熄火之后操作涡轮发动机的方法
【专利摘要】本发明涉及一种使涡轮发动机(1)的涡轮转子(12)减速的方法，其中至少一个电动机(30)与涡轮转子(12)接合，其中制动系统(40)，优选为启动系统，与至少一个电动机(30)，优选为涡轮发动机(1)的发电机接合，以便使用至少一个电动机(30)来将负(制动)转矩施加在涡轮转子(12)上。该方法的特征在于，在熄火之后，制动系统(40)用于在熄火之后借助于至少一个电动机(30)来消耗涡轮发动机(1)中可用的动能。
【专利说明】熄火之后操作涡轮发动机的方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及涡轮系统或发动机，具体地涉及用于在燃料流中断之后(即，熄火之后)优化涡轮转子减速的方法，特别是以便减小总体减速时间和涡轮系统或发动机上的机械和热机械应力。
【背景技术】
[0002]涡轮停机程序为重要的，并且为有规则地执行的过程，其必须安全地并且以受控且可靠的方式执行。在发动机减慢期间，涡轮并未生产性地工作；出于技术和经济原因，应当保持所得的死时间最少。
[0003]US2010/0275608 Al提供了一种用于关闭燃气涡轮发动机系统的方法，该方法包括以下步骤:减少至燃烧器的燃料流、使发电机的操作反向以便将转矩施加于转子，以及增大转子的减速以便限制空气流入燃气涡轮发动机系统中。出于该特定目的，大体上设在涡轮系统中用于将旋转部分加速至焚烧速度的启动系统旨在使发电机的操作反向，以便将负转矩施加于转子，同时在停机程序期间减少燃料流。
[0004]然而，最后在一定时间内逐渐地减少燃料流之后，燃料流可完全中断(熄火)，并且在停机计划中的一些点处，发电机可与电网分离(发电机断路器和/或高压断路器可断开)。因此，发动机自由地自旋并且通过轴承摩擦、涡轮叶片和转子上的空气动力以及通过发电机中的通风和电损失而缓慢地减速。重要的是，在熄火之后(即，在燃料流中断之后)，仍存在储存于涡轮发动机中的大量动(即，旋转)能(例如，在大型燃气涡轮的情况下高达几千瓦小时)。此外，在熄火之后，大型工业燃气涡轮的减慢过程可持续大约另外30分钟，直到最终达到涡轮转子的目标速度(例如，转动齿轮速度)或静止。该最后步骤(即，熄火之后的自由自旋发动机的动能的减小)所需的时间显著地增加涡轮发动机的总体死时间。
[0005]存在与涡轮发动机的减慢程序相关联的若干不利争议或问题，其中的一些将在下面提出:
1.涡轮在减慢过程期间不可立即重启。
[0006]i1.在减慢期间，涡轮或发电机的翼型件或其它部分将穿过它们的共振频率，并且将在高数量的停机之后累积负载循环，而有可能损坏。
[0007]ii1.涡轮将在减慢时间期间通过发动机中的空气流来冷却。因此，在转子具有等于或小于相应的焚烧速度的旋转速度之后的随后(立即)重启的情况下，涡轮发动机上的相当大的热机械应力出现。
[0008]iv.在减慢期间，外壳和导叶载体相比于涡轮转子冷却更快(相比之下，后者具有较大的材料厚度，并且因此以较低的速率冷却)。这导致导叶载体相比于转子的更强的收缩，以及旋转部分与静止部分之间的间隙的减小。在一些情况下，观察到了由于〃不利〃间隙(即，太小的间隙)而引起的转子的阻挡。因此，鉴于最小冷建造间隙，零件间隙大体上必须设定成比期望的更大，以便适应这些热瞬变；自然地，这以发动机的总体性能为代价。
[0009]V.在黑色减慢(即，没有来自电网的供应可用)期间，发动机消费典型地由电池(或大体上由电池元件)供应的辅助功率。这些电池元件对涡轮发动机具有相当大的成本影响。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的在于提供一种用于在熄火之后的涡轮发动机的减少的减慢时间内使涡轮发动机的旋转部分减速的方法。又一个目的在于减少在减慢期间出现的涡轮发动机上的总体负载，特别是振动负载。
[0011]通过本发明，实现了这些目的，并且减少(如果并未解决)了上文提到的问题，本发明提供了一种使涡轮发动机的涡轮转子(或大体上是涡轮发动机的旋转部分)减速的方法，其中至少一个电动机与涡轮转子(或旋转部分)接合，其中制动系统与至少一个电动机(即，电动机由制动系统控制)接合，以便使用至少一个电动机来将负转矩施加在涡轮转子(或旋转部分)上，该方法的特征在于，在熄火之后，制动系统用于借助于至少一个发电机来在熄火之后消耗涡轮发动机中可用的动能。
