CN113700676A - 一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自引气控制的燃气轮机压气机可调导叶的调节驱动机构，主要包括主作动筒、辅助作动筒和连接管路。主作动筒和辅助作动筒通过从压气机机匣上引出的高压气源来控制活塞的移动。燃气轮机的转速越高，可调导叶调节驱动机构的引气气压越大，作动筒的活塞位移越大，可调导叶的转角也越大。当燃气轮机降转速时，也存在上述对应关系。通过对作动筒内部结构的详细设计，可使上述参数能够定量的满足压气机的调节要求。该导叶调节驱动机构可通过从压气机机匣上的引气来调节导叶的角度，不必专门为导叶调节驱动机构配备液压源或者气源，精简了燃气轮机机组的辅助***，降低了导叶调节驱动机构的成本和复杂程度，简化了燃气轮机的控制逻辑。

Description

一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种压气机可调导叶的调节驱动机构，具体涉及一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构。本发明也适用于带有导叶调节机构的压缩机组。

背景技术

燃气轮机的核心构成部件包括压气机、燃烧室和涡轮。其中压气机的用途是压缩空气，形成高压空气，然后高压空气流通到燃烧室内，与燃料混合燃烧，产生高温高压燃气，最后高温高压燃气推动涡轮旋转做功，实现化学能转化成机械能的目的。

对于中大型的燃气轮机，压气机一般采用轴流式压气机，也就是由多级转子叶片和静子叶片交互作用，促使空气从压气机前端流向后端，并使流道内空气的气压逐渐升高。为了提高多级叶片的工作协调性，使压气机能够在更广泛的范围内稳定工作，常常需要使压气机的静子叶片具有一定的开关能力，从而调节其安装角度。工程上一般给燃机配备压气机可调导叶调节驱动机构来驱动某几级静子叶片的开关角度。

目前工程上常见的可调导叶调节***也是采用了主作动筒和辅助作动筒构成的驱动结构来保证静子叶片同步转动到规定的角度。两个作动筒的工作介质一般是燃油，或者试车台提供的可调液压油源或气源。对于采用燃油作为燃料的燃气轮机，通过扩充燃油调节装置的功能模块可以控制作动筒动作。但对于采用天然气作为燃料的燃气轮机，压气机导叶调节驱动机构不再适合借用燃油作为调节***驱动机构的工作介质，需要单独给作动筒配备可控制的液压油源或者气源，显然这样增加了燃气轮机***的复杂性和成本，而且也会增加燃机控制***的复杂程度。

本专利提出了一种采用从压气机流道中抽取高压空气作为作动筒工作介质的设计方案。通过作动筒的内部结构设计，可建立压气机的工作状态和导叶调节角度的函数关系，省去了原设计中为叶片调节机构提供工作介质的液压油设备或者控制气源设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种自引气控制的燃气轮机压气机可调导叶的调节驱动机构。对于采用天然气作为燃料的燃气轮机，压气机导叶调节驱动机构不再适合借用燃油作为调节***驱动机构的工作介质。而如果为其配备独立的液压油源或者高压气源，都会增加***的成本和复杂性，而且也会增加燃机控制***的复杂程度。

针对现有采用天然气作为燃料的燃气轮机中，压气机导叶调节驱动机构如果借用燃油作为调节***驱动机构的工作介质，需要单独给作动筒配备可控制的液压油源或者气源，从而增加燃气轮机***的复杂性和成本的缺陷和不足，为了解决压气机导叶调节***中驱动机构的工作介质来源问题，本发明提出了一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，通过从压气机机匣引气，借用燃气轮机流道内高压气作为驱动机构工作介质的技术方案，通过作动筒的内部结构设计，可建立压气机的工作状态和导叶调节角度的函数关系，省去了现有技术中为叶片调节机构提供工作介质的液压油设备或者控制气源设备。

具体而言，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，至少包括一主作动筒和一辅助作动筒，其特征在于，

--所述主作动筒，至少包括一主驱动杆、一主作动筒壳体、一内气缸、一主承力活塞、一主后端盖、一支撑衬套、一拉杆、一控制活塞，其中，

所述内气缸同轴套设在所述主作动筒壳体内，所述内气缸为一两端开口的圆柱状筒体，且所述圆柱状筒体的后端形成一环状端盖，所述环状端盖通过连接件与所述主作动筒壳体后端的连接法兰固定连接；

所述主承力活塞同轴套设在所述主作动筒壳体内，所述主承力活塞包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的空心杆状延伸部，所述主承力活塞的筒状主体部的内径与所述内气缸的圆柱状筒体的外径相适配，所述承力活塞的筒状主体部可沿所述内气缸的外壁前后移动；所述筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述主作动筒壳体的内径相适配，使得所述环状法兰部可沿所述主作动筒壳体的内壁前后移动；所述杆状延伸部的内腔与所述筒状主体部的内腔相连通，所述杆状延伸部的外径与所述作动筒壳体前端的中心孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述作动筒壳体前端的中心孔前后移动；所述主驱动杆1固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述主驱动杆1与压气机可调导叶的联动环连接；所述筒状主体部内腔的前端通过连接件固定设置一带有中心孔的堵盖；

所述主后端盖包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的筒状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述内气缸的后端，所述筒状延伸部同轴套设在所述内气缸的内腔中，且所述筒状延伸部的前端同轴设置一转接套筒，所述转接套筒包括一前端大直径段和一后端小直径段，所述前端大直径段与后端小直径段之间形成一台阶部，所述转接套筒的后端小直径段与所述筒状延伸部的内径相适配并插设在所述筒状延伸部的前端，所述转接套筒的前端大直径段的外径与所述内气缸的内径相适配，所述转接套筒可在所述筒状延伸部和内气缸的双重约束下沿轴向前后移动；

