專利名稱：：渦輪機和用于提高渦輪機中功率效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及渦輪機領(lǐng)域，尤其是涉及渦輪機和用于提高渦輪機中功率效率的方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代的渦輪機通過使用20:1或更大的高絕熱壓縮比以獲取更高的效率和更高的功率輸出。高壓縮比導(dǎo)致高效率和增加的功率輸出。絕熱壓縮是^f吏用高效軸流壓縮機獲得，并且常常伴有溫升，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮效率降低。為了減少這種溫升，空氣預(yù)冷裝置吮吸熱，進(jìn)而部分地抵消任何效率增益。并且，部分壓縮的空氣被提取用來冷卻燃?xì)廨啓C的熱氣通路部件。產(chǎn)生冷卻空氣的功不傳遞到渦輪機，因而呈現(xiàn)進(jìn)一步的效率損失。為了解決這種無效功和提高功率輸出，許多現(xiàn)代渦輪機使用泵入更多的空氣或在壓縮機排氣(CDC)擴散器出口或擴散器出口的下游提供蒸汽噴射的外部壓縮機。然而，外部壓縮機呈現(xiàn)額外的功率消耗，因而產(chǎn)生效率損失。當(dāng)蒸汽噴射提高傳熱率并增加功率輸出時，需要高質(zhì)量高壓力(HP)蒸汽。高質(zhì)量HP蒸汽的使用由于有用的底部循環(huán)(bo加mingcycle)熱損失對效率具有負(fù)面影響。此外，通過在CDC擴散器出口或其下游噴射蒸汽，氣流冷卻抵消了可在壓縮機效率中獲得的任何增益。此外，在渦輪機內(nèi)的具體點處的噴射蒸汽在點火前需要有效的燃燒室混合，以便減輕任何燃燒損失。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明示例性實施例構(gòu)造的渦輪機包括產(chǎn)生冷卻氣流的壓縮機部分。該壓縮機部分包括多個壓縮機級。渦輪機進(jìn)一步包括與壓縮機部分工作連接的渦輪部分。該渦輪部分包括多個渦輪級。導(dǎo)管將多個壓縮機級中的至少一個與多個渦輪級中的至少一個流通地連接起來。導(dǎo)管將來自壓縮機部分的冷卻氣流的一部分傳遞到渦輪部分。噴射器口流通地連接到導(dǎo)管，并且輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)流通地連接到噴射器口。輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)將一定量的干的輔助流體傳入從壓縮機部分通向渦輪部分的冷卻氣流。該一定量的干的輔助流體替換通向渦輪部分的冷卻氣流的一部分，從而減少需壓縮機冷卻所需要的做功量。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，提高渦輪機功率效率的方法包括操作渦輪機的壓縮機部分以產(chǎn)生冷卻氣流。壓縮機部分包括多個壓縮機級。該方法進(jìn)一步需要從壓縮機部分的多個級中之一抽取冷卻氣流，并將冷卻氣流導(dǎo)入渦輪機的渦輪部分。此外，方法包括將干的輔助流體噴入該冷卻氣流。干的輔助流體替換冷卻氣流的一部分，從而減少需壓縮機冷卻該渦輪部分所需要的做功量，從而提高渦輪機的功率效率。附加特征和優(yōu)點通過本發(fā)明示例性實施例的技術(shù)得以實現(xiàn)。本發(fā)明的其它實施例和方面在本文中得到詳細(xì)的描述，并被認(rèn)為是權(quán)利要求中的一部分。為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點和特征，可參考具體實施方式和附圖。圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例構(gòu)造的渦輪機的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實施例構(gòu)造的渦輪機的示意以及圖3是根據(jù)本發(fā)明再一個實施例構(gòu)造的渦輪機的示意圖。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>88第二導(dǎo)管89第三導(dǎo)管100第一噴射器口105導(dǎo)管110第二噴射器口115導(dǎo)管125蒸汽噴射系統(tǒng)m127第一導(dǎo)管128第二導(dǎo)管129第三導(dǎo)管140第一噴射器口145導(dǎo)管150第二噴射器口155導(dǎo)管具體實施例方式首先參考圖1,根據(jù)本發(fā)明示例性實施例構(gòu)造的渦輪機通常用2表示。