CN111594872A - 一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统及方法，属于燃气轮机领域。本发明通过改变分层叶片倾斜角度来保证主燃区油气比在各工况下均处于设计状态燃烧。当需要切换工况时，控制终端根据当前燃烧室进口总压，计算当前所需燃油流量，再计算出主燃区所需空气流量所对应的旋流器流经空气流量以及分层叶片有效流通面积和叶片倾斜角度，再控制分层叶片周向旋转，导致叶片整体倾斜角度增大，降低分层叶片的有效流通面积，实现对流经旋流器空气流量的调节，达到对火焰筒主燃区参与燃烧空气流量分配智能控制，从而精准控制燃烧室在不同工况下的燃烧油气比，拓宽燃烧室燃烧边界、提高燃烧效率、降低污染物排放。

Description

一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统及方法

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，涉及一种应用于燃烧室头部几何形状可变的旋流器空气流量分配的智能调节系统，具体是一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统及方法。

背景技术

由于燃气轮机性能要求越来越高，对燃烧室的燃烧性能提出了较高要求，而燃气轮机从小状态切换到大状态对燃烧室有着较高要求，需保证燃烧室从小工况的小油量到大工况的大油量变化时，燃烧室主燃区依然处于良好的燃烧状态。目前，为了实现燃烧室在不同工况不同燃油流量下的稳定燃烧工作，一般采用技术是空气分级和燃油分级策略，小工况时仅值班级喷油，这时只需要少量的空气参与燃烧，而在最大工况时，在值班级喷嘴外围的一圈主级喷嘴开始工作，此时喷油量较大，需要提供更多的空气来参与燃烧。

为了保证在任何工况下空气流量都能达到设计要求，通常采用多级旋流技术。然而由于燃烧室火焰筒上开孔面积保持固定不变，因此不论在任何工况下，进入燃烧室火焰筒主燃区的流量分配占比是固定不变的，慢车工况只有中心旋流器进入的空气参与燃烧，大工况时头部进入的所有空气参与燃烧。因此设计一种旋流器空气流量分配智能调节系统，且该系统能够保证主燃区在任意工况下的燃油空气混合气均处于设计油气比燃烧应运而生。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，公开了一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，该系统是一种几何形状可变的旋流器，通过改变经旋流器流入燃烧室头部的空气流量达到改变主燃区空气流量分配的目的，从而保证主燃区在任意工况下的燃油空气混合气均处于设计油气比燃烧，对燃烧室的燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放量有较大的改善。

本发明是这样实现的：

一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，包括火焰筒，在火焰筒的帽罩后端设置有旋流器，其特征在于，所述的旋流器包括外径轮毂以及内径轮毂；所述的外径轮毂、内径轮毂之间设置有分层叶片；所述的内径轮毂在内表面固定设置有转向轮齿，内径轮毂在外表面固定设置有分层叶片，所述的转向轮齿与内径轮毂、分层叶片固定连接，转向轮齿与电机相连接，电机带动与之相连的转向轮齿运作，利用转向轮齿带动分层叶片运作，即通过控制电机的运动间接控制分层叶片旋转；最终的分层叶片的旋转角为每层叶片旋转角度之和；最终的分层叶片安装角为初始叶片安装角与变形后增加的叶片安装角之和。本发明通过减少旋流器中分层叶片的流通面积，从而改变燃烧室主燃区空气流量分配的控制方式。

进一步，所述的分层叶片的安装角度决定旋流器中的叶片流通有效面积，分层叶片的安装角度是由分层叶片的旋转角度决定的，总的叶片旋转角度和叶片安装角度定义分别如下：

式中θ为叶片最大旋转角度，β_i表示其中的某一层叶片旋转角度；α为最终的叶片安装角，α₀为初始叶片安装角，α_i表示因为分层叶片旋转带来的叶片安装角变化的角度，所述的分层叶片旋转角度与叶片安装角度并不是同一个角度。

进一步，所述的外径轮毂的内表面开设有若干层工形导向槽；所述的分层叶片的每层顶端均设置工形连接件，分层叶片的叶片层数和工形导向槽的层数相同，且所述的工形连接件插入对应的工形导向槽中。该设计中为保证旋流器的叶片的同心度，在旋流器上的外径轮毂上设置了周向导向槽，每一层叶片顶端均设置工形连接件，用于连接叶片与外径轮毂，使得叶片旋转时始终贴合在外径轮毂的内表面。所述的工形引导槽在外径轮毂内表面的周向起始位置，决定叶片变形所能达到的最小叶片安装角度，对叶片转动角度进行限制。

