一种同步控制燃料量和空气量的一体化装置及其控制方法与流程

本发明涉及的是一种供气装置，具体地说是燃气轮机的燃料和空气供气装置。

背景技术：

燃气轮机污染排放问题已经引起了人们的广泛关注，当前采用的注水燃烧、分级燃烧(轴向分级或径向分级)等方式可改善燃气轮机排放状况，但往往有结构复杂、附属系统庞大等缺点。变几何燃烧室是能够避免该缺点并有效控制排放污染物的有效途径之一，同时并不牺牲燃烧性能即可合理控制燃烧区温度，将低排放工况范围及燃烧室稳定运行范围扩宽。但是由于其控制装置不易设计，在尺寸、费用及可操作性上受到限制，所以一直以来研发进展缓慢，实际应用较少。为解决该技术问题，本发明提供了一种可同步控制燃料量和空气量的一体化装置，通过气缸组件、连接组件、燃料通流组件及燃烧空气通流组件的有效结合，合理控制燃料供给量及燃烧区空气量，有效调整燃烧区温度，解决低排放燃气轮机在启动时困难、低工况燃烧不易稳定及保持低排放的运行工况范围窄等技术难题，避免分级燃烧等方式所带来的结构复杂、附属系统庞大等缺陷。本发明结构简单，可实施性好，是实现变几何燃烧功能的一种有效装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能有效调整燃烧区温度，解决低排放燃气轮机在启动时困难、低工况燃烧不易稳定及保持低排放的运行工况范围窄等技术难题的一种同步控制燃料量和空气量的一体化装置及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种同步控制燃料量和空气量的一体化装置，其特征是：包括固定架、气缸组件、连接组件、燃料量通流组件和燃烧空气量通流组件；

固定架上设置固定架安装孔、固定架定位孔、末端安装孔、支撑板定位孔，固定架通过固定架安装孔、固定架定位孔固定在燃气轮机的机匣上，固定架通过末端安装孔与气缸组件单点固定，固定架通过支撑板定位孔固定燃料量通流组件；

气缸组件包括气缸冷却套、内部气动机构、伸缩轴，气缸冷却套侧壁设置冷却气进口，气缸冷却套顶端设置第一控制气进口、第二控制气进口，气缸冷却套底部设置冷却气出口，内部气动机构位于气缸冷却套里，气缸冷却套与内部气动机构之间形成冷却空气环腔，冷却空气环腔分别连接冷却气进口和冷却气出口，伸缩轴包括相连的上端面和长轴，上端面与内部气动机构之间为动力空气上方工作空间，上端面、长轴以及内部气动机构内壁之间为动力空气下方工作空间，第一控制气进口连通动力空气上方工作空间，第二控制气进口连通动力空气下方工作空间；

连接组件包括水滴状可转件、球形轴、连接件、盲衬套、锁紧螺钉，水滴状可转件连接伸缩轴，水滴状可转件设置球形孔，球形孔里安装球形轴，水滴状可转件还与连接件相连，连接件设置嵌入盲衬套的方形孔，盲衬套包括盲衬套外环和盲衬套内环，盲衬套外环嵌入方形孔里，盲衬套内环位于盲衬套外环里，盲衬套的盲口侧设置倒t型轨道；

燃料量控制组件包括燃料通流控制阀本体、阀杆、进口燃料管、出口燃料管，燃料通流控制阀本体固定在固定架上，燃料通流控制阀本体的两侧设置阀法兰，阀杆与盲衬套内环相连，进口燃料管、出口燃料管分别固定在燃料通流控制阀本体两侧的阀法兰；

燃烧空气量通流组件包括燃烧空气通流控制阀杆、可转叶片，可转叶片设置在燃烧空气流道里，燃烧空气通流控制阀杆连接可转叶片，燃烧空气通流控制阀杆的端部设置倒t型槽道，与盲衬套的倒t型轨道相插接。

