燃气涡轮发动的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种燃气涡轮发动机，包括压缩机、邻近压缩机的燃烧室、邻近燃烧室的涡轮、轴、马达、可变频率驱动器、存储能量源和穿越单元。马达连接至轴。可变频率驱动器电连接至马达和AC动力源。穿越单元电连接至可变频率驱动器、AC动力源和存储能量源。穿越单元包括至少一个DC至DC电压逆变器。本实用新型提供了一种具有用于可变频率驱动器的穿越单元的燃气涡轮发动机。本实用新型可以在AC动力的暂时或短暂损耗的事件中，防止或减少燃气涡轮发动机的中断。
【专利说明】燃气涡轮发动机
【技术领域】
[0001]本实用新型主要关于燃气涡轮发动机，并且更特别地，关于一种具有用于可变频率驱动器的穿越单元的燃气涡轮发动机。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室和涡轮部分，通过一个或多个轴连接。轴在冷却期间可能变形或弯曲。
[0003]Peter Geiger的美国专利2009/0301053公开了一种燃气涡轮发动机，包括至少一个压缩机、一个燃烧室和具有至少一个转子的至少一个涡轮，并且提供了至少一个连接至所述至少一个转子的发电机。所述至少一个涡轮被连接至至少一个压缩机。一旦燃气涡轮机停止，所述至少一个发电机可被用作马达，以便从燃气涡轮机停止开始的预定时段内驱动所述至少一个转子并从而引起转子的统一冷却。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供了一种燃气涡轮发动机，致力于解决现有技术存在的一个或多个技术问题。
[0005]本实用新型关于一种具有用于可变频率驱动器的穿越单元的燃气涡轮发动机。公开了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机、邻近压缩机的燃烧室、邻近燃烧室的涡轮、轴、马达、可变频率驱动器、存储能量源和穿越单元。压缩机包括压缩机转子组件，压缩机转子组件包括多个压缩机盘组件。涡轮包括涡轮转子组件，涡轮转子组件包括多个涡轮盘组件。轴连接至压缩机转子组件和至少一个涡轮盘组件。马达连接至轴。可变频率驱动器电连接至马达和AC动力源。可变频率驱动器包括AC至DC电压转换器和DC至AC电压转换器。穿越单元电连接至可变频率驱动器、AC动力源和存储能量源。穿越单元包括至少一个DC至DC电压逆变器。
[0006]所述穿越单元构造为监测所述AC动力源的AC动力，并且当探测到所述AC动力的中断或损耗时，从所述存储能量源经过所述穿越单元向所述可变频率驱动器提供动力，同时在所述燃气涡轮发动机停止之后使用所述马达按预定时间量转动所述轴。
[0007]所述预定时间量为至少4小时。
[0008]进一步包括:
[0009]润滑油系统，包括
[0010]润滑油可变频率驱动器，
[0011]其中，所述润滑油可变频率驱动器电连接至所述穿越单元，并且所述穿越单元进一步构造为，当在所述燃气涡轮发动机的操作期间探测到所述AC动力的中断或损耗时，从所述存储能量源经过所述穿越单元向所述润滑油可变频率驱动器提供动力达到第二预定时间量，并且当所述AC动力的中断或损耗持续超过所述第二预定时间量时，停止所述燃气涡轮发动机；以及
[0012]燃料系统，包括
[0013]燃料可变频率驱动器，
[0014]其中，所述燃料可变频率驱动器电连接至所述穿越单元，并且所述穿越单元进一步构造为，当在所述燃气涡轮发动机的操作期间探测到所述AC动力的中断或损耗时，从所述存储能量源经过所述穿越单元向所述燃料可变频率驱动器提供动力达到第三预定时间量，并且当所述AC动力的中断或损耗持续超过第三预定时间量时，停止所述燃气涡轮发动机。
[0015]所述第二预定时间量在10至20秒之间，并且所述第三预定时间量在3至10秒之间。
