相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考

本申請(qǐng)涉及同時(shí)提交并且當(dāng)前待審的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?4/877988和14/877996，檔案號(hào)分別為282941-1和282941b。

本發(fā)明大致涉及加熱系統(tǒng)(heatingsystems)，并且更具體地涉及就地(in-situ)用于渦輪機(jī)中的轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)和相關(guān)轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)：

為了起動(dòng)一些渦輪機(jī)，比如蒸汽輪機(jī)，通常需要保證渦輪機(jī)的零部件(partsoftheturbomachine)處于合適的溫度。無(wú)論渦輪機(jī)從冷起動(dòng)(coldstart)、暖起動(dòng)(warmstart)或在電力產(chǎn)生臨時(shí)停止之后的熱起動(dòng)(hotstart)起動(dòng)，都希望起動(dòng)溫度控制。起動(dòng)溫度控制是必要的，例如以確保和優(yōu)化零部件之間的適當(dāng)?shù)墓詈烷g隙，防止由于必須利用工作流體加熱零件而引起的慢起動(dòng)，以及控制能夠縮短零件壽命的低循環(huán)疲勞(lowcyclefatigue)。

傳統(tǒng)地，熱毯(heatblankets)可被應(yīng)用于渦輪機(jī)的外殼(或殼體)以例如向蒸汽渦輪的高壓或中壓外殼的外側(cè)施加熱。熱從熱毯通過(guò)外殼傳導(dǎo)到渦輪的包括葉片的各個(gè)零部件內(nèi)并且理論上(ideally)傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)子內(nèi)并且通過(guò)轉(zhuǎn)子。熱毯對(duì)于單個(gè)外殼來(lái)說(shuō)足夠起作用，但是對(duì)于采用雙外殼的情況提出了挑戰(zhàn)。特別地，如圖1的示意性截面圖所示，對(duì)于雙外殼渦輪6來(lái)說(shuō)，來(lái)自熱毯10的熱傳遞8更加困難，因?yàn)樵跓岬竭_(dá)內(nèi)部零部件之前需要傳導(dǎo)通過(guò)外殼(outercasing)14與內(nèi)殼(innercasing)16之間的間隔(separation)12。另外，存在于渦輪機(jī)中的不同材料/零部件的熱傳導(dǎo)率可以在具有絕熱效應(yīng)的接頭(junctions)20(點(diǎn))之間形成一系列熱阻，這對(duì)于所需的熱傳遞是不利的。例如，對(duì)于外殼14的熱阻可以高于內(nèi)殼16，或者內(nèi)殼16的熱阻可以高于轉(zhuǎn)子24的熱阻，引起每個(gè)接頭組之間的溫差。熱毯裝置還使得應(yīng)被傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)子24并且通過(guò)轉(zhuǎn)子24的熱通過(guò)工作流體18的流動(dòng)路徑不利地削弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供一種就地用于渦輪機(jī)的外殼中的轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)包括：用于在渦輪機(jī)的外殼中就地加熱轉(zhuǎn)子的至少一部分的加熱元件。

本發(fā)明的第二方面提供一種就地用于渦輪機(jī)的外殼中的轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)包括：構(gòu)造成就地加熱渦輪機(jī)的外殼中的轉(zhuǎn)子的外表面的至少一部分的第一加熱元件；和用于控制第一加熱元件的操作的控制器。

所述的加熱系統(tǒng)還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器構(gòu)造成感測(cè)所述轉(zhuǎn)子的所述外表面的所述至少一部分的溫度，以及所述控制器基于感測(cè)的溫度控制所述第一加熱元件的操作。

較佳地，所述第一加熱元件包括感應(yīng)加熱線(xiàn)圈(aninductionheatingcoil)，所述感應(yīng)加熱線(xiàn)圈定位成與所述轉(zhuǎn)子的所述外表面的所述至少一部分相鄰。

所述的加熱系統(tǒng)還包括包圍所述轉(zhuǎn)子的所述外表面的所述至少一部分的感受器構(gòu)件(asusceptormember)，所述感受器構(gòu)件在其中具有所述第一加熱元件。

較佳地，所述第一加熱元件包括電阻加熱器(aresistanceheater)和感應(yīng)加熱器(aninductionheater)中的至少一者。

更佳地，溫度傳感器位于所述感受器構(gòu)件中或位于所述感受器構(gòu)件上。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括與所述轉(zhuǎn)子相鄰的用于密封所述渦輪機(jī)外殼的一部分與所述轉(zhuǎn)子的密封組件(asealpack)，以及其中，所述溫度傳感器位于所述密封組件中或位于所述密封組件上。

