CN102144131B - 用于控制向双级喷嘴供给燃料的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于控制向燃气轮机的燃烧器（42）内的双级喷嘴（44）运送燃料的方法和系统（32）。液体燃料从单级燃料源通过多个主燃料供给管线（40）被传送到包括多个主喷嘴的第一喷嘴级。燃气轮机的预定工作条件被识别并且响应识别的工作条件产生信号。该信号实现位于从每个主燃料供给管线延伸的副燃料供给管线（50）上的阀（56）的致动，从而将燃料源到相应的副喷嘴。

Description

用于控制向双级喷嘴供给燃料的方法和系统

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机的领域，并且更具体地涉及将燃料源到双级喷嘴的燃料控制系统。

背景技术

燃气轮机是公知的并且用于各种应用。如图1所示，典型燃气涡轮发动机10包括压缩机12，其抽入环境空气14并将压缩空气16运送到燃烧器18。燃料源20将燃料22运送到燃烧器18，燃料在此与压缩空气相结合从而产生高温燃烧气体24。燃烧气体24膨胀通过涡轮机26从而产生轴马力来驱动压缩机12和诸如发电机28的负载。膨胀气体30被直接排入大气，或者在组合式循环设施中可以通过余热回收蒸汽发生器（未示出）被排入大气。

从燃料源20被供应到燃烧器18的燃料流将随发动机10的工作条件的变化（例如从点火到满载的工作范围内）而变化。例如，在用燃油加燃料的燃气轮机中，可以参考位于燃烧器18内的燃料喷嘴处的差值压力来控制流向燃烧器18的燃料流从而确保在发动机的整个工作范围期间产生适当的燃料雾化。

在公知的燃料运送构造中，在干式低NOx燃烧系统中的导向喷嘴包括双喷嘴结构，其包括限定一次级的主喷嘴和限定二次级的副喷嘴。在较低负载且低燃料流动速率的情况下，所有燃料通过一次级被喷射到燃烧器内，从而提供了良好的燃料雾化。在较高负载的情况下，燃料被喷射通过一次级和二次级二者从而提供在适度压力下的所需流量。特别地，在双喷嘴结构的公知构造中，在主喷嘴和副喷嘴之间的燃料管线内提供弹簧加载的阀。只要燃料供给压力和燃烧器的燃烧区内的压力之间的差值压力低于阈值，则阀保持闭合并且所有燃料流均流过一次级。随着供给压力增加，经过一次级的燃料流增加直到到达阀的断裂压力，并且阀打开从而允许燃料流向二次级。用于驱动二次级内的燃料雾化的压力差等于供给压力和燃烧区压力之间的差减去阀的断裂压力。因为在二次级处的这个压力差仅在断裂压力之上非常低，即恰在阀打开之后，所以喷射经过二次级的燃料的雾化通常小于这个工作点处的最佳情况。

除了上述问题之外，压力致动阀还会被卡在打开或闭合位置，并且可能经历所谓的“震颤（chatter）”情况，即阀在断裂点的工作区内快速打开和闭合，这会导致燃烧器内的不良动力学。

图2示出了公知的导向喷嘴的流动特征曲线并且示出了单式方法（单个喷嘴）和压力致动的复式方法（双喷嘴）。线4示出了单式喷嘴流量，其中必须提供足够高的流量来满足基础负载流量需求，从而导致在较低压力处小于最佳雾化。两个复式方法也在图2中被示出，其包括不同的断裂压力，一个在600psi（磅/平方英寸）并且另一个在1000psi。线6示出了第一复式方法，其中流量数值比（副喷嘴/主喷嘴）为2:1。由线6示出的流动条件包括600psi的断裂压力（点5），其中二次流恰在全速无负载（FSNL）条件之前开始。可以看出，不理想的是，当在FSNL下空载时喷嘴“震颤”会成为问题。线8示出了第二复式方法，其中断裂压力增加到1000psi（点7），虽然该点7将该线稍微移到FSNL之上，但这仍然会非常接近FSNL以至于不能避免不能精确得知流量的问题。使用第一方法，提供二次流的压力致动阀将经受“震颤”。此外，第二方法中的副喷嘴的流量数值将需要近乎是第一方法中副喷嘴的流量数值的两倍，以便满足基础负载燃料需求，这提供了小于最佳的雾化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供用于控制向燃气轮机的燃烧器内的双级喷嘴运送燃料的方法。该方法包括：以预定速率从单级燃料源通过多个主燃料供给管线传送液体燃料；从主燃料供给管线向第一喷嘴级供给燃料，其中所述第一喷嘴级包括与主燃料供给管线相关联的多个主喷嘴；识别燃气轮机的预定工作条件；以及，响应对于预定工作条件的识别来产生信号，该信号实现多个阀的致动，每个阀位于在主燃料供给管线之一和相应副喷嘴之间延伸的副燃料供给管线上，副喷嘴形成第二喷嘴级。

