CN1847624B - 转动涡轮定子环的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一个涡轮中配置圆周方向热带状态效应的一种方法包括将一个控制信号传送至一个转动体，根据该控制信号利用该转动体，使一个定子环转动。

Description

转动涡轮定子环的方法和装置

发明领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮发动机的定子。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压，并与燃料混合和在燃烧室点火，产生具有高温的燃烧气体。在涡轮的多个级中从该燃烧气体提取能量。该涡轮供给该压缩机动力，并作有用功，例如驱动-发电机以产生电力。

由于在工作过程中，涡轮连续地暴露在燃烧气体中，因此需要冷却涡轮零件。从该压缩机排出一部分压力空气并使该部分压力空气通过涡轮零件常可提供冷却空气，以完成涡轮零件的冷却。然而，由于在该压缩机中已对冷却空气作了有用功，该冷却空气对于总的涡轮性能非常需要。因此，对于将用于喷嘴冷却的排出空气量保持最小出于涡轮性能考虑，是所希望的。

一个典型的燃气涡轮直接从燃烧室接收燃烧气体，并包括一个初始级定子和一个相应的初始级转子。该初始级转子具有从一个支承轮盘径向向外伸出的多个转子叶片或翼面。围绕每一个定子级周围配置的喷嘴，将燃烧气体流引向一排相应的转子叶片。在燃烧气体通过该初始级定子和该初始级转子后，随后一级的定子引导该燃烧气体通过从相应的随后一级转子伸出的相应一排转子叶片。该随后一级的定子接收的燃烧气体的温度比该初始级定子低，因此具有不同的冷却要求。另外，在初始和随后的定子级的每一级内，各别喷嘴常常接收不同温度的燃烧气体。

涡轮的喷嘴被设计成耐用的，其总的寿命用小时和/或工作循环衡量。由于在工作过程中，喷嘴受到各种不同温度的效应，这会在喷嘴上产生热应力，因此很难达到这种长寿命。另外，喷嘴受到温度驱动的氧化或腐蚀，并且受到由温度和热应力两者驱动的涂层剥落(当使用时)的效应。需要适当的喷嘴冷却，以限制热应力和金属的最高温度，以便保证使用寿命。然而，通过每一个喷嘴的燃烧气体的温度分布和传热系数变化大，从而增加提供适当的喷嘴冷却的困难。

保证每一个喷嘴都有适当的喷嘴冷却是一个困难的问题。在一个特定的级内，涡轮的局部区域经常是高温。燃烧出口温度在圆周方向和径向方向的变化形成局部的高温区域。相对于周围区域温度最高的区域称为热带(hot-streak)。热带的位置及其动态特性不容易预测，这样，对热带区域加以充分的冷却有问题，并且可能是比较昂贵的，因为经常需要复杂的冷却装置。一般说来，圆周方向热带的存在对转子叶片的影响不是很大，因为由于转子叶片的回转，它们暴露在与热带相应的温度中有限。然而，一个特定的定子级的喷嘴可以长时间地暴露在热带状态下，并耐受高温和热应力，这会缩短喷嘴寿命。

由于必需要考虑热带状态，因此，一般喷嘴设计工程师将所有喷嘴设计成可以承受与暴露在热带状态下有关的最坏情况的温度。另外，开发了在运转一定的小时数以后检查和更换喷嘴的维修技术，或取出喷嘴和交换它们的位置，以便使喷嘴之间零件的累计寿命消耗均衡。设计一个可以长期暴露在热带状态下的适应最坏情况的喷嘴需要附加的花费和/或需要冷却流动。另外，需要定期的更换或重新安置喷嘴的维修技术会增加花费和装置停机时间，并且需要附加的冷却流动会降低涡轮的性能。

因此，需要开发一种可减少热带状态对涡轮设计的影响，以减少涡轮冷却的需要，从而可以降低喷嘴制造费用，减少由于检查或更换喷嘴造成的涡轮停机时间，并提高涡轮性能的方法和装置。

发明概述

本发明的示例性实施例包括配置涡轮中圆周热带状态效应的方法。该方法包括根据控制信号，将控制信号传送至一个转动体，利用该转动体使一个定子环转动。

本发明的另一些示例性实施例包括具有可根据控制信号转动的一个涡轮定子级的涡轮。

本发明的另一个示例性实施例包括使定子喷嘴转动的装置。该装置包括一个涡轮和一个转动体。该涡轮包括可根据控制信号转动的一个涡轮定子级。该转动体工作时可与该定子级连通，并根据控制信号转动该定子级。