較佳地，所述第一加熱元件包括多個(gè)加熱元件，每個(gè)加熱元件構(gòu)造成加熱所述轉(zhuǎn)子的不同的軸向位置，以及其中，所述控制器控制所述多個(gè)加熱元件中的每一個(gè)的操作。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括構(gòu)造成加熱所述渦輪機(jī)外殼的外部的熱毯(aheatingblanket)。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括用于在加熱期間使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(aturninggear)。

較佳地，所述控制器還控制進(jìn)入所述渦輪機(jī)的工作流體流。

本發(fā)明的第三方面提供一種用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括：細(xì)長(zhǎng)形本體；和加熱元件，加熱元件至少部分地定位在細(xì)長(zhǎng)形本體中用于在渦輪機(jī)中就地加熱轉(zhuǎn)子的至少一部分。

本發(fā)明的第四方面可以包括一種就地用于渦輪機(jī)的外殼中的轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)包括：構(gòu)造成至少部分地定位在轉(zhuǎn)子內(nèi)用于在渦輪機(jī)的外殼中就地加熱轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分的加熱元件；和用于控制加熱元件的操作的控制器。

本發(fā)明的示例性方面設(shè)計(jì)成解決本發(fā)明中說(shuō)明的問(wèn)題和/或沒(méi)有論述的其他問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合描繪本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的附圖所作出的對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面的以下詳細(xì)說(shuō)明將更加容易地理解本發(fā)明的這些以及其他特征，在附圖中：

圖1示出采用熱毯的傳統(tǒng)渦輪機(jī)的示意性橫截面圖。

圖2示出采用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的加熱系統(tǒng)的蒸汽渦輪形式的示例性渦輪機(jī)的部分剖視透視圖。

圖3示出采用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的加熱系統(tǒng)的渦輪機(jī)的示意性橫截面圖。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的外表面的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖(detailedcross-sectionalview)。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的外表面的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的外表面的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于采用永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)子的不同的內(nèi)部軸向位置的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的采用各種可替代結(jié)構(gòu)的圖10的加熱系統(tǒng)的細(xì)節(jié)橫截面圖。

注意到，本發(fā)明的附圖未按比例繪制。附圖旨在僅描繪本公開(kāi)的一般方面，因此不應(yīng)被理解為限制本公開(kāi)的范圍。在附圖中，相同的數(shù)字在附圖中代表相同的元件。

具體實(shí)施方式

如上所述，本發(fā)明提供渦輪機(jī)中就地(in-situ)用于轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)。與僅傳導(dǎo)來(lái)自外部外殼的熱的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的實(shí)施例直接加熱轉(zhuǎn)子。加熱系統(tǒng)可以采用各種實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱系統(tǒng)包括加熱元件，以就地加熱渦輪機(jī)中的轉(zhuǎn)子的外表面的一部分。在另一個(gè)實(shí)施例中，加熱系統(tǒng)可以包括至少部分地定位在轉(zhuǎn)子內(nèi)以在渦輪機(jī)中就地加熱轉(zhuǎn)子的加熱元件。每個(gè)實(shí)施例可以包括控制加熱元件的操作的控制器。本發(fā)明中說(shuō)明的加熱系統(tǒng)可以提供比如為但不限于以下優(yōu)勢(shì)：閉環(huán)溫度控制以補(bǔ)充(supplement)和/或抵消(counteract)來(lái)自熱毯的內(nèi)部熱流(internalheatflow)以保持所需的部件溫度，控制溫度緩變率(ramprates)，控制預(yù)起動(dòng)(pre-startup)和起動(dòng)過(guò)程中的溫度變化率(temperaturerates)，形成與所需起動(dòng)曲線(xiàn)相稱(chēng)的部件溫度，以及協(xié)調(diào)外殼和轉(zhuǎn)子溫度以在起動(dòng)期間管理和優(yōu)化間隙、轉(zhuǎn)子應(yīng)力、外殼應(yīng)力和不同的循環(huán)疲勞。另外的優(yōu)勢(shì)包括在啟動(dòng)之前恢復(fù)轉(zhuǎn)子“彎曲”狀態(tài)(利用轉(zhuǎn)子加熱和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(turninggear))，以及通過(guò)轉(zhuǎn)子彎曲條件減小起動(dòng)振動(dòng)和起動(dòng)時(shí)間。本發(fā)明的實(shí)施例還可被用于在起動(dòng)期間減小轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子的清管器(rabbit)裝配界面溫差(如果出現(xiàn)過(guò)大溫差，則可能引起聯(lián)接或清管器裝配的失效以及渦輪機(jī)劇烈振動(dòng))。

