專利名稱：用于管理渦輪排氣溫度的系統和方法
技術領域：
本文公開的主題涉及燃氣輪機，并且更具體而言，涉及用于管理 渦輪排氣的方法和系統。
背景技術：
燃氣輪機通常結合輔助系統如利用來自該燃氣輪機的排氣的熱
回收蒸汽發生器(HRSG)—起使用。HRSG系統例如用于發電。HRSG 系統聯接到燃氣輪機的排氣組件上且從該排氣組件供送熱排氣，熱排 氣用來產生轉而驅動蒸汽輪機的蒸汽。
在燃氣輪機的啟動期間，相關聯的HRSG的各種構件如過熱器和 再熱器經受快速升溫。這種升溫可能對HRSG中的管造成結構損壞。 消除這種快速升溫的技術包括減慢燃氣輪機啟動時間和使用用于管 內流體的溫控器，這可能損害渦輪的輸出效率。因此，需要用于在不 損害效率的情況下管理燃氣輪機排氣溫度的改進的系統和方法。
發明內容
根據本發明的示例性實施例所構建的用于排氣的熱管理的系統， 包括噴嘴，其構造成與渦輪機的排氣成流體連通地布置；與噴嘴成 流體連通的混合導管；至少一個副(secondary)進口，其布置成圍繞噴 嘴的周邊且在混合導管的外部和混合導管的內部之間延伸；可變噴嘴 機構，其構造成可在以下兩個位置之間移動，即i)第一位置，在此該 機構構造成用以閉合上述至少一個副進口，以及ii)第二位置，在此該 機構構造成用以開啟上述至少一個副進口并調節噴嘴的選定直徑；以 及促動器，其構造成用以在第一位置和第二位置之間移動可變噴嘴機 構。本發明的其它示例性實施例包括控制排氣的溫度的方法。該方法
包括將排氣氣流從渦輪機引向排氣組件，該排氣組件包括噴嘴、與 噴嘴成流體連通的混合導管以及布置成圍繞噴嘴的周邊且在混合導
管外部和混合導管內部之間延伸的至少一個副進口 ；在以下兩個位置
之間移動可變噴嘴機構，即i)第一位置，在此該機構構造成用以閉合 上述至少一個副進口，以及ii)第二位置，在此該沖幾構構造成用以開啟 上述至少 一個副進口以允許外部氣體進入混合導管中并調節噴嘴的 選定直徑。
另外的特征和優點通過本發明的示例性實施例的技術來實現。本 發明的其它實施例和方面在文中詳細地進行了描述且視作為要求得 到保護的本發明的一部分。為了更好地理解本發明及其優點和特征， 請參看說明書和附圖。
圖1是根據本發明的示例性實施例的燃氣輪機組件的側視圖；以
及
圖2是排氣系統的示例性實施例的側透視圖3是圖2的排氣系統的一部分的側視圖4是圖2的排氣系統的一部分的側截面圖5是圖2的排氣系統的可旋轉部件的正視圖；以及
圖6是提供了控制排氣的熱管理溫度的示例性方法的流程圖。
零件清單
10 組件
12 轉子
14 壓縮機
16 動力渦輪
18 燃燒室
520發電機
22排氣
24熱回收蒸汽發生器(HRSG)
25排氣系統
26噴嘴
28混合管道
30過渡管道
32排氣管(stack)
34HRSG管束
36副進口
38環境空氣
40中心軸線
42部分
44混合管
46擴散器
46可變噴嘴機構
48旋轉部件
50相關聯的周邊部件
52促動器
49噴嘴開口
60方法
61、62、 63 步驟
具體實施例方式
參看圖1,根據本發明的示例性實施例所構建的燃氣輪機組件總
體上以10標示。組件10包括附接在壓縮機14和動力渦輪16上的轉 子12。燃燒室18與壓縮機14和動力渦輪16兩者成流體連通，且用 于點燃燃料與空氣的混合物來致使動力渦輪16和轉子12旋轉。轉子12的旋轉轉而對例如發電才幾20供以動力。排氣22從動力渦l侖16排 出，且其至少一部分被引導到熱回收蒸汽發生器(HRSG)24,該HRSG 24從熱排氣22回收熱量并產生例如可在發電系統中的蒸汽渦輪中使 用的蒸汽。
參看圖2和圖3,示出了用于管理排氣22的溫度的排氣系統25， 其構造成與例如動力渦輪16的排氣噴射器成流體連通地布置。排氣 系統25包括與混合管道28成流體連通的噴嘴26,以及過渡管道30。 排氣可通過過渡管道30排出到排氣管32和/或HRSG 24。在一個實施 例中，排氣22被引導經過排氣處理器如HRSG管束34。
