CN101886574B - 热负荷下具有改进的运行间隙的定子外壳 - Google Patents
热负荷下具有改进的运行间隙的定子外壳 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种涡轮发电***,包括具有护罩的定子(18)和位于护罩中可以旋转的转子(28),其中护罩构成为当内表面(26)受到热负荷时护罩的内表面(26)的内径减小。内径的减小允许在稳态操作而不是瞬态操作期间达到最小叶片-外壳间隙。叶片-外壳间隙构成为当发动机处于冷的固定的位置时最大。间隙还构成为随着热负荷增加而减小,直到达到稳态热平衡。在停机期间随着定子和转子开始冷却,间隙变大。
Description
技术领域
本发明大致属于燃气轮机发电***领域。更具体地说,本发明是针对在热负荷下具有改进的运行间隙的定子外壳。
背景技术
燃气轮机通常是发电单元的一部分。这种发电***的组成部分通常包括涡轮机,压缩机,和发电机。这些部件是机械连接的,往往采用多轴来提高单元的效率。发电机通常是单轴驱动的机器。根据燃气轮机的大小和输出,有时使用齿轮箱来联接发电机和燃气轮机的轴输出。
一般来说,燃气轮机是以所知的布雷顿循环的方式来运转的。布雷顿循环包括四个主要过程:压缩,燃烧,膨胀及热排放。空气被吸入压缩机,在此处被加热和压缩。然后,空气离开压缩机并进入燃烧器,在此处燃料被添加到空气中并点燃该混合物,从而产生另外的热量。由此产生的高温、高压气体离开燃烧器并进入涡轮机,在此处,热的、加压的气体通过涡轮的叶片,使涡轮叶轮转动并使涡轮轴旋转。因为发电机联接在同一轴上,所以它把涡轮轴的转动能量转换成了可用的电能。
燃气涡轮发动机的效率部分取决于转子叶片顶端和定子外壳内表面之间的间隙。这对压缩机和涡轮机都适用。随着间隙的增加,更多的发动机空气会围绕在涡轮机或压缩机的叶片顶端和外壳之间而不做有用功,降低了发动机的效率。在某些操作条件下,间隙太小会导致转子和定子接触。
由于定子和转子受到不同的热负荷,且通常由不同的材料和厚度制造,因此在操作期间定子和转子的膨胀和收缩的程度也不同。这使得叶片和外壳之间具有随操作条件而变化的间隙。对很多燃气涡轮发动机来说,停机期间的热响应速率失配是最严重的。这是因为转子清洗线路没有足够的压力差驱动冷却流。这导致定子外壳的冷却速度远远超过了转子。由于热膨胀,外壳在直径上的收缩速度快于转子。如果在外壳比转子冷得多的时候尝试重启,由转子旋转而导致的机械偏差增加了转子直径,使得旋转部分和固定部分之间的间隙变小(该情况被称为“重启动夹紧”)。
通常情况下,叶片和外壳之间的冷时间隙(在冷却的,固定的操作条件下的间隙)设计为尽量减小在稳态操作下的顶端间隙,同时避免在停机和启动这类瞬时操作中的顶端摩擦。在冷时间隙的设计过程中,这两个因素都必须兼顾到,但瞬时操作条件通常决定最小的冷建造间隙。因此,稳态叶片间隙几乎总是大于可能的最小间隙。
发明内容
一方面,本发明包括涡轮发电***,该涡轮发电***包括具有护罩的定子和位于护罩里面可转动的转子,其中,护罩构成为当内表面受到热负荷的时候,护罩的内表面的内径减小。
另一方面,本发明包括涡轮发电***,该涡轮发电***包括带有多个叶的护罩,在护罩中,各叶连接到定子上并包括有角度地围绕转子的旋转轴线的带状材料。
又一方面,本发明包括一种用于改进燃气涡轮发动机效率的方法,包括如下步骤:(1)为定子提供护罩;(2)点燃燃气涡轮发动机,以便在护罩内产生热量;(3)把燃气涡轮发电机产生的热量施加到护罩上,以此来减小护罩的内径。
附图说明
图1是转子和定子的示意图;
图2是在热负荷被施加前,本发明的实施例的示意图;
图3是在热负荷被施加后,图2的实施例的示意图;
图4是螺旋叶外壳的一部分的透视图;
图5是示出了在本发明的实施例中将螺旋叶外壳安装到壳体上的详细视图;
图6是示出转子和定子之间的间隙随时间变化的图;
图7是示出当定子使用了内径在热负荷下减小的外壳后,转子和定子之间的间隙随时间变化的图。
部件列表
10转子
12外壳
14叶片
16内表面
18定子
20叶
22挡块
24第一端
26内表面
28转子
30叶片
32弹簧
具体实施方式
