燃氣輪機、聯合循環裝置及壓氣機的制作方法

專利名稱：燃氣輪機、聯合循環裝置及壓氣機的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機，更具體地涉及其中液滴噴入燃氣輪機的壓氣機進口空氣中的燃氣輪機。本發明還涉及聯合循環裝置，更具體地涉及其中液滴噴入構成聯合循環裝置的壓氣機的進氣中的聯合循環裝置。本發明還涉及壓氣機，更具體地涉及其中液滴噴入壓氣機進口空氣中的壓氣機。
在夏季等較熱季節空氣溫度升高時，燃氣輪機的功率輸出降低，已分開了用于反饋功率的多種方法。
日本專利申請公開NoHei-7-97933，日本實用新型申請公開NoSho-61-37794或日本專利申請公開No5-195809中公開了對壓氣機進口空氣的冷卻。
同時，在日本專利申請公開No.Sho-61-283723中公開了在氣化爐及燃氣輪機的聯合系統中從壓氣機進口及壓氣機中間級供水。
另外，日本實用新型申請公開NoSho-56-43433中公開了在壓氣機中設置水滴的供應口，在日本專利申請公開NoHei-2-211331公開了一種燃氣輪機，其包括高壓及低壓壓氣機及設在壓氣機之間的中間冷卻器。同時，日本專利申請公開NoHei-6-10702公開了一種裝置，其中在包括多個壓氣機級的壓氣機組中，水噴到上游側壓氣機級及下游側壓氣機級之間的中間位置以減少功率消耗。
但是，日本專利申請公開NoHei-7-97933，日本實用新型申請公開NoSho-61-37794或日本專利申請公開NoHei-5-195809只公開降低引入壓氣機中的進氣的溫度以便加大功率輸出。雖然在日本專利申請公開NoSho-61-283723中公開了在壓縮時蒸發液滴以把它們作為冷卻渦輪葉片的介質，并放大渦輪循環特點，但是沒達到功率加大及熱效率加大。
對于燃氣輪機，聯合循環裝置或壓氣機，要求達到功率加大及熱效率加大。
同時，為了達到功率加大及熱效率加大，如在日本專利申請公開NoHei-6-10702或日本專利申請公開NoHei-2-21133中，需要專門的設備用作壓氣機中間部分的高壓氣的流道，這使壓氣機結構復雜及增加總體尺寸。另外，在日本實用新型公開NoSho-56-43433中要求有壓氣機匣及噴嘴專門結構。
考慮實際的燃氣輪機，聯合循環裝置和壓氣機，要求用簡單設備達到功率加大及熱效率加大。
本發明的目的是提供一種燃氣輪機、聯合循環裝置和壓氣機，其中液滴噴入引入壓氣機的進口中來達到功率輸出的加大及熱效率的加大。
為了達到本發明的上述目的，本發明提供了一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中使要引入所述的壓氣機的氣體的溫度比外部空氣溫度低使所述的引入所述的壓氣機的液滴與氣體在往下流入所述的壓氣機時可以蒸發。
使用這種燃氣輪機，液滴可根據功率要求噴入要引入壓氣機的進口的進氣中，以便用實用的簡單設備達到功率輸出放大及熱效率放大。
按照本發明的另一方面提供了一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把主要為50μm或更小的直徑的液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中。
使用這種燃氣輪機，可用實用的簡單設備把細液滴供入壓氣機的進氣中，通過供入壓氣機的進氣流可很好地傳送水滴。因此，含液滴的氣體可有效地從壓氣機進口傳送入壓氣機中。另外，導入壓氣機的液滴可以好的狀態蒸發。因此，可達到功率放大及熱效率放大。
按照本發明又一個方面，提供了一個聯合循環裝置，包括一個燃氣輪機，一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪和一個熱回收鍋爐，使用從所述的渦輪排出的廢氣作為熱源產生蒸汽；一個由所述的熱回收鍋爐產生的蒸汽驅動的蒸汽渦輪；和一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供到所述的燃氣輪機的壓氣機中的氣體中，使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣溫度低，使得引入所述的壓氣機的噴入的液滴和氣體流下到所述的壓氣機中可以蒸發。
使用這種聯合的循環裝置，熱效率可放大，而功率輸出也能根據功率要求而放大。
按照本發明再一個方面，提供了一個壓氣機，氣體供入其中，并壓縮及排出供入的氣體，包括一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的進口的氣體中使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣的溫度低，使得引入所述的壓氣機的噴入的液滴和氣體流下到所述的壓氣機中可以蒸發。
使用這種壓氣機，可用實用的簡單設備減小壓氣機的驅動功率。
按照本發明又一個方面，提供了一種把液滴噴入要供入燃氣輪機的壓氣機的氣體中的液滴噴射裝置，所述的燃氣輪機包括所述的壓氣機，用來壓縮及排出供入其中的氣體，一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室，和一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪，其特征在于所述的液滴噴射裝置噴出液滴使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣低使得引入所述的壓氣機的噴射的液滴與氣體一起往下流入所述的壓氣機時可以蒸發。
使用這種液滴噴射裝置，設有本裝置的燃氣輪機等的功率輸出及熱效率可放大。
通過下面參照附圖對本發明的說明及所附的權利要求書，可更清楚本發明的上述和其它目的、特點和優點。附圖中類似的部分或元件標以同樣的標號，附圖中

圖1是本發明的一個實施例的示意圖；圖2是類似的示出本發明的另一個實施例的示意圖；圖3是類似的示出本發明再一個實施例的示意圖；圖4是示出壓氣機的壓縮空氣中的溫度分布；圖5是說明壓氣機工作過程中空氣濕度圖上的進氣溫度與絕對溫度之間的關系的曲線圖；圖6是說明進氣溫度與進氣質量流量之間的關系的曲線圖；圖7是說明本發明的熱循環圖與其他方法的熱循環圖相比較的示意圖；圖8是燃氣輪機的詳細結構示意圖；圖9(a)和9(b)是說明水滴噴入量與燃氣輪機輸出功率的提高率之間的關系的曲線圖；圖10是說明軸向速度與速度三角形之間的關系的示意圖；圖11是說明進氣艙內霧化噴嘴的排列的示意圖；和圖12是說明噴水前后壓氣機排氣溫度的差異的曲線圖。
下面參看圖1說明本發明的第一實施例。
如圖1所示本實施例的燃氣輪機含有一個用來壓縮和排出氣體的壓氣機1；一個供入由壓氣機1壓縮的氣體的燃燒室5；一個由來自燃燒室5的燃氣驅動的渦輪2；一個與渦輪2的軸相連接的發電機3；和一個用來輸送發電機3發出的電力的電力網4。從燃氣輪機排出的廢氣7通過排氣管8排到大氣中。
在下述的實施例中，假定供入壓氣機1的氣體皆為空氣。
一個用來吸入要供入壓氣機1的進氣6的進氣艙10與壓氣機1相連接。通常，在進氣艙10的入口側設置一個隔柵9，而在壓氣機側(后流道側)靠近隔柵9處設置一個空氣過濾器。由于該過濾器設置在隔柵9后面且緊靠著它，所以在圖1中省略。
在圖1所示的實施例中隔柵9設置在進氣艙10的入口側，而且空氣過濾器置于隔柵9與進氣艙之間，故本實施例的進氣艙提供了一條從空氣過濾器流向壓氣機入口的進氣道。
