CN103470311A

CN103470311A - 涡轮机斗叶组件以及冷却涡轮机斗叶组件的方法

Info

Publication number: CN103470311A
Application number: CN2013102239756A
Authority: CN
Inventors: B.纳努库坦; J.约翰; H.C.罗伯茨三世
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-12-25
Also published as: RU2013125741A; EP2672063A2; JP2014001725A; US20130327061A1

Abstract

本发明提供一种涡轮机斗叶组件，包括转子构件，转子构件包括具有通过腹板连接的中心部分和外边缘部的体部。转子构件包括具有一定尺寸的一个或多个冷却流体管道，所述一个或多个冷却流体管道具有布置在外边缘处的进口。多个轮叶设置在转子构件上并且机械联结至外边缘。多个轮叶中的每一个都包括流体连接至一个或多个冷却流体管道的内部冷却通道。冷却流体控制元件设置在一个或多个冷却流体管道中的每一个处。冷却流体控制元件被构造和布置成调节一个或多个冷却流体管道的尺寸，以改变进入多个轮叶中的流体流。

Description

涡轮机斗叶组件以及冷却涡轮机斗叶组件的方法

技术领域

本发明中所公开的主题涉及涡轮机领域，并且更具体地涉及用于涡轮机的斗叶（bucket）组件。

背景技术

在涡轮机中，空气通入压缩机的进口而进入。空气通过各级压缩机以形成压缩空气流。一部分压缩空气流通向燃烧组件并且另一部分压缩空气流通向涡轮部分且用于冷却。在燃烧组件中，压缩空气流与燃料混合并且燃烧以形成高温气体流和排气。高温气体流通过过渡件被引导至涡轮部分。过渡件将高温气体流引向涡轮部分的热气体路径。高温气体流膨胀通过各级涡轮部分，从而将热能转化成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮部分可以用于多种应用，包括向泵、发电机、车辆等提供动力。

发明内容

根据示例性实施例的一个方面，一种涡轮机斗叶组件包括转子构件，转子构件包括体部，体部具有通过腹板（web）连接的中心部分和外边缘部。转子构件包括具有一定尺寸的一个或多个冷却流体管道，所述一个或多个冷却流体管道具有布置在外边缘处的进口。多个涡轮轮叶设置在转子构件上并且机械联结至外边缘。多个轮叶中的每一个都包括内部冷却通道，内部冷却通道流体连接至一个或多个冷却流体管道。冷却流体控制元件设置在一个或多个冷却流体管道中的每一个处。冷却流体控制元件被构造和布置成调节一个或多个冷却流体管道的尺寸，以改变进入多个轮叶中的流体流。

优选的，所述冷却流体控制元件包括被动控制元件，所述被动控制元件被构造和布置成基于所述转子构件处的温度调节所述一个或多个冷却流体管道的尺寸。

优选的，所述被动冷却流体控制元件包括成形金属合金（SMA）元件。

优选的，所述冷却流体控制元件包括主动控制元件，所述主动控制元件被构造和布置成选择性地调节所述一个或多个冷却流体管道的尺寸。

优选的，所述主动控制元件包括成形金属合金（SMA）致动器。

优选的，所述主动控制元件包括微机电系统（MEMS）致动器。

优选的，所述主动控制元件包括微光学机械（MOM）致动器和微光学机电（MOEM）致动器中的一种。

优选的，所述主动控制元件包括压电致动器。

优选的，所述涡轮机斗叶组件还包括：控制器，所述控制器操作性地连接至所述主动控制元件，所述控制器被构造和布置成向所述主动控制元件发出信号以调节所述一个或多个冷却流体管道的尺寸。

根据示例性实施例的另一个方面，一种涡轮机包括压缩机部分、机械联结至压缩机部分的涡轮部分、流体连接至压缩机部分和涡轮部分的燃烧器组件、以及布置在涡轮部分中的涡轮机斗叶组件。涡轮机斗叶组件包括转子构件，转子构件具有主体，主体包括通过腹板连接的中心部分和外边缘部。转子构件包括具有一定尺寸的一个或多个冷却流体管道，所述一个或多个冷却流体管道具有布置在外边缘处的进口。多个轮叶设置在转子构件上并且机械联结至外边缘。多个轮叶中的每一个都包括内部冷却通道，内部冷却通道流体连接至一个或多个冷却流体管道。冷却流体控制元件设置在一个或多个冷却流体管道中的每一个处。冷却流体控制元件被构造和布置成调节一个或多个冷却流体管道的尺寸，以改变进入多个轮叶中的流体流。

