專利名稱：用于通過(guò)再循環(huán)渦輪機(jī)械的廢熱來(lái)加熱空氣流的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)的防冰系統(tǒng)；且更具體地，涉及使用來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱源的防冰系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一些燃?xì)廨啓C(jī)在寒冷且潮濕的環(huán)境中操作。這些環(huán)境允許冰在入口系統(tǒng)內(nèi)以及在入口系統(tǒng)下游的構(gòu)件上形成(下文稱為“積冰”)；其對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)是有害的。積冰還會(huì)增加跨越入口系統(tǒng)的壓降；不利地影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能。防冰系統(tǒng)用于防止或去除積冰。這些系統(tǒng)可為進(jìn)氣加熱(inlet bleed heat)系統(tǒng)(IBH)的功能，進(jìn)氣加熱系統(tǒng)(IBH)將熱的壓縮機(jī)排出空氣再循環(huán)至入口系統(tǒng)，升高入口空氣流的溫度。此外，防冰系統(tǒng)典型地調(diào)整IGV以降低進(jìn)入壓縮機(jī)段的空氣量。在防冰操作期間，燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率顯著降低。在燃?xì)廨啓C(jī)的操作期間，產(chǎn)生了未轉(zhuǎn)換成有用功的極大量的熱。此廢熱會(huì)不利地影響各種構(gòu)件。這些構(gòu)件包括但不限于軸承、外殼、隔室等。輔助系統(tǒng)被用于從構(gòu)件去除廢熱。由于前述的理由，需要一種不顯著影響燃?xì)廨啓C(jī)的輸出和效率的防冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)該使用由燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢熱來(lái)提高空氣流的溫度。該系統(tǒng)應(yīng)該減少IBH系統(tǒng)的使用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了用于加熱由發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)消耗的空氣流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括入口系統(tǒng)(100)，其構(gòu)造成接收空氣流，該入口系統(tǒng)(100)包括空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)，其構(gòu)造成用于加熱空氣流，其中，空氣流在第一溫度下進(jìn)入空氣預(yù)熱系統(tǒng) (143)且在第二溫度下離開(kāi)空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)，其構(gòu)造成用于產(chǎn)生功率，其中，發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)在第二溫度下吸入空氣流，發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)定位于入口系統(tǒng)(100)的下游；和廢熱源，其源于發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)，其中，廢熱源將由發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)排出的廢熱轉(zhuǎn)移至空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；廢熱升高流經(jīng)空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)的空氣流的溫度。發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)可包括燃?xì)廨啓C(jī)(150)，燃?xì)廨啓C(jī)(150)包括在第二溫度下吸入空氣流的壓縮機(jī)段(155)。廢熱源可包括渦輪機(jī)隔室(300)，其包圍燃?xì)廨啓C(jī)(150) 的發(fā)熱部分。系統(tǒng)還可包括排氣扇(310)，其構(gòu)造成用于將被加熱的空氣移出渦輪機(jī)隔室 (300)。該被加熱的空氣可被引導(dǎo)而流經(jīng)至空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)，以升高空氣流的溫度。廢熱源可包括潤(rùn)滑油系統(tǒng)G00)，其構(gòu)造成用于潤(rùn)滑燃?xì)廨啓C(jī)(150)的構(gòu)件，其中潤(rùn)滑油系統(tǒng)(400)循環(huán)潤(rùn)滑油，將熱從構(gòu)件轉(zhuǎn)移至潤(rùn)滑油。
被加熱的潤(rùn)滑油被引導(dǎo)而流經(jīng)空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；并且其中，被加熱的潤(rùn)滑油升高空氣流的溫度。該系統(tǒng)還可包括廢熱交換器G40)，其構(gòu)造成允許廢熱源間接地升高空氣流的溫度，其中，廢熱交換器(440)位于空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)的上游且在廢熱源的下游。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，廢熱源可包括渦輪機(jī)隔室(300)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)(400)。該系統(tǒng)可包括渦輪機(jī)控制系統(tǒng)(190)，其構(gòu)造成判定何時(shí)使用廢熱源以升高空氣流的溫度；其中，渦輪機(jī)控制系統(tǒng)(190)接收關(guān)于環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)，并且其中環(huán)境狀況包括以下的至少一個(gè)環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、環(huán)境濕度或它們的組合。


