专利名称：用于间隙控制的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及间隙控制技术，且更具体地讲，涉及用于调节旋转式机械 的固定构件和旋转构件之间的间隙的系统和方法。
背景技术：
在某些应用中，间隙存在于相对于彼此运动的构件之间。例如，间隙可存在于诸如 压缩机、涡轮等等的旋转式机械中的旋转构件和固定构件之间。间隙可在旋转式机械运行 期间由于温度变化或者其它因素而增大或减小。在涡轮发动机中，从性能和耐用性的角度 来讲，期望的是在过渡状态_诸如启动_期间提供较大的间隙，而在稳态状态期间提供较小 的间隙。
发明内容
以下概述了在范围方面与初始要求保护的发明相当的某些实施例。这些实施例不 意图限制声明保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅仅意图提供对本发明的可行形 式的简要概述。事实上，本发明可包括可能类似于或者不同于以下所阐述的实施例的多种 形式。在第一实施例中，一种涡轮发动机包括构造成以便引导燃烧气体流的涡轮壳体。 该涡轮发动机还包括联接到涡轮壳体内部的轴上的多个叶片。该涡轮发动机还包括联接到 轴上且构造成以便以磁的方式使轴沿着该轴的轴线平移以便增大及减小涡轮壳体和该多 个叶片之间的径向间隙的磁促动器。在第二实施例中，一种系统包括构造成以便通过沿着旋转轴线的平移运动来调节 壳体和旋转叶片之间的径向间隙的磁促动器。该系统还包括配置成以便接合磁促动器以响 应于反馈来调节径向间隙的控制器。在第三实施例中，一种操作涡轮的方法包括线性地朝向构造成以便增大联接到 轴上的旋转构件与包围该轴的固定壳体之间的间隙的第一位置来定位涡轮的轴，逐渐地提 高轴的旋转速度，以及以磁的方式朝向构造成以便减小旋转构件和包围轴的壳体之间的间 隙的第二位置平移轴。
当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，相同的符号在所有图中表示相同的部件，其中图1是示出了包括具有以磁的方式促动的间隙控制的燃气涡轮的系统的一个实 施例的图表；图2和3是图1的涡轮的局部截面，示出了图1的涡轮中所使用的间隙控制技术 的实施例；图4是示出了控制图1的涡轮的间隙调节的负载的一个实施例的图表；
图5是示出了用来控制图1的涡轮中的间隙调节的线性促动器的一个实施例的图 表；且图6和7是示出了包括具有以磁的方式促动的间隙控制的燃气涡轮的系统的另外 的实施例的图表。元件列表12涡轮发动机 23 涡轮壳体26 轴36 多个叶片50径向间隙52径向间隙54间隙传感器56温度传感器64发电机68磁促动器70 控制电路
具体实施例方式下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了尝试提供对这些实施例 的简明描述，可能不会在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，在例如在任何工程 或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多关于实现特定的决定，以实现开发 人员的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据 实现而彼此有所改变。而且，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对 具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表 示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且其表示除了 列出的元件之外可存在另外的元件。