一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置及方法
阅读说明：本技术 一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置及方法 (Active control device and method for gas turbine blade top clearance ) 是由 武文涛 尉涵 李志伟 阴文豪 周灿 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置,包括透平气缸、透平动叶片和第一透平持环,透平气缸、透平动叶片和第一透平持环同轴设置,透平气缸与第一透平持环相连,第一透平持环承载透平动叶片,第一透平持环与透平动叶片顶部设有间隙,还包括用于调节间隙的间隙调整装置,第一工况下,第一透平持环在间隙调整装置作用下进行移动,第二工况下,第一透平持环和间隙调整装置归位。本发明通过在燃气轮机达到满负荷后向排气侧移动透平持环以减小透平动叶顶部间隙,以解决目前重型燃气轮机无法在启停阶段和满负荷运行阶段对叶顶间隙的动态控制的问题。(The invention provides a gas turbine blade top gap active control device which comprises a turbine cylinder, a turbine moving blade and a first turbine holding ring, wherein the turbine cylinder, the turbine moving blade and the first turbine holding ring are coaxially arranged, the turbine cylinder is connected with the first turbine holding ring, the first turbine holding ring bears the turbine moving blade, a gap is formed between the first turbine holding ring and the top of the turbine moving blade, the gas turbine blade top gap active control device also comprises a gap adjusting device for adjusting the gap, the first turbine holding ring moves under the action of the gap adjusting device under a first working condition, and the first turbine holding ring and the gap adjusting device return to the original position under a second working condition. According to the invention, the turbine supporting ring is moved to the exhaust side after the gas turbine reaches full load so as to reduce the top clearance of the turbine movable blade, so that the problem that the current heavy gas turbine cannot dynamically control the blade top clearance at the start-stop stage and the full load operation stage is solved.)
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，具体而言，涉及一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置及方法。
背景技术
重型燃气轮机的透平动叶顶部间隙会随着运行工况的不同而发生变化，通常来说，燃气轮机热启动或升负荷阶段，透平动叶片和透平持环最容易发生碰磨，一般根据上述阶段的工况要求来设置的叶顶间隙值较大。而燃气轮机满负荷运行时，叶顶间隙越小，透平的效率越高。因此，基于热启动或升负荷工况设置的叶顶间隙值较大导致满负荷运动时透平出力低且效率低；而若直接减小叶顶间隙值，又不能保证机组在启动或升负荷阶段的安全运行。
