具有围绕转子叶片的罩环的涡轮以及限制涡轮中的工作流体泄漏的方法与流程

1.本文所公开的主题整体涉及涡轮，更具体地涉及具有围绕其转子叶片的新型罩环实施方案的气体涡轮和蒸汽涡轮，并且涉及限制涡轮中的工作流体泄漏的新方法，具体地讲是限制涡轮内的转子叶片尖端周围的工作流体泄漏的新方法。


背景技术：

2.气体涡轮是被设计成处理在机器操作期间在流动通道内部流动的工作流体(诸如空气)的机器；具体地讲，气体涡轮将动能从流动的工作流体传递到机器的转子，从而使其转子转动。
3.涡轮效率可被定义为输出机械转子功率与输入机械工作流体功率的比率。涡轮效率受到涡轮工作操作期间在转子叶片尖端处发生的工作流体泄漏的负面影响。
4.图1示出了已知的(热气体)涡轮100的非常示意性的剖视图。涡轮100包括转子110和定子160。转子110包括轴111和例如固定到轴111的三个轮112；第一轮112
‑
1具有第一叶片阵列113
‑
1(对应于第一膨胀阶段)；第二轮112
‑
2具有第二叶片阵列113
‑
2(对应于第二膨胀阶段)；第三轮112
‑
3具有第三叶片阵列113
‑
3(对应于第三或最后的膨胀阶段)。定子160包括具有外壳161的壳体和将工作流体从入口il引导至出口ol的内部环形流动通道。环形流动通道由定子外壁165和定子内壁169限定，并且在其内部设置有转子叶片阵列(在图1中，存在例如三个转子叶片阵列113
‑
1、113
‑
2和113
‑
3)和定子叶轮阵列(在图1中，存在例如四个定子叶轮阵列167
‑
1、167
‑
2、167
‑
3和167
‑
4)。定子外壁165(其可由直接和/或间接地接合在一起的若干个环制成)通过例如环形构件固定到外壳161；在图1中，存在例如两个环形元件163
‑
1和163
‑
2。定子内壁169(其由若干个环制成)通过例如叶轮阵列固定到外壁165；在图1中，存在例如通过例如四个叶轮阵列167
‑
1、167
‑
2、167
‑
3和167
‑
4分别固定到外壁165的四个内壁环。转子160旋转地联接到定子110；为此，在图1中，存在各自定位在内壁环与轴之间的两个轴承190
‑
1和190
‑
2。
5.然而，在图1的热气体涡轮中，可能在转子叶片113
‑
1、113
‑
2、113
‑
3的尖端与定子外壁165之间的间隙中发生工作流体的泄漏；然而，该间隙避免在涡轮操作期间使(稳定的)外壁和(旋转的)叶片两者接触并因此避免对两者造成损坏。通过适当地选择间隙的尺寸，可在任何操作条件下避免接触(并因此避免损坏)。
6.美国专利4,784,569提供了一种用于限制(热气体)涡轮中的泄漏的解决方案。根据该解决方案，围绕转子叶片尖端的适当成形的罩环提供令人满意的气体密封，使得大部分工作流体经过叶片之间以实现有效的能量提取，并且通过回避叶片的周边而只有非常少的损失。然而，在处于工作温度下的(热气体)涡轮中，任何罩环都会变形(例如，其径向向内或向外弯曲)，并且此类变形可导致罩环与叶片之间的破坏性接触。
′
569专利中的罩环被成形为使得其热变形但保持与叶片的运行间隙。因此，这种类型的罩环仍可发生工作流体的泄漏。
7.因此，希望得到一种新型涡轮，该涡轮在涡轮的工作操作期间在转子叶片的周边具有低泄漏或甚至无泄漏(因此在转子叶片的尖端与罩环的表面之间具有比可能的或由现有技术和设计设想的间隙小的间隙(包括零间隙))，并且具有非常小的接触损坏风险或无接触损坏风险；具体地讲，希望在以下情况下避免由于与定子接触而导致的转子叶片的损坏：不仅a)在工作操作条件下，此时叶片全速旋转并且转子和定子都是热的；而且b)在启动和停机时，此时叶片缓慢旋转并且转子和定子都是冷的；以及c)在升温期间，此时叶片增大其速度，转子是热的并且定子是冷的；以及d)在降温期间，此时叶片减小其速度，转子是冷的并且定子是热的。


