專利名稱：匹配定子和轉子之間熱響應速率的方法及流體熱開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致屬于燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)領域。更具體地說，本發(fā)明是針對匹配轉子和 定子之間熱響應速率的方法及其使用的流體熱開關。
背景技術：
燃氣輪機往往是發(fā)電單元的一部分。這種發(fā)電系統(tǒng)的組成部分通常包括渦輪機， 壓縮機，和發(fā)電機。這些部件是機械連接的，往往采用多軸來提高單元的效率。發(fā)電機通常 是單軸驅動的機器。根據(jù)燃氣輪機的大小和輸出，有時使用齒輪箱來聯(lián)接發(fā)電機和燃氣輪 機的軸輸出。一般來說，燃氣輪機是以所知的布雷頓循環(huán)的方式來運轉的。布雷頓循環(huán)包括四 個主要過程壓縮，燃燒，膨脹及熱排放?？諝獗晃雺嚎s機，在此處被加熱和壓縮。然后， 空氣離開壓縮機并進入燃燒器，在此處燃料被添加到空氣中并點燃該混合物，從而產生另 外的熱量。由此產生的高溫、高壓氣體離開燃燒器并進入渦輪機，在此處，熱的、加壓的氣體 通過渦輪的葉片，使渦輪葉輪轉動并使渦輪軸旋轉。因為發(fā)電機聯(lián)接在同一軸上，所以它把 渦輪軸的轉動能量轉換成可用的電能。燃氣渦輪發(fā)動機的效率部分取決于轉子葉片頂端和定子外殼內表面之間的間隙。 這對壓縮機和渦輪機都適用。隨著間隙的增加，更多的發(fā)動機空氣會在渦輪機或壓縮機的 葉片頂端和外殼之間流動而不做有用功，降低了發(fā)動機的效率。在某些操作條件下，間隙太 小會導致轉子和定子接觸。由于定子和轉子受到不同的熱負荷，且通常由不同的材料和厚度制造，因此在操 作期間定子和轉子的膨脹和收縮的程度也不同。這使得葉片和外殼之間具有隨操作條件而 變化的間隙。通常情況下，葉片和外殼之間的冷時間隙(在冷卻的，固定的操作條件下的間 隙)設計為盡量減小在穩(wěn)態(tài)操作下的頂端間隙，同時避免在停機和啟動這類瞬時操作中的 頂端摩擦。在冷時間隙的設計過程中，這兩個因素都必須兼顧到，但瞬時操作條件通常決定 最小的冷建造間隙。因此，穩(wěn)態(tài)葉片間隙幾乎總是大于可能的最小間隙。在停機期間，對很多燃氣渦輪發(fā)動機來說熱響應速率失配是最嚴重的。這是因為 轉子清洗線路沒有足夠的壓力差驅動冷卻流。這導致定子外殼的冷卻速度遠遠超過了轉 子。由于熱膨脹，外殼在直徑上的收縮速度快于轉子。如果在外殼比轉子冷得多的時候嘗 試重啟，由轉子旋轉而導致的機械偏差增加了轉子直徑，使得旋轉部分和固定部分之間的 間隙變小(該情況被稱為“重啟夾緊(restart pinch)”)。對于壓縮機和渦輪機，熱響應速率失配都會引起設計問題。因為壓縮機和渦輪機 受熱負荷的影響大不相同，在瞬態(tài)加載條件期間，在不同時間到達最小和最大間隙。因此， 希望能提供設備和方法來匹配定子和轉子的熱響應速率。

發(fā)明內容
本發(fā)明包括渦輪發(fā)電系統(tǒng)，該渦輪發(fā)電系統(tǒng)包括具有外殼的定子和轉動地位于外殼內的轉子。渦輪發(fā)電系統(tǒng)進一步包括適于允許選擇性地供應熱到外殼的流體熱開關。該 流體熱開關包括容器和熱導體，該熱導體具有與外殼熱傳導接觸的第一端，以及延伸到容 器的內部的第二端。流體回路與容器的內部流體地連接，用來選擇性地供應流體到容器中， 或者根據(jù)需要使流體離開容器。另一方面，本發(fā)明包括渦輪發(fā)電系統(tǒng)，該渦輪發(fā)電系統(tǒng)包括熱源，吸熱裝置和適用 于選擇性地在熱源和吸熱裝置之間傳遞熱的流體熱開關。該流體熱開關包括容器和兩個熱 導體。第一熱導體具有與吸熱裝置熱傳導接觸的第一端，以及延伸到容器的內部的第二端。 第二熱導體具有與熱源熱傳導接觸的第一端，以及延伸到容器的內部的第二端。第二熱導 體的第二端與第一熱導體的第二端在空間上是分開的。流體回路與容器的內部流體地連 接，并構成為選擇性地供應熱傳導的流體到容器中以及使流體離開容器。又一方面，本發(fā)明包括用于在熱重啟期間減小重啟夾緊的方法。該方法包括(1) 提供燃氣渦輪發(fā)動機，該燃氣渦輪發(fā)動機包括定子和轉動地位于定子的外殼中的轉子；(2) 提供能選擇性地提供輔助熱到外殼的外部熱源；(3)在穩(wěn)態(tài)條件下操作燃氣渦輪發(fā)動機第 一段時間，且不供應輔助熱到外殼；以及(4)在穩(wěn)態(tài)條件下操作燃氣輪機第一段時間后，當 停止燃氣輪機時，供應輔助熱到外殼以第二段時間。


