具有主动电间隙控制的涡轮的制造方法
【专利摘要】本发明涉及具有主动电间隙控制的涡轮机。本公开内容涉及一种涡轮机(10)，其包括定子(22,23,45,49)和布置成可在所述定子(22,23,45,49)内旋转的转子(28)以及至少一个电加热装置(40,41,42,43,46)，电加热装置布置在定子(22,23,45,49)的至少一部分的表面上用于主动间隙控制。除涡轮机外，还公开了用于操作包括电加热装置的主动间隙控制的方法。
【专利说明】具有主动电间隙控制的涡轮机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有主动间隙控制的涡轮机，以及涉及一种操作具有主动间隙控制的此类机器的方法。间隙控制允许减小涡轮机的间隙，主要是旋转叶片与壳体之间的间隙、以及在静叶与转子之间的间隙。
【背景技术】
[0002]在涡轮机中，径向和轴向的间隙为旋转构件(转子、转子叶片)和固定构件(定子、定子静叶)的相对移动的结果。通常，没有使用主动间隙控制，而是所有部分都作为机械和热边界条件的函数而被动地膨胀或收缩。
[0003]构件的细致设计可通过找出转子和定子的良好热匹配来最大限度地减小间隙。热匹配意指构件以相同速度作用于热瞬变，即，它们以相同的速度膨胀和收缩，且因此保持相同的间隙。这称为被动间隙控制。然而，设计仅可针对某些瞬变操作模式和范围而优化，且并未用于整个操作范围(例如，静止、部分负载、基本负载)和瞬变操作模式(例如，启动、加载、卸载和停机)。
[0004]在一些发动机中，冷空气和热空气根据操作条件被吹至定子构件，以对它们加热或对它们冷却，这例如从US 7329953中获知。
【发明内容】
[0005]本公开内容的一个方面在于提供一种涡轮机，其包括定子和布置成可在定子内旋转的转子以及至少一个电加热装置，电加热装置布置在至少一个定子部分的表面上以用于主动间隙控制。在此背景下，定子包括涡轮机的所有非旋转构件，特别是壳体，其通常包括内壳、外壳和连接壁、以及用于壳体的支承件和用于轴承的轴承支承件，该轴承保持转子。
[0006]主动间隙控制允许减小涡轮机的间隙，主要是旋转叶片与壳体之间的间隙，以及在静叶与转子之间的间隙。间隙可由主动间隙控制减小，以便增大涡轮机的效率和功率。
[0007]根据一个实施例，电加热装置布置在定子部分的腔中以加热流体，流体至少部分地围绕定子部分，且/或其中电加热装置利用直接机械接触而布置在定子部分上，以允许从电加热装置至定子部分的传导性热传递。可布置有加热装置的适合的腔例如为压缩机放气仓室或冷却空气分布仓室。
[0008]根据另一个实施例，电加热装置布置在冷却空气供应开孔中。例如，其可布置在定子的冷却空气供应开孔的表面上。
[0009]在另一个实施例中，布置有电加热装置的定子部分为涡轮机的内壳和/或外壳。
[0010]此外或作为备选，电加热装置布置在连接壁上，连接壁使内壳与外壳连接。
[0011]在又一个实施例中，电加热装置包括感应加热件。通常，感应加热件可布置在相应的定子部分的表面上，以将交变电磁场引入定子部分中且从而对定子部分感应加热。对于感应加热件，电磁体可布置在定子部分的表面上或上方。然后，定子部分可通过将涡流引入定子部分中而由电磁体加热。[0012]根据一个实施例，多个电加热装置布置成围绕涡轮机的壳体沿轴向方向和周向方向分布。不同的电加热装置被构造且连接到电源，使得不同的电加热装置可被独立地控制以控制涡轮机的周向方向和轴向方向上的加热强度。为了允许加热强度的独立控制，不同的电加热装置例如可独立地连接到电源。
[0013]根据一个实施例，涡轮机为燃气涡轮，且根据另一个实施例，涡轮机为蒸气涡轮。
[0014]除包括用于定子部分的电加热装置的涡轮机之外，利用电加热装置主动地控制涡轮机的间隙的方法也是本公开内容的目的。
[0015]根据用于操作包括定子和布置成可在定子内旋转的转子和布置在至少一个定子部分的表面上的至少一个电加热装置的涡轮机的方法的一个实施例，至少一个电加热装置被控制成加热至少一个定子部分，以用于控制转子到定子的间隙。
[0016]根据方法的另一个实施例，至少一个加热元件布置在壳体的上半部或下半部的位置处。加热元件被控制成加热布置有加热元件的壳体的区，以减小壳体的周向温度的不均一性。例如，如果温度测量结果指示壳体的上半部中的区具有低于下半部(例如，在相同的轴向位置处)中的对应的区的温度，则壳体的上半部的区中的加热元件可被促动来加热该区，直到它具有与下半部中的对应区的相同的温度。
