本申請涉及同時提交并且當前待審的美國申請?zhí)枮?4/877991和14/877996，檔案號分別為282941A和282941B。

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)：

為了起動一些渦輪機，比如蒸汽輪機，通常需要保證渦輪機的零部件(parts of the turbomachine)處于合適的溫度。無論渦輪機從冷起動(cold start)、暖起動(warm start)或在電力產(chǎn)生臨時停止之后的熱起動(hot start)起動都希望起動溫度控制。起動溫度控制是必要的，例如以確保和優(yōu)化零件之間的適當?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，以及控制能夠縮短零件壽命的低循環(huán)疲勞(low cycle fatigue)。

傳統(tǒng)地，熱毯(heat blankets)可被應(yīng)用于渦輪機的外殼(或殼體)以例如向蒸汽渦輪的高壓或中壓外殼施加熱。熱從熱毯通過外殼傳導到渦輪的包括葉片的各個零部件內(nèi)并且理論上(ideally)傳導至轉(zhuǎn)子內(nèi)并且通過轉(zhuǎn)子。熱毯對于單個外殼來說足夠起作用，但是對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，對于雙外殼渦輪6來說，從熱毯10的熱傳遞8更加困難，因為在熱到達內(nèi)部零部件之前需要傳導通過外殼(outer casing)14與內(nèi)殼(inner casing)16之間的間隔(separation)12。另外，存在于渦輪機中的不同材料/零部件的熱傳導率可以在具有絕熱效應(yīng)的接頭(junctions)20(點)之間形成一系列熱阻，這對于所需的熱傳遞是不利的。例如，對于外殼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，引起每個接頭組之間的溫差。熱毯裝置還使得應(yīng)被傳導至轉(zhuǎn)子24并且通過轉(zhuǎn)子24的熱通過工作流體18的流動路徑不利地削弱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

在一較佳實施例中，所述加熱元件構(gòu)造成加熱所述轉(zhuǎn)子的外表面的至少一部分。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括溫度傳感器和控制器，所述溫度傳感器構(gòu)造成感測所述轉(zhuǎn)子的所述外表面的所述至少一部分的溫度，所述控制器基于感測的溫度控制所述加熱元件的操作。

其中，所述加熱元件包括感應(yīng)加熱線圈(an induction heating coil)，所述感應(yīng)加熱線圈定位成與所述轉(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)較佳地還包括包圍所述轉(zhuǎn)子的所述外表面的所述至少一部分的感受器構(gòu)件(a susceptor member)，所述感受器構(gòu)件在其中具有所述加熱元件。

更佳地，所述加熱元件還包括電阻加熱器(a resistance heater)和電感加熱器(an inductance heater)中的至少一者。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括溫度傳感器和控制器，所述溫度傳感器構(gòu)造成感測所述轉(zhuǎn)子的溫度，所述控制器基于感測的溫度控制所述加熱元件的操作。

更佳地，所述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外殼的一部分與所述轉(zhuǎn)子的密封組件(a seal pack)，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。

在一較佳實施例中，所述加熱元件至少部分地定位在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)。

更佳地，所述加熱元件包括至少一個加熱桿(calrod)。

更佳地，每個加熱桿從所述轉(zhuǎn)子的端部延伸至所述轉(zhuǎn)子內(nèi)，并且還包括連接至位于所述轉(zhuǎn)子的外部的每個加熱桿的至少一個電觸點(at least one electrical contact)，以阻抗地加熱(resistively heat)相應(yīng)的加熱桿。

更佳地，每個加熱桿聯(lián)接至與所述感應(yīng)加熱線圈相鄰的電感變壓器(an induction transformer)，用于為所述加熱桿提供電力。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括永磁發(fā)電機(a permanent magnet generator)，所述永磁發(fā)電機操作地聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子用于為至少一個加熱元件提供電力。

更佳地，所述加熱元件包括至少部分地定位在所述轉(zhuǎn)子中的多個加熱元件，每個加熱元件具有所述轉(zhuǎn)子的不同的軸向位置。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括控制每個加熱元件的操作的控制器。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括多個溫度傳感器，每個溫度傳感器構(gòu)造成在不同的軸向位置中的相應(yīng)的一個處感測所述轉(zhuǎn)子的溫度，以及，所述控制器基于在所述不同的軸向位置感測的溫度控制每個加熱器的操作。

