CN1007075B - 提高了热效率的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

提供一种燃气轮机，它具有压缩装置、燃烧装置、第一涡轮和第二涡轮，通过位于至少一部分压缩装置下游以及第一涡轮控制面积上游的发动机第一个位置从旁路引走一部分发动机工作气流，并至少将一部分从旁路引走的气流重新喷射到第一涡轮控制面积的下游，以提高热效率和输出功率。高压蒸汽在发动机进行从旁路引气的位置和将旁路所引气流喷进工作气流的位置之间的地方喷入。喷射的蒸汽质量流量大体上与从旁路引走的气流的质量流量相等。

Description

本发明涉及燃气轮机，更具体地说是涉及适合于引入蒸汽流的燃气轮机。

陆用或船用的燃气轮机经常是由航空发动机改型而来，这种发动机的设计保证在飞机上工作时能得到最高的热效率。发动机设计时预先就规定了它的特性，如决定质量流量的压力和容积范围。设计还应使压缩机和涡轮的工作相匹配，以避免压缩机接近喘振状态。在技术上有时也称之为提供一个“喘振裕度”，而将压缩机设计成使其沿压缩机的工作曲线工作。

因为这种改型的燃气轮机是用于陆地或船上的，所以有可能通过向发动机主气流中引入额外的高能量流体以提高热效率和输出功率。这种高能流体，有时采用蒸汽，它的定压比热Cp大于流过发动机的常规工作气流的定压比热Cp。将这种高能流体喷入燃气轮机中去的方案在约翰逊（Johnson）1984年4月27日申请的并转让给了本发明的受让人的专利申请系列号为604670中已作了介绍，因此本文参考了该申请中有关的内容，如那个申请中所述，作为高能流体的蒸汽可以利用燃气轮机产生的热将水转换为蒸汽来获得，或者蒸汽也可以来自外部的能源，如过剩的工业生产用汽。然而，为了避免过分昂贵的重新设计和改造加工设备使这些燃气轮机的结构能适于喷射蒸汽，应能做到在对非航空用的发动机喷射蒸汽时，保持预先确定的或预先设计的发动机工作特性。例如，最理想的是能保持压缩装置和与其共同工作的涡轮之间稳定工作和保持通过发动机的质量流量特性。

本发明的主要目的是提供一种通过使用高能蒸汽提高热效率和输出功率的燃气轮机以及制造和控制这种发动机的方法。

本发明的另一个目的是通过用高能流体取代构成燃气轮机工作气流的这种低能流体以提高热效率。

本发明还有一个目的是改进现有设计的燃气轮机以提高那些具有预定工作特性的发动机的热效率和输出功率。

本发明以上的目的和其它目的以及本发明的优点可从下面的详细介绍、附图和实施例中得到全面的了解。

简单地说，本发明的一种形式是提供一种燃气轮机，它按工作气流的流动方向依次包括，压缩装置，燃烧装置，第一涡轮和第二涡轮，此外还具有一个气流旁路装置，它在发动机第一个位置与发动机相连，该位置位于至少部分压缩装置的下游和第一涡轮控制面积，例如涡轮导向器的上游。旁路装置用于从发动机气流中引出具有第一压力的一部分工作流体。此外还包括一个第一喷射装置，它接受从气流旁路装置来的气流并在第一涡轮控制面积下游的第二个发动机位置与发动机相连。第一喷射装置用于将由旁路装置引走的工作气流的至少一部分重新喷射到发动机气流中。发动机的第二个位置选择为使该处工作气流的压力低于第一压力以保证正向流动。第一阀门装置与旁路装置及第一喷射装置协同工作以调整在第一个位置处从旁路引走的和在第二个位置处喷射进的流量。在发动机的第一和第二位置之间的第三位置处，第二喷射装置将高能蒸汽喷射进发动机的工作气流中，喷射压力大于第三位置处工作气流的压力以保证正向流动。在第三个位置喷射的蒸汽之质量流量大体上等于在第一个位置处从旁路引走的气流的质量流量。由此可见，通过发动机的质量流量基本上保持不变。第二阀门装置与第二喷射装置协同工作以调整通过第二喷射装置所喷射的蒸汽量。第一和第二阀门装置根据发动机的工作特性由控制装置操纵以控制和调整通过第一和第二阀门装置中的气流量和蒸汽量进而保持预定的发动机设计气流压力特性和容积特性不变。

