一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机燃烧室的制作方法
【专利摘要】公开了一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机燃烧室，包括：端盖、固定盘、燃料分配控制单元；燃料分配控制单元包括：电机、传动机构、转动盘；端盖与固定盘固定相连，并且在两者之间形成一内部空腔；固定盘设有位于第一圆周上的K个定位孔，且每个定位孔中设有一个主燃料管；电机设在端盖外部，转动盘设在内部空腔中，电机通过传动机构与转动盘相连；转动盘设有位于第二圆周的m组分配孔；每组分配孔的数量Qi互不相等，且Qi≤K；电机通过带动转动盘转动，以使第i组分配孔与Qi个主燃料管对准，进而形成Qi个主燃料通道。本发明的燃烧室能在不同负荷条件下，形成不同数量的主燃料通道，从而保证了燃烧室的燃烧稳定性、降低了污染物排放量。
【专利说明】
一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机燃烧室
技术领域
[0001] 本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机 燃烧室。
【背景技术】
[0002] 燃烧室，作为燃气轮机的核心部件，其性能指标是衡量燃气轮机整机是否先进的 重要指标。其中，燃烧室的性能指标主要包括燃烧效率、污染物排放量、燃烧稳定性。在实际 运行过程中，燃气轮机的功率、转速、效率等参数会因为种种原因发生变化，进而使燃烧室 偏离设计工况运行，并引起燃烧室污染物排放量增多、燃烧效率降低、燃烧稳定性变差等问 题。
[0003] 目前，在以天然气为燃料的燃气轮机中，由于受燃烧室结构、体积热强度要求以及 高温环境等因素的限制，燃烧室燃料分配方式的设计较为困难。比如，在重型燃气轮机中， 其在燃烧室头部设置多个燃烧器喷嘴，并在不同负荷条件下采用不同的燃烧器喷嘴，以满 足运行要求。而在微型燃气轮机中，由于受燃烧室结构空间的限制，其只能对燃料分配进行 总体控制，而不能对单个燃料支路进行控制。
[0004] 在现有技术中，重型或微型燃气轮机燃烧室的燃料分配方式都存在一定的缺陷。 比如，在重型燃气轮机中，其燃料分配方式对燃机热控系统的要求较高，燃机整体成本较 高。在微型燃气轮机中，由于其只能对燃料分配进行总体控制，从而在燃烧室低负荷运行 时，燃料喷射速度降低、停留时间增长、未燃碳氢燃料和C0浓度增加、燃烧效率降低、稳定性 变差，进而给燃烧室的稳定运行带来安全隐患。
[0005] 因此，针对现有技术中燃气轮机燃料分配方式的缺陷，需要一种能够主动控制燃 料分配功能的燃气轮机燃烧室的解决方案。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机，以保证在不 同负荷条件下，燃烧室都能保持高效、稳定的燃烧，以及较低的污染物排放量，并能够有效 降低燃烧室设计、运行与控制成本。
[0007] 本发明提供了一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机燃烧室，包括:位于燃 烧室头部的端盖、固定盘、燃料分配控制单元;所述燃料分配控制单元包括：电机、传动机 构、转动盘；
[0008] 所述端盖与所述固定盘固定相连，并且在所述端盖与所述固定盘之间形成一内部 空腔;所述固定盘设有K个定位孔，所述K个定位孔位于第一圆周上，且每个定位孔中设有一 个主燃料管；
[0009] 所述电机设置在所述端盖的外部，所述转动盘设置在所述端盖的内部空腔中；并 且，所述电机通过传动机构与所述转动盘相连；
[0010] 所述转动盘上设有m组分配孔，所述m组分配孔位于第二圆周上；第二圆周与第一 圆周的圆心共轴，且第二圆周与第一圆周的半径相等；其中，每组分配孔的数量Qi互不相 等，且Qi<K，i = l，···ηι;
[0011]所述电机通过所述传动机构带动转动盘转动，以使转动盘上的第i组分配孔与固 定盘上的&个主燃料管对准，进而形成&个主燃料通道；
[0012] 其中，K、m、Qi均为大于1的整数。
[0013] 优选的，所述传动机构包括:驱动轴、驱动齿轮、固定在转动盘上的转动齿轮;所述 驱动轴的输入端与所述电机的输出端固定相连;所述驱动轴的输出端通过所述端盖上的第 一通孔穿入所述内部空腔中，并且紧固在所述驱动齿轮的中心通孔中；所述驱动齿轮的外 侧锯齿与所述转动齿轮的外侧锯齿相啮合。
