CN107605792A - 燃气涡轮压缩机被动间隙控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种燃气涡轮发动机，其具有涡轮、一个或多个烃类气体燃烧器和压缩机。压缩机具有转子组件，该转子组件具有从内部叶轮盘径向向外延伸的一个或多个转子叶片排。压缩机还具有定子组件，该定子组件具有一个或多个定子静叶排，所述一个或多个定子静叶排从内部壳体径向向内延伸并且被定位在相邻的转子叶片排之间。内部壳体周向地围绕转子组件延伸并且由至少一种低α金属合金构造成。

Description

燃气涡轮压缩机被动间隙控制

技术领域

本公开大体上涉及涡轮机械的顶端间隙控制，并且更具体地涉及一种用于利用低α定子部件结构来控制轴流式压缩机转子叶片的顶端间隙的设备。

背景技术

燃气涡轮通常包括轴流式压缩机、设置在压缩机下游的一个或多个燃烧器、设置在所述一个或多个燃烧器下游的涡轮和轴向地延伸穿过燃气涡轮的轴。压缩机包括外部壳体和内部壳体，外部壳体和内部壳体周向地围绕轴的至少一部分。压缩机还包括设置在外部/内部壳体内的压缩机转子叶片和定子静叶的交替的排。压缩机转子叶片联接到轴并且朝外部/内部壳体径向向外延伸。定子静叶环形地围绕轴布置并且从外部/内部壳体朝轴径向向内延伸。在压缩机内的级大体上由一排压缩机转子叶片和轴向相邻的一排定子静叶构成。

在燃气涡轮发动机启动期间，随着压缩机和燃气涡轮发动机达到正常运转速度和稳态条件，转子组件和定子组件两者的操作温度增加至高达最大预期水平。随时间推移，叶片的增加的操作温度可以导致顶端变弱、断裂或甚至在远端处解体，造成在叶片顶端和壳体之间的环形空间(有时称为“密封空隙”或“间隙”)不可避免地增加。在正常操作期间在叶片顶端和壳体之间的空间的任何这样的增加转化为转子和定子两者效率的降低，这转而降低了压缩机和发动机的总体效率。

为了提高或至少保持压缩机和燃气涡轮的持续的效率，在压缩机的转子叶片顶端和壳体之间的密封空隙或间隙应保持尽可能小，而不不利地限制气体流或影响在正常操作条件期间叶片的自由旋转。如果压缩机以在旋转的叶片的顶端和附随的静止部件(即，护罩)之间较大的间隙操作，会不利地影响压缩机的效率。对顶端间隙的要求由以下事实产生：诸如叶片和叶轮的旋转部件由于离心应力和热膨胀而直径显著增加，而静止部件(护罩和壳体)经历较低程度的尺寸变化。

在压缩机的连续操作期间，会遇到各种各样的操作条件。这些变化的条件可以导致压缩机顶端间隙的显著变化。对于一组特定的操作条件，如果旋转部件和静止部件被制造并组装成合适的初始顶端间隙(有时称为建造间隙)，则可获得在旋转部件和静止部件之间的任何所需的运转间隙。然而，具有较大质量的压缩机的较重的旋转部件不可避免地较慢地响应于操作条件的变化，因此需要较大的初始顶端间隙。正常做法是将机器设计成使得在最大速度、稳态(SS，steady-state)操作条件下存在所需间隙。然而，作为结果，在其它操作时期内，例如在瞬态操作期间，间隙小于预定的所需间隙。

用于减小顶端间隙的此前已知的手段涉及带护罩的叶片或可磨损护罩(壳体)和涂层，它们随着旋转部件膨胀而被叶片磨损掉。这些设备未能提供对顶端间隙较大问题的彻底令人满意的解决方案。带护罩的叶片导致相比不带护罩的叶片固有地更重且更难制造的设计。

