[發明專利]主動轉子對齊控制系統和方法

無效

• 申請號: 201010193743.7
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101892871A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: M·A·麥卡勒姆;P·G·博加帕;D·A·斯奈德
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D11/16
• 分類號: F01D11/16;F01D11/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;劉華聯

技術領域

本發明一般地涉及旋轉機器，例如燃氣渦輪機，并且更具體地涉及用于測量和控制轉子與周圍的殼體結構之間的間隙的系統和方法。

背景技術

旋轉機器如燃氣渦輪機具有一般稱為轉子的部分，其在靜止殼體構件如護罩(shroud)內旋轉。轉子與護罩之間必須保持間隙尺寸以防止構件之間的撞擊。這在燃氣渦輪機中是特別關注的問題。

燃氣渦輪機使用從燃燒室排放的熱氣體來使轉子旋轉，轉子典型地包括在軸周圍周向隔開的多個轉子葉片。轉子軸聯接至壓縮機以將壓縮空氣供應給燃燒室，并且在一些實施方式中，供應給發電機以將轉子的機械能轉換成電能。轉子葉片(有時候稱為“輪葉”)通常設置在沿著軸的級中并在殼體構造內旋轉，該殼體構造可包括用于各相應級的外殼體及內殼體或護罩環。當熱氣體撞擊在葉片上時，使軸轉動。

葉片末端與護罩環之間的距離稱為“間隙”。當該間隙增加時，渦輪機的效率隨著熱氣體通過該間隙逸散而降低。因此，應當最小化葉片末端與護罩之間的間隙以使渦輪機的效率最大化。另一方面，如果間隙的量太小，則葉片、護罩和其它構件的熱膨脹和收縮可導致葉片摩擦護罩，這通常會導致損壞葉片、護罩環和渦輪。因此，重要的是在各種運轉狀態期間保持最小間隙。

已知多種系統和方法試圖通過將旁通空氣從壓縮機引導到殼體周圍來減少殼體在渦輪機運轉期間的熱膨脹，從而維持精確的間隙。例如，美國專利No.6,126,390描述了一種被動加熱-冷卻系統，其中根據進入空氣的溫度計量從壓縮機或燃燒室至渦輪機殼體的氣流，以便控制渦輪機殼體的冷卻速度，或甚至加熱殼體。

然而，常規的被動空氣冷卻系統假設轉子和/或護罩的均勻的周向膨脹，并且未對轉子與護罩之間發展或固有的偏心度加以考慮。偏心度可因為制造或裝配公差而發展，或因為軸承油頂起(bearing?oil?lift)、支承結構的熱增長、振動、渦輪機構件的不均勻熱膨脹、殼體滑動、重力下垂等而在渦輪機運轉期間發展。在設計中必須考慮預期偏心度，并且因此這些偏心度限制最小設計間隙的量，可實現該最小設計間隙的量而沒有在葉片與護罩之間的摩擦。對此問題的常規解決方案是對構件在冷裝配期間的相對位置進行靜態調節以補償熱運行偏心狀態。然而，這種方法不能精確地考慮在渦輪機的運轉壽命期間形成的偏心度的變化。

因而，需要主動對齊控制系統和方法來精確地檢測和考慮在寬范圍的運轉狀態下渦輪機構件之間形成的偏心度。

發明內容

本發明提供一種主動對齊控制系統和方法，其解決了現有控制系統的一些缺點。本發明額外的方面和優點將在以下描述中部分地闡述，或可由描述而變得明顯，或可通過實施本發明而獲知。

在帶有主動轉子對齊間隙控制系統的燃氣渦輪機的特定實施例中，轉子設有轉子葉片的至少一個級。轉子被旋轉地支撐在殼體結構內并且包括帶有由相應軸承支撐的相對端的軸。多個致動器與至少其中一個軸承一起配置，以使軸承相對于靜止殼體結構移動，從而使轉子相對于殼體結構偏心地移位。多個傳感器周向隔開在殼體結構周圍，并且配置成當轉子在殼體結構內旋轉時測量指示偏心度的參數，例如轉子葉片與殼體結構之間的葉片末端間隙。控制系統與多個傳感器以及多個致動器通信，并且配置成控制多個致動器以使軸承相對于殼體結構移位，從而補償在轉子與殼體結構之間檢測到的偏心度。在一個特別的實施例中，控制系統可為閉環反饋控制系統。

本發明還包括一種方法，用于其中轉子在殼體結構內旋轉的旋轉機器中轉子與殼體結構之間的間隙控制。該機器例如可為燃氣渦輪機。該方法包括通過當轉子在殼體結構內旋轉時感測指示偏心度的參數，例如轉子與外殼結構之間的間隙，而檢測轉子與殼體結構之間的偏心度。響應于任何檢測到的偏心度，當轉子在殼體結構內旋轉時，轉子相對于殼體結構移位以補償檢測到的偏心度。

本發明還包括轉子到殼體的對齊系統，其一般與旋轉機器相關。該系統包括被旋轉地支撐在殼體結構中的轉子。該轉子具有相對的軸端，且各軸端由相應軸承支撐。多個致動器與至少其中一個軸承一起配置，以使軸承移動，并從而使轉子相對于殼體結構偏心地移位。多個傳感器周向隔開在殼體結構周圍，并且配置成當轉子在殼體結構內旋轉時測量指示偏心度的參數，例如轉子與殼體結構之間的間隙。控制系統與多個傳感器以及多個致動器通信，并且配置成控制多個致動器來通過使軸承移動而使轉子相對于殼體結構移位，從而補償通過多個傳感器在轉子與殼體結構之間檢測到的偏心度。

附圖說明

圖1是示例性旋轉機器、特別是燃氣渦輪機的示意圖；