燃气涡轮机组件和用于操作所述燃气涡轮机组件的方法与流程

燃气涡轮机组件和用于操作所述燃气涡轮机组件的方法
1.相关申请的交叉引用此专利申请要求来自2020年12月24日提交的欧洲专利申请第20217259.9号的优先权，其整个公开通过引用而结合在此处。
技术领域
2.本发明涉及燃气涡轮机组件，并涉及用来操作所述燃气涡轮机组件的方法。特别地，本发明的燃气涡轮机组件可以是用来生产电能的设备的一部分。


背景技术：

3.如已知的那样，用于发电设备的燃气涡轮机组件包括压缩机、燃烧器和涡轮。
4.特别地，压缩机包括被供应空气的入口和压缩穿过空气的多个旋转叶片。离开压缩机的压缩的空气流入气室，即，被外壳体限界的闭合的体积，并从那里进入燃烧器。压缩的空气在燃烧器内与至少一种燃料混合且然后燃料被燃烧。得到的热气体离开燃烧器并在涡轮中膨胀。在涡轮中热气体膨胀移动连接至转子的旋转叶片，从而做功。
5.压缩机和涡轮两者都包括轴向地插入在转子组件之间的多个定子组件。
6.每个定子组件均包括由相应定子结构（壳体或载架）和围绕转子布置的定子环支撑的多个定子导叶。
7.每个转子组件均包括围绕主轴线旋转的转子盘和由转子盘支撑的多个叶片。
8.在旋转期间，叶片的末梢与定子隔开。但是，由于取决于燃气涡轮机组件的操作条件的热膨胀和机械反弹(backlash)，所述隔开会变化。
9.因此，需要正确地控制所述间隙的尺寸，以便避免叶片的末梢和定子之间过度的隔开，或者间隙的危险的过度减少，那会导致末梢和定子之间的接触。
10.叶片的末梢和定子之间的间隙的正确控制改善燃气涡轮机组件的可靠性和效率。


技术实现要素：

11.本发明的目标因此是提供一种燃气涡轮机组件，其中叶片的末梢和定子之间的间隙以简单而可靠的方式控制。
12.特别地，本发明的一个目标是提供一种燃气涡轮机组件，其沿着纵向轴线延伸，并包括：定子，其限定工作通道；转子，其包括多个转子级；每个转子级均包括围绕纵向轴线在工作通道中可旋转的多个叶片；每个叶片均设有末梢；至少一个可移动元件，其借助于至少一个保持装置联接至定子，并且在定子和叶片的至少一个末梢之间径向地移动，以调节至少一个末梢和可移动元件之间的隙距(clearance gap)；其中可移动元件联接至定子，以便在定子和可移动元件之间产生调节间隙，调节
间隙与工作通道成流体连通；可移动元件设有将调节间隙分成至少两个腔室的至少一个第一密封元件；至少两个腔室的一个第一腔室与转子级上游的工作通道成流体连通，且至少两个腔室的一个第二腔室与转子级下游的工作通道成流体连通。
13.由于第一密封元件的存在，作用在可移动元件上的合力通过调节间隙的腔室中的压力和隙距中的压力调节。
14.调节间隙的腔室中的压力严格地与转子级上游和下游的压力相联系。这样，自然地调节了隙距而不需要主动控制装置。这意味着燃气涡轮机组件的低实现成本和高性能。
15.根据本发明的一个变型，可移动元件设有内面且设有外面，内面在使用中面向叶片的至少一个末梢，外面在使用中面向调节间隙；在外面上可移动元件设有容纳第一密封元件的至少一个第一凹陷。
16.优选地，第一凹陷的轴向尺寸大于密封元件的轴向尺寸。
17.根据本发明的一个变型，第一密封元件横向于包含纵向轴线的纵向平面，优选地正交于包含纵向轴线的纵向平面。
18.根据本发明的一个变型，第一密封元件是刷式密封件。
19.根据本发明的另一个变型，第一密封元件包括金属片。
20.根据本发明的一个变型，可移动元件设有布置在距第一密封元件一距离处的第二密封元件，以便在第一密封元件和第二密封元件之间产生中间腔室；中间腔室布置在第一腔室和第二腔室之间。
21.优选地，中间腔室与隙距成流体连通。
22.更优选地，中间腔室借助于在可移动元件中形成的通孔与隙距成流体连通。
23.根据本发明的一个变型，中间腔室通过在第一密封元件处和/或在第二密封元件处的至少一个通道与第一腔室和/或第二腔室成流体连通。
24.根据本发明的一个优选实施例，保持装置构造成当涡轮机组件不操作时减小调节间隙。
25.更优选地，保持装置构造成将可移动元件的径向移动限制在最小位移和最大位移之间。
26.保持装置可以包括至少一个弹簧，或者至少一个双金属元件，或者填充有热敏材料或磁体的至少一个波纹管，或者其组合。
