CN109642497A - 改进工业燃气涡轮发动机的方法及包含改进的工业燃气涡轮发动机的动力装置 - Google Patents
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Abstract
一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改造的方法，其中具有高转子的旧工业发动机，该旧工业发动机有具备低转子的低压发动机，利用高压涡轮机的废气驱动低压压缩机，并且其中该新的低压压缩机将压缩的空气通过新的压缩空气管道输送到高压压缩机，穿过高压压缩机的进气口。旧发电机被新发电机所替代，新发电机的电力产量大约是旧的两倍。从高压压缩机中移除一级或多级叶片和桨叶的一个或多个阶段，以便最佳地匹配压力比。在高压涡轮中增加一级或多级叶片和桨叶的闭合循环冷却，并将使用过的冷却空气排入到燃烧室。
Description
技术领域
本发明大体上涉及一种具有工业燃气涡轮发动机的动力装置，更具体地说，涉及一种对工业燃气涡轮发动机进行改进以提高功率和效率的方法。
政府许可权
本发明是在能源部授予的合同编号为DE-FE0023975的政府支持下所作出的。政府享有本发明某些权利。
背景技术
当压力比和燃烧温度上升到使最后涡轮级加载到马赫数达到最大气动性能时，单轴燃气涡轮发动机的功率和效率受到限制。在这些情况下，发动机在功率或效率方面的提升能力有限。在一些情况下，两轴发动机配置采用低速杆轴上的发电机联接到一个更大的自由旋转涡轮机以提高功率。这在总流量上也有限制，并且限制了该装置可承受的最大压力比。
发明内容
在本发明中，对现有的单轴涡轮发动机进行改进，将低压涡轮机联接到低压压缩机，即在现有压缩机前面空气动力学联接，该低压压缩机现在被视为高压压缩机，其中将现有的涡轮机(现为高压涡轮机)联接到低压涡轮机。对冷却系统的进一步加强可以提高燃气涡轮机的现有部分的燃烧温度，并提高整体的额定功率和效率。
一种对工业燃气涡轮发动机进行改进的方法，其中安装有新的独立运作的低转子轴，该低转子轴具有一动力涡轮机和一低压压缩机，其中低压压缩空气被引导进入高压压缩机的进气口。在动力涡轮机上增加可变面积涡轮叶片组件，向低压压缩机增加可变的进气口导向叶片。在另一个实施例中，通过使用动力涡轮机驱动低压压缩机，对驱动发电机的动力涡轮机进行改进，该低压压缩机将低压空气输送到高压压缩机的进气口，并将发电机重新定位到压缩机的冷端处的高速轴上。再生回路冷却或闭环回路冷却也可用于提高效率，通过从压缩机排出空气、冷却空气和然后再加压空气以通过定子叶片冷却，其中使用过的冷却空气随后排入在火焰上游的燃烧室。用于冷却的空气可以从压缩机的中间级或从压缩机的出口端流出。或者，可以将外部压缩机与来自大气的环境空气一起使用以进一步将空气压缩到P3级，然后在定子叶片冷却之前进行中间冷却。
在一个实施例中，一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机具有由主涡轮机驱动的主压缩机和由主涡轮机驱动的主发电机，主压缩机具有原始进气口，该方法包括以下步骤：给主压缩机增加新进气口，新进气口替代原始进气口，相比原始进气口新进气口能够接收更大的气流；增加具有低压涡轮机和低压压缩机的低转子，所述低压涡轮机驱动低压压缩机至主涡轮机，使所述低压涡轮机由来自主涡轮机的废气驱动；在低压涡轮机的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件；增加压缩空气管道，将所述低压压缩机连接到主压缩机的新进气口，使来自低压压缩机的压缩空气流入主压缩机；以及将上述主发电机替换为具有约两倍电力产量的新发电机。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括从主压缩机中移除至少一级转子叶片和定子叶片的步骤，以优化匹配低压压缩机和主压缩机之间的压力比。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括步骤：从所述主涡轮机中移除至少一排定子叶片；在主涡轮机中安装至少一排新的定子叶片，其中新的定子叶片具有闭环冷却回路；为新的一排的涡轮机定子叶片排的冷却提供压缩空气源；以及从主燃烧室上游的新的一排的涡轮机定子叶片处排放使用过的冷却空气，主燃烧室为主涡轮机产生热气流。