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    重庆时时彩计划软件免费版下载: 与涡轮发动机中的叶尖间隙计算相关的方法、系统和设备.pdf

    关 键 词:
    涡轮 发动机 中的 叶尖 间隙 计算 相关 方法 系统 设备
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110093141.9

    申请日:

    2011.03.31

    公开号:

    CN102252642A

    公开日:

    2011.11.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01B 21/16申请日:20110331|||公开
    IPC分类号: G01B21/16 主分类号: G01B21/16
    申请人: 通用电气公司
    发明人: M·T·哈夫纳
    地址: 美国纽约州
    优先权: 2010.03.31 US 12/751378
    专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 严志军;谭祐祥
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110093141.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2015.07.29|||2013.03.20|||2011.11.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及与涡轮发动机中的叶尖间隙计算相关的方法、系统和设备。一种在燃气轮机发动机(10)运行期间计算叶尖间隙的方法,其包括以下步骤:测量冷态叶尖间隙和冷态壳-壳距离;在燃气轮机发动机(10)运行时,测量运行参数以及用近程传感器(22)来测量壳-壳距离;基于冷态叶尖间隙测量结果和运行参数测量结果来计算叶尖间隙;基于冷态壳-壳距离测量结果和运行参数测量结果来计算壳-壳距离;将近程传感器(22)的壳-壳距离测量结果与壳-壳距离计算结果作比较;以及基于该比较来校准计算出的叶尖间隙计算结果。

    权利要求书

    1.一种在燃气轮机发动机(10)中在所述燃气轮机发动机(10)的运
    行期间计算叶尖间隙的方法,所述燃气轮机发动机(10)包括涡轮内壳
    (102)和涡轮外壳(103),以及具有叶尖(106)的转子叶片(16)排和周围的
    固定结构(109),所述周围的固定结构(109)在所述叶尖(106)的刚好外
    侧的位置处包围所述转子叶片(16)排,从而在所述叶尖(106)和所述周
    围的固定结构(109)之间限定所述叶尖间隙,所述方法包括以下步骤:
    在所述燃气轮机发动机(10)不运行时,测量冷态叶尖间隙和冷态
    壳一壳距离;
    在所述燃气轮机发动机(10)运行时,测量运行参数;
    在所述燃气轮机发动机(10)运行时,用近程传感器(22)来测量壳-
    壳距离;
    基于冷态叶尖间隙测量结果和运行参数测量结果来计算所述叶
    尖间隙;
    基于冷态壳-壳距离测量结果和所述运行参数测量结果来计算所
    述壳-壳距离;
    将所述近程传感器(22)的壳-壳距离测量结果与壳-壳距离计算结
    果作比较;以及
    基于所述近程传感器(22)的壳-壳距离测量结果和所述壳-壳距离
    计算结果之间的比较来校准计算出的叶尖间隙计算结果。
    2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,运行参数测量和
    壳-壳距离测量在时间上大致一致;以及
    其中,运行参数测量结果包括多个运行参数测量结果;且所述多
    个运行参数测量结果包括至少在所述燃气轮机发动机(10)的多个不同
    的运行条件上的运行参数测量结果。
    3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法进一步
    包括以下步骤:
    将所述近程传感器(22)定位在所述涡轮外壳(103)上的预定位置
    上,以及使所述近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102),使得所述近
    程传感器(22)测量所述壳-壳距离;所述壳-壳距离包括所述涡轮内壳
    (102)和所述涡轮外壳(103)之间的距离;以及
    在所述涡轮内壳(102)上形成目标表面(111);
    其中,使所述近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102)的步骤包括
    使所述近程传感器(22)瞄准所述目标表面(111);
    其中,所述目标表面(111)包括基本沿轴向方向对准的基本平面的
    表面;
    其中,测量所述冷态叶尖间隙和所述冷态壳-壳距离包括测量叶
    尖高度、涡轮内壳(102)直径和涡轮外壳(103)直径;以及
    其中,测量运行参数包括测量所述燃气轮机发动机(10)内的多个
    预定位置处的温度;所述预定位置至少包括:与所述涡轮内壳(102)
    的温度相关的一个位置;与所述涡轮外壳(103)的温度相关的一个位
    置;以及与上面安装了转子叶片(16)的转子的转子盘的温度相关的一
    个位置。
    4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方法进一步
    包括基于测得运行参数温度来计算所述燃气轮机发动机(10)内的多个
    预定位置处的运行温度的步骤;所述预定位置至少包括:与所述涡轮
    内壳(102)的温度相关的一个位置;与所述涡轮外壳(103)的温度相关的
    一个位置;与在上面安装了所述转子叶片(16)排的转子盘的温度相关
    的一个位置;以及与所述转子叶片(16)排的温度相关的一个位置;
    其中,计算所述叶尖间隙的步骤包括以下步骤:
    基于所述转子盘的温度,计算所述转子盘的热增长;
    基于所述转子叶片(16)排的温度计算结果,计算所述转子叶
    片(16)排的热增长;以及
    基于所述涡轮内壳(102)的温度计算结果,计算内壳直径的热
    增长;以及
    其中,计算所述壳-壳距离的步骤包括以下步骤:
    基于所述涡轮外壳(103)的温度计算结果,计算外壳直径的热
    增长。
    5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述燃气轮机
    发动机(10)运行时用近程传感器(22)来测量所述壳-壳距离的步骤包括
    在所述燃气轮机发动机(10)运行时用至少两个近程传感器(22)来测量
    壳-壳距离;以及
    其中,所述至少两个近程传感器(22)在大致相同的轴向位置处在
    所述涡轮外壳(103)的周边周围隔开;周向间隔包括大约90度的偏移。
    6.一种在一个或多个燃气轮机发动机(10)中在所述燃气轮机发动
    机(10)的运行期间计算叶尖间隙的方法,所述一个或多个燃气轮机发
    动机(10)各自包括涡轮内壳(102)和涡轮外壳(103),以及包括具有叶尖
    (106)的至少一个转子叶片(16)的转子叶片(16)排和周围的固定结构
    (109),所述周围的固定结构(109)在所述叶尖(106)的刚好外侧的位置
    处包围所述转子叶片(16)排,使得在所述叶尖(106)和所述周围的固定
    结构(109)之间限定所述叶尖间隙,所述方法包括以下步骤:
    将第一近程传感器(22)定位在第一燃气轮机发动机(10)的热气路
    径内、预定位置上,使得所述第一近程传感器(22)测量所述叶尖间隙;
    将第二近程传感器(22)定位在所述第一燃气轮机发动机(10)的热
    气路径的外部的预定位置上,使得所述第二近程传感器(22)测量限定
    在所述涡轮内壳(102)和所述涡轮外壳(103)之间的壳-壳距离;
    在所述第一燃气轮机发动机(10)中,当所述第一燃气轮机发动机
    (10)运行时,用所述第一近程传感器(22)来测量所述叶尖间隙,并且记
    录叶尖间隙测量结果;
    在所述第一燃气轮机发动机(10)中,当所述第一燃气轮机发动机
    (10)运行时,用所述第二近程传感器(22)来测量所述壳-壳距离,并且
    记录壳-壳距离测量结果;
    基于记录的叶尖间隙测量结果和记录的壳-壳测量结果,开发出
    所述第一燃气轮机发动机(10)中的所述壳-壳距离测量结果和所述叶
    尖间隙测量结果之间的相互关系;以及
    基于所述一个或多个燃气轮机发动机(10)中的壳-壳距离测量结
    果,使用所述相互关系来计算所述叶尖间隙。
    7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:
    所述一个或多个燃气轮机发动机(10)包括单个燃气轮机发动机
    (10);
    在所述第一近程传感器(22)不起作用时,使用所述壳-壳距离测量
    结果基于开发出的相互关系来计算叶尖间隙;以及
    所述一个或多个燃气轮机发动机(10)包括至少两个燃气轮机发动
    机(10):第一燃气轮机发动机(10)和第二燃气轮机发动机(10);
    所述方法进一步包括以下步骤:
    将第三近程传感器(22)定位在所述第二燃气轮机发动机(10)
    的热气路径的外部的预定位置上,使得所述第三近程传感器(22)
    测量所述第二燃气轮机发动机(10)的壳-壳距离;
    在所述第二燃气轮机发动机(10)中,当所述第二燃气轮机发
    动机(10)运行时,用所述第三近程传感器(22)来测量所述壳-壳距
    离,并且记录壳-壳距离测量结果;以及
    使用在所述第一燃气轮机发动机(10)中开发出的相互关系基
    于所述第二燃气轮机发动机(10)中的壳-壳距离测量结果来计算
    所述第二燃气轮机发动机(10)中的所述叶尖间隙。
    8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第一燃气轮
    机发动机(10)和所述第二燃气轮机发动机(10)在设计上基本相似。
    9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:
    所述第一燃气轮机发动机(10)中的叶尖间隙测量与所述第一燃气
    轮机发动机(10)中的壳-壳距离测量在时间上基本一致;
    叶尖间隙测量和壳-壳测量发生在至少多个不同的运行条件上;
    将所述第二近程传感器(22)定位在所述第一燃气轮机发动机(10)
    的热气路径的外部的所述预定位置上包括将至少两个近程传感器(22)
    定位在所述第一燃气轮机发动机(10)的热气路径的外部的两个预定位
    置上;以及
    所述两个预定位置包括在大致相同的轴向位置处在所述涡轮外
    壳(103)的周边周围隔开的位置;周向间隔包括大约90度的偏移。
    10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法进一步
    包括以下步骤:
    将所述第二近程传感器(22)定位在所述涡轮外壳(103)上,并且使
    所述第二近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102);
    将所述第三近程传感器(22)定位在所述涡轮外壳(103)上,并且使
    所述第三近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102)。
    11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述方法进一
    步包括以下步骤:
    在所述第一燃气轮机发动机(10)的所述涡轮内壳(102)上形成目标
    表面(111);
    其中,使所述第二近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102)的步骤
    包括使所述第二近程传感器(22)瞄准所述目标表面(111);以及
    其中,所述目标表面(111)包括基本沿轴向方向对准的基本平面的
    表面。
    12.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述方法进一
    步包括以下步骤:
    在所述第二燃气轮机发动机(10)的所述涡轮内壳(102)上形成目标
    表面(111);
    其中,使所述第三近程传感器(22)瞄向所述涡轮内壳(102)的步骤
    包括使所述第三近程传感器(22)瞄准所述目标表面(111);以及
    其中,所述目标表面(111)包括基本沿轴向方向对准的基本平面的
    表面。
    13.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,用所述第一近程
    传感器(22)进行的叶尖间隙测量和用所述第二近程传感器(22)来测量
    所述壳-壳距离在时间上大致一致。

