高壓力比雙轉(zhuǎn)子的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的制作方法
【專利摘要】用于發(fā)電的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，包括高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，其中低壓轉(zhuǎn)子可以從滿功率模式到完全關(guān)閉時的零功率模式運行，其中低壓轉(zhuǎn)子在高電力需求時運行，以將壓縮空氣供給到高壓轉(zhuǎn)子的高壓壓氣機中，并且其中渦輪機廢氣通過由余熱回收蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動第二發(fā)電機。該發(fā)電設(shè)備可以在峰值載荷的25％下運行，同時保持發(fā)電設(shè)備的未使用部分是熱的，以便在需要高功率輸出時容易重啟。
【專利說明】高壓力比雙轉(zhuǎn)子的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總體涉及工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機(注:又稱“燃氣輪機”)，并且更具體地涉及雙轉(zhuǎn)子工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其具有可以獨立于高壓轉(zhuǎn)子操作的低壓轉(zhuǎn)子。
[0002]發(fā)明背景
[0003]在燃氣渦輪發(fā)動機中，例如大框架重型工業(yè)燃氣渦輪(IGT)發(fā)動機，在燃燒室中產(chǎn)生的熱氣流經(jīng)過渦輪機以產(chǎn)生機械功。渦輪機包括一個或多個排或級的定子導(dǎo)葉(vane)和轉(zhuǎn)子葉片(blade)，其在逐步降低的溫度中與熱氣反應(yīng)。渦輪機，進而使發(fā)動機的效率可以通過將更高溫度的氣體通入渦輪機而提高。然而，渦輪機(注:又稱“透平”)入口溫度受限于渦輪的材料性能，特別是第一級導(dǎo)葉和葉片，以及用于這些第一級翼型的冷卻能力的量。
[0004]在用于發(fā)電的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中，在用電需求低的期間，發(fā)動機的功率減小。在用電需求低的期間，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)電設(shè)備具有峰值載荷的40%至50%的低功率模式。在這些低功率模式，發(fā)動機效率非常低并且由此電力的損失比當發(fā)動機在全速以高效率運轉(zhuǎn)的時候高。
[0005]用于今天的工業(yè)和航海燃氣渦輪發(fā)動機在圖12至圖15中示出。這些設(shè)計會遭受幾個主要問題，包括:高循環(huán)壓力比下的低的部件(壓氣機和渦輪機)性能，或低的部分負載部件效率，或當裝備了會限制工作的低功率界限(稱為調(diào)節(jié)比)的NOx(氮氧化合物)燃燒室時，部分負載時高CO(—氧化碳)排放。
[0006]圖12示出單軸IGT發(fā)動機，其具有連接于渦輪機2的壓氣機I，在壓氣機端部具有直接驅(qū)動發(fā)電機3。圖13示出了雙軸IGT發(fā)動機，具有高轉(zhuǎn)子(spool)軸和直接驅(qū)動發(fā)電機3的分離的動力禍輪機4。圖14示出具有同心轉(zhuǎn)子的雙軸航機改型(aero derivative)燃氣禍輪發(fā)動機，其中高壓轉(zhuǎn)子繞低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且其中分離的低壓軸直接驅(qū)動發(fā)電機3。圖15示出了三軸IGT發(fā)動機，其中低壓轉(zhuǎn)子在高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且分離的動力渦輪機4直接驅(qū)動發(fā)電機3。
[0007]圖12IGT發(fā)動機的構(gòu)造最常用于發(fā)電機，并且受限于用于獲得高壓比下的高部件效率的非優(yōu)化軸速。質(zhì)量流入口和出口容量結(jié)構(gòu)上受限于AN2(最后級葉片應(yīng)力)和尖端速度，由于流動中高尖端速度產(chǎn)生的馬赫數(shù)(Mach#)損失會限制入口和出口的直徑。因此對于一個給定轉(zhuǎn)子速度，存在最大入口直徑和用于壓氣機的相應(yīng)流動容量、最大出口直徑和用于壓氣機之前的渦輪機的流動容量、以及由于高Mach數(shù)損失而開始下降的最大渦輪機部件效率。
[0008]由于在高壓比下在單個軸上有額定最大入口流量，轉(zhuǎn)子葉片開始在壓縮流動路徑的高壓區(qū)域變得非常小。在相對高的半徑處的小的葉片高度會由于間隙和泄漏效應(yīng)導(dǎo)致高的損耗。高壓比航空發(fā)動機通過引入分離的高壓和低壓軸來克服這個限制。高壓軸在較快速度下旋轉(zhuǎn)，在允許小半徑的同時還完成每個階段合理的功。這樣的例子在圖14中示出，其為典型的用于發(fā)電的航機改型燃氣渦輪發(fā)動機。高壓轉(zhuǎn)子的速度還受到具有在高壓軸5的內(nèi)直徑(ID)以內(nèi)的低速軸6的限制。這迫使高壓軸流動路徑相對于其它可行的方式而言要到更高的半徑，由此減小高壓轉(zhuǎn)子的速度，導(dǎo)致小半徑葉片，其降低了高壓轉(zhuǎn)子的效率。圖13的設(shè)置類似地受限于如圖12的在高壓比下獲得高部件效率，因為整個壓氣機在一個軸上。
