專(zhuān)利名稱(chēng)：用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)具有主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)，以確保旋轉(zhuǎn)葉片不會(huì)摩擦燃?xì)鉁u輪機(jī)的固定殼體中的密封件。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪機(jī)中，燃燒氣體流經(jīng)渦輪機(jī)的殼體與轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形氣體通道。槳葉等旋轉(zhuǎn)葉片從轉(zhuǎn)子徑向伸出，并且伸入該環(huán)形氣體通道。流經(jīng)葉片的熱燃燒氣體使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)熱燃燒氣體的能量到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換最大化，需要使所有燃燒氣體流經(jīng)渦輪機(jī)的葉片，并且避免燃燒氣體泄露而進(jìn)入渦輪機(jī)的殼體、或穿過(guò)渦輪機(jī)葉片的葉尖與渦輪機(jī)殼體的內(nèi)表面之間的空隙。殼體可包括圍繞渦輪機(jī)槳葉的葉尖延伸的環(huán)形密封表面。使環(huán)形密封表面與葉片的葉尖之間的空隙最小化，會(huì)減少燃燒氣體的泄露并且增加燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱力學(xué)效率。由于在殼體中的密封件與葉片的葉尖之間的空隙較小，因此存在一種風(fēng)險(xiǎn)，即葉片的葉尖將影響，例如摩擦，密封件。當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)在開(kāi)機(jī)期間受熱并且在停機(jī)期間冷卻時(shí)，這種摩擦的風(fēng)險(xiǎn)增大。殼體和密封件的熱膨脹率可能不同于包括葉片的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱膨脹率。殼體與轉(zhuǎn)子之間的熱膨脹差異導(dǎo)致葉片的葉尖與密封件之間的間隙在開(kāi)機(jī)、停機(jī)、以及其他負(fù)載變化期間燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)變時(shí)變化。如果間隙變得非常小，那么葉尖可能影響，例如摩擦，殼體的密封件。摩擦可能對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)造成損壞，例如，使葉片和密封件斷裂或者以其他方式損壞。因此，長(zhǎng)期需要用于主動(dòng)控制燃?xì)鉁u輪機(jī)中葉尖間隙的改進(jìn)方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種針對(duì)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)而構(gòu)想的間隙控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:第一壓縮氣體通道，所述第一壓縮氣體通道經(jīng)連接以從所述壓縮機(jī)的一個(gè)級(jí)抽取壓縮氣體；第二壓縮氣體通道，所述第二壓縮氣體通道經(jīng)連接以從所述壓縮機(jī)的另一級(jí)抽取壓縮氣體；閥組件，用于調(diào)節(jié)通過(guò)所述第一和第二壓縮氣體通道的所述壓縮氣體的流動(dòng)，其中所述閥組件經(jīng)致動(dòng)以使抽取的壓縮氣體選擇性地從第一和第二氣體通道中的所選一個(gè)通道通過(guò)；以及第三壓縮氣體通道，所述第三壓縮氣體通道將所述抽取的壓縮氣體從所述閥傳輸?shù)剿鰷u輪機(jī)的殼體。連接到所述第一壓縮氣體通道的所述級(jí)是所述壓縮機(jī)的末級(jí)。所述間隙控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括熱交換器，其連接到所述第一和第二壓縮氣體通道中的至少一個(gè)，其中所述熱交換器向所述壓縮氣體增加熱能。所述氣體通道中的每個(gè)通道均具有所述熱交換器中的相應(yīng)一個(gè)熱交換器。所述間隙控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制器，其中所述控制器從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)接收關(guān)于所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行模式的數(shù)據(jù)，并且所述控制器基于所述運(yùn)行模式，致動(dòng)所述閥以引導(dǎo)氣體從所述壓縮氣體通道中的一個(gè)通道通過(guò)所述閥。
