專利名稱：具有固態(tài)熱泵的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)，更確切地說，涉及包括固態(tài)熱泵的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機一般包括用于壓縮進(jìn)入的空氣流(燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣或GT進(jìn)氣口空氣)的壓縮機。所述空氣流與燃料混合并在燃燒室中點燃以產(chǎn)生熱的燃燒氣體。所述燃燒氣體繼而流入渦輪機中。所述渦輪機從氣體中提取能量以對軸進(jìn)行驅(qū)動。所述軸為壓縮機提供動力，并且一般還為另一個元件(例如，發(fā)電機)提供動力。在較高的環(huán)境溫度下，由于壓縮機進(jìn)氣口空氣密度較低，因此燃?xì)鉁u輪機的輸出量會下降?，F(xiàn)有系統(tǒng)在蒸發(fā)冷卻器的幫助下執(zhí)行對進(jìn)氣口空氣的調(diào)節(jié)，隨著環(huán)境溫度的下降或濕度的增加，所述蒸發(fā)冷卻器的有效性變低。在缺水地區(qū)還使用進(jìn)氣口制冷器來冷卻進(jìn)氣口空氣，然而所述進(jìn)氣口制冷器的缺點是操作及維護(hù)成本較高。傳統(tǒng)上，燃料加熱的實現(xiàn)是通過外部熱源或來自底循環(huán)的低級熱量的。期望的是能夠提供一種既能實現(xiàn)進(jìn)氣口空氣的調(diào)節(jié)又能減少相對于環(huán)境溫度的功率輸出流失的系統(tǒng)。還期望的是將燃料流用作散熱器，從而通過燃料加熱效應(yīng)來提高設(shè)備的熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
在一項示例性實施例中，提供燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)用于燃?xì)鉁u輪機，該燃?xì)鉁u輪機包括壓縮機，該壓縮機對燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣進(jìn)行壓縮以便在燃燒室中燃燒，所述燃燒室輸出燃燒產(chǎn)物用于驅(qū)動渦輪機。所述進(jìn)氣口系統(tǒng)包括將燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳送到壓縮機的主要進(jìn)氣口空氣通道、熱泵以及經(jīng)由熱泵將燃料傳送到燃燒室的燃料通道。分流進(jìn)氣口空氣通道連接至主要進(jìn)氣口空氣通道，并且使一部分燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣發(fā)生分流，經(jīng)過熱泵并返回到主要進(jìn)氣口空氣通道。分流進(jìn)氣口空氣通道中的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣所產(chǎn)生的熱量經(jīng)由熱泵與燃料通道中的燃料發(fā)生交換。在另一項示例性實施例中，燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)包括:將進(jìn)氣口空氣輸送到壓縮機的第一通道、將燃料輸送到燃燒室的第二通道，以及通過消耗電力將熱量從所述進(jìn)氣口空氣傳遞到所述燃料的熱泵。在又一項示例性實施例中，一種在燃?xì)鉁u輪機中輸送空氣和燃料的方法包括以下步驟:將燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣從主要進(jìn)氣口空氣通道分流至熱泵；經(jīng)過熱泵傳送燃料；將熱量從燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳遞到熱泵中的燃料；將較冷的空氣返送回主要進(jìn)氣口空氣通道從而輸送到壓縮機；并且將較熱的燃料輸送到燃燒室。在另一項示例性實施例中，渦輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)包括:熱泵、至少部分經(jīng)由熱泵將燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳送到壓縮機的進(jìn)氣口空氣通道、將燃料傳送到燃燒室的燃料通道，以及將壓縮機出口空氣傳送到燃燒室的出口空氣通道。進(jìn)氣 口空氣通道中燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣所產(chǎn)生的熱量經(jīng)由熱泵與燃料通道中的燃料或壓縮機出口空氣中的一者發(fā)生交換。


