专利名称：：用于调节燃气轮机中的间隙的系统和方法
技术领域：
：本文公开的主题涉及燃气轮机，且更具体地，涉及用于调节轮叶或叶片顶部与连接到涡轮机壳体上的护罩组件之间的间隙的方法和系统。
背景技术：
：为了提高效率，燃气轮机(例如用于发电或航空中的那些)使用设置在涡轮机壳体中的涡轮机"护罩"。与轮叶顶部和涡4仑才几壳体之间的间隙相比，护罩在设置在涡轮机转子上的轮叶的顶部和护罩之间提供了减小的间隙。这样的减小的间隙通过在护罩和轮叶的顶部之间保持减小的阈值间隙以防止轮叶的顶部上的热气的不需要的"泄漏"，来提供提高的效率。增大的间隙可能会导致气体泄漏，该气体泄漏可能会降低涡轮机效率。当前的护罩系统采用连接到涡轮机壳体上且由例如涡轮机壳钩保持在一起的单独分段式护罩。轮叶顶部和护罩之间的间隙仅仅由涡轮机壳体和转子/轮叶之间的热时间常数行为驱动。最初的4仑叶顶部/护罩间隙可设定得足够高，以防止磨擦，但是不能在瞬态或稳态条件下主动地控制这样的间隙。涡轮机壳体不圆度和瞬态的轮叶/护罩磨擦两者在增大的稳态间隙中起重要作用。低温建立的间隙，即在运行之前设定的间隙可设定得足够高，以减轻磨擦，但是实际上，这将使稳态间隙增大，且由此降低发动机效率和输出。因此，需要用于在例如涡轮机的瞬态和/或稳态运行期间控制燃气轮机中的轮叶顶部和护罩之间的间隙的改进的系统和方法
发明内容根据本发明的示例性实施例构造的、用于调节包括涡轮机转子和多个轮叶的燃气轮机中的间隙的系统包括包括至少一个护罩区段的护罩组件，该至少一个护罩区段设置在涡轮机壳体的内部中；以及自涡轮机壳体延伸的细长部件。该至少一个护罩区段附连到细长部件的端部上，该细长部件构造成以便响应于温度变化来移动，以移动护罩区段且改变护罩区段和多个轮叶中的至少一个之间的间隙。个轮叶的燃气轮机中的间隙的方法。该方法包括将护罩组件设置在涡轮机壳体上，该护罩组件包括附连到细长部件的一个端部上的护罩区段；使细长部件自涡轮机壳体延伸，且将护罩区段设置在涡轮机壳体的内部中；以及将热源应用于护罩组件，以使护罩区段移动，且改变护罩区段和该多个轮叶中的至少一个之间的间隙。点。本文对本发明的其它实施例和方面进行了详细描述，且将其^L为要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征，参看描述和附图。图1是根据本发明的一个示例性实施例的燃气轮机的透视图；图2是联接到图1的燃气轮机上的护罩组件的一个示例性实施例的侧视图；图3是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的侧^L图；[OOIO]图4是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的轴向和侧向视图；图5是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的轴向和侧向视图，其包括用于护罩和涡轮机壳体之间的间隙的示例性值；[Q012]图6是图2的护罩组件的又一个示例性实施例的侧;f见图7是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的侧^L图；图8是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的侧一见图；图9是图2的护罩组件的另一个示例性实施例的侧-见图；图IO是图2的护罩组件的冷却构造的一个示例性实施例的轴向浮见图；图11是图10的冷却构造的另一个示例性实施例的轴向一见图；图12是图10的冷却构造的另一个示例性实施例的轴向视图；图13是用于控制燃气轮机中的护罩和轮叶顶部之间的间隙的系统的说明；以及图14是提供了用于控制燃气轮机中的护罩和轮叶顶部之间的间隙的一种示例性方法的流程图。