CN113833539A - 用于气体涡轮引擎的排气管道 - Google Patents

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J·齐亚
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Abstract

本发明公开了一种用于气体涡轮引擎(50)的排气管道(1)，该排气管道(1)包括消音器区段(12)。在消音器区段(12)内部提供至少两个板形消音器挡板(20)。板形消音器挡板中的至少一个被构造成作为热交换装置，因为其包括适于接收热交换流体并且相对于排气管道的内部防漏的至少一个内部腔室(22)，其中，至少一个内部腔室在入口端口和出口端口(23，24)处流体地连接到排气管道的外部。该装置可以用于恢复来自气体涡轮引擎的废气的排气热，而无需提供热回收蒸汽发生器所需的费用和额外空间。

Description

用于气体涡轮引擎的排气管道
技术领域
本公开涉及一种用于权利要求中所述类型的气体涡轮引擎的排气管道。
背景技术
在现代气体涡轮引擎中，在高部件负荷和满负荷条件下，气体涡轮引擎的废气在离开膨胀涡轮之后仍处于几百摄氏度，并且通常可以在500℃至600℃的范围内。因此，对于废气，在膨胀涡轮中膨胀之前已添加到燃烧燃料中的大焓流被排放到大气中并且失去了技术用途。产生的焓损失对效率产生不利的影响。
本领域已知在热回收蒸汽发生器中回收气体涡轮引擎的排汽焓，并且在蒸汽涡轮中使用由此生成的蒸汽来发电。蒸汽也可以用于工业目的。然而，构建其中蒸汽涡轮作为底循环使用来自气体涡轮引擎的排气能量的组合循环发电厂需要大量资金投入，这使得该技术尽管具有优异的总体效率，但是只有当发电厂基本上可以作为基本负荷发电厂运行，例如每年超过5000小时并且具有例如至少为额定功率输出的75％高功率输出时，才具有经济吸引力。此外，排气管道内部的许多构件产生附加的压力损失，因此继而降低了气体涡轮引擎本身的效率和功率输出。此外，热回收蒸汽发生器需要的空间可并不总是可用。特别地，安装热回收蒸汽发生器可以不是添加凹当前的单循环气体涡轮引擎发电站的选项。
US 2013/0327052教导了将多个气体涡轮引擎连接到公共烟道并且将热交换器布置在该公共烟道中。该文献还教导了在共同的烟道中设置热交换器，并且通过引入非层流穿过公共排气烟道并进一步通过应用露点控制来改善从废气到热交换器的热传递。
US 8,069,660公开了结合在消音室内的热回收系统。根据该文献的教导，排气流首先进入第一消音室，然后被分成两个局部流。所述局部流中的第一局部流从第一消音室输送到第二消音室，并且从第二消音室输送到第三消音室。所述局部流中的第二局部流绕过第二消音室直接被引导到第三消音室。所述第二局部流由此流过在形成于内部壳体与热回收外部壳体之间的热回收流动路径中布置在消音室周围的导管。热传递流体被引导通过热回收流动路径，以通过内壁与消音室中的废气交换热，并且与流经导管的废气的第二局部流交换热，其中热传递流体围绕导管流动。所述文献的教导内容不具体涉及与气体涡轮引擎结合使用。
US 3,235,001教导了适用于附接到内燃机的出口或入口的组合式消音器和热交换装置。组合式消音器和热交换装置包括壳体。在壳体的前侧处，前面板部分地封闭壳体并且使前入口打开，该前入口形成在壳体的前面板与外侧面板之间。在壳体的后侧处，壳体的内部连接到引擎入口，由此围绕将壳体的内部连接到引擎入口和壳体的外侧面板的管道形成后入口。因此，流体流可以通过后入口和前入口进入壳体的内部，并且径向向内偏转到壳体的中心并从壳体的中心偏转到引擎入口。热交换器组件设置在壳体的内部，其中热交换器组件包括在其外部上具有正方形翅片的管，以便改善管周围的流与管之间的热交换。
本公开主题的概述
本公开的目的是提供使得能够从气体涡轮引擎回收排气热的装置。本发明所公开的主题的更具体的目的是提供用于最初提到的类型的气体涡轮引擎的排气管道。在一方面，将提供一种用于气体涡轮引擎的排气管道，该排气管道使得能够从废气中回收废热，而无需在排气管道内部添加将导致压力损失的附加构件。在另一方面，热交换装置应结合在排气管道中已经存在的构件中。在又一方面，应提供热交换装置，使得其产生较少的附加资金投入。
这通过权利要求1所述的主题来实现。
无论是否明确提及，所公开的主题的进一步的效果和优点将根据以下提供的公开内容而变得显而易见。
