CN102046942A - 涡轮设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将燃气涡轮发动机(37)改造成具有组合的燃气和蒸汽涡轮设备(33)的涡轮发动机的方法。本发明还涉及包括同心设置的燃气和蒸汽涡轮部(2，4)的涡轮设备(1)的改进，特别是关于涡轮叶片(7，17，9，19)。另外，还提出了一种用于调节包括这种涡轮设备的涡轮发动机的方法。

Description

涡轮设备

技术领域

本发明涉及包括同心设置的燃气涡轮部和蒸汽涡轮部的涡轮设备的改进。本发明还涉及用于调节包括这种涡轮设备的涡轮发动机的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机在很多场合中被用于将燃料的化学能转变成机械能。其中，燃气涡轮由燃料燃烧所产生的气流驱动。燃气涡轮通常驱动压缩机，以便压缩空气和向燃烧室提供加量的氧气。

一般来说，燃气涡轮发动机的优点是该发动机能够在低重量下提供高功率。缺点通常是效率(即燃料化学能的利用率)低下。

在SE530142 C2号瑞典专利、60/969997号美国临时申请和PCT/SE2008/050258号PCT申请中公开了包括同心的燃气涡轮部和蒸汽涡轮部的高效涡轮设备。

这种涡轮设备可以在很多场合中替代现有的涡轮，如在上述现有技术中讨论的那些。如果利用包括同心的燃气涡轮部和蒸汽涡轮部的涡轮设备对现有的燃气涡轮发动机进行改造，则必须在设计上作一些考虑以使利用率最大化。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于优化利用包括同心设置的燃气涡轮部和蒸汽涡轮部的涡轮设备已翻新过的涡轮发动机的方法。

该目标通过用于将燃气涡轮发动机改造成具有组合的燃气和蒸汽涡轮设备的涡轮发动机的方法来实现。其中，燃气涡轮发动机包括压缩机，燃烧室，其由压缩机提供空气，压气涡轮和动力涡轮。压气涡轮驱动压缩机，动力涡轮提供输出功率。压气涡轮为包括多个燃气级的燃气涡轮。在改造过程中，用包括燃气涡轮部和蒸汽涡轮部的涡轮设备替换压气涡轮。燃气涡轮部和蒸汽涡轮部是同心设置的。现在，涡轮设备内的燃气涡轮部的级数被选择成小于被替换的压气涡轮的级数。另外，蒸汽涡轮部内的级数大于包括在涡轮设备内的燃气涡轮部的级数。

通过减少压气涡轮内的燃气级，在燃烧气体中保持更多数量的用于动力涡轮的能量。另外，压气涡轮的蒸汽部入口处的蒸汽压力可以高于压气涡轮的燃气部入口处的燃气压力。因此，来自蒸汽涡轮部的功率贡献可被提高。

本发明还涉及提高具有同心设置的燃气和蒸汽涡轮部的涡轮设备的利用率的问题。还需要对涡轮叶片进行有效冷却。

这已通过用于包括燃气涡轮部和同心设置的蒸汽涡轮部的涡轮设备的转子叶片实现。涡轮转子叶片包括通道，其适于引导蒸汽从蒸汽涡轮部到达燃气涡轮部，并且返回转子叶片内的蒸汽涡轮部。因此实现了简单的叶片设计、对叶片的有效冷却以及对蒸汽涡轮部的能量供应。

该目标还已经通过用于包括燃气涡轮部和同心设置的蒸汽涡轮部以及蒸汽发生器的涡轮设备的涡轮定子叶片实现。现在，涡轮定子叶片包括蒸汽通道，其适于引导蒸汽从蒸汽发生器通过燃气涡轮部并且到达蒸汽涡轮部。通过这种方式，定子叶片获得有效冷却。

在具有同心设置的燃气和蒸汽涡轮部的涡轮设备中，期望从涡轮设备的毂排出空气。这可以通过适于引导空气从毂通过蒸汽涡轮部并且到达燃气涡轮部的空气通道来实现。

在具有同心设置的燃气和蒸汽涡轮部的涡轮设备中，涡轮叶片上的负载变大，因为该同一叶片贯穿这两个部。这个问题可以通过引入将燃气涡轮部与蒸汽涡轮部分开的间隔壁来解决。如果燃气涡轮转子叶片被附连在间隔壁上，则由燃气涡轮转子叶片的旋转引起的离心力部分由间隔壁承受和相互抵消。

