CN114704388A - 一种燃气轮机燃料调节阀及控制系统、控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机燃料调节阀及控制系统、控制方法，所述燃气轮机燃料调节阀包括：阀体和阀芯；所述阀体的一端设置有燃料出口；所述阀体的预设截面位置处沿周向均布有预设数量的完全相同的燃料进口；所述阀体内设置有第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述燃料进口相连通，所述第二腔室与所述燃料出口相连通；所述第一腔室与所述第二腔室相连通，连通处设置有喉部；所述阀芯可移动的设置于所述第一腔室。本发明中，基于缩放喷管气体动力学特性提出了一种防抖动燃料阀。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机气体燃料控制技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃料调节阀及控制系统、控制方法。
背景技术
燃料流量精确调节是燃气轮机的关键技术之一，是为了准确控制流入燃烧室的气态燃料流量，使其按照需要分配释放热量，研究燃料流量调节阀的精确调节具有非常重要的意义。
目前，国内外大部分对燃料阀的研究都不能满足燃料阀响应速度，抖动等技术要求。具体示例解释性的，现有燃气轮机燃料调节阀一般采用锥阀式单向阀，这种“阀芯-弹簧”结构是一种低阻尼的振荡系统，在液压系统中由于流体在阀腔中的运动而产生的反作用力很容易出现振动，振动不仅会产生噪声，还会缩短阀门的使用寿命，影响整个系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃料调节阀及控制系统、控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，基于缩放喷管气体动力学特性提出了一种防抖动燃料阀；在上述基础上，进一步公开了其控制系统和控制方法，可解决上述现有技术存在的阀门抖动以及响应速度方面的技术缺陷。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种燃气轮机燃料调节阀，包括：阀体和阀芯；
所述阀体的一端设置有燃料出口，另一端设置有用于固定的连接装置；所述阀体的预设截面位置处沿周向均布有预设数量的完全相同的燃料进口；所述阀体内设置有第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述燃料进口相连通，所述第二腔室与所述燃料出口相连通；所述第一腔室与所述第二腔室相连通，连通处设置有喉部；
所述阀芯可移动的设置于所述第一腔室，用于改变所述燃料进口与所述燃料出口之间的通流面积，实现阀门开度调节；
其中，所述预设数量的完全相同的燃料进口用于实现通入的燃料对阀芯的作用力达到平衡。
本发明的进一步改进在于，
所述第一腔室内，自所述燃料进口向所述喉部依次设置有稳定段、收缩段；
所述第二腔室内，所述喉部与所述燃料出口之间设置有扩张段；
其中，所述稳定段用于降低燃料紊流度；所述收缩段用于使燃料压力降低且流速增大；所述扩张段用于使燃料流速减小且压力增大。
本发明的进一步改进在于，所述阀芯包括：阀杆、锥形头和波纹管；
所述阀杆套装于所述波纹管内；所述阀杆的一端用于与活塞杆固定连接，另一端与所述锥形头固定连接。
本发明的进一步改进在于，所述燃料进口用于与燃料供给管网相连通。
本发明提供的一种控制系统，包括：三位四通阀、活塞缸和本发明上述的燃气轮机燃料调节阀；
所述三位四通阀设置有P口、T口、A口和B口；其中，P口为进油口，T口为回油口，A口与所述活塞缸的无杆腔相连通，B口与所述活塞缸的有杆腔相连通；
在A口和所述活塞缸的无杆腔之间的连通路上依次安装有单向阀和顺序阀；所述顺序阀的泄油口与B口和所述活塞缸的有杆腔之间的连通管路相连通；
活塞缸的活塞杆与阀杆固定连接。
本发明的进一步改进在于，还包括：位移传感器、伺服放大器和工控机；
所述位移传感器用于测量阀杆的位移；
所述位移传感器的信号输出接口与所述工控机的数字输入口相连接，所述工控机的数字输出口与所述伺服放大器的信号输入端相连接，所述伺服放大器的信号输出端与所述三位四通阀的电磁铁相连接；
