專利名稱：協調比例的燃燒室燃料供應的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃燒室，特別是那些采用氣態燃料的燃燒室，在這些燃燒室中氣態燃料是在主區及付區與空氣預混的，而燃燒只在付區內進行。
法律及環境方面的要求對發電裝置的氧化氮(NOx)排放量采取了嚴格的限制。通常，在燃氣輪機中，要求燃燒室有低的燃燒溫度以降低氧化氮(NOX)排放量。先有技術采用相當極端的措施來降低氧化氮的排放。例如，常規辦法是給燃氣輪機燃燒室內加入水或水蒸氣以降低其中的反應溫度。雖然這種方法至少在降低燃燒溫度方面是部分有效的，但水或水蒸氣的使用增添了計量燃燒室合適供給量的復雜性且降低了燃燒效率。
另一種降低燃燒溫度的可能方法是選擇性催化還原的辦法，這種方法是使用一種催化劑以促使燃燒能在比常規可能情況更低的溫度下進行。但是總的來說，催化劑是很貴的，并且依靠它們來得到有效的完全反應的技術是很復雜的。
還有一種可能性是這樣的方法，亦是這種方法導致了本發明的，它是采用在燃燒之前把氣態燃料和空氣精確地預混起來，這種方法使得燃燒在較低的溫度下進行從而使氧化氮及一氧化碳的排放量不斷減少。
為獲得低排放，要求氣態燃料與空氣的比例有極高的精確性。問題歸結在那樣的燃燒室中，那里的主混合區內供有空氣及部分氣態燃料，而在付混合區內供有空氣及其余的氣態燃料，燃燒只在付混合區內進行。在主混合區及付混合區都需要對燃料氣進行準確的計量。另外，在主區及付區的燃料氣的精確的比例分配對于低排放是很關鍵的。上述分配比例如有少許的百分誤差，就足以使排放量達到不允許的水平。采用常規技術是難以達到這樣的精度的。
本發明的一個目的就是要提供一種氣態燃料計量系統，能夠克服先有技術中的那些缺點。
本發明的進一步的目的是要提供一種氣態燃料計量系統，該系統中給主區及付區供應氣體燃料的兩個閥門具有不同的閥門調節特性，從而這兩個閥門的組合連同其上游的恒定流量閥門調節系統以及其下游的主噴咀及付噴咀特性一起，能夠提供要求的精度。
本發明進一步的目的是要提供一種雙聯的氣體燃料的閥門調節系統，該系統包括了獨立的兩個閥門以調節到主燃料氣噴咀及付燃料氣噴咀的燃料氣，而這兩閥是聯系在一起靠一個執行機構來操作的。
本發明進而另一個目的是要提供一種雙聯的氣體的閥門調節系統，這個系統能在運行范圍內對供給主混合區及付混合區的氣體燃料實現基本上為線性的比例分配。
本發明進而另一目的是要將一個線性調節的氣體燃料閥與另一個等百分比調節的氣體燃料閥組合在一起，通過上述第一個閥將氣體燃料從共有的燃料供應源輸往一個或多個第一氣體燃料噴咀，而第二個閥是把燃料輸往第二氣體燃料噴咀，且上述第一個及第二個閥是在機械上或以電的方式聯系在一起協調工作。
簡言之，本發明提供了一套協調工作的閥門分流系統，該系統由一個線性調節的主閥及另一個與主閥相并聯的等百分比調節的閥所組成，對供給燃氣輪機燃燒室內的主噴咀及付噴咀的氣體燃料之間進行分流。在一個實施例中，上述兩閥的協調動作是由閥軸間的剛性連接所實現的。另外，本發明亦公布了采用成型凸輪或電子的方法來實現該兩閥的協調工作。
按本發明的一個實施例，為燃氣輪機燃燒室提供了一個氣體燃料分流裝置，該燃燒室具有至少一個主噴咀及至少一個付噴咀，該分流裝置包括有截止、速比及控制閥，由它們供給受到調節的氣體燃料流;一個協調的閥門分流系統，該系統包括有一個主分流閥以給至少一個主噴咀供給上述受到調節的氣體燃料流的一部分燃料，該系統又包括有一個與主分流閥并聯的付分流閥，由該付分流閥給至少為一個的付噴咀供給上述受調節的氣體燃料的剩余部分燃料，主分流閥及付分流閥包含不同的第一及第二閥門調節特性;以及使該主分流閥及付分流閥的協調工作的方法。
參閱以下的說明并結合附圖，本發明的上述及其它目的、特點及優點就很清楚了。附圖中所標明構件的數碼與文中所標是一致的。
圖1是燃氣輪機燃燒室的一個草圖，它采用常規的三通分流閥以給主噴咀及付噴咀按比例分配氣體燃料。
圖2是燃氣輪機燃燒室的一個草圖，它采用并聯的閥門及控制系統以對燃燒室的主、付噴咀按控制的氣體燃料比例供給燃料。
