CN101408114A - 用于涡轮叶片顶端的间隙控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮叶片顶端的间隙控制的装置和方法。用于旋转机器的内部壳体(10)包括至少一个区段和可与至少一个区段操作地关联的至少一个互补区段，这些区段(24)形成用于护环的支承结构；其中，至少一个区段和至少一个互补区段各自移动，以改变由至少一个区段和至少一个互补区段所限定的一组尺寸。还公开了用于控制旋转机器中的护环的尺寸的方法(80)。

Description

用于涡轮叶片顶端的间隙控制的装置和方法

技术领域

在本文中所公开的本发明涉及燃气涡轮领域。特别地，本发明用于提供对涡轮叶片顶端间隙的控制。

背景技术

燃气涡轮包括许多部件，这些部件中的每个部件可随着操作条件变化而膨胀或收缩。涡轮与从燃烧室排出的热气体相互作用来转动轴。轴通常联接到压缩机上，并且在某些实施例中联接到诸如发电机的用于接收能量的设备上。涡轮通常邻近燃烧室。涡轮使用有时候被称作“动叶(bucket)”的叶片，用于使用热气体的能量来转动轴。

涡轮叶片在护环内旋转。由于热气体冲击涡轮叶片，故轴转动。护环用于防止热气体从涡轮叶片周围逃逸并因此不转动轴。

一个涡轮叶片的端部与护环之间的距离被称作“间隙”。随着间隙增加，由于热气体通过该间隙逃逸，故涡轮效率降低。因此，间隙量可能会影响燃气涡轮的总效率。

如果间隙量过小，那么涡轮叶片、护环和其它构件的热性质可能会造成涡轮叶片与护环摩擦。当涡轮叶片摩擦护环时，可能会对涡轮叶片、护环和涡轮造成损坏。因此，在多种操作条件下维持最小间隙是较为重要的。

因此，所需要的是减小燃气涡轮中的涡轮叶片与护环之间的间隙的技术。这些技术应适用于多种操作条件。

发明内容

公开了用于旋转机器的内部壳体的一个实施例，其包括至少一个区段；和可与至少一个区段操作地关联的至少一个互补区段，这些区段形成用于护环的支承结构；其中至少一个区段和至少一个互补区段各自移动，以改变由至少一个区段和至少一个互补区段所限定的一组尺寸。

还公开了旋转机器的一个实施例，该旋转机器包括罩壳；布置于罩壳中的旋转构件；邻近该旋转构件布置的护环；包括区段的壳体，至少一个区段可与护环操作地关联，其中该护环的至少一个尺寸可由该壳体进行调整。

另外公开了用于控制旋转机器中的护环的尺寸的方法的一个示例，该方法包括从控制系统接收信息；使用该信息来移动分段壳体的一个或多个区段，该壳体可与护环操作地关联；以及利用一个或多个区段来使护环变形。

附图说明

在说明书结尾的权利要求书中特别地指出且明确地主张了被认为是本发明的主旨。结合附图通过下文的具体实施方式，本发明的前述的和其它的特征和优点将变得显而易见，在附图中，类似的元件用类似的附图标记来表示，在附图中：

图1表示燃气涡轮的示范性实施例；

图2A与图2B统称为图2，其表示涡轮级与内部涡轮壳体的示范性实施例；

图3A、3B和图3C统称为图3，其表示在邻近区段与区段间密封件之间的沟槽的示范性实施例；

图4A和图4B统称为图4，其表示内部涡轮壳体的区段的示范性实施例；

图5表示内部涡轮壳体的示范性实施例，该内部涡轮壳体具有联接到多个区段上的促动器；

图6表示带有套筒的内部涡轮壳体的示范性实施例；

图7表示带有喷嘴的区段的示范性实施例；

图8表示用于控制护环的尺寸的示范性方法。

1    燃气涡轮

2    压缩机

3    燃烧室

4    涡轮

5    涡轮轴

6    发电机

7    涡轮级

8    护环

10   内部涡轮壳体

9    罩壳

11   纵向轴线

20   间隙

27   涡轮叶片

21   分段

22   环圈

24   区段

12   径向方向

23   沟槽

25   孔

26   沟槽密封件

30   条形密封件

31   内部压力密封件

32   外部压力密封件

33   涡轮气体

34   泄漏

29   密封沟槽

41  扁平梁

50  促动器

33  涡轮气体

60  套筒

70  喷嘴

71  弯矩

80  示范性方法

81  接收

82  移动

83  变形

具体实施方式

在本文中公开了用于控制旋转机器中的多个叶片与护环之间的间隙的装置和方法的各种实施例。虽然所说明的实施例专注于控制燃气涡轮中的多个叶片与护环之间的间隙，但应了解的是，本文的总体教导内容可应用于其它类型的机器，诸如压缩机和泵。

