CN113366209A - 用于控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机轴弯曲变形的方法 - Google Patents

用于控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机轴弯曲变形的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机(10)轴(14C)弯曲变形的方法，其中轴(14C)以每分钟0.1到50转之间的转速转动，这取决于涡轮机(10)静止时轴(14C)的弯曲变形偏转(F)。

Description

用于控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机轴弯曲变形 的方法
技术领域
本公开涉及一种控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机轴弯曲变形的方法。
术语“涡轮机”表示产生驱动动力的所有燃气涡轮机，其中特别区分为通过对热气高速喷射的反应提供推进所需的推力的涡轮喷气发动机和由发动机轴的转动供应驱动动力的涡轮轴发动机。例如，涡轮轴发动机被用作直升机、船舶、火车的发动机，甚至用作工业发动机。涡轮螺旋桨发动机(驱动螺旋桨的涡轮轴发动机)也是用作飞机发动机的涡轮轴发动机。
当燃烧室熄灭时，认为涡轮机处于静止，而当燃烧室点燃时，涡轮机是运行的。
背景技术
诸如涡轮喷气发动机的涡轮机在静止时有反复出现的散热问题。事实上，在其运行期间，涡轮机储存了相当多的热量，特别是在靠近其燃烧室的区域，这些热量必须散失。在运行期间，转子的转动提供热量的散失。然而，一旦涡轮机处于静止，所储存热量的散失就带来了几个问题。
事实上，储存的热量、特别是在燃烧室中的热量将自然地通过涡轮机传播，然后通过对流现象将其自身基本局限于涡轮机的上部。其结果是不同部件、特别是高压涡轮的轴的不均匀膨胀导致通常由“弓形转子”的名称表示的轴弯曲现象，如果轴的长度延长且涡轮机的运行温度升高，这种现象会更严重。
纠正这一现象的传统解决方案包括延长涡轮机的启动时间，然后通过起动机产生的通风效应来散热。然而，考虑到对涡轮机的启动施加的限制，特别是由于空中交通的增加，这种延长启动的方法不再是可接受的。会想到的是，在通风的原则下，基于从发动机中排出的热量，轴的转速大于每分钟100转。
因此，本公开寻求提出允许对该问题进行至少部分响应的解决方案。
发明内容
一个实施例涉及一种涡轮机，包括：壳体；相对于壳体可转动的轴；驱动系统，该驱动系统构造成在涡轮机静止时驱动轴转动；传感器，该传感器构造成在涡轮机静止时测量轴的弯曲变形偏转；以及控制单元，当涡轮机静止时，该控制单元构造成当传感器测量到轴的变形偏转大于第一预定值时致动驱动系统。
一个实施例涉及一种控制静止时经受涡轮机运行的余热的涡轮机轴弯曲变形的方法，其中仅当偏转大于第一预定值时，轴以每分钟0.1到50转之间的转速转动。
例如，涡轮机轴是高压转子的轴，但不是一定的。可以理解的是，轴的偏转是其相对于轴的轴线的最大弯曲变形。因此，偏转取决于轴的弯曲而变化。还可以理解的是，轴绕其轴线相对于涡轮机的固定(或定子)部分、例如涡轮机的壳体转动。
通过在涡轮机静止时转动轴，使轴的温度均匀化，这允许减少和/或控制由于热效应导致的轴弯曲现象。此外，通过取决于轴的偏转控制轴的转动，仅当认为必要时才可以转动轴。这允许优化涡轮机静止时专用于驱动轴转动的系统所消耗的能量。此外，通过容许一定的偏转、并因此一定的弯曲变形，使轴只有在认为真的有必要时、即当偏转变得太大时才转动。这允许优化涡轮机静止时专用于驱动轴转动的系统所消耗的能量。
在一些实施例中，轴以每分钟0.1到20转之间、或每分钟0.1到10转之间、或每分钟0.1到5转之间、或每分钟0.1到2转之间、或等于每分钟1转的转速转动。
这些转速有利于避免由于热效应而导致的轴弯曲现象，同时有利于在涡轮机静止时保存专用于驱动轴转动的系统的能量储备。
在一些实施例中，在从偏转变得大于第一预定值的时间计算的第一预定时间段之后停止转动轴。
在某些情况下，可以认为在预定时间段之后，轴的温度充分均匀，使得轴的偏转再次被允许，并且因此能够停止轴的转动。当然，有可能在预定时间段之后系统地停止轴，或者考虑其它累积条件，例如验证偏转已再次变得小于第一预定值。
在一些实施例中，当偏转小于或等于第二预定值时停止转动轴，第二预定值小于或等于第一预定值。
当偏转已再次变得小于第二预定值时，轴的偏转自然再次达到了允许的水平，因为第二预定值小于或等于第一预定值。因此能够停止轴的转动。通过将第二预定值调整为小于第一预定值，在可能出现超过允许阈值的新的变形之前提供一定的余量，以保留在涡轮机械静止(疲劳循环等)时驱动轴转动的专用系统以及用于该系统的能量储备。例如，第二预定值比第一预定值小30％。
在一些实施例中，在从偏转变得小于第二预定值的时间计算的第二预定时间段之后停止转动轴。
这种类型的第二预定时间段是允许稳定相对于第二预定值的偏转的时间延迟。这加强了控制的稳定性，其允许保留在涡轮机静止(疲劳循环等)时驱动轴转动的专用系统以及用于该系统的能量储备。
在一些实施例中，当偏转大于第一预定值时，轴转动超过预定角行程，例如180°(即半圈)。
由于涡轮机静止时的余热基本积聚在涡轮机的上部，众所周知，轴的上部始终经受较大的热通量。通过将轴转动超过预定的角行程，例如半圈，将轴较冷的部分、例如轴最冷的部分，放置在涡轮机最热的位置，并且相反地，将轴较热的部分、例如轴最热的部分放置在涡轮机最冷的位置。因此，轴的温度以最小的干预“自然地”均匀化。这允许保留在涡轮机静止(疲劳循环等)时驱动轴转动的专用系统以及用于该系统的能量储备。
在一些实施例中，测量偏转并且根据测量的结果转动轴。
可以直接测量偏转，例如借助于距离或距离变化传感器，或间接地例如借助于指示偏转的参数的传感器，比如某个点处温度、例如涡轮机的油温，轴的行为取决于众所周知的所述点的温度。
换句话说，根据闭合控制回路执行控制，有规律地测量偏转并且驱动轴转动或不转动取决于每次测量的测量结果。