其中，所述工控机用于输入阀门开度控制信号并与位移传感器采集的电压信号比较获得误差值；所述伺服放大器用于输入所述误差值并放大为偏差信号；所述三位四通阀两端的电磁铁基于所述偏差信号实现通电。
本发明的进一步改进在于，所述活塞杆与所述阀杆通过法兰连接。
本发明提供的一种控制方法，基于上述的控制系统，包括以下步骤：
所述三位四通阀的P口和A口连通，B口和T口连通，液压油经单向阀从三位四通阀中进入活塞缸的无杆腔，在压差作用下活塞杆向外移动，此时活塞缸的有杆腔中液压油回流进入三位四通阀，活塞杆伸出；
所述三位四通阀的P口和B口连通，A口和T口连通，三位四通阀中的液压油进入活塞缸的有杆腔，一部分液压油推开顺序阀后流回三位四通阀，活塞杆缩回。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的燃气轮机燃料调节阀，不同于目前现有的阀门单个入口结构，其设计有多个完全对称的入口，使得在入口横截面处阀芯受到流体的压力达到平衡状态，可最大程度地保护阀芯。
本发明提出的与本发明上述调节阀匹配的控制系统包括主阀回路和先导控制回路；其中，先导控制回路通过液压伺服阀控制进入活塞内的液压油流量，从而可控制连接活塞的阀芯位移；主阀回路是在燃料阀门阀芯处安装位移传感器，通过位移闭环控制主阀开度。另外，先导控制回路中安装有防抖平衡阀，当负载突然变大时，虽然流入活塞缸有杆腔内的液压油流量增大，但是此时连通换向阀的顺序阀的开度也会增大，使得流入有杆腔内的液压油流量变化较慢，使得活塞较小的压差作用下稳定移动，有效解决了抖动问题，提升了系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料调节阀的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的活塞杆伸臂时调节阀控制方法的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的活塞杆缩臂时调节阀控制方法的原理示意图；
图中，1、三位四通阀；2、单向阀；3、顺序阀；4、活塞缸；5、位移传感器；6、主阀；7、伺服放大器；8、活塞杆；9、工控机；
10、阀体；11、阀杆；12、波纹管；13、燃料进口；14、燃料出口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料调节阀，包括：阀体10和阀芯；
其中，所述阀体10的预设截面位置周向均布有预设数量的完全相同的燃料进口13(示例性的，数量可以4、6个或8个等)，所述燃料进口13用于与燃料供给管网相连通(示例性可选的，可采用固定螺栓将阀体10的一端与管网固定连接，另一端设置燃料出口14)；所述预设数量的完全相同的燃料进口13用于实现通入的燃料对阀芯的作用力达到平衡；阀体10内设置有相互连通的第一腔室和第二腔室；第二腔室内设置有阀芯，燃料进口13与所述第二腔室相连通。
所述阀芯可移动的设置于所述阀体10内，通过阀芯的移动可改变燃料进口13和燃料出口14之间的通流面积，实现阀门开度调节；具体示例性的，所述阀芯包括阀杆11、锥形头和波纹管12，所述阀杆11套装于所述波纹管12内，所述阀杆11的一端用于与活塞杆8法兰连接，另一端与锥形头相连接，通过活塞杆8可带动阀芯在阀体10内移动，通过移动实现阀门开度调节；所述波纹管12用于防止阀芯和阀体10之间存在缝隙，在阀芯移动过程中起密封作用，避免流体泄漏。
本发明实施例上述提供的燃气轮机燃料调节阀，不同于目前现有的阀门单个入口结构，其设计有多个完全对称的入口，使得在入口横截面处阀芯受到流体的压力达到平衡状态，可最大程度地保护阀芯。
本发明实施例示例性优选的，燃气轮机燃料调节阀主要包括阀门流道以及波纹管密封结构。所述的燃气轮机燃料调节阀内部流道采用缩放喷管气动特性，将阀门从入口到出口的流道分为入口、稳定段、收缩段、喉部和扩张段。燃料从燃料进口进入稳定段，稳定段为宽度不变的一段环形管路，用于降低进入阀门的燃料紊流度。稳定段过渡到收缩段，气态燃料在收缩段压力降低，流速增大，在喉部流速达到最大，紧接着进入扩张段，气态燃料流速减小，压力开值开始逐渐恢复至稳定。在同样压力、温度条件下，通过这种结构的气态燃料流量只与喉部面积与出口面积比有关，在一定范围内不受前后压差变化的影响，这种流动特性有利于气体流量的控制，实现流量稳定调控。采用波纹管密封结构，使得阀体结构紧凑，阀门上部流体流道呈S型，压降损失小，流量大，可调范围广，最重要的是，由于波纹管密封性好和抗腐蚀性强，可消除调节阀中流体泄漏和填料密封通常存在的填料老化和温度敏感等缺陷。