在一個實施例中， 一個或多個副進口 36布置且構造成用以允許 外部氣體如環境空氣38或其它冷卻氣體進入混合管道28并在將排氣 引導到HRSG 24或大氣前冷卻排氣22。混合管道28構造成用以通過 抽吸作用驅使環境空氣38經由一個或多個副進口 36進入混合管道 28。在一個實施例中，多個副進口 36定位在噴嘴26周圍且大體上繞 混合管道28的中心軸線40對稱。在一個實施例中，副進口 36形成 在混合管道28的圓錐形進口部分42和噴嘴26之間。副進口 36的數 目和構造是示例性的。副進口構造成用以允許環境空氣或其它冷卻氣 體進入以便在啟動時調節排氣22的溫度，例如用以減輕或防止對 HRSG 24的熱沖擊。
參看圖4，混合管道28包括混合管44和擴散器46。在一個實施 例中，混合管44為具有內徑"D1"的大體圓柱形管，而擴散器46為 與混合管44成流體連通的大體圓錐形管。
在一個實施例中，噴嘴26包括可變噴嘴機構46,其用于改變噴 嘴22的直徑并且還改變通過副進口 36的環境空氣38或其它外部空 氣的流量和流速。可變噴嘴機構46包括布置在圍繞噴嘴26周邊的選 定位置上的多個旋轉部件48。在一個實施例中，各個旋轉部件48均 以可旋轉方式連接到位于噴嘴26周邊或其附近的相關聯的周邊部件 50如樞銷上。在一個實施例中，各個可旋轉部件48從噴嘴26的周邊延伸且連接到周邊部件50上，使得各個可旋轉部件48繞著垂直于中 心軸線40的軸線旋轉。在一個實施例中，周邊部件50為在噴嘴26 周邊或其附近形成環的一個或多個部件50。
旋轉部件48中的一者或多者可操作地與用于在第一位置和第二 位置之間移動旋轉部件的促動器52相連接。各個促動器52可操作地 連"l妄到電4幾或其它動力源如液壓、氣動或電動動力源上，以移動促動 器并致使旋轉部件48在第一位置和第二位置之間移動。在一個實施 例中，包括有偏壓部件如彈簧，以朝向第一位置或第二位置偏壓旋轉 部件48。
"第一位置"是指圍繞環的旋轉位置，其致使旋轉部件48至少 大致接觸圓錐形部分42的內表面。同樣如文中所用，"第二位置" 是指圍繞環的任何旋轉位置，其遠離第一位置并致使副進口 36在圓 錐形部分和噴嘴26之間開啟。在一個實施例中，第二位置定位成使 得噴嘴開口 49形成在混合管道28的內部。在第一位置，旋轉部件用 作門來閉合副進口 36并防止環境空氣38在例如穩態梯:作期間通過副 進口36進入。在第二位置，旋轉部件48形成具有選定溫度的噴嘴開 口 49并允許環境空氣或其它冷卻氣體通過副進口 36進入。
當旋轉部件48朝向第二位置旋轉時，利用通過噴嘴26的排氣22 的動量將環境空氣38泵送到排氣22中以降低溫度。將環境空氣或其 它氣體引導到排氣氣流中在文中可稱為"巻吸(entminment)"。
在一個實施例中，當旋轉部件移動到第二位置時，它們形成小直 徑"D2"的噴嘴開口，以形成用于環境空氣38的泵送力來例如在渦 輪啟動時調節排氣22的溫度。在此實施例中，直徑D2小于混合管 44的直徑Dl 。在工作中，排氣22從燃氣輪機流經噴嘴26和機構46， 并流入混合管44中。由于混合管44的橫截面面積Dl更大，故排氣 22膨脹并在混合管44中形成壓力較低的區域。低壓力形成抽吸效應， 通過一個或多個副進口 36將環境空氣38引入混合管44中。在一個 實施例中，擴散器46在混合管44中形成增加了抽吸效應的附加低壓
8力。環境空氣36在混合管28中與排氣22相混合并降低排氣/環境空 氣混合物的整體溫度。
在一個實施例中，旋轉部件48朝向第二位置旋轉，以形成具有 選定直徑的噴嘴開口49。在一個實施例中，選定直徑D2被選擇成小 于混合管44的直徑Dl，并且可被控制以控制抽吸量并因此控制環境 空氣的流量。因此，以此方式可控制通過混合管44的排氣22的溫度。
參看圖5，旋轉部件48具有適當的尺寸和形狀，以配合形成或處 于第一位置的門或具有選定直徑的噴嘴開口。在一個實施例中，旋轉 部件48各自形成較寬且平坦的部件，例如多個交疊的葉片或葉形體。
旋轉軸線延伸的較平坦的部分。旋轉部件的尺寸和形狀不受限制，且 可具有任何適合的尺寸和形狀，以配合地形成處于第一位置的門和處 于第二位置的噴嘴開口。