[0017]例如，温度的不均一性可由冷却空气供应管线引起，其在一侧上进入壳体，或其不是围绕壳体相等地分布。例如，温度的不均一性还可由导致一侧上的壳体的更高热损失的受损的隔热件引起。
[0018]在另一个实施例中，至少一个电加热装置被控制成将沿轴向方向的涡轮机的壳体的温度轮廓保持在预定范围内。根据负载和操作条件(稳态或瞬变)，某一温度轮廓在燃气涡轮的轴向方向上被预计到。如果壳体的测量的温度轮廓在预计轮廓外，则壳体可局部地被加热来确立预计的温度轮廓。
[0019]根据方法的一个实施例，至少一个加热元件布置在壳体的下半部的位置处，且它用于在涡轮机停机和冷却期间加热壳体的下半部。它加热壳体的下半部来补偿由于从底部到顶部的对流热传递引起的上半部的温度相对于下半部的温度增大。通过加热下半部，由于上半部中的更高温度引起的所谓的挠曲可被减轻。
[0020]根据又一个实施例，至少一个加热元件布置成加热连接下半部壳体和上半部壳体的凸缘，以减小或避免壳体的椭圆化。凸缘通常至少部分地保持比壳体的圆形部分更冷。它因由凸缘表面引起的附加热损失而保持更冷，且特别是在涡轮机的加载(即，涡轮机的加热)期间因附加凸缘材料需要更多时间来被加热而保持更冷。
[0021]在另一个实施例中，至少一个加热元件布置在涡轮机的轴承支承件上。布置在轴承支承件上的至少一个电加热装置用于加热轴承支承件。加热被控制而使得转子保持相对于壳体而在中心对准。
[0022]通常，轴承支承件是绝热的。因此，其热膨胀至少部分地与壳体的热膨胀分离。如果壳体的膨胀不同于轴承支承件的膨胀，则这可导致转子的失准，且因此增大了涡轮机所需的冷间隙。该失准可通过加热轴承支承件来减轻。例如，如果壳体在操作期间加热，则轴承支承件被加热，使得轴承支承件的膨胀补偿热壳体的膨胀，且从而保持转子和壳体对准。
[0023]供应至电加热装置的功率的控制可根据不同的控制方案来执行。在一个示例中，加热根据进程来完成。在操作状态变化期间，涡轮机中的温度变化从测量和计算中获知。因此，从限定状态开始，例如，冷的涡轮机处于停机，典型的瞬变变化是已知的，且也知道特定定子部分最大限度地减小间隙所需的电加热为时间的函数。因此，用于电加热装置的热输入例如可用作为时间的函数的进程来给出。例如，加热进程可从限定的操作状态开始。加热进程通常从限定的稳态操作点如涡轮机的启动开始，或从稳态负载点开始。
[0024]加热还根据涡轮机的操作参数来执行，如，速度、功率、质量流或操作温度。例如，相关的质量流为入口质量流、排气质量流、燃料流或喷射的水或蒸汽的质量流用于增大功率或控制排放，以及冷却空气质量流。
[0025]加热还可用于基于温度测量来控制壳体的至少一个区段的温度。特定部分的温度可用于多次温度测量和温差或两者的组合。
[0026]此外，加热可利用叶片间隙传感器和/或静叶间隙传感器基于间隙的直接测量而被控制。
[0027]在涡轮机的停止期间，热可传递至流过机器的流体。例如，空气可由于烟囱抽力而流过燃气涡轮。此类流体流可引导燃气涡轮中的不利的温度分布。此外，如果发动机的部分保持较热以允许较好的重启，则该流体流可增大热损失，且因此可导致更高的加热需要。根据方法的一个实施例，涡轮机的入口和/或出口在涡轮机停止期间关闭以减小流体流。因此，涡轮机的实施例包括入口闸板和/或出口闸板来在涡轮机的入口或出口处关闭流体流路。
[0028]加热控制可限于某些操作状态，如，发动机的停止、冷却，例如，在小于5%的转速(相对于设计操作速度)下，或在运行到操作速度且加载期间，例如，在大于50%的转速下。控制可利用开环或闭环的控制器来执行。
[0029]以上燃气涡轮可为例如从EP0620363 BI或EP0718470 A2中获知的单个燃气涡轮或连续燃气涡轮。公开的方法和使用以及改造方法还可用于单个燃气涡轮或连续燃气涡轮。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]将借助于附图来在下文中更详细地描述本发明、其性质及其优点。参看附图:
图1示意性地示出了根据本发明的涡轮机的示例。这里，给出了燃气涡轮作为涡轮机的示例。
[0031]图2示意性地示出了布置在冷却空气供应开孔中的具有电加热的图1的涡轮壳体的细节II。
[0032]零件清单 10燃气涡轮
11压缩机入口气体 12压缩机 13第一燃烧室 14第一涡轮 15第二燃烧室 16第二涡轮 17排气壳体 18(第一涡轮的)静叶 19 (第二涡轮的)静叶 20叶片间隙传感器 21静叶间隙传感器 22内壳壁 23外壳壁 24第一焚烧器 25连续焚烧器 26压缩机仓室 27入口壳体 28转子