    说明书

    与涡轮发动机中的叶尖间隙计算相关的方法、系统和设备

    技术领域

    本申请大体涉及用于旋转机械的固定构件和可动构件之间的间
    隙的方法、系统和设备。更具体而言,但不作为限制,本申请涉及与
    测量燃气轮机发动机中的旋转涡轮叶片和周围的固定结构之间的叶
    尖间隙有关的方法、系统和设备,如本文所用且除非明确作出其它表
    示,燃气轮机发动机意在包括所有类型的涡轮发动机或旋转式发动
    机,包括燃气涡轮发动机、飞行器发动机、蒸汽涡轮发动机。

    背景技术

    燃气涡轮发动机(如下面所述,其可用来示出本发明的示例性应用)
    包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮一般包括沿轴向堆叠成级
    的叶片排。各个级包括一排固定的沿周向隔开的定子叶片,以及一排
    绕着中心轴线或轴旋转的转子叶片16。在运行中,一般而言,压缩机
    转子叶片16绕着轴旋转,并且以与定子叶片一起起作用的方式来压
    缩空气流。然后在燃烧器中使用压缩空气供应来燃烧燃料供应。然后,
    燃烧所产生的热的膨胀气体流(即工作流体)膨胀通过发动机的涡轮区
    段。通过涡轮的工作流体流引起转子叶片16旋转。转子叶片16连接
    到中心轴上,使得转子叶片16的旋转使轴旋转。这样,包含在燃料
    中的能量就被转换成旋转轴的机械能,该机械能例如可用来使压缩机
    的转子叶片16旋转,使得产生燃烧所需要的压缩空气供应,以及用
    来使发电机的线圈旋转,从而产生电功率。在运行期间,因为热气路
    径的极端温度、工作流体的速度和发动机的旋转速度的原因,转子叶
    片16因极端的机械载荷和热载荷而变得受到很大的应力。

    本领域普通技术人员将理解,燃气涡轮发动机的效率受到转子叶
    片16的外部径向尖端和周围的固定结构之间的间隙(在本文中称为
    “叶尖间隙”)的显著影响。将理解,较紧的间隙会减少转子叶片16
    周围的泄漏流,这会提高发动机效率。但是,较紧的叶尖间隙会提高
    旋转部件将会在发动机的若干种运行模式中的一种期间与非旋转部
    件发生接触或者抵靠非旋转部件摩擦的风险-尤其是考虑到叶尖间
    隙一般会基于运行条件而变化这一事实。根本上,这是由于许多发动
    机构件的不同的热膨胀特性而引起的。当然,使旋转部件和固定部件
    在运行期间摩擦或进行接触是非常不合需要的,因为其可造成对发动
    机的重大损害或某些构件的故障。另外,一旦经过造成摩擦的事件,
    摩擦就可引起增大的间隙。另一方面,发动机可设计有较松的间隙,
    较松的间隙会降低摩擦部件的可能性。但是,这是不合需要的,因为
    其一般会允许有更多泄漏,并且因此降低发动机的效率。

