用于组合气体涡轮发动机的压缩机放气流和通气流的系统和方法与流程

专利检索2022-05-10  8


用于组合气体涡轮发动机的压缩机放气流和通气流的系统和方法


背景技术:

1.本文所公开的主题涉及气体涡轮发动机,并且更具体地讲,涉及用于组合气体涡轮发动机的压缩机放气流和通气流的系统和方法。
2.气体涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器通过来自压缩机的压缩空气使燃料燃烧,并且向涡轮提供热燃烧气体以驱动负载(诸如发电机)。气体涡轮发动机可通过单独的流动路径(诸如堆叠)排放多个流(例如,排气流、通气流、压缩机放气流等)。遗憾的是,每个堆叠需要空间并且增加了气体涡轮发动机的成本。每个堆叠还可包括各种内部部件,诸如消音器挡板。因此,气体涡轮发动机可具有重复部分(例如,堆叠、消音器挡板等)以处理多个流。


技术实现要素:

3.下面概述了与最初要求保护的发明的范围相当的某些实施方案。这些实施方案并非旨在限制要求保护的发明的范围,而是这些实施方案仅旨在提供本发明的可能形式的简要概述。实际上,本发明可以包括可以与下面阐述的实施方案类似或不同的各种形式。
4.在第一实施方案中,一种系统包括流组合器,其中放气流和通气流被组合为通过出口管道的出口流。该流组合器包括该出口管道;压缩机放气入口管道,该压缩机放气入口管道联接到该出口管道,其中该压缩机放气入口管道被配置为从气体涡轮发动机的压缩机接收该放气流;和通气入口管道,该通气入口管道联接到该出口管道,其中该通气入口管道被配置为从围绕该气体涡轮发动机的封装件接收该通气流。
5.在第二实施方案中,一种方法包括:将来自气体涡轮发动机的压缩机的放气流接收到联接到流组合器的出口管道的压缩机放气入口管道中;以及将来自围绕该气体涡轮发动机的封装件的通气流接收到联接到该出口管道的通气入口管道中,其中该放气流和该通气流被组合为通过该出口管道的出口流。
6.在第三实施方案中,一种系统包括流组合器,其中高能量流和低能量流被组合为通过出口管道的出口流。该流组合器包括该出口管道;第一入口管道,该第一入口管道联接到该出口管道,其中该第一入口管道被配置为接收该高能量流,并且该第一入口管道包括可调整阀;以及第二入口管道,该第二入口管道联接到该出口管道,其中该第二入口管道被配置为接收该低能量流,并且该第二入口管道包括至少一个风扇。
附图说明
7.当参考附图阅读以下详细描述时,将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点,附图中相同的符号在整个附图中表示相同的零件,其中:
8.图1是具有流组合器的气体涡轮系统的实施方案的示意性框图,该流组合器被配置为组合不同流(例如,通气流和压缩机排放流);
9.图2是图1的流组合器的实施方案的透视图;
10.图3是图2的流组合器的实施方案的侧视图;
11.图4是图2的流组合器的实施方案的前视图;
12.图5是如图1和图3所示的流组合器的回流抑制器的实施方案的透视图,进一步示出了回流抑制器的多个导管的实施方案;
13.图6是联接到图1的气体涡轮系统的压缩机的流组合器的示意性截面侧视图,示出了具有可变放气阀的压缩机放气进气导管,该可变放气阀被配置为调整进入流组合器的压缩机放气流;并且
14.图7是使用图1至图6的流组合器以不同模式操作气体涡轮系统的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
15.下面将描述本发明的一个或多个具体实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述,可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解,在任何此类实际实施方式的开发中,如在任何工程或设计项目中,必须作出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标,诸如遵守系统相关和业务相关的约束,这些约束可能因实施方式而异。此外,应当理解,此类开发工作可能是复杂且耗时的,但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
16.当介绍本发明的各种实施方案的元件时,冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在元件中的一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的,并且意味着可能存在除列出元件之外的附加元件。
