将转子与机匣之间的间隙最小化的方法

摘要

本发明涉及一种将转子(120)，尤其工作叶片(120)与机匣(138)，尤其与涡轮机(100)的机匣(138)之间的间隙(d)最小化的方法，其中，在转子(120)与机匣(138)之间的间隙(d)尤其可通过转子(120)与机匣(138)彼此相对移动来进行调整。本发明的目的是提供一种使转子与机匣之间间隙最小化的简便的方法。为此，将为转子(120)和/或机匣(138)对应配设的固体声监测系统的输出信号利用于度量所述间隙(d)的大小，并因而利用于调定一个最小的间隙(d)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将转子，尤其工作叶片与机匣，尤其与涡轮机的机匣之间 的间隙最小化的方法，其中，在转子与机匣之间的间隙尤其可通过转子与机匣 彼此相对移动进行调整。本发明还涉及一种涡轮机，尤其燃气轮机，包括转子 尤其工作叶片和机匣，其中，在转子与机匣之间的间隙可借助调整装置尤其通 过转子与机匣彼此相对移动进行调整。

背景技术

涡轮机是一种流体机械，它将流体(液体或气体)的内能(焓)变换为旋 转能量，并最终转化为机械的驱动能。通过尽可能无涡旋地层流式绕流涡轮叶 片，从流过涡轮工作叶片的流体流中提取其部分内能。然后借助这部分内能使 涡轮轴旋转，可利用的功率输送给与之耦合的做功机械，例如发电机。工作叶 片和轴是涡轮机运动转子的组成部分，转子安装在机匣内部。

通常在轴上安装许多叶片。安装在一个平面内的工作叶片构成一个叶轮或 工作轮。这些叶片的造型略有弯曲，类似于飞机翼面。在每个工作轮前通常设 置一个导向叶轮。导向叶片从机匣伸入流动介质内并使流动介质扭转。在导向 叶轮中造成的扭力(动能)，利用于相继的工作轮内，使安装有工作叶片的轴旋 转。

人们将导向叶轮和工作轮的组合称为级。往往多个这种级前后串联。因为 导向叶轮静止不动，所以它的导向叶片不仅固定在内机匣上，而且还固定在外 机匣上，并由此为工作轮的轴提供支承。

在转子的导向叶片端部与机匣之间通常留有间隙，它例如用于补偿运行时 的热膨胀。然而为了达到高的效率，在叶片端部与机匣之间的间隙应最小，因 为流体通过间隙在工作叶片旁边流过，并因而对于产生能量没有贡献。

通过涡轮及围绕它的机匣的圆锥形状提供可能性，借助相应的调整装置， 通过转子相对于机匣移动影响间隙尺寸。例如由DE4223495和WO00/28190已 知用于移动转子的方法。由DE3910319C2、DE3901167A1和EP1524411B1已知 将间隙最小化的方法。尤其由后者已知，借助确定在转子与机匣之间导电接触 时的电阻系数获知间隙的尺寸。

然而这些方法需要高的设备性开支和/或不很准确，所以在实际上经常只采 用将转子移动一个规定的固定长度。为了防止触及涡轮工作叶片以及不增大运 行危险，移动距离往往不再增加。所以期望进一步优化。

发明内容

本发明要解决的技术为题是提供一种方法，用它能以简便的方式使转子与 机匣之间的间隙最小化。

按本发明为解决上述技术问题而采取的措施是，将为转子和/或机匣对应配 设的固体声监测系统的输出信号利用于度量间隙的大小，并因而利用于调定一 个最小的间隙。

本发明在这方面考虑的出发点是，通过尽可能少侵入地安置在外部区域内 的传感器，可以特别简单地监测间隙尺寸。在转子与机匣接触时产生的一种简 单的信号是声音，它再通过固体例如涡轮机匣传播。因此在机匣的外部区域内 便可以声学地检测通过与机匣碰撞的叶片端部产生的振动。在转子与机匣彼此 相对移动时，固体声监测系统能够实现特别方便和技术上简单地检验叶片端部 与机匣可能发生的接触。这就实现了精确地调定最小的间隙。

按有利的扩展设计，所述固体声监测系统是涡轮机的外来物探测系统的组 成部分。经常在涡轮机中使用外来物探测系统，为的是甚至能早期发现可能进 入的异物或者还有涡轮机的碎块并促使涡轮机关停。外来物探测系统基于声探 测。因此有利的是，外来物探测系统的声监测系统按双重利用的方式也能利用 于调定最小间隙。也许在这里甚至完全不需要在涡轮机内实施结构性干预，而 是只需要传感器和控制器相应的电学匹配。

按有利的扩展设计，为了调整间隙的尺寸，转子可以沿轴向相对于机匣移 动。因此通过涡轮典型的圆锥形状，达到沿整个圆周和在每个涡轮级内均匀地 减小间隙。

有利地，将转子移动为，直至正好不再存在发生接触的输出信号。这意味 着，移动转子，直至涡轮工作叶片与机匣进入接触。借助固体声监测系统监测 到这种接触并借此限制移动距离。一旦记录到第一个接触指征，转子在必要的 短的回移后便正好被固定在接触的边界旁。

