專利名稱::蒸汽冷卻的直接燃煤式燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本文公開(kāi)的主題大體涉及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī),且更特別地涉及采用蒸汽冷卻的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。
背景技術(shù):
:由于使用外燃式發(fā)電廠,現(xiàn)代煤電生產(chǎn)在效率上受到限制。熱傳遞表面中使用的材料的最大溫度設(shè)定了卡諾效率的極限。為了實(shí)現(xiàn)效率的提高,煤中的所有可用能量都必須到達(dá)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器。因此,由于與氣體本身的形成相關(guān)聯(lián)的能量損失的原因,產(chǎn)生各種煤合成氣通常是不合乎需要的。為了提高煤發(fā)電的效率,期望的是在燃?xì)廨啓C(jī)中直接燃燒煤以進(jìn)行內(nèi)部燃燒。在燃燒器中直接燃燒煤比燃燒諸如天然氣或各種基于煤的或其它合成氣的氣體燃料會(huì)在燃燒器出口處的燃燒氣體輸出中產(chǎn)生多得多的顆粒,例如燃燒灰。天然氣或各種基于煤的合成氣或其它合成氣一般具有按氣體燃料輸入的重量計(jì)小于0.1%的灰含量。由于燃煤燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒器出口處的燃燒產(chǎn)物氣體的灰含量更高,所以這些渦輪機(jī)在渦輪機(jī)翼型件中呈現(xiàn)出對(duì)薄膜冷卻孔的過(guò)度阻塞(其包括渦輪機(jī)噴嘴葉片和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪葉),特別是位于面向燃燒氣體流的翼型件的前緣上或附近的薄膜冷卻孔。因而,極大地限制了直接燃燒煤來(lái)為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)作燃料。這種限制將煤的直接燃燒限于具有約2,000。F或更低的最大燃燒溫度以及約2,200。F或更低的燃燒器出口溫度的渦輪機(jī)中的試驗(yàn)性或?qū)嶒?yàn)性用途。因此,使用煤來(lái)為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)作燃料還沒(méi)有獲得商業(yè)成功,因?yàn)閷?duì)燃燒溫度所施加的限制使渦輪機(jī)不能實(shí)現(xiàn)期望水平的效率,且通常被限于小于50%的聯(lián)合循環(huán)效率,并且通常限于約42%的效率。除了煤之外,其它潛在燃料(例如如以上所述產(chǎn)生更高的灰含量的精煉殘余物(即焦油、瀝青、焦炭、蠟等)、生物量燃料源等)的直接燃燒由于相同的原因也沒(méi)有被推行,因?yàn)轭A(yù)期它們的顆粒排放將會(huì)導(dǎo)致薄膜冷卻孔的阻塞,從而將它們的用途限于對(duì)應(yīng)于不合需要的渦輪機(jī)效率范圍的燃燒溫度。由于難以使用烴類燃料,例如煤、精煉殘余物和生物量燃料,燃?xì)廨啓C(jī)目前由以下燃料直接提供動(dòng)力該燃料在燃燒器中被燃燒及被導(dǎo)向渦輪機(jī)段以產(chǎn)生動(dòng)力之前已經(jīng)經(jīng)歷了一系列過(guò)程來(lái)清潔和精煉燃料,這一系列過(guò)程在燃燒氣體中產(chǎn)生了按燃料輸入的重量計(jì)小于0.1%的灰含量。但是,產(chǎn)生這些燃料所必需的清潔和精煉過(guò)程具有不合乎需要的它們本身的相關(guān)聯(lián)的成本和效率損失。因此,合乎需要的是使用產(chǎn)生更高灰含量的煤和其它烴類燃料來(lái)直接為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)作燃料以及實(shí)現(xiàn)大于50%的效率。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種蒸汽冷卻的直接燃煤式燃?xì)廨啓C(jī)(direct-firedcoalgasturbine)。該燃?xì)廨啓C(jī)包括燃燒器,該燃燒器構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出提供到具有超過(guò)約2200。F的溫度的渦輪機(jī)入口。熱氣輸出包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)O.1%或更多的量的灰。燃?xì)廨啓C(jī)還包括固定噴嘴,固定噴嘴包括渦輪機(jī)入口,且構(gòu)造成以便接收熱氣輸出。噴嘴包括外帶、內(nèi)帶和在外帶和內(nèi)帶之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片。葉片各自包括具有前緣和后緣、壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的翼型部分,壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁在前緣和后緣之間延伸;以及位于側(cè)壁內(nèi)的葉片冷卻回路,該葉片冷卻回路構(gòu)造成用于來(lái)自噴嘴冷卻回路的作為用于葉片的冷卻劑的蒸汽的循環(huán)。渦輪機(jī)還包括鄰近噴嘴的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,其構(gòu)造成以便接收離開(kāi)噴嘴的熱氣輸出。轉(zhuǎn)子包括中心轉(zhuǎn)子盤和設(shè)置在中心轉(zhuǎn)子盤上的多個(gè)向外延伸的、沿周邊隔開(kāi)的輪葉。