用于平衡推力的方法、涡轮和涡轮发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]这里公开的主题的实施例总体涉及平衡推力的方法以及执行这些方法的涡轮和涡轮发动机。
【背景技术】
[0002]当涡轮的转子旋转时，转子对定子施加了不同且相当大的推力。
[0003]例如，在“油气”应用中，作用在动力燃气涡轮的轴承上的轴向推力可以轻易地达到10000N至100000N的范围内。这种动力涡轮可被称为“低压涡轮”，其通常定位在压缩机的下游；涡轮可被称为“高压涡轮”，其时常机械地连接在压缩机上，位于压缩机的下游和大动力涡轮的上游；燃烧器接收来压缩机的气体，实现燃烧，并为高压涡轮提供气体；这种装置通常被称为“涡轮发动机”。
[0004]提供能够承受这么高的轴向推力的推力轴承是非常困难且昂贵的。
[0005]为了解决这个问题，已经知道使用来自压缩机的高压气体，并将其供给动力涡轮，以便平衡一部分轴向推力。
[0006]从美国专利n° 5，760，289中已经获悉这种类型的解决方案。根据这个专利，阀门
(42)与导管相关联，导管将高压压缩机(14)的级间抽气(39)与低压涡轮(20)，即动力涡轮的平衡活塞空腔(32)流体地连接起来；阀门(42)受到控制单元(35)的控制；推力平衡压力换能器(54)定位在平衡活塞空腔(32)中，以便连续地监测空腔(32)中的压力；控制单元(35)主动地控制阀门(42)的位置，以响应算法(58)，算法(58)通过某些测量参数而连续地计算转子推力轴承(28)上的残余负载(60)。
[0007]从美国专利n° 8，092，150中还获悉这种类型的另一解决方案。根据这个专利，在单个涡轮系统的第一盘的上游存在环形空腔(10)，其通过压力管线(14)和控制阀(15)暴露于来自压缩机气室(2)的压缩空气的压力应用下，压缩机气室(2)位于压缩机(I)的末级的下游；关于轴向推力和涡轮负载提供了两条控制法则(见图3和图4)，但该文献并没有描述在实践中如何实现这种控制以及在使用涡轮调速器时的指导。
[0008]此外，从美国专利n° 4，864，810中已经获悉类似于这种类型的解决方案。根据这个专利，存在采用压力室(56)形式的平衡装置和用于将蒸汽供给室(56)的装置(23，46)，以便将力应用于室壁上；该室部分地被部件的内表面部分所限定，该部件与推力轴承(52)的一部分相连接并随之旋转，由此应用于内表面上的压力则将牵引力应用于推力轴承上。在“干式”操作中，推力轴承(52)可适应轴向定向的推力；然而，可能需要将吹扫类型的空气流或加压空气提供至室(56)中，所述空气流或加压空气很方便从发动机中的上游，例如从压缩机中抽气。为了控制蒸汽和空气的流量提供了与流量控制装置(55)相关联的阀门(49，53)。该文献并没有描述流量控制装置(55)以及在以电气装置或电子装置实现流量控制装置时的指导，电气装置或电子装置设计为尤其通过感测或测量发动机的操作条件或参数而执行控制法则。
[0009]最后，值得澄清的是，在涡轮发动机中的压缩机的级间抽气不仅可用于平衡推力，而且还可用于其它目的，例如在某些操作条件下增强发动机的性能。
[0010]从例如美国专利n° 8，057，157中已经获悉这种类型的解决方案。
[0011]从上面清晰地看到，现有技术要么公开或暗示了利用主动控制的阀门将压缩机连接到涡轮上，从而实现推力平衡。
【发明内容】
[0012]因此，在可靠性方面需要一种改进性能的解决方案。
[0013]实际上，阀门的主动控制可通过实现高级控制法则而提供轴向推力更精确的平衡，高级控制法则还意味着阀门开度的连续调节；总之，需要确保主动控制的可靠性，这不是一项容易的任务，如果整个系统所需要的可靠性如同“油气”应用中那样非常高的话。
