用于抑制在涡轮机的进气口的构造上形成冰的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本申请涉及用于抑制在压缩机、尤其是燃气涡轮机的压缩机的进口构造上形成冰的方法和设备。本发明的技术目的在于提供一种方法和设备，用于抑制在所述构造上形成冰，其避免已知解决方案的不利，诸如降低燃气涡轮机的性能，并具有简单且广泛的适用性。根据本发明，在操作期间所述构造（1、2、3）的机械振动能量通过压电元件（6）被转换为电能，压电元件（6）牢固施加至所述构造，并且在连接的电路（11）中所产生的电能然后通过欧姆电阻（7）被转换为热能，并且该热能被引导至构造（1、2、3）的至少一部分来抑制冰的形成。过量的能量可以由发射器（8）传输至相邻构造（1、2、3）中的其他电路（12）。
【专利说明】用于抑制在涡轮机的进气口的构造上形成冰的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于抑制在涡轮机、尤其是燃气涡轮机的轴向压缩机的进气口部中的 构造上形成冰的系统的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 用于车辆或者固定机组的燃气涡轮机习惯上配备有压缩机，该压缩机依据燃气涡 轮机的燃烧过程的设计要求，抽取环境空气并将其压力提高至相对高的水平。压缩空气然 后被引至其中混合有燃料的燃烧器，并且点燃。来自燃烧器的压缩的高能量燃烧气体流入 涡轮机，其在涡轮机膨胀，执行机械工作。使用轴向压缩机或者径向压缩机。
[0003] 当空气的温度提高时，在空气被压缩时，在压缩机的进气口系统中压力首先下降， 然后在第一压缩机级之后升高。由于该原因，在尤其低的环境温度下，可能到达空气的露点 温度，并且在进口构造的表面，由于湿气的冷凝而形成冰本身。该冰形成机制经常在世界的 寒冷地区发生。冰主要形成在压缩机进口（喇叭口）的定子部分，形成在入口导叶（IGV)并 部分形成在第一级的转子叶片上。在第一压缩机级之后，空气温度快速升高，因此要保护下 游压缩机排的组件使其不形成冰。在这些构造的表面上存在的冰会导致额外的压力降，这 会导致燃气涡轮机机组的性能损失。在更坏的情况下，冰屑会从例如入口导叶的表面分离 并导致损坏，尤其对第一压缩机级的转子叶片。
[0004] 因此，需要一种解决方案，有效抑制在所述构造元件上形成冰，或者如果积冰已经 在表面上形成，那么去除这些积冰并防止其重新形成。
[0005] 在压缩机操作的【技术领域】已知用于抑制冰形成或者去除积冰的各种系统。
[0006] 气体蒸汽混合物的露点温度可从湿度图得到。伴随这些数据，经常应用监控造冰 的条件或者检测冰积聚这2个类型的传感器。
[0007] 已知的用于保护在压缩机进口的构造的外表面防止结冰的，实际上用于固定燃气 涡轮机发电厂的领域的解决方案包括：压缩机放气防冰系统（即从压缩机放出热空气，并将 其运输至进口区域来加热)、或者应用热水的热交换器系统、或者向进口部中的定子壁布置 电阻加热元件。
[0008] 然而，这些系统的缺陷是燃气涡轮机的性能降低（损失达到0.3%)，要求额外的投 资成本、特殊的监控系统、昂贵的可维护性和有限的适用性。在现场经验中，在防冰系统开 始有效操作之前，在第一压缩机级上的冰的积聚可能会花费几秒。
[0009]US4732351公开了用于抑制在各种物体、尤其是飞机构造的外表面形成冰的设 备。根据该解决方案，对相关表面施加压电材料，该相关表面需要保持为无冰。调整可用功 率源，使得无论源如何，都被转换为交流电。设置微器，以依据使用的材料的相关参数，接收 适当幅度、持续时间、波长和形状的电流，这将实现需要防止冰的形成的压电材料的形变的 移动量。该冰抑制或者冰去除机制是基于压电材料其自身的强制振动。该设备需要电功率 以贴附到目标构造。电功率通常是通过电线提供的。
[0010] 周知的现象是在压缩机的操作期间，由于空气动力学效应，转动叶片会产生同步 和异步振动。叶片的谐振可能导致严重的问题，比如形成振动裂缝，这对于压缩机叶片构成 关键类型的故障。
