CN105370411A - 具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系。在这些体系中使用的燃气涡轮机包括压缩机部段、涡轮机部段和燃烧器部段。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，压缩机部段、涡轮机部段和发电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。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具有低损耗润滑剂的低损耗轴承。

Description

具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系
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14/__(代理人档案号为257269-1)、名称为“多级轴流式压缩机装置(MULTI-STAGEAXIALCOMPRESSORARRANGEMENT)”的美国专利申请；序列号为14/__(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系体系(POWERTRAINARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请；序列号为14/__(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系体系(POWERTRAINARCHITECTURESWITHHYBRID-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请；序列号为14/__(代理人档案号为271508-1)、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的机械驱动体系(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请；序列号为14/__(代理人档案号为27509-1)、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(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHHYBRID-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”的美国专利申请；和序列号为14/__(代理人档案号为276989-1)、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(MECHANICALDRIVEARCHITECTURESWITHLOW-LOSSLUBRICANTBEARINGSANDLOW-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合并于本说明书专利申请中。
技术领域
本发明总体上涉及动力系体系(powertrainarchitectures)，并且更特别地，涉及用作具有低粘度流体轴承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。在一些实施例中，动力系中的一个或多个旋转部件可以由低密度材料制造。
背景技术
在一种类型的发电机组(power-generatingplant)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体系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。高粘度油轴承售价比较便宜，但是具有与它们的伴随油橇(oilskids)(即，用于泵、储存器、贮藏装置等)关联的成本。另外，高粘度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，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，公开了一种具有第一燃气涡轮机的动力系体系。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。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。耦联到所述第一转子轴的第一发电机由所述第一燃气涡轮机的所述涡轮机部段驱动。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低损耗润滑剂轴承。所述压缩机部段、所述涡轮机部段和所述发电机包括设于其内的旋转部件，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。
所述多个轴承中的至少一个是包括很低粘度流体的低损耗轴承。所述多个轴承中的至少一个是高粘度油轴承。所述第一转子轴包括单轴装置。所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。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。
所述动力系体系还包括具有高压部段、中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、所述中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、所述蒸汽涡轮机的所述高压部段、所述蒸汽涡轮机的所述中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、所述中压部段和所述低压部段内支撑蒸汽涡轮机转子轴部分，所述轴承中的至少一个是具有低损耗润滑剂的低损耗轴承。
所述动力系体系还包括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的负荷耦联元件、和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。
所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机。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中压部段、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。
所述动力系体系还包括第二转子轴、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包括后端驱动燃气涡轮机。
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中压部段、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。
所述动力系体系还包括第三转子轴、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。所述动力系体系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。
所述动力系体系进一步包括第四转子轴、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。所述动力系体系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。
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；其中所述压缩机的所述前级、所述中级和所述后级、所述涡轮机部段和所述发电机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；并且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是包括低损耗润滑剂的低损耗轴承。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电机的另一转子轴，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。所述动力涡轮机部段包括多个旋转部件；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。
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均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、所述中级和所述后级、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；并且其中所述多个轴承支撑所述一个转子轴、所述另一转子轴和所述中间轴的每一个，所述多个轴承中的至少一个是具有低损耗润滑剂的低损耗轴承。
