用于间隙控制的系统和方法 技术领域 本文公开的主题涉及间隙控制技术， 并且更具体地涉及一种用于调节旋转机器的 静止构件与旋转构件之间的间隙的系统。
背景技术 在特定应用中， 相对于彼此移动的构件之间可能存在间隙。 例如， 旋转机器如压缩 机、 涡轮等中的旋转构件与静止构件之间可能存在间隙。在旋转机器运转期间该间隙可由 于温度变化或其它因素而扩大或缩小。在涡轮发动机中， 希望在瞬态条件如起动期间提供 更大的间隙 ( 例如， 为了减少涡轮叶片与护罩之间出现摩擦 )， 而在稳态条件期间提供更小 的间隙 ( 例如， 为了增加功率输出和运转效率 )。
发明内容
将在范围上与原始主张权利的发明相称的特定实施例归纳如下。 这些实施例并非 意图限制主张权利的发明的范围， 相反， 这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要 概括。实际上， 本发明可包含可与以下阐述的实施例相似或不同的各种形式。
在一个实施例中， 一种系统包括涡轮发动机。该涡轮发动机包括具有旋转轴线的 轴。该涡轮发动机进一步包括联接在轴上的多个叶片。另外， 该涡轮发动机包括护罩， 该护 罩具有周向设置在多个叶片周围的多个段。 各段包括具有第一磁体的固定护罩部分以及具 有与第一磁体相对的第二磁体的可移动护罩部分。在各段中， 第一磁体或第二磁体中的至 少一个包括电磁体， 其中可移动护罩部分通过第一磁体和第二磁体磁性地致动而相对于轴 的旋转轴线径向移动， 以改变多个叶片与可移动护罩部分之间的间隙。
在另一实施例中， 一种系统包括环形护罩。该环形护罩构造成围绕压缩机或涡轮 的多个叶片延伸。 该环形护罩包括具有第一电磁体的固定护罩部分和具有第二电磁体的可 移动护罩部分。 可移动护罩部分通过第一电磁体和第二电磁体磁性地致动而相对于叶片的 旋转轴线径向移动， 以改变多个叶片与可移动护罩部分之间的间隙。
在又一实施例中， 一种系统包括涡轮间隙控制器。该涡轮间隙控制器构造成通过 各护罩段的固定部分和可移动部分中彼此相对的第一磁体和第二磁体独立地调节多个护 罩段在多个叶片周围的间隙。 附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时， 本发明的这些和其它特征、 方面和优点将变得 更好理解， 所有附图中相同的标记代表相同的部分， 其中 ：
图 1 是示出了按照本技术的实施例的系统的简图， 该系统包括具有涡轮的燃气涡 轮发动机， 该涡轮包括磁性致动的间隙控制系统 ；
图 2 是图 1 的涡轮的局部轴向横截面， 示出了图 1 的间隙控制系统的磁性致动元 件的一个实施例 ；图 3 是显示了在图 2 的弧形线 3-3 内取的磁性致动元件处于第一径向位置的放大 轴向横截面 ；
图 4 是显示了在图 2 的弧形线 3-3 内取的磁性致动元件的放大轴向横截面， 但处 于第二径向位置 ；
图 5 是按照本技术的一个实施例的图 1 的涡轮的局部径向横截面 ；
图 6 是按照本技术的一个实施例的图 1 的涡轮的简化局部径向横截面， 示出了涡 轮由于热膨胀引起的变形 ；
图 7 是示出了按照本技术的一个实施例用于基于涡轮系统的运转条件调节间隙 设置的方法的流程图 ； 以及
图 8 是示出了按照本技术的一个实施例用于至少部分基于实际间隙和希望间隙 的评估来调节间隙设置的方法的流程图。
标号列表
10 涡轮系统 ； 12 涡轮发动机 ； 14 进气段 ； 16 压缩机 ； 18 燃烧器段 ； 20 涡轮 ； 22 排 气； 24 轴 ； 26 压缩机叶片 ； 28 内壁 ； 30 压缩机壳体 ； 32 燃烧器壳体 ； 34 燃烧器 ； 36 涡轮叶 片； 38 内壁 ； 40 涡轮壳体 ； 44 致动器 ； 46 间隙控制器 ； 48 传感器 ； 50 数据 ； 52 信号 ； 54 可移 动护罩 ； 56 径向缝隙 ； 58 顶端 ； 62 旋转轴线 ； 64 旋转方向 ； 66 径向 ； 68 腔 ； 70 第一磁体 ； 72 第二磁体 ； 74 导线 ； 76 芯部 ； 80 排放口 ； 82 排放口 ； 84 流 ； 86 流 ； 88 槽 ； 89 轨道 ； 90 凸缘 ； 92 凸缘 ； 94 腔 ； 96 朝旋转轴线的径向 ； 98 远离旋转轴线的径向 ； 100 弹簧 ； 102 近程传感器 (proximity sensor) ； 104 输出 ； 108 转子 ； 110 高度 ； 112 宽度 ； 114 致动距离 ； 116 致动距 离； 120 方法 ； 122 步骤 ； 124 步骤 ； 126 步骤 ； 128 步骤 ； 130 步骤 ； 132 步骤 ； 134 步骤 ； 140 方 法； 142 步骤 ； 144 步骤 ； 146 步骤 ； 148 步骤 ； 150 步骤 具体实施方式 下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述， 说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应当理解的是， 在任何此类实际实施方案 的开发过程中， 与任何工程项目或设计项目中一样， 必须作出许多针对实施方案的决定以 实现开发者的特定目标， 例如服从系统相关和商业相关的约束， 其可能因实施方案而异。 此 外， 应当理解的是， 此类开发努力可能是复杂和耗时的， 但对于受益于本公开内容的普通技 术人员来说却是一项日常的设计、 制作和制造工作。
