專利名稱：渦輪發(fā)電機(jī)的可控制冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。尤其地，本發(fā)明涉及渦輪發(fā)電機(jī)的可控制冷卻裝置。
在通用的流體流動(dòng)機(jī)器結(jié)構(gòu)中，為了控制風(fēng)扇、壓縮器和泵等等，通過調(diào)整導(dǎo)流葉片的裝置控制工作點(diǎn)。這種控制方法常常用于恒速驅(qū)動(dòng)中，并且主要特點(diǎn)是在控制范圍內(nèi)保持較高的機(jī)械效率水平，因?yàn)橥ㄟ^調(diào)整葉片可以直接影響氣動(dòng)力。
另一方面，在普通的電動(dòng)機(jī)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，沒有涉及冷卻裝置的控制方法，尤其地，沒有涉及間接冷卻、自通風(fēng)機(jī)器的冷卻循環(huán)的控制方法。例如，渦輪發(fā)電機(jī)的冷卻循環(huán)一直設(shè)置成適于機(jī)器的標(biāo)定負(fù)荷點(diǎn)。
氣體冷卻的渦輪發(fā)電機(jī)，尤其是空氣冷卻的渦輪發(fā)電機(jī)需要考慮由驅(qū)動(dòng)元件(氣體渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī))提供的機(jī)械軸動(dòng)力的比例，該機(jī)械軸動(dòng)力用于輸送循環(huán)冷卻氣體。由于這種動(dòng)力不會(huì)轉(zhuǎn)化成電能，因此，用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或者自通風(fēng)轉(zhuǎn)子的能量包含在發(fā)電機(jī)損失中。
在具有高輸出(＞250MVA)的空氣冷卻渦輪發(fā)電機(jī)中，所謂的風(fēng)扇損失構(gòu)成了近似50％的總損失，而風(fēng)扇損失的一半只是由于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。除去前一近似50％的損失部分，總損失的剩余50％是由于電能的特性。
由于冷卻裝置、尤其是發(fā)電機(jī)的冷卻循環(huán)一般設(shè)計(jì)為用于產(chǎn)生最大熱量的滿負(fù)荷情況，這時(shí)的冷卻循環(huán)完全超過機(jī)器的部分負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)所需的大小。因此，在減少了輸出(部分負(fù)荷)并從而減少了電力損失的情況下，機(jī)器不需要供給滿負(fù)荷所規(guī)定的冷卻流量，因此這時(shí)是以熱效率不充分的方式使用。此外，由于冷卻循環(huán)在適合滿負(fù)荷的條件下工作，因此這一滿負(fù)荷總損失的50％(=風(fēng)扇損失)與工作狀態(tài)的任何變化無關(guān)，特別是高額定輸出的空氣冷卻發(fā)電機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)效率很差。
德國公開說明書DE4446610A1和相應(yīng)的美國專利5634327公開了一種適應(yīng)于燃?xì)廨啓C(jī)組部分負(fù)荷工作的方法。這時(shí)，壓縮機(jī)導(dǎo)向葉片被調(diào)整，從而在負(fù)荷減少時(shí)減少流量，以便得到最大部分負(fù)荷效率。為此，在燃?xì)廨啓C(jī)組中，通過使兩個(gè)渦輪機(jī)的進(jìn)入溫度降低到標(biāo)定負(fù)荷的50％來實(shí)現(xiàn)該方法，這時(shí)調(diào)整壓縮器導(dǎo)流葉片直到負(fù)荷下降到50％以下為止。在壓縮機(jī)導(dǎo)流葉片的調(diào)整過程中，第一渦輪的進(jìn)口溫度保持不變，而第二渦輪的進(jìn)口溫度低。在完成壓縮器的導(dǎo)流葉片的調(diào)整之后，進(jìn)一步降低渦輪的進(jìn)口溫度，首先是第二渦輪，然后是第一渦輪。
但是，在渦輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域中，適應(yīng)部分負(fù)荷的方法還沒有使用，甚至還沒有被提出，這是因?yàn)槟芟鄬m應(yīng)部分負(fù)荷的冷卻裝置，尤其是冷卻循環(huán)太復(fù)雜。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種渦輪發(fā)電機(jī)的可控制冷卻裝置，該冷卻裝置可以簡單的使冷卻輸出適應(yīng)部分負(fù)荷工作，因此減少了風(fēng)扇損失。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過專利的權(quán)利要求1所述的特征來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的最好的形狀由從屬權(quán)利要求限定。
