用于涡轮系统的温度梯度管理装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于涡轮系统的温度梯度管理装置。具体而言，用于涡轮系统的温度梯度管理装置包括转子，转子包括沿转子轴向地延伸的转子孔。还包括副流路，副流路包括用于副空气流流向转子孔的入口，以及相对于涡轮系统的主流动方向而设置在入口的轴向上游的出口。还包括流速操控器，其设置成邻近出口，且构造成在第一涡轮系统运行状态期间增大副空气流的流速并且在第二涡轮系统运行状态期间减小副空气流的流速。
【专利说明】用于涡轮系统的温度梯度管理装置
【技术领域】
[0001]本文所公开的主题涉及涡轮系统，并且更具体地涉及用于此类涡轮系统的温度梯度管理装置以及管理温度梯度的方法。
【背景技术】
[0002]涡轮系统通常包括具有多个层叠的轮的转子。层叠的轮的外部径向区域称为边缘部分，而层叠的轮的中心径向区域称为孔部分。涡轮系统的典型运行必需高温，该高温可使涡轮的各种构件受到相对极端的热负载。主流路的高温为涡轮系统内的压缩过程和燃烧过程的结果。结果，层叠的轮中的大的温度梯度通常特别是在涡轮系统的启动期间存在，而主流路温度在温度上显著高于转子。具体而言，大的温度梯度由比孔部分显著更热的边缘部分引起。
[0003]上文所述的大的温度梯度给予热应力，该热应力叠加到起因于离心力和表面压力的机械应力上。由转子构件经历的应力和温度历史确定各个运行周期所累积的损坏，且因此确定转子的预期寿命。
实用新型内容
[0004]根据本实用新型的一个方面，一种用于涡轮系统的温度梯度管理装置包括转子，转子包括沿转子轴向地延伸的转子孔。还包括副流路，副流路包括用于副空气流流向转子孔的入口，以及相对于涡轮系统的主流动方向设置在入口的轴向上游的出口。还包括流速操控器，其设置成邻近出口，且构造成在第一涡轮系统运行状态期间增大副空气流的流速并且在第二涡轮系统运行状态期间减小副空气流的流速。优选地，流速操控器包括构造成控制邻近出口的间隙的至少一个可调整的密封件。
[0005]根据本实用新型的另一个方面，一种用于涡轮系统的温度梯度管理装置包括转子，转子包括多个层叠的轮和转子孔。还包括多个压缩机级。还包括至少一个副流路，副流路包括用于副空气流流向转子孔的至少一个入口，其中，至少一个副流路从至少一个入口沿相对于主流动方向的上游方向朝向设置成邻近多个压缩机级中的至少一个压缩机级的至少一个出口延伸。还包括流速操控器，其设置成邻近至少一个出口，且构造成在第一涡轮系统运行状态期间增大副空气流的流速并且在第二涡轮系统运行状态期间减小副空气流的流速。优选地，流速操控器包括构造成控制邻近出口的间隙的至少一个可调整的密封件。
[0006]根据本实用新型的又一个方面，提供了一种管理涡轮系统的温度梯度的方法。该方法包括经过入口而将副空气流发送至设置在转子内的转子孔而沿副流路发送至出口。还包括增大出口处的流路间隙以在第一涡轮系统运行状态期间增大副空气流经过副流路的流速。还包括减小出口处的流路间隙以在第二涡轮系统运行状态期间减小副空气流经过副流路的流速。
[0007]这些及其它优点和特征将从结合附图的以下描述中变得更明显。【专利附图】
【附图说明】
[0008]在本说明书的所附的权利要求中特别地指出且明确地主张了被认作本实用新型的主题。本实用新型的前述及其它特征和优点将从结合附图的以下详细描述中清楚，在附图中:
[0009]图1为涡轮系统的简图；
[0010]图2为涡轮系统的局部示意性侧视图；以及
[0011]图3为示出管理涡轮系统的温度梯度的方法的流程图。
[0012]详细描述参照附图以示例的方式阐述了本实用新型的实施例以及优点和特征。
[0013]符号说明
[0014]10涡轮系统
[0015]12压缩机区段
[0016]14燃烧器区段
[0017]16涡轮区段
[0018]18 转子
[0019]20燃料喷嘴
[0020]22燃料供应部
[0021]24 外壳
[0022]26主流路
[0023]28 排气
[0024]30实心轮
[0025]32环形轮
[0026]34边缘部分
[0027]36转子孔