另一种此前的间隙控制手段使用具有由相对高的热膨胀系数(CTE或α)导致的较大尺寸波动的转子和壳体材料，这导致摩擦和/或过大的顶端间隙，这两者都不利于压缩机性能和效率。这使得在不使用主动间隙控制系统的情况下难以管理转子顶端和内部壳体之间的间隙。为了有助于匹配壳体和转子的尺寸，许多主动间隙控制系统需要使用冷却空气、控制阀和致动器，这增加了复杂性和可靠性方面的顾虑。

发明内容

本公开的方面和优点将部分地在下面的描述中提出，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过实施本公开来了解。

一方面，公开了一种燃气涡轮发动机，其具有涡轮、一个或多个烃类气体燃烧器和压缩机。压缩机具有转子组件，转子组件带有具有周向间隔开的转子叶片的一个或多个转子叶片排，每个叶片从内部叶轮盘径向向外延伸。压缩机还具有定子组件，定子组件带有具有周向间隔开的定子静叶的一个或多个定子静叶排，定子静叶从内部壳体径向向内延伸。每个定子静叶排被定位在相邻的转子叶片排之间。内部壳体周向地围绕转子组件延伸以形成由与定子静叶配合的转子叶片限定的多个内部流动路径。转子叶片呈现有热运行转子顶端间隙和冷建造转子顶端间隙。内部壳体由至少一种低α金属合金构造成。

基于上述一方面，本发明还提供以下技术方案：

技术方案1：根据上述一方面的发动机，其中，所述至少一种低α金属合金呈现有在约12微米/米/开氏度或以下的范围内的热膨胀系数。

技术方案2：根据上述一方面的发动机，其中，所述内部壳体包括低α金属合金，所述低α金属合金的α小于所述转子叶片的α。

技术方案3：根据上述一方面的发动机，其中，所述至少一种低α金属合金选自由下列组成的组：铝、铁、镍、钛、钴、铌、铁、碳、铬或它们的混合物。

技术方案4：根据上述一方面的发动机，其中，所述转子组件包括至少一种高α金属合金。

技术方案5：根据上述一方面的发动机，其中，所述压缩机为轴流式压缩机。

技术方案6：根据上述一方面的发动机，其中，所述低α定子热运行转子顶端间隙小于所述径向开口的约4％。

技术方案7：根据上述一方面的发动机，其中，所述低α定子冷建造转子顶端间隙大于所述径向开口的约20％。

技术方案8：根据上述一方面的发动机，还包括入口导向静叶。

另一方面，还公开了一种用于燃气涡轮的压缩机，其包括：转子组件，其包括一个或多个转子叶片排，所述一个或多个转子叶片排包括周向间隔开的转子叶片，每个转子叶片从内部叶轮盘径向向外延伸；定子组件，其包括一个或多个定子静叶排，所述一个或多个定子静叶排包括从内部壳体径向向内延伸的周向间隔开的定子静叶，每个定子静叶排被定位在相邻的转子叶片排之间，所述内部壳体周向地围绕所述转子组件延伸，从而形成由与所述定子静叶配合的所述转子叶片限定的多个内部流动路径，所述转子叶片呈现有热运行转子顶端间隙和冷建造转子顶端间隙；并且，其中，所述内部壳体包括至少一种低α金属合金。

基于上述另一方面，本发明还提供以下技术方案：

技术方案9：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述至少一种低α金属合金呈现有在约12微米/米/开氏度或以下的范围内的热膨胀系数。

技术方案10：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述内部壳体包括低α金属合金，所述低α金属合金的α小于所述转子叶片的α。

技术方案11：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述至少一种低α金属合金选自由下列组成的组：铝、铁、镍、钛、钴、铌、铁、碳、铬或它们的混合物。

技术方案12：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述转子组件包括至少一种高α金属合金。

技术方案13：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述压缩机为轴流式压缩机。

技术方案14：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述低α定子热运行转子顶端间隙小于所述径向开口的约4％。

技术方案15：根据上述另一方面的压缩机，其中，所述低α定子冷建造转子顶端间隙大于所述径向开口的约20％。

技术方案16：根据权利要求1所述的压缩机，还包括入口导向静叶。

参考下面的描述和所附的权利要求，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与该描述一起用来说明本公开的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式的完全和能实现的公开，在附图中：