圖1是包括燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機的示意圖，該系統(tǒng)具有一體式固態(tài)熱泵；圖2是示出了熱泵管道的截面圖；以及圖3是一項替代性實施例的示意圖。
具體實施例方式所述實施例的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)利用熱交換器或固態(tài)熱泵(例如，熱離子裝置或熱電裝置)通過消耗電力將熱量從源頭(GT進(jìn)氣口空氣)傳遞到散熱器(燃料流)。這種熱傳遞使得GT進(jìn)氣口空氣溫度下降、燃料溫度上升，從而增大了輸出量與熱效率方面的有益影響。圖1是包括所述實施例中的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機的方框圖。所述燃?xì)鉁u輪機包括壓縮機12，該壓縮機對GT進(jìn)氣口空氣進(jìn)行壓縮以便在燃燒室14中燃燒，該燃燒室輸出燃燒產(chǎn)物用于驅(qū)動渦輪機16。進(jìn)氣口系統(tǒng)20包括將GT進(jìn)氣口空氣傳送到壓縮機12的主要進(jìn)氣口空氣通道22。一部分GT空氣經(jīng)由連接至主要進(jìn)氣口空氣通道22的分流進(jìn)氣口空氣通道24從主要進(jìn)氣口空氣通道22中發(fā)生分流。這一部分的分流GT空氣被引導(dǎo)至熱交換器26。一項分析顯示出有25%的空氣發(fā)生分流的良好結(jié)果，但是任何數(shù)量的空氣均可能發(fā)生分流。優(yōu)選地，熱交換器26為固態(tài)熱泵，例如，使用熱離子裝置或熱電裝置將熱量從源頭傳遞至散熱器。燃料通道28經(jīng) 由熱泵26將燃料傳送到燃料室14。熱泵26消耗電力以將熱量從進(jìn)氣口空氣流(源頭)傳遞到燃料流(散熱器)。在熱泵26的下游處，相對較冷的GT進(jìn)氣口空氣經(jīng)由分流進(jìn)氣口空氣通道24的下游部分返回到主要進(jìn)氣口空氣通道22。如圖1所示，在熱泵26的下游處，GT進(jìn)氣口空氣溫度(Tambimt)較低(例如，低于Tambimt)。該較冷的空氣返回到壓縮機進(jìn)氣口前方的主要進(jìn)氣口空氣通道22，以得到適當(dāng)?shù)臏囟确植?。相對較熱的燃料直接被傳送到燃燒室14。在示例性應(yīng)用中，熱交換器上游的燃料一般為約80° F，而熱交換器26下游的燃料高于80° F。對于燃?xì)鉁u輪機和蒸汽渦輪機聯(lián)合循環(huán)操作，溫度可能為365° F。圖2為固態(tài)熱泵26的截面圖。熱泵26包括包括外管道30和內(nèi)管道32。如圖所示，外管道30與內(nèi)管道32可以是同心的。另外，管道30、32可包括大體上呈正方形的橫截面。燃料通道28與內(nèi)管道32耦接，而分流進(jìn)氣口空氣通道24與外管道30耦接。多個熱離子裝置或多個熱電裝置34可附接至內(nèi)管道32的外表面。熱離子裝置或熱電裝置以串聯(lián)方式電連接并且以并聯(lián)方式熱連接。熱離子裝置或熱電裝置34消耗電力從而將熱量從外管道30中的GT進(jìn)氣口空氣傳遞到內(nèi)管道32中的燃料流。GT進(jìn)氣口空氣溫度的下降導(dǎo)致流的質(zhì)量變大，這使得渦輪機輸出量對應(yīng)地增加。燃料溫度的上升帶來了熱效率方面的益處。由于系統(tǒng)的迅速響應(yīng)，輸出量及熱效率方面的改善幾乎是瞬間發(fā)生的。由于熱離子/熱電冷卻效果依賴于電力供應(yīng)，因此可輕易地對系統(tǒng)進(jìn)行控制并可輕易將其與現(xiàn)有控制系統(tǒng)整合起來，并且可將對用于燃料加熱的外部熱源的依賴程度最小化。另外，該系統(tǒng)是安靜可靠的，這是因為熱泵可安靜地運行并且基本上不需要維護(hù)。此外，渦輪機輸出量的增加大大抵消了發(fā)動熱泵所需的電能。圖3是一項替代性實施例的示意圖。在此項實施例中，熱交換器26插入在壓縮機級之間，例如，在第一級壓縮機112和第二級壓縮機212之間?？蓪M(jìn)入壓縮機的空氣進(jìn)行冷卻從而提高壓縮機效率(即，提高總的設(shè)備輸出量)。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，這可由中間冷卻器實現(xiàn)。在圖3所示的實施例中，熱交換器26對即將進(jìn)入上游壓縮機112的進(jìn)氣口空氣進(jìn)行冷卻，并且使用廢熱對源自下游壓縮機212的出口空氣進(jìn)行加熱。經(jīng)加熱的出口空氣輸送到燃燒室，使得燃燒室進(jìn)氣口溫度上升。