因此，借助于本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)的可控制冷卻裝置，可以通過減少部分負(fù)荷工作期間的通風(fēng)損失來實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量。
下面將結(jié)合附圖并通過附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例來詳細(xì)地解釋本發(fā)明，在附圖中

圖1表示本發(fā)明的可控制冷卻裝置，它具有風(fēng)扇，該風(fēng)扇的上游有可調(diào)節(jié)的進(jìn)口導(dǎo)向葉輪，圖2表示風(fēng)扇葉輪內(nèi)的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)(flow kinematics)，該風(fēng)扇葉輪的上游連接有本發(fā)明的進(jìn)口導(dǎo)向葉輪，圖3表示對稱液滴剖面圖，其中該剖面的頭部有旋轉(zhuǎn)軸，圖4表示帶有進(jìn)口導(dǎo)向葉片控制的風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)特性曲線圖，該進(jìn)口導(dǎo)向葉片用于恒定旋轉(zhuǎn)速度控制，及圖5a到5f表示在可控制冷卻裝置中，本發(fā)明的可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉片的各種布置方式。
在附圖中，相同的標(biāo)號表示相同的元件。
在本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)的可控制冷卻裝置中，通過把冷卻裝置、尤其是把冷卻循環(huán)控制為發(fā)電機(jī)的普通負(fù)荷狀態(tài)的函數(shù)，來解決部分負(fù)荷的效率問題。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，通過外部的作用，尤其是在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以這種方式控制發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇，即使冷卻流量(volumef low)與相應(yīng)負(fù)荷需求相一致。
在這種情況下，在本發(fā)明的可控制冷卻裝置中，如圖1所示一樣，作為控制冷卻流量的有效裝置，所謂的可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪(VLE)1布置在風(fēng)扇葉片或者風(fēng)扇葉輪2的上游。10表示冷卻裝置的外殼體。通過調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的葉片角度，使流入風(fēng)扇的無旋氣流加上進(jìn)口旋轉(zhuǎn)渦流，該旋轉(zhuǎn)渦流導(dǎo)致所輸送的流量V和歐拉工作a的改變。
圖2表示風(fēng)扇葉輪2內(nèi)的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該葉輪2的上游有可調(diào)節(jié)的進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1。這時(shí)，表示了無旋的變量D和在每種情況下具有反向旋轉(zhuǎn)GD和同向旋轉(zhuǎn)MD的變量。在圖2中，φGD表示反向旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)指數(shù)(flow index)，φD表示在設(shè)計(jì)條件下的流動(dòng)指數(shù)，及φMD表示同向旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)指數(shù)，ψn，GD表示反向旋轉(zhuǎn)的壓力指數(shù)，ψn，D表示在設(shè)計(jì)條件下的壓力指數(shù)，及ψn，MD加表示同向旋轉(zhuǎn)的壓力指數(shù)。壓力指數(shù)ψ在每種情況下與歐拉工作a和壓力的增量Δp成比例，同時(shí)φ與流量V成比例。如圖所示，通過改變進(jìn)口導(dǎo)向葉片裝置1的傾角US，可以根據(jù)傾角的方向產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)或者同向旋轉(zhuǎn)GD或者M(jìn)D。