[0016]所述至少一个DC至DC电压转换器构造为，当探测到所述AC动力时，将来自所述存储能量源的所述动力转换为510VDC，并且当未探测到所述AC动力时，将来自所述存储能量源的动力转换为560VDC。
[0017]所述存储能量源包括电池。
[0018]还公开了一种通过缓慢滚动来冷却燃气涡轮发动机的轴的方法。该方法包括，在燃气涡轮发动机停止之后，转动用于具有连接至可变频率驱动器的马达的燃气涡轮发动机的轴。该方法还包括，监测用于具有穿越单元的可变频率驱动器的交流动力动力源的交流动力，同时使用马达转动所述轴。该方法进一步包括，当发生交流动力的中断或损耗时，经过穿越单元将来自存储能量源的动力提供给可变频率驱动器。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是典型燃气涡轮发动机的示意图。
[0020]图2是包括图1的穿越单元的功能性框图。
[0021]图3是通过缓慢滚动来冷却图1的燃气涡轮发动机的轴的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022]在此公开的系统和方法包括具有缓慢滚动系统的燃气涡轮发动机。在实施方式中，慢滚动系统包括马达、可变频率驱动器、穿越单元和存储能量源。马达连接至燃气涡轮发动机的轴；可变频率驱动器电连接至马达、AC动力源和穿越单元；并且穿越单元电连接至可变频率驱动器、存储能量源和AC动力源。穿越单元从存储能量源向可变频率驱动器提供动力。具有穿越单元的慢滚动系统在慢滚动操作期间防止动力损耗到慢滚动系统，同时在燃气涡轮发动机停止之后冷却所述轴。防止动力损耗将在保持轴的转动同时将轴冷却，这可以防止轴在其冷却时段期间的弯曲或翘曲。
[0023]穿越单元可被类似地连接至润滑油系统或燃料系统，且可被用于防止在燃气涡轮发动机的操作期间动力分别损耗到润滑油系统和燃料系统。防止动力损耗到润滑油系统或燃料系统可以避免可能由于动力损耗到连接至润滑油系统或燃料系统的可变频率驱动器而导致的燃气涡轮发动机的停机。
[0024]图1是典型燃气涡轮发动机的示意图。为了清晰和易于解释起见，(在此和在其它附图中)忽略了或扩大了一些表面。同样，本实用新型可参考向前和向后方向。通常，关于“向前”和“向后”的全部参考与主气流(也就是，用在燃烧进程中的空气)的流动方向相关，除非被特别定义。例如，向前是相对于主气流的“上游”，并且向后是相对于主气流的“下游”。
[0025]此外，本实用新型通常参考燃气涡轮发动机转动的中心轴95，其通常通过其自身的一个轴或多个轴(由多个轴承组件150支撑)的纵轴限定。中心轴95对于多个其它发动机同心部件可以是通用的或由多个其它发动机同心部件所共享。关于径向、轴向和圆周方向的全部参考和测量是参考中心轴95的，除非被特别定义，并且例如“内”和“外”的术语通常指示从中心轴95更小或更大的径向距离，其中，径向96可以在垂直于且从中心轴95向外放射的任何方向上。
[0026]燃气涡轮发动机100包括入口 110、压缩机200、燃烧室300、涡轮400、排放装置500和动力输出连接器600。
[0027]压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机静止叶片(“定子”)250和入口引导叶片255。如图1所示，压缩机转子组件210是轴向流动转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘，其圆周地填充有压缩机转子翼片。定子250轴向地跟随每个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220与跟随压缩机盘组件220的相邻定子250配对，这被看作是一个压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。入口引导叶片255轴向地在压缩机级之前。