本發(fā)明還提供一種針對(duì)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)提供間隙控制的方法，所述渦輪機(jī)具有在渦輪機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)槳葉，所述方法包括:選擇第一壓縮機(jī)級(jí)，以從中抽取壓縮空氣；管輸(ducting)來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼；輸送來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣，以使所述渦輪機(jī)殼熱收縮；選擇第二壓縮機(jī)級(jí)，從中抽取壓縮空氣并且取消選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)；管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼；以及輸送來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣，以使所述渦輪機(jī)殼熱膨脹。所述第二壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)末級(jí)，并且來(lái)自所述壓縮機(jī)末級(jí)的所述壓縮空氣是壓縮機(jī)排氣。所述第一壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)的中間部分中的壓縮機(jī)級(jí)。其中，通過(guò)致動(dòng)與所抽取的壓縮空氣流體連通的閥，來(lái)選擇所述第二壓縮機(jī)級(jí)而不選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)。所述方法進(jìn)一步包括在所述壓縮空氣從所述壓縮機(jī)抽取出之后、并且在所述壓縮空氣進(jìn)入所述渦輪機(jī)殼之前，向所述壓縮空氣增加熱能。其中，在確定環(huán)境空氣溫度低于閾值溫度的基礎(chǔ)上，增加所述熱能。所述管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮氣體到所述渦輪機(jī)殼的步驟發(fā)生在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的開(kāi)機(jī)和停機(jī)運(yùn)行模式中的至少一個(gè)模式期間。所述管輸來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮氣體到所述渦輪機(jī)殼的步驟發(fā)生在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的負(fù)載或基本負(fù)載運(yùn)行模式期間。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種針對(duì)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)提供間隙控制的方法，所述渦輪機(jī)具有在渦輪機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)槳葉，所述方法包括:在燃?xì)鉁u輪機(jī)的開(kāi)機(jī)、或停機(jī)模式期間，選擇第一壓縮機(jī)級(jí)以從中抽取壓縮空氣，將來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣管輸?shù)剿鰷u輪機(jī)殼，并且輸送來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱膨脹；在燃?xì)鉁u輪機(jī)的負(fù)載或基本負(fù)載模式期間，選擇第一壓縮機(jī)級(jí)以從中抽取壓縮空氣，選擇第二壓縮機(jī)級(jí)以從中抽取壓縮空氣、并且取消選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)，將來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣管輸?shù)剿鰷u輪機(jī)殼，并且輸送來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱收縮；以及通過(guò)致動(dòng)閥組件來(lái)選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)或所述第二壓縮機(jī)級(jí)。所述第二壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)末級(jí)，并且來(lái)自所述壓縮機(jī)末級(jí)的所述壓縮空氣是壓縮機(jī)排氣。所述第一壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)的中間部分中的壓縮機(jī)級(jí)。所述方法進(jìn)一步包括在所述壓縮空氣從所述壓縮機(jī)抽取出之后、并且在所述壓縮空氣進(jìn)入所述渦輪機(jī)殼之前，向所述壓縮空氣增加熱能。其中，在確定環(huán)境空氣溫度低于閾值溫度的基礎(chǔ)上，增加所述熱能。


圖1為具有主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的示意圖。圖2為傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)的一部分的截面圖。圖3為示例性過(guò)程的流程圖，所述過(guò)程即施加從壓縮機(jī)的兩個(gè)或更多級(jí)抽取的壓縮空氣，通過(guò)熱交換器加熱或冷卻空氣，并且將經(jīng)過(guò)溫度控制的壓縮空氣施加到渦輪機(jī)或壓縮機(jī)的殼體、以加熱或冷卻所述殼體，從而提供主動(dòng)間隙控制。
具體實(shí)施方式
