專利名稱：包括密封空氣閥系統(tǒng)的渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機，尤其是燃?xì)鉁u輪機。具體地，本發(fā)明涉及如下渦輪機，其包括 排氣管系統(tǒng)和被布置為改變通過排氣管系統(tǒng)排出的空氣量的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知燃?xì)鉁u輪機包括由軸承可轉(zhuǎn)動地支撐的轉(zhuǎn)子或渦輪機軸；壓縮器，其包括 安裝在轉(zhuǎn)子處的轉(zhuǎn)子葉片以壓縮空氣；燃燒器，用于燃燒燃料和壓縮空氣的混合物；以及 渦輪機部，其將包含在燃料和壓縮空氣中的能量轉(zhuǎn)化為機械能以驅(qū)動轉(zhuǎn)子。例如，燃?xì)鉁u輪 機可用于通過驅(qū)動使用機械能的發(fā)電機來產(chǎn)生電能。
根據(jù)US 2007/0107438 Al已知一種燃?xì)鉁u輪機，其中，通過包括潤滑油的軸承可 轉(zhuǎn)動地支撐轉(zhuǎn)子。密封環(huán)被設(shè)置在軸承附近，從而使得潤滑油不會流到軸承之外。此外，從 壓縮器提取的密封空氣被供應(yīng)到密封環(huán)，從而使得潤滑油不會泄露到軸承之外。可以利用 渦輪機壓縮器或額外的空氣源來提供密封空氣。設(shè)置閥門布置裝置，以在燃?xì)鉁u輪機內(nèi)部 空氣源和額外空氣源之間切換。
GB 702,931公開了一種轉(zhuǎn)動機械，其中，使用從高壓壓縮器流出的空氣來阻擋潤 滑油進入壓縮器空氣流通道。
GB 2 111 607 A公開了一種軸承腔增壓系統(tǒng)，其中，壓力傳感閥控制燃?xì)鉁u輪機 發(fā)動機中從具有不同壓力大小的兩個源供應(yīng)到軸承的空氣。
EP O 354 422 BI公開了一種燃?xì)鉁u輪機，其中，閥門根據(jù)操作條件的典型參數(shù)控 制渦輪機軸承腔中的空氣壓力。
FR 2 698 406公開了一種用于為渦輪機的潤滑腔增壓的過程，其中，由閥門來控制流量。
已經(jīng)注意到，常規(guī)渦輪機不能保證在渦輪機的所有操作條件下都可以防止包含在 支承轉(zhuǎn)子的軸承腔中的潤滑油從軸承腔中向渦輪機的其它組件泄漏出。此外，已經(jīng)注意到， 在一定操作條件下，對外部壓縮器提供的空氣的需求相對較高，這增加了很多成本并且還 降低整個系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的一個目的是要提供一種對來自外部壓縮器的密封空氣需求較小的渦輪 機，因此具有較高的效率，并且同時確保不會有軸承液(尤其是油)從軸承腔泄漏出。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種尤其在一定操作條件(諸如熱停機)下有所改進 的渦輪機，其中，在操作故障的情形中，例如通過切斷燃料供應(yīng)來使渦輪機快速停機。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例，提供了一種渦輪機，包括轉(zhuǎn)子；用于可轉(zhuǎn)動地支撐所述轉(zhuǎn)子的 流體軸承；用于朝向所述流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)；用于排放部分供應(yīng)空氣 的排放管道系統(tǒng)；控制系統(tǒng)，其被布置為基于所述渦輪機的運行情況改變通過排放管系統(tǒng) 排放的空氣量。
在本申請的上下文中，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)也被稱作空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)，排放管系統(tǒng) 也被稱作排放管道系統(tǒng)。因此在本申請上下文中的管不必具有管式或管狀形狀，而是可以 具有任意形狀或者可以是適于導(dǎo)弓丨或引導(dǎo)流體尤其是空氣的任意結(jié)構(gòu)。
具體地，渦輪機可以是燃?xì)鉁u輪機。所述渦輪機可包括單個轉(zhuǎn)子或彼此分離的兩 個轉(zhuǎn)子。被流體軸承支撐的轉(zhuǎn)子可繞沿軸向方向延伸的轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動。流體軸承可包括任 意氣態(tài)流體或液態(tài)流體，尤其是油?？梢栽趬毫ο吕缤ㄟ^將流體尤其是油泵送到流體軸 承的軸承腔中來供應(yīng)流體。由此，薄的流體層可以填充流體軸承的軸承腔中轉(zhuǎn)子的軸承面 (也被稱作轉(zhuǎn)子或軸的軸頸)和渦輪機的定子部分的軸承面之間空隙。可將流體連續(xù)地泵送 到軸承腔中，以保持相對于彼此轉(zhuǎn)動的軸承面之間的薄流體層。
