專利名稱：用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)和方法。例如，本發(fā)明的特定實(shí)施例可控制轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)子的流體的量以加熱轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪被廣泛用于工業(yè)和商業(yè)操作中。一種典型的燃?xì)鉁u輪包括位于前部的壓縮機(jī)、中部周圍的一個或更多燃燒器以及位于后部的渦輪。壓縮機(jī)賦予動能給工作流體(例如空氣)以產(chǎn)生處于高能狀態(tài)的壓縮工作流體。該壓縮工作流體離開壓縮機(jī)并且流至燃燒器，其在此與燃料混合并點(diǎn)燃而產(chǎn)生具有高的溫度和壓力的燃燒氣體。燃燒氣體流至渦輪，其在此膨脹而產(chǎn)生功。例如，燃燒氣體在渦輪中的膨脹可使連接至發(fā)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。壓縮機(jī)和渦輪通常共享公共的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子從壓縮機(jī)的前部附近延伸通過燃燒器區(qū)段到渦輪的后部附近。由于轉(zhuǎn)子的長度和尺寸，該轉(zhuǎn)子的總重量可接近或超過100噸。在燃?xì)鉁u輪的啟動期間，由于壓縮工作流體流過壓縮機(jī)且燃燒氣體流過渦輪，轉(zhuǎn)子的外部比轉(zhuǎn)子的內(nèi)部升溫更快，從而產(chǎn)生跨過轉(zhuǎn)子輪廓的溫度梯度?？邕^轉(zhuǎn)子輪廓的溫度梯度產(chǎn)生跨過轉(zhuǎn)子的較大熱應(yīng)力，其通常與Tmax-Tave成比例。Tmax為跨過轉(zhuǎn)子輪廓的最高溫度。在壓縮機(jī)區(qū)段中，Tfflax可接近離開壓縮機(jī)的壓縮工作流體的溫度，而在渦輪區(qū)段中，Tfflax可接近進(jìn)入渦輪的燃燒氣體的溫度。T·是跨過轉(zhuǎn)子輪廓的平均溫度，并且在燃?xì)鉁u輪的冷啟動期間最初為環(huán)境溫度?？邕^轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力持續(xù)存在，直到跨過轉(zhuǎn)子輪廓的溫度達(dá)到平衡(其可為12小時或更長)，并且大大降低轉(zhuǎn)子的低周疲勞極限。本領(lǐng)域中已知多種用于減少跨過轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力的系統(tǒng)和方法。例如，可使工藝流體(process fluid)從壓縮機(jī)轉(zhuǎn)向(divert)而流過轉(zhuǎn)子，以減少Tmax和Tave之間的溫差并允許轉(zhuǎn)子在較短時段內(nèi)達(dá)到平衡溫度。然而，通過降低由壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮工作流體的量，轉(zhuǎn)向流體降低了壓縮機(jī)的效率。此外，轉(zhuǎn)向流體在它被再次引入壓縮機(jī)氣流中時形成紊流，并且該紊流可跨過壓縮機(jī)葉片形成層流分離。因此，用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)在下文的描述中闡述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實(shí)施本發(fā)明來了解。本發(fā)明的一個實(shí)施例是一種用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子中的入口和轉(zhuǎn)子中的出口。出口與入口流體連通。固定孔口設(shè)置在入口或出口中的至少一個中?？勺兛卓谠谂c固定孔口分開的位置設(shè)置在入口或出口中的至少一個中。本發(fā)明的另一個實(shí)施例是一種用于加熱轉(zhuǎn)子的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通過轉(zhuǎn)子的流體通道。第一閥設(shè)置在流體通道中，以控制通過流體通道的流體的流。第二閥設(shè)置在流體通道中與第一閥不同的位置，以控制通過流體通道的流體的流。
本發(fā)明還可包括用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的任何方法。該方法包括使工藝流體轉(zhuǎn)向以及使轉(zhuǎn)向的工藝流體流動通過轉(zhuǎn)子中的流體通道，該流體通道包括第一孔口和與第一孔口分開的第二孔口。該方法還包括通過使用第一孔口、第二孔口或其組合來減少通過轉(zhuǎn)子中的流體通道的轉(zhuǎn)向工藝流體的流。在閱讀該說明書后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地理解這樣的實(shí)施例以及其它實(shí)施例的特征和方面。