    许多较新的燃气涡轮机采用主动间隙控制系统来在多种运行条
    件期间管理间隙,从而保持紧密而无摩擦的间隙。将理解,这些系统
    需要有规律的、更新的且准确的叶尖间隙数据来实现间隙控制系统的
    全部好处。传统测量系统用定位在热气路径中的近程传感器来测量叶
    尖间隙。典型地,这些探测器直接定位在转子叶片16上方,并且在
    叶片经过时测量探测器和转子叶片16的叶尖之间的距离。

    这样定位传感器的不利之处在于,传感器会暴露于热气流径的极
    端温度。能够在提供准确测量结果的同时经受住这些条件的传感器是
    昂贵的。即便如此,由于热气路径的极端条件的原因,这些传感器还
    是具有短的使用寿命,这提高了成本和维护要求。而且,这些传感器
    典型地需要冷却空气供应,可从压缩机中放出或者从辅助源中供应该
    冷却空气供应。将理解,这样提供冷却空气会对发动机系统增加复杂
    性,而且,因为出于冷却目的而供应的空气会减少可用于燃烧的空气
    供应的原因,会降低发动机的效率。

    因此,存在对于与准确地计算和监测涡轮发动机中的叶尖间隙的
    成本有效的系统有关的改进的设备、方法和系统的需要。

    发明内容

    在燃气轮机发动机中,本申请描述了一种在该燃气轮机发动机的
    运行期间计算叶尖间隙的方法,该燃气轮机发动机包括涡轮内壳和涡
    轮外壳,以及具有叶尖的转子叶片16排和周围的固定结构,周围的
    固定结构在叶尖的刚好外侧的位置处包围转子叶片16排,从而在叶
    尖和周围的固定结构之间限定叶尖间隙。该方法可包括以下步骤:在
    燃气轮机发动机不运行时,测量冷态叶尖间隙和冷态壳-壳距离;在
    燃气轮机发动机运行时,测量运行参数;在燃气轮机发动机运行时,
    用近程传感器测量壳-壳距离;基于冷态叶尖间隙测量结果和运行参
    数测量结果来计算叶尖间隙;基于冷态壳-壳距离测量结果和运行参
    数测量结果来计算壳-壳距离;将近程传感器的壳-壳距离测量结果与
    壳-壳距离计算结果作比较;以及基于近程传感器的壳-壳距离测量结
    果和壳-壳距离计算结果之间的比较来校准计算出的叶尖间隙计算结
    果。

    在一些实施例中,运行参数测量和壳-壳距离测量在时间上是大
    致一致的。在一些实施例中,运行参数测量结果包括多个运行参数测
    量结果;且该多个运行参数测量结果包括在燃气轮机发动机的至少多
    个不同的运行条件上的运行参数测量结果。

    在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:将近程传感器定
    位在涡轮外壳上的预定位置上,以及使近程传感器瞄向涡轮内壳,使
    得近程传感器测量壳-壳距离;壳-壳距离包括涡轮内壳和涡轮外壳之
    间的距离;以及在涡轮内壳上形成目标表面111。使近程传感器瞄向
    涡轮内壳的步骤包括使近程传感器瞄准目标表面111。目标表面111
    包括基本沿轴向方向对准的基本平面的表面。测量冷态叶尖间隙和冷
    态壳-壳距离包括测量叶尖高度、涡轮内壳直径和涡轮外壳直径。而
    且,测量运行参数包括测量燃气轮机发动机内的多个预定位置处的温
    度;预定位置至少包括:与涡轮内壳的温度相关的一个位置;与涡轮
    外壳的温度相关的一个位置;以及与转子叶片16的转子安装在其上
    的转子盘的温度相关的一个位置。

    在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:基于测得运行参
    数温度来计算燃气轮机发动机内的多个预定位置处的运行温度;预定
    位置至少包括:与涡轮内壳的温度相关的一个位置;与涡轮外壳的温
    度相关的一个位置;与转子叶片16排安装在其上的转子盘的温度相
    关的一个位置;以及与转子叶片16排的温度相关的一个位置。在一
    些实施例中,计算叶尖间隙的步骤包括以下步骤:基于转子盘的温度,
    计算转子盘的热增长;基于转子叶片16排的温度计算结果,计算转
    子叶片16排的热增长;以及基于涡轮内壳的温度计算结果,计算内
    壳直径的热增长。在一些实施例中,计算壳-壳距离的步骤包括以下
    步骤:基于涡轮外壳的温度计算结果,计算外壳直径的热增长。

    在一些实施例中,在燃气轮机发动机运行时用近程传感器来测量
    壳-壳距离的步骤包括在燃气轮机发动机运行时用至少两个近程传感
    器来测量壳-壳距离;且该至少两个近程传感器在大致相同的轴向位
    置处在涡轮外壳的周边周围隔开;周向间隔包括大约90度的偏移。

    本申请进一步描述了:在一个或多个燃气轮机发动机中(其各自包
    括涡轮内壳和涡轮外壳,以及包括具有叶尖的至少一个转子叶片16
    的转子叶片16排和周围的固定结构,周围的固定结构在叶尖的刚好
    外侧的位置处包围转子叶片16排,使得在叶尖和周围的固定结构之
    间限定叶尖间隙),一种在燃气轮机发动机的运行期间计算叶尖间隙的
    方法,该方法包括以下步骤:将第一近程传感器定位在第一燃气轮机
    发动机的热气路径内、预定位置上,使得第一近程传感器测量叶尖间
    隙;将第二近程传感器定位在第一燃气轮机发动机的热气路径的外部
    的预定位置处,使得第二近程传感器测量限定在涡轮内壳和涡轮外壳
    之间的壳-壳距离;在第一燃气轮机发动机中,当第一燃气轮机发动
    机运行时,用第一近程传感器来测量叶尖间隙,并且记录叶尖间隙测
    量结果;在第一燃气轮机发动机中,当第一燃气轮机发动机运行时,
    用第二近程传感器来测量壳-壳距离,并且记录壳-壳距离测量结果;
    基于记录的叶尖间隙测量结果和记录的壳-壳测量结果,开发第一燃
    气轮机发动机中的壳-壳距离测量结果和叶尖间隙测量结果之间的相
    互关系;以及基于一个或多个燃气轮机发动机中的壳-壳距离测量结
    果,使用该相互关系来计算叶尖间隙。

    在一些实施例中,该一个或多个燃气轮机发动机包括单个燃气轮
    机发动机;在第一近程传感器不起作用时,使用壳-壳距离测量结果
    基于开发出的相互关系来计算叶尖间隙;以及该一个或多个燃气轮机
    发动机包括至少两个燃气轮机发动机:第一燃气轮机发动机和第二燃
    气轮机发动机。在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:将第
    三近程传感器定位在第二燃气轮机发动机的热气路径的外部的预定
    位置上,使得第三近程传感器测量第二燃气轮机发动机的壳-壳距离;
    在该第二燃气轮机发动机中,在第二燃气轮机发动机运行时,用第三
    近程传感器来测量壳-壳距离,并且记录壳-壳距离测量结果;以及使
    用在第一燃气轮机发动机中开发出的相互关系,基于第二燃气轮机发
    动机中的壳-壳距离测量结果来计算第二燃气轮机发动机中的叶尖间
    隙。

