專利名稱：渦輪轉(zhuǎn)子葉尖與護罩間隙控制的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及燃氣渦輪發(fā)動機，并且更具體而言涉及具有構(gòu)造成提供主動 的渦輪轉(zhuǎn)子葉尖與護罩的間隙控制的內(nèi)渦輪殼和外渦輪殼的渦輪。
背景技術：
在燃氣渦輪發(fā)動機中，諸如渦輪噴嘴和渦輪葉片護罩的固定的熱氣路徑渦輪發(fā)動 機構(gòu)件可附連到具有大的熱質(zhì)量的渦輪殼結(jié)構(gòu)上。因此，在渦輪殼熱變形時，渦輪葉片護罩 易受渦輪葉片間隙問題的影響(正面和負面兩種情況)。更具體而言，渦輪葉片與護罩的間 隙易受渦輪的熱特性的影響，如在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)操作期間由渦輪殼的熱增長或收縮所展現(xiàn)的 那樣。尤其是在重型工業(yè)燃氣渦輪中，渦輪葉片與護罩的間隙典型地由護罩和渦輪葉尖之 間的最大封閉度確定，其通常發(fā)生在溫度瞬變期間。渦輪葉尖與護罩的間隙是對燃氣渦輪發(fā)動機的提高的熱動性能的主要貢獻因素。 由熱負荷導致的渦輪殼變形自身表現(xiàn)為渦輪葉片護罩的徑向位置的變化。這種變化可由如 所提到的增大的渦輪葉尖與護罩的操作間隙來解決。但是，這種調(diào)節(jié)可對渦輪發(fā)動機的熱 動性能具有負面影響。燃氣渦輪發(fā)動機中的熱氣路徑構(gòu)件可采用空氣對流和空氣薄膜技術來冷卻暴露 于高的排氣溫度的表面。高壓空氣從渦輪發(fā)動機壓縮機中轉(zhuǎn)移出來，從而導致燃氣渦輪發(fā) 動機中的效率損耗。熱氣路徑構(gòu)件的蒸汽冷卻使用來自例如聯(lián)合循環(huán)動力裝置的相關聯(lián)的 熱回收蒸汽發(fā)生器和/或蒸汽渦輪的可用蒸汽。在使用蒸汽冷卻時，典型地存在凈效率增 益，因為通過不抽取壓縮機放氣來實現(xiàn)的收益不止抵銷了與使用蒸汽作為冷卻劑而非提供 能量來驅(qū)動蒸汽渦輪相關聯(lián)的損耗。因此，需要減小渦輪葉尖與護罩之間的徑向間隙的變化，同時還減少或消除壓縮 機空氣或動力裝置蒸汽的使用，從而提高燃氣渦輪發(fā)動機和有關構(gòu)件的效率。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種渦輪殼構(gòu)造成將渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的 附近。熱管具有與渦輪殼熱連通的第一端和在殼的外部延伸的第二端。加熱/冷卻系統(tǒng)與 熱管的第二端熱連通，并且具有可構(gòu)造成與熱管的第二端交換熱能的熱介質(zhì)。熱介質(zhì)可構(gòu) 造成從熱管的第二端移除熱能，以從渦輪殼中移除熱能，并且熱介質(zhì)可構(gòu)造成將熱能添加 到熱管的第二端，以將熱能添加到渦輪殼。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種燃氣渦輪發(fā)動機包括具有構(gòu)造成繞著軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 的渦輪、從轉(zhuǎn)子沿徑向向外延伸而在渦輪轉(zhuǎn)子護罩的附近終止的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，以及構(gòu)造 成將渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的渦輪殼。熱管具有與渦輪殼熱連通的第一 端和在殼的外部延伸的第二端。加熱/冷卻系統(tǒng)與熱管的第二端熱連通，并且具有熱介質(zhì)， 該熱介質(zhì)可構(gòu)造成與熱管的第二端交換熱能，以從熱管的第二端中移除熱能，以及將熱能 添加到熱管的第二端。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種燃氣渦輪發(fā)動機包括具有構(gòu)造成繞著軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 的渦輪、從轉(zhuǎn)子沿徑向向外延伸而在渦輪轉(zhuǎn)子護罩的附近終止的渦輪轉(zhuǎn)子葉片、構(gòu)造成將 渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的內(nèi)殼，以及構(gòu)造成支承內(nèi)殼的外殼。熱管具有 與渦輪殼熱連通的第一端和在殼的外部延伸的第二端。加熱/冷卻系統(tǒng)與熱管的第二端熱 連通，并且具有熱介質(zhì)，該熱介質(zhì)可構(gòu)造成與熱管的第二端交換熱能，以從熱管的第二端移 除熱能，以及將熱能添加到熱管的第二端。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下描述，這些和其它優(yōu)點和特征將變得更加顯而易見。
