CN105370404B - 具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系，其可以包括燃气涡轮机，该燃气涡轮机具有压缩机部段，涡轮机部段和燃烧器部段。负荷压缩机由燃气涡轮机驱动。转子轴延伸穿过燃气涡轮机和负荷压缩机。燃气涡轮机和负荷压缩机中的一个中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。轴承在燃气涡轮机和负荷压缩机内支撑转子轴，轴承中的至少一个是单型低损耗轴承。

Description

具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及以下共同转让的专利申请：序列号为____(代理人档案号为271509-1)、名称为“具有混合型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系(MECHANICALDRIVE ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请；序列号为____(代理人档案号为261580-1)、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的动力生产体系(POWER GENERATION ARCHITECTURES WITHMONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS)”的美国专利申请；序列号为____(代理人档案号为267305-1)、名称为“具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力生产体系(POWER GENERATION ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGSAND LOW-DENSITY MATERIALS)”的美国专利申请；序列号为____(代理人档案号为257269-1)、名称为“多级轴流式压缩机布置(MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSOR ARRANGEMENT)”的美国专利申请；序列号为____(代理人档案号为276988)、名称为“具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系(POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANTBEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS)”的美国专利申请；和序列号为__(代理人档案号为276989)、名称为“具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的机械驱动体系(MECHANICALDRIVE ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANT BEARINGS AND LOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请。上面所述的每个专利申请与本申请同时被提交并且通过引用并于本申请中。
技术领域
本发明大体上涉及机械驱动燃气涡轮机，并且更特别地，涉及可以具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系。
背景技术
燃气涡轮机在从军事到发电的许多工业领域中使用。典型地，燃气涡轮机用于产生电能。然而，一些燃气涡轮机用于推进各种车辆、飞机、轮船等。在石油和天然气领域，燃气涡轮机可以用于驱动压缩机、泵和/或发电机。在燃气涡轮机在工业应用中用于驱动压缩机(例如，用于将气体注入井中以迫使石油通过另一井眼上升)的情况下，燃气涡轮机的压缩机用多排旋转叶片和静止轮叶压缩空气，将它引导到燃烧器，该燃烧器混合压缩空气和燃料，并且燃烧它以形成热空气-燃料混合物，该混合物穿过燃气涡轮机的涡轮机中的叶片膨胀。因此，叶片围绕燃气涡轮机的轴或转子转动或旋转。转动或旋转转子驱动连接到燃气涡轮机的负荷压缩机，该负荷压缩机使用旋转能量来压缩流体(例如，气体、空气等)。
在机械驱动体系中使用的许多燃气涡轮机体系采用结合高粘度润滑剂(例如，油)的滑动轴承来支撑涡轮机部段、压缩机部段和与其连接的负荷压缩机的旋转部件。油轴承售价比较便宜，但是具有与它们的伴随油撬(例如，用于泵、储存器、贮藏装置等)关联的成本。另外，油轴承具有高维护间隔并且会导致驱动系中的过度粘性损失，这继而不利地影响燃气涡轮机驱动的压缩机单元的操作。
发明内容
在本发明的一方面，公开了一种机械驱动体系。在本发明的该方面，机械驱动体系包括燃气涡轮机，该燃气涡轮机具有压缩机部段，涡轮机部段，以及可操作地耦联到压缩机部段和涡轮机部段的燃烧器部段。负荷压缩机由燃气涡轮机驱动。转子轴延伸穿过燃气涡轮机的压缩机部段和涡轮机部段以及负荷压缩机。压缩机部段、涡轮机部段和负荷压缩机的每一个包括多个旋转部件，燃气涡轮机和负荷压缩机中的一个中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。多个轴承在燃气涡轮机和负荷压缩机内支撑转子轴，其中轴承中的至少一个是单型低损耗轴承。
本发明的第一技术方案提供了一种机械驱动体系，其包括：燃气涡轮机，其具有压缩机部段，涡轮机部段，以及可操作地耦联到压缩机部段和涡轮机部段的燃烧器部段；负荷压缩机，其由燃气涡轮机驱动；转子轴，其延伸穿过燃气涡轮机的压缩机部段和涡轮机部段以及负荷压缩机；以及多个轴承，其在燃气涡轮机和负荷压缩机内支撑转子轴，其中轴承中的至少一个是单型低损耗轴承；其中压缩机部段、涡轮机部段和负荷压缩机各自具有多个旋转部件，压缩机部段、涡轮机部段和负荷压缩机中的至少一个中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，转子轴包括单轴布置。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，还包括沿着转子轴可操作地耦联到涡轮机部段的再加热部段，再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，其中压缩机部段、涡轮机部段、负荷压缩机和再加热部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，还包括用于沿着转子轴将负荷压缩机耦联到燃气涡轮机的负荷耦联元件。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，转子轴包括多轴布置，其具有延伸穿过压缩机部段和涡轮机部段的第一转子轴和延伸穿过负荷压缩机的第二转子轴，第一转子轴和第二转子轴中的每一个由多个轴承支撑。