本发明一种同步控制燃料量和空气量的一体化装置还可以包括：

1、连接组件还包括定位螺母，伸缩轴设置外螺纹，定位螺母可在伸缩轴的外螺纹上移动，通过定位螺母与水滴状可转件贴合拧紧锁定伸缩轴的额定长度。

2、连接组件还包括锁紧螺栓，通过锁紧螺栓将连接件的方形孔、盲衬套、燃料通流控制阀阀杆、燃烧空气通流控制阀杆压紧固定，方形孔包括三个直角边和一个弧边，所述弧边位于锁紧螺栓的对侧。

3、在盲衬套侧壁开有缝槽。

4、燃烧空气通流控制阀杆的倒t型槽道安装角α可调，通过设定不同的安装角α，实现对燃烧空气通流控制阀杆的转动变化梯度和燃料通流控制阀杆的开度变化梯度的控制，即实现燃烧燃料量和空气量变化的匹配。

本发明一种同步控制燃料量和空气量的一体化控制方法，其特征是：

在起动及低工况条件下，向气缸组件第一控制气进口供入控制空气，使伸缩轴处于收缩状态，伸缩轴依次带动水滴状转动件、连接件转动，在方形孔和盲衬套的带动作用下：①燃料通流控制阀杆控制燃料阀变为小开度或者全关状态，燃料量变小；②燃烧空气通流控制阀杆带动可转叶，将燃烧空气流道的通流能力变小，即参与燃烧的空气量也调小；

当燃气轮机从低工况升至高工况时，向气缸组件的第二控制气进口供入控制空气，使伸缩轴由收缩状态达到伸展状态，伸缩轴在伸展的过程中依次带动水滴状转动件、连接件转动，在方形孔和盲衬套的带动作用下：①燃料通流控制阀杆控制燃料阀调大开度，燃料量变大；②燃烧空气通流控制阀杆带动可转叶，将燃烧空气流道的通流能力变大，此过程中燃烧区内的过量空气系数由富燃过渡到贫燃状态。

本发明的优势在于：本发明采用独立的气缸同步控制燃料通流组件及燃烧空气通流组件，合理控制燃料供给量及燃烧区空气量，有效调整燃烧区温度，解决低排放燃气轮机在启动时困难、低工况燃烧不易稳定及保持低排放的运行工况范围窄等技术难题，避免分级燃烧所带来的结构复杂，附属系统庞大的缺点，结构简单，可实施性好，是实现变几何燃烧功能的一种有效装置。

附图说明

图1a是本发明的结构示意图，图1b是固定架结构示意图，图1c是j向视图，图1d是气缸组件结构示意图，图1e是k-k视图，图1f是m向视图，图1g是l-l视图，图1h是连接组件结构示意图，图1i是x-x视图，图1j是b处局部放大图，图1k是燃料通流组件结构示意图，图1m是a-a视图；

图2为本发明的左视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为图2中b-b截面示意图；

图5为图4中局部放大图l；

图6m-m截面的“倒t型”槽轨示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1a-6，本发明主要包括固定架1、气缸组件2、连接组件3、燃料量通流组件4及燃烧空气量通流组件5这五个部分。

如图1b、图1c和图4所示，固定架1通过安装孔1-a和定位螺栓孔1-b套装并固定在燃气轮机的机匣上，通过末端安装孔1-c和销钉2-0连接至气缸组件2，单点固定，气缸组件2可自由转动，同时采用支撑板定位孔1-d通过4-3长螺栓(4个，图2)及锁紧螺母固定燃料量通流组件4，固定架可有效同时支撑气缸组件2和燃料量通流组件4，牢固可靠。