优选的，所述冷却流体控制元件是被动控制元件，所述被动控制元件被构造和布置成基于所述转子构件处的温度调节所述一个或多个冷却流体管道的尺寸。

优选的，所述被动控制元件包括成形金属合金（SMA）元件。

优选的，所述主动控制元件包括成形金属合金（SMA）致动器、微机电系统（MEMS）致动器、微光学机械（MOM）致动器、微光学机电（MOEM）致动器、和压电致动器中的一种。

优选的，所述涡轮机还包括：控制器，所述控制器操作性地连接至所述主动控制元件，所述控制器被构造和布置成向所述主动控制元件发出信号以调节所述一个或多个冷却流体管道的尺寸。

根据示例性实施例的又一个方面，一种冷却布置在涡轮机内的涡轮机斗叶组件的方法包括确定涡轮机斗叶组件处的期望温度分布、检测涡轮机斗叶组件处的实际温度分布、比较期望温度分布与冷却流体的实际温度、以及如果实际温度分布与期望温度分布的差大于期望量的话就向设置在斗叶组件上的冷却流体控制元件发出信号以调节冷却流体的流速。

通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。

附图说明

被认为是本发明的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是根据示例性实施例的包括涡轮部分的涡轮机的示意图，该涡轮部分具有斗叶组件；

图2是图1的涡轮部分的部分横截面图；

图3是根据示例性实施例的方面的具有冷却流体控制元件的斗叶组件的部分横截面透视图；

图4是根据示例性实施例的另一个方面的具有冷却流体控制元件的斗叶组件的部分横截面透视图；

图5是示出了根据示例性实施例的一方面的控制器的方框图，该控制器联接至冷却流体控制元件和传感器；以及

图6是示出了根据示例性实施例的冷却斗叶组件的方法的方框图。

参照附图并通过示例的详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参照图1和图2，根据示例性实施例的涡轮机总体示为2。涡轮机2包括压缩机部分4，压缩机部分4通过公共的压缩机/涡轮轴8机械联结至涡轮部分6。压缩机部分4还通过燃烧器组件12流体连接至涡轮部分6。燃烧器组件14包括多个燃烧器，其中的一个示为14。燃烧器14围绕涡轮机2大体以筒状环形阵列布置。然而，也可以采用燃烧器的其它布置。

涡轮部分6包括多个涡轮级20。在图示的示例性实施例中，涡轮级20包括第一级24、第二级25、和第三级26。尽管示为包括三级，但是应当理解，级的数量可以发生变化。第一级24包括具有第一多个喷嘴或叶片32的第一喷嘴组件30、以及具有第一多个斗叶或轮叶36的第一斗叶组件34。第二级25包括具有第二多个喷嘴或叶片42的第二喷嘴组件40、以及具有第二多个斗叶或轮叶46的第二斗叶组件44。第三级26包括具有第三多个喷嘴或叶片52的第三喷嘴组件50、以及具有第三多个斗叶或轮叶56的第三斗叶组件54。

第一斗叶组件34还包括转子构件66，转子构件66支承第一多个轮叶36。转子构件66包括转子体部68，转子体部68具有通过腹板75连接的中心部分70和外边缘部73。转子构件66包括冷却流体管道78，冷却流体管道78定位在外边缘部73处并且流体连接至设置在轮叶36上的内部冷却通道80。应当理解，转子构件66可以包括与第一多个轮叶36中的每一个相关联的单个冷却流体管道78或者可以包括与第一多个轮叶36中相应的轮叶36相关联的多个冷却流体管道78。在任何一种情况下，冷却流体管道78都包括进口82，进口82暴露于涡轮部分6的轮空间84。

第二斗叶组件44包括转子构件86，转子构件86支承第二多个轮叶46。转子构件86包括转子体部88，转子体部88具有通过腹板95连接的中心部分90和外边缘部93。转子构件86包括冷却流体管道98，冷却流体管道98布置在外边缘部93处并且流体连接至设置在轮叶46上的内部冷却通道100。冷却流体管道98包括进口102，进口102暴露于涡轮部分6的轮空间84。涡轮部分6还包括布置在转子构件66与转子构件86之间的轮构件104。轮构件104包括密封结构107，密封结构107被构造和布置成限制沿热气体路径流动的热气体（未单独标出）进入轮空间84。密封结构107与多个护罩构件110间隔开，所述多个护罩构件110与第二多个叶片42中的每一个相关联。每一个护罩构件110都包括密封元件112，密封元件112与密封结构107相配合以限制热气体被摄入（ingestion）轮空间84中。