參照附圖，圖2示出作為蒸汽渦輪100的示例性形式的渦輪機(jī)90的局部切除的透視圖。蒸汽渦輪100包括轉(zhuǎn)子114和多個(gè)軸向間隔的轉(zhuǎn)子輪118。多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片120機(jī)械地聯(lián)接至每個(gè)轉(zhuǎn)子輪118。更具體地，葉片120以圍繞每個(gè)轉(zhuǎn)子輪118周向延伸的行布置。多個(gè)固定輪葉122圍繞轉(zhuǎn)子114周向地延伸，固定輪葉122軸向地定位在相鄰排的葉片120之間。固定輪葉122與葉片120配合以形成級(jí)并且限定通過(guò)渦輪100的蒸汽流動(dòng)路徑的一部分。在操作中，蒸汽124進(jìn)入渦輪100的進(jìn)口126，并且被引導(dǎo)穿過(guò)固定輪葉122。固定輪葉122將蒸汽124向下游對(duì)著葉片120引導(dǎo)。蒸汽124穿過(guò)剩余級(jí)，在葉片120上施加力以使轉(zhuǎn)子114旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子114的至少一端可以附連至負(fù)載或機(jī)器(未示出)，比如但不限于發(fā)電機(jī)和/或另一個(gè)渦輪。在如圖2所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，渦輪100包括五個(gè)級(jí)。五個(gè)級(jí)被稱(chēng)為l0、l1、l2、l3和l4。級(jí)l4是第一級(jí)并且是五個(gè)級(jí)中最小的(沿徑向方向)。級(jí)l3是第二級(jí)并且是沿軸線(xiàn)方向的下一級(jí)。級(jí)l2是第三級(jí)并且示出為位于五個(gè)級(jí)的中間。級(jí)l1是第四級(jí)并且是倒數(shù)第二級(jí)。級(jí)l0是最后級(jí)并且是最大的(在徑向方向)?？梢岳斫獾氖?，五個(gè)級(jí)示出為僅一個(gè)示例，每個(gè)渦輪可以具有多于或少于五個(gè)級(jí)。此外，如本發(fā)明中所說(shuō)明的，本發(fā)明的教導(dǎo)不需要多級(jí)渦輪。此外，在此強(qiáng)調(diào)的是雖然將相對(duì)于蒸汽渦輪說(shuō)明本發(fā)明的教導(dǎo)，但是渦輪機(jī)90可以包括例如在渦輪機(jī)的起動(dòng)期間需要加熱內(nèi)部零件的任何形式的渦輪機(jī)，任何形式的渦輪機(jī)包括但不限于燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和壓縮機(jī)。

圖3示出采用根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的加熱系統(tǒng)200的例如為蒸汽渦輪的示例性渦輪機(jī)190的示意性橫截面圖。渦輪機(jī)190可以包括較大渦輪機(jī)系統(tǒng)的任何區(qū)段，例如燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪系統(tǒng)的高壓、中壓或低壓區(qū)段、壓縮機(jī)等等。示例性渦輪機(jī)190示出為包括外殼204和內(nèi)殼206。然而，在此強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明的教導(dǎo)不限于雙殼體渦輪機(jī)，并且可以等同地應(yīng)用于單殼體機(jī)器。轉(zhuǎn)子210示出為就地定位在渦輪機(jī)190中，即定位在外殼204、206中的操作位置中。渦輪212聯(lián)接至轉(zhuǎn)子210并且可以包括渦輪機(jī)190的輪葉/葉片級(jí)(由梯形共同地表示)，如相對(duì)于圖2的渦輪機(jī)90所說(shuō)明的。工作流體214(例如蒸汽、空氣、燃燒燃料等等)示出為運(yùn)動(dòng)通過(guò)渦輪212和/或圍繞渦輪212運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱傳遞路徑以彎曲箭頭220示出，例如為渦輪機(jī)中的離散溫度位置的熱阻接頭222以點(diǎn)的形式示出。沿著轉(zhuǎn)子210的軸向長(zhǎng)度可以以傳統(tǒng)方式采用多個(gè)軸承224。

在圖3所示的實(shí)施例中，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于渦輪機(jī)190的外殼204和/或內(nèi)殼206中的就地加熱轉(zhuǎn)子210的加熱系統(tǒng)200。一般地，加熱系統(tǒng)200可以包括用于就地加熱渦輪機(jī)的外殼中的轉(zhuǎn)子210的至少一部分的任何形式的加熱元件230，渦輪機(jī)的示例性實(shí)施例將在本發(fā)明中進(jìn)一步說(shuō)明。如圖所示，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在轉(zhuǎn)子210內(nèi)產(chǎn)生熱并且熱軸向地傳遞穿過(guò)轉(zhuǎn)子210以及進(jìn)入比如為外殼204、206的內(nèi)部零件內(nèi)，使得熱如由箭頭220所示地徑向向外傳播。如將在本發(fā)明中說(shuō)明的，在也采用熱毯232的情況下，加熱系統(tǒng)200可以作用為平衡通過(guò)渦輪機(jī)190(例如通過(guò)熱阻接頭222)的熱傳遞和/或改善該熱傳遞。

