CN109973220B - 用于旋转机械的涡轮增压器系统及其组装方法 - Google Patents

用于旋转机械的涡轮增压器系统及其组装方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于旋转机械的涡轮增压器系统及其组装方法。所述涡轮增压器系统包括低压涡轮增压器(LPT)，所述LPT包括LPT压缩机和LPT涡轮。所述涡轮增压器系统被配置成将由所述LPT压缩机压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流。所述涡轮增压器系统还包括高压涡轮增压器(HPT)，所述HPT包括HPT压缩机和HPT涡轮。所述HPT压缩机被配置成进一步压缩所述HPT压缩机入口流，所述HPT压缩机入口流随后作为辅助压缩空气被引导到旋转机械。所述涡轮增压器系统进一步包括热交换器，所述热交换器被配置成使所述热交换器流与和所述旋转机械相关的排气热连通。

Description

用于旋转机械的涡轮增压器系统及其组装方法
技术领域
本公开的领域总体上涉及旋转机械，并且更具体地，涉及一种用于旋转机械的涡轮增压器系统。
背景技术
至少一些已知的旋转机械包括以串联流动关系连接在一起的压缩机、燃烧器和涡轮。更具体地，环境空气被引导到压缩机。压缩空气从压缩机排出，与燃料混合，并在燃烧器中点燃以形成高能气体流。高能气体流流过涡轮以可旋转方式驱动涡轮。压缩机和涡轮通过轴连接以形成转子组件，使得涡轮的旋转驱动压缩机和连接到轴的负载。
已知旋转机械的功率输出受到通过旋转机械的工作流体的质量流速的限制。例如，由于环境空气密度的降低，在高温环境条件期间旋转机械的压缩机进气质量流量减小，从而限制了旋转机械在这种环境条件下的功率输出。
另外，在至少一些已知的旋转机械中，空气从压缩机中抽出并用于除燃烧之外的目的。抽出的空气例如用于冷却暴露于热高能气体流的涡轮的部件。然而，随着从压缩机抽出的用于冷却或其他目的的空气量增加，旋转机械的效率降低。
发明内容
在一个方面，提供一种涡轮增压器系统(turbocharger system)。所述涡轮增压器系统包括低压涡轮增压器(low pressure turbocharger，LPT)，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮。LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且涡轮增压器系统被配置成将压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流。涡轮增压器系统还包括高压涡轮增压器(HPT)，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮。HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩HPT压缩机入口流，并且涡轮增压器系统被配置成将压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到旋转机械。涡轮增压器系统进一步包括热交换器，所述热交换器被配置成使热交换器流与和旋转机械相关的排气热连通。涡轮增压器系统被配置成将从热交换器排出的热交换器流分成平行流，并且LPT涡轮和HPT涡轮各自被配置成由平行流中的相应一个驱动。
在另一方面，提供一种旋转机械。所述旋转机械包括：被配置成接收和压缩进气的压缩机区段、经由转子连接到压缩机区段的涡轮区段、以及燃烧器区段。燃烧器区段包括至少一个燃烧器，所述燃烧器被配置成接收来自压缩机区段的压缩进气，产生燃烧气体，并将燃烧气体引导到涡轮区段中使得对转子施加旋转力。燃烧气体作为排气从涡轮区段排放。旋转机械还包括涡轮增压器系统。所述涡轮增压器系统包括低压涡轮增压器(LPT)，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮。LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且涡轮增压器系统被配置成将压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流。涡轮增压器系统还包括高压涡轮增压器(HPT)，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮。HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩HPT压缩机入口流，并且涡轮增压器系统被配置成将压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到燃烧器区段和涡轮区段中的至少一个。涡轮增压器系统进一步包括热交换器，所述热交换器被配置成使热交换器流与排气热连通。涡轮增压器系统被配置成将从热交换器排出的热交换器流分成平行流(parallel streams)，并且LPT涡轮和HPT涡轮各自被配置成由平行流中的相应一个驱动。
在另一方面，提供一种组装用于旋转机械的涡轮增压器系统的方法。所述方法包括将低压涡轮增压器(LPT)的LPT压缩机的出口平行地与热交换器的入口和高压涡轮增压器(HPT)的HPT压缩机的入口连接成流动连通。LPT包括经由LPT转子连接到LPT压缩机的LPT涡轮，HPT包括经由HPT转子连接到HPT压缩机的HPT涡轮，并且LPT压缩机被配置成接收环境空气并经由LPT压缩机的出口供应LPT压缩空气。所述方法还包括配置热交换器以使从LPT压缩机的出口接收的LPT压缩空气与和旋转机械相关的排气热连通。所述方法还包括将热交换器的出口平行地与LPT涡轮的入口和HPT涡轮的入口连接成流动连通。另外，所述方法包括将HPT压缩机的出口连接成与旋转机械流动连通。HPT压缩机被配置成经由HPT压缩机的出口供应辅助压缩空气。
本公开技术方案1提供一种涡轮增压器系统，包括：低压涡轮增压器(LPT)，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮，其中所述LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流；高压涡轮增压器(HPT)，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮，其中所述HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩所述HPT压缩机入口流，并且所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到旋转机械；以及热交换器，所述热交换器被配置成使所述热交换器流与和所述旋转机械相关的排气热连通，其中所述涡轮增压器系统被配置成将从所述热交换器排出的所述热交换器流分成平行流，并且所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成由所述平行流中的相应一个驱动。
技术方案2：根据技术方案1所述的涡轮增压器系统，其中，所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成在所述涡轮增压器系统启动后仅由所述平行流中的所述相应一个驱动。
技术方案3：根据技术方案1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括：LPT能量存储单元；HPT能量存储单元；连接到所述LPT转子的LPT电动机/发电机，所述LPT电动机/发电机选择性地能以以下模式中的每一个操作：(i)第一模式，其中所述LPT电动机/发电机能用于使用存储在所述LPT能量存储单元中的能量驱动所述LPT压缩机，(ii)第二模式，其中所述LPT电动机/发电机能用于将供应到所述LPT涡轮的旋转能从所述排气的余热转换成用于存储在所述LPT能量存储单元中的能量，以及(iii)停用模式；以及连接到所述LPT转子的HPT电动机/发电机，其中所述HPT电动机/发电机选择性地能以以下模式中的每一个操作：(i)所述第一模式，其中所述HPT电动机/发电机能用于使用存储在所述HPT能量存储单元中的能量驱动所述HPT压缩机，(ii)所述第二模式，其中所述HPT电动机/发电机能用于将供应到所述HPT涡轮的旋转能从所述排气的余热转换成存储在所述HPT能量存储单元中的能量，以及(iii)所述停用模式。
技术方案4：根据技术方案1所述的涡轮增压器系统，其中，所述HPT涡轮进一步包括增强的推力轴承。