用于向流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管系統(tǒng)可包括在渦輪機不同軸向位置和/ 或不同周向位置處的一個或多個空氣供應(yīng)管?？諝夤?yīng)管系統(tǒng)也可以被稱作密封空氣饋送 系統(tǒng)?？蓪碜圆煌吹目諝夤?yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。例如，可將從渦輪機的壓縮器流出 的空氣或外部壓縮器產(chǎn)生的空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。利用一個或多個閥門，還可以混 合或結(jié)合來自這些不同源的空氣，以達(dá)到供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)所需的壓強、溫度、單位時 間的體積和/或單位時間的質(zhì)量，這特別地取決于渦輪機的運行條件。
利用空氣供應(yīng)管系統(tǒng)向流體軸承供應(yīng)的空氣可用于防止流體從軸承泄漏出或至 少用于防止流體進入渦輪機的其它部分(諸如壓縮器出口)，在該處，所述壓縮器排出將與 燃料混合并且將在渦輪機燃燒器中燃燒的高溫高壓空氣。流體尤其是油進入壓縮器出口通 道會導(dǎo)致諸如碳化和污染的問題，致使降低渦輪機的耐用性和/或效率。
在正常操作情況下，可以朝向流體軸承供應(yīng)從壓縮器出口流出的額外的高壓高溫 空氣，以防止流體從流體軸承腔中泄漏出。
用于排放一部分所述供應(yīng)空氣的排放管系統(tǒng)可包括布置在渦輪機的不同軸向位 置和/或不同周向位置處的一定量的排放管。排放管系統(tǒng)可排出朝向流體軸承供應(yīng)的過量 空氣，尤其是過熱的空氣；這是為了防止與軸承液體(尤其是油)劣化有關(guān)的額外溫度。排 放管系統(tǒng)可以通向大氣和/或渦輪機的排氣通道。
所述控制系統(tǒng)被布置為改變通過排放管系統(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)量或者在一定時間間隔內(nèi)(例如I秒、10 秒、I分鐘或5分鐘內(nèi))排放的空氣體積或空氣質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)可包括諸如一個或多個閥門 的機械組件、用于感測通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量的一個或多個傳感裝置、以及用于讀 取傳感裝置的測量值和用于調(diào)節(jié)所述一個或多個閥門的軟件或硬件控制模塊。由此，可將 傳感裝置，尤其是其探針，布置在排放管系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個位置處。此外，可將一個或多 個閥門設(shè)置在包括于排放管系統(tǒng)中的一個或多個排放管中，尤其是在通向渦輪機外的出口 的共用排放管中。
渦輪機的運行情況可由以下特征限定，即供應(yīng)到渦輪機的一個或多個燃燒器的 燃料、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、排出渦輪機壓縮器的空氣量和/或前述參數(shù)的結(jié)合。具體地，控制系統(tǒng) 可包括探測渦輪機的運行情況的一個或多個測量探針?？刂葡到y(tǒng)可以適于處理測量數(shù)據(jù)并 且通過啟動一個或多個致動器調(diào)節(jié)一個或多個閥門。具體地，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情況，諸如熱停機。
根據(jù)一個實施例，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于預(yù)定值時，控制系統(tǒng)適于減少通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量。在此情形中，可以減少從壓縮器出口流出的空氣的供應(yīng)，并且可以減少從 渦輪機壓縮器的更上游軸向位置流出的供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的空氣量。這可以是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速減小的直接結(jié)果。因此，為了防止流體從流體軸承泄漏出，需要將外部壓縮器產(chǎn)生的空氣 額外饋送到用于向流體軸承供應(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)排出向流體軸承供應(yīng)的過量空氣。在其它情形中，為了減少對利用外部壓縮器供應(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)排出的空氣量。由此，可以提高 整個系統(tǒng)的效率并降低成本。
根據(jù)一個實施例，潤輪機包括用于向空氣供應(yīng)管系統(tǒng)供應(yīng)空氣的外部壓縮器。外 部壓縮器可以是與渦輪機不同的設(shè)備，所述外部壓縮器可包括具有轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子，它們 與渦輪機的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子葉片不同?；蛘撸梢蕴峁┸囬g空氣供應(yīng)。在渦輪機停機期間，需要 通過外部壓縮器供應(yīng)到流體軸承的空氣來防止流體從軸承腔泄漏出或至少減少泄漏出的 流體量。
