[发明专利]用于轴向流动涡轮的控制系统

说明书

技术领域

本发明大体涉及轴向流动涡轮控制系统(包括低压蒸汽涡轮)，并且更具体地涉及用于末级叶片(特别是末级混合复合叶片)的控制系统。

背景技术

低压蒸汽涡轮的旋转叶片诱发进入转子的巨大离心力。这可为设计用于最大效率的涡轮时的限制因素。解决方案是使用较低密度叶片材料，这是因为这种叶片将较小力施加到转子中。然而，该解决方案可仅在低密度材料具有足够的机械特性的情况下应用。虽然钛是一种现有解决方案，但是在一些情形中，可优选的是使用具有更加好的强度与重量比的可选方案。另一种可选方案是复合材料，该复合材料的实例在瑞士专利号CH547943中被公开。

复合材料的缺点为它们典型地具有比金属低的耐温性。这可为问题，特别是在当末级叶片易受叶片末端区的风阻加热影响时的低体积流量操作和全速状态期间。正常叶片温度典型地不超过65°C。然而，在没有纠正手段的情况下，由于该状态，末级叶片末端温度可超过250°C。在这种温度下，复合材料的机械特性被显著地影响，并且它们可遭受包括变形和减小的强度的永久退化。

由专利申请No. US2007/292265 A1提供风阻加热的解决方案。解决方案包括在末级末端区域附近喷射冷却介质。包括蒸汽或水的介质可在叶片末端的前部或后部从外壳喷射。作为可选方案或另外，可刚好在叶片的前面在叶片末端附近设置用于提取穿过外侧壁的流的小提取凹槽。

典型地，使用诸如计算流体力学计算方法的手段基于预测评估来采取这些控制措施。由于最佳控制措施典型地因设备而异并且还因操作状态而异，故仅通用的阈值可能导致次最佳控制。特别地，控制动作可喷射多于实际需要的蒸汽/水。取决于喷射如何发生和在何处发生，这可导致过度侵蚀攻击，特别是沿叶片前缘或后缘。在其它情况下，控制动作可不喷射足够的蒸汽/水，从而导致不充分冷却。在又一些情况下，可经由提取凹槽提取过多的工作流体，从而有害地影响蒸汽涡轮效率。因此，合乎需要的是，提供控制系统，其确保可接受的叶片寿命，同时最大化涡轮效率并最小化冷却流体的消耗。

发明内容

本公开意图提供一种涡轮，其克服风阻对末级叶片远端区域的有害影响的次最佳控制导致的叶片寿命缩短的问题。

其尝试借助于独立权利要求的主题解决该问题。有利实施例在从属权利要求中给出。

本公开基于提供控制器的大体思想，该控制器使用叶片的物理特性的直接测量来启动和调制对叶片过热的纠正动作。

一方面提供一种轴向流动涡轮，该轴向流动涡轮包括在其中限定用于工作流体的流动路径的外壳。在外壳内，转子与外壳同轴。多个级安装在流动路径中。级均包括周向地安装在外壳上的静止导叶排；以及周向地安装在转子上的旋转叶片排，其中，叶片的翼型件均延伸到其中的流动路径中。在多个级中，限定为朝向涡轮沿流动方向的下游端部定位的叶片排的末级叶片排包括翼型件远离转子的端部处的远端区域。涡轮还包括监测控制系统，其具有三个主元件：

至少一个传感器，其构造并布置在至少一个末级叶片的远端区域中，用于测量翼型件在远端区域中的至少一个物理特性；

控制元件，其构造并布置成影响末级叶片的远端区域的物理特性中的至少一个；以及

控制器，其构造成基于测量的物理特性中的至少一个调节控制元件由此控制物理特性中的至少一个。

反馈控制器确保控制动作可被优化，从而确保不采取过多或过少的控制动作，因此使得可以鉴于叶片寿命优化涡轮效率。

在又一个方面，传感器嵌入在翼型件中。位于叶片的外表面上的传感器典型地在它们被损坏和/或侵蚀之前能够仅操作有限的时间，例如测试运行的持续时间。叶片的外表面上的附加定位的传感器可具有对叶片空气动力学效率的消极影响。这使它们不适合于商业使用。然而，通过嵌入传感器，可克服这些问题。

在另一个方面，翼型件具有复合芯部本体并且还包括覆盖翼型件的至少一部分的覆盖件，其中，传感器嵌入在复合芯部本体与覆盖件之间或可选地在复合层之间。在这些位置，传感器定位成接近翼型件的外表面，因此使得可以估计翼型件所暴露的极值，而没有使传感器位于翼型件的表面上以及缩短信号响应时间的缺点。