用于平衡推力的方法、渦輪和渦輪發(fā)動機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]這里公開的主題的實施例總體涉及平衡推力的方法以及執(zhí)行這些方法的渦輪和渦輪發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002]當渦輪的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子對定子施加了不同且相當大的推力。
[0003]例如，在“油氣”應(yīng)用中，作用在動力燃氣渦輪的軸承上的軸向推力可以輕易地達到10000N至100000N的范圍內(nèi)。這種動力渦輪可被稱為“低壓渦輪”，其通常定位在壓縮機的下游；渦輪可被稱為“高壓渦輪”，其時常機械地連接在壓縮機上，位于壓縮機的下游和大動力渦輪的上游；燃燒器接收來壓縮機的氣體，實現(xiàn)燃燒，并為高壓渦輪提供氣體；這種裝置通常被稱為“渦輪發(fā)動機”。
[0004]提供能夠承受這么高的軸向推力的推力軸承是非常困難且昂貴的。
[0005]為了解決這個問題，已經(jīng)知道使用來自壓縮機的高壓氣體，并將其供給動力渦輪，以便平衡一部分軸向推力。
[0006]從美國專利n° 5，760，289中已經(jīng)獲悉這種類型的解決方案。根據(jù)這個專利，閥門
(42)與導(dǎo)管相關(guān)聯(lián)，導(dǎo)管將高壓壓縮機(14)的級間抽氣(39)與低壓渦輪(20)，即動力渦輪的平衡活塞空腔(32)流體地連接起來；閥門(42)受到控制單元(35)的控制；推力平衡壓力換能器(54)定位在平衡活塞空腔(32)中，以便連續(xù)地監(jiān)測空腔(32)中的壓力；控制單元(35)主動地控制閥門(42)的位置，以響應(yīng)算法(58)，算法(58)通過某些測量參數(shù)而連續(xù)地計算轉(zhuǎn)子推力軸承(28)上的殘余負載(60)。
[0007]從美國專利n° 8，092，150中還獲悉這種類型的另一解決方案。根據(jù)這個專利，在單個渦輪系統(tǒng)的第一盤的上游存在環(huán)形空腔(10)，其通過壓力管線(14)和控制閥(15)暴露于來自壓縮機氣室(2)的壓縮空氣的壓力應(yīng)用下，壓縮機氣室(2)位于壓縮機(I)的末級的下游；關(guān)于軸向推力和渦輪負載提供了兩條控制法則(見圖3和圖4)，但該文獻并沒有描述在實踐中如何實現(xiàn)這種控制以及在使用渦輪調(diào)速器時的指導(dǎo)。
[0008]此外，從美國專利n° 4，864，810中已經(jīng)獲悉類似于這種類型的解決方案。根據(jù)這個專利，存在采用壓力室(56)形式的平衡裝置和用于將蒸汽供給室(56)的裝置(23，46)，以便將力應(yīng)用于室壁上；該室部分地被部件的內(nèi)表面部分所限定，該部件與推力軸承(52)的一部分相連接并隨之旋轉(zhuǎn)，由此應(yīng)用于內(nèi)表面上的壓力則將牽引力應(yīng)用于推力軸承上。在“干式”操作中，推力軸承(52)可適應(yīng)軸向定向的推力；然而，可能需要將吹掃類型的空氣流或加壓空氣提供至室(56)中，所述空氣流或加壓空氣很方便從發(fā)動機中的上游，例如從壓縮機中抽氣。為了控制蒸汽和空氣的流量提供了與流量控制裝置(55)相關(guān)聯(lián)的閥門(49，53)。該文獻并沒有描述流量控制裝置(55)以及在以電氣裝置或電子裝置實現(xiàn)流量控制裝置時的指導(dǎo)，電氣裝置或電子裝置設(shè)計為尤其通過感測或測量發(fā)動機的操作條件或參數(shù)而執(zhí)行控制法則。
[0009]最后，值得澄清的是，在渦輪發(fā)動機中的壓縮機的級間抽氣不僅可用于平衡推力，而且還可用于其它目的，例如在某些操作條件下增強發(fā)動機的性能。
[0010]從例如美國專利n° 8，057，157中已經(jīng)獲悉這種類型的解決方案。
[0011]從上面清晰地看到，現(xiàn)有技術(shù)要么公開或暗示了利用主動控制的閥門將壓縮機連接到渦輪上，從而實現(xiàn)推力平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，在可靠性方面需要一種改進性能的解決方案。
[0013]實際上，閥門的主動控制可通過實現(xiàn)高級控制法則而提供軸向推力更精確的平衡，高級控制法則還意味著閥門開度的連續(xù)調(diào)節(jié)；總之，需要確保主動控制的可靠性，這不是一項容易的任務(wù)，如果整個系統(tǒng)所需要的可靠性如同“油氣”應(yīng)用中那樣非常高的話。