參照?qǐng)D4-11，提供根據(jù)本發(fā)明的加熱系統(tǒng)200的示例性實(shí)施例。圖4-6示出轉(zhuǎn)子210的放大的細(xì)節(jié)橫截面圖，在此加熱元件330、430構(gòu)造成加熱轉(zhuǎn)子的外表面240的至少一部分；以及圖7-11示出轉(zhuǎn)子210的放大的細(xì)節(jié)橫截面圖，在此加熱元件530構(gòu)造成加熱轉(zhuǎn)子的內(nèi)部的至少一部分。

參照?qǐng)D4，在一個(gè)實(shí)施例中，用于加熱轉(zhuǎn)子210的外表面340的一部分的加熱元件330可以包括與轉(zhuǎn)子210的外表面240的至少一部分相鄰定位的感應(yīng)加熱線(xiàn)圈332。(在加熱線(xiàn)圈332包圍轉(zhuǎn)子210時(shí)，加熱線(xiàn)圈332延伸到頁(yè)面內(nèi)并且延伸出頁(yè)面)。加熱線(xiàn)圈332可以環(huán)繞如所需要的那么多的轉(zhuǎn)子210，以提供所需的加熱，例如90°、180°、350°、360°。感應(yīng)加熱是電子振蕩器使高頻電流(ac)穿過(guò)金屬感應(yīng)加熱線(xiàn)圈332的眾所周知的技術(shù)。該電流引起由線(xiàn)圈環(huán)繞的體積內(nèi)的電磁通量。如果將具有低電阻的物體(例如金屬)放置在該體積內(nèi)，將在物體的外表面上產(chǎn)生渦流以抵抗進(jìn)入的線(xiàn)圈通量。渦流則由于焦耳熱而加熱物體。控制器340可以聯(lián)接至加熱元件330以控制其操作。一個(gè)或更多個(gè)溫度傳感器334可以提供以及構(gòu)造成感測(cè)轉(zhuǎn)子210的外表面的至少一部分的溫度。在整個(gè)發(fā)明中說(shuō)明的溫度傳感器334可以包括任何現(xiàn)在已知或隨后開(kāi)發(fā)的溫度傳感器，比如熱電偶(thermocouples)、紅外傳感器(infraredsensors)、光纖傳感器(fiberopticsensors)等等。如將相對(duì)于隨后的實(shí)施例所說(shuō)明的，溫度傳感器334還可以設(shè)置成光纖溫度傳感器的形式。

在圖5所示的另一個(gè)實(shí)施例中，感受器構(gòu)件(susceptormember)432可以設(shè)置成包圍轉(zhuǎn)子210的外表面240的至少一部分，例如90°、180°、350°、360°等等。感受器構(gòu)件432可以包括能夠吸收來(lái)自感應(yīng)加熱線(xiàn)圈334a和/或電阻加熱器434的能量以及傳遞由此而來(lái)的熱和/或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換成熱的任何材料，例如金屬。在圖5的實(shí)施例中，還提供密封組件(sealpack)338以密封外殼204和轉(zhuǎn)子210。密封組件338可以包括任何現(xiàn)在已知或隨后開(kāi)發(fā)的密封組件結(jié)構(gòu)。使用具有密封組件338的感受器構(gòu)件432向轉(zhuǎn)子210和外殼204兩者施加熱，提供與圖4的實(shí)施例相比的附加熱損失阻滯。此外，由于熱首先進(jìn)入感受器構(gòu)件432以及然后進(jìn)入轉(zhuǎn)子210，感受器構(gòu)件432的使用可以作用為與圖4的實(shí)施例相比更好地?cái)U(kuò)展熱，并且因此可以減輕轉(zhuǎn)子210和/或軸承224的過(guò)熱。在圖5的實(shí)施例中，感受器構(gòu)件432可以包括位于其中的加熱元件430。如圖5所示，在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件430可以包括電阻加熱器434，即，能夠通過(guò)使電流穿過(guò)而產(chǎn)生熱的任何元件?？商娲?，如圖6所示，加熱元件430可以包括電阻加熱器434和電感加熱器436(類(lèi)似于感應(yīng)加熱線(xiàn)圈332(圖4))。在任何情況下，每個(gè)加熱器434和/或436可以聯(lián)接至控制器340，用于控制加熱器的操作。如圖4-6所示，一個(gè)或更多個(gè)溫度傳感器334(包括下述的334a和334b)可被構(gòu)造成感測(cè)轉(zhuǎn)子210或其他零件的溫度?？刂破?40可以基于感測(cè)溫度控制加熱元件434和/或436的操作。

