CN105370410A - 具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构 - Google Patents

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CN105370410A
CN105370410A CN201510501651.3A CN201510501651A CN105370410A CN 105370410 A CN105370410 A CN 105370410A CN 201510501651 A CN201510501651 A CN 201510501651A CN 105370410 A CN105370410 A CN 105370410A
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J.J.布特基维奇
A.德尔加多.马克斯
J.D.范.丹
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Abstract

本发明提供具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构。在这些架构中使用的燃气涡轮机包括压缩机部段、涡轮机部段和耦联到压缩机部段以及涡轮机部段的燃烧器部段。耦联到转子轴的发电机由涡轮机部段驱动。压缩机部段、涡轮机部段和发电机包括旋转部件，该旋转部件中的至少一个是低密度材料。轴承在压缩机部段、涡轮机部段和发电机内支撑转子轴，其中轴承中的至少一个是混合型低损耗轴承。

Description

具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构
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61/927822、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的发电架构(POWERGENERATIONARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为261508-1(GEEN-481)的美国专利申请；序列号为14/460606、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动架构(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为271508-1(GEEN-0539)的美国专利申请；序列号为14/460620、名称为“具有混合型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动架构(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHHYBRID-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为271509-1(GEEN-0540)的美国专利申请；序列号为14/460560、名称为“多级轴流式压缩机装置(MULTI-STAGEAXIALCOMPRESSORARRANGEMENT)”、代理人档案号为257269-1(GEEN-0458)的美国专利申请；序列号为14/460410、名称为“具有低损耗润滑轴承和低密度材料的动力系架构(POWERTRAINARCHITECTURESWITHLOW-LOSSLUBRICANTBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为276988的美国专利申请；以及序列号为14/460418、名称为“具有低损耗润滑轴承和低密度材料的机械驱动架构(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHLOW-LOSSLUBRICANTBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为276989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合并于本文中。
技术领域
本发明总体上涉及动力系架构(powertrainarchitectures)，并且更特别地，涉及用作具有混合型低损耗轴承(hybrid-typelow-lossbearings)和低密度材料(low-densitymaterials)的发电机组中的动力系的一部分的燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和发电机。
背景技术
在一种类型的发电机组中，燃气涡轮机可以与发电机结合使用以大体上形成机组的动力系。在该发电机组中，具有旋转叶片和静止轮叶的排的压缩机压缩空气并且将它引导到燃烧器，所述燃烧器混合压缩空气和燃料。在燃烧器中，压缩空气和燃料燃烧以形成燃烧产物(即，热空气-燃料混合物)，所述燃烧产物通过涡轮机中的叶片膨胀。因此，叶片围绕涡轮机的轴或转子转动或旋转。转动或旋转的涡轮机转子驱动发电机，所述发电机将旋转能量转换成电力。
部署在发电机组的这样的动力系中的许多燃气涡轮机架构使用结合高粘度润滑剂(即，油)的滑动轴承来支撑涡轮机、压缩机和发电机的旋转部件。油轴承(oilbearings)售价比较便宜，但是具有与它们的伴随油橇(skids)关联的成本(即，用于泵、储存器、贮藏装置等)。另外，油轴承具有高维护周期成本并且会导致动力系中的过度粘性损失(excessiveviscouslosses)，这又会不利地影响发电机组的总输出。
发明内容
在本发明的一方面，公开了一种包括第一燃气涡轮机、第一转子轴、第一发电机和多个轴承的动力系架构。在该方面，所述第一燃气涡轮机包括压缩机部段、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。所述第一转子轴延伸通过所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段和所述涡轮机部段。所述第一发电机耦联到所述第一转子轴并由所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段驱动。所述多个轴承在所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段和所述涡轮机部段和所述第一发电机内支撑所述第一转子轴，其中所述轴承中的至少一个是混合型低损耗轴承。另外，所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段、所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段和所述第一发电机包括旋转部件，所述压缩机部段、所述涡轮机部段和所述第一发电机中的一个中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
其中，所述第一转子轴包括具有压缩机转子轴部分和涡轮机转子轴部分的单轴装置。
其中，所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。
其中，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和带有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
所述的动力系架构还包括具有高压部段和低压部段的蒸汽涡轮机；以及流体地耦联到所述第一燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机的第一热交换器；其中所述高压部段和所述低压部段的每一个包括多个旋转部件；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述高压部段和所述蒸汽涡轮机的所述低压部段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。
其中，所述蒸汽涡轮机包括多个轴承以在所述高压部段和所述低压部段内支撑蒸汽涡轮机转子轴部分，其中所述轴承中的至少一个是混合型低损耗轴承。
所述的动力系架构还包括负荷耦联元件，所述负荷耦联元件用于沿着所述第一转子轴将所述蒸汽涡轮机的蒸汽涡轮机转子轴部分耦联到所述第一燃气涡轮机。
所述的动力系架构还包括在所述第一转子轴上位于所述蒸汽涡轮机和所述第一燃气涡轮机之间的离合器。
其中，所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。
其中，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述蒸汽涡轮机的所述高压部段、所述蒸汽涡轮机的所述低压部段和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
所述的动力系架构还包括第二转子轴、第二发电机和蒸汽涡轮机轴承流体橇；其中所述蒸汽涡轮机在所述第二转子轴上耦联到所述第二发电机并且所述蒸汽涡轮机轴承流体橇流体地耦联到所述蒸汽涡轮机。
其中，所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。
其中，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述蒸汽涡轮机的所述高压部段、所述蒸汽涡轮机的所述低压部段、所述第二发电机和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
所述的动力系架构还包括第三转子轴、第三发电机和第二燃气涡轮机；其中所述第二燃气涡轮机在所述第三转子轴上耦联到所述第三发电机。
所述的动力系架构还包括流体地耦联到所述第二燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机的第二热交换器，并且其中所述第一燃气涡轮机和所述第二燃气涡轮机的每一个流体地耦联到独立的燃气涡轮机轴承流体橇。
所述的动力系架构还包括第四转子轴、第四发电机和第三燃气涡轮机；其中所述第三燃气涡轮机在所述第四转子轴上耦联到所述第四发电机。
