專利名稱：燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，尤其涉及燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中用于提高這些系統(tǒng)效率的再熱燃燒。
背景技術(shù)：
已知和使用著各種類型的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)。例如，航空改型的燃?xì)鉁u輪用于各種用途，如動力產(chǎn)生、船用發(fā)動機(jī)、空氣壓縮、共同發(fā)電、近海平臺動力等。通常，該燃?xì)鉁u輪包括一個用于壓縮空氣流的壓縮機(jī)和使壓縮空氣與燃料結(jié)合并點(diǎn)燃該混合物而產(chǎn)生一種工作氣體的燃燒室。其次，該工作氣體通過一渦輪膨脹而用于發(fā)電。通常，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的動力輸出正比于渦輪中工作氣體的溫度。在某些航空改型的燃?xì)鉁u輪中，渦輪的排氣溫度相當(dāng)?shù)?，由此限制了這些系統(tǒng)用于組合循環(huán)動力發(fā)生的效率。
已使用許多特有技術(shù)來提高工作氣體的溫度而提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的效率。例如，在一些系統(tǒng)中工作氣體的溫度是在燃燒室中提高的。不幸的是，燃燒室中的高溫可以形成相當(dāng)?shù)馗叩奈廴疚锱欧湃鏝Ox排放。此外，提高燃燒室中的操作溫度會增加這些部件上的熱應(yīng)力。結(jié)果，可能要求部件經(jīng)受更高的溫度，從而導(dǎo)致制造費(fèi)用增高。
在某些其它系統(tǒng)中，從渦輪來的排放氣體與燃料混合而產(chǎn)生二次燃燒反應(yīng)。該放熱反應(yīng)增加工作氣流的能量，由此提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的動力和效率。不幸的是，可能由于此種二次燃燒反應(yīng)而產(chǎn)生不希望的NOx量。在某些系統(tǒng)中，可以包括一個用于該二次燃燒反應(yīng)的獨(dú)立的燃燒室。但是，與該二次燃燒有關(guān)的設(shè)備費(fèi)用相當(dāng)高。而且，此種技術(shù)通?？赡芤蠡旧现匦略O(shè)計(jì)整個渦輪系統(tǒng)，使這些技術(shù)的采用十分有限。
因此，希望研制一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，它能通過再熱燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中的工作氣體而增加動力。同樣有利的是，研制一種用于燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的再熱裝置，它能降低高溫下系統(tǒng)內(nèi)的排放。
發(fā)明概述簡明地說，按照一個實(shí)施例，提供一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)。該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括一個壓縮環(huán)境空氣的壓縮機(jī)裝置和一個與該壓縮機(jī)裝置成流體連通的燃燒室，該燃燒室用來接受從壓縮機(jī)裝置來的壓縮空氣和燃燒一股第一燃料流而產(chǎn)生一股燃燒室排出氣流。該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括一個安置在燃燒室下游而使燃燒室排出氣流部分膨脹的第一渦輪和一個與第一渦輪成流體連通的再熱裝置。該再熱裝置用來沿橫向?qū)⒁还傻诙剂狭饕絹碜缘谝粶u輪的工作氣流，以便在有該工作氣流的情況下燃燒燃料。該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)還包括一個第二渦輪，用來使從再熱裝置來的排出氣流膨脹。
在另一實(shí)施例中，提供一種用于燃?xì)鉁u輪的再熱裝置。該再熱裝置包括至少一個設(shè)置在燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的第一和第二渦輪之間的噴射器，其中該至少一個噴射器用來沿橫向?qū)⒁还扇剂狭饕降谝缓偷诙u輪之間的工作氣流的流動方向，而一條燃料管線聯(lián)接在該至少一個噴射器上，以便將該燃料流輸送到該噴射器。