根據(jù)一個實施例，所述控制系統(tǒng)還適于改變通過外部壓縮器供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系 統(tǒng)的空氣量。具體地，所述控制系統(tǒng)可適于基于渦輪機的運行情況來改變通過外部壓縮器 供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的空氣量。具體地，在正常操作情況期間，沒有或僅一小部分向流 體軸承供應(yīng)的空氣由外部壓縮器產(chǎn)生，而向流體軸承供應(yīng)的空氣的主要部分可以由渦輪機 壓縮器在壓縮器出口上游的渦輪機壓縮器中間軸向位置(中間部位)產(chǎn)生。然而，在停機期 間，尤其是渦輪機的熱停機期間，需要增加外部壓縮器向空氣供應(yīng)管系統(tǒng)供應(yīng)的空氣量，以 便防止流體從流體軸承泄漏出或到達(dá)壓縮器空氣通道。
由此，在本發(fā)明的上下文中，通過渦輪機壓縮器的空氣流限定從上游到下游的流 動方向，提供了限定兩個元件的相對軸向位置(沿轉(zhuǎn)子或渦輪機軸的轉(zhuǎn)動軸線的位置)的可 倉泛。
根據(jù)一個實施例，流體軸承包括流體軸承腔和用于向流體軸承腔供應(yīng)軸承流體的 軸承流體供應(yīng)管。軸承流體可填充轉(zhuǎn)子軸承面和軸承腔軸承面之間的空隙，從而使得轉(zhuǎn)子 可以在軸承面的潤滑劑下相對于軸承腔平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。此外，軸承流體可有助于從轉(zhuǎn)子運載 走熱量。可經(jīng)由軸承流體供應(yīng)管將軸承流體連續(xù)地泵送到軸承腔。軸承流體供應(yīng)管可被用 于回收過量流體(尤其是油)的環(huán)形回收管。在正常運載情況下以及熱停機期間，可將軸承 流體經(jīng)由軸承流體供應(yīng)管供應(yīng)到流體軸承腔，以便從轉(zhuǎn)子運載走熱量，尤其是剩余熱量。
根據(jù)一個實施例，渦輪機進一步包括渦輪機壓縮器，該渦輪機壓縮器包括固定在 轉(zhuǎn)子不同軸向位置處的多個轉(zhuǎn)子葉片，其中，控制系統(tǒng)適于將優(yōu)選從渦輪機壓縮器的中間 軸向位置獲得的空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。具體地，控制系統(tǒng)適于在正常運行情況下將 那些從渦輪機壓縮器的中間軸向位置獲得的空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。渦輪機壓縮器的 中間軸向位置可以位于用于進入壓縮空氣的壓縮器入口和壓縮空氣排出壓縮器的壓縮器 出口之間。具體地，渦輪機壓縮器的中間軸向位置可以位于壓縮器出口的軸向位置的上游。 由此，在正常運行情況下，不需要利用外部壓縮器將空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)。由此，對 外部壓縮器產(chǎn)生的空氣的需求降低，從而降低成本并提高整個系統(tǒng)的效率。
根據(jù)一個實施例，渦輪機進一步包括該渦輪機的定子部分，其容裝著流體軸承腔， 其中，在渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子部分之間形成環(huán)形間隙，環(huán)形間隙與布置在中間軸向位置下 游的渦輪機壓縮器出口連通(尤其是空氣或流體連通)，環(huán)形間隙也與流體軸承腔連通(尤其是流體連通)。環(huán)形間隙還被表示為由一側(cè)的轉(zhuǎn)子面和由另一側(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)則形狀并且可以尤其不具有平面或圓柱形狀，但是可以 具有臺階形狀，因此可在不同的軸向位置具有不同的直徑。
由于環(huán)形間隙或環(huán)形空氣與渦輪機壓縮器的出口連通，因此從壓縮器出口流出的 壓縮空氣可以進入環(huán)形空隙并且可以被供應(yīng)向和/或到流體軸承腔中。由此，尤其在渦輪 機的正常運行情況下，可有效地防止包含在流體軸承腔中的流體進入環(huán)形空隙或至少防止 其進入渦輪機壓縮器出口通道，它們對渦輪機操作具有不利的影響。
根據(jù)一個實施例，環(huán)形間隙由多個迷宮式密封(labyrinth seals)形成。迷宮式 密封適于使得轉(zhuǎn)子可相對于渦輪機定子部分轉(zhuǎn)動，并且同時適于減少從流體軸承腔泄漏出 的流體量，由此改進渦輪機的操作。
根據(jù)一個實施例，排放管系統(tǒng)與環(huán)形間隙連通。由此，可以經(jīng)由排放管通道排放 經(jīng)由環(huán)形間隙朝向流體軸承供應(yīng)的過量空氣或至少在環(huán)形間隙中部分地流動的過量空氣。 在渦輪機的正常運行情況期間，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)或至少降低通關(guān)排放管系統(tǒng)排放的空氣的流速，以便降低對外部空氣源 (諸如外部壓縮器)產(chǎn)生的空氣的需求，可以要求所述外部空氣源尤其在熱停機期間啟動。
