專利名稱：牽引式蒸汽活塞平衡的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪發動機，而更具體地說，涉及到用來釋除與轉子之類部件相關聯的推力軸承上的軸向力。
燃氣渦輪發動機的特征之一是，它包括有一些由固定部件所支承的轉動部件，而這些固定部件將吸收此種轉動部件所產生的力或受其影響。例如，在現代的燃氣渦輪發動機中，它的轉動部件或轉子包括各式各樣的部分，例如軸、軸錐、安裝葉片的圓盤或鼓輪、流體密封件以及各種連接構件。在此種發動機的不同點或不同部分上，取決于相對壓力，發動機中的推力會沿軸向作用于此發動機上。在發動機的渦輪部分內，當其中的氣流或流體的流程壓力沿軸向順發動機的下游減小時，下游處便有了凈軸向力。由渦輪所驅動的壓氣機在一定程度上能均衡此渦輪中的這種凈軸向下游力此壓氣機中的最高壓力是出現在它的較后幾個級上，而常常產生出凈的正向軸向力。但是，在那種自由輪動力渦輪機中，上述軸向下游力則為止推軸承或復雜的軸承裝置所吸收。現代化的軸承可以用于常規的燃氣渦輪機中，包括那些標準的動力渦輪機。
燃氣渦輪機的工藝，就其所涉及的工業應用而論，業已通過一種采用蒸氣的方式，在改進熱效率以及提高輸出方面取得了進步。作為這類進步的例子有Johnson的美國專利4569195(1986年2月11日公布)以及本申請人的美國專利4631914(1986年12月30日公布)，此兩者中披露的內容已綜合于本申請中作為參考。已然出現的一種結果是，顯著地加大了推力載荷，使所要求軸承的能力超出了當前所能達到的水平。
以前所報導的用來均衡前述那種很高的凈軸向推力的手段，是通過采用從壓氣機輸出壓力相當高的空氣，把它們作用于此種發動機的一部分上。另一種方式是把液壓用液體用于這一目的，例如已綜合在本申請中的PoPe在美國專利4，578，018中所披露的內容。
但是，采用此發動機已壓縮有的空氣或此發動機內用作潤滑目的之類的液壓用液體，會降低發動機的效牽。
本發明之首要目的在于提供一種改進了的和有效的裝置，用來在燃氣渦輪發動機內至少釋出一部分軸向的轉子推力。
另一個目的是為燃氣渦輪發動機提供一種利用蒸汽而不是發動機空氣或液壓用液體的裝置。
再一個目的是提供一種燃氣渦輪發動機系統，它能提供蒸汽源以及把這種蒸汽用于蒸汽活塞平衡的裝置。
還有一個目的是去提供一種改進的方法，用來在此燃氣渦輪發動機運行過程中釋除止推軸承上至少一部分軸向力。
以上之目的和其它目的與優點，將從下面的詳細描述、附圖與實施例中，獲得更全面地理解，而所有這些實施例都算是代表性的，并非以任何方式來對本發明的范圍加以限制。
簡單地說，本發明在其一種形式中為燃氣渦輪發動機提供了一種蒸汽活塞平衡裝置，它包括有一壓力室以及將蒸汽供給此壓力室的裝置。此壓力室由以下各部分所界定與一轉子連接且隨其轉動之部件的內表面部分、與上述內表面部分分開的一個不轉動的第二部件，以及在此內表面與此不轉動的第二部件之間的密封裝置。同時在此活塞平衡裝置中還包括有將蒸汽引入該壓力室的裝置，以及能使此蒸汽通過與轉子相連的內表面將平衡力應用到此轉子上的裝置。
在另一種形式中，本發明包括有將蒸汽從壓力室引入到發動機工作液體流程中的裝置。在又一種形式中，提供了這樣一種系統，它具有蒸汽活塞平衡裝置、蒸汽源以及將蒸汽輸送到壓力室的裝置。