圖1是轉子和定子的示意圖；圖2是流體熱開關的示意圖；圖3是一系列流體熱開關集成到燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖；圖4是示出轉子和定子之間的間隙隨時間變化的圖；圖5示出由流體熱開關提供了熱響應匹配后，轉子和定子之間的間隙隨時間變化 的圖。部件列表10 轉子12夕卜殼14 葉片16內表面18流體熱開關20熱導體22熱導體24 容器26流體接觸元件28流體接觸元件30 內部32 導管34 導管36分配集管38儲存器
具體實施例方式本發(fā)明包括由一個或多個流體熱開關提供熱響應速率匹配的渦輪發(fā)電系統(tǒng)。該渦 輪發(fā)電系統(tǒng)包括定子和位于定子外殼內的轉子。在停機操作期間，熱源通過一個或多個流 體熱開關提供輔助熱給定子外殼，流體熱開關構成為為受到重啟動夾緊影響的定子外殼的 部分提供局部加熱。圖1是位于定子外殼內的簡單轉子的描述。轉子10可包括多個周向圍繞轉子10 的葉片14。葉片14沿從轉子10的旋轉軸線向定子12的外殼的內表面16的徑向方向延 伸。葉片14的離內表面16最近的部分被稱為“頂端”。圖1中的箭頭顯示了葉片14和內 表面16之間的間隙。如前所述，在最小間隙下操作時能達到最大的效率。因為定子12和 轉子10的熱響應速率不同，當渦輪經歷瞬時操作時該間隙就會變化。特別地，在停機操作 期間，外殼12以快于轉子10的速率冷卻。這導致內表面16的內徑以快于轉子10的速率 收縮。因為轉子10以更慢的速率旋轉，葉片14的機械偏差變小。但是，“熱重啟”會引起重要問題。當燃氣輪機在停機后不久點燃，熱重啟就會發(fā) 生。很多情況可能引起熱重啟。當錯誤條件導致燃氣輪機停機且錯誤條件很快被糾正時， 熱重啟往往發(fā)生。當在停機或開始停機不久后出乎意料的能量需求出現(xiàn)時，熱重啟也會發(fā) 生。在熱重啟期間，轉子10還沒有完全冷卻，因此轉子10旋轉速度增加導致葉片14的機 械偏差增加。因為定子12的內徑減小(因為冷卻)，葉片14可能和內表面16接觸，稱之 為“重啟夾緊”。類似地，重啟夾緊在“暖重啟”期間也可能發(fā)生，比如當在夜晚停止渦輪機 并在八小時后的早上重啟渦輪機時。圖4說明了燃氣渦輪發(fā)動機的正常操作過程。圖中頂部的線D。表示了在瞬態(tài)和穩(wěn) 態(tài)操作期間外殼12的內表面16的直徑。底部的線化表示了在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作期間轉子 10的葉片14的外頂端的直徑的變化。在t。s時刻，轉子10是冷的和固定的?！袄鋾r間隙”就 是由t。s時刻D。和比之間的差值表示。在t。s時亥lj，開始冷啟動。由于轉子10的旋轉引起 葉片14的機械偏差，A立刻開始增加。在燃氣渦輪發(fā)動機加熱至穩(wěn)態(tài)熱平衡的過程中，瞬 態(tài)操作繼續(xù)。在此瞬態(tài)操作期間，在外殼12和轉子10受到熱負荷時，它們以不同的速率膨 脹。在tss時刻達到穩(wěn)態(tài)操作條件，比和D。保持基本不變。在tsd時刻，開始停機操作。在 這個時候，定子10轉速的下降導致葉片14機械偏差的減小。外殼12開始以快于轉子10 的速率冷卻，導致間隙減小。在1時刻，開始熱重啟。這導致轉子10的機械偏差的增加和 轉子10熱膨脹的增加。由于比以快于D。的速率增加，在tp時刻出現(xiàn)夾緊的情況。在一個實施例中，本發(fā)明包括在停機期間使用流體熱開關選擇性地增加熱到定子 外殼的方法，以便匹配轉子的熱響應速率。增加的熱導致定子外殼的收縮速率與轉子的收 縮速率更加匹配。在實施這樣的方法時，優(yōu)選的是葉片14的頂端和內表面16之間的間隙 在停機過程期間維持恒定或增加。