CN102797513A

CN102797513A - 涡轮机

Info

Publication number: CN102797513A
Application number: CN2012101635582A
Authority: CN
Inventors: J.L.施韦多维奇; A.莫扎罗夫; S.伊尔米施
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP6025398B2; US9169741B2; JP2012246923A; EP2527600A1; RU2549922C2; RU2012121355A; US20120301280A1; CN102797513B; CH704995A1

Abstract

本发明涉及一种涡轮机，其以提高的运行温度工作，其带有静态的和旋转的组件(12,16)，在它们之间为了避免摩擦的接触而设置有间隙，其在机器的停止状态中具有第一值而在机器的静态运行中具有第二值，并且其在停止状态与静态运行之间的瞬态运行阶段中由于不同组件的转速和热膨胀的不同的时间上的进程而经历具有极限值的曲线。提高的效率由此来实现，即设置有带有非线性的补偿机构的补偿的器件(20)用于消除或平衡在瞬态运行阶段中的极限值。

Description

涡轮机

技术领域

本发明涉及涡轮机的领域，例如燃气涡轮、蒸汽涡轮、飞行器动力总成(Flugzeugtriebwerk)、静态的压缩机或涡轮增压器。本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的涡轮机。

背景技术

在运行期间使在涡轮机的静态的与旋转的部件之间的间隙、尤其径向间隙最小化对于流动损失最小化和因此对于这样的机器的效率最大化是决定性的。为了说明，图1显示了以压缩机组件的形式的涡轮机10的示例，其带有就坐在(围绕轴线13)旋转的轴12上的动叶(Laufschaufel)14和固定在罩壳11处的导叶15。通过使在动叶14的顶端与相对的罩壳11之间的或在导叶15的顶端与相对的轴12之间的径向间隙C_b和C_v最小化可减小流动损失。

由于例如在动叶14的叶片顶端与罩壳11之间的相对运动，不可能将径向间隙置于零。在运行期间在两个部件之间的接触可导致部件的损坏或甚至导致完全的破坏。

原则上适用的是，在运行期间径向的间隙(所谓的“热间隙”)通过一系列因素来确定，当装配间隙(所谓的“冷间隙”，在冷的机器的停止时)被确定时这些因素对于这样的机器的设计必须被考虑：

· 各个构件的制造公差；

· 装配公差；

· 在运行期间由于热效应和离心力一起的叶片的膨胀；

· 在静态运行中轴和罩壳的变形(例如以所谓的“椭圆化(Ovalisierung)”的形式)以及

· 在瞬态运行(机器的运行上的过渡阶段)期间，例如机器的起动或关断，所有构件的与时间相关的变形和相对运动。

尤其地，在瞬态运行期间主要组件的与时间相关的变形和相对运动对于确定冷间隙和由此产生的热间隙是重要的。目标是以这样的方式确定冷间隙，即在静态运行期间所产生的热间隙是最小的。由于在机器的加热或冷却期间在叶片、罩壳部件和轴的机械的和热的变形中不同的时间常数，最小的热间隙不必然会在热的静态的运行中出现，在那里最小的间隙是值得期望的。尤其地，当主要的组件从之前的运行时期还是热的时，如果考虑到机器还经受快速的负载变化或者可被起动，在瞬态运行阶段期间通常出现最小的可能的间隙(所谓的“夹点(pinch point)”)。在这样的情况中必要的是，如此程度地扩大冷间隙，使得在瞬态运行期间避免在静态的与旋转的部件之间硬的接触，那么结果这在静态的条件下导致比所期望的更大的热间隙。

用于使由保留的热间隙所引起的流动损失最小化的已知的措施例如是在动叶片和导叶片的顶端处引入围带(Deckband)。为了使穿过在围带与罩壳或转子之间的环形间隙的流动最小化，常常在周向上在旋转的部件上设置有一个或多个肋部，而静态的部件的表面可以是平的或成阶梯状的，以便总体上形成迷宫式的密封。此外，在静态的部件的表面处可布置有所谓的蜂巢(蜂巢式材料)，以便在瞬态运行状态期间对于肋部使切入(Einschneiden)成为可能，以便由此避免硬的接触。在此由旋转的部件和切入的蜂巢得出的构造与成阶梯状的迷宫密封相似并且相对于不带蜂巢的构造帮助减小流动损失。用于使热间隙最小化的另外的已知的措施在于将所谓的片式密封(Blattdichtung)或刷式密封施加在静态的部件处，其可在运行上的过渡阶段期间在一定的程度上平衡在间隙中的变化。