本發明還有一種形式，讓帶有推力軸承的燃氣渦輪發動機按照這樣一種方法工作將加壓的蒸汽導向某個部件，例如壓力室中的一個部件，而釋除掉止推軸承上至少一部分的軸向力。


圖1為具有動力渦輪機且可用于本發明的燃氣渦輪發動機的一種較簡形式之示意圖。
圖2主要為體現本發明之燃氣渦輪發動機的動力渦輪機部分之局部剖面圖。
圖3為詳細描述本發明之一種形式的圖2中一部分的放大圖。
本發明特別適用于，把航空燃氣渦輪機演變成的工業燃氣渦輪發動機作為蒸汽噴送式類型來運行的情形。一般地說，這類發動機有帶自由輪動力渦輪機的單或雙轉子鐵心的發動機。此種裝置與標準的、較重的、發電用的工業燃氣渦輪發動機的區別在于，此后一種標準的發動機一般取單軸結構，按固定的速度例如每分鐘3000轉或3600轉運行。這類發動機的軸向下游或后部的動力渦輪機轉子的推力，在很大程度上為軸向上游或前部的壓縮機轉子的力所平衡。
隨著上述綜合于本申請中的Johnson之專利與Hines之專利所敘的那種高壓力比之蒸汽噴送式發動機的出現，與那種未噴入蒸汽的“干式”型相比，發動機的比功率能夠提高許多倍，例如提高5倍之多。動力渦輪機轉子的推力級已然增加到約285000磅的后向力，結果使轉子推力載荷提高了3至5倍。這樣大的載荷對于所涉及的軸之尺寸來說，已超出了當代軸承所能承受的能力。此外，目前特大規格的軸承在運行時要耗用大量的油，而且會有很大的摩擦損耗。要打算把這種載荷分布到一種雙聯軸承或其它復雜的軸承裝置中，就會出現如何能實現這種分布以及此種分布的效率與可靠性怎樣等許多問題。本發明則提出三種較為簡便、有效和可靠的另一種解決方式。
本發明對于上述問題的一種新穎解決方法是利用了高壓蒸汽源，通常可以方便地取自廢熱鍋爐，利用后者產生的蒸汽在加壓下注入發動機中。例如，在上面引述的Johnson專利中已描述過這樣一種裝置。在本發明的一種形式中，使用蒸汽來產生一相對于此燃氣渦輪發動機的向前的壓力或活塞型力。這樣的力作用在一與動力渦輪機轉子相連且隨之轉動的部件上。由于這類部件是連接到推力軸承的至少一部分之上，因而會有牽引力或拉力向前作用于該推力軸承。這樣就至少釋除了因動力渦輪機的運轉而造成之部分的后向或下游軸承力。
應用本發明，能夠由單一的軸承設計出一種先進的、蒸汽噴射的、高壓比的發動機，此種軸承可以在干運轉之際，即在沒有蒸汽噴射之際，容易地處置轉子的推力載荷。與此同時，當這種軸承是在蒸汽噴射下運轉，且配合上本發明之牽引式活塞平衡裝置時，就能吸收足夠的例如一半的轉子推力載荷，得以進行安全而有效的工作。這樣的單一軸承僅僅需要設計或能在干式運轉時處置遞增的轉子推力載荷;而將本發明的牽引式蒸汽活塞平衡裝置設計成，可以在蒸汽噴射作業時處置其余可能有的轉子推力載荷。
從附圖和下面更詳細的例子中將可較全面地理解本發明，而這些例子是用作為代表，并非以任何方式來限制本發明的范圍。
圖1示意地表明了一種較簡單的蒸汽噴射型發動機。這類發動機的上述形式和更復雜的形式已描述在前面提及的Johnson的美國專利4569195中。此種發動機順著工作液體流程10依秩序包括有壓氣裝置或壓氣機12、燃燒裝置14與一般示明于16處的渦輪機裝置，同時包括有本項工藝中周知的用來產生電功率或機械功率的自由旋轉式動力渦輪機18。壓氣機12連接著渦輪機20，后者通過軸22驅動壓氣機12。不過，通過動力渦輪機的前向與后向軸承且一般由固定的發動機構件所支承的此動力渦輪機18，可以由于有氣體通過它的渦輪葉片發生膨脹的作用而可以自由的轉動。動力渦輪機中一種類型的更詳細之圖，示明于圖2的局部剖面圖中。來自源23的加壓蒸汽一般處于過熱狀態，能夠引入到圖1所示之渦輪機20的發動機后部。
