使用辅助发电机以有助于增强涡轮输出的系统和方法与流程

背景技术：

本发明的领域大体上涉及涡轮发动机，且更具体而言，涉及使用辅助发电机以有助于改善现有主发电机操作的系统和方法。

至少一些已知的涡轮发动机包括产生电能的发电机。在至少一些已知的涡轮内，改善发电机中的功率因数有助于改善涡轮性能。然而，在至少一些已知的涡轮发动机中，提高功率因素可引起超出现有发电机的能力。因此，升级涡轮的益处可受到发电机的限制。

为了适应涡轮升级，至少一些已知的涡轮组件可需要发电机重绕或新发电机的安装。然而，与大量的停用持续时间和/或新发电机相关的额外成本可使得翻新或替换发电机是过于昂贵的。此外，为了改善性能，其他涡轮组件包括与主发电机直列地联接的第二串联辅助/小型发电机。然而，围绕主发电机的实际空间可能不足以将辅助发电机与主发电机直列地联接。因此，包括辅助发电机的可能的性能益处可受到实际区域约束的限制。

技术实现要素：

在一方面中，提供了一种燃气涡轮发动机系统。该系统包括具有旋转元件的燃气涡轮发动机、联接于旋转元件的至少一个主转子轴、和联接于该至少一个主转子轴的主发电机。该系统还包括至少一个辅助转子轴，该至少一个辅助转子轴联接于该至少一个主转子轴，使得该至少一个主转子轴的旋转引起该至少一个辅助转子轴的旋转。该至少一个辅助转子轴与该至少一个主转子轴基本上垂直地定向。辅助发电机联接于至少一个辅助转子轴，使得辅助发电机相对于主发电机处于并联的构造。

在另一方面中，提供了一种发电机系统。该系统包括涡轮发动机组件，该涡轮发动机组件包括具有旋转元件的燃气涡轮发动机、和联接于该旋转元件的至少一个主转子轴。该系统还包括发电机组件，该发电机组件包括主发电机，该主发电机联接于该至少一个主转子轴。发电机组件还包括至少一个辅助转子轴，该至少一个辅助转子轴联接于该至少一个主转子轴，使得该至少一个主转子轴的旋转引起该至少一个辅助转子轴的旋转。该至少一个辅助转子轴与该至少一个主转子轴基本上垂直地定向。辅助发电机联接于该至少一个辅助转子轴，使得辅助发电机相对于主发电机处于并联的构造。此外，至少一个能量传输机构联接在该至少一个主转子轴和该至少一个辅助转子轴之间。

技术方案1：一种燃气涡轮发动机系统，其包括：

燃气涡轮发动机，其包括旋转元件；

至少一个主转子轴，其联接于所述旋转元件；

主发电机，其联接于所述至少一个主转子轴；

至少一个辅助转子轴，其联接于所述至少一个主转子轴，使得所述至少一个主转子轴的旋转引起所述至少一个辅助转子轴的旋转，其中，所述至少一个辅助转子轴与所述至少一个主转子轴基本上垂直地定向；和