最终，在相对的侧上可使用由例如磨损的元件和可磨损的覆层构成的组合，以便减弱在周缘上出现的间隙变化的负面效应，其例如可通过结构的部件的椭圆化或轴在罩壳内的一定的偏心性被引起。

虽然所有至今所提及的解决方案仅仅是纯被动的本质，其在运行期间在没有任何主动的几何形状匹配的情况下使热间隙的最小化成为可能，还存在一定数量的已知的用于间隙减小的主动的措施。

因此，例如已知一种系统，在那里当机器达到其静态的运行状态时，整个转子在轴向上被移动。在与锥形的流动通道的共同作用中成为这使能够主动地使在热的涡轮中的径向间隙最小化，其中，原则上与上面所描述的被动的措施相组合是可能的。然而由于必须使整个转子运动，在压缩机侧上产生径向间隙的扩大。因此，只有在涡轮中的损失减小超过在压缩机侧的附加的损失时，该措施才是有利的。

代替轴的移动，其它解决方案提出在每个涡轮级中控制叶片的径向的热膨胀，或者应用弹性系统，其使热保护罩在预定的极限温度之上的附加的径向运动成为可能。

已知应用用于线性地调整间隙的调整器件或还应用弹性地柔软的支承器件。后者例如在文件EP 1 467 066 A2中被描述。但是利用该技术上的解决方案不可能在机器的运行上的过渡阶段中补偿在间隙中的极限值。

文件US 2009/0226327 A1描述了一种由所谓的记忆合金制成的膜片(Blende)，其安装到转子盘(Rotorscheibe)中。该膜片取决于局部的温度来控制冷却剂流到涡轮叶片中的量。通过减少冷却剂流，叶片热膨胀并且因此减小在叶片顶端与相对的静态的构件之间的径向间隙。通过提高冷却剂流，叶片长度减小并且由此增大径向间隙。

在GB 2 354 290中的文件描述了一种由记忆合金制成的阀，其安装在燃气涡轮叶片的冷却通道中。该阀取决于构件的温度来调节冷却剂的消耗。在该文件中未描述对于动叶和导叶的径向间隙控制。

文件US 7,686,569描述了一种用于叶片环(Schaufelring)的轴向运动的系统，其通过贴在叶片环处的压力差、连接部的热膨胀或收缩或者通过活塞来引起。记忆合金同样可引起必要的运动。

原则上可考虑不同的被动的、半主动的或主动的系统、以及其组合用于控制在旋转的与静态的构件之间的间隙。在瞬态运行状态期间由于组件的不同的且与时间相关的热的和机械的变形，描述旋转的与静态的组件之间的相对间距(图1)的间隙C_b或C_v变化。实际的时间上的进程取决于多个因素，如组件的体积、与热的或冷的介质的接触和所使用的合金的热特性。

由于该在时间上不同的变形，根据图2(a)，“热的”间隙C_b(对于动叶)或C_v(对于导叶)除了安全间隙C_s之外必须还包含瞬态的分量g_t,min。在冷装配的状态(C_β,o,min和C_β,o,max)中定义间隙时必须一起考虑该瞬态的分量。

图2在子图2(a)中显示对于静态的运行阶段(st)和瞬态的运行阶段(tr)在旋转的与静态的热的部件之间的间隙在时间t上的变化的示例，其中，(如已经提及的那样)C_s表示安全间隙，g_a是由于构件的制造和装配公差的公差带，g_t,min和g_t,max表示在静态的状态中的间隙与最小的间隙之间的最小的和最大的差，C_β,min和C_β,max表示对于名义的(“热的”)运行条件的最小和最大间隙，而C_β,o,min和C_β,o,max表示在停止状态(“冷的”运行条件)中相应的最小和最大间隙(在此，符号β代表“b”即动叶，或者“v”即导叶，见图1)。

图2(b)和(c)显示了轴12的转速Ω、工质(热气)的温度T和金属温度T_m在时间t上的可能的变化，其中，Ω_n和T_n相应地表示在机器中的名义转速和名义热气温度。金属温度T_mn表示在机器的静态运行中轴和/或其它的机械组件的名义温度。在此，t_Ωn和t_Tn是这样的时刻，在该时刻达到静态的值Ω_n和T_n。