輪葉各自具有可移除地附連到盤上的柄部部分;具有前緣和后緣、壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的翼型部分,壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁在前緣和后緣之間延伸;以及位于側(cè)壁和柄部?jī)?nèi)的輪葉冷卻回路,該輪葉冷卻回路構(gòu)造成用于來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路的作為用于輪葉的冷卻劑的蒸汽的循環(huán)。轉(zhuǎn)子構(gòu)造成在接收到熱氣輸出時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供了一種通過(guò)煤或其它高灰含量烴類燃料的直接燃燒來(lái)操作燃?xì)廨啓C(jī)的方法。該方法包括將烴類燃料輸入提供到燃燒器。該方法還包括在燃燒器中燃燒烴類燃料輸入,以將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出提供到具有超過(guò)約2200°F的溫度的渦輪機(jī)入口,熱氣輸出包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)O.1%或更多的量的灰。該方法還包括將熱氣輸出提供到包括渦輪機(jī)入口的固定噴嘴,該噴嘴包括外帶、內(nèi)帶和在外帶和內(nèi)帶之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片。葉片各自包括具有前緣和后緣、壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的翼型部分,壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁在前緣和后緣之間延伸;以及位于側(cè)壁內(nèi)的葉片冷卻回路。該方法還包括通過(guò)來(lái)自噴嘴冷卻回路的作為冷卻劑的蒸汽循環(huán)經(jīng)過(guò)葉片冷卻回路來(lái)冷卻葉片。該方法還包括將離開(kāi)噴嘴的熱氣輸出提供到鄰近噴嘴的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括中心轉(zhuǎn)子盤和設(shè)置在轉(zhuǎn)子盤上的多個(gè)向外延伸的沿周邊隔開(kāi)的輪葉。輪葉各自包括可移除地附連到盤上的柄部部分;具有前緣和后緣、壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的翼型部分,壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁在前緣和后緣之間延伸;以及位于側(cè)壁和柄部?jī)?nèi)的輪葉冷卻回路。轉(zhuǎn)子構(gòu)造成在接收到熱氣輸出時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力。該方法還包括通過(guò)來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路的作為冷卻劑的蒸汽循環(huán)經(jīng)過(guò)輪葉冷卻回路來(lái)冷卻輪葉。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面,燃?xì)廨啓C(jī)包括燃燒器,該燃燒器構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃料產(chǎn)物熱氣輸出提供到具有超過(guò)約2200°F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口。熱氣輸出包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)O.1%或更多的量的灰。該渦輪機(jī)還包括固定噴嘴,固定噴嘴包括渦輪機(jī)入口,構(gòu)造成以便接收熱氣輸出,且構(gòu)造成用于來(lái)自噴嘴冷卻回路的作為冷卻劑的蒸汽的循環(huán)。該渦輪機(jī)還包括鄰近噴嘴的、構(gòu)造成以便接收離開(kāi)噴嘴的熱氣輸出的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子還構(gòu)造成用于來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路的作為冷卻劑的蒸汽的循環(huán)。轉(zhuǎn)子還構(gòu)造成在接收到熱氣輸出時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力。附圖簡(jiǎn)述在說(shuō)明書(shū)的結(jié)論部分處,在權(quán)利要求書(shū)中特別地指明和清楚地要求保護(hù)被視為本發(fā)明的主題。結(jié)合附圖,根據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明,本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn),在附圖中圖1是本文所公開(kāi)的燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪機(jī)段的截面圖;圖2是本文所公開(kāi)的固定噴嘴的放大截面圖;圖3是本文所公開(kāi)的固定噴嘴的透視5圖4是本文所公開(kāi)的輪葉的放大截面圖;圖5是沿圖3的線2-2得到的截面;圖6是圖5的放大細(xì)節(jié);圖7是根據(jù)本發(fā)明的紊流器輪廓的局部截面;以及圖8是圖1所示的輪葉的下部的局部側(cè)視圖,其示出了冷卻劑入口和出口。