燃氣透平的製作方法
2023-07-01 23:46:46
專利名稱：燃氣透平的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃氣透平，尤其是涉及一種這樣形成的燃氣透平，即由一燃氣透平壓氣機壓縮的部分高壓空氣用作一空氣冷卻系統和一空氣噴射系統的空氣。
作為近來全球日益變暖和對動力需求增加的對策，要求燃氣透平動力裝置具有大的容量和高的效率。尤其是在將由一壓氣機壓縮的空氣導引到一燃燒器，將燃料供給該燃燒器與空氣一起燃燒，並利用其燃燒氣體驅動該燃氣透平的燃氣透平動力裝置中，藉助於更多地增加燃燒溫度可實現大的容量和高的效率。
然而，在熱量回收型燃氣透平，即用於回收由高溫燃氣包含的能量的燃氣透平中，存在著這樣的可能性，即暴露在高溫下又沒有冷卻的零部件會產生損壞因此發展成嚴重的事故。因此，在燃氣溫度高的燃氣透平動力裝置中，其高溫零部件用壓縮空氣或作為冷卻介質的蒸汽進行冷卻。
在另一方面，當諸如輕油之類的油用作燃料時，需要空氣來將燃料噴射入一燃燒器中。一種常規的空氣噴射系統由一個利用從壓氣機中排出的部分壓縮空氣的熱交換器來調節空氣溫度，並由壓氣機將其加壓到比燃燒空氣壓力更高的壓縮空氣，將其導流流過一過濾器形成清潔空氣從而防止燃料噴嘴堵塞，然後將空氣供給該燃燒器並用它來噴射燃料。
一種常規的空氣冷卻系統將壓氣機排出的空氣直接或者在流過用於調節溫度的熱交換器之後供給該透平的高溫零部件。在這種情況下，在使用從壓氣機中排出的部分空氣來冷卻透平葉片以改善透平效率然後將該部分空氣回收到燃燒器中的燃氣透平中，設置一個使冷卻空氣保持在合適的溫度的熱交換器和一個使冷卻空氣更清潔的細霧分離器。
例如，在日本專利申請特開平No.4-214931中公開了一種用壓氣機排出的空氣作冷卻空氣並由熱交換器調溫的系統構成，該冷卻空氣用來冷卻該透平的高溫零部件，同時用作燃料噴射空氣。
在按上述形式形成的燃氣透平中，即在一個同時具有一燃料噴射空氣系統和一空氣冷卻系統的燃氣透平中，並且該燃氣透平是如此形成以致於從冷卻空氣的可靠供給出發一增壓壓氣機可由該透平軸驅動，該透平啟動時的轉速小，所以該增壓壓氣機的排氣壓力是不足的，因此，在啟動時需要一個對其進行補償的空氣系統。
本發明是根據上述觀點研製的，其目的是為了提供一種甚至在啟動時也能足以將高壓空氣供給一燃料噴射空氣系統和一空氣冷卻系統。
即，本發明希望利用一種燃氣透平來實現這個理想的目的，該燃氣透平具有一個提供冷卻空氣來冷卻該燃氣透平的高溫零部件的空氣冷卻系統和一個提供空氣來將燃料噴射入一燃燒器中的噴射空氣系統，並且該燃氣透平是如此形成的以致於由一燃氣透平壓氣機壓縮的部分高壓空氣可用作該空氣冷卻系統的冷卻空氣和該噴射空氣系統的噴射空氣，並且其中的一熱交換器和一增壓壓氣機被布置在該燃氣透平壓氣機的壓縮空氣出口側下遊，該增壓壓氣機由一個由該透平軸驅動的壓氣機和一個由一透平軸之外的驅動源驅動的壓氣機相併列構成，並且從該增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作該空氣冷卻系統的冷卻空氣和該噴射空氣系統的噴射空氣。
此外，本發明希望一燃氣透平具有一個提供冷卻空氣來冷卻該燃氣透平的高溫零部件的空氣冷卻系統和一個提供空氣來將燃料噴射入一燃燒器中的噴射空氣系統，並且該燃氣透平是如此形成的以致於由一燃氣透平壓氣機壓縮的部分高壓空氣可用作該空氣冷卻系統的冷卻空氣和該噴射空氣系統的噴射空氣，並且其中的一熱交換器和一增壓壓氣機被布置在該燃氣透平壓氣機的壓縮空氣出口側下遊，該增壓壓氣機由一個由該透平軸驅動的壓氣機和一個由一透平軸之外的驅動源驅動並在該燃氣透平啟動時運行的壓氣機相併列構成，並且從該增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作該空氣冷卻系統用和該噴射空氣系統用的空氣。