图3显示了穿过旋转的构件(在该示例中动叶14)的横截面，在机器的停止状态中(图3(a))和在名义的静态的运行条件下(图3(b))，其以根部16固定在转子(轴12)中的相应的容纳部中。在此，所显示的根部16代表每个任意的根部几何形状，例如杉树根部、燕尾根部或锤头根部。其例如在转子中利用指部18接合到在容纳部中的相应的侧向的槽17中。

离心力将根部16的指部18中的一个或多个带到与转子12相接触(图3(b))。在转速较低时，弹性元件19阻止在转速慢时根部16在容纳部中嘎嘎作响。在名义转速时且在达到机器的所有组件的热平衡之后，达到根据图1的间隙C_b或C_v。在此，符号g_a又代表制造公差和装配公差的公差带并且在此在机器的停止状态中在指部18与转子容纳部之间示例形地示出。

在机器开动时，叶片组(Beschaufelung)的热膨胀典型地比罩壳部件或转子轴的热膨胀快速得相当多，其由于其更大的质量具有比叶片更高的热惯性。这意味着，甚至在工质已经达到名义运行温度T_n(在图2(c)中时刻t_Tn)之后，轴或其它结构部件的加热和由此热膨胀持续。该情况导致出现所谓的“夹点”，也就是说在加热阶段期间的一时刻，在该时刻径向间隙达到其最小值(见图2(a))。出于这一原因，对于名义的静态的运行条件，所得出的最小的间隙C_b,min(或C_v,min)必须包含安全间隙C_s以及对间隙的最小的瞬态份额g_t,min。在设计机器时，其必须以分析的方式来确定并且取决于旋转的和静态的构件的热边界条件、尺寸和材料特性。对间隙的瞬态份额g_t,min和g_t,max阻止叶片顶端在静态的罩壳或静态的热保护罩处或在转子或转子热保护罩处摩擦。

在名义的静态的运行条件下，当所有旋转的和静态的部件达到其最大的热的和机械的变形时，对“夹点”间隙(g_t)的瞬态份额是在“热的”静态的状态C_b,min(或C_v,min)中的间隙的主要部分。

发明内容

现在本发明的目的是提供一种开头所提及的类型的涡轮机，在其中，对于不同的运行状态以简单的方式优化在旋转的与静态的部件之间的间隙。

该目的通过权利要求1的特征的整体来实现。本发明从以提高的运行温度工作的涡轮机出发，其带有静态的和旋转的组件，在它们之间为了避免摩擦的接触而设置有间隙，其在机器的停止状态中具有第一值而在机器的静态的运行中具有第二值，并且其在停止状态与静态的运行之间的瞬态运行阶段中由于不同组件的转速和热膨胀的不同的时间上的进程而经历具有极限值的曲线。其特征在于，设置有带有非线性的补偿机构的补偿器件用于消除或平衡在瞬态的运行阶段中的极限值。

基于本申请的在机器的运行上的过渡阶段中在间隙中出现极限值的问题通过由此来解决，即所设置的补偿的器件不在过渡的开始或结束时具有其最大的偏移(Auslenkung)，而是在过渡区域本身中，即在间隙的极限值出现的那里。对此，在补偿的器件中应用非线性的补偿机构，其例如由两个相反的运动叠加。

根据本发明的涡轮机的设计方案特征在于，补偿的器件包括自调节装置，其取决于外部的参数增大或减小间隙。

尤其地，自调节装置为了增大或减小间隙改变其形状。

另一设计方案特征在于，自调节装置具有预定的高度，并且自调节装置为了增大或减小间隙改变其高度。

本发明的另一设计方案特征在于，自调节装置取决于其温度增大或减小间隙。

尤其地，自调节装置在其温度特性中具有滞后。

根据另一设计方案，自调节装置包含双金属。

同样可考虑的是，自调节装置包含形状记忆合金。

本发明的又一设计方案特征在于，旋转的组件是动叶，并且待影响的间隙存在于动叶的顶端与相对的静态的罩壳之间。

另一设计方案特征在于，静态的组件是导叶，并且待影响的间隙存在于导叶的顶端与相对的转子之间。

另一设计方案特征在于，动叶相应以叶根就座在转子中的容纳部中并且利用支撑件以抵抗作用的离心力的方式支撑在转子处，并且自调节装置布置在支撑件与转子之间。

另一设计方案特征在于，自调节装置在径向上温度控制地在第一值与第二值之间改变其高度，并且这两个值的差对应于间隙的曲线的极限值。

附图说明

接下来应根据实施例结合附图详细阐述本发明。其中：

图1以非常简化的剖示图显示了在根据现有技术的常见类型的涡轮机中在旋转的与静态的部件之间的机械间隙；

图2以多个子图显示了在涡轮机经过瞬态的起动过程直至达到静态的运行状态的情况下的间隙的时间相关性(图2(a))以及转速(图2(b))的和热气温度及金属温度(图2(c))的所属的时间相关性；

