CN1188588C - 燃气透平 - Google Patents

Abstract

一种燃气透平，其具有空气冷却系统和喷射空气系统，部分高压空气用作该空气冷却系统的冷却空气和该喷射空气系统的喷射空气，其中，热交换器和增压压气机被布置在该燃气透平压气机的压缩空气出口侧下游，该增压压气机由一个由一透平轴驱动的压气机和一个由该透平轴之外的一驱动源驱动的压气机相并列构成，并且从该增压压气机排出的压缩空气用作该空气冷却系统的冷却空气和该喷射空气系统的喷射空气。

Description

燃气透平

本发明涉及一种燃气透平，尤其是涉及一种这样形成的燃气透平，即由一燃气透平压气机压缩的部分高压空气用作一空气冷却系统和一空气喷射系统的空气。

作为近来全球日益变暖和对动力需求增加的对策，要求燃气透平动力装置具有大的容量和高的效率。尤其是在将由一压气机压缩的空气导引到一燃烧器，将燃料供给该燃烧器与空气一起燃烧，并利用其燃烧气体驱动该燃气透平的燃气透平动力装置中，借助于更多地增加燃烧温度可实现大的容量和高的效率。

然而，在热量回收型燃气透平，即用于回收由高温燃气包含的能量的燃气透平中，存在着这样的可能性，即暴露在高温下又没有冷却的零部件会产生损坏因此发展成严重的事故。因此，在燃气温度高的燃气透平动力装置中，其高温零部件用压缩空气或作为冷却介质的蒸汽进行冷却。

在另一方面，当诸如轻油之类的油用作燃料时，需要空气来将燃料喷射入一燃烧器中。一种常规的空气喷射系统由一个利用从压气机中排出的部分压缩空气的热交换器来调节空气温度，并由压气机将其加压到比燃烧空气压力更高的压缩空气，将其导流流过一过滤器形成清洁空气从而防止燃料喷嘴堵塞，然后将空气供给该燃烧器并用它来喷射燃料。

一种常规的空气冷却系统将压气机排出的空气直接或者在流过用于调节温度的热交换器之后供给该透平的高温零部件。在这种情况下，在使用从压气机中排出的部分空气来冷却透平叶片以改善透平效率然后将该部分空气回收到燃烧器中的燃气透平中，设置一个使冷却空气保持在合适的温度的热交换器和一个使冷却空气更清洁的细雾分离器。

例如，在日本专利申请特开平No.4-214931中公开了一种用压气机排出的空气作冷却空气并由热交换器调温的系统构成，该冷却空气用来冷却该透平的高温零部件，同时用作燃料喷射空气。

在按上述形式形成的燃气透平中，即在一个同时具有一燃料喷射空气系统和一空气冷却系统的燃气透平中，并且该燃气透平是如此形成以致于从冷却空气的可靠供给出发一增压压气机可由该透平轴驱动，该透平启动时的转速小，所以该增压压气机的排气压力是不足的，因此，在启动时需要一个对其进行补偿的空气系统。

本发明是根据上述观点研制的，其目的是为了提供一种甚至在启动时也能足以将高压空气供给一燃料喷射空气系统和一空气冷却系统。

即，本发明希望利用一种燃气透平来实现这个理想的目的，该燃气透平具有一个提供冷却空气来冷却该燃气透平的高温零部件的空气冷却系统和一个提供空气来将燃料喷射入一燃烧器中的喷射空气系统，并且该燃气透平是如此形成的以致于由一燃气透平压气机压缩的部分高压空气可用作该空气冷却系统的冷却空气和该喷射空气系统的喷射空气，并且其中的一热交换器和一增压压气机被布置在该燃气透平压气机的压缩空气出口侧下游，该增压压气机由一个由该透平轴驱动的压气机和一个由一透平轴之外的驱动源驱动的压气机相并列构成，并且从该增压压气机排出的压缩空气用作该空气冷却系统的冷却空气和该喷射空气系统的喷射空气。