雖然圖1示出的壓氣機1、渦輪2和發電機3都與一根共同的軸相連接，但是，壓氣機1和渦輪2也可與不同的軸相連接。
注意，在圖1中，標號T1表示空氣進入壓氣機1之前的溫度20，T2表示壓氣機排出的空氣溫度21，T3表示燃燒溫度22，T4表示從渦輪2排出的廢氣溫度23。
除非另有說明，凡下面涉及的與上面所示相同的標號均表示相同的內容。
第一實施例還設有一個可向進氣艙10噴入微液滴的液滴噴射裝置，例如霧化噴嘴11，它噴出的液滴的Sauter(素特)平均微粒直徑(S.M.D)例如大約為10μm。給水裝置13與霧化噴嘴11相連接。用于產生上述微液滴的帶有霧化裝置的霧化噴嘴11，只能與給水裝置13連接，但是，除了霧化噴嘴11外，也可采用其他的霧化裝置。下面將結合第二實施例詳細說明含有獨立的霧化裝置的結構。
給水裝置13含有一個控制流速的控制閥15、一個供水泵16、一個水箱17和一個將水送到水箱17的給水機構18。
控制閥15與一個信號發生器24形成電氣連接，發電機3功率輸出方面的信號和載荷指令信號Pd25，通過一個附加裝置輸入到上述信號發生器24中，而信號發生器24則發出打開控制閥15的信號等和其他指令。控制閥15與信號發生器24通過例如信號電纜26等互相連通。在某些情況下，載荷指令信號Pd25也可輸入信號發生器24內。
進入的空氣6通過隔柵9進入進氣艙10，給水箱17的水由按預定方式打開的控制閥15控制，并流過給水裝置13。使霧化噴嘴11噴出微液滴，在要求由供氣裝置12供入空氣以便噴出微液滴的情況下，另將控制閥14控制到預定的開啟度，以調節噴出液滴的顆粒直徑。進入的空氣6含有液滴，故形成一種霧氣流，該霧氣流在部分蒸發以冷卻進氣之后進入壓氣機1，進入的空氣所含的液滴在壓氣機1內部蒸發，并冷卻壓縮空氣。
圖4示出壓氣機內壓縮空氣的溫度分布。在噴水并且水滴在壓氣機1內蒸發的情況下(曲線28)，壓氣機1出口處的空氣溫度T21比不噴水的情況(曲線27)低得多。并且，在壓氣機內的空氣T濕度T21持續地下降。
當液滴在壓氣機1內基本上蒸發完之后，壓縮空氣與燃油混合，燃油在燃燒室5內燃燒，形成高溫高壓的氣體，流入渦輪2并使渦輪2轉動。發電機3將渦輪2的機械能轉換成電能，該電能被輸入電力網4。做完功的廢氣7通過排氣管8排到大氣中。
按照本實施例，可以增加輸出功率，提高熱效率。
按照本實施例增大輸出功率的原理可以定性地綜述如下1)按進氣艙10內的空氣濕度圖上的等溫(濕球溫度)線冷卻要引入壓氣機1的空氣；2)通過使進入壓氣機1的液滴蒸發而冷卻內部氣體；3)使通過渦輪2和壓氣機1的工作流體的量之間的差異相當于在壓氣機1內的蒸發量；4)用等壓比熱比純空氣大的蒸汽與空氣混合而使混合物的等壓比熱增大，等等。
圖11示出在進氣艙10內的霧化噴嘴11排列的簡略圖。
在空氣流道中預定的假想部位上設置了大量的霧化噴嘴11。例如，它們可排列在一個大致垂直于進氣流方向的平面內。這些霧化噴嘴11沿進氣道橫截面的縱向彼此等距離地排列。同時，這些噴嘴11又沿進氣道橫截面的橫向彼此等距地排列。總體說來，除與壁面相鄰的部位外，可以在進氣艙10內設置大量的霧化噴嘴11來形成進氣通道，如圖11所示。
在其他的實施例中，也可以按類似的方式設定相鄰噴嘴之間的距離。
采用這種結構，可使水滴均勻地分布在送入壓氣機入口的空氣中。
另外，在霧化噴嘴設置在進氣艙外面或者說空氣過濾器的入口側的普通進氣冷卻設備中，由于蒸發效率低，必須噴射大量的水，因此，通常還要設置用來回收幾乎全部噴射液體的回收設備和將回收的液體再供入霧化噴嘴11中去的大型循環系統。但是，在本實施例中，卻有一個優點，那就是，由于蒸發效率提高到接近于1，故不需要設置上述的大型設備。
霧化噴嘴11設置在隔柵空氣過濾器9的出口側，因此，液滴可以隨著進氣流穩定地供入壓氣機1。這是由于有可能在液滴供到壓氣機入口側時防止水滴附著在隔柵空氣過濾器9上或者空氣過濾器被堵塞的情況。
而且，考慮到液滴在進氣艙10內流動時的蒸發量等因素，最好將霧化噴嘴11設置在與壓氣機1的入口有一定的距離處。在壓氣機1的入口處設有一種稱之為IGV(進氣導向葉片)的情況下，霧化噴嘴11要安裝在IGV的上游，注意，在設置消音器等的情況下，霧化噴嘴11則設置在消音器等的下游。
另一方面，在霧化噴嘴11設置在壓氣機11與進氣艙10之間的邊界附近的情況下，當要噴射細液滴或者類似情況時，就容易控制進入壓氣機1的液滴的粒子直徑。
例如，可以在較接近于壓氣機第一級的一個級上開始液滴的蒸發，以便有效地降低壓氣機的驅動功率。
圖8示出本發明所用的燃氣輪機的詳細結構示意圖。由霧化噴嘴11噴入進氣中的液滴隨空氣流從入口進入壓氣機。在進氣艙內流動的進氣平均流速為例如20m/s。液滴37在壓氣機1的氣道中沿流線移動。進入的空氣在壓氣機中由于絕熱壓縮而升溫，與此同時，液滴受熱從其表面蒸發，并在到達后級葉片一側的同時逐漸減小其粒子直徑。在這過程中，由于蒸發需要從壓氣機中的空氣供給潛熱(顯熱)，壓氣機中空氣的溫度下降，其下降的量比不采用本發明的場合要大(見圖4)。如果液滴的粒子直徑大。液滴就會與葉片或壓氣機機匣相碰撞，并從金屬獲取熱量而蒸發，因此有可能阻止工作流體的溫度降低效應。所以，從這一觀點一說，液滴的微粒直徑最好是小的。
下面說明有關噴出液滴微粒直徑的分布問題。從抑制液滴與葉片或壓氣機機匣的碰撞或防止葉片腐蝕的觀點考慮，噴出液滴的微粒直徑要控制到大體為50μm或更小些。從減小對葉片的影響的觀點考慮，液滴的最大粒子直徑最好控制在等于或小于50μm。
另外，由于粒子直徑較小的液滴可以更均勻地分布在流動的空氣中，并且從防止壓氣機中溫度不均勻的觀點考慮，粒子直徑(S.M.D)最好調整到30μm或更小。由于從噴嘴噴出的液滴的粒子尺寸不均勻，不易測量出上述的最大粒子直徑。所以，為了實際應用，可采用上述的素特平均粒子直徑(S.M.D)的測量結果。要注意，雖然粒子直徑最好要小，但是，由于產生小粒子直徑液滴的噴嘴要求高精度的制造技術，所以實用的粒子直徑范圍被現有技術的下限所限制。因此，從剛才所述的觀點出發，將總體粒子直徑、最大粒子直徑或平均粒子直徑的下限規定為例如1μm。而且，由于在多數情況下產生液滴所需的能量隨粒子直徑的減小而增多，所以，上述的下限值也可以按照產生液滴所需的能量來確定。液滴粒子直徑值控制在使它們可在大氣中活動而不會輕易下沉，這種液滴通常具有良好的熱交換特性。
當液滴蒸發時，工作流體的質量流速增大。當氣體中的水滴在壓氣機中完全蒸發時，則氣體仍要在壓氣機1中受到等壓壓縮。在此情況下，由于水蒸汽的等壓比熱值大致等于壓氣機中的平均溫度(300℃)左右時空氣的等壓比熱的兩倍，而且水蒸氣的熱容量相當于含液滴的空氣在轉變成空氣時所獲得的熱容量，故就有重量約為已蒸發的水滴的兩倍的空氣量可增加作為工作流體。具體說來，就是存在著使壓氣機排出的空氣的溫度T2’下降的效應(抑制熱量增加的效應)。以這種方式在壓氣機中發生一種由于水滴蒸發而使壓氣機排出的空氣溫度下降的作用。由于壓氣機的功率等于壓氣機入口和出口處空氣熱含量之差，而空氣的熱含量又與其溫度成正比，所以，當壓氣機出口的空氣溫度下降時，壓氣機應做的功就可減少。
