[发明专利]改进工业燃气涡轮发动机的方法及包含改进的工业燃气涡轮发动机的动力装置

说明书

一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改造的方法，其中具有高转子的旧工业发动机，该旧工业发动机有具备低转子的低压发动机，利用高压涡轮机的废气驱动低压压缩机，并且其中该新的低压压缩机将压缩的空气通过新的压缩空气管道输送到高压压缩机，穿过高压压缩机的进气口。旧发电机被新发电机所替代，新发电机的电力产量大约是旧的两倍。从高压压缩机中移除一级或多级叶片和桨叶的一个或多个阶段，以便最佳地匹配压力比。在高压涡轮中增加一级或多级叶片和桨叶的闭合循环冷却，并将使用过的冷却空气排入到燃烧室。

技术领域

本发明大体上涉及一种具有工业燃气涡轮发动机的动力装置，更具体地说，涉及一种对工业燃气涡轮发动机进行改进以提高功率和效率的方法。

政府许可权

本发明是在能源部授予的合同编号为DE-FE0023975的政府支持下所作出的。政府享有本发明某些权利。

背景技术

当压力比和燃烧温度上升到使最后涡轮级加载到马赫数达到最大气动性能时，单轴燃气涡轮发动机的功率和效率受到限制。在这些情况下，发动机在功率或效率方面的提升能力有限。在一些情况下，两轴发动机配置采用低速杆轴上的发电机联接到一个更大的自由旋转涡轮机以提高功率。这在总流量上也有限制，并且限制了该装置可承受的最大压力比。

发明内容

在本发明中，对现有的单轴涡轮发动机进行改进，将低压涡轮机联接到低压压缩机，即在现有压缩机前面空气动力学联接，该低压压缩机现在被视为高压压缩机，其中将现有的涡轮机(现为高压涡轮机)联接到低压涡轮机。对冷却系统的进一步加强可以提高燃气涡轮机的现有部分的燃烧温度，并提高整体的额定功率和效率。

一种对工业燃气涡轮发动机进行改进的方法，其中安装有新的独立运作的低转子轴，该低转子轴具有一动力涡轮机和一低压压缩机，其中低压压缩空气被引导进入高压压缩机的进气口。在动力涡轮机上增加可变面积涡轮叶片组件，向低压压缩机增加可变的进气口导向叶片。在另一个实施例中，通过使用动力涡轮机驱动低压压缩机，对驱动发电机的动力涡轮机进行改进，该低压压缩机将低压空气输送到高压压缩机的进气口，并将发电机重新定位到压缩机的冷端处的高速轴上。再生回路冷却或闭环回路冷却也可用于提高效率，通过从压缩机排出空气、冷却空气和然后再加压空气以通过定子叶片冷却，其中使用过的冷却空气随后排入在火焰上游的燃烧室。用于冷却的空气可以从压缩机的中间级或从压缩机的出口端流出。或者，可以将外部压缩机与来自大气的环境空气一起使用以进一步将空气压缩到P3级，然后在定子叶片冷却之前进行中间冷却。

在一个实施例中，一种对动力装置的工业燃气涡轮发动机进行改进的方法，所述工业燃气涡轮发动机具有由主涡轮机驱动的主压缩机和由主涡轮机驱动的主发电机，主压缩机具有原始进气口，该方法包括以下步骤：给主压缩机增加新进气口，新进气口替代原始进气口，相比原始进气口新进气口能够接收更大的气流；增加具有低压涡轮机和低压压缩机的低转子，所述低压涡轮机驱动低压压缩机至主涡轮机，使所述低压涡轮机由来自主涡轮机的废气驱动；在低压涡轮机的进气口侧增加可变的进气口导向叶片组件；增加压缩空气管道，将所述低压压缩机连接到主压缩机的新进气口，使来自低压压缩机的压缩空气流入主压缩机；以及将上述主发电机替换为具有约两倍电力产量的新发电机。

在本实施例的一个方面中，该方法还包括从主压缩机中移除至少一级转子叶片和定子叶片的步骤，以优化匹配低压压缩机和主压缩机之间的压力比。

在本实施例的一个方面中，该方法还包括步骤：从所述主涡轮机中移除至少一排定子叶片；在主涡轮机中安装至少一排新的定子叶片，其中新的定子叶片具有闭环冷却回路；为新的一排的涡轮机定子叶片排的冷却提供压缩空气源；以及从主燃烧室上游的新的一排的涡轮机定子叶片处排放使用过的冷却空气，主燃烧室为主涡轮机产生热气流。