CN107429613B - 燃气涡轮发动机的涡轮冷却叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增加燃气涡轮发动机功率、提高燃气涡轮发动机运行灵活性和效率以及减少满足电网不断变化的需求所需的响应时间的新型装置和方法。功率增加和发动机运行的改进包括由于电网变化而提供快速响应的系统和方法。

Description

燃气涡轮发动机的涡轮冷却叶片

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月5日提交的美国临时申请序列号62/112263和于2015年12月17日提交的美国实用新型申请系列号14/972403的优先权，它们的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及电力系统，包括燃气涡轮发动机的发电能力，更具体地，涉及为燃气涡轮发动机的部件提供替代的冷却空气源。

背景技术

燃气涡轮发动机被广泛地理解为与用于将机械轴功率转换成电力的发电机一起使用。首先参考图1A，示出了在发电厂中常用的简单循环燃气涡轮发动机100的示意图。燃气涡轮发动机100包括通过轴106联接到涡轮机104的压缩机102。来自压缩机102的空气被引导到一个或多个燃烧器108，其中燃料110被添加到空气中。燃料和空气混合物被点燃以形成热燃烧气体，其驱动涡轮机104，涡轮机104又驱动压缩机102。轴106还联接到产生电力114的发电机112。图1B示出了相应燃气轮机的性能和用于各种燃气涡轮机压力比和燃烧温度的功率输出，其热效率作为特定输出的函数。如本领域技术人员所理解的，燃气涡轮发动机的燃烧温度调节并限制发动机的总体运行，且压力比与燃气轮机的效率成正比。对于联合循环燃气轮机来说，如图2B所示，电厂的效率与燃烧温度成正比。换句话说，假设质量流量保持恒定，提高燃烧温度会增加简单循环燃气轮机的输出，并且在联合循环中运行时提高同一燃气轮机的效率。

一般来说，燃气轮机原始设备制造商通过改进涡轮部分中的材料和涂层的技术来提高燃烧温度，使得更热的气体可以通过涡轮，同时保持涡轮机部件的能力。

现在参考图2A，示出了联合循环发电厂200的示意图，包括通过轴206联接到涡轮机204的压缩机202。来自压缩机202的空气被引导到一个或多个燃烧器208，其中将燃料210添加到来自压缩机202的空气中。燃料和空气混合物被点燃以形成运转涡轮机204并驱动压缩机202的热燃烧气体。轴206还联接到产生电力214的发电机212。联合循环发电厂200还包括热回收蒸汽发生器或HRSG216，其接收来自涡轮机204的热排气并加热水源以产生蒸汽218。蒸汽轮机220由来自HRSG216的蒸汽运转，其中蒸汽轮机220驱动用于产生额外电力224的第二发电机222。图2B示出了用于联合循环效率和功率输出的作为燃烧温度的函数的效率的相应燃气轮机性能。图1B和2B类似于GE燃气轮机性能特征(GER3567)中公开的那些，并且包括在本文中用于参考的目的。

如本领域技术人员所理解的，燃烧温度定义为刚好在第一级涡轮喷嘴下游的燃烧气体的温度。由于在燃气涡轮发动机领域中使用的术语不同，第一级涡轮喷嘴也可以被称为第一级涡轮叶片。参考图3，描绘了燃气涡轮发动机的一部分的横截面并且指示在燃气轮机工业中使用的标准温度参数。图3也类似于上面提到的GE燃气轮机性能特征(GER3567)文章中公开的。如图3所示，在第一级涡轮喷嘴300的上游测量涡轮机入口温度(T_A)，如平面A-A所示。发动机(T_B)的燃烧温度仅在第一级涡轮喷嘴的后方测量，如平面B-B所示。

如上所述，涡轮机入口温度和涡轮机燃烧温度是燃气涡轮发动机运行所依据的关键措施。这些温度读数分别在第一级涡轮喷嘴的上游和下游获取。因此，重要的是，涡轮喷嘴金属温度保持在可接受的材料操作限度内，因为燃气涡轮发动机的控制是基于这些温度的。