所述控制活塞可前后滑动地设置在所述主后端盖的筒状延伸部内，所述内气缸的邻近前端的内壁上设置一环状凸起，所述环状凸起与所述转接套筒的台阶部之间设置一大弹簧，所述支撑衬套通过一设置在所述内气缸前端的连接件固定设置在所述环状凸起的前侧，所述控制活塞与支撑衬套之间设置一小弹簧；

所述拉杆的后端与所述控制活塞固定连接，所述拉杆的主体部穿过所述支撑衬套，且所述拉杆在其前端形成一直径缩小部并穿过所述承力活塞内的堵盖的中心孔后固定设置一锁紧螺母，且所述拉杆前端的直径缩小部的外径小于所述承力活塞内的堵盖的中心孔的孔径，二者之间具有间隙；

所述主作动筒内部形成R、S、T、W共4个气腔，其中，

气腔R与气腔S分别位于所述主承力活塞的两侧，所述主承力活塞的外壁与所述主作动筒壳体的内壁之间的空间形成为气腔R，所述主承力活塞的内壁与所述主作动筒壳体的内壁、内气缸的外壁、堵盖、支撑衬套之间围成的空间形成为气腔S；气腔T和气腔W分别位于所述控制活塞的两侧，所述控制活塞、内气缸、主后端盖的筒状延伸部、转接套筒、支撑衬套之间围成的空间形成为所述气腔T，所述制活塞、主后端盖的板状盖体之间围成的空间形成为所述气腔W；

所述主作动筒上设有A、B、C、D、E共5个气体接口，所述主后端盖的板状盖体上设置有与所述气腔W相连通的气体接口A，所述内气缸的环状端盖上设置有与气腔T相连通的气体接口B，所述作动筒壳体的壁面上分别设置有与所述气腔R相连通的气体接口C、D，所述内气缸的环状端盖上设置有与所述气腔S相连通的气体接口E；

--所述辅助作动筒，至少包括一辅助驱动杆、一辅助作动筒壳体、一辅助承力活塞和一辅助后端盖，其中，

所述辅助作动筒壳体整体为一后端开口、前端封闭的筒状壳体部件，且所述辅助作动筒壳体的后端形成有环状连接法兰，所述辅助作动筒壳体的前端面上形成有中心通孔，

所述辅助后端盖包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的柱状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述辅助作动筒壳体的后端连接法兰上，所述柱状延伸部同轴套设在所述辅助作动筒壳体内，

所述辅助承力活塞同轴套设在所述辅助作动筒壳体内，所述辅助承力活塞包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的杆状延伸部，所述辅助承力活塞的筒状主体部的内径与所述辅助后端盖的柱状延伸部的外径相适配，所述辅助承力活塞的筒状主体部可沿所述辅助后端盖的柱状延伸部的外壁前后移动；所述辅助承力活塞的筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述辅助作动筒壳体的内径相适配，使得所述环状法兰部可沿所述辅助作动筒壳体的内壁前后移动；所述杆状延伸部的外径与所述辅助作动筒壳体前端的中心通孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述辅助作动筒壳体前端的中心通孔前后移动；所述辅助驱动杆固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述辅助驱动杆也与压气机可调导叶的联动环连接；

所述辅助作动筒内部形成M、N两个气腔，其中，气腔M与气腔N分别位于所述辅助承力活塞的前后两侧，所述辅助承力活塞的外壁与所述辅助作动筒壳体的内壁之间的空间形成为气腔N，所述辅助承力活塞的内壁与所述辅助作动筒壳体的内壁、辅助后端盖之间围成的空间形成为气腔M；

所述辅助作动筒上设有F、G、H、J共4个气体接口，其中，所述辅助后端盖的板状盖体上设置有与所述气腔M相连通的气体接口F、J，所述辅助作动筒壳体的壁面上分别设置有与所述气腔N相连通的气体接口G、H；

--从燃气轮机压气机机匣中引出高压气源，引用压气机流道内的高压空气，所述高压气源通过管路分别与所述主作动筒的气体接口A、辅助作动筒的气体接口F、辅助作动筒的气体接口H连通，从而分别为气腔W、气腔M、气腔N提供高压空气；所述主作动筒的气体接口E通过管路与所述辅助作动筒的气体接口J相连，从而保证所述主作动筒中气腔S的气压与所述辅助作动筒中气腔M的气压相等；所述主作动筒的气体接口C通过管路与所述辅助作动筒的气体接口G相连，从而保证所述主作动筒中气腔R的气压与辅助作动筒中气腔N的气压相等；所述主作动筒的气体接口B在设计状态下与大气环境连通，使得所述气腔T内的气压为恒定的环境气压；所述主作动筒的气体接口D在工作状态下处于封闭状态，并选择性地与大气环境连通。

本发明的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，主要包括主作动筒、辅助作动筒和连接管路。主作动筒与辅助作动筒两个作动筒同步工作，共同带动压气机导叶的联动环，可以避免压气机导叶转动沿周向的不协调性。主作动筒中包括控制活塞和承力活塞，而辅助作动筒中仅有承力活塞而没有控制活塞。主作动筒中的控制活塞决定承力活塞无杆腔的腔压能否建立起来；承力活塞决定作动筒驱动杆的位移。连接管路包括多段管路，其中的一部分管路从压气机机匣上的接口引高压气源供两个作动筒使用；另一部分管路将两个作动筒中承力活塞有杆腔联通，同时也将两个无杆腔联通。对于主作动筒与辅助作动筒两个作动筒，从压气机机匣引的高压气能够联合弹簧共同控制主作动筒中的控制活塞的位移，从而控制承力活塞的无杆腔是否能够建立压力，进而控制承力活塞和驱动杆的位移。