圖1所示為具有壓縮機(jī)12、燃燒室14和渦輪機(jī)16的燃?xì)鉁u輪機(jī)10。旋轉(zhuǎn)軸18將所述渦輪機(jī)連接到所述壓縮機(jī)。大氣進(jìn)入壓縮機(jī)，并且在增壓空氣進(jìn)入燃燒室時(shí)排出，在燃燒室中，空氣與燃料20混合并且燃燒。增壓的熱燃燒氣體從燃燒室流經(jīng)渦輪機(jī)，并且使其旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)使軸和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)22或其他負(fù)載連接到軸，并且由軸驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)24可以調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的燃料，以及基于燃?xì)鉁u輪機(jī)的功率輸出、軸旋轉(zhuǎn)速度以及渦輪機(jī)排氣溫度等運(yùn)行條件，設(shè)置壓縮機(jī)的入口處的導(dǎo)葉。主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)26用于加熱渦輪機(jī)的殼體，以確保轉(zhuǎn)子的熱膨脹不會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片的葉尖與渦輪機(jī)的殼體內(nèi)的固定密封件進(jìn)行摩擦。主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)26可包括氣體通道、閥以及熱交換器，以將從壓縮機(jī)12抽取的較暖壓縮空氣引導(dǎo)至渦輪機(jī)16的殼體。主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)26可具有從壓縮機(jī)12的兩個(gè)或更多級(jí)抽取壓縮空氣的氣體通道28、30，所述壓縮機(jī)可為具有連續(xù)壓縮級(jí)的軸流式壓縮機(jī)。每個(gè)級(jí)包括固定到壓縮機(jī)殼體的環(huán)狀排列的定子，以及固定到壓縮機(jī)盤(pán)和軸18的環(huán)狀排列的壓縮機(jī)葉片。例如，通道28可以抽取從壓縮機(jī)末級(jí)(最后一級(jí))排出的高度壓縮的熱空氣。另一氣體通道30可以從壓縮機(jī)的上游級(jí)抽取壓縮程度較低的暖空氣，所述上游級(jí)例如，壓縮機(jī)中級(jí)、或位于壓縮機(jī)入口與壓縮機(jī)中級(jí)之間的級(jí)。與流經(jīng)通道28的高度壓縮熱空氣相比，流經(jīng)通道30的、所抽取的壓縮程度較低的暖空氣處于較低壓力和溫度下?；陂g隙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及用于加熱或冷卻渦輪機(jī)殼體的空氣的溫度要求，可以選擇間隙控制系統(tǒng)用來(lái)抽取壓縮空氣的通道28、30的數(shù)量以及壓縮機(jī)上每個(gè)通道抽取壓縮空氣的位置，例如，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)級(jí)。流經(jīng)通道28的壓縮空氣的溫度將明顯高于通道30中空氣的溫度，因?yàn)樘幱趬嚎s機(jī)末級(jí)的壓縮空氣的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)上游級(jí)中壓縮空氣的溫度。流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)通道的壓縮空氣的溫度可以通過(guò)與每個(gè)通道關(guān)聯(lián)的熱交換器32、33進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如，進(jìn)行冷卻或加熱。例如，對(duì)于高度壓縮熱空氣而言，通道28中的熱交換器32可用于將壓縮氣體溫度冷卻到所需溫度，以適合于加熱或冷卻渦輪機(jī)16的殼體。來(lái)自渦輪機(jī)的熱廢氣的一部分可以流經(jīng)熱交換器32，并且用作熱能來(lái)源以加熱流經(jīng)所述熱交換器的壓縮氣體?？刂破?4可將控制信號(hào)(A)發(fā)送至熱交換器，以調(diào)節(jié)加熱/冷卻流體的流動(dòng)，從而調(diào)節(jié)從壓縮機(jī)流出并通過(guò)熱交換器的壓縮氣體的溫度變化。間隙控制系統(tǒng)26可包括閥34，用以通過(guò)氣體通道36將從壓縮機(jī)抽取的壓縮空氣引導(dǎo)至渦輪機(jī)殼體。所述閥可為單向或雙向控制閥，其直接安裝到燃?xì)鉁u輪機(jī)的殼體、或者設(shè)置于燃?xì)鉁u輪機(jī)附近。所述閥可為單個(gè)閥或者一列閥?？刂崎y34或閥組件連接到抽取的壓縮空氣的通道28、30中的每個(gè)通道的出口，并且連接到閥與渦輪機(jī)殼體之間的氣體通道36的入口。閥34可由控制器24進(jìn)行控制(A)，以調(diào)節(jié)流向渦輪機(jī)殼體的壓縮空氣的流動(dòng)。例如，閥34可設(shè)置成只允許來(lái)自壓縮空氣通道28、30中的一個(gè)通道的壓縮空氣流經(jīng)所述閥，并且流向渦輪機(jī)的殼體。所述控制器可以選擇通道28或30以向渦輪機(jī)殼體提供空氣，方法是選擇溫度最接近渦輪殼體所需溫度的壓縮氣體。閥還可經(jīng)配置以組合來(lái)自壓縮機(jī)的通道28、30中的兩個(gè)或更多通道的壓縮氣體，以形成具有用于加熱渦輪機(jī)殼體的所需溫度的壓縮氣體?？刂破?4可包括:計(jì)算機(jī)或處理器；以及電子存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)關(guān)于燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)殼體接近度探針和氣體溫度等條件的數(shù)據(jù)；以及可執(zhí)行程序，具有用于控制間隙控制系統(tǒng)，尤其是控制閥34和熱交換器32的算法和指令。