參照附圖而通過(guò)實(shí)例,詳細(xì)說(shuō)明闡明了本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>10燃燒器158通路160通路162通路164通路166供應(yīng)通路168返回通路169頂蓋170內(nèi)部隔離物172內(nèi)部隔離物174隔離物176隔離物178隔離物180紊流器具體實(shí)施例方式示例性實(shí)施例涉及由烴類燃料(優(yōu)選的是煤、精煉殘余物或各種生物量燃料)作燃料且采用閉路蒸汽冷卻路徑來(lái)冷卻熱氣構(gòu)件的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。作為冷卻介質(zhì),蒸汽被認(rèn)為具有優(yōu)于空氣的優(yōu)點(diǎn),因?yàn)檎羝哂懈叩臒崛萘?。將蒸汽作為冷卻介質(zhì)應(yīng)用于閉路中是有利的,因?yàn)檎羝咝?,因?yàn)榕c將蒸汽用作冷卻劑相關(guān)聯(lián)的各個(gè)渦輪機(jī)級(jí)中的燃燒氣體流中的溫度損失沒(méi)有由于使用壓縮機(jī)放氣來(lái)進(jìn)行冷卻(包括葉片、輪葉和其它渦輪機(jī)構(gòu)件的薄膜冷卻)造成的損失那么大。在基于工業(yè)的燃?xì)廨啓C(jī)中,特別是在采用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的那些中,蒸汽冷卻特別有利,因?yàn)楫?dāng)蒸汽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件時(shí)賦予蒸汽的熱能在聯(lián)合循環(huán)操作中被恢復(fù)為驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)的有用功。另外,當(dāng)燃燒諸如煤的烴類燃料時(shí),包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)0.1%或更多的量的灰的燃燒產(chǎn)物熱氣輸出含量可能會(huì)阻塞位于熱氣構(gòu)件的前緣上的薄膜冷卻孔。因此,合乎需要的是在熱氣構(gòu)件的前緣上不要有任何薄膜冷卻孔。這可通過(guò)使用蒸汽冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。煤的成分變化很大。煤主要由以包括氫以及大量氮和氧的非常復(fù)雜的層式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的六碳原子環(huán)組成。根據(jù)煤的熱值且根據(jù)煤的元素碳的相對(duì)含量來(lái)對(duì)煤進(jìn)行10分類。例如,無(wú)煙煤包含最高比例的純碳(約86%-98%),且具有在所有形式的煤中最高的熱值-13,500-15,600Btu/lb(英國(guó)熱量單位每磅)。煙煤一般具有較低的純碳濃度(從46%至86%)和較低的熱值(8,300-15,600Btu/lb)。常常基于煙煤的熱值對(duì)其進(jìn)行細(xì)分,其分類為低、中,以及高揮發(fā)性煙煤和亞煙煤。褐煤,即在熱值方面最低(5,500-8,300Btu/lb)的純煤,一般包含約46%_60%的純碳。所有形式的煤還包含存在于有機(jī)生命體中的其它元素,例如硫和氮。包括底灰和飛灰的灰是在煤的燃燒中所產(chǎn)生的殘余物中的一種。飛灰物質(zhì)在懸浮于排氣中時(shí)凝固。飛灰顆粒大體為球形,且尺寸在從0.5ym至lOOym的范圍內(nèi)。飛灰顆粒主要由二氧化硅(S叫)、氧化鋁(A1203)和氧化鐵(Fe203)構(gòu)成,二氧化硅以兩種形式存在圓形且光滑的非晶體,以及銳利、尖銳且有害的晶體。飛灰通常是高度不均勻的,其由玻璃顆粒與各種可識(shí)別的晶相(例如石英、多鋁紅柱石)和各種鐵氧化物的混合物構(gòu)成。飛灰還可包含其它化合物,例如氧化鈣(CaO)或石灰。兩類飛灰根據(jù)ASTMC618定義為F類飛灰和C類飛灰。這兩類飛灰的主要區(qū)別是灰中的鈣、硅、鋁和鐵含量的量。飛灰的化學(xué)屬性很大程度上受所燃燒的煤(即無(wú)煙煤、煙煤和褐煤)的化學(xué)含量的影響。由于煤的燃燒而產(chǎn)生的灰渣的范圍可為按作為輸入燃料物質(zhì)而燃燒的煤的重量計(jì)從約5%至約25%或更多。基于所燃燒的煤的類型,以及根據(jù)煤在燃燒之前是否經(jīng)處理以減小灰含量,灰含量可以有很大的變化。可在燃燒之前應(yīng)用各種已知的處理來(lái)"清潔"煤,且從而減少灰含量。無(wú)論如何,不管可能采用何種清潔過(guò)程,煤的灰含量都比在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)燃料(例如天然氣和各種合成氣)中發(fā)現(xiàn)的灰含量要大得多,在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)燃料中,灰含量按燃料輸入的重量計(jì)小于O.1%。類似地,直接燃燒其它烴類燃料(例如包括焦炭、焦油、各種蠟和瀝清的精煉殘余物,以及各種生物量燃料)還將預(yù)期會(huì)產(chǎn)生比用于在燃?xì)廨啓C(jī)中直接燃燒的傳統(tǒng)烴類燃料的灰含量高得多的灰含量。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中,渦輪機(jī)燃燒器10具有入口ll,入口11設(shè)置成與壓縮機(jī)出口(未示出)流體連通,以從壓縮機(jī)出口接收經(jīng)壓縮的出口空氣。提供了包括適當(dāng)?shù)娜剂瞎?yīng)、導(dǎo)管和燃料噴射器的傳統(tǒng)的燃料供應(yīng)器件,以使適當(dāng)?shù)娜剂?例如煤、精煉殘余物或生物量燃料)與經(jīng)壓縮的出口空氣混合,以在燃燒器10中進(jìn)行燃燒,且在燃燒器10中產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物熱氣輸出12。就煤而言,例如,可以粉末形式或含水的泥漿的形式提供煤。