CN103573410B - 涡轮机 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种使用CO₂的涡轮机包括移动叶片、定子叶片、工作流体输送流道、冷却剂输送流道和冷却剂回收流道。所述定子叶片与移动叶片共同构成涡轮级。工作流体输送流道被构造为将工作流体依次输送至各个涡轮级。冷却剂输送流道被构造为通过允许冷却剂从工作流体的上游至下游依次穿过定子叶片内部来输送冷却剂。冷却剂回收流道被构造为回收穿过在预定涡轮级处的定子叶片内部的冷却剂，且将回收的冷却剂合入预定涡轮级上游侧上涡轮级处的工作流体输送流道中。

Description

涡轮机

相关申请的交叉引用

本申请基于2012年7月20日提交的日本专利申请号2012-162098且要求其优先权；其全部内容在此并入作为参考。

技术领域

此处描述的实施例通常涉及涡轮机。

背景技术

在常规的发电厂中，燃气涡轮机、蒸汽涡轮机等作为发电的动力源装置被使用。

为了从涡轮机取得较多动力，具有如下规格的涡轮机也已经被开发出来：该涡轮机的规格利用了在等于或高于涡轮机叶片的耐热温度的温度下的工作流体。例如在这种涡轮机中，喷射冷却剂并且让冷却剂穿过涡轮机叶片内部从而冷却涡轮机叶片。

一直需要改进这种规格的涡轮机的能源效率。

发明内容

本发明解决的问题是提供能够增加能源效率的涡轮机。

在一个实施例中的涡轮机是使用CO₂作为工作流体和冷却剂的涡轮机，包括：转子、多个移动叶片、多个定子叶片、工作流体输送流道、冷却剂输送流道和冷却剂回收流道。所述多个移动叶片沿转子轴线设置。所述多个定子叶片与多个移动叶片共同构成多个涡轮级。工作流体输送流道被构造为将工作流体依次输送至多个涡轮级。冷却剂输送流道被构造为通过允许冷却剂从工作流体的上游至下游依次穿过多个定子叶片内部来输送冷却剂。冷却剂回收流道被构造为回收穿过在预定涡轮级处定子叶片内部的冷却剂，且将回收的冷却剂合入预定涡轮级上游侧上涡轮级处的工作流体输送流道中。

附图说明

图1是包括根据第一实施例的CO₂涡轮机的火力发电系统的方框图。

图2是示出包括在图1的CO₂涡轮机中的冷却剂回收流道的周缘处结构的截面图。

图3是示出图2中喷嘴的周缘处结构的放大截面图。

图4是示出从转子直径方向观察的状态下图3中喷嘴周缘的示意图。

图5是用于解释图2中喷嘴周缘处冷却剂流动的示图。

图6是沿图5中A-A的截面图。

图7是沿图5中B-B的截面图。

图8是沿图5中C-C的截面图。

图9是示出根据第二实施例的CO₂涡轮机的冷却剂回收流道周缘处结构的截面图。

图10是用于详细解释图9中示出的冷却剂回收流道的截面图。

图11是示出设置在包括在图9的CO₂涡轮机中喷嘴部段内的冷却剂回收流道的一部分的结构的透视图。

图12是沿转子轴线方向观察图9中冷却剂回收流道周缘处结构的截面图。

图13是示出根据第三实施例的CO₂涡轮机的冷却剂回收流道周缘处结构的截面图。

图14是沿图13中D-D的截面图。

图15是示出根据第四实施例的CO₂涡轮机的冷却剂回收流道周缘处结构的截面图。

具体实施方式

下面将基于附图描述实施例。

（第一实施例）

如图1所示，根据本实施例的火力发电系统20包括CO₂涡轮机5、CO₂泵1、再生热交换器2、氧气发生器3、燃烧器4、发电机6、冷却器7、湿分分离器8等等。

CO₂泵1压缩由湿分分离器8从燃烧气体（CO₂和蒸汽）中分离出水后制得的高纯度CO₂，并且将高压下的CO₂以分支的方式穿过再生热交换器2供至燃烧器4和CO₂涡轮机5。

