CN103452604B - 用于轴向流动涡轮的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轴向流动涡轮的控制系统。本发明涉及轴向流动涡轮(10)及操作其的方法。涡轮包括朝向涡轮(10)的下游端部定位的旋转叶片(12)的末级，其具有叶片(12)的翼型件(13)的端部处的远端区域(19)。监测控制系统具有至少一个末级叶片(12)的远端区域(19)中的至少一个传感器(22)和控制元件(24)，至少一个传感器(22)用于测量翼型件(13)的至少一个物理特性，控制元件(24)能够影响远端区域(19)的至少一个物理特性。控制系统还包括控制器(20)，其基于至少一个测量的物理特性调节控制元件(24)由此控制至少一个物理特性。

Description

用于轴向流动涡轮的控制系统

技术领域

本发明大体涉及轴向流动涡轮控制系统(包括低压蒸汽涡轮)，并且更具体地涉及用于末级叶片(特别是末级混合复合叶片)的控制系统。

背景技术

低压蒸汽涡轮的旋转叶片诱发进入转子的巨大离心力。这可为设计用于最大效率的涡轮时的限制因素。解决方案是使用较低密度叶片材料，这是因为这种叶片将较小力施加到转子中。然而，该解决方案可仅在低密度材料具有足够的机械特性的情况下应用。虽然钛是一种现有解决方案，但是在一些情形中，可优选的是使用具有更加好的强度与重量比的可选方案。另一种可选方案是复合材料，该复合材料的实例在瑞士专利号CH547943中被公开。

复合材料的缺点为它们典型地具有比金属低的耐温性。这可为问题，特别是在当末级叶片易受叶片末端区的风阻加热影响时的低体积流量操作和全速状态期间。正常叶片温度典型地不超过65°C。然而，在没有纠正手段的情况下，由于该状态，末级叶片末端温度可超过250°C。在这种温度下，复合材料的机械特性被显著地影响，并且它们可遭受包括变形和减小的强度的永久退化。

由专利申请No. US2007/292265 A1提供风阻加热的解决方案。解决方案包括在末级末端区域附近喷射冷却介质。包括蒸汽或水的介质可在叶片末端的前部或后部从外壳喷射。作为可选方案或另外，可刚好在叶片的前面在叶片末端附近设置用于提取穿过外侧壁的流的小提取凹槽。

典型地，使用诸如计算流体力学计算方法的手段基于预测评估来采取这些控制措施。由于最佳控制措施典型地因设备而异并且还因操作状态而异，故仅通用的阈值可能导致次最佳控制。特别地，控制动作可喷射多于实际需要的蒸汽/水。取决于喷射如何发生和在何处发生，这可导致过度侵蚀攻击，特别是沿叶片前缘或后缘。在其它情况下，控制动作可不喷射足够的蒸汽/水，从而导致不充分冷却。在又一些情况下，可经由提取凹槽提取过多的工作流体，从而有害地影响蒸汽涡轮效率。因此，合乎需要的是，提供控制系统，其确保可接受的叶片寿命，同时最大化涡轮效率并最小化冷却流体的消耗。

发明内容

本公开意图提供一种涡轮，其克服风阻对末级叶片远端区域的有害影响的次最佳控制导致的叶片寿命缩短的问题。

其尝试借助于独立权利要求的主题解决该问题。有利实施例在从属权利要求中给出。

本公开基于提供控制器的大体思想，该控制器使用叶片的物理特性的直接测量来启动和调制对叶片过热的纠正动作。

一方面提供一种轴向流动涡轮，该轴向流动涡轮包括在其中限定用于工作流体的流动路径的外壳。在外壳内，转子与外壳同轴。多个级安装在流动路径中。级均包括周向地安装在外壳上的静止导叶排；以及周向地安装在转子上的旋转叶片排，其中，叶片的翼型件均延伸到其中的流动路径中。在多个级中，限定为朝向涡轮沿流动方向的下游端部定位的叶片排的末级叶片排包括翼型件远离转子的端部处的远端区域。涡轮还包括监测控制系统，其具有三个主元件：

至少一个传感器，其构造并布置在至少一个末级叶片的远端区域中，用于测量翼型件在远端区域中的至少一个物理特性；

控制元件，其构造并布置成影响末级叶片的远端区域的物理特性中的至少一个；以及

控制器，其构造成基于测量的物理特性中的至少一个调节控制元件由此控制物理特性中的至少一个。

反馈控制器确保控制动作可被优化，从而确保不采取过多或过少的控制动作，因此使得可以鉴于叶片寿命优化涡轮效率。

在又一个方面，传感器嵌入在翼型件中。位于叶片的外表面上的传感器典型地在它们被损坏和/或侵蚀之前能够仅操作有限的时间，例如测试运行的持续时间。叶片的外表面上的附加定位的传感器可具有对叶片空气动力学效率的消极影响。这使它们不适合于商业使用。然而，通过嵌入传感器，可克服这些问题。