[0014] 优选的，相邻两个定位孔在第一圆周上的间距为1〇,所述间距1〇对应的圆心角θ〇满 足：
[0016]优选的，第个分配孔与第iV/+1个分配孔在第二圆周上的间距为L〇,所述间距L〇对 应的圆心角α〇满足：
[0018] 其中，Λζ1为第i组分配孔中的第1个分配孔，〗为第i + Ι组分配孔中的第1个分配 孔，Di为第二圆周的直径。
[0019] 优选的，第Μ个分配孔与第#/+1个分配孔在第二圆周上的间距Lo满足：
[0020] d<Lo<2d；
[0021] 其中，d为分配孔的孔径。
[0022]优选的，所述转动盘的外径Do满足：
[0023] D〇-Di>d；
[0024] 式中，m为第二圆周的直径，d为分配孔的孔径。
[0025]优选的，第一组分配孔的数量满足：
[0026] Q1 = K〇
[0027] 优选的，第二圆周的直径m满足：
[0028] jrDi>mKLo。
[0029] 优选的，若在t秒内所述转动盘转动角度α，则所述电机转过的角度於为：
[0031]其中，Dz为转动齿轮的分度圆直径，Dq为驱动齿轮的分度圆直径。
[0032]优选的，所述电机输入脉冲信号的频率f满足：
[0034] 其中，为电机的步进角。
[0035] 优选的，在所述端盖上设有电机支架，所述电机支架设有与第一通孔连通的中心 管;所述电机通过螺栓组固定在所述电机支架上，所述驱动轴依次穿过所述中心管和第一 通孔，以进入所述内部空腔。
[0036] 优选的，所述驱动轴的输入端与所述电机的输出端通过平键相连，所述驱动轴的 输出端与所述驱动齿轮的中心通孔铣成双平行扁位，所述转动齿轮通过转动齿轮固定销固 定在转动盘上。
[0037] 在本发明的技术方案中，具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机包括:端盖、固定 盘、燃料分配控制单元;所述燃料分配控制单元包括:电机、传动机构、转动盘。其中，端盖与 固定盘固定相连，并且在端盖与固定盘之间形成一内部空腔;电机设置在端盖外部，转动盘 设置在所述内部空腔中，并且电机通过传动机构与转动盘相连。在固定盘上设有K个定位 孔，在转动盘上设有与所述定位孔配合使用的m组分配孔。所述电机通过传动机构带动转动 盘转动，以使第i组分配孔与&个主燃料管一一对准、从而形成&个主燃料通道。本发明通过 电机、传动机构控制转动盘的转动，以及分配孔与定位孔的配合，能够根据负荷条件的不同 设置相应数目的主燃料通道，以在不同负荷条件下都能保持燃烧的高效性、稳定性，降低污 染物的排放量。比如，在较高负荷条件下，我们可以使较多数目的分配孔与定位孔对准，从 而构成较多的主燃料通道，以增加主燃料在一次风旋流器周向的浓度分布，提高主燃料的 预混程度，降低NOx的排放量。在较低负荷条件下，我们可以使较少数目的分配孔与定位孔 对准，从而构成较少的主燃料通道，从而增加主燃料在一次风旋流器内的喷射速度和径向 浓度分布，进而通过增加燃烧室内的局部温度，降低未燃碳氢燃料和C0浓度，以提高燃烧效 率，保证燃烧稳定性。
【附图说明】
[0038] 通过以下参照附图而提供的【具体实施方式】部分，本发明的特征和优点将变得更加 容易理解，在附图中：
[0039] 图1是本发明实施例中的燃烧室的结构示意图；
[0040] 图2是本发明实施例中的燃烧室的主视图；
[0041] 图3是本发明实施例中的燃烧室的左视图
[0042] 图4是图2中的A-A剖面图；
[0043] 图5是图2中的D-D剖面图；
[0044] 图6是图3中的B-B剖面图；
[0045] 图7是图3中的C-C剖面图；
[0046] 图8是本发明实施例中的燃料分配控制单元的结构示意图；
[0047] 图9是本发明实施例中的固定盘的结构示意图；
[0048] 图10是本发明实施例中的转动盘的结构示意图；
[0049] 1、端盖;2、转动盘;3、固定盘;4、电机;5、驱动轴;6、驱动齿轮;7、转动齿轮;8、平 键;9、电机支架;10、橡胶垫片；11、端盖套管；12、一次风旋流器;13、主燃料管；14、螺钉;15、 垫片A; 16、转动齿轮定位销；17、主燃料管定位销；18、螺栓组；19、二次风旋流器;20、值班旋 流器;21、一次风筒;22、机匣;23、火焰筒。
【具体实施方式】