進一步優(yōu)選的可以施加足夠的熱并能施加足夠的時間， 使得在任何時刻都可重啟而不會導致夾緊情形。為達到這些目標所需要施加的熱的精確的 量和時間長度依賴于使用中的燃氣渦輪發(fā)動機的特別設計和停機時的操作條件，但是本領 域技術人員可以毫不費力的進行這種計算。圖2說明了可用于選擇性地施加熱給定子外殼的流體熱開關的一個實施例。流體 熱開關18包括第一固體熱導體20和第二固體熱導體22，它們具有在容器24中空間上分開的流體接觸元件26和28。熱導體20與定子外殼熱傳導接觸。熱導體22與熱源熱傳導接 觸。在一個實施例中，由熱傳導流體中存儲的熱提供加熱。傳導流體被渦輪發(fā)動機的廢氣 加熱，接著被存儲起來直到有需要。容器24可為熱絕緣的來盡量減少通過容器24的壁的 熱傳遞。兩個導管32和34被提供用于選擇性地供應高傳導性和高熱容性的流體給容器24 和使高傳導性和高熱容性的流體離開容器24。流體接觸流體接觸元件28，使得熱被傳遞到 流體。接著，該流體將熱傳遞到流體接觸元件26，該流體接觸元件26將熱傳導給定子外殼。 任何高溫液相熱傳遞流體可填充容器24，但由Solutia Inc.公司制造的Therminol 66是 可用于這種應用的熱傳遞流體的一個例子。流體接觸元件28和26優(yōu)選地適于具有更大的 表面面積來改進在流體和導體之間熱傳遞的傳導性和傳送性。作為圖2中所示的類似手指 的突出物的替代，熱導體20和22可具有肋，翅片，褶皺或通常應用于熱交換器設計的特征 來增加熱傳遞率。本領域技術人員現(xiàn)在應該意識到流體熱開關18提供了簡單的機構來選擇性地為 定子外殼施加和/或移除輔助熱。當需要局部加熱的時候，流體被供應給容器24。當不再 需要加熱的時候，流體可離開容器24。當流體離開容器24的內部30后，在熱導體22和熱 導體20之間的熱傳遞是最小的。通過材料的選擇或應用反射表面涂層，熱導體22和20之 間的輻射類型的熱傳遞可進一步減小。圖3提供了本發(fā)明實施例的示意性說明。在該實施例中，多個流體熱開關18周向 地圍繞定子12，并提供熱給受到重啟夾緊條件影響的定子12的部分。流體熱開關18可沿 著渦輪發(fā)動機的長度縱向地設置。熱導體20與定子12的外殼熱傳導接觸。分配集管36 包含大量的熱傳遞流體。當需要輔助加熱的時候，導管32將熱傳遞流體從分配集管36引 導到容器24。當不再需要加熱的時候，導管34使熱傳遞流體從容器24離開并進入儲存器 38。必須要了解的是，由流體熱開關18供應的熱可以多種熱質量(thermal mass)的 形式存儲，包括但不限于，具有高熱容量的各種金屬和流體。優(yōu)選的是，當渦輪操作的時候， 熱質量存儲由渦輪產生的熱。之后，在停機的時候，流體熱開關18可用于選擇性地供應熱 給定子。在一個例子中，熱存儲在傳導性流體本身中。在該例子中，流體熱開關18只需要 一個導體(圖3中的導體20)，因為傳導性流體本身就是熱源。因為具有高熱容量的流體是 非常昂貴的，因此希望把熱能存儲在預備的源中且使用熱容性流體作為圖2和圖3示例中 說明的兩個導體20和22之間的熱聯(lián)接。在一個實施例中，提供自動控制系統(tǒng)來控制在儲存器和容器24之間的熱傳遞流 體的流。這樣的自動控制系統(tǒng)將包括一個或多個控制閥和/或泵來供應熱傳遞流體到容器 24中和使熱傳遞流體離開容器24。泵和/或控制閥在停機期間會被自動地促動來提供熱 給定子12的外殼。一段時間后，流體可從容器24離開。持續(xù)的時間可以基于提供給控制 器的輸入來調整。例如，通過流體熱開關18提供給定子12的輔助熱的持續(xù)時間可依賴于 在停機時轉子和定子的操作溫度。圖5說明了燃氣渦輪發(fā)動機的改變的操作過程。當停機操作開始時，tsd時刻后改 變的過程和一般過程不同。當穩(wěn)態(tài)操作條件停止，熱Qfs從流體熱開關18供應給定子。這 減慢了定子的冷卻，因此減慢了 D。減小的速率。因此，在時刻，可開始熱重啟，而不會冒夾緊情形的風險。時刻后，Dr隨著旋轉和熱加載而持續(xù)增加，直到在tss2時刻到達第二 穩(wěn)態(tài)條件。