在這種情況下，由透平軸驅動的壓氣機和由一透平軸之外的驅動源驅動的壓氣機之間安裝一個用於切換到噴射空氣系統的切換裝置。在由透平軸驅動的壓氣機和由一透平軸之外的驅動源驅動的壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一單向閥。在該增壓壓氣機的高壓空氣輸出側，在該噴射空氣系統中安裝一個用於對噴射空氣進行冷卻的熱交換器。在該增壓壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一個調節輸出壓力的壓力調節裝置。由透平軸之外的一驅動源驅動的壓氣機是一個由一電動機驅動的壓氣機或一個由一內燃機驅動的壓氣機。
即，在按上述形成的一種燃氣透平中，一熱交換器和一增壓壓氣機設置在該燃氣透平壓氣機的壓縮空氣輸出側的下遊，並且該增壓壓氣機由一個由該透平軸驅動的壓氣機和一個由該透平軸之外的一驅動源驅動的壓氣機相併列構成，並且從該增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作該空氣冷卻系統和該噴射空氣系統用的空氣，所以在啟動時，這個由透平軸之外的一驅動源驅動的壓氣機運行，並且供給燃料噴射空氣和冷卻空氣，因此即使在啟動時，也可將合適的高壓空氣提供給該燃料噴射系統和冷卻系統。
圖1是表示本發明的燃氣透平的一實施例的一示意圖；圖2是表示本發明的燃氣透平的另一實施例的一示意圖；圖3是表示本發明的燃氣透平的另一實施例的一示意圖；圖4是表示本發明的燃氣透平的另一實施例的一示意圖；圖5是表示本發明的燃氣透平的另一實施例的一示意圖。
下面將根據各附圖中所示的各實施例對本發明進行詳細說明。在圖1中示出了本發明的一實施例所述的一燃氣透平系統。標號1表示一壓氣機，2表示一燃燒器，3表示一透平，7表示一個由該透平軸驅動的增壓壓氣機，10表示一個由一電動機(或一內燃機)，即除該透平軸之外的一驅動源(作為示例下面將對由電動機驅動的情況進行說明)驅動的增壓壓氣機，9a表示一高溫零部件空氣冷卻系統，11a表示燃料噴射空氣系統。
從燃氣透平壓氣機1出口分流出的一側的壓縮空氣A1由一熱交換器4冷卻到合適的溫度，然後被導流到一細霧分離器5中，在該分離器中將空氣中的細霧分離。另一側的壓縮空氣被導流到通到該燃燒器2中的管路中。然後，該壓縮空氣A1從該細霧分離器5導流到一過濾器6，從而去除該壓縮空氣中包含的異物，例如灰塵。再後，該增壓壓氣機7將該壓縮空氣加壓到燃料噴射和空氣冷卻要求的最佳壓力。
在由該透平軸驅動的增壓壓氣機7的下遊側還安裝一過濾器8，使供給燃燒器2和透平3的空氣最終是清潔的。將一部分作為燃料噴射空氣和冷卻空氣的壓縮空氣調節到一合適的溫度和壓力通過系統11a提供給該燃燒器2作為從該燃料系統提供的燃料噴射空氣。另一部分壓縮空氣通過空氣冷卻系統9a提供給該透平的高溫零部件作為冷卻空氣。
在這種情況下，具體地說，在由該透平軸驅動的增壓壓氣機7的部分中，由電動機驅動並在該透平啟動時運行的增壓壓氣機10與該增壓壓氣機7並列安裝。利用該增壓壓氣機10，即使在透平啟動時也能提供足夠壓力的燃料噴射空氣和高溫冷卻空氣。
即，當冷卻空氣供給的可靠性藉助於只有透平軸旋轉就驅動該增壓壓氣機旋轉的透平軸驅動的增壓壓氣機7得到改善時，由於透平在啟動時，透平軸的轉速低，增壓壓氣機排出的壓力不夠，因此空氣不能用作燃料噴射空氣。然而，在前述結構中，在透平啟動時，使用一個帶有由該電動機驅動的增壓壓氣機10的啟動噴射空氣系統11，這樣就可使由該透平軸驅動的冷卻空氣供給系統具有高的可靠性，且即使在啟動時也可獲得燃料噴射空氣。
在這種情況下，不必說，透平啟動後其轉速增加到預定轉速時，電動機驅動的增壓壓氣機10停止，且不必要的功率減少。