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，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；并且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的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
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体系的示意图，所述简单循环动力系体系包括前端驱动燃气涡轮机、发电机、轴承流体橇(skid)，并且还包括与动力系一起使用的具有低损耗润滑剂的至少一个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体系的示意图，所述简单循环动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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体系的示意图，所述简单循环动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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的替代体系的示意图，示出根据本发明的实施例的单轴蒸汽涡轮机和发电机(STAG)动力系体系，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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)组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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、组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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、具有低损耗润滑剂的至少一个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、组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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、具有低损耗润滑剂的至少一个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、组合循环动力系体系的示意图，所述动力系体系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、具有低损耗润滑剂的至少一个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燃气涡轮机体系的示意图，所述燃气涡轮机体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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体系的示意图，所述多轴燃气涡轮机体系包括后端驱动动力涡轮机和再加热部段，并且还包括与动力系一起使用的具有低损耗润滑剂的至少一个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体系的示意图，所述燃气涡轮机体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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体系的示意图，所述燃气涡轮机体系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具有低损耗润滑剂的至少一个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燃气涡轮机体系的示意图，所述燃气涡轮机体系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，具有低损耗润滑剂的至少一个低损耗轴承，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体系的示意图，所述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具有低损耗润滑剂的至少一个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体系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。高粘度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，这又会不利地影响发电机组的总输出。也存在与伴随高粘度油轴承的油橇关联的成本。
低损耗轴承(包括具有低损耗润滑剂的轴承)是高粘度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，而动力系体系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(包括低损耗润滑剂轴承)，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，其有助于促进这样的均衡性。
除了产生具有可由低损耗轴承支撑的重量的动力系体系以外，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，在这样的动力系中生成更高空气流流量/流率是困难的，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/流率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更长、更重的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/流率的压缩机时，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(attachmentstresses)成为问题。
所以，期望提供一种用于发电机组的动力系体系，其包含在燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或发电机中应用的一个或多个低损耗轴承(包括低损耗润滑剂轴承)。在一些实施例中，这样的低粘度或低损耗轴承与由低密度材料制造的部件结合使用。这样的体系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体系，其具有低粘度流体轴承和低密度材料。
当在本说明书中使用时，短语“动力系体系(powertrainarchitecture)”指的是移动部件的组件，其可以包括在动力的产生中共同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。动力系体系是在发电机组中使用的总体发电机组设备的子集。短语“动力系体系”和“动力系”可以可互换地使用。
当在本说明书中使用时，“低损耗轴承(low-lossbearing)”是具有至少一个主轴承单元的轴承组件，其包括具有低或很低粘度的工作流体。“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。“低损耗润滑剂轴承”或“具有低损耗润滑剂的低损耗轴承”是轴承组件，其中工作流体是低损耗润滑剂并且其不需要附加的副轴承。
当在当前的低损耗轴承中使用时，短语“低损耗润滑剂”指的是具有远大于水(即，在20℃下为1厘泊(centipoise))的粘度并且优选地具有在大约VG8到大约VG20之间的粘度的流体，其中VG表示在40℃在由国际标准组织开发的ISO标度上以厘沱(cSt)计量的粘度级(viscositygrade)。根据ISO标准(在1992年出版的ISO3448中叙述)，每个粘度级由在40℃最接近以mm2/秒计量(1mm2/秒＝1cSt)的它的中点运动粘度的整数指定，并且允许值的+/-10％的范围。具有在以上范围内的粘度的低损耗润滑剂的具体例子包括API基础油第III组中的矿物油基润滑剂；API基础油第IV组中的合成基聚α-烯烃(PAOs)；和某些聚亚烷基二醇(PAGs)。相比之下，在工业燃气涡轮机中使用的“高粘度”油(在本说明书中也称为传统油)可以具有用于高温环境的VG32乃至VG45的粘度。