在另一實(shí)施例中，提供一種操作燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的方法。該方法包括用一臺壓縮機(jī)壓縮空氣，以產(chǎn)生壓縮空氣流，并在有該壓縮空氣流的情況下燃燒第一燃料流而產(chǎn)生一股燃燒室排出氣流。該方法包括在第一渦輪中部分地膨脹燃燒室排出氣流，以產(chǎn)生第一渦輪排出氣流，并沿橫向?qū)⒁还傻诙剂狭饕氲谝粶u輪和第二渦輪之間的燃燒區(qū)中，以產(chǎn)生一股第二渦輪排出氣流。該方法還包括在第二渦輪中使該第二渦輪排出氣流膨脹。
附圖簡述參照附圖閱讀下列詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)、方面和優(yōu)點(diǎn)。所有各圖中相同的標(biāo)號表示相同的部件。其中

圖1是一種有一按照本發(fā)明的再熱裝置的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的示意圖；圖2是一種具有按照本發(fā)明的再熱燃燒的簡單循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的示意圖；圖3是一種具有按照本發(fā)明的再熱燃燒的組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的示意圖；
圖4是圖1的具有按照本發(fā)明的再熱裝置的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的截面圖；圖5是圖1～4中的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用的按照本發(fā)明的再熱裝置的截面圖；圖6是圖5的按照本發(fā)明的再熱裝置的示意圖；圖7是圖5的按照本發(fā)明的再熱裝置的示范構(gòu)型的示意圖；圖8是圖5的按照本發(fā)明的有一冷卻劑通道的再熱裝置的示范構(gòu)型的示意圖；圖9是圖5的按照本發(fā)明的有一冷卻劑通道的再熱裝置的另一示范構(gòu)型的示意圖；圖10是圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用的按照本發(fā)明的再熱裝置的示范環(huán)狀圖形的示意圖；圖11是圖5的按照本發(fā)明的再熱裝置的示范形狀的示意圖；以及圖12是有一按照本發(fā)明的再熱裝置的另一燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的示意圖。
本發(fā)明詳細(xì)描述如下面詳細(xì)描述的，本發(fā)明的實(shí)施例的作用是提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)如簡單循環(huán)燃?xì)鉁u輪和組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的動力輸出和效率。尤其是，本發(fā)明包括利用燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的渦輪級之間的再熱燃燒，以便提高這些系統(tǒng)的動力輸出和效率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖并首先參照圖1，例示一種有一再熱裝置12的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)10。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)10包括一個壓縮機(jī)裝置14和一與裝置14流體連通的燃燒室16。其次，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)10包括一個在燃燒室16下游的第一渦輪18和第二渦輪20。在例示的實(shí)施例中，壓縮機(jī)裝置14由第一渦輪18產(chǎn)生的動力經(jīng)軸22而驅(qū)動。其次，第二渦輪20的構(gòu)型做成驅(qū)動一外負(fù)荷。在例示的實(shí)施例中，一根獨(dú)立的軸23聯(lián)接在第二渦輪20上以驅(qū)動該外負(fù)荷。在一個實(shí)施例中，該負(fù)荷是一臺發(fā)電機(jī)。或者，該負(fù)荷是一種機(jī)械驅(qū)動用途。此類機(jī)械驅(qū)動用途的例子包括一臺用于油田的壓縮機(jī)和一臺用于冷制的壓縮機(jī)。