要注意，在CO₂泵1中产生的更高压力的高纯度CO₂可被存储或利用，用于增强的油回收。简言之，一个CO₂泵1兼任工作CO₂的供给源和冷却CO₂的供给源。该工作CO₂可被称为工作气体或工作流体，并且该冷却CO₂可被称为冷却气体、冷却流体或冷却剂。

再生热交换器2将被热交换器增温的CO₂供至燃烧器4。在完成热交换前，再生热交换器2将一部分CO₂供至CO₂涡轮机5。供至燃烧器的CO₂用于工作。供至CO₂涡轮机5的CO₂用于冷却或密封。此外，再生热交换器2通过热交换来冷却从CO₂涡轮机5排放出的燃烧气体（CO₂和蒸汽）。

氧气发生器3产生氧气并且将产生的氧气供至燃烧器4。燃烧器4燃烧喷射入的天然气如甲烷气体、CO₂和氧气从而产生高温和高压下的燃烧气体（CO₂和蒸汽），并且将燃烧气体供至CO₂涡轮机5作为工作CO₂。

CO₂涡轮机5被高温高压下的工作CO₂所驱动。CO₂涡轮机5在涡轮机内旋转移动叶片13和支撑移动叶片13的涡轮机转子11，并且将它们的旋转力传递至发电机6。涡轮机转子11也称为轴。

换句话说，CO₂涡轮机5利用从一个CO₂泵1供应的CO₂主要作为旋转涡轮机转子11的工作流体和冷却剂（冷却流体）。

发电机6利用CO₂涡轮机5的涡轮机转子11的旋转力发电。CO₂涡轮机5和发电机6的组合有时称为CO₂涡轮发电机。冷却器7还冷却穿过再生热交换器2的燃烧气体（CO₂和蒸汽），并且将冷却的燃烧气体供至湿分分离器8。

湿分分离器8从冷却器7输出的低温燃烧气体（CO₂和蒸汽）中分离出水从而产生高纯度CO₂，并且将该高纯度CO₂返回CO₂泵1。

火力发电系统20通过利用超临界压力下CO₂的氧气燃烧循环系统来构成，并且该系统是能够有效利用CO₂而不排放CO₂的零排放发电系统。该系统的使用使得可能回收和再循环高压的高纯度CO₂而不独立地安装用于分离和回收CO₂的设施。

随后，将描述根据本实施例的火力发电系统20的操作。在本实施例的情形下，借助通过喷射和燃烧CO₂、天然气和氧气产生的高温CO₂（工作CO₂）通过旋转CO₂涡轮机5（的移动叶片）来发电。

随后，从CO₂涡轮机5排出的燃烧气体（CO₂和蒸汽）通过再生热交换器2和冷却器7被冷却并且其内的水在湿分分离器8内被分离，成为CO₂气体。随后CO₂气体循环流回CO₂泵1并且被压缩，并且大多数CO₂被送回燃烧器4。

接下来，将基于图2-8描述本实施例中设置在CO₂涡轮机5中的冷却剂回收流道37的结构。如图2所示，工作流体输送流道35和冷却剂输送流道36围绕冷却剂回收流道37设置。

工作流体输送流道35相对多个涡轮级将工作流体（工作CO₂）从其上游侧（高压侧）输送至其下游侧（低压侧），每个涡轮级由一组喷嘴（定子叶片）16和移动叶片13组成。

如图2和图3所示，上述每个喷嘴16被作为保持部件的喷嘴部段38所保持。此外，保持喷嘴16的喷嘴部段38固定于形成于内壳15a（15b）内的钩部件上。

冷却剂输送流道36从上游侧将冷却剂（冷却CO₂）输送至下游侧，同时使得冷却剂（冷却CO₂）穿过在每个涡轮级处的喷嘴16的内部。更具体地说，冷却剂输送流道36如图2所示具有主流道36a。该主流道36a在内壳15a（15b）的主体的一个部件内从上游侧延伸至下游侧。在冷却剂输送流道36内，从主流道36a分支出用于每个涡轮级的流道并且分支出的流道在每个涡轮级内被引导至喷嘴16内部。

此外，如图3-5所示，冷却剂输送流道36穿过喷嘴16内部并且随后通过喷嘴部段38的喷嘴侧壁38a内部至喷嘴部段38的主体外部以便排放。此处，为取得更多动力，例如等于或高于喷嘴16耐热温度的温度下的工作流体（工作CO₂）在某些情形下需要被喷射入CO₂涡轮机5。为此，冷却剂输送流道36需要冷却喷嘴16。

