專利名稱：熱負(fù)荷下具有改進(jìn)的運(yùn)行間隙的定子外殼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致屬于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明是針對(duì)在熱負(fù)荷下 具有改進(jìn)的運(yùn)行間隙的定子外殼。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)通常是發(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(jī)， 壓縮機(jī)，和發(fā)電機(jī)。這些部件是機(jī)械連接的，往往采用多軸來提高單元的效率。發(fā)電機(jī)通常 是單軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的大小和輸出，有時(shí)使用齒輪箱來聯(lián)接發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨?機(jī)的軸輸出。一般來說，燃?xì)廨啓C(jī)是以所知的布雷頓循環(huán)的方式來運(yùn)轉(zhuǎn)的。布雷頓循環(huán)包括四 個(gè)主要過程壓縮，燃燒，膨脹及熱排放?？諝獗晃雺嚎s機(jī)，在此處被加熱和壓縮。然后， 空氣離開壓縮機(jī)并進(jìn)入燃燒器，在此處燃料被添加到空氣中并點(diǎn)燃該混合物，從而產(chǎn)生另 外的熱量。由此產(chǎn)生的高溫、高壓氣體離開燃燒器并進(jìn)入渦輪機(jī)，在此處，熱的、加壓的氣體 通過渦輪的葉片，使渦輪葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)并使渦輪軸旋轉(zhuǎn)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)聯(lián)接在同一軸上，所以它把 渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成了可用的電能。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率部分取決于轉(zhuǎn)子葉片頂端和定子外殼內(nèi)表面之間的間隙。 這對(duì)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)都適用。隨著間隙的增加，更多的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣會(huì)圍繞在渦輪機(jī)或壓縮 機(jī)的葉片頂端和外殼之間而不做有用功，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。在某些操作條件下，間隙太 小會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子接觸。由于定子和轉(zhuǎn)子受到不同的熱負(fù)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(zhuǎn)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。對(duì)很多燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來說，停機(jī)期間的熱響應(yīng)速率失配是最嚴(yán)重的。這是 因?yàn)檗D(zhuǎn)子清洗線路沒有足夠的壓力差驅(qū)動(dòng)冷卻流。這導(dǎo)致定子外殼的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 轉(zhuǎn)子。由于熱膨脹，外殼在直徑上的收縮速度快于轉(zhuǎn)子。如果在外殼比轉(zhuǎn)子冷得多的時(shí)候 嘗試重啟，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的機(jī)械偏差增加了轉(zhuǎn)子直徑，使得旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間 的間隙變小(該情況被稱為“重啟動(dòng)夾緊”)。通常情況下，葉片和外殼之間的冷時(shí)間隙(在冷卻的，固定的操作條件下的間隙) 設(shè)計(jì)為盡量減小在穩(wěn)態(tài)操作下的頂端間隙，同時(shí)避免在停機(jī)和啟動(dòng)這類瞬時(shí)操作中的頂端 摩擦。在冷時(shí)間隙的設(shè)計(jì)過程中，這兩個(gè)因素都必須兼顧到，但瞬時(shí)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。

發(fā)明內(nèi)容