部件列表:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>中间护罩38入口(管道)50调节机构52纟色热体54盖56定位机构58泵送系统60细长部件管道64销66管道64稳定突起68锁紧特征(盖)70对齐特征71另外的销72护罩管道74冷却源78腔体80控制系统90计算机91位移传感器92方法層步骤101-10具体实施例方式在一个实施例中，系统包括热促动的部件，该热促动的部件在一个端部处连接到涡轮机壳体或其它主体上，且在另一端部处连接到诸如涡轮机护罩等可动部件上，以调节位于燃气轮机上的轮叶顶部和一个或多个护罩之间的间隙。虽然本文描述了轮叶顶部，但是该系统可与任何类型的轮叶、叶片或用于使涡轮机转子运动的其它装置一起使用。本文将细长部件描述为大体圓柱形柱或管，但是细长部件可为在径向方向上具有一定尺寸的任何适当的形状。如本文所用，用语"径向"是指自涡轮机转子的中心或涡轮机转子的旋转轴线延伸且垂直于涡轮机转子的主轴线或旋转轴线的方向。虽然本文结合涡轮机组件对热促动的部件进行了描述，但是可结合利用构件的移位的任何系统或设备来使用热促动的部件。参看图1,大体在IO处表明了根据本发明的一个示例性实施例构造的燃气轮机组件。燃气轮机组件10包括在由转子18连接的压缩机14和动力涡轮机16周围保持就位的涡轮机壳体12。燃烧室20形成于组件10的压缩4几14和涡轮才几16l殳之间。多个转子叶片或轮叶39通过例如转子盘连接到涡轮机16上。涡轮机壳体12包括多个护罩组件30，该多个护罩组件30附连到涡轮机壳体12的内部部分上且在护罩组件30和轮叶39之间限定了间隙"C"。参看图2,护罩组件30设置在涡轮机壳体12中。护罩组件30包括一个或多个护罩区段31,其中各个护罩区段通过任何适当的机构(例如销钉附连件或螺紋附连件)可移除地附连到细长部件32上。细长部件32自涡轮机壳体12朝轮叶39径向地延伸。护罩区段31与轮叶39隔开，且(与)轮叶39的顶部之间的距离在内护罩40和轮叶顶部之间限定了间隙"C"。细长部件32具有与涡轮机壳体12和/或其它构件的热膨胀系数("CTE")不同的热膨胀系数("CTE")。在一个实施例中，细长部件32具有比涡轮机壳体12更大的CTE。细长部件32通过选择该细长部件的温度而可膨胀和/或可缩回，以控制护罩区段31和轮叶39之间的间隙C。参看图3，在一个实施例中，细长部件32自外壁42径向地延伸且通过管44-该管44通过涡轮机壳体12和突起46(例如凸起部)而形成。在一个实施例中，将突起46的径向长度选择为以便增加细长部件32的径向长度，且由此响应于温度的变化而增加或调节细长部件32的移位量。在这个实施例中，突起46由具有比细长部件32的CTE更高的CTE的材料(例如合金)制成。在一个实施例中，电加热器48设置成与突起46接触，从而使得可将热应用于细长部件32和/或突起46，以控制细长部件32和/或突起46的膨胀。在一个实施例中，细长部件32具有与突起46和/或涡轮机壳体12的热膨胀系数("CTE")不同的热膨胀系数("CTE")。例如，如图4所示，细长部件32具有比突起46的CTE小的CTE。通过选择各个构件的CTE，能够相对于所应用的加热或冷却的量来控制内护罩40膨胀的量。例如，因为细长部件32具有比突起46的CTE小的CTE，所以可将热应用于突起46，以控制护罩组件30的移位，而无需细长部件32对移位提供任何重要的贡献。在一个实施例中，细长部件32具有足够低的CTE,从而使得移位基本是加热突起46的结果。参看图4,护罩组件30的另一个实施例设置在涡轮机壳体12中。在这个实施例，一个或多个护罩区段31各自包括细长部件32、附连到涡轮机壳体12的内壁36上的外护罩34、附连到细长部件32上的中间护罩38，以及附连到中间护罩38上的内护罩40。在一个实施例中，中间护罩38通过任何适当的机构(例如销钉附连件或螺紋附连件)而可移除地附连到细长部件上。