CN109944647A - 燃气轮机的叶尖间隙控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶尖间隙控制装置，包括：转子，具备推力环和沿着轴向支撑上述推力环的一对推力轴承，并具备沿半径方向延伸的多个叶片；液压式间隙控制装置，包括使上述一对推力轴承中的任意一个沿着上述轴向的正向移动的第一液压缸、和使上述一对推力轴承中的另一个沿着上述方向的反向移动的第二液压缸；以及缸固定装置，包括固定上述第一液压缸的正向移动距离的第一固定装置、和固定上述第二液压缸的反向移动距离的第二固定装置。

Description

燃气轮机的叶尖间隙控制装置
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的叶尖间隙控制装置，具体而言，涉及一种用于控制压缩机的叶尖(blade tip)间隙的液压式间隙控制装置即使由于长时间运转而处于故障或者异常工作等紧急状况，也不会使叶尖间隙控制失败，并且能够通过缩短液压式间隙控制装置的工作时间来延长寿命的燃气轮机的叶尖间隙控制装置。
背景技术
涡轮机是指利用蒸汽、气体这样的可压缩流体的流动，由碰撞力或者反作用力获得旋转力的机械装置，利用蒸汽则称为蒸汽涡轮机，利用燃烧气体则称为燃气轮机。
燃气轮机的热循环为布雷顿循环(Brayton cycle)，由压缩机、燃烧器和涡轮机构成。燃气轮机的工作原理为先吸入大气中的空气并用压缩机压缩之后，送到燃烧器中而制成高温高压的燃烧气体来使涡轮机运行，并将排气释放到大气中。即，由压缩、加热、膨胀、散热这四个过程构成。
燃气轮机的压缩机起到从大气中吸入空气并对燃烧器供给燃烧用空气的作用，由于经过绝热压缩过程，所以空气的压力和空气温度上升。
在燃烧器中，将流入的压缩空气与燃料混合并进行等压燃烧而制成高能量的燃烧气体，为了提高效率而将燃烧气体温度提高至燃烧器以及涡轮机部件能够承受的耐热极限。
在燃气轮机中，来自燃烧器的高温高压的燃烧气体发生膨胀而对涡轮机的旋翼施加碰撞力、反作用力，而转换成机械能。从涡轮机获得的机械能的一部分被供给为在压缩机中压缩空气所需的能量，剩余部分则用于驱动发电机来产生电力。
燃气轮机由于其主要构成部件不进行往复运动，没有像活塞式气缸那样的相互摩擦部分，所以具有如下优点，即，润滑油的消耗极其少，并且作为往复运动器械的特征的振幅大幅度减小，能够实现高速运动。
这里，压缩机为吸入被用作燃烧用和冷却用的大气中的空气并进行压缩的旋转机械。在压缩机中高速旋转的转子轴被轴承支撑，在转子轴中多个转子盘以同轴***并结合。在各个转子盘的圆周方向外周面上配置有多个叶片，被吸入压缩机的空气随着连续经过形成有各个转子盘的叶片级而逐渐被压缩成高压。
图1是示意性示出叶片级的直径随着朝向下游侧逐渐变大而在整体上呈圆锥形的压缩机的转子10的图。转子10被定子1包围而在叶片的尖端12与定子1之间形成细微的间隙，而这间隙的大小会对压缩机的性能产生很大影响。
但参照图1可知，转子10通过推力而向前方(图中的左侧)或者后方(图中的右侧)移动，而由于转子10具有圆锥形，叶片的尖端12间隙会发生变化。即，转子10若向前方移动则尖端间隙缩小，反之若向后方移动则尖端间隙增大。
如上所述，由于叶尖间隙会对压缩机性能产生很大影响，已经公开了好几种用于控制叶尖间隙的技术。图2示意性示出液压式间隙控制装置110而作为这种叶尖间隙控制装置。
对图2中示出的液压式间隙控制装置110的工作进行简单说明。利用液压装置将包围向转子10的半径方向突出的推力环14(thrust collar)的一对推力轴承20分别推动或拉动，使转子10在水平方向上的位置可变，由此来控制叶尖12间隙。并且，转子10的最佳位置基于利用设置于推力轴承20的轴向位置传感器116测定的到推力环14为止的距离来决定。
这种液压式间隙控制装置110在通过能动地控制叶尖12间隙来提到压缩机的性能方面具有很大优点，但在安全方面也相应地存在危险因素。
作用于燃气轮机的推力的方向并不是一直向正向或者反向稳定地作用，其大小和方向会根据设计或者运转条件等而不同。在这种状况下长时间运转时，液压式间隙控制装置110的液压回路发生异常或者在控制方面发生故障，则并非仅仅是压缩机的性能劣化，而是有可能引起叶尖12间隙极其变小或者消失而导致叶片由于碰撞而破损的事态。
因此，需要做好液压式间隙控制装置的运转方面的安全措施。
专利文献：日本专利公报第5955176号(2016.07.20发行)
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改善上述现有的液压式间隙控制装置，即使液压式间隙控制装置由于长时间运转而处于故障或者异常工作等紧急状况，也不会使叶尖间隙控制失败，并且能够通过缩短液压式间隙控制装置的实际工作时间来延长寿命的燃气轮机的叶尖间隙控制装置。
另外，本发明的另一目的在于，提供即使液压式间隙控制装置发生了故障或者异常工作等紧急状况，也能够进行液压式间隙控制装置的正常运转，由此能够提高运转稳定性的燃气轮机的叶尖间隙控制装置。
而且，本发明的又一目的在于，在需要根据设置条件或者运转条件的变化而对应地调整液压式间隙控制装置所包括的液压机构的位置，也就是液压机构不工作的状态下的工作间隙时，不进行设计变更或者设置调整就能够使工作间隙自动变更的燃气轮机的叶尖间隙控制装置。
本发明所涉及的叶尖间隙控制装置包括：转子，具备推力环和沿着轴向支撑上述推力环的一对推力轴承，并具备沿半径方向延伸的多个叶片；液压式间隙控制装置，包括使上述一对推力轴承中的任意一个沿着上述轴向的正向移动的第一液压缸、和使上述一对推力轴承中的另一个沿着上述轴向的反向移动的第二液压缸；以及缸固定装置，包括固定上述第一液压缸的正向移动距离的第一固定装置、和固定上述第二液压缸的反向移动距离的第二固定装置。
根据本发明的一实施例，上述缸固定装置为限制上述第一液压缸以及第二液压缸的移动的止动部件，并通过使上述止动部件进退的致动器进行工作。
这里，在对上述转子轴作用反向推力时，上述第一固定装置工作。
并且，在对上述转子轴作用正向推力时，上述第二固定装置工作。
