背景技术
涡轮叶轮空间是指位于支承相应的成排涡轮叶片的转子轮盘或叶轮之间的燃气轮机涡轮部段中的那些空腔或区域。叶轮空间位于经过相邻涡轮级的主气流的径向内部。通常，径向内部的轮盘通过各种效应加热，包括经由转子叶片的传导、主气流进入到叶轮空间空腔中以及叶轮空间内的风力扰动发热。
实际的涡轮叶轮空间温度通常是涡轮输出、环境温度以及机组老化或机组状态的函数。叶轮空间温度通常进行感测或监控，并且可进行报警用以发送高于可接受温度读数的信号。为了防止出现这种由于不可接受地过高叶轮空间温度的报警，燃气轮机操作人员可降低功率。然而，这种操作在气温较高的天气里造成了收入损失并潜在地限制了总设备输出。
用于实现叶轮空间温度下降的另一种方法包括使燃气轮机停机，改变冷却供应回路中的孔板，然后重新起动燃气轮机。然而，该过程造成停机和起动的延迟，并且需要根据外部环境温度进行频繁的调节。
用于调节叶轮空间温度的又一种方法包括减少冷却流，从而具有升高叶轮温度的效果。设定相对较高的叶轮空间温度促使性能提高；然而，也会减少燃气轮机的寿命周期。
还已知的是，与提供给燃气轮机的其它构件的冷却气流串联或并联地同时提供冷却气流给叶轮空间。然而，即使具有可变的冷却气流，但对于这种操作的一些实施例而言的问题在于，如果提供足够的冷却气流给叶轮空间，则通常情况下提供给其它燃气轮机构件(例如，涡轮喷嘴、隔板(diaphragm)、护罩)的冷却气流可能不足以充分冷却这些其它构件。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。根据以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它特征和优点变得明显，在附图中：
图1是具有本发明的实施例位于其中的燃气轮机的框图；
图2是包括本发明的一个实施例的燃气轮机的涡轮部段的一部分的截面图；以及
图3是包括本发明的另一实施例的燃气轮机的涡轮部段的一部分的截面图。
详细描述参照附图举例说明了本发明的实施例，以及优点和特征。
零件清单
10燃气轮机
12压缩机部段
14涡轮部段
16中心线
18，20端口
22，24，38，40管线
26，28，30，32，42，44，46，48进口端口
33空气冷却器
34，36端口
50微处理器
52，54信号路径
60涡轮外壳
62仓室
64喷嘴
66隔板
68叶轮空间
70传感器
72装置
74输出
76同步环(synch ring)
78致动器
80轴
82阀
84，92孔
86衬套
90管
92，106孔
100联动装置
102阀环
104开口
具体实施方式
在图1中的是燃气轮机10，其包括提供压缩空气的压缩机部段12。压缩机12可在由纵向中心线16所代表的单轴上与燃气轮机10的涡轮部段14沿轴向对准。大部分压缩空气可供应给涡轮燃烧器(未示出)，但是可抽取一些压缩空气以作它用。例如，根据本发明的实施例，冷却空气可在抽取端口18、20处从压缩机12抽出，并通过管线(例如，管、管道等)22、24供应到涡轮部段14的选定区域并最终通过进口端口26、28、30、32(例如，涡轮外壳中的孔)供应到涡轮部段14内的叶轮空间(图2-3)，如下文更详细地描述并且在图2-3中示出。在一个备选实施例中，冷却空气冷却器33可设置在管线24之一中并位于燃气轮机10外部。管线24上源自压缩机部段12的冷却空气可提供给冷却空气冷却器33，其进一步冷却随后提供给相应输入端口26、28的压缩空气。以类似的方式，同样根据本发明的实施例，冷却空气可从压缩机端口34、36抽取并通过管线38、40(例如，管、管道等)供应，并且通过进口端口42、44、46、48(例如，涡轮外壳中的孔)最终供应给涡轮部段14内的叶轮空间，如下文更详细地描述并且在图2-3中示出。
本发明的实施例可包括反馈控制环，以将叶轮空间温度分别控制在期望的下限和上限或下限值和上限值之上或之下(例如，在可接受的值范围内)。因此，本发明的实施例可包括微处理器50或其它合适类型的处理器、计算电路或逻辑电路。微处理器50响应相应信号路径52上的一个或多个信号，例如确立各个路径52的有线或无线线路等中的至少一个，或其组合。相应信号路径52上的各个信号直接或间接地指示如由位于叶轮空间(图2-3)中的合适的温度传感器所提供的相应叶轮空间的温度。然而，也可以使用直接或间接地指示叶轮空间温度的其它合适的感测信号。如下文参照图2-3更详细地描述，微处理器50响应叶轮空间温度信号而在相应信号路径54上提供一个或多个致动器控制信号，例如确立各个路径54的有线或无线线路等中的至少一个，或其组合。致动器控制信号用来控制来自压缩机的冷却气流的量，以将各个叶轮空间中每一个的温度控制为期望值或可接受值。