在一個(gè)示例性實(shí)施例中,燃燒器10是構(gòu)造成用于燃燒以上所述的烴類燃料中的一種(優(yōu)選地為煤)的烴類燃料燃燒器,且燃燒器10包括多個(gè)沿周邊鄰接的燃燒罐,各個(gè)燃燒罐在燃燒器入口ll(未示出)處包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)混合器,以預(yù)混合燃料和空氣,且在燃料被引入燃料器10中之前對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)處理,在燃燒器10中,燃料在高溫下以相對(duì)高的效率燃燒,以便產(chǎn)生相對(duì)低的碳?xì)浠衔锱欧?。盡管碳?xì)浠衔锱欧畔鄬?duì)低,但是由于本文所述的原因,將預(yù)期燃燒產(chǎn)物熱氣輸出具有按燃料輸入的重量計(jì)O.1%或更多的灰含量。燃?xì)廨啓C(jī)14的性能效率主要由燃燒器IO燃燒溫度確定,該燃燒溫度是剛好在燃燒產(chǎn)物熱氣進(jìn)入第一級(jí)渦輪機(jī)輪葉之前,第一級(jí)渦輪機(jī)噴嘴的后緣處的燃燒產(chǎn)物熱氣的溫度。該燃燒溫度經(jīng)常用作關(guān)于渦輪機(jī)效率的討論的基準(zhǔn),因?yàn)?該溫度是)作為渦輪機(jī)中由熱氣輸出產(chǎn)生動(dòng)力的第一位置的該位置處的溫度。由于蒸汽冷卻越過(guò)噴嘴而產(chǎn)生了相對(duì)小的溫度降,本文已經(jīng)對(duì)渦輪機(jī)入口溫度進(jìn)行了參照,渦輪機(jī)入口溫度是燃燒器出口和第一級(jí)噴嘴入口處的溫度,且是相應(yīng)的噴嘴級(jí)及其相關(guān)聯(lián)的葉片所經(jīng)歷的最高溫度。在聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用中,燃燒溫度的提高會(huì)導(dǎo)致熱效率提高,從而設(shè)置了卡諾效率的極限。熱效率的提高是重要的,因?yàn)闊嵝手苯佑绊憸u輪機(jī)操作燃料成本。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中,燃燒產(chǎn)物熱氣輸出12提供超過(guò)2200°F的渦輪機(jī)入口溫度,同時(shí)熱氣輸出還包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)O.1%或更多的量的灰,且更特別地包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)大于5%的灰含量,且甚至更特別地是按烴類燃料輸入的重量計(jì)從5%至25%的范圍的量。當(dāng)如本文所述使用蒸汽冷卻時(shí),渦輪機(jī)入口處的溫度可超過(guò)2600。F,且具有以上所述的灰量,以實(shí)現(xiàn)用于燃?xì)廨啓C(jī)的更高的循環(huán)效率,且更優(yōu)選地可超過(guò)2800°F,且具有以上所述的灰量,以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的甚至更進(jìn)一步的循環(huán)效率。相信在最高的渦輪機(jī)入口溫度下,即超過(guò)2600。F的那些溫度下,可實(shí)現(xiàn)約60%的聯(lián)合循環(huán)效率。參看圖1,燃?xì)廨啓C(jī)14的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件16在渦輪機(jī)燃燒器10的下游,且包括轉(zhuǎn)子R,其中包括第一級(jí)轉(zhuǎn)子盤20、第二級(jí)轉(zhuǎn)子盤22、第三級(jí)轉(zhuǎn)子盤24和第四級(jí)轉(zhuǎn)子盤26的四個(gè)連續(xù)的級(jí)安裝到可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件16上且形成可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件16的一部分,可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件16構(gòu)造成在接收到熱氣輸出時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分提供動(dòng)力。各個(gè)盤承載多個(gè)輪葉,多個(gè)輪葉包括沿周邊隔開(kāi)且沿著相應(yīng)的中心轉(zhuǎn)子盤20、22、24和26向外延伸的第一級(jí)輪葉28、第二級(jí)輪葉30、第三級(jí)輪葉32和第四級(jí)輪葉34。輪葉向外延伸到渦輪機(jī)16的燃燒產(chǎn)物熱氣輸出12中。輪葉交替地設(shè)置在包括第一級(jí)噴嘴36、第二級(jí)噴嘴38、第三級(jí)噴嘴40和第四級(jí)噴嘴42的固定噴嘴之間。噴嘴36、38、40和42中的各個(gè)噴嘴具有相應(yīng)的內(nèi)帶和外帶(這將在本文進(jìn)行進(jìn)一步描述)以及在內(nèi)帶和外帶之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的噴嘴葉片,包括第一級(jí)葉片29、第二級(jí)葉片31、第三級(jí)葉片33和第四級(jí)葉片35?;蛘?,從前到后介于渦輪機(jī)盤20、22、24和26之間的是各自徑向地位于相應(yīng)的噴嘴36、38、40和42的內(nèi)側(cè)的間隔件44、46、48和50。因此,將理解的是,示出了四級(jí)渦輪機(jī)14,其中第一級(jí)包括噴嘴36和轉(zhuǎn)子盤20;第二級(jí),噴嘴38和轉(zhuǎn)子盤22;第三級(jí),噴嘴40和轉(zhuǎn)子盤24,以及最后,第四級(jí),噴嘴42和轉(zhuǎn)子盤26。將理解的是,盤20、22、24和26以及間隔件44、46、48和50通過(guò)多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的、軸向地延伸的螺栓51固定到彼此上,如在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)造中那樣。