CN102086850A - 与地热能有关的系统以及燃气涡轮发动机的操作 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与地热能有关的系统以及燃气涡轮发动机的操作。一种用于在燃气涡轮动力设备中使用的地热热交换系统，燃气涡轮动力设备包括将空气流引导到压缩机(52)的入口气室(112)，压缩机(52)压缩该空气流，然后空气流在燃烧器(56)中与燃料混合且燃烧，使得所得到的热气流被引导通过涡轮(54)，该地热热交换系统包括：用于在大地(134)和移动通过入口气室(112)的空气流之间交换热量的装置(136)。

Description

与地热能有关的系统以及燃气涡轮发动机的操作

技术领域

本申请大体涉及燃气涡轮发动机和与其相关的设备、系统和方法。更具体而言，但不作为限制，本申请涉及用于通过使用尤其是地热能来提高燃气涡轮能量性能的设备、系统和方法。

背景技术

由于不断升高的能量成本和不断增加的需求，改进燃气涡轮发动机的效率和更有效地开发诸如地热能的可再生能源的目标是意义重大的目标。如下面所描述的那样，朝着这个目标，可开发成本有效的系统来使用存在于地表面之下的相对恒定的温度，以改进燃气涡轮发动机操作，尤其是在其涉及热天和冷天操作时。

如本领域普通技术人员将理解的那样，当环境温度太热或太冷时，燃气涡轮发动机的性能可受到负面影响。例如，当入口空气温度太热时，燃气涡轮加热率提高，并且输出功率降低，这当然会降低发动机的效率。另一方面，当环境温度降到某个水平以下时，可发生结冰。这可发生在压缩机的入口处，例如，在过滤器室的入口或者入口导叶或其它类似地定位的构件上。结冰可损害装备，或导致其效率低下地操作。例如，结冰可阻止IGV正确地操作，这可不利地影响涡轮发动机的效率。

已经提出了传统系统来解决这些问题。例如，对于热天操作，一些传统系统提出使用机械式冷却器系统来冷却进入压缩机的空气。这个选择是不合乎需要的，因为操作冷却器所需的能量很大地影响了燃气涡轮发动机的整体效率以及与冷却器相关联的高的装备成本。另一种传统系统是入口雾化系统，其包括将水蒸气喷射到进入压缩机的空气中。喷射的蒸气的蒸发会降低空气流的温度。但是，这种类型的系统的适当功能仍然至少有些取决于环境状况，并且需要安装昂贵的硬件和控制系统。另外，以这种方式对发动机流径添加水可导致流径内的部件的更迅速的退化和腐蚀，并且因而一般会增加修护成本。

对于冷天操作而言，传统系统一般包括从发动机排气中抽取能量来升高进入压缩机的空气的温度。但是，再次，这种系统需要安装昂贵的硬件和控制系统。另外，就排气中的能量可用于其它目的(诸如，例如用作联合循环设备的蒸汽涡轮中的热源)而言，转移排气能量的一部分一般会降低动力设备的整体效率。

所以，仍然存在对改进的设备、系统和方法的需要，以便以成本有效的方式减轻在热天和冷天操作期间发生的燃气涡轮发动机的性能问题。

发明内容

本申请因此描述了一种用于在燃气涡轮动力设备中使用的地热热交换系统，燃气涡轮动力设备包括入口气室，入口气室将空气流引导到压缩机，压缩机压缩该空气流，然后压缩空气流在燃烧器中与燃料混合并且燃烧，使得所得到的热气流被引导通过涡轮。地热热交换系统可包括用于在大地和移动通过入口气室的空气流之间交换热量的装置。

在一些实施例中，用于在大地和移动通过入口气室的空气流之间交换热量的装置包括热管。在一些实施例中，用于在大地和移动通过入口气室的空气流之间交换热量的装置包括散热器和热虹吸管中的一个。