因此，本发明公开了一种用于气体涡轮引擎的排气管道，该排气管道包括消音器区段，该消音器区段具有入口和出口以及从入口到出口的流动方向。该流动方向可以通过几何形状、空气动力学设计等来确定。应当理解，入口被构造成用于被布置成相比于消音器区段的出口更靠近气体涡轮引擎的排气出口。至少两个板形消音器挡板设置在消音器区段内部并且彼此平行布置。每个消音器挡板沿消音器区段的流动方向从上游边缘延伸到下游边缘。至少两个板形消音器挡板中的每个具有沿消音器区段的流动方向从上游边缘延伸到下游边缘的侧表面。上游边缘可以特别地为倒圆的，并且出于空气动力学原因而形成挡板的所谓“外圆角”。消音器挡板的侧表面还在整个消音器区段的流动横截面上延伸。两个相邻的板形消音器挡板的两个侧表面面向彼此布置，并且在它们之间形成排气流动通道。板形消音器挡板中的至少一个被构造成作为热交换装置，因为其包括适于接收热交换流体的至少一个内部腔室。技术人员将理解，适于接收热交换流体的内部腔室相对于排气管道的内部是防漏的。至少一个内部腔室在入口端口和出口端口处流体地连接到排气管道的外部。特别地，入口端口和出口端口延伸穿过排气管道的一个或多个侧壁。
在下文中，被构造成作为热交换装置的挡板也可以被称为热交换挡板或热交换消音器挡板。
应当注意，在本公开的框架内，不定冠词“一个”或“一种”的使用绝不规定单数性，也不排除存在多个所命名的构件或特征。因此，应当以“至少一个”或“一个或多个”的意义来解读。
在实施方案中，至少一个内部腔室可以被提供为流体地连接到排气管道外部(即，通过排气管道的壁)的至少一个内部管。在示例性实施方案中，至少一个内部管道邻近并沿至少一个板形消音器挡板的前缘延伸，并且可以从入口端口延伸到出口端口。同样，可以提供的是，至少一个内部管道在至少一个消音器挡板内部以螺线形状延伸，并且可以从入口端口延伸到出口端口。
在本文另外公开的示例性实施方案中，至少一个消音器挡板的侧表面设置在侧壁上，其中每个侧壁被提供为具有两个片材的中空主体，片材之间留有空间，其中所述片材中的每个由多个开口穿孔，并且侧壁的片材上的开口由桥接该空间的管连接，以便通过该管流体地连接侧壁的两个相对侧。管不一定具有圆形横截面。管与片材的连接与相应片材气密地密封。由此，在片材之间的空间中和管的外部在侧壁内部形成适于接收热交换流体的腔室。
在本文另外公开的示例性实施方案中，具有适于接收热交换流体的内部腔室的所有消音器挡板(即，被构造成作为热交换装置)的适于接收热交换流体的所有内部腔室连接到两个公共集管，其中用于热交换流体的每个内部腔室流体地连接两个公共集管。考虑到内部腔室旨在用于热交换流体的通流，集管可以被称为入口集管和出口集管。
本发明还公开了一种气体涡轮引擎，其中膨胀涡轮的排气侧连接到上述类型的排气管道。本发明还公开了一种发电站，该发电站包括所公开的至少一个气体涡轮引擎，即，其中膨胀涡轮连接到上述类型的排气管道。
除了气体涡轮引擎之外，发电站还可以包括压缩空气储能器(CAES)系统，其中被构造成作为热交换装置的消音器挡板的入口端口流体地连接到CAES储罐，并且被构造成作为热交换装置的消音器挡板的出口端口流体地连接到CAES膨胀涡轮。
在另外的实施方案中，发电站可以基本上是在US 2019/0195131中公开的类型的发电站。除了气体涡轮引擎之外，发电站还包括涡轮增压器具，其中涡轮增压器具包括至少一个低压压缩机、至少一个高压压缩机和用于驱动所述压缩机的至少一个涡轮。每个压缩机可以与单独的涡轮一起布置在公共轴上并且由该单独的涡轮驱动。然后，涡轮增压器具可以包括至少一个低压涡轮增压器和一个或多个高压涡轮增压器，其中低压涡轮增压器的压缩机将流体递送到高压压缩机中。可能的情况是，多个低压涡轮增压器彼此平行并且与一个单个高压涡轮增压器串联布置，以便例如使用相同的涡轮增压器，同时考虑高压压缩机和低压压缩机中的不同体积流量。在其他实施方案中，可以提供的是，一个或多个高压压缩机和一个或多个低压压缩机流体地布置成使得低压涡轮增压器的压缩机将流体递送到高压压缩机中，同时设置在具有特别是具有用于驱动压缩机的单个涡轮的公共轴上。至少一个低压压缩机的压缩机出口流体地连接到被构造成作为热交换装置的消音器挡板的入口端口和至少一个高压压缩机的压缩机入口。中间冷却器可以流体地插置在至少一个低压压缩机的压缩机出口与至少一个高压压缩机的压缩机入口之间。被构造成作为热交换装置的消音器挡板的出口端口流体地连接到涡轮增压器具的至少一个涡轮的涡轮入口。涡轮增压器具的至少一个涡轮的涡轮出口流体地连接到背压控制装置，并且至少一个高压压缩机的压缩机出口连接到在气体涡轮引擎的压缩机下游和气体涡轮引擎的燃烧器上游的气体涡轮引擎的工作流体流动路径，即，流体地连接到气体涡轮引擎的燃烧器。因此，在热交换挡板中回收的废热可以用于驱动外部压缩机以向气体涡轮引擎的燃烧器供应附加的空气，并且因此增强气体涡轮引擎的涡轮输出和/或减少通过气体涡轮引擎的压缩机的流量，从而减少气体涡轮引擎的压缩机的功率消耗。背压阀用于控制涡轮增压装置的高压压缩机的排放压力。