如下文详细描述的，所公开的实施例包括用来控制相对于彼此运动的构件之间的 间隙的磁促动器。取决于系统、运动的类型以及其它因素，该间隙可对应于环形空隙、线性 空隙、矩形空隙或者任何其它几何结构。例如，间隙可对应于压缩机、涡轮等等的固定壳体 和旋转叶片之间的空隙。因此，间隙可控制旋转叶片与壳体之间的泄露或摩擦的量。泄露 可对应于任何流体，诸如空气、水、蒸汽、燃烧热气体等等。磁促动器可提供沿着旋转式机械 (诸如压缩机或涡轮)的旋转轴线的线性运动。特别地，本文所公开的实施例提供了用于线 性地平移涡轮的轴以控制间隙的技术。另外，轴的运动可通过诸如发电机的系统负载来控 制，且还可以电的方式而非液压的方式来控制。与现有技术相比，这可简化涡轮且提供改进 的可靠性。此外，在一些实施例中，取决于可由传感器(诸如温度传感器，振动传感器，位置 传感器，间隙传感器等)测量的涡轮运行状态，轴的平移可逐渐地进行。通过提供对轴的逐 渐调节，根据任何给定时刻的涡轮运行状态，可精细地调节间隙，以使涡轮效率与涡轮叶片 和涡轮壳体之间的接触的可能性保持平衡。然而，某些实施例可提供简单的两级或两位置间隙控制，其中最大间隙和最小间隙对应于磁促动器的接合和脱离。图1是根据本技术的实施例包括具有以磁的方式促动的间隙控制的燃气涡轮发 动机12的示例性系统10的简图。系统10可包括飞行器、船只、机车、发电系统或者它们的 组合。因此，涡轮发动机12可驱动多种负载14，诸如发电机、推进器、传动装置、驱动系统或 者它们的组合。所示的燃气涡轮发动机12包括进气口区段16、压缩机18、燃烧器区段20、 涡轮22以及排气区段24。涡轮22以驱动的方式经由轴26联接到压缩机18上。如由箭头所指示的，空气流动通过进口区段16并且进入压缩机18。压缩机18包 括将进口空 气引导到燃烧器区段20的压缩机壳体19。在压缩机18内部，叶片34联接到轴 26上且横跨轴26和压缩机壳体19的内壁之间的径向空隙。压缩机叶片34与压缩机壳体 19的内壁隔开小的径向空隙，以避免压缩机叶片34与压缩机壳体19的内壁之间的接触。 轴26的旋转致使压缩机叶片34旋转，从而将空气吸入压缩机18中，并且在空气进入燃烧 器区段20中之前压缩该空气。所示的燃烧器区段20包括沿轴向在压缩机18与涡轮22之间同心地或环形地设 置在轴26周围的燃烧器壳体28。在燃烧器壳体28内部，燃烧器区段20可包括在轴26周 围以圆形或环形构造设置在多个周向位置处的多个燃烧器30。来自压缩机18的压缩空气 进入各个燃烧器30，且然后在相应的燃烧器30内与燃料混合并燃烧，以驱动涡轮22。如由箭头所指示的，从燃烧器12流出的燃烧热气体驱动涡轮22。涡轮22包括将 燃烧气体引导到排气区段24的涡轮壳体23。在涡轮22内，涡轮叶片36联接到轴26上且 横跨轴26与涡轮壳体23的内壁之间的径向空隙。涡轮叶片36与涡轮壳体23的内壁隔开 小的径向空隙，以避免涡轮叶片36和涡轮壳体23的内壁之间的接触。流动通过涡轮的燃 烧气体对着涡轮叶片36以及在涡轮叶片36之间流动，从而驱动涡轮叶片36且因此驱动轴 26发生旋转。轴26的旋转可用于为压缩机18和/或负载14供以动力。在一些实施例中， 可将排气用作用于诸如喷气式飞机的运载工具的推力源。如将参看图2和3在以下进一步描述的，如由箭头38所指示的，涡轮叶片36的尖 端与涡轮壳体23之间的径向间隙可通过沿着轴26的旋转轴线线性地移动轴26来调节。 在一些实施例中，该纵向或线性运动可通过负载14来执行，且可以电的方式(例如以磁的 方式)来执行。因此，由涡轮22输送到负载14的动力中的一些可用来执行轴26的该线性 平移。此外，系统10还可包括反馈电路40，该电路测量涡轮22的参数，诸如温度、振动、噪 声、线性位置、进口导叶(IGV)角或者叶片间隙。然后反馈电路40可将表示被测参数的信 号转运回到负载14，使得负载14可相应地调节轴26的线性位置。