CN102465764A - 控制燃烧动态的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于基于航空的燃气涡轮发动机或者基于地面的燃气涡轮发动机的燃烧动态控制系统，其采用了一种声学驱动器。该声学驱动器构造成响应于控制信号驱使跨过预混合燃料喷射口的压力扰动基本上为零，从而使得跨过燃料喷射口的燃料流扰动基本上为零。

Description

控制燃烧动态的系统和方法
技术领域
该发明总体涉及燃烧动态现象(combustion dynamics)，并且更具体地涉及通过声学控制和/或消除燃料喷射位置处的燃料流波动对基于航空的燃气涡轮和基于地面的燃气涡轮(aviation and land-basedgas turbine)进行燃烧动态控制的系统和方法。
背景技术
当火焰的内在不稳定性与燃烧室的固有模式耦合并建立反馈循环时，燃烧动态现象产生，由此导致高振幅的压力扰动并且对相应硬件可能造成重大损坏。已知的是，燃烧动态现象困扰着燃气涡轮在发电、原动机、航空、航海领域的应用。
由于预混合燃烧系统的引入，因此燃烧动态现象对于燃气涡轮制造商是普遍的问题，并且成为燃气涡轮制造商所面临的最大挑战之一。已采用各种技术来解决燃烧动态现象，包括但不局限于改变产生的机构、变更燃烧室的尺寸或者通过使用主动/被动装置/方法阻止和控制/抑制该问题。
当保持于非常高的振幅时，燃烧动态现象导致灾难性的燃烧室的损坏/失效。即使不太严重，它也限制了燃气涡轮的工作包线(operational envelope)并且阻碍了最佳可能性能。燃烧动态现象仍然是现有已安装的燃气涡轮的普遍问题。进一步地，由于更严格的排放法规和燃料适应性，有关燃烧动态现象的问题预期将变得更糟。
鉴于前述内容，需要一种用于控制基于航空的燃气涡轮和基于地面的燃气涡轮中的燃烧动态现象的系统和方法，以获得关于排放和功率输出的最佳操作性能。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种燃烧动态控制系统，其包括：燃料喷射器，其构造成经由燃料喷射口接收预混合燃料；以及声学驱动器，其构造成响应于控制信号驱使跨过燃料喷射口的压力扰动基本上为零，使得响应于该控制信号跨过燃料喷射口的燃料流扰动基本上为零。
所述的烧动态控制系统还包括：传感器，所述传感器构造成测量跨过所述燃料喷射口的声压并由此产生信号；信号调节装置，所述信号调节装置构造成调节所述传感器信号并由此产生经调节的传感器信号；以及控制器，所述控制器构造成响应于所述经调节的传感器信号产生声学驱动器控制信号。
所述燃料喷射器是选自基于航空电子设备的燃气涡轮燃料喷射器和基于地面的燃气涡轮燃料喷射器的燃气涡轮燃料喷射器。所述信号调节装置被构造成将时域传感器信号转换成频域传感器信号以产生所述经调节的传感器信号。或者，所述信号调节装置被构造成对所述传感器信号进行带通过滤以产生所述经调节的传感器信号。
本发明的另一个实施例涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧动态控制系统，该燃烧动态控制系统包括：燃料喷射器；预混合燃料管，成经由预混合燃料管喷射口将预混合燃料输送至燃料喷射器；以及声学驱动器，其构造成响应于控制信号驱使跨过预混合燃料管喷射口的压力扰动基本上为零，使得响应于该控制信号跨过预混合燃料管喷射口的燃料流扰动基本上为零。
所述燃烧动态控制系统还包括：传感器，所述传感器构造成测量跨过所述预混合燃料喷射口的声压并由此产生信号；信号调节装置，所述信号调节装置构造成调节所述传感器信号并由此产生经调节的传感器信号；以及控制器，所述控制器构造成响应于所述经调节的传感器信号产生声学驱动器控制信号。
所述燃气涡轮发动机选自基于航空电子设备的燃气涡轮发动机和基于地面的燃气涡轮发动机。所述信号调节装置被构造成将时域传感器信号转换成频域传感器信号以产生所述经调节的传感器信号。或者，所述信号调节装置被构造成对所述传感器信号进行带通过滤以产生所述经调节的传感器信号。