更佳地，所述多個溫度傳感器分別是(或均是)定位在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的光纖溫度傳感器的一部分(part of a fiber optic temperature sensor)。

更佳地，每個加熱元件包括加熱桿，每個加熱桿向所述轉(zhuǎn)子內(nèi)軸向地延伸不同的長度。

在一較佳實施例中，所述加熱元件包括多個加熱元件，每個加熱元件構(gòu)造成加熱所述轉(zhuǎn)子的不同的軸向位置。

在一較佳實施例中，所述加熱元件包括至少部分地定位在所述轉(zhuǎn)子中的至少一個第一加熱元件和構(gòu)造成加熱所述轉(zhuǎn)子的外表面的至少一部分的至少一個第二加熱元件。

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外殼的外部的熱毯(heating blanket)。

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)機構(gòu)(a turning gear)。

所述的加熱系統(tǒng)較佳地還包括構(gòu)造成感測所述轉(zhuǎn)子的溫度的溫度傳感器和基于感測的溫度控制所述加熱元件的操作的控制器。

更佳地，所述控制器還控制進入所述渦輪機的工作流體流。

本發(fā)明的第二方面提供一種在渦輪機的外殼中就地用于轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)包括：構(gòu)造成加熱渦輪機的外殼中的原位轉(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。

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

本發(fā)明的第四方面可以包括一種在渦輪機的外殼中就地用于轉(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)計成解決本發(fā)明中說明的問題和/或沒有論述的其他問題。

附圖說明

通過結(jié)合描繪本發(fā)明的各個實施例的附圖所作出的對本發(fā)明的各個方面的以下詳細說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)渦輪機的示意性橫截面圖。

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

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

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于轉(zhuǎn)子的外表面的加熱系統(tǒng)的細節(jié)橫截面圖(detailed cross-sectional view)。

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

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

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

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

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

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

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實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的一般方面，因此不應(yīng)被理解為限制本公開的范圍。在附圖中，相同的數(shù)字在附圖中代表相同的元件。

具體實施方式

如上所述，本發(fā)明提供渦輪機中就地(in-situ)用于轉(zhuǎn)子的加熱系統(tǒng)。與僅傳導來自外部外殼的熱的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的實施例直接加熱轉(zhuǎn)子。加熱系統(tǒng)可以采用各種實施例。在一個實施例中，加熱系統(tǒng)包括加熱元件，以就地加熱渦輪機中的轉(zhuǎn)子的外表面的一部分。在另一個實施例中，加熱系統(tǒng)可以包括至少部分地定位在轉(zhuǎn)子內(nèi)以在渦輪機中就地加熱轉(zhuǎn)子的加熱元件。每個實施例可以包括控制加熱元件的操作的控制器。本發(fā)明中說明的加熱系統(tǒng)可以提供比如為但不限于以下優(yōu)勢：閉環(huán)溫度控制以補充(supplement)和/或抵消(counteract)來自熱毯的內(nèi)部熱流(internal heat flow)以保持所需的部件溫度，控制溫度緩變率(ramp rates)，控制預起動(pre-startup)和起動過程中的溫度變化率(temperature rates)，形成與所需起動曲線相稱的部件溫度，以及協(xié)調(diào)外殼和轉(zhuǎn)子溫度以在起動期間管理和優(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)勢包括在啟動之前恢復轉(zhuǎn)子“彎曲”狀態(tài)(利用轉(zhuǎn)子加熱和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(turning gear))，以及通過轉(zhuǎn)子彎曲條件減小起動振動和起動時間。本發(fā)明的實施例還可被用于在起動期間減小轉(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劇烈振動)。

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90的局部切除的透視圖。蒸汽渦輪100包括轉(zhuǎn)子114和多個軸向間隔的轉(zhuǎn)子輪118。多個旋轉(zhuǎn)葉片120機械地聯(lián)接至每個轉(zhuǎn)子輪118。更具體地，葉片120以圍繞每個轉(zhuǎn)子輪118周向延伸的行布置。多個固定輪葉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配合以形成級并且限定通過渦輪100的蒸汽流動路徑的一部分。在操作中，蒸汽124進入渦輪100的進口126，并且被引導穿過固定輪葉122。固定輪葉122將蒸汽124向下游對著葉片120引導。蒸汽124穿過剩余級，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載或機器(未示出)，比如但不限于發(fā)電機和/或另一個渦輪。在如圖2所示的本發(fā)明的一個實施例中，渦輪100包括五個級。五個級被稱為L0、L1、L2、L3和L4。級L4是第一級并且是五個級中最小的(沿徑向方向)。級L3是第二級并且是沿軸線方向的下一級。級L2是第三級并且示出為位于五個級的中間。級L1是第四級并且是倒數(shù)第二級。級L0是最后級并且是最大的(在徑向方向)。可以理解的是，五個級示出為僅一個示例，每個渦輪可以具有多于或少于五個級。此外，如本發(fā)明中所說明的，本發(fā)明的教導不需要多級渦輪。此外，在此強調(diào)的是雖然將相對于蒸汽渦輪說明本發(fā)明的教導，但是渦輪機90可以包括例如在渦輪機的起動期間需要加熱內(nèi)部零件的任何形式的渦輪機，任何形式的渦輪機包括但不限于燃氣輪機、蒸汽輪機和壓縮機。

