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CN102128086A - 用于燃气涡轮的喷射器机外排出方案 - Google Patents

用于燃气涡轮的喷射器机外排出方案 Download PDF

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CN102128086A CN2011100058244A CN201110005824A CN102128086A CN 102128086 A CN102128086 A CN 102128086A CN 2011100058244 A CN2011100058244 A CN 2011100058244A CN 201110005824 A CN201110005824 A CN 201110005824A CN 102128086 A CN102128086 A CN 102128086A
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compressor
air
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P·N·戈文丹
B·佩米
A·K·沙马
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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮的喷射器机外排出方案。燃气涡轮中的冷却线路包括从压缩机(22)的末级排出空气的机外排出(OBB)线路(36)、从压缩机的上游级提取空气的提取空气线路(38)以及从OBB线路和提取空气线路接收输入的喷射器(42)。来自喷射器的喷射器出口流连通到涡轮。

Description

用于燃气涡轮的喷射器机外排出方案
技术领域
本发明涉及用于增强涡轮性能的在燃气涡轮中的流动线路，并且更具体地涉及使用机外排出(overboard bleed)流以使喷射器运转和将喷射器出口流连通到涡轮用于定子和转子冷却。
背景技术
在燃气涡轮中，典型地将来自压缩机进口的总气流的一部分转移到各种涡轮构件用于各种目的，包括冷却那些构件。转移的空气可消耗通过压缩机的总气流的大部分。这些寄生流的管理和控制可显著地增加涡轮的性能。典型地，处于压力下的空气从压缩机中提取并且绕过涡轮的燃烧系统用作用于各种涡轮构件的冷却流。
高炉气(BFG)是炼钢厂的低热值(BTU)副产物，希望使用BFG作为燃气涡轮的燃烧器中的燃料。然而这种使用涉及若干挑战。例如，需要高燃料质量流量以达到合适的点火温度。相反地，气流减少使得空气/燃料比更小，并且可达到更高的火焰温度。然而，燃气涡轮压缩机需要在最小体积流量下运转(以避免喘振)。为了减少到燃烧器的质量流量，在压缩机的末级之后排出一些数量的空气。该排出流称为机外排出(OBB)。
图1是使用OBB流用于BFG冷却线路装设的燃气涡轮1的示意图。涡轮包括多级压缩机2，其中每个级将输入空气压缩到更高的压力和温度。燃烧器3经由输入管线4接收来自压缩机的加压空气并且将加压空气与经由燃料输入5的燃料混合以经由管线6输出热燃烧气体。热燃烧气体输入到涡轮7。
加压空气可经由管线8从压缩机2中提取以绕过燃烧器3。该加压空气可输入到涡轮7用于冷却目的，例如用于冷却涡轮7的第三扩展器(expander)定子。涡轮的第一和第二级扩展器(定子、向前叶轮空间(forward wheel space)和转子)以及转子的第三级可使用例如经由管线9来自压缩机2的第17级空气进行冷却。末级提取物的其余部分是输入到热回收蒸汽发生器(HRSG)11的OBB流。
将希望通过最佳地利用OBB流减小通过压缩机2的流率。
此外，低BTU燃料运转的燃气涡轮单元需要具有更少的气流，但是因为喘振需求，通过压缩机的气流远远多于所需要的。这导致以压缩机功的形式的有价值功率的损失。还将希望减少这种功率损失。
发明内容
在示例性实施例中，燃气涡轮包括包含多个级的压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机的每个级将输入空气压缩到更高的压力和温度。燃烧器从压缩机接收加压空气并且将加压空气与燃料混合以输出热燃烧气体。涡轮从燃烧器接收热燃烧气体。机外排出(OBB)线路从压缩机的末级排出空气，提取空气线路从压缩机的上游级提取空气。喷射器从OBB线路和提取空气线路接收输入，来自喷射器的喷射器出口流连通到涡轮。
在另一个示例性实施例中，燃气涡轮中的冷却线路包括从压缩机的末级排出空气的机外排出(OBB)线路、从压缩机的上游级提取空气的提取空气线路以及从OBB线路和提取空气线路接收输入的喷射器，其中来自喷射器的喷射器输出(出口流)连通到涡轮用于转子和定子冷却。
在又一个示例性实施例中，操作燃气涡轮的方法包括以下步骤：将横过多个压缩机级的输入空气压缩到更高的压力和温度；将加压空气与燃料在燃烧器中混合并且输出热燃烧气体到涡轮；从压缩机的末级经由机外排出(OBB)线路排出空气；从上游压缩机级经由提取空气线路提取空气；将来自OBB线路和来自提取空气线路的输出连通到喷射器；以及将喷射器出口流连通到涡轮。
附图说明
图1是使用OBB流的传统高炉气冷却线路装设的示意性方框图；
图2是用于增强涡轮功率的OBB冷却线路方案的示意性方框图；以及
图3是示例性喷射器的近视图。
部件列表
现有技术
1燃气涡轮
2多级压缩机
3燃烧器
4输入管线
5燃料输入
6管线
7涡轮
8管线