当在本说明书中使用时，“单型(mono-type)低损耗轴承”是具有单个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。当在本说明书中使用时，“混合型低损耗轴承”是具有伴随有副轴承的两个主轴承单元的轴承组件。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。
与本申请同时提交并且通过引用合并于本说明书中的、序列号为__、名称为“具有单型低损耗轴承和低密度材料的发电体系(POWERGENERATIONARCHITECTURESWITHMONO-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为261580-1的美国专利申请提供关于发电体系中的单型轴承的使用的更多细节。与本申请同时提交并且通过引用合并于本说明书中的、序列号为__、名称为“具有混合型低损耗轴承和低密度材料的发电体系(POWERGENERATIONARCHITECTURESWITHHYBRID-TYPELOW-LOSSBEARINGSANDLOW-DENSITYMATERIALS)”、代理人档案号为267305-1的美国专利申请提供关于发电体系中的混合型轴承的使用的更多细节。
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。在当前的低损耗轴承中使用的“很低粘度”流体的例子具有小于水(即，在20℃下为1厘泊)的粘度，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，氢，二氧化碳(CO2)，二氧化氮(NO2)，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具有作为工作流体的磁通量的磁轴承。第二主轴承单元包括供应有具有很低粘度的高压流体的箔轴承(foilbearing)，在上面提供了所述很低粘度流体的例子。
为了清楚地示出各种动力系体系，轴承(不管类型)用矩形符号和数字140表示。一般而言，由轴承流体橇提供给每个主轴承单元的工作流体由箭头示出。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图中由具有不同形状的箭头的两条线表示。特别地，具有闭合头部的箭头表示输送磁流体的管道，而具有敞开头部的箭头表示输送上述很低粘度流体中的一种的管道。
尽管图可能示出在动力系体系的多数或所有部段中使用的混合型低损耗轴承，但是不必所有轴承都是混合轴承。例如，低损耗润滑剂轴承的组合可以与常规油轴承结合使用，低损耗润滑剂轴承在一些位置使用并且常规油轴承在其它位置使用。替代地或附加地，轴承中的一个或多个可以包括在单型或混合型低损耗轴承中的很低粘度流体，只要至少一个轴承是低损耗润滑剂轴承。在特定位置使用常规油轴承的情况下，它将接收从轴承流体橇供应的单流体(油)。在使用单型轴承(包含很低粘度流体)的情况下，这样的轴承将类似地接收来自轴承流体橇的单流体。因此，在附图中使用到达每个轴承的两个箭头仅仅是示例性的并且不旨在将本公开的范围限制到任何特定布置(例如，仅仅使用混合型轴承的布置)。
当在本说明书中使用时，“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说明书中所述的旋转部件(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(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(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)；以及镍泡沫。
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。在另一例子中，第一低密度材料可以在部段(例如，涡轮机部段)的一个级中使用，而第二(不同)低密度材料可以在相同部段(例如，涡轮机部段)的第二级中使用。
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。(在本说明书中使用的)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17-不锈钢、AISI型410不锈钢等)。
如本说明书中所述使动力系体系具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的技术效果在于这些体系：(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)提供在可接受温度下操作轴承的能力，同时承载重负荷，而不过早地退化低损耗润滑剂轴承流体；(c)输送高输出负荷，同时减小典型地通过高粘度油基轴承的使用引入动力系中的粘性损失；并且(d)允许由每个轴承使用的润滑剂的流动和体积的减小，由此允许关联的润滑剂储存器、泵等的尺寸的相应减小。
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/流率，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体系，所述动力系体系可以包括多个轴承位置。图14至19示出各种燃气涡轮机体系，所述燃气涡轮机体系可以包括多个轴承位置。低损耗轴承140(尤其包括低损耗润滑剂轴承)可以根据需要在动力系中的任何位置使用，不管发电体系的功率输出。在产生50MW或以上的电力的动力系体系中，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功率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的输出的动力系体系(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、操作和/或效率。
在使用低损耗轴承来支撑动力系体系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、隔热件以及这些和其它移动部件的任何组合。在本说明书中为了方便起见，压缩机和涡轮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。
尽管接下来关于所示的动力系体系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涡轮机，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是具有燃气涡轮机10和发电机120的单轴、简单循环动力系体系100的示意图。根据本发明的实施例，至少一个低损耗润滑剂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。
简单地说，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，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的其它体系，在包括图16、17和19的以下图中示出其中的许多体系。
图1和图2-19没有示出压缩机部段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的燃料提供的以产生工作流体。
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燃气涡轮机压缩机转子轴部分、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体系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。当在本说明书中使用时，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(或燃气流)经由入口引导轮叶进入压缩机的部分处(也就是说，远离燃烧器部段110)。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(或燃气流)进一步被压缩到增加压力(也就是说，邻近燃烧器部段110)。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105的单个的“级”。以该方式，每级中的移动叶片成弧形从而做功并且朝着轴向方向偏转流动，同时每级中的静止轮叶成弧形从而朝着轴向方向偏转流动，使它准备用于下一级的移动叶片。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(也就是说，远离燃烧器部段110)。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，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朝着轴向方向偏转流动，同时每级中的静止轮叶成弧形从而朝着轴向方向偏转流动，使它准备用于下一级的移动叶片。
