專利名稱：渦輪設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括同心設置的燃氣渦輪部和蒸汽渦輪部的渦輪設備的改進。本發明 還涉及用于調節包括這種渦輪設備的渦輪發動機的方法。
背景技術：
燃氣渦輪發動機在很多場合中被用于將燃料的化學能轉變成機械能。其中，燃氣 渦輪由燃料燃燒所產生的氣流驅動。燃氣渦輪通常驅動壓縮機，以便壓縮空氣和向燃燒室 提供加量的氧氣。一般來說，燃氣渦輪發動機的優點是該發動機能夠在低重量下提供高功率。缺點 通常是效率(即燃料化學能的利用率)低下。在SE530142 C2號瑞典專利、60/969997號美國臨時申請和PCT/SE2008/050258號 PCT申請中公開了包括同心的燃氣渦輪部和蒸汽渦輪部的高效渦輪設備。這種渦輪設備可以在很多場合中替代現有的渦輪，如在上述現有技術中討論的那 些。如果利用包括同心的燃氣渦輪部和蒸汽渦輪部的渦輪設備對現有的燃氣渦輪發動機進 行改造，則必須在設計上作一些考慮以使利用率最大化。
發明內容
本發明的目標是提供一種用于優化利用包括同心設置的燃氣渦輪部和蒸汽渦輪 部的渦輪設備已翻新過的渦輪發動機的方法。該目標通過用于將燃氣渦輪發動機改造成具有組合的燃氣和蒸汽渦輪設備的渦 輪發動機的方法來實現。其中，燃氣渦輪發動機包括壓縮機，燃燒室，其由壓縮機提供空氣， 壓氣渦輪和動力渦輪。壓氣渦輪驅動壓縮機，動力渦輪提供輸出功率。壓氣渦輪為包括多 個燃氣級的燃氣渦輪。在改造過程中，用包括燃氣渦輪部和蒸汽渦輪部的渦輪設備替換壓 氣渦輪。燃氣渦輪部和蒸汽渦輪部是同心設置的。現在，渦輪設備內的燃氣渦輪部的級數 被選擇成小于被替換的壓氣渦輪的級數。另外，蒸汽渦輪部內的級數大于包括在渦輪設備 內的燃氣渦輪部的級數。通過減少壓氣渦輪內的燃氣級，在燃燒氣體中保持更多數量的用于動力渦輪的能 量。另外，壓氣渦輪的蒸汽部入口處的蒸汽壓力可以高于壓氣渦輪的燃氣部入口處的燃氣 壓力。因此，來自蒸汽渦輪部的功率貢獻可被提高。本發明還涉及提高具有同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部的渦輪設備的利用率的問 題。還需要對渦輪葉片進行有效冷卻。這已通過用于包括燃氣渦輪部和同心設置的蒸汽渦輪部的渦輪設備的轉子葉片 實現。渦輪轉子葉片包括通道，其適于引導蒸汽從蒸汽渦輪部到達燃氣渦輪部，并且返回轉 子葉片內的蒸汽渦輪部。因此實現了簡單的葉片設計、對葉片的有效冷卻以及對蒸汽渦輪 部的能量供應。該目標還已經通過用于包括燃氣渦輪部和同心設置的蒸汽渦輪部以及蒸汽發生器的渦輪設備的渦輪定子葉片實現。現在，渦輪定子葉片包括蒸汽通道，其適于引導蒸汽從 蒸汽發生器通過燃氣渦輪部并且到達蒸汽渦輪部。通過這種方式，定子葉片獲得有效冷卻。在具有同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部的渦輪設備中，期望從渦輪設備的轂排出空 氣。這可以通過適于引導空氣從轂通過蒸汽渦輪部并且到達燃氣渦輪部的空氣通道來實 現。在具有同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部的渦輪設備中，渦輪葉片上的負載變大，因 為該同一葉片貫穿這兩個部。這個問題可以通過引入將燃氣渦輪部與蒸汽渦輪部分開的間 隔壁來解決。如果燃氣渦輪轉子葉片被附連在間隔壁上，則由燃氣渦輪轉子葉片的旋轉引 起的離心力部分由間隔壁承受和相互抵消。另外，根據本發明，具有同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部的渦輪設備的利用率可以 通過使用具有不同橫截面的蒸汽渦輪轉子葉片和燃氣渦輪轉子葉片來提高。