專利名稱：用于調節渦輪機器內的冷卻流體的系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及ー種渦輪機器上的冷卻系統；并且更特別地涉及ー種用于調節渦輪機器的輪空間區域內的冷卻流體的系統。
背景技術：
在諸如燃氣渦輪機的一些渦輪機器中，由壓縮機壓縮的空氣的一部分典型地從燃 燒轉移為冷卻各種固定部件和旋轉部件或吹洗燃氣渦輪機內的腔。轉移的氣流(以下稱為“冷卻流體”)消耗由壓縮機壓縮的總氣流的相當多的量。轉移的冷卻流體不燃燒，降低了燃氣渦輪機的性能。調節和控制冷卻流體可以大大増加渦輪機的性能。典型地，冷卻流體從壓縮機提取、旁路通過燃燒系統并且流動通過冷卻回路。冷卻回路典型地位于包括轉子壓縮機-渦輪機接頭(以下稱為“配合接頭”)的各種渦輪機部件和各種輪空間區域附近。冷卻回路典型地與密封系統形成一體。相對緊密的間隙可能存在于密封系統部件和燃氣渦輪機轉子之間。密封系統可以包括位于旋轉部件和固定部件之間的曲路密封件。可能通過曲路密封間隙發生的典型泄漏通常用于冷卻或吹洗在密封件的下游的區域。例如，高壓填料密封系統(HPPS)可以包括曲路和刷密封裝置，其中經過HPPS的泄漏流冷卻包括輪空間區域的下游部件。冷卻回路的有效性在很大程度上取決于HPPS的性能。冷卻回路的配置確定是否足夠的冷卻流體流動到前述渦輪機部件。冷卻回路可以包括將冷卻流體流弓I導到特定輪空間區域的室。目前已知的密封系統可能存在幾個問題。磨損可能會擴大密封系統間隙。密封件可能在“跳閘(trip)”(渦輪機器的緊急停機)期間磨損。而且，密封件隨著時間由燃氣渦輪機操作逐漸磨損。磨損會允許過量冷卻流體流到密封件的下游，從而會降低燃氣渦輪機的總效率。密封系統磨損發生的不可預測性不允許冷卻流體的確定的流通過冷卻回路。此夕卜，已知的密封系統不補償密封系統磨損。所以，已知的密封系統不提供ー種方式來調節流動到輪空間區域的冷卻流體的量。由于上述原因，即期望有一種系統，所述系統允許調節流入燃氣渦輪機的輪空間區域中的冷卻流體。所述系統應當充分地冷卻，同時改善燃氣渦輪機效率。所述系統也應當提供通過冷卻回路的確定的流。

發明內容
下面概述了在范圍上與原始所要求保護的發明相當的某些實施例。這些實施例不旨在限制所要求保護的發明的范圍，而是這些實施例僅僅g在提供本發明的可能形式的簡單概括。實際上，本發明可以涵蓋可以類似于或不同于下面所述的實施例的各種形式。在本發明的實施例中，提供ー種用于調節冷卻流體的系統，所述系統包括渦輪機，所述渦輪機包括壓縮機部段，所述壓縮機部段包括內筒罩；壓縮機排氣罩；和旁路室(bypass chambers)，所述旁路室允許冷卻流體從所述內筒罩流到所述壓縮機排氣罩；渦輪機部段，所述渦輪機部段包括旋轉部件；固定部件；和輪空間區域，其中每個輪空間區域包括旋轉部件和固定部件，并且每個旁路室允許冷卻流體從所述壓縮機部段流到所述輪空間區域；以及噴嘴冷卻回路，所述噴嘴冷卻回路包括都大致位于每個固定部件內的主通道和集管(header)，其中所述主通道的第一端部接收冷卻流體，并且所述主通道的第二端部連接到所述集管，使得冷卻流體從所述主通道流到所述集管；其中所述集管包括上游孔口和下游孔ロ，所述孔ロ允許冷卻流體從所述集管排出。每個孔ロ的下游端連接到調節塞，所述調節塞包括將所述冷卻流體引導到所述噴嘴冷卻回路之外的開ロ ；所述調節塞確定所述冷卻流體的機械性質。所述固定部件包括多 個噴嘴冷卻回路；所述多個噴嘴冷卻回路的每ー個包括指定主通道和指定集管。每個孔 ロ以一定的角度偏離所述集管，所述角度以有助干與工作流體混合的方式預旋所述冷卻流體。所述角度在類似于所述工作流體和所述旋轉部件的方向上定向所述冷卻流體的流動。所述集管呈延伸通過所述固定部件的孔的形式；所述集管的每個端部由帽封閉。