优选地，所述主作动筒中的支撑衬套与所述内气缸中的环状凸起之间设置有调整环，所述小弹簧与控制活塞之间设置有调整垫，通过调节所述调整环和/或调整垫的厚度以改变所述小弹簧的预压力。也就是说，所述主作动筒中控制活塞的位移和压气机机匣引气气压的关系曲线是可微调的。具体来说，可通过调节弹簧端的调整垫和/或调整环的厚度以改变所述小弹簧的预压力，从而改变控制活塞开始移动的气压临界值；在特殊情况下也可以通过给弹簧所在气腔供气改变控制活塞的受力平衡。

此外，本发明中主作动筒与辅助作动筒两个作动筒的承力活塞有杆腔和无杆腔的气压均来源于从压气机机匣的引气，两腔的腔压大小接近。承力活塞的受力主要取决于有杆腔和无杆腔中的腔压作用面积，同时可对有杆腔和无杆腔进气接口的节流元件进行腔压的微调。

优选地，所述主驱动杆与主承力活塞固定连接，二者同步移动；所述辅助驱动杆与辅助承力活塞固定连接，二者同步移动。

优选地，所述主承力活塞的筒状主体部的环状法兰部与所述主作动筒壳体的内壁之间设有密封圈，所述主承力活塞的杆状延伸部与所述主作动筒壳体前端的中心孔之间设有密封圈，所述内气缸内的环状凸起与所述支撑衬套之间设有密封圈，所述控制活塞中心杆与所述支撑衬套之间设有密封圈，所述内气缸后端的环状端盖与所述主作动筒壳体后端的连接法兰之间设有密封圈，所述主后端盖与所述内气缸的后端之间设有密封圈，从而保证所述气腔R、S、T、W的密封性。

优选地，所述转接套筒的后端小直径段与所述主后端盖的筒状延伸部之间、以及所述转接套筒的前端大直径段与所述内气缸之间均为大间隙配合。

优选地，在未工作状态下，所述气腔W、T、S、R中的气压均为环境气压，所述控制活塞在小弹簧的预压力作用下停在最后端(最左侧)，所述承力活塞随所述控制活塞一起停在最后端(最左侧)。

优选地，所述拉杆上限位控制活塞轴向串动的台阶部，所述主承力活塞内的堵盖的后侧表面B与所述拉杆的台阶部之间具有间隙Y，通过所述间隙Y、所述拉杆的直径缩小部与所述主承力活塞的堵盖的中心孔之间的间隙、所述主承力活塞的杆状延伸部与主驱动杆之间的间隙，所述气腔S与大气环境相通。

进一步地，当所述气腔W内的气压升高到足以克服所述小弹簧的预压力时，所述控制活塞开始向前(右)移动，当移动距离达到所述间隙Y的值时，所述间隙Y被堵上，所述气腔S不再与大气相通，所述气腔S内的气压开始由气体接口E引入的空气的气压决定。

进一步地，随着所述气腔W中的气压进一步升高，所述控制活塞继续向前(右)移动，当所述控制活塞移动到压紧所述转接套筒的位置时，所述大弹簧开始被压缩。

优选地，所述辅助后端盖的板状盖体与所述辅助作动筒壳体后端的连接法兰之间、所述辅助承力活塞的筒状主体部后端的环状法兰部与所述辅助作动筒壳体之间、所述辅助承力活塞的杆状延伸部与所述作动筒壳体前端的中心通孔之间均设置有密封圈，以共同保证所述气腔M、N的密封性。

优选地，燃气轮机启动后，随着燃气轮机工作转速的提高，所述气腔N、R内的压力逐渐升高，所述气腔M、S由于所述间隙Y的存在而与外界大气相通，此时所述主作动筒和辅助作动筒的承力活塞均停止在最后(左)侧，主驱动杆、辅助驱动杆的位移均为零。

进一步地，随着燃气轮机的工作转速继续升高，从压气机机匣引出的气源压力也继续升高，所述主作动筒的气腔W中的压力上升到某一临界值，使所述控制活塞左侧的气压力超过右侧的合力，随着所述气腔W的气压的进一步增加，所述控制活塞一直向右移动至所述间隙Y闭合。

优选地，所述气体接口F、H均内置有节流孔，通过调整节流孔的尺寸可以调节作所述气腔N、R、S、M的气压。

除了上面所述的特征和优点之外，本发明还有其他的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请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是本发明优选实施例自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构原理图；

图2是本发明优选实施例主作动筒的内部结构示意图；

图3是本发明优选实施例辅助作动筒的内部结构示意图；

图4是本发明中各气腔内的气压变化随引气气源压力的关系示意图。

附图标记说明如下：

1-主驱动杆；2-密封圈；3-支撑衬套；4-小弹簧；5-螺母；6-内气缸；7-主承力活塞；8-主作动筒壳体；9-大弹簧；10-密封圈；11-调整垫；12-主后端盖；13-拉杆；14-控制活塞；15-密封圈；16-转接套筒；17-密封圈；18-调整环；19-密封圈；20-堵盖；21-辅助驱动杆；22-辅助作动筒壳体；23-辅助承力活塞；24-密封圈；25-辅助后端盖；26-密封圈。

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，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。

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机压气机可调导叶调节驱动机构。本发明提出的自引气控制的燃气轮机压气机可调导叶调节驱动机构采用从压气机流道引气作为驱动作动筒的工作介质。图1给出了本发明中采用的自引气控制的燃气轮机压气机可调导叶调节驱动机构原理图，图2给出了主作动筒的内部结构示意图，图3给出了辅助作动筒的内部结构示意图，图4给出了各气腔内的气压变化随引气气源压力的关系示意图。

