具有主動電間隙控制的渦輪的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有主動電間隙控制的渦輪機。本公開內(nèi)容涉及一種渦輪機(10)，其包括定子(22,23,45,49)和布置成可在所述定子(22,23,45,49)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(28)以及至少一個電加熱裝置(40,41,42,43,46)，電加熱裝置布置在定子(22,23,45,49)的至少一部分的表面上用于主動間隙控制。除渦輪機外，還公開了用于操作包括電加熱裝置的主動間隙控制的方法。
【專利說明】具有主動電間隙控制的渦輪機
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有主動間隙控制的渦輪機，以及涉及一種操作具有主動間隙控制的此類機器的方法。間隙控制允許減小渦輪機的間隙，主要是旋轉(zhuǎn)葉片與殼體之間的間隙、以及在靜葉與轉(zhuǎn)子之間的間隙。
【背景技術(shù)】
[0002]在渦輪機中，徑向和軸向的間隙為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子葉片)和固定構(gòu)件(定子、定子靜葉)的相對移動的結(jié)果。通常，沒有使用主動間隙控制，而是所有部分都作為機械和熱邊界條件的函數(shù)而被動地膨脹或收縮。
[0003]構(gòu)件的細致設計可通過找出轉(zhuǎn)子和定子的良好熱匹配來最大限度地減小間隙。熱匹配意指構(gòu)件以相同速度作用于熱瞬變，即，它們以相同的速度膨脹和收縮，且因此保持相同的間隙。這稱為被動間隙控制。然而，設計僅可針對某些瞬變操作模式和范圍而優(yōu)化，且并未用于整個操作范圍(例如，靜止、部分負載、基本負載)和瞬變操作模式(例如，啟動、加載、卸載和停機)。
[0004]在一些發(fā)動機中，冷空氣和熱空氣根據(jù)操作條件被吹至定子構(gòu)件，以對它們加熱或?qū)λ鼈兝鋮s，這例如從US 7329953中獲知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開內(nèi)容的一個方面在于提供一種渦輪機，其包括定子和布置成可在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子以及至少一個電加熱裝置，電加熱裝置布置在至少一個定子部分的表面上以用于主動間隙控制。在此背景下，定子包括渦輪機的所有非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，特別是殼體，其通常包括內(nèi)殼、外殼和連接壁、以及用于殼體的支承件和用于軸承的軸承支承件，該軸承保持轉(zhuǎn)子。
[0006]主動間隙控制允許減小渦輪機的間隙，主要是旋轉(zhuǎn)葉片與殼體之間的間隙，以及在靜葉與轉(zhuǎn)子之間的間隙。間隙可由主動間隙控制減小，以便增大渦輪機的效率和功率。
[0007]根據(jù)一個實施例，電加熱裝置布置在定子部分的腔中以加熱流體，流體至少部分地圍繞定子部分，且/或其中電加熱裝置利用直接機械接觸而布置在定子部分上，以允許從電加熱裝置至定子部分的傳導性熱傳遞?？刹贾糜屑訜嵫b置的適合的腔例如為壓縮機放氣倉室或冷卻空氣分布倉室。
[0008]根據(jù)另一個實施例，電加熱裝置布置在冷卻空氣供應開孔中。例如，其可布置在定子的冷卻空氣供應開孔的表面上。
[0009]在另一個實施例中，布置有電加熱裝置的定子部分為渦輪機的內(nèi)殼和/或外殼。
[0010]此外或作為備選，電加熱裝置布置在連接壁上，連接壁使內(nèi)殼與外殼連接。
[0011]在又一個實施例中，電加熱裝置包括感應加熱件。通常，感應加熱件可布置在相應的定子部分的表面上，以將交變電磁場引入定子部分中且從而對定子部分感應加熱。對于感應加熱件，電磁體可布置在定子部分的表面上或上方。然后，定子部分可通過將渦流引入定子部分中而由電磁體加熱。[0012]根據(jù)一個實施例，多個電加熱裝置布置成圍繞渦輪機的殼體沿軸向方向和周向方向分布。不同的電加熱裝置被構(gòu)造且連接到電源，使得不同的電加熱裝置可被獨立地控制以控制渦輪機的周向方向和軸向方向上的加熱強度。為了允許加熱強度的獨立控制，不同的電加熱裝置例如可獨立地連接到電源。
