CN107567533A - 改装联合循环发电装备的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于改装使用两个60赫兹大框架重型工业燃气涡轮发动机以驱动发电机并发电的发电装备的方法，其中，两个工业发动机中的每一个可产生多达350MW的输出功率。该方法用能够产生至少700MW的输出功率的一个双转子工业燃气涡轮发动机替换两个350MW工业发动机。由此，现有技术的两个工业发动机可用能够产生等于现有技术的两个工业发动机的电力的一个工业发动机替换。

Description

改装联合循环发电装备的设备和方法
技术领域
本发明总地涉及工业燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及通过用具有更大的功率输出和大致相同的涡轮机废气温度的新的一个燃气涡轮发动机来替换较旧的两个燃气涡轮发动机的用于改装联合循环发电装备的设备和方法。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，诸如大框架重型工业燃气涡轮(IGT)发动机之类的，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流反应。涡轮机并且进而是发动机的效率可以通过将更高温度的气流通入涡轮机来提高。然而，涡轮机入口温度受限于涡轮机特别是第一级导叶和叶片的材料性能，以及用于这些第一级翼型的冷却容量的大小。
在用于发电的工业燃气涡轮发动机中，在用电需求低的时期，发动机的功率减小。在用电需求低的时期，现有技术的发电装备具有峰值载荷的40％至50％的低功率模式。在这些低功率模式下，发动机效率非常低，并且由此发电的成本比当发动机以较高的效率全速运转的时候高。
在图12-15中示出目前使用的工业和船用燃气涡轮发动机。这些设计遭遇若干主要问题，包括：高循环压力比下的低的部件(压气机和涡轮机)性能、或低的部分负载组件效率、或当装备了限制它们允许运行的低功率界限(称为调节比)的低NOx燃烧室时，部分负载下高CO(一氧化碳)排放。
图12示出单轴IGT发动机，其具有连接到涡轮机2的压气机1，在压气机端部上具有直接驱动发电机3。图13示出双轴IGT发动机，其具有高转子(spool)轴和直接地驱动发电机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，高压转子绕着低压转子转动，并且其中，分离的低压轴直接地驱动发电机3。图15示出三轴IGT发动机，其具有在高压转子内转动的低压转子和直接地驱动发电机3的分离的动力涡轮机4。
图12的IGT发动机的构造是最常用于发电的，并且其受限于用于获得在高压比下的高部件效率的非最优的轴速。质量流入口和出口容量结构上受限于AN2(最末级叶片应力)和尖端速度，由于高尖端速度引起的在流动中的马赫数损失限制了入口和出口直径。因此，对于给定的转子速度，在压气机和涡轮机部件效率由于高马赫数损失开始下降之前，存在最大入口直径和对应的对于压气机的流容量以及出口直径和对于涡轮机的流容量。
由于在高压比下在单个轴上有固定的最大入口流，转子叶片开始在压气机流路的高压区域中变得非常小。在相对高的半径处的小叶片高度会由于间隙和泄漏效应导致高的损失。高压比的航空发动机通过引入分离的高压和低压轴来克服该限制。高压轴以较快的速度转动允许了较小的半径，同时还完成每级的合理的功。这样的例子在图14中示出，其是用于发电的典型的航机改型燃气涡轮发动机。高压转子5的速度仍受到在高压轴5的内直径(ID)以内的低速轴6的限制。这驱使高压轴5流路到相对于其它可行的而言更高的直径，由此减小了高压转子的速度，导致较小半径的叶片减低了高压转子的效率。图13的配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根轴上。
调节比(turn down ratio)是燃气涡轮发动机能够运行(并且仍旧实现在污染限制以下的CO排放)的最低功率负载除以满100％负载功率。目前的燃气涡轮机具有40％左右的调节比。有些可能能够实现30％。低的部分负载运行要求低的燃烧室出口温度与低的入口质量流的组合。低的CO排放要求足够高的燃烧室温度以完成燃烧过程。因为必需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。典型的单轴燃气涡轮发动机使用多级的压气机可变引导来减小入口质量流。对压气机流减小的限制对于如图12中的单轴恒等转子速度压气机是50％左右。图14的配置类似地如图12的配置在流入口质量流减小受限，因为低压压气机以发电机的恒定速度运行。在驱动发电机的工业发动机中，驱动发电机的涡轮机设定为以恒定速度运行，诸如在美国对60赫兹的发动机是3,600rpm或者在欧洲国家对50赫兹的发动机是3,000rpm。
图15的配置是用于IGT发动机的当前构造的最高效的选项，但不是最优的，因为低转子轴6在高转子轴5内转动，并且由此不能实现在高转子半径方面的进一步减小。此外，如果低转子轴6的速度减小以降低入口质量流，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和流进PT(功率涡轮机)的流动角度不匹配，导致在部分负载下低效率的涡轮机性能。
图16示出使用各自驱动发电机112的现有技术的两个工业燃气涡轮发动机111的现有技术的发电装备。在目前的现有技术中，这些工业发动机111中的每个可对于60赫兹的发动机产生高达350MW的输出，而对于50赫兹的发动机产生高达500MW的输出。当这些现有技术工业发动机11要用新的发动机替换时，需要相等功率的新的两个工业发动机。当新的工业燃气涡轮发动机替换了在联合循环发电装备中的较旧的工业燃气涡轮发动机时，新的发动机的涡轮机废气温度必须与较旧的发动机的涡轮机废气温度基本上相同，因为联合循环发电装备的HRSG(热回收蒸汽发生器)会需要显著的结构上的变化以允许更高的废气温度。例如，180MW功率的较旧的两个IGT发动机可用产生350MW功率的新的IGT发动机替换，但是较新的发动机的涡轮机废气温度将会一定高于在较旧的发动机中的温度，由此会需要HRSG系统显著的变化以能够处理较高的涡轮机废气温度。在另一实例中，两个300MW的IGT发动机不能用单一的新IGT发动机替换，因为该新的发动机将必须产生目前并不存在的600MW。
发明内容
用于发电类型的工业燃气涡轮发动机，其具有高压转子和低压转子，其中，两个转子可独立地运行，从而可获得小至12％的调节比，同时仍然保持发动机的高效率。发电机直接连接到高压转子并且以连续且恒定的速度运行。低压转子由来自高压转子的涡轮机废气驱动，并且其包括可变入口引导导叶，从而调节低压转子的速度。来自低压转子的压缩空气供应到高压转子的压气机的入口。可使用跨级的冷却器以降低通往高压转子的压缩空气的温度。
具有可分离地操作的转子的这种双转子IGT发动机可维持涡轮机和压气机的高部件效率在40至55的高压比，其允许升高的涡轮机入口温度，同时将废气温度保持在目前的限制以内。
