一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构
阅读说明：本技术 一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构 (Dynamic and continuous adjustable structure for movable blade top clearance suitable for impeller machinery ) 是由 朱阳历 陈海生 李文 张雪辉 王星 李辉 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构,气封环内圈设置若干气封齿,同时满足静叶机匣和动叶叶顶的密封功能；气封环外侧设置轴向调整机构、叶顶间隙监测传感器等零部件,叶轮机械运行时,通过步进电机控制气封环沿轴向的移动来实现动动叶叶顶部间隙的动态连续可调变化。本发明的气封环上设置了一定数量的、多种结构的密封齿,可以保证对气封环与静叶机匣之间、气封环与动叶顶部之间气体的有效密封,并通过动叶顶部间隙在运行过程中的连续可调,使叶轮机械工作在最佳叶顶间隙条件下,可以减小叶顶泄漏流动、提高叶轮机械效率,同时该结构也适用于叶轮机械内部流场研究。(The invention relates to a dynamic and continuous adjustable structure of a movable blade top gap suitable for an impeller machine.A plurality of air seal teeth are arranged on an inner ring of an air seal ring, and simultaneously, the sealing function of a static blade casing and the sealing function of the movable blade top are met; the outer side of the air seal ring is provided with an axial adjusting mechanism, a blade top gap monitoring sensor and other parts, and when the impeller machinery runs, the air seal ring is controlled by the stepping motor to move along the axial direction so as to realize dynamic continuous adjustable change of the top gap of the movable blade. The sealing ring is provided with a certain number of sealing teeth with various structures, so that effective sealing of gas between the sealing ring and the stationary blade casing and between the sealing ring and the tops of the movable blades can be guaranteed, the top clearance of the movable blades can be continuously adjusted in the operation process, the impeller machinery can work under the condition of the optimal top clearance, the leakage flow of the blade tops can be reduced, the efficiency of the impeller machinery can be improved, and meanwhile, the structure is also suitable for the research of an internal flow field of the impeller machinery.)