    在一些实施例中,第一燃气轮机发动机和第二燃气轮机发动机在
    设计上是基本相似的。

    在一些实施例中,第一燃气轮机发动机中的叶尖间隙测量与第一
    燃气轮机发动机中的壳-壳距离测量在时间上基本一致;叶尖间隙测
    量和壳-壳测量发生在至少多个不同的运行条件上;将第二近程传感
    器定位在第一燃气轮机发动机的热气路径的外部的预定位置上包括
    将至少两个近程传感器定位在第一燃气轮机发动机的热气路径的外
    部的两个预定位置上;且这两个预定位置包括在大致相同的轴向位置
    处在涡轮外壳的周边周围隔开的位置;周向间隔包括大约90度的偏
    移。

    在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:将第二近程传感
    器定位在涡轮外壳上,并且使第二近程传感器瞄向涡轮内壳;将第三
    近程传感器定位在涡轮外壳上,并且使第三近程传感器瞄向涡轮内
    壳。

    在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:在第一燃气轮机
    发动机的涡轮内壳上形成目标表面111。在一些实施例中,使第二近
    程传感器瞄向涡轮内壳的步骤包括使第二近程传感器瞄准目标表面
    111;且目标表面111包括基本沿轴向方向对准的基本平面的表面。

    在一些实施例中,该系统进一步包括以下步骤:在第二燃气轮机
    发动机的涡轮内壳上形成目标表面111;使第三近程传感器瞄向涡轮
    内壳的步骤包括使第三近程传感器瞄准目标表面111;以及其中,目
    标表面111包括基本沿轴向方向对准的基本平面的表面。

    在一些实施例中,用第一近程传感器进行的叶尖间隙测量和用第
    二近程传感器来测量壳-壳距离在时间上大致一致。

    在结合附图和所附权利要求书审阅优选实施例的以下详细描述
    之后,本申请的这些和其它特征将变得显而易见。

    附图说明

    通过仔细研究结合附图得到的本发明的示例性实施例的以下更
    加详细的描述,将更充分地理解和了解本发明的这些和其它特征,其
    中:

    图1是其中可使用本申请的某些实施例的示例性涡轮发动机的示
    意图;

    图2是图1的燃气涡轮发动机的压缩机区段的截面图;

    图3是图1的燃气涡轮发动机的涡轮区段的截面图;

    图4是根据传统设计的叶尖间隙系统的示意图;

    图5是根据本申请的一个示例性实施例的叶尖间隙系统的示意
    图;

    图6是根据本申请的一个备选实施例的叶尖间隙系统的示意图;

    图7是根据本申请的一个示例性实施例的逻辑流程图;以及

    图8是根据本申请的一个备选实施例的逻辑流程图。

    部件列表:

    10燃气涡轮发动机

    11压缩机

    12涡轮

    13燃烧器

    14压缩机转子叶片

    15压缩机定子叶片

    16涡轮转子叶片

    17涡轮定子叶片

    20传统叶尖间隙系统

    22近程传感器

    100叶尖间隙系统

    102涡轮内壳

    103涡轮外壳

    104叶尖高度

    105涡轮轴线

    106叶尖

    107叶轮

    108叶尖间隙

    109周围的固定结构

    110内壳厚度

    111目标表面

    112壳-壳距离

    120近程传感器

    124温度传感器

    125控制系统

    具体实施方式

    作为首先要做的事情,为了清楚地传达本申请的发明,可能必须
    选择引用和描述涡轮发动机和相关系统的某些部件或机器构件的用
    语。在任何可能的情况下,将以与其公认的意思一致的方式使用和采
    用工业用语。但是,意思是任何这种用语都将被赋予宽泛的含义而不
    将其狭隘地理解为使得本文预期的含义和所附权利要求书的范围受
    到不合理的限制。本领域普通技术人员将理解,通??墒褂萌舾筛霾?br />同的用语来引用特定的构件。另外,在本文中可被描述为单个部件的
    部件可包括若干个组成部分,并且可在另一环境中被称为由若干个组
    成部分组成,或者,在本文中可描述为包括多个组成部分的部件可被
    改造成单个部分且在一些情况下被称为单个部分。因而,在理解本文
    描述的本发明的范围时,不仅应当注意所提供的用语和描述,而且还
    应当注意本文所提供的构件的结构、构造、功能和/或用途。

    另外,可在本文中有规律地使用若干个描述性用语,而且就此而
    言,限定这些用语可能是有帮助的。在它们用于本文中的情况下,这
    些用语及其定义如下。用语“转子叶片”,在没有另外的特别性的情
    况下,是对或者压缩机或者涡轮的旋转叶片的引用,旋转叶片包括压
    缩机转子叶片16和涡轮转子叶片16两者。用语“定子叶片”,在没
    有另外的特别性的情况下,是对或者压缩机或者涡轮的固定叶片的引
    用,固定叶片包括压缩机定子叶片和涡轮定子叶片两者。用语“叶片”
    将在本文中用来引用任一种类型的叶片。因此,在没有另外的特别性
    的情况下,用语“叶片”包括了所有类型的涡轮发动机叶片,包括压
    缩机转子叶片16、压缩机定子叶片、涡轮转子叶片16和涡轮定子叶
    片。另外,如本文所用,“下游”和“上游”以及“前向”和“后向”
    是表明相对于通过涡轮的工作流体流的方向的用语。因而,用语“下
    游”指的是大体与工作流体流的方向相对应的方向,而且用语“上游”
    或“前向”大体指的是与工作流体流的方向相反的方向。用语“后”
    或“后向”和“前”或“前向”大体指的是关于工作流体流的相对位
    置。有时,在给定本描述的情况下将清楚的是,用语“后”和“前”
    可指旋转部件的旋转方向。在这种情况下,在给定了部件旋转所沿的
    方向的情况下,旋转部件的“前缘”是前部边缘或前向边缘,而在给
    定了部件旋转所沿的方向的情况下,旋转部件的“后缘”就是后向边
    缘或后部边缘。

    用语“径向”指的是垂直于轴线的运动或位置。通常需要描述关
    于轴线处在不同的径向位置处的部件。在这种情况下,如果第一构件
    处于比第二构件更靠近轴线处,则在本文中可声明,第一构件在第二
    构件的“径向内部”或“内侧”。在另一方面,如果第一构件处于比
    第二构件离轴线更远处,则在本文中可声明第一构件在第二构件的
    “径向外部”或“外侧”。用语“径向”指的是平行于轴线的运动或
    位置。最后,用语“周向”指的是绕着轴线的运动或位置。