这种本发明的叶尖间隙控制装置也可以如下方式运转，即，在上述第一固定装置或者第二固定装置工作的期间，对上述第一液压缸或者第二液压缸也持续作用工作液压。
或者，也可以以如下方式运转，仅在上述第一固定装置或者第二固定装置开始工作或者结束工作的时间点的一定时间内，对上述第一液压缸或者第二液压缸作用工作液压。
并且，在开始或者结束燃气轮机的运转的期间，上述第二固定装置工作。
并且，在本发明中，可以分别包括与连接于上述第一液压缸及上述第二液压缸的液压线分别并联连接的主液压回路装置和紧急液压回路装置。
这里，上述紧急液压回路装置包括用于使上述第一液压缸工作的第二正向控制阀、和用于使上述第二液压缸工作的第二反向控制阀，并且包括相对于上述第二正向控制阀及第二反向控制阀相互并联连接的第二液压泵及第三液压泵。
尤其是，上述第二液压泵可以以交流电源工作，上述第三液压泵可以以直流电源工作。
在这种情况下，还可以包括用于上述第三液压泵的工作的直流电源储存器，上述直流电源储存器可以在被供给交流电源的期间对上述交流电源进行整流而储存为直流电源。
另一方面，根据本发明的另一实施例，包括上述第一固定装置以及第二固定装置的缸固定装置，可以由能够调节上述第一液压缸以及第二液压缸相对于上述推力环的工作间隙的工作间隙可变装置构成。
上述工作间隙可变装置分别设置于上述第一液压缸以及第二液压缸，并且包括：固定板，固定安装在上述推力轴承的不与上述推力环对置的另一面；以及滑动环，在分别收纳上述第一液压缸以及第二液压缸的第一缸壳体以及第二缸壳体上以能够沿着圆周方向进行正反转动的方式安装，在沿着上述固定板和上述滑动环的圆周面以相互对置的方式分别突出形成的齿轮齿接触而维持上述工作间隙。
在这种另一实施例中，上述固定板和上述滑动环的齿轮齿可以被构成为处于彼此的山部和谷部啮合的接触状态、以及彼此的山部和山部抵接而有缝隙的接触状态中的任意一种接触状态。
并且，上述固定板和上述滑动环的齿轮齿可以均为山部平坦的形状。
尤其是，根据一实施方式，上述固定板和上述滑动环的齿轮齿可以构成梯形。
并且，在另一个实施例中，上述固定板和上述滑动环各自的齿轮齿可以具备彼此向相反方向倾斜的倾斜面，并且各倾斜面构成相互啮合的多级的阶梯形状。
这里，上述固定板和上述滑动环的各倾斜面所构成的倾斜角度之和可以为90°。
并且，可以在上述固定板和上述滑动环这两者中的至少任意一方的齿轮齿的最下部区域形成有空间。
根据这种另一实施例，上述工作间隙可变装置执行如下所述的一系列控制来调节上述工作间隙，即，使上述第一液压缸或者第二液压缸暂时工作而解除上述固定板压迫上述滑动环的力，然后使上述滑动环转动规定的角度而变更上述齿轮齿的接触状态，然后使上述第一液压缸或者第二液压缸回归原位。
并且，可以构成为上述滑动环以固定在上述第一缸壳体以及第二缸壳体上的一个点为中心旋转。
本发明的叶尖间隙控制装置可以包括使上述滑动环旋转的环驱动机构，上述环驱动机构为包括向不经过上述滑动环的旋转中心的任意方向施加力的环驱动用液压缸的液压式环驱动机构。
上述环驱动用液压缸可以构成为，相对于上述转子周边的包括上述第一缸壳体以及第二缸壳体的固定件以能够转动的方式安装，上述环驱动用液压缸的能够伸缩的缸杆的自由端以能够转动的方式连接于固定于上述滑动环而突出的臂柄。
上述液压式环驱动机构可以通过控制上述缸杆所伸缩的长度来调节上述滑动环的转动角度。
另一方面，本发明的叶尖间隙控制装置所包括的环驱动机构也可以构成为包括电动马达的电动式环驱动机构，上述电动马达具备使沿着上述滑动环的圆周面形成的环形齿轮旋转的小齿轮。
该情况下，上述环形齿轮与上述小齿轮的啮合可以由内啮合式或者外啮合式构成。
并且，可以构成为上述电动马达固定安装在上述第一缸壳体以及第二缸壳体的外表面，通过由上述电动马达的旋转轴使贯通上述第一缸壳体以及第二缸壳体的主轴旋转来使上述小齿轮旋转。
并且，上述电动马达的旋转轴和上述主轴可以由一对正齿轮连接。
在这种情况下，上述一对正齿轮之间的齿数比可以被设定为是使上述主轴减速的比率。
包括如上所述的结构的本发明的叶尖间隙控制装置，通过包括固定液压式间隙控制装置的正向或者反向的移动距离的缸固定装置，具有即时液压式间隙控制装置发生异常也不会使叶尖间隙的确保失败的优点。
尤其是，由于本发明的叶尖间隙控制装置由机械装置构成，所以只要不发生大的故障或者破损就一直稳定工作，由此能够更切实地确保叶尖间隙控制装置的安全。
并且，通过使叶尖间隙控制装置的运转方式为仅在开始或者结束缸固定装置的时间点的一定时间内对液压式间隙控制装置作用工作液压的方式，能够缩减液压式间隙控制装置的实际工作时间，由此延长液压式间隙控制装置的寿命。
另外，在本发明中，通过具备与主液压回路装置独立工作的紧急液压回路装置，即使液压式间隙控制装置发生故障或者异常工作等紧急状况也能够实现液压式间隙控制装置的正常运转，由此能够大幅度提高叶尖间隙控制装置的运转稳定性。
并且，在本发明中，可以包括能够作为缸固定装置工作的工作间隙可变装置，由此在需要根据设置条件或者运转条件的变化而对应地调节液压式间隙控制装置所包括的液压机构的位置、也就是在液压机构不工作的状态下的工作间隙，不进行设计变更或者设置调整就能够自动调整工作间隙。
附图说明
图1是示意性示出具有圆锥形的压缩机的转子的图。
图2是示出现有的液压式间隙控制装置的结构的图。
图3是示出能够应用本发明所涉及的叶尖间隙控制装置的燃气轮机的内部结构的图。
图4是将图3的燃气轮机中的压缩机更详细示出的图。
图5是示出本发明所涉及的叶尖间隙控制装置的图。
图6是示出运转图5的叶尖间隙控制装置的一实施方式的图。
图7是示出运转图5的叶尖间隙控制装置的另一实施方式的图。
图8是示出本发明的叶尖间隙控制装置所能进一步具备的紧急液压回路装置的图。
图9是示出本发明的叶尖间隙控制装置所能包括的工作间隙可变装置的图。
图10是示出工作间隙可变装置的一实施方式的图。
图11是示出工作间隙可变装置的另一实施方式的图。
图12是示出利用液压缸的液压式环驱动机构的一实施方式的图。
图13是示出利用电动马达的电动式环驱动机构的一实施方式的图。
附图标记说明
