用于冷卻燃氣輪機中轉子的注氣系統和冷卻該轉子的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在燃氣輪機中使用的注氣系統，其中，該系統能夠在發動機非滿載運轉期間工作，以在發動機的選定區域內產生更均勻的氣溫分布。
【背景技術】
[0002]在燃氣輪機運轉過程中，空氣在壓縮段中增壓，然后在燃燒段中與燃料混合并燃燒，以產生高溫燃燒氣體。在筒環形燃氣輪機中，燃燒段包括燃燒室裝置的環形陣列，該燃燒室裝置有時稱為“燃燒筒”或“燃燒器”，每個燃燒室向發動機的渦輪段提供高溫燃燒氣體，在渦輪段中，高溫燃燒氣體膨脹，并從中提取能量，以提供輸出功率，而輸出功率用于發電。
【發明內容】
[0003]根據本發明，提供一種燃氣輪機，其包括:壓縮機段，在壓縮機段中，吸入發動機中的空氣被壓縮；燃燒段，在燃燒段中，燃料與來自于壓縮機段的壓縮空氣的至少一部分混合并燃燒，以產生高溫燃燒氣體；以及渦輪段，在渦輪段中，來自于燃燒段的高溫燃燒氣體膨脹，以從中提取能量。在包括滿載運轉的第一發動機運轉模式期間，所提取的能量的至少一部分用于轉動渦輪機轉子。所述發動機還包括與渦輪段中的待冷卻結構相通的轉子室、在第一發動機運轉模式期間把從發動機抽取的主氣道空氣注入所述轉子室的至少一個轉子冷卻管、以及注氣系統。所述注氣系統包括:至少一個出氣口，僅在包括非滿載運轉的第二發動機運轉模式期間通過該出氣口從發動機抽氣；至少一個轉子冷卻管，其用于在所述第二發動機運轉模式期間把從所述至少一個出氣口抽取的輔助氣道空氣注入轉子室；管道系統，其提供所述至少一個出氣口與所述至少一個轉子冷卻管之間的流體通道；風機系統，其用于通過所述至少一個出氣口從發動機抽取輔助氣道空氣，并通過所述管道系統和所述至少一個轉子冷卻管把抽取的輔助氣道空氣輸送至所述轉子室中；以及閥門系統，其在第一發動機運轉模式期間處于關閉狀態，以阻止風機系統從發動機抽取并通過所述管道系統輸送輔助氣道空氣，并且在第二發動機運轉模式期間處于打開狀態，以允許風機系統從發動機抽取并通過所述管道系統輸送輔助氣道空氣。
[0004]根據本發明的第二方面，提供一種燃氣輪機，其包括壓縮機段，在壓縮機段中，吸入發動機中的空氣被壓縮；燃燒段；以及發動機外殼，其包括圍繞所述燃燒段的一部分發動機外殼。所述一部分發動機外殼限定包含殼體空氣的燃燒室殼體，在包括滿載運轉的第一發動機運轉模式期間，該殼體空氣的至少一部分與燃料在燃燒段中燃燒，以產生高溫燃燒氣體。所述發動機還包括渦輪段，在渦輪段中，來自于燃燒段的高溫燃燒氣體膨脹，以從中提取能量。在所述的第一發動機運轉模式期間，所提取的能量的至少一部分用于轉動渦輪機轉子。所述發動機還包括:轉子室，其至少部分地位于燃燒段中，并與渦輪段中的待冷卻結構相通；至少一個轉子冷卻管，其在所述的第一發動機運轉模式期間把從燃燒室殼體抽取的主氣道空氣注入轉子室中；以及注氣系統。所述注氣系統包括:布置在所述一部分發動機外殼中的至少一個出氣口，僅在包括非滿載運轉的第二發動機運轉模式期間通過該出氣口從所述燃燒室殼體抽氣；至少一個轉子冷卻管，其用于在所述第二發動機運轉模式期間把從所述至少一個出氣口抽取的輔助氣道空氣注入所述轉子室中；管道系統，其提供所述至少一個出氣口與所述至少一個轉子冷卻管之間的流體通道；風機系統，其用于通過所述至少一個出氣口抽取輔助氣道空氣，并通過所述管道系統和所述至少一個轉子冷卻管把抽取的輔助氣道空氣輸送至所述的轉子室中；以及閥門系統。所述閥門系統在所述的第一發動機運轉模式期間處于關閉狀態，以阻止所述風機系統從所述燃燒室殼體抽取并通過所述管道系統輸送輔助氣道空氣，并且在所述的第二發動機運轉模式期間處于打開狀態，以允許所述風機系統從所述燃燒室殼體抽取并通過所述管道系統輸送輔助氣道空氣。
[0005]根據本發明的第三方面，提供一種操作燃氣輪機的方法。空氣在發動機的壓縮機段中被壓縮。燃料與至少一部分所述壓縮空氣混合，并且混合物在發動機的燃燒段中燃燒，以產生高溫燃燒氣體。所述高溫燃燒氣體在發動機的渦輪段中膨脹，以從中提取能量，其中，在包括滿載運轉的第一發動機運轉模式期間，所提取的能量的至少一部分用于轉動渦輪機轉子。在第一發動機運轉模式期間，從發動機抽取的主氣道空氣通過至少一個轉子冷卻管注入轉子室中。所注入的主氣道空氣為渦輪段內的待冷卻結構提供冷卻。在包括非滿載運轉的第二發動機運轉模式期間，風機系統運轉，以通過位于與燃燒段相關的一部分發動機外殼中的至少一個出氣口從燃燒室殼體抽取輔助氣道空氣，并通過管道系統把抽取的輔助氣道空氣輸送至所述至少一個轉子冷卻管，并且通過所述至少一個轉子冷卻管把抽取的輔助氣道空氣注入轉子室中。