来自两个转子的涡轮机废气可被导入HRSG(余热回收蒸汽发生器)系统，以产生用于提供动力给蒸汽涡轮机的蒸汽，该蒸汽涡轮机可驱动发电机以进一步提升发电装备的总体效率。
在另一实施例中，来自低压压气机的压缩空气的一部分被抽取并且由增压压缩机进一步压缩，并且随后输送到用于高压涡轮定子导叶的冷却回路，其中，加热的冷却空气随后被排放入燃烧室。
在本发明的还有一实施例中，来自高压转子的涡轮机废气用于驱动中压动力涡轮机(IPPT)，其由动力轴连接到诸如发电机、齿轮箱、压缩机或船舶螺旋桨之类的外部负载。该中压动力涡轮机轴在低压转子内经过，由此，可通过控制低压转子的速度来调节中压动力涡轮机轴的速度，并且由此调节从低转子压气机到高转子压气机的压缩空气的质量流量。在该实施例中，负载未连接到高转子，而是连接到中压动力涡轮机(IPPT)。
借助本发明的双转子IGT发动机的设计，燃气涡轮发动机联合循环发电装备可以大于67％的净热效率运行，这是在目前的发动机热效率上的显著提升。
此外，由于尺寸和质量流的限制，目前用于发电的IGT发动机的功率输出被限制在350MW左右。借助本发明的双转子设计，现有的IGT发动机可被改装，从而以接近双倍于现有的最大功率输出运行。一个示例是通用电气(GE)的9HA.02工业发动机，其以50赫兹运行并且产生最大470MW的输出，或者是用于60赫兹市场的GE工业发动机7HA.02，其产生最大330MW的输出。50赫兹的工业发动机可产生更大的功率，因为它们以较低的速度运行，并且由此转子叶片可以更长。由于基于AN2限制的较大但是转动较慢的叶片，发动机流可由此是较大的。借助更大的流，可获得更大的功率输出。
在使用诸如180MW IGT发动机之类的非常老的IGT发动机的联合循环发电装备中，会需要至少360MW的新IGT发动机，并且新的更强力的IGT发动机的涡轮机废气温度会与较旧的两个发动机的涡轮机废气温度差不多相同，使得HRSG自身不需要修改。实际上，HRSG唯一的改动会是将热涡轮机废气从发动机出口引导到HRSG入口的管道。用具有两倍功率的新的单一的IGT发动机替换较旧的两个发动机将会产生高很多的涡轮机废气温度，并且由此会需要HRSG显著的修改，从而适应这种更高的涡轮机废气温度。本发明的双转子IGT发动机将会具有与它将要替代的发动机的相似的涡轮机废气温度，从而HRSG不需要变化。新的IGT发动机可安装成替换较小的两个IGT发动机而不需要对HRSG作修改。如果涡轮机废气温度太高，则需要对HRSG作显著的变化，以允许较高的温度。本发明的具有双转子的单一发动机可对于60赫兹发动机产生超过700MW，并且对于50赫兹发动机产生超过1000MW。
双转子IGT发动机的另一益处在于，一组不同尺寸的现有技术的单转子IGT发动机可通过包括改变尺寸和压力比的本发明的低压转子设计来进行改装，该低压转子能供应压缩空气到高转子压气机。
用于冷却涡轮机的热部分的冷却空气被再引入到燃烧室，其中，冷却空气排放进位于压气机的出口与燃烧室的入口之间的扩散器，从而防止在扩散器内激励边界层。在扩散器的一实施例中，来自定子导叶的冷却空气平行于压缩空气流抵着扩散器的外壁排放，而来自转子叶片的冷却空气平行于压气机排放抵着扩散器的内壁并且以等于或大于压气机排放空气的速度排放，从而激励在扩散器中的边界层。
用于发电的工业燃气涡轮发动机包括直接连接到发电机的高转子和与高转子分离的低转子，从而使两个转子能相互独立地可转动地运行。来自低转子压气机的压缩空气流进高转子的压气机的入口。高转子压气机包括具有不同的流体温度的内流路流和外流路流。内流路流在高转子压气机中被压缩并且随后被排放进燃烧室。外流路流首先在中间冷却器中冷却，并且随后在高转子压气机中被压缩，其中，较冷的压缩空气随后通过在涡轮机中的定子导叶以提供冷却。高转子压气机的外流路流是通过高转子压气机的总流动的约20％。如果外流路压缩空气未冷却，从高转子压气机排放的压缩空气将会温度太高无法在涡轮机导叶冷却方面使用。
高转子压气机可使较冷的空气在外流路中流动或在内流路中流动，使得较冷的压缩空气可用于冷却高转子压气机的转子。具有双流路的高转子压气机包括转子叶片，该转子叶片具有从转子延伸的主叶片和在主叶片的端部上的罩壳，一个或多个较小的叶片从罩壳延伸以形成用于外且小流路的压气机翼型。
对于所提出的先进的发动机循环，主流的20％必须冷却，并且随后被独立地压缩以可作为冷却流适用于涡轮机。在轴向HPC压气机中增加第二隔离的流动流避免了必须增加用于分离的压气机的显著的支承系统。例如，由连接到主燃气涡轮机的齿轮箱或电动机驱动的分离的轴向的或离心的压气机会是目前已知的解决方案。
附图说明
通过参照结合附图考虑的以下详细说明书，将更完整地理解本发明，以及将更容易地理解本发明的附带优点和它的特征，附图中：
图1示出本发明的具有翼型冷却的燃气涡轮发动机的第一实施例；
图2示出本发明的具有带有跨级冷却的涡轮机翼型冷却的燃气涡轮发动机的第二实施例；
图3示出本发明的具有带有跨级冷却的涡轮机翼型冷却的燃气涡轮发动机的第三实施例；
图4示出本发明的燃气涡轮发动机的第四实施例，其具有带有与用于蒸汽产生的HRSG关联的跨级冷却的涡轮机翼型冷却；
图5示出具有本发明的机械地脱开的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的第一实施例的发电装备的示意图；
图6示出具有本发明的机械地脱开的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的第二实施例的发电装备的示意图；
图7示出具有本发明的机械地脱开的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的第三实施例的发电装备的示意图；
图8示出具有本发明的机械地脱开的双转子涡轮增压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示出具有本发明的机械地脱开的三轴工业燃气涡轮发动机的发电装备的剖视图；
图10是在本发明的涡轮增压燃气涡轮发动机中的压气机与燃烧室之间使用的扩散器的剖视图；
图11是在本发明的涡轮增压燃气涡轮发动机中的压气机与燃烧室之间使用的扩散器的第二实施例的剖视图；
图12示出具有在压气机端部上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地驱动发电机的分离的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，高转子绕低转子转动，并且其中分离的低压轴直接地驱动发电机；
图15示出现有技术的三轴IGT发动机，其具有在高压转子内转动的低压转子，并且分离的动力涡轮机直接地驱动发电机；
图16示出现有技术的联合循环发电装备，其中，使用了两个工业燃气涡轮发动机；
图17示出本发明的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机，其被用来替换在图16发电装备中的两个工业发动机；
