TW201623779A - 具有輻射加熱器的燃氣渦輪機空隙控制 - Google Patents

Abstract

一空隙控制系統包含：一電氣輻射加熱器(62a、62b、62c、62d)，其被支撐到渦輪引擎(10)之外殼體(53)的徑向內表面；及一吸收表面(28s、50s)，其形成在延伸通過引擎(10)之外流路疆界(29)的徑向往外面對側。一控制器(92)對輻射加熱器(62a、62b、62c、62d)通電，以產生紅外線放射，紅外線放射通過充氣室(40b、40c、68a、68b)且在吸收表面(28s、50s)被吸收，以達成外流路疆界(29)之加熱，因而增加外流路疆界(29)與在引擎(10)內支撐於轉子(34)上轉動之葉片(32、56)之尖端之間的空隙。

Description

具有輻射加熱器的燃氣渦輪機空隙控制

本發明係關於燃氣渦輪引擎，尤其係關於一種用於控制燃氣渦輪引擎中固定元件與旋轉元件之間的空隙之系統及方法。

燃氣渦輪引擎通常包含有壓縮機部、燃燒器部、渦輪機部及排氣部。在操作時，壓縮機部會吸入周圍空氣並將其壓縮。來自壓縮機部的已壓縮空氣進入燃燒器部中之一或多個燃燒器。已壓縮空氣在燃燒器中與燃料混合，且空氣-燃料混合物可在燃燒器中燃燒以形成熱工作氣體。熱工作氣體被引導至渦輪機部，在此膨脹通過靜止翼片及旋轉翼片之交錯列，且用來產生動力以驅動轉子。從渦輪機部排出的膨脹後氣體隨後從引擎通過排氣部排出。

壓縮機部及渦輪機部包含許多區域，其中在旋轉元件與固定元件之間有間隙或空隙。在引擎運轉期間，通過壓縮機部及渦輪機部中的間隙之流體洩露會造成系統損失，使渦輪引擎之運轉效率小於理論最大值。例如，流體洩露會產生在旋轉翼片之尖端與如外覆或葉 片載體的周圍靜止結構之間。故希望有小的間隙以保持空氣洩露至最小。但是，永遠維持旋轉與固定元件之間的間隙係很關鍵的事。旋轉與固定元件之其中任何一個的摩擦會導致相當的元件損害、性能降低、及持續的運轉中斷。由於支撐旋轉葉片的轉子之熱慣性與如外覆或葉片載體的靜止結構之熱慣性的差異，間隙的大小在引擎暫態運轉期間可改變。因為葉片載體之熱慣性遠小於轉子之熱慣性，葉片載體比轉子具有較快的熱反應時間且可更快地反應於(經由膨脹或收縮)溫度的變化。

依照本發明之一實施形態，係說明用於燃氣渦輪引擎之空隙控制系統。引擎具有壓縮機、燃燒器、及渦輪機，且空隙控制系統控制旋轉葉片與鄰接旋轉葉片之尖端的外流路疆界之間的空隙。空隙控制系統包括安裝在引擎外殼之徑向內側的外流路疆界，以形成燃氣流通過引擎之的外疆界，及形成在外殼與外流路疆界之間的至少一個充氣室。一電氣輻射加熱器被支撐到外殼之徑向內表面，且一吸收表面被形成在外流路疆界之徑向往外面對側。吸收表面具有對輻射加熱器之直接視線且接受來自於輻射加熱器之輻射熱傳遞。一控制器可運作用來對輻射加熱器通電，以產生紅外線放射，紅外線放射通過充氣室且在外流路疆界處被吸收，以達成外流路疆界之加熱。

外流路疆界可包含一葉片載體。

輻射加熱器可具有100kw之功率輸出，以在一小時的期間提高葉片載體之溫度到240℃。

輻射加熱器可在至少約500℃的溫度下運轉，以產生紅外線放射。

輻射熱傳遞之輻射視圖因素(radiation vicw factor)可為0.6或以上。

一反射器結構可被安裝成與輻射加熱器之至少一端鄰接且從輻射加熱器之至少一端沿徑向往內延伸，以將紅外線放射從輻射加熱器朝向外流路疆界反射。

吸收表面可為非反射表面。

一入口擋板被安裝到壓縮機入口，此入口擋板可在一打開位置與一關閉位置之間移動，打開位置係在燃氣渦輪引擎之運轉期間可使空氣流入壓縮機，而關閉位置係在輻射加熱器操作期間限制空氣流入壓縮機。