(一)可调导叶调节驱动机构的构成及原理

从图1可以看出，本发明的可调导叶调节驱动机构主要包括主作动筒100、辅助作动筒200以及连接管路。

主作动筒100上包含A、B、C、D、E共5个气体接口，同时内部包含R、S、T、W共4个气腔。

辅助作动筒200的内部结构不同于主作动筒的内部结构，它包含F、G、H、J共4个气体接口，内部有两个气腔：气腔M和气腔N。

外部管路的源头连接到压气机机匣上，引用压气机流道内的高压空气。通过管路引用的高压空气分成三路：

(a)第一路连接到主作动筒的气体接口A，为气腔W提供高压空气；

(b)第二路连接到辅助作动筒的气体接口F，为气腔M提供高压空气；

(c)第三路连接到辅助作动筒的气体接口H，为气腔N提供高压空气。

为了使主作动筒和辅助作动筒保持动作的协调性，另外配备了两个管路使主作动筒中主承力活塞前后气腔的气压与辅助作动筒中辅助承力活塞前后气腔中的气压保持一致。即：

(a)采用管路将主作动筒的气体接口E与辅助作动筒的气体接口J相连，从而保证主作动筒中气腔S的气压与辅助作动筒中气腔M等压；

(b)采用管路将主作动筒的气体接口C与辅助作动筒的气体接口G相连，从而保证主作动筒中气腔R的气压与辅助作动筒中气腔N等压。

此外，主作动筒的气体接口B与气腔T相连，在设计状态下气体接口B是开放的，保证气腔T内的气压为恒定的环境气压，必要情况下可通过气体接口B改变气腔T内的气压。气体接口D在工作状态需要堵住，必要情况下可接外部气压。

(二)主作动筒的内部结构

主作动筒100的内部结构见图2。主作动筒100包括一主驱动杆1、一主作动筒壳体8、一内气缸6、一主承力活塞7、一主后端盖12、一支撑衬套3、一拉杆13、一控制活塞14，其中，

所述内气缸6设在所述主作动筒壳体8内，所述内气缸6为一两端开口的圆柱状筒体，且所述圆柱状筒体的后端带有法兰安装边，所述法兰安装边通过连接件与所述主作动筒壳体8后端的法兰固定连接；

所述主承力活塞7设在所述主作动筒壳体8内，所述主承力活塞7包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的杆状延伸部，所述筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述主作动筒壳体8的内径相适配，使得所述环状法兰部可紧贴所述主作动筒壳体8的内壁前后移动；所述杆状延伸部为中空结构，且所述杆状延伸部的内腔与所述筒状主体部的内腔相连通，所述杆状延伸部的外径与所述主作动筒壳体8前端的中心孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述主作动筒壳体8前端的中心孔前后移动；所述主驱动杆1固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述主驱动杆1与压气机可调导叶的联动环连接；所述筒状主体部内腔的前端通过连接件固定设置一带有中心孔的堵盖20；

所述主后端盖12包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的筒状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述内气缸6的后端，所述筒状延伸部设在所述内气缸6的内腔中，且所述筒状延伸部的前端同轴设置一转接套筒16，所述转接套筒16包括一前端大直径段和一后端小直径段，所述前端大直径段与后端小直径段之间形成一台阶部，所述转接套筒16的后端小直径段与所述主后端盖12的筒状延伸部的内径相适配并插在所述筒状延伸部的前端，所述转接套筒16的前端大直径段的外径与所述内气缸6的内径相适配，所述转接套筒16可在所述筒状延伸部和内气缸6的双重约束下沿轴向前后移动；

所述控制活塞14可前后滑动地设置在所述主后端盖12的筒状延伸部内，所述内气缸6的邻近前端的内壁上设置一环状凸起，所述环状凸起与所述转接套筒16的台阶部之间设置一大弹簧9，所述支撑衬套3通过一设置在所述内气缸6前端的螺母固定设置在所述环状凸起的前侧，所述控制活塞14与支撑衬套3之间设置一小弹簧4；

所述拉杆13的后端与所述控制活塞14固定连接，所述拉杆13的主体部穿过所述支撑衬套3，且所述拉杆13在其前端形成一直径缩小部并穿过所述主承力活塞7内的堵盖20的中心孔后固定设置一锁紧螺母，且所述拉杆13前端的直径缩小部的外径小于所述主承力活塞7内的堵盖20的中心孔的孔径，二者之间具有间隙；

所述主作动筒100内部形成R、S、T、W共4个气腔，其中，

气腔R与气腔S分别位于所述主承力活塞7的两侧，所述主承力活塞7的外壁与所述主作动筒壳体8的内壁之间的空间形成为气腔R，所述主承力活塞7的内壁与所述主作动筒壳体8的内壁、内气缸6的外壁、堵盖20、支撑衬套3之间围成的空间形成为气腔S；气腔T和气腔W分别位于所述控制活塞14的两侧，所述控制活塞14、内气缸6、主后端盖12的筒状延伸部、转接套筒16、支撑衬套3之间围成的空间形成为所述气腔T，所述制活塞14、主后端盖12的板状盖体之间围成的空间形成为所述气腔W；

所述主作动筒100上设有A、B、C、D、E共5个气体接口，所述主后端盖12的板状盖体上设置有与所述气腔W相连通的气体接口A，所述内气缸6的环状端盖上设置有与气腔T相连通的气体接口B，所述作动筒壳体8的壁面上分别设置有与所述气腔R相连通的气体接口C、D，所述内气缸6的环状端盖上设置有与所述气腔S相连通的气体接口E；

驱动杆1与压气机可调导叶的联动环连接。主驱动杆1的行程决定了联动环的转动，从而带动相关级别的压气机可调导叶的角度转动。主驱动杆1与主承力活塞7连接到一起，二者同步移动。