在本發(fā)明的一個(gè)非限制性的示例性實(shí)施例中,工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)是GEH系列工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。將對(duì)第一級(jí)噴嘴36和轉(zhuǎn)子盤20進(jìn)行詳細(xì)的描述。結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例,因?yàn)檫@是渦輪機(jī)的最熱的級(jí)。但是,如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解的,對(duì)渦輪機(jī)的這一級(jí)的詳細(xì)描述也可應(yīng)用于其它渦輪機(jī)級(jí)。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中,包括蒸汽27的燃?xì)廨啓C(jī)冷卻介質(zhì)自中壓過(guò)熱器(未示出)和高壓蒸汽輪機(jī)排氣(未示出)噴嘴冷卻回路供應(yīng)到葉片冷卻回路37和轉(zhuǎn)子冷卻回路39。參看圖l,孔口管組件52包括分別限定管狀蒸汽冷卻供應(yīng)通路58和使用后的蒸汽返回通路60的外管54和內(nèi)管56。供應(yīng)和返回通路58、60通過(guò)數(shù)組徑向?qū)Ч芄?yīng)62、徑向返回64和繞轉(zhuǎn)子邊緣沿周邊隔開(kāi)以將冷卻蒸汽供應(yīng)到轉(zhuǎn)子盤20、輪葉28、噴嘴36和葉片29的軸向地延伸的導(dǎo)管(例如軸向返回導(dǎo)管66)分別將蒸汽傳送到轉(zhuǎn)子的外邊緣以及將蒸汽自轉(zhuǎn)子的外邊緣傳送回來(lái)。返回或使用過(guò)的冷卻蒸汽流過(guò)軸向地延伸的返回導(dǎo)管66和徑向地延伸的返回導(dǎo)管64,以通過(guò)返回通路60自轉(zhuǎn)子孔口同軸地流動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中,參看圖1、2和3,提供了包括渦輪機(jī)入口13且構(gòu)造成以便接收燃燒產(chǎn)物熱氣輸出12的固定噴嘴36。噴嘴36包括全局改變(globalchange)外帶68、內(nèi)帶70和在外帶68與內(nèi)帶70之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片29,其中葉片29各自包括葉片冷卻回路37。外帶68和內(nèi)帶70分別固定到多個(gè)葉片29上。將理解的是,以片段來(lái)分別提供外帶68和內(nèi)帶70,以及葉片31,且片段繞渦輪機(jī)14的軸線A(見(jiàn)圖1)以環(huán)形排列設(shè)置。分別在外帶68和內(nèi)帶70之間且包含葉片29的間隙限定了用于通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)14的熱氣輸出12的氣體流動(dòng)通道。外帶68包括部分地限定熱氣輸出12的外帶壁74和分別由前部第一蓋78和后部第一蓋80形成的第一蓋76。內(nèi)帶70包括部分地限定用于熱氣輸出12的通道的內(nèi)壁82和第二內(nèi)蓋84。葉片29分別在外帶68和內(nèi)帶70之間延伸,且被分成蜿蜒的腔體,其中腔體分別包括第一腔體86、第二腔體88、第三腔體90、第四腔體92和第五腔體94。腔體通過(guò)內(nèi)肋條100、102、104和106從葉片29的前緣96到后緣98按順序設(shè)置。如圖3所示,外部腔室108分別位于第一腔體86和第二腔體88的上面,且關(guān)閉它們,且另外的葉片蓋(未示出)位于腔體92的上面。葉片29分別包括分別在前緣96和后緣98之間延伸的壓力側(cè)壁109和吸力側(cè)壁111,以及包括位于側(cè)壁109和111內(nèi)的、構(gòu)造成用于蒸汽27作為冷卻劑進(jìn)行循環(huán)的腔體86、88、90、92和94的葉片冷卻回路37。參看圖2和3,充當(dāng)冷卻介質(zhì)的蒸汽27通過(guò)前蓋78中的蒸汽入口端口107流入外帶68的外部腔室108中。蒸汽必定流過(guò)第一沖擊板110的第一沖擊開(kāi)口,以沖擊冷卻外帶68的外壁74。使用后的沖擊冷卻蒸汽分別流過(guò)第一腔體86、第二腔體88和第四腔體92的側(cè)面開(kāi)口112、114和116。因?yàn)榍惑w在其上端處由蓋板關(guān)閉,所以蒸汽徑向地向內(nèi)流動(dòng),且在插入件118和120內(nèi)流動(dòng)。分別在第一腔體86和第二腔體88中,蒸汽向外地流過(guò)插入件的壁中的沖擊冷卻孔,以沖擊冷卻葉片29的配準(zhǔn)(registering)側(cè)壁109和111。分別來(lái)自第一腔體86和第二腔體88的使用后的冷卻蒸汽沿徑向向內(nèi)流向內(nèi)帶70,通過(guò)導(dǎo)引件125和127離開(kāi)而進(jìn)入內(nèi)部腔室122中。來(lái)自側(cè)面開(kāi)口116的蒸汽沿徑向地向內(nèi)的方向流過(guò)第四腔體92,以便以對(duì)流的方式冷卻葉片29壓力側(cè)壁109和吸力側(cè)壁111,且然后流入腔室122中。內(nèi)部腔室122中的來(lái)自腔體86、88和92的蒸汽流過(guò)第二沖擊板123中的沖擊開(kāi)口,進(jìn)入內(nèi)帶70的外部腔室124中。此使用后的冷卻蒸汽與第三腔體插入件126的徑向內(nèi)端連通,以沿著插入件126徑向地向外流動(dòng)。返回的蒸汽流也流過(guò)插入件126中的沖擊開(kāi)口,以沖擊冷卻鄰近第三腔體90的葉片72的相對(duì)側(cè)壁。然后使用后的蒸汽通過(guò)后蓋80中的蒸汽出口端口129流出片段。