CN101595344B - 检测燃气轮机发动机中局部火焰中断的方法和燃气轮机发动机 - Google Patents
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Abstract
提供一种检测燃气轮机(10)中局部火焰中断的方法,该燃气轮机具有引导推进气体(18)的气体导管(34)和多个燃烧室(24),每个燃烧室(24)通向气体导管(34)并包含燃烧器。该方法包括步骤:测量在气体导管(34)中位于燃烧室下游的至少两个探测点(32a;32b)的每一个处的随时间的第一温度,测量至少两个燃烧器(36)的每一个中的随时间的第二温度,根据第一温度的测量值和第二温度的测量值检测局部火焰中断,局部火焰中断的所述检测包括确定第一检测参数的步骤,根据不同探测点(32a;32b)处的所述第一温度测量值之间的变化量的变化率来确定所述第一检测参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测燃气轮机发动机中局部火焰中断的方法,该燃气轮机发动机具有引导推进气体的气体导管以及多个燃烧室,每个燃烧室通向气体导管并包含燃烧器。本发明进一步涉及一种上述类型的燃气轮机发动机。
背景技术
在本领域公知的燃气轮机发动机中,气体导管或者气体流路穿过位于压缩机和涡轮部分之间的燃烧部分。燃烧部分可包括燃烧室的环形阵列。从压缩机来的高压空气流过燃烧部分,在燃烧部分中该空气流与燃料混合并燃烧。如上所述,每个燃烧室包括点燃空气/燃料混合物的燃烧器,特别用于燃气轮机发动机启动期间。
燃烧气体离开燃烧部分以向驱动压缩机的涡轮部分提供动力。在单轴布置中,涡轮部分的高压和低压涡轮机械连接并一起驱动动力输出轴。在双轴布置中,低压涡轮(动力涡轮)在机械方面独立,即,仅驱动动力输出轴,而高压涡轮,或所谓的压缩机涡轮,驱动压缩机。这种组合用作低压涡轮的气体发生器。燃烧气体通过排气管道离开涡轮部分。
局部火焰中断定义为燃烧室子集中的熄火,燃烧室子集即是一个或多个但并非全部燃烧室。所有燃烧室都熄火将被视为完全熄火。在这种局部火焰中断的例子中,并非所有供应的燃料都在燃烧部分中燃烧,这导致发动机总体性能和效率受损。在局部火焰中断的事件中,燃料由控制系统持续导入燃烧部分以试图满足需求。向燃烧部分添加的燃料不完全燃烧具有产生高级别的排放物和未燃烧碳氢化合物的不利影响。此外,将未燃烧燃料引入空气生成可燃混合物,这种可燃混合物可被热点或火星点燃而引起排气管道中的后续爆炸。
已开发出各种系统来检测燃气轮机发动机中的局部火焰中断。这些系统包括火焰检测测量系统,该火焰检测测量系统配置有红外线(IR)和紫外线(UV)传感器,以检测预定位置处火焰的存在或者不存在。 这种类型的检测系统非常依赖于传感器的位置并可能不正确地识别火焰的缺失。进一步地,火焰检测器有时候遭受油或烟的污染从而引发检测失效。此外,这些火焰检测系统的供给和维护通常是昂贵的。
GB 2282221A描述了一种用于燃气轮机发动机的火焰检测器。该火焰检测器包括第一温度传感器和第二温度传感器,均布置成检测燃烧室外面的环境温度。此外,第二温度传感器还布置成检测来自燃烧室来的辐射热。第一温度传感器和第二温度传感器分别位于第一中空组件和第二中空组件内。当第一中空组件朝空气流敞开时,第二中空组件不仅朝空气流敞开,而且还朝允许通过小孔直视燃烧室内火焰的方向敞开,用于将稀释空气引入燃烧室。来自进入燃烧室的空气流的热可对流地传递两个温度传感器。除了对流热传导,来自燃烧室内火焰的辐射热也可通过小孔传递至第二温度传感器。在成功点燃的情况下,燃烧室内火焰产生的辐射热可被第二温度传感器检测到而不被第一温度传感器检测到,使得两个温度传感器测量不同温度值。当点火不成功时,两个温度传感器均仅测量通过对流传递自空气流的热量,使得两个温度传感器均测量相同温度。
