专利名称：主动转子对齐控制系统和方法
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/或护罩的均勻的周向膨胀，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、涡轮机构件的不均勻热 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。
图1是示例性旋转机器、特别是燃气涡轮机的示意图；图2A是图示了旋转机器如燃气涡轮机的转子与周围的壳体结构之间大致均勻的 同心关系的概略截面图；图2B是图示了旋转机器如燃气涡轮机的转子与周围的壳体结构之间的偏心关系 的概略截面图；图3是结合了主动转子对齐系统以补偿转子与护罩之间的偏心度的燃气涡轮机 的局部透视图；图4是结合了传感器以检测转子与周围的壳体结构之间的偏心度的燃气涡轮机 的概略截面图；图5是结合了与轴承一起配置的致动器以使转子相对于壳体结构移位的燃气涡 轮机的概略截面图；图6是控制系统的示例性视图；以及图7是本发明的方法实施例的流程图。部件清单10燃气涡轮机；12压缩机段；14燃烧室；16涡轮段；18涡轮机转子；19转子轴；20 发电机；21轴端；22涡轮级；23涡轮叶片或轮叶；24内护罩；25支撑结构；26壳体结构；28外壳体；30致动器；32传感器；33控制信号；34叶片末端间隙；35输入；36控制系统；37输 出；38闭环反馈系统；40硬件或软件程序；42控制器；50轴承；52外结构；54内结构；56轴 承壳体；100测量叶片间隙；110计算偏心度的量级和位置；120将计算出的偏心度与可接 受的极限进行比较；130极限评估；140向转子致动器生成控制信号；150使转子在壳体内 偏心地移位
具体实施例方式现参考本发明的具体实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。各实施例通过 对本发明的多个方面的说明而呈现，并且不应当认为是对本发明的限制。例如，关于一个实 施例所示或所述的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。本发明意图包括对文 中所述的实施例做出的这些和其它改型或变型。文中将关于燃气涡轮机构造描述本发明的多个方面。然而，应当理解的是，本发明 并不局限于燃气涡轮机，而是可应用于一般意义上的旋转机器，其中期望检测和补偿转子 与周围的壳体结构之间的偏心度。图1图示了常规的旋转机器如燃气涡轮机10的示例性实施例。燃气涡轮机10包 括压缩机段12、燃烧室14和涡轮段16。总体上示为18的涡轮机转子包括穿过燃气涡轮机 10纵向设置并且联接至发电机20的转子轴19。涡轮段16包括在壳体结构26内旋转的涡 轮级22，壳体结构26可包括内壳体和外壳体的任何构造，例如内壳体或护罩24(其可为公 共的单个壳体结构或单独的壳体环)，以及外壳体28。各涡轮级22包括多个涡轮叶片23。常规的燃气涡轮机构造的结构和操作是本领域技术人员众所周知的，并且不需要 为了理解本发明而对其进行详细说明。同样，图1中简化的涡轮机10仅代表任何类型合适 的涡轮机或其它旋转机器构造，并且应当理解的是，本系统和方法对于各种涡轮机构造有 用并且不局限于任何具体类型的燃气涡轮机或其它旋转机器。图2A是图示了具有安装在转子轴19上的单独叶片或轮叶23的涡轮级22的概略 图。涡轮级22在内护罩24(所有涡轮级公共的单个内壳体结构或单独的护罩环)内旋转， 该内护罩24在壳体结构26的外壳体28内同心。可在内护罩24与外壳体结构28之间构 造任何连接或支撑结构25的方式。旋转叶片23的末端与内护罩24之间期望有理想的叶 片末端间隙34。该间隙34在图2A中出于图示的目的而被显著地夸大。如图2B中所示，偏心度可在涡轮级22与内护罩24之间发展。这些偏心度可由多 种因素如制造或装配公差、轴承对齐、轴承油顶起、支承结构的热增长、振动、涡轮机构件不 均勻的热膨胀、壳体滑动、重力下垂等的任何组合所引起。偏心关系可导致本身本质上偏心 的涡轮叶片间隙34，如图2B中所示。偏心度可引起低于最低可接受规格的涡轮叶片间隙， 且其可引起叶片23的末端与内护罩24之间的摩擦。另外，偏心度可引起超过设计规格的 叶片末端间隙，其可引起显著的转子损耗。图3图示了结合本发明的多个方面的燃气涡轮机10的实施例。转子18在轴19 的相对端处包括轴端21。轴端21被支撑在相应轴承50(图3的右手侧)中。本领域技术 人员知道并且理解任何方式的常规轴承50的结构和操作。图3还图示了相对于壳体结构 26支撑轴承50的多个致动器30。在所示的实施例中，致动器30被连接在可为同心结构的 外结构52与内结构54之间。轴承50包括被容纳在内结构54中的轴承壳体56 (图5)。