本文具体地教导了用于控制护环的尺寸(诸如直径)以维持护环与一组涡轮叶片之间的所希望的间隙量的装置和方法。在一个实施例中，所希望的间隙量是避免叶片与护环摩擦的最小间隙量。

为了方便起见，提供了某些定义。术语“旋转机器”涉及包括围绕轴周向地布置的叶片的机器。轴与叶片一起旋转以进行以下操作中的至少一种操作：压缩气体，泵送流体，将流体流转变成旋转功，以及将气体流转变成旋转功。术语“燃气涡轮”涉及一种为连续燃烧发动机的旋转机器。燃气涡轮通常包括压缩机、燃烧室和涡轮。燃烧室发出被导向至涡轮的热气体。术语“涡轮叶片”涉及包括于涡轮中的叶片。每个涡轮叶片通常具有用于将撞击动叶的热气体转变成旋转功的翼形件。术语“涡轮级”涉及围绕涡轮轴的分段周向地布置的多个涡轮叶片。涡轮级的涡轮叶片以圆形形式布置于轴的周围。术语“护环”涉及用于防止热气体从涡轮级的涡轮叶片的周围不受阻碍地逃逸的结构。该结构从涡轮级径向向外布置且可为圆柱形和圆锥形中的至少一种形状。一般而言，每个涡轮级设有一个护环。术语“间隙”涉及涡轮叶片顶端与护环之间的距离量。术语“内部涡轮壳体”涉及联接到护环上的结构。内部涡轮壳体包围护环并且将护环保持在适当位置。内部涡轮壳体可联接到若干个护环以及涡轮级之间的喷嘴上。术语“机壳”(或“罩壳”)涉及包围内部涡轮壳体的结构。机壳提供整个旋转机器的结构完整性。机壳还提供燃气涡轮的外部压力与内部压力之间的压力边界。术语“圆形度”涉及结构为圆形的程度。举例而言，具有高圆形度的结构的圆度大于具有低圆形度的结构的圆度。术语“周边地”涉及周边。

图1示意性地表示燃气涡轮1的示范性实施例。燃气涡轮1包括压缩机2、燃烧室3和涡轮4。压缩机2由涡轮轴5联接到涡轮4上。在图1的非限制性实施例中，涡轮轴5还联接到发电机6上。(在其它实施例中，涡轮轴5可联接到其它类型的机器上，诸如压缩机或泵)。涡轮4包括涡轮级7、各自的护环8、内部涡轮壳体10和机壳9。内部涡轮壳体10包围护环8。一般而言，内部涡轮壳体10为渐缩形或圆锥形以符合涡轮级7的大小。在图1中还描绘了与轴5对齐的纵向轴线11和代表垂直于轴5的径向方向的径向方向12。涡轮4在下文中更详细地描述。

图2表示涡轮4的示范性实施例。图2A表示涡轮4的端视图。参看图2A，示出了间隙20。图2A所示的护环8包围多个涡轮叶片27大约360度。在某些实施例中，护环8由多个护环区段构成，这些护环区段包括多个弧形区段，每个弧形区段小于360度。护环8可由允许护环8膨胀和收缩的材料制成。护环8的弧形区段固定到内部涡轮壳体10上，使得在内部涡轮壳体10膨胀且收缩时，护环8也膨胀和收缩。(固定到护环8上的)内部涡轮壳体10的“自由”端根据径向地施加于自由端上的力而径向收缩。通过控制内部涡轮壳体10的直径并且因此控制护环8的直径，可减小间隙20，而不会有增加摩擦的风险。

