專利名稱：燃氣渦輪機以及操作燃氣渦輪機的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃氣渦輪機和操作燃氣渦輪機的方法。具體地，本發(fā)明涉及如下燃氣渦輪機和操作燃氣渦輪機的方法，其中，在轉(zhuǎn)子和定子部分之間形成環(huán)形間隙，該環(huán)形間隙被設(shè)計成可以降低在環(huán)形間隙中被導引的壓縮空氣的損失。
背景技術(shù)：
已知燃氣渦輪機包括:由軸承可轉(zhuǎn)動地支撐的轉(zhuǎn)子或渦輪軸；壓縮機部分，其包括安裝在轉(zhuǎn)子處以壓縮空氣的轉(zhuǎn)子葉片、用于燃燒燃料和壓縮空氣混合物的燃燒器以及將包含在所燃燒的燃料和壓縮空氣混合物中的能量轉(zhuǎn)化為機械能以驅(qū)動轉(zhuǎn)子的渦輪部分。燃氣渦輪機可以例如用于通過利用機械能驅(qū)動發(fā)電機來產(chǎn)生電能。具體地，被燃氣渦輪機的壓縮機部分壓縮的空氣可以不僅沿導向燃燒器的壓縮機空氣通道流動，還沿燃氣渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子部分之間的間隙流動。因此，要密封燃氣渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子部分之間的間隙，以減少被引入該間隙中的壓縮空氣的量(其中壓縮空氣的一部分是以某種不期望的方式被引入該間隙中的)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)常規(guī)密封的密封性能不符合要求。過量的壓縮空氣可以從壓縮機空氣通道泄漏到燃氣渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子部分之間的間隙中。由此降低了燃氣渦輪機的效率。US 4，993，917公開了一種具有干法氣體密封的氣體壓縮機，其中，鄰近壓縮機排放端的主干法氣體密封的直徑大于在壓縮機入口端的相應(yīng)密封的直徑，從而使得作用在干法氣體密封的各自轉(zhuǎn)動部分上的加壓氣體迫使軸朝向壓縮機排放端并因此抵消了推進器上的動力。EP 2 053 201 A2公開了一種流體靜力密封組件和相應(yīng)的壓縮機組件以及燃氣渦輪發(fā)動機，其中主氣體流的一部分通過葉片下游的內(nèi)直徑泄放孔被饋送到位于導流片徑向內(nèi)側(cè)的高壓腔中。EP O 532 303 Al公開了一種用于改進發(fā)動機冷卻的系統(tǒng)和方法，其中，用于腔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的冷卻空氣是由經(jīng)過迷宮密封的來自壓縮機排放空氣的泄漏獲得，其中通過由一系列轉(zhuǎn)動式迷宮齒徑向形成的一系列環(huán)形限制件對未被引向燃燒器的壓縮機排放空氣部分進行節(jié)流控制。US 2003/0131602 Al公開了一種具有軸向加載浮動刷式密封的渦輪機發(fā)電設(shè)施，其中，筒形構(gòu)件內(nèi)的腔被供應(yīng)以通過迷宮密封泄漏的來自壓縮機最后一級的受控量的冷卻空氣。WO 02/01046 Al公開了一種用于燃氣渦輪機的密封系統(tǒng)，其中，利用支撐墊的通風管將空氣饋送到內(nèi)筒中，從而產(chǎn)生空氣流，該空氣流始于壓縮機的中間級并且流向內(nèi)筒。WO 02/48525 A2公開了一種向燃氣渦輪機饋送冷卻空氣的系統(tǒng)，其中，冷卻空氣來自高壓源并且被輸送到徑向加速器，該徑向加速器引起空氣沿轉(zhuǎn)子表面的圓周運動的方向的切向加速度。冷卻空氣被釋放到具有相應(yīng)減小的出口半徑的中空轉(zhuǎn)子中。US 2005/0058533 Al公開了一種用于壓縮機的密封裝置，該壓縮機包括用于將壓縮空氣供應(yīng)到被限定在壓縮機輪和壓縮機外殼之間的泄漏路徑中的壓縮空氣供應(yīng)管道，該泄漏路徑從主氣體流動路徑導向壓縮機的軸承區(qū)域，以足夠確?？諝夂蜌鈶B(tài)燃料不能從主氣體流動路徑通過泄漏路徑流到軸承區(qū)域的壓力來供應(yīng)該壓縮空氣?？赡苄枰@樣一種燃氣渦輪機，其提供了較高的效率，特別是提供了對從壓縮機空氣通道泄漏的壓縮空氣的較高密封能力。此外，可能需要一種操作渦輪機的方法以便提高燃氣渦輪機的效率，特別是更有效地密封燃氣渦輪機轉(zhuǎn)子和定子部分之間的間隙。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例，提供了一種燃氣渦輪機，包括:轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括用于可轉(zhuǎn)動地支撐該轉(zhuǎn)子(因而將所述轉(zhuǎn)子支承為使其可以轉(zhuǎn)動，特別是繞軸向轉(zhuǎn)動軸線進行轉(zhuǎn)動)的流體軸承(特別是油軸承)的轉(zhuǎn)子部分(與轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的部分或容納在該轉(zhuǎn)子中的部分)；徑向外定子部分(該徑向外定子部分相比徑向內(nèi)定子部分位于更遠處(離轉(zhuǎn)動軸線更遠)，其中，徑向方向可以垂直于所述轉(zhuǎn)子繞其轉(zhuǎn)動的軸向方向)；徑向內(nèi)定子部分(相比徑向外定子部分徑向地位于更內(nèi)側(cè)(靠近轉(zhuǎn)動軸線))，所述徑向內(nèi)