[0009]調(diào)節(jié)比是燃氣渦輪發(fā)動機可以運行(并且還在污染限制下獲得CO排放)的最低功率載荷除以100%滿載荷功率的比值。今天的燃氣渦輪發(fā)動機具有大約40%的調(diào)節(jié)比。一些或許能夠達到30%。低的部分載荷運行需要低的燃燒室出口溫度和低的入口質(zhì)量流動的結(jié)合。低的CO排放需要足夠高的燃燒室溫度以完成燃燒過程。由于必須維持燃燒溫度以控制CO排放，減小功率的最好方式是減小入口質(zhì)量流動。典型的單軸燃氣渦輪發(fā)動機利用多級的壓氣機可變導(dǎo)葉來減小入口質(zhì)量流動。壓氣機流動減少的限制對于如在圖12中的單軸恒定轉(zhuǎn)子速度壓氣機而言大約為50%。圖14的設(shè)置如圖12流動入口質(zhì)量流動減少的設(shè)置類似地受限，因為低壓壓氣機在發(fā)電機的恒定速度下運行。
[0010]圖15的設(shè)置是用于IGT發(fā)動機的當前構(gòu)造中最高效的選擇，但不是最優(yōu)的，因為低轉(zhuǎn)子軸6在高轉(zhuǎn)子軸5內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且這樣高轉(zhuǎn)子軸半徑就不能進一步減小。另外，如果低轉(zhuǎn)子軸6的速度降低以降低入口質(zhì)量流動，存在從HPT(高壓渦輪機)進入LPT(低壓渦輪機)的角度的不匹配，以及流出LPT(低壓渦輪機)和流進PT(功率渦輪機)的流動角度的不匹配，導(dǎo)致在部分載荷下渦輪機性能的不高效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]用于發(fā)電類型的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，具有高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，其中兩個轉(zhuǎn)子可以獨立地運行，這樣能夠獲得小至12%的調(diào)節(jié)比，同時仍然保持發(fā)動機的高效率。發(fā)電機直接連接于高壓轉(zhuǎn)子并且在連續(xù)和恒定的速度上運行。低壓轉(zhuǎn)子由來自高壓轉(zhuǎn)子的渦輪機廢氣驅(qū)動，并且包括可變?nèi)肟谝龑?dǎo)導(dǎo)葉，以調(diào)節(jié)低壓轉(zhuǎn)子的速度。來自低壓轉(zhuǎn)子的壓縮過的空氣供給到高壓轉(zhuǎn)子的壓氣機的入口?？缂壚鋮s器可以用于降低通往高壓轉(zhuǎn)子的壓縮空氣的溫度。
[0012]具有分離操作的轉(zhuǎn)子的雙轉(zhuǎn)子IGT發(fā)動機能夠保持壓氣機和渦輪機的部件效率高達40到55的高壓力比，其允許增加渦輪機入口溫度同時保持廢氣溫度在目前的限制范圍內(nèi)。
[0013]來自兩個轉(zhuǎn)子的渦輪機廢氣可以導(dǎo)入HRSG(余熱回收蒸汽發(fā)生器)，以產(chǎn)生蒸汽用于供應(yīng)蒸汽渦輪機，其驅(qū)動發(fā)電機以進一步增加發(fā)電設(shè)備的總體效率。
[0014]在另一個實施例中，來自低壓壓氣機的一部分壓縮空氣被抽取并且進一步由增壓壓氣機壓縮，然后遞送入用于高壓渦輪機定子導(dǎo)葉的冷卻回路，其中加熱后的冷卻空氣隨后被排入燃燒室。
[0015]在本發(fā)明的又一實施例中，來自高壓轉(zhuǎn)子的渦輪機廢氣用于驅(qū)動中壓動力渦輪機(IPPT)，后者通過動力軸連接至外部載荷，例如發(fā)電機、齒輪箱、壓縮機機或者船用螺旋槳。中壓動力渦輪機的軸在低壓轉(zhuǎn)子內(nèi)經(jīng)過，由此中壓動力渦輪機軸的速度可以通過控制低壓轉(zhuǎn)子的速度而調(diào)節(jié)，由此調(diào)節(jié)從低轉(zhuǎn)子壓氣機到高轉(zhuǎn)子壓氣機提供的壓縮空氣的質(zhì)量流量。在這個實施例中，載荷不是連接于高轉(zhuǎn)子，而是連接于中壓動力渦輪機(IPPT)。
[0016]借助本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子IGT發(fā)動機的設(shè)計，結(jié)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的燃氣渦輪發(fā)動機可以以大于67%的凈熱力學效率運行，其在現(xiàn)有發(fā)動機熱力學效率上得到顯著的提升。
[0017]另外，由于尺寸和質(zhì)量流動的限制，現(xiàn)有的用于發(fā)電的IGT發(fā)動機的功率輸出被限制在大約350MW(兆瓦)。借助本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子設(shè)計，現(xiàn)有的IGT發(fā)動機可以被改裝而以接近雙倍于現(xiàn)有最大功率輸出運行。
[0018]這種雙轉(zhuǎn)子IGT發(fā)動機的其它優(yōu)點在于，一組不同尺寸的現(xiàn)有技術(shù)的單轉(zhuǎn)子IGT發(fā)動機能夠被改裝，這是通過包括改變尺寸和壓力比的本發(fā)明的低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計來達成的，能將壓縮空氣提供給高轉(zhuǎn)子壓氣機。
