CN116044523A - 一种涡轮叶片的温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种涡轮叶片的温度控制系统及方法，气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，冷却管路上设有冷却阀；第一测温单元用于测量导叶的导叶温度；当导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，控制单元控制冷却阀打开，气体罐内的气体在冷却管路、冷却通道流通，冷却导叶；气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，抽吸管路上设有抽吸阀；第二测温单元用于测量动叶的动叶温度；当动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，控制单元控制所述抽吸阀打开，气体罐内的气体经抽吸管路排出，动叶的高温气体经抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。本申请能够降低鼓风工况下的叶片温度，且不会影响涡轮系统的变工况运行。

Description

一种涡轮叶片的温度控制系统及方法

技术领域

本申请实施例涉及涡轮系统技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片的温度控制系统及方法。

背景技术

为充分利用热源能量，压缩空气储能系统常采用多级再热式涡轮，为了保证涡轮能够适应用电负荷的需求，往往变工况运行，在低负荷工况下，末级涡轮膨胀比较小，处于鼓风工况，此时涡轮叶片搅动压缩空气并对其做功，使得空气温度和叶片表面温度升高、过热，对设备寿命和安全运行带来不利影响。

相关技术中，可采用调节各级涡轮进气量的方法降低鼓风工况下的叶片温度，或者通过设计热负荷与实际负荷的匹配性、控制汽轮机最低负荷的下限值、降低进汽温度以控制排汽温度、更换涡轮末几级转子材料等方法降低鼓风工况下的叶片温度。这些方法需要对涡轮的运行工况、运行负荷、匹配特性、加工材料进行调节控制，会影响涡轮对于变工况运行的适应性。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提出一种涡轮叶片的温度控制系统及方法。

基于上述目的，本申请实施例提供了一种涡轮叶片的温度控制系统，包括：气体罐、冷却管路、抽吸管路、第一测温单元、第二测温单元、控制单元；

气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，所述冷却管路上设有冷却阀；所述第一测温单元用于测量所述导叶的导叶温度；当所述导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，所述控制单元控制所述冷却阀打开，所述气体罐内的气体在所述冷却管路、冷却通道流通，冷却所述导叶；

所述气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，所述抽吸管路上设有抽吸阀；所述第二测温单元用于测量动叶的动叶温度；当所述动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，所述控制单元控制所述抽吸阀打开，所述气体罐内的气体经所述抽吸管路排出，所述动叶的高温气体经所述抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

可选的，系统还包括气源，所述气源与所述气体罐通过进气管路相连通，所述进气管路上设于进气阀；

当所述导叶温度大于所述导叶温度阈值时，所述控制单元根据所述导叶温度控制所述进气阀和冷却阀的开度。

可选的，当所述动叶温度大于所述动叶温度阈值时，所述控制单元根据所述动叶温度控制所述进气阀和抽吸阀的开度。

可选的，当所述导叶温度大于所述导叶温度阈值、所述动叶温度大于所述动叶温度阈值时，所述控制单元根据所述导叶温度和动叶温度控制所述进气阀、冷却阀和抽吸阀的开度。

可选的，所述控制单元按照预先构建的导叶温度与进气阀、冷却阀的开度之间的关系，根据所述导叶温度确定所述进气阀、冷却阀的开度；或者，所述控制单元利用反馈控制方法，根据所述导叶温度确定所述进气阀、冷却阀的开度；

所述控制单元按照预先构建的动叶温度与进气阀、抽吸阀的开度之间的关系，根据所述动叶温度确定所述进气阀、抽吸阀的开度；或者，所述控制单元利用反馈控制方法，根据所述动叶温度确定所述进气阀、抽吸阀的开度。

可选的，所述导叶从顶部到根部贯穿设有竖直的内翅片管路，形成所述冷却通道。

可选的，所述导叶从顶部到根部贯穿设有弯折管路，形成所述冷却通道。

可选的，所述导叶从顶部到根部贯穿设有多条管路，形成所述冷却通道。

可选的，所述抽吸通道为抽吸小孔群或者抽吸缝。

本申请实施例还提供一种涡轮叶片的温度控制方法，气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，所述冷却管路上设有冷却阀；所述气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，所述抽吸管路上设有抽吸阀；方法包括：

利用第一测温单元测量导叶的导叶温度；

当所述导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，控制所述冷却阀打开，所述气体罐内的气体在所述冷却管路、冷却通道流通，冷却所述导叶；

利用第二测温单元测量动叶的动叶温度；

当所述动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，控制所述抽吸阀打开，所述气体罐内的气体经所述抽吸管路排出，所述动叶的高温气体经所述抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