另外，根据本发明，具有同心设置的燃气和蒸汽涡轮部的涡轮设备的利用率可以通过使用具有不同横截面的蒸汽涡轮转子叶片和燃气涡轮转子叶片来提高。于是，蒸汽涡轮转子叶片的横截面可以用于使蒸汽涡轮部的蒸汽流得到优化，燃气涡轮转子叶片的横截面可以用于使燃气涡轮部的燃气流得到优化。

任何一个蒸汽涡轮转子叶片均可被分成第一和第二转子叶片部，因而在转子叶片中形成流通通道，或者蒸汽涡轮转子叶片可以具有较小的横截面，从而允许设置比燃气涡轮转子叶片多的蒸汽涡轮转子叶片。

通过用于调节包括压缩机、燃烧室、压气涡轮和动力涡轮的涡轮发动机的方法来确保对叶片进行有效地冷却。压气涡轮和/或动力涡轮为包括燃气涡轮部和同心设置的蒸汽涡轮部的涡轮设备。压气涡轮和/或动力涡轮还包括具有流体通道的转子叶片和定子叶片，以及蒸汽发生器，其为流体通道产生蒸汽以冷却叶片和驱动蒸汽涡轮部。根据该方法，来自压缩机的压缩空气在启动期间被引导至涡轮设备的叶片。

如果在关闭期间中断向涡轮设备的蒸汽涡轮部提供蒸汽，并且相对较少量的空气从压缩机被引导至涡轮设备的蒸汽涡轮部，则还可以确保有效冷却，并且防止过速。

附图说明

现在将参考附图对本发明作更详细的描述，其中：

图1示出了包括燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的已知涡轮设备1的轴向横截面；

图2示意性地示出了包括压缩机46、燃烧室43、压气涡轮31和动力涡轮41的涡轮发动机37；

图3a示出了现有的压气涡轮31和动力涡轮41

图3b示出了现在包括燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的经改造的压气涡轮32和动力涡轮41；

图3c示出了经改造的压气涡轮33和动力涡轮41，其中在压气涡轮33中，燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的级数得到了优化；

图4示出了包括通道101、103的涡轮转子叶片7、17，所述通道用于引导蒸汽从蒸汽涡轮部4到达燃气涡轮部2，并且返回蒸汽涡轮部4；

图5示出了涡轮定子叶片9、19，其包括用于向涡轮设备的蒸汽涡轮部4供应蒸汽的蒸汽通道201和用于引导空气从涡轮设备的毂205到达燃气涡轮部2的空气通道203；

图6示出了多个涡轮转子叶片7、17，以及设在燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4之间的间隔壁301；

图7示出了用于在蒸汽涡轮转子叶片和燃气涡轮转子叶片采用不同横截面时设计蒸汽涡轮转子叶片的两种替换方式；以及

图8为方框图，其示出了用于调节包括具有燃气部和蒸汽部的涡轮设备的涡轮发动机的方法。

无论是这些附图、还是下面的描述都将不对本发明的范围形成限制。在全部附图中，相同的附图标记用于相同的部件。

具体实施方式

图1示出了一种包括燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的涡轮设备1，其中燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4同心设置。这种原理在SE530142 C2号瑞典专利、60/969997号美国临时申请和PCT/SE2008/050258号PCT申请中公开了。

燃烧气体从燃烧室进入(如箭头3所示)涡轮设备1的燃气涡轮部2。在图1中，燃烧气体从左至右地(如箭头3和5所示)穿过燃气涡轮部2，因此气体通过作用在多个燃气涡轮转子叶片7上来驱动涡轮轴6。燃气涡轮部2还包括多个引导翼或燃气涡轮定子叶片9。转子叶片7和定子叶片9沿涡轮纵轴11间隔设置。