本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，还包括扭矩改变机构，其构造成以与在负荷压缩机中的旋转部件不同的旋转速度在燃气涡轮机中旋转旋转部件。
本发明的第八技术方案是在第六技术方案中，还包括动力涡轮机部段，其耦联到第二转子轴以驱动负荷压缩机，其中动力涡轮机部段具有多个旋转部件，压缩机部段、涡轮机部段、负荷压缩机和动力涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，还包括沿着第一转子轴可操作地耦联到涡轮机部段的再加热部段，再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，压缩机部段、涡轮机部段、负荷压缩机、动力涡轮机部段和再加热部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，压缩机部段包括远离燃烧器部段的前级，邻近燃烧器部段的后级，和布置在其间的中级；其中前级、中级和后级具有多个旋转部件，压缩机部段的前级、压缩机部段的中级、压缩机部段的后级、涡轮机部段和负荷压缩机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；其中机械驱动体系还包括中间轴，中间轴从转子轴径向向外并且延伸穿过前级，使得围绕中间轴布置的前级的旋转部件以比围绕转子轴布置的中级和后级的旋转部件慢的旋转速度操作。
本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，多个轴承包括支撑中间轴的中间轴轴承，中间轴轴承中的至少一个包括单型低损耗轴承。
本发明的第十二技术方案是在第十技术方案中，还包括沿着第一转子轴可操作地耦联到涡轮机部段的再加热部段，再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，其中压缩机部段的前级、压缩机部段的中级、压缩机部段的后级、涡轮机部段、负荷压缩机和再加热部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第十三技术方案是在第一技术方案中，压缩机部段包括低压压缩机部段和高压压缩机部段，并且涡轮机部段包括低压涡轮机部段和高压涡轮机部段；其中高压涡轮机部段驱动高压压缩机部段，并且低压涡轮机部段驱动低压压缩机部段。
本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，低压压缩机部段、高压压缩机部段、低压涡轮机部段、高压涡轮机部段的每一个包括多个旋转部件，低压压缩机部段、高压压缩机部段、低压涡轮机部段、高压涡轮机部段和负荷压缩机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
本发明的第十五技术方案是在第十三技术方案中，转子轴包括具有低速卷轴和高速卷轴的双卷轴布置，低速卷轴包括低压涡轮机部段和低压压缩机部段，并且高速卷轴包括高压涡轮机部段和高压压缩机部段。
本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，低速卷轴和高速卷轴由多个轴承支撑，轴承中的至少一个包括单型低损耗轴承。
附图说明
从结合附图进行的优选实施例的以下更详细描述将显而易见本发明的特征和优点，附图通过示例示出本发明的原理。
图1是根据本发明的实施例的机械驱动体系的示意图，机械驱动体系包括前端驱动燃气涡轮机、负荷压缩机和轴承流体撬，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图2是根据本发明的实施例的机械驱动体系的示意图，机械驱动体系包括具有再加热部段的前端驱动燃气涡轮机、负荷压缩机和轴承流体撬，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图3是根据本发明的实施例的机械驱动体系的示意图，机械驱动体系包括后端驱动燃气涡轮机、负荷压缩机和轴承流体撬，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图4是根据本发明的实施例的机械驱动体系的示意图，机械驱动体系包括后端驱动燃气涡轮机、负荷压缩机、轴承流体撬和齿轮箱，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图5是根据本发明的实施例的燃气涡轮机体系的示意图，燃气涡轮机体系包括后端驱动动力涡轮机，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图6是根据本发明的实施例的燃气涡轮机体系的示意图，燃气涡轮机体系包括后端驱动动力涡轮机和再加热部段，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图7是根据本发明的实施例的前端驱动燃气涡轮机体系的示意图，燃气涡轮机体系包括中间轴和减速机构以减小燃气涡轮机中的压缩机的前级的速度，并且还包括至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；
图8是根据本发明的实施例的前端驱动燃气涡轮机体系的示意图，前端驱动燃气涡轮机体系包括中间轴和减速机构以减小燃气涡轮机中的压缩机的前级的速度，再加热部段，至少一个单型低损耗轴承，以及由低密度材料制造的至少一个旋转部件；以及
图9是根据本发明的实施例的多轴、前端驱动燃气涡轮机体系的示意图，多轴、前端驱动燃气涡轮机体系包括经由低速卷轴耦联到低压涡轮机部段的低压压缩机部段和经由高速卷轴耦联到高压涡轮机部段的高压压缩机部段，并且还包括与动力系一起使用的至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件。
具体实施方式
如上所述，许多机械驱动体系使用结合高粘度润滑剂(即，油)的滑动轴承来支撑燃气涡轮机和与其连接的负荷压缩机的旋转部件。油轴承具有高维护间隔成本并且导致驱动系中的过度粘性损失，这又会不利地影响燃气涡轮机驱动的负荷压缩机的操作。也存在与伴随油轴承的油撬关联的成本。
低损耗轴承是油轴承的使用的一种替代。然而，某些燃气涡轮机驱动的机械驱动体系对于低损耗轴承的使用来说难以应用。具体地，当燃气涡轮机尺寸增加时，支撑轴承垫面积作为转子轴直径的平方增加，而机械驱动体系的重量作为转子轴直径的立方增加。因此，为了实现低损耗轴承，轴承垫面积的增加和重量的增加应当均衡地相等。因此，期望包含用于机械驱动体系的轻质或低密度材料，其有助于促进期望的均衡性。
除了产生具有低损耗轴承可支撑的重量的机械驱动体系以外，更轻质材料的使用也可以促进产生更大空气流的能力。迄今为止，在这样的驱动系中生成更高空气流流量是困难的，原因是在燃气涡轮机的操作期间作用于旋转叶片的离心负荷随着产生期望空气流流量所需的更长叶片长度而增加。例如，在燃气涡轮机中使用的多级轴流式压缩机的前级中的旋转叶片大于压缩机的中级和后级中的旋转叶片。这样的配置使轴流式压缩机的前级中的更长、更重旋转叶片在操作期间由于更长和更重叶片的旋转所引起的大离心牵引更容易受到高应力。