在本文所公开的发电站的另一些实施方案中，被构造成作为热交换装置的消音器挡板通过其入口端口和出口端口流体地插置在气体涡轮引擎的压缩机与燃烧器之间，由此被构造成作为热交换装置的消音器挡板被构造成接收从压缩机到燃烧器的流体流的至少一部分。在更具体的实施方案中，压缩机是与气体涡轮引擎的压缩机不同的补充压缩机，并且特别地，压缩机是马达驱动的。在部分负荷操作期间，压缩机可以对电池充电，该电池在高功率需求期间用于提供驱动补充压缩机的马达并且增强气体涡轮引擎的功率输出。
在本文所公开的发电站的实施方案中，气体涡轮引擎配备有进气预热回路，该进气预热回路包括设置在气体涡轮引擎的压缩机上游的进气预热热交换器。配备有进气预热热交换器的气体涡轮引擎的一个示例性、特定、非限制性实施方案公开于US 2018/0135467中。被构造成作为热交换装置的消音器挡板通过其入口端口和出口端口结合到进气预热回路中，以便使包含在进气预热回路中的流体流动通过用于在热交换消音器挡板内部提供热交换流体的内部腔室。可以发现所述应用可用于提高气体涡轮引擎的部分负荷效率，或者可以以其他方式允许气体涡轮引擎以ISO额定功率输出的低百分比在正常操作模式下操作。
在本文所公开的发电站的其他实施方案中，气体涡轮引擎配备有燃料预热回路，其中，燃料预热回路包括在燃料流动路径中设置在气体涡轮引擎的燃烧器上游的燃料预热热交换器。被构造成作为热交换装置的消音器挡板通过其入口端口和出口端口结合到燃料预热回路中，以便使包含在燃料预热回路中的流体流动通过内部腔室，以用于在热交换消音器挡板内部提供热交换流体。
在本文所公开的发电站的其他实施方案中，气体涡轮引擎的压缩机包括在压缩机入口下游和压缩机出口上游的泄放端口。第一管线从泄放端口延伸到外部压缩机的低压入口端口，由此所述第一管线将泄放端口流体地连接到外部压缩机的低压入口端口。第二管线连接到外部压缩机的高压出口端口并且流体地连接外部压缩机的高压出口端口和被构造成作为热交换装置的消音器挡板的入口端口。第三管线连接到气体涡轮引擎的压缩机的高压出口和气体涡轮引擎的燃烧器中的至少一者，并且流体地连接被构造成作为热交换装置的消音器挡板的出口端口和气体涡轮引擎的压缩机的高压出口和/或气体涡轮引擎的燃烧器。
应当理解，上文所公开的特征和实施方案可与彼此组合。还应当理解，在本公开和要求保护的主题的范围内能够设想其他实施方案，这些实施方案对于技术人员而言是显而易见的。
附图说明
在将通过附图所示的所选择的示例性实施方案来更详细地解释本公开的主题。附图示出
图1为气体涡轮引擎的排气管道的示例性实施方案的透视图；
图2为具有矩形横截面的气体涡轮引擎的排气管道的消音器区段的横剖视图；
图3为穿过热交换消音器挡板的第一示例性实施方案的横剖视图；
图4为热交换消音器挡板的第二示例性实施方案的剖视图；
图5为热交换消音器挡板的第三示例性实施方案的透视图；
图6为图5中描绘的挡板的另一剖视图；
图7为排气管道的热交换消音器区段的一部分的等轴视图，描绘了热交换挡板与入口集管和出口集管的连接；
图8为包括气体涡轮引擎和压缩空气储能器设备的发电站的实施方案的示意图，该发电站采用气体涡轮引擎的排气管道的热交换消音器区段预热压缩空气储能器设备的工作流体；
图9为具有涡轮增压器驱动的空气注入的发电站的实施方案的示意图，该发电站采用气体涡轮引擎的排气管道的热交换消音器区段供应用于驱动涡轮增压器的能量；
图10为具有外部马达驱动的增压压缩机的发电站的实施方案的示意图，该发电站采用气体涡轮引擎的排气管道的热交换消音器区段预热来自外部压缩机的空气；
图11为具有气体涡轮进气预热的发电站的实施方案的示意图，该发电站采用气体涡轮引擎的排气管道的热交换消音器区段向进气预热器提供热；并且
图12为气体涡轮发电站的另一实施方案的示意图，该气体涡轮发电站采用气体涡轮引擎的排气管道的热交换消音器区段预热从气体涡轮引擎的压缩机泄放的空气。
应当理解，附图是高度示意性的，并且为了便于理解和描绘，可以省略说明目的所不需要的细节。还应当理解，附图仅示出所选择的示例性实施方案，并且未示出的实施方案仍可完全在本文所公开和/或要求保护的主题的范围内。
执行本公开的教导内容的示例性模式
本领域的普通技术人员通过附图所示和下文概述的示例性实施方案将更好地理解本文所述的主题。应当理解，仅出于说明性目的示出这些示例性实施方案，以便能够更好地理解本文所述的主题，并且应当理解为不限制权利要求中概述的主题。
