CN105849370B - 高压力比双转子的工业燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

用于发电的工业燃气涡轮发动机，包括高压转子和低压转子，其中低压转子可以从满功率模式到完全关闭时的零功率模式运行，其中低压转子在高电力需求时运行，以将压缩空气供给到高压转子的高压压气机中，并且其中涡轮机废气通过由余热回收蒸汽发生器产生的蒸汽来驱动第二发电机。该发电设备可以在峰值载荷的25％下运行，同时保持发电设备的未使用部分是热的，以便在需要高功率输出时容易重启。

Description

高压力比双转子的工业燃气涡轮发动机
本发明是在美国政府的支持下作出的，与能源部的合同号为DE-FE0023975。美国政府对此发明享有一定的权益。
发明领域
本发明总体涉及工业燃气涡轮发动机(注：又称“燃气轮机”)，并且更具体地涉及双转子工业燃气涡轮发动机，其具有可以独立于高压转子操作的低压转子。
发明背景
在燃气涡轮发动机中，例如大框架重型工业燃气涡轮(IGT)发动机，在燃烧室中产生的热气流经过涡轮机以产生机械功。涡轮机包括一个或多个排或级的定子导叶(vane)和转子叶片(blade)，其在逐步降低的温度中与热气反应。涡轮机，进而使发动机的效率可以通过将更高温度的气体通入涡轮机而提高。然而，涡轮机(注：又称“透平”)入口温度受限于涡轮的材料性能，特别是第一级导叶和叶片，以及用于这些第一级翼型的冷却能力的量。
在用于发电的工业燃气涡轮发动机中，在用电需求低的期间，发动机的功率减小。在用电需求低的期间，现有技术的发电设备具有峰值载荷的40％至50％的低功率模式。在这些低功率模式，发动机效率非常低并且由此电力的损失比当发动机在全速以高效率运转的时候高。
用于今天的工业和航海燃气涡轮发动机在图12至图15中示出。这些设计会遭受几个主要问题，包括：高循环压力比下的低的部件(压气机和涡轮机)性能，或低的部分负载部件效率，或当装备了会限制工作的低功率界限(称为调节比)的NOx(氮氧化合物)燃烧室时，部分负载时高CO(一氧化碳)排放。
图12示出单轴IGT发动机，其具有连接于涡轮机2的压气机1，在压气机端部具有直接驱动发电机3。图13示出了双轴IGT发动机，具有高转子(spool)轴和直接驱动发电机3的分离的动力涡轮机4。图14示出具有同心转子的双轴航机改型(aero derivative)燃气涡轮发动机，其中高压转子绕低压转子旋转，并且其中分离的低压轴直接驱动发电机3。图15示出了三轴IGT发动机，其中低压转子在高压转子内旋转，并且分离的动力涡轮机4直接驱动发电机3。
图12IGT发动机的构造最常用于发电机，并且受限于用于获得高压比下的高部件效率的非优化轴速。质量流入口和出口容量结构上受限于AN2(最后级叶片应力)和尖端速度，由于流动中高尖端速度产生的马赫数(Mach#)损失会限制入口和出口的直径。因此对于一个给定转子速度，存在最大入口直径和用于压气机的相应流动容量、最大出口直径和用于压气机之前的涡轮机的流动容量、以及由于高Mach数损失而开始下降的最大涡轮机部件效率。
由于在高压比下在单个轴上有额定最大入口流量，转子叶片开始在压缩流动路径的高压区域变得非常小。在相对高的半径处的小的叶片高度会由于间隙和泄漏效应导致高的损耗。高压比航空发动机通过引入分离的高压和低压轴来克服这个限制。高压轴在较快速度下旋转，在允许小半径的同时还完成每个阶段合理的功。这样的例子在图14中示出，其为典型的用于发电的航机改型燃气涡轮发动机。高压转子的速度还受到具有在高压轴5的内直径(ID)以内的低速轴6的限制。这迫使高压轴流动路径相对于其它可行的方式而言要到更高的半径，由此减小高压转子的速度，导致小半径叶片，其降低了高压转子的效率。图13的设置类似地受限于如图12的在高压比下获得高部件效率，因为整个压气机在一个轴上。
调节比是燃气涡轮发动机可以运行(并且还在污染限制下获得CO排放)的最低功率载荷除以100％满载荷功率的比值。今天的燃气涡轮发动机具有大约40％的调节比。一些或许能够达到30％。低的部分载荷运行需要低的燃烧室出口温度和低的入口质量流动的结合。低的CO排放需要足够高的燃烧室温度以完成燃烧过程。由于必须维持燃烧温度以控制CO排放，减小功率的最好方式是减小入口质量流动。典型的单轴燃气涡轮发动机利用多级的压气机可变导叶来减小入口质量流动。压气机流动减少的限制对于如在图12中的单轴恒定转子速度压气机而言大约为50％。图14的设置如图12流动入口质量流动减少的设置类似地受限，因为低压压气机在发电机的恒定速度下运行。