气腔R与气腔S中的空气共同作用控制主承力活塞7的移动。主承力活塞7与主作动筒壳体8之间的空腔共同形成图1中的气腔R，密封圈2和密封圈10共同保证气腔R的密封性。主承力活塞7的另一侧气腔为气腔S，气腔S主要由主承力活塞7、堵盖20、作动筒壳体8、内气缸6、支撑衬套3共同围成；同时密封圈10、17、19共同保证气腔S的密封性。

气腔T和气腔W分别位于控制活塞14的两侧，气腔T主要由内气缸6，主后端盖12，控制活塞14，支撑衬套3构成。密封圈15,17,19共同保证气腔T的密封性。气腔T内的转接套筒16与内气缸6和端盖12的套筒之间为大间隙配合，不影响内部的气压分布。气腔W由端盖12和控制活塞14构成。

在未工作状态下，气腔W、气腔T、气腔S、气腔R中的气压均为环境气压，控制活塞14在小弹簧4的预压力的作用下，停在最左侧。小弹簧的预压力的大小可以通过修磨调整垫11和调整环18的厚度来调整。拉杆13将堵盖20和控制活塞14连接在一起；堵盖20上的螺钉将堵盖20和主承力活塞7连接在一起。因此，在未工作状态下，主承力活塞7也随控制活塞14一起停在最左侧。通过修磨堵盖20的左侧表面B，保证未工作状态下端盖20和拉杆13上的凸台间存在小间隙Y。通过小间隙Y、拉杆13右端中心通气孔、驱动杆1上的中心通气孔，能够保证小间隙Y打开时气腔S与大气相通。

当气腔W内的气压升高到足以克服小弹簧4的预压力时，控制活塞14开始向右移动，当移动距离达到间隙Y的值时，间隙Y被堵上，气腔S不再与大气相通，气腔S内的气压开始由气体接口E引入的空气的气压决定。随着气腔W中的气压进一步升高，控制活塞14继续向右移动。当控制活塞14移动到压紧转接套筒16的位置时，大弹簧9开始被压缩。

(三)辅助作动筒的内部结构

辅助作动筒的内部结构与主作动筒的内部结构相比较为简单。如图3所示，辅助作动筒200包括一驱动杆21、一辅助作动筒壳体22、一辅助承力活塞23和一辅助后端盖25，其中，

所述辅助作动筒壳体22整体为一后端开口、前端封闭的筒状壳体部件，且所述辅助作动筒壳体22的后端形成有环状连接法兰，所述辅助作动筒壳体22的前端面上形成有中心通孔，

所述辅助后端盖25包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的柱状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述辅助作动筒壳体22的后端连接法兰上，所述柱状延伸部同轴套设在所述辅助作动筒壳体22内，

所述辅助承力活塞23同轴套设在所述辅助作动筒壳体22内，所述辅助承力活塞23包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的杆状延伸部，所述辅助承力活塞23的筒状主体部的内径与所述辅助后端盖25的柱状延伸部的外径相适配，所述辅助承力活塞23的筒状主体部可紧贴所述辅助后端盖25的柱状延伸部的外壁前后移动；所述辅助承力活塞23的筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述辅助作动筒壳体22的内径相适配，使得所述环状法兰部可紧贴所述辅助作动筒壳体22的内壁前后移动；所述杆状延伸部的外径与所述辅助作动筒壳体22前端的中心通孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述作动筒壳体前端的中心通孔前后移动；所述辅助驱动杆21固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述辅助驱动杆21也与压气机可调导叶的联动环连接；

所述辅助作动筒200内部形成M、N两个气腔，其中，气腔M与气腔N分别位于所述辅助承力活塞23的前后两侧，所述辅助承力活塞23的外壁与所述辅助作动筒壳体22的内壁之间的空间形成为气腔N，所述辅助承力活塞23的内壁与所述辅助作动筒壳体22的内壁、辅助后端盖25之间围成的空间形成为气腔M；

所述辅助作动筒200上设有F、G、H、J共4个气体接口，其中，所述辅助后端盖25的板状盖体上设置有与所述气腔M相连通的气体接口F、J，所述辅助作动筒壳体22的壁面上分别设置有与所述气腔N相连通的气体接口G、H。

总体而言，辅助作动筒200的辅助驱动杆21，辅助作动筒壳体22，辅助承力活塞23，密封圈24和密封圈26在功能和结构上均与主作动筒中的结构类似。主要的区别在于辅助后端盖25。辅助作动筒200的辅助后端盖25仅用于形成气腔M；而主作动筒100则通过主后端盖12，控制活塞14，小弹簧4，大弹簧9等结构部件，来控制气腔S中的腔压。

辅助作动筒200有两个气腔M、N，辅助承力活塞23左侧的气腔M，由辅助后端盖25、辅助承力活塞23构成，3处密封圈24共同保证气腔M的密封性。辅助承力活塞23右侧(后侧)的气腔N由辅助承力活塞23、辅助作动筒壳体22构成，密封圈26和2处密封圈24用来保证气腔N的密封性。气腔M通过气体接口F与气源连接，通过气体接口J与主作动筒的气腔S连接。气腔N通过气体接口H与气源连接，通过气体接口G与主作动筒100的气腔R连接。

(四)可调导叶调节驱动机构的工作过程

当燃气轮机启动开始工作时，压气机的转速逐渐升高，压气机流道内的空气气压也逐渐升高。可调导叶调节驱动机构根据压气机的导叶调节要求和作动筒的内部结构尺寸选定从压气机的哪一级引气。引气位置应能满足在压气机导叶需要转动时，引气位置提供的气源能够克服主作动筒的小弹簧4的预压力和控制活塞14的移动阻力。

