BR102016024577A2 - Gas turbine motor assembly, electrical power system and operating method for a gas turbine motor assembly - Google Patents

Gas turbine motor assembly, electrical power system and operating method for a gas turbine motor assembly Download PDF

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BR102016024577A2
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Robert Gemin Paul
Lee Becker Thomas
Robert Steen Tod
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General Electric Company
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Abstract

“conjunto de motor de turbina a gás, sistema de potência elétrica e método de operação de um conjunto de motor de turbina a gása presente revelação é direcionada a um conjunto de motor de turbina a gás que tem um compressor (24) configurado para aumentar a pressão de ar que entra, uma câmara de combustão (104), pelo menos uma turbina (106, 108) acoplada a um gerador (114), um amortecedor torsional (116) e um controlador (120). a câmara de combustão (104) é configurada para receber uma corrente de ar pressurizado do compressor (24). adicionalmente, o combustível é injetado no interior do ar pressurizado na câmara de combustão (104) e inflamado de modo a aumentar um nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. a turbina (106, 108) é operativamente acoplada à câmara de combustão (104) de modo a receber produtos de combustão que fluem a partir da câmara de combustão (104). o gerador (114) é acoplado à turbina (106, 108) por meio de uma haste (118). portanto, o amortecedor torsional (116) é configurado para amortecer oscilações torsionais do gerador (114). além disso, o controlador (120) é configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o gerador (114).

Description

“CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA E MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS” Campo da Invenção [001] O presente pedido refere-se, em geral, a motores de turbina a gás e, mais particularmente, a um amortecedor torsional e um controle de amortecimento torsional para proteger motores de turbina a gás da interação torsional.
Antecedentes da Invenção [002] Um motor de turbina a gás geralmente inclui, na ordem de fluxo em série, uma seção de compressor, uma seção de combustão, uma seção de turbina e uma seção de escape. Em operação, o ar entra em uma entrada da seção de compressor onde um ou mais compressores axiais comprimem progressivamente o ar até que o mesmo alcance a seção de combustão. O combustível é misturado com o ar comprimido e queimado dentro da seção de combustão para fornecer gases de combustão. Os gases de combustão são conduzidos a partir da seção de combustão através de uma passagem de gás quente definida dentro da seção de turbina e, então, escapa da seção de turbina por meio da seção de escape.
[003] Em configurações particulares, a seção de turbina inclui, em ordem de fluxo em série, uma turbina de alta pressão (HP) e uma turbina de baixa pressão (LP). A turbina de HP e a turbina de LP incluem, cada uma, vários componentes de turbina giratórios, tais como pás de rotor de turbina, discos magnéticos e retentores de rotor, e vários componentes de turbina estacionários, tais como palhetas ou bocais de estator, invólucro de turbina e molduras de motor. Os componentes de turbina giratórios e estacionários definem, pelo menos de forma parcial, a passagem de gás quente através da seção de turbina. Conforme os gases de combustão fluem através da passagem de gás quente, a energia térmica é transferida a partir dos gases de combustão aos componentes de turbina giratórios e aos componentes de turbina estacionários.
[004] Os motores de turbina a gás e outros tipos de turbo máquina são muitas vezes usados para acionar cargas, tais como geradores elétricos. Os motores de turbina a gás e outros grandes sistemas de trem de acionamento têm um momento de inércia, uma rigidez torsional e amortecimento natural. O baixo nível de amortecimento mecânico em trens de alta potência pode causar interação torsional entre componentes de sistema de potência e o trem de acionamento mecânico. Por exemplo, se uma das frequências naturais do trem de acionamento mecânico for excitada a uma ressonância torsional, o torque mecânico alternado resultante pode alcançar valores que podem danificar ou causar fadiga em componentes do sistema de haste de rotor.
[005] Portanto, um sistema e um método para operar um motor de turbina a gás ou máquina semelhante de modo a fornecer amortecimento torsional aperfeiçoado seriam bem-vindos na técnica.
Descrição Resumida da Invenção [006] Os aspectos e as vantagens da invenção serão estabelecidos, em parte, na descrição a seguir, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[007] De acordo com um aspecto da presente revelação, um conjunto de motor de turbina a gás é revelado. O conjunto de motor de turbina a gás inclui um compressor configurado para aumentar a pressão de ar que entra, uma câmara de combustão, pelo menos uma turbina (por exemplo, turbinas de alta e baixa pressão) acoplada a um gerador, um amortecedor torsional e um controlador. A câmara de combustão é configurada para receber uma corrente de ar pressurizado a partir do compressor. Adicionalmente, o combustível é injetado no interior do ar pressurizado na câmara de combustão e inflamado de modo a aumentar um nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. A turbina é operativamente acoplada à câmara de combustão de modo a receber produtos de combustão que fluem a partir da câmara de combustão. O gerador é acoplado a um sistema de haste da turbina (por exemplo, qualquer um dentre ou combinação de um sistema de haste de alta pressão, um sistema de haste de baixa pressão ou um sistema de haste intermediário) por meio de uma haste. Portanto, o amortecedor torsional é configurado para amortecer oscilações torsionais no sistema de haste do gerador, por exemplo, causadas pelo amortecimento negativo e/ou excitações forçadas. Além disso, o controlador é configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o gerador.
