專利名稱：用于渦輪機(jī)中的被動吹掃流控制的系統(tǒng)、方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例一般地涉及渦輪機(jī)，且更具體地，涉及用于渦輪機(jī)中的被動吹掃 (purge)流控制的系統(tǒng)、方法和裝置。
背景技術(shù)：
渦輪機(jī)典型地包括旋轉(zhuǎn)部件(例如轉(zhuǎn)子)和固定部件(例如定子)。渦輪機(jī)的轉(zhuǎn) 子可包括多個堆疊的葉輪。堆疊的葉輪的外部徑向區(qū)域被稱為輪緣部分(rim portion)，而 堆疊的葉輪的中心徑向區(qū)域被稱為孔部分。典型的渦輪機(jī)的運行涉及高溫，其可使渦輪機(jī) 的各種構(gòu)件遭遇相對極端的熱負(fù)載。燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的輪緣部分典型地暴露于高溫氣流 下，并因此在起動期間被加熱至與轉(zhuǎn)子的孔部分相比相對高的溫度，因而在轉(zhuǎn)子的輪緣和 孔之間產(chǎn)生極大的徑向熱梯度。此輪緣到孔的熱梯度造成在燃?xì)鉁u輪機(jī)的起動和關(guān)閉循環(huán) 期間的應(yīng)力循環(huán)，并從而對渦輪機(jī)的機(jī)械構(gòu)件的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，典型地在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，將多個實心且環(huán)形的葉輪放置在相鄰位置，并 且通過多個軸向延伸的螺栓和設(shè)于相鄰葉輪之間的榫接頭而彼此固定在一起。因而，葉輪 的不同加熱會造成極大的轉(zhuǎn)子孔應(yīng)力和偏轉(zhuǎn)，其傾向于打開榫接頭。此外，轉(zhuǎn)子和相關(guān)葉輪 的熱條件在起動、穩(wěn)定狀態(tài)運行以及渦輪機(jī)關(guān)閉時是不同的。在起動期間，渦輪葉輪的輪緣 部分典型地與熱的渦輪機(jī)流動路徑直接接觸，并因此輪緣部分傾向于比孔部分更快變熱， 導(dǎo)致相對高的溫度梯度。在穩(wěn)定狀態(tài)運行期間，來自輪緣部分的熱量被傳導(dǎo)至孔部分，減少 了溫度梯度，并幾乎平衡了輪緣和孔之間的溫差。然而，因為輪緣與熱氣體保持直接接觸， 所以即使在穩(wěn)定狀態(tài)下，輪緣的溫度也傾向于比孔的溫度略高。在關(guān)閉期間，溫度梯度傾向 于反轉(zhuǎn)，因為渦輪機(jī)的壓縮機(jī)段的降低的流動路徑溫度冷卻了輪緣部分，而孔部分由于熱 慣性仍保持熱量。因而需要一種在相應(yīng)的起動和關(guān)閉期間可將流動路徑或加熱/冷卻的空氣引向 渦輪機(jī)孔，并且在穩(wěn)定狀態(tài)運行期間可將其切斷或急劇減少的設(shè)計。因此需要用于渦輪機(jī) 中的被動吹掃流控制的方法、系統(tǒng)和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例可解決某些或所有上述需求。本發(fā)明的某些實施例可提供用于渦 輪機(jī)中的被動吹掃流控制的系統(tǒng)、方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，公開了一種用于 控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度的方法。該方法可包括提供使空氣流向轉(zhuǎn)子的孔 的路徑，轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪。該空氣流動路徑可包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔 洞以及位于至少其中一些堆疊葉輪中的多個孔。該方法還可包括在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間至 少部分地基于轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定子之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到所述至少一個入口孔洞的氣 流。另外，可引導(dǎo)流入到入口孔洞中的氣流的一部分穿過所述至少其中一些堆疊葉輪中的 多個孔洞。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，公開了一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括提供給轉(zhuǎn)子的孔的空氣流動路徑，轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪。該 空氣流動路徑可包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞以及堆疊的葉輪中的多個孔。