图18示出用于本发明的另一实施例的具有双流压气机的机械地脱开的的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的发电装备的示意图；
图19示出本发明的具有在外流路上较小的流的双流压气机的剖视图；
图20示出本发明的具有位于下游的第二双流压气机的图19的双流压气机的剖视图；
图21示出本发明的具有在内流路上较小的流的双流压气机的剖视图，其具有额外的叶片以进一步压缩内流路流动；
图22示出在本发明的双流压气机中的叶片中的一个的示意图，该双流压气机具有由罩壳隔开的在外流路中的多个叶片与在内流路中的一个叶片；
图23示出在本发明的双流压气机中的叶片中的一个的示意图，该双流压气机具有在内流路中的多个叶片和从在外流路中的罩壳延伸的一个叶片；
图24示出本发明的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的实施例，其中，用于涡轮机翼型的冷却空气被冷却并且随后在排放入燃烧室之前增压；
图25示出本发明的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的实施例，其与图24实施例类似，只是冷却空气是供应来自于从高压压气机排出的空气；
图26示出具有与低转子同轴并且能绕它转动的高转子的现有技术的双转子航空燃气涡轮发动机的剖视图；
图27示出本发明的机械地脱开的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机的剖视图；
图28示出用本发明的翼型冷却系统改装的现有技术的单转子工业燃气涡轮发动机；以及
图29示出用本发明的翼型冷却系统改装的现有技术的航空燃气涡轮发动机。
具体实施方式
本发明是带有涡轮机定子导叶的冷却功能的燃气涡轮发动机。图1示出具有燃气涡轮发动机的本发明的第一实施例，该燃气涡轮发动机具有主压气机11、燃烧室12和涡轮机13，其中，压气机11与和涡轮机13通过转子轴连接在一起。涡轮机13具有被冷却的第一级定子导叶16。压气机11压缩空气，该空气随后在燃烧室12中与燃料燃烧，以产生经过涡轮机13的热气流。第二或冷却空气压气机14由电动机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。更高压缩的空气之后经过在涡轮机13中的定子导叶16用于冷却，而加热了的冷却空气然后通入燃烧室12，以与燃料以及来自第一或主压气机11的压缩空气结合。
第二或冷却空气压气机14产生高压压缩空气用于定子导叶16的冷却，使得它能然后被排放入燃烧室12。在没有来自冷却空气压气机14的合适的较高的压力的情况下，从定子导叶排放的冷却空气压力将不会高到足够通入燃烧室12。
图2示出本发明的第二实施例，其中，冷却空气流压缩系统包括低压压气机(LPC)14和高压压气机(HPC)17，后者用以压缩来自LPC 14的压缩空气，在它们之间具有中间冷却器21。来自冷却空气流压缩系统(14、17)和中间冷却器21的压缩空气之后用于冷却定子导叶16，然后被排放入燃烧室12。具有中间冷却器21的冷却气流压缩系统(14、17)产生比第一压气机11更高压力的冷却空气，使得在定子导叶16的冷却之后剩余足够的压力以被排放入燃烧室12。
图3示出本发明的第三实施例，其中，用于定子导叶16的冷却空气从主流压气机11的下一级(在第一级之后)排出，经过中间冷却器21并且然后进入冷却空气压气机14，以增加压力。来自冷却空气压气机14的更高压力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。
在这三个实施例中，第一或主流压气机11为燃烧室12提供大约80％左右的所需空气。第二或冷却空气压气机14为燃烧室12产生剩余的20％。在所研究的一个工业燃气涡轮发动机中，第一或主流压气机11具有30的压力比，而第二或冷却空气压气机具有40的压力比。
图4示出本发明的另一实施例，其具有涡轮机冷却和中间冷却器余热回收。该燃气涡轮发动机包括主流压气机11、燃烧室12和涡轮机13，其中，诸如定子导叶16之类的涡轮机翼型被冷却。燃料被引入燃烧室12以产生经过涡轮机13的热气流。对涡轮机冷却空气流的压缩发生在低压压气机32和高压压气机34中，它们之间具有中间冷却器33。中间冷却器/低压蒸汽发生器33位于高压压气机32与低压压气机34之间以冷却压缩空气，从而产生更多的流体用于燃烧室。电动机31驱动压气机32和34，压气机压缩空气用于涡轮机翼型16的冷却。
燃气涡轮机13的废气用于在余热回收蒸汽发生器(HRSG)40中产生蒸汽。HRSG 40产生递送到高压涡轮机36以驱动第一发电机35的高压(HP)蒸汽42。HRSG 40还产生低压(LP)蒸汽43，其与来自HP涡轮机的废气的LP蒸汽结合，流入低压(LP)涡轮机37，驱动第二发电机38。烟囱41在涡轮机的废气在HRSG 40中使用之后排放该废气。冷凝器39将从LP涡轮机37排放的蒸汽冷凝为水，其然后流入HRSG 40或中间冷却器33。流入中间冷却器33的水用于冷却从低压压气机32排放的压缩空气，产生然后与来自HRSG40的LP蒸汽一起流入LP涡轮机37的入口的低压(LP)蒸汽。结果，来自高压压气机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，并且因此改善了涡轮机翼型16的冷却。来自涡轮机翼型16的冷却空气然后排入燃烧室12，以与燃料一起燃烧，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的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，高压转子可与或不与低压转子一起操作。图5示出的发电装备包括主燃气涡轮发动机，其具有高压压气机51、燃烧室53和高压燃气涡轮机52，该高压燃气涡轮机通过转子轴连接到发电机55。主发动机(51、52、53)和发电机55由轴承可转动地支承。在用于供应入口空气到高压压气机51的选项中，主高压压气机51的入口通过阀门57连接到增压压气机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通过由轴承支承的转子轴连接到低压压气机62。低压压气机62包括入口引导导叶和可变定子导叶63，允许调整压缩空气流。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(可独立地运行)。类似地，高压压气机51还可包括可变定子导叶，其允许流动匹配和速度控制。由此，低压转子61和62可关停并且不运行，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的出口由管线67连接到高压压气机51的入口。中间冷却器65可在低压压气机62的出口与高压压气机51的入口之间使用，以冷却压缩空气。阀66也可在用于压缩空气从低压压气机62到高压压气机51的管线67中使用。图5示出了在下一级处的到高压压气机51的虚线入口，但是也可位于第一级压气机叶片的上游。
