用于冷却涡轮机中的受热构件的系统和方法.pdf

本发明提供了用于冷却涡轮机中的受热构件的系统和方法。根据一个实施例，提供了一种用于冷却涡轮机的系统，该系统可包括至少一个液体源(116)，该至少一个液体源(116)可包括冷却液。该系统还可包括至少一个液体喷嘴(118)，该至少一个液体喷嘴(118)与该液体源或这些液体源(116)流体连通且可操作以将雾化形式的冷却液输送到定位于涡轮机的热气体路径(216)中的至少一个受热涡轮机构件附近。在将雾化冷却液输送到该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件附近后，该冷却液的至少一部分基本上相变为气体。

1.  一种用于冷却涡轮机(102)的热气体路径(216)中的受热构件的系统(100)，其包括：
包括冷却液的至少一个液体源(116)；以及
至少一个液体喷嘴(118)，其与所述至少一个液体源(116)流体连通并且可操作以将呈雾化形式的所述冷却液输送到位于所述涡轮机的热气体路径(216)中的至少一个受热涡轮机构件附近；
其中，在将所述雾化冷却液输送到所述至少一个受热涡轮机构件附近后，所述冷却液的至少一部分基本上相变为气体。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于使来自所述至少一个液体源(116)的冷却液增压的至少一个泵。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括联接所述至少一个液体源(116)与所述至少一个液体喷嘴(118)的管道系统(122)。

4.  根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述管道系统(122)包括热绝缘体。

5.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却液包括水。

6.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个受热涡轮机构件包括涡轮机叶片(102)、涡轮机叶轮、涡轮机喷嘴(104)或涡轮机护罩中的至少一种。

7.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个受热涡轮机构件包括涡轮机叶片(102)，所述涡轮机叶片(102)包括第一侧(218A)和第二侧(218B)，所述第一侧(218A)和第二侧(218B)在其中形成内部空间(120)且包括贯穿所述第一侧(218A)或所述第二侧(218B)中的至少一个的多个孔(204)，且其中，在将所述雾化冷却液输送到所述涡轮机叶片(202)附近后，所述气体的至少一部分穿过所述内部空间(120)并离开所述内部空间(120)穿过所述多个孔(204)的至少一部分而到达所述热气体路径(216)。

8.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括吹扫单元(124)以自所述热气体路径(216)吹扫过量的所述冷却液。

9.  一种用于冷却涡轮机的热气体路径(216)中的受热构件的方法，其包括：
提供(302)包括冷却液的、与至少一个液体喷嘴(118)流体连通的至少一个液体源(116)，其中所述至少一个液体喷嘴(118)定位在位于所述涡轮机的热气体路径(216)中的至少一个受热涡轮机构件附近；
使来自所述至少一个液体源(116)的冷却液雾化(304)；以及
将所述雾化冷却液输送(306)到所述至少一个受热涡轮机构件附近；
其中，在将所述雾化冷却液输送到所述至少一个受热涡轮机构件附近后，所述冷却液的至少一部分基本上相变为气体。

10.  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过至少一个泵使来自所述至少一个液体源(116)的冷却液增压。

