本文公開的主題涉及渦輪系統(tǒng)，并且更具體地涉及燃氣輪機系統(tǒng)中的流動控制。

背景技術：

渦輪系統(tǒng)大體上包括渦輪，其具有渦輪葉片的一個或更多個級，渦輪葉片由工作流體驅動。例如，燃氣輪機系統(tǒng)由來自一個或更多個燃燒器的燃燒氣體驅動。燃氣輪機系統(tǒng)還可包括壓縮機，以生成壓縮空氣，其便于燃料在燃燒器中燃燒。在某些實施例中，一個或更多個可動結構可用于物理地改變穿過燃氣輪機系統(tǒng)(例如，穿過渦輪的排氣流)的流動路徑的幾何形狀，由此有助于控制穿過燃氣輪機系統(tǒng)的壓力和/或流動。令人遺憾的是，可動結構可易于在一定時間內熱應力、磨損和/或退化?？蓜咏Y構還可使燃氣輪機系統(tǒng)的設計復雜化。

技術實現(xiàn)要素：

在范圍上與原來提出的發(fā)明相當?shù)哪承嵤├谙挛闹懈攀?。這些實施例不旨在限制提出的發(fā)明的范圍，而相反，這些實施例僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡要概括。實際上，本發(fā)明可包含可與下文所述實施例相似或不同的多種形式。

在第一實施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪和流體供應系統(tǒng)。渦輪包括主流動路徑、沿主流動路徑設置的多個渦輪葉片、沿主流動路徑設置的至少一個流動控制區(qū)域，以及流體地聯(lián)接到主流動路徑上的至少一個流體噴射端口。流體供應系統(tǒng)流體地聯(lián)接到至少一個流體噴射端口上，其中流體供應系統(tǒng)構造成將流體供應至至少一個流體噴射端口，以調整至少一個流動控制區(qū)域的有效區(qū)域。

在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括控制器?？刂破靼ù鎯ζ?，其儲存指令以控制流體從流體供應系統(tǒng)沿渦輪的主流動路徑至流體地聯(lián)接到至少一個流動控制區(qū)域上的至少一個流體噴射端口的供應。此外，控制器具有指令以調整流體的供應，以調整有效區(qū)域來改變工作流體穿過主流動路徑的至少一個流動控制區(qū)域的流動。

在第三實施例中，一種方法包括使工作流體沿穿過渦輪的主流動路徑流動，以驅動沿主流動路徑設置的多個渦輪葉片。該方法還包括將流體從流體供應系統(tǒng)供應至流體地聯(lián)接到主流動路徑上的至少一個流體噴射端口。該方法還包括控制流體至至少一個流體噴射端口的供應來調整至少一個流動控制區(qū)域的有效區(qū)域。

本發(fā)明的第一技術方案提供了一種系統(tǒng)，包括：渦輪，其包括主流動路徑、沿所述主流動路徑設置的多個渦輪葉片和至少一個軸、沿所述主流動路徑設置的至少一個流動控制區(qū)域，以及流體地聯(lián)接至所述主流動路徑的至少一個流體噴射端口；以及流體供應系統(tǒng)，其流體地聯(lián)接至所述至少一個流體噴射端口，其中所述流體供應系統(tǒng)構造成將流體供應至所述至少一個流體噴射端口，以調整所述至少一個流動控制區(qū)域的有效區(qū)域。

本發(fā)明的第二技術方案是在第一技術方案中，包括控制器，其具有存儲器，所述存儲器儲存指令來控制所述流體至所述至少一個流體噴射端口的供應，以調整所述至少一個流動控制區(qū)域的所述有效區(qū)域。

本發(fā)明的第三技術方案是在第一技術方案中，所述控制器具有指令以調整所述流體的供應，以調整所述有效區(qū)域來改變穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動。

本發(fā)明的第四技術方案是在第一技術方案中，所述控制器具有指令以增加所述流體的供應來減小所述有效區(qū)域，以減少穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動，以及所述控制器具有指令以減少所述流體的供應，以增大所述有效區(qū)域來增加穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動。

本發(fā)明的第五技術方案是在第一技術方案中，所述控制器具有指令以調整由所述流體供應系統(tǒng)供應的所述流體的參數(shù)，以及所述參數(shù)包括壓力、溫度、流速、軸速度、成分或它們的組合。

本發(fā)明的第六技術方案是在第一技術方案中，所述控制器具有指令以基于來自至少一個傳感器的傳感器反饋、與所述參數(shù)相關聯(lián)的至少一個閾值或它們的組合來調整由所述流體供應系統(tǒng)供應的所述流體的參數(shù)。

本發(fā)明的第七技術方案是在第一技術方案中，所述流體供應系統(tǒng)包括空氣供應源、蒸汽供應源、惰性氣體供應源、二氧化碳供應源或它們的組合。

本發(fā)明的第八技術方案是在第一技術方案中，所述至少一個流體噴射端口設置在渦輪噴嘴、定子導葉、圍繞所述主流動路徑設置的壁、渦輪葉片上方的護罩、沿所述主流動路徑設置的靜止表面或它們的任何組合上。

本發(fā)明的第九技術方案是在第一技術方案中，所述至少一個流體噴射端口流體地聯(lián)接至設置在圍繞所述主流動路徑設置的第一和第二壁之間的外腔、設置在圍繞所述渦輪的旋轉軸線設置的第三壁內的內腔、延伸跨過所述主流動路徑的支柱或它們的組合。

本發(fā)明的第十技術方案是在第一技術方案中，所述至少一個流動控制區(qū)域包括設置在所述渦輪的多個級中的不同級中的多個流動控制區(qū)域，其中所述多個流動控制區(qū)域中的各個流動控制區(qū)域包括流體地聯(lián)接至所述主流動路徑的至少一個流體噴射端口。