在此描述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。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，其转子轴直接连接到发电机。这种设计允许大量的功率传输到发电机，而不需要齿轮箱。在大框架重型工业发动机中，不能使用齿轮箱，因为发动机的功率输出远大于齿轮箱可暴露于的功率。基于这些因素，燃气涡轮发动机必须以非常特定的、等于当地电网的同步速度的转子速度运行。通过根据本发明将燃气涡轮发动机的部件分离为模块化系统，每个模块随后都可单独地优化以在集成系统中提供最大性能。并且，与现有技术的工业发动机相比可实现功率输出和操作性的实质提高。例如，现有技术的最大的60赫兹IGT发动机可以产生最大350MW，而本发明的双转子涡轮增压工业发动机的60赫兹版本可产生超过700MW。现有技术的最大50赫兹IGT发动机可以产生最大500MW，而本发明的双转子涡轮增压IGT发动机的50赫兹版本可产生超过1,000MW的功率。在50赫兹和60赫兹的版本中，涡轮机的废气温度将会与被替换的较旧的IGT发动机的涡轮机的废气温度基本上相同，使得HRSG自身不会需要实质的修改或结构变化。仅仅是引导涡轮机的废气到HRSG的管道会需要修改。在使用诸如那些180MW的功率之类的非常老的发动机的联合循环发电装备中，可使用360MW功率的单个的新发动机替换这两个较旧的IGT发动机，但新的发动机的涡轮机的废气温度会比被替换的两个较旧的发动机显著地高，使得HRSG需要显著的修改或变化，以适应更高的涡轮机的废气温度。借助本发明的双转子涡轮增压IGT发动机，本发明的一个双转子涡轮增压IGT发动机可用于替换两个较旧的180MW发动机，而HRSG不需要显著的变化。
已知燃气涡轮发动机的效率很大程度是整体压力比的函数。而现有的各IGT限制了可实现的最大压气机压力比，因为当压气机的低压和高压区域以相同的(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优效率，而允许低压和高压压气机各自以它们自己的最优转子速度运行的配置将会允许打破目前的整体压力比的障碍。另外，分开低压和高压系统能够提高部件效率和性能匹配度。例如，由于在低压系统中部件的尺寸，在转动的叶片尖端与外静止罩盖之间的间隙或现有的各种IGT的环状部段必须相对地大。在本发明中，高压系统中的间隙可以减小，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，使得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提高。此外，这种设计比起从现有技术的IGT可获得的其它方式允许了更大的调节程度。
在又一示例中，各现有技术IGT的功率输出和质量流受限于最末级涡轮机叶片的可行尺寸。最末级涡轮机叶片的长度是由它的扫过面积(A)与转子速度(N)的平方的乘积来应力限制的。这通常称为涡轮机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。如果转子速度可减小，那么环形面积可增加，并且涡轮机可设计为通过更多流体并且产生更多功率。这是为什么针对50Hz电力市场设计的以3,000RPM转动的燃气涡轮发动机可设计为具有最大功率输出能力比针对60Hz市场设计的等同的燃气涡轮发动机(其以3,600rpm转动)要大44％左右的实质原因。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分离的低压系统可以设计为以低速运行，以允许显著更大量的空气传递到燃气涡轮机的高压(核心)。
在现有技术的IGT中，随着压力比和涡轮机入口温度增加，尺寸和速度、AN2以及上一级涡轮机叶片的限制最终导致效率下降。此外，随着压力比增加，由于导致更高的损耗的压气机后端尺寸的减小，压气机效率开始下降。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的非常小的翼型高度。这导致了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通过增加现有技术的大尺寸IGT的流动尺寸到2倍来解决这些现有技术的IGT问题。通常，该流动尺寸的增加会由于涡轮机AN2的限制是不可能的。本发明的解决方案是从单转子转换到双转子，其允许最末级涡轮机叶片设计为在较低的RPM，将涡轮机保持在通常的限制内。双转子发动机的传统设计会将发电机放置在低转子上，固定它的速度，并且具有更高的RPM的高转子发动机。借助本发明的双转子涡轮增压IGT，发电机位于高转子上，并且具有可变速度低转子。该设计提供许多优点。由于低转子与电网频率脱开，可以选择比同步更低的RPM，允许LPT在AN2限制内运行。另一个主要优点在于，低转子的RPM可在运行中显著地降低，与在具有固定的低转子速度的机器上所实现的情况相比，其允许发动机空气流和功率输出的大幅减少。本发明的双转子涡轮增压IGT在12％负载下保持比现有技术单转子IGT在40％负载运行时更高的燃烧排放温度。在本发明的双转子涡轮增压IGT发动机中，通过关闭在高压压气机上的入口引导导叶来减小功率。低和高压压气机的空气动力学匹配可利用可变LPT导叶来实现，其减小了进入LPT的流动面积，由此降低低转子RPM。
现有技术的单转子IGT能够实现最大功率的大约40-50％的低功率设定。本发明的双转子涡轮增压IGT能够实现最大功率的12％左右的低功率设定。考虑到施加在来自可变的发电源的电网上的灵活性的需求，这种增强的调节能力提供了主要的有竞争力的优点。
在图5中，具有烟囱41的HRSG(余热回收蒸汽发生器)40用于通过管线64接收来自燃气涡轮机52和61的废气气体，并且产生的蒸汽供在均连接以驱动第二发电机38的高压蒸汽涡轮机36和低压蒸汽涡轮机37中使用。废气最终通过烟囱41排出。在图5中的虚线68代表从高压燃气涡轮机来的废气到HRSG 40的直接连接，HRSG 40会旁通过低压燃气涡轮机61。
在高电力需求的时期，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，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。来自低压燃气涡轮机61的废气然后流入HRSG 40，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。