[0012]在下文中，如果旋转部分的背景中的公开内容涉及涡轮转子，则这意味着任何旋转部分(例如，还有蒸汽涡轮的转子)可以可选地作为独立部分或与涡轮转子连接而受制于所述公开内容。作为优选，电动机为发电机，发电机优选提供用于在涡轮发动机的正常操作期间向高压网络供应功率，其中制动系统用于借助于发电机将动能转换成电能。多功能设计允许了生产成本的降低，以及更紧凑的涡轮发动机。
[0013]作为优选，制动系统由启动系统提供，后者旨在使涡轮转子加快至焚烧速度，如从现有技术水平中已知的。在该上下文中，如果公开内容涉及启动系统，则只要适合，其还可以以更普遍的方式涉及制动系统。
[0014]因此，作为优选，提供用于向高压网络供应功率的发电机与涡轮转子接合，其中启动系统与发电机接合，以便将发电机用作发生器(并且以便将负转矩施加在转子上)，或作为启动装置(以便将正转矩施加在涡轮转子上)，其中在熄火之后的停机计划中，启动系统可用于借助于发电机来消耗涡轮发动机中可用的动能，其中启动系统用于将熄火之后在涡轮发动机中可用的动能借助于发电机转换成电(制动)能。
[0015]大体上，特别是在燃气涡轮的操作的情况下，根据本发明的方法在于使用启动系统来用于轴系减速，优选在每当发电机未连接于电网，即，发电机断路器断开时。
[0016]典型的涡轮发动机为大型工业燃气涡轮,其具有例如大约50兆瓦至大约300兆瓦的功率额定值，对于该典型的涡轮发动机而言，可有利地使用在停机期间用于轴系(或涡轮转子)的减速的静止启动装置(即，启动系统)的用途。然而，预计的是，任何类似的涡轮发动机和其操作可以以大体方式受益于根据本发明的操作。
[0017]在其涉及涡轮发动机的动能的情况下，这意味着所有旋转部分(例如，涡轮的旋转轴系，即，涡轮转子，或在多轴涡轮的情况下的若干涡轮转子)的动能，包括相应的发电机的转子和/或蒸汽涡轮转子(如果有的话)的动能。
[0018]可用作制动系统的启动系统或静止启动装置一方面按惯例用于通过以大体上已知的方式使发电机的操作反向来使涡轮转子加速至焚烧速度；因此操作反向的发电机作用为驱动涡轮转子的马达；其将马达驱动转矩施加在转子上，因此转子速度加快。换言之，发电机以反向模式将正转矩施加在转子上，即，加速转子来获得预定方向上的转速的转矩，这对于涡轮是特有的。
[0019]另一方面，启动系统可用于通过将负转矩或制动转矩借助于发电机施加在转子上来用于生产制动；该制动转矩大体上增大了涡轮转子的减速速率。然而，只有在期望涡轮转子速度的减速的情况下，生产制动才优选为活动的。因此，生产制动优选为例如在加速期间受阻，以便避免例如在辅助母线(见下文)上引起的大功率波动。
[0020]在生产制动期间，启动系统可借助于发电机将预先限定的负转矩或力施加在涡轮转子上，其中负转矩优选取决于涡轮转子的转速施加，即，其在减速过程中根据特别涡轮发动机和启动系统特有的预先限定的模式变化。
[0021]由于没有对动能损失的补偿，故负转矩自然导致自由地自旋的涡轮转子的减速。负(制动)转矩例如可高达正(马达驱动)转矩的70%到90%。有利的是使用涡轮发动机的嵌入式发电机，然而还可以的是附加电动机可为了制动目的提供，即，为了使转子移动减速。
[0022]作为优选，制动系统和/或启动系统或静止启动装置在四象限操作中操作，其中使用了两个象限(一个马达驱动象限和一个制动象限)，因为将大体上避免机器在涡轮中处于零速度之后的轴的负旋转。马达驱动象限将理解为其中转速增大的转矩对转速图中的象限；在制动象限中，转速降低。
[0023]如上文所述，自由地自旋的涡轮转子由于多个效果而在相当低的速率下减速，但具有由启动(或制动)系统(例如，对于大型燃气涡轮，启动系统经由发电机施加大约I到10兆瓦的制动功率)施加的附加制动功率，涡轮轴旋转的减速速率较强地提高，这有效地将从熄火时的转速到静止的减速时间减小相当大的因数。在典型的工业燃气涡轮如Alstom的GT13E2的情况下，该因数可为大约3左右(从没有生产制动的大约30分钟的减速时间到具有生产制动的大约10分钟，见下文)。
[0024]作为优选，启动系统为已经常用的系统(或已经嵌入现有的装置中)。已知的是使用用于旋转部分的加速到点火或焚烧速度的静止启动装置，因此启动装置可分离，或作为备选，可用于在涡轮发动机的正常操作期间向中压网络供应来自由发电机生成的功率的辅助功率。
[0025]因此，中压电网可满足涡轮发动机的辅助装置(例如，润滑油泵、封壳通风等)的辅助服务的电功率需求。
