CN114413281B - 双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统及调节方法，属于燃气轮机领域。本发明通过利用内层帽罩对外层帽罩进行遮挡方式，来改变帽罩进气孔的开孔面积，调节燃烧室火焰筒的流量分配比例，从而保证主燃区头部油气比在各工况下均处于设计状态下燃烧。内层帽罩旋转后对外层帽罩进气孔形成有效遮挡，降低帽罩进气孔的流通面积，从而降低流经该结构经旋流器进入火焰筒头部的空气流量，实现对流经帽罩进气孔空气流量的调节，达到对火焰筒主燃区参与燃烧空气流量分配的智能控制，从而精准控制燃烧室在不同工况下的燃烧油气比，达到拓宽燃烧室燃烧边界、提高燃烧效率、降低污染物排放目的。

Description

双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统及调节方法

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帽罩空气流量分配的智能调节方法与系统，具体是一种可转动的双层帽罩的空气流量分配智能调节方法与调节系统。

背景技术

由于燃气轮机性能要求越来越高，对燃烧室各工况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，需保证各工况切换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，由此带来主燃区富油时炭黑生成，低燃烧效率以及主燃区贫油时容易熄火等一系列问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，公开了一种可转动双层帽罩空气流量分配智能调节方法与系统，该系统主要应用在装配有“孔式帽罩”主燃烧室中，其关键技术是智能连续调节帽罩进气孔的开孔面积，从而智能调节经帽罩进气孔流入燃烧室头部的空气流量，达到改变燃烧室主燃区空气流量分配的目的；在各工况下燃油流量不变的条件下，通过调节经帽罩和旋流器进入火焰筒头部的空气流量，从而保证主燃区在任意工况下的油气比均处于设计油气比下燃烧，对燃烧室各工况下的燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放均有较大的改善。

本发明是这样实现的：

一种双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统，包括火焰筒，其特征在于，所述的火焰筒头部设置有双层帽罩，所述的双层帽罩为外层帽罩以及内层帽罩，外层帽罩以及内层帽罩上均开设有帽罩进气孔，所述的内层帽罩的位于外层帽罩的内表面；外层帽罩与火焰筒头部壁面固定连接；内层帽罩的外环根部与火焰筒形成定位活接，所述的内层帽罩能相对外层帽罩转动，通过沿圆周方向转动内层帽罩位置，实现对外层帽罩进气孔实施部分遮挡，即可控制双层帽罩进气孔的开孔面积；内层帽罩外环根部设有辅助受力条，辅助受力条上设置环形齿轮，环形齿轮与动力齿轮相啮合，动力齿轮经传动轴与外部电机相连；外部电机接收控制终端的调节信号后控制动力齿轮的转动，动力齿轮通过啮合作用带动环形齿轮旋转，从而带动内层帽罩圆周方向转动；旋转后的内层帽罩对外层帽罩上的帽罩进气孔形成有效遮挡，从而减小帽罩进气孔流通面积，从而减少从帽罩进气孔经旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，降低火焰筒主燃区空气流量分配比，控制燃烧室在不同工况下的油气比，实现智能燃烧调控。

进一步，所述的系统中还包括扩压器、机匣，火焰筒位于机匣内部，火焰筒内部设置旋流器，火焰筒的壁面上设置主燃孔、掺混孔；气流通过扩压器进入，通过智能调节帽罩进气孔的开孔面积，进而改变通过双层帽罩进入火焰筒头部和内外环流道之间的流量分配，流入内外环通道的空气分别经主燃孔、掺混孔结构流入火焰筒中；通过智能调节从帽罩进气孔经旋流器流入火焰筒头部主燃区的空气流量，精准控制主燃区在不同工况下的燃烧油气比，达到提高燃烧效率，拓宽点熄火边界，降低污染物排放。本发明的系统在各工况下燃油流量不变的条件下，智能控制主燃区在任意工况下的空气流量，从而保证主燃区的油气比均处于设计油气比下燃烧，实现提高燃烧效率，降低污染物排放，拓宽点熄火边界等目的。

