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系统、第一燃烧系统和第一涡轮系统；和
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系统、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；
其中该第二气体涡轮引擎包括位于热交换器的下游和第二涡轮系统的上游的第二燃烧系统。
有利地，通过提供分别具有设置在第一气体涡轮引擎和第二气体涡轮引擎中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。
第二气体涡轮引擎可包括位于第二涡轮下的游的可变面积喷嘴。已发现，通过在第二涡轮的下游设置可变面积喷嘴，当第二燃烧器关闭或以低水平操作时，第二气体涡轮可保持在高的总压力比。因此，可在低功率下保持高热效率。
第二气体涡轮引擎可包括一个或多个可变面积入口和/或喷嘴导向叶片。有利地，尽管压缩机旋转速度相对较低，但压缩机可在宽范围的操作条件下保持不喘振，并且压力比可保持在高水平。
第二压缩机系统可包括低压压缩机和高压压缩机。第二涡轮系统可包括高压涡轮和低压涡轮。低压压缩机可通过低压轴联接到低压涡轮，并且高压压缩机可通过高压轴联接到高压涡轮，其中高压轴和低压轴被构造成彼此独立地旋转。第二气体涡轮引擎可包括位于低压涡轮的下游的可变面积喷嘴。有利地，已发现，通过提供“双卷轴”气体涡轮引擎形式的第二气体涡轮引擎，当第二燃烧器以低水平操作或关闭时，可保持高压比(并且因此高热效率)。
第二气体涡轮引擎可包括动力传递装置，该动力传递装置被构造成在高压轴和低压轴之间传递机械动力。有利地，已发现，在高压轴和低压轴之间传递动力使得能够在第二燃烧器以低功率操作或关闭时控制压缩机比，并且可减少或消除对可变面积喷嘴的需要。
第一涡轮可包括第一涡轮区段和第二涡轮区段，第一燃烧系统可包括设置在第一压缩机系统和第一涡轮系统之间的第一燃烧器以及设置在第一涡轮区段和第二涡轮区段之间的第二燃烧器。
第二空气压缩机系统可包括多级压缩机，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。
根据第二方面，提供了一种控制热引擎的方法，该热引擎包括：
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系统、第一燃烧系统和第一涡轮系统；和
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系统、第二涡轮系统、热交换器、位于热交换器的下游和涡轮的上游的第二燃烧系统、以及位于在第二涡轮的下游的可变面积喷嘴，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；
该方法包括至少调节可变面积喷嘴以保持通过第二压缩机的目标质量流量。
该方法可包括至少调节可变面积喷嘴以保持通过第二压缩系统的质量流量基本上等于当第二燃烧器不操作时通过第一压缩机的质量流量。
该方法可包括根据基于当前引擎总功率输出或引擎功率输出设定点中的一者或多者的查找表来至少调节可变面积喷嘴。
根据第三方面，提供了一种控制热引擎的方法，该热引擎包括：
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系统、第一燃烧系统和第一涡轮系统；和
第二气体涡轮引擎，该第二气体涡轮引擎包括：
第二空气压缩系统，该第二空气压缩系统包括高压压缩机和低压压缩机；
第二涡轮系统，该第二涡轮系统包括高压涡轮和低压涡轮；
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系统的压缩空气；
第二燃烧系统，该第二燃烧系统位于热交换器的下游和第二涡轮系统的上游；
高压压缩机通过高压轴联接到高压涡轮，并且低压涡轮通过低压轴联接到低压压缩机，该高压轴和低压轴可独立旋转；和
动力传递装置，该动力传递装置被构造成在高压轴和低压轴之间传递机械动力；
该方法包括至少调节由动力传递装置传递的动力，以保持通过第二压缩系统的目标质量流量。
该方法可包括调节由动力传递装置传递的动力，以保持通过第二压缩机的质量流量基本上等于当第二燃烧器不操作时通过第一压缩机的质量流量。
该方法可包括根据基于当前引擎总功率输出或引擎功率输出设定点中的一者或多者的查找表来至少调节由动力传递装置传递的动力。
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是示出了控制图1的热引擎的方法的流程图；
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；
图5是图4的联合循环热引擎的一部分的示意图；
图5是用于图4的联合循环热引擎的动力传递装置的示意图；
图6是示出图4的联合循环热引擎的操作方法的流程图；
图7是第四联合循环热引擎的示意图；
图8是第五联合循环热引擎的示意图；
图9是图8的联合循环热引擎的一部分的示意图；并且
图10是第六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包括以轴流串联的进气口12、第一空气压缩机14、包括第一燃烧器16的第一燃烧系统、包括第一涡轮区段18的第一涡轮系统和排气喷嘴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，在空气通过喷嘴24排出之前，所得的热燃烧产物膨胀穿过第一涡轮区段18从而驱动该第一涡轮区段。
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。芯轴26还联接到负载诸如发电机28。