[0028]燃烧室300包括一个或多个燃料喷射器310，且包括一个或多个燃烧腔390。燃料喷射器310可围绕中心轴95环状布置。
[0029]涡轮400包括涡轮转子组件410和涡轮喷嘴450。如图1所示，涡轮转子组件410是轴向流动转子组件。涡轮转子组件410可以包括一个或多个燃气发生器涡轮盘组件420和一个或多个动力涡轮盘组件425。燃气发生器涡轮盘组件420和动力涡轮盘组件425的每个包括涡轮盘，其圆周地填充有涡轮翼片。涡轮喷嘴450轴向地在燃气发生器涡轮盘组件420和动力涡轮盘组件425中的每个之前。每个涡轮盘组件与在涡轮盘组件之前的相邻喷嘴450配对，这被看作是一个涡轮级。涡轮400包括多个涡轮级。
[0030]燃气涡轮发动机100可包括单一或双轴结构。在示出的实施方式中，燃气涡轮发动机100包括燃气发生器轴120和动力涡轮轴125。燃气发生器轴120机械地连接至压缩机转子组件210和燃气发生器涡轮盘组件420。动力涡轮轴125连接至动力涡轮盘组件425。动力涡轮轴125还可包括动力输出连接器600。
[0031 ] 排放装置500包括排放扩散器520和排放收集器550。
[0032]一个或多个上述部件(或它们的子部件)可由不锈钢和/或已知为“超耐热合金”的耐久的高温材料制成。超耐热合金或高性能合金是一种呈现在高温中极好的机械强度和蠕变阻力、好的表面稳定性以及防腐蚀和防氧化的合金。超耐热合金可以包括例如哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(HASTELL0Y)、铬镍铁合金(INC0NEL)、沃斯帕洛伊合金(WASPALOY)、RENE合金、哈氏(HAYNES )合金、耐热铬镍铁合金(INC0L0Y)、MP98T、TMS合金以及CMSX单晶合金。
[0033]燃气涡轮发动机100包括慢滚动系统700。慢滚动系统700包括马达710和可变频率驱动器(VDF) 720。在一些实施方式中，慢滚动系统700还包括穿越单元(RTU) 730和存储能量源740。在其它实施方式中，RTU730和存储能量源740从慢滚动系统700分离。马达710机械地连接至燃气发生器轴120。在一些实施方式中，如图1所示，马达710通过齿轮箱705连接至燃气发生器轴120。马达轴707可连接马达710至齿轮箱705。在其它实施方式中，马达710可直接连接至燃气发生器轴120。在具有单一轴结构的实施方式中，马达710连接至单一轴。马达710可以是燃气涡轮发动机100的起动器马达。VFD720通过VFD动力输出751被电连接至马达710。VFD720可经过VFD动力输出751向马达710输出交流(AC)。VFD720通过VFD AC输入752而电连接至AC动力源，例如电网，并且通过VFD电池输入753被电连接至RTU730。AC动力源可向燃气涡轮发动机100的多个部件、包括慢滚动系统700提供三相AC动力。VFD电池输入753可被连接至VFD720的直流(DC)总线(未示出)。VDF720可包括AC至DC电压转换器和DC至AC电压转换器。
[0034]RTU730电连接至VFD720、存储能量源740和VFD720所连接到的AC动力源。RTU电池输入754连接RTU730至存储能量源740，并且RTU AC输入755连接RTU730至AC动力源。
[0035]RTU730可以是封闭装置，构造为升压从存储能量源740提供的电力电压并且向VFD720提供具有升压电压的电力。RTU730可包括一个或多个DC至DC电压转换器、接线条和电磁兼容过滤器。每个DC至DC电压转换器可以输出5.2kW动力且可以输出10.2A的最大电流。在一个实施方式中，每个DC至DC电压转换器构造为升压120来自存储能量源740的直流电压(VDC)至510VDC或560VDC。每个DC至DC电压转换器可以包括三相逆变器、高频变压器和整流器。还可以使用其它结构和转换器。