由于涡轮喷嘴的高操作温度，有必要主动冷却涡轮喷嘴以便将金属温度保持在可接受的水平。将诸如压缩空气的冷却流体提供给涡轮喷嘴，作为整个涡轮冷却和泄漏空气(TCLA)的一部分或绕过燃烧过程并用于冷却的压缩空气。TCLA通常从压缩机中的多个位置获取，包括燃气涡轮发动机的排放气室，其中冷却涡轮机部件所需的量因部件和发动机类型而变化。然而，对于通用电气框架7FA发动机来说，由发动机压缩机产生的约20％的压缩空气用作TCLA。也就是说，使用20％的压缩空气用于冷却意味着该空气不能通过燃烧系统，或者不燃烧通过涡轮机，从而转化为发动机的能量损失并且导致燃气涡轮发动机的热效率差。例如，上述燃气涡轮发动机的热效率约为37％。

图4与GE燃气轮机性能特征(GER3567)中公开的类似，描述了用于第一级涡轮喷嘴400的典型冷却方案。在这种冷却装置中，压缩空气被供应到涡轮叶片的内部通道和通常被引导通过喷嘴内的多个通道，其中一些通道可以是蛇形的形状。用于冷却第一级涡轮喷嘴的空气通常由压缩机产生，并且从压缩机排放气室获取，因此处于发动机压缩机的出口压力和温度。第一级喷嘴，其看到来自燃烧器的最高温度的气体，也从压缩机排放气室(CDP)中获得最高压力的冷却空气源。也就是说，气体路径的压力比燃烧器的压力小几磅每平方英寸(psi)。因此，如本领域技术人员可以理解的，供应到第一级喷嘴400的前缘402的冷却空气的压力足够高以使空气流出翼型件中的一系列孔。冷却孔间隔和取向可以变化，但是一种这样的常见方式在喷嘴400的前缘402中也设置孔，也称为喷头图案。此外，从发动机压缩机获取空气以冷却涡轮机部件减少了从发动机输出的功率，且因此减少了能够由涡轮产生的机械功的量。

现在参考图5，示出了根据现有技术的冷却方案的燃气涡轮发动机的一部分的横截面图。燃气涡轮发动机500包括压缩机502，该压缩机502将压缩空气流提供到排放气室504中。来自压缩机502的大部分空气通过一个或多个燃烧器506，一个或多个燃烧器506具有燃烧器壳体508、端盖510、燃烧衬套512、旋流器组件514、过渡件516和支架518，其将过渡件516保持在涡轮机框架的一部分，这里是第一级叶片外环520。空气被接收在燃烧器506中，并与来自一个或多个燃料喷嘴522的燃料混合以产生通过过渡件516并进入涡轮机的热燃烧气体。在该实施例中，第一级叶片外环520被紧固到压缩机排放气室(CDP)壳体524。

空气通过转子528与内壳体530之间的密封件526保持在压缩机排放气室中，使得大部分空气进入燃烧器506或用于TCLA。内壳体530具有机械接口532，其具有第一级涡轮喷嘴531，用于提供所需的结构轴向和扭转支撑。内壳体530通过位于相邻燃烧器506之间的ID支柱534大致地支撑在压缩机排放气室壳体524内。转子528具有轴承536，其通过支柱534将转子528连接到壳体。

冷却空气541被供给到第一涡轮喷嘴531的外径，并且在第一外叶片环520与压缩机排放气室壳体524之间通过，并且当第一叶片外环用来自压缩机排放气室504的压缩空气供给叶片531时进入第一叶片外环543上的孔中。在本发明的该实施例中，来自压缩机排放气室504的压缩空气在ISO条件和基本负载下约为750°F。类似地，第一级喷嘴542的内径从压缩机排放气室504供应有涡轮冷却和泄漏空气(TCLA)552。第一级喷嘴冷却空气541和552均流过叶片的内部通道531，如图4所示，向第一级喷嘴542提供必要的冷却。最终，该TCLA与通过第一级喷嘴542之间的热燃烧气体结合起来并且充当冷却剂，以降低第一级叶片511所暴露到的热气体的温度。在随后的喷嘴和转子级上，第二级喷嘴用第二级内支撑环554密封到转子上，并且类似地用第三级内支撑环553密封到第三级上。