17.如下文更详细地讨论,本文所述的本实施方案提供了一种高效的通气系统,该通气系统经由流组合器组合来自围绕气体涡轮发动机设置的封装件的通气流和来自气体涡轮发动机的压缩机的放气流。在没有所公开的流组合器的情况下,气体涡轮发动机可包括用于各种排放流(诸如通气流、压缩机放气流和其他流)的许多重复部分(例如,单独的堆叠和单独的消音器组件)。这些重复部分导致更大的空间消耗、更大的安装成本和更大的维护成本。遗憾的是,气体涡轮发动机的各种排放流在气体涡轮发动机的各个操作阶段(例如,启动、稳态、关闭、部分负载、全负载等)可具有显著不同的流速、压力、温度和/或其他特性。
18.因此,本文所述的系统是组合的通气系统和消音器以衰减来自组合的通气流和放气流的噪声。通过组合流和使用单个消音器组件,本文所述的通气系统可降低部件和维护成本,从而改善气体涡轮系统的效率。为了有效地组合流,可基于气体涡轮系统的各种操作模式来调节放气流和通气流。例如,在启动模式期间,放气流可增加但被设定为低流量,而通气流可以全流量操作。在全负载模式期间,放气流可关闭,而通气流可以全流量操作。同时,在正常关闭模式期间,放气流可以中等流量操作,而通气流可以全流量操作。此外,在紧急关闭或负载下降模式期间,放气流可以最大流量操作,而通气流可以减小的流量操作。组合通气流和放气流涉及连续地或周期性地调整每个流的流速以满足每种模式的具体操作要求。使得能够混合放气流和通气流的流组合器包括两个不同的通道。一个通道可被指定为用于使通气流进入流组合器的入口,而另一个通道可被指定为用于使放气流进入流组合器的入口。在通气流和放气流均已经由其相应通道进入流组合器之后,两个流均可在流组合器内合并。具体地讲,通气流通道可包括有助于抑制回流并且有助于将通气流分散在流
组合器内的导管集合。
19.图1是具有流组合器12的气体涡轮系统10的示意性框图,该流组合器被配置为组合不同流。不同流可具有显著不同的流速、压力、温度和流体组成。在所示实施方案中,不同流可对应于压缩机放气流和通气流。具体地,如下文详细讨论,流组合器12包括出口管道14、联接到出口管道14的第一入口管道16(例如,压缩机放气入口管道),以及联接到出口管道14的第二入口管道18(例如,通气入口管道)。
20.如图所示,第一入口管道16和第二入口管道18联接到出口管道14的共同管道部分20。在一些实施方案中,共同管道部分20可包括具有一个或多个流混合器24(例如,回流抑制器、流挡板、流分离器、流导管等)的流组合(或混合)区段22。例如,一个或多个流混合器24可包括具有多个导管34(例如,导管束)的回流抑制器32,该多个导管在来自第一入口管道16和第二入口管道18的流体流(例如,压缩机放气流28和通气流36)的下游流动方向上会聚。回流抑制器32(例如,导管34)被配置为抑制流体流的回流(例如,从第一入口管道16到第二入口管道18,或反之亦然)。回流抑制器32还可被配置为引起共同管道部分20中的流体流(例如,28、36)的混合。第一入口管道16可包括或流体联接到可变阀26(例如,可变放气阀),该可变阀被配置为改变进入第一入口管道16的流体流28(例如,压缩机放气流)。可变阀26可在打开位置和闭合位置之间调整(例如,以增加或减少流速、压力等)以帮助控制流体流28到流组合器12中的进气,减小流体流28到第二入口管道18中的回流,并且改善出口管道14中的混合。例如,可变阀26可包括多个可调整阀元件30(例如,可旋转门或阀瓣)。
21.第二入口管道18可包括阻尼器31,该阻尼器被配置为响应于流体流36(例如,通气流)而打开并且响应于流体流36停止而关闭。阻尼器31可以是重力阻尼器,该重力阻尼器被配置为当流体流36停止时通过重力关闭一个或多个枢转门(例如,1、2、3、4、5或更多个铰接阻尼器门)。另选地,阻尼器31可以是弹簧加载阻尼器,该弹簧加载阻尼器被配置为将枢转门朝向关闭位置偏置,使得当流体流36的力足以克服弹簧力时,流体流36打开枢转门。阻尼器31还可以被配置为抑制流体流28抵抗进入的流体流36到第二入口管道18中的回流。第二入口管道18还可包括被配置为迫使流体流36到第二入口管道18中的至少一个风扇38(例如,1、2或3个风扇)。阻尼器31可被配置为响应于风扇38的操作(即,风扇打开)而打开,并且当风扇38停止操作(即,风扇关闭)时关闭。风扇38的速度可以是可调整的(例如,增加或减少)以帮助控制流体流36的进气,减小流体流28抵抗流体流36的回流,并且改善出口管道14中的流体流28和36的混合。