辅助发电机，其联接于所述至少一个辅助转子轴，使得所述辅助发电机相对于所述主发电机处于并联的构造。

技术方案2：根据技术方案1所述的系统，其还包括：

至少第一能量传输机构，其联接在所述至少一个主转子轴和所述至少一个辅助转子轴之间。

技术方案3：根据技术方案2所述的系统，其还包括：

第二能量传输机构，其与所述第一能量传输机构相反地联接于所述至少一个辅助转子轴中的第一辅助转子轴的端部；和

所述至少一个辅助转子轴中的第二辅助转子轴，其联接于所述第二能量传输机构，使得所述第一和第二辅助转子轴基本上垂直地定向。

技术方案4：根据技术方案2所述的系统，其中，所述第一能量传输机构是机械齿轮箱。

技术方案5：根据技术方案4所述的系统，其中，所述机械齿轮箱是花键套筒轴。

技术方案6：根据技术方案4所述的系统，其中，所述机械齿轮箱包括伞齿轮和减速齿轮中的至少一者。

技术方案7：根据技术方案2所述的系统，其中，所述第一能量传输机构是液压齿轮箱。

技术方案8：根据技术方案1所述的系统，其中，所述至少一个辅助转子轴在所述旋转元件和所述主发电机之间。

技术方案9：根据技术方案1所述的系统，其中，所述主发电机在所述旋转元件和所述至少一个辅助转子轴之间。

技术方案10：根据技术方案1所述的系统，其中，所述旋转元件包括涡轮。

技术方案11：根据技术方案1所述的系统，其中，所述旋转元件包括压缩机。

技术方案12：一种发电机系统，其包括：

涡轮发动机组件，其包括：

燃气涡轮发动机，其包括旋转元件；

至少一个主转子轴，其联接于所述旋转元件；

发电机组件，其包括：

主发电机，其联接于所述至少一个主转子轴；

至少一个辅助转子轴，其联接于所述至少一个主转子轴，使得所述至少一个主转子轴的旋转引起所述至少一个辅助转子轴的旋转，其中，所述至少一个辅助转子轴与所述至少一个主转子轴基本上垂直地定向；

辅助发电机，其联接于所述至少一个辅助转子轴，使得所述辅助发电机相对于所述主发电机处于并联的构造；和

至少第一能量传输机构，其联接在所述至少一个主转子轴和所述至少一个辅助转子轴之间。

技术方案13：根据技术方案12所述的系统，其中，所述发电机组件还包括：

第二能量传输机构，其与所述第一能量传输机构相反地联接于所述至少一个辅助转子轴中的第一辅助转子轴的端部；和

所述至少一个辅助转子轴中的第二辅助转子轴，其联接于所述第二能量传输机构，使得所述第一和第二辅助转子轴基本上垂直地定向。

技术方案14：根据技术方案13所述的系统，其中，所述第一和第二能量传输机构是机械齿轮箱。

技术方案15：根据技术方案14所述的系统，其中，所述机械齿轮箱包括花键套筒轴、伞齿轮、和减速齿轮中的至少一者。

技术方案16：根据技术方案13所述的系统，其中，所述第一和第二能量传输机构是液压齿轮箱。

技术方案17：根据技术方案12所述的系统，其中，所述旋转元件包括涡轮。

技术方案18：根据技术方案17所述的系统，其中，所述第一能量传输机构在所述涡轮和所述主发电机之间。

技术方案19：根据技术方案12所述的系统，其中，所述旋转元件包括压缩机。

技术方案20：根据技术方案19所述的系统，其中，所述主发电机在所述压缩机和所述第一能量传输机构之间。

附图说明

图1是示范燃气涡轮系统的示意图；

图2是备选的燃气涡轮系统的示意图；

图3是第二备选燃气涡轮系统的示意图；且

图4是第三备选燃气涡轮系统的示意图。

部件列表

1燃气涡轮发动机系统

2燃气涡轮发动机系统

3燃气涡轮发动机系统

4燃气涡轮发动机系统

10涡轮发动机/燃气涡轮

12到压缩机中的空气流

14压缩机区段

16燃烧器区段

18涡轮区段

20排气区段

22转子组件

24压缩空气

26燃料

28燃烧气体

30主发电机

32辅助发电机

34能量传递机构

36辅助转子轴

38主转子轴

42第一辅助转子轴

44第二能量传递机构

46第二辅助转子轴

48旋转元件

50发电机系统

52发电机组件

54发电机组件

56发电机组件。

具体实施方式

除非另外指示，否则近似语言，诸如“大体上”、“基本上”、和“大约”当在本文中使用时指示被如此修饰的用语可适用于仅近似的程度，如本领域技术人员将认识到的，而非绝对的或完全的程度。此外，除非另外指示，否则用语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，且不意图对这些用语所指的物品强加顺序、位置、或分等级的要求。而且，例如对“第二”物品的提及不需要或者排除例如“第一”或更低数字的物品或“第三”或更高数字的物品的存在。

