专利名称：用于管理涡轮排气温度的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题涉及燃气轮机，并且更具体而言，涉及用于管理 涡轮排气的方法和系统。
背景技术：
燃气轮机通常结合辅助系统如利用来自该燃气轮机的排气的热
回收蒸汽发生器(HRSG)—起使用。HRSG系统例如用于发电。HRSG 系统联接到燃气轮机的排气组件上且从该排气组件供送热排气，热排 气用来产生转而驱动蒸汽轮机的蒸汽。
在燃气轮机的启动期间，相关联的HRSG的各种构件如过热器和 再热器经受快速升温。这种升温可能对HRSG中的管造成结构损坏。 消除这种快速升温的技术包括减慢燃气轮机启动时间和使用用于管 内流体的温控器，这可能损害涡轮的输出效率。因此，需要用于在不 损害效率的情况下管理燃气轮机排气温度的改进的系统和方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施例所构建的用于排气的热管理的系统， 包括喷嘴，其构造成与涡轮机的排气成流体连通地布置；与喷嘴成 流体连通的混合导管；至少一个副(secondary)进口，其布置成围绕喷 嘴的周边且在混合导管的外部和混合导管的内部之间延伸；可变喷嘴 机构，其构造成可在以下两个位置之间移动，即i)第一位置，在此该 机构构造成用以闭合上述至少一个副进口，以及ii)第二位置，在此该 机构构造成用以开启上述至少一个副进口并调节喷嘴的选定直径；以 及促动器，其构造成用以在第一位置和第二位置之间移动可变喷嘴机 构。本发明的其它示例性实施例包括控制排气的温度的方法。该方法
包括将排气气流从涡轮机引向排气组件，该排气组件包括喷嘴、与 喷嘴成流体连通的混合导管以及布置成围绕喷嘴的周边且在混合导
管外部和混合导管内部之间延伸的至少一个副进口 ；在以下两个位置
之间移动可变喷嘴机构，即i)第一位置，在此该机构构造成用以闭合 上述至少一个副进口，以及ii)第二位置，在此该冲几构构造成用以开启 上述至少 一个副进口以允许外部气体进入混合导管中并调节喷嘴的 选定直径。
另外的特征和优点通过本发明的示例性实施例的技术来实现。本 发明的其它实施例和方面在文中详细地进行了描述且视作为要求得 到保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征， 请参看说明书和附图。
图1是根据本发明的示例性实施例的燃气轮机组件的侧视图；以
及
图2是排气系统的示例性实施例的侧透视图3是图2的排气系统的一部分的侧视图4是图2的排气系统的一部分的侧截面图5是图2的排气系统的可旋转部件的正视图；以及
图6是提供了控制排气的热管理温度的示例性方法的流程图。
零件清单
10 组件
12 转子
14 压缩机
16 动力涡轮
18 燃烧室
520发电机
22排气
24热回收蒸汽发生器(HRSG)
25排气系统
26喷嘴
28混合管道
30过渡管道
32排气管(stack)
34HRSG管束
36副进口
38环境空气
40中心轴线
42部分
44混合管
46扩散器
46可变喷嘴机构
48旋转部件
50相关联的周边部件
52促动器
49喷嘴开口
60方法
61、62、 63 步骤
具体实施例方式
参看图1,根据本发明的示例性实施例所构建的燃气轮机组件总
体上以10标示。组件10包括附接在压缩机14和动力涡轮16上的转 子12。燃烧室18与压缩机14和动力涡轮16两者成流体连通，且用 于点燃燃料与空气的混合物来致使动力涡轮16和转子12旋转。转子12的旋转转而对例如发电才几20供以动力。排气22从动力涡l仑16排 出，且其至少一部分被引导到热回收蒸汽发生器(HRSG)24,该HRSG 24从热排气22回收热量并产生例如可在发电系统中的蒸汽涡轮中使 用的蒸汽。
参看图2和图3,示出了用于管理排气22的温度的排气系统25， 其构造成与例如动力涡轮16的排气喷射器成流体连通地布置。排气 系统25包括与混合管道28成流体连通的喷嘴26,以及过渡管道30。 排气可通过过渡管道30排出到排气管32和/或HRSG 24。在一个实施 例中，排气22被引导经过排气处理器如HRSG管束34。