同時(shí),壓縮機(jī)排出空氣流入第五腔體94中,且沿著第五腔體94徑向地向內(nèi)流動(dòng),以冷卻后緣98。使用后的冷卻空氣通過(guò)內(nèi)帶70排放到轉(zhuǎn)子的盤間隙中。未被蒸汽冷卻的任何部分將通常結(jié)合空氣冷卻的形式。噴嘴蒸汽冷卻回路和相關(guān)聯(lián)的葉片的蒸汽冷卻回路將優(yōu)選地為閉環(huán)回路。為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率,這些蒸汽冷卻回路還可結(jié)合到蒸汽輪機(jī)中,其中蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。第二、第三和第四級(jí)噴嘴中的全部或部分也可類似地結(jié)合閉環(huán)蒸汽冷卻。未被蒸汽冷卻的渦輪機(jī)級(jí)中的任何一級(jí)中的噴嘴或葉片的任何部分將通常結(jié)合空氣冷卻的形式。在一個(gè)備選實(shí)施例中,第一級(jí)葉片可結(jié)合蒸汽冷卻和空氣冷卻兩者。在本發(fā)明的一個(gè)備選的示例性實(shí)施例中,第二級(jí)噴嘴38、第三級(jí)噴嘴40和第四級(jí)噴嘴42分別可結(jié)合由壓縮機(jī)排出空氣進(jìn)行的空氣冷卻。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中,第二、第三和第四級(jí)噴嘴還可結(jié)合開(kāi)環(huán)空氣冷卻的噴嘴或開(kāi)環(huán)和閉環(huán)噴嘴的組合。例如,后緣腔體可接收來(lái)自壓縮機(jī)排出物的高壓空氣,且包含沿著鄰近后緣的葉片的相對(duì)側(cè)壁的空氣薄膜冷卻流。參看圖4-8,根據(jù)本發(fā)明的鄰近噴嘴36的輪葉28包括附連到平臺(tái)部分130上的翼型部分128,平臺(tái)部分130使輪葉28的柄部132自燃燒流徑中的熱氣輸出12密封開(kāi)。柄部132通過(guò)傳統(tǒng)的燕尾榫134可移除地附連到轉(zhuǎn)子盤20上。天使翼(angelwing)密封件136、138提供葉輪空間腔體的密封。同樣參看圖8,燕尾榫134包括燕尾榫134下方的伸出部140,伸出部140用來(lái)通過(guò)軸向地布置的通路142和144供應(yīng)冷卻蒸汽和將冷卻蒸汽自輪葉上移除,且伸出部140與軸向地定向的轉(zhuǎn)子通路(未示出)連通。翼型部分128分別具有前緣146和后緣148,以及分別具有壓力側(cè)壁150和吸力側(cè)壁152。雖然前緣146沒(méi)有構(gòu)造成用于薄膜冷卻,但是后緣148可以可選地構(gòu)造成用于薄膜冷卻。現(xiàn)在特別地參看圖4,設(shè)置在輪葉28的翼型部分128內(nèi)的轉(zhuǎn)子冷卻回路39限定了具有總共六個(gè)徑向地延伸的通路154、156、158、160、162和164的閉合的蜿蜒回路,其中交替的沿徑向向內(nèi)和沿徑向向外的通路從輪葉28的根部141處的主徑向供應(yīng)通路166延伸到頂部143,轉(zhuǎn)向180°,且然后從頂部143延伸,最終回到根部141而到達(dá)主返回通路168。注意,圖4還顯示了密封翼型部分128的徑向外端的頂蓋169。在所示的實(shí)施例中,有三個(gè)徑向外側(cè)頂部轉(zhuǎn)向和兩個(gè)徑向內(nèi)側(cè)根部轉(zhuǎn)向,從而形成六個(gè)通路,三個(gè)(154、158和162)在沿徑向向外的方向上,且三個(gè)(156、160和164)在沿徑向向內(nèi)的方向上。多個(gè)通路由形成頂部和根部轉(zhuǎn)向的五個(gè)徑向地延伸的肋條或內(nèi)部隔離物170、172、174、176和178隔開(kāi)。這些肋條延伸翼型部分128的全部寬度,即從翼型件128的吸力側(cè)152到壓力側(cè)150。如圖所示,蒸汽27最初向上或沿徑向向外首先流過(guò)后緣通路154,且沿徑向向下或向內(nèi)最后流過(guò)前緣通路164。首先通過(guò)通路142和143在后緣冷卻通路154處輸入蒸汽,因?yàn)檩喨~28的后緣148通常是最難以冷卻的區(qū)域。后緣148還可構(gòu)造成用于薄膜冷卻。后緣148處的薄膜冷卻是可容許的,因?yàn)椴粫?huì)用熱氣輸出12和相關(guān)聯(lián)的灰顆粒來(lái)直接沖擊后緣148,并且由此,后緣148上的薄膜冷卻孔不易受由于底部沖擊以及按烴類燃料輸入重量計(jì)大于O.1%的量的、存在于熱氣輸出12中的飛灰顆粒而引起的阻塞的影響。在通路156-162中使用紊流器180來(lái)增強(qiáng)從輪葉壁到蒸汽冷卻介質(zhì)的熱傳遞。紊流器僅延伸到冷卻通路中,延伸得不足以遠(yuǎn)到限制冷卻劑流,但是遠(yuǎn)到足以增強(qiáng)從輪葉壁到冷卻介質(zhì)的熱傳遞。紊流器180布置、尺寸、高度與寬度的比、斜度(pitch)、定向和圓角半徑全部選擇為以便提供從輪葉壁到蒸汽冷卻介質(zhì)的高效熱傳遞。轉(zhuǎn)子蒸汽冷卻回路和相關(guān)聯(lián)的輪葉的蒸汽冷卻回路將優(yōu)選為閉環(huán)回路。為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率,這些蒸汽冷卻回路還可結(jié)合到蒸汽輪機(jī)中,其中蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。第二、第三和第四級(jí)輪葉的全部或部分還可類似地結(jié)合閉環(huán)蒸汽冷卻。未被蒸汽冷卻的渦輪機(jī)級(jí)中的任何一級(jí)中的轉(zhuǎn)子或輪葉的任何部分將通常結(jié)合空氣冷卻的形式。在一個(gè)備選實(shí)施例中,第一級(jí)輪葉可結(jié)合蒸汽冷卻和空氣冷卻兩者。