專利名稱：燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請主要涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體地涉及燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)，以及在變 化的溫度上操作所述燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)以便提供平穩(wěn)功率輸出的方法。
背景技術(shù)：
空氣穿過燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)的質(zhì)量流速(或流量，flow rate)通常隨環(huán)境 溫度而變化。在炎熱天氣，空氣密度相比于大約59華氏度(大約15攝氏度)的標(biāo)準(zhǔn)IS0(" 國際標(biāo)準(zhǔn)組織")天氣可下降大約百分之十(10% )至大約百分之二十(20% )。因此，由燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的全部功率也可減少大約百分之十(10%)至大約百分之二十(20%) 左右。然而，這種輸出的減少通常與由于空氣調(diào)節(jié)負(fù)載等的增加所引起的更高的消費(fèi)者和 工業(yè)用功率需求同時(shí)發(fā)生。結(jié)果，提高的功率需求和降低的發(fā)電能力的結(jié)合相比于低溫天 氣期間的正常功率需求和能力，可將電能價(jià)格提升數(shù)十或更高。在炎熱天氣里增加發(fā)電的嘗試包括增大壓縮機(jī)的尺寸以補(bǔ)償損失的流速。然而， 增大尺度還可導(dǎo)致成本提高。此外，溫暖天氣里溫度的升高可導(dǎo)致壓縮機(jī)壓力和溫度的升 高。這種壓力和溫度的升高通常需要至少在壓縮機(jī)的后部區(qū)段中使用昂貴的鎳基合金，以 便提供對抗低循環(huán)疲勞的耐用性。然而，這些合金相比于標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件而言可能相對
曰蟲 印貝。還已使用了各種類型的水冷卻方法。例如，壓縮機(jī)入口周圍的入口起霧(fogging) 可降低壓縮機(jī)入口的空氣溫度。這種空氣溫度的降低通常會(huì)恢復(fù)質(zhì)量流速，且因此恢復(fù)所 產(chǎn)生的功率。然而，入口起霧通常僅在達(dá)到濕球溫度之前才有用，從而使得該實(shí)施的實(shí)用性 受限于濕潤天氣中。還已使用了涉及在壓縮機(jī)入口內(nèi)噴水的濕式壓縮。水蒸發(fā)的潛熱冷卻 入口空氣流，以便增加因壓縮入口空氣所需功的減少而能獲得的功率。然而，水流的增加可 具有熱應(yīng)力和/或腐蝕問題。因此，希望有一種改進(jìn)型壓縮機(jī)和操作該壓縮機(jī)的方法，以便在環(huán)境溫度工作范 圍，尤其是在炎熱天氣，提供恒定水平的發(fā)電。這種恒定的發(fā)電將容許發(fā)電裝置在高需求及 由此而來的高收益的周期期間滿足發(fā)電要求。該壓縮機(jī)和方法因此應(yīng)當(dāng)具有溫度靈活性， 同時(shí)保持高水平的效率和耐用性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)可包括圍繞具有低合 金材料的壓縮機(jī)后部區(qū)段定位的多個(gè)轉(zhuǎn)子輪、圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的多個(gè)入口導(dǎo)葉， 以及圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的濕式壓縮系統(tǒng)。本申請還提供了一種在變化的環(huán)境溫度下操作壓縮機(jī)以保持平穩(wěn)功率輸出的方 法。該方法可包括以下步驟將多個(gè)入口導(dǎo)葉定位在伸展位置上，直到達(dá)到預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì) 狀態(tài)溫度；在環(huán)境溫度超過預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)溫度時(shí)將入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)至開啟位置；以及 在環(huán)境溫度超過預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)溫度時(shí)操作濕式壓縮系統(tǒng)。
本申請還提供了 一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)可包括具有圍繞壓縮機(jī)后 部區(qū)段定位的多個(gè)加大尺寸的轉(zhuǎn)子葉片的多個(gè)轉(zhuǎn)子輪、圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的多個(gè)入 口導(dǎo)葉，以及圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的濕式壓縮系統(tǒng)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過查閱以下詳細(xì)描述并結(jié)合多個(gè)附圖和所附權(quán)利要求， 將會(huì)清楚本申請的這些及其它特征和改進(jìn)。