    作为背景,现在参照附图,图1至3示出了其中可使用本申请的
    实施例的一个示例性燃气涡轮发动机。本领域技术人员将理解,本发
    明不限于这种类型的用途。如所声明的那样,本发明可用于燃气涡轮
    发动机(例如发电和飞机中所使用的发动机)、蒸汽涡轮发动机和其它
    类型的旋转式发动机。图1是燃气涡轮发动机10的示意图。一般而
    言,燃气涡轮发动机通过从由于燃料在压缩空气流中燃烧而产生的加
    压热气流中提取能量来运行。如图1所示,燃气涡轮发动机10可构
    造有通过公共轴或转子以机械的方式联接到下游涡轮区段或涡轮12
    上的轴向压缩机11,以及定位在压缩机11和涡轮12之间的燃烧器
    13。

    图2示出了可在图1的燃气涡轮发动机中使用的一个示例性的多
    级轴向压缩机11的视图。如图所示,压缩机11可包括多个级。各个
    级可包括压缩机转子叶片14排,后面是压缩机定子叶片15排。因此,
    第一级可包括绕着中心轴旋转的压缩机转子叶片14排,后面是在运
    行期间保持固定的压缩机定子叶片15排。压缩机定子叶片15大体彼
    此沿周向隔开,并且固定在旋转轴线的周围。压缩机转子叶片14沿
    周向隔开,并且附连到轴上;当轴在运行期间旋转时,压缩机转子叶
    片14绕着该轴旋转。如本领域普通技术人员将理解的那样,压缩机
    转子叶片14构造成使得在绕着轴旋转时,它们对流过压缩机11的空
    气或流体施加动能。除图2所示的级之外,压缩机11可具有其它级。
    另外的级可包括多个沿周向隔开的压缩机转子叶片14,后面是多个沿
    周向隔开的压缩机定子叶片15。

    图3示出了可在图1的燃气涡轮发动机中使用的一个示例性涡轮
    区段或涡轮12的局部视图。涡轮12也可包括多个级。示出了三个示
    例性的级,但是涡轮12中可存在更多或更少的级。第一级包括在运
    行期间绕着轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片16,以及在运行期
    间保持固定的多个喷嘴或涡轮定子叶片17。涡轮定子叶片17大体彼
    此沿周向隔开,并且固定在旋转轴线的周围。涡轮转子叶片16可安
    装在涡轮叶轮(未显示)上,以绕着轴(未显示)旋转?;故境隽宋新?2
    的第二级。第二级类似地包括多个沿周向隔开的涡轮定子叶片17,后
    面是多个沿周向隔开的涡轮转子叶片16,该涡轮转子叶片也安装在涡
    轮叶轮上以进行旋转?;故境隽说谌?,并且第三级类似地包括多个
    涡轮定子叶片17和转子叶片16。将理解,涡轮定子叶片17和涡轮转
    子叶片16位于涡轮12的热气路径中。通过热气路径的热气流的方向
    由箭头指示。如本领域普通技术人员将理解的,除了图3所示的级之
    外,涡轮12可具有其它级。各个另外的级可包括涡轮定子叶片17排,
    后面是涡轮转子叶片16排。

    在使用时,轴向压缩机11内的压缩机转子叶片14的旋转可压缩
    空气流。在燃烧器13中,当压缩空气与燃料混合且点燃时,可释放
    能量。然后来自燃烧器13的所产生的热气流(其可被称为工作流体)
    被引导经过涡轮转子叶片16,工作流体流引起涡轮转子叶片16绕着
    轴旋转。从而,工作流体流的能量就转换成旋转叶片的机械能,并且
    因为转子叶片16和轴之间的连接而转换成旋转轴的机械能。然后轴
    的机械能可用来驱动压缩机转子叶片14旋转,使得产生必要的压缩
    空气供应,而且还(例如)驱动发电机来产生电力。

    图4示出了根据传统设计的叶尖间隙系统20,其可用来在涡轮发
    动机运行时确定叶尖间隙。系统20可包括在涡轮转子叶片16的级的
    周边的周围隔开的一个或多个传统的近程传感器22。特别而言,近程
    传感器22可从外侧位置安装在包围转子叶片16的固定结构中。这样,
    近程传感器22就可定位成使其从径向外部位置面向涡轮转子叶片16
    的级。从这个位置,近程传感器22可测量从近程传感器22到涡轮转
    子叶片16的外侧尖端的距离,该距离大体表明了旋转部件(即转子叶
    片16)和包围它们的固定结构之间的间隙。

    在使用中,图4的系统20可进行有规律的测量,使得可了解或
    计算涡轮叶片16的外部径向尖端和固定结构之间的距离??山胝?br />些测量有关的数据发送给主动间隙控制系统(未显示),在该系统中,
    这些数据可用来以提高性能的方式控制或操纵叶尖间隙。也就是说,
    假定在由近程传感器22进行测量的情况下,间隙控制系统可在多种
    运行条件期间管理间隙,从而保持了紧密而无摩擦的间隙。将理解,
    这种性质的间隙控制系统需要有规律的准确的叶尖间隙测量来实现
    使用它们的所有好处。

    这样定位近程传感器22的不利之处在于,近程传感器22会暴露
    于热气流径的高温。能够在提供准确测量的同时经受住这些条件的传
    感器是昂贵的。即便如此,由于热气路径的极端条件的原因,这些传
    感器典型地(还是)具有短的使用寿命,这提高了成本和维护要求。为
    了提高传感器的使用寿命,可对它们提供冷却空气供应,以使它们保
    持冷却??纱友顾趸虼右恍└ㄖ粗刑峁┱庵挚掌?。将理解,对传
    感器提供冷却空气会对发动机的系统增加复杂性,而且,因为出于冷
    却目的而供应的空气会减少可用于燃烧的空气供应,这需要运行一些
    辅助源,使用辅助源会降低发动机的效率。

    图5示出了根据本发明的一个实施例的叶尖间隙系统100,其可
    用来在涡轮发动机运行时确定叶尖间隙。该叶尖间隙系统100被显示
    为其可用于以局部截面图显示的示例性燃气轮机发动机的涡轮。将理
    解,该叶尖间隙系统100还可用于具有不同构造和/或构件的涡轮发动
    机中。该叶尖间隙系统100可与至少包括涡轮内壳102和涡轮外壳103
    的涡轮体系结构一起使用。

    如图所示,图5涉及若干尺寸,这可有助于描述系统100的运行。
    在本文中提到第一尺寸,并且第一尺寸在图5中指的是“叶尖高度
    104”。这个尺寸表示从涡轮的中心轴线105到涡轮转子叶片16的外
    部径向尖端(其在本文中称为“叶尖106”)的距离。将理解,叶尖高度
    104典型地由涡轮叶轮107的半径(涡轮转子叶片16安装到该涡轮叶
    轮107中)和转子叶片16的径向高度(即,转子叶片16延伸超出涡轮
    叶轮107所达到的范围)组成。

