專利名稱：控制燃燒動態(tài)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明總體涉及燃燒動態(tài)現(xiàn)象(combustion dynamics)，并且更具體地涉及通過聲學(xué)控制和/或消除燃料噴射位置處的燃料流波動對基于航空的燃氣渦輪和基于地面的燃氣渦輪(aviation and land-based gas turbine)進行燃燒動態(tài)控制的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)火焰的內(nèi)在不穩(wěn)定性與燃燒室的固有模式耦合并建立反饋循環(huán)時，燃燒動態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生，由此導(dǎo)致高振幅的壓力擾動并且對相應(yīng)硬件可能造成重大損壞。已知的是，燃燒動態(tài)現(xiàn)象困擾著燃氣渦輪在發(fā)電、原動機、航空、航海領(lǐng)域的應(yīng)用。由于預(yù)混合燃燒系統(tǒng)的引入，因此燃燒動態(tài)現(xiàn)象對于燃氣渦輪制造商是普遍的問題，并且成為燃氣渦輪制造商所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。已采用各種技術(shù)來解決燃燒動態(tài)現(xiàn)象，包括但不局限于改變產(chǎn)生的機構(gòu)、變更燃燒室的尺寸或者通過使用主動/被動裝置/方法阻止和控制/抑制該問題。當(dāng)保持于非常高的振幅時，燃燒動態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致災(zāi)難性的燃燒室的損壞/失效。即使不太嚴(yán)重，它也限制了燃氣渦輪的工作包線(operational envelope)并且阻礙了最佳可能性能。燃燒動態(tài)現(xiàn)象仍然是現(xiàn)有已安裝的燃氣渦輪的普遍問題。進一步地，由于更嚴(yán)格的排放法規(guī)和燃料適應(yīng)性，有關(guān)燃燒動態(tài)現(xiàn)象的問題預(yù)期將變得更糟。鑒于前述內(nèi)容，需要一種用于控制基于航空的燃氣渦輪和基于地面的燃氣渦輪中的燃燒動態(tài)現(xiàn)象的系統(tǒng)和方法，以獲得關(guān)于排放和功率輸出的最佳操作性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例涉及一種燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其包括燃料噴射器，其構(gòu)造成經(jīng)由燃料噴射口接收預(yù)混合燃料；以及聲學(xué)驅(qū)動器，其構(gòu)造成響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過燃料噴射口的壓力擾動基本上為零，使得響應(yīng)于該控制信號跨過燃料噴射口的燃料流擾動基本上為零。所述的燒動態(tài)控制系統(tǒng)還包括傳感器，所述傳感器構(gòu)造成測量跨過所述燃料噴射口的聲壓并由此產(chǎn)生信號；信號調(diào)節(jié)裝置，所述信號調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述傳感器信號并由此產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號；以及控制器，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號產(chǎn)生聲學(xué)驅(qū)動器控制信號。所述燃料噴射器是選自基于航空電子設(shè)備的燃氣渦輪燃料噴射器和基于地面的燃氣渦輪燃料噴射器的燃氣渦輪燃料噴射器。所述信號調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造成將時域傳感器信號轉(zhuǎn)換成頻域傳感器信號以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。或者，所述信號調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造成對所述傳感器信號進行帶通過濾以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。