[0019]用于冷卻渦輪機熱部分的冷卻空氣被再次引入到燃燒室，其中冷卻空氣被排入位于壓氣機的出口和燃燒室的入口之間的擴散器，以防止在擴散器內(nèi)形成邊界層。在擴散器的一個實施例中，來自定子導(dǎo)葉的冷卻空氣平行于壓縮空氣流動相對于擴散器的外壁排放，并且來自轉(zhuǎn)子葉片的冷卻空氣平行于壓氣機相對于擴散器的內(nèi)壁以大于或等于壓氣機排放空氣速度的速度排放，這樣就能限制邊界層的生長。
【附圖說明】
[0020]參閱以下結(jié)合附圖的詳細描述，可更完整地理解本發(fā)明并且可更容易地理解本發(fā)明所伴隨的優(yōu)點和特征，附圖中:
[0021]圖1示出本發(fā)明的具有渦輪翼型冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機的第一實施例；
[0022]圖2示出本發(fā)明的具有跨級冷卻的渦輪翼型冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機的第二實施例；
[0023]圖3示出本發(fā)明的具有跨級冷卻的渦輪翼型冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機的第三實施例；
[0024]圖4示出本發(fā)明的關(guān)聯(lián)于用于產(chǎn)生蒸汽的HRSG，具有跨級冷卻的渦輪翼型冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機的第四實施例；
[0025]圖5示出具有機械脫開的本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的第一實施例的發(fā)電設(shè)備的示意圖；
[0026]圖6示出具有機械脫開的本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的第二實施例的發(fā)電設(shè)備的示意圖；
[0027]圖7示出具有機械脫開的本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的第三實施例的發(fā)電設(shè)備的示意圖；
[0028]圖8示出具有機械脫開的本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的第四實施例的燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖；
[0029]圖9示出具有機械脫開的本發(fā)明的三軸工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)電設(shè)備橫截面視圖的不意圖；
[0030]圖10是用于本發(fā)明的燃氣渦輪發(fā)動機中的壓氣機和燃燒室之間的擴散器的橫截面視圖；
[0031]圖11是用于本發(fā)明的燃氣渦輪發(fā)動機中的壓氣機和燃燒室之間的擴散器的第二實施例的橫截面視圖；
[0032]圖12示出具有在壓縮器端部直接驅(qū)動發(fā)電機的現(xiàn)有技術(shù)的單軸轉(zhuǎn)子IGT發(fā)動機；
[0033]圖13示出具有高轉(zhuǎn)子軸和直接驅(qū)動發(fā)電機的分離動力渦輪機的現(xiàn)有技術(shù)的雙軸IGT發(fā)動機；
[0034]圖14示出具有同心轉(zhuǎn)子的現(xiàn)有技術(shù)的雙軸航空燃氣渦輪發(fā)動機，其中高轉(zhuǎn)子繞低轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且其中分離的低壓軸直接驅(qū)動發(fā)電機;以及
[0035]圖15示出了現(xiàn)有技術(shù)的三軸IGT發(fā)動機，其中低壓轉(zhuǎn)子在高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且分離的動力渦輪機直接驅(qū)動發(fā)電機。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明是帶有渦輪機定子導(dǎo)葉的冷卻的燃氣渦輪發(fā)動機。圖1示出具有燃氣渦輪發(fā)動機的本發(fā)明的第一實施例，包括壓氣機11、燃燒室12以及渦輪機13，其中壓氣機11與渦輪機13通過轉(zhuǎn)子軸連接在一起。渦輪機13具有被冷卻的定子導(dǎo)葉16的第一級。壓氣機11壓縮空氣，空氣隨后在燃燒室12中與燃料燃燒，以產(chǎn)生熱氣體流，熱氣體流經(jīng)過渦輪機13。第二壓氣機14由馬達15驅(qū)動，以比來自第一壓氣機11的壓力更高的壓力壓縮空氣。更高壓縮的空氣然后經(jīng)過渦輪機13中的定子導(dǎo)葉16用于冷卻，并且加熱過的冷卻氣體然后通入燃燒室12，以與燃料以及來自第一壓氣機11的壓縮空氣結(jié)合。
[0037]第二壓氣機14產(chǎn)生高壓壓縮空氣用于定子導(dǎo)葉16的冷卻，這樣它可以然后排放入燃燒室12。沒有來自上一級14的合適的更高壓力，從定子導(dǎo)葉排出的冷卻空氣的壓力不會有足夠高壓以通入燃燒室。