在說明書的結(jié)論部分處的權(quán)利要求書中特別指出和明確要求保護被視為本發(fā)明 的主題。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下詳細描述，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點是顯而易見 的，在圖中圖1是通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的軸向 截面圖；圖2是通過圖1的燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的放大截面圖；圖3是在一個操作模式中的、圖1的燃氣渦輪發(fā)動機的熱管的一個實施例的示意 性截面圖；圖4是在另一個操作模式中的、圖3所示的熱管的實施例的示意性截面圖；圖5是在一個操作模式中的、圖1的燃氣渦輪發(fā)動機的熱管的另一個實施例的示 意性截面圖；以及圖6是在另一個操作模式中的、圖5所示的熱管的實施例的示意性截面圖。詳細描述參照附圖以實例的方式闡述了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。
具體實施例方式圖1和2中所示的是燃氣渦輪發(fā)動機10的一部分。發(fā)動機關于縱向或軸向中心 軸線軸對稱，并且包括多級軸流式壓縮機12?？諝庠?6處進入壓縮機的入口，由軸流式壓 縮機12壓縮，然后被排到燃燒器18，在燃燒器18中，諸如天然氣的燃料與壓縮空氣一起燃 燒，以提供高溫燃燒氣體來驅(qū)動渦輪20。在渦輪20中，熱的燃燒氣體的能量轉(zhuǎn)化為功，其中 的一些用來驅(qū)動壓縮機12。熱的燃燒氣體中的可用能量的剩余部分可用來做有用功，以驅(qū) 動例如負載(諸如用來產(chǎn)生電力的發(fā)電機(未顯示))。在燃燒之后，熱的燃燒氣體驅(qū)動渦輪段20，在一個實施例中，渦輪段20可包括三 個或更多個連續(xù)的級，以包括渦輪轉(zhuǎn)子觀且安裝成以便在渦輪罩殼30內(nèi)旋轉(zhuǎn)的三個轉(zhuǎn)子 組件22J4和沈為代表。各個轉(zhuǎn)子組件承載一排渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、34和36，渦輪轉(zhuǎn)子葉片 32,34和36從渦輪轉(zhuǎn)子28沿徑向向外延伸，在渦輪轉(zhuǎn)子葉片護罩38、40和42的附近終止。 轉(zhuǎn)子組件22J4和沈的渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、34和36交替地布置在分別由渦輪噴嘴導葉44、 46和48表示的固定的噴嘴組件之間。這樣，示出了多級渦輪20的三個級，其中，第一級包 括噴嘴導葉44和渦輪轉(zhuǎn)子葉片32 ；第二級包括噴嘴導葉46和渦輪轉(zhuǎn)子葉片34 ；并且第三 級包括噴嘴導葉48和渦輪轉(zhuǎn)子葉片36。另外的級可用于渦輪中，并且將典型地取決于燃氣 渦輪發(fā)動機10的應用。
在所示實施例中，渦輪包括外部結(jié)構(gòu)包殼或渦輪罩殼30和內(nèi)殼50。內(nèi)殼50構(gòu)造 成支承與第一級和第二級相關聯(lián)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片護罩38和40。外殼70典型地在軸向相 對端處固定到渦輪排氣框架52 (圖1)上，并且在其上游端處固定到壓縮機排放殼體M上。 在一個非限制性實施例中，外殼50和內(nèi)殼30可各自包括殼段，例如弓形殼半部，對于各個 殼半部，殼段繞著渦輪轉(zhuǎn)子觀的軸線延伸180度。將理解到，內(nèi)殼段以及外殼段可由響應 于溫度變化并且因而取決于那些溫度變化而膨脹或收縮的整體式鑄件或制品形成。渦輪內(nèi)殼50的軸向范圍可為從一個渦輪級到全部渦輪級。