在本發(fā)明的一個(gè)備選的實(shí)施例中,第一級(jí)輪葉22、第二級(jí)輪葉24和第三級(jí)輪葉36分別可為開(kāi)環(huán)空氣冷卻的,或者空氣由壓縮機(jī)排出空氣供應(yīng)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的組合。例如,后緣通道可接收來(lái)自壓縮機(jī)排出物的高壓空氣,且包含沿著鄰近后緣的輪葉的相對(duì)側(cè)壁的空氣薄膜冷卻流。雖然已經(jīng)結(jié)合僅僅有限數(shù)量的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是應(yīng)當(dāng)容易地理解,本發(fā)明不限于這些公開(kāi)的實(shí)施例。相反,可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改,以便結(jié)合此前未描述但卻與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)?shù)娜魏螖?shù)量的變型、修改、替換或等效布置。另外,雖然已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的多種實(shí)施例進(jìn)行了描述,但將理解的是,本發(fā)明的方面可包括所述的實(shí)施例中的僅僅一些實(shí)施例。因此,本發(fā)明不應(yīng)視為由前述說(shuō)明限制,而是僅由所附權(quán)利要求書(shū)的范圍限制。權(quán)利要求一種燃?xì)廨啓C(jī)(14),包括燃燒器(10),其構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出(12)提供到具有超過(guò)約2200°F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口(13),所述熱氣輸出(12)包括按所述烴類燃料輸入的重量計(jì)0.1%或更多的量的灰;固定噴嘴(36),其包括所述渦輪機(jī)入口(13),且構(gòu)造成以便接收所述熱氣輸出(12),所述噴嘴(36)包括外帶(68)、內(nèi)帶(70)和在它們之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片(29),所述葉片(29)各自具有具有前緣(96)和后緣(98)、壓力側(cè)壁(109)和吸力側(cè)壁(11)的翼型部分,所述壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁(109,111)在所述前緣和后緣(96,98)之間延伸;以及位于所述側(cè)壁內(nèi)、構(gòu)造成用于來(lái)自噴嘴冷卻回路(52)的作為用于所述葉片的冷卻劑的蒸汽(27)的循環(huán)的葉片冷卻回路(37);以及可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(R),其鄰近所述噴嘴(36),構(gòu)造成以便接收離開(kāi)所述噴嘴(36)的所述熱氣輸出(12),所述轉(zhuǎn)子(16)包括中心轉(zhuǎn)子盤(20)和設(shè)置在其上的多個(gè)向外延伸的、沿周邊隔開(kāi)的輪葉(28),所述輪葉各自具有可移除地附連到所述盤上的柄部(132)部分;具有前緣(146)和后緣(148)、壓力側(cè)壁(150)和吸力側(cè)壁(152)的翼型部分(128),所述壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁(150,152)在所述前緣和后緣(146,148)之間延伸;以及位于所述側(cè)壁和所述柄部(132)內(nèi)、構(gòu)造成用于來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路(52)的作為用于所述輪葉(28)的冷卻劑的蒸汽(27)的循環(huán)的輪葉冷卻回路(39),其中,所述轉(zhuǎn)子(R)構(gòu)造成在接收到所述熱氣輸出(12)時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃?xì)廨啓C(jī)(14),其特征在于,所述烴類燃料包括煤、精煉殘余物或生物量。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)廨啓C(jī)(14),其特征在于,所述烴類燃料是煤泥或干煤粉形式的煤。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)(14),其特征在于,所述燃燒器(10)構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出(12)提供到具有超過(guò)約2600。F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口(13)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)(14),其特征在于,所述燃燒器(10)構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出提供到具有超過(guò)約2800°F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口。6.