CN109522638B - 一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构及设计方法。包括分设于主油路衬套(1)上的主衬套型孔(2)和副油路衬套(3)上的副衬套型孔(4)；所述的主油路衬套(1)和副油路衬套(3)分体设置。本发明避免了主、副油路的相互干扰，且燃油流量匹配性调节方便；且提供了一种针对计量活门衬套型孔结构设计的方法。

Description

一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构及设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机分布式控制系统的燃油计量特性设计领域，特别是一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构及设计方法。
背景技术
燃油计量活门和衬套是燃油计量装置的关键液压部件，一般都采用单通道燃油计量活门组件，它是燃气轮机燃油控制系统的核心，其燃油计量方式直接影响燃油控制系统的稳态控制精度和动态特性；其性能和可靠性决定了整个燃气轮机控制系统的优劣和可靠性。
传统的或常用的燃油计量活门组件是在一个燃油计量活门衬套上设置两个或多个计量型孔(参见图4)，通过直线移动一个燃油计量活门来控制型孔面积，从而控制通过型孔的燃油流量。其缺点是调整弹簧、衬套型孔面积、活门移动距离等匹配性设计难度大，燃油流量匹配性调节困难；工作中主、副油路相互干扰，流量摆动大，甚至引发噪声等。
除此外，目前传统的燃油分配装置对计量活门衬套型孔结构设计缺乏有效的设计计算，大多是在设计经验的基础上通过试验进行反复修正，此设计方法周期长，成本高，且很难实现最佳的燃油分配要求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构及设计方法。本发明避免了主、副油路的相互干扰，且燃油流量匹配性调节方便；且提供了一种针对计量活门衬套型孔结构设计的方法。
本发明的技术方案：一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构，包括分设于主油路衬套上的主衬套型孔和副油路衬套上的副衬套型孔；所述的主油路衬套和副油路衬套分体设置；所述的主衬套型孔的开启面积S主满足下述数学模型：
Figure BDA0001861717250000021
其中y为活门轴向开口的位移量；
所述的副衬套型孔的开启面积S副下述数学模型：
Figure BDA0001861717250000022
其中y为活门轴向开口的位移量。
前述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法，包括下述步骤：
a.根据燃油计量特性，计算各状态点主/副油路的喷嘴前压力值P出；所述的P出按下述公式计算：
P出＝P差+P反，
其中P差为供油压差，P反为燃烧室反压；
b.根据燃油计量特性，读取各状态点的燃油进口压力值P入；
c.根据燃油计量特性，读取各状态点的主/副油路的燃油流量Q；
d.将步骤a～c中读取的P出、P入和Q代入下述公式计算得到各状态点衬套型孔的开启面积S，每一个燃油进口压力值p入对应一个衬套型孔的开启面积；
Figure BDA0001861717250000031
其中，μ为流量系数；ρ为燃油密度；
e.确定活门弹簧参数，之后计算各状态点燃油进口压力值P入对应的弹簧的压缩量；之后计算各状态点下活门轴向开口的位移量y；
Figure BDA0001861717250000032
Figure BDA0001861717250000033
y＝F-L-H；
其中P是弹簧力，S截是活门受力的横截面积，F是活门弹簧的压缩量，d是活门弹簧丝径，G是活门弹簧剪切弹性模量，D是活门弹簧中径，n是活门弹簧圈数，L是活门弹簧的预压缩量，H是活门弹簧的重叠量；
f.通过P入与衬套型孔开启面积S的关系及进口压力P入与活门轴向位移y的关系，建立开启面积S与活门轴向位移y的关系，得到各状态点型孔结构，通过各状态点型孔结构最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
前述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法中，得到各状态点型孔结构后，根据各状态点型孔结构对整个衬套型孔进行优化使其成为圆滑、规则的形状，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
前述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法中，当衬套型孔未能优化使其成为圆滑、规则的形状时，重新确定活门弹簧参数，之后再重新建立各状态点的、离散的S与y的对应关系，再对衬套型孔的形状进行优化，按此反复迭代计算、修正，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
有益效果：与现有技术相比，本发明将传统主、副油路两个燃油计量型孔布置在一个单通道燃油计量活门衬套上的结构形式，改造成为两通道分圈分压式燃油计量活门衬套型孔，即主油路衬套通道，和副油路衬套通道，该方法避免了主、副油路的相互干扰，提高了燃油计量精度，降低了流量摆动，避免引发噪声。