根據(jù)一個實施例，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)與環(huán)形間隙連通。由此，可以經(jīng)由環(huán)形間隙向流 體軸承饋送至少部分供應(yīng)到空氣供應(yīng)管系統(tǒng)的空氣。具體地，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)可以與渦輪 機壓縮器出口的下游而不是液體軸承上游的環(huán)形間隙連通。此外，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)可以與 流體軸承下游的環(huán)形間隙連通。
排放管系統(tǒng)可以與壓縮器出口下游和液體軸承上游的環(huán)形間隙連通。額外地或可 替換地，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 同周向位置處設(shè)置一個或多個排放管可以實現(xiàn)排放管系統(tǒng)與環(huán)形間隙的連通。
具體地，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)可包括布置在相應(yīng)軸向位置的環(huán)形間隙徑向向外位置處 的環(huán)形槽。一個或多個空氣供應(yīng)管可以從此環(huán)形槽徑向向內(nèi)地朝環(huán)形間隙延伸?？蓪⒖諝?供應(yīng)到環(huán)形槽，從該處空氣通過一個或多個空氣供應(yīng)管被導(dǎo)向環(huán)形間隙，從環(huán)形間隙處被 導(dǎo)向流體軸承，尤其是導(dǎo)向包括軸承流體的流體軸承腔。由此，可將流體有效地限制在軸承 腔內(nèi)。
根據(jù)一個實施例，控制系統(tǒng)還適于條件通過空氣供應(yīng)管系統(tǒng)朝向流體軸承供應(yīng)的 空氣量并且調(diào)節(jié)通過排放管系統(tǒng)排放從而防止軸承流體穿過間隙到達(dá)渦輪機壓縮器出口 的空氣量。此外，控制系統(tǒng)可以適于通過關(guān)閉排放管系統(tǒng)或至少減小通過排放管系統(tǒng)排放 的空氣流速最小化對外部壓縮器供應(yīng)的空氣的需求，同時防止軸承流體穿過環(huán)形間隙到達(dá) 流體壓縮器出口。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，排放管道系統(tǒng)包括排放管道的第一組、第二組、第三組和第四 組，所述第一組和第二組被布置為在沿所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線延伸的第一軸向方向上距所述 流體軸承的軸向間隔不同，并且所述第三組和第四組被布置為在與所述第一軸向方向相對 的第二軸向方向上距所述流體軸承的軸向間隔不同。由此所述第一組、第二組、第三組和第 四組可以各自包括在周向方向上隔開的一個或多個排放管。第一組和第二組一起可包括位 于兩個不同軸向位置和位于多個不同周向位置的多個排放管。
根據(jù)一個實施例，所述排放管道的第一組和第四組通向一個共用排放管道，并且所述排放管道的第二組和第三組通向另一共用排放管道。相比排放管的第二組和第三組， 排放管的第一組和第四組可以位于軸向上距離流體軸承更遠(yuǎn)的位置。一個共用排放管和另 一共用排放管可以各自包括能夠從渦輪機外部空間進入的開口、出口或連接器，使得可以 以受控制的方式排放可能被軸承流體污染的空氣。
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。控制系統(tǒng)可包括一 個或多個閥門。具體地，可將一個或多個閥門布置在共用排放管和/或另一共用排放管和/ 或排放管系統(tǒng)的一個或多個排放管中。具體地，可將一個閥門布置在離開渦輪機的共用排 放管的點處，并且將一個閥門布置在另一共用排放管離開渦輪機的點處。
由此，排放過量空氣的管系統(tǒng)不需要被重新設(shè)計，而是可以除了在渦輪機外緣處 的出口中設(shè)置閥門之外不改變地被利用。
在熱停機期間，防止流體從流體軸承泄漏出所需的由外部壓縮器產(chǎn)生的空氣流可 以為約70標(biāo)準(zhǔn)化m3/小時。由此，當(dāng)空氣在一個大氣壓下并且溫度為零攝氏度時，標(biāo)準(zhǔn)化 體積是外部壓縮器供應(yīng)的空氣所占的體積。通過用于改變通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量的 控制系統(tǒng)，可以節(jié)省所需空氣量的相當(dāng)大的一部分。計算機仿真估計在熱停機期間通過關(guān) 閉流過排放管通道的流可以節(jié)省外部壓縮器產(chǎn)生并向流體軸承供應(yīng)的空氣的50%以上。
根據(jù)一個實施例，通過外部壓縮器供應(yīng)的空氣氣動地控制所述閥門。根據(jù)一個實 施例，外部壓縮器供應(yīng)的空氣量越大，閥門越節(jié)流。可替換地或額外地，可以基于渦輪機操 作情況的其它參數(shù)和測量值控制閥門。