EP 1637805A2描述了一种燃气轮机点火检测方法。在该方法中,使用在涡轮下游测得的温度随时间的变化来判定点火是否成功。
US 4283634描述了一种多轴涡轮局部熄火的检测方法。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种检测燃气轮机发动机中局部火焰中断的方法。通过该方法可减轻上述缺点,并特别地促进了一种更可靠的局部火焰中断的检测,特别是在启动和加载运行期间。本发明的第二目的在于提供一种有利的燃气轮机发动机。
依照本发明,通过提供一种检测燃气轮机发动机中局部火焰中断的方法而实现第一目的,其中,燃气轮机发动机具有引导推进气体的气体导管以及多个燃烧室,每个燃烧室通向气体导管并包括燃烧器。该方法包括以下步骤:在气体导管中位于燃烧室下游的至少两个探测点的每一个处,测量随时间的第一温度,优选地在至少三个这种探测点的每一个处;测量至少两个燃烧器的每一个中的随时间的第二温度,优选地在至少三个燃烧器的每一个中;从第一温度的测量值和第二温度的测量值中检测局部火焰中断,局部火焰中断的所述检测包括确定第一检测参数的步骤,从不同探测点处的所述第一温度的测量值之间的变化量的变化率中确定所述第一检测参数。具体地,测量至少两个燃烧器的每一个中的随时间的第二温度可发生在引燃燃烧器中。
依照本发明,通过提供一种燃气轮机发动机而实现第二目的,该燃气轮机发动机具有引导推进气体的气体导管以及多个燃烧室,每个燃烧室通向气体导管并包括燃烧器,气体导管包含位于燃烧室下游的至少两个探测点的每一个处的第一温度传感器,并优选地在至少三个这种探测点的每一个处,每个温度传感器适于随时间测量第一温度。至少两个燃烧器的每一个,优选地为至少三个燃烧器的每一个,包含用于随时间测量第二温度的第二温度传感器(例如在引燃燃烧器中)。燃气轮机发动机进一步包括评价装置,用于从第一温度的测量值和第二温度的测量值中检测局部火焰中断。
换言之,第一温度传感器位于气体导管中的至少两个探测点处,该气体导管处于燃烧室下游的区域中,即在涡轮部分中或更下游的区域中。有利地,气体导管中第一温度传感器的数目范围为12到16。但是, 也可使用多于16个或者少于12个的温度传感器。气体导管中的温度传感器监测所谓第一温度值的时间特性。进一步地,第二温度传感器放置在至少两个燃烧器中,有利地是放在所有燃烧器中,例如6到8个燃烧器。但是,这并不是限定性的,多于8个或少于6个燃烧器也是可以的。燃烧器中的温度传感器测量所谓第二温度值的时间特性。根据第一温度的测量值和第二温度的测量值,可以确定局部火焰中断是否发生,即燃烧室子集中是否发生熄火。在燃气轮机发动机无错误运行期间,每个燃烧室均含有火焰。
本发明基于以下认识,通过测量不同探测点处的随时间变化的第一温度可监测气体导管中热场均匀性的随时间的发展。局部火焰中断通常跟随有气体导管中热场的非均匀性的增加。因此,从第一温度值中得到局部火焰中断的第一指示是可能的。
本发明进一步基于以下认识,局部火焰中断进一步跟随有燃烧器中温度梯度的趋异,特别是在燃烧器顶端处。这导致不同燃烧器中温度测量值的变化量的增加。因此,测量燃烧器(例如引燃燃烧器)中的第二温度提供了局部火焰中断的额外指示。
依照本发明结合第一温度测量值和第二温度测量值,允许特别可靠的局部火焰中断的检测。这是因为燃烧器中的第二温度传感器与气体导管中的第一温度传感器之间的动态特性差异,这种动态特性差异是对气流中温度变化的差异的响应,启动期间气体导管温度变化的事实可以很明显。即使没有单个燃烧室熄火,主要归因于燃料或排气调制以及燃烧动态特性等的气路温度变化也会发生。因此,依照本发明的第一温度测量值和第二温度测量值的组合考虑了这些参数的动态特性,使得局部火焰中断的检测更可靠,极大地阻止了局部火焰中断的错误检测。
