CN114321978B - 一种扩压器出口流量分配智能调节系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩压器出口流量分配智能调节系统及调节方法，属于燃气轮机燃烧领域。本发明主要包括一套机械结构和一套控制算法，控制终端根据燃烧室进口压力计算出当前工况所需的燃油流量，利用提前标定的燃油调节规律与帽罩沿火焰筒轴向的移动距离之间的对应关系，计算出当前工况下所需的帽罩沿火焰筒轴向的移动距离，并将其转换成液压系统的调节信号，利用液压原理控制帽罩沿火焰筒轴向的移动，从而改变进入火焰筒主燃区的空气流量比例，保证火焰筒主燃区在各工况下均在设计油气比下燃烧。本发明的系统及方法可明显拓宽燃烧室的稳定燃烧边界，提高不同工况下的燃烧效率，降低污染物的排放。

Description

一种扩压器出口流量分配智能调节系统及调节方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧领域，涉及一种扩压器出口流量分配智能调节系统及调节方法。

背景技术

燃气轮机技术的发展对其燃烧性能、点熄火边界、污染物排放量等方面的要求越来越严苛，而燃烧室头部主燃区油气比对其上述性能有着很大影响。

对于燃气轮机燃烧室而言，其燃油供给量随着运行工况的变化而变化。小工况时，所需的燃油供给量较小；当发动机需要加大推力或功率输出时，所需的燃油供给量增加。而一般的燃气轮机燃烧室中，扩压器、帽罩、火焰筒等部件的相对位置和几何结构是固定的，燃烧室中各部件的相对位置和几何结构决定了各工况下火焰筒的空气流量分配比例，因此各工况下内、外环通道进气量与经帽罩和旋流器进入火焰筒头部的进气量的分配比例基本是保持不变的。因此，随着燃气轮机工况的改变，火焰筒主燃区油气比会出现不同程度的贫油或富油，对燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放量等产生较大的影响。

发明内容

针对上述的燃气轮机燃烧室燃油供给量随着其运行工况的变化而变化所导致的火焰筒主燃区油气比出现贫油或富油状态的缺陷，本发明提出了一种扩压器出口流量分配智能调节系统与调节方法，通过该系统以及工作方法可智能调节火焰筒的空气流量分配比例，保证火焰筒头部在各工况下均在设计油气比下燃烧，从而拓宽燃烧室稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放。

本发明是这样实现的：

一种扩压器出口流量分配智能调节系统，包括燃烧室机匣，所述的燃烧室机匣内部设有火焰筒；沿来流方向，所述的火焰筒内部依次设有帽罩和旋流器；与传统燃烧室不同，所述的帽罩并不与火焰筒焊接为一个整体，而是通过与其内外环分别焊接的第一轴向伸缩调节板、第二轴向伸缩调节板与火焰筒连接，帽罩可沿火焰筒轴向进行移动；具体地，在帽罩内外环两部分的后方各焊接一块厚度小于火焰筒壁厚的调节板，即第一轴向伸缩调节板、第二轴向伸缩调节板（调节板在周向呈圆柱环），火焰筒壁面开槽与上述调节板相匹配，通过调节板在槽内的移动实现帽罩沿火焰筒轴向的移动。

所述的帽罩在外环通道通过外环伸缩支杆与外环液压总路相连，在内环通道通过内环伸缩支杆与内环液压总路相连；通过液压原理控制内、外环伸缩支杆的伸缩可控制帽罩沿火焰筒轴向的移动，伸缩支杆的伸缩量决定帽罩沿火焰筒轴向的移动距离。

进一步，所述的帽罩内外环的尾部分别设置第一环形凸台、第二环形凸台，便于帽罩与外环伸缩支杆和内环伸缩支杆的连接。

进一步，所述的外环伸缩支杆、内环伸缩支杆均沿环形燃烧室周向均匀设置若干个，以保证帽罩受力均匀。所有外环伸缩支杆均接入同一外环液压总路中，所有内环伸缩支杆均接入同一内环液压总路中；再将外环液压总路、内环液压总路接入同一液压总路中，保证所有的伸缩支杆伸缩同步，从而保证帽罩内外环两部分沿火焰筒轴向进行同步平动、且帽罩进气处几何结构不发生变化。

所述的系统的调节方法具体如下：各工况下经压气机压缩后的空气经扩压器后分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩下部分经帽罩、旋流器进入火焰筒中；通过帽罩沿火焰筒轴向前后移动，更改扩压器出口分别流经外环通道、内环通道和帽罩的流量分配，从而智能调节火焰筒主燃区油气比。

