CN106382136A - 一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，针对跨音速动叶涡轮在变工况时，流场超音堵塞作用造成动叶近前缘温度和前缘叶顶间隙不受膨胀比变化影响，而动叶近尾缘温度和尾缘叶顶间隙随膨胀比变化而变化，从而导致机匣上对应动叶尾缘位置的所需伸缩量大于前缘位置伸缩量的问题，本发明在机匣上对应动叶前、尾缘位置布置了不同高度的冷却肋片，并分别由两个冷气腔包围，对应动叶尾缘位置的冷却肋片高度和冷气方腔上的冷却孔数量皆大于对应动叶前缘位置的冷却肋片高度和冷却孔数量；两个冷气方腔上游的冷气支管中冷气量可独立控制，最终实现对动叶不同轴向位置叶顶间隙高度的控制，有效保证了跨音速动叶涡轮的工作性能和安全。

Description

一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置

技术领域

本发明属于叶轮机械叶顶间隙主动控制技术领域，涉及一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，特别涉及一种跨音速动叶前、尾缘叶顶间隙分别冷却控制的装置。

背景技术

对于常规涡轮，现有的动叶叶顶间隙主动控制技术存在多种方法，根据其原理可分为叶顶间隙主动热控制法和叶顶间隙主动压力控制法。其中，叶顶间隙主动热控制法在实际应用过程中最为广泛。其基本原理是是引入压气机或风扇的冷气对涡轮机匣和衬环支撑等结构进行冲击冷却，通过控制冷气的流量和温度控制机匣的温度场，改变其热膨胀量，进而控制其径向位移，最终实现对叶顶间隙的控制，该方法具有结构简单、可行性强的优点。

跨音速动叶涡轮相比于常规涡轮，在变工况时动叶叶顶间隙的变化具有其特殊性：动叶流场超音堵塞使得喉道上游流场、温度场和叶片近前缘温度不受膨胀比变化影响，进而造成动叶前缘径向伸长量不随膨胀比变化而变化；而喉道下游温度和叶片近尾缘温度随膨胀比增大而减小，造成动叶尾缘径向伸长量随膨胀比增大而减小；这导致了动叶前缘的叶顶间隙大小不会受涡轮膨胀比变化的影响，而动叶尾缘的叶顶间隙随膨胀比减小而减小，即动叶前、尾缘的叶顶间隙大小在涡轮变工况时的变化规律存在差异。动叶前、尾缘叶顶间隙变化的差异必然导致机匣上不同轴向位置所需的伸缩量存在差异。然而，现有技术中适用于常规涡轮的叶顶间隙控制系统所采用的单股冷气冷却方法不能适应跨音速动叶涡轮的特点，无法同时有效地控制跨音速动叶涡轮不同轴向位置的动叶叶顶间隙大小，不能保证涡轮的工作性能和安全。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明所要解决的技术问题是：针对跨音速动叶前、尾缘的叶顶间隙变化规律存在差异导致机匣上对应位置所需的伸缩量不同，本发明提供一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，能够分别控制跨音速动叶涡轮不同轴向位置的叶顶间隙，保证涡轮的工作性能和安全。

本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案是：

一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，包括主冷却管道、前缘冷气支管、尾缘冷气支管、外机匣、内机匣、设置于所述内机匣中的跨音速动叶涡轮，所述外机匣和内机匣之间形成冷气腔，所述跨音速动叶涡轮包括动叶叶盘以及设置在所述动叶叶盘上的跨音速动叶，其特征在于：

所述主冷气管道引入一股冷气，然后分成前缘冷气支路和尾缘冷气支路，分别进入所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管；

所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管上分别设有前缘冷气控制阀门和尾缘冷气控制阀门；所述前缘冷气控制阀门和尾缘冷气控制阀门独立工作，分别调节前缘冷气支路和尾缘冷气支路的冷气流量；

所述外机匣和内机匣之间的冷气腔中设置有前缘冷气腔和尾缘冷气腔，

所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管穿过所述外机匣分别与设置在冷气腔中的所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔连通，引导冷气分别进入所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔；

所述内机匣的外表面上在对应动叶前缘、动叶尾缘的轴向位置上分别布置有前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片，所述尾缘冷却肋片的冷却换热面积大于所述前缘冷却肋片的冷却换热面积；所述前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片的外表面分别被所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔包围，所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔上设置有多个冷却孔，用以引导冷气分别喷射到所述前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片表面，使得所述尾缘冷却肋片的散热量大于所述前缘冷却肋片的散热量。

优选地，所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔整体均呈方形腔；所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔包围相应冷却肋片的部分，其外表面形状与冷却肋片的形状相适配。