所述的动力系架构还包括流体地耦联到所述第三燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机的第三热交换器；并且其中所述第三燃气涡轮机流体地耦联到另一燃气涡轮机轴承流体橇，所述另一燃气涡轮机轴承流体橇独立于耦联到所述第一燃气涡轮机和所述第二燃气涡轮机的轴承流体橇。
其中，所述第一燃气涡轮机还包括动力涡轮机部段；其中所述第一转子轴包括多轴装置，所述多轴装置具有延伸通过所述压缩机部段和所述涡轮机部段的一个转子轴和延伸通过所述动力涡轮机部段和所述第一发动机的另一转子轴，所述转子轴的每一个由所述多个轴承支撑；并且其中所述一个转子轴配置成以不同于所述另一转子轴的旋转速度的旋转速度操作，所述另一转子轴以恒定旋转速度操作。
其中，所述动力涡轮机部段包括多个旋转部件；其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机和所述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。
其中，所述第一燃气涡轮机还包括沿着所述一个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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述动力涡轮机部段和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
其中，所述第一燃气涡轮机的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的每一个具有多个旋转部件；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、和所述压缩机部段的所述后级、所述涡轮机部段、所述第一发电机和所述动力涡轮机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；并且其中所述第一燃气涡轮机还包括延伸通过所述前级的中间轴，所述前级的旋转部件围绕所述中间轴布置从而以比围绕所述转子轴布置的所述中级和所述后级的旋转部件慢的旋转速度操作。
其中，所述多个轴承包括中间轴轴承以支撑所述中间轴，并且所述中间轴轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承。
其中，所述第一燃气涡轮机的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的每一个具有多个旋转部件；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、所述涡轮机部段和所述第一发电机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；并且其中所述第一燃气涡轮机还包括延伸通过所述前级的中间轴，所述前级的旋转部件围绕所述中间轴布置从而以比围绕所述转子轴布置的所述中级和所述后级的旋转部件慢的旋转速度操作。
其中，所述多个轴承包括支撑所述中间轴的中间轴轴承，并且所述中间轴轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承。
其中，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且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、所述第一发电机和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
其中，所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段包括均具有多个旋转部件的低压压缩机部段和高压压缩机部段；其中所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段包括均具有多个旋转部件的低压涡轮机部段和高压涡轮机部段；其中所述第一转子轴包括具有低速卷轴和高速卷轴的双卷轴轴装置；并且其中所述高压涡轮机部段经由所述高速卷轴驱动所述高压压缩机部段，并且所述低压涡轮机部段经由所述低速卷轴驱动所述低压压缩机部段和所述第一发电机。
其中，所述低速卷轴和所述高速卷轴由所述多个轴承支撑，其中所述轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承。
其中，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第一发电机中的至少一个中的旋转部件中的一些包括低密度材料。
附图说明
从结合附图进行的以下更详细描述将显而易见本发明的各实施例的特征和优点，附图通过例子示出本发明的这些实施例的原理。
图1是根据本发明的实施例的简单循环动力系架构的示意图，所述简单循环动力系架构包括前端驱动燃气涡轮机、发电机、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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简单循环动力系架构的示意图，所述简单循环动力系架构包括后端驱动燃气涡轮机、发电机、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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简单循环动力系架构的示意图，所述简单循环动力系架构包括具有再加热部段的前端驱动燃气涡轮机、发电机、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系架构的示意图，所述动力系架构包括前端驱动燃气涡轮机、多级蒸汽涡轮机、发电机、热交换器、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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是图4的替代架构的示意图，示出根据本发明的实施例的单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系架构，所述动力系架构包括前端驱动燃气涡轮机、发电机、离合器、多级蒸汽涡轮机、热交换器、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系架构的示意图，所述动力系架构包括后端驱动燃气涡轮机、发电机、多级蒸汽涡轮机、热交换器、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系架构的示意图，所述动力系架构包括具有再加热部段的前端驱动燃气涡轮机、发电机、多级蒸汽涡轮机、热交换器、轴承流体橇，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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二对一(2:1)组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括两个前端驱动燃气涡轮机(均具有其自身的发电机、热交换器和轴承流体橇)和具有其自身的发电机和轴承流体橇的一个多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的至少一个混合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9是根据本发明的实施例的二对一(2:1)组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括两个后端驱动燃气涡轮机(均具有其自身的发电机、热交换器和轴承流体橇)和具有其自身的发电机和轴承流体橇的一个多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的至少一个混合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10是根据本发明的实施例的三对一(3:1)组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括三个后端驱动燃气涡轮机(均具有其自身的发电机、热交换器和轴承流体橇)和具有其自身的发电机和轴承流体橇的一个多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的至少一个混合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11是根据本发明的实施例的多轴、组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括在第一轴上耦联到第一发电机并且具有第一轴承流体橇的前端驱动燃气涡轮机和在第二轴上耦联到第二发电机并且具有第二轴承流体橇的多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的热交换器、至少一个混合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12是根据本发明的实施例的多轴、组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括在第一轴上耦联到第一发电机并且具有第一轴承流体橇的后端驱动燃气涡轮机和在第二轴上耦联到第二发电机并且具有第二轴承流体橇的多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的热交换器、至少一个混合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13是根据本发明的实施例的多轴、组合循环动力系架构的示意图，所述动力系架构包括在第一轴上耦联到第一发电机并且具有第一轴承流体橇的具有再加热部段的前端驱动燃气涡轮机和在第二轴上耦联到第二发电机并且具有第二轴承流体橇的多级蒸汽涡轮机，并且还包括与动力系中的任何一个或多个一起使用的热交换器、至少一个混合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14是根据本发明的实施例的多轴燃气涡轮机架构的示意图，所述多轴燃气涡轮机架构包括后端驱动动力