专利名称：用于调节轴流式涡轮机和压缩机的径向间隙的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于调节在轴流式涡轮机的叶片型面的扫掠边缘和与之相对置的导向面之间的径向间隙的方法，其中，在构成所述导向面的导环中输入一种冷却介质。此外，本发明还涉及一种压缩机。
背景技术：
德国专利申请公开说明书DE 199 38 274 A1中公开了一种用于有针对性地调节在燃气轮机的定子部分和转子部分之间的径向间隙的方法和装置。受设计结构限制，在涡轮机的转子的旋转动叶片和与之相对地固定在定子上的导向面之间形成有径向间隙。所述导向面用于导引工作介质并由沿环周方向划分的多个环段组成，这些环段与导环同心地围绕转子的旋转轴线并沿轴向延伸。在燃气轮机运行时，转子的动叶片与导向面间隔一定间距地运动，而静止的导向叶片则相对于设置在转子上的旋转的锥形或圆柱形导向面分别形成一定的径向间隙。为了进一步优化所述燃气轮机的效率，需将该径向间隙设计得尽可能地小。从上述专利申请文献中已知，可通过相对于径向倾斜设置的一对夹件将导环固定在定子上，并在燃气轮机运行期间，基于导环材料受热发生膨胀，而使定子向动叶片端部方向移动，以减小径向间隙。
在EP 1 163 430 B1中公开了类似的内容。一个处于透平机叶片的叶尖对面的导向元件在燃气轮机的运行期间因受热膨胀向动叶片的叶尖方向发生弯曲而减小径向间隙。同时，所述导向元件的背侧可被冷却空气冷却，以便它能承受在流动通道中的高温。
此外，在GB 2 397 102 A中公开了可使透平机的导环相对于所述支撑结构绝热。
此外已知可针对燃气轮机的热启动来对确定所述间隙尺寸的结构参数进行设计，以获得尽可能小的运行间隙亦即径向间隙。在燃气轮机停机之后，燃气轮机的壳体相对于转子比较快地被冷却。所述壳体或导环由于受冷却回缩到其原来的结构参数，此时，还比较热的转子基于在其内部储存的热能首先保持处于膨胀状态而后有所延迟地冷却和收缩。由此产生所谓的束紧效应(Einschnüreffekt)。这会导致径向间隙变小，转子上的叶片接触到或甚至扫掠壳体或导环。由此会永久地增大径向间隙或者甚至损伤叶片。变大的径向间隙会导致燃料消耗增大，受损的叶片可能需要提前维修并相应地需要更多的费用。
在启动期间亦即在燃气轮机加速时，作用在动叶片上的离心力会使该动叶片进一步膨胀，由此可能将在燃气轮机启动前还存在的径向间隙闭合，并可能造成叶片被不期望地扫掠擦伤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于调节在轴流式涡轮机的叶片型面的扫掠边缘和与之相对置的导向面之间的径向间隙的方法，它可改善涡轮机的热启动性能以提高其可用性，同时提高其效率。此外，本发明要解决的另一技术问题是提供一种压缩机。
上述第一个技术问题通过一种用于改变在轴流式涡轮机的叶片的扫掠边缘和与之相对置的导向面之间的径向间隙的方法来解决，其中，向构成所述导向面的导环中输入一种冷却介质，按照本发明，在涡轮机启动前向所述导环中输入冷却介质。
上述另一技术问题通过一种压缩机来解决，其具有一个用于改变在该轴流式压缩机的叶片的扫掠边缘和与之相对置的导向面之间的径向间隙的装置，其中，构成所述导向面的导环固定在一支撑结构上，按照本发明，可向所述导环中输入一种冷却介质。
本发明是基于如下考虑，即，在一个还是热的或被逐渐加热的但尚未处于运行状态的涡轮机中，通过用上述方法使其径向间隙的尺寸相对于现有技术中处于相同状态下的燃气轮机的径向间隙尺寸变大，可以改善涡轮机的热启动条件。横截面为锤头型的导环通过沿环周相邻布设的多个环段来构成。由于与所述动叶片或导向叶片相对置的导环在沿径向更靠外或更靠内的位置予以固定，用冷却剂冷却会导致其导向面离开与之相对置的叶片扫掠边缘地移动。如此有针对性地增大径向间隙会减小所述束紧效应和发生扫掠的危险，从而可显著改善涡轮机的热启动性能，也就是说所述涡轮机可相对于其之前的停机时刻提前启动。
