用于涡轮中的流动控制的系统及方法与流程

本文公开的主题涉及涡轮系统，并且更具体地涉及燃气轮机系统中的流动控制。

背景技术：

涡轮系统大体上包括涡轮，其具有涡轮叶片的一个或更多个级，涡轮叶片由工作流体驱动。例如，燃气轮机系统由来自一个或更多个燃烧器的燃烧气体驱动。燃气轮机系统还可包括压缩机，以生成压缩空气，其便于燃料在燃烧器中燃烧。在某些实施例中，一个或更多个可动结构可用于物理地改变穿过燃气轮机系统(例如，穿过涡轮的排气流)的流动路径的几何形状，由此有助于控制穿过燃气轮机系统的压力和/或流动。令人遗憾的是，可动结构可易于在一定时间内热应力、磨损和/或退化。可动结构还可使燃气轮机系统的设计复杂化。

技术实现要素：

在范围上与原来提出的发明相当的某些实施例在下文中概述。这些实施例不旨在限制提出的发明的范围，而相反，这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与下文所述实施例相似或不同的多种形式。

在第一实施例中，一种系统包括涡轮和流体供应系统。涡轮包括主流动路径、沿主流动路径设置的多个涡轮叶片、沿主流动路径设置的至少一个流动控制区域，以及流体地联接到主流动路径上的至少一个流体喷射端口。流体供应系统流体地联接到至少一个流体喷射端口上，其中流体供应系统构造成将流体供应至至少一个流体喷射端口，以调整至少一个流动控制区域的有效区域。

在第二实施例中，一种系统包括控制器。控制器包括存储器，其储存指令以控制流体从流体供应系统沿涡轮的主流动路径至流体地联接到至少一个流动控制区域上的至少一个流体喷射端口的供应。此外，控制器具有指令以调整流体的供应，以调整有效区域来改变工作流体穿过主流动路径的至少一个流动控制区域的流动。

在第三实施例中，一种方法包括使工作流体沿穿过涡轮的主流动路径流动，以驱动沿主流动路径设置的多个涡轮叶片。该方法还包括将流体从流体供应系统供应至流体地联接到主流动路径上的至少一个流体喷射端口。该方法还包括控制流体至至少一个流体喷射端口的供应来调整至少一个流动控制区域的有效区域。

本发明的第一技术方案提供了一种系统，包括：涡轮，其包括主流动路径、沿所述主流动路径设置的多个涡轮叶片和至少一个轴、沿所述主流动路径设置的至少一个流动控制区域，以及流体地联接至所述主流动路径的至少一个流体喷射端口；以及流体供应系统，其流体地联接至所述至少一个流体喷射端口，其中所述流体供应系统构造成将流体供应至所述至少一个流体喷射端口，以调整所述至少一个流动控制区域的有效区域。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，包括控制器，其具有存储器，所述存储器储存指令来控制所述流体至所述至少一个流体喷射端口的供应，以调整所述至少一个流动控制区域的所述有效区域。

本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，所述控制器具有指令以调整所述流体的供应，以调整所述有效区域来改变穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动。

本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述控制器具有指令以增加所述流体的供应来减小所述有效区域，以减少穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动，以及所述控制器具有指令以减少所述流体的供应，以增大所述有效区域来增加穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述控制器具有指令以调整由所述流体供应系统供应的所述流体的参数，以及所述参数包括压力、温度、流速、轴速度、成分或它们的组合。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述控制器具有指令以基于来自至少一个传感器的传感器反馈、与所述参数相关联的至少一个阈值或它们的组合来调整由所述流体供应系统供应的所述流体的参数。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，所述流体供应系统包括空气供应源、蒸汽供应源、惰性气体供应源、二氧化碳供应源或它们的组合。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述至少一个流体喷射端口设置在涡轮喷嘴、定子导叶、围绕所述主流动路径设置的壁、涡轮叶片上方的护罩、沿所述主流动路径设置的静止表面或它们的任何组合上。

本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，所述至少一个流体喷射端口流体地联接至设置在围绕所述主流动路径设置的第一和第二壁之间的外腔、设置在围绕所述涡轮的旋转轴线设置的第三壁内的内腔、延伸跨过所述主流动路径的支柱或它们的组合。

本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，所述至少一个流动控制区域包括设置在所述涡轮的多个级中的不同级中的多个流动控制区域，其中所述多个流动控制区域中的各个流动控制区域包括流体地联接至所述主流动路径的至少一个流体喷射端口。

本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，所述涡轮包括燃气轮机，以及其中所述燃气轮机包括沿所述主流动路径流体地联接的一个或更多个独立的轴，以及其中所述至少一个流动控制区域沿所述主流动路径设置，且设置在所述一个或更多个独立的轴之间。