现有技术中主要有两种技术手段解决上述矛盾，一种是在满负荷阶段，通过向进气侧移动转子减小透平动叶顶部的间隙，该技术的缺点在于，压气机流道有锥度，在移动转子的过程中减小透平动叶顶部间隙的同时会增大压气机的动叶顶部间隙，压气机效率下降；另一种技术手段是通过控制透平持环的温度来控制其变形进而减小透平动叶顶部间隙，透平持环的温度控制主要通过在透平气缸上制造中空的冷却通道，基于该冷却通道向内部通冷却空气或直接用冷却空气冷却透平持环来实现，该技术的缺点在于其对冷却空气量有较大的需求。例如，中国专利CN102112703A公开了一种燃气轮机设备，在涡轮二级静叶片冷却所使用的空气系统具备有冷却器，该冷却器通过冷却叶片环形成流动的冷却空气流路，控制叶片环的热膨胀调节与叶片前端的间隙，以实现该设备启动时确保涡轮一级动叶片必要的顶部间隙，同时在负载运转时能够成为用于实现最小的顶部间隙的主动间隙控制。
目前还有专利CN112160800A公开了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，压气机汽缸内壁表面沿内壁周向设有凹槽，记忆合金机构沿压气机汽缸内壁周向滑动安装在凹槽内，主动控制机构包括冷却风机、加热电阻丝和热电偶传感器，主动控制机构通过控制记忆合金件的变形温度实现对叶顶间隙的控制。该专利的叶顶间隙主动控制方案仍需要借助冷却风机实现对记忆合金形状的控制，对冷却空气量有较大的需求，叶顶间隙控制的能量消耗较大。综上所述，目前仍需要一种叶顶间隙主动控制相关的技术方案，以解决目前重型燃气轮机无法在启停阶段和满负荷运行阶段对叶顶间隙的动态控制的问题，同时降低控制成本及能耗。
鉴于上述技术问题，特提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置及方法，以解决现有技术中重型燃气轮机无法在启停阶段和满负荷运行阶段动态控制的问题，通过在燃气轮机达到满负荷后向排气侧移动透平持环以减小透平动叶顶部间隙，从而实现对叶顶间隙的控制，以兼顾提升机组的安全性和经济性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，包括透平气缸、透平动叶片和第一透平持环，透平气缸、透平动叶片和第一透平持环同轴设置，透平气缸与第一透平持环相连，第一透平持环承载透平动叶片，第一透平持环与透平动叶片顶部设有间隙，还包括用于调节间隙的间隙调整装置，第一工况下，第一透平持环在间隙调整装置作用下进行移动，第二工况下，第一透平持环和间隙调整装置归位。
进一步地，间隙调整装置可推动第一透平持环进行移动。
进一步地，第一透平持环可在间隙调整装置的作用下沿轴向进行移动。
进一步地，间隙调整装置包括多个动力装置。
进一步地，多个动力装置沿周向均匀分布。
进一步地，动力装置沿周向固定在透平气缸靠近轴心的一侧。
进一步地，动力装置为推力液压缸。
进一步地，推力液压缸为双活塞杆等行程等速液压缸。
进一步地，多个动力装置的数量为6～8个。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了透平气缸与第一透平持环在动力装置的作用下可发生相对运动。
进一步地，透平气缸与第一透平持环在动力装置的作用下可沿轴向发生相对运动。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了透平气缸与第一透平持环之间设有叶片冷却空气腔室。
进一步地，叶片冷却空气腔室中设有第一密封组件，第一密封组件用于防止透平气缸与第一透平持环发生相对运动时发生的冷气泄露。
进一步地，第一密封组件为密封环。
进一步地，密封环顶部为球面结构。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了透平气缸与第一透平持环均为水平对开结构。
进一步地，透平气缸与第一透平持环的连接位置设有用于固定透平气缸与第一透平持环连接处的垫块。
进一步地，垫块位于透平气缸与第一透平持环沿周向的连接处。
进一步地，透平气缸与第一透平持环的连接位置还设有调整垫片。
进一步地，调整垫片的厚度可以调节。
进一步地，透平气缸与第一透平持环的连接位置沿周向均匀分布。
进一步地，透平气缸与第一透平持环的连接位置为2～5个。
进一步地，透平气缸与第一透平持环的连接处沿径向方向设有通孔。
进一步地，润滑剂通过通孔注入透平气缸与第一透平持环的连接间隙。