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，其一 被布置為在軸向方向上與流體軸承分隔，其另一個被布置為在與軸向方向相對的方向上與 流體軸承軸向分隔。如上所述，空氣供應(yīng)管系統(tǒng)可以與環(huán)形間隙連通并且與被布置在比相 應(yīng)軸向位置處的環(huán)形間隙更徑向向外的渦輪機定子部分中的環(huán)形槽連通。
可以單獨和/或結(jié)合地應(yīng)用以上描述的渦輪機實施例以及渦輪機控制方法實施 例的背景中公開的特征。
根據(jù)一個實施例，提供一種操作渦輪機的方法，其中，所述方法包括轉(zhuǎn)動被支撐 在流體軸承中的轉(zhuǎn)子；經(jīng)由供應(yīng)管系統(tǒng)向流體軸承供應(yīng)空氣；經(jīng)由排放管系統(tǒng)排放部分供 應(yīng)空氣；利用控制系統(tǒng)基于渦輪機運行條件改變通過排放管系統(tǒng)排放的空氣量。
根據(jù)一個實施例，所述方法進一步包括在渦輪機快速停機期間減少通過排放管系 統(tǒng)排放的空氣量。渦輪機快速停機可以例如在渦輪機燃燒器的燃料供應(yīng)中斷或停止時發(fā) 生。例如如果發(fā)生系統(tǒng)故障，需要燃料供應(yīng)中斷。
應(yīng)該注意，已經(jīng)參照不同主題描述了本發(fā)明的實施例。具體地，已經(jīng)參照方法類權(quán) 利要求描述了一些實施例，而參照裝置類權(quán)利要求描述了另一些實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù) 人員將從以上和以下描述中總結(jié)出，除非另有注明，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，具體是方法類權(quán)利要求的特征和裝置類權(quán)利 要求的特征之間的任意結(jié)合，也被認(rèn)為被本文件公開。


根據(jù)下文將要描述的實施例，本發(fā)明的上述方面和其它方面將變得明顯，并且將 參照所述實施例對本發(fā)明進行解釋。下文將參照實施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。
圖1示意性地示出了根據(jù)一個實施例的燃?xì)鉁u輪機的一部分的橫截面視圖，該部 分包括有朝向軸承腔的空氣供應(yīng)路徑；圖2示意性地示出了圖1所示燃?xì)鉁u輪機的一部分的橫截面視圖，該部分包括有離開 軸承腔的空氣排放路徑。
具體實施方式
附圖中的圖示是示例性的。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(biāo)記，或者提供了僅在第一位數(shù)上與相應(yīng)附圖標(biāo)記有所不同的附圖標(biāo)記。
圖1示意性地示出根據(jù)一個實施例的燃?xì)鉁u輪機I的一部分的橫截面視圖。燃?xì)?渦輪機I包括可繞轉(zhuǎn)動軸線3轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子2。多個轉(zhuǎn)子葉片保持器4固定在轉(zhuǎn)子2處，多個 轉(zhuǎn)子葉片5夾持在轉(zhuǎn)子葉片保持器4之間。在其它實施例中，一排轉(zhuǎn)子葉片不必被夾持在 兩個轉(zhuǎn)子葉片保持器之間，而是可以固定到單個葉片保持器?？蓪⑥D(zhuǎn)子葉片保持器布置為 具有用于安裝轉(zhuǎn)子葉片的插槽的圓盤。當(dāng)轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子葉片5在包括于燃?xì)鉁u輪機 I內(nèi)的渦輪機壓縮器7的空氣通道10中轉(zhuǎn)動。此外，壓縮器7包括固定在渦輪機I的定子 部處的多個導(dǎo)流片6?？諝饨?jīng)由壓縮器入口 9進入壓縮器7。進入壓縮器7的空氣沿箭頭 11所示方向在空氣通道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 至少近似與平行于轉(zhuǎn)動軸線3延伸的軸向方向13相對應(yīng)。
沿其穿過壓縮器7的通道，在入口 9處進入的空氣會因轉(zhuǎn)子葉片5的轉(zhuǎn)動而被壓 縮，并在壓縮器出口 15處被排出。然后，壓縮空氣被供應(yīng)到包括于燃燒器19中的燃燒器17 內(nèi)。在燃燒腔17內(nèi)，壓縮空氣與燃料混合并燃燒。然后，高溫高壓的燃料和壓縮空氣燃燒 混合物被供應(yīng)到在圖1中僅局部示出的燃?xì)鉁u輪機I的渦輪機部21。渦輪機部21包括多 個導(dǎo)流片23 (圖1中僅示出一組導(dǎo)流片23)，這些導(dǎo)流片將那些從燃燒腔17中排出的高溫 高壓流體導(dǎo)向多個轉(zhuǎn)子葉片25 (圖1中僅示出一組轉(zhuǎn)子葉片25)，這些轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)由轉(zhuǎn)子 葉片保持器27連接到轉(zhuǎn)子2。由此，轉(zhuǎn)子2被驅(qū)動，從而使得壓縮器7的轉(zhuǎn)子葉片5轉(zhuǎn)動以 壓縮空氣。