涡轮机，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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15是根据本发明的实施例的多轴燃气涡轮机架构的示意图，所述多轴燃气涡轮机架构包括后端驱动动力涡轮机和再加热部段，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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16是根据本发明的实施例的单轴、前端驱动燃气涡轮机架构的示意图，所述燃气涡轮机架构包括减小压缩机的前级的速度的中间轴和减速机构，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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17是根据本发明的实施例的具有再加热部段的单轴、前端驱动燃气涡轮机架构的示意图，所述燃气涡轮机架构包括减小压缩机的前级的速度的中间轴和减速机构，并且还包括与动力系一起使用的至少一个混合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18是根据本发明的实施例的多轴、后端驱动燃气涡轮机架构的示意图，所述燃气涡轮机架构包括后端驱动动力涡轮机，并且还包括与动力系一起使用的减小压缩机的前级的速度的中间轴和减速机构，至少一个混合型低损耗轴承，和由低密度材料制造的至少一个旋转部件；以及
图19是根据本发明的实施例的多轴、前端驱动燃气涡轮机架构的示意图，所述燃气涡轮机架构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混合型低损耗轴承和由低密度材料制造的至少一个旋转部件，并且可选地包括扭矩改变机构。
具体实施方式
如上所述，部署在发电机组中的许多燃气涡轮机架构使用结合高粘度润滑剂(即，油)的滑动轴承来支撑涡轮机、压缩机和发电机的旋转部件。油轴承具有高维护周期成本并且导致动力系中的过度粘性损失(excessiveviscouslosses)，这又会不利地影响发电机组的总输出。也存在与伴随油轴承的油橇关联的成本。
低损耗轴承(low-lossbearings)是油轴承的使用的一种替代。然而，在发电机组(即，具有50兆瓦(MW)或更大的输出的机组)的动力系中使用的某些燃气涡轮机架构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，而动力系架构的重量作为转子轴直径的立方增加。所以，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，期望包含用于动力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动力系架构以外，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，在这样的动力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附连应力成为问题。
所以，期望提供一种用于发电机组的动力系架构，其包含在燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或发电机中应用的、与低密度材料结合使用的一个或多个低损耗轴承。这样的架构可以提供具有更少粘性损失的更大功率输出，由此增加发电机组的总体效率。
本发明的各实施例涉及提供作为发电机组的一部分的具有燃气涡轮机的动力系架构，其具有混合型低损耗轴承和低密度材料。
当在本文中使用时，“动力系架构”是移动部件的组件，其可以包括在动力的产生中集体地彼此联系的发电机、压缩机部段、涡轮机部段、再加热涡轮机部段、动力涡轮机部段和蒸汽涡轮机中的一个或多个的旋转部件。动力系架构是在发电机组中使用的总体发电机组设备的子设备。短语“动力系架构”和“动力系”可以可互换地使用。
当在本文中使用时，“单型低损耗轴承”是具有单主轴承单元的轴承组件，其具有很低粘度的工作流体并且伴随有作为滚柱轴承元件的副轴承。当在本文中使用时，“混合型低损耗轴承”是具有两个主轴承单元的轴承组件，该两个主轴承单元中的每一个都具有其自身工作流体，并且当安装时，可以具有作为滚柱轴承元件的伴随副轴承。在单型和混合型低损耗轴承二者中，主轴承单元可以是轴颈轴承、推力轴承或邻近推力轴承的轴颈轴承。用作单型或混合型低损耗轴承中的副或后备轴承的“滚柱轴承元件”的例子包括球形滚柱轴承、圆锥滚柱轴承、锥形滚柱轴承和陶瓷滚柱轴承。
序列号为14/460576、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的发电架构(POWERGENERATIONARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为261580-1(GEEN-0481)的美国专利申请与本申请同时被提交并且通过引用合并于本文中，该专利申请提供了关于单型轴承在发电架构中的使用的更多细节。
在单型或混合型低损耗轴承中，(一种或多种)工作流体可以是很低粘度流体。用作主轴承单元中的工作流体的“很低粘度”流体的例子具有小于水的粘度(例如，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)，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)，二氧化氮(NO2)，二氧化碳(CO2)，或烃(包括甲烷、乙烷、丙烷等)。
在混合型低损耗轴承中，第一主轴承单元包括磁轴承，该磁轴承具有磁通量作为工作流体。第二主轴承单元包括箔轴承(foilbearing)，该箔轴承被供给具有很低粘度的高压流体，上文提供了这种流体的例子。在混合型低损耗轴承中，第一主轴承单元中的磁通量可以用作介质以控制转子位置，而第二主轴承单元中的很低粘度流体可以用作过程润滑流体以控制转子阻尼。
为了清楚地说明各发电架构，轴承(无论是什么类型)都由矩形符号和附图标记140来表示。总体而言，由轴承流体橇(bearingfluidskid)提供给每一个主轴承单元的工作流体都由箭头表示。为了表示混合型低损耗轴承，由轴承流体橇提供给两个主轴承单元的工作流体在附图中由具有不同形状的箭头的两条线表示。具体而言，具有封闭头部的箭头表示输送磁性流体的管路，而具有开口头部的箭头表示输送上述很低粘度流体中的一种的管路。
尽管附图可以示出用于发电架构中的大部分或全部部段的混合型低损耗轴承，但是并非所有的轴承都必须是混合型轴承。例如，一些发电架构可以包括位于一些位置处的传统的油轴承以及位于其它位置处的混合型低损耗轴承。在传统的油轴承用于特定位置处的情况下，该油轴承将接收供给自轴承橇的单流体(油)。备选地或除此之外，轴承中的一个或多个可以包括单型轴承中的很低粘度流体。单型轴承将类似地从轴承流体橇接收单流体(即，很低粘度流体)。因此，对附图中的每一个轴承使用两个箭头仅仅是说明性的并且不旨在将本发明的范围限制于特定的布置(例如，仅使用混合型轴承)。
当在本文中使用时，“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和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(CeramicMatrixComposites；简称CMCs)、有机基复合材料(OrganicMatrixcomposites；简称OMCs)、聚合物玻璃复合材料(PolymerGlasscomposites；简称PGCs)、金属基复合材料(MetalMatrixcomposites；简称MMCs)，碳-碳复合材料(Carbon-Carboncomposites；简称CCs)；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架构的一个部段中使用，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动力系的相应部段中的虚线表示。为了表示发电机的旋转部件内的低密度材料的使用，使用交叉影线阴影。尽管图可能示出在动力系架构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动力系的一个或多个部段。
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)高密度材料的例子包括但不限于：镍基超合金(如呈单晶、等轴或定向结晶形式的合金，其例子包括625、706和718)；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)。
如本文中所述使动力系架构具有混合型低损耗轴承和低密度材料的技术效果在于这些架构：(a)提供在动力系中使用低损耗轴承的能力，否则动力系将太重以致于不能操作；(b)允许常规地用于供给动力系中的油轴承的油橇的重新配置；并且(c)输送高输出负荷，同时降低典型地通过油基轴承的使用引入动力系中的粘性损失。
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13示出包括燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和/或发电机的各种动力系架构，所述动力系架构可以包括多个轴承位置。图14至19示出各种燃气涡轮机架构，所述燃气涡轮机架构可以包括多个轴承位置。低损耗轴承140可以根据需要在动力系中的任何位置使用，不管发电架构的功率输出如何。在产生50MW或以上的电力的动力系架构中，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高发电机组关联的重量增加可能需要使用低密度材料。在产生小于50MW的输出的动力系架构(即，较小动力系)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动力系架构的特定部段的那些情况下，可以在动力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压缩机部段，则低密度材料可以在压缩机部段内的旋转叶片的一个或多个级中使用(如虚线所示)。类似地，如果低损耗轴承正在支撑发电机，则低密度材料可以在发电机的旋转部件中使用(如交叉影线所示)。