1：定子；10：转子；12：叶尖；14：推力环；20：推力轴承；100：叶尖间隙控制装置；110：液压式间隙控制装置；112：第一液压缸；113：第一缸壳体；114：第二液压缸115：第二缸壳体；116：轴向位置传感器；120：缸固定装置；122：第一固定装置；124：第二固定装置；130：止动部件；132：致动器；140：主液压回路装置；142：第一正向控制阀；144：第一反向控制阀；146：第一液压泵；150：紧急液压回路装置；152：第二正向控制阀；154：第二反向控制阀；156：第二液压泵；158：第三液压泵；159：直流电源储存器；200：工作间隙可变装置；210：固定板；220：滑动环；230：齿轮齿；232：阶梯面；300：环驱动机构；310：液压式环驱动机构；312：环驱动用液压缸；314：缸杆；316：臂柄；320：电动式环驱动机构；322：电动马达；323：旋转轴；324：环形齿轮；324'：内齿环形齿轮；324"：外齿环形齿轮；326：小齿轮；328：轴；329：正齿轮。
具体实施方式
下面，通过示例性图来详细说明本发明的一部分实施例。在对各图中的结构要素标注附图标记方面，应注意对于相同的结构要素即使表示在不同的图上也尽量标注了相同的附图标记。另外，在说明本发明的实施例时若判断为对于相关的公知结构或者功能的具体说明会妨碍理解本发明的实施例，则省略其详细说明。
另外，在说明本发明的实施例的结构要素时，可以使用第一、第二、A、B、(a)、(b)等用语。这种用语只是为了对该结构要素与其他结构要素进行区分，相应的结构要素的本质或者排位或者顺序等不会被该用语所限定。在记载了某一结构要素与另一结构要素“连接”、“结合”或者“接触”的情况下，有可能为该结构要素与该另一结构要素直接连接或者接触，但应理解也可能是各结构要素之间还夹设其他结构要素而间接“连接”、“结合”或者“接触”。
图3是示出能够应用本发明所涉及的叶尖间隙控制装置的燃气轮机的内部结构的图，图4是将图3的燃气轮机中的压缩机更详细示出的图。
如图3以及图4所示，应用本发明的叶尖间隙控制装置的燃气轮机1000包括压缩机1100、燃烧器1200和涡轮机1300。压缩机1100吸入外部空气并进行压缩，燃烧器1200对在压缩机1100中被压缩的空气混合燃料来燃烧，涡轮机1300通过从燃烧器1200排出的燃烧气体来旋转。
压缩机1100包括压缩机转子盘1110、中心拉杆1120、压缩机叶片1130、定子1140和压缩机壳体1150。
压缩机转子盘1110固定压缩机叶片1130，并随着中心拉杆1120的旋转而旋转，由此使压缩机叶片1130旋转。压缩机转子盘1110可以为多个。
形成为多个的压缩机转子盘1110通过一个中心拉杆1120被紧固成在轴向上不分离。各个压缩机转子盘1110以被中心拉杆1120贯通的状态沿着轴向整齐排列。在压缩机转子盘1110的外周部可以形成有多个突起(未图示)，并且可以形成有与相邻的压缩机转子盘1110一起旋转的方式结合的凸缘1111。
在多个压缩机转子盘1110中的至少任意一个，可以形成有压缩空气供给流路。被压缩机叶片1130压缩的压缩空气通过压缩空气供给流路向涡轮机1300侧移动而能够使涡轮机叶片冷却。
中心拉杆1120贯通压缩机转子盘1110而使它们整齐排列。中心拉杆1120接受从涡轮机1300产生的扭矩而使上压缩机转子盘1110旋转。为此，在压缩机1100与涡轮机1300之间，可以配置有扭矩管1400来作为将在涡轮机1300产生的旋转扭矩向压缩机1100传递的扭矩传递部件。
中心拉杆1120的一侧端部紧固在位于最上游侧的压缩机转子盘内，另一侧端部则***于扭矩管1400。中心拉杆1120的另一侧端部在扭矩管1400内与压紧螺母1121紧固。压紧螺母1121将扭矩管1400向压缩机转子盘1110侧施压，使各个压缩机转子盘1110以气密方式紧贴。
压缩机叶片1130与压缩机转子盘1110的外周面以放射状结合。压缩机叶片1130可以为多个，并以多级形成。各个压缩机叶片1130可以形成有用于紧固于压缩机转子盘1110的燕尾型部件1131。在本实施例中，压缩机叶片1130与压缩机转子盘1110以燕尾方式结合，但不限定于此，可以以多种方式结合。压缩机叶片1130随着转子盘1110的旋转而旋转，由此压缩流入的空气，并使被压缩的空气移动到后端的定子1140。
定子1140将从前端的压缩机叶片1130移动过来的压缩空气引导到后端的压缩机叶片1130侧。
压缩机壳体1150形成压缩机1100的外形。压缩机壳体1150在内部收容压缩机转子盘1110、中心拉杆1120、压缩机叶片1130以及定子1140等。
在压缩机壳体1150可以形成有连接管，该连接管使被多级压缩机叶片1130以多个阶段压缩的压缩空气向涡轮机1300侧流动而使涡轮机叶片冷却。
在压缩机1100的出口配置有使压缩空气扩散移动的扩散器。扩散器在压缩空气被供给到燃烧器之前对压缩空气进行整流，使压缩空气的动能的一部分转换成静压(staticpressure)。
上文中提到的图3以及图4示出了能够应用本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100的燃气轮机1000的一般结构，但为了进行如图所示在整体上具有圆锥形的压缩机叶片1130的间隙控制，具备本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100。
图5是示出本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100的图，参照图5对本发明进行详细说明。但在下面的说明中围绕本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100进行说明，对于除此之外的燃气轮机1000自身的结构则参照图3以及图4。
本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100应用于燃气轮机的压缩机所具备的转子10，大体上包括液压式间隙控制装置110和缸固定装置120。
先对转子10以及安装于该转子10的推力轴承20的结构进行说明。转子10具备推力环14，并设置有将推力环14沿着轴方向支撑的一对推力轴承20。