流体通道13被设在燃气涡轮转子叶片7和燃气涡轮定子叶片9内。借助在所述通道13中流动的流体，从燃气涡轮部2中的燃烧气体中吸收热量。流体通道13通向蒸汽涡轮部4的入口15。通过这种方式，流过燃气涡轮部2的流体的温度升高，高压流体被喷入蒸汽涡轮部4的入口15。此时，流体一般为蒸汽形式。

在图1中能够看到，蒸汽涡轮部4沿径向设在燃气涡轮部2内部。蒸汽从左至右地(如蒸汽入口15处的箭头和箭头16所示)通过蒸汽涡轮部4，因此蒸汽通过作用在多个蒸汽涡轮转子叶片17上来驱动涡轮轴6。因此，蒸汽和燃烧气体均驱动相同的涡轮轴6。蒸汽涡轮部4还包括多个引导翼或蒸汽涡轮定子叶片19。如同燃气涡轮部2中那样，蒸汽涡轮转子叶片17和蒸汽涡轮定子叶片19间隔设置。

转子叶片7、17被安装在转子21上，定子叶片9、19被安装在定子23上。

在图1的示意性示图中，最上游的叶片为转子叶片7、17，其后面是定子叶片9、19。位置也可以是颠倒的，即最上游的叶片可以是定子叶片，参见图3。

现在参见图2和3。本发明的一个方面涉及将燃气涡轮发动机37改造成具有组合的燃气和蒸汽涡轮设备33的涡轮发动机的方法。从而能够提高含有燃气涡轮31的涡轮发动机的利用率。

现有的涡轮发动机37的燃气涡轮35可分为压气涡轮31和动力涡轮41。压气涡轮31由来自燃烧室43的燃烧气体驱动，继而又驱动压缩机45，压缩机45向燃烧室43提供空气。动力涡轮41被设在压气涡轮31的下游，将燃烧气体的剩余能量转变成轴功率。此时，压气涡轮31可以借助第一涡轮轴47与压缩机45耦联。动力涡轮41能够借助第二涡轮轴49与发电机或变速箱(未示出)耦联。这种涡轮发动机通常被称作双轴发动机。

本实例的压气涡轮31最初为两级燃气涡轮，即，压气涡轮31包括两套轴向分离的燃气涡轮叶片，参见图3a。在图3a、3b和3c中，燃气涡轮级标为G，蒸汽涡轮级标为S。

提高涡轮发动机37的功率的最直接的方法是通过利用包括燃气涡轮部2和同心的蒸汽涡轮部4的涡轮设备1替代压气涡轮31和动力涡轮41来对其进行改造。在图3b中示出了这种改造的结果，其中压气涡轮32包括两个燃气级G和两个蒸汽级S。然而，增加的压气涡轮32的功率将无需用于驱动压缩机45，因此最好不被使用。

图3c示出了本发明的用于提高涡轮发动机37的功率的方法。其中，采用了包括一个燃气涡轮级G和三个蒸汽涡轮级S的压气涡轮33。三级蒸汽涡轮部4的引入使得燃气级中的一个是多余的。一个燃气级G和三个蒸汽级S足以产生压缩机所需要的功率。因此可以去除压气涡轮31、32的燃气涡轮级中的一个。涡轮级的去除意味着去除一组多个转子叶片和多个定子叶片。

如果以这种方式(即从图3a的设计到图3c的设计)对已有的涡轮发动机37进行改造，压气涡轮33出口处的气体温度和气体压力被提高。因此，动力涡轮41入口处的气体温度和气体压力被提高，因此动力涡轮41能够产生更多功率。

在具有同心设置的燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的涡轮设备1中，期望将该设备设计成燃气涡轮部2的气体压力沿涡轮纵轴11与蒸汽涡轮部4的蒸汽压力基本相同。如果将燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4设置成具有轴向重合的入口和出口，参见图1，各自的气体和蒸汽压力必须相匹配。然而，如参考图3b和3c描述过的那样，燃气涡轮级和蒸汽涡轮级的数量可以改变，例如，在需要的情况下，蒸汽涡轮级的数量可高于燃气涡轮级。