当需要增加发动机推力时，所需的燃油供给量增加，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算出该工况下所需的燃油供给量，再根据燃油量计算出当前工况下火焰筒主燃区所需的空气流量占比，进而确定帽罩需要沿火焰筒轴向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆和内环伸缩支杆伸长，帽罩逆来流方向移动一定距离，其与扩压器之间的相对距离减小，导致内外环通道进气面积减小，而经帽罩和旋流器进入火焰筒的空气流量分配比例增加，火焰筒主燃区油气比保持在设计状态，从而精准控制火焰筒主燃区在不同工况下的油气比，拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放。

同理，当发动机需要从大推力状态回到小工况状态时，所需的燃油供给量减少，控制终端根据燃烧室进口压力与帽罩沿火焰筒轴向的移动距离之间的对应关系计算出帽罩需顺来流方向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆和内环伸缩支杆缩短，帽罩与扩压器之间的相对距离增加，导致内外环通道进气面积增加，而经帽罩和旋流器进入火焰筒的空气流量分配比例减小，火焰筒主燃区油气比依然保持在设计状态。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统与调节方法，通过控制帽罩沿火焰筒轴向的移动，智能调节燃烧室火焰筒中各进口面积的空气流量分配比例，保证火焰筒主燃区油气比在各工况下均处于设计状态，从而提高燃烧室在变工况下的燃烧效率和燃烧稳定性，减小污染物的排放。

2）当发动机工况变化，需要增大燃烧室燃油供给量时，帽罩沿火焰筒轴向逆来流方向移动，减少内、外环通道进气面积，导致流经帽罩和旋流器的空气流量增加，这部分气体经过旋流器后，更有效地增强了大工况下的头部油气雾化效果，进一步改善燃烧性能。

附图说明

图1是本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统小状态未启用时的状态示意图；

图2是本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统在大工况下的状态示意图；

图3是本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统中轴向伸缩调节板、伸缩支杆、液压总路周向布置示意图；

图4是本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统的控制系统示意图；

其中，1-扩压器，2-帽罩，3-第一环形凸台，4-外环伸缩支杆，5-第一轴向伸缩调节板，6-外环液压总路，7-机匣，8-火焰筒，9-内环液压总路，10-第二轴向伸缩调节板，11-内环伸缩支杆，12-第二环形凸台，13-旋流器。

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1~2所示，本发明的系统包括燃烧室机匣7，所述的燃烧室机匣7内部设有火焰筒8，所述的火焰筒8沿来流方向依次设有帽罩2和旋流器13，所述的帽罩2通过与其内外环分别焊接的第一轴向伸缩调节板5、第二轴向伸缩调节板10与火焰筒8连接，所述的第一轴向伸缩调节板5、第二轴向伸缩调节板10在周向呈圆柱环，火焰筒8壁面开槽与调节板相匹配，通过第一轴向伸缩调节板5、第二轴向伸缩调节板10在槽内的移动实现帽罩2沿火焰筒8轴向的移动。

所述的帽罩2在外环通道通过外环伸缩支杆4与外环液压总路6相连，在内环通道通过内环伸缩支杆11与内环液压总路相连9，帽罩2内外环尾部分别设置第一环形凸台3、第二环形凸台12，方便其与外环伸缩支杆4和内环伸缩支杆11的连接。

如图3所示，所述的外环伸缩支杆4和内环伸缩支杆11均沿环形燃烧室周向均匀布置若干个，以保证帽罩2受力均匀。所有外环伸缩支杆4均接入同一外环液压总路6中，所有内环伸缩支杆11均接入同一内环液压总路9中，再将外环液压总路6、内环液压总路9接入同一液压总路中，保证所有的伸缩支杆伸缩同步，从而保证帽罩2内外环两部分沿火焰筒8轴向进行同步平动，且帽罩2进气处几何结构不发生变化。

如图1所示，是本发明的扩压器出口流量分配智能调节系统小状态未启用时的状态示意图，帽罩2后连接的轴向伸缩调节板完全缩至火焰筒8壁面中，帽罩2与扩压器1的相对距离达最大；当需要增加发动机推力或功率输出时，燃油供给量增加，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算出该工况下所需的燃油供给量，再根据燃油量计算出当前工况下火焰筒8主燃区所需的空气流量占比，进而确定帽罩2需要沿火焰筒8轴向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆4和内环伸缩支杆11伸长，帽罩2逆来流方向移动一定距离，其与扩压器1之间的相对距离减小，导致内外环通道进气面积减小，而经帽罩2和旋流器13进入火焰筒8的空气流量分配比例增加，保证火焰筒8主燃区油气比保持在设计状态附近，如图2所示。

如图4所示，本发明的工作过程为：

各工况下经压气机压缩后的空气经扩压器后分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩下部分经帽罩2、旋流器13进入火焰筒8中；通过帽罩2沿火焰筒8轴向前后移动，更改扩压器1出口分别流经外环通道、内环通道和帽罩2的流量分配，从而智能调节火焰筒8主燃区油气比。