22.流体流28和36在流组合区段22中被组合为组合流体流40,并且然后组合流体流40穿过出口管道14中的消音器区段42。消音器区段42可包括在组合流体流40的下游方向上延伸的多个消音器挡板44(例如,平行消音器挡板)。消音器挡板44被配置为减小与穿过流组合器12的流体流28、36和40相关联的噪声。例如,每个消音器挡板44可包括外部封装件(例如,穿孔壁)和内部吸声结构(例如,吸声材料、室、通路、挡板等)。每个消音器挡板44可在下游方向上伸长并且可包括空气动力学形状(例如,翼型形状)。出口管道14和消音器区段42(例如,消音器挡板44)可被设计成处理针对压缩机放气流28和通气流36两者预期的最大负载(例如,流速、压力、温度、噪声等)。
23.在所示实施方案中,流组合器12用于组合来自气体涡轮系统10的两种不同流(例如,具有不同能级的流)。在一些实施方案中,流组合器12可被配置为组合来自气体涡轮系
统10或生成不同流(例如,不同流速、压力等)的任何其他系统的任何数量(例如,2、3、4、5、6或更多)的不同流。例如,不同流可被描述为高能量流和低能量流,其中与低能量流相比,高能量流具有相对更高的压力、相对更高的温度和/或相对更高的流速。在所示实施方案中,压缩机放气流28可被描述为高能量流,而通气流36可被描述为低能量流。因此,关于流(例如,高能量流和低能量流)使用“高能量”和“低能量”可仅用作流的相对比较。例如,高能量流的压力、温度和/或流速可比低能量流的那些大某个百分比或倍增系数(例如,1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、2.5、3、4、5、10、20、30、40、50或更大)。如果附加流在流组合器12中组合,则流组合器12可包括类似于入口管道16和18的附加入口管道。然而,在下面的讨论中,在来自气体涡轮系统10的两个组合流的上下文中描述了流组合器12,并且更具体地讲,描述了作为流体流28的压缩机放气流和作为流体流36的通气流。
24.气体涡轮系统10包括联接到负载52(诸如发电机)的气体涡轮发动机50。气体涡轮系统10可以是静止的或移动的,诸如拖车安装的发电设备(例如,由气体涡轮发动机50驱动的发电机52)。气体涡轮系统10还包括围绕气体涡轮发动机50设置的壳体或封装件54,使得通气空间或体积围绕气体涡轮发动机50设置在封装件54内部。气体涡轮发动机50包括具有一个或多个压缩机级(例如,从1级至30级的任何数量)的压缩机区段或压缩机56、具有一个或多个燃烧器60的燃烧器区段58,以及具有一个或多个涡轮级(例如,从1级至30级的任何数量)的涡轮区段或涡轮62。压缩机56的每个压缩机级包括被配置为压缩进气的多个压缩机叶片。每个燃烧器60包括一个或多个燃料喷嘴64,该燃料喷嘴被配置为将燃料和压缩空气66从压缩机56供应到燃烧室68中,其中燃料燃烧以生成热燃烧气体70。热燃烧气体流过涡轮62,从而驱动一个或多个涡轮级以使联接到涡轮62、压缩机56和负载52的轴72(例如,一个或多个轴)旋转。涡轮62的每个涡轮级包括由热燃烧气体70驱动的多个涡轮叶片。最终,涡轮62将热燃烧气体70作为排气74排放到排气区段76中并通过该排气区段,诸如排气管道和/或排气堆叠。
25.气体涡轮系统10引导进气80通过进气系统82进入封装件54和压缩机56。在所示实施方案中,进气系统82包括具有一个或多个空气过滤器86的过滤器区段84、联接到封装件54的空气入口管道88(例如,通气进气管道),以及联接到压缩机56的空气入口管道90(例如,压缩机进气管道)。空气入口管道88联接到封装件54中的进气口或开口92,并且空气入口管道88可包括被配置为帮助迫使通气空气流96通过封装件54的一个或多个风扇94(例如,电动马达驱动风扇)。最终,通气流96作为流体流36进入流组合器12的第二入口管道18(例如,通气入口管道)。
26.空气入口管道90联接到(或延伸通过)封装件54中的进气口或开口92,并且空气入口管道90在内部延伸到封装件54中并联接到压缩机56的压缩机入口102。空气入口管道90被配置为将压缩机进气流104供应到压缩机56中,该压缩机然后压缩空气以用于在整个气体涡轮发动机50中使用。例如,压缩空气66可用于燃烧器区段58中的燃烧和冷却,涡轮62中的冷却,以及气体涡轮发动机50中的其他地方的冷却。在某些实施方案中,用于冷却的压缩空气66可在任何合适的位置从压缩机56放气(例如,压缩机56的各个级处的压缩机放气流)。另外,压缩机放气流可通过流组合器12从气体涡轮系统10排放。
27.在所示实施方案中,流组合器12的第一入口管道16(例如,压缩机放气入口管道)联接到压缩机56的压缩机放气部分110。具体地讲,第一入口管道16可包括压缩机放气进气