[0011] CH704127公开了通过使用压电效应使涡轮机中的叶片振动衰减的解决方案。该解 决方案是基于如下概念：将振动叶片的机械振动能量转换为电能，之后将该产生的电能转 换为热损失。并且该将机械能量转换为电能的第一步骤是通过使用压电效应、即通过将至 少一个压电元件牢固安装至要衰减的叶片来实现的。作为叶片振动的结果，压电元件变形， 因而产生电压。通过将所述元件整合至具有欧姆电阻的电网络，所产生的电压感应出电流， 该电流在连接的网络中生成欧姆热损失。
【发明内容】
[0012] 本发明的技术目的在于提供一种方法和设备，用于抑制在涡轮机、尤其是燃气涡 轮机的压缩机的进口构造的表面上形成冰，其避免了已知解决方案的不利，并具有简单且 广泛的适用性。
[0013] 本发明的一个方面包含，通过使用所述构造的振动特征来由压电元件产生电能， 并将该电能转换为热能，并使用该热能来抑制在该构造上形成冰，从而抑制在构造、即压缩 机的进口构造的表面上形成冰。
[0014] 根据本发明的另一个方面，第一构造、即转动构造的振动被用于由压电元件产生 电能，并通过非接触能量传递将该能量的至少一部分直接或者间接传输至第二构造、尤其 是非转动构造，将所传输的能量转换为热能，并使用其来抑制在该第二构造上形成冰。
[0015] 根据优选的实施例，转动构造是第一压缩机级的转动叶片，并且第二构造是入口 导叶和/或喇叭口的定子部分。
[0016] 根据另一个实施例，转动构造的振动特征被用于由压电元件产生电信号，该信号 传输至外部能量输送系统。基于该信号产生电能，该电能通过非接触能量传递而传输至至 少一个或者所有非转动和/或转动构造，其需要保持为无冰。在接收构造中，所传输的能量 被转换为热能，用于抑制在这些构造上形成冰。
[0017] 根据优选的实施例，将电能转换为热能由欧姆电阻实施。
[0018] 本发明的另一个方面包含施加到构造、即压缩机的进口构造的压电元件，以从机 械能量产生电能，并将该电能转换为热能，用于抑制在该构造的表面上形成冰。
[0019] 根据优选的实施例，压电元件连接至电路，并且该电路另外包括至少欧姆电阻和/ 或发射器。
[0020] 根据本发明的另一个方面，至少包括压电元件、欧姆电阻和发射器的电路施加到 第一构造，并且至少包括接收器和欧姆电阻的电路施加到第二构造，其中，第一构造的发射 器和第二构造的接收器被设计用于非接触能量传递。
[0021] 优选第一构造是转动构造，尤其是第一级的转动叶片；以及第二构造是非转动构 造，诸如入口导叶和/或喇叭口的定子部分。
[0022] 根据本发明的另一个方面，转动构造的一部分配备有包括压电元件、欧姆电阻和 发射器的电路，发射器被设计为将信号发送至外部能量输送系统，外部能量输送系统包括 用于接收所述信号的接收器、用于功率供应的电功率源、以及用于将能量非接触传递至接 收器的发射器，其中，要保持为无冰的至少一个、优选所有构造配备有电路，该电路至少包 括从外部能量输送系统通过非接触能量传递来接收电能的接收器以及用于将所接收的能 量转换为热能来加温所述构造的欧姆电阻。
[0023] 根据又一个方面，多于一个的压电元件施加到单独构造，其中，所述多于一个的压 电元件被调节至一个或更多谐振频率。该措施实现使用"结冰的"构造的不同谐振频率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 本发明的其他特征和优点将从附图中以非限制性示例的方式示出的、本发明的优 选实施例的说明进一步得知。
[0025] 图1是根据现有技术的轴向压缩机的进口的概要视图； 图2更详细示出根据本发明的第一实施例的轴向压缩机的进口区域； 图3a、3b示出本发明的备选实施例。
【具体实施方式】
