對用于渦輪機(jī)的斗葉冷卻供給的主動控制裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種對用于渦輪機(jī)的斗葉冷卻供給的主動控制裝置和方法，該冷卻氣體流控制裝置在內(nèi)部定位在渦輪機(jī)的壓縮機(jī)與渦輪部段之間。冷卻氣體流控制裝置具有形狀記憶材料，該形狀記憶材料用于主動調(diào)節(jié)通向渦輪部段的內(nèi)部部件（其中包括斗葉）之間的冷卻氣體流。
【專利說明】對用于渦輪機(jī)的斗葉冷卻供給的主動控制裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明總體涉及用于對渦輪機(jī)進(jìn)行冷卻的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)按照慣例包括壓縮機(jī)，用于對將與燃料混合并且在燃燒器中點(diǎn)燃以產(chǎn)生熱燃燒氣體的環(huán)境空氣進(jìn)行壓縮。渦輪機(jī)從燃燒器接收熱燃燒氣體并且從所接收的熱燃燒氣體提取能量，以用于為壓縮機(jī)提供動力并且產(chǎn)生輸出功率(例如以用于為發(fā)電機(jī)提供動力)。渦輪機(jī)按照慣例包括一級或多級定子噴嘴或葉片、斗葉或渦輪輪葉、以及圍繞渦輪輪葉以用于與其保持適當(dāng)間隙的環(huán)形護(hù)罩。當(dāng)渦輪機(jī)進(jìn)口溫度已升高從而改進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的效率時，向渦輪葉片、斗葉和護(hù)罩提供冷卻流體(例如空氣)以將那些部件的溫度保持在其材料能夠承受的水平變得必需，從而保證部件的令人滿意的使用壽命。對渦輪機(jī)的冷卻通常通過從壓縮機(jī)提取由壓縮機(jī)所壓縮的空氣的一部分，以及將該部分壓縮空氣弓丨導(dǎo)至渦輪機(jī)的內(nèi)部(其中包括渦輪葉片、斗葉和護(hù)罩)以對其進(jìn)行冷卻來實(shí)現(xiàn)。在壓縮機(jī)中被壓縮并且未用于產(chǎn)生燃燒氣體的任何空氣都必然降低渦輪機(jī)的效率。因此，使從壓縮機(jī)泄出的冷卻空氣的量最小化是有利的。
[0003]渦輪機(jī)通常被設(shè)計成在全負(fù)荷下進(jìn)行操作。然而，隨著生成能量的備選方法(例如風(fēng)力渦輪機(jī))變得更受歡迎，燃?xì)鉁u輪機(jī)能夠在部分負(fù)荷條件下高效地進(jìn)行操作變得重要，以產(chǎn)生補(bǔ)充生成能量的備選方法所需的足夠的功率。此外，當(dāng)生成能量的備選方法不可用時，渦輪機(jī)必須是可用于產(chǎn)生功率從而彌補(bǔ)生成能量的損失的備選方法。類似地，當(dāng)條件是非于渦輪機(jī)設(shè)計時(例如，熱天)，渦輪機(jī)可能不能在全負(fù)荷下進(jìn)行操作。在這些天，在部分負(fù)荷條件下操作渦輪機(jī)變得必需，以將渦輪機(jī)操作保持在其設(shè)計操作參數(shù)內(nèi)。
[0004]總體而言，渦輪機(jī)中的冷卻回路對于全負(fù)荷操作而言是最佳的。因此，在部分負(fù)荷操作中，冷卻回路所提供的冷卻通常比所需的多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]總體而言，本發(fā)明提供一種用于渦輪轉(zhuǎn)子的冷卻氣體流控制裝置。該冷卻氣體流控制裝置具有:內(nèi)部冷卻氣體路徑，內(nèi)部冷卻氣體路徑定位在壓縮機(jī)部段的出口與用于渦輪部段的渦輪內(nèi)腔的進(jìn)口之間；以及可調(diào)節(jié)氣體流量閥，可調(diào)節(jié)氣體流量閥定位在壓縮機(jī)的出口與用于轉(zhuǎn)子腔的進(jìn)口之間，位于冷卻氣體路徑中，其中可調(diào)節(jié)氣體流量閥基于離開渦輪機(jī)的壓縮機(jī)的壓縮氣體的物理參數(shù)來調(diào)節(jié)通過冷卻氣體路徑的氣體流。
[0006]所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料包括形狀記憶合金。所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且所述通道適于從所述壓縮機(jī)部段接收氣體。所述可調(diào)節(jié)空氣流量閥還可包括安裝件、具有第一端部和第二端部的形狀記憶材料、以及限流器，其中所述安裝件連接至所述形狀記憶材料的所述第一端部，并且所述限流器連接至所述形狀記憶材料的所述第二端部。
[0007]所述可調(diào)節(jié)空氣流量閥可進(jìn)一步包括附連至多個單獨(dú)的限流器的多個形狀記憶材料。所述多個單獨(dú)的限流器形成尺寸為、并且成形為配合在一起，以減少通過所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥的氣體流?；蛘?，所述可調(diào)節(jié)空氣流量閥包括連接至單一限流器的多個形狀記憶材料。所述單一限流器包括手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。所述單一限流器包括定位在連接輪的孔中的閥盤，其中所述連接輪定位在渦輪機(jī)的所述壓縮機(jī)部段與所述渦輪部段之間、并且連接所述渦輪機(jī)的所述壓縮機(jī)部段與所述渦輪部段。所述安裝件定位在凹槽中，所述凹槽定位成鄰近所述連接輪中的孔洞。