【附圖說明】
[0006]雖然本說明書所附的權利要求書具體、明確地提出了本發明的權利要求，但是通過參照附圖做出的以下說明，能夠更好地理解本發明。在附圖中，相似的標號標示相似的元件，其中:
[0007]圖1是包括本發明的一個實施例的注氣系統的燃氣輪機的局部側視截面圖；
[0008]圖1A是圖1的一個放大部分，示出了用于向發動機的渦輪段內的待冷卻結構輸送冷卻流體的流體回路；
[0009]圖2是圖1所示的注氣系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0010]在以下優選實施例的詳細說明中，將參照構成本說明書的一部分的附圖以示例性方式而非限定性方式說明可實施本發明的優選實施例。應理解，也可以利用其它實施例，并且也可以在不脫離本發明的精神和范圍的前提下做出各種變化。
[0011]請參考圖1，其中示出了根據本發明構造的燃氣輪機10。發動機10包括:壓縮機段12;包括多個燃燒室16 (在此又稱為“燃燒室裝置”)的燃燒段14;以及，渦輪段18。需要說明的是，本發明的發動機10優選包括燃燒室16的環形陣列，該環形陣列布置在發動機10的縱軸La的周圍，該縱軸限定發動機10內的軸向。這種構造一般稱為“筒環形燃燒系統”。
[0012]壓縮機段12對進入空氣進行引導并加壓，進入空氣的至少一部分被導向燃燒室殼體20，以輸送至燃燒室16。燃燒室殼體20中的空氣在下文中稱為“殼體空氣”。加壓空氣的其它部分可從燃燒段12抽出，以冷卻發動機10內的各種部件，例如渦輪段18中的部件。
[0013]在進入燃燒室16時，來自于壓縮機段12的壓縮空氣與燃料混合并點燃，以產生高溫燃燒氣體，該高溫燃燒氣體以紊流形式在各個燃燒室16內高速流動。然后，每個燃燒室16內的燃燒氣體通過相應的過渡氣道22 (在圖1中僅示出了一個過渡氣道22)流至渦輪段18，在渦輪段18中，燃燒氣體膨脹，以從中提取能量。從燃燒氣體提取的能量的一部分用于使渦輪機轉子24旋轉，渦輪機轉子24沿縱軸匕平行于軸向穿過發動機10的轉軸26延伸。
[0014]如圖1所示，發動機外殼30圍繞各個發動機段12、14、18。布置在燃燒段14周圍的外殼30的部分30A包括限定燃燒室殼體20的殼壁32，即，燃燒室殼體20限定外殼部分30A內的內部腔體。如圖2所示，殼壁32包括頂壁段32A、左右側壁段32B、32C、以及底壁段32D。
[0015]請參考圖2，現在說明根據本發明的一個方面的注氣系統40。所示的實施例中的注氣系統40包括位于殼壁32的底壁段32D處的出氣口 42 (參見圖1)。雖然此實施例的注氣系統40僅包括位于殼壁32的底壁段32D處的一個出氣口 42，但是也可提供任何適當數目的出氣口，并且出氣口 42可在軸向上位于外殼部分30A內的其它位置和/或殼壁32的周圍的其它位置。
[0016]注氣系統40還包括管道系統44，該管道系統用于把通過出氣口 42從燃燒室殼體20抽取的殼體空氣輸送至多個轉子冷卻管46A、46B、46C、46D，這些轉子冷卻管在殼壁32的周圍以大體均等的間距布置，如圖2所示。雖然此實施例的注氣系統40包括四個轉子冷卻管46A-D，但是也可布置任何適當數目的轉子冷卻管。如下文中所詳述，轉子冷卻管46A-D把抽取的殼體空氣注入轉子室&中，該轉子室與渦輪段18內的待冷卻結構相通，例如成排的轉動渦輪機輪葉TB、支撐成排渦輪機輪葉Tb并構成轉子24的一部分的葉盤結構Bds、和/或位于葉盤結構Bds與相鄰的成排固定渦輪機導葉T ￥之間的渦輪機葉盤腔體T DC,參見圖1Ao如圖1A最清晰地示出，轉子室&至少部分地位于燃燒段14中，并從燃燒室殼體20隔離，即，轉子室R。相對于燃燒室殼體20不是直接暴露的。
[0017]如圖2所示，注氣系統40還包括:閥門系統48，在所示的實施例中，該閥門系統包括第一和第二閥門48A、48B，當然，也可以使用更多或更少的閥門；風機系統50，在所示的實施例中，該風機系統包括單個風機，當然，