专利名称：涡轮机的闭路空气冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及了用于涡轮机的冷却系统。更详细地说，本发明涉及了一种闭路冷却系统，在空气用作燃烧循环的冷却剂之后，可返回到气体涡轮机的压气机循环。
背景技术：
目前气体涡轮机的燃烧室峰值温度达3000°F，然而制造涡轮机所用的合金熔点仅在2200到2400°F范围内。因此，需要充分冷却涡轮机的零件。已经开发了开路和闭路冷却系统来满足涡轮机冷却的需要。
通常两种系统类型采用压缩空气作为冷却介质。高压空气比低压空气具有更好的热传导性能，并可为涡轮零件提供空隙或气膜冷却。在开路冷却系统中，所用的冷却空气通过被冷却零件并进入热气通路。为了通过零件，冷却空气必须具有足够的压力，以克服通路内的压力。此外，需要加压来补充空隙，使得空气可自零件上脱离，并同时防止了热气进入零件。由于需要克服周围的压力，离承受较高压力和温度的燃烧室更近的零件，需要更高压力的冷却空气。相反，离燃烧室较远的零件需要的压力较低。
按照常规的空气冷却系统，从压气机级放出空气并把它送到涡轮级，可满足压缩空气的要求。在用于冷却之后，用过的冷却空气与涡轮主气流组合，并通过排气系统排出涡轮机。为了尽量减少热力损失，开路冷却系统从最低的可能压缩点取出空气。在Scalzo等的报告“一种150MW高效大型的新燃烧室涡轮，ASME Paper No.88-GT-162，1988”中，描述了采用这种开路系统的涡轮示例。最主要的是，在开路冷却系统中，所用冷却空气被放入气体通路，在那里与废气一起排出涡轮机。这种设计的效率不高，因为所用冷却空气稀释了主气流，从而与如果在燃烧过程中被加热情形相比，完成的有用功较少。
已提出了闭路冷却系统，它采用一个外部压气机来提供必需的压力，以循环冷却剂和产生所需的热传导性能。在这种系统中，在提供冷却之后，空气于涡轮机外面作循环，并且在直接进入燃烧室之前再次被压缩。但是，这种闭路冷却系统类型需要昂贵的外部压气机。申请人已认识到，如果能消除外部压气机，就可得到更高的效率。
因此，需要在涡轮机中采用一种闭路冷却系统，它可回收用于冷却之后的压缩空气，而不需外部压气机。
发明概述由于从压气机放出压缩空气和把空气提供给涡轮，来向涡轮的每一级提供闭路空气冷却，本发明可满足上述要求。在压缩空气从每个涡轮级上除去热量之后，它被引出并冷却到预定的温度。然后，压缩空气的第一部分引入涡轮的下一级。压缩空气的第二部分返回到压气机。对每个涡轮级重复这种过程。
附图简述如果结合附图进行阅读，可更好地理解以上的概述，以及如下优选实施例的详细描述。为了说明本发明，在附图中表示了一个目前优选的实施例，但可以理解到，本发明不限于规定的方法和所说明的措施。
在附图中
图1是采用本发明闭路系统的气体涡轮机简图；图2是通过涡轮机的涡轮级的冷却管路剖面图；图3是用过的冷却空气进入压气机级的进气通路剖面图。
优选实施例详述现参照附图，其中相同的编号始终表示同一零件，图1表示了一个采用本发明闭路冷却系统的涡轮机示例10。最重要的是，本发明可适应任意压气机和涡轮级数的涡轮机。但是，为了说明目的，图1所示的本发明适应于具有十六个压气机级23和四个涡轮级33的涡轮机10。为了简明起见，在图1中把每个压气机和涡轮级画成一组虚线。在图2和图3中画得更好些，每个压气机级23和涡轮级33包括一组翼片21,31和叶片22,32。
如同在所有常规涡轮机中一样，空气沿轴向通过图1所示的涡轮机10。开始时，空气流经压气机20的许多级，每一级进一步使空气压缩。在最后压气机级23之后，空气到达压气机的排气点。在那里压缩空气进入燃烧室40，并与燃料混合。然后空气与燃料混合物被点火，并通过涡轮30的许多级向外膨胀。通过涡轮30向外膨胀的热气在气体通路中的零件(如翼片和叶片)内产生高热。
按照本发明的一个方面，在空气到达燃烧室40之前，从压气机20放出空气，采用放出的空气来冷却涡轮30内的零件，然后使放出的空气返回到压气机20。按照目前的优选实施例，在排气点，即在刚进入燃烧室40之前，从压气机20放出空气。在用于冷却之前，该压气机排出的空气被引出涡轮机10之外，进行冷却和过滤。然后，它被返回到涡轮机10，通过涡轮30中四个级的每一级形成串联。在通过涡轮30各级形成串联过程中，空气进入每一级，除去零件上的热量，然后离开，其中在串联到涡轮30的下一级之前，压缩空气被再次冷却。在每一级之后，一部分压缩空气返回到压气机20，一部分压缩空气前进到下一级。为了最大限度地回收空气压力，因而最大限度地提高效率，调节流到涡轮30下一级的压力需求，使得基本上只提供最小的必需压力。多余的压缩空气返回到压气机20，在那里回收有用的能量。