进一步，所述的分层叶片的若干层叶片中，分层叶片的第二层叶片和倒数第二层叶片之间均分别设置分层叶片上卡边、分层叶片下卡边，利用分层叶片上卡边、分层叶片下卡边限制叶片的转动角度，当旋流器向着叶片安装角增大的方向变形时，利用分层叶片上卡边、分层叶片下卡边可限制叶片过大的转动角度；分层叶片的第一层叶片只有分层叶片下卡边，分层叶片的最后一层叶片只有分层叶片上卡边。分层叶片上卡边、分层叶片下卡边能够保证旋流器分层叶片旋转之后依然组成一片完整的叶片，当分层叶片旋转时，由于卡边的存在相互限制分层叶片最大转动角度，避免出现旋流器变形之后叶片不连续的情况。

本发明还公开了一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统的调节方法，其特征在于，所述的方法为：

标定所有工况下燃烧室进口压力、燃油流量所对应主燃区空气流量，再反算出流经旋流器进入火焰筒的空气流量，即分层叶片的有效流通面积以及分层叶片旋转角度，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与分层叶片变形情况的经验模型；

燃烧室大工况运行时，智能调节系统不启动；当小工况时，控制终端根据当前燃烧室进口空气总压，计算当前燃烧室进口空气流量，根据设计油气比和当前燃油流量，再计算出火焰筒主燃区所需空气流量，根据主燃区所需空气量计算当前工况下所需流经旋流器的空气流量，从而获得的该状态下旋流器的分层叶片的流通面积和倾斜角度，并转换成调节信号传递到机械系统中；

利用机械系统中的电机带动分层叶片旋转，多层分层叶片分别按照各自角度旋转使得叶片的整体倾斜角度变大，降低旋流器叶片通道的流量系数，降低旋流器叶片有效流通面积，从而降低从旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，进一步降低火焰筒主燃区空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的燃烧油气比。

本发明的一种燃气轮机燃烧室旋流器空气流量分配的智能调节系统，主要包括一套机械结构和控制算法，控制终端根据燃烧室进口压力参数与主燃区所需空气流量对应关系计算出旋流器叶片有效流通面积，通过控制旋流器叶片的流通面积实现对旋流器进入火焰筒空气流量的调节，达到调节主燃区空气流量分配比例的目的，保证不同工况下主燃区油气比均在设计状态下燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界、改善燃烧效率、降低污染物排放的目的。

本次发明的几何形状可变的旋流器，其流通面积、几何形状是按照最大工况设计的，大工况状态时调节系统不工作，当由大工况向小工况切换时，由于降低燃烧室供给燃油流量，此时需要降低燃烧室主燃区参与燃烧的空气流量，从而保证燃烧室主燃区油气混合气保持在设计油气比附近燃烧。该发明实现的技术手段是：根据燃烧室进口总压参数，控制终端根据燃烧室进口压力参数与主燃区所需空气流量的对应关系，计算出当前工况下主燃区所需空气流量，再计算出旋流器所要提供的空气流量，得到该工况下旋流器叶片的流通面积，并转化成调节信号传递到机械结构中，利用电机驱动分层旋流器叶片发生圆周方向的旋转，带来的效果是使得叶片的倾斜角度变大，降低旋流器的流量系数以及有效流通面积，从而降低从旋流器流入燃烧室火焰筒的空气流量分配，从而降低了主燃区参与燃烧的空气流量。依据燃烧室进口总压参数来智能控制流经旋流器的空气流量，从而实现控制燃烧室主燃区参与燃烧的空气流量分配的目的。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1)本次发明的燃气轮机空气流量分配智能调节系统，通过改变旋流器叶片有效流通面积，从而改变流经旋流器的空气流量，实现对燃烧室火焰筒主燃区参与燃烧空气流量分配的控制，保证燃烧室头部油气混合气在各工况下处于设计油气比，从而提高燃烧室在各变工况下的燃烧性能、拓宽燃烧稳定边界；

2)通过将传统的旋流器叶片改为分层式旋流器叶片，通过电机控制每层旋流器叶片的旋转，使得控制整个旋流器叶片产生更大的倾斜角度，实现对旋流器叶片有效流通面积的控制，从而控制流经旋流器的空气流量，达到改变火焰筒主燃区参与燃烧空气流量分配的目的，实现对主旋流器空气流量进行控制的可行性；由于燃烧室头部几何形状可变的旋流器空气流量分配的智能调节系统，从而保证燃烧室主燃区的油气混合气始终处于设计油气比状态，该发明可扩宽燃烧室稳定燃烧边界，提高燃烧室的燃烧性能，降低污染物的排放；