圖1是圖示了用于升高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流的溫度的傳統(tǒng)系統(tǒng)的示意圖。圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于升高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流的溫度的系統(tǒng)的示意圖。圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖1的廢熱源的示意圖。圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖1的廢熱源的示意圖。零部件列表100 入口系統(tǒng)105風(fēng)雨罩110入口過(guò)濾器架120過(guò)渡件125進(jìn)氣加熱127提取源130 入口管140能量源143空氣預(yù)熱系統(tǒng)145外部熱交換器150燃?xì)廨啓C(jī)155壓縮機(jī)段160 軸165燃燒系統(tǒng)170 燃料175渦輪段180發(fā)電機(jī)190渦輪機(jī)控制系統(tǒng)300燃?xì)鉁u輪機(jī)隔室310空氣排氣扇320管系統(tǒng)330通風(fēng)系統(tǒng)400潤(rùn)滑油系統(tǒng)
410 油箱420 泵430 軸承440熱交換器
具體實(shí)施例方式以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述參考圖示了本發(fā)明的具體實(shí)施例的附圖。具有不同結(jié)構(gòu)和操作的其他實(shí)施例并不脫離本發(fā)明的范圍。某些術(shù)語(yǔ)在本文中僅僅為了讀者的方便而被使用，且并不作為在本發(fā)明的范圍上的限制，比方說(shuō)，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”等；僅僅描述在圖中所示的構(gòu)造。事實(shí)上，本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)元件或多個(gè)元件可被定向成任何方向，而術(shù)語(yǔ)因而應(yīng)該被理解成包括此類變化，除非另外指定。在文中公開(kāi)了詳細(xì)的示例性實(shí)施例。然而在文中公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和功能性細(xì)節(jié)僅僅代表描述示例性實(shí)施例的目的。然而，示例性實(shí)施例可以以許多備選的形式被實(shí)施，并且不應(yīng)認(rèn)為僅限于文中闡述的實(shí)施例。因此，盡管示例性實(shí)施例能夠有各種改型和備選形式，它們的實(shí)施例作為圖中的示例被圖示且將在本文中被詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解的是并非意圖將示例性實(shí)施例限于所公開(kāi)的特定形式，而是相反，示例性實(shí)施例試圖覆蓋落入示例性實(shí)施例范圍內(nèi)的所有的改型、等同物和備選形式。將理解的是盡管可在文中使用措辭第一、第二等以描述各種元件，但這些元件不應(yīng)由這些措辭限制。這些措辭僅僅用于互相區(qū)分元件。例如，第一元件可被稱為第二元件， 并且類似地，第二元件可被稱為第一元件，而不脫離示例性實(shí)施例的范圍。如在本文中使用，措辭“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任何或全部的組合。在文中所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例，并非意圖成為示例性實(shí)施例的限制。 如在文中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”意圖也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地指出。還將理解的是措辭“包含”、“包含了 ”、“包括”和/或“包括了”在文中使用時(shí)， 規(guī)定了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或構(gòu)件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、構(gòu)件和/或它們的集合的存在或添加。本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于廣泛多樣的吸入空氣流的燃?xì)廨啓C(jī)。這可包括但不限于航改式渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等。這些燃?xì)廨啓C(jī)主要地起作用以升高所吸入的空氣流的壓力。 這些燃?xì)廨啓C(jī)可消耗廣泛多樣的能量源，例如但不限于燃?xì)?、液體燃料、空氣、水、蒸汽、風(fēng)、 電力、熱力、蒸氣或它們的任意組合。還應(yīng)該指出的是在一些備選的實(shí)施例中，所指出的功能/動(dòng)作可以不按附圖中所指出的順序發(fā)生。取決于所涉及的功能性/操作，兩張連續(xù)的附圖例如可幾乎同時(shí)地執(zhí)行或有時(shí)可以以倒序執(zhí)行。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采取了結(jié)合廢熱源以升高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的入口部的空氣流的溫度的應(yīng)用和過(guò)程的形式。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可執(zhí)行減少操作IBH系統(tǒng)的需要的防冰操作。