技术实现要素：

8.根据一个方面，本文所公开的主题涉及一种包括转子、定子和罩环的涡轮；转子包括至少一个转子叶片阵列，罩环围绕转子叶片阵列延伸，定子包括围绕罩环延伸的壳体；罩环与壳体可移动地联接，以便允许壳体热膨胀和热收缩，从而在涡轮操作期间改变壳体与罩环之间的径向距离。
9.虽然设想将本发明应用于气体涡轮(具体地讲是其多个第一膨胀阶段，更具体地讲是其第一膨胀阶段)，但本发明也可很好地应用于蒸汽涡轮。
10.根据另一方面，本文所公开的主题涉及一种在涡轮的工作操作期间限制涡轮中的转子与定子之间的工作流体泄漏的方法；该涡轮包括具有转子叶片阵列的至少一个转子轮和围绕转子叶片阵列延伸的定子壳体；该定子壳体具有取决于其温度的径向尺寸；该转子轮具有取决于其温度的径向尺寸；该方法包括以下步骤：布置径向尺寸基本上与其温度无关的罩环，同心地围绕转子轮将罩环定位在转子叶片阵列与定子壳体之间，以及将罩环与壳体机械地联接，使得联接的保持与罩环的温度和壳体的温度无关；在涡轮的工作温度下，所述阵列的转子叶片的尖端区域紧邻或接触罩环的内部区域。
11.如将在下文更好地解释，定子壳体由在受热时膨胀并且在冷却时收缩的一种或多种材料制成，通常为金属材料；因此，此类定子壳体在受热时增大其尺寸(包括其径向尺寸)，并且在冷却时减小其尺寸(包括其径向尺寸)。相反，新型罩环由在受热时膨胀非常小并且在冷却时收缩非常小的一种材料(或多种材料)制成，这源于例如低于10μm/m/℃的热膨胀系数；因此，此类罩环在受热时其尺寸(包括其径向尺寸)增大非常少，并且在冷却时其尺寸(包括其径向尺寸)减小非常少。
12.应当注意，如将在下文更好地解释，当所述阵列的转子叶片的尖端区域与罩环的内部区域接触时，仅发生轻微的磨损而无任何接触损坏。
附图说明
13.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
14.图1示出了现有技术涡轮的示意性纵向剖视图；
15.图2示出了涡轮的第一实施方案的局部示意性纵向剖视图；
16.图3示出了图2的涡轮的定子的局部示意性纵向剖视图；
17.图4示出了图2的涡轮的转子的局部示意性纵向剖视图；
18.图5示出了图2的涡轮的罩环的局部示意性纵向剖视图；
19.图6示出了图1的涡轮的定子外壳、罩环和一些键的a
‑
a剖视图；
20.图7示出了处于第一位置/状态的图1的涡轮的一个键的局部放大a
‑
a剖视图；
21.图8示出了处于第二位置/状态的图1的涡轮的一个键的局部放大a
‑
a剖视图；
22.图9示出了处于第一操作状态的图1的涡轮的局部示意性纵向剖视图；
23.图10示出了处于第二操作状态的图1的涡轮的局部示意性纵向剖视图；
24.图11示出了处于第三操作状态的图1的涡轮的局部示意性纵向剖视图；
25.图12示出了涡轮的第二实施方案的局部示意性纵向剖视图；并且
26.图13示出了限制涡轮中的泄漏的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
27.当(热气体)涡轮工作时，其部件具有并保持基本上恒定的工作温度。考虑到这种情况，本发明人已发现，可以理想地选择涡轮部件的形状和尺寸，使得在涡轮操作期间转子叶片的周边不存在工作流体的泄漏。事实上已发现，与现有涡轮设计不同，涡轮转子叶片(参见例如图1中的叶片113
‑
1、113
‑
2和113
‑
3)的尖端与围绕转子叶片(参见例如图1中的外壁165)延伸的定子构件(例如固定的罩环)之间的间隙为零。这样，涡轮效率在工作条件下将最大，这是期望的。