本發(fā)明的第十一技術方案是在第一技術方案中，所述渦輪包括燃氣輪機，以及其中所述燃氣輪機包括沿所述主流動路徑流體地聯(lián)接的一個或更多個獨立的軸，以及其中所述至少一個流動控制區(qū)域沿所述主流動路徑設置，且設置在所述一個或更多個獨立的軸之間。

本發(fā)明的第十二技術方案提供了一種系統(tǒng)，包括：控制器，其具有存儲器，該存儲器儲存指令以控制流體從流體供應系統(tǒng)沿渦輪的主流動路徑供應至流體地聯(lián)接至至少一個流動控制區(qū)域的至少一個流體噴射端口，其中所述控制器具有指令以調整所述流體的供應，以調整有效區(qū)域來改變工作流體穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的流動。

本發(fā)明的第十三技術方案是在第十二技術方案中，包括所述流體供應系統(tǒng)，其中所述流體供應系統(tǒng)包括空氣供應源、蒸汽供應源、惰性氣體供應源、二氧化碳供應源或它們的組合。

本發(fā)明的第十四技術方案是在第十二技術方案中，包括所述渦輪，其中所述至少一個流體噴射端口設置在渦輪噴嘴、定子導葉、圍繞所述主流動路徑設置的壁、渦輪葉片上方的護罩、沿所述主流動路徑設置的靜止表面或它們的任何組合上。

本發(fā)明的第十五技術方案是在第十四技術方案中，所述渦輪包括燃氣輪機。

本發(fā)明的第十六技術方案是在第十二技術方案中，所述控制器具有指令以增加所述流體的供應來減小所述有效區(qū)域，以減少穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動，以及所述控制器具有指令以減少所述流體的供應，以增大所述有效區(qū)域來增加穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動。

本發(fā)明的第十七技術方案是在第十二技術方案中，所述控制器具有指令以基于來自至少一個傳感器的傳感器反饋、與參數(shù)相關聯(lián)的至少一個閾值或它們的組合來調整由所述流體供應系統(tǒng)供應的所述流體的所述參數(shù)，其中所述參數(shù)包括壓力、溫度、流速、成分或它們的組合。

本發(fā)明的第十八技術方案提供了一種方法，包括：使工作流體沿穿過渦輪的主流動路徑流動，以驅動沿所述主流動路徑設置的多個渦輪葉片；將流體從流體供應系統(tǒng)供應至流體地聯(lián)接至所述主流動路徑的至少一個流體噴射端口；以及控制所述流體至所述至少一個流體噴射端口的供應來調整所述至少一個流動控制區(qū)域的有效區(qū)域。

本發(fā)明的第十九技術方案是在第十八技術方案中，控制所述供應包括增加所述流體的供應來減小所述有效區(qū)域，以減小穿過所述主流動路徑的所述至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動，以及減小所述流體的供應以增大所述有效區(qū)域，以增加穿過所述主流動路徑的至少一個流動控制區(qū)域的工作流體的流動。

本發(fā)明的第二十技術方案是在第十八技術方案中，包括基于與沿所述主流動路徑的至少一個流動控制區(qū)域相關聯(lián)的至少一個壓力閾值、表現(xiàn)壓力的傳感器反饋或它們的組合來控制由所述流體供應系統(tǒng)供應的所述流體的壓力。

附圖說明

在參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，附圖中相似的標號表示附圖各處相似的部分，在附圖中：

圖1為具有渦輪的燃氣輪機系統(tǒng)的實施例的示意圖，渦輪配備有一個或更多個葉片、一個或更多個定子導葉和外部流體供應源；

圖2為圖1的燃氣輪機系統(tǒng)的實施例的示意性截面?zhèn)纫晥D，示出了從外部流體供應源發(fā)送至渦輪內的流動控制通路的加壓流體；

圖3為在線3-3內截取的圖1的外部流體供應系統(tǒng)的實施例的示意性截面?zhèn)纫晥D，進一步示出了經(jīng)由外腔和內腔發(fā)送至渦輪的流動控制通路的加壓流體；

圖4為沿線4-4截取的圖3的渦輪的實施例的示意性截面視圖，進一步示出了經(jīng)由靜止支柱和內腔來噴射加壓流體；以及

圖5為圖3的外部流體供應源的實施例的示意性截面?zhèn)纫晥D，示出了經(jīng)由設置在一個或更多個定子導葉的每一個上的一個或更多個流體端口的加壓流體的噴射；以及

圖6為沿線6-6截取的圖4的渦輪的實施例的示意性截面視圖，示出了經(jīng)由設置在一個或更多個定子導葉中的每一個上的一個或更多個流體端口的加壓流體的噴射。

具體實施方式

下文將描述本發(fā)明的一個或更多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡要描述，可在說明書中不描述實際實施方式的所有特征。應當認識到的是，在任何此類實際實施方式的開發(fā)中，如任何工程或設計項目中那樣，必須進行許多實施方式特有的決定來實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標，諸如符合系統(tǒng)相關和業(yè)務相關的約束，這可從一個實施方式到另一個不同。此外，應當認識到的是，此開發(fā)工作可能是復雜且耗時的，但對于受益于本公開內容的普通技術人員仍是設計、制造和生產的例行任務。

當介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，詞語"一個"、"一種"、"該"和"所述"旨在意指存在一個或更多個元件。用語"包括"、"包含"和"具有"旨在為包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。