在操作中，壓縮機(jī)裝置14接受環(huán)境空氣流24并壓縮空氣流24而產(chǎn)生壓縮空氣流26。然后壓縮空氣流26被引向燃燒室16而燃燒第一燃料流28并產(chǎn)生燃燒室空氣流30。而且，燃燒室氣流30通過第一渦輪18而部分膨脹。在例示的實(shí)施例中，從第一渦輪18來的氣流32被引向再熱裝置12。如圖所示，再熱裝置12與第一渦輪18流體連通并且用來將一第二燃料流34沿橫向引入工作氣流32，以便在工作氣流32的存在下燃燒第二燃料流34而產(chǎn)生出口氣流36。如此處使用的，術(shù)語“橫向”指一個與縱軸線成直角的方向。出口氣流36隨后通過第二渦輪20而膨脹。再熱裝置12用于便于第一渦輪18和第二渦輪20之間的再熱燃燒，并將在下面詳細(xì)描述。
圖2是一種帶有按照本發(fā)明的再熱燃燒的簡單循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40的示意圖。在例示的實(shí)施例中，增壓壓縮機(jī)42接受空氣流44。其次，從增壓壓縮機(jī)42出來的空氣流46通向壓縮機(jī)裝置48以便再次壓縮。如該技術(shù)的專業(yè)人員將理解的，取決于操作布置，壓縮機(jī)裝置48可包括多個壓縮機(jī)，用于提高該簡單燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40的動力輸出。例如，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40可以包括一臺低壓壓縮機(jī)和一臺高壓壓縮機(jī)?；蛘呤?，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40可以包括一臺低壓壓縮機(jī)、一臺中壓壓縮機(jī)和一臺高壓壓縮機(jī)。從壓縮機(jī)裝置48來的壓縮空氣流50被引向燃燒室52。在本實(shí)施例中，采用一分流器54將從壓縮機(jī)裝置48來的氣流50分流。如圖所示，一部分空氣流56被引向燃燒室52。其次，可以利用另一分流器58來分流從分流器54來的空氣流60，以便向第一渦輪62和設(shè)置在其下游的再熱裝置64提供空氣流。
在操作中，燃燒室52接受從壓縮機(jī)裝置48來的空氣流56。此外，燃燒室52也接受點(diǎn)燃而在空氣流56存在下燃燒的第一燃料流56，以產(chǎn)生引向第一渦輪62的燃燒室出口氣流68。在某些實(shí)施例中，可以使用一個混合器70來聯(lián)接從燃燒室52和分流器58來的氣流。在例示的實(shí)施例中，使用第二混合器72來聯(lián)接從分流器58和第一渦輪62來的氣流74和76，它們而后供給到再熱裝置64。此外，再熱裝置64接受沿橫向來的第二燃料流78到從第一渦輪62來的工作氣流80中，以便在工作氣流80的存在下燃燒第二燃料流78。如該技術(shù)的專業(yè)人員將理解的，該第二燃燒反應(yīng)有利于提高進(jìn)入第二渦輪82(常稱為“動力渦輪”)的氣流的溫度，由此提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40的動力輸出和效率。其次，第二渦輪82的構(gòu)型做成使從再熱裝置64來的出口氣流84膨脹，以便驅(qū)動外部負(fù)荷86。
燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40中使用的再熱裝置64的構(gòu)型做成提高氣流的溫度而不引入高的排放物。再熱裝置64的細(xì)節(jié)將在下面參考圖5～11而更詳細(xì)地描述。
圖3是一種帶有按照本發(fā)明的再熱燃燒的組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)90的示意圖。在一目前考慮的構(gòu)型中，一個蒸汽渦輪系統(tǒng)92聯(lián)接在該簡單燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(見圖2)上。如上所述，一個設(shè)置在第一和第二渦輪62和82之間的再熱裝置64的功能是提高該組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中工作氣體的溫度。在該例示的實(shí)施例中，蒸汽渦輪系統(tǒng)92的構(gòu)型做成接受從第二渦輪82來的排放氣體94。其次，可以使用一個換熱器96將從排放氣體94來的熱量聯(lián)接在蒸汽渦輪系統(tǒng)92的蒸汽發(fā)生裝置上。這樣，從具有再熱裝置64的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)40來的排放氣體94中的熱量被有利地用于提高組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)90的動力輸出和效率。