进一步，为了保证不同工况调节时其帽罩进气孔开孔面积变化的连续性，内层帽外环根部环形齿轮的齿高不大于2mm，动力齿轮的分度圆直径不大于5mm。这种尺寸其目的是保证当动力齿轮转动一周后，内/外层帽罩上的帽罩进气孔圆心的线性位移量和开孔面积变化率较小，从而实现帽罩进气孔开孔面积变化的连续性高精度控制。

进一步，为了降低内层帽罩转动时所需的机械能、且保证内层帽罩轴向位置相对固定，所述的内层帽罩外壁面与外层帽罩的内壁面间隔不大于0.5mm；内层帽罩、外层帽罩的内环根部分别设置有内层帽罩内环根部球形轨道、外层帽罩内环根部球形轨道，内层帽罩内环根部球形轨道、外层帽罩内环根部球形轨道中设置有滑动球；在滑动球的支撑下，内层帽罩以滚动的方式绕燃烧室轴线转动，从而降低转动阻力。

进一步，所述的传动轴穿过机匣和双层帽罩后与动力齿轮相连接，为动力齿轮的转动提供力矩。

本发明还公开了双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统的调节方法，其特征在于，所述的方法具体为：

步骤一、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，再反算出流经帽罩进气孔进入火焰筒的空气流量，对应的计算出各工况下帽罩进气孔的开孔面积和沿圆周方向的转动角度，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与帽罩进气孔的开孔面积/圆周方向转动角度的经验模型；

步骤二、燃烧室大工况运行时，外层帽罩以及内层帽罩同相位，帽罩进气孔的面积最大，智能调节系统不启动；当小工况时，控制终端采集当前的燃烧室进口空气总压，根据经验模型计算出帽罩进气孔的开孔面积/圆周方向转动角度，并转换成调节信号传递到机械执行系统中；

步骤三、利用机械结构中的电机经传动轴带动动力齿轮旋转，动力齿轮按照所需角位移旋转带动内层帽罩圆周方向旋转；内层帽罩旋转后对外层帽罩进气孔形成有效遮挡，降低帽罩进气孔的流通面积和流量系数，从而降低从帽罩进气孔经头部旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，并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头部主燃区燃烧油气比。

本发明的系统主要包括一套机械调节结构和控制算法，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帽罩进气孔有效流通面积，通过控制内层帽罩的沿环形燃烧室中心轴线的周向旋转，实现对帽罩进气孔有效开孔面积的调节，对流经帽罩进气孔的空气流量的控制，达到调节经帽罩进入主燃区空气流量分配比例的目的。在燃烧室各工况下燃油流量不改变的条件下，通过调整进入经帽罩进入主燃烧室头部的空气流量，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。

本次发明的双层帽罩，其帽罩进气孔的开孔面积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，此时需要降低燃烧室主燃区参与燃烧的空气流量，通过降低帽罩进气孔流通面积，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：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，即为帽罩进气孔所要提供的空气流量，得到该工况下帽罩进气孔的流通面积，从而获得内层帽罩的角位移，并转化成调节信号传递到机械结构中，利用电机驱动动力齿轮旋转，利用齿轮啮合作用带动内层帽罩沿圆周方向旋转，旋转后的内层帽罩对外层帽罩进气孔形成遮挡，实现降低帽罩进气孔的流量系数以及有效流通面积，从而降低从帽罩进气孔流入燃烧室火焰筒头部的空气流量分配，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帽罩进气孔的空气流量，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方法与系统，通过改变帽罩进气孔有效流通面积，从而改变流经帽罩进气孔的空气流量，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比在各工况下处于设计油气比。相比与现有燃烧室中火焰筒上流量分配比列保持不变的设计缺陷，本发明可以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)将传统的帽罩改为双层帽罩，通过电机控制内层帽罩的圆周旋转，实现对帽罩进气孔有效流通面积的控制，从而控制流经帽罩进气孔的空气流量，达到改变火焰筒主燃区参与燃烧空气流量分配的目的，实现对帽罩进气孔空气流量进行智能控制的可行性；由于双层帽罩空气流量分配的智能调节系统，保证燃烧室主燃区的油气比始终处于设计油气比状态，该机械结构和控制算法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)通过小直径的动力齿轮和大尺寸的环形齿轮实现机械能的传输，理论上将内层帽罩的角位移无限放大，从而实现对内层帽罩角位移的高精度精确控制，实现对主燃区空去流量的精确连续控制。