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种叶动叶顶间隙调节结构，具体地说是一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构。
背景技术
叶轮机械广泛应用于鼓风机、压缩机、蒸汽轮机、地面燃气轮机、航空发动机等领域，是电力以及各种动力的主要来源。叶轮机械中的旋转叶片(即动叶)与机匣之间都存在叶顶间隙，动叶叶顶间隙处的工质泄漏会降低叶轮机械的能量转换效率，增强流体对叶尖的扰动，造成能量损失，危害叶轮机械运行安全。大多数叶轮机械的动叶叶顶间隙为固定值，为了保证叶轮机械的运行可靠性，设计者会根据理论计算值对叶顶间隙的实际取值留一定裕量，这样就会降低叶轮机械的运行效率。而目前已应用的一些叶顶间隙主动控制技术例如薄片状波纹管或者弹簧片机匣结构，存在气体控制机构复杂、控制有滞后性、机匣圆度不容易保证、重复定位精度不高、运行过程容易产生周向非均匀变形、热变形不容易预估、不能承受较大压差等缺点，因此本发明提出了一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构，以提高动叶叶顶间隙可调结构的可靠性及控制效果。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提出了一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构，通过动叶顶部间隙在运行过程中的动态连续可调，使得叶轮机械的动叶工作在最佳叶顶间隙条件下，可以减小动叶叶顶泄漏、提高叶轮机械的效率和运行的可靠性，同时该结构也适用于叶轮机械内部流动研究，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构，包括沿周向均匀固定设置在主轴上的动叶、与所述动叶同轴设置并分别位于所述动叶的上游及下游的上游静叶及下游静叶、以及至少一气封环轴向调整机构，所述上游静叶、下游静叶的叶顶分别固定设置在环状的上游静叶机匣及下游静叶机匣的内壁上，其特征在于，
所述上游静叶机匣与下游静叶机匣之间具有轴向间隙，所述轴向间隙在径向上位于所述动叶叶顶的外侧，
所述上游静叶机匣、下游静叶机匣的靠近所述轴向间隙的外壁边缘上均形成一主台阶面，且每一所述主台阶面上均设置有沿周向布置的密封齿，
相对的两所述主台阶面之间设置一沿轴向延伸的气封环，所述气封环的内壁上形成一环状凸起，所述环状凸起上设置有沿周向布置的第一密封齿，在轴向上位于所述环状凸起两侧的所述气封环的内壁上设置有沿周向布置的第二密封齿；
所述动叶叶顶设置有叶冠，所述叶冠的子午面型线呈斜坡或高低台阶状，用以与所述第一密封齿配合形成动叶叶顶气封；
位于所述第一密封齿上游的第二密封齿与所述上游静叶机匣的主台阶面上的密封齿交错排列形成高压侧静叶外环密封；
位于所述第一密封齿下游的第二密封齿与所述下游静叶机匣的主台阶面上的密封齿交错排列形成低压侧静叶外环密封；
所述气封环轴向调整机构，包括一丝杠或一齿条、一与所述丝杠配合使用的螺母或一与所述齿条配合使用的齿轮、一步进电机、至少一叶顶间隙监测传感器和一控制单元，其中，
所述丝杠或齿条沿轴向延伸，其两端分别通过一定位支座固定支撑在所述上游静叶机匣、下游静叶机匣的外壁上；
所述螺母或齿轮通过其基座设置在气封环上，所述步进电机设置在所述螺母或齿轮的基座上，并与所述螺母或齿轮传动连接；
所述叶顶间隙监测传感器固定设置在所述气封环的环状凸起上，用以实时动态测量所述环状凸起上的第一密封齿与所述动叶叶顶上的叶冠之间的叶顶间隙；
所述步进电机、叶顶间隙监测传感器均与所述控制单元通信连接，所述叶顶间隙监测传感器采集的叶顶间隙信息传输至所述控制单元，所述控制单元根据所述叶顶间隙信息控制所述步进电机的转动，继而通过调节所述气封环的轴向移动实现对所述动叶叶顶间隙的动态连续调节。
优选地，所述上游静叶、下游静叶的叶根与所述主轴之间均设有轴封。
优选地，所述气封环内壁上的环状凸起以及所述动叶叶顶上的叶冠均部分伸出至所述轴向间隙中。
