本发明涉及燃气轮机燃烧室火焰筒领域，特别地，涉及一种主动控制流通面积的火焰筒，适用于燃气轮机低污染排放燃烧室。
背景技术：
国内外燃气轮机及工业燃烧器低污染燃烧，采用现有预混合贫燃料燃烧方案的主要缺点如下：
1)现有技术不能同时适应不同热值燃料(如生物质气和天然气)的可靠点火和低污染燃烧。为保证点火起动以及低污染燃烧，现有技术方案通常采用火焰筒头部分级(预燃级、主燃级等)燃烧方案，但是火焰筒头部开孔规律、流量分配保持不变，当采用热值不同燃料时，由于不同燃料需要的空气量不同，火焰筒的空气流量分配与新燃料不再匹配，难以同时满足可靠起动、低污染排放条件；
2)现有技术预混稳定燃烧调节范围小。现有技术的火焰筒头部开孔规律、流量分配保持不变，只能靠调节值班喷嘴(点火起动专用喷嘴)的燃料流量来保证火焰筒预混稳定燃烧，当超过值班喷嘴流量调节范围时，不能够通过调节火焰筒头部空气流量来扩大预混稳定燃烧范围。
技术实现要素：
本发明提供了一种主动控制流通面积的火焰筒，以解决现有火焰筒头部开孔规律、流量分配保持不变，导致无法适应可靠点火起动和低污染燃烧的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种主动控制流通面积的火焰筒，包括火焰筒后段、与火焰筒后段相连并用于供燃气与空气进入火焰筒后段的火焰筒头部，其中，火焰筒头部设置有多个燃气通道和多个空气通道，空气通道内设置有旋流器，燃气自燃气通道进入并与空气通道内的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒后段；火焰筒头部的外侧壁还贯穿设置有用于供空气进入的进气通道，进气通道与空气通道连通；外侧壁的外围转动套设有变截面环，变截面环上开设有通孔，通孔在变截面环转动时与进气通道的相对位置在连通状态和错开状态之间变换以改变进气通道流通面积的大小。
进一步地，火焰筒还包括与变截面环相连的调节装置，调节装置包括调节杆和设置于燃烧室机匣外的作动机构，调节杆的一端与变截面环的外壁连接，另一端与作动机构连接；作动机构用于驱动调节杆位移进而带动变截面环沿圆周方向转动。
进一步地，变截面环上向外凸伸有固定部，固定部与调节杆的一端螺纹连接。
可选地，作动机构包括调节螺母，调节螺母的末端安装有调节齿轮，调节齿轮的一侧设置有调节阀，调节阀上设置有与调节齿轮啮合的直线式齿条，调节阀上还设置有用于装配连接调节杆的另一端的卡槽；调节螺母转动时将扭转力矩转换为推动力推动调节阀移动，从而推动卡槽中的调节杆位移，进而带动变截面环转动。
可选地，调节阀上沿一直线间隔设置有三个卡槽。
进一步地，火焰筒还包括固定于燃烧室机匣外的面积测量装置，面积测量装置装配于调节齿轮的另一侧，用于感应并测量调节杆位移量并进而转化为进气通道流通面积。
进一步地，调节螺母与外部控制器连接，外部控制器用于根据燃气需要的空气量控制调节螺母旋转从而调节进气通道流通面积。
优选地，火焰筒头部的外侧壁上设置有沿周向延伸的导轨，变截面环的内侧壁连接于导轨，变截面环于轴向受导轨限位。
优选地，火焰筒头部的外侧壁上凸伸有止动块，止动块位于变截面环的转动路径上；变截面环的内侧壁上设有沿周向延伸的凹槽，凹槽沿周向的长度大于止动块沿周向的长度，凹槽的沿周向的两端壁在变截面环转动时择一地挡止于止动块。
可选地，变截面环包括通过紧固件连接的两个半圈。
