CN112983648A - 一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置 - Google Patents

一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置。本发明的径向进气室一侧开口,开口和锥形台形状的出口轮毂的一端密封连接,径向进气室另一侧侧壁开设有出口,出口轮毂的另一端延伸到出口中间,且径向进气室的出口和出口轮毂之间形成出口流道,挡板设置在出口流道中,密封齿盘的一端面安装在径向进气室出口的外端面上并与挡板焊接,密封齿盘的另一端面与直锥齿轮盘同轴焊接;多个导向轮等间隔的均布在直锥齿轮盘的外圆周,每个导向轮与直锥齿轮盘啮合,电机输出轴同轴固接电机齿轮,电机齿轮与直锥齿轮盘啮合。本发明通过带动挡板沿中心轴旋转,改变径向进气室出口流场压力不均匀度,改变流场速度均匀度,实现径向进气室流动的主动控制。

Description

一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机进气室流动主动控制装置,具体涉及了一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置。
背景技术
与航空发动机轴向进气结构不同,由于空间布置限制,地面燃气轮机和舰船燃气轮机普遍采用径向进气结构,径向进气室不仅会增加进气系统的压损,而且会造成燃气轮机进气总压畸变和速度畸变,从而降低压气机喘振裕度,失速喘振是影响燃气轮机安全运行的主要风险之一。
现有的燃气轮机径向进气室根据额定工况设计,几何结构尺寸固定,在额定工况时运行时不会产生失速喘振问题。但是在燃气轮机起动过程、变工况、快速加减负荷过程,径向进气室出口流场产生非稳态变化,安全运行区间变窄,有进入失速喘振状态的风险。由于雾霾、雨雾天气导致的进气过滤器局部堵塞,会导致进气系统流场畸变加重,燃气轮机有进入失速喘振的风险。现有的燃气轮机径向进气室由于结构固定无法对流场畸变进行有效控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题,提供一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其包括旋转挡板,以控制径向进气室内部流体的流动与分配,实现径向进气室出口流场分布的有效控制,为燃气轮机安全运行与考核提供保障。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明包括径向进气室、挡板、导向轮、电机、直锥齿轮盘、密封齿盘和出口轮毂;
径向进气室一侧开口,开口和锥形台形状的出口轮毂的一端密封连接,径向进气室另一侧侧壁开设有出口,出口轮毂的另一端延伸到出口中间,且径向进气室的出口和出口轮毂之间形成出口流道,多个挡板设置在出口流道中,径向进气室出口的外端面设有密封齿盘,密封齿盘的一端面安装在径向进气室出口的外端面上并与多个挡板焊接,密封齿盘的另一端面与直锥齿轮盘同轴焊接;
径向进气室出口的外端面上还固定安装有电机和多个导向轮,多个导向轮等间隔的均布在直锥齿轮盘的外圆周,每个导向轮与直锥齿轮盘啮合形成一个导向轮齿轮盘副,电机输出轴同轴固接电机齿轮,电机齿轮与直锥齿轮盘啮合形成电机齿轮盘副;电机带动电机齿轮盘副,直锥齿轮盘进行旋转,进而挡板发生周向转动,挡板周向角进行调节使得出口流场分布发生变化,实现径向进气室流动的主动控制。
所述出口轮毂与径向进气室的出口同轴设置,出口轮毂的顶面与出口轮毂的轴向垂直,出口轮毂的底面固定安装在径向进气室内,出口轮毂的顶面延伸出径向进气室出口,安装有出口轮毂的径向进气室的两侧面具有夹角。
所述密封齿盘的一端面安装在径向进气室出口的外端面上并与多个挡板焊接,具体为:
径向进气室出口的外端面上开有一个环形槽,在环形槽中部开有一个环形通槽,密封齿盘的一端面设置有凸起圆环以及分别位于凸起圆环外周和内周的多圈密封齿,密封齿盘的凸起圆环穿设于环形通槽后与多个挡板焊接,密封齿盘的多圈密封齿分别安装在环形槽中。
所述径向进气室的进口宽度大于径向进气室底部的宽度,安装有出口轮毂的径向进气室的两侧面形成的夹角为径向进气室轴向切角β1
所述出口轮毂的侧面与出口轮毂轴向形成的夹角为出口轮毂倾角α1
所述挡板的形状与径向进气室底部的中间的出口流道截面相同,挡板的上侧面与出口轮毂接触。
所述与密封齿盘相连接的径向进气室出口的外端面上涂有可磨涂层。
所述径向进气室的进口长宽比a/b,满足a/b=1.5~2,其中,a为径向进气室的进口长度,b为径向进气室的进口宽度。
所述径向进气室的出口轮毂比Dhub/Dshroud,满足Dhub/Dshroud=0.5~0.8,其中,Dhub为径向进气室的出口内径,Dshroud为径向进气室的出口外径。
所述径向进气室的进出口面积比A1/A2,满足A1/A2=2~3,其中,A1为径向进气室的进口面积,A2为径向进气室的出口面积。
本发明与现有技术相比较,具有如下有益效果:
1.在燃气轮机变工况运行时,或者当燃气轮机进气系统出现雨雪、结冰堵塞等导致的进气畸变情况发生时,通过控制挡板周向角θ,可以主动控制径向进气室出口的流场分布,防止进气畸变导致燃气轮机产生喘振,保障燃气轮机安全运行。