通過燃燒室中燃油的燃燒，使由壓氣機增壓的工作流體(空氣)的溫度提高，然后流入渦輪，在渦輪中做膨脹功。這個功稱為渦輪的軸功率，其值等于渦輪進口與出口處空氣熱含量之差。燃油的供給量要控制到使渦輪入口處的氣體溫度不超過預定溫度，渦輪的入口溫度例如可根據渦輪出口處排氣溫度和在壓氣機出口處測得的壓力值Pcd計算出。流入燃燒室5的燃油流速要控制到使上述的計算值等于應用本發明之前所得到的值。如果能夠實現上述的恒定燃燒溫度控制，那么燃油供給量的增加值可與上述的壓氣機出口處的氣體溫度T2’的下降值相對應。而且，如果燃燒溫度不變、且噴入水的重量比約為進入的空氣的百分之幾，那么，由于噴水前后渦輪入口壓力與壓氣機出口壓力大約相等，所以，渦輪出口處的氣體溫度T4也不會變化。因此，在噴水前后，渦輪的軸功率也不會變化。但是，由于燃氣輪機的凈輸出功率是壓氣機功率與渦輪軸功率之差值，所以，采用本發明之后，燃氣輪機的凈輸出功率就可增加一個相當于壓氣機功率的減少量。
將渦輪2的軸功率CP(T3-T5)減去壓氣機1的功率CP(T2-T1)就得到渦輪2的電輸出QE，并可用下列表達式(1)近似表示QE/CP＝T3-T4-(T2-T1)(1)通常，由于進行的作業可使燃燒溫度T3保持恒定，所以燃氣輪機出口溫度T4不變化，渦輪的軸功率CP(T3-T4)也保持恒定。在此情況下，如果由于混入水霧而使壓氣機出口處溫度T2下降到T2’(＜T2)，那么就得到相當于壓氣機功率下降值的功率增加量(T2-T2’)。此外，燃氣輪機的熱效率η可由下式(2)近似表示η=1-T4-T1T3-T2----(2)]]>在此情況下，由于T2’＜T2，上式中右側的第二項就小，故可看出，噴水也可提高熱效率。換言之，雖然在應用本發明前后從熱機(即燃氣輪機)輸出到系統外的熱能CP(T4-T1)(式(2)第二項的分子項)沒有大的差異，但是，供入的燃油能量CP(T3-T2’)卻增加了一個相當于CP(T2-T2’)即壓氣機功率的下降值。同時，由于壓氣機功率降低的量等于上面所述的輸出功率的增加量，所以可認為燃油的增加量基本上全都用于增加燃氣輪機的輸出功率上。這樣，增加的輸出功率具有100％的熱效率。因此，可提高燃氣輪機的熱效率。這樣，在本實施例中，為了降低壓氣機功率(這在進入的空氣受冷卻的現有技術中顯然未公開過)，通過使水霧與進入壓機1的空氣相混合，可望提高燃氣輪機的總輸出功率。另一方面，雖然現有技術中企圖將水噴入燃燒室入口處而通過增加工作流體來提高輸出功率，但是，由于壓氣機1的功率未降低，故其熱效率反而下降。
圖7示出本發明的熱循環與另一種熱循環的比較。循環圖閉合區的面積表示單位進氣流速的燃氣輪機輸出功率即比輸出功率。圖7的標號表示循環圖相應部位的工作流體，在圖7中，標號1表示壓氣機的入口，1’表示工作流體從中間冷卻器出來后進入第二壓氣機的入口，2表示Brayton(布雷頓)循環中燃燒室的入口，2’表示工作流體從第二級壓氣機出來后的燃燒室入口，3表示工作流體燃燒室出來后的渦輪入口，4表示渦輪的出口。
圖7下部的溫度(T)-熵(S)曲線圖說明當上述循環和位置的1、3和4位置上的溫度(T)-熵(S)值不變時的特性曲線的比較。
從圖7可以明顯看出，比輸出功率的大小按下列順序遞減按照本發明的上述方法將細微水滴噴射到壓氣機的進氣艙中以將水滴導入壓氣機入口所得到的比功率、按日本公開專利申請No.平成6-10702公開的中間冷卻循環法所得到的比功率、按原先的Brayton循環得到的比功率。特別要注意，按中間冷卻循環法和本發明方法獲得的比輸出功率的差別是由于按照本發明引入壓氣機的水滴是從壓氣機入口部分開始連續地蒸發的，這可以從循環形式看出來。
如上所述，盡管中間冷卻循環的熱效率低于Brayton循環，但是，本發明的熱效率則高于Brayton街環，因此，本發明的熱效率也高于中間冷卻循環。
一般說來，當噴出的液滴在壓氣機1中的蒸發位置靠近壓氣機入口時，壓氣機出口的空氣溫度則下降，這對于輸出功率和熱效率的提高是有利的。因此，在采用噴射液滴混入進氣6中的方法的情況下，效果就隨噴入液滴粒子直徑的減小而增大，這是由于霧汽流入壓氣機1后迅速蒸發之故。而且，噴入的液滴浮在空氣中而可與進入的空氣一起順利地導入壓氣機內。
因此，從霧化噴嘴11噴出的液滴，其尺寸最好是能使它們在到達壓氣機1的出口之前基本上全部蒸發完。實際上，液滴的尺寸不可能使它們100％地蒸發，并且受到上述結構因素的限制而有一個上限值。實用中，在壓氣機的出口處應有90％或更多的液滴蒸發。
例如，當壓氣機1的排氣壓力Pcd為0.84MPa時，如果考慮到壓氣機1出口處的絕對濕度測量值與從周圍環境條件估算的在出口導向葉片位置上的另一個絕對濕度值之間的關系，則液滴在到達壓氣機出口處之前就已有95％或更多蒸發了。
空氣通過壓氣機1的時間是短的，為了使液滴在該時間內良好地蒸發而提高蒸發效率，液滴的粒子直徑(按S.M.D)最好應為30μm或更小。
要注意，由于產生小粒子直徑液滴的霧化噴嘴要求高精度的制造技術，所以，要根據技術上能達到的下限來規定粒子直徑的下限值，例如將粒子直徑的下限值定為1μm。
這是由于在液滴過大的場合下，它便難于在壓氣機內很好地蒸發。
引入的液滴量可按溫度和濕度或按輸出功率的增加量來調節。考慮到噴出的液滴在從噴射位置至壓氣機入口處的過程中的蒸發量，那么，引入的液滴量可以等于或大于進氣質量流量的0.2％(wt)，該值的上限應能保持壓氣機的功能良好。例如，其上限值可調至5％(wt)，而引入液滴量的范圍可定為小于5％(wt)。
雖然可以根據夏季或干燥天氣等情況進行調整，但是，為了進一步提高輸出功率等，引入液滴的比率可以高于或等于0.8％(wt)，但低于或等于5％(wt)。
如果與普通的液滴噴射裝置相比較，本發明只需噴入少量的液滴，因為在普通類型的裝置中，只是將較大的液滴(例如100-150μm等的液滴)噴入進氣中以便降低送入壓氣機入口處空氣的溫度，并且在噴射之后，對水進行回收，再次用來噴射液滴。
在炎熱的夏季要想使降低的輸出功率恢復到額定輸出功率時，噴射水的消耗量達到最大用量值。不能忽略在形成水霧時提供空氣的壓縮空氣消耗量，該消耗量最好應以低于水的消耗量為目標。因此，只有在滿足粒子直徑的條件下，不供給空氣而形成具有上述粒子直徑的液滴時，才是經濟的。
按照本發明的實施例，通過根據環境的溫度來控制水霧的流量，可以建起一個其輸出功率一年四季都不變化的發電廠。例如，可以調節控制閥15的開口，使之在引入壓氣機的空氣的溫度較高時增加水霧的流量，而在空氣溫度較低時，減少水霧的流量。
另外，上述系統的工作最好能在達到等燃燒溫度作業時供給液滴。這樣就能夠提高熱效率和輸出功率。
另外，在一種不用于發電的燃氣輪機中或者在一種受驅動而獲得轉矩的燃氣輪機中，可以降低燃燒溫度，以降低渦輪的軸輸出功率。尤其是只在部分載荷工作時，采用本發明可節約燃料。
在本實施例中，可以根據所需的載荷將輸出功率控制在一個高于由環境溫度限制的輸出功率值的范圍內。
而且，由于即使燃燒溫度不提高也能增大輸出功率，故可建造出長壽命的燃氣輪機。
再者，按照本實施例，壓氣機的氣體可受到冷卻。因此，在從壓氣機分流抽氣而用以冷卻燃氣輪機葉片的場合下，可以減少冷卻用的分流抽氣量。因此，燃氣輪機中的工作流體量可以增多，故可望提高熱效率，增加輸出功率。
在圖1中，載荷指令信號Pd25可以設定為一個額定值，這樣便可自動地控制噴出液滴的流量。
下面說明燃氣輪機的操作方法及其控制。
如果想要提高燃氣輪機的輸出功率，就實施增加從霧化噴嘴11噴出的液體量的步驟和增加供入燃燒室的燃油量的步驟。另一方面，如果想要減少燃氣輪機的輸出功率，就減少噴出的液體量和減少供入燃燒室的燃油量。
如果想要增大燃氣輪機的輸出功率，就在增加噴出的液體量之后增加供入燃燒室的燃油量。反之，如果要降低燃氣輪機的輸出功率，則在減少從霧化噴嘴11噴出的液體量之前減少供入燃燒室的燃油量。
下面說明燃氣輪機處于基本載荷作業狀態下的工作實例。