—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)包括具有護(hù)罩的定子和位于 護(hù)罩里面可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，其中，護(hù)罩構(gòu)成為當(dāng)內(nèi)表面受到熱負(fù)荷的時(shí)候，護(hù)罩的內(nèi)表面的內(nèi) 徑減小。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)包括帶有多個(gè)葉的護(hù)罩，在
3護(hù)罩中，各葉連接到定子上并包括有角度地圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的帶狀材料。又一方面，本發(fā)明包括一種用于改進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率的方法，包括如下步驟 (1)為定子提供護(hù)罩；(2)點(diǎn)燃燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以便在護(hù)罩內(nèi)產(chǎn)生熱量；(3)把燃?xì)鉁u輪發(fā) 電機(jī)產(chǎn)生的熱量施加到護(hù)罩上，以此來減小護(hù)罩的內(nèi)徑。


圖1是轉(zhuǎn)子和定子的示意圖；圖2是在熱負(fù)荷被施加前，本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖；圖3是在熱負(fù)荷被施加后，圖2的實(shí)施例的示意圖；圖4是螺旋葉外殼的一部分的透視圖；圖5是示出了在本發(fā)明的實(shí)施例中將螺旋葉外殼安裝到殼體上的詳細(xì)視圖；圖6是示出轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙隨時(shí)間變化的圖；圖7是示出當(dāng)定子使用了內(nèi)徑在熱負(fù)荷下減小的外殼后，轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙 隨時(shí)間變化的圖。部件列表10 轉(zhuǎn)子12 外殼14 葉片16內(nèi)表面18 定子20 葉22 擋塊24 第一端26內(nèi)表面28 轉(zhuǎn)子30 葉片32 彈簧
具體實(shí)施例方式圖1是位于定子外殼內(nèi)的簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子的描述。轉(zhuǎn)子10包括多個(gè)周向圍繞轉(zhuǎn)子10 的葉片14。葉片14沿從轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)軸線向定子12的外殼的內(nèi)表面16的徑向方向延 伸。葉片14的離內(nèi)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(nèi) 表面16之間的間隙。如前所述，在最小間隙下操作時(shí)能達(dá)到最大的效率。因?yàn)槎ㄗ?2和 轉(zhuǎn)子10的熱響應(yīng)速率不同，當(dāng)渦輪經(jīng)歷瞬時(shí)操作時(shí)該間隙就會(huì)變化。一旦渦輪被點(diǎn)燃，因?yàn)樾D(zhuǎn)力會(huì)將葉片14拉向內(nèi)表面16，轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起葉 片14的機(jī)械偏差。由于施加了熱負(fù)荷，轉(zhuǎn)子10和定子12獲得熱量，并且轉(zhuǎn)子和定子材料 膨脹。在定子12達(dá)到熱平衡之前，定子12不斷膨脹，拉動(dòng)內(nèi)表面16遠(yuǎn)離葉片14。因此，最 小間隙通常發(fā)生在到達(dá)穩(wěn)態(tài)操作條件之前或之后，穩(wěn)態(tài)操作會(huì)在比最小間隙更大的間隙下 進(jìn)行。
圖6說明了采用圖1中定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一般操作過程。圖中 頂部的線D。表示了外殼12的內(nèi)表面16在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作期間的直徑。底部的線比表示 了在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作期間轉(zhuǎn)子10的葉片14的外頂端的直徑的變化。在t。s時(shí)刻，轉(zhuǎn)子10 是冷的和固定的。“冷時(shí)間隙”就是由t。s時(shí)刻D。和比之間的差值表示。在t。s時(shí)刻，開始 冷啟動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)引起葉片14的機(jī)械偏差，比立刻開始增加。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)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，因?yàn)橥鈿?2和轉(zhuǎn)子10 受熱負(fù)荷的影響，它們以不同的速率膨脹。