在一些实施例中，取决于预定的预测模型转动轴。
可以理解的是，预定的预测模型是记录数字模型，作为例如自涡轮机停止时刻起经过的时间、涡轮机停止之前的最后运行条件、以及外部条件(温度、湿度等)的函数代表轴的行为。
换言之，根据开放控制回路执行控制，预测模型中每个时刻的偏转，以及是否驱动轴转动取决于偏转的预测值。这种类型的控制允许分配有传感器，这简化了涡轮机静止时驱动轴转动的专用系统。
一个实施例涉及一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行根据本公开中描述的任一实施例的方法的指令。
程序可以使用任何编程语言，并且是以源代码、目标代码或者源代码和目标代码之间的中间代码的形式，比如以部分编译的形式，或者以任何其它期望的形式。
一个实施例涉及一种计算机可读的记录介质，在其上记录根据本公开的计算机程序。
记录介质可以是能够储存程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括存储装置，比如ROM、例如CD ROM或微电子电路ROM，或者磁记录装置、例如磁盘(“软盘”)或硬盘。
替代地，记录介质可以是其中纳入有程序的集成电路，该电路适于执行、或用于所讨论的方法的执行。
附图说明
[图1]图1是涡轮机的示意图。
[图2]图2示出了描述根据第一实施例的控制偏转的方法的不同步骤的流程图。
[图3]图3示出了描述根据第二实施例的控制偏转的方法的不同步骤的流程图。
[图4]图4示出了描述根据第三实施例的控制偏转的方法的不同步骤的流程图。
[图5]图5示出了描述根据第四实施例的控制偏转的方法的不同步骤的流程图。
[图6]图6示出了描述根据第五实施例的控制偏转的方法的不同步骤的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了涡轮机10，在该示例中为涡轮喷气发动机，包括容纳低压转子12、高压转子14和燃烧室16的壳体11。低压转子12包括通过轴12C转动联接的低压压缩机12A和低压涡轮12B。高压转子14包括通过轴14C转动联接的高压压缩机14A和高压涡轮14B。轴12C与轴14C共轴并且延伸穿过轴14C。这些不同部件的运行是众所周知的，这里将不再更详细地描述。
轴12C和14C围绕它们的公共轴线X相对于壳体11可转动。如本公开的介绍中所指出的，这些轴很可能由于运行期间涡轮机中积聚的热量而弯曲，一旦涡轮机静止，无法确保其散失。特别地，轴14C的弯曲表现为该示例中由传感器18测量的偏转F。例如，对于长度介于2m和3m(2米和3米)之间的轴，偏转F约为10mil(1mil＝0.0254mm)的量级。计算机(或控制单元)20接收由传感器18执行的测量，并根据测量到的偏转F继续控制轴14C的弯曲变形。
应当理解，计算机20特别包括处理器、随机存取存储器、只读存储器和非易失性闪存(未示出)。计算机20的只读存储器形成处理器可读的记录介质，并且在其上记录一个或多个计算机程序，包括用于执行下文参考图2描述的涡轮机10的轴14C的弯曲变形控制方法的各步骤的指令。
当涡轮机10静止时，计算机20根据偏转F执行用于实现控制轴14C的弯曲变形的方法的程序。
在步骤E1中，借助于传感器18测量轴14C的偏转F。如果偏转大于第一预定值V1，则程序继续步骤E2并且轴14C以每分钟0.1到50转之间的转速转动。该转动由例如嵌入涡轮机10内的驱动系统24、例如众所周知的电动机执行。如果偏转小于第一预定值V1，则不执行任何行动(即轴14C不转动)，并且程序返回到步骤E1的开始处。
根据第一变型，不存在传感器18，并且计算机20在其构件中具有代表轴14C的行为的预测模型。在这种情况下，在步骤E1期间不测量实际偏转，而是基于预测模型确定偏转的理论值。当理论偏转大于第一预定值V1时，开始步骤E2，轴14C以每分钟0.1到50转之间的转速转动。如果理论偏转小于或等于第一预定值V1，则不采取行动(即轴14C不转动)，并且程序在步骤E1开始处继续。
开始转动轴14C(步骤E2)后，程序继续步骤E3。在步骤E3期间，通过传感器18测量偏转F(或者，根据第一变型估计偏转的理论值)，并且验证在该示例中小于第一预定值V1的偏转是否小于或等于第二预定值V2。如果偏转小于或等于第二预定值V2，则程序继续步骤E4并且停止轴14C的转动。如果偏转大于第二预定值V2，则不采取行动(即允许轴14C继续转动)，并且程序返回到步骤E3的开始处。
根据图3中所示的一个变型，在步骤E3'期间，从轴14C开始转动的时间(即偏转变得大于第一预定值V1的时间)测量第一预定时间段T1，然后程序继续步骤E4，并且轴14C的转动在第一预定时间段T1结束时停止，与偏转值无关。根据图4所示的另一变型，程序继续步骤E4，并且轴14C的转动在第一预定时间段T1结束以及当偏转小于或等于第二预定值V2时停止(参见步骤E3”)。
根据图5所示的又一变型，在步骤E4'中，轴14C的转动在从偏转变得小于或等于第二预定值V2的时间计算的第二预定时间段T2结束时停止。在步骤E4之后，当轴14C的转动停止时，该程序继续步骤E1。
根据图6所示的再一变型，没有步骤E3和E4，并且在步骤E2'期间，轴14C在预定的角行程上转动，例如180°。然后，该过程在步骤E2'之后直接返回到步骤E1。
尽管已经通过参考特定实施例描述了本发明，但是显而易见的是，可以在不脱离由权利要求所描述的本发明的一般范围的情况下对这些示例进行修改和改变。特别地，可以将图示/提到的不同实施例的各个特征组合到另外的实施例中。因此，应当以说明性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。例如，说明书参照了一种两转子双流涡轮喷气发动机，但是本公开适用于具有任何类型结构(例如但不完全是单转子单流)的任何类型的涡轮机(例如但不完全是涡轮轴发动机)。
同样显而易见的是，参考方法描述的所有特征可以被单独或组合地转换为设备，并且相反地，参考设备描述的所有特征可以被单独或组合地转换为方法。