參看圖2，一般示明于18處的動力渦輪機包括有一渦輪機轉子25，后者則包含一批由相互連接的轉動輪或轉盤26所載承的渦輪機葉片24。這些圓盤中的至少一個，例如圖2中的26a，是通過轉動構件28與30連接到前向與后向軸承以及一般示明于32與34處，在本項工藝中所熟知的密封裝置之上。為一固定的外部構件例如外罩38所載承的固定葉輪36，則位于動轉的葉片24之間。在圖2所示的發動機中，于動力渦輪機18的上游(此圖的左側)示明有一低壓渦輪機40，而此低壓渦輪機40與動力渦輪機18之間的分隔部分則存在于固定之空心支柱44附近。
在動力渦輪機后部，連接到轉盤26a上的轉動構件30是同一個與軸承裝置34之轉動部分相關聯的另一構件50結合。在圖2中，推力軸承一般示明于軸承裝置34中的52處。通過本項工藝中周知的這種普遍的裝配形式，動力渦輪機的后部凈軸向推力就為此推力軸承所控制。
連接到例如圖1中所示之加壓蒸汽源23的蒸汽岐管46，通過導管裝置48與空心支柱44之內部將蒸汽引至本發明一種形式的牽引式蒸汽活塞平衡裝置，后者一般示明在54處，而在圖3中則有更詳細的描述。在圖2的實施例中，導管48包括一個下面將加以詳細討論的蒸汽流控制閥49。此外，此蒸汽導管48則連接著一包括有空氣控制閥53在內的空氣導管51，后面將對此進行詳細討論。
在圖3的局部剖面圖中，本發明的牽引式蒸汽活塞平衡裝置包括一壓力室56，它所具有的一個旋轉內表面58是屬于第一部件60的一部分，且如圖2所示，通過轉動構件28與動力渦輪機轉子25相連接且隨其轉動。此壓力室56進一步由一不轉動的或穩定的第二部件62所界定，后者為固定的支柱44所支承且與第一部件60的表面58分隔開。在圖3所示的實施例中，此第一與第二部件60與62基本上是環形的分隔開的部件。用圖3中所示的密封裝置64a與64b來完全確定出此圖中之壓力室56的界限，這兩個密封裝置分別是沿徑向在內部與在外部的流體壓力降密封件，它們取本項工藝中周知且廣泛應用的那種迷宮式密封形式。為方便起見，這種密封件取環形結構。
加壓的蒸汽例如是在這樣一個壓力下，它至少要大于正好在空心支柱44上游處的動力渦輪機流體進口站處的壓力，并且要高達用于推力平衡所要求的壓力，此種加壓蒸汽來自圖1的蒸汽源23，經圖2的岐管46與導管裝置48，通過支柱44的空心內部而供給于圖3的蒸汽導管66，而后送至壓力室56。此種蒸汽作用于該壓力室的壁上，按照一個與加壓流體作用在該室中時相一致的方式來施力。但是，正如以前所述，由于室56能轉動部件60是通過轉子25連接到推力軸承52之上，因而施加到第一部件內表面58上的力，即作為一種軸向的，指向前方的拉力或推力傳遞給推力軸承52，由此而釋除掉至少是一部分因發動機工作而在此種軸承上造成的軸向后向力。于是，將壓力施加到部件60內表面58上的蒸汽轉而將一拉力施加到此推力軸承上。
圖3中詳釋之本發明上述形式的另一個特點表現在，把蒸汽從壓力室56通入燃氣渦輪發動機流體流程10中用來提高效率的這種方式，例如上面引述的Johnson專利中所描述到的那種方式。在室56內的蒸汽是以一種受控方式，例如通過密封件64a與64b，通入此發動機渦輪機部分中的發動機流體流程或氣體流程10。此種蒸汽可以從徑向上在內部與外部的密封件處開始，分別通入發動機室68與70，然后通入各種發動機的構件與部件，如箭頭72a與72b所示。