导管112,该压缩机放气进气导管在压缩机放气部分110处联接到压缩机56的外壁114。例如,压缩机放气进气导管112可至少部分地或完全地围绕压缩机56的外壁114周向延伸,诸如围绕压缩机56至少180度、240度、300度或360度延伸。压缩机放气进气导管112可包括被配置为配合在压缩机56的外壁114周围的压缩机开口116。在某些实施方案中,压缩机56的外壁114可包括被配置为使得压缩机放气流能够到第一入口管道16中的一个或多个压缩机放气开口。如上所讨论,第一入口管道16包括可变阀26(例如,可变放气阀(vbv)),该可变阀具有被配置为当流体流28进入流组合器12中时调整压缩机放气流的一个或多个可调整阀元件30(例如,门或阀瓣)。可变阀26可包括一个或多个电致动器,诸如用于多个可调整阀元件30中的每一者的共同电致动器或单独电致动器。
28.气体涡轮系统10(包括可变阀26、风扇38、风扇94、经由燃料喷嘴64的燃料喷射以及其他操作参数)可由具有联接到控制器124的监测系统122的控制系统120控制。监测系统122包括分布在整个气体涡轮系统10中的多个传感器126(由s指示)以监测各种操作状况。例如,传感器126可测量气体涡轮系统10外部的环境状况(例如,湿度、温度等)。传感器126可测量进气系统82中的进气状况(例如,流速、温度、压力)。传感器126可测量压缩机状况(例如,来自压缩机56的压缩空气66和压缩机放气流28的流速、温度和压力)。传感器126可测量通气状况(例如,封装件54中的通气空气流96和流组合器12中的通气流36的流速、温度和压力)。传感器126可测量燃烧状况(例如,燃料流量、燃料温度、燃料压力、燃料组成、沃泊指数、燃料

空气比、火焰温度或强度、燃烧动力学,以及污染物诸如no
x
、so
x
、co2、co、颗粒物等的排放水平)。传感器126可测量涡轮状况(例如,涡轮62中的燃烧气体70的流速、温度和压力)。传感器126还可测量旋转速度、旋转叶片与压缩机56和涡轮62的壁之间的间隙,以及气体涡轮发动机50的振动。传感器126可测量气体涡轮发动机50上的负载,诸如气体涡轮发动机50的部分负载或全负载状况。传感器126可监测气体涡轮发动机50的操作状态,诸如启动状况、稳态状况或关闭状况。传感器126可监测发电机参数(例如,功率输出)、电网上的状况、来自涡轮62的输出功率等。
29.传感器126可包括多种类型的传感器以测量前述参数。例如,传感器126可包括设置在流组合器12中以及在整个气体涡轮系统10中的温度传感器,诸如热电偶、热敏电阻器等。传感器126还可包括流量传感器,诸如流量计(例如,压差流量计、速度流量计、质量流量计、正位移流量计、开放通道流量计)和液位传感器诸如连续液位发射器、超声换能器、激光液位发射器等,其设置在流组合器12中以及整个气体涡轮系统10中。另外,传感器126可包括压力传感器,诸如压阻压力传感器、差压传感器、光学压力传感器等,其包括在流组合器12中以及整个气体涡轮系统10中。燃料特性可被感测和/或以其他方式提供给控制器124,例如,经由流组合器12和气体涡轮系统10中的人类操作者界面。燃料特性可包括含水量、碳含量、化学组成、比重、环境温度、能量含量、某些“数”(例如,沃泊指数、十六烷数、辛烷数等)、或它们的组合。排气排放可通过排放传感器诸如no
x
传感器、so
x
传感器、co2传感器和co传感器来测量。
30.控制器124被配置为接收和处理来自传感器126的测量输入以及气体涡轮系统10的控制操作,包括通过流组合器12的流体流28、36和40。控制器124包括一个或多个处理器128、存储器130,以及存储在存储器130上并可由处理器128执行以控制气体涡轮系统10的操作的指令132。处理器128可包括一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器、
和/或一个或多个专用集成电路(asics)、或它们的某种组合。例如,处理器128可包括一个或多个精简指令集(risc)处理器。存储器130可存储信息(诸如控制软件、查找表、配置数据等)。存储器130可包括有形非暂态机器可读介质,诸如易失性存储器(例如,随机存取存储器(ram))和/或非易失性存储器(例如,只读存储器(rom)、闪存存储器、硬盘驱动器或任何其他合适的光学、磁性或固态存储介质,或它们的组合)。存储器130可存储各种信息,其可适用于各种目的。例如,存储器130可存储供处理器执行的机器可读和/或处理器可执行指令132(例如,固件或软件)。