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、蒸汽涡轮机和发电机的移动部件中的一个或多个，如叶片(也称为翼型)、盖板、间隔件、密封件、护罩、隔热件以及这些或其它移动部件的任何组合。在本文中为了方便起见，压缩机和涡轮机的旋转叶片将通常是由低密度材料制造。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。
尽管接下来关于所示的动力系架构的描述用于商业或工业发电机组，但是本发明的各实施例不意味着仅仅被限制到这样的应用。而是，使用混合型低损耗轴承和低密度材料的旋转部件的概念可应用于所有类型的燃烧式涡轮机或旋转式发动机，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。
现在参考图，图1是具有前端驱动燃气涡轮机10和发电机120的单轴、简单循环动力系架构100的示意图。根据本发明的实施例，至少一个混合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燃气涡轮机的动力系。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是具有发电机120的前端装置(front-endarrangement)，使得发电机邻近压缩机部段105定位。可以使用燃气涡轮机10的其它架构架构，在包括图16、17和19的以下图中示出其中的许多构架架构。
图1和图2-19不示出压缩机部段105、燃烧器部段110和涡轮机部段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105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的旋转又导致发电机120的线圈生成电功率并且产生电力。
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和发电机120，使得涡轮机部段115驱动压缩机部段105和发电机120。如图1中所示，转子轴125延伸通过涡轮机部段115、压缩机部段105和发电机120。在该单轴装置中，转子轴125可以具有根据常规技术耦联的压缩机转子轴部分、涡轮机转子轴部分和发电机转子轴部分。
耦联部件可以耦联转子轴125的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和发电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的位置可以根据燃气涡轮机架构在其中操作的发电机组的设计和应用而变化。在图中的一些情况下，通过轴的竖直线可以用于表示转子轴125的段之间的联接。
在图1中作为例子示出一个代表性的负荷耦联元件104(在燃气涡轮机10和发电机120之间)。替代地，离合器108可以用作负荷耦联元件，如图5中所示(在蒸汽涡轮机40和发电机120之间)。以该方式，耦联到耦联部件的相应的转子轴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。当在本文中使用时，叶片130的前级沿着转子轴125位于压缩机部段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再向后级减小。
压缩机部段105中的每一级可以包括旋转叶片130，所述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径向向内延伸的相应数量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部段110进入涡轮机部段115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再向后级增加。
涡轮机部段115中的每一级可以包括旋转叶片135，所述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115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。
当在本文中使用时，压缩机部段105和涡轮机部段115中的一个中的旋转部件(例如，叶片130和135)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和135的数量和放置可以根据燃气涡轮机架构在其中操作的发电机组的设计和应用而变化。例如，特定部段(即，压缩机部段105或涡轮机部段115)的旋转叶片130和135中的一些或全部可以包括低密度材料。在一个或多个排或级中的旋转叶片130和135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和135可以由高密度材料形成。
返回参考图1，轴承140沿着动力系支撑转子轴125。例如，一对轴承140均可以支撑转子轴125的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和发电机转子轴部分。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的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和发电机转子轴部分。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涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和发电机转子轴部分。而且，本领域的技术人员将领会转子轴125的涡轮机转子轴部分、压缩机转子轴部分和发电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。在本文中所述的各实施例中，轴承140中的至少一个可以包括混合型低损耗轴承。
轴承140包括由在图1中示出的轴承流体橇150供应的流体。轴承流体橇150用字母“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动力系中的多个轴承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架构是优选的。在这些架构中，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。在本文中所描述的实施例中，至少一个轴承140是混合型低损耗轴承，该轴承具有磁轴承和包括除了磁通量之外的很低粘度流体的第二轴承。
轴承流体橇150可以包括用于轴承流体橇的标准设备，如储存器、泵、贮藏装置、阀、线缆、控制盒、管道等。将来自轴承流体橇150的(一种或多种)流体输送到一个或多个轴承140所必需的管道在图中由从轴承流体橇150到每个轴承140的箭头表示。如上所述，由轴承流体橇150提供给与每一个混合型低损耗轴承相关的两个主轴承单元的工作流体在附图中由具有不同形状箭头的两条线表示。具有封闭头部的箭头表示从轴承流体橇150输送磁性流体的管路，而具有开口头部的箭头表示从轴承流体橇150输送上述的很低粘度流体中的一种的管路。应当领会，如果需要，可以使用用于每一种流体类型的单个轴承流体橇。
尽管附图可以示出轴承140包括发电架构的大部分或所有部段中的混合型低损耗轴承，但是并非所有的轴承都必须是混合型轴承。例如，一些发电架构可以包括位于一些位置处的传统油轴承，如与本申请同时被提交并且通过引用合并于本文中的序列号为14/460576、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构(POWERTRAINARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为261580-1(GEEN-0481)的美国专利申请中所述的单型低损耗轴承，和位于其它位置处的混合型低损耗轴承。在传统油轴承用于特定位置处的情况下，该轴承将接收供给自轴承流体橇的的单流体(油)。在使用单型低损耗轴承的情况下，该轴承也将类似地被配置成从轴承流体橇接收单流体(上述的很低粘度流体中的一种)。
本领域的技术人员将领会用于轴承140的混合型低损耗轴承的选择可以根据动力系架构在其中操作的发电机组的设计和应用而变化。例如，轴承140中的一些或全部可以是混合型低损耗轴承。另外，发电架构100可以包括混合型低损耗轴承与传统油轴承的组合和单型低损耗轴承。在转子轴部分由混合型低损耗轴承和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中所示的动力系架构和后续的图2-19中所示的架构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其它部件。例如，燃气涡轮机和发电机装置可以包括附属部件，如气体燃料回路、气体燃料橇、液体燃料回路、液体燃料橇、流动控制阀、冷却系统等。
在如本文中所示包括多个轴承的动力系架构中，辅助设备(balance-of-plant；简称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操作的部分负荷下增加动力系的效率。
通过使用更大径向长度的旋转部件可以进一步改善动力系架构的效率和功率输出。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动力系部段。
下面是图2-13中所示的动力系架构的简要描述。可以在图1-13中的动力系架构中使用的特定燃气涡轮机架构在图14-19中示出。所有这些图示出可以在发电机组中实现的不同类型的动力系。尽管每个架构可以以不同于图1的配置的方式操作，但是它们是类似的，在于图2-19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105和涡轮机115的相应旋转叶片130和135)。类似地，这些实施例可以使用用于轴承140的至少一个混合型低损耗轴承。如上所述，旋转部件130和135中的一些或全部可以具有低密度材料。特别地参考压缩机或涡轮机部段中的叶片，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混合型低损耗轴承。以该方式，低损耗混合类型的轴承可以与其它类型的轴承散布，如油轴承以及甚至单型低损耗轴承。