于是，蒸汽渦 輪轉子葉片的橫截面可以用于使蒸汽渦輪部的蒸汽流得到優化，燃氣渦輪轉子葉片的橫截 面可以用于使燃氣渦輪部的燃氣流得到優化。任何一個蒸汽渦輪轉子葉片均可被分成第一和第二轉子葉片部，因而在轉子葉片 中形成流通通道，或者蒸汽渦輪轉子葉片可以具有較小的橫截面，從而允許設置比燃氣渦 輪轉子葉片多的蒸汽渦輪轉子葉片。通過用于調節包括壓縮機、燃燒室、壓氣渦輪和動力渦輪的渦輪發動機的方法來 確保對葉片進行有效地冷卻。壓氣渦輪和/或動力渦輪為包括燃氣渦輪部和同心設置的蒸 汽渦輪部的渦輪設備。壓氣渦輪和/或動力渦輪還包括具有流體通道的轉子葉片和定子葉 片，以及蒸汽發生器，其為流體通道產生蒸汽以冷卻葉片和驅動蒸汽渦輪部。根據該方法， 來自壓縮機的壓縮空氣在啟動期間被引導至渦輪設備的葉片。如果在關閉期間中斷向渦輪設備的蒸汽渦輪部提供蒸汽，并且相對較少量的空氣 從壓縮機被引導至渦輪設備的蒸汽渦輪部，則還可以確保有效冷卻，并且防止過速。
現在將參考附圖對本發明作更詳細的描述，其中圖1示出了包括燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的已知渦輪設備1的軸向橫截面；圖2示意性地示出了包括壓縮機46、燃燒室43、壓氣渦輪31和動力渦輪41的渦 輪發動機37 ；圖3a示出了現有的壓氣渦輪31和動力渦輪41圖北示出了現在包括燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的經改造的壓氣渦輪32和動 力渦輪41 ；圖3c示出了經改造的壓氣渦輪33和動力渦輪41，其中在壓氣渦輪33中，燃氣渦 輪部2和蒸汽渦輪部4的級數得到了優化；圖4示出了包括通道101、103的渦輪轉子葉片7、17，所述通道用于引導蒸汽從蒸 汽渦輪部4到達燃氣渦輪部2，并且返回蒸汽渦輪部4 ；圖5示出了渦輪定子葉片9、19，其包括用于向渦輪設備的蒸汽渦輪部4供應蒸汽 的蒸汽通道201和用于引導空氣從渦輪設備的轂205到達燃氣渦輪部2的空氣通道203 ；圖6示出了多個渦輪轉子葉片7、17，以及設在燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4之間的間隔壁301 ；圖7示出了用于在蒸汽渦輪轉子葉片和燃氣渦輪轉子葉片采用不同橫截面時設 計蒸汽渦輪轉子葉片的兩種替換方式；以及圖8為方框圖，其示出了用于調節包括具有燃氣部和蒸汽部的渦輪設備的渦輪發 動機的方法。無論是這些附圖、還是下面的描述都將不對本發明的范圍形成限制。在全部附圖 中，相同的附圖標記用于相同的部件。
具體實施例方式圖1示出了一種包括燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的渦輪設備1，其中燃氣渦輪部 2和蒸汽渦輪部4同心設置。這種原理在SE530142 C2號瑞典專利、60/969997號美國臨時 申請和PCT/SE2008/050258號PCT申請中公開了。燃燒氣體從燃燒室進入(如箭頭3所示)渦輪設備1的燃氣渦輪部2。在圖1中， 燃燒氣體從左至右地(如箭頭3和5所示)穿過燃氣渦輪部2，因此氣體通過作用在多個燃 氣渦輪轉子葉片7上來驅動渦輪軸6。燃氣渦輪部2還包括多個引導翼或燃氣渦輪定子葉 片9。轉子葉片7和定子葉片9沿渦輪縱軸11間隔設置。流體通道13被設在燃氣渦輪轉子葉片7和燃氣渦輪定子葉片9內。借助在所述 通道13中流動的流體，從燃氣渦輪部2中的燃燒氣體中吸收熱量。流體通道13通向蒸汽 渦輪部4的入口 15。