在另一个方面，翼型件具有复合芯部本体并且还包括覆盖翼型件的至少一部分的覆盖件，其中，传感器嵌入在复合芯部本体与覆盖件之间或可选地在复合层之间。在这些位置，传感器定位成接近翼型件的外表面，因此使得可以估计翼型件所暴露的极值，而没有使传感器位于翼型件的表面上以及缩短信号响应时间的缺点。

在又一个方面，传感器构造成测量来自应变、温度和含水量的选定的一个或更多个物理特性。虽然特别地温度以及温度和应变的组合关系具有对大部分叶片材料的寿命的普遍影响，但是对于由包含嵌入在基于聚合物的基质中的纤维材料的复合材料制成的叶片而言，特别关心湿度。基质材料的较高含水量典型地导致降低的e-模量、强度和玻璃转变温度。虽然一定水平的吸湿典型地在大气条件下(例如，在储存期间)发生，但是蒸汽涡轮中的潮湿状态可导致附加吸收，特别是在过度潮湿通过冷却水的过度喷射形成的情况下。

在一方面，翼型件包括沿翼型件从转子的延伸长度分布的多个传感器，其中，控制器构造成基于多个传感器的测量曲线来调节控制元件。

在一方面，在翼型件包括传导材料的情况下，通过使用传导材料作为用于传感器的接地件而开拓传导特性。以该方式，传感器仅需要一个线，这具有线可摆放成最小化应变，因此延长传感器的寿命的优点。

在可选方面，传感器和控制器至少部分地通过任何已知的无线手段通信，因此简化传感器安装。

在一方面，控制元件为用于调节水喷射、蒸汽喷射、工作流体提取和穿过涡轮的质量流量中的至少一个的选定的器件。

又一个方面提供一种用于控制轴向流动涡轮的末级叶片的远端区域的物理特性的方法。该方法包括如下步骤：

设置构造并布置成影响远端区域的物理特性的控制元件；

测量远端区域的物理特性；以及

响应于测量的物理特性调节控制元件由此控制测量的物理特性。

该方面的测量的物理特性可为温度、湿度、应变和湿度中的一个或更多个的选定。在末级叶片至少部分地由复合材料制成的情况下，测量物理特性的步骤包括在复合层之间的点处测量物理特性。温度传感器和应变传感器的组合具有这些温度传感器还可用于对应变测量的温度补偿的附加益处。

在又一个方面，方面中的每一个并入在低压蒸汽涡轮中。

本发明的又一个目的是克服或至少改善现有技术的缺点和不足或者提供有用的可选方案。

本公开的其它方面和优点将从结合附图进行的下列描述变得显而易见，该附图经由实例示出本发明的示例性实施例。

附图说明

经由实例，在下文中参考附图更全面地描述本公开的实施例，在该附图中：

图1是示例性轴向流动涡轮的示意图；

图2是图1的涡轮的末级叶片的区段I的扩展图，另外示出示例性控制系统；

图3是通过图2的叶片末端的II-II的截面图，示出嵌入传感器；

图4是通过图2的叶片末端的II-II的截面图，示出嵌入在翼型件的覆盖件中的传感器；以及

图5是通过图2的叶片末端的II-II的截面图，示出嵌入在凹部中并被覆盖件覆盖的传感器；以及

图6是具有多个传感器的示例性翼型件的示意图。

部件列表

10轴向流动涡轮

11转子

12叶片

13翼型件

14导叶

15外壳

16级

17线

18末级

19远端区域

20控制器

22传感器

24控制元件

25复合芯部本体

26复合层

27涂层。

具体实施手段

现在参考附图描述本公开的示例性实施例，其中，同样的附图标记始终用于指的是同样的元件。在下列描述中，出于说明的目的，许多特定细节被阐述以提供本公开的彻底理解。然而，本公开可不利用这些特定细节来实践，并且不受限于本文中公开的示例性实施例。

遍及本说明书对控制器的提及用来指系统，该系统用于接收输入、将输入与设定值进行比较、利用算法来计算操纵值并最终将操纵值施加至控制元件以便实现控制目的。

图1示出了示例性多级16轴向流动涡轮10。涡轮10包括包封周向地安装在其上的静止导叶14和周向地安装在转子11上的旋转叶片12的外壳15，其中，转子与外壳15同轴地定位。外壳15本身在其中限定用于工作流体的流动路径。每个叶片12具有翼型件13，其延伸到从转子11到远端区域19的流动路径中，其中，远端区域19限定为翼型件13的顶部三分之一。翼型件13可由包括金属合金的金属、包括分层复合材料(其包括分层碳纤维增强聚合物)的复合材料或金属基质复合材料制成。涡轮10的多级16限定为一对静止导叶14排和移动叶片12排，其中，涡轮10的末级18朝向如由穿过涡轮10的正常流动方向限定的涡轮10的下游端部定位。该类型的示例性涡轮10包括蒸汽涡轮10和特别地低压蒸汽涡轮10。