定子部分包括(或容納或限定了)所述流體軸承的定子部分(所述定子部分與所述燃氣渦輪機的定子部分相關(guān)聯(lián)，所述轉(zhuǎn)子相對于所述燃氣渦輪機的定子部分轉(zhuǎn)動)；壓縮機空氣通道(用于將壓縮空氣從燃氣渦輪機的壓縮機部分導引到更下游的燃燒器處)，所述壓縮機空氣通道在所述徑向外定子部分和所述徑向內(nèi)定子部分之間延伸(特別地，壓縮機空氣通道可以是沿垂直于軸向方向且垂直于徑向方向的圓周方向延伸的環(huán)形壓縮機空氣通道)；以及環(huán)形間隙(或限定了沒有固體材料的空間的空隙或距離)，其處于所述轉(zhuǎn)子和所述徑向內(nèi)定子部分(所述環(huán)形間隙可包括填充有或至少部分地填充有或覆蓋有與流體軸承相關(guān)聯(lián)的諸如油的軸承流體的部分)之間，部分地形成與所述壓縮機空氣通道連通的環(huán)形空氣通道(特別地，所述環(huán)形間隙可從壓縮機空氣通道分支出，導致壓縮空氣從壓縮機空氣通道泄漏并且被引入到環(huán)形間隙的至少環(huán)形空氣通道中)，其中，沿所述環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣的流動方向(空氣流動方向)，所述空氣通道的半徑(或直徑或面積)在第一部分(特別是第二部分的更上游)減小并且然后在第二部分(特別是第一部分的更下游，其中，特別地，在環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣首先到達第一部分，然后到達第二部分)增大。此外，所述燃氣渦輪機包括排放管道，用于排放流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣，其中，用于將流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣引入的所述排放管道的入口被軸向地布置在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分和所述流體軸承之間。排放管道(或管道系統(tǒng))被設(shè)置為用于排放流過環(huán)形空氣通道第二部分的空氣。特別地，排放管道可連通到大氣。特別地，可以將排放管道布置在所述密封的下游，所述密封被布置在環(huán)形空氣通道中。特別地，排放管道可以包括一個或多個管子、導管和/或閥門，以控制通過排放管道排放的空氣量。由此，可以有效地排出或排放流過所述密封的剩余空氣。由此，可以減小甚至避免此剩余空氣被引入流體軸承中，特別是流體軸承的軸承室中。用于排放供應(yīng)空氣的一部分的排放管道系統(tǒng)可以包括布置在渦輪機的不同軸向位置處和/或不同圓周位置處的一定量排放管。排放管系統(tǒng)可以排放朝向流體軸承供應(yīng)的過量空氣并且特別地是過熱的空氣；這是為了防止與軸承流體(具體是油)退化相關(guān)的額外溫度。排放管系統(tǒng)可以導向大氣和/或渦輪機的排氣通道。
由于用于引入流過環(huán)形空氣通道的第二部分的空氣的排放管道軸向地布置在環(huán)形空氣通道的第二部分和流體軸承之間，因此可以減少甚至避免將在環(huán)形空氣通道中流動或在環(huán)形間隙中流動的空氣引入軸承室中。由于環(huán)形間隙與壓縮機空氣通道連通，因此從燃氣渦輪機的壓縮機部分流出的壓縮空氣可以進入環(huán)形間隙并且因此可以朝向流體軸承的流體軸承室被供應(yīng)。由此，可以有效地防止包含在流體軸承室中的流體進入環(huán)形間隙或至少防止包含在流體軸承室中的流體進入渦輪壓縮機空氣通道，包含在流體軸承室中的流體進入渦輪壓縮機空氣通道會對渦輪機的操作有不利的影響。特別地，可以在環(huán)形間隙處設(shè)置密封，以便密封或減少從壓縮機空氣通道被引入環(huán)形間隙中的壓縮空氣。特別地，可以將密封布置在環(huán)形間隙的某一位置處，在該位置處環(huán)形間隙具有足夠小的半徑或者在該位置處環(huán)形間隙具有最小的半徑。將密封設(shè)置在環(huán)形間隙的最小半徑位置處具有可以改進密封功能的優(yōu)點，因為相比將密封設(shè)置在具有較大半徑或直徑的位置處需要密封較小的面積。由此，可以減少被引入環(huán)形間隙或環(huán)形空氣通道中的壓縮空氣量，以便提高燃氣渦輪機的效率。由此，可以減少從壓縮機空氣通道泄漏的壓縮空氣。密封的面積越小，密封就可以越有效。特別地，密封面積可以被限定為圓環(huán)形部分，其中，環(huán)的寬度(沿徑向方向)由徑向內(nèi)定子部分的半徑與轉(zhuǎn)子在界定了環(huán)形間隙的環(huán)形空氣通道的特定軸向位置處的轉(zhuǎn)子半徑之間的差值給定。燃氣渦輪機可以包括單個轉(zhuǎn)子或彼此分離的兩個轉(zhuǎn)子。被流體軸承支撐的轉(zhuǎn)子可以繞沿軸向方向延伸的轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動。流體軸承可以包括任何氣態(tài)流體或液態(tài)流體，特別是油?？梢栽趬毫ο鹿?yīng)流體，例如通過將流體(特別是油)泵送到流體軸承的軸承室中。由此，流體薄層可以填充轉(zhuǎn)子的軸承面(也被稱作轉(zhuǎn)子的軸頸或軸的軸頸)與流體軸承的軸承室中的渦輪機定子部分的軸承面之間的空隙?？梢詫⒘黧w連續(xù)地泵送到軸承室中，以在相對于彼此轉(zhuǎn)動的軸承面之間保持所述流體薄層。