圖1為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的簡圖。圖2為穿過壓縮機(jī)的壓縮機(jī)流動(dòng)通路的示例性透視圖。圖3為如本文所述的壓縮機(jī)的簡圖。圖4為示出如可利用本文所述的壓縮機(jī)所提供那樣的平穩(wěn)功率輸出的圖表。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參看附圖，其中相似的標(biāo)號在所有各個(gè)視圖中表示相似的元件，圖1示出了燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的簡圖。如同所知，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括用以壓縮進(jìn)入空氣流的壓 縮機(jī)12。壓縮機(jī)12將壓縮的空氣流輸送到燃燒器14。燃燒器14使壓縮的空氣流與壓縮 的燃料流相混合并點(diǎn)燃該混合物。盡管僅示出了單個(gè)燃燒器14，但燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包 括任意數(shù)目的燃燒器14。熱燃燒氣體繼而又輸送至渦輪16。熱燃燒氣體驅(qū)動(dòng)渦輪16，以便 產(chǎn)生機(jī)械功。在渦輪16中所產(chǎn)生的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)12和外部負(fù)載18如發(fā)電機(jī)等。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可使用天然氣、各種類型的合成氣、液體燃料以及其它類型的 燃料。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 10 可為由 General ElectricCompany (Schenectady, New York)提 供的F系發(fā)動(dòng)機(jī)，或類似設(shè)計(jì)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可具有其它構(gòu)造以及可使用其它類型的 構(gòu)件。文中還可使用其它類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。多個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10、其它類型的渦 輪，以及其它類型的發(fā)電設(shè)備可在此結(jié)合使用。圖2示出了壓縮機(jī)12的實(shí)例。壓縮機(jī)12可包括安裝在轉(zhuǎn)子輪22上的多個(gè)沿周 向間隔開的轉(zhuǎn)子葉片20。各轉(zhuǎn)子輪22均可附接到傳動(dòng)軸M上。傳動(dòng)軸M可連接到渦輪 16上。多個(gè)沿周向間隔開的定子葉片沈可附接到靜止壓縮機(jī)殼體觀上。轉(zhuǎn)子葉片20和 定子葉片26以交錯(cuò)構(gòu)造位于從壓縮機(jī)入口 32開始的流動(dòng)通路30中。圖3示出了可如本文所述那樣的壓縮機(jī)100的簡圖。類似于上述壓縮機(jī)12，壓縮 機(jī)100可包括附接到轉(zhuǎn)子輪120上的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片110，以及附接到壓縮機(jī)殼體140上的 多個(gè)定子葉片130。壓縮機(jī)100還限定從壓縮機(jī)入口區(qū)段160到壓縮機(jī)后部區(qū)段170穿過 其間延伸的流動(dòng)通路150。文中還可使用許多其它類型的壓縮機(jī)100設(shè)計(jì)和構(gòu)件。壓縮機(jī) 100可具有任何期望的尺寸。本文所述的壓縮機(jī)100還可用于其它類型的單循環(huán)或聯(lián)合循 環(huán)發(fā)電裝置中。壓縮機(jī)100可認(rèn)作是"加大尺寸的"，即如果在炎熱天氣整個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10 的工作減少大約百分之十(10% )至大約百分之二十(20% )，則壓縮機(jī)100的尺寸可增大 以提供多于大約百分之十(10% )至大約百分之二十(20% )的穿過其間的質(zhì)量空氣流速。 因此，整個(gè)壓縮機(jī)100的轉(zhuǎn)子葉片110、定子葉片130和其它構(gòu)件可相比于典型的壓縮機(jī)構(gòu) 件而言是加大尺寸的。
壓縮機(jī)100還可具有圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段160定位的多個(gè)入口導(dǎo)葉180。入口導(dǎo) 葉180的角度是可變的。該角度可從有較少堵塞或旋流的完全開啟位置變化至達(dá)到大約五 度(5° )至大約十五度(15° )的完全伸展位置或成角度位置。文中可使用其它角度。因 此，如下文更為詳細(xì)描述的那樣，入口導(dǎo)葉180的角度可根據(jù)環(huán)境狀態(tài)和期望的操作狀態(tài) 而變化。文中可使用任何數(shù)目或尺寸的入口導(dǎo)葉180。我們注意到，壓縮機(jī)100也可具有用 于還提供流動(dòng)調(diào)節(jié)的可變定子導(dǎo)葉。為清楚起見，文中僅示出了入口導(dǎo)葉180。壓縮機(jī)100還可包括濕式壓縮系統(tǒng)190。濕式壓縮系統(tǒng)190可包括圍繞壓縮機(jī)入 口區(qū)段160定位的多個(gè)噴頭200。也可使用任何數(shù)目的噴頭200。濕式壓縮系統(tǒng)190和噴 頭200可為任何類型的噴水系統(tǒng)。濕式壓縮系統(tǒng)190將水滴霧噴入壓縮機(jī)入口區(qū)段160或 其它區(qū)段中，使得水的蒸發(fā)降低壓縮機(jī)入口溫度，且因此降低壓縮所需的功。