本发明的第十二技术方案提供了一种系统，包括：控制器，其具有存储器，该存储器储存指令以控制流体从流体供应系统沿涡轮的主流动路径供应至流体地联接至至少一个流动控制区域的至少一个流体喷射端口，其中所述控制器具有指令以调整所述流体的供应，以调整有效区域来改变工作流体穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的流动。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，包括所述流体供应系统，其中所述流体供应系统包括空气供应源、蒸汽供应源、惰性气体供应源、二氧化碳供应源或它们的组合。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，包括所述涡轮，其中所述至少一个流体喷射端口设置在涡轮喷嘴、定子导叶、围绕所述主流动路径设置的壁、涡轮叶片上方的护罩、沿所述主流动路径设置的静止表面或它们的任何组合上。

本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，所述涡轮包括燃气轮机。

本发明的第十六技术方案是在第十二技术方案中，所述控制器具有指令以增加所述流体的供应来减小所述有效区域，以减少穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动，以及所述控制器具有指令以减少所述流体的供应，以增大所述有效区域来增加穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动。

本发明的第十七技术方案是在第十二技术方案中，所述控制器具有指令以基于来自至少一个传感器的传感器反馈、与参数相关联的至少一个阈值或它们的组合来调整由所述流体供应系统供应的所述流体的所述参数，其中所述参数包括压力、温度、流速、成分或它们的组合。

本发明的第十八技术方案提供了一种方法，包括：使工作流体沿穿过涡轮的主流动路径流动，以驱动沿所述主流动路径设置的多个涡轮叶片；将流体从流体供应系统供应至流体地联接至所述主流动路径的至少一个流体喷射端口；以及控制所述流体至所述至少一个流体喷射端口的供应来调整所述至少一个流动控制区域的有效区域。

本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，控制所述供应包括增加所述流体的供应来减小所述有效区域，以减小穿过所述主流动路径的所述至少一个流动控制区域的工作流体的流动，以及减小所述流体的供应以增大所述有效区域，以增加穿过所述主流动路径的至少一个流动控制区域的工作流体的流动。

本发明的第二十技术方案是在第十八技术方案中，包括基于与沿所述主流动路径的至少一个流动控制区域相关联的至少一个压力阈值、表现压力的传感器反馈或它们的组合来控制由所述流体供应系统供应的所述流体的压力。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：

图1为具有涡轮的燃气轮机系统的实施例的示意图，涡轮配备有一个或更多个叶片、一个或更多个定子导叶和外部流体供应源；

图2为图1的燃气轮机系统的实施例的示意性截面侧视图，示出了从外部流体供应源发送至涡轮内的流动控制通路的加压流体；

图3为在线3-3内截取的图1的外部流体供应系统的实施例的示意性截面侧视图，进一步示出了经由外腔和内腔发送至涡轮的流动控制通路的加压流体；

图4为沿线4-4截取的图3的涡轮的实施例的示意性截面视图，进一步示出了经由静止支柱和内腔来喷射加压流体；以及

图5为图3的外部流体供应源的实施例的示意性截面侧视图，示出了经由设置在一个或更多个定子导叶的每一个上的一个或更多个流体端口的加压流体的喷射；以及

图6为沿线6-6截取的图4的涡轮的实施例的示意性截面视图，示出了经由设置在一个或更多个定子导叶中的每一个上的一个或更多个流体端口的加压流体的喷射。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可在说明书中不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关的约束，这可从一个实施方式到另一个不同。此外，应当认识到的是，此开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员仍是设计、制造和生产的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，词语"一个"、"一种"、"该"和"所述"旨在意指存在一个或更多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。

如下文详细所述，公开的实施例涉及涡轮发动机(诸如燃气涡轮发动机)的涡轮区段中的流动控制。具体而言，公开的实施例涉及在穿过涡轮区段的主流动路径中使用流体喷射而非由可动结构(例如，可动导叶)实现的可变几何形状的流动控制。流体喷射模拟主流动路径中的实际几何形状变化，但并未实际地改变主流动路径的几何形状。例如，公开的实施例包括流体促动的可变流动控制系统，该系统包括一个或更多个流体促动的可变流动控制区域(例如，流体促动的可变区域涡轮喷嘴)，其接收喷射的外部流体(例如，空气、蒸汽、二氧化碳或入口气体)来控制(例如，增大或减小)用于热燃烧气体穿过涡轮的有效区域。流体喷射可通过一个或更多个壁提供，壁限定燃烧气体穿过涡轮区段、一个或更多个涡轮喷嘴和/或定子导叶、一个或更多个支柱、围绕燃烧气体的主流动路径设置的壁、设置在涡轮叶片上方的护罩、沿燃烧气体的主流动路径的任何静止(例如，非旋转)表面或它们的任何组合的主流动路径的边界。流体喷射可增加来减小或收缩燃烧气体穿过主流动路径的流动，同时流体喷射可减小来增加燃烧气体穿过主流动路径的流动。