本发明提供了一种针对计量活门衬套型孔结构设计的方法。该设计方法，使得衬套型孔设计过程方便，有充足的设计计算，在设计层面上就能得到最佳的型孔。通过本发明设计出的型孔结构的工艺性好，设计周期短，且成本较低，流量分配匹配性好，为以后此类燃油计量特性的型孔设计提供了方法。
本发明根据油路中燃油流量，燃油进口压力值，油路出口压力值(即P出)，活门弹簧的压缩量、预压缩量和重叠量参数，分别建立进口压力(P入)与型孔开启面积S和活门轴向开口的位移量y的关系；通过进口压力(P入)，建立型孔开口与轴向开口的位移量y的关系，得出主、副油路各状态点下相应的型孔结构，根据该型孔结构，建立主、副油路衬套型孔的数学模型。通过上述方法，得到的衬套型孔形状规则，使得加工更加方便，主、副油路的燃油计量精度高、工作稳定可靠。本发明经过某间冷燃气轮机台架500h试验验证，其燃油计量精度高、工作稳定可靠。
附图说明
图1是本发明的主衬套型孔的结构示意图；
图2是本发明的副衬套型孔的结构示意图；
图3是双通通道分圈分压式计量活门分配装置的结构示意图；
图4是传统的单通道计量活门衬套型孔结构示意图。
附图中的标记为：1-主油路衬套，2-主衬套型孔，3-副油路衬套，4-副衬套型孔，5-壳体，6-燃油进口，7-主油路，8-副油路，9-主活门，10-副活门，11-主油路出口，12-副油路出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构分圈分压式计量活门衬套型孔的结构，构成如图1和2所示，包括分设于主油路衬套1上的主衬套型孔2和副油路衬套3上的副衬套型孔4；所述的主油路衬套1和副油路衬套3分体设置；所述的主衬套型孔2的开启面积S主满足下述数学模型：
Figure BDA0001861717250000051
其中y为活门轴向开口的位移量；
前述的副衬套型孔4的开启面积S副满足下述数学模型：
Figure BDA0001861717250000061
其中y为活门轴向开口的位移量。
前述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法，包括下述步骤：
a.根据燃油计量特性，计算各状态点主/副油路的喷嘴前压力值P出；所述的P出按下述公式计算：
P出＝P差+P反，
其中P差为供油压差，P反为燃烧室反压；
b.根据燃油计量特性，读取各状态点的燃油进口压力值P入；
c.根据燃油计量特性，读取各状态点的主/副油路的燃油流量Q；
d.将步骤a～c中读取的P出、P入和Q代入下述公式计算得到各状态点衬套型孔的开启面积S，每一个燃油进口压力值p入对应一个衬套型孔的开启面积S。
Figure BDA0001861717250000062
其中，μ为流量系数，取值范围0.44～0.85，优选为μ＝0.5；ρ为燃油密度，ρ＝786.6Kg/m3；
e.确定活门弹簧参数，之后计算各状态点燃油进口压力值P入对应的弹簧的压缩量；副油路的副活门10开始打开时的压力为P副开＝1080±50kPa，主油路的主活门9开始打开时的压力P主开＝2403.30±50kPa；之后计算各状态点下活门轴向开口的位移量y；
Figure BDA0001861717250000071
Figure BDA0001861717250000072
y＝F-L-H；
其中P是弹簧力，S截是活门受力的横截面积，F是活门弹簧的压缩量，d是活门弹簧丝径，G是活门弹簧剪切弹性模量，D是活门弹簧中径，n是活门弹簧圈数，L是活门弹簧的预压缩量，H是活门弹簧的重叠量；
f.通过P入与衬套型孔开启面积S的关系及进口压力P入与活门轴向位移y的关系，建立开启面积S与轴向位移y的关系，得到各状态点型孔结构，通过各状态点型孔结构，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
前述的步骤f中，得到各状态点型孔结构后，根据各状态点型孔结构对整个衬套型孔进行优化使其成为圆滑、规则的形状，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
当衬套型孔未能优化使其成为圆滑、规则的形状时，重新确定弹簧参数，之后再重新建立各状态点的、离散的S与y的对应关系，再对衬套型孔的形状进行优化，按此反复迭代计算、修正，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
本发明的双通道计量活门分配装置，构成如图3所示，包括壳体5，壳体5上设有燃油进口6，燃油进口6分别与主油路7和副油路8连通，主油路7和副油路8内分别设有主油路衬套1和副油路衬套3，主油路衬套1和副油路衬套3分别与主活门9和副活门10活动连接。主油路衬套1及主活门9通过控制主衬套型孔2的开启面积控制主油路的燃油流量，副油路衬套3和副活门10通过控制副衬套型孔4的开启面积控制副油路的燃油流量。主油路7的主油路出口11接通燃气轮机燃烧室的一个环形圈通道，环形圈上设置20个喷嘴；副油路8的副油路出口12接通燃气轮机燃烧室的另一个环形圈通道，环形圈上设置20个喷嘴。
本发明所提及的分圈分压是指燃油计量装置计量后的燃油经过燃油分配装置的主、副油路分流和分压，分别接通燃气轮机燃烧室的两个环形圈通道，每个环形圈上设置20个喷嘴，再由各自环形圈中的20个喷嘴分别喷射到燃烧室中。该分圈分压式燃油计量型孔定位准确、调节方便，提高了燃油计量精度和稳定性。
本发明的燃油计量特性如表1所示，
表1主副油路燃油计量特性