示明于圖2中之本發明的上述形式的另一個特點是提供了蒸汽流的控制裝置，例如蒸汽導管48中的閥門49，或是安裝在蒸汽進入管道至室56中其它更為方便的處所，用來調節或控制進入壓力室56的加壓氣流。在某一例子中，這樣一種閥門在運行中至少會是部分地起著磨損密封件64a與64b的作用。密封件這樣磨損的結果常會讓更多的蒸汽從室56流出，從而降低了室內的壓力，結果便削弱了對圖2中所示那種推力軸承的拉力或牽拉作用。可以通過更為集中的控制來操作上述閥門49之類的流量控制裝置，此時可以將軸承52上的力或應力級或其它狀態的信號傳遞給相應的控制裝置。可以按下述方式來實現以上目的，即采用周知的信號傳感與傳輸工藝中的手段，同時把它們用于此種燃氣渦輪機的部件中，用來在此種發動機及相關系統內傳送發動機的工作狀態與參數。
圖2所示之本發明上述形式的又一特點是，提供了一種由空氣控制裝置或閥門53控制的空氣導管51。提供上述這樣一種結構是為了適合前述發動機在“干式”狀態下工作的條件，即沒有象前面引述Johnson的專利中那樣，注入了蒸汽來提高功效。在此種“干式”型操業中，推力軸承52能夠象在通常的燃氣渦輪發動機中那樣，調節著軸向導引的推力。但是，最好是將一種吹洗型的空氣流或加壓空氣送入室56然后送入室68與70中。例如，當導管48中的閥門49已關閉上而無蒸汽流過管道48時，便可把閥門53敞開到所需要的程度以通過加壓空氣，為方便起見，例如可由壓氣機在此發動機的上游供氣，通過導管51而進入室56、68與70中。
可以通過相當簡單的開關或圖2中的閥門控制裝置之類的部件，來實現閥門49與53的協調牘ぷ鞣段А＠紓梢越厴柚糜詵⒍目刂譜爸彌冢τ萌計新址⒍兄苤目刂萍際酰叢凇案墑健庇胝羝縞淞街腫饕搗絞街兇鞒鲅≡瘛４送猓梢栽詿酥至魈辶髁靠刂譜爸 5中，以各種方式或為上述蒸汽對空氣的部分或全量開關編定程序。例如，可以把它作為動力渦輪機轉子推力軸承油泵壓力的函數來變化;即當此動力渦輪機推力軸承載荷低于設計水平時，可以減少供給蒸汽活塞的蒸汽。在另一種形式中，可以通過調節蒸汽閥來控制牽引式轉子推力的需要，來確定蒸汽室壓力對動力渦輪機進口氣流壓力之比。
在本發明與較復雜的機械軸承之間對所需求的性能進行了比較計算，后一種軸承例如有成對的載荷分配軸承，它們不得不設計成在蒸汽噴射作業中能適用于上述的高載荷條件。比較計算的結果表明，本發明能獲得大致相同的熱效率，但卻不會去冒與那種復雜機械軸承相關的功率損失風險。這是一種更為可靠的系統，且具有更可信賴的壽命期;它也不用去提供大量的油并消除了泵以及相關的其它系統。
應用流量控制裝置55并借它來調節例如來自圖1中蒸汽源23通過導管48的加壓蒸汽流，以及通過導管51的加壓空氣流，而這種調節量乃是發動機運行狀態的函數。這方面的一個例子是，當發動機的功率由于節流閥的回拉，從蒸汽噴射轉向“干式”運行或無蒸汽運行而下降時，上述控制裝置55就能指令空氣閥門53與蒸汽閥門49工作，而調節其各自相應的壓力，以使蒸汽壓降至一恒定的總的熱含量，而將提高蒸汽的過熱程度。這樣，在將加壓的過熱蒸汽與較冷的空氣混合時，就不會發生冷凝現象。另一個例子是這樣的一種情形，發動機的功率由于節流閥的推進，從“干式”作業用吹洗空氣轉向蒸汽噴射作業而升高時。此時可以選擇加壓的空氣源或供給加壓的空氣，使其溫度高到在增加過熱蒸汽時足以抑制發生冷凝。可以用下述方式來實現上述控制與調節，即采用燃氣渦輪發動機技術中周知的那種循環設計與傳感以及導引與開關工藝。