圖4是按照本發(fā)明的具有再熱裝置的圖1的燃?xì)鉁u輪的示范構(gòu)型100的截面圖。但是，具有該再熱裝置的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)100的具有各種部件的操作布置的其它構(gòu)型也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在該例示的實(shí)施例中，壓縮機(jī)的前框架102引導(dǎo)空氣流經(jīng)喇叭形入口106進(jìn)入壓縮機(jī)區(qū)段104。在某些實(shí)施例中，壓縮機(jī)區(qū)段104可以分為低壓和高壓壓縮機(jī)區(qū)。壓縮機(jī)區(qū)段104包括一定子外殼，后者包括多個將空氣流引入壓縮機(jī)區(qū)段104之間多個級內(nèi)的定子葉板。其次，壓縮機(jī)區(qū)段104包括多個轉(zhuǎn)動葉片并包括支承葉片的軸和盤。壓縮機(jī)區(qū)段104中壓縮機(jī)級的數(shù)目可以根據(jù)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)100的操作要求而變化。
在操作中，從壓縮機(jī)區(qū)段104來的壓縮空氣被引入燃燒室108而燃燒一股燃料流。在一個實(shí)施例中，燃燒室108為環(huán)狀。在另一實(shí)施例中，燃燒室108為罐形環(huán)狀。然后燃燒室排出氣流被引入高壓渦輪110，在那里氣流部分膨脹。隨后，從高壓渦輪110來的工作氣流被引向再熱裝置112。在一目前考慮的構(gòu)型中，再熱裝置112包括設(shè)置在高壓渦輪110。和低壓渦輪(動力渦輪)114之間的多個噴射器。在某些實(shí)施例中，該多個噴射器設(shè)置成預(yù)定的環(huán)狀圖形并安置在高壓渦輪110的緊下游處。在一個實(shí)施例中，該多個噴射器安置在一個基本上類似于高壓渦輪110的軸向位置的軸向位置處。
該多個噴射器112包括一種沿橫向通到進(jìn)入的渦輪氣流的燃料混合物。該燃料流包括天然氣或氫或合成燃?xì)饣蛱細(xì)浠衔锘蚱浣M合。在某些實(shí)施例中，該燃料流混有稀釋劑。稀釋劑的例子包括氮或蒸汽或二氧化碳或其組合。但是，也可使用具有類似性能的其它種類的燃料。在一當(dāng)前實(shí)施例中，噴射器經(jīng)過設(shè)置在其任一側(cè)上的多個噴射孔而引入燃料混合物，以分散燃料，并使燃料流在進(jìn)入低壓渦輪114之前能夠完全燃燒。該燃料混合物在高壓和低壓110和114之間的再熱燃燒區(qū)中自動點(diǎn)燃。其次，從再熱裝置112出來的流入氣流通過低壓渦輪114而膨脹，在渦輪114中高溫高速的氣體通過一組渦輪葉片。這些葉片從熱的膨脹氣體提取能量而驅(qū)動壓縮機(jī)區(qū)段114和一個外部負(fù)荷。排放氣體通過一個排放導(dǎo)管116而排出。如早先描述的，在某些實(shí)施例中，從排放氣體來的熱量可以聯(lián)接在一個組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中的蒸汽渦輪上，以便提高該組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的動力輸出和效率。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)100中使用的再熱裝置112將在下面詳細(xì)說明。
圖5是按照本發(fā)明的圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用的再熱裝置120的截面圖。在該例示的實(shí)施例中，再熱裝置120包括一個燃料噴射器。該燃料噴射器包括一個設(shè)置在噴射器殼體124內(nèi)的燃料混合通道122。此外，再熱裝置120包括多個設(shè)置在噴射器120任一側(cè)上的噴射孔126，以便在燃料混合通道122和從高壓渦輪110(見圖4)來的工作氣流之間形成連通。尤其是，噴射器120沿橫向提供通到從高壓渦輪110來的工作氣流方向的燃料流。在該實(shí)施例中，該燃料流被引入高壓和低壓渦輪110和114(見圖4)之間的再熱燃燒區(qū)中。應(yīng)當(dāng)注意到，多個噴射孔126的間隔可以這樣選擇，使得引入再熱燃燒區(qū)的燃料混合物和稀釋劑混合物的質(zhì)量正比于再熱燃燒區(qū)中的氧化劑(如氧化氣體)。在某些實(shí)施例中，可以將多個再熱裝置設(shè)置在渦輪110和114之間的再熱燃燒區(qū)中的預(yù)定的環(huán)狀圖形內(nèi)。而且，噴射孔26的間隔可以根據(jù)噴射孔126的直徑和離聯(lián)軸器的距離而調(diào)整。例如，當(dāng)孔126的直徑保持基本上恒定時，噴射孔126的間隔可以隨離該聯(lián)軸器的距離的增大而增大。