本发明的另一种形式是一种控制上述普通燃气轮机以提高其热效率和输出功率的方法。它采取的措施是从发动机的第一区引出一部分气流并至少将此引出气流的一部分重新喷射到下游的第二区中去。高能蒸气喷入发动机第三区，蒸汽的质量流量大体上等于引走的气流的质量流量。控制和调整如上所述发动机工作气流的旁路和蒸汽的喷射以保持发动机预定的设计特性不变。

在本发明的再一种形式中，提供了一种改进上述现有设计普通燃气轮机以提高其热效率的方法。该方法包括在发动机的第一个位置连有一个旁路装置，而第一喷射装置在第二个位置与发动机相连，第一阀门与旁路气流相连以调整从发动机旁路引出和回到发动机的工作气流的流量。第二喷射装置在第三个位置与发动机相连，它包括第二阀门装置，用以调整蒸汽的喷射量。如上所述控制***根据发动机的工作特性操纵第一和第二阀门装置以便控制气流和蒸汽的流量。以提高发动机的热效率和输出功率使其超过现有发动机设计时所预定的热效率。

本发明以其最佳方案提供了一种改进现有设计的并具有原设计的气流压力和容积特性的燃气轮机的方案。这一方案是通过以高能流体如高能蒸汽来替代一部分低能量的发动机工作气流，例如被压缩机压缩过的或从压缩机放出的气流来达到的，而且这时基本上保持了同样的通过发动机的质量流量。这些能量较低的工作气流被再引入或喷射到控制面积的下游，如第一涡轮，一般为高压涡轮导向器的下游。旁路气流和喷射蒸汽的调整是由控制装置实现的，该控制装置根据发动机的工作特性进行工作以保持发动机预定的设计气流压力和容积特性。

下面参考附图对本发明作全面的介绍，但这些附图只是作为所附权利要求规定的本发明范围的概述和典型实例而本发明不受这些实例的限制。

图1为本发明结构比较简单的发动机示意图;

图2为本发明结构较为复杂的发动机示意图。

参看图1，燃气轮机10按工作气流流动的方向依次包括压缩装置12，如单转子压缩机、燃烧装置，如燃烧室14、第一涡轮16和第二涡轮18。通常，引入发动机进口的空气被压缩装置压缩并用于供应燃烧装置与引入该处的燃料燃烧。之后，燃烧产物通过第一涡轮16膨胀，该涡轮用于驱动压缩机12。接着，工作流体从第一涡轮16流出，并通过第二涡轮18继续膨胀，第二涡轮在本例中能作为动力涡轮例如可通过功率传送装置如轴21去驱动诸如泵，发电机等装置。

根据本发明，对这样一种典型的燃气轮机进行改型，或另外还包括一个气流旁路装置20，它在涡轮控制面积，例如第一涡轮16的涡轮导向器24上游的发动机第一个位置22处与发动机相连。如图1所示，第一个位置位于压缩机12下游附近。至少有一部分由旁路20引出的工作气流被第一个 喷射装置28在发动机第一个装置的下游和第一涡轮的涡轮控制面积24下游的发动机第二个位置26处进入或重新回到发动机气流中。在位置26处未返回的工作气流可排入或引入一台附加的、独立的涡轮。第一阀门装置30与旁路装置20和第一喷射装置28协同工作以调整从第一个位置22旁路引走的和在第二个位置26喷射进的气流流量。发动机的第一个位置22和第二个位置26选择为在发动机第二个位置26处发动机工作气流的压力低于发动机第一个位置22处的压力、使旁路气流沿正向流动。