[0050] 下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描 述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
[0051] 针对现有技术中燃气轮机燃料分配方式的缺陷，本发明提供了一种具有主动控制 燃料分配功能的燃气轮机燃烧室的解决方案。本发明的主要思路是:在该燃烧室中设置了 燃料分配控制单元;所述燃料分配控制单元包括：电机、传动机构、转动盘。并且，在转动盘 上设有m组分配孔，以与固定盘上的定位孔配合使用。其中，每组分配孔的数量互不相等。在 不同负荷条件下，可通过电机、传动机构带动转动盘转动，并使一组分配孔与相应的定位孔 对准，以形成一定数量的主燃料通道。比如，在较高负荷下，形成较多的主燃料通道;在较低 负荷下，形成较少的主燃料通道。本发明根据负荷条件的不同，可相应的调整主燃料通道的 数量，从而使燃烧室在不同负荷下都能保持燃烧的高效、稳定性，以及较低的污染物排放 量。进一步的，有效降低燃烧室的设计、运行与控制成本。
[0052]下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。在本发明实施例 中，我们以单筒逆流结构的燃烧室为例进行说明。在该燃烧室中，设置了四级空气分配方 式:值班空气、一次风、二次风及掺混空气，并且设置了两级燃料分配方式:主燃料和值班燃 料。其中，主燃料采用预混燃方式，值班燃料采用扩散燃烧方式。需要指出的是，虽然本发明 仅以单筒逆流式结构的燃烧室为例进行说明，但是基于本发明技术方案设计的任何结构形 式的燃烧室都在本发明的保护范围内。
[0053]图1至图7示出了本发明实施例中的燃烧室的结构示意图。图8示出了本发明实施 例中的燃料分配控制单元的结构示意图。从图中可见，该燃烧室具体包括:位于燃烧室头部 的端盖1、固定盘3、燃料分配控制单元。所述燃料分配控制单元包括:电机4、传动机构、转动 盘2。另外，在该单筒逆流式结构的燃烧室中还包括:设置在端盖1上的端盖套管11，与固定 盘3相连的一次风旋流器12、二次风旋流器19、值班旋流器20、一次风圆筒21，以及机匣22、 火焰筒23等。此外，在机匣22和火焰筒23上设有机匣孔、掺混孔。为了加强空气对火焰筒23 的冷却作用，在火焰筒外部上还布置有肋片。由于本发明主要针对燃烧室的燃料分配功能 作出改进，因此，以下我们主要针对相关的结构模块进行说明。
[0054]在具体实施时，电机4可选用步进电机。端盖1与固定盘3固定相连，并且在端盖1与 固定盘3之间形成一内部空腔。在具体实施时，可在端盖1与固定盘3的对应位置设置螺纹 孔，并通过螺钉14和垫片A15进行连接。电机4设置在端盖1的外部，转动盘2设置在端盖1的 内部空腔中，并且，电机4通过传动机构与转动盘2相连。
[0055] 考虑到燃烧室的入口空气温度可高达900K，为了防止电机受高温环境的影响，较 佳的，在端盖1上设有电机支架9。电机4通过螺栓组18固定在电机支架9上，并通过橡胶垫片 10进行密封。驱动轴5依次穿过电机支架9上的中心管、以及端盖1上的第一通孔，以进入所 述内部空腔。
[0056] 在本发明实施例中，所述传动机构具体包括:驱动轴5、驱动齿轮6、以及转动齿轮 7。其中，转动齿轮7通过转动齿轮固定销16固定在转动盘2上。在该传动机构中，驱动轴5的 输入端与电机4的输出端固定相连。比如，驱动轴5与电机4可通过平键8相连。驱动轴9的输 出端通过端盖1上的第一通孔穿入所述内部空腔中，并且驱动轴9的输出端紧固在驱动齿轮 6的中心通孔中。驱动齿轮6的外侧锯齿与转动齿轮7的外侧锯齿相啮合。在具体实施时，为 了便于驱动轴与驱动齿轮的连接，可将驱动轴5的输出端与驱动齿轮6的中心通孔都铣成双 平行扁位。需要指出的是，以上只是本发明中的传动机构的优选形式。只要不影响本发明的 实施，本领域技术人员对以上传动机构所作的任何改变，都在本发明的保护范围内。
[0057]在本发明实施例中，通过在燃烧室头部设置电机、传动机构，能够在负荷条件改变 时，带动转动盘转过一定角度。比如，若在t秒内需要转动盘转动的角度为α，则可通过设置 电机的转动角来实现。具体的，电机的转动角口可根据公式1确定，
[0059]式中，Dz为转动齿轮的分度圆直径，Dq为驱动齿轮的分度圆直径。进一步的，为了在 t秒内使电机转过，角，则电机输入脉冲信号的频率f具体为：
