帶冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪和其低負(fù)載運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及帶冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪和其低負(fù)載運(yùn)行方法。提供了一種燃?xì)鉁u輪(10)和用于運(yùn)行燃?xì)鉁u輪(10)的方法，這種燃?xì)鉁u輪(10)包括壓縮機(jī)(1)、燃燒器(2)、渦輪(3)和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)具有從壓縮機(jī)(1)的第一放氣管通向渦輪(3)的至少第一冷卻空氣管線(4)，以及相對(duì)于第一冷卻空氣管線(4)位于壓縮機(jī)(1)的下游位置的至少一個(gè)第二冷卻空氣管線(5)，其中，在所述第二冷卻空氣管線(5)中設(shè)置了熱交換器(7)，以用于冷卻抽取的較高壓力的空氣，并且熱交換器(7)與壓縮機(jī)(1)的空氣入口側(cè)相連接，使得傳遞熱量，以便加熱壓縮機(jī)(1)的入口空氣。
【專利說(shuō)明】帶冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪和其低負(fù)載運(yùn)行方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪，并且還涉及一種用于在尤其較低的部分負(fù)載下運(yùn)行這種燃?xì)鉁u輪的方法。本發(fā)明尤其涉及這樣一種燃?xì)鉁u輪，其具有冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)在壓縮機(jī)側(cè)處在第一放氣管下游的放氣管處抽取空氣，從而抽取不同壓力水平下的冷卻空氣以用于冷卻渦輪部件的目的。

【背景技術(shù)】
[0002]與關(guān)于這種燃?xì)鉁u輪的性能和效率的需求并列的是，這些需求一方面在高應(yīng)力的機(jī)器構(gòu)件的冷卻以及另一方面在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和尺寸方面正在日益增加。從運(yùn)行安全的觀點(diǎn)來(lái)看，需要在燃?xì)鉁u輪所有可能的運(yùn)行條件下保證充分的冷卻。對(duì)于在低電力需求時(shí)期以較低的部分負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的燃?xì)鉁u輪尤其如此。
[0003]基本上，燃?xì)鉁u輪和燃?xì)鉁u輪聯(lián)合循環(huán)被認(rèn)為在負(fù)載上是非常靈活的。它們?cè)谪?fù)載跟蹤方面以及在起動(dòng)的情況下是快速的。然而，如果當(dāng)前燃?xì)鉁u輪尤其在非常低的部分負(fù)載下進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，關(guān)于環(huán)境適應(yīng)性，并且從渦輪部件的充分冷卻和燃燒器中穩(wěn)定燃燒的觀點(diǎn)來(lái)看存在問題。當(dāng)這種燃?xì)鉁u輪在非常低的部分負(fù)載下，在可變?nèi)肟趯?dǎo)葉關(guān)閉或幾乎關(guān)閉的條件下進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，熱氣體溫度下降，并因此限制了預(yù)混合的燃燒穩(wěn)定性。此外，在這種情形下，用于渦輪冷卻空氣的足夠壓力的供給也將下降，并且從冷卻系統(tǒng)流向渦輪的冷卻空氣流可能下降到可容許的下限之下。在現(xiàn)有技術(shù)中，具有冷卻系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪是已知的，其在壓縮機(jī)處包括不同壓力水平下的不同的放氣管，從而將足夠質(zhì)量流量的冷卻空氣供給渦輪部件。來(lái)自這種冷卻系統(tǒng)的更下游放氣管的冷卻空氣在壓力和溫度方面是較高的，這是為什么必須降低溫度，以便為冷卻系統(tǒng)提供足夠冷卻的原因。出于這個(gè)目的，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出一種冷卻系統(tǒng)，其中在第一冷卻空氣管線的下游設(shè)置了第二冷卻空氣管線，并且從第二冷卻空氣管線得到的空氣在引入到渦輪中之前被冷卻下來(lái)。
[0004]這種在較低的部分負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行的燃?xì)鉁u輪的又一問題是，當(dāng)負(fù)載在過(guò)渡時(shí)間快速變化時(shí)，壓縮機(jī)外殼和導(dǎo)葉支架比壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片收縮得更快。由于壓縮機(jī)構(gòu)件的熱變形方面的這個(gè)差異，壓縮機(jī)葉片或?qū)~的末端間隙變得比穩(wěn)定的部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)更小，這可能要么導(dǎo)致這些部件的接觸，或者可能需要更高的穩(wěn)態(tài)間隙，這對(duì)于壓縮機(jī)效率是有害的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]考慮到上面的問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種燃?xì)鉁u輪以及一種用于在非常低的負(fù)載下以改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)的冷卻效率且以環(huán)境相容的方式運(yùn)行燃?xì)鉁u輪的方法。本發(fā)明的又一目的是為這種燃?xì)鉁u輪提供靈活且大范圍負(fù)載運(yùn)行模式的可能性，從而避免壓縮機(jī)的部件或元件在過(guò)渡時(shí)間的退化。
