[發明專利]用于測試工業燃氣渦輪發動機及其部件的設備和方法

有效

• 申請號: 201280026244.6
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN103597333B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發明（設計）人: J·D·布魯斯特梅耶
• 申請（專利權）人: 佛羅里達渦輪技術股份有限公司
• 主分類號: G01M15/14
• 分類號: G01M15/14
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 顧峻峰

技術領域

本發明總地涉及一種用于測試燃氣渦輪發動機、特別是大型航空或工業燃氣渦輪發動機的部件的系統和過程，并且涉及需要大的流量和壓縮比的測試大型工業燃氣渦輪發動機及其部件的過程。

背景技術

大構架重型工業燃氣輪(IGT)發動機通常用于驅動發電機，并產生電能。這些發動機能產生超過200WM的電力。例如，大構架工業燃氣渦輪發動機可輸出幾乎300MW的電力。IGT發動機具有壓縮機、燃燒室和渦輪機，壓縮機具有多排或多級轉子葉片和定子葉片，燃燒室具有以環形陣列設置的多個筒狀燃燒室（也被稱為筒狀環形燃燒室），而渦輪機具有多排轉子葉片和定子葉片。航空發動機通常具有環形燃燒室，而不是如IGT發動機中那樣以環形陣列設置的多個筒狀燃燒室。

將新技術引入大型構架發電燃氣渦輪發動機的最大障礙是如下風險：新技術會在操作發動機運行過程中失效，并造成以千萬美元計的設備損失，且可能造成在發電廠停工期間需要代替電力的成本。由于這些發動機之一的擁有者非常不愿允許在測試新技術時使用發動機，由此，非常難以將新技術引入公用發電廠，大多數發電制造商具有測試設施來在投入生產之前測試盡可能多的部件。不幸的是，測試設施和運行測試的成本抑制了廣泛測試，并且通常僅允許在公用部位處安裝新燃氣渦輪發動機之前討論早期失效問題。

測試整個大型IGT發動機或測試發動機的一部分或其部件是非常昂貴并且非常困難的。當測試大型發動機時，必須消耗產生的電力，諸如通過立即使用電能或儲存該電能以供將來使用。使產生的電能消耗的一個方法是使用該電能以驅動發電機。由發電機產生的能量可供回到電網內。然而，發動機測試僅可以持續幾小時。將大量電力供給到電網幾小時然后停止會造成電力公司的巨大問題，特別是如果燃氣渦輪發動機由于測試過程中的問題而離線跳閘的話。

測試工業發動機的另一問題是測試成本非常高。在一些IGT發動機測試臺中，代替用發電機來供給電阻性負載，可采用水阻或電加熱器的電阻來消耗由發動機產生的負載。消耗負載的這些手段與上述電力生產相比優點在于不會產生對電網的干擾。然而，缺點是所有產生的能量都損失掉了。

測試大型航空或工業發動機的燃燒室或渦輪機部件需要高流量的高壓空氣。測試時間可根據所需的暖機時間持續許多小時，以實現穩定的測試條件和完整的數據組所需的測試點數目。典型的設施位于德國科隆，該設施由德國航天中心（DLR）來運作。該設施提供的流量和壓力受到設施處的壓縮機的尺寸的限制。因此，大型發動機燃燒室經常分段測試，而大型工業燃氣渦輪燃燒室作為單獨的筒來進行測試。由于諸如DLR的設施處的流量和壓力的限制，用于大型發動機或工業燃氣渦輪機、甚至是對于燃燒室研發來說是期望的全環形燃燒室測試是不可能的。其它部件測試需要甚至更高的流量和更高的壓力，并且為了建立具有大到足以供給對于多個小時全環形測試來說期望的流量和壓力水平的壓縮機的測試設施，將需要例如高達$4億的大量資金投入。

在采用IGT發動機來驅動發電機并產生電力的發電廠中，當地社區所需的電力從高負載（峰值負載）到低負載（諸如在涼爽的白天或夜里）循環。使供電與發電廠的需求匹配的一個過程是利用壓縮空氣能量儲存（CAES）系統。在這些CAES設施處，在低負載期間，并不關閉發動機，而是使發動機用于驅動壓縮機而不是發電機，以產生高壓空氣，然后將該高壓空氣儲存在諸如是人造溶浸采礦洞穴的地下洞穴內。然后，將壓縮空氣供給到燃燒室以與燃料一起燃燒，并產生熱氣流，該熱氣流經過渦輪機以驅動發電機。該系統使用儲庫內的壓縮空氣來代替使用壓縮機。

還應考慮到這些大型發動機和它們的部件進行測試所處的條件。當測試諸如大型工業發動機的燃氣渦輪發動機或航空發動機或這些發動機之一的部件時，發動機或部件需要在不僅僅是穩定狀態條件的不同運行條件下進行測試。發動機部分負載條件必須進行測試，且這種測試需要不同的燃料和壓縮氣流。同樣，發動機負載在測試過程中從穩定狀態條件下的完全負載變化到部分負載。因此，消耗的能量大小在發動機測試過程中變化。

發明內容