CN102052106A - 涡轮转子叶尖与护罩间隙控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮转子叶尖与护罩间隙控制。一种燃气涡轮发动机包括构造成将涡轮转子护罩保持在涡轮转子叶片的附近的涡轮壳。热管具有与涡轮壳热连通的第一端和在壳的外部延伸的第二端。加热/冷却系统与热管的第二端热连通，并且具有可构造成与热管的第二端交换热能的热介质。热介质可构造成从热管的第二端移除热能，以从涡轮壳移除热能，并且该热介质可构造成将热能添加到热管的第二端，以将热能添加到涡轮壳。

Description

涡轮转子叶尖与护罩间隙控制

技术领域

本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言涉及具有构造成提供主动的涡轮转子叶尖与护罩的间隙控制的内涡轮壳和外涡轮壳的涡轮。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，诸如涡轮喷嘴和涡轮叶片护罩的固定的热气路径涡轮发动机构件可附连到具有大的热质量的涡轮壳结构上。因此，在涡轮壳热变形时，涡轮叶片护罩易受涡轮叶片间隙问题的影响(正面和负面两种情况)。更具体而言，涡轮叶片与护罩的间隙易受涡轮的热特性的影响，如在稳态和瞬态操作期间由涡轮壳的热增长或收缩所展现的那样。尤其是在重型工业燃气涡轮中，涡轮叶片与护罩的间隙典型地由护罩和涡轮叶尖之间的最大封闭度确定，其通常发生在温度瞬变期间。

涡轮叶尖与护罩的间隙是对燃气涡轮发动机的提高的热动性能的主要贡献因素。由热负荷导致的涡轮壳变形自身表现为涡轮叶片护罩的径向位置的变化。这种变化可由如所提到的增大的涡轮叶尖与护罩的操作间隙来解决。但是，这种调节可对涡轮发动机的热动性能具有负面影响。

燃气涡轮发动机中的热气路径构件可采用空气对流和空气薄膜技术来冷却暴露于高的排气温度的表面。高压空气从涡轮发动机压缩机中转移出来，从而导致燃气涡轮发动机中的效率损耗。热气路径构件的蒸汽冷却使用来自例如联合循环动力装置的相关联的热回收蒸汽发生器和/或蒸汽涡轮的可用蒸汽。在使用蒸汽冷却时，典型地存在净效率增益，因为通过不抽取压缩机放气来实现的收益不止抵销了与使用蒸汽作为冷却剂而非提供能量来驱动蒸汽涡轮相关联的损耗。

因此，需要减小涡轮叶尖与护罩之间的径向间隙的变化，同时还减少或消除压缩机空气或动力装置蒸汽的使用，从而提高燃气涡轮发动机和有关构件的效率。

发明内容

根据本发明的一方面，一种涡轮壳构造成将涡轮转子护罩保持在涡轮转子叶片的附近。热管具有与涡轮壳热连通的第一端和在壳的外部延伸的第二端。加热/冷却系统与热管的第二端热连通，并且具有可构造成与热管的第二端交换热能的热介质。热介质可构造成从热管的第二端移除热能，以从涡轮壳中移除热能，并且热介质可构造成将热能添加到热管的第二端，以将热能添加到涡轮壳。

根据本发明的另一方面，一种燃气涡轮发动机包括具有构造成绕着轴旋转的转子的涡轮、从转子沿径向向外延伸而在涡轮转子护罩的附近终止的涡轮转子叶片，以及构造成将涡轮转子护罩保持在涡轮转子叶片的附近的涡轮壳。热管具有与涡轮壳热连通的第一端和在壳的外部延伸的第二端。加热/冷却系统与热管的第二端热连通，并且具有热介质，该热介质可构造成与热管的第二端交换热能，以从热管的第二端中移除热能，以及将热能添加到热管的第二端。

根据本发明的又一方面，一种燃气涡轮发动机包括具有构造成绕着轴旋转的转子的涡轮、从转子沿径向向外延伸而在涡轮转子护罩的附近终止的涡轮转子叶片、构造成将涡轮转子护罩保持在涡轮转子叶片的附近的内壳，以及构造成支承内壳的外壳。热管具有与涡轮壳热连通的第一端和在壳的外部延伸的第二端。加热/冷却系统与热管的第二端热连通，并且具有热介质，该热介质可构造成与热管的第二端交换热能，以从热管的第二端移除热能，以及将热能添加到热管的第二端。