[0006]這個(gè)問題通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的燃?xì)鉁u輪，以及通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求11的步驟運(yùn)行燃?xì)鉁u輪的方法來(lái)解決。在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和進(jìn)一步的發(fā)展。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪包括壓縮機(jī)、燃燒器、渦輪和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)具有從壓縮機(jī)的第一放氣管通向渦輪的至少第一冷卻空氣管線，以及相對(duì)于第一冷卻空氣管線位于壓縮機(jī)下游位置的至少第二冷卻空氣管線，其特征在于，在第二冷卻空氣管線中設(shè)置了熱交換器，以用于冷卻抽取的較高壓力的空氣，并且熱交換器與壓縮機(jī)的空氣入口側(cè)相連接，使得傳遞熱量，以便加熱壓縮機(jī)的入口空氣。通過(guò)這些措施，冷卻空氣的溫度在燃?xì)鉁u輪較低的部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)也變得足夠低，因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱交換器除去了第二冷卻空氣管線中的空氣的熱量。根據(jù)本發(fā)明從冷卻空氣中除去的熱量還被傳遞給壓縮機(jī)的入口側(cè)，以便加熱入口空氣或至少入口空氣的一部分，這確保燃燒室中具有足夠高的氣體溫度。根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪因此不僅提供了一種更高效的冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，而且還減少了有關(guān)燃?xì)鉁u輪在較低的部分負(fù)載狀況下穩(wěn)定燃燒的問題。因此也能夠使燃?xì)鉁u輪在非常低的負(fù)載下，尤其在穩(wěn)定負(fù)載的15%的負(fù)載或甚至更低負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)具有非常低的NOx和CO的排放。
[0008]第二冷卻空氣管線例如可連接在第一放氣管下游的第二放氣管上，或者例如連接在壓縮機(jī)下游的壓縮機(jī)穩(wěn)壓室上。在帶有中間冷卻的壓縮機(jī)的情況下，放氣管還可設(shè)置在來(lái)回中間冷卻器的管線中。
[0009]來(lái)自第二冷卻空氣管線中的熱交換器中的熱量被直接或間接地傳遞給壓縮機(jī)的入口側(cè)，并且高效地用于入口空氣的預(yù)加熱的目的。因此不需要為加熱燃?xì)鉁u輪的入口空氣提供額外的預(yù)熱器系統(tǒng)(但額外是可能的)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的方面，熱交換器和至壓縮機(jī)入口側(cè)的連接管線是以整體形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以燃?xì)鉁u輪的結(jié)構(gòu)是緊湊的。熱交換器可具有不同類型的熱交換器的形式，這在本領(lǐng)域中是已知的。本發(fā)明提供了一種燃?xì)鉁u輪，其容許壓縮機(jī)出口溫度、燃燒器熱氣溫度和冷卻空氣供給壓力增加，同時(shí)具有比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和只有一些額外的必要的渦輪部件。因此根據(jù)本發(fā)明可以在低于現(xiàn)有技術(shù)渦輪的可能最低的部分負(fù)載的非常低的部分負(fù)載下運(yùn)行燃?xì)鉁u輪，并且在仍然有足夠的渦輪冷卻空氣供給的條件下滿足排放適應(yīng)性。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的方面，第二冷卻空氣管線的熱交換器連接在預(yù)熱器系統(tǒng)上，以在預(yù)熱器系統(tǒng)中將熱量從第二冷卻空氣管線傳遞給入口空氣。利用傳遞至燃?xì)鉁u輪的預(yù)熱器的熱量，即使在燃?xì)鉁u輪的低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，入口空氣在溫度上也是足夠高的。此夕卜，減少了預(yù)熱器的能量消耗。同樣，在自熱交換器所傳遞的熱量不足以進(jìn)行穩(wěn)定燃燒的情況下，由于燃?xì)鉁u輪的預(yù)熱器系統(tǒng)提供額外的熱量的原因，燃?xì)鉁u輪的運(yùn)行仍然是可能的。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，預(yù)熱器系統(tǒng)包括電加熱器，或者通過(guò)外部熱源來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。