[0014]從下文中將明白，由于本發(fā)明，使用滾珠軸承而非通常使用的液壓動力軸承作為用于“動力渦輪”(也被稱為“低壓渦輪”)的軸承是可行的；滾珠軸承比液壓動力軸承更簡單且更便宜(從結(jié)構(gòu)和維護的觀點來看)，因為它們不需要驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
[0015]本發(fā)明的第一方面是平衡推力，尤其軸向推力的方法。
[0016]根據(jù)其實施例，該方法用于在裝備了可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的渦輪中平衡推力，并包括如下步驟:
-在所述渦輪的外部提供第一壓力源，
-在所述渦輪的內(nèi)部提供壓力室，其中所述壓力室的壁作用在所述轉(zhuǎn)子上，從而平衡所述轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時所施加的推力，
-通過第一導(dǎo)管將所述第一壓力源連接到所述壓力室上，
-將第一閥門與所述第一導(dǎo)管關(guān)聯(lián)起來，所述第一閥門設(shè)置為用于打開和關(guān)閉所述第一導(dǎo)管;
其中所述第一閥門設(shè)置為當所述第一閥門的上游壓力超過第一預(yù)定的閾值時自動地打開。
[0017]本發(fā)明的第二方面是一種渦輪，尤其燃氣渦輪。
[0018]根據(jù)其實施例，該渦輪包括:
-可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，
-壓力室，其中所述壓力室的壁設(shè)置為作用在所述轉(zhuǎn)子上，從而平衡所述轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時所施加的推力，
-第一導(dǎo)管，其連接在所述壓力室上，并設(shè)置為連接到第一壓力源上，
-第一閥門，其與所述第一導(dǎo)管相關(guān)聯(lián)，并設(shè)置為用于打開和關(guān)閉所述第一導(dǎo)管；其中所述第一閥門設(shè)置為當所述第一閥門的上游壓力超過第一預(yù)定的閾值時自動地打開。
[0019]本發(fā)明的第三方面是一種渦輪發(fā)動機，尤其燃氣渦輪發(fā)動機。
[0020]根據(jù)其實施例，渦輪發(fā)動機包括壓縮機和在所述壓縮機下游的渦輪的級聯(lián)連接，其中所述渦輪具有至少上面所陳述的技術(shù)特征，并且所述壓縮機用作壓力源，以便平衡所述渦輪中的推力。
【附圖說明】
[0021]包含在本文中并組成本說明書的一部分的附圖顯示了本發(fā)明的實施例，并且將與說明書一起解釋這些實施例。圖中:
圖1非常示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例，
圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃氣渦輪的一個實施例的橫截面圖，其是圖1的渦輪發(fā)動機的一部分，
圖3顯示了圖2的細節(jié)，
圖4顯示了平衡裝置的第一實施例的示意圖，其是圖1的渦輪發(fā)動機的一部分，
圖5顯示了平衡裝置的第二實施例的示意圖，其可為圖1的渦輪發(fā)動機的一部分，
圖6顯示了推力平衡壓力對圖1的渦輪發(fā)動機中所產(chǎn)生的動力的曲線圖，其使用了圖4的平衡裝置，和
圖7顯示了軸承上的推力對圖1的渦輪發(fā)動機中所產(chǎn)生的動力的曲線圖，其使用了圖4的平衡裝置。
【具體實施方式】
[0022]以下參照附圖描述典型的實施例。不同圖紙中的相同的標號標識相同或相似的元件。以下詳細描述并不限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明的范圍由附屬權(quán)利要求來限定。
[0023]應(yīng)該注意，在附圖中有時出于清晰起見已經(jīng)放大了尺寸；換而言之，它們彼此之間并非完美符合比例的。
[0024]整個說明書中對“某一實施例”或“一個實施例”的參照意味著結(jié)合實施例所述的特定的特性、結(jié)構(gòu)或特征包含在至少一個公開的主題的實施例中。因而，短語“在某一實施例中”或“在一個實施例中”出現(xiàn)在整個說明書的各個地方并不一定都是參照同一實施例。此外，在一個或多個實施例中可將特定的特性、結(jié)構(gòu)或特征以任何合適的方式組合起來。
[0025]圖1的燃氣渦輪發(fā)動機包括軸向五級壓縮機1、軸向二級高壓(也是低動力)燃氣渦輪2、軸向三級低壓(也是大動力)燃氣渦輪3、燃燒器4 ;所有這些構(gòu)件都封裝在整個渦輪發(fā)動機的外殼5的內(nèi)部。壓縮機I和低動力渦輪2具有公共軸9，并且大動力渦輪3具