如图1d、e、f、g和图4所示，气缸组件2主要由气缸定位销2-0，气缸冷却套2-1，冷却空气环腔2-d，冷却气进口2-a，冷却气出口2-e，控制气进口2-b及2-c、内部气动机构2-2、伸缩轴2-3及防尘罩2-4组成。其中，气缸冷却套2-1主要用于形成围绕气缸内部气动机构2-2的冷却空气环腔2-d，冷却气由进口2-a沿周向进入，形成环流，进行强制对流换热，对气缸内部气动机构2-2进行降温，最后由12个冷却气出口2-e排出换热后的气体，防止高温损坏，延长使用寿命。动力空气分别由控制气进口2-b和2-c进入内部气动机构2-2，实现伸缩轴2-3的伸展和收缩控制，同时内部气缸机构2-2具有类似杠杆的作用，小气量即可产生较大推力或拉力，可通过气压和气量有效控制伸缩距离。伸缩轴2-3与气缸内部气动机构2-2同轴，可自由伸展或收缩的同时可以沿中心轴360°自由旋转，伸缩轴末端带有外螺纹，与水滴状可转件3-1通螺纹进行连接。伸缩轴带有防尘罩2-4，通过卡箍结构与轴固定，保护伸缩轴受到污损。

如图1h、i、j和图4所示，连接组件3主要由水滴状可转件3-1、定位螺母3-2、球形轴3-3、连接件3-4、盲衬套3-5及锁紧螺钉3-6构成。其中水滴状可转件3-1的细端中心孔带内螺纹，与伸缩轴2-3通过螺纹连接的方式相连接，同时定位螺母3-2可在伸缩轴2-3的外螺纹上自由移动，当根据使用需求调整好伸缩距离时，将定位螺母3-2与水滴状可转件3-1细端面贴合拧紧，即可锁定伸缩轴的额定长度。水滴状可转件的另一端带球形孔3-1b，用于与连接件3-4相连，并通过球形轴3-3固定，球形轴在球形孔内可自由转动，且在与球形轴的中轴线垂直的两平行截面内有一定的活动空间，可有效保证水滴状可转件3-1与连接件3-4运动的灵活性。连接件3-4的另一端带有方形孔3-4a，用于嵌入盲衬套3-5(图5、图6)。盲衬套的结构如图5所示，盲衬套外环3-5a与连接件末端方形孔3-4a嵌入连接，配合形状一致，套接方便；盲衬套内环3-5b与燃料通流控制阀杆4-0(图3和图1k、m)相连，配合形状一致；同时在盲衬套侧壁开有缝槽3-5c，可有保证盲衬套富有弹性，减小加工误差带来的安装卡滞，便于安装；在盲衬套3-5的盲口侧(图5)，带有“倒t型”轨道，与燃烧空气通流控制阀杆5-1末端的“倒t型”槽道配合插接，根据实际需求通过设定不同的槽轨转角α(图5)，即可实现对燃烧空气通流控制阀杆5-1的转动变化梯度和燃料通流控制阀杆4-0的开度变化梯度的控制，针对不同的参数，选用不同的角度α，即可实现燃烧燃料量和空气量变化的有效匹配，合理控制燃烧区过量空气系数，进而控制燃烧温度。“倒t型”轨道和槽道的安装角α相一致，最后通过锁紧螺栓3-6将连接件末端方形孔3-4a、盲衬套3-5、燃料通流控制阀阀杆4-0、燃烧空气通流控制阀杆5-1全部压紧固定，其中对于连接件3-4、盲衬套3-5，方形孔3-4a的拧紧螺栓3-6的对侧方孔边设计有圆弧过渡，即方形孔实际为3个直边和1个弧边构成(图5)，锁紧螺栓3-6进行紧固时，可保证既便于拆装又能控制转动方向，同时减小直边刚性影响，有效利用弧边弹性，而且具有防装错功能，防止返工。能最终将连接件3-4、盲衬套3-5、燃烧空气通流阀杆5-1及燃料通流控制阀阀杆4-0同时锁紧，实现气缸组件、连接组件、燃料量控制组件及燃烧空气量通流组件完整连接。