图1是可以包含本公开的各种实施例的燃气涡轮的示例；

图2是在旋转的机器(例如，燃气涡轮)上的压缩机的一部分的横截面图示；

图3是图2中描绘的所选数量的转子叶片和定子静叶的另一个剖视图；

图4是一个图，其比较了基线高α定子壳体与在操作的压缩机中的低α定子壳体随时间推移的径向开口(radial opening)百分比。

在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在代表本公开的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将对本公开的实施例进行详细参考，在附图中显示了其中一个或多个示例。每个示例通过对本公开进行说明而不是对本公开进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可在本公开中作出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本公开意图包括这样落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。

虽然本公开的示例性实施例将出于说明目的而大体上在用于在工业燃气涡轮中使用的轴流式压缩机的语境中进行描述，但本领域的普通技术人员将容易理解，本公开的实施例可以应用于具有旋转的叶片的排的任何设备，该旋转的叶片的排被定位成邻近静止的或定子静叶的排，并且不限于轴流式压缩机，除非权利要求中特别地叙述。例如，本公开可以并入喷气发动机、高速船舶发动机、小型电站等的压缩机。此外，本公开可以并入在不同应用中使用的压缩机，例如，大容量空气分离装置、鼓风炉应用、丙烷脱氢等。

如本文所用，术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，而术语“轴向地”是指基本上平行于特定部件的轴向中心线的相对方向。同样如本文所用，术语“低α”是指呈现有在阈值或以下的线性热膨胀系数(CTE)的性质的材料。CTE用希腊字母阿尔法(α)来数学表示。CTE在本文中被定义为一种材料性质，其指示材料在加热时膨胀的程度，并且表达为每单位温升的长度增加分数。术语“低α(low-alpha)”是指呈现有其中线性热膨胀系数(CTE)在约12微米/米/开氏度[degrees Kelvin](μm/m-K)或以下的范围内的性质。术语“高α(high-alpha)”材料在本文中被定义为呈现有高于约12微米/米/开氏度(μm/m-K)的线性热膨胀系数(CTE)的性质的材料。CTE性质是在约20℃至约650℃的整个温度范围内大致恒定的，有时称为“均值”或“平均”CTE。

在涡轮操作期间的充分的间隙控制可通过由低α金属合金(具有低的CTE)构成的壳体实现，低α金属合金又有助于较大的冷建造间隙。许多低α金属合金是不充分的，因为它们在高操作温度下强度不够，无法确保安全操作。对在较高温度下更高强度的需求需要使用镍基合金和特种钢，其热导率特征性地高于此前使用的高α合金。一些镍基合金和特种钢在最大操作条件和部分功率条件下可提供足够的顶端间隙控制，并可减小在旋转结构和非旋转结构之间的冷建造间隙。

根据本公开的低α金属合金可在各种各样的旋转组件上实施，特别是这样的压缩机：其包括围绕中心纵向轴线旋转的转子和安装到径向向外延伸的叶轮盘的多个叶片。大多数转子组件还包括：外部壳体，其具有大体上圆柱形的形状；和内部壳体，其从转子和叶片径向向外间隔开，以限定在内部壳体的内周表面和转子叶片的末端顶端之间狭窄的环形空隙。

低α金属合金用来构造涡轮的内部壳体，并且限定在转子和壳体的热膨胀期间的最小环形空隙(间隙)。环形空隙被称为顶端间隙，并且由在内部壳体内圆周和旋转的叶片的顶端之间的距离来限定。在转子的微分增长(differential growth)期间(例如，由于随着发动机和压缩机达到标称操作条件而一直传导通过叶片和转子组件的热量)，随着发动机和压缩机达到其标称操作条件，壳体将由于来自压缩空气和周围的发动机零件的热传递而膨胀。