在說明書的其余部分中(包括參考附圖)更具體地闡述了本發(fā)明的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開，包括其對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言的最佳模式，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的簡化剖視圖2是圖1中所示的轉(zhuǎn)子葉輪的一側(cè)沿線A-A截取的透視圖；以及圖3是圖1中所示的轉(zhuǎn)子葉輪的另一側(cè)沿線B-B截取的透視圖。附圖標(biāo)記
10轉(zhuǎn)子
12轉(zhuǎn)子葉輪
14連桿(tie rod)
16中心線
18旋轉(zhuǎn)葉片
20固定噴嘴
22腔室
24入口
26出口
28可變孔口
30閥
32活塞
34膜片(diaphragm)
36控制器
38信號
40固定孔口。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)地對本發(fā)明的實(shí)施例做出參考，在附圖中示出了這些實(shí)施例的一個或更多示例。該詳細(xì)描述使用數(shù)字標(biāo)記和字母標(biāo)記來表示附圖中的特征。在附圖和描述中使用相同或類似的標(biāo)記來表示本發(fā)明的相同或類似的部分。每個示例以本發(fā)明的說明而非本發(fā)明的限制的方式提供。實(shí)際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中做出許多修改與變型。例如，作為一個實(shí)施例的部分所顯示或描述的特征可用在另一實(shí)施例上以產(chǎn)生更進(jìn)一步的實(shí)施例。因此，本發(fā)明意圖包括落入所附權(quán)利要求及其等同的范圍內(nèi)的這種修改與變型。本發(fā)明的范圍內(nèi)的實(shí)施例提供了用于增加轉(zhuǎn)子的預(yù)期壽命和提高燃?xì)鉁u輪效率的系統(tǒng)和方法。在各種實(shí)施例中，本發(fā)明可控制通過轉(zhuǎn)子的流以加熱轉(zhuǎn)子，從而降低跨過轉(zhuǎn)子輪廓的熱應(yīng)力。降低的熱應(yīng)力將提高轉(zhuǎn)子的低周疲勞極限。此外，本發(fā)明的范圍內(nèi)的實(shí)施例通過控制通過轉(zhuǎn)子的流體流的量和/或持續(xù)時間來提高燃?xì)鉁u輪效率。在這方面，已經(jīng)確定可利用雙重計(jì)量(dual metering)來提供固定的計(jì)量區(qū)域，其控制流體流直到滿載狀態(tài)(當(dāng)?shù)诙为?dú)的工作計(jì)量區(qū)域可用來減少流時)。圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的轉(zhuǎn)子10的上半部分的簡化剖視圖。如圖所示，轉(zhuǎn)子10可包括多個轉(zhuǎn)子葉輪12，它們由連桿14軸向地連接以圍繞中心線16—起旋轉(zhuǎn)。在壓縮機(jī)區(qū)段中，每個轉(zhuǎn)子葉輪12可與旋轉(zhuǎn)葉片18或固定噴嘴20相關(guān)聯(lián)，如圖1所示。類似地，在渦輪區(qū)段中，每個轉(zhuǎn)子葉輪12可與旋轉(zhuǎn)動葉或定子相關(guān)聯(lián)。如圖1所示，轉(zhuǎn)子10包括介于相鄰轉(zhuǎn)子葉輪12之間并通過它們的多個腔室22。腔室22減少轉(zhuǎn)子10的總重量。此外，腔室22提供介于相鄰轉(zhuǎn)子葉輪12之間并圍繞它們的一個或更多流體通道。流體通道包括至少一個入口 24以及與入口 24流體連通的至少一個出口 26。入口 24和/或出口 26可包括通過單個轉(zhuǎn)子葉輪12或介于相鄰轉(zhuǎn)子葉輪12之間的任何合適的通道、氣室或通路。例如，如圖2所示，入口 24或出口 26可包括介于相鄰轉(zhuǎn)子葉輪12之間的徑向孔。這樣，流體可在通過出口 26離開流體通道之前流動通過入口24進(jìn)入流體通道中，并且通過和/或圍繞轉(zhuǎn)子葉輪12,如由圖1中的流向(flow arrow)所
/Jn ο可變孔口 28可設(shè)置在入口 24或出口 26中的至少一個中的流體通道中以控制通過流體通道的流體流。例如，可變孔口 28可具有第一位置和第二位置，第一位置允許流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個,而第二位置減少和/或阻止流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個?？勺兛卓?28可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的用于防止或阻止流體流的任何合適機(jī)構(gòu)。例如，如圖3所示，可變孔口 28可包括熱促動閥30，其響應(yīng)轉(zhuǎn)子葉輪12中的溫度變化。如圖3所示，閥30可包括連接至閥30內(nèi)的膜片34的活塞32或盤。在較低的溫度下，膜片34可收縮而使活塞32或盤縮回閥30中，以將可變孔口 28置于允許或容許流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個的第一位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉輪12 (和因此轉(zhuǎn)子10)溫度升高時，膜片34可擴(kuò)張而迫使活塞32或盤到閥30之外，以阻塞或完全密封相關(guān)聯(lián)的入口 24或出口 26。