专利名称：涡轮机的加热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将热能转化为机械功的涡轮机、包括至少一个涡轮机的太阳能电 站以及操作用于将热能转化为机械功的涡轮机的方法。
背景技术：
大体而言，用于将热能转化为机械功的涡轮机，具体而言是蒸汽涡轮机，通常用在 热力电站中。热力电站例如通过燃烧矿物材料、通过使用核反应堆或者通过太阳能来产生 热能。在常规热力电站中，可以每天24小时产生热能，使得在日常情况下产生动力的涡轮 机不需要停机。被冷却且处于停机状态的涡轮机需要长的启动阶段直到到达涡轮机的日常操作 情况。例如，涡轮机中的转子叶片的旋转速度必须被缓慢加速，使得产生不利的操作情况， 例如涡轮机喘振。喘振被定义为涡轮机的排放和流动速率压力的自振荡，包括回流。当前，目标在于从生态上友好的能源产生越来越多的可再生能量。从生态上友好 的能源产生能量的一种示例性电站是太阳能电站。在太阳能电站中，借助于太阳光产生电。 典型太阳能-热力电站包括太阳能收集器(例如抛物面反射器)以便将太阳光会聚到小表 面来产生热。使用由太阳光产生的热能，会加热涡轮机的工作介质。工作介质可以是蒸汽 (vapour或steam)状态的流体(例如适当的石油材料或水)。被加热的蒸汽被引导通过涡轮 机，该涡轮机将热能转化为机械功，其中后续发电机将机械功转化为电。太阳能-热力电站仅在白天当太阳照射时运转。在夜间，太阳能_热力电站停机 并且因而涡轮机也停机。在夜间，涡轮机降温到环境空气温度。在下一天，当涡轮机被再次 起动时，必须有长的启动阶段直到涡轮机到达操作温度并且因而具有适度效率。用于太阳能电站的常规涡轮机的启动阶段可以持续达1-1. 5小时直到涡轮机到 达其操作状态。因此，涡轮机在白天的整体工作时间会被减小1-1. 5小时，这会导致整个太 阳能电站的生产力和效率的缺乏。
发明内容
本发明的目标可以是减少涡轮机启动阶段的持续时间。这个目标可以通过根据独立权利要求所述的用于将热能转化为机械功的涡轮机、 包括至少一个涡轮机的太阳能电站以及操作用于将热能转化为机械功的涡轮机的方法来 实现。根据本发明的第一方面，提供用于将热能转化为机械功的涡轮机。该涡轮机包括 加热系统。该加热系统适于在涡轮机的停机状态和/或启动阶段时加热涡轮机。根据本发明的另一方面，提供包括至少一个上述涡轮机的太阳能电站。根据本发明的另一方面，提供操作用于将热能转化为机械功的涡轮机的方法。根 据该方法，在涡轮机的停机状态和/或启动阶段时使用加热系统加热涡轮机。涡轮机可以被限定为将热能转化为机械功的涡轮机。具体而言，涡轮机可以包括燃气涡轮机或蒸汽涡轮机。 借助于将热能转化为机械功的上述涡轮机，如果涡轮机处于停机状态和/或启动 阶段，则涡轮机的加热系统加热涡轮机。因此，涡轮机部件的特定最小温度可以保持恒定， 特别是在夜间。加热系统适于将涡轮机部件(具体而言是涡轮机的转子)保持在最小温度 水平，该最小温度水平可以被限定为近似在100摄氏度至600摄氏度之间，具体而言近似在 250摄氏度至400摄氏度之间。因此，甚至当夜间环境温度非常低时，涡轮机部件仍被加热且保持在最小温度水 平。因此，当在下一天启动涡轮机时，处于优化操作状态的涡轮机部件的温度与处于被加热 系统保持恒定的最小温度水平的温度之间的差值小于没有加热系统时的差值。因此，启动 阶段的持续时间可以被减小且因而可以更早地达到涡轮机的操作状态。因此，可以提高太 阳能电站的整体效率。此外，将涡轮机部件保持在最小温度水平的另一方面在于，相比于没有加热系统 的涡轮机而言，减小了由于处于操作状态时的温度与最小温度水平之间的温度差所导致的 涡轮机部件的热变形。