CN114576651B - 一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法，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、温度等参数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内/外环调节板开合角度之间的对应关系，计算出当前工况下所需的调节板开合角，并将其转换成液压系统的调节信号，利用液压原理控制调节板沿铰链结构的开合移动，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，实现智能燃烧。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

一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧领域，涉及一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法。

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的油气比对其上述性能有着很大影响，智能燃烧调控技术的不断发展为燃气轮机燃烧室提供了新的发展方向。

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，燃油流量的变化会导致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空气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，从而保证火焰筒头部在各工况下均在设计油气比下燃烧，从而实现智能燃烧，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：

一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法，包括扩压器、燃烧室机匣，其特征在于，所述的燃烧室机匣内部设有火焰筒，所述的火焰筒内部设置有旋流器；

所述的扩压器尾部设置若干外环调节板和内环调节板；所述的外环调节板利用外环调节板的液压支杆穿过燃烧室机匣外环壁面，与外环调节板的液压总路连接；所述的内环调节板利用内环调节板的液压支杆穿过燃烧室机匣内环壁面，与内环调节板的液压总路连接；所述的外环调节板通过外环调节板的铰链结构、实现外环调节板与扩压器的活动连接；所述的内环调节板通过内环调节板的铰链结构，实现内环调节板与扩压器的活动连接。

所述圆周方向的若干个外环调节板连接到同一个外环调节板的液压总路中，若干个内环调节板连接到同一个内环调节板的液压总路中；所述的外环调节板的开合角的大小通过外环调节板的液压支杆调节，所述的内环调节板的开合角的大小通过内环调节板的液压支杆调节；

所述外环调节板的开合角大小变化会改变流经外环通道的空气流量占比，所述内环调节板的开合角大小变化改变流经内环通道的空气流量占比，从而达到改变经旋流器进入火焰筒头部的空气占比，智能调节火焰筒头部主燃区的油气比，实现火焰筒主燃区的智能燃烧；

所述的系统的工作方法具体如下：

流经扩压器的压缩空气分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒头部旋流器进入火焰筒主燃区；

当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器的进气温度和进气压力，计算出所需的经旋流器的空气占比，从而确定经外环通道与内环通道流向火焰筒壁面各主燃孔、掺混孔等的空气占比，然后得到外环调节板和内环调节板所需的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路、内环调节板的液压总路施加压力，控制外环调节板的液压支杆、内环调节板的液压支杆逐渐伸长，带动调节板沿铰链结构旋转，减小外环调节板和内环调节板的开合角度，降低流经外环通道与内环通道的空气占比，从而增加经旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比；

同理，小工况时，燃油供给量减少，根据提前标定好的进气总压、燃油流量、外环调节板与内环调节板的开合角的对应关系，在控制终端中计算出当前工况下所需的外环调节板、内环调节板的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路、内环调节板的液压总路施加压力，控制外环调节板的液压支杆、内环调节板的液压支杆逐渐缩短，带动调节板沿铰链结构旋转，增加外环调节板和内环调节板的开合角度，增加流经内外环通道的空气流量，减少经旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比；通过控制各工况下调节板的开合角，最终改变由旋流器进入火焰筒头部主燃区的空气占比，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放，增强点/熄火特性的目的。

进一步，所述的若干外环调节板连接到同一个外环调节板的液压总路中，实现所有外环调节板的同步开合控制；所述的若干内环调节板连接到同一个内环调节板的液压总路中，实现所有的内环调节板的同步开合控制；所述外环调节板、内环调节板的开合角度分开独立控制；所述的外环调节板的液压支杆与内环调节板的液压支杆也可以采用同一液压系统，所述的内环调节板的液压支杆与外环调节板的液压支杆连接到同一液压总路中，从而保证所有调节板可以实现同步开合。

进一步，所述的外环调节板、内环调节板在液压装置的作用下均可沿着铰链结构在燃烧室机匣内环和外环壁面之间在一定角度范围内旋转。

进一步，所述的内环调节板和外环调节板位置关于扩压器中心线对称，内外环调节板所成出气夹角正对旋流器进口；通过调控外环调节板和内环调节板的开合角使得通过进入外环通道的空气占比和进入内环通道的空气占比相等，保证火焰筒外环壁面上各孔与火焰筒内环壁面上各孔获得空气流量相等，同时确保火焰筒进口上部与下部空气流量的对称性与均匀性，从而保证火焰筒内部均匀燃烧。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）本发明的扩压器空气流量分配智能调节系统与调节方法，通过控制调节板的开合角度，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，从而提高燃烧室在各变工况下的燃烧效率和燃烧稳定性；当燃烧室工况从慢车工况逐渐增大到最大推力状态时，为了获得所需要的更大推力，燃油流量逐渐增大，为了保证燃烧室火焰筒头部油气比基本保持不变，需要增大燃烧室火焰筒头部进气流量比例，因此逐渐闭合调节板张角。相比现有航空发动机燃烧室各结构流量分配比例保持不变的设计，可以扩宽燃烧室的燃烧边界以及燃烧室燃烧性能。