[0008]所述形狀記憶材料由改變形狀以降低通過所述形狀記憶材料的流速的分段形成，其中每一分段都具有不同的轉(zhuǎn)變溫度。所述形狀記憶材料可在圓柱形形狀與截錐形狀之間發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)通過所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥的氣體流。
[0009]所述冷卻氣體路徑定位在連接輪中，所述連接輪連接燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)部段與渦輪部段。
[0010]此外，本發(fā)明還提供了一種控制用于渦輪部段的內(nèi)腔的冷卻氣體以對渦輪機(jī)的渦輪部段的斗葉和其它部件進(jìn)行冷卻的方法。該方法包括以下步驟:a)從渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段抽吸冷卻氣體，所述冷卻氣體具有一定溫度山)將冷卻氣體引導(dǎo)至內(nèi)部路徑中，內(nèi)部路徑連接渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段與渦輪部段的內(nèi)腔；以及c)使內(nèi)部路徑中的冷卻氣體通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥，可調(diào)節(jié)氣體流量裝置包括形狀記憶材料，其中形狀記憶材料基于到該形狀記憶材料的輸入溫度改變形狀，以調(diào)節(jié)冷卻氣體通過內(nèi)部路徑到達(dá)渦輪轉(zhuǎn)子的腔的流動。
[0011]所述壓縮機(jī)具有從其排放的壓縮氣體，所述壓縮氣體具有一定溫度，并且所述輸入溫度是從所述壓縮機(jī)被排放的壓縮氣體的溫度，還可以是被引導(dǎo)至所述內(nèi)部路徑中的冷卻氣體的溫度。
[0012]所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且壓縮氣體通過所述通道，所述形狀記憶材料響應(yīng)通過所述通道的壓縮氣體的溫度。
[0013]所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且冷卻氣體通過所述通道，所述形狀記憶材料響應(yīng)通過所述通道的冷卻氣體的溫度。
[0014]通過提供冷卻氣體流控制裝置，當(dāng)渦輪機(jī)在部分負(fù)荷條件和非設(shè)計操作條件下進(jìn)行操作時，能夠改進(jìn)包括氣體流控制裝置的渦輪機(jī)的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示意性地示出了渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括內(nèi)部冷卻氣體路徑。
[0016]圖2示出了渦輪機(jī)的連接輪的局部內(nèi)部透視圖。
[0017]圖3示出了示例性的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥。
[0018]圖4示出了示例性的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥。
[0019]圖5示出了另一個示例性的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥。
[0020]圖6示出了具有多種形狀記憶材料的圖5中所示的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的變型。
[0021]圖7示出了處于部分負(fù)荷操作條件下的圖6的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的橫截面。
[0022]圖8示出了處于正常操作條件下的圖6的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的橫截面。
[0023]圖9示出了具有可調(diào)節(jié)限流器的另一個示例性可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥。[0024]圖10示出了具有多種形狀記憶材料的圖9中所示的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的變型。
[0025]圖11示出了處于部分負(fù)荷操作條件下的圖10的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的橫截面。
[0026]圖12示出了處于正常操作條件下的圖10的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的橫截面。
[0027]圖13示出了另一個示例性的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥。
[0028]圖14示出了圖13中所示的可調(diào)節(jié)冷卻氣體流量閥的更詳細(xì)的視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了獲得對本發(fā)明的更好理解，注意本說明書的附圖。
