CN1034607A - 牵引式蒸汽活塞平衡 - Google Patents

Abstract

燃气涡轮发动机的一种蒸汽活塞平衡装置，在其 一种形式中有一压力室以及将此蒸汽供给于此压力 室且对此室壁施加一力的装置。此压力室部分地由 一部件之内表面部分所界定，而此部件则与一推力轴 承的一部分相连并随之转动，由此使作用于此内表面 上的力对该推力轴承施加一牵引力。

Description

本发明涉及燃气涡轮发动机，而更具体地说，涉及到用来释除与转子之类部件相关联的推力轴承上的轴向力。

燃气涡轮发动机的特征之一是，它包括有一些由固定部件所支承的转动部件，而这些固定部件将吸收此种转动部件所产生的力或受其影响。例如，在现代的燃气涡轮发动机中，它的转动部件或转子包括各式各样的部分，例如轴、轴锥、安装叶片的圆盘或鼓轮、流体密封件以及各种连接构件。在此种发动机的不同点或不同部分上，取决于相对压力，发动机中的推力会沿轴向作用于此发动机上。在发动机的涡轮部分内，当其中的气流或流体的流程压力沿轴向顺发动机的下游减小时，下游处便有了净轴向力。由涡轮所驱动的压气机在一定程度上能均衡此涡轮中的这种净轴向下游力：此压气机中的最高压力是出现在它的较后几个级上，而常常产生出净的正向轴向力。但是，在那种自由轮动力涡轮机中，上述轴向下游力则为止推轴承或复杂的轴承装置所吸收。现代化的轴承可以用于常规的燃气涡轮机中，包括那些标准的动力涡轮机。

燃气涡轮机的工艺，就其所涉及的工业应用而论，业已通过一种采用蒸气的方式，在改进热效率以及提高输出方面取得了进步。作为这类进步的例子有Johnson的美国专利4569195（1986年2月11日公布）以及本申请人的美国专利4631914（1986年12月30日公布），此两者中披露的内容已综合于本申请中作为参考。已然出现的一种结果是，显著地加大了推力载荷，使所要求轴承的能力超出了当前所能达到的水平。

以前所报导的用来均衡前述那种很高的净轴向推力的手段，是通过采用从压气机输出压力相当高的空气，把它们作用于此种发动机的一部分上。另一种方式是把液压用液体用于这一目的，例如已综合在本申请中的PoPe在美国专利4，578，018中所披露的内容。

但是，采用此发动机已压缩有的空气或此发动机内用作润滑目的之类的液压用液体，会降低发动机的效牵。

本发明之首要目的在于提供一种改进了的和有效的装置，用来在燃气涡轮发动机内至少释出一部分轴向的转子推力。

另一个目的是为燃气涡轮发动机提供一种利用蒸汽而不是发动机空气或液压用液体的装置。

再一个目的是提供一种燃气涡轮发动机系统，它能提供蒸汽源以及把这种蒸汽用于蒸汽活塞平衡的装置。

还有一个目的是去提供一种改进的方法，用来在此燃气涡轮发动机运行过程中释除止推轴承上至少一部分轴向力。

以上之目的和其它目的与优点，将从下面的详细描述、附图与实施例中，获得更全面地理解，而所有这些实施例都算是代表性的，并非以任何方式来对本发明的范围加以限制。

简单地说，本发明在其一种形式中为燃气涡轮发动机提供了一种蒸汽活塞平衡装置，它包括有一压力室以及将蒸汽供给此压力室的装置。此压力室由以下各部分所界定：与一转子连接且随其转动之部件的内表面部分、与上述内表面部分分开的一个不转动的第二部件，以及在此内表面与此不转动的第二部件之间的密封装置。同时在此活塞平衡装置中还包括有将蒸汽引入该压力室的装置，以及能使此蒸汽通过与转子相连的内表面将平衡力应用到此转子上的装置。