文中還可使用 中部壓縮機(jī)噴射。具體而言，噴水可提供在不同的壓縮級之啟。使用中，入口導(dǎo)葉180可在設(shè)計(jì)狀態(tài)天氣中完全伸展(S卩，成角度)。設(shè)計(jì)狀態(tài)是 指壓縮機(jī)100設(shè)計(jì)為最高效率的預(yù)定環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)狀態(tài)天氣可為大約59華氏度(大約 15攝氏度)的ISO標(biāo)準(zhǔn)或其它。入口導(dǎo)葉180可在炎熱天氣狀態(tài)下完全開啟。炎熱天氣 狀態(tài)可為大約110華氏度(大約43. 3攝氏度)，或高于設(shè)計(jì)狀態(tài)的其它天氣溫度。入口導(dǎo) 葉180通常在設(shè)計(jì)狀態(tài)的天氣完全伸展以便減少空氣流通向加大尺寸的壓縮機(jī)100，而在 炎熱天氣則完全開啟以便提供盡可能多的空氣流。因此，入口導(dǎo)葉180的角度可隨環(huán)境溫 度以及壓縮機(jī)100的總體操作狀態(tài)而變化。當(dāng)入口導(dǎo)葉180在炎熱天氣以及其它高于設(shè)計(jì)狀態(tài)的天氣溫度下完全開啟時(shí)，壓 縮機(jī)100還可使用水壓縮系統(tǒng)190。濕式壓縮系統(tǒng)190的噴頭200將水滴霧噴入壓縮機(jī)的 入口區(qū)段160、中部區(qū)段或其它區(qū)段，以便減少壓縮功且因此降低壓縮機(jī)排出溫度。類似的是，壓縮機(jī)100相比于公知的壓縮機(jī)可以是加大尺寸的，以便克服因在炎 熱天氣里空氣密度降低所造成的功率減少。如上文所述，提高壓縮機(jī)排出壓力和排出溫度 通常可能需要對于其構(gòu)件采用鎳基合金。因此，在炎熱天氣使用水壓縮系統(tǒng)190容許使用 成本較低的"低合金"材料來用于轉(zhuǎn)子輪120，以及在給定最大限度地減小的壓縮機(jī)排出 溫度的情況下或許還有壓縮機(jī)100的其它構(gòu)件，尤其是在壓縮機(jī)的后部區(qū)段170中。例如， 文中可使用低合金MCrMoV材料，即具有低合金含量的材料，以及具有良好的抗蠕變性的 類似類型的材料。在可通過開啟入口導(dǎo)葉180增加空氣流來提供的多少功率增大與通過濕式壓縮 系統(tǒng)190提供的多少功率增大之間實(shí)現(xiàn)平衡。一般而言，可使用入口導(dǎo)葉180的角度調(diào)節(jié)， 直到入口導(dǎo)葉180完全開啟。類似的是，可在入口導(dǎo)葉180受到調(diào)節(jié)或在導(dǎo)葉開啟的同時(shí) 使用濕式壓縮系統(tǒng)190。水壓縮系統(tǒng)190用于限制與濕式壓縮相關(guān)的應(yīng)力和腐蝕問題。然 而，太多沒有濕式壓縮的空氣流可導(dǎo)致壓縮機(jī)的排出壓力和溫度升高，這可促使蠕變。因 此，入口導(dǎo)葉180的角度和濕式壓縮系統(tǒng)190的操作可結(jié)合壓縮機(jī)排出壓力和溫度限制進(jìn) 行協(xié)調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)的微控制器210或用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的現(xiàn)有控制器總體上可結(jié)合環(huán)境 狀態(tài)來控制入口導(dǎo)葉180和濕式壓縮系統(tǒng)190的操作，以便最大限度地增大或調(diào)平總體發(fā) 電。微控制器210可為常規(guī)設(shè)計(jì)。例如，入口導(dǎo)葉180可在環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)的天氣期間處于 伸展位置，但在環(huán)境狀態(tài)開始接近炎熱天氣狀態(tài)況時(shí)移動(dòng)至開啟位置。類似的是，當(dāng)環(huán)境狀態(tài)開始接近炎熱天氣狀態(tài)或其它高于設(shè)計(jì)狀態(tài)的天氣溫度時(shí)，則可使用濕式壓縮系統(tǒng)190。因此，本文的壓縮機(jī)100即使在電能價(jià)格處于其最大值時(shí)的炎熱天氣里，也可通 過使用加大尺寸的壓縮機(jī)100、入口導(dǎo)葉180和濕式壓縮系統(tǒng)190來保持平穩(wěn)發(fā)電。使用濕 式壓縮系統(tǒng)190還可改善單循環(huán)的耗熱率，同時(shí)不削弱聯(lián)合循環(huán)的耗熱率。壓縮機(jī)100還 避免了對使用高成本鎳合金的需要。圖4示出了在文中結(jié)合流速、溫度和功率輸出描述的壓縮機(jī)100的操作。第一輸 出線220示出了公知的壓縮機(jī)12的操作。當(dāng)溫度升高時(shí)，功率輸出隨流速的減小而減小。 如第二輸出線230所示，增大壓縮機(jī)100的尺寸將增加功率。然而，這種功率輸出的增加可 導(dǎo)致壓縮機(jī)溫度和壓力的升高，使得可能需要更為昂貴的合金構(gòu)件。文中的控制器210利用入口導(dǎo)葉180和濕式壓縮系統(tǒng)190的操作來平衡功率輸 出，以便提供平穩(wěn)的輸出線M0。具體而言，入口導(dǎo)葉180在設(shè)計(jì)狀態(tài)的天氣關(guān)閉，以便保持 期望的流速。入口導(dǎo)葉180然后隨著溫度的升高而調(diào)節(jié)開啟。類似的是，控制器210隨著 溫度的升高而操作濕式壓縮系統(tǒng)190以保持平穩(wěn)的輸出線M0。文中可利用壓縮機(jī)100等 來實(shí)現(xiàn)其它類型的功率輸出目標(biāo)。此外，控制器210還可平衡對壓縮機(jī)排出溫度和所產(chǎn)生的功率輸出增加的抑制與 對于葉片腐蝕的潛在可能和其它潛在類型的破壞。