在一些实施例中，用于在大地和移动通过入口气室的空气流之间交换热量的装置包括藉由泵循环通过穿过大地和入口气室的回路的传热流体。

在一些实施例中，大地包括地表面之下的位置和水体的表面下面的位置中的一个。在一些实施例中，大地包括在地表面之下预定深度处的位置。该预定深度包括大于25英尺的深度。

在一些实施例中，热管包括两相传热器件，两相传热器件包括由具有高导热性的材料制成的密封管路。在一些实施例中，密封管路被排空，并且回填有少量工作流体。

在一些实施例中，热管基本竖直地排列，并且包括毛细结构，毛细结构包括构造成以便在冷凝的工作流体上提供期望的毛细压力的材料。在一些实施例中，毛细结构包括沟槽式毛细结构、金属丝网毛细结构、粉末金属毛细结构和纤维/弹簧毛细结构中的一个。在一些实施例中，热管构造成以便在热天将热量从通过入口气室的空气流传递到大地，使得燃气涡轮动力设备的效率得到提高。在一些实施例中，热管构造成以便在冷天将热量从大地传递到通过入口气室的空气流，使得避免不期望的冰形成。

在一些实施例中，地热热交换系统进一步包括用于在来自涡轮的排气流和入口气室之间传递热量的装置。在一些实施例中，用于在来自涡轮的排气流和入口气室之间传递热量的装置包括热管。

在结合附图和所附的权利要求书考虑而审阅了优选实施例的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1是这类涡轮发动机中典型的燃气涡轮发动机的截面图：该类涡轮发动机可用于可在其中使用本发明的实施例的动力设备中；

图2示出了燃气涡轮发动机的示意性平面图，燃气涡轮发动机的图示将用来示出根据本发明的实施例的动力设备；

图3是示出了根据本申请的一个示例性实施例的燃气涡轮动力设备的构造的示意性平面图；

图4是示出了根据本申请的一个示例性实施例的入口气室中的热管的构造的正视图(即看入入口气室的口部中)的示意性平面图；以及

图5是示出了根据本申请的一个备选实施例的燃气涡轮动力设备的构造的示意性平面图。

部件列表

50传统燃气涡轮发动机

52压缩机

54涡轮区段

56燃烧器

60压缩机转子叶片

100燃气涡轮发动机

112入口气室

130燃气涡轮动力设备

134陆地或大地

136传热结构

138支路

150燃气涡轮动力设备

152第二传热结构

154热回收蒸汽发生器

155排气旁路

156传热单元

具体实施方式

现在将在下文中参照附图对本发明的说明性实施例进行更加全面的描述，在图中，显示了本发明的一些实施例但非全部实施例。实际上，本发明可实施为许多不同的形式，并且本发明不应理解为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将满足适用的法律要求。同样的标号在各处指示同样的元件。

为了清楚地描述本申请的发明，可能必要的是选择指示和描述涡轮发动机的某些机器构件或部件的术语。只要有可能，都将以与其被认可的意思一致的方式来使用和采用通用工业术语。但是，意思是任何这种术语都要赋予宽泛的意思，并且不能狭窄地理解而使得本文所指的意思和所附的权利要求书的范围受到不合理的限制。本领域普通技术人员将理解，通常可用几种不同的名称来指示某些构件。另外，在本文中可描述成单个部件的部件可包括若干个组成部分或在另一个背景中称为由若干个组成部分组成，或者，在本文中可描述成包括多个组成部分的部件可改型成单个部件，而且在一些情况下可将其称为单个部件。因而，在理解本文描述的本发明的范围时，不仅应当注意所提供的术语和描述，而且还应当注意本文提供的构件的结构、构造、功能和/或用法。