特别地，前级中的叶片由于转子轮的高旋转速度而受到大离心牵引，这又使叶片受到应力。当更期望增加叶片的尺寸以便产生可以生成某些应用需要的更高空气流流量的燃气涡轮机的压缩机时，会在轴流式压缩机的前级中的旋转叶片上产生的大的附连应力成为问题。类似的考虑也适用于负荷压缩机。
因此，期望提供一种机械驱动体系，其包含在燃气涡轮机或负荷压缩机中应用的、与低密度材料结合使用的一个或多个低损耗轴承。这样的体系提供更少的粘性损失，由此增加机械驱动体系的总体效率。
本发明的各实施例涉及提供具有单型低损耗轴承和低密度材料的燃气涡轮机驱动的机械驱动体系。当在本文中使用时，短语“机械驱动体系”指的是移动部件的组件，其包括共同地彼此联系以压缩流体的压缩机部段、涡轮机部段、再加热涡轮机部段、动力涡轮机部段和负荷压缩机部段中的一个或更多个的旋转部件。短语“机械驱动体系”、“机械驱动系”和“燃气涡轮机驱动的机械驱动体系”可以可互换地使用。短语“燃气涡轮机体系”指的是包括压缩机部段、燃烧器部段和涡轮机部段并且可以可选地包括再加热燃烧器部段、再加热涡轮机部段和动力涡轮机部段的系统。燃气涡轮机体系是本文中所述的机械驱动体系的子集。
如在本文中使用的，“单型低损耗轴承”是主轴承组件，其具有单个的工作流体，该工作流体具有很低粘度，并且当安装时，该主轴承组件可以具有作为滚柱轴承元件的伴随副轴承。“主轴承组件”可以是轴颈轴承、推力轴承或邻近推力轴承的轴颈轴承。在本单型低损耗轴承中使用的“很低粘度”流体的示例具有小于水的粘度(即，在20℃下为1厘泊)，并且可以包括但不限于：空气(例如，在高压空气轴承中)，气体(例如，在高压气体轴承中)，磁通量(例如，在高通量磁轴承中)，和蒸汽(例如，在高压蒸汽轴承中)。在气体轴承中，气态流体可以是惰性气体(例如，氮气)，二氧化氮(NO2)，二氧化碳(CO2)，或烃(包括甲烷、乙烷、丙烷等)。用作副或后备轴承的滚柱轴承元件的示例包括球形滚柱轴承、圆锥滚柱轴承、锥形滚柱轴承和陶瓷滚柱轴承。
如在本文中使用的，“低密度材料”是具有小于大约0.200lbm/in3的密度的材料。适合用于图中所示和本文中所述的旋转部件(例如，叶片130、135)的低密度材料的例子包括但不限于：复合材料，其包括陶瓷基复合材料(CMCs)、有机基复合材料(OMCs)、聚合物玻璃复合材料(PGCs)、金属基复合材料(MMCs)和碳-碳复合材料(CCCs)；铍；钛(如Ti-64、Ti-6222和Ti-6246)；包括钛和铝的金属间化合物(如TiAl、TiAl2、TiAl3和Ti3Al)；包括铁和铝的金属间化合物(如FeAl)；包括铂和铝的金属间化合物(如PtAl)；包括钴和铝的金属间化合物(如CbAl)；包括锂和铝的金属间化合物(如LiAl)；包括镍和铝的金属间化合物(如NiAl)；以及泡沫镍。
在包括权利要求的本申请中使用短语“低密度材料”不应当被理解为将本发明的各实施例限制到单一低密度材料的使用，而是可以被理解为指的是包括相同或不同低密度材料的成分。例如，第一低密度材料可以在体系的一个部段中使用，而第二(不同)低密度材料可以在另一部段中使用。在图中，低密度材料的使用由可以使用这样的低密度材料的驱动系的相应部段中的虚线表示。尽管图可能示出在机械驱动体系或燃气涡轮机体系的多数或所有部段中使用低密度材料，但是应当理解低密度材料可以被限制到仅仅由低损耗轴承支撑的那些部段。
相比于上述的低密度材料，“高密度材料”是具有大于大约0.200lbm/in3的密度的材料。(在本文中使用的)高密度材料的示例包括但不限于：镍基超合金(如呈单晶、等轴或定向结晶形式的合金，其示例包括 和)；钢基超合金(如锻造CrMoV及其衍生物，GTD-450、GTD-403Cb和GTD-403Cb+)；以及所有不锈钢衍生物(如不锈钢、AISI型410不锈钢等)。
如本文中描述的使机械驱动体系具有单型低损耗轴承和低密度材料的技术效果在于这些体系：(a)提供在驱动系中使用低损耗轴承的能力，否则驱动系将太重以致于不能操作；(b)允许常规地用于供给驱动系中的油轴承的油撬的重新配置；以及(c)输送高输出负荷，同时最小化典型地通过油基轴承的使用引入驱动系中的粘性损失。
通过使用包括低密度材料的燃气涡轮机中的旋转叶片输送更大量的空气流转化为燃气涡轮机的更高输出。因此，燃气涡轮机制造商可以增加旋转叶片的尺寸以生成更高的空气流流量，同时保证这样的更长叶片符合规定的入口圆环(AN2)极限以避免叶片上的过度附连应力，即使当叶片由低密度材料制造时。应当注意AN2是旋转叶片的圆环面积A(in2)和旋转速度N平方(rpm2)的乘积，并且用作一般地量化来自燃气涡轮机的额定功率输出的参数。
图1至4示出包括燃气涡轮机的各种机械驱动体系，该机械驱动体系可以包括多个轴承位置。图5至9示出各种燃气涡轮机体系，该燃气涡轮机体系可以包括多个轴承位置。低损耗轴承140可以根据需要在驱动系中的任何位置使用，不管机械驱动体系的负荷输出。可能可取的是与低损耗轴承结合使用低密度材料，原因是更大的部件尺寸和与更高负荷输出关联的重量增加可能需要使用低密度材料。在一些实施例中，可以预料可以在旋转部件中没有低密度材料的情况下使用低损耗轴承，但是通过针对旋转部件中的至少一些使用低密度材料可以获得改善的性能和/或操作。
在使用低损耗轴承来支撑机械驱动体系的特定部段的那些情况下，可以在驱动系的该部段的特定旋转部件中使用低密度材料。例如，如果低损耗轴承正在支撑涡轮机部段，则低密度材料可以在涡轮机部段内的旋转叶片的一个或更多个级中使用(如虚线所示)。类似地，如果低损耗轴承正在支撑负荷压缩机，则低密度材料可以在负荷压缩机的旋转部件中使用(也由虚线指示)。
术语“旋转部件”旨在包括压缩机部段、涡轮机部段、再加热涡轮机部段、动力涡轮机部段和负荷压缩机的移动部件中的一个或更多个，如叶片(也称为翼型)、盖板、间隔件、密封件、护罩、隔热件以及这些和其它移动部件的任何组合。在本文中为了方便起见，压缩机、涡轮机和负荷压缩机的旋转叶片将通常说成由低密度材料制造。然而，应当理解低密度材料的其它部件可以作为旋转叶片的附加或替代被使用。尽管接下来关于示出的驱动系体系的描述用于商业或工业机械驱动体系，但是本发明的各种实施例不意味着仅仅被限制到这样的应用。而是，使用单型低损耗轴承和低密度材料的旋转部件的概念可应用于使用可压缩流体来驱动具有可压缩或几乎不可压缩流体的负荷装置的所有类型的燃烧式涡轮机或旋转式涡轮机。使用可压缩流体的负荷装置的示例包括但不限于独立压缩机(如多级轴流式压缩机装置)、飞机发动机、船用动力驱动等。使用几乎不可压缩流体(例如，水、LNG)的负荷装置的示例包括但不限于泵、水力制动器、螺杆压缩机、齿轮泵等。
本文中描述的各种实施例不意味着被限制到任何特定类型的负荷压缩机。而是，本发明的各种实施例适合用于可以由燃气涡轮机驱动的任何类型的负荷压缩机。适合用于本文中描述的各种实施例的燃气涡轮机驱动的负荷压缩机的示例包括但不限于：轴流式压缩机，离心式压缩机，正排量压缩机，往复式压缩机，天然气压缩机，水平剖分压缩机，竖直剖分压缩机，整体齿轮压缩机，双流压缩机等。此外，本领域的技术人员将领会本文中描述的各种实施例也适合用于不由燃气涡轮机驱动的独立压缩机。