典型地，燃烧室43的燃烧气体压力、因此燃气涡轮部2的入口压力约为1.5MPa。因此，涡轮设备1应被设计成蒸汽涡轮部4入口处的蒸汽压力也约为1.5MPa。然而，通过添加更多的蒸汽涡轮级(图3c)，蒸汽涡轮部4入口处的蒸汽压力可被提高至例如5MPa。从而大大提高了蒸汽涡轮的功率贡献。由于每个涡轮级均需要一个压降，因此额外的蒸汽涡轮级将在燃气涡轮部2入口所在的轴向位置上将蒸汽压力降至期望的1.5MPa。

蒸汽压力受到流体通道13的设计的影响。单独的蒸汽发生器也可以被用来在预定压力下生成足够的蒸汽。

图3b和3c的动力涡轮41可以是现有的燃气涡轮，或者如此处示出的那样，是包括燃气涡轮部2和同心的蒸汽涡轮部4的涡轮设备1。如果动力涡轮41是包括燃气涡轮部2和同心的蒸汽涡轮部4的涡轮设备1，则可以通过在蒸汽涡轮部4的末端增加蒸汽涡轮级来加长蒸汽涡轮部4。通过这种结构能够利用更多的蒸汽能量。

在去除燃气级时，如图3c所示，内部定子壁34可以被设置成构成不沿径向位于燃气涡轮部内的蒸汽涡轮部的外壁。内部定子壁34可以由沿径向从定子壁向内延伸的杆(未示出)保持。类似的方案用于在涡轮设备之前和/或之后额外添加蒸汽级的情形。

图4示出了本发明的另一方面。假定具有同心的燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的涡轮设备1(图1)。其中，蒸汽从蒸汽涡轮部4被引至燃气涡轮部2，并且借助转子叶片7、17内的通道101、103返回蒸汽涡轮部4。通过这种方式，叶片7、17被冷却，蒸汽涡轮部4的蒸汽过度受热。该流在叶片前缘和后缘之间的压力差的作用下被推动通过通道101、103。

在蒸汽涡轮部4中，蒸汽通过位于叶片17的前缘(即上游边缘)上的入口105进入蒸汽涡轮转子叶片17。蒸汽沿叶片7、17的纵向方向径向向外地通过外侧通道101从蒸汽涡轮部4传至燃气涡轮部2。

然而也可以想到其它实施例(例如参见图7)，在图4中，蒸汽涡轮转子叶片17和燃气涡轮转子叶片7各自的横截面是相等的。外侧通道101从蒸汽涡轮转子叶片17延伸至燃气涡轮转子叶片7。在燃气涡轮转子叶片7内，外侧通道101分成多个内侧通道103。内侧通道引导蒸汽径向向内地返回蒸汽涡轮转子叶片17，并且终止在出口107处。出口107位于蒸汽涡轮转子叶片17的后缘(即，下游边缘)。在该示例中，使用了一个外侧通道101和四个内侧通道103，但是也可以采用任何期望的提供高热传导性的流动几何形状。

为使从燃烧气体到燃气涡轮转子叶片7且因此到流动于外侧通道101和内侧通道103中的蒸汽的热传导性最大，所述通道基本覆盖燃气涡轮转子叶片7的整个长度。

用于从燃气涡轮部2收集热量并将所述热量提供给蒸汽涡轮部4的结构105、101、103、107意味着蒸汽在蒸汽涡轮部4的入口15处被注入。蒸汽可以在单独的蒸汽发生器中生成，这将在下面进行讨论。

结构105、101、103、107也可以与上述流体通道13结合使用。于是，每个涡轮转子叶片7、17包括外侧通道101、内侧通道103和流体通道13。或者，涡轮转子叶片7、17可以包括外侧通道101和内侧通道103，如图4所示，但是只有涡轮定子叶片9、19包括流体通道13，如图1所示。

图5涉及本发明的又一方面。这一方面解决了例如冷却定子叶片9、19的问题。在具有同心设置的燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的涡轮设备中(参见图1)，根据图5，燃气涡轮部2内的定子叶片9能够被流动于叶片9内部的蒸汽冷却。该蒸汽流过燃气涡轮部2，到达蒸汽涡轮部4。为此，可将蒸汽通道201设在涡轮定子叶片9、19内。蒸汽可以在单独的蒸汽发生器中生成，这将在下面讨论。可替代地，蒸汽可以在涡轮叶片的流体通道13内生成。