[0013]根據(jù)一個實施例，渦輪機為燃氣渦輪，且根據(jù)另一個實施例，渦輪機為蒸氣渦輪。
[0014]除包括用于定子部分的電加熱裝置的渦輪機之外，利用電加熱裝置主動地控制渦輪機的間隙的方法也是本公開內(nèi)容的目的。
[0015]根據(jù)用于操作包括定子和布置成可在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和布置在至少一個定子部分的表面上的至少一個電加熱裝置的渦輪機的方法的一個實施例，至少一個電加熱裝置被控制成加熱至少一個定子部分，以用于控制轉(zhuǎn)子到定子的間隙。
[0016]根據(jù)方法的另一個實施例，至少一個加熱元件布置在殼體的上半部或下半部的位置處。加熱元件被控制成加熱布置有加熱元件的殼體的區(qū)，以減小殼體的周向溫度的不均一性。例如，如果溫度測量結(jié)果指示殼體的上半部中的區(qū)具有低于下半部(例如，在相同的軸向位置處)中的對應的區(qū)的溫度，則殼體的上半部的區(qū)中的加熱元件可被促動來加熱該區(qū)，直到它具有與下半部中的對應區(qū)的相同的溫度。
[0017]例如，溫度的不均一性可由冷卻空氣供應管線引起，其在一側(cè)上進入殼體，或其不是圍繞殼體相等地分布。例如，溫度的不均一性還可由導致一側(cè)上的殼體的更高熱損失的受損的隔熱件引起。
[0018]在另一個實施例中，至少一個電加熱裝置被控制成將沿軸向方向的渦輪機的殼體的溫度輪廓保持在預定范圍內(nèi)。根據(jù)負載和操作條件(穩(wěn)態(tài)或瞬變)，某一溫度輪廓在燃氣渦輪的軸向方向上被預計到。如果殼體的測量的溫度輪廓在預計輪廓外，則殼體可局部地被加熱來確立預計的溫度輪廓。
[0019]根據(jù)方法的一個實施例，至少一個加熱元件布置在殼體的下半部的位置處，且它用于在渦輪機停機和冷卻期間加熱殼體的下半部。它加熱殼體的下半部來補償由于從底部到頂部的對流熱傳遞引起的上半部的溫度相對于下半部的溫度增大。通過加熱下半部，由于上半部中的更高溫度引起的所謂的撓曲可被減輕。
[0020]根據(jù)又一個實施例，至少一個加熱元件布置成加熱連接下半部殼體和上半部殼體的凸緣，以減小或避免殼體的橢圓化。凸緣通常至少部分地保持比殼體的圓形部分更冷。它因由凸緣表面引起的附加熱損失而保持更冷，且特別是在渦輪機的加載(即，渦輪機的加熱)期間因附加凸緣材料需要更多時間來被加熱而保持更冷。
[0021]在另一個實施例中，至少一個加熱元件布置在渦輪機的軸承支承件上。布置在軸承支承件上的至少一個電加熱裝置用于加熱軸承支承件。加熱被控制而使得轉(zhuǎn)子保持相對于殼體而在中心對準。
[0022]通常，軸承支承件是絕熱的。因此，其熱膨脹至少部分地與殼體的熱膨脹分離。如果殼體的膨脹不同于軸承支承件的膨脹，則這可導致轉(zhuǎn)子的失準，且因此增大了渦輪機所需的冷間隙。該失準可通過加熱軸承支承件來減輕。例如，如果殼體在操作期間加熱，則軸承支承件被加熱，使得軸承支承件的膨脹補償熱殼體的膨脹，且從而保持轉(zhuǎn)子和殼體對準。
[0023]供應至電加熱裝置的功率的控制可根據(jù)不同的控制方案來執(zhí)行。在一個示例中，加熱根據(jù)進程來完成。在操作狀態(tài)變化期間，渦輪機中的溫度變化從測量和計算中獲知。因此，從限定狀態(tài)開始，例如，冷的渦輪機處于停機，典型的瞬變變化是已知的，且也知道特定定子部分最大限度地減小間隙所需的電加熱為時間的函數(shù)。因此，用于電加熱裝置的熱輸入例如可用作為時間的函數(shù)的進程來給出。例如，加熱進程可從限定的操作狀態(tài)開始。加熱進程通常從限定的穩(wěn)態(tài)操作點如渦輪機的啟動開始，或從穩(wěn)態(tài)負載點開始。
[0024]加熱還根據(jù)渦輪機的操作參數(shù)來執(zhí)行，如，速度、功率、質(zhì)量流或操作溫度。例如，相關的質(zhì)量流為入口質(zhì)量流、排氣質(zhì)量流、燃料流或噴射的水或蒸汽的質(zhì)量流用于增大功率或控制排放，以及冷卻空氣質(zhì)量流。