根据本发明的另一方面，提供用于控制向燃气轮机的燃烧器内的双级喷嘴运送燃料的方法。该方法包括：提供包括多个主喷嘴的第一喷嘴级；提供包括多个副喷嘴的第二喷嘴级，每个副喷嘴与相应主喷嘴相关联从而形成喷嘴对；以预定速率从单级燃料源通过多个主燃料供给管线向第一喷嘴级中的每个主喷嘴传送液体燃料；所述第二喷嘴级包括从每个所述主燃料供给管线到所述副喷嘴中的一个副喷嘴的副燃料供给管线，并且每个副燃料供给管线包括阀；识别燃气轮机的预定工作条件；并且响应对于预定工作条件的识别来产生信号，该信号实现阀的致动从而来自每个主燃料供给管线的燃料被传送通过相应喷嘴对的主喷嘴和副喷嘴。

根据本发明的又一方面，提供双级喷嘴燃料控制系统来向燃气轮机的燃烧器部段提供燃料。该系统包含包括多个主喷嘴的第一喷嘴级和包括多个副喷嘴的第二喷嘴级，每个副喷嘴与相应主喷嘴相关联从而形成喷嘴对。提供多个主燃料供给管线，其中所述主燃料供给管线中的一个被连接到各主喷嘴。单级燃料源被连接到主燃料供给管线以用于向每个主燃料管线供给燃料。第二喷嘴级包括从每个主燃料供给管线延伸到副喷嘴之一的副燃料供给管线，并且阀位于相应副喷嘴和主燃料供给管线之间的每个副燃料供给管线内。提供传感器以用于识别燃气轮机的预定工作条件，并且提供控制器以用于响应对于预定工作条件的识别来产生信号。该信号实现阀的致动，从而来自每个主燃料供给管线的燃料被传送通过相应喷嘴对的主喷嘴和副喷嘴。

附图说明

虽然以权利要求限定的内容具体指出且明确要求保护本发明，不过应该认为结合附图从下述描述中将更好地理解本发明，附图中同样的附图标记指代同样的元件，并且附图中：

图1是现有技术燃气涡轮发动机的示意图；

图2是描绘了现有技术的单式和复式喷嘴的流动特征的点绘图；

图3是根据本发明的双级喷嘴燃料控制系统的示意图；

图4是复式喷嘴及相关燃料支路的放大示意图；以及

图5是描绘了根据本发明的双级喷嘴燃料控制系统的实施例的流动特征的点绘图。

具体实施方式

在优选实施例的下述具体描述中，参考形成了说明书一部分的附图，并且附图是通过图释的方式而不是通过限制性方式被示出的，其中示出了可以实践本发明的具体优选实施例。应该理解可以利用其他实施例并且在不背离本发明精神和范围的情况下可以进行修改。

本发明提供了控制向双级喷嘴的供给燃料的方法和系统。参考图3，根据本发明的系统32被示出并且包括燃料源34，该燃料源34将液体燃料（例如燃油）经由燃料控制阀38和燃料管线39泵送到分流器36。分流器36将燃料流分流到多个主燃料供给管线或主支路/分支（leg）40（仅示出三个），以便燃料流以基本相等的流动速率被提供到每个主支路40。分流器36和主支路40限定用于向燃烧器42的燃烧级提供燃料流的燃料级。分流器36可以是包括计量正齿轮的常规设计，该齿轮用于将来自公共入口的燃料分配给多个出口，例如美国专利No.4,531,535中所述，该专利被并入本文以供参考。