圖3示出采用根據(jù)本公開的實施例的加熱系統(tǒng)200的例如為蒸汽渦輪的示例性渦輪機190的示意性橫截面圖。渦輪機190可以包括較大渦輪機系統(tǒng)的任何區(qū)段，例如燃氣渦輪、蒸汽渦輪系統(tǒng)的高壓、中壓或低壓區(qū)段、壓縮機等等。示例性渦輪機190示出為包括外殼204和內(nèi)殼206。然而，在此強調(diào)的是本發(fā)明的教導不限于雙殼體渦輪機，并且可以等同地應(yīng)用于單殼體機器。轉(zhuǎn)子210示出為就地定位在渦輪機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190的輪葉/葉片級(由梯形共同地表示)，如相對于圖2的渦輪機90所說明的。工作流體214(例如蒸汽、空氣、燃燒燃料等等)示出為運動通過渦輪212和/或圍繞渦輪212運動。根據(jù)本發(fā)明的實施例的熱傳遞路徑以彎曲箭頭220示出，例如為渦輪機中的離散溫度位置的熱阻接頭222以點的形式示出。沿著轉(zhuǎn)子210的軸向長度可以以傳統(tǒng)方式采用多個軸承224。

在圖3所示的實施例中，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于渦輪機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，渦輪機的示例性實施例將在本發(fā)明中進一步說明。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轉(zhuǎn)子210以及進入比如為外殼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渦輪機190(例如通過熱阻接頭222)的熱傳遞和/或改善該熱傳遞。

參照圖4-11，提供根據(jù)本發(fā)明的加熱系統(tǒng)200的示例性實施例。圖4-6示出轉(zhuǎn)子210的放大的細節(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。

參照圖4，在一個實施例中，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)加熱線圈332。(在加熱線圈332包圍轉(zhuǎn)子210時，加熱線圈332延伸到頁面內(nèi)并且延伸出頁面)。加熱線圈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)穿過金屬感應(yīng)加熱線圈332的眾所周知的技術(shù)。該電流引起由線圈環(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)生渦流以抵抗進入的線圈通量。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。一個或更多個溫度傳感器334可以提供以及構(gòu)造成感測轉(zhuǎn)子210的外表面的至少一部分的溫度。在整個發(fā)明中說明的溫度傳感器334可以包括任何現(xiàn)在已知或隨后開發(fā)的溫度傳感器，比如熱電偶(thermocouples)、紅外傳感器(infrared sensors)、光纖傳感器(fiber optic sensors)等等。如將關(guān)于隨后的實施例所說明的，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所示的另一個實施例中，感受器構(gòu)件(susceptor member)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自感應(yīng)加熱線圈334A和/或電阻加熱器434的能量以及傳遞由此而來的熱和/或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換成熱的任何材料，例如金屬。在圖5的實施例中，還提供密封組件(seal pack)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的實施例相比的附加熱損失阻滯。此外，由于熱首先進入感受器構(gòu)件432以及然后進入轉(zhuǎn)子210，感受器構(gòu)件432的使用可以作用為與圖4的實施例相比更好地擴展熱，并且因此可以減輕轉(zhuǎn)子210和/或軸承224的過熱。在圖5的實施例中，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，在一個實施例中，加熱元件430可以包括電阻加熱器434，即，能夠通過使電流穿過而產(chǎn)生熱的任何元件?？商娲兀鐖D6所示，加熱元件430可以包括電阻加熱器434和電感加熱器436(類似于感應(yīng)加熱線圈332(圖4))。在任何情況下，每個加熱器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，一個或更多個溫度傳感器334(包括下述的334A和334B)可被構(gòu)造成感測轉(zhuǎn)子210或其他零件的溫度?？刂破?40可以基于感測溫度控制加熱元件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。在一個實施例中，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周圍的任何位置處。