根据本发明的另一个实施例，一种操作燃气涡轮发动机的方法包括：经由预混合燃料管喷射口将预混合燃料喷射入燃气涡轮发动机燃料喷射器的主流道；以及在将预混合燃料喷射入主流道的同时，将声脉冲传输至主流道内，从而使得声脉冲响应于控制信号驱使跨过预混合燃料管喷射口的压力扰动基本上为零，使得响应于该控制信号跨过预混合燃料管喷射口的燃料流扰动基本上为零。
所述的方法还包括：在所述预混合燃料的喷射期间测量跨过所述预混合燃料喷射口的声压，并且由此产生传感器信号；调节所述传感器信号，并且由此产生经调节的传感器信号；以及响应于所述经调节的传感器信号产生所述声学驱动器控制信号。
调节所述传感器信号包括将时域传感器信号转换成频域传感器信号以产生所述经调节的传感器信号。调节所述传感器信号包括对所述传感器信号进行带通过滤以产生所述经调节的传感器信号。
附图说明
在参照附图阅读下面的详细说明之后，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中：
图1所示为根据本发明的一个实施例，其适于采用通过声学控制和/或消除预混合燃料喷射位置处的燃料流波动来进行燃烧动态控制；以及
图2所示为根据本发明一个实施例的用于燃气涡轮发动机的燃烧动态控制系统。
正如在论述中所提到的，虽然上述附图提出了备选实施例，然而也可以想到本发明的其它实施例。在各种情况下，这种公开内容代表性地而非限定性地介绍了本发明的图解实施例。本领域技术人员能够设想落入本发明的原理的范围和精神内的许多其它变型和实施例。
附图标记列表：
(10)燃气涡轮系统          (44)压缩空气
(20)燃气涡轮发动机        (46)主流道
(22)压缩机部分            (48)先导流道
(24)燃烧室部分            (50)声学驱动器
(26)燃烧室筒              (52)燃料喷射位置
(27)点火系统              (54)燃料喷射预混合桶状件
(28)涡轮部分              (56)扩散火焰
(30)排气部分              (60)压力脉冲传感器
(40)燃料喷射器            (62)信号调节装置
(42)预混合燃料            (64)控制器
具体实施方式
已知的是，由燃料流中的扰动引起的当量比波动是燃气涡轮中燃烧动态现象的主要原因之一。本说明书中描述的实施例用于解决与基于航空的燃气涡轮和基于地面的燃气涡轮中的燃烧动态控制相关联的挑战，其通过以声学方式控制燃气涡轮燃料喷射位置处的燃料流进行燃烧动态控制。根据本说明书中描述的实施例，声波产生，并且以在燃料喷射位置处产生压力节点的方式传播通过喷嘴。这样，消除了跨过喷射口/孔的压力波动，使得排除了燃料流扰动，因此除去了被认为是导致高燃烧动态现象的基础机构之一，其中燃烧动态现象与预混合燃烧系统相关联。
图1所示为示例性的燃气涡轮系统10。在其它系统中，涡轮系统10可以具有燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机包括压缩机部分22、燃烧室部分24和与压缩机部分22联接的涡轮部分28，其中燃烧室部分24包括多个燃烧室筒26和相应的点火系统27。排气部分30为来自燃气涡轮发动机20的排气提供通道。
一般而言，压缩机部分22压缩引入到燃烧室部分24的空气，燃烧室部分24使压缩空气与燃料混合，并且燃烧混合物以产生高压、高速的气体。涡轮部分28从自燃烧室部分24流出的高压、高速的气体中吸取能量。将仅论述燃气涡轮系统10的有利于说明具体化的燃烧动态控制过程的那些方面，以提高清楚性并保持简洁性。
压缩机部分22可以包括能够压缩空气的任何装置。所述压缩空气可以被引导至燃烧室部分24的进入端口。燃烧室部分24可以包括多个燃料喷射器，燃料喷射器被构造成使压缩空气与燃料混合并将混合物输送至燃烧室部分24的一个或多个燃烧室筒26。在本说明书中参照图2描述了根据一个实施例的合适的燃料喷射器。输送至各燃烧室筒26的燃料可以包括任何液态或者气态燃料，例如柴油或者天然气。输送至各燃烧室筒26的燃料可以经过燃烧以形成高压的燃烧副产物的混合物。从燃烧室部分24产生的高温、高压混合物可以被引导至涡轮部分28。然后，在通过排气部分30被排放至大气中之前，燃烧气体可以从涡轮部分28排出。