当在本说明书中使用时，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)中的至少一个旋转部件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体系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。作为例子，可能期望由低密度材料形成压缩机部段105的前级中的叶片130和/或涡轮机部段115的后级中的叶片135，原因是这些叶片最长并且否则将是最重的。
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均可以转子轴125的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。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。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；也就是说，在一些配置中，燃气涡轮机可以由支撑燃气压缩机部段105和涡轮机部段115的轴承容易地支撑而没有中间轴承。
在本说明书中所述的各实施例中，轴承140中的至少一个可以被描述为包括低损耗润滑剂的低损耗轴承(即，“低损耗润滑剂轴承”)。在一个实施例中，所有轴承140是低损耗润滑剂轴承。在这样的配置中，使用具有单流体(即，低损耗润滑剂)的轴承流体橇150。包括低损耗润滑剂的轴承使用比常规、高粘度油轴承明显更小体积的流体，由此允许小型化储存器、泵和轴承流体橇150中的其它附件以便用于更小的流体体积。与常规油轴承相比，这样的布置简化轴承流体橇150并且减小启动和维护成本。
另外，单型或混合型低损耗轴承(如本说明书中所述)包括作为(一个或多个)主轴承单元的后备的滚柱轴承元件。这些后备轴承增加连接动力系的部段的转子轴125的长度，由此增加转子轴125的制造成本。因此，单型和混合型低损耗轴承(当与低损耗润滑剂轴承结合使用时)的负担成本不利于由这样的低损耗轴承提供的减小粘度损耗所提供的输出和效率优点。
因此，在一个实施例中，轴承140中的另一个可以是具有很低粘度流体的单型低损耗轴承。在其它实施例中，轴承140中的另一个可以是混合型轴承，所述混合型轴承包括供应有磁通量的第一主轴承单元和供应有很低粘度流体的第二主轴承单元。在一些实施例中，可能期望使用具有低损耗润滑剂轴承的常规高粘度油轴承，和可选地，具有很低粘度流体的单型和/混合型轴承。因此，在一些布置中，可以使用轴承类型的组合，其中一个或多个轴承包括很低粘度流体，同时至少一个轴承包括低损耗润滑剂。在这样的组合中，具有很低粘度流体的轴承140可以是单型或混合型轴承。
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“LLL”(用于低损耗润滑剂)、“A”(用于空气)、“G”(用于燃气)、“F”(用于磁通量)、“S”(用于蒸汽)和“O”(用于高粘度油)标记以表示可以使用的各种流体，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，使用具有带有低损耗润滑剂(LLL)的至少一个轴承的体系。在这些体系中，轴承140属于低损耗类型，也就是说，轴承包括低损耗润滑剂，如上所述。如果需要，可以使用低损耗润滑剂轴承、单型轴承、混合型轴承和/或常规高粘度油轴承的组合。
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。在一些情况下，轴承流体橇150可能可以提供两种或更多种不同类型的流体(如油和上述的低损耗润滑剂或很低粘度流体中的一种或多种)。替代地，如果使用两种或更多种不同的轴承类型或轴承流体，可以使用用于每种流体类型的轴承橇150。也能够针对体系的不同部段使用不同的轴承流体橇150。
本领域的技术人员将领会用于轴承140的低损耗轴承的选择可以根据动力系体系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低损耗润滑剂轴承。另外，轴承140中的一个或一些可以是具有很低粘度流体的单型或混合型轴承。可能可取的是至少一个轴承140包括低损耗润滑剂，不管动力系中的其它轴承140的轴承流体或轴承类型。另外，发电体系100可以包括低损耗润滑剂轴承和常规油轴承的组合。在转子轴部分由低损耗润滑剂轴承(而不是常规油轴承)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。类似地，由包括很低粘度流体的单型或混合型轴承支撑的那些部段受益于那些部段中的低密度材料的使用。
另外，本领域的技术人员将领会，为了清楚起见，图1中所示的动力系体系和后续的图2-19中所示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，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。
在如本说明书中所示包括多个轴承的动力系体系中，辅助设备(BoP)粘性损失在低损耗润滑剂轴承代替常规粘性流体(油)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体系的效率和功率输出。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润滑剂轴承不兼容。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，在产生动力流体以驱动燃气涡轮机中可以使用更大体积的空气，并且可以使用低损耗润滑剂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中所示的动力系体系的简要描述。可以在图1-13中的动力系体系中使用的特定燃气涡轮机体系在图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2-19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110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的至少一个低损耗润滑剂轴承。
如上所述，一个或多个部段中的旋转部件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中的一个、一些或全部可以是低损耗轴承，特别是包括低损耗润滑剂的低损耗轴承。以该方式，低损耗轴承类型的轴承可以与其它类型的轴承散布，如高粘度油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承。
此外，在发电机组的动力系中使用低密度旋转部件和低损耗润滑剂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低损耗润滑剂轴承的使用可以在发电机组的动力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说明书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体系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体系，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的简单循环动力系体系200。在体系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”燃气涡轮机12。
与图1中所示的体系100一样，动力系体系200包括与轴承流体橇150流体连通的至少一个轴承140。在至少一个轴承140中，流体是低损耗润滑剂。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。由于体系200的单独的部件与体系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的动力系体系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)。动力系体系300包括与轴承流体橇150流体连通的至少一个低损耗轴承140(如上所述)。至少一个轴承140是低损耗润滑剂轴承，但是也可以使用具有很低粘度的单型和/或混合型轴承。