圖3是按本發明的一個實施例的燃氣輪機燃燒室的草圖，它采用了一對并聯的閥門以給燃燒室的主、付噴咀供給燃料氣。
圖4是一條曲線，它表示了兩個比例調節性閥門的閥門位置與氣體流量的關系。
圖5的曲線表示閥門位置與氣體流量的關系，其中主分流閥具有線性的調節特性而付流閥具有等百分比調節特性。
圖6是按本發明的一個實施例的閥門間及其和執行機構的機械關系。
現參照圖1，10是總的表示先有技術的常規燃氣輪機(沒有另外表示)的一個燃燒室。氣體供應管12將燃料氣體饋至一套常規的截止、速比及控制閥組14。三通分流閥16將燃料按比例分配給一組主燃料噴咀18及一個付燃料噴咀20，18及20分別將燃料氣饋至主混合區22及付混合區24。除了已表示的各個構件之外，燃燒室10亦包括了用于向主混合區22及付混合區24供給受控的燃燒用空氣流以及使燃料及空氣在燃燒之前充分混合(特別是在主混合區22內)的常規裝置(圖中未畫出)。
氣體燃料預混系統對上述主、付噴咀流量分配比的變化是很敏感的，而且只有在很窄的允許的工作區內才能提供最佳性能。
圖1的系統的優點是它只用了一套現有的截止、速比及控制閥組14，而這樣的閥組的性能是經過充分試驗、徹底了解的。但是，如同所有的氣體燃料噴咀一樣，主燃料噴咀18及付燃料噴咀20實質上是非線性的，所以噴咀的流量特性就成為該系統的壓力/流量特性的主導因素了，這樣一來，三通分流閥16就必須對主、付噴咀所引起的奇特的壓力/流量特性作出響應及校正。結果，采用這種方法來控制主燃料噴咀18及付燃料噴咀20之間的流量分配并不能達到污染物排放的大量減少。
參見圖2，表示控制主燃料噴咀18及付燃料噴咀20的燃料氣流量的又一種先有技術，氣體燃料供應管12把燃料氣輸送到一套主閥組即截止、速比及控制閥組26去，從而控制了到主燃料噴咀18去的燃料氣流量，12亦把燃料氣送到另一套付的截止、速比及控制閥組28去，以控制到付燃料噴咀20去的燃料流量。圖2的系統為各個控制組提供了基本上是線性的特征。但是對主付噴咀組之間的流量分配的控制總是依賴于對主及付噴咀的氣體燃料量的監測。這樣，燃料分流的準確度就取決于該兩個控制閥組的控制系統的精度及響應速度。眾所周知，控制系統不能即刻響應，且它們的響應會隨時而變化。這種速度及響應隨時變化的缺點足以阻礙燃氣輪機在所需的低排放量水平下運行。除了上述的精度問題之外，這種并行系統的方法還招惹起控制系統的復雜性及費用高的問題。此外，測量用的計量管要求管路長而直，這限制了系統的結構布置且通常費用也大。
參照圖3，截止、速比及控制閥組14給一套協調的閥門分流組件30提供了受控制的氣體燃料流，分流組件30自動地為主燃料噴咀18及付燃料噴咀20之間提供所要求的氣體燃料分流，主分流閥32從Y形管道34的一個出口端接受氣體燃料而將氣體燃料饋至主燃料噴咀18。主流量計36用來計量饋至主燃料噴咀18的氣體燃料量。付分流閥38從Y形管道34的第二出口端接受氣體燃料而將氣體燃料饋至付燃料噴咀20。通過付分流閥38的氣體燃料流量并不必測量，當然，測量其流量也許有用，特別是當發明的研制階段。付分流閥38的控制軸40是和控制軸42剛性地協調工作的，例如采用剛性的機械連接44。
主分流閥32及付分流閥38的調節特性即閥的位置與流量間的關系對于協調的閥門分流組件30的運行性能好壞是很關鍵的。計算表明，如果主分流閥32及付分流閥38都選擇線性特性，就會得到如圖4所示的主氣體燃料流量及付氣體燃料流量。對于主燃料噴咀18，在其流量超過百分之七十即最為重要的高流量范圍時，兩個流量曲線的斜率很陡，亦即閥門移動很少就會引起供給兩套噴咀的流量有急劇的變化，而這就造成可控性能很差。實際上，這種方案的可控性能是如此之差以致沒法達到所需的燃料分配精度要求。這里所述的閥門調節特性是指閥軸位置與通過閥的氣體流量的關系。