优选地，所述气封环沿轴向的宽度小于所述上游静叶机匣、下游静叶机匣的主台阶面之间的宽度，且所述环状凸起沿轴向的宽度小于轴向间隙的宽度，使得所述气封环具有沿轴向移动的空间。
优选地，所述气封环两端的内壁上也形成为台阶面结构，所述上游静叶机匣、下游静叶机匣的主台阶面上分别形成有与所述气封环内壁上的台阶面相互配合的二级台阶面，所述气封环在轴向移动时，其两端内壁上的台阶面搭接在所述二级台阶面上形成面密封。
优选地，设置在所述气封环内壁上的第二密封齿、设置在所述环状凸起上的第一密封齿以及设置在所述上游静叶机匣、下游静叶机匣的台阶面上的密封齿，均通过镶嵌或焊接的方式进行设置，且各位置处的密封齿的结构形式为梳齿、枞树型齿、J型气封、蜂窝式密封齿或刷式密封齿。
本发明的适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构中，所述气封环主要用于对气封环与静叶机匣外壁上的台阶面之间、气封环与动叶顶部之间气体流动的有效密封，气封环内壁上设置了一定数量的密封齿，静叶机匣外壁上的台阶面设置了一定数量的密封齿，静叶机匣外壁上的台阶面与气封环内壁上的密封齿交错排列，用于对应位置的流体密封。密封齿主要为密封作用，但也有一定的辅助支撑作用。密封段的长度、以及密封齿的结构型式根据压力等级设计。
优选地，每一所述定位支座的底部设置有调整块，通过调节所述调整块的厚度调节所述气封环与所述上游静叶机匣、下游静叶机匣及主轴的同心度，通过控制所述螺母或齿轮在所述丝杠或齿条上的轴向位置来实现所述气封环沿轴向的移动。
优选地，由于丝杠和步进电机具有重量轻、成本低、定位精度高的优点，因此，本发明的气封环轴向调整机构，优选丝杠和步进电机相互配合的方式来实现气封环沿轴向的移动。装配完成后，气封环与静止件之间的相对位置需要标定，作为叶轮机械运行过程中叶顶间隙的控制的输入参数。丝杠两端的定位支座下方的垫块能调整气封环与转子的同轴度。丝杠的旋转方向设有丝杠定位螺栓，丝杠的表面上对应开设有键槽，键槽沿轴向有一定长度，保证可调，全部调整好之后，须进行轴向限位。优选地，丝杠两端的定位支座沿周向方向的两侧设有紧固螺栓，以节省整个机械结构的轴向长度。本发明的气封环轴向调整机构中，步进电机在运行时产生的推力要大于气封环承受的最大轴向推力及密封齿与静止件接触的摩擦力之和，以保证气封环能够沿轴向顺畅运动。
优选地，所述气封环的环状凸起上沿其周向均匀设置有多个所述叶顶间隙监测传感器，各所述叶顶间隙监测传感器均与所述控制单元通信连接，所述控制单元通过多个所述叶顶间隙监测传感器所采集到的叶顶间隙信息判断所述气封环相对于所述主轴的偏心情况。
本发明的适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构中，所述叶顶间隙监测传感器用于测量气封环内壁环状凸起上的密封齿与动叶顶部叶冠之间的叶顶间隙，全周设置多个叶顶间隙监测传感器计算偏心情况，相关数据反馈给测控单元进行分析和控制。
优选地，所述叶轮机械为压气机，所述动叶叶顶不设置叶冠，所述气封环的环状凸起上不设置第一密封齿，所述环状凸起形成为与所述动叶叶顶的斜度相同的锥形圆环。由于压气机叶顶一般不带叶冠，因此应用于压气机叶顶密封结构时，动叶顶部对应的环状凸起设置为与叶顶斜度相同的锥形圆环即可。
优选地，所述气封环上还设置有气动参数测量传感器，所述气动参数测量传感器设置在各动叶排之间或设置在密封齿与叶片排之间，随所述气封环沿轴向移动。
优选地，所述气封环为整体式筒状结构或中分面剖分、采用紧固件连接的分体式结构，所述气封环的厚度及轴向长度根据内外漏位置的压差、温度决定。
根据本发明的另一方面，还提供了一种叶轮机械，其特征在于，所述叶轮机械中设置有本发明的上述适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构。
本发明的上述适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构，其动叶叶顶间隙在一定范围内可调，可以最大限度地提高叶轮机械的运行效率，并且设计有轴向限位及同心度调整方案，具备良好的加工、装配、运行的实用性，还适用于间隙泄漏特性及其对转子动力学的影响等相关研究。
同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：