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110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。作为上述的低密度旋转叶片130、135、220的附加或替代，包括发电机120中的旋转部件的低密度材料的其它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)动力系体系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。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。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，低损耗轴承140流体地连接到轴承流体橇150。低损耗轴承140中的至少一个包括低损耗润滑剂。动力系400也可以使用单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承、和/或常规油轴承作为轴承140，如果这样期望的话。
在图4中附加地显示热交换器，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。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、燃气涡轮机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用于动力系体系400的相应部段。
图5示出作为图4中所示的动力系体系400的变型的动力系体系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。在该体系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。例如，低密度材料可以在燃气涡轮机10或蒸汽涡轮机40的单独部段中的一个或多个级中使用。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系500的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系500的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图6示出作为图4中所示的动力系体系400的另一替代布置的动力系体系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。在该体系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。例如，低密度材料可以在燃气涡轮机12或蒸汽涡轮机40的单独部段中的一个或多个级中使用。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系600的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系600的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图7示出作为图4中所示的动力系体系的又一替代布置的动力系体系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。例如，低密度材料可以在燃气涡轮机14或蒸汽涡轮机40的单独部段中的一个或多个级中使用。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系700的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系700的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图8是二对一(2:1)组合循环动力系体系800的示意图，所述动力系体系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，但是不需要这样的配置。
在该体系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可以是低损耗润滑剂轴承，如本说明书中所述，并且体系800也可以包括单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承，只要至少一个轴承140是低损耗润滑剂轴承。轴承140流体地连接到与相应的燃气涡轮机10关联的轴承流体橇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。例如，低密度材料可以在蒸汽涡轮机40的单独部段中的一个或多个级中使用或者可以在蒸汽涡轮机40的一个或多个部段的所有级中使用。
支撑发电机120和蒸汽涡轮机40的各部段的轴承140流体地连接到与蒸汽涡轮机40关联的轴承流体橇150。作为在燃气涡轮机-发电机系之一或两者中使用的低损耗润滑剂轴承140的附加或替代，低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑蒸汽涡轮机40的一个或多个部段和/或它的发电机120。替代地或附加地，支撑蒸汽涡轮机40和它的关联发电机120的轴承140可以包括单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承。
图9是二对一(2:1)组合循环动力系体系900的示意图，所述动力系体系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，但是不需要这样的配置。
在该体系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12的各部段的轴承140可以是低损耗润滑剂轴承，如本说明书中所述，并且体系900也可以包括单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承，只要至少一个轴承140是低损耗润滑剂轴承。轴承140流体地连接到与相应的燃气涡轮机12关联的轴承流体橇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。例如，低密度材料可以在蒸汽涡轮机40的单独部段中的一个或多个级中使用或者可以在蒸汽涡轮机40的一个或多个部段的所有级中使用。
支撑发电机120和蒸汽涡轮机40的各部段的轴承140流体地连接到与蒸汽涡轮机40关联的轴承流体橇150。作为在燃气涡轮机-发电机系之一或两者中使用的低损耗润滑剂轴承140的附加或替代，低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑蒸汽涡轮机40的一个或多个部段和/或它的发电机120。替代地或附加地，支撑蒸汽涡轮机40和它的关联发电机120的轴承140可以包括单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承。
图10是三对一(3:1)组合循环动力系体系1000的简化示意图，所述动力系体系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，由于本说明书中所述的原因，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体系1000的部段中的至少一个由具有低损耗润滑剂的至少一个低损耗轴承140支撑(如前面的图中所示)。
图11是多轴、组合循环动力系体系1100的示意图，所述动力系体系包括在第一轴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。动力系体系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。在该体系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和蒸汽涡轮机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体系1100的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系1100的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系1100的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图12是作为图11中所示的体系1100的变型的多轴、组合循环动力系体系1200的示意图。在图12中，体系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。
动力系体系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。在该体系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和蒸汽涡轮机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中的旋转部件中的一个或多个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体系1200的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系1200的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系1200的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图13是作为图11中所示的体系1100的变型的多轴、组合循环动力系体系1300的示意图。在图13中，体系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。