现在参考图，图1是具有燃气涡轮机10和负荷压缩机160的单轴、简单循环燃气涡轮机驱动的机械驱动体系100。根据本发明的实施例，至少一个单型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件用于驱动系。如图1中所示，燃气涡轮机10包括压缩机部段105、燃烧器部段110和涡轮机部段115。燃气涡轮机10是具有负荷压缩机160的前端驱动装置，使得负荷压缩机160邻近压缩机部段105定位。可以使用燃气涡轮机10的其它体系，如图7、8和9中所示的体系。
图1和图2-9没有示出压缩机部段105、燃烧器部段110、以及涡轮机部段115的所有连接和配置。然而，可以根据常规技术进行这些连接和配置。例如，压缩机部段105可以包括将入口空气提供给压缩机的进气管线。第一管路可以将压缩机部段105连接到燃烧器部段110并且可以将由压缩机部段105压缩的空气引导到燃烧器部段110中。燃烧器部段110以已知方式燃烧压缩空气的供给和从燃料气体供给提供的燃料以产生工作流体。
第二管路可以远离燃烧器部段110引导工作流体并且将它引导到涡轮机部段115，其中使用工作流体来驱动涡轮机部段115。特别地，工作流体在涡轮机部段115中膨胀，导致涡轮机部段115的旋转叶片135围绕转子轴125旋转。叶片135的旋转导致转子轴125旋转。以该方式，与旋转转子轴125关联的机械能量可以用于驱动压缩机部段的旋转叶片130以围绕转子轴125旋转。压缩机部段105的旋转叶片130的旋转导致它将压缩空气供应到燃烧器部段110以便燃烧。转子轴125的旋转继而导致在负荷压缩机160中的叶片165的旋转以压缩流体。
被称为转子轴125的共同可旋转轴沿着单线耦联压缩机部段105、涡轮机部段115和负荷压缩机160，使得涡轮机部段115驱动燃气涡轮机压缩机部段105和负荷压缩机160。如图1中所示，转子轴125延伸穿过涡轮机部段115、压缩机部段105和负荷压缩机160。在该单轴装置中，转子轴125可以具有根据常规技术耦联的燃气涡轮机压缩机转子轴部分、涡轮机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分。
耦联部件可以耦联转子轴125的涡轮机转子轴部分、燃气涡轮机压缩机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分以与轴承140协同操作。耦联部件的数量和它们沿着转子轴125的位置可以根据设计和机械驱动体系的应用而变化。
在图1中作为示例示出一个代表性的负荷耦联元件104(在燃气涡轮机10和负荷压缩机160之间)。备选地，离合器(未显示)或齿轮箱(170，如图4中所示)可以用作负荷耦联元件。以该方式，耦联到耦联元件的相应的转子部分通过相应的轴承140相对于其可旋转。
压缩机部段105可以包括在轴向方向上沿着转子轴125布置的叶片130的多个级。例如，压缩机部段105可以包括叶片130的前级，叶片130的中级，和叶片130的后级。如在本文中使用的，叶片130的前级沿着转子轴125位于压缩机105的前部或前端，在空气流(或气流)经由入口引导轮叶进入压缩机的部分处。叶片的中级和后级是沿着转子轴125布置在前级的下游的叶片，其中空气流(或气流)进一步被压缩到增加压力。因此，压缩机部段105中的叶片130的长度从前级向中级和后级减小。
压缩机部段105中的每一级可以包括旋转叶片130，该旋转叶片以圆周阵列围绕转子轴125的圆周布置以限定从可旋转轴径向向外延伸的移动叶片排。移动叶片排沿着转子轴125轴向地布置在位于前级、中级和后级中的位置。另外，每一级可以包括在前级、中级和后级中朝着转子轴125径向向内延伸的静止轮叶的环形排(未示出)。在一个实施例中，静止轮叶的环形排可以布置在围绕转子轴125的压缩机的壳体(未示出)上。
在每一级中，静止轮叶的环形排可以与移动叶片排以交替型式沿着与其旋转轴线平行的转子轴125的轴向方向布置。静止轮叶排和移动叶片排的分组限定压缩机部段105的单独的“级”。以该方式，每级中的移动叶片成弧形从而做功并且偏转流动，同时每级中的静止轮叶成弧形从而在最适合于使它准备用于下一级的移动叶片的方向上偏转流动。在一个实施例中，压缩机部段105可以是多级轴流式压缩机。
涡轮机部段115也可以包括在轴向方向上沿着转子轴125布置的叶片135的级。例如，涡轮机部段115可以包括叶片135的前级，叶片135的中级，和叶片135的后级。叶片135的前级沿着转子轴125位于涡轮机部段115的前部或前端，在也称为工作流体的热压缩动力气体从燃烧器110进入涡轮机以便膨胀的部分处。叶片的中级和后级是沿着转子轴125布置在前级的下游的叶片，其中工作流体进一步膨胀。因此，涡轮机部段115中的叶片135的长度从前级向中级和后级增加。
涡轮机部段115中的每一级可以包括旋转叶片135，该旋转叶片以圆周阵列围绕转子轴125的圆周布置以限定从可旋转轴径向向外延伸的移动叶片排。类似于压缩机部段105的级，涡轮机部段115的移动叶片排沿着转子轴125轴向地布置在位于前级、中级和后级中的位置。另外，每一级可以包括在前级、中级和后级中朝着转子轴125径向向内延伸的静止轮叶的环形排。在一个实施例中，静止轮叶的环形排可以布置在围绕转子轴125的涡轮机的壳体(未示出)上。
在每一级中，静止轮叶的环形排可以与移动叶片排以交替型式沿着与其旋转轴线平行的转子轴125的轴向方向布置。静止轮叶排和移动叶片排的分组限定涡轮机部段105的单独的“级”。以该方式，每级中的移动叶片成弧形从而做功并且偏转流动，同时每级中的静止轮叶成弧形从而在最适合于使它准备用于下一级的移动叶片的方向上偏转流动。
负荷压缩机160也可以包括在轴向方向上沿着转子轴125布置的叶片165的多个级。例如，压缩机160可以包括叶片165的前级，叶片165的中级，和叶片165的后级。叶片165的前级沿着转子轴125在燃气涡轮机10的上游位于负荷压缩机160的前部或前端。叶片的中级和后级是沿着转子轴125布置在前级的下游的叶片，其中烃或辅助设备气体(流体)进一步被压缩。可以由负荷压缩机160压缩的流体的示例包括烃(如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)和辅助设备气体(如氧化氮)。
负荷压缩机160中的每一级可以包括旋转叶片165，该旋转叶片以圆周阵列围绕转子轴125的圆周布置以限定从可旋转轴径向向外延伸的移动叶片排。类似于压缩机部段105和涡轮机部段115的级，负荷压缩机160的移动叶片排沿着转子轴125轴向地布置在位于前级、中级和后级中的位置。另外，每一级可以包括在前级、中级和后级中朝着转子轴125径向向内延伸的静止轮叶的环形排。在一个实施例中，静止轮叶的环形排可以布置在围绕转子轴125的涡轮机的壳体(未示出)上。