預(yù)熱器系統(tǒng)例如可設(shè)置在空氣進(jìn)氣口處，位于空氣進(jìn)氣口的空氣過(guò)濾器之前，并且可能具有熱循環(huán)，熱循環(huán)帶有加熱介質(zhì)以及合適的熱交換器和泵。從第二冷卻空氣管線的熱交換器傳遞至預(yù)熱器系統(tǒng)的加熱循環(huán)的熱量可具有簡(jiǎn)單的連接管線的形式，或者可用其它額外的熱交換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)這種熱傳遞的不同的可能性是已知的。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，燃?xì)鉁u輪具有空氣進(jìn)氣口和位于空氣進(jìn)氣口下游的空氣分配裝置，其特征在于，在空氣進(jìn)氣口和分配裝置之間給出了空氣抽取管線，其設(shè)有熱交換裝置，用于將熱量從熱交換器傳遞給壓縮機(jī)的入口空氣。因此，通過(guò)空氣抽取管線流向空氣分配裝置的入口空氣的僅一部分可通過(guò)源自壓縮機(jī)側(cè)的熱交換器的熱量進(jìn)行加熱?？諝獬槿」芫€連接到空氣進(jìn)氣口上，優(yōu)選位于空氣進(jìn)氣口過(guò)濾器之后，并且根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的方面，在空氣抽取管線中設(shè)置了鼓風(fēng)機(jī)，使得入口空氣中被加熱的部分直接被引導(dǎo)至空氣分配裝置中?？諝夥峙溲b置設(shè)置在空氣進(jìn)氣口的下游，即在空氣進(jìn)氣口和壓縮機(jī)的入口側(cè)之間?？諝夥峙溲b置使得以特別限定的方式將入口空氣中被加熱的部分引入到壓縮機(jī)的喇叭口中是可能的，從而可實(shí)現(xiàn)具有不同溫度的入口空氣流的不同的溫度分布。在關(guān)于這個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的一種備選形式中，在空氣抽取管線中來(lái)自空氣進(jìn)氣口的空氣通過(guò)渦輪增壓器而非鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽取，并且渦輪增壓器被第二冷卻管線的放氣流驅(qū)動(dòng)。安裝了渦輪增壓器而非鼓風(fēng)機(jī)，使得抽取的加熱的空氣被引導(dǎo)至燃?xì)鉁u輪的空氣分配裝置中。渦輪增壓器降低了來(lái)自第二放氣管或第二冷卻空氣管線中的空氣的溫度和壓力，使得足夠低溫度的冷卻空氣供給有待冷卻的渦輪部件，同時(shí)確保了燃燒室中的氣體有足夠高的溫度。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，提供了一種混合裝置，其用于使兩個(gè)冷卻空氣管線的冷卻空氣在引入到渦輪中之前混合。通過(guò)改變來(lái)自第一冷卻空氣管線和第二冷卻空氣管線的冷卻空氣的量，可以很容易地根據(jù)燃?xì)鉁u輪的運(yùn)行狀態(tài)而控制合適的冷卻溫度。另夕卜，混合裝置可根據(jù)外面的溫度水平而用于使更多周圍空氣混合到兩個(gè)冷卻空氣管線的冷卻空氣中。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，環(huán)形空氣分配裝置設(shè)置在壓縮機(jī)的入口側(cè)，其中通過(guò)傳遞自第二冷卻空氣管線或其它熱源的熱量所加熱的入口空氣經(jīng)由多個(gè)噴嘴以環(huán)形空氣膜的形式而被引入到壓縮機(jī)喇叭口中。借助于此，在壓縮機(jī)的入口側(cè)可形成特定的所需的入口空氣的徑向溫度分布:較暖的入口空氣通過(guò)空氣分配裝置被特別引導(dǎo)至壓縮機(jī)的徑向外側(cè)，而較冷的進(jìn)氣處于壓縮機(jī)內(nèi)側(cè)的環(huán)形層中。因此，可獲得不同溫度的入口空氣的均質(zhì)的周向分配，其中給出特定的徑向溫度分布(較暖的入口空氣位于外側(cè))。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，在燃?xì)鉁u輪的負(fù)載在過(guò)渡時(shí)間快速變化的過(guò)程中可以更好地控制轉(zhuǎn)子葉片的末端間隙，使得在任何情況下，在壓縮機(jī)的這些部件之間給出足夠間隙，并且壓縮機(jī)將不會(huì)受損，或者不必將壓縮機(jī)建造成在相應(yīng)的壓縮機(jī)部件之間有較大的間隙，燃?xì)鉁u輪負(fù)載的快速變化會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)外殼和壓縮機(jī)的內(nèi)部部件不同的收縮。尤其，因此避免了壓縮機(jī)導(dǎo)葉的接觸和退化。較暖的入口空氣通過(guò)空氣分配裝置均質(zhì)地注入在壓縮機(jī)外殼的內(nèi)部半徑處的圓周上，從而產(chǎn)生一種徑向溫度分布，其用于在過(guò)渡運(yùn)行期間增加壓縮機(jī)末端間隙，即用于在燃?xì)鉁u輪的加載或減載期間避免壓縮機(jī)部件的不同的有害的變形。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，與直接來(lái)自空氣進(jìn)氣口的入口空氣的內(nèi)部部分相t匕，環(huán)形空氣分配裝置適合于產(chǎn)生較暖的入口空氣的環(huán)形外部膜。