一种基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统
技术领域
本发明涉及流体机械中的涡轮领域，涉及一种控制径流涡轮转子超速的装置，具体地说是一种基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统。
背景技术
近年来，利用气体工质能量的涡轮应用十分广泛，结构型式也多种多样，为工业生产、民众生活提供电力和动力。为了满足用户对于不同负荷的需要，适应下游电网非稳态负载波动，就需要提高涡轮调节的机动性。由于涡轮调节过程中转速处于动态变化状态，甚至会超过设计最高转速，因此需要一种涡轮转子射流制动调节方法，有效控制涡轮在动态调节过程中转速变化。
目前，控制涡轮转速的主要手段是采用超速控制系统，利用测量仪器获得涡轮转速变化信号，通过转换设备将该信号放大，并传递至涡轮进口位置调节装置，通过截断气源、减少燃料量、释放涡轮内部气体等方法以降低涡轮驱动力，完成涡轮超速控制的目的。专利“测试在起动时保护涡轮机防止超速的系统的方法”(CN102459822A)，以及“高原用电控发动机涡轮增压器超速保护系统”(CN109882302A)主要是通过中断或减少燃料向涡轮机燃烧室的供应来控制超速；采用上述方法时，当涡轮功率、流量、设备体积增大，并采用多级组合结构型式时，会有明显的工质容积延迟效应，增加调节反应时间，降低调节灵敏度，不利于设备的安全运行。
综上所述，需要针对涡轮结构和运行特点，采用新型控制手段实现变工况条件下涡轮转速的灵活调节。
发明内容
为进一步避免涡轮在负载大幅度变化时导致的转子超速的问题，本发明公开了一种基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统。该系统在常规转速调节系统的基础上，进一步提高了控制系统对转速变化的灵敏性，满足了涡轮针对下游负荷灵活多变的运行需求，促进了涡轮在新型能源系统上的使用，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，至少包括一转速检测装置、一转速控制装置、一三通调节阀、一扩压室和一射流发生器，其特征在于，
所述转速检测装置、三通调节阀均与所述转速控制装置通信连接；
所述转速检测装置布置在涡轮转子的转轴附近，用于实时测量涡轮转速，并将所采集的涡轮转速信号实时反馈至所述转速控制装置；
所述三通调节阀的进气口与高压气源连通，第一出气口以开度可调节的方式与涡轮进气端连通，第二出气口选择性地与所述扩压室连通；
所述射流发生器用于产生射流气幕，其进气口与所述扩压室连通，射流出口与涡轮流道连通，且其射流出口的结构及布置方式应保证射流气对涡轮叶片形成阻尼；
所述转速控制装置根据涡轮转速信号判断是否涡轮转子是否超速，当涡轮转子超速时，所述转速控制装置向所述三通调节阀输出执行指令，以控制所述三通调节阀的阀位，使其第一出气口的开度减小，降低进入涡轮流道的气量，并使其第二出气口与所述扩压室连通，继而使所述射流发生器产生射流气，对涡轮叶片形成阻尼，以降低涡轮旋转速度。
本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统中，转速测量装置用于实时测量涡轮的转速，并向转速控制装置传递转速信号，保证转速控制装置实时获取涡轮转速。转速控制装置用于接收实时转速信号，根据信号判断是否进行转速控制，并向三通调节阀输出执行指令。三通调节阀根据转速控制装置发出的执行指令调节阀位，在制动时将进口气体引向扩压室，提高气流压力，形成控制射流气，同时涡轮流道内的气量也会随之降低，减弱驱动转子转动的气流驱动力；扩压室用于提高射流进气压力，获得指定射流气参数并减少射流气波动；射流发生器用于产生射流气，该射流气能够对叶轮叶片形成阻尼效果，提高叶轮转动阻力，降低叶轮旋转速度。
本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，可有效克服常规调节机构针对多级、大功率涡轮由容积效应导致的延迟响应缺陷，能够在不停机条件下实现对转速的及时有效的控制，使涡轮能够在大幅减载条件下也可以连续、安全运行，提高涡轮对各类运行工况的适应性。
