CN102840986A - 用于检测燃气涡轮发动机中的燃烧室外壳火焰稳定的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种包括压缩机和燃烧室的燃气涡轮发动机以及用于检测燃料喷射器周围火焰稳定条件的方法。其中所述燃烧室包括燃料喷嘴内的主燃料喷射器和位于所述燃料喷嘴上游的辅助燃料喷射器，所述辅助燃料喷射器经配置以将燃料喷射到所述燃烧室的流动环道中。所述方法可包括以下步骤：检测所述辅助燃料喷射器上游的上游压力；检测所述辅助燃料喷射器下游的下游压力；确定所述上游压力与所述下游压力之间的测量出的压差；以及将所述测量出的压差与预期压差进行比较。

Description

用于检测燃气涡轮发动机中的燃烧室外壳火焰稳定的系统和方法

背景技术

本发明大体涉及用于检测燃气涡轮发动机中的火焰稳定的系统和方法，确切地说，涉及用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中的火焰稳定的系统和方法。

许多燃气涡轮机包括压缩机、燃烧室和涡轮。压缩机产生待供应到燃烧室的压缩空气。燃烧室燃烧压缩空气与燃料，从而产生待供应到涡轮的空气燃料混合物。涡轮从空气燃料混合物中提取能量以驱动负载。

在许多情况下，燃气涡轮机包括多个燃烧室。燃烧室可置于压缩机与涡轮之间。例如，压缩机和涡轮可沿公共轴对齐，且燃烧室可置于压缩机与涡轮之间的涡轮的入口处，环绕所述公共轴成环形阵列。在操作中，空气可从压缩机经由一个燃烧室流入涡轮中。

燃烧室可以较高温度进行操作，以确保充分燃烧空气与燃料的混合物，从而提高效率。使燃烧室以高温进行操作的一个问题在于，可能产生相对较高水平的氮氧化物(NOx)，从而对环境造成消极影响。

为了减少NOx排放，许多现代燃气涡轮机采用预混合燃料喷嘴。例如，每个燃烧室可由多个燃料喷嘴支撑，这些燃料喷嘴可以环形阵列的形式置于燃烧室周围。在正常操作过程中，空气从压缩机经由燃料喷嘴进入燃烧室中。在燃料喷嘴内，空气与燃料混合以形成空气燃料混合物。该空气燃料混合物随后在燃烧室中燃烧。对空气和燃料进行预混合可使燃烧室在相对较低的温度下进行操作，从而减少作为燃烧工艺的副产品生成的NOx。

为了获得进一步的性能优势，许多燃烧室在燃料喷嘴的上游设置燃料喷射器。本专利申请文件中统一将这些燃料喷射器称为“燃烧室外壳燃料喷射器”，且除非另作说明，否则这些燃料喷射器被定义为包括置于压缩机与燃料喷嘴之间的燃气涡轮发动机的燃烧系统内的燃料喷射器。如上所述，许多燃烧系统在燃料喷嘴内将燃料与空气进行预混合。

应了解，本发明所讨论的是在位于所述燃料喷嘴上游的某些燃烧室中进行的预混合。

例如，一种此类系统通常指环形四级燃料分配器。如下文详细描述，这种类型的系统在从压缩机中排出的压缩空气流向燃料喷嘴流动时，将燃料喷射到所述压缩空气中。如下文详细描述，在某些情况下，环形四级燃料分配器将燃料喷射到由燃烧室外壳和盖组件构成的环形通道中。所属领域的技术人员应认识到，可使用通过这种方式获得的预混合燃料来减轻燃烧室的不稳定性，从而实现更好的燃料/空气混合、提高下游燃料喷嘴的火焰稳定界限，以及减少NOx排放。

但是，燃烧室外壳燃料喷射器本身也具有相应的问题。例如，燃烧室外壳燃料喷射器可能着火和/或维持火焰，从而导致本专利申请案中所提到的燃烧室外壳火焰稳定情况。燃烧室外壳中出现火焰稳定的一个常见原因是逆燃，其中火焰从燃烧室的燃烧区域返回到燃料喷嘴中，并从燃料喷嘴返回到燃烧室外壳内。燃烧室外壳中出现火焰稳定的另一个常见原因是自点火，其中燃烧室外壳中的燃料直接独立着火。发生这种情况的原因可能是燃料成分、燃料流、空气流或燃料喷嘴表面不均匀等。无论原因如何，燃烧室外壳可能倾向于具有或维持火焰，从而损坏燃烧室、位于下游的燃料喷嘴，或燃气涡轮机的其他部分。

因此，需要采取补救措施来减少或消除燃烧室外壳内的火焰稳定，已开发出用于检测该区域内是否存在火焰的技术。但是，许多此类技术都需要使用传感器，例如温度传感器、光子发射传感器或离子传感器等。需要将这些类型的传感器置于燃烧室外壳内的若干位置。具体而言，基于燃烧室外壳的大小和构形，需要将这些类型的传感器置于许多位置，以确保在可能存在火焰的位置上检测到火焰。所属领域的技术人员应认识到，安装和监控多个这种类型的传感器可能十分昂贵。

因此，需要精确且高效地检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中是否存在火焰稳定的系统和方法。