2.对于新研发的燃气轮机,通过控制挡板周向角θ,可以主动控制径向进气室出口的流场的畸变状态,从而考核燃气轮机在不同进气畸变情况下的失速喘振边界,为新研发的燃气轮机安全运行提供用于设置的控制参数。
附图说明
图1是本发明的轴视图。
图2是本发明零部件爆炸图。
图3是本发明的挡板、密封齿盘和直锥齿轮盘的示意图。
图4是本发明的挡板和密封齿盘的示意图。
图5是本发明的径向进气室剖面及可磨涂层的示意图。
图6是本发明的挡板及密封齿示意图。
图7是本发明的正视图。
图中:径向进气室1、挡板2、导向轮3、电机4、直锥齿轮盘5、密封齿盘6、可磨涂层7、环形通槽8、出口轮毂9、密封齿10。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明,应指出的是,所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
如图1和2所示,本发明包括径向进气室1、挡板2、导向轮3、电机4、直锥齿轮盘5、密封齿盘6和出口轮毂9;
径向进气室1一侧开口,开口和锥形台形状的出口轮毂9的一端密封连接,开口边缘和锥形台形状的出口轮毂9的一端边缘形状吻合并密封连接,径向进气室1另一侧侧壁开设有出口,出口轮毂的另一端延伸到出口中间,且径向进气室1的出口和出口轮毂9之间形成环形的出口流道,出口流道中沿圆周方向固定安装有多个支撑导流筋板,支撑导流筋板分别固定连接于出口和出口轮毂9的侧壁;多个挡板2设置在出口流道中,径向进气室1出口的外端面设有密封齿盘6,密封齿盘6与出口轮毂9同轴,密封齿盘6的一端面安装在径向进气室1出口的外端面上并与多个挡板2焊接,密封齿盘6的另一端面与直锥齿轮盘5同轴焊接,使得挡板2、密封齿盘6和直锥齿轮盘5成一体;
径向进气室1出口的外端面上还固定安装有电机4和多个导向轮3,多个导向轮3等间隔的均布在直锥齿轮盘5的外圆周,导向轮3实现直锥齿轮盘5的定位。每个导向轮3与直锥齿轮盘5啮合形成一个导向轮齿轮盘副,电机4输出轴同轴固接电机齿轮,电机齿轮与直锥齿轮盘5啮合形成电机齿轮盘副;电机4带动电机齿轮盘副,直锥齿轮盘5进行旋转,进而挡板2发生周向转动,挡板周向角进行调节使得出口流场分布发生变化,实现径向进气室流动的主动控制。
出口轮毂9与径向进气室1的出口同轴设置,出口轮毂9的顶面与出口轮毂9的轴向垂直,出口轮毂9的底面固定安装在径向进气室1内,出口轮毂9的顶面延伸出径向进气室1出口,安装有出口轮毂9的径向进气室1的两侧面具有夹角,即出口轮毂9的底面和顶面具有夹角。
如图3、4和6所示密封齿盘6的一端面安装在径向进气室1出口的外端面上并与挡板2焊接,具体为:
径向进气室1出口的外端面上开有一个环形槽,在环形槽中部开有一个环形通槽8,密封齿盘6的一端面设置有凸起圆环以及分别位于凸起圆环外周和内周的多圈密封齿10,密封齿盘6的凸起圆环穿设于环形通槽8后与多个挡板2的加强筋焊接,密封齿盘6的多圈密封齿10分别安装在环形槽中,可磨涂层7用于减少密封齿间隙,提升气体密封效果。
如图5所示,径向进气室1的进口宽度大于径向进气室1底部的宽度,安装有出口轮毂9的径向进气室1的两侧面形成的夹角为径向进气室轴向切角β1
出口轮毂9的侧面与出口轮毂9轴向形成的夹角为出口轮毂倾角α1;径向进气室轴向切角β1和出口轮毂倾角α1为控制进气畸变的几何参数。具体实施中,径向进气室轴向切角β1为10~20°,出口轮毂倾角α1为20~30°。
挡板2的形状与径向进气室1底部的中间的出口流道截面相同,挡板2的上侧面始终与出口轮毂接触,挡板2的上侧面与出口轮毂9的轴向形成的夹角为挡板倾角α2,挡板倾角α2与出口轮毂倾角α1相同,即满足α2=α1
挡板2处于竖直状态且位于出口轮毂底部时,挡板2的上侧面与出口轮毂接触,挡板2的另外三侧面分别与径向进气室1两侧的内表面和底面相接触。
径向进气室1的进口长宽比a/b,满足a/b=1.5~2,其中,a为径向进气室1的进口长度,b为径向进气室1的进口宽度。
径向进气室1的出口轮毂比Dhub/Dshroud,满足Dhub/Dshroud=0.5~0.8,其中,Dhub为径向进气室1的出口内径,Dshroud为径向进气室1的出口外径。
径向进气室1的进出口面积比A1/A2,满足A1/A2=2~3,其中,A1为径向进气室1的进口面积,A2为径向进气室1的出口面积。
挡板2周向角θ通过以下公式进行设置:
θ=f(α11,a/b,Dhub/DShroud,A1/A2,m1,DC11,DC222)
其中,α11,a/b,Dhub/DShroud和A1/A2均为径向进气室1几何参数,m1,DC11,DC22和Ω2均为径向进气室1流场参数,f为计算径向进气室1周向角θ的函数;m1径向进气室1进气流量,DC1为进口压力畸变系数,δ1为进口速度不均匀度,DC2为出口压力畸变系数,δ2为出口速度不均匀度,Ω2为出口周向气流角。
如图7所示,挡板2处于竖直状态且位于出口轮毂底部时,挡板2周向角θ满足θ=0。电机齿轮盘副的传动速比为1:17,通过电机4正转与反转控制挡板2周向角θ在-80°~+80°,从而实现径向进气室1流场的主动控制。