盡管本發明已然結合一些特殊例子與實施例作了描述，但應該認識到，對于那些熟悉有關各項工藝的人，是可以在不脫離本發明按后附權利要求書所表示的范圍內，做出其它一些實施例與改進的。
權利要求
1.在具有一推力軸承的一種燃氣渦輪發動機中，有一與此推力軸承相連接的牽引式蒸汽活塞平衡裝置，可用它來從此推力軸承上釋除掉至少是一部分的軸向力，且它包括一個壓力室，具有一為第一部件的至少一部分所界定的轉動內表面，此第一部件與此推力軸承的一轉動部分相連接且隨其轉動；以及這樣的裝置，用來將加壓的蒸汽供給于上述壓力室并作用于上述內表面上，以對此內表面施加壓力，從而對上述推力軸承施加一牽引力。
2.在具有一工作流體流程且包括一在軸向上至少由一轉子推力軸承所支承的轉子之燃氣渦輪發動機中，有一與此推力軸承相連接的牽引式蒸汽活塞平衡裝置，用來由此推力軸承上至少釋去一部分的軸向力，此平衡裝置包括一個壓力室，具有一為第一部件至少一部分所界定的轉動內表面且此第一部件與上述轉子相連接并隨其轉動，和上述內表面相分開的不轉動的第二部件，與在上述轉動內表面和不轉動的第二部件之間的密封裝置;以及這樣的裝置，用來將加壓的蒸汽供給于上述壓力室并作用于上述內表面上，以對此內表面施加壓力，從而對上述推力軸承施加一牽引力。
3.如權利要求2所述的這種燃氣渦輪發動機，它包括有將蒸汽從前述壓力室通入到此燃氣渦輪發動機工作流體流程中的裝置。
4.如權利要求3所述的這種發動機，其中來自上述壓力室的蒸汽是通過前述之密封裝置的。
5.如權利要求2所述的這種牽引式蒸汽活塞平衡裝置，其中所說的密封裝置包括一對迷宮式壓力降密封件。
6.如權利要求2所述的這種牽引式蒸汽活塞平衡裝置，其中所說的第一部件與第二部件為大致呈環形的相分隔開的部件，分別由轉動構件與不轉動構件支承，與前述密封裝置一起界定出一大致呈環狀的壓力室;且所說的密封裝置包括有沿徑向在內部與在外部的流體壓力降密封件，后者適合用來控制來自前述壓力室的蒸汽流。
7.如權利要求2所述的這種燃氣渦輪發動機，其中用來將加壓蒸汽供給上述壓力室的裝置包括有蒸汽流控制裝置，后者至少是把進入此壓力室的蒸汽流作為發動機運行狀態的函數加以控制。
8.如權利要求7所述的這種燃氣渦輪發動機，它包括有將加壓空氣供給上述壓力室的裝置;用來控制上述加壓空氣進入上述壓力室的空氣流控制裝置;以及流體流控制裝置，它能有效地連接前述蒸汽流控制裝置與上述空氣流控制裝置，把進入所說壓力室的蒸汽流與空氣流作為發動機工作狀態的函數來進行調節。
9.在沿著工作流體流程依次包括壓氣機裝置、燃燒裝置與渦輪機裝置的燃氣渦輪發動機中，該渦輪機裝置包括一動力渦輪機，后者有一個在軸向上由至少一個轉子推力軸承所支承的自由轉動的動力渦輪機轉子，以及一個與此推力軸承相連接的牽引式蒸汽活塞平衡裝置，可用它來從此推力軸承上至少釋除一部分軸向力，而此平衡裝置包括有一個沿徑向在動力渦輪機工作流程之內的壓力室，它有一個為第一部件至少一部分所界定的轉動內表面且此第一部件與上述轉子相連接并隨其轉動，和上述內表面相分開的不轉動的第二部件，與在上述轉動內表面和不轉動的第二部件之間的密封裝置;以及這樣的裝置，用來將加壓的蒸汽供給于上述壓力室并作用于上述內表面上，以對此內表面施加壓力，從而對上述推力軸承施加一牽引力。