发明内容

因此，本专利申请文件描述：在包括压缩机和燃烧室的燃气涡轮发动机中，其中所述燃烧室包括燃料喷嘴内的主燃料喷射器和位于所述燃料喷嘴上游的辅助燃料喷射器，一种用于检测所述辅助燃料喷射器周围火焰的系统。所述系统可包括第一压力传感器，其检测所述辅助燃料喷射器上游的上游压力；第二压力传感器，其检测所述辅助燃料喷射器下游的下游压力；用于确定所述上游压力与所述下游压力之间的测量出的压差的构件；以及用于将所述测量出的压差与预期压差进行比较的构件。

本专利申请文件进一步描述：在包括压缩机和燃烧室的燃气涡轮发动机中，其中所述燃烧室包括燃料喷嘴内的主燃料喷射器和位于所述燃料喷嘴上游的辅助燃料喷射器，所述辅助燃料喷射器经配置以将燃料喷射到所述燃烧室的流动环道中，一种用于检测燃料喷射器周围火焰稳定条件的方法。所述方法可包括以下步骤：检测所述辅助燃料喷射器上游的上游压力；检测所述辅助燃料喷射器下游的下游压力；确定所述上游压力与所述下游压力之间的测量出的压差；以及将所述测量出的压差与预期压差进行比较。

通过参阅附图或随附权利要求书阅读以下对优选实施例的详细说明，可清楚地了解本发明的这些和其他特征。

附图说明

参阅以下附图可更深入地了解本发明。在附图中，相同的参考标号指代相应部分，且附图中的部件无需按比例绘制。

图1是已知燃气涡轮发动机的截面图，以示意图方式描绘一种燃烧系统，其中可设有用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中的火焰稳定的系统。

图2是已知燃烧室的截面图，以示意图方式描绘一种燃烧室，其中可设有用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中的火焰稳定的系统。

图3以方框图的形式描绘用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中的火焰的系统的一项实施例。

图4是燃气涡轮机的燃烧室的局部截面图，描绘根据本发明的一项示例性火焰稳定检测实施例。

图5是燃气涡轮机的燃烧室的局部截面图，描绘根据本发明的一项示例性火焰稳定检测实施例。

图6是燃气涡轮机的燃烧室的局部截面图，描绘根据本发明的一项示例性火焰稳定检测实施例。

图7是图6所示探针的局部截面图。

图8是根据本发明的方法的一项示例性实施例的方框图，所述方法用于检测燃烧室外壳中的火焰稳定。

元件符号列表：

具体实施方式

上文描述了一种系统和方法，用于检测燃烧室外壳中因燃气涡轮发动机的燃烧室外壳燃料喷射器引起的火焰。如上所述，所述系统和方法可通过检测燃烧室中各位置之间的压力降升高来检测到燃烧室外壳中的火焰稳定。例如，所述系统和方法可通过检测燃烧室外壳中从燃烧室外壳燃料喷射器上游的某位置到燃烧室外壳燃料喷射器下游的某位置之间的距离两端的压力降升高，检测到燃烧室外壳火焰稳定。导致压力降升高的原因可能在于火焰，其提高流过受影响区域的空气的温度和/或减小所述空气的密度。应了解，由于空气的体积增大，因此燃烧室外壳燃料喷射器下游的压力将增加，从而导致指定距离两端的压力降升高。压力损失倾向于以体积流速增量的平方增加。

可通过确定在燃烧室外壳燃料喷射器的上游测量的上游压力与在燃烧室外壳燃料喷射器的下游测量的下游压力之间的差值，确定压力降。如果所述压差超出预期压差，则阵列中的一个或多个燃料喷嘴中可能存在火焰。因此，为了检测燃烧室外壳中的火焰，无需将多个传感器关联起来以覆盖整个区域，因为只需使用几个传感器来检测压力降即可实现所述检测。应了解，此类配置可降低与燃烧室外壳中的火焰检测关联的成本。

在各实施例中，可在十分接近燃烧室外壳燃料喷射器的位置检测所述上游压力和所述下游压力。例如，可在进入燃烧室的气流通道中检测上游压力，而可在紧挨燃烧室外壳燃料喷射器的下游位置上检测下游压力。如下文详细描述，也可在其他位置进行检测。

此外，本发明的某些实施例可使用用于检测压差的一体式探针。在某些实施例中，一体式探针可经由燃烧室的导流套管延伸到燃烧腔中。一体式探针可置于适当位置以同时感测上游压力和下游压力。在某些此类实施例中，一体式探针可提供其他功能。例如，一体式探针可包括燃烧动力学特性监控(CDM)探针，其适用于监控燃烧室中的动压力。在这种情况下，例如，通过从燃气涡轮机拆除CDM探针并将一体式探针安装在适当位置，使用用于检测燃料喷嘴中的火焰的系统来改进燃气涡轮机可能相对容易且成本相对较低。

图1是已知燃气涡轮发动机100的局部截面图，其中包括用于检测燃烧室外壳中出现的火焰稳定的实施例。如图所示，燃气涡轮发动机100通常包括进气区段102、压缩机104、一个或多个燃烧室106、涡轮108，以及排气区段110。每个燃烧室106可包括一个或多个燃料喷嘴118，如图2所示。燃料喷嘴118可在阵列中彼此平行。例如，燃料喷嘴118可环绕燃烧室106的入口排列，例如环绕燃烧室106的纵轴的环形构形。