图1示出气体涡轮引擎的排气管道1的示例。排气管道1包括烟道10。排气管道过渡区段11被构造成与气体涡轮引擎50的下游端部连接(在图8至图12中示意性地示出)。排气管道的消音器区段12包括在本部分剖视图中可见的消音器挡板20。在所描绘的示例中，烟道10和消音器区段12具有圆形横截面，而排气管道过渡区段11被示出为具有矩形横截面。然而，非常可能的是，烟道10和消音器区段12中的任一个可以表现出矩形横截面，并且可以规定排气管道过渡区段11表现出圆形或圆的横截面。同样，虽然消音器区段12被示例性地示出布置在排气管道1的竖直区段中，但消音器区段12也可以布置在排气管道1的水平区段中。这些事实是本领域技术人员容易熟悉的。
以举例的方式，图2描绘了具有矩形横截面的消音器区段12的横剖视图。排气管道1由管道壁13限定。应当理解，消音器区段12中的废气流垂直于绘图平面。多个消音器挡板20布置在排气管道1的横截面上并且基本上彼此平行，由此两个相邻的消音器挡板20在它们之间形成流动通道。根据本文所公开的主题，消音器挡板20中的至少一个，并且在一些实施方案中，消音器挡板20中的每个被构造成作为热交换装置或热交换消音器挡板，如将在下文更详细地概述。
一般来讲，消音器挡板20被构造成作为热交换装置，因为其包括至少一个适于接收热交换流体的内部腔室。技术人员将理解，用于接收热交换流体的内部腔室相对于排气管道1的内部是防漏的，使得没有热交换流体可从消音器挡板20的内部腔室泄漏到排气管道1中。至少一个内部腔室流体地连接到排气管道1的外部。图3示出穿过被构造成作为热交换装置的消音器挡板20的第一示例性实施方案的横剖视图，其中横截面垂直于挡板的侧表面25和26截取。侧表面跨消音器区段12中的排气管道1并且沿消音器区段12的流动方向从上游边缘21延伸到下游边缘。废气的流动将在图中从左到右。在特定实施方案中，消音器导流板20的上游边缘21被倒圆以形成消音器导流板20的所谓的外圆角区段，以便减小空气动力阻力并且因此减小消音器导流板区段12中的压力损失。在所示实施方案中，适于接收热交换流体的内部腔室22被提供为管道，该管道沿消音器挡板20的前缘(或上游)21在消音器挡板20的外圆角区段中延伸。管道22沿消音器挡板20的整个“跨度宽度”延伸并且具有设置有端口的开口端，当挡板20安装在消音器区段12中时，端口延伸穿过排气管道1的壁，以便提供管道22与排气管道1的外部的流体连通。虽然所述端口未在本描述中示出，但它们对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。在外圆角区段的下游，挡板20在侧壁250与侧壁260之间是中空的。侧表面25、侧表面26分别位于侧壁250、侧壁260的外侧上。
图4在平行于挡板20的主表面截取的截面中示出被构造成作为热交换装置的消音器挡板20的第二实施方案。在该示例性实施方案中，内部腔室22被设置为在侧表面25、侧表面26之间的挡板内部曲折的管道。管道22流体地连接到端口23和端口24，这些端口可以分别被称为入口端口和出口端口。图4中示例性示出的那种热交换管道也可以设置在排气烟道壁13的内衬中，所述壁例如在上文所述的图2或下文所引用的图7中示出。虽然排气烟道壁内部的管道未明确示出，但根据本公开，它们对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
应当理解，图3和图4所示的两种类型的管道可以组合在单个挡板20中。
在图5和图6所示的实施方案中，挡板20的侧壁250、侧壁260(更详细地示出了其中的侧壁250)被提供为在片材251、片材252之间形成的中空主体，其中在片材之间留有空间。虽然仅描绘了一个中空主体侧壁250，但是技术人员将容易理解，侧壁260可以是相同的。侧壁250包括彼此间隔开的片材251、片材252，使得侧壁250本身构成中空主体。挡板20的侧表面25设置在片材251的外侧上。
图6示出侧壁250在由图5中的“VI-VI”表示的观察方向上的横剖视图。片材251、片材252中的每个由多个开口穿孔，并且侧壁250的两个片材251、252上的开口彼此对齐。每对相对设置的开口通过桥接片材251、片材252之间的空间的管27连接。因此，管27通过管27流体地连接侧壁250的两个相对侧。另外，管27与相应的片材251、片材252气密地密封，以便在两个片材251、252之间的空间中和管27的外部形成适于接收热交换流体的腔室22。