[0026]为了进一步优化涡轮发动机的旋转部分(诸如，涡轮和蒸汽涡轮(如果有的话)的涡轮转子)的减速，施加在涡轮转子上的负转矩在涡轮转子减速期间取决于至少一个关键参数变化，该至少一个关键参数选自由以下构成的组:涡轮转子的转速、连接于涡轮发动机或由涡轮发动机包括的元件或元件组上的振动负载、制动系统的状态(具体是其温度)、电动机的状态、连接于发电机的网络(例如，高压电网或中压电网)的状态，或可由本发明所属领域的技术人员限定的其它关键参数。
[0027]当然，还可以使用两个或更多个关键参数，以便改变通过制动系统施加在旋转部分上的制动转矩。实例将为制动系统可在峰值负载(即，施加最大负转矩)下工作，而振动负载较高(例如，在连接于涡轮发动机或由涡轮发动机包括的元件或元件组的振动共振发生期间)，但如果制动系统处于由于峰值负载操作而引起的严重过热损坏的风险，则负转矩应减小，而不管强振动。所以，在该情况下，第一关键参数可为振动负载，而第二关键参数为制动系统的实际状态(比方说温度)。由于振动负载可直接地连接旋转部分的转速，故备选的第一关键参数将为所述转速(见下文的进一步阐释)。本领域的技术人员知道利用取决于特定涡轮发动机设计的各种关键参数计划和使用解决方案。
[0028]通常已知的问题在于，在加速和/或减速期间，涡轮发动机遭受增大的振动负载，同时旋转部分的转速运行穿过连接于涡轮发动机或由涡轮发动机包括的单个元件(例如，涡轮转子)或元件组的振动共振或共振带。在下文中，用语"共振"可读作相应的元件或元件组的扭转振动或弯曲振动。在一些情况中，该现象例如是在整个发动机开始振动一段时间同时转速变化时对于操作者可听见。元件或元件组的共振或共振带(或振动幅度对转速的对应分布)可对于操作者根据经验已知，并且/或者可利用有限元软件计算，并且图解地显现为坎贝尔图。这些共振根据转子的转速而在总体转速范围(即，从熄火时的转速降至零速度的转速范围)中自然出现；振动共振或共振带将在此处理解为在有限速度范围(共振速度范围)内出现的共振。还可存在涡轮发动机的总速度范围中的若干不同的共振速度范围，例如，由于出现在总速度范围中的若干共振而引起。振动共振可关于涡轮发动机I的单个元件(例如，涡轮转子或定子、轴承，...)出现或者连接于涡轮发动机(例如，涡轮壳体、控制单元..)，或者它们可关于此类元件的组出现。对于此类元件或对于此类元件组，若干不同振动共振可在总速度范围中出现。总共振频谱取决于涡轮发动机和连接于其的部分。
[0029]涡轮转子的转速可用作所述关键参数。至少一个临界转速范围可设在熄火之后的涡轮转子的总转速范围内，其中至少一个临界转速范围(增大)振动负载优选由于连接于涡轮发动机或由涡轮发动机包括的元件或元件组的共振频率的激励而发生。如果涡轮转子的转速位于临界转速范围内(并且制动系统处于提高性能的状态中)，则可使用制动系统，以便将施加于涡轮转子的负转矩(即，用以增大减速速率)从第一水平增大至第二水平。如果在第一水平(负载)下操作，则制动系统可在其峰值负载以下操作。如果在高于第一水平(负载)的第二水平(负载)下操作，则制动系统可在相比于第一水平操作更高的负载下工作。第二水平的负载下的制动系统的负载可优选为制动系统的峰值负载。
[0030]作为优选，设定在临界转速上限与临界转速下限之间的临界转速范围位于共振速度范围中的一个内或与其重叠。在临界转速范围中，由于涡轮发动机的元件或元件组的固有频率或共振频率的激励而出现非合乎需要的振动负载。
[0031]可以具有两个或更多个临界转速范围，其设在涡轮转子的总转速范围中，并且/或者其中，在穿过临界转速范围的涡轮转子的减速期间至少暂时地，负转矩施加于涡轮转子，以使制动系统在峰值负载操作中操作，因此，在所述峰值负载操作之后，并且优选在穿过不是临界转速范围的转速范围的减速期间，制动系统与低于其峰值负载的负载一起使用(以便缓解或恢复)。如果存在若干临界转速范围，其设在总速度范围中，则它们中的选定可至少部分地彼此重叠，或者它们可与彼此分开。
[0032]振幅对转速(即，共振带(或缩短共振))可通过高斯分布来估计。接着，临界转速上限可设定在振幅为例如最大振幅的大约5%到20%,优选大约10%的转速处，其中最大振幅在低于临界转速上限的转速下出现。临界转速下限可设定在振幅为例如最大振幅的大约5%到20%，优选大约10%的转速处，其中最大振幅在高于临界转速下限的转速下出现。
[0033]在减速速率接着将最大化时,优选的是使制动系统尽可能长地在峰值负载下工作，并且优选在总体共振速度范围内。然而，制动系统可设计成使得峰值负载操作可仅在减速过程期间暂时可能。这大体上允许了制动系统的较廉价且较小的设计。因此，制动系统的峰值负载操作可不适于永久操作(启动系统过载的风险)，并且使得在负载必须显著减小的情况下需要冷却时段。换言之，制动系统或用作制动系统的启动系统可在减速时间期间以峰值负载运行有限量的时间，并且接着必须在短于熄火之后的总体减速时间的时间内恢复，这取决于远离过热装置的实际传热和其它参数。在一些情况中，在具有有限能力的已经嵌入的启动系统可用于活动制动时，该部分时间峰值负载操作可为必要的。
