CN101876451A - 用于控制燃烧动态性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制燃烧动态性的系统和方法。公开了一种用于控制燃烧室(12)中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统(22)。控制系统包括具有入口部分(26)、第一转向部分(28)、第二转向部分(30)和出口部分(34)的燃料供应路径(24)。第一转向部分具有第一长度和第一直径。第二转向部分具有第二长度和第二直径，且与第一转向部分隔开。第一转向部分和第二转向部分在汇合位置(32)处汇聚。出口部分联接到第一转向部分和第二转向部分的汇合位置上。至少一个流动调节装置(36，38，44)联接到入口部分上，且构造成以便将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分，以在汇合位置处产生燃料流扰动。

Description

用于控制燃烧动态性的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及控制燃烧室中的燃烧动态性(combustiondynamics)，且更具体地讲，涉及用于控制燃烧室中的燃烧动态性的故障安全的和可调的系统和方法。
背景技术
诸如燃气轮机的旋转式发动机从燃烧气体流中提取能量。燃气轮机通常包括通过燃烧室联接到下游涡轮上的压缩机。通过在燃烧室中燃烧空气和燃料的混合物来产生燃烧气体。燃烧会使气体流的温度、速度和体积升高。燃烧气体通过喷嘴被引导在涡轮的叶片上，从而使涡轮旋转，且对压缩机供以动力。
贫(燃料)预混合燃烧(LPC)目前是用于大大降低排放、同时保持燃气轮机燃烧室的高效率的最有前途的概念中的一种。这种燃烧模式用过量空气来操作，以将燃烧室中的火焰温度降低到通常小于1800开氏温度的可接受的水平。在这些火焰温度处，实质上消除了热NOx(氮的氧化物)的产生；即时NOx的产生是可以忽略的。这种本质好处可被几个潜在的缺点抵销。LPC系统可能在火焰稳定性、噪声方面具有问题，且可呈现系统动态响应(燃烧不稳定性)。
燃烧动态性(或不稳定性)是贫(燃料)预混合燃烧系统遇到的众所周知的问题，这个问题会导致操作限制，且甚至会导致潜在的硬件停工期。燃料-空气比率的波动可在操纵燃烧动态性方面起很重要的作用。主要可存在两种控制燃烧动态性的方法。第一种方法可为例如通过使用燃料流波动以操纵稳定性来控制发生机构本身。第二种方法可为例如通过在燃烧室内部使用共振器以抑制燃烧动态性来抑制所产生的动态性。至今为止用以获得燃料流波动的方法是或者使用高频机械调制阀或者使用射流振荡器。使用调制阀或射流振荡器有缺陷，即调制阀或射流振荡器的故障可导致到燃气轮机的燃料供应中断，从而造成停机。不能控制射流振荡器的特性响应频率和幅度。
期望的是具有用于控制燃烧室中的燃烧动态性的故障安全和可调的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，公开了一种用于控制燃烧室中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统。该控制系统包括具有入口部分、第一转向部分、第二转向部分和出口部分的燃料供应路径。第一转向部分具有第一长度和第一直径。第二转向部分具有第二长度和第二直径，且与第一转向部分隔开。第一转向部分和第二转向部分在汇合位置处汇聚。出口部分联接到第一转向部分和第二转向部分的汇合位置上。至少一个流动调节装置联接到入口部分上，且构造成以便将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分，以在汇合位置处产生燃料流扰动。
根据本发明的另一个示例性实施例，公开了一种用于控制燃烧室中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统。基于与燃料供应路径和流动调节装置有关的多个参数来控制燃料流扰动的频率和幅度。
根据本发明的又一个示例性实施例，公开了一种用于控制燃烧室中的燃烧动态性的方法。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在附图中，相同字符在所有图中表示相同部件，其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的具有燃烧室的燃气轮机的图示；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的、用于控制燃烧室中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统的图示；