依照本发明解决方案,发动机启动期间的局部火焰中断检测的可靠性更高。这允许阻止火焰中断的不真实的检测结果,从而减少了发动机启停机的次数。启停机次数的减少增加了燃气轮机发动机预期寿命并从总体上改进了燃气轮机发动机的性能。依照本发明的检测系统进一步可安装在现有燃气轮机发动机装置中。
有利地,执行温度测量的温度传感器包括热电偶。用在气体导管中的热电偶应具有低热容量以及高响应速率,因此它们在任何操作条件下都是气体导管中的热场的良好表现者。
在一种优选实施方式中,局部火焰中断的检测包括确定第一检测参数的步骤,该第一检测参数是由不同探测点处的第一温度测量值之间的变化量的变化率确定。由此监测了气体导管中的不同探测点之间的温度场随时间的变化。有利地,第一检测参数是由不同探测点处的第一温度测量值的标准偏差的变化率确定。这意味着计算了每个取样(即测量的每个时间点)的温度之间的标准偏差,这些温度是在气体导管中的不同探测点处测得的。变化率根据变化量(特别是标准偏差)随时间的变化进行计算。气体导管中的第一温度传感器的变化量或标准偏差为系统提供气体导管中热场的均匀性信息。在理想的热场均匀分布的例子中(气体导管中所有热电偶温度相同),标准偏差的值为零。局部火焰中断事件跟随有管道中热场不均匀性的增加,这导致标准偏差的增大。变化量或标准偏差的增加可能有不同的原因(例如燃烧室效率的差异),但熄火是可认别的,其具有高管道热场变形速度-变化量或标准偏差的高变化率的特性。
如果通过计算不同探测点处的第一温度测量值之间的变化量的平滑变化率确定第一检测参数(以下标识为D1),则是更有利地。第一检测参数D1按照下列公式详细计算则是更加有利的:
D1=ES1t’=w1*AS1t’+d1*ES1t-Δt’, (1)
在这里,ES1t’为当前时间步长下不同探测点处第一温度测量值之间的标准偏差的变化率的估计值,AS1t’为当前时间步长下不同探测点处第一温度测量值之间的标准偏差的变化率的实际值,ES1t-Δt’为先前时间步长下不同探测点处第一温度测量值之间的标准偏差的变化率的估计值,w1为权重因子,d1=(1-w1)为阻尼因子。阻尼因子可具有大约0.7的值。但是,适当的阻尼因子在其因素之外可取决于监测取样速率和/或使用的热电偶类型。
在更有利的实施方式中,局部火焰中断的检测包括确定第二检测参数的步骤,该第二检测参数通过不同燃烧器中的第二温度测量值的变化率之间的变化量确定。有利地,第二检测参数为不同燃烧器中第二温度测量值的变化率的标准偏差。当燃烧室中存在火焰时,相应燃烧器中温度传感器的变化率为正但是适度的。通过根据第二温度测量值的变化率 计算第二检测参数,而不是根据实际温度计算第二参数,可获得相应火焰稳定器中火焰存在的更精确指示。
在启动期间,不同燃烧器(特别是燃烧器顶端处)之间的温度差异,有时可令人误解,因为它们是单个火焰和单个燃烧器的初始温度的联合影响的结果。因此,晚点火(与其它燃烧器相比)甚至是热发动机上刚变更的燃烧器都可能导致燃烧器顶端温度较低。通过计算变化率之间的变化量或标准偏差,提供燃烧同步性的信息。在燃烧室被理想同步的例子中(温度传感器具有相同的温度变化率),标准偏差的值为零。局部火焰中断事件通常跟随有燃烧器温度梯度(特别是燃烧器顶端温度梯度)的偏差,这导致标准偏差增大。
在更有利的实施方式中,通过计算不同燃烧器中第二温度测量值的平滑变化率的偏差来确定第二检测参数。有利地,在当前时间步长t下,相应的燃烧器j的平滑变化率ET2j,t’通过以下公式计算:
ET2j,t’=w2*AT2j,t’+d2*ET2j,t-Δt’, (2)
其中:ET2t’为当前时间步长的一阶导数的估计值,AT2t’为当前时间步长的一阶导数的实际值,ET2t-Δt’为先前时间步长的估计值,w2为权重因子,d2=(1-w2)为阻尼因子。阻尼可例如约为0.9。但是,合适的阻尼因子在其它因素之外可取决于监测取样速率和/或所用的热电偶类型。通过计算得到的平滑变化率ET2j,t’,可计算变化量或标准偏差以得到第二检测参数D2。