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机排出冷却空气；用中间冷却器对冷却空气进行中间冷却；将冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机的出口压力，以产生更高压的冷却空气；以及使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，所述方法还包括以下步骤：用外部冷却空气压缩机将环境空气压缩到稍微高于主压缩机的出口压力，以产生更高压的冷却空气；用中间冷却器对冷却空气进行中间冷却；以及使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机的出口排出压缩的冷却空气；用中间冷却器对压缩的冷却空气进行中间冷却；将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机的出口压力，以产生更高压的冷却空气；以及使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机的出口排出压缩的冷却空气；将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机的出口压力，以产生更高压的冷却空气；用中间冷却器对更高压的冷却空气进行中间冷却；以及使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括步骤：从低压压缩机和主压缩机之间的压缩空气源排出至少一部分压缩空气，用作至少一排新的定子叶片的冷却空气；以及将冷却空气的压力冷却和压缩到稍微高于主压缩机的出口压力。
在本实施例的一个方面中，盖方法还包括向主压缩机和低压压缩机添加可变的进气口导向叶片组件的步骤。
在一个实施例中，一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机具有由主涡轮机驱动的主压缩机、由主涡轮机驱动的动力涡轮机，以及由主涡轮机和动力涡轮机之一驱动的主发电机和具有原始进气口的主压缩机，所述方法包括以下步骤：从动力涡轮机上移除主发电机；给主压缩机增加新进气口，新进气口替代原始进气口，并且相比原始进气口新进气口能够接收更大的气流；增加由动力涡轮机驱动的低压压缩机；在动力涡轮机的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件；增加压缩空气管道，所述压缩空气管道将低压压缩机连接到主压缩机的新进气口，使来自低压压缩机的压缩空气流入主压缩机；以及增加新的发电机，其电力产量约为主发电机的两倍，所述新的发电机由主涡轮机驱动。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括从主压缩机中移除至少一级转子叶片和定子叶片的步骤，以优化匹配低压压缩机和主压缩机之间的压力比。
在实施例的一个方面中，该方法还包括在新的发电机和主压缩机之间增加变速器的步骤。
在一个实施例中，一种具有能够产生更大功率和高效率的改进的工业燃气涡轮发动机的动力装置包括：由具有高压燃烧室的高压涡轮机驱动的原始主压缩机；原始主压缩机上的替换进气口，相比原始主压缩机的原始进气口所述替换进气口能够产生更大的压缩气流；原始发电机；具有新的低压涡轮机和原始动力涡轮机之一的低转子，所述新的低压涡轮机和原始动力涡轮机由来自高压涡轮机的废气驱动，以及由低压涡轮驱动的一新的低压压缩机；新的压缩空气管道，将新的低压压缩机连接到原始主压缩机的替换进气口；以及用于新的低压涡轮机和原始动力涡轮机之一的新的可变的进气口导向叶片组件。
在本实施例的一个方面中，原始主压缩机没有至少一级定子叶片和转子叶片，使得原始主压缩机和新低压压缩机之间的压力比是最佳匹配的。
在该实施例的一个方面中，高压涡轮机具有至少一排新的定子叶片，该新的定子叶片具有闭环冷却回路，并且所述动力装置还包括：压缩的冷却空气源；以及压缩的空气冷却回路，用于将压缩的冷却空气输送到所述定子叶片的闭环冷却回路并在高压燃烧室的前方将使用过的冷却空气排放。
在本实施例的一个方面，动力装置还包括：在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的增压压缩机，以增加冷却空气的压力；以及在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的中间冷却器，以冷却压缩的冷却空气。
在本实施例的一个方面，动力装置还包括由原始主压缩机驱动的新发电机，新的发电机代替原始发电机，并且相比原始发电机新的发电机具有更大的电力产量。
附图说明
通过以下详细说明并结合参考附图，将更容易地对本发明及其优点和特点得到更全面的理解，其中：
图1示出了现有技术中驱动发电机的单轴工业燃气涡轮发动机；
图2示出了本发明中的一种改进的工业燃气涡轮发动机，其具有低速、低压涡轮机和低压压缩机；
图3示出了本发明中的一种改进的发动机的涡轮排气系统；