如下文詳細所述，公開的實施例涉及渦輪發(fā)動機(諸如燃氣渦輪發(fā)動機)的渦輪區(qū)段中的流動控制。具體而言，公開的實施例涉及在穿過渦輪區(qū)段的主流動路徑中使用流體噴射而非由可動結構(例如，可動導葉)實現(xiàn)的可變幾何形狀的流動控制。流體噴射模擬主流動路徑中的實際幾何形狀變化，但并未實際地改變主流動路徑的幾何形狀。例如，公開的實施例包括流體促動的可變流動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個或更多個流體促動的可變流動控制區(qū)域(例如，流體促動的可變區(qū)域渦輪噴嘴)，其接收噴射的外部流體(例如，空氣、蒸汽、二氧化碳或入口氣體)來控制(例如，增大或減小)用于熱燃燒氣體穿過渦輪的有效區(qū)域。流體噴射可通過一個或更多個壁提供，壁限定燃燒氣體穿過渦輪區(qū)段、一個或更多個渦輪噴嘴和/或定子導葉、一個或更多個支柱、圍繞燃燒氣體的主流動路徑設置的壁、設置在渦輪葉片上方的護罩、沿燃燒氣體的主流動路徑的任何靜止(例如，非旋轉)表面或它們的任何組合的主流動路徑的邊界。流體噴射可增加來減小或收縮燃燒氣體穿過主流動路徑的流動，同時流體噴射可減小來增加燃燒氣體穿過主流動路徑的流動。

現(xiàn)在轉到附圖，圖1示出了燃氣輪機系統(tǒng)10的實施例的框圖，系統(tǒng)10具有流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11，該系統(tǒng)11具有一個或更多個流體促動的可變流動控制區(qū)域或流動控制通路12(例如，流體促動的可變區(qū)域渦輪噴嘴)。如下文詳細所述，公開的燃氣輪機系統(tǒng)10(例如，燃氣渦輪發(fā)動機)可包括具有一個或更多個燃燒器13的燃燒器區(qū)段，其中各個燃燒器13均包括一個或更多個燃料噴嘴14，其使燃料15與壓縮空氣16混合。盡管以下論述提到了壓縮空氣16，但燃氣輪機系統(tǒng)10可利用任何適合的氧化劑16(諸如空氣、氧、富氧空氣或少氧空氣)來操作。燃氣輪機系統(tǒng)10可使用液體或氣體燃料15(諸天然氣和/或富氫合成氣)以驅動燃氣輪機系統(tǒng)10。如圖所示，一個或更多個燃料噴嘴14吸入燃料15，使燃料15與壓縮空氣16混合，且將空氣燃料混合物以用于燃燒的適合比率給送到燃燒器13中?？諝馊剂匣旌衔镌谌紵?3內燃燒，從而產生熱加壓燃燒氣體18(例如，排出氣體18)。燃燒器13將燃燒氣體18引導出穿過渦輪區(qū)段或渦輪20，且將燃燒氣體18作為排出氣體21排放穿過排氣區(qū)段22(例如，排氣導管)。當燃燒氣體18經(jīng)過渦輪20時，燃燒氣體18迫使渦輪葉片34使軸24沿燃氣輪機系統(tǒng)10的軸線旋轉。如圖所示，軸24可連接到燃氣輪機系統(tǒng)10的各種構件上，包括負載26。負載26可為車輛或靜止負載的一部分，例如，諸如飛行器上的螺旋槳或發(fā)電設備中的發(fā)電機。負載26可包括能夠由燃氣輪機系統(tǒng)10的旋轉輸出供能的任何適合的裝置。軸24還可連接到壓縮機28上。壓縮機28還包括聯(lián)接到軸24上的葉片。當軸24旋轉時，壓縮機28內的葉片也旋轉，從而壓縮經(jīng)由壓縮機28來自進氣口32的空氣30，且將壓縮空氣16發(fā)送到燃料噴嘴14和/或燃燒器13。

在某些實施例中，渦輪20可包括一個或更多個渦輪級38(例如，1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10個或更多級)，各個級38均具有多個渦輪葉片34和具有多個定子導葉36的渦輪噴嘴35(例如，燃氣輪機噴嘴)。渦輪級38沿軸向方向40一個接一個間隔開。在以下論述中，可參照燃氣輪機系統(tǒng)10的軸向方向或軸線40(例如，縱軸線)、燃氣輪機系統(tǒng)10的徑向方向或軸線42，以及燃氣輪機系統(tǒng)10的周向方向或軸線44。此外，各個渦輪葉片34均可除去地聯(lián)接到傳動軸24上，且可在渦輪20的操作期間沿周向方向44圍繞縱軸線40旋轉。各個定子導葉36均可除去地聯(lián)接到渦輪20的定子(例如，靜止)構件(諸如渦輪殼46)和/或由其支承，且大體上不會圍繞縱軸線26旋轉。在某些實施例中，一個或更多個靜止支柱48(例如，1, 2, 3, 4, 5個或更多)可設置在渦輪20與排氣區(qū)段22之間。靜止支柱48可沿渦輪20與排氣區(qū)段22之間的過渡提供結構支承，從而允許熱燃燒氣體18從渦輪20平滑過渡到排氣區(qū)段22。

在公開的實施例中，流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11構造成將加壓流體50有選擇地從外部加壓流體供應源52供應，且沿穿過渦輪20的燃燒氣體18的主流動路徑55供應到流體促動的可變流動控制區(qū)域12中，其中渦輪葉片34由主流動路徑55中的燃燒氣體18驅動。渦輪20的流動控制區(qū)域12(或流動控制通路)具有渦輪葉片34和定子導葉36處、其上游和/或下游的沿燃燒氣體18的主流動路徑55的實際或物理開放的流動區(qū)域53(下文為"實際區(qū)域")。實際區(qū)域53可限定為沿主流動路徑55的實際截面面積、通路、空間或腔。流動控制區(qū)域12還具有響應于加壓流體50的噴射的模擬或有效開放流動區(qū)域54(下文為"有效區(qū)域")，其可描述為模擬燃燒氣體18的通路的幾何或實際開放流動區(qū)域中的物理變化。換言之，加壓流體50的噴射可模擬與沿主流動路徑55的可動結構(例如，導葉)的使用相關聯(lián)的實際幾何變化，但并未實際地改變主流動路徑55的實際幾何形狀。例如，如果流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11有選擇地增加進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的供應，則與加壓流體50相關聯(lián)的壓力和流動的增大將引起于有效區(qū)域54關于實際區(qū)域53的減小，從而限制或減小穿過流動控制區(qū)域12的燃燒氣體18的流動。如果流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11有選擇地減小進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的供應，則與加壓流體50相關聯(lián)的壓力和流動的減少將引起有效區(qū)域54的增大，從而增加穿過流動控制區(qū)域12的燃燒氣體18的流動。