技术方案5：根据技术方案1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括中间冷却器，所述中间冷却器定位成在所述LPT压缩机的出口与所述HPT压缩机的入口之间流动连通，其中所述中间冷却器被配置成降低所述HPT压缩机入口流的温度。
技术方案6：根据技术方案1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括：至少一个致动器；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个致动器，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
技术方案7：根据技术方案6所述的涡轮增压器系统，其中，所述至少一个致动器包括以下项中的一个：阀，所述阀连接在以下中的一个：(i)所述HPT涡轮的出口的下游，和(ii)所述HPT涡轮的入口的上游；以及连接到所述HPT涡轮的几何调节致动器，其中所述HPT涡轮包括可变几何涡轮。
本公开技术方案8提供一种旋转机械，包括：压缩机区段，所述压缩机区段被配置成接收和压缩进气；涡轮区段，所述涡轮区段经由转子连接到所述压缩机区段；包括至少一个燃烧器的燃烧器区段，所述燃烧器被配置成从所述压缩机区段接收所述压缩的进气，产生燃烧气体，并且将所述燃烧气体引导到所述涡轮区段中，使得对所述转子施加旋转力，其中所述燃烧气体作为排气从所述涡轮区段排出；以及涡轮增压器系统，所述涡轮增压器系统包括：低压涡轮增压器(LPT)，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮，其中所述LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且其中所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流；高压涡轮增压器(HPT)，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮，其中所述HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩所述HPT压缩机入口流，并且其中所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到所述燃烧器区段和所述涡轮区段中的至少一个；以及热交换器，所述热交换器被配置成使所述热交换器流与所述排气热连通，其中所述涡轮增压器系统被配置成将从所述热交换器排出的所述热交换器流分成平行流，并且所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成由所述平行流中的相应一个驱动。
技术方案9：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，所述涡轮增压器系统被配置成将所述辅助压缩空气的至少一部分引导到所述涡轮区段，并且其中所述涡轮区段被配置成使用所述辅助压缩空气的所述部分来冷却所述涡轮区段的暴露于所述燃烧气体的部件。
技术方案10：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，所述涡轮增压器系统被配置成将所述辅助压缩空气的至少一部分引导到所述至少一个燃烧器的入口，并且其中所述至少一个燃烧器被配置成将所述辅助压缩空气的所述部分引导到所述燃烧气体的流动路径中。
技术方案11：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，进一步包括连接在所述涡轮区段下游的排气区段，其中所述热交换器位于所述排气区段内。
技术方案12：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成在所述涡轮增压器系统启动后仅由所述平行流中的所述相应一个驱动。
技术方案13：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，进一步包括中间冷却器，所述中间冷却器定位成在所述LPT压缩机的出口与所述HPT压缩机的入口之间流动连通，其中所述中间冷却器被配置成降低所述HPT压缩机入口流的温度。
技术方案14：根据技术方案8所述的旋转机械，其中，进一步包括：至少一个致动器；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个致动器，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
技术方案15：根据技术方案14所述的旋转机械，其中，所述至少一个致动器包括以下项中的一个：阀，所述阀连接在以下中的一个：(i)所述HPT涡轮的出口的下游，和(ii)所述HPT涡轮的入口的上游；以及连接到所述HPT涡轮的几何调节致动器，其中所述HPT涡轮包括可变几何涡轮。
本公开技术方案16提供一种组装用于旋转机械的涡轮增压器系统的方法，所述方法包括：将低压涡轮增压器(LPT)的LPT压缩机的出口平行地与热交换器的入口和高压涡轮增压器(HPT)的HPT压缩机的入口连接成流动连通，其中：所述LPT包括经由LPT转子连接到所述LPT压缩机的LPT涡轮，所述HPT包括经由HPT转子连接到所述HPT压缩机的HPT涡轮，并且所述LPT压缩机被配置成接收环境空气并经由所述LPT压缩机的所述出口供应LPT压缩空气；配置所述热交换器以使从所述LPT压缩机的所述出口接收的所述LPT压缩空气与和所述旋转机械相关的排气热连通；将所述热交换器的出口平行地与所述LPT涡轮的入口和所述HPT涡轮的入口流动连通；以及将所述HPT压缩机的出口与所述旋转机械连接成流动连通，其中所述HPT压缩机被配置成经由所述HPT压缩机的所述出口供应辅助压缩空气。
技术方案17：根据技术方案16所述的方法，其中，所述将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械连接成流动连通包括以下中的至少一个：将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械的涡轮区段连接成流动连通，其中所述涡轮区段被配置成使用所述辅助压缩空气来冷却所述涡轮区段的部件，以及将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械的至少一个燃烧器的入口连接成流动连通，其中所述至少一个燃烧器被配置成将所述辅助压缩空气引导到所述旋转机械的燃烧气体的流动路径中。
技术方案18：根据技术方案16所述的方法，其中，进一步包括，将所述热交换器定位于连接在所述旋转机械的涡轮区段下游的排气区段内。
技术方案19：根据技术方案16所述的方法，其中，进一步包括将中间冷却器连接成在所述LPT压缩机的所述出口与所述HPT压缩机的所述入口之间流动连通。
技术方案20：根据技术方案16所述的方法，其中，进一步包括：将至少一个致动器连接到所述涡轮增压器系统，包括以下中的至少一个：将所述至少一个致动器连接在以下中一个：(i)所述HPT涡轮的出口下游，以及(ii)所述HPT涡轮的所述入口的上游，其中所述至少一个致动器是阀，并且将所述至少一个致动器连接到所述HPT涡轮，其中所述至少一个致动器是几何调节致动器，并且其中所述HPT涡轮是可变几何涡轮；以及将控制器与所述至少一个致动器连接成可操作地通信，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
技术方案21：根据技术方案16所述的方法，其中，进一步包括通过增加增强的推力轴承来修改设置有所述HPT的原始HPT涡轮部件以形成所述HPT涡轮。
附图说明
图1是连接到示范性涡轮增压器系统的示范性旋转机械的示意图；
图2是连接到另一示范性涡轮增压器系统的图1所示的旋转机械的示意图；
图3是组装用于旋转机械(例如图1所示的旋转机械)的涡轮增压器系统(例如图1所示的涡轮增压器系统)的示范性方法的流程图；以及
图4是图3的流程图的继续。
具体实施方式
本说明书中所描述的实施例克服了已知旋转机械的至少一些缺点。实施例包括涡轮增压器系统，所述涡轮增压器系统包括低压涡轮增压器(LPT)和高压涡轮增压器(HPT)。涡轮增压器系统将由LPT压缩机压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流。HPT压缩机进一步压缩HPT压缩机入口流，然后将其作为辅助压缩空气引导到旋转机械。热交换器使热交换器流与和旋转机械相关的排气热连通。排出的热交换器流被分成平行流，并且LPT涡轮和HPT涡轮各自由平行流中的相应一个驱动。
