一种宽调节范围的超高温背压调节装置的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机及阀门技术领域，尤其涉及一种宽调节范围的超高温背压调节装置。


背景技术：

2.燃气轮机因其高效清洁特性已经成为工业生产中不可或缺的动力来源，随着技术迭代更新，燃气轮机不断朝着更高负荷方向发展，作为三大核心部件之一的燃烧室，其内部压力和温度也随之逐步提高。
3.为了更好的掌握燃烧室性能指标，研究者在试验研究中尽可能的模拟燃烧室高温高压真实运行环境，其中燃烧室压力调节常用的方式是在燃烧室出口下游管道上增加节流装置，通过调节流通面积进而实现上游燃烧室压力的调节，然而燃烧室出口烟气温度最高可达2000k，下游节流装置始终处于高温高压环境，目前市面上可以采购的节流装置难以满足此类苛刻环境，常规做法是在节流装置之前增加喷淋段，对高温烟气进行喷水降温，这一方面需要大量的水资源，另一方面增加试验系统复杂性，试验中因水系统发生故障，或喷水量跟随不及时导致排气温度超温，进而对试验台等人生财产安全造成威胁。
4.此外，在试验中，燃烧室参数调节范围宽，现有的调节装置很难满足宽范围高精度调节要求，常规做法是采用大小路并联的方式进行调节，这增加了试验台复杂性和操作复杂性。
5.要解决的技术问题：针对现有的技术问题，本发明提出一种宽调节范围的超高温高压调节装置，以期至少部分解决上述技术问题之一。


技术实现要素：

6.为了实现上述目的，本发明提供了一种宽调节范围的超高温背压调节装置，包括基座、一级套筒和二级套筒，其中：
7.所述基座、一级套筒与二级套筒中心线相同，从外向内依次是一级套筒筒体、二级套筒筒体、基座、二级环形锥体和一级中心锥体。其中，所述一级套筒和二级套筒可沿轴线方向相对所述基座向左/向右移动；
8.所述基座一端设置有安装法兰，所述一种宽调节范围的超高温背压调节装置通过所述安装法兰与上游管道/设备进行固定连接，所述一种宽调节范围的高温背压调节装置另一端为自由端；
9.所述基座包裹形成的内部柱形区域为高温气流动通道，所述基座进口端内部是直管段，所述基座出口端内部为扩张段，所述扩张段内壁面型线根据背压/流量调节方式(等百分比/等比例)进行设计；
10.所述基座内部为中空结构，设置有基座冷却水流道，所述基座还包括有基座进水口和基座出水口；
11.所述基座采用液态水进行冷却，冷却水采用下进上出流动方式，冷却水从所述基
座进水口流入所述基座内部，沿着所述基座冷却水流道对基座壁面进行冷却降温后，从所述基座出水孔流出；
12.所述二级套筒还包括二级套筒筒体、二级支撑柱和二级环形锥体；
13.所述二级支撑柱周向均匀设置且数量不小于3根，所述二级套筒筒体通过二级支撑柱与二级环形锥体连接；
14.所述二级支撑柱与所述二级环形锥体为中空结构，内部皆设置有二级套筒冷却水流道，所述二级套筒还包括有二级套筒冷却水进水口和出水口；
15.所述二级套筒冷却水进水口和出水口设置在所述二级支撑柱上，优选地，冷却水出水口数量大于进水口数量；
16.所述二级环形锥体外表面和所述基座出口扩张段内壁面形成二级喉道；
17.所述一级套筒还包括一级套筒筒体、一级支撑柱和一级中心锥体；
18.所述一级支撑柱周向均匀设置且数量不小于3根，所述一级套筒筒体通过一级支撑柱与一级中心锥体连接；
19.所述一级支撑柱与所述一级中心锥体为中空结构，内部皆设置有一级套筒冷却水流道；
20.所述一级套筒冷却水进水口和出水口设置在所述一级支撑柱上，优选地，冷却水出水口数量大于进水口数量；
21.所述一级套筒冷却水进水口贯穿至所述一级中心锥体中心，冷却水从所述一级套筒冷却水进水口流入，进入一级中心锥体中心后，向两侧流动，随后流经一级中心锥体外壁面侧，对所述一级中心锥体壁面冷却降温后从所述一级套筒冷却水出水口流出。
22.本发明中，超高温是指温度1000℃以上。
23.所述一级中心锥体采用纺锤型结构；
24.所述一级中心锥体纺锤型结构外壁面与所述二级环形锥体内表面形成一级喉道；
25.基于上述技术方案可知，本公开的一种宽调节范围的超高温背压调节装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
26.1、背压调节装置采用轴流式结构布局，与高温气流动方向一致，降低了对流场的干扰；
27.2、背压调节装置周向结构对称，因此高温气周向均匀分布，很大程度降低了因高温气不均匀造成的不平衡力；