图2B表示涡轮4的侧视图。参看图2B，内部涡轮壳体10包括分段21的组件。分段21由环圈22保持在一起。内部涡轮壳体10还包括多个区段24。每个区段24基本上在径向方向12上移动。通过在径向方向12上移动，每个区段24可使护环8膨胀或收缩。在径向方向12上施加于一个区段上的力将造成护环8基本上在径向方向12上膨胀或收缩。施加于所有区段上的径向力将协调地(或共同地)造成护环8膨胀或收缩并维持一定的圆度。一般而言，随着区段24的数目增加，施加于护环8上的圆度也增加。每个区段24由沟槽23与邻近区段24分开。沟槽23提供邻近区段24之间的自由移动，而不使邻近区段24接触。孔25设于沟槽23的一端，以限制通过在径向向内和径向向外中的至少一个方向上单独地或协调地移动区段24而施加于内部涡轮壳体10上的应力。

参看图2A，提供被称作“沟槽密封件”26的区段间密封件来密封由每个沟槽23在内部涡轮壳体10中所造成的开口。沟槽密封件26布置于两个邻近区段24之间。图3A表示沟槽23和孔25的三维视图。图3B和图3C表示密封图3A所描绘的沟槽23的沟槽密封件26的示范性实施例的详细视图。沟槽密封件26包括焊接到内部压力密封件31和外部压力密封件32上的条形密封件30。一般而言，内部压力密封件31和外部压力密封件32具有折皱来提供密封。由于折皱的原因，对密封件31和32的压力的增加导致密封效率的增加。内部压力密封件31将热的涡轮气体33密封在涡轮4中。外部压力密封件32密封由于内部压力密封件31的任何泄漏34。沟槽密封件26插入于图2A与图3A所示的邻近区段34中的每个区段中的密封沟槽29内。在图2A和图3A的实施例中，密封沟槽29基本上垂直于每个沟槽23。然而，密封沟槽29可为用于优化密封的任何角度和形状。

图4描绘了一个区段24的另一示范性实施例。在图4的实施例中，每个区段24也是一个分段21。将分段21组装成圆形图案提供内部涡轮壳体10。参看图4A，每个区段24具有绕纵向轴线11大致弯曲的形状。图4所示的区段24具有两个平坦的表面以形成扁平梁41。扁平梁41用于使区段24的一部分弯曲。移动的部分联接到与两个涡轮级7(在图4B中描绘为42和43)相关的护环8上。如图4所示，扁平梁41具有减小的厚度以增加固定到护环8上的区段24的自由端的柔性。

该教导内容规定区段24协调地或者各自地移动。一般而言，当区段24各自移动时，每个区段24联接到促动器上。图5表示内部涡轮壳体10的示范性实施例，其中每个区段24联接到促动器50上。促动器50可为诸如螺线管的电促动器，诸如电动螺钉的机电促动器和诸如液压活塞的机械促动器中的一种促动器。机械促动器可为不包括电促动的任何促动器。在一个实施例中，促动器50可使用施加到活塞上的压力而操作。在另一实施例中，促动器50可使用气体的温度来进行热操作以使促动器50移动，如促动器领域的技术人员所知。在另一实施例中，促动器50可用化学方法进行操作。促动器50可沿着纵向轴线11与径向方向12中的至少一个方向移动。当促动器50沿着纵向轴线11移动时，使用机械设备来将运动转变至径向方向12。当促动器50沿着径向方向12移动时，无需对运动进行转变。促动器50可为单向作用促动器和双向作用促动器中的一种。单向作用促动器50在一个方向提供力。单向作用促动器50依靠涡轮气体33或区段24的刚度所提供的反作用力来在另一方向上移动。双向作用的促动器50在两个方向提供力。

协调地移动区段24用于维持护环8的圆度。当区段24协调地移动时，使用至少一个促动器50来移动协调地移动区段24的装置。在一个实施例中，该装置是包围内部涡轮壳体10的区段24的环或套筒。图6表示包围区段24的套筒60。通过沿着纵向轴线11的一个方向移动套筒60，内部涡轮壳体10的圆锥形将迫使区段24协调地移动并且使护环8收缩。通过在相反方向上移动套筒60，来自涡轮气体3的压力或每个区段24的刚度将使区段24协调地移动以使护环8膨胀。在一个实施例中，套筒60可与区段24直接接触。在另一实施例中，套筒60可使用滚子、凸轮、线性轴承和机械联接件中的至少一个来与区段24接触。在另一实施例中，套筒60可接合内部涡轮壳体10的周向螺纹。在此实施例中，随着套筒60旋转，套筒沿着纵向轴线11移动以使护环8膨胀或者收缩。而且，纵向促动也可以是双向作用的，其中环或套筒60在任一方向上的移动迫使护环8相应地膨胀或收缩。