例如，辅助压缩空气被引导到旋转机械的燃烧器区段和涡轮区段中的至少一个以用于冷却目的。再例如，辅助压缩空气通过旋转机械添加至燃烧气体的质量流(the massflow)中。在一些实施例中，LPT涡轮和HPT涡轮各自在涡轮增压器系统启动之后仅由平行流中的相应一个驱动，使得不从工作流体路径中上游的旋转机械或不从外部电源分接能量，从而在涡轮增压器系统启动之后驱动涡轮增压器系统。在某些实施例中，涡轮增压器系统包括控制器和至少一个致动器，所述致动器被配置成在整个变化的环境条件和/或旋转机械的操作点中调节LPT与HPT之间的工作负载平衡或分布。在一些实施例中，涡轮增压器系统另外可在第二废热-功率存储模式(waste-heat-to-power-storage mode)和第三存储功率-旋转机械-增强模式(stored-power-to-rotary-machine-augmentation mode)下操作，这进一步促进旋转机械在不同的环境和负载条件下的有效操作。
除非另外指示，否则本说明书中所使用的估计性措辞，例如“一般来说(generally)”、“大体上(substantially)”和“约(about)”，指示如此修饰的术语可能仅适用于所属领域的一般技术人员所能认可的某一近似程度，而非适用于某一绝对或完美程度。因此，由如“约(about)”、“大约(approximately)”和“大体上(substantially)”等术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。另外，除非另有指示，否则“第一”、“第二”等用语在本说明书中仅用作标记，而并非旨在将次序、位置或层次要求施加于这些用语所指的物件。此外，举例来说，提及“第二”事项并不要求或排除例如“第一”或更低编号事项或“第三”或更高编号事项的存在。
图1是连接到标示为涡轮增压器系统200的示范性涡轮增压器系统的示范性旋转机械100的示意图。在示范性实施例中，旋转机械100是燃气涡轮发动机。另一选择为，旋转机械100可以是任何其它涡轮发动机和/或旋转机械，包括但不限于燃气涡扇飞行器发动机(gas turbofan aircraft engine)或其它飞行器发动机。在示范性实施例中，旋转机械100包括压缩机区段104、在压缩机区段104下游连接的燃烧器区段106、在燃烧器区段106下游连接的涡轮区段108、以及在涡轮区段108下游连接的排气区段110。涡轮区段108经由转子112连接到压缩机区段104。请注意，如本说明书中所使用，术语“连接(couple)”不限于组件之间直接的机械连接、电连接和/或通信连接，而是还可包括多个组件之间的间接机械连接、电连接和/或通信连接。转子112进一步连接到负载120，例如但不限于发电机和/或机械传动应用。
在操作期间，将进气101朝向压缩机区段104引导。压缩机区段104压缩所接收的进气101并排出压缩空气103，也被称作压缩机排出段(CDC)空气103。CDC空气103被引导到燃烧器区段106中。在示范性实施例中，燃烧器区段106包括多个燃烧器114，并且燃烧器区段106连接到压缩机区段104使得燃烧器114中的每一个从压缩机区段104接收CDC空气103。在燃烧器114中，CDC空气103与燃料混合并被点燃以产生高温燃烧气体107。燃烧气体107被引导到涡轮区段108中并且对转子112施加旋转力，所述旋转力驱动压缩机区段104和负载120。燃烧气体107作为排气109从涡轮区段108排出，排气109被引导到排气区段110中。排气109保留余热，使得排气109处于高于环境空气201的温度的排气温度。
同样在操作期间，在一些实施例中，压缩机抽出流105从压缩机区段104中抽出并被引导用于除燃烧器区段106之外的用途。例如，在示范性实施例中，压缩机抽出流105直接(即，不通过燃烧器114)被引导到涡轮区段108并用于冷却暴露于热燃烧气体107的涡轮区段108的部件。在替代实施例中，压缩机抽出流105被引导到除了燃烧器114中的燃烧之外的任何其他合适的用途或用途的组合。然而，从通过旋转机械100的工作流体路径移除压缩机抽出流105降低了旋转机械100的效率。更具体地，随着压缩机抽出流105相对于CDC空气103的量增加，旋转机械100的效率相应地降低。
涡轮增压器系统200被配置成在不降低旋转机械100的效率的情况下向旋转机械100提供辅助压缩空气219。更具体地，涡轮增压器系统200包括热交换器202，所述热交换器202使环境空气201与排气109热连通。在操作中，在启动阶段完成之后，涡轮增压器系统200仅依赖于排气109中的余热，而不是从工作流体路径上游的旋转机械100或从外部电源分接能量，以压缩环境空气201从而产生辅助压缩空气219。例如，涡轮增压器系统200被配置成将辅助压缩空气219引导到燃烧器区段106和涡轮区段108中的至少一个，例如用于冷却目的。在一些实施例中，由涡轮增压器系统200供应的辅助压缩空气219用作增加压缩机抽出流105相对于CDC空气103的量的替代方案。
在示范性实施例中，涡轮增压器系统200包括低压涡轮增压器(LPT)210和从LPT210下游连接的高压涡轮增压器(HPT)260。在替代实施例中，涡轮增压器系统200包括任何合适数目个涡轮增压器。在示范性实施例中，LPT 210包括经由LPT转子216连接在一起的LPT压缩机212和LPT涡轮214，并且HPT 260类似地包括经由HPT转子266连接在一起的HPT压缩机262和HPT涡轮264。
在示范性实施例中，LPT转子216和HPT转子266中的每一个不连接到旋转机械100的转子112。因此，LPT 210和HPT 260中的每一个能以独立于转子112的速度的速度操作。在一些这样的实施例中，与转子112相比，LPT 210和HPT 260以相对高的速度操作，使得产生选定量的环境空气201的压缩所需的LPT 210和HPT 260的大小相应地减小。此外，在示范性实施例中，LPT转子216和HPT转子266不彼此连接，使得LPT 210和HPT 260可以彼此独立的速度操作。在一些这样的实施例中，以独立速度操作的LPT 210和HPT 260有助于维持LPT210和HPT 260之间的选定工作负载分布，例如以满足在整个变化的环境条件和/或旋转机械100的操作点中将辅助压缩空气219注入旋转机械100所需的压力和选定流速。
在操作期间，LPT压缩机212接收环境空气201，压缩环境空气201，并且将压缩的环境空气201作为LPT压缩空气203排出。然后，LPT压缩空气203被涡轮增压器系统200分成热交换器流205和HPT压缩机入口流211。热交换器202接收热交换器流205并使热交换器流205与排气109热连通，使得排气109的至少一部分余热被传递到热交换器流205。
在示范性实施例中，热交换器202位于旋转机械100的排气区段110内。在一些实施例中，旋转机械100是简单循环燃气涡轮发电设备(simple cycle gas turbine powerplant)的一部分，其中排气区段110连接到排气烟囱(未示出)，并且热交换器202连接在排气烟囱的上游。在其它实施例中，旋转机械100是联合循环燃气涡轮发电设备(combinedcycle gas turbine power plant)的一部分，其中排气区段110连接到热回收蒸汽发生器(heat recovery steam generator，HRSG)，所述热回收蒸汽发生器被配置成将蒸汽供应到至少一个蒸汽涡轮(未示出)。例如，联合循环发电设备被配置成根据操作条件选择性地将排气109引导到HRSG或旁通烟囱(bypass stack)(未示出)，并且热交换器202连接在旁通烟囱的上游，使得涡轮增压器系统200可在组合循环燃气涡轮发电设备使用旁通烟囱以简单循环模式(simple cycle mode)操作时激活。在替代实施例中，旋转机械100用于任何合适的应用中，和/或热交换器202位于任何合适的位置，使得涡轮增压器系统200能够如本说明书所述起作用。
从热交换器202加热和排出的热交换器流205被涡轮增压器系统200分成平行流207和209，并且LPT涡轮214和HPT涡轮264各自被配置成由平行流207、209中的相应一个驱动。更具体地，热交换器流205被分成LPT涡轮入口流207和HPT涡轮入口流209。LPT涡轮214接收LPT涡轮入口流207，并且LPT涡轮入口流207对LPT转子216施加旋转力，LPT转子216驱动LPT压缩机212。因此，在完成涡轮增压器系统200的启动之后，即，在从热交换器202接收到足够的LPT涡轮入口流207以仅使用排气109中的余热来建立涡轮增压器系统200的自持操作(self-sustaining operation)之后，不从工作流体路径中上游的旋转机械100或从外部电源抽出能量为LPT 210供电。换句话说，LPT涡轮214被配置成在涡轮增压器系统200的启动后操作期间(during post-start-up operation)仅由LPT涡轮入口流207驱动。LPT涡轮214将LPT涡轮入口流207作为LPT排气215排放到环境中。