27.提供一种用于操作燃气涡轮机组件的方法也是本发明的一个目标，其能够以简单而可靠的方式正确地控制叶片的末梢和定子之间的间隙。
28.特别地，提供根据权利要求15的一种用于操作燃气涡轮机组件的方法是本发明的一个目标。
29.这样作用在可移动元件上的压力场调节可移动元件的位置，以便获得正确的间隙控制（即，作用在可移动元件上并由压力场决定的净力在隙距的目标径向宽度处为零）。
附图说明
30.现在将参考附图描述本发明，附图图示了一些非限制性实施例，其中：图1是根据本发明的燃气涡轮机组件的示意性截面前视图，且为了清楚去除了零件；
图2a是图1的第一细节的示意性截面前视图，且为了清楚去除了零件；图2b是图1的第二细节的示意性截面侧视图，且为了清楚去除了零件；图3a是在第一操作条件下（大间隙条件）作用在图2的第一细节的可移动元件上的压力趋势沿着轴向方向的示意性描绘；图3b是在图3a的第一操作条件下作用在图2的第一细节的可移动元件上的合力的示意性描绘；图4a是在第二操作条件下（极小间隙条件）作用在图2的第一细节的可移动元件上的压力趋势沿着轴向方向的示意性描绘；图4b是在图4a的第二操作条件下作用在图2的第一细节的可移动元件上的合力的示意性描绘；图5是根据本发明的一个变型图1的第一细节的示意性截面前视图，且为了清楚去除了零件；图6a是在第一操作条件下（大间隙）作用在图5的第一细节的可移动元件上的合力的示意性描绘；图6b是在第二操作条件下（极小间隙条件）作用在图5的第一细节的可移动元件上的合力的示意性描绘。
具体实施方式
31.在图1中参考标号1指燃气涡轮机组件（在图1中示意性地示出）。
32.燃气涡轮机组件1包括压缩机3、燃烧室4、涡轮5。
33.特别地，燃气涡轮机组件1包括定子6，其限定至少压缩工作通道8和膨胀工作通道9。
34.压缩机3和涡轮5安装在相同的轴上以形成转子11，转子11容纳在定子6中并沿着轴线a延伸。
35.以更多的细节，转子11包括前轴12、多个转子级13和后轴14。
36.每个转子级13均包括转子盘16和联接至转子盘16并径向地布置的多个转子叶片17。
37.多个转子盘16连续地布置在前轴12和后轴14之间并且优选地被中心拉杆18夹成一堆。作为备选，转子盘可以焊接在一起。
38.中心轴20将压缩机3的转子盘16从涡轮5的转子盘16分开，并延伸穿过燃烧室4。
39.此外，定子级22与压缩机转子级13交替。
40.每个定子级22均包括定子环24和多个定子导叶25，它们径向地布置并且联接至定子环24且联接至定子6的相应结构。
41.图2a中图示了转子级13的放大视图。 图2a中图示的转子级13容纳在压缩机3的压缩工作通道8中。但是，以下详述的相同特征在稍作修改后，可应用于容纳在涡轮5的膨胀工作通道9中的转子级13，热气体在涡轮5的膨胀工作通道9中流动。
42.转子叶片17沿着径向方向r相对于纵向轴线a延伸，并且设有联接至转子盘15的基部28，且设有与基部28径向相对地布置的自由末梢29。
43.叶片17包括前缘le和后缘te，前缘le是最先碰到进入流并且分离该流的边缘，后
缘te是被前缘le分开的空气在那里再次相会的边缘。
44.箭头d指示在压缩工作通道8中流动的空气流的方向。
45.燃气涡轮机组件1包括至少一个可移动元件30，至少一个可移动元件30借助于至少一个保持装置32联接至定子6，并且在定子6和叶片17的至少一个末梢29之间径向地移动，以调节至少一个末梢29和可移动元件30之间的隙距33。
46.特别地，可移动元件30联接至定子6，以便在定子6和可移动元件30之间产生调节间隙35，调节间隙35与膨胀工作通道8成流体连通。
47.参考图2b，燃气涡轮机组件1优选地包括用于每个定子级13的多个可移动元件30。多个可移动元件30优选地围绕纵向轴线a以一距离周向地布置。
48.每个可移动元件30均具有径向长度lr和周向长度lc。
49.再次参考图2a，可移动元件30设有将调节间隙35分成至少两个腔室38的至少一个第一密封元件37：一个第一腔室38a，其与转子级13上游的工作通道8成流体连通，以及一个第二腔室38b，其与转子级13下游的工作通道8成流体连通。
50.可移动元件30设有内面40且设有外面41，内面40在使用中面向叶片17的至少一个末梢29，外面41在使用中面向调节间隙35。
51.优选地，在外面41上可移动元件39设有容纳第一密封元件37的至少一个凹陷43。