现参照涡轮机示例10来更详细地描述本发明。这些细节仅为了说明目的，因为本发明同样适用于其它涡轮机。所以，所参考的温度，压力，级数等可根据指定涡轮机的具体情况作改变。
如上所述，图1所示的涡轮机10包括了十六个压气机级23。按照目前优选的实施例，在吸入的空气已通过十六个压气机级之后，一部分压缩空气在压气机排气点被放出，如管线28所示。该压缩空气具有预定的压力(如350磅/平方英寸)和温度(如1000°F)。为了提高压缩空气的冷却能力，引导空气通过冷却器44a。应注意到，冷却器44a是任选的。可以冷却涡轮第一级而不用冷却器44a。但是，后面的冷却器44是必需的。离开冷却器44a的空气具有所需的温度，如300°F左右，用于向涡轮零件提供满意的冷却。相似地，在涡轮冷却的后面每一级上，相似地引导空气通过冷却器44。冷却器44是当前熟知的型式，如空气对空气，空气对蒸汽和空气对水的型式。因此，为了简明起见，这类冷却器44的细节在这里不再描述。
通过管线37把离开第一冷却器44a的空气引入涡轮30的第一级，在那里它进入如图2所示的涡轮冷却管路。所示涡轮30剖面具有四个涡轮级33，随着通过冷却管路的冷却空气气流，冷却空气首先通过管道37a在第一级进入涡轮30。然后冷却空气通过空气入口进入集合管区36，流经集合管区36，并进入第一级零件，如翼片31。根据熟知的技术，如喷射冷却或内部对流冷却，从零件上除去热量。最重要的是，空气流进零件和从零件上流出，然后通过集合管区36返回，并通过空气出口离开，与管道38a形成气流连通。空气已经离开涡轮30第一级之后，在它用于涡轮30的下一级之前，流经冷却器44b。
在空气离开了冷却器44之后，一部分压缩空气流到涡轮30的下一级。然而按照本发明，后一级可以不需要从前一级离开的全部压缩空气。因此，一部分空气被分流到压气机20。空气返回压气机20的分流由控制阀42来调节。
按照目前的优选实施例，控制阀42可以是压力或温度敏感型。在压力敏感情形，阀42调节涡轮下一级33中的压力，以保持预定的量级。容许任何多余的空气流经阀42，并送回到压气机20中。因此，控制阀42可正确地响应环境条件的变化，如环境温度和压力的变化，以便在涡轮冷却管路内保持所需的压力。
另外，控制阀42也可以是温度敏感型。在这种情形下，埋入涡轮下一级33中的热电偶(图中未示)向控制阀提供温度信号。由此，控制阀42相应地调节压力，以保持预置的温度。
如上所述，涡轮30中后面的每一级需要的压力比前一级小。因此，返回到压气机20的空气压力连续地降低，并必须在不同的级上进入压气机20。例如，通过阀42b返回压气机的空气压力约为200磅/平方英寸，而通过阀42c返回压气机20的空气压力约为125磅/平方英寸，以及通过阀42d返回的空气压力约为75磅/平方英寸。因此，如图1所作的最好说明，从涡轮30第一级返回的空气流到压气机20中第十四级，涡轮30第二级返回的空气流到压气机20中第十一级，以及涡轮30第三级返回的空气流到压气机20的第八级。
图3说明了返回空气进入压气机20管路的目前优选实施例。如图所示，集合管区24包围着压气机20。返回空气流入通过空气入口与管道26连接的集合管区24。例如，管道26a把气流从涡轮30的第三级传到压气机20的第八级。可选择这样的空气进入级，使得返回空气的压力基本上相应于空气进入处的压气机20的级内压力。然后返回空气与通过压气机20的气流通路组合，并完成涡轮循环。
可用其它具体形式来体现本发明，而不背离本发明的精神或实质；例如，可利用相似的技来冷却叶片，而不是如附图所示的翼片。因此，应该参照所附的权利要求，而不是上述说明，来表示本发明的范围。
权利要求
1．在具有压气机和涡轮的涡轮机中，一种冷却涡轮的设备包括在压气机和涡轮之间形成气流连通的第一个装置，用于从压气机放出压缩空气进入涡轮；在涡轮与压气机之间形成气流连通的第二个装置，用于至少把上述压缩空气的一部分返回到压气机。