图1是位于定子外壳内的简化的转子的描述。转子10包括多个周向围绕转子10的叶片14。叶片14沿从转子10的旋转轴线向定子12的外壳的内表面16的径向方向延伸。叶片14的离内表面16最近的部分被称为“顶端”。图1中的箭头显示了叶片14和内表面16之间的间隙。如前所述,在最小间隙下操作时能达到最大的效率。因为定子12和转子10的热响应速率不同,当涡轮经历瞬时操作时该间隙就会变化。
一旦涡轮被点燃,因为旋转力会将叶片14拉向内表面16,转子10的转动会引起叶片14的机械偏差。由于施加了热负荷,转子10和定子12获得热量,并且转子和定子材料膨胀。在定子12达到热平衡之前,定子12不断膨胀,拉动内表面16远离叶片14。因此,最小间隙通常发生在到达稳态操作条件之前或之后,稳态操作会在比最小间隙更大的间隙下进行。
图6说明了采用图1中定子-转子结构的燃气涡轮发动机的一般操作过程。图中顶部的线Dc表示了外壳12的内表面16在瞬态和稳态操作期间的直径。底部的线Dr表示了在瞬态和稳态操作期间转子10的叶片14的外顶端的直径的变化。在tcs时刻,转子10是冷的和固定的。“冷时间隙”就是由tcs时刻Dc和Dr之间的差值表示。在tcs时刻,开始冷启动。由于转子10的旋转引起叶片14的机械偏差,Dr立刻开始增加。在燃气涡轮发动机加热至稳态热平衡的过程中,瞬态操作继续。在此瞬态操作期间,因为外壳12和转子10受热负荷的影响,它们以不同的速率膨胀。在tmc时刻,因为转子10受热和膨胀比外壳12快而达到最小间隙。通常,该最小间隙是设计限制,在设计冷建造公差时必须要考虑到这一点。
接着,在tss时刻到达稳态操作条件,Dr和Dc保持基本不变。在tsd时刻,开始停机操作。在这个时候,定子10转速的下降导致叶片14机械偏差的减小。外壳12开始以快于转子10的速率冷却,导致间隙减小。在thr时刻,开始热重启。这导致转子10的机械偏差的增加和转子10热膨胀的增加。由于Dr以快于Dc的速率增加,在tp时刻出现夹紧的情况。像发生在时刻tmc的最小间隙一样,重启夹紧情况也是设计的限制,在设计冷建造公差时必须要考虑到这一点。
一方面,本发明包括用于涡轮发电***的在热负荷下内径会减小的定子外壳。内径的减小使得在稳态操作期间而不是在瞬态操作期间达到最小的叶片-外壳间隙。在一个实施例中,叶片-外壳间隙构成为当发动机处于冷的、固定的位置时最大。间隙还构成为随着热负荷的增加而进一步下降,直到达到稳态热平衡。在此实施例中,停机期间间隙增加,因为定子和转子开始冷却。一方面,本发明包括位于定子壳体内的螺旋叶外壳。当受到热负荷,叶长度增加导致外壳的内径的尺寸减小,从而使转子叶片和螺旋叶外壳之间的间隙减小。
图2说明了本发明的一个实施例。具有多个叶片30的转子28绕定子18内的旋转轴线有角度地旋转。定子18包括由多个有重叠的叶20组成的护罩。各个叶20有角度地包围着转子28的旋转轴线。各个叶20具有附连在定子18的壳体上的第一端24。叶20的另一端限定了护罩的内表面26的部分。图2示出了热负荷加载前的燃气涡轮发动机。在本图中,发动机处于“冷”状态。
参考图3,在稳态操作期间,转子28和定子18可能出现图3的情况。随着转子28和定子18被加热,叶片30和护罩的内表面26之间的间隙减小。因为机械偏差和材料膨胀,在两个直径上相对的叶片30的顶端之间测量的转子28的直径增加。护罩的叶20也膨胀并变长。虽然转子18的壳体在加热时会增大并将其拉离转子28,但是叶20的膨胀会补偿这种增大,并将护罩的内表面26推向叶片30。在稳态操作下,达到热平衡。在这个点上,叶片30的顶端和护罩的内表面26之间的间隙会维持恒定。
当涡轮发动机停机的时候,转子28和定子18变回到图2所示的状态。在停机操作期间,转子28和叶片30冷却导致转子和叶片材料收缩。转子28的更低的旋转也引起叶片30的机械偏差变小。叶20也冷却并且尺寸变小。这会导致内表面26离开转子28,即使定子18的壳体的冷却导致壳体回到其最初冷却时候的大小。
在本发明的另一个实施例中。叶20更具体地设计为以某一速度膨胀,以便匹配和抵消壳体的膨胀,使得在启动和稳态操作条件之间,内表面26的内径能保持为常量或近似常量。在这个例子中,当发动机由启动操作条件过渡到稳态操作条件过程中,叶片30的顶端和内表面26之间的间隙减小,当发动机从稳态操作条件过渡到停机操作条件过程中,该间隙增大。在整个这个过程中,内表面26的内径会基本保持不变,因为叶20膨胀补偿了定子18的壳体的增大。