以下讨论涉及在ISO条件和基本负载下的通用电气框架7FA燃气涡轮发动机，并且仅为了说明的目的而被提供作为本发明可以利用的可接受的发动机，但并不意味着限制下面所讨论的本发明的范围。来自压缩机的压缩空气的大部分(约80％)通过燃烧系统，其中燃料被加入且混合物被点燃，将热燃烧气体的温度提高到约2700°F。当压缩空气通过燃烧器时，通常有两到三磅每平方英寸(psi)的压降。因此，由于这种布置，具有非常小的压力差来冷却喷嘴，特别是其前缘。通常在F级燃气涡轮发动机上，约10％的冷却空气从燃烧过程转向并用于冷却叶片。例如，对于7FA发动机来说，压缩机排出约750°F的空气且220psi用于冷却第一级喷嘴。在冷却过程中，该空气的温度升高约250°F，然后排放到气体路径中，从而稀释来自燃烧过程的较热的温度气体，产生燃烧温度。7FA发动机的典型燃烧温度约为2450°F(如在平面B-B处获取)，并且包括来自燃烧过程的在约2700°F的温度下的900磅/秒的热燃烧气体和来自用于喷嘴的冷却空气的在约1000°F下的100磅/秒的空气。因此，这在平面B-B产生2540°F的燃烧温度[(2700*900+100*1000)/1000＝2540度]。计算温度较高(2540F>2450F)的原因是因为还有一些燃烧稀释和冷却空气混合并降低了离开燃烧器的实际温度，因此降低了在平面B-B的温度。为了估计处于压缩机出口温度(750°F)的有效燃烧稀释和泄漏空气，(2700*900+100*1000+流量*750)/(1000+流量)＝2450，并且当求解流量时，流量＝5。因此，当压缩机入口流量约为1005磅/秒时，900磅/秒经过燃烧过程，且约5磅/秒泄漏并稀释燃烧过程和100去往第一级喷嘴冷却。这些数字并不反映这样一个事实，即在燃气轮机的压缩机中，在离开燃烧器之前，去往涡轮机入口的1005磅/秒的约10％被移除，以便冷却涡轮机的旋转部分和后来的静止部分。因此，对于上述示例，所有流量数字减少10％，或燃烧器流量约为810磅/秒，第一级喷嘴流量约为90磅/秒，燃烧器稀释和泄漏率为4.3磅/秒。如本领域技术人员可以理解的那样，这些数字是近似的，但是当泄漏和冷却空气在平面B-B中混合时，导致混合温度为2450°F(燃烧温度)。

通过冷却空气确定冷却效益的行业标准是其冷却效率。冷却效率被理解为热燃烧气体温度与涡轮喷嘴的平均金属温度之差除以热燃烧气体与冷却空气的温度之差的比率。作为示例，上面讨论的7FA发动机的第一级涡轮叶片的冷却效率约为0.59(热燃烧气体与平均金属温度之间的温差除以热燃烧气体与冷却空气温度之差的比率)。

冷却最高温度的部件(通常是第一级喷嘴和第一级叶片)是每种燃气涡轮发动机原始设备制造商(OEM)花费巨大财力的技术。例如，过去二十年来，大型燃气涡轮发动机得到了改进，但热效率的提升仅从33％提高到37％左右。

发明内容

本发明提供了若干个实施例，用于提高包括第一级涡轮喷嘴的燃气轮机部件的冷却效率。

在本发明的实施例中，提供了一种系统和方法，用于将冷却空气引导到涡轮叶片，其包括具有加热发动机的辅助压缩空气源、辅助压缩机和用于提供加热的辅助压缩空气的供应的回热器。加热的辅助压缩空气通过导管供应到多个涡轮叶片，使得辅助压缩空气源提供专用冷却空气供应用于冷却涡轮叶片。