进一步地，润滑剂为二硫化钼润滑脂。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了透平气缸与第一透平持环通过第二透平持环进行固定，第二透平持环沿径向方向与透平气缸连接，第二透平持环沿轴向方向与第一透平持环连接。
进一步地，第二透平持环与第一透平持环之间设有第二密封组件，第二密封组件用于第二透平持环与第一透平持环之间的密封。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种利用上述燃气轮机叶顶间隙主动控制装置进行透平叶顶间隙主动控制的方法，燃气轮机处于第一工况时，动力装置推动第一透平持环沿轴向移动，以减小透平动叶顶部间隙，燃气轮机处于第二工况时，动力装置及第一透平持环归位，以增大透平动叶顶部间隙。
进一步地，燃气轮机处于第一工况时，动力装置推动第一透平持环沿轴向向排气侧移动，以减小透平动叶顶部间隙。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃气轮机透平，包括上述燃气轮机叶顶间隙主动控制装置。
应用本发明的技术方案，通过在重型燃气轮机达到满负荷后向排气侧移动透平持环减小透平动叶顶部间隙的方式，使重型燃气轮机在满负荷运行的时候尽可能保持较小的间隙，提高机组出力和效率，同时也能够使重型燃气轮机在冷/热启动、升速及升负荷过程中保持较大的透平间隙，确保机组安全。本发明还提供了通过密封环结构进行密封的设计方案，以确保第一透平持环与透平气缸发生相对运动时，透平叶片冷却空气腔室不发生冷气泄露。本发明还提供了透平气缸与第一透平持环固定的设计方案，通过连接位置的设计、调整垫片的使用等技术手段确保透平气缸与第一透平持环连接的安全可靠。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的透平动叶叶顶间隙控制结构示意图；以及
图2示出了根据本发明实施例的透平气缸与第一透平持环连接剖视示意图；以及
图3示出了根据本发明实施例的透平气缸与第一透平持环顶部/底部位置连接结构的示意图；以及
图4示出了根据本发明实施例的透平气缸与第一透平持环水平位置连接结构的示意图；以及
图5示出了根据本发明实施例的冷却空气腔室密封环结构的示意图；以及
图6示出了根据本发明实施例的推力液压缸结构的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、第一透平持环；2、第二密封组件；3、第一密封组件；4、透平气缸；5、第二透平持环；6、推力液压缸；7、透平动叶片；8、垫块；9、调整垫片；10、活塞杆；11、液压油管；12、液压油腔；13、液压缸体；14、第一级透平动叶；15、第二级透平动叶；16、第三级透平动叶；17、第四级透平动叶；18、透平静叶片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征。
如图1所示，重型燃气轮机的透平通常包括透平气缸4、透平动叶片7和第一透平持环1，透平气缸4、透平动叶片7和第一透平持环1同轴设置，透平气缸4与第一透平持环1相连，第一透平持环1承载透平动叶片7，第一透平持环1与透平动叶片7顶部设有间隙。考虑到透平动叶片7和第一透平持环1在热启动或升负荷阶段最容易发生碰磨，上述顶部间隙需要根据热启动或升负荷阶段设置较大的间隙值；而机组满负荷运行阶段，上述顶部间隙需要设置较小的间隙值以确保透平的高效率。
为了同时满足热启动或升负荷阶段，以及满负荷运行阶段对顶部间隙不同的需求，本发明提供了一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，还包括用于调节间隙的间隙调整装置，通过该间隙调整装置在不同工况下调整叶顶间隙值，使重型燃气轮机在满负荷运行的时候尽可能保持较小的间隙，提高机组出力和效率，同时也能够使重型燃气轮机在冷/热启动、升速及升负荷过程中保持较大的透平间隙，确保机组安全。
本实施例提供了一种燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，包括上述透平气缸4、透平动叶片7和第一透平持环1，以及用于调节间隙的间隙调整装置。该间隙调整装置在第一工况下，即重型燃机满负荷运行时，作用于第一透平持环1，该第一透平持环1进行移动，以减小叶顶间隙值；第二工况下，即冷/热启动、升速及升负荷，以及降负荷之前，第一透平持环1和该间隙调整装置归位，增大叶顶间隙值，以实现安全、顺利完成开机及停机等操作。具体的，利用透平流道存在锥度的特点，上述间隙调整装置在第一工矿下，推动第一透平持环1移动，从而减小1-4级透平动叶片7的叶顶间隙，提高机组出力和效率。优选地，第一透平持环1在该间隙调整装置作用下沿轴向进行移动。进一步优选地，第一透平持环1的移动方向为沿轴向向排气侧(即远离第二透平持环5的轴向方向)进行移动，以减小透平动叶片7的叶顶间隙。