當燃氣輪機在固定的燃燒溫度下作業時，可按如下方式進行操作控制。信號發生器24計算出一個與根據載荷指令信號Pd25規定的目標輸出功率相適應的噴射液體量，并發出增大控制閥15的開啟度的指令。信號發生器24再計算出相應于通過控制閥15引入的、并由霧化噴嘴11噴出的預定水量和獲得預定的粒子直徑所需的壓縮空氣量并發出增大控制閥14的開啟度的指令。于是，預定的壓縮空氣就通過控制閥14引入霧化噴嘴11。同時，燃油流量保持固定值。隨后，進行廢氣溫度的控制以提高燃油流量，使燃燒溫度(可用一個估計值)達到等于其預定值。
代表燃氣輪機作業時廢氣溫度的預定值的廢氣溫度控制曲線可以用壓氣機輸出壓力Pcd和噴射量的函數來表示，也可以采用未噴水的情況下的原始控制曲線，或者，采用由原始控制曲線估算的預定廢氣溫度加一個適當的偏量而得到的值來表示。
當按上述方法得到的燃氣輪機輸出功率偏離其預定值時，如果要增大輸出功率，就按照上面所述程序增加噴射液體量，然后控制廢氣溫度。另一方面，如果要降低輸出功率，就首先減小燃油流量，然后減小噴射流體量。
在設有能按上述方法進行控制的信號發生器24的場合下，可以調節輸出功率，同時又可防止發生燃燒溫度超過其允許值的情況。
要注意，降低輸出功率時，減少噴射液體量的過程要比提高輸出功率時增加噴出液體流量的過程緩慢得多，這樣，便可按照類似于提高輸出功率的實行的廢氣溫度控制來減少燃油流量。
為了達到預定的輸出功率，也可不用上述的連續改變化噴水量的方法，而是將噴水量調到預定值，并考慮取決于環境條件(如環境溫度和濕度)的測量值的輸出功率的提高量來調整輸出功率。例如，以環境溫度、濕度和輸出功率的提高量作為函數計算出噴水量等，再將其調到所需值。因此，也有可能進行恒定噴水量的操作，使噴水量不會隨輸出功率的小變化或者空氣溫度的變化而變化。本發明的系統具有方便于操作控制的優點。而且，在上述調定后經過預定時間后，最好再測量一下環境條件值，并再次調整噴水量，以便按照環境條件較容易地調節輸出功率的提高量。
上述的燃氣輪機的操作也可以看作是控制將水滴噴入要供入燃氣輪機的操作也可以看作是控制將水滴噴入要供入燃氣輪機壓氣機的空氣中的水滴噴射裝置，如果按照上述方法操作水滴噴射裝置便可使設置有水滴噴射裝置的燃氣輪機具有上述的優點。
下面參看圖1說明第二實施例。
第二實施例與上述第一實施例的差別主要在于，同時設有獲得上述細顆粒直徑液滴的霧化裝置和霧化噴嘴11。例如，第二實施例含有向霧化噴嘴11提供壓縮空氣的裝置。
更具體地，本實施例除了含有帶有給水裝置13的霧化噴嘴11之外，還含有向霧化噴嘴11提供壓縮空氣的給氣裝置12。該給氣裝置12含有一個與壓氣機1分開設置的儲氣罐29，用來供給壓縮空氣，并含有一條將壓縮空氣從儲氣罐29通過控制閥14導引至霧化噴嘴11的管道。而且本實施例還有一個用來控制通入霧化噴嘴11的氣體流量的控制閥14。在本實施例中，還設置了一個用來控制供入霧化噴嘴的壓縮空氣量的控制閥14a。
控制閥14和控制閥15與信號發生器24電連接，所述信號發生器24接收發電機3輸出功率方面的信號由附加裝置送來的功率指令信號Pd25、和控制閥14、15等的輸出開啟度的信號以及其他的指令。控制閥14和控制閥15通過例如一條信號電纜26等與信號發生器24相連接。根據不同情況，功率指令信號25可以直接輸入信號發生器24。
進入的空氣6通過隔柵9進入進氣艙10，給水箱17的水通過具有預定開啟度的控制閥15，并由給水裝置13供入霧化噴嘴11。另外，來自儲氣罐29的壓縮空氣通過具有預定開啟度的控制閥14供入霧化噴嘴11。然后，由霧化噴嘴11噴出細微液滴。該噴嘴的類型應是能調節供入的空氣和液體的量的，以便在上述的范圍內調節所需的微粒直徑的范圍。進入的空氣6因含有液滴而形成霧氣流，并在該霧汽流部分地蒸發冷卻進入的空氣之后流入壓氣機1。混在進入的空氣中的液滴在壓氣機1內蒸發并冷卻壓縮空氣。
上述的液滴在壓氣機1內基本上蒸發之后，與燃油混合，并與燃燒室5內的壓縮空氣一起燃燒，產生高溫高壓氣體，然后流入渦輪2使之轉動。通過發電機3將機械能轉換成電能，并將電能送到電力網4。完成做功后的廢氣7通過排氣管8排到大氣中。
由于設置了獨立的儲氣罐29，故壓氣機的功率不會降低，而且，除了具有提高燃氣輪機的輸出功率和熱效率的效應外，從結構方面或從節約動力的角度看，有時還具有進一步的優點。
有關上述的噴嘴，可以采用能獲得所需粒子直徑的液滴的內部混合型之類的氣體霧化噴嘴。
在操作和控制燃氣輪機時，如果想要提高燃氣輪機的輸出功率，除了如上所述那樣增加噴水量之外，還可增加供入霧化噴嘴11的空氣量，以便使噴嘴噴射出具有所需粒子直徑的液滴。
如果要降低輸出功率，可減少供入霧化噴嘴11的水量，并減少供入霧化噴嘴11的空氣量，以調節液滴的粒子直徑。
另外，為了便于操作，可以不是同時調節供入霧化噴嘴11的空氣量和水量，而是在固定空氣量的同時，只調節供入的水量。
在此情況下，先在供入允許的最大水量時，將供入的空氣量調節到可獲得所需粒子直徑的液滴。因此，當噴入的水量少于最大的噴入量時，液滴粒子直徑就小于供入最大水量時得到的直徑，并可獲得良好狀態。
另外，除了上述的儲氣罐29之外，也可不單獨設置儲氣罐29，而采用下述結構。
供氣裝置12含有一條連通從壓氣機1的中部分流抽氣與霧化噴嘴11的管道，或從壓氣機1排出的壓縮空氣流過的管道中分支出來并與霧化噴嘴11連通的另一管道。該管道含有一個控制閥14b，用來控制供入的壓縮空氣量，根據有效噴射或類似要求，上述管道可帶有一個冷卻器9，以便將壓縮空氣的溫度調節到所需值。
因此，在上述結構與儲氣罐29一起設置的情況下，可以通過過主要采用從中部分流抽氣或從壓氣機排出的空氣，然后再加上少量的來自儲氣罐29的壓縮空氣的辦法來節省獨立設置的儲氣罐29的能量。而且在采用上述結構代替儲氣筒29的情況，可望簡化設備。
另外，對于供給來自壓氣機1中部的壓縮空氣或從壓氣機1排出的壓縮空氣以便如上述那樣霧化液滴的結構，在一個電廠開始發電時或者當環境溫度十分低時，可只供給空氣，以便在前一種情況下，能夠進行控制NOx排出量的操作，而在后一種情況下，可提高進氣溫度，以防止冰凍。
尤其是，在含有上述的控制閥14b的結構中，可只打開控制閥14b而關閉控制閥15，以便只將所需數量的液滴噴入進氣中。
當從霧化噴嘴11供給液滴時，可均勻地將液滴噴入進氣中，而使進氣的溫度分布變得均勻。
下面結合圖1說明第三實施例。
第三實施例與第一實施例或和第二實施例的主要差別在于，它還含有一個安裝在渦輪2的排氣段的回收水的裝置31，為了回收渦輪廢氣中的水并且再用它作為噴射水，它還設有一條將上述回收水裝置31回收的水供入給水箱17的管道。
上述的回收水的裝置可采用由各種原理設計的裝置例如通過冷卻將蒸汽冷凝，或者通過物理吸附進行回收。
進入的空氣6通過隔柵9，進入進氣艙10，由回收水的裝置31回收的水儲存入給水箱17后，再通過具有預定開啟度的控制閥15并通過給水裝置13，而后由霧化噴嘴11噴成微滴。在需要從供氣裝置12供給空氣來噴射微滴的場合下，同時將控制閥14調到預定的開啟度，以便調節噴出液滴的粒子直徑。進入的空氣混入液滴后形成一種霧氣流，該霧氣在部分蒸發而冷卻進氣后進入壓氣機1。在進氣中含有的液滴在壓氣機內蒸發而冷卻壓縮空氣。
當液滴在壓氣機1內基本上都蒸發后，燃油與壓縮空氣混合，并在燃燒室5內燃燒，而產生高溫高壓氣體，然后流入渦輪，使之轉動。發電機3將機械能轉換成電能，并將電能輸入電力網4。完成了做功的廢氣從排氣管8排到大氣中。
按照第三實施例，不僅可提高燃氣輪機的輸出功率和熱效率，而且可以有效地利用水，達到節約用水的目的。