在tm。時(shí)刻，因?yàn)檗D(zhuǎn)子10受熱和膨脹比外殼12 快而達(dá)到最小間隙。通常，該最小間隙是設(shè)計(jì)限制，在設(shè)計(jì)冷建造公差時(shí)必須要考慮到這一 點(diǎn)ο接著，在tss時(shí)刻到達(dá)穩(wěn)態(tài)操作條件，D,和D。保持基本不變。在tsd時(shí)刻，開始停機(jī) 操作。在這個(gè)時(shí)候，定子10轉(zhuǎn)速的下降導(dǎo)致葉片14機(jī)械偏差的減小。外殼12開始以快于 轉(zhuǎn)子10的速率冷卻，導(dǎo)致間隙減小。在時(shí)刻，開始熱重啟。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子10的機(jī)械偏差 的增加和轉(zhuǎn)子10熱膨脹的增加。由于比以快于D。的速率增加，在tp時(shí)刻出現(xiàn)夾緊的情況。 像發(fā)生在時(shí)刻tm。的最小間隙一樣，重啟夾緊情況也是設(shè)計(jì)的限制，在設(shè)計(jì)冷建造公差時(shí)必 須要考慮到這一點(diǎn)。一方面，本發(fā)明包括用于渦輪發(fā)電系統(tǒng)的在熱負(fù)荷下內(nèi)徑會(huì)減小的定子外殼。內(nèi) 徑的減小使得在穩(wěn)態(tài)操作期間而不是在瞬態(tài)操作期間達(dá)到最小的葉片-外殼間隙。在一個(gè) 實(shí)施例中，葉片-外殼間隙構(gòu)成為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷的、固定的位置時(shí)最大。間隙還構(gòu)成為隨 著熱負(fù)荷的增加而進(jìn)一步下降，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡。在此實(shí)施例中，停機(jī)期間間隙增加， 因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子開始冷卻。一方面，本發(fā)明包括位于定子殼體內(nèi)的螺旋葉外殼。當(dāng)受到熱 負(fù)荷，葉長(zhǎng)度增加導(dǎo)致外殼的內(nèi)徑的尺寸減小，從而使轉(zhuǎn)子葉片和螺旋葉外殼之間的間隙 減小。圖2說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。具有多個(gè)葉片30的轉(zhuǎn)子28繞定子18內(nèi)的旋 轉(zhuǎn)軸線有角度地旋轉(zhuǎn)。定子18包括由多個(gè)有重疊的葉20組成的護(hù)罩。各個(gè)葉20有角度 地包圍著轉(zhuǎn)子28的旋轉(zhuǎn)軸線。各個(gè)葉20具有附連在定子18的殼體上的第一端24。葉20 的另一端限定了護(hù)罩的內(nèi)表面26的部分。圖2示出了熱負(fù)荷加載前的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。在 本圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于“冷”狀態(tài)。參考圖3，在穩(wěn)態(tài)操作期間，轉(zhuǎn)子28和定子18可能出現(xiàn)圖3的情況。隨著轉(zhuǎn)子28 和定子18被加熱，葉片30和護(hù)罩的內(nèi)表面26之間的間隙減小。因?yàn)闄C(jī)械偏差和材料膨脹， 在兩個(gè)直徑上相對(duì)的葉片30的頂端之間測(cè)量的轉(zhuǎn)子28的直徑增加。護(hù)罩的葉20也膨脹 并變長(zhǎng)。雖然轉(zhuǎn)子18的殼體在加熱時(shí)會(huì)增大并將其拉離轉(zhuǎn)子28，但是葉20的膨脹會(huì)補(bǔ)償 這種增大，并將護(hù)罩的內(nèi)表面26推向葉片30。在穩(wěn)態(tài)操作下，達(dá)到熱平衡。在這個(gè)點(diǎn)上，葉 片30的頂端和護(hù)罩的內(nèi)表面26之間的間隙會(huì)維持恒定。當(dāng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子28和定子18變回到圖2所示的狀態(tài)。在停機(jī)操 作期間，轉(zhuǎn)子28和葉片30冷卻導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和葉片材料收縮。轉(zhuǎn)子28的更低的旋轉(zhuǎn)也引起葉 片30的機(jī)械偏差變小。葉20也冷卻并且尺寸變小。這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)表面26離開轉(zhuǎn)子28，即使 定子18的殼體的冷卻導(dǎo)致殼體回到其最初冷卻時(shí)候的大小。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中。