用于功率设施的燃气涡轮组件及其操作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2021年10月29日提交的欧洲专利申请号21425053.2的优先权，其整个公开内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明涉及用于功率（或电力，power）设施的燃气涡轮组件的技术领域。如已知的那样，在这些组件中，进入空气流在压缩机中压缩，并且然后在燃烧器中与燃料（气体燃料和/或油燃料）混合以产生将在涡轮中膨胀的热气流。涡轮的旋转在转子上产生旋转功，该转子继而连接至用于功率生成的发电机。已知的是，使用压缩空气的一部分来冷却组件的热元件，其中，该冷却空气绕过燃烧并被导引朝向例如转子盖和涡轮叶片。在该技术领域中，本发明解决如何通过使用溢出的压缩空气来改进转子和涡轮冷却的问题。

背景技术

如已知的那样，用于功率设施的燃气涡轮组件包括压缩机单元、燃烧器单元和涡轮单元。压缩机单元构造成用于压缩在压缩机入口处所供给的进入空气。离开压缩机单元的压缩空气流动到封闭的体积（称为“仓室（plenum）”）中，并且从那里流动到燃烧器单元中。这种燃烧器单元通常包括多个喷燃器，其构造成用于将燃料（至少一种类型的燃料）注入到压缩空气流中。燃料和压缩空气的混合物进入燃烧室，在其中该混合物点燃。由此产生的热气流离开燃烧室并且流动通过涡轮单元而在连接至发电机的转子上进行旋转做功。通常，相同的转子（其可制成为单一件或呈多个相邻的转子盘的形式）也支承压缩机组件的旋转部件并且它限定系统的主轴线。如已知的那样，涡轮单元和压缩机单元包括多排旋转叶片，这些旋转叶片由多排定子翼片插置。旋转叶片由转子支承，而定子翼片由同心并且围绕燃气涡轮组件的壳体（称为“翼片架”）支承。

为了实现高效率，热气流必须具有很高的涡轮入口温度。然而，一般来说，这种高温牵涉不希望的高NOx排放水平。为了减少这种排放和在不降低效率的情况下增加操作灵活性，所谓的“顺序”燃气涡轮是尤其适合的。一般来说，顺序燃气涡轮串联地实行两个燃烧级。当前，至少两种不同种类的顺序燃气涡轮是已知的。根据第一实施例，燃气涡轮包括第一燃烧器和第二燃烧器，这些燃烧器为环形形状的并且由称为高压涡轮的涡轮物理地分隔。在第二燃烧器的下游提供的是第二涡轮（称为低压涡轮）。

根据第二实施例，顺序燃气涡轮未提供有高压涡轮，并且燃烧器组件以多个罐式燃烧器的形式实现，其中，每个罐式燃烧器包括第一燃烧器和第二燃烧器，这些燃烧器在公共的罐形形状的壳体内部布置成一个直接地在另一个下游。燃气涡轮组件的这两个实例仅被引用作为在其中可应用本发明的非限制性实例。实际上，作为适合于通过本发明改进的燃气涡轮的优选实例，燃气涡轮组件可牵涉具有单个环形燃烧室的单个燃烧级。

如在该技术领域中已知的那样，术语“周向、径向、轴向、外和内”参看转子或组件轴线（其平行于主空气/热气流）。术语“下游和上游”参看从压缩机朝向涡轮流动的空气/热气体的主方向。

出于冷却原因，常见的实践是使用压缩空气的一部分，其中该冷却空气绕过燃烧器并且供应至一些热构件以便冷却。根据现有技术实践，其例如可由公开了申请人方案的所附的图2或由现有技术文献EP3006668的公开内容所代表，压缩空气在进入燃烧器之前由压缩机出口供应至扩散器并且从那里通向仓室。根据现有技术实践，流动到扩散器中的压缩机空气的一部分从主流溢出并且由涡流管线引导朝向环形空间，该环形空间从压缩机延伸至涡轮并且提供在转子和转子盖之间。对于术语“涡流管线”，我们指的是多个通道，其构造成用以对溢出的空气流施加涡流，在离开压缩机之前，该溢出的空气流已被最末两排压缩机翼片轴向地推动（或加压，forced）。根据图2，该管线提供成用以将布置在扩散器和仓室之间的导引管连接至环形空间。图2的环形空间由密封件在下游和上游封闭，该密封件构造成用于允许空气分别朝向最末一排和/或最末第二排压缩机翼片泄漏用于吹扫目的和朝向第一排涡轮翼片泄漏用于密封目的。涡旋的溢出空气从环形空间供应至在转子内部所获得的体积，并且从那里被引导至第一排涡轮叶片。如在图2中所公开，转子包括多个相邻盘，其中每对相邻盘（至少在压缩机和涡轮之间）形成冷却体积。在该实例中，涡旋的溢出空气被供应至大致布置在转子的中间位置中的转子体积，并且从那里经由轴向通道朝向支承第一排叶片的转子盘。排出管线提供成用于将空气从该冷却体积供应至叶片。