該系統(tǒng) 還可包括密封裝置，其可操作以在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間至少部分地基于轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定 子之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到該至少一個入口孔洞的氣流。另外，可引導(dǎo)至少一部分流入該 至少一個入口孔洞中的氣流，以便通過堆疊的葉輪中的多個孔來吹掃至少一個葉輪。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，公開了一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度 梯度的裝置。該裝置可包括提供給轉(zhuǎn)子的孔的空氣流動路徑，轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪。到 轉(zhuǎn)子的孔的該空氣流動路徑可包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞以及轉(zhuǎn)子的堆疊的葉 輪中的多個孔。該裝置還可包括密封裝置，其用于在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間至少部分地基于 轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定子之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到該至少一個入口孔洞的氣流。另外，可引導(dǎo) 至少一部分氣流以便穿過堆疊的葉輪中的多個孔來吹掃至少一個葉輪。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員從以下具體實施方式
、附圖和所附權(quán)利要求中將明晰本發(fā)明 的其它實施例、方面和特征。


已經(jīng)概括地描述了本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明，這些圖紙不一定是按 比例繪制的，其中圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的與燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的 輪緣到孔的溫度梯度變化的一個示例的圖表。圖2是根據(jù)本發(fā)明各種實施例可利用的燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)段的一個示例的局 部橫截面?zhèn)纫晥D。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的渦輪段的一部分的放大的橫截面?zhèn)纫晥D，其中實 現(xiàn)了吹掃流的控制。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一種示例密封裝置的示意性的正視圖。圖5是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的轉(zhuǎn)子和相關(guān)定子的軸向偏轉(zhuǎn)以 及它們的相對軸向偏轉(zhuǎn)的一個示例變化的圖表。圖6是流程圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的一種用于控制燃?xì)鉁u 輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度的示例方法。部件列表100輪緣到孔溫度梯度對時間的曲線圖；200渦輪段；202轉(zhuǎn)子；204定子；206實 心葉輪；208環(huán)形葉輪；210槳葉；212噴嘴；214輪緣；216孔；218中心線軸線；220空氣路 徑；222入口孔洞；224密封裝置；226實心葉輪中的多個孔洞；230壓縮機(jī)主空氣流動路徑； 232流向燃燒器和渦輪段的剩余空氣；234流向冷卻/吹掃渦輪段的剩余空氣；300渦輪段 部分；302金屬輪輻；304剛毛；306剛毛束(bristle pack) ；308密封輪轂；400密封裝置的 正視圖；402開口 ；500轉(zhuǎn)子和定子的軸向偏轉(zhuǎn)對時間的曲線圖；502顯示定子的軸向偏轉(zhuǎn) 隨時間變化的曲線；504顯示轉(zhuǎn)子的軸向偏轉(zhuǎn)隨時間變化的曲線；506顯示轉(zhuǎn)子和定子之間 的相對軸向偏轉(zhuǎn)隨時間變化的曲線；600用于控制轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度的方法；605框圖 1 ；610 框圖 2 ；