可以减少应力和材料失效。因此，可以提高涡轮机的使用寿命。根据另一示例性实施例，加热系统包括电加热装置。电加热装置可以包括电加热 元件，例如加热线圈或类似物。电加热装置可以被直接附连到一些预定涡轮机部件以用于 将热能传递到涡轮机。根据本发明的另一示例性实施例，加热系统包括蒸汽加热装置。该加热装置可以 将蒸汽引导到轴的内表面，以便热量相对于涡轮机轴沿径向向外的方向行进。被加热的蒸 汽可以将热能传递到涡轮机部件的相邻内表面。加热系统还可以包括热空气鼓风机，其中被加热的空气可以为了加热目的而围绕 涡轮机部件吹送。加热系统还可以包括用于例如向轴的内部孔中(即向轴的内表面)提供热 油的加热装置。根据另一示例性实施例，涡轮机还包括具有内部孔的轴。加热系统可以被连接到 内部孔以用于具体地从内部加热轴。具体而言，加热系统可以以如下方式被连接到内部孔， 即使得加热系统被热联接到内部孔，以便热能可以从加热系统传递到内部孔中。内部孔可 以沿轴的中心轴线且在轴的同轴方向上被对齐。此外，内部孔可以包括相对于轴的中心轴 线的径向方向。当在轴内部提供内部孔时，热能被传递到涡轮机的中心。由于热能对流的 原因且因为在夜间涡轮机的外部冷于涡轮机的被加热内部，所以热能从内部轴运动到周围 较冷的涡轮机部件且最终运动到涡轮机的环境中。因此，可以改进热能的分布，这是因为从 涡轮机的中心开始，可以提供热能从涡轮机的内部到涡轮机的外部的有效分布(对流)。因 此，可以提供对涡轮机更有效的加热。在轴的内部孔内，热蒸汽或热空气可以被吹动以用于在轴内部传递热能。此外，内 部孔可以包括用于提供电加热的加热元件。加热元件可以包括例如加热线圈或被加热的灯丝。根据本发明的另一示例性实施例，涡轮机还包括壳体，其中加热系统可以被连接 (可以被热联接)到该壳体。壳体的外表面可以包括加热线圈，加热线圈可以被可拆卸地安 装到壳体的外表面或者可以被一体地形成于外部涡轮机部件，例如涡轮机的壳体。根据另一示例性实施例，涡轮机还包括隔离系统，该隔离系统用于以如下方式隔离涡轮机，即减 小处于停机状态的涡轮机的冷却速率。隔离系统可以包括例如隔离垫，隔离垫被附连到涡轮机的外表面以便阻止涡轮机 的降温。此外，隔离系统可以包括被加热的隔离垫，以便被加热的垫将加热系统和隔离系统 相结合。被加热的垫可以包括加热线圈，加热线圈可以被例如电力加热。因此，涡轮机的 外表面可以至少部分由被加热的垫包封，以便涡轮机的降温速率可以被减小并且在较小加 热能量的情况下涡轮机部件的限定最小部件温度可以保持恒定。隔离系统还可以包括被形 成在涡轮机壳体的内表面或外表面上的隔离材料。涡轮机壳体可以例如包括涂层或层压结 构，其包括具有合适阻尼特征的阻尼材料，以便壳体可以与隔离系统一体地形成。根据另一示例性实施例，加热系统包括蓄热装置。蓄热装置适于存储热能，具体是 在白天和/或当涡轮机运转时存储热能。蓄热装置适于在涡轮机停机状态和/或启动阶段 期间将热能传递到涡轮机，具体传递到加热系统。蓄热装置可以包括熔融盐热能存储器，其 中当涡轮机处于操作状态时通过来自太阳或来自热工作流体的热能来熔化一定体积的盐。 液态盐可以被存储在隔离存储箱内。当加热系统需要热能时，热盐被用于将热能传递到加 热系统。代替盐，也可以在蒸汽蓄热器中存储热能，其中在隔离的蒸汽压力箱中存储低于压 力的蒸汽。例如通过太阳或在涡轮机操作状态期间产生的热工作流体来产生蒸汽。此外， 蓄热装置可以包括具有大的熔解热的相变材料(PCM)，以便当材料从固体状态变成液体状 态时吸收热以及反之亦可。