当介绍本发明的各个实施例的元件时， 冠词 “一” 、 “一个” 、 “该” 和 “所述” 意指存 在一个或多个元件。用语 “包含” 、 “包括” 和 “具有” 意图是包括性的并意味着可存在有别 于所列元件的其它元件。运转参数和 / 或环境条件的任何示例并不排除所公开的实施例的 其它参数 / 条件。另外， 应当理解的是， 本发明的 “一个实施例” 或 “一实施例” 的提法不应 当被解释为排除也结合了所述及的特征的其它实施例的存在。
如以下详细说明， 本公开大致涉及磁性控制间隙技术， 其可在例如基于涡轮发动 机的系统 ( 例如， 飞行器、 机车、 发电机等 ) 的系统中实施。如文中所用， 用语 “间隙” 等应 当理解为指代在运转期间系统的相对于彼此移动的两个或更多构件之间可能存在的间距 或缝隙。本领域技术人员应该理解， 该间隙可对应于环形缝隙、 线性缝隙、 矩形缝隙或任何 其它几何形状， 取决于系统、 运动类型以及各种其它因素。在一种应用中， 间隙可指代包围
压缩机、 涡轮等的一个或多个旋转叶片的壳体构件之间的径向缝隙或空间。通过使用本公 开的技术控制间隙， 可减少旋转叶片与壳体之间的泄漏量以增加运转效率， 同时最大限度 地减少摩擦 ( 例如， 壳体构件与旋转叶片之间的接触 ) 的可能性。应该理解， 该泄漏可对应 于任何流体， 例如空气、 蒸汽、 燃烧气体等。
按照本发明的实施例， 采用本文公开的磁性间隙控制技术的涡轮发动机可包括壳 体构件， 其具有周向定位在涡轮发动机的旋转轴线周围的静止护罩部分以及一个或多个可 移动护罩部分， 以限定壳体的内表面。一个或多个磁性致动元件的各个可响应于间隙控制 器所提供的控制信号而提供相应一个可移动护罩部分的径向移动。在一个实施例中， 各可 移动护罩部分 ( 借助于其相应的磁性致动元件 ) 可被独立地致动以提供各可移动护罩部分 的变化的径向位移。 这样， 可在壳体的内表面周围保持关于旋转涡轮叶片 ( 或压缩机叶片 ) 的基本一致的间隙， 即使涡轮壳体本身失圆， 或在运转期间变成失圆 ( 例如， 由于不均匀的 热膨胀等造成的变形 )。进一步地， 在一些实施例中， 可根据涡轮发动机的一个或多个运转 条件实时调节可移动护罩部分的径向位置。此类运转条件可通过传感器如温度传感器、 振 动传感器、 位置传感器等测量。 通过提供可移动护罩部分的实时调节， 可精确地调节涡轮壳 体与涡轮叶片 ( 或压缩机叶片 ) 之间的间隙， 以平衡涡轮效率对涡轮叶片与涡轮壳体之间 的接触 ( 例如， 摩擦 ) 的可能性。在一些实施例中， 可至少部分基于涡轮的当前运转条件 ( 即起动、 稳态、 全速全负荷、 低速 (turndown) 等 ) 来确定可移动护罩部分的调节。
考虑到前文所述， 图 1 是包括燃气涡轮发动机 12 的示例性系统 10 的框图， 该燃气 涡轮发动机 12 具有按照本技术的实施例的磁性间隙控制特征。在某些实施例中， 系统 10 可包括飞行器、 船只、 机车车辆、 发电系统或它们的一些组合。相应地， 涡轮发动机 12 可驱 动各种负载， 例如发电机、 推进器、 传动装置、 驱动系统或它们的组合。涡轮系统 10 可使用 液态或气态燃料， 例如天然气和 / 或富氢合成气体， 以运行涡轮系统 10。涡轮发动机 12 包 括空气进气段 14、 压缩机 16、 燃烧器段 18、 涡轮 20 和排气段 22。如图 1 所示， 涡轮 20 可由 轴 24 驱动地联接至压缩机 16。
在运转中， 空气通过空气进气段 14 进入涡轮系统 10( 通过箭头表示 ) 并且可在压 缩机 16 中被加压。压缩机 16 可包括联接在轴 24 上的压缩机叶片 26。压缩机叶片 26 可跨 过轴 24 与设置有压缩机叶片 26 的压缩机壳体 30 的内壁或表面 28 之间的径向缝隙。以示 例的方式， 内壁 28 的形状可大致为环形或圆锥形。轴 24 的旋转致使压缩机叶片 26 旋转， 从而将空气吸入压缩机 16 中并且在空气进入燃烧器段 18 之前压缩空气。由此， 一般希望 保持压缩机叶片 26 与压缩机壳体 30 的内壁 28 之间小的径向缝隙， 以防止压缩机叶片 26 与压缩机壳体 30 的内表面 28 之间的接触。例如， 压缩机叶片 26 与压缩机壳体 30 之间的 接触可导致一般称为 “摩擦” 的不希望有的状态并且可导致损坏涡轮发动机 12 的一个或多 个构件。
