[发明专利]用于测试工业燃气涡轮发动机及其部件的设备和方法

说明书

技术领域

本发明总地涉及一种用于测试燃气涡轮发动机、特别是大型航空或工业燃气涡轮发动机的部件的系统和过程，并且涉及需要大的流量和压缩比的测试大型工业燃气涡轮发动机及其部件的过程。

背景技术

大构架重型工业燃气轮(IGT)发动机通常用于驱动发电机，并产生电能。这些发动机能产生超过200WM的电力。例如，大构架工业燃气涡轮发动机可输出几乎300MW的电力。IGT发动机具有压缩机、燃烧室和涡轮机，压缩机具有多排或多级转子叶片和定子叶片，燃烧室具有以环形阵列设置的多个筒状燃烧室（也被称为筒状环形燃烧室），而涡轮机具有多排转子叶片和定子叶片。航空发动机通常具有环形燃烧室，而不是如IGT发动机中那样以环形阵列设置的多个筒状燃烧室。

将新技术引入大型构架发电燃气涡轮发动机的最大障碍是如下风险：新技术会在操作发动机运行过程中失效，并造成以千万美元计的设备损失，且可能造成在发电厂停工期间需要代替电力的成本。由于这些发动机之一的拥有者非常不愿允许在测试新技术时使用发动机，由此，非常难以将新技术引入公用发电厂，大多数发电制造商具有测试设施来在投入生产之前测试尽可能多的部件。不幸的是，测试设施和运行测试的成本抑制了广泛测试，并且通常仅允许在公用部位处安装新燃气涡轮发动机之前讨论早期失效问题。

测试整个大型IGT发动机或测试发动机的一部分或其部件是非常昂贵并且非常困难的。当测试大型发动机时，必须消耗产生的电力，诸如通过立即使用电能或储存该电能以供将来使用。使产生的电能消耗的一个方法是使用该电能以驱动发电机。由发电机产生的能量可供回到电网内。然而，发动机测试仅可以持续几小时。将大量电力供给到电网几小时然后停止会造成电力公司的巨大问题，特别是如果燃气涡轮发动机由于测试过程中的问题而离线跳闸的话。

测试工业发动机的另一问题是测试成本非常高。在一些IGT发动机测试台中，代替用发电机来供给电阻性负载，可采用水阻或电加热器的电阻来消耗由发动机产生的负载。消耗负载的这些手段与上述电力生产相比优点在于不会产生对电网的干扰。然而，缺点是所有产生的能量都损失掉了。

测试大型航空或工业发动机的燃烧室或涡轮机部件需要高流量的高压空气。测试时间可根据所需的暖机时间持续许多小时，以实现稳定的测试条件和完整的数据组所需的测试点数目。典型的设施位于德国科隆，该设施由德国航天中心（DLR）来运作。该设施提供的流量和压力受到设施处的压缩机的尺寸的限制。因此，大型发动机燃烧室经常分段测试，而大型工业燃气涡轮燃烧室作为单独的筒来进行测试。由于诸如DLR的设施处的流量和压力的限制，用于大型发动机或工业燃气涡轮机、甚至是对于燃烧室研发来说是期望的全环形燃烧室测试是不可能的。其它部件测试需要甚至更高的流量和更高的压力，并且为了建立具有大到足以供给对于多个小时全环形测试来说期望的流量和压力水平的压缩机的测试设施，将需要例如高达$4亿的大量资金投入。

在采用IGT发动机来驱动发电机并产生电力的发电厂中，当地社区所需的电力从高负载（峰值负载）到低负载（诸如在凉爽的白天或夜里）循环。使供电与发电厂的需求匹配的一个过程是利用压缩空气能量储存（CAES）系统。在这些CAES设施处，在低负载期间，并不关闭发动机，而是使发动机用于驱动压缩机而不是发电机，以产生高压空气，然后将该高压空气储存在诸如是人造溶浸采矿洞穴的地下洞穴内。然后，将压缩空气供给到燃烧室以与燃料一起燃烧，并产生热气流，该热气流经过涡轮机以驱动发电机。该系统使用储库内的压缩空气来代替使用压缩机。

还应考虑到这些大型发动机和它们的部件进行测试所处的条件。当测试诸如大型工业发动机的燃气涡轮发动机或航空发动机或这些发动机之一的部件时，发动机或部件需要在不仅仅是稳定状态条件的不同运行条件下进行测试。发动机部分负载条件必须进行测试，且这种测试需要不同的燃料和压缩气流。同样，发动机负载在测试过程中从稳定状态条件下的完全负载变化到部分负载。因此，消耗的能量大小在发动机测试过程中变化。

发明内容