CN111542683A - 燃气涡轮发动机感应系统、对应感应加热器以及用于感应加热部件的方法 - Google Patents

Abstract

感应加热器与燃气涡轮发动机一起使用以便加热燃气涡轮发动机的静态部件（20）。在燃气涡轮发动机的点火之前和瞬态条件期间执行静态部件（20）的加热。这最小化了在瞬态条件期间在燃气涡轮发动机的部件之间的热差，以由此增加了部件的寿命。

Description

燃气涡轮发动机感应系统、对应感应加热器以及用于感应加 热部件的方法

技术领域

公开的实施例大体涉及涡轮发动机，并且具体地涉及在起动期间向发动机部件施加感应加热。

背景技术

低成本可再生能源发电的增多的使用已经作为备用或补充动力解决方案为燃气涡轮发动机创造了一个增长市场。对于燃气或蒸汽涡轮发动机多快能够起动或对负载需求的变化作出响应的限制之一是大型燃气涡轮发动机部件（诸如壳体）中的热应力。随着燃气涡轮发动机起动，内部表面被加热。更靠近燃气路径或具有较低热惯性的部件（诸如薄壳体或支柱）将比大体积外部壳体更快地升温。这些部件内的热梯度产生热应力，如果没有被有效地控制，则该热应力能够导致材料薄弱和潜在损坏。

为了解决这些热差，实施加速速率限制或负载阶跃限制。这些限制能够影响燃气涡轮发动机的性能。能够通过在起动和或瞬态条件之前预热大型静态部件来减小热应力。静态部件的预热能够改善瞬态条件期间的起动时间和性能。

已经使用热毡，以便在燃气涡轮发动机空转时保持壳体温暖。然而，这能够要求持续的热施加并是相对慢的。

发明内容

简要地描述，本公开的方面涉及燃气涡轮部件的感应加热。

本公开的一方面可以是用于感应加热燃气涡轮发动机的部件的系统。燃气涡轮发动机可以包括用于感应加热燃气涡轮发动机的部件的燃气涡轮发动机感应系统，该系统包括：定位成接近燃气涡轮发动机的静态部件的感应加热器；并且其中，感应加热器适于在点火之前和瞬态条件期间加热静态部件以便减小在静态部件和燃气涡轮发动机的至少一个其它部件之间的热差。

本公开的另一个方面可以是用于燃气涡轮发动机的感应加热器。感应加热器可以具有：适于围绕燃气涡轮发动机的静态部件的线圈；以及用于传输电力通过围绕静态部件的线圈的电部件，电力的传输加热静态部件以便在点火之前和瞬态条件期间加热静态部件以便减小在静态部件和燃气涡轮发动机的至少一个其它部件之间的热差。

本发明的又一方面可以是用于感应加热燃气涡轮发动机的部件的方法。方法可以包括：感应加热燃气涡轮发动机的部件，其包括：在燃气涡轮发动机的点火之前和瞬态条件期间感应加热静态部件；以及通过静态部件的感应加热来减小在静态部件和燃气涡轮发动机的至少一个其它部件之间的热差。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机的横截面图。

图2是图示了当部件在点火之前和瞬态条件期间被感应加热时的燃气涡轮发动机的性能的图表。

图3是图示了用于在燃气涡轮发动机的预点火和瞬态条件期间实施感应加热的系统的图释。

图4是阐述了用于在燃气涡轮发动机的预点火和瞬态条件期间实施感应加热的方法的流程图。

具体实施方式

为了促进对本公开的实施例、原理和特征的理解，在下文将参考说明性实施例中的实施方式来公开它们。然而，本公开的实施例不限于在所述系统或方法中使用，并且可以被利用在其它系统和方法中，如本领域技术人员将理解的。

在下文被描述为构成各种实施例的部件旨在是说明性的并且不是限制性的。可以执行与本文中描述的部件相同或类似功能的许多合适的部件旨在被包含在本公开的实施例的范围内。

图1示出了燃气涡轮发动机100。燃气涡轮发动机100具有静态部件20。在图1中所示的示例中，静态部件20是壳体。

图2是图示了当静态部件20在点火之前和瞬态条件期间被感应加热时的燃气涡轮发动机100的性能的图表。在点火之前的时间能够是紧接在点火之前至点火之前某一时期的时间段。例如，感应加热能够发生在燃气涡轮发动机100的点火之前五分钟。应该理解的是感应加热以优选地与燃气涡轮发动机100所预料的预期温度同步的方式发生，以便满足所需的能量需求。