通过以这种方式来调节 叶片间隙，涡轮22可捕获更多的由燃烧器区段12中的燃料燃烧所产生的动力。参看图2和3，本文所描述的间隙控制技术可得到更好的理解，图2和3示出了通 过轴26的平移来进行涡轮22的叶片间隙调节。在图4和5中显示了用于促动轴26及测 量轴26位置的技术。图6和7中显示了本技术的各种其它方面和应用。图2和3是图1的涡轮的局部截面，其示出了根据本技术的图1的涡轮中的间隙 调节。如图2中所示，涡轮壳体23的内表面44是圆锥形的，且因此向外呈锥形，即开口的 直径沿着燃烧气体的向外流动方向(由箭头46表示)增大。另外，叶片36的外表面48也 是呈锥形的，以符合涡轮壳体23的内表面44的轮廓。这样，涡轮壳体23的内表面44与叶 片36的外表面48之间的径向空隙50 (例如，呈锥形的环形或圆锥形的空隙)在叶片36的外表面48上比较均勻。径向空隙50防止叶片36与壳体23之间的接触。然而，流动通过 径向空隙50的燃烧气体不会对叶片36的推进做贡献，且因此导致了提供至轴26的动力的 损失。因此，径向空隙距离52越窄，涡轮22就可产生越多的动力。在启动期间，涡轮22中的转子结构和固定结构之间的热膨胀的差异可倾向于使 得径向空隙距离52减小且可能引起摩擦状态。因此，在启动期间可增大径向空隙距离52， 以降低摩擦的可能性。随着涡轮由于来自燃烧器区段20的燃烧气体而变热，叶片36和转 子结构可倾向于沿径向膨胀，从而使得径向空隙距离52减小。随着叶片36沿径向膨胀，可 调节径向空隙距离52，如下文所述，以保持期望的径向空隙距离52。随着涡轮22和叶片36 达到热均衡，径向空隙距离52将倾向于稳定。因此，在涡轮22的稳定运行期间，可保持径 向空隙距离52比较小，以增大涡轮22的效率。如所理解的，摩擦使得材料性质退化，这可 通过高循环疲劳而引起耐用性问题。此外，摩擦从叶片尖端和固定界面上移除材料，这会增 大稳态空隙，引起性能损失。因此，可能期望的是提供主动间隙控制，以使在过渡状态期间 摩擦状态的可能性最小，同时使稳态状态期间的性能最大。涡轮22还可包括一个或多个传感器54，56，以监测涡轮22的运行状态。在一些实 施例中，传感器56可监测涡轮22的温度和/或涡轮22中的振动水平。然后，基于涡轮22 的振动稳定性或热稳定性，可使用来自传感器56的信号来确定期望的径向空隙距离52。如 所理解的 ，可基于实际间隙测量值和温度测量值来开发温度和径向空隙间隙52之间的关 系，使得可使用之后的温度测量值来确定间隙。这样，可使用涡轮22的固定部件的简单的 温度测量值来确定径向间隙52，且因此其可用作用来触发径向间隙52的调节的控制参数。 然而，在一些实施例中，可使用传感器54来测量实际径向空隙距离52。例如，传感器54可 通过检测传感器54和叶片的外表面48之间的电容来测量实际径向空隙距离52。然后可 使用期望的径向空隙距离52和实际测量的径向空隙距离52之间的差来调节径向空隙距离 52(如以下参看图4和5所描述的)，以保持期望的径向空隙距离52。还可基于设定时间、 超过阈值输出水平之后的设定时间或另外的运行参数来控制径向空隙距离52。可将来自传感器54和56的信号发送到反馈电路40，该反馈电路处理传感器信号 并且将代表被测参数(一个或多个)(例如温度，振动，实际径向空隙距离52等)的反馈信 号发送到负载14。如将在下文进一步解释的，然后负载14可使用反馈信号来以电的方式调 节径向空隙距离52。这样，可在涡轮22的整个运行中持续地调节径向空隙距离52，以在提 高涡轮22的效率以及降低涡轮叶片36与涡轮壳体23之间的接触的可能性之间保持适当 的平衡。由于涡轮叶片36和涡轮壳体23的呈锥形的形状，可通过沿轴向向前方及向后方 平移轴26来调节径向空隙距离52，如由箭头38所示。如以下将进一步描述的，可使用磁促 动器来实现轴26的平移。