此外，在发电机组的动力系中使用低密度旋转部件和混合型低损耗轴承不意味着被限制到图1-19中所示的例子。而是，这些例子仅仅是低密度旋转部件和混合型低损耗轴承的使用可以在发电机组的动力系中实现的一些可能架构的举例说明。本领域的技术人员将领会本文中所示的例子的可能配置有许多变型。各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发电机组中实现的其它可能的动力系配置。
另外，具有它们的相应发电机装置的各种架构的以下描述涉及能够以各种速度(以每分钟转数或RPMs测量)驱动从而以期望频率输出操作的发电机。涡轮机部段以3600RPMs直接驱动发电机以便以60Hz操作不是必要的，但是这样的速度和输出对于许多应用可能是期望的。例如，多轴装置和/或扭矩改变机构(如图19中)可以被使用以获得期望的发电机输出。本发明的各实施例不意味着被限制到任何特定类型的发电机，并且因此可应用于多种多样的发电机，包括但不限于以3600RPMs的速度旋转以便以60Hz操作的双极发电机；以1800RPMs的速度旋转以便以60Hz操作的四极发电机；以3000RPMs的速度旋转以便以50Hz操作的双极发电机；和以1500RPMs的速度旋转以便以50Hz操作的四极发电机。对于产生小于50MW的功率输出的动力系架构，其它速度和频率输出可能是期望的和合适的。
图2示出包括后端驱动燃气涡轮机12、发电机120和轴承流体橇150的简单循环动力系架构200。在动力系架构200中，燃气涡轮机12布置成使得发电机120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(rear-enddrive)”燃气涡轮机12。
与图1中所示的架构100一样，动力系架构200包括与轴承流体橇150流体连通的至少一个混合型低损耗轴承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或涡轮机叶片135)由低密度材料制造。由于动力系架构200的单独的部件与动力系架构100中的相同，因此参考图1的先前论述，并且在这里不重复每个元件的论述。
图3是具有带有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机14的动力系架构300的示意图。如图3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)。动力系架构300包括与轴承流体橇150流体连通的至少一个混合型低损耗轴承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)，所述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105中的旋转部件130可以包括低密度材料。在另一实施例中，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215的每一个可以包括低密度材料的旋转部件(例如旋转叶片)130、135、220的一个或多个级。作为本文中所述的旋转叶片130、135、220的附加或替代，包括发电机120中的旋转部件的其它低密封材料旋转部件可以被使用。
图4是包括前端驱动燃气涡轮机10、多级蒸汽涡轮机40、发电机120和轴承流体橇150的单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系架构400的示意图。第一负荷耦联装置104定位在燃气涡轮机10和发电机120之间。蒸汽涡轮机40包括高压(HP)部段402、中压(IP)部段404和低压(LP)部段406。替代地，蒸汽涡轮机40可以包括高压部段402和低(或较低)压部段406。因此，本公开不限于蒸汽涡轮机40的特定布置。第二负荷耦联装置106将蒸汽涡轮机40连接到发电机120，由此完成联合轴125。混合型低损耗轴承140可以用于支撑动力系的部段中的任何一个或全部，混合型低损耗轴承140流体地连接到轴承流体橇150。
在图4中也显示热交换器，如热回收蒸汽发生器(或“HRSG”)50。HRSG50将水(W)转化成蒸汽，所述蒸汽供应到蒸汽涡轮机40的高压部段402，如虚线所示。蒸汽的流动路径由虚线箭头指示，蒸汽从高压部段402顺序地转移到中压部段404到达低压部段406(或者在双级蒸汽涡轮机的情况下，从高压部段到低压部段)。来自燃气涡轮机10的涡轮机部段115的废气(“EG”)的一部分的能量用于在HRSG中产生蒸汽。
低密度材料可以用于燃气涡轮机10的压缩机部段105、燃气涡轮机10的涡轮机部段115、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和发电机120中的至少一个的旋转部件。低密度材料的使用(例如，在叶片130、135中)减小正在旋转的一个级、多个级或部件的重量，因此便于低损耗轴承140用于动力系架构400的相应部段。
图5示出作为图4中所示的动力系架构400的变型的动力系架构500。在图5中，单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)带有前端驱动燃气涡轮机10、发电机120、离合器108、多级蒸汽涡轮机40、热交换器50和轴承流体橇150。在该架构500中，发电机120经由负荷耦联装置104耦联到燃气涡轮机10的前端(即，压缩机部段105)并且经由离合器108进一步耦联到蒸汽涡轮机40。从热交换器50供应的蒸汽被引导到蒸汽涡轮机40的高压部段402，蒸汽随后路由通过中压部段404(当存在时)和低压部段406(如虚线箭头所示)。
低密度材料可以用于燃气涡轮机10的压缩机部段105(例如，在叶片130中)、燃气涡轮机10的涡轮机部段115(例如，在叶片135中)、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和发电机120中的至少一个的旋转部件。混合型低损耗轴承140可以用于支撑包括由低密度材料制造的旋转部件的动力系架构500的那些部段。混合型低损耗轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述。
图6示出作为图4中所示的动力系架构400的另一替代布置的动力系架构600。在图6中，单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)带有后端驱动燃气涡轮机12、发电机120、多级蒸汽涡轮机40、热交换器50和轴承流体橇150。在该架构600中，发电机120经由第一负荷耦联装置104耦联到燃气涡轮机12的后端(即，涡轮机部段115)并且经由第二负荷耦联装置106进一步耦联到蒸汽涡轮机40。从热交换器50供应的蒸汽被引导到蒸汽涡轮机40的高压部段402，蒸汽随后路由通过中压部段404(当存在时)和低压部段406(如虚线箭头所示)。
低密度材料可以用于燃气涡轮机12的压缩机部段105(例如，在叶片130中)、燃气涡轮机12的涡轮机部段115(例如，在叶片135中)、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和发电机120中的至少一个的旋转部件。混合型低损耗轴承140可以用于支撑包括由低密度材料制造的旋转部件的动力系架构600的那些部段。混合型低损耗轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述。
图7示出作为图4中所示的动力系架构的又一替代布置的动力系架构700。在图7中，单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)带有具有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机14、发电机120、多级蒸汽涡轮机40、热交换器50和轴承流体橇150。在该布置中，发电机120经由第一负荷耦联装置104耦联到燃气涡轮机14的前端(即，压缩机部段105)并且经由第二负荷耦联装置106进一步耦联到蒸汽涡轮机40。从热交换器50供应的蒸汽被引导到蒸汽涡轮机40的高压部段402，蒸汽随后路由通过中压部段404(当存在时)和低压部段406(如虚线箭头所示)。
低密度材料可以用于燃气涡轮机14的压缩机部段105(例如，在叶片130中)、燃气涡轮机14的涡轮机部段115(例如，在叶片135中)、燃气涡轮机14的再加热涡轮机部段215(例如，在叶片220中)、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和发电机120中的至少一个的旋转部件。混合型低损耗轴承140可以用于支撑包括由低密度材料制造的旋转部件的动力系架构700的那些部段。混合型低损耗轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述。
图8是二对一(2:1)组合循环动力系架构800的示意图，所述动力系架构包括两个前端驱动燃气涡轮机10(均具有其自身的发电机120、热交换器50和轴承流体橇150)和具有其自身的发电机120和轴承流体橇150的一个多级蒸汽涡轮机40。如图所示，燃气涡轮机10可以彼此平行地定向，但是这样的配置不是必需的。
在该架构800中，每个燃气涡轮机10作用于其自身的轴125并且经由第一负荷耦联装置104耦联到发电机120。在燃气涡轮机10之一或两者中，低密度材料可以用作压缩机部段105(例如，在叶片130中)或涡轮机部段115(例如，在叶片135中)或其它区域(例如，在发电机120中，如交叉影线所示)中的旋转部件。支撑发电机120和燃气涡轮机10的各部段的轴承140可以是混合型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140流体地连接到轴承流体橇150。
来自每个燃气涡轮机10的涡轮机部段115的废气产物被引导到相应的热交换器50(例如，HRSG)，所述热交换器产生用于蒸汽涡轮机40的高压部段402的蒸汽。蒸汽随后路由通过蒸汽涡轮机40的中压部段404(当存在时)和低压部段406(如虚线箭头所示)。蒸汽涡轮机40经由轴126耦联到相应的发电机120。负荷耦联装置106可以包括在蒸汽涡轮机40和发电机120之间。