2）燃烧室空气流量分配智能调节系统，当需要逐步加大发动机推力时，会逐渐增加燃油供给，燃烧室头部油气比会逐渐增大，此时可打开调节板，逐渐减小调节板角度，从而逐渐减小燃烧室内/外环的空气流通面积，即相应的逐渐增大从燃烧室头部旋流器中进入火焰筒头部的空气流量，从而达到精准控制燃烧室在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，降低污染物排放。

3）本发明包括一套机械结构和一套控制算法，控制终端根据扩压器进口温度、压力参数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调节板开合角度的对应关系，计算出当前燃油流量下所需的调节板开合角度，并转化成液压调节信号传递到机械结构中，利用液压原理将调节板打开，利用调节板的开合来实现对空气流量的调节，从而改变燃烧室主燃区的空气流量比例，保证不同工况下主燃区油气比均在设计状态下燃烧，该发明可明显扩宽燃烧室的燃烧边界，提高不同工况下的燃烧效率，达到降低污染物排放的目的。

附图说明

图1是本发明的扩压器空气流量分配智能调节系统在小工况下的状态示意图；

图2是本发明的扩压器空气流量分配智能调节系统在大工况下的状态示意图；

图3是本发明的扩压器空气流量分配智能调节系统的内环调节板的结构示意图；

图4是本发明的扩压器空气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-外环调节板的液压总路，3-外环调节板的液压支杆，4-外环调节板的铰链结构，5-外环调节板，6-燃烧室机匣，7-火焰筒，8-旋流器，9-内环调节板，10-内环调节板的铰链结构，11-内环调节板的液压支杆，12-内环调节板的液压总路。

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，本发明的一种扩压器空气流量分配智能调节系统包括扩压器1、燃烧室机匣6，所述的燃烧室机匣6内部设有火焰筒7，所述的火焰筒7内部设置有旋流器8；所述的扩压器1尾部圆周方向设置若干外环调节板5和内环调节板9；所述的外环调节板5利用外环调节板的液压支杆3穿过燃烧室机匣6外环壁面，与外环调节板的液压总路2连接；所述的内环调节板9利用内环调节板的液压支杆11穿过燃烧室机匣6内环壁面，与内环调节板的液压总路12连接；所述的外环调节板5通过外环调节板的铰链结构4、实现外环调节板5与扩压器1的活动连接，所述的内环调节板9通过内环调节板的铰链结构10，实现内环调节板9与扩压器1的活动连接；所述的若干个外环调节板5连接到同一个外环调节板的液压总路2中，若干个内环调节板9连接到同一个内环调节板的液压总路12中；所述的外环调节板5的开合角的大小通过外环调节板的液压支杆3调节，所述的内环调节板9的开合角的大小通过内环调节板的液压支杆11调节；所述外环调节板5的开合角大小变化改变流经外环通道的空气流量，所述内环调节板9的开合角大小变化改变流经内环通道的空气流量，最终改变经旋流器8进入火焰筒7的空气占比，调节火焰筒7主燃区的油气比，实现火焰筒7主燃区的智能燃烧；

如图3所示，所述的内环调节板9利用内环调节板的液压支杆11穿过燃烧室机匣6内环壁面，与内环调节板的液压总路12连接；所述的内环调节板9通过内环调节板的铰链结构10，实现内环调节板9与扩压器1的活动连接。

如图1~2、4所示，本发明的工作过程为：

流经扩压器1的压缩空气分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒7头部旋流器8进入火焰筒7头部主燃区；

当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器1的进气温度和进气压力，计算出所需的经旋流器8的空气占比，从而确定经外环通道与内环通道流向火焰筒7壁面各主燃孔、掺混孔等的空气占比，然后得到外环调节板5和内环调节板9所需的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路2、内环调节板的液压总路12施加压力，控制外环调节板的液压支杆3、内环调节板的液压支杆11逐渐伸长，带动调节板沿铰链结构旋转，减小外环调节板5和内环调节板9的开合角度，降低流经外环通道与内环通道的空气占比，从而增加经旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比；

同理，小工况时，燃油供给量减少，根据提前标定好的进气总压、燃油流量、外环调节板5与内环调节板9的开合角的对应关系，在控制终端中计算出当前工况下所需的外环调节板5、内环调节板9的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路2、内环调节板的液压总路12施加压力，控制外环调节板的液压支杆3、内环调节板的液压支杆11逐渐缩短，带动调节板沿铰链结构旋转，增加外环调节板5和内环调节板9的开合角度，增加流经内外环通道的空气占比，减少经旋流器进入火焰筒主燃区的空气占比。

通过控制各工况下调节板的开合角，最终改变由旋流器8进入火焰筒7头部主燃区的空气占比，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放，增强点/熄火特性的目的。

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)

1.一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法，包括扩压器（1）、燃烧室机匣（6），所述的燃烧室机匣（6）内部设有火焰筒（7），所述的火焰筒（7）内部设置有旋流器（8）；其特征在于，

