拓宽重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构

摘要

一种拓宽重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构，包括供油系统、油泵、溢流阀、弹性元件、喷嘴、背压阀、连杆、套筒和轴向旋流器。弹性元件由两个并列布置的弹簧管和一个封闭腔体组成，弹簧管的末端与封闭腔体相连通构成弹性元件的自由端。油泵与供油系统相通并分别与喷嘴和溢流阀的进口端相连；溢流阀的溢流口和背压阀的出口端与供油系统相通；弹性元件的入口端与溢流阀的出口端相连；弹性元件的出口端与背压阀的入口端相连；弹性元件的自由端与连杆铰链；连杆与套筒铰链。该主动控制机构不仅能有效拓宽重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界，同时解决了由于单个弹簧管内燃油的不流动引起的结焦和积碳现象，提高了控制机构的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主动控制机构，尤其涉及一种拓宽重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构。

背景技术

贫燃熄火边界是地面重型燃气轮机燃烧室的主要特性之一，直接关系到燃气轮机在低负荷下运行的可靠性。为了满足重型燃气轮机在各种负荷下安全运行，减小机组跳车次数，增加燃气轮机的运行寿命，则要求其燃烧室的贫燃熄火边界很宽。从可视化贫燃熄火试验可知：当燃烧室接近贫燃熄火状态时，火焰只存在于火焰筒头部附近的一部分空间，因此影响熄火特性的关键因素是火焰筒头部的局部当量比，只要设法保持火焰筒头部附近的局部当量比在一定的范围内变化，就能够保证燃气轮机一直稳定运行。

在燃烧室贫燃熄火边界控制技术方面，国外做了大量的研究，并申报了许多相关的专利。如美国GE公司申报的专利“Variable geometry air swirler”（专利号：GB2244551A），是通过一种温度敏感材料制造的变几何旋流器来实现对燃烧室贫燃熄火边界的控制，该控制技术主要通过改进燃烧室旋流器材料来实现。此外，还有其它的一些技术也采用了类似的方法，如已公开的专利文献US3738106A，US5297385A。日本三菱公司通过多年的探索，逐步形成自己独有的旁路阀设计，并通过该方法来实现对重型燃机燃烧室的贫燃熄火边界进行控制，并申报了大量专利。还有一些研究机构的设计者，通过液压控制装置来实现对燃烧室贫燃熄火边界的控制，并申报了专利，如已公开的专利US4044553A。

北京航空航天大学的黄勇教授领导的研究组曾申报过两项专利技术，其申请号分别为：200910120022.0和200910120464.5。他们采用的控制技术都是应用在拓宽航空发动机燃烧室的贫燃熄火边界中。此外，在他们所采用的两种控制机构中，都采用了单个弹簧管结构，这种结构使得进入弹簧管内的燃料处于不流动状态，所以当燃烧室内温度较高时，弹簧管内的燃料容易出现结焦和积碳现象，从而堵塞弹簧管，影响该类控制机构的功能和寿命。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，提出一种用于拓宽地面重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构，该主动控制机构可使弹簧管内的燃料一直处于流动状态，能有效避免弹簧管内的结焦和积碳现象，从而实现对重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种拓宽重型燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构，该机构包括由供油系统、油泵、溢流阀、弹性元件、喷嘴、背压阀、连杆、套筒及安装于套筒上的叶片和轴向旋流器，其特征在于：所述的弹性元件由两个并列布置的弹簧管和一个封闭腔体组成，两个弹簧管的末端与封闭腔体相连通构成弹性元件的自由端；弹性元件的入口端与溢流阀的出口端相连；弹性元件的出口端与背压阀的入口端相连；弹性元件的自由端与连杆铰链；连杆与套筒铰链；所述的喷嘴设置在套筒内，喷嘴通过支座固定在轴向旋流器上；所述油泵与供油系统相连通并分别通过管道与喷嘴和溢流阀的进口端相连；溢流阀的溢流口和背压阀的出口端与供油系统相通。

本发明所述的弹性元件中每个弹簧管的横截面优选为薄壁椭圆形。该弹性元件中每个弹簧管的横截面长半轴与短半轴之比在3～5之间。该弹性元件中每个弹簧管横截面的壁厚与短半轴之比在0.2～0.4之间。

本发明所述弹性元件中每个弹簧管的弧长优选为四分之三圆周长。所述弹性元件中每个弹簧管的曲率半径在30～50mm之间。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