图2所示为与燃烧室筒26联接的燃料喷射器40的一个实施例的简要示意图。燃料喷射器40可以将预混合燃料42和压缩空气44输送至燃烧室筒26，以便燃烧。如在本说明书中所述的，已知的是由燃料流中的扰动引起的当量比波动是燃气涡轮中燃烧动态现象的主要原因之一。
燃料喷射器40的一些实施例包括多个向燃烧室部分24输送不同浓度的燃料和空气的流道。这些多个流道可以包括主流道46和先导流道48。主流道46可以输送预混合稀薄燃料42和空气44的混合物至燃烧室筒26。主燃料可以在燃烧室筒26中燃烧以产生预混合火焰56。预混合火焰是当燃料和空气在燃料喷射器40中首先混合并随后在燃烧室筒26中燃烧时产生的火焰。先导流道48可以另外地将加压喷雾的燃料连同压缩空气输送至燃烧室筒26。先导燃料通道48可以在燃烧室筒26内燃烧以产生扩散火焰56。扩散火焰56是当燃料和空气混合并同时燃烧时产生的火焰。扩散火焰56可以具有比预混合火焰高的温度，并且可以用作局部热火焰以稳定燃烧过程并防止贫油熄火。
根据在本说明书中更详细地描述的一些实施例，燃烧控制系统可以监测燃料喷射器40内的压力脉冲，并且控制一个或多个相应的声学驱动器50的操作，其中声学驱动器50响应于燃料喷射器40内的压力脉冲。合适的声学驱动器50可以包括将电能、机械能或其它形式的能量转换成足以产生声波的声能的任何变换器，以在燃料喷射位置52处产生压力节点的方式使声波传播通过其相应的燃料喷嘴40。更具体地，通过驱使燃料喷射位置(即，跨过燃料喷射54口)处的压力扰动至零，还驱使跨过燃料喷射54口的燃料流扰动至零。这样，通过以声学方式控制在相应的燃料喷射位置52处的燃料流，使在燃料喷射位置52处产生的压力节点抑制和/或消除了因燃料喷嘴40产生的燃料流波动。该跨过喷射口/孔54的压力波动的抑制/消除基本上消除了燃料流扰动，由此除去了被认为是导致高燃烧动态现象的基础机构之一，其中燃烧动态现象与预混合燃烧系统相关联。基于特定应用要求选择声学驱动器50的类型及其能力，特定应用要求可以包括但不局限于使用的燃料的类型、燃料喷射器的物理几何参数、流道等等。任何合适的声学驱动器50仅需要驱使燃料喷射位置(即，跨过燃料喷射54口)处的压方扰动至零，由此驱使跨过燃料喷射54口的燃料流扰动至零。
继续参照图2，可以借助传感器60监测跨过燃料喷射54口的声脉冲，传感器60可以是与燃烧室24联接的例如压电传感器以探测燃料位置52处的压力脉冲。传感器60定位在可以准确探测燃料位置52处的压力脉冲的位置，而无需暴露于不利的环境条件下。传感器60可以产生对应于燃料位置52的压力脉冲的信号。可以将该传感器信号传输至可以进行一个或者多个信号调节操作的信号调节装置62，这些信号调节操作包括但不局限于：将传感器信号从时域转换至频域，以及传感器信号的带通滤波以允许在预定频率范围内的信号通过相应的控制器64。控制器64可以构造成将通过信号调节装置62产生的信号与一个或多个阈值进行比较，并且控制该比较控制声学驱动器50响应于前述比较值。如本说明书中所述，该声学驱动器50的控制反馈动作用于驱使燃料喷射位置52(即，跨过燃料喷射54口)处的压力扰动使之至零，由此驱使跨过燃料喷射54口的燃料流扰动至零。
燃料喷射器40可以具有大致管状构造，其中内管48和外管46沿纵向轴线同心布置。燃料喷射器40的外管46可以包括预混合桶状件54，内管48可以包括引导件。内管48与外管46之间的环状空间可以包括向燃烧室筒26输送主燃料流的主流道。可以通过空气涡旋装置(图未示)将来自图1所示的压缩机部分22的压缩空气引入燃料喷射器40中，空气涡旋装置可以包括连接至燃料喷射器40的多个弯曲或直的叶片，用于使引入的压缩空气旋动并帮助产生包括主燃料供应的良好混合的燃料-空气混合物。
