CN108374694A - 一种压气机间隙主动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机间隙主动控制装置，包括固定基座、压气机、压气机轮罩、若干均匀设置的控制单元；压气机轮罩套装在压气机外部，压气机轮罩与压气机能够动态调节间隙的设置，压气机轮罩利用若干控制单元能够调节间隙的连接固定基座，及采用该控制装置的控制方法。本发明的有益效果：实现压气机轮罩与压气机之间间隙增大或变小，适应高速和低速的运行要求，且采用两种工作机制适应于正常工作、突发状况两种工作条件，适应整个压气机全工况运行间隙动态调整，最终使静动部件始终都不擦碰，达到保护燃机运行稳定、高效的目的。

Description

一种压气机间隙主动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种间隙主动控制装置及方法，尤其涉及的是一种压气机间隙主动控制装置及方法。

背景技术

当前，燃气轮机叶尖间隙是指叶轮与机匣的径向距离，燃气轮机在运转的过程需要保证这个叶间间隙大于零，如果小于零，则会发生静动部件的擦碰。如果间隙过大，则会影响燃气轮机的输出效率，为了尽可能的提高燃气轮机的效率，就需要在保证静动部件不发生擦碰的前提下，尽可能的减少叶间间隙。

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,)，简称SMA，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有"记忆"效应的合金。现有技术中，很多装置已经采用形状记忆合金的特性进行间隙控制，但对于突发情况，形状记忆合金会有一定的滞后性，不能及时反馈工况，以致造成不良后果。其次，在市场上存在被动控制装置较多，而主动控制较少。其中被动控制需要消耗燃气轮机一小部分功，目前主动控制装置价格较高、寿命较短，在发生突变工况时未能及时改变，容易造成事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种解决上述背景技术中因压气机与压气机轮罩间隙过大而叶轮级效率低，且主动控制价格高、寿命短的压气机间隙主动控制装置及方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明一种压气机间隙主动控制装置，包括固定基座、压气机、压气机轮罩、若干沿圆周均匀设置的控制单元；压气机轮罩套装在压气机外部，压气机轮罩与压气机能够动态调节间隙的设置，压气机轮罩利用若干控制单元能够调节间隙的连接固定基座。

优选的，控制单元包括由形状记忆合金制成的第一弹性件、连接件、第二弹性件、止动件，第二弹性件置于固定基座中，连接件的一端穿过压气机轮罩后进入固定基座，连接件的另一端穿过第一弹性件，并由止动件限位。

优选的，所述固定基座中部为空心结构，且端部设有用于卡接压气机轮罩的凹槽及用于连接件插入的深孔。

优选的，所述压气机为风扇状结构，其中心轴线处为贯穿的通孔结构，通孔结构的外围设有若干压气机叶片，压气机轮罩为喇叭状结构，与压气机叶片形成空气通道，小口端为进气口，大口端为出气口，进气口水平设置，出气口竖直设置，且小口端外周设有用于连接的法兰结构，法兰结构上设有连接孔。

优选的，所述第一弹性件为弹簧，第二弹性件为斜弹簧，连接件为螺栓，止动件为止动螺母。

优选的，还包括位移采集单元、信号处理单元、发热件，位移采集单元设置在压气机轮罩上，位移采集单元连接信号处理单元，信号处理单元连接发热件，所述发热件连接在连接件上并安装在第一弹性件与止动件之间。

优选的，位移采集单元为位移传感器。

优选的，信号处理单元包括中央处理器、控制主屏、弱电流开关；中央处理器一端连接位移采集单元，另一端连接控制主屏和弱电流开关，弱电流开关连接发热件。

本发明还提供一种采用所述压气机间隙主动控制装置的控制方法，正常工作时，采用机制一控制压气机与压气机轮罩之间的间隙，机制一的控制步骤如下：

(1a)压气机转动，空气由进气口经压气机压缩后升温，并由出气口排气，转速变高后，温度上升，压气机轮罩的尾端向前端传热，形状记忆合金制成的第一弹性件受热膨胀至高温状态的形状，推动压气机轮罩向左移动，继而压缩第二弹性件，压气机轮罩与压气机之间间隙变大；