[0028]38转子叶片
[0029]40定子静叶
[0030]42转子中心线
[0031]44压缩机级
[0032]46中间级
[0033]48多个前方的级
[0034]50多个后方的级
[0035]52副空气流
[0036]53冷却/清洗流
[0037]54至少一个入口
[0038]56副流路
[0039]58 出口
[0040]60定子静叶间隔件
[0041]62流速操控器
[0042]64 间隙
[0043]100管理涡轮系统的温度梯度的方法[0044]102转子孔
[0045]104第一涡轮系统运行状态。
【具体实施方式】
[0046]在本申请中所使用的术语〃轴向〃和〃轴向地〃是指大致平行于涡轮系统的中心纵向轴线而延伸的方向和定向。本申请中所使用的术语"径向"和"径向地"是指大致正交于涡轮系统的中心纵向轴线而延伸的方向和定向。本申请中所使用的术语"上游"和"下游"是指关于涡轮系统的中心纵向轴线的相对于轴向流动方向的方向和定向。
[0047]参照图1，以参考标号10示意性地示出了涡轮系统，例如，如燃气涡轮系统。燃气涡轮系统10包括压缩机区段12、燃烧器区段14、涡轮区段16、转子18和燃料喷嘴20。应认识到的是，燃气涡轮系统10的一个实施例可包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、转子18和燃料喷嘴20。压缩机区段12和涡轮区段16由转子18联接。转子18包括单个轴或联接在一起来形成转子18的多个轴节段。
[0048]燃烧器区段14使用可燃烧的液体燃料和/或气体燃料，如天然气或富氢合成气，以运转燃气涡轮系统10。例如，燃料喷嘴20与离开压缩机12的主流路26和燃料供应部22流体连通。燃料喷嘴20产生空气燃料混合物，且将空气燃料混合物排至燃烧器区段14中，从而引起燃烧，该燃烧产生热的加压排气28。燃烧器区段14将热的加压气体经过过渡件而引导至涡轮喷嘴(或"第一级喷嘴")中，且其它级的动叶和喷嘴引起涡轮叶片在涡轮区段16的外壳24内的旋转。
[0049]现在参照图2，局部简图更详细地示出了由转子18可操作地联接的压缩机区段12和涡轮区段16。多个层叠的轮包括多个实心轮30和多个环形轮32，其中多个实心轮30交替地布置在多个环形轮32之间。多个实心轮30和多个环形轮32两者都安装在转子18的一部分上且形成转子18的一部分。转子18包括设置在转子18的径向向外位置处的边缘部分34，以及相对轴向地延伸遍及转子18的转子孔36，然而，应认识到的是，转子孔36可包括沿径向方向和/或周向方向延伸的曲折路径。
[0050]多个实心轮30和多个环形轮32中的各个均包括从转子18径向地向外突出的转子叶片38，而多个定子静叶40安装在定子(未示出)。多个定子静叶40中的各个通常交替地定位在转子叶片38之间，且为了简化图示，仅标出了多个定子静叶40中的两个。转子叶片38和多个定子静叶40形成通道，压缩机区段12中的主流路26流经该通道。主流路26的温度在经过压缩机区段12而主流路26的压力增大时逐渐地增大。因此，转子18的边缘部分34暴露至逐渐更热的主流路26，而转子孔36保持与主流路26屏蔽。转子孔36形成转子18的根部，从而邻近转子中心线42而延伸。基于边缘部分34向主流路26的暴露，温度梯度通常存在于转子18的边缘部分34与转子孔36之间。为了缓和上文所述的温度梯度，转子孔36可在燃气涡轮系统10的启动期间加热，且在停工期间冷却，这是通常导致特别高的温度梯度的两个运行周期。
[0051]如图所示，压缩机区段12包括多个压缩机级44，其中各个级均包括在类似的轴向位置处成排对准的一个或多个周向地间隔开的定子静叶，连同设置在类似的轴向位置处的轴向地在前或在后的成排的周向地间隔开的转子叶片。多个压缩机级44包括设置在多个压缩机级44的相对轴向中点处的中间级46。多个前方的级48相对于流经压缩机区段12的主流路26的方向而定位在中间级46的上游。此外，多个后方的级50也相对于主流路26的方向而定位在中间级46的下游。