低密度材料可以用作蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406或其它区域(例如，在与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中)中的旋转部件。支撑发电机120和蒸汽涡轮机40的各部段的轴承140可以是混合型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140流体地连接到与蒸汽涡轮机40关联的轴承流体橇150。
图9是二对一(2:1)组合循环动力系架构900的示意图，所述动力系架构包括两个后端驱动燃气涡轮机12(均具有其自身的发电机120、热交换器50和轴承流体橇150)和具有其自身的发电机120和轴承流体橇150的一个多级蒸汽涡轮机40。如图所示，燃气涡轮机12可以彼此平行地定向，但是这样的配置不是必需的。
在该架构900中，每个燃气涡轮机12作用于其自身的轴125并且经由第一负荷耦联装置104耦联到发电机120。在燃气涡轮机12之一或两者中，低密度材料可以用作压缩机部段105(例如，在叶片130中)或涡轮机部段115(例如，在叶片135中)或其它区域(例如，在发电机120中，如交叉影线所示)中的旋转部件。支撑发电机120和燃气涡轮机10的各部段的轴承140可以是混合型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140流体地连接到轴承流体橇150。
来自每个燃气涡轮机12的涡轮机部段115的废气产物被引导到相应的热交换器50(例如，HRSG)，所述热交换器产生用于蒸汽涡轮机40的高压部段402的蒸汽。蒸汽随后路由通过蒸汽涡轮机40的中压部段404(当存在时)和低压部段406(如虚线箭头所示)。蒸汽涡轮机40经由轴126耦联到相应的发电机120。负荷耦联装置106可以包括在蒸汽涡轮机40和发电机120之间。
低密度材料可以用作蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406或其它区域(例如，在与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中)中的旋转部件。支撑发电机120和蒸汽涡轮机40的各部段的轴承140可以是混合型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140流体地连接到与蒸汽涡轮机40关联的轴承流体橇150。
图10是三对一(3:1)组合循环动力系架构1000的简化示意图，所述动力系架构包括三个后端驱动燃气涡轮机12(均具有其自身的发电机120、热交换器50和轴承流体橇150)和具有其自身的发电机120和轴承流体橇150的一个多级蒸汽涡轮机40。如上所述，低密度材料可以在至少一个燃气涡轮机12的压缩机部段105、至少一个燃气涡轮机12的涡轮机部段115、至少一个燃气涡轮机12的发电机部段120、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中的至少一个的旋转部件中使用。有利地，由于本文中所述的原因，在它们的旋转部件中的一些或全部中包括低密度材料的动力系架构1000的那些部段由混合型低损耗轴承140支撑(如前面的图中所示)。
图11是多轴、组合循环动力系架构1100的示意图，所述动力系架构包括在第一轴125上耦联到第一发电机120并且具有第一轴承流体橇150的前端驱动燃气涡轮机10。第一负荷耦联装置104可以用于将燃气涡轮机10连接到发电机120。动力系架构1100还包括在第二轴126上耦联到第二发电机120并且具有第二轴承流体橇150的多级蒸汽涡轮机40。第二负荷耦联装置106可以用于将蒸汽涡轮机40连接到其相应的发电机120。热交换器50流体地连接到燃气涡轮机10和蒸汽涡轮机40两者，如先前所述。在该架构1100中，来自热交换器50的蒸汽被提供给蒸汽涡轮机40的高压部段402并且随后路由通过蒸汽涡轮机40的中压部段404(当存在时)和蒸气涡轮机40的低压部段406。
再次地，燃气涡轮机10的压缩机部段105、燃气涡轮机10的涡轮机部段115、与燃气涡轮机10关联的发电机120、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和/或与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中的旋转部件可以由低密度材料产生。例如，低密度材料可以用于产生压缩机部段105中的叶片130或涡轮机部段115中的叶片135。
低密度材料可以用于动力系架构1100的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。具有由低密度材料制造的旋转部件的那些部段可以由流体地耦联到相应的轴承流体橇150的低损耗轴承140支撑。包括高密度材料的部件的动力系架构1100的部段可以由传统的粘性流体(例如，油)轴承支撑。本发明的各实施例不限于混合型低损耗轴承140的任何特定数量或布置，不管所述的动力系架构如何都是如此。
图12是作为图11中所示的架构1100的变型的多轴、组合循环动力系架构1200的示意图。在图12中，架构1200包括在第一轴125上耦联到第一发电机120并且具有第一轴承流体橇150的后端驱动燃气涡轮机12。第一负荷耦联装置104可以用于将燃气涡轮机12连接到发电机120。
动力系架构1200还包括在第二轴126上耦联到第二发电机120并且具有第二轴承流体橇150的多级蒸汽涡轮机40。第二负荷耦联装置106可以用于将蒸汽涡轮机40连接到其相应的发电机120。热交换器50流体地连接到燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机40两者，如先前所述。在该架构1200中，来自热交换器50的蒸汽被提供给蒸汽涡轮机40的高压部段402并且随后路由通过蒸汽涡轮机40的中压部段404(当存在时)和蒸气涡轮机40的低压部段406。
与前面一样，燃气涡轮机12的压缩机部段105、燃气涡轮机12的涡轮机部段115、与燃气涡轮机12关联的发电机120、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和/或与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中的旋转部件可以由低密度材料产生。例如，低密度材料可以用于产生压缩机部段105中的叶片130或涡轮机部段115中的叶片135。低密度材料可以用于动力系架构1200的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。具有由低密度材料制造的旋转部件的那些部段可以由流体地耦联到相应的轴承流体橇150的混合型低损耗轴承140支撑。
图13是作为图11中所示的架构1100的变型的多轴、组合循环动力系架构1300的示意图。在图13中，架构1300包括在第一轴125上耦联到第一发电机120并且具有第一轴承流体橇150的具有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机14。第一负荷耦联装置104可以用于将燃气涡轮机14连接到发电机120。
动力系架构1300还包括在第二轴126上耦联到第二发电机120并且具有第二轴承流体橇150的多级蒸汽涡轮机40。第二负荷耦联装置106可以用于将蒸汽涡轮机40连接到其相应的发电机120。热交换器50流体地连接到燃气涡轮机14和蒸汽涡轮机40两者，如先前所述。在该架构1300中，来自热交换器50的蒸汽被提供给蒸汽涡轮机40的高压部段402并且随后路由通过蒸汽涡轮机40的中压部段404(当存在时)和蒸气涡轮机40的低压部段406。
燃气涡轮机14的压缩机部段105、燃气涡轮机14的涡轮机部段115、燃气涡轮机14的再加热涡轮机部段215、与燃气涡轮机14关联的发电机120、蒸汽涡轮机40的高压部段402、蒸汽涡轮机40的中压部段404、蒸汽涡轮机40的低压部段406和/或与蒸汽涡轮机40关联的发电机120中的旋转部件可以由低密度材料产生。例如，低密度材料可以用于产生压缩机部段105中的叶片130、涡轮机部段115中的叶片135或再加热涡轮机部段215中的叶片220。低密度材料可以用于动力系架构1100的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。具有由低密度材料制造的旋转部件的那些部段可以由流体地耦联到相应的轴承流体橇150的单型低损耗轴承140支撑。
图14至19示出可以包含到图1至13中所示的动力系架构中的各种燃气涡轮机架构。为了方便起见，从这组图省略发电机120、轴承流体橇150、热交换器50和蒸汽涡轮机40(如果适用的话)。
图14是包括后端驱动燃气涡轮机16的多轴燃气涡轮机架构1400的示意图，所述后端驱动燃气涡轮机16具有在第一(或输入)转子轴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(或输出)转子轴315上的动力涡轮机部段305。图14的燃气涡轮机16可以代替图2的动力系架构200、图6的动力系架构600、图9的动力系架构900、图10的动力系架构1000和图12的动力系架构1200中的燃气涡轮机12。
在该实施例中，提供后端驱动装置，其中单轴(如图2的燃气涡轮机12中所示)已由多轴装置替换。特别地，第一转子轴310延伸通过压缩机部段105和涡轮机部段115，而独立于第一转子轴310的第二转子轴315从动力涡轮机部段305延伸到发电机120(未显示，但是由图例“至发电机”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，第二转子轴315的输出速度以恒定速度(例如，3600RPMs)旋转以保证发电机(120)以恒定频率(例如，60Hz)操作，而第一转子轴310的输入速度可以不同于第一转子轴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上的各燃气涡轮机部段。在一个实施例中，轴承140中的至少一个可以包括混合型低损耗轴承，如本文中所述。轴承140与轴承流体橇150流体连通，例如如图2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14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多个级。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制架构1400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，只要有在动力系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转叶片。替代地或附加地，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装置。优选地，低密度旋转部件105、135和/或405在由作为混合型低损耗轴承的轴承140支撑的燃气涡轮机1400的部段中使用。