[0034]可以将多个不重叠的临界转速范围设定在各个共振速度范围内。在这些不重叠的临界转速范围之间，启动系统可缓解，以便不遭受可能的过载损坏。如果共振速度范围足够窄，则整个范围可由峰值负载操作覆盖。这将为有益的，因为接着启动系统可缓解，同时发动机在非临界速度范围中自旋。
[0035]本领域的技术人员知道识别特定涡轮发动机的共振速度范围，并且还知道取决于选择的启动系统和实际涡轮发动机的性能来将临界转速范围设定在这些共振速度范围内。
[0036]理想的是，在整个减慢(最小振动、最小减慢时间)期间，启动系统在峰值负载下工作。在这出于技术或经济或其它原因而不可能的情况下，启动系统可在减慢时间的一部分期间在峰值负载下工作，优选在共振速度范围中，以便使用启动系统的最高性能，同时有效地最小化发动机上的振动负载。不必要的是，所有共振速度范围都设有临界转速范围，然而有益的是具有共振速度范围中的最大减速，以便减小涡轮发动机上的总体振动负载，同时借助于启动系统通过活动生产制动来缩短减慢时间。
[0037]因此，启动系统在涡轮转子减速期间使用，以便在涡轮转子的转速小于或等于临界转速上限时，施加于涡轮转子的负转矩增大，优选直到启动系统达到峰值负载，从而增大临界转速范围中(即，共振速度范围中)的减速速率。因此，当涡轮转子的转速减小，优选等于或小于其穿过的临界转速范围的临界转速下限时，负转矩再次减小(以便允许启动系统缓解)。借助于该程序，减小了通过振动对涡轮发动机的总体负载。临界转速范围的延伸和其在总速度范围中的位置取决于实际涡轮发动机设计和使用。根据模型计算和/或经验值，常见涡轮发动机的典型共振速度范围被本领域的技术人员知道，并且临界速度范围由本领域的技术人员设定。
[0038]优选的是，两个或更多个非重叠的临界转速范围设在涡轮转子的总转速范围中，并且/或者其中，在涡轮转子穿过临界转速范围的减速期间至少暂时地，启动系统在峰值负载操作中使用，因此在所述峰值负载操作之后，并且优选在穿过不是临界转速范围的转速范围的减速期间，启动系统与低于其峰值负载的负载一起使用，以便防止启动系统的损坏负载。
[0039]取决于实际涡轮发动机，其可为旋转部分中可用的足够动能，以使由发电机生成的电(制动)能量可给送到高压网络中，同时发电机输出满足高压网络供应的需要(例如，在涡轮转子的转速高于第一转速，典型地为高于2000rpm的转速时)。
[0040]如果发电机输出并未满足高压网络要求(例如，一旦涡轮转子转速降到低于该第一转速)，则高压断路器可断开，以便使发电机与高压电网分离。在停机计划中的该点处，仍存在储存在涡轮能量中的动能(在旋转部分诸如涡轮转子、发电机转子、蒸汽涡轮转子或其它部分中，取决于发动机构造)，因此由于活动制动而引起的发电机输出可进一步用于其它目的。
[0041]如果发电机输出满足中压网络供应的要求，则电制动能量可大体上给送到中压网络中(例如，至少直到转子达到第二转速，第二转速低于第一转速，典型地高于1500rpm)。
[0042]生产制动期间产生的功率中的一些可给送到中压网络中，同时生产制动功率还供应至高压电网，或在发电机输出并不满足高压网络供应的要求之后，例如，一旦涡轮转子的转速等于或低于所述第一转速。
[0043]大体上，本发明的有利方面在于熄火之后的涡轮发动机中储存的动能可至少部分地恢复，这改进了发动机的总体性能，并且具有各种生态和机器设计相关的益处。
[0044]在黑色减慢(即，没有来自电网的供应可用)期间，发动机消费由电池供应的辅助功率。这些电池对发电厂具有相当大的成本影响。必须负担涡轮发动机的辅助功率消耗物的功率需要，该辅助功率消耗物选自由润滑油泵、封壳通风、冷却水泵、露点加热器、跟踪加热器等构成的组。
[0045]电制动能量可优选经由中压网络给送到外部负载组(或其若干个)中、电池元件中，和/或涡轮发动机的至少一个辅助功率消耗物中，以便消耗电制动能量的至少一部分，其中电制动能量优选分别通过再充电池元件和/或通过至少部分地负担至少一个辅助功率消耗物的辅助功率需要来消耗。
[0046]电池元件典型地为串联连接的铅酸电池单元。负载组典型地为将电功率消耗成热的电阻器。
