CN101915128A - 包括多转子发电机的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种系统，该系统包括具有连接到压缩机部分(104)的第一转子(108)的涡轮发动机(102)，功率涡轮转子(110)，连接到该功率涡轮转子(110)的第一发电机(112)，以及连接到该第一转子(108)的第二发电机(116)。

Description

包括多转子发电机的系统
技术领域
本文公开的主题涉及发电，尤其涉及燃气涡轮发电。
背景技术
发电机的单转子构造使用连接到压缩机和同步速度发电机的高压涡轮。单转子构造的缺点可包括在环境温度升高或者在电网频率降低时燃气涡轮的功率容量的降低。
两转子燃气涡轮发电机通常使用连接到压缩机的高压涡轮以及连接到发电机的低压涡轮。利用两转子发电机构造的缺点是在发电机的期望输出改变时，存在较慢的瞬态响应。在大型系统中，大功率涡轮转子可能难以设计和制造。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种系统包括具有连接到压缩机部分的第一转子(first spool)的涡轮发动机，功率涡轮转子，连接到该功率涡轮转子的第一发电机，以及连接到该第一转子的第二发电机。
根据本发明的另一方面，一种系统包括具有连接到压缩机部分的第一转子的涡轮发动机，操作为由来自涡轮发动机的排气驱动的功率涡轮转子，连接到功率涡轮转子的第一发电机，以及连接到第一转子，操作为由第一转子驱动的变速发电机。
根据本发明的另一方面，一种用于操作系统的方法，该方法包括用变速发电机旋转燃气涡轮发动机的高压转子，启动该燃气涡轮发动机的燃烧器内的燃烧，用该高压燃气涡轮发动机驱动该变速发电机并且用来自该燃气涡轮发动机的排气驱动连接到第二发电机的低压转子。
通过下列说明并结合附图，这些以及其它优点和特征将变得更加清楚。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书完结处的权利要求中特别地指出和清楚地要求保护。通过结合附图的下列详细说明，本发明的前述以及其它特征和优点是显而易见的，其中：
图1是多转子发电机系统的示例性实施例。
图2是用于起动图1的系统的示例性方法的框图。
图3是图1的系统的备选的示例性实施例。
图4是图1的系统的另一备选的示例性实施例。
图5是图1的系统的另一备选的示例性实施例。
图6是图1的系统的另一备选的示例性实施例。
图7是图1的系统的另一备选的示例性实施例。
图8是图1的系统的另一备选的示例性实施例。
详细说明通过参考附图以示例的方式阐明本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表
  100   多转子(multi-spool)发电机系统
  102   燃气涡轮发动机
  104   压缩机
  106   燃烧器
  108   高压涡轮
  110   功率涡轮转子
  112   第一发电机
  114   第一轴
  116   变速发电机
  118   第二轴
  120   电网
  122   次级功率源
  202   框
  204   框
  206   框
  208   框
  210   框
  212   框
  214   框
  216   框
  218   框
  300   系统
  302   蒸汽涡轮
  304   第三轴
  400   系统
  402   机械负载
  500   系统
  502   外轴
  504   内轴
  600   系统
  602   外轴
  604   内轴
  700   系统
  702   第二燃烧器
  800   系统
  802   第二燃烧器
  804   第二高压涡轮级
具体实施方式
之前的系统使用通过轴连接到高压转子的同步速度发电机(单转子系统)，或者连接到由从高压转子放出的排气旋转的功率涡轮的同步速度发电机(多转子系统)。利用单转子系统的优点包括对系统中瞬变状态更快的响应，并且同步速度发电机可用于起动燃气涡轮发动机。缺点可包括在环境温度增加以及在电网频率降低时，输出容量的降低。利用典型的多转子系统的优点包括在环境温度增加时输出容量的更少的降低，以及对电网频率改变的更好响应。典型的多转子系统的缺点可包括增加系统的复杂性和成本以及设计和制造大功率涡轮的成本的起动子系统的使用。典型的多转子发电机构造的另外的缺点可能是高压转子设计一般适于多转子应用。典型的单转子燃气涡轮设计包括三级燃气涡轮。这三个涡轮级通常是相等负载的，使得这些级的一又二分之一给涡轮压缩机供以功率，而剩余一又二分之一级将功率输出到发电机。下面介绍的多转子系统的示例性实施例包括连接到高压转子的变速发电机，以及连接到功率涡轮的第二发电机(同步或变速)的使用，其增加系统的有效性和效率。在多转子系统中利用变速发电机的优点是对于三级燃气涡轮，一又二分之一级可用于驱动压缩机，一级可用于驱动第一发电机，而剩余半级可用于驱动变速发电机。因此，对于单转子构造和多转子构造共用非常类似的涡轮级设计是实际的和节省成本的。
图1显示多转子发电机系统100的示例性实施例。系统100包括具有压缩机104、燃烧器106和高压涡轮108的燃气涡轮发动机102。功率涡轮转子(低压转子)110通过第一轴114连接到第一发电机112(，第一发电机112可以是同步发电机或者变速发电机)。变速发电机116通过第二轴118连接到压缩机104。第一发电机112和变速发电机116电连接到电网120。变速发电机116和/或第一发电机112在一些实施例中可电连接到次级功率源122，诸如，例如，适于在燃气涡轮起动程序中给发电机供应功率的柴油发电机或者其它类型的功率源。