本發(fā)明的另一個實施例涉及一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，該燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)包括燃料噴射器；預(yù)混合燃料管，成經(jīng)由預(yù)混合燃料管噴射口將預(yù)混合燃料輸送至燃料噴射器；以及聲學(xué)驅(qū)動器，其構(gòu)造成響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過預(yù)混合燃料管噴射口的壓力擾動基本上為零，使得響應(yīng)于該控制信號跨過預(yù)混合燃料管噴射口的燃料流擾動基本上為零。所述燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)還包括傳感器，所述傳感器構(gòu)造成測量跨過所述預(yù)混合燃料噴射口的聲壓并由此產(chǎn)生信號；信號調(diào)節(jié)裝置，所述信號調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述傳感器信號并由此產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號；以及控制器，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號產(chǎn)生聲學(xué)驅(qū)動器控制信號。所述燃氣渦輪發(fā)動機選自基于航空電子設(shè)備的燃氣渦輪發(fā)動機和基于地面的燃氣渦輪發(fā)動機。所述信號調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造成將時域傳感器信號轉(zhuǎn)換成頻域傳感器信號以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。或者，所述信號調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造成對所述傳感器信號進行帶通過濾以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種操作燃氣渦輪發(fā)動機的方法包括經(jīng)由預(yù)混合燃料管噴射口將預(yù)混合燃料噴射入燃氣渦輪發(fā)動機燃料噴射器的主流道；以及在將預(yù)混合燃料噴射入主流道的同時，將聲脈沖傳輸至主流道內(nèi)，從而使得聲脈沖響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過預(yù)混合燃料管噴射口的壓力擾動基本上為零，使得響應(yīng)于該控制信號跨過預(yù)混合燃料管噴射口的燃料流擾動基本上為零。所述的方法還包括在所述預(yù)混合燃料的噴射期間測量跨過所述預(yù)混合燃料噴射口的聲壓，并且由此產(chǎn)生傳感器信號；調(diào)節(jié)所述傳感器信號，并且由此產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號；以及響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號產(chǎn)生所述聲學(xué)驅(qū)動器控制信號。調(diào)節(jié)所述傳感器信號包括將時域傳感器信號轉(zhuǎn)換成頻域傳感器信號以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。調(diào)節(jié)所述傳感器信號包括對所述傳感器信號進行帶通過濾以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。


在參照附圖閱讀下面的詳細說明之后，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其適于采用通過聲學(xué)控制和/或消除預(yù)混合燃料噴射位置處的燃料流波動來進行燃燒動態(tài)控制；以及圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)。正如在論述中所提到的，雖然上述附圖提出了備選實施例，然而也可以想到本發(fā)明的其它實施例。在各種情況下，這種公開內(nèi)容代表性地而非限定性地介紹了本發(fā)明的圖解實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)想落入本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其它變型和實施例。附圖標(biāo)記列表(10)燃氣渦輪系統(tǒng)G4)壓縮空氣(20)燃氣渦輪發(fā)動機G6)主流道(22)壓縮機部分08)先導(dǎo)流道(24)燃燒室部分(50)聲學(xué)驅(qū)動器(26)燃燒室筒(52)燃料噴射位置(27)點火系統(tǒng)(54)燃料噴射預(yù)混合桶狀件