    在本文中提到第二尺寸,并且第二尺寸在图5中指的是“叶尖间
    隙108”。如上面所声明的那样,叶尖间隙108是叶尖106和包围叶
    尖106的固定结构之间的距离。在本文中提到包围叶尖106的固定结
    构,并且其在图5中指的是“周围的固定结构109”,并且意在包括
    从叶尖106的刚好外侧的位置处于最靠近叶尖106处的任何固定的构
    件或结构。如图5所示,周围的固定结构109可包括固定护罩。因此,
    在图5所示的构造中,叶尖间隙108是叶尖106和固定护罩之间的距
    离。

    将理解,固定构件和旋转构件之间的叶尖间隙108形成泄漏路径,
    而且大体上,叶尖106和周围的固定结构109构造成以便共同形成阻
    碍通过此通道的泄漏的密封。因为对于密封此通道而言存在若干种不
    同的密封策略,所以叶尖106和周围的结构109可采取许多种形式。
    因而,将理解,在叶尖106和周围的固定结构109处可存在许多类型
    的构件或结构。例如,在一些情况下,转子叶片16可具有尖端护罩(未
    显示)。在这种情况下,尖端护罩的最外部区域(其在许多情况下将是
    刀齿)将会形成叶尖106。外部流径密封件可包括包含耐磨材料的固定
    护罩,刀齿切入耐磨材料中,并且由此形成密封。将理解,本发明不
    限于任何特定的叶尖106/周围的固定结构109组件,并且可用于所描
    述的或图5中显示的那些中的任何一种以及其它结构构造。在许多情
    况下,叶尖间隙108是存在于叶尖106和周围的固定结构109之间的
    最小距离。叶尖间隙108也可描述为在旋转部件和固定部件之间发生
    不合需要的摩擦之前叶尖106和周围的固定结构109必须朝彼此运动
    的距离。

    在本文中提到第三尺寸,并且第三尺寸在图5中指的是内壳厚度
    110。顾名思义,内壳厚度110是涡轮内壳102的厚度。如图所示,
    内壳厚度110典型地包括下者之间的距离:a)周围的固定结构109的
    内部径向边界;以及b)在涡轮内壳102的外部径向表面上的目标表面
    111。取决于周围的固定结构109的特定构造,内壳厚度110可包括
    如图5的示例性构造中所描绘的固定护罩的厚度。如在下面更加详细
    地论述的那样,目标表面111可为近程传感器120可对准的、涡轮内
    壳102上的任何外表面(或者附连到涡轮内壳102上的构件的外部径向
    表面)。在一个实施例中,如图5所示,目标表面111可包括沿轴向方
    向对准的平的表面(即,与从相同的径向位置沿轴向方向延伸的基准线
    一起形成大约0°的角的表面)??稍谖新帜诳?02中实施这种类型的
    目标表面111,或可将其机械加工到涡轮内壳102中,使得其与涡轮
    内壳102成一体,或者目标表面111可为附连的构件,该附连的构件
    构造成以便产生期望构造和/或具有促进由近程传感器120进行准确
    测量的表面特性。将理解,由于涡轮内壳102和涡轮外壳103在运行
    期间相对于彼此略微沿轴向运动的原因,沿轴向对准的目标表面111
    会提高系统的准确性,而倾斜表面可表明涡轮内壳102和涡轮外壳103
    已经朝向或远离彼此运动(当实际上其是引起这种结果的轴向运动
    时)。

    在本文中提到第四尺寸,并且第四尺寸在图5中指的是壳-壳距
    离112???壳距离112大体表示外壳103和涡轮内壳102之间的距离。
    更具体而言,如在下面更加详细地论述和在图5中显示的那样,壳-
    壳距离可表示刚性地安装到涡轮外壳103上的近程传感器120和涡轮
    内壳102上的目标表面111之间的距离。

    在根据本发明的系统中可包括一个或多个其它构件或仪器。如图
    5所示,系统100可包括一个或多个近程传感器120。近程传感器120
    可刚性地安装到涡轮外壳103上。近程传感器120可安装成通过壳
    103(如图所示)或安装到壳103的内部径向表面上。这样,近程传感器
    120就可构造成以便瞄向内壳102的外部径向表面和/或形成于其上的
    目标表面111。然后近程传感器120可瞄准成使得传感器120测量从
    近程传感器120到内壳102的距离,将理解,该距离可用来计算外壳
    103和内壳102之间的距离(即壳-壳距离112)的任何相关变化。近程
    传感器120可包括可用来执行此功能的任何类型的近程传感器。在一
    个优选实施例中,近程传感器120是激光近程探测器。在其它实施例
    中,近程传感器120可为涡流传感器、电容传感器、微波传感器或任
    何其它相似类型的装置。

    在一些实施例中,可使用单个近程传感器120。如图5所示,这
    个近程传感器120可位于紧邻转子叶片16排的轴向位置的轴向位置
    处。然后此单个近程传感器120可用作系统的一部分,以针对那个特
    定的转子叶片16排计算叶尖间隙108。将理解,在与其它转子叶片
    16排一致的轴向位置处可存在其它近程传感器120,使得其它近程传
    感器120可用于这些其它转子叶片16排(关于叶尖间隙108的计算)。
    在其它实施例中,单个近程传感器120可关于多个转子叶片16排来
    使用。此布置可导致对于在更加远离传感器120的轴向位置的位置上
    的排,准确性略微降低。

    在一些实施例中,叶尖间隙测量系统100可包括在相同的近似轴
    向位置处在涡轮的周边的周围隔开的多个近程传感器120。这样进行
    布置可提高系统的准确性-尤其是在具有“半壳”壳体构造的较大型涡
    轮中。在这些类型的涡轮中,壳结构典型地构造成具有螺栓连接的水
    平接头。如本领域普通技术人员将理解的那样,由于此水平接头,热
    增长会导致“椭圆化”。也就是说,壳会沿着水平接头膨胀更多,使
    得连结的壳形成略微椭圆形的形状,而非保持圆形。在这种情况下,
    具有沿着水平接头(或者在水平接头附近)监测壳-壳距离的近程传感
    器和相对于水平接头(或者在此位置附近)在90度的位置处监测壳-壳
    距离的另一个近程传感器允许解决椭圆化情况??悸堑皆谄舳蚱渌?br />瞬态运行时期期间涡轮内壳以比涡轮外壳更大的速率变热(并且因此
    “椭圆化”)这一事实,这可能非常重要。