燃烧器段 18 包括燃烧器壳体 32， 其同心或环形地设置在轴 24 周围并且轴向设置 在压缩机段 16 与涡轮 20 之间。在燃烧器壳体 32 内， 燃烧器段 20 可包括多个燃烧器 34， 其以轴 24 周围的大致圆形或环形构造设置在多个周向位置。当压缩空气离开压缩机 16 并 进入各燃烧器 34 时， 压缩空气可与燃料混合以在各相应燃烧器 34 内燃烧。例如， 各燃烧器 34 可包括一个或多个燃料喷嘴， 其以最佳燃烧、 排放、 燃料消耗和功率输出的适当比率将燃 料 - 空气混合物喷射到燃烧器 34 中。空气和燃料的燃烧可产生热的加压排气， 其然后可用来驱动涡轮 20 内的一个或多个涡轮叶片 36。
涡轮 20 可包括上述涡轮叶片 36， 以及涡轮壳体 40。涡轮叶片 36 可联接在轴 24 上并且跨过轴 24 与涡轮壳体 40 的内侧或内壁 38 之间的径向缝隙。以举例的方式， 内壁 38 的形状可为大致环形或圆锥形。涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 的内壁 38 大致隔开小的径向 缝隙， 以防止涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 的内壁 38 之间发生接触 ( 或摩擦 )。应该理解， 涡 轮叶片 36 与涡轮壳体 40 之间的接触可产生摩擦， 如上所述， 其可导致损坏涡轮发动机 12 的一个或多个构件。
涡轮 20 可包括将各涡轮叶片 36 联接在轴 24 上的转子元件。另外， 本实施例中示 出的涡轮 20 包括三个级， 各级通过相应一个示出的涡轮叶片 36 来表示。然而， 应当理解的 是， 其它构造可包括更多或更少的涡轮级。在运转中， 流入并流过涡轮 20 的燃烧气体撞击 涡轮叶片 36 并在其间流动， 从而驱动涡轮叶片 36， 并因此驱动轴 24 旋转以驱动负载。轴 24 的旋转还使压缩机 16 内的叶片 26 吸入和加压通过进气段 14 接收的空气。进一步地， 在 一些实施例中， 离开排气段 22 的排气可被用作交通工具 ( 如喷气式飞机 ) 的推力源。
如图 1 中进一步示出， 涡轮系统 10 可包括间隙控制系统。间隙控制系统可包括 若干磁性致动元件 44、 间隙控制器 46 和设置在涡轮系统 10 周围的各个位置的各种传感器 48。磁性致动器 44 可用来根据从间隙控制器 46 接收的信号 52 定位压缩机壳体 30 或涡轮 壳体 40 的径向可移动部分。间隙控制器 46 可包括各种硬件和 / 或软件构件， 其被编程以 执行用于调节涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 之间和 / 或压缩机叶片 26 与压缩机壳体 30 之间 的间隙 ( 例如， 径向缝隙 ) 的程序和算法。传感器 48 可用来将关于涡轮发动机 12 的运转 条件的各种数据 50 传送至间隙控制器 46 使得间隙控制器 46 可相应调节磁性致动器 44。 仅以示例的方式， 传感器 48 可包括用于感测温度的温度传感器、 用于感测振动的振动传感 器、 用于感测流率的流量传感器、 位置传感器或任何其它适合检测涡轮 12 的各种运转条件 ( 如轴 24 的转速、 功率输出等 ) 的传感器。 传感器 48 可定位在涡轮系统 10 的任何构件 ( 包 括进气段 14、 压缩机 16、 燃烧器 18、 涡轮 20 和 / 或排气段 20 等 ) 上或其中。应该理解， 通 过在涡轮发动机 12 的运转期间以这种方式最小化叶片间隙， 可由涡轮 20 捕获经由燃烧器 段 18 中燃料的燃烧形成的更多的功率。
参考图 2 可更好地理解文中所述的间隙控制技术， 其显示了图 1 的涡轮段 20 的局 部轴向横截面。如图 2 所示， 涡轮壳体 40 可包括可移动护罩部分 54， 其限定涡轮壳体 40 的 上述内表面或壁 38。如上所述， 涡轮叶片 36 与可移动护罩部分 54 的内壁 38 之间的间隙 可通过跨过可移动护罩部分 54 的内表面或壁 38 与叶片 36 的顶端 58 之间的距离的径向缝 隙 56 来限定。该间隙或径向缝隙 56 防止涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 之间的接触， 并且当 燃烧气体沿轴向向下游 ( 即朝排气段 22) 流动时还提供用于燃烧气体绕开涡轮叶片 36 的 通路。可以理解， 气体旁通一般是不希望出现的， 因为旁通气体的能量未被涡轮叶片 36 捕 获并转化为转动能， 因而减少了涡轮发动机 12 的效率和功率输出。换句话说， 涡轮系统效 率至少部分取决于涡轮叶片 36 所捕获的燃烧气体的量。因而， 通过缩小径向缝隙 56， 可增 加从涡轮 20 输出的功率。然而， 如上所述， 如果径向缝隙 56 过小， 则涡轮叶片 36 与涡轮壳 体 40 之间可能出现摩擦， 导致可能损坏涡轮发动机 12 的构件。