現(xiàn)在參考附圖，貫穿若干附圖，不同的標(biāo)號(hào)代表相似的元件，圖1是圖示了用于升高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)150的空氣流的溫度的傳統(tǒng)系統(tǒng)的示意圖。圖1圖示了包括入口系統(tǒng)100 的位置；與燃?xì)廨啓C(jī)150結(jié)合；和渦輪機(jī)控制系統(tǒng)190。入口系統(tǒng)100引導(dǎo)由壓縮機(jī)段155吸入的空氣流(由指向入口系統(tǒng)100的箭頭表示)?？諝饬髦苯踊蜷g接地源于燃?xì)廨啓C(jī)150操作的環(huán)境。最初，空氣流環(huán)繞風(fēng)雨罩105流動(dòng)，風(fēng)雨罩105可防止天氣要素(例如雨、雪等)進(jìn)入壓縮機(jī)段155?？諝饬魅缓罂闪鹘?jīng)入口過(guò)濾器架110 ；入口過(guò)濾器架110通常從空氣流中去除外來(lái)的物質(zhì)和碎片。接著，空氣流可經(jīng)過(guò)過(guò)渡件120和入口管130 ；這些構(gòu)件可調(diào)整空氣流在進(jìn)入壓縮機(jī)段155之前的速度和壓力?？諝饬鬟€可流經(jīng)IBH系統(tǒng)125。在操作時(shí)，IBH系統(tǒng)125通過(guò)經(jīng)由提取源127或類似物再循環(huán)壓縮機(jī)排出空氣的一部分來(lái)升高空氣流的溫度。再循環(huán)的空氣然后流經(jīng)IBH熱交換器或類似物。入口系統(tǒng)100通常與燃?xì)廨啓C(jī)150結(jié)合；燃?xì)廨啓C(jī)150包括壓縮機(jī)段155(壓縮機(jī)段155可包括IGV系統(tǒng)185)、燃燒系統(tǒng)165和渦輪段175。空氣流通常離開(kāi)入口系統(tǒng)100 且進(jìn)入壓縮機(jī)段155，并且被壓縮且隨后被排向燃燒系統(tǒng)165，在燃燒系統(tǒng)165處，例如天然氣的燃料170可被點(diǎn)燃以提供驅(qū)動(dòng)渦輪段175的高能量的燃燒氣體。在渦輪段175中，熱氣體的能量被轉(zhuǎn)換成功，其中的一些用于通過(guò)軸160驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)段155，而剩余可用于有用功來(lái)驅(qū)動(dòng)例如發(fā)電機(jī)180的負(fù)載。渦輪機(jī)控制系統(tǒng)190通?？刂迫?xì)廨啓C(jī)150的操作。該渦輪機(jī)控制系統(tǒng)190可接收關(guān)于空氣流的環(huán)境狀況的操作數(shù)據(jù)。該操作數(shù)據(jù)可被用來(lái)安排IBH系統(tǒng)125的操作。例如但并非限制性的，如果環(huán)境溫度在大約華氏40度以下并且如果空氣流溫度在空氣流露點(diǎn)溫度的大約華氏10度內(nèi)，渦輪機(jī)控制系統(tǒng)190可啟動(dòng)IBH系統(tǒng)125。此處，渦輪機(jī)控制系統(tǒng)190可使用閉環(huán)控制模式以將空氣流溫度維持在露點(diǎn)以上大約華氏10度，以防止冷凝，冷凝在大約華氏32度下可在表面上形成冰。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖示了用于增加進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)150的空氣流的溫度的系統(tǒng)的示意圖。圖2根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例圖示了圖1的與廢熱源140和空氣預(yù)熱系統(tǒng)143結(jié)合的入口系統(tǒng)100。廢熱源140的操作目標(biāo)是當(dāng)環(huán)境狀況允許發(fā)生積冰時(shí)升高在入口系統(tǒng)100內(nèi)流動(dòng)的空氣流的溫度。這可減少操作IBH系統(tǒng)125的需要，有可能增加燃?xì)廨啓C(jī)150的效率和輸出。廢熱源于燃?xì)廨啓C(jī)150，并且以在需要時(shí)升高空氣流溫度為目的而被回收。廢熱源 140從燃?xì)廨啓C(jī)150的相關(guān)構(gòu)件去除熱。本發(fā)明的實(shí)施例可使用多種方法以升高空氣流溫度。一個(gè)方法可被認(rèn)為是直接加熱方法。此處，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)143可包括熱交換器的形式，熱交換器包括多個(gè)管。當(dāng)廢熱源140的被加熱的流體流經(jīng)管時(shí)，空氣流可流動(dòng)越過(guò)管。該過(guò)程可將被加熱的流體的熱的一部分轉(zhuǎn)移至空氣流。另一個(gè)方法可被認(rèn)為是間接的加熱方法，其結(jié)合外部熱交換器145。此處，外部熱交換器145的流程可位于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)143和廢熱源140之間。外部熱交換器145可循環(huán)水，水由廢熱源140的被加熱的流體加熱。該被加熱的水然后可循環(huán)通過(guò)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) 143，在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)143處可升高空氣流的溫度。如果發(fā)生泄漏，該間接的加熱方法可用于避免被加熱的流體和空氣流的混合。
如以下所述，聯(lián)系圖3和圖4，廢熱源140可源于產(chǎn)生廢熱的燃?xì)廨啓C(jī)150的各種系統(tǒng)。本發(fā)明的廢熱源140的非限制性實(shí)施例包括渦輪機(jī)隔室300和潤(rùn)滑油系統(tǒng)400。它們?cè)谖闹懈髯詤⒖紙D3和圖4描述。本發(fā)明并非意圖限于僅兩個(gè)廢熱源。本發(fā)明意圖覆蓋未在文中討論的來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)150的其他廢熱源140?，F(xiàn)在參考附圖3，其是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，圖示了圖1的廢熱源140的示意圖。圖3圖示了渦輪機(jī)隔室300，其可用于包圍特別是燃燒系統(tǒng)165和渦輪段175。在燃?xì)廨啓C(jī)150的操作期間，燃燒系統(tǒng)165和渦輪段175將熱釋放進(jìn)渦輪機(jī)隔室300。排氣扇310 將被加熱的空氣吸出渦輪機(jī)隔室300。在一些燃?xì)廨啓C(jī)150上，被加熱的空氣的溫度可在華氏300度-華氏400度的范圍中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，管系統(tǒng)320可引導(dǎo)該被加熱的空氣從渦輪機(jī)隔室300 出來(lái)并且進(jìn)入空氣預(yù)熱系統(tǒng)143。在流經(jīng)空氣預(yù)熱系統(tǒng)143后，被加熱的空氣可通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)330離開(kāi)至大氣。這可在空氣流流經(jīng)空氣預(yù)熱系統(tǒng)143 (在較低溫度Tl下進(jìn)入且在較高的溫度Tl，下離開(kāi))時(shí)發(fā)生。使用渦輪機(jī)隔室300作為廢熱源140的好處的非限制性示例在表格1中顯示。隨后給出的是能量平衡對(duì)表格1的數(shù)據(jù)的應(yīng)用。表格 權(quán)利要求