根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪的空氣分配裝置可具有多個(gè)以彼此相等的距離設(shè)置在壓縮機(jī)喇叭口的圓周上的噴嘴或空氣噴口。因此，在壓縮機(jī)中通過(guò)不同溫度的入口空氣產(chǎn)生了同外側(cè)相比在內(nèi)側(cè)具有不同溫度的一種溫度分布。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠意識(shí)到壓縮機(jī)中這種特定的徑向溫度分布。關(guān)于在所附權(quán)利要求的權(quán)利要求8、9和10中所限定的空氣分配裝置的本公開的這個(gè)部分還可與其它形式和類型的燃?xì)鉁u輪或其它類型的渦輪分開來(lái)使用。本公開因此并不僅僅局限于結(jié)合權(quán)利要求中所限定的燃?xì)鉁u輪使用這種類型的壓縮機(jī)的環(huán)形空氣分配裝置。
[0016]本發(fā)明還涉及在權(quán)利要求11中所限定的一種用于運(yùn)行燃?xì)鉁u輪的方法。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行運(yùn)行的燃?xì)鉁u輪包括壓縮機(jī)、燃燒器、渦輪和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)具有從壓縮機(jī)的第一放氣管通向渦輪的至少第一冷卻空氣管線，以及相對(duì)于第一冷卻空氣管線位于壓縮機(jī)下游位置的至少一個(gè)第二冷卻空氣管線，其中設(shè)置了熱交換器，以用于冷卻抽取的較高壓力的空氣，并且其特征在于將熱量從所述熱交換器傳遞給壓縮機(jī)入口空氣或至少入口空氣的一部分。從冷卻空氣冷卻系統(tǒng)抽取的用于降低壓縮機(jī)的第二放氣管中的空氣溫度的熱量根據(jù)本發(fā)明用于在入口空氣或壓縮機(jī)上游位置加熱入口空氣的一部分。因此在以非常低的部分負(fù)載(例如只有燃?xì)鉁u輪名義負(fù)載的15%的負(fù)載或更低的負(fù)載)運(yùn)行燃?xì)鉁u輪的情況下也在燃燒室中獲得了用于穩(wěn)定燃燒的足夠高的氣體溫度。這種運(yùn)行方法關(guān)于環(huán)境的適應(yīng)性也是高效的，即其產(chǎn)生低NOx和低CO的排放。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法在燃?xì)鉁u輪的所有運(yùn)行情形中提供了處于足夠壓力和溫度下的足夠的冷卻空氣的供給。
[0017]根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)有利的方面，熱量被傳遞給預(yù)熱器系統(tǒng)，用于加熱所述壓縮機(jī)的整個(gè)進(jìn)氣。預(yù)熱器系統(tǒng)可具有電加熱器，或者可通過(guò)外部熱源進(jìn)行運(yùn)行。利用自冷卻空氣冷卻系統(tǒng)所傳遞的額外的熱量，以更快的方式且以更低的能量消耗加熱入口空氣。在至今實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明方法的一種備選形式中，熱量從冷卻系統(tǒng)的第二冷卻空氣管線傳遞給從空氣進(jìn)氣口抽取的入口空氣，以在壓縮機(jī)入口之前加熱進(jìn)氣的一部分。通過(guò)這種方法，可以更好地控制入口空氣的溫度，并且/或者在壓縮機(jī)入口側(cè)的喇叭口處實(shí)現(xiàn)不同形式的入口空氣的溫度分布。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，該方法的特征在于，在所述渦輪上游使來(lái)自空氣冷卻系統(tǒng)的所述第一冷卻空氣管線的冷卻空氣與來(lái)自所述第二冷卻空氣管線的冷卻空氣相混合。更靈活的冷卻空氣的溫度控制因此是可能的。此外，這種混合還可與外面空氣的混合相結(jié)合，這依賴于在燃?xì)鉁u輪不同的使用情形下外部空氣的溫度。
[0019]根據(jù)本發(fā)明方法的又一有利的方面，該方法的特征在于，在壓縮機(jī)喇叭口的外周向側(cè)面上產(chǎn)生了熱空氣膜，其比(直接)來(lái)自空氣進(jìn)氣口的入口空氣的內(nèi)部部分更溫暖。借助于此，實(shí)現(xiàn)了一種壓縮機(jī)間隙控制，從而避免由于例如不同的收縮持續(xù)時(shí)間而對(duì)壓縮機(jī)的內(nèi)部部件產(chǎn)生任何損害。如果壓縮機(jī)的外殼遇到較暖的空氣膜，甚至在燃?xì)鉁u輪的滿負(fù)載運(yùn)行和部分負(fù)載運(yùn)行之間快速過(guò)渡的情況下也能保持與壓縮機(jī)導(dǎo)葉的必要的間隙，且反之亦然。本公開的這個(gè)部分還可用于其它燃?xì)鉁u輪或本申請(qǐng)中沒有描述過(guò)的渦輪。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一有利的方面，該方法的特征在于，在較低的部分負(fù)載下通過(guò)將冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣供給壓力控制為至少預(yù)設(shè)的最小閾值來(lái)運(yùn)行燃?xì)鉁u輪。