为了在增加涡轮 20 的效率与减少涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 之间接触或摩擦的 可能性之间提供适当的平衡， 可利用磁性致动元件 44 来使可移动护罩部分 54 朝向或远离涡轮 20 的旋转轴线 ( 例如， 沿轴 24 的轴线 ) 沿径向移动， 以扩大或缩小径向缝隙 56 的尺 寸。在此示出的实施例中， 可移动护罩部分 54 被示为直接联接至涡轮壳体 40。在其它实施 例中， 中间护罩段可居中地联接在壳体 40 与可移动护罩部分 54 之间。换句话说， 可移动护 罩部分 54 可联接至中间护罩段， 而中间护罩段可联接至涡轮壳体 40。因而， 取决于涡轮段 20 的具体构造， 包围涡轮叶片 36 的大致环形护罩结构可包括可移动护罩部分 54 和涡轮壳 体 40， 或可包括可移动护罩部分 54、 中间护罩部分和涡轮壳体 40。
如图 3 中将更清楚地示出， 在一个实施例中， 磁性致动器 44 可定位在涡轮壳体 40 与可移动护罩部分 54 之间。此外， 应该理解的是， 可与所示的涡轮叶片 36 的任何一个或若 干个相联系地采用图 2 所示的护罩调节技术。例如， 在多级涡轮中， 护罩调节技术可提供各 级中的可移动护罩部分 54。 另外， 应当理解的是， 文中所述的护罩调节技术还可以类似方式 用于控制关于压缩机壳体 30 内的压缩机叶片 26 的间隙。
现参照图 3， 示出了图 2 的弧形线 3-3 所限定的区域内所示的可移动护罩元件的放 大图。为了清楚， 通过箭头 62 示出涡轮 20 的旋转轴线， 通过箭头 64 示出涡轮叶片 36 的旋 转方向， 并且通过箭头 66 示出径向。如图 3 中更清楚地示出， 磁性致动元件 44 位于涡轮壳 体 40 与可移动护罩部分 54 之间的腔 68 内。具体而言， 磁性致动器 44 可包括第一磁体 70 和第二磁体 72。第一磁体 70( 下文称为 “静止磁体” ) 可联接至涡轮壳体 40 并且在磁性致 动器 44 的运转期间相对于壳体 40 保持静止。第二磁体 72( 下文称为 “可移动磁体” ) 可联 接至可移动护罩部分 54 并且在运转期间可相对于壳体 40 移动。 在所示的实施例中， 可对准磁体 70 和 72 的极性， 以提供静止磁体 70 与可移动磁 体 72 之间的排斥力。在一些实施例中， 静止磁体 70 和可移动磁体 72 中的一个或二者可为 电磁体。例如， 如图 3 所示， 各磁体 70 和 72 可包括导线线圈 74， 其缠绕在磁芯 76 周围并且 与间隙控制器 46 电联接。线圈 74 可包括任何合适的导体， 例如铜， 而芯 76 可包括任何合 适的磁芯材料， 例如铁。另外， 在其它实施例中， 磁体 70 和 72 可包括马蹄型磁体或螺线管。 应该理解， 磁体 70 和 72 的定向将取决于所使用的磁性元件的类型。
在一些实施例中， 来自流过涡轮 20 的燃烧气体的热量可导致腔 68 内的高温。例 如， 在涡轮发动机 12 的运转中， 腔 68 内的温度可达到大约 800 至 1700 华氏度或更高。相 应地， 与各静止磁体 70 和可移动磁体 72 相对应的线圈 74 和芯 76 可包括在高温下稳定并 呈现合适的电气特性的材料。 仅以示例的方式， 在一些实施例中， 线圈 74 可包括镍， 而芯 76 可包括铁 / 钴 / 钒合金， 例如 ( 大约 49.0 ％的钴， 1.9 ％的钒， 以及 49.1 ％
的铁 )， 其可从德国黑森州的 Hanau 的 Vacuumschmelze GmbH 公司获得， 或 ( 大约 48.75％的钴， 1.9％的钒， 0.01％的碳， 0.05％的硅， 0.05％的钶 / 铌以及 49.19％的 铁 )， 其可从美国宾夕法尼亚州怀俄明辛市 (Wyomissing) 的卡朋特技术公司 (Carpenter Technology Corporation) 获得。另外， 为了降低腔 68 内的温度， 壳体 40 可包括排放口 80 和 82， 其提供用于冷却流体通过腔 68 循环的流通路， 如通过流箭头 84 和 86 所示。在一个 实施例中， 冷却流体可为从压缩机 16 虹吸的空气的一部分。