本发明的上述和其他目的，特点与优点从下面结合附图的说明中将可了解。图中相同的标号表示相同的零件。

附图的简要说明

现参见附图，其中相同的零件在几个图中的标号相同。

图1为根据一个示例性实施例，沿着涡轮的纵轴线所取的涡轮的截面图；

图2为表示根据一个示例性实施例的涡轮定子级的透视图的沿着径向轴线所取的涡轮切开的截面的一部分；

图3为根据一个示例性实施例，表示转动一个涡轮定子环的装置的方框图；和

图4为根据一个示例性实施例，表示转动一个涡轮定子环的方法的方框图。

优选实施例说明

图1为根据一个示例性实施例，沿涡轮的纵轴线所取的涡轮的截面图，图2为根据一个示例性实施例，表示一个涡轮定子级的透视图的沿着径向轴线所取的切开涡轮的截面的一部分。参见图1和图2可看出，涡轮100包括一个涡轮壳体10，第一级定子12，第一级转子14，第二级定子16，第二级转子18，第三级定子20和第三级转子22。定子和转子级12～22在该涡轮壳体10内交替地配置，使得第一、第二和第三级定子12、16和20中的每一个都分别靠近该第一、第二和第三级转子14、18和22中相应的一个。虽然这个示例性实施例的涡轮100包括三级定子和转子，但应注意，采用此后讨论的原理，可以使用任何数目的级。

第一、第二和第三级转子14、18和22中的每一个转子包括一个安装在一个轴(没有示出)上的支承轮盘30和转子翼面34。该转子翼面34用机械方法与该支承轮盘30连接，使得该支承轮盘30可根据从燃烧气体或在该转子翼面34上通过的另一种工作流体产生的力，与该轴一起转动。然后，该轴的转动作为输出传递，供给压缩机(没有示出)动力和在发动机或发电机中产生有用功。

在一个示例性实施例中，该第一、第二和第三级定子12、16和20中的每一个定子包括定子翼面或喷嘴38和一个定子环40。该第一、第二和第三级定子12、16和20中的每一个定子的喷嘴38用机械方法与一个相应的定子环40连接。该第一、第二和第三级定子12、16和20的喷嘴38分别配置成靠近该第一、第二和第三级转子14、18和22的相应的转子翼面34。这样，从该第一、第二和第三级转子14、18和22中的每一个转子的透视图看基本上为静止的喷嘴38将燃烧气体流引导至相应的转子翼面34上面。在一个示例性实施例中，该第一、第二和第三级定子12、16和20中的每一个定子对从燃烧气体或另一种工作流体来的力没有响应。

图3为根据一个示例性实施例，表示转动该定子环40的装置的方框图。现参见图1～3可看出，在这个示例性实施例中，该定子环40可转动地安装在该涡轮壳体10内。一个转动体44工作时与该定子环40连通。该转动体40工作时可与多于1个定子环40连通。该转动体44为根据从控制器48发出的控制信号46，使该定子环40转动的一个装置。在一个示例性实施例中，该定子环40是可转动的，它可围绕着涡轮100的纵轴线缓慢地转动，以保证从该第一、第二和第三级转子14、18和22中的每一个转子的透视图看，该喷嘴38似乎基本为静止的。虽然，该定子环40的任何空气动力学上可行的转动速度是可能的，但在另一个示例性实施例中，该定子环40以小于大约1转/分(RPM)的速度转动。该定子环40沿箭头50所示方向转动，但任何转动方向都可以。

在一个示例性实施例中，该转动体44包括多个适当的装置中的任何一个，以形成一个转动该定子环40的力。适当的转动体44的例子包括(但不限于)一个电机，一个棘轮组件和一个燃烧发动机。该转动体44可以安置在该涡轮100上或远离该涡轮100，并可通过一系列的轴，和齿轮，皮带等与该涡轮100保持工作联系。另外，该转动体44可通过具有许多轴和减速齿轮等的一个驱动组件，从该涡轮100的输出中取得动力。该转动体44可根据从控制器48发出的控制信号46，提供转动该定子环40的力。在另一个示例性实施例中，该定子环40可以由从工作流体(例如燃烧气体)产生的力而转动，并且，该转动体44响应主动或被动的控制信号46，形成一个阻力使该定子环40慢慢转动。另外，应当注意，图1只表示具有该定子环40的第一级定子12，该定子环40可配置在希望转动的每一个定子级上。