[0038]圖2示出本發(fā)明的第二實施例，其中兩級(14，17)壓氣機(即多級軸向流壓氣機)包括跨級冷卻器21以冷卻壓縮空氣，為了增加兩級壓氣機(14，17)的性能。來自兩級壓氣機(14，17)和跨級冷卻器21的壓縮空氣之后用于冷卻定子導(dǎo)葉16，其然后排放入燃燒室12。具有跨級冷卻器21的兩級壓氣機(14，17)產(chǎn)生比第一壓氣機11壓力更高的冷卻空氣，這樣在定子導(dǎo)葉16冷卻后剩余足夠的壓力以排放入燃燒室12。
[0039]圖3示出本發(fā)明的第三實施例，其中用于定子導(dǎo)葉16的冷卻空氣從第一壓氣機11的下一級(第一級之后)排出，經(jīng)過跨級冷卻器21，并且然后進入第二壓氣機14以增加壓力。來自第二壓氣機14的壓力更高的空氣然后經(jīng)過定子導(dǎo)葉16用于冷卻，并且然后排放入燃燒室12。
[0040]在三個實施例中，第一壓氣機或主壓氣機11為燃燒室12提供大約80%左右的所需空氣。第二壓氣機14為燃燒室12產(chǎn)生剩余的20%。在研究的一個工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中，第一壓氣機或主壓氣機11具有30的壓力比(即出口壓力是入口壓力的30倍)，同時第二壓氣機14具有40的壓力比(即出口壓力是入口壓力的40倍)。
[0041]圖4示出本發(fā)明的另一個實施例，其具有渦輪冷卻和中間冷卻器余熱回收。該燃氣渦輪發(fā)動機包括壓氣機11、燃燒室12、以及渦輪機13，其中渦輪機翼型(例如定子導(dǎo)葉16)被冷卻。向燃燒室12中引入燃料以產(chǎn)生熱氣體流，熱氣體流經(jīng)過渦輪機13。次級流外部壓縮發(fā)生在第一和第二壓氣機32和34并且由馬達31驅(qū)動。中間冷卻器/低壓流發(fā)生器33放置在兩個壓氣機32和34之間(或一個壓氣機的兩級之間)以冷卻壓縮空氣。馬達31驅(qū)動兩個壓縮空氣的壓氣機(或兩級)32和34，用以冷卻渦輪機翼型16。
[0042]燃氣渦輪機13的廢氣用于在余熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)40產(chǎn)生蒸汽。HRSG40產(chǎn)生高壓(HP)蒸汽42，其遞送到高壓渦輪機36以驅(qū)動第一發(fā)電機35ARSG 40還產(chǎn)生低壓(LP)蒸汽43，其與來自HP(高壓)禍輪機排放的LP(低壓)蒸汽結(jié)合，流入低壓(LP)禍輪機37，其驅(qū)動第二發(fā)電機38。煙囪41排出在HRSG 40中用過的渦輪機廢氣。冷凝器39將從LP渦輪機37中排出的蒸汽冷凝成水，其然后流入HRSG 40或至中間冷卻器33。流入中間冷卻器33的水用來冷卻從增壓壓氣機32排出的壓縮空氣，其產(chǎn)生低壓(LP)蒸汽，這些低壓蒸汽與來自HRSG 40的LP(低壓)蒸汽一同流入LP(低壓)渦輪機37的入口。結(jié)果，來自第二壓氣機34的壓縮空氣具有比沒有用中間冷卻器的情況更低的溫度，并且因此渦輪機翼型16的冷卻得以提高。來自渦輪機翼型16的冷卻空氣然后排入燃燒室12與燃料燃燒，并且產(chǎn)生用于渦輪機13的熱氣流。
[0043]圖5的實施例是具有不同心轉(zhuǎn)子的高壓比柔性工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其中取決于電力負載，高壓轉(zhuǎn)子可以協(xié)同或不與低壓轉(zhuǎn)子一起操作。圖5示出的發(fā)電設(shè)備包括主燃氣渦輪發(fā)動機，具有高壓壓氣機51、燃燒室53以及高壓燃氣渦輪機52，通過轉(zhuǎn)子軸連接于發(fā)電機55。主發(fā)動機(51，52，53)和發(fā)電機55用軸承旋轉(zhuǎn)支撐。在用于將入口空氣提供給高壓壓氣機51的一種選擇中，主高壓壓氣機51的入口通過閥門57連接于增壓壓氣機56。高壓壓氣機51和高壓渦輪機52是高壓轉(zhuǎn)子的部分。
[0044]低壓燃氣渦輪機61通過由軸承支撐的轉(zhuǎn)子軸連接于低壓壓氣機62。低壓壓氣機62包括入口引導(dǎo)導(dǎo)葉和可變定子導(dǎo)葉，允許調(diào)整壓縮空氣的流動。低壓燃氣渦輪機61和低壓壓氣機62形成低壓轉(zhuǎn)子，并且與主發(fā)動機或高壓轉(zhuǎn)子51和52是不同心的(可以獨立運行)。類似地，高壓壓氣機還可以包括可變定子導(dǎo)葉，其允許流動匹配和速度控制。這樣，低壓轉(zhuǎn)子61和62可以關(guān)停并且不運行，而主發(fā)動機或高速轉(zhuǎn)子51和52可運行以驅(qū)動發(fā)電機55。低壓壓氣機62的出口由管道67連接于高壓壓氣機51的入口。中間冷卻器65可以用在低壓壓氣機62的出口和高壓壓氣機51的入口之間以冷卻壓縮空氣。閥門66也可以用于控制從低壓壓氣機62到高壓壓氣機51的管道67中的壓縮空氣。圖5示出了在下一級的到高壓壓氣機51的虛線入口，但是也可以位于第一級壓氣機葉片的上游。
[0045]本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機(在圖5中示出一個實施例)的主要優(yōu)勢如下所述?，F(xiàn)有技術(shù)的大框架重型工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機只使用了單個轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子軸直接連接于發(fā)電機。這種設(shè)計允許大量功率傳遞給發(fā)電機，不需要齒輪箱?；谶@些因素，燃氣渦輪發(fā)動機必須以非常特定的等于當?shù)仉娋W(wǎng)同步速度的轉(zhuǎn)子速度運行。通過將燃氣渦輪發(fā)動機的部件分離為模塊化系統(tǒng)，每個模塊都可以單獨優(yōu)化以在集成系統(tǒng)中提供最大性能。并且，實現(xiàn)了功率輸出和操作性的大幅提高。