现在参看附图，其中类似的数字表示类似的部件，图1示出了可以包含本公开的各种实施例的燃气涡轮10的示例。如图所示，燃气涡轮10大体包括轴流式压缩机12、设置在压缩机12下游的燃烧部段14和设置在燃烧部段14下游的涡轮16。压缩机12大体包括围绕轴22周向地布置的转子叶片20的多个排18，轴22至少部分地延伸穿过燃气涡轮10。压缩机12还包括围绕轴22周向地布置的定子静叶26的多个排24。定子静叶可以固定到外部壳体28和内部壳体46中的至少一个，外部壳体28和内部壳体46周向地围绕转子叶片20的排18延伸。压缩机12也可以包括可调式入口导向静叶30的一个或多个排，其基本上邻近压缩机12的入口32设置。燃烧部段14包括至少一个燃烧器34。轴22可以在压缩机12和涡轮16之间轴向地延伸。

在正常操作过程中，空气36被吸入压缩机12的入口32并且渐进地压缩，以将压缩空气38提供至燃烧部段14。压缩空气38与燃料在燃烧器34中混合以形成易燃混合物。易燃混合物在燃烧器34中燃烧，从而生成热气体40，热气体从燃烧器34穿过涡轮喷嘴42的排流入涡轮部段16中。随着其流动穿过连接到轴22的涡轮叶片44和涡轮喷嘴42的交替的级，热气体38迅速膨胀。热能和/或动能从热气体40转移到涡轮叶片44的每一级，从而引起轴22旋转并产生机械功。轴22可以联接到诸如发电机(未示出)的负载，以便产生电力。此外或作为备选方案，轴22可以驱动燃气涡轮的压缩机部段12。

图2是示例性燃气涡轮压缩机部段的主要部件的剖视图，压缩机部段包括转子组件和定子组件，该图示出了低α内部壳体46的相对位置，并且将低α内部壳体作为定子组件的一部分显示为交叉影线结构。压缩机部段12包括转子组件，其被定位在内部壳体46内，以限定压缩空气38流动路径(flow path)。转子组件还限定流动路径38的内部流动路径边界62，而定子组件限定压缩空气38流动路径的外部流动路径边界64。压缩机部段12包括多个级，每个级包括周向间隔开的转子叶片50的排和定子静叶组件52的排。在本实施例中，转子叶片50联接到转子盘54，并且每个转子叶片从转子盘54径向向外延伸。每个叶片包括翼型件，其从内部叶片平台58径向延伸至转子叶片顶端60。类似地，定子组件包括定子静叶组件52的多个排，每排静叶组件被定位在转子叶片的相邻排之间。压缩机级被构造成与诸如环境空气的压缩空气38工作流体配合，其中工作流体在连续的级中被压缩。定子静叶组件52的每个排包括多个周向间隔开的定子静叶，每个定子静叶从定子内部壳体46径向向内延伸，并且包括翼型件，该翼型件从外部静叶平台66延伸至静叶顶端68。每个翼型件包括前边缘和后边缘，如图所示。转子叶片50和定子静叶组件52相对于转子盘54和内部壳体46的边沿表面(rim surface)的大体位置被示出，这些部件均直接受益于本文所述低α定子构造，该构造导致在热膨胀和收缩期间形成于内部壳体46和转子叶片顶端60之间的狭窄的气体流动路径(间隙)。

图3示出了根据本公开的低α金属合金如何可用来构造压缩机内部壳体46。多个转子叶片50和定子静叶52在剖视图中显示为由高α涡轮建造材料构造成。在操作期间，受热的压缩空气和离心力导致两个转子叶片50中的每一个膨胀。每个叶片连接到对应的叶轮盘82和87。当转子叶片50膨胀时，转子顶端间隙81响应于转子叶片50和内部壳体46的温度变动和不同的材料CTE/热导率而变化。在内部壳体46中使用低α金属合金和/或高α金属合金用于转子组件和涡轮的其余部分可使转子顶端间隙81最小化。另外，内部壳体46可由低α金属合金构造成，该合金的α小于转子叶片的α。在转子部件和定子部件之间的这种CTE差异能够实现相比稳态下的转子增长相对更低的壳体增长。这又能够实现更大的冷建造间隙和减小的瞬态夹点(transient pinch)，从而大大改善与金属温度成正比的间隙。