[008] Em uma realização, o amortecedor torsional pode incluir pelo menos um dentre um amortecedor mecânico ou um amortecedor elétrico. Por exemplo, em realizações particulares, o amortecedor mecânico pode incluir um amortecedor viscoso. Mais especificamente, o amortecedor viscoso pode ser posicionado circunferencialmente ao redor da haste do gerador.
[009] Em certas realizações, o conjunto de motor de turbina a gás pode também incluir um conversor de potência que tem um ou mais circuitos elétricos. Portanto, em tais realizações, o amortecedor elétrico pode incluir um resistor integrado em um dos circuitos elétricos do conversor de potência. Além disso, em certas realizações, o controlador pode ser configurado para controlar o resistor de modo a proibir o gerador de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
[010] Em outra realização, o conjunto de motor de turbina a gás pode incluir um amortecedor de barramento de potência configurado para proibir o gerador de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional. Mais especificamente, em certas realizações, o amortecedor de barramento de potência pode incluir pelo menos um dentre uma carga ativa, uma carga resistiva controlada, um dispositivo de armazenagem de energia, ou similares.
[011] Em realizações adicionais, o controlador pode ser configurado para controlar um fator de potência do gerador de modo a fornecer amortecimento torsional do gerador diminuindo-se o fator de potência e criando-se perdas internas a enrolamentos do gerador.
[012] Em realizações adicionais, o amortecedor torsional pode ser configurado para reduzir o torque de oscilação entre o gerador e a turbina.
[013] Em outro aspecto, a presente revelação é direcionada a um sistema de potência elétrica. O sistema de potência elétrica inclui um primeiro sistema de inércia conectado a um segundo sistema de inércia por meio de uma haste. Adicionalmente, o primeiro sistema de inércia é maior que o segundo sistema de inércia. Além disso, o segundo sistema de inércia pode incluir uma razão negativa de torque delta e velocidade delta. Portanto, o sistema de potência elétrica também inclui um amortecedor torsional configurado para amortecer oscilações torsionais entre o primeiro e o segundo sistemas de inércia, por exemplo, causadas pelo amortecimento negativo e/ou excitações forçadas.
[014] Em ainda outro aspecto, a presente revelação é direcionada a um método de operação de um conjunto de motor de turbina a gás. O método inclui pressurizar ar por meio de um compressor do conjunto. O método também inclui fornecer o ar pressurizado do compressor a uma câmara de combustão. Ainda outra etapa inclui injetar combustível no interior do ar pressurizado dentro da câmara de combustão e inflamar o combustível de modo a aumentar o nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. O método inclui adicionalmente fornecer produtos de combustão da câmara de combustão a uma turbina acoplada a um gerador do conjunto. Além disso, o método inclui amortecer oscilações torsionais de um sistema de haste do gerador por meio de um amortecedor torsional e amortecimento adicional fornecido por um controlador de gerador.
[015] Em uma realização, a etapa de amortecer oscilações torsionais do sistema de haste do gerador por meio do amortecedor torsional pode incluir adicionalmente fornecer pelo menos um dentre um amortecedor mecânico ou um amortecedor elétrico. Mais especificamente, em certas realizações, a etapa de amortecer oscilações torsionais do sistema de haste do gerador pode incluir posicionar o amortecedor mecânico circunferencialmente ao redor da haste.
[016] Em outra realização, o método pode incluir integrar o amortecedor elétrico no interior de um conversor de potência do gerador. Mais especificamente, em tal realização, o amortecedor elétrico pode incluir um resistor. Por exemplo, em certas realizações, o método pode incluir controlar, por meio do controlador, o resistor de modo a proibir o gerador de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
[017] Em realizações adicionais, o método pode incluir operativamente acoplar um amortecedor de barramento de potência com o conversor de potência e controlar o amortecedor de barramento de potência de modo a proibir o gerador de ter uma carga de potência constante. Mais especificamente, em tais realizações, o amortecedor de barramento de potência pode incluir pelo menos um dentre uma carga ativa, uma carga resistiva controlada, um dispositivo de armazenagem de energia, ou similares.
[018] Em ainda outra realização, o método pode incluir controlar um fator de potência do gerador de modo a fornecer amortecimento torsional do gerador diminuindo-se o fator de potência e criando-se perdas internas a enrolamentos do gerador.