图15的设置是用于IGT发动机的当前构造中最高效的选择，但不是最优的，因为低转子轴6在高转子轴5内旋转，并且这样高转子轴半径就不能进一步减小。另外，如果低转子轴6的速度降低以降低入口质量流动，存在从HPT(高压涡轮机)进入LPT(低压涡轮机)的角度的不匹配，以及流出LPT(低压涡轮机)和流进PT(功率涡轮机)的流动角度的不匹配，导致在部分载荷下涡轮机性能的不高效。
发明内容
用于发电类型的工业燃气涡轮发动机，具有高压转子和低压转子，其中两个转子可以独立地运行，这样能够获得小至12％的调节比，同时仍然保持发动机的高效率。发电机直接连接于高压转子并且在连续和恒定的速度上运行。低压转子由来自高压转子的涡轮机废气驱动，并且包括可变入口引导导叶，以调节低压转子的速度。来自低压转子的压缩过的空气供给到高压转子的压气机的入口。跨级冷却器可以用于降低通往高压转子的压缩空气的温度。
具有分离操作的转子的双转子IGT发动机能够保持压气机和涡轮机的部件效率高达40到55的高压力比，其允许增加涡轮机入口温度同时保持废气温度在目前的限制范围内。
来自两个转子的涡轮机废气可以导入HRSG(余热回收蒸汽发生器)，以产生蒸汽用于供应蒸汽涡轮机，其驱动发电机以进一步增加发电设备的总体效率。
在另一个实施例中，来自低压压气机的一部分压缩空气被抽取并且进一步由增压压气机压缩，然后递送入用于高压涡轮机定子导叶的冷却回路，其中加热后的冷却空气随后被排入燃烧室。
在本发明的又一实施例中，来自高压转子的涡轮机废气用于驱动中压动力涡轮机(IPPT)，后者通过动力轴连接至外部载荷，例如发电机、齿轮箱、压缩机机或者船用螺旋桨。中压动力涡轮机的轴在低压转子内经过，由此中压动力涡轮机轴的速度可以通过控制低压转子的速度而调节，由此调节从低转子压气机到高转子压气机提供的压缩空气的质量流量。在这个实施例中，载荷不是连接于高转子，而是连接于中压动力涡轮机(IPPT)。
借助本发明的双转子IGT发动机的设计，结合循环发电设备的燃气涡轮发动机可以以大于67％的净热力学效率运行，其在现有发动机热力学效率上得到显著的提升。
另外，由于尺寸和质量流动的限制，现有的用于发电的IGT发动机的功率输出被限制在大约350MW(兆瓦)。借助本发明的双转子设计，现有的IGT发动机可以被改装而以接近双倍于现有最大功率输出运行。
这种双转子IGT发动机的其它优点在于，一组不同尺寸的现有技术的单转子IGT发动机能够被改装，这是通过包括改变尺寸和压力比的本发明的低压转子设计来达成的，能将压缩空气提供给高转子压气机。
用于冷却涡轮机热部分的冷却空气被再次引入到燃烧室，其中冷却空气被排入位于压气机的出口和燃烧室的入口之间的扩散器，以防止在扩散器内形成边界层。在扩散器的一个实施例中，来自定子导叶的冷却空气平行于压缩空气流动相对于扩散器的外壁排放，并且来自转子叶片的冷却空气平行于压气机相对于扩散器的内壁以大于或等于压气机排放空气速度的速度排放，这样就能限制边界层的生长。
附图说明
参阅以下结合附图的详细描述，可更完整地理解本发明并且可更容易地理解本发明所伴随的优点和特征，附图中：
图1示出本发明的具有涡轮翼型冷却的燃气涡轮发动机的第一实施例；
图2示出本发明的具有跨级冷却的涡轮翼型冷却的燃气涡轮发动机的第二实施例；
图3示出本发明的具有跨级冷却的涡轮翼型冷却的燃气涡轮发动机的第三实施例；
图4示出本发明的关联于用于产生蒸汽的HRSG，具有跨级冷却的涡轮翼型冷却的燃气涡轮发动机的第四实施例；
图5示出具有机械脱开的本发明的双转子工业燃气涡轮发动机的第一实施例的发电设备的示意图；
图6示出具有机械脱开的本发明的双转子工业燃气涡轮发动机的第二实施例的发电设备的示意图；
图7示出具有机械脱开的本发明的双转子工业燃气涡轮发动机的第三实施例的发电设备的示意图；
图8示出具有机械脱开的本发明的双转子工业燃气涡轮发动机的第四实施例的燃气涡轮发动机的示意图；
图9示出具有机械脱开的本发明的三轴工业燃气涡轮发动机的发电设备横截面视图的示意图；
图10是用于本发明的燃气涡轮发动机中的压气机和燃烧室之间的扩散器的横截面视图；
图11是用于本发明的燃气涡轮发动机中的压气机和燃烧室之间的扩散器的第二实施例的横截面视图；
图12示出具有在压缩器端部直接驱动发电机的现有技术的单轴转子IGT发动机；