在示范性实施例中，HPT压缩机入口流211首先被引导通过中间冷却器250，所述中间冷却器250在LPT压缩机212的出口与HPT压缩机262的入口之间流动连通。中间冷却器250适当地配置成降低所接收的HPT压缩机入口流211的温度。例如，但不作为限制，中间冷却器250使得HPT压缩机入口流211与合适的流体流(未示出)热连通，如本领域中已知，所述流体流的温度低于由中间冷却器250接收的HPT压缩机入口流211的温度。在示范性实施例中，中间冷却器250有助于通过LPT压缩机212去除施加到HPT压缩机入口流211的一部分热量，从而增加从中间冷却器250排出并由HPT压缩机262接收的HPT压缩机入口流211的密度。在替代实施例中，涡轮增压器系统200不包括中间冷却器250。
HPT压缩机262接收HPT压缩机入口流211，进一步压缩HPT压缩机入口流211，并且将压缩的HPT压缩机入口流211作为辅助压缩空气219排出。
HPT涡轮264接收HPT涡轮入口流209，HPT涡轮入口流209对HPT转子266施加旋转力，所述旋转力驱动HPT压缩机262。因此，在完成涡轮增压器系统200的启动之后，不从工作流体路径中上游的旋转机械100或从外部电源抽出能量为HPT 260供电。换句话说，HPT涡轮264被配置成在涡轮增压器系统200的启动后操作期间仅由HPT涡轮入口流209驱动。HPT涡轮264将HPT涡轮入口流209作为HPT排气217排放到环境中。
在示范性实施例中，涡轮增压器系统200包括控制器270和至少一个致动器272，所述至少一个致动器272被配置成调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布，由此促进调节涡轮增压器系统200的压缩比，被定义为辅助压缩空气219的压力与环境空气201的压力的比。更具体地，LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布取决于当前环境条件和/或旋转机械100的当前操作点，这两者均影响从排气109可获得用于热交换器202的余热的质量流速和/或温度以及因此余热的量。控制器270可操作地连接到至少一个致动器272，并且被编程为调节至少一个致动器272以调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布，并且相应地调节在整个变化的环境条件和/或旋转机械100的操作点中由涡轮增压器系统200产生的压缩比。另外或另一选择为，控制器270被编程为调节至少一个致动器272以将LPT 210与HPT260之间的工作负载分布调节成符合在整个变化的环境条件和/或旋转机械100的操作点中将辅助压缩空气219注入旋转机械100中所需压力和所选流速。
例如，在一些实施例中，至少一个致动器272是连接在HPT涡轮264的出口下游并且可用于调节HPT排气217的流速的阀274。阀274的调节又影响加热的热交换器流205的上游分流到LPT涡轮入口流207和HPT涡轮入口流209中。控制器270被编程为经由控制信号271调节阀274以调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布。
再例如，在某些实施例中，至少一个致动器272是连接在HPT涡轮264的入口上游并且可用于调节HPT涡轮入口流209的流速的阀276。阀276的调节又影响加热的热交换器流205的上游分流到LPT涡轮入口流207和HPT涡轮入口流209中。控制器270被编程为经由控制信号273调节阀276以调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布。
再例如，在某些实施例中，至少一个致动器272是连接到HPT涡轮264并且可用于调节HPT涡轮264的几何形状的几何调节致动器(geometry adjustment actuator)278(即，HPT涡轮264实施为合适的可变几何涡轮(variable geometry turbine))。几何调节致动器278调节以改变HPT涡轮264的几何形状相应又影响加热的热交换器流205的上游分流到LPT涡轮入口流207和HPT涡轮入口流209中。控制器270被编程为经由控制信号275调节几何调节致动器278以调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布。
虽然阀274和276以及几何调节致动器278全部在图1中示出，但是应理解，在一些实施例中，涡轮增压器系统200包括和/或调节阀274、阀276和几何调节致动器278中的仅一个以调节LPT 210与HPT260之间的工作负载分布。另一选择为，涡轮增压器系统200包括和/或使用两个或更多个阀274、阀276和几何调节致动器278以调节LPT210与HPT 260之间的工作负载分布。
在替代实施例中，至少一个致动器272包括任何合适数目和类型的致动装置，所述致动装置各自连接到涡轮增压器系统200的任何合适位置以允许控制器270调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布，并且相应地调节如本说明书所描述在整个变化的环境条件和/或旋转机械100的操作点中涡轮增压器系统200的压缩比和/或辅助压缩空气219注入旋转机械100中的压力和流速。例如但不作为限制，至少一个致动器272包括可连接到LPT转子216和HPT转子266中的至少一个的辅助负载(未示出)，并且控制器270被编程为选择性地将辅助负载连接到LPT转子216和HPT转子266中的一个，以通过使用辅助负载进行的选择性功率抽出(selective power extraction)来调节LPT210与HPT 260之间的工作负载分布。
在一些实施例中，涡轮增压器系统200进一步包括至少一个传感器282，并且控制器270进一步被编程为基于从至少一个传感器282接收的反馈调节LPT 210与HPT 260之间的工作负载分布。更具体地，控制器270可操作地连接到至少一个传感器282并且被编程为从至少一个传感器282接收对应的至少一个反馈信号281。例如，在示范性实施例中，至少一个传感器282包括被配置成感测LPT转子216的速度的LPT速度传感器284，以及被配置成感测HPT转子266的速度的HPT速度传感器286。另外或另一选择为，至少一个传感器282包括允许控制器270如本说明书中所描述地运行的任何合适的传感器。
如上文所描述，在启动之后，涡轮增压器系统200仅依赖于排气109中的余热，而不是从工作流体路径上游的旋转机械100或从外部电源分接能量，来压缩环境空气201从而产生辅助压缩空气219。换句话说，如上文所描述，LPT涡轮214和HPT涡轮264各自被配置成在涡轮增压器系统200的启动后操作期间仅由从热交换器202排出的平行流207、209中的相应一个驱动。然而，在示范性实施例中，涡轮增压器系统200包括连接到LPT 210的启动电源230。在涡轮增压器系统200启动时，在LPT转子216处于操作中以使得LPT压缩机212引导环境空气201穿过其到热交换器202之前，启动电源230可用于激活LPT压缩机212。例如，控制器270可操作地连接到启动电源230并且被编程为在涡轮增压器系统200启动时选择性地激活启动电源230，并且在完成启动之后，即在从热交换器202接收到充分的LPT涡轮入口流207以仅使用排气109中余热建立涡轮增压器系统200的自持续操作之后，选择性地停用启动电源230。
例如，在示范性实施例中，启动电源230是连接到LPT涡轮214的压缩空气231的外部电源。此外，控制器270可操作地连接到启动电源230并且被编程为经由控制信号277在启动时选择性地激活启动电源230。外部供应的压缩空气231对LPT转子216传递旋转力，所述旋转力在涡轮增压器系统200启动时驱动LPT压缩机212。在替代实施例中，控制器270被编程为选择性地引导压缩机抽出流105的一部分(未示出)以用作在涡轮增压器系统200启动期间压缩空气231的外部源，使得旋转机械100的压缩机区段104用作启动电源230。在其它替代实施例中，启动电源230包括可用于驱动LPT转子216的电机，并且控制器270可操作地连接到电机且被编程为在启动时选择性地激活电机，并且在启动完成之后选择性地停用电机。在又其它替代实施例中，启动电源230是允许涡轮增压器系统200如本说明书中所描述地运行的任何合适的电源。