    另外,在一个备选实施例中,近程传感器120可安装到内壳102
    上,使得传感器120通过测量传感器120在涡轮内壳102上的位置和
    涡轮外壳103上的目标表面111之间的距离来测量壳-壳距离112。将
    理解,在任一位置上,即安装到外壳103上或者安装到内壳102上,
    近程传感器120都不会暴露于热气路径的恶劣条件。因此,近程传感
    器120将会暴露于低得多的温度,这将允许传感器制造起来不那么昂
    贵,延长传感器120的部件寿命,并且消除或减少用以冷却传感器120
    的冷却空气的使用。

    在一些实施例中,叶尖间隙测量系统100可包括一个或多个温度
    传感器124,其可为热电偶或其它装置。温度传感器124可用来获取
    关于涡轮发动机内的、叶尖间隙被计算所处的区域中的若干个构件的
    温度并且被用于该计算中的数据。例如,温度传感器124可定位成以
    便确定外壳103的温度(其可包括沿着外壳103的内部径向表面和外部
    径向表面中的一个或两者的温度测量结果)和内壳102的温度(其可包
    括沿着内壳102的内部径向表面和外部径向表面中的一个或两者的温
    度测量结果)。涡轮内壳102和涡轮外壳103之间的腔体的温度也可由
    温度传感器124中的一个获得。

    通过传统方式,近程传感器120和/或温度传感器124可配置成使
    得它们连接到控制系统125上。这些连接在图5中由虚线指示??刂?br />系统125可为计算机实现的装置,该装置与若干个传感器进行电子通
    讯,并且配置成以便基于其接收到的编程的指令和逻辑与数据来进行
    计算。例如,控制系统125可实现为具有用于进行整体的系统级控制
    的主要的或中央处理器部分和在中央处理器部分的控制下专门执行
    各种不同的具体组合、功能和其它过程的分开的部分的单个专用集成
    电路,例如ASIC。本领域技术人员将理解,也可使用各种各样的单
    独的专用或可编程的集成电路或装置或其它电子电路或装置(例如硬
    接线电子电路或逻辑电路,包括离散元件电路或可编程的逻辑装置,
    例如PLD、PAL、PLA等等)来实现该控制系统。也可单独地或与一
    个或多个外围数据和信号处理装置结合起来使用经过适当地编程的
    通用计算机(例如微处理器或微控制器)或其它处理器装置(例如CPU
    或MPU)来实现控制系统125。

    另外,如与用来监测和控制燃气轮机发动机的运行的许多传统的
    计算机化的控制系统一样,控制系统125可包括使计算结果与多个运
    行参数相关的计算机化的模型和应用。例如,控制系统125可包括经
    过编程的逻辑,该逻辑基于运行参数(例如载荷、环境条件、燃料特性
    及其它)来计算涡轮12中的运行温度??刂葡低?25还可包括经过编
    程的模型和逻辑,该逻辑计算叶轮107、转子叶片16、涡轮内壳102
    的厚度、涡轮外壳103的厚度、涡轮内壳102的直径和/或涡轮外壳
    103的直径的热增长。如本领域普通技术人员将理解的那样,这些计
    算可基于测得温度或控制系统125基于其它测得运行参数和条件所计
    算出来的那些温度。

    控制系统125和若干个传感器120、124可配置成以便进行电子
    通讯。将理解,在某些实施例中,控制系统125可接收、存储分别从
    近程传感器120和温度传感器124中取得的近程数据和温度数据,以
    及基于它们来进行计算??刂葡低?25还可配置成与传统的主动叶尖
    间隙控制系统结合起来运行,传统的主动叶尖间隙控制系统可包括影
    响转子叶片16的叶尖间隙的电机系统的控制。这样,本发明的叶尖
    间隙108计算结果就可由传统的主动叶尖间隙控制系统用来以提高性
    能的方式或期望的方式操纵叶尖间隙。

    在使用中,叶尖间隙系统100可用来准确地计算叶尖间隙108数
    据,而不会引起在涡轮的热气路径中持续运行近程传感器的费用。也
    就是说,叶尖间隙系统100可用来基于位于涡轮的热气路径的外部的
    近程传感器120所进行的测量,准确地计算叶尖间隙108数据。本发
    明利用了这一发现:即通过测量在外壳103和内壳102之间的距离发
    生的变化,可更加准确地计算叶尖间隙变化。虽然直接在热气路径内
    测量叶尖间隙(如现有技术系统所教导)可产生略微更准确的结果,但
    是本发明在准确性和成本有效性之间取得了平衡,这使得本发明在许
    多类型的应用中都是有吸引力的以及有用的。也就是说,在本发明所
    提供的成本节约性(即,使用较不昂贵的近程传感器,较长的近程传感
    器部件寿命,减少或消除用于近程传感器的冷却空气等)的情况下,根
    据本发明的叶尖间隙测量系统通常对不愿支付在热气路径中运行近
    程传感器的相对高的费用的系统管理员提供了一种有吸收力的备选
    方案。

    图6提供了本发明的一个备选实施例。如图所示,图6包括在热
    气路径中的近程传感器22和安装到涡轮外壳103上的近程传感器
    120,它们两者均可按上述那样进行构造和运行。以下在关于图8的
    论述中提供了这个组合系统的运行。

    关于图7和8的逻辑流程图对本发明的两个不同的实施例的运行
    进行描述。参照图7,过程200可在方框202处开始。在这个初始步
    骤处,可获得相关尺寸的“冷态”(即非运行和静态的)测量结果尺寸。
    将理解,大体在传统的涡轮组装和维护日常工作期间已经采取了这个
    步骤。这些测量结果可包括:冷态测得叶尖高度104、冷态-测得叶尖
    间隙108、冷态-测得内壳厚度110和冷态测得壳-壳距离112??苫?br />得一次这些冷态尺寸的测量结果,并且之后可在延长的时期中使用这
    些测量结果。在涡轮发动机不运行的任何时候,还可有规律地更新冷
    态尺寸的测量结果,这可提高该方法的准确性。

    该过程可从方框202前进到方框204。在此步骤处,控制系统125
    可在涡轮发动机运行时监测该涡轮发动机的若干个运行参数。这些运
    行参数可包括多种系统传感器(其可包括近程传感器120、温度传感器
    124以及其它)中的任何一种所获得的任何测量结果??捎上低巢饬亢?br />监测的其它运行参数可包括例如载荷水平、环境条件、壳-壳距离、
    热气路径温度、涡轮内壳温度、涡轮外壳温度、燃料条件、压力水平
    和其它。