[0025]加熱還可用于基于溫度測量來控制殼體的至少一個區(qū)段的溫度。特定部分的溫度可用于多次溫度測量和溫差或兩者的組合。
[0026]此外，加熱可利用葉片間隙傳感器和/或靜葉間隙傳感器基于間隙的直接測量而被控制。
[0027]在渦輪機的停止期間，熱可傳遞至流過機器的流體。例如，空氣可由于煙囪抽力而流過燃氣渦輪。此類流體流可引導燃氣渦輪中的不利的溫度分布。此外，如果發(fā)動機的部分保持較熱以允許較好的重啟，則該流體流可增大熱損失，且因此可導致更高的加熱需要。根據(jù)方法的一個實施例，渦輪機的入口和/或出口在渦輪機停止期間關閉以減小流體流。因此，渦輪機的實施例包括入口閘板和/或出口閘板來在渦輪機的入口或出口處關閉流體流路。
[0028]加熱控制可限于某些操作狀態(tài)，如，發(fā)動機的停止、冷卻，例如，在小于5%的轉(zhuǎn)速(相對于設計操作速度)下，或在運行到操作速度且加載期間，例如，在大于50%的轉(zhuǎn)速下。控制可利用開環(huán)或閉環(huán)的控制器來執(zhí)行。
[0029]以上燃氣渦輪可為例如從EP0620363 BI或EP0718470 A2中獲知的單個燃氣渦輪或連續(xù)燃氣渦輪。公開的方法和使用以及改造方法還可用于單個燃氣渦輪或連續(xù)燃氣渦輪。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]將借助于附圖來在下文中更詳細地描述本發(fā)明、其性質(zhì)及其優(yōu)點。參看附圖:
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪機的示例。這里，給出了燃氣渦輪作為渦輪機的示例。
[0031]圖2示意性地示出了布置在冷卻空氣供應開孔中的具有電加熱的圖1的渦輪殼體的細節(jié)II。
[0032]零件清單 10燃氣渦輪
11壓縮機入口氣體 12壓縮機 13第一燃燒室 14第一渦輪 15第二燃燒室 16第二渦輪 17排氣殼體 18(第一渦輪的)靜葉 19 (第二渦輪的)靜葉 20葉片間隙傳感器 21靜葉間隙傳感器 22內(nèi)殼壁 23外殼壁 24第一焚燒器 25連續(xù)焚燒器 26壓縮機倉室 27入口殼體 28轉(zhuǎn)子
34煙道氣體再循環(huán)(可選的)
35空氣 36入口閘板 37燃料
38水/蒸汽噴射 39出口閘板
40用于連接壁的電加熱裝置
41用于內(nèi)殼/靜葉載體的電加熱裝置
42用于外殼的電加熱裝置
43冷卻空氣供應開孔中的電加熱裝置
44冷卻空氣供應開孔
45軸承支承件
46軸承支承件加熱裝置
47排出氣體
49連接壁。
【具體實施方式】
[0033]相同的或功能上等同的元件在以下設有相同的標記。示例不構(gòu)成本發(fā)明對此類布置的任何限制。
[0034]圖1中示意性地示出了示例性布置。燃氣渦輪10供有壓縮機入口氣體11。在燃氣潤輪10中，壓縮機12后面是第一燃燒器,第一燃燒器包括第一焚燒器24和第一燃燒室
13。在第一焚燒器24中，燃料37被添加至壓縮氣體中，且混合物在第一燃燒室13中焚燒。熱燃燒氣體從第一燃燒室13供給到第一渦輪14中，第一渦輪14后面是第二燃燒器，第二燃燒器包括連續(xù)的焚燒器25 (也已知為第二焚燒器)和連續(xù)的燃燒室15 (也已知為第二燃燒室)。燃料37可在連續(xù)焚燒器35中添加至離開第一渦輪14的氣體，且混合物在連續(xù)燃燒室15中焚燒。熱燃燒氣體從連續(xù)燃燒室15供給至第二渦輪16中。
[0035]蒸汽和/或水38可噴射到第一焚燒器和/或連續(xù)焚燒器用于控制排放和增大功率輸出。[0036]燃氣渦輪的定子包括殼體。殼體包括靜葉載體或內(nèi)殼壁22和外殼壁23。內(nèi)殼壁22和外殼壁23可由連接壁49連接。此外，殼體包括入口殼體27和排氣殼體17。
[0037]在圖1的示例中，用于連接壁40的電加熱裝置置于若干連接壁49上，用于內(nèi)殼41的加熱裝置置于內(nèi)殼壁22 (也稱為靜葉載體)上，且用于外殼42的加熱裝置置于外殼壁23上。