可形成穿过燃气涡轮机100的流动通道。在正常操作中，空气可经由进气区段102进入燃气涡轮机100中。空气可流入压缩机104中，压缩机104可对空气进行压缩以形成压缩空气。压缩空气可流过燃料喷嘴118，燃料喷嘴118可将压缩空气与燃料混合以形成空气燃料混合物。空气燃料混合物可流入燃烧室106中，燃烧室106可点燃该空气燃料混合物以生成热气体。热气体可流入涡轮108中，涡轮108可从热气体中提取能量，从而形成废气。之后，废气可经由排气区段110从燃气涡轮机100排出。

图2所示是可使用本发明各实施例的燃气涡轮发动机中的示例性燃烧室106。所属领域的技术人员应了解，燃烧室106可包括头端111，其通常包括将必需的空气和燃料供应到燃烧室106的各种歧管；以及端盖112。如图所示，燃烧室106可封闭在燃烧室外壳114内。多个燃料管线117可经由穿过端盖112延伸到置于盖组件119的后端上的燃料喷射器或燃料喷嘴118中。燃料喷嘴118也可称为主燃料喷射器，是燃烧室106内的主燃料源。应了解，盖组件119通常成圆柱形，且固定在端盖112的前端。盖组件119可被燃烧室外壳114环绕。所属领域的技术人员应认识到，在燃烧室外壳114与盖组件119之间形成燃烧室外壳环道120。

通常情况下，燃料喷嘴118使燃料与空气混合以燃烧。例如，燃料可以是天然气，且空气可以是从压缩机104供应的压缩空气(压缩空气流在图2中用几个箭头表示)。所属领域的技术人员应认识到，燃料喷嘴118的下游设有用于燃烧的燃烧腔121。燃烧腔121通常由衬垫123进行界定，衬垫123封闭在导流套管124内。导流套管124与衬垫123之间形成环道。从衬垫123起，过渡导管126在流体向涡轮区段(图4中未图示)的下游流动时，将流从衬垫123的圆形截面转换成环形界面。冲击套管或外壁127(以下称“外壁127”)可包封过渡导管126，同样在外壁127与过渡导管126之间形成环道。在过渡导管126的下游端上，过渡件后架128可引导工作流体向置于涡轮110的第一级中的翼片流动。应了解，导流套管124和外壁127通常具有穿过其中的冲击孔(图2中未图示)，其允许源自压缩机106的受冲击压缩空气流进入形成于导流套管124与衬垫123之间以及外壁127与过渡导管126之间的空腔中。流过冲击孔的压缩空气流以对流方式冷却衬垫123和过渡导管126的外表面。应了解，过渡导管126/外壁127；衬垫123/导流套管124；以及盖组件119/燃烧室外壳114形成几乎沿燃烧室的整个长度延伸的流动环道。本专利申请文件所用术语“流动环道”一般可用于指代整个这种环道或所述环道的一部分。

如图所示，盖组件119可包括用于供所供应的压缩空气进入盖组件118的内部的一系列入口130。尽管可采用其他构形，但入口130可彼此平行，且环绕圆柱形盖组件119的圆周隔开。在这种构形中，应了解，每个入口130之间设有支柱，用以在操作过程中支撑所述盖组件结构。应了解，经由导流套管124和外壁127进入燃烧室106的压缩空气可经引导以向盖组件119流动，随后流过燃烧室外壳环道120，其中所述环道120是上述形成于盖组件119与燃烧室外壳114之间的环道；然后经由入口130进入盖组件119，入口130通常朝向盖组件119的前端。进入盖组件119中后，压缩空气流受驱动以进行接近180°的转向，从而向燃料喷嘴118流动。

应了解，图2所示燃烧室进一步包括位于燃料喷嘴118上游的燃料喷射器，本专利申请文件将燃料喷嘴118称为辅助燃料喷射器或燃烧室外壳燃料喷射器160。如上所述，除非另作说明，燃烧室外壳燃料喷射器160包括燃气涡轮发动机100的燃烧系统内的任何燃料喷射器，其在压缩机104下游和燃料喷嘴118上游的位置将燃料喷射到流动通道中。但在某些实施例中，可对燃烧室外壳燃料喷射器160进行更加明确的定义。如下所述，在这些情况下，燃烧室外壳燃料喷射器160被定义成置于适当位置，以将燃料喷射到燃烧室外壳环道120中的燃料喷射器。图2提供这种类型的燃烧室外壳燃料喷射器160的一项实例。

具体而言，图2描绘环形四级燃料分配器，如所属领域的技术人员所知，所述环形四级燃料分配器是已知类型的燃烧室外壳燃料喷射器160。如下文详细所述，这种类型的燃料喷射系统在压缩机排放物流过燃烧室外壳环道120时，将燃料喷射到所述压缩机排放物中。可使用通过这种方式获得的预混合燃料来减轻燃烧室的不稳定性，从而实现更好的燃料/空气混合、提高下游燃料喷嘴的火焰稳定界限，以及减少NOx排放。