為了使得轉(zhuǎn)子2可相對于渦輪機I的定子部8 (見圖2)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，要用一定量 的軸承來支撐轉(zhuǎn)子2。在圖1所示的實施例中，示意性地圖示了兩個軸承，其中，軸承29大 致位于壓縮器入口 9的軸向位置處，而軸承31 (也稱作壓縮器渦輪機出口軸承)位于渦輪 機壓縮器7的出口 15的下游。
圖2中示出了圖1的一部分，由此更詳細(xì)地示出了軸承31。軸承31是流體軸承， 其中，優(yōu)選使用油作為流體。在渦輪機I的正常運行條件下，經(jīng)由未示出的供油管將油連續(xù) 地泵送到軸承腔33中。利用在壓力下容納在流體軸承腔33中的油填充流體軸承腔33中 轉(zhuǎn)子2的軸承面37和渦輪機定子部的軸承面39之間的空隙35?？障?5內(nèi)形成的油膜可 以保證轉(zhuǎn)子2在減小的摩擦下相對于渦輪機I的定子部平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。流體軸承腔33可由 渦輪機I的定子部8的表面部分地界定，并且由轉(zhuǎn)子2的表面37部分地界定。
在流體軸承31的下游(朝圖2的右側(cè))和上游(朝圖2的左側(cè))，在定子部8和轉(zhuǎn)子 2之間布置有多個迷宮式密封41。迷宮式密封41在定子部8和轉(zhuǎn)子2之間形成環(huán)形間隙 或環(huán)形空隙。一方面，密封41使得轉(zhuǎn)子2可相對于定子部8轉(zhuǎn)動，另一方面，密封41部分地防止容納在流體軸承腔33中的增壓油泄漏到流體軸承腔33之外。然而，密封不能完全 阻止油從流體軸承腔33泄漏出，因為轉(zhuǎn)子2相對于定子部8的轉(zhuǎn)動需要在這兩部分之間存 在一些空隙并且油處于高壓下。
由于迷宮式密封41不能提供絕對的緊密密封功能，因此通過將壓縮器7傳送的部 分壓縮空氣沿箭頭43所示的方向引入壓縮器出口 15來建立壓力緩沖。在所示實施例中，壓 縮空氣從壓縮器7的空氣通道10流向壓縮器7的出口 15的稍微上游。其它實施例引導(dǎo)壓 縮空氣在壓縮器的其它部位(例如更上游或更下游)離開壓縮空氣通道。根據(jù)實施例，被引 導(dǎo)沿43方向離開壓縮器空氣通道10的壓縮空氣可以具有300°C和450°C之間的溫度。經(jīng)由 形成環(huán)形空隙的多個迷宮式密封41朝向流體軸承腔供應(yīng)熱高壓空氣。由此，沿方向43前 進的壓縮的高溫空氣有助于防止油從流體軸承腔33泄漏出并進入壓縮器空氣通道10。所 有這些設(shè)定可以被配置用于全負(fù)荷操作和/或轉(zhuǎn)子提供的恒定轉(zhuǎn)速和/或恒定轉(zhuǎn)矩(在本 文中，這將被認(rèn)為是燃?xì)鉁u輪機的“正?！鼻闆r或“正?！辈僮?。
為了增強這種防逸油功能，設(shè)置了用于朝流體軸承31供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管系 統(tǒng)。空氣供應(yīng)管系統(tǒng)包括空氣供應(yīng)管，圖2僅示出兩個管，即供應(yīng)管道45和供應(yīng)管道47。 具體地，這里，管道45和管道47可以是定子8中的機械加工的孔。將多個其它空氣供應(yīng)管 沿周向方向隔開地布置在與空氣供應(yīng)管道45相同的軸向位置處，并且將在與空氣供應(yīng)管 道47相同的軸向位置處的多個其它空氣供應(yīng)管設(shè)置在多個周向位置處。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)形槽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)形槽51連通。
不同空氣源可以向環(huán)形槽49和51供應(yīng)空氣。如圖1所示意性圖示的，可以經(jīng)由 管53從壓縮器7的中間部位供應(yīng)空氣，相比靠近渦輪機壓縮器7的出口 15處提供的空氣， 該中間部位提供溫度更低和壓力更低的空氣。閥門55可以控制從壓縮器7的中間部位供 應(yīng)到環(huán)形槽49和51的空氣量。來自壓縮器7中間部位的空氣通常在渦輪機的正常運行情 況期間使用，以向環(huán)形槽49和51供應(yīng)空氣，并因此通過空氣供應(yīng)管道45和47流向流體軸 承31，以幫助防止油從流體軸承腔33泄漏出，也致使冷卻。渦輪機I總計可包括位于大約 渦輪機I圓周處的8個空氣供應(yīng)管，圖2僅示出其中兩個空氣供應(yīng)管，即管道45和47。
在這些正常運行情況期間，利用排放管系統(tǒng)排放沿方向43經(jīng)由多個迷宮式密封 41進入的和經(jīng)由空氣供應(yīng)管道45和47進入的過量空氣，該排放管系統(tǒng)包括多個排放管，圖 2僅示出排放管道57、59、61和63。具體地，所述管道可以是定子中的機械加工的孔或插槽。 排放管道57、59、61和63與包括密封41的環(huán)形間隙連通并且沿徑向方向延伸以徑向向外 排放過量空氣。布置在與排放管道57和63相對應(yīng)的軸向位置處的排放管可以通向含有閥 門67的共用排放管65。以此類推，布置在與排放管道59和61的位置相對應(yīng)的軸向位置處 的排放管道可以通向含有閥門71的另一共用排放管65。通過調(diào)節(jié)或控制閥門67和71可 以控制通過包括排放管道57、59、61和63以及圖2未示出的其它排放管道的空氣排放系統(tǒng) 排放的空氣量，并且在諸如熱停機期間的非正常運行情況下可以特別地減少該空氣量。