在一个实施例中， 一个或多个副进口 36布置且构造成用以允许 外部气体如环境空气38或其它冷却气体进入混合管道28并在将排气 引导到HRSG 24或大气前冷却排气22。混合管道28构造成用以通过 抽吸作用驱使环境空气38经由一个或多个副进口 36进入混合管道 28。在一个实施例中，多个副进口 36定位在喷嘴26周围且大体上绕 混合管道28的中心轴线40对称。在一个实施例中，副进口 36形成 在混合管道28的圆锥形进口部分42和喷嘴26之间。副进口 36的数 目和构造是示例性的。副进口构造成用以允许环境空气或其它冷却气 体进入以便在启动时调节排气22的温度，例如用以减轻或防止对 HRSG 24的热冲击。
参看图4，混合管道28包括混合管44和扩散器46。在一个实施 例中，混合管44为具有内径"D1"的大体圆柱形管，而扩散器46为 与混合管44成流体连通的大体圆锥形管。
在一个实施例中，喷嘴26包括可变喷嘴机构46,其用于改变喷 嘴22的直径并且还改变通过副进口 36的环境空气38或其它外部空 气的流量和流速。可变喷嘴机构46包括布置在围绕喷嘴26周边的选 定位置上的多个旋转部件48。在一个实施例中，各个旋转部件48均 以可旋转方式连接到位于喷嘴26周边或其附近的相关联的周边部件 50如枢销上。在一个实施例中，各个可旋转部件48从喷嘴26的周边延伸且连接到周边部件50上，使得各个可旋转部件48绕着垂直于中 心轴线40的轴线旋转。在一个实施例中，周边部件50为在喷嘴26 周边或其附近形成环的一个或多个部件50。
旋转部件48中的一者或多者可操作地与用于在第一位置和第二 位置之间移动旋转部件的促动器52相连接。各个促动器52可操作地 连"l妄到电4几或其它动力源如液压、气动或电动动力源上，以移动促动 器并致使旋转部件48在第一位置和第二位置之间移动。在一个实施 例中，包括有偏压部件如弹簧，以朝向第一位置或第二位置偏压旋转 部件48。
"第一位置"是指围绕环的旋转位置，其致使旋转部件48至少 大致接触圓锥形部分42的内表面。同样如文中所用，"第二位置" 是指围绕环的任何旋转位置，其远离第一位置并致使副进口 36在圓 锥形部分和喷嘴26之间开启。在一个实施例中，第二位置定位成使 得喷嘴开口 49形成在混合管道28的内部。在第一位置，旋转部件用 作门来闭合副进口 36并防止环境空气38在例如稳态梯:作期间通过副 进口36进入。在第二位置，旋转部件48形成具有选定温度的喷嘴开 口 49并允许环境空气或其它冷却气体通过副进口 36进入。
当旋转部件48朝向第二位置旋转时，利用通过喷嘴26的排气22 的动量将环境空气38泵送到排气22中以降低温度。将环境空气或其 它气体引导到排气气流中在文中可称为"巻吸(entminment)"。
在一个实施例中，当旋转部件移动到第二位置时，它们形成小直 径"D2"的喷嘴开口，以形成用于环境空气38的泵送力来例如在涡 轮启动时调节排气22的温度。在此实施例中，直径D2小于混合管 44的直径Dl 。在工作中，排气22从燃气轮机流经喷嘴26和机构46， 并流入混合管44中。由于混合管44的横截面面积Dl更大，故排气 22膨胀并在混合管44中形成压力较低的区域。低压力形成抽吸效应， 通过一个或多个副进口 36将环境空气38引入混合管44中。在一个 实施例中，扩散器46在混合管44中形成增加了抽吸效应的附加低压
8力。环境空气36在混合管28中与排气22相混合并降低排气/环境空 气混合物的整体温度。
在一个实施例中，旋转部件48朝向第二位置旋转，以形成具有 选定直径的喷嘴开口49。在一个实施例中，选定直径D2被选择成小 于混合管44的直径Dl，并且可被控制以控制抽吸量并因此控制环境 空气的流量。因此，以此方式可控制通过混合管44的排气22的温度。
参看图5，旋转部件48具有适当的尺寸和形状，以配合形成或处 于第一位置的门或具有选定直径的喷嘴开口。在一个实施例中，旋转 部件48各自形成较宽且平坦的部件，例如多个交叠的叶片或叶形体。
旋转轴线延伸的较平坦的部分。旋转部件的尺寸和形状不受限制，且 可具有任何适合的尺寸和形状，以配合地形成处于第一位置的门和处 于第二位置的喷嘴开口。