[0047]在黑色安全下滑期间，可使用静止启动装置或启动系统，以至少部分地供应辅助功率消耗(润滑油泵、封壳通风等)。这允许缩小紧急电源或电池系统的大小。
[0048]电制动能量可给送到外部负载组中，电池元件中，或至少一个辅助功率消耗物中，同时发电机输出满足中压电网的要求。
[0049]最后，例如，当转速在根据本发明的减速期间降到所述第二转速以下时，发电机输出可降到系统特定值以下，这还需要使发电机与中压网络断开。从减慢计划中的该点起，负载组可在转子减速至静止期间消耗另外的发电机输出。本领域的技术人员知道确定相关涡轮发动机特定阈值。根据本发明的方法适于单轴涡轮发动机，其中消耗来自燃气涡轮和对应的蒸汽涡轮(如果有的话)的涡轮转子和/或发电机转子的在涡轮发动机中可用的动倉泛。
[0050]该方法还适于双轴涡轮发动机，其中根据本发明消耗来自涡轮转子和对应的蒸汽涡轮(如果有的话)两者的在涡轮发动机中可用的动能。
[0051]如果在涡轮发动机启动失败之后，涡轮转子必须减速至点火速度并且涡轮发动机此后并且尽可能快地重启，则该方法特别适合。
[0052]由于可解决或减轻之前提到的争议和/或问题中的许多个，故使用根据本发明的方法来使工业燃气涡轮发动机或另一涡轮发动机停机或将涡轮转子减速或制动至焚烧速度(例如，针对重启)是有利的。更具体而言，根据本发明的方法至少允许:
1.在自由地自旋的(多个)转子中储存的动能可积极地且较快地消耗时，涡轮发动机更快地减慢。据估计，在典型工业燃气涡轮(例如，Alstom的GT13E2涡轮，其具有大约150到170兆瓦的额定功率)中，大约0.5兆瓦小时的动能可用。对应的涡轮转子可需要大约30分钟来减速至静止。然而，如果转子活动地，并且根据发明通过具有例如大约4兆瓦的额定功率的启动系统来减速，额定功率的90%可典型地出于制动目的可用，则转子仅在三分之一的时间内减速，即，在大约10分钟内。因此，停机程序较快，并且涡轮发动机更快(热)重启。涡轮的可用性通过短时间从熄火提高至准备下次启动(通常存在基于发动机速度的释放标准)。这对于频繁地启动发动机、所谓的峰化器尤其重要，并且大体上对于任何中间负载操作市场尤其重要。本发明大体上改进了效率，并且因此从经济和生态观点看是有益的。
[0053]i1.发动机运行穿过叶片或其它部分的共振带，即，穿过涡轮发动机的元件或元件组(诸如，涡轮或发电机的翼型件或其它部分)的固有或共振频率的时间段减小，并且因此减慢期间的这些部分上的负载循环数减少。因此，避免或减少了多次停机之后的可能损坏，这再次在经济和技术上是有利的。
[0054]ii1.结构发动机部分的冷却可通过本发明减小，使得在减慢期间的热损失较低，并且发动机在停机之后的较长时间内仍温热，这导致在重启期间和在更可靠(热)重启程序中降低热机械应力。
[0055]iv.涡轮发动机的独立部分的不同收缩和如上文概述的静止部分与非静止部分之间的可能的阻挡问题可通过本发明减小，因为必须适应较小的热瞬变。因此，改进了发动机的总体性能。此外，根据本发明的方法允许了减慢期间的导叶载体中的减小的摩擦，由此得到降低的修理成本和降低的转子阻挡风险。
[0056]此外，在熄火之后的减速期间将功率给送到电网(或高压网络)、中压网络、负载组、电池元件和/或辅助功率消耗物中进一步改进了发动机的总体性能。
[0057]通过本发明，涡轮发动机可在启动失败之后较快回到重启状态。改进了启动的可靠性。
[0058]大体上，现有的涡轮发动机可利用生产制动选择升级，特别是已经依靠静止启动系统的涡轮发动机，其可通过GT控制系统来编程或控制。
[0059]启动系统的4象限操作为用于大型燃气涡轮的典型系统中的标准设计特征。期望产品成本不显著地提高；控制系统的适应对于本领域的技术人员(GT控制工程师)是明显的。
[0060]本发明的另外的实施例在于从属权利要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0061]本发明的优选实施例在下文中参照附图更详细描述，该附图为了示出本发明的当前优选实施例的目的，而非限制其的目的。在附图中:
图1示出了如本文可描述的涡轮发动机的示意性视图；
图2示出了施加于涡轮发动机的旋转部分的负转矩或取决于旋转部分的转速的制动系统的负载作为关键参数的第一简图，其中临界转速范围并未重叠；
图3示出了根据图2的第二图示，其中关键转速范围重叠；以及图4示出了根据图1的涡轮转子的转速取决于减速时间的简化示意图。
[0062]部件列表 I涡轮发动机 8压缩机 10燃气涡轮 12涡轮转子 20涡轮转子轴线 30发电机 35变压器器件 40制动/启动系统 50辅助功率消耗物 60闻压网络 61中压网络 62到68线 69连接 99共振带