现在转到附图，图1示出了燃气轮机系统10的实施例的框图，系统10具有流体促动的可变流动控制系统11，该系统11具有一个或更多个流体促动的可变流动控制区域或流动控制通路12(例如，流体促动的可变区域涡轮喷嘴)。如下文详细所述，公开的燃气轮机系统10(例如，燃气涡轮发动机)可包括具有一个或更多个燃烧器13的燃烧器区段，其中各个燃烧器13均包括一个或更多个燃料喷嘴14，其使燃料15与压缩空气16混合。尽管以下论述提到了压缩空气16，但燃气轮机系统10可利用任何适合的氧化剂16(诸如空气、氧、富氧空气或少氧空气)来操作。燃气轮机系统10可使用液体或气体燃料15(诸天然气和/或富氢合成气)以驱动燃气轮机系统10。如图所示，一个或更多个燃料喷嘴14吸入燃料15，使燃料15与压缩空气16混合，且将空气燃料混合物以用于燃烧的适合比率给送到燃烧器13中。空气燃料混合物在燃烧器13内燃烧，从而产生热加压燃烧气体18(例如，排出气体18)。燃烧器13将燃烧气体18引导出穿过涡轮区段或涡轮20，且将燃烧气体18作为排出气体21排放穿过排气区段22(例如，排气导管)。当燃烧气体18经过涡轮20时，燃烧气体18迫使涡轮叶片34使轴24沿燃气轮机系统10的轴线旋转。如图所示，轴24可连接到燃气轮机系统10的各种构件上，包括负载26。负载26可为车辆或静止负载的一部分，例如，诸如飞行器上的螺旋桨或发电设备中的发电机。负载26可包括能够由燃气轮机系统10的旋转输出供能的任何适合的装置。轴24还可连接到压缩机28上。压缩机28还包括联接到轴24上的叶片。当轴24旋转时，压缩机28内的叶片也旋转，从而压缩经由压缩机28来自进气口32的空气30，且将压缩空气16发送到燃料喷嘴14和/或燃烧器13。

在某些实施例中，涡轮20可包括一个或更多个涡轮级38(例如，1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10个或更多级)，各个级38均具有多个涡轮叶片34和具有多个定子导叶36的涡轮喷嘴35(例如，燃气轮机喷嘴)。涡轮级38沿轴向方向40一个接一个间隔开。在以下论述中，可参照燃气轮机系统10的轴向方向或轴线40(例如，纵轴线)、燃气轮机系统10的径向方向或轴线42，以及燃气轮机系统10的周向方向或轴线44。此外，各个涡轮叶片34均可除去地联接到传动轴24上，且可在涡轮20的操作期间沿周向方向44围绕纵轴线40旋转。各个定子导叶36均可除去地联接到涡轮20的定子(例如，静止)构件(诸如涡轮壳46)和/或由其支承，且大体上不会围绕纵轴线26旋转。在某些实施例中，一个或更多个静止支柱48(例如，1, 2, 3, 4, 5个或更多)可设置在涡轮20与排气区段22之间。静止支柱48可沿涡轮20与排气区段22之间的过渡提供结构支承，从而允许热燃烧气体18从涡轮20平滑过渡到排气区段22。

在公开的实施例中，流体促动的可变流动控制系统11构造成将加压流体50有选择地从外部加压流体供应源52供应，且沿穿过涡轮20的燃烧气体18的主流动路径55供应到流体促动的可变流动控制区域12中，其中涡轮叶片34由主流动路径55中的燃烧气体18驱动。涡轮20的流动控制区域12(或流动控制通路)具有涡轮叶片34和定子导叶36处、其上游和/或下游的沿燃烧气体18的主流动路径55的实际或物理开放的流动区域53(下文为"实际区域")。实际区域53可限定为沿主流动路径55的实际截面面积、通路、空间或腔。流动控制区域12还具有响应于加压流体50的喷射的模拟或有效开放流动区域54(下文为"有效区域")，其可描述为模拟燃烧气体18的通路的几何或实际开放流动区域中的物理变化。换言之，加压流体50的喷射可模拟与沿主流动路径55的可动结构(例如，导叶)的使用相关联的实际几何变化，但并未实际地改变主流动路径55的实际几何形状。例如，如果流体促动的可变流动控制系统11有选择地增加进入流动控制区域12中的加压流体50的供应，则与加压流体50相关联的压力和流动的增大将引起于有效区域54关于实际区域53的减小，从而限制或减小穿过流动控制区域12的燃烧气体18的流动。如果流体促动的可变流动控制系统11有选择地减小进入流动控制区域12中的加压流体50的供应，则与加压流体50相关联的压力和流动的减少将引起有效区域54的增大，从而增加穿过流动控制区域12的燃烧气体18的流动。

如下文进一步详细所述，流体促动的可变流动控制系统11构造成经由沿包绕主流动路径55的外壁(例如，涡轮壳和/或护罩节段)、沿主流动路径55的内壁或毂、或沿各个涡轮喷嘴35中的一个或更多个径向结构(例如，定子导叶36和/或支柱48)设置的一个或更多个流体喷射端口将加压流体50有选择地供应到流动控制区域12中。例如，流体喷射端口可布置在涡轮20中的涡轮叶片34的相邻级38之间的各个涡轮喷嘴35各处。流体喷射端口允许流体促动的可变流动控制系统11调制和调整流动控制区域12的有效区域54。