如上所述，副进口 36构造成用以允许环境空气38或其它冷却气 体进入，以在例如启动时调节排气22的温度来减轻或防止对HRSG 24 的热冲击。在一个实施例中，旋转部件48在启动期间旋转或保持在 第二位置，以冷却排气22直到HRSG 24构件达到运行温度位置为止， 从而使HRSG 24可逐渐地和可控地升温至运行温度。在所有相关构件 均已升温至运行温度后，旋转部件48朝向第一位置旋转，以封住副 进口 36并防止环境空气38进一步进入。
图6示出了用于控制涡轮或其它设备的排气的温度的示例性方法 60。方法60包括一个或多个步骤61-63。在示例性实施例中，该方法 包括以所述次序执行所有步骤61-63。然而， 一些步骤可省略，可以 增加一些步骤，或者改变各步骤的次序。尽管结合了轮机组件10和 排气系统26描述了方法60，但也可结合能够排出高温气体的任何涡 轮机或设备来使用方法60。
在第一步骤61 ，将来自动力涡轮16的排气22引导到喷嘴26中。 在一个实施例中，排气22在启动操作期间或在稳态操作期间从动力涡4仑16流出。
在第二步骤62,将排气22引导到混合管44中。如果可变喷嘴机 构46处于第一位置或闭合位置，则没有环境空气38或其它外部气体 进入混合管44中。如果机构46处于第二位置或开启位置，则通过取 决于由可旋转部件48所形成的喷嘴开口 49的直径D2的抽吸力将环 境空气38或其它外部气体引入混合管44中。
在第三步骤63,可变喷嘴机构46例如借助于促动器52在第一位 置和第二位置之间移动。在一个实施例中，机构46移动到任何选定 的位置或者在任何选定的位置之间移动，以限定或调节选定的直径 D2。
例如，在涡轮启动过程期间，机构46借助于促动器52移动到第 二位置，以开启副进口 36并利用环境空气38来冷却排气22。第二位 置可进行调节，以控制喷嘴开口 49的直径D2来相应地调节温度。当 过渡到稳态操作时，机构46借助于促动器52移动到第一位置，以闭 合副进口 36并防止环境空气38进入。
尽管本文所述的系统和方法是结合燃气轮机提供的，但也可使用 任何其它适当类型的结合有进口及排气材料的涡轮、涡轮机或其它装 置。例如，本文所述的系统和方法可与蒸汽涡轮或包括气体和产生蒸 汽两者的涡轮联用。
与现有技术系统相比，本文所述的系统和方法提供了许多优点。 该系统和方法允许较快的启动，同时避免了潜在的热冲击或其它损 坏，以及通过控制进入排气系统的环境空气的体积而有效和精确地控 制排气的温度。
此外，该系统和方法防止了环境空气在稳态操作期间进入混合管 道中，从而降低了背压和提高了效率，同时允许在启动期间控制排气 温度以避免热冲击。
本文所公开的实施例的性能可在软件、固件、硬件或它们的一些 組合中实施。例如，所公开的实施例的一个或多个方面可包括在具有例如计算机可用介质的制品(例如， 一个或多个计算机程序产品)内。 该介质已包含在例如计算机可读程序代码装置中，以便提供和促进本 发明的性能。该制品可作为计算机系统的一部分包括在内或者单独出 售。此外，可提供机器可读的至少一个程序存储装置，其切实地实施 机器可执行的至少 一种指令程序，以执行所公开的实施例的性能。
一般而言，此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本 发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和 利用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利 的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其 它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求文字语言所描述的结 构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结 构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种用于排气(22)的热管理的系统，所述系统包括喷嘴(26)，其构造成用以与涡轮机的排气成流体连通地布置；与所述喷嘴(26)成流体连通的混合导管(28)；至少一个副进口(36)，其布置成围绕所述喷嘴(26)的周边且在所述混合导管(28)的外部和所述混合导管(28)的内部之间延伸；可变喷嘴机构(46)，其构造成可在以下位置之间移动，即i)第一位置，在其中所述机构(46)构造成用以闭合所述至少一个副进口(36)，以及ii)第二位置，在其中所述机构(46)构造成用以开启所述至少一个副进口(36)和调节所述喷嘴(26)的选定直径；以及促动器(52)，其构造成用以在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可变喷嘴机构(46)。