根據(jù)一個實施例，所述渦輪機進一步包括渦輪壓縮機，所述渦輪壓縮機包括被固定在轉(zhuǎn)子的不同軸向位置處的多個轉(zhuǎn)子葉片，其中，控制系統(tǒng)適于將從渦輪壓縮機的中間軸向位置獲取的空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。環(huán)形間隙還可表示由一側(cè)的轉(zhuǎn)子面和另一側(cè)的定子面界定的環(huán)形空隙。轉(zhuǎn)子面和定子面可以具有不規(guī)則的形狀，并且特別地可以不具有平面或圓柱形形狀，但可以具有臺階形狀，因此在不同軸向位置具有不同的直徑。根據(jù)一個實施例，在空氣通道第一部分中空氣通道半徑的減小大于在空氣通道第二部分中空氣通道半徑的增大。特別地，壓縮機空氣通道相比環(huán)形空氣通道位于徑向更向外處。特別地，環(huán)形間隙徑向向內(nèi)地從壓縮機空氣通道分支出。特別地，流體軸承的轉(zhuǎn)子部分相比壓縮機空氣通道位于徑向更向內(nèi)處。根據(jù)一個實施例，空氣通道的最小半徑的范圍在空氣通道的最大半徑的0.1至
0.5之間。空氣通道的最小半徑越小，則可越有效地密封從壓縮機空氣通道引入的空氣，使該空氣不會在環(huán)形空氣通道中流動或在環(huán)形間隙中流動，特別是避免了在環(huán)形間隙中朝向流體軸承流動。由此，可以提高密封(特別地，該密封至少位于環(huán)形空氣通道的最小半徑的部分中)的效率，因此提高燃氣渦輪機的效率。特別地，在壓縮機空氣通道中導引的較少的壓縮空氣泄漏到環(huán)形間隙中。
根據(jù)一個實施例，環(huán)形空氣通道包括密封，該密封用于密封從壓縮機空氣通道分支的空氣，使其不會在環(huán)形間隙中朝向流體軸承流動(或者，至少是減少了流動)。特別地，所述密封可以包括多個迷宮密封。特別地，可以將所述密封(特別地包括多個迷宮密封)至少布置在環(huán)形空氣通道的第二部分中。特別地，所述密封可以至少被布置在環(huán)形空氣通道的軸向位置處或具有最小半徑的環(huán)形間隙的軸線位置處。通過將密封布置在最小半徑位置處，可以提高密封的效率和密封性能，減少從壓縮空氣通道泄漏的壓縮空氣的泄漏。根據(jù)一個實施例，排放管道系統(tǒng)與環(huán)形間隙連通。由此，可經(jīng)由排放管系統(tǒng)排放經(jīng)由環(huán)形間隙朝向流體軸承供應(yīng)的或在環(huán)形間隙中至少局部地流動的過量空氣。在渦輪機的正常運行條件下，排放過量空氣尤其必要。反之，在熱停機期間，控制系統(tǒng)可以關(guān)閉排放管系統(tǒng)或至少降低通過排放管系統(tǒng)排放的空氣的流速，以便降低對外部空氣源(諸如具體在熱停機期間需要被啟動的外部壓縮機)所產(chǎn)生的空氣的需求。排放管道系統(tǒng)可以與壓縮機出口下游和流體軸承上游的環(huán)形間隙連通。附加地或替代性地，排放管系統(tǒng)可以與流體軸承下游的環(huán)形間隙連通。通過在不同軸向位置和/或不同圓周位置設(shè)置一個或多個排放管可以實現(xiàn)排放管系統(tǒng)的連通。根據(jù)一個實施例，渦輪機進一步包括用于朝向環(huán)形間隙供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)。由此，通過空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)供應(yīng)的空氣可以用作緩沖空氣，以便緩沖軸承室中的流體與在環(huán)形間隙或環(huán)形空氣通道中流動的剩余空氣的連通。特別地，通過空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)引入的空氣的一部分可以朝向軸承室流動，并且其另一部分可以沿相反方向朝向排放管道的入口和/或朝向環(huán)形空氣通道的第二部分流動。由此，可以減少甚至避免包含在流體軸承室中的流體與剩余空氣的混合。用于朝向流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道可包括在燃氣渦輪機的不同軸向位置處和/或不同圓周位置處的一個或多個空氣供應(yīng)管?？諝夤?yīng)管道系統(tǒng)還可以被稱作“密封空氣饋送裝置”?？梢詫碜圆煌吹目諝夤?yīng)到空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)。例如，可以將從渦輪機的壓縮機流出的空氣或外部壓縮機產(chǎn)生的空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)。利用一個或多個閥門，可以混合或結(jié)合來自這些不同源的空氣，以達到供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的所需壓力、溫度、單位時間的體積和/或單位時間的質(zhì)量，特別地，這取決于渦輪機的運行條件。利用空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)朝向流體軸承供應(yīng)的空氣可以用于防止流體從軸承逸出或至少用于防止流體進入渦輪機的其它部分，諸如壓縮機出口，壓縮機在該壓縮機出口處排出與燃料混合并且將要在渦輪機燃燒器中燃燒的高溫高壓空氣。將流體(特別是油)引入壓縮機出口通道會導致諸如碳化和污染的問題，從而降低渦輪機的耐用性和/或效率。在正常操作條件下，可以朝向流體軸承供應(yīng)從壓縮機出口流出的高壓高溫空氣，以防止流體從流體軸承室逸出。