图4示出了一种改进的单轴工业燃气涡轮发动机，其中移除了多级高压压缩机中的至少一级；
图5示出了现有技术的双轴工业燃气涡轮发动机，其具有可驱动发电机的低压动力涡轮机；
图6示出了本发明中改进的两轴工业燃气涡轮发动机，其高速轴上装有发电机和可选变速器；
图7示出了用本发明的具有再生冷却的高压涡轮机进行改进的一种低转子；
图8示出了本发明的一种单轴工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该涡轮叶片冷却系统经过改进后对来自压缩机的排气进行中间冷却，然后在排放到燃烧室前用再生冷却进一步压缩；
图9示出了本发明的一种工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该系统经过改进后对环境空气进行压缩，然后在排入燃烧室前进行冷却以便为涡轮机中的定子叶片提供冷却；
图10示出了本发明的一种工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该系统经过改进后对排气进行中间冷却然后进一步压缩以用于涡轮机叶片冷却，然后排入燃烧室；
图11示出了本发明的一种工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该系统经过改进后对排气进行压缩然后进行中间冷却以用于涡轮机叶片冷却，然后排入燃烧室；
图12示出了本发明的一种工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该系统经过改进后对压缩的空气进一步压缩然后进行中间冷却以用于涡轮机叶片冷却，然后排入燃烧室；以及
图13示出了本发明的一种工业燃气涡轮发动机，其包括涡轮叶片冷却系统，该系统经过改进后对排气进行压缩然后进行中间冷却以用于涡轮机叶片冷却，然后排入燃烧室。
具体实施方式
本发明是一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改进以提高功率和效率的方法。
在本发明中，采用联接到低压压缩机(亦可称为低速压缩机，LSC)的低压涡轮机(亦可称为低速涡轮机，LST)对现有的单轴工业燃气涡轮发动机10(如图1所示)进行改进，即低压涡轮机在现有压缩机(现称为高压压缩机，HPC)的前面空气动力学联接，其中现有的涡轮机(现在被称为高压涡轮机或HPT)是空气动力学联接到低压涡轮机。现有的单轴工业燃气涡轮发动机10包括由带有燃烧室12的涡轮机13驱动的压缩机11和由位于压缩机11前面或上游的冷侧处的转子驱动的发电机14。轴承15支撑发动机的转子。该工业燃气涡轮发动机10在本文可称为“原始”工业燃气涡轮发动机10，其中可向其增加本文公开的修改和增强。
对冷却系统的进一步加强可以提高燃气涡轮机的现有部分的燃烧温度，并提高整体的额定功率和效率。可改进的升级系统由几个可选的部分组成。用于冷却涡轮螺旋桨的大部分或全部冷却空气被排入火焰上游的燃烧室中，而不是排入涡轮机的热气体路径中(例如，如图1中的箭头所示)，以提高发动机的效率。在一个实施例中，一些涡轮螺旋桨冷却空气可以通过后缘出口孔排入到热气流中，大部分使用过的冷却空气被排入到燃烧室中。将冷却空气通过涡轮螺旋桨以进行冷却，然后排出大部分或全部这些使用过的冷却空气，称为闭环冷却，其中涡轮螺旋桨的冷却回路是一个闭合循环，而不是一个开放循环，其中所有冷却空气都从螺旋桨排出，并通过螺旋桨上的气膜孔或出口孔进入热气流。
第一个升级的部分是引入低压涡轮机21(在此也可称为低速涡轮机)，其直接驱动低压压缩机22(在此也可称为低速压缩机)，其中这些部件空气动力学联接到如图1中所示的现有单轴工业燃气涡轮发动机(IGTE)10。现有的或原始的单轴工业燃气涡轮发动机10的部件，如压缩机、燃烧室和涡轮机，在本文中可称为主压缩机11、主燃烧室12和主涡轮机13。从主压缩机11上移除现有的工业燃气涡轮排气系统(包括至少一级转子叶片和定子叶片)，并替换为紧密联接的涡轮部件21、22，涡轮部件21、22具有可变面积的低压涡轮定子叶片(可变的涡轮进气导向叶片25，也可称为可变的进气口导向叶片组件25)。将可变的进气口导向叶片25增加到低压涡轮机21的进气口侧或上游。该可变面积的低压涡轮定子叶片与低压压缩机的可变几何形状、进气口导向叶片以及低压压缩机22的可变几何形状、定子导向叶片部分协同使用，以控制低轴速度，并同时匹配低压压缩机和高压压缩机22(主压缩机11)的速度从而提高气动性能(图2)。也就是说，移除现有的工业燃气涡轮排气系统并将其替换为可变的进气口导向叶片组件25，可以匹配低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压力比。