[0046]燃氣渦輪發(fā)動機的效率已知大體是總體壓力比的函數(shù)。而現(xiàn)有的各IGT限制了可獲得的最大壓氣機壓力比，因為當壓氣機的低壓和高壓區(qū)域以同樣(同步)的速度運行時，不能同時在壓氣機的低壓和高壓區(qū)域獲得最佳效率，而允許低壓和高壓壓氣機各自運行在它們自己的最佳轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置會允許打破現(xiàn)有總體壓力比的壁皇。另外，分隔低壓和高壓系統(tǒng)提高了部件效率和性能匹配。例如，在轉(zhuǎn)動的葉片端點和外靜止罩蓋或現(xiàn)有的各種IGT的環(huán)狀部段之間的間隙必須相對地大，這是由于在低壓系統(tǒng)中部件的尺寸的緣故。在本發(fā)明中，高壓系統(tǒng)中的間隙可以減少，以增加效率和性能。
[0047]本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT實現(xiàn)了更加可操作的系統(tǒng)，這樣發(fā)動機可以在調(diào)節(jié)的或部分功率時傳遞更高的效率，并且發(fā)動機的響應(yīng)性也可以提高。另外，這種設(shè)計相比來自各種IGT的現(xiàn)有技術(shù)的其它可行方式允許更大的調(diào)節(jié)水平。
[0048]在又一個例子中，各種IGT的現(xiàn)有技術(shù)的功率輸出和質(zhì)量流動受限于最后級的渦輪機葉片的可行尺寸。最后級的渦輪機葉片的長度是應(yīng)力限制的，由它掃過的面積(A)與轉(zhuǎn)子速度的平方(N)的乘積來限制。這通常被稱為渦輪機AN2。對于給定的轉(zhuǎn)子速度，渦輪機流率會受限于葉片的掃過面積。如果轉(zhuǎn)子速度可以減小，那么環(huán)狀面積可以增加，并且渦輪機可以設(shè)計為通過更多流量和產(chǎn)生更多功率。這在實質(zhì)上說明了為什么為50Hz電力市場設(shè)計的燃氣渦輪發(fā)動機，其轉(zhuǎn)速為3，000rpm，可以設(shè)計為最大功率輸出能力比為60Hz市場(其轉(zhuǎn)速為3，600rpm)設(shè)計的等同的燃氣渦輪發(fā)動機要大大約44%。如果燃氣渦輪發(fā)動機可以以模塊化部件設(shè)計，包括低壓壓氣機和渦輪機的單獨低壓系統(tǒng)可以設(shè)計為在低速下運行，以允許更大量的空氣傳遞給燃氣渦輪機的高壓(核心)。
[0049]在各種IGT的現(xiàn)有技術(shù)中，隨著壓力比和渦輪機入口溫度增加，尺寸和速度、AN2以及上一級渦輪葉片的限制最終導(dǎo)致效率下降。另外，隨著壓力比增加，壓氣機效率開始下降，這是由于壓氣機后端尺寸的減小，其會導(dǎo)致更高的損耗。在更高的壓力比下，需要相對于從發(fā)動機中線起的半徑而言有非常小的翼型高度。這導(dǎo)致高翼型尖端間隙和次級流動泄漏損耗。本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT通過增加現(xiàn)有技術(shù)大尺寸IGT的流動尺寸到2倍來解決這些IGT現(xiàn)有技術(shù)的問題。一般地，這種流動尺寸增加可能會由于渦輪機AN2的限制而不可能。本發(fā)明的解決方案是從單轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換到雙轉(zhuǎn)子，其允許最后級渦輪機葉片設(shè)計成在低RPM(轉(zhuǎn)速)，其將渦輪機保持在通常的限制內(nèi)。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的通常設(shè)計會將發(fā)電機放置在低轉(zhuǎn)子上，固定發(fā)電機的速度，并且具有更高RPM的高轉(zhuǎn)子發(fā)動機。借助本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT，發(fā)電機被放置在高轉(zhuǎn)子上，并且具有可變速度的低轉(zhuǎn)子。該設(shè)計具有許多優(yōu)點。由于低轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)頻率脫開，可以選擇比同步更低的RPM，其允許LPT(低壓渦輪機)在AN2限制內(nèi)運行。另一個主要的優(yōu)勢在于，低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以在運行中大幅降低，與在具有固定低轉(zhuǎn)子速度的機器上所實現(xiàn)的情況相比，允許發(fā)動機空氣流量和功率輸出大幅減少。與現(xiàn)有技術(shù)的單轉(zhuǎn)子IGT在40%載荷下運行相比，本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT在12%載荷保持更高的燃燒排放溫度。在本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT中，可通過關(guān)閉在高壓壓氣機上的入口引導(dǎo)導(dǎo)葉而減小功率。低和高壓力壓氣機的空氣動力學匹配可利用可變LPT導(dǎo)葉來實現(xiàn)，這些導(dǎo)葉可減小進入LPT的流動面積，由此降低低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