如圖所示，渦輪機2包括具有主流通道5和多個壓縮機級6的壓縮機部分4。壓縮機級6包括至少低壓級8、中壓級9和高壓級10。壓縮機部分4經(jīng)由軸16與渦輪部分14工作連接。渦輪部分14包括多個渦輪級18，具有至少低壓級20、中壓級21和高壓級22。壓縮機部分4也通過燃燒室30連至渦輪部分14。運行中，壓縮枳i部分4接收和壓縮環(huán)境空氣32以形成壓縮氣流。壓縮氣流33的一部分被導(dǎo)入燃燒室30以與燃料34混合，并被點火以形成高溫/高壓空氣蒸汽，其被傳遞到渦4侖部分14。高溫/高壓空氣蒸汽與來自壓縮機部分4的壓縮空氣一起用來驅(qū)動渦輪部分l4。渦輪部分14又通過軸37驅(qū)動發(fā)電沖幾(generator)35。運行中，高溫逐漸在渦輪部分14內(nèi)形成，從而提高熱氣通道(HGP)部件(未示出)的溫度。為了減少HGP部件的高溫，冷卻空氣自壓縮^/L部分4抽出，并噴射到渦輪部分14。盡管需要冷卻，但將壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)使用沒有效率。就是說，由于壓縮空氣不在燃燒中使用，其隨后是用來驅(qū)動渦輪部分14的，因而用來壓縮冷卻空氣的任何功是多余的或最多是以較低效率使用。為了降低使用壓縮空氣進(jìn)行冷卻所帶來的效率損失，渦輪機2包括輔助流體噴射系統(tǒng)，根據(jù)示例性實施例，該輔助流體噴射系統(tǒng)采用蒸汽噴射系統(tǒng)45的形式。蒸汽噴射系統(tǒng)45包括第一導(dǎo)管47、第二導(dǎo)管48和第三導(dǎo)管49。該第一導(dǎo)管47將低壓壓縮機級8流通地連接到低壓渦4侖級20,該第二導(dǎo)管48將中壓壓縮機級9流通地連接到中壓渦輪級21，該第三導(dǎo)管49將高壓壓縮機級10流通地連接到高壓渦輪級22。蒸汽噴射系統(tǒng)45也包括第一噴射器口60。才艮據(jù)示出的示例性實施例，第一噴射器口60安裝在第一導(dǎo)管47的上游末端。更具體地，第一噴射器口60安裝到壓縮機部分4在低壓級8處。第一噴射器口60流通地連接到蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)，才艮據(jù)示出的實施例，該蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)經(jīng)由導(dǎo)管65成為熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)62的一部分。HRSG62使用低級別的熱用于蒸汽產(chǎn)生。蒸汽噴射系統(tǒng)45進(jìn)一步包括第二噴射器口70,該第二噴射器口70經(jīng)導(dǎo)管75流通地連4妄到HRSG62。第二噴射器口70安裝到壓縮^L部分4在中壓級9處。通過這種布置，干的輔助流體，例如干的飽和蒸汽或過熱蒸汽被噴射到噴射器口60和/或噴射器口70,以與通向渦輪部分14的壓縮機冷卻空氣混合。"干"的意思是指輔助流體包含零或沒有濕氣。干的輔助流體替換壓縮機冷卻空氣的一部分。照這樣，不再需要壓縮機部分4產(chǎn)生同等數(shù)量的冷卻空氣，因而效率損失減到最少。此外，由于一磅蒸汽大約相當(dāng)于給定蒸汽的比熱容(specificheatcapacity)的2.25磅(lbs)的冷卻空氣，所以較低量的蒸汽可在渦輪部分14產(chǎn)生同樣的冷卻效果，并且壓縮機部分4所需要的以滿足渦輪部分14冷卻空氣需要所需的做功量進(jìn)一步減少。此外，當(dāng)使用蒸汽時，更高導(dǎo)熱性也提高來自渦輪部分14的熱傳。此外，過熱蒸汽的更高導(dǎo)熱性提高了來自渦輪部分14的熱傳，從而產(chǎn)生增強的冷卻效果?，F(xiàn)在參考圖2，各圖中相同的數(shù)字表示相應(yīng)的部件，根據(jù)第二示例性實施例，所描述的輔助流體噴射系統(tǒng)采用蒸汽噴射系統(tǒng)85的形式。如圖所示，蒸汽噴射系統(tǒng)85包括第一導(dǎo)管87、第二導(dǎo)管88和第三導(dǎo)管89。該第一導(dǎo)管87將低壓壓縮機級8流通地連接到低壓渦輪級20，該第二導(dǎo)管88將中壓壓縮機級9流通地連接到中壓渦輪級21,該第三導(dǎo)管89將高壓壓縮機級10流通地連接到高壓渦輪級22。蒸汽噴射系統(tǒng)85也包括第一噴射器口100。根據(jù)示出的示例性實施例，第一噴射器口100沿第一導(dǎo)管87安裝。