通過這種方式，流過燃氣渦輪部2的流體的溫度升高，高壓流體被噴入 蒸汽渦輪部4的入口 15。此時，流體一般為蒸汽形式。在圖1中能夠看到，蒸汽渦輪部4沿徑向設在燃氣渦輪部2內部。蒸汽從左至右 地(如蒸汽入口 15處的箭頭和箭頭16所示)通過蒸汽渦輪部4，因此蒸汽通過作用在多 個蒸汽渦輪轉子葉片17上來驅動渦輪軸6。因此，蒸汽和燃燒氣體均驅動相同的渦輪軸6。 蒸汽渦輪部4還包括多個引導翼或蒸汽渦輪定子葉片19。如同燃氣渦輪部2中那樣，蒸汽 渦輪轉子葉片17和蒸汽渦輪定子葉片19間隔設置。轉子葉片7、17被安裝在轉子21上，定子葉片9、19被安裝在定子23上。在圖1的示意性示圖中，最上游的葉片為轉子葉片7、17，其后面是定子葉片9、19。 位置也可以是顛倒的，即最上游的葉片可以是定子葉片，參見圖3。現在參見圖2和3。本發明的一個方面涉及將燃氣渦輪發動機37改造成具有組合 的燃氣和蒸汽渦輪設備33的渦輪發動機的方法。從而能夠提高含有燃氣渦輪31的渦輪發 動機的利用率。現有的渦輪發動機37的燃氣渦輪35可分為壓氣渦輪31和動力渦輪41。壓氣渦 輪31由來自燃燒室43的燃燒氣體驅動，繼而又驅動壓縮機45，壓縮機45向燃燒室43提供 空氣。動力渦輪41被設在壓氣渦輪31的下游，將燃燒氣體的剩余能量轉變成軸功率。此 時，壓氣渦輪31可以借助第一渦輪軸47與壓縮機45耦聯。動力渦輪41能夠借助第二渦 輪軸49與發電機或變速箱(未示出)耦聯。這種渦輪發動機通常被稱作雙軸發動機。本實例的壓氣渦輪31最初為兩級燃氣渦輪，S卩，壓氣渦輪31包括兩套軸向分離的 燃氣渦輪葉片，參見圖3a。在圖3a、!3b和3c中，燃氣渦輪級標為G，蒸汽渦輪級標為S。提高渦輪發動機37的功率的最直接的方法是通過利用包括燃氣渦輪部2和同心的蒸汽渦輪部4的渦輪設備1替代壓氣渦輪31和動力渦輪41來對其進行改造。在圖北 中示出了這種改造的結果，其中壓氣渦輪32包括兩個燃氣級G和兩個蒸汽級S。然而，增加 的壓氣渦輪32的功率將無需用于驅動壓縮機45，因此最好不被使用。圖3c示出了本發明的用于提高渦輪發動機37的功率的方法。其中，采用了包括 一個燃氣渦輪級G和三個蒸汽渦輪級S的壓氣渦輪33。三級蒸汽渦輪部4的引入使得燃氣 級中的一個是多余的。一個燃氣級G和三個蒸汽級S足以產生壓縮機所需要的功率。因此 可以去除壓氣渦輪31、32的燃氣渦輪級中的一個。渦輪級的去除意味著去除一組多個轉子 葉片和多個定子葉片。如果以這種方式(即從圖3a的設計到圖3c的設計)對已有的渦輪發動機37進 行改造，壓氣渦輪33出口處的氣體溫度和氣體壓力被提高。因此，動力渦輪41入口處的氣 體溫度和氣體壓力被提高，因此動力渦輪41能夠產生更多功率。在具有同心設置的燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的渦輪設備1中，期望將該設備 設計成燃氣渦輪部2的氣體壓力沿渦輪縱軸11與蒸汽渦輪部4的蒸汽壓力基本相同。如 果將燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4設置成具有軸向重合的入口和出口，參見圖1，各自的氣 體和蒸汽壓力必須相匹配。然而，如參考圖: 和3c描述過的那樣，燃氣渦輪級和蒸汽渦輪 級的數量可以改變，例如，在需要的情況下，蒸汽渦輪級的數量可高于燃氣渦輪級。典型地，燃燒室43的燃燒氣體壓力、因此燃氣渦輪部2的入口壓力約為1.5MPa。 因此，渦輪設備1應被設計成蒸汽渦輪部4入口處的蒸汽壓力也約為1. 5MPa。然而，通過添 加更多的蒸汽渦輪級(圖3c)，蒸汽渦輪部4入口處的蒸汽壓力可被提高至例如5MPa。