(jìn)行處理。適當(dāng)處理水的方法在本行業(yè)中是常見(jiàn)的，包括化學(xué)處理，離子交換和除礦化。
將本發(fā)明用于在氣體和蒸汽聯(lián)合的渦輪循環(huán)系統(tǒng)中工作的燃?xì)廨啓C(jī)是特別有利的。圖2示出這樣一個(gè)系統(tǒng)，在這樣系統(tǒng)中典型的是，從氣輪機(jī)40排出的氣體33流過(guò)一個(gè)熱回收蒸汽發(fā)生器。熱回收蒸汽發(fā)生器包括一個(gè)過(guò)熱器62，高壓蒸發(fā)器61，加溫器60，和低壓蒸發(fā)器57。在流過(guò)熱回收蒸汽發(fā)生器并為產(chǎn)生蒸汽給出其大部分潛熱之后，尾氣59被排放到大氣中。
在圖2所示的系統(tǒng)中，熱回收蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸氣54在氣輪機(jī)42中膨脹，從而產(chǎn)生附加的功率。從蒸汽輪機(jī)排出的蒸汽55在冷凝器43中凝結(jié)，冷凝水暫時(shí)存在冷凝器熱井44中。由于水會(huì)不可避免地通過(guò)滲漏和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子放氣等從系統(tǒng)散失，補(bǔ)充水49被按需要加到熱井44中。用前述人們熟知的方法在水處理設(shè)備45中處理生水48，從而制成補(bǔ)充水。
冷凝水和補(bǔ)充水混合的水56在除氣器46中被來(lái)自低壓蒸發(fā)器的蒸汽84加熱和除氣。出自除氣器的被加熱和除氣的水50隨即在一個(gè)鍋爐的給水泵的排出端51分裂成兩部分而結(jié)合到系統(tǒng)中的;部分52進(jìn)到熱回收蒸汽發(fā)生器的加溫部分60，部分53被加到噴嘴35。因?yàn)椋龤馄饕话阍?.4到2.8公斤/平方厘米壓強(qiáng)范圍內(nèi)工作，加到噴嘴的水的溫度將在107到109℃范圍內(nèi)。一個(gè)流量控制閥80如前所述調(diào)節(jié)流向噴嘴的水流量。所以，通過(guò)按這里所述的方式將本發(fā)明結(jié)合到氣體和蒸汽渦輪聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，用以少許的增加設(shè)備費(fèi)用，確切地說(shuō)就是提高現(xiàn)有的水處理器45和鍋爐給水泵47的容量，就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
所以，可以看出，根據(jù)本發(fā)明的對(duì)冷卻空氣進(jìn)行冷卻的方法提供了下列優(yōu)點(diǎn)。
(ⅰ)降低了設(shè)備成本，結(jié)合到氣體和蒸汽渦輪聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的本發(fā)明的實(shí)施例尤其是這樣，(ⅱ)氣輪機(jī)輸出功率高，(ⅲ)無(wú)須改動(dòng)內(nèi)部的渦輪冷卻布置，這是因?yàn)榧尤氲乃枯^小，冷卻空氣的流體性質(zhì)基本上保持不變。
權(quán)利要求
1.一種冷卻燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部件的方法，該燃?xì)廨啓C(jī)包含有一個(gè)壓縮機(jī)部件(1)，一個(gè)燃燒器部件(2)，和一個(gè)渦輪部件(3)，其中自所述壓縮機(jī)部件來(lái)的部分空氣被引到所述渦輪部件，其特征在于，所述引出空氣在被引到所述渦輪部件之前通過(guò)向所述引出空氣中噴水蒸發(fā)而被冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種方法，其特征在于水被加壓，而且所述加壓水被噴到所述引出空氣中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種方法，其特征在于，水被噴到所述引出空氣中之前，其中溶解固體的量被減少。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的一種方法，其特征在于，所述水在107到130℃的溫度下被噴到所述引出空氣中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3、或4的一種方法，其特征在于，所述冷卻空氣是從壓力為10。5到18公斤/平方厘米范圍內(nèi)的所述壓縮空氣中放出，所述水的壓力維持在18到21公斤/平方厘米范圍內(nèi)，溫度在107到129℃范圍內(nèi)，所述供水量與所述冷卻空氣量的最大比例范圍是，每公斤冷卻空氣為0.075到0.085公斤水。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的一種方法，其特征在于，提供所述流量的水以使送到所述渦輪部件的冷卻空氣的溫度(約)為190℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的一種方法，其特征在于，水的噴速被限制到使冷卻空氣中的水蒸汽保持有26℃過(guò)熱。
8.一個(gè)氣輪機(jī)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)壓縮機(jī)部分(1)用以壓縮空氣，一個(gè)相連的燃燒部分(2)，用以接納來(lái)自所述壓縮機(jī)部分(1)的壓縮空氣，并通過(guò)在所述壓縮空氣中燒燃料來(lái)產(chǎn)生熱壓縮空氣，一個(gè)相連的渦輪部分(3)，用于接納來(lái)自所述燃燒部分(2)的熱壓縮空氣以膨脹所述熱壓縮空氣產(chǎn)生功率，以及連接通道裝置(23)，用以把輸送部分所述壓縮空氣冷卻所述的渦輪部分，其特征在于，設(shè)有裝置(35)，用于在所述引出空氣被用來(lái)冷卻所述渦輪部分之前先向所述引出空氣中噴水以使其冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于，所述連接通道裝置包括一個(gè)外管(23)，所述噴射裝置(3)裝在所述外管(23)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的一個(gè)系統(tǒng)，其中接有一個(gè)熱回收蒸汽發(fā)生器(41)以接納從所述渦輪部分(3)中排放的膨脹氣體，從而在所述熱回收蒸汽發(fā)生器(41)中，從來(lái)自加壓水的排放氣體產(chǎn)生蒸汽，其特征在于，所述噴水裝置被與所述熱回收蒸汽發(fā)生器相連接，以向噴水裝置(35)提供的一部分所述加壓水。
全文摘要
在燃?xì)廨啓C(jī)中，通過(guò)把壓縮機(jī)排放口放出的用于冷卻渦輪的空氣進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，從而減少所需的冷卻空氣量。蒸發(fā)冷卻是通過(guò)把加壓水噴到壓縮機(jī)排放口到渦輪的冷卻空氣排放管中實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)F02C7/14GK1045442SQ9010040
公開(kāi)日1990年9月19日 申請(qǐng)日期1990年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月27日
發(fā)明者安德魯·雅各布·科斯基 申請(qǐng)人:西屋電氣公司