外部加压流体供应源52可设置在涡轮20的外部。在某些实施例中，外部加压流体供应源52的加压流体50可为任何高压流体，其可从燃气轮机系统10的其它构件提供或从外部系统或过程提供。在一些实施例中，加压流体50可由从外部系统或过程取得的一个或更多个不同类型的高压流体构成。加压流体50可包括蒸汽、空气(例如，压缩空气)、惰性气体(例如，氮、氩、氦、氖、氪、氙)、二氧化碳或其它高压外部流体，或它们的任何组合。因此，外部加压流体供应源52可包括空气供应源、蒸汽供应源、惰性气体供应源、二氧化碳供应源或它们的组合。例如，加压流体50(例如，蒸汽、惰性气体或二氧化碳)可由以下产生和/或从以下发送：反应器、气化器、合成气冷却器、气体处理系统(例如，酸性气体除去单元)、热回收系统(例如，余热回收蒸汽发生器[HRSG])、锅炉、空气分离单元(ASU)、液化系统或任何其它外部系统或过程。在任何这些系统中，蒸汽可使用热(例如，废热)来汽化水而生成作为加压流体50，诸如通过使用来自化学反应、气化、燃烧或与设备的其它热传递的热。惰性气体(例如，氮或氩)可由ASU生成，ASU包括低温蒸馏设备来将空气分成氧、氮和氩。加压流体50(例如，诸如氦的惰性气体)也可由液化系统生成，诸如使用液化设备的液化天然气(LNG)系统来除去氦。

在某些实施例中，外部加压流体供应源52可接收任何流体，且可构造成利用来自燃气轮机系统10的其它构件或来自外部系统或过程的能量或废热来加压流体。例如，在某些实施例中，来自排出气体21或来自系统10内的其它废热源的废热可用于升高流体(例如，蒸汽、空气、压缩空气、惰性气体)的供应的温度和/或压力，以生成加压流体50。在某些实施例中，外部加压流体供应源52可构造成基于燃气轮机系统10的操作参数，或基于燃气轮机系统10的期望的操作参数来改变加压流体50的压力和/或温度。例如，外部加压流体供应源52可构造成基于涡轮20中的喷射位置(例如，特定涡轮喷嘴35或涡轮级38处的预期或实际压力)调整加压流体50的压力至目标压力或上和下压力阈值内。进一步举例来说，外部加压流体供应源52可构造成基于涡轮20中的喷射位置来调整加压流体50的温度至目标温度或上和下温度阈值内(例如，特定涡轮喷嘴35或涡轮级38处的预期或实际温度)。

应当注意的是，在某些实施例中，一个或更多个独立轴24可沿一个或更多个涡轮区段的主流动路径55设置。具体而言，一个或更多个轴24中的每一个均可空气动力地联接，且没有任何机械联接，从而允许各个轴24在独立的轴速度下旋转。此外，一个或更多个流动控制区域12可沿主流动路径55设置在一个或更多个独立轴24中的各个之间。在此实施例中，外部加压流体供应源52可构造成经由沿包绕主流动路径55的外壁(例如，涡轮壳和/或护罩节段)、沿主流动路径55的内壁或毂、沿各个涡轮喷嘴35中的一个或更多个径向结构(例如，定子导叶36和/或支柱48)，或沿燃烧气体的主流动路径的任何静止(例如，非旋转)表面设置的一个或更多个流体喷射端口将加压流体50供应到一个或更多个流动控制区域12中的各个中。流体喷射端口允许流体促动的可变流动控制系统11调制和调整设置在一个或更多个独立轴24之间的一个或更多个流动控制区域12中的各个的有效区域54。

在某些实施例中，控制器56(例如，电子控制器)可构造成动态地控制(例如，增大和/或减小)沿穿过涡轮20的主流动路径55发送至各个流动控制区域12的加压流体50的量。例如，控制器56可构造成经由一个或更多个控制信号来开启或关闭阀58(例如，流动控制阀)，以调节沿流体供应导管51从外部加压的流体供应源52发送至各个流动控制区域12的加压流体50的流速、轴速度、量或任何其它操作参数。作为另一个实例，控制器56可构造成基于燃气轮机系统10的操作参数来改变加压流体50的其它操作参数(例如，压力、温度和/或流体成分)。此外，控制器56可从设置在涡轮20中或燃气轮机系统10各处的一个或更多个传感器60接收信号，传感器诸如但不限于压力传感器、温度传感器、流速传感器、轴速度传感器、流体成分传感器、排气排放传感器(例如，氧化碳、氧化氮、氧化硫、未燃燃料和/或特定物质)和振动传感器。具体而言，传感器60可构造成收集关于加压流体50、热燃烧气体18、流动控制区域12、跨过涡轮20的变化(例如，从入口到出口，从级到级、或两者)的操作参数和/或燃气轮机系统10的多种其它操作参数的信息。例如，关于燃烧气体18的温度、压力、流速、轴速度、量或流体成分的信息可由传感器60收集。在某些实施例中，一个或更多个传感器60可设置在燃烧器13内，且可构造成收集关于燃烧器13内的燃烧动态的信息，诸如关于产生的燃烧气体18的量或流动、排气成分、燃料成分、燃料温度、压力或关于燃烧动态的任何其它参数的信息。