在图5中可以看到，涡轮定子叶片9、19包括蒸汽通道201。所述通道201贯穿定子叶片9、19，且适于引导蒸汽从定子壁外侧通过燃气涡轮部2，到达蒸汽涡轮部4。通过这种方式，蒸汽被加热，叶片9、19被冷却。在蒸汽涡轮部4中，蒸汽可以通过位于蒸汽涡轮定子叶片19的后缘上的开口(未示出)离开叶片19。或者，可以通过管道(未示出)将蒸汽引向上游，并且在定子叶片9、19之前将其释放到蒸汽涡轮部4中。箭头207以说明性方式示出了蒸汽流过定子叶片19。

蒸汽通道201可以设在涡轮设备1的最上游的涡轮叶片内。沿涡轮轴线11的后续定子叶片可以设有类似的蒸汽通道201，或者设有图1所示的流体通道13。叶片内的蒸汽流动几何形状被优化以便获得高热传导性。

在图5中用附图标记205指示涡轮毂。压缩空气可以从压缩机45，例如，通过轴47的密封件(未示出)和后轴轴承(未示出)泄漏到涡轮设备1的毂205。该空气可以借助定子叶片9、19内的空气通道203排出。尽管未示出，但作为替换方式，可以将这种空气通道203设在转子叶片7、17内。

空气通道203的作用是引导空气从毂205通过蒸汽涡轮部4，并且到达燃气涡轮部2。从而使涡轮叶片7、17、9、19的后缘得到冷却。有利的是，空气通道可以终止于设在涡轮叶片的后缘或尾端上的多个出口209或开槽209。这种开槽209可以沿基本整个涡轮叶片边缘设置，从而沿整个边缘上实现有效的冷却。

图6示意性地示出了本发明的另一方面。该方面解决了设计一种所述涡轮设备具有同心设置的燃气和蒸汽涡轮部2、4的涡轮设备的问题，同时避免转子叶片7、17承受高的机械负载。同心设置的涡轮部2、4意味着转子叶片7、17要比现有燃气涡轮的转子叶片长，因此作用在叶片7、17的径向内侧段上的离心力增大。增加的负载在一定程度上由上述对转子叶片7、17的冷却补偿。较低的温度引起较高的强度。在图6中示出了用于降低转子叶片7、17上的机械负载的补充方案。

在燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4之间设有间隔壁301。间隔壁或外密封环301起到将燃气涡轮部2与蒸汽涡轮部4分开的作用，并且可以由附连在叶片上的多个板(在图4和5中示出)构成。然而，通过将间隔壁301制成整环和将燃气涡轮转子叶片7附连在所述间隔壁301上，由围绕转子的各个燃气涡轮转子叶片7引起的离心力的一部分被间隔壁301吸收。

图6还示出了定子壁303、内密封环305和涡轮叶片脚307。燃气涡轮部4由间隔壁301和内密封环305限定。相应的间隔壁和内密封环由定子叶片9、19承载。

图7涉及本发明的另一方面。其中，分别用于使涡轮设备1的气流和蒸汽流对燃气涡轮叶片7、9和蒸汽涡轮叶片17、19进行优化。假设具有同心的燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4的涡轮设备1(图1)。

例如图6所示，蒸汽涡轮部4的体积远小于燃气涡轮部2的体积。这由间隔壁301的径向位置来指示。通过蒸汽部4的蒸汽流实际上只构成通过燃气部2的气流的约10％。因此，蒸汽涡轮叶片17、19的径向长度小于燃气涡轮叶片7、9的径向长度。

如果蒸汽涡轮转子叶片17将能够承载燃气涡轮转子叶片7的离心负载(即，如果不使用承载间隔壁301)，则蒸汽涡轮叶片17的横截面必须与燃气涡轮叶片7的横截面基本相同。

假设蒸汽涡轮转子叶片17和燃气涡轮转子叶片7采用相同的横截面，蒸汽涡轮转子叶片17将具有相当大的弦401与叶片长度的比值。长度指的是转子叶片17的径向长度。大的弦401与叶片长度的比值意味着高流阻，因此不受欢迎。