从上面所述可以看出，本申请实施例提供的涡轮叶片的温度控制系统及方法，在原有涡轮系统的结构基础上，增设二次空气系统，当导叶温度大于导叶温度阈值时，控制冷却阀打开，利用冷却气体在冷却管路、冷却通道中流通，将导叶冷却；当动叶温度大于动叶温度阈值时，控制抽吸阀打开，冷却气体经抽吸管路排出，同时，动叶的高温气体经抽吸通道、抽吸管路被抽吸并排出，达到叶片降温效果。在鼓风工况下，利用二次空气系统对涡轮叶片进行温度控制，能够有效降低叶片温度，避免温度过高影响系统寿命，而且无需对运行参数进行调节，不会影响涡轮系统的变工况运行条件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的系统结构示意图；

图2为本申请实施例的控制单元的结构框图；

图3为本申请另一实施例的系统结构示意图；

图4为本申请实施例的冷却通道的结构示意图；

图5为本申请另一实施例的冷却通道的结构示意图；

图6为本申请又一实施例的冷却通道的结构示意图；

图7为本申请实施例的抽吸通道的结构示意图；

图8为本申请另一实施例的抽吸通道的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-3所示，本申请实施例提供一种涡轮叶片的温度控制系统，包括：气体罐3、冷却管路、抽吸管路、第一测温单元、第二测温单元、控制单元；

气体罐3通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，冷却管路上设有冷却阀；第一测温单元用于测量导叶的导叶温度；当导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，控制单元控制冷却阀打开，气体罐3内的气体在冷却管路、冷却通道流通，将导叶冷却；

气体罐3通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，抽吸管路上设有抽吸阀；第二测温单元用于测量动叶的动叶温度；当动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，控制单元控制抽吸阀打开，气体罐3内的气体经抽吸管路排出，动叶的高温气体经抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

本实施例中，涡轮主体包括导叶、动叶和机匣，对于末级涡轮，当其处于鼓风工况时，导叶和动叶表面温度升高、过热，会影响安全运行，降低涡轮寿命。为降低叶片温度，同时保证涡轮系统的正常工况运行，在涡轮主体结构的基础上，增加二次空气系统，利用二次空气系统对叶片温度进行降温。

二次空气系统包括用于为导叶降温的冷却通路5和用于为动叶降温的抽吸通路6。对于冷却通路5，增设的气体罐3通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，冷却管路上设有冷却阀，导叶上设有第一测温单元，利用第一测温单元采集导叶的表面温度，当采集的导叶温度大于导叶温度阈值时，控制冷却阀打开，气体罐3中的冷气经冷却管路进入导叶的冷却通道，冷气流通的过程中，将导叶的高温带走，达到冷却目的。对于抽吸通路6，气体罐3通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，抽吸管路上设有抽吸阀，动叶上设有第二测温单元，利用第二测温单元采集动叶的表面温度，当采集的动叶温度大于动叶温度阈值时，控制抽吸阀打开，气体罐3中的气体经抽吸管路排出，排出时形成抽吸效应，动叶的高温气体通过抽吸通道、抽吸管路被抽吸并排出，将动叶高温带走，达到降温目的。

一些实施例中，系统还包括气源1，气源1与气体罐3通过进气管路相连通，进气管路上设于进气阀2；当导叶温度大于导叶温度阈值时，控制单元根据导叶温度控制进气阀2和冷却阀的开度。或者，当动叶温度大于动叶温度阈值时，控制单元根据动叶温度控制进气阀2和抽吸阀的开度。或者，当导叶温度大于导叶温度阈值、动叶温度大于动叶温度阈值时，控制单元根据导叶温度和动叶温度控制进气阀2、冷却阀和抽吸阀的开度。

本实施例中，二次空气系统包括气源1，气源可以是储气罐，也可以是高压气源引流装置等，具体形式不做限定。气源1与气体罐3连通，当需要接通冷却通路5和/或抽吸通路6时，打开进气阀2使得气源1的气体进入气体罐3，气体罐3内的气体进一步流入冷却通路5为导叶降温，和/或流入抽吸通路6为动叶降温。

一些实施方式中，控制单元根据导叶温度和/或动叶温度控制进气阀2、冷却阀和/或抽吸阀的开度。例如，当导叶温度高出导叶温度阈值时，基于反馈控制方法根据导叶温度控制进气阀2和冷却阀的开度，采集当前开度下的导叶温度，如果导叶温度仍然大于导叶温度阈值，继续增加进气阀2和冷却阀的开度，直至导叶温度低于导叶温度阈值为止。或者，根据预先构建的导叶温度与进气阀2的开度之间的关系，导叶温度与冷却阀的开度之间的关系，直接根据导叶温度确定进气阀2与冷却阀的开度。