内护罩40与轮叶39隔开，且(与)轮叶39的顶部之间的距离在内护罩40和轮叶顶部之间限定了间隙。在一个实施例中，护罩组件30包括任何数量的区段31，且各个区段31包括至少一个细长部件32和护罩34、38、40中的至少一个。在图2所示的实例中，护罩组件30形成具有四个四分之一圆周的环形护罩。各个区段31包括一个细长部件32、一个外护罩34、一个中间护罩38和六个内护罩40。本文的实施例中所述的区段31的数量和大小，以及细长部件32和护罩34、38、40的数量是示例性的，且不受限制。在一个实施例中，包括入口50,以容许来自涡轮机壳体12的内部的经加热的空气或蒸汽(进入)，或者容许其它加热或冷却源(进入)。这样的源可包括空气、气体和蒸汽。在一个实施例中，固定或调节^L构52附连到细长部件32上。机构52可连接到突起46上，以允许以手动的方式或以机械的方式移动细长部件32或者从护罩组件30上移除细长部件32。在另一个实施例中，提供绝热体54，以1更热隔离细长部件32与突起46，且可将加热或冷却源经由入口50应用于细长部件32。或者，这个实施例允许来自涡轮机壳体12的内部的空气使细长部件32保持在特定的温度下，且通过将热应用于突起46且使突起46膨胀及从而使细长部件32缩回，来缩回细长部件32。例如，在瞬态运行期间，在轮叶顶部和内护罩40之间的紧缩最大的时候打开电加热器48,以使突起46膨胀，且使细长部件32缩回。在这个实施例中，细长部件32具有比突起46的CTE小的CTE。参看图5，显示了护罩组件30的另一个实施例。在这个实施例中，细长部件32是设置在管44中的中空的圆柱形杆。管44延伸通过涡轮机壳体12，且通过盖56相对于涡轮机壳体的外部密封。在一个实施例中，管44部分地延伸通过涡轮机壳体的壁的内部，且因此由壁本身密封。细长部件32附连到中间护罩38上，且由定位机构58固定就位。细长部件32可通过机械附连件(例如螺紋附连件或销钉附连件)而连接到定位机构58上，或者细长部件32可仅仅充当定心机构，且突入管44中，以防止细长部件绕管44的轴线移动。可将加热或冷却源应用于入口50，以调节细长部件32的温度。在一个实例中，细长部件32具有九英寸的径向高度，涡轮机壳体具有六英寸的径向高度，而外护罩具有三英寸的径向高度。参看图6,护罩组件30的另一个实施例包括延伸通过突起46和涡轮机壳体12且附连到中间护罩38上的细长部件32。细长部件32附连到固定或调节机构52上。如这个实施例所示，中间护罩38形成"U"形，该"U"形可设计成以便限定细长部件可缩回的距离。除了调节温度和提供具有选定的CTE的选定的材料之外，这个特征还提供了另一种机制，以通过该机制来控制内护罩40的移动。在一个实施例中，护罩组件包括吹扫(purging)系统60。该吹扫系统包括吹扫管道，以允许将冷却空气或其它材料应用于中间护罩38和内护罩40。参看图7,护罩组件30的另一个实施例包括延伸通过细长部件32的长度的一部分的细长部件管道64。这个部分地中空的细长部件32在细长部件32的位于涡轮机壳体12的外部上或附近的端部处包括实心部分。在这个实施例中，可通过入口50将来自涡轮4几壳体内部和/或其它热源的气体应用于细长部件32的内部，细长部件32的外部端部防止热源逃逸到涡轮机壳体12的外部。在护罩组件30的另一个实施例中，外护罩34是开穴的，且包括销66或使外护罩34附连到涡轮机壳体12上的其它紧固机构。销66可在轴向方向上移除，以又允许轴向地移除外护罩34，>^人而可接近诸如内护罩40等构件。包括了另外的销或其它紧固机构来使中间护罩38附连到细长部件32上。参看图8，护罩组件30的又一个实施例包括中空的细长部件32,该中空的细长部件32具有沿着细长部件32的整个长度延伸的管道64。在这个实施例中，可自涡轮机壳体12的外部将来自涡轮机IO的排出气体、冷却空气、气体或蒸汽或者其它材料应用于细长部件32的内部。