图4是一个图，示出了在压缩机转子叶片和压缩机内部壳体之间的操作中的压缩机径向开口百分比与时间的关系。线90示出了基线定子内部壳体膨胀，线92示出了转子叶片膨胀，其中涡轮的转子叶片和定子内部壳体均使用高α金属合金。线94示出了当由本文所公开的低α金属合金构造时定子内部壳体的膨胀。如在图中所示，基线热运行间隙98是在稳态操作条件下径向开口的约18％。然而，当用本文所公开的低α金属合金构造定子内部壳体时，低α定子热运行间隙99减小至小于径向开口的约4％，从而提高了压缩机和燃气涡轮的效率。据发现，通过仅将定子内部壳体46建造材料变为选自由铝、铁、镍、钛、钴、铌、铁、碳、铬或它们的混合物组成的组的至少一种低α金属合金，而不改变任何其它涡轮建造材料，可显著地减小基线热运行间隙98(稳态间隙)。用来构造定子内部壳体的低α金属合金的示例包括400系列不锈钢和Incoloy 909。这些低α金属合金是不易磨的，因此在内部壳体上不提供易蚀或易磨的表面。在图4中，线90表示基线构造压缩机内部壳体，其有效地下降至非常接近压缩机转子叶片膨胀92，从而将低α定子热运行间隙99减小至小于径向开口的约4％。转子部件材料不从基线高α金属合金改变(rotor component materials were notaltered from baseline high-alpha metal alloys)以获得低α定子热运行间隙94。低α金属合金内部壳体也能够实现大于径向开口的约20％的更大的冷建造间隙96，这减小了涡轮的瞬态夹点。

本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本公开的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮的压缩机，包括：

转子组件，其包括一个或多个转子叶片排，所述一个或多个转子叶片排包括周向间隔开的转子叶片，每个转子叶片从内部叶轮盘径向向外延伸；

定子组件，其包括一个或多个定子静叶排，所述一个或多个定子静叶排包括从内部壳体径向向内延伸的周向间隔开的定子静叶，每个定子静叶排被定位在相邻的转子叶片排之间，所述内部壳体周向地围绕所述转子组件延伸，从而形成由与所述定子静叶配合的所述转子叶片限定的多个内部流动路径，所述转子叶片呈现有热运行转子顶端间隙和冷建造转子顶端间隙；并且

其中，所述内部壳体包括至少一种低α金属合金。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述至少一种低α金属合金呈现有在约12微米/米/开氏度或以下的范围内的热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述内部壳体包括低α金属合金，所述低α金属合金的α小于所述转子叶片的α。

4.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述至少一种低α金属合金选自由下列组成的组：铝、铁、镍、钛、钴、铌、铁、碳、铬或它们的混合物。

5.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述转子组件包括至少一种高α金属合金。

6.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述压缩机为轴流式压缩机。

7.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述低α定子热运行转子顶端间隙小于所述径向开口的约4％。

8.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述低α定子冷建造转子顶端间隙大于所述径向开口的约20％。

9.根据权利要求1所述的压缩机，还包括入口导向静叶。

10.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮；

一个或多个烃类气体燃烧器；

压缩机，其包括：

转子组件，其包括一个或多个转子叶片排，所述一个或多个转子叶片排包括周向间隔开的转子叶片，每个转子叶片从内部叶轮盘径向向外延伸；

定子组件，其包括一个或多个定子静叶排，所述一个或多个定子静叶排包括从内部壳体径向向内延伸的周向间隔开的定子静叶，每个定子静叶排被定位在相邻的转子叶片排之间，所述内部壳体周向地围绕所述转子组件延伸，从而形成由与所述定子静叶配合的所述转子叶片限定的多个内部流动路径，所述转子叶片呈现有热运行转子顶端间隙和冷建造转子顶端间隙；并且

其中，所述内部壳体包括至少一种低α金属合金。