CN101915167A - 用于发电的陆上简单循环pdc混合式发动机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于发电的陆上简单循环PDC混合式发动机的控制系统。一种基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机控制系统包括由算法软件引导的可编程控制器，以响应相应的低压涡轮(LPT)轴速度信号或者功率差信号(该功率差信号基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机产出的实际功率之间的差值)，并且还响应PDC的燃料填充时间信号，来控制基于PDC的混合式发动机的旋转轴速度、PDC的进气阀旋转速度及PDC的燃料填充时间段，使得所需的燃料填充分数和化学计量比得以保持，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

Description

用于发电的陆上简单循环PDC混合式发动机的控制系统

技术领域

本发明大体涉及脉冲爆震发动机，并且更详细地讲，涉及包括用于控制启动、停机及由基于脉冲爆震燃烧器的混合式发动机产生的逐渐升高/逐渐降低(ramp up/down)的功率的控制系统和方法的、用于发电的基于地面的简单循环的脉冲爆震燃烧(PDC)发动机。

背景技术

脉冲爆震燃烧器通过燃烧气体(通常为空气)和碳氢燃料的混合物产生高压及高温的爆震波。爆震波作为脉冲离开脉冲爆震燃烧器管道，由此提供推力。

随着脉冲爆震燃烧器(PDC)和脉冲爆震发动机(PDE)最近的发展，正在进行各种努力，以便在诸如在航空发动机的实际应用场合中使用PDC/PDE，和/或诸如在基于地面的发电系统中作为产生附加推力/推进力的手段来使用PDC/PDE。另外，人们还努力将PDC/PDE设备应用到“混合”型发动机中，该“混合”型发动机使用常规的燃气涡轮发动机技术和PDC/PDE技术两者的组合，以努力使运行效率最大化。以下讨论将涉及这些应用中的任一种。注意到，以下讨论将涉及“脉冲爆震燃烧器”(即PDC)。但是，该术语的使用意图包括脉冲爆震发动机等等。

认识到爆震引发可能不能在低压及低温的燃烧器入口条件下在所关注的燃料-空气混合物中实现，所以以下这一点将是有利的，即提供一种机构，以用于使由基于PDC的混合式发动机产出的功率逐渐升高，直到燃烧器入口压力和温度使得能够实现燃料-空气混合物的爆震引发。

发明内容

简而言之，根据本发明的一个实施例，基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机控制系统包括可编程控制器，该可编程控制器由算法软件引导，以响应功率差信号(该功率差信号基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机产出的实际功率之间的差值)，并且还响应关于PDC的燃料填充时间信号，来控制基于PDC的混合式发动机的旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数(fraction)和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

根据本发明的另一个实施例，基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机控制系统包括可编程控制器，该可编程控制器由算法软件引导，以响应相应的低压涡轮(LPT)轴速度，并且还响应关于PDC的燃料填充时间信号，来控制基于PDC的混合式发动机的旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

根据本发明的又一个实施例，基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机包括：涡轮和压缩机，该涡轮和压缩机一起构造成具有公共的旋转轴的单转子发动机；PDC，该PDC包括构造成在涡轮上提供时间上均匀的载荷平衡和空间上均匀的载荷平衡的多个多管道脉冲放电燃烧器；控制系统，该控制系统包括可编程控制器，该可编程控制器由算法软件引导，以响应功率差信号(该功率差信号基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机产出的实际功率之间的差值)，并且还响应关于PDC的燃料填充时间信号，来控制旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

根据本发明的又一个实施例，基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机包括：涡轮和压缩机，该涡轮和压缩机一起构造成具有公共的旋转轴的单转子发动机；PDC，该PDC包括构造成在涡轮上提供时间上均匀的载荷平衡和空间上均匀的载荷平衡的多个多管道脉冲放电燃烧器；控制系统，该控制系统包括可编程控制器，该可编程控制器由算法软件引导，以响应相应的低压涡轮(LPT)轴速度，并且还响应关于PDC的燃料填充时间信号，来控制旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

根据本发明的又一个实施例，一种控制基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机的方法包括：基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机产出的实际功率之间的差值产生功率差信号；产生关于PDC的燃料填充时间信号；以及响应功率差信号和关于PDC的燃料填充时间信号，控制基于PDC的混合式发动机的旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