本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，其转子超速控制原理为：当涡轮转速增加，并开始超过最大转速限制时，转速检测装置获得涡轮的实时转速，并向转速控制系统传递该信号，转速控制系统接收该实时转速信号，根据信号判断应进行转速控制，并向三通调节阀输出执行指令；三通调节阀根据执行指令开始调节阀位，将涡轮进口气流引向扩压室，提高扩压室内部气体压力，扩压室内气体在压力作用下，经过射流发生器，形成具有一定流量、速度和角度的控制射流气，该射流气与涡轮叶片作用，形成阻碍叶轮转动的阻力，降低叶轮转速，与此同时，三通阀的阀位调节还会减小原先涡轮进气通道内的气流量，减弱涡轮内部的转子驱动力；最终在上述两种因素的作用下有效控制叶轮转速。
优选地，所述涡轮进气端的上游布置有静叶。
优选地，所述径流涡轮的类型为轴流式、向心式、离心式、斜流式等，所述径流涡轮为单级或多级串联结构。涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随设计参数确定。
本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，通过射流在叶片形成转动阻力，减少叶轮旋转驱动力，可有效防止叶轮超速，提高涡轮对负荷变化响应的灵敏性，保证涡轮安全运行。
优选地，所述转速测量装置，类型包括但不限于：光电式、磁电式、霍尔式等，具体类型根据运行工况和现场条件确定。
优选地，所述转速控制装置，既可以与涡轮控制系统集成，也可以独立布置；根据实际涡轮设计参数确定。
优选地，所述三通调节阀，其流量特性包括但不限于：快开、平方根、线性、等百分比等；驱动装置包括但不限于：气动驱动、电动驱动、液压驱动等，具体结构型式根据调节要求和现场条件确定。
优选地，所述扩压室结构既可与涡轮的机匣相结合，也可以采用独立容器结构；扩压室的几何形状、容积、压力等级等参数根据调节要求和现场条件确定。
优选地，所述射流发生器包括但不限于：用喷管式、导叶式；射流发生器结构可沿机匣整周布置或沿特定弧长部分布置；射流发生器所产生的气流速度、角度、流量等参数根据调节要求和现场条件确定。
本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统中，所述转速检测装置、转速控制装置、三通调节阀、扩压室、射流发生器等装置的具体结构、尺寸、运行参数通过整体优化设计确定，保证效果最优。
优选地，所述涡轮的工质气体来源包括大气、压缩空气、发动机尾气、锅炉蒸汽、燃气、工业排放烟气、太阳能集热器蒸汽、蓄热器蒸汽、化工过程气体等。
优选地，所述涡轮的工质是压缩空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂等。
根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮，所述涡轮包括本发明的上述基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统。
同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：
1.本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，可有效克服常规转速调节机构对多级、大功率涡轮由容积效应导致的延迟响应缺陷，能够在不停机条件下对转速及时、有效的控制，使涡轮在大幅度加、减载条件下也可连续安全运行，提高涡轮对各类运行工况的适应性，适用于不同负荷等级的涡轮。
2.本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，在增加叶轮转动的阻力同时，还同时减少了涡轮进气量，减少了驱动转子旋转的驱动力，转速控制效果更为明显。
3.本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统，可采用模块化设计，控制结构参数可实现多种组合，因此对涡轮结构和运行工况的适应性强。
附图说明
图1为涡轮内工质流动过程图；
图2为本发明的基于射流气幕的径流涡轮转子超速控制系统示意图；
图3为系统中射流气发生器沿流向布置示意图，其中，(a)单通道布置方式，(b)为多通道布置方式；
图4为系统中射流气发生器沿周向布置示意图，其中，(a)整周布置方案，(b)部分弧长布置方案,(c)间隔弧长布置方案；