可选的，导叶温度与冷却阀的开度之间的函数关系表示为：l＝k×t^B，其中，T为导叶温度，L为开度，参数k、b可以根据涡轮结构和阀门结构，通过实验测量确定。根据动叶温度控制进气阀、抽吸阀的开度同样可以根据预先构建的函数关系或是通过反馈控制方式实现；根据导叶温度和动叶温度控制进气阀、抽吸阀、冷却阀的开度，同样可以根据预先构建的函数关系或是通过反馈控制方式实现，具体不做列举说明。可以理解的是，由于涡轮系统中不同位置的气体流速不同，不同叶片的位置不同，叶片与气流的作用强度也不同，不同叶片所达到的温度以及所需调节的温度量也不同，由此，为使各个导叶和动叶的温度均在合理的温度范围内，不同位置的冷却阀、抽吸阀的开度可以不同。

如图4所示，一些方式中，导叶从顶部到根部贯穿设有竖直的内翅片管路100，形成冷却通道。对于前缘尾缘薄，中间厚的导叶片，从导叶的顶部到根部，在导叶片的内部设置竖直的具有内翅片的管路，利用内翅片管路强化换热，带走导叶热量。

如图5所示，另一些方式中，导叶从顶部到根部贯穿设有弯折管路101，形成冷却通道。对于相对叶高较小、相对轴向长度较大，前缘到尾缘厚度变化较为均匀的导叶片，从导叶的顶部到根部，在导叶片的内部设置弯折管路，冷却空气在弯折管路中流通，能够更为充分的带走导叶热量。

如图6所示，导叶从顶部到根部贯穿设有多条管路102，形成冷却通道。对于相对叶高较大、相对轴向长度较大，前缘到尾缘厚度变化较为均匀的导叶片，从导叶的顶部到根部，在导叶片的内部设置多条管路，冷却空气在多条管路中流通，能够更充分的散热。

如图7、8所示，一些实施例中，抽吸通道为抽吸小孔群10或者抽吸缝11。当动叶的表面温度较高时，打开抽吸阀，气体罐3内的气体经抽吸管路排出，动叶表面的高温气体经机匣上的抽吸小孔群10或者抽吸缝11被抽吸并排出。抽吸小孔群或抽吸缝的分布、抽吸角度、位置等可根据涡轮结构进行设计，具体结构形式不做限定。

结合图1-3所示，于一具体实施例中，在原有涡轮系统的基础上，通过增加二次空气系统，并对动叶机匣和导叶进行结构改进，即可有效降低涡轮叶片温度。具体的，涡轮系统8的涡轮叶片包括一级导叶81、一级动叶82、二级导叶83和二级动叶84；系统包括气源1、气体罐3、用于导叶散热的冷却通路5、用于动叶散热的抽吸通路6，气源1通过进气管路与气体罐3相连通，进气管路上设有进气阀2。

气体罐3通过第一冷却管路与一级导叶81的冷却通道相连通，第一冷却管路上设有第一冷却阀51，气体罐3通过第二冷却管路与二级导叶83的冷却通道相连通，第二冷却管路上设有第二冷却阀54；一级导叶81和二级导叶83的表面设有第一测温单元T81、T82。第一测温单元采集一级导叶81和二级导叶83的表面温度，将导叶温度传输给控制单元，控制单元根据一级导叶81和二级导叶83的导叶温度判断是否达到导叶温度阈值，如果二者之一或者二者都达到了导叶温度阈值，控制进气阀2、第一冷却阀51和/或第二冷却阀54打开，气源1中的气体进入气体罐3，气体罐3中的气体进一步流入第一冷却管路和/或第二冷却管路、一级导叶81和/或二级导叶83的冷却通道，将导叶的热量带走。

气体罐3分别通过第一、第二、第三、第四抽吸管路与机匣上的第一抽吸通道71、第二抽吸通道72、第三抽吸通道73和第四抽吸通道74相连通，气体罐3与排气管路9连通，排气管路9上设有排气阀4，其中，第一抽吸通道71、第二抽吸通道72、第三抽吸通道73和第四抽吸通道74分别设置于机匣上与一级动叶82、二级动叶84相对应的位置，第一、第二、第三、第四抽吸管路上分别设有第一抽吸阀52、第二抽吸阀53、第三抽吸阀61、第四抽吸阀62；机匣上与一级动叶82的前缘、后缘对应的位置分别设有第二测温单元T71、T72，机匣上与二级动叶84的前缘、后缘对应的位置分别设有第二测温单元T73、T74。以一级动叶82为例，第二测温单元T71采集一级动叶82前缘的表面温度，将动叶温度传输给控制单元，控制单元根据一级动叶82的动叶温度判断是否达到动叶温度阈值，如果是，控制进气阀2、排气阀4、第一抽吸阀52打开，气源1中的气体进入气体罐3，气体罐3中的高压气体经排气管路9排出，在排出的同时形成抽吸效应，一级动叶82前缘的高温空气通过第一抽吸通道71、第一抽吸阀52被抽吸进入排气管路9，并经排气管路9排出，达到散热目的。