根據(jù)一個實施例，用于朝向環(huán)形間隙供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)的出口相比排放管道的入口被軸向地布置為更靠近流體軸承。由此，空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)的出口可以軸向地位于流體軸承的軸承室和排放管道的入口之間。由此，可以達到所需的緩沖效果。根據(jù)一個實施例，燃氣渦輪機進一步包括一個控制系統(tǒng)(其可能包括在空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)中和/或在排放管道中的一個或多個閥門)，所述控制系統(tǒng)被布置成基于渦輪機的操作條件改變通過排放管道排放的空氣量。由此，具體可通過減少供應(yīng)到空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)的空氣(其可從燃氣渦輪機的壓縮機部分所壓縮的壓縮空氣的一部分獲取)的量，可以進一步提高燃氣渦輪機的效率?？刂葡到y(tǒng)可以被布置為用于改變通過排放管道系統(tǒng)排放的空氣量，其中，該量可以是速率，諸如單位時間的空氣體積、單位時間的空氣質(zhì)量或一定時間間隔內(nèi)(諸如I秒、10秒、I分鐘或5分鐘內(nèi))空氣體積或空氣質(zhì)量。控制系統(tǒng)可以包括機械構(gòu)件(諸如一個或多個閥門)，用于感測通過排放管道系統(tǒng)排放的空氣量的一個或多個感測設(shè)備，以及用于讀取感測設(shè)備的測量值和用于調(diào)整所述一個或多個值的軟件或硬件控制模塊。由此，可以將感測設(shè)備，特別是其探針，布置在排放管系統(tǒng)中的一個或多個位置處。此外，一個或多個閥門可以位于包括在排放管道系統(tǒng)中的一個或多個排放管中，并且特別是位于導向渦輪機外部的出口的共用排放管中。渦輪機操作條件可被表征為對渦輪機的一個或多個燃燒器的燃料供應(yīng)，表征為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，表征為離開渦輪壓縮機的空氣量和/或表征為上述參數(shù)的結(jié)合。特別地，控制系統(tǒng)可以包括探測渦輪機的運行條件的一個或多個測量探針。通過啟動一個或多個執(zhí)行器，控制系統(tǒng)可以適于處理測量值和調(diào)整一個或多個值。特別地，控制系統(tǒng)可以適于探測渦輪機故障和渦輪機的快速停機(諸如熱停機)的條件。根據(jù)一個實施例，控制系統(tǒng)適于在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度小于預(yù)定值時減少通過排放管道系統(tǒng)排放的空氣量。在此情形中，可以減少從壓縮機出口流出的空氣供應(yīng)，并且還可以減少從更上游的渦輪壓縮機的軸向位置流出的被供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的空氣量。因此，為了防止流體從流體軸承逸出，需要將外部壓縮機產(chǎn)生的空氣額外饋送到用于朝向流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。同時，可以不需要利用排放管系統(tǒng)軸承排放朝向流體軸承供應(yīng)的過量空氣。在其它情形中，為了降低對利用外部壓縮機供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的空氣的需求，可以至少減少通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量。由此，可以提高整個系統(tǒng)的效率并且可以降低成本。由此，在本發(fā)明的上下文中，從壓縮機空氣通道分支出并且在環(huán)形間隙中流動的空氣流限定了從上游到下游的流動方向，這提供了限定兩個元件的相對軸向位置(沿轉(zhuǎn)子或渦輪軸的轉(zhuǎn)動軸線的位置)的可能。根據(jù)一個實施例，控制系統(tǒng)進一步適于調(diào)整通過空氣供應(yīng)管系統(tǒng)朝向流體軸承供應(yīng)的空氣量，以及調(diào)整通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量，從而防止軸承流體穿過間隙到達渦輪壓縮機出口。此外，控制系統(tǒng)可以適于通過關(guān)閉排放管系統(tǒng)或至少降低通過排放管系統(tǒng)排放空氣的流速，同時防止軸承流體穿過環(huán)形間隙到達渦輪壓縮機出口，來最小化對外部壓縮機供應(yīng)的空氣的需求。由此，可以提高整個系統(tǒng)的安全性和效率。根據(jù)一個實施例，控制系統(tǒng)包括布置在排放管系統(tǒng)中的閥門?？刂葡到y(tǒng)可以包括一個或多個閥門。特別地，可以將所述一個或多個閥門布置在共用排放管中和/或另一共用排放管中和/或排放管道系統(tǒng)的排放管中的一個或多個中。特別地，可以將一個閥門布置在共用排放管離開渦輪機的點處，并且可以將一個閥門布置在另一共用排放管離開渦輪機的點處。根據(jù)一個實施例，空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括在不同軸向位置處的兩組空氣供應(yīng)管，其中一組被布置為沿軸向方向與流體軸承分隔開，并且其中另一組被布置為沿與所述軸向方向相反的方向與流體軸承軸向地分隔開。