9管线
11HRSG
实施例
20燃气涡轮
22压缩机
24涡轮
26进口
28燃烧器
30燃料管线
32管线
34管线
35喷射器
36管线
38管线
40管线
42喷射器喷嘴
44抽吸室
46扩散器
具体实施方式
参考图2，燃气涡轮20包括压缩机22和涡轮24。压缩机22具有用于接收环境空气的进口26，环境空气然后通过压缩机22中的许多不同的级被压缩，每个级将空气压缩到更高的压力和温度。压缩空气主要用于输送到燃烧器28，在此处加压空气与经由燃料管线30的燃料输入结合并且燃烧以提供热燃烧气体到涡轮24的各个级。
排出空气可从压缩机22的级中移除用作涡轮中的冷却/清洗气流。压缩机气流的一部分从通过燃烧器28的流中转移用于这些其它目的。在图2中示出的示例性方案中，使用从压缩机22的末级(例如，在示例性应用中的第17级)经由管线32提取的空气冷却第一和第二级扩展器(定子、向前叶轮空间和转子)以及第三级转子。此外，从压缩机22的上游级经由管线34提取的压缩空气可从涡轮24输入以冷却第三扩展器定子。
继续参考图2，OBB流经由管线36连通到喷射器35并且与从压缩机22的上游级(例如，第5级)经由管线38提取的空气结合。利用OBB流，喷射器35用以增大来自压缩机上游级的提取空气的压力并且可用于冷却第二级扩展器的定子和向前叶轮空间以及第三扩展器的定子和涡轮24。图2示出经由管线40到涡轮24的喷射器出口流。
因此，OBB流用于在喷射器中使压缩机上游级提取物加压以减少更高级提取物并且因此减少压缩机气流和功率消耗。这还具有移除在压缩机排气温度上730°F的限值的有利结果，该限值是因为存在可用于向前叶轮空间冷却的最大冷却空气温度而建立的。
图3中示出示例性喷射器35。来自OBB流的高压空气经由管线36输入，而来自压缩机上游级的较低压力空气经由管线38输入。来自OBB流的压力能量经由喷射器喷嘴42转化为高速能量，而从压缩机上游级提取的空气在抽吸室44中由高速空气携带。混合物的速度能量在扩散器46中转化为压力能量，喷射器出口流经由管线40输送到涡轮24。
描述的系统通过最佳地利用OBB减小通过压缩机的流率。连同OBB以及上游压缩机级提取物一起使用的喷射器减少用于冷却燃气涡轮扩展器的转子、定子和向前叶轮空间的末级提取物。建立热动力学模型，并且在目前可利用的联合循环系统上可实现显著的效率增大。
尽管连同目前被认为是最实用的和优选的实施例描述本发明，但是将理解的是本发明不限制于公开的实施例，而相反，意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改变和等同布置。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮，包括：
压缩机(22)，其包括多个级，每个级将输入空气压缩到更高的压力和温度；
燃烧器(28)，其从所述压缩机接收加压空气，所述燃烧器将所述加压空气与燃料混合以输出热燃烧气体；
涡轮(24)，其从所述燃烧器接收所述热燃烧气体；
机外排出(OBB)线路(36)，其从所述压缩机的末级排出空气；
提取空气线路(38)，其从所述压缩机的上游级提取空气；和
喷射器(42)，其从所述OBB线路和所述提取空气线路接收输入，其中，来自所述喷射器的喷射器出口流连通到所述涡轮。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述涡轮(24)包括多个级，并且其中，所述喷射器出口流连通到中间涡轮级。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述喷射器出口流连通到第二涡轮级的向前叶轮空间。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮，其特征在于，所述喷射器出口流连通到第三涡轮级的上游向前叶轮空间。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述提取空气从第五压缩机级提取。
6.一种在燃气涡轮中的冷却线路，所述燃气涡轮包括压缩机(22)、从所述压缩机接收输出的燃烧器(28)和从所述燃烧器接收热燃烧气体的涡轮(24)，所述冷却线路包括：
机外排出(OBB)线路(36)，其从所述压缩机的末级排出空气；
提取空气线路(38)，其从所述压缩机的上游级提取空气；和
喷射器(42)，其从所述OBB线路和所述提取空气线路接收输入，其中，来自所述喷射器的喷射器出口流连通到所述涡轮。
7.根据权利要求6所述的冷却线路，其特征在于，所述提取空气从第五压缩机级提取。
8.一种操作燃气涡轮的方法，包括：
将横过多个压缩机级的输入空气压缩到更高的压力和温度；
将所述加压空气与燃料在燃烧器(28)中混合并且输出热燃烧气体到涡轮(24)；
从所述压缩机的末级经由机外排出(OBB)线路(36)排出空气；
从上游压缩机级经由提取空气线路(38)提取空气；
将来自所述OBB线路和来自所述提取空气线路的输出连通到喷射器(42)；以及
将喷射器出口流连通到所述涡轮。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涡轮包括多个级，并且其中，所述连通喷射器出口流的步骤通过将喷射器出口流连通到中间涡轮级进行实施。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提取步骤通过从第五压缩机级提取空气进行实施。
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