此外關(guān)于圖4-6的實施例，雖然示出為一個軸向位置在外殼204的一端處被加熱，在此強調(diào)的是，可以利用如本發(fā)明中說明的加熱元件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的每個端部處被加熱?？商娲?，如圖4所示，可以例如利用加熱元件330和330′(以虛線示出)加熱外殼204的一端上的一個以上的軸向位置。類似地，在圖5和圖6的實施例中采用了多個軸向位置加熱。

如用于本發(fā)明中說明的各個實施例的控制器，例如圖4-6中的控制器340，可以包括能夠基于來自所使用的一個或更多個溫度傳感器的反饋控制加熱元件的任何現(xiàn)在已知或隨后開發(fā)的工業(yè)機器控制處理器?？刂破?40可以是獨立的控制器，或者可以與其他渦輪機190的控制器集成。例如，參照圖4-6的實施例，控制器340可以基于感測溫度自動地控制加熱元件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的過熱。控制器340可以操作加熱元件以實現(xiàn)各種目標中的任一種，所述目標比如為但不限于：提供閉環(huán)溫度控制以補充和/或抵消來自熱毯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、控制預起動和起動過程溫度變化率、形成與所需起動溫度相當?shù)臏囟?、協(xié)調(diào)外殼和/或轉(zhuǎn)子溫度以在起動期間管理和優(yōu)化間隙、管理轉(zhuǎn)子溫度以消除轉(zhuǎn)子彎曲。在另一個示例中，控制器340可以控制起動早期期間的轉(zhuǎn)子溫度以優(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其他部件的特定數(shù)量的導線/線，在此強調(diào)的是導線的數(shù)量可以根據(jù)所采用的實施例而變化。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，可以減少加熱桿旋轉(zhuǎn)電連接的數(shù)量，例如每個加熱桿2至1個電連接。

圖4-6的實施例的不接觸特征提供多個有益效果。例如，加熱元件330、430和/或330′可被容易地安裝在新式渦輪機或在空間允許的情況下已經(jīng)在現(xiàn)場的轉(zhuǎn)子的改型中。此外，可以在不對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。

參照圖7-11，在另一個實施例中，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)(positioned within)”表示加熱元件至少部分地位于轉(zhuǎn)子210的細長形本體的內(nèi)部，由此使得來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中的加熱元件530定位其中的開口或孔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，或者可以僅包圍加熱元件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、線圈或其他結(jié)構(gòu)形式的任何類型的眾所周知的導線加熱元件。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獲得的筒式加熱器(cartridge heaters)。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。在所示出的實施例中，每個加熱桿540從轉(zhuǎn)子210的端部延伸至轉(zhuǎn)子(孔532)內(nèi)。每個加熱桿540可以包括位于轉(zhuǎn)子210的外部的至少一個電觸點(electrical contact)542，以便在轉(zhuǎn)子210旋轉(zhuǎn)時向加熱桿提供電力。在一個實施例中，如圖7所示，在采用單個加熱桿540的情況下，電觸點542可以包括刷式電連接(brush electrical connection)544，刷式電連接544在加熱桿540隨轉(zhuǎn)子210旋轉(zhuǎn)時電氣接觸相應(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。在另一個實施例中，如圖8所示，電觸點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。

在另一個實施例中，如圖9所示，作為選擇方案，永磁發(fā)電機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，但是在此強調(diào)的是發(fā)電機560可被應(yīng)用于本發(fā)明中說明的任何實施例中。

參照圖10，在另一個實施例中，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，每個加熱子元件570加熱轉(zhuǎn)子210的不同的軸向位置。即，每個加熱子元件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?？刂破?40可以控制每個加熱子元件570的操作。多個加熱桿還提高了轉(zhuǎn)子加熱系統(tǒng)的可靠性，這是因為只要一個加熱桿在操作轉(zhuǎn)子仍能夠被加熱。