在低电力需求的时期，低压燃气涡轮机61和低压压气机62以低速运行，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和管线64流入HRSG 40，以产生用于两个蒸汽涡轮机36和37的蒸汽，它们驱动第二发电机38，并且由此保持HRSG的部分是热的，以当发动机在较高负载运行时容易重启。进入高压压气机51的流量减少到最大流量的25％。由此，主发动机(51、52、53)可进入非常低功率的模式。现有技术的发电装备具有峰值载荷的40％至50％(借助在压气机中的入口引导导叶)的低功率模式。本发明的涡轮增压IGT发动机可以下至峰值载荷的25％，同时可保持发电装备热的蒸汽温度暂时地高(通过使热气体流动经过)，以当需要更高的功率输出时容易重启。中间冷却器65也可包括水注射，以冷却低压压缩空气。
在满功率与最低功率需求之间的部分功率的条件下，可能有必要以中间转速运行低压压气机62和低压涡轮机61。用于控制发动机的装置是需要的，从而在不致完全停止的情况下，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。在没有安全控制策略的情况下，压气机的部分功率的空气动力学的不匹配可导致压气机停滞和/或浪涌，为了安全和耐久的考虑应予避免。控制低转子速度同时正确地空气动力学地匹配压气机的便利方式是借助可变低压涡轮机导叶63来实现的。在部分功率条件下关闭可变低压涡轮机导叶63减少了低压涡轮机61的流动容量和流动面积，其随即导致低压转子(61、62)转动速度的降低。该转动速度的降低减少了通过低压压气机62的空气流，这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中的实施例，但是增加了用于高压涡轮机52的定子导叶76的冷却空气，空气然后排放入高转子的燃烧室53。为增加本发明的电能产生发电装备(图6)的总体效率，一些从低压压气机62排出的压缩空气可经过中间冷却器71，通过由马达73驱动的压气机72，通过管线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。该冷却空气然后经过管线77并且排放入燃烧室53的入口，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的热气流。由冷却空气压气机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，并且足以保持足够的过压以流入燃烧室53。LPC 62的没有通到中间冷却器71的流体经过了可选的中间冷却器65，沿着路径到达高压压气机51的入口。
图7的实施例类似于图6中的实施例，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。由电动机73驱动的冷却空气压气机72用于将低压压气机62的压力提高到足够高以经过定子导叶76，以足够的压力流入燃烧室53，在大约与高压压气机出口相同的压力下，排放入燃烧室53。
在图6和图7的燃气涡轮机的实施例中，用于冷却在高压涡轮机中的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101(参见图10)放置在高压压气机51的出口与燃烧室53的入口之间，其可扩散压缩空气流。为了控制扩散的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的定子导叶返回通道104和转子叶片返回通道105的冷却空气被排放入扩散器101，以与来自高压压气机81的压缩空气合并。在图10的实施例中，来自定子导叶76的冷却空气107被排放入围绕扩散器101的外腔室102，其沿平行于与从压气机81排出的压缩空气106的方向引导冷却空气流107。以类似的方法，来自转子叶片的冷却空气被排入内腔室103，其中，冷却空气107平行于从压气机排出的压缩空气106流动。来自两个腔室102和103的冷却空气107被加速至等于或大于来自压气机81的压缩空气106的速度，从而防止边界层形成。
图11示出扩散器101的第二个实施例，其中，来自定子导叶返回通道104和转子叶片返回通道105的冷却空气流通过薄膜冷却孔108的配置被排放入扩散器101。
图8示出本发明的双转子涡轮增压IGT的横截面配置。具有可变面积喷嘴的低压涡轮机61位于流动壳体内，且紧邻在高压涡轮机52的出口之后，使得来自高压涡轮机52的流体直接地流入低压涡轮机61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的排气管和空气进入LPC62的入口。LPC 62通过管线67连接到HPC 51的入口。高转子(包括HPC 51和HPT 52)直接地驱动发电机55。
图9示出本发明的一实施例，其中，发电装备可用于驱动负载85，其中，负载可以是发电机或压气机或船用螺旋桨。图9中的发电装备包括如前述实施例中的高转子和低转子，但具有中压动力涡轮机(IPPT)84，其由来自HPT 82的废气驱动，以通过自由轴(FS)驱动负载85。高压压气机81通过转子可转动地连接到高压涡轮机82，燃烧室83位于其间，以形成高转子。低压涡轮机91可转动地连接到低压压气机92以形成低转子。LPT 91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的内部的自由轴(FS)86可转动地连接到负载85。压缩空气管线67将LPC 92的出口连接到HPC 81的入口，并且可包括中间冷却器65，以冷却压缩空气。增压压气机56可用于在低转子(91、92)运转低时，供应低压压缩空气到HPC 81。可选的HRSG 40连接到LPT 91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，它们都驱动发电机38。动力涡轮机84和HPT 82定位在壳体内且相互靠近，如同在图8中的LPT 61和HPT 52。如果该发动机用于推进轮船，则HRSG可能不需要。
图9的双转子IGT发动机示出另一种新型配置，其具有图5至图7的实施例的许多相同特性。然而，经由连接到负载的低压轴，允许机械的或发电机负载速度独立于燃气涡轮机高压轴速度运行。该独立的负载轴的速度特性通常对于机械负载是最重要的。自由轴86仍能自由减慢以提高部分负载性能并且调节低到12％负载。注意，低压轴穿过自由轴(FS)的内径(ID)，因为FS相对于HP轴以低速和较高的半径运行。由此，HP轴速度可在这种配置中保持较高。
图9的发电装备的选项包括：中间地冷却从LPC 92到HPC 81的整个流；仅中间地冷却用于冷却在HPT 82中的定子导叶的压缩空气；以及仅中间地冷却用于冷却定子导叶的冷却空气并且用独立的增压压气机使该冷却空气过压。在所有的配置中，可变几何形状HPC81用于与可变的LPT的导叶93一起控制速度。