輻射加熱器可包含安裝在壓縮機及渦輪機兩者中的複數個輻射加熱器。

複數個輻射加熱器可包含一輻射加熱器，位於燃燒器之燃燒器殼體內且產生紅外線放射以達到支撐渦輪之第1列葉片的葉片載體之加熱。

依照本發明之另一實施形態，一種被提供用來操作一具有壓縮機、燃燒器、及渦輪機之燃氣渦輪引擎的方法，以控制旋轉葉片與鄰接旋轉葉片之外尖端與引擎中燃氣流路的外流路疆界之間的空隙。此方法包括：設置支撐在引擎外殼之內表面上的電動輻射加熱器，輻射加熱器提供紅外線放射；在啟動引擎之前，對 輻射加熱器通以電能，以提供輻射熱傳遞到安裝在外殼之徑向內側的外流路疆界之一部分；且隨後，將外流路疆界加熱，啟動引擎。

一提供輻射熱傳遞到外流路疆界之一部分的步驟可包含對輻射加熱器通電以加熱壓縮機中之一葉片載體一既定時間段，且隨後對另一輻射加熱器通以電能以加熱渦輪機中之一葉片載體。

既定的時間段可大於一小時。

在渦輪機之輻射加熱器被通以電能之後的既定時間，壓縮機之輻射加熱器可被關閉，而渦輪機之輻射加熱器仍保持通電。

提供輻射熱傳遞到外流路疆界之一部分的步驟可包含在壓縮機與渦輪機之間的空氣排放管線關閉下對輻射加熱器通電以加熱壓縮機中之一葉片載體，且隨後打開空氣排放管線以提供從壓縮機到渦輪機之溫暖空氣流。

輻射加熱器可在支撐葉片的轉子之溫度大於外流路疆界之溫度時關閉渦輪機之後通電。

位於壓縮機之入口的入口擋板可從一開放位置移動到一關閉位置，此關閉位置係當輻射加熱器被通電時限制空氣流入壓縮機中。

輻射熱傳遞之輻射視圖因素可為0.6或以上。

來自輻射加熱器的紅外線放射之一部分可藉安裝成與輻射加熱器之至少一端鄰接且從輻射加熱器之至少一端沿徑向往內延伸的反射器結構朝向外流路疆界反射。

輻射加熱器可具有100kW之功率輸出且可在至少約500℃的溫度下操作，以在一小時的加熱期間提高葉片載體的溫度至240℃。

10‧‧‧燃氣渦輪

12‧‧‧壓縮機部

14‧‧‧燃燒器部

16‧‧‧燃燒器

18‧‧‧渦輪機部

20‧‧‧排氣歧管

24‧‧‧引擎之縱軸心

26‧‧‧壓縮機外殼體

28‧‧‧葉片載體

28a‧‧‧葉片載體的內表面

29‧‧‧徑向外疆界

30‧‧‧靜止葉片

32‧‧‧旋轉葉片

32a、56a‧‧‧葉片外端

34‧‧‧轉子組合

36‧‧‧流路

38‧‧‧入口

40、40a、40b、40c‧‧‧分氣室

42a、42b、42c‧‧‧空氣排放通道

44‧‧‧燃燒器殼體

46‧‧‧燃燒器外殼

48‧‧‧過渡風道

50‧‧‧葉片載體

28s、50s‧‧‧吸收表面

52‧‧‧渦輪機外殼體

53‧‧‧引擎之外殼體

54‧‧‧靜止渦輪葉片

55‧‧‧外護罩或環段

55a‧‧‧環段之內表面

56‧‧‧引擎旋轉渦輪葉片

58‧‧‧渦輪轉子圓盤

60‧‧‧輔助加熱單元

62‧‧‧紅外線加熱器

62a、62b‧‧‧第1及第2壓縮機部加熱器

62c、62d‧‧‧第1及第2渦輪機部加熱器

68‧‧‧冷卻空氣充氣室

70‧‧‧反射器結構

70s‧‧‧反射表面

72‧‧‧非反射性塗層

74‧‧‧空氣風道系統

76a、76b、76c‧‧‧空氣排放風道

78a、78b、78c‧‧‧空氣排放口的第1端

82a、82b、82c‧‧‧控制閥

84‧‧‧入口擋板

86‧‧‧可變入口導葉片及可變靜子葉片

92‧‧‧控制器

雖然本說明書以特別指定的申請專利範圍結尾且明確地申請本發明之申請專利範圍，但是相信本發明可由參照附圖之下列說明而更令人了解，附圖中類似的符號表示類似的元件。

第1圖係顯示本發明之實施形態的燃氣渦輪引擎的橫剖面視圖。

第2A圖係類似於第1圖的放大橫剖面視圖，顯示依照本發明之引擎的壓縮機部中的紅外線加熱器。

第2B圖係類似於第1圖的放大橫剖面視圖，顯示顯示依照本發明之引擎的渦輪機部中的紅外線加熱器。

第3A圖係顯示無預熱操作的引擎中之空隙的變化曲線圖。

第3B圖係通過依照本發明之實施形態的預熱操作的控制，顯示引擎中之空隙的變化曲線圖。

第4圖係包含本發明之實施形態的空隙控制系統的控制之燃氣渦輪引擎的概圖。

在較佳實施例之下列詳細說明中，請參考成為本發明具以實施之較佳實施例之一部分的附圖，附圖在此係說明用而非限制用。須了解，其他實施例可被應用，且在不違離本發明之主旨及範圍內可從事其他變化。

