CN104234837B - 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 - Google Patents

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Abstract

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）。

Description

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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
US 4732351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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
根据优选的实施例，将电能转换为热能由欧姆电阻实施。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
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。
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
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。
在转子4的转动速度Ω的压缩机的额定操作条件下，对于谐波转动激励kΩ，转动压缩机盘部件被设计为无谐振系统（resonance free system），其中k意味着引擎阶次（engine order）变化为1、2、3……∞。转动激励确定沿着压缩机叶片盘（bladed disc）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Ωn的坎贝尔图中，振型（mode shape）i的叶片本征频率ω1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ωvi固有频率，那么非转动叶片2可以被非同步刺激激励。
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Δm，并减小本征频率ωiΔm如下：
其中，ki和mi是指振型i的振动所涉及的有效刚度和质量，其对于基础的振型i=1可以用已知的解析公式确定，其中，叶片由等效弹簧－质量系统表现为一个自由度。对于高于1的振型，可以应用有限元法（FEM），然后，具有冰的叶片频率给出如下：
在FEM理论中，参与振型i的振动的有效模态刚度和质量表达如下：
其中，k（x,y,z）、M（x,y,z）是机械组件基于其三维几何形状（x,y,z）的整体刚度和机械性质，机械性质比如有杨氏模量（拉伸模量）、泊松比和根据其他物理参数的材料密度，其他物理参数比如有温度T和转动速度Ω。在上述的式子（3）–（4）中，矢量{φ1}是从FE自由振动计算获得的振型i（系统的相对振动），如公开文献给出的那样。
冰质量矩阵[Δm(x,y,z)]根据现场经验评估、或者通过使用多相CFD模拟来对关注的组件确定建造过程。使用实验和数值的方法，可以相对于关注的机器组件的振动行为创造冰积聚过程的映射。
由于冰积聚在转动压缩机叶片3上，其频率减小并在非谐波激励与最近的谐波一致。例如，具有冰的转动叶片的叶片频率ω2在额定速度Ω与3Ω引擎阶次或者（ε+2Ω）谐振。
图2示出根据本发明的、用于抑制冰在轴向压缩机进口的构造（1、2、3）上形成的设备实施例。该压缩机可以是固定燃气涡轮机机组的组成部分。压缩机包括壳5和转子4。一般而言，轴向压缩机是多级涡轮机，具有连接至转子4的多排转动叶片和连接至壳5的固定叶片。图2概要示出在转子4上具有入口导叶2和转动叶片3的第一压缩机级。在壳5与转子4之间布置环形流动通道以压缩空气，压缩空气通过喇叭口1进入压缩机。至少一个压缩机叶片3装备有压电元件6，压电元件6例如通过钎焊或者焊接，牢固嵌入在至少一个叶片3的机翼内。在叶片3内，压电元件连接至包含电阻7和发射器8的电路11。
在操作期间，具有冰的转动叶片3的频率与谐波和/或非谐波激励一致，并且机翼开始振动。振动被转变为压电元件6上的机械能量，压电元件6的形变产生电压。作为结果，电流经由电阻7和发射器8在电路11内流动。电阻7产生热来加温转动叶片3。设计用于非接触能量传递的发射器8通过接收器10，向嵌入在叶片2和喇叭口1内的电路12发送由压电元件6产生的能量的一部分。叶片2和喇叭口1中的电路12配备有用于从发射器8接收能量的所述接收器10，以及配备有用于将所接收的能量转换为热的电阻7。
所有电阻7需要产生等于需要将冰从固态转变至液态的潜热的热能，这可以基于现场经验确定或者从CFD分析获得。
产生热能可以由嵌入在叶片内的压电材料6的体积和电阻值控制。
依据本发明的另外的实施例，由于对于这些“冰条件”下的构造也期待谐振振动，具有压电材料6的元件的电路11还可以嵌入到一些或者所有叶片2和/或喇叭口1的构造中。
此外，这些非转动构造1、2可以被设计为对于“冰操作”条件的谐振情况。
如果由于叶片3的振动幅度导致的由压电元件6产生的能量太小或者持续太短而不能有效加热相关构造1、2、3，则提出基于使用另外的外部能量输送设备16的本发明的其他实施例，如图3a和3b所示。在这种情况下，例如1个至5个的多个转动叶片3装备有压电元件6，其中，该元件充当冰形成的检测器。由于装备的转动叶片3开始以关注的谐振频率振动，所嵌入的压电元件6产生电压，并在所连接的电路17中具有结果的电流。依赖于此电流参数，发射器8发送信号18给所述外部能量输送设备16的接收器10'。除了接收器10'外，外部能量设备16包括用于输送电能的功率系统14和用于传输该能量至加热电路12的接收器10的发射器13。另外的元件可以根据设计和功能要求（比如能量存储、能量收获、和可能改善整个系统的性能的其他因素），封入在该外部能量输送设备16中。外部能量设备16的发射器13将电能无线发送至嵌入在这些构造中的加热电路12的所有接收器10，这些构造具有形成冰的风险，诸如喇叭口1、定子叶片2、转动叶片3，如图3b所示。根据设计和加载要求，电路12可以附接在构造1、2、3的外表面或者内表面，或者嵌入在这些构造的壁内。通过电路12的电阻7，所接收的电能被转换为热能，热能从所装备的构造使冰熔融。取代电阻7，可以应用其他等效元件用于增强该过程。
如本来已知，参见例如提及的CH704127，另外的电组件、比如电感和电容可以例如通过形成谐振电路，来用于升高能量流。
如果由上游非转动构造1、2产生的热足够大来将经过的空气加温至抑制在下游构造的表面形成冰的程度，那么可以省略转动叶片3中电路11中的热能产生电阻7。
此外，可以考虑具有风险的构造的不同谐振频率。在一个构造1、2、3内，可以使用根据本发明的多于一个的压电元件6，其中，这些压电元件6被调节至一个或更多谐振频率。
在电路11、12、16、17内以及之间的能量传输可以以模拟方式传递，以及如果可能的话，通过使用电感、电容、电磁现象并以数字形式传递。压电材料6、电阻7、发射器8和接收器10以及其他元件之间的连接在此处未指明，可以由导线9链接，但备选地可以是无线的。
关注的构造内的这些系统的部件可以使用不同的接合技术、诸如钎焊、焊接、胶和其他来完成。关于压电材料6的位置和组装技术的更多细节在提及的公开CH704127中公开。压电材料6可以施加至一个振型或更多振型的低、中和最高振动应变。可以考虑所有这些振动的叠加，以对于整个系统的最佳寿命行为来优化压电元件的位置。如果可选，那么所描述的设备11、12、17可以被施加至相应的构造1、2、3的外表面和/或内表面上，或者嵌入这些构造的壁中。
当冰沉积在构造的表面上时，根据本发明的系统激活其自身，其频率然后减小。但是可以考虑本发明的系统的激活的其他机制，例如由于冰的额外质量，对机翼的更高离心载荷作用。
此外，根据本发明的系统可以通过改变机器的转动速度Ω来激活，转动速度Ω是机器以可变转速操作的基本参数。然后，系统通过监控造冰的条件和/或检测冰积聚或者关于由环境温度和/或压力确定的环境条件被准控制并激活。另外，对机器性能具有影响的其他参数可以用于检测并改变转动速度，然后激活根据本发明的冰抑制系统。
最后，值得一提的是根据本发明的解决方案对压缩机性能没有影响，并且仅需要可以忽略量的电能。
附图标记的列表
1 喇叭口
2 入口导叶
3 转动叶片
4 转子
5 壳
6 压电元件
7 电阻器
8 发射器
9 导线
10、10' 接收器
11 电路
12 电路
13 发射器
14 中心轴
16 外部能量输送设备
17 用于冰形成的检测器
19 功率源。