在一些实施例中，涡轮增压器系统200提供至少为10的辅助压缩空气219与环境空气201之间的压缩比。此外，在一些此类实施例中，涡轮增压器系统200提供至少为12的辅助压缩空气219与环境空气201之间的压缩比。另外，在一些此类实施例中，与至少一些已知高压涡轮增压器的HPT转子上的推力负载(thrust load)相比，由涡轮增压器系统200提供的相对较高压缩比与HPT转子266上相应高的推力负载相关。在一些此类实施例中，HPT 260包括增强推力轴承268，其被配置成支承HPT转子266上的相对增加的推力负载。更具体地，相比与例如往复式发动机相关的已知涡轮增压器的推力轴承(thrust bearings)，增强的推力轴承268具有增大的轴承能力。例如，增强的推力轴承268的大小、强度和/或质量比与类似大小的至少一些已知高压涡轮增压器的转子相关的推力轴承更大，所述推力轴承例如是与往复式发动机一起使用的推力轴承。再例如，增强的推力轴承268经由HPT压缩机262和/或HPT涡轮264的涡轮叶轮(未示出)的后盘的压力缓冲来实现。在某些实施例中，HPT 260部分地由商用现货(commercial off-the-shelf，COTS)高压涡轮增压器形成，并且原始HPT涡轮部件被修改为包括增强的推力轴承268，所述推力轴承的大小、强度和/或质量比设置有初始COTS项的推力轴承更大，和/或对初始COTS项增加后盘的压力缓冲(pressurebuffering of the backdisks)。在替代实施例中，HPT 260不包括增强的推力轴承268。例如，HPT 260包括设置有COTS高压涡轮增压器的标准推力轴承268。
在示范性实施例中，辅助压缩空气219的至少一部分221被引导到旋转机械100的涡轮区段108。更具体地，涡轮区段108被配置成使用辅助压缩空气219的接收部分221来冷却涡轮区段108的暴露于高温燃烧气体107的部件，例如转子叶片或涡轮喷嘴。因此，由涡轮增压器系统200提供的辅助压缩空气219有助于减少或消除用于冷却涡轮区段108的压缩机抽出流105的量，使得相应地提高旋转机械100的效率。在替代实施例中，例如，辅助压缩空气219的部分221被引导到燃烧器区段106的混合系统，用于加热接收到的CDC空气103和/或引导到至少一个燃烧器114的燃料。
另外或另一选择为，在一些实施例中，辅助压缩空气219的至少一部分223被引导到至少一个燃烧器114的入口。更具体地，至少一个燃烧器114被配置成将辅助压缩空气219的部分223引导到燃烧气体107的流动路径中，使得通过旋转机械100提高燃烧气体107的质量流速和/或温度。因此，由涡轮增压器系统200提供的辅助压缩空气219有助于增加对于给定环境条件集的旋转机械100的功率输出。例如，但不作为限制，在高温环境条件期间，进入旋转机械100的压缩机区段104的进气101的质量流量由于环境空气密度的减小而相对减小，这相应地减小燃烧气体107的质量流量并由此限制旋转机械100的功率输出。然而，高温环境条件还导致可能不能够高效用于例如热回收蒸汽发生器(未示出)的排气109中的相对更大量余热。由涡轮增压器系统200从排气109中的余热提供的辅助压缩空气219的部分223、和/或通过添加辅助压缩空气219的部分223而实现的燃烧器燃料流速的相应增加，有助于增加旋转机械100的功率输出。再例如，但不作为限制，在旋转机械100的操作期间，在低于旋转机械100的基本负载的输出需求时，例如通过关闭旋转机械100的入口导流板(inlet guide vanes)(未示出)来选择性地减小进气101的流速，并且将辅助压缩空气219的部分223添加到燃烧气体107的流动路径中，从而使得燃烧器区段106中的燃料流量需求减少，并且因此旋转机械100的操作更有效。
在示范性实施例中，涡轮增压器系统200进一步包括在辅助压缩空气219的部分221和/或部分223的流动路径中的合适的隔离装置(未示出)，使得抑制从旋转机械100到涡轮增压器系统200的回流，例如，在涡轮增压器系统200的压力在辅助压缩空气219的注入点处减小到低于旋转机械100的压力的情况下。
尽管示范性实施例中的LPT压缩空气203被涡轮增压器系统200分成热交换器流205和HPT压缩机入口流211，但应该理解，在一些实施例中，LPT压缩空气203的另外部分直接被引导到旋转机械100用于合适的用途。例如，在一些实施例中，LPT压缩空气203的温度适合于冷却旋转机械100的涡轮区段108的壳体，并且LPT压缩空气203的一部分(未示出)被引导到涡轮区段108的壳体用于冷却目的，例如以便于在壳体与涡轮区段108的多个叶片之间保持选定的间隙。
图2是连接到标示为涡轮增压器系统300的另一示范性涡轮增压器系统的旋转机械100的示意图。除了如下所述之外，涡轮增压器系统300与涡轮增压器系统200基本相同，并且相同的元件用相同的附图标记标识。更具体地，涡轮增压器系统300被配置成以至少三种不同模式操作。在第一废热-旋转机械-增强模式(waste-heat-to-rotary-machine-augmentation mode)中，涡轮增压器系统300被配置成仅依赖于排气109中的余热，而不是从工作流体路径中上游的旋转机械100或从外部电源中分接能量，以用于压缩环境空气201以产生辅助压缩空气219，正如上面针对涡轮增压器系统200所描述的那样。在第二废热-功率存储模式(waste-heat-to-power-storage mode)中，涡轮增压器系统300被配置成使用排气109中的余热来为至少一个能量存储单元充电，并且所述至少一个能量存储单元存储所接收的能量以备未来适合时使用。在第三存储功率-旋转机械-增强模式(stored-power-to-rotary-machine-augmentation mode)中，涡轮增压器系统300被配置成从至少一个能量存储单元提取存储的能量以压缩环境空气201从而产生辅助压缩空气219。
在示范性实施例中，涡轮增压器系统300的LPT 210进一步包括连接到LPT转子216的LPT电动机/发电机312，以及可用于选择性地将LPT转子216连接在LPT涡轮214与LPT压缩机212之间的LPT离合器314。更具体地，LPT离合器314可用于选择性地接合LPT涡轮214以与LPT压缩机212一起旋转，并选择性地使LPT涡轮214与LPT压缩机212脱离接合。另外，LPT电动机/发电机312可操作地连接到LPT能量存储单元316。
LPT电动机/发电机312可选择性地以三种模式中的每一种操作。在第一电动机模式(motor mode)中，LPT电动机/发电机312可用于使用存储在LPT能量存储单元316中的能量来驱动LPT压缩机212，即对其供电。在第二发电机模式(generator mode)中，当LPT离合器314接合时，LPT电动机/发电机312可用于将提供给LPT涡轮214的旋转能从如上所述的排气109中的余热转换成用于存储在LPT能量存储单元316中的能量。在第三停用模式(deactivated mode)中，LPT电动机/发电机312被停用，使得LPT电动机/发电机312不向LPT压缩机212供电并且不从LPT转子216产生存储的能量。
类似地，在示范性实施例中，涡轮增压器系统300的HPT 260进一步包括连接到HPT转子266的HPT电动机/发电机362、以及可用于选择性地将HPT转子266连接在HPT涡轮264与HPT压缩机262之间的HPT离合器364。更具体地，HPT离合器364可用于选择性地接合HPT涡轮264以与HPT压缩机262一起旋转，并选择性地使HPT涡轮264与HPT压缩机262脱离接合。此外，HPT电动机/发电机362可操作地连接到HPT能量存储单元366。尽管LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366被示为单独的部件，但是在一些实施例中，LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366一起实现为连接到LPT电动机/发电机312和HPT电动机/发电机362的单个部件。
HPT电动机/发电机362同样可以上述关于LPT电动机/发电机312描述的三种模式中的每一种操作。在第一电动机模式中，HPT电动机/发电机362可用于使用存储在HPT能量存储单元366中的能量来驱动HPT压缩机262，即对其供电。在第二发电机模式中，当HPT离合器364接合时，HPT电动机/发电机362可用于将提供给HPT涡轮264的旋转能从如上所述的排气109中的余热转换成用于存储在HPT能量存储单元366中的能量。在第三停用模式中，HPT电动机/发电机362被停用，使得HPT电动机/发电机362不向HPT压缩机262供能、并且不从HPT转子266产生存储的能量。