所述控制器可從與燃?xì)鉁u輪機(jī)關(guān)聯(lián)的各個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)輸入，所述傳感器例如溫度和接近度探針傳感器，用以監(jiān)控渦輪機(jī)殼體、廢氣和環(huán)境空氣溫度、軸旋轉(zhuǎn)速度以及流向燃燒室的燃料流。控制器可以使用所述數(shù)據(jù)輸入來(lái)執(zhí)行存儲(chǔ)的算法和指令過(guò)程，從而自動(dòng)執(zhí)行下述關(guān)于間隙控制的部分或所有過(guò)程?？刂破骺梢曰趤?lái)自各個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)對(duì)閥34進(jìn)行控制，所述數(shù)據(jù)包括:例如在壓縮機(jī)入口處測(cè)量的環(huán)境空氣條件、發(fā)電機(jī)施加給燃?xì)鉁u輪機(jī)的負(fù)載、軸18的旋轉(zhuǎn)速度，以及來(lái)自壓縮機(jī)以及在燃燒室入口處的氣體排出壓力?；谒鰯?shù)據(jù)，控制器可以對(duì)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提供通過(guò)通道36的具有所選流量的壓縮氣體、以及通過(guò)通道36的具有所選氣體溫度的氣體。通過(guò)調(diào)節(jié)閥34以及選擇是否致動(dòng)熱交換器32、33，控制器可使壓縮氣體從具有處于特定溫度的空氣的壓縮機(jī)級(jí)中抽取，所述溫度最接近要流經(jīng)渦輪機(jī)殼體的氣體的所需溫度。例如，來(lái)自壓縮機(jī)末級(jí)的熱壓縮氣體可以管輸通過(guò)渦輪機(jī)殼體以使渦輪機(jī)殼體膨脹。類(lèi)似地，較冷的壓縮氣體可從壓縮機(jī)較前的級(jí)抽取以使渦輪機(jī)殼體收縮。流經(jīng)渦輪機(jī)殼體以進(jìn)行間隙控制的壓縮氣體可從渦輪機(jī)中排出，并且排入渦輪機(jī)的廢氣流。圖2為傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)10的一部分的截面圖。渦輪機(jī)16的轉(zhuǎn)子包括一系列旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)葉輪38，每個(gè)葉輪都帶有環(huán)狀排列的渦輪機(jī)槳葉40。隔離片或圓盤(pán)39夾在葉輪之間。在渦輪機(jī)葉輪之間，固定噴嘴(輪葉)42布置成圓周陣列。噴嘴42和槳葉40位于來(lái)自燃燒室且流經(jīng)渦輪機(jī)的燃燒氣體41的環(huán)形流路中。環(huán)形防護(hù)罩44，例如，環(huán)狀密封件，布置在每個(gè)槳葉28的葉尖周?chē)Ｔ摲雷o(hù)罩阻止熱燃燒氣體徑向向外流出渦輪機(jī)槳葉的葉尖。每個(gè)防護(hù)罩44的內(nèi)部環(huán)形表面與每個(gè)槳葉40的葉尖之間的環(huán)形空隙46使所述葉尖與渦輪機(jī)殼體之間存在間隙?？障?6偏小，以便最小化燃燒氣體通過(guò)間隙的泄露，但也必須足夠大以避免渦輪機(jī)槳葉葉尖與防護(hù)罩之間發(fā)生摩擦。燃?xì)鉂?rùn)輪機(jī)殼體包括外部結(jié)構(gòu)安全殼(outer structural containmentshell) 48和內(nèi)殼50。外殼和內(nèi)殼可為傳統(tǒng)的，并且形成為沿水平中線連接的半圓形部分。內(nèi)殼50可相對(duì)于轉(zhuǎn)子進(jìn)行徑向膨脹和收縮，從而調(diào)節(jié)防護(hù)罩44與渦輪機(jī)槳葉40的葉尖之間的空隙46。使抽取的壓縮機(jī)氣體管輸通過(guò)位于內(nèi)殼中以及可選地介于外部和內(nèi)部渦輪機(jī)殼之間的通道52，從而以受控的方式使內(nèi)殼50進(jìn)行膨脹和收縮，以便調(diào)節(jié)所述空隙。渦輪機(jī)開(kāi)機(jī)期間，可以供應(yīng)受熱空氣，以使其在內(nèi)殼半體的各個(gè)通道52中進(jìn)行循環(huán)，從而使所述內(nèi)殼徑向膨脹，并且因此使防護(hù)罩比槳葉的葉尖更進(jìn)一步地徑向向外移置。與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子相比，內(nèi)殼50可更快地受熱以使所述內(nèi)殼熱膨脹，并且因此使空隙46充分?jǐn)U展以確保開(kāi)機(jī)期間防護(hù)罩與槳葉葉尖之間具有足夠的間隙。在渦輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，供應(yīng)給內(nèi)殼的通道52的空氣的溫度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使內(nèi)殼相對(duì)于槳葉葉尖進(jìn)行收縮或膨脹，從而調(diào)節(jié)空隙，并且因此使防護(hù)罩與槳葉葉尖之間達(dá)到最小間隙以提高渦輪機(jī)運(yùn)行效率。在渦輪機(jī)停機(jī)期間，內(nèi)殼50的熱收縮率可控制成小于轉(zhuǎn)子和輪葉的收縮率。