根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

在说明书的结论部分处的权利要求书中特别指出和明确要求保护被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点是显而易见的，在图中：

图1是通过根据本发明的一个实施例的示例性燃气涡轮发动机的一部分的轴向截面图；

图2是通过图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大截面图；

图3是在一个操作模式中的、图1的燃气涡轮发动机的热管的一个实施例的示意性截面图；

图4是在另一个操作模式中的、图3所示的热管的实施例的示意性截面图；

图5是在一个操作模式中的、图1的燃气涡轮发动机的热管的另一个实施例的示意性截面图；以及

图6是在另一个操作模式中的、图5所示的热管的实施例的示意性截面图。

详细描述参照附图以实例的方式阐述了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

图1和2中所示的是燃气涡轮发动机10的一部分。发动机关于纵向或轴向中心轴线轴对称，并且包括多级轴流式压缩机12。空气在16处进入压缩机的入口，由轴流式压缩机12压缩，然后被排到燃烧器18，在燃烧器18中，诸如天然气的燃料与压缩空气一起燃烧，以提供高温燃烧气体来驱动涡轮20。在涡轮20中，热的燃烧气体的能量转化为功，其中的一些用来驱动压缩机12。热的燃烧气体中的可用能量的剩余部分可用来做有用功，以驱动例如负载(诸如用来产生电力的发电机(未显示))。

在燃烧之后，热的燃烧气体驱动涡轮段20，在一个实施例中，涡轮段20可包括三个或更多个连续的级，以包括涡轮转子28且安装成以便在涡轮罩壳30内旋转的三个转子组件22、24和26为代表。各个转子组件承载一排涡轮转子叶片32、34和36，涡轮转子叶片32、34和36从涡轮转子28沿径向向外延伸，在涡轮转子叶片护罩38、40和42的附近终止。转子组件22、24和26的涡轮转子叶片32、34和36交替地布置在分别由涡轮喷嘴导叶44、46和48表示的固定的喷嘴组件之间。这样，示出了多级涡轮20的三个级，其中，第一级包括喷嘴导叶44和涡轮转子叶片32；第二级包括喷嘴导叶46和涡轮转子叶片34；并且第三级包括喷嘴导叶48和涡轮转子叶片36。另外的级可用于涡轮中，并且将典型地取决于燃气涡轮发动机10的应用。

在所示实施例中，涡轮包括外部结构包壳或涡轮罩壳30和内壳50。内壳50构造成支承与第一级和第二级相关联的涡轮转子叶片护罩38和40。外壳70典型地在轴向相对端处固定到涡轮排气框架52(图1)上，并且在其上游端处固定到压缩机排放壳体54上。在一个非限制性实施例中，外壳50和内壳30可各自包括壳段，例如弓形壳半部，对于各个壳半部，壳段绕着涡轮转子28的轴线延伸180度。将理解到，内壳段以及外壳段可由响应于温度变化并且因而取决于那些温度变化而膨胀或收缩的整体式铸件或制品形成。

涡轮内壳50的轴向范围可为从一个涡轮级到全部涡轮级。如图2所示，内壳50包括所示的涡轮级中的前两个涡轮级，以及特别是附连到其上的固定的涡轮转子叶片护罩38和40的两个级。内壳50沿着可与涡轮转子28的轴线垂直的径向平面且在这样的轴向位置处附连到外壳30上：该轴向位置典型地与第一级涡轮转子叶片32、第二级涡轮转子叶片34以及护罩38、40对准，从而使得壳50能够由于热变形而沿径向方向运动。

在一个示例性实施例中，设置在外壳30和内壳50之间的是蒸汽冷却组件58和60，蒸汽冷却组件58和60构造成使冷却蒸汽分别循环通过第一级涡轮喷嘴导叶44和第二级涡轮喷嘴导叶46。蒸汽起作用，以在燃气涡轮发动机10的操作期间冷却涡轮喷嘴导叶44和46。