根据本发明的又一个实施例，一种控制基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机的方法包括：产生用于基于PDC的混合式发动机的相应的低压涡轮(LPT)轴速度信号；产生关于PDC的燃料填充时间信号；以及响应相应的LPT轴速度信号和关于PDC的燃料填充时间信号，控制基于PDC的混合式发动机的旋转轴速度、关于PDC的进气阀旋转速度，以及关于PDC的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和有利之处，在全部附图中，相同的符号代表相同的零件，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的简化系统框图，其显示了用于发电的陆上(land-based)的简单循环的基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机；

图2是根据本发明的一个实施例的在图1中描绘的PDC的截面轴向视图；

图3是根据本发明的一个实施例的显示控制系统的视图，该控制系统用于在启动、停机期间控制图1中所描绘的基于PDC的混合式发动机，并用于控制由混合式发动机产出的功率的逐渐升高及逐渐降低；

图4是显示基于PDC的混合式发动机运行阶段的视图，该基于PDC的混合式发动机运行由图3中所描绘的控制系统来控制；以及

图5是根据本发明的一个实施例的、显示了控制基于PDC的混合式发动机的方法的流程图。

尽管以上标明的视图阐明了备选的实施例，但是，如在讨论中所说明的，还可以想到本发明的其它实施例。在所有情况下，该公开内容通过陈述而不是限制来提出本发明的所显示的实施例。本领域的技术人员可设计出落在本发明原理的范围和精神内的许多其它变更和实施例。部件清单：(10)陆上的简单循环的基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机(12)压缩机(13)气室(14)PDC(18)进气阀(19)PDC管道延长部分(20)燃料进入阀(21)高压涡轮(HPT)(22)PDC集束(23)气室(24)PDC集束管道(26)爆燃燃烧器管道(27)低压涡轮(LPT)(28)高压涡轮入口(30)基于PDC的混合式发动机控制系统(32)可编程控制器(37)气体喷嘴(38)加速阶段(40)减速阶段(42)燃料传感器(44)火花点火装置(50)关于控制基于PDC的混合式发动机的方法的流程图(52)流程图(50)中所描绘的第一步骤54)流程图(50)中所描绘的第二步骤(56)流程图(50)中所描绘的最终步骤

具体实施方式

增大或减小从常规的燃气涡轮发动机输送的功率，可简单地通过调节发动机旋转速度和质量流率，并随着相应的增大或减小的发动机旋转速度来增加或减少燃料的量来实现，以获得所需的输出功率。然而，与常规的燃气涡轮发动机所要求的相比，基于PDC的混合式发动机要求控制更多的操作变量，以引起所产生的发动机功率的所需的增大或减少。

增大或减小从基于PDC的发动机输送的功率仍然需要增大或减小发动机旋转速度。另外，基于PDC的发动机要求调节PDC操作的频率，以便为相应的增大或减小的输出功率做准备。一个实例为以如下方式操作PDC：每秒钟10次脉冲以达到10％的发动机输出功率，每秒钟50次脉冲以达到50％的发动机输出功率，每秒钟100次脉冲以达到100％的发动机输出功率，等等。当然，PDC脉冲速率将取决于许多因素，包括(例如)基于PDC的混合式发动机的类型和大小，并且可(例如)基于实际的试验数据或历史数据来探试性地确定。

根据在以下进一步详细描述的特定的实施例，PDC脉冲速率通过以下方式来实现：即响应功率差信号(该功率差信号基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机产出的实际功率之间的差值)，并且还响应关于PDC的燃料填充时间信号，来调节关于PDC的进气阀打开时间段及关于PDC的燃料填充时间段，使得所需的燃料填充分数和化学计量比得以保持，并且还使得当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机的质量空气流率与经由PDC吸入的质量空气流率相匹配。

图5是根据本发明的一个实施例显示了控制基于PDC的混合式发动机的方法的流程图。首先，如在框52中所显示的，测量基于PDC的混合式发动机输出功率。然后，如在框54中所显示的，产生基于所测得的发动机输出功率与所需的发动机输出功率的功率差信号。最后，如在框56中所显示的，响应功率差信号来调节基于PDC的混合式发动机的旋转速度、进气阀打开时间段以及基于燃料填充时间信号的关于PDC的燃料填充时间段，以便1)实现所需的燃料分数和化学计量比，以及2)当基于PDC的混合式发动机在加速模式或减速模式中运行时，使来自相应的空气压缩机的质量流率与由PDC吸入的质量流率相匹配。

