燃?xì)廨啓C燃燒控制系統(tǒng)研究

張克強

摘 要：燃料控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C的重要組成部分，是保證燃?xì)廨啓C可靠性運行的關(guān)鍵部件，為此，本文對燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)進行了研究。首先，構(gòu)建了比較全面的控制系統(tǒng)模擬模型并確定了各模型的參數(shù)，改進了對應(yīng)的燃?xì)鈾C輪燃燒性能，保障了燃?xì)廨啓C在負(fù)荷變化的情況下，還能保證燃燒穩(wěn)定性能；其次，對于燃?xì)廨啓C系統(tǒng)構(gòu)成進行分析以及工作原理進行分析，進一步改善了燃料控制系統(tǒng)的功能并配置了相應(yīng)的硬件設(shè)備和軟件；最后，針對燃?xì)廨啓C燃燒的低排放性，對燃燒室進行了自整定能力的研究。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C 燃燒系統(tǒng) 控制方案

中圖分類號：TK47 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0114-05

我國燃?xì)廨啓C的發(fā)展受限于航空工業(yè)的發(fā)展，在一個時期內(nèi)處于停滯狀態(tài)，隨著對通用、西門子、三菱公司F級燃?xì)廨啓C的消化與吸收，我們從一開始的組裝國外燃?xì)廨啓C，到燃?xì)廨啓C國產(chǎn)化，再到現(xiàn)在可以生產(chǎn)自己的燃?xì)廨啓C，確實有了很大的進步，但燃?xì)廨啓C的發(fā)展是一個國家整體工業(yè)水平的提高，涉及材料、測量、控制等多個學(xué)科，我們相信，隨著航空和造船業(yè)的快速發(fā)展，作為發(fā)動機的燃?xì)廨啓C技術(shù)一定會有一個美好的明天[1-4]。

本文結(jié)合目前燃?xì)廨啓C在穩(wěn)定燃燒及低排放等方面存在的不足與缺陷，提出了對燃燒控制系統(tǒng)進行改進的研究，保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低排放的可靠性。

1 燃燒室燃料分級工作原理

燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，燃燒室內(nèi)燃料的控制系統(tǒng)的至關(guān)重要的，是保證整個燃燒系統(tǒng)的主要因素，本文提出了并聯(lián)式分級燃燒，即燃燒室的燃料是分級供應(yīng)的，其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，每只燃燒室有5只燃料噴嘴，每只噴嘴有一只擴散通道，一只預(yù)混通道。燃?xì)廨啓C周向布置有18個燃燒室，每只燃燒室的5個擴散燃燒通道與擴散燃燒支管相連，由VGC-1氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體的流量。每只燃燒室的4只預(yù)混通道相互聯(lián)接，組成PM4支管，由VGC-3氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體流量。每只燃燒室剩余的一只預(yù)混通道相互聯(lián)接組成PM1支管，由VGC-2氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體流量。這樣，將所有燃料通道并聯(lián)地分成三級，分別由3只控制閥控制燃料氣體的流量。

燃?xì)廨啓C燃料系統(tǒng)主要由帶有線性可變差動變壓器的氣體燃料截止/速比閥VSR和有線性可變差動變壓器的氣體控制閥VGC-1，VGC-2，VGC-3以及一些壓力開關(guān)、壓力傳感器等附屬設(shè)備組成。

另外，燃料截止/速比閥VSR主要功能有兩個：一是作為燃料的截止閥，二是作為燃料的壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)燃機的轉(zhuǎn)速為控制閥VGC提供調(diào)節(jié)后的燃機進口壓力。當(dāng)燃?xì)廨啓C停機或者有事故發(fā)生，需要迅速切斷燃料供應(yīng)時，VSR會快速關(guān)閉，切斷燃料供應(yīng)，使燃?xì)廨啓C停止運行。燃料控制閥VGC-1，2，3的功能是根據(jù)燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷要求，向燃?xì)廨啓C提供一定數(shù)量的天然氣，本文研究的對象機組為低氮燃燒室，通過每個控制閥的協(xié)調(diào)控制，除保證燃?xì)廨啓C穩(wěn)定燃燒外，還要盡可能地降低氮氧化物的排放。