图13示出具有高转子轴和直接驱动发电机的分离动力涡轮机的现有技术的双轴IGT发动机；
图14示出具有同心转子的现有技术的双轴航空燃气涡轮发动机，其中高转子绕低转子旋转，并且其中分离的低压轴直接驱动发电机；以及
图15示出了现有技术的三轴IGT发动机，其中低压转子在高压转子内旋转，并且分离的动力涡轮机直接驱动发电机。
具体实施方式
本发明是带有涡轮机定子导叶的冷却的燃气涡轮发动机。图1示出具有燃气涡轮发动机的本发明的第一实施例，包括压气机11、燃烧室12以及涡轮机13，其中压气机11与涡轮机13通过转子轴连接在一起。涡轮机13具有被冷却的定子导叶16的第一级。压气机11压缩空气，空气随后在燃烧室12中与燃料燃烧，以产生热气体流，热气体流经过涡轮机13。第二压气机14由马达15驱动，以比来自第一压气机11的压力更高的压力压缩空气。更高压缩的空气然后经过涡轮机13中的定子导叶16用于冷却，并且加热过的冷却气体然后通入燃烧室12，以与燃料以及来自第一压气机11的压缩空气结合。
第二压气机14产生高压压缩空气用于定子导叶16的冷却，这样它可以然后排放入燃烧室12。没有来自上一级14的合适的更高压力，从定子导叶排出的冷却空气的压力不会有足够高压以通入燃烧室。
图2示出本发明的第二实施例，其中两级(14，17)压气机(即多级轴向流压气机)包括跨级冷却器21以冷却压缩空气，为了增加两级压气机(14，17)的性能。来自两级压气机(14，17)和跨级冷却器21的压缩空气之后用于冷却定子导叶16，其然后排放入燃烧室12。具有跨级冷却器21的两级压气机(14，17)产生比第一压气机11压力更高的冷却空气，这样在定子导叶16冷却后剩余足够的压力以排放入燃烧室12。
图3示出本发明的第三实施例，其中用于定子导叶16的冷却空气从第一压气机11的下一级(第一级之后)排出，经过跨级冷却器21，并且然后进入第二压气机14以增加压力。来自第二压气机14的压力更高的空气然后经过定子导叶16用于冷却，并且然后排放入燃烧室12。
在三个实施例中，第一压气机或主压气机11为燃烧室12提供大约80％左右的所需空气。第二压气机14为燃烧室12产生剩余的20％。在研究的一个工业燃气涡轮发动机中，第一压气机或主压气机11具有30的压力比(即出口压力是入口压力的30倍)，同时第二压气机14具有40的压力比(即出口压力是入口压力的40倍)。
图4示出本发明的另一个实施例，其具有涡轮冷却和中间冷却器余热回收。该燃气涡轮发动机包括压气机11、燃烧室12、以及涡轮机13，其中涡轮机翼型(例如定子导叶16)被冷却。向燃烧室12中引入燃料以产生热气体流，热气体流经过涡轮机13。次级流外部压缩发生在第一和第二压气机32和34并且由马达31驱动。中间冷却器/低压流发生器33放置在两个压气机32和34之间(或一个压气机的两级之间)以冷却压缩空气。马达31驱动两个压缩空气的压气机(或两级)32和34，用以冷却涡轮机翼型16。
燃气涡轮机13的废气用于在余热回收蒸汽发生器(HRSG)40产生蒸汽。HRSG 40产生高压(HP)蒸汽42，其递送到高压涡轮机36以驱动第一发电机35。HRSG 40还产生低压(LP)蒸汽43，其与来自HP(高压)涡轮机排放的LP(低压)蒸汽结合，流入低压(LP)涡轮机37，其驱动第二发电机38。烟囱41排出在HRSG 40中用过的涡轮机废气。冷凝器39将从LP涡轮机37中排出的蒸汽冷凝成水，其然后流入HRSG 40或至中间冷却器33。流入中间冷却器33的水用来冷却从增压压气机32排出的压缩空气，其产生低压(LP)蒸汽，这些低压蒸汽与来自HRSG 40的LP(低压)蒸汽一同流入LP(低压)涡轮机37的入口。结果，来自第二压气机34的压缩空气具有比没有用中间冷却器的情况更低的温度，并且因此涡轮机翼型16的冷却得以提高。来自涡轮机翼型16的冷却空气然后排入燃烧室12与燃料燃烧，并且产生用于涡轮机13的热气流。
图5的实施例是具有不同心转子的高压比柔性工业燃气涡轮发动机，其中取决于电力负载，高压转子可以协同或不与低压转子一起操作。图5示出的发电设备包括主燃气涡轮发动机，具有高压压气机51、燃烧室53以及高压燃气涡轮机52，通过转子轴连接于发电机55。主发动机(51,52,53)和发电机55用轴承旋转支撑。在用于将入口空气提供给高压压气机51的一种选择中，主高压压气机51的入口通过阀门57连接于增压压气机56。高压压气机51和高压涡轮机52是高压转子的部分。