在更有利的实施方式中,将第一检测参数与第一阈值进行比较,第二检测参数与第二阈值进行比较,如果两种检测参数均超过相应的阈值,则表明局部火焰中断。例如,第一阈值可约为5℃/s,第二阈值可约为0.5℃/s。然而,第一和第二阈值的恰当值在其它因素之外可取决于发动机配置和/或所用的热电偶类型。此外,也可使用动态阈值来取代静态阈值。
对于相应检测参数的预定数目的连续取样,如果只有两个检测参数均超过相应的阈值才表明局部火焰中断,则是更有利的。有利地,连续取样的数目被用于表明局部火焰中断,例如三个连续取样。但是,连续取样的最优数目取决于取样速度。可选地,也可对相应的检测参数限定 延迟时间,给出宣布局部火焰中断之前检测参数必须超过相应阈值的时间跨度。该延迟时间还可作为取样速度的函数而改变,并对于第一和第二检测参数均可为例如0.5秒左右。
更优选的是在面对相应燃烧室的燃烧器的顶端处测量第二参数。有利地,温度传感器嵌入燃烧器顶端中,燃烧器顶端具有高质量并因此具有高热惯性。当火焰出现在燃烧室中时,热流进入燃烧器顶端中,使得燃烧器顶端传感器的温度变化为正但是适度。
更优选地,燃气轮机发动机包括由推进气体驱动的动力涡轮和接着动力涡轮的排气管道,用于测量第一温度的至少两个探测点位于动力涡轮至排气管道的出口区域中。该实施方式特别有益于单轴燃气轮机发动机,但也可用于双轴发动机。在优选实施方式中,大约12个温度传感器放置在动力涡轮出口处。但是,也可使用多于或少于12个的温度传感器。
在更有利的实施方式中,燃气轮机发动机包括高压涡轮和低压涡轮,每个涡轮均由推进气体驱动,该燃气轮机发动机还包括中间管道,用于将推进气体从高压涡轮引导至低压涡轮,用于测量第一温度的至少两个探测点位于中间管道中。温度传感器放置在中间管道中对于双轴燃气轮机发动机特别有用,但也可用于单轴反动机。中间管道中温度传感器合适的数量可例如约为16个温度传感器。但是,发明也可具有多于或少于16的温度传感器。
附图说明
参照以下附图详细描述本发明:
图1为依照本发明的燃气轮机发动机的第一实施方式的剖视图;
图2为依照本发明的燃气轮机发动机的第二实施方式的剖视图;以及
图3为包含在依照图1和图2的燃气轮机发动机中的引燃燃烧器的剖视图。
具体实施方式
图1为单轴燃气轮机发动机形式的燃气轮机发动机10的第一实施方式。燃气轮机发动机10包括承载压缩机14和动力涡轮16的单转子轴12。气体导管34引导推进气体18穿过发动器10,该推进气体从进气部分20开 始经过压缩机14、燃烧部分22、动力涡轮16和排气导管26。
在依照图1的发动机10的左端处,推进气体18以空气流的形式穿过进气部分20进入压缩机14。压缩机14于是压缩推进气体18。推进气体18随后进入发动机10的燃烧部分22,在燃烧部分22中推进气体18与燃料混合并在燃烧室24中被点燃。燃烧部分22包含燃烧室24的环形阵列,在图1中只显示了其中的一个燃烧室24,该燃烧室24通向气体导管34。
燃烧过的推进气体18流过动力涡轮16,在动力涡轮中膨胀并驱动转子轴12。膨胀过的推进气体18随后进入排气导管26。在动力涡轮16进入排气导管26的出口28处,具有所谓动力涡轮出口热电偶形式的多个第一温度传感器30a布置在不同的探测点32a处。通过将第一温度传感器30a放置在动力涡轮出口28处,探测点32a被定位在燃烧室24的下游。
每一个燃烧室24均包含燃烧器36,用于将燃料导入对应的燃烧室24的内部并点燃燃料/空气混合物。燃烧器36包括引燃燃烧器37,这种引燃燃烧器37详细显示于图3中。引燃燃烧器37包括燃料进口38,用于将燃料引入引燃燃烧器37。燃料随后被导至引燃燃烧器37的燃烧器端面40或燃烧器顶端。进一步的,每个引燃燃烧器37包含具有所谓燃烧器顶端热电偶形式的第二温度传感器42,该第二温度传感器布置成测量燃烧器端面40处的温度。由第一温度传感器30a和第二温度传感器42所测量的随时间的温度由评价装置44计算。作为计算的结果,其判定是否发生局部火焰中断(即燃烧室24子集中火焰中断)。计算程序将稍后描述。但是,需要注意的是,热电偶不是必须位于引燃燃烧器中。也有可能在燃烧器36中的其他位置处测量燃烧器中的温度,特别是在燃烧器顶端中。