[0050]現(xiàn)有技術(shù)的單轉(zhuǎn)子IGT能夠獲得大約最大功率的40-50%的低功率設(shè)置。本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT能夠獲得大約最大功率的12%的低功率設(shè)置。這種增強的調(diào)節(jié)能力提供了主要的有競爭力的優(yōu)勢，即，施加在來自可變發(fā)電源的電網(wǎng)上的靈活性的需求。
[0051 ]在圖5中，具有煙囪41的HRSG(余熱回收蒸汽發(fā)生器)40用于通過管道64接收來自燃氣渦輪機52和61的廢氣并且產(chǎn)生的蒸汽用于高壓蒸汽渦輪機36和低壓蒸汽渦輪機37，后兩者相連以驅(qū)動第二發(fā)電機38。廢氣最終通過煙囪41排出。在圖5中的虛線代表從高壓燃氣渦輪機排氣到HRSG 40的直接連接，HRSG 40會使低壓燃氣渦輪機61旁通。
[0052]在高電力需求期間，具有高壓壓氣機51和高壓燃氣渦輪機52的主發(fā)動機運行以驅(qū)動發(fā)電機55，其中燃氣渦輪機52的廢氣進入動力或低壓燃氣渦輪機61，以驅(qū)動低壓壓氣機62。隨后，來自低壓燃氣渦輪機61的廢氣流入HRSG40，以產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動兩個蒸汽渦輪機36和37，它們驅(qū)動第二發(fā)電機38。來自低壓壓氣機62的低壓壓縮空氣流入高壓壓氣機51的入
□ O
[0053]在低電力需求期間，低壓燃氣渦輪機61和低壓壓氣機62低速運行，并且來自高壓燃氣渦輪機52的廢氣通過低壓燃氣渦輪機61和管道64流進HRSG40，以產(chǎn)生蒸汽用于兩個蒸汽渦輪機36和37，它們驅(qū)動第二發(fā)電機38，并且由此保持HRSG是熱的，以在發(fā)動機運行在高負載時容易重啟。進入高壓壓氣機51的流量減少至25%的最大流量。由此，主發(fā)動機(51，52，53)可以進入非常低的功率模式?，F(xiàn)有技術(shù)的發(fā)電設(shè)備具有峰值載荷的40%至50% (借助壓氣機中的入口引導(dǎo)導(dǎo)葉)的低功率模式。本發(fā)明可以下至峰值載荷的25%，同時保持蒸汽溫度暫時地高而為發(fā)電設(shè)備熱(通過使熱氣體流經(jīng))，以當需要高功率輸出時容易重啟。中間冷卻器65也可以包括水注射，以冷卻低壓壓縮空氣。
[0054]在介于滿功率和最低功率需求的部分功率條件下，有必要在中等轉(zhuǎn)子速度下運行低壓壓氣機62和低壓渦輪機61。用于控制發(fā)動機的裝置是需要的，以便不完全停止地降低低轉(zhuǎn)子速度，同時保證低壓壓氣機62和高壓壓氣機51的穩(wěn)定運行。若沒有安全控制策略，壓氣機的部分功率空氣動力學的不匹配可以導(dǎo)致壓氣機停滯和/或浪涌，其為了安全和耐久的擔心而要避免。在控制低轉(zhuǎn)子速度同時正確地匹配壓氣機的便利方式是利用可變低壓渦輪導(dǎo)葉63。在部分功率條件下關(guān)閉可變低壓渦輪導(dǎo)葉63減少了流動面積和低壓渦輪機61的流動容量，其導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子(61，62)轉(zhuǎn)動速度的大幅降低。這種轉(zhuǎn)子速度的降低減少了通過低壓壓氣機62的空氣流動，其在部分功率下提供與高壓壓氣機51更好的空氣動力學匹配。
[0055]圖6的實施例類似于圖5中的，但是增加了用于高壓渦輪機52的定子導(dǎo)葉76的冷卻空氣，其然后排入高轉(zhuǎn)子的壓氣機53。為增加本發(fā)明的用于產(chǎn)生電能的發(fā)電設(shè)備(圖6)的總體效率，一些從低壓壓氣機62排出的壓縮空氣可以經(jīng)過中間冷卻器71，通過由馬達73驅(qū)動的壓氣機72，通過管道75并且然后用于冷卻在高速轉(zhuǎn)子的高壓燃氣渦輪機52中的定子導(dǎo)葉76。此冷卻空氣然后經(jīng)過管道77并且排入燃燒室53的入口，并且與來自高壓壓氣機51的壓縮空氣結(jié)合，用于與燃料燃燒，以產(chǎn)生用于驅(qū)動兩個燃氣渦輪機52和61的熱氣體流。由壓氣機72產(chǎn)生的壓縮量足以克服來自冷卻定子導(dǎo)葉76的壓力損失，并且足以保持過壓以流入燃燒室53。LPC 62的沒有經(jīng)過中間冷卻器71的流量經(jīng)過了可選的中間冷卻器65，沿著該路徑到達高壓壓氣機51的入口。
[0056]圖7的實施例與圖6中的實施例類似，但是只有一個中間冷卻器65用于冷卻進入高壓壓氣機51和高壓渦輪機52的定子導(dǎo)葉76的壓縮空氣。增壓壓氣機72由馬達73驅(qū)動，用于提升低壓壓氣機62的壓力至足夠高以經(jīng)過定子導(dǎo)葉76，以具有足夠的壓力流入燃燒室53。