图15是具有燃气涡轮机18的多轴、后端驱动燃气涡轮机架构1500的示意图，所述燃气涡轮机具有动力涡轮机部段305和再加热部段205。根据本发明的实施例，燃气涡轮机架构1500还包括与燃气涡轮机的动力系一起使用的至少一个混合型低损耗轴承140和由低密度材料制造的至少一个旋转部件。与图14一样，图15的燃气涡轮机18可以代替图2的动力系架构200、图6的动力系架构600、图9的动力系架构900、图10的动力系架构1000和图12的动力系架构1200中的燃气涡轮机12。
燃气涡轮机架构1500类似于图14中所示的架构，区别在于燃气涡轮机18包括具有再加热燃烧器210和再加热涡轮机215的再加热部段205。再加热部段205加入燃气涡轮机18的输入驱动轴310。图15显示压缩机部段105的旋转部件(例如，叶片)130、涡轮机部段115的旋转部件(例如，叶片)135、再加热涡轮机部段215的旋转部件(例如，叶片)220和动力涡轮机部段305的旋转部件(例如，叶片)405可以包括低密度材料。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制架构1500的范围。如上所述，可以有低密度叶片和包括其它材料(例如，高密度叶片)的叶片的任何组合，只要有在动力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支撑的架构1500的(一个或多个)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16是具有燃气涡轮机20的前端驱动燃气涡轮机架构1600的示意图，所述架构包括中间轴(stubshaft)620以减小压缩机605的前级610的旋转速度。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动力系一起使用的至少一个混合型低损耗轴承140。图16的燃气涡轮机20可以代替具有前端驱动燃气涡轮机的那些动力系架构中的燃气涡轮机10，包括图1的动力系架构100、图4的动力系架构400、图5的动力系架构500、图8的动力系架构800和图11的动力系架构1100。
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605的前级并且级615表示压缩机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和涡轮机部段115沿着转子轴125被耦联。在一个实施例中，中间轴620可以从转子轴125径向地向外并且圆周地围绕转子轴125。在一个实施例中，旋转部件(例如，叶片710、叶片715和叶片135)中的至少一个由低密度材料制造。
轴承140围绕压缩机部段605、涡轮机部段115和发电机120(未显示)定位以支撑中间轴620和转子轴125上的各部段。该配置中的轴承中的全部、一些或至少一个可以是混合型低损耗轴承，如本文中所述，这样的低损耗轴承140特别适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的架构1600的那些部段。
在操作中，转子轴125使涡轮机部段115能够驱动发电机120(例如，在图1中显示)。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的叶片710以比级615的旋转叶片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发电机120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的中级和后级前级(或减慢级)610中的叶片710的前级的旋转速度便于前级中的更大叶片的使用。由于它们的更大尺寸，通过压缩机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通过燃气涡轮机动力系1600。通过燃气涡轮机动力系1600的更多空气流导致来自动力系架构的更多输出。
此外，由于前级的移动叶片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。因此，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移动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合并于本文中的序列号为14/460560、名称为“多级轴流式压缩机装置(MULTI-STAGEAXIALCOMPRESSORARRANGEMENT)”、代理人档案号为257269-1(GEEN-0458)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17是具有带有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机24的燃气涡轮机架构1700的示意图。根据本发明的实施例，燃气涡轮机架构1700还包括减小压缩机605的前级的速度的中间轴620，至少一个混合型低损耗轴承140，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16中所示的配置。以该方式，压缩机605的级610和615中的相应旋转叶片710和715、涡轮机115的旋转叶片135、再加热涡轮机215的旋转叶片220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燃气涡轮机架构1700的范围。例如，在动力系中可以有与其它类型的材料的叶片(例如，高密度叶片)组合的任何数量的低密度叶片，只要有由低密度材料制造的至少一个旋转部件。替代地或附加地，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17的燃气涡轮机24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架构(包括图3的动力系架构300、图7的动力系架构700和图13的动力系架构1300)中的燃气涡轮机14。
图18是根据本发明的实施例的具有后端驱动燃气涡轮机22的燃气涡轮机架构1800的示意图，所述燃气涡轮机架构包括减小压缩机605的前级的速度的中间轴620、动力涡轮机905以及作为混合型低损耗轴承的至少一个轴承140。在该实施例中，多轴装置已被加入以与中间轴620结合操作。如图18中所示，第一转子轴910延伸通过压缩机部段605和涡轮机部段115，而独立于第一转子轴910和中间轴620的第二转子轴915从动力涡轮机部段905延伸到发电机120(如图2中所示)。轴承140可以支撑第一转子轴910、第二转子轴915和中间轴620。在一个实施例中，轴承140中的至少一个可以包括混合型低损耗轴承。
在操作中，转子轴910和中间轴620可以用作输入轴，而转子轴915可以用作驱动发电机120的输出轴。在一个实施例中，转子轴915的输出速度是恒定速度(例如，3600RPMs)以保证发电机以恒定频率(例如，60Hz)操作，而转子轴910和中间轴620的输入速度不同于转子轴915操作的速度(例如，小于3600RPMs)。
图18显示的压缩机部段610、615的旋转叶片710和715、涡轮机部段115的旋转叶片135和动力涡轮机部段905的旋转叶片1005可以由低密度材料制造。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制燃气涡轮机架构1800的范围。再次地，可以有低密度旋转部件(例如，叶片)与由不同组分(例如，高密度材料)制造的旋转部件(例如，叶片)一起使用的任何组合，只要有在动力系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转部件。在至少一个实施例中，低密度材料在由混合型低损耗轴承140支撑的燃气涡轮机架构1800的(一个或多个)部段中的旋转部件中使用。
图19是具有多轴燃气涡轮机26的燃气涡轮机架构1900的示意图，所述多轴燃气涡轮机具有低速卷轴(low-speedspool)1205和高速卷轴(high-speedspool)1210。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动力系一起使用的至少一个混合型低损耗轴承140。图19的燃气涡轮机26可以代替具有前端驱动燃气涡轮机的那些动力系架构中的燃气涡轮机10，包括图1的动力系架构100、图4的动力系架构400、图5的动力系架构500、图8的动力系架构800和图11的动力系架构1100。
在该实施例中，压缩机1215包括低压压缩机610和通过空气与低压压缩机610分离的高压压缩机615。另外，燃气涡轮机架构1900具有涡轮机1230，所述涡轮机1230包括低压涡轮机1250和通过空气与低压涡轮机1250分离的高压涡轮机1245。低速卷轴1205可以包括由低压涡轮机1250驱动的低压压缩机610。高速卷轴1210可以包括由高压涡轮机1245驱动的高压压缩机615。在该燃气涡轮机架构1900中，低速卷轴1205可以以期望旋转速度(例如，3600RPMs)驱动发电机120从而以期望频率(例如，60Hz)操作，而高速卷轴1210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。
可选地，扭矩改变机构1208(如齿轮箱、变矩器、齿轮组等)可以沿着低速卷轴1205定位在燃气涡轮机26和发电机(未显示，但是由“至发电机”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1205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发电机，并且仍然获得60Hz的操作输出。在图19中，支撑动力系1900的轴承140中的至少一个可以是混合型低损耗轴承。轴承140与轴承流体橇150流体连通，例如如图1中所示。