如在本说明书中所述，当保持于非常高的振幅时，燃烧动态现象能够导致灾难性的燃烧室损坏/失效。即使不太严重，它也限制了燃气涡轮的工作包线(operational envelope)并且阻碍了最佳可能性能。本说明书中描述的实施例有利地用于减少机器的计划外停机，并且还帮助机器获得关于排放和功率输出的最佳操作性能，从而提供具有最小排放的更可靠且更有效的燃气涡轮。
虽然在本说明书中已利用燃料喷射器40的具体构造对燃烧动态控制过程进行了说明，然而本发明的燃烧动态控制过程将适用于向燃烧室部分引入先导燃料供应和主燃料供应的任何涡轮发动机。尽管在本说明书中仅示出并描述了本发明的某些特征，然而本领域技术人员可以想到许多修改和变化。因此，应理解的是权利要求意欲覆盖落入本发明的真正精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (10)

1.一种燃烧动态控制系统，其包括：
一个燃料喷射器(40)，所述燃料喷射器构造成经由燃料喷射口接收预混合燃料(42)；以及
一个声学驱动器(50)，所述声学驱动器构造成响应于控制信号驱使跨过所述燃料喷射口(52)的压力扰动基本上为零，使得响应于所述控制信号跨过所述燃料喷射口(52)的燃料流扰动基本上为零。
2.根据权利要求1所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述燃料喷射器(40)是选自基于航空电子设备的燃气涡轮燃料喷射器和基于地面的燃气涡轮燃料喷射器的燃气涡轮燃料喷射器。
3.根据权利要求1所述的燃烧动态控制系统，还包括：
一个传感器(60)，所述传感器构造成测量跨过所述燃料喷射口(52)的声压并由此产生信号；
一个信号调节装置(62)，所述信号调节装置构造成调节所述传感器信号并由此产生经调节的传感器信号；以及
一个控制器(64)，所述控制器构造成响应于所述经调节的传感器信号产生声学驱动器控制信号。
4.根据权利要求3所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述信号调节装置(62)被构造成将时域传感器信号转换成频域传感器信号以产生所述经调节的传感器信号。
5.根据权利要求3所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述信号调节装置(62)被构造成对所述传感器信号进行带通过滤以产生所述经调节的传感器信号。
6.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧动态控制系统，所述燃烧动态控制系统包括：
一个燃料喷射器(40)；
一个预混合燃料管(54)，所述预混合燃料管构造成经由预混合燃料管喷射口(52)将预混合燃料(42)输送至所述燃料喷射器(40)；以及
一个声学驱动器(50)，所述声学驱动器构造成响应于控制信号驱使跨过所述预混合燃料管喷射口(52)的压力扰动基本上为零，以使得响应于所述控制信号跨过所述预混合燃料管喷射口(52)的燃料流扰动基本上为零。
7.根据权利要求6所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述燃气涡轮发动机选自基于航空电子设备的燃气涡轮发动机和基于地面的燃气涡轮发动机。
8.根据权利要求6所述的燃烧动态控制系统，还包括：
一个传感器(60)，所述传感器构造成测量跨过所述预混合燃料喷射口(52)的声压并由此产生信号；
一个信号调节装置(62)，所述信号调节装置构造成调节所述传感器信号并由此产生经调节的传感器信号；以及
一个控制器(64)，所述控制器构造成响应于所述经调节的传感器信号产生声学驱动器控制信号。
9.根据权利要求8所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述信号调节装置(62)被构造成将时域传感器信号转换成频域传感器信号以产生所述经调节的传感器信号。
10.根据权利要求8所述的燃烧动态控制系统，其特征在于，所述信号调节装置(62)被构造成对所述传感器信号进行带通过滤以产生所述经调节的传感器信号。
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