根据图1中所示的原理图，从压气机机匣引出的高压气源，经过辅助作动筒的气体接口F和气体接口H分别注入气腔M和气腔N。气体接口F和气体接口H内置节流孔，通过调整节流孔的尺寸可以调节作动筒有杆腔(气腔N，气腔R)和无杆腔(气腔S和气腔M)的气压。经过管路的联通，主作动筒100与辅助作动筒200的有杆腔和无杆腔的腔压可以分别同步。另外，从压气机机匣引出的高压气源经过一股管路连接到主作动筒100的气腔W。

可调导叶调节驱动机构工作过程见图4，具体各阶段说明如下：

第一阶段(无杆腔放气)：燃气轮机启动后，随着燃气轮机工作转速的提高，辅助作动筒和主作动筒的有杆腔(气腔N，气腔R)内的压力逐渐升高，而无杆腔(气腔M，气腔S)由于初始间隙Y的存在而与外界大气相通，基本没有建立起压力。此时两个作动筒的承力活塞在有杆腔(气腔N，气腔R)和无杆腔(气腔S和气腔M)的压差作用下，均停止在最左侧，驱动杆的位移为零。

第二阶段(间隙Y闭合，间隙X打开)：燃气轮机的工作转速继续升高，从压气机机匣引出的气源压力也继续升高。主作动筒的气腔W中的压力上升到某一临界值，使控制活塞14左侧的气压力P_W腔×A₁超过右侧的合力。这一合力包括小弹簧4的预压力F_预压，腔T内的气压力P_T腔×A₂，以及控制活塞14的移动阻力F_摩擦。这里A₁和A₂分别是腔W和腔T内作用在控制活塞14上的气压承力面积。用公式表示如下：

P_W腔-临界×A₁≥F_预压+F_摩擦+P_T腔×A₂……………………公式(1)

随着气腔W的气压P_W腔的进一步增加，控制活塞14一直向右移动至间隙Y闭合，同时间隙X打开。作动筒无杆腔(腔S和腔M)开始建立压力，有杆腔(腔R和腔N)与外界大气压联通。理论上间隙Y的存在是控制承力活塞无杆腔的腔压的开关装置，因此间隙Y的设置不宜过大。间隙Y的闭合时间点的调整可以通过修磨主作动筒中调整垫11和调节环18的厚度来进行微调。特殊情况下也可以给腔T供应气压改变间隙Y的闭合时间点。

第三阶段(承力活塞伸出)：间隙Y闭合后，无杆腔(腔S和腔M)的压力继续随着压气机机匣引气气压而增加。在间隙Y闭合的同时，间隙X自然打开，有杆腔(腔R和腔N)通过通气孔V和通气孔U泄压到外界大气环境。用公式表示如下，此处ΔP_节流孔F时气体接口H和气体接口F中的节流孔带来的压力损失。

P_N腔＝P_R腔＝P_大气………………………………公式(2)

P_M腔＝P_S腔＝P_引气-ΔP_节流孔F……………………公式(3)

对于辅助作动筒，承力活塞23开始移动的条件如下公式所示：

P_M腔×A₃＞P_N腔×A₄+F_摩擦+F_驱动……………………公式(4)

其中A₃和A₄分别是气腔M和气腔N内作用在承力活塞23上的气压承力面积。F_摩擦为承力活塞移动需要克服的摩擦力。F_驱动为压气机可调机构反馈给驱动杆21的反作用力，包括联动机构的摩擦力和压气机导叶受到的气动阻力等。燃气轮机压气机导叶调节过程中的反作用力由主作动筒和辅助作动筒的驱动杆共同承担。这里F_摩擦和F_驱动都是由客观条件决定的，A₃和A₄都在作动筒结构确定后不可改变。因此这一阶段进行微调的方式主要是调整气体接口F中的节流孔的大小，从而改变ΔP_节流孔F。

对于主作动筒，承力活塞7的移动条件与辅助作动筒中的承力活塞23类似。差别在于主作动筒中的控制活塞14也会对承力活塞7有推动作用。不过在小弹簧4的弹力的抵消作用下以及承力活塞自身受力平衡条件下，控制活塞14对承力活塞7的推动力比较小。

在无杆腔的压力作用下，理论上承力活塞会在满足腔压条件公式(4)后迅速移动到承力活塞最大行程处。而实际上，一旦承力活塞7的位移大于控制活塞14的位移后，间隙Y就被打开，无杆腔被放气，然后承力活塞在有杆腔的腔压的作用下又回到与控制活塞位移一致的位置上。可以看出，驱动杆的位移与承力活塞的位移一致，而承力活塞的位移大小需要和控制活塞的位移保持一致。控制活塞14的受力情况在间隙Y闭合后变成公式(5)。其中F_弹簧为小弹簧4和大弹簧9对控制活塞14的弹簧力，F_承力活塞为承力活塞7通过拉杆13对控制活塞14的作用力。

P_W腔×A₁＞F_预压+F_摩擦+P_T腔×A₂+F_弹簧+F_承力活塞………公式(5)

因为F_承力活塞不便于计算，因此在主作动筒中对控制活塞和承力活塞的整体作为受力分析对象，于是有公式(6)。

P_W腔×A₁+P_S腔×A₃＞F_预压+F_弹簧+P_T腔×A₂+P_R腔×A₄+F_摩擦+F_驱动……公式(6)