在另一种形式中，本发明包括有将蒸汽从压力室引入到发动机工作液体流程中的装置。在又一种形式中，提供了这样一种系统，它具有蒸汽活塞平衡装置、蒸汽源以及将蒸汽输送到压力室的装置。

本发明还有一种形式，让带有推力轴承的燃气涡轮发动机按照这样一种方法工作：将加压的蒸汽导向某个部件，例如压力室中的一个部件，而释除掉止推轴承上至少一部分的轴向力。

图1为具有动力涡轮机且可用于本发明的燃气涡轮发动机的一种较简形式之示意图。

图2主要为体现本发明之燃气涡轮发动机的动力涡轮机部分之局部剖面图。

图3为详细描述本发明之一种形式的图2中一部分的放大图。

本发明特别适用于，把航空燃气涡轮机演变成的工业燃气涡轮发动机作为蒸汽喷送式类型来运行的情形。一般地说，这类发动机有带自由轮动力涡轮机的单或双转子铁心的发动机。此种装置与标准的、较重的、发电用的工业燃气涡轮发动机的区别在于，此后一种标准的发动机一般取单轴结构，按固定的速度例如每分钟3000转或3600转运行。这类发动机的轴向下游或后部的动力涡轮机转子的推力，在很大程度上为轴向上游或前部的压缩机转子的力所平衡。

随着上述综合于本申请中的Johnson之专利与Hines之专利所叙的那种高压力比之蒸汽喷送式发动机的出现，与那种未喷入蒸汽的“干式”型相比，发动机的比功率能够提高许多倍，例如提高5倍之多。动力涡轮机转子的推力级已然增加到约285000磅的后向力，结果使转子推力载荷提高了3至5倍。这样大的载荷对于所涉及的轴之尺寸来说，已超出了当代轴承所能承受的能力。此外，目前特大规格的轴承在运行时要耗用大量的油，而且会有很大的摩擦损耗。要打算把这种载荷分布到一种双联轴承或其它复杂的轴承装置中，就会出现如何能实现这种分布以及此种分布的效率与可靠性怎样等许多问题。本发明则提出三种较为简便、有效和可靠的另一种解决方式。

本发明对于上述问题的一种新颖解决方法是利用了高压蒸汽源，通常可以方便地取自废热锅炉，利用后者产生的蒸汽在加压下注入发动机中。例如，在上面引述的Johnson专利中已描述过这样一种装置。在本发明的一种形式中，使用蒸汽来产生一相对于此燃气涡轮发动机的向前的压力或活塞型力。这样的力作用在一与动力涡轮机转子相连且随之转动的部件上。由于这类部件是连接到推力轴承的至少一部分之上，因而会有牵引力或拉力向前作用于该推力轴承。这样就至少释除了因动力涡轮机的运转而造成之部分的后向或下游轴承力。

应用本发明，能够由单一的轴承设计出一种先进的、蒸汽喷射的、高压比的发动机，此种轴承可以在干运转之际，即在没有蒸汽喷射之际，容易地处置转子的推力载荷。与此同时，当这种轴承是在蒸汽喷射下运转，且配合上本发明之牵引式活塞平衡装置时，就能吸收足够的例如一半的转子推力载荷，得以进行安全而有效的工作。这样的单一轴承仅仅需要设计或能在干式运转时处置递增的转子推力载荷;而将本发明的牵引式蒸汽活塞平衡装置设计成，可以在蒸汽喷射作业时处置其余可能有的转子推力载荷。