參考第1圖，顯示本發明之實施形態的燃氣渦輪引擎10。引擎包含有壓縮機部12、包含複數個燃燒器16(僅一個被顯示)之燃燒器部14、及渦輪機部18。須提及者，在此所示之引擎10包括一燃燒器16之環狀陣列分佈在形成引擎10之軸向的引擎10之縱軸心24周圍。此一結構通常被稱為「環筒形(can-annular)燃燒系統」。

另參照第2A圖，壓縮機部12包括圍住許多壓縮機元件的壓縮機外殼體26，壓縮機元件包含由形成在外殼體26之內側的內部結構所支撐的葉片載體28。靜止葉片30從葉片載體28上獲得支撐，且旋轉葉片32支撐在一轉子組合34上且對葉片30位於交錯的關係以形成壓縮機段。葉片30及葉片32徑向延伸通過自在壓縮機部12之上游端的入口38延伸到排氣歧管20的流路36。

如第2A圖中清楚顯示，葉片32包含徑向外葉端32a，此外葉端32a在非常靠近葉片載體28的內表面28a處旋轉。葉片載體28的內表面28a在壓縮機部12內的流路36形成一徑向外疆界29。又，分氣室40被形成在葉片載體28之至少某些與外殼體26之間，且包括有環狀室或腔室在外殼體26周圍延伸。在圖示實施例中，3個分氣室40a、40b、40c位於壓縮機部12內之軸向下游位置。各空氣排放通道42a、42b、及42c連接分氣室40a、40b、40c與流路36做流體連通。空氣排放通道42a、42b、42c可由形成在鄰接的葉片載體28之間的 徑向延伸之間隙所形成，用於從流路36排放一部分壓縮空氣到分氣室40a、40b、40c內。

參照第1圖，燃燒器部14包含在燃燒器外殼46內形成之從壓縮機部12接收在此被稱為「殼體空氣」之壓縮空氣的燃燒器殼體44。殼體空氣通過各燃燒器16用與與燃料燃燒而產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體通過與每一個燃燒器16相連的過渡風道48到渦輪機部18。

渦輪機部18包含支撐在渦輪機外殼體52的葉片載體50。壓縮機外殼體26、燃燒器外殼體46、及渦輪機外殼體52聚集形成引擎10之外殼體53。靜止渦輪葉片54被支撐在葉片載體50上且徑向往內延伸通過流路36。葉片載體50另外支撐外護罩或環段55，安裝成與葉片54之外端壁成軸向交互配置，以形成流路36之徑向外疆界29。旋轉渦輪葉片56被支撐在各渦輪轉子圓盤58上與葉片54成交錯配置，以形成渦輪機部18之各級。旋轉渦輪葉片56徑向往外延伸通過流路36，且葉片56之徑向外端56a位於鄰接環段55之內表面55a。熱燃燒氣體膨脹通過渦輪機部18之各級以提取能量，且來自燃氣之被提取能量的至少一部分使轉子34旋轉，且在引擎10之運轉的功率產生模式，在此被稱為「運轉之第1模式」之期間產生一功輸出。

須提到的是，壓縮機部12之葉片載體28可包括多件式，如兩個半圓柱在葉片尖端32a的路徑周圍形成一個環。同樣地，渦輪機部18之葉片載體50可包括多個段，以在葉片尖端56a的路徑周圍形成一個環。 除此之外，本發明之實施例可被應用到可包括葉片載體28、50或均等構造之任何結構，此結構形成或支撐形成位於緊靠延伸在流路36中之旋轉葉片32、56之尖端的靜態結構之一外疆界。例如，亦可了解到，本發明並不限制於用來說明圖示之實施例的特定名詞，其中名詞「葉片載體」可被了解為包括「葉片段」或「葉片環」，且此結構可包含做為「環段」、「護罩」、「護罩段」之支件及類似結構。

葉片載體28、50之直徑及旋轉葉片32、56之長度被設計成，在引擎啟動時，葉片32、56之尖端32a、56a並不接觸由葉片載體28、50或均等構造，例如環段55，所形成的靜態結構之內表面28a、55a、。然而，如下面將更詳細說明者，尖端32a、56a與葉片載體28、50之間的間隙，由於葉片載體溫度的增加而可在短暫的運轉期間增加。

