CN104520541A - 驱动负载的两个燃气涡轮的组合 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于驱动负载(21;120)的系统，包括具有冷端(23C;123C)和热端(23H,123H)的第一燃气涡轮(23;23)，以及具有冷端(25C;125C)和热端(25H;125H)的第二燃气涡轮(25;125)。第一燃气涡轮(23;123)在其热端(23H;23H)处机械地连接于所述负载(21;120)，而所述第二燃气涡轮(25;125)在其所述冷端(25C;125C)处机械地连接于所述负载(21;120)。

Description

驱动负载的两个燃气涡轮的组合
技术领域
公开的实施例大体上涉及陆基燃气涡轮。更具体而言，实施例涉及用于驱动旋转机器的组合燃气涡轮，诸如发电机或压缩机。
背景技术
燃气涡轮通常用于陆基应用中，例如，作为用于驱动各种操作机器的机械功率发生器。广义用语"陆基"是指除航空应用之外的所有应用。更具体而言，燃气涡轮用于使发电设备中的发电机旋转。燃气涡轮通常还用于驱动大型旋转机械，诸如，轴向压缩机或离心压缩机。典型地，燃气涡轮应用于天然气液化(LNG)、CO2回收和气体工业的其它部分的领域中。
在一些已知的实施例中，使用了重型燃气涡轮。这些机器提供高功率输出，但特别重且麻烦。
航改燃气涡轮的陆基应用在若干领域中变得越来越流行，包括LNG和发电。航改燃气涡轮的特征在于紧凑的大小，并且因此对于离岸应用特别有用。然而，如果相比于重型燃气涡轮的功率比率，则航改燃气涡轮的功率输出是有限的。航改燃气涡轮的典型功率范围高达60MW，然而重型燃气涡轮产生超过100MW。
变为标准实践的是将两个燃气涡轮组合来对一个被驱动的装备或负载供能，以供应足够的功率来驱动负载。
图1示出了燃气涡轮的成对布置的现有技术应用，其用以驱动单个被驱动的装备，诸如例如涡轮压缩机。根据该布置，提供了第一燃气涡轮1，其包括气体发生器2和低压涡轮3。输出轴4连接于普通被驱动的装备5。被驱动的装备5可包括涡轮机，诸如，离心或轴向压缩机，或发电机等。气体发生器2继而包括轴向压缩机2A和高压涡轮2B。由高压涡轮2B生成的功率驱动压缩机2A。离开高压涡轮2B的由气体发生器生成的气体驱动低压涡轮3旋转，并且由低压涡轮3生成的机械功率用于驱动被驱动的装备5。图1的布置还包括第二燃气涡轮6。第二燃气涡轮6布置成与第一燃气涡轮1大致对称，并且包括第二气体发生器7和第二低压涡轮8。气体发生器7继而包括压缩机7A和高压涡轮7B。由低压涡轮8生成的功率用于经由轴9和齿轮箱10驱动被驱动的装备5。需要齿轮箱10的插置来使轴9的旋转方向反向，使得齿轮箱10的输出轴9沿与第一燃气涡轮1的轴4相同的方向旋转。
布置允许驱动装备5，装备5需要由单个燃气涡轮提供的功率的两倍。该已知布置具有一些缺陷。齿轮箱10耗散输入功率的一部分，典型地在1%到3%的范围中，因此降低了设备的总体效率。此外，设备的占地面积通过齿轮箱10变得较大。齿轮箱的使用增加了润滑油消耗，并且由于可能的齿轮箱故障，降低了整个设备的可用性。此外，齿轮箱引入轴振动，其使系统的旋转动态行为关键。
发明内容
通过提供具有布置成使得所述燃气涡轮中的一个的冷端面对所述燃气涡轮中的另一个的热端的第一燃气涡轮和第二燃气涡轮的系统，并且将负载布置在其间，负载可连接于两个燃气涡轮，以使两个燃气涡轮的旋转方向与负载的旋转方向一致，而不需要齿轮箱布置在燃气涡轮中的一个与负载之间。
在一些示例性实施例中，第一燃气涡轮具有第一轴向轴，其横跨燃气涡轮的长度从冷端延伸至热端。类似地，第二燃气涡轮具有第二轴向轴，其横跨第二燃气涡轮的长度从冷端延伸至热端。第一轴向轴和第二轴向轴为分别由第一燃气涡轮和第二燃气涡轮的第一低压涡轮和第二低压涡轮驱动来旋转的功率轴，并且能够将由燃气涡轮产生且在功率轴上可用的功率传送至负载。负载接着借助于多个离合接头连接于第一轴的一端，并且连接于第二轴的相对端，可从第一燃气涡轮的相应的冷端和第二燃气涡轮的热端接近，或反之亦然。