另一方面，冷却剂回收流道37回收沿冷却剂输送流道36穿过预定涡轮级处的喷嘴16内部的冷却剂。冷却剂回收流道37将回收的冷却剂合入该预定涡轮级的上游侧上涡轮级处的工作流体输送流道35。特别地，冷却剂回收流道37由作为密封部件的密封板40和喷嘴部段38组合构成，如图5-8所示。密封板40从预定方向密封各部段38之间的间隙。冷却剂回收流道37通过被喷嘴部段38和密封板40所围绕的空间（空腔/空隙）。

更详细地，一组密封板40被设置为彼此相对，其间插入间隙，该间隙位于一组喷嘴部段38彼此相对的端面之间，从而构成冷却剂输送流道36和冷却剂回收流道37，如图5-8所示。此外，止动部37b等设置在边界部处，此处冷却剂输送流道36转换为冷却剂回收流道37，如图5（和图2）所示。此外，冷却剂合并孔37a设置在冷却剂回收流道37的与工作流体输送流道35合并的一部分上，如图5（和图2）所示。

此处，本实施例中的CO₂涡轮机5例如在第五涡轮级（预定涡轮级）55处回收穿过喷嘴16的冷却剂，并且将回收的冷却剂与第五涡轮级上游侧上（例如第二涡轮级52下游侧上）的工作流体输送流道35合并，如图2所示。此处，由于喷嘴冷却而压力损失的冷却剂压力等于第二涡轮级52下游侧上的工作流体输送流道35内的压力。

更准确地说，冷却剂不是简单地被输送至上述第五涡轮级（预定涡轮级）55的更下游侧，而是带有充足工作压力的冷却剂与来自适宜涡轮级的工作流体输送流道35合并。因此，合并的冷却剂可作为工作流体。

如前所述，根据本实施例的CO₂涡轮机5，冷却剂（冷却CO₂）的焓损失（能量损失）受到抑制（有效地利用了冷却剂压力）。因此可增加能量效率。

（第二实施例）

接下来将基于图9-12描述第二实施例。要注意，这些附图中与图1-8所示第一实施例中的元件相同的元件用相同的附图标记表示，不再赘述。

本实施例中如图9-12所示的CO₂涡轮机包括冷却剂回收流道47而非第一实施例中的冷却剂回收流道37。冷却剂回收流道47包括收集流道37c。收集流道37c收集在预定涡轮级（例如第三涡轮级53）处，以及预定涡轮级下游侧上的涡轮级（例如第四和第五涡轮级54、55）处分别回收的冷却剂。收集流道37c朝预定涡轮级上游侧上的涡轮级（例如第二涡轮级52下游侧）输送所收集的冷却剂。

此外，包括在冷却剂回收流道47内的收集流道37c穿过（通过）内壳15a（15b）的部件内部，如图12所示。要注意，收集流道37c设置在某位置处，该位置中它物理上不与内壳15a（15b）的部件内的冷却剂输送流道36的主流道36a重叠。

更详细地，冷却剂回收流道47还包括中继流道37d和供给流道37e，如图9所示。中继流道37d将从涡轮级回收的冷却剂输送至收集流道37c。供给流道37e将来自收集流道37c的冷却剂供至工作流体输送流道35。

根据上述构造的第二实施例中的CO₂涡轮机，可能还从更接近冷却剂与其合并的涡轮级的涡轮级回收冷却剂（由于喷嘴冷却带有更低压力损失的冷却剂），并且促使冷却剂作为工作流体。因此，可进一步增加能源效率。

（第三实施例）

接下来，将基于图13和图14描述第三实施例。要注意，这些附图与图1-12所示的第一和第二实施例中的元件相同的元件用相同的附图标记表示，不再赘述。

本实施例中的CO₂涡轮机包括冷却剂回收流道57来代替第二实施例中的冷却剂回收流道47。如图13和图14所示，冷却剂回收流道57包括收集流道57c来代替第二实施例中的收集流道37c。收集流道57c穿过（通过）多个罩壳部段39的内部（部件内部）。