通過這種結(jié)構(gòu)，有利地是，對即將進(jìn)入上游(例如，I級)壓縮機112的進(jìn)氣口空氣進(jìn)行冷卻有助于增加壓縮機效率，并且因此，減少了寄生壓縮器功率，由此提高了凈設(shè)備輸出量。另外，通過對源自下游壓縮機(例如，2級壓縮機)的壓縮機出口空氣進(jìn)行加熱，使得燃?xì)鉁u輪機的熱效率因燃燒室進(jìn)氣口溫度較高而得以提高。盡管已結(jié)合當(dāng)前被視為最實際且優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)了解，本發(fā)明并不限于所揭示的實施例，相反，本發(fā)明意圖涵蓋屬于所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。例如，系統(tǒng)可以間歇性地操作，以便在例如服從欠頻電網(wǎng)規(guī)范期間，提供瞬態(tài)事件所需的功率提升。還可進(jìn)一步改善管道設(shè)計以實現(xiàn)最小壓力損失和最大熱傳遞。此外，針對IBH(進(jìn)氣口放氣加熱)應(yīng)用，可反向地使用熱泵(通過使電流流動的方向反向)來加熱進(jìn)氣口空氣。盡管此類應(yīng)用中當(dāng)前裝置的成本是昂貴的，然而未來對裝置效率的改進(jìn)有可 能證明該裝置是實用的。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)鉁u輪機的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)，所述燃?xì)鉁u輪機包括壓縮機，所述壓縮機對燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣進(jìn)行壓縮以便在燃燒室中進(jìn)行燃燒，所述燃燒室輸出燃燒產(chǎn)物用于驅(qū)動渦輪機，所述進(jìn)氣口系統(tǒng)包括 將所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳送到所述壓縮機的主要進(jìn)氣口空氣通道； 熱泵； 經(jīng)由所述熱泵將燃料傳送到所述燃燒室的燃料通道；以及 連接至所述主要進(jìn)氣口空氣通道的分流進(jìn)氣口空氣通道，所述分流進(jìn)氣口空氣通道使一部分所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣發(fā)生分流，經(jīng)過所述熱泵返回到所述主要進(jìn)氣口空氣通道，其中所述分流進(jìn)氣口空氣通道中的所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣的熱量經(jīng)由所述熱泵與所述燃料通道中的所述燃料發(fā)生交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述熱泵為包括熱離子裝置和熱電裝置之一的固態(tài)熱泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述固態(tài)熱泵包括外管道和同心的內(nèi)管道，并且其中所述燃料通道與所述內(nèi)管道連接，而所述分流進(jìn)氣口空氣通道與所述外管道連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中多個熱離子裝置或多個熱電裝置附接到所述內(nèi)管道的外表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述內(nèi)管道和所述外管道包括大體上呈正方形的橫截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述固態(tài)熱泵包括外管道和同心的內(nèi)管道，并且其中所述燃料通道與所述內(nèi)管道連接，而所述分流進(jìn)氣口空氣通道與所述外管道連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述內(nèi)管道和所述外管道包括大體上呈正方形的橫截面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述固態(tài)熱泵與電源連接。
9.一種燃?xì)鉁u輪機，其包括權(quán)利要求I所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)。