3)由大工况切换到小工况时，旋流器叶片倾斜角变大，虽然叶片有效流通面积减小，导致空气流量降低，但是旋流器叶片斜角增大更有效的增强了小工况下的头部油气旋流混合效果，改善小工况下的燃烧性能。

附图说明

图1是本发明可变形旋流器空气流量智能调节系统不启用状态；

图2是旋流器叶片变形前后空间位置对比示意图；

图3是可变形旋流器空气流量智能调节系统启用状态；

图4是单层叶片结构示意图；

图5是与本发明匹配的燃烧室结构示意图；

图6是调节系统的智能控制系统示意图。

其中，1-外径轮毂，2-分层叶片，3-转向轮齿，4-内径轮毂，5-工形导向槽，6-工形连接件，7-分层叶片上卡边，8-分层叶片下卡边，9-扩压器，10-机匣，11-帽罩，12-旋流器，13-火焰筒，14-旋流器，15-掺混孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明的可变形旋流器未启用状态示意图，该旋流器12的叶片的有效流通面积是按大工况设计的，大工况时旋流器和普通旋流器一样不发生形变。当切换小工况时，燃油流量会降低，根据所标定的燃烧室在不同进口总压，计算出该工况下燃油流量，再根据燃油流量与主燃区所需空气流量对应的旋流器叶片流经空气流量，在控制终端中计算出当前工况下分层叶片2所需的流通面积以及叶片倾斜角度，并转换成机械系统的调节信号传递到电动机中，利用电机带动与之相连的转向轮齿3，转向轮齿3与内径轮毂4、分层叶片2固定连接，所以分层叶片2随着电动机的运动产生旋转，最终的分层叶片2旋转角为每层叶片旋转角度之和；最终的叶片安装角为初始叶片安装角与变形后增加的叶片安装角之和。通过旋转旋流器的分层叶片2角度达到调节流经旋流器空气流量的目的，所以旋流器的内径轮毂按照叶片分层方式进行分层，内径轮毂内表面设置了转向轮齿，分层叶片、分层内径轮毂与转向轮齿固定连连接，转向轮齿与电机咬合，用于带动内径轴与叶片一起圆周方向旋转。

图2所示的是分层叶片变形前后旋流器叶片倾斜角的变化，本发明是通过改变分层叶片2倾斜角度来达到改变叶片有效流通面积的目的，为保证旋转前后，分层叶片2始终与外径轮毂1相连，所以在每一层分层叶片2的顶端设置了工形连接件6，并在外径轮毂的内表面开设了工形引导槽5，叶片层数和周向引导槽层数相同，图中只画出第一层，如图4所示，工形连接件6插入工形引导槽5中保证叶片与外径轮毂1的连接配合关系。变形后的旋流器状态如图3所示，分层叶片2的倾斜角度变大，导致旋流器叶片有效流通面积减小，通过减少从旋流器流入火焰筒的空气流量，从而降低主燃区参与燃烧的空气流量，保证在当前的小工况下主燃区油气比在设计状态下燃烧，从而达到智能控主燃区空气流量分配的目的。旋流器流通有效面积由分层叶片2的倾斜角度决定，叶片的倾斜角度是由分层叶片的旋转角度决定的，分层叶片的旋转角度是由分层的数量与每层旋转的夹角决定的。

如图4所示，为了保证旋流器分层叶片旋转之后依然组成一片完整的叶片，在第二层叶片和倒数第二层叶片分别设置了分层叶片上卡边7、分层叶片下卡边8，当分层叶片2旋转时，由于卡边的存在相互限制分层叶片最大转动角度，避免出现旋流器变形之后叶片不连续的断层情况，第一层分层叶片只有下卡边，最后一层分层叶片之后上卡边。

本发明中可以是采用分层叶片2结构来改变叶片安装角度的形式，也可以是叶片厚度增加降低空气流通区域，或者是内径轮毂4的外径逐渐变大，降低旋流器径向流通面积等多种机械结构方式，并不局限于本发明中图示的机械结构形式。