也可通过向所有区段24的外表面施加相同的气体压力来协调地移动区段24。当使用气体压力来移动区段24时，使用涡轮气体33的压力或每个区段24的刚度来在与气体压力相反的方向上移动区段24。区段24的移动也可通过使用内部涡轮10的外部与内部之间的压差而实现。当内部涡轮壳体10的外部压力大于内部压力时，净效应为径向向内移动区段24。相反，当内部涡轮壳体10的外部压力小于内部压力时，净效应为径向向外移动区段24。

内部涡轮壳体10的另一实施例使用被动促动来移动区段24。在被动促动的情况下，在内部涡轮壳体10内部的构件上的相对压降提供力来移动区段24。造成压降的构件的一个示例为图7所说明的喷嘴70。参看图7，喷嘴70附连到内部涡轮壳体10上。喷嘴70布置于两个涡轮级7之间。喷嘴70在气体流撞击下一涡轮级7之前重新引导来自一个涡轮级7的气体流。喷嘴70上的压降与燃气涡轮1的质量流率成比例。在燃气涡轮1的操作期间，质量流率随着燃气涡轮1的速度和输出而改变。在全速和满负荷时发生最大压降。在此实施例中，喷嘴70上的最大压降在每个区段24上施加最大弯矩71，如图7所示。最大弯矩71将使区段24向内移动或弯曲，从而减小护环8的直径。每个区段24的刚度和压降的减小用于向外移动区段24，从而增加护环8的直径。在被动促动的情况下可不需要促动器50。在其它实施例中，可使用被动促动与主动促动的组合。

可使用控制领域的技术人员已知的控制系统来促动该促动器50。控制系统可接收与间隙20有关的信息来控制促动器50。信息可由传感器提供并且用于反馈控制回路(在本文中被称作“基于传感器的反馈控制”)。传感器可测量间隙20和与间隙20有关的参数中的至少一个。反馈控制回路将控制传感器所测量的变量来维持设定点。或者，信息可源自燃气涡轮1的模型(在本文中被称作“基于模型的控制”)。一般而言，使用详细的分析和测试来提供与确定不同操作模式所需的间隙20的量相关的信息。对于基于模型的控制，不使用作为反馈控制回路的一部分的传感器来测量间隙20。

图8表示用于控制护环8的尺寸的示范性方法80。可通过控制护环8的尺寸(诸如直径)来控制间隙20。方法80需要从控制系统接收81信息。而且，方法80需要使用该信息来移动82内部涡轮壳体10的区段24中的一个或多个区段。而且，方法80需要利用区段24中的一个或多个区段来使护环8变形83。

方法80可由包括于控制系统中的计算机程序产品来实施。计算机程序产品通常储存于机器可读介质上且包括机器可执行指令，用于控制燃气涡轮1中的护环8的尺寸。计算机程序产品的技术作用在于通过控制间隙20来增加效率并且防止对燃气涡轮1的损坏。

分段21的组件的使用提供了燃气涡轮1的维护方面的优点。燃气涡轮1的维修和维护可包括拆卸环圈22并绕纵向轴线11旋转内部涡轮壳体10以获得对任何分段21的接近。当移除了机壳9的上半部时，可个别地移除并替换选定的分段21，而无需移除轴5。而且，维修和维护可包括通过个别地移除和替换分段21而移除并替换整个内部涡轮壳体10而无需移除轴5。也可与移除内部涡轮壳体10一并移除诸如喷嘴70的喷嘴和护环8。由于不移除轴5，故可排除轴5与相关的轴承和轴承罩壳的再次对准。