具體實施例方式現(xiàn)在將在后文中參照附圖更完整地描述本發(fā)明的說明性實施例，在附圖中顯示了 本發(fā)明的某些但非全部實施例。本發(fā)明可以許多不同的形式來體現(xiàn)，并且不應(yīng)該被認(rèn)為局 限于本文陳述的實施例；相反，提供了這些實施例以使得本發(fā)明公開將滿足適用的法定要 求。貫穿全文相似的標(biāo)號表示相似的元件。所公開的是用于渦輪機(jī)中的被動吹掃流控制的系統(tǒng)、方法和裝置，包括控制燃?xì)?渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度。本發(fā)明的各種實施例可包括一種密封裝置，其用于控制 到轉(zhuǎn)子上的至少一個入口孔洞的氣流，其可運行以吹掃空氣，從而降低轉(zhuǎn)子中的徑向溫度 梯度。吹掃空氣可在燃?xì)鉁u輪機(jī)的起動期間加熱渦輪葉輪的孔，且隨后在渦輪機(jī)關(guān)閉期間 冷卻渦輪葉輪的孔。在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間，可至少部分地基于轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定子之間 的軸向偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)穿過密封裝置的流量控制。為了在實施例的某些實施例中實現(xiàn)前述目 的，還可通過空氣流動路徑而將壓縮機(jī)排氣提供給轉(zhuǎn)子孔，并進(jìn)入轉(zhuǎn)子的渦輪葉輪之間的 空腔，其中空氣流動路徑可包括位于轉(zhuǎn)子上的入口孔洞和轉(zhuǎn)子的渦輪葉輪中的多個孔洞。本文所述的本發(fā)明的某些實施例的至少一個技術(shù)效果是可為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的孔提 供空氣流動路徑，以控制轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度。此布置可通過消除或以其它方式最小化 在穩(wěn)定狀態(tài)運行期間與用來冷卻/加熱轉(zhuǎn)子孔的吹掃空氣的使用相關(guān)聯(lián)的損失而改善渦 輪機(jī)的性能。另外，用于控制吹掃空氣流的密封裝置可利用轉(zhuǎn)子和定子部件之間的相對軸 向運動，其中這種運動發(fā)生在渦輪機(jī)運行期間。此外，密封裝置的設(shè)計可確保氣流不會由于 密封裝置的存在而受到干擾或相對不受影響，從而確保了穿過渦輪段的最小的流量損失和 相對平穩(wěn)的流動。因此，使用密封裝置來控制吹掃流可具有改善渦輪機(jī)的性能的技術(shù)效果。圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的與燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的 輪緣到孔溫度梯度變化的一個示例的圖表。圖1顯示了曲線圖100，其代表在燃?xì)鉁u輪機(jī) 的瞬變和后續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)運行期間渦輪葉輪的輪緣到孔溫度梯度的變化示例。在曲線圖100 中，水平軸線可代表燃?xì)鉁u輪機(jī)的運行的持續(xù)時間(秒)。燃?xì)鉁u輪機(jī)的運行持續(xù)時間可 包括瞬變運行的時間，例如起動持續(xù)時間，以及后續(xù)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的滿負(fù)荷運行的時間。此 外，垂直軸線可代表轉(zhuǎn)子的渦輪葉輪中的徑向輪緣到孔溫度梯度(以華氏度為單位)。曲線 圖100顯示了在瞬變運行期間(例如燃?xì)鉁u輪機(jī)的起動時期期間)輪緣到孔溫度梯度的逐 步升高。接下來，曲線在起動持續(xù)時間期間的中間，在大約1500秒處到達(dá)峰值，然后隨著燃 氣渦輪機(jī)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行而逐漸下降。在本發(fā)明的各種實施例中，起動 持續(xù)時間中的曲線的性質(zhì)還可代表燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動機(jī)的關(guān)閉期間的系統(tǒng)特性。圖1中所示 的曲線圖100在燃?xì)鉁u輪機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行期間保持相對平坦，表示當(dāng)燃 氣渦輪機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行時實際上沒有或者很少有超出滿負(fù)荷點的輪 緣到孔溫度的變化。典型地，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的其中一些或全部運行周期期間，通過利用引向轉(zhuǎn)子的孔 的吹掃流來控制對渦輪葉輪的高輪緣到孔溫度梯度。然而，通過在渦輪機(jī)的不同運行階段 期間恰當(dāng)?shù)乜刂拼祾吡?，可提高渦輪機(jī)的效率。因為如圖1中所示，輪緣到孔溫度梯度在滿 負(fù)荷時間點之后停留于可接受的值，所以在燃?xì)鉁u輪機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行期 間對吹掃空氣很少或沒有需求。在穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行期間吹入轉(zhuǎn)子的孔中的空 氣保持在渦輪段中循環(huán)，從而影響渦輪機(jī)的效率。然而，在渦輪機(jī)的關(guān)閉期間可能需要吹