此外，本发明希望一燃气透平具有一个提供冷却空气来冷却该燃气透平的高温零部件的空气冷却系统和一个提供空气来将燃料喷射入一燃烧器中的喷射空气系统，并且该燃气透平是如此形成的以致于由一燃气透平压气机压缩的部分高压空气可用作该空气冷却系统的冷却空气和该喷射空气系统的喷射空气，并且其中的一热交换器和一增压压气机被布置在该燃气透平压气机的压缩空气出口侧下游，该增压压气机由一个由该透平轴驱动的压气机和一个由一透平轴之外的驱动源驱动并在该燃气透平启动时运行的压气机相并列构成，并且从该增压压气机排出的压缩空气用作该空气冷却系统用和该喷射空气系统用的空气。

在这种情况下，由透平轴驱动的压气机和由一透平轴之外的驱动源驱动的压气机之间安装一个用于切换到喷射空气系统的切换装置。在由透平轴驱动的压气机和由一透平轴之外的驱动源驱动的压气机的高压空气输出侧安装一单向阀。在该增压压气机的高压空气输出侧，在该喷射空气系统中安装一个用于对喷射空气进行冷却的热交换器。在该增压压气机的高压空气输出侧安装一个调节输出压力的压力调节装置。由透平轴之外的一驱动源驱动的压气机是一个由一电动机驱动的压气机或一个由一内燃机驱动的压气机。

即，在按上述形成的一种燃气透平中，一热交换器和一增压压气机设置在该燃气透平压气机的压缩空气输出侧的下游，并且该增压压气机由一个由该透平轴驱动的压气机和一个由该透平轴之外的一驱动源驱动的压气机相并列构成，并且从该增压压气机排出的压缩空气用作该空气冷却系统和该喷射空气系统用的空气，所以在启动时，这个由透平轴之外的一驱动源驱动的压气机运行，并且供给燃料喷射空气和冷却空气，因此即使在启动时，也可将合适的高压空气提供给该燃料喷射系统和冷却系统。

图1是表示本发明的燃气透平的一实施例的一示意图；

图2是表示本发明的燃气透平的另一实施例的一示意图；

图3是表示本发明的燃气透平的另一实施例的一示意图；

图4是表示本发明的燃气透平的另一实施例的一示意图；

图5是表示本发明的燃气透平的另一实施例的一示意图。

下面将根据各附图中所示的各实施例对本发明进行详细说明。在图1中示出了本发明的一实施例所速的一燃气透平系统。标号1表示一压气机，2表示一燃烧器，3表示一透平，7表示一个由该透平轴驱动的增压压气机，10表示一个由一电动机(或一内燃机)，即除该透平轴之外的一驱动源(作为示例下面将对由电动机驱动的情况进行说明)驱动的增压压气机，9a表示一高温零部件空气冷却系统，11a表示燃料喷射空气系统。

从燃气透平压气机1出口分流出的一侧的压缩空气A1由一热交换器4冷却到合适的温度，然后被导流到一细雾分离器5中，在该分离器中将空气中的细雾分离。另一侧的压缩空气被导流到通到该燃烧器2中的管路中。然后，该压缩空气A1从该细雾分离器5导流到一过滤器6，从而去除该压缩空气中包含的异物，例如灰尘。再后，该增压压气机7将该压缩空气加压到燃料喷射和空气冷却要求的最佳压力。

在由该透平轴驱动的增压压气机7的下游侧还安装一过滤器8，使供给燃烧器2和透平3的空气最终是清洁的。将一部分作为燃料喷射空气和冷却空气的压缩空气调节到一合适的温度和压力通过系统11a提供给该燃烧器2作为从该燃料系统提供的燃料喷射空气。另一部分压缩空气通过空气冷却系统9a提供给该透平的高温零部件作为冷却空气。

在这种情况下，具体地说，在由该透平轴驱动的增压压气机7的部分中，由电动机驱动并在该透平启动时运行的增压压气机10与该增压压气机7并列安装。利用该增压压气机10，即使在透平启动时也能提供足够压力的燃料喷射空气和高温冷却空气。