可以采用多個溫度傳感器334，每個溫度傳感器334構(gòu)造成在不同的軸向位置中的相應(yīng)的一個處感測轉(zhuǎn)子210的溫度?？刂破?40可以基于不同的軸向位置的感測溫度，例如每個加熱子元件570的相應(yīng)的溫度和/或其周圍的溫度，控制每個加熱子元件570的操作。溫度傳感器334可以以多種方式實施，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。在一個實施例中，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可以包括一個或多個光纖細條582(見圖11)，光纖細條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)子開口532內(nèi)的轉(zhuǎn)子軸線在多個位置處提供轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測。盡管僅在圖10和圖11的實施例中示出，但是光纖溫度傳感器580可被應(yīng)用于本發(fā)明中說明的任何實施例。

參照圖11，在另一個實施例中，可以對本發(fā)明中說明的加熱系統(tǒng)200的變型進行組合，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)的起動期間提供補充加熱。組合系統(tǒng)對于蒸汽渦輪轉(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第二加熱元件330(例如感應(yīng)加熱線圈)。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施例，但是在此強調(diào)的是能夠一起采用實施例中的任一個。還如圖11所示，上述實施例中的任一個也可以與構(gòu)造成加熱外殼204的外部的熱毯(heating blanket)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190的一部分的旋轉(zhuǎn)機構(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(hot spots)。控制器340還可以操作地聯(lián)接以控制工作流體流入渦輪機190，例如通過直接控制流量閥或通過總渦輪機控制器，由此允許控制器通過控制工作流體流進一步控制渦輪機的加熱。

如圖7-11所示，本發(fā)明的實施例還可以包括用于渦輪機190的轉(zhuǎn)子210。轉(zhuǎn)子210可以包括細長形(elongated)本體218(圖10)和如在本發(fā)明中說明的至少部分地定位在細長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?？刂破?40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)部加熱的實施例，與圖4-6的外部加熱器相比提供多個額外的優(yōu)勢。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的軸線的中心孔(開口)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期間加熱元件的簡易添加、去除和更換。內(nèi)部加熱元件530也可以改善“轉(zhuǎn)子彎曲”恢復時間以及減少在慢滾和/或旋轉(zhuǎn)機構(gòu)操作期間由于轉(zhuǎn)子彎曲而引起的轉(zhuǎn)子振動。此外，內(nèi)部加熱提供從轉(zhuǎn)子210加熱的內(nèi)部渦輪或壓縮機外殼溫度(間接或輻射)，由此減小起動期間的熱梯度，實現(xiàn)減小的起動率和起動時間。還實現(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熱性能。因此，還通過減小的熱梯度以及蒸汽渦輪起動期間的減小的震動延長了旋轉(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所說明的，位于轉(zhuǎn)子210的內(nèi)部的多個加熱元件530的使用還提供多個另外的優(yōu)勢。例如，多個加熱元件通過確定適當?shù)募訜嵩L度允許選擇加熱位置來使軸承224的加熱最小化，即優(yōu)化離開軸承224的熱傳遞。也可以利用多個加熱元件容易地定制用于轉(zhuǎn)子軸向位置的加熱功率。變化的加熱元件長度也允許沿著轉(zhuǎn)子210的軸線進行“區(qū)域轉(zhuǎn)子溫度控制”，以在需要的情況下提供對轉(zhuǎn)子210的沿著其長度的可變加熱，或者對于渦輪起動優(yōu)化提供升高的溫度。多個加熱元件530還提供對于渦輪機190的壽命的可靠性的一定程度的冗余。

如所注意的，本發(fā)明的實施例可應(yīng)用于任何渦輪機組件中，例如蒸汽輪機、燃氣輪機以及壓縮機。因此，本發(fā)明的實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，并且通過消除與用于多種渦輪機的冷起動有關(guān)的溫度循環(huán)延長轉(zhuǎn)子的壽命周期。本發(fā)明的教導還可應(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)明的教導可被應(yīng)用于各個渦輪機區(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)于多個實施例說明了本公開的教導，但是在此強調(diào)的是可以以在被認為落入本發(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)語的目的僅在于描述具體實施例，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”和“該”旨在也包括復數(shù)形式，除非上下文中明確作出相反的表示。將會進一步理解的是，術(shù)語“包括”和/或“包含”在用于本說明書中時指定為所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多個其他特征、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的其他所請求保護的元件結(jié)合的執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或作用。本發(fā)明的說明書已被提供用于例示和說明目的，而非旨在窮舉或局限于所公開形式的公開內(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。實施例被選擇和說明以便最佳地解釋本發(fā)明的原理和實際應(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期的具體應(yīng)用的各種變型的各種實施例的公開內(nèi)容。