[0014]从下文中将明白，由于本发明，使用滚珠轴承而非通常使用的液压动力轴承作为用于“动力涡轮”(也被称为“低压涡轮”)的轴承是可行的；滚珠轴承比液压动力轴承更简单且更便宜(从结构和维护的观点来看)，因为它们不需要驱动和控制系统。
[0015]本发明的第一方面是平衡推力，尤其轴向推力的方法。
[0016]根据其实施例，该方法用于在装备了可旋转的转子的涡轮中平衡推力，并包括如下步骤:
-在所述涡轮的外部提供第一压力源，
-在所述涡轮的内部提供压力室，其中所述压力室的壁作用在所述转子上，从而平衡所述转子在旋转时所施加的推力，
-通过第一导管将所述第一压力源连接到所述压力室上，
-将第一阀门与所述第一导管关联起来，所述第一阀门设置为用于打开和关闭所述第一导管;
其中所述第一阀门设置为当所述第一阀门的上游压力超过第一预定的阈值时自动地打开。
[0017]本发明的第二方面是一种涡轮，尤其燃气涡轮。
[0018]根据其实施例，该涡轮包括:
-可旋转的转子，
-压力室，其中所述压力室的壁设置为作用在所述转子上，从而平衡所述转子在旋转时所施加的推力，
-第一导管，其连接在所述压力室上，并设置为连接到第一压力源上，
-第一阀门，其与所述第一导管相关联，并设置为用于打开和关闭所述第一导管；其中所述第一阀门设置为当所述第一阀门的上游压力超过第一预定的阈值时自动地打开。
[0019]本发明的第三方面是一种涡轮发动机，尤其燃气涡轮发动机。
[0020]根据其实施例，涡轮发动机包括压缩机和在所述压缩机下游的涡轮的级联连接，其中所述涡轮具有至少上面所陈述的技术特征，并且所述压缩机用作压力源，以便平衡所述涡轮中的推力。
【附图说明】
[0021]包含在本文中并组成本说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例，并且将与说明书一起解释这些实施例。图中:
图1非常示意性地显示了根据本发明的燃气涡轮发动机的一个实施例，
图2示意性地显示了根据本发明的燃气涡轮的一个实施例的横截面图，其是图1的涡轮发动机的一部分，
图3显示了图2的细节，
图4显示了平衡装置的第一实施例的示意图，其是图1的涡轮发动机的一部分，
图5显示了平衡装置的第二实施例的示意图，其可为图1的涡轮发动机的一部分，
图6显示了推力平衡压力对图1的涡轮发动机中所产生的动力的曲线图，其使用了图4的平衡装置，和
图7显示了轴承上的推力对图1的涡轮发动机中所产生的动力的曲线图，其使用了图4的平衡装置。
【具体实施方式】
[0022]以下参照附图描述典型的实施例。不同图纸中的相同的标号标识相同或相似的元件。以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由附属权利要求来限定。
[0023]应该注意，在附图中有时出于清晰起见已经放大了尺寸；换而言之，它们彼此之间并非完美符合比例的。
[0024]整个说明书中对“某一实施例”或“一个实施例”的参照意味着结合实施例所述的特定的特性、结构或特征包含在至少一个公开的主题的实施例中。因而，短语“在某一实施例中”或“在一个实施例中”出现在整个说明书的各个地方并不一定都是参照同一实施例。此外，在一个或多个实施例中可将特定的特性、结构或特征以任何合适的方式组合起来。
[0025]图1的燃气涡轮发动机包括轴向五级压缩机1、轴向二级高压(也是低动力)燃气涡轮2、轴向三级低压(也是大动力)燃气涡轮3、燃烧器4 ;所有这些构件都封装在整个涡轮发动机的外壳5的内部。压缩机I和低动力涡轮2具有公共轴9，并且大动力涡轮3具