28.3、背压调节装置各部件皆采用水冷方式，大幅度提升调节装置的耐温性能，不需要喷水降温，可直接在高温烟气运行环境下正常运行，降低了试验运行成本同时也降低了试验台复杂性，从而提高了试验台安全系数；
29.4、背压调节装置采用两级调节方案，在保证调节精度的基础上有效拓宽了调节范围。
附图说明
30.图1为本公开一种宽调节范围的超高温背压调节装置的三维示意图；
31.图2为一种宽调节范围的超高温背压调节装置全开时结构原理示意图；
32.图3为一种宽调节范围的超高温背压调节装置二级套筒剖面示意图；
33.图4为一种宽调节范围的超高温背压调节装置一级套筒剖面示意图；
34.图5为一种宽调节范围的超高温背压调节装置工作系统示意图；
35.图6为一种宽调节范围的超高温背压调节装置关闭时示意图；
36.图7为一种宽调节范围的超高温背压调节装置一级调节全开时示意图。
37.附图标记含义如下：1-高温背压调节装置；2-基座；3-二级套筒；4-一级套筒；11-高温气进口；12-高温气流向；13-高温气出口；21-安装法兰；22-基座进水孔；23-基座出水孔；24-基座冷却水流向；25-基座冷却水流道；30-二级套筒筒体；31-二级环形锥体；32-二级支撑柱；33-二级套筒冷却水出水口；34-二级套筒冷却水进水口；35-二级套筒冷却水流道；36-二级套筒冷却水流向；37-二级喉道；40-一级套筒筒体；41-一级中心锥体；42-一级支撑柱；43-一级套筒冷却水进水口；44-一级套筒冷却水出水口；45-一级套筒冷却水流向；46-一级套筒冷却水流道；47-一级喉道；5-引射筒；51-常温空气流向；52-混合气流向；6-排气塔。
具体实施方式
38.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。如图1-4所示，本实施例一种宽调节范围的高温背压调节装置1采用轴流式结构方案，基座2、一级套筒4与二级套筒3中心线相同，从外向内依次是一级套筒筒体40、二级套筒筒体30、基座2、二级环形锥体31和一级中心锥体41；所述基座2左侧端面焊接有安装法兰21，本实施例高温背压调节装置1通过安装法兰21与上游管道/设备进行固定连接，另一端则为自由端。其中，高温气入口11位于安装法兰21中心，高温气出口13位于自由端侧。
39.基座2包裹形成的圆柱形区域为高温气流动腔道，基座2进口端内表面是直管段，出口端内表面为扩张段，扩张段壁面型线可以根据背压/流量调节具体方式(等百分比/等比例等)进行设计，本实施例中扩张段壁面型线按照等百分比方式进行设计。所述二级套筒3还包括二级套筒筒体30、二级支撑柱32和二级环形锥体31。所述二级支撑柱32周向均匀设置且数量不小于3根。
40.所述一级套筒4还包括一级套筒筒体40、一级支撑柱42和一级中心锥体41。
41.一级套筒筒体40通过一级支撑柱42与一级中心锥体41相连，其中，一级中心锥体41采用纺锤型结构，一级中心锥体41纺锤型结构外壁面与所述二级环形锥体31内表面形成一级喉道47，共同组成一级调节系统。类似地，二级套筒筒体30通过二级支撑柱32与二级环形锥体31相连，二级环形锥体31外表面和所述基座2出口扩张段内壁面形成二级喉道37，共同组成二级调节系统。
42.本实施例采用两级并联调节方式，其中，二级调节在所述一级调节外侧，相同套筒行程下，一级喉道47流通面积变化量相较于二级喉道37更小，因此，一级调节可以实现精确调节，二级调节可实现粗调。运行过程中，一级套筒4沿轴线方向向右/向左移动，此时基座2与二级套筒3保持固定，通过改变一级喉道47流通面积从而实现流量/背压的精确调节；一级套筒4和二级套筒3一起向右/向左移动，而此时一级中心锥体41与二级环形锥体31相对位置未发生改变，因此由上述两部件形成的一级喉道47流通面积保持不变，此时通过改变一级喉道37流通面积实现流量/背压的粗调。
43.一级中心锥体41外表面周向方向均匀设置支撑柱42，支撑柱42数量不小于3根，本
实施例为4根。所述一级支撑柱42与所述一级中心锥体41为中空结构，一级支撑柱42与一级中心锥体41内部皆设置有一级套筒冷却水流道46，一级套筒冷却水进水口43和一级套筒冷却水出水口44设置在一级支撑柱42上，一级套筒冷却水出水口44数量大于所述一级套筒冷却水进水口43数量，本实施例采用1个进水口3个出水口，以此确保冷却水不会节流。一级套筒冷却水进水口43贯穿至一级中心锥体41内部，冷却水从一级套筒冷却水进水口43流入，沿着一级套筒冷却水流向45进入一级中心锥体41内，向两侧流动，随后流经一级中心锥体41外壁面侧，对所述一级中心锥体41壁面冷却降温后从三个一级套筒冷却水出水口44流出。