在转子10***并结合多个转子盘，在各转子盘的圆周方向外周面上配置有多个叶片。由此，转子10具备沿半径方向延伸的多个叶片。被吸入压缩机的空气随着连续经过各个转子盘所形成的叶片级而逐渐被压缩成高压。
转子10的各叶片级随着朝向下游侧其直径变大而具有圆锥形，这种结构在图1以及图4中示出。如上所述，被定子包围的叶片的尖端间隙随着转子10通过推力向前方或者说是正向(图中的左侧)、或者后方或者说是反向(图中的右侧)移动而发生变化。即，转子10若向前方移动则尖端间隙缩小，反之若向后方移动则尖端间隙增大。
利用这种特性则能够控制叶片的尖端间隙，而用于控制叶片的尖端间隙的装置便是液压式间隙控制装置110。液压式间隙控制装置110包括使一对推力轴承20中的任意一个沿着轴向的正向移动的第一液压缸112、和使另一个沿着轴向的反向移动的第二液压缸114。
若第一液压缸112工作，则第一液压缸112前端的压板向前方前进而将与其相接触的推力轴承20推向左侧(以图5为基准)，由此被推力轴承20支撑的推力环14受到向左侧的力，从而转子10向前方移动。因此，若第一液压缸112工作，则叶片的尖端间隙缩小。
并且，与第一液压缸112对置的第二液压缸114的工作效果与第一液压缸112相反，若第二液压缸114工作，则叶片的尖端间隙增大。
在对转子10作用右侧方向的推力时，第一液压缸112工作。即，为了抑制或者调整随着使转子10向后方移动的推力的产生而导致的叶片的尖端间隙的增大，第一液压缸112工作。当然，第二液压缸114在与上述状况相反的状况下工作。
像这样液压式间隙控制装置110能够控制因向转子10的前方(正向)和后方(反向)中任意一个方向施加的推力而增减的叶片的尖端间隙。之所以将相互对置的第一液压缸112和第二液压缸114配置成一对，是因为作用于转子10的推力并不是仅向某一个方向固定地作用，根据设计和运转状态，推力的大小也有可能随着作用方向而不同。
在这种状况下长时间运转时液压式间隙控制装置110的液压回路发生故障或者在控制方面发生异常则并非仅仅是压缩机的性能劣化，而是有可能引起叶尖间隙变得极其小或者消失而导致叶片由于碰撞而破损的事态。
因此，需要做好液压式间隙控制装置110的运转方面的安全措施，为此，本发明包括缸固定装置120。
与液压式间隙控制装置110包括一对液压缸对应地，缸固定装置120包括固定第一液压缸112的正向移动距离的第一固定装置122、和固定第二液压缸114的反向移动距离的第二固定装置124。
这里，固定第一液压缸112的正向移动距离是指不使第一液压缸112从所固定的位置被推动而再向反向移动。因此，若第一固定装置122工作，则与固定的正向移动距离对应的叶尖间隙得以确保，而叶尖间隙不会变得更大。
第二固定装置124的工作原理与第一固定装置122相同，但仅在固定第二液压缸114的反向移动距离方面存在区别。因此，若第二固定装置124工作，则与固定的反向移动距离对应的叶尖间隙得以确保，而叶尖间隙不会变得更小。
最终，在对转子10作用反向推力时，第一固定装置122工作而固定第一液压缸112的正向移动距离，并且在对转子10作用正向推力时，第二固定装置124工作而固定第二液压缸114的反向移动距离。
对于第一固定装置122和第二固定装置124，考虑到可靠性较重要这一点，优选可以由机械装置构成。即，相比基于利用轴向位置传感器116测定的距离的PID液压控制之类的电子装置，只要不发生大故障或者破损就一直稳定工作的机械装置在确保安全方面更适合。
在本发明的实施方式中，将缸固定装置120构成为限制第一液压缸112以及第二液压缸114的移动的止动部件130，通过使上述止动部件130进退的致动器132，缸固定装置120工作。对于致动器132，考虑到需要固定液压缸112、114的移动，而液压式致动器会比较适合，但在使用这种液压式致动器的情况下，构成与液压式间隙控制装置110的液压回路分开的另外的液压回路在确保安全性方面有利。
图6是示出运转图5的叶尖间隙控制装置100的一实施方式的图。图中包括的图表是为了能够将第一液压缸112/第二液压缸114以及与此对应的第一固定装置122/第二固定装置124的工作相关联地掌握而以共同的X轴一并示出的图表。
对图表中的符号进行说明则为，Sfwd是指第一固定装置122，Pfwd是指第一液压缸112，Srev是指第二固定装置124，Prev是指第二液压缸114，GT是指燃气轮机，FSNL是指全速空载(Full Speed No Load)，还有HCO是指液压式间隙控制装置(Hydraulic ClearanceOptimizer)。
另外，在液压式间隙控制装置110运行的期间(HCO-On～HCO-Off区间)，根据作用于转子10的推力的方向，第一液压缸112/第二液压缸114以及与此对应的第一固定装置122/第二固定装置124分别工作，图表中简单地示出了第一液压缸112和第一固定装置122做一次工作的情况。
图6中示出的叶尖间隙控制装置100的运转方式为，以在第一固定装置122或者第二固定装置124工作的期间也对第一液压缸112或者第二液压缸114持续作用工作液压的方式运转。即，可以认为第一固定装置122和第二固定装置124作为对第一液压缸112和第二液压缸114的一种辅助性安全装置发挥功能。
与此相比，图7中示出的叶尖间隙控制装置100的运转方式为，以仅在第一固定装置122或者第二固定装置124开始工作或者结束工作的时间点的一定时间内对第一液压缸112或者第二液压缸114作用工作液压的方式运转。即，图7的实施方式中，第一固定装置122和第二固定装置124负责发挥在固定第一液压缸112和第二液压缸114的移动之后直接固定或者限制叶片的尖端间隙的作用。图7的实施方式在通过缩短液压式间隙控制装置110的实际工作时间来延长其寿命方面有优势。
并且，一并参照图6和图7的实施方式，共同点为在开始或者结束燃气轮机的运转的期间，第二固定装置124(Srev)一直在工作。这是因为在使燃气轮机启动或者停止时，振动大，所以通过使叶片的尖端间隙维持得大，以防止叶片的破损等损伤。