第二个喷射装置32连接于发动机的第三个位置34上，它位于发动机的第一位置22和涡轮控制面积24之间，以向发动机工作气流中喷射入高能蒸汽，高能蒸汽的压力大于在发动机第三位置34处的工作气流压力。第二阀门装置36与第二喷射装置32协同工作用于调整由第二喷射装置喷射入发动机中的蒸汽量。蒸汽源38用于通过阀门36给第二喷射装置供应蒸汽，该蒸汽源可以是发动机外部的汽源，如过剩的工业生产用汽或利用发动机中如在发动机排气口处形成的热将水加热后所产生的蒸汽。

第一阀门30和第二阀门36由控制装置40根据发动机特性或如在压缩机12、第一涡轮16、第二涡轮18等处的参数进行操纵。由控制装置40感受这些参数在图中以点划线42、44和46示意表示。控制装置40操纵阀门36控制在第三个位置34处喷入发动机的蒸汽量，该蒸汽量的质量流量大体上等于从发动机第一个位置通过旁路20抽走的气流的质量流量。

图2中与上面图1中有关的相同部件采用相同的标号，图2表示了一种比较复杂的发动机***，其中，第一涡轮16是高压涡轮，它驱动高压压缩机12，而第二涡轮19是低压涡轮，它驱动有时被称为增加器的低压压缩机13。

第二涡轮19的下游是动力涡轮18，它在这里是通过轴21代表的、在技术上熟知的动力装置驱动外部设备，如泵，发电机或船用螺旋桨等。

在图2所示的结构中，至少有一部分蒸汽是由水源48通过发动机排气段52中的热交换器50产生的，该部分的详细结构描述于上述相关的，系列为604670的申请中。如在那个申请中所述，蒸汽也可以来自外部，来自排气段的热交换器，来自压缩装置级间的中间散热器或它们的组合，它取决于希望在发动机第三个位置34处喷入发动机中的蒸汽量。

如前所述按本发明的最佳形式，控制装置40分别操纵阀门30和36以抽出和重新喷射入发动机工作气流和喷射高能蒸汽，通过这一控制保持了压缩装置的工作曲线，压缩装置在图1中是以压缩机12来表示，图2中是以增压器13和高压压缩机12表示的。当然压缩装置应该理解为也还包括图1中压缩机12的上游和图2中的低压压缩机或增压器上游所附加的风扇装置。其目的是保持转子转速与发动机原始设计相同。这能保持压缩装置的喘振裕度，并保持压缩装置的最有效工作曲线以便在压缩装置的最大允许工作曲线上工作，以得到最高热效率或最大功率。控制装置40感受发动机中的工作条件和工作参数并控制阀门30和36以维持那些预定的状态。通过旁路装置20从旁路引出并通过喷射装置28重新喷射到发动机中去的发动机工作气流的量取决于所能得到的取代这些气流而且其质量流量大体上与这些气流相等的蒸汽量。尽管希望从旁路引走尽可能多的发动机气流并用高能蒸汽来取代它，然而旁路气流的量不能太大，旁路气流量太大会导致使工作气流不能保证供应燃烧室的正常燃烧所需要的氧气。此外，如果旁路气流大于能用于取代这些气流的蒸汽量，则会降低发动机的性能。在实用中使旁路气流量和以蒸汽代替的气流量相平衡，以避免由于混合不完全以及燃烧室可燃性的限制使温度和压力变化。

关于发动机中第一、第二和第三个位置之间的关系，根据本发明，从发动机第一个位置22引出的旁路气流可以设置于涡轮控制面积，如第一涡轮16的涡轮导向器24上游的任何位置，并在该控制面积下游的任何位置重新喷入。大体上取代从发动机旁路流掉的气流的质量流量的蒸汽喷射可以在发动机的第三个位置34进行，第三个位置位于发动机第一位置22的下游，直到并包括第二个位置26，发动机的第一个位置22最好位于压缩装置的后几级中，或在它的出口23，如图1和2中所示。然而，根据本发明，发动机第三个位置34设于压缩装置的下游，因为高能或过热蒸汽是在比压气机出口压力高的压力下供入的，例如，蒸汽由水 泵和锅炉***产生的。使用发动机压缩机去压缩蒸汽会造成***损失。