优选地，各所述冷却肋片与相邻冷气腔壁面之间的间隔距离为冷却肋片厚度的1/3-1/2。

优选地，所述尾缘冷却肋片的高度大于所述前缘冷却肋片的高度，进一步地，所述前缘冷却肋片的高度是所述尾缘冷却肋片高度的1/3-1/2。

优选地，所述尾缘冷却腔上冷却孔的数量大于所述前缘冷气腔上的冷却孔数量，进一步地，所述前缘冷气腔上的冷却孔数量是所述尾缘冷却腔上冷却孔数量的1/3-1/2。

优选地，所述主冷气管道中的冷气引自风扇或者压气机。

优选地，所述外机匣与内机匣之间的冷气腔内汇合的冷气通过设置在所述外机匣侧壁的冷气通道出口流出。

优选地，所述内机匣对应跨音速动叶涡轮的内表面上设置有衬环，衬环的外表面设置有耐磨涂层，所述跨音速动叶涡轮设置在衬环中，优选地，所述衬环通过衬环支撑设置在所述内机匣的内表面上。

本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其工作原理是：

来自风扇或者压气机的一股冷气从冷气管道入口进入主冷气管道，然后分成两股冷气分别进入两个冷气支管。两个冷气支管上各布置了一个冷气控制阀门，可以独立调节冷气流量。两股冷气分别经两个冷气支管穿过外机匣进入两个冷却腔，再从冷却腔上的冷却孔流出，分别喷射到内机匣上的两个冷却肋片上，对其进行冷却。在跨音速动叶涡轮变工况时，动叶尾缘间隙比前缘间隙变化明显，对机匣伸缩量变化需求更强。在本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置中，设置对应尾缘位置的冷却孔数量和冷却肋片高度皆大于对应前缘位置的冷却孔数量和冷却肋片高度，并通过两个独立工作的冷气控制阀门分别调节动叶前、尾缘位置的冷气流量，控制机匣不同轴向位置的温度场，进而控制机匣不同轴向位置的伸缩量，最终实现对跨音速动叶不同轴向位置叶顶间隙的控制。

同现有技术相比，本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置的技术优点在于：能够解决跨音速动叶前、尾缘叶顶间隙变化差异引起机匣对应位置所需伸缩量不同的问题，分别控制跨音速动叶不同轴向位置的叶顶间隙，保证跨音速动叶涡轮的工作性能和安全。

附图说明

图1为本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置的结构示意图；

图2为本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置的部分剖面图；

图3为本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置的冷却孔布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如图1、2所示，本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，包括主冷却管道1、前缘冷气支管14、尾缘冷气支管15、前缘冷气控制阀门2、尾缘冷气控制阀门3、外机匣4、前缘冷气方腔16、尾缘冷气方腔17、内机匣5、前缘冷却肋片18、尾缘冷却肋片19、衬环支撑Ⅰ6、衬环支撑Ⅱ7、衬环8和耐磨涂层9。内机匣4对应跨音速动叶涡轮的内表面上设置有衬环8，衬环8的外表面设置有耐磨涂层9，跨音速动叶涡轮设置在衬环8中，衬环8通过衬环支撑Ⅰ6、衬环支撑Ⅱ7设置在内机匣4的内表面上。

主冷气管道1引入一股冷气22，然后分成前缘冷气支路23和尾缘冷气支路24，分别进入前缘冷气支管14和尾缘冷气支管15；前缘冷气支管14和尾缘冷气支管15上分别设有前缘冷气控制阀门2和尾缘冷气控制阀门3；前缘冷气控制阀门2和尾缘冷气控制阀门3独立工作，分别调节前缘冷气支路23和尾缘冷气支路24的冷气流量；前缘冷气支管14和尾缘冷气支管15穿过外机匣4分别与前缘冷气方腔16和尾缘冷气方腔17连接，引导冷气分别进入前缘冷气方腔16和尾缘冷气方腔17；内机匣5上在对应动叶前缘20、动叶尾缘21的轴向位置上分别布置前缘冷却肋片18和尾缘冷却肋片19；前缘冷却肋片18和尾缘冷却肋片19分别被前缘冷气方腔16和尾缘冷气方腔17包围，冷却肋片18、19表面与冷气方腔16、17壁面之间的间隔距离为冷却肋片厚度的1/3-1/2；前缘冷气方腔16和尾缘冷气方腔17上周向平均布置若干个冷却孔12，引导冷气分别喷射到前缘冷却肋片18和尾缘冷却肋片19表面，冷却内机匣5。