此外，所述径向间隙不再需要按照作为不利的运行启动的热启动来设计。
对于热的导环的冷却增大了所述未运行的涡轮机的径向间隙。对于该状态所获得的径向间隙还可取替用于改善热启动地部分被用于，将一个处于无运行状态和冷状态亦即处于环境温度下的涡轮机的径向间隙设计得比一个现有技术中的涡轮机的径向间隙更小。
这可对涡轮机的运行尤其是其稳定态运行、特别是压缩机和透平单元的稳定态运行产生有利影响。在这种运行状态中不再采用按照本发明的方法来使径向间隙再减小。减小径向间隙的结构设计尺寸可减少工作介质在运行时、尤其在流动通道内的工作介质的压力变得更高时的损失(此时有未使用的工作介质通过径向间隙漏泄流走)，从而增大效率。
本发明的其他有利的扩展设计由从属权利要求给出。
在涡轮机(热)启动后，涡轮机的转子和壳体随着持续的运行逐渐变热直至达到一最大的运行温度。此时，壳体和转子都热膨胀，使得束紧的危险不再存在。因此，当在燃气轮机启动期间中止对所述导环的冷却剂输入时，本发明的方法特别有利。在达到最大的运行温度后，因温度引起的涡轮机亦即定子和转子的热膨胀结束。因此，导环也逐渐变热并发生热膨胀，使其导向面朝向叶片的扫掠边缘移动，这导致径向间隙减小，效率有所增高。尤其当涡轮机设计为一台燃气轮机的压缩机时，其中的导环在运行期间通常不被冷却，由此可有利地利用这一点。
特别有利的是，从一个外部冷却剂源抽取冷却剂。通常在涡轮机设计为燃气轮机时，其冷却剂是从压缩机中抽取的冷却空气，但由于是在燃气轮机启动前采用本发明的方法，因此无法实现对冷却空气的抽取。因此，必须采用一个外部的冷却剂源，例如一个单独被驱动的辅助压缩机或用于提供冷却剂来在燃气轮机热启动前冷却导环的外部风扇。
优选在涡轮机启动之后向导环输入一种热介质。这一点在下述情况下特别有利，即，当涡轮机例如是一燃气轮机的压缩机或透平并且现有技术中的方法(亦即导环的材料膨胀被用于调节径向间隙)被应用在压缩机的导环上时。优选采用空气或蒸汽作为所述热介质。通过加热导环，其导向面向着叶片的扫掠边缘增长并由此减小它与该扫掠边缘之间的径向间隙。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中图1为一台设计为燃气轮机的带有一压缩机和一透平机单元的涡轮机的纵向半剖图；图2为图1中局部II的放大视图，其中示出一导环的横截面和一个与之相对置的叶尖。
具体实施例方式
图1示出作为涡轮机示例的一燃气轮机1的纵向半剖截面。该燃气轮机1在内部具有一个可绕一旋转轴线2转动支承的转子3，后者也被称为透平转子。沿转子3依次设有一进气外壳4、一压缩机5、一个带有多个同轴设置的燃烧器7的花托状的环形燃烧室6、一透平单元8和废气外壳9。所述环形燃烧室6构成一个与一环形流动通道18相连通的燃烧腔室17。在那里，四个前后连接的透平级10构成所述透平单元8。每个透平级10和每个压缩级分别由两个叶片环构成。
在透平单元8内沿热燃气11的流动方向看，在流动通道18内在一导向叶片组13之后有一个动叶片15构成的动叶片组14。导向叶片12在此固定在定子上，而动叶片15则借助一涡轮盘安设在转子3上。在转子3上耦连着一台发电机或一台工作机械(图中未示出)。
与之相反，在压缩机5内，一压缩级由一个动叶片组13和一个沿被压缩的空气的流动方向位于其后的导向叶片12组成的导向叶片圈构成。
沿径向在动叶片15的外侧有导环21与之相对，沿径向在导向叶片12的内侧有导环23与之相对。所述导环21，23沿径向限制沿转子3的轴向延伸的流动通道18。所述导环21，23可由多个沿环周方向相邻的环段构成。
在燃气轮机1启动后，该燃气轮机1的所有部件通过在流动通道18中流动的工作介质逐渐变热，并由于温度升高而逐渐发生膨胀，也就是说转子3、动叶片15、导向叶片12和内壳27相对于它们的冷状态发生膨胀。
当燃气轮机1完全变热并形成一不再变化的温度分布后，所有因温度造成的膨胀均结束。所述燃气轮机1位于一个固定或稳定的状态下。