[0026] 图1概要示出燃气涡轮机机组的轴向压缩机的进口部，该轴向压缩机包括壳5和 被所述壳5包围的转子4。转子4围绕纵向轴14转动。在壳5的内轮廓与转子4的外轮廓 之间形成有环形流动通道。连接至转子4的转动叶片和连接至壳5的导叶交替突出至该流 动通道中。图1中的附图标记2是指入口导叶，以及附图标记3是指第一压缩机级的转动 叶片。环境空气通过喇叭口 1进入压缩机。比如过滤系统和支杆的另外的组件可以布置在 该部。
[0027] 在转子4的转动速度Q的压缩机的额定操作条件下，对于谐波转动激励kQ，转 动压缩机盘部件被设计为无谐振系统（resonancefreesystem),其中k意味着引擎阶次 (engineorder)变化为1、2、3........。转动激励确定沿着压缩机叶片盘（bladeddisc)的 周向方向的、非均一空气压力分布。在压缩机进口，压力变化主要是由进口的非对称几何形 状、入口导叶2和喇叭口支杆的数量、以及例如比如压缩机壳5的椭圆化的其他源导致的。 此外，转动叶片3可以由非同步刺激、比如很少发生的声音激励而激励。在设计中，坎贝尔 图中被用于识别转动叶片盘的可能的激励。此外，根据设计指南，在坎贝尔图上还可以考虑 非同步激励。在额定速度Qn的坎贝尔图中，振型（modeshape)i的叶片本征频率^^必须 位于同步与非同步激励线之间，以避免谐振。通常，转动叶片被设计为与高达第6或者甚至 更高引擎阶次k的谐振无关地操作。如果激励频率e等于作为独立式叶片和叶片的激励标 准的振型i的《vi固有频率，那么非转动叶片2可以被非同步刺激激励。
[0028] 如之前描述提到的，冰主要沉积在喇叭口 1、入口导叶2的表面，而在第一压缩机 级的转动叶片3上沉积得少。相对于叶片振动，分布在这些构造上的冰其总质量升高Am， 并减小本征频率《iAni如下：
【权利要求】
1. 一种用于抑制在涡轮机构造尤其是压缩机的进口构造的表面上、在其操作期间形 成冰的方法，所述方法包括至少如下步骤：将所述构造（1、2、3)的机械振动能量压电转换 为电能，将所产生的电能转换为热能，并将该热能引导至所述构造（1、2、3)的至少一部分。
2. 如权利要求1所述的方法，包括将至少一个压电元件（6)牢固施加至所述构造（1、 2、3)，并将所述压电元件（6)连接至含有欧姆电阻（7)的电路（11)。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述构造（1、2、3)的机械振动致使所述压电元件 (6)变形，因此将所述构造（1、2、3)的机械振动能量转换为电压，发起所连接的所述电路 (11)中的电流，将所述电流转换为所述欧姆电阻（7)中的热能，并将该热能引导至所述构造 (1、2、3)的至少一部分。
4. 如权利要求2所述的方法，其中，所述电路（11)另外包括发射器（8)。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，第一构造（1、2、3)的所述电路（11)至少包括压电 元件（6)、电阻（7)和发射器（8)，并且其中，第二构造（1、2、3)的电路（12)至少包括接收器 (10) 和电阻（7)，并且其中，电路（11)的所述发射器（8)和电路（12)的所述接收器（10)被 设计为通过非接触能量传递来传输功率。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述第一构造是转动叶片（3)，并且所述第二构造 是入口导叶（2)和/或喇叭口的定子部分（1 )。
7. 如权利要求4所述的方法，其中，所述电路（11)的所述发射器（8)被设计为将信号 发送至外部能量输送系统（16)的接收器（10'）。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述外部能量输送设备（16)包括至少接收器 (10'）、电功率源（19)和用于非接触能量传递发射器（13)。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述外部能量输送系统（16)的所述发射器（13)通 过非接触能量传递将功率传输至施加到所述构造（1、2、3)的所述电路（12)的至少一个接 收器（10)，并且所接收的信号由所述电阻（7)转换为热。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述外部能量输送设备（16)将功率传输至施加 到所述构造（1、2、3)的所有电路（12)。