另外，本文中可使用几个描述性用语。这些用语的意思应包括以下定义。如本文所用，“下游”和“上游”是指示关于通过涡轮的工作流体流的方向的用语。因而，用语“下游”意思是流动方向，而用语“上游”意思是沿通过涡轮发动机的流的相反方向。与这些用语有关，用语“后部”和/或“后缘”指的是下游方向、下游端和/或沿所描述的构件的下游端的方向。而且，用语“前部”或“前缘”指的是上游方向、上游端和/或沿所描述的构件的上游端的方向。用语“径向”指的是垂直于轴线的运动或位置。常常需要描述关于轴线处于不同的径向位置处的部件。在这种情况下，如果第一构件比第二构件处于离轴线更近处，则在本文中可这样叙述：第一构件在第二构件的“内侧”或“径向内部”。另一方面，如果第一构件比第二构件处于离轴线更远处，则在本文中可这样叙述：第一构件在第二构件的“外侧”或“径向外部”。用语“轴向”指的是平行于轴线的运动或位置。而且，用语“周向”指的是围绕轴线的运动或位置。

现在参照附图，图1是传统燃气涡轮发动机50的图解。一般来说，燃气涡轮发动机通过从加压热气流中抽取能量来操作，加压热气流是由压缩空气流中的燃料的燃烧产生的。如图1所示，燃气涡轮发动机50可构造有：轴向压缩机52，轴向压缩机52大体以机械的方式由共同的轴或转子联接到下游涡轮区段或涡轮54；以及定位在压缩机52和涡轮54之间的燃烧器56。

压缩机52可包括多个级，各个级具有一排压缩机转子叶片，后面是一排压缩机定子叶片。特别地，级一般包括绕着中心轴旋转的一排压缩机转子叶片，后面是在操作期间保持静止的一排压缩机定子叶片。压缩机定子叶片一般是彼此沿周向隔开的，并且绕着旋转轴线固定。压缩机转子叶片附连到轴上，使得当轴在操作期间旋转时，压缩机转子叶片绕着该轴旋转。如本领域普通技术人员将理解的那样，压缩机转子叶片构造成使得当绕着轴旋转时，它们对流过压缩机52的空气或流体赋予动能。涡轮54也可包括多个级。涡轮级可包括在操作期间绕着轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片，以及在操作期间保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片。涡轮定子叶片一般是彼此沿周向隔开的，并且绕着旋转轴线固定。但是，涡轮转子叶片可安装在涡轮叶轮上，以绕着轴旋转。

在使用中，压缩机转子叶片60在轴向压缩机52内的旋转会压缩空气流。在燃烧器56中，当压缩空气与燃料混合且点燃时，释放能量。然后来自燃烧器56的所得到的加压热气流(一般称为发动机的工作流体)膨胀通过涡轮转子叶片。工作流体流导致涡轮转子叶片绕着轴旋转。从而，燃料的能量就转换成工作流体流的动能，然后该动能转换成旋转叶片的机械能，且通过转子叶片和轴之间的连接而转换成旋转轴的机械能。然后轴的机械能可用来驱动压缩机转子叶片的旋转，使得产生必要的压缩空气供应，而且还例如用来驱动发电机(未显示)来产生电力。

图2示出了燃气涡轮发动机100的示意性平面图，其图示将用来示意根据本发明的实施例的动力设备。如图所示，燃气涡轮发动机100可包括压缩机52、燃烧器56和涡轮54。入口气室122可位于压缩机52的上游端处。入口气室112本质上提供通道，空气供应通过该通道而被引导到压缩机52中。将理解，入口气室112的构造可包括许多不同的构造。如图所说明，入口气室可构造成具有相对宽的口部，该口部的截面积(随着)进入将空气供应引导到压缩机52的入口的通道而减小。当然，在一些燃气涡轮发动机应用中，可使用小得多的结构来提供用于进入压缩机52的空气的入口。因而，如本文所用，入口气室112意在描述定位在压缩机52的其中一个级的上游的、进入压缩机52的空气的至少一部分从中穿过的任何结构，或大或小。如本领域普通技术人员将理解，入口气室112可包括改进其功能的某些构件，例如过滤器、消音器等。但是，因为这些构件对于根据本发明的动力设备的功能来说不是关键或排除性的，所以图中省略了这些构件。如将看到的那样，本发明的实施例的灵活性允许其可以各种各样的方式结合到基本任何类型的入口气室112结构中，或者直接结合到压缩机52本身中。