此外，蓄热装置可以包括热化学蓄热器，其中可以通过化学物质 的可逆化学反应来存储热能。根据另一示例性实施例，蓄热装置适于通过外部热源或通过处于操作模式的涡轮 机来充入热能。外部热源可以例如是太阳或被加热的地面(例如沙子)。通过本发明，涡轮机，具体是特定涡轮机部件(例如转子、轴或定子)被保持在最小 温度水平(例如250-400摄氏度)，以便启动时间可以被减小并且涡轮机材料的应力被减小， 这是因为也减小了操作状态和停机状态之间的温度差。因此，通过上述加热系统，对于涡轮 机的早晨启动而言实现了更高的涡轮机温度。涡轮机可以与加热系统一起被隔离系统隔 离，以便在早晨启动涡轮机时出于加热目的使用较少的能量消耗来使得涡轮机部件保持暖 机。应该注意到，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体而言，已经参考产品 权利要求描述了一些实施例，而参考方法权利要求描述了另一些实施例。然而，本领域技术 人员从上述和下述描述中可以意识到，除另有说明外，除了属于一种主题类型的特征的任 意结合之外，属于不同主题的特征之间的结合，具体是产品权利要求的特征和方法权利要 求的特征之间的任意结合也被认为被本申请所公开。从下述的实施例示例中可以显而易见到本发明的上述方面和其他方面，并且参考 实施例的示例解释了本发明的上述方面和其他方面。下面将参考实施例的示例更详细地描 述本发明，不过本发明并不限于此。
在下文中，参考
了本发明的示例性实施例以便进一步解释且更好理解， 附图中
附图1示出了根据本发明的示例性实施例的涡轮机的示意图。
具体实施方式
附图中的描绘是示意性的。应该认识到在不同附图中，类似或相同的元件具有相 同的附图标记。附图描述了用于将热能转化为机械功的涡轮机100。涡轮机100包括加热系统 101。加热系统101适于在涡轮机100的停机状态和/或启动阶段时加热涡轮机100。涡轮机100包括围绕轴103的壳体102。转子叶片通常附连于轴103，其中定子叶 片通常附连于涡轮机的壳体102。附图示出了加热系统101与涡轮机100的两个示例性连接部位。在一种示例性实 施例中加热系统101可以被附连于壳体102的外表面，以便热能从涡轮机100的外部被传 递到涡轮机100的内部。热能从壳体102传递到涡轮机100的内部构件以及被传递到轴 103。在另一示例性实施例中，加热系统101可以附加或可替换地连接且/或联接到涡 轮机100的内部部件，例如轴103。如附图所示，加热系统101被热联接且/或机械联接到 轴103的端部部段。在轴103的内部，可以提供沿轴103的轴线方向延伸的内部孔105。内 部孔105沿轴103的轴线方向延伸，并且内部孔105可以延伸到涡轮机的中间部段或者贯 穿涡轮机100内的整个轴103。可以由加热系统101在轴103内部传递热能。热能可以例 如由热空气、热蒸汽或电加热元件106在内部孔105内部传递。电加热元件106可以被安 装在内部孔105的内表面内部。在一种示例性实施例中，加热元件106可以包括沿内部孔 105的内表面延伸的加热线圈。附图还示出了隔离系统104，该隔离系统104可以包括可以至少部分地包封壳体 102的外表面的隔离垫或隔离材料。此外，隔离系统104可以包括可以被层压到涡轮机部件 的外表面或内表面(例如壳体102的外表面或内表面)的隔离材料。因此，可以通过隔离系 统104来减小从涡轮机的内部到涡轮机的较冷环境的热能传递，对应的是热传递。隔离系统104也可以包括加热系统101的构件。