一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置
阅读说明：本技术 一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置 (Ejector device of exhaust volute of marine gas turbine ) 是由 施红 季雷 张倩维 康传智 胡亮春 王蛟 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置,该装置中设计了由内向外环套设置、且可调节引射面积的多级喷嘴,最中心的一级波瓣喷嘴与方转圆内喷管管口贯通相接、其余三个波瓣喷嘴高度可调地活动套设在其外部；该设计解决了船用燃气轮机在不同工况下烟气速度不同导致的箱装体引射冷却问题,提高了燃气轮机不同工况下烟气能量的利用效率：在保证燃气轮机不同工况下引射能力的同时有效降低了不同工况下排气的压力损失；同时可针对不同工况下燃气轮机箱装体内的温度进行良好的控制。(The invention discloses an injection device of a marine gas turbine exhaust volute, wherein a multistage nozzle which is arranged from inside to outside in a ring sleeve mode and can adjust injection area is designed in the injection device, a centremost first-stage lobe nozzle is communicated with a square-turn round inner nozzle pipe orifice, and the other three lobe nozzles are movably sleeved outside the injection device in a height-adjustable mode; this design has been solved marine gas turbine and has been drawn and penetrate the cooling problem at the box packing body that the flue gas velocity difference leads to under different work condition, has improved the utilization efficiency of flue gas energy under the different work condition of gas turbine: the injection capacity of the gas turbine under different working conditions is ensured, and the exhaust pressure loss under different working conditions is effectively reduced; meanwhile, the temperature in the gas turbine box package under different working conditions can be well controlled.)
技术领域
本发明属于船舶燃气轮机技术领域，尤其涉及一种船用燃气轮机箱装体环境控制装置，具体是涉及一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置。
背景技术
船用燃气轮机排气引射器的结构和气动性能是燃气轮机装舰技术研究的重要方向。燃气轮机运行时工作温度高，燃烧室表面散热量大。因此，当燃气轮机在封闭的箱装体内运行时，燃烧室一方面通过表面辐射及对流换热释放热量，法兰连接处还有高温气体泄漏的现象，使得箱装体的内表面温度及箱装体内的空气温度急剧升高，进而使得安装在燃气轮机上的电气控制元件、起动机等附件的温度超过其使用限制。同时，当箱装体内温度过高时，会导致箱装体外表面对机舱的换热量增加，该情况明显不利于工作人员进行安全生产，会显著危害工作人员的健康。
因而，对燃气轮机箱装体进行冷却处理极有必要，现有技术中，燃气轮机箱装体的冷却通常采用两种方式进行：(1)停机时，采用风机引气对箱装体进行强制冷却；(2)工作时，采用燃气轮机排气动能引射环境中的空气对箱装体进行引射冷却。上海交通大学学报第34卷第9期公开过一篇关于燃气轮机排气引射冷却系统的数学模型及其计算的文章，其内公开了一个多级排气引射冷却装置的示意图，冷却空气从各级扩压环的缝隙处被管内高温燃气引射，使排气管壁面与燃气隔离，减少了热燃气对壁面的对流换热，降低壁面温度，有效抑制壁面的红外辐射，在运行工况下，该装置受到强迫对流换热、导热及管壁与气体之间辐射换热的耦合传热作用，可有效改善箱装体环境。