图16示出现有技术的用于发电的联合循环发电装备，其中，两个单转子工业燃气发动机111各自驱动发电机112和HRSG(余热回收蒸汽发生器)，该HRSG使用来自两个发动机111的热涡轮机的废气以产生用于驱动第三发电机114的蒸汽。当前技术状态的大型工业燃气涡轮机利用了整体系统组件技术系统架构，这在整个行业中基本一致，并且已经良好地使用了许多年。这些机器的机械设计配置已经演变成关注简单性、功能性和可维修性的系统。例如，发动机壳体通常是平行于发动机中心线地纵向地分开的，以允许为了维修而从发动机的底半部移除顶半部。为了简单，包括压气机和涡轮机两者的涡轮机转子主要由单轴组成，该轴的一端直接地联接到发电机以允许大量的功率传输，而不需要效率降低的齿轮箱。在大框架重型工业发动机中，不能使用齿轮箱，因为工业发动机的功率输出超过齿轮箱的容量。由于这些因素，燃气涡轮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，诸如以60赫兹用于美国发动机，而以50赫兹用于欧洲发动机。虽然该实践是简单并且起作用的，但相对于影响效率、可操作性、性能和调节(部分功率)能力的机器的性能而言已经是做出了权衡。
尽管当前技术状态的工业燃气涡轮发动机的演变已经在发电市场有了广泛的使用，但由于在没有演变的情况下已经接受了的工程师权衡，这些机器的效率是受限的。有趣的是，用于航空推进的燃气涡轮发动机的演变已经选择了截然不同的方向。在那里，重量、性能/效率和可操作性是设计的驱动方向，它们是对该应用的涡轮机械的成功演变是最主要的。为了改进效率，飞机(航空)发动机已经被设计为在比工业(IGT)发动机更高的压力比下运行。此外，绝大部分的飞机(航空)燃气涡轮机系统具有多个轴，其中，低压部件(即，低压压气机、低压涡轮机)位于所谓的低转子上。诸如高压压气机和高压涡轮机之类的高压部件位于高转子上。两个转子以不同的速度运行以优化每个转子的效率。在燃气涡轮发动机中使用多个轴产生的效益在于提升部件和整体效率、增加功率输出、提升性能匹配和提升可操作性。后者显现在发动机的响应性和部分负载性能中。
本发明的双转子涡轮增压工业燃气涡轮发动机提供了相对于目前的技术状态的发动机的许多优点。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。此外，可实现实质的功率输出和可操作性的提高。
在一实例中，燃气涡轮机的效率可通过使用模块化部件提升。燃气涡轮机的效率已知很大程度上是整体压力比的函数。现有的各IGT限制了可实现的最大压气机压力比，因为当压气机的低压和高压区域以相同的(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优效率，而允许低压和高压压气机各自以它们自己的最优转子速度运行的配置将会允许超越目前的整体压力比的障碍。此外，分隔低压和高压系统使得部件效率和性能匹配提高。例如，由于在低压系统中的部件的尺寸，在转动的与非转动的硬件之间的间隙，诸如在转动的叶片尖端和静止的外壳体之间的间隙或现有的IGT的环状部段必须相对地大。在本发明的构造中，高压系统中的间隙可以减小，以提高效率和性能。
在另一实例中，本发明的增压IGT发动机的部件技术实现了更具操作性的系统，使得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提高。此外，该模块化配置比起从现有技术的大框架重型IGT现有技术可获得的其它方式允许了更大的调节程度。当考虑到施加在电网上的要求时，当诸如太阳能和风能之类的间歇性的能量源成为整体容量的越来越大的比例时，这是重要的。
在又一个示例中，现有技术的大框架重型IGT的功率输出和质量流受限于最末级的涡轮机转子叶片的可行尺寸。最末级的涡轮机转子叶片的长度是由它扫过的面积(A)与转子速度(N)的平方的乘积应力限制的。这在本领域中称为涡轮机AN2。对于给定的转子速度(N)，涡轮机流率会受限于最末级叶片的扫过面积。如果转子速度(N)可减小，则环状面积可增加，并且涡轮机可设计为通过更多的流体和产生更大功率。这就是为什么针对50Hz(3,000rpm)的电力市场设计的燃气涡轮机可设计为具有最大功率输出能力，其比针对60Hz(3,600rpm)的市场设计的等同的燃气涡轮机要大44％左右。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分离的低压系统可设计为以较低的速度运行，以允许显著更大量的空气流传递到燃气涡轮发动机的高压(核心)。
在现有技术的燃气涡轮发动机的设计中存在限制。随着压力比和涡轮机入口温度(TIT)的增加，尺寸和速度、AN2以及上一级涡轮机转子叶片的限制最终会导致效率下降。此外，随着压力比的增加，由于压气机的后端尺寸减小导致更高的损耗，压气机效率开始下降，每一级的高效的空气动力学工作的根本原因随着较高的翼型转速而提升。这意味着，空气动力学工程师试图保持相对高的半径布置。在高压力比下，这导致相对于从发动机中心线的半径非常小的翼型高度。这导致了高翼型尖端间隙和高次级流动泄漏损耗。
借助更高的压力比和更高的涡轮机入口温度可实现更高的发动机效率。第一障碍是由于尺寸影响引起的部件效率的降低，因为有更高的压力比。本发明的IGT发动机通过增加典型的大框架IGT的流动尺寸到2倍来解决这个问题。通常，该流动尺寸增加由于涡轮机AN2限制会是不可能的。本发明解决方案的IGT发动机从单转子发动机切换到具有能够独立地运行的两个转子的双转子发动机，其中，低转子不在高转子内转动。这允许了最末级叶片设计为在较低的RPM，从而将涡轮机保持在通常的限制内。双转子发动机的现有技术的设计会将发电机放置在低转子上，固定它的速度，并且具有更高的RPM的高转子发动机。本发明的IGT发动机克服了该惯例，将发电机放置在高转子上，并且具有可变速度低转子。该配置提供许多优点。由于低转子与电网频率脱开，可以选择比同步更低的PRM，允许LPT在AN2限制内运行。另一个主要优点在于，低转子的RPM可在运行中显著地降低，其允许大幅减少发动机空气流，以及可在具有固定的低速转子的机器上实现功率。本发明的IGT发动机在12％负载下保持比现有技术单转子IGT发动机在40％负载下运行时更高的燃烧排放温度。
本发明的更高效率并且更强力的IGT发动机(图17)可被用于通过用本发明的一个涡轮IGT发动机121(图17)替换两个现有技术的IGT发动机111来改装现有的像在图16中示出的联合循环发电装备，其中，新发动机的涡轮机的废气温度显著地与较旧的两个发动机的涡轮机废气温度相同，使得HRSG不需要修改，除了要将热的涡轮机的废气从IGT出口引导到HRSG 113的入口的废气管道的很小的再加工，这不被认为是对HRSG本身的修改。由此，借助新的涡轮IGT发动机，将会不需要对HRSG系统自身的修改。目前最大的已知的工业燃气涡轮发动机是对于60赫兹发动机而言的350MW的最大功率输出，而对于50赫兹发动机而言是700MW的最大功率输出。本发明的涡轮IGT发动机可产生对于60赫兹发动机超过700MW的功率输出，而对于50赫兹发动机超过1,000MW的功率输出。因为本发明的涡轮IGT发动机121具有比现有技术的IGT发动机111的每一个的流量的两倍还多的流量，并且其花费与一个现有技术发动机111大约相同，一个新发动机可用于替换两个较旧的发动机，同时允许更大的设备效率。在这种改装中，来自发动机121的涡轮机的废气将被引导入HRSG以产生驱动HRSG发生器114的蒸汽。在安装了新涡轮IGT发动机121并且移除了较旧的两个IGT发动机112的情况下，可安装新的发电机，其将会产生与新的发动机121的输出范围相似范围的电力。在另一实施例中，为了节约成本，较旧的两个发生器112可再使用，并且串联连接以被单个新发动机121驱动。