[0038]在圖1中所示的示例中，葉片間隙傳感器20布置在面對壓縮機12的旋轉(zhuǎn)葉片的位置處與面對第一渦輪14和第二渦輪16的旋轉(zhuǎn)葉片的位置處的內(nèi)殼壁22上。靜葉間隙傳感器21布置在壓縮機12中的靜葉的末梢處，且在面對轉(zhuǎn)子28的第一渦輪14和第二渦輪16的渦輪靜葉18，19的末梢上。
[0039]轉(zhuǎn)子28由軸承支承件45支承并保持就位。軸承支承件加熱裝置46布置在軸承支承件45上使得能夠加熱軸承支承件45。
[0040]排出氣體47離開第二渦輪16。排出氣體47通常在熱回收蒸汽發(fā)生器中使用來生成蒸汽，以用于熱電聯(lián)合或用于聯(lián)合循環(huán)(未示出)中的水蒸汽循環(huán)。
[0041 ] 可選的是，排出氣體47的部分可在煙道氣體循環(huán)34 (通常在熱回收蒸汽發(fā)生器下游)中分支，且混合到入口空氣35。通常，再循環(huán)34包括用于冷卻再循環(huán)煙道氣體的再冷卻器。
[0042]此外,壓縮機入口可由入口閘板36關閉，且渦輪出口可由出口閘板39關閉。
[0043]圖2示意性地示出了圖1的渦輪殼體的區(qū)段11-11。在第二渦輪16的該區(qū)中，示出了冷卻空氣供應開孔43。在該示例中，冷卻空氣供應開孔43中的電加熱裝置顯示在冷卻空氣供應開孔44中。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪機(10)，包括定子(22，23，45，49)和布置成能夠在所述定子(22，23，45，49)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(28)，其特征在于，至少一個電加熱裝置(40，41，42，43，46)布置在所述定子(22，23，45，49)的至少一部分的表面上用于間隙控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(12)，其特征在于，所述電加熱裝置(40，41，42，43，46)布置在所述定子部分(22，23，45，49)的腔中，以加熱流體，所述流體至少部分地圍繞所述定子部分(22，23，45，49)，以及/或者所述電加熱裝置(40，41，42，43，46)利用直接機械接觸而布置在所述定子部分(22，23，45，49)上，以允許從所述電加熱裝置(40，41，42，43，46)到所述定子部分(22，23，45，49)的傳導性熱傳遞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的渦輪機(10)，其特征在于，所述電加熱裝置(40，41，42，43，46)布置在所述定子(22，23，49)的冷卻空氣供應開孔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，布置有所述電加熱裝置(41，42)的所述定子部分為所述渦輪機的內(nèi)殼(22)和/或外殼(23)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，所述電加熱裝置(40)布置在使所述內(nèi)殼(22)與所述外殼(23)連接的連接壁(49)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，所述電加熱裝置(40，41，42，43，46)包括感應加熱件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求6中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，多個電加熱裝置(40，41，42，46)布置成圍繞所述渦輪機(12)的殼體(22，23，49)沿軸向方向和周向方向分布，以及不同的電加熱裝置被構(gòu)造且連接到電源，使得不同的電加熱裝置能夠被獨立地控制，以控制所述渦輪機(12)的周向方向和軸向方向上的加熱強度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，至少一個軸承支承電加熱裝置(46)布置在軸承支承件(45)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中的一項所述的渦輪機(10)，其特征在于，所述渦輪機(10)為燃氣渦輪(10)或蒸氣渦輪。