在起初引擎啟動(冷啟動)的期間，渦輪葉片56由於撞擊在葉片56的熱工作氣體及作用在葉片56上的離心力造成溫度的快速提高而沿徑向快速地膨脹。同時在啟動時，因為葉片載體28、50的溫度增加，壓縮機部12及渦輪機部18之葉片載體28及50快速沿徑向膨脹從各葉片32、56之葉片尖端離開，通常在尖端32a、56a造成一間隙，此間隙比用於防止或限制二次氣體流通過尖端32a、56a的最適間隙更大。在引擎啟動期間，不包含如下所述的預熱之情況，葉片載體28、50會以比葉片32、56的徑向往外膨脹速率更慢的速率膨脹，以實 質上減少葉片32、56與葉片載體28及環段55之各內表面28a、55a之間的間隙或空隙。同時，在引擎之暖機再啟動的期間，葉片與葉片載體中之間隙的減少，由於與葉片載體28、50比較具有相關較高溫度的轉子組合之相當高的熱慣性而加劇，其中轉子組合34由於葉片32、56之相關熱膨脹比周圍葉片載體28、50大而可保持熱更長久，使得空隙大致減少。因而，當葉片尖端32a、56a與外流動疆界29的內表面之間的空隙在最小的情況，暖機再啟動表示一極限暫態空隙情況。葉片尖端32a、56a與外流動疆界29的內表面之間的空隙隨後被稱為「空隙」。

依照本發明之一較佳實施形態，形成流路36之外疆界29的結構之一或多個部分可藉輻射熱能之熱源加熱，以快速地調整外疆界29的溫度且避免干涉，即與相鄰的旋轉葉片尖端32a、56a接觸。參照第2A圖，一輔助加熱單元60可被設置用來供給熱到徑向外流動疆界29，其中從輔助加熱單元60供給的熱可與引擎10的操作狀態無關而供給。

輔助加熱單元60包括一或多個紅外線加熱器，如圖中顯示為第1及第2壓縮機部加熱器62a、62b及第1及第2渦輪機部加熱器62c、62d(第1圖)，且在此總稱為「紅外線加熱器62」。又，須了解，雖然在本實施例中係以特定加熱器62a、62b、62c、62d說明，但是本發明並不限定於此數量之加熱器，可設置更多或更少的加熱器。

參照第2A圖，紅外線加熱器62可被支撐到壓縮機部12及渦輪機部18之個別外殼體26、52的內部表面。尤其，第1壓縮機部加熱器62a可位於外殼體26之內部表面且面對分氣室40b內之葉片載體28的徑向往外面對的吸收表面28_s，且第2壓縮機部加熱器62b可位於外殼體26之內部表面且面對分氣室40c內之葉片載體28的徑向往外面對的吸收表面28_s。

參照第2B圖，第1渦輪機部加熱器62c可被支撐於燃燒器殼體46之一內部表面且面對鄰近渦輪機部18之第1段的燃燒器殼體44內之葉片載體50的徑向往外面對的吸收表面50_s。第2渦輪機部加熱器62d可被支撐於渦輪機殼體52之一內部表面且面對鄰近渦輪機部18之第2段的冷卻空氣充氣室68a內之葉片載體50的吸收表面50_s。

紅外線加熱器62被設置成相對於流路36之徑向外疆界29的表面成隔開的關係，此表面係安裝成用來直接從紅外線加熱器62之個別體接收熱能。亦即，葉片載體表面28_s係沿著來自第1及第2壓縮機部加熱器62a、62b的直接視線而安裝在各分氣室40b、40c內，而葉片載體表面50_s係沿著來自第1及第2渦輪機部加熱器62c、62d的直接視線而分別安裝在各燃燒器殼體44及冷卻空氣充氣室68a內。

紅外線加熱器62較佳為電力輻射加熱器，構成用來以輻射能量方式產生高熱能輸出，以快速地加熱葉片載體28、50，藉此而在引擎10之暖機再啟動期間 維持最小的空隙。被葉片載體28、50吸收的輻射熱能係視下列因素而定：a)紅外線加熱器62所輻射的功率之量，b)輻射視圖因素(radiation view factor)，即實際被葉片載體28、50所接收的紅外線加熱器62之輻射能量的百分比，及c)葉片載體28、50之發射率。