利用這種運(yùn)行模式，渦輪可在低能量需求的情況下，在非常低的部分負(fù)載下進(jìn)行運(yùn)行，同時(shí)仍然保持燃?xì)鉁u輪的長(zhǎng)的壽命，因?yàn)樵谌魏吻樾蜗露紴槔鋮s空氣的供給壓力保持最小的閾值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]以下將通過(guò)本發(fā)明的若干個(gè)實(shí)施例并參照附圖更詳細(xì)地描述本申請(qǐng)的發(fā)明，其中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的帶有預(yù)熱器系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪的第一實(shí)施例的示意圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪的第二實(shí)施例的示意圖，其從空氣進(jìn)氣口和空氣分配裝置中抽取空氣；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪的第三實(shí)施例的示意圖，其從空氣進(jìn)氣口和渦輪增壓器中抽取空氣；并且
圖4是根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪的又一實(shí)施例的位于壓縮機(jī)入口側(cè)的環(huán)形空氣分配裝置的示意性的橫截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪的第一實(shí)施例的示意圖，其具有用于流向壓縮機(jī)I的入口空氣的冷卻空氣冷卻系統(tǒng)以及預(yù)熱器系統(tǒng)8。燃?xì)鉁u輪10基本上包括壓縮機(jī)1、燃燒器2和渦輪3。燃?xì)鉁u輪10在這個(gè)實(shí)施例中還設(shè)有位于空氣進(jìn)氣口 9上游的預(yù)熱器系統(tǒng)8，由此加熱流向壓縮機(jī)I的入口空氣，尤其在燃?xì)鉁u輪10的部分負(fù)載運(yùn)行模式中。由于具有處于壓縮機(jī)I的第一壓力水平下的至少第一冷卻空氣管線4或冷卻空氣放氣管以及相對(duì)于第一冷卻空氣管線4位于壓縮機(jī)I的下游位置的至少一個(gè)第二冷卻空氣管線5，燃?xì)鉁u輪10的冷卻空氣冷卻系統(tǒng)特別適合于部分負(fù)載運(yùn)行，即適于冷卻初始具有較高溫度和壓力的空氣。來(lái)自冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣流向渦輪3，以便冷卻渦輪3的相應(yīng)的部件。這兩個(gè)來(lái)自冷卻空氣管線4、5的冷卻空氣流可單獨(dú)地進(jìn)行控制，或者可在混合裝置6中進(jìn)行混合，以便為渦輪3提供足夠溫度水平的冷卻空氣。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的第二冷卻空氣管線5在這里設(shè)有熱交換器7或熱交換裝置，以便在這個(gè)具有較高壓力和溫度的冷卻空氣進(jìn)入渦輪3之前冷卻該冷卻空氣。熱交換器4熱連接在預(yù)熱器系統(tǒng)8上，從而將熱量從熱交換器7傳遞給燃?xì)鉁u輪10的入口側(cè)，以便通過(guò)預(yù)熱器系統(tǒng)8支持加熱。當(dāng)燃?xì)鉁u輪10以較低的部分負(fù)載進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，通過(guò)第二冷卻空氣管線5從壓縮機(jī)I中抽取空氣，并將熱量從熱交換器7直接或間接地傳遞給預(yù)熱器系統(tǒng)8，例如通過(guò)例如利用熱油或任何合適的流體進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)或進(jìn)行直接熱交換的熱交換器。尤其在燃?xì)鉁u輪10的部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)，通過(guò)這個(gè)來(lái)自熱交換器7的熱量可加熱來(lái)自空氣進(jìn)氣口 9的整個(gè)進(jìn)氣，使得在壓縮機(jī)出口為燃?xì)鉁u輪10的燃燒器2中的穩(wěn)定燃燒獲得足夠高的溫度。同時(shí)，由于第二冷卻空氣管線5中的冷卻空氣通過(guò)與預(yù)熱器系統(tǒng)8相連接的熱交換器7而冷卻下來(lái)，賦予了冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣足夠的壓力。
[0024]作為一種用于在預(yù)熱器系統(tǒng)8處加熱進(jìn)氣的手段，可提供電加熱器19，或者可使用外部熱源。預(yù)熱器系統(tǒng)8還包括泵和合適的連接管線，從而可實(shí)現(xiàn)來(lái)自壓縮機(jī)I的冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的熱交換器7的高效的熱傳遞。冷卻空氣管線4和5以及可能的其它冷卻空氣管線或放氣管設(shè)有相應(yīng)的控制閥和控制器件(圖1中未顯示)，由此在冷卻空氣進(jìn)入渦輪3之前控制冷卻空氣的溫度。為此目的還提供了混合裝置6，其中來(lái)自兩個(gè)冷卻空氣管線4、5的冷卻空氣可與或不與額外的周圍空氣或沒有被這個(gè)燃?xì)鉁u輪10的冷卻空氣冷卻系統(tǒng)所冷卻的空氣相混合。此外，對(duì)于燃?xì)鉁u輪10不以部分負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的情形，在冷卻空氣管線5中提供了空氣旁路16，使得不需要來(lái)自第二冷卻空氣管線5的冷卻空氣或來(lái)自放氣管的冷卻空氣。