所述的扩压器（1）尾部设置若干外环调节板（5）和内环调节板（9）；所述的外环调节板（5）利用外环调节板的液压支杆（3）穿过燃烧室机匣（6）外环壁面，与外环调节板的液压总路（2）连接；所述的内环调节板（9）利用内环调节板的液压支杆（11）穿过燃烧室机匣（6）内环壁面，与内环调节板的液压总路（12）连接；所述的外环调节板（5）通过外环调节板的铰链结构（4），实现外环调节板（5）与扩压器（1）的活动连接；所述的内环调节板（9）通过内环调节板的铰链结构（10），实现内环调节板（9）与扩压器（1）的活动连接；

所述的外环调节板（5）的开合角的大小通过外环调节板的液压支杆（3）调节，所述的内环调节板（9）的开合角的大小通过内环调节板的液压支杆（11）调节；

所述的外环调节板（5）的开合角大小变化可改变流经外环通道的空气流量比例，所述内环调节板（9）的开合角大小变化可改变流经内环通道的空气流量比例，从而最终改变经燃烧室头部旋流器（8）进入火焰筒（7）的空气占比，达到不同燃烧室工况条件下精确调节火焰筒（7）主燃区的油气比目的，实现火焰筒（7）主燃区的智能燃烧调节；

所述的系统的工作方法具体如下：

流经扩压器（1）的压缩空气分为三路：一部分进入外环通道，一部分进入内环通道，剩余部分经火焰筒（7）头部的旋流器（8）进入主燃区进行燃烧；

当发动机需要增加推力或者功率时，燃油供给量增加，通过测得扩压器（1）的进气温度和进气压力，计算出该工况下燃烧室头部所需的油气比，得到该工况下所需的经旋流器（8）进入火焰筒（7）的空气占比，从而确定经外环通道与内环通道流向火焰筒（7）壁面各主燃孔、掺混孔等的空气占比，然后计算得到外环调节板（5）和内环调节板（9）所需的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路（2）、内环调节板的液压总路（12）施加压力，控制外环调节板的液压支杆（3）、内环调节板的液压支杆（11）逐渐伸长，带动调节板沿铰链结构旋转，减小外环调节板（5）和内环调节板（9）的开合角度，降低流经外环通道与内环通道的空气流量，相应增大流经旋流器（8）进入火焰筒（7）的空气流量；

同理，小工况时，随着燃油供给量减少，根据提前标定好的进气总压、燃油流量、外环调节板（5）与内环调节板（9）的开合角的对应关系，在控制终端中计算出当前工况下所需的外环调节板（5）、内环调节板（9）的开合角度，并将其转换为调节信号，传递到液压机械系统中，液压机械系统利用液压原理对外环调节板的液压总路（2）、内环调节板的液压总路（12）施加压力，控制外环调节板的液压支杆（3）、内环调节板的液压支杆（11）逐渐缩短，带动调节板沿铰链结构旋转，增加外环调节板（5）和内环调节板（9）的开合角度，增加流经内外环通道的空气流量，从而减少流经旋流器（8）进入火焰筒（7）的空气流量；通过控制发动机各工况下调节板的开合角，最终改变由旋流器（8）进入火焰筒（7）头部主燃区的空气占比，从而精准控制燃烧室火焰筒头部在不同工况下的油气比，实现智能燃烧，达到拓宽稳定燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放，增强点/熄火特性的目的；所述的若干外环调节板（5）连接到同一个外环调节板的液压总路（2）中，实现所有外环调节板（5）的同步开合控制；所述的若干内环调节板（9）连接到同一个内环调节板的液压总路（12）中，实现所有的内环调节板（9）的同步开合控制；所述外环调节板（5）、内环调节板（9）的开合角度分开独立控制；所述的外环调节板的液压支杆（3）与内环调节板的液压支杆（11）也可以采用同一液压系统，所述的内环调节板的液压支杆（11）与外环调节板的液压支杆（3）连接到同一液压总路中，从而保证所有调节板可以实现同步开合。

2.根据权利要求1所述的一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法，其特征在于，所述的外环调节板（5）、内环调节板（9）在液压装置的作用下均可沿着铰链结构在燃烧室机匣（6）内环和外环壁面之间旋转。

3.根据权利要求1所述的一种扩压器空气流量分配智能调节系统及其工作方法，其特征在于，所述的内环调节板（9）和外环调节板（5）位置为：以扩压器（1）中心线对称分布，内外环调节板所成出气夹角正对旋流器（8）进口；通过调控外环调节板（5）和内环调节板（9）的开合角使得通过进入外环通道的空气流量和进入内环通道的空气流量相等，保证火焰筒（7）外环壁面上各孔与火焰筒（7）内环壁面上各孔获得空气流量相等，同时确保火焰筒（7）进口上部与下部空气流量的对称性与均匀性，从而保证火焰筒（7）内部均匀燃烧。

Images