图5为系统中射流气发生器结构示意图，其中，(a)喷管式射流发生器，(b)导叶式射流发生器。
图中，叶轮10，叶片11，机匣20，静叶30，转速检测40，转速控制装置50，三通调节阀60，扩压室70，射流发生器80。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1所示，涡轮包括叶轮10、机匣20，叶轮10同轴设置在机匣20内，叶轮10沿其周向均匀分布多个径流叶片11，叶轮10的上游可进一步设置静叶30。涡轮可以为轴流式、向心式、离心式、斜流式等，布置方式可以为单级或多级串联结构，图1中示出的是一种单级向心式涡轮结构。涡轮的个数及几何形状和结构尺寸、转速随设计参数确定。工质气流在涡轮中流动时，首先流动至静叶30并在静叶30中加速，随后进入叶轮10推动叶轮按照一定转速带动下游负载转动做功。当负载波动时，需要提高涡轮调节的机动性。由于涡轮调节过程中转速处于动态变化状态，甚至会超过设计最高转速，因此需要一种涡轮转子超速控制系统，能够有效地控制涡轮在动态调节过程中转速变化，并需要保证控制系统对转速变化的灵敏性，满足涡轮针对下游负载灵活多变的运行需求。
如图2所示，为了在变工况过程中有效防止涡轮转子超速，本发明提出了一种基于射流气幕的涡轮转子超速控制系统，所述系统至少包括一转速检测装置40、一转速控制装置50、一三通调节阀60、一扩压室70和一射流发生器80。其中，转速检测装置40布置在涡轮的转轴附近，转速检测装置40用于实时测量涡轮的转速，并向转速控制装置50传递转速信号，保证转速控制装置50实时获取涡轮转速。转速控制装置50用于接收实时转速信号，根据信号判断是否进行转速控制，并向三通调节阀60输出执行指令；三通调节阀60的进气口与高压气源连通，第一出气口与静叶30进气端连通，第二出气口与扩压室70连通，三通调节阀60根据转速控制装置50发出的执行指令调节阀位，在制动时将进口气体引向扩压室70，提高气流压力，形成控制射流气，同时原先涡轮流道内气量也会随之降低，减弱驱动转子转动的气流驱动力；扩压室70用于提高射流进气压力，获得指定射流气参数并减少射流气波动；射流发生器80用于产生射流气幕，该射流气能够对叶轮叶片形成阻尼效果，提高叶轮转动阻力，降低叶轮旋转速度。
本发明的基于射流气幕的涡轮转子超速控制系统，可有效克服常规调节机构针对多级、大功率涡轮由容积效应导致的延迟响应缺陷，能够在不停机条件下实现对转速的及时有效的控制，使涡轮能够在大幅减载条件下也可以连续、安全运行，提高涡轮对各类运行工况的适应性。
如图3所示，为进一步提高叶轮超速控制效果，射流发生器80沿流向布置可采用多种方式，包括但不限于：单通道布置方式、多通道布置方式等。具体布置方案可根据涡轮实际运行工况和结构特征加以确定。
如图4所示，为进一步提高叶轮超速控制效果，同时减少加工成本和设计困难，射流发生器80沿周向布置可采用多种方式，包括但不限于：整周布置方案、部分弧长布置方案、间隔弧长布置方案等。具体布置方案可根据涡轮实际运行工况和结构特征加以确定。
如图5所示，为进一步提高叶轮超速控制效果，同时考虑结构和加工难度，射流发生器80可采用多种结构方式，包括但不限于：导叶式、喷管式等。具体布置方案可根据涡轮实际运行工况和结构特征加以确定。
本发明的基于射流气幕的涡轮转子超速控制系统，其转子超速控制原理为：当涡轮转速增加，并开始超过最大转速限制时，转速检测装置40获得涡轮的实时转速，并向转速控制装置50传递该信号，转速控制装置50接收该实时转速信号，根据信号判断应进行转速控制，并向三通调节阀60输出执行指令；三通调节阀60根据执行指令开始调节阀位，将涡轮进口气流引向扩压室70，提高扩压室70内部气体压力，扩压室70内气体在压力作用下，经过射流发生器80，形成具有一定流量、速度和角度的控制射流气，该射流气与涡轮叶片作用，形成阻碍叶轮转动的阻力，降低叶轮转速，与此同时，三通调节阀60的阀位调节还会减小原先涡轮进气通道内的气流量，减弱涡轮内部的转子驱动力；最终在上述两种因素的作用下有效控制叶轮转速。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明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。