从附图和下面更详细的例子中将可较全面地理解本发明，而这些例子是用作为代表，并非以任何方式来限制本发明的范围。

图1示意地表明了一种较简单的蒸汽喷射型发动机。这类发动机的上述形式和更复杂的形式已描述在前面提及的Johnson的美国专利4569195中。此种发动机顺着工作液体流程10依秩序包括有压气装置或压气机12、燃烧装置14与一般示明于16处的涡轮机装置，同时包括有本项工艺中周知的用来产生电功率或机械功率的自由旋转式动力涡轮机18。压气机12连接着涡轮机20，后者通过轴22驱动压气机12。不过，通过动力涡轮机的前向与后向轴承且一般由固定的发动机构件所支承的此动力涡轮机18，可以由于有气体通过它的涡轮叶片发生膨胀的作用而可以自由的转动。动力涡轮机中一种类型的更详细之图，示明于图2的局部剖面图中。来自源23的加压蒸汽一般处于过热状态，能够引入到图1所示之涡轮机20的发动机后部。

参看图2，一般示明于18处的动力涡轮机包括有一涡轮机转子25，后者则包含一批由相互连接的转动轮或转盘26所载承的涡轮机叶片24。这些圆盘中的至少一个，例如图2中的26a，是通过转动构件28与30连接到前向与后向轴承以及一般示明于32与34处，在本项工艺中所熟知的密封装置之上。为一固定的外部构件例如外罩38所载承的固定叶轮36，则位于动转的叶片24之间。在图2所示的发动机中，于动力涡轮机18的上游（此图的左侧）示明有一低压涡轮机40，而此低压涡轮机40与动力涡轮机18之间的分隔部分则存在于固定之空心支柱44附近。

在动力涡轮机后部，连接到转盘26a上的转动构件30是同一个与轴承装置34之转动部分相关联的另一构件50结合。在图2中，推力轴承一般示明于轴承装置34中的52处。通过本项工艺中周知的这种普遍的装配形式，动力涡轮机的后部净轴向推力就为此推力轴承所控制。

连接到例如图1中所示之加压蒸汽源23的蒸汽岐管46，通过导管装置48与空心支柱44之内部将蒸汽引至本发明一种形式的牵引式蒸汽活塞平衡装置，后者一般示明在54处，而在图3中则有更详细的描述。在图2的实施例中，导管48包括一个下面将加以详细讨论的蒸汽流控制阀49。此外，此蒸汽导管48则连接着一包括有空气控制阀53在内的空气导管51，后面将对此进行详细讨论。

在图3的局部剖面图中，本发明的牵引式蒸汽活塞平衡装置包括一压力室56，它所具有的一个旋转内表面58是属于第一部件60的一部分，且如图2所示，通过转动构件28与动力涡轮机转子25相连接且随其转动。此压力室56进一步由一不转动的或稳定的第二部件62所界定，后者为固定的支柱44所支承且与第一部件60的表面58分隔开。在图3所示的实施例中，此第一与第二部件60与62基本上是环形的分隔开的部件。用图3中所示的密封装置64a与64b来完全确定出此图中之压力室56的界限，这两个密封装置分别是沿径向在内部与在外部的流体压力降密封件，它们取本项工艺中周知且广泛应用的那种迷宫式密封形式。为方便起见，这种密封件取环形结构。

加压的蒸汽例如是在这样一个压力下，它至少要大于正好在空心支柱44上游处的动力涡轮机流体进口站处的压力，并且要高达用于推力平衡所要求的压力，此种加压蒸汽来自图1的蒸汽源23，经图2的岐管46与导管装置48，通过支柱44的空心内部而供给于图3的蒸汽导管66，而后送至压力室56。此种蒸汽作用于该压力室的壁上，按照一个与加压流体作用在该室中时相一致的方式来施力。但是，正如以前所述，由于室56能转动部件60是通过转子25连接到推力轴承52之上，因而施加到第一部件内表面58上的力，即作为一种轴向的，指向前方的拉力或推力传递给推力轴承52，由此而释除掉至少是一部分因发动机工作而在此种轴承上造成的轴向后向力。于是，将压力施加到部件60内表面58上的蒸汽转而将一拉力施加到此推力轴承上。