瞬态条件是其中燃气涡轮发动机100正斜坡上升或下降（ramp up and down）时的燃气涡轮发动机100中的那些条件。例如，在点火、加速、减速和冷却期间。为了本申请的目的，感应加热的施加发生于从预点火直到获得稳态条件的时间段期间，在稳态条件中燃气涡轮发动机100简单地以稳定速率运转。

仍然参考图2，线12图示了在燃气涡轮发动机100斜坡上升时其起动和停止。如以线12所图示的燃气涡轮发动机100的起动和停止阻碍了燃气涡轮发动机100的操作。然而，在没有预加热的情况下，燃气涡轮发动机100的分阶段斜坡上升是期望的，以便防止材料去应力影响燃气涡轮发动机100的部件且因此不利地影响部件寿命。由线12所图示的分阶段斜坡上升影响了燃气涡轮发动机100在需要快速供应能量的时刻期间供应足够能量的能力。

线14图示了燃气涡轮发动机100的平滑操作，其由于在点火之前和瞬态条件期间感应加热静态部件20（诸如壳体）而发生。在感应加热的情况下，燃气涡轮发动机能够快速斜坡上升并且能够以比如果没有感应加热更快的方式来供应能量。

现在参考图3，示出了燃气涡轮发动机感应系统10，其提供燃气涡轮发动机部件的感应加热。感应加热是通过电磁感应经由通过涡电流在目标内产生的热来加热导电部件的过程。

燃气涡轮发动机感应系统10被安装在燃气涡轮发动机100上。燃气涡轮发动机100具有静态部件20。为了讨论的目的，本文中讨论的静态部件20是壳体。然而应该理解的是静态部件20可以是定子或壳体。

燃气涡轮发动机100还包括压缩机25和燃烧室26。燃气涡轮发动机100还包括发动机控制系统18。发动机控制系统18可以操作地连接到燃气涡轮发动机感应系统10内的部件。发动机控制系统18可以提供反馈和信号以便使得感应加热的施加与燃气涡轮发动机100的斜坡上升协调。

燃气涡轮发动机感应系统10使用感应加热器8。感应加热器8大体包括作为电磁体操作的部件，该电磁体具有使高频交流电（AC）通过电磁体的电子振荡器。快速交替的磁场穿透要被加热的部件由此在部件内部产生被称为涡电流的电流。流动通过材料电阻的涡电流通过焦耳加热来对其加热。在像铁的铁磁材料中，也可以通过磁滞损耗来产生热。感应加热过程的特征在于，热在目标本身内部产生，而不是经由热传导由外部热源产生。因此部件能够被非常快速地加热。另外不需要存在经由加热部件的任何外部接触。

在图3中，感应加热器8包括感应线圈16和电部件15。电部件15包括电源12和信号发生器14。电源12和信号发生器14提供电流至感应线圈16。向感应线圈16提供电流将在导电目标部件（在这种情况下是静态部件20）内产生热。

仍然参考图3，围绕静态部件20放置感应线圈16。感应线圈16可以根据线圈的每个圈之间的间隔和线圈的数量而变化。这种变化影响静态部件20被加热的方式。感应线圈16可以由玻璃覆盖物以及内部钢和铜导线制成。

经由感应加热器8向静态部件20施加感应加热是将静态部件20快速加热到可以有益于起动时间和/或瞬态灵活性的温度的方法。这需要感应线圈16具有合适的大小并且在针对感应线圈16合适的间距的情况下围绕静态部件20缠绕。之后，设定正确的电流和电压以输送期望电磁感应从而实现静态部件22的所需温度。类似解决方案将应用于蒸汽涡轮。

控制至感应线圈16的电流能够与发动机控制系统18协调，以最小化响应时间。换言之，发动机控制系统18能够被连接到电部件15以便经由信号发生器14提供信号，该信号指示电子信号应该被传输以便与燃气涡轮发动机100的预点火和瞬态条件对应。

在合适时刻经由信号发生器14提供信号确保了当控制系统18探测到需要瞬态条件（诸如加速）时目标静态部件20到达期望温度，电部件15传输电流至感应线圈16。感应线圈16将导致静态部件20升温。优选地，静态部件20的加热能够使得能量的斜坡上升和提供能够是稳定的。此外，优选地，静态部件20的加热应该是使得在静态部件20和至少一个其它部件之间的温差最小。最小意味着温差小于20 ℃。优选地温差小于5 ℃。