2 燃燒室控制過程

燃?xì)廨啓C燃燒室共有5種燃燒方式：5種燃燒方式的切換，會根據(jù)燃燒室的基準(zhǔn)溫度TTRF1進行切換，此溫度不是實際測量的準(zhǔn)確溫度，而是根據(jù)機組入口壓力、排氣壓力、空氣溫度，天然氣壓力溫度、機組運行等其他參數(shù)運算出來的值，這樣計算求得的燃燒基準(zhǔn)溫度并不是表示實際機組的進氣火焰平均溫度，而僅僅是燃燒配氣模式和燃料分流過程控制的一個基準(zhǔn)溫度，具體見圖3。

本文提出采用混合燃燒模型運行，在這種運行模式下，流過PM1和PM4通道的流量比為20/80。有時為了減少燃燒室的壓力脈動可改變PM1和PM4通道的流量分配比，如PM1的比份可在18%～21%間調(diào)整。當(dāng)加載時，TTRF1高于2270（1243℃），卸載時，TTRF1超過2220（1216℃）時，燃?xì)廨啓C均處于預(yù)混燃燒模式。此時相應(yīng)的燃機負(fù)載為 50%～100%基本負(fù)荷區(qū)間。

如果甩負(fù)荷時，TTRF1超過2220（1216℃），只保留PM1預(yù)混燃燒通道；如果甩負(fù)荷時，TTRF1低于2220（1216℃），則保留D5和PM1通道。甩負(fù)荷時，相應(yīng)的燃機甩掉部分負(fù)載，防止機械超速并將機組維持在全速空載工況。

3 燃燒系統(tǒng)伺服閥控制

燃料截止/速比閥VSR采用模塊化設(shè)計，達到臨界控制特點，同時允許同樣的閥門設(shè)計適應(yīng)多種行程，力輸出，機械接口安排。電氣和機械接口的設(shè)計是為了快速簡單的裝配在工廠或現(xiàn)場拆卸閥門。組件包括板載液壓過濾器，電液伺服閥，脫扣閥，單作用液壓缸，雙LVDT。燃?xì)廨啓C的最佳控制要求執(zhí)行機構(gòu)和閥門準(zhǔn)確和快速地跟蹤控制所傳輸?shù)男枨笮盘枴Ｔ谥箘?比閥設(shè)計的目的是提供超過的輸出力開放和關(guān)閉要求有一定的余地。額外的利潤幫助確保系統(tǒng)在服務(wù)條件下快速移動閥門已被污染或磨損。液壓行程繼電器閥有被選中提供高的操作力，高流量，和確保在航行條件下閥門的合閘率。在液壓缸和閥桿之間使用一個長驅(qū)動桿手臂，執(zhí)行機構(gòu)軸和密封的側(cè)裝力大大減少，減少滑動件之間的磨損，增加有用的使用壽命的系統(tǒng)。在濕潤的重型線性滑梯之間有足夠的距離在止動/比閥內(nèi)的環(huán)可以容納任何剩余的邊負(fù)荷。這些即使在惡劣的服務(wù)條件下，規(guī)定也提供了延長的使用壽命。