涡轮增压器系统300还包括多个模式选择阀302。在示范性实施例中，多个模式选择阀302包括第一模式选择阀304和第二模式选择阀306。第一模式选择阀304连接在中间冷却器250的入口的上游，并且可用于选择性地通过或阻塞HPT压缩机入口流211。第二模式选择阀306连接在热交换器202的入口的上游，并且可用于选择性地通过或阻塞热交换器流205。在替代实施例中，多个模式选择阀302包括在任何合适位置处的任何合适数目个阀，其使得涡轮增压器系统300能够如本说明书所述起作用。
在示范性实施例中，控制器270进一步被编程为例如基于所感测的环境条件、所感测的旋转机械100的操作条件、用户输入或其任何组合在第一废热-旋转机械-增强模式、第二废热-功率存储模式和第三存储功率-旋转机械-增强模式中选择性地切换涡轮增压器系统300。更具体地，控制器270被编程为根据需要经由控制信号315选择性地接合和脱离接合LPT离合器314，经由控制信号365选择性地接合和脱离接合HPT离合器364，经由控制信号313选择性地在电动机模式、发电机模式和停用模式之间切换LPT电动机/发电机312，经由控制信号363选择性地在电动机模式、发电机模式和停用模式之间切换HPT电动机/发电机362，经由控制信号305选择性地打开和关闭第一模式选择阀304，以及经由控制信号307选择性地打开和关闭第二模式选择阀306，以在三种模式中的任何一种模式下操作涡轮增压器系统300。在替代实施例中，涡轮增压器系统300被配置成以任何合适的方式选择性地在第一废热-旋转机械-增强模式、第二废热-功率存储模式和第三存储功率-旋转机械-增强模式之间切换，从而使涡轮增压器系统300能够如本说明书所述起作用。
尽管在图2中为了清楚地示出涡轮增压器系统300而省略了图1所示的启动电源230、增强的推力轴承268、包括阀274和276以及几何调节致动器278的至少一个致动器272、包括LPT速度传感器284和HPT速度传感器286的至少一个传感器282、以及控制信号271、273、275、277、305、307、313、315、363和365和反馈信号281，但应理解，在示范性实施例中，涡轮增压器系统300进一步包括如关于涡轮增压器系统200所描述的启动电源230、增强的推力轴承268、包括阀274和276以及几何调节致动器278的至少一个致动器272、包括LPT速度传感器284和HPT速度传感器286的至少一个传感器282、以及控制信号271、273、275、277、305、307、313、315、363和365和反馈信号281。在替代实施例中，涡轮增压器系统300没有包括启动电源230、增强的推力轴承268、包括阀274和276以及几何调节致动器278的至少一个致动器272、包括LPT速度传感器284和HPT速度传感器286的至少一个传感器282、以及控制信号271、273、275、277、305、307、313、315、363和365和反馈信号281中的全部。
当涡轮增压器系统300以第一废热-旋转机械-增强模式操作时，第一模式选择阀304和第二模式选择阀306都打开(open)，LPT离合器314和HPT离合器364都接合，并且LPT电动机/发电机312和HPT电动机/发电机362都处于停用模式。例如，控制器270被编程为通过发送相应的控制信号305、307、313、315、363和365来选择性地将涡轮增压器系统300切换到第一模式。在第一模式中，涡轮增压器系统300如上文关于涡轮增压器系统200所描述的那样操作，并且被配置成仅依赖于排气109中的余热，而不是从工作流体路径中上游的旋转机械100或从例如LPT能量存储单元316或HPT能量存储单元366等外部电源中分接能量，以压缩环境空气201从而产生辅助压缩空气219，正如上面针对涡轮增压器系统200所描述的那样。
当涡轮增压器系统300以第二废热-功率存储模式操作时，第一模式选择阀304关闭(closed)，使得不允许流流动到HPT压缩机262的入口并且不产生辅助压缩空气219。第二模式选择阀306打开，使得来自LPT压缩机212的流被引导到热交换器202以吸收来自排气109的余热，提供LPT涡轮入口流207以驱动LPT涡轮214，并且提供HPT涡轮入口流209以驱动HPT涡轮264。LPT离合器314接合使得LPT涡轮214驱动LPT压缩机212，并且HPT离合器364脱离接合使得HPT压缩机262不操作。LPT电动机/发电机312和HPT电动机/发电机362都处于第二发电模式。例如，控制器270被编程为通过发送相应的控制信号305、307、313、315、363和365来选择性地将涡轮增压器系统300切换到第二模式。
更具体地，在涡轮增压器系统300的第二模式中，LPT涡轮214不仅驱动LPT压缩机212，而且驱动LPT电动机/发电机312，并且LPT电动机/发电机312相应产生存储在LPT能量存储单元316中的能量。另外，HPT涡轮264仅驱动HPT电动机/发电机362，并且HPT电动机/发电机362产生存储在HPT能量存储单元366中的能量。因此，在第二模式中，涡轮增压器系统300使用排气109中的余热来产生存储的能量，而不是压缩环境空气201以产生辅助压缩空气219。在一些实施例中，涡轮增压器系统300在环境条件和/或旋转机械负载条件下以第二模式操作，其中在废气109中存在可用量的余热，但是辅助压缩空气219不会显著提高旋转机械100的效率。
当涡轮增压器系统300以第三存储功率-旋转机械-增强模式操作时，第一模式选择阀304打开(open)，使得允许流流动到HPT压缩机262的入口并且产生辅助压缩空气219。第二模式选择阀306关闭，使得不允许流流动到热交换器202，不提供LPT涡轮入口流207来驱动LPT涡轮214，并且不提供HPT涡轮入口流209来驱动HPT涡轮264。LPT离合器314和HPT离合器364都脱离接合，使得LPT压缩机212和HPT压缩机262分别与LPT涡轮214和HPT涡轮264分离。LPT电动机/发电机312和HPT电动机/发电机362都处于第一电动机模式，使得LPT电动机/发电机312从LPT能量存储单元316汲取能量以驱动LPT压缩机212，并且HPT电动机/发电机362从HPT能量存储单元366汲取能量以驱动HPT压缩机262。例如，控制器270被编程为通过发送相应的控制信号305、307、313、315、363和365来选择性地将涡轮增压器系统300切换到第二模式。
更具体地，在涡轮增压器系统300的第三模式中，不利用当前存在于排气109中的任何余热。相反，LPT涡轮214和HPT涡轮264不起作用，并且LPT电动机/发电机312和HPT电动机/发电机362分别提供存储的能量以驱动LPT压缩机212和HPT压缩机262，从而使用来自LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366的存储能量以产生辅助压缩空气219。在一些实施例中，涡轮增压器系统300在环境条件和/或旋转机械负载条件下以第三模式操作，其中在排气109中不存在可用量的余热，但是辅助压缩空气219提高了旋转机械100的效率。
在一些实施例中，LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366还连接到二级能量源190，二级能量源190被配置成向LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366供应能量以用于存储。例如，但不作为限制，二级能量源190包括太阳能发电阵列。再例如，但不作为限制，二级能量源190包括风力涡轮。在一些这样的实施例中，二级能量源190使得涡轮增压器系统300能够在第三存储功率-旋转机械-增强模式下操作，而不仅仅依赖于涡轮增压器系统300在第二废热-功率存储模式中累积的能量，进一步促进旋转机械100在变化的环境和负载条件下的有效操作。在替代实施例中，LPT能量存储单元316和HPT能量存储单元366不连接到二级能量源190。