图3是示出了根据本申请的一个实施例的燃气涡轮动力设备130的构造的示意性平面图。类似于图2所示的系统，燃气涡轮动力设备130可包括压缩机52、燃烧器56、涡轮54和入口气室112。根据本发明，燃气涡轮动力设备130还可包括热交换器件，热交换器件提供入口气室112中的或通过压缩机52的空气流与陆地或大地134之间的能量交换。如本文所用，“大地”意在包括任何类型的地热介质。在一些实施例中，大地指的是在地下预定水平处的陆地，如图3所示。如将理解的那样，不管季节如何，在地表面下面的大地的温度都保持相当恒定。在大地表面之下约25英尺和500英尺之间的深度处尤其是这样。在一些实施例中，也可使用更浅的深度；例如，在大地表面之下约10英尺和50英尺之间的深度可适于某些应用。

这些相对恒定的地下温度意思是在这些给定的深度范围内的大地温度即便在温暖气候地区里也终年保持相对冷。例如，乔治亚的亚特兰大的大地温度整年都保持相当恒定的62°F。另一方面(at the other end of the spectrum)，在相对冷的气候地区，大地温度保持相对温暖，即使是在一年中最冷的月份。例如，纽约的大地温度，纽约整年都保持相当恒定的52°F。如所叙述的那样，“大地”也可指其它类型的地热介质，例如水体(例如湖泊或河流或海洋)中的表面下位置。

如图3所示，在一个优选实施例中，热交换器件可为从大地内的位置(该位置例如可为地表面下面的大地中的位置、湖泊中的表面下位置，或其它这种位置)延伸到入口气室112内的位置的一个或多个细长的传热结构136，例如一个或多个管。传热结构136可构造成以便高效地将热量从热侧(取决于应用以及目前的环境和大地温度状况，热侧可为大地或入口气室)传递到冷侧(取决于应用以及目前的环境和大地温度状况，冷侧可为大地或入口气室)。在热侧和冷侧处，结构136一般将包括导热良好的外表面，例如金属表面。另外，如图所示可为管的结构136的一端可在大地内置于期望深度处，从而使其接触周围的土材料或水，并且如期望的那样在周围的材料和结构136之间传递热量。该结构或管136的另一端可置于入口气室112中，使得流过入口气室112的空气在其上和周围流动，因而在结构136和空气流之间发生的传热以期望速率进行。

在一些实施例中，图3的细长结构136可包括传统的热管。热管是具有高的有效导热性的两相传热器件。热管在热端和冷端两者处大体包括由具有高导热性的材料(例如钢、铜或铝)制成的密封管或管路。热管可为圆柱形的或平的，如下面论述的那样，内表面可衬有毛细管毛细作用材料。在构造时，热管被排空，并且回填有少量工作流体，例如水、丙酮、氮、甲醇、氨或钠。也可使用其它类型的无机材料。通过使工作流体蒸发而将热量吸收在蒸发器区域中。蒸气将热量传送到冷凝器区域，在冷凝器区域中，蒸气冷凝，将热量释放到冷却介质。

在一些实施例中，本发明的热管可为环路热管，即具有在工作流体的液相上施加毛细压力的毛细结构的热管。毛细结构可包括能够在冷凝液体上施加足够的毛细压力以通过毛细作用使其回到加热端的任何材料。在一些实施例中，毛细结构可为在传统的热管应用中使用的普通毛细结构中的一种，普通毛细结构包括沟槽式毛细结构(即沿着热管的内表面沿长度方向延伸的一系列沟槽)、金属丝网毛细结构、粉末金属毛细结构和纤维/弹簧毛细结构。如果重力或一些其它加速源足以克服表面张力，并且促使冷凝液体流回加热端，热管就可以不需要毛细结构。