在熱停機期間，被導(dǎo)引通過管53的在壓縮器7的中間位置處提供的壓縮空氣的量 可能不足以有效地防止油從流體軸承腔33中泄漏出。因此，在熱停機期間，必須通過圖1 所示的外部壓縮器73額外地或?qū)ｉT地供應(yīng)空氣。由外部壓縮器73產(chǎn)生的空氣被導(dǎo)引通過 管75，并且通過布置用于通過管46將空氣供應(yīng)到空氣供應(yīng)管道45和47的閥門77控制其空氣量。
可以例如通過控制和處理模塊經(jīng)由控制線74和76分別調(diào)整排放管系統(tǒng)的閥門67 和71。在燃?xì)鉁u輪機I的正常運行情況期間可以開啟閥門67和71，在燃?xì)鉁u輪機I的熱 停機期間可以關(guān)閉或至少節(jié)流閥門67和閥門71。由此，由外部壓縮器73產(chǎn)生且通過空氣 供應(yīng)管道45和47引入的空氣很少通過排放管系統(tǒng)(包括排放管道57、59、61和63)出現(xiàn)損 失。由此，降低對外部壓縮器73產(chǎn)生的空氣的需求，從而降低成本并且提高整個系統(tǒng)的效 率。
在熱停機期間，可將油連續(xù)地供應(yīng)到流體軸承31，以便從渦輪機I運載走剩余熱 量。這可以防止發(fā)生任何熱損壞，然而，仍然會需要經(jīng)由空氣供應(yīng)管道45和47供應(yīng)的密封 (緩沖)空氣，來保持油流過迷宮式密封41進入軸承腔33，從而防止油侵入密封和排放管道 57、59、61 和 63。
共用排放管65和另一共用排放管69離開渦輪機并且使得閥門67和71結(jié)合容易。 由此，可以提高整個系統(tǒng)的效率，而不需要在渦輪機核心重新設(shè)計現(xiàn)有排放管系統(tǒng)。閥門67 和/或71可以在“彈起開啟”方式操作。如果閥門失靈，它們也是在開啟位置失靈，確保運 行情況不受影響。當(dāng)閥門67、71在轉(zhuǎn)子2低速或靜止情況下關(guān)閉時，需要較少的密封空氣 來保持油流過密封41進入軸承腔33。可以通過外部壓縮器73產(chǎn)生的空氣氣動地控制閥門 67、71?；蛘?，可以利用電子控制單元對它們進行控制。
通過上文描述的發(fā)明，特別地，可實現(xiàn)以下各項1)當(dāng)發(fā)動機在全負(fù)荷情況下運行時，壓縮器提供綽綽有余的空氣。然而，當(dāng)發(fā)動機低速 運行時，通過外部壓縮機向兩個軸承提供空氣。有利地，通過在低速和靜止情況期間利用控制 閥關(guān)閉通氣孔(其用于排出過多的熱空氣)，可顯著減少外部壓縮器提供的壓力，而油仍按要 求處于軸承中。這防止了空氣經(jīng)由通氣孔泄漏出(否則空氣容易泄漏)，從而可以減少對密封 空氣的需求。完成這一功能的特征之一是在管離開核心的位置處設(shè)置兩個控制閥》2)如之前可能已被實施的那樣，本發(fā)明允許繼續(xù)使用油供應(yīng)源，但可極大地減少對輔 助空氣的需求，并因此可以實現(xiàn)更合適的積聚器的尺寸和/或降低對經(jīng)由輔助壓縮器獲得 的輔助空氣的體積。這是通過如下方式實現(xiàn)的，即在熱停機期間暫時關(guān)閉通道，由此所有 減少的緩沖空氣供應(yīng)將在迷宮式密封處受到限流，在通道處將不會像先前那樣具有流體， 而減少的輔助空氣供應(yīng)仍對流向各區(qū)域的油流保持緩沖空氣限制。通道也應(yīng)該被節(jié)流以幫 助優(yōu)化，由此，要相對于將對輔助空氣供應(yīng)的依賴性減至最小的需求，來平衡將被軸承油污 染的緩沖空氣排回到罐中和控制主排出通道中油起泡問題的能力。
應(yīng)該注意，用語“包括”并不排除其它元件或步驟，表示英語不定冠詞的用語“一” 并不排除多個。此外，可以結(jié)合那些聯(lián)系不同實施例描述的元件。還應(yīng)該注意，權(quán)利要求中 的附圖標(biāo)記不應(yīng)被理解成限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機，包括轉(zhuǎn)子(2); 用于可轉(zhuǎn)動地支撐所述轉(zhuǎn)子的流體軸承(31); 用于朝所述流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)(45、47)； 用于排放所供應(yīng)的空氣中一部分的排放管道系統(tǒng)(57、59、61、63)； 