燃气轮机的冷却方法和 燃气轮机设备 本发明涉及一种燃气轮机的冷却方法，其中从一个连接在所述燃气轮机前面的压缩机抽取压缩空气并作为冷却空气供给燃气轮机。本发明还涉及一种燃气轮机设备，其包括一个燃气轮机和一个连接在该燃气轮机前面的压缩机，其中从该压缩机至少分支出一条冷却空气管路，通过该管路可从压缩机抽取压缩空气并作为冷却空气供给燃气轮机。
在一个流体机械内，例如在一个燃气轮机中，通过流动的热工作流体，例如热燃气，基于其发生膨胀而进行有效工作。为了提高涡轮机的效率，尤其试图达到尽可能高的热工作流体温度。因此，直接遭遇热工作流体的构件承受特别高的热负荷。在一个燃气轮机中这些构件例如涉及透平机内的叶片(导向叶片和工作叶片)以及透平机中的有热工作流体流过的限定透平机内腔的壁元件。因此要寻找适用于这些构件的材料，这些材料在尽可能高的温度下要具有足够的强度，以及提供一些可以冷却这些构件的方法，以便能采用高的温度。在一个燃气轮机内所述用于冷却的冷却介质通常是从与透平机相连接的压缩机抽取压缩空气作为冷却空气。在这种情况下冷空气从具有适当压力和适当温度的压缩机某一级分出以及供给燃气轮机要冷却地关键区域。为了使在抽取冷却空气的同时而产生的效率损失保持得尽可能小，努力地探索一些保证尽可能有效地利用冷却介质的冷却方案。
在US-PS 4642024中记载了一种用于一个燃气轮机驱动装置的一个可冷却的定子组件。此定子组件具有一个外部的空气密封装置以及一个上游支座和一个下游支座。这些支座借助一些挂钩沿工作介质的流动路径支承所述外部空气密封装置。由此将空气密封装置在结构上分成三部分，即下游的边缘区段和上游的边缘区段以及一个处于这两个边缘区段之间的中央区段。为了利用冷却空气冷却所述外部空气密封装置，首先在所述中央区段进行冲击冷却。其中，冷却空气从燃气轮机驱动装置的压缩机分出。所述边缘区段由于有支座因而不能直接通过施加冷却空气来冷却，而是通过将收集到的冷却空气的一部分流过支座进行的，从而能实现对边缘区的冲击冷却。为此，使一些计量孔延伸通过所述支座，以导引在同一个外部空气密封装置的上游边缘区段和下游边缘区段内的冷却空气。
由DE 19733148 C1得知一种冷却装置，其用于借助冷却空气冷却燃气轮机的具有一个第一导向叶片和一个第一工作叶片的一个第一透平级。第一导向叶片具有一个由壁元件构成的平台，该壁元件限定了有热工作流体、亦即热燃气流过的流通通道的边界。在所述第一导向叶片的平台上有一个第一腔室以及一个沿流动方向与之毗邻的第二腔室。在这两个腔室之间设置一个置入所述导向叶片的平台内的壁板。从第一冷却空气供给装置借助一个第一冷却空气输入管向第一腔室输送第一路冷却空气流。第一路冷却空气流导引流过所述平台并通过所述燃气轮机的第一透平级排出到所述流通通道内。相应地，通过一个第二冷却空气供给装置借助一个第二冷却空气输入管向所述第二腔室输送第二路冷却空气流，该第二路冷却空气流接着穿过第一透平级中的平台排出到所述流通通道中。其中，第一冷却空气供给装置通过具有一个第一气压的压缩机末级空气来运作，第二冷却空气供给装置通过在一个恰当的抽取点从压缩机抽取的具有一个第二气压的压缩空气来运作，在这里所述第二气压低于第一气压。以此方式，向所述导向叶片施加具有不同压强的独立的冷却介质流并冷却该导向叶片。
在WO 00/60219中介绍了一种流体机械，尤其是燃气轮机，其具有一个可冷却的、包括一个第一壁元件和一个沿轴向与该第一壁元件相邻的第二壁元件的结构。此外还介绍了一种冷却涡轮机内的包括一个第一壁元件和一个与该第一壁元件相邻的第二壁元件的结构的方法，在此，向这些壁元件施加冷却介质，尤其是施加来自压缩机的冷却空气。冷却介质在冲击冷却第一壁元件后继续用于冷却第二壁元件。由此带来的突出优点是，冷却介质被多次用于冷却不同的壁元件，从而减少在燃气轮机内的冷却介质使用量。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种与迄今已知的冷却方法相比可以提高冷却效率并因而提高燃气轮机效率的冷却燃气轮机的方法。此外，本发明还提供了一种尤其能实施该冷却方法的燃气轮机设备。