图1是示范燃气涡轮系统1的示意图。在该示范实施例中，燃气涡轮系统1包括涡轮发动机10。更具体而言，在示范实施例中，涡轮发动机10是燃气涡轮，该燃气涡轮包括压缩机区段14、联接在压缩机区段14下游的燃烧器区段16、联接在燃烧器区段16下游的涡轮区段18、和联接在涡轮区段18下游的排气区段20。

在示范实施例中，涡轮区段18通过转子组件22联接于压缩机区段14。应当注意的是，当在本文中使用时，用语“联接”不限于构件之间的直接的机械、电气、和/或通信连接，而是还可包括在多个构件之间的间接的机械、电气、和/或通信连接。

在燃气涡轮10的操作期间，压缩机区段14接收空气流12。压缩机区段14转换来自转子组件22的机械旋转能，以将空气流12压缩至更高的压力和温度。压缩机区段14将压缩空气24流排出至燃烧器区段16。在燃烧器区段16中，压缩空气24与燃料26流混合且被点燃，以生成燃烧气体28，燃烧气体28被朝涡轮区段18引导。涡轮区段18将来自燃烧气体28的热能转换为转子组件22的机械旋转能。在示范实施例中，涡轮18是旋转元件48。转子组件22经由至少一个主转子轴38联接于负载，诸如但不限于，主发电机30和/或机械驱动应用(未示出)。

在示范实施例中，主转子轴38联接于辅助转子轴36，使得主转子轴38的旋转引起辅助转子轴36的旋转。在示范实施例中，主转子轴38和辅助转子轴36基本上垂直于彼此地定向。虽然辅助转子轴36例示为基本上垂直于主转子轴38，但在备选的实施例中，主转子轴38和辅助转子轴36可以以允许如本文中描述的机械旋转能的传递的任何合适的角度相对于彼此定向。在示范实施例中，辅助/小型发电机32联接于辅助转子轴36，使得辅助发电机32相对于主发电机30处于并联的构造。应当注意的是，当在本文中使用时，用语“并联的构造”不限于几何关系，而是还可包括不沿单个路径连接的多个构件，诸如发电机。

在示范实施例中，主转子轴38通过能量传输机构34联接于辅助转子轴36。更具体而言，在示范实施例中，至少第一能量传输机构34联接在主转子轴38和辅助转子轴36之间。能量传输机构34允许旋转能从主转子轴38至辅助转子轴36的部分或完全的传递。例如，未由主发电机30实现的来自燃气发动机涡轮10的输出由辅助发电机32通过利用辅助转子轴36的机械旋转能的传递来实现。在示范实施例中，能量传输机构34是机械齿轮箱，诸如但不限于，液压离合组件、花键套筒轴、伞齿轮、和减速齿轮。在备选的实施例中，能量传输机构34可包括不同传输机构，诸如但不限于液压齿轮箱。

在示范实施例中，辅助转子轴36在涡轮18和主发电机30之间。而且在示范实施例中，能量传输机构34在涡轮18和主发电机30之间。虽然辅助转子轴36和能量传输机构34二者例示为在燃气涡轮发动机10的涡轮18侧，但在备选的实施例中，辅助转子轴36和能量传输机构34二者可位于燃气涡轮发动机10的压缩机14侧，如在下面关于图4更详细地描述的。

在示范实施例中，辅助转子轴36的附接包括修改主转子轴38和并入能量传输机构34。例如，在一个实施例中，现有的主转子轴38分裂，以允许引入能量传输机构34和辅助转子轴36。备选地，主转子轴38制造为替换部件，以用于引入能量传输机构34。

在示范实施例中还例示发电机系统50大体上包括燃气涡轮发动机10、旋转元件48和联接于旋转元件48的主转子轴38。发电机组件52包括联接于主转子轴38的主发电机30、联接于主转子轴38的辅助转子轴36、联接于辅助转子轴36的辅助发电机32，和能量传输机构34。

