CN1542259A - 高压涡轮机弹性间隙控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过外壳机械偏转获得对高压涡轮机间隙控制。主动间隙控制系统设置成对在管套(16)附近旋转的叶片(14)起作用。该管套(16)连接到外壳(24)的管套支撑位置上，或者管套悬架(22)上。间隙(18)在该叶片(14)和管套(16)之间是必须的。该叶片(14)尖端和管套(16)围绕有弹性外壳(24)。这个外壳(24)能够不仅根据热膨胀还根据作用在该外壳(24)的内外直径上的压力而径向偏移。

Description

高压涡轮机弹性间隙控制系统和方法
技术领域
本发明涉及高压涡轮机的主动间隙控制系统，更具体地说涉及用于该高压涡轮机的外壳机械偏移。
背景技术
高压涡轮机(HPT)的该主动间隙控制系统(ACC)具有两个基本功能。第一个功能是在过渡操作期间保持叶片和管套的紧密间隙，从而最小化排气的温度(EGT)。第二个功能是在稳态操作期间封闭该尖端间隙，从而增加涡轮机的效率并且减少燃气的消耗。
对于两种类型的设计，即单一级和双级来说，该外壳将根据空气冷却温度阿在外壳的温度上的作用而缩小或者长大。外壳温度的改变导致间隙改变。该间隙系统的热部件是大约30-60秒的缓慢响应偏移。
现有技术的间隙控制系统通过具有在空转时的大的间隙导致了盘片从待起动的空转状态到弹性偏移和叶片热增大。这样的系统需要在稳态时温度改变很大从而减少间隙到最小的水平。可是所希望的外壳温度改变能够超出系统的能力。另外，对于现有技术的系统来说很难及时响应从而克服由于导致翼面与管套的接触或者摩擦的瞬时加速或者再加速(再爆炸)所产生的任何转子弹性延伸。
希望提供一种用于克服现有技术的问题的高压涡轮机的改进的主动间隙控制系统和方法。
发明内容
提出一种系统和方法，其中外壳弹性偏移用于改进高压涡轮机的主动间隙控制。
因此本发明提供了一种用于通过外壳机械偏移获得对高压涡轮机的间隙控制。主动间隙控制设置成对在管套附近旋转的叶片起作用。该管套连接到外壳的管套支撑位置，或者悬架。在叶片和管套之间的间隙是必须的。该叶片尖端和管套用弹性外壳包围。这个外壳能够不仅根据热膨胀还根据作用在该外壳的内外直径上的压力差进行径向偏移。
附图说明
图1简示示出了可以使用本发明的外壳机械偏移技术的类型的单级主动间隙控制系统；
图2简示示出了可以使用本发明的外壳机械偏移技术的类型的双级主动间隙控制系统；
图3示出了根据本发明的薄外壳主动间隙控制；
图4是一个图表，示出了压力和用于空转和巡航状态的转子速度之间的关系；
图5是一个图表，比较了现有技术系统和使用本发明的系统的定子和转子的径向偏移；和
图6示出了根据本发明的薄外壳主动间隙控制的可替换实施例。
具体实施方式
现代的燃气轮机控制系统一般需要用于在运转期间保持叶片和管套间隙和尖端间隙的主动间隙控制系统。对于分别如图1和2所示的单级和双级HPT来说，在叶片14和管套16之间的合适的间隙18是通过控制外壳10的温度来获得的。对于单级高压涡轮机类型来说，该外壳被来自压缩机的中级12的空气加热并且被排放压力源的空气冷却。此外，对于双级高压涡轮机类型来说，第一级涡轮机外壳受到压缩机排放压力空气控制。该第二级受到压缩机的间级放气控制。在合适的时候，该外壳被风机空气冷却以便减少外壳环25的温度。
在图1和2中，叶片14和叶片尖端由于流过该涡轮机的热空气而旋转。该管套16是一个限制了该叶片14尖端和该管套16本身之间的间距和间隙的金属件。该主动间隙控制系统的目标是最小化间隙18。间隙越大，该涡轮机的效率越小。该管套16被悬架22连接到ACC的外壳。外壳的增大导致了管套16径向移动。在现有技术中，该外壳10仅仅通过热膨胀增大。通过本发明，该外壳由于热膨胀和作用在该外壳的外部和内部直径上的压力而偏移。
通过改进涡轮机外壳，如图3所示，本发明提出了一种用于改进现有高压涡轮机主动间隙控制系统。根据本发明，该弹性外壳24将是连续的360度的壳，该壳的弹性足够由于作用在外壳外径上的压力Plow和作用在该外壳24的内径上的压力Phigh之间的差而径向偏移。该外壳24的弹性将通过使得在支撑该悬架的位置中的平均厚度很薄来获得，从而该外壳弹性偏移比现有技术增大了。尽管具体的厚度可以改变，但是在现有技术中，在该管套支架连接到外壳的位置处外壳的厚度将大致比本发明提出的厚，而现有技术的结构因此具有可以忽略的外壳偏移。在本发明的优选实施例中，通过除去外壳环25，该厚度将比现有技术的薄，一般仅仅作为示范在大致0.1inch-0.2inch数量级，或者以其它方式明显地比现有技术的1-2英寸的厚度薄。然而对于本领域普通技术人员来说很明显该厚度可以超过优选实施例的厚度改变，但是仍然是比现有技术的薄而且不离开本发明的范围。对于现有系统来说，通过管套悬架22该管套16将连接到外壳24上。该管套和外壳将用高温合金制成。
通过使用本发明，该叶片14对管套16的间隙18在外壳24由于压力导致的径向偏移时而改变。叶片尖端对管套的间隙取决于作用在外壳的压力大小。作用在该外壳上端压力取决于该燃气轮机的运转状态。下面参照图4，示出了压力和速度的关系。本发明还利用这个压力和速度，导致了图5所示情况。在图4中，在燃气轮机空转时在区域26处压力最小。在区域28中在低高度处的高功率期间压力达到最大。在巡航状态，在区域30中，当燃气轮机处于高的高度位置时，该压力将减少(-30％改变)，而速度保持差不多恒定(-10％变化)。根据图4中所示的压力速度之间的关系，当燃气轮机从空转到起动状态时，间隙将增大。这个压力与速度的关系将允许系统弥补一些盘片的弹性延伸和叶片的热膨胀，而不必在空转时具有大的间隙。此外，在高的高度处，作用在该外壳上的压力将减小，从而导致外壳减小而转子速度的改变很小，因此保持高的弹性延伸。这将导致相对于现有技术的系统所需的间隙，在巡航时间隙较小。
本发明利用压力和速度的关系。图5示出了在本发明的弹性外壳用于单级和双级高压涡轮机时定子和转子的偏移。该外壳的弹性由图5中的点划线表示。现有技术的定子响应用线34表示，指出了热膨胀。对于本发明和现有技术的转子响应用线36表示，示出了在空转，增速和巡航期间盘片弹性延伸和叶片的热膨胀。本发明将提供防止翼面和管套由于瞬时增速(再爆炸)导致的接触的保护。在允许外壳偏移以避免翼面与管套接触(摩擦)的瞬时增速期间几乎与转子的速度同时压力增加。
参照附图6，用于薄的外壳主动间隙控制的可替换实施例可以通过改进导致在运转时间中翼面尖端损失使用该外壳的弹性偏移。该可替换的实施例包括与外壳外直径有关的条带38。该条带最好包括任何合适的高温合金或者涂层。该条带的厚度大小取决于翼面材料的损失。该条带将导致同样的翼面材料损失下外壳弹性偏移变小。
尽管本发明已经参照优选实施例描述，本领域普通技术人员将理解到在不离开本发明的范围下可以进行多种改变并且可以用等价物替代其中的部件。另外在不离开本发明的基本范围下可以进行许多改进以调整具体的情况以适应于本发明的教导。因此本发明不受实施本发明的最好的构思所公开的实施例的限制，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内地任何实施例。
        部件表10.高压涡轮机外壳12.压缩机中级14.叶片16.管套18.间隙，余隙22.管套悬架24.弹性外壳25.外壳环26.空转状态区28.大功率低空区30.巡航状态区32.表示外壳弹性的虚线34.现有技术定子的响应线36.转子的响应线38.条带