44.类似地，所述二级支撑柱32与所述二级环形锥体31内部皆为中空结构，且相互连通共同形成二级套筒冷却水流道35，二级套筒冷却水进水口34和二级套筒冷却水出水口33设置在二级支撑柱32上，较优地，二级级套筒冷却水出水口33数量大于所述二级套筒冷却水进水口34数量，以此确保冷却水不会节流，本实施例采用1个进水口3个出水口。此外，本实施例二级套筒冷却水采用下进上出流动方式进行冷却，以最大程度实现二级套筒高效冷却。
45.所述基座2为中空结构，所述基座冷却水流道25位于所述基座2内部，所述基座2还包括有基座进水孔22和基座出水孔23，所述基座进水孔22和基座出水孔23皆设置在靠近基座安装法兰21一侧，基座进水孔22和基座出水孔23与基座冷却水流道25相互贯通。本实施例中基座2采用一进一出、下进上出流动方式进行冷却，以此提高冷却效率。所述基座2采用液态水进行冷却，冷却水从所述基座进水孔22流入所述基座冷却水流道25，沿着所述基座冷却水流流向24对基座壁面进行冷却降温后，从所述基座出水孔23流出。
46.如图2、图5所示，引射筒5和排气塔6通过焊接方式形成一个整体部件，设置于所述高温背压调节装置1出口端，与所述高温背压调节装置1之间设置有间隙，间隙大小依据具体高温气排气参数(流量/温度/压力等)确定，本实施例间隙为1米。高温气从高温气进口11沿着高温气流向12流入高温背压调节装置1内部，流经一级喉道47和二级喉道37加速后，从高温气出口13高速喷出，卷吸周边常温空气(常温空气流向51为从外界流入引射筒5)，一起流入引射筒5内，并在引射筒5内边混合降温边沿着混合气流向52向下游流动，最后混合降温后的混合气经排气塔6排入大气。
47.图6、图7是本实施例两种工作状态，其中图6为一种宽调节范围的超高温背压调节装置关闭时示意图，此时高温气无法从该装置流出；图7为一种宽调节范围的超高温背压调节装置一级调节全开时示意图，此时高温气只能沿高温气流向12从一级喉道47流出。本实施例高温背压调节装置采用轴流式结构形式，因此不改变高温气流向，降低了对流场的干扰，本实施例结构周向对称，高温气周向流场分布均匀，最大限度避免了因气流不均匀产生的不平衡力；另一方面，所述基座、套筒与中心锥体皆采用水冷形式，大幅度提升了该装置耐温性能，不需要喷水降温，直接在高温烟气运行环境下正常运行，降低了试验成本的同时大大降低了试验台系统复杂性，提高了试验台安全系数；此外，本实施例采用两级并联调节方式，保证调节精度的基础上有效拓宽了调节范围，解决了实际应用中调节精度和调节范围难以匹配的技术问题。
48.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离
本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，包括基座(2)、一级套筒(4)和二级套筒(3)，其中：所述基座(2)、一级套筒(4)与二级套筒(3)中心线相同，从外向内依次是一级套筒筒体(40)、二级套筒筒体(30)、基座(2)、二级环形锥体(31)和一级中心锥体(41)；其中，所述一级套筒(4)和二级套筒(3)可沿轴线方向相对所述基座向左/向右移动。2.根据权利要求1所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述基座(2)一端设置有安装法兰(21)，所述一种宽调节范围的高温背压调节装置通过所述安装法兰(21)与上游管道/设备进行固定连接，所述一种宽调节范围的高温背压调节装置另一端为自由端。3.根据权利要求1所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述基座包裹形成的内部柱形区域为高温气流动通道，所述基座(2)进口端内部是直管段，所述基座出口端内部为扩张段，所述扩张段内壁面型线根据背压/流量调节方式(等百分比/等比例)进行设计。4.根据权利要求1所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述基座(2)内部为中空结构，设置有基座冷却水流道，所述基座还包括有基座进水孔(22)和基座出水孔(23)。5.根据权利要求4所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述基座(2)采用液态水进行冷却，冷却水采用下进上出流动方式，冷却水从所述基座进水孔(22)流入所述基座(2)内部，沿着所述基座冷却水流道(25)对基座壁面进行冷却降温后，从所述基座出水孔(23)流出。