(28)渦輪部分(56)擴散火焰(30)排氣部分(60)壓力脈沖傳感器(40)燃料噴射器(62)信號調(diào)節(jié)裝置(42)預(yù)混合燃料(64)控制器
具體實施例方式已知的是，由燃料流中的擾動引起的當(dāng)量比波動是燃氣渦輪中燃燒動態(tài)現(xiàn)象的主要原因之一。本說明書中描述的實施例用于解決與基于航空的燃氣渦輪和基于地面的燃氣渦輪中的燃燒動態(tài)控制相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，其通過以聲學(xué)方式控制燃氣渦輪燃料噴射位置處的燃料流進行燃燒動態(tài)控制。根據(jù)本說明書中描述的實施例，聲波產(chǎn)生，并且以在燃料噴射位置處產(chǎn)生壓力節(jié)點的方式傳播通過噴嘴。這樣，消除了跨過噴射口/孔的壓力波動，使得排除了燃料流擾動，因此除去了被認(rèn)為是導(dǎo)致高燃燒動態(tài)現(xiàn)象的基礎(chǔ)機構(gòu)之一，其中燃燒動態(tài)現(xiàn)象與預(yù)混合燃燒系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。圖1所示為示例性的燃氣渦輪系統(tǒng)10。在其它系統(tǒng)中，渦輪系統(tǒng)10可以具有燃氣渦輪發(fā)動機20。燃氣渦輪發(fā)動機包括壓縮機部分22、燃燒室部分M和與壓縮機部分22聯(lián)接的渦輪部分觀，其中燃燒室部分M包括多個燃燒室筒26和相應(yīng)的點火系統(tǒng)27。排氣部分30為來自燃氣渦輪發(fā)動機20的排氣提供通道。一般而言，壓縮機部分22壓縮引入到燃燒室部分M的空氣，燃燒室部分M使壓縮空氣與燃料混合，并且燃燒混合物以產(chǎn)生高壓、高速的氣體。渦輪部分觀從自燃燒室部分M流出的高壓、高速的氣體中吸取能量。將僅論述燃氣渦輪系統(tǒng)10的有利于說明具體化的燃燒動態(tài)控制過程的那些方面，以提高清楚性并保持簡潔性。壓縮機部分22可以包括能夠壓縮空氣的任何裝置。所述壓縮空氣可以被引導(dǎo)至燃燒室部分M的進入端口。燃燒室部分M可以包括多個燃料噴射器，燃料噴射器被構(gòu)造成使壓縮空氣與燃料混合并將混合物輸送至燃燒室部分M的一個或多個燃燒室筒26。在本說明書中參照圖2描述了根據(jù)一個實施例的合適的燃料噴射器。輸送至各燃燒室筒沈的燃料可以包括任何液態(tài)或者氣態(tài)燃料，例如柴油或者天然氣。輸送至各燃燒室筒26的燃料可以經(jīng)過燃燒以形成高壓的燃燒副產(chǎn)物的混合物。從燃燒室部分M產(chǎn)生的高溫、高壓混合物可以被引導(dǎo)至渦輪部分觀。然后，在通過排氣部分30被排放至大氣中之前，燃燒氣體可以從渦輪部分觀排出。圖2所示為與燃燒室筒沈聯(lián)接的燃料噴射器40的一個實施例的簡要示意圖。燃料噴射器40可以將預(yù)混合燃料42和壓縮空氣44輸送至燃燒室筒26，以便燃燒。如在本說明書中所述的，已知的是由燃料流中的擾動引起的當(dāng)量比波動是燃氣渦輪中燃燒動態(tài)現(xiàn)象的主要原因之一。燃料噴射器40的一些實施例包括多個向燃燒室部分M輸送不同濃度的燃料和空氣的流道。這些多個流道可以包括主流道46和先導(dǎo)流道48。主流道46可以輸送預(yù)混合稀薄燃料42和空氣44的混合物至燃燒室筒26。主燃料可以在燃燒室筒沈中燃燒以產(chǎn)生預(yù)混合火焰56。預(yù)混合火焰是當(dāng)燃料和空氣在燃料噴射器40中首先混合并隨后在燃燒室筒 26中燃燒時產(chǎn)生的火焰。先導(dǎo)流道48可以另外地將加壓噴霧的燃料連同壓縮空氣輸送至燃燒室筒沈。先導(dǎo)燃料通道48可以在燃燒室筒沈內(nèi)燃燒以產(chǎn)生擴散火焰56。擴散火焰56是當(dāng)燃料和空氣混合并同時燃燒時產(chǎn)生的火焰。擴散火焰56可以具有比預(yù)混合火焰高的溫度，并且可以用作局部熱火焰以穩(wěn)定燃燒過程并防止貧油熄火。根據(jù)在本說明書中更詳細地描述的一些實施例，燃燒控制系統(tǒng)可以監(jiān)測燃料噴射器40內(nèi)的壓力脈沖，并且控制一個或多個相應(yīng)的聲學(xué)驅(qū)動器50的操作，其中聲學(xué)驅(qū)動器 50響應(yīng)于燃料噴射器40內(nèi)的壓力脈沖。合適的聲學(xué)驅(qū)動器50可以包括將電能、機械能或其它形式的能量轉(zhuǎn)換成足以產(chǎn)生聲波的聲能的任何變換器，以在燃料噴射位置52處產(chǎn)生壓力節(jié)點的方式使聲波傳播通過其相應(yīng)的燃料噴嘴40。更具體地，通過驅(qū)使燃料噴射位置 (即，跨過燃料噴射M 口)處的壓力擾動至零，還驅(qū)使跨過燃料噴射M 口的燃料流擾動至零。