因此，希望采用不同的蒸汽涡轮转子叶片17和燃气涡轮转子叶片7的设计，以便用于使蒸汽涡轮部4和燃气涡轮部2中的流对相应叶片17、7进行优化。具体地，避免形成大的弦401与叶片长度的比值。

在图7的左部示出了建议用于蒸汽涡轮转子叶片的横截面第一种设计。燃气涡轮转子叶片7的横截面也被示出。每个蒸汽涡轮转子叶片被分成第一叶片部17a和第二叶片部17b。从而在转子叶片中形成流通通道403。流通通道403降低了蒸汽涡轮转子叶片17a、17b的流阻。此外还降低了弦与叶片长度的比值。

图7还在右手侧示出了用于蒸汽涡轮转子叶片的横截面的第二种可能设计。作为比较，同样示出了燃气涡轮转子叶片7的横截面。其中，一个较大的涡轮叶片用多个较小的蒸汽涡轮叶片17c、17d、17e来代替。因此，弦被减短，同时蒸汽涡轮转子叶片的径向长度不发生变化，这意味着弦与叶片长度的比值降低了。

根据本发明，每个相应的燃气涡轮叶片使用2-5个较小的蒸汽涡轮叶片，这提供了合适的弦与叶片长度的比值。三个较小的蒸汽涡轮叶片17c、17d、17e形成特别合适的弦与叶片长度的比值。

蒸汽涡轮转子叶片的优化可以结合间隔壁301(已参见图6对其进行了描述)的使用来实现。通过这种方式，蒸汽涡轮叶片17a、17b、17c、17d、17e不必承受由燃气涡轮叶片7产生的所有离心力。然而，所述优化也可以在没有间隔壁301的情况下实现，蒸汽涡轮叶片17a、17b、17c、17d、17e则必须被设计成它们能够承受由燃气涡轮叶片7产生的所有离心力。

图8的方框图示出了用于调节包括具有燃气部2和蒸汽部4的涡轮设备1的发电厂涡轮发动机的方法。该方框图与图2的图示一致，但图8还公开了蒸汽发生器51、冷凝器53、发电机55和阀门V1-V5。压气涡轮31和动力涡轮41均为图1所示那种涡轮设备。

蒸汽发生器51连接动力涡轮41的燃气涡轮部2的出口。另外，蒸汽发生器51经由阀门V1连接压气涡轮31的蒸汽部入口。蒸汽发生器51还经由阀门V2连接动力涡轮41的蒸汽部入口。因此，蒸汽发生器51利用来自燃烧气体的热量来产生蒸汽，其被供应给压气涡轮31和动力涡轮41。图8中位于蒸汽发生器51上方的箭头指示燃烧气体出口。蒸汽发生器51还可以由单独的燃烧器或通过电气装置提供功率。

阀门V1、V2为控制阀，其确保最大数量的蒸汽被供应给压气涡轮31和动力涡轮41的蒸汽涡轮部4，而基本没有蒸汽从各个涡轮31、41的蒸汽部4泄漏至燃气部2。阀门V1、V2分别由压气涡轮31和动力涡轮41前方的燃烧气体压力控制。在蒸汽发生器51的蒸汽出口处设有排泄阀V4。

冷凝器53连接蒸汽发生器51，并且能够向蒸汽发生器51提供冷凝液，诸如水。所述蒸汽通过与动力涡轮41的蒸汽涡轮部4的连接被引至冷凝器53。如在图8中能够看到，动力涡轮41和冷凝器53之间的所述连接包括排泄阀V5。冷凝期间产生的热量可以被用于加热的目的。

图8中位于冷凝器左边的箭头示出了与例如区域加热系统的连接。

发电机55经由第二涡轮轴49与动力涡轮41连接。

压缩机45的出口连接压气涡轮31的蒸汽入口。在图8中能够看到，阀门V3被设置成调节从压缩机45到压气涡轮31的气流。压缩机45还可以连接动力涡轮41的蒸汽入口。

本涡轮发动机的调节在原理上与现有的组合式燃气和蒸汽涡轮发动机的调节一致。然而，由于(分别位于压气涡轮31和动力涡轮41内的)燃气涡轮部2和蒸汽涡轮部4被设在同一壳体内且共用相同的转子，因此，即使在燃气涡轮部2不产生蒸汽的情况下，蒸汽涡轮部4也将工作。这是处于瞬态条件下的情形，诸如启动或紧急关闭。在这种条件下，缺乏蒸汽则意味着压气涡轮31和动力涡轮41未得到充分冷却。