即，当冷却空气供给的可靠性借助于只有透平轴旋转就驱动该增压压气机旋转的透平轴驱动的增压压气机7得到改善时，由于透平在启动时，透平轴的转速低，增压压气机排出的压力不够，因此空气不能用作燃料喷射空气。然而，在前述结构中，在透平启动时，使用一个带有由该电动机驱动的增压压气机10的启动喷射空气系统11，这样就可使由该透平轴驱动的冷却空气供给系统具有高的可靠性，且即使在启动时也可获得燃料喷射空气。

在这种情况下，不必说，透平启动后其转速增加到预定转速时，电动机驱动的增压压气机10停止，且不必要的功率减少。

图2表示本发明的第二实施例，此时增压压气机7和10安装有阀21和22，用于对分别由透平轴和电动机驱动的增压压气机7和10进行切换。这样，启动时，对透平轴驱动的增压压气机7出口侧的压力进行检测，并在排气压力足够高时，该系统可从由启动用的电动机驱动增压压气机10的状态切换到透平轴驱动的增压压气机7的状态。

在启动喷射空气系统11的空气出口侧安装一旁通系统15。在该旁通系统15中，设置一个当由电动机驱动的增压压气机10停止时，防止该增压压气机10因该旁通系统中的空气回流而损坏的单向阀17和一个该旁通系统15用的减压孔16。

图3示出了第三实施例。在透平轴和电动机驱动的增压压气机的出口侧分别设置单向阀12和13。这样，当该透平启动时，燃料喷射空气借助于由电动机驱动的增压压气机10供给燃烧器2。当透平转速增加时，透平轴驱动的增压压气机7的排气压力增加并变得比该电动机驱动的增压压气机10的压力更高。所以借助于透平轴驱动的增压压气机和电动机驱动的增压压气机之间的排气压力差，可将喷射空气供给系统切换到该透平轴驱动的增压压气机7或燃烧器2的状态。因此，没有必要安装一个用于对该系统进行切换的控制单元，并且可获得一个可靠性高且简单的喷射空气系统。

在图4示出的第四实施例中，一个热交换器18安装在该喷射空气系统11a中，用来将空气提供给燃烧器2。这样，即使在用来冷却该透平的高温零部件的空气的温度和用作燃料喷射的空气的温度之间存在差别，借助于降低燃料喷射空气的温度并将其调节到一合适的温度，也可以防止因燃料暴露在高温空气中产生碳化。

图5示出了第五实施例，设置一个用于调节透平轴驱动的增压压气机7的进口压力的压力调节阀19和一个用于调节燃料喷射空气压力的压力调节阀20。此时，在各压力调节阀19和20中，并列设置有用于在各阀处于完全关闭的关闭运行状态时，保护各压气机的各旁通孔。利用这种结构，借助于检测冷却空气和喷射空气的每个系统压力，并控制各压力调节阀，可将每个压力调节到要求的合适压力。

当该透平启动时，燃料喷射空气借助于由该电动机驱动的增压压气机10提供给该燃烧器2。此时，由于电动机驱动的增压压气机10的排气压力大于透平轴驱动的增压压气机7的排气压力，因此单向阀12完全关闭，并且透平轴驱动的增压压气机7排出的全部空气用作冷却空气，供给该透平的各高温零部件。供给燃烧器2的燃料喷射空气的压力可由压力调节阀20调节到合适的压力。借助于使压力调节阀20的开度降低而从该电动机驱动的增压压气机10中产生的剩余空气流过该旁通系统15，并由孔16使其压力降低，然后回流到热交换器4的进口。

当透平轴驱动的增压压气机7的排气压力随透平3的转速增加而增加时，单向阀13由压差作用完全关闭，并且电动机驱动的增压压气机10排出的空气全部供给该旁通系统15。因此，燃料喷射空气切换到透平轴驱动的增压压气机7排出的空气的状态。当燃料喷射空气系统被切换后，由电动机驱动的增压压气机10停止，从而减少不必要的功率。

就冷却该透平的高温零部件的冷却空气而言，在考虑该透平的高温零部件产生的热应力时，冷却空气供给所要求的空气温度应该比燃料喷射空气的最佳温度高。因此，将透平轴驱动的增压压气机7排出的空气供给热交换器18并使其降低到合适的温度，从而防止燃料的碳化。