[0057]在圖6和圖7的燃氣渦輪機的實施例中，用于冷卻高壓渦輪機中定子導(dǎo)葉的壓縮空氣被注射入燃燒室53。在本發(fā)明的另一個實施例中，擴散器(注:又稱“擴壓器”)101(例如在圖1O和圖11中所示的)放置在高壓壓氣機51的出口和燃燒室53的入口之間，其擴散壓縮空氣流。為了控制擴散空氣流的邊界層流動，在進入燃燒室53之前，來自高壓渦輪機52的定子導(dǎo)葉104和轉(zhuǎn)子葉片105的冷卻空氣被排入擴散器，以與來自高壓壓氣機81的壓縮空氣混合。在圖10的實施例中，來自定子導(dǎo)葉76的冷卻空氣排入圍繞擴散器101的外腔室102，其將冷卻空氣流引導(dǎo)至與從壓氣機81排出的壓縮空氣106平行的方向。以類似的方法，來自轉(zhuǎn)子葉片的冷卻空氣排入內(nèi)腔室103，這些冷卻空氣平行于來自壓氣機的排出的壓縮空氣106。來自兩個腔室102和103的冷卻空氣加速至等于或大于來自壓氣機的壓縮空氣106的速度，以防止邊界層的形成。
[0058]圖11示出擴散器101的第二個實施例，其中來自定子導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子葉片的冷卻空氣通過薄膜冷卻孔108的配置排入擴散器101。
[0059]圖8示出本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)子渦輪增壓IGT的橫截面設(shè)置。具有可變面積噴嘴的低壓渦輪機61位于流動殼體內(nèi)，緊鄰高壓渦輪機52的出口后面，這樣來自高壓渦輪機的流動直接流入低壓渦輪機而沒有損失。從LPT 61至LPC 62的轉(zhuǎn)子軸穿過殼體，該殼體形成渦輪機熱氣體排氣管和空氣進入LPC 62的入口。LPC 62通過管道67連接于HPC 51的入口。高轉(zhuǎn)子(包括HPC 51和HPT 52)直接驅(qū)動發(fā)電機55。
[0060]圖9示出本發(fā)明的一個實施例，其中發(fā)電設(shè)備可以用以驅(qū)動負載85，其中負載可以是發(fā)電機或壓氣機或船用螺旋槳。圖9中的發(fā)電設(shè)備包括如前述實施例的高轉(zhuǎn)子和低轉(zhuǎn)子，但是具有中壓動力渦輪機(IPPT)，其由來自HPT(高壓渦輪機)的廢氣驅(qū)動，以通過自由軸(FS)驅(qū)動載荷85。高壓壓氣機81通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地連接于高壓渦輪機82，其中燃燒室83位于其間，以形成高(壓)轉(zhuǎn)子。低壓渦輪機91旋轉(zhuǎn)地連接于低壓壓氣機92以形成低(壓)轉(zhuǎn)子。LPT包括可變?nèi)肟谝龑?dǎo)導(dǎo)葉或噴嘴93。高壓壓氣機81也具有多個可變定子導(dǎo)葉(VSVhmS動力渦輪機(IPPT)84位于HPT 82緊接著的下游，并且通過穿過低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部的自由軸(FS)連接于負載85。壓縮空氣管道67將LPC 92的出口連接于HPC 81的入口，并且可以包括中間冷卻器65。增壓壓氣機56可以用以在低轉(zhuǎn)子(91,92)低位運行時，將低壓壓縮空氣供給到HPC 81?？蛇x的HRSG 40連接于LPT的排氣以將渦輪機廢氣轉(zhuǎn)換為蒸汽，并且驅(qū)動高壓蒸汽渦輪機36和低壓蒸汽渦輪機37，這兩者都驅(qū)動發(fā)電機38。動力渦輪機84和HPT 82相互靠近地位于一殼體中，就如同在圖8中的LPT 61和HPT 52。如果發(fā)動機用于推動輪船，則HRSG或許不需要。
[0061]圖9的雙轉(zhuǎn)子IGT示出另一種新型配置，其具有圖5至圖7的許多相同特征。然而，通過連接到載荷的低壓軸，允許機械的或發(fā)電機載荷速度獨立于燃氣渦輪發(fā)動機高壓軸速度運行。這種獨立的載荷軸速度特征通常對于機械載荷是最重要的。FS(自由軸)仍能自由減慢以提高部分載荷性能以及調(diào)低至載荷的12%。注意，低壓軸穿過FS的ID(內(nèi)徑)，因為FS相對于HP軸運行在低速和較高半徑上。由此，HP軸速度可以在這種設(shè)置中保持較高。
[0062]圖9的發(fā)電設(shè)備的選擇包括:中間冷卻從LPC(低壓壓氣機)92到HPC(高壓壓氣機)81的整個流動;僅僅中間冷卻用于冷卻HPT(高壓渦輪機)82中定子導(dǎo)葉的壓縮空氣；以及僅僅中間冷卻用于冷卻定子導(dǎo)葉的冷卻空氣，以及用單獨的增壓壓氣機使冷卻空氣過壓。在所有的設(shè)置中，可變形狀的HPC81用于與可變LPT的導(dǎo)葉93—起控制速度。
[0063]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明不限于本文上面已經(jīng)具體示出和描述的內(nèi)容。而且，除非與上面提到相反，應(yīng)注意，所有的附圖不是按比例的。根據(jù)上面的教導(dǎo)，各種改型和變型是可能的而不脫離僅由下面權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍和精神。
【主權(quán)項】