低压燃气涡轮机61通过由轴承支撑的转子轴连接于低压压气机62。低压压气机62包括入口引导导叶和可变定子导叶，允许调整压缩空气的流动。低压燃气涡轮机61和低压压气机62形成低压转子，并且与主发动机或高压转子51和52是不同心的(可以独立运行)。类似地，高压压气机还可以包括可变定子导叶，其允许流动匹配和速度控制。这样，低压转子61和62可以关停并且不运行，而主发动机或高速转子51和52可运行以驱动发电机55。低压压气机62的出口由管道67连接于高压压气机51的入口。中间冷却器65可以用在低压压气机62的出口和高压压气机51的入口之间以冷却压缩空气。阀门66也可以用于控制从低压压气机62到高压压气机51的管道67中的压缩空气。图5示出了在下一级的到高压压气机51的虚线入口，但是也可以位于第一级压气机叶片的上游。
本发明的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机(在图5中示出一个实施例)的主要优势如下所述。现有技术的大框架重型工业燃气涡轮发动机只使用了单个转子，其转子轴直接连接于发电机。这种设计允许大量功率传递给发电机，不需要齿轮箱。基于这些因素，燃气涡轮发动机必须以非常特定的等于当地电网同步速度的转子速度运行。通过将燃气涡轮发动机的部件分离为模块化系统，每个模块都可以单独优化以在集成系统中提供最大性能。并且，实现了功率输出和操作性的大幅提高。
燃气涡轮发动机的效率已知大体是总体压力比的函数。而现有的各IGT限制了可获得的最大压气机压力比，因为当压气机的低压和高压区域以同样(同步)的速度运行时，不能同时在压气机的低压和高压区域获得最佳效率，而允许低压和高压压气机各自运行在它们自己的最佳转子速度的设置会允许打破现有总体压力比的壁垒。另外，分隔低压和高压系统提高了部件效率和性能匹配。例如，在转动的叶片端点和外静止罩盖或现有的各种IGT的环状部段之间的间隙必须相对地大，这是由于在低压系统中部件的尺寸的缘故。在本发明中，高压系统中的间隙可以减少，以增加效率和性能。
本发明的双转子涡轮增压IGT实现了更加可操作的系统，这样发动机可以在调节的或部分功率时传递更高的效率，并且发动机的响应性也可以提高。另外，这种设计相比来自各种IGT的现有技术的其它可行方式允许更大的调节水平。
在又一个例子中，各种IGT的现有技术的功率输出和质量流动受限于最后级的涡轮机叶片的可行尺寸。最后级的涡轮机叶片的长度是应力限制的，由它扫过的面积(A)与转子速度的平方(N)的乘积来限制。这通常被称为涡轮机AN2。对于给定的转子速度，涡轮机流率会受限于叶片的扫过面积。如果转子速度可以减小，那么环状面积可以增加，并且涡轮机可以设计为通过更多流量和产生更多功率。这在实质上说明了为什么为50Hz电力市场设计的燃气涡轮发动机，其转速为3,000rpm，可以设计为最大功率输出能力比为60Hz市场(其转速为3,600rpm)设计的等同的燃气涡轮发动机要大大约44％。如果燃气涡轮发动机可以以模块化部件设计，包括低压压气机和涡轮机的单独低压系统可以设计为在低速下运行，以允许更大量的空气传递给燃气涡轮机的高压(核心)。
在各种IGT的现有技术中，随着压力比和涡轮机入口温度增加，尺寸和速度、AN2以及上一级涡轮叶片的限制最终导致效率下降。另外，随着压力比增加，压气机效率开始下降，这是由于压气机后端尺寸的减小，其会导致更高的损耗。在更高的压力比下，需要相对于从发动机中线起的半径而言有非常小的翼型高度。这导致高翼型尖端间隙和次级流动泄漏损耗。本发明的双转子涡轮增压IGT通过增加现有技术大尺寸IGT的流动尺寸到2倍来解决这些IGT现有技术的问题。一般地，这种流动尺寸增加可能会由于涡轮机AN2的限制而不可能。本发明的解决方案是从单转子转换到双转子，其允许最后级涡轮机叶片设计成在低RPM(转速)，其将涡轮机保持在通常的限制内。双转子发动机的通常设计会将发电机放置在低转子上，固定发电机的速度，并且具有更高RPM的高转子发动机。借助本发明的双转子涡轮增压IGT，发电机被放置在高转子上，并且具有可变速度的低转子。该设计具有许多优点。由于低转子从电网频率脱开，可以选择比同步更低的RPM，其允许LPT(低压涡轮机)在AN2限制内运行。另一个主要的优势在于，低转子转速可以在运行中大幅降低，与在具有固定低转子速度的机器上所实现的情况相比，允许发动机空气流量和功率输出大幅减少。与现有技术的单转子IGT在40％载荷下运行相比，本发明的双转子涡轮增压IGT在12％载荷保持更高的燃烧排放温度。在本发明的双转子涡轮增压IGT中，可通过关闭在高压压气机上的入口引导导叶而减小功率。低和高压力压气机的空气动力学匹配可利用可变LPT导叶来实现，这些导叶可减小进入LPT的流动面积，由此降低低转子转速。