在每一级中，静止轮叶的环形排可以与移动叶片排以交替型式沿着与其旋转轴线平行的转子轴125的轴向方向布置。以该方式，每级中的移动叶片成弧形从而做功并且朝向轴向方向偏转流动，同时每级中的静止轮叶成弧形从而朝向轴向方向偏转流动，使它准备用于下一级的移动叶片。如本文中描述的，压缩机部段105、涡轮机部段115和负荷压缩机160中的一个中的旋转部件(例如，叶片130、135和165)中的至少一个可以由低密度材料形成。
本领域的技术人员将领会包括低密度材料的旋转叶片130、135和165的数量和放置可以根据设计和机械驱动体系在其中操作的应用而变化。例如，特定部段(例如，压缩机部段105、涡轮机部段115或负荷压缩机160)的旋转叶片130、135和165中的一些或全部可以包括低密度材料。在一个或更多个排或级中的旋转叶片130、135和165由低密度材料形成的情况下，则其它排或级中的旋转叶片130、135和165可以由高密度材料形成。
返回参考图1，轴承140沿着驱动系支撑转子轴125。例如，一对轴承140均可以支撑转子轴125的燃气涡轮机的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分。在一个实施例中，每对轴承140可以在它们相应的相对端部处支撑转子轴125的燃气涡轮机的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分。然而，本领域的技术人员将领会该对轴承140可以在其它合适的点支撑燃气涡轮机的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分。此外，本领域的技术人员将领会转子轴125的燃气涡轮机的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和负荷压缩机转子轴部分的每一个不限于由一对轴承140支撑。在一些配置中，显示在压缩机部段105和涡轮机部段115之间(也就是说，在燃烧器110下方)的轴承140可以是可选的。在本文中描述的各种实施例中，轴承140中的至少一个可包括单型低损耗轴承。
轴承140包括由在图1中示出的轴承流体撬150供应的流体。轴承流体撬用“A”(用于空气)、“G”(用于气体)、“F”(用于磁通量)、“S”(用于蒸汽)和“O”(用于油)标记，但是应当理解这些流体中的一种或组合可以用于供应驱动系中的多个轴承140。在本发明中，具有带有很低粘度的流体的至少一个轴承的体系是优选的。在这些体系中，轴承140属于低损耗类型，也就是说，轴承包括很低粘度的流体，如空气、气体、磁通量或蒸汽，如上所述。
轴承流体撬150可以包括用于轴承流体撬的标准设备，诸如储存器、泵、贮藏装置、阀、线缆、控制盒、管道等。将来自轴承流体撬150的(多种)流体输送到一个或更多个轴承140所必需的管道在图中由从轴承流体撬150到每个轴承140的箭头表示。在一些情况下，轴承流体撬150可能提供两种或更多种不同类型的流体(诸如油和上面描述的低粘度流体中的一种或更多种)。备选地，如果使用两种或更多种不同的轴承类型，可以使用用于每种流体类型的轴承流体撬150。
本领域的技术人员将领会用于轴承140的单型低损耗轴承的选择可以根据设计和机械驱动体系在其中操作的应用而变化。例如，轴承140中的一个、一些或全部可以包括单型低损耗轴承。另外，不同轴承类型的组合(包括单型低损耗轴承和常规油轴承的组合)可以沿着驱动系使用。在转子轴由单型低损耗轴承支撑的那些部段中，可能优选的是在相应的部段中包含低密度材料以产生其重量更容易被支撑和旋转的部段。
另外，本领域的技术人员将领会，为了清楚起见，图1中显示的机械驱动体系和图2-9中示出的体系仅仅显示提供本发明的各实施例的理解的那些部件。本领域的技术人员将领会，除了在这些图中显示的部件以外还有附加部件。例如，如本文中所述，机械驱动体系和/或燃气涡轮机体系可以包括附属部件，如气体燃料回路、气体燃料撬、液体燃料回路、液体燃料撬、流动控制阀、冷却系统等。
在如本文中示出的包括多个轴承的机械驱动体系中，辅助设备(BoP)粘性损失在低损耗轴承代替常规粘性流体轴承的每个位置减小。因此，如上所述用低损耗轴承代替多个(如果不是全部的话)粘性流体轴承明显地减小粘性损失，由此在操作的基本负荷和/或操作的部分负荷下增加驱动系的输出。
通过使用更大径向长度的旋转部件可以进一步改善驱动系体系的效率和输出。迄今为止产生更大长度的旋转部件的挑战在于它们的重量使它们与低损耗轴承不兼容。然而，低密度材料用于旋转部件中的一个或更多个允许制造期望(更长)长度的部件而没有翼型牵引和转子轮直径的相应增加。因此，空气的更大体积可以用在产生动力流体以驱动燃气涡轮机中，并且可以使用低损耗轴承以支撑低密度旋转部件位于其中的驱动系部段。
下面是图2-9中示出的燃气涡轮机驱动的机械驱动体系的简要描述。可以在图1-4中的机械驱动体系中使用的特定燃气涡轮机体系在图5-9中示出。所有这些图示出可以针对特定工业机械驱动应用实现的不同类型的驱动系。尽管每个体系可以以不同于图1的配置的方式操作，但是它们是类似的，在于图2-9中的实施例可以具有至少一个低密度旋转部件(例如，压缩机部段105、涡轮机部段110和负荷压缩机120的相应旋转叶片130、135和160)。类似地，这些实施例可以使用用于轴承140的至少一个单型低损耗轴承。如上指出的，旋转部件130、135、160中的一些或全部可以具有低密度材料。特别地参考压缩机、涡轮机或负荷压缩机部段中的叶片，低密度材料的旋转部件可以按级与高密度材料的旋转部件散布。类似地，轴承140中的一些或全部可以是单型低损耗轴承。如此，低损耗轴承类型的轴承可以与例如油轴承的其它类型的轴承散布。
此外，在机械驱动体系的驱动系中使用低密度旋转部件和单型低损耗轴承不意味着被限制到图1-9中示出的示例。而是，这些示例仅仅是低密度旋转部件和单型低损耗轴承的使用可以在机械驱动体系的驱动系中实现的一些可能体系的举例说明。本领域的技术人员将领会本文中示出的示例的可能配置有许多变型。各种实施例的范围和内容意味着涵盖那些可能的变型，以及可以在使用燃气涡轮机的工业机械驱动应用中实现的其它可能的驱动系配置。
图2是具有带有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机12的机械驱动体系200的示意图。如图2中所示，再加热部段205包括在第一燃烧器部段110和第一涡轮机部段115的下游的第二燃烧器部段210和第二涡轮机部段215(也相应地称为再加热燃烧器和再加热涡轮机)。机械驱动体系200包括与轴承流体撬150流体连通的至少一个单型低损耗轴承140(如上所述)。在该实施例中，涡轮机部段115和涡轮机部段215两者可以具有旋转部件(如相应的叶片135、220)，该旋转部件包括具有低密度材料的至少一个旋转部件。在一个实施例中，涡轮机级中的一个、一些或全部中的全部或一些旋转叶片135和/或220可以包括低密度材料。在另一实施例中，压缩机部段中的旋转部件(例如，叶片130)可以包括低密度材料。在又一实施例中，压缩机部段105和涡轮机部段115中的至少一个可以包括低密度材料的旋转部件130、135，而再加热涡轮机部段215的旋转部件220可以具有不同类型的材料(例如，高密度材料)。如果需要，压缩机部段105、涡轮机部段115和再加热涡轮机部段215的每一个可以包括低密度材料的旋转部件130、135、220的一个或多个级。作为本文中描述的旋转叶片130、135、220的附加或替代，包括负荷压缩机160中的旋转部件的其它旋转部件可以由低密度材料制造。