如圖2所示，內(nèi)殼50 包括所示的渦輪級中的前兩個渦輪級，以及特別是附連到其上的固定的渦輪轉(zhuǎn)子葉片護罩 38和40的兩個級。內(nèi)殼50沿著可與渦輪轉(zhuǎn)子觀的軸線垂直的徑向平面且在這樣的軸向 位置處附連到外殼30上該軸向位置典型地與第一級渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、第二級渦輪轉(zhuǎn)子葉 片34以及護罩38、40對準，從而使得殼50能夠由于熱變形而沿徑向方向運動。在一個示例性實施例中，設置在外殼30和內(nèi)殼50之間的是蒸汽冷卻組件58和 60，蒸汽冷卻組件58和60構(gòu)造成使冷卻蒸汽分別循環(huán)通過第一級渦輪噴嘴導葉44和第二 級渦輪噴嘴導葉46。蒸汽起作用，以在燃氣渦輪發(fā)動機10的操作期間冷卻渦輪噴嘴導葉 44 和 46。在一個示例性實施例中，內(nèi)殼50承載一系列的熱管62 (示意性地顯示)，熱管62 可在殼50的周邊周圍沿軸向和周向兩者以一定的隔開間隔定位。在熱管62的一個示例性 實施例中，如圖3和4所示，各個熱管包括限定熱管的外表面的殼體64。設置在殼體64的 內(nèi)部的是包圍蒸汽腔體68的吸收芯66。諸如水或鈉或其它適當?shù)牟牧系膫鳠峤橘|(zhì)70設 置在蒸汽腔體68內(nèi)。熱管的第一端72設置在渦輪20的內(nèi)殼50內(nèi)，并且熱管62的第二端 74從內(nèi)殼50向外延伸，并且與加熱/冷卻系統(tǒng)76相關聯(lián)，加熱/冷卻系統(tǒng)76用熱介質(zhì)78 來操作，以在某些條件下(圖幻從熱管62的第二端74移除熱能，以及在其它條件下(圖 4)將熱能添加到熱管62的第二端74，這將在下面進行更加詳細的描述。在圖5和6所示的另一個示例性實施例中，熱管62可為固態(tài)構(gòu)造，其中熱能由設 置在熱管殼體64 (例如固態(tài)超導熱管)的內(nèi)壁82上的導熱性高的無機固態(tài)傳熱介質(zhì)80吸 收。在一個示例性實施例中，以三個基層將傳熱介質(zhì)80施用到內(nèi)壁82上。用溶液制備暴 露于殼體64的內(nèi)壁82的前兩層。起初，主要以離子的形式包含鈉、鈹、諸如錳或鋁的金屬、 鈣、硼和重鉻酸根的各種組合的第一層被吸收到殼體64的內(nèi)壁82中達0. 008mm至0. 012mm 的深度。隨后，主要以離子的形式包含鈷、錳、鈹、鍶、銠、銅、B-鈦、鉀、硼、鈣、諸如鋁的金屬 和重鉻酸根的各種組合的第二層建立在第一層頂部上，并且在殼體64的內(nèi)壁82上形成具 有0. 008mm至0. 012mm的厚度的薄膜。最后，第三層是包含氧化銠、重鉻酸鉀、氧化鐳、重鉻 酸鈉、重鉻酸銀、單晶硅、氧化鈹、鉻酸鍶、氧化硼、B-鈦和諸如重鉻酸錳或重鉻酸鋁的金屬 重鉻酸鹽的各種組合的粉末，該粉末本身均勻地分布在內(nèi)壁82上。將三個層施用到熱管殼 體64的內(nèi)部上，然后熱極化這三個層，以形成超導熱管62，超導熱管62在很少或沒有凈熱 損耗的情況下傳遞熱能。用來構(gòu)造熱管62的過程可為任何適當?shù)姆椒?，比如例?000年 10月17日授權(quán)的名稱為“Superconducting Heat Transfer Medium(超導傳熱介質(zhì))，，的 美國專利6，132，823中描述的方法。在這種應用中使用的無機化合物在空氣中典型地是不穩(wěn)定的，但是在真空中具有 高的導熱性。通過固態(tài)傳熱介質(zhì)80，熱能通過固態(tài)傳熱介質(zhì)從熱管62的高溫端移到熱管662的低溫端。圖3和5示出了熱管62在冷卻模式中的應用，在此期間，從渦輪20的內(nèi)殼50中 移除熱能。在冷卻模式中，熱管的第一端72比熱管的與加熱/冷卻系統(tǒng)76連通的第二端 74處于更高的溫度。這種情況例如可發(fā)生在燃氣渦輪發(fā)動機10的穩(wěn)態(tài)操作條件期間，此時 期望從內(nèi)殼50移除熱量來幫助在渦輪級內(nèi)保持期望的穩(wěn)態(tài)溫度。來自內(nèi)殼50的熱能傳遞 到熱管的第一端72，從而導致熱量傳遞到第二端74，加熱/冷卻系統(tǒng)76將第二端74保持 在較低的溫度處，其中，熱能傳向加熱/冷卻系統(tǒng)76。圖4和6示出了熱管62在加熱模式中的應用，在此期間，熱能添加到內(nèi)殼50。在 加熱模式中，加熱/冷卻系統(tǒng)76將熱能輸送到熱管的第二端74，從而使得其比熱管的與內(nèi) 殼50連通的第一端72處于更高的溫度處。