为了在启动阶段获得充分冷却，蒸汽发生器51与压气涡轮31和动力涡轮41之间的阀门V1、V2被关闭。其余的阀门V3、V4、V5打开，使得来自压缩机45的空气被引导通过压气涡轮31和动力涡轮41，并且为它们提供冷却。空气被引导通过设在涡轮31、41的涡轮叶片内的流体通道13(参见图1)。用启动马来帮助使涡轮31、41空转(idle)，这通常花费约2-3分钟。接着，通过蒸汽发生器51并且借助压气涡轮31和动力涡轮41内的流体通道13产生蒸汽。现在，蒸汽发生器51与压气涡轮31和动力涡轮41之间的阀门V1、V2可以被打开，其余的阀门V3、V4、V5可以被关闭。

在紧急关闭(例如因轴49上的负载突然丢失引起)时，必须防止涡轮31、41过速。此时，立即切断燃料供应。向压气涡轮31和动力涡轮41的蒸汽涡轮部4供应的蒸汽通过关闭蒸汽发生器51和涡轮31、41之间的阀门V1、V2而中断。蒸汽发生器51的蒸汽出口处的排泄阀V4被打开以使蒸汽发生器51通风。其余的阀门V3和V5逐渐被打开，以便引导空气从压缩机通过涡轮31、41的蒸汽涡轮部4来进行冷却。空气被引导通过设在涡轮31、41的涡轮叶片内的流体通道13(参见图1)。通过这种逐渐打开，空气流足以用于进行冷却，但是又不会强到足以给涡轮31、41提供不希望的驱动力。

Claims (14)

1.一种用于将燃气涡轮发动机(37)改造成具有组合的燃气和蒸汽涡轮设备(33)的涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机(37)包括：

压缩机(45)，

燃烧室(43)，其由压缩机(45)提供空气，

压气涡轮(31)和

动力涡轮(41)，

其中，压气涡轮(31)驱动压缩机(45)，动力涡轮(41)提供输出功率，并且其中压气涡轮(31)为包括多个燃气级(G)的燃气涡轮，

其特征在于包括以下步骤：

用包括燃气涡轮部(2)和蒸汽涡轮部(4)的涡轮设备(33)替换压气涡轮(31)，在所述涡轮设备(33)中，燃气涡轮部(2)和蒸汽涡轮部(4)是同心设置的，

其中，涡轮设备(33)内的燃气涡轮部(2)的级(G)数被选择成小于被替换的压气涡轮(31)的级(G)数，并且

其中，蒸汽涡轮部(4)内的级数(S)大于包括在涡轮设备(33)内的燃气涡轮部(2)的级(G)数。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

压气涡轮(31)通常包括两个燃气级(G)，其中在改造之后，压气涡轮(33)包括一个燃气级(G)和三个蒸汽级(S)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中：

蒸汽级中的至少一个沿轴向设在燃气涡轮部(2)入口的前方，从而允许蒸汽涡轮部(4)的入口压力高于燃气涡轮部(2)的入口压力。

4.一种用于涡轮设备(1)的涡轮转子叶片(7，17)，所述涡轮设备(1)包括：

燃气涡轮部(2)和

同心设置的蒸汽涡轮部(4)，

其特征在于：

涡轮转子叶片(7，17)包括通道(101，103)，所述通道(101，103)适于引导蒸汽从蒸汽涡轮部(4)到达燃气涡轮部(2)，并且返回至涡轮转子叶片(7，17)内的蒸汽涡轮部(4)。

5.如权利要求4所述的涡轮叶片，其中：

通道(101，103)包括至少一个从蒸汽涡轮部(4)延伸至燃气涡轮部(2)的外侧通道(101)，和多个从燃气涡轮部(2)延伸至蒸汽涡轮部(4)的内侧通道(103)。