Figure BDA0001861717250000081
Figure BDA0001861717250000091
从表1中可知，第1个状态点为副衬套型孔4开启点，第3个状态点为主衬套型孔2开启点。本发明中主、副油路打开压力可调，本发明中所述的主、副油路的燃油进口压力相等。
根据表1的主油路供油压差及燃烧室反压值，可计算得到各状态点主油路的喷嘴前压力值P出-主；所述的供油压差为燃烧室喷嘴前后压差，主油路喷嘴前压力值即为主油路出口压力值P出-主；所述的喷嘴后压力即为燃烧室反压P反；
再由燃油计量特性得到的燃油进口6压力匹配设计副油路的弹簧及衬套控油型孔形状及尺寸等参数。根据公式
Figure BDA0001861717250000092
计算出各状态点副衬套型孔4开启面积S副，再根据活门弹簧的位移量F，预压缩量L，重叠量H，计算出各状态点下副活门的轴向开口的位移量y；从而得到离散的各状态点副衬套型孔开启面积S副与副活门的轴向开口位移量y的对应关系。再根据得到的各离散点对应关系，对副衬套控油型孔几何参数进行优化设计，使得控油型孔几何结构在保证离散点控油型孔开启面积S副与副活门的轴向开口位移y对应关系的同时，型孔的形状趋于圆滑、规则并具有很好的加工特性等，若此对应关系下，副衬套型孔难以设计，通过改变弹簧参数，重新建立各离散点副衬套控油型孔开启面积S副与轴向开口位移量y的对应关系，再对副衬套控油型孔几何参数进行优化设计，按照此方法经过反复迭代计算、修正，最终得到副衬套型孔4的几何结构，如图2所示。由于副衬套型孔4沿轴向对称布置两个，因此活门轴向开口的位移量y对应的油路通流面积为2×S副。
Figure BDA0001861717250000101
式中：
S副-型孔开启面积；
y-轴向开口位移量。
同理得到主衬套型孔2的开启面积S主与y的对应关系，得到各状态点主衬套型孔2结构后(参见图1)，建立S主与y的学模型，主衬套型孔2在主油路衬套1上沿轴向对称布置两个。
根据图1所示的主衬套型孔2结构，通过几何运算可得到主衬套型孔2开启面积与活门轴向开口距离y的对应关系式(y＝0的点对应图1中型孔最下端处)，如下式所示：由于主衬套型孔2沿轴向对称布置两个，因此活门轴向开口的位移量y对应的油路通流面积为2×S主。
Figure BDA0001861717250000102
式中：
S主-型孔开启面积。

Claims (4)

1.一种分圈分压式计量活门衬套型孔结构，其特征在于：包括分设于主油路衬套(1)上的主衬套型孔(2)和副油路衬套(3)上的副衬套型孔(4)；所述的主油路衬套(1)和副油路衬套(3)分体设置；所述的主衬套型孔(2)的开启面积S主满足下述数学模型：
Figure FDA0001861717240000011
其中y为活门轴向开口的位移量；
所述的副衬套型孔(4)的开启面积S副下述数学模型：
Figure FDA0001861717240000012
其中y为活门轴向开口的位移量。
2.一种如权利要求1所述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：
a.根据燃油计量特性，计算各状态点主/副油路的喷嘴前压力值P出；所述的P出按下述公式计算：
P出＝P差+P反，
其中P差为供油压差，P反为燃烧室反压；
b.根据燃油计量特性，读取各状态点的燃油进口压力值P入；
c.根据燃油计量特性，读取各状态点的主/副油路的燃油流量Q；
d.将步骤a～c中读取的P出、P入和Q代入下述公式计算得到各状态点衬套型孔的开启面积S，每一个燃油进口压力值p入对应一个衬套型孔的开启面积；
Figure FDA0001861717240000021
其中，μ为流量系数；ρ为燃油密度；
e.确定活门弹簧参数，之后计算各状态点燃油进口压力值P入对应的弹簧的压缩量；之后计算各状态点下活门轴向开口的位移量y；
Figure FDA0001861717240000022
Figure FDA0001861717240000023
y＝F-L-H；
其中P是弹簧力，S截是活门受力的横截面积，F是活门弹簧的压缩量，d是活门弹簧丝径，G是活门弹簧剪切弹性模量，D是活门弹簧中径，n是活门弹簧圈数，L是活门弹簧的预压缩量，H是活门弹簧的重叠量；
f.通过P入与衬套型孔开启面积S的关系及进口压力P入与活门轴向位移y的关系，建立开启面积S与活门轴向位移y的关系，得到各状态点型孔结构，通过各状态点型孔结构最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
3.根据权利要求2所述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法，其特征在于，步骤f中，得到各状态点型孔结构后，根据各状态点型孔结构对整个衬套型孔进行优化使其成为圆滑、规则的形状，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
4.根据权利要求3所述的分圈分压式计量活门衬套型孔结构的设计方法，其特征在于，当衬套型孔未能优化使其成为圆滑、规则的形状时，重新确定活门弹簧参数，之后再重新建立各状态点的、离散的S与y的对应关系，再对衬套型孔的形状进行优化，按此反复迭代计算、修正，最终建立开启面积S与活门轴向开口的位移量y间的数学模型。
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