在一个实施例中，包括有朝向细长部件管道的内部突出的稳定用突起68，例如一个或多个单独的突起或环件，以协助稳定管44内的细长部件32。在另一个实施例中，固定或调节机构包括附连到对齐特征71上的锁紧特征70，其允许细长部件在管44内以机械的方式或以手动的方式对齐，以及/或允许细长部件32径向地前进或缩回，以调节内护罩40和^r叶顶部之间的间隙。在另一个实施例中，细长部件32是实心的细长部件。参看图9，护罩组件30的另一个实施例包括锁紧/对齐盖70、单独地构造且附连到涡轮机壳体12上的稳定用突起68的另一个实施例，以及销66。提供另外的销72，以使中间护罩38固定到细长部件32上，且允许轴向地移除销72,以便移除中间护罩38。在一个实施例中，提供护罩管道74以允许来自涡轮机壳体12的内部或者来自其它源的气体进入管44及通过中间护罩38而离开。图10-12提供了包括用于冷却内护罩40的冷却应用的护罩组件30的构造。在这些构造的每一个中，护罩组件包括形成环的多个中间护罩38和多个内护罩40。图10示意了包括中空的细长部件32的构造，通过该中空的细长部件32，可将诸如空气、气体或蒸汽等冷却源78引到内护罩40。在这个实施例中，单个中空的细长部件32与各个中间护罩38相关联。护罩组件30例如包括二十个中间护罩38和一百个内护罩40。参看图11，护罩组件30的另一个实施例对于每一个中间护罩38都包括两个中空的细长部件32,且还在中间护罩38中包括腔体80,通过该腔体80，可将冷却源78引到内护罩40。在这个实施例中，冷却源78可通过中空的细长部件32进入和离开，且还可通过腔体80进入。护罩组件30例如包括十个中间护罩38和一百个内护罩40。在一个实施例中，如果对于每一个护罩组件30存在两个或更多个细长部件32,则细长部件32彼此平行地延伸。各个细长部件32与自旋转轴线延伸的径向线的角偏差的平均数等于零。这种定向有助于防止运行期间可能出现的结合。例如，如果第三细长部件32》文置在前两个细长部件32之间的一半处，则第三细长部件32沿径向线定向，且所有这些细长部件32彼此平行。图12显示了冷却方案的另一个实施例，对于每个中间护罩38包括单个细长部件，以及对于每个中间护罩38包括单个腔体80。在另一个实施例中，对于各个中间护罩38,包括任何数量的细长部件和/或腔体80。参看图13，提供了一种用于控制护罩34、38、40和一个或多个轮叶顶部之间的间隙的系统90。该系统可结合在计算机91或能够接收来自用户或来自与护罩组件结合的传感器的数据的其它处理单元中。位移传感器92也联接到计算机91上，从而计算机91可控制护罩组件30,以实现或保持期望的间隙。在一个实施例中，护罩组件包括或者可操作地连接至加热机构，例如电加热器48和/或继电器或连接到电功率源上的其它开关。在一个实施例中，计算机91还连接到且能够控制热能量源，例如电加热器48和气体、蒸汽和/或空气源。可利用护罩组件30包括处理单元，或者作为远程处理单元的一部分来包括处理单元。在一个实施例中，系统90包括计算机91,该计算机91联接到诸如位移传感器92等装置上，以测量轮叶顶部和护罩组件30之间的间隙。示例性构件包括(并非限制)至少一个处理器、存储器、内存、输入装置、输出装置等。由于这些构件对本领域技术人员是已知的，所以本文没有对这些构件进行详细描绘。在一个实施例中，计算机91构造成以便在4企测到护罩组件30中的故障时自动地使内护罩40缩回到最初位置。大体上，本文的教导中的一些被简化为存储在机器可读的介质上的指令。该指令由计算机91执行且为操作者提供期望的输出。图14示意了用于调节包括涡轮机转子和多个轮叶的燃气轮机中的间隙的示例性方法100。方法100包括一个或多个步骤101-104。在一个示例性实施例中，该方法包括按所描述的顺序执行所有的步骤101-104。但是，可省略某些步骤，可添加步骤，或者可改变步骤的顺序。