图2示出了可应用于图1中示出的涡轮10的示例性监测控制系统。控制系统包括位于至少一个末级18叶片12的翼型件13的远端区域19中的至少一个传感器22。传感器22优选地定位成使得不干扰叶片12的空气动力特性，例如如图4所示在覆盖件27与复合材料之间，或者如图3所示嵌入在复合材料中。在示例性实施例中，覆盖件27为涂层。在另一个示例性实施例中，覆盖件27为金属板。在示例性实施例中，叶片12由金属制成，并且传感器22位于翼型件13内的空腔中。在示例性实施例中，叶片12至少部分地由复合材料制成，并且传感器22嵌入在复合材料的复合层26之间，如图3所示。在示例性实施例中，这通过在固化或树脂浸润过程开始之前放入的传感器22实现。传感器22可以可选地在固化之前嵌入，特别是当使用预浸渍或树脂浸润(例如，树脂传递模塑)方法以使传感器22形成复合结构的集成部分时。在示例性实施例中，仅在固化之后施加覆盖件27。

如图4所示，在示例性实施例中，翼型件13具有覆盖件27，并且传感器22嵌入在翼型件13的复合芯部本体25与覆盖件27之间。在该示例性实施例中，翼型件13可由如图4所示的分层复合材料或未分层材料(未示出)制成。该实施例实现翼型件13的边界条件的特别有效的测量，并且因此当传感器22为温度传感器22时为特别有效的。

在图5中示出的另一个示例性实施例中，复合芯部本体25固化有凹部。传感器22接着配合在凹部中，并且接着，覆盖件27接着施加在传感器22上面。

将传感器22嵌入在翼型件13中的手段不受限于提供的示例性实施例，而且包括已知方法，其既不干扰翼型件13的空气动力特性也不在显著影响叶片的使用寿命的程度上损害其机械完整性。

在单独的示例性实施例中，传感器22为温度传感器22、应变传感器22、温度和应变传感器22或湿度传感器22。在示例性实施例中，多个相同或不同的传感器22(即，温度、应变或湿度传感器)嵌入在至少一个末级18叶片12的翼型件13的远端区域19中。

如图2所示，示例性实施例还包括控制元件24，其构造并布置成影响如通过传感器22测量的末级18叶片12的局部温度、应变、湿度或局部温度、应变或湿度的任何组合。这可通过若干手段实现，该若干手段中的每一种可为同等有效的。

在示例性实施例中，这通过控制元件24实现，控制元件24构造成在易受风阻的区域中的末级18叶片12的远端区域19的上游将水或蒸汽从空腔喷射到外壳15中。喷射的水或蒸汽提供用以克服叶片12的局部加热的冷却手段。

在另一个示例性实施例中，这通过控制元件24实现，控制元件24构造成在末级18叶片12下游的点处(例如，在涡轮的扩散器中)从来自外壳15的外壳15中的空腔喷射水或蒸汽。喷射的水或蒸汽提供冷却手段，其用以克服叶片12的局部加热，同时减少由于在叶片12的上游喷射水或蒸汽而引起的可能侵蚀影响。

在另一个示例性实施例中，作为冷却介质的水或蒸汽在末级18叶片12的下游喷射，其中，其与循环流混合并且因此在上游抽吸到末级18中。

在另一个示例性实施例中，这通过控制元件24实现，控制元件24构造成从末级18叶片12的远端区域19周围渗出、提取并且/或者收回工作流体。通过该手段减小风阻，因此减少局部过热。

在另一个示例性实施例中，控制元件24构造成调节穿过涡轮的质量流量并因此基于显著风阻仅发生在最小涡轮质量流率以下以上的原理来控制风阻。

除传感器22和控制元件24之外，示例性实施例还包括如图2所示的控制器20。控制器20借助于编程以及与传感器22和控制元件24两者的连接构造成通过响应于由传感器22测量的物理特性调节控制元件24而避免末级18叶片12的远端区域19的局部加热。

在图4中示出的示例性实施例中，末级18叶片12由导电材料制成，例如，由金属或诸如碳纤维的导电纤维制成，并且通过单个线17实现信号传输手段。这通过采用传导部件作为用于传感器22的接地装置/接地件而实现。该实施例的单个线17布置实现传输线17的放置的更大灵活性，以便最小化在涡轮10操作期间在线17上的应变，因此改进传感器22可靠性。