燃气涡轮1常常被构造成使用在水平中平面的螺栓结合凸缘来进行拆卸。包括凸缘以及与凸缘相关的圆形不连续性可使机壳9在发动机操作期间由于热梯度而变得不圆。根据傅立叶系数，具有两半的机壳9被称作具有N＝2的不圆度。通过将内部涡轮壳体10分成分段21并利用至少一个环圈22来组装分段21，相对于使用凸缘而改进了圆形度。对于相同的热梯度，随着用于构造内部涡轮壳体10的分段21的数目增加，内部涡轮壳体10的不圆度降低。举例而言，带有四个分段21(N＝4)的内部涡轮壳体10具有比带有两个分段21(N＝2)的内部涡轮壳体10更小的不圆度。利用至少一个环圈22保持在一起的多个分段21提供减小内部涡轮壳体10的不圆度的一种方法。

可包括和要求各种构件来提供本文的教导内容的方面。举例而言，控制系统可包括模拟系统和数字系统中的至少一种。数字系统可包括处理器、储存器、存储器、输入/输出接口、输入/输出装置和通信接口中的至少一个。一般而言，存储于机器可读介质上的计算机程序产品可输入到数字系统内。计算机程序产品包括可由处理器执行用于控制间隙20的指令。可包括各种构件来支持本文所讨论的各种方面或支持本公开内容之外的其它功能。

应认识到的是，各种构件或技术可提供某些必要或有益的功能或特征。因此，支持权利要求书和其变型所需要的这些功能和特征被认为是固有地包括为本文的教导内容的一部分和所公开的本发明的一部分。

虽然参看示范性实施例描述了本发明，但应了解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对本发明做出各种变化且等效物可替代本发明的元件。此外，应了解的是，在不偏离本发明的本质范围的情况下，可对本发明的教导内容做出许多修改来适应特定仪器、情境或材料。因此，预期本发明并不限于被认为是执行本发明的最佳实施方式的所公开的特定实施例，但本发明将包括属于权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于旋转机器的内部壳体(10)，其包括：

至少一个区段；和

至少一个互补区段，其可与所述至少一个区段操作地关联，所述区段(24)形成用于护环的支承结构；

其中，所述至少一个区段和所述至少一个互补区段各自移动，以改变由所述至少一个区段和所述至少一个互补区段所限定的一组尺寸。

2.根据权利要求1所述的内部壳体(10)，其特征在于，所述至少一个区段和所述至少一个互补区段共同地移动，以改变由所述至少一个区段和所述至少一个互补区段所限定的一组尺寸。

3.根据权利要求1所述的内部壳体(10)，其特征在于，所述内部壳体(10)还包括周边完整的部分，其支承所述至少一个区段和所述至少一个互补区段。

4.根据权利要求1所述的内部壳体(10)，其特征在于，所述内部壳体还包括布置于所述至少一个区段与所述至少一个互补区段之间的密封件(26)。

5.根据权利要求4所述的内部壳体(10)，其特征在于，所述密封件(26)包括平坦部件，所述平坦部件成形为用于与所述至少一个区段和所述至少一个互补区段中的密封沟槽(29)相匹配，所述平坦部件联接到折皱的密封结构上。

6.根据权利要求1所述的内部壳体(10)，其特征在于，所述至少一个区段和所述至少一个互补区段中的每一个包括在所述区段(24)中的每个的弯曲部分中的扁平梁(41)。

7.一种旋转机器，其包括：

罩壳；

布置于所述罩壳中的旋转构件；

邻近所述旋转构件布置的护环；

壳体(10)，其包括区段(24)，至少一个区段可与所述护环操作地关联，其中，所述护环的至少一个尺寸可由所述壳体(10)进行调整。

8.根据权利要求7所述的旋转机器，其特征在于，所述壳体包括分段。

9.一种用于控制旋转机器中的护环的尺寸的方法(80)，所述方法(80)包括：

从控制系统接收信息；

使用所述信息来移动所述区段(24)中的一个或多个区段，壳体(10)可与所述护环操作地关联；以及

利用所述区段(24)中的一个或多个区段来使所述护环变形。

10.根据权利要求9所述的方法(80)，其特征在于，所述方法(80)由计算机程序产品实施，所述计算机程序产品存储于机器可读介质上并且包括用于控制旋转机器中的护环的尺寸的机器可执行指令，所述产品包括用于执行以下操作的指令：

从控制系统接收信息；

使用所述信息来移动所述区段(24)中的一个或多个区段，所述壳体(10)可与所述护环操作地关联；以及

利用所述区段(24)中的一个或多个区段来使所述护环变形。

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