31.控制器124可以可通信地联接到操作者界面134(例如,人机界面(hmi)),以及适用于控制气体涡轮系统10的部件的一个或多个致动器。例如,致动器(例如,电致动器)可联接到可变阀26、风扇38、风扇94、燃烧区段58的燃料供应,以及气体涡轮发动机50的其他部分中的每一者或与其集成。控制器124还可联接到适于控制气体涡轮发动机50的各种部件的阀、开关、定位器、泵等。控制器124可从传感器126接收数据,并且可用于控制压缩机56、燃烧器60、涡轮62、负载52,以及通过流组合器12的流。如下文进一步详细讨论的,控制器124被配置为基于气体涡轮系统10的各种传感器反馈和操作模式(例如,启动模式、稳态模式、关闭模式、紧急模式、全负载模式、部分负载模式等)来控制通过流组合器12的流体流28、36和40。在这些模式的每个模式中,控制器124可调整可变阀26以调整(例如,增加或减少)压缩机放气流28,调整风扇38和94中的一者或两者以调整(例如,增加或减少)通气流36,或它们的组合。
32.图2、图3和图4是图1的流组合器12的实施方案的详细视图。具体地,图2是图1的流组合器12的实施方案的透视图。图3是图2的流组合器的实施方案的侧视图。图4是图2的流组合器的实施方案的前视图。现在参照图2至图4描述流组合器12的附加细节。
33.如图2和图3所示,所示的入口管道16和18朝向彼此和出口管道14会聚成y形结构138。例如,入口管道16和18可以角度140(诸如10度至120度、20度至90度、或30度至60度)会聚。入口管道16可从压缩机放气进气导管112朝向出口管道14的共同管道部分20转向。例如,压缩机放气进气导管112可基本上平行于出口管道部分14。入口管道18可从风扇壳体部分142(例如,具有入口144的上游管道部分)朝向出口管道14的共同管道部分20转向。例如,风扇壳体部分142可基本上垂直于出口管道部分14。流组合器12还可包括在压缩机放气进气导管112和共同管道部分20之间的中间管道部分150(例如,发散管道部分),以及在风扇壳体部分142和共同管道部分20之间的中间管道部分152(例如,发散管道部分)。这些中间管道部分150和152(例如,发散管道部分)可限定入口管道16和18的会聚的角度140。
34.第一入口管道16的发散管道部分150(例如,压缩机放气入口管道)和第二入口管道18的发散管道部分152(例如,通气入口管道)可有助于控制到共同管道部分20中的流体流26和38的组合。在所示的实施方案中,发散管道部分150具有发散的管道壁154,以及在流体流28的下游方向上膨胀或增大的截面流动面积156。类似地,发散管道部分152具有发散的管道壁158,以及在流体流36的下游方向上膨胀或增大的截面流动面积160。然而,在一些实施方案中,入口管道16和18的截面流动面积156和158可分别在流体流28和36的下游方向上完全或部分恒定、发散和/或会聚。另外,入口管道16的截面流动面积156的第一最小值可以等于、大于或小于入口管道18的截面流动面积158的第二最小值(例如,如果流体流28是比流体流36更高的能量流,则第一最小值可大于第二最小值)。类似地,入口管道16的截面
流动面积156的第一最大值可以等于、大于或小于入口管道18的截面流动面积158的第二最大值(例如,如果流体流28是比流体流36更高的能量流,则第一最大值可大于第二最大值)。在一些实施方案中,管道壁154的发散和/或截面流动面积156的膨胀可与管道壁158的发散和/或截面流动面积160的膨胀相同或不同(例如,针对更高的能量流为更大)。
35.如图2和图3中进一步所示,出口管道14的共同管道部分20的截面流动面积162可大于入口管道16的截面流动面积156和入口管道18的截面流动面积160两者。共同管道部分20可包括具有多个流混合器24(例如,导管、通道、挡板等,以帮助引导混合在一起的流)的流组合区段22。例如,流混合器24可包括回流抑制器32,该回流抑制器具有在流体流(例如,28、36)的下游流动方向上会聚的多个导管34,由此有助于在共同管道部分20中组合和混合流体流的同时抑制回流。下文参考图5进一步详细讨论回流抑制器32的细节。出口管道14还可包括发散管道部分164,该发散管道部分在组合流体流40的下游方向上发散。消音器区段42可设置在均匀管道部分166中,该均匀管道部分具有在组合流体流40的下游方向上恒定的截面流动面积168。出口管道14可包括排放区段170,该排放区段具有相对取向的转向管道部分172和174,其有助于使排放到大气中的组合流40分散。如图4所示,转向管道部分172和174可分别包括内部转向叶或挡板176和178。挡板176和178被配置为分流组合流体流40并且引导分流的流向外通过转向管道部分172和174。