6掃流，因為在輪緣和孔區(qū)域之間由于輪緣部分與孔部分相比相對快的冷卻而會形成溫度梯 度。如圖2中所示的布置可起作用以便在渦輪機(jī)的不同運行階段期間控制引向轉(zhuǎn)子的孔的 吹掃流，并從而可確保吹掃空氣的相對有效的使用。圖2是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例可利用的燃?xì)鉁u輪機(jī)的一個示例壓縮機(jī)段200的 放大的橫截面?zhèn)纫晥D。圖2顯示了燃?xì)鉁u輪機(jī)的一個示例壓縮機(jī)段200的一個示例環(huán)境。 另外地或備選地，本發(fā)明的其它實施例可包括燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪段作為示例環(huán)境。圖2中所示的示例壓縮機(jī)段200可包括兩個主要結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)202例如轉(zhuǎn)子， 以及靜止結(jié)構(gòu)例如定子204。多個堆疊的葉輪(以下被稱為渦輪葉輪)安裝在轉(zhuǎn)子202上 并形成轉(zhuǎn)子202的一部分，可包括交替地設(shè)置于多個環(huán)形葉輪208之間多個實心葉輪206。 各個渦輪葉輪還包括從轉(zhuǎn)子202徑向向外地凸出的多個槳葉210 (轉(zhuǎn)子葉片)，而安裝在定 子204上并徑向向內(nèi)地朝向轉(zhuǎn)子202凸出的多個噴嘴212 (定子葉片)可交替地定位在槳 葉210之間。因而多個轉(zhuǎn)子葉片210和定子葉片212形成了壓縮機(jī)段200中的空氣流過其 中的通道。因此，轉(zhuǎn)子202的輪緣214暴露于熱氣體路徑中，而孔216保持免受熱氣流的影 響，并形成了接觸中心線軸線218的轉(zhuǎn)子202的根部。因而在輪緣214和轉(zhuǎn)子202的孔216 之間可存在徑向溫度梯度，其可能導(dǎo)致相對極端的溫度應(yīng)力。為了降低轉(zhuǎn)子202上的熱應(yīng) 力，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的起動期間可加熱轉(zhuǎn)子202的孔216 ；而在發(fā)動機(jī)關(guān)閉期間可冷卻孔216， 以減少輪緣214和孔216之間的徑向溫度梯度。因此可提供空氣流動路徑220，其從壓縮機(jī)段200中的熱氣體流動路徑通向孔 216，穿過轉(zhuǎn)子202的尾端?？諝饬鲃勇窂?20可包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞222， 通過密封裝置224可控制穿過該入口孔洞的氣流?？諝饬鲃勇窂?20還可將入口孔洞222 連接到至少其中一些渦輪葉輪中的多個孔洞226上。因而可將來自熱氣體路徑的空氣引入 孔216中，通過環(huán)繞環(huán)形葉輪208的路徑并通過實心葉輪206中的多個孔洞226。根據(jù)一個 示例性實施例，沿著空氣流動路徑220的吹掃空氣部分可源自壓縮機(jī)的主空氣_流動路徑 230。主空氣的剩余部分可流向燃燒器和渦輪段232，或者用于冷卻/吹掃渦輪段234。此外，在本發(fā)明的某些實施例中，容許氣流穿過實心葉輪206的多個孔洞226可沿 著發(fā)動機(jī)的中心線軸線218或與之成角度。另外，在至少一個實施例中，實心葉輪206中的 多個孔洞226可定位成離各個葉輪的中心軸線218大約0. 2*R至大約0. 65*R之間，其中R 是實心葉輪206的輪緣半徑。在本發(fā)明的各種實施例中，形成了空氣路徑220的一部分的至少一個入口孔洞 222可與限定在轉(zhuǎn)子202內(nèi)的空腔成流連通，而空腔又可與實心渦輪葉輪206中的多個孔 洞226成流連通?？諝饬鲃勇窂?20因而引導(dǎo)流從熱氣體路徑通過入口孔洞222而到達(dá)孔 216。接下來，空氣流動路徑220穿過實心葉輪206中的孔226，并且環(huán)繞交替地定位在實心 葉輪之間的環(huán)形葉輪208，從而形成被稱為蛇形流動路徑的彎曲的流動路徑。形成于轉(zhuǎn)子 202的孔區(qū)域中的蛇形流動路徑可使沿著渦輪葉輪的長度的相對較大的表面積暴露于氣流 下。增加的對于氣流的表面暴露導(dǎo)致相對更有效地加熱或冷卻壓縮機(jī)葉輪孔表面。因而， 蛇形路徑可用于在燃?xì)鉁u輪機(jī)的瞬變運行期間更有效地減少輪緣214和轉(zhuǎn)子202的孔216 之間的徑向溫度梯度。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪段300的一部分的放大的橫截面?zhèn)纫晥D， 在該渦輪段中可實現(xiàn)吹掃流的控制。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例密封裝置224，其可操作以控制吹掃流。