用于冷却涡轮机中的受热构件的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及涡轮机，且更具体而言涉及用于冷却涡轮机中的受热构件的系统和方法。
背景技术
在诸如燃气轮机的涡轮机中，诸如喷嘴、涡轮、叶片或护罩的某些构件定位于热气体路径中且经受可能处于高于这些构件中一个或多个构件熔点的温度下的热气体。在某些当代燃气轮机中，热气体的温度可高达1600℃。因此，在许多情况下，定位于热气体路径中的构件在涡轮机运行期间被冷却。在示例性常规系统中，从燃气轮机的压缩机渗出的空气用于冷却这些构件。然而，这种空气已经消耗了大量的功或能量来绕过燃气轮机的燃烧室。然后空气进入到例如涡轮机叶片或喷嘴的构件来冷却它们，因此它们能在热气体路径中挺过来。之后，空气被释放回到热气体路径内。由于空气绕开燃烧室，其并不燃烧任何燃料且并不获得额外动量。因此，这种空气不能在其它涡轮机级中做有用功。结果，燃气轮机的效率降低。
在其它示例性常规系统中，受热构件可由蒸汽而不是从压缩机取出的空气冷却。蒸汽可自蒸汽轮机抽取且然后用管道送入定位于热气体路径中的受热涡轮机构件。该蒸汽通常具有较高的传热系数且因此自热气体路径中的涡轮机构件吸收更多热量。因此，蒸汽冷却可提供优于空气冷却解决方案的改进解决方案。蒸汽可取自气体路径且然后被再次引入到蒸汽轮机。因此，蒸汽自热气体路径得到的热能中的某些热能可在蒸汽轮机中恢复以产生额外的有用功。因此，在示例性情况下，蒸汽冷却的燃气轮机的效率可大于空气冷却的燃气轮机。
但是，常规蒸汽冷却的系统可非常复杂。举例而言，蒸汽取自固定管道且必须被通到旋转的叶片。蒸汽供应和恢复系统必须保持良好密封，因为蒸汽以非常高的压力存在且否则将会在蒸汽系统中造成泄露。此外，由于蒸汽行进回到蒸汽轮机，蒸汽系统也应被密封以保持纯度。
因此，存在对于用于冷却涡轮机中的受热构件的系统和方法的需要。
发明内容
本发明的实施例可解决上文所述的需要中的某些需要或全部需要。本发明的实施例大体而言针对用于冷却涡轮发动机中的受热涡轮机构件的系统和方法。
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于冷却涡轮机的热气体路径中的受热构件的系统。这种示例性系统可包括至少一个液体源，该至少一个液体源包括冷却液。该系统还可包括至少一个液体喷嘴，该至少一个液体喷嘴与一个或多个液体源流体连通且可操作以将呈雾化形式的冷却液输送到定位于涡轮机的热气体路径中的至少一个受热涡轮机构件附近。根据这个示例性实施例，在将雾化冷却液输送到该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件附近后，冷却液的至少一部分基本上相变为气体。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于冷却涡轮机的热气体路径中的受热构件的方法。这种示例性方法可包括提供至少一个液体源，该至少一个液体源包括冷却液且与至少一个液体喷嘴流体连通，其中该液体喷嘴或这些液体喷嘴定位在位于涡轮机的热气体路径中的至少一个受热涡轮机构件附近。该方法还可包括使来自该液体源或这些液体源的冷却液雾化并将雾化冷却液输送到该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件附近。根据这个示例性实施例，在将雾化冷却液输送到该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件附近后，该冷却液的至少一部分基本上相变为气体。
根据本发明的又一示例性实施例，提供了一种操作涡轮机的方法。这种示例性方法可包括启动涡轮机，增大涡轮机速度以在预定负荷下运行，以及使冷却液雾化。该方法还可包括在增大涡轮机速度以在预定负荷下运行之后，将雾化冷却液输送到定位于涡轮机的热气体路径中的至少一个受热涡轮机构件附近，其中在输送雾化冷却液之后，冷却液的至少一部分基本上相变为气体。该方法还可包括减小涡轮机速度以低于预定负荷运行，且在减小涡轮机速度低于预定负荷之后自热气体路径吹扫过剩液体。
结合附图，通过下文的描述，本发明的其它实施例和方面将会变得显而易见。
附图说明
因此已经概括地描述了本发明的实施例，现将参看附图，附图未按照比例绘制，且在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于冷却受热涡轮机构件的示例性系统的功能方框图；