图19显示压缩机部段610、615的旋转叶片1220、1225以及涡轮机部段1245、1250的旋转叶片1235、1240可以由低密度材料制造。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制燃气涡轮机架构1900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)制造的旋转部件(例如，叶片)一起使用的任何组合，只要有在动力系中使用的包括低密度材料的至少一个旋转部件。在至少一个实施例中，低密度材料在由混合型低损耗轴承140支撑的燃气涡轮机架构1900的(一个或多个)部段中的旋转部件中使用。
如本文中所述，本发明的实施例描述具有可以使用混合型低损耗轴承和低密度材料作为发电机组中的动力系的一部分的燃气涡轮机架构的各种动力系架构。具有混合型低损耗轴承和低密度材料的这些燃气涡轮机架构相比于使用油轴承和高密度材料的其它动力系可以输送高空气流流量。另外，在产生更高空气流流量的该输送的同时减小典型地通过油基轴承的使用引入动力系中的粘性损失。通过混合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/或它们的组合的存在或添加。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 (10)

1.一种动力系架构，其包括：
第一燃气涡轮机，所述第一燃气涡轮机包括压缩机部段、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；
第一转子轴，所述第一转子轴延伸通过所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段和所述涡轮机部段；
第一发电机，所述第一发电机耦联到所述第一转子轴并且由所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段驱动；以及
多个轴承，所述多个轴承在所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段和所述涡轮机部段和所述第一发电机内支撑所述第一转子轴，其中所述轴承中的至少一个是混合型低损耗轴承；
其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段和所述第一发电机均包括多个旋转部件，所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段、所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段和所述第一发电机中的一个中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
2.根据权利要求1所述的动力系架构，其特征在于，所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机或前端驱动燃气涡轮机，并且所述第一转子轴包括具有压缩机转子轴部分和涡轮机转子轴部分的单轴装置。
3.根据权利要求1所述的动力系架构，其特征在于，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和带有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机和所述再加热涡轮机部段中的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或2或3所述的动力系架构，其特征在于，所述动力系架构还包括具有高压部段和低压部段的蒸汽涡轮机，以及流体地耦联到所述第一燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机的第一热交换器；其中所述高压部段和所述低压部段的每一个包括多个旋转部件；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述高压部段和所述蒸汽涡轮机的所述低压部段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；所述蒸汽涡轮机包括多个轴承以在所述高压部段和所述低压部段内支撑蒸汽涡轮机转子轴部分，其中所述轴承中的至少一个是混合型低损耗轴承；所述动力系架构还包括负荷耦联元件或离合器，所述负荷耦联元件用于沿着所述第一转子轴将所述蒸汽涡轮机的蒸汽涡轮机转子轴部分耦联到所述第一燃气涡轮机，所述离合器在所述第一转子轴上位于所述蒸汽涡轮机和所述第一燃气涡轮机之间。
5.根据权利要求4所述的动力系架构，其特征在于，所述动力系架构还包括第二转子轴、第二发电机和蒸汽涡轮机轴承流体橇；其中所述蒸汽涡轮机在所述第二转子轴上耦联到所述第二发电机并且所述蒸汽涡轮机轴承流体橇流体地耦联到所述蒸汽涡轮机，所述第一燃气涡轮机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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述蒸汽涡轮机的所述高压部段、所述蒸汽涡轮机的所述低压部段、所述第二发电机和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
6.根据权利要求5所述的动力系架构，其特征在于，所述动力系架构还包括第三转子轴、第四转子轴、第三发电机、第四发电机、第二燃气涡轮机、第三燃气涡轮机、第二热交换器和第三热交换器，所述第二热交换器流体地耦联到所述第二燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机，所述第三热交换器流体地耦联到所述第三燃气涡轮机和所述蒸汽涡轮机；其中所述第二燃气涡轮机在所述第三转子轴上耦联到所述第三发电机；并且其中所述第一燃气涡轮机和所述第二燃气涡轮机的每一个流体地耦联到独立的燃气涡轮机轴承流体橇；其中所述第三燃气涡轮机在所述第四转子轴上耦联到所述第四发电机，并且其中所述第三燃气涡轮机流体地耦联到另一燃气涡轮机轴承流体橇，所述另一燃气涡轮机轴承流体橇独立于耦联到所述第一燃气涡轮机和所述第二燃气涡轮机的轴承流体橇。
7.根据权利要求1所述的动力系架构，其特征在于，所述第一燃气涡轮机还包括动力涡轮机部段，其中所述动力涡轮机部段包括多个旋转部件；其中所述第一转子轴包括多轴装置，所述多轴装置具有延伸通过所述压缩机部段和所述涡轮机部段的一个转子轴和延伸通过所述动力涡轮机部段和所述第一发动机的另一转子轴，所述转子轴的每一个由所述多个轴承支撑；并且其中所述一个转子轴配置成以不同于所述另一转子轴的旋转速度的旋转速度操作，所述另一转子轴以恒定旋转速度操作；所述第一燃气涡轮机还包括沿着所述一个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再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段、所述第一发电机、所述动力涡轮机部段和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
8.根据权利要求7所述的动力系体系，其特征在于，所述第一燃气涡轮机的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的每一个具有多个旋转部件；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、和所述压缩机部段的所述后级、所述涡轮机部段、所述第一发电机和所述动力涡轮机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；并且其中所述第一燃气涡轮机还包括延伸通过所述前级的中间轴，所述前级的旋转部件围绕所述中间轴布置从而以比围绕所述转子轴布置的所述中级和所述后级的旋转部件慢的旋转速度操作，所述多个轴承包括中间轴轴承以支撑所述中间轴，并且所述中间轴轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承。
9.根据权利要求1所述的动力系架构，其特征在于，所述第一燃气涡轮机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，所述第一燃气涡轮机的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，所述第一燃气涡轮机还包括延伸通过所述前级的中间轴；其中，所述前级、所述中级和所述后级的每一个具有多个旋转部件；其中，所述前级的旋转部件围绕所述中间轴布置从而以比围绕所述转子轴布置的所述中级和所述后级的旋转部件慢的旋转速度操作；其中，所述多个轴承包括支撑所述中间轴的中间轴轴承，并且所述中间轴轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承；其中，所述再加热部段具有再加热燃烧器部段和具有多个旋转部件的再加热涡轮机部段；并且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、所述第一发电机和所述再加热涡轮机部段中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
10.根据权利要求1所述的动力系架构，其特征在于，所述第一燃气涡轮机的所述压缩机部段包括均具有多个旋转部件的低压压缩机部段和高压压缩机部段；其中所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段包括均具有多个旋转部件的低压涡轮机部段和高压涡轮机部段；其中所述第一转子轴包括具有低速卷轴和高速卷轴的双卷轴轴装置；并且其中所述高压涡轮机部段经由所述高速卷轴驱动所述高压压缩机部段，并且所述低压涡轮机部段经由所述低速卷轴驱动所述低压压缩机部段和所述第一发电机；其中所述低速卷轴和所述高速卷轴由所述多个轴承支撑，其中所述轴承中的至少一个包括混合型低损耗轴承；其中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第一发电机中的至少一个中的旋转部件中的一些包括低密度材料。
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