尤其地，通過對進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的調(diào)節(jié)，能顯著影響所消耗的風(fēng)扇能，該風(fēng)扇能等于發(fā)電機(jī)的熱損。
如果進(jìn)口導(dǎo)向葉片裝置1設(shè)置為如圖3所示的對稱形液滴剖面，那么根據(jù)所選擇的進(jìn)口導(dǎo)向葉片裝置的傾角方向，可以形成反向旋轉(zhuǎn)GD(與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向U相反的旋轉(zhuǎn)分量Cu)或者同向旋轉(zhuǎn)MD(與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向U相同的旋轉(zhuǎn)分量Cu)。同時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致風(fēng)扇葉輪2內(nèi)的壓力增量Δp和所輸送的流量V增加，而同向旋轉(zhuǎn)變量減少了上述特性曲線圖參數(shù)。因此，風(fēng)扇2的反向旋轉(zhuǎn)工作當(dāng)然有利于發(fā)電機(jī)超負(fù)荷工作的情況，但是另一方面，同向旋轉(zhuǎn)工作為控制發(fā)電機(jī)部分負(fù)荷工作時(shí)的冷卻系統(tǒng)提供了一種高效率的選擇。因此，在葉輪設(shè)置和速度不變的情況下，只是通過改變進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的傾角角度就可以形成所謂的旋轉(zhuǎn)特性曲線圖形。這如圖4所示，并且還可以通過改變?nèi)~輪的傾角這一類似的形式來實(shí)現(xiàn)，這些可以在發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中得知。例如從由Fister所寫的、Springer Verlag所出版的“Fluidenergiemaschinen”(流體能量機(jī)構(gòu))第2卷中公開了改變?nèi)~輪的傾角的方法，但是在工作期間和沒有打開機(jī)器的情況下，是不可能改變?nèi)~輪的傾角，而本發(fā)明的改變進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的傾角的方法則可以實(shí)現(xiàn)。
發(fā)電機(jī)的冷卻循環(huán)阻力KW可以以近似值表示，該近似值與負(fù)荷無關(guān)，而且在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)特性曲線圖形中可以以典型的阻力拋物線來描繪，如圖4所示。因?yàn)榭梢愿淖冞M(jìn)口導(dǎo)向葉輪的傾角，因此根據(jù)本發(fā)明，今后不但具有一個(gè)工作點(diǎn)，即風(fēng)扇特性曲線D和冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇的阻力特性曲線KW之間的交叉點(diǎn)，而且還具有工作線，該工作線與旋轉(zhuǎn)特性曲線圖的穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的阻力拋物線的軌跡相一致。該工作線包含了某一流量范圍，在該范圍內(nèi)，作為負(fù)荷函數(shù)的所需冷卻流量通過改變進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的傾角來控制。這里，20表示固定進(jìn)口導(dǎo)向葉輪(VLE)傾角的工作線。
此外，根據(jù)本發(fā)明的、進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的葉片裝置與工作點(diǎn)的控制無關(guān)，即使在標(biāo)定的負(fù)荷條件下，該葉片裝置也用于冷卻系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)整和最佳化。
本發(fā)明的進(jìn)口導(dǎo)向葉片裝置可以與所有可能的風(fēng)扇和空氣導(dǎo)流裝置結(jié)合。優(yōu)選的實(shí)施例圖解在圖5a到5f中。但是，還可以想到大量的、另外的變形。
下面將簡短地介紹這些優(yōu)選實(shí)施例，并且解釋它們的特殊優(yōu)點(diǎn)。
圖5a表示可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1與一個(gè)單級葉輪2的結(jié)合。這種結(jié)合描述了基本設(shè)計(jì)。
此外，本發(fā)明的可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉片1也可以與風(fēng)扇級2、3結(jié)合，如圖5b所示。在這種結(jié)合中，風(fēng)扇級2、3包括葉輪2和流出導(dǎo)流葉輪3，該風(fēng)扇級2、3在可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1的下游某處連接起來。這種變形具有較高的效率。