如下文進一步詳細所述，流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11構造成經(jīng)由沿包繞主流動路徑55的外壁(例如，渦輪殼和/或護罩節(jié)段)、沿主流動路徑55的內壁或轂、或沿各個渦輪噴嘴35中的一個或更多個徑向結構(例如，定子導葉36和/或支柱48)設置的一個或更多個流體噴射端口將加壓流體50有選擇地供應到流動控制區(qū)域12中。例如，流體噴射端口可布置在渦輪20中的渦輪葉片34的相鄰級38之間的各個渦輪噴嘴35各處。流體噴射端口允許流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11調制和調整流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54。

外部加壓流體供應源52可設置在渦輪20的外部。在某些實施例中，外部加壓流體供應源52的加壓流體50可為任何高壓流體，其可從燃氣輪機系統(tǒng)10的其它構件提供或從外部系統(tǒng)或過程提供。在一些實施例中，加壓流體50可由從外部系統(tǒng)或過程取得的一個或更多個不同類型的高壓流體構成。加壓流體50可包括蒸汽、空氣(例如，壓縮空氣)、惰性氣體(例如，氮、氬、氦、氖、氪、氙)、二氧化碳或其它高壓外部流體，或它們的任何組合。因此，外部加壓流體供應源52可包括空氣供應源、蒸汽供應源、惰性氣體供應源、二氧化碳供應源或它們的組合。例如，加壓流體50(例如，蒸汽、惰性氣體或二氧化碳)可由以下產生和/或從以下發(fā)送：反應器、氣化器、合成氣冷卻器、氣體處理系統(tǒng)(例如，酸性氣體除去單元)、熱回收系統(tǒng)(例如，余熱回收蒸汽發(fā)生器[HRSG])、鍋爐、空氣分離單元(ASU)、液化系統(tǒng)或任何其它外部系統(tǒng)或過程。在任何這些系統(tǒng)中，蒸汽可使用熱(例如，廢熱)來汽化水而生成作為加壓流體50，諸如通過使用來自化學反應、氣化、燃燒或與設備的其它熱傳遞的熱。惰性氣體(例如，氮或氬)可由ASU生成，ASU包括低溫蒸餾設備來將空氣分成氧、氮和氬。加壓流體50(例如，諸如氦的惰性氣體)也可由液化系統(tǒng)生成，諸如使用液化設備的液化天然氣(LNG)系統(tǒng)來除去氦。

在某些實施例中，外部加壓流體供應源52可接收任何流體，且可構造成利用來自燃氣輪機系統(tǒng)10的其它構件或來自外部系統(tǒng)或過程的能量或廢熱來加壓流體。例如，在某些實施例中，來自排出氣體21或來自系統(tǒng)10內的其它廢熱源的廢熱可用于升高流體(例如，蒸汽、空氣、壓縮空氣、惰性氣體)的供應的溫度和/或壓力，以生成加壓流體50。在某些實施例中，外部加壓流體供應源52可構造成基于燃氣輪機系統(tǒng)10的操作參數(shù)，或基于燃氣輪機系統(tǒng)10的期望的操作參數(shù)來改變加壓流體50的壓力和/或溫度。例如，外部加壓流體供應源52可構造成基于渦輪20中的噴射位置(例如，特定渦輪噴嘴35或渦輪級38處的預期或實際壓力)調整加壓流體50的壓力至目標壓力或上和下壓力閾值內。進一步舉例來說，外部加壓流體供應源52可構造成基于渦輪20中的噴射位置來調整加壓流體50的溫度至目標溫度或上和下溫度閾值內(例如，特定渦輪噴嘴35或渦輪級38處的預期或實際溫度)。

應當注意的是，在某些實施例中，一個或更多個獨立軸24可沿一個或更多個渦輪區(qū)段的主流動路徑55設置。具體而言，一個或更多個軸24中的每一個均可空氣動力地聯(lián)接，且沒有任何機械聯(lián)接，從而允許各個軸24在獨立的軸速度下旋轉。此外，一個或更多個流動控制區(qū)域12可沿主流動路徑55設置在一個或更多個獨立軸24中的各個之間。在此實施例中，外部加壓流體供應源52可構造成經(jīng)由沿包繞主流動路徑55的外壁(例如，渦輪殼和/或護罩節(jié)段)、沿主流動路徑55的內壁或轂、沿各個渦輪噴嘴35中的一個或更多個徑向結構(例如，定子導葉36和/或支柱48)，或沿燃燒氣體的主流動路徑的任何靜止(例如，非旋轉)表面設置的一個或更多個流體噴射端口將加壓流體50供應到一個或更多個流動控制區(qū)域12中的各個中。流體噴射端口允許流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11調制和調整設置在一個或更多個獨立軸24之間的一個或更多個流動控制區(qū)域12中的各個的有效區(qū)域54。