[019] Essas e outras funções, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidos com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados em e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram realizações da invenção e, em conjunto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
Breve Descrição das Figuras [020] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, destinada a um indivíduo de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: - A Figura 1 ilustra uma vista em corte transversal esquemática de um motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 2 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos de outra realização de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 4 ilustra um diagrama de blocos de ainda outra realização de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um gerador de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 6 ilustra um diagrama de blocos de outra realização de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 7 ilustra um diagrama de blocos parcial de uma realização de um gerador e um conversor de potência de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 8 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um amortecedor elétrico de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação; - A Figura 9 ilustra um diagrama de blocos parcial de outra realização de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação, particularmente, ilustrando várias realizações de um amortecedor de barramento de potência; - A Figura 10 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um sistema de potência elétrica de acordo com a presente revelação; e - A Figura 11 ilustra um diagrama de fluxo de uma realização de um método de operação de um conjunto de motor de turbina a gás de acordo com a presente revelação.
Descrição Detalhada da Invenção [021 j Agora, será feita referência em detalhes às presentes realizações da invenção, em que um ou mais exemplos das mesmas são ilustrados nos desenhos anexos. A descrição detalhada usa designações numéricas e de letras para se referir às funções nos desenhos. Designações semelhantes ou similares nos desenhos e na descrição foram usadas para se referir a partes semelhantes ou similares da invenção. Conforme usado no presente documento, os termos “primeiro”, “segundo” e “terceiro” podem ser usados alternadamente para distinguir um componente de outro, e não se destinam a significar uma localização ou importância dos componentes individuais. Os termos “a montante” e “a jusante” se referem à direção de fluxo relativa em relação ao fluxo de fluido em uma via de fluido. Por exemplo, “a montante” se refere à direção de fluxo a partir da qual o fluido flui, e “a jusante” se refere à direção de fluxo para a qual o fluido flui.
[022] Adicionalmente, conforme usado no presente documento, os termos “axial” ou “axialmente” se referem a uma dimensão ao longo de um eixo geométrico longitudinal de um motor. O termo “para frente” usado em conjunto com “axial” ou “axialmente” se refere a uma direção em direção à entrada de motor, ou um componente que está relativamente mais próximo à entrada de motor conforme comparado a outro componente. O termo “para trás” usado em conjunto com “axial” ou “axialmente” se refere a uma direção em direção ao bocal de motor, ou um componente que está relativamente mais próximo ao bocal de motor conforme comparado a outro componente. Os termos “radial” ou “radialmente” se referem a uma dimensão que se estende entre um eixo geométrico longitudinal central do motor e uma circunferência de motor externa.
[023] Em geral, a presente revelação é direcionada a um conjunto de motor de turbina a gás que tem amortecimento torsional aperfeiçoado. O conjunto de motor de turbina a gás geralmente inclui um compressor, uma câmara de combustão, pelo menos uma turbina (por exemplo, uma turbina de alta e de baixa pressão) acoplada a um gerador, um amortecedor torsional e um controlador configurado para fornecer amortecimento adicional. Conforme é geralmente entendido, a câmara de combustão é configurada para receber ar pressurizado do compressor, em que o combustível é injetado no interior do ar pressurizado e inflamado de modo a aumentar um nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. A turbina é operativamente acoplada à câmara de combustão de modo a receber produtos de combustão que fluem a partir da câmara de combustão. O gerador é acoplado a um sistema de haste da turbina por meio de uma haste. Portanto, o amortecedor torsional (isto é, mecânico, elétrico e/ou ambos) é configurado para amortecer oscilações torsionais do sistema de haste do gerador. Além disso, o controlador é configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o gerador.
[024] Portanto, a presente revelação fornece muitas vantagens que não se encontram presentes na técnica anterior. Por exemplo, a presente revelação fornece um acionamento mecânico estável de um gerador ou motor para um sistema de potência de aeronave bem como qualquer outro sistema de potência elétrica adequado reduzindo-se torque de oscilação entre o gerador à turbina (isto é, causado pelo amortecimento negativo e/ou excitações forçadas). Além disso, o sistema fornece análise simplificada das cargas de sistema de potência. Adicionalmente, o amortecimento torsional da presente revelação é configurado para facilitar a transmissão de torque para a turbina, desse modo, permitindo que os requisitos de modelo de turbina totais sejam relaxados. Portanto, o tamanho, custo e/ou peso da turbina, portanto, podem ser reduzidos. Além disso, o motor de turbina a gás pode ser mais confiável com tempo de vida de componente mais longo. Adicionalmente, as funções de amortecimento torsional da presente revelação podem ser um equipamento original ou parte de uma atualização.