在一目前考慮的構(gòu)型中，再熱裝置120包括一個用于界定一冷卻劑通道130的內(nèi)壁128。其次，再熱裝置120包括空氣夾帶口130，用于在再熱裝置120內(nèi)形成空氣夾帶。在操作中，一燃料混合物經(jīng)過燃料混合物通道122而向再熱裝置120提供。在另一實(shí)施例中，該燃料混合物可以與一種稀釋劑組合。燃料混合物通道122可以聯(lián)接在一個燃料歧管(未示出)和一個稀釋劑歧管(未示出)上，以便在通道122中提供所需的燃料-稀釋劑混合物。
在一個實(shí)施例中，噴射器120使用一種冷卻噴射器殼體124的燃料混合物。更具體地說，當(dāng)該燃料混合物通過燃料混合物通道122時，它降低其加熱值而防止燃料混合物的任何過早自動點(diǎn)燃。在某些實(shí)施例中，噴射器120可以利用這樣一種燃料混合物，其范圍從基本上僅是一種燃料到一種具有與空氣和/或稀釋劑預(yù)先混合的混合物。其次，殼體124的冷卻可以通過一個冷卻劑通道如130來獲得。在某些實(shí)施例中，在噴射器120中可以提供一個額外的冷卻劑通道來達(dá)到噴射器120的所要的冷卻。具有額外的冷卻劑通道的噴射器構(gòu)型的例子在下面參考圖7和8來例示。
圖6例示圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用的再熱裝置的示范構(gòu)型。如圖所示，再熱裝置134包括噴射孔126。其次，空氣通過空氣夾帶孔132夾帶到裝置134中，以便產(chǎn)生沿橫向引入進(jìn)入渦輪的氣流的方向的燃料-空氣混合物。圖7是按照本發(fā)明的圖5和6的再熱裝置的示范構(gòu)型140的示意圖。如圖所示，再熱裝置140包括用于界定冷卻劑通道130的內(nèi)壁128。此外，再熱裝置140包括在殼體124和內(nèi)壁128之間的一個包含混合器的部件142。在一當(dāng)前的實(shí)施例中，該包含混合器的部件142形成一第二冷卻劑通道144。如該技術(shù)的專業(yè)人員將理解的，在冷卻劑通道140和第二冷卻劑通道144之間可以設(shè)置多個空氣夾帶口，如下面參考圖8所述。
圖8例示圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用的再熱裝置的示范構(gòu)型150。在一目前考慮的構(gòu)型中，再熱裝置150包括在冷卻劑通道130和第二冷卻劑通道144之間的多個空氣夾帶口152。空氣夾帶口152的構(gòu)型做成在冷卻劑通道130和144之間分配稀釋劑，來平衡利用再熱裝置150對稀釋劑的供應(yīng)。在某些實(shí)施例中，在冷卻劑通道130和144之間可以提供多個壓力平衡口154。此外，壁124還可以包括孔156，用于在噴射器150的外表面上產(chǎn)生一個冷卻薄膜。在該例示的實(shí)施例中，孔156設(shè)置在噴射器150的前緣上。在某些實(shí)施例中，孔156可以設(shè)置在噴射器150的后緣上，如下面參考圖9所示。但是，具有設(shè)置在各位置上以冷卻噴射器150的外表面的孔156的噴射器150的其它構(gòu)型也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖9是圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中利用的再熱裝置的另一示范構(gòu)型158。再熱裝置158除了如前面參考圖7和8例示的燃料混合物通道122以外，還包括用于界定冷卻劑通道130的內(nèi)壁128。在一目前考慮的構(gòu)型中，離噴射器158的聯(lián)軸器最遠(yuǎn)的噴射孔126以相對于噴射器158的縱軸約45度定向。因此，噴射器158周圍的整個區(qū)域受到燃料混合物的供應(yīng)。此外，孔156設(shè)置在噴射器158的壁124中的噴射孔126的下游。在某些實(shí)施例中，孔156可以安置在離后緣中的噴射孔126的距離的約1/2～2/3的距離處。