在图2中的是本发明的一个实施例，其中，孔形成为穿过实体的(例如，铸铁)涡轮外壳60并进入内部空腔或仓室62。经由该孔设置了管线(管、管道等)22、24、38、40之一，其将来自压缩机12(图1)的压缩空气提供到敞开区域的仓室62中。仓室62中的压缩空气在图2中不受限制地向下流到中空喷嘴64中，该喷嘴如公知的那样可以是翼型形状。该相同的压缩空气也可不受限制地向下流到敞开区域的隔板66中。如下文更详细地描述，根据本发明的一个实施例，进入仓室62的压缩空气用来控制涡轮部段14(图1)内在图2中示出的相应叶轮空间68的温度。
一个或多个温度传感器70可位于各个叶轮空间68内。各个叶轮空间68均可为位于燃气轮机10的涡轮部段14(图1)中的不间断的360度周向空腔。由于涡轮部段14(图1)通常具有多排涡轮叶片，所以在成排的叶片之间存在众多数量的叶轮空间68。传感器70可以是任何合适类型的传感器，其直接或间接地感测叶轮空间68的温度并且将信号路径52上的叶轮空间温度信号提供给微处理器50。根据本发明的一个实施例，当微处理器50判断任何一个或多个特定叶轮空间68的当时温度大于期望值或可接受的上限值时(例如，通过将所感测的叶轮空间温度与例如储存在与微处理器50相关的存储器中的一个或多个期望值进行对比)，微处理器50触发信号路径54上的致动器控制信号，用以最终将该特定叶轮空间68的温度降为期望值。
本发明的实施例还可具有微处理器50，其使用例如类似的对比法判断任何一个或多个特定叶轮空间68的当时温度是否小于期望值或可接受的下限值。如果所感测的温度小于期望值，则微处理器可触发信号路径54上的致动器控制信号，用以最终使该特定叶轮空间68的温度升高到期望值。
信号路径54上的致动器控制信号可连接到装置72，例如机电装置(例如，电机)、液压致动器或其它合适的装置。装置72的输出74可连接到任选的同步环76，该同步环可以是邻近的并且环绕燃气轮机10的涡轮部段14(图1)的整个圆周。如果采用的话，同步环76连接到位于涡轮外壳60外侧的多个致动器78中的各个上。图2中示出了一个这样的致动器78。致动器78的输出轴，其可以旋转或以某种其它合适的方式可动，连接到也可以旋转或以某种其它合适的方式可动的轴80上。轴80在其位于仓室62内的底端处(如在图2中所示)连接到具有一个或多个椭圆(或其它合适)形状的开口84的冷却空气控制阀82上。阀82，其可位于仓室62内，可以旋转或以某种其它合适的方式可动。冷却空气控制阀82还可包括其它合适类型的阀，例如碟形阀、闸阀或球阀。密封件和/或衬套86设置为用以在轴80与致动器78的输出连接处适当地密封轴80。衬套86还穿过形成(例如，钻削)在涡轮外壳60中的孔安放成用以围绕轴80提供密封。密封件和/或衬套86减少了从涡轮外壳60内侧泄漏到外壳60外侧的压缩空气气体。
管90位于中空喷嘴64内和隔板66中。管90的顶部或上部(如在图2中所示)在与轴80的底部中的孔84相同的大致竖直位置也具有一个或多个椭圆(或其它合适)形状的孔92。管90的底部具有与叶轮空间68成流体连通的较窄直径部分。
在操作中，当微处理器50判断特定叶轮空间68的当时温度大于期望值或可接受的上限值时，微处理器触发信号路径54上的致动器控制信号，其最终致使冷却空气控制阀82中的孔84与管90的上部中的孔92(完全或部分)对齐。当如此对齐时，这允许仓室62中一定量的压缩空气流入管90中，通过管90向下流动，并且最终流入叶轮空间68中。该压缩空气通常比叶轮空间68中的超过上限值并使冷却的压缩空气流到叶轮空间68所感测的较热空气更冷，从而降低叶轮空间68的温度。一旦微处理器50判断叶轮空间温度等于或低于上限值，并因此处于可接受值，则微处理器便触发信号路径54上的致动器控制信号以使冷却空气控制阀82移动，且因此使阀82中的孔84与管90的上部中的孔92不对准或仅部分对准。这阻止或减少了冷却的压缩空气通过管90流向叶轮空间68。