每个主支路40将燃料供给到单独的复式燃料喷嘴44，在此为了这里描述的示例性实施例的目的，复式燃料喷嘴44包括干式低NOx燃烧系统中的导向喷嘴。进一步参考图4，每个复式燃料喷嘴44包括主孔口或喷嘴46以及副孔口或喷嘴48。主喷嘴46和主支路40形成主喷嘴级以用于在发动机第一工作条件期间将燃料运送到燃烧器42。副喷嘴48和副支路50限定副喷嘴级以用于在发动机第二工作条件期间将燃料运送到燃烧器42。

副燃料供给管线或副支路50在入口端52处被连接到各主支路40中的相应一个主支路并且在出口端54处被连接到各副喷嘴48中的相应一个副喷嘴。副喷嘴48和副支路50限定副喷嘴级以用于在发动机第二工作条件期间将燃料运送到燃烧器42。每个副支路50包括在入口端52和出口端54之间用于控制流向第二喷嘴48的燃料流的副阀56。在优选实施例中，副阀56包括螺线管致动的阀，其可以响应发动机的预定感测工作条件来工作。每个主喷嘴46和相关副喷嘴48形成限定复式燃料喷嘴44之一的喷嘴对。

系统32还被描述为包括水源58以用于经由控水阀60和供水管线62向每个主支路40提供水。控水阀60可以被用于向传送到双级喷嘴44的燃料提供受控量的水，从而以已知方式控制燃烧，例如控制燃烧期间NOx的生成。

应该理解的是，虽然这里仅示出了三个复式燃料喷嘴44及相关燃料支路40、50，不过通常围绕燃烧器42的周边提供更多数量的燃料喷嘴44和燃料支路40、50。此外，不考虑燃料喷嘴44和燃料支路40、50的数量，优选地向所有主燃料支路40提供来自包括单个分流器36的单级燃料源的燃料。

在燃料控制阀38工作期间，每个副阀56和控水阀60均控制器64控制。控制器64可以是任意已知类型，例如一种控制器，其包括微处理器控制逻辑从而参考发动机工作条件来产生信号以用于致动阀38、56、60使其运动到预定位置。此外，可以经由一个或更多个传感器或通过其他输入器件（通常由68表示）向控制器64提供一个或更多个发动机条件输入66。这样的输入66可以包括例如用于确定燃料支路40、50和燃烧器42的燃烧区70之间的差值压力的输入、用于确定发动机上的负载的输入以及与发动机工作条件相关的任意其他输入。

对于系统工作的下述描述是具体参考复式燃料喷嘴44之一做出的，如图4所示。不过，应该理解的是该描述可以等同地应用于燃烧器42中的多个复式燃料喷嘴44。

这里描述的系统32通过控制在各种负载期间流向复式燃料喷嘴44的燃料流来改进燃料雾化从而有助于发动机的启动并有助于使得发动机保持理想效率。具体而言，在启动期间系统32在仅仅主喷嘴46将燃料供应到燃烧器42的情况下工作，即副阀56关闭，并且在达到预定条件时，例如达到复式燃料喷嘴44处的预定负载或预定差值压力时，副阀56被致动从而附加地通过副喷嘴48向燃烧器提供燃料。主喷嘴46和副喷嘴48的流量数值被选择成使得主喷嘴46在低差值压力的情况下提供充分燃料雾化，并且副喷嘴48恰在副阀56打开后燃料支路40、56内可存在差值压力的情况下也提供充分雾化。每个喷嘴46、48的流量数值被限定为通过喷嘴的流动速率与喷嘴两端的差值压力的平方根之间的比。

参考图5，示出了通过复式喷嘴44的燃料流动的两种示例。在由线72示出的复式喷嘴44的第一示例中，副喷嘴48的流量数值等于主喷嘴46的流量数值的两倍，使得流量数值比为2:1。可以看出，差值压力相对快速地增加到预定差值压力，即近似1400psi（点73），此时副阀56打开。当副阀56打开时，通过主喷嘴46和副喷嘴48二者提供燃料流，并且差值压力下降，如所示差值压力下降到大约150psi（点73），且随后流量增加并且差值压力增加到基础负载工作点。