圖2表示本發明的第二實施例，此時增壓壓氣機7和10安裝有閥21和22，用於對分別由透平軸和電動機驅動的增壓壓氣機7和10進行切換。這樣，啟動時，對透平軸驅動的增壓壓氣機7出口側的壓力進行檢測，並在排氣壓力足夠高時，該系統可從由啟動用的電動機驅動增壓壓氣機10的狀態切換到透平軸驅動的增壓壓氣機7的狀態。
在啟動噴射空氣系統11的空氣出口側安裝一旁通系統15。在該旁通系統15中，設置一個當由電動機驅動的增壓壓氣機10停止時，防止該增壓壓氣機10因該旁通系統中的空氣回流而損壞的單向閥17和一個該旁通系統15用的減壓孔16。
圖3示出了第三實施例。在透平軸和電動機驅動的增壓壓氣機的出口側分別設置單向閥12和13。這樣，當該透平啟動時，燃料噴射空氣藉助於由電動機驅動的增壓壓氣機10供給燃燒器2。當透平轉速增加時，透平軸驅動的增壓壓氣機7的排氣壓力增加並變得比該電動機驅動的增壓壓氣機10的壓力更高。所以藉助於透平軸驅動的增壓壓氣機和電動機驅動的增壓壓氣機之間的排氣壓力差，可將噴射空氣供給系統切換到該透平軸驅動的增壓壓氣機7或燃燒器2的狀態。因此，沒有必要安裝一個用於對該系統進行切換的控制單元，並且可獲得一個可靠性高且簡單的噴射空氣系統。
在圖4示出的第四實施例中，一個熱交換器18安裝在該噴射空氣系統11a中，用來將空氣提供給燃燒器2。這樣，即使在用來冷卻該透平的高溫零部件的空氣的溫度和用作燃料噴射的空氣的溫度之間存在差別，藉助於降低燃料噴射空氣的溫度並將其調節到一合適的溫度，也可以防止因燃料暴露在高溫空氣中產生碳化。
圖5示出了第五實施例，設置一個用於調節透平軸驅動的增壓壓氣機7的進口壓力的壓力調節閥19和一個用於調節燃料噴射空氣壓力的壓力調節閥20。此時，在各壓力調節閥19和20中，並列設置有用於在各閥處於完全關閉的關閉運行狀態時，保護各壓氣機的各旁通孔。利用這種結構，藉助於檢測冷卻空氣和噴射空氣的每個系統壓力，並控制各壓力調節閥，可將每個壓力調節到要求的合適壓力。
當該透平啟動時，燃料噴射空氣藉助於由該電動機驅動的增壓壓氣機10提供給該燃燒器2。此時，由於電動機驅動的增壓壓氣機10的排氣壓力大於透平軸驅動的增壓壓氣機7的排氣壓力，因此單向閥12完全關閉，並且透平軸驅動的增壓壓氣機7排出的全部空氣用作冷卻空氣，供給該透平的各高溫零部件。供給燃燒器2的燃料噴射空氣的壓力可由壓力調節閥20調節到合適的壓力。藉助於使壓力調節閥20的開度降低而從該電動機驅動的增壓壓氣機10中產生的剩餘空氣流過該旁通系統15，並由孔16使其壓力降低，然後回流到熱交換器4的進口。
當透平軸驅動的增壓壓氣機7的排氣壓力隨透平3的轉速增加而增加時，單向閥13由壓差作用完全關閉，並且電動機驅動的增壓壓氣機10排出的空氣全部供給該旁通系統15。因此，燃料噴射空氣切換到透平軸驅動的增壓壓氣機7排出的空氣的狀態。當燃料噴射空氣系統被切換後，由電動機驅動的增壓壓氣機10停止，從而減少不必要的功率。
就冷卻該透平的高溫零部件的冷卻空氣而言，在考慮該透平的高溫零部件產生的熱應力時，冷卻空氣供給所要求的空氣溫度應該比燃料噴射空氣的最佳溫度高。因此，將透平軸驅動的增壓壓氣機7排出的空氣供給熱交換器18並使其降低到合適的溫度，從而防止燃料的碳化。
為了調節燃料噴射空氣供給該燃燒器2的流量，燃料噴射空氣通過壓力調節閥20提供給燃燒器20。此時，從冷卻空氣系統的可靠性方面考慮，理想的是該壓力調節閥20是一個這樣的閥，即它通常是完全關閉的，且通過洩壓孔將燃料噴射空氣的壓力調節到需要的壓力，並將燃油噴射油提供給燃燒器2，同時在它出故障時，它也是完全關閉的。
根據這個實施例，當該透平啟動時，啟動用的燃料空氣系統可容易地切換到常用的噴射空氣系統的狀態。
如上所述，在一種這樣形成的燃氣透平中，當燃料噴射空氣和透平的高溫零部件的冷卻空氣由該透平軸驅動的增壓壓氣機供給時，在啟動時，驅動電動機驅動的增壓壓氣機，並且供給燃料噴射空氣，因此即使在啟動時也可提供適合於燃料噴射的高壓空氣。