在活塞32或盤延伸到相關(guān)聯(lián)的入口 24或出口 26中的情況下，可變孔口 28處于減少或防止流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個的第二位置。與可變孔口 28分開的固定孔口 40也可設(shè)置在入口 24或出口 26中的至少一個中的流體通道中，以控制通過流體通道的流體流。例如，固定孔口 40可具有第一位置和第二位置，第一位置允許流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個，而第二位置減少和/或防止流體流通過入口 24或出口 26中的至少一個。固定孔口 40可最初控制流體流直到滿載狀態(tài)。這樣，固定孔口 40連同可變孔口 28可更可靠地控制吹掃流(purge flow)。類似于可變孔口 28，固定孔口 40可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的用于防止或阻止流體流的任何合適機(jī)構(gòu)。如圖1所示，可變孔口 28和固定孔口 40可連接至控制器36，用于在本發(fā)明的范圍內(nèi)的備選實(shí)施例中對可變孔口 28遠(yuǎn)程操作。雖然未示出，但可變孔口 28和固定孔口 40可由單獨(dú)的控制器控制，這也是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的。如本文中所述，控制器36的技術(shù)效果是將信號38傳遞至可變孔口 28和/或固定孔口 40以遠(yuǎn)程地操作這樣的(多個)孔口?？刂破?6可為獨(dú)立的構(gòu)件，例如溫度傳感器或計(jì)時器，或者是包括在本領(lǐng)域中已知的任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如手提式電腦、個人計(jì)算機(jī)、迷你計(jì)算機(jī)或主計(jì)算機(jī))中的子構(gòu)件。本文中所論述的各種控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不限于任何特定的硬件結(jié)構(gòu)或配置。本文中所闡述的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例可由一個或更多適于以任何合適方式提供期望功能的通用或定制的控制器來實(shí)現(xiàn)。例如，控制器36可適于提供額外的功能，對本主題進(jìn)行補(bǔ)充或者與其無關(guān)。當(dāng)使用軟件時，任何合適的編程語言、腳本語言或其它類型的語言或者語言的組合可用來實(shí)現(xiàn)本文中包含的教導(dǎo)。但是，本文中所闡述和公開的一些系統(tǒng)和方法也可通過硬連線邏輯或其它電路(包括但不限于特定應(yīng)用的電路)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)執(zhí)行的軟件和硬連線邏輯或其它電路的各種組合也可能合適。由控制器36產(chǎn)生的信號38可基于反映轉(zhuǎn)子10的溫度、跨過轉(zhuǎn)子輪廓的熱梯度和/或跨過轉(zhuǎn)子10的熱應(yīng)力的被監(jiān)控的若干參數(shù)中的任意參數(shù)。例如，信號38可反映或基于轉(zhuǎn)子10的溫度，其表示跨過轉(zhuǎn)子10的溫度分布已達(dá)到平衡。類似地，信號38可反映或基于離開壓縮機(jī)的壓縮工作流體或流過渦輪的燃燒氣體的溫度，其表示轉(zhuǎn)子10的最大外部溫度。作為另一個示例，信號38可反映或基于通過計(jì)算或試驗(yàn)確定的時間間隔為足以使轉(zhuǎn)子10達(dá)到平衡的時間。在操作期間，固定孔口 40可在燃?xì)鉁u輪的啟動期間處于第一或打開位置以使工藝流體(例如流過壓縮機(jī)的工作流體)的一部分轉(zhuǎn)向通過入口 24。轉(zhuǎn)向流體然后會流過轉(zhuǎn)子10中的流體通道，通過出口 26離開，并且通過壓縮機(jī)返回壓縮工作流體的流或者渦輪中的燃燒氣體。由于轉(zhuǎn)向流體加熱轉(zhuǎn)子10，可變孔口 28將最終關(guān)閉。例如，如果被熱促動，升高的溫度將導(dǎo)致可變孔口 28重新定位到第二或關(guān)閉位置，以減少或防止流體流通過流體通道。備選地或另外，控制器36可產(chǎn)生信號38至可變孔口 28，以使可變孔口 28根據(jù)需要重新定位在第一或第二位置之間。這樣，利用本公開的雙重計(jì)量允許固定孔口 40控制流體流直到滿載狀態(tài)，并且允許可變孔口 28 (其位于分開的位置處)減少流體流。關(guān)于圖1-圖3描述和示出的系統(tǒng)還可提供一種用于控制通過轉(zhuǎn)子10的流的方法。該方法可包括使工藝流體(例如來自壓縮機(jī)的壓縮工作流體)轉(zhuǎn)向，以及使轉(zhuǎn)向的工藝流體流動通過轉(zhuǎn)子10中的流體通道，這種流體通道包括彼此分開的第一孔口和第二孔口。該方法還可包括使用第一孔口和/或第二孔口來減少通過轉(zhuǎn)子10中的流體通道的轉(zhuǎn)向工藝流體的流，例如基于預(yù)定的溫度限制或預(yù)定的時間限制。在特定實(shí)施例中，可變孔口28或閥可用來減少通過轉(zhuǎn)子10中的通道的轉(zhuǎn)向工藝流體的流，并且控制器36可基于溫度或時間產(chǎn)生信號38。