[0061] 式中为电机的步进角。
[0062] 在本发明实施例中，固定盘3设有K个定位孔，K为大于1的整数。所述K个定位孔沿 第一圆周均匀分布，相邻两个定位孔在第一圆周上的间距为1〇,所述间距1〇对应的圆心角θ〇 满足：
[0064]并且，每个定位孔中设有一个主燃料管13。从图中可见，所述Κ个主燃料管沿一次 风旋流器12的周向均匀分布。较佳的，我们可设置主燃料定位销17对主燃料管进行固定，以 保证主燃料的喷射方向。
[0065] 转动盘2上设有m组分配孔，所述m组分配孔位于第二圆周上。其中，每组分配孔的 数量&互不相等，且91<1(，1 = 1，一111，111为大于1的整数。比如，可令第一组分配孔的数量满 足:(^ = Κ。另外，为了使转动盘上的分配孔与固定盘上的定位孔配合使用，第二圆周与第一 圆周需要满足:圆心共轴线，并且半径相等。在所述m组分配孔中，第Μ个分配孔与第i^ fl个 分配孔在第二圆周上的间距为Lo,所述间距Lo对应的圆心角α〇满足：
[0067] 式中，坨为第i组分配孔中的第1个分配孔，为第i + Ι组分配孔中的第1个分配 孔，Di为第二圆周的直径。
[0068] 在具体实施时，可根据定位孔的分布情况确定m组分配孔的位置布局。比如，可先 确定每组分配孔中的第一个分配孔的位置，然后再相应的确定其他分配孔的位置，以保证 在转动盘转过一定角度后，能使一组分配孔与定位孔对准。较佳的，相邻两组分配孔中的第 一个分配孔满足：
。也就是说，可令第死个分配孔与第#/+1个分配孔所夹的圆心角α〇 为相邻两个定位孔所夹的圆心角θ〇的
[0069]在具体实施时，为了保证转动盘2上能容纳m组分配孔，转动盘2的外径Do应满足： [0070] D〇-Di>d；
[0071] 式中，Di为第二圆周的直径，d为分配孔的孔径。另外，当第一组分配孔包括K个分 配孔时，较佳的，〇!还应满足:_ >mKL〇。
[0072] 另外，为了保证在转动盘2转动过程中不会出现定位孔全部关闭的情况，第Μ)个分 配孔与第Λ。个分配孔的间距L〇应满足：
[0073] d<Lo<2d；
[0074] 式中，d为分配孔的孔径。
[0075] 在本发明实施例中，当燃烧室的负荷条件发生改变时，可通过电机、传动机构带动 转动盘转动，从而改变主燃料通道的个数。比如，在较高负荷条件下，我们可以使数量较大 的一组分配孔与定位孔对准，从而构成较多的主燃料通道，以增加主燃料在一次风旋流器 周向的浓度分布，提高主燃料的预混程度，降低NOx的排放量。在较低负荷条件下，我们可以 使数量较少的一组分配孔与定位孔对准，从而构成较少的主燃料通道，以增加主燃料在一 次风旋流器内的喷射速度和径向浓度分布，进而通过增加燃烧室内的局部温度，降低未燃 碳氢燃料和C0浓度，以提高燃烧效率，保证燃烧稳定性。这样一来，燃烧室在不同负荷下都 能保持燃烧的高效、稳定性，以及较低的污染物排放量。
[0076]为了进一步理解本发明的技术方案，下面我们结合图9、图10进行说明。从图8、图9 可见，固定盘上均匀设置了 12个定位孔，相邻两个定位孔所夹的圆心角为30°。转动盘上设 置了4组分配孔，且每组分配孔的数量依次为12个、8个、6个、4个。而且，分配孔<与况、分配 孔和与Μ、分配孔Μ与<，其所夹的圆心角均为7.5°。也就是说，当从一组分配孔与定位孔 对准变换到下一组分配孔与定位孔对准，转动盘只需转动7.5°。需要指出的是，分配孔<与 <、分配孔#丨与次、分配孔$与次，其所夹的圆心角也可以为其他值。只要不影响本发明的 实施，分配孔Μ与 <、分配孔<与4、分配孔<与#】，其所夹的圆心角的任何取值都在本发 明的保护范围内。
[0077]在该具体实施例中，较佳的，在第一、三、四组分配孔中，每组分配孔中的相邻两个 分配孔所夹的圆心角&满足：
[0079] 在第二组分配孔中，分配孔$与g、#丨与％、$与和、％与所夹的圆心 角r2满足：
，分配孔％和<、λγ;和飔、瓦和塒所夹的圆心 角r、
[0080] 在该具体实施例中，通过四组分配孔与定位孔的配合，可形成四种燃料分配方案。 比如，当第一组分配孔与定位孔对准时，可形成12个主燃料通道；当第二组分配孔与定位孔 对准时，可形成8个主燃料通道；当第三组分配孔与定位孔对准时，可形成6个主燃料通道； 当第四组分配孔与定位孔对准时，可形成4个主燃料通道。从而，当燃烧室的负荷条件变化 时，可通过调节主燃料通道的数量，保证燃烧的高效、稳定，以及保持较低的污染物排放量。