上述再熱裝置可以配置在圖1～4的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的第一和第二渦輪之間的預(yù)定的環(huán)狀圖形中。圖10例示再熱裝置的示范的環(huán)狀圖形160。在該例示的實(shí)施例中，裝置160包括一個稀釋劑歧管162和一個燃料混合物歧管164，它們適合于對多個噴射器166分別提供稀釋和燃料混合物。在一當(dāng)前的實(shí)施例中，裝置160包括六個噴射器。但是，可以考慮噴射器數(shù)目更多或更少的構(gòu)型。在某些實(shí)施例中，裝置160可以包括尺寸不同的噴射器160的組合。在一個實(shí)施例中，裝置160可以包括交替的長短噴射器166。該多個噴射器166的空間分布有利于減少燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的第一和第二渦輪之間再熱燃燒區(qū)中NOx的生成。例如，利用交替的長短噴射器166，裝置160中可以減小任何質(zhì)量流的堵塞。
上述參考圖5～10的再熱裝置具有空氣動力學(xué)形狀，以利于產(chǎn)生升高的火焰。產(chǎn)生升高的火焰能減少再熱燃燒區(qū)中的排放。圖11是按照本發(fā)明的圖5～9的再熱裝置的示范形狀170。如圖所示，再熱裝置可以有如172、174、176表示的各種輪廓。在某些實(shí)施例中，輪廓172、174、176的轉(zhuǎn)動角度可以由燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)按需調(diào)整而使氣流轉(zhuǎn)動，從而有利于減少燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的尺寸、費(fèi)用和重量。例如，每個再熱裝置可以包括一個產(chǎn)生一預(yù)定漩渦的輪廓。
圖12例示有一如上述參考圖5～11的示范再熱裝置182的另一示范的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180包括一個接受空氣流的徑向入口184。其次，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180包括用于壓縮從入口184來的環(huán)境空氣的低壓壓縮機(jī)186和高壓壓縮機(jī)188。在該例示的實(shí)施例中，從低壓壓縮機(jī)186來的壓縮空氣在空氣-空氣或空氣-水的換熱器中冷卻并通過導(dǎo)管190和192引導(dǎo)到高壓壓縮機(jī)188。從高壓壓縮機(jī)188來的壓縮空氣而后在燃燒室194中燃燒。在一當(dāng)前的實(shí)施例中，燃燒室194為標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)狀燃燒室。其次，從燃燒室194來的工作氣流而后引向高壓渦輪196。此外，一個中壓渦輪198設(shè)置在高壓渦輪196的下游，其構(gòu)型做成能通過一個中間軸和萬用聯(lián)軸器而驅(qū)動低壓壓縮機(jī)188。
在一目前考慮的構(gòu)型中，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180還包括一個動力渦輪200，后者驅(qū)動一根用于驅(qū)動外部負(fù)荷的外軸202。在該實(shí)施例中，再熱裝置182可以設(shè)置在中壓渦輪198和動力渦輪200之間，以便在主要燃燒區(qū)194之外產(chǎn)生一再熱燃燒區(qū)。如早先所述，多個噴射器可設(shè)置在渦輪198和200之間，用來沿橫向噴射燃料，以便于再熱渦輪198和200之間的燃燒。此外，可以考慮再熱裝置182的不同構(gòu)型，這取決于燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180的操作部署和要求。渦輪198和200之間的再熱燃燒提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)180的總效率和動力輸出。