现有技术的单转子IGT能够获得大约最大功率的40-50％的低功率设置。本发明的双转子涡轮增压IGT能够获得大约最大功率的12％的低功率设置。这种增强的调节能力提供了主要的有竞争力的优势，即，施加在来自可变发电源的电网上的灵活性的需求。
在图5中，具有烟囱41的HRSG(余热回收蒸汽发生器)40用于通过管道64接收来自燃气涡轮机52和61的废气并且产生的蒸汽用于高压蒸汽涡轮机36和低压蒸汽涡轮机37，后两者相连以驱动第二发电机38。废气最终通过烟囱41排出。在图5中的虚线代表从高压燃气涡轮机排气到HRSG 40的直接连接，HRSG 40会使低压燃气涡轮机61旁通。
在高电力需求期间，具有高压压气机51和高压燃气涡轮机52的主发动机运行以驱动发电机55，其中燃气涡轮机52的废气进入动力或低压燃气涡轮机61，以驱动低压压气机62。随后，来自低压燃气涡轮机61的废气流入HRSG40，以产生蒸汽来驱动两个蒸汽涡轮机36和37，它们驱动第二发电机38。来自低压压气机62的低压压缩空气流入高压压气机51的入口。
在低电力需求期间，低压燃气涡轮机61和低压压气机62低速运行，并且来自高压燃气涡轮机52的废气通过低压燃气涡轮机61和管道64流进HRSG40，以产生蒸汽用于两个蒸汽涡轮机36和37，它们驱动第二发电机38，并且由此保持HRSG是热的，以在发动机运行在高负载时容易重启。进入高压压气机51的流量减少至25％的最大流量。由此，主发动机(51,52,53)可以进入非常低的功率模式。现有技术的发电设备具有峰值载荷的40％至50％(借助压气机中的入口引导导叶)的低功率模式。本发明可以下至峰值载荷的25％，同时保持蒸汽温度暂时地高而为发电设备热(通过使热气体流经)，以当需要高功率输出时容易重启。中间冷却器65也可以包括水注射，以冷却低压压缩空气。
在介于满功率和最低功率需求的部分功率条件下，有必要在中等转子速度下运行低压压气机62和低压涡轮机61。用于控制发动机的装置是需要的，以便不完全停止地降低低转子速度，同时保证低压压气机62和高压压气机51的稳定运行。若没有安全控制策略，压气机的部分功率空气动力学的不匹配可以导致压气机停滞和/或浪涌，其为了安全和耐久的担心而要避免。在控制低转子速度同时正确地匹配压气机的便利方式是利用可变低压涡轮导叶63。在部分功率条件下关闭可变低压涡轮导叶63减少了流动面积和低压涡轮机61的流动容量，其导致低压转子(61,62)转动速度的大幅降低。这种转子速度的降低减少了通过低压压气机62的空气流动，其在部分功率下提供与高压压气机51更好的空气动力学匹配。
图6的实施例类似于图5中的，但是增加了用于高压涡轮机52的定子导叶76的冷却空气，其然后排入高转子的压气机53。为增加本发明的用于产生电能的发电设备(图6)的总体效率，一些从低压压气机62排出的压缩空气可以经过中间冷却器71，通过由马达73驱动的压气机72，通过管道75并且然后用于冷却在高速转子的高压燃气涡轮机52中的定子导叶76。此冷却空气然后经过管道77并且排入燃烧室53的入口，并且与来自高压压气机51的压缩空气结合，用于与燃料燃烧，以产生用于驱动两个燃气涡轮机52和61的热气体流。由压气机72产生的压缩量足以克服来自冷却定子导叶76的压力损失，并且足以保持过压以流入燃烧室53。LPC 62的没有经过中间冷却器71的流量经过了可选的中间冷却器65，沿着该路径到达高压压气机51的入口。
图7的实施例与图6中的实施例类似，但是只有一个中间冷却器65用于冷却进入高压压气机51和高压涡轮机52的定子导叶76的压缩空气。增压压气机72由马达73驱动，用于提升低压压气机62的压力至足够高以经过定子导叶76，以具有足够的压力流入燃烧室53。