在示范性实施例中，使用一个或多个电子计算装置来实施控制器270。此类装置通常包括至少一个处理装置(未示出)，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(reduced instruction set computer，RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够执行本说明书中所描述的功能的任何其它电路或处理装置。本说明书描述的方法，包括控制器270被配置以执行的步骤，可以被编码为实施于计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括但不限于连接到至少一个处理器的非暂时性存储装置和/或存储器装置。此类指令在由控制器或处理装置执行时使控制器或处理装置执行本说明书中所描述的方法步骤中的至少一些。控制器270与至少一个致动器272之间；控制器270与至少一个传感器282之间；和/或控制器270与LPT离合器314、HPT离合器364、LPT电动机/发电机312、HPT电动机/发电机362、第一模式选择阀304和第二模式选择阀306之间的通信，例如但不限于经由控制信号271、273、275、277、305、307、313、315、363和365和反馈信号281，可以通过任何合适的连接获得，例如通过硬连线或无线布置获得。虽然控制器270被示为分立系统(discrete system)，但是控制器270可以至少部分地由嵌入于旋转机械100的任何部件内的至少一个处理器实现。以上实例仅为示范性的，并且因此不期望以任何方式限制术语控制器以及处理装置的定义和/或含义。
图3和4是组装用于旋转机械(例如旋转机械100)的涡轮增压器系统(例如涡轮增压器系统200)的示范性方法400的流程图。在示范性实施例中，方法400包括404将LPT 210的LPT压缩机212的出口平行地与热交换器202的入口和HPT 260的HPT压缩机262的入口连接成流动连通。如上所述，LPT 210还包括经由LPT转子216连接到LPT压缩机212的LPT涡轮214，HPT 260还包括经由HPT转子266连接到HPT压缩机262的HPT涡轮264，并且LPT压缩机212被配置成接收环境空气201并且经由LPT压缩机212的出口供应LPT压缩空气203。
在示范性实施例中，方法400还包括408配置热交换器202以将从LPT压缩机212的出口接收的LPT压缩空气203与和旋转机械相关的排气热连通，所述排气例如是排气109。方法400进一步包括412将热交换器202的出口平行地与LPT涡轮214的入口和HPT涡轮264的入口连接成流动连通。
此外，在示范性实施例中，方法400包括416将HPT压缩机262的出口与旋转机械连接成流动连通。如上文所描述，HPT压缩机262被配置成经由HPT压缩机262的出口供应辅助压缩空气219。
在某些实施例中，步骤416包括以下中的至少一个：420将HPT压缩机262的出口与旋转机械的涡轮区段(例如涡轮区段108)连接成流动连通，以及424将HPT压缩机262的出口与旋转机械的至少一个燃烧器(例如至少一个燃烧器114)的入口连接成流动连通。涡轮区段被配置成使用辅助压缩空气219，更具体地，辅助压缩空气219的至少一部分221，以冷却涡轮区段的部件，和/或至少一个燃烧器被配置成将辅助压缩空气219，更具体说，辅助压缩空气219的至少一部分223引导到旋转机械的燃烧气体107的流动路径中。
在一些实施例中，方法400还包括428将热交换器202定位在排气区段内，例如排气区段110，所述排气区段连接在涡轮区段108的下游。
在某些实施例中，方法400进一步包括432将中间冷却器250连接成在LPT压缩机212的出口与HPT压缩机262的入口之间流动连通。
在一些实施例中，方法400另外包括436将至少一个致动器272连接到涡轮增压器系统200。此外，步骤436包括以下中的至少一个：(a)440将至少一个致动器连接在：(i)HPT涡轮264的出口下游、以及(ii)HPT涡轮264的入口上游中的一处，其中至少一个致动器是阀，例如阀274和/或276，以及(b)444将至少一个致动器连接到HPT涡轮264，其中至少一个致动器是几何调节致动器278，并且HPT涡轮264是可变几何涡轮(variable geometryturbine，VGT)。此类实施例还包括448将控制器(例如控制器270)与至少一个致动器连接成可操作地通信。控制器270被编程为调节至少一个致动器以调节LPT210与HPT 260之间的工作负载分布。
在某些实施例中，方法400进一步包括452通过增加增强推力轴承268来修改设置有HPT 260的原始HPT涡轮部件以形成HPT涡轮264。
上述实施例克服了已知旋转机械的至少一些缺点。确切地说，实施例包括涡轮增压器系统，所述涡轮增压器系统包括低压涡轮增压器(LPT)和高压涡轮增压器(HPT)。所述系统将由LPT压缩机压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流。HPT压缩机进一步压缩HPT压缩机入口流，然后将其作为辅助压缩空气引导到旋转机械。辅助压缩空气提供了增加来自旋转机械压缩机的抽出流量的替代方案。例如，辅助压缩空气可以由旋转机械用于冷却目的，或者通过旋转机械添加到燃烧气体的质量流中。还确切地说，在一些实施例中，LPT涡轮和HPT涡轮各自在涡轮增压器系统启动之后仅由平行流中的相应一个驱动，使得不从工作流体路径中上游的旋转机械或不从外部电源分接能量，从而在涡轮增压器系统启动之后驱动涡轮增压器系统。还确切地说，在某些实施例中，涡轮增压器系统包括控制器和至少一个致动器，所述致动器被配置成在整个变化的环境条件和/或旋转机械的操作点中调节LPT与HPT之间的工作负载分布。还确切地说，在一些实施例中，涡轮增压器系统另外可在第二废热-功率存储模式和第三存储功率-旋转机械-增强模式下操作，这进一步促进旋转机械在不同的环境和负载条件下的有效操作。
以上详细描述了涡轮增压器系统、结合有涡轮增压器系统的旋转机械和组装涡轮增压器系统的方法的示范性实施例。所述系统和方法不限于本说明书所描述的具体实施例，事实上，系统的组件和/或方法的步骤可以独立地且与本说明书所描述的其它组件和/或步骤分开利用。例如，涡轮增压器系统还可结合其它机械和方法使用，且不限于仅以如本说明书所描述的旋转机械实践。相反，示范性实施例可结合许多其它应用来实施和利用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出而在其它附图中没有示出，但这仅仅是为了方便起见。此外，以上描述中对“一个实施例”的提及并不希望被解释为排除同样并有所陈述特征的额外实施例的存在。根据本公开的原则，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求保护。
本说明书使用包括最佳模式的实例来说明本公开，且还使所属领域的技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何所并入的方法。本公开的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种涡轮增压器系统，包括：
低压涡轮增压器LPT，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮，其中所述LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流；
高压涡轮增压器HPT，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮，其中所述HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩所述HPT压缩机入口流，并且所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到旋转机械；以及
热交换器，所述热交换器被配置成使所述热交换器流与和所述旋转机械相关的排气热连通，其中所述涡轮增压器系统被配置成将从所述热交换器排出的所述热交换器流分成平行流，并且所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成由所述平行流中的相应一个驱动。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中，所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成在所述涡轮增压器系统启动后仅由所述平行流中的所述相应一个驱动。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括：
LPT能量存储单元；
HPT能量存储单元；