更具體地，第一噴射器口100安裝在壓縮機部分4的下游。第一噴射器口IOO經(jīng)由導(dǎo)管105流通地連接到HRSG62。蒸汽噴射系統(tǒng)85進(jìn)一步包括經(jīng)由導(dǎo)管115流通地連接到HRSG62的第二噴射器口110。第二噴射器口110沿導(dǎo)管88安裝在壓縮機部分4的下游。與上文所描述的類似的方式，干的輔助流體，例如干的飽和蒸汽或過熱蒸汽被噴射到第一噴射器口100和/或第二噴射器口110，以混合和替換壓縮機部分4所產(chǎn)生的冷卻空氣的一部分，以提高功率效率。現(xiàn)在參考圖3,各圖中相同的數(shù)字表示相應(yīng)的部件，根據(jù)另一個示例性實施例，描述的輔助流體噴射系統(tǒng)采用蒸汽噴射系統(tǒng)125的形式，該蒸汽噴射系統(tǒng)125根據(jù)本發(fā)明的又一個示例性實施例構(gòu)造。蒸汽噴射系統(tǒng)125包括第一導(dǎo)管127、第二導(dǎo)管128和第三導(dǎo)管129。該第一導(dǎo)管127將低壓壓縮機級8流通地連接到低壓渦輪級20,該第二導(dǎo)管128將中壓壓縮機級9流通地連接到中壓渦輪級21，該第三導(dǎo)管129將高壓壓縮機級10流通地連接到高壓渦輪級22。蒸汽噴射系統(tǒng)125也包括第一噴射器口140。根據(jù)示出的示例性實施例，第一噴射器口140安裝在第一導(dǎo)管127下游端。更具體地，第一噴射器口140在第一導(dǎo)管127的終端安裝到渦輪部分14。第一噴射器口MO經(jīng)由導(dǎo)管145流通地連接到HRSG62。蒸汽噴射系統(tǒng)125進(jìn)一步包括經(jīng)由導(dǎo)管155流通地連接到HRSG62的第二噴射器口150。第二噴射器口150在中壓級9安裝到渦輪部分14。以類似于上文所描述的方式，干的輔助流體，例如干的飽和蒸汽或過熱蒸汽被噴射到第一注射口140和/或第二注射口150,以混合和替換壓縮機部分4所產(chǎn)生的冷卻空氣的一部分。如上文所討論的，通過減少需要從壓縮機部分4抽取的冷卻空氣的量，更多功輸入以驅(qū)動渦4侖部分14,由此^是高渦4侖才幾2的整體效率。如上述所討i侖的，通過減少自壓縮機部分4吸取的冷卻空氣量，產(chǎn)生壓縮的有用功損失被最小化，并增加在軸37處從渦輪部分14可用的凈的功輸出，從而提高渦輪機2的總體效率。除了補充冷卻空氣，干的輔助流體可直4妄或不直接噴入如圖3中200指示的壓縮機部分4的主流通道5。更具體地，干的輔助流體在干的輔助流體的比容以及溫度小于相應(yīng)的壓縮機參數(shù)的點處被噴射。加壓的輔助流體的噴射節(jié)省了另外地提高流體壓力至噴射點水平會需要的壓縮功。蒸汽的相對于空氣較低的比容確保在后噴射每單位質(zhì)量的混合物更少的壓縮功。較低的溫度使在不將熱排出熱動力循環(huán)的情況下將壓縮空氣冷卻。由于低溫空氣以及因較低溫度混合物引起的隨后較高釋熱能力的可用性，進(jìn)一步減少了抽取冷卻流。干的輔助流體在流體壓力足能建立正質(zhì)量流梯度的點處被噴射。在簡單循環(huán)系統(tǒng)中，噴射發(fā)生在壓縮機排出點(沒有分別標(biāo)注)的鄰近但在壓縮機排出點的上游，因而進(jìn)一步使壓縮機部分4所需的壓縮功最小化。就是說，噴射發(fā)生在壓縮機排出點的鄰近但在壓縮機排出點的上游，同時仍然滿足引入輔助流體所必需的正梯度要求。在這一點上，應(yīng)當(dāng)了解的是，本發(fā)明提供具有輔助流體噴射系統(tǒng)的渦輪機，該輔助流體噴射系統(tǒng)可配置成提高功率輸出效率。如上所述，應(yīng)當(dāng)了解的是，干的輔助流體，例如干的^^和蒸汽或過熱蒸汽可在壓縮機部分4上的冷卻空氣抽耳又點之前、之處或之后^皮噴射，以及在渦輪部分接近地之前或之處被噴射。干的輔助流體也可噴射到將來自壓縮機部分的渦輪冷卻空氣傳輸渦輪部分的管道內(nèi)。流體噴射的具體位置取決于在渦輪機模型之間變化的背壓需求。另外，應(yīng)當(dāng)了解的是，干的輔助流體的來源和類型可以變化。