1、本发明的适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构，通过动叶顶部间隙在运行过程中的动态连续可调，使得叶轮机械的动叶工作在最佳叶顶间隙条件下，可以减小动叶叶顶泄漏、提高叶轮机械的效率和运行的可靠性，同时该结构也适用于叶轮机械内部流动研究。
2、与现有的气压、弹簧组合结构相比，气封环在气封环轴向调整机构的控制下沿轴向移动，其控制精度、重复定位精度、可靠性都更高，且反应灵敏，控制过程没有滞后或超调现象。
3、相比薄片波纹管或者弹簧片机匣的叶顶间隙可调结构，本发明采用的气封环刚性好，可以承受较大的压差，不会因为内部气压周向分布不均匀而产生非均匀变形，长期运转也不会产生塑性变形。
附图说明
图1为适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构示意图；
图2为图1中间隙a～c的局部放大图；
图3为图1中间隙d～i的局部放大图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例如图1～3所示。图1为本发明的适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调结构的整体结构示意图，该动叶叶顶间隙动态连续可调结构，主要由主轴1、动叶2、静叶机匣3、轴封4、高压侧静叶外环密封5、叶冠6、动叶叶顶气封7、低压侧静叶外环密封8、气封环9、丝杆10、步进电机11、定位支座12、叶顶间隙监测传感器13、丝杆定位螺栓14、丝杆锁紧螺母15等部件组成，图中R代表转子动叶片，S代表导叶静叶片。丝杠10的同心度调好后通过定位支座12旁边的双螺母限位，或者采用单个螺母加平垫和弹垫。具体地，本发明的适用于叶轮机械的动叶叶顶间隙动态连续可调的结构，包括沿周向均匀固定设置在主轴1上的动叶2、与动叶2同轴设置并分别位于动叶2的上游及下游的上游静叶3及下游静叶3、以及至少一气封环轴向调整机构，上游静叶3、下游静叶3的叶顶分别固定设置在环状的上游静叶机匣16及下游静叶机匣16的内壁上，上游静叶3、下游静叶3与主轴1之间均设有轴封4。上游静叶机匣16与下游静叶机匣16之间具有轴向间隙，轴向间隙在周向上位于动叶2叶顶的外侧；上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的靠近轴向间隙的外壁边缘上均形成一台阶面，且每一台阶面上均设置有沿周向布置的密封齿；相对的两台阶面之间设置一沿轴向延伸的气封环9，气封环9的内壁上形成一环状凸起，环状凸起上设置有沿周向布置的第一密封齿，在轴向上位于环状凸起两侧的气封环的内壁上设置有沿周向布置的第二密封齿；动叶叶顶设置有叶冠6，叶冠6的子午面型线呈斜坡或高低台阶状，用以与第一密封齿配合形成动叶叶顶气封7，气封环9内壁上的环状凸起以及动叶叶顶上的叶冠6均部分伸出至轴向间隙中；位于第一密封齿上游的第二密封齿与上游静叶机匣16的台阶面上的密封齿交错排列形成高压侧静叶外环密封5；位于第一密封齿下游的第二密封齿与下游静叶机匣16的台阶面上的密封齿交错排列形成低压侧静叶外环密封8；气封环9沿轴向的宽度小于上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的主台阶面之间的宽度，且环状凸起沿轴向的宽度小于轴向间隙的宽度，使得气封环9具有沿轴向移动的空间；气封环9两端的内壁上也形成为台阶面结构，上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的主台阶面上分别形成有与所述气封环9内壁上的台阶面相互配合的二级台阶面，气封环9在轴向移动时，其两端内壁上的台阶面搭接在二级台阶面上形成面密封。气封环轴向调整机构，包括一丝杠、一与丝杠配合使用的螺母、一步进电机11、至少一叶顶间隙监测传感器13和一控制单元，其中，丝杠10沿轴向延伸，其两端分别通过一定位支座12固定支撑在上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的外壁上；螺母通过其基座设置在气封环9上，步进电机11设置在螺母的基座上，并与螺母传动连接；叶顶间隙监测传感器13固定设置在气封环9的环状凸起上，用以实时动态测量环状凸起上的第一密封齿与动叶叶顶上的叶冠之间的叶顶间隙；步进电机11、叶顶间隙监测传感器13均与控制单元通信连接，叶顶间隙监测传感器13采集的叶顶间隙信息传输至控制单元，控制单元根据叶顶间隙信息控制步进电机11的转动，继而通过调节气封环9的左右移动实现对动叶叶顶间隙的动态连续调节。