2．权利要求1中所述的设备还包括位于压气机与涡轮之间的第三个装置，用于把压缩空气冷却到预定的温度。
3．权利要求1中所述的设备，其中上述涡轮包括两个或两个以上涡轮级，还包括在上述两个或两个以上涡轮级之间形成气流连通的第四个装置，用于从上述两个或两个以上涡轮级中之一，至少把上述压缩空气的一部分提供到上述两个或两个以上涡轮级的另一级中。
4．权利要求3中所述的设备还包括位于上述第四装置内的冷却装置。
5．权利要求4中所述的设备，其中上述冷却装置包括空气对空气冷却器，空气对蒸汽冷却器和空气对水冷却器中的一种。
6．权利要求3所述的设备还包括一个用于分配压缩空气的控制阀，使得上述压缩空气的第二部分返回到压气机。
7．在具有带冷却管路的压气机和涡轮的气体涡轮机中，涡轮的一个闭路冷却系统包括第一压气机冷却空气出口，与压气机产生的压缩空气形成气流连通；第一涡轮冷却管路入口，与涡轮内的冷却管路形成气流连通；第一管道，在上述第一压气机冷却空气出口和上述第一涡轮冷却管路入口之间形成气流连通，从而把压缩空气自压气机供应给涡轮；第一涡轮冷却管路出口，与涡轮内冷却管路形成气流连通；第一压气机返回空气入口，与压气机内压缩空气形成气流连通；第二管道，在上述第一涡轮冷却管路出口和上述第一涡轮冷却管路入口之间形成气流连通，从而至少把上述压缩空气的第一部分自涡轮返回到压气机。
8．权利要求7中所述的设备还包括一个沿着上述第一管道安放的冷却器，使得上述压缩空气在进入涡轮内冷却管路之前被冷却到预定的温度。
9．权利要求8中所述的设备，其中上述冷却器包括空气对空气冷却器，空气对蒸汽冷却器和空气对水冷却器中的一种。
10．权利要求6中所述的设备，其中涡轮至少具有两级，每级有一条冷却管路，其中上述第一涡轮冷却管路出口与涡轮级之一相联结，还包括第二涡轮冷却管路入口，与涡轮级中另一级内的冷却管路形成气流连通；一个管道，在上述第一涡轮冷却管路出口和上述第二涡轮冷却管路入口之间联结，使得压缩空气的第二部分自上述涡轮级之一流出，并进入上述涡轮级的另一级中。
11．权利要求10中所述的设备还包括第二冷却器，它位于上述涡轮级之一和上述涡轮级中另一级之间，使得上述部分压缩空气在流入上述涡轮级的上述另一级之前，被冷却到预定的温度。
12．权利要求7中所述的设备还包括一个位于上述涡轮和上述压气机之间的控制阀，使得在上述第一部分和上述第二部分中的压缩空气量被调节。
13．在至少具有两个压气机级和两个涡轮级的气体涡轮机中，其中每个涡轮级有许多翼片，一个向涡轮每一级的许多翼片提供闭路空气冷却的方法，包括从压气机级之一放出压缩空气，用于冷却涡轮；把上述压缩空气引入涡轮级之一的许多翼片中；在上述压缩空气已从翼片上除去热量之后，把上述压缩空气自许多翼片上引出；把上述压缩空气的第一部分引入涡轮级中另一级的许多翼片中；以及在上述压气机级的另一级上，把上述压缩空气的第二部分返回到压气机。
14．权利要求13中所述的方法还包括在上述放气步骤之后，把压缩空气冷却到预定温度的步骤。
15．权利要求13中所述的方法，其中上述引入空气的装置是一个管道。
16．权利要求15中所述的方法，其中上述冷却装置包括空气对空气冷却器，空气对蒸汽冷却器和空气对水冷却器中的一种。
17．权利要求16中所述的方法，其中上述放气的装置包括一个与压气机排气端联结的集合管区。
18．在至少具有两个压气机级和两个涡轮级的气体涡轮机中，其中每个涡轮级有许多翼片，一个向涡轮每一级中的许多翼片提供闭路空气冷却的方法，包括从压气机级之一放出压缩空气，进入两个或两个以上涡轮级之一的许多翼片中；在上述压缩空气已从翼片上除去热量之后，把上述压缩空气自许多翼片上引出；把上述压缩空气冷却到基本上为预定的温度；把上述压缩空气的第一部分引入两个或两个以上涡轮级中另一级的许多翼片中；以及在上述两个或两个以上压气机级的另一级上，把上述压缩空气的第二部分返回到压气机。
全文摘要
说明了为涡轮机提供闭路空气冷却系统的方法和设备。该方法和设备从气体涡轮机的压气机放出压缩空气,用于冷却涡轮零件。通过涡轮的各级,压缩空气形成串联。在每一级上,一部分压缩空气返回到压气机,在那里回收有用功。
文档编号F02C7/16GK1219218SQ97193562
公开日1999年6月9日 申请日期1997年3月24日 优先权日1997年3月24日
发明者威廉·E·诺思 申请人:西屋电气公司