本文参照附图所描述的实施例基于以下假设：i.混合式发动机具有几个集束(bundle)；并且各集束为包括至少4个管道的多管道的PDC。集束的数目选择成使得涡轮上的载荷平衡在时间上是均匀的。管道的数目选择成使得涡轮上的载荷平衡在空间上是均匀的。ii.各PDC包括经阀调节的(valved)空气流和经阀调节的燃料流。加燃料的时间可不依赖于空气阀旋转速度来衡量。iii.涡轮和压缩机安装在同一根轴上(单转子)。iv.在涡轮上给定的载荷下，阀旋转速度在方位方向上均匀并且连续。v.PDC管道彻底吹扫。没有残余的燃烧产物保留在PDC管道中。吹扫分数+已加燃料分数＝1.0。vi.填充马赫数～0.3(使填充损失降低到最低程度)，并且由在给定的频率及燃烧器入口条件下可用的填充时间确定。vii.准爆震(爆震+高速爆燃)。本领域的技术人员将易于认识到，上述假设可能适用或者可能不适用根据本文所述的新颖原理而构造及运行的其它发电的发动机实施例。

图1是根据本发明的一个实施例的简化系统框图，其显示了用于发电的陆上的简单循环的基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机10。压缩机12产生压缩空气，并经由气室13将压缩空气供应给PDC14。通过相应的进气阀18控制压缩空气到PDC集束管道24的供应，该进气阀18可以是例如旋转型阀。从进气阀18下游供应给各PDC集束管道24的燃料通过相应的燃料进入阀20来控制。所产生的空气/燃料混合物穿过PDC集束22(在图2中进一步详细地进行了描述)，并经过相应的气体喷嘴37离开而进入PDC管道延长部分19，该PDC管道延长部分19构造成经由涡轮入口28将所产生的空气/燃料混合物传输给高压涡轮21。然后，离开高压涡轮的所产生的空气/燃料混合物经由气室23传输给低压涡轮27。来自压缩机12的压缩空气也经由爆燃燃烧器管道26传输给高压涡轮入口28。

图2是根据本发明的一个实施例在图1中所描绘的PDC燃烧器14的截面轴向视图。可以看出，PDC燃烧器14包括四个集束22，各集束22具有四个PDC管道24和单个爆燃燃烧器管道26。各集束22将燃料/空气混合物输送到相应的涡轮入口28。PDC管道24布置成圆形的方式，以便在PDC14点火期间在高压涡轮上提供平衡的载荷。

图3是根据本发明的一个实施例显示控制系统30的视图，该控制系统30用于在启动和停机期间控制图1中所描绘的基于PDC的混合式发动机10，并用于控制由该混合式发动机产出的功率的逐渐升高及逐渐降低。控制器32配置成以便控制包括压缩机12、PDC14和涡轮21，27的涡轮机的速度。控制器32还配置成以便控制进气阀18的旋转速度，并通过燃料进入阀20控制燃料填充时间。控制器32由算法软件引导，该算法软件响应固定的设定值和感测变量来确定所需的涡轮机速度、进气阀旋转速度和燃料填充时间。

由算法软件使用的固定的设定值可包括(不限制)所需的输出功率(作为额定的基于PDC的混合式发动机功率的百分比)、燃料填充分数、燃料吹扫分数和化学计量比。由算法软件所使用的感测变量可包括(不限制)燃料填充长度、燃料供应压力、燃料流率和所产生的功率。

通过使用发电发动机领域的技术人员熟知的一种或多种控制极限技术，可确定及控制由基于PDC的混合式发动机产生的功率。这些控制极限可包括(不限制)速度极限、压力极限、温度极限和/或质量流量极限。为了简明起见，并且为了提高关于本文所描述的原理的清楚程度，这些已知的控制极限技术的进一步细节不在本文中进行讨论。

图4是显示基于PDC的混合式发动机运行的加速和减速阶段38，40的视图，该基于PDC的混合式发动机运行由图3中所描绘的控制器32控制。在加速模式38中，涡轮机速度N逐渐升高至对应于额定功率条件的所需百分比的速度。该动作使通过系统的质量流率(～N)提高至对应于额定功率条件的所需百分比的质量流率。

在减速模式40期间，根据本发明的一方面比例为N³的涡轮机速度N逐渐降低至对应于额定功率条件的所需百分比的速度。该动作使通过系统的质量流率(～N)降低至对应于额定功率条件的所需百分比的质量流率。