在操作中，空气由压缩机104压缩，与燃料混合，并且在燃烧器106中燃烧。燃烧器106中热的膨胀气体使高压转子旋转。热的膨胀气体穿过高压涡轮108，并且使功率涡轮110旋转。功率涡轮110的旋转通过第一轴114而转动第一发电机112。第一发电机112将功率发送到电网120。高压转子108的旋转使第二轴118以及连接的变速发电机116旋转。变速发电机116也可将功率发送到电网120。在起动程序中，变速发电机116可由电网120或者次级功率源122供以功率。详细的示例性起动程序在下面介绍。
图2显示用于起动(图1的)系统100的示例性方法的框图。类似的方法可用于起动在下面介绍的系统的其它示例性实施例。在框202中，高压转子108和低压转子(功率涡轮)110利用，例如，回转装置旋转。回转装置的旋转使系统100为起动做好准备。在框204中，回转装置被分离，并且变速发电机116使高压转子旋转到扫气速度。变速发电机116可由电网120，或者在一些实施例中，由次级功率源122供以功率。一旦扫气完成，在框206中，变速发电机116使高压转子108旋转到燃烧速度。在框208中，一旦达到燃烧速度，燃烧器点火，并且燃气涡轮发动机208起动。在燃气涡轮发动机已经运行限定的预热时间时，在框210中，变速发电机116由高压转子108旋转到匹配电网同步速度。在框212中，变速发电机116与电网120同步以将功率提供给电网120。在框214中，低压转子110与第一发电机112旋转到电网同步速度。从燃气涡轮发动机102放出的排气流为低压转子110供以功率。一旦第一发电机112达到电网同步速度，在框216中，第一发电机112与电网120电同步。在框218中，功率被输出到电网。
图3显示系统100的备选的示例性实施例。图3包括具有可通过第三轴304连接到第一发电机112以机械地辅助第一发电机112的旋转的蒸汽涡轮302的系统300。
图4显示类似于图3中所显示的实施例的系统100的另一备选的示例性实施例。图4的系统400包括通过轴304连接到第一发电机112的附加机械负载402。
图5显示系统的另一备选的示例性实施例。具体而言，系统500包括将第一发电机112连接到功率涡轮110的外轴502。变速发电机116通过与外轴502同心对齐，并且设置在外轴502内的内轴504连接到燃气涡轮发动机102的高压转子108。
图6显示类似于系统500的另一备选的示例性实施例。具体而言，系统600包括将变速发电机116连接到高压转子108的外轴602。第一发电机112通过与外轴602同心对齐，并且设置在外轴602内的内轴604连接到功率涡轮110。
图7显示可与上述实施例中的任何一个结合的系统100的备选示例性实施例。具体而言，系统700包括第二燃烧器702，第二燃烧器702接收来自燃气涡轮发动机102的输出排气并且利用燃烧进一步加热排气。加热的排气由第二燃烧器702输出到功率涡轮110。
图8显示可与上述实施例中的任何一个结合的系统100的另一备选的示例性实施例。具体而言，系统800包括第二燃烧器802，第二燃烧器802接收来自第一高压涡轮级108的输出排气并且利用燃烧进一步加热排气。加热的排气由第二燃烧器802输出到连接到高压转子108的第二高压涡轮级804。
上述实施例提供了用于多转子系统的系统和方法，这些系统和方法提供了利用变速发电机的单转子系统和多转子系统的优点。
虽然已经仅以有限的实施例详细介绍了本发明，但应当容易地理解本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可改进为包含直到此时未介绍但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替换或者等效设置。另外，虽然已经介绍了本发明的各种实施例，应当理解本发明的方面可仅包括所介绍的实施例中的一些。因此，本发明不视为由前述说明限定，而仅由权利要求的范围限定。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
具有连接到压缩机部分(104)的第一转子(108)的涡轮发动机(102)；
功率涡轮转子(110)；
连接到所述功率涡轮转子(110)的第一发电机(112)；以及
连接到所述第一转子(108)的第二发电机(116)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发电机(112)是同步速度发电机。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二发电机(116)是变速发电机。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发电机(112)通过第一轴(114)连接到所述功率涡轮转子(110)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二发电机(116)通过第二轴(118)连接到所述第一转子(108)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括操作为驱动所述第二发电机(116)的电功率源(122)。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括操作为将所述第一发电机(112)连接到所述功率涡轮转子(110)的外轴(502)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括设置在所述外轴(602)中的腔内的内轴(504)，所述内轴(504)操作为将所述第二发电机(116)连接到所述第一转子(108)。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发电机(112)连接到蒸汽涡轮(302)。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发电机(112)连接到机械负载(402)。
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