并且，图8示出可以在本发明的叶尖间隙控制装置100进一步设置的紧急液压回路装置150。与此形成对比的主液压回路装置140为叶尖间隙控制装置100基本具备的液压工作回路，主液压回路装置140在正常状态或者通常状态下被使用，紧急液压回路装置150是用于辅助的安全单元，以在主液压回路装置140发生异常或者故障而陷入无法工作状态的紧急状况下，也能够使叶尖间隙控制装置100正常运转。
主液压回路装置140和紧急液压回路装置150被控制部(Controller)统一控制，控制部若检测到主液压回路装置140的无法工作状态，例如主液压回路装置140的液压下降到基准以下并且不恢复，或者即便进行了控制，轴向位置传感器116也检测不到第一液压缸112和第二液压缸114的工作等紧急状况，则控制部执行驱动紧急液压回路装置150来代替主液压回路装置140的控制。
主液压回路装置140和紧急液压回路装置150与连接于第一液压缸112以及第二液压缸114的液压管线分别并联连接，由此能够分别独立地工作。并且，主液压回路装置140和紧急液压回路装置150分别具有第一正向控制阀142/第二正向控制阀152和第一反向控制阀144/第二反向控制阀154，另外在具备以交流电源工作的第一液压泵146/第二液压泵156等基本结构方面，相似的部分较多。这是因为用于使第一液压缸112工作的正向控制阀142、152和用于使第二液压缸114工作的反向控制阀144、154，还有用于生成液压的液压泵146、156为在运行叶尖间隙控制装置100时必然要具备的结构。
然而，不同于主液压回路装置140，紧急液压回路装置150为了确保紧急状况下的稳定性，多包括一个液压泵，多出来的该液压泵为以直流电源驱动的第三液压泵158。第三液压泵158是用于在连交流电源都断掉的状况下也能防止叶尖间隙控制装置100的控制失败的重要结构。第三液压泵158相对于第二液压泵156并联地连接于第二正向控制阀152和第二反向控制阀154，以能够代替因交流电源的断开而变成无用之物的第二液压泵156。并且，紧急液压回路装置150具备用于第三液压泵158的工作的直流电源储存器159。直流电源储存器159在被供给交流电源的期间对该交流进行整流而储存为直流电源，控制部监视直流电源储存器159的充电状态而对储存量进行管理以使其一直维持一定程度以上。
另一方面，图9～图11示出了本发明所涉及的叶尖间隙控制装置100的另一实施例。在示出的另一实施例中，涉及能够调节叶尖间隙控制装置100所包括的液压式间隙控制装置110相对于推力环14的位置，也就是第一液压缸112/第二液压缸114相对于推力环14的间隙(下称“工作间隙”)的工作间隙可变装置200。
会经常产生根据叶尖间隙控制装置100的设置条件或者燃气轮机的运转条件的变化，来相应地调整液压式间隙控制装置110的工作间隙的需求。为了使本发明的叶尖间隙控制装置100正常地工作，工作间隙和第一液压缸112/第二液压缸114的行程应当在设计好的尺寸范围内。但是这种叶尖间隙控制装置100的尺寸设计，在转子10或者其周边机构发生微小的设计变更时会直接受到影响，由于第一液压缸112/第二液压缸114在进行工作/不进行工作时的位置是固定的，所以需要随着设计变更，进行叶尖间隙控制装置100的设置调整。另外，若使设置在现场的燃气轮机运转，则由于每个燃气轮机在基于运转条件的动态特性上存在差异，所以还需要配合各燃气轮机的运转条件来调整工作间隙。
图9～图11中示出的叶尖间隙控制装置100的另一实施例是为了更简便地进行这种设置调整，进而自动执行这种设置调整而设置的。
图9示出叶尖间隙控制装置100所包括的工作间隙可变装置200的整体结构。参照图9，工作间隙可变装置200分别设置于第一液压缸112和第二液压缸114。这是因为工作间隙也需要构成为能够针对正向和反向这双向进行调整。成对的工作间隙可变装置200为以推力环14为基准构成镜像对称的相同结构，因此在下文中，以第一液压缸112所具备的一侧的工作间隙可变装置200为基准进行说明。
工作间隙可变装置200配置在相互对置的推力轴承20与第一液压缸112之间的空间。换言之，在推力轴承20的与推力环14对置的一面的相反面配置有工作间隙可变装置200(下面，推力轴承的一面以及另一面以与上述的推力环的相对方向为基准)。因此，第一液压缸112与使转子10向前方移动的受到第一液压缸112的液压的推力环14之间的距离即工作间隙，能够通过工作间隙可变装置200的驱动来调整。
工作间隙可变装置200包括在推力轴承20的另一面固定安装的固定板210、和在收纳第一液压缸112的第一缸壳体113安装为沿着圆周方向能够在一定角度内进行正反转动的滑动环220。固定板210和滑动环220除了下文中的接触状态发生转变的过程之外，一直保持接触，第一液压缸112通过对固定板210施加液压而使推力轴承20相对于推力环14移动。
像这样，固定板210为了接受第一液压缸112的液压，通常会形成为平板状，但只要能够接受第一液压缸112的力，则形成为局部区域被穿孔的形状例如中央的一部分被穿孔的环状也无妨。因此，固定板210中的板这一用语不应被解释为限定其形状。相反地，对于滑动环220而言，由于需要设置能够使第一液压缸112伸缩的贯通区域，所以需要在中央形成空间。因此，滑动环220需要具有环状，但即便这样也不需要必须是360°的完整的环形。对此，通过下文中更详细的工作间隙可变装置200的说明则能够明确理解。
本发明的工作间隙可变装置200中，固定板210与滑动环220一直保持接触，但其接触面并非为平面，而是像齿轮齿230那样山部和谷部重复的形态。这种齿轮齿230形态的接触面在图10中详细示出(在图9中，为了便于说明而省略齿轮齿的形态)，图10中，将沿着固定板210和滑动环220的相互面对的各圆周面形成的齿轮齿230的一部分展开成平面而示出。
由于以沿着固定板210和滑动环220的各圆周面相互对置的方式突出形成齿轮齿230，所以固定板210和滑动环220处于山部与谷部啮合的接触状态(图10的(a))或者山部与山部抵接而有缝隙的接触状态(图10的(b))中的任意一个接触状态。这种接触状态的变更是通过在第一缸壳体113上沿着圆周方向在一定角度内进行正反转动的滑动环220的驱动来发生的。