如上所述，空氣供應(yīng)管可以與環(huán)形間隙和環(huán)形腔連通，所述環(huán)形腔被布置在比相應(yīng)軸向位置處的環(huán)形間隙沿徑向更向外的渦輪機定子部分中。根據(jù)一個實施例，流體軸承包括流體軸承室和用于將軸承流體供應(yīng)到流體軸承室的軸承流體供應(yīng)管。軸承流體可以填充轉(zhuǎn)子的軸承面(或軸承的轉(zhuǎn)子部分)和渦輪機定子的軸承面(或軸承的定子部分)之間的空隙，以使得在軸承面潤滑的情況下轉(zhuǎn)子可以相對于定子平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。此外，軸承流體有助于從轉(zhuǎn)子帶走熱量?？梢越?jīng)由軸承流體供應(yīng)管將軸承流體連續(xù)地泵送到軸承室中。用于返回過量流體(特別是油)的環(huán)形回管可以包圍軸承流體供應(yīng)管?？梢栽谡＿\行條件下以及在熱停機期間經(jīng)由軸承流體供應(yīng)管將軸承流體供應(yīng)到流體軸承室，以便從轉(zhuǎn)子帶走熱量，特別是余熱。根據(jù)一個實施例，流體軸承室與環(huán)形間隙連通，其中，環(huán)形間隙被調(diào)節(jié)為(特別是對其幾何形狀)使得流體被排出到流體軸承室中(而不是朝向環(huán)形間隙與壓縮機空氣通道的分支位置)。特別地，在正常操作條件下，轉(zhuǎn)子相對于徑向內(nèi)定子部分轉(zhuǎn)動。特別地，由于離心力，附著在流體軸承轉(zhuǎn)子部分(與環(huán)形間隙連通)處的一些流體被迫來到徑向更靠外位置，從而在材料的定子部分被接收，該材料形成定子部分處的環(huán)形間隙的界限。由于沿在環(huán)形空氣通道中流動的空氣的流動方向環(huán)形空氣通道的半徑在第一部分中減小并且然后在第二部分中增大，因此軸承流體被排出到流體軸承室中而不是離開軸承室。由此，由于環(huán)形間隙和環(huán)形空氣通道的特定幾何形狀，可以將軸承流體更有效地維持或保持在軸承室中。由此，可以提高流體軸承的效率，繼而提高燃氣渦輪機的效率。根據(jù)一個實施例，環(huán)形間隙包括第一段和第二段，其中，流體軸承軸向地布置在第一段和第二段之間。特別地，與第二段相比，第一段可以至少大致表現(xiàn)為鏡像結(jié)構(gòu)(鏡面被布置在特定軸向位置處垂直于軸向方向延伸)。特別地，可以朝向環(huán)形間隙的第一段供應(yīng)從壓縮機空氣通道分支出的壓縮空氣的一部分，并且可以朝向環(huán)形間隙的第二段供應(yīng)另一部分。特別地，壓縮空氣的這些部分可以沿相對方向(每個方向都朝向位于環(huán)形間隙第一段和環(huán)形間隙第二段之間的流體軸承室)朝向彼此流動。由此，流體軸承室可以與環(huán)形間隙的第一段以及第二段連通。此外，通過引導從壓縮機空氣通道分支出的空氣通過環(huán)形間隙的第一部分以及環(huán)形間隙的第二部分，可以有效地禁止軸承流體進入環(huán)形間隙的第一段以及第二段(或禁止軸承流體在環(huán)形間隙的第一段以及第二段中流向更遠處)。就燃氣渦輪機公開、描述或解釋的(獨立地或以任意方式結(jié)合地)特征也可以(獨立地或以任意方式結(jié)合地)應(yīng)用于或用于燃氣渦輪機的操作方法。根據(jù)一個實施例，提供了一種操作燃氣渦輪機的方法，其中所述方法包括:通過流體軸承可轉(zhuǎn)動地支撐轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括所述流體軸承的轉(zhuǎn)子部分；相對于徑向外定子部分和包括所述流體軸承的定子部分的徑向內(nèi)定子部分轉(zhuǎn)動所述轉(zhuǎn)子；在所述徑向外定子部分和所述徑向內(nèi)定子部分之間延伸的壓縮機空氣通道中導引壓縮空氣；在由環(huán)形間隙的在所述轉(zhuǎn)子和所述徑向內(nèi)定子部分之間的部分形成的環(huán)形空氣通道中導引來自所述壓縮機空氣通道的空氣，其中，沿所述環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣的流動方向，所述空氣通道的半徑在第一部分減小并且然后在第二部分增大，其中，排放管道排放流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣，其中，用于將流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣引入的所述排放管道的入口被軸向地布置在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分和所述流體軸承之間。
特別地，環(huán)形間隙可以包括密封，以減少從壓縮機空氣通道分支出的空氣流，以便提高燃氣渦輪機的效率。特別地，可以將密封設(shè)置在環(huán)形空氣通道的具有足夠小的半徑(特別是最小半徑)的位置處，以便提高密封的密封性能。特別地，密封可以沿在環(huán)形空氣通道中被導引的空氣的流動方向包括多個迷宮密封。


圖1示意性地示出了根據(jù)一個實施例的燃氣渦輪機的一部分的剖視圖；以及 圖2示意性地示出了圖1所示燃氣渦輪機的一部分的剖視圖。