动力系体系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。在该体系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和蒸汽涡轮机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体系1300的指定部段中的旋转部件中的一些或全部。
低损耗润滑剂轴承140可以用于支撑动力系体系1300的一个或多个部段，并且可以很好地适合于支撑具有由低密度材料制造的旋转部件的(一个或多个)部段。除了至少一个低损耗润滑剂轴承以外，其它轴承类型(包括常规油轴承、单型低损耗轴承和/或混合型低损耗轴承)可以在动力系1300的部段中使用。轴承140流体地连接到轴承流体橇150，如先前所述，轴承140中的至少一个从所述轴承流体橇接收低损耗润滑剂。
图14至19示出可以包括到图1至13中所示的动力系体系中的各种燃气涡轮机系统。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的多轴燃气涡轮机体系1400的示意图，所述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14的燃气涡轮机16可以代替图2的动力系体系200、图6的动力系体系600、图9的动力系体系900、图10的动力系体系1000和图12的动力系体系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，第一单转子轴310延伸通过压缩机部段105和涡轮机部段115，而独立于轴310的第二单转子轴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，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具有低损耗润滑剂的低损耗轴承，如本说明书中所述。根据需要，其它轴承140可以是单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承或常规油轴承。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体系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，本发明不限于叶片仅仅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在由作为低损耗轴承的轴承140支撑的燃气涡轮机1400的部段中使用。在一个实施例中，至少一个低损耗轴承140包括低损耗润滑剂。
图15是具有燃气涡轮机18的多轴、后端驱动燃气涡轮机体系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。与图14一样，图15的燃气涡轮机18可以代替图2的动力系体系200、图6的动力系体系600、图9的动力系体系900、图10的动力系体系1000和图12的动力系体系1200中的燃气涡轮机12。
根据本发明的实施例，燃气涡轮机体系1500还包括与燃气涡轮机的动力系一起使用的包括低损耗润滑剂的至少一个低损耗轴承140和由低密度材料制造的至少一个旋转部件。根据需要，其它轴承140可以是单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承或常规油轴承。轴承140与轴承流体橇150流体连通，例如如图2中所示。
燃气涡轮机体系1500类似于图14中所示的体系，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)可以包括低密度叶片。这是一个可能的实现方式并且不意味着限制体系1500的范围。
如上所述，可以有低密度部件和包括其它材料(例如，高密度材料)的部件的任何组合，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。为了更大的效率，由低损耗轴承140支撑的体系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体系1600的示意图，所述体系包括中间轴620以减小压缩机部段605的前级610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动力系一起使用的具有低损耗润滑剂的至少一个低损耗轴承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体系中的燃气涡轮机10，包括图1的动力系体系100、图4的动力系体系400、图5的动力系体系500、图8的动力系体系800和图11的动力系体系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可以配置有多个级。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低损耗润滑剂轴承，如本说明书中所述，这样的低损耗轴承140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1600的那些部段。根据需要，其它轴承140可以是单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承或常规油轴承。轴承140与轴承流体橇150流体连通，例如如图1中所示。
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，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体系的更多输出。
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使用前级中的高密度材料的叶片，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说明书中的序列号为__、名称为“多级轴流式压缩机装置(MULTI-STAGEAXIALCOMPRESSORARRANGEMENT)”、代理人档案号为257269-1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是根据本发明的实施例的具有带有再加热部段205的前端驱动燃气涡轮机24的燃气涡轮机体系1700的示意图。根据本发明的实施例，体系1700还包括减小压缩机605的前级的速度的中间轴620、具有低损耗润滑剂的至少一个低损耗轴承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体系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体系中的燃气涡轮机14，包括图3的动力系体系300、图7的动力系体系700和图13的动力系体系1300。
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的燃气涡轮机体系1800的示意图，所述体系包括减小压缩机605的前级的速度的中间轴620，动力涡轮机905，以及包括低损耗润滑剂的至少一个轴承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，第一单转子轴910延伸通过压缩机部段605和涡轮机部段115，而独立于轴910和中间轴620的第二单转子轴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可以支撑转子轴910、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低损耗润滑剂。根据需要，低损耗润滑剂轴承140可以与其它轴承类型(例如，单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承)结合使用。
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体系1800的范围。再次地，可以有低密度旋转部件(例如，叶片)由不同组分(例如，高密度材料)制造的一起使用的旋转部件(例如，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部件。在至少一个实施例中，低密度材料在由低损耗润滑剂轴承140支撑的燃气涡轮机体系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的燃气涡轮机体系1900的示意图，所述多轴燃气涡轮机具有低速卷轴1205和高速卷轴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低损耗轴承140。至少一个轴承140是包括低损耗润滑剂的低损耗轴承。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体系中的燃气涡轮机10，包括图1的动力系体系100、图4的动力系体系400、图5的动力系体系500、图8的动力系体系800和图11的动力系体系1100。