为了本说明书的目的，用语“前”用来描述向内指向涡轮22的空 气入口的方向，且用语“后”用来描述向外指向涡轮22的排气的方向。换句话说，相对于空 气和燃烧气体的流动，前方朝向上游方向而后方朝向下游方向。如图2中所示，轴26定位 在后方，如由箭头58所示。将轴26定位在后方会向后方移动叶片36，且会增大如图所示的 径向空隙距离52，从而降低摩擦的可能性。简要地转到图3，显示了轴26处于前方位置，这使得叶片36向前方移动，如箭头 60所示，从而减小径向空隙距离52(如图2所示)，且减小通过径向空隙50的燃烧气体流量。减小通过径向空隙50的气体流量会通过使得气体流优先地对着叶片36流动且流动通 过叶片36以驱动轴26进行旋转而增大涡轮22的效率。将理解的是，图2和3中所示的轴 26位置仅代表两个可能的轴26位置，且轴还可定位在所示的两个位置之间的任何地方，即 期望的径向空隙距离52不限于不连续的递进。在一些实施例中，空隙宽度52可从后方位 置上的大约1至3mm变化到前方位置上的大约0. 5至1. 5mm。此外，空隙宽度52的该变化 可通过使轴平移大约1至5mm来实现。如所理解的，实际值与涡轮的大小(例如外径)成 比例。现在转到图4，其是示出了根据本技术的、控制图1的涡轮22的间隙调节的负载 14的一个实施例的简图。如图4所示，负载14可包括发电机64。发电机64可由轴26的 旋转供以动力且可产生电输出66。在一些实施例中，电输出66可以是三相交流(AC)。输 出功率66可联接到将电功率提供给任何合适的类型的电力机械的电传递网络上。负载14还可包括促动器68，如上所述，促动器68使轴26向前方及向后方平移。 促动器68可包括任何合适的电力线性定位装置。例如，促动器68可包括电动机、螺线管、 动圈式促动器等。在一些实施例中，促动器可包括能够提供可变的磁力以便移动轴26的磁 性推力轴承，如将在下文参看图5论述。另外，如图4中所示，促动器68可由发电机64供 以动力。这样，系统10就可由于并未使用第二动力源来促动轴26而得以简化。然而，在备 选实施例中，促动器68也可由在负载14外部的外部动力源(未显示)供以动力。此外，促 动器68还可沿着轴26位于任何地方，包括负载14外部的位置。
可通过接收来自发电机64的输出66的电能的控制电路70来控制促动器68。这 样，通过轴26的旋转从涡轮22接收的机械能为发电机64和控制电路70两者供以动力。在 一些实施例中，可使用发电机64的输出水平来通知控制电路70有关涡轮22的运行状态。 例如，低电压输出66可大体指示涡轮22处于运行的启动相，在此时段期间，可能期望的是 宽的径向空隙距离52。相反，高电压输出66可能大体指示涡轮22处于运行的稳态相，在 此时段期间，可能期望的是窄的径向空隙距离52。然后，可由控制电路70使用关于涡轮的 运行状态的该信息，来至少部分地确定轴26的适当的线性位置。例如，在一些实施例中，轴 26的线性位置可与发电机64的输出电压成比例。控制电路70还可从反馈电路40接收一个或多个反馈信号。如以上所论述的，反 馈信号可为控制电路70提供表示由传感器54和56测量的一个或多个参数的数据。例如， 控制电路70可使用来自传感器56的温度数据或振动数据来确定期望的径向空隙距离52。 对于另一实例，控制电路70可使用由传感器54测得的实际径向空隙距离52，以确定轴位置 调节，以便使实际测量的径向空隙距离52达到期望的径向空隙距离52。控制电路70接收 的来自反馈电路40的信号可为模拟的或者数字的。另外，控制电路70可根据编程到控制 电路70中的固件或软件来处理所接收的信号。控制电路70还可从位置传感器72接收指示轴26的线性位置的一个或多个信 号。位置传感器72可为任何类型的线性位置传感器，例如，诸如光学传感器或霍尔效应传 感器。