图2是根据本发明的一个实施例的、代表示例性受热涡轮机构件的涡轮机叶片的视图；
图3是根据本发明的一个实施例的、说明了冷却受热涡轮机构件的示例性方法的流程图；以及
图4是根据本发明的一个实施例的、说明了操作涡轮机的示例性方法的流程图。
部件列表
102-涡轮机叶片
104-涡轮机喷嘴
106-压缩机
108-内部空间(涡轮机喷嘴中)
110-导引器
112-根部
114-管路
116-液体源
118-液体喷嘴
120-内部空间(涡轮机叶片中)
122-管道系统
124-吹扫单元
202-涡轮机叶片
204-孔
206-叶片平台
208-内部空间
210-混合物
212-根部
214-气态混合物
216-热气体路径
218A-第一侧
218B-第二侧
300-方法
302-图块
304-图块
306-图块
400-方法
402-图块
404-图块
406-图块
408-图块
410-图块
412-图块
具体实施方式
现将参看附图在下文中更全面地描述本发明的示例性实施例，其中示出了某些而非所有实施例。实际上，本发明可以以许多不同的形式实施且不应理解为限于本文所阐述的实施例；而是提供这些实施例使得本公开内容将满足适用的法律要求。相似的附图标记始终指代相似的元件。
启动涡轮机并增大涡轮机的速度造成涡轮机燃烧室中的燃烧。在燃烧期间，所产生的热气体的温度可远高于位于热气体路径中的各种涡轮机构件的熔点。因此，为了冷却涡轮机的热气体路径中的受热涡轮机构件，冷却液可被雾化并输送到受热涡轮机构件处或其附近。由于在冷却液(诸如：例如水)自液体相变为气体期间其吸收更多能量，与在仅蒸汽冷却或仅空气冷却的涡轮机中相比，将雾化冷却液供应至受热涡轮机构件或其附近将更有效地冷却这些构件。另外，将冷却液混合到空气中额外地充当了空气的冷却机制，之后空气和气体混合物被输送到受热涡轮机构件。
图1是根据本发明的一个实施例的用于冷却受热涡轮机构件的系统100的功能方框图。在示例性实施例中，受热涡轮机构件可为涡轮机叶片102，诸如第一级涡轮机叶片102。但是，应了解的是，其它涡轮机构件，诸如涡轮机叶轮、涡轮机喷嘴、涡轮机护罩或其任何组合也可由本文所述的系统和方法来冷却。在燃气轮机中，热气体在燃烧室内产生，形成处于大约1000℃到大约1600℃范围的热气体温度。在离开燃烧室之后，热气体可最初穿过燃气轮机的第一级涡轮机喷嘴104，其与诸如涡轮机叶片102的受热涡轮机构件连通。应了解的是，出于说明的目的，在图1中仅示出了一个第一级涡轮机喷嘴104，且其它示例性涡轮机可包括多个喷嘴、叶片等。因此，涡轮机喷嘴104和涡轮机叶片102或其它涡轮机构件暴露于处于非常高的温度下的热气体。因此，这些涡轮机构件可能会经受远高于构件材料熔化温度的温度。
为了冷却涡轮机叶片102，自燃气轮机的压缩机106输送空气。空气可首先穿过涡轮机喷嘴104的内部空间108。在离开涡轮机喷嘴104之后，空气穿过导引器110，导引器110进一步将空气释放到涡轮机叶片102的根部112附近。根部112为涡轮机叶片102的径向最内部部分。根部112通常具有附连特征(如图2所示)，该附连特征被加工成使得涡轮机叶片102可附连到涡轮机叶轮上，另外，导引器110释放空气使得空气被导向并导引以经过根部112进入涡轮机叶片102。图1还示出了管路114，该管路114使冷却液穿过涡轮机喷嘴104。在示例性实施例中，冷却液来自液体源116。在一个实例性实施例中，冷却液可基本上为水，但应了解在其它实施例中，液体源116可输送除了水之外的冷却液。在穿过管路114之后，冷却液穿过液体喷嘴118。液体喷嘴118将冷却液输送到受热涡轮机构件或其附近。举例而言，如图1所示，液体喷嘴可将冷却液输送到涡轮机叶片102的根部112附近。应了解在其它示例性实施例中，液体喷嘴118可将冷却液输送到其它涡轮机构件，例如，诸如涡轮机叶轮、涡轮机喷嘴、涡轮机护罩或其任何组合。
在各种示例性实施例中，液体喷嘴118可位于涡轮机叶轮内部或涡轮机护罩外部。液体喷嘴118的位置决定在受热涡轮机构件102处或其附近释放冷却液的位置。在各种示例性实施例中，液体喷嘴118可为喷射器型，文丘里型等。