该控制器48提供驱动该转动体44和因而转动该定子环40的控制信号46。该控制器48包括许多适当的装置中的任何一种，以形成对转动体44的控制信号46。一个适当的控制器48的例子包括(但不限于)一个定时器，一个延迟器，一个逻辑电路，一个速度调节器和可由操作者控制的一个外部作动器(例如开关)。在一个示例性实施例中，使用定时器在选择的时间间隔上，通过电机使该定子环40转位或转动。在另一个示例性实施例中，在棘轮工作时间由一个延迟器控制的一个棘轮组件使该定子环40转位。在另一个示例性实施例中，一个逻辑电路根据选择的标准，引导电机，使该定子环40转位。在另一个示例性实施例中，该定子环40以固定的差动速度，通过由一个速度调节器控制的电机，相对于转子级的转速转动。在又一个示例性实施例中，操作者起动一个开关，使多个轴和齿轮接合，以转动该定子圆机40。虽然没有列举，其他的例子也是可能的。

该控制信号46可利用电气、机械、光学或流体转动体传送至该转动体44。该控制信号46为一个连续施加的信号，例如连续转动一接通延迟的棘轮或为一个离散施加的信号，例如具有一个回转位置和一个不回转位置的弹簧加载的开关。该控制信号46可以为主动的或被动的。

图4为根据一个示例性实施例，表示配置在一个涡轮中的圆周方向的热带状态的效应的方法的方框图。该方法包括在方框60；将控制信号传送给转动体；和在方框62，根据该控制信号，利用该转动体使定子环转动。

通过转动该定子环40，圆周方向热带效应在喷嘴38之间均匀配置。这样，喷嘴38的设计考虑不要求设计者设计能承受圆周方向热带状态的昂贵的喷嘴。另外，冷却要求可以降低或简单，这样可节约成本和/或提高涡轮的性能。另外，还可避免旨在喷嘴38之间均匀地配置圆周方向热带效应的复杂和费时的维修工作。

该转动体44工作时还可与一个或多个定子环40连通。另外，转动体44的数目可以小于或等于定子环40的数目。由于最靠近燃烧室出口的涡轮零件较大程度上受到圆周方向热带状态的影响，并且当离燃烧室的距离增加时，一般冷却的要求降低，因此希望可以只转动最靠近燃烧室出口的定子级的定子环40，如图1所示那样。另外，在一个示例性实施例中，只在该涡轮100离线期间，该控制器48才将控制信号46加在转动体44上。在另一个示例性实施例中，在该涡轮100在线期间，该控制器48将控制信号46加在该转动体44上。

虽然参照示例性实施例说明了本发明，但技术熟练的人知道，在不偏离本发明的范围的条件下，可作各种改变，并且可用等同零件代替其零件。另外，在不偏离本发明的基本范围的条件下，可作许多改进，以适应本发明所述的情况或材料，因此，本发明并不仅限于其优选实施例，本发明包括在所附权利要求书范围内的所有实施例。另外，使用术语“第二，第二等”不表示任何次序或重要性，而使用这些第一，第二等术语是为了使零件互相区别。另外，使用术语“一个等等”并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所述的零件。

零件清单

10    涡轮壳体

12    第一级定子

14    第一级转子

16    第二级定子

18    第二级转子

20    第三级定子

22    第三级转子

30    支承轮盘

34    转子翼面

38    定子翼面或喷嘴

40    定子环

44    转动体

46    控制信号

48    控制器

60    方框

62    方框

100   涡轮

Claims (10)

1.一种在涡轮中配置圆周热带状况的效应的方法，该方法包括如下步骤：

将一个控制信号传送至一个转动体；

响应于该控制信号，利用该转动体使具有多个定子喷嘴的定子环转动；和

在涡轮的操作期间，将圆周热带在所述定子环的多个所述定子喷嘴之间均匀配置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征为，使该定子环转动包括通过该转动体将旋转力传递至该定子环。

3.如权利要求1所述的方法，其特征为，使该定子环转动包括使该定子环围绕该涡轮的纵轴线转动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征为，还包括在控制器上产生该控制信号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征为，在该控制器上产生该控制信号包括下列步骤中的至少一个：

产生一个连续的控制信号；和

产生一个离散的控制信号。

6.一种涡轮，包括：

具有多个定子喷嘴的定子级，在涡轮操作期间，所述级可根据控制信号转动，以将圆周热带在多个所述喷嘴之间均匀配置。

7.如权利要求6所述的涡轮，其特征为，还包括靠近该定子级配置和可根据工作流体流动而转动的转子级；其中该定子级以选定的差动速度相对于该转子级的转动速度转动。

8.如权利要求6所述的涡轮，其特征为，该定子级被设计成连续地转动。

9.如权利要求8所述的涡轮，其特征为，该定子级以小于1转/分的速度连续地转动。

10.如权利要求6所述的涡轮，其特征为，该定子级可在离散的间隔转动。

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