(2a)当压气机转速下降，温度继而下降，形状记忆合金制成的第一弹性件降温收缩，恢复到低温状态的形状，压气机轮罩向右移动，压气机轮罩与压气机之间间隙变小。

本发明还提供一种采用所述压气机间隙主动控制装置的控制方法，当突发状况时，采用机制二控制压气机与压气机轮罩之间的间隙，机制二的控制步骤如下：

(1b)位移传感器感受到位移变化量后，发出电信号给中央处理器，中央处理器实时比对本燃机的理论数据，当理论数据和实时数据差值超过限定值时，触发控制主屏中的报警装置报警，同时触发弱电流开关，使得电阻发热件迅速发热，热量传导到第一弹性件，使其伸长恢复到高温状态的形状，推动压气机轮罩向左移动，压气机轮罩与压气机之间间隙增大；

(2b)当突发状况得以解决，发热件不再发热，第一弹性件恢复到低温状态的形状，压气机轮罩向右移动，压气机轮罩与压气机之间间隙变小。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明能够采用控制单元实现压气机轮罩与压气机之间间隙增大或变小，适应高速和低速的运行要求；

(2)本发明中，正常工作时，启动机制一，即采用形状记忆合金制成的第一弹性件的特性，高温膨胀，低温收缩，结合第二弹性件，实现压气机轮罩与压气机之间间隙增大或变小，本发明还提供另一种主动控制，即机制二，利用实时位移变化量与理论数据的比较，超过限定值后触发机制二，利用发热件及第一弹性件加速见习的调整，适应于突发状况，两种工作机制使得压气机适应于正常工作、突发状况两种工作条件，适应整个压气机全工况运行间隙动态调整，最终使静动部件始终都不擦碰，达到保护燃机运行稳定、高效的目的；

(3)本结构简单、易加工，成本相对较低。

附图说明

图1是本发明实施例一种压气机间隙主动控制装置的结构示意图；

图2是图1中A-A的剖视图；

图3是固定基座的剖视图；

图4是本发明中未固定在固定基座前的结构示意图；

图5是图2中B处的放大图；

图6是机制二工作的流程示意图。

图中标号：固定基座1、凹槽11、深孔12、压气机2、通孔21、压气机叶片22、进气口7、出气口8、压气机轮罩3、控制单元4、第一弹性件41、连接件42、第二弹性件43、发热件45、止动件44、位移采集单元5、信号处理单元6、中央处理器61、控制主屏62、报警装置621、弱电流开关63。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，结合图2-3，本实施例一种压气机间隙主动控制装置，包括固定基座1、压气机2、压气机轮罩3、若干均匀设置的控制单元4；压气机轮罩3套装在压气机2外部，压气机轮罩3与压气机2能够实现动态被动调节间隙的设置，压气机2固定在旋转轴上，可采用现有技术中压气机2与旋转轴的固定方式，而压气机轮罩3利用若干控制单元4能够调节间隙的连接固定基座1，实现压气机2与压气机轮罩3之间间隙的主动控制。

如图2-4所示，所述固定基座1中部为空心结构，左端为竖直平面，右端部设有用于卡接压气机轮罩3的凹槽11及用于连接件42插入的、若干均匀分布的深孔12。压气机轮罩3卡接在凹槽11处，凹槽11处设有密封装置，实现压气机轮罩3与固定基座1在凹槽11处实现密封连接，具体的密封装置可为密封圈、环形密封垫等等，并由控制单元4中的连接件42结合止动件44利用深孔12进行连接。

压气机2的主要部位为截面为类似三角形结构沿中心轴旋转而成，为风扇状结构，其中心轴线处为贯穿的通孔21结构，用于与现有技术中的旋转轴连接，外部设有若干压气机叶片22。压气机轮罩3为喇叭状结构，与旋转的压气机2的压气机叶片22形成空气通道，小口端即图2中所示左端为进气口7，大口端即图2中所示右端为出气口8，进气口7水平设置，使得气流轴向进气，出气口8竖直设置，使得气流径向出气，且压气机轮罩3左端圆周设有用于连接的法兰结构31，法兰结构31上设有用于连接的连接孔，法兰结构31与基座1之间存在一定的间距，用以调节压气机轮罩3与压气机2之间的间隙。

如图5所示，作为进一步优选的技术方案，控制单元4包括由形状记忆合金制成的第一弹性件41、连接件42、第二弹性件43、止动件44，第二弹性件43置于深孔12中，连接件42的一端穿过压气机轮罩3后进入深孔12，连接件42的另一端穿过第一弹性件41，并由止动件44限位。

