CN112160800B - 一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，包括压气机气缸、记忆合金机构、压气机动叶片和主动控制机构，所述压气机气缸内壁表面沿内壁周向设有凹槽；所述记忆合金机构沿压气机气缸内壁周向滑动安装在凹槽内，记忆合金机构沿压气机气缸内壁轴向固定；所述主动控制机构包括冷却风机、加热电阻丝和热电偶传感器，所述冷却风机用于向记忆合金机构提供用于散热的空气流；所述加热电阻丝用于加热记忆合金机构；所述热电偶传感器用于探测记忆合金实时温度，并将温度转换为电信号。解决了现有技术中压气机无法在启停阶段和运行阶段动态控制的问题，通过主动控制机构动态控制记忆合金件的变形温度，从而实现对叶顶间隙的优化，提升压气机效率。

Description

一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体的说是一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置。

背景技术

燃气轮机压气机叶顶间隙关系着机组的安全性和经济性，压气机启停过程中，由于压气机转子和静子径向变形速率不同，导致压气机叶顶间隙存在碰擦的可能性；压气机额定负荷稳态运行时，叶顶间隙越小，压气机效率越高，但是压气机设计时需要综合考虑启停过程和额定负荷叶顶间隙变化，往往导致不能同时兼顾安全性和经济性。重型燃机叶顶间隙主动控制技术主要是西门子的液压间隙技术优化，其主要技术特点是：在燃机推力轴承处安装液压系统，燃机稳态运行时，液压系统推动整个转子向压气机侧移动，导致压气机叶顶间隙增大，涡轮叶顶间隙减小，涡轮间隙对效率贡献度大于压气机，整机燃机效率上升。此技术的主要有两方面缺点：一，压气机叶顶间隙变大，压气机效率下降；二，此技术对叶顶间隙形状有要求，必须是锥形，平直形叶顶间隙无法达到间隙优化。

中国专利文献CN108374694A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，但该装置只能采用改变动叶轴向间距的方式改变叶顶间隙的距离，使用场合受限，只能适用于锥形压气机的流道内部。对于圆柱形的压气机流道测无法改善叶顶间隙。

中国专利文献CN108571468A公开了一种用于压气机动叶叶顶间隙泄漏流控制的上端壁结构，压气机动叶前缘上端壁具有坡形结构，该坡形结构起始于压气机动叶前缘10％-15％动叶弦长的位置，终止于压气机动叶前缘正上方，高度在1％-3％的动叶高度范围之间，其最小值为0.5mm，坡形结构的倒角尺寸在0.2mm-0.5mm范围之间。本发明在压气机上端壁动叶叶顶前缘处形成坡形凹陷从而形成后台阶作用，利用后台阶作用产生的旋涡破坏压气机动叶叶顶泄漏涡的形成从而降低对端区低能流体的卷吸以及对主流区域的堵塞作用，达到提高压气机效率和拓宽压气机喘振裕度的目的。同时，该结构设计在上端壁上，上端壁为静止件，因此对动叶的影响较小，可靠性相对较高，但该装置中由于上端臂上设有坡形结构，产生卷吸，对叶片会产生较大负荷，损害叶片寿命，且该装置无法对叶顶间隙实现动态调整，无法适应启停和运行不同状态的环静，无法兼顾安全和经济性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，解决了现有技术中压气机无法在启停阶段和运行阶段动态控制的问题，通过主动控制机构动态控制记忆合金件的变形温度，从而实现对叶顶间隙的优化，提升压气机效率。

本发明所公开的具体的技术方案如下：一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，包括压气机气缸、记忆合金机构、压气机动叶片和主动控制机构，所述压气机气缸与压气机动叶片同轴设置，所述压气机气缸内壁表面沿内壁周向设有凹槽；所述记忆合金机构呈环形，且沿压气机气缸内壁周向滑动安装在凹槽内，记忆合金机构沿压气机气缸内壁轴向固定；所述记忆合金机构与压气机动叶片顶部之间设有叶顶间隙；所述主动控制机构包括冷却风机、加热电阻丝和热电偶，所述冷却风机用于向记忆合金机构提供用于散热的空气流；所述加热电阻丝用于加热记忆合金机构并提高温度；所述热电偶用于探测记忆合金实时温度，并将温度转换为电信号。

进一步的，所述凹槽包括第一凹槽部和第二凹槽部，所述第一凹槽部和第二凹槽部连通，且第一凹槽部宽度大于第二凹槽部宽度，所述第一凹槽部与第二凹槽部的连接位置设有限位凸台。