[0025]利用根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪10，實(shí)現(xiàn)了具有低NOx和CO排放的與環(huán)境相容的運(yùn)行，同時(shí)由于冷卻空氣冷卻系統(tǒng)和至預(yù)熱器系統(tǒng)8的熱傳遞的組合的原因而實(shí)現(xiàn)了足夠壓力的二次氣流的冷卻空氣，如參照?qǐng)D1所述。因此避免了在燃?xì)鉁u輪的低負(fù)載期間熱氣體溫度下降到下限以下，這將會(huì)阻礙燃燒器2中的穩(wěn)定燃燒。來(lái)自壓縮機(jī)I的空氣在溫度上是足夠高的，并且來(lái)自冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣處于足夠高的壓力水平，即使燃?xì)鉁u輪10在非常低的負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，例如在減少電力需求的情形下以15%的負(fù)載或甚至更低的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪因此特別適合于消費(fèi)者的負(fù)載需求快速變化，以及動(dòng)力發(fā)生源(例如風(fēng)能)的供給快速變化的情形，使得電力的產(chǎn)生一直等于電力消耗。
[0026]圖2的示意圖顯示了本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪10的又一實(shí)現(xiàn)示例。與上述本發(fā)明的第一實(shí)施例相反，這里的燃?xì)鉁u輪10不設(shè)有預(yù)熱器系統(tǒng)8。來(lái)自冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的第二冷卻空氣管線5的熱量在這里被傳遞給空氣抽取管線12，由此抽取空氣進(jìn)氣口 9的空氣的一部分或一小部分并通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)18將其引導(dǎo)至位于壓縮機(jī)I的入口側(cè)的空氣分配裝置11中。熱量通過(guò)額外的熱交換器裝置13以及位于熱交換器7和這個(gè)熱交換器裝置13之間的泵而被傳遞給空氣抽取管線12中的所抽取的空氣，使得合適的熱交換流體流過(guò)在壓縮機(jī)的入口側(cè)和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)之間的相應(yīng)的熱交換循環(huán)。在本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪10的這個(gè)第二實(shí)施例中，同樣獲得了足夠高的燃燒器氣體的溫度，同時(shí)從冷卻空氣冷卻系統(tǒng)中獲得足夠高的冷卻空氣的壓力，特別是針對(duì)燃?xì)鉁u輪10的非常低的負(fù)載運(yùn)行。這里，壓縮機(jī)入口空氣只有一小部分被加熱，其在空氣進(jìn)氣口過(guò)濾器之后通過(guò)空氣抽取管線12抽取自空氣進(jìn)氣口 9。這個(gè)第二實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪10的其它構(gòu)件和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與上面參照?qǐng)D1所述的第一實(shí)施例是相似的，并且將不再進(jìn)行詳細(xì)地描述。
[0027]在圖3中，在示意圖中顯示了根據(jù)本申請(qǐng)的發(fā)明的燃?xì)鉁u輪10的第三種實(shí)現(xiàn)形式。燃?xì)鉁u輪10在這里與之前參照?qǐng)D2所述的實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪10是相似的，但使用了渦輪增壓器17來(lái)替代空氣抽取管線12中的鼓風(fēng)機(jī)18，渦輪增壓器17將第二冷卻空氣管線2中的空氣的溫度和壓力降低到適合于冷卻渦輪3的水平。同樣在這里，來(lái)自空氣進(jìn)氣口 9的入口空氣只有一小部分在空氣過(guò)濾器之后被空氣抽取管線12抽取，并通過(guò)渦輪增壓器17引導(dǎo)至額外的熱交換器裝置13中，其中在所抽取的空氣經(jīng)過(guò)空氣分配裝置11流入到壓縮機(jī)I的入口之前，熱量被引入到所抽取的空氣中。對(duì)于在冷卻空氣冷卻系統(tǒng)和壓縮機(jī)I的入口側(cè)之間的熱傳遞，在熱交換器7和額外的熱交換器裝置13之間提供帶泵的熱循環(huán)，其具有合適的加熱循環(huán)流體。在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪10的這個(gè)實(shí)施例的情況下，在有關(guān)NOdP CO排放的環(huán)境要求方面相應(yīng)增加的背景下同樣可實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪10在非常低的負(fù)載下的高效運(yùn)行。