在某些實施例中，控制器56(例如，電子控制器)可構造成動態(tài)地控制(例如，增大和/或減小)沿穿過渦輪20的主流動路徑55發(fā)送至各個流動控制區(qū)域12的加壓流體50的量。例如，控制器56可構造成經(jīng)由一個或更多個控制信號來開啟或關閉閥58(例如，流動控制閥)，以調節(jié)沿流體供應導管51從外部加壓的流體供應源52發(fā)送至各個流動控制區(qū)域12的加壓流體50的流速、軸速度、量或任何其它操作參數(shù)。作為另一個實例，控制器56可構造成基于燃氣輪機系統(tǒng)10的操作參數(shù)來改變加壓流體50的其它操作參數(shù)(例如，壓力、溫度和/或流體成分)。此外，控制器56可從設置在渦輪20中或燃氣輪機系統(tǒng)10各處的一個或更多個傳感器60接收信號，傳感器諸如但不限于壓力傳感器、溫度傳感器、流速傳感器、軸速度傳感器、流體成分傳感器、排氣排放傳感器(例如，氧化碳、氧化氮、氧化硫、未燃燃料和/或特定物質)和振動傳感器。具體而言，傳感器60可構造成收集關于加壓流體50、熱燃燒氣體18、流動控制區(qū)域12、跨過渦輪20的變化(例如，從入口到出口，從級到級、或兩者)的操作參數(shù)和/或燃氣輪機系統(tǒng)10的多種其它操作參數(shù)的信息。例如，關于燃燒氣體18的溫度、壓力、流速、軸速度、量或流體成分的信息可由傳感器60收集。在某些實施例中，一個或更多個傳感器60可設置在燃燒器13內，且可構造成收集關于燃燒器13內的燃燒動態(tài)的信息，諸如關于產生的燃燒氣體18的量或流動、排氣成分、燃料成分、燃料溫度、壓力或關于燃燒動態(tài)的任何其它參數(shù)的信息。

在某些實施例中，控制器56可基于從傳感器60接收到的信號調整發(fā)送至各個流動控制區(qū)域12的加壓流體50的參數(shù)(例如，壓力、溫度、流速、軸速度、量、成分等)。例如，控制器56可基于來自傳感器60的壓力反饋來調整發(fā)送至各個流動控制區(qū)域12的加壓流體50的壓力，使得加壓流體50的壓力大于、等于或小于壓力閾值，或在上和下壓力閾值之間。壓力閾值可基于流動控制區(qū)域12附近的傳感器60反饋，使得加壓流體50的噴射壓力與流過流動控制區(qū)域12的熱燃燒氣體18的壓力基本匹配。

在某些實施例中，控制器56可開啟閥58(或增大其開口)，以增加進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50，從而減小有效區(qū)域54，經(jīng)由其，燃燒氣體18可流過渦輪20，且減少燃燒氣體18的流動。同樣，控制器56可關閉閥58(或減小其開口)以減少進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的噴射，從而增大有效區(qū)域54，經(jīng)由其，燃燒氣體18可流過渦輪20，且增大燃燒氣體18的流動。以此方式，控制器56通過控制(例如，增大或減小)進入流動控制區(qū)域12的加壓流體50的噴射(例如，模擬實際區(qū)域53中的物理幾何變化)來有選擇地調制流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54，從而控制(例如，增大或減小)經(jīng)過渦輪20的流動控制區(qū)域12的燃燒氣體18的流動。此外，控制進入流動控制區(qū)域12的流體噴射來控制燃燒氣體18的流動以有助于減少或消除任何移動結構(例如，導葉)的使用，以調整沿主流動路徑55的幾何形狀。

在某些實施例中，控制器56可包括控制發(fā)送至流動控制區(qū)域12的加壓流體50的各種構件。例如，控制器56可包括處理器62和存儲器64。此外，在某些實施例中，控制器56可包括用于與傳感器60、閥58和/或系統(tǒng)10的各種其它構件對接的硬件接口。如圖所示，處理器62和/或其它數(shù)據(jù)處理電路可操作地聯(lián)接到存儲器64上，以取得和執(zhí)行用于監(jiān)測和控制系統(tǒng)10的指令。例如，這些指令可在儲存在存儲器64中的程序或軟件中編碼，存儲器64可為有形的非暫時性計算機可讀介質的實例，且可由處理器62存取和執(zhí)行來允許執(zhí)行當前公開的技術。存儲器64可為大容量儲存裝置、閃存裝置、可除去的存儲器，或任何其它非暫時性計算機可讀介質。此外和/或作為備選，指令可儲存在附加的適合制品中，其包括至少一個有形的非暫時性計算機可讀介質，其至少以與如上文所述的存儲器64相似的方式共同地儲存這些指令或例行程序。

圖2為沿縱軸線40的燃氣輪機系統(tǒng)10的實施例的截面?zhèn)纫晥D，進一步示出了流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11。燃氣輪機系統(tǒng)10包括一個或更多個燃燒器13，其可成環(huán)形布置圍繞縱軸線40設置。如上文所述，空氣經(jīng)由進氣區(qū)段32進入，且由壓縮機28壓縮。來自壓縮機28的壓縮空氣16然后被引導到燃燒器13中，在該處，壓縮空氣16與燃料15混合。壓縮空氣16和燃料15的混合物大體上在燃燒器13內焚燒，以生成高溫、高壓燃燒氣體18，其用于在渦輪20內生成轉矩。具體而言，各個燃燒器13可包括過渡件66，其將熱燃燒氣體18從燃燒器13引導且引導到渦輪20中。具體而言，各個過渡件66均可大體上限定從燃燒器13到渦輪20的一個或更多個渦輪級38的熱燃燒器18的主流動路徑55。

