[发明专利]热负荷下具有改进的运行间隙的定子外壳

说明书

技术领域

本发明大致属于燃气轮机发电系统领域。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。这种发电系统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系统，该涡轮发电系统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系统，该涡轮发电系统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。