這種情況可例如發(fā)生在燃氣渦輪發(fā)動機10的 瞬態(tài)操作條件期間，此時期望在轉(zhuǎn)子組件觀和內(nèi)殼50之間的熱膨脹速率不同期間將熱量 添加到內(nèi)殼50、以幫助在渦輪轉(zhuǎn)子葉片32和34的尖端與渦輪轉(zhuǎn)子葉片護罩38和40之間 保持期望間隙。來自加熱/冷卻系統(tǒng)76的熱能傳遞到熱管62的第二端74，并且釋放到內(nèi) 殼50 ο如所描述的那樣，在加熱模式和冷卻模式之間改變熱管，通過借助于由加熱/冷 卻系統(tǒng)76 (其可在渦輪20的外部且獨立于渦輪20)進行的熱能的供應或熱能的移除來提 供渦輪內(nèi)殼50的溫度的控制，允許在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)渦輪操作期間保持渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、34和 渦輪轉(zhuǎn)子護罩38、40之間的間隙。在另一個實例中，在負的溫度瞬變期間，內(nèi)殼50可例如 趨向于比渦輪轉(zhuǎn)子觀收縮得更快，從而分別朝向渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、34的尖端向內(nèi)移置渦輪 轉(zhuǎn)子葉片護罩38、40。在這種情況下，熱管62將熱能供應到內(nèi)殼50，從而使得內(nèi)殼50的熱 收縮速率調(diào)節(jié)到類似于或小于渦輪轉(zhuǎn)子觀和相關聯(lián)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片32、34的熱收縮的速 率，從而避免渦輪轉(zhuǎn)子葉片的尖端和護罩之間的接觸。在穩(wěn)態(tài)操作期間，通過借助于熱管72 進行的熱能的添加或者熱能的移除來控制內(nèi)殼50的溫度，以保持護罩與渦輪轉(zhuǎn)子葉片的 尖端之間的預定間隙。雖然已經(jīng)參照與渦輪內(nèi)殼相關聯(lián)的熱管對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明不受此 限制。構(gòu)想到將熱管類似地應用于渦輪罩殼30外殼或應用于具有單個殼的燃氣渦輪發(fā)動 機在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然僅結(jié)合了有限數(shù)量的實施例對本發(fā)明進行了詳細描述，但是應當容易地理 解，本發(fā)明不限于這種公開的實施例。相反，可修改本發(fā)明，以便結(jié)合此前未描述過、但與 本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變型、備選方案、替代或等效布置。另外，雖然已經(jīng) 對本發(fā)明的各實施例進行了描述，但將理解的是本發(fā)明的各方面可包括所描述的實施例中 的僅一些。因此，本發(fā)明不應視為受前述描述的限制，而是僅由所附的權(quán)利要求書的范圍限 制。
權(quán)利要求
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括構(gòu)造成將渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的渦輪殼； 具有與所述渦輪殼熱連通的第一端和在所述殼的外部延伸的第二端的熱管；以及 與所述熱管的第二端熱連通并且具有可構(gòu)造成與所述熱管的第二端交換熱能的熱介 質(zhì)的加熱/冷卻系統(tǒng)，其中，所述加熱/冷卻系統(tǒng)可構(gòu)造成從所述熱管的第二端移除熱能， 以從所述渦輪殼移除熱能，并且其中，所述熱介質(zhì)可構(gòu)造成將熱能添加到所述熱管的第二 端，以將熱能添加到所述渦輪殼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述熱管進一步包括 限定真空密封的內(nèi)腔室的殼體；以及傳熱介質(zhì)，設置在所述殼體的所述真空密封的內(nèi)腔室內(nèi)，并且構(gòu)造成將熱能從所述熱 管的高溫端傳遞到所述熱管的低溫端，以將熱能釋放到冷卻介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)包括施用到所述殼 體的內(nèi)壁上的一個或多個固態(tài)層。