[025] Referindo-se agora aos desenhos em detalhes, em que numerais idênticos indicam os mesmos elementos ao longo das Figuras, a Figura 1 ilustra um motor de turbina a gás exemplificativo 10 (tipo de desvio elevado) de acordo com uma realização da presente revelação. Conforme mostrado, o motor de turbina a gás ilustrado 10 tem um eixo geométrico de linha central longitudinal axial 12 através do mesmo para fins de referência. Adicionalmente, o motor de turbina a gás 10 inclui, preferencialmente, um motor de turbina a gás de núcleo identificado pelo número 14, e uma seção de ventilador 16 posicionada a montante do mesmo. O motor de núcleo 14 tipicamente inclui um invólucro externo geralmente tubular 18 que define uma entrada anular 20. O invólucro externo 18 envolve e sustenta adicionalmente um intensificador 22 para aumentar a pressão do ar que entra no motor de núcleo 14 para um primeiro nível de pressão. Um compressor de fluxo axial, multiestágio e de alta pressão, 24 recebe o ar pressurizado a partir do intensificador 22 e aumenta adicionalmente a pressão do ar. O ar pressurizado flui a um combustor 26, onde o combustível é injetado no interior da corrente de ar pressurizado e inflamado para aumentar o nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. Os produtos de combustão de alta energia fluem a partir do combustor 26 para uma primeira turbina (de alta pressão) 28 para acionar o compressor de alta pressão 24 através de uma primeira haste de acionamento (de alta pressão) 30 e, então, para uma segunda turbina (de baixa pressão) 32 para acionar o intensificador 22 e a seção de ventilador 16 através de uma segunda haste de acionamento (de baixa pressão) 34 que é coaxial com a primeira haste de acionamento 30. Após acionarem cada uma das turbinas 28 e 32, os produtos de combustão deixam o motor de núcleo 14 através de um bocal de escape 36 para fornecer pelo menos uma porção do impulso de propulsão a jato do motor 10.
[026] A seção de ventilador 16 inclui um rotor de ventilador giratório de fluxo axial 38 que é envolvido por um invólucro de ventilador anular 40. Será verificado que o invólucro de ventilador 40 é sustentado a partir do motor de núcleo 14 por uma pluralidade de palhetas-guia de saída que se estendem de modo substancialmente radial, circunferencialmente espaçadas 42. Dessa forma, o invólucro de ventilador 40 confina o rotor de ventilador 38 e as pás de rotor de ventilador 44. A seção a jusante 46 do invólucro de ventilador 40 se estende ao longo de uma porção externa do motor de núcleo 14 para definir um conduto de fluxo de ar secundário, ou de desvio 48 que fornece impulso de propulsão a jato adicional.
[027] A partir de um ponto de vista de fluxo, será entendido que um fluxo de ar inicial, representado pela seta 50, entra no motor de turbina a gás 10 através de uma entrada 52 para o invólucro de ventilador 40. O fluxo de ar passa através das pás de ventilador 44 e se divide em um primeiro fluxo de ar (representado pela seta 54) que se move através do conduto 48 e um segundo fluxo de ar (representado pela seta 56) que entra no intensificador 22.
[028] A pressão do segundo fluxo de ar 56 é aumentada e entra no compressor de alta pressão 24, conforme representado pela seta 58. Após se misturarem com o combustível e serem queimados no combustor 26, os produtos de combustão 60 saem do combustor 26 e fluem através da primeira turbina 28. Os produtos de combustão 60 fluem, então, através da segunda turbina 32 e saem do bocal de escape 36 para fornecer pelo menos uma porção do impulso para o motor de turbina a gás 10.
[029] Ainda em referência à Figura 1, o combustor 26 inclui uma câmara de combustão anular 62 que é coaxial com eixo geométrico de linha central longitudinal 12, bem como uma entrada 64 e uma saída 66. Conforme notado acima, o combustor 26 recebe uma corrente anular de ar pressurizado a partir de uma saída de descarga de compressor de alta pressão 69. Uma porção desse ar de descarga de compressor (ar de “CDP”) flui para o interior de um misturador (não mostrado). O combustível é injetado a partir de um bocal de combustível 100 para se misturar com ar e formar uma mistura de combustível e ar que é fornecida à câmara de combustão 62 para combustão. A ignição da mistura de combustível e ar é executada por um detonador adequado, e os gases de combustão resultantes 60 fluem em uma direção axial em direção a e no interior de um bocal de turbina anular de primeiro estágio 72. O bocal 72 é definido por um canal de fluxo anular que inclui uma pluralidade de palhetas de bocal que se estendem radialmente, circunferencialmente espaçadas 74, que giram os gases de modo que os mesmos fluam de forma angular e colidam sobre as primeiras pás de turbina de primeiro estágio da primeira turbina 28. Conforme mostrado na Figura 1, a primeira turbina 28 preferencialmente gira o compressor de alta pressão 24 por meio da primeira haste de acionamento 30. A turbina de baixa pressão 32, preferencialmente, aciona o intensificador 24 e o rotor de ventilador 38 por meio da segunda haste de acionamento 34.