但是，需要注意的是，使用引射冷却方式时，引射量的大小成为引射器及其箱装体结构设计的目标参数。引射量过大，会导致进气管路结构尺寸过大，不利于箱装体在机舱中的结构布置。引射量过小，则表明引射器引射能力不足导致箱装体表面及内部附件温度过高，进而导致燃气轮机运行故障。因而现有技术中公开的引射冷却装置存在引射能力不可调的缺陷。此外，燃气轮机在运行时，存在低速、高速这类不同运行工况，不同的运行工况下燃气轮机的排气性能不一，因此，面临不同的运行工况，设计合理的引射器结构使其满足全包线运行工况下的引射需求成为目前引射器设计的瓶颈，是该领域目前亟需解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船用燃气轮机箱装体环境控制装置，具体是一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置，综合考虑船用燃气轮机不同工况下的工作状态，对从喷嘴流出的烟气速度进行控制，在减小燃气轮机排气压损及排气系统其他组件负荷的前提下，改善烟气的引射能力，从而对燃气轮机箱装体内的温度进行更有效的控制。
本发明公开的技术方案如下：一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置，包括多级喷嘴、烟气导出装置和控制模块；烟气导出装置包括方转圆内喷管和底座，底座与燃气轮机排气蜗壳外表面固定连接，方转圆内喷管与排气口贯通相接；多级喷嘴包括内向外依次环套设置的一级波瓣喷嘴、二级波瓣喷嘴、三级波瓣喷嘴和四级波瓣喷嘴，一级波瓣喷嘴与方转圆内喷管管口贯通相接、其余三个波瓣喷嘴高度可调地活动套设在其外部；控制模块包括一级高度调控组件、二级高度调控组件、三级高度调控组件、流速仪、电机和主控制器，电机和流速仪分别与主控制器电性连接，流速仪的测速端伸至方转圆内喷管中，一级高度调控组件、二级高度调控组件和三级高度调控组件分别由电机控制对应控制二级波瓣喷嘴、三级波瓣喷嘴和四级波瓣喷嘴的高度。
进一步地，二级波瓣喷嘴底部的一级高度调控组件包括一级连接环、支撑杆和一级液压杆，二级波瓣喷嘴底部固定在一级连接环上方，支撑杆底部与底座固定连接，一级液压杆顶部与一级连接环底部固定连接，在电机作用下，一级液压杆可收缩至支撑杆内腔中。
进一步地，三级波瓣喷嘴底部的二级高度调控组件包括二级连接环、支撑杆、一级液压杆和二级液压杆，三级波瓣喷嘴底部固定在二级连接环上方，支撑杆底部与底座固定连接，二级液压杆顶部与二级连接环底部固定连接，在电机作用下，一级液压杆和二级液压杆均可收缩至支撑杆的内腔中。
进一步地，四级波瓣喷嘴底部的三级高度调控组件包括三级连接环、支撑杆、一级液压杆、二级液压杆和三级液压杆，四级波瓣喷嘴底部固定在三级连接环上方，支撑杆底部与底座固定连接，三级液压杆顶部与三级连接环底部固定连接，在电机作用下，一级液压杆、二级液压杆和三级液压杆均可收缩至支撑杆的内腔中。
进一步地，在一级连接环底部设有数组一级高度调控辅助件，一级高度调控辅助件包括辅助支撑杆和设在其顶部的一级伸缩杆，辅助支撑杆底部与底座固定连接，一级伸缩杆顶部与一级连接环底部固定连接，一级伸缩杆与一级液压杆的长度相同，辅助支撑杆与支撑杆的长度相同，一级伸缩杆可被动收缩至辅助支撑杆内腔中。
进一步地，在二级连接环底部设有数组二级高度调控辅助件，二级高度调控辅助件包括辅助支撑杆、一级伸缩杆和二级伸缩杆，辅助支撑杆底部与底座固定连接，二级伸缩杆顶部与二级连接环底部固定连接，一级伸缩杆和二级伸缩杆的长度分别与一级液压杆和二级液压杆的长度相同，辅助支撑杆与支撑杆的长度相同，一级伸缩杆和二级伸缩杆均可被动收缩至辅助支撑杆的内腔中。
进一步地，在三级连接环底部设有两组三级高度调控辅助件，三级高度调控辅助件包括辅助支撑杆、一级伸缩杆、二级伸缩杆和三级伸缩杆，辅助支撑杆底部与底座固定连接，三级伸缩杆顶部与三级连接环底部固定连接，一级伸缩杆、二级伸缩杆和三级伸缩杆的长度分别与一级液压杆、二级液压杆和三级液压杆的长度对应相同，辅助支撑杆与支撑杆的长度相同，一级伸缩杆、二级伸缩杆和三级伸缩杆均可被动收缩至辅助支撑杆的内腔中
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1.本申请公开的燃气轮机排气蜗壳的引射装置可根据不同工况进行引射状态的调整，低速工况时，烟气通过较小的波瓣喷嘴进行加速以提高低速工况的引射能力，随着工况等级的升高，逐步增加波瓣喷嘴的使用数量，使得烟气能通过多级波瓣喷嘴的减速遏制超出需求的引射能力，该装置可在保证燃气轮机不同工况下引射能力的同时有效降低不同工况下排气系统的压力损失，提高燃气轮机的工作效率；