[0030]參照圖1，示出了示例性渦輪機(jī)2，示例性渦輪機(jī)2具有壓縮機(jī)部段4、燃燒器部段6和渦輪部段8。壓縮機(jī)部段4具有進(jìn)口(未示出)，所述進(jìn)口吸入待壓縮的氣體。
[0031]壓縮機(jī)部段4可以是軸向壓縮機(jī)，該軸向壓縮機(jī)具有以多級布置的交替行的定子葉片和斗葉以用于通過每一個隨后的下游級相繼對氣體(通常為空氣)進(jìn)行壓縮，由此使壓力增大到越來越高直到壓縮氣體在最大壓力從壓縮機(jī)出口 10被排出為止。
[0032]燃燒器部段6通過壓縮機(jī)出口 10從壓縮機(jī)部段4接收壓縮氣體。還提供了傳統(tǒng)的燃料供給管道和噴射器(未示出)以用于提供合適的燃料(例如天然氣)，該合適的燃料在燃料-混合區(qū)域12中與壓縮氣體混合。組合的燃料和壓縮氣體被傳輸至燃燒器14，在燃燒器14處，點(diǎn)燃燃料-壓縮氣體混合物以產(chǎn)生熱燃燒氣體。
[0033]渦輪部段8相對于燃燒器部段6布置在下游處。在渦輪部段8中，熱燃燒氣體的能量通過渦輪部段8被轉(zhuǎn)化為功。熱氣體膨脹，并且一部分熱能在渦輪部段8的噴嘴部段中轉(zhuǎn)化為動能。噴嘴部段包括多個定子輪葉、或噴嘴28、30、32。例如，第一級噴嘴包括定子輪葉28，第二級噴嘴包括定子輪葉30，并且第三級包括定子輪葉32。
[0034]渦輪部段8還包括斗葉部段。在斗葉部段中，一部分動能被傳遞到斗葉40、42、44(也被稱為“渦輪輪葉”)，斗葉40、42、44分別連接至轉(zhuǎn)子輪34、36、38，并且動能轉(zhuǎn)化為功。輪34和斗葉40形成第一級，輪36和斗葉42形成第二級，并且輪38和斗葉44形成第三級。間隔件50、52可以設(shè)置在每對轉(zhuǎn)子輪之間。額外的級可以存在于渦輪部段8中，其中每一個額外的級都包括定子輪葉和斗葉。在操作期間，斗葉從燃燒氣體提取能量，從而接著使轉(zhuǎn)子輪34、36、38旋轉(zhuǎn)。每一個轉(zhuǎn)子輪都連接至轉(zhuǎn)子軸(未示出)并且轉(zhuǎn)子軸連接至壓縮機(jī)部段，轉(zhuǎn)子軸使壓縮機(jī)部段4的轉(zhuǎn)子輪葉5轉(zhuǎn)動。如上所述，渦輪部段具有三個斗葉。應(yīng)當(dāng)注意到，斗葉級的數(shù)量能夠大于三。通常對于每一個額外的斗葉級而言，將存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)子輪和定子輪葉。
[0035]作用在斗葉上以通過渦輪生成能量或功的燃燒氣體還能造成斗葉受熱。斗葉通常具有位于環(huán)形定子護(hù)罩20與每一個單獨(dú)斗葉的尖端之間的相對較小的間隙。因此，必須將斗葉的溫度控制在操作參數(shù)內(nèi)，以保持渦輪機(jī)的效率并且防止斗葉在操作期間膨脹和由于與定子護(hù)罩20相接觸而受損。此外，當(dāng)外部氣體溫度顯著高時，燃燒氣體被加熱至更高溫度，由此造成斗葉被加熱至較高溫度，從而能夠?qū)е露啡~的熔融。因此，需要對斗葉進(jìn)行冷卻，以防止正常操作期間斗葉的膨脹和潛在熔融。
[0036]為了提供對渦輪部段8的斗葉40、42、44以及其它部件的冷卻，一部分壓縮氣體從渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段4泄出。斗葉40、42和44具有內(nèi)部通道或通路(未示出)，所述內(nèi)部通道或通路允許冷卻氣體通過其中，從而有效地對斗葉進(jìn)行冷卻。類似地，定子也可以包括內(nèi)部通道或通路(未示出)以對定子提供冷卻。一旦冷卻氣體通過內(nèi)部通道或通路，冷卻氣體可以被排出以與渦輪的排氣混合、再循環(huán)至壓縮機(jī)、或者以任何其它有效的方式被排放。
[0037]冷卻氣體通過內(nèi)部冷卻氣體路徑60在內(nèi)部從壓縮機(jī)部段4傳輸至渦輪部段8的內(nèi)腔。內(nèi)部冷卻路徑60定位在壓縮機(jī)部段8的泄出氣體出口 58與用于渦輪部段8的內(nèi)部渦輪轉(zhuǎn)子腔24的進(jìn)口 62之間。進(jìn)口 62將與渦輪部段8的斗葉40、42、44以及其它部件的內(nèi)部通道和通路流體連通。內(nèi)部冷卻氣體路徑60將大體定位在連接輪16中。連接輪16在渦輪機(jī)2的操作期間旋轉(zhuǎn)?？傮w而言，內(nèi)部冷卻路徑60可以是定位在連接輪16內(nèi)的管道。內(nèi)部冷卻路徑60可以是單個路徑或者能夠是多個路徑，如圖2中所示。圖2示出了連接輪16的一部分，在該部分處能夠看到存在多個內(nèi)部冷卻路徑60。
