本公开涉及联合循环气体涡轮引擎。
联合循环气体涡轮引擎是已知的，并且通常用于增加热引擎相对于简单循环气体涡轮引擎的热效率。
在联合循环气体涡轮引擎中，来自气体涡轮引擎的废热用于驱动第二热引擎以产生附加的净功率，而不增加燃料燃烧。
一个此类循环被称为“空气底循环”(abc)。空气底循环包括另一个布雷顿循环气体涡轮引擎作为第二热引擎。通常，第二引擎包括流体串联的压缩机、热交换器和涡轮。压缩机吸入空气并对空气进行压缩。在被涡轮膨胀之前，该压缩空气被来自第一气体涡轮引擎的废热加热。该涡轮为压缩机和负载提供动力，以提供净功率。
此类循环在例如以下文献中有所公开：“selectionofgasturbineairbottomingcycleforpolishcompressorstations”，作者：danielczaja、tadeuszchmielniak、sebastianlepszy，发表于journalofpowertechnologies93(2)(2013)67-77。
根据第一方面，提供了一种联合循环热引擎，该联合循环热引擎包括：
第一气体涡轮引擎，该第一气体涡轮引擎包括第一空气压缩机、第一燃烧系统和第一涡轮系统；
第二气体涡轮引擎，该第二气体涡轮引擎包括第二空气压缩机和第二涡轮系统；和
热交换器，该热交换器被构造成将来自第一涡轮系统的排气的热量传递给来自第二空气压缩机的压缩空气；其中
第一燃烧系统包括第一燃烧器和第二燃烧器，该第一燃烧器设置在第一空气压缩机的下游和第一涡轮系统的上游，该第二燃烧器设置在第一涡轮系统的第一涡轮区段的下游和第一涡轮系统的第二涡轮区段的上游。
有利地，通过提供具有设置在第一气体涡轮引擎的涡轮级之间的第一燃烧器和第二燃烧器的联合循环气体涡轮引擎，可相对于简单循环气体涡轮引擎和常规联合循环气体涡轮引擎两者提供大大提高的效率。本发明所公开的系统的另外的益处和特征示于下文中。
第一空气压缩机以及第一涡轮系统的第一区段和第二区段可通过共同的涡轮轴机械地联接。
第一燃烧器可设置在第一压缩机的下游和第一涡轮系统的第一涡轮转子的上游，并且第二燃烧器可设置在第一涡轮系统的第一涡轮转子的下游和第一涡轮系统的第二涡轮转子的上游。
另选地，第一涡轮系统可包括第一涡轮轴和第二涡轮轴，该第一涡轮轴机械地联接到第一涡轮系统的第一涡轮卷轴和第一气体涡轮引擎的第一压缩机，该第二涡轮轴机械地联接到第一涡轮系统的第二涡轮卷轴和外部负载。
第一涡轮区段可联接到第一涡轮轴，并且第二涡轮区段可联接到第二涡轮轴。
第一空气压缩机可包括设置在高压压缩机的上游的低压压缩机。第一涡轮轴可机械地联接到高压压缩机，并且第二涡轮轴可机械地联接到低压压缩机。
第二空气压缩机可包括多级压缩机，该多级压缩机包括两个或更多个转子级。第二气体涡轮引擎可包括被构造成排出来自第二空气压缩机的转子级之间的热量的一个或多个中间冷却器。有利地，减少压缩机工作的同时增加热交换器中的温度上升，从而提高第二气体涡轮引擎的热效率。
第二气体涡轮引擎可包括设置在热交换器下游和第二涡轮系统上游的第二燃烧系统。
第二气体涡轮引擎可具有介于4至15之间的总压力比，并且可具有介于5至10之间的总压力比。已发现，在这些值的第二气体涡轮的总压力比下，实现了系统的最高总体热效率。
第一涡轮系统的第一涡轮区段的压力比可介于2和5之间，并且可介于3.5和4.75之间。已发现，在第二燃烧器之前具有这些值的压力比的涡轮已被发现导致第一气体涡轮的高排气温度，这导致相对较高的比功并且因此高的总功率密度。
第一涡轮系统的第一涡轮区段的压力比可介于1和2之间，并且可以是约1.5。已发现，在第二燃烧器之前具有这些值的膨胀比的涡轮已被发现导致高的总体能量效率。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是第一联合循环热引擎的示意图；