在一些实施例中，控制电路70可包括可编程的存储器，该存储器包含使轴26的线性 位置与所产生的径向空隙距离52相关联的信息。位置传感器72可将轴-位置信号发送到 控制电路70，且可至少部分地使用该信号来调节轴26位置，以使被测的径向空隙距离52达 到期望的径向空隙距离52。在一些实施例中，轴26的线性位置与所得到的径向空隙距离52之间的关系可基于用来校准位置传感器72的经验测量值，该经验测量值可编程到控制 电路70的存储器中。这样，可仅基于或者部分地基于轴26的线性位置来估计径向空隙距 离52。响应于自位置传感器72和反馈电路40(例如，传感器54和56)中的一个或多个接 收的数据，控制电路70可将电信号发送到促动器68，以调节轴26的线性位置。在一些实施 例中，可去除位置传感器72或传感器54和56中的一个或多个。在一些实施例中，可一起 使用位置传感器72与传感器54和56中的两个或更多个来提高系统10的可靠性。在系统10运行期间，促动器68可基于发电机64的输出电压，来自反馈电路40的 信号，来自位置传感器72的信号，或者它们的一些组合使轴26向前方或者向后方平移。例 如，在一个实施例中，促动器68可响应于发电机64的增大的电压输出使轴26向前方平移。 此外，平移的程度可与发电机64的电压输出成比例。在另一实施例，促动器68可在涡轮发 动机12启动期间使轴26向后方平移，且在涡轮发动机12的稳态运行期间使轴26向前方 平移。此外，当涡轮发动机12接近稳态运行状态时(如由传感器54和56和/或发电机64 的电输出所指示的)，可使轴26逐渐从后方位置平移到前方位置。例如，当涡轮叶片36接 近热和/或振动稳定时(如由传感器54所指示)，可使轴26逐渐平移到前方位置。在另 一实施例中，如传感器54测得的旋转叶片和/或壳体的温度可基于涡轮叶片36和涡轮壳 体23的已知的热膨胀或收缩特性起到指示实际径向空隙距离52的作用。在该实施例中， 控制电路70可配置成以便使轴26平移，以便至少部分地基于旋转叶片36和/或涡轮壳体 23的温度来保持期望的径向空隙距离52。
在一些实施例中，冲击涡轮叶片36的燃烧气体可在轴26上施加向后力。另外，在 其中轴26竖直地定向的实施例中，重力也可在轴26上施加向后力。此外，在一些实施例 中，系统10可包括使轴26沿向后方向偏置的弹性装置，诸如弹簧。因此，促动器68可构造 成以便仅在轴26上施加向前力。这样，可通过使由促动器68施加的向前力与由燃烧气体、 重力或者弹簧施加的向后力保持平衡来控制轴26的位置。这样，可简化促动器68的设计。 此外，这还可提供安全失效机制的优点。换句话说，如果促动器68意外地损失动力或者以 其它方式停止工作，则轴26将自动地朝向向后方向被平移，这会增大径向空隙距离52且降 低涡轮叶片36与涡轮壳体23之间发生接触的可能性。在其它实施例中，促动器68可构造 成以便在轴26上施加向前力和向后力两者。现在转到图5，提供了示出根据本技术的线性促动器68的一个实施例的图表。虽 然图5示出了构件的特定定向，但在所公开的实施例的范围内，线性促动器68可用于任何 合适的定向或构造中。例如，线性促动器68可沿着涡轮22、压缩机18设置在冷端、热端、 中间位置或多个位置上，或者设置在涡轮发动机12中的任何合适的位置上。通过另一个 实例，线性促动器68中的一个可以与多个独立的轴相关联，例如，第一线性促动器68可与 第一涡轮级中的第一涡轮轴一起使用，第二线性促动器68可与第二涡轮级中的第二涡轮 轴一起使用，第三线性促动器68可与第三涡轮级中的第三涡轮轴一起使用等等。以这种方 式，系统可提供对各个涡轮级中的间隙的独立控制。相同的构思可用于压缩机18中的不同 级中。如图5中所示，在一些实施例中，线性促动器68可为磁性推力轴承。这样，线性促 动器68可包括推力盘80和保持在前定子84中且构造成以便使轴26向前方平移(如由箭 头90所示)的前线圈82。