從 而大大提高了蒸汽渦輪的功率貢獻。由于每個渦輪級均需要一個壓降，因此額外的蒸汽渦 輪級將在燃氣渦輪部2入口所在的軸向位置上將蒸汽壓力降至期望的1. 5MPa。蒸汽壓力受到流體通道13的設計的影響。單獨的蒸汽發生器也可以被用來在預 定壓力下生成足夠的蒸汽。圖北和3c的動力渦輪41可以是現有的燃氣渦輪，或者如此處示出的那樣，是包 括燃氣渦輪部2和同心的蒸汽渦輪部4的渦輪設備1。如果動力渦輪41是包括燃氣渦輪部 2和同心的蒸汽渦輪部4的渦輪設備1，則可以通過在蒸汽渦輪部4的末端增加蒸汽渦輪級 來加長蒸汽渦輪部4。通過這種結構能夠利用更多的蒸汽能量。在去除燃氣級時，如圖3c所示，內部定子壁34可以被設置成構成不沿徑向位于燃 氣渦輪部內的蒸汽渦輪部的外壁。內部定子壁34可以由沿徑向從定子壁向內延伸的桿(未 示出)保持。類似的方案用于在渦輪設備之前和/或之后額外添加蒸汽級的情形。圖4示出了本發明的另一方面。假定具有同心的燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的 渦輪設備1 (圖1)。其中，蒸汽從蒸汽渦輪部4被引至燃氣渦輪部2，并且借助轉子葉片7、 17內的通道101、103返回蒸汽渦輪部4。通過這種方式，葉片7、17被冷卻，蒸汽渦輪部4的 蒸汽過度受熱。該流在葉片前緣和后緣之間的壓力差的作用下被推動通過通道101、103。在蒸汽渦輪部4中，蒸汽通過位于葉片17的前緣(即上游邊緣)上的入口 105進 入蒸汽渦輪轉子葉片17。蒸汽沿葉片7、17的縱向方向徑向向外地通過外側通道101從蒸 汽渦輪部4傳至燃氣渦輪部2。然而也可以想到其它實施例(例如參見圖7)，在圖4中，蒸汽渦輪轉子葉片17和 燃氣渦輪轉子葉片7各自的橫截面是相等的。外側通道101從蒸汽渦輪轉子葉片17延伸至燃氣渦輪轉子葉片7。在燃氣渦輪轉子葉片7內，外側通道101分成多個內側通道103。內 側通道引導蒸汽徑向向內地返回蒸汽渦輪轉子葉片17，并且終止在出口 107處。出口 107 位于蒸汽渦輪轉子葉片17的后緣(即，下游邊緣)。在該示例中，使用了一個外側通道101 和四個內側通道103，但是也可以采用任何期望的提供高熱傳導性的流動幾何形狀。為使從燃燒氣體到燃氣渦輪轉子葉片7且因此到流動于外側通道101和內側通道 103中的蒸汽的熱傳導性最大，所述通道基本覆蓋燃氣渦輪轉子葉片7的整個長度。用于從燃氣渦輪部2收集熱量并將所述熱量提供給蒸汽渦輪部4的結構105、101、 103、107意味著蒸汽在蒸汽渦輪部4的入口 15處被注入。蒸汽可以在單獨的蒸汽發生器中 生成，這將在下面進行討論。結構105、101、103、107也可以與上述流體通道13結合使用。于是，每個渦輪轉子 葉片7、17包括外側通道101、內側通道103和流體通道13。或者，渦輪轉子葉片7、17可以 包括外側通道101和內側通道103，如圖4所示，但是只有渦輪定子葉片9、19包括流體通道 13，如圖1所示。圖5涉及本發明的又一方面。這一方面解決了例如冷卻定子葉片9、19的問題。在 具有同心設置的燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4的渦輪設備中(參見圖1)，根據圖5，燃氣渦 輪部2內的定子葉片9能夠被流動于葉片9內部的蒸汽冷卻。該蒸汽流過燃氣渦輪部2，到 達蒸汽渦輪部4。為此，可將蒸汽通道201設在渦輪定子葉片9、19內。蒸汽可以在單獨的 蒸汽發生器中生成，這將在下面討論。可替代地，蒸汽可以在渦輪葉片的流體通道13內生 成。在圖5中可以看到，渦輪定子葉片9、19包括蒸汽通道201。