更具體而言，控制器可結(jié)合當(dāng)前的電能 價(jià)格來平衡輸出利益和潛在破壞的缺陷。換言之，功率輸出的價(jià)格在承受更大的破壞風(fēng)險(xiǎn) 的同時(shí)可進(jìn)行調(diào)整以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文中還可評估其它參數(shù)。應(yīng)當(dāng)清楚的是，上文僅涉及本申請的一些實(shí)施例，以及在不脫離由所附權(quán)利要求 及其等同物所限定的本發(fā)明的總體精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可作出許 多修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)廨啓C(jī)(10)的壓縮機(jī)(100)，包括 圍繞壓縮機(jī)后部區(qū)段(170)定位的多個(gè)轉(zhuǎn)子輪(120)； 所述多個(gè)轉(zhuǎn)子輪(120)包含低合金材料；圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段(160)定位的多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)；以及 圍繞所述壓縮機(jī)入口區(qū)段(160)定位的濕式壓縮系統(tǒng)(190)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述壓縮機(jī)(100)還包括附接到 所述轉(zhuǎn)子輪(120)上的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(110)，以及其中，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(110)是加大尺 寸的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)能夠處 在開啟位置和完全伸展位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述濕式壓縮系統(tǒng)(190)包括多 個(gè)噴頭(200)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述壓縮機(jī)(100)還包括與所述 多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)和所述濕式壓縮系統(tǒng)(190)進(jìn)行通信的控制器010)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述低合金材料包括NiCrMoV材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)(100)，其特征在于，所述低合金材料包括抗蠕變材料。
8.一種在變化的環(huán)境溫度下操作壓縮機(jī)(100)以便保持平穩(wěn)功率輸出(MO)的方法， 包括將多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)定位在伸展位置，直到達(dá)到預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)溫度； 當(dāng)所述環(huán)境溫度超過所述預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)溫度時(shí)，將所述多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)調(diào) 節(jié)至開啟位置；以及當(dāng)所述環(huán)境溫度超過所述預(yù)定的環(huán)境設(shè)計(jì)狀態(tài)溫度時(shí)，操作濕式壓縮系統(tǒng)(190)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，操作濕式壓縮系統(tǒng)(190)包括從多個(gè)噴頭 (200)噴水。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對所述壓縮機(jī)(100)加 大尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，操作濕式壓縮系統(tǒng)(190)的步驟跟隨在 將所述多個(gè)入口導(dǎo)葉(180)定位在開啟位置的步驟之后。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括監(jiān)測壓縮機(jī)排出壓力和溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括安裝低合金轉(zhuǎn)子輪 (120)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)及操作方法。具體而言，本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)可包括圍繞具有低合金材料的壓縮機(jī)后部區(qū)段定位的多個(gè)轉(zhuǎn)子輪，圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的多個(gè)入口導(dǎo)葉，以及圍繞壓縮機(jī)入口區(qū)段定位的濕式壓縮系統(tǒng)。
文檔編號F02C3/04GK102062078SQ20101055232
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者P·L·安德魯 申請人:通用電氣公司