通常，當紅外線加熱器62的溫度越高時，在已知期間內輻射的能量越大。史蒂芬-波茲曼(Stefan-Boltzman)公式預測由黑體表面輻射的功率量係與表面的絕對溫度之四次方成正比，因而溫度少許增加時會引起輻射功率成自然級數之巨大增加。依照本發明之一實施形態，紅外線加熱器62可在約500℃或更大的溫度下操作。「約500℃」之意，係紅外線加熱器62之溫度可在500℃之下變化，如50℃。但是，據信紅外線加熱器62用於加熱葉片載體28、50之最適操作可在500℃及更高的溫度下獲得。

輻射視圖因素係解釋紅外線加熱器62與個別吸收表面28_s、50_s之間的輻射熱傳遞的幾何關係。須提及者，在引擎10之每一處的紅外線加熱器62可沿外疆界29的周圍延伸且具有沿引擎10之縱軸心24方向的軸向尺寸。因而，紅外線加熱器62對個別吸收表面28_s、50_s的幾何關係通常可藉兩有限同心圓柱之間的視圖因素來說明。須了解，兩有限同心圓柱之間的視圖因素可從根據吸收表面28_s、50_s之半徑的已知幾何關係、由位於引擎殼體53之內部表面上個別位置的紅外線加熱器62形成的半徑、及吸收表面28_s、50_s及紅外線加熱器62 之長度來決定。例如，在本實施例中，據信，輻射視圖因素可為0.6與0.8之間，據此對紅外線加熱器62之所有位置，較佳為使視圖因素儘可能靠近0.8。

依照本發明之一實施形態，輻射視圖因素可藉著設置一反射器結構來改善或做最佳化，如第2B圖所示包含有反射表面70_s的反射器結構70，例如可為高度研磨之金屬表面。反射器結構70沿著周圍延伸且被顯示安裝成鄰接於第1渦輪機部加熱器62c之軸向端且從該軸向端沿徑向往內延伸。反射器結構70係定向為用於沿徑向往內引導入射紅外線光波到相關的葉片載體吸收表面50_s。須了解，類似的反射器結構可被安裝在每一個紅外線加熱器62之一或兩端，以使從紅外線加熱器62傳輸到吸收表面28_s、50_s的紅外線光波之視圖因素達到最佳化。

吸收表面28_s、50_s的發射率會影響外疆界29被紅外線加熱器62所加熱之速率。可了解，發射率是說明吸收表面28_s、50_s吸收輻射能量的能力。一般，外疆界29可由形成吸收表面28_s、50_s的金屬製成。且通常具有很低的發射率。但是，依照本發明之一實施形態，吸收表面28_s、50_s的發射率可藉著提供一非反射性塗層來改善或最佳化，如吸收表面28_s、50_s上之非反射性塗層72(第2A及2B圖)。非反射性塗層72例如可為能夠承受外彊界29之高溫的黑體反射性表面處理。此外，該非反射性塗層72可包括一粗糙表面處理，用以抵消反射且促進輻射能量的吸收。

上述紅外線加熱器62可操作在很短時間內將大量的輻射能量輸入到外疆界，以實質地縮短引擎10之暖機時間，且能使引擎10之結構具有較小的空隙以改善引擎效率。例如，用於加熱渦輪機葉片載體50之估計功率需求為約100kW，此係根據提高渦輪機葉片載體溫度至240℃的設計目標以達到約3mm之熱成長，即在1小時的期間達到沿徑向往外方向3mm。提供葉片載體50之3mm的熱成長係期望維持所要的間隙，其中在快速引擎加速期間暫態葉片尖端間隙為約3mm，例如在渦輪機30MW/min之高升載率(ramp rate)期間會發生。

依照本發明之另一實施形態，當暖機再啟動時葉片尖端32a、56a與外疆界29之間空隙的額外控制可藉著在轉動齒輪操作期間控制空氣流經引擎10來實施。由下列說明可了解，葉片載體28、56之加熱係與引擎10之暖空氣取用或空氣流動情況無關地執行。

參照第1圖，一空氣風道系統74被設置成延伸於引擎10之外殼體53的外面介於壓縮機部12與渦輪機部18之間。空氣風道系統74可包含一或多個空氣排放風道從壓縮機部12延伸到引擎10之軸向下游位置，如第1圖中之空氣排放風道76a、76b、76c。空氣排放風道76a、76b、76c軸向地延伸於連接至延伸通過壓縮機外殼體26的各空氣排放口的第1端78a、78b、78c(第2A圖)之間且與分氣室40a、40b、40c相聯。空氣排放風道76a、76b、76c包含與在輪機外殼體52及葉片載體50之間形成的各渦輪機冷卻空氣充氣室68a、68b、68c 相聯的口埠連接的各第2端80a、80b、80c(第2B圖)。空氣風道系統74可在第1模式的操作下運轉，即被通電的渦輪機之引擎運轉，以提供從壓縮機部12到渦輪機冷卻空氣充氣室68a、68b、68c的冷卻空氣。