在本發明的備選實施例中，提供ー種用于調節冷卻流體的系統，所述系統包括燃氣渦輪機，所述燃氣渦輪機包括燃燒系統，所述燃燒系統生成工作流體；壓縮機部段，所述壓縮機部段包括內筒罩；壓縮機排氣罩；和旁路室(bypass chambers);其中冷卻流體通過所述內筒罩流到所述壓縮機排氣罩；渦輪機部段，所述渦輪機部段包括旋轉葉片；隔膜(diaphragms);噴嘴；和輪空間區域，其中每個輪空間區域包括一系列旋轉葉片、隔膜和噴嘴，并且每個旁路室允許冷卻流體從所述壓縮機排氣罩流到所述輪空間區域；以及噴嘴冷卻回路，所述噴嘴冷卻回路大致位于每個固定部件內，其中所述噴嘴冷卻回路包括主通道和集管，其中所述主通道的第一端部接收冷卻流體并且所述主通道的第二端部連接到所述集管，冷卻流體從所述主通道流到所述集管；其中所述集管包括上游孔口和下游孔ロ，所述孔ロ允許冷卻流體從所述集管排出并且與工作流體混合。所述系統還包括位于所述集管的下游的調節塞，所述調節塞允許所述冷卻流體離開所述噴嘴冷卻回路。每個孔ロ與專用調節塞形成一體；所述專用調節塞包括可變內徑，所述冷卻流體通過所述可變內徑排出所述集管；且所述專用調節塞確定所述冷卻流體的以下性質中的至少ー種速度、流量或壓力。所述固定部件包括多個噴嘴冷卻回路。所述多個噴嘴冷卻回路的每ー個包括指定主通道和指定集管。所述專用調節塞朝著所述固定部件的外表面引導所述冷卻流體。每個孔ロ以一定的角度偏離所述集管，所述角度以有助于與エ作流體混合的方式預旋所述冷卻流體；所述角度在類似于所述工作流體和所述旋轉部件的方向上定向所述冷卻流體的流動。所述集管呈圓形開ロ的形式，所述圓形開ロ在上游至下游的方向上延伸通過所述固定部件，并且所述集管的每ー個端部由帽封閉。


當參考附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優點可以變得更好理解，在附圖中相似的附圖標記始終表示相似的元件/部件。圖I是燃氣渦輪機的示意性橫截面圖，示出了本發明的實施例操作所處的環境。圖2是圖I中所示的燃氣渦輪機的一部分的放大視圖。圖3是具有已知的噴嘴冷卻回路的圖2中的固定部件的示意圖。圖4為根據本發明的實施例的具有噴嘴冷卻回路的圖2的固定部件的示意圖。
圖5為根據本發明實施例的圖4中固定部件的分解示意圖。圖6為根據本發明實施例的圖4中處于使用中的固定部件的示意圖。
115固定翼片附圖標記列表120提取ロ
100燃氣渦輪機125內筒
105壓縮機部段130壓縮機排氣罩
110葉片135配合接頭
137配合接頭螺栓195輪空間區域
140 密封系統部件200 冷卻回路
150燃燒部段300噴嘴冷卻回路
155 燃燒罐400 噴嘴冷卻回路
160燃料噴嘴405 主通道
410 集管(header)
165 過渡部段415 孔ロ
180渦輪機部段420調節塞
185旋轉部件425 帽<
190固定部件430角度
具體實施例方式下面將描述本發明的ー個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡潔描述，
可能未在說明書中描述實際實現方式的所有特征。應當理解在任何這樣的實際實現方式的
發展中，如同工程或設計規劃中那樣，做出了許多實現方式特定的決定以獲得特定目標，例
如符合可能在實現方式之間彼此不同的系統相關和/或商業相關限制。而且，應當領會這
樣的嘗試可能是復雜和耗時的，但是對于利用本發明的本領域技術人員來說仍然是設計、
裝配和制造上的常規工作。在本說明書中公開了具體的示例性實施例。然而，本文中所公開的具體結構和功
能細節僅僅是代表性的，目的是描述示例性實施例。然而本發明的實施例以許多備選形式體現，并且不應當被理解為僅僅局限于本文中所闡述的實施例。因此，盡管示例性實施例能夠具有各種修改和備選形式，但是它們的實施例作為例子在圖中示出并且將在本說明書中進行詳細描述。然而應當理解并非想要將示例性實施例限制到所公開的特定形式，而是相反地，示例性實施例將涵蓋屬于本發明的范圍內的所有修改、等效物和替代物。本說明書中所使用的術語僅僅是為了描述特定實施例而不是g在限制示例性實施例。當在本說明書中使用時，単數形式“一”和“所述一”也g在包括復數形式，除非上下文另外清楚地指出。