具体而言，负载优选为可变负载，该可变负载为具有可变范围的吸收功率的负载，即，压缩机；为此，用语"负载"和"可变负载"在说明书中被认作是同义词。如果负载以与燃气涡轮相同的速度旋转，则负载与两个燃气涡轮中的任一个之间不需要齿轮箱。齿轮箱因此完全省去，除去了与使用齿轮箱相关的以上提到的缺陷。如果燃气涡轮与负载之间需要不同于"1"的转速比，则齿轮箱布置在各个燃气涡轮与负载之间。然而，不需要燃气涡轮的输出轴的旋转方向反向。
基于以上构想，根据示例性实施例，提供了一种用于驱动负载的系统，包括：具有冷端和热端的第一燃气涡轮；具有冷端和热端的第二燃气涡轮；多个离合接头，其中所述多个离合接头中的至少一个离合接头将所述可变负载机械地连接在所述第一燃气涡轮的热端处，并且所述多个离合接头中的至少又一个离合接头将所述可变负载机械地连接在所述第二燃气涡轮的冷端处；控制系统，其布置成控制所述多个离合接头，以便调节机械功率从所述第一和/或第二燃气涡轮和所述可变负载传送。燃气涡轮的热端理解为其中布置低压涡轮和排出气体排放仓室的一端。燃气涡轮的冷端理解为与热端相对的一端，即，其中布置第一空气压缩机和气体发生器的空气进入仓室的燃气涡轮端。
作为优选，第一燃气涡轮和第二燃气涡轮大致等于彼此。在特别有利的实施例中，燃气涡轮为航改燃气涡轮。航改燃气涡轮的减小的重量和大小以及具有置于一个燃气涡轮的热端与另一个燃气涡轮的冷端之间的负载的空间布置导致紧凑的布置，特别适用于离岸应用中的情况。
根据一些示例性实施例，第一燃气涡轮包括从第一燃气涡轮的冷端延伸至热端的第一轴，并且第二燃气涡轮包括从第二燃气涡轮的冷端延伸到热端的第二轴。第一轴和所述第二轴通过所述多个离合接头机械地连接于负载。在本情况中，当离合接头将负载连接于燃气涡轮轴时，负载轴和燃气涡轮轴优选以相同的转速旋转。根据又一个方面，本文公开的主题还涉及一种用于借助于燃气涡轮驱动负载的方法，包括以下步骤：
布置具有热端和冷端的第一燃气涡轮；
布置具有热端和冷端的第二燃气涡轮；
提供多个离合接头，其布置成将所述第一和/或第二燃气涡轮连接于所述可变负载或与其断开；
使第一燃气涡轮、第二燃气涡轮和可变负载沿相同旋转方向旋转；
以所述第一燃气涡轮和第二燃气涡轮中的一个，或以所述第一燃气涡轮和第二燃气涡轮两者有选择地驱动所述可变负载，控制所述多个离合接头。
以上简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细描述可被更好理解，并且以便可更好认识到对现有技术的本贡献。当然，存在本发明的其它特征，其将在下文中描述，并且将在所附权利要求中阐述。在该方面，在详细阐释本发明的若干实施例之前，理解，本发明的各种实施例不限于它们应用于构造的细节和以下描述中阐述或附图中所示的构件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且以各种方式实践和执行。另外，将理解，本文使用的措词和术语出于描述的目的，并且不应当看作是限制。
就此而言，本领域的技术人员将认识到本公开所基于的构想可容易地用作设计其它结构、方法和/或系统用于执行本发明的若干目的的基础。因此，重要的是，权利要求看作是包括此类等同构造，以至于它们不脱离本发明的范围。
附图说明
在连同附图考虑时，本发明的更完整的认识及其所附优点中的许多个将在其通过参照以下详细描述而变得更好理解时容易地获得，其中：
图1示意性地示出了根据现有技术的用于驱动公共负载的两个燃气涡轮的布置；
图2示意性地示出了根据本文公开的主题的一个实施例的用于驱动公共负载的两个燃气涡轮的布置；
图3示出了适用于在根据图2的布置中使用的航改燃气涡轮的纵截面；