2.本申请通过设计可调面积的波瓣喷嘴，解决了燃气轮机在不同工况下烟气速度不同导致的箱装体引射冷却的问题，提高了燃气轮机不同工况下烟气能量的利用效率，可对箱装体内的温度进行良好的控制；
3.本申请除了设计主动升降的一、二、三级高度调控组件外，还设计了辅助升降的一、二、三级高度调控辅助件，可有效提升波瓣喷嘴位置调控和使用过程中的稳定性。
附图说明
图1是一种船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置初始状态下的结构示意图；
图2是图1所示引射装置在去掉二级波瓣喷嘴、三级波瓣喷嘴和四级波瓣喷嘴后的结构示意图；
图3是船用燃气轮机在40％-65％工况时，引射装置的使用状态图；
图4是船用燃气轮机在65％-85％工况时，引射装置的使用状态图；
图5是船用燃气轮机在85％-100％工况时，引射装置的使用状态图；
图6是多级喷嘴的结构示意图；
其中，1-多级喷嘴，2-烟气导出装置，3-控制模块；
21-方转圆内喷管，22-底座；
11-一级波瓣喷嘴，12-二级波瓣喷嘴，13-三级波瓣喷嘴，14-四级波瓣喷嘴；
31-一级高度调控组件，32-二级高度调控组件，33-三级高度调控组件，34-流速仪，35-电机，36-主控制器，37-一级高度调控辅助件，38-二级高度调控辅助件，39-三级高度调控辅助件；
311-一级连接环，312-支撑杆，313-一级液压杆；
321-二级连接环，322-二级液压杆；
331-三级连接环，332-三级液压杆；
371-辅助支撑杆，372-一级伸缩杆；
381-二级伸缩杆；
391-三级伸缩杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
为了适应燃气轮机的不同使用工况，能在保证箱装体冷却效果的同时降低燃机的工作负荷，减小排气系统的压力损失，本实施方式中对引射装置做了进一步地改进，设计出了一种新型船用燃气轮机排气蜗壳的引射装置；
该引射装置包括多级喷嘴1、烟气导出装置2和控制模块3；
烟气导出装置2包括方转圆内喷管21和底座22，底座22与燃气轮机排气蜗壳外表面固定连接，方转圆内喷管21与排气蜗壳的排气口贯通相接；
多级喷嘴1由从内向外依次环套设置的四个波瓣型喷嘴组成，四个波瓣型喷嘴的形貌相似但大小不同，从内向外依次是一级波瓣喷嘴11、二级波瓣喷嘴12、三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14，一级波瓣喷嘴11与方转圆内喷管21管口贯通相接，二级波瓣喷嘴12、三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14高度可调地活动套设在一级波瓣喷嘴11的外部；
控制模块3包括一级高度调控组件31、二级高度调控组件32、三级高度调控组件33、流速仪34、电机35和主控制器36，电机35和流速仪34分别与主控制器36电性连接，流速仪34的测速端伸至方转圆内喷管21中用于测定烟气流速，一级高度调控组件31、二级高度调控组件32和三级高度调控组件33分别由电机控制对应进行二级波瓣喷嘴12、三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14的高度调整工作。
二级波瓣喷嘴12底部的一级高度调控组件31包括一级连接环311、支撑杆312和一级液压杆313，二级波瓣喷嘴12底部固定在一级连接环311上方，支撑杆底部与底座22固定连接，一级液压杆313顶部与一级连接环311底部固定连接，在电机35作用下，一级液压杆313可收缩至支撑杆312内腔中。
三级波瓣喷嘴13底部的二级高度调控组件32包括二级连接环321和从下至上依次设置的支撑杆312、一级液压杆313和二级液压杆322，三级波瓣喷嘴13底部固定在二级连接环321上方，支撑杆312底部与底座22固定连接，二级液压杆322顶部与二级连接环321底部固定连接，在电机35作用下，一级液压杆313和二级液压杆322均可收缩至支撑杆312的内腔中。
四级波瓣喷嘴14底部的三级高度调控组件33包括三级连接环331和从下至上依次设置的支撑杆312、一级液压杆313、二级液压杆322和三级液压杆332，四级波瓣喷嘴14底部固定在三级连接环331上方，支撑杆312底部与底座22固定连接，三级液压杆332顶部与三级连接环331底部固定连接，在电机35作用下，一级液压杆313、二级液压杆322和三级液压杆332均可收缩至支撑杆312的内腔中。
为了提升二级波瓣喷嘴12、三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14在高度调整过程中的运动稳定性，在一级连接环311底部还设有两组一级高度调控辅助件37，一级高度调控辅助件37包括辅助支撑杆371和设在其顶部的一级伸缩杆372，辅助支撑杆底部与底座22固定连接，一级伸缩杆372顶部与一级连接环311底部固定连接，一级伸缩杆372与一级液压杆313的长度相同，辅助支撑杆371与支撑杆312的长度相同，一级伸缩杆372可被动收缩至辅助支撑杆371内腔中。