根据图3中所示的示例性实施例的一个方面，转子构件66包括布置在冷却流体管道78的进口82处的冷却流体控制元件124。冷却流体控制元件124呈例如基于所感觉到的温度变化而改变特性的被动控制元件126的形式。被动控制元件126可以是成形金属合金（SMA）元件、双金属元件等。冷却流体控制元件124调节冷却流体管道78的尺寸，以改变进入第一多个轮叶36中的一个或多个中的冷却流体流。更具体地，当进口82处的温度升高时，被动控制元件126通过打开冷却流体管道78或增大冷却流体管道78的尺寸来响应，以增加进入内部通道80中的冷却流体流。当进口82处的温度降低时，需要较少的冷却流体并且冷却流体控制元件126通过缩小冷却流体管道78的尺寸来响应，以减小通入内部冷却通道80中的冷却流体的量。在这一点上应当理解，冷却流体管道98也可以设置有冷却流体控制元件126。

图4示出了根据示例性实施例的另一个方面的冷却流体控制元件133。冷却流体控制元件133呈基于所接收的控制输入而改变特性的主动控制元件135的形式。主动控制元件135可以呈成形金属合金（SMA）致动器、微机电系统（MEMS）致动器、微光学机械致动器（MOM）、微光学机电（MOEM）致动器、压电致动器等的形式。主动控制元件135如图5中所示地操作性地联接至具有中央处理单元（CPU）144的控制器140。

控制器140向主动控制元件135发出信号以改变冷却流体管道78的尺寸，以调节进入第一多个轮叶36中的一个或多个中的冷却流体。控制器140还联接至布置在涡轮机2内的一个或多个传感器150。传感器150可以包括微机电系统（MEMS）传感器、压电传感器、换能器等中的一种或多种。传感器150向控制器140提供涡轮机2的一个或多个操作参数的输入。所述一个或多个操作参数可以包括通入转子构件66中的冷却流体的温度分布、轮空间温度、热气体路径温度等。控制器140确定第一多个轮叶36的期望的温度分布，并且如果准许调节的话，向主动控制元件135发出信号以建立进入冷却流管道78的冷却流体的期望流速，如下文更完全地详细描述的。

操作涡轮机2并且更具体地控制第一多个轮叶36的温度分布的方法在图6中示为160。如方框162中所示，控制器140确定第一多个轮叶36的期望温度分布（DTP）。控制器140采用来自传感器150的输入和存储算法来选择DTP。如方框164中所示，控制器140还例如通过使用基于热电偶的仪器（未示出）的直接测量来测量第一多个轮叶36的实际温度分布（ATP）。热电偶（未示出）可以直接插入至目标气体流中以提供直接测量数据。备选地，可以通过测量远程位置处的相关温度值以及使用用于确定ATP的传递函数来确定ATP。还可以通过更复杂的传递函数来确定ATP，所述更复杂的传递函数所具有的引导输入既可以是单个输入也可以是两个或多个测量值的组合。测量值可以包括基于局部或远程热电偶的温度、一个或多个气压值或者轴转速值。

在方框166中，控制器140比较DTP与ATP。如果DTP与ATP相等或处于ATP的期望范围内（例如5%以内），则不采取动作，如在方框168上所见的。然而，如果在方框168中确定DTP与ATP不相等或不落入ATP的期望范围内，则控制器140向主动控制元件135发出信号以调节冷却流体管道78的尺寸，以控制流入第一多个轮叶36中的冷却流体的量从而实现DTP，如在方框170中可见的。根据ATP与DTP之间的差的大小（正或负），调节冷却流体管道78的尺寸同时包括增大冷却流管道78的尺寸以增加流入第一多个轮叶36中的冷却流体流以及减小冷却流体管道78的尺寸以减少通入第一多个轮叶36中的冷却流体流的量。

就这一点而言应当理解，示例性实施例提供用于控制进入斗叶组件中的流体流以保持多个轮叶的期望温度分布从而保护涡轮机部件的系统和方法。应当理解，尽管示为和描述成形成为用于一个斗叶组件的转子构件的部件；但是涡轮部分的每一个斗叶组件都可以设置有类似的冷却系统。还应当理解，控制元件可以直接安装至冷却流体管道中的一个或多个中或者设置成安装至转子轮的一个或多个流体喷射器的部件。此外，应当领会，尽管结合示例性实施例描述和要求保护了被动控制元件、主动控制元件、和传感器的各种例子，但是也可以采用其它类型的被动控制元件、主动控制元件和传感器。

尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不视为受到上文描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims

1.一种涡轮机（2）斗叶组件（34，44），所述涡轮机（2）斗叶组件（34，44）包括：

转子构件（66，86），所述转子构件（66，86）包括体部（68，88），所述体部（68，88）具有通过腹板（75，95）连接的中心部分（70，90）和外边缘部（73，93），所述转子构件（66，86）包括具有一定尺寸的一个或多个冷却流体管道（78，98），所述一个或多个冷却流体管道具有布置在所述外边缘部（73，93）处的进口（82，102）；