图4示意性地示出了用于驱动公共轴的两个燃气涡轮的又一个布置。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述是指附图。不同附图中的相同附图标记识别相同或相似的元件。此外，附图不一定按比例绘制。此外，以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。
整个说明书中提到"一个实施例"或"实施例"或"一些实施例"是指连同实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，整个说明书的不同位置处出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"或"在一些实施例中"不一定是指相同(多个)实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适合的方式组合在一个或更多个实施例中。
图2示出了根据本文公开的主题的布置。根据该实施例，包括负载轴22的负载21通过两个燃气涡轮23和25的成对布置旋转地驱动。根据一些实施例，两个燃气涡轮23和25彼此相同。在一些实施例中，燃气涡轮23和25为航改燃气涡轮。在示例性实施例中，燃气涡轮23和25为可从GE Aviation(Evendale, Ohio, USA)获得的LM6000航改燃气涡轮，GE Aviation为General Electric Company(Fairfield, Connecticut, USA)的子公司。
在一些实施例中，各个燃气涡轮23和25包括气体发生器区段27和低压功率涡轮29。图3更详细地示出了燃气涡轮23,25中的一个的纵截面。气体发生器区段27包括低压轴向压缩机31，其具有在吸入侧处的一组静止入口叶片33。多个低压压缩级35布置在静止入口叶片33下游。各个低压压缩级35包括一组旋转叶片和一组静止叶片。旋转叶片由低压压缩机转子37支承，而静止叶片由外壳支承。
低压轴向压缩机31与布置在低压轴向压缩机31下游的高压轴向压缩机39流体连通。高压轴向压缩机39包括多个高压压缩级43。各个高压压缩级43包括一组旋转叶片和一组静止叶片。旋转叶片由高压压缩机转子45支承。静止叶片由壳支承。
高压轴向压缩机39的出口与燃烧器47流体连通。来自高压轴向压缩机39的压缩空气流入所述燃烧器47中，并且气态或液体燃料与其混合，并且空气/燃料混合物点燃来生成压缩的热燃烧气体。
第一高压涡轮49在燃烧器47的下游布置成与燃烧器47流体连通。高压涡轮49包括一组静止入口叶片50，后面是一个或更多个膨胀级51，各个包括一组静止叶片和一组旋转叶片。旋转叶片由高压涡轮转子53支承。高压涡轮转子53和高压压缩机转子45由气体发生器轴55支承并且扭转地约束至气体发生器轴55。
从燃烧器47流过高压涡轮49的燃烧气体的膨胀生成机械功率，其驱动气体发生器轴55，并且用于对高压轴向压缩机39供能。
高压涡轮49的出口与低压涡轮29的入口流体连通。流过高压涡轮49的燃烧气体仅部分地膨胀，并且它们的膨胀在低压涡轮29中继续。低压涡轮29的入口包括一组静止叶片59，其由机器的壳支承，后面是多个低压膨胀级61。各个低压膨胀级61包括一组旋转叶片和一组静止叶片。旋转叶片由低压涡轮转子63支承，并且静止叶片由燃气涡轮23,25的壳支承。低压涡轮转子63旋转地约束于功率轴65并且由功率轴65支承。功率轴65延伸穿过燃气涡轮，并且与气体发生器轴55同轴。低压压缩机转子37由相同功率轴65支承，并且约束于相同功率轴65。
在低压涡轮29中膨胀的燃烧气体在功率轴65上生成机械功率，其部分地用于驱动低压轴向压缩机31，并且部分地用于驱动负载21。