我們發現，協調的閥門分流組件30如采用混合的閥門特性，則能使協調的閥門分流組件30給出近于最佳的控制燃料分配的特性。參照圖5，它給出了這樣的協調的閥門分流組件30的主燃料流量與付燃料流量間的分配關系，這個組件30的主分流閥32是線性特性的而付分流閥38是等百分比特性的。如這里所采用的等百分比的閥是這樣的，對應于閥門行程的相等增量，流量發生等百分比的變化，從而使任何情況下差壓都是相等的。那也就是，在低流量情況下，所給的閥門位置改變量只引起流量的少量改變，而反之在大流量情況下，同樣的閥門位置改變量將會引起流量的較大的變化。
在圖5中可以看到，在流量大于百分之七十的重要流量范圍中的流量變化與在協調的閥門分流組件30中兩個分流閥都采用線性特性時的流量變化相比是平滑、淺平且基本上為線性的。
協調的閥門的分流組件30按其概念所帶來的主要優點之一是其簡單性。參照圖6，所得的硬件的簡單性是清楚明了的。在這實施例中，剛性機械連接器44是這樣的相向連接器，它將控制軸40及42與一個雙端液壓缸體連接起來。該雙端液壓缸體可由常規的加壓流體源來驅動以使與之相連接的控制軸40及42產生位移。控制軸40及42的位置由普通的位置反饋裝置46，例如線性變量微分變壓器來檢測。位置反饋裝置46的輸出被饋至普通的控制系統以將控制軸40及42的實際位置與要求位置作比較。將比較所得的誤差放大用于使加壓流體作用于剛性機械連接器44內的雙端液壓缸體，以減少該誤差(在某種意義上)。
對于熟悉本專業的技術人員來講以下是明顯的，為了得到靠上述實施例的裝置所達到的一樣的結果，也可以采用其它的構件。例如，用于付分流閥38的等百分比特性可以是模擬的而不是靠其閥本身型面建立的，完成這種模擬的方法之一是采用成型凸輪，該凸輪操縱主分流閥32及付分流閥38的工作，靠凸輪的形狀以及各閥本身的調節特性一起來產生一套符合要求的系統閥門調節特性，主分流閥32及付分流閥38都可以是具有線性的調節特性，而凸輪的形狀可以維持主分流閥32的線性特性而使付分流閥38模擬成一個等百分比的調節特性。
進一步的可能性還包括給控制軸40及42分別單獨采用液壓執行機構(未表示)且采用電子控制系統，該系統能有效地給出該液壓執行機構的控制特性以得到與上述的兩個閥門調整特性等效的特性。從概念上講，通過剛性機械連接44直接連接控制軸40及42，是和采用成型凸輪來協調的方法以及采用外部的電子控制線路來協調的方法等價的。
有關的專業技術人員都知道，液壓執行機構只是為使控制軸40及42工作的各種等效的動力驅動執行機構的一種，其它的動力源諸如電動馬達或氣動執行機構都應該是屬于本發明的精神與范圍之內的。
參照
了本發明的最佳實施例之后，應該理解到，本發明并不限于那些具體的實施例，并且在不背離如權利要求中明確了的本發明的精神與范圍的條件下熟練的專業技術人員可以作出種種改變及修改。
權利要求
1.用于至少包括一個主噴嘴及一個副噴嘴的燃氣輪機燃燒室的氣體燃料分流裝置，包括一套截止、速比及控制閥組以供給受控的所述氣體燃料流；一個協調的閥門分流組件以接受所述受控的氣體燃料流；所述協調的閥門分流組件包括有一個主分流閥以將上述受控的燃料流的一部分饋給所述至少為一個的主噴嘴；所述協調的閥門分流組件還包括了一個與上述主分流閥并聯的副分流閥以將上述受控的燃料流的剩余部分饋至至少為一個的副噴嘴；所述主分流閥及副分流閥包括了不同的第一及第二閥門調整特性；以及協調所述主分流閥及副分流閥工作的手段。
2.根據權利要求1所述的氣體燃料分流裝置，其特征是所述第一及第二閥門調整特性之一是線性的;而所述第一及第二閥門另一調整特性是等百分比的。
3.根據權利要求1所述的氣體燃料分流裝置，其特征是所述協調工作的手段包括在上述主分流閥及副分流閥的控制軸之間的一種機械式連接。
全文摘要
一個協調的閥門分流組件包括一個具有線性調整特性的主閥以及與之平行的具有等百分比調整特性的閥，以分配燃氣輪機燃燒室主噴嘴及副噴嘴之間的燃料氣。在一個實施例中，該兩閥的協調工作是由兩閥軸間的剛性連接來完成的。亦公布了成型凸輪及電子方式以控制操作該兩閥的工作。
文檔編號F02C7/22GK1043189SQ89106990
公開日1990年6月20日 申請日期1989年9月9日 優先權日1988年11月28日
發明者羅伯特·約瑟夫·伊亞西洛, 斯蒂芬·費德 申請人:通用電氣公司