低压压缩机22的排气空气动力学连接到现有压缩机11(现在是高压压缩机11)的进气口，经过压缩空气管道23，提高发动机的总压力比。连接到原始燃气涡轮发动机10的主发电机或原始发电机14现在被限定在高速轴上，同时新的低压涡轮机21和低压压缩机22是在低速轴上。
原始燃气涡轮发动机10已经移除了排气扩压器，并与新的低压燃气涡轮机21紧密联接，新的低压燃气涡轮机21具有可变面积的进气口导向叶片25。原始涡轮机13排出的气流现在进入可变面积的进气口导向叶片25，然后经过低压涡轮机21并从新的排气系统排出(图3)。安装涡轮机排气管26以将来自高压涡轮机13的高压排气传递到低压涡轮机21和可变面积的进气口导向叶片25。
这种结构的改进可以大幅度提高现有工业发动机的总压力比，从1.1倍甚至到7倍以上的范围，从而大大提高了发动机的质量流量和功率输出。包括新的低压燃气涡轮机21的本次升级需要移除前高压压缩机叶片级11A中的一级或多级以最佳匹配低压压缩机22和高压压缩机11A(图4)之间的压力(和速度)比。还增加通向高压压缩机11A的新进气口24以从低压压缩机22接收压缩空气。为了在低功率模式下获得升级的发动机的最大功率和更高效率，在高压压缩机11A和低压压缩机22和低压涡轮机21中使用可变的进气口导向叶片组件(例如可变面积的进气口导向叶片25)来控制流量。
本发明的另一个实施例是对两轴燃气涡轮机进行改进，其中高速轴在一个轴上具有压缩机11、燃烧室12和涡轮机13(在本文可称为主压缩机11、主燃烧室12和主涡轮机13)以及低压涡轮机(动力涡轮机)28，其中低压涡轮机28驱动如图5实施例所示的发电机14或机械驱动设备(泵、流程压缩机等)。动力涡轮机28可由主涡轮机13驱动。在图6的实施例中，低压或动力涡轮机28是用于驱动低压压缩机22，该低压压缩机22通过压缩空气管道23按空气动力学连接到现有压缩机11(现为高压压缩机11)。发电机14(或其他机械驱动设备)可移动到连接在高压压缩机11的冷端或上游的高速轴上。此外，还可以在图6实施例中增加变速器30，移除高压压缩机11前面的一级或多级，以匹配低压压缩机22和高压压缩机11之间的压力(或速度)比。此外，向压缩机11增加新进气口24(本文中也可称为替换进气口24)，并替换压缩机11的原始进气口。相比原始进气口新进气口24配置成接收更大的气流。
在对图1和5中的现有技术的IGT发动机进行改进的方法中，旧发电机或原始发电机14将需要更换，因为改进后的IGT发动机产生的功率约为旧发动机的两倍，因此需要一台新的发电机。例如，如果改进图1中能够产生300MW功率的现有技术的IGT单转子发动机，则新的IGT发动机将能够产生两倍的功率(或600MW)。因此，需要用新的600MW发电机14替代旧的300MW发电机。旧的300MW发电机可以重复使用，但必须增加第二台300MW发电机，其中两台发电机将由同一输出轴驱动。这一改进可能比用一台新的现代600MW发电机替代旧的300MW发电机花费更多。在有限的升级情况下，旧的发电机仍可与稍微提升了动力的升级工业发动机一起使用。选择在标准工作温度下相比IGT发动机能够产生更多电能的发电机14，使得当出现寒冷天气并且发动机产生更大动力时，发电机可以产生更多的电能。因此，如果升级的IGT发动机不能产生超过发电机所能产生的动力的话，那么旧的发电机14仍然可以用于升级的IGT发动机中。
第二个升级的部分是改进冷却系统，也可以单独进行改进，或与低转子一起改进。在目前高压(或主)涡轮机13中的前几排冷却涡轮机叶片采用再生(闭环)冷却，其中伴随有冷却气流排入气体路径(例如通过膜冷却孔或出口孔)的现有涡轮机定子叶片由收集过冷却剂并将其返回到火焰上游的燃烧室12中的定子叶片替代(本文可称为冷却回路)。例如，过冷却剂可能来自压缩空气源。再生冷却或闭环冷却的使用提高了发动机的热效率，并且与低压压缩机22和涡轮轴(图7)联接能进一步提高整体功率和效率。冷却空气管道27将使用过的涡轮机叶片冷却空气传递进入燃烧室12。
如果冷却系统单独升级，将获得来自几个地方之一的冷却空气。第一个选择将来自环境空气，如图9中所示，由转子32驱动的外部冷却空气压缩机33(在本文也可称为升压压缩机33)将冷却空气压力提高到所需的水平。
在图8实施例中，冷却空气可以部分地压缩(从高压压缩机11的一级流出)，利用中间冷却器31进行中间冷却，并进一步压缩以减少压缩机的工作和提高压缩机的效率，进而将冷却空气压缩机33降低到所需的冷却剂温度。冷却空气从压缩机11的一级流出，经过中间冷却器31，然后由外部冷却空气压缩机33增加压力，使冷却空气在通过涡轮机13的定子叶片后保持足够的压力，以便将使用过的冷却空气排入到燃烧室12中。来自压缩机11的冷却空气通道34可以是来自压缩机11的出口或是来自处于比出口排放压力更低的压力下的较前级。