燃料截止/速比閥VSR執(zhí)行器由電子伺服控制控制系統(tǒng)（不包括），比較要求和實際的閥門的位置。控制系統(tǒng)將輸入電流信號調(diào)制到電液伺服閥使定位系統(tǒng)誤差最小化。液壓油通過一個帶積分高的可拆卸元件過濾器進入執(zhí)行機構(gòu)ΔP指標(biāo)，針對4個方法，電液伺服閥在使用三方配置。伺服閥的控制壓力輸出為定向到液壓活塞的頂部。當(dāng)外力作用于液壓超過了相反的負(fù)載彈簧的力，輸出活塞延伸，旋轉(zhuǎn)閥門在開啟方向。在電液伺服器之間插入一次行程繼電器閥總成控制閥和伺服輸出級。外部的損失或減少提供的行程信號壓力導(dǎo)致行程中繼閥移位。這個將執(zhí)行器活塞的上腔連接到液壓排油管上。作用力由回程彈簧提供，推動驅(qū)動桿上升，旋轉(zhuǎn)閥門到關(guān)閉位置。兩個冗余的LVDT位置反饋傳感器也安裝在內(nèi)部每一個執(zhí)行機構(gòu)。LVDT傳感器芯和支撐桿連接到主要的執(zhí)行機構(gòu)輸出桿，通過耦合安排在套管上。這個引導(dǎo)套管保持LVDT對齊，以減少由于滑動造成的核心損壞磨損和相關(guān)的感知精度損失。

線性可變位置反饋傳感器制動/比例執(zhí)行機構(gòu)使用雙LVDT來進行位置反饋。線性的出廠設(shè)置（0.7±0.1）V/ms，最大反饋位置（3.5±0.5）V/ms。每個LVDT的實際電壓值在現(xiàn)場校準(zhǔn)。電子設(shè)置動態(tài)調(diào)優(yōu)參數(shù)該閥門的正確動態(tài)特性必須輸入控制系統(tǒng)確保閥門/控制系統(tǒng)的運行在可接受的范圍之內(nèi)。

燃料控制閥VGC1，2，3，燃料控制閥設(shè)計從0%到100%，所有設(shè)計集成閥門和執(zhí)行機構(gòu)進入緊湊的裝配。整體式致動器是一種單作用彈簧加載設(shè)計操作。致動器包括板載液壓過濾器的最后一次機會過濾流體以確保伺服閥和執(zhí)行機構(gòu)的可靠性。在伺服閥是電冗余的三線圈設(shè)計。反饋的執(zhí)行機構(gòu)由雙線圈，雙桿LVDT（線性可變微分）提供變壓器直接連接到液壓活塞。

液壓執(zhí)行機構(gòu)總成采用兩級液壓伺服閥調(diào)節(jié)執(zhí)行器輸出軸的位置，從而控制VGC閥。第一個階段力矩電機采用三繞組線圈控制第一和第二階段閥門的位置與總量的比例電流應(yīng)用于三線圈。如果控制系統(tǒng)需要一個快速的閥門運動來發(fā)送更多的燃料渦輪，總電流比零電流高。在這樣一個條件，控制端口與供應(yīng)壓力有關(guān)。流量致動器的活塞腔與總電流成正比適用于3個線圈。

因此，開口速度也與之成正比電流（大于零）提供給力矩電機。如果控制系統(tǒng)需要一個快速的運動來關(guān)閉氣體燃料閥，那么總電流降低遠低于零電流。在這樣的條件下，端口連接到液壓排液回路。從活塞腔到排水管與低于零值的總電流的大小成正比。因此，閉合速度也與提供的電流（低于零）成比例力矩電機。在零電流附近，VGC閥將控制端口與控制端口隔離開來液壓供應(yīng)，平衡活塞壓力與彈簧之間保持一個恒定的位置?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)量電流傳遞到線圈，調(diào)節(jié)電流供給線圈獲得閥門的適當(dāng)閉環(huán)位置。燃料控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和燃燒模式選擇見圖4和圖5所示。

燃燒系統(tǒng)運行圖和燃?xì)廨啓C整體運行圖見圖6和圖7。

4 結(jié)語

本文針對燃?xì)廨啓C中的燃燒控制系統(tǒng)進行了研究，包括了燃燒控制系統(tǒng)方式選擇、燃燒系統(tǒng)參數(shù)整定以及燃?xì)廨啓C的燃料截止閥和控制閥等。通過實際運行結(jié)果表明，改進的燃燒控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠快速適應(yīng)負(fù)荷的波動并能夠保證良好的超低排放。

參考文獻

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