如上所述，副進口 36構造成用以允許環境空氣38或其它冷卻氣 體進入，以在例如啟動時調節排氣22的溫度來減輕或防止對HRSG 24 的熱沖擊。在一個實施例中，旋轉部件48在啟動期間旋轉或保持在 第二位置，以冷卻排氣22直到HRSG 24構件達到運行溫度位置為止， 從而使HRSG 24可逐漸地和可控地升溫至運行溫度。在所有相關構件 均已升溫至運行溫度后，旋轉部件48朝向第一位置旋轉，以封住副 進口 36并防止環境空氣38進一步進入。
圖6示出了用于控制渦輪或其它設備的排氣的溫度的示例性方法 60。方法60包括一個或多個步驟61-63。在示例性實施例中，該方法 包括以所述次序執行所有步驟61-63。然而， 一些步驟可省略，可以 增加一些步驟，或者改變各步驟的次序。盡管結合了輪機組件10和 排氣系統26描述了方法60，但也可結合能夠排出高溫氣體的任何渦 輪機或設備來使用方法60。
在第一步驟61 ，將來自動力渦輪16的排氣22引導到噴嘴26中。 在一個實施例中，排氣22在啟動操作期間或在穩態操作期間從動力渦4侖16流出。
在第二步驟62,將排氣22引導到混合管44中。如果可變噴嘴機 構46處于第一位置或閉合位置，則沒有環境空氣38或其它外部氣體 進入混合管44中。如果機構46處于第二位置或開啟位置，則通過取 決于由可旋轉部件48所形成的噴嘴開口 49的直徑D2的抽吸力將環 境空氣38或其它外部氣體引入混合管44中。
在第三步驟63,可變噴嘴機構46例如借助于促動器52在第一位 置和第二位置之間移動。在一個實施例中，機構46移動到任何選定 的位置或者在任何選定的位置之間移動，以限定或調節選定的直徑 D2。
例如，在渦輪啟動過程期間，機構46借助于促動器52移動到第 二位置，以開啟副進口 36并利用環境空氣38來冷卻排氣22。第二位 置可進行調節，以控制噴嘴開口 49的直徑D2來相應地調節溫度。當 過渡到穩態操作時，機構46借助于促動器52移動到第一位置，以閉 合副進口 36并防止環境空氣38進入。
盡管本文所述的系統和方法是結合燃氣輪機提供的，但也可使用 任何其它適當類型的結合有進口及排氣材料的渦輪、渦輪機或其它裝 置。例如，本文所述的系統和方法可與蒸汽渦輪或包括氣體和產生蒸 汽兩者的渦輪聯用。
與現有技術系統相比，本文所述的系統和方法提供了許多優點。 該系統和方法允許較快的啟動，同時避免了潛在的熱沖擊或其它損 壞，以及通過控制進入排氣系統的環境空氣的體積而有效和精確地控 制排氣的溫度。
此外，該系統和方法防止了環境空氣在穩態操作期間進入混合管 道中，從而降低了背壓和提高了效率，同時允許在啟動期間控制排氣 溫度以避免熱沖擊。
本文所公開的實施例的性能可在軟件、固件、硬件或它們的一些 組合中實施。例如，所公開的實施例的一個或多個方面可包括在具有例如計算機可用介質的制品(例如， 一個或多個計算機程序產品)內。 該介質已包含在例如計算機可讀程序代碼裝置中，以便提供和促進本 發明的性能。該制品可作為計算機系統的一部分包括在內或者單獨出 售。此外，可提供機器可讀的至少一個程序存儲裝置，其切實地實施 機器可執行的至少 一種指令程序，以執行所公開的實施例的性能。
一般而言，此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本 發明，并且還使本領域的任何技術人員能夠實施本發明，包括制作和 利用任何裝置或系統以及執行任何所結合的方法。本發明可取得專利 的范圍通過權利要求來限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其 它實例。如果此類其它實例沒有不同于權利要求文字語言所描述的結 構元件，或者它們包括與權利要求的文字語言無實質性區別的等同結 構元件，則認為此類其它實例包含在權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于排氣(22)的熱管理的系統，所述系統包括噴嘴(26)，其構造成用以與渦輪機的排氣成流體連通地布置；與所述噴嘴(26)成流體連通的混合導管(28)；至少一個副進口(36)，其布置成圍繞所述噴嘴(26)的周邊且在所述混合導管(28)的外部和所述混合導管(28)的內部之間延伸；可變噴嘴機構(46)，其構造成可在以下位置之間移動，即i)第一位置，在其中所述機構(46)構造成用以閉合所述至少一個副進口(36)，以及ii)第二位置，在其中所述機構(46)構造成用以開啟所述至少一個副進口(36)和調節所述噴嘴(26)的選定直徑；以及促動器(52)，其構造成用以在所述第一位置和所述第二位置之間移動所述可變噴嘴機構(46)。