注意，在裝有回收熱鍋爐30的燃氣輪機發電廠中，在該熱回收鍋爐30的出口處設置上述的回收水的裝置31，可以提高水回收效率。
下面參看圖1說明第四實施例。
第四實施例與第一或第二實施例不同之處在于，燃燒室5用的燃料是液化天然氣(ING)。因此，第四實施例除了具有第一實施例或第二實施例的結構之外，還含有一個也用作冷源的液化天然氣存儲裝置33，并且含有一個用作水回收裝置31的、用來提高從液化天然氣存儲裝置33供給的天然氣的溫度以使之氣體的熱交換器32和一條用來將已氣化的天然氣導入燃燒室5的管道。安裝上述的熱交換器32是為了利用燃氣輪機廢氣的熱量。
另外，上述熱交換器32可回收廢氣中的水。為了回收廢氣中的水并將回收的水再用作噴射水，熱交換器32含有一條將它回收的水供入給水箱17的管道。
在本實施例中，在進行類似于上述各實施例的操作時，除了可提高燃氣輪機的輸出功率和熱效率以外，還可以獲得不需要液化天然氣氣化裝置和回收水的效果，而且還可以有利地利用未用的能量。
下面參看圖1說明第五實施例。本實施例是一個兼有將水噴入進氣中的裝置和進氣冷卻裝置的燃氣輪機。
第五實施例是上述第一實施例或第二實施例的改型，改動之處在于，在隔柵9的后面另外設置一個與外部冷源36相連接的冷卻線圈35，并通過泵42使冷卻介質循環流通。冷卻線圈35也可設置在隔柵9的前面。
進入的空氣6通過隔柵9進入進氣艙10，然后，在流過冷卻線圈35時受到冷卻，給水箱17的水通過具有預定開啟度的控制閥15，再通過給水裝置13，然后從霧化噴嘴11噴射微細液滴。在需要從給氣裝置12供給空氣以噴射微滴的場合下，控制閥14同時調到預定的開啟度，以調節噴出液滴的微粒直徑。進入的空氣6因含有液滴而形成霧氣流，該霧氣流在部分蒸發而冷卻進氣后流入壓氣機1，進氣中所含的液滴在壓氣機1內蒸發而冷卻壓縮空氣。
液滴在壓氣機1內基本上蒸發完后，燃料與壓縮空氣混合，并在燃燒室5燃燒，產生高溫高壓氣體，流入渦輪2使渦輪轉動。發動機3將機械能轉變成電能，并將電能輸入電力網4。完成做功后的廢氣7通過排氣管8排入大氣中。
在本實施例中，除了像實施例1那樣提高燃氣輪機的輸出功率和熱效率外，還可預料，由于進氣受到冷卻而提高了進氣的質量流速和通過噴水減少了壓氣機1的功率而獲得的綜合效果可進一步提高燃氣輪機的輸出功率。一般說來，通過調整冷卻線圈35的容量使它能冷卻到可使進入的空氣冷卻到可以有效地工作的露點，就可以達到在節約用水的同時又提高輸出功率。本實施例用于在夏季缺水的區域特別有利。
下面參看圖2說明本發明的第六實施例。與第一或第二實施例相比較，第六實例突出之處在于其霧化噴嘴11設置在進氣艙內靠近隔柵9的位置上。圖2清晰地示出了霧化噴嘴11的位置。圖2不出一種含有用來供給壓縮空氣的供氣裝置12的結構，這種像實施例1那樣的供氣裝置12只有在能獲得上述那種所需液滴時才不需要使用。
從促進水霧在流入壓氣機1之前的蒸發以提高進氣的冷卻效果的觀點看來，霧化噴嘴11最好以這種方式設置在與壓氣機1的入口隔開的位置上。
說明詳細些，就是1.在進氣艙10內裝有消音器41的情況下，霧化噴嘴11最好設置在下列位置中的一個位置(11a或11b)上(1)霧化噴嘴11a設置在消音器41的出口側，這樣，也可防止隔音材料被水霧弄濕，考慮到液滴被導入壓氣機之前應有一段飛行距離以進行蒸發，霧化噴嘴11最好安裝在距壓氣機有一段距離處，(2)或者，將霧化噴嘴11b安裝在消音器的入口側。
例如，當霧化噴嘴11b設置在進氣艙內隔柵9的出口附近時，水滴在進入壓氣機前可更均勻地分布在進氣中。而在隔柵的一部分延伸到位于隔柵出口側的進氣艙10的寬度以外的情況下或類似的情況下，霧化噴嘴11的安裝和維修比較容易。2.在進氣艙10內不設置消音器的場合下霧化噴嘴11設置在隔柵9與壓氣機1的入口之間。考慮到液滴進入壓氣機前要有一段飛行距離以進行蒸發，霧化噴嘴11最好安裝在距壓氣機有一定距離處。
進入的空氣6通過隔柵9，進入進氣艙10，然后，在有消音器的情況下，它就通過消音器。同時，來自給水箱17的水通過具有預定開啟度的控制閥15，并通過給水裝置13，從霧化噴嘴11噴射出微液滴。在需要由供氣裝置12供給空氣來噴射微液滴的情況下，便同時將控制閥14調定到預定的開啟度，以調節噴出液滴的粒子直徑。含有液滴的進氣6形成霧氣流，并在冷卻進氣后流入壓氣機1，混在進氣中的液滴在壓氣機1內蒸發，并冷卻壓縮空氣。
因此，通過增加進氣的質量流量和由冷卻進氣而降低壓氣機功率兩種原理的綜合效果，可更有效地進行燃氣輪機輸出功率不的再生利用。
更具體地說，如果霧化噴嘴設置在進氣艙內與壓氣機入口有適當距離的位置上，那么，由于噴出的水有一部分蒸發而使進氣的溫度冷卻到接近濕球溫度，故與設置空氣冷卻器具有相似的效果(雖然與空氣冷卻器安裝在進氣流道上獲得的效果可能有某些差別)。壓氣機1的工作流體的可在壓氣機1內部又可在壓氣機1之外有效地冷卻，而且霧化噴嘴11與壓氣機入口有一段距離時對輸出功率的提高比霧化噴嘴11設置在壓氣機入口附近時大。
圖5和6分別示出在外部空氣被導入壓氣機1并由壓氣機1進行壓縮的過程中工作流體的狀態變化以及進氣溫度與進氣質量流量之間的關系。
圖5所示的是在環境條件為30℃和相對濕度為70％(R.H)時的狀態變化。
A點表示上述的環境條件。若假定外部空氣在流入壓氣機之前一直沿空氣濕度圖上的等濕球溫度線蒸發冷卻到進入飽和狀態，那么在壓氣機1的入口處進氣的狀態則變為B點所示的狀態。從進入壓氣機之前有最大程度的蒸發的觀點看來，由上述噴出的液滴引入壓氣機1的氣體的濕度最好提高到90％左右或更高。從較好地冷卻進氣的觀點看來，濕度應提高到95％或更高。那些在進氣艙10內未蒸發的液滴在從B點至C點的壓縮過程中繼續蒸發。若假設在蒸發過程中保持飽和狀態，那么，到C點狀態時便完全沸騰，而且在從C點至D點的過程中，進入單相壓縮狀態，溫度升高。如果假定蒸發是等熵過程，沸騰端點進到狀態C’的過飽和。由于從液滴蒸發速度實際是有定限的，認為狀態變化是非等熱的，并跟隨與飽和線偏開的虛線的軌跡。相反，在普通壓縮過程中，狀況跟隨A至D’的軌跡。
圖5中，A點的溫度由T1表示，B點的溫度由T1’表示，當溫度從T1降到T1’，進氣流速從W增加至W’，如圖6示意地出。殘余的液滴導入壓氣機1并在其中蒸發，因此它們起到減小壓氣機1的功的作用。
圖9示出水滴噴射量和燃氣輪機的動和輸出的增加速度之間的關系。圖9(a)示出動力輸出相對值隨進口空氣溫度的變化，圖9(b)示出噴射量及動力輸出增加之間的關系。
所示的值在如下計算條件得出，例如環境溫度35℃，相對溫度53％，壓氣機空氣容量特性為417kg/s，壓氣機的多變效率為0.915，渦輪的絕熱效率為0.89，燃燒溫度為1290℃，壓氣機抽氣量為20％，排氣壓力為1.48MPa，蒸發級壓力降為0.25MPa。如果室溫的水噴出，那么進氣流率的0.35％在流入壓氣機前在進氣艙中蒸發。因為隨著進口空氣溫度降低及空氣密度增加，壓氣機的進口質量流率增加百分之幾，其有助于燃氣輪機的動力輸出增加。其余的噴出的水伴隨氣流并吸進，而成液滴形式的其余部分進到壓氣機中，在其中蒸發并促使減少壓氣機的功。
對于2.3％噴射的熱效率放大率的相對值為2.8％。把燃氣輪機的功率輸出回收到在5℃基本負載工作顯示的功率輸出所需消耗的水量約為進氣質量流率的2.3％(重量)。當操作是進行到燃氣輪機的輸出恢復到最大值前，輸出增加的細節粗略估計如下基于進入壓氣機1前的冷卻的部分約為35％；基于通過壓氣機內蒸發的冷卻約為37％；基于通過渦輪及壓氣機的工作流體量的差及從含在工作流體中的蒸汽得到的低壓比熱的增加的部分約為28％。