在该实施例中，压缩机1215具有低压压缩机610和通过空气与低压压缩机610分离的高压压缩机615。另外，燃气涡轮机体系1900具有涡轮机1230，所述涡轮机包括低压涡轮机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。在该体系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(例如，大于3600RPMs)的旋转速度操作，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低于3600RPMs的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具有低损耗润滑剂的低损耗轴承。根据需要，动力系1900中的其它轴承140可以是单型低损耗轴承、混合型低损耗轴承和/或常规油轴承。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体系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)制造的一起使用的旋转部件(例如，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。在至少一个实施例中，低密度材料在由低损耗润滑剂轴承140支撑的燃气涡轮机体系1900的(一个或多个)部段中的旋转部件中使用。
如本说明书中所述，本发明的实施例描述具有可以使用低损耗润滑剂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体系的各种动力系体系。具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的这些燃气涡轮机体系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常规油基轴承的使用引入动力系中的粘性损失。当低损耗润滑剂轴承与其它低损耗轴承(例如，具有很低粘度流体的轴承)一起使用时，维护成本减小，原因是与常规油轴承相关的部件可以被去除。
本说明书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。当在本说明书中使用时，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”或“向前”和“后”或“向后”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 (9)

1.一种动力系体系，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内和所述涡轮机部段内、以及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包括低损耗润滑剂的低损耗轴承；并且
其中所述压缩机部段、所述涡轮机部段和所述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至少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所述的动力系体系，其特征在于，所述多个轴承中的至少一个是包括很低粘度流体的低损耗轴承；所述多个轴承中的至少一个是高粘度油轴承；所述第一转子轴包括单轴装置；所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机；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。
3.根据权利要求1所述的动力系体系，其特征在于，其还包括具有高压部段、中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、所述中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、所述蒸汽涡轮机的所述高压部段、所述蒸汽涡轮机的所述中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、所述中压部段和所述低压部段内支撑蒸汽涡轮机转子轴部分，所述轴承中的至少一个是具有低损耗润滑剂的低损耗轴承；其中，所述动力系体系还包括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的负荷耦联元件、和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；所述第一燃气涡轮机包括后端驱动燃气涡轮机；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中压部段、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。
4.根据权利要求3所述的动力系体系，其特征在于，其还包括第二转子轴、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包括后端驱动燃气涡轮机；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中压部段、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。
5.根据权利要求4所述的动力系体系，其特征在于，其还包括第三转子轴、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；其中，所述动力系体系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；其中，所述动力系体系还包括第四转子轴、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；其中，所述动力系体系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。
6.根据权利要求1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，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；其中所述压缩机的所述前级、所述中级和所述后级、所述涡轮机部段和所述发电机中的旋转部件中的至少一个包括低密度材料；并且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是包括低损耗润滑剂的低损耗轴承；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。
7.根据权利要求1所述的动力系体系，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电机的另一转子轴，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；所述动力涡轮机部段包括多个旋转部件；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；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均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，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、所述中级和所述后级、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；并且其中所述多个轴承支撑所述一个转子轴、所述另一转子轴和所述中间轴的每一个，所述多个轴承中的至少一个是具有低损耗润滑剂的低损耗轴承。
9.根据权利要求1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，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；并且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的旋转部件中的至少一个包括低密度材料。
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