图2示出图1中的局部II，也就是在所有因温度变化造成的膨胀结束后的一个导环21的横断面和一个与之相对的叶片。在此，图2中所示装置不仅设置在透平单元8内以及/或设置在燃气轮机1的压缩机5内。
所述叶片分别具有一个横断面为水滴形的叶型19，该叶型具有一个被工作介质流过的前缘20和一个后缘22。
一个相对于燃气轮机转子3的旋转轴线2为圆柱形或圆锥形延伸的壁25构成一个旋转固定的内壳27的一部分。该壁25包绕所述环形的流动通道18。在所述内壳27或壁25内加工出沿环周方向延伸的横断面为锤头型的凹槽29。导环21设置在该凹槽29中。因此，导环21也同轴于转子3的旋转轴线2地包绕所述流动通道18。
在壁25和导环21之间可形成一绝热层26，它使导环21相对于壁25热屏蔽并绝热隔离开，从而使得壁25或内壳27不会同样向叶片方向收缩。
所述导环21在此由一种受热亦即温度升高时膨胀的材料制成，优选用热膨胀比壁25或内壳27大的材料制成。也就是说，导环21具有比壁25或内壳27更大的热膨胀系数。
导环21基本上与锤头型的凹槽29相对应地构造，其背侧直接或如图所示通过绝热层26贴靠在凹槽29的槽底，其前侧则贴靠在凹槽的侧凹部31的贴靠面50上，从而固定所述导环21。贴靠面50决定了导环21的径向位置并沿径向设置得比与动叶片15或导向叶片12的叶尖相对置的导向面33更靠外或更靠内。
所述导环21的面向流动通道18的导向面33位于动叶片15的对面、尤其是其扫掠边缘35的对面。在每个动叶片15的扫掠边缘35与导向面33之间形成有一径向间隙36。在燃气轮机运行时，动叶片15在导向面33之下转动经过。为了清晰表现这一点，旋转轴线2没有表示在按比例所应在的位置上。
在导环21的相对于导向面33处于背侧的背面37上开设有一个凹槽39，该凹槽39与壁25或绝热层26(如果存在的话)形成一个沿环周方向延伸的也就是说环形的冷却剂供应通道41。
此外，有多个、优选为3个冷却通道43沿环周方向也就是说同心于旋转轴线2地延伸。这些冷却通道43通过径向连接通道45与所述供应通道41连通。
有一个输入通道49从壁25的背向流动通道18的一侧47开始穿过该壁25地延伸并通入所述冷却剂供应通道41。
在关掉燃气轮机1后，壳体比转子3冷却得更快，由此壳体的膨胀度较快地减小或回缩并束紧还是热的因而仍有较大膨胀度的转子3。所述径向间隙36的尺寸由此变小。
在提前启动还是热的燃气轮机1的情况下，也就是说在热启动时，作用在转子3和动叶片15上的离心力造成它们附加的径向增长，这可能导致所述径向间隙36减小到这样的程度，即，所述叶片的扫掠边缘35可能会扫掠擦伤导向面33。
此时采用本发明。在还是热的燃气轮机重新恢复运行前，通过输入通道49向供应通道41中输入冷却剂51，冷却剂51从供应通道41又通过连接通道45到达冷却通道43中并冷却所述导环21。冷却剂51吸收了在导环21中蕴涵的热量后，接着通过图中未示出的开孔或者被排入流动通道18中或者通过图中同样没有示出的回流通道从机器内部又回流到外面。通过从导环21中排散走尤其靠近导向面的热量，导环21因温度增大所形成的材料膨胀回缩。结合其沿径向固定在凹槽29中的外侧局部位置，构成流动通道18边界的所述导向面33沿径向向外移动到位置33＇。其结果是径向间隙36增大一个间距X到现在的径向间隙36＇，由此减小了在热启动时动叶片15扫掠导向面33或33＇的危险。利用这样的效应可缩短燃气轮机在停机或关闭与热启动之间的时间间隔。
当所述导环21相对于壁25绝热时，本发明的方法特别有效。此时，仅仅对导环21实施冷却，而不必还要冷却壁25。这导致特别有效地冷却导环21并防止壁25与导环21一样以相同方式一同移动。从而确保仅仅导环21的因受热发生的膨胀回缩减小。
在启动之后或者在启动期间亦即在燃气轮机1的启动过程中，壳体逐渐变热和膨胀。壳体包括内壳体27由此沿径向向外膨胀移动。动叶片15的扫掠边缘35扫掠导环21的导向面33的危险相应减小，因此，在经过一预定的运行时间后，可中止对导环21的冷却。