对图10的(a)状态和图10的(b)状态进行比较，则在图10的(b)状态下使相对于推力环14的工作间隙缩短与齿轮齿230的山部高度对应的距离。因此，通过滑动环220的正反驱动，能够按照与齿轮齿230的山部高度对应的距离改变工作间隙。
滑动环220的转动角度优选为与重复的齿轮齿230的半周期的圆周距离对应的角度，也就是对置的齿轮齿230的山部和山部能够完全接触的角度。当然即使山部与山部仅接触一部分也能够改变工作间隙，但为了使变更后的工作间隙稳定维持，优选使山部与山部的接触面积最大。
并且，上述的与齿轮齿230的半周期的圆周距离对应的转动角度，可以说是最低限度的条件，齿轮齿230由于重复形成相同的形状，所以即使在更大的角度内进行正反转动也无妨，甚至可以说即使向一个方向持续转动也无妨。因此，滑动环220的正反驱动在更广的含义上应理解为滑动环220使齿轮齿230的山部和谷部的位置变更的驱动。
可以说如上所述的本发明的工作间隙可变装置200的技术特征为机械式步进(mechanical stepper)。当然也可以对滑动环220的转动使用液压或者电动力，但工作间隙的改变到底是由齿轮齿230的接触状态的变更而引起的，因此属于机械式步进。这种机械式改变结构，除了由于重复驱动产生的磨损影响等之外，一直固定地稳定驱动，所以具有工作可靠性优异的优点。
齿轮齿230的形状可以为四方形齿，也可以为如图10所示的梯形。四方形齿和梯形齿的共同点在于山部平坦，这是因为在固定板210和滑动环220的各齿轮齿230的山部和山部接触时需要能够维持固定而不滑动的接触状态。梯形的齿轮齿230在山部的面积较窄这一点上相比四方形齿略处于劣势，但由于齿轮齿230的侧面构成倾斜，所以在基于滑动环220的转动所进行的从山部和谷部的接触转变成山部和山部的接触，以及与其相反的转变过程会更顺畅并自然地进行的优点较为明显。
当然，固定板210和滑动环220被液压按压而牢固地接触，因此为了使滑动环220转动，需要使第一液压缸112暂时工作而解除固定板210压迫滑动环220的力。从控制方面的观点来看，可以说需要进行如下的一系列控制，即，使第一液压缸112暂时工作而解除固定板210压迫滑动环220的力，然后使滑动环220转动规定的角度而变更接触状态，然后使第一液压缸112回归原位(解除工作)。
图11示出工作间隙可变装置200的另一实施方式。基本的工作原理以及结构与图10的实施方式相同，但该另一实施方式中的特征在于，对每个齿轮齿230形态形成为多级的阶梯形态，以使可变的工作间隙的步骤能够形成三个步骤以上的多个步骤。
如上所述，图10的实施方式为使工作间隙以与齿轮齿230的山部高度对应的距离可变的双步骤可变结构。但根据情况，优选或者需要将可变步骤设成三个以上，扩大工作间隙的能够调整的范围。图11的另一实施方式是为了进行这种三个步骤以上的多级可变而准备的。
通过滑动环220的转动控制使工作间隙可变的结构和原理，在图11的实施方式中也并无不同，只在齿轮齿230的形态上存在区别。在图11的实施方式中，各齿轮齿230具备向一个方向倾斜的倾斜面，各倾斜面构成多级的阶梯形状。由于固定板210和滑动环220相互对置，因此各自的倾斜面形成为相反方向，为了使阶梯面232相互啮合，需要使各倾斜角度之和为90°。通常，为了力的均衡和分配，将各倾斜角度设为45°的情况会多一些。
最终，根据相互啮合的阶梯面232的个数而决定工作间隙的调整级数，因此通过将啮合的阶梯面232的个数设为三个以上，能够相比图10的双步骤工作间隙可变装置200扩大工作间隙的能够调整的范围，进而能够将每个步骤所能调整的间隙细化。
并且，像图11的一实施方式那样，也可以切开各齿轮齿230的阶梯面232的一部分而设置空间。设置空间的理由是由于形成多个阶梯面232的有些复杂的形态，对置的齿轮齿230在完全啮合时可能会产生干涉，因此需要保留富余空间。该空间只要在固定板210和滑动环220中至少一方的齿轮齿230形成即可，可以在齿轮齿230的最下部区域设置空间。
图11示出能够进行4个步骤的调整的例子，在各齿轮齿230的最上端面(高度最高的阶梯面)相互接触时推力轴承20与第一缸壳体113之间的距离达到最大。换言之，在各齿轮齿230的最上端面相互接触的状态下工作间隙的调整范围达到最大，再往下就是能够进行3步骤的细微调整的图11中例示出的实施方式。
在上文中说明的工作间隙可变装置200基本上为能够配合状况来调整第一液压缸112与推力环14之间的距离、即工作间隙的装置，但若利用该工作间隙可变装置200，则也可以发挥最开始说明的缸固定装置120的功能。即，在使安装有固定板210的推力轴承20接近或者接触推力环14的状态驱动工作间隙可变装置200(参照图10的(b)，图11的(b)以及(c)状态)时，即使第一液压缸112发生故障而陷入无法工作状态，也能够使推力轴承20固定地位于规定的地方。
尤其是，如上所述可以将本发明的工作间隙可变装置200称为机械式步进，即便对滑动环220的转动使用液压，也能通过设计成与叶尖间隙控制装置100的液压回路独立的另外的液压回路，应对紧急状况，并且通过齿轮齿230的啮合状态的变更这样的机械工作来固定轴承20的位置，所以在紧急状况下的工作可靠性优异。
图12示出能够应用于对滑动环220进行转动驱动的环驱动机构300的一例。
滑动环220被安装为能够相对于各缸壳体113、115沿着圆周方向在一定角度内进行正反转动。如上文中说明的那样，滑动环220配置在与固定板210对置的缸壳体113、115的一面上，齿轮齿230朝向固定板210突出。
图12的环驱动机构300为利用液压缸的液压式环驱动机构310的一例。滑动环220以固定在缸壳体113、115上的一点也就是旋转中心为中心旋转。通常滑动环220的旋转中心会与各液压缸的中心一致。对于滑动环220以能够旋转的方式安装在缸壳体113、115上的结构，能够采用多种公知技术。例如，能够采用在形成在缸壳体113、115上的环形的凹槽内以能够旋转的方式安装滑动环220的结构。
如上所述，若滑动环220被安装为只能进行沿着在缸壳体113、115上规定的一个圆形轨迹旋转的运动，则能够简化使滑动环220转动的环驱动机构300的设计，关于此的一个实施例示于图12。