请参阅图2和图3，本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料调节阀的控制系统，包括：三位四通阀1、单向阀2、顺序阀3、活塞缸4、位移传感器5、伺服放大器7、工控机9和本发明实施例上述提供的燃气轮机燃料调节阀(也即图中的主阀6)；
其中，三位四通阀1的P口为进油口，T口为回油口，A口和活塞缸4无杆腔接通，B口和活塞缸4有杆腔接通；在A口和活塞缸4无杆腔接通的管路上安装单向阀2和顺序阀3，顺序阀3的泄油口接在B口和活塞缸4有杆腔接通的管路中；活塞杆8和阀杆11法兰连接，位移传感器5安装在阀杆11空的内腔里，位移传感器5的信号输出接口与工控机9的数字输入口连通，工控机9的数字输出口与伺服放大器7的信号输入端连通，伺服放大器7的信号输出端与三位四通阀1的电磁铁连通。
在该具体实施方式下，例如当在工控机9中输入一个阀门开度控制信号Ur时，Ur与从位移传感器5采集的电压信号Uf相比较后有误差时，该误差值经过伺服放大器7放大后为偏差信号Ue，在偏差信号Ue向的作用下，三位四通阀1一端的电磁铁通电，实现液压油流动的换向。
当需要活塞杆8伸出时，三位四通阀1右端的电磁铁通电，换向阀由中位换成P口和A口连通，B口和T口连通，液压油经单向阀2从三位四通阀1中进入活塞缸4的无杆腔，在压差作用下活塞杆8向外移动，此时活塞缸4的有杆腔中液压油回流进入三位四通阀1。当活塞杆8缩回时，三位四通阀1左端的电磁铁通电，换向阀由中位换成P口和B口连通，A口和T口连通，三位四通阀1中的液压油直接进入活塞缸4的有杆腔，同时一部分液压油经液控端口开启顺序阀3，这部分液压油推开顺序阀3后流回三位四通阀1，因此在执行机构的机械部件由于负载突然增大时，活塞杆8缩回过程中，虽然流入活塞缸4有杆腔内的液压油流量增大，但是此时顺序阀3的开度也会增大，使得流入有杆腔内的液压油流量变化较慢，从而使得活塞缸4平稳移动，有效解决了抖动等现象。
本发明实施例提供了一种新型燃气轮机燃料调节阀的控制系统的工作流程，包括：
在工控机9中输入需求的电压信号，将位移传感器5采集到某个时刻的活塞位移传输给工控机9，工控机9经过计算后将误差电压信号传向电液伺服放大器7，当阀门开度需要变大时，即是与阀杆11连接的活塞杆8需要缩臂时，伺服放大器7向伺服阀发出指令，伺服阀换向后将油泵提供的液压油输入活塞有杆腔，在活塞缸4内两个腔室的压差作用下活塞无杆腔内的液压油流回伺服阀，完成活塞杆8的缩臂运动。当阀门开度需要变小时，即是与阀杆11连接的活塞杆8需要伸臂时，伺服放大器7向伺服阀发出指令，伺服阀换向后将油泵提供的液压油输入活塞无杆腔，在活塞缸4内两个腔室的压差作用下活塞有杆腔内的液压油流回伺服阀，完成活塞杆8的伸臂运动。随着活塞缸4的运动，腔室两侧压差逐渐减小，两侧压差为0时，活塞停止运动，此时阀门开度刚好为输入信号对应开度。
解释性的，本发明实施例提供的一种新型燃气轮机燃料调节阀的控制系统，包括：主阀回路和先导控制回路；其中，所述先导控制回路是通过液压伺服阀控制进入活塞内的液压油流量，从而控制连接活塞的阀芯位移，所述主阀回路是在燃料阀门阀芯处安装位移传感器5，通过位移闭环控制主阀6开度。
本发明在控制回路设计中安装了防抖平衡阀，包括活塞缸端口、换向阀端口、单向阀、顺序阀，该单向阀2的入口与换向阀端口连通，单向阀2出口与活塞缸4无杆腔端口连通，单向阀2和顺序阀3并联，顺序阀3的入口与活塞缸4无杆腔端口连通，顺序阀3出口与换向阀端口连通，顺序阀3的液控端口与活塞缸4的有杆腔端口连通，当活塞连杆执行伸臂动作时，换向阀换向后，液压油经单向阀2从换向阀中进入活塞缸4的无杆腔，在腔室两侧压差影响下活塞缸4有杆腔内的液压油流回换向阀，活塞杆8伸出。当活塞连杆执行缩臂动作时，换向阀换向后，液压油从换向阀直接进入活塞缸4的有杆腔，同时液压油经液控端口打开顺序阀3，使得活塞缸4的无杆腔内的液压油流回换向阀，活塞杆8缩回。所述平衡阀能有效缓解液压执行机构在工作过程中的抖动，明显改善阀门开闭的平稳性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃气轮机燃料调节阀，其特征在于，包括：阀体(10)和阀芯；