在圖5c的實(shí)施例中，與上面的實(shí)施例相反，可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1處于緊接葉輪2上游的位置。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。
另一方面，如圖5d所示一樣，可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1還直接布置在風(fēng)扇級2、3的上游處。這種布置方式結(jié)合了圖5b和圖5c的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
此外，也可以以反向冷卻原理使用可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1，在這種原理中，通過風(fēng)扇將加熱過的冷卻氣體從發(fā)電機(jī)中抽出。為清楚起見把這個(gè)表示在圖5e中。
最后，還可實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪1與徑向風(fēng)扇4的結(jié)合，這種結(jié)合用于有較小量的冷卻氣體，但需要有較大壓差的發(fā)電機(jī)中。
權(quán)利要求
1．一種渦輪發(fā)電機(jī)的冷卻裝置，包括空氣導(dǎo)流裝置(2；3)，用于引導(dǎo)和輸送冷卻室內(nèi)的循環(huán)冷卻氣體，及進(jìn)口導(dǎo)向葉輪裝置(1)，該進(jìn)口導(dǎo)向葉輪裝置具有可調(diào)節(jié)的葉片裝置，從而根據(jù)葉片裝置的設(shè)置，在冷卻氣流中產(chǎn)生同向旋轉(zhuǎn)或者反向旋轉(zhuǎn)。
2．如權(quán)利要求1所述冷卻裝置，進(jìn)口導(dǎo)向葉輪裝置(1)沿著冷卻氣體的流動(dòng)方向設(shè)置在通風(fēng)裝置(2；3)的上游處。
3．如權(quán)利要求2所述冷卻裝置，通風(fēng)裝置(2)包括風(fēng)扇。
4．如權(quán)利要求3所述冷卻裝置，風(fēng)扇包括一個(gè)單級葉輪。
5．如權(quán)利要求2所述冷卻裝置，通風(fēng)裝置(2；3)包括風(fēng)扇級。
6．如權(quán)利要求5所述冷卻裝置，風(fēng)扇級包括葉輪和出口導(dǎo)向葉輪。
7．如權(quán)利要求1所述冷卻裝置，進(jìn)口導(dǎo)向葉輪(1)緊接通風(fēng)裝置(2)的上游而設(shè)置，并且通風(fēng)裝置(2)包括一個(gè)單級葉輪。
8．如權(quán)利要求1所述冷卻裝置，進(jìn)口導(dǎo)向葉輪(1)緊接通風(fēng)裝置(2，3)的上游設(shè)置，并且通風(fēng)裝置(2，3)包括風(fēng)扇級。
9．如權(quán)利要求1所述冷卻裝置，冷卻裝置是反向冷卻裝置。
10．如權(quán)利要求3所述冷卻裝置，風(fēng)扇是徑向風(fēng)扇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種渦流發(fā)電機(jī)的冷卻裝置,該冷卻裝置可控制為發(fā)電機(jī)負(fù)荷狀態(tài)的函數(shù)。為此,可調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)向葉輪(1)設(shè)置在風(fēng)扇葉片裝置(2)的上游處,從而控制冷卻裝置的冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻流量。通過調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的葉片角度,使進(jìn)入風(fēng)扇的無旋氣流產(chǎn)生進(jìn)口渦流,這使得所輸送的冷卻流量發(fā)生變化,并且產(chǎn)生壓力增量。在這種情況下,調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)向葉輪的結(jié)果是,明顯地影響了所消耗的風(fēng)扇動(dòng)力和發(fā)電機(jī)的損失。在這種方法中,使用本發(fā)明的裝置,可以使冷卻流量適合于發(fā)電機(jī)的負(fù)荷狀態(tài),因此可以減少發(fā)電機(jī)的損失。
文檔編號F04D27/02GK1284779SQ0012626
公開日2001年2月21日 申請日期2000年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月8日
發(fā)明者M·榮 申請人:Abb(瑞士)股份有限公司