图2是图1的联合循环热引擎的第一气体涡轮引擎的区域a的示意图；
图3是第二联合循环热引擎的示意图；
图4是第三联合循环热引擎的示意图；并且
图5是第四联合循环热引擎的示意图。
参考图1，第一联合循环热引擎通常用10表示。
联合循环热引擎10包括各自具有相应的主要旋转轴线的第一布雷顿循环气体涡轮引擎和第二布雷顿循环气体涡轮引擎11、32。第一气体涡轮引擎11包括以轴流式串联的进气口12、第一空气压缩机14、第一燃烧系统的第一燃烧器16、包括第一涡轮区段18的第一涡轮系统、第一燃烧系统的第二燃烧器20、第一涡轮系统的第二涡轮区段22和排气喷嘴24。
在操作中，进入进气口12的空气被引导到第一空气压缩机14，该第一空气压缩机压缩引入其中的气流，然后将该气流输送到第一燃烧器16，其中该气流与燃料混合并且燃烧混合物。然后，所得的热燃烧产物膨胀穿过第一涡轮区段18并从而驱动第一涡轮区段18，然后被引导到第二燃烧器20。第二燃烧器20将另外的燃料添加到该气流中，其中该气流被燃烧进一步提高燃烧产物的热量，然后该气流被引导到第二涡轮区段22。
第一涡轮区段18和压缩机14通过芯轴26联接在一起，使得第一涡轮区段18驱动压缩机14。第二涡轮区段22通过动力轴30联接到负载诸如发电机28。因此，轴30、26彼此独立地转动，并且因此涡轮18、22彼此独立地转动。
在喷嘴24的下游还设置有热交换器38。热交换器38包括彼此热接触的热侧和冷侧，并被构造成在第一涡轮区段和第二涡轮区段18、22的下游将来自第一气体涡轮引擎11的排气喷嘴24的第一气流的热量传递给第二相对较冷的气流。在使用中，气体从喷嘴24流动通过热交换器38，从而在排放到大气之前加热第二气流。可选地，可提供另外的热交换器，使得废热可用于进一步的目的，诸如水加热。
联合循环热引擎10还包括第二布雷顿循环气体涡轮引擎32。第二气体涡轮引擎包括以流体流串联的空气入口34、第二空气压缩机36、热交换器38的冷侧、第二涡轮系统40和排气喷嘴42。
在操作中，进入第二气体涡轮引擎32的进气口34的空气被引导到第二空气压缩机36，该第二空气压缩机压缩引入其中的气流，然后将该气流输送到同流热交换器38的冷侧，其中该气流被来自第一气体涡轮引擎11的排气的废热加热。热交换器38向该气流(其包括热交换器38的第二气流)添加热量，以在将该气流引导到涡轮40之前升高该气流的温度。该气流在排放到大气之前驱动涡轮40。应当理解，通过热交换器的气流保持分离，尽管在它们之间交换了热量。同样，可提供另外的热交换器以利用这种高温空气。另选地，该高温空气可用于空间加热，因为该空气中不含燃烧产物。
涡轮40和压缩机36通过芯轴44联接在一起，使得涡轮40驱动压缩机36。轴44还联接到负载诸如发电机46，使得第二气体涡轮向负载提供净外部功率。
已发现，上述布置结构可提供非常高的总体热效率联合循环热引擎。在研究中，已发现该引擎的总体热效率高达55％，同时提供高度紧凑、功率密集的布置。由于联合循环引擎以空气作为第一布雷顿循环气体涡轮引擎和第二布雷顿循环气体涡轮引擎的工作流体进行操作，因此不需要额外的工作流体诸如蒸馏水，使得该系统适用于船舶。负载28、46可由其他合适的负载代替，诸如用于船舶或飞机的推进螺旋桨或风扇，因为高功率密度和高效率使得该循环适合于此类应用。
现在参见图2，示出了图1的区域a，其更详细地示出了第一燃烧器和第二燃烧器16、20以及第一涡轮区段18、22。
可以看出，每个燃烧器16、20是相对常规的，包括由外部燃烧器外壳52、54包围的内部燃烧器内衬48、50。每个燃烧器16、20还包括相应的燃料喷射器56、58，其提供用于在气流内燃烧的燃料(诸如航空燃料或柴油)。也可利用另选的燃烧器类型，诸如逆流燃烧器、贫燃分级燃烧器和富燃-淬熄-贫燃(rql)燃烧器。也可使用其他燃料类型，诸如天然气。