图3是具有后端驱动燃气涡轮机14、负荷压缩机160和轴承流体撬150的机械驱动体系300的示意图。在体系300中，燃气涡轮机14布置成使得负荷压缩机160经由负荷耦联装置104耦联到燃气涡轮机的涡轮机部段115，因此产生“后端驱动”燃气涡轮机14。
与图1中所示的体系100一样，机械驱动体系300包括与轴承流体撬150流体连通的至少一个单型低损耗轴承140。根据本发明的实施例，至少一个旋转部件(如压缩机叶片130、涡轮机叶片135或负荷压缩机叶片165)由低密度材料制造。由于体系300的单独部件与体系100中的部件相同，因此参考图1的先前讨论，并且在这里不重复每个元件的讨论。
图4是具有后端驱动燃气涡轮机14、扭矩改变机构170(例如，齿轮箱)和负荷压缩机160的多轴机械驱动体系400的示意图。燃气涡轮机14沿着第一轴125经由负荷耦联装置104耦联到扭矩改变机构170。负荷压缩机160沿着可操作地连接到扭矩改变机构170的第二轴126定位。扭矩改变机构170允许第一轴125以不同于第二轴126的旋转速度操作。
沿着第一轴125支撑燃气涡轮机部段和扭矩改变机构170的轴承140可以包括一个或更多个低损耗轴承，如本文中所述，轴承140与轴承流体撬流体连通。类似地，沿着第二轴126支撑负荷压缩机160和扭矩改变机构170的轴承140可以包括与轴承流体撬150流体连通的一个或更多个低损耗轴承。尽管示出单个轴承流体撬，但是应当理解轴承流体撬150可以与每个轴125、126和/或正被提供的每种相应的流体关联。
图4显示压缩机部段105的旋转叶片130、涡轮机部段115的旋转叶片135和负荷压缩机160的旋转叶片165可以包括低密度叶片的一个或更多个级。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系400的范围。如上所述，可以有低密度叶片和由其它材料制造的叶片(例如，高密度叶片)的任何组合，只要有在驱动系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转叶片。备选地或附加地，除了叶片130、135、165以外的旋转部件可以由低密度材料制造；因此，本公开不限于仅仅叶片由低密度材料制造的布置。优选地，低密度旋转部件105、135和/或165在由作为单型低损耗轴承的轴承140支撑的燃气涡轮机400的部段中使用。
图5是包括后端驱动燃气涡轮机16的多轴燃气涡轮机体系500的示意图，该后端驱动燃气涡轮机具有在第一轴310上的压缩机部段105、燃烧器部段110和涡轮机部段115。燃气涡轮机16还包括在涡轮机部段115的下游、在第二轴315上的动力涡轮机部段305。图5的燃气涡轮机16可以代替图3的动力系体系300和图4的动力系体系400中的燃气涡轮机14。
在该实施例中，提供后端驱动布置，其中单轴(如在图3的燃气涡轮机14中所示)已由多轴布置替换。特别地，第一单转子轴310延伸穿过压缩机部段105和涡轮机部段115，而独立于轴310的第二单转子轴315从动力涡轮机部段305延伸到负荷压缩机160(未显示，但是由图例“至负荷压缩机”指示)。
在操作中，第一转子轴310可以用作输入轴，而第二转子轴315可以用作输出轴。在一个实施例中，转子轴315的输出速度以恒定速度(例如，3600RPMs)旋转以保证负荷压缩机160以恒定速度操作，而转子轴310的输入速度可以不同于转子轴315的速度(例如，可以大于3600RPMs)。
轴承140可以支撑转子轴310和转子轴315上的各种燃气涡轮机部段。在一个实施例中，轴承140中的至少一个包括单型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140与轴承流体撬150流体连通，例如如图3中所示。
在一个实施例中，动力涡轮机305可以具有由低密度材料制造的至少一个旋转部件405(例如，叶片)。图5显示压缩机部段105的旋转叶片130、涡轮机部段115的旋转叶片135和动力涡轮机部段305的旋转叶片405可以包括低密度叶片的一个或更多个级。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系500的范围。如上面提到的，可以有低密度叶片和由其它材料制造的叶片(例如，高密度叶片)的任何组合，只要有在驱动系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转叶片。备选地或附加地，除了叶片130、135、405以外的旋转部件可以由低密度材料制造；因此，本公开不限于仅仅叶片由低密度材料制造的布置。优选地，低密度旋转部件105、135和/或405在由作为单型低损耗轴承的轴承140支撑的燃气涡轮机500的部段中使用。
图6是具有动力涡轮机305和再加热部段205的多轴、后端驱动燃气涡轮机体系600的示意图。根据本发明的实施例，燃气涡轮机体系600还包括与燃气涡轮机的驱动系一起使用的至少一个单型低损耗轴承140和由低密度材料制造的至少一个旋转部件。与图5一样，图6的燃气涡轮机18可以代替图3的动力系体系300和图4的动力系体系400中的燃气涡轮机14。
燃气涡轮机体系600类似于图5中示出的体系，区别在于燃气涡轮机18包括具有再加热燃烧器部段210和再加热涡轮机部段215的再加热部段205。再加热部段205加入输入驱动轴310。图6显示压缩机部段105的旋转叶片130、涡轮机部段115的旋转叶片135、再加热涡轮机部段215的旋转叶片220、动力涡轮机部段30的旋转叶片405和负荷压缩机160的旋转叶片137(在图2中显示)可以包括低密度叶片。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系600的范围。如上面提到的，可以有低密度叶片和包括其它材料的叶片(例如，高密度叶片)的任何组合，只要有在驱动系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转叶片。为了更大的效率，由单型低损耗轴承140支撑的体系600的(多个)部段包括由低密度材料制造的旋转部件，其中旋转部件中的至少一些由低密度材料制造。
图7是具有燃气涡轮机20的前端驱动燃气涡轮机体系700的示意图，该燃气涡轮机的体系包括中间轴620以减小压缩机部段605的前级的速度。根据本发明的实施例，燃气涡轮机20还包括与燃气涡轮机的驱动系一起使用的至少一个单型低损耗轴承140。燃气涡轮机20可以代替图1中的前端驱动燃气涡轮机10。