[0038]在渦輪機(jī)的非設(shè)計操作期間，對渦輪部段8的斗葉和其它部件進(jìn)行冷卻所需的冷卻氣體的量會發(fā)生改變。例如，在部分負(fù)荷操作期間，對斗葉進(jìn)行冷卻所需的冷卻氣體的量將減少，原因是小于全設(shè)計負(fù)荷的燃燒氣體將與斗葉相接觸。因此，存在對在內(nèi)部循環(huán)至斗葉的冷卻氣體的體積進(jìn)行控制的需要。已發(fā)現(xiàn)能夠通過使用冷卻氣體流控制裝置63對流向渦輪部段8的內(nèi)腔24以對渦輪部段的部件進(jìn)行冷卻的冷卻氣體的體積進(jìn)行控制，冷卻氣體流控制裝置63包括內(nèi)部冷卻氣體路徑60，其中可調(diào)節(jié)氣體流量閥64定位在內(nèi)部冷卻氣體路徑60中?？烧{(diào)節(jié)氣體流量閥64基于離開渦輪機(jī)2的壓縮機(jī)部段4的壓縮氣體的物理參數(shù)來調(diào)節(jié)通過所述路徑的氣體流。測量所得的物理參數(shù)例如能夠是壓力或溫度，并且可以基于從壓縮機(jī)部段4泄出的冷卻氣體來測量該物理參數(shù)，或者基于離開壓縮機(jī)部段4進(jìn)入燃燒器部段6的燃料混合區(qū)域12的壓縮氣體的物理參數(shù)來測量該物理參數(shù)。
[0039]為了調(diào)節(jié)通向內(nèi)腔24的冷卻氣體流，可調(diào)節(jié)氣體流量閥64可以包括形狀記憶材料。形狀記憶材料是在給定溫度下具有第一形狀，并且在第二溫度(通常被稱為轉(zhuǎn)變溫度)下具有第二形狀的材料。通常，第二溫度(或轉(zhuǎn)變溫度)高于給定溫度。在低于轉(zhuǎn)變溫度的任何溫度下，形狀記憶材料將具有并且保持第一形狀。在轉(zhuǎn)變溫度處或轉(zhuǎn)變溫度以上，形狀記憶材料將具有并且將保持第二形狀。形狀記憶材料的材料的例子包括金屬合金和聚合物。通常，對于高溫應(yīng)用而言，金屬合金由于高溫而用于渦輪機(jī)應(yīng)用中。此外，展現(xiàn)出形狀記憶效果的材料可以涂覆有熱障涂層，以降低冷卻氣體對形狀記憶材料的影響。
[0040]若干經(jīng)報道的金屬合金被稱為形狀記憶合金(SMA)，這種金屬合金有時經(jīng)歷與固態(tài)微結(jié)構(gòu)相變相關(guān)的溫度，使得由這種合金制成的物品能夠從一種物理形狀變成至少另一種物理形狀。眾所周知并且已報道的SMA是常常被稱為鎳鈦諾合金(Nitinol alloy)的鈦鎳合金(titanium nickel alloy)?？梢杂糜谛纬尚螤钣洃浐辖鸬钠渌线m的金屬例如包括，但不限于，猛、鐵、招、娃、銅、鋅、銀、鎘、銦、錫、鉛、銘、鉬、釕、鉭、和銀。
[0041]在由期望于使用期間從一種形狀變成至少一種其它形狀的這種合金制造物品的過程中，該物品被設(shè)置成處于期望用于在轉(zhuǎn)變溫度或轉(zhuǎn)變溫度以上操作使用的第二形狀。這種第二形狀通過對由在固態(tài)微結(jié)構(gòu)相變發(fā)生的轉(zhuǎn)變或臨界溫度處、或該轉(zhuǎn)變或臨界溫度以上由合金預(yù)成形的物品進(jìn)行加工和退火而產(chǎn)生。然而，低于該臨界溫度，這種合金是可鍛的，并且具有第二形狀的該物品能夠變形成期望的第一形狀(例如包括組裝過程中的基本室溫)。之后，例如在物品的服務(wù)操作中，當(dāng)處于第一形狀的SMA物品在其臨界溫度處或在其臨界溫度以上受熱時，該SMA物品經(jīng)歷微結(jié)構(gòu)相變，從而使其恢復(fù)第二形狀。同樣地，當(dāng)溫度小于轉(zhuǎn)變溫度時，SMA材料恢復(fù)其第一形狀。
[0042]參照圖3和圖4，其中示出了可調(diào)節(jié)氣體流量閥64，可調(diào)節(jié)氣體流量閥64包括安裝件70以及具第一形狀(示于圖3中)和第二形狀(示于圖4中)的形狀記憶材料72。在正常操作期間，可調(diào)節(jié)氣體流量閥64將具有圖4中所示的第二形狀，以允許最大的氣體流通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥64。形狀記憶材料72在圖3中示為處于其第一形狀，當(dāng)渦輪機(jī)在較低溫度和較慢速度下進(jìn)行操作時，第一形狀是部分負(fù)荷操作或其它類似條件下的形狀記憶材料的形狀。通過減小壓縮冷卻氣體必須通過其中的出口 66的尺寸，第一形狀減少通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥64的冷卻氣體流。當(dāng)在部分負(fù)載條件下進(jìn)行操作時，離開渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段4的壓縮冷卻氣體將通常具有較低的溫度和較低的壓力。同樣地，離開壓縮機(jī)部段4并且被供給到燃燒器部段6的壓縮氣體也將具有較低的溫度。此外，所產(chǎn)生的用于生成動能的燃燒氣體將減少，從而造成渦輪機(jī)中較低的氣體溫度，由此減少對渦輪機(jī)中的斗葉40、42,44進(jìn)行內(nèi)部冷卻的需要。如圖3和圖4中所示，形狀記憶材料72的形狀基于流過可調(diào)節(jié)氣體流量閥64的冷卻氣體的溫度發(fā)生改變。然而，可以將形狀記憶材料修改成以下文所描述的類似方式來接收離開壓縮機(jī)部段4的壓縮氣體的采樣。通常，形狀記憶材料72將具有圖3中所示的形狀，直到冷卻氣體達(dá)到形狀記憶材料72的轉(zhuǎn)變溫度為止，接著形狀記憶材料72將變形成圖4中所示的形狀，以允許更多冷卻氣體在內(nèi)部流向斗葉40、42、44。當(dāng)由于部分負(fù)荷操作或其它類似的條件，冷卻氣體的物理參數(shù)發(fā)生改變或者離開壓縮機(jī)部段4的壓縮氣體發(fā)生改變時，形狀記憶材料72從圖4中所示的形狀變形成圖3中所示的形狀，以減少通向渦輪部段8的內(nèi)腔的冷卻氣體流，從而在內(nèi)部對渦輪部段8的斗葉和其它部件進(jìn)行冷卻。同樣地，響應(yīng)于由于從部分負(fù)荷操作到在正常操作參數(shù)下進(jìn)行操作而造成的壓縮氣體的物理參數(shù)的改變，形狀記憶材料72變成圖4中所示的形狀，以增加通向轉(zhuǎn)子腔的內(nèi)部的冷卻氣體流。如圖3和圖4中所示，形狀記憶材料72在截錐形(圖3)與圓柱形(圖4)之間發(fā)生改變。