附图说明

图1是本发明的双层帽罩空气流量分配智能调节系统示意图；

图2是本发明的双层帽罩空气流量分配智能调节系统机械结构示意图；

图3是双层帽罩空气流量分配智能调节系统启动状态和非启动状态示意图；

图4是内外层帽罩的内涵根部球形轨道示意图；

图5是调节系统的智能控制系统示意图；

其中，1-扩压器，2-帽罩进气孔，3-内环根部球形轨道，4-外层帽罩，5-内层帽罩，6-辅助受力条，7-环形齿轮，8-旋流器，9-传动轴，10-主燃孔，11-掺混孔，12-机匣，13-火焰筒，14-动力齿轮，301-内层帽罩内环根部球形轨道，302-外层帽罩内环根部球形轨道，301-滑动球。

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，是本发明的双层帽罩未启用状态示意图，该帽罩进气孔2的有效流通面积是按大工况设计的，大工况时帽罩进气孔和普通帽罩进气孔一样。当切换小工况时，根据燃烧室进口总压与燃油流量的关系，计算出该工况下燃油流量以及对应的主燃区所需空气流量，再计算出流经帽罩进气孔2的空气流量，即可计算帽罩进气孔2的有效开孔面积。控制终端根据帽罩进气孔2所需流通面积计算出内层帽罩5的角位移，并转换成机械执行系统的调节信号传递到电动机中。从图2的机械结构示意图可以看出动力齿轮14和环形齿轮7形成齿轮啮合连接，环形齿轮7、辅助受力条6以及内层帽罩5固定连接。控制终端根据调节信号驱动电机带动与之相连的传动轴9和动力齿轮14一起旋转，利用齿轮啮合力向环形齿轮7施加机械能带动其转动，从而带动与之相连的内层帽罩5绕着环形燃烧室的中心轴圆周方向转动。

如图3所示，未启动状态时内层帽罩5和外层帽罩4是同相位的，帽罩进气孔开孔面积最大；启动状态下内层帽罩5绕着环形燃烧室中心轴线圆周方向转动后，遮挡了外层帽罩部分流通面积，从而减少了帽罩进气孔2的流通面积。对于该头部来说，帽罩进气孔2的开孔面积减小直接导致从该结构流入燃烧室头部空气流量减少，对于环形燃烧室来说即是降低了经头部旋流器的进气空气流量，达到调节主燃区空气流量的目的。

图4中展示了内层帽罩5的内环根部球形轨道3的细节图，由于内层帽罩5要绕着环形燃烧室的中轴线圆周方向旋转，为了降低转动时所需的机械能，在帽罩内环根部位置分别设计了内层帽罩内环根部球形轨道301和外层帽罩内环根部球形轨道302，轨道中设置有滑动球303。该结构在对内层帽罩5形成支撑的同时可减小摩擦力，提高内层帽罩5被控制时响应特性。

针对传统的孔式帽罩，本发明是采用双层帽罩的结构来改变帽罩进气孔的有效流动面积，也可增加挡板，内外双层旋转等方式来改变帽罩进气孔的流通面积，并不局限于本发明中图示的机械结构形式。

如图5所示，本发明的控制过程：

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1所示，各工况下燃烧室进口空气经扩压器1后分为两路：一部分进入内/外环通道，再分别从主燃孔10、掺混孔11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帽罩进气孔2进入旋流器流入火焰筒13中。该燃烧室的帽罩进气孔2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帽罩进气孔2的空气流量，计算出该状态下帽罩进气孔2的开孔面积，从而计算出内层帽罩5的角位移，并转换成调节信号传递到机械执行系统中，通过电机驱动与传动轴9相连的动力齿轮14旋转，带动与之相连的内层帽罩5绕着环形燃烧室中心轴圆周方向转动，对帽罩进气孔2形成有效遮挡，降低帽罩进气孔有效流通面积，从而降低从帽罩进气孔经旋流器流入火焰筒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头部在不同工况下的燃烧油气比，达到拓宽燃烧边界、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 (4)