燃料量控制组件4主要由燃料通流控制阀本体4-1，阀杆4-0(图3)，阀法兰4-2，紧固螺钉螺母4-3，进口燃料管4-4，出口燃料管4-5组成。通流控制阀本体4-1由2个阀法兰4-2夹紧，并通过4个紧固螺栓螺母4-3固定于固定架1上，进口燃料管4-4和出口燃料管4-5通过焊接的方式连接在两个阀法兰上，此种安装方式有利于燃料通流控制阀的拆解检修及复装。此外进口燃料管4-4和出口燃料管4-5的走向可根据燃料源的位置和燃料喷嘴的安装位置及总体布置情况进行方向调整。

如图3所示燃烧空气通流组件5主要由燃烧空气通流控制阀杆5-1、可转叶片5-2及燃烧空气流道5-3组成。通过调节燃烧空气通流控制阀杆即可调节燃烧空气流道的通流面积，进而控制燃烧空气量。由于进入燃烧室内部空间的空气，具有高温高压的特点，本方案通过机械式控制实现空气通道的通流面积改变，进而控制空气流量。通过通流控制阀杆5-1末端“倒t型”槽道与盲衬套3-5的“倒t型”轨道相插接，实现气缸对通流控制阀杆5-1的控制，实现燃料量和燃烧空气量的同步控制。

本发明可作为一个独立单元，在燃气轮机上应用时，可采用数量10-40个单元同时安装，同时使用或间隔使用，运行时单独或联动控制，保证低工况燃烧稳定，高工况宽范围内保持低排放，且燃烧室出口温度场均匀，能够延长燃气轮机大修期。

在起动及低工况条件下，向气缸组件2(图1a)的2-b口(图3)供入适量的控制空气，使伸缩轴2-3(图4)处于收缩状态，伸缩轴2-3(图4)依次带动水滴状转动件3-1(图4)、连接件3-4(图4)转动，在方形孔3-4a(图4)和盲衬套3-5(图4)的带动作用下：①燃料通流控制阀杆4-0(图3)控制燃料阀逐渐变为小开度或者全关状态，燃料量变小；②燃烧空气通流控制阀杆5-1(图3)，带动可转叶5-2(图3)，将燃烧空气流道5-3(图3)的通流能力变小，即参与燃烧的空气量也调小。此时可根据实际的工况条件将燃烧区的过量空气系数控制为富燃状态，达到更易点火的目的，同时保证低工况燃烧过程稳定。

当燃气轮机从低工况升至高工况时，向气缸组件2(图1a)的2-c口(图3)供入适量的控制空气，使伸缩轴2-3(图4)逐渐由收缩状态达到伸展状态，伸缩轴2-3(图4)在伸展的过程中依次带动水滴状转动件3-1(图4)、连接件3-4(图4)转动，在方形孔3-4a(图4)和盲衬套3-5(图4)的带动作用下：①燃料通流控制阀杆4-0(图3)控制燃料阀逐渐调大开度，燃料量变大，满足工况需求；②燃烧空气通流控制阀杆5-1(图3)，带动可转叶5-2(图3)，将燃烧空气流道5-3(图3)的通流能力变大，即参与燃烧的空气量也变大。此过程中燃烧区内的过量空气系数由富燃过渡到贫燃状态，同时实现核心区燃烧温度在合理的范围之内，达到稳定燃烧的同时减小排放污染物的目的，可实现在更宽的工况范围保持低排放状态。

在以上低工况或高工况调整空气流量及燃料流量的过程中，可通过确定的“倒t型”槽轨安装角α来控制燃料量和空气量的变化梯度。本发明既解决了在燃气轮机在低工况条件下空气流量较大，燃烧不稳定，运行效率低的问题，还扩宽了在高工况实现低排放的运行范围。尤其对于用于发电的单轴燃气轮机而言，具有重要的实用价值。