28.在涡轮的升温期间，涡轮部件的温度显著变化，例如，确切地讲，可存在100℃至400℃的温度升高。应当注意，每个涡轮部件经受不同的温度升高，并且温度升高不同时发生在所有地方；一般来讲，首先涡轮转子变热，然后涡轮定子变热。
29.在涡轮的降温期间，发生对应的温度降低，但在这种情况下，首先涡轮转子冷却，然后涡轮定子冷却。
30.当涡轮部件的温度变化时，其尺寸变化；具体地讲，温度升高对应于尺寸增大，并且温度降低对应于尺寸减小。
31.如果作出上文提及的理想选择，则在涡轮启动和停机时，转子叶片的尖端与周围定子构件之间的间隙为零或较小，这是积极的。
32.然而，如果作出上文提及的理想选择，则涡轮叶片将在涡轮的升温期间与围绕涡轮叶片延伸的定子构件接触，因为至少一个涡轮轮连同其叶片将在周围定子构件之前热膨胀；因此，叶片和构件将发生损坏。
33.已经认识到，在启动、停机、升温和降温时涡轮转子叶片周边工作流体的泄漏对总体涡轮效率的影响微不足道，因为如果与工作操作阶段相比，这些操作阶段持续相对较短的时间。
34.如本文所公开的，新型涡轮被布置成在转子是热的时具有低泄漏或无泄漏，并且因此具体地在工作条件下(即在涡轮工作期间)实现高效率。为此，将罩环定位在至少一个涡轮转子叶片阵列周围，从而在转子是热的时提供令人满意的工作流体密封。此类罩环不与涡轮定子刚性地联接；罩环与定子的机械联接(具体地讲是与涡轮壳体的机械联接)允许壳体热膨胀(和热收缩)，而不影响罩环的位置并且因此在涡轮的任何操作条件下都不会泄漏。罩环(参见例如图7中的构件250)和涡轮壳体(参见例如图7中的构件261)可通过一组键(参见例如图7中的构件280
‑
1、280
‑
2、280
‑
3、280
‑
4)径向可滑动地联接。
35.优选地，新型涡轮的罩环具有基本上与其温度无关的尺寸。初始，当转子是冷的时，在转子与环之间的间隙中存在一定泄漏；在该阶段，定子是冷的并且与转子联接；参见例如图9。此后，当转子变热时，转子膨胀，间隙减小到零或几乎减小到零，并且因此泄漏也减小到零或几乎减小到零；在该阶段，定子仍然是冷的并且与转子联接；参见例如图10。最后，转子是热的并膨胀，并且间隙以及泄漏保持为零或几乎为零；在该阶段，定子变热并膨胀，但保持与转子联接；参见例如图11。
36.虽然设想将本发明应用于气体涡轮(具体地讲是其多个第一膨胀阶段，更具体地讲是其第一膨胀阶段)，但本发明也可很好地应用于蒸汽涡轮。
37.现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
38.当介绍各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。
39.现在参考附图，从图2至图8的附图是被构造成具有新型罩环的(热气体)涡轮的同一第一实施方案的不同视图。具体地讲，这些附图是处于涡轮的第一膨胀阶段的视图。然而，可在涡轮的任何膨胀阶段使用相同的解决方案或类似的解决方案。此外，可在涡轮的若干个膨胀阶段使用相同的解决方案或类似的解决方案。
40.通过将图1中的涡轮100处于第一膨胀阶段的结构(对应于叶片113
‑
1)与图2中的涡轮200处于第一膨胀阶段的结构(对应于叶片213
‑
1)进行比较，可能更容易理解该第一实施方案与现有涡轮之间的差异；应当注意，图1和图2中的对应构件的参考标号相差一百，因此例如图2中的构件212
‑
1对应于图1中的构件112
‑
1。
41.第一实施方案的经改善且有创造性的涡轮200包括转子210、定子260和罩环250；与先前的教导内容不同，新型罩环250与定子260联接，但具有一定的移动可能性，因此严格地说，不能认为它是涡轮定子的部件。