例如，在所示實施例中，渦輪20包括三個分離的級68,70和72。在其它實施例中，渦輪20可包括任何數(shù)目的渦輪級38，諸如1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10或更多渦輪級38。各個級68,70和72均可包括可旋轉地聯(lián)接到軸24上的多個渦輪葉片34。各個級68,70和72還包括渦輪噴嘴35，其具有設置在各組渦輪葉片34上游的一個或更多個定子導葉36。定子導葉36將熱燃燒氣體18朝渦輪葉片36引導，其中熱燃燒氣體18將動力施加到渦輪葉片34上來旋轉渦輪葉片34，從而轉動軸24。熱燃燒氣體18沿主流動路徑55流過各個級68,70和72，以將動力施加到各個級68,70和72內的葉片34。熱燃燒氣體18然后可沿下游方向57流動來離開渦輪20且進入排氣區(qū)段22中。排氣區(qū)段22可減小穿過排氣區(qū)段22的流體流的速度，同時還增大靜壓來減少燃氣輪機系統(tǒng)10的功。在某些實施例中，排氣區(qū)段22包括設置在排氣區(qū)段22(例如，排氣導管)的壁之間的靜止支柱74。支柱74可將排氣區(qū)段22的壁保持與另一者成固定關系，且/或向排氣區(qū)段22提供結構支承。任何數(shù)目的支柱74(例如，0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10或更多)可用于排氣區(qū)段22內。

如上文所述，在某些實施例中，來自加壓流體供應源52的加壓流體50可發(fā)送到渦輪20的流動控制區(qū)域12中，以調制和/或調整流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54。具體而言，加壓流體50的一個或更多個流動路徑可發(fā)送至渦輪20的一個或更多個結構構件中的一個或更多個流體噴射端口(例如，開口或出口)，其中結構構件可包括與主流動路徑55直接接觸的任何結構(例如，壁、導葉、支柱、轂、護罩等)。例如，在某些實施例中，加壓流體50的流動可從外部加壓流體供應源52發(fā)送至一個或更多個渦輪噴嘴35和/或定子導葉36中的每一個，且可經(jīng)由設置在渦輪噴嘴35和/或定子導葉36中的一個或更多個開口噴射到渦輪20的流動控制區(qū)域12中。具體而言，在某些實施例中，如參照圖3進一步所述，加壓流體50可經(jīng)由渦輪20的外腔76、內腔78和/或靜止支柱74發(fā)送至各個渦輪噴嘴35和/或定子導葉36。例如，加壓流體50可經(jīng)由外腔76或經(jīng)由靜止支柱74和內腔78或它們的組合發(fā)送至各個渦輪噴嘴35和/或定子導葉36。

圖3為具有圖1的外部加壓流體供應源52的流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11的實施例的示意圖，進一步示出了經(jīng)由渦輪20的外腔76和內腔78發(fā)送至渦輪20的流動控制區(qū)域12的加壓流體50的一個或更多個流動。具體而言，在某些實施例中，各個渦輪級38(諸如渦輪級68,70,72或73)可包括渦輪噴嘴35與一組定子導葉36(例如，1到100個或更多)和一組渦輪葉片34(例如，1到100個或更多)的組合。在各個級38中，具有定子導葉36的渦輪噴嘴35可設置在渦輪葉片34的上游，且渦輪噴嘴35的一個或更多個定子導葉36中的每一個均可構造成沿主流動路徑55朝渦輪葉片34引導燃燒氣體18。此外，如上文所述，熱燃燒氣體18將動力施加到葉片34上，以旋轉葉片34，從而轉動軸24。熱燃燒氣體18流過各個渦輪級38，以將動力施加到各個級68,70,72內的渦輪葉片34上。因此，熱燃燒氣體18經(jīng)由一個或更多個渦輪級38在下游方向57沿主流動路徑55流動，且經(jīng)過各個流動控制區(qū)域12、具有定子導葉36的渦輪噴嘴35，以及一個或更多個渦輪級38中的每一個內的渦輪葉片34。

在某些實施例中，加壓流體50的一個或更多個流動可穿過渦輪殼46和渦輪20的外腔76(例如，外環(huán)形腔)發(fā)送至各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84。外腔76可由圍繞第二壁84(例如，熱壁、內壁、內表面或護罩)設置的第一壁80(例如，外壁、外表面或殼壁)限定，其中第二壁84圍繞燃燒氣體18的主流動路徑55設置。具體而言，加壓流體50從渦輪殼46的壁80沿朝流動控制區(qū)域12的徑向方向42提供。在某些實施例中，設置在渦輪殼46的壁80中的一個或更多個外部入口82(或導管)可與定子導葉36流體地聯(lián)接，定子導葉36包括一個或更多個流體噴射端口100(例如，孔口、開口或出口)。此外，外部入口82可將接收到的加壓流體50發(fā)送到渦輪20的外腔76中。在某些實施例中，如參照圖5進一步所述，設置在外腔76的壁84中的一個或更多個流體噴射端口83(例如，孔口、開口或出口)可將加壓流體50發(fā)送到定子導葉36中，且/或直接發(fā)送到流動控制區(qū)域12中。

在某些實施例中，加壓流體50的一個或更多個流動可穿過靜止支柱74和穿過渦輪20的內腔78發(fā)送至各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁85。具體而言，加壓流體50可從渦輪殼46的壁80沿朝內腔78的徑向方向42提供。例如，設置在渦輪殼46的壁80中的一個或更多個外部入口82可與一個或更多個靜止支柱74流體地聯(lián)接。此外，外部入口82可將接收到的加壓流體50發(fā)送到靜止支柱74中，且將加壓流體50朝渦輪20的內腔78發(fā)送。如參照圖5進一步所述，設置在內腔76的壁85(例如，熱壁、轂或內表面)上且與定子導葉36對準的一個或更多個流體端口83可將加壓流體50發(fā)送至定子導葉36中。此外，如參照圖5進一步所述，在某些實施例中，一個或更多個流體端口83可將加壓流體50從內腔78直接地發(fā)送至流動控制區(qū)域12。實際上，靜止支柱74可用作通路以將加壓流體的一個或更多個分離的流發(fā)送到內腔78中，使得加壓流體50從內腔78沿朝流動控制區(qū)域12的徑向方向42發(fā)送。如參照圖5進一步所述，各個定子導葉36上的一個或更多個流體噴射端口100將加壓流體50從定子導葉36發(fā)送且發(fā)送到流動控制區(qū)域12中。