36.如上所讨论,流组合器12可包括各种流控件,这些流控件被配置为控制流体流28相对于流体流36的比率,由此有助于改善流体流28和36的组合,而不会导致不期望的回流和/或使消音器区段42过载。具体地讲,所示实施方案包括可变阀26(例如,可变放气阀(vbv)),该可变阀具有围绕压缩机开口116周向间隔开的多个可调整阀元件30(例如,打开和关闭的门或阀瓣),其被配置为围绕压缩机56的外壁114延伸,如图1所示。可调整阀元件30可包括联接到控制器124的致动器(例如,电致动器),使得控制器124可基于传感器反馈来调整可调整阀元件30的位置以有助于改善流组合器12中的流组合。可调整阀元件30可被配置为在打开位置和闭合位置之间旋转和/或轴向移动。所示实施方案还包括入口管道18中的多个风扇38。控制器124被配置为基于传感器反馈选择性地操作(即,打开或关闭)风扇38中的每一者以及彼此独立地或结合地调整风扇中的每一者的速度(例如,增大或减少其速度)以帮助改善流组合器12中的流组合。所示实施方案包括平行布置在入口管道18中的三个风扇38。然而,流组合器12的实施方案可具有串联、并联或以它们的组合布置的任何数量的风扇38(例如,1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个)。通过调整可变阀26和/或风扇38,控制器124可帮助实现流组合器12中的流体流28和36的成功组合,而不引起回流(例如,流体流28到入口管道18中的回流)或使流组合器12过载。入口管道18还包括阻尼器31,该阻尼器被配置为响应于流体流36而打开并且响应于流体流36停止而关闭。
37.使用上述特征,流组合器12组合或混合两种不同类型的流,例如,从压缩机56提取或放气的压缩机放气流28(例如,可变放气阀(vbv)流)和来自围绕气体涡轮发动机50的封装件54的通气流36、96。在一个实施方案中,与通气流36(其可以是连续低能量流)相比,压缩机放气流28可以是高能量可变流。例如,取决于压缩机56上的提取点,压缩机放气流28可具有15psi至40psi的压力范围或任何其他合适的压力范围。相比之下,通气流36可具有10psi至15psi的压力范围或用于对封装件54通气的任何其他合适的压力范围。在另一个实施方案中,与可以是低

中温流的通气流36相比,压缩机放气流28可以是高温流。例如,压缩
机放气流28可具有260
°
f至300
°
f的温度范围。相比之下,通气流36可具有120
°
f至200
°
f的温度范围。在另外的实施方案中,压缩机放气流28可在特定时间间隔期间作为分立流操作,该时间间隔的范围可在1秒至10秒的持续时间内或任何其他合适的持续时间内。另一方面,通气流36可作为连续流操作。尽管压缩机放气流28和通气流36可具有显著不同的特性(例如,噪声水平、连续对间歇,以及基于压力、温度和流速的能级),但流组合器12能够使用可变阀26、风扇38、阻尼器31和回流抑制器32并同时使用共同消音器区段42来成功地组合流28和36。为了改善流组合器12中的压缩机放气流28和通气流36两者的处理,控制器124可基于气体涡轮系统10的特定操作模式来控制流28和36两者的流速。下文将更详细地描述气体涡轮系统10的各种操作模式。
38.图5是如图1和图3所示的流组合器12的回流抑制器32的实施方案的透视图,进一步示出了回流抑制器32的多个导管34的实施方案。如上所讨论,多个导管34被配置为有助于合并和混合来自第一入口管道16和第二入口管道18的流体流28和36,同时抑制从一个入口管道到另一个入口管道(例如,从第一入口管道16进入第二入口管道18并进入封装件54)的回流。如图所示,每个导管34具有在下游流动方向上收缩或减少的截面流动面积180。例如,每个导管34可具有渐缩几何形状182,例如在流体流(例如,28和36)的下游流动方向上朝彼此成角度的管道壁184。在某些实施方案中,每个导管34可包括锥形导管、渐缩正方形导管、或渐缩多边形导管。回流抑制器32可包括任何数量的多个导管34(例如,2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20个或更多个)。导管34可包括相同尺寸和形状的两个或更多个导管、不同尺寸的两个或更多个导管、不同形状的两个或更多个导管、或它们的任何组合。