每个涡轮区段18、22包括一个或多个涡轮级。涡轮级包括至少一个涡轮转子以及可选地一个或多个涡轮定子。如图所示，第一涡轮区段18包括第一涡轮转子和第二涡轮转子60、62，该转子之间设置有涡轮定子64。在使用中，涡轮转子60、62(其为常规叶片转子)旋转以提供动力，同时定子在每个转子的下游重新导向气流以将气流引导到下一个转子。因此，该示例中第一涡轮区段18具有两个涡轮级。相似地，第二涡轮区段22具有两个涡轮级，包括两个涡轮转子66、68和该转子之间的涡轮定子70。可以看出，在这种情况下，第一涡轮区段18被设置作为联接到第一轴26的第一卷轴的一部分，而第二涡轮区段22被设置作为联接到第二轴30的第二卷轴的一部分。
如本领域技术人员将理解的，选择涡轮级的数量以利用最小级数在用于最大气流的期望轴旋转速度下提供期望的涡轮压力比。
在研究中，发明人已发现第一涡轮区段的特定涡轮压力比提供了特定的优点。涡轮或涡轮区段的压力比可通过将涡轮入口(即涡轮或涡轮区段的第一涡轮级的上游)处的压力除以涡轮出口处的压力(即，涡轮或涡轮区段的最终涡轮级的下游)处的压力来确定。
已发现，通过提供具有介于2和5之间的压力比的第一涡轮区段，可使整个系统的功率密度最大化。这通常可由两级涡轮区段提供。在一些情况下，通过提供具有介于3.5和4.75之间的压力比的第一涡轮区段，可提供最佳功率密度。这种关系似乎适用于广泛的涡轮入口温度和总压力比。因此，在功率密度(即引擎的重量和/或尺寸)是引擎设计中最重要的因素的情况下，应选择具有上述特性的涡轮。
另一方面，通过提供具有介于1和2之间的压力比的第一涡轮区段，可使热效率(并且因此燃料经济性)最大化。这通常可由单级涡轮区段提供。在一些情况下，通过提供具有约1.5的压力比的第一涡轮区段，可提供最佳的能量效率。同样，这种关系似乎适用于广泛的涡轮入口温度和总压力比。因此，在功率密度(即引擎的重量和/或尺寸)是引擎设计中最重要的因素的情况下，应选择具有上述特性的涡轮。
为了进一步优化整个循环，可选择附加的参数。
影响整个系统效率的一个参数是第一气体涡轮引擎11的总压力比(opr)。这可通过测量空气入口12处的总压力除以在引擎以全功率操作时压缩机14的出口处的总压力来确定。本发明人已发现，一般来讲，第一气体涡轮引擎11的较高的总压力比导致较高的总体系统效率。通常，第一气体涡轮引擎11的总压力比介于30∶1和60∶1之间。这与常规的底循环系统形成对比，其中较高的总压力比与增加的总体系统效率无关，因为此类系统导致底循环引擎的排气温度相对较低，这导致该引擎的效率低。与不太完美的部件效率相结合，这通常导致在较低总压力比下的循环效率峰值。另一方面，在目前所公开的系统中，由于第二燃烧器20，即使在高opr下相对较高的排气温度仍导致高效的第二气体涡轮引擎，因此总体上具有高效的循环。
相似地，第二气体涡轮引擎的opr影响总体系统效率。同样，第二气体涡轮引擎的opr可通过将空气入口处的总压力除以压缩机36出口处的总压力来确定。已发现，介于3到8之间的相对低的opr提供了最大的总体系统效率。在许多情况下，从具有4至6的opr的第二气体涡轮引擎获得最佳循环效率。同样，这保持了相对宽范围的涡轮入口温度和第一气体涡轮引擎opr。
影响效率的另一个参数是第一涡轮区段18的涡轮入口温度(tet)。tet可通过测量在最大引擎功率条件下进入第一涡轮区段18的入口的气体的总温度来确定。已发现，一般来讲，在本公开的循环中，总体效率随tet的增加而增加。通常，tet介于1400开尔文和1800开尔文之间，但可利用更高的温度。这再次与常规的底循环引擎形成对比，其中效率通常不随涡轮入口温度的增加而增加。