如图6所示，本发明的工作过程：

本发明中，在燃烧室头部空气流动方式和传统发动机燃烧室相同，如图5所示，各工况下燃烧室进口空气经扩压器9后分为两路：一部分进入内/外涵道，再分别从主燃孔、掺混孔15以及壁面冷却小孔进入到火焰筒中，另一部分经燃烧室头部旋流器14进入火焰筒13中。该燃烧室的旋流器流通面积是按照最大工况设计的，大工况运行时，智能调节系统不启动；当需要降低燃气轮机功率(小工况)时，控制终端根据当前燃烧室进口空气总压，计算当前燃烧室进口空气流量，根据设计油气比和当前燃油流量，再计算出火焰筒主燃区所需空气流量，根据主燃区所需空气量计算当前工况下所需流经旋流器的空气流量，从而获得的该状态下旋流器叶片的流通面积和倾斜角度，并转换成调节信号传递到机械系统中，通过电机带动分层叶片旋转，多层分层叶片分别按照各自角度旋转使得叶片的整体倾斜角度变大，降低旋流器叶片通道的流量系数，降低旋流器叶片有效流通面积，从而降低从旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，进一步降低火焰筒主燃区空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的燃烧油气比，拓宽燃烧边界、提高燃烧效率、降低污染物排放。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，包括火焰筒(13)，在火焰筒(13)的帽罩(11)后端设置有旋流器(12)，其特征在于，所述的旋流器(12)包括外径轮毂(1)以及内径轮毂(4)；

所述的外径轮毂(1)、内径轮毂(4)之间设置有分层叶片(2)；

所述的内径轮毂(4)在内表面固定设置有转向轮齿(3)，内径轮毂(4)在外表面固定设置有分层叶片(2)，所述的转向轮齿(3)与内径轮毂(4)、分层叶片(2)固定连接，转向轮齿(3)与电机相连接，电机带动与之相连的转向轮齿(3)运作，利用转向轮齿(3)带动分层叶片(2)运作，即通过控制电机的运动间接控制分层叶片(2)旋转；最终的分层叶片(2)的旋转角为每层叶片旋转角度之和；最终的分层叶片(2)安装角为初始叶片安装角与变形后增加的叶片安装角之和。

2.根据权利要求1所述的一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的分层叶片(2)的安装角度决定旋流器中的叶片流通有效面积，分层叶片(2)的安装角度是由分层叶片的旋转角度决定的，总的叶片旋转角度和叶片安装角度定义分别如下：

式中θ为叶片最大旋转角度，β_i表示其中的某一层叶片旋转角度；α为最终的叶片安装角，α₀为初始叶片安装角，α_i表示因为分层叶片(2)旋转带来的叶片安装角变化的角度，所述的分层叶片旋转角度与叶片安装角度并不是同一个角度。

3.根据权利要求1所述的一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的外径轮毂(1)的内表面开设有若干层工形导向槽(5)；所述的分层叶片(2)的每层顶端均设置工形连接件(6)，分层叶片(2)的叶片层数和工形导向槽(5)的层数相同，且所述的工形连接件(6)插入对应的工形导向槽(5)中；所述的工形引导槽(5)在外径轮毂(1)内表面的周向起始位置，决定叶片变形所能达到的最小叶片安装角度，对叶片转动角度进行限制。

4.根据权利要求1所述的一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的分层叶片(2)的若干层叶片中，分层叶片(2)的第二层叶片和倒数第二层叶片之间均分别设置分层叶片上卡边(7)、分层叶片下卡边(8)，当旋流器向着叶片安装角增大的方向变形时，利用分层叶片上卡边(7)、分层叶片下卡边(8)限制叶片过大的转动角度；分层叶片(2)的第一层叶片只有分层叶片下卡边(8)，分层叶片(2)的最后一层叶片只有分层叶片上卡边(7)。

5.一种可变形的旋流器空气流量分配智能调节系统的调节方法，其特征在于，所述的方法为：

标定所有工况下燃烧室进口压力、燃油流量所对应主燃区空气流量，再反算出流经旋流器进入火焰筒的空气流量，即分层叶片(2)的有效流通面积以及分层叶片(2)旋转角度，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与分层叶片(2)变形情况的经验模型；

燃烧室大工况运行时，智能调节系统不启动；当小工况时，控制终端根据当前燃烧室进口空气总压，计算当前燃烧室进口空气流量，根据设计油气比和当前燃油流量，再计算出火焰筒主燃区所需空气流量，根据主燃区所需空气量计算当前工况下所需流经旋流器的空气流量，从而获得的该状态下旋流器(12)的分层叶片(2)的流通面积和倾斜角度，并转换成调节信号传递到机械系统中；

利用机械系统中的电机带动分层叶片(2)旋转，多层分层叶片分别按照各自角度旋转使得叶片的整体倾斜角度变大，降低旋流器叶片通道的流量系数，降低旋流器叶片有效流通面积，从而降低从旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，进一步降低火焰筒主燃区空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的燃烧油气比。

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