在一种包括转子、尤其工作叶片和机匣的涡轮机，尤其燃气轮机中，在转 子与机匣之间的间隙有利地借助所说明的方法最小化。

此外本发明要解决的技术问题是，提供一种涡轮机，其中，转子与机匣之 间的间隙最小化。

为解决上述技术问题而采取的措施是，在涡轮机中为转子和/或机匣对应配 设固体声监测系统，它在输出端与调整装置连接。

还与涡轮机有关的是，所述固体声监测系统有利地是外来物探测系统的组 成部分，和/或，为了调整间隙的尺寸，转子有利地可以沿轴向相对于机匣移动。

按有利的扩展设计，转子，尤其在工作叶片端部可以至少部分磨损。这意 味着，存在相应的磨损部位，它们设计用于在调整过程中与机匣轻度接触。此 时在磨损部位可能发生材料磨蚀，但它们设计为，由此并不对转子，尤其工作 叶片造成结构性破坏。因此转子可以没有危险地一直移动到会产生信号的轻度 接触，其结果是，可以实现最佳的间隙调整。

电站设备有利地包括所说明的涡轮机。

采用本发明获得的优点尤其在于，通过借助外来物识别系统识别转子与机 匣之间的接触，可以使用技术上特别简单的装置实现径向间隙的最小化。涡轮 机的效率因而最大化并提高了功率。其结果是还提供环境保护方面的优点，因 为通过改变控制技术，达到显著节省燃料和减少排放。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明。

附图表示一台燃气轮机。

具体实施方式

附图用局部纵剖面表示一台涡轮机100，在这里是燃气轮机。燃气轮机100 在内部有绕旋转轴线102(轴向)旋转支承的转子103，它也称为涡轮转子。沿 转子103彼此相继的是：进气机匣104、压气机105、包括多个同轴排列的燃烧 器107的圆环式燃烧室110，尤其环形燃烧室106、涡轮108和排气机匣109。

环形燃烧室106与环形的热燃气通道111相连。在那里例如四个串联的涡 轮级112构成涡轮108。每个涡轮级112由两个叶片圈构成。在热燃气通道111 中沿工质113的流向看，随导向叶圈115之后的是由工作叶片120组成的叶圈 125。

导向叶片130在这里固定在静子143上，而一个叶圈125的工作叶片120 则借助涡轮盘133安装在转子103上。因此工作叶片120成为转子103的组成 部分。在转子103上耦合发电机或做功机械(图中没有表示)。

在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过进气机匣104吸入并压缩空 气135。压气机105的在涡轮一侧的端部提供的压缩空气输入燃烧器107，并在 那里与燃料混合。接着，混合物在燃烧室110内燃烧以形成工质113。从那里出 发，工质113沿热燃气通道111流经导向叶片130和工作叶片120。工质113在 工作叶片120上传递冲量地膨胀，所以工作叶片120驱动转子103以及驱动与 之耦合的做功机械。

在燃气轮机100运行期间遭遇高温工质113的构件承受热负荷。沿工质113 的流向看的第一个涡轮级112，其导向叶片130和工作叶片120处在作为环形燃 烧室106内衬的热屏块旁边，所以热负荷最大。为了能承受住在那里存在的温 度，它们借助冷却剂冷却。同样，叶片120、130可以有防腐层(MCrAlX；M＝Fe， CO，Ni，稀土)和抗热层(隔热层，例如ZrO₂，Y₂O₄-ZrO₂)。

导向叶片130有一个面朝涡轮108内机匣138的导向叶片叶根(图中没有 表示)和一个与导向叶片叶根相对置的导向叶片叶顶。导向叶片叶顶面朝转子 103并固定在静子143的固定环140上。

按附图的涡轮机100在控制技术方面有图中没有详细表示的外来物探测系 统。它用于探测随空气135侵入涡轮机100内的异物或由于损坏掉落到涡轮机 100内的外来物，并在必要时迫使涡轮机100快速关停。此外，外来物探测系统 还包括固体声监测系统，它与多个在转子103和机匣138上的传感器连接，输 出信号涉及在涡轮机100内产生的声波振动。

此外，转子103可以沿轴线102轴向移动。基于转子103的转子顶与机匣 138相互的圆锥度，通过转子103或机匣138的轴向移动，减小或增大转子103， 尤其工作叶片端部，与机匣138之间的间隙d。所述的轴向移动液压式进行。

通过转子103相对于机匣138轴向移动，缩小形成的间隙d，直至最终造 成第一次接触，这导致振动并因而产生声音。声音通过机匣138传播，由固体 声监测系统检测并转换为相应的输出信号。

根据导向叶片120相对于机匣138的轴向移动，造成涡轮叶片120与机匣 138之间或多或少强烈的接触，由此也改变所产生的固体声的强度并因而改变输 出信号。从而得到与轴向移动量有关的不同的输出信号。

在造成第一次接触时，固定导向叶片120或在过强接触时将其重新回移， 直至正好不再存在通过相应的输出信号指示的接触。此时调定为最小间隙d。最 小间隙d的调整可以在涡轮机100运行期间进行，典型地在涡轮机100彻底暖 机后实施。

涡轮叶片120具有外部磨损层。外部磨损层例如是多孔的和/或是陶瓷的， 所以即使略有接触也不会引起持续破坏。