图2显示了依照本发明的燃气轮机发动机10的第二实施方式,该燃气轮机发动机具有所谓双轴发动机的形式。根据图2的燃气轮机发动机10不同于图1所示的发动机10之处在于,包含在燃气轮机发动机中的两个在机械上独立的转子轴46和48替代了图1的单转子轴12。图1的动力涡轮16在图2的实施方式中被分为高压涡轮50和低压涡轮52。
高压涡轮50和压缩机14一样附接至第一转子轴46。低压涡轮52安装在第二转子轴48上。气体导管34包含中间导管54,用于将推进气体18从高压涡轮50导向低压涡轮52。取代图1中第一温度传感器30a布置在动力涡轮出口28处,在图2中第一温度传感器30b布置在发动机10的中间导管54中的不同的探测点32b处。第二温度传感器42的布置与图1的实施方式 相同,位于引燃燃烧器37的相应燃烧器端面40处。此外,图2的燃气轮机发动机10包含评价装置44,用于评价第一温度测量值和第二温度测量值,以便决定局部火焰中断是否已发生。
依照图1和图2的评价装置44适于执行下述评价程序:
分别从第一温度传感器30a和30b读出第一温度T11,t(i=1,2,...,n),其中,n分别为第一温度传感器30a和30b的数目,t为当前时间步长。
凭该第一温度计算平均温度:
凭该平均温度计算标准偏差:
作为下一步,使用数值微分法计算标准偏差的变化率-AS1t’=d(S1t)/dt:
其中,t为当前时间步长,(t-Δt)为先前时间步长,而Δt为取样周期。
接着,作为标准偏差的平滑变化率的第一检测参数D1按照下列公式计算:
D1=ES1t’=w1*AS1t’+d1*ES1t-Δt’, (6)
其中,ES1t’分别为当前时间步长下在不同探测点32a和32b处的第一温度测量值之间的标准偏差的变化率的估计值,AS1t’为当前时间步长下标准偏差的实际值,ES1t-Δt’为先前时间步长下标准偏差的估计值,w1为权重因子,d1=(1-w1)为阻尼因子。
接下来,将D1与阈值进行比较。
接着,从第二温度传感器42读出第二温度-T2j,t,(j=1,2,...,m),其中, m为第二温度传感器42的数目,t为当前时间步长。
使用下列的数值微分法计算第二温度变化率-d(T2j,t)/dt:
其中,t为当前时间步长,(t-Δt)为先前时间步长,而Δt为取样周期。
接下来,计算第二温度的相应平滑变化率:
ET2j,t’=w2*AT2j,t’+d2*ET2j,t-Δt’ (8)
其中:
ET2t’分别为当前时间步长的一阶导数的估计值,AT2t’为当前时间步长的一阶导数的实际值,ET2t-Δt’为先前时间步长的一阶导数的估计值,w2为权重因子,d2=(1-w2)为阻尼因子。
接着,计算第二温度的平滑一阶导数的平均数:
接下来,计算作为第二检测参数D2的标准偏差:
接着,将D2与相应的阈值进行比较。
在监测期间,如果预定数目的连续取样的D1超过阈值且预定数目的连续取样的D2也超过阈值,则表明局部火焰中断。因此,仅当D1和D2均超过它们阈值时,才会检测到局部火焰中断。该方法是基于燃烧室对于第一温度传感器的相关影响。由于气体导管温度场的“模式”具有特殊参数-所有第一温度的标准偏差的原因,使用这种检测方法可忽略不同运行条件下的漩涡效应-燃烧室分别对第一温度传感器30a和30b影响的差异分布。