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可变喷嘴机构 (46)包括布置成围绕所述喷嘴(26)的周边且从所述喷嘴(26)的周边延 伸的多个可旋转部件(48)。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个可旋转部 件(48)中的各个可旋转部件均在所述第一位置大致与所述混合导管 (28)的内表面相接触。
4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个可旋转部 件(48)交叠，以形成具有选定直径的喷嘴开口(49)。
5. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括布 置在周边且形成环的多个周边部件(50)。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述混合导管(28) 包括圆柱形混合管(44)，所述混合管(44)的内径大于所述喷嘴(26)在所 述第二位置的直径。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括偏 压部件，所述偏压部件构造成用以朝向所述第一位置或所述第二位置偏压所述可变喷嘴(46)机构。
8. —种控制排气(22)的温度的方法，所述方法包括 将排气(22)气流从涡轮机引导至排气组件(25),所述排气组件(25)包括喷嘴(26)、与所述喷嘴(26)成流体连通的混合导管(28)、以及布置 成围绕所述喷嘴(26)的周边且在所述混合导管(28)的外部和所述混合 导管(28)的内部之间延伸的至少一个副进口 (36);以及在以下位置之间移动可变喷嘴机构(46)，即i)第一位置，在其中 所述机构(46)构造成用以闭合所述至少一个副进口(36)，以及ii)第二 位置，在其中所述机构(46)构造成用以开启所述至少一个副进口 (36)， 用以允许外部气体进入所述混合导管(28)中和调节所述喷嘴(26)的选 定直径。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可变喷嘴机构 (46)在所述涡轮机的稳态操作期间移动到所述第一位置，以及在所述 涡轮机的启动操作期间移动到所述第二位置。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可变喷嘴(46) 机构包括布置成围绕所述喷嘴(26)的周边且从所述喷嘴(26)的周边延 伸的多个可旋转部件(48)。
全文摘要
本发明涉及用于管理涡轮排气温度的系统和方法。具体而言，一种用于排气(22)的热管理的系统，包括构造成与涡轮机排气成流体连通地布置的喷嘴(26)；与喷嘴(26)成流体连通的混合导管(28)；至少一个副进口(36)，其布置成围绕喷嘴(26)周边且在混合导管(28)的外部和内部之间延伸；可变喷嘴机构(46)，其构造成可在以下位置之间移动，即i)第一位置，在其中机构(46)构造成用以闭合至少一个副进口(36)，以及ii)第二位置，在其中机构(46)构造成用以开启至少一个副进口(36)并调节喷嘴(26)的选定直径；以及促动器(52)，其构造成用以在第一位置和第二位置之间移动可变喷嘴机构(46)。
文档编号F01D17/16GK101676524SQ20091017589
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月16日 优先权日2008年9月16日
发明者J·D·霍尔特, S·N·文卡塔拉曼, 华 张 申请人:通用电气公司