在本发明的主动控制机构中，采用了由两个并列布置的弹簧管和一个封闭腔体组成的弹性元件，通过该弹性元件来实现对重型燃机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制。该主动控制机构能使弹簧管内的燃料一直处于流动状态，克服了现有技术中由于弹簧管内燃料不流动引起的结焦和积碳问题，能有效延长弹性元件的使用寿命。

附图说明

图1为燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构的结构原理示意图。

图2为弹性元件的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为套筒主视图。

图6为套筒左视图。

图7a、7b、7c为不同供油压力下燃烧室头部进气面积变化示意图。

图中符号说明如下：

1-供油系统；2-油泵；3-溢流阀；4-弹性元件；5-喷嘴；6-背压阀；7-连杆；8-套筒；

9-轴向旋流器；10-叶片；11-弹簧管；12-封闭腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。

图1是燃气轮机燃烧室贫燃熄火边界的主动控制机构结构原理示意图。该主动控制机构结构包括供油系统1、油泵2、溢流阀3、弹性元件4、喷嘴5、背压阀6、连杆7、套筒8及安装于套筒上的叶片10和轴向旋流器9。油泵2与供油系统1相通并分别与喷嘴5和溢流阀3的进口端相连；溢流阀3的溢流口和背压阀6的出口端与供油系统1相通。弹性元件4由两个并列布置的弹簧管11和一个封闭腔体12组成，两个弹簧管11的末端与封闭腔体12相连通构成弹性元件4的自由端；弹性元件4的入口端与溢流阀3的出口端相连；弹性元件4的出口端与背压阀6的入口端相连；弹性元件4的自由端通过铰链与连杆7相连；连杆7也通过铰链与套筒8连接；喷嘴5设置在套筒8内，喷嘴5通过支座固定在轴向旋流器9上。油泵2与供油系统1相连通，并分别通过管道与喷嘴5和溢流阀3的进口端相连；溢流阀3的溢流口和背压阀6的出口端与供油系统1相通。

图2是弹性元件的结构示意图。所述弹性元件4的工作原理是：组成弹性元件4的每个弹簧管11在内压力的作用下，任意非圆截面将力图变为圆形，从而使得弹性元件4的自由端便会在内压的作用下产生位移。所述弹性元件4是由两个并列布置的弹簧管11和一个封闭腔体12组成，弹簧管弧长最好为四分之三圆周长，曲率半径在30mm～50mm之间；弹性元件4的每个弹簧管11的横截面可以是圆形或椭圆形，优选为薄壁椭圆形（如图3所示），横截面长轴与短轴之比一般在3～5之间，弹簧管的壁厚与短轴之比在0.2～0.4之间，弹性元件4中两个弹簧管11的末端与封闭腔体12相连通构成弹性元件4的自由端（如图4所示），封闭腔体12的形状为正方体、长方体或球体。所述弹性元件4是主动控制机构中的核心部件，燃烧室头部气量主要通过弹性元件4根据供油压力的变化来实现对其进行主动调节的。

所述背压阀6，它的作用是为弹性元件4提供一定的背压，从而保证弹性元件4的正常工作，背压阀的型号规格可采用RXBF-P20/0.3。所述溢流阀3，是用来专门保护弹性元件4的，当供油压力太高时，溢流阀3保持阀后压力定值。溢流阀3的型号规格可采用RV-T04。

图5是套筒主视图，图6为套筒左视图。所述连杆7、套筒8以及固定在套筒上的叶片10组成位移执行部件，它是主动控制机构中功能实现的关键部件。当系统的供油压变化时，通过弹性元件4的自由端将位移量反馈给位移执行部件，从而通过套筒8上的叶片10和轴向旋流器9的相对运动来改变燃烧室头部的进气量，实现系统的主动控制。

图7a、7b、7c分别是不同供油压力下燃烧室头部进气面积示意图。当系统的供油压力变化时，溢流阀3的阀后压力也随着变化。这种油压变化通过溢流阀出口传给弹性元件4，弹性元件4再将油压变化直接以位移的形式通过连杆7传给套筒8。然后通过固定在套筒8上的叶片10与轴向旋流器9的相对运动来改变进入燃烧室头部的空气面积进而改变燃烧室头部气量以适应喷嘴5内喷油量的变化。当供油压力高于系统设定的压力时，溢流阀3的溢流端开启，此时弹性元件4内的油压为一定值，此时主动控制机构中的套筒8上的叶片10与轴向旋流器9的相对位置如图7（a）所示，此时进气面积最大。随着喷油量的减小，轴向旋流器9的进气面积如图6中箭头所指的方向逐渐减小，直至如图7（c）所示，进气面积为零。