图3中详释之本发明上述形式的另一个特点表现在，把蒸汽从压力室56通入燃气涡轮发动机流体流程10中用来提高效率的这种方式，例如上面引述的Johnson专利中所描述到的那种方式。在室56内的蒸汽是以一种受控方式，例如通过密封件64a与64b，通入此发动机涡轮机部分中的发动机流体流程或气体流程10。此种蒸汽可以从径向上在内部与外部的密封件处开始，分别通入发动机室68与70，然后通入各种发动机的构件与部件，如箭头72a与72b所示。

示明于图2中之本发明的上述形式的另一个特点是提供了蒸汽流的控制装置，例如蒸汽导管48中的阀门49，或是安装在蒸汽进入管道至室56中其它更为方便的处所，用来调节或控制进入压力室56的加压气流。在某一例子中，这样一种阀门在运行中至少会是部分地起着磨损密封件64a与64b的作用。密封件这样磨损的结果常会让更多的蒸汽从室56流出，从而降低了室内的压力，结果便削弱了对图2中所示那种推力轴承的拉力或牵拉作用。可以通过更为集中的控制来操作上述阀门49之类的流量控制装置，此时可以将轴承52上的力或应力级或其它状态的信号传递给相应的控制装置。可以按下述方式来实现以上目的，即采用周知的信号传感与传输工艺中的手段，同时把它们用于此种燃气涡轮机的部件中，用来在此种发动机及相关系统内传送发动机的工作状态与参数。

图2所示之本发明上述形式的又一特点是，提供了一种由空气控制装置或阀门53控制的空气导管51。提供上述这样一种结构是为了适合前述发动机在“干式”状态下工作的条件，即没有象前面引述Johnson的专利中那样，注入了蒸汽来提高功效。在此种“干式”型操业中，推力轴承52能够象在通常的燃气涡轮发动机中那样，调节着轴向导引的推力。但是，最好是将一种吹洗型的空气流或加压空气送入室56然后送入室68与70中。例如，当导管48中的阀门49已关闭上而无蒸汽流过管道48时，便可把阀门53敞开到所需要的程度以通过加压空气，为方便起见，例如可由压气机在此发动机的上游供气，通过导管51而进入室56、68与70中。

可以通过相当简单的开关或图2中的阀门控制装置之类的部件，来实现阀门49与53的协调牍ぷ鞣段А＠纾梢越厣柚糜诜⒍目刂谱爸弥冢τ萌计新址⒍兄苤目刂萍际酰丛凇案墒健庇胝羝缟淞街肿饕捣绞街凶鞒鲅≡瘛４送猓梢栽诖酥至魈辶髁靠刂谱爸?5中，以各种方式或为上述蒸汽对空气的部分或全量开关编定程序。例如，可以把它作为动力涡轮机转子推力轴承油泵压力的函数来变化;即当此动力涡轮机推力轴承载荷低于设计水平时，可以减少供给蒸汽活塞的蒸汽。在另一种形式中，可以通过调节蒸汽阀来控制牵引式转子推力的需要，来确定蒸汽室压力对动力涡轮机进口气流压力之比。

在本发明与较复杂的机械轴承之间对所需求的性能进行了比较计算，后一种轴承例如有成对的载荷分配轴承，它们不得不设计成在蒸汽喷射作业中能适用于上述的高载荷条件。比较计算的结果表明，本发明能获得大致相同的热效率，但却不会去冒与那种复杂机械轴承相关的功率损失风险。这是一种更为可靠的系统，且具有更可信赖的寿命期;它也不用去提供大量的油并消除了泵以及相关的其它系统。