葉20更具體地設(shè)計(jì)為以某一速度膨脹，以便匹配和 抵消殼體的膨脹，使得在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)操作條件之間，內(nèi)表面26的內(nèi)徑能保持為常量或近似常量。在這個(gè)例子中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由啟動(dòng)操作條件過渡到穩(wěn)態(tài)操作條件過程中，葉片30的頂 端和內(nèi)表面26之間的間隙減小，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從穩(wěn)態(tài)操作條件過渡到停機(jī)操作條件過程中，該 間隙增大。在整個(gè)這個(gè)過程中，內(nèi)表面26的內(nèi)徑會(huì)基本保持不變，因?yàn)槿~20膨脹補(bǔ)償了定 子18的殼體的增大。圖4示出了從定子殼體拆除下來的螺旋葉外殼的一部分。在本示例中顯示了 6個(gè) 葉20。各個(gè)葉20包括在第一端24帶有凸緣的帶狀材料。各個(gè)葉20的第二端形成護(hù)罩的 內(nèi)表面的部分。帶狀材料圍繞渦輪的旋轉(zhuǎn)中心軸線，并“夾”在相鄰葉之間。葉20可以選 擇很多不同的材料，但是希望所選擇的材料具有較高的線性和/或體積熱膨脹系數(shù)和高熔 點(diǎn)，因?yàn)樵摬牧蠒?huì)暴露在燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體路徑中。圖5是說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)視圖。在本實(shí)施例中，葉20的端部24的 凸緣與定子18的擋塊配合。因此，當(dāng)葉20經(jīng)歷線性熱膨脹的時(shí)候，葉的另一端會(huì)繞渦輪的 旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)一步延伸。當(dāng)受到熱負(fù)荷的時(shí)候，葉20也會(huì)經(jīng)歷體積熱膨脹，導(dǎo)致葉20的厚度 增加。因此，當(dāng)渦輪加熱至穩(wěn)態(tài)操作條件時(shí)，葉20的線性和體積膨脹導(dǎo)致護(hù)罩的內(nèi)徑沿葉 片30的頂端的方向移動(dòng)。使用彈簧32來將葉20固定到定子18上。圖7說明了使用圖2-圖5中的螺旋葉護(hù)罩的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一般操作過程。轉(zhuǎn) 子10的直徑D,隨時(shí)間而變化，和圖6中已說明的圖1中的實(shí)施例基本相同。圖2-圖5中 實(shí)施例的內(nèi)表面26的直徑D。的行為與圖1中的實(shí)施例的直徑Dc不同。在t。s時(shí)刻，開始 冷啟動(dòng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)引起葉片14的機(jī)械偏差，比立即開始增加。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)加熱到穩(wěn)態(tài)熱平衡的過程中，瞬態(tài)操作會(huì)持續(xù)。在此瞬態(tài)操作期間，因?yàn)槿~20經(jīng)歷熱膨 脹，定子的內(nèi)表面26減小。Dc和&之間的間隙會(huì)持續(xù)減小直到tss時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻到達(dá)穩(wěn) 態(tài)操作條件，Dr和D。保持基本不變。在tsd時(shí)刻開始停機(jī)操作。在這個(gè)時(shí)刻，轉(zhuǎn)子10的降低的旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致了葉片14 的機(jī)械偏差的減小。葉20開始冷卻和收縮導(dǎo)致間隙增加。在1&時(shí)刻，開始熱重啟。這導(dǎo) 致轉(zhuǎn)子10的機(jī)械偏差增加和轉(zhuǎn)子10的熱膨脹增加。沒有夾緊情形發(fā)生，在tss2時(shí)刻再次 到達(dá)穩(wěn)態(tài)條件。讀者要注意到，在穩(wěn)態(tài)操作期間達(dá)到了最小間隙。因?yàn)樵谕C(jī)操作期間間 隙增加，可以看到應(yīng)用了內(nèi)徑減小的定子消除了一些通常會(huì)影響渦輪熱運(yùn)轉(zhuǎn)間隙的設(shè)計(jì)限 制。因此，應(yīng)用本發(fā)明可以達(dá)到更小的熱運(yùn)行間隙。本發(fā)明包括用于渦輪發(fā)電系統(tǒng)的在熱負(fù)荷下內(nèi)徑會(huì)減小的定子外殼。內(nèi)徑的減小 使得在穩(wěn)態(tài)操作期間而不是在瞬態(tài)操作期間達(dá)到最小的葉片-外殼間隙。在一個(gè)實(shí)施例 中，葉片-外殼間隙構(gòu)成為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷的、固定的位置時(shí)最大。