根据EP3006668的公开内容，从压缩机延伸至涡轮的环形空间被划分成由密封件划分的两个相邻的子环形空间体积。对于前一实例，下游子环形空间的下游端提供有密封件，其构造成用于允许空气朝向第一排涡轮翼片泄漏。该下游子环形空间通过第一涡流管线（参考标记12）连接至仓室，以便由扩散器供应到仓室中的压缩空气可进入下游子环形空间。下游排出管线（参考标记15）提供成用于将下游子环形空间连接至在支承第一排涡轮叶片的转子盘中所获得的转子体积。实际上，从该转子体积，空气到达第一排涡轮叶片。上游子环形空间通过上游或第二涡流管线（参考标记11）连接至仓室，以便由扩散器供应到仓室中的压缩空气可进入上游子环形空间。上游子环形空间的上游端连接至压缩机，以便在冷却转子后，空气被再次引入离开压缩机的主流中。

因此，在上文所述的两个现有技术的公开内容中，扩散器或仓室经由涡流管线而流体连接至环形空间。为组件提供这些涡流管线的事实牵涉在所需机械处理方面的一些缺陷。此外，在压缩机至涡轮之间给予至空气流的大量偏离产生高的压力损失，这意味着更大数量的空气用于冷却。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种新的和有创造性的用于功率设施的燃气涡轮组件，其适合于克服前文所提及的现有技术的缺陷。具体地，本发明的主目的是通过使用在燃烧之前从主流溢出的压缩空气对转子盖和第一排涡轮叶片提供改进的冷却。为此目的，本燃气涡轮组件包括：

-具有轴线的转子；

-压缩机；

-涡轮；

-转子盖。

上文所列构件为本领域技术人员所熟知，因此为正确理解本发明而不需要附加的特征。对于另外的一般细节，可能的是参考附图和所提及的现有技术。根据本发明的主特征，在转子和转子盖之间提供单个环形空间，其中，该单个环形空间在上游直接地连接至压缩机以便由直接从压缩机溢出的空气供应。在下游，该单个环形空间连接至第一排出管线以便将空气供应至在转子内部所获得的冷却体积并且从那里经由第二排出管线供应至涡轮。备选地，第一排出管线将环形空间直接地连接至涡轮。优选地，压缩机包括出口和在下游连接至压缩机出口的扩散器。该扩散器构造成用于将离开压缩机的空气导引朝向燃烧器单元。通常，最末两排翼片（最末一排称为“出口导引翼片”）构造成用于沿着轴向方向推动流动。本发明的单个环形空间在关于压缩机出口的上游位置中直接地连接至压缩机（优选在最末一排旋转压缩机叶片下游），并且扩散器和仓室二者都与单个环形空间流体地分隔（在扩散器/仓室和单个环形空间之间不存在管线）。因此，根据本发明，直接从压缩机而不是从扩散器或压缩机下游的仓室溢出的空气供应至环形空间。以这种方式，用于冷却的空气本身提供有涡流，并且因此对于该范围不需要附加的涡流管线或装置。