—種操作燃?xì)廨啓C(jī)的方法,包括將烴類燃料輸入提供到燃燒器(10);在所述燃燒器(10)中燃燒所述烴類燃料輸入,以將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出(12)提供到具有超過(guò)約220(TF的渦輪機(jī)入口(13)溫度的渦輪機(jī)入口(13),所述熱氣輸出(12)包括按所述烴類燃料輸入的重量計(jì)0.1%或更多的量的灰;將所述熱氣輸出(12)提供到包括所述渦輪機(jī)入口(13)的固定噴嘴(36),所述噴嘴(36)包括外帶(6S)、內(nèi)帶(70)和在它們之間延伸的多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片(29),所述葉片(29)各自具有具有前緣(96)和后緣(98)、壓力側(cè)壁(109)和吸力側(cè)壁(111)的翼型部分,所述壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁(109,111)在所述前緣和后緣(96,98)之間延伸;以及位于所述側(cè)壁內(nèi)的葉片冷卻回路(37);通過(guò)來(lái)自噴嘴冷卻回路(52)的作為冷卻劑的蒸汽循環(huán)經(jīng)過(guò)所述葉片冷卻回路(37)來(lái)冷卻所述葉片(29);將離開(kāi)所述噴嘴(36)的所述熱氣輸出(12)提供到鄰近所述噴嘴(36)的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(16),所述轉(zhuǎn)子(16)包括中心轉(zhuǎn)子盤(20)和設(shè)置在其上的多個(gè)向外延伸的、沿周邊隔開(kāi)的輪葉(28),所述輪葉各自具有可移除地附連到所述盤上的柄部(132)部分;具有前緣(146)和后緣(148)、壓力側(cè)壁(150)和吸力側(cè)壁(152)的翼型部分(128),所述壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁(150,152)在所述前緣和后緣(146,148)之間延伸;以及位于所述側(cè)壁(150,152)和所述柄部(132)內(nèi)的輪葉冷卻回路(39),其中,所述轉(zhuǎn)子(R)構(gòu)造成在接收到所述熱氣輸出(12)時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力;以及通過(guò)來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路(52)的作為冷卻劑的蒸汽循環(huán)經(jīng)過(guò)所述輪葉冷卻回路(39)來(lái)冷卻所述輪葉(28)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,提供所述烴類燃料包括提供煤、精煉殘余物或生物量。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述烴類燃料是被提供為煤泥或干煤粉的煤。9.一種燃?xì)廨啓C(jī)(14),包括燃燒器(IO),其構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出(12)提供到具有超過(guò)約220(TF的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口(13),所述熱氣輸出(12)包括按所述烴類燃料輸入的重量計(jì)0.1%或更多的量的灰;固定噴嘴(36),其包括所述渦輪機(jī)入口(13),且構(gòu)造成以便接收所述熱氣輸出(12),所述噴嘴(36)構(gòu)造成用于來(lái)自噴嘴冷卻回路(52)的作為冷卻劑的蒸汽(27)的循環(huán);以及可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(R),其鄰近所述噴嘴(36),構(gòu)造成以便接收離開(kāi)所述噴嘴(36)的所述熱氣輸出(12),所述轉(zhuǎn)子(R)構(gòu)造成用于來(lái)自轉(zhuǎn)子冷卻回路(52)的作為冷卻劑的蒸汽(27)的循環(huán),其中,所述轉(zhuǎn)子(16)構(gòu)造成在接收到所述熱氣輸出(12)時(shí)旋轉(zhuǎn),且作為渦輪機(jī)動(dòng)力循環(huán)的一部分而產(chǎn)生動(dòng)力。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃?xì)廨啓C(jī),其特征在于,所述燃燒器(10)構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入,且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出(12)提供到具有超過(guò)約2600。F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口(13),且所述熱氣輸出(12)包括按所述烴類燃料輸入的重量計(jì)大于約1%的量的灰。全文摘要本發(fā)明涉及蒸汽冷卻的直接燃煤式燃?xì)廨啓C(jī)。一種燃?xì)廨啓C(jī)包括燃燒器,該燃燒器構(gòu)造成以便燃燒烴類燃料輸入且將燃燒產(chǎn)物熱氣輸出提供到具有超過(guò)約2200°F的渦輪機(jī)入口溫度的渦輪機(jī)入口,熱氣輸出還包括按烴類燃料輸入的重量計(jì)0.1%或更多的量的灰。渦輪機(jī)還包括構(gòu)造成以便接收熱氣輸出的固定噴嘴,其包括多個(gè)沿周邊隔開(kāi)的葉片和位于葉片側(cè)壁內(nèi)的葉片冷卻回路,葉片冷卻回路構(gòu)造成用于作為冷卻劑的蒸汽進(jìn)行循環(huán)。渦輪機(jī)還包括構(gòu)造成接收離開(kāi)噴嘴的熱氣輸出的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,其包括多個(gè)輪葉和位于輪葉側(cè)壁和柄部?jī)?nèi)的輪葉冷卻回路,輪葉冷卻回路構(gòu)造成用于作為用于輪葉的冷卻劑的蒸汽的循環(huán)。文檔編號(hào)F02C7/18GK101725413SQ20091017409公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2009年10月14日優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日發(fā)明者S·D·德雷珀申請(qǐng)人:通用電氣公司