本实施例提供的涡轮叶片的温度控制系统，是在原有涡轮系统的基础上增设二次空气系统，并对叶片和机匣进行结构改进，当叶片温度高于温度阈值时，利用二次空气系统和叶片、机匣上设置的气流通路将叶片冷却，或是采用引射抽气方式将高温气体抽走排出，从而达到降低叶片温度的效果，而且成本低、实用性强，能够提高叶片寿命。由于主流通道的几何型线未发生变化，所以系统的气动性能不会受影响，由于未对系统材料和工况参数进行调整，所以不会影响涡轮系统的变工况运行。

本申请实施例还提供一种涡轮叶片的温度控制方法，气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，冷却管路上设有冷却阀；气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，抽吸管路上设有抽吸阀；方法包括：

利用第一测温单元测量导叶的导叶温度；

当导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，控制冷却阀打开，气体罐内的气体在冷却管路、冷却通道流通，冷却导叶；

利用第二测温单元测量动叶的动叶温度；

当动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，控制抽吸阀打开，气体罐内的气体经抽吸管路排出，动叶的高温气体经所述抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片的温度控制系统，其特征在于，包括：气体罐、冷却管路、抽吸管路、第一测温单元、第二测温单元、控制单元；

气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，所述冷却管路上设有冷却阀；所述第一测温单元用于测量所述导叶的导叶温度；当所述导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，所述控制单元控制所述冷却阀打开，所述气体罐内的气体在所述冷却管路、冷却通道流通，冷却所述导叶；

所述气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，所述抽吸管路上设有抽吸阀；所述第二测温单元用于测量动叶的动叶温度；当所述动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，所述控制单元控制所述抽吸阀打开，所述气体罐内的气体经所述抽吸管路排出，所述动叶的高温气体经所述抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括气源，所述气源与所述气体罐通过进气管路相连通，所述进气管路上设于进气阀；

当所述导叶温度大于所述导叶温度阈值时，所述控制单元根据所述导叶温度控制所述进气阀和冷却阀的开度。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

当所述动叶温度大于所述动叶温度阈值时，所述控制单元根据所述动叶温度控制所述进气阀和抽吸阀的开度。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

当所述导叶温度大于所述导叶温度阈值、所述动叶温度大于所述动叶温度阈值时，所述控制单元根据所述导叶温度和动叶温度控制所述进气阀、冷却阀和抽吸阀的开度。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述控制单元按照预先构建的导叶温度与进气阀、冷却阀的开度之间的关系，根据所述导叶温度确定所述进气阀、冷却阀的开度；或者，所述控制单元利用反馈控制方法，根据所述导叶温度确定所述进气阀、冷却阀的开度；

所述控制单元按照预先构建的动叶温度与进气阀、抽吸阀的开度之间的关系，根据所述动叶温度确定所述进气阀、抽吸阀的开度；或者，所述控制单元利用反馈控制方法，根据所述动叶温度确定所述进气阀、抽吸阀的开度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导叶从顶部到根部贯穿设有竖直的内翅片管路，形成所述冷却通道。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导叶从顶部到根部贯穿设有弯折管路，形成所述冷却通道。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导叶从顶部到根部贯穿设有多条管路，形成所述冷却通道。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述抽吸通道为抽吸小孔群或者抽吸缝。

10.一种涡轮叶片的温度控制方法，其特征在于，气体罐通过冷却管路与导叶的冷却通道相连通，所述冷却管路上设有冷却阀；所述气体罐通过抽吸管路与动叶机匣上的抽吸通道相连通，所述抽吸管路上设有抽吸阀；方法包括：

利用第一测温单元测量导叶的导叶温度；

当所述导叶温度大于预设的导叶温度阈值时，控制所述冷却阀打开，所述气体罐内的气体在所述冷却管路、冷却通道流通，冷却所述导叶；

利用第二测温单元测量动叶的动叶温度；

当所述动叶温度大于预设的动叶温度阈值时，控制所述抽吸阀打开，所述气体罐内的气体经所述抽吸管路排出，所述动叶的高温气体经所述抽吸通道、抽吸管路被抽吸、排出。

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