上述结构中，气封环9主要用于对气封环与静叶机匣外壁之间、气封环与动叶顶部之间气体流动的有效密封，气封环内圈镶嵌了一定数量的密封齿，静叶环外圈镶嵌了一定数量的密封齿，静叶环外圈与气封环内圈的密封齿交错排列，用于对应位置的流体密封。密封齿主要为密封作用，但也有一定的辅助支撑作用。密封段的长度、以及密封齿的结构型式根据压力等级设计。
进一步地，设置在气封环9的内壁上的第二密封齿、设置在环状凸起上的第一密封齿以及设置在上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的台阶面上的密封齿，均通过镶嵌或焊接的方式进行设置，且各位置处的密封齿的结构形式为梳齿、枞树型齿、J型气封、蜂窝式密封齿或刷式密封齿。由于丝杠和步进电机具有重量轻、成本低、定位精度高的优点，因此，本发明的气封环轴向调整机构，优选丝杠和步进电机相互配合的方式来实现气封环沿轴向的移动。装配完成后，气封环与静止件之间的相对位置需要标定，作为叶轮机械运行过程中叶顶间隙的控制的输入参数。丝杠两端的定位支座12下方的垫块能调整气封环与转子的同轴度。丝杠10的旋转方向设有丝杠定位螺栓14，丝杠10的表面上对应开设有键槽，键槽沿轴向有一定长度，保证可调，全部调整好之后，须进行轴向限位。优选地，丝杠两端的定位支座12沿周向方向的两侧设有紧固螺栓，以节省整个机械结构的轴向长度。本发明的气封环轴向调整机构中，步进电机在运行时产生的推力要大于气封环承受的最大轴向推力及密封齿与静止件接触的摩擦力之和，以保证气封环能够沿轴向顺畅运动。此外，气封环9的环状凸起上沿其周向均匀设置有多个叶顶间隙监测传感器13，各叶顶间隙监测传感器13均与控制单元通信连接，控制单元通过多个叶顶间隙监测传感器13所采集到的叶顶间隙信息判断气封环相对于主轴1的偏心情况，相关数据反馈给测控单元进行分析和控制。气封环9上还可以设置有气动参数测量传感器，气动参数测量传感器设置在各动叶排之间或设置在密封齿与叶片排之间，随气封环沿轴向移动。
还需要指出的是，由于压气机叶顶一般不带叶冠，因此应用于压气机叶顶密封结构时，动叶顶部对应的环状凸起设置为与叶顶斜度相同的锥形圆环即可。
此外，气封环9为整体式筒状结构或中分面剖分、采用紧固件连接的分体式结构，所述气封环的厚度及轴向长度根据内外漏位置的压差、温度决定。
设置在气封环内壁上的第二密封齿、设置在环状凸起上的第一密封齿以及设置在上游静叶机匣16、下游静叶机匣16的台阶面上的密封齿，均通过镶嵌或焊接的方式进行设置，且各位置处的密封齿的结构形式为梳齿、枞树型齿、J型气封、蜂窝式密封齿或刷式密封齿。图2、3中，J型气封间隙a取值0～0.02mm，气封环的内壁与静叶机匣台阶面上的J型气封顶部可接触，起到一定的支撑作用，尖齿气封间隙b取值0.02～0.05mm。图中动叶顶部示意了两种密封结构，分别为阶梯台阶和高低台阶结构，其中阶梯台阶设置成了斜面。靠近叶冠附近的间隙c、d、e设计为限位尺寸，根据气封环沿轴向允许移动的长度进行取值，避免误操作影响叶轮机械运行安全，可以通过气封圈与静止件的轴向相对位置c或者d的尺寸获知当前的叶顶间隙情况，并记录初始值。f为叶冠斜面径向间隙，图2、3中气封环向右侧移动时，叶冠气封间隙减小，向左侧移动时，气封间隙增大。间隙g为气封齿与叶冠台阶之间的距离，间隙h和i为枞树型气封齿与叶冠之间沿轴向的距离，对于枞树型齿的侧齿，h和i值越小，叶顶密封的效果就越好，因此需要根据设计值及实际测量值来控制气封环的移动，使设备的泄漏量最小。
通过上述实施例，完全有效地实现了本专利的目的。该领域的技术人员可以理解本专利包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本专利已就目前认为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本专利并不限于所公开的实施例，任何不偏离本专利的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。