42.转子210包括作为固定到轴211的轮212
‑
1的部件的至少一个叶片阵列213
‑
1；通常，转子包括固定到同一轴的若干个轮(具有叶片)。罩环250围绕叶片阵列213
‑
1延伸；如将参考第二实施方案更好地解释，罩环可围绕一个或两个或三个或更多个叶片阵列延伸。定子260包括围绕罩环250延伸的壳体；根据第一实施方案，壳体的外壳261围绕罩环250延伸。
43.参考图2，转子叶片阵列213
‑
1可以在第一定子叶轮阵列267
‑
1之前并且/或者可以在第二定子叶轮阵列267
‑
2之后。流动通道由定子外壁265和定子内壁269限定，并且在该流动通道内部至少设置有转子叶片阵列213
‑
1，并且可能设置有定子叶轮阵列267
‑
1和267
‑
2。根据图2的实施方案，叶轮267
‑
1固定到外壁265的第一环和内壁269的第一环，并且叶轮267
‑
2固定到外壁265的第二环和内壁269的第二环；此外，外壁265的第一环与外壳261联
接，并且内壁269的第一环与轴承290
‑
1联接。根据图2的实施方案，罩环250轴向定位在外壁265的第一环与外壁265的第二环之间。
44.可从图5更好地理解根据第一实施方案的罩环250的几何形状；另选的形状和几何形状是可能的，前提条件是它们被构造成从转子尖端周围提供工作流体的零泄漏或几乎零泄漏。罩环250包括套筒(例如柱形或锥形套筒)形式的第一环形内部部分251和凸缘形式的第二环形外部部分254；第一环形内部部分251用于在叶片213
‑
1的尖端(图4中的214)处提供工作流体密封；第二环形外部部分254用于与外壳261联接，具体地讲是与随后将描述的外壳261的布置结构270(参见例如图3)联接。
45.罩环250(具有例如可见于图6中的环形形状)与壳体(具体地讲是与外壳261(具有例如可见于图6中的环形形状))可移动地联接，以便允许壳体在涡轮操作期间(即，在从启动到停机的时间间隔期间)热膨胀和热收缩，从而改变罩环与壳体之间的径向距离。考虑例如图6，外壳261和罩环250是同心的且径向间隔开的；上文提及的联接能够适应外壳与环之间径向距离的变化(例如约0.5mm至约5.0mm)，同时保持同心度。
46.罩环250与壳体(具体地讲是外壳261)之间的联接允许罩环250相对于壳体基本上不旋转。事实上，壳体被构造成在涡轮操作期间(即，在从启动到停机的时间间隔期间)基本上固定罩环与壳体之间的相对角位置；就这一点而言，外壳261的布置结构270的详细描述如下。
47.罩环250与壳体(具体地讲是外壳261)之间的联接允许罩环250相对于壳体基本上不轴向平移。事实上，壳体被构造成在涡轮操作期间(即，在从启动到停机的时间间隔期间)基本上固定罩环与壳体之间的相对轴向位置；就这一点而言，外壳261的布置结构270的详细描述如下。
48.可认为罩环250和壳体(具体地讲是外壳261)被划分成多个部分，如例如图6中所示；此类划分可对应于接合在一起的构件，或者简单且更典型地，对应于单个件的不同区域。罩环250的部分250
‑
1、250
‑
2、250
‑
3、250
‑
4与壳体的外壳261的对应部分261
‑
1、261
‑
2、261
‑
3、261
‑
4可滑动地联接，从而允许相对径向位置的变化。
49.此类径向滑动可源于罩环的具有径向取向的突出部的部分和壳体的具有对应径向取向的凹陷部的部分，突出部被布置成在凹陷部中滑动。
50.另选地，此类径向滑动可源于壳体的具有径向取向的突出部的部分和罩环的具有对应径向取向的凹陷部的部分，突出部被布置成在凹陷部中滑动。