如图2所示，示例性环形四级燃料分配器160包括(分段或连续)环绕燃烧室106的环形燃料歧管162。环形燃料歧管162可邻接或连接到燃烧室外壳114。燃料歧管162可包括一个或多个入口164，用于将所供应的燃料输送到歧管162。燃烧室外壳燃料喷射器160也包括环绕燃烧室106以一定间隔隔开的多个燃料喷射器166。燃料喷射器166可将燃料从歧管162输送到燃烧室外壳环道120中的出口。燃料喷射器166可穿过燃烧室外壳114安装。燃料喷射器166可包括木栓设计、环形歧管设计，或其他已知设计。应了解，燃烧室外壳燃料喷射器160的主要功能是将燃料喷射到燃料喷嘴118上游的空气流中，以便形成所需的燃料空气混合物。在某些实施例中，燃烧室外壳燃料喷射器160可在位于所述空气流进入盖组件119内部的入口处上游的某位置，将燃料喷射到流动环道中(例如，入口130的上游)。

所属领域的技术人员应了解，图2所示燃烧室外壳燃料喷射器160仅用作示例。本发明各实施例可应用于其他任何燃烧室外壳燃料喷射器160。

已知的燃烧室外壳燃料喷射器，尤其是具有木栓设计的四级燃料喷射器易受火焰稳定的影响，如上所述，这是指在紧挨燃料喷射器166的下游位置意外出现火焰的现象。火焰稳定可对燃烧室硬件造成严重损坏。但是，用于检测这种类型的火焰稳定的已知系统和方法十分昂贵，且经常输出不准确的检测结果。

图3以方框图的形式描绘用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳中的火焰的系统的一项实施例。以下将燃料喷射器描述成燃烧室外壳燃料喷射器160。应了解，这种类型的燃料喷射器可以是与上述装置相同的环形四级燃料分配器，或位于所述位置中的其他类型的燃料喷射器。在正常操作中，燃烧室外壳燃料喷射器160上游的压力可超出燃烧室外壳燃料喷射器160下游的压力。对于本发明，将术语“上游压力”定义成在压缩机出口与燃烧室外壳燃料喷射器160之间某点上的压缩空气的静压力。本专利申请文件中，上游压力也可称为压缩机出口压力(PCD)。所属领域的技术人员应了解，上游压力可能沿压缩机出口与燃烧室外壳燃料喷射器160之间的流动通道变化，且这些压力中的每个压力构成压缩机出口压力(PCD)。所属领域的技术人员还应了解，压缩机出口压力(PCD)可能不一定正好在压缩机出口进行估定。对于本发明，将术语“下游压力”定义成燃烧室外壳燃料喷射器160下游的静压力。在某些实施例中，下游压力也可称为燃烧室压力(PCC)，因为下游压力可能是从燃烧室获取的。应了解，下游压力也可以是燃烧室外壳燃料喷射器160下游的燃烧室外壳环道120中的压力。在某些实施例中，下游压力可以是盖组件119内部和燃料喷嘴118上游的压力。

如上所述，在正常操作条件下，上游压力可超出下游压力。这种上游压力与下游压力之间(PCD-PCC)的预期压差可有助于沿流动通道流动的驱动流。预期压差可在已知范围内，例如，这一范围可基于燃气涡轮机100的配置或当前的操作条件而变化。

在某些情况下，燃烧室外壳114内可能存在火焰。在某些情况下，这种火焰可能位于燃烧室外壳环道120内。应了解，由燃烧室外壳燃料喷射器160喷射的燃料可能导致所述位置发生火焰稳定。如上所述，例如，出现火焰的原因可能在于逆燃或自点火。逆燃表示火焰从燃烧室106的燃烧反应区域传播到燃烧室外壳114中，而自点火表示燃烧室外壳114内的空气燃料混合物自发着火。但是，燃烧室外壳114中可能出于任何原因而存在火焰。

因此，燃气涡轮机100包括系统200，用于检测燃气涡轮机100的燃烧室外壳114中的火焰。系统200可通过检测燃烧室外壳燃料喷射器160两端的压差来检测燃烧室外壳114的任何区域中的火焰。

应了解，当燃烧室外壳114中存在火焰时，流过燃烧室外壳的压缩空气可能温度升高并膨胀，从而导致燃烧室外壳114中的空气流动阻力增加。因此，空气流过燃烧室外壳114的能力可能相对较低。为了弥补流过燃烧室外壳114的空气流，可使压缩空气转向到燃烧室外壳114中不存在火焰的其他区域。因此，可驱使相对较多量的空气流过相对较小的空间或以较高速度流动，从而增加燃烧室外壳燃料喷射器160上游的压力。

基于下游压力增加和/或下游压力减小，当燃烧室外壳114中存在火焰时，燃烧室外壳燃料喷射器160两端存在压差。具体而言，燃烧室外壳燃料喷射器160两端的压力降可能超出预期压力降。换种说法，当燃烧室外壳114中存在火焰(即即当燃烧室外壳燃料喷射器160周围的火焰稳定)时，压缩机出口压力(PCD)与燃烧室压力(PCC)之间的差值可能相对大于燃气涡轮机100正常操作期间的相应差值。这种压差的变化可被系统200检测到，以确定燃烧室外壳114中存在火焰。基于这一认识，可采取补救措施来保护燃气涡轮机100免受进一步损坏。例如，可通过任何当前已知或即将被开发出的方法来减小或熄灭火焰。