如上文所述，在某些實施例中，控制器56可通過控制加壓流體50進入流動控制區(qū)域12(例如，從各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85沿主流動路徑55)的噴射來調制或控制流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54。控制器56可基于從設置在燃氣輪機系統(tǒng)10各處(諸如沿燃燒氣體18的主流動路徑55)的一個或更多個傳感器60接收到的反饋將加壓流體50經(jīng)由各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85發(fā)送至各個渦輪級38。在某些實施例中，控制器56可構造成基于從傳感器60接收到的信號調整發(fā)送至流動控制區(qū)域12的加壓流體50的參數(shù)(例如，壓力、溫度、流速、軸速度、量、成分等)。因此，控制器56可構造成動態(tài)地限制或控制發(fā)送到流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的各種參數(shù)。在一些情形中，控制器56可增大進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體供應源50的流動或供應以減小有效區(qū)域54，從而減小或限制沿主流動路徑55的燃燒氣體18的流動。同樣，在一些情形中，控制器56可減少進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體供應源50的流動或供應，從而增加沿主流動路徑55的燃燒氣體18的流動。具體而言，應當注意的是，控制器56可構造成動態(tài)地控制流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54，以改善燃氣輪機系統(tǒng)10的效率。具體而言，控制器56可調整或調制流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54，以控制渦輪20的入口與出口之間的燃燒氣體18的壓力比和/或流動比。此外，以此方式控制壓力比和/或流動比可控制渦輪20的速度，從而改善燃氣輪機系統(tǒng)10的效率。

在某些實施例中，控制器56可通過控制進入各個渦輪級38的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85的加壓流體50的噴射來調制或控制鄰近各個渦輪級38的流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54。例如，各個渦輪級38的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可從外部加壓流體供應源52接收加壓流體50的分離的流。具體而言，在所示實施例中，第一渦輪級68的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可接收加壓流體50的第一流88；第二渦輪級70的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可接收加壓流體50的第二流90；第三渦輪級72的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可接收加壓流體50的第三流92；以及第四渦輪級73的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可接收加壓流體50的第四流94。應當注意的是，在某些實施例中，控制器56可構造成調節(jié)經(jīng)由內腔78和外腔76提供至特定渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85的加壓流體50的參數(shù)，使得渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85經(jīng)由內腔78和外腔80接收具有相似參數(shù)的加壓流體50。因此，在所示實施例中，第四渦輪級73的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85可接收加壓流體50的第五流95，其基本類似于加壓流體50的第四流94。

在某些實施例中，控制器56可構造成動態(tài)地控制或限制至各個渦輪級38的加壓流體50的各個流(例如，第一流88、第二流90、第三流92或第四流94等)的參數(shù)。例如，控制器56可構造成調節(jié)或控制發(fā)送至渦輪20的各個級38處的各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85的加壓流體50的各流的壓力、流速、軸速度、流動、流量、成分、溫度或它們的組合。因此，在一些情形中，控制器56可將加壓流體50的第一流80的壓力調整為不同于加壓流體50的第二流82，以獨立地控制第一渦輪級68和第二渦輪級70的流動控制區(qū)域12。作為另一實例，控制器56可配置成經(jīng)由一個或更多個控制信號開啟或閉合一個或更多個閥58，以調整加壓流體50至各個渦輪級38的渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85的流速，以獨立地控制各個渦輪級38的控制區(qū)域12。

圖4為圖3的渦輪20的流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11的實施例的截面示意圖，進一步示出了加壓流體50經(jīng)由一組靜止支柱74(例如，四個支柱)和內腔78的噴射。如上文所述，在某些實施例中，加壓流體50可經(jīng)由一個或更多個靜止支柱74發(fā)送至一個或更多個級38處的各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁85。具體而言，外部入口82可與靜止支柱74對準且流體地聯(lián)接到其上，且可將加壓流體50經(jīng)由渦輪殼46發(fā)送至內支柱通道96。靜止支柱74可構造成將加壓流體50的一個或更多個流發(fā)送穿過內支柱通道96且至內腔78。此外，如上文參照圖3所述，加壓流體50的一個或更多個流可從內腔78發(fā)送且發(fā)送到渦輪20的一個或更多個級38處的各個渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁85。以此方式，加壓流體50可沿朝流動控制區(qū)域12的徑向方向42經(jīng)由內腔78發(fā)送至渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁85，使得渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85從渦輪20的外殼壁80和內壁84接收加壓流體50。

圖5為具有圖3的外部加壓流體供應源52的流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11的實施例的詳細示意圖，示出了加壓流體50從設置在一個或更多個定子導葉36的每一個上的一個或更多個流體噴射端口100噴射且噴射到流動控制區(qū)域12中。流體噴射端口100可沿前緣102、后緣104或各個定子導葉36的前緣102與后緣104之間的中心部分106設置。此外，流體噴射端口100可設置在各個定子導葉36的兩側上。結果，來自端口100的流體噴射可沿上游軸向方向、下游軸向方向和相對的周向方向定向。各個定子導葉36可具有任何適合的數(shù)目、尺寸、形狀和分布的端口100，諸如1到1000、5到500、10到100或20到50之間的端口100。端口100可具有一致或不一致的尺寸、一致或不一致的分布或間距、一致或不一致的形狀(例如，圓形、橢圓形、矩形等)，或它們的任何組合。如上文所述，在某些實施例中，加壓流體50可經(jīng)由渦輪20的外腔76和內腔78發(fā)送至各個定子導葉36。例如，加壓流體50可經(jīng)由設置在渦輪殼46上的外部入口82發(fā)送且發(fā)送到渦輪20的外腔76中。此外，加壓流體50可經(jīng)由靜止支柱74發(fā)送且發(fā)送到渦輪20的內腔78中。