如果自液体喷嘴118输送的冷却液直接接触受热涡轮机构件，诸如涡轮机叶片102，冷却液可在冷却液所接触的局部区域造成温度的大幅降低。这可能会在构件材料内造成高温度梯度，从而可能在受热构件材料内造成高应力梯度，使得可在冷却液所接触的点处产生开裂。为了避免对受热涡轮机构件的这种损坏，在一个示例性实施例中，冷却液以雾化形式释放到空气中且该冷却液的至少一部分在与空气混合并暴露于高温时自液体相变为气体。到气体的相变避免了在受热构件上的某点处由液体形式的冷却液直接接触。
在某些情形下，离开液体源116的冷却液可处于比离开压缩机106的空气的压力更低的压力。在这种情况下，冷却液可不以雾化形式释放到空气中且因此可能不会通过空气介质而均匀分布。因此，冷却液可在其被释放到空气介质内之前增压。因此，在一个示例性实施例中，可使用增压泵来对冷却液增压，使得冷却液可基本上以雾化形式离开而到达空气介质且在受热涡轮机构件或其附近通过空气介质均匀分布。举例而言，冷却液可被增压到大约2.8×10⁶N/m²(400psi)或更高的压力。
在将空气引入到受热涡轮机构件(诸如涡轮机叶片102)附近之前使冷却液与空气混合还可有益于冷却受热涡轮机构件，因为与冷却液和冷却液的气态形式及空气的比热相比，冷却液的汽化潜热非常高。举例而言，如果冷却液为水，那么水的汽化潜热、水的比热和蒸汽的比热分别为大约2.26×10²J/kg、4.184J/kg-℃和2J/kg-℃。因此，在蒸汽冷却的涡轮机中，对于每千克蒸汽，大约1℃的增加可吸收2焦耳的热量，且在水冷却的涡轮机中，对于每千克的水，大约1℃的增加可吸收4.184焦耳的热量。但是，在其中水转变成蒸汽的系统(诸如系统100)中，在转变成蒸汽时每千克的水可吸收2.26×10²焦耳的热量。此外，这发生于大约在水沸点的恒定温度下。水以2.26×10²J/kg-℃吸热直到基本上所有的水转变成蒸汽。这为冷却液提供很强的热汲取能力。另外，冷却液到空气中的混合和其随后到气体的转变充当空气的冷却机制，之后空气与气体混合物被输送到受热涡轮机构件(诸如涡轮机叶片102)附近。在冷却至少一个涡轮机叶片102的示例性实施例中，一旦冷却液相变成气态介质，气体与空气混合物就可经过根部112进入涡轮机叶片102的内部空间120。
在一个示例性实施例中，可以可选地提供管道系统122，以将液体源116联接到液体喷嘴118并且确保冷却液自液体源116和液体喷嘴118的正确输送。另外，管道系统122可处于其中温度实质上高到使冷却液相变成气态形式的环境中。这使得冷却液失去某些热汲取能力，其被更好地保留以用于受热涡轮机构件102。为了避免冷却液到气体的相变，管道系统122也可与其周围环境热隔离。此外，管道系统122可由于冷却液的腐蚀作用而腐蚀。因此，在一个示例性实施例中，管道系统122可设有防腐蚀涂层。
在某些情形下，在系统100运行期间，减小燃气轮机的速度使燃气轮机不再以预定负荷运行。燃气轮机可需要自热气体路径吹扫未转变成气相的过量冷却液。因此，在一个示例性实施例中，在燃气轮机中可选地提供了吹扫单元124。然而，示例性燃气轮机可通常包括自燃气轮机内排出未燃烧燃料的排出系统。因此，在一个示例性实施例中，燃料排出系统可随着用以吹扫路径中残留的任何过量冷却液的吹扫单元124而延伸。
图2是根据本发明的一个实施例的示例性涡轮机叶片202的视图，其代表了涡轮机的热气体路径216中至少一个受热涡轮机构件的实例。涡轮机叶片202具有第一侧218A和第二侧218B，第一侧218A和第二侧218B为涡轮机叶片202的相对的壁并形成涡轮机叶片202内的内部空间208。涡轮机叶片202可包括多个孔204和叶片平台206。孔204延伸穿过涡轮机叶片202的第一侧218A和第二侧218B。冷却液与空气的混合物210可被输送到涡轮机叶片202的根部212或其附近，在此点，混合物210通过叶片平台206进入涡轮机叶片202。混合物210进一步穿过内部空间208。由于空气已处于大约750℃的高温且冷却液以雾化形式在空气中均匀分布，冷却液自空气吸热且变成基本气相。由于混合物210的冷却液转变成气体，形成了气态混合物214。然后，气态混合物214可至少部分地离开孔204进入热气体路径216中。
应了解仅出于说明目的提供涡轮机叶片202，且在热气体路径216中的其它受热涡轮机构件可以以类似于此处所述的方式来冷却。在各种不同的示例性实施例中，受热涡轮机构件可为(但不限于)涡轮机喷嘴、涡轮机叶片、涡轮机叶轮、涡轮机护罩或其组合。
图3说明了可通过其来操作本发明的一个实施例的示例性方法。提供了流程图300，其说明了根据本发明的一个实施例的、用于冷却涡轮机热气体路径中的受热涡轮机构件的示例性方法。