51.另外另选地且优选地并且如附图所示(具体地讲是参见图7和图8)，此类径向滑动可源于至少一个径向取向的装置，具体地讲是键280。装置(具体地讲是键280)被布置成在罩环250(具体地讲是第二环形外部部分254)的凹陷部255(参见图7和图8)中以及/或者在壳体(具体地讲是外壳261)的凹陷部262(参见图7和图8)中径向滑动。
52.根据该最后可能的替代方案，优选的是，装置(具体地讲是键280)固定到壳体(具体地讲是外壳261)；在图7和图8的实施方案中，键280通过螺钉282固定到外壳261。在这种情况下，装置(具体地讲是键280)被布置成在罩环250的对应凹陷部255中径向滑动(例如约1.0mm至约5.0mm)；此外，在键280与凹陷部255之间存在(有限)周向移动(例如约0.1mm至约0.2mm)的一定可能性；参考图7和图8，“径向”意指垂直，并且“周向”意指水平。
53.如果选择通过装置联接，则通常使用若干个装置。在这种情况下，例如如图6所示，
涡轮包括多个径向取向的装置，具体地讲是多个键；根据第一实施方案，使用四个键280
‑
1、280
‑
2、280
‑
3、280
‑
4，但可以使用从例如三个至例如十六个的不同数量。该多个装置中的每个装置被布置成在罩环的对应凹陷部中以及/或者在壳体的对应凹陷部中径向滑动。
54.根据图2至图8的附图中所示的第一实施方案，罩环250的凸缘254被布置成与涡轮的壳体的外壳261的布置结构270联接。布置结构270包括第一环形凸缘272、环形肋274、用于接纳环形垫圈277(当安装布置结构时)的环形座276、第二环形凸缘278；径向凹陷部262形成于环形肋274中。凸缘254被布置成定位在第一凸缘272与垫圈277之间，具有(有限)轴向移动(例如约0.2mm至约0.5mm)的一定可能性；应当注意，将罩环250的凸缘254放置在适当位置，之后再将垫圈277放置在适当位置。
55.罩环250优选地由具有低cte(热膨胀系数)(具体地讲是低于约10μm/m/℃，优选地低于约8μm/m/℃，更优选地低于约6μm/m/℃的cte)的材料制成或包含这样的材料；这样，其尺寸(具体地讲是其径向尺寸)基本上与其温度无关。罩环250可由金属合金材料或陶瓷材料制成或包含金属合金材料或陶瓷材料。
56.相反，转子210和/或定子260具有取决于其温度的尺寸(具体地讲是径向尺寸)。事实上，转子210和/或定子260通常由具有高cte(具体地讲是高于约10μm/m/℃，具体地讲是高于约12μm/m/℃，甚至更具体地讲是高于约14μm/m/℃的cte)的一种或多种材料制成。转子210和定子260可由一种或多种金属材料制成。
57.考虑图9、图10和图11，可以理解在涡轮200的操作期间涡轮部件可如何改变其径向尺寸；图9对应于当转子210是冷的并且定子260是冷的时的可能的启动条件，图10对应于当转子210是热的(和膨胀的)并且定子260是冷的时的可能的升温条件，图11对应于当转子210是热的(和膨胀的)并且定子260是热的(和膨胀的)时的可能的工作条件；应当注意，这三个附图中罩环250的形状、尺寸和位置相同。在图9中，叶片213
‑
1与罩环250之间存在宽间隙g1
‑
1；在图10中，叶片213
‑
1与罩环250之间存在窄间隙g1
‑
2；在图11中，叶片213
‑
1与罩环250之间存在窄间隙g1
‑
2(或甚至根本没有间隙)；由于转子210(具体地讲是轮212
‑
1)的膨胀，间隙g1已减小。相应地，在图9中，罩环250(具体地讲是凸缘254)与外壳261(具体地讲是肋274)之间存在窄间隙g2
‑
1(同样参见图7)；在图10中，罩环250(具体地讲是凸缘254)与外壳261(具体地讲是肋274)之间存在窄间隙g2
‑