具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)該注意，在不同的附圖中，為相似或相同的元件提供了相同的附圖標記或僅在第一位數(shù)字與相應(yīng)附圖標記不同的附圖標記。圖1示意性地示出根據(jù)一個實施例的燃氣渦輪機I的一部分的剖視圖。燃氣渦輪機I包括可以繞轉(zhuǎn)動軸線3 (沿軸向方向延伸)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子2。在轉(zhuǎn)子2處固定有多個轉(zhuǎn)子葉片保持器4，多個轉(zhuǎn)子葉片5被夾持在轉(zhuǎn)子葉片保持器4之間。在其它實施例中，轉(zhuǎn)子葉片不必被夾持在兩個轉(zhuǎn)子葉片保持器之間而是每個轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)于其被固定到的單個保持器。當轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子葉片5在包括燃氣渦輪機I所包括的渦輪壓縮機7的壓縮機空氣通道10內(nèi)轉(zhuǎn)動。此外，壓縮機7包括被固定在渦輪機I的定子部分處的多個導流片6?？諝饨?jīng)由壓縮機進口 9被引入壓縮機7中。壓縮空氣被供應(yīng)到燃燒室17?？諝饨?jīng)由壓縮機進口 9被引入壓縮機7中。進入壓縮機7的空氣沿箭頭11所示的方向在壓縮機空氣通道10內(nèi)流動。箭頭11限定了從上游到下游的方向。箭頭11的方向至少大致對應(yīng)于與轉(zhuǎn)動軸線3平行地延伸的軸線方向13。沿著穿過壓縮機7的通道，在進口 9處進入的空氣由于轉(zhuǎn)子葉片5的轉(zhuǎn)動而被壓縮并且在壓縮機出口 15處離開壓縮機7。然后壓縮空氣被供應(yīng)到包括在燃燒器19中的燃燒室17中。在燃燒室17中，壓縮空氣與燃料混合并且被燃燒。然后將高溫高壓的燃料和壓縮空氣的燃燒混合物供應(yīng)到燃氣渦輪機I的渦輪部分21，圖1僅部分地示出了渦輪部分
21。渦輪部分21包括多個導流片23，其朝向經(jīng)由轉(zhuǎn)子葉片保持器27連接到轉(zhuǎn)子2的多個轉(zhuǎn)子葉片25導引離開燃燒室17的高溫高壓流體。由此驅(qū)動轉(zhuǎn)子2，從而使得壓縮機的轉(zhuǎn)子葉片也轉(zhuǎn)動，來壓縮空氣。為了使得轉(zhuǎn)子2可以相對于渦輪機I的定子部分8 (見圖2)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，由一定量軸承來支撐轉(zhuǎn)子2。在圖1所示的實施例中，示意性地示出了兩個流體軸承，其中，流體軸承29近似位于壓縮機進口 9的軸向位置，并且流體(油)軸承31 (也被稱作壓縮機渦輪出口軸承)位于渦輪壓縮機的出口 15的下游。圖2示出了圖1的一部分，由此更詳細地示出軸承31和環(huán)形空氣通道43。軸承31是流體軸承，其中油被用作流體。軸承31包括包含在定子部分8中的定子部分和包含在轉(zhuǎn)子2中的轉(zhuǎn)子部分。參照圖2，壓縮機空氣通道10的一部分由燃氣渦輪機I的徑向內(nèi)定子部分16和徑向外定子部分18形成或界定。開口 12形成為靠近壓縮機7的出口 15。在開口 12處，環(huán)形間隙14從壓縮機空氣通道10分支出來。環(huán)形間隙14形成在轉(zhuǎn)子2和徑向內(nèi)定子部分16之間。壓縮機7內(nèi)的部分壓縮空氣經(jīng)由開口 12被引入到環(huán)形間隙14中，由此形成環(huán)形空氣通道。從壓縮機空氣通道10分支的此空氣減少了壓縮機空氣通道10內(nèi)的壓縮空氣量，否則這些壓縮空氣會導向燃燒器19，在燃燒室17中與燃料混合并燃燒。因此，希望減少經(jīng)由開口 12從壓縮機空氣通道10分支的空氣的量。為了減少被引入或流過環(huán)形間隙14的空氣量，將環(huán)形間隙14設(shè)計成具有特定的幾何形狀。此外，在環(huán)形間隙14中的特定位置布置多個迷宮密封41。經(jīng)由開口 12被引入環(huán)形間隙14中的空氣沿箭頭43所示的方向流動。如從圖2可見，在環(huán)形間隙14的第一部分20中，半徑(從轉(zhuǎn)動軸線3測量)從較大值r0減小或縮減到較小值rl。在對應(yīng)于半徑rl的軸向位置al之上，環(huán)形間隙14包括多個臺階式迷宮密封41。此時，在環(huán)形通道14的第二部分中，沿流動方向或環(huán)形間隙14內(nèi)流動的空氣，環(huán)形間隙14的半徑從值rl增大到較大值r2。由此，在與半徑rl相對應(yīng)的軸向位置al處迷宮密封41所占據(jù)的面積小于在與半徑r2相對應(yīng)的軸向位置a2處迷宮密封41的面積。特別地，在燃氣渦輪機I的操作期間，從壓縮機空氣通道10分支并且被引入環(huán)形間隙14的空氣的壓力在軸向位置al處(半徑等于rl之處)高于軸向位置a2處(半徑等于較大半徑r2之處)。由此，迷宮密封41的密封性能在軸向位置al處高于軸向位置a2處，因為密封41的面積在軸向位置al處小于軸向位置a2處。因此，環(huán)形間隙14的幾何形狀被設(shè)計成使得將密封41設(shè)置在環(huán)形間隙14的一區(qū)域中，在該區(qū)域中環(huán)形間隙14的面積相比環(huán)形間隙14的其它面積尤其小。進一步地，由于環(huán)形間隙14的幾何形狀，朝向軸承室33而不是朝向與壓縮機空氣通道10連通的開口 12排出包含在軸承室33中的軸承流體。由此減少了包含在軸承室33中的軸承流體溢出到壓縮機空氣通道10中。利用在壓力下包含在流體軸承室33中的油來填充在流體軸承室33中的渦輪機轉(zhuǎn)子2的軸承面37和定子部分的軸承面39之間的空隙