溫度傳感器334可以定位在需要溫度監(jiān)控的任何數(shù)量的位置中。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖5-6所示，溫度傳感器334a位于感受器構(gòu)件432中或位于其上。另外的或作為替代方案，在密封組件338與轉(zhuǎn)子210相鄰定位，用于密封外殼204的一部分與轉(zhuǎn)子210的情況下，溫度傳感器334b可以定位在密封組件中或定位在密封組件上。盡管未在橫截面圖中示出，可以理解的是溫度傳感器334可以定位在轉(zhuǎn)子210周?chē)娜魏挝恢锰帯?/p>

此外關(guān)于圖4-6的實(shí)施例，雖然示出為一個(gè)軸向位置在外殼204的一端處被加熱，在此強(qiáng)調(diào)的是，可以利用如本發(fā)明中說(shuō)明的加熱元件230、330、430加熱轉(zhuǎn)子210的任何數(shù)量的軸向位置。例如，如圖3所示，轉(zhuǎn)子210可以在外殼204的每個(gè)端部處被加熱?？商娲兀鐖D4所示，可以例如利用加熱元件330和330′(以虛線(xiàn)示出)加熱外殼204的一端上的一個(gè)以上的軸向位置。類(lèi)似地，在圖5和圖6的實(shí)施例中采用了多個(gè)軸向位置加熱。

如用于本發(fā)明中說(shuō)明的各個(gè)實(shí)施例的控制器，例如圖4-6中的控制器340，可以包括能夠基于來(lái)自所使用的一個(gè)或更多個(gè)溫度傳感器的反饋控制加熱元件的任何現(xiàn)在已知或隨后開(kāi)發(fā)的工業(yè)機(jī)器控制處理器?？刂破?40可以是獨(dú)立的控制器，或者可以與其他渦輪機(jī)190的控制器集成。例如，參照?qǐng)D4-6的實(shí)施例，控制器340可以基于感測(cè)溫度自動(dòng)地控制加熱元件330、430和/或330′(圖4)的操作，以產(chǎn)生所需的熱并且防止例如軸承224的過(guò)熱。控制器340可以操作加熱元件以實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)中的任一種，所述目標(biāo)比如為但不限于：提供閉環(huán)溫度控制以補(bǔ)充和/或抵消來(lái)自熱毯232(圖3)(在設(shè)置的情況下)的內(nèi)部熱流從而保持所需溫度、控制升溫速率、控制預(yù)起動(dòng)和起動(dòng)過(guò)程溫度變化率、形成與所需起動(dòng)溫度相當(dāng)?shù)臏囟取f(xié)調(diào)外殼和/或轉(zhuǎn)子溫度以在起動(dòng)期間管理和優(yōu)化間隙、管理轉(zhuǎn)子溫度以消除轉(zhuǎn)子彎曲。在另一個(gè)示例中，控制器340可以控制起動(dòng)早期期間的轉(zhuǎn)子溫度以?xún)?yōu)化間隙和最小化第一入口蒸汽的冷卻效果。雖然本發(fā)明中已示出從控制器到各個(gè)其他部件的特定數(shù)量的導(dǎo)線(xiàn)/線(xiàn)，在此強(qiáng)調(diào)的是導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量可以根據(jù)所采用的實(shí)施例而變化。例如，在轉(zhuǎn)子接地的情況下，在轉(zhuǎn)子本體可被用于電流返回路徑時(shí)，可以減少加熱桿旋轉(zhuǎn)電連接的數(shù)量，例如每個(gè)加熱桿2至1個(gè)電連接。

圖4-6的實(shí)施例的不接觸特征提供多個(gè)有益效果。例如，加熱元件330、430和/或330′可被容易地安裝在新式渦輪機(jī)或在空間允許的情況下已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)子的改型中。此外，可以在不對(duì)轉(zhuǎn)子210做出任何改變的情況下向比如為轉(zhuǎn)子210的旋轉(zhuǎn)部件施加熱。