图3以非常简化的剖示图显示了在停止状态(图3(a))中和在名义的静态的运行条件(图3(b))下旋转的部件(动叶)在转子中的固定；

图4以非常简化的剖示图显示了根据本发明的实施例的用于在根据图3的固定中控制间隙的自调节的系统；

图5显示了对根据本发明的自调节的系统的热-机械的滞后的示例；

图6以非常简化的剖示图显示了在名义转速时根据图4的自调节的系统以及

图7显示了在带有根据图4和6的自调节的系统的涡轮机中间隙的时间相关性。

附图标记清单

10 涡轮机

11 罩壳

12 轴(转子)

13 轴线

14 动叶

15 导叶

16 根部(叶根)

17 槽

18 指部

19 弹性元件

20 自调节装置

C 间隙

C_b 动叶间隙

C_s 安全间隙

C_v 导叶间隙

C_β,o,max 最大间隙(冷)

C_β,o,min 最小间隙(冷)

C_β,max 最大间隙(热)

C_β,max 最小间隙(热)

C_β(t)_min 用于最小间隙进程的曲线

C_β(t)_max 用于最大间隙进程的曲线

C_β(t)_min red 用于带有自调节装置的最小间隙进程的曲线

g_a 公差带

g_t 瞬态的间隙份额

g_t,max 最大差(瞬态的间隙份额)

g_t,min 最小差(瞬态的间隙份额)

Ω 转速

Ω_n 转速(名义)

st 静态的运行阶段

tr 瞬态的运行阶段

T_n 热气温度(名义)

T_mn 金属温度(名义)

t 时间

T 温度

ε 膨胀

σ 应力

E 弹性模量。

具体实施方式

本发明涉及一种自调节装置的应用，其包括双金属元件和/或形状记忆合金元件和/或由其它材料构成的元件，该元件以弹性的、超弹性的或伪弹性的方式在其形状的温度、压力或机械负载的极限值之上变化，其主动地或被动地被激活，并且其布置在涡轮机中，以便在运行期间和在不同的运行状态下使间隙最小化。在此，自调节装置可安置在涡轮的结构单元(压缩机叶片、定子或转子热保护罩、导叶支架或其它的旋转的或静态的构件)中，其附建在转子处或罩壳处。

作为用于本发明的应用的示例，接下来示例性地说明动叶在涡轮的转子处的固定。图4显示了自调节装置20，其布置在叶根16的指部18与转子12中的所属的槽17之间。自调节装置20的变形特征可以为：

a. 通过外部的2路效应引起，其通过作用的外部的力(例如离心力)来发动并且/或者

b. 通过内部的2路效应引起，如对于形状记忆合金，在其中不需要外部的力来激活系统的期望的变形。

自调节装置20的形状在很大程度上可以是任意的并且通常取决于可供使用的空间。在形状中决定性的是高度，如这在图4中所示。在那里示出的示例中，在机器的停止状态的条件下，自调节装置20的高度对应于最小差g_t,min(瞬态的间隙份额)，其将在未应用自调节装置20的情况下存在。在机器加速期间，作用到叶片上的离心力经由指部18通过自调节装置20被传递到在转子12中的槽17上。该力随着转速增加而增大。自调节装置20的弹性的特性在高度gt阻止装置被压平。其结果为，对于相同的叶片长度，在叶片顶端处的间隙保持比不带自调节装置20的情况更大。然而可接受自调节装置20由于机械负载的一定的展平。

随着从空转至全负荷功率增加，机器中的温度升高。关于转速，该加热过程需要明显更多的时间(图2(b)、(c))，并且机器的不同的部件在不同的时刻达到静态的温度T_n。在加热时“最慢的”构件典型地是转子。随着叶根16和转子12的温度升高，由于在接触面处的热传导和通过围绕叶根16的任何热气流动的对流的热传递，自调节装置20的温度也增加。

自调节装置20的材料这样来调节(训练)，使得其机械性能作为其温度T的函数与滞后特性一致地变化，如在图5中所示。在停止状态和环境温度下，自调节装置20从其平的状态中通过膨胀ε_t(其中，ε_t=σ_t/E)最大地变形，膨胀ε_t对应于瞬态的间隙份额g_t(图4)。随着温度T增加，自调节装置2使其刚性与所训练的滞后一致地变化并且当达到预定的温度T_n时，根据图6完全变平。在切断机器期间，自调节装置20的热-机械的特性跟随预编的滞后的上部的曲线(见图5中的箭头)。