在一个示例性实施例中，内壳50承载一系列的热管62(示意性地显示)，热管62可在壳50的周边周围沿轴向和周向两者以一定的隔开间隔定位。在热管62的一个示例性实施例中，如图3和4所示，各个热管包括限定热管的外表面的壳体64。设置在壳体64的内部的是包围蒸汽腔体68的吸收芯66。诸如水或钠或其它适当的材料的传热介质70设置在蒸汽腔体68内。热管的第一端72设置在涡轮20的内壳50内，并且热管62的第二端74从内壳50向外延伸，并且与加热/冷却系统76相关联，加热/冷却系统76用热介质78来操作，以在某些条件下(图3)从热管62的第二端74移除热能，以及在其它条件下(图4)将热能添加到热管62的第二端74，这将在下面进行更加详细的描述。

在图5和6所示的另一个示例性实施例中，热管62可为固态构造，其中热能由设置在热管壳体64(例如固态超导热管)的内壁82上的导热性高的无机固态传热介质80吸收。在一个示例性实施例中，以三个基层将传热介质80施用到内壁82上。用溶液制备暴露于壳体64的内壁82的前两层。起初，主要以离子的形式包含钠、铍、诸如锰或铝的金属、钙、硼和重铬酸根的各种组合的第一层被吸收到壳体64的内壁82中达0.008mm至0.012mm的深度。随后，主要以离子的形式包含钴、锰、铍、锶、铑、铜、B-钛、钾、硼、钙、诸如铝的金属和重铬酸根的各种组合的第二层建立在第一层顶部上，并且在壳体64的内壁82上形成具有0.008mm至0.012mm的厚度的薄膜。最后，第三层是包含氧化铑、重铬酸钾、氧化镭、重铬酸钠、重铬酸银、单晶硅、氧化铍、铬酸锶、氧化硼、B-钛和诸如重铬酸锰或重铬酸铝的金属重铬酸盐的各种组合的粉末，该粉末本身均匀地分布在内壁82上。将三个层施用到热管壳体64的内部上，然后热极化这三个层，以形成超导热管62，超导热管62在很少或没有净热损耗的情况下传递热能。用来构造热管62的过程可为任何适当的方法，比如例如2000年10月17日授权的名称为“Superconducting Heat Transfer Medium(超导传热介质)”的美国专利6,132,823中描述的方法。

在这种应用中使用的无机化合物在空气中典型地是不稳定的，但是在真空中具有高的导热性。通过固态传热介质80，热能通过固态传热介质从热管62的高温端移到热管62的低温端。

图3和5示出了热管62在冷却模式中的应用，在此期间，从涡轮20的内壳50中移除热能。在冷却模式中，热管的第一端72比热管的与加热/冷却系统76连通的第二端74处于更高的温度。这种情况例如可发生在燃气涡轮发动机10的稳态操作条件期间，此时期望从内壳50移除热量来帮助在涡轮级内保持期望的稳态温度。来自内壳50的热能传递到热管的第一端72，从而导致热量传递到第二端74，加热/冷却系统76将第二端74保持在较低的温度处，其中，热能传向加热/冷却系统76。

图4和6示出了热管62在加热模式中的应用，在此期间，热能添加到内壳50。在加热模式中，加热/冷却系统76将热能输送到热管的第二端74，从而使得其比热管的与内壳50连通的第一端72处于更高的温度处。这种情况可例如发生在燃气涡轮发动机10的瞬态操作条件期间，此时期望在转子组件28和内壳50之间的热膨胀速率不同期间将热量添加到内壳50、以帮助在涡轮转子叶片32和34的尖端与涡轮转子叶片护罩38和40之间保持期望间隙。来自加热/冷却系统76的热能传递到热管62的第二端74，并且释放到内壳50。