控制系統(tǒng)(67、71)，其被布置為基于所述渦輪機的運行情況改變通過所述排放管系統(tǒng)排放的空氣量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其中，所述控制系統(tǒng)適于在所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于預(yù)定值時減少通過所述排放管道系統(tǒng)排放的空氣量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機，進一步包括用于將空氣供應(yīng)到所述空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)的外部壓縮器(73)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機，其中，所述控制系統(tǒng)還適于改變通過所述外部壓縮器供應(yīng)到所述空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)的空氣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的渦輪機，其中，所述流體軸承包括流體軸承腔(33)和用于將軸承流體供應(yīng)到所述流體軸承腔的軸承流體供應(yīng)管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的渦輪機，進一步包括渦輪機壓縮器(7)，該渦輪機壓縮器(7)包括固定在所述轉(zhuǎn)子的不同軸向位置處的多個轉(zhuǎn)子葉片(5)，其中，所述控制系統(tǒng)適于將來自所述渦輪機壓縮器的中間軸向位置的空氣供應(yīng)到所述空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機，進一步包括所述渦輪機的定子部分(8)，其容裝著所述流體軸承腔，其中，環(huán)形間隙(41)形成在所述渦輪機的所述轉(zhuǎn)子和所述定子部分之間，所述環(huán)形間隙與布置在所述中間軸向位置下游的所述渦輪機壓縮器的出口(15)連通，并且與所述流體軸承腔(33)連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機，其中，通過多個迷宮式密封(41)形成所述環(huán)形間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的渦輪機，其中，所述排放管道系統(tǒng)(57、59、61、63)與所述環(huán)形間隙連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的渦輪機，其中，所述空氣供應(yīng)管道(45、47)與所述環(huán)形間隙連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10之一所述的渦輪機，其中，所述控制系統(tǒng)還適于 調(diào)節(jié)通過所述空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)朝所述流體軸承供應(yīng)的空氣量，以及 調(diào)節(jié)通過所述排放管道系統(tǒng)排放的空氣量，從而防止所述軸承流體穿過所述間隙到達(dá)所述渦輪機壓縮器的出口。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的渦輪機，其中，所述排放管道系統(tǒng)包括排放管道的第一組(57)、第二組(59)、第三組(61)和第四組(63)，所述第一組和第二組被布置為在沿所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線延伸的第一軸向方向上距所述流體軸承的軸向間隔不同，并且所述第三組和第四組被布置為在與所述第一軸向方向相對的第二軸向方向(13)上距所述流體軸承的軸向間隔不同。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪機，其中，所述排放管道的第一組和第二組通向一共用排放管道(65)，而所述排放管道的第三組和第四組通向另一共用排放管道(69)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13之一所述的渦輪機，其中，所述控制系統(tǒng)包括閥門(67、71)，其布置在所述排放管道系統(tǒng)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的渦輪機，其中，所述閥門由外部壓縮器供應(yīng)的空氣氣動地控制。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種渦輪機(1)，包括轉(zhuǎn)子(2)；用于可轉(zhuǎn)動地支撐所述轉(zhuǎn)子的流體軸承(31)；用于朝所述流體軸承供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)管道系統(tǒng)(45、47)；用于排放部分供應(yīng)空氣的排放管道系統(tǒng)(57、59、61、63)；控制系統(tǒng)(67、71)，其被布置成基于所述渦輪機的運行情況改變通過所述排放管系統(tǒng)排放的空氣量。
文檔編號F16J15/40GK103026004SQ201180021235
公開日2013年4月3日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者T.米爾內(nèi), C.西德尼 申請人:西門子公司