优选地，压缩机出口包括两排翼片，其构造成用于将空气在离开压缩机之前轴向地导引。在这种构造中，单个环形空间在关于这些最末两排翼片直接上游的位置中连接至压缩机。

优选地，转子包括多个相邻的盘，并且前文所提及的冷却体积在两个相邻的转子盘之间获得，其中，该对的下游盘支承第一排涡轮叶片。

优选地，单个环形空间的下游端（在转子和转子盖之间）提供有密封件，其构造成用于允许空气从环形空间朝向第一排涡轮翼片泄漏。

优选地，单个环形空间包括在上游连接至压缩机的弯曲入口部分。

前文已用结构术语描述了本发明。然而，本发明也可根据操作燃气涡轮组件的方法来限定。因此，本发明的该方法包括以下步骤：

a）提供燃气涡轮组件，其包括：

-具有轴线的转子；

-压缩机；

-涡轮；

-转子盖；

-位于转子和转子盖之间的单个环形空间，该单个环形空间在上游连接至压缩机和在下游连接至第一排出管线，该第一排出管线将环形空间连接至在转子内部的冷却体积，该冷却体积继而经由第二排出管线连接至涡轮，或连接至将环形空间直接地连接至涡轮的备选第一排出管线；

b）直接地从压缩机溢出空气并且将溢出的空气供应到单个环形空间中；

c）经由第一排出管线将溢出的空气从单个环形空间供应至冷却体积或直接地供应至涡轮。

该方法允许理解本发明与现有技术之间的差异。在引用的现有文献中，环形空间流体地连接至压缩机，但该连接用于将空气从环形空间供应到压缩机中，而不是反过来如本发明那样。

优选地，步骤b）通过在关于压缩机出口上游的位置中从压缩机溢出空气来进行。更优选地，步骤b）通过直接在最末两排翼片上游从压缩机溢出空气来进行。

该方法还可包括以下步骤：

d）经由第二排出管线，将来自冷却体积的溢出空气供应至涡轮，优选地供应至第一排叶片。

该方法还可包括以下步骤：

e）使空气经由密封件从环形空间朝向第一排翼片泄漏，特别是朝向位于第一排翼片和第一排叶片之间的定子-转子腔。

因此，作为本发明的优点的非限制性列表，在压缩机和涡轮之间的转子或转子盘的冷却得到改进，并且由于从压缩机到涡轮保留了较高的涡流，因此冷却第一排涡轮叶片需要更少数量的空气。实际上，较高的涡流意味着空气相对于组件的旋转部件的较低相对温度。

应当理解，前文的总体描述和下文的详细描述都是示例性的，并且旨在提供对如所要求的本发明的进一步解释。根据下文的描述、附图和权利要求，本发明的其它优点和特征将是显而易见的。

被认为是新颖的本发明的特征在所附权利要求中被详尽地阐述。

附图说明

在适当地参看附图仔细阅读详细描述之后，本发明的另外的有益效果和优点将变得显而易见。

然而，通过参看下文对本发明的详细描述，可最好地理解本发明自身，该详细描述结合附图描述本发明的示例性实施例，其中：

-图1是可通过本发明改进的燃气涡轮的非限制性实例的示意性视图；

-图2是图1的部分II的示意性放大视图，其中公开了现有技术的实例；

-图3是根据本发明适度修改的图1的部分II的示意性放大视图；

-图4公开了根据本发明的燃气涡轮的不同实施例，其中从图3的实施例开始，实施了两个不同的独立方案。

具体实施方式

结合附图，在下文根据优选实施例描述本发明的技术内容和详细描述，并不用于限制其执行范围。根据所附权利要求作出的任何等效变型和修改都被由本发明所要求的权利要求所覆盖。

现在将参考附图来详细地描述本发明。

参考图1，图1是可由本发明改进的用于功率设施的燃气涡轮组件的非限制性实例的示意性视图。在图1中，燃气涡轮组件1包括压缩机单元3、燃烧单元4、涡轮单元5和发电机（为简单起见，未在附图中示出）。压缩机3、涡轮5和发电机的旋转部件由公共的转子8支承，该转子收容在壳体9中并且沿着轴线A延伸。在图1中，转子8包括前轴10、后轴13，以及在中间的多个相邻的转子盘15，这些转子盘由中央拉杆14夹紧为组合件（pack）。作为备选，转子盘可焊接在一起。每个转子盘15支承一排叶片16。壳体9包括多排定子翼片22，其与旋转的叶片16排交替。