结合图2，本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置中，动叶前缘叶顶间隙26、动叶尾缘叶顶间隙27指耐磨涂层9内壁面和动叶叶尖前缘、动叶叶尖尾缘之间的距离。在跨音速动叶涡轮变工况过程中，动叶流场超音堵塞使得喉道上游流场、温度场和叶片近前缘温度不受膨胀比变化影响，进而造成动叶前缘20径向伸长量不随膨胀比变化而变化；而喉道下游温度和叶片近尾缘温度随膨胀比增大而减小，造成动叶尾缘21径向伸长量随膨胀比增大而减小。这导致了动叶前缘叶顶间隙26大小不会受涡轮膨胀比变化的影响，而动叶尾缘叶顶间隙27随膨胀比减小而减小；进而导致内机匣5对应动叶尾缘位置的所需伸缩量大于对应动叶前缘位置的所需伸缩量。本发明设置前缘冷却肋片18的高度是尾缘冷却肋片19高度的1/3-1/2，以增大内机匣5对应动叶尾缘部分的冷却换热面积。并且，在前缘冷气控制阀门2和尾缘冷气控制阀门3的调节作用下，前缘冷气支路23和尾缘冷气支路24的冷气流量独立变化，分开控制前缘叶顶间隙26和尾缘叶顶间隙27。两股冷气支路23、24完成对内机匣5的冷却后，会在外机匣4与内机匣5之间的空腔内汇合成一股冷气25，通过设置在外机匣侧壁的冷气通道出口13流出。

结合图3，在本发明的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置中，因为在跨音速动叶涡轮变工况时，内机匣5对应动叶尾缘位置的伸缩量变化需求大于对应动叶前缘位置的伸缩量，所以本发明设置前缘冷气方腔16上的冷却孔12数量是尾缘冷却方腔17上冷却孔12数量的1/3-1/2，以增强内机匣5对应动叶尾缘部分的换热效果。

尽管本发明已经参照优选实施例描述，本领域普通技术人员将理解到在不离开本发明的范围下可以进行多种改变并且可以用等价物替代其中的部件。另外在不离开本发明的基本范围下可以进行许多改进以调整具体的情况以适应于本发明的教导。因此本发明不受实施本发明的最好的构思所公开的实施例的限制，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内地任何实施例。

Claims (10)

1.一种跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，包括主冷却管道、前缘冷气支管、尾缘冷气支管、外机匣、内机匣、设置于所述内机匣中的跨音速动叶涡轮，所述外机匣和内机匣之间形成冷气腔，所述跨音速动叶涡轮包括动叶叶盘以及设置在所述动叶叶盘上的跨音速动叶，其特征在于：

所述主冷气管道引入一股冷气，然后分成前缘冷气支路和尾缘冷气支路，分别进入所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管；

所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管上分别设有前缘冷气控制阀门和尾缘冷气控制阀门；所述前缘冷气控制阀门和尾缘冷气控制阀门独立工作，分别调节前缘冷气支路和尾缘冷气支路的冷气流量；

所述外机匣和内机匣之间的冷气腔中设置有前缘冷气腔和尾缘冷气腔，

所述前缘冷气支管和尾缘冷气支管穿过所述外机匣分别与设置在冷气腔中的所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔连通，引导冷气分别进入所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔；

所述内机匣的外表面上在对应动叶前缘、动叶尾缘的轴向位置上分别布置有前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片，所述尾缘冷却肋片的冷却换热面积大于所述前缘冷却肋片的冷却换热面积；所述前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片的外表面分别被所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔包围，所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔上设置有多个冷却孔，用以引导冷气分别喷射到所述前缘冷却肋片和尾缘冷却肋片表面，使得所述尾缘冷却肋片的散热量大于所述前缘冷却肋片的散热量。

2.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔整体均呈方形腔；所述前缘冷气腔和尾缘冷气腔包围相应冷却肋片的部分，其外表面形状与冷却肋片的形状相适配。

3.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：各所述冷却肋片与相邻冷气腔壁面之间的间隔距离为冷却肋片厚度的1/3-1/2。

4.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述尾缘冷却肋片的高度大于所述前缘冷却肋片的高度。

5.根据权利要求4所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述前缘冷却肋片的高度是所述尾缘冷却肋片高度的1/3-1/2。

6.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述尾缘冷却腔上冷却孔的数量大于所述前缘冷气腔上的冷却孔数量。

7.根据权利要求6所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：进一步地，所述前缘冷气腔上的冷却孔数量是所述尾缘冷却腔上冷却孔数量的1/3-1/2。

8.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述主冷气管道中的冷气引自风扇或者压气机。

9.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述外机匣与内机匣之间的冷气腔内汇合的冷气通过设置在所述外机匣侧壁的冷气通道出口流出。

10.根据权利要求1所述的跨音速动叶叶顶间隙主动控制装置，其特征在于：所述内机匣对应跨音速动叶涡轮的内表面上设置有衬环，衬环的外表面设置有耐磨涂层，所述跨音速动叶涡轮设置在衬环中，优选地，所述衬环通过衬环支撑设置在所述内机匣的内表面上。