圖3顯示了渦輪段300的一部分，其中密封裝置224可操作 以控制穿過入口孔洞222的吹掃流。該示例密封裝置224可從定子204上的多個周向位置 懸伸?？刹僮饕钥刂拼祾吡鞯拿芊庋b置224可包括從定子204懸伸的多個輪輻302，在末端 處具有抵靠轉(zhuǎn)子202摩擦的剛毛304。剛毛304可安裝在密封輪轂308的內(nèi)圓周上，密封輪 轂308在不同的周向位置處由多個輪輻302支撐。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，密封 裝置224可以是軸向形的環(huán)，具有大約0. 06英寸的軸向?qū)挾萖I。此外，密封裝置224可具 有任何形狀，并且可不局限于軸向形環(huán)。在一個示例性實施例中，剛毛304在一端處可安裝 在剛毛束306內(nèi)，剛毛束306可安裝在密封輪轂308上。剛毛束306可固定一圈緊密捆扎 的金屬線即剛毛304。在剛毛束306內(nèi)，剛毛304可成角度沿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置。剛毛長 度可為大約1英寸即2. 5cm。典型地，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的起動和關(guān)閉期間，轉(zhuǎn)子部件相對于定子部件可能由于溫 差、相關(guān)的熱膨脹和負(fù)載應(yīng)力的組合而經(jīng)歷軸向偏轉(zhuǎn)。在渦輪機(jī)的起動和關(guān)閉期間觀測到 在轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的相對軸向偏轉(zhuǎn)。然而瞬間變化的相對偏轉(zhuǎn)在滿負(fù)荷期間達(dá) 到最大值，并且在渦輪機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行的整個持續(xù)時間內(nèi)保持恒定。因 而在起動之前和起動期間，從定子204保持的密封裝置224可定位成使其不阻塞該至少一 個入口孔洞222，并且加熱的空氣可流向孔部分。當(dāng)定子相對于轉(zhuǎn)子軸向地膨脹時，從定子 204保持的密封裝置224可相對于轉(zhuǎn)子202相對地移動，并開始覆蓋且阻塞該至少一個入口 孔洞222的至少一部分，從而限制到孔區(qū)域的加熱空氣的流量。當(dāng)渦輪機(jī)在起動持續(xù)時間 之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行時，密封裝置224可相對于轉(zhuǎn)子202停止移動，并且 可繼續(xù)覆蓋入口孔洞222的全部或一部分。在關(guān)閉期間，定子部件和轉(zhuǎn)子部件之間的反轉(zhuǎn) 的相對軸向偏轉(zhuǎn)可容許密封裝置224露出該一個入口孔洞222的至少一部分。在一個示例 性實施例中，在起動之后和在穩(wěn)定狀態(tài)運行期間，在轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的不同的軸 向偏轉(zhuǎn)可在大約0. 1英寸至大約0. 2英寸之間。對于此示例性實施例，密封裝置224和剛 毛304的寬度XI可為大約0. 04英寸至大約0. 1英寸之間，并且在燃?xì)鉁u輪機(jī)起動之前，密 封裝置224的第一端可放置在離入口孔洞222大約0. 1英寸至大約0. 2英寸的距離X2處。 根據(jù)另一示例性實施例，密封裝置224和剛毛304的寬度XI可為大約0. 06英寸，并且密封 裝置224的第一端可放置在離入口孔洞222的第一邊緣大約0. 18英寸的距離X2處。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例密封裝置224的放大的正視圖。圖4顯示了 圖2和圖3中所示的密封裝置224的正視圖400。圖4中所顯示的示例密封裝置224包括 安裝在剛毛束306中的一個或多個剛毛304，并且剛毛束可安裝在包圍轉(zhuǎn)子202的密封輪 轂308的內(nèi)圓周上。密封輪轂308的外圓周還可安裝在一個或多個輪輻302上，其中該一 個或多個輪輻302可安裝在定子204的內(nèi)圓周上。因而，密封裝置224從定子204在某些 周向點處懸垂，并可操作以相對于轉(zhuǎn)子而移動，并覆蓋至少一個入口孔洞(圖中未顯示)的 至少一部分。當(dāng)一個或多個剛毛304阻塞入口孔洞時，該一個入口孔洞的至少一部分可被 密封裝置224覆蓋，并從而防止空氣流入入口孔洞中。此外在一個或多個輪輻之間的開口 402可允許在轉(zhuǎn)子202和定子204之間的軸向氣流。因而當(dāng)密封裝置224覆蓋該入口孔洞 (圖中未顯示)的至少一部分時，可將渦輪段中的氣流在定子和轉(zhuǎn)子之間軸向地引導(dǎo)。然 而，在渦輪機(jī)的瞬變運行期間，部分空氣軸向地流過開口 402，而剩余的空氣流過入口孔洞， 并流入轉(zhuǎn)子202的孔中。因而密封裝置224的設(shè)計可促進(jìn)渦輪段中相對平穩(wěn)的空氣流動，并且不會堵塞空氣的軸向流動，從而最小化損失。