10.一種燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)，其包括 將進(jìn)氣口空氣輸送到壓縮機的第一通道； 將燃料輸送到燃燒室的第二通道；以及 通過消耗電力將熱量從所述進(jìn)氣口空氣傳遞至所述燃料的熱泵。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第三通道，所述第三通道使來自所述第一通道的一部分所述進(jìn)氣口空氣發(fā)生分流，經(jīng)過所述熱泵返回到所述第一通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述熱泵為包括熱離子裝置和熱電裝置之一的固態(tài)熱泵。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述固態(tài)熱泵包括外管道和同心的內(nèi)管道，并且其中所述第二通道與所述內(nèi)管道連接，而所述第三通道與所述外管道連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中多個熱離子裝置或多個熱電裝置附接到所述內(nèi)管道的外表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述內(nèi)管道和所述外管道包括大體上呈正方形的橫截面。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述熱泵包括外管道和同心的內(nèi)管道，并且其中所述第二通道與所述內(nèi)管道連接，而所述第三通道與所述外管道連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述內(nèi)管道和所述外管道包括大體上呈正方形的橫截面。
18.一種在燃?xì)鉁u輪機中輸送空氣和燃料的方法，所述方法包括 將燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣從主要進(jìn)氣口空氣通道分流至熱泵； 通過所述熱泵傳送燃料； 將熱量從所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳遞到所述熱泵中的所述燃料； 將較冷空氣返送回所述主要進(jìn)氣口空氣通道以輸送到壓縮機；并且 將較熱燃料輸送到燃燒室。
19.一種用于燃?xì)鉁u輪機的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)，所述燃?xì)鉁u輪機包括壓縮機，所述壓縮機對燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣進(jìn)行壓縮以便在燃燒室中進(jìn)行燃燒，所述燃燒室輸出燃燒產(chǎn)物用于驅(qū)動渦輪機，所述進(jìn)氣口系統(tǒng)包括 熱泵； 至少部分經(jīng)由所述熱泵將所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳送到所述壓縮機的進(jìn)氣口空氣通道； 將燃料傳送到所述燃燒室的燃料通道；以及 將壓縮機出口空氣傳送到所述燃燒室的出口空氣通道， 其中所述進(jìn)氣口空氣通道中的所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣的熱量經(jīng)由所述熱泵與所述燃料通道中的燃料或所述壓縮機出口空氣之一發(fā)生交換。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)，其中所述壓縮機包括至少一個上游壓縮機級和一個下游壓縮機級，其中所述進(jìn)氣口空氣通道經(jīng)由所述熱泵將所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口空氣傳送到所述上游壓縮機級，并且其中所述出口空氣通道在所述下游壓縮機級之間經(jīng)由所述熱泵連接至所述燃燒室。
全文摘要
本發(fā)明涉及并公開一種燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)。所述燃?xì)鉁u輪機進(jìn)氣口系統(tǒng)包括將進(jìn)氣口空氣輸送到壓縮機的第一通道、將燃料輸送到燃燒室的第二通道，以及通過消耗電力將熱量從所述進(jìn)氣口空氣傳遞到所述燃料的熱泵。所述熱傳遞使得渦輪機進(jìn)氣口空氣溫度下降、燃料溫度上升，從而對渦輪機輸出量與熱效率形成有益影響。
文檔編號F02C7/04GK103256120SQ20131005541
公開日2013年8月21日 申請日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者S.R.甘地, M.A.肯尼, A.拉姆什, H.森達(dá)拉姆, P.南達(dá)戈帕爾 申請人:通用電氣公司