上述方法的各個方面已用于燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中，用于不同的用途。如上所述，用于該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中的再熱裝置有利于將一橫向燃料噴射到燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的渦輪之間的再熱燃燒區(qū)中，由此提高這些系統(tǒng)的動力輸出和效率。其次，本發(fā)明能減少從這樣的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)來的排放特別是NOx排入，由此有利于燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)以一種環(huán)境友好的方式來進(jìn)行操作。
雖然此處僅例示和描述了本發(fā)明的某些特點(diǎn)，但該技術(shù)的專業(yè)人員可作出許多修改和變化。因此，可以理解，所附權(quán)利要求書預(yù)期包括落入本發(fā)明的實(shí)際精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
部件清單10 燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)12 再熱裝置14 壓縮機(jī)16 燃燒室18 第一渦輪20 第二渦輪22 軸23 軸24 入口空氣26 壓縮空氣28 第一燃料流30 從燃燒室來的工作氣體32 從第一渦輪來的流出氣體34 第二燃料流36 從再熱裝置來的排出氣流38 從第二渦輪來的排出氣流40 簡單燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)42 升壓器44 入口空氣46 通向壓縮機(jī)裝置的氣流48 壓縮機(jī)裝置50 從壓縮機(jī)裝置來的氣流52 燃燒室54 分流器56 從分流器到燃燒室的氣流58 第二分流器60 通向第二分流器的氣流
62 第一渦輪64 再熱裝置66 第一燃料流68 燃燒室排出氣流70 混合器72 第二混合器74 從分流器來的氣流76 從第一渦輪來的氣流78 第二燃料流80 工作氣流82 第二渦輪84 排出氣流90 組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)92 蒸汽渦輪94 通向換熱器的氣流96 換熱器100 燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)102 前框架104 壓縮機(jī)區(qū)段106 入口空氣用的入口108 燃燒室110 高壓渦輪112 再熱裝置114 低壓渦輪116 排氣導(dǎo)管120 再熱裝置
122燃?xì)饣旌衔锿ǖ?24噴射器殼體126噴射孔128內(nèi)壁130冷卻劑通道132空氣夾帶口134噴射器構(gòu)型140噴射器構(gòu)型142包含混合器的部件144第二冷卻劑通道150噴射器構(gòu)型152空氣夾帶口154壓力平衡口156冷卻孔158噴射器構(gòu)型160環(huán)狀噴射器組162稀釋劑歧管164燃料混合物歧管166噴射器170示范輪廓172～176 具有不同轉(zhuǎn)角的輪廓180燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)182再熱裝置184入口186低壓壓縮機(jī)188高壓壓縮機(jī)
190～192 導(dǎo)管194 燃燒室196 中壓渦輪198 高壓渦輪200 動力渦輪202 輸出軸。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，包括a)一個壓縮環(huán)境空氣的壓縮機(jī)裝置(14)；b)一個與壓縮機(jī)裝置(14)成流體連通的燃燒室(16)，該燃燒室(16)接受從壓縮機(jī)裝置(14)來的壓縮空氣，并燃燒第一燃料流而產(chǎn)生燃燒室排出氣流；c)一個設(shè)置在燃燒室(16)下游的第一渦輪(18)，使該燃燒室排出氣流部分地膨脹；d)一個與第一渦輪(18)成流體連通的再熱裝置(12)，用以沿橫向向來自第一渦輪(18)的工作氣流引入一股第二燃料流，以便在有該工作氣流的情況下燃燒燃料；以及e)一個第二渦輪(20)，使來自該再熱裝置(12)的排出氣流膨脹。
2.權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，其特征在于，再熱裝置(12)包括多個設(shè)置在第一和第二渦輪(18，20)之間的噴射器。
3.權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，其特征在于，該多個噴射器中的每一個包括設(shè)置在其上的多個噴射孔，以便在該第二燃料流進(jìn)入第二渦輪(20)之前輸入該第二燃料流供燃燒。