例如隔离系统104可以包括可以 围绕壳体102的外表面被包封的隔离垫，其中在隔离垫的内部可以安装加热元件106，例如 加热线圈。因此，隔离系统104与加热系统101结合并且因而提供更好的隔离以阻止涡轮 机100降温。此外，还可以提供将涡轮机100内部的温度和涡轮机部件的温度保持在最小 温度水平恒定的附加可能。蓄热装置107可以被联接到涡轮机的内部区域以便汲取一部分工作介质来存储 并且因而存储热能。附加地，如附图中可见，蓄热装置107可以被连接到加热系统101。蓄热装置107 可以存储来自于太阳本身、来自于工作流体和/或来自于升温地面的热能。此外，用于蓄热 装置107的热能可以来自于处于操作状态的热涡轮机100。在夜间，蓄热装置107中被存储 的热能可以被传递到加热系统101，对应地被传递到涡轮机部件，以便保持涡轮机部件的最
小温度恒定。应该意识到术语“包括”不意味着排除其他元件或步骤，并且“一”或“一种”不排 除多个。而且关于不同实施例被描述的元件可以被结合。也应该意识到权利要求中的附图 标记不构成对于权利要求范围的限制。
权利要求
1.一种用于将热能转化为机械功的涡轮机(100)，该涡轮机(100)包括 加热系统(101)，其中所述加热系统(101)适于在所述涡轮机(100)的停机状态和/或启动阶段时加热 所述涡轮机(100)。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(100)， 其中所述加热系统(101)包括电加热装置。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机(100)， 其中所述加热系统(101)包括蒸汽加热装置。
4.根据权利要求1至3中一项权利要求所述的涡轮机(100)，还包括 具有内部孔(105)的轴(103)，其中所述加热系统(101)能够被连接到所述内部孔(105)以用于加热所述轴(103)。
5.根据权利要求1至4中一项权利要求所述的涡轮机(100)，还包括 壳体(102)，其中所述加热系统(101)能够被连接所述壳体(102)。
6.根据权利要求1至5中一项权利要求所述的涡轮机(100)，还包括隔离系统(104)，该隔离系统(104)用于隔离所述涡轮机(100)以便减小处于所述停机 状态的所述涡轮机(100)的冷却速率。
7.根据权利要求1至6中一项权利要求所述的涡轮机(100)， 其中所述加热系统(101)包括蓄热装置(107)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(100)，其中所述蓄热装置(107)适于由外部热源和/或处于操作模式的所述涡轮机(100)来 充入热能。
9.一种包括至少一个根据权利要求1至8中一项权利要求所述的涡轮机(100)的太 阳能电站。
10.一种操作用于将热能转化为机械功的涡轮机(100)的方法，该方法包括当所述涡轮机(100)处于停机状态和/或启动阶段时使用加热系统(101)加热所述涡 轮机(100)。
全文摘要
本发明涉及涡轮机的加热系统，即用于将热能转化为机械功的涡轮机(100)。该涡轮机(100)包括加热系统(101)，其中所述加热系统(101)适于在所述涡轮机(100)的停机状态和/或启动阶段时加热所述涡轮机(100)。
文档编号F03G6/00GK102128061SQ201110005390
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者M·弗里德里克森, O·马朱尔, T·拉尔森, T·约翰逊 申请人:西门子公司