在某些实施例中，控制器56可基于从传感器60接收到的信号调整发送至各个流动控制区域12的加压流体50的参数(例如，压力、温度、流速、轴速度、量、成分等)。例如，控制器56可基于来自传感器60的压力反馈来调整发送至各个流动控制区域12的加压流体50的压力，使得加压流体50的压力大于、等于或小于压力阈值，或在上和下压力阈值之间。压力阈值可基于流动控制区域12附近的传感器60反馈，使得加压流体50的喷射压力与流过流动控制区域12的热燃烧气体18的压力基本匹配。

在某些实施例中，控制器56可开启阀58(或增大其开口)，以增加进入流动控制区域12中的加压流体50，从而减小有效区域54，经由其，燃烧气体18可流过涡轮20，且减少燃烧气体18的流动。同样，控制器56可关闭阀58(或减小其开口)以减少进入流动控制区域12中的加压流体50的喷射，从而增大有效区域54，经由其，燃烧气体18可流过涡轮20，且增大燃烧气体18的流动。以此方式，控制器56通过控制(例如，增大或减小)进入流动控制区域12的加压流体50的喷射(例如，模拟实际区域53中的物理几何变化)来有选择地调制流动控制区域12的有效区域54，从而控制(例如，增大或减小)经过涡轮20的流动控制区域12的燃烧气体18的流动。此外，控制进入流动控制区域12的流体喷射来控制燃烧气体18的流动以有助于减少或消除任何移动结构(例如，导叶)的使用，以调整沿主流动路径55的几何形状。

在某些实施例中，控制器56可包括控制发送至流动控制区域12的加压流体50的各种构件。例如，控制器56可包括处理器62和存储器64。此外，在某些实施例中，控制器56可包括用于与传感器60、阀58和/或系统10的各种其它构件对接的硬件接口。如图所示，处理器62和/或其它数据处理电路可操作地联接到存储器64上，以取得和执行用于监测和控制系统10的指令。例如，这些指令可在储存在存储器64中的程序或软件中编码，存储器64可为有形的非暂时性计算机可读介质的实例，且可由处理器62存取和执行来允许执行当前公开的技术。存储器64可为大容量储存装置、闪存装置、可除去的存储器，或任何其它非暂时性计算机可读介质。此外和/或作为备选，指令可储存在附加的适合制品中，其包括至少一个有形的非暂时性计算机可读介质，其至少以与如上文所述的存储器64相似的方式共同地储存这些指令或例行程序。

图2为沿纵轴线40的燃气轮机系统10的实施例的截面侧视图，进一步示出了流体促动的可变流动控制系统11。燃气轮机系统10包括一个或更多个燃烧器13，其可成环形布置围绕纵轴线40设置。如上文所述，空气经由进气区段32进入，且由压缩机28压缩。来自压缩机28的压缩空气16然后被引导到燃烧器13中，在该处，压缩空气16与燃料15混合。压缩空气16和燃料15的混合物大体上在燃烧器13内焚烧，以生成高温、高压燃烧气体18，其用于在涡轮20内生成转矩。具体而言，各个燃烧器13可包括过渡件66，其将热燃烧气体18从燃烧器13引导且引导到涡轮20中。具体而言，各个过渡件66均可大体上限定从燃烧器13到涡轮20的一个或更多个涡轮级38的热燃烧器18的主流动路径55。

例如，在所示实施例中，涡轮20包括三个分离的级68,70和72。在其它实施例中，涡轮20可包括任何数目的涡轮级38，诸如1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10或更多涡轮级38。各个级68,70和72均可包括可旋转地联接到轴24上的多个涡轮叶片34。各个级68,70和72还包括涡轮喷嘴35，其具有设置在各组涡轮叶片34上游的一个或更多个定子导叶36。定子导叶36将热燃烧气体18朝涡轮叶片36引导，其中热燃烧气体18将动力施加到涡轮叶片34上来旋转涡轮叶片34，从而转动轴24。热燃烧气体18沿主流动路径55流过各个级68,70和72，以将动力施加到各个级68,70和72内的叶片34。热燃烧气体18然后可沿下游方向57流动来离开涡轮20且进入排气区段22中。排气区段22可减小穿过排气区段22的流体流的速度，同时还增大静压来减少燃气轮机系统10的功。在某些实施例中，排气区段22包括设置在排气区段22(例如，排气导管)的壁之间的静止支柱74。支柱74可将排气区段22的壁保持与另一者成固定关系，且/或向排气区段22提供结构支承。任何数目的支柱74(例如，0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10或更多)可用于排气区段22内。