圖3為燃?xì)鉁u輪機(jī)的示例性一般間隙控制過(guò)程/方法的流程圖。所述過(guò)程/方法可取決于燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行條件。例如，燃?xì)鉁u輪機(jī)開(kāi)機(jī)階段期間的間隙控制過(guò)程/方法可不同于燃?xì)鉁u輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間的間隙控制過(guò)程以及燃?xì)鉁u輪機(jī)的停機(jī)期間的間隙控制過(guò)程/方法。這些過(guò)程中的不同之處可包括:從一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)抽取的壓縮機(jī)空氣的量，例如，壓縮機(jī)抽出空氣；從抽取的壓縮機(jī)空氣中增加或抽取的熱能的量；以及抽取的壓縮機(jī)空氣在流入渦輪機(jī)殼體時(shí)的溫度。在步驟100中，大氣等工作流體在燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮。在步驟102中，選擇壓縮機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)，空氣將從所述壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行抽取，以便在渦輪機(jī)中使用間隙控制。大部分所述工作流體繼續(xù)流經(jīng)壓縮機(jī)，并且流向燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒室。控制器可以選擇一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)以供應(yīng)用于進(jìn)行間隙控制的壓縮空氣。壓縮機(jī)級(jí)可通過(guò)調(diào)節(jié)閥34進(jìn)行選擇，以使來(lái)自所選級(jí)的壓縮空氣流經(jīng)所述閥、并且流入連接到渦輪機(jī)殼體的氣體通道36。在步驟104中，來(lái)自所選壓縮機(jī)級(jí)或多個(gè)所選壓縮機(jī)級(jí)的壓縮空氣在熱交換器32中可選地進(jìn)行加熱或冷卻?？刂葡到y(tǒng)可激活或避開(kāi)熱交換器32、33以調(diào)節(jié)從壓縮機(jī)抽取的壓縮空氣的溫度。例如，控制器可調(diào)節(jié)熱交換器以獲得流經(jīng)熱交換器并流向閥34以及流向渦輪機(jī)殼體的壓縮空氣的所需溫度?？刂破饕部烧{(diào)節(jié)閥34的設(shè)置以混合從不同壓縮機(jī)級(jí)抽取的壓縮機(jī)抽出空氣，從而獲得流向渦輪機(jī)殼體的壓縮空氣的所需溫度。在步驟106中，將壓縮空氣從閥34施加到渦輪機(jī)殼體中的通道，以使所述殼體熱膨脹或熱收縮，并且因此調(diào)節(jié)渦輪機(jī)槳葉的葉尖與殼體之間的間隙，例如空隙。圖3所示過(guò)程/方法可以針對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)的不同運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整。例如，在渦輪機(jī)開(kāi)機(jī)和停機(jī)模式期間，控制器可對(duì)閥34進(jìn)行設(shè)置，以使來(lái)自壓縮機(jī)末級(jí)的壓縮空氣流經(jīng)通道28和36、并且流向渦輪機(jī)殼體。控制器可基于指明環(huán)境空氣溫度的溫度數(shù)據(jù)，來(lái)確定壓縮空氣是否在熱交換器32中進(jìn)行加熱。如果環(huán)境空氣溫度低于閾值，例如20攝氏度，則控制器可使通道28中的壓縮氣體管輸通過(guò)熱交換器28，從而增加可供傳輸?shù)綔u輪機(jī)殼體的壓縮氣體的熱能。如果環(huán)境溫度高于閾值，則控制器可使通道28中的壓縮空氣繞過(guò)熱交換器，并且直接流向渦輪機(jī)殼體?？刂破骺蓪嚎s空氣引導(dǎo)至渦輪機(jī)殼體以使渦輪機(jī)殼體熱膨脹，從而增大葉片間隙、并且避免初始葉片摩擦。在開(kāi)機(jī)模式期間，控制器可使壓縮空氣繼續(xù)流向渦輪機(jī)殼體，直到燃?xì)鉁u輪機(jī)穩(wěn)定且處于全速、無(wú)負(fù)載條件下。在停機(jī)模式期間，控制器可使壓縮空氣繼續(xù)流向渦輪機(jī)殼體，直到槳葉停止在渦輪機(jī)殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行的負(fù)載和基本負(fù)載模式期間，控制器可以執(zhí)行間隙控制系統(tǒng)的冷卻循環(huán)，以最小化空隙46，并且提高燃?xì)鉁u輪機(jī)的效率。在基本負(fù)載模式期間，燃?xì)鉁u輪機(jī)能夠以穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行。當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)處于負(fù)載或基本負(fù)載模式時(shí)，控制器可致動(dòng)閥34以使壓縮氣體從較低壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行抽取，通過(guò)通道30和36流向渦輪機(jī)殼體。閥34可以進(jìn)行設(shè)置，這樣，當(dāng)空氣從較低壓縮機(jī)級(jí)流出并流經(jīng)通道30時(shí)，壓縮空氣就不會(huì)從壓縮機(jī)末級(jí)抽取至通道28中。由于在不同壓縮機(jī)級(jí)抽取的氣體的壓力不同，因此，閥34可經(jīng)配置以使氣體每次僅流經(jīng)一個(gè)通道28、30，并且隔絕(close off)另一通道30,28,同時(shí)將壓縮空氣抽取至第一通道中。