要注意在本实施例的CO₂涡轮机中，冷却剂输送流道36的主流道36a也设置在罩壳部段39内部。换句话说，收集流道57c设置在某位置处，在该位置它物理上不与罩壳部段39内部的主流道36a重叠。

根据本实施例中的CO₂涡轮机，可能在将其分为多个罩壳部段的同时来加工和形成收集流道，而非在内壳内加工和形成收集流道的情形。因此，除了第二实施例中的效果外，在本实施例中可能增加收集流道的加工性能。

（第四实施例）

接下来，将基于图15描述第四实施例。要注意，图15中与图1-14所示的第一至第三实施例中的元件相同的元件用相同的附图标记表示，不再赘述。

本实施例中如图15所示的CO₂涡轮机包括冷却剂回收流道77来代替第一实施例中的冷却剂回收流道37。冷却剂回收流道77具有定子叶片（喷嘴）再冷却流道77c。定子叶片再冷却流道77c在预定涡轮级（例如第三涡轮级53）下游侧上的涡轮级（例如第五涡轮级55）处回收冷却剂。定子叶片再冷却流道77c使得回收的冷却剂通过该预定涡轮级处的喷嘴（定子叶片）16内部并且随后朝该预定涡轮级上游侧上的涡轮级（例如第二涡轮级52下游侧）输送冷却剂。

更准确地说，定子叶片再冷却流道77c还被设置在冷却剂已被回收的涡轮级之前的涡轮级（例如第四涡轮级54）处。换句话说，定子叶片再冷却流道77c是这种流道：该流道用于在与工作流体输送流道35合并之前冷却从下一涡轮级按序位于前一涡轮级处的喷嘴（定子叶片）16。

因此，根据本实施例的CO₂涡轮机，可能改善喷嘴16的冷却性能以及有效地利用冷却剂作为工作流体。

根据上述实施例，增加了能源效率。

虽然描述了某些实施例，这些实施例仅为示例而非意图限制本发明的范围。实际上，此处描述的新实施例也可体现为其它形式；此外，各种按照此处描述的实施例的形式的省略、替换和改变均可做出，而不脱离本发明的精神。所附权利要求及其等价物意图覆盖这些形式和改进并且都应列入本发明的范围和精神内。

Claims (5)

1.一种使用CO₂作为工作流体和冷却剂的涡轮机，包括：

转子；

沿转子轴线设置的多个动叶片；

与所述多个动叶片共同构成多个涡轮级的多个定子叶片；

被构造为将工作流体依次输送至所述多个涡轮级的工作流体输送流道；

被构造为通过允许冷却剂从工作流体的上游至下游依次穿过所述多个定子叶片内部来输送冷却剂的冷却剂输送流道；

被构造为分别保持所述多个定子叶片的多个保持部件；

被构造为从预定方向密封所述多个保持部件之间间隙的密封部件，以及

通过被所述多个保持部件和密封部件所围绕的空间的冷却剂回收流道，所述冷却剂回收流道被构造为回收穿过在预定涡轮级处的定子叶片内部的冷却剂，且将回收的冷却剂合入该预定涡轮级上游侧上涡轮级处的工作流体输送流道中。

2.如权利要求1所述的涡轮机，

其中所述冷却剂回收流道收集分别在该预定涡轮级处和该预定涡轮级下游侧上涡轮级处回收的冷却剂，并且朝所述预定涡轮级上游侧上的涡轮级输送所收集的冷却剂。

3.如权利要求1所述的涡轮机，

其中冷却剂回收流道在该预定涡轮级下游侧上的涡轮级处回收冷却剂，使得回收的冷却剂通过该预定涡轮级处的定子叶片内部，并且随后朝所述预定涡轮级上游侧上的涡轮级输送冷却剂。

4.如权利要求1所述的涡轮机，还包括：

被构造为容纳所述多个定子叶片和所述多个动叶片的外壳；

被构造为分别保持所述多个定子叶片的多个保持部件；以及

被构造为将所述多个保持部件固定于外壳的多个固定部件，

其中冷却剂回收流道通过所述多个固定部件的内部。

5.如权利要求1所述的涡轮机，还包括：

被构造为容纳所述多个定子叶片和所述多个动叶片的外壳，

其中冷却剂回收流道通过所述外壳的内部。