主作动筒在遵循公式(6)的条件下移动，直到承到达力活塞的最大行程。

此处采用了小弹簧4和大弹簧9两个弹簧，是为了满足燃气轮机所要求的F_弹簧与承力活塞位移之间的函数关系。使在燃气轮机高状态下，压气机导叶的角度变化速率更平缓。

第四阶段(承力活塞返回)：燃气轮机从高状态准备停车时，转速逐渐降低，从压气机机匣引气的气压逐渐降低。主作动筒的腔W内的压力也随之降低，在弹簧力的作用下，控制活塞14开始向左侧移动，进而使间隙Y打开，间隙X闭合。间隙Y打开后，无杆腔(腔M和腔S)与大气相通，腔压降低；同时间隙X闭合后，有杆腔(腔N和腔R)与压气机出口引气相通，逐渐建立起腔压。无杆腔腔压降低后，在有杆腔(腔N和腔R)的腔压的作用下，两个作动筒的承力活塞带动驱动杆向左移动。腔W的气压大小和弹簧弹力之间的对应关系如公式(7)。其中F_小弹簧和F_大弹簧是弹簧对控制活塞14的弹力，弹簧弹力的大小取决于控制活塞的位移d，即公式(8)，其中k是弹簧的弹性系数，L₀是弹簧的预压缩量。当转接套筒16恢复到初始位置以后，大弹簧的弹力F_大弹簧开始等于零。

P_W腔×A₁+F_摩擦＝F_小弹簧+F_大弹簧+P_T腔×A₂…………公式(7)

F_弹簧＝k·(L₀+d)………………公式(8)

随着腔W的压力不断降低，承力活塞移动到最左端的位置，即与内气缸6的C面接触后停止移动。

从上述分析可见，压气机机匣引气的气压大小决定了控制活塞的位移，进一步通过间隙X或间隙Y的放气作用而决定了驱动杆的位移。

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。

Claims (10)

1.一种自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，至少包括一主作动筒和一辅助作动筒，其特征在于，

--所述主作动筒，至少包括一主驱动杆、一主作动筒壳体、一内气缸、一主承力活塞、一主后端盖、一支撑衬套、一拉杆、一控制活塞，其中，

所述内气缸设在所述主作动筒壳体内，所述内气缸为一两端开口的圆柱状筒体，且所述圆柱状筒体的后端形成一法兰安装边，所述法兰安装边通过连接件与所述主作动筒壳体后端的连接法兰固定连接；

所述主承力活塞设在所述主作动筒壳体内，所述主承力活塞包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的空心杆状延伸部，所述筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述主作动筒壳体的内径相适配，使得所述环状法兰部可沿所述主作动筒壳体的内壁前后移动；所述杆状延伸部的内腔与所述筒状主体部的内腔相连通，所述杆状延伸部的外径与所述作动筒壳体前端的中心孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述作动筒壳体前端的中心孔前后移动；所述主驱动杆1固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述主驱动杆1与压气机可调导叶的联动环连接；所述筒状主体部内腔的前端通过连接件固定设置一带有中心孔的堵盖；

所述主后端盖包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的筒状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述内气缸的后端，所述筒状延伸部同轴套设在所述内气缸的内腔中，且所述筒状延伸部的前端同轴设置一转接套筒，所述转接套筒包括一前端大直径段和一后端小直径段，所述前端大直径段与后端小直径段之间形成一台阶部，所述转接套筒的后端小直径段与所述筒状延伸部的内径相适配并插设在所述筒状延伸部的前端，所述转接套筒的前端大直径段的外径与所述内气缸的内径相适配，所述转接套筒可在所述筒状延伸部和内气缸的双重约束下沿轴向前后移动；

所述控制活塞可前后滑动地设置在所述主后端盖的筒状延伸部内，所述内气缸的邻近前端的内壁上设置一环状凸起，所述环状凸起与所述转接套筒的台阶部之间设置一大弹簧，所述支撑衬套通过一设置在所述内气缸前端的连接件固定设置在所述环状凸起的前侧，所述控制活塞与支撑衬套之间设置一小弹簧；

所述拉杆的后端与所述控制活塞固定连接，所述拉杆的主体部穿过所述支撑衬套，且所述拉杆在其前端形成一直径缩小部并穿过所述承力活塞内的堵盖的中心孔后固定设置一锁紧螺母，且所述拉杆前端的直径缩小部的外径小于所述承力活塞内的堵盖的中心孔的孔径，二者之间具有间隙；

所述主作动筒内部形成R、S、T、W共4个气腔，其中，

气腔R与气腔S分别位于所述主承力活塞的两侧，所述主承力活塞的外壁与所述主作动筒壳体的内壁之间的空间形成为气腔R，所述主承力活塞的内壁与所述主作动筒壳体的内壁、内气缸的外壁、堵盖、支撑衬套之间围成的空间形成为气腔S；气腔T和气腔W分别位于所述控制活塞的两侧，所述控制活塞、内气缸、主后端盖的筒状延伸部、转接套筒、支撑衬套之间围成的空间形成为所述气腔T，所述制活塞、主后端盖的板状盖体之间围成的空间形成为所述气腔W；

所述主作动筒上设有A、B、C、D、E共5个气体接口，所述主后端盖的板状盖体上设置有与所述气腔W相连通的气体接口A，所述内气缸的环状端盖上设置有与气腔T相连通的气体接口B，所述作动筒壳体的壁面上分别设置有与所述气腔R相连通的气体接口C、D，所述内气缸的环状端盖上设置有与所述气腔S相连通的气体接口E；

--所述辅助作动筒，至少包括一辅助驱动杆、一辅助作动筒壳体、一辅助承力活塞和一辅助后端盖，其中，

所述辅助作动筒壳体整体为一后端开口、前端封闭的筒状壳体部件，且所述辅助作动筒壳体的后端形成有环状连接法兰，所述辅助作动筒壳体的前端面上形成有中心通孔，

所述辅助后端盖包括一板状盖体和一形成在所述板状盖体前端面上的柱状延伸部，所述板状盖体通过连接件固定设置在所述辅助作动筒壳体的后端连接法兰上，所述柱状延伸部同轴套设在所述辅助作动筒壳体内，