參照?qǐng)D7-11，在另一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件530可被至少部分地定位在轉(zhuǎn)子210內(nèi)。如本發(fā)明中所使用的，“定位在…內(nèi)(positionedwithin)”表示加熱元件至少部分地位于轉(zhuǎn)子210的細(xì)長(zhǎng)形本體的內(nèi)部，由此使得來(lái)自加熱元件的熱可被傳遞到轉(zhuǎn)子內(nèi)；加熱元件不必須完全接觸轉(zhuǎn)子的材料或由轉(zhuǎn)子的材料包圍。即，位于轉(zhuǎn)子210中的且加熱元件530定位其中的開(kāi)口或孔532可以非常接近加熱元件530或與加熱元件530接觸，如圖7所示，或者可以?xún)H包圍加熱元件530，如圖8所示，或其某種組合。

在圖7-11中，加熱元件530可以包括至少一個(gè)加熱桿(calrod)540?！凹訜釛U”可以是其中的熱由電流阻抗地(焦耳加熱)產(chǎn)生的管、線(xiàn)圈或其他結(jié)構(gòu)形式的任何類(lèi)型的眾所周知的導(dǎo)線(xiàn)加熱元件。加熱桿540可以以多種方式應(yīng)用，比如但不限于能夠從例如watlow電氣制造公司的商標(biāo)獲得的筒式加熱器(cartridgeheaters)。筒式加熱器一般包括封裝加熱桿和連接其上的任何必要的電連接的外殼。在所示出的實(shí)施例中，每個(gè)加熱桿540從轉(zhuǎn)子210的端部延伸至轉(zhuǎn)子(孔532)內(nèi)。每個(gè)加熱桿540可以包括位于轉(zhuǎn)子210的外部的至少一個(gè)電觸點(diǎn)(electricalcontact)542，以便在轉(zhuǎn)子210旋轉(zhuǎn)時(shí)向加熱桿提供電力。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖7所示，在采用單個(gè)加熱桿540的情況下，電觸點(diǎn)542可以包括刷式電連接(abrushelectricalconnection)544，刷式電連接544在加熱桿540隨轉(zhuǎn)子210旋轉(zhuǎn)時(shí)電氣接觸相應(yīng)的加熱桿540的外部。刷式電連接544操作地聯(lián)接至控制器340，控制器340可以包括定尺寸成向加熱桿540提供電力的交流(ac)電源。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖8所示，電觸點(diǎn)542可以包括操作地聯(lián)接至加熱桿540用于向加熱桿540供電的電感變壓器550。電感變壓器550可以包括用于在固定零件與轉(zhuǎn)子210上的旋轉(zhuǎn)零件之間電磁地感應(yīng)電力的任何現(xiàn)在已知或隨后開(kāi)發(fā)的裝置。電感變壓器550還操作地聯(lián)接至控制器340，控制器340可以包括定尺寸成向加熱桿540提供電力的交流(ac)電源。每個(gè)加熱桿540可以具有其自身的聯(lián)接至電感變壓器550的聯(lián)接器，或者加熱桿可以共用聯(lián)接器。

在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖9所示，作為選擇方案，永磁發(fā)電機(jī)560可被操作地聯(lián)接至轉(zhuǎn)子210，以例如向加熱元件530和/或控制器340提供電力。發(fā)電機(jī)560與轉(zhuǎn)子210相互作用以已知方式產(chǎn)生用于控制器340和/或加熱元件530的電力。控制器340可以控制由發(fā)電機(jī)560產(chǎn)生并且傳遞至加熱元件530的電力。雖然圖9示出了包括電感變壓器550的加熱系統(tǒng)200，但是在此強(qiáng)調(diào)的是發(fā)電機(jī)560可被應(yīng)用于本發(fā)明中說(shuō)明的任何實(shí)施例中。

參照?qǐng)D10，在另一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件530可以包括至少部分地定位在轉(zhuǎn)子210內(nèi)的多個(gè)加熱子元件570，例如為筒式加熱器形式的加熱桿540。在這種情況下，每個(gè)加熱子元件570加熱轉(zhuǎn)子210的不同的軸向位置。即，每個(gè)加熱子元件570可以向轉(zhuǎn)子210內(nèi)延伸不同的距離以加熱轉(zhuǎn)子210的不同的軸向位置。這樣，轉(zhuǎn)子210可被非常精確地加熱。控制器340可以控制每個(gè)加熱子元件570的操作。多個(gè)加熱桿還提高了轉(zhuǎn)子加熱系統(tǒng)的可靠性，這是因?yàn)橹灰粋€(gè)加熱桿在操作轉(zhuǎn)子仍能夠被加熱。