圖5是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的轉(zhuǎn)子和相關(guān)定子的軸向偏轉(zhuǎn)以 及它們的相對軸向偏轉(zhuǎn)的變化示例的圖表。圖5顯示了曲線圖500，其代表燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn) 子和相關(guān)的定子在燃?xì)鉁u輪機(jī)的瞬變和后續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)運行期間的示例性的軸向偏轉(zhuǎn)。在曲 線圖500中，水平軸線可代表瞬變運行的持續(xù)時間(秒)(例如起動持續(xù)時間)，以及燃?xì)?渦輪機(jī)的后續(xù)滿負(fù)荷運行時間。此外，曲線圖500中的垂直軸線可代表在渦輪機(jī)的定子部 件和轉(zhuǎn)子部件之間的軸向偏轉(zhuǎn)(以英寸為單位)。曲線圖500顯示了三條曲線502，504和 506。曲線502代表當(dāng)渦輪機(jī)從起動狀態(tài)移動至穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)時的定子隨時間 的軸向偏轉(zhuǎn)。類似地，曲線504代表在燃?xì)鉁u輪機(jī)的瞬變狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài) 運行期間的轉(zhuǎn)子的軸向偏轉(zhuǎn)。而曲線506代表在轉(zhuǎn)子和定子之間的相對軸向偏轉(zhuǎn)。曲線506 代表轉(zhuǎn)子和定子之間的相對軸向偏轉(zhuǎn)在起動持續(xù)時間期間的逐漸增大，然后接著顯示了隨 著渦輪機(jī)開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行時軸向偏轉(zhuǎn)方面相對沒有變化。在本發(fā)明 的一個示例性實施例中，密封裝置在渦輪機(jī)起動之前可定位在渦輪段中，使得入口孔洞可 在起動時最初未被覆蓋，然后可在渦輪機(jī)起動大約5000秒的時間之后被至少部分地覆蓋。圖6是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施例的用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中 的徑向溫度梯度的示例方法600的流程圖。方法600可開始于框圖602。在框圖602處，為轉(zhuǎn)子的孔提供空氣路徑，其包括至 少一個入口孔洞和位于堆疊的葉輪中的多個孔洞。渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子可由多個堆疊的葉輪形 成，這些葉輪包括交替地放置在環(huán)形葉輪之間的實心葉輪。該空氣路徑可提供從渦輪機(jī)的 熱氣體路徑到轉(zhuǎn)子的孔的空氣通道。形成空氣路徑的一部分的一個或多個入口孔洞可與限 定在轉(zhuǎn)子中的空腔連通。該空腔可與實心葉輪中的多個孔洞進(jìn)一步連通。因而，通過圍繞 環(huán)形葉輪且穿過實心葉輪的蛇形流動路徑可將空氣從熱氣體路徑引向轉(zhuǎn)子的孔。蛇形流動 路徑可導(dǎo)致沿著渦輪機(jī)葉輪的長度相對較大的表面積暴露于氣流下。此暴露于吹掃流下的 轉(zhuǎn)子表面的增加可導(dǎo)致對轉(zhuǎn)子的相對更有效的加熱或冷卻，因而在燃?xì)鉁u輪機(jī)的瞬變運行 期間更有效地減少輪緣和轉(zhuǎn)子孔之間的徑向溫度梯度。在本發(fā)明的各種實施例中，實心葉 輪中的多個孔洞可定位成離各個葉輪的中心軸線大約0. 2*R至大約0. 65*R之間，其中R等 于實心葉輪的輪緣半徑。遵照通向轉(zhuǎn)子的孔的空氣路徑的設(shè)計，操作可前進(jìn)至框圖604。在框圖604處，在發(fā)動機(jī)運行期間可至少部分地基于轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定子的軸向 偏轉(zhuǎn)而控制穿過該至少一個孔的吹掃空氣的流量。在渦輪機(jī)的起動和關(guān)閉期間，可能造成 轉(zhuǎn)子部件相對于定子部件的軸向偏轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的此相對軸向偏轉(zhuǎn)在渦 輪機(jī)起動期間可隨著時間增加，并且在滿負(fù)荷點上達(dá)到最大值。超過滿負(fù)荷點，轉(zhuǎn)子部件和 定子部件之間的偏轉(zhuǎn)在渦輪機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)運行的整個持續(xù)時間內(nèi)可保持幾乎恒定。此外在關(guān) 閉期間，在轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的相對軸向偏轉(zhuǎn)可再次變化，并且隨著時間而下降。因 而，在瞬變運行狀態(tài)期間，從定子的內(nèi)圓周保持的密封裝置可相對于轉(zhuǎn)子相對地移動，并覆 蓋入口孔洞的至少一部分。