当对于自调节装置20给出修正的高度(g_t)并且其被带到需要的弹性的或超弹性的或伪弹性的特性和热的滞后时(该特性与离心的负载和邻近的构件的加热和冷却相匹配)，可能使瞬态的“夹点”间隙的出现最小化或甚至完全避免。其结果是，在静态的热的状态中在考虑最小的必需的安全间隙的情况下该间隙具有其尽可能小的最小值。在理想情况中，对于不带自调节装置20的情况可将叶片的长度提高值g_t，从而最小的得到的间隙C_β,o,min等于C_s(见图2(a)和图7)。

图7(与图2(a)相比)显示了在带有装入的自调整装置20的动叶的顶端处的间隙的时间上的变化(曲线a)。曲线C_β(t)_min red展示了该可能性，通过消除间隙g_t,min其在冷装配的状态中和在热的状态中减小间隙。

如果考虑到相同的原理也可应用于定子热保护罩相对于动叶顶端的径向的运动，机器的设计者具有大的自由度以便调整和控制在瞬态的和静态的运行状态期间的间隙。

此外如果考虑到也存在影响通过转子的和围绕转子和定子部件的冷却空气流和漏气流的可能性，也可能主动地控制自调节装置20的特性。

在本公开的范围中考虑带有可比的特性的不同的形状记忆合金、双金属和/或其它材料。未详细地讨论其制造和其装入构件中，因为其对于在形状记忆合金和双金属领域中的技术人员来说是已知的。因此，在热的叶根的区域中例如可考虑NiTi基的形状记忆合金，当在燃气涡轮中带有二级空气的冷却可供使用时，其允许的工作温度达到200℃。三元的高温NiTiX合金和其它的(其包含铪Hf、钯Pd和/或铂Pt作为元素X)将工作温度范围扩大至800℃并且更高。当然，在本发明的范围中也可应用其它材料/合金，只要其具有期望的和需要的特性。

Claims

1. 一种涡轮机(10)，其以提高的运行温度工作，所述涡轮机(10)带有静态的和旋转的组件(11, 15或12, 14)，在它们之间为了避免摩擦的接触而设置有间隙(C)，其在所述机器的停止状态中具有第一值(C_β,o,min; C_β,o,max)而在所述机器的静态运行(st)中具有第二值(C_β,min; C_β,max)，并且所述间隙(C)在停止状态与静态运行(st)之间的瞬态运行阶段(tr)中由于不同组件的转速和热膨胀的不同的时间上的进程而经历具有极限值(“夹点”; g_t)的曲线，其特征在于，设置有带有非线性的补偿机构的补偿的器件(20)用于消除或平衡在所述瞬态运行阶段(tr)中的所述极限值。

2. 根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述补偿的器件包括自调节装置(20)，其取决于外部的参数增大或减小所述间隙(C)。

3. 根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)为了增大或减小所述间隙(C)而改变其形状。

4. 根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)具有预定的高度，并且所述自调节装置(20)为了增大或减小所述间隙(C)而改变其高度。

5. 根据权利要求2至4中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)取决于其温度增大或减小所述间隙(C)。

6. 根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)在其温度特性上具有滞后。

7. 根据权利要求5或6所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)包含双金属。

8. 根据权利要求5或6所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)包含形状记忆合金。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述旋转的组件是动叶(14)，并且待影响的所述间隙(C_b)存在于所述动叶(14)的顶端与相对的静态的罩壳(11)之间。

10. 根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述静态的组件是导叶(15)，并且待影响的所述间隙(C_v)存在于所述导叶(15)的顶端与相对的转子(12)之间。

11. 根据权利要求9所述的涡轮机，其特征在于，所述动叶(14)相应以叶根(16)就座于所述转子(12)中的容纳部中并且利用支撑件(18)以抵抗作用的离心力的方式支撑在所述转子(17)处，并且所述自调节装置(20)布置在所述支撑件(18)与所述转子(12, 17)之间。

12. 根据权利要求11所述的涡轮机，其特征在于，所述自调节装置(20)在径向上温度控制地在第一值与第二值之间改变其高度，并且这两个值的差对应于所述间隙(C)的曲线的极限值(g_t)。