當在本說明書中使用吋，術語“包括”和/或“包含”表示存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或増加ー個或多個其它特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或它們的群組。盡管術語第一、第二等可以在本說明書中用于描述各種元件，但是這些元件不應當由這些術語限制。這些術語僅僅用于將元件彼此區分開。例如，第一元件可以被稱為第 ニ元件，并且類似地，第二元件可以被稱為第一元件，這不脫離示例性實施例的范圍。當在本說明書中使用吋，術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意和所有組合。某些術語在本說明書中僅僅是為了方便讀者而使用，并且不應當被視為限制本發明的范圍。例如，諸如“上”、“下”、“左”、“右”、“正”、“背”、“頂”、“底”、“水平”、“豎直”、“上游”、“下游”、“前”、“后”等的詞語僅僅描述圖中所示的配置。實際上，本發明的實施例的一個元件或多個元件可以在任何方向上定向并且因此術語應當被理解為包含這樣的變化，除非另外指出。本發明可以應用于各種進氣式渦輪機器。這可以包括、但不限于重型燃氣渦輪機、航改式潤輪機(aero-derivative)等。盡管以下論述涉及圖I中所示的燃氣潤輪機，但是本發明的實施例可以應用于具有不同配置的燃氣渦輪機。例如、但非限定地，本發明可以應用于具有不同于圖I中所示的部件或具有附加部件的燃氣渦輪機。現在參考附圖，其中在若干視圖中各種附圖標記表示相似的部件，圖I是燃氣渦輪機的一部分的示意性橫截面圖，示出了本發明的實施例操作所處的環境。在圖I中，燃氣渦輪機100包括壓縮機部段105 ;燃燒部段150 ;和渦輪機部段180。一般而言，壓縮機部段105包括被構造成壓縮流體的多個旋轉葉片110和固定翼片115。壓縮機部段105也可以包括提取ロ 120、內筒125、壓縮機排氣罩130、配合接頭(marriage joint) 135 和配合接頭螺栓 137。燃燒部段150大體上包括多個燃燒罐155、多個燃料噴嘴160和多個過渡部段165。多個燃燒罐155可以連接到燃料源。在每個燃燒罐155內，壓縮空氣從壓縮機部段105接收并且與從燃料源接收的燃料混合。空氣和燃料混合物被點燃并且產生工作流體。工作流體大體上從多個燃料噴嘴160的后端朝下游行進，通過過渡部段165進入渦輪機部段 180。渦輪機部段180可以包括多個旋轉部件185 ;多個固定部件190，所述固定部件包括噴嘴和隔膜；和多個輪空間區域195。渦輪機部段180將工作流體轉換成機械扭矩。典型地，在燃氣渦輪機100的操作期間，多個部件經歷高溫并且可能需要冷卻或吹洗。這些部件可以包括壓縮機部段105的一部分、配合接頭135和多個輪空間區域195。提取ロ 120抽取來自壓縮機部段105的冷卻流體。冷卻流體旁路通過(bypasses)燃燒部段150，并且流動通過冷卻回路200(在圖2中示出)，用于冷卻或吹洗各種部件，包括配合接頭135和多個輪空間區域195。現在參考圖2，圖2是圖I中所示的燃氣渦輪機的近視圖。圖2示出了冷卻回路200的實施例的非限定性例子。冷卻回路200的流路可以開始于提取ロ 120(在圖I中示出)、流動通過壓縮機排氣罩130的一部分、內筒罩125并且然后流動到在壓縮機部段105的后端的腔。接著，冷卻回路200可以反向、流動經過配合接頭135、密封系統部件140，直至輪空間區域195。圖3示出了具有已知的噴嘴冷卻回路的圖2的固定部件190的示意圖。固定部件190包括位于內部的噴嘴冷卻回路300。噴嘴冷卻回路300允許冷卻流體從內部冷卻固定部件190。噴嘴冷卻回路300接收在圖中由箭頭示出的冷卻流體。當前已知的回路300包括可以引導冷卻流體以在固定部件190的上游側排出的路徑。在離開固定部件190之后，冷卻流體可以朝下游流動通過密封系統部件140并且然后接合固定部件190的下游側。