在由线74示出的复式喷嘴44的第二示例中，副喷嘴48的流量数值等于主喷嘴46的流量数值，使得流量数值比为1:1。如第一示例中，差值压力相对快速地增加到预定差值压力，即近似1000psi（点75），此时副阀56打开。当副阀56打开时，通过主喷嘴46和副喷嘴48二者提供燃料流，并且差值压力下降，如所示差值压力下降到大约250psi（点77），且随后流量增加并且差值压力增加到基础负载工作点。

在如图5中的线72和74所示的上述两种示例中，系统32可以工作为在适度差值压力的情况下打开阀，并且在副阀56被致动打开时提供来自两个喷嘴46、48的良好雾化。不过，线72示出的流动大体提供了比线74所示的流动更好的雾化，并且可以被认为是当前所描述的示例中的优选实施例。

在本发明范围内可以选择其他流量数值比。副阀56打开所处的点应该被选择为确保差值压力足够高从而能够恰在副阀56打开之后通过主喷嘴46和副喷嘴48二者提供充分雾化。此外，应该理解，虽然上述示例参考预定差值压力描述了副阀56的致动，不过致动副阀的条件可以包括感测的发动机条件。例如在上述所述第一示例（线74）中，副阀56可以在感测到或接近于感测到存在全速无负载条件（如线76所示）时被致动。可替换地，可以在控制器64识别出发动机上的预定负载（例如10%负载）时致动副阀56。

控制器64还识别用于闭合副阀56的条件，其中用于闭合副阀56的测量参数值优选地小于用于打开副阀56的值。例如，如果在发动机上10%负载处致动副阀56使其打开，则控制器64可以控制副阀56在更低负载值（例如发动机上5%负载）处闭合。类似地，如果差值压力是用于致动副阀56的测量参数，则用于致动副阀56的闭合位置的差值压力可以被选择成是在用于致动副阀56到打开位置的差值压力之下的预定值。通过保持打开和闭合值之间的死区，可以在轻微波动（例如差值压力或发动机负载降低）期间保持通过副喷嘴48的流量，从而避免当发动机被提升到满载时副阀56的重复性打开和闭合，或“震颤”。

在本发明范围内可以提供系统32的各种工作情况。具体而言，可以必要的是成组地致动副阀56以避免在燃料控制阀38被再次定位来补偿当副阀56打开时燃料流量的增加时可能导致的潜在不稳定燃料控制问题。例如，代替了在感测到预定条件时同时打开所有副阀56，副阀56可以两个一组以预定时间间隔打开，例如每秒打开一组。

此外，在必须确保恰在副阀56打开之后副支路50被填充燃料的情况下，例如在必须确保不会在副阀56打开后立即发生熄火的情况下，可以填充副阀56和副喷嘴48之间的每个副支路50的部分。这可以通过为副支路50提供孔口以填充副支路50来实现，例如在副阀56中的设计“泄漏”。可替换地，副阀56可以被致动成缓慢地打开从而确保当填充副支路50时保持主喷嘴46处的差值压力。

用于控制流向复式喷嘴44的燃料流动的方法和系统确保了在发动机的任意工作点处均产生良好雾化。具体而言，复式喷嘴44的工作确保了恰在开始流向副喷嘴48之后的良好雾化，从而避免了公知燃料运送系统中经历的问题，例如包括向副喷嘴提供燃料流动的压力致动阀的系统。

此外，本发明提供系统32，其中包括单个分流器36的单级燃料源向双燃料喷嘴系统的两级（即一次级和二次级）提供受控燃料流动。因此，本系统32避免了提供多个分流器、阀和控制件（即针对每个喷嘴级提供一个以确保对于流向各喷嘴级的燃料流动的充分控制）的复杂性和昂贵性。

虽然已经示出并描述了本发明的具体实施例，不过本领域的技术人员可以显而易见到在不背离本发明精神和范围的情况下可以做出各种其他修改和改进。因此在所附权利要求中试图涵盖落入本发明范围的所有这些修改和改进。

Claims (13)