再次参阅图3，其提供描绘系统200的一项实施例的方框图，系统200用于检测燃烧室外壳114中的火焰。如图所示，系统200可包括上游压力传感器204、下游压力传感器206，以及传感器208。上游压力传感器204可置于压缩机104与燃烧室外壳燃料喷射器160之间。上游压力传感器204可检测上述的压缩机出口压力(PCD)。下游压力传感器206可置于燃烧室外壳燃料喷射器160的下游。下游压力传感器206可检测几个不同下游位置上的压力，如下文详细描述。压力传感器204、206可有效地与诸如差压传感器等传感器208关联。传感器208可检测上游压力与下游压力之间的压差。压力传感器204、206可以任何可能的方式连接到传感器208。例如，压力传感器204、206可以是有效连接到传感器208的单独物理部件，或压力传感器204、206可以是传感器208的象征性功能。换句话说，传感器208可检测上游压力与下游压力之间的压差，而不是单独测量上游压力、单独测量下游压力，然后将测量值相减以确定压差。

在某些实施例中，压力传感器204、206可有效地与多个压力传感器208关联，从而实现多余检测，并降低对火焰进行错误指示的可能性。此外，在某些实施例中，多个压力传感器204、206可出于某些原因，有效地与一个或多个压力传感器208关联。在这种情况下，可使用典型的投票过程来确定是否发生对火焰的错误指示。

在各实施例中，系统200可进一步包括控制器210。控制器210可使用用于执行本专利申请文件所述功能的硬件、软件，或两者的组合来进行实施。例如，控制器210可以是处理器、ASIC、比较器、微分模块，或其他硬件构件。同样地，控制器210可包括存储于存储器中且可由处理器或其他处理构件执行的软件或其他计算机可执行指令。

例如，控制器210可经由信号，从传感器208接收所检测的压差。控制器210也可知晓预期压差。例如，控制器210可将预期压差存储在例如控制器210的存储器中。控制器210也可确定预期压差，方法是，例如，对燃气涡轮机100的已知参数或所测得的燃气涡轮机100的操作条件等应用特定算法。控制器210可将所检测的压差与预期压差进行比较，且如果所检测的压差超出预期压差，则控制器210可指示燃烧室外壳114中存在火焰条件。在某些实施例中，预期压差可包括可接受的压差范围，在这种情况下，控制器210可将所测量的压差与所述预期压差范围进行比较，以确定所检测的压差是否落在所述范围内。如果所检测的压差不在所述范围内，则控制器210可指示燃料喷嘴118中存在火焰。

图4是燃气涡轮机的燃烧室的截面图，描绘根据本发明的一项示例性火焰稳定检测系统。如图所示，上游压力传感器204和下游压力传感器206可置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置。燃烧室106的外部可由燃烧室外壳114界定。燃烧室外壳114可适用于将燃烧室106固定到涡轮108。燃烧室外壳114可大体成圆柱形，以在所述燃烧室外壳114与盖组件119之间形成燃烧室外壳环道120。如上所述，衬垫123可置于燃烧室外壳114的内部上。衬垫123也可大体成圆柱形，且可以与燃烧室外壳114同心的方式设置。燃烧衬垫123可界定燃烧腔121的外围，其适用于燃烧上述的空气燃料混合物。燃烧腔121的入口端可与盖组件119邻接，出口端可与过渡导管126邻接。过渡导管126可与涡轮108的入口相连，以使空气燃料混合物燃烧所产生的热气体流入涡轮108中。

为了将空气燃料混合物提供到燃烧腔121，多个燃料喷嘴118可与燃烧腔121的内部流连通。燃料喷嘴118可以彼此平行的方式置于燃烧室106的输入端上。具体而言，燃料喷嘴118可穿过盖组件119。燃料喷嘴118可从压缩机104获取空气；可将空气与燃料混合以形成空气燃料混合物；且可引导空气燃料混合物流入燃烧腔121中以燃烧。

因此，源自压缩机104的空气可流入燃料喷嘴118中，导流套管124可环绕燃烧室106布置。如图所示，导流套管124可大体成圆柱形，且可以同心方式置于燃烧室外壳114与燃烧室衬垫123之间。具体而言，导流套管124可在燃烧室外壳114的径向法兰与过渡导管126的外壁127之间延伸。过渡导管126附近可形成穿过导流套管124的大量的孔。所述孔可供压缩机104中的空气从压缩机104反向流向燃料喷嘴118。具体而言，空气可沿形成于导流套管124与燃烧室衬垫123之间的环形空间中的气流通道140流动，如图中的箭头所示。

如上所述，上游压力传感器204和下游压力传感器206可置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置。在某些情况下，这可能降低压力读数不准确的可能性。例如，上游压力传感器204可置于导流套管124与燃烧衬垫123之间的气流通道140中，从而在十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置检测压缩机出口压力(PCD)，如图4所示。同样地，下游压力传感器206可置于紧挨燃烧室外壳燃料喷射器160的下游位置。如图4所示，下游传感器206可置于燃烧室外壳环道120中紧挨燃烧室外壳燃料喷射器160的下游位置。通过将传感器204、206置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置，传感器204、206相对较不可能检测到导致燃烧室外壳114中出现除火焰稳定以外的其他问题的压力失常。