如上文所述，在某些实施例中，来自加压流体供应源52的加压流体50可发送到涡轮20的流动控制区域12中，以调制和/或调整流动控制区域12的有效区域54。具体而言，加压流体50的一个或更多个流动路径可发送至涡轮20的一个或更多个结构构件中的一个或更多个流体喷射端口(例如，开口或出口)，其中结构构件可包括与主流动路径55直接接触的任何结构(例如，壁、导叶、支柱、毂、护罩等)。例如，在某些实施例中，加压流体50的流动可从外部加压流体供应源52发送至一个或更多个涡轮喷嘴35和/或定子导叶36中的每一个，且可经由设置在涡轮喷嘴35和/或定子导叶36中的一个或更多个开口喷射到涡轮20的流动控制区域12中。具体而言，在某些实施例中，如参照图3进一步所述，加压流体50可经由涡轮20的外腔76、内腔78和/或静止支柱74发送至各个涡轮喷嘴35和/或定子导叶36。例如，加压流体50可经由外腔76或经由静止支柱74和内腔78或它们的组合发送至各个涡轮喷嘴35和/或定子导叶36。

图3为具有图1的外部加压流体供应源52的流体促动的可变流动控制系统11的实施例的示意图，进一步示出了经由涡轮20的外腔76和内腔78发送至涡轮20的流动控制区域12的加压流体50的一个或更多个流动。具体而言，在某些实施例中，各个涡轮级38(诸如涡轮级68,70,72或73)可包括涡轮喷嘴35与一组定子导叶36(例如，1到100个或更多)和一组涡轮叶片34(例如，1到100个或更多)的组合。在各个级38中，具有定子导叶36的涡轮喷嘴35可设置在涡轮叶片34的上游，且涡轮喷嘴35的一个或更多个定子导叶36中的每一个均可构造成沿主流动路径55朝涡轮叶片34引导燃烧气体18。此外，如上文所述，热燃烧气体18将动力施加到叶片34上，以旋转叶片34，从而转动轴24。热燃烧气体18流过各个涡轮级38，以将动力施加到各个级68,70,72内的涡轮叶片34上。因此，热燃烧气体18经由一个或更多个涡轮级38在下游方向57沿主流动路径55流动，且经过各个流动控制区域12、具有定子导叶36的涡轮喷嘴35，以及一个或更多个涡轮级38中的每一个内的涡轮叶片34。

在某些实施例中，加压流体50的一个或更多个流动可穿过涡轮壳46和涡轮20的外腔76(例如，外环形腔)发送至各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84。外腔76可由围绕第二壁84(例如，热壁、内壁、内表面或护罩)设置的第一壁80(例如，外壁、外表面或壳壁)限定，其中第二壁84围绕燃烧气体18的主流动路径55设置。具体而言，加压流体50从涡轮壳46的壁80沿朝流动控制区域12的径向方向42提供。在某些实施例中，设置在涡轮壳46的壁80中的一个或更多个外部入口82(或导管)可与定子导叶36流体地联接，定子导叶36包括一个或更多个流体喷射端口100(例如，孔口、开口或出口)。此外，外部入口82可将接收到的加压流体50发送到涡轮20的外腔76中。在某些实施例中，如参照图5进一步所述，设置在外腔76的壁84中的一个或更多个流体喷射端口83(例如，孔口、开口或出口)可将加压流体50发送到定子导叶36中，且/或直接发送到流动控制区域12中。

在某些实施例中，加压流体50的一个或更多个流动可穿过静止支柱74和穿过涡轮20的内腔78发送至各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁85。具体而言，加压流体50可从涡轮壳46的壁80沿朝内腔78的径向方向42提供。例如，设置在涡轮壳46的壁80中的一个或更多个外部入口82可与一个或更多个静止支柱74流体地联接。此外，外部入口82可将接收到的加压流体50发送到静止支柱74中，且将加压流体50朝涡轮20的内腔78发送。如参照图5进一步所述，设置在内腔76的壁85(例如，热壁、毂或内表面)上且与定子导叶36对准的一个或更多个流体端口83可将加压流体50发送至定子导叶36中。此外，如参照图5进一步所述，在某些实施例中，一个或更多个流体端口83可将加压流体50从内腔78直接地发送至流动控制区域12。实际上，静止支柱74可用作通路以将加压流体的一个或更多个分离的流发送到内腔78中，使得加压流体50从内腔78沿朝流动控制区域12的径向方向42发送。如参照图5进一步所述，各个定子导叶36上的一个或更多个流体喷射端口100将加压流体50从定子导叶36发送且发送到流动控制区域12中。