图7示出排气管道1的热交换消音器区段12的一部分的等轴视图，并且该等轴视图还示出热交换挡板20的流体连接。如上所述，挡板20布置在排气管道1的由管道壁13形成的一部分中。在排气管道外部，集管28和集管29连接到进给管线和回流管线。端口23和端口24延伸穿过管道壁13并且将用于将热交换流体接收在挡板20内部的内部腔室22连接到集管28和集管29。如将容易理解的，特别地，可以存在与每个热交换挡板20相关联的一个端口23和一个端口24。不言而喻，热交换挡板20的数量以及端口23和端口24的数量可以分别与示例性实施方案中所示的不同。因此，热交换挡板20连接到进给集管28和返回集管29。
气体涡轮引擎50(其中膨胀涡轮53的排气侧流体地连接到包括一个或多个上文所述的任何类型的热交换消音器挡板20的热交换消音器区段12)可以有效地应用于许多应用中，其中一些将在下文更详细地概述。应当理解，下文提及的示例性应用并非全面的，并且仅以举例的方式示出。
图8描绘在发电站中使用上述主题的第一示例性实施方案。发电站包括气体涡轮引擎50和压缩空气储能器(也称为CAES)设备100。气体涡轮引擎50包括压缩机51、燃烧器52以及膨胀涡轮53，并且被布置成驱动发电机54。来自膨胀涡轮53的废气61通过烟道10排放。在废气61的流动路径中，排气管道的消音器区段12布置在烟道10的上游。消音器区段12内部的消音器挡板20被构造成作为如上所述的热交换装置。
CAES设备100包括压缩空气储罐101、主空气加热器102、膨胀涡轮103以及由膨胀涡轮103驱动的发电机104。消音器区段12的热交换挡板20流体地插置在压缩空气储罐101与主空气加热器102之间。这是因为消音器区段12内部的热交换消音器挡板20的入口端口流体地连接到压缩空气储罐101，而热交换消音器挡板20的出口端口经由主空气加热器102流体地连接到膨胀涡轮103。因此，从压缩空气储罐101排放的空气在被进给到主空气加热器102之前流过内部腔室22，以用于将热交换流体接收在消音器区段12的挡板20内部。
因此，当气体涡轮引擎50和CAES设备100同时操作时，从压缩空气储罐101排放的空气穿过消音器区段12内部的热交换挡板20，并且在进入主空气加热器102之前与气体涡轮引擎废气61进行热交换而被加热，从而冷却气体涡轮引擎废气61。这导致在主空气加热器102中将空气加热到特定温度所需的能量较少，同时减少与通过烟道10的废气流61相关联的热能损失，从而提高总体发电站效率。根据CAES设备100的热功率需求，热交换消音器区段12的热交换能力和CAES膨胀涡轮103所需的入口温度与热交换消音器区段12可以将从压缩空气储罐101排放的空气加热到的温度的匹配，热交换消音器区段12可以用作CAES设备的主空气加热器，并且因此可以省略加热器102。然而，应当注意，在没有CAES加热器102的布置中，CAES设备100的操作完全取决于气体涡轮引擎50的操作，而在存在CAES加热器102的情况下，CAES设备100可以独立于气体涡轮引擎50操作。
利用本文所公开的热交换消音器布置的发电站的第二示例性实例是具有涡轮增压器驱动的空气注入的气体涡轮发电站，如US 2019/0195131中基本描述并且在图9中示出的。除了气体涡轮引擎50之外，发电站还包括涡轮增压器具，在所描绘的示例性实施方案中，该涡轮增压器具包括低压涡轮增压器70和高压涡轮增压器75。示例性实施方案示出了三个低压涡轮增压器和一个高压涡轮增压器。如下文将显而易见的，一方面，通过低压涡轮增压器70的压缩机的质量流高于通过高压涡轮增压器75的质量流。此外，由于低压涡轮增压器70的压缩机71中的空气的压缩，即使在相同的质量流下，高压涡轮增压器75的压缩机76的入口流量也小于低压涡轮增压器70的压缩机71的入口质量流。考虑调整低压涡轮增压器的数量的这些影响，原则上允许高压涡轮增压器75和低压涡轮增压器70使用相同类型的涡轮增压器。
气体涡轮引擎50将废气从膨胀涡轮53通过过渡区段11排放到排气管道1中。由此，废气穿过热交换消音器区段12进入烟道10中。在操作中，进气65由低压压缩机71压缩并且作为低压压缩空气66从低压压缩机排放出来。低压压缩机71的压缩机出口流体地连接到布置在热交换消音器区段12内部的热交换消音器挡板20的入口端口和高压压缩机76的压缩机入口。因此，低压压缩空气66被分成流入热交换消音器区段12的热交换消音器挡板20的第一局部流，而第二局部流经由中间冷却器73供应到高压压缩机76的入口。布置在热交换消音器区段12内部的热交换消音器挡板20的出口端口流体地连接到低压涡轮增压器70的膨胀涡轮72的涡轮入口和高压涡轮增压器75的膨胀涡轮77的涡轮入口。因此，来自热交换消音器区段12的加热低压压缩空气67被递送到膨胀涡轮72和77，以便在涡轮中膨胀并且作为排放空气69排放出来。在使加热的低压压缩空气膨胀的过程中，膨胀涡轮72和77生成动力以驱动压缩机71和76。