701,703, 705 横坐标
702,704, 706 纵坐标
71到73制动系统40的操纵计划
711，715，721，725，731，735 纵坐标值高度
712，716，722，726，732，736 增加边缘
713，717，733，737，723，727 减小边缘
75, 76操作计划71到73中的临界转速范围
80，81制动系统40的操作计划
801，805，811，815纵坐标值高度
802.806.812.816增加边缘
803.807.813.817减小边缘
85，86操作计划80，81中的临界转速范围
90到93减速曲线
100到110时间段
111初始转速
112最终转速。
【具体实施方式】
[0063]示例性地，以下阐释依赖大型燃气涡轮发动机I。然而，应当清楚的是，具有不同构造或用途的其它模拟涡轮系统可受益于根据本发明的方法。将理解的是，多种变化和改型可在本文中由本领域的普通技术人员做出，而不脱离如本文中限定的本发明的大体精神和范围。
[0064]如图1中所描绘的典型的现有技术的涡轮发动机I可包括用于压缩到来的空气流的至少一个压缩机8。压缩空气可输送至至少一个燃烧器(图中未示出)，其中所述空气与燃料混合，因此在点火之后，燃烧气流在膨胀下通过涡轮10引导，以便经由涡轮转子12产生机械功，涡轮转子12能够围绕旋转轴线20旋转。转子12驱动压缩机8和发电机30，发电机30可在同一轴上围绕轴线20旋转。发电机30的输出可经由线62输送至变压器器件35，并且进一步经由线63，68输送至高压电网60和/或中压电网61。在又一个过程中，燃烧气体可输送至蒸汽发生器(图中未示出)用于回收热。
[0065]根据本发明，出于熄火之后的旋转涡轮转子12的活动(生产)制动的目的，制动系统可通过启动系统40提供；因此启动系统40旨在操作成加快至焚烧速度，并且在涡轮转子12的熄火之后减慢至最终或零速度。因此，启动系统40出于控制目的可借助于贯穿线64与发电机30通信。
[0066]为了使启动系统40满足制动系统的要求，其可包括用于操作发电机30的负载整流逆变器，以便施加用于加快(至焚烧速度)的正(马达驱动)转矩，以及用于涡轮转子12的减慢(在熄火之后)的负(制动)转矩。
[0067]图2示出了启动系统40的三个示例性的示意性操作计划71，72，73。清楚的是，多种变化或改变可添加于特定涡轮发动机的这些计划。
[0068]这里，关键参数可为涡轮转子12的转速。所述转速在图2中绘制在横坐标701上。此外，第一临界转速范围75和第二临界转速范围76以不重叠的方式提供在横坐标701上。在纵坐标702上，绘制了施加于涡轮转子12的制动转矩。作为备选，可利用提供由启动系统40输送的制动功率或承载在启动系统40上的负载的纵坐标来读取同一图2。
[0069]第一操作计划71示出了相应的两个临界速度范围75，76中的两个纵坐标值高度711,715。从接近曲线71的右端的箭头开始向左侧方向，纵坐标第一值高度711具有增大的边缘712和减小的边缘713，并且第二纵坐标值高度715具有增大的边缘716和减小的边缘 717。
[0070]第二操作计划曲线72示出了相应的两个临界速度范围75，76中的两个纵坐标值高度721，725。从接近曲线72的右端的箭头开始向左侧方向，纵坐标第一值高度721具有增大的边缘722和减小的边缘723，并且第二纵坐标值高度725具有增大的边缘716和减小的边缘727。从曲线72起，清楚的是，不同的两个纵坐标值高度721，725可具有不同的高度，即，平均纵坐标值可在拖速范围75，76中不同。此外，在图2和3中，纵坐标值高度可具有圆形边缘，即，它们不必为矩形。
[0071]第三操作计划73示出了相应的两个临界速度范围75，76中的两个纵坐标值高度731，735。从接近曲线73的右端的箭头开始向左侧方向，纵坐标第一值高度731具有增大的边缘732和减小的边缘733，并且第二纵坐标值高度735具有增大的边缘736和减小的边缘 737。
[0072]在图2中，增大的边缘712，716，722，726，732，736比减小的边缘713，717，723，727，733，737更陡峭；反过来也可一样。