Claims (8)

1.一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:包括径向进气室(1)、挡板(2)、导向轮(3)、电机(4)、直锥齿轮盘(5)、密封齿盘(6)和出口轮毂(9);
径向进气室(1)一侧开口,开口和锥形台形状的出口轮毂(9)的一端密封连接,径向进气室(1)另一侧侧壁开设有出口,出口轮毂的另一端延伸到出口中间,且径向进气室(1)的出口和出口轮毂(9)之间形成出口流道,多个挡板(2)设置在出口流道中,径向进气室(1)出口的外端面设有密封齿盘(6),密封齿盘(6)的一端面安装在径向进气室(1)出口的外端面上并与多个挡板(2)焊接,密封齿盘(6)的另一端面与直锥齿轮盘(5)同轴焊接;
径向进气室(1)出口的外端面上还固定安装有电机(4)和多个导向轮(3),多个导向轮(3)等间隔的均布在直锥齿轮盘(5)的外圆周,每个导向轮(3)与直锥齿轮盘(5)啮合形成一个导向轮齿轮盘副,电机(4)输出轴同轴固接电机齿轮,电机齿轮与直锥齿轮盘(5)啮合形成电机齿轮盘副;电机(4)带动电机齿轮盘副,直锥齿轮盘(5)进行旋转,进而挡板(2)发生周向转动,挡板周向角进行调节使得出口流场分布发生变化,实现径向进气室流动的主动控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述出口轮毂(9)与径向进气室(1)的出口同轴设置,出口轮毂(9)的顶面与出口轮毂(9)的轴向垂直,出口轮毂(9)的底面固定安装在径向进气室(1)内,出口轮毂(9)的顶面延伸出径向进气室(1)出口,安装有出口轮毂(9)的径向进气室(1)的两侧面具有夹角。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述密封齿盘(6)的一端面安装在径向进气室(1)出口的外端面上并与多个挡板(2)焊接,具体为:
径向进气室(1)出口的外端面上开有一个环形槽,在环形槽中部开有一个环形通槽(8),密封齿盘(6)的一端面设置有凸起圆环以及分别位于凸起圆环外周和内周的多圈密封齿(10),密封齿盘(6)的凸起圆环穿设于环形通槽(8)后与多个挡板(2)焊接,密封齿盘(6)的多圈密封齿(10)分别安装在环形槽中。
4.根据权利要求2所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述径向进气室(1)的进口宽度大于径向进气室(1)底部的宽度,安装有出口轮毂(9)的径向进气室(1)的两侧面形成的夹角为径向进气室轴向切角β1
所述出口轮毂(9)的侧面与出口轮毂(9)轴向形成的夹角为出口轮毂倾角α1
所述挡板(2)的形状与径向进气室(1)底部的中间的出口流道截面相同,挡板(2)的上侧面与出口轮毂接触。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述与密封齿盘(6)相连接的径向进气室(1)出口的外端面上涂有可磨涂层(7)。
6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述径向进气室(1)的进口长宽比a/b,满足a/b=1.5~2,其中,a为径向进气室(1)的进口长度,b为径向进气室(1)的进口宽度。
7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述径向进气室(1)的出口轮毂比Dhub/Dshroud,满足Dhub/Dshroud=0.5~0.8,其中,Dhub为径向进气室(1)的出口内径,Dshroud为径向进气室(1)的出口外径。
8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向进气室流动主动控制装置,其特征在于:所述径向进气室(1)的进出口面积比A1/A2,满足A1/A2=2~3,其中,A1为径向进气室(1)的进口面积,A2为径向进气室(1)的出口面积。
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