图9中示出了第二种方法，其中环境源空气由外部冷却空气压缩机33压缩，然后在中间冷却器31中冷却至所需的冷却空气温度。在第二种情况中，冷却空气的压缩工作比图8中的实施例多；然而可以简化配置。
在第三种方法(图10)中，冷却空气从原始压缩机11的中间级的一个排气口流出，其中该气流由中间冷却器31进行中间冷却并由外部冷却空气压缩机33压缩；或在第四种方法中，从原始压缩机11的中间级流出的冷却空气由外部冷却空气压缩机33压缩，并由中间冷却器31进行后冷却(图11)。
在第五种方法中，来自原始压缩机11的完全压缩空气从原始压缩机11的最后一级引出(流出)，由中间冷却器31进行中间冷却，然后由外部冷却空气压缩机33进一步压缩(图12)。在第六种方法中，从原始压缩机11的最后一级流出的冷却空气由外部冷却空气压缩机33压缩，然后由中间冷却器31进行后冷却到所需的冷却空气温度以用于叶片冷却(图13)。
在每一种情况下，外部压缩的冷却空气是在显著超过主(原始)压缩机11排放压力的压力下形成的，该压力通常标记为P3。这种中间冷却和超加压冷却剂给涡轮机定子叶片提供优化的低温高压冷却剂，以使这些叶片冷却到所需的水平，同时这些获得的冷却气流离开叶片出口，并且正压力差将该气流传递进入燃烧室壳体，与现有的压缩机排放空气混合。
这种闭环空气冷却配置(意味着大部分或全部的螺旋桨冷却空气排入到燃烧室而不是排入到穿过涡轮机的热气流中)优化了热效率，并通过增加燃烧室的总流量来提高功率，同时防止冷却剂稀释主热气流。通过涡轮机螺旋桨的闭合循环冷却，本发明意味着经过涡轮机螺旋桨的大部分或全部使用过的冷却空气被排入到燃烧室，而不是排入到热气流中。
当在高压涡轮机13上实施冷却的再生涡轮叶片与低压涡轮机21和低压压缩机22在低转子上联接时，冷却空气源可以来自由低压压缩机22的排放，也可以是从中间低压压缩机流出、从高压压缩机流出或由高压压缩机排放。
在一个实施例中，一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法中，所述工业燃气涡轮发动机(10)具有由主涡轮机(13)驱动的主压缩机(11)、由主涡轮机(13)驱动的动力涡轮机(28)以及由主压缩机(11)和主涡轮机(28)中之一驱动的主发电机(14)，主压缩机(11)具有原始进气口，该方法包括以下步骤：给主压缩机(11)增加新进气口(24)，新进气口(24)替代原始进气口，相比原始进气口新进气口(24)能够接收更大的气流；增加具有低压涡轮机(21)和低压压缩机(22)的低转子，所述低压涡轮机(21)驱动低压压缩机(22)至主涡轮机(13)，使所述低压涡轮机(21)由来自主涡轮机(13)的废气驱动；在低压涡轮机(21)的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件(25)；增加压缩空气管道(23)，其将所述低压压缩机(22)连接到主压缩机(11)的新进气口(24)，使来自低压压缩机(22)的压缩空气流入主压缩机(11)；以及将主发电机(14)替换为具有约两倍电力产量的新发电机。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括从主压缩机(11)中移除至少一级转子叶片和定子叶片的步骤，以优化地匹配低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压力比。
在本实施例的一个方面中，所述方法还包括步骤：从所述主涡轮机(13)中移除至少一级定子叶片；在主涡轮机(13)中安装至少一排新的定子叶片，其中新的定子叶片具有闭环冷却回路；为该排新的涡轮机定子叶片的冷却提供压缩空气源；以及将来自该排新的定子叶片处使用过的冷却空气排入主燃烧室(12)，主燃烧室(12)为主涡轮机(13)产生热气流。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机(11)排出冷却空气；用中间冷却器(31)对冷却空气进行中间冷却；将冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；并使更高压的冷却空气通过新一级的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，所述方法还包括以下步骤：用外部冷却空气压缩机(33)将环境空气压缩到稍微高于主压缩机(11)的出口压力的压力，以产生更高压的冷却空气；用中间冷却器(31)对冷却空气进行中间冷却；并使更高压的冷却空气通过新一级或多级的