1.一种控制向燃气轮机的燃烧器内的双级喷嘴运输燃料的方法，该方法包括：

以预定速率从单级燃料源通过多个主燃料供给管线传送液体燃料；

从所述主燃料供给管线向第一喷嘴级供给所述燃料，所述第一喷嘴级包括与所述主燃料供给管线相关联的多个主喷嘴；

识别所述燃气轮机的预定工作条件；以及

响应对于所述预定工作条件的识别来产生信号，该信号实现多个阀的致动，每个阀位于在所述主燃料供给管线之一和相应副喷嘴之间延伸的副燃料供给管线上，所述副喷嘴形成第二喷嘴级；

其中，每个副燃料供给管线具有入口端，所述副燃料供给管线在入口端处被连接到主燃料供给管线中的相应一个主燃料供给管线以从该主燃料供给管线接收燃料，并且每个副燃料供给管线具有出口端，所述副燃料供给管线在出口端处被连接到副喷嘴中的相应一个副喷嘴以向所述副喷嘴供给燃料，其中每个所述阀控制沿着副燃料供给管线从入口端流向出口端的燃料流。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个副喷嘴关联于相应主喷嘴以形成喷嘴对，并且每个喷嘴对从单独的主燃料供给管线接收燃料。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述传送的步骤包括从单级燃料源传送液体燃料，所述单级燃料源包括单个分流器，其以预定流动速率向每个所述主燃料供给管线提供燃料。

4.如权利要求2所述的方法，其中致动位于所述副燃料管线上的所述阀包括打开所述阀，且在致动所述阀之后，每个所述副喷嘴处的差值压力基本等于相应第一喷嘴处的差值压力。

5.如权利要求4所述的方法，其中致动所述阀导致所述主燃料供给管线内的预定减小的差值压力，所述减小的差值压力在用于通过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴二者实现液体燃料的雾化的最小压力之上。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述预定工作条件包括在所述燃气轮机上的预定负载。

7.如权利要求6所述的方法，其中致动位于所述副燃料管线上的所述阀包括打开所述阀，且所述阀被致动成在所述燃气轮机上的第二预定负载处闭合，该第二预定负载小于打开所述阀的所述预定负载。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述预定工作条件包括在所述主燃料供应管线内的压力和所述燃烧器的燃烧区内的压力之间的预定差值压力。

9.如权利要求8所述的方法，其中致动位于所述副燃料管线上的所述阀包括打开所述阀，且所述阀被致动成在第二预定差值压力处闭合，该第二预定差值压力基本小于打开所述阀的所述预定差值压力。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述产生的步骤产生实现多个电磁阀的致动的信号。

11.一种用于向燃气轮机的燃烧器部段提供燃料的双级喷嘴燃料控制系统，所述系统包括：

包括多个主喷嘴的第一喷嘴级；

包括多个副喷嘴的第二喷嘴级，每个副喷嘴与相应主喷嘴相关联从而形成喷嘴对；

多个主燃料供给管线，所述主燃料供给管线中的一个被连接到各所述主喷嘴；

单级燃料源，其被连接到所述主燃料供给管线以用于向每个所述主燃料管线供给燃料；

所述第二喷嘴级包括从每个所述主燃料供给管线延伸到所述副喷嘴中的一个副喷嘴的副燃料供给管线；

阀，其位于相应副喷嘴和主燃料供给管线之间的每个副燃料供给管线内；

传感器，其用于识别所述燃气轮机的预定工作条件；以及

控制器，其用于响应对于所述预定工作条件的识别来产生信号，该信号实现所述阀的致动，从而来自每个主燃料供给管线的燃料被传送通过相应喷嘴对的所述主喷嘴和副喷嘴；

其中，每个副燃料供给管线具有入口端，所述副燃料供给管线在入口端处被连接到主燃料供给管线中的相应一个主燃料供给管线以从该主燃料供给管线接收燃料，并且每个副燃料供给管线具有出口端，所述副燃料供给管线在出口端处被连接到副喷嘴中的相应一个副喷嘴以向所述副喷嘴供给燃料，其中每个所述阀控制沿着副燃料供给管线从入口端流向出口端的燃料流。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述单级燃料源包括单个分流器，其以预定流动速率向每个所述主燃料供给管线提供燃料。

13.如权利要求12所述的系统，其中每个所述阀包括电磁阀。

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