如所描述的那样，在加热模式和冷却模式之间改变热管，通过借助于由加热/冷却系统76(其可在涡轮20的外部且独立于涡轮20)进行的热能的供应或热能的移除来提供涡轮内壳50的温度的控制，允许在稳态和瞬态涡轮操作期间保持涡轮转子叶片32、34和涡轮转子护罩38、40之间的间隙。在另一个实例中，在负的温度瞬变期间，内壳50可例如趋向于比涡轮转子28收缩得更快，从而分别朝向涡轮转子叶片32、34的尖端向内移置涡轮转子叶片护罩38、40。在这种情况下，热管62将热能供应到内壳50，从而使得内壳50的热收缩速率调节到类似于或小于涡轮转子28和相关联的涡轮转子叶片32、34的热收缩的速率，从而避免涡轮转子叶片的尖端和护罩之间的接触。在稳态操作期间，通过借助于热管72进行的热能的添加或者热能的移除来控制内壳50的温度，以保持护罩与涡轮转子叶片的尖端之间的预定间隙。

虽然已经参照与涡轮内壳相关联的热管对本发明进行了描述，但是本发明不受此限制。构想到将热管类似地应用于涡轮罩壳30外壳或应用于具有单个壳的燃气涡轮发动机在本发明的范围内。

虽然仅结合了有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述过、但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、备选方案、替代或等效布置。另外，虽然已经对本发明的各实施例进行了描述，但将理解的是本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。

Claims (9)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

构造成将涡轮转子护罩保持在涡轮转子叶片的附近的涡轮壳；

具有与所述涡轮壳热连通的第一端和在所述壳的外部延伸的第二端的热管；以及

与所述热管的第二端热连通并且具有可构造成与所述热管的第二端交换热能的热介质的加热/冷却系统，其中，所述加热/冷却系统可构造成从所述热管的第二端移除热能，以从所述涡轮壳移除热能，并且其中，所述热介质可构造成将热能添加到所述热管的第二端，以将热能添加到所述涡轮壳。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述热管进一步包括：

限定真空密封的内腔室的壳体；以及

传热介质，设置在所述壳体的所述真空密封的内腔室内，并且构造成将热能从所述热管的高温端传递到所述热管的低温端，以将热能释放到冷却介质。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述传热介质包括施用到所述壳体的内壁上的一个或多个固态层。

4.一种燃气涡轮发动机，包括：

具有构造成绕着轴旋转的转子的涡轮；

从所述转子沿径向向外延伸而在涡轮转子护罩的附近终止的涡轮转子叶片；

构造成将所述涡轮转子护罩保持在所述涡轮转子叶片的附近的涡轮壳；

具有与所述涡轮壳热连通的第一端和在所述壳的外部延伸的第二端的热管；以及

与所述热管的第二端热连通并且具有可构造成与所述热管的第二端交换热能的热介质的加热/冷却系统，其中，所述加热/冷却系统可构造成从所述热管的第二端移除热能，从而从所述涡轮壳移除热能，且其中，所述加热/冷却系统可构造成将热能添加到所述热管的第二端，从而将热能添加到所述涡轮壳。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热管进一步包括：

限定真空密封的内腔室的壳体；

传热介质，设置在所述壳体的真空密封的内腔室内，并且构造成将热能从所述热管的高温端传递到所述热管的低温端，以将热能释放到冷却介质。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述传热介质包括施用到所述壳体的内壁上的一个或多个固态层。

7.一种燃气涡轮发动机，包括：

具有构造成绕着轴旋转的转子的涡轮；

从所述转子沿径向向外延伸而在涡轮转子护罩的附近终止的涡轮转子叶片；

构造成将所述涡轮转子护罩保持在所述涡轮转子叶片的附近的内壳；

构造成支承所述内壳的外壳；

具有与所述内壳热连通的第一端和在所述壳的外部延伸的第二端的热管；以及

与所述热管的第二端热连通且具有可构造成与所述热管的第二端交换热能的热介质的加热/冷却系统，其中，所述加热/冷却系统可构造成从所述热管的第二端移除热能，从而从所述内壳移除热能，并且其中，所述加热/冷却系统可构造成将热能添加到所述热管的第二端，从而将热能添加到所述内壳。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热管进一步包括：

限定真空密封的内腔室的壳体；

传热介质，设置在所述壳体的所述真空密封的内腔室内，并且构造成将热能从所述热管的高温端传递到所述热管的低温端，以将热能释放到冷却介质。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，所述传热介质包括施用到所述壳体的内壁上的一个或多个固态层。

Images