进一步的，所述第一凹槽部的侧面设有进风道和排风道。

进一步的，所述第一凹槽部与固定板之间设有通风间隙，所述通风间隙用于保持空气流流通。

进一步的，所述记忆合金机构包括记忆合金件、固定板和散热翅片，所述固定板与记忆合金件采用螺栓固定连接，且固定板与记忆合金件的结合部侧面设有限位凹槽，所述限位凹槽与限位凸台间隙配合，所述限位凹槽和限位凸台的作用是用于对记忆合金机构进行轴向固定；所述固定板外圆表面固定连接有散热翅片。所述固定板采用传热性能高的材料制成，固定板配合散热翅片可将记忆合金件的热量传导至各散热翅片上，并通过空气流动进行散热，从而增大散热面积，加强散热效果。

进一步的，所述加热电阻丝固定嵌合在记忆合金件内部。

进一步的，所述固定板与记忆合金件的结合部设有传感器安装槽，所述传感器安装槽内安装所述热电偶传感器。

进一步的，所述进风道上设有用于控制进气风量的电动球阀，且所述进风道连通所述冷却风机。

进一步的，所述排风道内设有逆止阀，所述逆止阀用于保持排风道内空气单向流通。

此外本装置还包括有控制装置，所述控制装置分别与冷却风机、电动球阀、加热电阻丝、热电偶传感器、逆止阀电连接，该控制装置用于协调各机构及部件之间的运作。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明中的轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，在压气机启停和额定负荷运行状态时，通过冷却风机和加热电阻丝可使记忆合金件形状改变，从而使压气机启停阶段，冷却风机启动对记忆合金散热，使记忆合金处于低温状态，增大叶顶间隙，避免压气机转子和静子之间出现碰撞摩擦；使压气机额定负荷状态运行阶段，加热电阻丝对记忆合金件加热，冷却风机停止，记忆合金处于高温状态，减小叶顶间隙，提升压气机效率。

2)本发明的轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置中记忆合金机构呈环形，且周向滑动安装在压气机气缸内壁表面的凹槽内，该结构加工简单，安装方便。

附图说明

图1是本发明实施例中处于低温状态的轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置的结构图；

图2是本发明实施例中处于高温状态的轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置的结构图；

图3是本发明实施例中轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置的控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

需理解的是，本实施例中所声称的“上”“下”“内”“外”等方位是基于附图中“上”“下”“内”“外”方位进行叙述，仅为叙述方便，不能对本发明中得到结构产生限定作用。

此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例：

结合图1-2所示，一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，包括压气机气缸1、记忆合金机构、压气机动叶片2和主动控制机构。

所述压气机气缸1与压气机动叶片21同轴设置，所述压气机气缸内壁表面沿内壁周向设有凹槽；所述凹槽包括第一凹槽部13和第二凹槽部14，所述第一凹槽部13和第二凹槽部14连通，且第一凹槽部13宽度大于第二凹槽部14宽度，所述第一凹槽部13与第二凹槽部14的连接位置设有限位凸台16。

本实施例中所述记忆合金机构呈环形，将环形结构中最大直径所在面指定为外侧，最小直径所在面指定为内侧。所述记忆合金机构沿压气机气缸1内壁周向滑动安装在凹槽内，记忆合金机构沿压气机气缸1内壁轴向固定；所述记忆合金机构与压气机动叶片2顶部之间设有叶顶间隙；所述记忆合金机构包括记忆合金件6、固定板3和散热翅片4，所述固定板3与记忆合金件6采用螺栓固定连接，且固定板3与记忆合金件6的结合部侧面设有限位凹槽17，所述限位凹槽17与限位凸台16间隙配合，所述限位凹槽17和限位凸台16的作用是用于对记忆合金机构进行轴向固定；所述固定板3外侧固定连接有散热翅片4。所述固定板3采用传热性能高的材料制成，固定板3配合散热翅片4可将记忆合金件6的热量传导至各散热翅片4上，并通过空气流动进行散热，从而增大散热面积，加强散热效果。

所述主动控制机构包括冷却风机12、加热电阻丝7和热电偶传感器5，所述冷却风机12用于向记忆合金机构提供用于散热的空气流。所述加热电阻丝7用于加热记忆合金机构并提高温度，所述加热电阻丝7固定嵌合在记忆合金件6内部。所述热电偶传感器5用于探测记忆合金件6实时温度，并将温度转换为电信号，所述固定板3与记忆合金件6的结合部设有传感器安装槽18，所述传感器安装槽18内安装所述热电偶传感器5。