图3是根据本发明的一个示例性实施例的、用于控制燃烧室中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统的图示；以及
图4是示出了根据本发明的一个示例性实施例的、控制燃烧室中的燃烧动态性所涉及的示例性步骤的流程图。
部件列表
10燃气轮机
11压缩空气
12燃烧室
13出口气体流
14压缩机
16涡轮
18轴
20燃烧室壳体
22可调的流体流动控制系统
24燃料供应路径
26燃料入口部分
27燃料流
28第一转向部分
30第二转向部分
32汇合位置
34燃料出口部分
36流动调节装置
38流动调节装置
40第一控制流体流
42第二控制流体流
44流动调节装置
46往复式部件
48通道
50一个端部部分
52另一个端部部分
54将燃料供给到燃料供应路径的入口部分的步骤
56控制第一控制流体流和第二控制流体流交替地流动到入口部分的步骤
58将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分的步骤
60在燃料供应路径的汇合位置和出口部分处产生燃料流扰动的步骤
62控制所产生的燃料流扰动的频率和幅度的步骤
具体实施方式
如在下面详细论述，本发明的某些实施例公开了用于控制燃烧室中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统。该控制系统包括具有入口部分、第一转向部分、第二转向部分和出口部分的燃料供应路径。第一转向部分具有第一长度和第一直径，其从入口部分延伸。第二转向部分具有第二长度和第二直径，其从入口部分延伸且与第一转向部分隔开。第二转向部分和第一转向部分在汇合位置处汇聚。出口部分联接到第一部分和第二部分的汇合位置上。至少一个流动调节装置联接到入口部分上，且构造成以便将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分，以在汇合位置和出口部分处产生燃料流扰动。示例性流体流动控制系统是构造成以便产生燃料流扰动且控制燃烧室内的燃烧动态性的故障安全的射流振荡器。没有在燃料供应路径中提供机械构件。使用射流技术来在燃料供应路径中产生燃料流波动。燃料供应路径以双重稳定阀或PAFS(优先不对称射流开关(PreferentialAsymmetric Fluidic Switch))的原理来操作，以将燃料流交替地转向到具有不同面积和长度的两个不同通路，以产生燃料流扰动并且控制燃烧动态性。
现在转到附图，且首先参看图1，示出了具有低排放燃烧室12的燃气轮机10。燃气轮机10包括构造成以便压缩环境空气的压缩机14。燃烧室12与压缩机14流动连通，且构造成以便接收来自压缩机14的压缩空气11，并且燃烧燃料流，以产生燃烧室出口气体流13。在某些实施例中，燃料可包括烃、天然气，或高氢气体，或氢气，或生物气，或一氧化碳，或随同其具有预定量的稀释剂的合成气。在一些实施例中，燃料可包括液体燃料。在一个实施例中，燃烧室12包括管式燃烧室。在一个备选实施例中，燃烧室12包括环管式燃烧室或全环式燃烧室。另外，燃气轮机10包括位于燃烧室12的下游的涡轮16。涡轮16构造成以便使燃烧室出口气体流13膨胀，以驱动外部负载。在所示实施例中，压缩机14通过轴18由涡轮16产生的动力驱动。在所示实施例中，燃烧室12包括限定了燃烧区域的燃烧室壳体20。此处应当注意，燃气轮机10的构造可取决于应用而不同。
参看图2，公开了用于控制燃烧室12中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统22。在所示实施例中，系统22包括构造成以便将燃料供应到燃烧室12的燃料供应路径24。燃料供应路径24包括燃料入口部分26，燃料流27通过燃料入口部分26进入该燃料供应路径24。燃料供应路径24从入口部分26分叉为第一转向部分28和第二转向部分30。第一转向部分28与第二转向部分30隔开。在所示实施例中，第一转向部分28具有第一长度(L1)和第一直径(D1)。第二转向部分30具有第二长度(L2)和第二直径(D2)。在一个实施例中，第一长度(L1)可大于第二长度(L2)。在另一个实施例中，第一长度(L1)可小于第二长度(L2)。类似地，取决于应用，第一直径(D1)可大于或小于第二直径(D2)。第一转向部分28和第二转向部分30在下游汇合位置32处汇聚。燃料出口部分34从汇合位置32延伸到燃烧室12，且构造成以便将燃料流引导到燃烧室。