第二涡轮区段22的涡轮入口温度(tet)也影响热效率。同样，效率通常随tet的增加而增加，但可能希望将第二涡轮区段22的tet设定在比第一涡轮区段18低的值，以使冷却损耗最小化。
图3示出了在许多方面与第一热引擎10不同的第二联合循环热引擎110。
在该示例中，引擎110包括各自具有相应的主要旋转轴线的第一布雷顿循环气体涡轮引擎和第二布雷顿循环气体涡轮引擎111、132。第一气体涡轮引擎111包括以轴流式串联的进气口112、第一空气压缩机114a、第二空气压缩机114b、第一燃烧器116、包括第一涡轮区段118的涡轮、第二燃烧器120、涡轮的第二涡轮区段122和排气喷嘴124。
空气以与引擎10类似的方式流动通过引擎110，如箭头所示。在该实施方案中，第一涡轮区段118和第一压缩机114a通过芯轴126联接在一起，使得第一涡轮区段118驱动第一压缩机114a。第二涡轮区段122通过动力轴130联接到第二压缩机114b和负载诸如发电机128。因此，轴130、126彼此独立地转动，并且因此涡轮118、122彼此独立地转动。同样，应当理解，第一涡轮区段118被设置作为第一涡轮卷轴的一部分，并且第二涡轮区段122被设置作为第二涡轮卷轴的一部分，因为它们彼此独立地旋转。
还提供了类似于引擎32的第二气体涡轮引擎132。该第二气体涡轮引擎包括以流体流串联的空气入口134、第一空气压缩机136a、中间冷却器172、第二空气压缩机136b、回收热交换器138的冷侧、涡轮140和喷嘴142。
同样，空气以与引擎32类似的方式流动通过第二气体涡轮引擎132。然而，这通过添加中间冷却器172而略微改变。中间冷却器172是另外的热交换器，其被布置成在将冷却的空气输送到第二压缩机136b之前通过与环境空气进行热交换来冷却第一压缩机136a的下游的高温空气。通过冷却压缩级之间的空气，实现了若干效果。首先，增加了压缩空气所需的功，从而增加了引擎对于给定涡轮功率的压力比。然而，这通过降低循环期间添加的热量降低了涡轮入口温度，这降低了引擎的效率。然而，由于第二气体涡轮引擎的运行热量来自第一气体涡轮引擎，所以总体循环效率增加，因为利用了废热而不是来自燃料燃烧的热量。
图4示出了再多个方面与第一热引擎和第二热引擎10、110不同的第三联合循环热引擎210。
在该示例中，引擎210包括各自具有相应的主要旋转轴线的第一布雷顿循环气体涡轮引擎和第二布雷顿循环气体涡轮引擎211、232。第一气体涡轮引擎211包括以轴流式串联的进气口212、空气压缩机214、第一燃烧器216、包括第一涡轮区段218的涡轮、第二燃烧器220、涡轮的第二涡轮区段222和排气喷嘴224。
空气以与引擎10、110类似的方式流动通过引擎210，如箭头所示。在该实施方案中，第一涡轮区段218、第二涡轮区段222和压缩机214中的每一者通过芯轴226联接在一起，使得第一涡轮区段和第二涡轮区段218、222两者驱动压缩机214。轴226还联接到负载诸如发电机228。因此，仅提供单个轴226，使得第一涡轮区段和第二涡轮区段218、222被设置为同一卷轴的一部分。
还提供了与引擎32、132类似的第二气体涡轮引擎232。该第二气体涡轮引擎包括以流体流串联的空气入口234、第一空气压缩机236a、中间冷却器272、第二空气压缩机236b、回收热交换器238的冷侧、第三燃烧器274、涡轮240和喷嘴242。
同样，空气以与引擎132类似的方式流动通过第二气体涡轮引擎132。然而，这通过添加第三燃烧器274而略微改变。第三燃烧器274被构造成在热交换器238的下游和涡轮240的上游向第二气流提供额外的燃料，以向第二气体涡轮引擎232气流提供进一步的热量添加。鉴于这种进一步的热量添加，可从第二气体涡轮引擎232提取额外的功。此外，涡轮入口温度升高，从而增加第二气体涡轮引擎232的效率，并且因此整体上提高了热引擎的效率。在研究中，据估计，使用此类循环可实际实现高达60％的总体热效率。