多个轮叶（36，46，56），所述多个轮叶（36，46，56）设置在所述转子构件（66，86）上并且机械联结至所述外边缘部（73，93），所述多个轮叶（34，46，56）中的每一个都包括内部冷却通道（80，100），所述内部冷却通道（80，100）流体连接至所述一个或多个冷却流体管道（78，98）；以及

设置在所述一个或多个冷却流体管道（78，98）中的每一个处的冷却流体控制元件（124），所述冷却流体控制元件（124）被构造和布置成调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸，以改变进入所述多个轮叶（36，46，56）中的流体流。

2.根据权利要求1所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述冷却流体控制元件（124）包括被动控制元件（126），所述被动控制元件（126）被构造和布置成基于所述转子构件（66，86）处的温度调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。

3.根据权利要求2所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述被动冷却流体控制元件（126）包括成形金属合金（SMA）元件。

4.根据权利要求1所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述冷却流体控制元件（124）包括主动控制元件（135），所述主动控制元件（135）被构造和布置成选择性地调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。

5.根据权利要求4所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述主动控制元件（135）包括成形金属合金（SMA）致动器。

6.根据权利要求4所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述主动控制元件（135）包括微机电系统（MEMS）致动器。

7.根据权利要求4所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述主动控制元件（135）包括微光学机械（MOM）致动器和微光学机电（MOEM）致动器中的一种。

8.根据权利要求4所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述主动控制元件（135）包括压电致动器。

9.根据权利要求4所述的涡轮机（2）斗叶组件（34，44），其特征在于，所述涡轮机（2）斗叶组件（34，44）还包括：控制器（140），所述控制器（140）操作性地连接至所述主动控制元件（135），所述控制器（140）被构造和布置成向所述主动控制元件（135）发出信号以调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。

10.一种涡轮机（2），所述涡轮机（2）包括：

压缩机部分（4）；

涡轮部分（6），所述涡轮部分（6）机械联结至所述压缩机部分（4）；

燃烧器组件（12），所述燃烧器组件（12）流体连接至所述压缩机部分（4）和所述涡轮部分（6）；以及

斗叶组件（34，44），所述斗叶组件（34，44）布置在所述涡轮部分（6）中，所述斗叶组件（34，44）包括：

转子构件（66，86），所述转子构件（66，86）包括体部（68，88），所述体部（68，88）具有通过腹板（75，95）连接的中心部分（70，90）和外边缘部（73，93），所述转子构件（68，88）包括具有一定尺寸的一个或多个冷却流体管道（78，98），所述一个或多个冷却流体管道具有布置在所述外边缘部（73，93）处的进口（82，102）；

多个轮叶（36，46，56），所述多个轮叶（36，46，56）设置在所述转子构件（66，86）上并且机械联结至所述外边缘部（73，93），所述多个轮叶（36，46，56）中的每一个都包括内部冷却通道（80，100），所述内部冷却通道（80，100）流体连接至所述一个或多个冷却流体管道（78，98）；以及

冷却流体控制元件（124），所述冷却流体控制元件（124）设置在所述一个或多个冷却流体管道（78，98）中的每一个处，所述冷却流体控制元件（124）被构造和布置成调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸，以改变进入所述多个轮叶（36，46，56）中的流体流。

11.根据权利要求10所述的涡轮机（2），其特征在于，所述冷却流体控制元件（124）是被动控制元件（126），所述被动控制元件（126）被构造和布置成基于所述转子构件（66，86）处的温度调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。

12.根据权利要求11所述的涡轮机（2），其特征在于，所述被动控制元件（126）包括成形金属合金（SMA）元件。

13.根据权利要求10所述的涡轮机（2），其特征在于，所述冷却流体控制元件（124）包括主动控制元件（135），所述主动控制元件（135）被构造和布置成选择性地调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。

14.根据权利要求13所述的涡轮机（2），其特征在于，所述主动控制元件（125）包括成形金属合金（SMA）致动器、微机电系统（MEMS）致动器、微光学机械（MOM）致动器、微光学机电（MOEM）致动器、和压电致动器中的一种。

15.根据权利要求13所述的涡轮机（2），其特征在于，所述涡轮机（2）还包括：控制器（140），所述控制器（140）操作性地连接至所述主动控制元件（135），所述控制器（140）被构造和布置成向所述主动控制元件（135）发出信号以调节所述一个或多个冷却流体管道（78，98）的尺寸。