如可从图3认识到的，功率轴65从第一端65C延伸至相对的第二端65H。功率轴65的第一端65C布置在燃气涡轮23,25的所谓的冷端23C,25C处，即，在其冷空气入口侧处。第二端65H布置在燃气涡轮23,25的所谓的热端23H,25H处，即，在它们在高压涡轮49和低压涡轮29中膨胀和部分冷却之后，排出的热燃烧气体在67处排放的一侧处。
功率轴65因此可在燃气涡轮23,25的冷侧上的第一端65C上或燃气涡轮23,25的热侧上的第二端65H上连接于负载21。热端65H和冷端65C可出于该目的与负载联接组合。
现在又转到图2，在该示例性实施例中，燃气涡轮23通过相应的功率轴65的第二端65H连接于负载21，即，在燃气涡轮23的热端上。相反，燃气涡轮25通过相应的功率轴65的第一端65C连接于负载21，即，在燃气涡轮23的冷端上。
因此，两个燃气涡轮23,25连接于相同负载21，而不需要齿轮箱使旋转运动的方向反向，因为两个燃气涡轮23,25沿相同方向定向，并且在相对侧处连接于负载21。
如上文提到的，负载21可为涡轮机，诸如，轴向压缩机或离心压缩机，例如，用于LNG设备的制冷剂压缩机，或用于CO2回收和液化的压缩机、旋转泵等。在其它实施例中，负载21可为发电机，用于生产电能，或具有旋转轴的任何其它负载，其由用作用于公共负载的一组成对驱动件的两个燃气涡轮23,25驱动来旋转。如本文使用的用语负载应当理解为可能包括一个以上的旋转机器。例如，负载可包括压缩机组，即，两个或更多个同轴地布置的压缩机，和/或两个或更多个电机。在一些实施例中，负载还可包括不同性质的两个或更多个旋转机器，例如，涡轮机和电机。
在优选实施例中，如图2中示意性所示，负载21可包括具有相对端22A,22B的贯穿轴，相对端22A,22B分别连接于第一燃气涡轮23和第二燃气涡轮25的轴的两个相对端65H和65C，其中插置了分别标为21A和21B的相应离合接头。离合接头21A,21B可弥补相对轴65的可能失准，相对轴65大体上为平行且同轴的。一个或两个离合接头21A,21B有选择地将一个或两个涡轮轴65连接于负载21或与负载21断开。
在优选实施例中，控制系统提供成控制所述多个离合接头。所述离合接头21A,21B可操作成将所述燃气涡轮轴连接于负载/与负载断开。
控制系统布置成随所述第一燃气涡轮和第二燃气涡轮(23;123;25;125)和所述可变负载(21;120)中的至少一个的转速变化来有选择地操作所述多个离合接头，以便调节从第一和/或第二燃气涡轮(23;123;25;125)和所述可变负载(21;120)的机械功率传送。
从涡轮到负载(21;120)的机械功率传送的调节允许优化总体消耗。
具体而言，控制系统管理由负载21和第一燃气涡轮23和第二燃气涡轮25构成的组的启动相位。
最初，负载21可仅与第一燃气涡轮23连接，并且第一燃气涡轮23可开始旋转来驱动负载21。同时，第二燃气涡轮25可开始旋转，以便达到所述第一燃气涡轮23和负载21的相同转速。
一旦速度大致相等，则第二燃气涡轮25可连接于负载21。
启动第二燃气涡轮25和负载21，并且接着连接旋转第一燃气涡轮23，可实现相同的结果。在附图中所示的示例性实施例中，涡轮轴65与负载21之间的连接为直接连接，即，负载轴22和两个涡轮轴65以大致相同的速度旋转。在未示出的其它实施例中，相应的齿轮箱可布置在各个功率轴65与负载轴22的对应端之间。该修改的布置可在涡轮23,25的转速不同于负载21的转速时使用。然而，将不需要使两个涡轮轴65中的一个的旋转方向反向的齿轮箱。
如可通过比较图1和2而认识到的，图2中的布置的总体大小小于图1的布置的总体大小。具体而言，图2中的布置的占地面积由于没有齿轮箱而较小。没有齿轮箱也提高了设备的总体效率，因为消除了齿轮箱中的机械损失。减少了润滑油消耗，并且还除去了由齿轮箱引起的旋转动态临界性。由于消除了易于故障的构件，故提高了总体设备可靠性。