如图 3 中进一步示出， 可移动护罩部分 54 可由一个或多个槽 88 可操作地联接至 壳体 40。例如， 壳体 40 中的槽 88 可包括凸缘 90， 其接合联接至可移动护罩部分 54 上的导 轨或轨道 89 的相应凸缘 92。槽 88 和轨道 89 可相对于轴线 62 定向在圆周方向上。例如， 槽 88 可周向地延伸通过壳体 40 并且在组装期间可允许可移动护罩部分 54 的轨道 89( 包括凸缘 92) 滑动到槽 88 中。因而， 在可移动护罩部分 54 的轨道 89 插入槽 88 中的情况下， 槽 88 内的腔 94 允许可移动护罩部分 54 朝旋转轴线 62( 箭头 96) 径向移动 ( 沿径向轴线 66) 以缩短缝隙距离 56( 例如， 缩小间隙 ) 或远离旋转轴线 62( 箭头 98) 径向移动 ( 沿径向 轴线 66) 以扩大缝隙距离 56( 例如， 扩大间隙 )。以示例的方式， 在一些实施例中， 可移动 护罩部分 54 可具有至少小于大约 25、 50、 75、 100、 125 或 150 毫米的运动范围。在其它实施 例中， 可移动护罩部分 54 可具有小于 25 毫米或大于 150 毫米的运动范围。进一步地， 如图 3 所示， 分离的槽 88 可设置在腔 68 的各相对轴向端上， 以容纳凸缘 92， 其使轨道 89 延伸联 接至可移动护罩部分 54 的相对轴向端。也就是说， 各可移动护罩部分 54 可联接至关于轴 线 62 周向定向并且构造成将可移动护罩部分 54 联接至壳体 40 上的槽 88 的一对轨道 89。
在所示的实施例中， 可移动护罩部分 54 可由一个或多个偏置部件 ( 这里作为弹簧 示出并通过参考标号 100 表示 ) 联接至壳体 40。弹簧 100 通常可偏置可移动护罩部分 54 径向 ( 即沿方向 98) 远离涡轮 20 的旋转轴线 62。这样， 提供了故障保护机构， 其中如果磁 体 70 和 72 变成不可操作 ( 例如， 由于电气或机械失效或故障 )， 则可移动护罩部分 54 将远 离旋转轴线 62 径向移动， 从而扩大涡轮壳体 40 的内壁 38 与涡轮叶片 36 之间的间隙 ( 例 如， 缝隙距离 56)。应该理解， 弹簧 / 偏置部件 100 可定位在涡轮壳体 40 与可移动护罩部分 54 之间的任何合适的位置。 可移动护罩部分 54 可联接至间隙或近程传感器 102， 其构造成通过测量可移动护 罩部分 54 的底面 38 与叶片 36 的顶端 58 之间的距离来检测间隙， 即缝隙距离 56。应该 理解， 传感器 102 可为任何合适类型的近程传感器， 包括电容式、 电感式或光电式近程传感 器。来自近程传感器 102 的输出 104 可作为反馈信号被发送至间隙控制器 46。因而， 通过 使用近程传感器 102 所提供的间隙数据 104 和 / 或其它涡轮传感器 48 所提供的反馈数据 50( 例如， 温度、 振动、 流量等 )， 如上所述， 间隙控制器 46 可相应调节涡轮壳体 40 的内壁 38 与涡轮叶片 36 的顶端 58 之间的径向缝隙 56。
在继续之前， 应该注意的是， 图 3 的上述特征也可在包括中间护罩段或部分的实 施例中提供， 如以上参照图 2 所述 ( 例如， 居中联接在可移动护罩部分 54 与涡轮壳体 40 之 间 )。 例如， 在此类实施例中， 静止磁体 70 联接至中间护罩部分， 并且槽 88 也形成在中间护 罩部分上 ( 例如， 代替涡轮壳体 40)。可移动护罩部分 54 上的轨道 89 可联接至中间护罩部 分上的槽 88。换句话说， 可移动护罩部分 54 也可组装在中间护罩部分上。不论所使用的构 造如何， 磁性致动元件 ( 例如， 静止磁体 70 和可移动磁体 72) 的操作大致相同， 如将在以下 说明的。
参照图 4， 更详细地示出了磁性致动器 44 的操作。在操作中， 间隙控制器 46 可通 过向线圈 74 提供形式为电流的适当控制信号 52 来缩小径向缝隙 56。应该理解， 当电流流 入线圈 74 时， 产生了磁场。取决于磁体 70 和 72 的构造， 供应至各磁体 70 和 72 的电流可 为相同或不同的值。该磁场在静止磁体 70 与可移动磁体 72 之间形成排斥力， 该排斥力抵 消了弹簧 100 的偏置力并使可移动护罩 54 朝旋转轴线 62 径向移动 ( 例如， 沿箭头 96 的方 向 )。间隙控制器 46 可通过减少或消除向线圈 74 供应的电流使得弹簧 100 的偏置力致使 可移动护罩部分 54 向外并远离旋转轴线 62( 例如， 沿箭头 98 的方向 ) 移动而扩大径向缝隙 距离 56。例如， 可移动护罩部分 54 可继续沿箭头 98 的方向移动直到它返回图 3 所示的位 置为止。这样， 通过调节所产生磁场的强度， 间隙控制器 46 可精确调节可移动护罩部分 54
的位置， 并因而精确地调节涡轮叶片 36 与涡轮壳体 40 之间的间隙。此外， 通过上述设置， 可根据感测的间隙信息 104 和 / 或基于涡轮发动机 12 的一个或多个运转条件主动地实时 调节径向缝隙 56。以下将参照图 7 和图 8 进一步说明此类用于调节径向缝隙 56 的技术。