在本文所述的示例性实施例中，结合护罩组件30和计算机91对该方法进行描述。但是，可结合任何类型的处理器来执行方法100，或者可以手动的方式执行方法100。在第一个步骤101中，将护罩组件30设置在涡轮机壳体12上。使细长部件32延伸通过涡轮机壳体12的壁的至少一部分，且将内护罩定位在涡轮机壳体12的内部中。在第二个步骤102中，最初将细长部件32设置成距离涡轮机壳体12的内部选定的径向距离。在一个实施例中，这通过设置护罩组件30和指定外护罩34、中间护罩38和/或内护罩40的径向距离来实现，从而设定选定的最小距离。在一个实施例中，这可通过使细长部件32沿径向运动通过管44来实现。在一个实施例中，基于轮叶顶部和内护罩40之间的最大紧缩(也就是轮叶顶部和内护罩40之间的最接近点)来选择该最小距离。在第三个步骤103中，启动涡轮机IO。启动又使涡轮机转子和轮叶39旋转。在第四个步骤104中，将诸如电加热器46、蒸汽、空气和气体等热源应用于护罩组件30，以使内护罩40移动且改变内护罩40和多个轮叶顶部中的至少一个之间的间隙。在一个实施例中，将热源应用于细长部件32，以使细长部件的温度升高，从而使细长部件膨胀，且使内护罩40朝涡轮机壳体12的内部前进，以减小内护罩40和轮叶顶部之间的间隙。在另一个实施例中，将热源应用于细长部件32,以降低其温度，以使内护罩40缩回而远离涡轮机壳体12的内部。在一个实施例中，启动电加热器46，以使突起46和/或细长部件32的温度升高。作为响应，细长部件膨胀，且沿径向方向延伸，以减小内护罩和4仑叶顶部之间的间隙。在一个实施例中，热源通过突起46和/或入口50而应用于细长部件，以使内护罩40延伸或缩回。如上所述，应用加热源将升高细长部件的温度且使内护罩40延伸，且应用冷却源将降低细长部件的温度且使护罩40缩回。在一个实施例中，例如通过经由管道50应用来自涡轮机壳体12的内部的空气使细长部件保持在选定的温度上，且通过将热应用于突起46且使突起46膨胀及从而缩回细长部件32,来使细长部件32缩回。例如，在瞬态运行期间，在轮叶顶部和内护罩40之间的紧缩最大的时候打开电加热器48,以使突起46膨胀，且使细长部件32缩回。虽然本文所述的系统和方法是结合燃气轮机提供的，但是可使用任何其它适当类型的涡轮机。例如，本文所述的系统和方法可与蒸汽轮机或包括气体发生和蒸汽发生两者的涡轮机一起使用。本文所述的系统和方法提供了优于现有技术的系统的许多优点。例如，该系统和方法提供了以下技术效果即允许对轮叶顶部和护罩之间的间隙进行主动控制，该主动控制将允许用户以比现有技术的系统更紧密的间隙运行涡轮发动机。这些系统和方法是使护罩独立地运动以控制间隙及解决制造差异的简单且成本低的手段。本文所述的系统和方法允许比现有技术的系统更紧密的间隙，这相对于现有技术的设计提高了整体效率。现有技术的系统采用由涡轮机壳钩保持在一起的单独分段的护罩。间隙简单地由涡轮机壳体和转子/轮叶之间的热时间常数驱动。轮叶顶部/护罩间隙可设定得足够高，以防止磨擦，但是既不能在瞬态条件下也不能在稳态条件下主动地控制这种间隙。本文所述的系统和方法是有利的，因为它们在瞬态和稳态条件两者期间提供对护罩组件的主动控制。可在软件、固件、石更件或它们的一些组合中实施本文所7>开的实施例的性能。作为一个实例，所公开的实施例的一个或多个方面可包括在具有例如计算机可用的介质的制造物品(例如一个或多个计算机程序产品)中。介质在其中包括了例如用于提供和有助于本发明的性能的计算机可读的程序代码手段。制造物品可包括为计算机系统的一部分，或者可单独出售。另外，可提供机器可读的、有形地包括可由机器执行以实现所公开的实施例的性能的至少一种指令程序的至少一种程序存储装置。大体上，本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及实施任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性区别的等效结构元件,则这样的其它实例意图处于本发明的示例性实施例的范围之内。