以相对于包括缸壳体113、115的某个固定件能够转动的方式安装环驱动用液压缸312，环驱动用液压缸312的能够伸缩的缸杆314的自由端也以能够转动的方式连接于固定于滑动环220而突出的臂柄316(arm handle)。在这种结构中，若环驱动用液压缸312的缸杆314伸缩，则滑动环220在缸壳体113、115上沿着规定的轨迹旋转。这是因为滑动环220的旋转被固定为一个轨迹(一自由度运动)，所以若对滑动环220向不经过其旋转中心的任意方向施加力，则能够容易转换成滑动环220的旋转运动。
若以图12中示出的结构为基准，则通过缸杆314的伸长，滑动环220向顺时针方向旋转，若缸杆314后退则滑动环220向逆时针方向旋转。滑动环220的转动角度大致上与缸杆314的伸缩长度成正比，因此通过控制缸杆314伸缩的长度，能够调节滑动环220的转动角度。因此，对于图11中示出的实施方式，即，将各齿轮齿230的倾斜面构成为阶梯面232的多个步骤的调节结构，也能够应用利用液压缸的液压式环驱动机构310。
图13示出代替液压缸而利用电动马达322的电动式环驱动机构320的一实施例。除了在作为使滑动环220转动的动力源代替液压缸而使用电动马达322这一点之外，滑动环220的安装结构等可以认为是相同的。
电动式环驱动机构320是利用齿条小齿轮(rack and pinion)机制的机构，为此，滑动环220由可以称为齿条的一种的环形齿轮324构成。环形齿轮324可以采用内齿(内啮合式)或者外齿(外啮合式)两者均可，这可以根据设计条件来合理选择。在图13中，示出对左侧的第二液压缸114应用内齿环形齿轮324'并且对右侧的第一液压缸112应用外齿环形齿轮324"的例子。
与滑动环220的环形齿轮324啮合而使滑动环220转动的小齿轮326设置于电动马达322的旋转轴323。由于滑动环220的转动角度与小齿轮326的转动角度准确成正比，所以相比图12的液压式环驱动机构310，具有在控制滑动环220的转动角度的方面更加简便的优点。
在图13中示出的实施方式中，电动马达322固定安装于缸壳体113、115的外表面，由此构成为，为了使与配置在缸壳体113、115内侧的滑动环220的环形齿轮324啮合的小齿轮326旋转，电动马达322的旋转轴323使贯通缸壳体113、115的主轴328旋转。在主轴328的一端具备小齿轮326，主轴328的另一端与电动马达322的旋转轴323连接。
在图13中，电动马达322的旋转轴323通过正齿轮329连接于主轴328的另一端而使主轴328旋转，在利用正齿轮329的情况下，具有能够通过两个正齿轮329的齿数比来增大电动马达322的扭矩(由此能够降低电动马达的输出)并且精细地调整滑动齿轮的旋转角度的优点。当然，也可以采用将电动马达322和小齿轮326直接连接的实施方式，在该情况下也可以将电动马达322的旋转轴323本身构成为主轴328。
这里，对于图13的实施方式以基本上使用电动马达322的情况为例进行了说明，但也可以采用产生旋转动力的其他动力装置例如液压马达。因此，应理解为图13的电动式环驱动机构320可以变形为利用齿条小齿轮机制的液压驱动方式的环驱动机构300，不能限制性地解释为必须是利用电力的驱动机构。
以上说明仅仅是示例性示出本发明的技术构思而已，若为在本发明所属的技术领域中持有常规知识的人能够在不脱离本发明的本质特性的范围内进行多种修改以及变形。可见，本发明中公开的实施例并不是用于限定本发明的技术构思，而是用于说明本发明的技术构思，本发明的技术构思的范围并不被这种实施例所限定。本发明的保护范围应通过随附的权利要求书来解释，在与其等同的范围内的所有技术构思都应被解释为包含在本发明的权利范围内。

Claims (31)

1.一种叶尖间隙控制装置，其特征在于，包括：
转子，具备推力环和沿着轴向支撑上述推力环的一对推力轴承，并具备沿半径方向延伸的多个叶片；
液压式间隙控制装置，包括使上述一对推力轴承中的任意一个沿着上述轴向的正向移动的第一液压缸、和使上述一对推力轴承中的另一个沿着上述轴向的反向移动的第二液压缸；以及
缸固定装置，包括固定上述第一液压缸的正向移动距离的第一固定装置、和固定上述第二液压缸的反向移动距离的第二固定装置。
2.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述缸固定装置为限制上述第一液压缸以及第二液压缸的移动的止动部件，并通过使上述止动部件进退的致动器进行工作。
3.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
在对上述转子作用反向推力时，上述第一固定装置工作。
4.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
在对上述转子作用正向推力时，上述第二固定装置工作。
5.根据权利要求3或者4所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
在上述第一固定装置或者第二固定装置工作的期间，对上述第一液压缸或者第二液压缸也持续作用工作液压。
6.根据权利要求3或者4所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
仅在上述第一固定装置或者第二固定装置开始工作或者结束工作的时间点的一定时间内，对上述第一液压缸或者第二液压缸作用工作液压。
7.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
在开始或者结束燃气轮机的运转的期间，上述第二固定装置工作。
8.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
包括与连接于上述第一液压缸及上述第二液压缸的液压管线分别并联连接的主液压回路装置和紧急液压回路装置。
9.根据权利要求8所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述紧急液压回路装置包括用于使上述第一液压缸工作的第二正向控制阀、和用于使上述第二液压缸工作的第二反向控制阀，并且包括相对于上述第二正向控制阀及第二反向控制阀相互并联连接的第二液压泵及第三液压泵。