可以采用多個(gè)溫度傳感器334，每個(gè)溫度傳感器334構(gòu)造成在不同的軸向位置中的相應(yīng)的一個(gè)處感測(cè)轉(zhuǎn)子210的溫度。控制器340可以基于不同的軸向位置的感測(cè)溫度，例如每個(gè)加熱子元件570的相應(yīng)的溫度和/或其周?chē)臏囟?，控制每個(gè)加熱子元件570的操作。溫度傳感器334可以以多種方式實(shí)施，例如轉(zhuǎn)子210上的熱電偶，聚焦在用于轉(zhuǎn)子210的不同的外部軸向位置上的光基傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖10所示，比如為熱電偶或光纖溫度傳感器的多個(gè)溫度傳感器334定位在轉(zhuǎn)子210內(nèi)。如本領(lǐng)域所理解的，光纖溫度傳感器580可以包括一個(gè)或多個(gè)光纖細(xì)條582(見(jiàn)圖11)，光纖細(xì)條582的端部能夠定位在轉(zhuǎn)子210的選擇的軸向位置處以測(cè)量此處的溫度。光纖溫度傳感器580可以利用單根光纖電纜沿著位于轉(zhuǎn)子開(kāi)口532內(nèi)的轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)在多個(gè)位置處提供轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)。盡管僅在圖10和圖11的實(shí)施例中示出，但是光纖溫度傳感器580可被應(yīng)用于本發(fā)明中說(shuō)明的任何實(shí)施例。

參照?qǐng)D11，在另一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)本發(fā)明中說(shuō)明的加熱系統(tǒng)200的變型進(jìn)行組合，這可以是有利的，例如以減小內(nèi)部加熱元件530的功率或作為備用系統(tǒng)以在渦輪212(圖3)的起動(dòng)期間提供補(bǔ)充加熱。組合系統(tǒng)對(duì)于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的前端部是特別有益的。圖11示出組合加熱元件的一個(gè)示例，組合加熱元件可以包括如在圖7-10中定位在轉(zhuǎn)子210中的至少一個(gè)第一加熱子元件570和如在圖4-6中構(gòu)造成加熱轉(zhuǎn)子210的外表面240的至少一部分的至少一個(gè)第二加熱元件330(例如感應(yīng)加熱線(xiàn)圈)。盡管在圖11中示出內(nèi)部加熱元件和外部加熱元件的具體實(shí)施例，但是在此強(qiáng)調(diào)的是能夠一起采用實(shí)施例中的任一個(gè)。還如圖11所示，上述實(shí)施例中的任一個(gè)也可以與構(gòu)造成加熱外殼204的外部的熱毯(heatingblanket)583一起使用。

控制器340還可以操作地聯(lián)接以控制作為渦輪機(jī)190的一部分的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)584，用于在加熱期間使轉(zhuǎn)子210旋轉(zhuǎn)，這可以幫助更加均勻地加熱轉(zhuǎn)子以及防止熱點(diǎn)(hotspots)?？刂破?40還可以操作地聯(lián)接以控制工作流體流入渦輪機(jī)190，例如通過(guò)直接控制流量閥或通過(guò)總渦輪機(jī)控制器，由此允許控制器通過(guò)控制工作流體流進(jìn)一步控制渦輪機(jī)的加熱。

如圖7-11所示，本發(fā)明的實(shí)施例還可以包括用于渦輪機(jī)190的轉(zhuǎn)子210。轉(zhuǎn)子210可以包括細(xì)長(zhǎng)形(elongated)本體218(圖10)和如在本發(fā)明中說(shuō)明的至少部分地定位在細(xì)長(zhǎng)形本體中用于加熱轉(zhuǎn)子的至少一部分的加熱元件530。還提供就地用于渦輪機(jī)190的外殼204中的轉(zhuǎn)子210的加熱系統(tǒng)200，其中，加熱元件530構(gòu)造成至少部分地定位在轉(zhuǎn)子內(nèi)用于加熱轉(zhuǎn)子的內(nèi)部部分。控制器340控制加熱元件530的操作。