权利要求1.一种用于调节包括涡轮机转子(16)和多个轮叶(39)的燃气轮机中的间隙的系统(10)，所述系统(10)包括包括至少一个护罩区段(31)的护罩组件(30)，所述至少一个护罩区段(31)设置在涡轮机壳体(12)的内部中；以及自所述涡轮机壳体(12)延伸的细长部件(32)；其中，所述至少一个护罩区段(31)附连到所述细长部件(32)的端部上，所述细长部件(32)构造成以便响应于温度变化而移动，以使所述护罩区段(31)移动且改变所述护罩区段(31)与所述多个轮叶(39)中的至少一个之间的间隙。2.根据权利要求1所述的系统(IO),其特征在于，所述细长部件(32)的热膨胀系数(CTE)与所述涡轮机壳体(12)的CTE不同。3.根据权利要求1所述的系统(IO),其特征在于，所述系统(IO)>进一步包括延伸通过所述涡轮机壳体(12)的至少一部分的管(44),所述细长部件(32)延伸通过所述管(44)。4.根据权利要求3所述的系统(IO),其特征在于，所述细长部件(32)的热膨胀系数(CTE)与所述管(44)的CTE不同。5.根据权利要求1所述的系统(IO)，其特征在于，所述系统(IO)进一步包括附连到所述涡轮机壳体(12)的外部上且附连到所述细长部件(32)上的突起(46)，以及用于改变所述突起(46)和所述细长部件(32)中的至少一个的温度的、与所述突起(46)热连通的电热源。6.根据权利要求1所述的系统(IO)，其特征在于，所述系统(IO)进一步包括用于将热源引到所述细长部件(32)的通过所述细长部件(32)和所述涡轮机壳体(12)中的至少一个的入口(50)。7.根据权利要求1所述的系统(IO),其特征在于，所述护罩组件(30)包括构造成以便形成环的多个护罩区段(31)。8.—种调节包括涡轮机转子(16)和多个轮叶(39)的燃气轮机中的间隙的方法(100)，所述方法(100)包括将护罩组件(30)设置在涡轮机壳体(12)上，所述护罩组件(30)包括附连到细长部件(32)的一个端部上的护罩区段(31);使所述细长部件(32)自所述涡轮机壳体(12)延伸，且将所述护罩区段(31)设置在涡轮机壳体(12)的内部中；以及将热源应用于所述护罩组件(30)，以使所述护罩区段(31)移动，且改变所述护罩区段(31)与所述多个轮叶(39)中的至少一个之间的间隙。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述护罩组件(30)包括附连到所述涡轮机壳体(12)的外部上且附连到所述细长部件(32)上的突起(46)。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，应用所述热源包括将所述热源应用于所述突起(46),以使所述突起(46)热膨胀，且使所述细长部件(32)径向地移动远离所述涡轮机壳体(12)的所述内部。全文摘要本发明涉及用于调节燃气轮机中的间隙的系统和方法。公开了一种用于调节包括涡轮机转子(16)和多个轮叶(39)的燃气轮机中的间隙的系统(10)。该系统(10)包括包括至少一个护罩区段(31)的护罩组件(30)，该至少一个护罩区段(31)设置在涡轮机壳体(12)的内部中；以及自涡轮机壳体(12)延伸的细长部件(32)。至少一个护罩区段(31)附连到细长部件(32)的端部上，该细长部件(32)构造成以便响应于温度变化而使护罩区段(31)移动，且改变护罩区段(31)和多个轮叶(39)中的至少一个之间的间隙。文档编号F01D11/16GK101660431SQ20091017209公开日2010年3月3日申请日期2009年8月28日优先权日2008年8月29日发明者B·J·米勒,E·斯基塔诺,I·D·威尔逊申请人:通用电气公司