[0036]存储能量源740可以向RTU730提供120VDC。存储电压源740可以是电池或一组/ 一架电池组。在一个实施方式中，存储能量源740的设计尺寸为操作慢滚动系统700至少4小时。在另一个实施方式中，存储能量源740的设计尺寸为操作慢滚动系统700四至五小时。可以使用其它时长和容量，尤其取决于，燃气涡轮发动机100的尺寸和燃气发生器轴120的长度。在又一个实施方式中，存储能量源740的设计尺寸可以是操作慢滚动系统700直到轴冷却到预定温度。
[0037]VDF动力输出751、VFD AC输入752、VFD电池输入753、RTU电池输入754和RTUAC输入755可以是电线/电缆或其它用于承载电力的绝缘导体。VDF动力输出751、VFD AC输入752和RTU AC输入755可被构造为承载三相AC动力。
[0038]图2是包括图1的RTU730的功能性框图。在一些实施方式中，燃气涡轮发动机100包括润滑油系统160和燃料系统360。润滑油系统160构造为循环从润滑油箱(未示出)向轴承组件的经过润滑油系统的油，除了别的以外。燃料系统360构造为向燃料喷射器310提供燃料。如图2所示，RTU730可被电连接至VFD720、润滑油系统160和燃料系统360。还可以使用其它RTU。
[0039]润滑油系统160可以包括润滑油泵和电连接至润滑油泵的润滑油VFD。在实施方式中，润滑油VFD以与VFD720连接至RTU730的相同或相似方式而电连接至RTU730。在其它实施方式中，润滑油系统160包括独立润滑油RTU (未示出)。润滑油泵、润滑油VFD和润滑油RTU全部以与马达710、VFD720和RTU730的相同或相似方式而连接。润滑油RTU还可被连接至存储能量源740或可被连接至二次存储能量源。
[0040]燃料系统360包括燃料VFD，其可被电连接至液态燃料泵或气态燃料压缩机。在实施方式中，燃料VFD以与VFD720连接至RTU730的相同或相似方式而电连接至RTU730。在其它实施方式中，燃料系统360包括独立燃料RTU (未示出)。燃料泵或压缩机、燃料VFD和燃料RTU全部以与马达710、VFD720和RTU730的相同或相似方式而连接。燃料RTU还可被连接至存储能量源740或可被连接至二次或三次存储能量源。
[0041]燃气涡轮发动机100可包括控制系统，所述控制系统包括任何数量的控制器和模块，用于控制和操作燃气涡轮发动机100以及燃气涡轮发动机100的部件和系统，例如慢滚动系统700、润滑油系统和燃料系统。控制系统可包括电子控制回路，所述电子控制回路具有中央处理单元(CPU)，例如处理器或微控制器。替代地，控制系统可包括可编程逻辑控制器或现场可编程门阵列。控制系统还可包括记忆体，用于存储可由CPU执行的计算机可执行指令。记忆体可进一步存储关于尤其控制慢滚动系统700、润滑油系统和燃料系统的数据。控制系统还可以包括输入和输出，来接收传感器信号和发动控制信号。
[0042]工业实用性
[0043]燃气涡轮发动机可适于任何数量的工业应用，例如石油和燃气工业的各个方面(包括石油和天然气的运输、采集、存储、回收和起重)、电力生产工业、废热发电、航空宇宙和其它运输工业。
[0044]参考图1，燃气(典型地是空气10)作为“作业流体”进入入口 110，并且被压缩机200压缩。在压缩机200中，作业流体通过一系列压缩机盘组件220在环形流动通道115中被压缩。特别地，空气10在编号的“级”中被压缩，各级与每个压缩机盘组件220关联。例如，“第4级空气”可以与在下游或“向后”方向中、从入口 110朝向排放装置500的第4个压缩机盘组件220相关联。同样，每个涡轮盘组件可以与一个编号的级关联。