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述可變噴嘴機構 (46)包括布置成圍繞所述噴嘴(26)的周邊且從所述噴嘴(26)的周邊延 伸的多個可旋轉部件(48)。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述多個可旋轉部 件(48)中的各個可旋轉部件均在所述第一位置大致與所述混合導管 (28)的內表面相接觸。
4. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述多個可旋轉部 件(48)交疊，以形成具有選定直徑的噴嘴開口(49)。
5. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述系統還包括布 置在周邊且形成環的多個周邊部件(50)。
6. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述混合導管(28) 包括圓柱形混合管(44)，所述混合管(44)的內徑大于所述噴嘴(26)在所 述第二位置的直徑。
7. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括偏 壓部件，所述偏壓部件構造成用以朝向所述第一位置或所述第二位置偏壓所述可變噴嘴(46)機構。
8. —種控制排氣(22)的溫度的方法，所述方法包括 將排氣(22)氣流從渦輪機引導至排氣組件(25),所述排氣組件(25)包括噴嘴(26)、與所述噴嘴(26)成流體連通的混合導管(28)、以及布置 成圍繞所述噴嘴(26)的周邊且在所述混合導管(28)的外部和所述混合 導管(28)的內部之間延伸的至少一個副進口 (36);以及在以下位置之間移動可變噴嘴機構(46)，即i)第一位置，在其中 所述機構(46)構造成用以閉合所述至少一個副進口(36)，以及ii)第二 位置，在其中所述機構(46)構造成用以開啟所述至少一個副進口 (36)， 用以允許外部氣體進入所述混合導管(28)中和調節所述噴嘴(26)的選 定直徑。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述可變噴嘴機構 (46)在所述渦輪機的穩態操作期間移動到所述第一位置，以及在所述 渦輪機的啟動操作期間移動到所述第二位置。
10. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述可變噴嘴(46) 機構包括布置成圍繞所述噴嘴(26)的周邊且從所述噴嘴(26)的周邊延 伸的多個可旋轉部件(48)。
全文摘要
本發明涉及用于管理渦輪排氣溫度的系統和方法。具體而言，一種用于排氣(22)的熱管理的系統，包括構造成與渦輪機排氣成流體連通地布置的噴嘴(26)；與噴嘴(26)成流體連通的混合導管(28)；至少一個副進口(36)，其布置成圍繞噴嘴(26)周邊且在混合導管(28)的外部和內部之間延伸；可變噴嘴機構(46)，其構造成可在以下位置之間移動，即i)第一位置，在其中機構(46)構造成用以閉合至少一個副進口(36)，以及ii)第二位置，在其中機構(46)構造成用以開啟至少一個副進口(36)并調節噴嘴(26)的選定直徑；以及促動器(52)，其構造成用以在第一位置和第二位置之間移動可變噴嘴機構(46)。
文檔編號F01D17/16GK101676524SQ20091017589
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月16日 優先權日2008年9月16日
發明者J·D·霍爾特, S·N·文卡塔拉曼, 華 張 申請人:通用電氣公司