在该实施例中，压缩机部段605示出为具有两个级610和615，其中级610表示压缩机部段605的前级并且级615表示压缩机部段605的中级和后级。这是仅仅一个配置，并且本领域的技术人员将领会压缩机605可以示出为具有更多个级。在任何情况下，与级610关联的旋转叶片710耦联到中间轴620，而级615的旋转叶片715和涡轮机115沿着转子轴125被耦联。压缩机的前级610、压缩机的中级和后级615、涡轮机部段115和/或负荷压缩机(160)中的至少一个可以包括由低密度材料制造的一个或多个旋转部件。低密度材料的旋转部件可以(例如，按级地)与其它材料(例如，高密度材料)的旋转部件散布。
在一个实施例中，中间轴620可以从转子轴125径向向外并且圆周地围绕转子轴125。轴承140围绕压缩机部段605、涡轮机部段115和负荷压缩机160(由“至负荷压缩机”指示)定位以支撑中间轴620和转子轴125。该配置中的轴承140中的全部、一些或至少一个可以是单型低损耗轴承，如本文中所述，这样的低损耗轴承特别好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的体系700的那些部段。
在操作中，转子轴125使涡轮机部段115能够驱动负荷压缩机(160，如图1中所示)。中间轴620可以以比转子轴125慢的操作速度旋转，这导致前级610的叶片710以比级615的中级和后级中的叶片715(其耦联到转子轴125)慢的旋转速度旋转。在另一个实施例中，中间轴620可以用于在不同于级615的叶片715的方向上旋转级610的叶片710。使级610的旋转叶片710以比级615的叶片715慢的旋转速度和/或在不同于级615的叶片715的方向上旋转可以使中间轴620能够减慢叶片的前级的旋转速度(例如，大约3000RPMs)，而转子轴125可以保持涡轮机部段115的旋转叶片135的旋转速度并且因此保持负荷压缩机160的速度，从而以恒定速度(例如，3600RPMs)操作。
相对于级615中的叶片715的中级和后级减慢级610中的叶片710的前级的旋转速度有助于前级中的更大叶片的使用。由于它们的更大尺寸，穿过压缩机部段605的空气流(或气流)相对于常规压缩机增加，这意味着更多的空气流将流动穿过燃气涡轮机20。穿过燃气涡轮机20的更多空气流转化为更多输出。
此外，由于前级的旋转叶片710可以以减小速度操作，因此典型地在这些级中出现的附连应力可以减轻。结果，如果压缩机制造商期望继续在前级中使用高密度材料的叶片，则前级610的更慢旋转速度允许前级的旋转叶片以更大的尺寸被制造并且仍然保持在规定的AN2极限内。与本申请同时提交并且通过引用并入本文中的序列号为____(代理人档案号为257269-1)、名称为“多级轴流式压缩机布置(MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSORARRANGEMENT)”的美国专利申请提供关于使用中间轴来获得压缩机的前级处的更慢旋转速度的更多细节。
图8是具有带有再加热部段205的燃气涡轮机22的燃气涡轮机体系800的示意图。根据本发明的实施例，体系800还包括减小燃气涡轮机22中的压缩机的前级的速度的中间轴620，至少一个单型低损耗轴承，以及由低密度材料制造的至少一个旋转部件。在该实施例中，再加热部段205可以加入图7中所示的配置。如此，压缩机部段605的级610和615中的相应旋转叶片705和710、涡轮机部段115的旋转叶片135、再加热涡轮机部段215的旋转叶片220和负荷压缩机160的旋转叶片165可以包括由低密度材料制造的叶片。
再次地，这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系800的范围。例如，在驱动系中可以有与其它类型的材料的叶片(例如，高密度叶片)组合的任何量的低密度叶片，只要有包括低密度材料的至少一个旋转部件。备选地或附加地，在一个或多个部段中除了叶片以外的旋转部件可以由低密度材料制造。图8的燃气涡轮机22可以代替具有带有再加热部段205的燃气涡轮机的那些动力系体系(包括图2的动力系体系200)中的燃气涡轮机12。
图9是具有多轴燃气涡轮机26的燃气涡轮机体系900的示意图，该多轴燃气涡轮机具有低速卷轴805和高速卷轴905。根据本发明的实施例，燃气涡轮机26还包括与燃气涡轮机的驱动系一起使用的至少一个低损耗轴承140。图9的燃气涡轮机26可以代替图1中显示的驱动系体系100中的前端驱动燃气涡轮机10。
在该实施例中，压缩机部段1100包括低压压缩机810和通过空气与低压压缩机810分离的高压压缩机815。另外，燃气涡轮机体系900包括涡轮机1000，该涡轮机包括低压涡轮机1010和通过空气与低压涡轮机1010分离的高压涡轮机1015。低速卷轴805可以包括由低压涡轮机1010驱动的低压压缩机810。高速卷轴905可以包括由高压涡轮机1015驱动的高压压缩机815。在该体系900中，低速卷轴805可以以期望旋转速度(例如，3600RPMs)驱动负荷压缩机(160，由“至负荷压缩机”指示)，而高速卷轴905可以以大于低速卷轴的旋转速度(例如，大于3600RPMs)操作，形成双卷轴装置。
在图9中，支撑驱动系900的轴承140中的至少一个可以是单型低损耗轴承。轴承140与轴承流体撬150流体连通，例如如图1中所示。图9显示压缩机部段810、815的旋转叶片820、825、涡轮机部段1010、1015的旋转叶片1020、1025和负荷压缩机160的旋转叶片165可以由低密度材料制造，如虚线所指出的。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系900的范围。再次地，可以有低密度旋转部件(例如，叶片)和由不同组分(例如，高密度材料)制造的的旋转部件(例如，叶片)一起使用的任何组合，只要有在驱动系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转叶片。在至少一个实施例中，低密度材料在由单型低损耗轴承支撑的驱动系体系900的(多个)部段中的一个或多个旋转部件中使用。
可选地，扭矩改变机构1208(诸如齿轮箱、变矩器、齿轮组等)可以沿着低速卷轴805定位在燃气涡轮机26和负荷压缩机(未显示，但是由“至负荷压缩机”指示)之间。当包括扭矩改变机构1208时，扭矩改变机构1208提供输出校正，使得低速卷轴805可以以大于3600RPMs的旋转速度操作并且以3600RPMs的较低旋转速度驱动负荷压缩机，并仍获得60Hz的操作输出。对于一些机械驱动布置来说这样的布置是期望的。
如本文中所述，本发明的实施例描述可以使用单型低损耗轴承和低密度材料作为用于工业应用的驱动系的一部分的各种机械驱动体系。具有单型低损耗轴承和低密度材料的这些燃气涡轮机驱动的机械驱动体系相比于使用油轴承和高密度材料的其它驱动系可以输送高空气流流量。另外，产生更高空气流流量的该输送，同时最小化典型地通过油基轴承的使用引入驱动系中的粘性损失。通过单型低损耗轴承的使用产生的无油环境转化成维护成本的减小，原因是与油轴承相关的部件可以被去除。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例并且不旨在限制本公开。当在本文中使用时，单数形式“一”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另外说明。还将理解，当在本说明书中使用时术语“包括”、“包含”和“具有”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。还应当理解术语“前”和“后”不旨在限制并且在适当情况下旨在可互换。