Claims (22)

1.一种用于抑制在涡轮机构造的表面上、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，
进一步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）连接至含有第一欧姆电阻（7）的第一电路（11）；
其中，所述第一电路（11）另外包括发射器（8）。
2.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，发起所连接的所述第一电路（11）中的电流，将所述电流转换为所述第一欧姆电阻（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。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第一构造（1、2、3）的所述第一电路（11）至少包括压电元件（6）、第一电阻（7）和发射器（8），并且其中，第二构造（1、2、3）的第二电路（12）至少包括接收器（10）和第二电阻（7），并且其中，所述发射器（8）和所述接收器（10）被设计为通过非接触能量传递来传输功率。
4.如权利要求3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（1）的定子部分。
5.如权利要求1所述的方法，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）的第二接收器（10'）。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述外部能量输送系统（16）包括至少所述第二接收器（10'）、电功率源（19）和用于非接触能量传递的发射器（13）。
7.如权利要求6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）的第二电路（12）的至少一个接收器（10），并且所接收的信号由所述第二电路的第二电阻（7）转换为热。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述外部能量输送系统（16）将功率传输至施加到所述构造（1、2、3）的所有电路（12）。
9.如权利要求3、7或8中的任一项所述的方法，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。
10.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。
11.如权利要求10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。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述涡轮机构造是压缩机的进口构造。
13.一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）的第一电路（11），其中，所述第一电路（11）包含至少第一欧姆电阻（7），其中，所述第一电路（11）含有至少发射器（8）。
14.如权利要求13所述的设备，其中，所述第一电路（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。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述第一电路（11）施加到至少一个转动叶片（3），并且其中，包括第二欧姆电阻（7）和接收器（10）的第二电路（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，所述发射器（8）和所述接收器（10）被设计为通过非接触能量传递来传输功率。
16.如权利要求14所述的设备，其中，所述第一电路（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）的第二接收器（10'）。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述外部能量输送系统（16）至少包括所述第二接收器（10'）、电功率源（19）和用于非接触将能量传递至第二电路（12）的接收器（10）的第二发射器（9）。
18.如权利要求17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）。
19.如权利要求13所述的设备，其中，所述压电元件（6）和连接至该压电元件（6）的所述第一电路（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。
20.如权利要求19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）。
21.如权利要求15所述的设备，其中，所述第二电路（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。
22.如权利要求19至21的一项所述的设备，其中，所述模块施加到所述构造（1、2、3）的外表面或者内表面，或者嵌入这些构造的壁（1、2、3）中。
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