圖4根據本發明的實施例示出了圖2中具有噴嘴冷卻回路的固定部件的示意圖。固定部件190包括位于內部的噴嘴冷卻回路400。噴嘴冷卻回路400允許冷卻流體以更受控和高效的方式冷卻固定部件190。噴嘴冷卻回路400接收在圖中由箭頭示出的冷卻流體。通過比較圖3和圖4，顯示了本發明的實施例的益處。在這里，冷卻流體從主通道405流到集管410 ;所述集管允許冷卻流體在上游和下游兩個方向上從固定部件190排出。這允許固定部件190的下游端的更高效的冷卻。圖5根據本發明的實施例示出了圖4的固定部件的分解示意圖。噴嘴冷卻回路400的實施例可以包括主通道405、集管410、孔ロ 415和調節塞420。主通道405的實施例可以包括第一端部和第二端部。第一端部可以被定位成接收冷卻流體。第二端部位于主通道405的相對端部。第二端部可以以允許冷卻流體進入的方式連接到集管410。在本發明的實施例中噴嘴冷卻回路400可以包括一個主通道405。在本發明的備選實施例中，噴嘴冷卻回路400可以包括多個主通道405。在這里，每個主通道405可以包括專用集管410。集管410的實施例可以具有通孔等的形式。集管410的每個端部可以經由帽425封閉，例如如圖5中所示。帽425可以經由焊接、螺紋連接或其它連接手段連接到集管410。上游孔ロ 415和下游孔ロ 415位于集管410的端部的上游，如圖6中所示。孔ロ415可以被視為成角度的通道。孔ロ 415相對于集管410成角度地定位。該角度430可以引起在離開每個孔ロ 415并且進入輪空間區域195的冷卻流體上的預旋。在本發明的實施例中，角度430可以包括從大約O度至大約100度的范圍，這取決于與關聯部件相關的物理限制。預旋允許冷卻流體在與旋轉部件185和工作流體幾乎相同的方向和取向上流動。這可以改善冷卻流體與工作流體的混合、提高冷卻效率。上游孔ロ 415允許冷卻流體靠近固定部件190的上游端排出。下游孔ロ 415允許冷卻流體在靠近固定部件190的下游端處排出。調節塞420允許用戶控制離開指定孔ロ415的冷卻流體的流動。調節塞420包括通孔等，所述通孔允許冷卻流體從集管410流出并且經由孔ロ 415排出。調節塞420可以幫助孔ロ 415朝著固定部件190的外表面引導冷卻流體。調節塞420可以調節離開噴嘴冷卻回路400的冷卻流體的機械性質。這些性質可以包括、但不限于速度、流量和壓力。
調節塞420的實施例可以包括允許與孔ロ 415的一部分配合的螺紋連接。調節塞420的備選實施例可以壓配合到孔ロ 415中。調節塞420的另ー個備選實施例可以包括可變內徑，冷卻流體通過所述可變內徑從集管410排出，提供對前述性質的更多控制。圖6根據本發明的實施例示出了圖4中使用中的固定部件190的示意圖。在使用中，本發明的實施例可以如下工作。噴嘴冷卻回路400接收在圖4中由箭頭表示的冷卻流體。接著，冷卻流體可以流動通過主通道405。接著冷卻流體可以進入集管410。在這里，冷卻流體的流動可以分叉。一部分可以朝著上游孔ロ 415流動，經由所連接的調節塞420排出。其余部分可以朝著下游孔ロ 415流動，經由所連接的調節塞420排出。盡管已在本說明書中示出和描述了具體實施例，但是本領域技術人員可以領會，能夠獲得相同目的的任何布置可以代替所示的具體實施例并且本發明在其它環境中具有其它應用。本申請_在涵蓋本發明的任何改變或變型。以下權利要求決不_在將本發明的范圍限制到本說明書中所描述的具體實施例。
本領域技術人員將領會，上面關于若干實施例描述的許多變化的特征和配置還可以選擇性地應用以形成本發明的其它可能的實施例。本領域技術人員還將理解，本發明的所有可能的重復未被詳細提供或論述，盡管由以下若干權利要求或以其它方式涵蓋的所有組合和可能的實施例g在為本申請的一部分。另外，本領域技術人員從本發明的若干實施例的以上描述將想到改進、變化和修改。本領域技術人員進行的這樣的改進、變化和修改也旨在由所附權利要求涵蓋。此外，應該顯而易見的是，上文僅僅涉及本發明的所述實施例并且可以在本說明書中進行許多變化和修改而不脫離由以下權利要求及其等效物限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.