另外，通道28和30中的氣體壓力控制裝置可平衡這些通道中的氣體壓力，以使流入通道36的氣體的壓力大體相同，而無(wú)需顧慮提供氣體的是哪個(gè)壓縮機(jī)級(jí)。流向渦輪機(jī)殼體的壓縮氣體的溫度可能低于渦輪機(jī)殼體的金屬溫。當(dāng)較冷的壓縮空氣循環(huán)通過(guò)渦輪機(jī)殼體時(shí)，殼體收縮并且減小殼體的防護(hù)罩與槳葉的葉尖之間的間隙，例如空隙?？刂破骺墒乖谕ǖ?0中流動(dòng)的壓縮氣體管輸通過(guò)熱交換器33以增加或減少熱能，從而使壓縮空氣達(dá)到用以冷卻渦輪機(jī)殼體的所需溫度?？刂破骺苫诃h(huán)境空氣溫度、或者基于渦輪機(jī)殼體溫度、或接近度探針，來(lái)確定是否輸送壓縮氣體通過(guò)熱交換器。控制器可以監(jiān)控通道36中的壓力，方法是從連接到該通道的壓力傳感器56接收壓力數(shù)據(jù)?？刂破骺梢钥刂崎y34或卸壓裝置58，以確保流經(jīng)渦輪機(jī)殼體的氣體的壓力處于所述殼體的適當(dāng)壓力水平。雖然已結(jié)合目前被認(rèn)為是最具實(shí)用性和較佳的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)了解本發(fā)明不限于已公開(kāi)的實(shí)施例，相反，而是旨在涵蓋所附權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效配置。
權(quán)利要求
1.一種用于具有多級(jí)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的間隙控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 第一壓縮氣體通道，所述第一壓縮氣體通道經(jīng)連接以從所述壓縮機(jī)的一個(gè)級(jí)抽取壓縮氣體； 第二壓縮氣體通道，所述第二壓縮氣體通道經(jīng)連接以從所述壓縮機(jī)的另一個(gè)級(jí)抽取壓縮氣體； 閥組件，用于調(diào)節(jié)通過(guò)所述第一和第二壓縮氣體通道的所述壓縮氣體的流動(dòng)，其中所述閥組件經(jīng)致動(dòng)以選擇性地從第一和第二氣體通道中的所選一個(gè)通道輸送抽取的壓縮氣體；以及 第三壓縮氣體通道，所述第三壓縮氣體通道將所述抽取的壓縮氣體從所述閥傳輸?shù)剿鰷u輪機(jī)的殼體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙控制系統(tǒng)，其中連接到所述第一壓縮氣體通道的所述級(jí)是所述壓縮機(jī)的末級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括熱交換器，其連接到所述第一和第二壓縮氣體通道中的至少一個(gè)，其中所述熱交換器向所述壓縮氣體增加熱能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的間隙控制系統(tǒng)，其中所述氣體通道中的每個(gè)通道均具有所述熱交換器中的相應(yīng)一個(gè)熱交換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括控制器，其中所述控制器從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)接收關(guān)于所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行模式的數(shù)據(jù)，并且所述控制器基于所述運(yùn)行模式，致動(dòng)所述閥以引導(dǎo)氣體從所述壓縮氣體通道中的一個(gè)通道通過(guò)所述閥。
6.一種針對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)提供間隙控制的方法，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)槳葉在渦輪機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)，所述方法包括: 選擇從中抽取壓縮空氣的第一壓縮機(jī)級(jí)； 管輸來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼； 輸送來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱收縮； 選擇從中抽取壓縮空氣的第二壓縮機(jī)級(jí)，并且取消選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)； 管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼；以及輸送來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使渦輪機(jī)殼熱膨脹。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)末級(jí)，并且來(lái)自所述壓縮機(jī)末級(jí)的所述壓縮空氣是壓縮機(jī)排氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)的中間部分中的壓縮機(jī)級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中通過(guò)致動(dòng)與所抽取的壓縮空氣流體連通的閥，來(lái)選擇所述第二壓縮機(jī)級(jí)而不選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在所述壓縮空氣從所述壓縮機(jī)抽取出之后、并且在所述壓縮空氣進(jìn)入所述渦輪機(jī)殼之前，向所述壓縮空氣增加熱能。