相对于重型涡轮布置(使用仅一个涡轮来驱动负载)，两个较小燃气涡轮的组合，尤其是如本文公开的串联布置的两个航改燃气涡轮允许了实现附加的优点。重型燃气涡轮和负载布置的总体大小和占地面积通常大于如本文公开的一个的双燃气涡轮布置，输出功率是相同的。较小航改燃气涡轮的维护比大型重载涡轮的维护更容易和较不昂贵。此外，使用两个单独的燃气涡轮允许了操作中的较高灵活性，实现例如50MW的负载梯级，同时如果使用单个较大燃气涡轮，则仅100MW的负载梯级是可能的。此外，两个涡轮中的各个的功率输出可取决于需求调节，并且可受控制以便优化燃气涡轮的效率。如果需要减小的功率，则使用负载与至少一个并且优选两个燃气涡轮之间的离合接头允许了至少一个或优选两个燃气涡轮与负载分开并且有选择地关闭。还获得了较高的设备可靠性。一个燃气涡轮的故障将不引起设备的完全关闭，因为负载可由仍操作的燃气涡轮驱动，但功率减小。
图4示意性地示出了本文公开的主题的又一个实施例。在该实施例中，负载120由两个主框架燃气涡轮123和125驱动。各个主框架燃气涡轮123,125包括压缩机127和功率涡轮129。由压缩机127压缩的空气在燃烧器128中流动。燃烧器128中生成的燃烧气体在功率涡轮129中膨胀。压缩机127和功率涡轮129由公共轴131支承，并且扭转地约束至公共轴131。各个轴131具有在相应燃气涡轮123,125的冷侧123C,125C处的第一端131C，以及在相应的燃气涡轮123,125的热侧123H,125H处的第二端131H。第一燃气涡轮123的轴131的第二端131H和第二燃气涡轮125的冷侧处的第一端131C两者连接于公共负载120。来自两个燃气涡轮123和125的功率组合使用来驱动公共负载120。
尽管本文所述的主题的公开实施例在附图中示出并且在上文完整地详细描述并且连同若干示例性实施例详细描述，但本领域的技术人员将认识到，许多改型、变化和省略是可能的，而不实质地脱离新颖的教导、本文提出的原理和构想，以及所附权利要求中叙述的主题的优点。因此，公开的创新的适合范围应当仅由所附权利要求的最宽阐释来确定，以便涵盖所有此类改型、变化和省略。此外，任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据备选实施例变化或再排序。

Claims (14)

1. 一种用于驱动可变负载(21;120)的系统，包括：
具有冷端(23C;123C)和热端(23H;123H)的第一燃气涡轮(23;123)；
具有冷端(25;125C)和热端(25H;125H)的第二燃气涡轮(25;125)；
多个离合接头，其中所述多个离合接头中的至少一个离合接头(21A,21B)将所述可变负载(21;120)机械地连接在所述第一燃气涡轮(23;123)的热端(23H;123H)处，并且所述多个离合接头中的至少又一个离合接头(21A,21B)将所述可变负载(21;120)机械地连接在所述第二燃气涡轮(25;125)的冷端(25C;125C)处；
控制系统，其布置成控制所述多个离合接头，以便调节从所述第一和/或第二燃气涡轮(23;123;25;125)和所述可变负载(21;120)的所述机械功率传送。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮(23;123)和所述第二燃气涡轮(25;125)大致等于彼此。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮(23;123)包括从所述冷端(23C;123C)延伸至其所述热端(23H;123H)的第一功率轴(65;131)，并且所述第二燃气涡轮(25;125)包括从所述冷端(25C;125C)延伸至其所述热端(25H;125H)的第二功率轴(65;131)；并且其中所述第一功率轴和所述第二功率轴通过所述多个离合接头机械地连接于所述可变负载(21;120)。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一功率轴(65;131)和所述第二功率轴(65;131)以第一转速旋转，并且所述可变负载(21;120)以第二转速旋转，所述第一转速大致等于所述第二转速。