35。存在于空隙35中的油膜確保轉(zhuǎn)子2可以在摩擦減小的情況下相對于渦輪機I的定子部分平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。特別地，當沿軸向位置傳播時在第一部分20中環(huán)形間隙14的半徑減小是線性的，并且當沿軸向位置傳播時在第二部分22中環(huán)形間隙14的半徑增大是線性的。根據(jù)替代實施例，半徑的減小和/或半徑的增大可以依賴另一形狀或依賴另一數(shù)學函數(shù)，從而優(yōu)化迷宮密封41的密封性能。從壓縮機空氣通道10分支的空氣的一部分被引入到傳送管24中，該傳送管24導向包括在環(huán)形間隙14中的其它迷宮密封42。特別地，沿空氣的流動方向43布置迷宮密封，使得密封42被布置在半徑r3處。在環(huán)形間隙14的第一部分26，并且遠于相應(yīng)的軸向位置a3在環(huán)形間隙14的第二部分28中臺階式密封42的半徑增加到半徑r4。在環(huán)形間隙的第一部分26以及第一部分20中不設(shè)置密封。然而，在第二部分22和28中分別設(shè)置密封。在環(huán)形間隙14的布置中，從壓縮機空氣通道10分支的最高壓空氣分別橫跨迷宮密封41和42的第一密封端部(分別在最小直徑rl或r3處)。在一定操作條件下，即在停機或低速轉(zhuǎn)動條件下，緩沖空氣不可獲得或受到限制。這使得油可以從軸承室33噴出以在A點進入密封系統(tǒng)。在A點進入的任何油都將遷移到下止點，但是由于環(huán)形間隙14的特定幾何形狀而在朝向B點和更遠處流動方面受到限制。由此可以改進燃氣渦輪機I的操作。
渦輪機I包括用于朝向環(huán)形間隙14和朝向流體軸承31供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)45、47?？梢詫⒂瓦B續(xù)地供應(yīng)到流體軸承31，以便從渦輪機I帶走剩余的熱量。這可以防止發(fā)生任何熱損傷，然而，需要經(jīng)由空氣供應(yīng)管道45和47供應(yīng)的密封(緩沖)空氣以保持迷宮密封41、42之上的質(zhì)量流并且流入軸承室33中，因此防止油進入密封和排放管道57、59、61 和 63 中。布置在空氣供應(yīng)管道45的軸向位置處的空氣供應(yīng)管與環(huán)形腔49連通，并且在空氣供應(yīng)管道47的軸向位置處的多個空氣供應(yīng)管與環(huán)形腔51連通。如圖2所示，利用包括多個排放管道57、59、61和63的排放管系統(tǒng)排放經(jīng)由多個迷宮密封41、42被引入環(huán)形間隙14 (沿方向43)的空氣。特別地，管道可以是定子中經(jīng)加工的孔或狹槽。排放管道57、59、61和63與包括密封41、42的環(huán)形間隙14連通，并且沿徑向方向延伸以徑向向外排出過量的空氣。與排放管道57和63相對應(yīng)的布置在軸向位置處的排放管可以導向共用的排放管。類似的，與排放管道59和61相對應(yīng)的布置在軸向位置處的排放管道可以導向另一共用的排放管。應(yīng)該注意，現(xiàn)已參照不同的主題描述了本發(fā)明的實施例。特別地，已經(jīng)參照方法類權(quán)利要求描述了一些實施例，而參照設(shè)備類權(quán)利要求描述了其它實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從上文和下文的描述中總結(jié)出，除非另有說明，除了屬于一類主題的特征的任意結(jié)合之外，涉及不同主題的特征之間的任意結(jié)合，尤其是方法類權(quán)利要求的特征和設(shè)備類權(quán)利要求的特征之間的任意結(jié)合，都應(yīng)該被認為已被本文公開。
權(quán)利要求
1.一種燃氣潤輪機，包括: 轉(zhuǎn)子(2)，所述轉(zhuǎn)子包括用于可轉(zhuǎn)動地支撐所述轉(zhuǎn)子的流體軸承(31)的轉(zhuǎn)子部分； 徑向外定子部分(18); 徑向內(nèi)定子部分(16)，其包括所述流體軸承的定子部分； 壓縮機空氣通道(10 )，其在所述徑向外定子部分和所述徑向內(nèi)定子部分之間延伸； 所述轉(zhuǎn)子與所述徑向內(nèi)定子部分之間的環(huán)形間隙(14)，其部分地形成與所述壓縮機空氣通道連通的環(huán)形空氣通道，其中，沿著所述環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣的流動方向(43)，所述空氣通道的半徑(r0、rl、r2、r3、r4)在第一部分(20、26)減小，然后在第二部分(22、28)增大；以及 排放管道(57、63)，用于排放流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣， 其中，用于將流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣引入的所述排放管道的入口被軸向地布置在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分與所述流體軸承之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其中，所述第一部分中所述空氣通道的半徑的減小大于所述第二部分中所述空氣通道的半徑的增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機，其中，所述空氣通道的最小半徑的范圍在所述空氣通道的最大半徑的0.1至0.5之間。