在本发明的替代实施例中，提供了一种用于选择性地向涡轮叶片提供冷却空气的系统和方法。提供多个空气冷却的涡轮叶片、具有加热发动机的辅助压缩空气源、辅助压缩机和回热器。辅助压缩空气通过导管被供应到多个涡轮叶片，其中空气被选择性地引导来冷却涡轮叶片。当不使用辅助压缩空气源时，用于涡轮叶片的冷却空气从燃气涡轮发动机压缩机供应。

在本发明的实施例中，所需的涡轮机冷却和泄漏空气(TCLA)的至少一部分由具有比现有技术的冷却设计更冷的温度的辅助压缩空气源提供，从而减少了所需的TCLA的数量，提高了整体效率。

本发明的另外的优点和特征将部分地在下面的描述中阐述，并且对于本领域技术人员来说通过检查以下内容将部分地变得显而易见，或者可以从本发明的实践中明白。现在将特别参考附图来描述本发明。虽然使用第一级喷嘴作为实施例的示例，但是本发明中概述的此方法旨在可应用于涡轮机部分内的其它部件。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明，其中：

图1A示出了简单循环燃气涡轮发动机的示意图。

图1B示出了与图1A的发动机的热效率和输出的燃烧温度关系。

图2A示出了联合循环燃气涡轮发动机的示意图。

图2B示出了与图2A的发动机的热效率和输出的燃烧温度关系。

图3示出了燃气涡轮发动机的局部剖视图，其指示测量标准温度的轴向位置。

图4是示出其冷却模式的典型燃气涡轮喷嘴的透视图。

图5是根据现有技术提供将冷却空气引导到第一级涡轮叶片的方式的燃气涡轮发动机的局部剖视图。

图6是根据本发明实施例的提供将冷却空气引导到第一级涡轮叶片的方式的燃气涡轮发动机的局部剖视图。

图7是根据本发明实施例的辅助压缩空气源的示意图。

图8是根据本发明替代实施例的提供选择性地将冷却空气引导到第一级涡轮叶片的方式的燃气涡轮发动机的局部剖视图。

图9是根据本发明替代实施例的提供引导专用冷却空气来冷却第一级涡轮叶片的替代方式的燃气涡轮发动机的局部剖视图。

具体实施方式

本发明涉及向诸如涡轮叶片的多个燃气涡轮发动机部件提供冷却空气的方法和系统，更具体地说是第一级涡轮叶片，以便提高燃气涡轮发动机的整体效率。作为本发明的受让人的PowerPHASE LLC具有被称为的正在申请专利的补充压缩系统，其通过压缩和加热过程将空气输送到压缩机排放区域，压缩和加热过程由单独燃料的发动机驱动，其中来自发动机的废热用于在燃气涡轮发动机中喷射之前被压缩的空气进行加热。现有技术的空气压缩和供应装置不能在必要的温度和压力下提供压缩空气以提供充足的冷却并且提高燃气涡轮发动机的热效率。

现在参考图6，系统600被示出用于向第一级涡轮叶片631提供替代的冷却源。系统600包括压缩机602，其将压缩空气流提供到排放气室604中。来自压缩机602的大部分空气通过一个或多个燃烧器606，一个或多个燃烧器606具有燃烧器壳体608、端盖610、燃烧衬套612、旋流器组件614、过渡件616和支架618，其将过渡件616保持在涡轮机框架的一部分，这里是第一级叶片外环620。空气容纳在燃烧器606中并与来自一个或多个燃料喷嘴622的燃料混合。在该实施例中，第一级叶片外环620被紧固到压缩机排放气室(CDP)壳体624。

压缩机排放气室中的空气通过密封件626密封在转子628和内壳体630之间，使得大部分空气进入燃烧器606或用于TCLA(涡轮冷却和泄漏空气)。内壳体630具有机械接口632，其中第一级喷嘴631用于提供所需的结构轴向和扭转支撑。内壳体630通过位于相邻燃烧器606之间的ID支柱634通常支撑在压缩机排放气室壳体624内。转子628具有轴承636，其通过支柱634将转子628连接到壳体。