尽管已结合其优选实施例特别地显示和描述了本公开，但是将领会本领域的技术人员将容易想到变化和修改。所以，应当理解附带的权利要求旨在涵盖属于本公开的真实精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (16)

1.一种机械驱动体系，其包括：
燃气涡轮机，其具有压缩机部段，涡轮机部段，以及可操作地耦联到所述压缩机部段和所述涡轮机部段的燃烧器部段；
负荷压缩机，其由所述燃气涡轮机驱动；
转子轴，其延伸穿过所述燃气涡轮机的所述压缩机部段和所述涡轮机部段以及所述负荷压缩机；以及
多个轴承，其在所述燃气涡轮机和所述负荷压缩机内支撑所述转子轴，其中所述轴承中的至少一个是单一型低损耗轴承，所述单一型低损耗轴承包括具有在20℃下为1.0厘泊的粘度的低损耗润滑剂；
其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段和所述负荷压缩机各自具有多个旋转部件，在所述压缩机部段和所述涡轮机部段内的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料、并且由单一型低损耗轴承支承。
2.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，所述转子轴包括单轴布置。
3.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括沿着所述转子轴可操作地耦联到所述涡轮机部段的再加热部段，所述再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述负荷压缩机和所述再加热部段中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
4.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，所述燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。
5.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括用于沿着所述转子轴将所述负荷压缩机耦联到所述燃气涡轮机的负荷耦联元件。
6.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，所述转子轴包括多轴布置，其具有延伸穿过所述压缩机部段和所述涡轮机部段的第一转子轴和延伸穿过所述负荷压缩机的第二转子轴，所述第一转子轴和所述第二转子轴中的每一个由所述多个轴承支撑。
7.根据权利要求6所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括扭矩改变机构，其构造成以与在所述负荷压缩机中的所述旋转部件不同的旋转速度在所述燃气涡轮机中旋转所述旋转部件。
8.根据权利要求6所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括动力涡轮机部段，其耦联到所述第二转子轴以驱动所述负荷压缩机，其中所述动力涡轮机部段具有多个旋转部件，所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述负荷压缩机和所述动力涡轮机部段中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
9.根据权利要求8所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括沿着所述第一转子轴可操作地耦联到所述涡轮机部段的再加热部段，所述再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述负荷压缩机、所述动力涡轮机部段和所述再加热部段中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
10.根据权利要求9所述的机械驱动体系，其特征在于，所述压缩机部段包括远离所述燃烧器部段的前级，邻近所述燃烧器部段的后级，和布置在其间的中级；其中所述前级、所述中级和所述后级具有多个旋转部件，所述压缩机部段的所述前级、所述压缩机部段的所述中级、所述压缩机部段的所述后级、所述涡轮机部段和所述负荷压缩机中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料；其中所述机械驱动体系还包括中间轴，所述中间轴从所述转子轴径向向外并且延伸穿过所述前级，使得围绕所述中间轴布置的所述前级的所述旋转部件以比围绕所述转子轴布置的所述中级和所述后级的所述旋转部件慢的旋转速度操作。
11.根据权利要求10所述的机械驱动体系，其特征在于，所述多个轴承包括支撑所述中间轴的中间轴轴承，所述中间轴轴承中的至少一个包括单一型低损耗轴承。
12.根据权利要求10所述的机械驱动体系，其特征在于，还包括沿着所述第一转子轴可操作地耦联到所述涡轮机部段的再加热部段，所述再加热部段具有带有多个旋转部件的再加热燃烧器部段和再加热涡轮机部段，其中所述压缩机部段的所述前级、所述压缩机部段的所述中级、所述压缩机部段的所述后级、所述涡轮机部段、所述负荷压缩机和所述再加热部段中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
13.根据权利要求1所述的机械驱动体系，其特征在于，所述压缩机部段包括低压压缩机部段和高压压缩机部段，并且所述涡轮机部段包括低压涡轮机部段和高压涡轮机部段；其中所述高压涡轮机部段驱动所述高压压缩机部段，并且所述低压涡轮机部段驱动所述低压压缩机部段。
14.根据权利要求13所述的机械驱动体系，其特征在于，所述低压压缩机部段、所述高压压缩机部段、所述低压涡轮机部段、所述高压涡轮机部段的每一个包括多个旋转部件，所述低压压缩机部段、所述高压压缩机部段、所述低压涡轮机部段、所述高压涡轮机部段和所述负荷压缩机中的所述旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
15.根据权利要求13所述的机械驱动体系，其特征在于，所述转子轴包括具有低速卷轴和高速卷轴的双卷轴布置，所述低速卷轴包括所述低压涡轮机部段和所述低压压缩机部段，并且所述高速卷轴包括所述高压涡轮机部段和所述高压压缩机部段。
16.根据权利要求15所述的机械驱动体系，其特征在于，所述低速卷轴和所述高速卷轴由所述多个轴承支撑，所述轴承中的至少一个包括单一型低损耗轴承。
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