如图3所示，在一些实施例中，本发明的热管136可竖直排列。在此布置中，并且在没有毛细作用结构的情况下，来自大地134的地热能可用来加热通入压缩机52中的空气流(即热管136的更温暖的大地端使在入口气室132中的热管的冷端处冷凝的工作流体蒸发，从而加热在其周围流动的空气)。当大地温度超过空气温度时，可使用这种布置，在冷天操作期间，这对于防止在发动机构件上形成冰可为有效的。

根据本申请的一个备选实施例，可采用如上所述的毛细结构，使得在大地温度小于环境空气温度时仍然可使用图3的竖直排列的热管。在这种情况下，发动机操作者可期望冷却供应至压缩机的环境空气。不是重力使冷凝流体返回到热管的冷侧，而是由毛细结构提供的毛细压力克服重力，从而通过毛细作用使冷凝流体从更冷的大地侧向上到达气室内部的更温暖的一侧。一旦在气室内部，热管就通过毛细作用传送的流体的蒸发来从经过的空气流中吸收热量。如所论述的那样，以这种方式冷却空气大体提高了燃气涡轮动力设备的效率，并且当环境温度高时，可用这种方式提高发动机性能。

使用热管来进行任何必要冷却或加热有几个优点。第一，热管是完全被动的传热系统，没有会磨损的运动部件。第二，热管不需要能量来进行操作。第三，热管相对廉价。第四，热管在大小、形状和有效的操作温度范围方面是灵活的。

在操作中，当环境温度达到低于合乎需要的水平时，可启动具有图3所示的构造的热管，以从地下泵出热量来加热穿过入口气室112的空气。例如，这可用来防止在入口过滤器室或入口导叶上形成不需要的冰。另一方面，当环境温度达到高于合乎需要的水平时，可启动具有图3所示的构造的热管，以将热量从穿过入口气室112的空气泵浦到大地中。例如，这可在热天用来提高发动机的效率。

如图3和4所示，在一些实施例中，热管可具有多个支路。支路138大体增大了用于与陆地进行热交换的表面积。

图4示出了入口气室112的正视图(即看入入口气室112的口部中)，并且展示了根据本申请的一个实施例的入口气室内的传热结构136(在该情况下是热管)的一种示例性构造。如图所示，可竖直地布置热管，并且热管可从入口气室112的内部延伸到大地134内的期望深度。多个热管可均匀地分布在入口气室112上。在某些应用中，可使用更多或更少热管。

现在参照图5，显示了根据本申请的燃气涡轮动力设备的一个备选实施例，即燃气涡轮动力设备150。在这种情况下，第二传热结构152构造成以便在入口气室112和涡轮54的排气之间交换热量。热回收蒸汽发生器154可存在于这种类型的动力设备中，如图所示。涡轮排气的一部分可通过排气旁路155从主流中转移出来，并且被引导通过传热单元156。在传热单元156内，排气可加热第二传热结构152。如图所示，第二传热结构152可连接到传热结构136上，在传热结构136中，来自排气的热量可被泵浦到入口气室112中。此构造对动力设备提供了额外的加热元件，如本领域普通技术人员将理解的那样，其对某些应用来说可能是必要的。第二传热结构152可包括与以上描述相符的热管。

如所叙述的那样，在优选实施例中，传热结构136和第二传热结构152包括热管。在根据本发明的其它实施例中，传热结构136和第二传热结构152可包括其它传统的传热结构或系统。例如，可代替热管使用由实心的传导性金属管制成的散热器。虽然与热管相关联的两相传热可能是更高效的传热模式，但是，与某些实心材料相关联的单相传导性传热对于一些应用来说可能就足够了。在其它实施例中，可通过泵来使传热流体循环通过回路，使得流体在大地134和入口气室112之间交换热量。在另外的其它实施例中，可使用热虹吸管。如本领域普通技术人员将理解的那样，热虹吸管是类似于热管的机构，在热虹吸管中，热能由流体浮力而非蒸发作用和冷凝作用传递。