继续参照图6，系统600还向燃气涡轮发动机的第一级喷嘴631提供TCLA的替代源。空气供应源设置在A处至凸缘650用于壳体624。如图7所示，该空气供应源A由辅助源产生。更具体地，参照图7，辅助压缩空气源700包括燃料发动机702，其接收空气704和发动机燃料706并产生机械轴功率708和热排气710。发动机燃料706可以是天然气或液体燃料。机械轴功率708用于驱动多级内冷压缩机712，其中环境空气714被吸入并在压缩机712的每个级被压缩和冷却。压缩机712产生供暖的压缩空气716，其被引导通过回热器718，利用来自燃料发动机702的热排气710进一步加热压缩空气716，由此产生加热的压缩空气720和暖排气722。该加热的压缩空气具有大约400°F的温度和暖排气722。辅助压缩空气源700还可以包括用于调节加热的压缩空气720的流动的阀724。

图7示出了一种这样的辅助压缩空气源，并且能够与本发明一起使用，其是由Jupiter,Florida的PowerPHASE LLC生产的正在申请专利的系统。在该系统中，将空气压缩并加热至约400°F的中间温度，并以比压缩机602的压缩机排放压力略高的压力供应。加热的压缩空气720由于正在申请专利的系统的生成过程而产生比来自压缩机602的压缩空气高出约25％。

返回参考图6，图6中以A表示的辅助压缩空气源700注入到外径气室652，其在压缩机排放气室624与第一级涡轮叶片支撑环620之间形成有密封件654。密封件654还包括用于供应TCLA空气的空气供应孔656。该气室652还包括设计成提供多种功能的旋流器658。也就是说，当在A处输送加热的压缩空气时，空气的切向漩涡减少了可以进入第一级喷嘴631的空气的实际流量，并且空气动力地阻挡来自压缩机602的一些空气流过供应孔。当在A处没有供应加热的压缩空气时，供应孔656的尺寸足够大以向涡轮机喷嘴631提供所需水平的冷却空气。然后通过入口643将空气供给到叶片631。如果在A处供应压缩空气是可靠的，则可以移除供应孔656。

用于冷却的压缩空气也可被提供给第一级喷嘴631的内径区域。更具体地，参照图6，压缩空气从气室652获取，并通过多个管道660引导到内径气室662并进入第一级喷嘴631的内径区域。同样位于内径气室662的是密封件664，其定位在第一级喷嘴内径平台与内壳体641之间。该密封件664具有放置在其中的TCLA供应孔666。该气室662还包含设计成提供两个功能的旋流器668。首先，当来自辅助压缩空气源700的压缩空气在A处被输送时，施加切向漩涡，减少可在第一级喷嘴631上获得的空气的实际流量，并且空气动力地阻挡一些压缩机排放空气流过TCLA供应孔666。当辅助压缩空气源700不输送空气时，TCLA供应孔666足够大以向第一级喷嘴631供应目前水平的TCLA。如果TCLA是非常可靠的，则可以移除TCLA供应孔666。

现在参考图8，描述了本发明的替代实施例。在本发明的该实施例中，来自辅助压缩空气源(示出为A)的压缩空气被提供到入口凸缘802中。邻近入口凸缘802设置有控制阀804。当控制阀804关闭时，所有的空气被迫通过管道660进入第一级喷嘴外径区域652和第一级喷嘴内径区域662，以将空气供给到第一级喷嘴631。

如本领域技术人员可以理解的，阀804可以是控制阀或止回阀。如果辅助压缩空气源不工作和供应空气，则控制阀804打开，并且空气可以通过管道660从燃气涡轮压缩机排放气室604经过压缩机排放凸缘806流入外径气室652和内径气室662，将空气供应到第一级喷嘴631。如果阀804打开并且在A处供应空气，则根据添加的空气的压力和流量，来自燃气轮机的压缩机排放壳体的空气可以流入或者流出凸缘806。如果气流从凸缘806流出，则混合空气流(来自辅助压缩机源A的空气和来自燃气涡轮压缩机排放壳体的空气的混合物)的所得温度将导致混合出的温度。由于燃气涡轮压缩机出口温度通常为约750°F，并且从辅助压缩机供应的空气低于750°F，所以混合出的温度会比压缩机排放温度更冷。如果没有从辅助压缩机源A供应空气，则压缩机排放空气将从凸缘806流出并将冷却空气供应到喷嘴。