使用一個或多個本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)很多益處。如前所述，本發(fā)明的實施例可 用于防止熱重啟時的重啟夾緊的情況。而且，穩(wěn)態(tài)運行間隙可被進一步減小，因為熱重啟條 件不再是重要的設計限制。這顯著提高了渦輪機效率，且消耗發(fā)電站很少的能量。此外，本發(fā)明中在停機期間采用輔助熱的方法和單獨通過在啟動期間預熱來減小 熱運行間隙的方法相比是有優(yōu)勢的。一個優(yōu)勢是穩(wěn)態(tài)操作后立即就能提供大量的“免費的” 和易得的輔助熱。而且，如果在停機而不是在重啟期間提供輔助加熱，能以較少重啟夾緊情 況更快地開始熱重啟。本發(fā)明并不限于上面所公開的具體的實施例。從前面詳細的描述，本文所述的方 法和設備的修改和變化對于本領域技術人員將是顯而易見的。這些修改和變化屬于權利要 求的范圍之內。
權利要求
一種渦輪發(fā)電系統(tǒng)，包括包括具有內表面(16)的外殼(12)的定子；位于所述外殼(12)內可旋轉的轉子(10)，所述轉子(10)適于繞旋轉軸線旋轉，所述轉子(10)包括葉片(14)，所述葉片(14)具有接近所述外殼(12)的所述內表面(16)的頂端；以及流體熱開關(18)，適于允許選擇性地供應熱給所述外殼(12)，所述流體熱開關(18)包括具有內部(30)的容器(24)；第一熱導體(20)，所述第一熱導體(20)具有與所述外殼(12)熱傳導接觸的第一端，以及延伸到所述容器(24)的所述內部(30)中的第二端；與所述容器(24)的所述內部(30)流體連通的流體回路，所述流體回路構造成選擇性地供應流體到所述容器(24)，或者根據(jù)需要使流體從所述容器(24)離開。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述流體熱開關(18)還包括第 二熱導體(22)，所述第二熱導體(22)具有與熱源熱傳導接觸的第一端，以及延伸到所述容 器(24)的所述內部(30)的第二端，所述第二熱導體(22)的所述第二端與所述第一熱導體 (20)的所述第二端在空間上是分開的。
3.根據(jù)權利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述容器(24)的所述內部(30) 是熱絕緣的。
4.根據(jù)權利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)電系統(tǒng)還包括熱源， 所述熱源構造成當流體被供應給所述容器(24)時傳遞熱給所述第一熱導體(20)。
5.根據(jù)權利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述流體是高溫液相熱傳遞流體。
6.根據(jù)權利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述流體熱開關(18)適于在 停機期間提供足夠量的熱給所述外殼(12)，以防止所述葉片(14)的所述頂端與所述外殼 (12)的所述內表面(16)接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及由一個或多個流體熱開關(18)提供的熱響應速率匹配的渦輪發(fā)電系統(tǒng)和在熱重啟期間減輕重啟夾緊的方法。渦輪發(fā)電系統(tǒng)包括定子和位于定子的外殼(12)中的轉子(10)。在停機操作期間，從熱源通過一個或多個流體熱開關(18)提供輔助熱給定子外殼，該流體熱開關構造成為受到重啟夾緊影響的定子外殼的部分提供局部加熱。流體熱開關(18)包括兩個固體熱導體(20，22)，固體熱導體(20，22)具有位于絕緣容器(24)內部在空間上分開的流體接觸元件(26，28)。當需要局部加熱的時候，高導電性和熱容性的流體被提供給絕緣容器(24)。
文檔編號F02C7/00GK101929387SQ20101000527
公開日2010年12月29日 申請日期2010年1月8日 優(yōu)先權日2009年1月8日
發(fā)明者M·W·弗拉納根 申請人:通用電氣公司