Claims (10)

1.一种控制燃气涡轮机中的间隙的方法，包括如下步骤：
提供作用于一个叶片(14)上端主动间隙控制系统，该叶片(14)在至少一个管套(16)附近旋转，至少一个管套(16)具有相连的管套悬架(22)，其中在所述的至少一个叶片(14)的尖端和所述的至少一个管套(16)之间的间隙(18)是必须的；和
用弹性外壳(24)围绕叶片(14)尖端和管套(16)，其中该外壳(24)能够根据热膨胀和作用在该外壳(24)的内外直径上的压力差而径向偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将条带(38)连接到导致在运转期间叶片(14)尖端损失的外壳(24)外直径的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中提供主动间隙控制系统的步骤还包括提供单级主动间隙控制系统的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中提供主动间隙控制系统的步骤还包括提供双级主动间隙控制系统的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中用弹性外壳(24)围绕叶片(14)尖端和管套(16)的步骤还包括在燃气轮机运转期间提供具有弹性偏移的弹性外壳(24)。
6.一种用于控制燃气轮机中的间隙的系统，包括：
用于作用于至少一个在至少一个管套(16)附近旋转的叶片(14)上的主动间隙控制系统，所述的至少一个管套(16)具有相连的管套悬架(22)，其中在所述的至少一个叶片(14)的尖端和所述的至少一个管套(16)支架的间隙(18)是必须的；和
围绕该叶片(14)尖端和管套(16)的弹性外壳(24)，其中该外壳(24)能够根据作用在该外壳(24)的内外直径上端压力差而径向偏移。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括连接到导致运转期间叶片(14)尖端损失的外壳(24)的外直径上的条带(38)。
8.根据权利要求6所述的系统，其中该主动间隙控制系统包括单级主动间隙控制系统。
9.根据权利要求6所述的系统，其中该主动间隙控制系统包括双级主动间隙控制系统。
10.根据权利要求6所述的系统，其中该弹性外壳(24)包括具有在燃气轮机运转期间的弹性偏移的弹性外壳(24)。
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