转到图 5， 沿图 1 的切割线 5-5 示出了图 1 的涡轮 20 的横截面图。如图所示， 多 个涡轮叶片 36 可联接至转子 108， 转子 108 又可联接在轴 24 周围。当燃烧气体流过涡轮 20 时， 叶片 36 使转子 108 旋转， 从而也使轴 24 旋转。如图 5 中更清楚地示出， 涡轮壳体 40 可包括多个段， 各段包括在涡轮壳体 40 周围周向分布并且大致包围涡轮叶片 36 的可移动 护罩部分 54。各可移动护罩部分 54 可包括磁性致动器 44， 其可通过由间隙控制器 46 提供 的多个控制信号 52 中相应的一个独立地控制。例如， 涡轮壳体 40 可包括可移动护罩部分 54a-54e， 其各可包括相应的磁性致动构件 44a-44e。响应于相应的控制信号 52a-52e， 各可 移动护罩部分 54a-54e 可由间隙控制器 46 适当地定位， 以保持可移动护罩部分 54 与涡轮 叶片 36 之间希望的间隙和流通路的圆度。
虽然基于说明的目的在图 5 中仅特别提出了可移动护罩部分 54a-54e， 但应该理 解的是， 间隙控制器 46 可构造成将独立的相应控制信号 52 发送至壳体内的各可移动护罩 部分 54 以致动对应的磁性致动器 44。 例如， 在一个实施例中， 各可移动护罩部分 54 可包括 用于测量间隙的单独传感器 102， 如上所述。 因而， 各磁性致动器 44 和各传感器 102 可连通 地联接至间隙控制器 46， 并且可至少部分基于由传感器 102 向间隙控制器 46 提供的间隙 数据调节各可移动护罩部分。换句话说， 通过至少部分基于来自各可移动护罩部分 54( 例 如， 如图 3 和图 4 所示 ) 上相应的间隙传感器 102 的间隙反馈数据 ( 输出 104) 来致动与相 应一个可移动护罩部分 54 相对应的相应的磁性致动器 44( 包括磁体 70 和 72)， 间隙控制 器 46 可提供各可移动护罩部分 54 的独立控制。另外， 应当理解的是， 为了清楚， 可移动护 罩部分 54 在图 5 中被示为在圆周方向上 ( 相对于轴线 62) 彼此之间具有微小的间距。在 一些实施例中， 该间距可被显著地缩小或消除以进一步提高涡轮性能。
如图 5 所示， 涡轮壳体 40 可包括 24 个可移动护罩部分 54。然而， 应该理解的是， 可提供任何合适数量的可移动护罩部分 54。例如， 涡轮壳体 40 可包括 10、 20、 30、 40、 50 或 更多个可移动护罩部分 54。可移动护罩部分 54 可被一起致动使得整个内表面 38 在涡轮 叶片 36 周围提供基本圆形表面。在一些实施例中， 可移动护罩部分 54 的内表面 38 可在圆 周方向上弯曲以改善护罩的整体圆度。进一步地， 通过提供各可移动护罩部分 54 的单独控 制， 如上所述， 在涡轮壳体 40 例如由于涡轮壳体 40 在运转期间的不均匀热膨胀而变成失圆 的状态期间可改善护罩的圆度。该失圆状态将在图 6 中更清楚地示出。
转到图 6， 示出了涡轮 20 沿图 1 的切线 5-5 的简化横截面图， 其展示了当涡轮壳 体 40 失圆时改善的护罩圆度 ( 例如， 由可移动护罩部分 54 的内壁 38 限定 )。应该理解的 是， 涡轮壳体 40 的形状在图 6 中被夸大以更清楚地示出涡轮壳体 40 的变形。涡轮壳体 40 的变形可由于以下事实 ： 在一些实施例中， 涡轮壳体 40 可在经过轴 24 中心线 ( 例如， 旋转 轴线 62) 的平面被分开， 以便例如在维修和保养期间更好地接近涡轮 20 的内部构件。在此 类构造中， 可使用水平接头来使涡轮壳体 40 的两块配合。以示例的方式， 该接头可包括两 个配合的凸缘， 其带有提供凸缘之间的夹紧压力的贯通螺栓， 从而将涡轮壳体 40 的块联接 在一起。然而， 由于存在凸缘而引起的额外的径向厚度可导致凸缘附近的热响应不同于涡 轮壳体 40 的其余部分， 以及在涡轮 20 的运转期间可出现的周向应力的不连续。凸缘接头处的热响应和应力不连续的结合效应可导致涡轮壳体 40 在涡轮 20 运转期间变成失圆。
例如， 如图 6 所示， 当涡轮 20 足够长时间运转后呈现失圆时， 涡轮壳体 40 的高度 110 可能会大于涡轮壳体 40 的宽度 112。 此外， 在一些情况下， 涡轮壳体 40 的夸大失圆度可 类似橄榄球或花生形状。在一些实施例中， 涡轮壳体 40 关于高度 110 与宽度 112 之差的失 圆度可高达大约 100 毫米或更大。然而， 不论涡轮壳体 40 的失圆度如何， 可移动护罩部分 54 的内壁或表面 38 可由于可移动护罩部分 54 的不相等致动而保持基本圆形横截面， 以这 种方式补偿涡轮壳体 40 的失圆度。例如， 如图 6 所示， 一些可移动护罩部分 54( 例如， 那些 被致动距离 114 的可移动护罩部分 ) 被致动的程度可大于其它可移动护罩部分 54( 例如， 那些被致动距离 116 的可移动护罩部分 )。 也就是说， 由于涡轮壳体 40 的失圆状态， 一些可 移动护罩部分 54 可移动更大的位移以保持涡轮叶片 36 与可移动护罩部分 54 的内壁 38 之 间的希望间隙或径向缝隙 56。 这样， 不论涡轮壳体 40 可能的失圆如何， 也可在涡轮 20 的整 个圆周周围保持合适的间隙。