11. 如权利要求1-10的一项或多项所述的方法，其中，所述电路（11、12、16)内的能量 的所述传输至少部分基于无线技术。
12. 如权利要求1所述的方法，其中，多于一个的压电元件（6)施加到一个构造（1、2、 3)，并且其中，所述多于一个的压电元件（6)被调节至一个或更多谐振频率。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，所述涡轮机是用于发电的固定燃气涡轮机机组 的压缩机。
14. 一种用于执行权利要求1所述的方法的设备，至少包括具有由喇叭口（1)构成的 入口部的壳（5)、由所述壳（5)包围的转子（4)、连接至所述壳（5)的入口导叶（2)的排、以 及连接至所述转子（4)的转动叶片（3)的排，其中，所述喇叭口（1)和/或至少一个入口导 叶（2)和/或至少一个转动叶片（3)配备有压电元件（6)和连接至该压电元件（6)的电路 (11) 。
15. 如权利要求14所述的设备，其中，所述电路（11)包含至少欧姆电阻（7)。
16. 如权利要求14或15所述的设备，其中，所述电路（11)含有至少发射器（8)。
17. 如权利要求16所述的设备，其中，包含所述压电元件（6)、所述欧姆电阻（7)和所 述发射器（8)的所述电路（11)牢固施加到至少一个转动叶片（3)和/或至少一个入口导叶 (2)和/或所述壳和/或所述喇叭口（1)的支杆。
18. 如权利要求17所述的设备，其中，包括所述压电元件（6)、所述欧姆电阻（7)和所 述发射器（8)的电路（11)施加到至少一个转动叶片（3)，并且其中，包括欧姆电阻（7)和接 收器（10)的电路（12)施加到至少一个入口导叶（2)和/或所述壳和/或所述喇叭口（1) 的支杆，并且其中，所述电路（11)的所述发射器（8)和电路（12)的所述接收器（10)被设计 为通过非接触能量传递来传输功率。
19. 如权利要求17所述的设备，其中，包括所述压电元件（6)、所述欧姆电阻（7)和所 述发射器（8 )的电路（11)施加到至少一个转动叶片（3 )，并且其中，所述发射器（8 )被设计 为将信号发送至外部能量输送系统（16)的接收器（10'）。
20. 如权利要求19所述的设备，其中，所述外部能量输送系统（16)至少包括所述接收 器（10'）、电功率源（19)和用于非接触将能量传递至所述电路（12)的所述接收器（10)的发 射器（9)。
21. 如权利要求20所述的设备，其中，至少一个所述转动叶片（3)和/或所述入口导 叶（2)和/或所述壳和/或所述喇叭口（1)的所述支杆配备有包含接收器（10)和电阻（7) 的电路（12)。
22. 如权利要求14所述的设备，其中，所述压电元件（6)和连接至该压电元件（6)的所 述电路（11)被设计为模块，并且至少一个这种模块施加到所述构造（1、2、3)中的一个。
23. 如权利要求22所述的设备，其中，所述模块另外包括欧姆电阻（7)和/或发射器 (8)。
24. 如权利要求22所述的设备，其中，至少包括电阻（7)和接收器（10)的所述电路 (12)被设计为模块，并且至少一个这种模块施加到所述构造（1、2、3)中的一个。
25. 如权利要求14至24的一项所述的设备，其中，所述电路（11、12)或者包含这些电 路（11、12)的相应的所述模块施加到所述构造（1、2、3)的外表面或者内表面，或者其嵌入 这些构造的壁（1、2、3)中。
【文档编号】F04D29/58GK104234837SQ201410271233
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】L. 斯维多维茨 J., 鲍尔 A., 纽鲍尔 M., M. 施瓦曾达尔 S. 申请人:阿尔斯通技术有限公司