在一些实施例中，线性促动器68还可包括保持在后定子88中、构造成以便使轴26向后方平移(如由点划线箭头92所示)的后线圈86。为了清楚，线圈 82，86和定子84，88以截面的形式显示。推力盘80可为包含铁磁性材料(诸如铁)的圆形 盘。此外，推力盘80固定到轴26上且邻近线圈82 (或者在具有两个线圈的实施例中，在线 圈82和86之间)与轴26 —起旋转。线圈82和86中的各个可包括绕着轴26缠绕多次且 构造成以便传导为线圈供电的电流的导线，并且在推力盘80附近产生磁场(如由场线94 和96所指示)。定子84和88可包含铁磁性材料，诸如铁，并且可构造成以便集中由线圈 82和86在推力盘80附近所产生的磁场。在该实施例中，系统10还可包括构造成以便支承 轴26的磁性径向轴承98。这样，控制电路70可将控制信号发送到磁性径向轴承98。来自 控制电路70的控制信号在磁性径向轴承98内产生了使得轴26在不直接接触磁性径向轴 承98的情况下在磁性径向轴承98内自由地浮动的磁场。在某些实施例中，归因于磁性径 向轴承98的该自由浮动可有助于通过线性促动器68 (例如，磁性推力轴承)进行的轴向平 移。控制电路70可电联接到线圈82和86上，且构造成以便在线圈82和86中产生电 流，该电流产生了磁场。在轴26平移期间，控制电路70为线圈82和86通电，使得由线圈 82和86所产生的磁场在推力盘80上施加原动力。例如，为了使轴26向前方90平移，控制 电路70可对产生包围线圈82且穿透推力盘80的磁场94的线圈82发送电流。磁场94在 推力盘80上施加原动力，该原动力向前方90拉推力盘80，从而减小涡轮叶片36和涡轮壳 体23之间的空隙距离52(见图2)。为了保持轴26的位置，控制电路70可关闭线圈82，或 者将线圈82中的电流减小到使由线圈82施加的向前原动力与由燃烧气体施加在涡轮叶片 36上和 /或由偏置机构施加的向后原动力保持平衡的水平(如上文参看图4所讨论的)。为了使轴26向后方平移(如由点划线箭头92所指示的)，在一些实施例中，控制 电路70可将线圈82中的电流减小到允许由燃烧气体或者弹簧施加的向后力克服由磁场94 施加的向前力的水平，从而允许轴26向后方92平移。然而，在其它实施例中，促动器68可 通过线圈86使轴26向后方平移。在该实施例中，为了向后方平移轴26，控制电路70可将 电流发送到线圈86，线圈86产生围绕该线圈86并且穿透推力盘80的磁场96。该磁场96 在推力盘80上施加向后方92拉推力盘80的原动力，从而增大涡轮叶片36和涡轮壳体23 之间的空隙距离52 (见图2)。在实施例中，从控制电路70输出到促动器68的电流可与轴26平移的期望的程度 成比例。此外，在一些实施例中，从控制电路70输出到促动器68的电流可随着发电机64 的电输出66增大而增大，且可甚至与发电机64的电输出成比例。这样，轴26位置可取决 于发电机64的电输出66的量。在该实施例中，发电机64的电输出66在启动前的刚好一 刻将为零。因此，到达促动器68的线圈82的输入电流也将为零，且轴26可处在后方92位 置，从而使得径向空隙距离52比较大。随着发电机64开始增大功率，发电机64的输出电 压逐渐增大，且因此应用到线圈82上的电流也增大。应用到线圈82上的电流的增大使轴 26逐渐平移到更前方的位置，从而减小径向空隙距离52并且增大涡轮22效率。这样，随 着涡轮22接近稳态运行状态，径向空隙距离52逐渐从启动期间的大空隙减小到渐渐更小 的空隙。在一些实施例中，到达线圈82的电流可能并非与发电机输出66完全成比例。相 反，除了发电机输出电压，来自反馈电路40和/或位置传感器72的信号也可用来控制输出 到线圈82上的电流。这样，诸如涡轮叶片温度，轴26的测得位置等的因素也可用于调节轴26位置。