該間隙還構(gòu)成為隨著熱 負(fù)荷的增加而減小，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡。在該實(shí)施例中，因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子開始冷卻，在停 機(jī)期間間隙增加。一方面，本發(fā)明包括位于定子殼體內(nèi)的螺旋葉外殼。當(dāng)受到熱負(fù)荷時(shí)，葉 長(zhǎng)度和體積增加導(dǎo)致外殼的內(nèi)徑的尺寸減小，從而減小了轉(zhuǎn)子葉片和螺旋葉外殼之間的間 隙。本發(fā)明并不限于上面所公開的具體的實(shí)施例。從前面詳細(xì)的描述，本文所述的方 法和設(shè)備的修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。這些修改和變化屬于權(quán)利要 求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種渦輪發(fā)電系統(tǒng)，包括包括護(hù)罩的定子(18)，所述護(hù)罩具有內(nèi)表面(26)，所述內(nèi)表面(26)具有內(nèi)徑；以及位于所述護(hù)罩內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(28)，所述轉(zhuǎn)子(28)適于繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子(28)具有葉片(30)，所述葉片(30)具有靠近所述護(hù)罩的所述內(nèi)表面的頂端；其中，所述護(hù)罩構(gòu)成為當(dāng)所述內(nèi)表面(26)受到熱負(fù)荷時(shí)，所述內(nèi)表面(26)的內(nèi)徑減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述護(hù)罩包含在殼體中，所述殼 體具有面對(duì)所述護(hù)罩的內(nèi)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述護(hù)罩包括多個(gè)葉(20)，各所 述葉(20)連接到所述定子(18)并具有占據(jù)所述內(nèi)表面(26)的一部分的第一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述護(hù)罩包括多個(gè)葉(20)，各所 述葉(20)連接到所述定子(18)并具有占據(jù)所述內(nèi)表面(26)的一部分的第一端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，各所述葉(20)在第二端連接到 所述定子(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，各所述葉(20)包括在所述第一 端和所述第二端之間延伸的帶狀材料，所述帶狀材料有角度地繞所述轉(zhuǎn)子(28)的旋轉(zhuǎn)軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，各所述葉(20)構(gòu)成為當(dāng)受到熱 負(fù)荷時(shí)變長(zhǎng)，從而減小所述內(nèi)表面(26)的內(nèi)徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，各所述葉(20)構(gòu)成為當(dāng)受到熱 負(fù)荷時(shí)體積膨脹，從而減小所述內(nèi)表面(26)的內(nèi)徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪發(fā)電系統(tǒng)，包括具有護(hù)罩的定子(18)和位于護(hù)罩中可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(28)，其中護(hù)罩構(gòu)成為當(dāng)內(nèi)表面(26)受到熱負(fù)荷時(shí)護(hù)罩的內(nèi)表面(26)的內(nèi)徑減小。內(nèi)徑的減小允許在穩(wěn)態(tài)操作而不是瞬態(tài)操作期間達(dá)到最小葉片-外殼間隙。葉片-外殼間隙構(gòu)成為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷的固定的位置時(shí)最大。間隙還構(gòu)成為隨著熱負(fù)荷增加而減小，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡。在停機(jī)期間隨著定子和轉(zhuǎn)子開始冷卻，間隙變大。
文檔編號(hào)F02C6/00GK101886574SQ20101000527
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者M·W·弗拉納甘 申請(qǐng)人:通用電氣公司