[0028]在壓縮機(jī)I的較高壓力的放氣管上的額外的冷卻空氣管線以及從冷卻空氣冷卻系統(tǒng)至壓縮機(jī)I的入口側(cè)的入口空氣的熱傳遞的組合導(dǎo)致在渦輪3的一側(cè)具有足夠高的冷卻空氣壓力，同時(shí)由于來(lái)自壓縮機(jī)I的空氣有足夠高的溫度而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒。上面所述的本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例當(dāng)然還可以彼此組合，并且可具有這里沒有詳細(xì)描述的額外構(gòu)件。根據(jù)圖2和圖3的實(shí)施例還可與具有如圖所示的額外預(yù)熱器系統(tǒng)8且參照?qǐng)D1所述的燃?xì)鉁u輪10進(jìn)行組合。熱交換器7和熱交換器裝置13可具有本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的任何合適的熱交換裝置的形式。為了控制燃?xì)鉁u輪10的運(yùn)行，燃?xì)鉁u輪10還設(shè)有合適的控制裝置，由此可控制冷卻空氣管線4、5和空氣旁路16以及混合裝置6中的控制閥。由于入口空氣通過(guò)傳遞自壓縮機(jī)的冷卻空氣系統(tǒng)的特定熱量而被額外加熱，所以可高效地增加燃燒器熱氣體溫度，同時(shí)保持恒定的渦輪出口溫度，結(jié)果，低排放運(yùn)行是可能的，特別是在燃?xì)鉁u輪10的較低的部分負(fù)載下。在上面圖2和圖3所述的實(shí)施例中，空氣抽取管線12的被加熱的抽取的空氣通過(guò)空氣分配裝置11引入到壓縮機(jī)I中。
[0029]這個(gè)空氣分配裝置11可為環(huán)形空氣分配裝置，其具有多個(gè)沿周向設(shè)置的噴嘴或空氣噴口，噴嘴或空氣噴口被提供來(lái)使得在壓縮機(jī)I的壓縮機(jī)喇叭口中產(chǎn)生熱空氣膜。環(huán)形空氣分配裝置11特別具有這種形式，其能夠產(chǎn)生在壓縮機(jī)I的外殼(外部部分)附近具有較高溫度的徑向溫度分布，這在加載期間比通常更快速地加熱這個(gè)部分，或者在減載期間使溫度下降延遲，并因而使外殼的收縮延遲。利用空氣分配裝置11的這種設(shè)計(jì)形式，本發(fā)明進(jìn)一步減少了壓縮機(jī)I的構(gòu)件的間隙控制相關(guān)的問題:在傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪的負(fù)載過(guò)渡期間，壓縮機(jī)外殼(導(dǎo)葉支架)通常比轉(zhuǎn)子更快收縮，尤其在燃?xì)鉁u輪減載至非常低的部分負(fù)載時(shí)，這同穩(wěn)定的部分負(fù)載運(yùn)行相比導(dǎo)致壓縮機(jī)葉片或?qū)~的末端間隙減少。在現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)鉁u輪的情況下，這要么導(dǎo)致了接觸，或者可能需要更高的穩(wěn)態(tài)間隙，這對(duì)于壓縮機(jī)效率是有害的。根據(jù)空氣入口裝置11的新的特定的結(jié)構(gòu)，這些問題得以避免:在相同的軸向位置，外部部分(壓縮機(jī)外殼)比壓縮機(jī)I的徑向內(nèi)部部件經(jīng)歷更高溫度的入口空氣流。本發(fā)明的這個(gè)公開部分還可與這里所述類型的渦輪分開來(lái)使用。
[0030]圖4的示意性的橫截面圖顯示了這種環(huán)形空氣分配裝置11的一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例，其可能采用上面圖2和圖3所示的實(shí)施例的形式來(lái)使用。應(yīng)該注意，圖4中所示的這種空氣分配裝置11根據(jù)本公開并不局限于結(jié)合圖2和圖3的燃?xì)鉁u輪10的這些形式來(lái)使用，而是還可用于其它類型的燃?xì)鉁u輪或本申請(qǐng)中未顯示的渦輪。環(huán)形空氣分配裝置11在壓縮機(jī)I的入口側(cè)具有多個(gè)位于壓縮機(jī)I的周向外部部分處的徑向噴嘴14，其包圍壓縮機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子。入口空氣通過(guò)噴嘴14或空氣噴口進(jìn)行供給，使得入口空氣在壓縮機(jī)I的喇叭口處形成了一種兩層的空氣流，其在周向方向上是均質(zhì)的，但在徑向方向上具有不同的溫度分布。由于通過(guò)空氣抽取管線12中的熱交換器13對(duì)入口空氣的額外加熱，外面的空氣流比直接來(lái)自空氣進(jìn)氣口 9而沒有額外加熱的內(nèi)層入口空氣更加溫暖。環(huán)形空氣分配裝置11的空氣噴口或噴嘴14以相等的距離設(shè)置成完全圍繞壓縮機(jī)I的外殼的圓周。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員知道如何在這種空氣膜剖面中產(chǎn)生不同的均質(zhì)的空氣膜，其在徑向方向上具有不同的溫度。當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪10中利用這種環(huán)形空氣分配裝置11時(shí)，實(shí)現(xiàn)了又一優(yōu)點(diǎn):在不需要燃?xì)鉁u輪10的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式的條件下支持壓縮機(jī)間隙控制。通過(guò)這個(gè)方法，進(jìn)一步提高了尤其在非常低的負(fù)載下的燃?xì)鉁u輪運(yùn)行的效率。
【權(quán)利要求】