如上文所述，在某些实施例中，控制器56可通过控制加压流体50进入流动控制区域12(例如，从各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85沿主流动路径55)的喷射来调制或控制流动控制区域12的有效区域54。控制器56可基于从设置在燃气轮机系统10各处(诸如沿燃烧气体18的主流动路径55)的一个或更多个传感器60接收到的反馈将加压流体50经由各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85发送至各个涡轮级38。在某些实施例中，控制器56可构造成基于从传感器60接收到的信号调整发送至流动控制区域12的加压流体50的参数(例如，压力、温度、流速、轴速度、量、成分等)。因此，控制器56可构造成动态地限制或控制发送到流动控制区域12中的加压流体50的各种参数。在一些情形中，控制器56可增大进入流动控制区域12中的加压流体供应源50的流动或供应以减小有效区域54，从而减小或限制沿主流动路径55的燃烧气体18的流动。同样，在一些情形中，控制器56可减少进入流动控制区域12中的加压流体供应源50的流动或供应，从而增加沿主流动路径55的燃烧气体18的流动。具体而言，应当注意的是，控制器56可构造成动态地控制流动控制区域12的有效区域54，以改善燃气轮机系统10的效率。具体而言，控制器56可调整或调制流动控制区域12的有效区域54，以控制涡轮20的入口与出口之间的燃烧气体18的压力比和/或流动比。此外，以此方式控制压力比和/或流动比可控制涡轮20的速度，从而改善燃气轮机系统10的效率。

在某些实施例中，控制器56可通过控制进入各个涡轮级38的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85的加压流体50的喷射来调制或控制邻近各个涡轮级38的流动控制区域12的有效区域54。例如，各个涡轮级38的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可从外部加压流体供应源52接收加压流体50的分离的流。具体而言，在所示实施例中，第一涡轮级68的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可接收加压流体50的第一流88；第二涡轮级70的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可接收加压流体50的第二流90；第三涡轮级72的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可接收加压流体50的第三流92；以及第四涡轮级73的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可接收加压流体50的第四流94。应当注意的是，在某些实施例中，控制器56可构造成调节经由内腔78和外腔76提供至特定涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85的加压流体50的参数，使得涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85经由内腔78和外腔80接收具有相似参数的加压流体50。因此，在所示实施例中，第四涡轮级73的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85可接收加压流体50的第五流95，其基本类似于加压流体50的第四流94。

在某些实施例中，控制器56可构造成动态地控制或限制至各个涡轮级38的加压流体50的各个流(例如，第一流88、第二流90、第三流92或第四流94等)的参数。例如，控制器56可构造成调节或控制发送至涡轮20的各个级38处的各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85的加压流体50的各流的压力、流速、轴速度、流动、流量、成分、温度或它们的组合。因此，在一些情形中，控制器56可将加压流体50的第一流80的压力调整为不同于加压流体50的第二流82，以独立地控制第一涡轮级68和第二涡轮级70的流动控制区域12。作为另一实例，控制器56可配置成经由一个或更多个控制信号开启或闭合一个或更多个阀58，以调整加压流体50至各个涡轮级38的涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85的流速，以独立地控制各个涡轮级38的控制区域12。

图4为图3的涡轮20的流体促动的可变流动控制系统11的实施例的截面示意图，进一步示出了加压流体50经由一组静止支柱74(例如，四个支柱)和内腔78的喷射。如上文所述，在某些实施例中，加压流体50可经由一个或更多个静止支柱74发送至一个或更多个级38处的各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁85。具体而言，外部入口82可与静止支柱74对准且流体地联接到其上，且可将加压流体50经由涡轮壳46发送至内支柱通道96。静止支柱74可构造成将加压流体50的一个或更多个流发送穿过内支柱通道96且至内腔78。此外，如上文参照图3所述，加压流体50的一个或更多个流可从内腔78发送且发送到涡轮20的一个或更多个级38处的各个涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁85。以此方式，加压流体50可沿朝流动控制区域12的径向方向42经由内腔78发送至涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁85，使得涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85从涡轮20的外壳壁80和内壁84接收加压流体50。

图5为具有图3的外部加压流体供应源52的流体促动的可变流动控制系统11的实施例的详细示意图，示出了加压流体50从设置在一个或更多个定子导叶36的每一个上的一个或更多个流体喷射端口100喷射且喷射到流动控制区域12中。流体喷射端口100可沿前缘102、后缘104或各个定子导叶36的前缘102与后缘104之间的中心部分106设置。此外，流体喷射端口100可设置在各个定子导叶36的两侧上。结果，来自端口100的流体喷射可沿上游轴向方向、下游轴向方向和相对的周向方向定向。各个定子导叶36可具有任何适合的数目、尺寸、形状和分布的端口100，诸如1到1000、5到500、10到100或20到50之间的端口100。端口100可具有一致或不一致的尺寸、一致或不一致的分布或间距、一致或不一致的形状(例如，圆形、椭圆形、矩形等)，或它们的任何组合。如上文所述，在某些实施例中，加压流体50可经由涡轮20的外腔76和内腔78发送至各个定子导叶36。例如，加压流体50可经由设置在涡轮壳46上的外部入口82发送且发送到涡轮20的外腔76中。此外，加压流体50可经由静止支柱74发送且发送到涡轮20的内腔78中。