空氣風道系統74亦可包含閥構造，此閥構造可包括分別位於空氣排放風道76a、76b、76c中的控制閥82a、82b、82c。閥82a、82b、82c在完全打開與完全關閉位置之間可調整，且可包含在完全打開與完全關閉位置之間的複數個局部打開位置，其中閥82a、82b、82c被構成用以提供連續可變化局部打開位置的範圍，以控制流經空氣排放風道76a、76b、76c的流量。閥82a、82b、82c可在引擎10之非動力產生模式(在此稱為第2運轉模式)運轉期間操作，下面將另外進一步說明。閥82a、82b、82c之位置可由一控制器92控制，控制器92亦可包括一用於控制引擎10之其他運轉的控制器，其他運轉包含紅外線加熱器62之操作(見第4圖)。

參照第1圖，到壓縮機12的入口38可設置一入口擋板84。入口擋板84可在虛線表示之入口擋板84的第1之打開位置與實線表示之入口擋板84的第2之關閉位置之間移動。入口擋板84可在例如控制器92的控制下位於第1位置，以在包括引擎10之穩定狀態通電運轉的第1運轉模式期間提供無限制的空氣流，且入口擋板84可定位在第2位置，以在第2運轉模式期間限制空氣流。除此之外，習知的可變入口導葉片及可變靜子葉片，總標示為86，可設置在壓縮機部12之起初 段，用以在如在局部負載運轉期間控制進入引擎10的空氣流，且亦可在第2運轉模式期間移動到關閉位置以限制空氣流動。

紅外線加熱器62可在引擎10之冷啟動之前使用，以使壓縮機及渦輪機葉片載體28、50之其中一個或兩者膨脹，以確保足夠的空隙存在。空氣風道系統74及入口擋板84能在暖機再啟動期間與紅外線加熱器62結合運轉，以減少從葉片載體28、50以對流型式散發的熱量。尤其，在第2運轉模式之轉動齒輪操作期間，例如引擎在關機後尚有溫暖之時暖機啟動的期間，入口擋板84能定位在第2位置，以限制進入壓縮機部12的空氣流，且藉此而減少會冷卻葉片載體28、50的空氣之通過。通常在同時，第1及第2壓縮機部加熱器62a、62b可通以電能以加熱壓縮機葉片載體28。同時在此期間，渦輪機部加熱器62c、62d仍保持不通電且空氣風道系統74之閥82a、82b、82c可關閉，以防止空氣流入渦輪機部18而可能地冷卻渦輪機葉片載體50。因而，減小的空氣流降低對流冷卻且促進由紅外線加熱器62產生之熱的保持。

讓壓縮機加熱溫暖的起初時段可為約1小時或更多，此後，至少閥82b及82c可被打開以使在分氣室40b及40c中藉來自壓縮機部加熱器62a、62b之輻射產生的溫暖空氣通到渦輪機冷卻空氣充氣室68a及68b。此時，渦輪機部加熱器62c、62d可被通電以加熱渦輪機葉片載體50。而且此時或在隨後以預定時間，壓 縮機部加熱器62a、62b可斷電，而渦輪機部加熱器62c、62d繼續加熱渦輪機葉片載體50。在此方面，須提及者，壓縮機部空隙一般比渦輪機部18中的空隙要小，且起初加熱壓縮機葉片載體28提供臨界壓縮機空隙之初期增加，而在渦輪機部18中則維持充分的空隙，以在不造成在啟動時負面地影響引擎效率的過大間隙下避免干涉。

在引擎10被啟動之後渦輪機部加熱器62c、62d仍保持通電，如當引擎暖加熱到穩定狀態溫度時遍及短暫周程的任何部分。須了解，雖然渦輪機部加熱器62c、62d被敘述為具有延遲的致動且壓縮機部加熱器62a、62b則被敘述為當渦輪機部加熱器62c、62d被通電時為斷電，紅外線加熱器62之通電及斷電的特定時點可由維持最小空隙之需要來決定。本發明之一個優點在於，可提供永遠可用之高能量熱源的加熱器結構用以控制空隙，不論引擎之運轉狀態，且不管來自引擎的熱能之可取用性，如暖化空氣。