当需要增加发动机推力时，所需的燃油供给量增加，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算出该工况下所需的燃油供给量，再根据燃油量计算出当前工况下火焰筒8主燃区所需的空气流量占比，进而确定帽罩2需要沿火焰筒8轴向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆4和内环伸缩支杆11伸长，帽罩2逆来流方向移动一定距离，其与扩压器1之间的相对距离减小，导致内外环通道进气面积减小，而经帽罩2和旋流器13进入火焰筒8的空气流量分配比例增加，火焰筒8主燃区油气比保持在设计状态，从而精准控制火焰筒8主燃区在不同工况下的油气比，拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放。

同理，当发动机需要从大推力状态回到小工况状态时，所需的燃油供给量减少，控制终端根据燃烧室进口压力与帽罩2沿火焰筒8轴向的移动距离之间的对应关系计算出帽罩2需顺来流方向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆4和内环伸缩支杆11缩短，帽罩2与扩压器1之间的相对距离增加，导致内外环通道进气面积增加，而经帽罩2和旋流器13进入火焰筒8的空气流量分配比例减小，火焰筒8主燃区油气比依然保持在设计状态。

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 (3)

1.一种扩压器出口流量分配智能调节系统，包括燃烧室机匣（7），其特征在于，所述的燃烧室机匣（7）内部设有火焰筒（8）；

沿来流方向，所述的火焰筒内部依次设有帽罩（2）和旋流器（13），所述的帽罩（2）通过与其内外环分别焊接的第一轴向伸缩调节板（5）、第二轴向伸缩调节板（10）与火焰筒（8）连接，所述的第一轴向伸缩调节板（5）、第二轴向伸缩调节板（10）在周向呈圆柱环，火焰筒壁面开槽与第一轴向伸缩调节板（5）、第二轴向伸缩调节板（10）相匹配，通过第一轴向伸缩调节板（5）、第二轴向伸缩调节板（10）在槽内的移动实现帽罩（2）沿火焰筒（8）轴向的移动；

所述的帽罩（2）在外环通道通过外环伸缩支杆（4）与外环液压总路（6）相连，在内环通道通过内环伸缩支杆（11）与内环液压总路（9）相连；

所述的系统的调节方法具体如下：各工况下经压气机压缩后的空气经扩压器后分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩下部分经帽罩（2）、旋流器（13）进入火焰筒（8）中；通过帽罩（2）沿火焰筒（8）轴向前后移动，更改扩压器（1）出口分别流经外环通道、内环通道和帽罩（2）的流量分配，从而智能调节火焰筒（8）主燃区油气比；

当需要增加发动机推力时，所需的燃油供给量增加，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算出该工况下所需的燃油供给量，再根据燃油量计算出当前工况下火焰筒（8）主燃区所需的空气流量占比，进而确定帽罩（2）需要沿火焰筒（8）轴向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆（4）和内环伸缩支杆（11）伸长，帽罩（2）逆来流方向移动一定距离，其与扩压器（1）之间的相对距离减小，导致内外环通道进气面积减小，而经帽罩（2）和旋流器（13）进入火焰筒（8）的空气流量分配比例增加，火焰筒（8）主燃区油气比保持在设计状态，从而精准控制火焰筒（8）主燃区在不同工况下的油气比，拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放；

同理，当发动机需要从大推力状态回到小工况状态时，所需的燃油供给量减少，控制终端根据燃烧室进口压力与帽罩（2）沿火焰筒（8）轴向的移动距离之间的对应关系计算出帽罩（2）需顺来流方向移动的距离，并将其转换为液压系统的调节信号，控制外环伸缩支杆（4）和内环伸缩支杆（11）缩短，帽罩（2）与扩压器（1）之间的相对距离增加，导致内外环通道进气面积增加，而经帽罩（2）和旋流器（13）进入火焰筒（8）的空气流量分配比例减小，火焰筒（8）主燃区油气比依然保持在设计状态。

2.根据权利要求1所述的一种扩压器出口流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的帽罩（2）内外环的尾部分别设置第一环形凸台（3）、第二环形凸台（12），便于帽罩（2）与外环伸缩支杆（4）和内环伸缩支杆（11）的连接。

3.根据权利要求1所述的一种扩压器出口流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的外环伸缩支杆（4）、内环伸缩支杆（11）均沿环形燃烧室周向设置若干个，所有外环伸缩支杆（4）均接入同一外环液压总路（6）中，所有内环伸缩支杆（11）均接入同一内环液压总路（9）中；再将外环液压总路（6）、内环液压总路（9）接入同一液压总路中，保证所有的伸缩支杆伸缩同步，从而保证帽罩（2）内外环两部分沿火焰筒（8）轴向进行同步平动、且帽罩（2）进气处几何结构不发生变化。

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