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪機，其中，所述環(huán)形空氣通道包括至少在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分中的多個迷宮密封(41、42)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪機，進一步包括: 用于朝所述環(huán)形間隙供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)(45、47 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機，其中，用于朝所述環(huán)形間隙供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)(45、47)的出口被軸向地布置為相比所述排放管道的所述入口更靠近所述流體軸承。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機，進一步包括: 控制系統(tǒng)，其被布置成基于所述渦輪機的操作條件來改變通過所述排放管道排放的空氣量。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪機，其中，所述流體軸承(31)包括流體軸承室(33)和用于將軸承流體供應(yīng)到所述流體軸承室的軸承流體供應(yīng)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪機，其中，所述流體軸承室(33)與所述環(huán)形間隙(14)連通，其中，所述環(huán)形間隙被調(diào)節(jié)為使得流體被排入所述流體軸承室中。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪機，其中，所述環(huán)形間隙包括第一段(20、22)和第二段(26、28)，其中，所述流體軸承被軸向地布置在所述第一段和所述第二段之間。
11.一種操作燃氣渦輪機的方法，所述方法包括: 通過流體軸承可轉(zhuǎn)動地支撐轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括所述流體軸承的轉(zhuǎn)子部分； 相對于徑向外定子部分和包括所述流體軸承的定子部分的徑向內(nèi)定子部分轉(zhuǎn)動所述轉(zhuǎn)子； 在所述徑向外定子部分與所述徑向內(nèi)定子部分之間延伸的壓縮機空氣通道中導引壓縮空氣； 在由環(huán)形間隙的在所述轉(zhuǎn)子與所述徑向內(nèi)定子部分之間的部分形成的環(huán)形空氣通道內(nèi)導引來自所述壓縮機空氣通道的空氣， 其中，沿著所述環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣的流動方向，所述空氣通道的半徑在第一部分減小，然后在第二部分增大，其中 ，排放管道(57、63)排放流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣，其中，用于將流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣引入的所述排放管道的入口被軸向地布置在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分和所述流體軸承之間。
全文摘要
燃氣渦輪機以及操作燃氣渦輪機的方法。描述了一種燃氣渦輪機，包括轉(zhuǎn)子(2)，所述轉(zhuǎn)子包括用于可轉(zhuǎn)動地支撐所述轉(zhuǎn)子的流體軸承(31)的轉(zhuǎn)子部分；徑向外定子部分(18)；徑向內(nèi)定子部分(16)，其包括所述流體軸承的定子部分；壓縮機空氣通道(10)，在所述徑向外定子部分與所述徑向內(nèi)定子部分之間延伸；環(huán)形間隙(14)，在所述轉(zhuǎn)子與所述徑向內(nèi)定子部分之間，部分地形成與所述壓縮機空氣通道連通的環(huán)形空氣通道，其中，沿所述環(huán)形空氣通道內(nèi)流動的空氣的流動方向(43)，所述空氣通道的半徑(r0、r1、r2、r3、r4)在第一部分(20、26)減小，然后在第二部分(22、28)增大；以及排放管道(57、63)，用于排放流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣，其中，用于將流過所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分的空氣引入的所述排放管道的入口被軸向地布置在所述環(huán)形空氣通道的所述第二部分和所述流體軸承之間。此外，描述了一種操作燃氣渦輪機的方法。
文檔編號F01D11/06GK103097669SQ201180045199
公開日2013年5月8日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者R.詹姆斯, P.特韋爾 申請人:西門子公司