现继续至图 7 和图 8， 示出了按照本技术的实施例的可用来调节系统 10 中的间隙 的方法的示例。首先参照图 7， 示出了用于基于涡轮发动机 12 的测定参数调节间隙的方法 120。方法 120 可由监测涡轮发动机 12 的一个或多个参数开始， 如在方框 122 所示。参数 可通过上述涡轮传感器 48 测量并且可与可用来确定适当间隙的涡轮发动机 12 的任何合 适的参数相关。例如， 一些参数可与涡轮 20 内或涡轮 20 的某些构件 ( 例如， 叶片 36、 转子 108 等 ) 的温度、 涡轮 20 中的振动水平、 轴 24 的转速、 涡轮 12 的功率输出、 燃烧气体的流 率、 压力数据或它们的一些组合相关。另外， 一些参数可与涡轮发动机 12 的控制输入相关。 例如， 一些参数可与涡轮发动机 12 的额定功率水平或运转状态、 从涡轮发动机 12 起动以来 经过的时间段或起动和 / 或停机输入相关。
在方框 122 监测的涡轮发动机 12 的一个或多个参数然后可用来在判定方框 124、 128 和 132 确定希望的间隙设置。例如， 在判定方框 124， 作出关于参数是否指示涡轮发动 机 12 的瞬态的判断， 该瞬态即涡轮发动机 12 的变化参数可能致使间隙快速改变的状态。 例 如， 一个或多个参数可与涡轮壳体 40、 叶片 36 或涡轮发动机 12 的某一其它构件的温度相 关。如果检测到温度快速改变， 则这表示涡轮发动机 12 处于瞬态， 例如起动或停机。
如果检测到此类瞬态， 则方法 120 可进行至方框 126， 在此处护罩被磁性致动以保 持对应于运转的瞬态的希望的间隙设置。在一个实施例中， 方法 120 可将可移动护罩部分 54 磁性致动为最大间隙设置。通过将间隙设为最大水平， 最大限度地减少了护罩的内壁 38 与涡轮叶片 36 之间接触的可能性。例如， 为了实现最大间隙设置， 间隙控制器 46 可减少或 消除流至磁体 70 和 72 中一个或更多的线圈 74 的电流。因而， 当磁体的排斥力被去除时， 弹簧 100 可使可移动护罩部分 54 向外并远离旋转轴线 62( 例如， 沿图 3 的箭头 98 的方向 ) 缩回。此后， 方法 120 可返回至方框 122 并继续监测涡轮发动机 12 的运转参数。
在一个实施例中， 也可基于关于涡轮发动机 12 在起动后或在涡轮发动机 12 的功 率设置的某种其它变化之后达到稳态所花费的时间量的经验测算或理论估计而判断涡轮 发动机 12 是否在瞬态或稳态条件下运转。经验数据可用来将给定的时间常数编程到间隙 控制器 46 中， 代表在涡轮发动机 12 的功率设置的某些变化开始之后获得稳态条件要花费 的时间量。例如， 在涡轮发动机 12 的功率设置的特定变化发生后， 间隙控制器 46 可保持跟 踪从功率设置变化以来已经过的时间量， 以确定涡轮发动机 12 是否处于瞬态或稳态。如果经过的时间大于给定的时间常数， 则这可表示涡轮发动机 12 已达到稳态运转条件。然而， 如果经过的时间小于给定的时间常数， 则这可表示涡轮发动机 12 仍处于瞬态运转状态。
返回判定方框 124， 如果监测的参数不指示瞬态， 则方法 120 可继续至稳态判定方 框 128 或 132 中的一个。例如， 如果确定测定参数 ( 例如， 温度 ) 在一段时间比较稳定， 则 这可表示涡轮发动机 12 已达到稳态运转条件。因而， 方法 120 可前进通过方框 128 和 130 所示的判定逻辑以确定涡轮 20 是否在全功率稳态条件或低速稳态条件运转。相应地， 可基 于涡轮发动机 12 的功率设置确定可移动护罩部分 54 的磁性致动， 如以下将说明的。
继续至判定方框 128， 作出关于参数是否指示涡轮发动机 12 在全功率、 稳态条件 运转的确定。如果监测的参数指示全功率稳态条件， 则方法 120 可在方框 130 磁性致动可 移动护罩部分 54 以预定位移， 以提供旨在提供用于全功率稳态条件的最小间隙的径向缝 隙 56。 在一些实施例中， 各可移动护罩部分 54 的预定位移可基于关于在全功率稳态运转条 件可预期的涡轮壳体 40、 涡轮叶片 36 等的膨胀水平和 / 或膨胀率和 / 或形变的经验测算或 理论估计。此后， 方法 120 可返回至方框 122 并继续监测涡轮发动机 12 的运转参数。仅以 示例的方式， 用于全功率稳态运转条件的间隙设置可小于用于上述瞬态运转条件的间隙设 置。 如果在判定方框 128， 确定监测的参数不指示全功率稳态运转条件， 则方法 120 继 续至判定方框 132， 其中作出关于所监测的参数是否指示涡轮发动机 12 在低速稳态条件 ( 例如， 全功率设置的 50％或更小 ) 运转的判断。如果是， 则方法 120 可在方框 134 磁性致 动可移动护罩部分 54 以预定位移， 以提供旨在提供用于低速稳态条件的最小间隙的径向 缝隙 56。 如上所述， 各可移动护罩部分 54 的预定位移可基于关于在低速稳态运转条件可预 期的涡轮壳体 40、 涡轮叶片 36 等的膨胀水平和 / 或膨胀率和 / 或形变的经验测算或理论 估计。此外， 在一些实施例中， 可将若干低速设置编程到间隙控制器 46 中， 以与涡轮发动机 12 的各种功率设置相对应。一旦可移动护罩部分 54 被相应调节， 方法 120 就可从方框 134 返回到方框 122 并且继续监测涡轮发动机 12 的运转参数。另外， 如果在判定方框 132 未检 测到低速稳态条件， 方法 120 也可从判定方框 132 返回方框 122 并且继续监测涡轮参数。