[030] A câmara de combustão 62 é alojada dentro do invólucro externo de motor 18. O combustível é fornecido na câmara de combustão por um ou mais bocais de combustível. O combustível líquido é transportado através de condutos ou passagens dentro de um caule de cada bocal de combustível. Adicionalmente, o motor de turbina a gás 10 pode usar gás natural, vários tipos de gases de síntese e/ou outros tipos de combustíveis. Além disso, o motor de turbina a gás 10 pode ter configurações diferentes, e pode usar outros tipos de componentes em adição àqueles componentes mostrados. Os motores de turbina a gás múltiplos, outros tipos de turbinas e outros tipos de equipamentos de geração de potência também podem ser usados juntos no presente documento.
[031 j Referindo-se agora às Figuras 2 a 4, várias vistas simplificadas esquemáticas de um conjunto de motor de turbina a gás 100 de acordo com a presente revelação são ilustradas. Conforme mostrado nas realizações ilustradas, o conjunto de motor de turbina a gás 100 inclui geralmente um compressor 102, uma câmara de combustão 104, uma turbina de alta pressão 106 e uma haste de alta pressão 110, uma turbina de baixa pressão 108 e uma haste de baixa pressão 112, e vários outros componentes opcionais. Por exemplo, o conjunto de motor de turbina a gás 100 pode também incluir um gerador 114 ou um tipo similar de carga. O gerador 114 pode ser qualquer tipo de dispositivo para a geração de potência elétrica. Mais especificamente, conforme mostrado na Figura 5, o gerador 114 pode incluir um rotor de gerador 113 que gira dentro de um estator de gerador 115. Mais especificamente, a rotação do rotor 113 é devido à interação 13 entre os enrolamentos e/ou campos magnéticos do gerador 114, que produz um torque ao redor do eixo geométrico do rotor. Adicionalmente, o gerador 114 pode ser acionado pelas turbinas 106, 108 por meio das hastes 110, 112. Outros componentes e outras configurações podem também ser usados de acordo com a presente revelação.
[032] Além disso, conforme mostrado na Figura 6 e 7, o conjunto de motor de turbina a gás 100 pode também incluir um conversor de potência 122 que tem um mais ou circuitos elétricos 127. O conversor de potência 122 pode incluir qualquer conversor de potência adequado. Por exemplo, o conversor de potência 122 inclui geralmente circuito para converter uma tensão CA de frequência variável do gerador 114 em uma tensão que é fornecida para rede elétrica (não mostrado). Especificamente, o conversor de potência 122 é ativado de forma seletiva para produzir uma tensão de saída, que é a tensão CA fornecida para rede elétrica. Portanto, o conversor de potência 122 pode incluir vários dispositivos de comutação de potência, tais como, por exemplo, transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), transistores comutados de porta integrada (IGCTs) ou quaisquer outros dispositivos de comutação adequados.
[033] Referindo-se agora às Figuras 2 a 9, o conjunto de motor de turbina a gás 100 também pode incluir um amortecedor torsional 116 configurado para amortecer oscilações torsionais do gerador 114 e/ou um controlador 120 configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o motor 10. Portanto, em certas realizações, o amortecedor torsional 116 é configurado para reduzir o torque de oscilação entre o gerador 114 e a turbina 106, 108.
[034] Mais especificamente, conforme mostrado na realização ilustrada das Figuras 2 a 5, o amortecedor torsional 116 pode ser um amortecedor mecânico 117. Além disso, conforme mostrado, o amortecedor mecânico 117 pode ser posicionado circunferencialmente ao redor da haste 118, o que operativamente acopla a turbina de baixa pressão 108 ao gerador 114. Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 2, o amortecedor mecânico 117 pode ser configurado na extremidade frontal do gerador 114.
Alternativamente, conforme mostrado na Figura 3, o amortecedor mecânico 117 pode ser configurado na extremidade posterior do gerador 114. Além disso, o amortecedor mecânico 117 pode ser separado do gerador 114 (Figura 2) ou integrado com o gerador 114 (Figura 5). Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 2, o amortecedor torsional 116 e o gerador 114 podem ser conectados mecanicamente ao sistema de haste de baixa pressão (isto é, ao ventilador, intensificador e/ou à turbina de baixa pressão 108). Alternativamente, conforme mostrado na Figura 4, o amortecedor torsional 116 e o gerador 114 podem ser conectados mecanicamente ao sistema de haste de alta pressão (isto é, ao compressor 102 e/ou à turbina de alta pressão 106). Em ainda realizações adicionais, o amortecedor torsional 116 pode ser conectado a qualquer outro sistema de haste.
[035] Deve ser entendido que o amortecedor mecânico 117 pode ser qualquer amortecedor mecânico adequado conhecido agora ou desenvolvido depois na técnica. Por exemplo, em uma realização, o amortecedor mecânico 117 pode incluir um amortecedor viscoso. Conforme usado no presente documento, um amortecedor viscoso se refere geralmente a um dispositivo mecânico, que resiste ao movimento por meio de atrito viscoso. A força resultante é substancialmente proporcional à velocidade de oscilação, porém age na direção oposta, desse modo, reduzindo a oscilação e absorvendo energia sem resultar em perdas permanentes.