另外，藉著提供引擎10在短暫周程運轉期間對空隙之改善的控制，穩定狀態的間隙可達到最小。即，引擎10可被設計為以葉片尖端32a、56a與外疆界29之間的較小空隙而運轉，其中，以紅外線加熱器62之操作能產生外疆界29與葉片32、56之間的較小差膨脹。與引擎10之短暫周程運轉相關的空隙之控制的改善被顯示在第3A及3B圖中。第3A圖顯示當引擎在不需要紅外線加熱器提供的預熱下於暖機再啟動時被運轉時，會產生空隙的變化，且其中可看出，當引擎衝刺到在穩定 狀態下運轉時完全的轉速時，短暫周程造成空隙之大致關閉。隨後，空隙增加，造成小於在穩定狀態運轉的最適或所要空隙。第3B圖顯示在暖機再啟動時結合通過引擎之空氣流控制的紅外線加熱器62之操作時會產生的空隙之變化。如第3B圖之曲線所示，空隙起初隨著自紅外線加熱器62之熱輸入而增加，如在轉動齒輪操作期間但是在渦輪機點火之前，且空隙可逐漸且單調地靠近最後穩定狀態運轉之空隙。因此，本發明可提供在引擎衝刺期間維持空隙比穩定狀態空隙更大的環狀載體28、50的膨脹之控制，且此控制能造成減小的空隙以在穩定狀態運轉時有較大的引擎效率。

依照本發明之另一實施形態，紅外線加熱器62可包括複數之個別的受控制加熱器，如受控制器92之控制，此複數個加熱器係安裝於壓縮機部12及/或渦輪機部18之一或多段內的不同周圍位置。安裝於不同周圍位置的紅外線加熱器62可被控制以選擇地提供熱到一段內之特定周圍位置，例如加熱此段之周圍部以選擇地提高在此部之空隙。例如，更多的熱可被施加到與葉片載體28、50之底部相對的葉片載體28、50之頂部，以達到任何所要的周向非對稱頂端空隙，或者在此段內偏置一周向非對稱熱分佈且在葉片載體28、50之周圍維持一均等的間隙。

依照本發明之另一操作實施形態，紅外線加熱器62之操作可被構成符合於引擎10之特定短暫條件。例如，當引擎10進入局部負載運轉之低負載一氧化 碳(LLCO)模式時，紅外線加熱器62可被操作以在轉變到LLCO期間維持最小的空隙。尤其，在LLCO模式期間，大量的空氣例如藉著空氣排放流而從燃燒器被轉離，造成進入燃燒器之空氣流降低及較高的燃燒溫度，以減少CO排放。壓縮機及渦輪機空隙可在從標準轉變到LLCO操作期間緊縮，且紅外線加熱器62可被用來削減任何在此轉變期間產品的有害空隙效應。因而，紅外線加熱器62可與引擎10之任何特定操作相關的空氣流條件無關地被用來加熱環狀載體28、50。

雖然本發明之特定實施例已經在此顯示且說明，但是熟於此技術者當知，在不違離本發明之主旨及範圍下可有許多其他變化及修改。因而附件之申請專利範圍涵蓋在本發明之範圍內之所有此等變化及修改。

10‧‧‧燃氣渦輪

12‧‧‧壓縮機部

14‧‧‧燃燒器部

16‧‧‧燃燒器

18‧‧‧渦輪機部

20‧‧‧排氣歧管

24‧‧‧引擎之縱軸心

26‧‧‧壓縮機外殼體

28‧‧‧葉片載體

28a‧‧‧葉片載體的內表面

29‧‧‧徑向外疆界

30‧‧‧靜止葉片

32‧‧‧旋轉葉片

32a、56a‧‧‧葉片外端

34‧‧‧轉子組合

36‧‧‧流路

38‧‧‧入口

44‧‧‧燃燒器殼體

46‧‧‧燃燒器外殼

48‧‧‧過渡風道

50‧‧‧葉片載體

50_s‧‧‧吸收表面

52‧‧‧渦輪機外殼體

53‧‧‧引擎之外殼體

54‧‧‧靜止渦輪葉片

55‧‧‧外護罩或環段

55a‧‧‧環段之內表面

56‧‧‧引擎旋轉渦輪葉片

58‧‧‧渦輪轉子圓盤

60‧‧‧輔助加熱單元

62a、62b‧‧‧第1及第2壓縮機部加熱器

62c、62d‧‧‧第1及第2渦輪機部加熱器

74‧‧‧空氣風道系統

76a、76b、76c‧‧‧空氣排放風道

82a、82b、82c‧‧‧控制閥

84‧‧‧入口擋板

86‧‧‧可變入口導葉片及可變靜子葉片

Claims (20)