在图6和图7的燃气涡轮机的实施例中，用于冷却高压涡轮机中定子导叶的压缩空气被注射入燃烧室53。在本发明的另一个实施例中，扩散器(注：又称“扩压器”)101(例如在图10和图11中所示的)放置在高压压气机51的出口和燃烧室53的入口之间，其扩散压缩空气流。为了控制扩散空气流的边界层流动，在进入燃烧室53之前，来自高压涡轮机52的定子导叶104和转子叶片105的冷却空气被排入扩散器，以与来自高压压气机81的压缩空气混合。在图10的实施例中，来自定子导叶76的冷却空气排入围绕扩散器101的外腔室102，其将冷却空气流引导至与从压气机81排出的压缩空气106平行的方向。以类似的方法，来自转子叶片的冷却空气排入内腔室103，这些冷却空气平行于来自压气机的排出的压缩空气106。来自两个腔室102和103的冷却空气加速至等于或大于来自压气机的压缩空气106的速度，以防止边界层的形成。
图11示出扩散器101的第二个实施例，其中来自定子导叶和转子叶片的冷却空气通过薄膜冷却孔108的配置排入扩散器101。
图8示出本发明的双转子涡轮增压IGT的横截面设置。具有可变面积喷嘴的低压涡轮机61位于流动壳体内，紧邻高压涡轮机52的出口后面，这样来自高压涡轮机的流动直接流入低压涡轮机而没有损失。从LPT 61至LPC 62的转子轴穿过壳体，该壳体形成涡轮机热气体排气管和空气进入LPC 62的入口。LPC 62通过管道67连接于HPC 51的入口。高转子(包括HPC 51和HPT 52)直接驱动发电机55。
图9示出本发明的一个实施例，其中发电设备可以用以驱动负载85，其中负载可以是发电机或压气机或船用螺旋桨。图9中的发电设备包括如前述实施例的高转子和低转子，但是具有中压动力涡轮机(IPPT)，其由来自HPT(高压涡轮机)的废气驱动，以通过自由轴(FS)驱动载荷85。高压压气机81通过转子旋转地连接于高压涡轮机82，其中燃烧室83位于其间，以形成高(压)转子。低压涡轮机91旋转地连接于低压压气机92以形成低(压)转子。LPT包括可变入口引导导叶或喷嘴93。高压压气机81也具有多个可变定子导叶(VSV)。中压动力涡轮机(IPPT)84位于HPT 82紧接着的下游，并且通过穿过低转子的转子轴内部的自由轴(FS)连接于负载85。压缩空气管道67将LPC 92的出口连接于HPC 81的入口，并且可以包括中间冷却器65。增压压气机56可以用以在低转子(91,92)低位运行时，将低压压缩空气供给到HPC 81。可选的HRSG 40连接于LPT的排气以将涡轮机废气转换为蒸汽，并且驱动高压蒸汽涡轮机36和低压蒸汽涡轮机37，这两者都驱动发电机38。动力涡轮机84和HPT 82相互靠近地位于一壳体中，就如同在图8中的LPT 61和HPT 52。如果发动机用于推动轮船，则HRSG或许不需要。
图9的双转子IGT示出另一种新型配置，其具有图5至图7的许多相同特征。然而，通过连接到载荷的低压轴，允许机械的或发电机载荷速度独立于燃气涡轮发动机高压轴速度运行。这种独立的载荷轴速度特征通常对于机械载荷是最重要的。FS(自由轴)仍能自由减慢以提高部分载荷性能以及调低至载荷的12％。注意，低压轴穿过FS的ID(内径)，因为FS相对于HP轴运行在低速和较高半径上。由此，HP轴速度可以在这种设置中保持较高。
图9的发电设备的选择包括：中间冷却从LPC(低压压气机)92到HPC(高压压气机)81的整个流动；仅仅中间冷却用于冷却HPT(高压涡轮机)82中定子导叶的压缩空气；以及仅仅中间冷却用于冷却定子导叶的冷却空气，以及用单独的增压压气机使冷却空气过压。在所有的设置中，可变形状的HPC81用于与可变LPT的导叶93一起控制速度。
本领域的技术人员将理解本发明不限于本文上面已经具体示出和描述的内容。而且，除非与上面提到相反，应注意，所有的附图不是按比例的。根据上面的教导，各种改型和变型是可能的而不脱离仅由下面权利要求书所限定的本发明的范围和精神。

Claims (23)

1.用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，所述工业燃气涡轮发动机包括：
高压转子，其具有由高压涡轮机驱动的高压压气机；
燃烧室，其在所述高压压气机和所述高压涡轮机之间可操作；
发电机，其直接联接于所述高压转子，与当地电网同步运行；
低压转子，具有由低压涡轮机驱动的低压压气机，所述高压转子和低压转子可旋转地独立，所述低压压气机连接于所述高压压气机，以从低压压气机向高压压气机供应压缩空气；
在所述高压压气机上的第一排可变入口引导导叶；
在所述低压涡轮机上的第二排可变入口引导导叶；以及
在所述低压压气机上的第三排可变入口引导导叶。