[0081]虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限 于文中详细描述和示出的【具体实施方式】，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本 领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
【主权项】
1. 一种具有主动控制燃料分配功能的燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括:位于燃烧室 头部的端盖、固定盘、燃料分配控制单元;所述燃料分配控制单元包括：电机、传动机构、转 动盘； 所述端盖与所述固定盘固定相连，并且在所述端盖与所述固定盘之间形成一内部空 腔;所述固定盘设有K个定位孔，所述K个定位孔位于第一圆周上，且每个定位孔中设有一个 主燃料管； 所述电机设置在所述端盖的外部，所述转动盘设置在所述端盖的内部空腔中；并且，所 述电机通过传动机构与所述转动盘相连； 所述转动盘上设有m组分配孔，所述m组分配孔位于第二圆周上；第二圆周与第一圆周 的圆屯、共轴，且第二圆周与第一圆周的半径相等;其中，每组分配孔的数量化互不相等，且化 所述电机通过所述传动机构带动转动盘转动，W使转动盘上的第i组分配孔与固定盘 上的化个主燃料管对准，进而形成化个主燃料通道； 其中，K、m、Qi均为大于1的整数。2. 如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述传动机构包括:驱动轴、驱动齿轮、固 定在转动盘上的转动齿轮； 所述驱动轴的输入端与所述电机的输出端固定相连;所述驱动轴的输出端通过所述端 盖上的第一通孔穿入所述内部空腔中，并且紧固在所述驱动齿轮的中屯、通孔中；所述驱动 齿轮的外侧银齿与所述转动齿轮的外侧银齿相晒合。3. 如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，相邻两个定位孔在第一圆周上的间距为1〇， 所述间距1〇对应的圆屯、角目0满足：4. 如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，第个分配孔与第萌个分配孔在第二圆 周上的间距为Lo，所述间距Lo对应的圆屯、角α〇满足：其中，挪为第i组分配孔中的第1个分配孔，Ati为第i+1组分配孔中的第1个分配孔，Di 为第二圆周的直径。5. 如权利要求1-4任一所述的燃烧室，其特征在于，第W个分配孔与第个分配孔在 第二圆周上的间距Lo满足： d<L〇<2d； 其中，d为分配孔的孔径。6. 如权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，所述转动盘的外径Do满足： D〇-Di>d； 式中，Di为第二圆周的直径，d为分配孔的孔径。7. 如权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，第一组分配孔的数量满足： 化=Κ。8. 如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，第二圆周的直径化满足： 地i>mKLo。9. 如权利要求2-4任一所述的燃烧室，其特征在于，若在t秒内所述转动盘转动角度α， 则所述电机转过的角度为：其中，Dz为转动齿轮的分度圆直径，Dq为驱动齿轮的分度圆直径。10. 如权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述电机输入脉冲信号的频率f满足：其中，?Vp为电机的步进角。
【文档编号】F23R3/28GK106091009SQ201610388924
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610388924.2, CN 106091009 A, CN 106091009A, CN 201610388924, CN-A-106091009, CN106091009 A, CN106091009A, CN201610388924, CN201610388924.2
【发明人】邱朋华, 邢畅, 王辉, 刘栗, 沈闻凯, 赵文华, 吕亚锦, 吴少华
【申请人】哈尔滨工业大学