1(同样参见图7)；在图11中，罩环250(具体地讲是凸缘254)与外壳261(具体地讲是肋274)之间存在宽间隙g2
‑
2(同样参见图8)；由于定子260(具体地讲是外壳261)的膨胀，间隙g2已增大。
58.如刚刚所解释，叶片213
‑
1的尖端区域214可至少在涡轮200的工作操作条件下紧邻罩环250的内部区域252。
59.另选地且有利地，叶片213
‑
1的尖端区域214可至少在涡轮200的工作操作条件下与罩环250的内部区域252接触。然而，在这种情况下，优选的是，罩环250在内部区域252处包括可研磨材料的层253，并且叶片213在其尖端区域214处包括用于研磨的层215(或至少一个研磨材料的装置)。这样，当层215接触层253时，发生轻微的磨损但不损坏叶片和/或罩环。此外，在这种情况下，至少在涡轮200的工作操作条件下，叶片213
‑
1的尖端区域214部分地穿透到罩环250的内部区域252中，并且有利的是，至少在涡轮的工作操作期间，具体地讲在叶片的周边没有工作流体泄漏。
60.图12涉及与第一实施方案类似的涡轮900的第二实施方案。根据该实施方案，罩环
950(其可被制成一个或多个件)围绕两个转子叶片阵列913
‑
1(第一轮912
‑
1的部分)和913
‑
2(第二轮912
‑
2的部分)延伸；另选地，罩环可围绕三个或更多个转子叶片阵列延伸。罩环950通过凸缘954与例如涡轮900的定子壳体的外壳961的布置结构970联接。罩环950的第一部分951
‑
1(为柱形或锥形套筒的形式)围绕第一转子叶片阵列913
‑
1延伸，而罩环950的第二部分951
‑
2(为柱形或锥形套筒的形式)围绕第二转子叶片阵列913
‑
2延伸。
61.有利的是，叶轮阵列967
‑
2装配在罩环950中，具体地讲是装配在罩环950的第三部分953(为柱形或锥形套筒的形式)中。可认为叶轮967
‑
2是定子叶轮。
62.虽然设想将本发明应用于气体涡轮(具体地讲是其多个第一膨胀阶段，更具体地讲是其第一膨胀阶段)，但本发明也可很好地应用于蒸汽涡轮。
63.从以上描述中显而易见的是，第一实施方案、第二实施方案和其他类似的涡轮实现了至少在其工作操作期间限制涡轮中的转子与定子之间泄漏的方法。
64.图13示出了用于至少在涡轮操作期间限制工作流体从转子叶片尖端周围泄漏的方法的实施方案的流程图1300。该方法始于开始步骤1310和结束步骤1390。该实施方案假设涡轮包括具有转子叶片阵列的至少一个转子轮和围绕转子叶片阵列延伸的定子壳体；此外，定子壳体具有取决于其温度的径向尺寸，并且转子轮具有取决于其温度的径向尺寸。
65.根据该实施方案，该方法包括以下步骤：
66.‑
(步骤1320)布置径向尺寸基本上与其温度无关的罩环，
67.‑
(步骤1350)同心地围绕转子轮将罩环定位在转子叶片阵列与定子壳体之间，以及
68.‑
(步骤1360)将罩环与壳体机械地联接，使得联接的保持与罩环的温度和壳体的温度无关，具体地讲是不对罩环和/或壳体造成损坏：
69.根据该方法，至少在涡轮的工作温度下，叶片的尖端区域紧邻(例如约0.1mm至约1.0mm)或接触罩环的内部区域。
70.通常，上文提及的机械联接允许罩环与壳体之间的径向移动。
71.罩环与壳体之间的机械联接有利地通过多个键实现。
72.根据该实施方案，该方法还可包括以下步骤：
73.‑
(步骤1330)将可研磨材料的层布置在罩环的内部区域处，以及
74.‑
(步骤1340)将研磨材料的层或至少一个研磨材料的装置布置在叶片的尖端区域处；
75.在这种情况下，本文至少在涡轮的工作温度下，通过研磨材料对可研磨层的磨损，尖端区域或研磨装置部分地穿透到罩环的内部区域中。