带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构和具有其的燃气轮机

1.本发明涉及燃气轮机制造技术领域，具体而言，涉及一种带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构和具有所述带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构的燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机主要应用于发电和船舶领域，在以可再生能源为主体的电网系统中，发电燃气轮机需要具有快速启动、快速变负荷的能力，而在船舶领域，船用燃气轮机的工况经常发生改变，以满足不同的速度需求。
3.带冠涡轮是一种常见的燃气轮机的涡轮形式，其叶顶围带结构可以显著提升整体的结构强度。带冠涡轮的叶冠存在篦齿结构，与机匣上的蜂窝芯格组成篦齿封严。在燃气轮机启动过程中，需要适当地增大间隙，来防止篦齿和机匣芯格剐蹭，防止发生结构破坏。而在稳定运行过程中，需要适当地缩小篦齿和机匣芯格的径向间距，降低密封间隙的泄露量。为了提高燃气轮机的效率，涡轮入口的温度越来越高，在高温和离心力的共同作用下，带冠涡轮的变形量显著增加，增加了叶冠和蜂窝芯格间隙控制的难度。
4.相关技术中的叶冠和蜂窝芯格间隙的控制方式，通过在机匣内安装薄壁件，与篦齿组成转静密封。在需要减小篦齿与机匣的间隙时，向薄壁件吹冷气，使得其温度降低而收缩，从而减小间隙；在启动和变负荷的过程中，向薄壁件吹热气，增加其温度，使其膨胀，从而增加间隙，防止剐蹭。但是存在两个问题，一是由于各处间隙存在动态变化，导致冷气量分配规律复杂，预想的对流换热情况常与实际存在较大差距，导致间隙控制不符合预期；二是需要从压气机抽取大量的冷气来冷却壁面，带来容积效率的下降。在部分涡轮结构中，冷气会在下游与高温主流掺混，降低了混合气流的温度，从而降低了下游涡轮的做功能力。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，该带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构能够减小主流燃气温度、压力变化对间隙尺寸影响，具有间隙尺寸控制准确、泄漏量小的优点。
6.本发明还提出一种具有所述带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构的燃气轮机。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，所述带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构包括：机匣，所述机匣内形成有环形的调节腔和在所述机匣的径向上位于所述调节腔内侧的叶轮腔，所述调节腔与所述叶轮腔之间设有开口，所述开口在所述机匣轴向上的两边沿均设有圆弧密封台，所述机匣的外壁设有多个沿所述机匣的周向间隔设置的安装孔；变形板，所述变形板封盖所述开口，所述变形板的在所述机匣轴向上的两边沿均设有与所述圆弧密封台的形状适配的圆弧搭接沿，两个所述圆弧搭接沿分别与两个所述圆弧密封台搭接配合；蜂窝芯格，所述蜂窝芯格设在所述变形板的内表面；多个调节棒，多个所述调节棒分别可沿所述机匣的径向移动地配合在多个安装孔内且均与所述变形板的外表面抵接；驱动装置，所述驱动装置分别与多个所述调节
棒传动连接；叶轮，所述叶轮可转动地设在所述叶轮腔内；叶冠，所述叶冠设在所述叶轮的叶顶，所述叶冠上设有篦齿。
8.根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，能够减小主流燃气温度、压力变化对间隙尺寸影响，具有间隙尺寸控制准确、泄漏量小的优点。
9.另外，根据本发明上述实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构还可以具有如下附加的技术特征：
10.根据本发明的一个实施例，所述机匣上设有喷嘴和排气孔，所述喷嘴和所述排气孔均与所述调节腔连通，所述喷嘴和所述排气孔分别位于所述调节腔在所述机匣轴向上相对的两表面。