[0043]如圖3和圖4中所示，形狀記憶材料被分為部段73、74、75和76。形狀記憶材料的每一個部段都可以具有相同或不同的轉(zhuǎn)變溫度。使每一個部段都具有單獨(dú)的轉(zhuǎn)變溫度的一個優(yōu)點(diǎn)是每一個部段都可以在不同的溫度下改變其形狀，由此向通向轉(zhuǎn)子腔的內(nèi)部的冷卻氣體流提供漸變。這將允許可調(diào)節(jié)氣體流量閥根據(jù)渦輪機(jī)的當(dāng)前操作條件來改變流量，由此提供對被輸送至渦輪部段的內(nèi)部部件的冷卻氣體更好的控制。
[0044]在圖5中所示的不同構(gòu)造中，冷卻氣體流控制裝置164可以具有:可調(diào)節(jié)氣體流量閥，可調(diào)節(jié)氣體流量閥具有:安裝件170 ;形狀記憶材料172，形狀記憶材料172連接至安裝件170 ;和限流器178。每一個形狀記憶材料172都具有連接至安裝件170的第一端部179和連接至限流器178的第二端部180。如圖所示，存在多個形狀記憶材料172和多個限流器。在需要較少的冷卻氣體對渦輪腔的內(nèi)部部件進(jìn)行冷卻的渦輪機(jī)操作期間，限流器178移動到冷卻氣體路徑中以減少通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥164的冷卻氣體流，并且在需要較多的內(nèi)部冷卻氣體來對渦輪腔的內(nèi)部部件進(jìn)行冷卻的時期期間，使限流器178從冷卻氣體路徑縮回。為了獲得對此的更好理解，注意圖7和圖8。在圖7中，示出了可調(diào)節(jié)氣體流量閥164在部分負(fù)荷操作條件下的構(gòu)造。像能夠看到的那樣，在形狀記憶材料172處于其第一形狀時，通過限流器178聚集在一起以形成可調(diào)節(jié)氣體流量閥164的內(nèi)徑d來產(chǎn)生冷卻氣體流控制裝置中的孔口 166的直徑d。在圖6中，示出了可調(diào)節(jié)氣體流量閥164在正常操作條件下的構(gòu)造。像能夠看到的那樣，通過將限流器178保持就位以使得限流器178不彼此接觸來產(chǎn)生冷卻氣體流控制裝置164中的孔口的直徑D。通過處于其第二形狀的形狀記憶材料172將限流器178保持在該位置。像能夠易于看到的那樣，直徑D大于直徑d，由此在圖8中所示的構(gòu)造中，相比圖7中所示的構(gòu)造，更多的冷卻氣體流過可調(diào)節(jié)氣體流量閥164。
[0045]參照圖6，除了形狀記憶材料172由多個形狀記憶材料181、182和183構(gòu)建，可調(diào)節(jié)氣體流量閥164具有與圖5中所示的類似的結(jié)構(gòu)。盡管示為具有三種不同的形狀記憶材料，但是能夠存在多于三種不同的形狀記憶材料，例如可以使用四種、五種或六種或者更多的形狀記憶材料。此外，能夠使用像兩種那樣少的不同的形狀記憶材料。當(dāng)使用多種形狀記憶材料時，每一種形狀記憶材料通常都將具有不同的轉(zhuǎn)變溫度。由于具有不同的轉(zhuǎn)變溫度，因此當(dāng)渦輪機(jī)的操作條件發(fā)生改變時，每一個單獨(dú)的形狀記憶材料都將能夠獨(dú)立于其它的形狀記憶材料改變其形狀，從而根據(jù)渦輪機(jī)的操作條件提供對通向轉(zhuǎn)子部段的內(nèi)部的冷卻氣體更好的控制。
[0046]在圖9中所示的進(jìn)一步的構(gòu)造中，可調(diào)節(jié)氣體流量閥264具有安裝件270、連接至安裝件270的形狀記憶材料272以及限流器278。每一個形狀記憶材料272都具有連接至安裝件270的第一端部279和連接至單一限流器278的第二端部280。如圖9中所示，限流器278具有波紋管狀或手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。限流器278具有連接至形狀記憶材料272的第二端部280的第一端部291、和第二端部292，第二端部292通常將連接至或保持就位于連接輪16的內(nèi)部冷卻路徑60 (圖2)中。當(dāng)形狀記憶材料272冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下時，形狀記憶材料272膨脹，從而造成限流器278變得被壓縮，從而使得限流器278的第一端部291變得更靠近限流器278的第二端部292。相反地，當(dāng)形狀記憶材料272被加熱到形狀記憶材料272的轉(zhuǎn)變溫度以上時，形狀記憶材料272收縮，由此造成限流器膨脹。當(dāng)被壓縮時，在需要較少的冷卻氣體來對轉(zhuǎn)子腔的內(nèi)部部件進(jìn)行冷卻的條件下操作渦輪機(jī)期間，限流器278減小冷卻氣體流過其中的孔口 266的直徑以減小通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥264的冷卻氣體流。當(dāng)膨脹時，在需要更多的冷卻氣體來對轉(zhuǎn)子腔的內(nèi)部部件進(jìn)行冷卻的渦輪機(jī)操作期間，增大孔口的直徑，由此增加流過可調(diào)節(jié)氣體流量閥264的冷卻氣體流。