图5示出了第四联合循环热引擎311。该引擎在许多方面类似于图3的引擎111，因此将仅详细描述相对于该引擎的差异。
该联合循环热引擎也包括以与引擎11、32、111、132和211、232类似的方式操作的第一气体涡轮引擎和第二气体涡轮引擎311、332。然而，引擎311与引擎11、111、211的不同之处在于，中间冷却器372设置在第一气体涡轮引擎311的压缩机级之间。在该实施方案中，中间冷却器372设置在低压压缩机和高压压缩机314a、314b之间，并且以与中间冷却器172、272类似的方式操作，因为其通过与较低温度的流体(诸如低温空气、水或一些其他介质)进行热交换以在进一步压缩之前冷却压缩机空气。
第二气体涡轮引擎332还可设置有类似于中间冷却器172、272的中间冷却器，但是在该示例中省略了第二气体涡轮引擎332的中间冷却器。
通过在第一气体涡轮引擎311中提供中间冷却器而不是在第二气体涡轮引擎332中添加中间冷却器，可实现各种优点。
通常，在由下游压缩机进一步压缩之前，可使用冷却器来降低压缩空气的温度。这减少了压缩空气所需的功，因此允许更高的效率。这也增加了燃烧器可添加的热量而不超过下游涡轮的温度限制，因此增加了功率密度。然而，由于压缩所需的功较低，涡轮需要较少的膨胀来提供所需的功，因此涡轮下游的温度增加。与中间冷却器的散热相结合，涡轮的这种增加的散热表示在引擎的热力循环中未使用的焓，因此在一些情况下总体热力学效率降低。
然而，在这种情况下，由增加的涡轮出口温度提供的这种增加的热量在第二气体涡轮引擎332中被利用。因此，入口温度与热交换器中最高温度之间的温差增大导致第二气体涡轮引擎的效率提高，因为热效率通过众所周知的卡诺效率公式与该温差相关：
其中η表示效率，tc表示循环的出口温度，th表示循环的入口温度。因此，通过向第一气体涡轮引擎111添加中间冷却器372，第一循环的tc增加，从而降低该循环的效率。然而，第二循环的th随后增加相同的量，从而保持第二引擎332的高效率，并因此保持整个系统的热效率。因此，该架构允许增加功率密度，而不会相应地降低热效率。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，两个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。
例如，可将第三燃烧器添加到第一实施方案或第二实施方案中的任一者的热引擎中。相似地，第一实施方案可包括中间冷却器，或者可从第二实施方案或第三实施方案中删除中间冷却器。相似地，可改变轴的数量或布置，使得第二燃烧器可根据需要被定位在相同卷轴的不同涡轮区段之间或者每个实施方案中的不同卷轴之间。相似地，在提供多级涡轮卷轴的情况下，第二燃烧器可被定位在任何两级之间。
1.一种联合循环热引擎(10)，所述联合循环热引擎包括：
第一气体涡轮引擎(11)，所述第一气体涡轮引擎包括第一空气压缩机(14)、第一燃烧系统(16，20)和第一涡轮系统(18，22)；
第二气体涡轮引擎(32)，所述第二气体涡轮引擎包括第二空气压缩机(36)和第二涡轮系统(40)；和
热交换器(38)，所述热交换器被构造成将来自所述第一涡轮系统(18，22)的排气的热量传递给来自所述第二空气压缩机(36)的压缩空气；其中
所述第一燃烧系统包括第一燃烧器(16)和第二燃烧器(20)，所述第一燃烧器设置在所述第一空气压缩机(14)的下游和所述第一涡轮系统(18，22)的上游，所述第二燃烧器设置在所述第一涡轮系统的第一涡轮区段(18)的下游和所述第一涡轮系统的第二涡轮区段(22)的上游。