11.根据本发明的一个实施例，多个所述调节棒分别螺纹配合在多个所述安装孔内。
12.根据本发明的一个实施例，每个所述调节棒连接有摇臂，所述驱动装置连接有曲柄，所述曲柄与所述摇臂可转动地连接。
13.根据本发明的一个实施例，所述变形板的厚度在所述机匣的轴向上由中部向边沿逐渐减小。
14.根据本发明的一个实施例，所述变形板的外表面为向外凸出的弧面。
15.根据本发明的一个实施例，所述安装孔与所述调节棒之间设有第一密封圈，每个相配合的所述圆弧密封台和所述圆弧搭接沿之间设有第二密封圈。
16.根据本发明的一个实施例，所述调节棒在所述机匣径向上的移动至少包括常态位置、启动位置和满负荷位置，所述启动位置的所述调节棒较所述满负荷位置的所述调节棒远离所述叶轮腔，所述常态位置位于所述启动位置和所述满负荷位置之间，所述调节棒的外周面设有限位环台，所述安装孔的周围设有向内延伸的螺柱，所述调节棒位于所述启动位置时所述限位环台与所述螺柱的内端面抵接。
17.根据本发明的一个实施例，所述机匣包括主体和安装板，所述安装板可拆卸地设在所述主体上，所述开口在所述机匣轴向上的一个边沿由所述主体限定出且另一个边沿由所述安装板限定出以在所述安装板拆卸时允许所述变形板装入所述开口。
18.根据本发明的第二方面的实施例提出一种燃气轮机，所述燃气轮机包括根据本发明的第一方面的实施例所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构。
19.根据本发明实施例的燃气轮机，通过利用根据本发明的第一方面的实施例所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，具有可靠性强、运行效率高等优点。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1是根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构的局部剖视图。
23.图2是根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构的变形板的结构示意图。
24.图3是根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构的曲柄的结构示意
图。
25.附图标记：带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1、机匣10、调节腔11、叶轮腔12、圆弧密封台13、安装孔14、喷嘴15、排气孔16、主体17、安装板18、螺柱19、变形板20、圆弧搭接沿21、蜂窝芯格30、调节棒40、限位环台41、摇臂51、叶轮60、叶冠70、篦齿71、曲柄80、第一定位销81、第二定位销82、第一密封圈91、第二密封圈92、紧固件100。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面参考附图描述根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1。
30.如图1-图3所示，根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1包括机匣10、变形板20、蜂窝芯格30、多个调节棒40、驱动装置、叶轮60和叶冠70。
31.机匣10内形成有环形的调节腔11和在机匣10的径向上位于调节腔11内侧的叶轮腔12，调节腔11与叶轮腔12之间设有开口，所述开口在机匣10轴向上的两边沿均设有圆弧密封台13，机匣10的外壁设有多个沿机匣10的周向间隔设置的安装孔14，机匣10上设有喷嘴15和排气孔16，喷嘴15和排气孔16均与调节腔11连通。变形板20封盖所述开口，变形板20的在机匣10轴向上的两边沿均设有与圆弧密封台13的形状适配的圆弧搭接沿21，两个圆弧搭接沿21分别与两个圆弧密封台13搭接配合。蜂窝芯格30设在变形板20的内表面。多个调节棒40分别可沿机匣10的径向移动地配合在多个安装孔14内且均与变形板20的外表面抵接。所述驱动装置分别与多个调节棒40传动连接。叶轮60可转动地设在叶轮腔12内。叶冠70设在叶轮60的叶顶，叶冠70上设有篦齿71。