所述通道201貫穿定 子葉片9、19，且適于引導蒸汽從定子壁外側通過燃氣渦輪部2，到達蒸汽渦輪部4。通過這 種方式，蒸汽被加熱，葉片9、19被冷卻。在蒸汽渦輪部4中，蒸汽可以通過位于蒸汽渦輪定 子葉片19的后緣上的開口(未示出)離開葉片19。或者，可以通過管道(未示出)將蒸汽 引向上游，并且在定子葉片9、19之前將其釋放到蒸汽渦輪部4中。箭頭207以說明性方式 示出了蒸汽流過定子葉片19。蒸汽通道201可以設在渦輪設備1的最上游的渦輪葉片內。沿渦輪軸線11的后 續定子葉片可以設有類似的蒸汽通道201，或者設有圖1所示的流體通道13。葉片內的蒸 汽流動幾何形狀被優化以便獲得高熱傳導性。在圖5中用附圖標記205指示渦輪轂。壓縮空氣可以從壓縮機45，例如，通過軸 47的密封件(未示出)和后軸軸承(未示出)泄漏到渦輪設備1的轂205。該空氣可以借 助定子葉片9、19內的空氣通道203排出。盡管未示出，但作為替換方式，可以將這種空氣 通道203設在轉子葉片7、17內。空氣通道203的作用是弓I導空氣從轂205通過蒸汽渦輪部4，并且到達燃氣渦輪部 2。從而使渦輪葉片7、17、9、19的后緣得到冷卻。有利的是，空氣通道可以終止于設在渦輪 葉片的后緣或尾端上的多個出口 209或開槽209。這種開槽209可以沿基本整個渦輪葉片 邊緣設置，從而沿整個邊緣上實現有效的冷卻。圖6示意性地示出了本發明的另一方面。該方面解決了設計一種所述渦輪設備具 有同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部2、4的渦輪設備的問題，同時避免轉子葉片7、17承受高的 機械負載。同心設置的渦輪部2、4意味著轉子葉片7、17要比現有燃氣渦輪的轉子葉片長，因此作用在葉片7、17的徑向內側段上的離心力增大。增加的負載在一定程度上由上述對 轉子葉片7、17的冷卻補償。較低的溫度引起較高的強度。在圖6中示出了用于降低轉子 葉片7、17上的機械負載的補充方案。在燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4之間設有間隔壁301。間隔壁或外密封環301起 到將燃氣渦輪部2與蒸汽渦輪部4分開的作用，并且可以由附連在葉片上的多個板(在圖4 和5中示出)構成。然而，通過將間隔壁301制成整環和將燃氣渦輪轉子葉片7附連在所 述間隔壁301上，由圍繞轉子的各個燃氣渦輪轉子葉片7引起的離心力的一部分被間隔壁 301吸收。圖6還示出了定子壁303、內密封環305和渦輪葉片腳307。燃氣渦輪部4由間隔 壁301和內密封環305限定。相應的間隔壁和內密封環由定子葉片9、19承載。圖7涉及本發明的另一方面。其中，分別用于使渦輪設備1的氣流和蒸汽流對燃 氣渦輪葉片7、9和蒸汽渦輪葉片17、19進行優化。假設具有同心的燃氣渦輪部2和蒸汽渦 輪部4的渦輪設備1(圖1)。例如圖6所示，蒸汽渦輪部4的體積遠小于燃氣渦輪部2的體積。這由間隔壁301 的徑向位置來指示。通過蒸汽部4的蒸汽流實際上只構成通過燃氣部2的氣流的約10%。 因此，蒸汽渦輪葉片17、19的徑向長度小于燃氣渦輪葉片7、9的徑向長度。如果蒸汽渦輪轉子葉片17將能夠承載燃氣渦輪轉子葉片7的離心負載(即，如果 不使用承載間隔壁301)，則蒸汽渦輪葉片17的橫截面必須與燃氣渦輪葉片7的橫截面基本 相同。假設蒸汽渦輪轉子葉片17和燃氣渦輪轉子葉片7采用相同的橫截面，蒸汽渦輪轉 子葉片17將具有相當大的弦401與葉片長度的比值。長度指的是轉子葉片17的徑向長度。 大的弦401與葉片長度的比值意味著高流阻，因此不受歡迎。