图27示出本发明的双转子涡轮增压IGT，其不需要像图9的实施例中的那样用于冷却被传递到涡轮机的定子导叶的压缩空气的中间冷却器65。动力涡轮机可转动地独立于驱动发电机55的主要核心发动机121来运行，这与在图16中示出的现有技术双转子航空发动机相反。高压转子与低压转子一起运行(图26航空发动机)，因为来自燃烧室的热气流必须流动通过两个涡轮机(高转子绕着低转子转动)使得两个压气机被驱动。在本发明的双转子涡轮增压IGT中，低压转子122能以不同的速度运行(因为低压转子不在高压转子内转动)，而主要核心发动机121(驱动发电机55的高转子)能以恒定的速度运行。
图18示出本发明的发电装备的实施例的图示，其中，使用了双流压气机。主发动机的高压涡轮机52驱动双流压气机130，后者具有与外流路分离但同心的内流路，其中，内流路流入燃烧室，而外流路流入定子导叶用于使其冷却。来自低转子压气机62的压缩空气分开成为流入燃烧室130的内流路的主流67和流经中间冷却器65以提供冷却的较小的流131(20％左右)。该较小的并且冷却的压缩空气流然后流入燃烧室130的外流路，并且然后流动到涡轮机52的一排或多排定子导叶以提供定子导叶的冷却。冷却空气然后排放入燃烧室。用于定子导叶的冷却的、来自低转子压气机62的冷却空气必须被进一步压缩和冷却，从而使定子导叶足够地冷却，并且具有足够压力以流动经过定子导叶而后流入燃烧室。借助双流压气机130，不需要分离的压气机来进一步压缩用于冷却定子导叶的、来自低转子压气机的空气。
图19示出本发明的双流压气机的一实施例。转子叶片从转子141延伸，而定子导叶145从定子或壳体延伸。每个转子叶片均具有内翼型142和外翼型144并具有将内和外翼型形成的两条流路分开的罩壳(shroud)143。每个定子导叶145也包括将内空气流路从外空气流路隔开的罩壳。多级的叶片和导叶用于将空气压缩到所期望的压力。
在图20中，第二压气机用于进一步压缩空气。转子包括在内流路上的第一转子叶片152和在外流路上的第二压气机叶片151。在该实施例中，第二压气机叶片151是离心压气机，其能够提升外流路的压力超过内流路中的压力，使得涡轮机定子导叶冷却能实施，且具有足够的剩余压力以将来自定子导叶的冷却空气排放到燃烧室内。第一和第二压气机连接到相同的转子，并且由此一起转动。因为总压缩空气流的20％左右用于在涡轮机中的定子导叶的冷却，在图19和20的实施例中的外流路是较小的，使得总流的20％流经在外流路中的压气机流。
图21示出本发明的双流压气机的第二实施例，其中20％的较小的流路沿内流路通过。使较小的空气流沿着内流路通过提供了转子的冷却。在图21的实施例中，内流路与转子叶片和定子导叶比外流路进一步向后延伸，因为内流路必须比外流路处于更高的压力，这是由于来自内流路的冷却空气被用于冷却涡轮机定子导叶。
图22示出在双流压气机中使用的转子叶片的实施例，其中，一个大叶片142从转子141延伸，而多个较小的叶片144从罩壳143延伸。由于外流路是较小的，更多的叶片可用于每一级以压缩空气。该叶片会在图19和20的双流压气机中使用。
图23示出在图21的双流压气机中使用的叶片的实施例，其中较小的叶片144在内流路中，而较大的叶片142在外流路中。罩壳143将两条流路分开。多个叶片144可在较小的流路中使用，以防止通道纵横比变得太小。例如，可使用一个或多个叶片144。图23的实施例有如下问题，即，较小的叶片144必须支承定位成径向向外的大叶片142。如果较小的内叶片可在结构上支承较大的外叶片，则该实施例将会允许用于冷却定子导叶的压缩空气沿着转子流动，用于转子的额外冷却。在图23的实施例中，可使用一个或多个叶片144。
图24示出本发明的涡轮增压工业燃气涡轮发动机的另一实施例，其中，用于涡轮机翼型的冷却空气由在翼型下游的增压压气机增压，从而以大约与压气机排放压力相同的压力被排放入燃烧室。来自低压压气机62的压缩空气从主旁路流67排出并且流经中间冷却器71，压缩空气的温度在那里被降低。较低温度的压缩空气随后由被电动机73驱动的第一冷却空气压气机72增压到合适于冷却涡轮机翼型(诸如在高温度的涡轮机72中的定子导叶76)的压力。冷却空气从冷却空气压气机72沿流动管线A流入定子导叶76。用后的冷却空气然后从定子导叶76通过第二冷却空气压气机132以增压压力，使得压缩空气的压力基本上匹配高压力压气机51的出口压力，用于排放入燃烧室53。来自涡轮机翼型76的用后的冷却空气可在进入冷却空气压气机132之前使用中间冷却器133来冷却。在图18中的实施例的情况下，流过由空气冷却的翼型76的压缩空气压力不必须高到既冷却翼型又足够高到用于排放入燃烧室53。这会要求更高的压力密封。此外，在通过由空气冷却的翼型之后，添加额外的压力到冷却空气，从而可使用较低压力的密封。
图25示出与图18的实施例相似的涡轮增压工业燃气涡轮发动机的另一实施例，只是其中用于涡轮机翼型的冷却空气从高压压气机51(而不是低压压气机62)排出，然后通过冷却通道134和诸如成排定子导叶76之类的发动机翼型，以提供冷却，并且之后用过的冷却空气被由电动机131驱动的冷却空气压气机132增压到所需要的高压力，用于排放入燃烧室53。来自涡轮机翼型76的用后的冷却空气在进入冷却空气压气机132之前使用中间冷却器133来冷却。在图19的实施例的情况下，在冷却空气通路内的密封可以是低压密封，因为高压发生在被冷却的翼型76的下游。
图28示出用于改装工业燃气涡轮发动机的设备和方法，其中，将涡轮机翼型冷却系统添加到发动机，从而提高效率。该工业燃气涡轮发动机包括由具有燃烧室163的涡轮机162驱动的压气机161，该燃烧室产生热气流以驱动发电机165而产生电力。压缩空气从压气机161排出并且通过中间冷却器166以便冷却。冷却了的压缩空气然后通过由电动机168驱动的风机或压气机167，以增加压力到大约是1.1倍的从压气机161排放的压力比的比例。来自风机167的压缩空气然后通过冷却空气管线169并流入翼型164冷却回路以提供冷却，并且其中，用后的冷却空气然后排放入燃烧室163以与压气机161的排放和燃料一起燃烧。在风机167不工作或发动机启动的情况下，有流动阀170的旁路管线用于旁通风机167并且直接将压缩空气从压气机161通入涡轮机162的翼型冷却回路164。当下游压力不高于上游压力时，流动阀170具有通常打开的情形，表示风机167没有对来自压气机161出口的压缩空气进行加压。当风机167运行时，流动阀170的下游压力将会高于上游压力，并且流动阀170将会关闭，使得来自压气机161的所有的排出的空气将会流动通过中间冷却器166和风机167并进入翼型164冷却回路。