2.如权利要求1所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
中间冷却器，用以冷却从低压压气机到高压压气机的压缩空气。
3.如权利要求1所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
增压压气机，其连接于所述低压压气机，所述增压压气机连接于所述高压涡轮机的翼型冷却回路；
所述高压涡轮机翼型的翼型冷却回路连接于燃烧室的入口；以及
来自所述低压压气机的压缩空气被进一步压缩，由此使冷却空气流经翼型冷却回路并且随后进入所述燃烧室。
4.如权利要求3所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
中间冷却器，其位于所述低压压气机和所述增压压气机之间，以提供压缩空气的冷却。
5.如权利要求1所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
余热回收蒸汽发生器，其连接于工业燃气涡轮发动机的排气部分；以及
第二发电机，其连接于所述余热回收蒸汽发生器。
6.如权利要求3所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
扩散器，其在高压压气机的出口侧上，所述扩散器具有用于来自高压压气机的压缩空气的入口和用于来自高压涡轮机翼型冷却回路的冷却空气的入口，其中冷却空气平行于来自高压压气机的压缩空气来注射。
7.用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，所述工业燃气涡轮发动机包括：
高压转子，其具有由高压涡轮机驱动的高压压气机；
燃烧室，其在高压压气机和高压涡轮机之间可操作；
发电机，其直接联接于高压转子，与当地电网同步运行；
低压转子，具有由低压涡轮机驱动的低压压气机，所述高压转子和低压转子可旋转地独立，所述低压压气机连接于所述高压压气机，以向高压压气机供应压缩空气；
在所述低压涡轮机上的一排可变入口引导导叶；以及
中间冷却器，用以冷却来自低压压气机的压缩空气。
8.如权利要求7所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
增压压气机，以及
中间冷却器，其位于所述低压压气机和所述增压压气机之间，以提供压缩空气的冷却。
9.如权利要求7所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
在所述低压压气机上的一排可变入口引导导叶；以及
在所述高压压气机上的一排可变入口引导导叶。
10.如权利要求7所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
增压压气机，其连接于所述低压压气机，所述增压压气机连接于所述高压涡轮机的涡轮机翼型冷却回路，所述高压涡轮机翼型的涡轮机翼型冷却回路连接于燃烧室的入口；以及
来自所述低压压气机的压缩空气被进一步压缩，由此使冷却空气流经涡轮机翼型冷却回路并且随后进入所述燃烧室。
11.如权利要求7所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
余热回收蒸汽发生器，其连接于工业燃气涡轮发动机的排气部分；以及
第二发电机，其连接于所述余热回收蒸汽发生器。
12.如权利要求7所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
扩散器，其在高压压气机的出口侧上，所述扩散器具有用于来自高压压气机的压缩空气的入口和用于来自涡轮机翼型冷却回路的冷却空气的入口，其中冷却空气平行于来自高压压气机的压缩空气来注射。
13.用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，所述工业燃气涡轮发动机包括：
高压转子，其具有由高压涡轮机驱动的高压压气机；
中压涡轮机，其紧接在下游连接于高压涡轮机，并且通过中间转子轴连接于同步运行的发电机；
低压转子，具有由低压涡轮机驱动的低压压气机，所述低压涡轮机由来自中压涡轮机的废气驱动，所述高压转子和低压转子可旋转地独立，所述中间转子轴与低压转子同心并在低压转子之内旋转；
低压压气机的出口，其连接于高压压气机的入口，以向高压压气机供应压缩空气；
中间冷却器，其冷却从低压压气机到高压压气机的压缩空气；以及