1.一种双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统，包括火焰筒（13），其特征在于，所述的火焰筒（13）头部设置有双层帽罩，所述的双层帽罩为外层帽罩（4）以及内层帽罩（5），外层帽罩（4）以及内层帽罩（5）上均开设有帽罩进气孔（2），所述的内层帽罩（5）位于外层帽罩（4）的内表面；外层帽罩（4）与火焰筒头部壁面固定连接；内层帽罩（5）的外环根部与火焰筒形成定位活接，所述的内层帽罩（5）能相对外层帽罩（4）转动，通过沿圆周方向转动内层帽罩位置，实现对外层帽罩进气孔实施部分遮挡，即可控制双层帽罩进气孔的开孔面积；

内层帽罩（5）外环根部设有辅助受力条（6），辅助受力条（6）上设置环形齿轮（7），环形齿轮（7）与动力齿轮（14）相啮合，动力齿轮（14）经传动轴（9）与外部电机相连；

外部电机接收控制终端的调节信号后控制动力齿轮（14）的转动，动力齿轮通过啮合作用带动环形齿轮（7）旋转，从而带动内层帽罩（5）圆周方向转动；旋转后的内层帽罩（5）对外层帽罩（4）上的帽罩进气孔（2）形成有效遮挡，从而减小帽罩进气孔（2）流通面积，从而减少从帽罩进气孔（2）经旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，降低火焰筒主燃区空气流量分配比，控制燃烧室在不同工况下的油气比，实现智能燃烧调控；通过智能调节从帽罩进气孔（2）经旋流器流入火焰筒（13）头部主燃区的空气流量，精准控制主燃区在不同工况下的燃烧油气比，达到提高燃烧效率，拓宽点熄火边界，降低污染物排放。

2.根据权利要求1所述的一种双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统，其特征在于，所述的环形齿轮（7）的齿高不大于2mm，动力齿轮（14）的分度圆直径不大于5mm。

3.根据权利要求1所述的一种双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统，其特征在于，所述的内层帽罩（5）外壁面与外层帽罩（4）的内壁面间隔不大于0.5mm；内层帽罩（5）、外层帽罩（4）的内环根部分别设置有内层帽罩内环根部球形轨道（301）、外层帽罩内环根部球形轨道（302），内层帽罩内环根部球形轨道（301）、外层帽罩内环根部球形轨道（302）中设置有滑动球（303）；在滑动球（303）的支撑下，内层帽罩（5）以滚动的方式绕燃烧室轴线转动，从而降低转动阻力。

4.根据权利要求1~3任一所述的双层帽罩空气流量分配智能燃烧调节系统的调节方法，其特征在于，所述的方法具体为：

步骤一、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，再反算出流经帽罩进气孔进入火焰筒的空气流量，对应的计算出各工况下帽罩进气孔的开孔面积和沿圆周方向的转动角度，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与帽罩进气孔的开孔面积/圆周方向转动角度的经验模型；

步骤二、燃烧室大工况运行时，外层帽罩以及内层帽罩同相位，帽罩进气孔的面积最大，智能调节系统不启动；当小工况时，控制终端采集当前的燃烧室进口空气总压，根据经验模型计算出帽罩进气孔的开孔面积/圆周方向转动角度，并转换成调节信号传递到机械执行系统中；

步骤三、利用机械结构中的电机经传动轴带动动力齿轮旋转，动力齿轮按照所需角位移旋转带动内层帽罩圆周方向旋转；内层帽罩旋转后对外层帽罩进气孔形成有效遮挡，降低帽罩进气孔的流通面积和流量系数，从而降低从帽罩进气孔经头部旋流器流入主燃区参与燃烧的空气流量，并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头部主燃区燃烧油气比。

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