52.优选地，凹陷43的轴向尺寸大于密封元件37的轴向尺寸，以便允许密封元件37在凹陷43内移动。
53.事实上，在使用中，密封元件37应在可移动元件30的所有位置上保持腔室38的分隔。
54.因此，当可移动元件30径向移动时，密封元件37因此可以在凹陷43中径向地滑动。例如，当可移动元件30在最靠近定子6的位置上时（即，调节间隙35的径向宽度在最小值而隙距33的径向宽度在最大值），密封元件37大体上完全接合凹陷43，接触凹陷43的底部。当可移动元件30在最远离定子6的位置上时，密封元件37从凹陷43的底部径向地隔开。密封元件37和凹陷43的底部之间的所述径向隔开限定调节间隙35的最大径向宽度变化。
55.密封元件37可以是具有倾斜的可移动刷毛的刷式密封件，或者可以在凹陷43的肩部处径向滑动的片金属。
56.如我们随后将详细看到的那样，由于腔室38之间的压力差，在使用中，密封元件37被压靠在凹陷43的一个肩部上。
57.优选地，密封元件30横向于包含纵向轴线a的纵向平面延伸。
58.更优选地，密封元件30正交于包含纵向轴线a的纵向平面布置。
59.根据一个未示出的变型，可移动元件的外面不设有凹陷，并且第一密封元件联接至该外面。
60.保持装置32优选地构造成将可移动元件30的径向移动限制在最小位移和最大位移之间。
61.换言之，保持装置32构造成安全地限制可移动元件30的移动，以便避免可移动元件30朝向叶片17的末梢29的过度接近（以便避免末梢29和可移动元件30之间危险的摩擦），或者可移动元件30朝向定子6的过度接近（以便避免调节间隙35的过度减小）。
62.保持装置32也优选地构造成当燃气涡轮机组件1不操作时减小调节间隙35。换言
之，当没有压力场作用在可移动元件30上时，保持装置32将可移动元件30从叶片17的末梢29移开，以便避免末梢29和可移动元件30之间的摩擦。
63.因此，在停止状态下，事实上，提供了隙距33并且可以缓慢地旋转转子（例如，转子盘车(barring)）而没有叶片17的末梢29的摩擦。
64.保持装置32也优选地构造成阻尼可移动元件30的可能振荡。
65.在此处公开和图示的非限制性示例中，保持装置32包括联接至定子6且联接至可移动元件30的外面41的两个弹簧45。
66.可移动元件30具有由于弹簧45的存在的本征频率，并且因此由于流引起的激发而会振动。阻尼装置因此是有益的。阻尼可以通过密封元件37在凹陷43的肩部上的摩擦而获得。产生摩擦的其他方法是可能的。
67.根据未示出的第一变型，保持装置可包括至少一个双金属元件。
68.根据未示出的第二变型，保持装置可包括填充有热敏材料的至少一个波纹管。
69.根据未示出的另一个变型，保持装置可包括至少一个磁体或以上选项的组合。
70.参考图3a-3b、4a-4b，可移动元件30在操作中在作用在它上面的压力场的作用下移动。
71.特别地，在可移动元件30的内面40上，压力场主要取决于隙距33的尺寸并取决于操作条件。
72.在外面41上，压力场取决于由密封元件37产生的腔室38的尺寸。
73.事实上，在第一腔室38a中，压力与转子级13上游的工作通道中的压力p1相同。
74.在第二腔室38b中，压力与转子级13下游的工作通道中的压力p2相同。
75.在图3a中，描绘了当隙距33的径向宽度较大时内面40（虚线）和外面41（连续线）上的压力趋势。对于表述“较大”其意指径向宽度大于阈值。
76.在这种情况下，在内面40上有从前缘le到后缘te从值p1到值p2的大致线性的压力增加。
77.内面40上的压力趋势取决于若干因素，即，叶片17的翼型的形状。
78.在外面41上，第一腔室38a中的压力是p1，而第二腔室38b中的压力是p2。
79.看图3b中的图表，作用在可移动装置30上的净合力(resulting net force)朝向末梢29较大。
80.因此，如果隙距33较大，则可移动元件30由压力场径向向内移动，以便减小隙距33的径向宽度。
81.净合力根据以下公式计算：其中：pouter是外面41上的压力；pinner是内面40上的压力；a是压力场作用在上面的面积。
82.在图4a中，描绘了当隙距33的径向宽度较小时内面40和外面41上的压力趋势。对于表述“较小”其意指径向宽度小于另一个阈值。