32.具体而言，机匣10的轴向如图中的箭头a所示，机匣10的径向即机匣10的内外方向如图中的箭头b所示。
33.本领域的技术人员可以理解的是，图1和图2仅示出了带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1在机匣10周向上一个截面的示意图，机匣10、变形板20、蜂窝芯格30均为经过此截面的回转体。
34.根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1，通过设置调节棒40和变形板20，可以利用所述驱动装置驱动调节棒40沿内外方向移动，从而利用调节棒40与变形板20抵接的一端驱动变形板20发生变形，改变变形板20向内侧弯曲的程度，进而实现变形板20内侧蜂窝芯格30与叶冠70之间间隙尺寸的主动调节，提高间隙调节的可靠性。例如，在燃气轮机启动或变负荷过程中，可以驱动调节棒40向外移动，减小变形板20向内弯曲的程度，从而增大变形板20与叶轮60之间的距离，增大蜂窝芯格30与叶冠70之间的距离，防止叶冠70的篦齿71与蜂窝芯格30发生剐蹭，保证燃气轮机的可靠运行，在燃气轮机稳定运行时，可以驱动调节棒40向内移动，增大变形板20向内弯曲的程度，从而减小变形板20与叶轮60之间的距离，减小蜂窝芯格30与叶冠70之间的距离，减小篦齿71与蜂窝芯格30之间的漏气量，提高燃气轮机的运行效率。
35.并且，通过设置喷嘴15和排气孔16，可以将喷嘴15与气源连通，通过喷嘴15向调节腔11内喷出冷气或热气，并通过排气孔16排出，从而利用热胀冷缩原理促使变形板20膨胀或收缩，以进一步对蜂窝芯格30与叶冠70之间的间隙进行辅助调节，进一步提高对间隙的调整效果。例如，在燃气轮机启动或变负荷时，通过喷嘴15向调节腔11内吹热气，使变形板20受热膨胀，从而增大蜂窝芯格30与叶冠70之间的间隙，在燃气轮机稳定运行时，通过喷嘴15向调节腔11内吹冷气，使变形板20受冷收缩，从而减小蜂窝芯格30与叶冠70之间的间隙。由于通过调节棒40驱动变形板20的变形实现间隙的调节，可以降低进行温度调节所需的气体量，从而提高容积效率。通过喷嘴15进行温度调节也可以在调节棒40的调节失效时作为备用调节方式，从而进一步保证带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1的调节效果。
36.此外，通过设置圆弧密封台13和圆弧搭接沿21，可以使变形板20在调节棒40的驱动下无论如何弯曲圆弧搭接沿21均可以与圆弧密封台13保持贴合，从而提高调节腔11的密封性，防止喷嘴15喷入调节腔11的气体从变形板20与所述开口之间的间隙漏出，保证气体对变形板20的温度调节效果，从而进一步保证对叶冠70与蜂窝芯格30之间间隙的调节效果，而且还可以避免气体泄露导致泄露的气流与高温主流掺混而影响涡轮做功能力。
37.因此，根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1，能够减小主流燃气温度、压力变化对间隙尺寸影响，具有间隙尺寸控制准确、泄漏量小的优点。
38.下面参考附图描述根据本发明具体实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1。
39.在本发明的一些具体实施例中，如图1-图3所示，根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1包括机匣10、变形板20、蜂窝芯格30、多个调节棒40、驱动装置、叶轮60和叶冠70。
40.有利地，如图1所示，喷嘴15和排气孔16分别位于调节腔11在机匣10轴向上相对的两表面。具体而言，喷嘴15与排气孔16在机匣10的径向上错开设置。这样可以避免喷嘴15喷入调节腔11的气体直接通过排气孔16排出，从而可以保证气体对变形板20的温度调节效果，保证对蜂窝芯格30与叶冠70之间间隙的调节效果。
41.具体地，如图1所示，多个调节棒40分别螺纹配合在多个安装孔14内。这样可以通过调节棒40与安装孔14的螺纹配合将调节棒40的转动转化为调节棒40的轴向移动，从而使所述驱动装置通过驱动调节棒40转动实现对调节棒40在内外方向上位置的调节。
42.具体而言，调节棒40可以为20个、40个或80个。