图29示出用于改装航空燃气涡轮发动机的设备和方法，其与在图28中所示的用于工业发动机的类似。冷却空气从压气机排出，并且流动通过中间冷却器和风扇，以进一步压缩到相比压气机出口大约为1.1的压力比例，并且然后用于冷却涡轮机翼型。来自涡轮机翼型的用后的冷却空气然后排放入燃烧室，以与燃料一起燃烧。
本发明的用于改装较旧的工业燃气涡轮发动机的另一方法是将闭环冷却系统添加到具有开环冷却系统的较旧的发动机。用于发电的典型的现有技术的工业燃气涡轮发动机将会具有诸如第一和第二级转子叶片和定子导叶之类被冷却的涡轮机翼型。用于这些翼型的冷却空气取自压气机出口并且然后通过在叶片和导叶内的冷却回路。这些翼型中的每一个均具有许多排薄膜冷却孔，它们将会把用后的冷却空气排放进入通过涡轮机的热气流。由此，压气机所作的用于加压冷却空气的功在发动机中损失了。仅为了提供对这些翼型的冷却，定子导叶可使用高达总压气机排放的15％。同样，由于在涡轮机内形成的热条纹(hot streak)，有些导叶被过度冷却，这是因为每个导叶被设计成接纳相同量的冷却空气流。这么做的原因是为了确保暴露于热条纹的定子导叶被充分地冷却。由此，现有设计的发动机的开环冷却设计通过排放到热气流的冷却空气而在定子导叶的冷却中浪费了许多能量。
在根据本发明的IGT发动机的改装中，转子叶片根据原始系统被保留并且冷却。然而，定子导叶由具有冲击冷却插入件的新导叶替换，其中，冷却空气流入导叶，在导叶内所选的表面上进行冲击，并且然后流出导叶，而不排放入涡轮机的热气流。有些冷却空气可排放入热的气体流，诸如在导叶的后缘部段的周围的那些热气流，因为闭环的冷却回路会难于在这种薄的翼型壁中形成。由此，第一以及甚至第二级定子导叶由闭环冷却回路替换。用于定子导叶的冷却空气取自压气机排放，并且通过中间冷却器以冷却压缩空气。被冷却的压缩空气然后使用冷却空气压气机或风机增压，其将会增加压力到主压气机排放的压力的1.1倍左右，使得冷却空气能通过定子导叶闭环冷却回路并且仍然具有足够的压力以排放入燃烧室。由此，定子导叶借助冷却空气冷却，该空气被加热并且随后排放入燃烧室而不是排放入涡轮机的热气流，在涡轮机的热气流中，压缩的能量被浪费。
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，应注意的是，所有的附图都不是按比例的。根据上面的教导，在不脱离仅由以下的权利要求书所限定的本发明的范围和精神的情况下，各种改型和变型是可能的。

Claims (9)

1.用于改装联合循环发电装备的方法，所述发电装备具有驱动第一发电机的第一工业燃气涡轮发动机和驱动第二发电机的第二工业燃气涡轮发动机，所述发电装备还具有带有第三发电机的余热回收蒸汽发生器，所述方法包括以下步骤：
从所述联合循环发电装备移除所述第一工业燃气涡轮发动机；
从所述联合循环发电装备移除所述第二工业燃气涡轮发动机；以及
将第三工业燃气涡轮发动机安装在所述联合循环发电装备中，所述第三工业燃气涡轮发动机的功率输出大于或等于所述第一和第二工业燃气涡轮发动机的结合的功率输出，并且所述第三工业燃气涡轮发动机的涡轮机废气温度基本上与所述第一和第二工业燃气涡轮发动机中的每个的涡轮机废气温度相同，使得所述余热回收蒸汽发生器不需要修改。
2.如权利要求1所述的用于改装联合循环发电装备的方法，其特征在于，
所述联合循环发电装备是60赫兹发电装备；并且
所述第三工业燃气涡轮发动机具有至少500MW的功率输出。
3.如权利要求1所述的用于改装联合循环发电装备的方法，其特征在于，
所述联合循环发电装备是50赫兹发电装备；并且
所述第三工业燃气涡轮发动机具有至少750MW的功率输出。
4.如权利要求1所述的用于改装联合循环发电装备的方法，其特征在于，
所述第一和第二工业燃气涡轮发动机对于60赫兹的发电装备各自具有小于350MW的功率输出。
5.如权利要求1所述的用于改装联合循环发电装备的方法，其特征在于，
所述第一和第二工业燃气涡轮发动机对于50赫兹的发电装备各自具有小于500MW的功率输出。
6.如权利要求1所述的用于改装联合循环发电装备的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
移除所述第一和第二发电机；以及
安装由所述第三工业燃气涡轮发动机驱动的第四发电机。
7.用于发电装备的工业燃气涡轮发动机，包括：
具有由高压涡轮机和燃烧室驱动的高压压气机的高转子；
由所述高转子驱动的发电机；
具有低压压气机和低压涡轮机的低转子，所述低转子不在所述高转子内转动；
主压缩空气管线，所述主压缩空气管线连接所述低压压气机到所述高压压气机，以供应低压压缩空气到所述高压压气机；
在所述高压涡轮机中的成排空气冷却的定子导叶；
用于所述成排定子导叶的冷却空气回路，所述冷却空气回路具有连接到所述主压缩空气管线的入口和排放入所述燃烧室的出口；
位于所述冷却空气回路中的第一中间冷却器；
位于所述冷却空气回路中在中间冷却器的下游的第一增压压气机；
位于所述冷却空气回路中在空气冷却的涡轮机翼型的下游的第二中间冷却器；以及
位于所述冷却空气回路中在所述第二中间冷却器的下游的第二增压压气机，
用于由空气冷却的所述涡轮机翼型的冷却空气经过所述第一中间冷却器以被冷却，然后通过第一增压泵以增加所述冷却空气的压力以通过空气冷却的所述涡轮机翼型，然后通过所述第二中间冷却器以被冷却，接着通过所述第二增压压气机并且之后被排放入所述燃烧室。
8.用于发电装备的工业燃气涡轮发动机，包括：
具有由高压涡轮机和燃烧室驱动的高压压气机的高转子；
由所述高转子驱动的发电机；
具有低压压气机和低压涡轮机的低转子，所述低转子不在所述高转子内转动；
主压缩空气管线，所述主压缩空气管线连接所述低压压气机到所述高压压气机以供应低压压缩空气到所述高压压气机；
在所述高压涡轮机中的成排空气冷却的定子导叶；
涡轮机翼型冷却回路，所述涡轮机翼型冷却回路具有连接到所述高压压气机的入口和连接到所述燃烧室的出口；
位于所述涡轮机翼型冷却回路中在空气冷却的涡轮机翼型的下游的中间冷却器；以及
位于所述涡轮机翼型冷却回路中在所述中间冷却器的下游的增压压气机；
用于由空气冷却的所述涡轮机翼型的冷却空气从所述高压压气机排出并且流经所述涡轮机翼型以便冷却，然后流经所述中间冷却器以便冷却，并且接着流经所述增压压气机以增加所述冷却空气的压力，之后被排放入所述燃烧室。
9.用于改装燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括由涡轮机驱动的主压气机和用于产生热气流以驱动所述涡轮机的燃烧室，所述涡轮机具有带有开环冷却的成级空气冷却的定子导叶，所述方法包括以下步骤：
从所述涡轮机移除具有所述开环冷却的所述成级定子导叶；
将具有闭环冷却的成级定子导叶安装在所述涡轮机内；
将中间冷却器添加到所述发动机；
将冷却空气增压压气机添加到所述发动机；以及
修改定子导叶冷却回路，使得来自所述主压气机的压缩空气经过所述中间冷却器，并且之后由所述增压压气机以足够的压力进一步加压以通过所述成级定子导叶来提供冷却，并且然后流入所述燃烧室。
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