本发明通过在火焰筒头部的外围转动套设变截面环，并在变截面环上开设有通孔，通孔在变截面环转动时与火焰筒头部的进气通道的相对位置在连通状态和错开状态之间变换，以此结构可实现改变进气通道流通面积的大小，本发明的火焰筒可以实现主动控制火焰筒的空气流量分配以匹配不同燃料，以同时适应不同热值燃料的可靠点火和低污染燃烧，解决现有技术不能同时适应不同热值燃料可靠点火和低污染燃烧问题；本发明的火焰筒，在燃料流量不可调时，可便于通过主动调节火焰筒空气流量来大幅扩大预混稳定燃烧范围，解决现有技术预混稳定燃烧调节范围小(只能通过调节值班喷嘴的燃料流量来控制火焰筒预混稳定燃烧范围)的问题；本发明的火焰筒，便于在火焰筒内形成有利于低污染燃烧的条件，实现低污染物排放，避免了不同特性燃料对火焰筒寿命和燃烧室性能的不利影响；使用本发明的火焰筒，可以免除因为需适用不同燃料和工况而反复更换火焰筒的问题，适用范围更广。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明主动控制流通面积的火焰筒的一个实施例沿轴向的剖面结构示意图；
图2是本发明调节装置的内部结构示意图；
图3是本发明作动机构中调节螺母与调节齿轮的连接结构示意图；
图4是本发明火焰筒头部沿径向的剖视示意图；
图5是本发明调节装置与变截面环连接的结构原理图；
图6是本发明另一实施例的火焰筒头部与变截面环配合的示意图。
附图标号说明：
1、火焰筒后段；2、火焰筒头部；20、燃气通道；21、空气通道；22、外侧壁；220、导轨；221、止动块；23、进气通道；3、旋流器；4、变截面环；40、通孔；41、固定部；42、凹槽；43、端壁；5、调节装置；50、调节杆；51、调节螺母；52、调节齿轮；53、调节阀；531、齿条；532、卡槽；6、面积测量装置；7、燃烧室机匣；8、紧固件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种主动控制流通面积的火焰筒，适用于燃气轮机低污染排放燃烧室，具体通过一种可主动控制流通面积的结构使该火焰筒在不同工况下或燃烧不同燃料时均有高的燃烧效率和低的污染物排放，该技术可用于燃气轮机低污染排放燃烧室，也可用于航空发动机、低污染冶金工业炉、石油化工工业炉、锅炉、环境保护污染物处理炉、生物质可再生能源应用等热工设备的低污染节能燃烧设备领域。
本发明的火焰筒包括火焰筒后段1、与火焰筒后段1相连并用于供燃气与空气进入火焰筒后段1的火焰筒头部2。
火焰筒头部2设置有多个燃气通道20和多个空气通道21。空气通道21内设置有旋流器3。燃气自燃气通道20进入并与空气通道21内的空气进行预混后以贫燃料状态旋流喷射进入火焰筒后段1。火焰筒头部2的外侧壁22还贯穿设置有用于供空气进入的进气通道23，进气通道23与空气通道21连通。外侧壁22的外围转动套设有变截面环4，变截面环4上开设有通孔40，通孔40在变截面环4转动时与进气通道23的相对位置在连通状态和错开状态之间变换以改变进气通道23流通面积的大小。本发明通过上述结构，在满足对燃烧室内高温高压气体的密封性需求的基础上，实现火焰筒头部2进气通道23流通面积可调。本发明的火焰筒可以实现主动控制火焰筒的空气流量分配以匹配不同燃料，以同时适应不同热值燃料(如生物质气和天然气)的可靠点火和低污染燃烧，解决现有技术不能同时适应不同热值燃料可靠点火和低污染燃烧问题；本发明的火焰筒，在燃料流量不可调时，可便于通过主动调节火焰筒空气流量来大幅扩大预混稳定燃烧范围，解决现有技术预混稳定燃烧调节范围小(只能通过调节值班喷嘴的燃料流量来控制火焰筒预混稳定燃烧范围)的问题；本发明的火焰筒，便于在火焰筒内形成有利于低污染燃烧的条件，实现低污染物排放，避免了不同特性燃料对火焰筒寿命和燃烧室性能的不利影响；使用本发明的火焰筒，可以免除因为需适用不同燃料和工况而反复更换火焰筒的问题，适用范围更广。