6.一种用于涡轮设备(1)的涡轮定子叶片(9，19)，所述涡轮设备(1)包括

外部的燃气涡轮部(2)和

同心设置的内部的蒸汽涡轮部(4)，以及

蒸汽发生器，

其特征在于：

涡轮定子叶片(9，19)包括蒸汽通道(201)，所述蒸汽通道(201)适于引导蒸汽从蒸汽发生器通过燃气涡轮部(2)并且到达蒸汽涡轮部(4)。

7.一种用于涡轮设备(1)的涡轮叶片(7，17，9，19)，所述涡轮设备(1)包括：

外部的燃气涡轮部(2)和

同心设置的内部的蒸汽涡轮部(4)，并且

其中蒸汽涡轮部(4)包围涡轮设备(1)的毂(205)，

其特征在于：

涡轮叶片(7，17，9，19)还包括空气通道(203)，所述空气通道(203)适于引导空气从毂(205)通过蒸汽涡轮部(4)并且到达燃气涡轮部(2)。

8.如权利要求7所述的叶片，其中空气通道(203)结束于设在涡轮叶片的后缘上的多个开槽(209)。

9.一种涡轮设备(1)，其包括

燃气涡轮部(2)和

同心设置的蒸汽涡轮部(4)，以及

蒸汽涡轮转子叶片(17)和燃气涡轮转子叶片(7)，它们从所述涡轮设备(1)的涡轮毂伸出穿过蒸汽涡轮部(4)和燃气涡轮部(2)，

其特征在于

将燃气涡轮部(2)与蒸汽涡轮部(4)分开的间隔壁(301)，

其中，燃气涡轮转子叶片(7)附连在间隔壁(301)上，使得由毂旋转所引起的离心力以及由此燃气涡轮转子叶片(7)的旋转引起的离心力由间隔壁(301)部分地承受和相互抵消。

10.一种涡轮设备(1)，其包括：

燃气涡轮部(2)和

同心设置的蒸汽涡轮部(4)，以及

蒸汽涡轮转子叶片(17)和燃气涡轮转子叶片(7)，它们从所述涡轮设备(1)的涡轮毂伸出穿过蒸汽涡轮部(4)和燃气涡轮部(2)，

其特征在于，

蒸汽涡轮转子叶片(17)和燃气涡轮转子叶片(7)具有不同横截面，由此蒸汽涡轮转子叶片(17)的横截面用于使蒸汽涡轮部(4)的蒸汽流得到优化，燃气涡轮转子叶片(7)的横截面用于使燃气涡轮部(2)的燃气流得到优化。

11.如权利要求10所述的涡轮设备，其中：

每个蒸汽涡轮转子叶片(17)均被分成第一转子叶片部(17a)和第二转子叶片部(17b)，从而在转子叶片(17)中形成流通通道(403)。

12.如权利要求10所述的涡轮设备，其中：

蒸汽涡轮转子叶片(17a，17b，17c)具有比燃气涡轮转子叶片(7)小的横截面，从而允许设置比燃气涡轮转子叶片(7)多的蒸汽涡轮转子叶片(17a，17b，17c)。

13.一种用于调节涡轮发动机的方法，所述涡轮发动机包括压缩机(45)、燃烧室(43)、压气涡轮(31)和动力涡轮(41)，

其中压气涡轮(31)和/或动力涡轮(41)为涡轮设备(1)，所述涡轮设备(1)包括：燃气涡轮部(2)和同心设置的蒸汽涡轮部(4)；以及具有流体通道(13)的转子叶片(7，17)和定子叶片(9，19)；以及蒸汽发生器(51)，所述蒸汽发生器(51)为流体通道(13)产生蒸汽以冷却叶片(7，17，9，19)和驱动蒸汽涡轮部(4)，

其特征在于，

在启动期间，即在蒸汽发生器(51)提供充足的蒸汽来冷却叶片(7，17，9，19)之前，来自压缩机(45)的压缩空气被引导至涡轮设备(1)的叶片(7，17，9，19)，以防止过热。

14.如权利要求13的前特征部分所述的方法，

其特征在于，

在关闭期间，中断向涡轮设备(1)的蒸汽涡轮部(4)提供蒸汽以防止涡轮过速，并且将较少量的空气从压缩机(45)引导至涡轮设备(1)的蒸汽涡轮部(4)，以防止过热。

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