43.更为具体地，如图1和图3所示，每个调节棒40连接有摇臂51，所述驱动装置连接有
曲柄80，曲柄80与摇臂51可转动地连接。具体而言，摇臂51通过第一定位销81与调节棒40相连且第一定位销81限制摇臂51与调节棒40的相对转动，曲柄80通过第二定位销82与摇臂51可相对转动地连接。这样可以通过驱动装置驱动曲柄80，利用曲柄80带动摇臂51，最终带动调节棒40转动。
44.具体而言，所述驱动装置可以包括曲柄滑块机构，所述驱动装置可以为一个且分别与多个调节棒40传动连接，也可以为多个且分别与多个调节棒40传动连接。
45.更为有利地，如图2所示，变形板20的厚度在机匣10的轴向上由中部向边沿逐渐减小。这样可以便于调节棒40驱动变形板20向内弯曲。
46.进一步地，如图2所示，变形板20的外表面为向外凸出的弧面。这样可以进一步便于调节棒40驱动变形板20向内弯曲。
47.可选地，变形板20的内表面的中部与边沿的厚度差为0.5mm。这样可以使变形板20的内表面的弧面的结构更加合理。
48.图1示出了根据本发明一些示例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1。如图1所示，安装孔14与调节棒40之间设有第一密封圈91，每个相配合的圆弧密封台13和圆弧搭接沿21之间设有第二密封圈92。这样可以利用第一密封圈91对安装孔14于调节棒40之间进行密封，利用第二密封圈92对圆弧密封台13和圆弧搭接沿21之间进行密封，以进一步提高调节腔11的密封性，保证气流对变形板20的温度调节效果，避免气流泄露影响燃气轮机的运行效率。
49.具体而言，第一密封圈91和第二密封圈92均为耐高温材料件。
50.具体地，如图1所示，调节棒40在机匣10径向上的移动至少包括常态位置、启动位置和满负荷位置，所述启动位置的调节棒40较所述满负荷位置的调节棒40远离叶轮腔12，所述常态位置位于所述启动位置和所述满负荷位置之间，调节棒40的外周面设有限位环台41，安装孔14的周围设有向内延伸的螺柱19，调节棒40位于所述启动位置时限位环台41与螺柱19的内端面抵接。具体而言，至少在调节棒40位于所述常态位置和所述慢符合位置时变形板20处于变形状态。所述燃气轮机在启动或变负荷时调节棒40移动至所述启动位置，所述燃气轮机在稳定运行时调节棒40移动至所述满负荷位置。这样可以便于在燃气轮机的各个运行状态下对叶冠70与蜂窝芯格30之间的距离进行调节。
51.更为具体地，如图1所示，机匣10包括主体17和安装板18，安装板18可拆卸地设在主体17上，所述开口在机匣10轴向上的一个边沿由主体17限定出且另一个边沿由安装板18限定出以在安装板18拆卸时允许变形板20装入所述开口。具体而言，安装板18通过紧固件100可拆卸地安装在主体17上。这样可以便于变形板20的安装。
52.具体而言，蜂窝芯格30焊接在变形板20的内表面。
53.叶轮60包括叶盘和间隔设置在所述叶盘外周面的多个叶片。叶冠设在叶片的外端。
54.下面描述根据本发明实施例的燃气轮机。根据本发明实施例的燃气轮机包括根据本发明上述实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1。
55.根据本发明实施例的燃气轮机，通过利用根据本发明上述实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构1，能够保证对叶冠与蜂窝芯格之间间隙的调节效果，使所述燃气轮机具有可靠性强、运行效率高等优点。
56.举例而言，在燃气轮机从冷态启动时，旋转调节棒40，使得限位环台41与螺柱19的内端面贴合，使被挤压的焊接有蜂窝芯格的变形板20的变形得到恢复，以少量增加篦齿71与蜂窝芯格30的间隙(不超过0.5mm),提高燃气轮机启动的安全性。
57.在燃气轮机处在满负荷时，初始间隙为3mm，在满工况运行时，带冠涡轮的叶轮60的伸长量为1mm,通过调节棒40挤压焊接有蜂窝芯格30的变形板20，当调节棒40的行程为1mm时，通过测算，可以使密封间隙喉部高度减小约0.6mm，从而可以提高燃气轮机的效率约1.5％。