在二级连接环321底部设有两组二级高度调控辅助件38，二级高度调控辅助件38包括从下至上依次设置的辅助支撑杆371、一级伸缩杆372和二级伸缩杆381，辅助支撑杆371底部与底座22固定连接，二级伸缩杆381顶部与二级连接环321底部固定连接，一级伸缩杆372和二级伸缩杆381的长度分别与一级液压杆313和二级液压杆322的长度相同，辅助支撑杆371与支撑杆312的长度相同，一级伸缩杆372和二级伸缩杆381均可被动收缩至辅助支撑杆371的内腔中。
在三级连接环331底部设有两组三级高度调控辅助件39，三级高度调控辅助件39包括从下至上依次设置的辅助支撑杆371、一级伸缩杆372、二级伸缩杆381和三级伸缩杆391，辅助支撑杆371底部与底座22固定连接，三级伸缩杆391顶部与三级连接环331底部固定连接，一级伸缩杆372、二级伸缩杆381和三级伸缩杆391的长度分别与一级液压杆313、二级液压杆322和三级液压杆332的长度对应相同，辅助支撑杆371与支撑杆312的长度相同，一级伸缩杆372、二级伸缩杆381和三级伸缩杆391均可被动收缩至辅助支撑杆371的内腔中。
一级高度调控辅助件37、二级高度调控辅助件38和三级高度调控辅助件39的设置位置相对应，且为了进一步保证运动过程稳定性，如图1所示，高度调控辅助件均设置在高度调控组件相对的一侧。
控制装置根据流速仪34测量出的烟道中心的烟气速度判断燃气轮机此时的工况，并驱动电机调整液压杆的位置，使得多级波瓣喷嘴的高度位于适合当前工况的位置。
具体地：
(1)船用燃气轮机工况在0％-40％之间时
当流速仪34测量此时烟气的流速数值在燃气轮机0％-40％工况时，主控制器36驱动电机35工作，使得所有液压杆和伸缩杆均位于最低处，具体如图1所示，此时四个波瓣型喷嘴处于同一高度位置；
(2)船用燃气轮机工况在40％-65％之间时
当流速仪34测量此时烟气的流速数值在燃气轮机40％-65％工况时，主控制器36驱动电机35控制一级高度调控组件31、二级高度调控组件32和三级高度调控组件33上的一级液压杆313均完全伸出，带动一级高度调控辅助件31、二级高度调控辅助件38和三级高度调控辅助件39上的一级伸缩杆372均完全伸出，具体如图3所示，此时二级波瓣喷嘴12、三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14处于同一高度位置且均高于一级波瓣喷嘴11设置；
(3)船用燃气轮机工况在65％-85％之间时
当流速仪34测量此时烟气的流速数值在燃气轮机65％-85％工况时，主控制器36驱动电机35控制一级高度调控组件31的一级液压杆313完全伸出，带动一级高度调控辅助件37上的一级伸缩杆372完全伸出，而二级高度调控组件32和三级高度调控组件33上的一级液压杆313和二级液压杆322完全伸出，带动二级高度调控辅助件38和三级高度调控辅助件39上的一级伸缩杆372和二级伸缩杆381均完全伸出，具体如图4所示，此时二级波瓣喷嘴12高于一级波瓣喷嘴11设置，三级波瓣喷嘴13和四级波瓣喷嘴14处于同一高度位置且均高于二级波瓣喷嘴12设置；
(4)船用燃气轮机工况在85％-100％之间时
当流速仪34测量此时烟气的流速数值在燃气轮机85％-100％工况时，主控制器36驱动电机35控制一级高度调控组件31的一级液压杆313完全伸出，带动一级高度调控辅助件37上的一级伸缩杆372完全伸出；电机35同时控制二级高度调控组件32上的一级液压杆313和二级液压杆322完全伸出，带动二级高度调控辅助件38上的一级伸缩杆372和二级伸缩杆381均完全伸出；电机控制三级高度调控组件33上的一级液压杆313、二级液压杆322和三级液压杆332都完全伸出，带动三级高度调控辅助件39上的一级伸缩杆372、二级伸缩杆381和三级伸缩杆391均完全伸出；具体如图5所示，此时二级波瓣喷嘴12高于一级波瓣喷嘴11设置，三级波瓣喷嘴13高于二级波瓣喷嘴12设置；四级波瓣喷嘴14高于三级波瓣喷嘴13设置；
从上述使用方法可知，本实施方式中公开的引射装置可根据不同工况条件进行使用方式的调整，船用燃气轮机在低速工况、烟气质量流量较小时，烟气通过较小的波瓣使其加速以提高低速工况的引射能力，以满足低速工况时箱装体冷却的要求。在高速工况下、烟气质量流量较大时，烟气通过多级波瓣喷嘴的减速遏制超出需求的引射能力，保证满足高速工况箱装体冷却要求的同时，降低燃机的工作负荷，减小排气系统的压力损失。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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