2.根据权利要求1所述的联合循环热引擎，其中所述第一空气压缩机(214)以及所述第一涡轮系统的所述第一区段和所述第二区段(218，222)通过共同的涡轮轴(226)机械地联接。
3.根据权利要求1所述的联合循环热引擎，其中所述第一燃烧器(16)设置在所述第一压缩机(14)的下游和所述第一涡轮系统(18，20)的第一涡轮转子(60)的上游，并且所述第二燃烧器(20)设置在所述第一涡轮系统的第一涡轮转子(60)的下游和所述第一涡轮系统(18，20)的第二涡轮转子(66)的上游。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的联合循环热引擎，其中所述第一涡轮系统(1，20)包括第一涡轮轴(26)和第二涡轮轴(30)，所述第一涡轮轴机械地联接到所述第一涡轮系统(18，20)的第一涡轮卷轴(18)和所述第一气体涡轮引擎(11)的所述第一压缩机(14)，所述第二涡轮轴机械地联接到所述第一涡轮系统(18，20)的第二涡轮卷轴(20)和外部负载(28)。
5.根据权利要求4所述的联合热循环引擎，其中所述第一涡轮区段(18)联接到所述第一涡轮轴(26)，并且所述第二涡轮区段(20)联接到所述第二涡轮轴(30)。
6.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第一空气压缩机包括设置在高压压缩机(114b)的上游的低压压缩机(114a)。
7.根据权利要求6和权利要求4所述的联合热循环引擎，其中所述第一涡轮轴(26)机械地联接到所述高压压缩机(114b)，并且所述第二涡轮轴(30)机械地联接到所述低压压缩机(114a)。
8.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第二空气压缩机(136a，136b)包括多级压缩机(136a，136b)，所述多级压缩机包括两个或更多个转子级，并且所述第二气体涡轮引擎(132)包括一个或多个中间冷却器(172)，所述中间冷却器被构造成排出来自所述第二空气压缩机(136a，136b)的转子级之间的热量。
9.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第一空气压缩机(314a，314b)包括多级压缩机(314a，314b)，所述多级压缩机包括两个或更多个转子级，并且所述第一气体涡轮引擎(311)包括一个或多个中间冷却器(372)，所述一个或多个中间冷却器被构造成排出来自所述第一空气压缩机(314a，314b)的转子级之间的热量。
10.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第二气体涡轮引擎(232)包括设置在所述热交换器(238)的下游和所述第二涡轮系统(240)的上游的第二燃烧系统(274)。
11.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第二气体涡轮引擎(32)具有介于4至15之间的总压力比，并且能够具有介于5至10之间的总压力比。
12.根据权利要求1所述的联合热循环引擎，其中所述第一涡轮系统(18，20)的所述第一涡轮区段(18)的压力比介于2和5之间，并且能够介于3.5和4.75之间。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的联合热循环引擎，其中所述第一涡轮系统(18，20)的所述第一涡轮区段(18)的压力比介于1和2之间，并且能够是约1.5。
技术总结