[0045]一旦压缩空气10离开压缩机200，压缩空气10就进入燃烧室300，其在此被扩散并且添加燃料。空气10和燃料通过燃料喷射器310被喷入燃烧腔390且燃烧。通过系列涡轮盘组件的每一级，通过涡轮400从燃烧反应中获取能量。排放燃气90随后可被扩散在排放扩散器520中、收集或再引导。排放燃气90通过排放收集器550离开系统，并且可被进一步处理(例如，来降低有害排放和/或回收来自排放燃气90的热量)。
[0046]在燃气涡轮发动机100停止之后，燃气涡轮发动机100的多个部件冷却。在燃气发生器轴120的顶部和底部的温度差可以导致发生器轴120随着燃气发生器轴120的冷却而翘曲或弯曲。
[0047]慢滚动系统700以缓慢滚动转动燃气发生器轴120，同时燃气发生器轴120冷却。慢滚动可以导致燃气发生器轴120均匀冷却，并且可以防止燃气发生器轴120的翘曲或弯曲。在一个实施方式中，慢滚动进行至少4小时。在另一个实施方式中，慢滚动进行4到5小时。
[0048]马达710和VFD720可通常操作从电网提供的AC动力的关闭。多个VFD，例如VFD720，可能不能抵抗动力损耗长过15秒，在这种情形中VFD可能停止。一旦VFD停止，它会消耗很多分钟用于VFD来重新启动。在那一时间期间缺乏轴的转动可能带来上述的翘曲或弯曲的发生。使用转动齿轮组件来转动轴的独立的备用系统可能是昂贵的，并且可能增加燃气涡轮发动机100的复杂性。贯穿慢滚动操作使用VFD720和马达710可以便于调整慢滚动以使用RTU730控制滚动轮廓。
[0049]图3是用于冷却用于具有慢滚动的图1的燃气涡轮发动机100的轴的方法的流程图。该方法包括，在步骤810，在燃气涡轮发动机100停止之后，使用连接至VFD720的马达710转动轴一预定时间量。在双轴结构中，轴可以是燃气发生器轴120。在一个实施方式中，使用马达710转动轴至少4小时。在另一个实施方式中，使用马达710转动轴4至5小时。步骤810可以包括使用VFD720控制、改变和修改轴的速度。使用VFD720控制轴的速度可以提供灵活性，且可以允许优化慢滚动进程，包括调整慢滚动，来向上或向下倾斜轴的速度，来最大化冷却或降低冷却时间。
[0050]该方法还包括，在步骤820，使用RTU730监测VFD720的AC动力源的AC动力，同时使用马达710转动轴。该方法进一步包括，在步骤830，当发生AC动力的中断或损耗时，经过RTU730从存储能量源740向VFD720提供动力。RTU730可以向VFD720的DC总线提供动力。
[0051]存储能量源740可以向RTU730提供120VDC。RTU730可以当AC动力是活跃的或被探测到时将120VDC转换至510VDC，其可低于VFD720的DC总线上的电压，并且可以当AC动力损耗或未被探测到时将120VDC转换至560VDC，使得VFD720可以没有AC动力继续操作。从存储能量源740向VFD720提供动力在一些实施方式中可以在小于15秒中执行。在一些实施方式中，存储能量源740是至少一个电池。在其它的实施方式中，存储能量源740是一列电池。
[0052]燃气涡轮发动机100的其它部件和系统，例如润滑油系统160和燃料系统360，在燃气涡轮发动机100的操作期间使用VFD和马达/泵/压缩机。润滑油VFD或燃油VFD的动力损耗可能需要燃气涡轮发动机100的完全停止。这一停止可能导致在燃气涡轮发动机100的操作中的延长中断并且可能负面影响操作者的进程。
[0053]使用RTU730或独立RTU用于润滑油系统160和燃料系统360，可以在AC动力的暂时或短暂损耗的事件中，防止或减少燃气涡轮发动机100的中断。例如，当发生或探测到AC动力损耗时，RTU730或第二 RTU可以从存储能量源740向润滑油VFD提供动力，从而保持润滑油泵和润滑油系统160的操作。类似地，当发生或探测到AC动力损耗时，RTU730、第二RTU或第三RTU可以从存储能量源740向燃料VFD提供动力，从而保持燃料泵或压缩机和燃料系统360的操作。