如之前所论述，燃烧动态性(或不稳定性)是贫(燃料)预混合燃烧系统遇到的众所周知的问题，其会导致操作限制，且甚至会导致潜在的硬件停工期。燃料-空气比率的波动可在操纵燃烧动态性方面起很重要的作用。至今为止用以获得燃料流波动的传统方法是在燃料供应路径中或者使用高频机械调制阀或者使用射流振荡器。使用调制阀或射流振荡器有缺陷，即调制阀或射流振荡器的故障可导致到燃气轮机的燃料供应中断，从而造成停机。不能控制射流振荡器的特性响应频率和幅度。
在所示实施例中，两个流动调节装置36、38分别联接到燃料供应路径24的入口部分26的两侧上。在一个实施例中，流动调节装置36、38包括调制阀。一个流动调节装置36构造成以便控制第一控制流体流40流动到入口部分26中。另一个流动调节装置38构造成以便控制第二控制流体流42流动到入口部分26中。流动调节装置36、38构造成以便控制第一控制流体流40和第二控制流体流42交替地从彼此相反的方向流动到入口部分26，以将燃料流交替地转向到第一转向部分28和第二转向部分30。
使用一个控制流体流来将燃料流转向到一个转向部分，且使用另一个控制流体流来将燃料流转向到另一个转向部分。在所示实施例中，当第一流动调节装置36打开时，使用第一控制流体流40来将燃料流转向到第二转向部分30，而且当第二流动调节装置38打开时，使用第二控制流体流42来将燃料流转向到第一转向部分28。将燃料流交替地转向到第一转向部分28和第二转向部分30有利于在汇合位置32处和出口部分34处产生燃料流扰动。两个控制流体流40、42可由独立的高频调制阀36、38控制，或者可由一个换向阀控制。
此处应当注意，可基于与燃料供应路径24和流动调节装置36、38有关的多个参数来控制燃料流扰动的频率和幅度。在一个实施例中，基于流动调节装置36、38的操作频率来控制所产生的燃料流扰动的频率。在另一个实施例中，基于交替地转向到第一转向部分28和第二转向部分30的燃料量、第一长度(L1)、第一直径(D1)、第二长度(L2)、第二直径(D2)或它们的组合来控制所产生的燃料流扰动的幅度。
参看图3，公开了用于控制燃烧室12中的燃烧动态性的可调节的流体流动控制系统22。在所示实施例中，系统22包括构造成以便将燃料供应到燃烧室12的燃料供应路径24。燃料供应路径24的构造与之前的实施例中论述的一样。在所示实施例中，对燃料供应路径24的入口部分26提供流动调节装置44。此处应当注意，流动调节装置44是换向阀。流动调节装置44包括可动地设置在通道48中的往复式部件46。往复式部件46通过链结件联接到旋转式驱动部件(未显示)上。往复式部件46可在通道48内以这样的方式移动：即使得(可)控制第一控制流体流和第二控制流体流的流动，并且将燃料流交替地转向到第一转向部分28和第二转向部分30。换句话说，当往复式部件46朝一个端部部分50移动时，燃料流被转向到第二转向部分30，而当往复式部件46朝另一个端部部分52移动时，燃料流通过控制流体流被转向到第一转向部分28。将燃料流交替地转向到第一转向部分28和第二转向部分30有利于在汇合位置32处以及在出口部分34处产生燃料流扰动，从而导致对燃烧室12内的燃烧动态性的控制。
根据以上论述的实施例，没有在燃料供应路径内部提供机械构件，从而避免了设备意外停机的可能性。此示例性布置提供了故障安全的系统，该故障安全的系统的频率可由控制流的操作频率控制，且其幅度可由被转移过去的燃料或流体的量控制。
参看图4，公开了示出了涉及控制燃烧室内的燃烧动态性的示例性步骤的流程图。通过燃料入口部分将燃料流供给到燃料供应路径，如由步骤54所表示。控制第一控制流体流和第二控制流体流从彼此相反的方向到入口部分的交替流动，如由步骤56所表示。在一个实施例中，可使用独立的调制阀(流动调节装置)来控制第一控制流体流和第二控制流体流交替地流动到燃料供应路径的入口部分中。在另一个实施例中，可使用单个换向阀(流动调节装置)来控制第一控制流体流和第二控制流体流交替地流动到燃料供应路径的入口部分中。
控制第一控制流体流和第二控制流体流交替地从彼此相反的方向流到入口部分26，以将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分，如由步骤58所表示。使用一个控制流体流来将燃料流转向到一个转向部分，且使用另一个控制流体流来将燃料流转向到另一个转向部分。
将燃料流交替地转向到第一转向部分和第二转向部分有利于在汇合位置处以及在燃料供应路径的出口部分处产生燃料流扰动，如由步骤60所表示。示例性控制技术还包括基于与燃料供应路径和流动调节装置有关的多个参数来控制燃料流扰动的频率和幅度，如由步骤62所表示。在一个实施例中，基于流动调节装置的操作频率来控制所产生的燃料流扰动的频率。在另一个实施例中，基于交替地转向到第一转向部分和第二转向部分的燃料量、转向部分的长度、转向部分的直径或它们的组合来控制所产生的燃料流扰动的幅度。
虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特性，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，将理解的是所附的权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于控制燃烧室(12)中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统(22)，所述系统(22)包括：
燃料供应路径(24)，包括：
入口部分(26)；
从所述入口部分(26)延伸的具有第一长度和第一直径的第一转向部分(28)；
从所述入口部分(26)延伸且与所述第一转向部分(28)隔开的具有第二长度和第二直径的第二转向部分(30)；其中所述第二转向部分(30)和所述第一转向部分(28)在汇合位置(32)处汇聚；以及
联接到所述第一部分和第二部分(28，30)的所述汇合位置(32)上的出口部分(34)；以及
至少一个流动调节装置(36，38，44)，所述至少一个流动调节装置(36，38，44)联接到所述入口部分(26)上，且构造成以便将燃料流交替地转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)，以在所述汇合位置(32)处产生燃料流扰动。
2.根据权利要求1所述的控制系统(22)，其特征在于，所述至少一个流动调节装置(44)构造成以便控制第一控制流体流(40)和第二控制流体流(42)交替地从彼此相反的方向流到所述入口部分(26)，以将燃料流交替地转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)。
3.根据权利要求2所述的控制系统(22)，其特征在于，使用所述第一控制流体流(40)来将燃料流转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)之中的一个转向部分。
4.根据权利要求2所述的控制系统(22)，其特征在于，使用所述第二控制流体流(42)来将燃料流转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)之中的另一个转向部分。
5.根据权利要求2所述的控制系统(22)，其特征在于，所述流动调节装置包括调制阀。
6.根据权利要求1所述的控制系统(22)，其特征在于，所述流动调节装置(36，38，44)包括换向阀。
7.根据权利要求1所述的控制系统(22)，其特征在于，基于所述至少一个流动调节装置(36，38，44)的操作频率来控制所产生的燃料流扰动的频率。
8.根据权利要求1所述的控制系统(22)，其特征在于，基于交替地转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)的燃料量、第一长度、第一直径、第二长度、第二直径或它们的组合来控制所产生的燃料流扰动的幅度。
9.一种用于控制燃烧室(12)中的燃烧动态性的可调的流体流动控制系统(22)，所述系统(22)包括：
燃料供应路径(24)，包括：
入口部分(26)；
从所述入口部分(26)延伸的具有第一长度和第一直径的第一转向部分(28)；
从所述入口部分(26)延伸且与所述第一转向部分(28)隔开的具有第二长度和第二直径的第二转向部分(30)；其中所述第二转向部分(30)和所述第一转向部分(28)在汇合位置(32)处汇聚；以及
联接到所述第一部分和第二部分(28，30)的所述汇合位置(32)上的出口部分(34)；以及
至少一个流动调节装置(36，38，44)，所述至少一个流动调节装置(36，38，44)联接到所述入口部分(26)上，且构造成以便将燃料流交替地转向到所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)，以在所述汇合位置(32)处产生燃料流扰动；其中，基于与所述燃料供应路径(24)和所述流动调节装置(36，38，40)有关的多个参数来控制所述燃料流扰动的频率和幅度。
10.一种用于控制燃烧室(12)中的燃烧动态性的方法，所述方法包括：
将燃料供给到燃料供应路径(24)的入口部分(26)；
使用至少一个流动调节装置(36，38，44)将燃料流从所述入口部分(26)交替地转向到具有第一长度和第一直径的第一转向部分(28)以及具有第二长度和第二直径的第二转向部分(30)；以在所述第一转向部分和第二转向部分(28，30)的汇合位置(32)处产生燃料流扰动。
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