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机(11)的出口排出压缩的冷却空气；用中间冷却器(31)对压缩的冷却空气进行中间冷却；将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；并使更高压的冷却空气通过新一级的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括以下步骤：从主压缩机(11)的出口排出压缩的冷却空气；将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；用中间冷却器(31)对更高压的冷却空气进行中间冷却；并使更高压的冷却空气通过新一级或多级的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
在本实施例的一个方面中，所述方法还包括步骤：从低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压缩空气源排出至少一部分压缩空气，用作至少一排新的定子叶片的冷却空气；以及将冷却空气冷却并压缩到压力稍微高于主压缩机(11)的出口压力。
在本实施例的一个方面中，所述方法还包括向主压缩机(11)和低压压缩机(22)添加可变的进气口导向叶片组件(25)的步骤。
在一个实施例中，一种对权利要求1的动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机(10)具有由主涡轮机(13)驱动的主压缩机(11)、由主涡轮机(13)驱动的动力涡轮机，以及由主压缩机(11)和动力涡轮机(28)之一驱动的主发电机(14)、具有原始进气口的主压缩机，所述方法包括以下步骤：从动力涡轮机(28)上移除主发电机(14)；给主压缩机(11)增加新进气口(24)，新进气口(24)替代原始进气口，相比原始进气口，新进气口(24)能够接收更大的气流；增加由动力涡轮机(28)驱动的低压压缩机(22)；在动力涡轮机(28)的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件(25)；增加压缩空气管道(23)，所述压缩空气管道(23)将低压压缩机(22)连接到主压缩机(11)的新进气口(24)，使来自低压压缩机(22)的压缩空气流入主压缩机(11)；以及增加了新的发电机(14)，其电力产量约为主发电机(14)的两倍，所述主发电机(14)由主压缩机(11)驱动。
在本实施例的一个方面中，该方法还包括从主压缩机(11)中移除至少一级转子叶片和定子叶片的步骤，以优化地匹配低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压力比。
在实施例的一个方面中，该方法还包括在新的发电机(14)和主压缩机(11)之间增加变速器(30)的步骤。
在一个实施例中，一种具有能够产生更大功率和更高效率的改进的工业燃气涡轮发动机(10)的动力装置，包括：由具有高压燃烧室(12)的高压涡轮机(13)驱动的原始主压缩机(11)；原始主压缩机(11)上的替换进气口(24)，相比原始主压缩机(11)的原始进气口所述替换进气口(24)能够产生更大的压缩气流；原始发电机(14)；具有新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮机(28)之一的低转子，所述新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮机(28)由来自高压涡轮机(13)的废气驱动，以及一新的由低压涡轮机(21)驱动的低压压缩机(22)；新的压缩空气管道(23)，其将新的低压压缩机(22)连接到原始主压缩机(11)的替换进气口(24)；以及用于新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮(28)中之一的新的可变的进气口导向叶片组件(25)。
在本实施例的一个方面中，原始主压缩机(11)没有至少一级定子叶片和转子叶片，使得原始主压缩机(11)和新的低压压缩机(22)之间的压力比是最佳匹配的。
在该实施例的一个方面中，高压涡轮机(13)具有至少一排新的定子叶片，该新的定子叶片具有闭环冷却回路，并且所述动力装置还包括：压缩的冷却空气源；以及压缩的空气冷却回路，用于将压缩的冷却空气输送到所述定子叶片的闭环冷却回路并将使用过的冷却空气排入到高压燃烧室(12)。