上述关于冷却方法的技术问题按本发明通过一种冷却燃气轮机的方法来解决，其中，从一个连接在所述燃气轮机前面的压缩机抽取出压缩空气并将其作为冷却空气向所述燃气轮机输送，其中，所述压缩空气在与空气流热交换时被冷却，该冷却后的压缩空气被送往燃气轮机。
本发明已经从下列认识出发：迄今一般用于冷却燃气轮机的方法，在使用从压缩机抽取的空气来冷却燃气轮机中的承受高热负荷的构件的冷却功效方面存在缺点。在一个燃气轮机工作时尤其必须要冷却燃气轮机的叶片和燃烧室。冷却所需的冷却空气的温度具有一个按压缩过程来调整的值。通常此温度根据燃气轮机芯片(Gasturbinenchip)约为330至420℃。因此从压缩机抽取的空气以较高的温度作为冷却空气用于冷却燃气轮机的关键区段。此外，由于从压缩机抽取冷却空气减小了透平机前的气流流量，因此相应地导致降低了燃气轮机的效率。为了能达到更高的效率，通常必须提高热燃气的在透平机进口处的温度。而要提高燃气轮机前的热燃气温度又要求更大的冷却空气量。因此为了防止效率损失，必须改善或优化冷却过程。
现在利用本发明采取完全不同的方法来改善对燃气轮机的冷却，以由此达到使燃气轮机具有高的效率。为此，从压缩机抽取压缩空气作为冷却空气向燃气轮机输送，以用于冷却，而该空气不象迄今为止现有技术中所记载的那样通常具有比较高的温度。确切地说，所述压缩空气在从压缩机抽取出来后受到了冷却。在这里该冷却过程是通过与空气流进行热交换来完成的。之后，将经热交换冷却的压缩空气送往燃气轮机用于冷却。冷却空气具有与通常的冷却方法相比低得多的温度，以有利的方式或减少了冷却空气量，亦即减小了冷却空气流量，或提高了驱动透平机的热燃气的透平机进口处的温度。这两项措施均可以使燃气轮机的效率提高，在这里可达到提高1％以上。
优选，空气流在流体技术上与压缩空气无关地被导引。因此，不仅空气流而且从压缩机抽取的压缩空气流都可以彼此独立地被导引以及调整它们的流量。由此在热交换时存在一种空气-空气热交换，在热交换过程中压缩空气与空气流相互交换热量。这样一来，来自压缩机的压缩空气被冷却，而空气流相应地被加热。
优选，在热交换中压缩空气被冷却到120℃至150℃，尤其冷却到130℃至140℃。以此方式冷却后的压缩空气作为冷却空气用于冷却燃气轮机，在这种情况下与传统的冷却方法相比，冷却空气具有明显的更低的温度。由于冷却空气具有比较低的温度，当其作用在燃气轮机的承受高热负荷的构件上时可以吸收更多的热量并将它们从燃气轮机中导出。所使用的冷却空气流量能按有利的方式达到更高的冷却功效。
优选，用于热交换的空气流的温度为90℃至115℃，尤其是100℃至110℃。
另外优选，用于热交换的空气流的最大压强为2bar至3bar，尤其是2bar至2.5bar。该空气流的温度和压强可以调整，所以在与压缩空气热交换时可以调整压缩空气的预定的冷却过程并因而可调整冷却空气的温度。空气流例如可以从一个独立于燃气轮机的压缩机而设置的空气压缩机中在该空气压缩机的一个恰当的级处抽取。
按一项特别优选的扩展设计，在热交换时被加热的空气流被送往一个空气透平并在那里作功膨胀。因此，在热交换过程中被加热的空气流的热量可以非常有利地被充分利用于下一步的产生能量的过程中。该空气透平可以与一个发电机耦连，从而可生产附加的电能。该空气透平同时可用于驱动所述空气压缩机，用于冷却所述压缩空气的空气流从该空气压缩机中抽取。在对于冷却方法的这个特别有利的扩展设计中，在热交换过程中因冷却压缩空气而获得的废热被使用于其他获取有效能量的过程中。在所述热交换过程中，压缩空气被冷却而空气透平的空气流被加热。以此方式被加热的空气流被送往空气透平，在那里空气流膨胀作功并与此同时产生机械能或电能。所述在热交换过程中典型地大约被冷却到130℃至140℃的压缩空气作为冷却空气被送往燃气轮机。将已加热的空气流用于驱动一个空气透平，导致产生附加的有助于进一步提高效率的能量。
上述关于燃气轮机设备的技术问题按本发明通过一种尤其用于实施上述方法的燃气轮机设备来解决，该燃气轮机设备包括一个燃气轮机和一个连接在该燃气轮机前面的压缩机，其中，从该压缩机至少分支出一条冷却空气管路，通过该管路可从压缩机中抽取出压缩空气作为冷却空气供给燃气轮机，其中，所述冷却空气管路与一个空气-空气热交换器的初级侧连接，该热交换器的次级侧则与一个管路连接，通过该管路空气流可流过该热交换器。