所述辅助承力活塞同轴套设在所述辅助作动筒壳体内，所述辅助承力活塞包括一筒状主体部以及一形成在所述筒状主体部前端的杆状延伸部，所述辅助承力活塞的筒状主体部的内径与所述辅助后端盖的柱状延伸部的外径相适配，所述辅助承力活塞的筒状主体部可沿所述辅助后端盖的柱状延伸部的外壁前后移动；所述辅助承力活塞的筒状主体部的后端形成一环状法兰部，所述环状法兰部的外径与所述辅助作动筒壳体的内径相适配，使得所述环状法兰部可沿所述辅助作动筒壳体的内壁前后移动；所述杆状延伸部的外径与所述辅助作动筒壳体前端的中心通孔的孔径相适配，使得所述杆状延伸部可沿着所述辅助作动筒壳体前端的中心通孔前后移动；所述辅助驱动杆固定设置在所述杆状延伸部的前端，所述辅助驱动杆也与压气机可调导叶的联动环连接；

所述辅助作动筒内部形成M、N两个气腔，其中，气腔M与气腔N分别位于所述辅助承力活塞的前后两侧，所述辅助承力活塞的外壁与所述辅助作动筒壳体的内壁之间的空间形成为气腔N，所述辅助承力活塞的内壁与所述辅助作动筒壳体的内壁、辅助后端盖之间围成的空间形成为气腔M；

所述辅助作动筒上设有F、G、H、J共4个气体接口，其中，所述辅助后端盖的板状盖体上设置有与所述气腔M相连通的气体接口F、J，所述辅助作动筒壳体的壁面上分别设置有与所述气腔N相连通的气体接口G、H；

--从燃气轮机压气机机匣中引出高压气源，引用压气机流道内的高压空气，所述高压气源通过管路分别与所述主作动筒的气体接口A、辅助作动筒的气体接口F、辅助作动筒的气体接口H连通，从而分别为气腔W、气腔M、气腔N提供高压空气；所述主作动筒的气体接口E通过管路与所述辅助作动筒的气体接口J相连，从而保证所述主作动筒中气腔S的气压与所述辅助作动筒中气腔M的气压相等；所述主作动筒的气体接口C通过管路与所述辅助作动筒的气体接口G相连，从而保证所述主作动筒中气腔R的气压与辅助作动筒中气腔N的气压相等；所述主作动筒的气体接口B在设计状态下与大气环境连通，使得所述气腔T内的气压为恒定的环境气压；所述主作动筒的气体接口D在工作状态下处于封闭状态。

2.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述主作动筒中的支撑衬套与所述内气缸中的环状凸起之间设置有调整环，所述小弹簧与控制活塞之间设置有调整垫，通过调节所述调整环和/或调整垫的厚度以改变所述小弹簧的预压力。也就是说，所述主作动筒中控制活塞的位移和压气机机匣引气气压的关系曲线是可微调的。具体来说，可通过调节弹簧端的调整垫和/或调整环的厚度以改变所述小弹簧的预压力，从而改变控制活塞开始移动的气压临界值；在特殊情况下也可以通过给弹簧所在气腔供气改变控制活塞的受力平衡。

3.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述主驱动杆与主承力活塞固定连接，二者同步移动；所述辅助驱动杆与辅助承力活塞固定连接，二者同步移动。

4.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述主承力活塞的筒状主体部的环状法兰部与所述主作动筒壳体的内壁之间设有密封圈，所述主承力活塞的杆状延伸部与所述主作动筒壳体前端的中心孔之间设有密封圈，所述内气缸内的环状凸起与所述支撑衬套之间设有密封圈，所述控制活塞中心杆与所述支撑衬套之间设有密封圈，所述内气缸后端的环状端盖与所述主作动筒壳体后端的连接法兰之间设有密封圈，所述主后端盖与所述内气缸的后端之间设有密封圈，从而保证所述气腔R、S、T、W的密封性。

5.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述转接套筒的后端小直径段与所述主后端盖的筒状延伸部之间、以及所述转接套筒的前端大直径段与所述内气缸之间均为大间隙配合。

6.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，在未工作状态下，所述气腔W、T、S、R中的气压均为环境气压，所述控制活塞在小弹簧的预压力作用下停在最后端(最左侧)，所述承力活塞随所述控制活塞一起停在最后端(最左侧)。

7.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述拉杆上限位控制活塞轴向串动的台阶部，所述主承力活塞内的堵盖的后侧表面B与所述拉杆的台阶部之间具有间隙Y，通过所述间隙Y、所述拉杆的直径缩小部与所述主承力活塞的堵盖的中心孔之间的间隙、所述主承力活塞的杆状延伸部与主驱动杆之间的间隙，所述气腔S与大气环境相通。

8.根据权利要求7所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，当所述气腔W内的气压升高到足以克服所述小弹簧的预压力时，所述控制活塞开始向前(右)移动，当移动距离达到所述间隙Y的值时，所述间隙Y被堵上，所述气腔S不再与大气相通，所述气腔S内的气压开始由气体接口E引入的空气的气压决定。

9.根据权利要求8所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，随着所述气腔W中的气压进一步升高，所述控制活塞继续向前(右)移动，当所述控制活塞移动到压紧所述转接套筒的位置时，所述大弹簧开始被压缩。

10.根据权利要求1所述的自引气控制的燃气轮机压气机导叶调节驱动机构，其特征在于，所述辅助后端盖的板状盖体与所述辅助作动筒壳体后端的连接法兰之间、所述辅助承力活塞的筒状主体部后端的环状法兰部与所述辅助作动筒壳体之间、所述辅助承力活塞的杆状延伸部与所述作动筒壳体前端的中心通孔之间均设置有密封圈，以共同保证所述气腔M、N的密封性。

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