如前所述，在本发明的最佳形式中，其目的是抽出发动机压缩装置中的，如图2中为高压压缩机12中或压缩装置下游能量最低的气流（如空气），并以质量流量大体上相同的高能蒸汽代替它们。本发明中所用的术语“高能蒸汽”是指饱和蒸气，蒸汽的质量和焓的乘积大于蒸汽所替代的发动机气流（如压缩空气）的质量和焓的乘积。旁路的发动机工作气流在发动机的第二个位置26重新引入或重新喷入是为了回收旁路的低能气流的能量。在以大体上相等的质量流量基础上替代旁路了的发动机工作气流就意味着喷射蒸汽的质量流量一般不能大于发动机工作气流的质量流量。然而，只要蒸汽的质量流量和焓的乘积大于抽出的发动机流体的质量流量和焓的乘积，蒸汽质量流量可稍低于抽出的发动机工作气流的质量流量。

通过本发明以高能蒸汽替代低能空气达到提高性能的具体实例示于下列表Ⅰ及表Ⅱ中，由此可进行比较。这些对同一发动机计算而得到的表中的数据是基于图2中所示的发动机结构。表Ⅰ是没有旁路空气流和没有蒸汽喷射的数据;表Ⅱ是基于旁路空气量占发动机总工作气流重量的2.8%，而喷射入的蒸汽亦占发动机总工作气流重量的2.8%的计算数据，如所说明的那样，这里是以高能蒸汽替代了低能空气。

在表Ⅱ中，所有的热焓都是以蒸汽在绝对华氏温标0°时为基准的。比较这些数据可以看出，在本发明实施例中由于以质量流量相等的高能蒸汽替代了一部分空气流量，很明显地将轴马力从44700增加到46345，而热效率从37.8%提高到39.6%。然而，仍保持了发动机原始设计的总压和容积特性。此外，由于按照本发明以高能蒸汽替代旁路到图2中所示高压涡轮16的第一级导向器喉部控制面积下游，如表Ⅱ中总温所示降低了涡轮转子的进口温度58°F（2112°F-2054°F）。从压缩机中或其出口旁路气流的多或少相应地决定了降低涡轮转子进口温度降低的多或少，空气旁路位置进一步离压缩机出口下移将导致减少涡轮转子进口温度的降低量。

本发明的另一种形式是提供一种改进现有设计的燃气轮机的方法，这种燃气轮机如上所述，包括压缩装置，燃烧装置、第一涡轮和第二涡轮。改进之前的发动机具有预定的热效率、气流压力和容积特性。这一方法包括在发动机的第一位置处连接了一个旁路装置，用于抽走一部分发动机工作气流作为旁路气流。第一喷射装置与旁路装置以及发动机的第二位置相连，用于至少将旁路装置从旁路引走的工作气流中的一部分返回发动机气流中，本发明的改进措施还包括将第一个阀门装置连接于旁路气流中，以调整从第一个位置所旁路的工作气流量，并控制喷入第二位置中的气流量。本方法还包括将第二喷射装置与发动机第三个位置相连，如上所述它用于向发动机工作气流中喷射高能蒸汽，第二喷射装置包括第二个阀门装置，用于调整蒸汽的喷射量。一个控制装置与第一和第二阀门装置相连，如上所述分别地通过第一和第二个阀门装置控制气流和蒸汽的流量。

本发明的另一内容是控制燃气轮机以改善其热效率和输出功率的方法，该发动机具有预定的设计气流压力和容积特性，并具有压缩装置、燃烧装置、第一涡轮和第二涡轮。本方法包括在发动机的第一工作位置从发动机的气流中抽出一部分工作气流，并至少将抽出的气流的一部分喷入第一涡轮控制面积下游的气流中。而且，高能蒸汽在上面所述的发动机第三个位置喷入发动机的气流中，其数量大体等于抽走气流的质量流量。在发动机第一个位置抽走的和在第二个位置喷入的工作气流量以及在发动机第三个位置喷入的蒸汽量要进行调节，以大体保持发动机预先设计的气流压力和容积特性。