[0054]控制系统可以包括慢滚动模块、润滑油模块和燃料模块。慢滚动模块构造为，在燃气涡轮发动机100停止之后，使用连接至VFD720的马达710转动轴一预定时间量。任一慢滚动模块或RTU730可被构造为，监测用于燃气涡轮发动机100的AC动力源的AC动力，并且当发生或探测到AC动力的中断或损耗时，从存储能量源740经过RTU730向VFD720提供动力。慢滚动模块可被构造为，使用VFD720来控制、改变和修改轴的速度。
[0055]润滑油模块构造为调节润滑油泵的速度。任一润滑油模块、RTU730或润滑油RTU可被构造为监测用于燃气涡轮发动机100的AC动力源的AC动力，并且当发生或探测到AC动力的中断或损耗时，从存储能量源经过RTU730或润滑油RTU向润滑油VFD提供动力达到一预定时间量，并且当AC动力的中断或损耗持续超过预定时间量时，停止燃气涡轮发动机100。预定时间量可取决于存储能量源的大小和使用。在一个实施方式中，预定时间量在10至20秒之间。在另一个实施方式中，预定时间量是10秒。
[0056]燃料模块构造为，调节经过液态燃料泵、气态燃料泵或通过其它方式供给燃料喷射器310的燃料量。任一燃料模块、RTU730或燃料RTU可被构造为监测用于燃气涡轮发动机100的AC动力源的AC动力，当发生探测到AC动力的中断或损耗时从存储能量源经过RTU730或燃料RTU向燃料VFD提供动力达到一预定时间量，并且当AC动力的中断或损耗持续超过预定时间量时，停止燃气涡轮发动机100。预定时间量可取决于存储能量源的大小和使用。在一个实施方式中，预定时间量在3至10秒之间。在另一个实施方式中，预定时间量是3秒。
[0057]前面的【具体实施方式】实质上仅是示例，并且并不意于限制本实用新型或本实用新型的应用或使用。描述的实施方式并不限于与特定类型的燃气涡轮发动机一起使用。应当理解，依照这一实用新型的燃气涡轮发动机可以以多种其它结构而实施。此外，这里并不意于由在前述背景部分或【具体实施方式】中表示的任何理论而约束。还应理解的是，示意图可包括扩大的尺寸，来更好的示意所示出的参考物品，并且并不应考虑为限制，除非这样明确陈述。
【权利要求】
1.一种燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，包括: 压缩机(200),包括 包含多个压缩机盘组件(220)的压缩机转子组件(210)； 与所述压缩机(200)相邻的燃烧室(300)； 与所述燃烧室(300 )相邻的涡轮(400 )，所述涡轮(400 )包括 涡轮转子组件(410)，包括 多个涡轮盘组件(420); 轴(120 )，连接至所述压缩机转子组件(210)和至少一个涡轮盘组件(420 ); 连接至所述轴(120)的马达(710)； 可变频率驱动器(720)，电连接至所述马达(710)和AC动力源，所述可变频率驱动器(720)包括AC至DC电压转换器和DC至AC电压转换器； 存储能量源(740);以及 穿越单元(730)，电连接至所述可变频率驱动器(720)、所述AC动力源和所述存储能量源(740)，所述穿越单元(730)包括至少一个DC至DC电压转换器。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述存储能量源(740)包括电池。
【文档编号】F02C6/14GK204003104SQ201420313011
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】D·芬格尔顿, R·布鲁诺, Y·加藤 申请人:索拉透平公司