静态部件20的温度能够使用传感器来监测。替代性地，静态部件20的温度能够基于静态元件20的温度的先前测量来绘制，该测量基于通过感应线圈16的电流的先前施加。

参考图4，示出了用于在预点火和瞬态条件期间感应加热燃气涡轮发动机100的静态部件20的方法。在步骤102中，在燃气涡轮发动机100的点火之前感应加热静态部件20。在燃气涡轮发动机100的点火之前的感应加热使得静态部件20的温度接近燃气涡轮发动机100点火时将处于的温度。

在步骤104中，静态部件20将在瞬态（诸如加速）期间被感应加热，以便最小化在静态部件20和燃气涡轮发动机100的其它部件之间的温差。

在步骤106中，维持在静态部件20和燃气涡轮发动机100的另一部件之间的最小热差。这能够通过在操作期间感应加热静态部件20来实现。

温差的维持可以通过开始和停止静态部件20的感应加热来实现。这可以周期性地发生以便维持基本一致的热差。基本一致的热差意味着热差优选地小于10 ℃。优选地，在燃气涡轮发动机100的操作期间维持该一致的热差。

热差能够基于静态部件20和燃气涡轮发动机的另一部件的传感器测量而主动地确定。优选地，燃气涡轮发动机100的另一部件是在操作期间通常经历更大热的部件，诸如在燃气路径中的部件。基于测量，感应加热的施加可以开始、停止或以某种方式改变（即增加或减小电流以便影响静态部件20的加热）。

替代性地，热差能够基于燃气涡轮发动机100的已知行为而被动地确定。电部件15能够与发动机控制系统18相结合地被编程以在燃气涡轮发动机100的操作期间执行感应加热的预定施加。

与其它解决方案相比，感应加热允许燃气涡轮发动机100具有更快的斜坡上升速度。其可以提供比材料方案更低的资金成本。除了作为新特征被应用之外，现有的发动机也可以被加装。

虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将明显的是，能够在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，在所述实施例中能够做出许多修改、添加和删除。

Claims (15)

1.一种用于感应加热燃气涡轮发动机的部件的燃气涡轮发动机感应系统（10），包括：

感应加热器（8），所述感应加热器（8）定位成接近所述燃气涡轮发动机的静态部件（20）；

其中，所述感应加热器（8）适于在点火之前和瞬态条件期间加热所述静态部件（20）以便减小在所述静态部件（20）和所述燃气涡轮发动机的至少一个其它部件之间的热差。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感应加热器（8）在加速期间停止所述静态部件（20）的加热。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述感应加热器（8）包括围绕所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）的线圈（16）。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述感应加热器（8）还包括用于向所述线圈（16）供应电流的电部件（15）。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中，所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）是壳体。

6. 一种用于燃气涡轮发动机的感应加热器，包括：

线圈，所述线圈适于围绕所述燃气涡轮发动机的静态部件；以及

电部件（15），所述电部件（15）用于传输电力通过围绕所述静态部件（20）的所述线圈，电力的传输加热所述静态部件（20）以便在点火之前和瞬态条件期间加热所述静态部件（20）以便减小在所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）和至少一个其它部件之间的热差。

7.根据权利要求6所述的感应加热器，其中，所述电部件（15）适于在所述燃气涡轮发动机的瞬态条件期间向所述线圈（16）供应电力。

8.根据权利要求6或7所述的感应加热器，其中，所述电部件（15）适于在加速期间停止向所述线圈（16）供应电力。

9.根据权利要求6-8中的任一项所述的感应加热器，其中，所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）是壳体。

10. 一种用于感应加热燃气涡轮发动机的部件的方法，包括：

在所述燃气涡轮发动机的点火之前和瞬态条件期间感应加热静态部件（20）；以及

通过所述静态部件（20）的感应加热来减小在所述静态部件（20）和所述燃气涡轮发动机的至少一个其它部件之间的热差。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，感应加热的步骤通过定位成接近所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）的感应加热器（8）来执行。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，停止感应加热所述静态部件（20）的步骤发生于瞬态条件期间。

13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法，其中，感应加热的步骤使用包括围绕所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）的线圈（16）的感应加热器来执行。

14.根据权利要求10-13中的任一项所述的方法，其中，感应加热的步骤使用包括用于向所述线圈（16）供应电流的电部件（15）的感应加热器来发生。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述燃气涡轮发动机的所述静态部件（20）是壳体。

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