[0073]大体上，接近于纵坐标值高度711，715，721，725，731，735的最大值，启动系统40可在峰值负载(涡轮转子12的最大减速速率)下操作，同时远离纵坐标值高度711，715，721，725，731，735，启动系统40可在允许启动系统40从峰值负载操作恢复的负载下操作。在纵坐标值高度711，715，721，725，731，735之间，纵坐标值还可根据由本领域的技术人员选择的预定模式来改变。本发明所属领域的技术人员知道设定在特定位置(例如，用以覆盖具有机械部分上的高振动负载的速度区)并且具有期望形状的纵坐标值高度 711，715，721，725，731，735。
[0074]在图2中，还描绘了如上文所述的示例性共振99曲线。该共振曲线99示出了取决于涡轮转子12的转速的涡轮发动机I的部分或连接于其的部分的振幅。这里，临界转速范围76设定成覆盖共振曲线99，其中对应的纵坐标值高度735的边缘736，736与在其最大振幅的大约20%的振幅下的共振曲线99相交。
[0075]图3示范性地示出了启动系统40的示例性的两个备选示意性的操作计划80，81。这里，关键参数又可为涡轮转子12的转速。所述转速绘制在图3中的横坐标703上。此外，第一临界转速范围85和第二临界转速范围86以重叠方式提供在横坐标703上。范围86驻留在范围85内。施加于涡轮转子12的制动转矩再次绘制在纵坐标704上。作为备选，可利用提供由启动系统40输送的制动功率或承载在启动系统40上的负载的纵坐标来读取同一图3。
[0076]从图3变得清楚的是，纵坐标(例如，制动转矩或强加在启动系统40上的负载)还可在临界转速范围内变化，这里是临界转速范围85。
[0077]图4以非常简化的方式示出了转速的暂时演进，同时其从初始转速111变至较低的最终转速112。熄火之后的给定减速时间在横坐标705上，而涡轮转子12的对应的转速在纵坐标706上。在速度范围中，在纵坐标706上，以非重叠方式给出两个临界转速范围85，86。在范围85，86中，高振动负载可例如由于如上文所述的共振现象而出现。图4中描绘了三条减速曲线90，91，92。为了简单起见，假定自由地自旋的涡轮转子12可由于前文提到的效果而基本上线性地减速(并且没有任何活动制动)。这在图4中由曲线90示出。其花费涡轮转子12—定减速时间110来从初始速度111(例如，3000rpm)减速至最终速度112 (例如，零速度或更高)。在该停机期间，简言之，涡轮发动机I主要在横坐标705上给出的时间间隔106和107期间累积高振动负载。间隔106和107为时间段，在此期间，转子12分别穿过范围85和86减速。
[0078]如果使用根据本发明的优选实施例的生产制动，则减速速率相比于由曲线90给出的情形增大。另外，生产制动减速简化，以遵循根据图4的图中的基本上线性的曲线91。遵循曲线91，其花费转子12 —定时间109来从初始速度111减速至最终速度112。曲线91的平均斜率的绝对值高于曲线90中的一个，S卩，减速速率较高。在图4中，时间109为时间110的三分之一(对应于上述实例)。涡轮发动机I又主要在范围85和86中旋转期间累积高振动负载，即，在对应的时间间隔103和104期间。从图4清楚的是，关于曲线91的间隔103和104的时间总额显著小于关于曲线90的时间间隔106和107的总额，因此发动机I上(或连接于其的部分上)的振动负载在从减慢计划90变至计划91时减小。
[0079]在本发明的又一个实施例中，生产制动在如上文所述的临界转速范围85，86中增大，以便使启动装置40在这些范围85，86中的峰值负载下操作。在典型时段之后，又为了简单，其在此可等于相应的临界转速范围，启动系统40必须缓解，以便不受损，因此减速速率下降(对应斜率减小；其可甚至小于曲线91的平均斜率)，如由图4中的曲线92示出的。因此，在涡轮转子12处于临界转速范围85，86期间的时间总计为对应的时间段100和101(见图4)的总额。遵循曲线92，其花费转子12 —定时间109来从初始速度111减速至最终速度112。
[0080]总之，总体减速时间109对于曲线91和92相同，并且短于曲线90的总体减速时间110。然而，当关于曲线92的时间间隔100和101的总额再次显著小于关于曲线91的时间间隔103和104的总额时，振动负载总体对于根据曲线92的程序相比于曲线91 (和90)减小。
[0081]因此，本发明可显著地缩短熄火之后涡轮发动机I的停机过程，因为其引起涡轮转子更快减速。此外，其减小了涡轮发动机I或附接于涡轮发动机I的元件上的振动负载。
【权利要求】
