[发明专利]主动壳体对准控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明大致涉及旋转的机器，例如燃气轮机，并且更具体地涉及用于测量和控制转子与周围的壳体结构之间间隙的系统和方法。

背景技术

旋转机器如燃气轮机具有一般称为转子的部分，其在静止壳体构件如护罩内旋转。转子与护罩之间必须保持间隙尺寸以防止构件之间的撞击。这在燃气轮机中特别受到关注。

燃气轮机使用从燃烧室排放的热气体来使转子旋转，该转子通常包括围绕轴周向隔开的多个转子叶片。转子轴联接至压缩机以将压缩空气供给给燃烧室，并且在一些实施方式中，供给给发电机以将转子的机械能转换成电能。转子叶片(有时候称为“导叶(bucket)”)通常设置在沿着轴的级中并在壳体构造中旋转，该壳体构造可包括用于各相应级的外壳体及内壳体或护罩环。当热气体撞击在叶片上时，轴被转动。

叶片顶端与护罩环之间的距离称为“间隙”。当该间隙扩大时，涡轮效率随着热气体经该间隙逸散而降低。因此，应当最大限度地缩小叶片顶端与护罩之间的间隙以最大限度地提高涡轮效率。另一方面，如果间隙量过小，则叶片、护罩和其它构件的热膨胀和收缩可导致叶片摩擦护罩，这通常可导致损坏叶片、护罩环和涡轮。因此，重要的是在各种运转状态期间保持最小间隙。

已知方法和系统试图通过将旁通空气从压缩机引导到壳体周围以减少壳体在涡轮运转期间的热膨胀而保持精确间隙。例如，美国专利No.6,126,390描述了一种被动加热-冷却系统，其中根据进入空气的温度来计量从压缩机或燃烧室至涡轮壳体的气流，以便控制涡轮壳体的冷却速度，或甚至加热壳体。

然而，常规的被动空气冷却系统假设转子和/或护罩是均匀的周向膨胀并且未对转子与护罩之间发展的或固有的偏心加以考虑。偏心可由于制造或装配公差而形成，或由于轴承油压、支承结构的热增长、振动、涡轮构件不均匀的热膨胀、壳体滑动、重力下垂等而在涡轮运转期间形成。在设计中必须考虑预期的偏心，并且因此这些偏心限制最小设计间隙的量，使得其可实现而不会在叶片与护罩之间产生摩擦。解决此问题的常规方案是对构件在冷装配期间的相对位置进行静态调节以补偿热运行偏心状态。然而，这种方法不能精确地考虑在涡轮的运转寿命期间形成的偏心的变化。

因而，需要主动对准控制系统和方法来精确地检测和应对涡轮构件之间在宽范围的运转状态形成的偏心。

发明内容

本发明提供一种主动对准控制系统和方法，其解决了现有控制系统的某些缺点。本发明其它方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述清楚，或可通过实施本发明而获知。

在带有对准控制系统的燃气轮机的特定实施例中，转子包括有转子叶片的至少一级。转子被收容在壳体结构内，该壳体结构可包括与转子叶片的各级相关联的外壳体及内壳体或护罩。多个致动器周向隔开在护罩周围并且将护罩连接至外壳体。例如，四个致动器可在护罩周围周向隔开九十度。致动器构造成使护罩相对于外壳体(并因此相对于转子)偏心地移位。多个传感器周向隔开在护罩周围并且构造成当转子在护罩内旋转时检测或测量指示转子与护罩之间的偏心的参数，例如转子叶片与护罩之间的叶片顶端间隙。控制系统构造成与传感器和致动器连通并且控制致动器使护罩偏心地移位，以补偿通过传感器在转子中检测到的偏心。在特定的实施例中，控制系统可为闭环反馈控制系统。

本发明还包括一种在燃气轮机中进行间隙控制的方法，其中具有周向隔开的转子叶片的至少一级的转子在具有外壳体和内护罩的壳体结构内旋转。在燃气轮机的运转中，在护罩周围的多个位置通过主动或被动装置感测指示偏心的参数，例如转子叶片与护罩之间的叶片顶端间隙，以检测转子与护罩之间的任何偏心。响应于任何检测到的偏心，该方法包括当转子在护罩内旋转时使护罩相对于外壳体(并因此相对于转子)偏心地移位，以补偿检测到的偏心。

本发明还包括转子与壳体对准系统，其一般与旋转机器相关。该系统包括在壳体结构内旋转的转子，该壳体结构包括外壳体和内壳体。多个致动器周向隔开在内壳体周围并且将内壳体连接至外壳体。致动器构造成使内壳体相对于外壳体(并因此相对于转子)偏心地移位。多个传感器周向隔开在内壳体周围并且构造成当转子在内壳体内旋转时检测指示偏心的参数，例如转子与内壳体之间的间隙。控制系统与多个传感器和多个致动器连通并且构造成控制多个致动器使内壳体偏心地移位，以补偿通过多个传感器在转子与内壳体之间检测到的偏心。

附图说明

图1是示例性旋转机器、特别是燃气轮机的示意图；

图2A是示出了旋转机器如燃气轮机的转子与护罩之间大致均匀的同心关系的概略横截面图；

图2B是示出了旋转机器如燃气轮机的转子与护罩之间的偏心关系的概略横截面图；