39.每个导管34包括具有下游边缘190的入口186和出口188。每个导管34具有在入口186处的第一尺寸192和在出口188处的第二尺寸194。尺寸192和194可包括导管34的宽度、直径或截面流动面积。出口188的尺寸194比入口186的尺寸192小一定百分比或系数以帮助抑制回流。例如,尺寸194可小于或等于尺寸192的约10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%。在某些实施方案中,尺寸192可对应于导管34的最大尺寸,而尺寸194可对应于导管34的最小尺寸。出口188还可限定调节流体流(例如,28和36)并抑制回流的喉部或限流孔口。另外,可选择尺寸192和194以限制或调节从入口管道16和18到流组合器12的出口管道14中的流体流(例如,28和36),同时还抑制流体流的回流(例如,到入口管道18中的压缩机放气流28)。例如,可增加尺寸192和194以增加流体流(例如,28和36),或者可减少尺寸192和194以减小流体流(例如,28和36)。导管34的尺寸、形状、数量和从入口186到出口188的会聚速率(或会聚角度)也可以变化以帮助调节流体流(例如,28和36)并抑制回流。出口188的下游边缘190可为平滑边缘或可变边缘(例如,具有多个齿196的锯齿状或齿状边缘)。具有齿196的可变边缘可被配置为有助于将流体流(例如,28和36)散布到流组合器12中,同时还增加附加表面积以抑制回流。
40.图6是联接到图1的气体涡轮系统10的压缩机56的流组合器12的示意性截面侧视图,示出了具有可变阀26(例如,可变放气阀(vbv))的压缩机放气进气导管112,该可变阀被配置为调整进入流组合器12的压缩机放气流28。压缩机放气进气导管112可以是与流组合器12的入口管道16一体的部分(即,单件式),或者压缩机放气进气导管112可以是可移除地或固定地联接到入口管道16的单独件。压缩机56沿着压缩机开口116设置在压缩机放气进气导管112的内部。如图所示,压缩机开口116是环形的,并且因此配合在压缩机56的外壁
114(例如,环形壁)周围。然而,压缩机开口116和外壁114可在压缩机放气进气导管112和压缩机56之间的连接处具有其他形状。
41.压缩机放气进气导管112包括可变阀26,该可变阀具有围绕压缩机开口116周向设置的多个可调整阀元件30(例如,门或阀瓣)。可调整阀元件30有助于调节入口管道16中并且因此调节在流组合器12内的压缩机放气流28。在一些实施方案中,可调整阀元件30可以是周向间隔开的阀、门或阀瓣的集合,其被配置为在打开位置和闭合位置之间旋转或轴向移动。可调整阀元件30可在尺寸、形状和数量上变化。可调整阀元件30之间可存在均匀或不均匀的周向间隙。例如,可调整阀元件30中的每一者可经由具有规则间隔尺寸诸如6英寸、1英尺或任何其他合适距离的周向间隙彼此分开。为了调节入口管道16中和流组合器12内的压缩机放气流28,可经由驱动器200来调节可调整阀元件30的打开和闭合。可调整阀元件30可同时或周期性地打开和关闭以调整压缩机放气流28。
42.在某些实施方案中,驱动器200可包括电驱动器、流体驱动器(例如,液压驱动器和/或气动驱动器)、或它们的组合。驱动器200可联接到能量源202以及联接到可调整阀元件30的一个或多个致动器204。例如,能量源202可包括电源和/或流体供应(例如,加压流体罐、压缩机或泵)。驱动器200被配置为移动致动器204,该致动器继而使可调整阀元件30在打开位置和闭合位置之间移动。因此,致动器204可包括被配置为将力从驱动器200传递到可调整阀元件30的机械连杆、旋转接头、活塞

气缸组件、或传输组件。在流体驱动的实施方案中,驱动器200(例如,流体驱动器)使用来自能量源202(例如,流体供应)的加压流体(例如,液体或气体)来提供力以调节可调整阀元件30的打开和关闭。例如,驱动器200(例如,流体驱动器)可包括由来自能量源202的加压流体驱动的活塞

气缸组件。另外,驱动器200可由控制器124控制以调整可调整阀元件30的位置,并且因此改变通过流组合器12的压缩机放气流28的流量。
43.如前所述,为了改善流体流28(例如,压缩机放气流)和流体流36(例如,通气流)的组合,可基于气体涡轮系统10的操作模式来控制与每个流体流相关联的流速。图7是使用图1至图6的流组合器12以不同模式操作气体涡轮系统10的方法350的实施方案的流程图。操作模式可不限于本文所述的模式,而是用作示例。与压缩机放气流28和通气流36相关联的流速可由控制器124经由控制算法连续或周期性地监测。在所示实施方案中,方法350包括如框360所指示的监测气体涡轮系统10的操作,以及如框362所指示的基于被监测状况来改变气体涡轮系统10的操作模式。然后,方法350可查询操作模式,如框364所指示的,并且根据操作模式继续进行改变。
44.例如,如果查询框364指示启动模式366,则方法350可控制可变阀26以在气体涡轮发动机12加速时将压缩机放气流28(例如,可变放气阀(vbv)流)调整为相对低和/或增加,如框374所指示。另外,在启动模式366中,方法350可控制风扇38和/或94以将通气流36、96调整为全流量(例如,以全流量通气),如框382所指示。在启动模式366期间,压缩机放气流28可增加但仍然可以低流量操作,而通气流36可以全流量操作。在启动模式366期间,压缩机的叶片的旋转速度增加以获得气体涡轮发动机50的阈值速度。因此,当气体涡轮发动机50启动或开始旋转时,压缩机放气流28可以低流量操作。然而,当压缩机的叶片的旋转速度增加并且气体涡轮发动机50朝向全负载操作移动时,压缩机放气流28可增加,但仍然以与最大流速相比更低的流速操作。同时,通气流36可以全流量操作。