应用流量控制装置55并借它来调节例如来自图1中蒸汽源23通过导管48的加压蒸汽流，以及通过导管51的加压空气流，而这种调节量乃是发动机运行状态的函数。这方面的一个例子是，当发动机的功率由于节流阀的回拉，从蒸汽喷射转向“干式”运行或无蒸汽运行而下降时，上述控制装置55就能指令空气阀门53与蒸汽阀门49工作，而调节其各自相应的压力，以使蒸汽压降至一恒定的总的热含量，而将提高蒸汽的过热程度。这样，在将加压的过热蒸汽与较冷的空气混合时，就不会发生冷凝现象。另一个例子是这样的一种情形，发动机的功率由于节流阀的推进，从“干式”作业用吹洗空气转向蒸汽喷射作业而升高时。此时可以选择加压的空气源或供给加压的空气，使其温度高到在增加过热蒸汽时足以抑制发生冷凝。可以用下述方式来实现上述控制与调节，即采用燃气涡轮发动机技术中周知的那种循环设计与传感以及导引与开关工艺。

尽管本发明已然结合一些特殊例子与实施例作了描述，但应该认识到，对于那些熟悉有关各项工艺的人，是可以在不脱离本发明按后附权利要求书所表示的范围内，做出其它一些实施例与改进的。

Claims (18)

1、在具有一推力轴承的一种燃气涡轮发动机中，有一与此推力轴承相连接的牵引式蒸汽活塞平衡装置，可用它来从此推力轴承上释除掉至少是一部分的轴向力，且它包括：

一个压力室，具有一为第一部件的至少一部分所界定的转动内表面，此第一部件与此推力轴承的一转动部分相连接且随其转动；以及

这样的装置，用来将加压的蒸汽供给于上述压力室并作用于上述内表面上，以对此内表面施加压力，从而对上述推力轴承施加一牵引力。

2、在具有一工作流体流程且包括一在轴向上至少由一转子推力轴承所支承的转子之燃气涡轮发动机中，有一与此推力轴承相连接的牵引式蒸汽活塞平衡装置，用来由此推力轴承上至少释去一部分的轴向力，此平衡装置包括：

一个压力室，具有一为第一部件至少一部分所界定的转动内表面且此第一部件与上述转子相连接并随其转动，和上述内表面相分开的不转动的第二部件，与在上述转动内表面和不转动的第二部件之间的密封装置;以及

这样的装置，用来将加压的蒸汽供给于上述压力室并作用于上述内表面上，以对此内表面施加压力，从而对上述推力轴承施加一牵引力。

3、如权利要求2所述的这种燃气涡轮发动机，它包括有将蒸汽从前述压力室通入到此燃气涡轮发动机工作流体流程中的装置。

4、如权利要求3所述的这种发动机，其中来自上述压力室的蒸汽是通过前述之密封装置的。

5、如权利要求2所述的这种牵引式蒸汽活塞平衡装置，其中所说的密封装置包括一对迷宫式压力降密封件。

6、如权利要求2所述的这种牵引式蒸汽活塞平衡装置，其中：

所说的第一部件与第二部件为大致呈环形的相分隔开的部件，分别由转动构件与不转动构件支承，与前述密封装置一起界定出一大致呈环状的压力室;且

所说的密封装置包括有沿径向在内部与在外部的流体压力降密封件，后者适合用来控制来自前述压力室的蒸汽流。

7、如权利要求2所述的这种燃气涡轮发动机，其中用来将加压蒸汽供给上述压力室的装置包括有蒸汽流控制装置，后者至少是把进入此压力室的蒸汽流作为发动机运行状态的函数加以控制。

8、如权利要求7所述的这种燃气涡轮发动机，它包括有：

将加压空气供给上述压力室的装置;

用来控制上述加压空气进入上述压力室的空气流控制装置;以及

流体流控制装置，它能有效地连接前述蒸汽流控制装置与上述空气流控制装置，把进入所说压力室的蒸汽流与空气流作为发动机工作状态的函数来进行调节。

9、在沿着工作流体流程依次包括压气机装置、燃烧装置与涡轮机装置的燃气涡轮发动机中，该涡轮机装置包括一动力涡轮机，后者有一个在轴向上由至少一个转子推力轴承所支承的自由转动的动力涡轮机转子，以及一个与此推力轴承相连接的牵引式蒸汽活塞平衡装置，可用它来从此推力轴承上至少释除一部分轴向力，而此平衡装置包括有：