如上所述， 间隙控制器 46 可被编程以提供两个或更多离散 (discrete) 的间隙设 置， 其可至少部分根据涡轮发动机 12 是否在稳态运转条件 ( 例如， 全功率和低速 ) 下运转 来进行选择。现在转到图 8， 示出了按照本技术的实施例的用于实时逐渐调节间隙的方法 140。使用方法 140， 不论涡轮发动机 12 是否在稳态或瞬态条件下运转， 都可保持希望的间 隙。
如图 8 所示， 方法 140 在方框 142 开始， 其中确定希望的间隙。可至少部分基于涡 轮发动机 12 的运转条件确定希望间隙， 如以上参照图 7 大致说明。例如， 在涡轮发动机 12 起动期间， 涡轮 20 中的振动可能导致径向缝隙 56 改变或快速变化。因此， 为了在起动期间 减少摩擦的可能性， 在如通过一个或多个涡轮传感器 48 测量的振动水平增加周期期间， 可 将希望间隙设为较大的值。例如， 可如以上关于图 1 所述将代表振动水平的信号 ( 例如， 感 测数据 50) 发送至间隙控制器 46 以确定希望间隙。在一些实施例中， 方框 142 可周期性重 复或可响应涡轮发动机 12 的运转条件的改变而重复， 例如停机、 低速或涡轮发动机 12 的运 转状态的某种其它变化的开始。此外， 可通过连续间隙值范围 ( 例如， 通过调整向磁体 70 和 72 的线圈 74 供应的电流 ) 逐渐调节希望的间隙。
方法 140 还可包括测量实际间隙， 如方框 144 所示。例如， 可通过联接至涡轮壳体 40 的圆周周围的各可移动护罩部分 54 的各近程传感器或间隙传感器 102 测量实际间隙并 将其发送至间隙控制器 46( 作为图 3 和图 4 所示的反馈数据信号 104)。接下来， 在判定方 框 146， 确定关于在方框 144 测量的实际间隙是否等于在方框 142 确定的希望间隙。 如果实 际间隙不等于希望间隙， 则方法 140 继续至方框 148， 其中根据希望间隙调节间隙。例如， 间隙调节过程可包括为涡轮壳体 40 内的各可移动护罩部分 54 提供独立的间隙调节控制动 作。也就是说， 各可移动护罩部分 54 的位置然后可被磁性致动， 如以上关于图 3 和图 4 所 述， 以使实际间隙更接近希望的间隙。 如图 8 所示， 接着方框 148， 方法 140 可返回判定方框 146。在一些实施例中， 可周期性重复方框 146 和 148 以保持希望间隙。另外， 如方框 150 所示， 如果确定实际间隙和希望间隙相等， 则该方法可结束调节过程。
虽然所示的方法 140 显示了一旦获得希望的间隙则调节过程就可结束 ( 方框 150)， 但在其它实施例中， 可在不连续的短时间间隔重复方法 140 以提供接近连续的、 实时 的间隙监测和调节。当涡轮 20 的热响应致使叶片 36 和 / 或涡轮壳体 40 在运转期间收缩 或膨胀， 通过实时连续调节间隙， 可保持大致恒定的间隙。例如， 当涡轮 20 由于燃烧气体流 出燃烧段 18 而升温时， 涡轮叶片 36 可能会径向膨胀。当涡轮叶片 36 径向膨胀时， 可向外 ( 沿图 3 中箭头 98 的方向 ) 调节可移动护罩部分 54 以保持希望的叶片间隙。 应当进一步理解的是， 虽然本文的示例已关于涡轮发动机系统的涡轮大致描述文 中所述的间隙控制技术的应用， 但前述技术也可应用于涡轮发动机系统的压缩机， 以及任 何类型的包括静止构件和旋转构件并且需要在静止构件与旋转构件之间保持间隙的系统。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明， 并且还使本领域的任 何技术人员能够实施本发明， 包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方 法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定， 并且可包括本领域技术人员所想到 的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件， 或者 它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件， 则认为此类其它实例包含 在权利要求的保护范围内。