如上文所述，在某些实施例中，设置在外腔76的壁84和内腔78的壁85上的一个或更多个流体端口83可将加压流体50发送到定子导叶36中。具体而言，加压流体50经由设置在定子导叶36上的一个或更多个流体喷射端口100喷射到涡轮20的流动控制区域12中。以此方式，喷射到流动控制区域12中的加压流体50可产生定子导叶36的表面上的膜，且还可膨胀到流动控制区域12中。在某些实施例中，热壁84,85中的一个或更多个流体端口83可将加压流体50从内腔78和/或外腔76直接地发送到流动控制区域12中。流体端口83可定位在各个定子导叶36的前缘102处或上游，各个定子导叶36的后缘104处或下游，和/或沿各个定子导叶36的中心部分106(例如，以用于喷射到定子导叶36中和/或直接喷射到流动控制区域12中)。类似于端口100，壁84,85可具有流体端口83的任何适合的数目、尺寸和分布，诸如与各个流动控制区域12相关联的1到1000、5到500、10到100或20到50之间的流体端口83。流体端口83可具有一致或不一致的尺寸、一致或不一致的分布或间距、一致或不一致的形状(例如，圆形、椭圆形、矩形等)，或它们的任何组合。

如上文所述，将加压流体50喷射到流动控制区域12中可减小有效区域54，从而减少或限制沿主流动路径55的燃烧气体18的流动。同样，减少加压流体供应源50喷射到流动控制区域12可增大有效区域54，从而释放或增加燃烧气体18沿主流动路径55的流动。

图6为具有图3的外部流体供应源52的流体促动的可变流动控制系统11的实施例的详细示意图，示出了加压流体50穿过设置在一个或更多个定子导叶36的每一个上的一个或更多个流体喷射端口100的喷射。如图所示，流体喷射端口100设置在各个定子导叶36的相对侧108上(例如，沿中心部分106)，沿各个定子导叶36的前缘102，以及沿各个定子导叶36的后缘104。结果，来自端口100的流体喷射可沿上游轴向方向、下游轴向方向和相对的周向方向定向。在某些实施例中，端口100可从涡轮20的旋转轴线偏离成角，从而将旋流运动或旋转运动给予喷射到主流动路径55中的流体。加压流体50可经由涡轮20的外腔76和内腔78发送至各个定子导叶36。具体而言，在某些实施例中，在喷射到涡轮20的各个流动控制区域12中之前，加压流体50可经由流体端口83发送且发送到定子导叶36中。在某些实施例中，加压流体50可经由流体端口83从内腔78或且外腔76直接地发送且发送到流动控制区域12中。从流体端口83喷射的流体可从热壁84沿向内的径向方向和从热壁85沿向外的径向方向定向。在某些实施例中，流体端口83可从涡轮20的旋转轴线偏离成角，从而将旋流运动或旋转运动给予喷射到主流动路径55中的流体。使用这些流体喷射的位置中的每一个，加压流体50可从外部加压流体供应源52提供至涡轮20的流动控制区域12。

公开的实施例的技术效果包括从外部加压流体供应源52发送加压流体50且发送到涡轮20的流动控制区域12中。具体而言，来自外部加压流体供应源52的加压流体50从外部加压流体供应源52经由涡轮20的一个或更多个流体喷射端口(例如，端口100和/或流体端口83)发送到流动控制区域12中，以调制和调整流动控制区域12的有效区域54。例如，加压流体50可从外部加压流体供应源52经由外腔76和/或内腔78发送至涡轮喷嘴35、定子导叶36和/或热壁84,85，且可经由设置在定子导叶36上的一个或更多个流体喷射端口100和/或壁84,85中的流体端口83喷射到流动控制区域12中。作为另一个实例，加压流体50可从外部加压流体供应源52直接从外腔76和/或内腔78(例如，经由热壁84,85中的流体端口83)发送至涡轮20的流动控制区域12。控制器56可构造成动态地控制进入流动控制区域12中的加压流体50的喷射。例如，将加压流体50喷射到流动控制区域12可减小有效区域54，从而减少或防止燃烧气体18的流动。同样，减少进入流动控制区域12中的加压流体50的喷射可增大有效区域54，从而增加燃烧气体18的流动。通过控制发送至控制区域12的加压流体50的各种参数，控制器56可构造成调节系统10的效率。具体而言，流体喷射用于控制流动控制区域12的有效区域54和控制燃烧气体18的流动可显著减少或消除任何移动结构(例如，可调整的导叶)的使用，以调整主流动路径55的几何形状。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例意图在权利要求的范围内。