在所述低压涡轮机中的一排可变入口引导导叶。
14.如权利要求13所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
在所述高压压气机上的第二排可变入口引导导叶；以及
在所述低压压气机中的第三排可变入口引导导叶。
15.如权利要求13所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
增压压气机，其连接于中间冷却器的出口；以及
所述增压压气机的出口，其连接于高压涡轮机的涡轮机翼型冷却回路，所述高压涡轮机翼型的涡轮机翼型冷却回路连接于燃烧室的入口，并且来自低压压气机的压缩空气被进一步压缩，由此使冷却空气流经涡轮机翼型冷却回路并且随后进入燃烧室。
16.如权利要求15所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
中间冷却器，其位于所述低压压气机和所述增压压气机之间，以提供压缩空气的冷却。
17.如权利要求13所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
余热回收蒸汽发生器，其连接于工业燃气涡轮发动机的排气部分；以及
第二发电机，其连接于所述余热回收蒸汽发生器。
18.如权利要求13所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
扩散器，其在高压压气机的出口侧上，所述扩散器具有用于来自高压压气机的压缩空气的入口和用于来自涡轮机翼型冷却回路的冷却空气的入口，其中冷却空气平行于来自高压压气机的压缩空气来注射。
19.用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，所述工业燃气涡轮发动机包括：
高压转子，其具有由高压涡轮机驱动的高压压气机；
燃烧室，其在高压压气机和高压涡轮机之间可操作；
发电机，其直接联接于高压转子，与当地电网同步运行；
低压转子，其具由低压涡轮机驱动的低压压气机，所述高压转子和低压转子可旋转地独立；
在所述低压涡轮机中的一排可变入口引导导叶；
压缩空气管道，其将低压压气机流体地连接到高压压气机，以从低压压气机向高压压气机供应压缩空气；
定子导叶冷却回路，其连接于中间冷却器下游的所述压缩空气管道，并且经过在高压涡轮机中的一排定子导叶；
转子叶片冷却回路，其连接于中间冷却器下游的所述压缩空气管道，并且经过在高压涡轮机中的一排转子叶片；
增压压气机，其位于所述低压压气机和所述定子导叶冷却回路以及所述转子叶片冷却回路之间；以及
扩散器，位于高压压气机的出口和燃烧室的入口之间，所述扩散器具有内腔室和外腔室，这两个腔室由来自高压压气机出口的压缩空气通道分离，所述定子导叶冷却回路向所述外腔室排入，所述转子叶片冷却回路向所述内腔室排入，并且来自所述内腔室和外腔室的冷却空气基本平行于来自高压压气机的压缩空气流入燃烧室中。
20.如权利要求19所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
在所述高压压气机中的一排可变入口引导导叶；以及
在所述低压压气机中的一排可变入口引导导叶。
21.如权利要求19所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括：
中间冷却器，其位于所述低压压气机和所述增压压气机之间，以冷却压缩空气。
22.用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，所述工业燃气涡轮发动机包括：
主转子，其具有由高压涡轮机驱动的高压压气机；
燃烧室，其在高压压气机和高压涡轮机之间可操作；
发电机，其直接联接于主转子并且构造成与当地电网同步运行；
涡轮增压器转子，具有由低压涡轮机驱动的低压压气机，所述低压压气机连接于高压压气机，以将压缩空气供应到高压压气机；
在所述高压压气机上的第一排可变入口引导导叶；
在所述低压涡轮机上的第二排可变入口引导导叶；以及
在所述低压压气机上的第三排可变入口引导导叶。
23.如权利要求22所述的用于发电的大框架重型工业燃气涡轮发动机，其特征在于，主转子和涡轮增压器转子能够在互相独立的速度上运行。
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