ー種用于調節冷卻流體的系統，所述系統包括 燃氣渦輪機(100)，所述燃氣渦輪機包括 燃燒系統(150)，所述燃燒系統生成工作流體； 壓縮機部段(105)，所述壓縮機部段包括內筒罩(125);壓縮機排氣罩(130);和旁路室；其中所述冷卻流體通過所述內筒罩(125)流動到所述壓縮機排氣罩(130)； 渦輪機部段(180)，所述渦輪機部段包括旋轉部件(185);固定部件(190);和輪空間區域(195)，其中每個輪空間區域(195)包括旋轉部件(185)和固定部件(190)，并且每個旁路室允許所述冷卻流體從所述壓縮機部段(150)傳到所述輪空間區域(195);以及 噴嘴冷卻回路(400)，所述噴嘴冷卻回路大致位于每個固定部件(190)內，其中所述噴嘴冷卻回路(400)包括主通道(405)和集管(410);其中所述主通道(405)的第一端部接收所述冷卻流體、并且所述主通道(405)的第二端部連接到所述集管(410)，并且所述冷卻流體從所述主通道(405)流動到所述集管(410);其中所述集管(410)包括上游孔口和下游孔ロ，所述孔ロ允許所述冷卻流體從所述集管(410)排出并且與所述工作流體混合。
2.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，還包括位于所述集管(410)的下游的調節塞(420)，所述調節塞允許所述冷卻流體離開所述噴嘴冷卻回路(400)。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在干，每個孔ロ與專用調節塞(420)形成一體。
4.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述專用調節塞(420)包括可變內徑，所述冷卻流體通過所述可變內徑排出所述集管(410)。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述專用調節塞(420)確定所述冷卻流體的以下性質中的至少ー種速度、流量或壓力。
6.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，所述固定部件(190)包括多個噴嘴冷卻回路(400)。
7.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述專用調節塞(420)朝著所述固定部件(190)的外表面引導所述冷卻流體。
8.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，每個孔ロ以一定的角度(430)偏離所述集管(410)，所述角度以有助干與所述工作流體混合的方式預旋所述冷卻流體。
9.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述角度(430)在類似于所述工作流體和所述旋轉部件(185)的方向上定向所述冷卻流體的流動。
10.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述集管(410)呈圓形開ロ的形式，所述圓形開ロ在上游至下游的方向上延伸通過所述固定部件(190)，并且所述集管(410)的每ー個端部由帽(425)封閉。
全文摘要
本發明提供了一種用于調節渦輪機器內的冷卻流體的系統。所述系統可以包括多個旁路室，其中所述多個旁路室的每一個允許冷卻流體從壓縮機部段流到輪空間區域。所述系統包括多個成角度的通道，所述成角度的通道有助于輪空間區域中的冷卻流體與工作流體的混合。
文檔編號F02C7/14GK102691532SQ20121008968
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者D·C·約翰遜, S·維哈吉里 申請人:通用電氣公司