通过从A处的外部压缩机获得更高压力的空气，可以实现其它功能。通常在燃气轮机中，旋转叶片内径平台与相邻的上游和下游喷嘴之间的空间(也称为边缘空腔)是保持冷却的非常敏感且有时麻烦的区域。通过向边缘空腔提供TCLA，阻止流动路径中的加压气体流入边缘空腔，其中TCLA具有比流动路径中的加压气体更高的压力。目前，几种燃气轮机在边缘空腔中具有极低的压力裕度(margin)，因此在其操作中受到限制，或被迫显著增加TCLA以保持适当的边缘空腔温度。由于辅助压缩空气源可以以比发动机压缩机602更高的压力或TCLA压力供应空气，所以可以减小当前的TCLA使用量，这将导致发动机效率的提高。

典型的燃气涡轮发动机的特征在于，随着冷却剂温度的降低，需要更少的空气来执行相同的冷却水平，以便在涡轮机中冷却的部件上保持最小的金属温度。这可以提高效率。例如，包括西门子西屋和三菱重工的替代原始设备制造商采用了TCLA的冷却系统，其也用于涡轮机的一部分。该系统被称为转子空气冷却器(RAC)系统，并将燃气涡轮发动机外部的一部分TCLA路由到冷却器，其中空气温度从约750°F降低至约450°F。该温度降低足以减少所需的冷却空气量，但仍然足够高以消除对接收冷却空气的部件的热冲击的风险。在冷却器之后，由于前面讨论的压力敏感性，RAC空气通过管道返回到燃气涡轮发动机的旋转部分。

这些性能可以通过被动冷却系统进行，这意味着来自辅助压缩空气源的空气被引导到用于第一级涡轮喷嘴的冷却系统的入口，使得可以适当地调节燃气轮机的控制系统以保持相同的第一级喷嘴温度。利用这种被动系统，当辅助压缩空气源不运行时，燃烧温度将不受影响，但随着冷却器冷却空气的流量被引导到第一级涡轮喷嘴，至燃烧器的燃料流量可能成比例地增加，以增加燃气轮机系统的功率和效率。

也可以采用非被动的或专用的系统，其中供应第一级喷嘴的所有冷却空气来自辅助压缩空气源，因此将成为必须运行和可靠的系统。在该构造中，可以部署更高的压力和不同的冷却方案，从而增加第一级喷嘴的冷却效果。例如，如果冷却效果能够提高约10％(从0.59到0.65)，则冷却空气的体积可以减少约10磅/秒，这将导致在170MW燃气轮机上的约4MW附加功率，或功率和效率提高约2.4％。这种增加的功率和效率与上述冷却器的冷却空气和恒定的冷却效果相加。

现在参考图9，专用冷却系统900的替代实施例涉及闭环系统，其中空气从压缩机排放气室902抽出，由冷却器904冷却，然后被引导到压缩机906中，在此空气压力进一步增加。压缩机906可以是电驱动的，因为在已经加热的情况下不需要将热量加到空气中。然后，加压空气908通过入口910经由管道输送到发动机中至专用冷却系统以冷却第一级喷嘴931。代替冷却空气如传统上在空气冷却喷嘴中一样被排放到热气路径中，部分或全部冷却空气返回到压缩机排放气室902中，其中它经过燃烧过程，有效地再循环冷却空气。该过程的一个显著优点是，由于没有新的空气被添加到燃气轮机循环中，所以燃气轮机的排气的质量流量可以保持相对恒定，因此燃气轮机排气的质量流量相对不变，且因此使得允许显著地更加容易。