45.如果查询框364指示全负载模式368,则方法350可控制可变阀26以在气体涡轮发动机12以全负载操作时将压缩机放气流28(例如,vbv流)调整为完全关闭(或几乎关闭),如框376所指示。另外,在全负载模式368中,方法350可控制风扇38和/或94以将通气流36、96调整为全流量(例如,以全流量通气),如框384所指示。在全负载模式368期间,压缩机放气流28可关闭,而通气流36可以全流量操作。当气体涡轮发动机50以全负载模式操作时,气体涡轮发动机50可释放最大量的热量。因此,以全流量操作的通气流36可用于冷却气体涡轮发动机50和封装件54内的空间。
46.如果查询框364指示正常关闭模式370,则方法350可控制可变阀26以在气体涡轮发动机12以正常方式关闭时将压缩机放气流28(例如,vbv流)调整为以中等流量打开,如框378所指示。压缩机放气流28的中等流量可以是无流量和最大流量之间的中间流量。另外,在正常关闭模式370中,方法350可控制风扇38和/或94以将通气流36、96调整为全流量(例如,以全流量通气),如框386所指示。在正常关闭模式370期间,由于某个意外事件或紧急情况,气体涡轮发动机50可逐渐减慢(而不是紧急或快速减慢)。因此,可变阀26可打开,使得压缩机放气流28可以中等流量操作,而通气流36可以全流量操作。
47.如果查询框364指示紧急关闭和/或负载下降模式372,则方法350可控制可变阀26以在气体涡轮发动机12可能以紧急方式快速关闭和/或意外地使负载下降时将压缩机放气流28(例如,vbv流)调整为以最大流量打开,如框380所指示。另外,在模式372中,方法350可控制风扇38和/或94以将通气流36、96调整为处于减小或部分的流量(例如,以小于全流量的减小流量通气),如框388所示。在紧急关闭和/或负载下降模式372期间,压缩机放气流28可以最大流量操作,而通气流36可以减小的流量操作。压缩机放气流28可以全容量操作以便减小气体涡轮发动机50喘振或失速的可能性。压缩机放气流28可以全容量操作持续短时间段,诸如5秒、10秒或任何其他合适的时间段。由于压缩机放气流28可以全流量操作持续减小的时间量,因此通气流36的流速也可减小。
48.如上文参考图1至图6所述的流组合器12被配置为通过由图7的方法350提供的上述控件来组合流体流28和36,由此帮助减小回流的可能性并避免使消音器区段42和流组合器12的其他部分过载。尽管所示方法350具有一些特定的操作模式以及对流体流28和36的对应调整,但可使用其他操作模式以及对流体流28和36的调整来帮助组合通过流组合器12的流。
49.本发明的技术效果包括用于组合压缩机放气流28和通气流36的流组合器12。具体地讲,流组合器12可包括共享或共同的消音器区段42以衰减来自组合流40(即,压缩机放气流28和通气流36的组合)的噪声。为了有效地组合流,控制器124可基于气体涡轮系统10的各种操作模式连续地或周期性地调节与压缩机放气流28和通气流36相关联的流速。使得能够混合压缩机放气流28和通气流36的流组合器12包括两个不同的入口管道16和18。入口管道16可被指定为用于使放气流28进入流组合器12的入口,而入口管道18可被指定为用于使通气流36进入流组合器12的入口。在通气流36和压缩机放气流28均已经由其相应的入口管道16和18(例如,穿过回流抑制器32)进入流组合器12之后,两个流均可在流组合器12内合并。具体地讲,入口管道16可包括可调整阀元件30,该可调整阀元件经由驱动器200和致动器204来调节压缩机放气流28的体积。同时,入口管道18可包括一个或多个风扇38和阻尼器31以调节通气流36并抑制压缩机放气流28通过入口管道18的回流。
50.本书面描述使用示例来公开本发明,包括最佳模式,并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定,并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件,则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。
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