1.一種燃?xì)鉁u輪(10)包括壓縮機(jī)(I)、燃燒器(2)、渦輪(3)和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻空氣冷卻系統(tǒng)具有從所述壓縮機(jī)(I)的第一放氣管通向所述渦輪(3)的至少第一冷卻空氣管線(4)，以及相對(duì)于所述第一冷卻空氣管線(4)位于所述壓縮機(jī)(I)的下游位置的至少一個(gè)第二冷卻空氣管線(5)，其特征在于，在所述第二冷卻空氣管線(5)中設(shè)置了熱交換器(7)，以用于冷卻抽取的較高壓力的空氣，并且所述熱交換器(7)與所述壓縮機(jī)(I)的空氣入口側(cè)相連接，使得傳遞熱量，以便加熱所述壓縮機(jī)(I)的入口空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，所述熱交換器(7)連接在預(yù)熱器系統(tǒng)(8)上，以傳遞來(lái)自所述第二冷卻空氣管線(5)的熱量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，所述預(yù)熱器系統(tǒng)(8)包括電加熱器(19)或通過(guò)外部熱源來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，具有空氣進(jìn)氣口(9)和位于所述空氣進(jìn)氣口(9)下游的空氣分配裝置(11)，其特征在于，在所述空氣進(jìn)氣口(9)和所述分配裝置(11)之間有空氣抽取管線，其設(shè)有熱交換裝置(13)，以將熱量從所述熱交換器(7)傳遞給所述壓縮機(jī)(I)的入口空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，在所述空氣抽取管線(12)中設(shè)置了鼓風(fēng)機(jī)(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，來(lái)自所述空氣進(jìn)氣口(9)的空氣通過(guò)渦輪增壓機(jī)(17)來(lái)抽取，所述渦輪增壓機(jī)(17)由所述第二冷卻空氣管線(5)的放氣流來(lái)驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，提供了混合裝置(6)，其用于使所述兩個(gè)冷卻空氣管線(4，5)的冷卻空氣在引入所述渦輪(3)之前混合。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，在所述壓縮機(jī)(I)的入口側(cè)處設(shè)置了環(huán)形空氣分配裝置(11)，其中通過(guò)傳遞自所述第二冷卻空氣管線(7)的熱量所加熱的入口空氣經(jīng)由多個(gè)噴嘴(14)以環(huán)形空氣膜的形式被引入到壓縮機(jī)喇叭口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，與來(lái)自所述空氣進(jìn)氣口(9)的入口空氣的內(nèi)部部分相比，所述環(huán)形空氣分配裝置(11)適合于產(chǎn)生更溫暖的入口空氣的環(huán)形的外部膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的燃?xì)鉁u輪(10)，其特征在于，所述空氣分配裝置(11)具有多個(gè)噴嘴(14)或空氣噴口，它們彼此以相等距離設(shè)置在所述壓縮機(jī)喇叭口的圓周上。
11.一種用于運(yùn)行燃?xì)鉁u輪(10)的方法，所述燃?xì)鉁u輪(10)包括壓縮機(jī)(I)、燃燒器(2)、渦輪(3)和冷卻空氣冷卻系統(tǒng)，所述冷卻空氣冷卻系統(tǒng)具有從所述壓縮機(jī)(I)的第一放氣管通向所述渦輪(3)的至少第一冷卻空氣管線(4)，以及相對(duì)于所述第一冷卻空氣管線(4)位于所述壓縮機(jī)(I)的下游位置的至少一個(gè)第二冷卻空氣管線(5)，其中設(shè)置了熱交換器(7)，以冷卻抽取的較高壓力的空氣，其特征在于，將熱量從所述熱交換器(7)傳遞給所述壓縮機(jī)入口空氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將所述熱量傳遞給預(yù)熱器系統(tǒng)(8)，以加熱所述壓縮機(jī)(I)的整個(gè)進(jìn)氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將所述熱量傳遞給從所述空氣進(jìn)氣口(9)抽取的入口空氣，以在壓縮機(jī)入口之前加熱進(jìn)氣的一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述渦輪(3)上游使來(lái)自所述第一冷卻空氣管線(4)和來(lái)自所述第二冷卻空氣管線(5)的冷卻空氣混合。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在壓縮機(jī)喇叭口的外周向側(cè)面處產(chǎn)生熱空氣膜，其比來(lái)自所述空氣進(jìn)氣口(9)的入口空氣的內(nèi)部部分更溫暖。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中的任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在較低的部分負(fù)載下運(yùn)行所述燃?xì)鉁u輪(10)，并將所述冷卻空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣供給壓力控制為至少預(yù)設(shè)的最小閾值。
【文檔編號(hào)】F02C6/04GK104514635SQ201410509112
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月1日
【發(fā)明者】K.克納普, K.多伊貝林 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司