专利名称：燃气涡轮压缩机及操作方法
技术领域：
本申请主要涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及燃气涡轮压缩机，以及在变 化的温度上操作所述燃气涡轮压缩机以便提供平稳功率输出的方法。
背景技术：
空气穿过燃气涡轮发动机的压缩机的质量流速(或流量，flow rate)通常随环境 温度而变化。在炎热天气，空气密度相比于大约59华氏度(大约15摄氏度)的标准IS0(" 国际标准组织")天气可下降大约百分之十(10% )至大约百分之二十(20% )。因此，由燃 气涡轮发动机所产生的全部功率也可减少大约百分之十(10%)至大约百分之二十(20%) 左右。然而，这种输出的减少通常与由于空气调节负载等的增加所引起的更高的消费者和 工业用功率需求同时发生。结果，提高的功率需求和降低的发电能力的结合相比于低温天 气期间的正常功率需求和能力，可将电能价格提升数十或更高。在炎热天气里增加发电的尝试包括增大压缩机的尺寸以补偿损失的流速。然而， 增大尺度还可导致成本提高。此外，温暖天气里温度的升高可导致压缩机压力和温度的升 高。这种压力和温度的升高通常需要至少在压缩机的后部区段中使用昂贵的镍基合金，以 便提供对抗低循环疲劳的耐用性。然而，这些合金相比于标准燃气轮机构件而言可能相对
曰虫 印贝。还已使用了各种类型的水冷却方法。例如，压缩机入口周围的入口起雾(fogging) 可降低压缩机入口的空气温度。这种空气温度的降低通常会恢复质量流速，且因此恢复所 产生的功率。然而，入口起雾通常仅在达到湿球温度之前才有用，从而使得该实施的实用性 受限于湿润天气中。还已使用了涉及在压缩机入口内喷水的湿式压缩。水蒸发的潜热冷却 入口空气流，以便增加因压缩入口空气所需功的减少而能获得的功率。然而，水流的增加可 具有热应力和/或腐蚀问题。因此，希望有一种改进型压缩机和操作该压缩机的方法，以便在环境温度工作范 围，尤其是在炎热天气，提供恒定水平的发电。这种恒定的发电将容许发电装置在高需求及 由此而来的高收益的周期期间满足发电要求。该压缩机和方法因此应当具有温度灵活性， 同时保持高水平的效率和耐用性。
发明内容
因此，本申请提供了一种用于燃气轮机的压缩机。该压缩机可包括围绕具有低合 金材料的压缩机后部区段定位的多个转子轮、围绕压缩机入口区段定位的多个入口导叶， 以及围绕压缩机入口区段定位的湿式压缩系统。本申请还提供了一种在变化的环境温度下操作压缩机以保持平稳功率输出的方 法。该方法可包括以下步骤将多个入口导叶定位在伸展位置上，直到达到预定的环境设计 状态温度；在环境温度超过预定的环境设计状态温度时将入口导叶调节至开启位置；以及 在环境温度超过预定的环境设计状态温度时操作湿式压缩系统。
本申请还提供了 一种用于燃气轮机的压缩机。该压缩机可包括具有围绕压缩机后 部区段定位的多个加大尺寸的转子叶片的多个转子轮、围绕压缩机入口区段定位的多个入 口导叶，以及围绕压缩机入口区段定位的湿式压缩系统。本领域的普通技术人员通过查阅以下详细描述并结合多个附图和所附权利要求， 将会清楚本申请的这些及其它特征和改进。
图1为燃气涡轮发动机的简图。图2为穿过压缩机的压缩机流动通路的示例性透视图。图3为如本文所述的压缩机的简图。图4为示出如可利用本文所述的压缩机所提供那样的平稳功率输出的图表。
具体实施例方式现参看附图，其中相似的标号在所有各个视图中表示相似的元件，图1示出了燃 气涡轮发动机10的简图。如同所知，燃气涡轮发动机10可包括用以压缩进入空气流的压 缩机12。压缩机12将压缩的空气流输送到燃烧器14。燃烧器14使压缩的空气流与压缩 的燃料流相混合并点燃该混合物。尽管仅示出了单个燃烧器14，但燃气涡轮发动机10可包 括任意数目的燃烧器14。热燃烧气体继而又输送至涡轮16。热燃烧气体驱动涡轮16，以便 产生机械功。在涡轮16中所产生的机械功驱动压缩机12和外部负载18如发电机等。燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气、液体燃料以及其它类型的 燃料。燃气涡轮发动机 10 可为由 General ElectricCompany (Schenectady, New York)提 供的F系发动机，或类似设计。燃气涡轮发动机10可具有其它构造以及可使用其它类型的 构件。文中还可使用其它类型的燃气涡轮发动机。多个燃气涡轮发动机10、其它类型的涡 轮，以及其它类型的发电设备可在此结合使用。图2示出了压缩机12的实例。压缩机12可包括安装在转子轮22上的多个沿周 向间隔开的转子叶片20。各转子轮22均可附接到传动轴M上。传动轴M可连接到涡轮 16上。多个沿周向间隔开的定子叶片沈可附接到静止压缩机壳体观上。转子叶片20和 定子叶片26以交错构造位于从压缩机入口 32开始的流动通路30中。