连接到所述LPT转子的LPT电动机/发电机，所述LPT电动机/发电机选择性地能以以下模式中的每一个操作：(i)第一模式，其中所述LPT电动机/发电机能用于使用存储在所述LPT能量存储单元中的能量驱动所述LPT压缩机，(ii)第二模式，其中所述LPT电动机/发电机能用于将供应到所述LPT涡轮的旋转能从所述排气的余热转换成用于存储在所述LPT能量存储单元中的能量，以及(iii)停用模式；以及
连接到所述LPT转子的HPT电动机/发电机，其中所述HPT电动机/发电机选择性地能以以下模式中的每一个操作：(i)所述第一模式，其中所述HPT电动机/发电机能用于使用存储在所述HPT能量存储单元中的能量驱动所述HPT压缩机，(ii)所述第二模式，其中所述HPT电动机/发电机能用于将供应到所述HPT涡轮的旋转能从所述排气的余热转换成存储在所述HPT能量存储单元中的能量，以及(iii)所述停用模式。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中，所述HPT涡轮进一步包括增强的推力轴承。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括中间冷却器，所述中间冷却器定位成在所述LPT压缩机的出口与所述HPT压缩机的入口之间流动连通，其中所述中间冷却器被配置成降低所述HPT压缩机入口流的温度。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中，进一步包括：
至少一个致动器；以及
控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个致动器，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器系统，其中，所述至少一个致动器包括以下项中的一个：
阀，所述阀连接在以下中的一个：(i)所述HPT涡轮的出口的下游，和(ii)所述HPT涡轮的入口的上游；以及
连接到所述HPT涡轮的几何调节致动器，其中所述HPT涡轮包括可变几何涡轮。
8.一种旋转机械，包括：
压缩机区段，所述压缩机区段被配置成接收和压缩进气；
涡轮区段，所述涡轮区段经由转子连接到所述压缩机区段；
包括至少一个燃烧器的燃烧器区段，所述燃烧器被配置成从所述压缩机区段接收所述压缩的进气，产生燃烧气体，并且将所述燃烧气体引导到所述涡轮区段中，使得对所述转子施加旋转力，其中所述燃烧气体作为排气从所述涡轮区段排出；以及
涡轮增压器系统，所述涡轮增压器系统包括：
低压涡轮增压器LPT，所述LPT包括经由LPT转子连接在一起的LPT压缩机和LPT涡轮，其中所述LPT压缩机被配置成接收和压缩环境空气，并且其中所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的环境空气分成热交换器流和HPT压缩机入口流；
高压涡轮增压器HPT，所述HPT包括经由HPT转子连接在一起的HPT压缩机和HPT涡轮，其中所述HPT压缩机被配置成接收并且进一步压缩所述HPT压缩机入口流，并且其中所述涡轮增压器系统被配置成将所述压缩的HPT压缩机入口流作为辅助压缩空气引导到所述燃烧器区段和所述涡轮区段中的至少一个；以及
热交换器，所述热交换器被配置成使所述热交换器流与所述排气热连通，其中所述涡轮增压器系统被配置成将从所述热交换器排出的所述热交换器流分成平行流，并且所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成由所述平行流中的相应一个驱动。
9.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，所述涡轮增压器系统被配置成将所述辅助压缩空气的至少一部分引导到所述涡轮区段，并且其中所述涡轮区段被配置成使用所述辅助压缩空气的所述部分来冷却所述涡轮区段的暴露于所述燃烧气体的部件。
10.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，所述涡轮增压器系统被配置成将所述辅助压缩空气的至少一部分引导到所述至少一个燃烧器的入口，并且其中所述至少一个燃烧器被配置成将所述辅助压缩空气的所述部分引导到所述燃烧气体的流动路径中。
11.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，进一步包括连接在所述涡轮区段下游的排气区段，其中所述热交换器位于所述排气区段内。
12.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，所述LPT涡轮和所述HPT涡轮各自被配置成在所述涡轮增压器系统启动后仅由所述平行流中的所述相应一个驱动。
13.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，进一步包括中间冷却器，所述中间冷却器定位成在所述LPT压缩机的出口与所述HPT压缩机的入口之间流动连通，其中所述中间冷却器被配置成降低所述HPT压缩机入口流的温度。
14.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，进一步包括：
至少一个致动器；以及
控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少一个致动器，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
15.根据权利要求14所述的旋转机械，其中，所述至少一个致动器包括以下项中的一个：
阀，所述阀连接在以下中的一个：(i)所述HPT涡轮的出口的下游，和(ii)所述HPT涡轮的入口的上游；以及
连接到所述HPT涡轮的几何调节致动器，其中所述HPT涡轮包括可变几何涡轮。
16.一种组装用于旋转机械的涡轮增压器系统的方法，所述方法包括：
将低压涡轮增压器LPT的LPT压缩机的出口平行地与热交换器的入口和高压涡轮增压器HPT的HPT压缩机的入口连接成流动连通，其中：
所述LPT包括经由LPT转子连接到所述LPT压缩机的LPT涡轮，
所述HPT包括经由HPT转子连接到所述HPT压缩机的HPT涡轮，并且
所述LPT压缩机被配置成接收环境空气并经由所述LPT压缩机的所述出口供应LPT压缩空气；
配置所述热交换器以使从所述LPT压缩机的所述出口接收的所述LPT压缩空气与和所述旋转机械相关的排气热连通；
将所述热交换器的出口平行地与所述LPT涡轮的入口和所述HPT涡轮的入口流动连通；以及
将所述HPT压缩机的出口与所述旋转机械连接成流动连通，其中所述HPT压缩机被配置成经由所述HPT压缩机的所述出口供应辅助压缩空气。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械连接成流动连通包括以下中的至少一个：
将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械的涡轮区段连接成流动连通，其中所述涡轮区段被配置成使用所述辅助压缩空气来冷却所述涡轮区段的部件，以及
将所述HPT压缩机的所述出口与所述旋转机械的至少一个燃烧器的入口连接成流动连通，其中所述至少一个燃烧器被配置成将所述辅助压缩空气引导到所述旋转机械的燃烧气体的流动路径中。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，进一步包括，将所述热交换器定位于连接在所述旋转机械的涡轮区段下游的排气区段内。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，进一步包括将中间冷却器连接成在所述LPT压缩机的所述出口与所述HPT压缩机的所述入口之间流动连通。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，进一步包括：
将至少一个致动器连接到所述涡轮增压器系统，包括以下中的至少一个：
将所述至少一个致动器连接在以下中一个：(i)所述HPT涡轮的出口下游，以及(ii)所述HPT涡轮的所述入口的上游，其中所述至少一个致动器是阀，并且
将所述至少一个致动器连接到所述HPT涡轮，其中所述至少一个致动器是几何调节致动器，并且其中所述HPT涡轮是可变几何涡轮；以及
将控制器与所述至少一个致动器连接成可操作地通信，其中所述控制器被编程为调节所述至少一个致动器以调节所述LPT与所述HPT之间的工作负载分布。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，进一步包括通过增加增强的推力轴承来修改设置有所述HPT的原始HPT涡轮部件以形成所述HPT涡轮。
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