同时燃气轮机1继续变热直至在其内部形成一个不再变化的温度分布。
只要导环21的材料允许温度继续增高，在燃气轮机1的运行期间甚至可取替冷却剂51地通过通道49、41和45输入一种热介质。导环21温度的继续增高会导致其沿径向继续膨胀，径向间隙36随之进一步减小。这会导致效率增大，因为只会有更少的工作介质(在压缩机5中为被压缩的气体，而在透平单元8中为正在膨胀的热燃气11)在未经使用的情况下通过该变得更小的径向间隙36漏泄出去。
所述径向间隙36不仅可在一个沿径向位于外侧的导向面33和一个动叶片15之间构成，也可在旋转固定的导向叶片12和设置在转子3上的导向面23之间构成。在后一种情况下，壁25也是转子3的组成部分，导向叶片12与导向面23相对置。在这样的情况下，前述移动方向是由外向内。
按照本发明的用于改变径向间隙36的方法特别适用于压缩机5。但也可应用在透平单元8中。
权利要求
1.一种用于改变在轴流式涡轮机的叶片的扫掠边缘(35)和与之相对置的导向面(33)之间的径向间隙(36)的方法，其中，向构成所述导向面(33)的导环(21，23)中输入一种冷却介质(51)，其特征在于，在涡轮机启动前向所述导环(21，23)中输入冷却介质(51)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为在燃气轮机启动期间，中止向所述导环(21，23)输入冷却剂(51)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为所述冷却剂(51)从一个外部的冷却剂源获取。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征为采用空气或水作为冷却剂(51)。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征为在涡轮机启动后，向所述导环(21，23)输入一种热介质。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征为采用空气或蒸汽作为热介质。
7.一种压缩机(5)，其具有一个用于改变在该轴流式压缩机(5)的叶片的扫掠边缘(35)和与之相对置的导向面(33)之间的径向间隙(36)的装置，其中，构成所述导向面(33)的导环(21，23)固定在一支撑结构上，其特征为，可向所述导环(21，23)中输入一种冷却介质(51)。
8.按照权利要求7所述的装置，其特征为，所述导环(21，23)相对于所述支撑结构热绝缘。
9.按照权利要求7或8所述的装置，其特征为，所述导环(21，23)具有比所述支撑结构更大的热膨胀系数。
10.按照权利要求7，8或9所述的装置，其特征为，所述支撑结构具有供导环(21，23)贴靠在其上的贴靠面(50)，该贴靠面(50)沿径向设置得比与所述动叶片(15)或导向叶片(12)的扫掠边缘(35)相对置的导向面(33)更靠外或更靠内。
11.一种用于实施如权利要求1至6中任一项所述方法的装置。
全文摘要
本发明公开了一种用于改变在轴流式涡轮机的叶片的扫掠边缘(35)和与之相对置的导向面(33)之间的径向间隙(36)的方法和装置，其中，向构成所述导向面(33)的导环(21，23)中输入一种冷却介质(51)，按照本发明，在涡轮机启动前向所述导环(21，23)中输入冷却介质(51)对其进行冷却，可改善涡轮机的热启动性能。本发明还另外公开了一种具有所述装置的压缩机。
文档编号F01D11/08GK1854468SQ20061007528
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月18日 优先权日2005年4月28日
发明者托拜厄斯·巴卡尔, 格哈特·休尔斯曼, 米尔科·米拉扎, 迪特尔·明宁格, 迈克尔·纽鲍尔, 哈拉尔德·尼姆普奇, 海因里希·普兹, 钱康, 阿恩·赖克特, 沃尔克·沃斯伯格 申请人:西门子公司