高压压缩机76的压缩机出口流体地连接到气体涡轮引擎50的燃烧器52。因此，来自高压压缩机76的高压压缩空气68被递送到燃烧器52，从而增加由气体涡轮引擎的压缩机51递送到燃烧器52的质量流。因此，气体涡轮引擎的膨胀涡轮53可以膨胀的质量流比压缩机51递送的质量流更高。该构造增强了来自膨胀涡轮53的机械功率输出和/或减少了压缩机51的功率消耗，从而导致更多的功率可用于驱动发电机54生成电能。高压膨胀涡轮77的涡轮出口流体地连接到背压控制装置78，从而允许控制高压压缩空气68的压力。
结合本文所述主题的发电站的另一示例性实例在图10中示出，其中外部马达驱动压缩机111用于提升气体涡轮引擎50的功率输出。可以发现此类应用在低电网功率需求和峰值电网功率需求期间都是有用的。例如，在低电网功率需求时，电池借助于由气体涡轮引擎50驱动的发电机所生成的电力来充电。在峰值电网功率需求时，所述存储的电能可以用于驱动马达，该马达继而驱动压缩机111。一般来讲，压缩机111压缩进气65并且将所得的附加压缩空气基本上在压缩机51的下游或出口处进给到气体涡轮引擎中或进给到燃烧器52中。在任何情况下，压缩机111的出口与燃烧器52流体连通。
在本文所示的实施方案中，气体涡轮引擎50的膨胀涡轮53将废气排放到具有热交换消音器区段12的排气管道中，该热交换消音器区段包括热交换消音器挡板20。热交换消音器挡板20通过其入口端口和出口端口流体地插置在压缩机111与燃烧器52之间，并且被构造成接收从压缩机111输送到燃烧器52的流体流的至少一部分。因此，来自压缩机111的压缩空气81流过热交换消音器挡板20，并且作为加热的压缩空气82进给到压缩机51下游的气体涡轮引擎50。
温度传感器115感测加热的压缩空气82的温度并且将加热的压缩空气82的温度转发到控制器116。通过控制阀113，控制器116控制通过热交换消音器挡板20的压缩空气81的质量流，并且使压缩空气81的质量流适应可用的热，以便实现加热的压缩空气的所需目标温度。如果压缩机111不工作，则止动阀112能够关闭压缩空气81的管线。由于与气体涡轮引擎50的废气的热交换，压缩空气82在升高的温度下被引入到气体涡轮引擎50中，因此通过燃烧器52的气体涡轮引擎工作流体流的所述部分的温度升高减小。因此，通过压缩机111加热进给到气体涡轮引擎50的补充空气82减少了气体涡轮引擎50的燃料消耗。
图11示出了其中应用具有本文所述类型的热交换消音器区段的气体涡轮引擎来提高效率的发电站的另一示例性实例。如上所述，配备有进气预热热交换器的气体涡轮引擎的一个示例性、特定、非限制性实施方案公开于US 2018/0135467中。气体涡轮引擎50配备有进气预热回路，该进气预热回路包括进气预热热交换器56，该进气预热热交换器设置在入口壳体55中，位于气体涡轮引擎50的工作流体流中的气体涡轮引擎50的压缩机51的上游。进气预热虽然增加了气体涡轮引擎50的压缩机51的功率消耗，但是已知的是当以非常低的负荷操作气体涡轮引擎50时，进气预热是有效的手段。在改变进气60的温度时，如本领域技术人员所熟知的，可以以恒定的兆瓦功率输出来改变气体涡轮引擎50的相对功率输出。因此，操作点可以偏移，以便实现总体更好的效率和改善的排放值。
热交换消音器挡板20通过其入口端口和出口端口结合到进气预热回路中，以便使包含在进气预热回路中的流体流动通过内部腔室，以用于在热交换消音器挡板20内部提供热交换流体。以本领域技术人员通常熟悉的方式，进气预热回路包括泵117，该泵输送来自罐118的流体。通常通过设置在排气管道的热交换消音器区段12内部的热交换消音器挡板20从泵进给流体。
在气体涡轮引擎的操作期间，来自膨胀涡轮53的废气流过热交换消音器区段12。因此，由泵117输送并且流过热交换挡板20的流体在与来自气体涡轮引擎50的废气进行热交换时被加热，流过进气预热热交换器56，在与水进行热交换时加热流过压缩机51的进气60，并且返回到罐118。在进气预热回路中，在热交换消音器挡板20下游，布置温度传感器115并且该传感器连接到控制器116。控制器116作用在三通控制阀114上，该三通控制阀控制通过旁路管线的水流，该旁路管线绕过热交换挡板20，以便控制进入进气热交换器56的流体的温度。应当指出的是，温度传感器115可以布置在从进气热交换器56流到气体涡轮引擎50的压缩机51的加热的进气60的流中。这样，可直接控制进气的温度。此外，在本文所示的示例性实施方案中，进气预热回路包括止动阀112，该止动阀用于完全关闭进气预热回路中的流体流，以避免即使泵117关闭也可以发生的最终热驱动对流。
