燃气轮机的叶尖间隙控制系统及其方法与流程

本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种燃气轮机的叶尖间隙控制系统及其方法。

背景技术：

在燃气轮机领域中，燃气轮机的叶尖间隙是影响其效率的关键因素之一。例如涡扇发动机，涡轮间隙每减小0.25mm，SFC(耗油率)可减小0.8％-1％。但是，叶尖间隙的退化也是导致燃气轮机性能衰退的重要原因之一。一般情况下，燃气轮机在运行过程中，由于受到过渡态、外部载荷等各种因素的影响，叶尖会与机匣产生一定的碰磨。这些碰磨会直接导致叶尖间隙变大，从而使得从叶尖泄漏的气流流量变大，导致燃气轮机性能衰退。例如民用航空涡扇发动机，通常叶尖间隙衰退导致的结果是发动机耗油率增加，以及起飞时排气温度升高。

对于上述问题，叶尖间隙控制是一种较为通用的技术，常见的一种方法是对机匣进行冷却或者加热，使得叶尖间隙在不同工况点得到最佳的匹配。以成熟的民用航空涡扇发动机为例，大多对高压涡轮、低压涡轮进行主动或被动间隙控制，通常采用对涡轮机匣进行冷却或加热，使得叶尖间隙在发动机的任务循环内得到最佳的匹配，从而降低发动机耗油率。通常这种控制方式在燃气轮机的全寿命过程中是不变的，无法消除叶尖间隙变大导致的性能衰退。

间隙控制的方法包括主动和被动两种方式，其中主动方式为：对冲击冷却管路中的气流流量进行调节，在燃气轮机的不同工况点，对机匣进行不同强度的冲击冷却，使得机匣在不同工况点的径向变形量不同，使得叶尖间隙有最佳的匹配值。而被动方式不对气流流量进行调节，因此被动方式效果不如主动方式。

通过间隙控制系统改善叶尖间隙的通常的方法是改变冷却或者加热气体的流量，例如在发动机使用若干个循环后，此时叶尖间隙又有碰磨而变大，可以通过改变间隙控制系统阀门开度，使得冷却或者加热气体的流量变化，改变机匣的热变形，从而改善叶尖间隙。

综上所述，燃气轮机在使用过程中会由于碰磨等因素引起叶尖间隙增大，导致性能衰退，从而使得发动机使用寿命减少。因此，为了消除燃气轮机由于叶尖间隙变大导致的性能衰退，本领域技术人员亟待研究解决上述问题的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中燃气轮机使用过程中会性能衰退，导致寿命减少的缺陷，提供燃气轮机的叶尖间隙控制系统及其方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种燃气轮机的叶尖间隙控制系统，其特点在于，其包括燃气轮机机匣、转子叶片和若干冷却管路，所述燃气轮机机匣与所述转子叶片之间具有一叶尖间隙，所述冷却管路周向布置在所述燃气轮机机匣内，所述冷却管路上开设有若干冲击孔，用于将冷却气体或加热气体吹至所述燃气轮机机匣，以控制所述燃气轮机机匣的温度。

较佳地，每两个相邻的所述冷却管路相互间隔布置。

较佳地，所述冷却管路上的所述冲击孔至所述燃气轮机机匣的距离为冷却气体或加热气体的冲击距离。

本发明还提供了一种燃气轮机的叶尖间隙控制方法，用于消除燃气轮机性能的衰退，其特点在于，所述方法采用如上所述的燃气轮机的叶尖间隙控制系统，其包括以下步骤

S1、判断燃气轮机的发动机是否使用到固定数量的循环，或者排气温度的裕度是否降低至预设值；若是，则进入步骤S2；若否，则进入步骤S3；

S2、调整所述冷却管路上的所述冲击孔至所述机匣的距离，即调整所述冲击距离，使得机匣收缩量变大，所述叶尖间隙减小；

S3、发动机继续工作。

较佳地，在所述步骤S1之前还包括以下步骤：启动燃气轮机的发动机正常工作，所述间隙控制系统在初始的所述冲击距离下对所述机匣进行冷却。

较佳地，在所述步骤S3之后，随着所述燃气轮机的发动机的使用，重复所述步骤S1，直至所述燃气轮机的发动机停止运行。

较佳地，所述步骤S2中调整所述冲击距离的方式为调节所述冲击冷却管路和所述燃气轮机机匣之间的安装距离或者安装方式。

较佳地，所述燃气轮机的发动机的固定数量的循环为0-4000个循环。

较佳地，所述燃气轮机的发动机的排气温度为0-30K。

本发明的积极进步效果在于：本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统及其方法通过调整冲击距离可以有效地改善燃气轮机由于叶尖间隙变大而产生的性能衰退，从而延长燃气轮机使用寿命。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统的示意图。

图2为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统中通过调整冲击距离的示意图。

图3为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统在不同工作循环后叶尖间隙的变化示意图。

图4为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制方法的流程图。

图5为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统调整冲击距离的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统的示意图。图2为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统中通过调整冲击距离的示意图。图3为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统在不同工作循环后叶尖间隙的变化示意图。

