用于平衡推力的方法、渦輪和渦輪發(fā)動機的制作方法
【技術領域】
[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】
[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)與導管相關聯(lián)，導管將高壓壓縮機(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用下，壓縮機氣室(2)位于壓縮機(I)的末級的下游；關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。
[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)，由此應用于內(nèi)表面上的壓力則將牽引力應用于推力軸承上。在“干式”操作中，推力軸承(52)可適應軸向定向的推力；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，電氣裝置或電子裝置設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，如果整個系統(tǒng)所需要的可靠性如同“油氣”應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管關聯(lián)起來，所述第一閥門設置為用于打開和關閉所述第一導管;
其中所述第一閥門設置為當所述第一閥門的上游壓力超過第一預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，
-第一導管，其連接在所述壓力室上，并設置為連接到第一壓力源上，
-第一閥門，其與所述第一導管相關聯(lián)，并設置為用于打開和關閉所述第一導管；其中所述第一閥門設置為當所述第一閥門的上游壓力超過第一預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)明的范圍由附屬權利要求來限定。
[0023]應該注意，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