可以使用非常类似的布置将排气热回收应用于热交换式消音器挡板20中以用于燃料预热。在这种情况下，进气预热热交换器56将简单地被燃料预热热交换器代替，通过该燃料预热热交换器进给燃料而不是进气。
在图12中示出了气体涡轮发电站的另一示例性实施方案，该气体涡轮发电站利用本文所述的具有热交换消音器区段的排气管道。部分压缩空气在压缩机入口下游和压缩机出口上游的泄放端口处从气体涡轮引擎50的压缩机51泄放出来，并且被外部压缩机111进一步压缩。压缩机111的高压出口端口流体地连接到热交换消音器挡板20的入口端口。因此，来自外部压缩机111的压缩空气流过热交换挡板20。
另外的管线连接到压缩机51的高压出口和气体涡轮引擎50的燃烧器52中的至少一者，并且因此流体地连接热交换消音器挡板的出口端口和气体涡轮引擎的燃烧器。因此，来自气体涡轮引擎50的排气热恢复并且被重新引入到气体涡轮引擎过程中。温度传感器115感测热交换消音器挡板20下游的压缩空气的温度。所感测的温度被转发到控制器116，该控制器继而控制三通控制阀114。借助于三通阀114，来自压缩机111的压缩空气的一部分可以绕过热交换挡板20周围，从而允许控制热交换消音器挡板20下游的压缩空气的温度。布置在泄放空气的流动路径中的止动阀112允许关闭从泄放端口通过热交换消音器挡板20到气体涡轮引擎50的燃烧器52的外部流动路径。
虽然已经通过示例性实施方案解释了本公开的主题，但是应当理解，这些绝不旨在限制要求保护的本发明的范围。应当理解，权利要求书涵盖本文未明确示出或公开的实施方案，并且与在执行本公开的教导内容的示例性模式中公开的那些实施方案偏离的实施方案将仍然被权利要求书所涵盖。

Claims (14)

1.一种用于气体涡轮引擎(50)的排气管道(1)，所述排气管道包括消音器区段(12)，所述消音器区段具有入口和出口以及从所述入口到所述出口的流动方向；
其中，至少两个板形消音器挡板(20)设置在所述消音器区段(12)内部并且彼此平行布置，并且其中，每个消音器挡板沿所述消音器区段的所述流动方向从上游边缘(21)延伸到下游边缘，
所述至少两个板形消音器挡板中的每个具有沿所述消音器区段的所述流动方向从所述上游边缘(21)延伸到所述下游边缘的侧表面(25，26)，其中，两个相邻板形消音器挡板的两个侧表面彼此面对布置，并且在它们之间形成排放流动通道，
其中，所述板形消音器挡板中的至少一个还被构造成作为热交换装置，因为所述板形消音器挡板中的至少一个包括适于接收热交换流体的至少一个内部腔室(22)，其中，所述至少一个内部腔室在入口端口和出口端口(23，24)处流体地连接到所述排气管道的外部。
2.根据前述权利要求所述的排气管道，其中，所述至少一个内部腔室被提供为流体地连接到所述排气管道的所述外部的至少一个内部管道。
3.根据前述权利要求所述的排气管道，其中，至少一个内部管道(22)邻近并且沿至少一个板形消音器挡板(20)的前缘(21)延伸。
4.根据前述两项权利要求中任一项所述的排气管道，其中，至少一个内部管道(22)在至少一个消音器挡板内部以螺线形状延伸。
5.根据前述三项权利要求中任一项所述的排气管道，其中，至少一个消音器挡板的所述侧表面(25，26)设置在侧壁(250，260)上，其中，每个侧壁被设置为具有两个片材(251，252)的中空主体，其中在所述两个片材之间具有空间，其中，所述片材中的每个由多个开口穿孔，并且所述侧壁的所述片材(251，252)上的每对对齐的开口通过桥接所述空间并与所述相应片材气密地密封的管(27)连接，以便通过所述管流体地连接所述侧壁的两个相对侧，使得在所述两个片材之间的所述空间中和所述管的外部形成适于接收热交换流体的所述腔室(22)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的排气管道，其中，适于接收被构造成作为热交换装置的所有消音器挡板(20)的热交换流体的所有内部腔室(22)连接到两个公共集管(28，29)，其中，用于热交换流体的每个内部腔室流体地连接所述两个公共集管。
7.一种气体涡轮引擎(50)，其中，膨胀涡轮(53)的排气侧连接到根据任一前述权利要求所述的排气管道(1)。