為了獲得對此的更好理解，注意圖11和圖12。在圖11中，示出了可調(diào)節(jié)氣體流量閥264在部分負(fù)荷操作條件下的構(gòu)造。像能夠看到的那樣，響應(yīng)處于其第一形狀的形狀記憶材料272，通過聚集在一起以形成可調(diào)節(jié)氣體流量閥264的內(nèi)徑的限流器278的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)(the accordion-likestructure)的波紋來減小可調(diào)節(jié)氣體流量閥264的孔口 266的直徑d。在圖12中，示出了可調(diào)節(jié)氣體流量閥264在正常操作條件下的構(gòu)造。像能夠看到的那樣，由于限流器278伸出，因此可調(diào)節(jié)氣體流量閥264中的孔口 266的直徑D較大，由此增大手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)中的直徑。如能夠易于看到的那樣，直徑D大于直徑d，由此在圖12中所示的構(gòu)造中，更多的冷卻氣體流通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥264。
[0047]參照圖10，除了形狀記憶材料272由多種形狀記憶材料281、282和283構(gòu)建，可調(diào)節(jié)氣體流量閥264具有與圖9中所示的類似的結(jié)構(gòu)。盡管示為具有三種不同的形狀記憶材料，但是能夠存在多于三種的不同的形狀記憶材料，例如可以使用四種、五種、六種或更多的形狀記憶材料。此外，能夠使用兩種不同的形狀記憶材料。當(dāng)使用多種形狀記憶材料時，每一種形狀記憶材料通常都將具有不同的轉(zhuǎn)變溫度。通過具有不同的轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)渦輪機(jī)的操作條件發(fā)生改變時，每一個單獨(dú)的形狀記憶材料都將能夠獨(dú)立于其它的形狀記憶材料改變其形狀，從而根據(jù)渦輪機(jī)的操作條件提供對通向渦輪部段8的內(nèi)部的冷卻氣體更好的控制。此外，這將提供覆蓋范圍廣泛的操作條件的控制。
[0048]參照圖13和圖14，示出了另一個可調(diào)節(jié)氣體流量閥364。如圖所示，可調(diào)節(jié)氣體流量閥364定位在連接輪16的孔洞15中?？烧{(diào)節(jié)氣體流量閥364具有連接至連接輪16或通過連接輪16保持就位的安裝件370、和在形狀記憶材料372的第一端部379處連接至安裝件370的形狀記憶材料372。限流器378連接至形狀記憶材料372的第二端部380。是單一結(jié)構(gòu)并且呈閥盤形式的限流器378通過形狀記憶材料372被移動到孔洞15中或孔洞15之外。當(dāng)形狀記憶材料372達(dá)到其轉(zhuǎn)變溫度時，形狀記憶材料372從將限流器保持在孔洞15中的尺寸和形狀轉(zhuǎn)變成使得限流器378從孔洞15被拉出并且增加通過連接輪16的冷卻氣體流的尺寸和形狀。在低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，形狀記憶材料372改變尺寸和形狀，從而造成限流器378移動到孔洞15中，由此減少通過連接輪16的內(nèi)部路徑60的冷卻氣體流。
[0049]像其它所描述的冷卻氣體流控制裝置的其它的形狀記憶材料一樣，圖14中所示的形狀記憶材料可以由多種不同的形狀記憶材料構(gòu)建，每一種形狀記憶材料都具有不同的轉(zhuǎn)變溫度。由于包括具有不同的轉(zhuǎn)變溫度的多種形狀記憶材料或分段，因此每一個單獨(dú)的形狀記憶材料都將能夠獨(dú)立于其它的形狀記憶材料改變其形狀，從而根據(jù)渦輪機(jī)的操作條件提供對通向轉(zhuǎn)子部段的內(nèi)部的冷卻氣體更好的控制。
[0050]可以通過多種方式對上文所描述的形狀記憶材料的尺寸和形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常，基于冷卻氣體的物理參數(shù)或離開壓縮機(jī)的壓縮氣體的物理參數(shù)對形狀記憶材料的尺寸或形狀進(jìn)行大體調(diào)節(jié)?？梢允褂美鋮s氣體或離開壓縮機(jī)的壓縮氣體的物理參數(shù)(例如壓力或溫度)來調(diào)節(jié)形狀記憶材料的尺寸或形狀。能夠構(gòu)想，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神情況下，也能夠使用渦輪機(jī)的不同元件的其它參數(shù)。
[0051]總體而言，如果使用冷卻氣體的物理參數(shù)來調(diào)節(jié)形狀記憶材料的尺寸和/或形狀，則所述物理參數(shù)將是冷卻氣體的溫度。在這種情況下，冷卻氣體可以用于對形狀記憶材料進(jìn)行冷卻或加熱，以影響對形狀記憶材料的形狀的調(diào)節(jié)。例如，可以由通過渦輪機(jī)2的壓縮機(jī)部段4與渦輪部段8的轉(zhuǎn)子內(nèi)部之間的內(nèi)部冷卻氣體路徑60的冷卻空氣對形狀記憶材料進(jìn)行加熱或冷卻。當(dāng)冷卻氣體的溫度升高時，冷卻氣體將與形狀記憶材料相接觸，由此對形狀記憶材料進(jìn)行加熱以調(diào)節(jié)其尺寸和/或形狀，從而允許更多的冷卻氣體流過冷卻氣體流控制裝置。