将理解的是，以上所公开的技术可用于其中在相对于彼此运动的构件(例如旋转 构件和固定构件)之间保持了间隙的任何合适的系统。例如，以上所描述的技术可用于燃 气涡轮发动机或蒸汽涡轮发动机或者水轮机中。类似地，所公开的技术可用于压缩机中，例 如单独的压缩机或多级压缩机。现在转到图6和7，根据本发明的实施例，显示了系统10的 各种示例性实施例。如图6所示，以上所描述的技术可在单轴热端驱动应用中实施。在该 实施例中，不像在图1中所示的实施例中，在涡轮发动机12的排气端处产生功。这样，轴26 穿过涡轮发动机12和排气区段24，并且联接到负载14上。如以上所讨论的，根据所公开的 技术，负载14可构造成以便控制轴26的促动。如图7中所示，以上所描述的技术也可在多轴应用中实施。在该实施例中，如图6 中，在涡轮发动机12的排气端处产生功。然而，在该实施例中，系统10可包括多个涡轮级 或区段，例如高压涡轮110和低压涡轮112。燃烧气体可穿过两个涡轮区段110，112。高 压涡轮区段110可包括第一组涡轮叶片114，第一组涡轮叶片114构造成以便通过在燃烧 气体穿过高压涡轮110且冲击到第一组叶片114上时使第一轴115旋转来为压缩机18提 供动力。此外，该第一组涡轮叶片114可为可调节的，以增大或减小输送至压缩机18的动 力。例如，可调节第一组涡轮叶片114的叶片桨距，使得由燃烧气体为第一轴115应用较少 的功。燃烧气体然后离开高压涡轮110且进入低压涡轮112，以便为负载14供以动力。因 此，低压涡轮112包括联接到第二轴118上的第二组涡轮叶片116。在某些实施例中 ，第一 涡轮区段110和第二涡轮区段112之间的动力匹配可通过使涡轮叶片116上游的可变截面 涡轮导叶(VATN)旋转来实现。如在以上所论述的涡轮22中，涡轮叶片116与涡轮壳体之 间的径向空隙距离52(图2和3)将影响低压涡轮112的效率。因此，如以上所论述的，可 通过负载14来平移第二轴118，以增大或减小径向空隙距离52。再次，如上所述，系统10可在不同的涡轮级，不同的压缩机级或两者中提供独立 的间隙控制。例如，对于独立的轴115和118，系统10可以磁的方式平移各个轴115和118， 以便在相应的涡轮110和112中独立地控制径向空隙距离52。如所理解的，单独的磁促动 器可与相应的涡轮110和112的各个轴115和118相关联。类似地，单个控制器或独立的 控制器可与这些单独的磁促动器一起使用。根据以上说明，将理解的是，可使用所公开的技术获得若干优点。例如，通过使用 负载来以电的方式平移轴，与液压或者其它技术相比，可简化系统。通过另外的实例，通过 以电的方式而非以液压的方式平移轴，可消除由于液压流体的泄露而引起的系统失效的可 能性。此外，由于轴的平移可逐渐进行，所以可精细地调节间隙，以便在涡轮效率和涡轮叶 片与涡轮壳体之间进行接触的可能性之间提供适当的平衡。所公开的电/磁间隙控制系统 大体是清洁的且低维护性的，同时提高了涡轮的寿命和性能。所公开的电/磁间隙控制系 统可描述为非流体驱动的或者无流体的，同时还消除了或者减少了活动部件(例如液压系 统的活塞缸)之间的磨损表面。本发明的技术效果包括根据所测量的涡轮的运行特性来调 节涡轮壳体和在该壳体内旋转的涡轮叶片之间的间隙。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，以及执行任何结合的方法。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。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元 素，则 这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
权利要求