1.一种使涡轮发动机(I)的涡轮转子(12)减速的方法，其中至少一个电动机(30)与所述涡轮转子(12)接合，其中制动系统(40)与所述至少一个电动机(30)接合，以便使用所述至少一个电动机(30)来将负转矩施加在所述涡轮转子(12)上，其特征在于，在熄火之后，所述制动系统(40)用于在熄火之后借助于所述至少一个电动机(30)消耗所述涡轮发动机(I)中可用的动能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机(30)为发电机(30)，所述发电机(30)优选提供为在所述涡轮发动机(I)的正常操作期间向高压网络(60)供应功率，其中所述制动系统(40)用于将所述动能借助于所述发电机(30)转换成电能。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述制动系统(40)由启动系统(40)提供用于将所述涡轮转子(12)加快至焚烧速度。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，施加在所述涡轮转子(12)上的所述负转矩在所述涡轮转子(12)的减速期间取决于选自由以下构成的组的至少一个关键参数而变化:所述涡轮转子(12)的转速、连接于所述涡轮发动机(I)或由所述涡轮发动机(I)包括的元件或元件组的振动负载、所述制动系统(40)的状态,特别是其温度，所述电动机(30)的状态，或所述高压或中压网络的状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述涡轮转子(12)的转速用作所述关键参数；其中至少一个临界转速范围在熄火之后提供在所述涡轮转子(12)的总体转速范围内，其中至少一个临界转速范围振动负载优选由于连接于所述涡轮发动机(I)或为所述涡轮发动机(I)的一部分的元件或元件组的共振频率的激励而发生；其中如果所述涡轮转子(12)的转速在所述临界转速范围内，则使用所述制动系统(40)以便将施加于所述涡轮转子(12)的负转矩从第一水平增大至第二水平。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，两个或更多个临界转速范围提供在所述涡轮转子(12)的总体转速范围中，并且/或者其中，在所述涡轮转子(12)穿过所述临界转速范围的减速期间至少暂时地，所述负转矩施加于所述涡轮转子(12)，以便所述制动系统(40)在峰值负载的操作中使用，因此在所述峰值负载操作之后和优选在穿过不是临界转速范围的转速范围的减速期间，所述制动系统(40)与低于其峰值负载的负载一起使用。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个临界转速范围不彼此重叠。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个临界转速范围至少部分地彼此重叠。
9.根据权利要求2至权利要求8中任一项所述的方法，其特征在于，所述电能给送到所述高压网络￠0)中，同时发电机输出满足高压网络供应的要求。
10.根据权利要求2至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，所述电能给送到中压网络(61)中，同时发电机输出满足中压网络供应的要求。
11.根据权利要求2至权利要求10中任一项所述的方法，其特征在于，所述电能优选经由所述中压网络￠1)给送到外部负载组、电池元件和/或所述涡轮发动机(I)的至少一个辅助功率消耗物(50)中，以便消耗所述电能的至少一部分，其中所述电能优选分别通过再充所述电池元件和/或通过至少部分地满足所述至少一个辅助功率消耗物(50)的辅助功率需求来消耗。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述涡轮发动机(I)的至少一个辅助功率消耗物(50)选自由润滑油泵、封壳通风、冷却水泵、露点加热器、跟踪加热器等构成的组。
13.根据权利要求1至权利要求12所述的方法，其特征在于，所述涡轮发动机(I)为单轴燃气涡轮发动机(I)，并且储存在所述旋转涡轮轴和由所述发动机(I)包括的相应的蒸汽涡轮，如果有的话中的所述动能被消耗。
14.根据权利要求1至权利要求13中任一项的方法在工业燃气涡轮发动机或另一涡轮发动机的停机期间的使用。
【文档编号】F01D19/00GK104169531SQ201380017405
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】K.多伊贝林, C.M.罗布森, M.吉乌斯蒂 申请人:阿尔斯通技术有限公司