[0052]如上文所述，转子孔36的加热或冷却可有利地减小存在于转子18的径向内部部分如转子孔36自身与转子18的径向外部部分如边缘部分34之间的温度梯度。因此，副空气流52从流动遍及压缩机区段12的主流路26提供至转子孔36。主流路26的其余部分通常流向燃烧器区段14，且作为用于涡轮区段16的冷却/清洗流53。副空气流52经过设置成邻近中间级46和/或多个后方的级50中的至少一个的至少一个入口 54而发送至转子孔36，其中至少一个入口 54为副流路56的一部分。在发送副空气流52经过至少一个入口54之后，沿由转子孔36限定的副流路56向上游(相对于主流路26)引导副空气流52。当副空气流52向上游行进时，转子孔36且因此转子18的径向内部部分在启动期间被加热以减小转子孔36与边缘部分34之间的温度梯度。应认识到的是，副流路56可具有各种路径尺寸和形状，副空气流52沿该副流路56而被发送。例如，副流路56可围绕环形轮32延伸且经过实心轮30，从而形成称为盘旋流路的弯曲流路。
[0053]不论副流路56的精确尺寸和形状如何，应理解到的是，副流路56通常从至少一个入口 54向上游延伸至设置成邻近多个前方的级48中的至少一个的至少一个出口 58。尽管至少一个出口 58可延伸经过邻近多个前方级48中的至少一个的多种构件，但可构想出的是，至少一个出口 58设置在邻近转子18的边缘部分34的定子静叶间隔件60处。
[0054]流速操控器62定位在至少一个出口 58内或邻近至少一个出口 58，以控制间隙64，这便于从副流路56逐出副空气流52。在一个实施例中，流速操控器62包括可调整的密封件，该密封件改变行进经过副流路56的副空气流52的流速。通常，在燃气涡轮系统10启动和停工期间，转子构件可经历起因于温差、相关联的热膨胀和负载应力的组合的相对于定子部分的轴向偏转。瞬间变化的相对偏转在满负载运行时间期间达到最大，且在燃气涡轮系统10的稳态运行或接近稳态运行的整个持续时间期间保持恒定。因此，在启动之前和期间，流速操控器62可定位成使得其不会阻挡至少一个出口 58，从而起因于转子孔36与主流路26之间的压差而引起副空气流52经过副流路56。当流速操控器62可操作地联接到其上的定子静叶构件在瞬态运行(称为第一运行状态)期间相对于转子构件而轴向地膨胀时，流速操控器可相对移动，且开始覆盖并阻挡至少一个出口 58的至少一部分，从而通过减小间隙64而限制副空气流52的流动，这继而又减小副流路56内用于沿其加热的副空气流52的流速。当燃气涡轮系统10达到称为第二运行状态的稳态运行或接近稳态运行时，流速操控器62减慢或停止相对于转子构件的移动，且可继续覆盖至少一个出口 58的全部或一部分。
[0055]可构想出的是，各种备选布置可用于分别在瞬态运行和稳态运行期间适宜地增大和减小副空气流52的流速。
[0056]如图3的流程图中所示，且参照图1和图2，还提供了一种管理涡轮系统100的温度梯度的方法。燃气涡轮系统10且更具体是压缩机区段12和转子18已经在前文中描述，且特定的结构构件不必在进一步详细描述。管理涡轮系统100的温度梯度的方法包括经过至少一个入口而将副空气流发送至设置在转子18内的转子孔102而沿副流路56发送至至少一个出口 58。在第一涡轮系统运行状态104期间，流路间隙在至少一个出口处增大，以便增大副空气流52的流速。相反，在第二涡轮运行状态106期间，流路间隙在至少一个出口处减小，以便减小副空气流52的流速。
[0057]尽管仅结合有限数量的实施例而详细地描述了本实用新型，但应当容易地理解本实用新型不限于这样的已公开的实施例。相反地，能够修改本实用新型以并入尚未描述但与本实用新型的主旨和范围相符合的任意数量的变化、变更、替换或等同的布置。此外，尽管已描述了本实用新型的各种实施例，但应当理解本实用新型的方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本实用新型不被视为被上述描述限制，而是仅被所附的权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种用于涡轮系统的温度梯度管理装置，包括: 转子，其包括沿所述转子轴向地延伸的转子孔； 副流路，其包括用于副空气流流向所述转子孔的入口和相对于所述涡轮系统的主流动方向而设置在所述入口的轴向上游的出口 ；以及 流速操控器，其设置成邻近所述出口，且构造成在第一涡轮系统运行状态期间增大所述副空气流的流速并且在第二涡轮系统运行状态期间减小所述副空气流的所述流速。