如图1至图3所示，本发明公开了一种燃气轮机的叶尖间隙控制系统，其包括燃气轮机机匣20、转子叶片30和若干冷却管路10。在燃气轮机机匣20与转子叶片30之间具有一叶尖间隙X，而冷却管路10周向布置在燃气轮机机匣20外侧。特别地，在冷却管路10上还开设有若干冲击孔40，用于将冷却气体或者加热气体吹至燃气轮机机匣20，以达到控制燃气轮机机匣20的温度的目的。

此处，每两个相邻的冷却管路10相互间隔布置。冷却管路10上的冲击孔40至燃气轮机机匣20的距离为冷却气体或加热气体的冲击距离，通过对机匣的温度进行控制来达到控制其热变形的目标，从而实现对叶尖间隙的控制。

在燃气轮机领域中，影响冲击冷却/加热效果的主要因素包括气流流量、温度以及冲击距离(如图2所示)。冲击距离即从冲击冷却管上的小孔40到燃气轮机机匣20的距离，通常冲击距离越近(如图2中所示冲击距离d'小于冲击距离d)，冲击冷却效果越好。当发动机结构设计完成之后，冲击距离在整个发动机的寿命周期内一般都是不变的。

如图3所示的，燃气轮机的发动机在整个寿命周期内，叶尖间隙由于碰磨等原因会逐渐增大，从而导致发动机效率降低、性能下降。例如图2中的实线部分给出了叶尖间隙在发动机寿命周期内逐渐增大的示例。

根据上述结构，本发明还提供了一种燃气轮机的叶尖间隙控制方法，用于消除燃气轮机性能的衰退。图4为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制方法的流程图。

如图4所示，所述方法采用如上所述的燃气轮机的叶尖间隙控制系统，其包括以下步骤

步骤一：启动燃气轮机的发动机正常工作，所述间隙控制系统在初始的所述冲击距离下对所述机匣进行冷却。具体地说，将新发动机正常启动工作，通过所述燃气轮机的叶尖间隙控制系统在初始的冲击距离下对燃气轮机机匣进行冷却，从而实现间隙控制效果。

随着发动机使用的循环数的增加，由于叶片叶尖对静子的磨损，叶尖间隙会逐渐变大，伴随着发动机性能将会逐渐衰退，而发动机排气温度的裕度降低。

步骤二：判断燃气轮机的发动机是否使用到固定数量的循环，或者排气温度的裕度是否降低至预设值；若是，则进入步骤三；若否，则进入步骤四。

通常判断循环数量或者排气温度的裕度降低值是通过试验来获得的，通常的数值范围是0-4000个发动机使用循环，或者0-30K的排气温度的裕度降低，但实际使用时不局限于此数值范围。

步骤三：调整所述冷却管路上的所述冲击孔至所述机匣的距离，即调整所述冲击距离，使得机匣收缩量变大，所述叶尖间隙减小。

通常采用的方式是调整阀门的开度来调整冷却气流量，实现减小间隙的目的。然而，本发明提出根据发动机设计时给定的数值来调整冲击距离，加强对燃气轮机机匣的冷却，使得燃气轮机机匣的收缩量变大，叶尖间隙减小，从而实现减缓发动机性能衰退的目的。调整冲击距离的方法通常可以通过调节冲击冷却管路10和燃气轮机机匣20之间的安装距离或者安装方式，实现不同的冲击距离。冲击距离的调节方法主要包含以上两种，但本发明不局限于上述两种方式，其他能够实现调整冲击距离的方式也可以采用。

步骤四：发动机继续工作。

步骤五：随着所述燃气轮机的发动机的使用，重复所述步骤二，直至所述燃气轮机的发动机退役。

图5为本发明燃气轮机的叶尖间隙控制系统调整冲击距离的一个实施例的示意图。

进一步举例说明，如图5所示，结合图4，当发动机运行了C1个任务循环之后，叶尖间隙值x比原设计结果增大。根据间隙控制的设计经验与试验测试结果，判断已经需要进行冲击距离的调节，从而增大机匣变形量，减少叶尖间隙值。

减少冲击距离的方法主要包含以下方式但不局限于此方法，通过调整安装冷却管10的紧固结构，该紧固结构的安装调节方式的不同，会改变冲击孔至燃气轮机机匣的距离。通过减小冲击距离来加强对燃气轮机机匣20的冷却，使得燃气轮机机匣20径向收缩量增加，使得此时的叶尖间隙减小，从而抵消了叶尖间隙衰退，实现改善发动机性能衰退速度的目标。

如图5所示，例如冲击冷却管10安装在横向支架60和径向支架70上，在通过螺栓80、90定位安装在燃气轮机机匣20上，横向支架60和径向支架70上的螺栓孔61、71设置为长条形。当需要调节冲击距离时，改变横向支架60上的螺栓80和径向支架70上的螺栓90的安装位置，可使得横向支架60和径向支架70进行平移，即可达到调节冲击距离的目的。

同样的，当发动机继续使用至C2、C3个任务循环之后，当叶尖间隙再次增大时，需要继续减小冲击距离，可以进一步抵消叶尖间隙衰退，进而达到改善发动机性能衰退，延长发动机使用寿命的目标。

在发动机的整个寿命周期内，具体在多少个任务循环后进行冲击距离的调整，进行几次冲击距离的调整，应视发动机的具体使用情况来确定。

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，这些仅是举例说明，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作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。