在示例性实施例中，传感器22与控制装置之间的通信至少部分地通过无线手段发生。这可例如通过使用遥测系统或接触环而实现，并且包括构造成由控制器20在操作期间读取的RFID(无线射频识别装置)的使用。

在图6中示出的示例性实施例中，翼型件13包括沿翼型件13从转子11的延伸长度分布的多个传感器。在又一个示例性实施例中，控制器20的控制动作基于沿翼型件13的延伸长度的相对测量和/或测量曲线。

虽然已在本文中就构想为最实用的示例性实施例的内容示出和描述本公开，但是本领域技术人员将认识到，本公开可以以其它特定形式实施。例如，本发明还可应用于在燃气涡轮10中使用的轴向压缩机。另外，传感器的位置不限制于远端区域19，而是可沿翼型件13的整个长度分布。当前公开的实施例因此在所有方面被认为是说明性而非限制的。本公开的范围由所附权利要求而不是前述描述指示，并且落入含义和范围及其等同物内的所有变化意图包含在其中。

Claims (14)

1.一种轴向流动涡轮(10)，包括：

       外壳(15)，所述外壳(15)在所述外壳(15)中限定用于工作流体的流动路径；

       与所述外壳(15)同轴的转子(11)；

       多个级(16)，其均包括：

              周向地安装在所述外壳(15)上的静止导叶(14)排；以及

              周向地安装在所述转子(11)上的旋转叶片排，所述旋转叶片排均具有延伸到所述流动路径中的翼型件(13)，

       其中，所述多个级(16)包括朝向所述涡轮(10)的下游端部定位的末级(18)叶片(12)排，其中，所述末级(18)叶片(12)的翼型件(13)包括所述翼型件(13)的位于所述转子(11)远端的远端区域(19)，

其中，所述涡轮(10)包括监测控制系统，所述监测控制系统具有：

       至少一个传感器(22)，其构造并布置在至少一个末级(18)叶片(12)的远端区域(19)中，用于测量所述翼型件(13)在所述远端区域(19)中的至少一个物理特性；

       其特征在于，所述监测控制系统具有：

       控制元件(24)，其构造并布置成影响所述末级(18)叶片(12)的远端区域(19)的物理特性中的至少一个；以及

       控制器(20)，其构造成基于至少一个测量的物理特性调节所述控制元件(24)由此控制所述至少一个物理特性，

       其中，所述至少一个物理特性为湿度，并且所述传感器(22)构造成测量所述翼型件(13)的局部湿度。

2.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述传感器(22)嵌入在所述翼型件(13)中。

3.根据权利要求2所述的涡轮(10)，其特征在于，所述翼型件(13)具有复合芯部本体(25)并且还包括覆盖所述翼型件(13)的至少一部分的覆盖件(27)，其中，所述传感器(22)嵌入在所述复合芯部本体(25)与所述覆盖件(27)之间。

4.根据权利要求2所述的涡轮(10)，其特征在于，所述翼型件(13)由复合层(26)制成，其中，所述传感器(22)嵌入在复合层(26)之间。

5.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述至少一个物理特性还包括应变，并且所述传感器(22)构造成测量所述翼型件(13)中的局部应变。

6.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述至少一个物理特性还包括温度，并且所述传感器(22)构造成测量所述翼型件(13)的局部温度。

7.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述翼型件(13)还包括沿所述翼型件(13)从所述转子(11)的延伸长度分布的多个传感器(22)，其中，所述至少一个测量的物理特性为所述多个传感器(22)的测量曲线。

8.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述翼型件(13)包括传导材料，并且所述传导材料为用于所述传感器(22)的接地件由此使所述传感器(22)能够具有一个线(17)。

9.根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述传感器(22)和所述控制器(20)至少部分地通过无线手段通信。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的涡轮(10)，其特征在于，所述控制元件(24)为用于调节水喷射、蒸汽喷射、工作流体提取和穿过所述涡轮的质量流量中的至少一个的选定的器件。

11.一种用于控制轴向流动涡轮(10)的末级(18)叶片(12)的远端区域(19)的物理特性的方法，所述方法包括：

       设置构造并布置成影响所述远端区域(19)的物理特性的控制元件(24)；

       测量所述远端区域(19)的物理特性，其中，所述物理特性为湿度；以及

       响应于测量的物理特性调节所述控制元件(24)由此控制所述物理特性。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述物理特性还包括温度和应变中的一个或更多个的选定。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括提供至少部分地由复合层(26)制成的末级(18)叶片(12)，其中，测量所述物理特性的步骤包括在所述复合层(26)之间的点处测量所述物理特性。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于，调节所述控制元件(24)涉及喷射水、喷射蒸汽和工作流体提取中的至少一个的选定。