在示范实施例中，组装燃气涡轮发动机系统1的方法包括提供具有旋转元件48的燃气涡轮发动机10。将主转子轴38联接于旋转元件48且将主发电机30联接于主转子轴38。将辅助转子轴36联接于主转子轴38，使得主转子轴38的旋转引起辅助转子轴36的旋转，且辅助轴36与主转子轴38基本上垂直地定向。将辅助发电机32联接于辅助转子轴36，使得辅助发电机32与主发电机30处于并联的构造。该方法还包括通过能量传输机构34将辅助转子轴36联接于主转子轴38。此外，辅助转子轴36或者如图1中例示的那样在涡轮18和主发电机30之间联接于主转子轴38，或者使得主发电机30如在下面关于图3更详细地描述的那样在涡轮18和辅助转子轴36之间。

图2是备选的燃气涡轮系统2的示意图。如在上面参照图1描述的那样且具有共同的构件，涡轮发动机10联接于主发电机30。此外，在图2的示范实施例中，第一辅助转子轴42利用第一能量传输机构34联接于主转子轴38。第二能量传输机构44与第一能量传输机构34相反地联接于第一辅助转子轴42的端部。第二辅助转子轴46联接于第二能量传输机构44，使得第一和第二辅助转子轴42、46与彼此基本上垂直地定向。辅助发电机32与第二能量传输机构44相反地联接于第二辅助转子轴46。虽然第一辅助转子轴42例示为基本上垂直于第二辅助转子轴46，但在备选的实施例中，第一辅助转子轴42和第二辅助转子轴46可以以允许如本文中描述的机械旋转能的传递的任何合适的角度相对于彼此定向。在示范实施例中，辅助发电机32联接于第一和第二辅助转子轴42、46，使得辅助发电机32相对于主发电机30处于并联的构造。

在示范实施例中，第二能量传输机构44与第一能量传输机构34相反地联接于至少一个辅助转子轴36中的第一辅助转子轴42的端部。至少一个辅助转子轴36中的第二辅助转子轴46联接于第二能量传输机构44，使得第一和第二辅助转子轴42、46二者基本上垂直于彼此地定向。用于组装燃气涡轮发动机系统2的方法包括，将第二能量传输机构44与第一能量传输机构34相反地联接于至少一个辅助转子轴36中的第一辅助转子轴42的端部。而且，将至少一个辅助转子轴36中的第二辅助转子轴46联接于第二能量传输机构44，使得第一和第二辅助转子轴42、46二者基本上垂直于彼此地定向。

在示范实施例中，辅助转子轴36包括第一辅助转子轴42和第二辅助转子轴46，它们联接在一起且如本文中所描述的那样将机械旋转能从主转子轴38通过至少一个辅助转子轴36传递，且传递到辅助发电机32中。此外，第一和第二能量传输机构34、44导致从与其连接的各轴部件的机械旋转能的部分或完全传递。在示范实施例中，第一和第二能量传输机构34、44二者是机械齿轮箱，诸如但不限于，液压离合组件、花键套筒轴、伞齿轮、和减速齿轮。在备选的实施例中，第一和第二能量传输机构34、44二者可包括不同的传输机构，诸如但不限于液压齿轮箱。而且在备选的实施例中，各能量传输机构可为相似类型的能量传输机构，或者可为不同类型的能量传输机构。

在示范实施例中，第一辅助转子轴42在涡轮18和主发电机30之间。而且在例示性实施例中，第一能量传输机构34在涡轮18和主发电机30之间。虽然第一辅助转子轴42和第一能量传输机构34二者例示为在燃气涡轮发动机10的涡轮18侧，但在备选的实施例中，第一辅助转子轴42和第一能量传输机构34二者可位于燃气涡轮发动机10的压缩机14侧，如在下面关于图4更详细地描述的那样。

此外，在示范实施例中例示出，发电机系统50大体上包括燃气涡轮发动机10、旋转元件48、和主转子轴38，主转子轴38如在上面参照图1描述的那样联接于旋转元件48。发电机组件54包括联接于主转子轴38的第一和第二辅助转子轴42、46，和联接于第一和第二辅助转子轴42、46的辅助发电机32。第一能量传输机构34联接在主转子轴38和第一辅助转子轴42之间。发电机组件54还包括第二能量传输机构44和第二辅助转子轴46，第二能量传输机构44与第一能量传输机构34相反地联接于第一辅助转子轴42，第二辅助转子轴46联接于第二能量传输机构44。