Claims (8)

1.一种涡轮机(10)，包括：壳体(11)；能相对于所述壳体(11)转动的轴(14C)；驱动系统(24)，所述驱动系统(24)构造成在所述涡轮机(10)静止时驱动所述轴(14C)转动；传感器(18)，所述传感器(18)构造成在所述涡轮机(10)静止时测量所述轴(14C)的弯曲变形偏转(F)；以及控制单元(20)，当所述涡轮机静止时，所述控制单元(20)构造成当所述传感器(18)测量到所述轴(14C)的变形偏转(F)大于第一预定值(V1)时致动所述驱动系统(24)，以及当偏转(F)小于或等于第二预定值(V2)时停止转动所述轴(14C)，所述第二预定值(V2)小于或等于所述第一预定值(V1)。
2.一种用于控制静止时经受涡轮机运行的余热的所述涡轮机(10)轴(14C)弯曲变形的方法，其中仅当偏转(F)大于第一预定值(V1)时，所述轴(14C)以每分钟0.1到50转之间的转速转动，其中当所述偏转(F)小于或等于第二预定值(V2)时停止转动所述轴(14C)，所述第二预定值(V2)小于或等于所述第一预定值(V1)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在从所述偏转(F)变得大于所述第一预定值(V1)的时间计算的第一预定时间段(T1)之后停止转动所述轴(14C)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在从所述偏转(F)变得小于所述第二预定值(V2)的时间计算的第二预定时间段(T2)之后停止转动所述轴(14C)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述偏转(F)，并根据测量的结果转动所述轴(14C)。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据预定的预测模型转动所述轴(14C)。
7.一种计算机程序，当所述程序在计算机(20)上执行时，其包括用于执行根据权利要求2至6中任一项所述方法的指令。
8.一种计算机能读的记录介质，其上记录有根据权利要求7所述的计算机程序。
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