這樣，通過以聲學(xué)方式控制在相應(yīng)的燃料噴射位置52處的燃料流，使在燃料噴射位置 52處產(chǎn)生的壓力節(jié)點抑制和/或消除了因燃料噴嘴40產(chǎn)生的燃料流波動。該跨過噴射口 /孔M的壓力波動的抑制/消除基本上消除了燃料流擾動，由此除去了被認(rèn)為是導(dǎo)致高燃燒動態(tài)現(xiàn)象的基礎(chǔ)機構(gòu)之一，其中燃燒動態(tài)現(xiàn)象與預(yù)混合燃燒系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)?；谔囟☉?yīng)用要求選擇聲學(xué)驅(qū)動器50的類型及其能力，特定應(yīng)用要求可以包括但不局限于使用的燃料的類型、燃料噴射器的物理幾何參數(shù)、流道等等。任何合適的聲學(xué)驅(qū)動器50僅需要驅(qū)使燃料噴射位置(即，跨過燃料噴射M 口)處的壓方擾動至零，由此驅(qū)使跨過燃料噴射M 口的燃料流擾動至零。繼續(xù)參照圖2，可以借助傳感器60監(jiān)測跨過燃料噴射M 口的聲脈沖，傳感器60可以是與燃燒室M聯(lián)接的例如壓電傳感器以探測燃料位置52處的壓力脈沖。傳感器60定位在可以準(zhǔn)確探測燃料位置52處的壓力脈沖的位置，而無需暴露于不利的環(huán)境條件下。傳感器60可以產(chǎn)生對應(yīng)于燃料位置52的壓力脈沖的信號?？梢詫⒃搨鞲衅餍盘杺鬏斨量梢赃M行一個或者多個信號調(diào)節(jié)操作的信號調(diào)節(jié)裝置62，這些信號調(diào)節(jié)操作包括但不局限于 將傳感器信號從時域轉(zhuǎn)換至頻域，以及傳感器信號的帶通濾波以允許在預(yù)定頻率范圍內(nèi)的信號通過相應(yīng)的控制器64?？刂破?4可以構(gòu)造成將通過信號調(diào)節(jié)裝置62產(chǎn)生的信號與一個或多個閾值進行比較，并且控制該比較控制聲學(xué)驅(qū)動器50響應(yīng)于前述比較值。如本說明書中所述，該聲學(xué)驅(qū)動器50的控制反饋動作用于驅(qū)使燃料噴射位置52(即，跨過燃料噴射 54 口)處的壓力擾動使之至零，由此驅(qū)使跨過燃料噴射M 口的燃料流擾動至零。燃料噴射器40可以具有大致管狀構(gòu)造，其中內(nèi)管48和外管46沿縱向軸線同心布置。燃料噴射器40的外管46可以包括預(yù)混合桶狀件M，內(nèi)管48可以包括引導(dǎo)件。內(nèi)管 48與外管46之間的環(huán)狀空間可以包括向燃燒室筒沈輸送主燃料流的主流道?？梢酝ㄟ^空氣渦旋裝置(圖未示)將來自圖1所示的壓縮機部分22的壓縮空氣引入燃料噴射器40 中，空氣渦旋裝置可以包括連接至燃料噴射器40的多個彎曲或直的葉片，用于使引入的壓縮空氣旋動并幫助產(chǎn)生包括主燃料供應(yīng)的良好混合的燃料-空氣混合物。如在本說明書中所述，當(dāng)保持于非常高的振幅時，燃燒動態(tài)現(xiàn)象能夠?qū)е聻?zāi)難性的燃燒室損壞/失效。即使不太嚴(yán)重，它也限制了燃氣渦輪的工作包線(operational envelope)并且阻礙了最佳可能性能。本說明書中描述的實施例有利地用于減少機器的計劃外停機，并且還幫助機器獲得關(guān)于排放和功率輸出的最佳操作性能，從而提供具有最小排放的更可靠且更有效的燃氣渦輪。雖然在本說明書中已利用燃料噴射器40的具體構(gòu)造對燃燒動態(tài)控制過程進行了說明，然而本發(fā)明的燃燒動態(tài)控制過程將適用于向燃燒室部分引入先導(dǎo)燃料供應(yīng)和主燃料供應(yīng)的任何渦輪發(fā)動機。盡管在本說明書中僅示出并描述了本發(fā)明的某些特征，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到許多修改和變化。因此，應(yīng)理解的是權(quán)利要求意欲覆蓋落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其包括一個燃料噴射器(40)，所述燃料噴射器構(gòu)造成經(jīng)由燃料噴射口接收預(yù)混合燃料02)；以及一個聲學(xué)驅(qū)動器(50)，所述聲學(xué)驅(qū)動器構(gòu)造成響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過所述燃料噴射口(5 的壓力擾動基本上為零，使得響應(yīng)于所述控制信號跨過所述燃料噴射口(5 的燃料流擾動基本上為零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料噴射器GO)是選自基于航空電子設(shè)備的燃氣渦輪燃料噴射器和基于地面的燃氣渦輪燃料噴射器的燃氣渦輪燃料噴射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，還包括一個傳感器(60)，所述傳感器構(gòu)造成測量跨過所述燃料噴射口(5 