参考图2，图2是图1的部分II的示意性放大视图。该视图是指现有技术实践。图2公开了压缩机30的下游部分和涡轮41的上游部分。具体地，图2公开了压缩机翼片31的最末两排、压缩机叶片32的最末一排、涡轮翼片36的第一排以及涡轮叶片40的第一排。如已知的那样，最末两排压缩机翼片31构造成用于轴向地导引离开压缩机的空气流。在压缩机30下游，扩散器33提供成用于将压缩空气导引朝向燃烧器。参考标记34是指构造成用于将压缩空气的一部分导引到仓室35中的导引管，其中出于冷却原因，空气可到达第一排涡轮翼片36。图2还公开了呈多个相邻盘形式的转子37的一部分。参考标记38和39分别是指支承最末一排压缩叶片32的转子盘和支承第一排涡轮叶片40的转子盘。在压缩机出口和涡轮入口之间的部分中，转子37联接至转子盖42。该转子盖和转子37的对应部分限定环形空间43，即在上游由上游密封件44和在下游由下游密封件45所封闭的体积。环形空间43由冷却空气供应并且这些密封件44、45构造成用于允许空气分别朝向最末一排压缩机翼片31和在第一排涡轮翼片36下游泄漏，用于吹扫和密封目的。在环形空间43中供应的冷却空气是通过管34的压缩空气的一部分。实际上，在管34和环形空间43之间，涡流管线46提供成用于将空气供应至环形空间43和用于对空气给予涡流效应。如在图2中所公开，每对相邻的转子盘定形成用以限定冷却体积47。参考标记48是指在支承第一排涡轮叶片40的转子盘39中部分地所获得的冷却体积。在该冷却体积48和上游冷却体积47之间，轴向通道49提供成用于允许进入上游冷却体积47的冷却空气到达冷却体积48并且从那里经由排出管线50到达第一排叶片40。参考标记51是指将环形空间43连接至上游冷却体积47的管线。

现在参考图3，图3是根据本发明适度修改的图1的部分II的示意性放大视图。在这个意义上，在图2中所公开的相同构件在图3中用相同的数字对象表示。根据图3和本发明，环形空间43和扩散器33/仓室35未处于流体连接。实际上，环形空间43由直接从压缩机溢出的压缩空气供应，在该实例中，直接地在最末两排翼片31上游和在最末一排压缩机叶片32下游。优选地，如所提出的那样，环形空间43的入口部分52弯曲成用于最小化压力损失。根据前图，在支承涡轮叶片40的转子盘39中所获得的冷却体积48直接地由离开环形空间43而不是来自上游体积47的空气供应。实际上，参考标记51是指将冷却体积48连接至环形空间43的排出管线。根据前图，第一涡轮翼片36经由密封件45供应有空气。

最后，图4公开了根据本发明的燃气涡轮的不同实施例，其中从图3的实施例开始，实施了两个不同的独立方案。图3和图4中所公开的相同元件用相同的数字对象表示。这两个不同的独立方案分别是指环形空间43的上游部分和下游部分，即由在转子（呈多个转子盘的形式）和转子盖之间所获得的冷却空气供应的间隙。在下游部分处，排出管线51已被移除并且环形空间43已延长直至第一转子涡轮盘，其中在第一涡轮翼片排36和第一涡轮叶片排40之间存在径向空间54。如所公开的那样，已在该径向空间54中更换了密封件45。在图4中，第一涡轮叶片排40由直接地来自环形空间43的延长部分经由排出管线55而不是更多来自体积48（其成为图3的体积47）的空气供应。实际上，在图4中，管线55是在第一涡轮盘39中获得的，该涡轮盘将环形空间43的延长部分直接地连接至第一涡轮叶片排40。在环形空间43的上游部分处的第二差异是指入口部分52。在这种情形中，入口部分52不再由直接在最末压缩机叶片排32下游的空气供应，而是由直接在第二最末压缩机叶片排32'下游的空气供应。在这种情形中，入口部分52以在最末转子压缩机盘53中获得的管线（即，例如多个孔）的形式实现。如前文所提及，这些上游和下游方案是独立的，即可一起或单独地实施。

尽管本发明已关于其如上文所提及的优选实施例（多个）进行了解释，但应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可作出许多其它可能的修改和变型。因此，构想到的是，所附的权利要求或权利要求书将覆盖落入本发明的真实范围内的此类修改和变型。