    该过程可从方框204前进到方框206。在此步骤处,该过程可基
    于来自方框204的测得参数来计算其它涡轮发动机运行参数。例如,
    可使用如上所述的传统的涡轮运行程序和模型来逼近或计算涡轮中
    的温度水平,如本领域普通技术人员将理解的,已经使用已知公式、
    物理定律、材料属性、燃气轮机发动机运行的历史数据以及其它相关
    信息开发出了传统的涡轮运行程序和模型。例如,使用这些传统程序
    和模型以及测得的或已知的发动机运行参数,可计算叶尖高度104的
    变化。这种计算典型地基于已知是由于热气路径中的当前的温度水平
    和新近的温度水平(即涡轮叶轮107和涡轮转子叶片16所经历的当前
    的温度和新近的温度)所引起的叶轮107和转子叶片16的热增长。以
    同样的方式,使用实际温度数据或基于在给定其它测得涡轮运动特性
    的情况下进行的计算的温度数据,还可在步骤206处计算内壳厚度110
    的热增长、涡轮内壳102的直径的热增长、涡轮外壳103的厚度的热
    增长和涡轮外壳103的直径的热增长。将理解,可使用传统方法来计
    算热增长。在一个这种方法中,与热增长相关的材料属性包括乘数,
    在乘以温度的度数变化时,该乘数提供了关于特定构件的热增长的距
    离。

    该过程可从方框206前进到方框208。在此步骤处,该过程可计
    算当前叶尖间隙108。将理解,在传统系统中,可在给定测得冷态尺
    寸和计算热增长特性(在给定测得和/或计算的温度数据的情况下)的情
    况下来进行此计算。在传统系统中,这种类型的叶尖间隙108计算结
    果尽可能地准确,而不用将近程传感器置于热气路径中,且不用在发
    动机运行期间直接测量叶尖间隙108。但是,在本发明中,根据一个
    实施例,可在去除计算结果的变化的最重要的分量之一且用实时测量
    结果代替该分量时进行叶尖间隙108计算。更具体而言,近程传感器
    120用来提供壳-壳距离112的当前的和非常准确的测量结果,当然,
    该测量结果精确地表明涡轮内壳102的位置相对于涡轮外壳103的位
    置的变化。这样,以前必须使用涡轮发动机模型来逼近的(量)被直接
    且准确地测量出来,将理解,这可用来校准或提高叶尖间隙计算结果
    的准确性。

    在一个实施例中,在给定预计壳-壳距离112和测得壳-壳距离
    112的情况下校准在方框208处进行的叶尖间隙计算。也就是说,在
    给定涡轮外壳103上的近程传感器120测得的距离的实际测量结果的
    情况下校准涡轮内壳102相对于涡轮外壳103的预计变化(即使用传统
    系统所预计到的变化)。将理解,这个校准(其去除了过程的很大水平
    的不确定性)可提高最终的叶尖间隙108计算结果的准确性。在计算了
    叶尖间隙108之后,过程就可返回到方框204,并且再次循环通过该
    过程。在一些实施例(未显示)中,该过程可将计算出的叶尖间隙108
    报告给传统的主动叶尖间隙控制系统。

    现在参照图8,提供了逻辑图300,其描述了本申请的一个备选
    实施例。此方法使用图6所示的组合系统,即结合了近程传感器22
    的系统,近程传感器22定位在热气路径中,以直接用定位成以便测
    量壳-壳距离112(如关于图5所描述的那样)的近程传感器120来测量
    (如关于图4所描述的那样)叶尖间隙108。如以下所描述的那样,这种
    性质的系统可用来开发或得出测得叶尖间隙108数据和测得壳-壳距
    离112数据之间的相互关系??稍诘ジ龇⒍锌⒊龃讼嗷ス叵凳?br />据,且然后将其应用于类似地设计的发动机。这样,与具有位于热气
    路径中的近程传感器相关的许多提高的准确性就可应用于大量发动
    机,同时仅在单个发动机中产生运行热气路径传感器的成本。如上所
    述,壳-壳距离112的变化和叶尖间隙108的变化之间存在强烈的相
    互关系的发现使这个方法变成可能。

    过程300可在方框302处开始。在这个初始步骤处,使具有用以
    直接测量叶尖间隙108的热气路径近程传感器22和用以测量壳-壳距
    离112的近程传感器120两者的涡轮发动机运行,并且收集数据。这
    可包括监测所有类型的运行参数(例如以上列出的那些),以及记录各
    个近程传感器22、120所获得的测量结果。这还可包括获得相关尺寸
    的“冷态”测量结果,如上所述。该过程可从方框302继续到方框304。

    在方框304处,该过程可确定测得壳-壳距离112和测得叶尖间
    隙108距离之间的相互关系。作为它的一部分,该过程可识别不同的
    运行条件可如何影响这个相互关系。将理解,通过记录覆盖运行条件
    的范围的更大量的运行数据,以及通过收集关于不止一个或若干个具
    有类似的或基本相同的设计的涡轮发动机的相互关系数据,可提高这
    个相互关系的准确性。

    在方框306处,该过程可将在方框304处开发出的相互关系应用
    于在其上对该相互关系进行收集的涡轮发动机或一个或多个其它涡
    轮发动机,以在运行期间基于测得壳-壳距离112来计算叶尖间隙
    108。在对于在其上进行相互关系收集的同一涡轮使用相互关系的情
    况下,将理解,这可为有用的,因为在不继续依赖于热气路径中的近
    程传感器22的运行的情况下,高度准确的结果将是可能的。因此,
    一旦热气路径近程传感器22停止起作用,使用壳-壳112测量结果仍
    然可产生准确的叶尖间隙数据,而不需要引起更换热气路径中的近程
    传感器22的成本。如果需要的话,可定期更换或重新激活热气路径
    中的近程传感器22,并且可更新相互关系数据,使得系统的准确度保
    持较高。在方框304处开发出的相互关系也可应用于其它涡轮发动机
    的运行。为了更高的准确性,这些涡轮应当具有类似的设计。为了最
    高的准确性,这些涡轮应当具有基本相同的设计。

    将理解,可全部或部分地结合关于图7和8所论述的过程,使得
    控制系统操作具有各自的元件的组合系统。这样,系统就可包括在运
    行期间基于以下内容来计算叶尖间隙108∶1)计算某些运行参数和测
    得壳-壳距离112的传统模型和程序;以及2)在类似的或相同的发动
    机上开发出的、叶尖间隙108和壳-壳距离之间的相互关系数据。

    如本领域普通技术人员将理解,可进一步选择性地应用以上关于
    若干个示例性实施例所描述的许多不同的特征和构造,以形成本发明
    的其它可行的实施例。虽然(所附的)若干个权利要求包括或以其它方
    式包括的所有组合和可行的实施例意在为本申请的一部分,但是,为
    了简洁起见,而且考虑到本领域普通技术人员的能力,没有提供或详
    细论述所有可能的重复内容。另外,从本发明的若干个示例性实施例
    的以上描述,本领域技术人员将会想到改进、改变和修改。在本领域
    的技能内的这样的改进、改变和修改也意在由所附权利要求书覆盖。
    此外,应当显而易见的是,前述仅涉及本申请的描述的实施例,而且
    在不偏离所附的权利要求书及其等效物所限定的本申请的精神和范
    围的情况下,可在本文中作出许多改变和修改。

    关于本文
    本文标题:与涡轮发动机中的叶尖间隙计算相关的方法、系统和设备.pdf
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