由于第一和第二温度的暂时偏差的原因,位于燃烧器顶端上的单独 第二温度传感器42和分别位于气体导管中的第一温度传感器30a和30b可能引起火焰稳定器熄火的错误检测结果,例如在火焰突然灭了(pop-out)的情形下。为了防止这种错误检测结果,应用表决方法,即标准要求两种信号D1和D2均超过其预定阈值,如此检测方法提供非常可靠(robust)的局部火焰中断检测。有利地在检测标准中引入延迟以在突然采集D1和D2信号的情形下阻止检测错误,这种检测错误可能是由温度传感器测量误差引起的。
Claims (8)
1.一种检测燃气轮机发动机(10)中局部火焰中断的方法,该燃气轮机发动机具有引导推进气体(18)的气体导管(34)和多个燃烧室(24),每个燃烧室(24)均通向所述气体导管(34)并包括燃烧器(36),所述方法包括步骤:
测量至少两个探测点(32a;32b)的每一个处的随时间的第一温度,该至少两个探测点在所述气体导管(34)中位于所述燃烧室(24)下游,
测量至少两个所述燃烧器(36)的每一个中的随时间的第二温度,以及
根据所述第一温度的测量值和所述第二温度的测量值,检测局部火焰中断,
其中,局部火焰中断的所述检测包括确定第一检测参数的步骤,所述第一检测参数根据不同探测点(32a;32b)处的所述第一温度的测量值之间的变化量的变化率确定。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:局部火焰中断的所述检测包括确定第二检测参数的步骤,根据不同燃烧器(36)中的所述第二温度的测量值的变化率之间的变化量确定所述第二检测参数。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:将所述第一检测参数与第一阈值进行比较,将所述第二检测参数与第二阈值进行比较,如果两个所述检测参数均超过各自的阈值,则表明局部火焰中断。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:对于相应检测参数的预定数目的连续取样,仅当两个所述检测参数均超过相应阈值时,才表明局部火焰中断。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在面对相应燃烧室(24)的各自燃烧器(36)的顶端(40)处测量所述第二温度。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述燃气轮机发动机(10)进一步包括由所述推进气体(18)驱动的动力涡轮(16),该动力涡轮后接有排气导管(26),测量第一温度的所述至少两个探测点(32)位于所述动力涡轮(16)至所述排气导管(26)的出口(28)的区域内。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述燃气轮机发动机(10)包括高压涡轮(50)和低压涡轮(52),每个涡轮均由所述推进气体(18)驱动,所述燃气轮机发动机(10)也包括将所述推进气体(18)从所述高压涡轮(50)导向所述低压涡轮(52)的中间导管(54),用于测量所述第一温度的所述至少两个探测点(32a;32b)位于所述中间导管中。
8.一种燃气轮机发动机,所述燃气轮机发动机(10)具有引导推进气体(18)的气体导管(34)和多个燃烧室(24),每个燃烧室(24)通向所述气体导管(34)并包含燃烧器(36),其中,所述气体导管(34)包含位于所述燃烧室(24)下游的至少两个探测点(32a;32b)的每一个处的第一温度传感器(30a;30b),每个温度传感器(30)适于测量随时间的第一温度,其特征在于:至少两个所述燃烧器(36)的每一个包含第二温度传感器(42),用于测量随时间的第二温度,所述燃气轮机发动机(10)进一步包括评价装置(44),用于根据所述第一温度的测量值和所述第二温度的测量值检测局部火焰中断,所述燃气轮机发动机(10)构造成执行根据前述权利要求任一项所述的方法。
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