所述阀体(10)的一端设置有燃料出口(14)，另一端设置有用于固定的连接装置；所述阀体(10)的预设截面位置处沿周向均布有预设数量的完全相同的燃料进口(13)；所述阀体(10)内设置有第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述燃料进口(13)相连通，所述第二腔室与所述燃料出口(14)相连通；所述第一腔室与所述第二腔室相连通，连通处设置有喉部；
所述阀芯可移动的设置于所述第一腔室内，用于改变所述燃料进口(13)与所述燃料出口(14)之间的通流面积实现阀门开度调节；
其中，所述预设数量的完全相同的燃料进口(13)用于实现通入的燃料对所述阀芯的作用力达到平衡。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料调节阀，其特征在于，
所述第一腔室内，自所述燃料进口(13)向所述喉部依次设置有稳定段、收缩段；
所述第二腔室内，所述喉部与所述燃料出口(14)之间设置有扩张段；
其中，所述稳定段用于降低燃料紊流度；所述收缩段用于使燃料压力降低且流速增大；所述扩张段用于使燃料流速减小且压力增大。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料调节阀，其特征在于，所述阀芯包括：阀杆(11)、锥形头和波纹管(12)；
所述阀杆(11)套装于所述波纹管(12)内；所述阀杆(11)的一端用于与活塞杆固定连接，另一端与所述锥形头固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料调节阀，其特征在于，所述燃料进口(13)用于与燃料供给管网相连通。
5.一种控制系统，其特征在于，包括：三位四通阀(1)、活塞缸(4)和权利要求1所述的燃气轮机燃料调节阀；
所述三位四通阀(1)设置有P口、T口、A口和B口；其中，P口为进油口，T口为回油口，A口与所述活塞缸(4)的无杆腔相连通，B口与所述活塞缸(4)的有杆腔相连通；
在A口和所述活塞缸(4)的无杆腔之间的连通路上依次安装有单向阀(2)和顺序阀(3)；所述顺序阀(3)的泄油口与B口和所述活塞缸(4)的有杆腔之间的连通管路相连通；
活塞缸(4)的活塞杆(8)与阀杆(11)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种控制系统，其特征在于，还包括：位移传感器(5)、伺服放大器(7)和工控机(9)；
所述位移传感器(5)用于测量阀杆(11)的位移；
所述位移传感器(5)的信号输出接口与所述工控机(9)的数字输入口相连接，所述工控机(9)的数字输出口与所述伺服放大器(7)的信号输入端相连接，所述伺服放大器(7)的信号输出端与所述三位四通阀(1)的电磁铁相连接；
其中，所述工控机(9)用于输入阀门开度控制信号并与位移传感器(5)采集的电压信号比较获得误差值；所述伺服放大器(7)用于输入所述误差值并放大为偏差信号；所述三位四通阀(1)两端的电磁铁基于所述偏差信号实现通电。
7.根据权利要求5所述的一种控制系统，其特征在于，所述活塞杆(8)与所述阀杆(11)通过法兰连接。
8.一种控制方法，其特征在于，基于权利要求5所述的控制系统，包括以下步骤：
所述三位四通阀(1)的P口和A口连通，B口和T口连通，液压油经单向阀(2)从三位四通阀(1)中进入活塞缸(4)的无杆腔，在压差作用下活塞杆(8)向外移动，此时活塞缸(4)的有杆腔中液压油回流进入三位四通阀(1)，活塞杆(8)伸出；
所述三位四通阀(1)的P口和B口连通，A口和T口连通，三位四通阀(1)中的液压油进入活塞缸(4)的有杆腔且部分液压油推开顺序阀(3)后流回三位四通阀(1)，活塞杆(8)缩回。
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