此外，當(dāng)渦輪機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或接近穩(wěn)定狀態(tài)運行時，密封裝 置相對于轉(zhuǎn)子不移動，并因而在渦輪機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)運行期間繼續(xù)覆蓋入口孔洞的至少一部 分。因而密封裝置可操作以在燃?xì)鉁u輪機(jī)的所有運行狀態(tài)下控制到入口孔洞的氣流。在本 發(fā)明的一個示例性實施例中，在定子部件和轉(zhuǎn)子部件之間的軸向偏轉(zhuǎn)為大約0.01英寸至 大約0. 5英寸。此外在本發(fā)明的各種實施例中，密封裝置可包括安裝在密封輪轂的內(nèi)圓周上的一個或多個剛毛。此密封輪轂的外圓周可進(jìn)一步安裝在一個或多個輪輻上，其中該一 個或多個輪輻可安裝在定子的內(nèi)圓周上。在轉(zhuǎn)子和定子之間的相對運動可促進(jìn)剛毛在轉(zhuǎn)子 表面上的運動，從而在最大軸向偏轉(zhuǎn)點處至少部分地覆蓋入口孔洞。此外，還將輪輻周向地 設(shè)置成使得在定子和轉(zhuǎn)子之間可允許軸向空氣流動，從而導(dǎo)致最小的流量損失。該方法600可在框圖604之后結(jié)束。圖6的方法600中所描述的操作不一定必須按照圖6中所陳述的順序來執(zhí)行，而 是可根據(jù)本發(fā)明的實施例按照任何合適的順序來執(zhí)行。另外在本發(fā)明的某些實施例中，可 執(zhí)行比圖6中所陳述的全部要素或全部操作更多或更少的要素或操作。本發(fā)明的實施例可適用于不同類型的渦輪機(jī)，例如蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等等。 而且本發(fā)明的實施例還可在渦輪機(jī)的不同區(qū)段，例如燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪段或壓縮機(jī)段中使 用。應(yīng)該明白，前面說明書中所采用或提供的任何示例都僅僅是出于解釋目的而提供的，并 且無論如何都沒有限制本發(fā)明的范圍。本書面說明書使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域中的技術(shù) 人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和利用任何裝置或系統(tǒng)，并執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。在權(quán) 利要求中限定了本發(fā)明可取得專利的范圍，并且可包括本領(lǐng)域中的技術(shù)人員想到的其它示 例。如果這些其它示例具有并非不同于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果其包括 與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)元件，那么這些其它示例都屬于權(quán)利要求的 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的徑向溫度梯度的方法(600)，所述方法包括在步驟(602)，給空氣提供流向所述轉(zhuǎn)子的孔的路徑，所述轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪，其中所述路徑包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞和至少其中一些所述堆疊的葉輪中的多個孔洞，以及在步驟(604)，在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的運行期間，至少部分地基于所述轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的定子之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到所述至少一個入口孔洞的氣流，其中所述氣流的至少一部分被引導(dǎo)穿過所述堆疊的葉輪中的多個孔洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(600)，其特征在于，所述堆疊的葉輪包括實心葉輪和環(huán) 形葉輪，并且其中，所述氣流被引導(dǎo)穿過圍繞所述環(huán)形葉輪的路徑并穿過所述實心葉輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(600)，其特征在于，到所述至少一個入口孔洞的氣流被 密封裝置控制。