[0052]如圖5、圖6和圖14中所示，形狀記憶材料172、372可以設(shè)置有一個或多個通道95，以允許氣體通過形狀記憶材料172、372，從而同時有助于對形狀記憶材料172、372進(jìn)行加熱和冷卻。通常，通過形狀記憶材料的氣體將是離開渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段4的氣體的非常小的一部分或采樣。該氣體被加熱至接近壓縮機(jī)排氣部處的溫度的溫度。再次參照圖2，離開壓縮機(jī)的氣體被允許通過存在于連接輪16中的管道96。又如圖2中所示，氣體通過進(jìn)口 97進(jìn)入連接輪16的該管道96。當(dāng)氣體到達(dá)管道96的端部時，氣體進(jìn)入形狀記憶材料的通道95 (圖5、圖6和圖14)中，由此基于離開渦輪機(jī)壓縮機(jī)4的氣體溫度對形狀記憶材料172、372進(jìn)行加熱或冷卻。這允許形狀記憶材料172、372被加熱至離開壓縮機(jī)部段4的氣體的溫度，使得形狀記憶材料將改變形狀和/或尺寸，以調(diào)節(jié)通向渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子部段內(nèi)部的冷卻氣體流。在多種形狀記憶材料的情況下(例如圖6中所示)，被傳輸至形狀記憶材料的氣體通過位于形狀記憶材料181、182和183中的每一個中的通道95中的每一個被傳輸。同樣地，這些形狀記憶材料中的每一種都可以或?qū)⒕哂胁煌霓D(zhuǎn)變溫度。
[0053]在備選構(gòu)造中，被引導(dǎo)通過管道60的冷卻氣體也能夠用于對形狀記憶材料進(jìn)行加熱或冷卻。在該情況下，冷卻氣體可以被供給到形狀記憶材料的通道95中，使得形狀記憶材料172、372基于冷卻氣體的溫度被加熱或冷卻。
[0054]本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它方法能夠用于對形狀記憶材料進(jìn)行加熱和/或冷卻，以調(diào)節(jié)通過連接輪的冷卻氣體流。例如，形狀記憶材料可以具有被插入到該形狀記憶材料中的高電阻率元件。高電阻率元件將連接到無線接收器，無線接收器將使電流通過該高電阻率元件，由此使高電阻率元件被加熱。無線接收器可以無線連接至無線發(fā)射器，并且無線發(fā)射器可以連接至壓縮氣體參數(shù)測量裝置，壓縮氣體參數(shù)測量裝置將測量離開壓縮機(jī)的壓縮氣體的一個或多個物理參數(shù)。
[0055]本說明書中所描述的冷卻氣體流裝置還提供了控制用于渦輪部段的內(nèi)腔的冷卻氣體以對渦輪機(jī)的渦輪部段的斗葉和其它部件進(jìn)行冷卻的方法。該方法包括以下步驟:
[0056]a.從渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段抽吸冷卻氣體，所述冷卻氣體具有一定溫度；
[0057]b.將冷卻氣體引導(dǎo)至內(nèi)部路徑中，該內(nèi)部路徑連接渦輪機(jī)的壓縮機(jī)部段與渦輪部段的內(nèi)腔；
[0058]c.使內(nèi)部路徑中的冷卻氣體通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥，可調(diào)節(jié)氣體流量裝置包括形狀記憶材料，其中該形狀記憶材料基于到形狀記憶材料的輸入溫度來改變形狀，以調(diào)節(jié)冷卻氣體通過內(nèi)部路徑到達(dá)渦輪轉(zhuǎn)子的腔的流動。
[0059]輸入溫度可以是通過內(nèi)部路徑被供給的冷卻氣體的溫度，或者輸入溫度可以是基于(based off)離開壓縮機(jī)部段的壓縮氣體的溫度，如上文所描述的。此外，通過允許壓縮氣體或冷卻氣體受迫通過存在于形狀記憶材料中的通道，一小部分壓縮氣體或冷卻氣體可以與形狀記憶材料相接觸。這將允許形狀記憶材料對通過形狀記憶材料的氣體的溫度做出響應(yīng)?；谂c形狀記憶材料相接觸的氣體的溫度，形狀記憶材料將根據(jù)氣體的溫度高于還是低于形狀記憶材料的轉(zhuǎn)變溫度而改變其尺寸和/或形狀。
[0060]具有本說明書中所描述的冷卻流控制裝置的渦輪機(jī)展現(xiàn)出了在部分負(fù)荷操作條件下以及渦輪機(jī)不符合規(guī)格地操作時的其它條件下渦輪機(jī)的提高的效率。通過控制通向渦輪機(jī)的內(nèi)部部件的冷卻氣體流，輪葉(斗葉)被充分冷卻，以在極度熱的條件和高離心力場下進(jìn)行操作。操作渦輪機(jī)的一個目標(biāo)是保持渦輪部段部件中的恒定溫度以有助于減少熱循環(huán)。通過由部分負(fù)荷或非環(huán)境條件期間的壓縮機(jī)泄流來減少冷卻氣體流，可以提高渦輪機(jī)的熱效率。