通过实验和计算机建模发现，对于许多现代燃气涡轮发动机，在预测燃烧室外壳燃料喷射器周围的火焰稳定条件时，具体阈值压差(即预期压力降与上游传感器所测压力与下游传感器所测压力之间的压力降之间的压差)尤为精确。应了解，该阈值的一种表达方式如下列等式所示：

dP％_(meas)-dP％_(exp)≥T

其中dP％_(meas)是从上游传感器204到下游传感器206的测量压力降百分比，其中dP％_(exp)是从上游传感器204到下游传感器206的预期压力降百分比，且其中T是阈值，在该阈值下，上述两个值之间的差值足够大，因而极有可能存在需要采取补救措施的火焰稳定条件。此外，已确定阈值T可取决于设置下游传感器206的流动通道位置。因此，当下游传感器206的位置类似于图4所示位置(即在燃烧室外壳环道120中)时，已发现在优选实施例中，阈值T包括接近0.1％的值。更为优选地，阈值T包括接近0.2％的值。但应了解，T的值可随不同燃烧模式和燃烧系统而变化。

图5是燃气涡轮机的燃烧室的截面图，描绘根据本发明的一项替代性火焰稳定检测系统。如图所示，上游压力传感器204和下游压力传感器206可置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置。在这种情况下，上游压力传感器204可置于导流套管124与燃烧衬垫123之间的气流通道140中紧挨燃烧室外壳燃料喷射器160的上游位置，从而在十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置检测压缩机出口压力(PCD)。下游压力传感器206可置于紧挨燃烧室外壳燃料喷射器160的下游位置。如图5所示，下游传感器206可穿过端盖112，以使压力传感器位于盖组件119的内部(以及燃料喷嘴的上游)。通过将传感器204、206置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置，传感器204、206检测到引起燃烧室外壳114中出现除火焰稳定以外的其他问题的压力失常的可能性较低。通过将传感器204、206置于十分接近燃烧室外壳燃料喷射器160的位置，传感器204、206相对较不可能检测到可能导致燃烧室外壳114中出现除火焰稳定以外的其他问题的压力失常。

如上所述，已发现对于许多现代气体，在预测燃烧室外壳燃料喷射器周围的火焰稳定条件时，具体阈值压差尤为精确。应了解，该阈值的一种表达方式如下列等式所示：

dP％_(meas)-dP％_(exp)≥T

其中dP％_(meas)是从上游传感器204到下游传感器206的测量压力降百分比，其中dP％_(exp)是从上游传感器204到下游传感器206的预期压力降百分比，且其中T是阈值，在该阈值下，上述两个值之间的差值足够大，因而极有可能存在需要采取补救措施的火焰稳定条件。此外，已确定阈值T可取决于设置下游传感器206的流动通道位置。因此，当下游传感器206的位置类似于图5所示位置(即在盖组件119中)时，已发现在优选实施例中，阈值T包括接近0.2％的值。更为优选地，阈值T包括值0.5％。更为优选地，阈值T包括值1％。但应了解，T的值可随不同燃烧模式和燃烧系统而变化。

如图6所示，在某些实施例中，上游压力传感器204和下游压力传感器206可以是一体式探针250的部件，如图7中详细图示。一体式探针250可操作以检测燃烧室外壳燃料喷射器160两端的压差的升高，例如压缩机出口压力(PCD)与燃烧室压力(PCC)之间的差值。例如，在某些实施例中，一体式探针250可以是差压探针。

一体式探针250可与图6和图7所示的燃烧室106关联。具体而言，探针250可穿过燃烧室外壳114、导流套管124和燃烧衬垫123，并延伸到燃烧腔121中。上游压力传感器204可置于探针250中置于进入燃烧室106的气流通道中的部分上，例如导流套管124与燃烧衬垫123之间或其他此类位置。下游压力传感器206可置于探针250中置于燃烧腔121中的部分上。因此，压缩机出口压力(PCD)和燃烧室压力(PCC)均可使用单个250进行感测。如图7所示，一体式探针250也可包括传感器208。尽管所图示的实施例中并未显示控制器210，但探针250也可包括控制器210。或者，控制器210可与探针250分离。

在各实施例中，可选择下游压力传感器206在燃烧腔121中的位置，以降低燃烧腔121内的温度对下游压力传感器206的影响。例如，燃烧腔121内的温度可能超出下游压力传感器206所能承受的温度。因此，可以使下游压力传感器206的尖端254位于燃烧衬垫123附近的方式将下游压力传感器206置于燃烧腔内。例如，尖端254可大体与燃烧衬垫123齐平，如图所示。在某些情况下，可环绕尖端254形成微小的空隙256。空隙256可供冷却气流流过，从而进一步降低温度对下游压力传感器206的影响。

一体式探针250可降低用系统200对燃气涡轮机进行改进的成本，其中系统200用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴中的火焰；因为一体式探针250可通过检测燃烧室外壳燃料喷嘴160两端的压力降，检测任一燃料喷嘴118中的火焰。

在各实施例中，一体式探针250可与燃气涡轮机的现有探针关联，例如与燃烧室动力学监控(CDM)探针关联。燃烧动力学监控(CDM)探针可用于测量燃气涡轮机的参数，例如燃烧腔121的动压力。在此类实施例中，下游压力传感器206可具有同心的轴向穿孔，用以将动压力信号从燃烧腔121输送到位于一体式探针250上的动压力传感器252。在此类实施例中，用一体式探针250对燃气涡轮机进行改进十分简单，只需用一体式探针250替代现有燃烧动力学监控(CDM)探针即可。