算法软件使用以下根据特定的实施例由等式1-15代表的关系式来引导控制器32，以控制涡轮机速度N、进气阀18的旋转速度θ_valve和燃料进入阀20的燃料填充时间t_ff。燃料填充时间t_ff通过保持燃料填充分数的燃料传感器42来确定。吹扫时间t_purge也是已知的，因为燃料填充时间t_ff固定。备选地，V_fill可使用由以下等式(3)，(7)，(8)和(14)限定的关系式来确定，从而允许燃料填充时间t_ff也使用由以下等式(13)代表的关系式确定。W_net＝f(ff，φ，cr)                        (1) $\stackrel{o}{m}=f\left(N\right)=f\left(\mathrm{cr}\right)=f\left(f\right)---\left(2\right)$ $\mathrm{cr}=\frac{P_3}{P_1}=f\left(N\right)=f\left(f\right)---\left(3\right)$ $\mathrm{pf}+\mathrm{ff}=1;\mathrm{pf}=\frac{t_{\mathrm{purge}}}{t_{\mathrm{purge}}+t_{\mathrm{ff}}}---\left(4\right)$ ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{valve}}^o=f\left(f\right)=f\left(\mathrm{cr}\right)=f\left(N\right)---\left(5\right)$ $\stackrel{o}{m}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fill}}{A}_t{V}_{\mathrm{fill}}=\frac{P_3}{P_1}{\mathrm{RT}}_3{A}_t{V}_{\mathrm{fill}}---\left(6\right)$ V_fill＝M_fillγRT₃                                                    (7)M_fill＝0.3                                                           (8) $t_{\mathrm{cycle}}=\frac{1}{f}---\left(9\right)$ t_cycle＝t_VO+t_DIP+t_BD                                                 (10)t_VO＝t_purge+t_ff                                                      (11)t_DIP＝t_DI+t_DP                                                        (12) $t_{\mathrm{ff}}=\frac{L_{\mathrm{tube}}}{V_{\mathrm{fill}}}---\left(13\right)$ γ＝f(T，[conc])                                                     (14)Cp＝f(T，[conc ])                                                    (15)

相对于参考时间，当PDC燃烧室内的静压力等于或小于上游的总压力时的时间在等式(11)中表示为t_VO，其中参考时间是阀18关闭、并且当火花通过火花点火装置44引燃时的时间。比例t_VO/t_cycle固定，并且t_cycle～f～θ_valve。因此，对于给定功率水平，由以上等式(3)，(9)，(10)和(11)可以看出，t_VO作为涡轮机速度N的函数而按比例变化(scale)。

总结起来说，基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机包括控制系统30，该控制系统30包括可编程控制器32，该可编程控制器32由算法软件引导，以响应功率差信号(该功率差信号基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机10产出的实际功率之间的差值)，并且还响应关于PDC14的燃料填充时间信号，来控制基于PDC的混合式发动机10的旋转轴速度、关于PDC14的进气阀18打开时间段，以及关于PDC14的燃料填充时间段，使得所需的燃料填充分数和化学计量比得以保持，并且还使得当基于PDC的混合式发动机10在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机12的质量空气流率与经由PDC14吸入的质量空气流率相匹配。

在加速阶段38期间，随着产生的功率逐渐升高至额定功率值的指定百分比时，控制变量(包括涡轮机的速度N、进气阀18旋转速度θ_valve以及燃料填充时间t_ff)逐渐升高。控制这些变量的作用在于使来自压缩机12的质量流率与可通过PDC14吸入的质量流率相匹配，其中来自压缩机12的质量流率直接随着压缩机的速度N变化。这一点通过改变相应的进气阀18和燃料进入阀的开关频率θ_valve，t_ff来实现。

使用本文所描述的系统和方法，基于PDC的混合式发动机功率可以以离散的间隔(其可以是例如10％的间隔)逐渐升高或降低，一直到100％的功率条件。升高通过以下方式实现，即随着燃烧器入口压力和温度上升，从爆燃模式开始，直到脉冲爆震操作可行。降低通过以下方式实现，即随着燃烧器入口压力和温度下降，从脉冲爆燃模式开始，直到仅仅爆燃模式可行。

尽管本文仅显示并描述了本发明的某些特征，但是，本领域的技术人员将想到许多变更和变化。因此，应当理解，所附的权利要求旨在涵盖落在本发明的真正精神内的所有这样的变更和变化。

