[发明专利]燃气涡轮发动机的涡轮冷却叶片

说明书

本发明公开了一种用于增加燃气涡轮发动机功率、提高燃气涡轮发动机运行灵活性和效率以及减少满足电网不断变化的需求所需的响应时间的新型装置和方法。功率增加和发动机运行的改进包括由于电网变化而提供快速响应的系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月5日提交的美国临时申请序列号62/112263和于2015年12月17日提交的美国实用新型申请系列号14/972403的优先权，它们的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及电力系统，包括燃气涡轮发动机的发电能力，更具体地，涉及为燃气涡轮发动机的部件提供替代的冷却空气源。

背景技术

燃气涡轮发动机被广泛地理解为与用于将机械轴功率转换成电力的发电机一起使用。首先参考图1A，示出了在发电厂中常用的简单循环燃气涡轮发动机100的示意图。燃气涡轮发动机100包括通过轴106联接到涡轮机104的压缩机102。来自压缩机102的空气被引导到一个或多个燃烧器108，其中燃料110被添加到空气中。燃料和空气混合物被点燃以形成热燃烧气体，其驱动涡轮机104，涡轮机104又驱动压缩机102。轴106还联接到产生电力114的发电机112。图1B示出了相应燃气轮机的性能和用于各种燃气涡轮机压力比和燃烧温度的功率输出，其热效率作为特定输出的函数。如本领域技术人员所理解的，燃气涡轮发动机的燃烧温度调节并限制发动机的总体运行，且压力比与燃气轮机的效率成正比。对于联合循环燃气轮机来说，如图2B所示，电厂的效率与燃烧温度成正比。换句话说，假设质量流量保持恒定，提高燃烧温度会增加简单循环燃气轮机的输出，并且在联合循环中运行时提高同一燃气轮机的效率。

一般来说，燃气轮机原始设备制造商通过改进涡轮部分中的材料和涂层的技术来提高燃烧温度，使得更热的气体可以通过涡轮，同时保持涡轮机部件的能力。

现在参考图2A，示出了联合循环发电厂200的示意图，包括通过轴206联接到涡轮机204的压缩机202。来自压缩机202的空气被引导到一个或多个燃烧器208，其中将燃料210添加到来自压缩机202的空气中。燃料和空气混合物被点燃以形成运转涡轮机204并驱动压缩机202的热燃烧气体。轴206还联接到产生电力214的发电机212。联合循环发电厂200还包括热回收蒸汽发生器或HRSG216，其接收来自涡轮机204的热排气并加热水源以产生蒸汽218。蒸汽轮机220由来自HRSG216的蒸汽运转，其中蒸汽轮机220驱动用于产生额外电力224的第二发电机222。图2B示出了用于联合循环效率和功率输出的作为燃烧温度的函数的效率的相应燃气轮机性能。图1B和2B类似于GE燃气轮机性能特征(GER3567)中公开的那些，并且包括在本文中用于参考的目的。

如本领域技术人员所理解的，燃烧温度定义为刚好在第一级涡轮喷嘴下游的燃烧气体的温度。由于在燃气涡轮发动机领域中使用的术语不同，第一级涡轮喷嘴也可以被称为第一级涡轮叶片。参考图3，描绘了燃气涡轮发动机的一部分的横截面并且指示在燃气轮机工业中使用的标准温度参数。图3也类似于上面提到的GE燃气轮机性能特征(GER3567)文章中公开的。如图3所示，在第一级涡轮喷嘴300的上游测量涡轮机入口温度(T_A)，如平面A-A所示。发动机(T_B)的燃烧温度仅在第一级涡轮喷嘴的后方测量，如平面B-B所示。

如上所述，涡轮机入口温度和涡轮机燃烧温度是燃气涡轮发动机运行所依据的关键措施。这些温度读数分别在第一级涡轮喷嘴的上游和下游获取。因此，重要的是，涡轮喷嘴金属温度保持在可接受的材料操作限度内，因为燃气涡轮发动机的控制是基于这些温度的。