的聲壓并由此產(chǎn)生信號；一個信號調(diào)節(jié)裝置(62)，所述信號調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述傳感器信號并由此產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號；以及一個控制器(64)，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號產(chǎn)生聲學(xué)驅(qū)動器控制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)節(jié)裝置(62)被構(gòu)造成將時域傳感器信號轉(zhuǎn)換成頻域傳感器信號以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)節(jié)裝置(62)被構(gòu)造成對所述傳感器信號進行帶通過濾以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。
6.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，所述燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)包括一個燃料噴射器GO)；一個預(yù)混合燃料管(M)，所述預(yù)混合燃料管構(gòu)造成經(jīng)由預(yù)混合燃料管噴射口(52)將預(yù)混合燃料0 輸送至所述燃料噴射器GO)；以及一個聲學(xué)驅(qū)動器(50)，所述聲學(xué)驅(qū)動器構(gòu)造成響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過所述預(yù)混合燃料管噴射口(5 的壓力擾動基本上為零，以使得響應(yīng)于所述控制信號跨過所述預(yù)混合燃料管噴射口(5 的燃料流擾動基本上為零。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述燃氣渦輪發(fā)動機選自基于航空電子設(shè)備的燃氣渦輪發(fā)動機和基于地面的燃氣渦輪發(fā)動機。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，還包括一個傳感器(60)，所述傳感器構(gòu)造成測量跨過所述預(yù)混合燃料噴射口(5 的聲壓并由此產(chǎn)生信號；一個信號調(diào)節(jié)裝置(62)，所述信號調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述傳感器信號并由此產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號；以及一個控制器(64)，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號產(chǎn)生聲學(xué)驅(qū)動器控制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)節(jié)裝置(62)被構(gòu)造成將時域傳感器信號轉(zhuǎn)換成頻域傳感器信號以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)節(jié)裝置(62)被構(gòu)造成對所述傳感器信號進行帶通過濾以產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)節(jié)的傳感器信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于基于航空的燃氣渦輪發(fā)動機或者基于地面的燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒動態(tài)控制系統(tǒng)，其采用了一種聲學(xué)驅(qū)動器。該聲學(xué)驅(qū)動器構(gòu)造成響應(yīng)于控制信號驅(qū)使跨過預(yù)混合燃料噴射口的壓力擾動基本上為零，從而使得跨過燃料噴射口的燃料流擾動基本上為零。
文檔編號F02C9/26GK102465764SQ20111036700
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者K·K·辛赫, P·巴拉蘇布拉曼亞姆, Q·張, S·斯里尼瓦桑, 金冠佑, 韓飛 申請人:通用電氣公司