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中在確定環(huán)境空氣溫度低于閾值溫度的基礎(chǔ)上，增加所述熱能。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法， 其中管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮氣體到所述渦輪機(jī)殼的步驟發(fā)生在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的開(kāi)機(jī)和停機(jī)運(yùn)行模式中的至少一個(gè)模式期間。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中管輸來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮氣體到所述渦輪機(jī)殼的步驟發(fā)生在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的負(fù)載或基本負(fù)載運(yùn)行模式期間。
14.一種針對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)提供間隙控制的方法，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)槳葉在渦輪機(jī)殼內(nèi) 旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)，所述方法包括: 在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的開(kāi)機(jī)或停機(jī)模式期間，選擇從中抽取壓縮空氣的第一壓縮機(jī)級(jí)，管輸來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼，并且輸送來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱膨脹； 在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的負(fù)載或基本負(fù)載模式期間，選擇從中抽取壓縮空氣的第一壓縮機(jī)級(jí)，選擇從中抽取壓縮空氣的第二壓縮機(jī)級(jí)、并且取消選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)，管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼，并且輸送來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱收縮；以及 通過(guò)致動(dòng)閥組件來(lái)對(duì)所述第一壓縮機(jī)級(jí)或所述第二壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行選擇。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)末級(jí)，并且來(lái)自所述壓縮機(jī)末級(jí)的所述壓縮空氣是壓縮機(jī)排氣。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一壓縮機(jī)級(jí)是所述壓縮機(jī)的中間部分中的壓縮機(jī)級(jí)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在所述壓縮空氣從所述壓縮機(jī)抽取出之后、并且在所述壓縮空氣進(jìn)入所述渦輪機(jī)殼之前，向所述壓縮空氣增加熱能。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中在確定環(huán)境空氣溫度低于閾值溫度的基礎(chǔ)上，增加所述熱能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)和方法。所述燃?xì)鉁u輪機(jī)具有多級(jí)壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)葉片在渦輪機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)。所述方法包括選擇從中抽取壓縮空氣的第一壓縮機(jī)級(jí)；管輸來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼；輸送來(lái)自所述第一壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱收縮；選擇從中抽取壓縮空氣的第二壓縮機(jī)級(jí)，并且取消選擇所述第一壓縮機(jī)級(jí)；管輸來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣到所述渦輪機(jī)殼；以及輸送來(lái)自所述第二壓縮機(jī)級(jí)的所述壓縮空氣以使所述渦輪機(jī)殼熱膨脹。
文檔編號(hào)F01D11/24GK103089339SQ20121042894
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者M.I.阿拉 申請(qǐng)人:通用電氣公司