[发明专利]主动转子对齐控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及旋转机器，例如燃气涡轮机，并且更具体地涉及用于测量和控制转子与周围的壳体结构之间的间隙的系统和方法。

背景技术

旋转机器如燃气涡轮机具有一般称为转子的部分，其在静止壳体构件如护罩(shroud)内旋转。转子与护罩之间必须保持间隙尺寸以防止构件之间的撞击。这在燃气涡轮机中是特别关注的问题。

燃气涡轮机使用从燃烧室排放的热气体来使转子旋转，转子典型地包括在轴周围周向隔开的多个转子叶片。转子轴联接至压缩机以将压缩空气供应给燃烧室，并且在一些实施方式中，供应给发电机以将转子的机械能转换成电能。转子叶片(有时候称为“轮叶”)通常设置在沿着轴的级中并在壳体构造内旋转，该壳体构造可包括用于各相应级的外壳体及内壳体或护罩环。当热气体撞击在叶片上时，使轴转动。

叶片末端与护罩环之间的距离称为“间隙”。当该间隙增加时，涡轮机的效率随着热气体通过该间隙逸散而降低。因此，应当最小化叶片末端与护罩之间的间隙以使涡轮机的效率最大化。另一方面，如果间隙的量太小，则叶片、护罩和其它构件的热膨胀和收缩可导致叶片摩擦护罩，这通常会导致损坏叶片、护罩环和涡轮。因此，重要的是在各种运转状态期间保持最小间隙。

已知多种系统和方法试图通过将旁通空气从压缩机引导到壳体周围来减少壳体在涡轮机运转期间的热膨胀，从而维持精确的间隙。例如，美国专利No.6,126,390描述了一种被动加热-冷却系统，其中根据进入空气的温度计量从压缩机或燃烧室至涡轮机壳体的气流，以便控制涡轮机壳体的冷却速度，或甚至加热壳体。

然而，常规的被动空气冷却系统假设转子和/或护罩的均匀的周向膨胀，并且未对转子与护罩之间发展或固有的偏心度加以考虑。偏心度可因为制造或装配公差而发展，或因为轴承油顶起(bearing oil lift)、支承结构的热增长、振动、涡轮机构件的不均匀热膨胀、壳体滑动、重力下垂等而在涡轮机运转期间发展。在设计中必须考虑预期偏心度，并且因此这些偏心度限制最小设计间隙的量，可实现该最小设计间隙的量而没有在叶片与护罩之间的摩擦。对此问题的常规解决方案是对构件在冷装配期间的相对位置进行静态调节以补偿热运行偏心状态。然而，这种方法不能精确地考虑在涡轮机的运转寿命期间形成的偏心度的变化。

因而，需要主动对齐控制系统和方法来精确地检测和考虑在宽范围的运转状态下涡轮机构件之间形成的偏心度。

发明内容

本发明提供一种主动对齐控制系统和方法，其解决了现有控制系统的一些缺点。本发明额外的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可由描述而变得明显，或可通过实施本发明而获知。

在带有主动转子对齐间隙控制系统的燃气涡轮机的特定实施例中，转子设有转子叶片的至少一个级。转子被旋转地支撑在壳体结构内并且包括带有由相应轴承支撑的相对端的轴。多个致动器与至少其中一个轴承一起配置，以使轴承相对于静止壳体结构移动，从而使转子相对于壳体结构偏心地移位。多个传感器周向隔开在壳体结构周围，并且配置成当转子在壳体结构内旋转时测量指示偏心度的参数，例如转子叶片与壳体结构之间的叶片末端间隙。控制系统与多个传感器以及多个致动器通信，并且配置成控制多个致动器以使轴承相对于壳体结构移位，从而补偿在转子与壳体结构之间检测到的偏心度。在一个特别的实施例中，控制系统可为闭环反馈控制系统。

本发明还包括一种方法，用于其中转子在壳体结构内旋转的旋转机器中转子与壳体结构之间的间隙控制。该机器例如可为燃气涡轮机。该方法包括通过当转子在壳体结构内旋转时感测指示偏心度的参数，例如转子与外壳结构之间的间隙，而检测转子与壳体结构之间的偏心度。响应于任何检测到的偏心度，当转子在壳体结构内旋转时，转子相对于壳体结构移位以补偿检测到的偏心度。

本发明还包括转子到壳体的对齐系统，其一般与旋转机器相关。该系统包括被旋转地支撑在壳体结构中的转子。该转子具有相对的轴端，且各轴端由相应轴承支撑。多个致动器与至少其中一个轴承一起配置，以使轴承移动，并从而使转子相对于壳体结构偏心地移位。多个传感器周向隔开在壳体结构周围，并且配置成当转子在壳体结构内旋转时测量指示偏心度的参数，例如转子与壳体结构之间的间隙。控制系统与多个传感器以及多个致动器通信，并且配置成控制多个致动器来通过使轴承移动而使转子相对于壳体结构移位，从而补偿通过多个传感器在转子与壳体结构之间检测到的偏心度。

附图说明

图1是示例性旋转机器、特别是燃气涡轮机的示意图；