虽然本发明以不同的形式和以各种实施例作了介绍，但很明显对于熟悉本技术的人可以在不离开本发明权利要求的范围内进行各种改进。

表Ⅰ

无旁路气流;无喷射蒸汽

图2中的位置    12    13    21    23    24

轴马力    44700

热效率    0.378

总温（°F）    971    2112

总压（绝对压强）    394.4    374

增压器空气流量（磅/秒）    274.1

压缩机空气流量（磅/秒）    272.9

表Ⅱ

2.8%重量的旁路气流和2.8%重量的替代蒸汽

图2中所示位置    12    13    21    23    24    20    22    26    32    34

轴马力    46345

热效率    0.396

总温（°F）    970    2054

总压（绝对压力）    394.4    374

增压器空气流量    274.5

（磅/秒）

压缩机空气流量    273.3

（磅/秒）

旁路空气

空气流量（磅/秒）    7.64    7.64    7.64

温度（°F）    633    633    633

压力（绝对压强）    131.3    131.3    131.3

空气热焓（英热量单位BTU/磅）    264.2    264.2    264.2

替代蒸汽

流量（磅/秒）    7.65    7.65

温度（°F）    685    685

压力（绝对压强）    394    394

蒸汽热焓（英热量单位BTU/磅）    491.5    491.5

Claims (3)

1、一种燃气轮机，它按气流流动方向依次具有压缩装置、燃烧装置、第一涡轮和第二涡轮，该发动机包括有连接于发动机上第一个位置的旁路装置，其特征为：该位置位于至少一部分压缩装置的下游以及第一涡轮控制面积的上游，并用于从发动机工作气流中从旁路引走在第一压力下的部分工作流体；

第一喷射装置，它接受从气流旁路装置来的流体，并在第一涡轮控制面积下游的第二个位置与发动机相连，第一喷射装置用于至少将由旁路装置从旁路引走的工作气流之一部分重新喷射回发动机的工作气流中去，在第二个位置的工作气流的第二压力低于第一个压力；

第一阀门装置，用于与旁路装置和第一喷射装置协同工作以调整在第一个位置从旁路引走和在第二个位置喷射进的气流量；

第二喷射装置，它连接于发动机的第一和第二位置之间并位于压缩装置下游的第三个位置，它用于将高能蒸汽在比第三位置工作气流压力高的压力下喷入发动机工作气流中，所喷射的蒸汽质量流量大体上等于从旁路引走的气流的质量流量。

第二阀门装置，用于与第二喷射装置协同工作以调整第二喷射装置喷入发动机的蒸汽量；

控制装置，用于根据发动机的工作特性分别操纵第一和第二阀门装置以控制气流和蒸汽的流量，通过第一和第二阀门装置保持发动机设计的气流压力和容积特性。

2、按照权利要求1所述的燃气轮机，其特征为，

发动机的第一个位置位于燃烧装置的上游;

发动机的第三个位置位于压缩装置的下游和第一涡轮的上游。

3、按照权利要求1所述的燃气轮机，其特征为，所述压缩装置按气流流动方向依次包括有低压压缩机和高压压缩机，且所述第一涡轮依次包括高压涡轮和低压涡轮，发动机上的第一个位置位于高压压缩机中至少一部分的下游，以及高压涡轮控制面积的上游;

第一喷射装置在位于高压涡轮控制面积下游的第二个位置处于与发动机相连。

第二喷射装置在位于第一与第二位置之间并处于高压压缩机下游的发动机上的第三个位置处与发动机相连。

4、按照权利要求3所述的燃气轮机，其特征为第二喷射装置，在高压压缩机的下游及高压涡轮的上游的发动机第一与第二位置之间与发动机相连。