Claims (10)

1.一种基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机控制系统(30)，所述控制系统(30)包括可编程控制器(32)，所述可编程控制器(32)由算法软件(50)引导，以响应基于所需的功率与由基于PDC的混合式发动机(10)产出的实际功率之间的差的功率差信号，并且还响应关于所述PDC(14)的燃料填充时间信号，来控制所述基于PDC的混合式发动机(10)的旋转轴速度、关于所述PDC(14)的进气阀(18)旋转速度以及关于所述PDC(14)的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当所述基于PDC的混合式发动机(10)在加速模式或减速模式中运行时，来自空气压缩机(12)的质量空气流率与经由所述PDC(14)吸入的质量空气流率相匹配。

2.根据权利要求1所述的基于PDC的混合式发动机控制系统(30)，其特征在于，所述基于PDC的混合式发动机(10)包括构造成在相应的涡轮(21)上提供时间上均匀的载荷平衡和空间上均匀的载荷平衡的多个多管道脉冲放电燃烧器(14)。

3.根据权利要求1所述的基于PDC的混合式发动机控制系统(30)，其特征在于，所述燃料填充时间段不依赖于所述进气阀(18)旋转速度。

4.根据权利要求1所述的基于PDC的混合式发动机控制系统(30)，其特征在于，在相应的涡轮(21)上给定的载荷下，所述进气阀(18)旋转速度在方位方向上均匀并且连续。

5.根据权利要求1所述的基于PDC的混合式发动机控制系统(30)，其特征在于，所述可编程控制器(32)进一步由算法软件(50)引导，以响应PDC燃料进入阀(20)的关闭来控制火花的点火。

6.一种基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机(10)，包括：

涡轮(21)和压缩机(12)，所述涡轮(21)和压缩机(12)一起构造成具有公共旋转轴的单转子发动机；

PDC(14)，所述PDC(14)包括构造成在所述涡轮(21)上提供时间上均匀的载荷平衡和空间上均匀的载荷平衡的多个多管道脉冲放电燃烧器；以及

控制系统(30)，所述控制系统(30)包括可编程控制器(32)，所述可编程控制器(32)由算法软件(50)引导，以响应基于所需的功率与由所述基于PDC的混合式发动机(10)产出的实际功率之间的差的功率差信号，并且还响应关于所述PDC(14)的燃料填充时间信号，来控制所述旋转轴速度、关于所述PDC(14)的进气阀(18)旋转速度以及关于所述PDC(14)的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当所述基于PDC的混合式发动机(10)在加速模式(38)或减速模式(40)下运行时，来自空气压缩机(12)的质量空气流率与经由所述PDC(14)吸入的质量空气流率相匹配。

7.根据权利要求6所述的基于PDC的混合式发动机(10)，其特征在于，所述燃料填充时间段不依赖于所述进气阀(18)旋转速度。

8.根据权利要求6所述的基于PDC的混合式发动机(10)，其特征在于，在相应的涡轮(21)上给定的载荷下，所述进气阀(18)旋转速度在方位方向上均匀并且连续。

9.一种基于脉冲爆震燃烧器(PDC)的混合式发动机(10)，包括：

涡轮(21)和压缩机(12)，所述涡轮(21)和压缩机(12)一起构造成具有公共旋转轴的单转子发动机；

PDC(14)，所述PDC(14)包括构造成在所述涡轮(21)上提供时间上均匀的载荷平衡和空间上均匀的载荷平衡的多个多管道脉冲放电燃烧器(22)；以及

控制系统(30)，所述控制系统(30)包括可编程控制器(32)，所述可编程控制器(32)由算法软件(50)引导，以响应相应的低压涡轮(LPT)(27)轴速度，并且还响应关于所述PDC(14)的燃料填充时间信号，来控制所述旋转轴速度、关于所述PDC(14)的进气阀(18)旋转速度，以及关于所述PDC(14)的燃料填充时间段，使得保持了所需的燃料填充分数和化学计量比，并且还使得当所述基于PDC的混合式发动机(10)在加速模式(38)或减速模式(40)下运行时，来自空气压缩机(12)的质量空气流率与经由所述PDC(14)吸入的质量空气流率相匹配。

10.根据权利要求9所述的基于PDC的混合式发动机(10)，其特征在于，所述燃料填充时间段不依赖于所述进气阀(18)旋转速度。

Images