如上文所述，在某些實施例中，設置在外腔76的壁84和內腔78的壁85上的一個或更多個流體端口83可將加壓流體50發(fā)送到定子導葉36中。具體而言，加壓流體50經(jīng)由設置在定子導葉36上的一個或更多個流體噴射端口100噴射到渦輪20的流動控制區(qū)域12中。以此方式，噴射到流動控制區(qū)域12中的加壓流體50可產生定子導葉36的表面上的膜，且還可膨脹到流動控制區(qū)域12中。在某些實施例中，熱壁84,85中的一個或更多個流體端口83可將加壓流體50從內腔78和/或外腔76直接地發(fā)送到流動控制區(qū)域12中。流體端口83可定位在各個定子導葉36的前緣102處或上游，各個定子導葉36的后緣104處或下游，和/或沿各個定子導葉36的中心部分106(例如，以用于噴射到定子導葉36中和/或直接噴射到流動控制區(qū)域12中)。類似于端口100，壁84,85可具有流體端口83的任何適合的數(shù)目、尺寸和分布，諸如與各個流動控制區(qū)域12相關聯(lián)的1到1000、5到500、10到100或20到50之間的流體端口83。流體端口83可具有一致或不一致的尺寸、一致或不一致的分布或間距、一致或不一致的形狀(例如，圓形、橢圓形、矩形等)，或它們的任何組合。

如上文所述，將加壓流體50噴射到流動控制區(qū)域12中可減小有效區(qū)域54，從而減少或限制沿主流動路徑55的燃燒氣體18的流動。同樣，減少加壓流體供應源50噴射到流動控制區(qū)域12可增大有效區(qū)域54，從而釋放或增加燃燒氣體18沿主流動路徑55的流動。

圖6為具有圖3的外部流體供應源52的流體促動的可變流動控制系統(tǒng)11的實施例的詳細示意圖，示出了加壓流體50穿過設置在一個或更多個定子導葉36的每一個上的一個或更多個流體噴射端口100的噴射。如圖所示，流體噴射端口100設置在各個定子導葉36的相對側108上(例如，沿中心部分106)，沿各個定子導葉36的前緣102，以及沿各個定子導葉36的后緣104。結果，來自端口100的流體噴射可沿上游軸向方向、下游軸向方向和相對的周向方向定向。在某些實施例中，端口100可從渦輪20的旋轉軸線偏離成角，從而將旋流運動或旋轉運動給予噴射到主流動路徑55中的流體。加壓流體50可經(jīng)由渦輪20的外腔76和內腔78發(fā)送至各個定子導葉36。具體而言，在某些實施例中，在噴射到渦輪20的各個流動控制區(qū)域12中之前，加壓流體50可經(jīng)由流體端口83發(fā)送且發(fā)送到定子導葉36中。在某些實施例中，加壓流體50可經(jīng)由流體端口83從內腔78或且外腔76直接地發(fā)送且發(fā)送到流動控制區(qū)域12中。從流體端口83噴射的流體可從熱壁84沿向內的徑向方向和從熱壁85沿向外的徑向方向定向。在某些實施例中，流體端口83可從渦輪20的旋轉軸線偏離成角，從而將旋流運動或旋轉運動給予噴射到主流動路徑55中的流體。使用這些流體噴射的位置中的每一個，加壓流體50可從外部加壓流體供應源52提供至渦輪20的流動控制區(qū)域12。

公開的實施例的技術效果包括從外部加壓流體供應源52發(fā)送加壓流體50且發(fā)送到渦輪20的流動控制區(qū)域12中。具體而言，來自外部加壓流體供應源52的加壓流體50從外部加壓流體供應源52經(jīng)由渦輪20的一個或更多個流體噴射端口(例如，端口100和/或流體端口83)發(fā)送到流動控制區(qū)域12中，以調制和調整流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54。例如，加壓流體50可從外部加壓流體供應源52經(jīng)由外腔76和/或內腔78發(fā)送至渦輪噴嘴35、定子導葉36和/或熱壁84,85，且可經(jīng)由設置在定子導葉36上的一個或更多個流體噴射端口100和/或壁84,85中的流體端口83噴射到流動控制區(qū)域12中。作為另一個實例，加壓流體50可從外部加壓流體供應源52直接從外腔76和/或內腔78(例如，經(jīng)由熱壁84,85中的流體端口83)發(fā)送至渦輪20的流動控制區(qū)域12。控制器56可構造成動態(tài)地控制進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的噴射。例如，將加壓流體50噴射到流動控制區(qū)域12可減小有效區(qū)域54，從而減少或防止燃燒氣體18的流動。同樣，減少進入流動控制區(qū)域12中的加壓流體50的噴射可增大有效區(qū)域54，從而增加燃燒氣體18的流動。通過控制發(fā)送至控制區(qū)域12的加壓流體50的各種參數(shù)，控制器56可構造成調節(jié)系統(tǒng)10的效率。具體而言，流體噴射用于控制流動控制區(qū)域12的有效區(qū)域54和控制燃燒氣體18的流動可顯著減少或消除任何移動結構(例如，可調整的導葉)的使用，以調整主流動路徑55的幾何形狀。

本書面描述使用了實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領域的任何技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何并入的方法。本發(fā)明的專利范圍由權利要求限定，且可包括本領域的技術人員想到的其它實例。如果此類其它實施例具有并非不同于權利要求的書面語言的結構元件，或如果它們包括與權利要求的書面語言無實質差別的等同結構元件，則此類其它實例意圖在權利要求的范圍內。