参照图5，多个致动器30被周向隔开在支承壳体26被容纳在其中的外结构52与 内结构54之间。致动器因而用来相对于静止壳体结构26旋转地支撑转子。应当理解的是， 可在各转子轴端21处设置相似的支承结构和致动器构造。致动器30的数量和位置可以变 化，但期望致动器30允许对转子与壳体结构之间检测到的任何偏心度的完全周向补偿，如 通过涡轮级22与内护罩24(图4)之间的叶片末端间隙检测的偏心度。致动器30构造成 使内结构54(以及因而轴承50)相对于壳体结构26的静止外结构52移位或移动。致动器 30在它们的设计或结构方面不受限制，并且可包括任何方式的气动、液压、电动或机械致动 机构。例如，致动器30可构造为单独控制的电动机、气动或液压活塞、伺服装置、螺纹或传 动装置、垫片装置等。在所示的实施例中，四个致动器30在内结构54的圆周周围相等地隔 开九十度。顶部和底部致动器30提供竖直调节，而左、右致动器30提供水平调节。致动器 30的组合提供内护罩结构54的整个圆周周围任何期望程度的水平和竖直调节。参照图4，多个间隙传感器32周向地隔开在涡轮段的内护罩24周围，并且构造成 当转子级22在护罩24内旋转时测量转子叶片23的末端与内护罩24之间的叶片末端间隙 34。这些传感器32的数量和位置可以变化，但期望足以检测内护罩24的圆周周围任何方 式的偏心。周向隔开的传感器32的不同的组可以可操作地设置在沿涡轮机的多个轴向位 置处，以提供对整体偏心度的增强的评估，特别是用于控制在两个转子轴端的轴承处的致 动器。在本领域中已知并使用了各类叶片末端传感器，并且可在本发明的范围和精神内使 用此类传感器中的任何一个或组合。例如，传感器30可为被动装置，例如电容或电感传感 器，其对由金属叶片末端在传感器下方的通过产生的测定电容或电感的变化进行反应，变 化的量级反映叶片末端间隙的相对程度。典型地，这些类型的电容传感器安装在护罩24内 的凹部中以便与护罩24的内周面齐平。在备选实施例中，传感器30可为任何方式或构造 的主动感测装置，例如微波发射/接收传感器、激光发射/接收传感器等。在又一备选实施 例中，主动传感器30可包括光学构造，其中光线传输至涡轮叶片并从涡轮叶片反射。应当容易理解的是，本发明并不局限于传感器的类型或构造，并且可使用任何方 式或构造的已知或开发的传感器或其它装置来通过测量或检测叶片末端间隙而检测偏心 度。还应当理解的是，本发明的范围内包括的合适传感器可构造成通过测量或监视叶片末 端间隙之外的参数而直接或间接地检测偏心度。参照图6，示例性控制系统36构造成与传感器32和致动器30通信。控制系统可 包括软件实现的程序，其根据从传感器接收的信号计算转子偏心度的量级和周向位置，并 且当转子在护罩内旋转时控制致动器来补偿计算出的转子偏心度。在所示的实施例中，控制系统36包括控制器42，该控制器42配置有任何方式的硬 件或软件程序40，以根据各种相应传感器32的叶片末端间隙测量值而计算偏心度。在一个 特定实施例中，控制系统36构造为闭环反馈系统38，其中从由传感器32产生的信号基本上 瞬时地计算偏心度。控制系统36然后对各相应的致动器30生成控制信号33。致动器30 响应于控制信号33使轴承50如上所述移位，以将偏心度最小化至可接受的极限内。当轴 承50重新定位时，传感器32继续感测叶片末端间隙34并且连续监视计算出的偏心度。应当容易地理解的是，控制系统36可包括任何数量的控制特征，例如缓冲或延时 电路，或任何其它类型的公知闭环反馈控制系统功能，以确保系统做出最小数量的所需调 节来将偏心度保持在可接受的极限内。例如，控制系统36可配置成以便对轴承50的位置做出递增调节，并且在每次调节之间具有预定的等待周期，以允许在做出随后的调节之前 检测到的偏心度中的任何变化稳定。