[036] Deve ser entendido que, em adição a ou no lugar do amortecedor mecânico 117, meios de amortecimento adicionais podem ser usados no motor 10. Por exemplo, conforme mostrado nas Figuras 6 a 8, o amortecedor torsional 116 pode incluir um amortecedor elétrico 124. Mais especificamente, conforme mostrado, o amortecedor elétrico 124 pode ser integrado no conversor de potência 122 do conjunto 100. Em certas realizações, conforme mostrado nas Figuras 7 e 8, o amortecedor elétrico 124 pode incluir um ou mais resistores 125 integrados no interior de um dos circuitos elétricos 127 do conversor de potência 122. Portanto, em tal realização, o controlador 120 pode ser configurado para controlar o resistor 125 de modo a proibir o gerador 114 de ter uma carga de potência constante, desse modo, fornecendo amortecimento torsional do mesmo. Consequentemente, o amortecedor elétrico 124 é configurado para fornecer amortecimento para excitações forçadas introduzidas ao conjunto 100.
[037] Em outra realização, conforme mostrado na Figura 9, o conjunto de motor de turbina a gás 100 pode incluir um componente de amortecedor de barramento de potência 126 configurado para proibir o gerador 114 de ter uma carga de potência constante. Mais especificamente, conforme mostrado, o componente de amortecedor de barramento de potência 126 pode incluir pelo menos um dentre uma carga ativa 128, uma carga resistiva controlada 130, um amortecedor de barramento 132 ou um dispositivo de armazenagem de energia 134 (por exemplo, bateria, capacitor ou similar). Adicionalmente, conforme mostrado, o(s) componente(s) de amortecedor de barramento de potência 126 é(são) configurado(s) para receber uma velocidade e/ou sinal de torque 136 a partir do gerador 114 ou do controlador 120. Com base no sinal 136, o componente de amortecedor de barramento 126 é configurado para impedir o barramento de ter uma carga de potência constante separada do controle de tensão. Adicionalmente, para geradores que têm um conversor de potência (conforme mostrado), o fator de potência pode ser reduzido para aumentar perdas de gerador na frequência de amortecimento mecânico exigida. Tal operação não resulta em perdas permanentes, mas apenas em perdas exigidas para amortecer oscilações torsionais.
[038] Em realizações adicionais, o controlador 120 é configurado para controlar um fator de potência do gerador 114 de modo a fornecer amortecimento torsional do gerador 114, por exemplo, diminuindo-se o fator de potência e criando-se perdas internas a enrolamentos do gerador 114 e conectando-se cabos.
[039] Referindo-se agora à Figura 10, deve ser entendido que as vantagens descritas acima podem também ser adequadas para sistemas de potência adicionais, adicionalmente ao motor de turbina a gás 10 de um sistema de potência de aeronave conforme descrito no presente documento. Por exemplo, sistemas de potência elétrica adicionais que podem utilizar as funções de amortecimento torsional da presente revelação podem incluir motores de turbina a gás, turbinas eólicas, turbinas a vapor ou qualquer outro sistema de acionamento de gerador adequado. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 10, um diagrama esquemático de um sistema de potência elétrica 150 que tem amortecimento torsional aperfeiçoado de acordo com a presente revelação é ilustrado. Mais especificamente, conforme mostrado, o sistema de potência elétrica 150 inclui um primeiro sistema de inércia 152 conectado a um segundo sistema de inércia 154 por meio de uma haste 156. Adicionalmente, conforme mostrado, o primeiro sistema de inércia 152 é maior que o segundo sistema de inércia 154. Por exemplo, em certas realizações, o primeiro sistema de inércia 152 pode ser um gerador, enquanto o segundo sistema de inércia 154 pode incluir um acionador de gerador, que inclui, mas não se limita a, um sistema de haste de baixa pressão, um sistema de haste de alta pressão, um sistema de haste intermediário, uma ou mais pás de rotor (opcionalmente acopladas a uma caixa de marchas), ou qualquer outro componente de acionamento de gerador adequado.
[040] Portanto, o sistema de potência elétrica 150 pode incluir um amortecedor torsional 158 configurado para amortecer oscilações torsionais entre o primeiro e o segundo sistemas de inércia 152, 154. Em tais sistemas, o segundo sistema de inércia 154 pode ter uma razão negativa de torque delta e velocidade delta, isto é, pode ter um amortecimento negativo. Portanto, o amortecedor torsional 158 pode ser configurado para corrigir o amortecimento negativo do segundo sistema de inércia 154. De forma alternativa, o amortecedor torsional 158 pode ser configurado para fornecer amortecimento para excitações forçadas introduzidas aos sistemas 152, 154.