参照图1、图4和图5，本发明中，火焰筒头部2的外侧壁22沿圆周开设有多个进气通道23。多个进气通道23均匀布设。进气通道23可以是圆孔也可以是方孔。变截面环4上沿圆周开设有与进气孔通道对应的多个通孔40。多个通孔40均匀布设。通孔40可以是圆孔也可以是方孔，其尺寸和数量与火焰筒头部2的外侧壁22上的进气通道23一致。其中，变截面环4相对火焰筒头部2旋转时，通孔40与进气通道23的重叠度改变从而改变进气通道23的流通截面积，由此达到调节进气流量的目的。
结合图2，进一步地，火焰筒还包括与变截面环4相连的调节装置5，调节装置5包括调节杆50和设置于燃烧室机匣7外的作动机构，调节杆50的一端与变截面环4的外壁连接，另一端与作动机构连接。作动机构用于驱动调节杆50位移进而带动变截面环4沿圆周方向转动。本发明的调节装置5可以采用电调、液压或气动方式驱动调节杆50位移，实现进气通道23面积的调节控制。本发明设计结构简单。调节杆50位于变截面环4与燃烧室机匣7之间的空气流道内，并与变截面环4直接连接。而作动机构则安装于燃烧室机匣7上，且位于燃烧室机匣7的外侧。如此设计，由于整个调节装置5中仅调节杆50位于变截面环4与燃烧室机匣7之间的空气流道内，因而可以尽量减小调节装置5占用空气流道的横截面积，从而尽量减小对空气流道的影响。
本实施例中，变截面环4包括通过紧固件8连接的两个半圈。将变截面环4设计为两个半圈拼装在一起的结构，便于变截面环4的安装和拆卸。两个半圈围绕在火焰筒头部2外围，二者间通过螺栓螺母固定，可实现变截面环4的牢固连接和可拆卸。当然，也可以采用卡扣结构将两个半圈固定在一起，还可以采用焊接等其他方式连接，本发明并不局限于此。
进一步地，如图5中，变截面环4上向外凸伸有固定部41，固定部41与调节杆50的一端螺纹连接。本实施例中，变截面环4上向外凸伸固定部41，固定部41的中央凹陷并设有内螺纹。调节杆50的一端设有外螺纹，调节杆50上的外螺纹与固定部41的内螺纹配合连接。当然，也可以反过来，在固定部41外围设置外螺纹，在调节杆50一端设置内螺纹，二者相互配合连接。本发明的调节杆50与变截面环4连接结构简单，且实现可靠连接的同时方便拆卸。
如图4中，本优选实施例中，变截面环4上设置有两个固定部41，同时，燃烧室机匣7上对应位置设置有可开合的盖板及安装位置以安装调节装置5。当其中一个固定部41与调节装置5连接用于调节进气流量时，另一个固定部41作为应急预留用。可在其中一处调节装置5故障时，将预留的固定部41对应的盖板打开并安装新的调节装置5即可继续使用，免除拆卸火焰筒的麻烦，同时可节约维修更换时间。在其它实施例中，固定部41的位置和数量可按照本发明的设计思想进行调整和变化。
参照图2、图3和图5，本实施例中，作动机构包括调节螺母51，调节螺母51的末端安装有调节齿轮52，调节齿轮52的一侧设置有调节阀53，调节阀53上设置有与调节齿轮52啮合的直线式齿条531，调节阀53上还设置有用于装配连接调节杆50的另一端的卡槽532。调节螺母51转动时将扭转力矩转换为推动力推动调节阀53移动，从而推动卡槽532中的调节杆50位移，进而带动变截面环4转动。本发明中，调节螺母51为旋转零件，其与外部控制器(未图示)连接，末端安装调节齿轮52，调节齿轮52位于调节阀53的上方。本实施例的作动机构结构简单，便于在火焰筒头部2安装实施和方便操作。
可选地，调节阀53上沿一直线间隔设置有三个卡槽532。根据实际安装情况，调节杆50可以安装在不同的卡槽532中，适用范围更广，调节方式灵活多样。
进一步地，火焰筒还包括固定于燃烧室机匣7外的面积测量装置6，面积测量装置6装配于调节齿轮52的另一侧。如图4中，面积测量装置6固定于燃烧室机匣7上，用于感应并测量调节杆50位移量并进而转化为进气通道23流通面积。面积测量装置6装配于调节齿轮52上方，且固定于燃烧室机匣7上的外侧。本发明的面积测量装置6可采用数字式面积测量装置6，该面积测量装置6中设置有用于感应测量调节杆50的位移量的位移传感器，并将调节杆50的位移量作为进气通道23截面面积的实际变量，转换为进气通道23截面面积数值直接显示于面积测量装置6的显示面板上，便于在调整火焰筒头部2进气通道23流通面积时能及时测量并显示调节通道的流通面积。