[0061]盡管已參照各個實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下對形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。這樣一來，期望上文的詳細(xì)描述被看作說明性而非限制性的，并且旨在由所附權(quán)利要求(包括其所有的等同形式)來限定本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于渦輪轉(zhuǎn)子的冷卻氣體流控制裝置，所述冷卻氣體流控制裝置包括: a.內(nèi)部冷卻氣體路徑，所述內(nèi)部冷卻氣體路徑定位在壓縮機(jī)部段的出口與用于渦輪部段的渦輪內(nèi)腔的進(jìn)口之間；以及 b.可調(diào)節(jié)氣體流量閥，所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥定位在冷卻氣體路徑中壓縮機(jī)的出口與用于轉(zhuǎn)子腔的進(jìn)口之間，其中所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥基于離開渦輪機(jī)的所述壓縮機(jī)部段的壓縮氣體的物理參數(shù)來調(diào)節(jié)通過所述冷卻氣體路徑的氣體流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥包括形狀記憶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且所述通道適于從所述壓縮機(jī)部段接收氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，可調(diào)節(jié)空氣流量閥包括安裝件、具有第一端部和第二端部的形狀記憶材料、以及限流器，其中所述安裝件連接至所述形狀記憶材料的所述第一端部，并且所述限流器連接至所述形狀記憶材料的所述第二端部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，可調(diào)節(jié)空氣流量閥包括附連至多個單獨(dú)的限流器的多個形狀記憶材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述多個單獨(dú)的限流器形成尺寸為、并且成形為配合在一起，以減少通過所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥的氣體流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的 冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述單一限流器包括手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述單一限流器包括定位在連接輪的孔中的閥盤，其中所述連接輪定位在渦輪機(jī)的所述壓縮機(jī)部段與所述渦輪部段之間、并且連接所述渦輪機(jī)的所述壓縮機(jī)部段與所述渦輪部段。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述形狀記憶材料由改變形狀以降低通過所述形狀記憶材料的流速的分段形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，所述形狀記憶材料在圓柱形形狀與截錐形狀之間發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)通過所述可調(diào)節(jié)氣體流量閥的氣體流。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻氣體流控制裝置，其特征在于，每一分段都具有不同的轉(zhuǎn)變溫度。
12.—種控制用于渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子腔的冷卻氣體的方法，所述方法包括: a.從渦輪機(jī)的壓縮機(jī)抽吸冷卻氣體，所述冷卻氣體具有一定溫度； b.將冷卻氣體引導(dǎo)至內(nèi)部路徑中，所述內(nèi)部路徑連接所述壓縮機(jī)與渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子腔； c.使所述內(nèi)部路徑中的冷卻氣體通過可調(diào)節(jié)氣體流量閥，可調(diào)節(jié)氣體流量裝置包括形狀記憶材料，其中所述形狀記憶材料基于到所述形狀記憶材料的輸入溫度改變形狀，以調(diào)節(jié)冷卻氣體通過所述內(nèi)部路徑到達(dá)所述渦輪轉(zhuǎn)子的腔的流動。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述輸入溫度是被引導(dǎo)至所述內(nèi)部路徑中的冷卻氣體的溫度或自所述壓縮機(jī)排出的壓縮氣體的溫度中的至少一個。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且壓縮氣體通過所述通道，所述形狀記憶材料響應(yīng)通過所述通道的壓縮氣體的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述形狀記憶材料包括貫穿所述形狀記憶材料的通道，并且冷卻氣體通過所述通道，所述形狀記憶材料響應(yīng)通過所述通道的壓縮氣體的溫度。`
【文檔編號】F01D25/12GK103485841SQ201310233409
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月13日
【發(fā)明者】T.蘇巴雷亞, M.A.肯尼, M.穆圖拉馬林加姆 申請人:通用電氣公司