安装增量功率的一个重大障碍是，如果特定排放量(每兆瓦产生的污染物排放量)增加并且电厂运行相同小时数，则总排放量也将增加。通过维持燃气轮机的质量流量，来自燃气轮机的特定排放量不会增加，同时实现额外的功率输出。与其他形式的功率增加相比，这对于联合循环发电厂来说是有益的，例如管道燃烧器的排放量远高于燃气轮机本身的增量功率。图9的闭环冷却的第一叶片的另一个好处是，由于通过涡轮机的质量流量保持恒定，燃气轮机压缩机上的背压不受影响，这允许该系统在所有燃气轮机负载条件下使用。目前，辅助压缩空气源主要是功率增加系统，尽管它可以提供部分负载的优点，但由于燃气轮机压缩机喘振限制，它在非常低的负载下有所限制。图9所示的闭环冷却系统可被有效地控制，以通过增加或减少在空气从压缩机排放气室抽出时施加到空气的冷却来提高从冷却的第一叶片931返回的空气的温度，这将允许燃气轮机的下运行极限进一步降低。

然而，还必须考虑使用较冷的空气来冷却涡轮喷嘴的影响。当使用约400°F的冷压缩空气时，与现有技术的冷却系统相比，离开喷嘴的空气将会更冷(约700°F而不是约1000°F)。因此，由于较冷的空气离开喷嘴并与热气体路径气体混合，将有效地降低燃烧温度。通过保持相同的冷却效果并降低冷却剂温度，可以有效地提高燃烧温度。例如，对于本发明的实施例来说，冷却效率为约0.59＝[(2700-1550)/(2700-750)＝.59]。随着燃烧器温度升高和冷却剂温度降低，保持冷却效率恒定会导致燃烧温度升高：.59＝({2700+x}-1550)/({2700+x}-400),x＝504F。因此，用于较冷的冷却空气到第一级喷嘴，可以在保持喷嘴金属温度和使用寿命的同时，有效燃烧温度可以提高约500°F，同时显著提高燃气轮机系统的功率和效率。反之也是如此，如果燃烧温度保持恒定，并且使用较冷的冷却空气来冷却第一级喷嘴，则金属温度降低，并且可以延长部件的使用寿命。还有中间立场，如果燃烧温度保持恒定且较少的较冷的冷却空气用于冷却第一级喷嘴，使得喷嘴金属温度保持恒定且使用寿命保持恒定，则燃烧温度降低，导致排放减少并降低了燃油流量。

虽然已经以现有的优选实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖在以下权利要求书的范围内的各种修改和等效布置。已经关于特定实施例描述了本发明，这些实施例在所有方面旨在是说明性的而不是限制性的。具体来说，在本申请中使用第一级喷嘴作为示例，然而，这些原理适用于通常称为热气路径部件的其它旋转和固定涡轮机部件。

从上述可以看出，本发明适用于实现上述所有目的和目标，以及对于所述系统和方法显而易见和固有的其它优点。应当理解，某些特征和子组合是有用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。这由权利要求的范围构思并且在权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种用于冷却燃气涡轮发动机的部件的系统，包括：

辅助压缩空气系统，包括：

单独燃料发动机，其产生轴功率和废热；

多级内冷压缩机，联接到所述单独燃料发动机；

回热器，用于从所述多级内冷压缩机接收压缩空气并用来自单独燃料发动机的废热加热压缩空气；以及

导管系统，与所述燃气涡轮发动机连通，用于将压缩空气经由压缩机排放气室壳体中的凸缘引导到燃气涡轮发动机的多个涡轮机部件的第一级涡轮叶片，该凸缘具有与之相关的控制阀。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于调节来自所述辅助系统的压缩空气流的进气阀。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，来自所述辅助压缩空气系统的压缩空气的供应专门定向为用于冷却所述多个涡轮机部件。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，当用供应的压缩空气冷却时，所述多个涡轮机部件具有较低的有效运行温度。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导管系统包括在所述燃气涡轮发动机内部和外部的流体通道。