进一步地，调节螺母51与外部控制器(未图示)连接，外部控制器用于根据燃气需要的空气量控制调节螺母51旋转从而调节进气通道23流通面积。采用外部控制器实现对调节螺母51的控制，调节准确、快捷，节省人力，便于实现自动化。
如图1中，优选地，火焰筒头部2的外侧壁22上设置有沿周向延伸的导轨220，变截面环4的内侧壁连接于导轨220，变截面环4于轴向受导轨220限位。本实施例中，导轨220为自火焰筒头部2外侧壁22向外凸伸的脊，变截面环4的内侧壁对应设置槽与之配合连接。在其它实施例中，槽与脊的设置位置也可以互换。本发明设计的导轨220不但可以实现对变截面环4的转动起引导作用，还能在轴向上限制变截面环4的移动，防止变截面环4因火焰筒内部高压高速气流产生冲击而发生晃动、位移甚至脱离，使之更牢固可靠地装配于火焰筒头部2外围，以确保其实现调节进气通道23流通面积的功能，使得调节功能更精确可靠。
如图6中，本实施例中，为实现对进气通道23流通面积进行精确且可控的调节，在火焰筒头部2和变截面环4之间设计有止动区。具体地，火焰筒头部2的外侧壁22上凸伸有止动块221，止动块221位于变截面环4的转动路径上。变截面环4的内侧壁上设有沿周向延伸的凹槽42，凹槽42沿周向的长度大于止动块221沿周向的长度，凹槽42的沿周向的两个端壁43在变截面环4转动时择一地挡止于止动块221。如此可实现变截面环4在限定范围内转动，防止其转动过度导致调节面积不可控。
本发明的主动控制流通面积的火焰筒其作用原理如下：
初始安装时，轻微调整调节螺母51，使进气通道23截面关闭，将数字式面积测量装置6置零。当采用不同热值燃料时，外部控制器根据燃料需要的空气量调节流通面积，控制调节螺母51旋转，调节螺母51通过卡栓结构扭转力矩带动调节齿轮52旋转，调节齿轮52与调节阀53通过齿轮啮合，从而扭转力矩转换为推力移动调节阀53，并推动调节阀53卡槽532中的调节杆50，同时面积测量装置6可感应并测量调节杆50的位移量，即进气通道23截面面积的实际变量；变截面环4则通过调节杆50推动，改变其上的通孔40与火焰筒头部2的进气通道23的相对位置，从而改变进气通道23流通面积的大小，实现火焰筒流量分配的调节，满足不同热值燃料的可靠点火和低污染燃烧。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在火焰筒头部2的外围转动套设变截面环4，并在变截面环4上开设有通孔40，通孔40在变截面环4转动时与火焰筒头部2的进气通道23的相对位置在连通状态和错开状态之间变换，以此结构可实现改变进气通道23流通面积的大小，本发明的火焰筒可以实现主动控制火焰筒的空气流量分配以匹配不同燃料，以同时适应不同热值燃料的可靠点火和低污染燃烧，解决现有技术不能同时适应不同热值燃料可靠点火和低污染燃烧问题；
2、本发明的火焰筒，在燃料流量不可调时，可便于通过主动调节火焰筒空气流量来大幅扩大预混稳定燃烧范围，解决现有技术预混稳定燃烧调节范围小只能通过调节值班喷嘴的燃料流量来控制火焰筒预混稳定燃烧范围的问题。
3、本发明的火焰筒，便于在火焰筒内形成有利于低污染燃烧的条件，实现低污染物排放，避免了不同特性燃料对火焰筒寿命和燃烧室性能的不利影响。
4、使用本发明的火焰筒，可以免除因为需适用不同燃料和工况而反复更换火焰筒的问题，适用范围更广。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。