图4示出了从定子壳体拆除下来的螺旋叶外壳的一部分。在本示例中显示了6个叶20。各个叶20包括在第一端24带有凸缘的带状材料。各个叶20的第二端形成护罩的内表面的部分。带状材料围绕涡轮的旋转中心轴线,并“夹”在相邻叶之间。叶20可以选择很多不同的材料,但是希望所选择的材料具有较高的线性和/或体积热膨胀系数和高熔点,因为该材料会暴露在燃气涡轮机的热气体路径中。
图5是说明本发明的一个实施例的详细视图。在本实施例中,叶20的端部24的凸缘与定子18的挡块配合。因此,当叶20经历线性热膨胀的时候,叶的另一端会绕涡轮的旋转轴线进一步延伸。当受到热负荷的时候,叶20也会经历体积热膨胀,导致叶20的厚度增加。因此,当涡轮加热至稳态操作条件时,叶20的线性和体积膨胀导致护罩的内径沿叶片30的顶端的方向移动。使用弹簧32来将叶20固定到定子18上。
图7说明了使用图2-图5中的螺旋叶护罩的燃气涡轮发动机的一般操作过程。转子10的直径Dr随时间而变化,和图6中已说明的图1中的实施例基本相同。图2-图5中实施例的内表面26的直径Dc的行为与图1中的实施例的直径Dc不同。在tcs时刻,开始冷启动。因为转子10的旋转引起叶片14的机械偏差,Dr立即开始增加。在燃气涡轮发动机加热到稳态热平衡的过程中,瞬态操作会持续。在此瞬态操作期间,因为叶20经历热膨胀,定子的内表面26减小。Dc和Dr之间的间隙会持续减小直到tss时刻,这个时刻到达稳态操作条件,Dr和Dc保持基本不变。
在tsd时刻开始停机操作。在这个时刻,转子10的降低的旋转速度导致了叶片14的机械偏差的减小。叶20开始冷却和收缩导致间隙增加。在thr时刻,开始热重启。这导致转子10的机械偏差增加和转子10的热膨胀增加。没有夹紧情形发生,在tss2时刻再次到达稳态条件。读者要注意到,在稳态操作期间达到了最小间隙。因为在停机操作期间间隙增加,可以看到应用了内径减小的定子消除了一些通常会影响涡轮热运转间隙的设计限制。因此,应用本发明可以达到更小的热运行间隙。
本发明包括用于涡轮发电***的在热负荷下内径会减小的定子外壳。内径的减小使得在稳态操作期间而不是在瞬态操作期间达到最小的叶片-外壳间隙。在一个实施例中,叶片-外壳间隙构成为当发动机处于冷的、固定的位置时最大。该间隙还构成为随着热负荷的增加而减小,直到达到稳态热平衡。在该实施例中,因为定子和转子开始冷却,在停机期间间隙增加。一方面,本发明包括位于定子壳体内的螺旋叶外壳。当受到热负荷时,叶长度和体积增加导致外壳的内径的尺寸减小,从而减小了转子叶片和螺旋叶外壳之间的间隙。
本发明并不限于上面所公开的具体的实施例。从前面详细的描述,本文所述的方法和设备的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。这些修改和变化属于权利要求的范围之内。
Claims (3)
1.一种涡轮发电***,包括:
包括护罩的定子(18),所述护罩具有内表面(26),所述内表面(26)具有内径;以及
位于所述护罩内可旋转的转子(28),所述转子(28)适于绕旋转轴线旋转,所述转子(28)具有叶片(30),所述叶片(30)具有靠近所述护罩的所述内表面的顶端;其中,所述护罩构成为当所述内表面(26)受到热负荷时,所述内表面(26)的内径减小;
所述护罩包含在壳体中,所述护罩包括多个叶(20),各所述叶(20)连接到所述定子(18)并具有占据所述内表面(26)的一部分的第一端;各所述叶(20)在第二端连接到所述定子(18);各所述叶(20)包括在所述第一端和所述第二端之间延伸的带状材料,所述带状材料有角度地绕所述转子(28)的旋转轴线;各所述叶(20)构成为当受到热负荷时变长,从而减小所述内表面(26)的内径。
2.根据权利要求1所述的涡轮发电***,其特征在于,所述壳体具有面对所述护罩的内表面。
3.根据权利要求1所述的涡轮发电***,其特征在于,各所述叶(20)构成为当受到热负荷时体积膨胀,从而减小所述内表面(26)的内径。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20141015 Termination date: 20160108 |