为了保证上述移动的实现效果，间隙调整装置由多个动力装置组成，且上述多个动力装置沿周向均匀分布。优选地，上述多个动力装置沿周向固定在透平气缸4靠近轴心的一侧，以确保上述动力装置可以直接与第一透平持环1接触，并于第一工况下，作用于第一透平持环使其移动。
如图6所示，本实施例中上述多个动力装置为推力液压缸6。优选地，该推力液压缸6采用双活塞赶等行程等速液压缸。进一步优选地，上述多个动力装置为沿周向分布的6～8个推力液压缸6。
本实施例中，透平气缸4与第一透平持环1之间设有叶片冷却空气腔室。在第一工况下，上述多个推力液压缸6推动第一透平持环1沿轴向移动时，透平气缸4与第一透平持环1会发生相对运动，具体来说，上述透平气缸4与第一透平持环1在第一工况下会沿轴向发生相对运动，这就可能引发叶片冷却空气腔室的冷气泄露。为了避免上述冷气泄露情况的发生，本实施例在上述叶片冷却空气腔室中设有第一密封组件3。为了保证密封效果，优选地，该第一密封组件3为密封环，如图5所示。通过如图5所示的密封环进行密封，优选地顶部为球面结构的密封环，即密封环内、外侧采用球面结构的形式，可以实现透平气缸4与第一透平持环1发生相对运动后同样能够达到良好的密封效果。
本实施例还提供了一种透平气缸4与第一透平持环1之间固定的设计方案。具体来说，透平气缸4与第一透平持环1均为水平对开结构，且上述透平气缸4和第一透平持环1同轴设置。为了确保上述透平气缸4和第一透平持环1之间连接的安全可靠，且持续保证同心的同轴设置，如图2所示，本实施例通过在其连接位置设置垫块8，实现上述连接效果。优选地，上述垫块8位于上述透平气缸4与第一透平持环1沿周向的连接处。进一步优选地，上述连接处在周向上是均匀对称分布的。为了进一步实现精准的调节，如图4所示，本实施例在上述透平气缸4与第一透平持环1之间的连接处还设有调整垫片9。优选地，上述调整垫片9的厚度可以调节。具体来说，可通过修磨的方式进行调整垫片9厚度的调节，以通过精准调节实现透平气缸4与第一透平持环1的同心。为了提高固定效果，进一步优选地，透平气缸4与第一透平持环1的连接位置为2～5个。
为了确保第一透平持环1运动的顺畅，减小相对运动引起的磨损，本实施例还提供了第一透平持环1与透平气缸4之间的润滑方案。具体来说，在透平气缸4与第一透平持环1的连接处沿径向方向设有通孔。润滑剂通过上述通孔注入透平气缸4与第一透平持环1的连接间隙。为了提高润滑效果，优选地，上述润滑剂为二硫化钼润滑脂。
如图1所示，除了前述固定方案，透平气缸4与第一透平持环1之间还通过第二透平持环5进行固定，第二透平持环5沿径向方向与透平气缸4连接，沿轴向方向与第一透平持环1连接。上述连接处亦存在密封问题，故上述第二透平持环5与第一透平持环1之间设有第二密封组件2，通过该第二密封组件2确保第二透平持环5与第一透平持环1之间的密封效果，以进一步确保机组的安全运行。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明提供的燃气轮机叶顶间隙主动控制装置，利用透平流道锥度，通过推力液压缸作为动力装置推动第一透平持环运动来控制透平动叶顶部的间隙，使重型燃气轮机在满负荷运行的时候尽可能保持较小的间隙，提高机组出力和效率，同时也能够使重型燃气轮机在冷/热启动、升速及升负荷过程中保持较大的透平间隙，确保机组安全。
2、本发明提供的在叶片冷却空气腔室中设有密封环的密封设计方案，可以降低第一透平持环运动过程中，第一透平持环与透平气缸的相对运动而引发叶片冷却空气腔室的冷气泄露的风险，确保机组运行的安全。
3、本发明提供了透平气缸与第一透平持环之间固定的设计方案，通过周向均匀分布的连接位置及垫块、调整垫片的使用，确保了透平气缸与第一透平持环的连接安全可靠，且持续维持其同心的同轴设置，提升了了机组运行的安全性。
4、为了增加透平气缸与第一透平持环之间的固定效果，本发明还提供了通过第二透平持环连接透平气缸和第一透平持环的设计方案，并利用密封组件提高密封效果。
5、本发明还提供了透平气缸与第一透平持环连接处设有注入润滑剂的通孔的设计方案，通过二硫化钼润滑脂的使用，确保第一透平持环在高温环境下运动顺畅，减轻其与透平气缸相对运动引起的磨损，以提高整体可靠性及安全性。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。
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