因此，希望采用不同的蒸汽渦輪轉子葉片17和燃氣渦輪轉子葉片7的設計，以便 用于使蒸汽渦輪部4和燃氣渦輪部2中的流對相應葉片17、7進行優化。具體地，避免形成 大的弦401與葉片長度的比值。在圖7的左部示出了建議用于蒸汽渦輪轉子葉片的橫截面第一種設計。燃氣渦輪 轉子葉片7的橫截面也被示出。每個蒸汽渦輪轉子葉片被分成第一葉片部17a和第二葉 片部17b。從而在轉子葉片中形成流通通道403。流通通道403降低了蒸汽渦輪轉子葉片 17a、17b的流阻。此外還降低了弦與葉片長度的比值。圖7還在右手側示出了用于蒸汽渦輪轉子葉片的橫截面的第二種可能設計。作為 比較，同樣示出了燃氣渦輪轉子葉片7的橫截面。其中，一個較大的渦輪葉片用多個較小的 蒸汽渦輪葉片17c、17d、17e來代替。因此，弦被減短，同時蒸汽渦輪轉子葉片的徑向長度不 發生變化，這意味著弦與葉片長度的比值降低了。根據本發明，每個相應的燃氣渦輪葉片使用2-5個較小的蒸汽渦輪葉片，這提供 了合適的弦與葉片長度的比值。三個較小的蒸汽渦輪葉片17c、17d、17e形成特別合適的弦 與葉片長度的比值。蒸汽渦輪轉子葉片的優化可以結合間隔壁301(已參見圖6對其進行了描述)的 使用來實現。通過這種方式，蒸汽渦輪葉片17a、17b、17C、17d、17e不必承受由燃氣渦輪葉 片7產生的所有離心力。然而，所述優化也可以在沒有間隔壁301的情況下實現，蒸汽渦輪葉片17a、17b、17c、17d、17e則必須被設計成它們能夠承受由燃氣渦輪葉片7產生的所有離 心力。圖8的方框圖示出了用于調節包括具有燃氣部2和蒸汽部4的渦輪設備1的發電 廠渦輪發動機的方法。該方框圖與圖2的圖示一致，但圖8還公開了蒸汽發生器51、冷凝器 53、發電機55和閥門V1-V5。壓氣渦輪31和動力渦輪41均為圖1所示那種渦輪設備。蒸汽發生器51連接動力渦輪41的燃氣渦輪部2的出口。另外，蒸汽發生器51經 由閥門Vl連接壓氣渦輪31的蒸汽部入口。蒸汽發生器51還經由閥門V2連接動力渦輪41 的蒸汽部入口。因此，蒸汽發生器51利用來自燃燒氣體的熱量來產生蒸汽，其被供應給壓 氣渦輪31和動力渦輪41。圖8中位于蒸汽發生器51上方的箭頭指示燃燒氣體出口。蒸汽 發生器51還可以由單獨的燃燒器或通過電氣裝置提供功率。閥門V1、V2為控制閥，其確保最大數量的蒸汽被供應給壓氣渦輪31和動力渦輪41 的蒸汽渦輪部4，而基本沒有蒸汽從各個渦輪31、41的蒸汽部4泄漏至燃氣部2。閥門VI、 V2分別由壓氣渦輪31和動力渦輪41前方的燃燒氣體壓力控制。在蒸汽發生器51的蒸汽 出口處設有排泄閥V4。冷凝器53連接蒸汽發生器51，并且能夠向蒸汽發生器51提供冷凝液，諸如水。所 述蒸汽通過與動力渦輪41的蒸汽渦輪部4的連接被引至冷凝器53。如在圖8中能夠看到， 動力渦輪41和冷凝器53之間的所述連接包括排泄閥V5。冷凝期間產生的熱量可以被用于 加熱的目的。圖8中位于冷凝器左邊的箭頭示出了與例如區域加熱系統的連接。發電機55經由第二渦輪軸49與動力渦輪41連接。壓縮機45的出口連接壓氣渦輪31的蒸汽入口。在圖8中能夠看到，閥門V3被設置成調節從壓縮機45到壓氣渦輪31的氣流。壓縮機45還可以連接動力渦輪41的蒸汽入□。本渦輪發動機的調節在原理上與現有的組合式燃氣和蒸汽渦輪發動機的調節一 致。然而，由于(分別位于壓氣渦輪31和動力渦輪41內的)燃氣渦輪部2和蒸汽渦輪部4 被設在同一殼體內且共用相同的轉子，因此，即使在燃氣渦輪部2不產生蒸汽的情況下，蒸 汽渦輪部4也將工作。這是處于瞬態條件下的情形，諸如啟動或緊急關閉。在這種條件下， 缺乏蒸汽則意味著壓氣渦輪31和動力渦輪41未得到充分冷卻。