雖然在圖9的標尺上沒有示出，但是噴射水量可進一步增加使得在約5％(重量)的噴射流量下可得到高到允許功率輸出水平的功率輸出。隨著噴射量增加，壓氣機中水滴蒸發作用通過在壓氣機1外面的作用(冷卻作用)對功率輸出有增加的影響。
同時，圖12示出了噴射到噴射量前后的壓氣機排氣溫度差之間的關系。可以看出在液滴流入壓氣機1的進口前蒸發及冷卻可以以低流率有效地進行。由流入壓氣機1進口的進口空氣達到的濕度接近約95％。實線指出在假設流進壓氣機的液滴所有的蒸發量等于在噴射前的值情況下計算出在壓氣機1出口的氣體的絕對濕度和壓氣機1出口的氣體的熱函的兩個條件下計算出的壓氣機1的出口氣體溫度和噴射前溫度的差。該線是假設功率沒有減少的情形下得到的。但是由圓卷記號(為便于理解用虛線連起)指示的實際值比實線的值高，功率減小實際是有的。從該事實引出了在此蒸發點晚的階段，蒸發的溫降量在壓縮步驟被放大了。
由此，認為在前面階段，通過霧化噴嘴11引進壓氣機1的液滴的蒸發量最好比后面降段的蒸發量大，主要在前面階段對引進壓氣機1的液滴的蒸發對功率的減小起作用。
液滴量噴出的量使從壓氣機1噴出的壓縮空氣的溫度比噴射前降低5℃或更多。從功率輸出進一步增加的觀點，液滴量定到溫度降低25℃或更多的程度。應注意上限可以實際使用的觀點確定。例如，把液滴量設成使溫度降低50℃或更少是適合的。
下面參照圖1說明第七實施例。
第七實施例與第二實施例的不同在于它包括一個控制要噴射的液滴溫度的機構。
例如，第七實施例是一套混合的設備，除了上述的燃氣輪機的結構外，還裝有一熱回收鍋爐30，其中渦輪2的廢氣用作熱源。另外，雖然圖1未示出，還設有一蒸汽渦輪，其由熱回收鍋爐30產生的蒸汽驅動。另外，至少設一個發電機，由燃氣輪機或蒸汽渦輪驅動。供氣裝置12包括把熱回收鍋爐30產生的蒸汽供送到霧化噴嘴11的通道，并在通道設一控制閥14C。
進口空氣6穿過格柵9，進入進氣艙10，供水箱17的水穿過預定開口的控制閥15，隨后通過供水裝置13使細液滴從霧化噴嘴11噴出。在該情形下，蒸汽供應量由控制閥14C控制。
另外，當壓縮空氣供到霧化噴嘴11，壓縮空氣的量可用設在存儲器29到霧化噴嘴11之間的通道中的控制閥14a控制。
因此，由于加熱溫度可調節，可控制噴射液滴的溫度等。進口空氣6含有形成霧流的要求溫度的液滴，該霧流冷卻進口空氣后流入壓氣機1中。含在進口空氣中的液滴在壓氣機1內蒸發并冷卻壓縮空氣。
按照本實施例，除了達到實施例1中燃氣輪機的功率輸出的增長及燃氣輪機的熱效率增長外，液滴的蒸發率可由控制噴射液體的溫度來控制。如果水溫升高，那么液滴的蒸發可轉到壓氣機的前面的級。因此可進一步減小壓氣機1的工作量。雖然噴射的水滴溫度根據條件變化，但對實際使用合適的范圍為10-80℃。作為控制水溫的方法，除了把水蒸汽混入噴射噴嘴的方法外，還可控制壓氣機的放氣溫度或用使用設在供水裝置13的合適位置的加熱器之類的溫度控制裝置來控制的系統。
在沒設置上述的供氣裝置12時，最好設一個加熱器51。在圖1所示的供應蒸汽的方法中，在一個組合裝置，特別是一個用工業廢熱發電裝置中設置加熱器51是有用的，因為蒸汽可有效地利用。加熱器51是有效的，因為即使不設置分開設的加熱裝置或類似的裝置，也可利用熱回收鍋爐30的蒸汽。應該注意可設置分開的蒸汽發生裝置。
或者，也可以有效地把有高的蒸汽分壓的可燃液體混入噴射水中。例如從霧化噴嘴11噴出水和酒精之類的混合物。在把甘油或乙二醇加到水中形成霧，由于它在低溫揮發，壓氣機的功率的降低率是高的。另外，由于冰凍點降低，即使在冬天等條件下，液滴也不會結冰。
對于冬天用的具體結構，把甘油或乙二醇加到供水箱17中，并作為混合物存在供水箱17中。
下面參照圖1說明第八實施例。本實施例的燃氣輪機也可基于部分負荷操作放大熱效率。
第八實施例與第一、二實施例的不同主要在于蒸汽供入要導入壓氣機1的進氣中。
更具體地，燃氣輪機包括把熱回收鍋爐30產生的蒸汽供入供氣裝置12的通道，因此從霧化噴嘴11供應的蒸汽可噴出。
進氣6穿過格柵9并進入進氣艙10，控制閥15關閉。熱回收鍋爐30產生的蒸汽穿過預定開度的控制閥14C，隨后通過空氣供應裝置12使它從霧化噴嘴11噴出。如果假定沒有設置供氣裝置12而僅僅設置供水裝置13，雖然沒有示出，但是燃氣輪機也可使結構成為代替從供水箱17供水，蒸汽從供水裝置13供到霧化噴嘴11。雖然沒有示出，除了霧化噴嘴11外，還可設置分開設置的蒸汽供應噴嘴，熱回收鍋爐30產生的蒸汽供到這些噴嘴。應注意，雖然要噴進進口空氣的蒸汽的量、溫度等依據蒸汽源不同，但可用進入壓氣機1的進氣的預定溫度來控制。
溫度控制到要求的溫度的進氣6流入壓氣機1。
按照第八實施例，對于部分負荷操作的放大熱效率的方法，可用下面的方法。
例如，在冬天等季節，通過如上所述，把蒸汽噴入進口空氣，進入功率不要求較小和部分負荷操作不能避免的情形，已為近10°的進口空氣溫度在供入壓氣機1前可升高到約50℃。
由于通過把蒸汽噴入壓氣機的進口可升高進口空氣的溫度，空氣密度降低，壓氣機的進口質量流量降低，因此，燃氣輪機的功率輸出會減小，而抑制了熱效率的降低。這是因為可進行基本負荷工作而避免燃氣輪機的部分負荷工作。
當根據季節降低要求時，本實施例是有效的，因為即使當要求的負載降低和功率輸出要降低，可進行熱效率比用IGV控制這類用普通的部分負載操作方法為高的操作。特別在用燃氣輪機的廢氣產生蒸汽的裝置如混合循環裝置或利用廢熱發電裝置等，由于殘余蒸汽可用來發電，而可用效地利用過分的蒸汽。
應注意根據具體情況，代替使用從熱回收鍋爐的蒸汽，可設置分開的蒸汽發生裝置。
下面參照圖1說明第九實施例。
本實施例除了第一實施例或第二實施例外，還包括如用來把壓縮空氣送到壓縮機的中部段的噴嘴的裝置。
類似上述第一實施例的基本結構可用到第九實施例。流量控制閥47設在管道59中把壓縮空氣源43供應的壓縮空氣送到壓氣機1的中間級。壓縮空氣源43可供送設在外面的壓氣機或一個霧化壓氣機來的空氣供給燃料噴射。或者，雖然效果有些差，但是空氣也可從壓氣機1的排氣部分再循環回。在這種情形下，由于放出的氣體的低溫提供了更高的熱效率，冷卻裝置48最好設在供氣管道59的中間。
如果液滴37蒸發去冷卻壓氣機1中的空氣，空氣的密度更高，因此，軸向速度46降低。因此，如圖10所示，速度三角形畸變，氣流入射到葉片45的入射角從設計值46a移到46b，沿著葉片面發展了反流。因此，壓氣機1的絕熱效率降低。隨著絕熱效率降低，壓氣機的排氣溫度升高，結果，壓氣機的功的減小作用增加。由于考慮了隨噴射水量增加這一現象變得更重要，限制加到實際階段中的噴射量。為了解決這問題，通過把空氣供到壓氣機1來恢復軸向速度。作為供入空氣的位置，有效地選定一位置，該處水滴的蒸發基本完成。最好，供氣量選定作為噴射量的一個函數使得即使噴射量改變軸向速度也能保持在其設計值。
通過響應基于功率要求信號25的預定功率輸出增加，從信號發生器24來的指示信號，水量控制閥15的開度增加，壓縮空氣流量控制閥47的開度也增加。
從控制閥15供送的水量及從流量控制閥47供送的壓縮氣量可以是單調增加函數的關系。
基于功率輸出的減小，上述閥的開度受控制而減小。
通過這種結構，對噴射量的限制是適中的，每單位空氣流量的壓氣器功率降低的幅度增加，因為不產生絕熱作用的降低。另外，通過供入空氣使工作液體增加也顯示了燃氣輪機功率輸出增加的效果。
下面參照圖3說明本發明第十實施例。
本實施例的結構使得在壓氣機1的排氣供入渦輪葉片中的冷卻通道來冷卻渦輪葉片這種類型的燃氣輪機中，響應壓氣機的排氣溫度控制排氣流率。