34烟道气体再循环(可选的)
35空气 36入口闸板 37燃料
38水/蒸汽喷射 39出口闸板
40用于连接壁的电加热装置
41用于内壳/静叶载体的电加热装置
42用于外壳的电加热装置
43冷却空气供应开孔中的电加热装置
44冷却空气供应开孔
45轴承支承件
46轴承支承件加热装置
47排出气体
49连接壁。
【具体实施方式】
[0033]相同的或功能上等同的元件在以下设有相同的标记。示例不构成本发明对此类布置的任何限制。
[0034]图1中示意性地示出了示例性布置。燃气涡轮10供有压缩机入口气体11。在燃气润轮10中，压缩机12后面是第一燃烧器,第一燃烧器包括第一焚烧器24和第一燃烧室
13。在第一焚烧器24中，燃料37被添加至压缩气体中，且混合物在第一燃烧室13中焚烧。热燃烧气体从第一燃烧室13供给到第一涡轮14中，第一涡轮14后面是第二燃烧器，第二燃烧器包括连续的焚烧器25 (也已知为第二焚烧器)和连续的燃烧室15 (也已知为第二燃烧室)。燃料37可在连续焚烧器35中添加至离开第一涡轮14的气体，且混合物在连续燃烧室15中焚烧。热燃烧气体从连续燃烧室15供给至第二涡轮16中。
[0035]蒸汽和/或水38可喷射到第一焚烧器和/或连续焚烧器用于控制排放和增大功率输出。[0036]燃气涡轮的定子包括壳体。壳体包括静叶载体或内壳壁22和外壳壁23。内壳壁22和外壳壁23可由连接壁49连接。此外，壳体包括入口壳体27和排气壳体17。
[0037]在图1的示例中，用于连接壁40的电加热装置置于若干连接壁49上，用于内壳41的加热装置置于内壳壁22 (也称为静叶载体)上，且用于外壳42的加热装置置于外壳壁23上。
[0038]在图1中所示的示例中，叶片间隙传感器20布置在面对压缩机12的旋转叶片的位置处与面对第一涡轮14和第二涡轮16的旋转叶片的位置处的内壳壁22上。静叶间隙传感器21布置在压缩机12中的静叶的末梢处，且在面对转子28的第一涡轮14和第二涡轮16的涡轮静叶18，19的末梢上。
[0039]转子28由轴承支承件45支承并保持就位。轴承支承件加热装置46布置在轴承支承件45上使得能够加热轴承支承件45。
[0040]排出气体47离开第二涡轮16。排出气体47通常在热回收蒸汽发生器中使用来生成蒸汽，以用于热电联合或用于联合循环(未示出)中的水蒸汽循环。
[0041 ] 可选的是，排出气体47的部分可在烟道气体循环34 (通常在热回收蒸汽发生器下游)中分支，且混合到入口空气35。通常，再循环34包括用于冷却再循环烟道气体的再冷却器。
[0042]此外,压缩机入口可由入口闸板36关闭，且涡轮出口可由出口闸板39关闭。
[0043]图2示意性地示出了图1的涡轮壳体的区段11-11。在第二涡轮16的该区中，示出了冷却空气供应开孔43。在该示例中，冷却空气供应开孔43中的电加热装置显示在冷却空气供应开孔44中。
【权利要求】
1.一种涡轮机(10)，包括定子(22，23，45，49)和布置成能够在所述定子(22，23，45，49)内旋转的转子(28)，其特征在于，至少一个电加热装置(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间隙控制。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(12)，其特征在于，所述电加热装置(40，41，42，43，46)布置在所述定子部分(22，23，45，49)的腔中，以加热流体，所述流体至少部分地围绕所述定子部分(22，23，45，49)，以及/或者所述电加热装置(40，41，42，43，46)利用直接机械接触而布置在所述定子部分(22，23，45，49)上，以允许从所述电加热装置(40，41，42，43，46)到所述定子部分(22，23，45，49)的传导性热传递。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述电加热装置(40，41，42，43，46)布置在所述定子(22，23，49)的冷却空气供应开孔中。
4.根据权利要求1至权利要求3中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，布置有所述电加热装置(41，42)的所述定子部分为所述涡轮机的内壳(22)和/或外壳(23)。
5.根据权利要求1至权利要求4中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述电加热装置(40)布置在使所述内壳(22)与所述外壳(23)连接的连接壁(49)上。