該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包括在內(nèi)的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這種其它的示例包括與權(quán)利要求的字面語言沒有差別的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)，包括 a.所述轉(zhuǎn)子中的入口； b.所述轉(zhuǎn)子中的出口，其中，所述出口與所述入口流體連通； c.固定孔口，其設(shè)置在所述入口或出口中的至少一個中；以及 d.可變孔口，其在與所述固定孔口分開的位置設(shè)置在所述入口或出口中的至少一個中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述轉(zhuǎn)子中介于所述入口和所述出口之間的多個通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述固定孔口、可變孔口或其組合包括閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述固定孔口、可變孔口或其組合具有第一位置和第二位置，其中，所述第一位置允許流通過所述入口或出口中的至少一個，并且其中，所述第二位置阻止流通過所述入口或出口中的至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接至所述固定孔口、可變孔口或其組合的控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生信號至所述固定孔口、可變孔口或其組合，其中，所述信號基于溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生信號至所述固定孔口、可變孔口或其組合，其中，所述信號基于時間。
8.一種用于加熱轉(zhuǎn)子的系統(tǒng)，包括 a.通過所述轉(zhuǎn)子的流體通道； b.第一閥，其設(shè)置在所述流體通道中，以控制通過所述流體通道的流體的流；以及 c.第二閥，其設(shè)置在所述流體通道的與所述第一閥不同的位置，以控制通過所述流體通道的流體的流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一閥、第二閥或其組合具有第一位置和第二位置，其中，所述第一位置允許所述流體流過所述流體通道，并且其中，所述第二位置阻止所述流體流過所述通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接至所述第一閥、第二閥或其組合的控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生信號至所述第一閥、第二閥或其組合，其中，所述信號基于溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生信號至所述第一閥、第二閥或其組合，其中，所述信號基于時間。
13.一種用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的方法，包括 a.使工藝流體轉(zhuǎn)向； b.使所述轉(zhuǎn)向的工藝流體流動通過所述轉(zhuǎn)子中的流體通道，所述流體通道包括第一孔口和與所述第一孔口分開的第二孔口 ；以及 c.通過使用所述第一孔口、第二孔口或其組合來減少通過所述轉(zhuǎn)子中的流體通道的所述轉(zhuǎn)向工藝流體的流。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括使所述工藝流體從壓縮機(jī)轉(zhuǎn)向。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括基于預(yù)定溫度限制減少通過所述轉(zhuǎn)子中的流體通道的所述轉(zhuǎn)向工藝流體的流。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括基于預(yù)定時間限制減少通過所述轉(zhuǎn)子中的流體通道的所述轉(zhuǎn)向工藝流體的流。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一孔口、第二孔口或其組合包括閥。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生信號至所述閥，其中，所述信號基于溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生信號至所述閥，其中，所述信號基于時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的一個實(shí)施例是一種用于控制通過轉(zhuǎn)子的流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子中的入口以及轉(zhuǎn)子中的出口。出口與入口流體連通。固定孔口設(shè)置在入口或出口中的至少一個中。可變孔口在與固定孔口分開的位置設(shè)置在入口或出口中的至少一個中。
文檔編號F01D5/18GK103046966SQ201210385340
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者H.K.梅卡, N.阿雷 申請人:通用電氣公司