如本领域普通技术人员将理解，可进一步选择性地应用以上关于若干个示例性实施例所描述的许多不同的特征和构造来形成本申请的其它可行的实施例。为了简洁、并且考虑到本领域普通技术人员的能力，没有提供或详细论述所有的可能的重复，但是由若干个权利要求或以别的方式包含的所有组合和可能的实施例都意图为本申请的一部分。另外，根据本发明的若干个示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将想到改进、变化和修改。在本领域的技术内的这种改进、变化和修改也意在由所附的权利要求书覆盖。另外，应当显而易见的是前述内容仅涉及本申请的所描述的实施例，而且可在不偏离由所附的权利要求书及其等效物限定的本申请的精神和范围的情况下在本文中作出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于在燃气涡轮动力设备中使用的地热热交换系统，所述燃气涡轮动力设备包括入口气室(112)，所述入口气室(112)将空气流引导到压缩所述空气流的压缩机(52)，然后压缩空气流在燃烧器(56)中与燃料混合且燃烧，使得所得到的热气流被引导通过涡轮(54)，所述地热热交换系统包括：用于在大地(134)和移动通过所述入口气室(112)的空气流之间交换热量的装置(136)。

2.根据权利要求1所述的地热热交换系统，其特征在于，用于在大地(134)和移动通过所述入口气室(112)的空气流之间交换热量的所述装置(136)包括热管。

3.根据权利要求1所述的地热热交换系统，其特征在于，用于在大地(134)和移动通过所述入口气室(112)的空气流之间交换热量的所述装置(136)包括散热器和热虹吸管中的一个。

4.根据权利要求1所述的地热热交换系统，其特征在于，用于在大地(134)和移动通过所述入口气室(112)的空气流之间交换热量的所述装置(136)包括藉由泵循环通过穿过大地(134)和所述入口气室(112)的回路的传热流体；以及

其中，所述大地(134)包括地表面下面的位置和水体的表面之下的位置中的一个。

5.根据权利要求1所述的地热热交换系统，其特征在于，大地(134)包括在地表面下面预定深度处的位置；以及

其中，所述预定深度包括大于25英尺的深度。

6.根据权利要求2所述的地热热交换系统，其特征在于，所述热管包括两相传热器件，所述两相传热器件包括由具有高导热性的材料制成的密封管路；以及

其中，所述密封管路被排空，并且回填有少量工作流体。

7.根据权利要求6所述的地热热交换系统，其特征在于，所述热管基本竖直地排列，并且包括毛细结构，所述毛细结构包含构造成以便在冷凝的工作流体上提供期望的毛细压力的材料。

8.根据权利要求6所述的地热热交换系统，其特征在于，所述毛细结构包括沟槽式毛细结构、金属丝网毛细结构、粉末金属毛细结构和纤维/弹簧毛细结构中的一个；以及

其中，所述热管构造成以便在热天将热量从通过所述入口气室(112)的空气流传递到大地(134)，使得所述燃气涡轮动力设备的效率得到提高。

9.根据权利要求6所述的地热热交换系统，其特征在于，所述热管构造成以便在冷天将热量从大地(134)传递到通过所述入口气室(112)的空气流，使得避免不期望的冰形成。

10.根据权利要求6所述的地热热交换系统，其特征在于，所述地热热交换系统进一步包括用于在来自所述涡轮的排气流和所述入口气室(112)之间传递热量的装置(152)；

其中，用于在来自所述涡轮的排气流和所述入口气室(112)之间传递热量的所述装置(152)包括热管。

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