图3示出了可如本文所述那样的压缩机100的简图。类似于上述压缩机12，压缩 机100可包括附接到转子轮120上的多个转子叶片110，以及附接到压缩机壳体140上的 多个定子叶片130。压缩机100还限定从压缩机入口区段160到压缩机后部区段170穿过 其间延伸的流动通路150。文中还可使用许多其它类型的压缩机100设计和构件。压缩机 100可具有任何期望的尺寸。本文所述的压缩机100还可用于其它类型的单循环或联合循 环发电装置中。压缩机100可认作是"加大尺寸的"，即如果在炎热天气整个燃气涡轮发动机10 的工作减少大约百分之十(10% )至大约百分之二十(20% )，则压缩机100的尺寸可增大 以提供多于大约百分之十(10% )至大约百分之二十(20% )的穿过其间的质量空气流速。 因此，整个压缩机100的转子叶片110、定子叶片130和其它构件可相比于典型的压缩机构 件而言是加大尺寸的。
压缩机100还可具有围绕压缩机入口区段160定位的多个入口导叶180。入口导 叶180的角度是可变的。该角度可从有较少堵塞或旋流的完全开启位置变化至达到大约五 度(5° )至大约十五度(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，如下文更为详细描述的那样，入口导叶180的角度可根据环境状态和期望的操作状态 而变化。文中可使用任何数目或尺寸的入口导叶180。我们注意到，压缩机100也可具有用 于还提供流动调节的可变定子导叶。为清楚起见，文中仅示出了入口导叶180。压缩机100还可包括湿式压缩系统190。湿式压缩系统190可包括围绕压缩机入 口区段160定位的多个喷头200。也可使用任何数目的喷头200。湿式压缩系统190和喷 头200可为任何类型的喷水系统。湿式压缩系统190将水滴雾喷入压缩机入口区段160或 其它区段中，使得水的蒸发降低压缩机入口温度，且因此降低压缩所需的功。文中还可使用 中部压缩机喷射。具体而言，喷水可提供在不同的压缩级之启。使用中，入口导叶180可在设计状态天气中完全伸展(S卩，成角度)。设计状态是 指压缩机100设计为最高效率的预定环境温度。设计状态天气可为大约59华氏度(大约 15摄氏度)的ISO标准或其它。入口导叶180可在炎热天气状态下完全开启。炎热天气 状态可为大约110华氏度(大约43. 3摄氏度)，或高于设计状态的其它天气温度。入口导 叶180通常在设计状态的天气完全伸展以便减少空气流通向加大尺寸的压缩机100，而在 炎热天气则完全开启以便提供尽可能多的空气流。因此，入口导叶180的角度可随环境温 度以及压缩机100的总体操作状态而变化。当入口导叶180在炎热天气以及其它高于设计状态的天气温度下完全开启时，压 缩机100还可使用水压缩系统190。湿式压缩系统190的喷头200将水滴雾喷入压缩机的 入口区段160、中部区段或其它区段，以便减少压缩功且因此降低压缩机排出温度。类似的是，压缩机100相比于公知的压缩机可以是加大尺寸的，以便克服因在炎 热天气里空气密度降低所造成的功率减少。如上文所述，提高压缩机排出压力和排出温度 通常可能需要对于其构件采用镍基合金。因此，在炎热天气使用水压缩系统190容许使用 成本较低的"低合金"材料来用于转子轮120，以及在给定最大限度地减小的压缩机排出 温度的情况下或许还有压缩机100的其它构件，尤其是在压缩机的后部区段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变性的 类似类型的材料。在可通过开启入口导叶180增加空气流来提供的多少功率增大与通过湿式压缩 系统190提供的多少功率增大之间实现平衡。一般而言，可使用入口导叶180的角度调节， 直到入口导叶180完全开启。类似的是，可在入口导叶180受到调节或在导叶开启的同时 使用湿式压缩系统190。水压缩系统190用于限制与湿式压缩相关的应力和腐蚀问题。然 而，太多没有湿式压缩的空气流可导致压缩机的排出压力和温度升高，这可促使蠕变。因 此，入口导叶180的角度和湿式压缩系统190的操作可结合压缩机排出压力和温度限制进 行协调。标准的微控制器210或用于燃气涡轮发动机10的现有控制器总体上可结合环境 状态来控制入口导叶180和湿式压缩系统190的操作，以便最大限度地增大或调平总体发 电。微控制器210可为常规设计。例如，入口导叶180可在环境设计状态的天气期间处于 伸展位置，但在环境状态开始接近炎热天气状态况时移动至开启位置。类似的是，当环境状态开始接近炎热天气状态或其它高于设计状态的天气温度时，则可使用湿式压缩系统190。因此，本文的压缩机100即使在电能价格处于其最大值时的炎热天气里，也可通 过使用加大尺寸的压缩机100、入口导叶180和湿式压缩系统190来保持平稳发电。使用湿 式压缩系统190还可改善单循环的耗热率，同时不削弱联合循环的耗热率。