所述第一凹槽部13的侧面设有进风道11和排风道8。所述进风道11上设有用于控制进气风量的电动球阀10，且所述进风道11连通所述冷却风机12。所述排风道8内设有逆止阀9，所述逆止阀9用于保持排风道8内空气单向流通。

所述第一凹槽部13与固定板3之间设有通风间隙15，所述通风间隙15用于保持空气流流通。

此外本装置还包括有控制装置(图中未标出)，所述控制装置分别与冷却风机12、电动球阀10、加热电阻丝7、热电偶传感器5、逆止阀9电连接，该控制装置用于协调各机构及部件之间的运作。

如图3所示，本轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置的操作方法为：

首先已明确记忆合金件的变形温度阈值T的条件下，处于燃气轮机启动过程，热电偶传感器将监测启动阶段的记忆合金温度温度T1，并将温度信号传输至控制装置，控制装置判断T1与T的关系：

当T1>T时，冷却风机12启动，加热电阻丝7保持断电，进风道11和排风道8均保持畅通，空气流对记忆合金机构进行降温，使记忆合金件温度降至变形温度T以下，此时记忆合金件处于低温状态，叶顶间隙增大。当T1<T时，冷却风机12、加热电阻丝7、进风道11和排风道8均保持现有状态不变，记忆合金件保持当前状态。

当燃气轮机启动后并保持额定负荷运行时，热电偶传感器将监测额定负荷运行状态下的记忆合金温度温度T2，并将温度信号传输至控制装置，控制装置判断T2与T的关系：

当T2>T时，冷却风机12、加热电阻丝7、进风道11和排风道8均保持现有状态不变，记忆合金件保持当前状态。当T2<T时，加热电阻丝7通电，同时冷却风机12停止，进风道11和排风道8关闭，加热电阻丝7对记忆合金件6进行加热，使记忆合金件6温度升高至T以上，此时记忆合金件6处于高温状态，叶顶间隙缩小，压气机效率升高。

当燃气轮机准备停止时，热电偶传感器将监测停止阶段的记忆合金温度温度T3，并将温度信号传输至控制装置，控制装置判断T3与T的关系：

当T3>T时，冷却风机12启动，加热电阻丝7断电，进风道11和排风道8均保持畅通，空气流对记忆合金机构进行降温，使记忆合金件温度降至变形温度T以下，使记忆合金件处于低温状态，叶顶间隙增大，再将燃气轮机完全停止。当T3<T时，冷却风机12、加热电阻丝7、进风道11和排风道8均保持现有状态不变，记忆合金件保持当前状态，燃气轮机停止运行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴流燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，其特征在于，包括压气机气缸、记忆合金机构、压气机动叶片和主动控制机构，所述压气机气缸与压气机动叶片同轴设置，所述压气机气缸内壁表面沿内壁周向设有凹槽；所述记忆合金机构呈环形，且沿压气机气缸内壁周向滑动安装在凹槽内，记忆合金机构沿压气机气缸内壁轴向固定；所述记忆合金机构与压气机动叶片顶部之间设有叶顶间隙；所述主动控制机构包括冷却风机、加热电阻丝和热电偶传感器，所述冷却风机用于向记忆合金机构提供用于散热的空气流；所述加热电阻丝用于加热记忆合金机构，提高温度；所述热电偶传感器用于探测记忆合金实时温度，并将温度转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述凹槽包括第一凹槽部和第二凹槽部，所述第一凹槽部和第二凹槽部连通，且第一凹槽部宽度大于第二凹槽部宽度，所述第一凹槽部与第二凹槽部的连接位置设有限位凸台。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述第一凹槽部的侧面设有进风道和排风道。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述第一凹槽部与固定板之间设有通风间隙，所述通风间隙用于保持空气流流通。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述记忆合金机构包括记忆合金件、固定板和散热翅片，所述固定板与记忆合金件采用螺栓固定连接，且固定板与记忆合金件的结合部侧面设有限位凹槽，所述限位凹槽与限位凸台间隙配合；所述固定板外圆表面固定连接有散热翅片。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述加热电阻丝固定嵌合在记忆合金件内部。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述固定板与记忆合金件的结合部设有传感器安装槽，所述传感器安装槽内安装所述热电偶传感器。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述进风道上设有用于控制进气风量的电动球阀，且所述进风道连通所述冷却风机。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述排风道内设有逆止阀，所述逆止阀用于保持排风道单向流通。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于,还包括控制装置，所述控制装置分别与冷却风机、电动球阀、加热电阻丝、热电偶传感器、逆止阀电连接。

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