在本实施例的一个方面，动力装置还包括：在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的增压压缩机(33)，以增加冷却空气的压力；以及在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的中间冷却器(31)，以冷却压缩的冷却空气。
在本实施例的一个方面，动力装置还包括由原始主压缩机(11)驱动的新发电机(14)，新的发电机(14)代替原始发电机(14)，并且相比原始发电机(14)新的发电机具有更大的电力产量。
本领域的技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。此外，除非上面有提到，否则应该理解所有的附图都不是按比例绘制的。根据上述的说明，在不偏离由权利要求所限定的本发明范围和方案的情况下，可以进行多种修改和改变。
Claims (17)
1.一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机(10)具有由主涡轮机(13)驱动的主压缩机(11)和由主涡轮机(13)驱动的主发电机(14)，所述主压缩机(11)具有原始进气口，所述方法包括以下步骤：
给主压缩机(11)增加新进气口(24)，新进气口(24)替代原始进气口，相比原始进气口所述新进气口(24)能够接收更大的气流；
增加具有低压涡轮机(21)和低压压缩机(22)的低转子，所述低压涡轮机(21)驱动低压压缩机(22)至主涡轮机(13)，使所述低压涡轮机(21)由来自主涡轮机(13)的废气驱动；
在低压涡轮机(21)的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件(25)；
增加压缩空气管道(23)，所述压缩空气管道(23)将所述低压压缩机(22)连接到主压缩机(11)的新进气口(24)，使来自低压压缩机(22)的压缩空气流入主压缩机(11)；以及
将所述主发电机(14)替换为具有约两倍电力产量的新发电机(14)。
2.根据权利要求1所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从主压缩机(11)中移除至少一级转子叶片和定子叶片，以优化地匹配低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压力比。
3.一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机(10)具有由主涡轮机(13)驱动的主压缩机(11)、由主涡轮机(13)驱动的动力涡轮机(28)，以及由主涡轮机(13)和动力涡轮机(28)之一驱动的主发电机(14)，所述主压缩机具有原始进气口，所述方法包括以下步骤：
从动力涡轮机(28)移除主发电机(14)；
给主压缩机(11)增加新进气口(24)，新进气口(24)替代原始进气口，相比原始进气口所述新进气口(24)能够接收更大的气流；
增加由动力涡轮机(28)驱动的低压压缩机(22)；
在动力涡轮机(28)的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件(25)；
增加压缩空气管道(23)，所述压缩空气管道(23)将所述低压压缩机(22)连接到主压缩机(11)的新进气口(24)，使来自低压压缩机(22)的压缩空气流入主压缩机(11)；以及
增加新的发电机(14)，新的发电机(14)的电力产量约为主发电机(14)的两倍，所述主发电机(14)由主压缩机(11)驱动。
4.根据权利要求3所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从主压缩机(11)中移除至少一级转子叶片和定子叶片，以优化地匹配低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压力比。
5.根据权利要求3所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
在新的发电机(14)和主压缩机(11)之间增加变速器(30)。
6.根据权利要求1所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从所述主涡轮机(13)中移除至少一排定子叶片；
在主涡轮机(13)中安装至少一排新的定子叶片，其中所述新的定子叶片具有闭环冷却回路；
为所述至少一排新的涡轮机定子叶片的冷却提供压缩空气源；以及
从主燃烧室(12)上游的所述至少一排新的定子叶片处排出使用过的冷却空气，主燃烧室(12)为主涡轮机(13)产生热气流。
7.根据权利要求6所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从主压缩机(11)排出冷却空气；