為了在啟動階段獲得充分冷卻，蒸汽發生器51與壓氣渦輪31和動力渦輪41之間 的閥門V1、V2被關閉。其余的閥門V3、V4、V5打開，使得來自壓縮機45的空氣被引導通過 壓氣渦輪31和動力渦輪41，并且為它們提供冷卻。空氣被引導通過設在渦輪31、41的渦 輪葉片內的流體通道13 (參見圖1)。用啟動馬來幫助使渦輪31、41空轉(idle)，這通常花 費約2-3分鐘。接著，通過蒸汽發生器51并且借助壓氣渦輪31和動力渦輪41內的流體通 道13產生蒸汽。現在，蒸汽發生器51與壓氣渦輪31和動力渦輪41之間的閥門VI、V2可 以被打開，其余的閥門V3、V4、V5可以被關閉。在緊急關閉(例如因軸49上的負載突然丟失引起)時，必須防止渦輪31、41過 速。此時，立即切斷燃料供應。向壓氣渦輪31和動力渦輪41的蒸汽渦輪部4供應的蒸汽 通過關閉蒸汽發生器51和渦輪31、41之間的閥門V1、V2而中斷。蒸汽發生器51的蒸汽出 口處的排泄閥V4被打開以使蒸汽發生器51通風。其余的閥門V3和V5逐漸被打開，以便引導空氣從壓縮機通過渦輪31、41的蒸汽渦輪部4來進行冷卻。空氣被引導通過設在渦輪 31,41的渦輪葉片內的流體通道13(參見圖1)。通過這種逐漸打開，空氣流足以用于進行 冷卻，但是又不會強到足以給渦輪31、41提供不希望的驅動力。
權利要求
1.一種用于將燃氣渦輪發動機(37)改造成具有組合的燃氣和蒸汽渦輪設備(3 的渦 輪發動機的方法，所述燃氣渦輪發動機(37)包括壓縮機G5)，燃燒室(43)，其由壓縮機0 提供空氣， 壓氣渦輪(31)和 動力渦輪(41)，其中，壓氣渦輪(31)驅動壓縮機(45)，動力渦輪提供輸出功率，并且其中壓氣渦 輪(31)為包括多個燃氣級(G)的燃氣渦輪， 其特征在于包括以下步驟用包括燃氣渦輪部( 和蒸汽渦輪部(4)的渦輪設備(3 替換壓氣渦輪(31)，在所述 渦輪設備(3 中，燃氣渦輪部( 和蒸汽渦輪部(4)是同心設置的，其中，渦輪設備(3 內的燃氣渦輪部( 的級(G)數被選擇成小于被替換的壓氣渦輪 (31)的級(G)數，并且其中，蒸汽渦輪部內的級數(S)大于包括在渦輪設備(33)內的燃氣渦輪部O)的 級(G)數。
2.如權利要求1所述的方法，其中壓氣渦輪(31)通常包括兩個燃氣級(G)，其中在改造之后，壓氣渦輪(3 包括一個燃 氣級(G)和三個蒸汽級(S)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中蒸汽級中的至少一個沿軸向設在燃氣渦輪部( 入口的前方，從而允許蒸汽渦輪部 (4)的入口壓力高于燃氣渦輪部O)的入口壓力。
4.一種用于渦輪設備(1)的渦輪轉子葉片(7，17)，所述渦輪設備(1)包括 燃氣渦輪部(2)和同心設置的蒸汽渦輪部G)， 其特征在于渦輪轉子葉片(7，17)包括通道(101，103)，所述通道(101，103)適于引導蒸汽從蒸汽 渦輪部(4)到達燃氣渦輪部O)，并且返回至渦輪轉子葉片(7，17)內的蒸汽渦輪部G)。
5.如權利要求4所述的渦輪葉片，其中通道(101，10 包括至少一個從蒸汽渦輪部(4)延伸至燃氣渦輪部O)的外側通道 (101)，和多個從燃氣渦輪部(2)延伸至蒸汽渦輪部(4)的內側通道(103)。
6.一種用于渦輪設備(1)的渦輪定子葉片(9，19)，所述渦輪設備(1)包括 外部的燃氣渦輪部(2)和同心設置的內部的蒸汽渦輪部，以及 蒸汽發生器， 其特征在于渦輪定子葉片(9，19)包括蒸汽通道001)，所述蒸汽通道(201)適于引導蒸汽從蒸汽 發生器通過燃氣渦輪部O)并且到達蒸汽渦輪部(4)。