58.根据本发明实施例的燃气轮机的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，包括：机匣，所述机匣内形成有环形的调节腔和在所述机匣的径向上位于所述调节腔内侧的叶轮腔，所述调节腔与所述叶轮腔之间设有开口，所述开口在所述机匣轴向上的两边沿均设有圆弧密封台，所述机匣的外壁设有多个沿所述机匣的周向间隔设置的安装孔；变形板，所述变形板封盖所述开口，所述变形板的在所述机匣轴向上的两边沿均设有与所述圆弧密封台的形状适配的圆弧搭接沿，两个所述圆弧搭接沿分别与两个所述圆弧密封台搭接配合；蜂窝芯格，所述蜂窝芯格设在所述变形板的内表面；多个调节棒，多个所述调节棒分别可沿所述机匣的径向移动地配合在多个安装孔内且均与所述变形板的外表面抵接；驱动装置，所述驱动装置分别与多个所述调节棒传动连接；叶轮，所述叶轮可转动地设在所述叶轮腔内；叶冠，所述叶冠设在所述叶轮的叶顶，所述叶冠上设有篦齿。2.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述机匣上设有喷嘴和排气孔，所述喷嘴和所述排气孔均与所述调节腔连通，所述喷嘴和所述排气孔分别位于所述调节腔在所述机匣轴向上相对的两表面。3.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，多个所述调节棒分别螺纹配合在多个所述安装孔内。4.根据权利要求3所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，每个所述调节棒连接有摇臂，所述驱动装置连接有曲柄，所述曲柄与所述摇臂可转动地连接。5.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述变形板的厚度在所述机匣的轴向上由中部向边沿逐渐减小。6.根据权利要求5所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述变形板的外表面为向外凸出的弧面。7.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述安装孔与所述调节棒之间设有第一密封圈，每个相配合的所述圆弧密封台和所述圆弧搭接沿之间设有第二密封圈。8.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述调节棒在所述机匣径向上的移动至少包括常态位置、启动位置和满负荷位置，所述启动位置的所述调节棒较所述满负荷位置的所述调节棒远离所述叶轮腔，所述常态位置位于所述启动位置和所述满负荷位置之间，所述调节棒的外周面设有限位环台，所述安装孔的周围设有向内延伸的螺柱，所述调节棒位于所述启动位置时所述限位环台与所述螺柱的内端面抵接。9.根据权利要求1所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构，其特征在于，所述机匣包括主体和安装板，所述安装板可拆卸地设在所述主体上，所述开口在所述机匣轴向上的一个边沿由所述主体限定出且另一个边沿由所述安装板限定出以在所述安装板拆卸时允许所述变形板装入所述开口。10.一种燃气轮机，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构。

技术总结
本发明公开了一种带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构和具有其的燃气轮机，带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构包括：机匣，机匣内形成有调节腔和叶轮腔，调节腔与叶轮腔之间设有开口，开口的两边沿均设有圆弧密封台，机匣的外壁设有多个安装孔；变形板，变形板封盖开口，变形板的两边沿均设有与圆弧密封台的形状适配的圆弧搭接沿；蜂窝芯格；多个调节棒，多个调节棒分别可移动地配合在多个安装孔内且均与变形板的外表面抵接；驱动装置，驱动装置分别与多个调节棒传动连接；叶轮；叶冠。根据本发明实施例的带冠涡轮叶顶间隙机械调整机构能够减小主流燃气温度、压力变化对间隙尺寸影响，具有间隙尺寸控制准确、泄漏量小的优点。泄漏量小的优点。泄漏量小的优点。


技术研发人员：胡博 任晓栋 李雪松 顾春伟
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/4