在喷嘴24的下游还设置有回收热交换器38。回收热交换器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18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流动通过回收热交换器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。该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、回收热交换器38的冷侧、第二涡轮系统40和排气喷嘴42。
第二空气压缩机36包括可变几何特征。具体地，第二压缩机36包括可变入口导向叶片(vigv)37和可变定子叶片(vsv)39中的一者或多者。可变入口导向叶片包括在第二空气压缩机36的入口处的静止叶片，并且被构造成改变进入压缩机36的空气的迎角，并且还改变空气压缩机36入口的面积。相似地，可变定子叶片39设置在入口的下游以及一个或多个级的下游，并且还被构造成改变下游部件上的气流的迎角和/或该点处的压缩机的面积。这通常通过提供围绕其长轴(即，沿径向)枢转的定子叶片来实现。
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。该回流热交换器向该气流(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。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、功率密集的布置结构。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。
如本领域技术人员将理解的，选择第一涡轮区段18的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18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18，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，应选择附加的参数。
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处的总压力除以喷嘴24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，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同样影响总体系统效率。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空气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，在第二气体涡轮引擎具有介于4和6之间的opr的情况下获得最佳循环效率。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。
通常，在操作期间，来自负载28、46的需求将变化。为了提供所需的负载，控制第一引擎11的燃烧器16的燃料，使得需求得到满足(可根据功率、扭矩或旋转速度要求来测量)。第一燃烧器16的装料是根据常规装料计划表进行的。
然后控制引擎11、32，使得流动通过两个引擎的质量基本匹配。可通过各种方式(例如，压缩机和/或涡轮可变几何形状、主引擎轴之间的传递)来影响控制，并且可根据引擎质量流量的直接测量或基于指示质量流量的参数的推断测量来控制。
图2示出了通常控制联合循环热引擎的方式以根据上述一般方案在宽泛的操作点范围内提供最大效率。
在第一步骤中，测量第一气体涡轮引擎和第二气体涡轮引擎11、32的轴速度。通常，在每种情况下，测量的轴速度是联接到相应输出负载(即，在这种情况下为发电机28、46)的轴的速度。在第一实施方案的示例中，测量轴26、44的速度。
在第二步骤中，将这些速度与目标速度比进行比较。在相对速度与目标值匹配的情况下，不采取任何动作，并且引擎继续运行。在速度不匹配的情况下，改变vigv37或vsv39角度，直到相对速度与目标比匹配在预定误差内。例如，在压缩机14、34具有相同尺寸(即具有相同入口面积)的情况下，目标比为1，使得每个引擎的目标速度相同，因为在这种情况下，对于每个发动机，质量流量预期在相同速度下是相同的。该控制通常可由闭环控制器来执行，诸如在硬件或软件中实现的比例、积分、微分(pid)控制器。另选地，为了更准确地估计压缩机入口质量流量，可测量入口空气的温度，并且可根据上述方案控制引擎11、32，但速度由“无量纲速度”代替，即旋转速度除以绝对温度的平方根。当两个压缩机14、24从可处于不同温度的不同源抽取空气时，这可能是有用的。可提供内回路，其控制压缩机可变几何形状以保持压缩机稳定性，即将压缩机保持在其相应的喘振裕度内。
该控制方案可适用于其中两个燃烧器16、20均运行或者仅第一燃烧器16运行的操作。
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、该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和第二压缩机114b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140a、140b、140c和喷嘴142。负载146联接到涡轮140c。