本發(fā)明的圖7-11的向轉(zhuǎn)子210提供內(nèi)部加熱的實(shí)施例，與圖4-6的外部加熱器相比提供多個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)。例如，內(nèi)部加熱直接向渦輪212(圖3)的芯部提供熱，在此最有效地經(jīng)由沿著轉(zhuǎn)子210的軸線(xiàn)的中心孔(開(kāi)口)532(圖10)施加。由于加熱元件530定位在轉(zhuǎn)子210的低應(yīng)力區(qū)域，因此內(nèi)部加熱也是更安全的。內(nèi)部加熱元件530還允許例如在日常維護(hù)期間加熱元件的簡(jiǎn)易添加、去除和更換。內(nèi)部加熱元件530也可以改善“轉(zhuǎn)子彎曲”恢復(fù)時(shí)間以及減少在慢滾和/或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)操作期間由于轉(zhuǎn)子彎曲而引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)。此外，內(nèi)部加熱提供從轉(zhuǎn)子210加熱的內(nèi)部渦輪或壓縮機(jī)外殼溫度(間接或輻射)，由此減小起動(dòng)期間的熱梯度，實(shí)現(xiàn)減小的起動(dòng)率和起動(dòng)時(shí)間。還實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子至外殼的熱膨脹的管理以及轉(zhuǎn)子、外殼、密封套件和相關(guān)部件間隙的優(yōu)化，由此減小了熱膨脹瞬態(tài)間隙極值并且改善了起動(dòng)熱性能。因此，還通過(guò)減小的熱梯度以及蒸汽渦輪起動(dòng)期間的減小的震動(dòng)延長(zhǎng)了旋轉(zhuǎn)葉片、輪葉、翼型以及噴嘴/隔膜翼型的壽命周期，由此改善了低循環(huán)疲勞(lcf)有關(guān)方面以及部件的壽命周期。

如關(guān)于圖10-11所說(shuō)明的，位于轉(zhuǎn)子210的內(nèi)部的多個(gè)加熱元件530的使用還提供多個(gè)另外的優(yōu)勢(shì)。例如，多個(gè)加熱元件通過(guò)確定適當(dāng)?shù)募訜嵩L(zhǎng)度允許選擇加熱位置來(lái)使軸承224的加熱最小化，即優(yōu)化離開(kāi)軸承224的熱傳遞。也可以利用多個(gè)加熱元件容易地定制用于轉(zhuǎn)子軸向位置的加熱功率。變化的加熱元件長(zhǎng)度也允許沿著轉(zhuǎn)子210的軸線(xiàn)進(jìn)行“區(qū)域轉(zhuǎn)子溫度控制”，以在需要的情況下提供對(duì)轉(zhuǎn)子210的沿著其長(zhǎng)度的可變加熱，或者對(duì)于渦輪起動(dòng)優(yōu)化提供升高的溫度。多個(gè)加熱元件530還提供對(duì)于渦輪機(jī)190的壽命的可靠性的一定程度的冗余。

如所注意的，本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于任何渦輪機(jī)組件中，例如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及壓縮機(jī)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例能夠顯著地減小或消除包括低循環(huán)疲勞的轉(zhuǎn)子循環(huán)應(yīng)力，并且通過(guò)消除與用于多種渦輪機(jī)的冷起動(dòng)有關(guān)的溫度循環(huán)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子的壽命周期。本發(fā)明的教導(dǎo)還可應(yīng)用于：監(jiān)視并控制溫度和溫度變化梯度、控制溫度瞬變和保持所需溫度、控制冷卻速率以及匹配轉(zhuǎn)子和外殼溫度。本發(fā)明的教導(dǎo)可被應(yīng)用于各個(gè)渦輪機(jī)區(qū)段以允許向需要不同溫度的不同區(qū)段的可變的熱輸入，例如蒸汽渦輪應(yīng)用中的高壓、低壓和中壓轉(zhuǎn)子。

雖然已在本發(fā)明中關(guān)于多個(gè)實(shí)施例說(shuō)明了本公開(kāi)的教導(dǎo)，但是在此強(qiáng)調(diào)的是可以以在被認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的多種可替代方法向轉(zhuǎn)子提供加熱。例如，可以利用經(jīng)由轉(zhuǎn)子中的通道的比如為加壓熱水或蒸汽的其他介質(zhì)加熱轉(zhuǎn)子。

本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)的目的僅在于描述具體實(shí)施例，而非旨在限制本發(fā)明。如本發(fā)明中所使用的，單數(shù)形式“一種”、“一個(gè)”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中明確作出相反的表示。將會(huì)進(jìn)一步理解的是，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”在用于本說(shuō)明書(shū)中時(shí)指定為所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或更多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或增加。

所有裝置或步驟的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、作用及其等同物加上以下權(quán)利要求中的功能元件旨在包括用于與如所具體要求保護(hù)的其他所請(qǐng)求保護(hù)的元件結(jié)合的執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或作用。本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)已被提供用于例示和說(shuō)明目的，而非旨在窮舉或局限于所公開(kāi)形式的公開(kāi)內(nèi)容。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易想到許多變型和變化。實(shí)施例被選擇和說(shuō)明以便最佳地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，以及使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解用于具有如適用于所預(yù)期的具體應(yīng)用的各種變型的各種實(shí)施例的公開(kāi)內(nèi)容。