为了调节燃料喷射空气供给该燃烧器2的流量，燃料喷射空气通过压力调节阀20提供给燃烧器20。此时，从冷却空气系统的可靠性方面考虑，理想的是：该压力调节阀20是一个这样的阀，即它通常是完全关闭的，且通过泄压孔将燃料喷射空气的压力调节到需要的压力，并将燃油喷射油提供给燃烧器2，同时在它出故障时，它也是完全关闭的。

根据这个实施例，当该透平启动时，启动用的燃料空气系统可容易地切换到常用的喷射空气系统的状态。

如上所述，在一种这样形成的燃气透平中，当燃料喷射空气和透平的高温零部件的冷却空气由该透平轴驱动的增压压气机供给时，在启动时，驱动电动机驱动的增压压气机，并且供给燃料喷射空气，因此即使在启动时也可提供适合于燃料喷射的高压空气。

如上所述，根据本发明，可获得这样的燃气透平，即该透平可提供足够的高压空气给燃料喷射空气系统和空气冷却系统，即使在它处于启动时，也能如此。

Claims (8)

1.一种燃气透平，其具有一个提供冷却空气来冷却所述燃气透平的高温零部件的空气冷却系统和一个提供空气来将燃料喷射入一燃烧器中的喷射空气系统，并且所述燃气透平是如此形成的以致于由一燃气透平压气机压缩的部分高压空气用作所述空气冷却系统的冷却空气和所述喷射空气系统的喷射空气，其中，一热交换器和一增压压气机被布置在所述燃气透平压气机的压缩空气出口侧下游，所述增压压气机由一个由一透平轴驱动的压气机和一个由所述透平轴之外的一驱动源驱动的压气机相并列构成，并且从所述增压压气机排出的压缩空气用作所述空气冷却系统的冷却空气和所述喷射空气系统的喷射空气。

2.一种燃气透平，其具有一个提供冷却空气来冷却所述燃气透平的高温零部件的空气冷却系统和一个提供空气来将燃料喷射入一燃烧器中的喷射空气系统，并且所述燃气透平是如此形成的以致于由一燃气透平压气机压缩的部分高压空气用作所述空气冷却系统的冷却空气和所述喷射空气系统的喷射空气，其中，一热交换器和一增压压气机被布置在所述燃气透平压气机的压缩空气出口侧下游，所述增压压气机由一个由所述透平轴驱动的压气机和一个由一透平轴之外的驱动源驱动并在所述燃气透平启动时运行的压气机相并列构成，并且从所述增压压气机排出的压缩空气用作所述空气冷却系统用和所述喷射空气系统用的空气。

3.如权利要求1或2所述的燃气透平，其中，在由所述透平轴驱动的所述压气机和由除所述透平轴之外的一驱动源驱动的所述压气机之间安装有用于切换到所述喷射空气系统的切换装置。

4.如权利要求1或2所述的燃气透平，其中，在由所述透平轴驱动的所述压气机和由除所述透平轴之外的一驱动源驱动的所述压气机的高压空气输出侧安装一单向阀。

5.如权利要求1或2所述的燃气透平，其中，在所述喷射空气系统中，在所述增压压气机的高压空气输出侧安装一个用于冷却喷射空气的热交换器。

6.如权利要求1或2所述的燃气透平，其中，在所述增压压气机的高压空气输出侧安装一个用于调节出口压力的压力调节装置。

7.如权利要求1或2所述的燃气透平，其中，由除所述透平轴之外的一驱动源驱动的所述压气机是一个由一电动机驱动的压气机或一个由一内燃机驱动的压气机。

8.如权利要求1或2所述燃气透平，其中，由除所述透平轴之外的一驱动源驱动的所述压气机是一个由一电动机驱动的压气机，并且在所述每个压气机的出口安装一单向阀，在所述喷射空气系统中，安装一个用于冷却喷射空气的热交换器，在每个所述压气机的高压空气输出侧安装一个用于调节排气压力的调节阀。

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