压缩机100还 避免了对使用高成本镍合金的需要。图4示出了在文中结合流速、温度和功率输出描述的压缩机100的操作。第一输 出线220示出了公知的压缩机12的操作。当温度升高时，功率输出随流速的减小而减小。 如第二输出线230所示，增大压缩机100的尺寸将增加功率。然而，这种功率输出的增加可 导致压缩机温度和压力的升高，使得可能需要更为昂贵的合金构件。文中的控制器210利用入口导叶180和湿式压缩系统190的操作来平衡功率输 出，以便提供平稳的输出线M0。具体而言，入口导叶180在设计状态的天气关闭，以便保持 期望的流速。入口导叶180然后随着温度的升高而调节开启。类似的是，控制器210随着 温度的升高而操作湿式压缩系统190以保持平稳的输出线M0。文中可利用压缩机100等 来实现其它类型的功率输出目标。此外，控制器210还可平衡对压缩机排出温度和所产生的功率输出增加的抑制与 对于叶片腐蚀的潜在可能和其它潜在类型的破坏。更具体而言，控制器可结合当前的电能 价格来平衡输出利益和潜在破坏的缺陷。换言之，功率输出的价格在承受更大的破坏风险 的同时可进行调整以保持电网的稳定性。文中还可评估其它参数。应当清楚的是，上文仅涉及本申请的一些实施例，以及在不脱离由所附权利要求 及其等同物所限定的本发明的总体精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可作出许 多修改和变化。
权利要求
1.一种用于燃气轮机(10)的压缩机(100)，包括 围绕压缩机后部区段(170)定位的多个转子轮(120)； 所述多个转子轮(120)包含低合金材料；围绕压缩机入口区段(160)定位的多个入口导叶(180)；以及 围绕所述压缩机入口区段(160)定位的湿式压缩系统(190)。
2.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述压缩机(100)还包括附接到 所述转子轮(120)上的多个转子叶片(110)，以及其中，所述多个转子叶片(110)是加大尺 寸的。
3.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述多个入口导叶(180)能够处 在开启位置和完全伸展位置。
4.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述湿式压缩系统(190)包括多 个喷头(200)。
5.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述压缩机(100)还包括与所述 多个入口导叶(180)和所述湿式压缩系统(190)进行通信的控制器010)。
6.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述低合金材料包括NiCrMoV材料。
7.根据权利要求1所述的压缩机(100)，其特征在于，所述低合金材料包括抗蠕变材料。
8.一种在变化的环境温度下操作压缩机(100)以便保持平稳功率输出(MO)的方法， 包括将多个入口导叶(180)定位在伸展位置，直到达到预定的环境设计状态温度； 当所述环境温度超过所述预定的环境设计状态温度时，将所述多个入口导叶(180)调 节至开启位置；以及当所述环境温度超过所述预定的环境设计状态温度时，操作湿式压缩系统(190)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，操作湿式压缩系统(190)包括从多个喷头 (200)喷水。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述压缩机(100)加 大尺寸。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，操作湿式压缩系统(190)的步骤跟随在 将所述多个入口导叶(180)定位在开启位置的步骤之后。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括监测压缩机排出压力和温度。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括安装低合金转子轮 (120)的步骤。
全文摘要
本发明涉及燃气涡轮压缩机及操作方法。具体而言，本申请提供了一种用于燃气轮机的压缩机。该压缩机可包括围绕具有低合金材料的压缩机后部区段定位的多个转子轮，围绕压缩机入口区段定位的多个入口导叶，以及围绕压缩机入口区段定位的湿式压缩系统。
文档编号F02C3/04GK102062078SQ20101055232
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者P·L·安德鲁 申请人:通用电气公司