采用一个燃气轮机设备的这种新型的管路连接方案，可达到特别有效地冷却燃气轮机中的承受高热负荷的零部件。从连接在燃气轮机前面的压缩机抽取的压缩空气，在空气-空气热交换器内通过在初级侧的管路被冷却。在次级侧通过所述管路流过空气-空气热交换器的空气流吸收所述压缩空气的热量，由此使空气流的温度升高。
在一项优选的扩展设计中，在所述热交换器的上游，所述管路连接在一个空气压缩机的一个抽取点上以抽取空气流。
在这里，比较有利的是，所述空气压缩机是一个与连接在燃气轮机前面的压缩机无关的用于制备空气流的空气压缩机。所述空气流的抽取点可根据所期望空气流具有的压强和温度水平来选择。
在一项特别优选的扩展设计中，在热交换器下游，所述管路通入到一个连接在所述空气压缩机后面的空气透平内。以此方式可利用在热交换器内被加热的空气流来驱动该空气透平，并例如通过该空气透平驱动一台发电机可产生附加的能量。有利的是，所述空气透平还同时驱动所述空气压缩机，从该空气压缩机中抽取空气流，用于冷却来自燃气轮机前的压缩机的压缩空气。
也可以设置多个空气-空气热交换器，例如两个，在它们的初级侧分别连接一根冷却空气管路以及在次级侧连接一根管路。例如，可在所述燃气轮机的压缩机的一个第一压力级处分支出一个第一冷却空气管路，以及从不同于第一压力级的一个第二压力级处分支出一个第二冷却空气管路。相应地，在为空气透平配设的空气压缩机的第一级处分支出一个第一空气流管路，以及在该空气压缩机的一个第二级处分支出一个第二空气流管路。在这里，所述第一冷却空气管路和所述第一管路连接在一个第一空气-空气热交换器上，而所述第二冷却空气管路和所述第二管路连接在一个第二空气-空气热交换器上，所以可以提供具有不同压强水平和/或温度水平的冷却空气以用于冷却燃气轮机。通过这种管路连接方案，可以达到特别有效和适应冷却要求地向燃气轮机施加冷却空气。
燃气轮机设备的其他优点类似于上述用于冷却燃气轮机的方法的优点。
下面借助附图表示的实施方式作为范例详细说明用于冷却燃气轮机的方法和燃气轮机装置。在以局部示意和简化的方式表示的附图：
图1表示一个具有压缩机、燃烧室和燃气轮机的燃气轮机装置的半剖视图；以及
图2表示一个按照本发明的燃气轮机设备。
在附图中同样的附图标记代表相同的含义。
图1表示一个燃气轮机装置1的半剖视图。该燃气轮机装置1具有一个用于燃烧空气的压缩机3、一个带有一个用于液体或气体燃料的燃烧器7的燃烧室5以及一个用于驱动压缩机3和图1中未表示的发电机的燃气轮机9。在燃气轮机9中，沿燃气轮机装置1的旋转轴线19，在沿径向延伸的在此半剖视图中没有详细表示的相关边界上设置一些固定的导向叶片11和一些可旋转的工作叶片13。其中，一对沿旋转轴线19前后相继的由一些导向叶片11组成的叶片圈(导向叶片环)和由一些工作叶片13组成的叶片圈(工作叶片环)被称为透平级。每个导向叶片11具有一个设置在燃气轮机壳体23上的用于固定相关导向叶片11的平台17。该平台17在这里是在燃气轮机9内的壁元件。所述平台17是承受极高热负荷的构件，它构成燃气轮机9内的热工作流体A、尤其热燃气通道25的外边界。所述工作叶片13固定在沿燃气轮机装置1的旋转轴线19安置的涡轮转子上。一个导向环15作为燃气轮机装置1内的壁元件安置在两个沿轴向间隔一定距离的、相邻的导向叶片11的平台17之间。所述导向环15以及导向叶片11的平台17各具有一受热侧面29，在燃气轮机装置1工作时该侧面遭遇热的工作流体A，尤其是热燃气。在这里，所述导向环15的受热侧面29沿径向通过一个间隙与所述工作叶片13的外端21间隔一定距离。
所述导向叶片11的平台17和沿轴向与之毗邻的导向环15分别是一些可冷却的壁元件，为了冷却对这些壁元件施加冷却介质K。在燃气轮机装置1工作时从外界环境吸入新鲜空气L。该空气L在压缩机3内被压缩并与此同时由此被预热。在燃烧室5内，空气L与液体或气体的燃料混合并燃烧。事先在适当的抽取点从压缩机3抽取的部分空气L作为冷却空气K用于冷却燃气轮机9，尤其是所述透平级。在这里例如第一透平级通过被施加热的工作流体A、即热燃气有一个约为750℃至1200℃的燃气轮机进口温度。流过所述透平级的热工作流体A、尤其是热燃气在燃气轮机9内膨胀作功并被冷却。