作为进一步优选的技术方案，所述第一弹性件41为弹簧，第二弹性件43为斜弹簧，连接件42为螺栓或右端带有螺纹的螺杆，止动件44为止动螺母。

作为进一步优选的技术方案，所述控制单元个数为4-10个。本实施例中，所述控制单元个数为5个。

如图6所示，作为进一步优选的技术方案，本实施例中，所述控制装置还包括位移采集单元5、信号处理单元6、发热件45，位移采集单元5设置在压气机轮罩3上，具体的，可设置在压气机轮罩3的中部且比较靠近进气口7的位置，可以进一步降低机制一的滞后性，位移采集单元5连接信号处理单元6，信号处理单元6连接发热件45，结合图4所示，所述发热件45连接在连接件42上并安装在第一弹性件41与止动件44之间。

作为进一步优选的技术方案，发热件45为电阻发热件，具体形状可采用圆环片状，利于固定，材料可采用工业上常用的电热材料，如镍铬合金、铁铬合金、碳化硅制成的硅碳片等。位移采集单元5为位移传感器。

信号处理单元6包括中央处理器61、控制主屏62、弱电流开关63；中央处理器61一端连接位移采集单元5，另一端连接控制主屏62和弱电流开关63，弱电流开关63连接发热件45。所述控制主屏62内设置报警装置621。中央处理器61更为具体的可为位移特性处理器，能够处理来自位移传感器的电信号，并反馈给控制主屏62，控制主屏62触动报警装置621及弱电流开关63，弱电流开关63打开或关闭以控制发热件45是否发热。

本发明还提供一种压气机间隙主动控制装置的控制方法，其主要原理是：采用形状记忆合金的特性进行主动控制，形状记忆合金实质是一种热驱动功能材料，本发明中的弹簧采用形状记忆合金TiNi制成，在低温下根据燃气轮机低转速运转情况和此时压气机2和压气机轮罩3的材料温度特性自由拉伸到相对应的尺寸形状，在高温下根据燃气轮机高转速运转情况和此时压气机2和压气机轮罩3材料温度特性制成另一种尺寸形状，利用压气机2在不同工况下转动具有不同温度实现形状记忆合金弹簧不同的变形尺寸，并与斜弹簧一起完成伸缩动作，实现对压气机轮罩3与压气机2之间的间隙进行动态调整。而突发状况时，采用另外一种主动控制(即机制二)方法，降低第一种主动控制(即机制一)时的滞后性。

在压气机2装配过程中，根据温度特性事先通过止动件44压紧第一弹性件41后穿过压气机轮罩3后再压缩第二弹性件43，并拧入固定基座1中的深孔12中，与胡克定律为出发点对压缩形变进行微调，使得相关元件形成一个联动系统。

具体的控制方法如下：

正常工作时，触发机制一工作，其控制步骤如下：

(1a)压气机2转动，空气由进气口7(左端轴向进气)经压气机2压缩后升温，并由出气口8(径向出气)排气，在压气机2中气体是一个压缩加热的过程，随着压气机2的转速升高后，温度也相应上升，压气机2转动速度越快，温度上升越快，此时出气口8温度高于进气口7温度，压气机轮罩3的中部至尾端(如图2中右端)气温高于前端(如图2中左端)温度，尾端温度会向前端部位传热，随着压气机2转动速度的升高，传热的幅度会加大，形状记忆合金制成的第一弹性件41受热膨胀至高温状态的形状，尺寸相应变长，推动压气机轮罩3向左移动，继而压缩第二弹性件43，压气机轮罩3与压气机2之间间隙变大，以适应高转速时，压气机2径向形变量相对较大的情况；

(2a)当压气机2转速下降，温度继而下降，形状记忆合金制成的第一弹性件41降温收缩，恢复到低温状态的形状，压气机轮罩3向右移动，压气机轮罩3与压气机2之间间隙变小，以适应低转速时的高效间隙要求；

在机制一的条件下，位移会产生位移变化后并处于一个稳定的状态(即理论数据范围内)，同时开启机制二的相关设备，包括位移采集单元5、信号处理单元6、中央处理器61、控制主屏62、报警装置621、弱电流开关63，突发状况发生时，压气机轮罩3与压气机2之间的间隙来不及及时调整，此时就需要同时触发机制二工作，加速压气机轮罩3与压气机2之间的间隙控制，其控制步骤如下：