6.根据权利要求1至权利要求5中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述电加热装置(40，41，42，43，46)包括感应加热件。
7.根据权利要求1至权利要求6中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，多个电加热装置(40，41，42，46)布置成围绕所述涡轮机(12)的壳体(22，23，49)沿轴向方向和周向方向分布，以及不同的电加热装置被构造且连接到电源，使得不同的电加热装置能够被独立地控制，以控制所述涡轮机(12)的周向方向和轴向方向上的加热强度。
8.根据权利要求1至权利要求7中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，至少一个轴承支承电加热装置(46)布置在轴承支承件(45)上。
9.根据权利要求1至权利要求8中的一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述涡轮机(10)为燃气涡轮(10)或蒸气涡轮。
10.一种用于操作涡轮机(10)的方法，所述涡轮机(10)包括定子(22，23，45，49)和布置成能够在所述定子(22，23，49)内旋转的转子(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个电加热装置(40，41，42，43)， 其特征在于 所述至少一个电加热装置(40，41，42，43)被控制成加热所述定子(22，23，45，49)的至少一部分，以用于控制所述转子(28)与所述定子(22，23，45，49)之间的间隙。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，至少一个电加热装置(40，41，42，43)布置在所述壳体(22，23，49)的上半部或下半部上的位置处，以及至少一个电加热装置(40，41，42，43)被控制来加热布置有电加热装置(40，41，42，43)的所述壳体(22，23，49)的区，以减小所述壳体(22，23，49)中的周向温度不均一性。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个电加热装置(40，41，42，43)被控制成将沿轴向方向的所述涡轮机的壳体(22，23，49)的温度轮廓保持在预定范围内。
13.根据权利要求10至权利要求12中的一项所述的方法，其特征在于，至少一个电加热装置(40，41，42，43)布置在所述壳体(22，23，49)的下半部的位置处，且至少一个电加热装置(40，41，42，43)用于在所述涡轮机停机和冷却期间加热来补偿由于从底部到顶部的对流热传递引起的所述壳体(22，23，49)的上半部的温度相对于所述壳体(22，23，49)的下半部的温度的增大，以减轻挠曲， 以及/或者至少一个电加热装置(42)布置成加热连接所述下半部壳体和所述上半部壳体的凸缘，以减小或避免所述壳体(22，23，49)的椭圆化。
14.根据权利要求10至权利要求13中的一项所述的方法，其特征在于，布置在轴承支承件(45)上的至少一个轴承支承件电加热装置(46)用于通过所述轴承支承件(45)的受控加热来保持所述转子(28)相对于所述壳体(22，23，49)在中心对准。
15.根据权利要求10至权利要求14中的一项所述的方法，其特征在于，供应至所述至少一个电加热装置(40，41，42，43)的功率基于以下的一者: -根据进程来加热， -根据所述涡轮机(10)的操作参数如速度、功率、质量流或操作温度来加热， -基于温度测量来加热以控制所述壳体(22，23，49)的至少一个区段的温度， -利用叶片间隙传感器(20)和/或静叶间隙传感器(21)来直接测量所述间隙，且加热来控制所述测量的间隙， -在所述涡轮机(10)停止期间关闭所述涡轮机(10)的入口和/或出口，以在所述涡轮机(10)中减少流体流和到达所述流体的热传递。
【文档编号】F01D19/00GK103925012SQ201410011614
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2013年1月10日
【发明者】W.雷特, S.罗夫卡, G.卡塔迪, T.P.索梅 申请人:阿尔斯通技术有限公司