代替把壓縮空氣供到渦輪葉片冷卻的類型的壓氣機的中間級，可以通過與排氣溫度降低一致，減小用來冷卻渦輪葉片的壓氣機1的排氣管道56出來的排氣量，而增加排氣級后的流率。
為此，在排氣管道56設帶有中間開度的流量控制閥55或一個機動閥。
如果蒸發水滴的冷卻壓氣機1中的空氣，那么由于排氣溫度降低，用來冷卻渦輪葉片的壓氣機排氣要求的空氣量可以是小的。使用響應基于探測排氣溫度的溫度探測器57的溫度信號，預定排氣量的減小，從排氣量控制信號發生器58發出的指示信號，排氣可與流率控制閥55有單調降低的函數關系。
當使用設定在中間開度的機動閥，響應于排氣溫度達到一預定值時的溫度，閥的開度控制在一預定值。
由于接著排氣點的一級的壓氣機的空氣量可通過增加排氣量而增加，軸向速度恢復，壓氣機的絕熱效率放大，在壓氣機出口的氣體溫度降低，每單位空氣量的壓氣機的功率降低。另外，由于供到渦輪的空氣量增加，軸功率增加。這些作用進一步放大了功率輸出及熱效率。
關于涉及上述燃氣輪機的實施例，它們可應用到使用燃氣輪機的聯合循環裝置中，這種裝置包括使用渦輪的廢氣作為熱源產生蒸汽的熱回收鍋爐及由熱回收鍋爐產生的蒸汽驅動的蒸汽渦輪。
因此，通過適于如上所述的實際使用的這種簡單裝置可達到組合循環裝置的功率輸出的放大及熱效率的放大。
另外，即使各實施例看成是單一的壓氣機單元，使用簡單的裝置可使壓氣機要求的功率降低。
特別是，如果如上所述的細液滴噴到供入壓氣機進口的進氣中使它們在壓氣機中蒸發，那么可達到上述的主要結果。在這種情形下，作為進氣供入壓氣機的氣體，除空氣外還可使用氨、氟里昂等。另外，在用空氣作進氣時，作為噴射的液滴，可用如上述的燃氣輪機實例中指出的水等。在把氨作為進氣的壓氣機的情形下，可噴入液態氨，在把氟里昂氣作為進氣的情形下，可噴入液態氟里昂。
與液滴與霧不混在進氣中進入壓氣機中的另一個情況比，部分液滴可蒸發以在進氣進入壓氣機1進口前冷卻進氣，而液滴可連續從壓氣機進口部分連續蒸發，因此，壓氣機中氣體溫度顯示出連續的降低。排氣溫度也降低。另外，進入壓氣機的液滴在壓氣機中蒸發增加了質量流率，隨后蒸發在壓氣機中基本完成。和有類似于工作液體增加的作用。如果噴射量增加，也進一步減小了壓氣機的功率比(干空氣的等熵壓縮功/在包括液相蒸發的等熵兩相壓縮過程中的壓縮功)。
另外，即使把上述各實施例看成把液滴噴進燃氣輪機的壓氣機進口空氣中的液滴噴射裝置，可用簡單的裝置實現包括該裝置的燃氣輪機的功率輸出的放大及熱應力的放大。
上面詳細說明了本發明，但很明白在本發明的精神范圍內，本專業技術人員可作出很多變化及改型。
權利要求
1.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個滴噴射裝置，把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中使要引入所述的壓氣機的氣體的溫度比外部空氣溫度低使所述的引入所述的壓氣機的液滴與氣體在往下流入所述的壓氣機時可以蒸發。
2.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中，并在液滴進入所述的壓氣機前蒸發部分的液滴使噴入所述的壓氣機的噴射液滴與氣體一起在往下流入所述的壓氣機時可以進一步蒸發。
3.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于所述的氣體是空氣，一個進氣艙設在所述的壓氣機的上游側，所述的進氣艙包括一個空氣過濾器，供入所述的壓氣機的空氣流過該過濾器，而所述的液滴噴射裝置設在在所述的進氣艙中的所述的空氣過濾器的下游側。
4.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于所述的氣體是空氣，一個進氣艙設在所述的壓氣機的上游側，所述的進氣艙包括一個空氣過濾器及位于所述的過濾器下游側的一個消聲器，供入所述的壓氣機的空氣流過該過濾器及消聲器，而所述的液滴噴射裝置設在所述的進氣艙中的所述的消聲器的下游側。
5.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于所述的氣體是空氣，一個進氣艙設在所述的壓氣機的上游側，所述的進氣艙包括一個空氣過濾器，供入所述的壓氣機的空氣流過該過濾器，而所述的液滴噴射裝置設在所述的進氣艙和所述的壓氣機之間的邊界附近。
6.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于還包括設在所述的液滴噴射裝置的上游側用來冷卻供入所述的壓氣機的氣體的冷卻裝置。
7.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于還包括設在廢氣通道用來回收從渦輪排出的廢氣中的水的水回收裝置，以及把回收的水供入所述的液滴噴射裝置的裝置。
8.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于所述的水回收裝置是一個熱交換器，其使用液化天然氣作為冷卻劑。
9.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于所述的液滴含有水和乙醇。
10.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于還包括響應所述的燃氣輪機的功率輸出控制從所述的液滴噴射裝置噴出的液滴的量的控制裝置。
11.按照權利要求1的燃氣輪機，其特征在于要引入所述的壓氣機的氣體的濕度通過噴入液滴而升高到90％。
12.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把主要為50μm或更小的直徑的液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中。
13.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中；所述液滴噴射裝置包括把液滴霧化的霧化裝置。
14.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供到所述的壓氣機的氣體中；所述的液滴噴射裝置包括加壓氣體供應裝置用來供應加壓氣體把液滴霧化。
15.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供到所述的壓氣機的氣體中；所述的壓氣機的中間級與所述的液滴噴射裝置相互連通；所述的燃氣輪機包括把所述的壓氣機的分流供入所述的液滴噴射裝置的通道，和設在所述的通道中用來控制所述的分流量的控制閥。
16.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把要在所述的壓氣機蒸發的液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中；當所述的液滴從所述的液滴噴射裝置噴出時，從所述的壓氣機噴出的氣體的溫度比噴射液滴前降低5℃或更多。
17.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個設在所述的壓氣機的上游的進氣艙，它包括一個空氣過濾器及設在所述的空氣過濾器下游的一個消聲器，用來流過要供入所述的壓氣機中的空氣流過；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游和所述的消聲器的下游用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的空氣中。