10.一種用于操作渦輪機(10)的方法，所述渦輪機(10)包括定子(22，23，45，49)和布置成能夠在所述定子(22，23，49)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(28)，以及布置在所述定子(22，23，45，49)的至少一部分的表面上的至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)， 其特征在于 所述至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)被控制成加熱所述定子(22，23，45，49)的至少一部分，以用于控制所述轉(zhuǎn)子(28)與所述定子(22，23，45，49)之間的間隙。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)布置在所述殼體(22，23，49)的上半部或下半部上的位置處，以及至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)被控制來加熱布置有電加熱裝置(40，41，42，43)的所述殼體(22，23，49)的區(qū)，以減小所述殼體(22，23，49)中的周向溫度不均一性。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)被控制成將沿軸向方向的所述渦輪機的殼體(22，23，49)的溫度輪廓保持在預定范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至權(quán)利要求12中的一項所述的方法，其特征在于，至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)布置在所述殼體(22，23，49)的下半部的位置處，且至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)用于在所述渦輪機停機和冷卻期間加熱來補償由于從底部到頂部的對流熱傳遞引起的所述殼體(22，23，49)的上半部的溫度相對于所述殼體(22，23，49)的下半部的溫度的增大，以減輕撓曲， 以及/或者至少一個電加熱裝置(42)布置成加熱連接所述下半部殼體和所述上半部殼體的凸緣，以減小或避免所述殼體(22，23，49)的橢圓化。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至權(quán)利要求13中的一項所述的方法，其特征在于，布置在軸承支承件(45)上的至少一個軸承支承件電加熱裝置(46)用于通過所述軸承支承件(45)的受控加熱來保持所述轉(zhuǎn)子(28)相對于所述殼體(22，23，49)在中心對準。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至權(quán)利要求14中的一項所述的方法，其特征在于，供應至所述至少一個電加熱裝置(40，41，42，43)的功率基于以下的一者: -根據(jù)進程來加熱， -根據(jù)所述渦輪機(10)的操作參數(shù)如速度、功率、質(zhì)量流或操作溫度來加熱， -基于溫度測量來加熱以控制所述殼體(22，23，49)的至少一個區(qū)段的溫度， -利用葉片間隙傳感器(20)和/或靜葉間隙傳感器(21)來直接測量所述間隙，且加熱來控制所述測量的間隙， -在所述渦輪機(10)停止期間關閉所述渦輪機(10)的入口和/或出口，以在所述渦輪機(10)中減少流體流和到達所述流體的熱傳遞。
【文檔編號】F01D19/00GK103925012SQ201410011614
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月10日
【發(fā)明者】W.雷特, S.羅夫卡, G.卡塔迪, T.P.索梅 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司