涡轮140a、140b、140c分别包括第一涡轮区段、第二涡轮区段和第三涡轮区段140a、140b、140c。第一涡轮区段140a通过高压轴144b联接到第二空气压缩机136b，第二涡轮区段140b通过低压轴144a联接到第一空气压缩机136a，并且第三涡轮区段140c通过自由动力涡轮144c联接到负载146。涡轮140a、140b、140c中的每一者彼此独立地旋转，因此代表不同的卷轴。
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，这通过添加中间冷却器172而略微改变。中间冷却器172是热交换器，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(或另一低温流体)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。
第二引擎132还与第一实施方案的第二引擎32的不同之处在于提供了不同的可变几何系统。第三涡轮区段140c包括可变出口导向叶片154，其类似于第一实施方案的压缩机的可变叶片，但应用于涡轮。因此，导向叶片154包括在第三涡轮区段140c的出口处的静止叶片，并且被构造成改变涡轮140c出口的面积。这通常通过提供围绕其长轴(即，沿径向)枢转的定子叶片来实现。
图4示出了与第二热引擎110略有不同的第三联合循环热引擎210。
在该示例中，引擎210包括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。第一引擎211与第一引擎111基本相同，因此将不再进一步描述。除了关于中间卷轴和动力卷轴的细节之外，第二引擎232类似于第二引擎132。
第二引擎同样包括三个卷轴。高压卷轴包括高压压缩机236b、高压涡轮240a和高压轴244b。中压卷轴包括低压压缩机236a、中压涡轮240b和中压轴244a。自由动力轴包括自由动力涡轮240c、负载246和自由动力轴244c。除了(或代替)自由动力涡轮vigv254之外，还提供动力传递装置256。动力传递装置256被构造成在自由动力轴244c和中压轴244a之间传递机械动力。这通过在使用中在中压轴和自由动力轴244a、244c之间传递负荷而提供与可变面积喷嘴254类似的功能。
可设想动力传递装置256的各种实施方案。例如，动力传递装置可包括流体联接器，诸如变矩器。另选地，可使用诸如无级变速器(cvt)的机械齿轮箱。另一个另选方案是使用作为马达和发电机操作的电机在轴之间传递电力来传递动力。
图5示出了用于图4的引擎210的动力传递装置256的一个实施方案。该动力传递装置包括联接到中压轴244a的第一锥齿轮装置258a。第二锥齿轮装置258b联接到流体联接器262的第一转子260a。流体联接器262还包括经由第三锥齿轮和第四锥齿轮258c/258d联接到自由动力涡轮轴244c的第二转子260b。该流体联接器还包括设置在第一转子和第二转子262a、262b之间的可变定子264。流体联接器262以与汽车自动变速器类似的方式操作，其中控制定子264以控制转子262a、262b之间的流体流动，使得一个转子用作涡轮，另一个转子用作泵，从而在自由动力涡轮轴244c和中压轴244a之间传递动力。
图5示出了用于图4的引擎210的动力传递装置256的一个实施方案。该动力传递装置包括联接到中压轴244a的第一锥齿轮装置258a。第二锥齿轮装置258b联接到流体联接器262的第一转子260a。流体联接器262还包括经由第三锥齿轮和第四锥齿轮258c/258d联接到自由动力涡轮轴244c的第二转子260b。流体联接器还包括设置在第一转子和第二转子262a、262b之间的可变定子264。流体联接器262以与汽车自动变速器类似的方式操作，其中控制定子264以控制转子262a、262b之间的流体流动，使得一个用作涡轮，另一个用作泵，从而在自由动力涡轮轴244c和中压轴244a之间传递动力。
参考图6，定义了用于引擎210的控制方案。同样，在低功率条件期间控制引擎，以控制通过引擎的质量流量，从而控制低压压缩机136a的速度。然而，在这种情况下，控制由动力传递装置256提供。因此，动力传递装置256根据入口质量流量设定点操作，其中动力通过动力传递装置256在轴244a、244c之间传递，使得入口质量流量设定点对应于测量或估计的实际入口质量流量。同样，这可通过使用例如比例-积分-微分(pid)控制器的开环控制或闭环控制来控制。
图7示出了第三引擎310。
该引擎包括第一气体涡轮引擎311，其类似于引擎111、211，但在一些重要方面不同。气体涡轮引擎311包括通过相应的低压轴和高压轴330、326联接到相应的高压涡轮和低压涡轮318、322的低压压缩机和高压压缩机314a、314b。包括第一燃烧器316a的燃烧系统设置在高压压缩机314b的出口和高压涡轮318的入口之间。然而，高压涡轮318与前述实施方案的高压涡轮不同。
该高压涡轮包括各自具有一个或多个涡轮级的第一涡轮区段和第二涡轮区段318a、318b。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。在这种情况下，第一涡轮区段和第二涡轮区段318a、318b中的每一者包括单个相应的涡轮转子(未示出)，其下游设置有涡轮定子(未示出)。在使用中，涡轮转子(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。涡轮区段318a、318b中的每一者联接到相同的高压轴326并因此一起旋转，因此包括相同卷轴的一部分。
该第一燃烧系统还包括在第一高压涡轮区段和第二高压涡轮区段318a、318b之间流体串联的第二燃烧器316b。该第二燃烧器316b类似于第一燃烧器，并且可独立于第一燃烧系统的第一燃烧器316a控制。此类布置结构被称为“涡轮间再热”或itr。