5. 根据权利要求3或权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一功率轴(65;131)和所述第二功率轴通过所述多个离合接头连接于可变负载轴(22)的相对端(22A,22B)。
6. 根据前述权利要求中的一项或更多项所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮(23)和所述第二燃气涡轮(25)为航改燃气涡轮。
7. 根据前述权利要求中的一项或更多项所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮和所述第二燃气涡轮包括相应的气体发生器，其包括气体发生器轴(55)和功率轴(65)，所述功率轴与所述气体发生器轴同轴地延伸。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮(23)包括：低压压缩机(31)；高压压缩机(39)；燃烧器(47)；高压涡轮(49)；以及低压涡轮(29)；并且其中所述低压压缩机(31)和所述低压涡轮(29)由所述第一功率轴(65)支承并且扭转地连接于所述第一功率轴(65)。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一功率轴(65)同轴地延伸穿过所述第一燃气涡轮(23)的第一高压压缩机转子(45)。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二燃气涡轮(25)包括：低压压缩机(31)；高压压缩机(39)；燃烧器(47)；高压涡轮(49)和低压涡轮(29)；并且其中所述低压压缩机(31)和所述低压涡轮(29)由所述第二功率轴(65)支承并且扭转地连接于所述第二功率轴(65)。
11. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第二功率轴(65)同轴地延伸穿过所述第二燃气涡轮(25)的第二高压压缩机转子(45)。
12. 根据前述权利要求中的一项或更多项所述的系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮(23;123)、所述第二燃气涡轮(25;125)和所述可变负载(21;120)与彼此大致同轴。
13. 一种用于借助于燃气涡轮驱动可变负载(21;120)的方法，包括以下步骤：
提供具有热端(23H;123H)和冷端(23C;123C)的第一燃气涡轮(23;123)；
提供具有热端(25H;125H)和冷端(25C;125C)的第二燃气涡轮(25;125)；
提供多个离合接头，其布置成将所述第一和/或第二燃气涡轮(23;123;25;125)连接于所述可变负载(21;120)或与其断开；
使所述第一燃气涡轮、所述第二燃气涡轮和所述可变负载沿相同旋转方向旋转，
以所述第一燃气涡轮和所述第二燃气涡轮中的一个或以所述第一燃气涡轮和所述第二燃气涡轮两者有选择地驱动所述可变负载，控制所述多个离合接头。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述可变负载、所述第一燃气涡轮和所述第二燃气涡轮以大致相同的转速旋转。
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