用中间冷却器(31)对冷却空气进行中间冷却；
将冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；以及
使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
8.根据权利要求6所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
用外部冷却空气压缩机(33)将环境空气压缩到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；
用中间冷却器(31)对冷却空气进行中间冷却；以及
使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
9.根据权利要求6所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从主压缩机(11)的出口排出压缩的冷却空气；
用中间冷却器(31)对压缩的冷却空气进行中间冷却；
将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；以及
使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
10.根据权利要求6所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从主压缩机(11)的出口排出压缩的冷却空气；
将压缩的冷却空气的压力提高到稍微高于主压缩机(11)的出口压力，以产生更高压的冷却空气；
用中间冷却器(31)对更高压的冷却空气进行中间冷却；以及
使更高压的冷却空气通过至少一排新的涡轮机定子叶片中的闭环冷却回路。
11.根据权利要求6所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
从低压压缩机(22)和主压缩机(11)之间的压缩空气源排出至少一部分压缩空气，用作至少一排新的定子叶片的冷却空气；以及
将冷却空气冷却并压缩到压力稍微高于主压缩机(11)的出口压力。
12.根据权利要求1所述的对动力装置的工业燃气涡轮发动机(10)进行改进的方法，还包括以下步骤：
向主压缩机(11)和低压压缩机(22)添加可变的进气口导向叶片组件(25)。
13.一种具有能够产生更大功率和更高效率的改进的工业燃气涡轮发动机(10)的动力装置，所述动力装置包括：
由具有高压燃烧室(12)的高压涡轮机(13)驱动的原始主压缩机(11)；
原始主压缩机(11)上的替换进气口(24)，相比原始主压缩机(11)的原始进气口所述替换进气口(24)能够产生更大的压缩气流；
原始发电机(14)；
具有新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮机(28)之一的低转子，新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮机(28)由来自高压涡轮机(13)的废气驱动，以及一新的由低压涡轮机(21)驱动的低压压缩机(22)；
新的压缩空气管道(23)，其将新的低压压缩机(22)连接到原始主压缩机(11)的替换进气口(24)；以及
用于新的低压涡轮机(21)和原始动力涡轮机(28)之一的新的可变的进气口导向叶片组件(25)。
14.根据权利要求13所述的动力装置，其中：
所述原始主压缩机(11)没有至少一级定子叶片和转子叶片，使得原始主压缩机(11)和新低压压缩机(22)之间的压力比是最佳匹配。
15.根据权利要求13所述的动力装置，其中所述高压涡轮机(13)具有至少一排新的定子叶片，所述新的定子叶片具有闭环冷却回路，所述动力装置还包括：
压缩的冷却空气源；以及
压缩的空气冷却回路，用于将压缩的冷却空气输送到所述定子叶片的闭环冷却回路并在所述高压燃烧室(12)前方将使用过的冷却空气排放。
16.根据权利要求15所述的动力装置，还包括：
在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的增压压缩机(33)，以增加冷却空气的压力；以及
在压缩的冷却空气源和至少一排新的定子叶片之间的新的中间冷却器(31)，以冷却压缩的冷却空气。
17.根据权利要求13所述的动力装置，还包括：
用由原始主压缩机(11)驱动的新发电机(14)替代原始发电机(14)，相比原始发电机(14)新发电机(14)具有更大的电力产量。
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