[041] Em realizações adicionais, o sistema de potência elétrica 150 inclui um controlador 160 configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o primeiro e o segundo sistemas de inércia 152, 154. Referindo-se agora à Figura 11, um diagrama de fluxo de uma realização de um método 200 de operação de um motor de turbina a gás. Conforme mostrado em 202, o método 200 inclui pressurizar ar por meio de um compressor 24 do motor de turbina a gás 10. Conforme mostrado em 204, o método 200 inclui fornecer o ar pressurizado para uma câmara de combustão 62 a partir do compressor 24. Conforme mostrado em 206, o método 200 inclui injetar combustível no interior do ar pressurizado dentro da câmara de combustão 62 e inflamar o combustível de modo a aumentar o nível de temperatura e de energia do ar pressurizado. Conforme mostrado em 208, o método 200 inclui fornecer produtos de combustão a partir da câmara de combustão 62 para a turbina (por exemplo, turbinas 106, 108) acoplada a um gerador 114. Conforme mostrado em 210, o método 200 também inclui amortecer oscilações torsionais do gerador 114 por meio de um amortecedor torsional 116 e amortecimento adicional fornecido por um controlador de gerador 120.
[042] Em uma realização, a etapa de amortecer oscilações torsionais do gerador 114 por meio do amortecedor torsional 116 pode incluir adicionalmente fornecer pelo menos um dentre um amortecedor mecânico 117 ou um amortecedor elétrico 124. Mais especificamente, em certas realizações, a etapa de amortecer oscilações torsionais do gerador 114 por meio do amortecedor torsional 116 pode incluir posicionar o amortecedor mecânico 117 circunferencialmente ao redor da haste 118 (Figura 2).
[043] Em outra realização, conforme mostrado na Figura 7, o método 200 pode incluir integrar o amortecedor elétrico 124 no interior do conversor de potência 122. Mais especificamente, conforme mencionado, o amortecedor elétrico 124 pode incluir um resistor 125. Portanto, em tais realizações, o método 200 pode incluir controlar, por meio do controlador 120, o resistor 125 de modo a proibir o gerador 114 de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
[044] Em realizações adicionais, o método 200 pode incluir operativamente acoplar um amortecedor de barramento de potência 126 com o conversor de potência 122 e/ou o controlador 120. Portanto, o amortecedor de barramento de potência 126 é configurado para proibir o gerador 114 de ter uma carga de potência constante. Mais especificamente, conforme descrito no presente documento, o amortecedor de barramento de potência 126 pode incluir uma carga ativa 128, uma carga resistiva controlada 130, um amortecedor de barramento 132, um dispositivo de armazenagem de energia134, ou similares, ou combinação dos mesmos.
[045] Em ainda outras realizações, o método 200 pode incluir controlar um fator de potência do gerador 114 de modo a fornecer amortecimento torsional do gerador 114, por exemplo, diminuindo-se o fator de potência e criando-se perdas internas a enrolamentos do gerador 114 ou conectando-se cabos.
[046] Deve ser entendido que, embora o uso do conjunto de motor de turbina a gás 100 tenha sido descrito no presente documento, o amortecedor torsional 160 pode ser usado com qualquer tipo de turbo máquina e semelhantes. Portanto, a combinação de quaisquer ou todos os componentes de amortecimento e/ou funções descritas no presente documento pode ser usada para fornecer amortecimento de gerador positivo, por exemplo, em frequências específicas, faixas de frequência amplas, e podem ser ajustáveis.
[047] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos estão destinados a serem abrangidos pelo escopo das reivindicações, caso incluam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou caso incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais da linguagem literal das reivindicações.
Lista de Componentes 10 Motor de Turbina a Gás 12 Eixo Geométrico de Linha Central 14 Motor de Núcleo 16 Seção de Ventilador 18 Revestimento Externo 20 Entrada Anular 22 Intensificador 24 Compressor 26 Combustor 28 Primeira Turbina 30 Primeira Haste de Acionamento 32 Segunda Turbina 34 Segunda Haste de Acionamento 36 Bocal de Escape 38 Rotor de Ventilador 40 Revestimento de Ventilador 42 Palhetas-Guia 44 Pás de Rotor 46 Seção a Jusante 48 Conduto de Fluxo de Ar 50 Seta 52 Entrada 54 Seta 56 Seta 58 Seta 60 Produtos de Combustão 62 Câmara de Combustão 64 Entrada 66 Saída 100 Conjunto de Motor de Turbina a Gás 102 Compressor 104 Câmara de Combustão 106 Turbina de Alta Pressão 108 Turbina de Baixa Pressão 110 Haste de Alta Pressão 112 Haste de Baixa Pressão 113 Rotor de Gerador 114 Gerador 115 Estator de Gerador 116 Amortecedor de Torção 117 Amortecedor Mecânico 118 Haste 120 Controlador 122 Conversor de Potência 124 Amortecedor Elétrico 125 Resistor 126 Componente de Amortecedor de Barramento de Potência 127 Circuitos Elétricos 128 Carga Ativa 130 Carga Resistiva de Controlador 132 Amortecedor de Barramento 134 Dispositivo de armazenagem de energia 136 Sinal 150 Sistema de Potência Elétrica 152 Primeiro Sistema de Inércia 154 Segundo Sistema de Inércia 156 Haste 158 Amortecedor de Torção 160 Controlador 200 Método 202 Etapa de Método 204 Etapa de Método 206 Etapa de Método 208 Etapa de Método 210 Etapa de Método Reivindicações

Claims (15)

1. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: - um compressor (24) configurado para aumentar pressão de ar que entra; - uma câmara de combustão (104) configurada para receber uma corrente de ar pressurizado do compressor (24), em que combustível é injetado no interior da corrente de ar pressurizado e inflamado de modo a aumentar um nível de temperatura e de energia do ar pressurizado; - uma turbina (106, 108) operativamente acoplada à câmara de combustão (104) de modo a receber produtos de combustão que fluem a partir da câmara de combustão (104); - um gerador (114) acoplado a um sistema de haste (110, 112) da turbina (106, 108) por meio de uma haste (118); - um amortecedor torsional (116) configurado para amortecer oscilações torsionais do sistema de haste (110, 112) do gerador (114); e - um controlador (120) configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o gerador (114).
2. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o amortecedor torsional (116) compreende pelo menos um dentre um amortecedor mecânico (117) ou um amortecedor elétrico (124).
3. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o amortecedor mecânico (117) compreende um amortecedor viscoso.
4. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o amortecedor viscoso está posicionado circunferencialmente ao redor da haste (118).
5. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um conversor de potência (122) que compreende um ou mais circuitos elétricos (117), em que o amortecedor elétrico (124) compreende um resistor (125) integrado no interior de um dos circuitos elétricos (117) do conversor de potência (122).
6. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o controlador (120) é configurado para controlar o resistor (125) de modo a proibir o gerador (114) de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
7. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um amortecedor de barramento de potência (126) configurado para proibir o gerador (114) de ter uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
8. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o amortecedor de barramento de potência (126) compreende pelo menos um dentre uma carga ativa (128), uma carga resistiva controlada (130) ou um dispositivo de armazenagem de energia (134).
9. CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador (120) é configurado para controlar um fator de potência do gerador (114) de modo a fornecer amortecimento torsional do gerador (114) diminuindo-se o fator de potência e criando-se perdas internas a enrolamentos do gerador (114) e conectando-se cabos.
10. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA, (150) caracterizado pelo fato de que compreende: - um primeiro sistema de inércia (152) conectado a um segundo sistema de inércia (154) por meio de uma haste (156), em que o primeiro sistema de inércia (152) é maior que o segundo sistema de inércia (154), em que o segundo sistema de inércia (154) compreende uma razão negativa de torque delta e velocidade delta; e - um amortecedor torsional (116) configurado para amortecer oscilações torsionais entre o primeiro e o segundo sistemas de inércia (152, 154).
11. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA, (150), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um controlador (120) configurado para fornecer controle de amortecimento adicional para o primeiro e o segundo sistemas de inércia (152, 154), em que o sistema de potência elétrica (150) compreende pelo menos um dentre um motor de turbina a gás (10), uma turbina eólica ou uma turbina a vapor.
12. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA, (150), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o primeiro sistema de inércia (152) compreende um gerador (114) e o segundo sistema de inércia (154) compreende um acionador de gerador, em que o acionador de gerador compreende pelo menos um dentre um sistema de haste de baixa pressão, um sistema de haste de alta pressão ou uma ou mais pás de rotor.
13. MÉTODO (200) DE OPERAÇÃO DE UM CONJUNTO DE MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: - pressurizar ar por meio de um compressor (24) do conjunto de motor de turbina a gás; - fornecer o ar pressurizado do compressor (24) a uma câmara de combustão (104); - injetar combustível no interior do ar pressurizado dentro da câmara de combustão (104) e inflamar o combustível de modo a aumentar um nível de temperatura e de energia do ar pressurizado; - fornecer produtos de combustão da câmara de combustão (104) a uma turbina acoplada a um gerador (114); e - amortecer oscilações torsionais de um sistema de haste do gerador (114) por meio de um amortecedor torsional (116) configurado com o gerador (114) e com controle de amortecimento adicional fornecido por um controlador (120) de gerador (114).
14. MÉTODO (200), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que amortecer oscilações torsionais do sistema de haste do gerador (114) por meio do amortecedor torsional (116) compreende adicionalmente fornecer pelo menos um entre um amortecedor mecânico (117) ou um amortecedor elétrico (124).
15. MÉTODO (200), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o amortecedor elétrico (124) compreende um resistor (125), em que o método compreende adicionalmente: - integrar o amortecedor elétrico (124) no interior de um conversor de potência (122) do gerador (114), e- controlar, por meio do controlador (120), o resistor (125) de modo a proibir o gerador (114) de ser uma carga de potência constante em frequências de interação torsional.
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