该示例性方法始于图块302。在图块302，提供至少一个液体源以将冷却液供应至一个或多个受热涡轮机构件或其附近或近旁。在各种不同的示例性实施例中，受热涡轮机构件可以是(但不限于)涡轮机喷嘴、涡轮机叶片、涡轮机叶轮、涡轮机护罩或其组合。在一个示例性实施例中，冷却液可为水，但也可供应其它冷却剂。液体源与邻近或靠近该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件而定位的至少一个液体喷嘴流体连通。因此，该一个或多个液体喷嘴可操作，以将来自液体源的冷却液供应到一个或多个受热涡轮机构件处或其附近。该液体喷嘴或这些液体喷嘴可为喷射器型、文丘里型等。
在一个实例中，自液体源到液体喷嘴的管道系统可提供其间的流体连通。在示例性实施例中，管道系统可经受相当高的温度，诸如在涡轮机运行期间，其可造成冷却液在管道系统内至少部分地进行相变。因此，在一个示例性实施例中，该方法还可包括使管道系统隔热以避免热自管道系统的周围环境传递到其内的冷却液。
图块302之后为图块304，其中来自液体源的冷却液基本上被雾化。液体喷嘴可以是可操作的，以使冷却液基本上雾化。另外，在其它示例性实施例中，涡轮机可包括增压泵，以用于使自液体源接收的冷却液增压且还用于辅助冷却液的雾化。
在图块304之后为图块306，其中液体喷嘴将雾化冷却液输送到该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件附近或近旁的空气。基本上均匀地将雾化冷却液输送到自压缩机输送的空气允许冷却液与空气混合，以便当暴露于热气体路径内的更高温度时基本上相变为气体。
在一个示例性实施例中，如果涡轮机的速度减小到低于预定负荷，该方法可包括提供吹扫单元来从热气体路径移除冷却液。在一个实例中，自热气体路径吹扫冷却液可在涡轮机的下一次启动之前执行。在另一实例中，可在关闭涡轮机后吹扫冷却液。
图4说明了可通过其来操作本发明的一个实施例的另一示例性方法。提供了流程图400，其说明了根据本发明的实施例的用于操作涡轮机的示例性方法。
该示例性方法始于图块402。在图块402，启动涡轮机。在图块402之后为图块404，其中涡轮机的速度增大以在预定负荷下操作涡轮机。启动燃气轮机并增加燃气轮机的速度导致燃气轮机燃烧室中的燃烧过程。在示例性实施例中，所产生的热气体的温度可远高于位于热气体路径中的各种涡轮机构件的熔点。
图块404之后为图块406，其中自液体源接收的冷却液被雾化，其可用于冷却涡轮机的热气体路径中的一个或多个受热涡轮机构件。在一个示例性方法中，与液体源处于液体连通的液体喷嘴基本上雾化冷却液。在示例性实施例中，冷却液可为水，但也可供应其它冷却剂。
在图块406之后为图块408，其中雾化冷却液被输送到该涡轮机构件或这些涡轮机构件附近或近旁。在这个示例性方法中，由于冷却液以雾化形式输送，并且输送到热气体路径中具有高于冷却液沸点的温度的空气，该冷却液的至少一部分经历相变且转变成气相。在示例性实施例中，该受热涡轮机构件或这些受热涡轮机构件可包括涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、涡轮机叶轮、涡轮机护罩等。
图块408之后为图块410，其中涡轮机的速度减小使得涡轮机低于预定负荷运行，诸如在减速或关闭期间。可行的是，在减小负荷或暂时停止涡轮机运行的同时，该冷却液中的某些可不经历相变。涡轮机中的剩余液体可导致涡轮机构件的腐蚀且最终可由于高应力系数而导致涡轮机构件中出现裂缝。因此，在图块410之后为图块412，其中自热气体路径吹扫任何过量的这种冷却液。在一个实例中，自热气体路径吹扫冷却液可在涡轮机下次启动之前执行。在另一实例中，在关闭涡轮机后吹扫冷却液。
在各种涡轮机中，涡轮机效率可受到将空气引入到热气体路径内的影响，这是由于在压缩机级期间，空气经受了大量的功。将冷却液引入到空气内(诸如上文所述的情形)提高了冷却效率，且因此有助于减小用于冷却受热涡轮机构件的空气量。
受益于在前文的描述和相关联的附图中所展示的教导，将能联想到这些描述相关的本文所陈述的示例性描述的许多修改和其它实施例。因此，应了解本发明可以以许多形式来实施且不应限于上文所述的示例性实施例。因此，应了解本发明不应限于所公开的特定实施例且修改和其它实施例意图包括于所附权利要求书的范畴内。尽管在本文中采用了特定术语，但它们仅以一般和描述性意义使用且并不用于限制目的。