(1b)位移传感器感受到位移变化量后，发出电信号给中央处理器61，中央处理器61实时比对本燃机的理论数据，当理论数据和实时数据差值超过限定值时，触发控制主屏62中的报警装置621报警，同时触发弱电流开关63，使得电阻发热件迅速发热，热量传导到第一弹性件41，使其伸长恢复到高温状态的形状，推动压气机轮罩3向左移动，压气机轮罩3与压气机2之间间隙增大，避免发生静动部件碰撞；

(2b)当突发状况得以解决，发热件45不再发热，第一弹性件41恢复到低温状态(或稳定的状态)的形状，压气机轮罩3向右移动，压气机轮罩3与压气机2之间间隙变小。

通过双机制控制策略协调控制整个轮罩间隙，以适应整个压气机2全工况运行时进行间隙的动态调整。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，包括固定基座、压气机、压气机轮罩、若干沿圆周均匀设置的控制单元；压气机轮罩套装在压气机外部，压气机轮罩与压气机能够动态调节间隙的设置，压气机轮罩利用若干控制单元能够调节间隙的连接固定基座。

2.根据权利要求1所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，控制单元包括由形状记忆合金制成的第一弹性件、连接件、第二弹性件、止动件，第二弹性件置于固定基座中，连接件的一端穿过压气机轮罩后进入固定基座，连接件的另一端穿过第一弹性件，并由止动件限位。

3.根据权利要求2所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，所述固定基座中部为空心结构，且端部设有用于卡接压气机轮罩的凹槽及用于连接件插入的深孔。

4.根据权利要求2所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，所述压气机为风扇状结构，其中心轴线处为贯穿的通孔结构，通孔结构的外围设有若干压气机叶片，压气机轮罩为喇叭状结构，与压气机叶片形成空气通道，小口端为进气口，大口端为出气口，进气口水平设置，出气口竖直设置，且小口端外周设有用于连接的法兰结构，法兰结构上设有连接孔。

5.根据权利要求2所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，所述第一弹性件为弹簧，第二弹性件为斜弹簧，连接件为螺栓，止动件为止动螺母。

6.根据权利要求2所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，还包括位移采集单元、信号处理单元、发热件，位移采集单元设置在压气机轮罩上，位移采集单元连接信号处理单元，信号处理单元连接发热件，所述发热件连接在连接件上并安装在第一弹性件与止动件之间。

7.根据权利要求6所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，位移采集单元为位移传感器。

8.根据权利要求6所述的一种压气机间隙主动控制装置，其特征在于，信号处理单元包括中央处理器、控制主屏、弱电流开关；中央处理器一端连接位移采集单元，另一端连接控制主屏和弱电流开关，弱电流开关连接发热件。

9.一种采用上述2-5任一所述压气机间隙主动控制装置的控制方法，其特征在于，正常工作时，采用机制一控制压气机与压气机轮罩之间的间隙，机制一的控制步骤如下：

(1a)压气机转动，空气由进气口经压气机压缩后升温，并由出气口排气，转速变高后，温度上升，压气机轮罩的尾端向前端传热，形状记忆合金制成的第一弹性件受热膨胀至高温状态的形状，推动压气机轮罩向左移动，继而压缩第二弹性件，压气机轮罩与压气机之间间隙变大；

(2a)当压气机转速下降，温度继而下降，形状记忆合金制成的第一弹性件降温收缩，恢复到低温状态的形状，压气机轮罩向右移动，压气机轮罩与压气机之间间隙变小。

10.一种采用上述6-8任一所述压气机间隙主动控制装置的控制方法，其特征在于，当突发状况时，采用机制二控制压气机与压气机轮罩之间的间隙，机制二的控制步骤如下：

(1b)位移传感器感受到位移变化量后，发出电信号给中央处理器，中央处理器实时比对本燃机的理论数据，当理论数据和实时数据差值超过限定值时，触发控制主屏中的报警装置报警，同时触发弱电流开关，使得电阻发热件迅速发热，热量传导到第一弹性件，使其伸长恢复到高温状态的形状，推动压气机轮罩向左移动，压气机轮罩与压气机之间间隙增大；

(2b)当突发状况得以解决，发热件不再发热，第一弹性件恢复到低温状态的形状，压气机轮罩向右移动，压气机轮罩与压气机之间间隙变小。