7.一種用于渦輪設備⑴的渦輪葉片(7，17，9，19)，所述渦輪設備⑴包括 外部的燃氣渦輪部(2)和同心設置的內部的蒸汽渦輪部，并且 其中蒸汽渦輪部(4)包圍渦輪設備(1)的轂005)， 其特征在于渦輪葉片(7，17，9，19)還包括空氣通道003)，所述空氣通道(203)適于引導空氣從轂 (205)通過蒸汽渦輪部(4)并且到達燃氣渦輪部(2)。
8.如權利要求7所述的葉片，其中空氣通道(203)結束于設在渦輪葉片的后緣上的多 個開槽(209)。
9.一種渦輪設備(1)，其包括 燃氣渦輪部(2)和同心設置的蒸汽渦輪部，以及蒸汽渦輪轉子葉片(17)和燃氣渦輪轉子葉片(7)，它們從所述渦輪設備(1)的渦輪轂 伸出穿過蒸汽渦輪部(4)和燃氣渦輪部0)， 其特征在于將燃氣渦輪部O)與蒸汽渦輪部(4)分開的間隔壁(301)，其中，燃氣渦輪轉子葉片(7)附連在間隔壁(301)上，使得由轂旋轉所引起的離心力 以及由此燃氣渦輪轉子葉片(7)的旋轉引起的離心力由間隔壁(301)部分地承受和相互抵消。
10.一種渦輪設備(1)，其包括 燃氣渦輪部(2)和同心設置的蒸汽渦輪部，以及蒸汽渦輪轉子葉片(17)和燃氣渦輪轉子葉片(7)，它們從所述渦輪設備(1)的渦輪轂 伸出穿過蒸汽渦輪部(4)和燃氣渦輪部0)， 其特征在于，蒸汽渦輪轉子葉片(17)和燃氣渦輪轉子葉片(7)具有不同橫截面，由此蒸汽渦輪轉子 葉片(17)的橫截面用于使蒸汽渦輪部(4)的蒸汽流得到優化，燃氣渦輪轉子葉片(7)的橫 截面用于使燃氣渦輪部O)的燃氣流得到優化。
11.如權利要求10所述的渦輪設備，其中每個蒸汽渦輪轉子葉片(17)均被分成第一轉子葉片部(17a)和第二轉子葉片部 (17b)，從而在轉子葉片(17)中形成流通通道(403)。
12.如權利要求10所述的渦輪設備，其中蒸汽渦輪轉子葉片(17a，17b，17c)具有比燃氣渦輪轉子葉片(7)小的橫截面，從而允 許設置比燃氣渦輪轉子葉片(7)多的蒸汽渦輪轉子葉片(17a，17b，17c)。
13.一種用于調節渦輪發動機的方法，所述渦輪發動機包括壓縮機(45)、燃燒室(43)、 壓氣渦輪(31)和動力渦輪01)，其中壓氣渦輪(31)和/或動力渦輪Gl)為渦輪設備(1)，所述渦輪設備(1)包括燃 氣渦輪部⑵和同心設置的蒸汽渦輪部⑷；以及具有流體通道(13)的轉子葉片(7，17)和 定子葉片(9，19)；以及蒸汽發生器(51)，所述蒸汽發生器(51)為流體通道(1 產生蒸汽 以冷卻葉片(7，17，9，19)和驅動蒸汽渦輪部G)， 其特征在于，在啟動期間，即在蒸汽發生器(51)提供充足的蒸汽來冷卻葉片(7，17，9，19)之前，來 自壓縮機G5)的壓縮空氣被引導至渦輪設備⑴的葉片(7，17，9，19)，以防止過熱。
14.如權利要求13的前特征部分所述的方法， 其特征在于，在關閉期間，中斷向渦輪設備(1)的蒸汽渦輪部(4)提供蒸汽以防止渦輪過速，并且將 較少量的空氣從壓縮機G5)引導至渦輪設備(1)的蒸汽渦輪部G)，以防止過熱。
全文摘要
本發明涉及用于將燃氣渦輪發動機(37)改造成具有組合的燃氣和蒸汽渦輪設備(33)的渦輪發動機的方法。本發明還涉及包括同心設置的燃氣和蒸汽渦輪部(2，4)的渦輪設備(1)的改進，特別是關于渦輪葉片(7，17，9，19)。另外，還提出了一種用于調節包括這種渦輪設備的渦輪發動機的方法。
文檔編號F02C6/18GK102046942SQ200880129583
公開日2011年5月4日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8日
發明者T·埃里克松, T·施特蘭德 申請人:埃里克松發展創新股份公司