如上所述，已发现对于许多现代气体，在预测燃烧室外壳燃料喷射器周围的火焰稳定条件时，具体阈值压差尤为精确。应了解，该阈值的一种表达方式如下列等式所示：

dP％_(meas)-dP％_(exp)≥T

其中dP％_(meas)是从上游传感器204到下游传感器206的测量压力降百分比，其中dP％_(exp)是从上游传感器204到下游传感器206的预期压力降百分比，且其中T是阈值，在该阈值下，上述两个值之间的差值足够大，因而极有可能存在需要采取补救措施的火焰稳定条件。此外，已确定阈值T可取决于设置下游传感器206的流动通道位置。因此，当下游传感器206的位置类似于图6所示位置(即在燃烧腔121中)时，已发现在优选实施例中，阈值T包括值0.2％。更为优选地，阈值T包括值0.5％。更为优选地，阈值T包括值1％。但应了解，T的值可随不同燃烧模式和燃烧系统而变化。

图8以方框图的形式方法800的一项实施例，其中方法800用于检测燃气涡轮发动机的燃烧室外壳114中的火焰。在方框802中，可检测燃烧室外壳燃料喷射器160两端的压力降，所述燃烧室外壳燃料喷射器160可以是环形四级燃料分配器。例如，可通过检测压缩机出口压力(PCD)与燃烧室外壳燃料喷射器160下游的压力之间的压差来检测所述压力降，例如通过使用上述的一个系统来进行检测。在方框804中，可响应于所述压力降超出预期压力降，确定燃烧室外壳114中存在火焰。例如，可通过将所检测的压力降与预期压力降进行比较，确定存在火焰。在某些实施例中，预期压力降可以是一定范围内的预期压力降，在这种情况下，可通过确定所检测的压力降未落在预期压力降范围内，确定存在火焰。之后，方法800结束。在各实施例中，方法800可进一步包括将火焰熄灭。可使用任何当前已知的或即将开发出的方法来熄灭火焰。

上文参阅根据本发明的方法和系统的方框图和示意图来描述本发明的各实施例。应了解，图中的每个方框以及图中方框的组合可通过计算机程序指令进行实施。可将这些计算机程序程序指令加载到通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理设备中的一种或多种装置以形成特定机械，以便在计算机处理器或其他可编程数据处理设备上执行的指令构成用于执行在一个或多个方框中指定的功能的构件。此类计算机程序指令也可存储在能够指示计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式运行的计算机可读存储器中，以便存储在计算机可读存储器中的指令形成特定的制造品，其中包括用以执行在一个或多个方框中指定的功能的指令构件。

所属领域的技术人员应了解，火焰稳定也涉及到燃料喷嘴的燃料喷射器。第2010/0170217号美国专利公开案是由本专利申请案的受让人通用电气公司(General Electric)共同所有的相关专利申请案，其以全文引用方式并入本专利申请案中。本发明的一项实施例进一步包括在三个位置设有压力传感器，以同时监控燃烧室外壳燃料喷射器和燃料喷嘴两端的压力。例如，压力传感器可如图6所示进行定位，而附加压力传感器如图4所示“传感器206”的位置进行定位。通过这种方式，图6所示的压力传感器记录超出预期值的压力升高(因此可能存在火焰稳定条件)，可使用燃烧室外壳燃料喷射器与燃料喷嘴之间的压力传感器(即图4所示的“传感器206”)来确定是否发生火焰稳定(即，如果因燃烧室外壳燃料喷射器两端的压力升高或燃料喷嘴两端的压力升高而引起的压力升高)。

所属领域的技术人员应了解，上述有关若干实施例的许多不同特征和配置可进一步选择性地用于形成本发明的其他可能实施例。出于简洁性和所属领域技术人员能力的考虑，将不提供或详细讨论本发明的任何可能重复方案，即使包含在下述若干权利要求或其他方面中的所有组合和可能的实施例意图属于本发明的一部分。此外，所属领域的技术人员可基于上述对本发明的若干示例性实施例进行的描述，做出改进、变化和修改。在所属技术领域范围内的此类改进、变化和修改也意图包括在所附权利要求书的范围内。此外，应了解，上述说明仅涉及本发明的所述实施例，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物定义。

Claims (21)

1.在包括压缩机和燃烧室的燃气涡轮发动机中，其中所述燃烧室包括燃料喷嘴内的主燃料喷射器和位于所述燃料喷嘴上游的辅助燃料喷射器，一种用于检测所述辅助燃料喷射器周围火焰的系统，所述系统包括：

第一压力传感器，其检测所述辅助燃料喷射器上游的上游压力；

第二压力传感器，其检测所述辅助燃料喷射器下游的下游压力；

用于确定所述上游压力与所述下游压力之间的测量出的压差的构件；以及

用于将所述测量出的压差与预期压差进行比较的构件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃烧室包括燃烧腔，且所述燃料喷嘴包括位于所述燃烧腔的正上游的位置；以及

其中所述预期压差包括所述辅助燃料喷射器周围没有火焰时所预期的压差。

3.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述用于确定所述测量出的压差的构件包括有效连接的传感器，用以检测所述上游压力与所述下游压力之间的压差；