1.用于發(fā)電的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，所述工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機包括: 高壓轉(zhuǎn)子，其具有高壓壓氣機和高壓渦輪機； 發(fā)電機，其連接于高壓轉(zhuǎn)子，以產(chǎn)生電力； 低壓轉(zhuǎn)子，其具有低壓壓氣機和低壓渦輪機，所述高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子獨立運行；以及 所述低壓轉(zhuǎn)子的所述低壓壓氣機的出口連接于所述高壓轉(zhuǎn)子的所述高壓壓氣機的入□O2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述低壓轉(zhuǎn)子的所述低壓壓氣機包括可變?nèi)肟谝龑?dǎo)導(dǎo)葉。3.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述低壓轉(zhuǎn)子的所述低壓渦輪機包括可變?nèi)肟谝龑?dǎo)導(dǎo)葉。4.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述低壓轉(zhuǎn)子不連接于發(fā)電機，并且在低功率需求時能夠關(guān)閉。5.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，還包括: 中間冷卻器，其連接在所述低壓壓氣機和所述高壓壓氣機之間，以冷卻壓縮氣體。6.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述高壓渦輪機直接連接于所述低壓渦輪機，這樣來自所述高壓渦輪機的廢氣不需要擴散而流進所述低壓渦輪機的入□O7.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于: 所述低壓壓氣機的出口包括旁通管道，其將壓縮過的冷卻空氣通往所述高壓渦輪機的熱部分以冷卻所述熱部分；以及 來自所述高壓渦輪機的熱部分的冷卻空氣通過位于燃燒室上游的擴散器排入燃燒室。8.如權(quán)利要求7所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，來自所述熱部分的冷卻空氣在平行于來自壓氣機排放的壓縮空氣的方向上排入擴散器，這樣就限制了擴散器內(nèi)的邊界層。9.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，還包括: 壓縮空氣排出管道，其在低轉(zhuǎn)子的低壓壓氣機的出口的下游連接于高壓轉(zhuǎn)子中的渦輪機的定子導(dǎo)葉中的閉環(huán)冷卻回路； 所述渦輪機的定子導(dǎo)葉中的閉環(huán)冷卻回路連接于高壓轉(zhuǎn)子的燃燒室的入口； 跨級冷卻器，以冷卻從低壓壓氣機到渦輪機定子導(dǎo)葉的冷卻空氣；以及增壓栗，以增加冷卻空氣的壓力，這樣就使定子導(dǎo)葉的冷卻以足夠的壓力完成，以將冷卻氣體從定子導(dǎo)葉排出到燃燒室。10.一種用于驅(qū)動載荷的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，所述發(fā)動機包括: 高壓轉(zhuǎn)子，其具有由高壓渦輪機驅(qū)動的高壓壓氣機； 低壓轉(zhuǎn)子，其具有由低壓渦輪機驅(qū)動的低壓壓氣機； 所述高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子能夠互相獨立地運行； 中壓動力渦輪機，其連接于高壓渦輪機的出口，由此使來自高壓渦輪機的廢氣驅(qū)動中壓動力渦輪機； 所述低壓壓氣機的出口連接于所述高壓壓氣機的入口 ； 載荷，其由中壓動力渦輪機通過自由軸驅(qū)動；以及 自由軸，其穿過所述低壓轉(zhuǎn)子的軸。11.如權(quán)利要求10所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述載荷是發(fā)電機、壓縮機和船用螺旋槳中的一種。12.如權(quán)利要求10所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，還包括: 中間冷卻器，其連接于在所述低壓壓氣機和所述高壓壓氣機之間的壓縮空氣流動管道，以冷卻壓縮空氣。13.如權(quán)利要求10所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述低壓轉(zhuǎn)子的所述低壓渦輪機包括可變?nèi)肟谝龑?dǎo)導(dǎo)葉。14.如權(quán)利要求10所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于: 所述低壓壓氣機的出口包括旁通管道，其將壓縮過的冷卻空氣通往所述高壓渦輪機的熱部分以冷卻所述熱部分；以及 來自所述高壓渦輪機的熱部分的冷卻空氣通過位于燃燒室上游的擴散器排入燃燒室。15.如權(quán)利要求14所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，還包括: 增壓栗，以增加用于所述熱部分的冷卻空氣的壓力，這樣就使來自熱部分的冷卻空氣具有足夠的壓力以流入燃燒室。16.如權(quán)利要求10所述的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，還包括: 余熱回收蒸汽發(fā)生器，其具有驅(qū)動發(fā)電機的蒸汽渦輪機；以及 余熱回收蒸汽發(fā)生器的入口連接于低壓渦輪機的出口，這樣就使低壓渦輪機的廢氣用來產(chǎn)生用于蒸汽渦輪機的蒸汽。
【文檔編號】F02C7/36GK105849370SQ201480061968
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年9月11日
【發(fā)明人】J·D·布魯斯特梅耶, J·T·賽杰卡, R·B·瓊斯
【申請人】佛羅里達渦輪技術(shù)股份有限公司