一种涡轮发动机(12)，包括构造成以便引导燃烧气体流的涡轮壳体(23)；联接到所述涡轮壳体(23)内的轴(26)上的多个叶片(36)；以及联接到所述轴(26)上且构造成以便以磁的方式沿着所述轴(26)的轴线平移该轴(26)以增大及减小所述涡轮壳体(23)与所述多个叶片(36)之间的径向间隙(50，52)的磁促动器(68)。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述涡轮壳体(23)的内表面 向外沿着所述燃烧气体流的方向呈锥形，且所述多个叶片(36)包括自所述涡轮壳体(23) 的内表面偏移的呈锥形的表面。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述磁促动器(68)包括磁性 推力轴承。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，包括控制电路(70)，所述控制 电路(70)电联接到所述磁促动器(68)的输入上，且构造成以便将电信号发送到所述磁促 动器(68)，以响应于与所述径向间隙(50，52)相关联的反馈来平移所述轴(26)。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，包括具有联接到所述控制电 路(70)的另一输入上的输出的发电机(64)，其中，自所述控制电路(70)发送到所述磁促动 器(68)的所述电信号至少部分地基于所述发电机(64)的输出功率，且所述磁促动器(68) 响应于所述输出功率的变化来改变所述径向间隙(50，52)。
6.根据权利要求4所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，包括间隙传感器(54)，所述间 隙传感器(54)配置成以便测量所述多个叶片(36)中的各个与所述涡轮壳体(23)之间的 径向间隙(50，52)的宽度并且作为反馈将对应的间隙信号发送至所述控制电路(70)。
7.根据权利要求4所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，包括温度传感器(56)，所述温 度传感器(56)配置成以便测量所述涡轮壳体(23)和所述多个叶片(36)中的至少一个的 温度并且作为反馈将对应的间隙信号发送至所述控制电路(70)。
8.一种系统，包括构造成以便通过沿着旋转轴线的平移运动来调节壳体(23)和旋转叶片(36)之间的径 向间隙(50,52)的磁促动器(68)；和配置成以便与所述磁促动器(68)接合以响应于反馈调节所述径向间隙(50，52)的控 制器(70)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述磁促动器(68)构造成以便基于表示 稳态和非稳态状态的反馈通过平移运动来逐渐调节所述径向间隙(50，52)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器(70)配置成以便接合所述磁 促动器(68)，以便在非稳态状态期间增大所述径向间隙(50，52)，并且在稳态状态期间减 小所述径向间隙(50，52)。
全文摘要
本发明涉及一种用于间隙控制的方法和设备。在某些实施例中，一种系统包括构造成以便通过沿着旋转轴线的平移运动来调节壳体(23)和旋转叶片(36)之间的径向间隙(50，52)的磁促动器(68)。该系统包括配置成以便接合磁促动器(68)以响应于反馈来调节径向间隙(50，52)的控制器(70)。
文档编号F01D11/16GK101845972SQ20101015959
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者J·M·富加蒂, P·L·安德鲁 申请人:通用电气公司