6.根据权利要求1所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述二级套筒(3)还包括二级套筒筒体(30)、二级支撑柱(32)和二级环形锥体(31)。7.根据权利要求6所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述二级支撑柱(32)周向均匀设置且数量不小于3根，所述二级套筒筒体(30)通过二级支撑柱(32)与二级环形锥体(31)连接。8.根据权利要求6所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述二级支撑柱(32)与所述二级环形锥体(31)为中空结构，内部皆设置有二级套筒冷却水流道(35)，所述二级套筒(3)还包括有二级套筒冷却水进水口(34)和二级套筒冷却水出水口(33)。9.根据权利要求8所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述二级套筒冷却水进水口(34)和二级套筒冷却水出水口(33)设置在所述二级支撑柱(32)上，优选地，二级套筒冷却水出水口(33)数量大于二级套筒冷却水进水口(34)数量。10.根据权利要求6所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述二级环形锥体(31)外表面和所述基座(2)出口扩张段内壁面形成二级喉道(37)。11.根据权利要求1所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级套筒(4)还包括一级套筒筒体(40)、一级支撑柱(42)和一级中心锥体(41)。12.根据权利要求11所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级支撑柱(42)周向均匀设置且数量不小于3根，所述一级套筒筒体(40)通过一级支撑柱(42)与一级中心锥体(41)连接。
13.根据权利要求12所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级支撑柱(42)与所述一级中心锥体(41)为中空结构，内部皆设置有一级套筒冷却水流道(46)。14.根据权利要求13所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级套筒冷却水进水口(43)和一级套筒冷却水出水口(44)设置在所述一级支撑柱(42)上，优选地，一级套筒冷却水出水口(44)数量大于一级套筒冷却水进水口(43)数量。15.根据权利要求14所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级套筒冷却水进水口(43)贯穿至所述一级中心锥体(41)中心，冷却水从所述一级套筒冷却水进水口(43)流入，进入一级中心锥体中心后，向两侧流动，随后流经一级中心锥体外壁面侧，对所述一级中心锥体壁面冷却降温后从所述一级套筒冷却水出水口(44)流出。16.根据权利要求11所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级中心锥体(41)采用纺锤型结构。17.根据权利要求16所述的一种宽调节范围的超高温背压调节装置，其特征在于，所述一级中心锥体(41)纺锤型结构外壁面与所述二级环形锥体(31)内表面形成一级喉道(47)。

技术总结
本发明公开了一种宽调节范围的超高温背压调节装置，所述一种宽调节范围的超高温背压调节装置包括基座、一级套筒和二级套筒；所述基座、一级套筒与二级套筒中心线相同，从外向内依次是一级套筒筒体、二级套筒筒体、基座、二级环形锥体和一级中心锥体；其中，所述一级套筒和二级套筒可沿轴线方向相对所述基座向左/向右移动。本发明采用轴流式结构方案，不改变高温气流向，减少了对流场的干扰，且高温气出口流场分布均匀，最大限度避免了不平衡力，此外，本发明采用两级调节方式，在保证调节精度的基础上有效拓宽了调节范围。的基础上有效拓宽了调节范围。的基础上有效拓宽了调节范围。


技术研发人员：邵卫卫 葛正好 俞镔 朱涛 田勇 郭巍 刘宇 马德军 徐祥
受保护的技术使用者：江苏中科能源动力研究中心
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/5/30