8.一种发电站，包括根据前述权利要求所述的至少一个气体涡轮引擎(50)，并且还包括压缩空气储能器(CAES)系统(100)，其中，被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)的所述入口端口流体地连接到CAES储罐(101)，并且被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板的所述出口端口流体地连接到CAES膨胀涡轮(103)。
9.一种发电站，包括根据权利要求7所述的至少一个气体涡轮引擎(50)，并且还包括涡轮增压器具，其中，所述涡轮增压器具包括至少一个低压压缩机(71)、至少一个高压压缩机(76)以及用于驱动所述压缩机的至少一个涡轮(72，77)，其中：
所述至少一个低压压缩机(71)的压缩机出口流体地连接到被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)的所述入口端口和所述至少一个高压压缩机(76)的压缩机入口，
被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)的所述出口端口流体地连接到所述涡轮增压器具的所述至少一个涡轮(72，77)的涡轮入口，
所述涡轮增压器具的所述至少一个涡轮的涡轮出口流体地连接到背压控制装置(78)，并且
所述至少一个高压压缩机(76)的压缩机出口流体地连接到所述气体涡轮引擎的燃烧器(52)。
10.一种发电站，包括至少一个根据权利要求7所述的气体涡轮引擎(50)，其中，被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)通过其入口端口和出口端口流体地插置在所述气体涡轮引擎的压缩机(111)与燃烧器(52)之间，由此，被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板被构造成接收从所述压缩机输送到所述燃烧器的流体流的至少一部分。
11.根据前述权利要求所述的发电站，其中，所述压缩机(111)是与所述气体涡轮引擎(50)的所述压缩机(51)不同的补充压缩机，并且所述压缩机是马达驱动的。
12.一种发电站，包括至少一个根据权利要求7所述的气体涡轮引擎，其中，所述气体涡轮引擎配备有进气预热回路，其中，所述进气预热回路包括设置在所述气体涡轮引擎(50)的所述压缩机(51)上游的进气预热热交换器(56)，其中，被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)通过其入口端口和出口端口结合到所述进气预热回路中，以便使包含在所述进气预热回路中的流体流过所述内部腔室，以用于在被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板内部提供热交换流体。
13.一种发电站，包括至少一个根据权利要求7所述的气体涡轮引擎(50)，其中，所述气体涡轮引擎配备有燃料预热回路，其中，所述燃料预热回路包括燃料预热热交换器，所述燃料预热热交换器设置在燃料流动路径中的所述气体涡轮引擎的燃烧器的上游，其中，被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)通过其入口端口和出口端口结合到所述燃料预热回路中，以便使包含在所述燃料预热回路中的流体流过所述内部腔室，以用于在被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板内部提供热交换流体。
14.一种发电站，包括根据权利要求7所述的至少一个气体涡轮引擎(50)，其中，所述气体涡轮引擎的压缩机(51)包括在所述压缩机入口下游和所述压缩机出口上游的泄放端口，其中，第一管线从所述泄放端口延伸到外部压缩机(111)的低压入口端口，由此，所述第一管线将所述泄放端口流体地连接到所述外部压缩机的所述低压入口端口，其中，进一步地第二管线连接到所述外部压缩机(111)的所述高压出口端口并且流体地连接所述外部压缩机的所述高压出口端口和被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)的所述入口端口，并且第三管线连接到所述气体涡轮引擎的所述压缩机(51)的所述高压出口和所述气体涡轮引擎的燃烧器(52)中的至少一者，并且流体地连接被构造成作为热交换装置的所述消音器挡板(20)的所述出口端口以及所述气体涡轮引擎的所述压缩机的所述高压出口和所述气体涡轮引擎的所述燃烧器中的至少一者。
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