[发明专利]用于平衡推力的方法、涡轮和涡轮发动机

说明书

涡轮包括可旋转的转子和压力室(30)；压力室(30)的壁(33)设置为作用在转子上，从而平衡转子在旋转时所施加的推力；导管(C1)连接压力室(30)，并设置成连接到压力源(CM)上；与导管相关联的阀门(V1)可打开和关闭导管(C1)；阀门设置为当阀门上游的压力超过第一预定的阈值时自动地打开；这样当涡轮的负载过高时，过大的推力由于压力室中较高的压力而得以平衡。

技术领域

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

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。

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”。

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。

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。

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)。

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(1)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。

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。

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。

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。

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

因此，在可靠性方面需要一种改进性能的解决方案。