1.一種用于加熱由發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)消耗的空氣流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括入口系統(tǒng)(100)，其構(gòu)造成用于接收空氣流，所述入口系統(tǒng)(100)包括空氣預(yù)熱系統(tǒng) (143)，其構(gòu)造成用于加熱所述空氣流；其中，所述空氣流在第一溫度下進(jìn)入所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)且在第二溫度下離開(kāi)所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)，其構(gòu)造成用于產(chǎn)生功率，其中，所述發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)在所述第二溫度下吸入所述空氣流，其中所述發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)定位于所述入口系統(tǒng)(100)的下游；以及源于所述發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)的廢熱源，其中，所述廢熱源將由所述發(fā)電設(shè)備機(jī)械 (150)排出的廢熱轉(zhuǎn)移至所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；其中，所述廢熱升高了流經(jīng)所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)的空氣流的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電設(shè)備機(jī)械(150)包括燃?xì)廨啓C(jī) (150)，所述燃?xì)廨啓C(jī)(150)包括在所述第二溫度下吸入所述空氣流的壓縮機(jī)段(155)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢熱源包括渦輪機(jī)隔室(300)，所述渦輪機(jī)隔室(300)包圍所述燃?xì)廨啓C(jī)(150)的發(fā)熱部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括排氣扇(310)，所述排氣扇(310)構(gòu)造成用于將被加熱的空氣移出所述渦輪機(jī)隔室(300)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述被加熱的空氣被引導(dǎo)流經(jīng)至所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)，以升高所述空氣流的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢熱源包括潤(rùn)滑油系統(tǒng)000)，所述潤(rùn)滑油系統(tǒng)(400)構(gòu)造成用于潤(rùn)滑所述燃?xì)廨啓C(jī)(150)的構(gòu)件，其中，所述潤(rùn)滑油系統(tǒng) (400)循環(huán)潤(rùn)滑油，將熱從所述構(gòu)件轉(zhuǎn)移至所述潤(rùn)滑油。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，被加熱的潤(rùn)滑油被引導(dǎo)流經(jīng)所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)；并且其中所述被加熱的潤(rùn)滑油升高了所述空氣流的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括廢熱交換器G40)，所述廢熱交換器(440)構(gòu)造成允許所述廢熱源間接地升高所述空氣流的溫度，其中所述廢熱交換器(440)位于所述空氣預(yù)熱系統(tǒng)(143)的上游且在所述廢熱源的下游。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述廢熱源包括渦輪機(jī)隔室(300)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)(400)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括渦輪機(jī)控制系統(tǒng)(190)， 所述渦輪機(jī)控制系統(tǒng)(190)構(gòu)造成判定何時(shí)使用廢熱源以升高所述空氣流的溫度；其中， 所述渦輪機(jī)控制系統(tǒng)(190)接收關(guān)于環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)，并且其中所述環(huán)境狀況包括以下至少一個(gè)環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、環(huán)境濕度或它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過(guò)再循環(huán)渦輪機(jī)械的廢熱來(lái)加熱空氣流的系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采取結(jié)合了廢熱源以升高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)(150)的入口部(100)的空氣流的溫度的應(yīng)用和過(guò)程的形式。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可執(zhí)行減少操作IBH系統(tǒng)(125)的需要的防冰操作。
文檔編號(hào)F02C7/08GK102235239SQ20111011634
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者R·J·基拉, S·G·烏帕迪亞伊 申請(qǐng)人:通用電氣公司