如上所述，根據本發明，可獲得這樣的燃氣透平，即該透平可提供足夠的高壓空氣給燃料噴射空氣系統和空氣冷卻系統，即使在它處於啟動時，也能如此。
權利要求
1．一種燃氣透平，其具有一個提供冷卻空氣來冷卻所述燃氣透平的高溫零部件的空氣冷卻系統和一個提供空氣來將燃料噴射入一燃燒器中的噴射空氣系統，並且所述燃氣透平是如此形成的以致於由一燃氣透平壓氣機壓縮的部分高壓空氣用作所述空氣冷卻系統的冷卻空氣和所述噴射空氣系統的噴射空氣，其中，一熱交換器和一增壓壓氣機被布置在所述燃氣透平壓氣機的壓縮空氣出口側下遊，所述增壓壓氣機由一個由一透平軸驅動的壓氣機和一個由所述透平軸之外的一驅動源驅動的壓氣機相併列構成，並且從所述增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作所述空氣冷卻系統的冷卻空氣和所述噴射空氣系統的噴射空氣。
2．一種燃氣透平，其具有一個提供冷卻空氣來冷卻所述燃氣透平的高溫零部件的空氣冷卻系統和一個提供空氣來將燃料噴射入一燃燒器中的噴射空氣系統，並且所述燃氣透平是如此形成的以致於由一燃氣透平壓氣機壓縮的部分高壓空氣用作所述空氣冷卻系統的冷卻空氣和所述噴射空氣系統的噴射空氣，其中，一熱交換器和一增壓壓氣機被布置在所述燃氣透平壓氣機的壓縮空氣出口側下遊，所述增壓壓氣機由一個由所述透平軸驅動的壓氣機和一個由一透平軸之外的驅動源驅動並在所述燃氣透平啟動時運行的壓氣機相併列構成，並且從所述增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作所述空氣冷卻系統用和所述噴射空氣系統用的空氣。
3．如權利要求1或2所述的燃氣透平，其中，在由所述透平軸驅動的所述壓氣機和由除所述透平軸之外的一驅動源驅動的所述壓氣機之間安裝有用於切換到所述噴射空氣系統的切換裝置。
4．如權利要求1或2所述的燃氣透平，其中，在由所述透平軸驅動的所述壓氣機和由除所述透平軸之外的一驅動源驅動的所述壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一單向閥。
5．如權利要求1或2所述的燃氣透平，其中，在所述噴射空氣系統中，在所述增壓壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一個用於冷卻噴射空氣的熱交換器。
6．如權利要求1或2所述的燃氣透平，其中，在所述增壓壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一個用於調節出口壓力的壓力調節裝置。
7．如權利要求1或2所述的燃氣透平，其中，由除所述透平軸之外的一驅動源驅動的所述壓氣機是一個由一電動機驅動的壓氣機或一個由一內燃機驅動的壓氣機。
8．如權利要求1或2所述燃氣透平，其中，由除所述透平軸之外的一驅動源驅動的所述壓氣機是一個由一電動機驅動的壓氣機，並且在所述每個壓氣機的出口安裝一單向閥，在所述噴射空氣系統中，安裝一個用於冷卻噴射空氣的熱交換器，在每個所述壓氣機的高壓空氣輸出側安裝一個用於調節排氣壓力的調節閥。
全文摘要
一種燃氣透平,其具有空氣冷卻系統和噴射空氣系統,部分高壓空氣用作該空氣冷卻系統的冷卻空氣和該噴射空氣系統的噴射空氣,其中,熱交換器和增壓壓氣機被布置在該燃氣透平壓氣機的壓縮空氣出口側下遊,該增壓壓氣機由一個由一透平軸驅動的壓氣機和一個由該透平軸之外的一驅動源驅動的壓氣機相併列構成,並且從該增壓壓氣機排出的壓縮空氣用作該空氣冷卻系統的冷卻空氣和該噴射空氣系統的噴射空氣 。
文檔編號F02C7/14GK1310292SQ0012618
公開日2001年8月29日 申請日期2000年8月31日 優先權日2000年2月25日
發明者山中和典, 近藤聰, 野田雅美 申請人:株式會社日立製作所