2.根据权利要求1所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述第一涡轮系统运行状态包括瞬态运行。
3.根据权利要求1所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述第二涡轮系统运行状态包括稳态运行。
4.根据权利要求1所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述流速操控器包括构造成控制邻近所述出口的间隙的至少一个可调整的密封件。
5.根据权利要求4所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述流速操控器设置成邻近定子静叶间隔件。
6.根据权利要求1所述的温度梯度管理装置，其特征在于，还包括多个压缩机级，所述多个压缩机级包括中间级、设置在所述中间级的上游的多个前方的级、以及设置在所述中间级的下游的多个后方的级。
7.根据权利要求6所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述入口设置成邻近所述中间级和所述多个后方的级中的至少一者。
8.根据权利要求7所述的温度梯度管理装置，其特征在于，还包括多个入口。
9.根据权利要求6所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述出口设置成邻近所述多个前方的级中的至少一者。
10.根据权利要求9所述的温度梯度管理装置，其特征在于，还包括多个出口。
11.一种用于涡轮系统的温度梯度管理装置，包括: 转子，其包括多个层叠的轮和转子孔； 多个压缩机级； 至少一个副流路，所述副流路包括用于副空气流流向所述转子孔的至少一个入口，其中，所述至少一个副流路从所述至少一个入口沿相对于主流动的上游方向朝向设置成邻近所述多个压缩机级中的至少一个压缩机级的至少一个出口延伸；以及 流速操控器，其设置成邻近所述至少一个出口，且构造成在第一涡轮系统运行状态期间增大所述副空气流的流速并且在第二涡轮系统运行状态期间减小所述副空气流的所述流速。
12.根据权利要求11所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述第一涡轮系统运行状态包括瞬态运行。
13.根据权利要求11所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述第二涡轮系统运行状态包括稳态运行。
14.根据权利要求11 所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述流速操控器包括构造成控制邻近所述至少一个出口的间隙的至少一个可调整的密封件。
15.根据权利要求14所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述流速操控器设置成邻近定子静叶间隔件。
16.根据权利要求11所述的温度梯度管理装置，其特征在于，所述多个压缩机级包括: 中间级； 设置在所述中间级的上游的多个前方的级； 设置在所述中间级的下游的多个后方的级；以及 其中，所述至少一个入口设置成邻近所述中间级和所述多个后方的级中的至少一者；以及 其中，所述至少一个出口设 置成邻近所述多个前方的级中的至少一者。
【文档编号】F01D25/12GK203669941SQ201320497844
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年8月15日 优先权日:2012年8月15日
【发明者】J.J.布特基维奇, 林宇光 申请人:通用电气公司