类似的是，当微处理器50判断特定叶轮空间68的当时温度小于期望值或可接受的下限值时，微处理器触发信号路径54上的致动器控制信号，其最终使阀82中的孔84与管90的上部中的孔92(部分或完全不)对齐。当如此对齐时，这允许仓室62中没有压缩空气或仅小量的压缩空气流入管90中，通过管90向下流动，并且最终流入叶轮空间68中。这种减少提供给叶轮空间68的冷却空气量允许叶轮空间68的温度由于前述原因而升高。
根据本发明的实施例，各个叶轮空间68可采用如图2所示且如上文所述的多个致动器78与阀82的组合。因此，如果采用的话，同步环76可用来使环绕涡轮部段14(图1)的整个圆周并且对应于单个叶轮空间68的多个致动器78与阀82的组合同时触发，从而将该叶轮空间68的温度适当地控制为期望值。各叶轮空间68均可具有其自身专用的同步环76。
在图3中的是本发明的另一实施例，其在一定程度上类似于图2的实施例。因此，如图2和图3之间所示，相似参考标号表示相似元件。在图3中，代替管90，轴80穿过中空喷嘴64的整个高度向下(如在图3中所示)延伸并进入隔板66中。在轴80的底部处为可动的(例如，可旋转的)联动装置100，其连接到形式为旋转阀环的冷却空气控制阀102上，该旋转阀环带有一个或多个形成在其中的间隔开的开口104。类似于图2的实施例，冷却空气控制阀102可包括其它合适类型的阀，例如碟形阀、闸阀或球阀。旋转阀环可环绕燃气轮机10的涡轮部段14(图1)的整个圆周。各开口104均通过形成(例如，钻削)在隔板66的实体金属部分中的相应孔106与叶轮空间68成流体连通。
在操作中，当微处理器50判断特定叶轮空间68的当时温度大于期望值或可接受的上限值时，微处理器触发信号路径54上的致动器控制信号，其最终使轴80运动(例如，旋转)并且使联动装置100运动(例如，旋转)，直到旋转阀环102中的各个开口104与相应的一个孔106(完全或部分)对齐为止。当开口104如此对齐时，这允许隔板66中一定量的冷却压缩空气流经对齐的开口104并进入孔106中，通过孔106向下流动(如在图3中所示)，并且最终流入叶轮空间68中，从而将叶轮空间68的温度降低至可接受值。类似于图2的实施例，一旦微处理器50判断叶轮空间温度低于上限值，微处理器便触发信号路径54上的致动器控制信号，以使冷却空气控制阀102运动(例如，旋转)，并因此使旋转阀环102中的开口104与相应孔106不对准或仅部分地对准。这阻止或减少了冷却的压缩空气流向叶轮空间68。
同样，当微处理器50判断特定叶轮空间68的当时温度小于期望值或可接受的下限值时，微处理器触发信号路径54上的致动器控制信号，其最终使轴80运动(例如，旋转)并且使联动装置100运动(例如，旋转)，直到旋转阀环102中各个开口104不与孔106中的相应一个孔(完全或部分)对齐为止。当开口104如此对齐时，这允许无冷却压缩空气或仅小量的冷却压缩空气进入隔板66中而流经对齐的开口104，进入孔106中并通过孔106向下流动(如在图3中所示)，并且最终流入叶轮空间68中。这允许叶轮空间68的温度由于前述原因而升高到期望值或可接受值
本发明的实施例通过控制提供给叶轮空间68的冷却压缩空气与传送到其它燃气轮机构件的冷却气流很大程度上分离和隔开而改善对涡轮叶轮空间温度的控制。因此，本发明的实施例对分离地提供给这些其它燃气轮机构件的冷却气流及与其相关的任何泄漏没有负面影响，并且不受其影响。本发明的实施例可作为改型(改造)或作为原始设计的一部分应用于燃气轮机的叶轮空间。
本发明的实施例还减少使用寄生二次气流，从而增加燃气轮机效率和功率输出。通过使用与作为反馈控制系统的一部分的微处理器50相联的压缩机抽取流量调节，可将减少的压缩空气流量传送到叶轮空间68，而不论环境条件、负荷的变化以及机器-机器之间在泄漏流量方面的变化如何。
尽管已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。确切地说，可对本发明进行修改以结合非此前所述但与本发明的精神和范围相称的任一数量的变型、改型、替换或等同布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但是应该理解的是，本发明的方面可仅包括所描述的实施例的一部分。因此，本发明不应视为由前述描述所限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。