图2表示按本发明的一个燃气轮机设备31的管路连接方案。在这里，该燃气轮机设备31具有一个燃气轮机装置1。该燃气轮机装置1包括一个燃气轮机9和一个连接在燃气轮机9前面的压缩机3以及一个用于燃烧燃料的燃烧室5。此外，所述燃气轮机设备31还包括一个空气透平35和一个为该空气透平35配设的连接在该空气透平前面的空气压缩机33。所述燃气轮机装置1、空气透平35以及空气压缩机33设置在一公共的轴51上。为了产生电能，所述燃气轮机设备31具有一台可通过所述轴51驱动的发电机37。在冷却空气抽取点61处从压缩机3分出一根冷却空气管路39。从压缩机3的另一个冷却空气抽取点63处分出另一根冷却空气管路41。
从为所述空气透平35配设的空气压缩机33分出一个管路47和另一个管路49，其中，管路47连接在该空气压缩机33的一个抽取点53处，以及另一管路49连接在该空气压缩机33的另一个抽取点55处。冷却空气管路39、41分别与空气-空气热交换器43、45的初级侧连接。所述热交换器43、45的次级侧则分别与管路47、49连接，通过这些管路空气流S1、S2可流过热交换器43、45。沿空气流S1、S2的流动方向观察，在热交换器43、45的上游，管路47、49连接在空气压缩机33的一个各自的抽取点53、55上以抽取空气流S1、S2。在热交换器43、45的下游，管路47、49通入到连接在空气压缩机33后面的空气透平33内。沿压缩空气K1、K2的流动方向观察，在热交换器43、45的下游，冷却空气管路39、41通入到燃气轮机9内，在此，它们可分别冷却燃气轮机装置1的热负荷区65、67。
所述冷却空气管路39配属于压缩机3的最高压缩级，所以通过冷却空气抽取点61可相应地抽取高度压缩的空气K1。从该冷却空气管路39分支出一条与燃烧室5相连接的支路管57。燃烧用空气可通过该支路管57供给燃烧室5，用于燃烧液体或气体的燃料。燃烧后，热的燃烧气体传送给燃气轮机9，在这种情况下，例如第一级透平级有一个约为750℃至1200℃的透平机进口温度。在透平机9内热燃气流过透平级膨胀作功并被冷却(见图1)。
在燃气轮机装置1工作时从外界环境吸入新鲜空气L。空气L在压缩机3内被压缩并与此同时由此被预热。在该压缩机内经压缩的空气K1、K2在冷却空气抽取点61、63处被从压缩机3抽出。在这里，在冷却空气抽取点63处相应地可抽取轻度压缩的空气L。经压缩的空气K1、K2通过冷却空气管路39、41传送到热交换器43、45初级侧。压缩空气K1、K2在与空气流S1、S2热交换时被冷却。接着，将被冷却的压缩空气K1′、K2′输送到燃气轮机装置1用于冷却热负荷区域65、67。通过在所述空气-空气热交换器43、45中的热交换过程，输送到热交换器43、45次级侧的空气流S1、S2被加热。加热后的空气流S1′、S2′被输送到空气透平35并在那里膨胀作功。
本发明的特征尤其在于，在所述燃气轮机设备31中，一个空气透平35和一个空气-空气热交换器43、45与一个燃气轮机装置1连接。其中，有利地为所述空气透平35配设一空气压缩机33，通过它将压缩的空气流S1、S2继续向热交换器43、45次级侧导送。从空气压缩机33抽取的空气流S1、S2的最大气压典型地约为2至2.5bar。在热交换过程开始前空气气流S1、S2的温度例如为100至110℃。在热交换器43、45内，来自燃气轮机装置1前的压缩机3的压缩空气K1、K2被冷却，而空气流S1、S2被加热。以此方式加热的空气流S1′、S2′供给空气透平35，在那里膨胀作功，并通过连接在空气透平35上的发电机37产生机械能或电能。冷却到约为120℃至150℃的压缩空气K1′、K2′通过一个各自的冷却空气管路39、41向所述燃气轮机9传送，以用于冷却。
通过本发明实现使所述用于冷却一个燃气轮机装置1的冷却空气K1、K2达到一些明显较低的温度。由此，一方面可以减少冷却空气的使用量，亦即减小从压缩机3抽取的冷却空气流，另一方面可以提高进入到透平机9内的热燃气的进口温度。两种措施均有利地提高了燃气轮机设备31的效率。另外，在空气透平35内产生的能量本身也有助于提高效率。