4.一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(202)中的徑向溫度梯度的系統(tǒng)(200)，所述系統(tǒng) 包括到所述轉(zhuǎn)子(202)的孔(216)的空氣流動路徑(220)，所述轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪， 其中所述路徑(220)包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞(222)和所述堆疊的葉輪中的多 個孔洞(226)；以及密封裝置(224)，其用于在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的運行期間至少部分地基于所述轉(zhuǎn)子 (202)和相關(guān)聯(lián)的定子(204)之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到所述至少一個入口孔洞(222)的氣 流，其中所述氣流的至少一部分被引導(dǎo)穿過所述堆疊的葉輪中的多個孔洞(226)，從而吹掃 至少一個葉輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(200)，其特征在于，所述堆疊的葉輪包括實心葉輪 (206)和環(huán)形葉輪(208)，并且其中所述氣流被引導(dǎo)穿過圍繞所述環(huán)形葉輪(208)的路徑 (220)并穿過所述實心葉輪(210)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(200)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的所述至少一個入 口孔洞(222)與限定在所述轉(zhuǎn)子(202)中的空腔連通，其中所述空腔與所述堆疊的葉輪中 的多個孔洞(226)連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(200)，其特征在于，從定子(204)保持的所述密封裝置 (224)能夠相對于轉(zhuǎn)子(202)相對地移動，并覆蓋所述至少一個入口孔洞(222)的至少一部 分。
8.一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(202)中的徑向溫度梯度的裝置(200)，所述裝置 (200)包括到所述轉(zhuǎn)子(202)的孔(216)的空氣流動路徑(220)，所述轉(zhuǎn)子包括多個堆疊的葉輪 (206，208)，其中所述路徑包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞(222)和所述堆疊的葉輪 中的多個孔洞(226)；以及密封裝置(224)，其用于在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的運行期間至少部分地基于所述轉(zhuǎn)子 (202)和相關(guān)聯(lián)的定子(204)之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到所述至少一個入口孔洞(222)的氣 流，其中所述氣流的至少一部分被引導(dǎo)穿過所述堆疊的葉輪中的多個孔洞，從而吹掃至少 一個葉輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置(200)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的所述至少一個入口孔洞(222)與限定在所述轉(zhuǎn)子(202)中的空腔連通，其中所述空腔與所述堆疊的葉輪中 的多個孔洞(226)連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置(200)，其特征在于，從定子(204)保持的所述密封裝 置(224)能夠相對于轉(zhuǎn)子(202)相對地移動，并覆蓋所述至少一個入口孔洞(222)的至少 一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于渦輪機(jī)中的被動吹掃流控制的系統(tǒng)、方法和裝置。本發(fā)明的各種實施例包括給空氣提供流向轉(zhuǎn)子(202)的孔(216)的路徑(220)，所述轉(zhuǎn)子具有多個堆疊的葉輪?？諝饬鲃勇窂?220)包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的至少一個入口孔洞(222)以及至少其中一些堆疊的葉輪中的多個孔洞(226)。該方法還包括在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間至少部分地基于轉(zhuǎn)子(202)和相關(guān)聯(lián)的定子(204)之間的軸向偏轉(zhuǎn)而控制到所述至少一個入口孔洞(222)的氣流。另外，引導(dǎo)流入入口孔洞(206)中的氣流的一部分穿過至少其中一些堆疊的葉輪中的多個孔洞(226)以吹掃轉(zhuǎn)子(202)。
文檔編號F01D11/12GK101852097SQ20101015565
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者H·K·梅卡, J·M·多斯, S·D·德奧哈 申請人:通用電氣公司