83.在这种情况下，在内面40上压力从值p1开始并且靠近前缘le极大地增加，且之后压力趋势趋向于在后缘te处达到的值p2。
84.在外面41上，第一腔室38a中的压力是p1，而第二腔室38b中的压力是p2。
85.看图4b中的图表，作用在可移动装置30上的净合力径向向外较大（远离末梢29）。
86.因此，如果隙距33较小，则可移动元件30由压力场径向向外移动，以便增加隙距33的径向宽度。
87.如果净力为零，隙距33具有对应于操作性一(operational one)的径向宽度，并且不被作用在可移动元件上的压力场改变。
88.因此，密封元件37的定位被特别地设计，以便在使用中获得上述行为。
89.事实上，密封元件37的定位决定在腔室38中外压力作用在其上的面积。
90.在此处公开和图示的非限制性示例中，密封元件37的轴向位置被设计成以便获得隙距33的径向宽度wr的正确调整。
91.特别地，密封元件37的定位限定为以便作用在可移动元件30上并由压力场决定的净力在隙距的目标径向宽度wr处为零。
92.在此处公开并图示的非限制性示例中，密封元件的轴向位置被设计成以便第二腔室38b坚持在外面41的面积上，该面积大于第一腔室38a坚持在其上的面积。
93.图5示出了本发明的一个变型，其中可移动元件30设有布置在距密封元件37一距离处的另一个密封元件47，以便在密封元件37和密封元件47之间产生中间腔室48。
94.中间腔室48布置在第一腔室38a和第二腔室38b之间。
95.在此处公开并图示的非限制性示例中，中间腔室48优选地借助于在可移动元件中形成的通孔50与隙距33成流体连通。
96.根据未示出的一个变型，中间腔室48可以通过在密封元件37处和/或在密封元件47处的至少一个通道与第一腔室38a和/或第二腔室38b成流体连通。
97.优选地，密封元件37和密封元件47大致相同。
98.类似地，密封元件47容纳在具有大于密封元件47的轴向尺寸的轴向尺寸的凹陷53中。
99.在图6a中，描绘了当隙距33的径向宽度较大时内面40（虚线）和外面41（连续线）上的压力趋势。对于表述“较大”其意指径向宽度大于阈值。
100.在这种情况下，在内面40上有从前缘le到后缘te从值p1到值p2的大致线性的压力增加。
101.在外面41上，第一腔室38a中的压力是p1，而第二腔室38b中的压力是p2，中间腔室48中的压力是p3。
102.作用在可移动装置30上的净合力朝向末梢29较大。
103.因此，如果隙距33较大，则可移动元件30由压力场径向向内移动，以便减小隙距33的径向宽度wr。
104.在图6b中，示出了当隙距33的径向宽度较小时内面40和外面41上的压力趋势。对于表述“较小”其意指径向宽度wr小于另一个阈值。
105.在这种情况下，在内面40上压力从值p1开始并且靠近后缘te极大地增加，且之后压力趋势趋向于在后缘te处达到的值p2。如已经指出的那样，内面40上的压力趋势取决于
若干因素，即，叶片17的翼型的形状。
106.在外面41上，第一腔室38a中的压力是p1，第二腔室38b中的压力是p2，而中间腔室48中的压力是p3。
107.作用在可移动装置30上的净合力径向向外较大（远离末梢29）。
108.因此，如果隙距33较小，则可移动元件30由压力场径向向外移动，以便增加隙距33的径向宽度wr。
109.如果净力为零，隙距33具有对应于操作性一的径向宽度wr，并且不被作用在可移动元件上的压力场改变。
110.为了获得隙距33的径向宽度wr的正确间隙控制，在此实施例中，密封元件37和密封元件47的定位都必须取决于压力场而正确地设计。
111.此外，通孔50的定位也应该正确地放置以便在中间腔室48中具有期望的压力场。如后面我们将看到的那样，中间腔室48中的压力等于大致在通孔50的轴向位置处隙距33中的压力。因此，通孔50的定位决定中间腔室48中的压力。
112.特别地，密封元件37,47和通孔50的定位限定为以便作用在可移动元件30上并由压力场决定的净力在隙距的目标径向宽度wr处为零。
113.其他未示出的技术方案可包括多个密封元件，以便产生若干腔室，其压力可以正确地调整，以便获得期望的间隙控制。
114.最后，清楚的是可以对此处所述的燃气涡轮机组件和方法做出改变和变型，而不背离如所附权利要求书中所限定的本发明的范围。