一个沿径向在动力涡轮机工作流程之内的压力室，它有一个为第一部件至少一部分所界定的转动内表面且此第一部件与上述转子相连接并随其转动，和上述内表面相分开的不转动的第二部件，与在上述转动内表面和不转动的第二部件之间的密封装置;以及

这样的装置，用来将加压的蒸汽供给于上述压力室并作用于上述内表面上，以对此内表面施加压力，从而对上述推力轴承施加一牵引力。

10、如权利要求9所述的这种燃气涡轮发动机，它包括有将蒸汽从上述压力室送入涡轮机装置工作流体流程中的装置。

11、如权利要求9所述的这种牵引式蒸汽活塞平衡装置，其中

所说的第一部件与第二构件为大致呈环形的相分隔开的部件，它们分别由涡轮机转动部件与涡轮机不转动构件所支承，与前述密封装置一起界定出一大致呈环形的压力室。

12、如权利要求9所述的燃气涡轮发动机，它包括有：

将加压空气从所说压气机装置供给于上述压力室的装置;

用来控制此加压空气进入该压力室之流量的空气流控制装置;以及

有效地连接着此蒸汽流控制装置与空气流控制装置的流体流控制装置，将进入此压力室的蒸汽流与空气流作为发动机工作状态的函数来加以控制。

13、一种燃气涡轮发动机系统，它包括：在第一种压力下的蒸汽源;一台燃气涡轮发动机，它沿着工作流体流程依秩序具有压气机装置、燃烧装置与涡轮机装置，而此发动机还包括一在轴向上至少由一转子推力轴承所支承的转子;以及将蒸汽引入此发动机中的装置，其中上述发动机包括一牵引式蒸汽活塞平衡装置，后者与前述推力轴承相连接，用来由此推力轴承上释除掉至少一部分的轴向力，而此蒸汽活塞平衡装置包括：

（a）一个压力室，具有：为第一部件的至少一部分所界定的转动内表面，且此第一部件与前述转子相连并随其转动，一个与上述内表面分开的不转动的第二部件，以及在此转动内表面与不转动之第二部件之间的密封装置;

（b）用来将蒸汽供给于上述压力室并作用于上述内表面的装置，得以将压力施加于此内表面上，从而给此推力轴承上施加一牵引力;以及

（c）用来将蒸汽从该压力室引入上述压气机装置工作流体流程下游一选择部分内的装置，在此流程选择部分内的流体则处于小于前述第一种压力的一个第二种压力下。

14、用来操作具有一工作流体流程与一推力轴承之燃气涡轮发动机的方法，其中此推力轴承则在运行中受到一轴向力的影响，该方法包括以下工序：

提供加压蒸汽源;同时

将此蒸汽引向与前述推力轴承相连的部件，而把压力沿着将至少释除一部分轴向力的方向作用于该部件。

15、如权利要求14所述的这种方法，还包括有：在蒸汽作用于上述部件后，把它引入工作流体流程内的工序。

16、如权利要求14所述的这种方法，当前述部件界定出一压力室的至少一部分时，此方法则包括如下工序：

将前述蒸汽引入所说压力室并作用于此部件上;

提供加压的空气源并提供将此空气引入该压力室的装置;以及

对此输入于压力室的加压空气与加压蒸汽之流量配比，作为发动机工作状态的函数加以控制。

17、如权利要求16所述的这种方法，其中，使按照发动机功率的函数予以控制和调节的空气流与蒸气流减少，而把蒸汽压降至一恒定的总的热含量值，以提高此蒸汽的过热程度。

18、如权利要求16所述的这种方法，其中，使作为发动机功率的函数予以控制和调节的空气流与空气温度以及蒸汽流均予以提高，以抑制蒸汽冷凝。

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