1. 一種燃氣渦輪引擎之空隙控制系統，該燃氣渦輪引擎具有壓縮機、燃燒器、及渦輪機，且該空隙控制系統係控制旋轉葉片與相鄰旋轉葉片之尖端的外流路疆界之間的空隙，該空隙控制系統包括：外流路疆界，其係安裝在引擎外殼之徑向內側，以形成燃氣流通過引擎之的外疆界；至少一個充氣室，其係形成在外殼體與該外流路疆界之間；一電氣輻射加熱器，其被支撐到該外殼體之徑向內表面；一吸收表面，其被形成在該外流路疆界之徑向往外面對側，該吸收表面具有對該輻射加熱器之直接視線且接收來自於該輻射加熱器之輻射熱傳遞；及一控制器，其可操作用來對該輻射加熱器通電，以產生紅外線放射，該紅外線放射通過該充氣室且在該外流路疆界處被吸收，以達成該外流路疆界之加熱
2. 如請求項1之空隙控制系統，其中該外流路疆界包含一葉片載體。
3. 如請求項2之空隙控制系統，其中該輻射加熱器具有100kw之功率輸出，以在一小時的期間提高該葉片載體之溫度到240℃。
4. 如請求項1之空隙控制系統，其中該輻射加熱器在至少約500℃的溫度下運轉，以產生紅外線放射。
5. 如請求項1之空隙控制系統，其中輻射熱傳遞之輻射視圖因素(radiation view factor)可為0.6或以上。
6. 如請求項1之空隙控制系統，包含一反射器結構，其被安裝成與該輻射加熱器之至少一端鄰接且從該輻射加熱器之至少一端沿徑向往內延伸，以將紅外線放射從該輻射加熱器朝向該外流路疆界反射。
7. 如請求項1之空隙控制系統，其中該吸收表面為非反射表面。
8. 如請求項1之空隙控制系統，包含一入口擋板，其被安裝到壓縮機入口，該入口擋板可在一打開位置與一關閉位置之間移動，該打開位置係在燃氣渦輪引擎之運轉期間使空氣流入壓縮機，而該關閉位置係在該輻射加熱器操作期間限制空氣流入壓縮機。
9. 如請求項1之空隙控制系統，其中該輻射加熱器包含安裝在壓縮機及渦輪機兩者中的複數個輻射加熱器。
10. 如請求項9之空隙控制系統，其中複數個輻射加熱器包含有一輻射加熱器，其位於該燃燒器的燃燒器殼體內，並產生紅外線放射以達到對支撐渦輪之第1列葉片的葉片載體之加熱。
11. 一種操作燃氣渦輪引擎的方法，該燃氣渦輪引擎具有壓縮機、燃燒器、及渦輪機，以控制旋轉葉片與鄰接旋轉葉片之外尖端與引擎中燃氣流路的外流路疆界間的空隙，該方法包括：提供一支撐在引擎外殼之內表面上的電氣輻射加熱器，該輻射加熱器提供紅外線放射； 在啟動引擎之前，對該輻射加熱器通以電能，以提供輻射熱傳遞到安裝在外殼體之徑向內側的外流路疆界之一部分；及在加熱外流路疆界加熱之後，啟動引擎。
12. 如請求項11之方法，其中提供輻射熱傳遞到外流路疆界之一部分的步驟包含：對該輻射加熱器通電以在一既定時段加熱壓縮機中之一葉片載體，且隨後對另一輻射加熱器通以電能以加熱渦輪機中之一葉片載體。
13. 如請求項12之方法，其中該既定時段係大於1小時。
14. 如請求項12之方法，其中在渦輪機之該輻射加熱器被通以電能之後的既定時間，壓縮機之該輻射加熱器可被關閉，而渦輪機之該輻射加熱器仍保持通電。
15. 如請求項11之方法，其中提供輻射熱傳遞到外流路疆界之一部分的步驟包含：在壓縮機與渦輪機之間的空氣排放管線關閉下對該輻射加熱器通電，以加熱壓縮機中之一葉片載體，且隨後打開空氣排放管線以提供從壓縮機到渦輪機之被暖化空氣流。
16. 如請求項11之方法，其中該輻射加熱器係在支撐葉片的轉子之溫度大於外流路疆界之溫度時關閉渦輪機之後被通電。
17. 如請求項11之方法，其中安裝於壓縮機之入口的入口擋板係從一開放位置移動到一關閉位置，此關閉位置係當該輻射加熱器被通電時限制空氣流入壓縮機中。
18. 如請求項11之方法，其中輻射熱傳遞之輻射視圖因素可為0.6或以上。
19. 如請求項11之方法，其中來自該輻射加熱器的紅外線放射之一部分係藉安裝成與該輻射加熱器之至少一端鄰接且從該輻射加熱器之至少一端沿徑向往內延伸的反射器結構朝向該外流路疆界反射。
20. 如請求項11之方法，其中該輻射加熱器可具有100kW之功率輸出且可在至少約500℃的溫度下操作，以在一小時的加熱期間提高葉片載體的溫度至240℃。