10.如權利要求9所述的這種燃氣渦輪發動機，它包括有將蒸汽從上述壓力室送入渦輪機裝置工作流體流程中的裝置。
11.如權利要求9所述的這種牽引式蒸汽活塞平衡裝置，其中所說的第一部件與第二構件為大致呈環形的相分隔開的部件，它們分別由渦輪機轉動部件與渦輪機不轉動構件所支承，與前述密封裝置一起界定出一大致呈環形的壓力室。
12.如權利要求9所述的燃氣渦輪發動機，它包括有將加壓空氣從所說壓氣機裝置供給于上述壓力室的裝置;用來控制此加壓空氣進入該壓力室之流量的空氣流控制裝置;以及有效地連接著此蒸汽流控制裝置與空氣流控制裝置的流體流控制裝置，將進入此壓力室的蒸汽流與空氣流作為發動機工作狀態的函數來加以控制。
13.一種燃氣渦輪發動機系統，它包括在第一種壓力下的蒸汽源;一臺燃氣渦輪發動機，它沿著工作流體流程依秩序具有壓氣機裝置、燃燒裝置與渦輪機裝置，而此發動機還包括一在軸向上至少由一轉子推力軸承所支承的轉子;以及將蒸汽引入此發動機中的裝置，其中上述發動機包括一牽引式蒸汽活塞平衡裝置，后者與前述推力軸承相連接，用來由此推力軸承上釋除掉至少一部分的軸向力，而此蒸汽活塞平衡裝置包括(a)一個壓力室，具有為第一部件的至少一部分所界定的轉動內表面，且此第一部件與前述轉子相連并隨其轉動，一個與上述內表面分開的不轉動的第二部件，以及在此轉動內表面與不轉動之第二部件之間的密封裝置;(b)用來將蒸汽供給于上述壓力室并作用于上述內表面的裝置，得以將壓力施加于此內表面上，從而給此推力軸承上施加一牽引力;以及(c)用來將蒸汽從該壓力室引入上述壓氣機裝置工作流體流程下游一選擇部分內的裝置，在此流程選擇部分內的流體則處于小于前述第一種壓力的一個第二種壓力下。
14.用來操作具有一工作流體流程與一推力軸承之燃氣渦輪發動機的方法，其中此推力軸承則在運行中受到一軸向力的影響，該方法包括以下工序提供加壓蒸汽源;同時將此蒸汽引向與前述推力軸承相連的部件，而把壓力沿著將至少釋除一部分軸向力的方向作用于該部件。
15.如權利要求14所述的這種方法，還包括有在蒸汽作用于上述部件后，把它引入工作流體流程內的工序。
16.如權利要求14所述的這種方法，當前述部件界定出一壓力室的至少一部分時，此方法則包括如下工序將前述蒸汽引入所說壓力室并作用于此部件上;提供加壓的空氣源并提供將此空氣引入該壓力室的裝置;以及對此輸入于壓力室的加壓空氣與加壓蒸汽之流量配比，作為發動機工作狀態的函數加以控制。
17.如權利要求16所述的這種方法，其中，使按照發動機功率的函數予以控制和調節的空氣流與蒸氣流減少，而把蒸汽壓降至一恒定的總的熱含量值，以提高此蒸汽的過熱程度。
18.如權利要求16所述的這種方法，其中，使作為發動機功率的函數予以控制和調節的空氣流與空氣溫度以及蒸汽流均予以提高，以抑制蒸汽冷凝。
全文摘要
燃氣渦輪發動機的一種蒸汽活塞平衡裝置，在其一種形式中有一壓力室以及將此蒸汽供給于此壓力室且對此室壁施加一力的裝置。此壓力室部分地由一部件之內表面部分所界定，而此部件則與一推力軸承的一部分相連并隨之轉動，由此使作用于此內表面上的力對該推力軸承施加一牽引力。
文檔編號F02C3/30GK1034607SQ88100340
公開日1989年8月9日 申請日期1988年1月27日 優先權日1987年1月28日
發明者威廉姆·羅納德·黑尼斯 申請人:通用電氣公司