4.一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括具有構(gòu)造成繞著軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的渦輪；從所述轉(zhuǎn)子沿徑向向外延伸而在渦輪轉(zhuǎn)子護罩的附近終止的渦輪轉(zhuǎn)子葉片； 構(gòu)造成將所述渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的渦輪殼； 具有與所述渦輪殼熱連通的第一端和在所述殼的外部延伸的第二端的熱管；以及 與所述熱管的第二端熱連通并且具有可構(gòu)造成與所述熱管的第二端交換熱能的熱介 質(zhì)的加熱/冷卻系統(tǒng)，其中，所述加熱/冷卻系統(tǒng)可構(gòu)造成從所述熱管的第二端移除熱能， 從而從所述渦輪殼移除熱能，且其中，所述加熱/冷卻系統(tǒng)可構(gòu)造成將熱能添加到所述熱 管的第二端，從而將熱能添加到所述渦輪殼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述熱管進一步包括 限定真空密封的內(nèi)腔室的殼體；傳熱介質(zhì)，設置在所述殼體的真空密封的內(nèi)腔室內(nèi)，并且構(gòu)造成將熱能從所述熱管的 高溫端傳遞到所述熱管的低溫端，以將熱能釋放到冷卻介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)包括施用到所 述殼體的內(nèi)壁上的一個或多個固態(tài)層。
7.一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括具有構(gòu)造成繞著軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的渦輪；從所述轉(zhuǎn)子沿徑向向外延伸而在渦輪轉(zhuǎn)子護罩的附近終止的渦輪轉(zhuǎn)子葉片； 構(gòu)造成將所述渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的內(nèi)殼； 構(gòu)造成支承所述內(nèi)殼的外殼；具有與所述內(nèi)殼熱連通的第一端和在所述殼的外部延伸的第二端的熱管；以及 與所述熱管的第二端熱連通且具有可構(gòu)造成與所述熱管的第二端交換熱能的熱介質(zhì) 的加熱/冷卻系統(tǒng)，其中，所述加熱/冷卻系統(tǒng)可構(gòu)造成從所述熱管的第二端移除熱能，從 而從所述內(nèi)殼移除熱能，并且其中，所述加熱/冷卻系統(tǒng)可構(gòu)造成將熱能添加到所述熱管 的第二端，從而將熱能添加到所述內(nèi)殼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述熱管進一步包括限定真空密封的內(nèi)腔室的殼體；傳熱介質(zhì)，設置在所述殼體的所述真空密封的內(nèi)腔室內(nèi)，并且構(gòu)造成將熱能從所述熱 管的高溫端傳遞到所述熱管的低溫端，以將熱能釋放到冷卻介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)包括施用到所述殼 體的內(nèi)壁上的一個或多個固態(tài)層。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪轉(zhuǎn)子葉尖與護罩間隙控制。一種燃氣渦輪發(fā)動機包括構(gòu)造成將渦輪轉(zhuǎn)子護罩保持在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的附近的渦輪殼。熱管具有與渦輪殼熱連通的第一端和在殼的外部延伸的第二端。加熱/冷卻系統(tǒng)與熱管的第二端熱連通，并且具有可構(gòu)造成與熱管的第二端交換熱能的熱介質(zhì)。熱介質(zhì)可構(gòu)造成從熱管的第二端移除熱能，以從渦輪殼移除熱能，并且該熱介質(zhì)可構(gòu)造成將熱能添加到熱管的第二端，以將熱能添加到渦輪殼。
文檔編號F01D25/14GK102052106SQ20101053848
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者Y·劉, 張華 申請人:通用電氣公司