10.根据权利要求9所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述第二液压泵以交流电源工作，上述第三液压泵以直流电源工作。
11.根据权利要求10所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
包括用于上述第三液压泵的工作的直流电源储存器。
12.根据权利要求11所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述直流电源储存器在被供给交流电源的期间对上述交流电源进行整流而储存为直流电源。
13.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
包括上述第一固定装置以及第二固定装置的缸固定装置为，能够调节上述第一液压缸以及第二液压缸相对于上述推力环的工作间隙的工作间隙可变装置。
14.根据权利要求13所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述工作间隙可变装置分别设置于上述第一液压缸以及第二液压缸，并且包括：固定板，固定安装在上述推力轴承的不与上述推力环对置的另一面；以及滑动环，在分别收纳上述第一液压缸以及第二液压缸的第一缸壳体以及第二缸壳体上以能够沿着圆周方向进行正反转动的方式安装，
在沿着上述固定板和上述滑动环的圆周面以相互对置的方式分别突出形成的齿轮齿接触而维持上述工作间隙。
15.根据权利要求14所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环的齿轮齿处于彼此的山部和谷部啮合的接触状态、以及彼此的山部和山部抵接而有缝隙的接触状态中的任意一种接触状态。
16.根据权利要求15所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环的齿轮齿均为山部平坦的形状。
17.根据权利要求16所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环的齿轮齿为梯形。
18.根据权利要求14所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环各自的齿轮齿具备彼此向相反方向倾斜的倾斜面，并且各倾斜面构成相互啮合的多级阶梯形状。
19.根据权利要求18所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环的各倾斜面所构成的倾斜角度之和为90°。
20.根据权利要求19所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述固定板和上述滑动环的各倾斜面所构成的倾斜角度分别为45°。
21.根据权利要求18所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
在上述固定板和上述滑动环这两者中的至少一方的齿轮齿的最下部区域形成有空间。
22.根据权利要求15或18所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述工作间隙可变装置执行如下所述的一系列控制来调节上述工作间隙，即，使上述第一液压缸或者第二液压缸暂时工作而解除上述固定板压迫上述滑动环的力，然后使上述滑动环转动规定的角度而变更上述齿轮齿的接触状态，然后使上述第一液压缸或者第二液压缸回归原位。
23.根据权利要求14所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述滑动环以固定在上述第一缸壳体以及第二缸壳体上的一个点为中心旋转。
24.根据权利要求23所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述叶尖间隙控制装置包括使上述滑动环旋转的环驱动机构，上述环驱动机构为包括向不经过上述滑动环的旋转中心的任意方向施加力的环驱动用液压缸的液压式环驱动机构。
25.根据权利要求24所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述环驱动用液压缸相对于上述转子周边的包括上述第一缸壳体以及第二缸壳体的固定件以能够转动的方式安装，上述环驱动用液压缸的能够伸缩的缸杆的自由端以能够转动的方式连接于固定于上述滑动环而突出的臂柄。
26.根据权利要求25所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
通过控制上述缸杆所伸缩的长度来调节上述滑动环的转动角度。
27.根据权利要求23所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述叶尖间隙控制装置包括使上述滑动环旋转的环驱动机构，上述环驱动机构为包括电动马达的电动式环驱动机构，上述电动马达具备使沿着上述滑动环的圆周面形成的环形齿轮旋转的小齿轮。
28.根据权利要求27所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述环形齿轮与上述小齿轮的啮合为内啮合式或者外啮合式。
29.根据权利要求27所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述电动马达固定安装在上述第一缸壳体以及第二缸壳体的外表面，通过由上述电动马达的旋转轴使贯通上述第一缸壳体以及第二缸壳体的主轴旋转来使上述小齿轮旋转。
30.根据权利要求29所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述电动马达的旋转轴和上述主轴由一对正齿轮连接。
31.根据权利要求30所述的叶尖间隙控制装置，其特征在于，
上述一对正齿轮之间的齿数比是使上述主轴减速的比率。
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