一般而言，此書面描述使用示例以公開本發(fā)明，包括最好模型，并且也使本領(lǐng)域技術(shù)人員實施本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何引入的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果它們具有不同于權(quán)利要求文字語言的結(jié)構(gòu)元件，或如果它們包括具有非實質(zhì)性不同于權(quán)利要求文字語言的等效結(jié)構(gòu)元件，這些其它示例落在本發(fā)明示例性實施例的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種渦輪機(2)，包括產(chǎn)生冷卻氣流的壓縮機部分(4)，所述壓縮機部分(4)包括多個壓縮機級(6)；渦輪部分(14)，其與所述壓縮機部分(4)工作連接，所述渦輪部分(14)包括多個渦輪級(18)；導(dǎo)管(47)，其將所述多個壓縮機級(6)中的至少一個與所述多個渦輪級(18)中的至少一個流通地連接，所述導(dǎo)管(47)將來自所述壓縮機部分(4)的冷卻氣流的一部分傳遞到所述渦輪部分；流通地連接到所述導(dǎo)管(47)的噴射器口(60)；以及流通地連接到所述噴射器口(60)的輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)(62)，所述輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)將一定量的干的輔助流體傳遞至從所述壓縮機部分(4)通向所述渦輪部分(14)的冷卻氣流中，所述一定量的干的輔助流體替換通向所述渦輪部分(14)的冷卻空氣的一部分，從而減少需要所述壓縮機部分(4)提供冷卻空氣所需要的做功量。2.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(2),其特征在于，所述噴射器口(60)置于所述導(dǎo)管(47)的上游。3.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(2),其特征在于，所述噴射器口(60)置于所述導(dǎo)管(87)中。4.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(2),其特征在于，所述噴射器口(60)置于所述導(dǎo)管(145)的下游。5.如權(quán)利要求1所述的渦輪才幾(2),其特征在于，所述壓縮機部分(4)包括與所述輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)(62)流通地連接的主流通道(5),其中，干的輔助流體噴射到所述主流通道中。6.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(2)，其特征在于，所述輔助流體系統(tǒng)(62)為熱回收蒸汽發(fā)生器的一部分。7.如權(quán)利要求6所述的渦輪機(2),其特征在于，所述干的輔助流體構(gòu)成干的飽和蒸汽。8.如^L利要求6所述的渦4侖才幾(2),其特征在于，所述干的輔助流體構(gòu)成過熱蒸汽。9.一種提高渦輪機中功率效率的方法，所述方法包括操作所述渦輪機的壓縮機部分以產(chǎn)生冷卻氣流，所述壓縮機部分具有多個壓縮機級；/人所述壓縮機部分的多個級中之一抽取冷卻氣流；將所述冷卻氣流導(dǎo)入所述渦輪機的渦輪部分；以及將干的輔助流體噴射至所述冷卻氣流中，所述干的輔助流體替換所述冷卻氣流的一部分，/人而減少需要所述壓縮機部分冷卻所述渦專侖部分所需要的做功量，從而提高所述渦輪機的功率效率。全文摘要本發(fā)明提供渦輪機和用于提高渦輪機中功率效率的方法。一種渦輪機(2)，包括產(chǎn)生冷卻氣流的壓縮機部分(4)。該壓縮機部分(4)包括多個壓縮機級(6)。該渦輪機進(jìn)一步包括與壓縮機部分(4)工作連接的渦輪部分(14)。該渦輪部分(14)包括多個渦輪級(15)。導(dǎo)管(47)將多個壓縮機級(6)中的至少一個與多個渦輪級(18)中的至少一個流通地連接，并將來自壓縮機部分(4)的冷卻氣流的一部分傳遞到渦輪部分(14)。噴射器口(60)連接到導(dǎo)管(47)和輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)(62)。該輔助流體產(chǎn)生系統(tǒng)(62)將一定量的干的輔助流體傳遞至從壓縮機部分(4)通向渦輪部分(14)的冷卻氣流。一定量的干的輔助流體替換通向渦輪部分(14)的冷卻氣流的一部分。文檔編號F02C3/04GK101575988SQ200910139039公開日2009年11月11日申請日期2009年5月6日優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日發(fā)明者A·S·森加,A·巴沙,N·V·薩拉瓦南申請人:通用電氣公司