控制系统36可接收与其功能如偏心度设定点、调节控制等相关的输入35，或从任 何其它相关的控制系统接收输入35。另外，来自传感器的输出37可出于任何原因如诊断、 维护等由任何其它相关的控制系统或设备使用。图6描绘了构造成用于调节在涡轮机10的各端的轴承的控制系统36。这在特定 实施例中可以是有益的，因为可通过控制转子在两端的位置实现转子更精确的调节。然而， 应当理解的是，本发明包括通过仅与轴承之一一起配置的致动器相对于壳体结构调节转子 位置。图7描绘了示范本控制技术的一个实施例的流程图。在步骤100，当涡轮在护罩内 旋转时在护罩周围的多个位置测量叶片末端间隙。如上所述，可通过周向地设置在护罩周 围的任何方式的传感器感测叶片末端间隙。在步骤110，使用测定的叶片末端间隙来计算护罩与转子之间任何偏心度的量级 和相对周向位置。在步骤120，将计算出的偏心度与预定的可接受极限进行比较。在步骤130，如果计算出的偏心度在极限内，则监视过程在步骤100继续。在步骤130，如果计算出的偏心度超过可接受的设定点，则控制系统生成致动器控 制信号，这些控制信号被应用于设置在至少其中一个转子轴承中的周围以在步骤150使轴 承(以及因而转子轴)相对于静止的壳体结构偏心地移位，从而补偿偏心度。如上所述，通 过致动器做出的调节可以以递增步骤或单个步骤计算，以补偿整体偏心度。在每次调节轴 承后，监视在步骤100继续。应当容易地理解的是，图6的系统中示出的闭环型反馈系统和图7的方法并非是 对本发明的限制。本领域技术人员可容易地设计各类控制系统来达到使内护罩在外壳体内 偏心地移位的目的，从而补偿转子与护罩之间的偏心度。虽然已关于具体示例性实施例及其方法详细描述了本主题，但应该理解的是，本 领域技术人员在理解前文后可容易地产生对此类实施例的变型及等同物的变更。因此，本 公开内容的范围作为举例而非限制，并且对本领域普通技术人员来说将非常明显的是，本 主题公开内容并不排除包括对本主题的此类修改、变更和/或增加。
权利要求
一种带间隙控制系统的燃气涡轮机(10)，包括转子(18)，其带有旋转地支撑在壳体结构(26)内的转子叶片(23)的至少一个级；所述转子包括相对的轴端(21)，且各所述轴端由相应的轴承(50)支撑；多个致动器(30)，其与至少其中一个所述轴承一起配置，以使所述轴承移动，并从而使所述转子相对于所述壳体结构偏心地移位；多个传感器(32)，其周向隔开在所述壳体结构周围，并且配置成当所述转子在所述壳体结构内旋转时测量指示所述转子与所述壳体结构之间的偏心度的参数；以及控制系统(36)，其与所述多个传感器以及所述多个致动器通信，并且配置成控制所述多个致动器以使所述轴承相对于所述壳体结构移位，从而补偿通过所述多个传感器在所述转子与所述壳体结构之间检测到的偏心度。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(10)，其特征在于，所述燃气涡轮机还包括与另 一相应的所述轴承(50) —起配置的另外的多个致动器(30)，所述另外的多个致动器与所 述控制系统(36)通信，使得所述转子(18)通过一个或两个所述轴承的运动相对于所述壳 体结构(26)移位。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的燃气涡轮机(10)，其特征在于，所述控制系统 (36)包括带软件实现的程序的闭环反馈系统(38)，所述闭环反馈系统(38)根据从所述多 个传感器(32)接收的信号计算转子偏心度的量级和旋转位置，并且当所述转子(18)在所 述壳体结构(26)内旋转时控制所述多个致动器(30)以补偿计算出的转子偏心度。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的燃气涡轮机(10)，其特征在于，所述多个传感 器(32)为主动间隙传感器或被动间隙传感器的任何组合，周向隔开在所述壳体结构(26) 周围的所述主动间隙传感器传输并接收从所述转子叶片(23)反射的信号，以测量所述转 子叶片与所述壳体结构之间的末端间隙，所述被动间隙传感器周向隔开在所述壳体结构周 围，以测量所述转子叶片(23)与所述壳体结构(26)之间的末端间隙。