4.權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，其特征在于，該第二燃料流由天然氣或氫或合成煤氣或碳?xì)浠衔锘蚱浣M合物組成。
5.權(quán)利要求1的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，其特征在于，該第二燃料流是與一種稀釋劑混合的。
6.權(quán)利要求5的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)，其特征在于，該稀釋劑由氮或蒸汽或二氧化碳或其組合物組成。
7.一種用于燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)的再熱裝置(12)，包括a)至少一個設(shè)置在燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)的第一和第二渦輪(18，20)之間的噴射器(120)，其中，該至少一個噴射器(120)用來將一股燃料流沿橫向引到第一和第二渦輪(18，20)之間的工作氣流的流動方向；以及一條聯(lián)接在該至少一個噴射器(120)上的燃料管線(122)，用于將該燃料流輸送到噴射器(120)。
8.一種操作燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的方法，包括(a)通過一臺壓縮機(jī)壓縮空氣來生產(chǎn)壓縮空氣流；(b)在有該壓縮空氣流的情況下燃燒第一燃料流來產(chǎn)生一股燃燒室排出氣流；(c)在第一渦輪中使該燃燒室排出氣流部分地膨脹，以產(chǎn)生第一渦輪排出氣流；(d)在位于該第一渦輪和第二渦輪之間的燃燒區(qū)中沿橫向引入一股第二燃料流；以產(chǎn)生一股第二渦輪排出氣流；以及(e)在該第二渦輪中使該第二渦輪排出氣流膨脹。
9.一種提高燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)效率的方法，包括a)將至少一個噴射器聯(lián)接到該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中該噴射器用來在燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的第一和第二渦輪之間沿橫向噴射一股燃料流，供再熱該第一和第二渦輪之間的一股工作氣流，以產(chǎn)生一股排出氣流；以及b)在該第二渦輪中使該流出工作氣流膨脹。
10.一種用于提高有一第一渦輪區(qū)段(18)的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)的性能的系統(tǒng)，包括a)一個與燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)的第一渦輪區(qū)段(18)成流體連通的第二渦輪區(qū)段(20)；以及b)一個設(shè)置在第一和第二渦輪區(qū)段(18，20)之間的再熱裝置(12)；其中該再熱裝置(12)包括至少一個噴射器(120)，用來沿橫向?qū)⒁还扇剂狭饕皆摰谝缓偷诙u輪區(qū)段(18，20)之間的工作氣流的流動方向。
全文摘要
提供一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)包括一個用來壓縮環(huán)境空氣的壓縮機(jī)裝置(14)和一個與壓縮機(jī)裝置(14)成流體連通的燃?xì)馐?16)，燃燒室(16)的構(gòu)型做成接受從壓縮機(jī)裝置(14)來的壓縮空氣并燃燒第一燃料流而產(chǎn)生一股燃燒室排出氣流。該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)包括位于燃燒室(16)下游的第一渦輪(18)和與第一渦輪(18)成流體連通的再熱裝置(12)，該第一渦輪(18)的構(gòu)型做成使燃燒室排出氣流部分膨脹。再熱裝置(12)的構(gòu)型做成沿橫向?qū)⒁还傻诙剂狭饕驈牡谝粶u輪(18)來的工作氣流，以便在該工作氣流的存在下燃燒該燃料。燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)(10)也包括一個第二渦輪(20)，其構(gòu)型能膨脹從再熱裝置(12)來的排出氣流。
文檔編號F02C6/00GK1912367SQ20061011482
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者J·S·戈德米爾, J·M·海恩斯 申請人:通用電氣公司