另一方面，低压涡轮322类似于低压涡轮122，并且联接到负载328和低压压缩机314a两者。
还提供了第二气体涡轮引擎322。第二气体涡轮引擎332类似于第一实施方案的第二气体涡轮引擎32，其具有单个卷轴设计，具有通过共同的轴344联接的第二压缩机334、同流热交换器338、燃烧器320、涡轮340和负载346。同样，可任选地在压缩机336的压缩机级之间提供中冷器。
优选地，压缩机336和涡轮340中的每一者包括可变入口和/或喷嘴导向叶片350、352、354，其可以与前述实施方案类似的方式操作，以在低功率操作期间提高第二气体涡轮引擎332的效率。
图8示出了第四引擎410。
第四引擎类似于第三引擎310，因此将仅描述不同之处。
第四引擎包括与第三实施方案的第一气体涡轮311类似的第一气体涡轮引擎411。提供了第二气体涡轮引擎432，其与第二气体涡轮引擎332的不同之处在于除核芯涡轮440a之外还提供第二自由动力涡轮440c。核芯涡轮440a与核芯压缩机436和芯轴444一起形成第一卷轴的一部分。自由动力涡轮440c经由自由动力轴444c联接到负载446。
优选地，压缩机436和两个涡轮440a、440c中的每一者包括可变入口导向叶片和/或可变出口导向叶片450、452、464，以帮助提高引擎410在低功率水平下的效率。
图10示出了第六联合循环热引擎511。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111、132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511、532。然而，引擎511与引擎111的不同之处在于，中间冷却器572设置在第一气体涡轮引擎511的压缩机级之间。在该实施方案中，中间冷却器572设置在低压压缩机和高压压缩机514a、514b之间，并且以与中间冷却器172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532还可设置有与中间冷却器172类似的中间冷却器，但是在该示例中省略了第二气体涡轮引擎532的中间冷却器。
通过在第一气体涡轮引擎511中提供中间冷却器而不是在第二气体涡轮引擎532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532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532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。
总之，本发明所公开的热引擎提供了可在低功率水平下操作以保持其高能量效率的高效引擎。
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，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，所述联合循环热引擎包括：
第一气体涡轮引擎，所述第一气体涡轮引擎包括第一空气压缩机系统、第一燃烧系统和第一涡轮系统；和
第二气体涡轮引擎，所述第二气体涡轮引擎包括第二空气压缩系统、第二涡轮系统和热交换器，所述热交换器被构造成将来自所述第一涡轮系统的排气的热量传递给来自所述第二空气压缩机的压缩空气；
其中所述第二气体涡轮引擎包括位于所述热交换器的下游和所述第二涡轮系统的上游的第二燃烧系统。
2.根据权利要求1所述的引擎，其中所述第二气体涡轮引擎包括位于所述第二涡轮系统的下游的可变面积喷嘴。
3.根据权利要求1所述的引擎，其中所述第二气体涡轮引擎包括一个或多个可变面积入口和/或喷嘴导向叶片。
4.根据权利要求1所述的引擎，其中所述第二压缩机系统包括低压压缩机和高压压缩机，并且所述第二涡轮系统包括高压涡轮和低压涡轮。
5.根据权利要求4所述的引擎，其中所述低压压缩机通过低压轴联接到所述低压涡轮，所述高压压缩机通过高压轴联接到所述高压涡轮，其中所述高压轴和所述低压轴被构造成彼此独立地旋转。
6.根据权利要求5所述的引擎，其中所述第二气体涡轮引擎包括位于所述低压涡轮的下游的可变面积喷嘴。
7.根据权利要求5所述的引擎，其中所述第二气体涡轮引擎包括动力传递装置，所述动力传递装置被构造成在所述高压轴和所述低压轴之间传递机械动力。
8.根据权利要求1所述的引擎，其中所述第一涡轮包括第一涡轮区段和第二涡轮区段，所述第一燃烧系统包括设置在所述第一压缩机系统和所述第一涡轮系统之间的第一燃烧器以及设置在所述第一涡轮区段和所述第二涡轮区段之间的第二燃烧器。
9.根据权利要求1所述的引擎，其中所述第二空气压缩机系统包括具有两个或更多个转子级的多级压缩机。
10.根据权利要求9所述的引擎，其中所述第二气体涡轮引擎包括被构造成排出来自所述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。
11.一种控制根据权利要求6所述的热引擎的方法，所述方法包括至少调节所述可变面积喷嘴，以保持通过所述第二压缩机的目标质量流量。
12.根据权利要求11所述的方法，包括至少调节所述可变面积喷嘴，以保持通过所述第二压缩系统的质量流量基本上等于当所述第二燃烧器不操作时通过所述第一压缩系统的质量流量。
13.根据权利要求11所述的方法，包括根据基于当前引擎总功率输出或引擎功率输出设定点中的一者或多者的查找表来至少调节所述可变面积喷嘴。
14.一种控制根据权利要求7所述的热引擎的方法，所述方法包括至少调节由所述动力传递装置传递的动力，以保持通过所述第二压缩系统的目标质量流量。
15.根据权利要求14所述的方法，包括根据基于当前引擎总功率输出或引擎功率输出设定点中的一者或多者的查找表来至少调节由所述动力传递装置传递的动力。
技术总结