5. 一种用于机器中的转子(18)与壳体结构(26)之间的间隙控制的方法，其中所述转 子在所述壳体结构内旋转，所述方法包括当所述转子在所述壳体结构内旋转时，通过感测指示偏心度的参数而检测所述转子 (18)与所述壳体结构(26)之间的偏心度；以及当所述转子在所述壳体结构内旋转时，响应于任何检测到的偏心度，使所述转子(18) 相对于所述壳体结构(26)偏心地移位，以补偿该检测到的偏心度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述壳体结构周围的多 个位置处感测所述转子(18)与所述壳体结构(26)之间的间隙，以及计算偏心度的量级和 相对旋转位置，以便当所述转子在所述壳体结构内旋转时连续地补偿所述偏心度。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用周向隔开 在所述壳体结构周围的主动传感器(32)来主动地感测所述转子(18)与所述壳体结构(26) 之间的间隙，或使用周向隔开在所述壳体结构周围的被动传感器(32)来被动地感测所述 转子(18)与所述壳体结构(26)之间的间隙。
8.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其特征在于，所述转子(18)在所述转子 的相对端由相应轴承(50)相对于所述壳体结构(26)旋转地支撑，并且包括通过控制在至 少其中一个轴承与所述壳体结构之间配置的多个致动器(30)而使所述转子相对于所述壳体结构偏心地移位，并且还包括在所述壳体结构的周围的多个位置处感测所述转子与所述 壳体结构之间的间隙，计算所述偏心度的量级和相对旋转位置，并且当所述转子在所述壳 体结构内旋转时在闭环反馈系统(38)中连续地控制所述致动器使所述轴承移位以便补偿 所述偏心度。
9.一种转子对壳体的对齐系统，包括转子(18)，其被旋转地支撑在壳体结构(26)内； 所述转子包括相对的轴端(21)，且各所述轴端由相应轴承(50)支撑； 多个致动器(30)，其与至少其中一个所述轴承一起配置以使所述轴承移动，并从而使 转所述子相对于所述壳体结构偏心地移位；多个传感器(32)，其周向隔开在所述壳体结构周围，并且配置成当所述转子在所述壳 体结构内旋转时检测所述转子与所述壳体结构之间的偏心度；以及控制系统(36)，其与所述多个传感器以及所述多个致动器通信，并且配置成控制所述 多个致动器来通过使所述轴承移动而使所述转子相对于所述壳体结构移位，以补偿通过所 述多个传感器在所述转子与所述壳体结构之间检测到的偏心度。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制系统(36)包括带软件实现的程 序的闭环反馈系统(38)，所述闭环反馈系统(38)根据从所述多个传感器(32)接收的信号 计算转子偏心度的量级和旋转位置，并且当转子(18)在所述壳体结构(26)内旋转时控制 所述多个致动器(30)来补偿所述计算出的转子偏心度，并且其中所述多个传感器包括周 向隔开在所述壳体结构周围以测量所述转子与所述壳体结构之间的间隙的主动传感器或 被动传感器的任何组合。
全文摘要
本发明涉及主动转子对齐控制系统和方法，具体而言，涉及一种旋转机器，例如燃气涡轮机(10)，其包括主动转子对齐间隙控制系统，其中多个传感器(30)周向隔开在至少一个转子轴承(50)周围。致动器配置成使轴承以及因此转子轴(19)相对于静止的外壳体结构(26)偏心地移位。多个传感器(32)周向隔开在壳体结构(26)的构件周围，并且当转子(18)在该结构内旋转时测量指示偏心度的参数，例如转子叶片与该结构之间的叶片末端间隙。与传感器和致动器(30)通信的控制系统配置成控制致动器来通过使轴承(50)移动而使转子(18)偏心地移位，以补偿在转子与壳体结构之间检测到的偏心度。
文档编号F01D11/16GK101892871SQ20101019374
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月22日
发明者D·A·斯奈德, M·A·麦卡勒姆, P·G·博加帕 申请人:通用电气公司