18.按照權利要求17的燃氣輪機，其特征在于還包括設在供液通道中用來升高要供入所述的液滴噴射裝置的液體的溫度的升溫裝置。
19.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中以便在所述的壓氣機中蒸發；和一個設在供應要供入所述的液滴噴射裝置的液體的通道中用來調節液體的溫度的溫度調節裝置。
20.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和蒸汽供應裝置，設在所述的壓氣機的上游用來把蒸汽供入要供到所述的壓氣機的氣體中。
21.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所術的壓氣機的氣體中；所述的液滴噴射裝置噴射出氣體流量的0.2％-0.5％重量的液滴。
22.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所術的壓氣機的氣體中；和加壓氣體供應裝置，用來把加壓氣體供到所述的壓氣機的中間級。
23.一種燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所術的壓氣機的氣體中；和一個響應所述的燃氣輪機的功率輸出控制從所述的液滴噴射裝置噴出的液滴的量的控制裝置。
24.一個燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個設在所述的燃氣輪機中的冷卻氣體流通中的渦輪葉片；一個用來把所述的壓氣機的分流導入所述的渦輪葉片的流道中的流道；一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中，和一個響應所述的壓氣機的分流的溫度控制所述的分流的流量的控制裝置。
25.一個燃氣輪機的操作方法，所述的燃氣輪機包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中，包括下面步驟響應所述的燃氣輪機的功率輸出，控制從所述的液滴噴射裝置噴出的液滴量。
26.一個聯合循環裝置，包括一個燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；一個熱回收鍋爐，使用從所述的渦輪排出的廢氣作為熱源產生蒸汽；一個由所述的熱回收鍋爐產生的蒸汽驅動的蒸汽渦輪；和一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供到所述的燃氣輪機的壓氣機中的氣體中，使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣溫度低，使得引入所述的壓氣機的噴入的液滴和氣體流下到所述的壓氣機中可以蒸發。
27.一個聯合循環裝置，包括一個燃氣輪機，包括一個壓縮及排出供入其中的氣體的壓氣機；一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室；一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪；和一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機中的氣體中，并在導入所述的壓氣機前蒸發部分液滴，使得引入所述的壓氣機的噴入的液滴和氣體流下到所述的壓氣機中可進一步蒸發；一個熱回收鍋爐，使用從所述的渦輪排出的廢氣作為熱源產生蒸汽；和一個由所述的熱回收鍋爐產生的蒸汽驅動的蒸汽渦輪。
28.一個壓氣機，氣體供入其中，并壓縮及排出供入的氣體，包括一個液滴噴射裝置，用來把液滴噴入要供到所述的燃氣輪機的壓氣機中的氣體中，使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣溫度低，使得引入所述的壓氣機的噴入的液滴和氣體流下到所述的壓氣機中可以蒸發。
29.一個壓氣機，氣體供入其中，并壓縮及排出供入的氣體，包括一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把主要為50μm或更小的直徑的液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中。
30.一個壓氣機，氣體供入其中，并壓縮及排出供入的氣體，包括一個液滴噴射裝置，設在所述的壓氣機的上游，用來把液滴噴入要供入所述的壓氣機的氣體中；所述液滴噴射裝置包括把液滴霧化的霧化裝置。
31.一個把液滴噴入要供入燃氣輪機的壓氣機的氣體中的液滴噴射裝置，所述的燃氣輪機包括所述的壓氣機，用來壓縮及排出供入其中的氣體，一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室，和一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪，其特征在于所述的液滴噴射裝置噴出液滴使進入所述的壓氣機的氣體的溫度比外界空氣低使得引入所述的燃氣壓氣機的噴射的液滴與氣體一起往下流入所述的壓氣機時可以蒸發。
32.一個從壓氣機的上游把液滴噴入要供入燃氣輪機的壓氣機的氣體中的液滴噴射裝置，所述的渦輪包括所述的壓氣機，用來壓縮及排出供入其中的氣體，一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室，和一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪，其特征在于所述的液滴噴射裝置噴出液滴直徑主要為50μm或更小的液滴。
33.一個從壓氣機的上游把液滴噴入要供入燃氣輪機的壓氣機的氣體中的液滴噴射裝置，所述的渦輪包括所述的燃氣壓氣機，用來壓縮及排出供入其中的氣體，一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室，和一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪，其特征在于所述的液滴是在所述的壓氣機中蒸發的液滴，和所述的液滴噴射裝置包括使液滴霧化的霧化裝置。
34.一個從壓氣機的上游把液滴噴入要供入燃氣輪機的壓氣機的氣體中的液滴噴射裝置，所述的燃氣輪機包括所述的壓氣機，用來壓縮及排出供入其中的氣體，一個燃料與從所述的壓氣機排出的氣體在其中一起燃燒的燃燒室，和一個由所述的燃燒室的燃氣驅動的渦輪，其特征在于所述的液滴噴射裝置包括響應所述的燃氣輪機的功率輸出控制噴出的液滴量的控制裝置。
全文摘要
提供了一個燃氣渦輪、一個聯合循環裝置和一個壓氣機，用一簡單的適于實用的設備把液滴噴入引入壓氣機進口的空氣中，可使功率輸出及熱效率加大。燃氣輪機包括供入及壓縮氣體的壓氣機，燃料與壓氣機排出的氣體一起在其中燃燒的燃燒室，和由燃燒室燃氣驅動的渦輪。燃氣輪機還包括設在壓氣機上的噴射裝置，把液滴噴入供入壓氣機的進口的進氣中，把進氣溫度降低使噴射的液滴在流下到壓氣機中時可以蒸發。
文檔編號F04B39/06GK1162063SQ9612319
公開日1997年10月15日 申請日期1996年12月27日 優先權日1995年12月28日
發明者宇多村元昭 申請人:株式會社日立制作所