图3是第二备选的燃气涡轮系统3的示意图。如在上面参照图1描述的那样且具有共同的构件，涡轮发动机10联接于主发电机30。此外，在图3的示范实施例中，第一辅助转子轴42联接于主转子轴38。能量传输机构34与主发电机30相反地联接于第一辅助转子轴42的端部。第二辅助转子轴46联接于能量传输机构34，使得第一和第二辅助转子轴42、46基本上垂直于彼此地定向。辅助发电机32与能量传输机构34相反地联接于第二辅助转子轴46。虽然第一辅助转子轴42例示为基本上垂直于第二辅助转子轴46，但在备选的实施例中，第一辅助转子轴42和第二辅助转子轴46可以以允许如本文中描述的机械旋转能的传递的任何合适的角度相对于彼此定向。在示范实施例中，辅助发电机32联接于第一和第二辅助转子轴42、46，使得辅助发电机32相对于主发电机30处于并联的构造。

在示范实施例中，主发电机30在涡轮18和第一辅助转子轴42之间。而且在示范实施例中，主发电机30在涡轮18和能量传输机构34之间。虽然第一辅助转子轴42和能量传输机构34二者例示为在燃气涡轮发动机10的涡轮18侧，但在备选的实施例中，第一辅助转子轴42和能量传输机构34二者可位于燃气涡轮发动机10的压缩机14侧，如在下面关于图4更详细地描述的那样。

此外，在示范实施例中例示，发电机系统50大体上包括燃气涡轮发动机10、旋转元件48、和主转子轴38，主转子轴38如在上面参照图1描述的那样联接于旋转元件48。发电机组件56包括联接于主转子轴38的第一和第二辅助转子轴42、46，和联接于第一和第二辅助转子轴42、46的辅助发电机32。第一能量传输机构34联接在第一辅助转子轴42和第二辅助转子轴46之间。

图4是第三备选燃气涡轮系统4的示意图。如在上面参照图1描述的那样且具有共同的构件，涡轮发动机10联接于主发电机30。然而，在示范实施例中，主发电机30、主转子轴38、能量传输机构34、辅助发电机32、和辅助转子轴36位于燃气涡轮发动机10的压缩机14侧。在示范实施例中，压缩机14是旋转元件48。

此外，在示范实施例中例示，发电机系统50大体上包括燃气涡轮发动机10、旋转元件48、和主转子轴38，主转子轴38如在上面参照图1描述的那样联接于旋转元件48。发电机组件52包括联接于主转子轴38的主发电机30、联接于主转子轴38的辅助转子轴36、联接于辅助转子轴36的辅助发电机32，和也如在上面参照图1描述的能量传输机构34。

燃气涡轮发动机系统和发电机系统的示范实施例包括如在上面详细描述的处于并联构造的辅助转子轴、能量传输机构、和辅助发电机。此外，在上面详细地描述了组装具有处于并联构造的辅助发电机的燃气涡轮系统的方法。示范实施例在实现来自涡轮发动机的机械输出方面提供优点。不需要用于涡轮和发电机的大量停用持续时间，从而降低成本。也不需要翻新或替换发电机，从而降低成本。示范实施例消除了使涡轮和/或主发电机中的任一者移位的需要，从而降低成本和停机时间。提供处于并联构造的辅助发电机有助于改善现有的主发电机的操作。因此，升级涡轮的益处不受到主发电机的限制。

在本文中描述的方法和系统不限于在本文中描述的特定实施例。例如，各系统的构件和/或各方法的步骤可与在本文中描述的其他构件和/或步骤独立地且分开地使用和/或实施。此外，各构件和/或步骤也可与其他组件和方法一起使用和/或实施。

尽管已经就各种具体实施例描述了本公开，但本领域技术人员将认识到，本公开可在权利要求的精神和范畴内在具有修改的情况下实施。尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些图中示出且不在其他图中示出，但这仅是为了便利。而且，在上面的描述中对“一个实施例”的提及不意图被解释为排除存在也包括所引用的特征的额外实施例。根据本公开的原理，图的任何特征可与任何其他图的任何特征结合地被参照和/或要求保护。