所述用于将所述测量出的压差与预期压差进行比较的构件包括由计算机实施的控制器；

所述由计算机实施的控制器经配置以经由以下项中的至少一项来确定所述预期压差：a)查阅存储值；以及b)通过对所述燃气涡轮发动机的参数和所测量的操作条件运用算法来进行计算；以及

所述由计算机实施的控制器经配置以当所述预期压差与所述测量出的压差之间的差值超出预定阈值时作出响应，指出所述辅助燃料喷射器周围存在火焰。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述辅助燃料喷射器包括经配置以将燃料喷射到所述燃烧室的流动环道中的燃料喷射器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中：

所述燃烧室包括第一腔，其包括燃烧室外壳；以及第二腔，其包括盖组件；

所述盖组件至少部分由端盖界定前端，且由所述燃料喷嘴界定后端；

其中燃料管线穿过所述端盖和所述盖组件的内部以与所述燃料喷嘴接合；以及

所述燃烧室外壳环绕所述盖组件布置，以在两者之间构成燃烧室外壳环道。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述辅助燃料喷射器包括经配置以将燃料喷射到所述燃烧室外壳环道中的燃料喷射器。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，在所述后端，所述盖组件与环绕所述燃烧腔的衬垫接合；其中，朝向所述前端，所述盖组件包括使所述燃烧室外壳环道与所述盖组件的所述内部流连通的入口；以及

其中所述辅助燃料喷射器包括经配置以将燃料喷射到所述燃烧室外壳环道中位于以下项之间的轴向位置的燃料喷射器：a)所述盖组件与所述衬垫接合的轴向位置与b)所述入口的轴向位置。

8.根据权利要求6所述的系统，所述第一压力传感器置于所述燃烧室的所述流动环道中和所述辅助燃料喷射器的上游。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一压力传感器包括位于所述燃烧室外壳环道中的位置。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二压力传感器包括位于所述燃烧室外壳环道中的位置；

进一步包括用于计算所述预期压差超出所述测量出的压差的量的构件，以及用于确定所计算出的所述预期压差超出所述测量出的压差的量是否大于预定阈值的构件，其中所述预定阈值对应于所述辅助燃料喷射器周围的火焰稳定条件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述预定阈值包括约0.2％。

12.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二压力传感器包括位于所述盖组件的所述内部中和所述燃料喷嘴上游的位置；

进一步包括用于计算所述预期压差超出所述测量出的压差的量的构件，以及用于确定所计算出的所述预期压差超出所述测量出的压差的量是否大于预定阈值的构件，其中所述预定阈值对应于所述辅助燃料喷射器周围的火焰稳定条件。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述预定阈值包括约0.5％。

14.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二压力传感器包括位于所述燃烧腔中的位置；

进一步包括用于计算所述预期压差超出所述测量出的压差的量的构件，以及用于确定所计算出的所述预期压差超出所述测量出的压差的量是否大于预定阈值的构件，其中所述预定阈值对应于所述辅助燃料喷射器周围的火焰稳定条件。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述预定阈值包括约0.5％。

16.根据权利要求2所述的系统，进一步包括一体式探针，所述一体式探针穿过所述燃烧室的气流通道延伸到所述燃烧腔中；

其中：

所述第一压力传感器置于所述一体式探针中位于所述气流通道中的部分上；以及

所述第二压力传感器置于所述一体式探针中位于所述燃烧腔中的部分上。

17.在包括压缩机和燃烧室的燃气涡轮发动机中，其中所述燃烧室包括燃料喷嘴内的主燃料喷射器和位于所述燃料喷嘴上游的辅助燃料喷射器，所述辅助燃料喷射器经配置以将燃料喷射到所述燃烧室的流动环道中，一种用于检测燃料喷射器周围火焰稳定条件的方法，所述方法包括以下步骤：

检测所述辅助燃料喷射器上游的上游压力；

检测所述辅助燃料喷射器下游的下游压力；

确定所述上游压力与所述下游压力之间的测量出的压差；以及

将所述测量出的压差与预期压差进行比较。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述燃烧室包括燃烧腔，且所述燃料喷嘴包括位于所述燃烧腔的正上游的位置；

进一步包括以下步骤：

经由以下项中的至少一项来确定所述预期压差：a)查阅存储值；以及b)通过对所述燃气涡轮发动机的参数和所测量的操作条件运用算法来进行计算；以及

当所述预期压差与所述测量出的压差之间的差值超出预定阈值时作出响应，指出所述辅助燃料喷射器周围存在火焰。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述燃烧室包括第一腔，其包括燃烧室外壳；以及第二腔，其包括盖组件；

所述盖组件至少部分由端盖界定前端，且由所述燃料喷嘴界定后端；

其中燃料管线穿过所述端盖和所述盖组件的内部以与所述燃料喷嘴接合；

所述燃烧室外壳环绕所述盖组件布置，以在两者之间构成燃烧室外壳环道；以及

所述辅助燃料喷射器包括经配置以将燃料喷射到所述燃烧室外壳环道中的燃料喷射器。

20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：

计算所述预期压差超出所述测量出的压差的量；

确定所计算出的所述预期压差超出所述测量出的压差的量是否大于预定阈值；以及

其中所述预定阈值对应于所述辅助燃料喷射器周围的火焰稳定条件。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述下游压力包括第一下游压力，且检测所述辅助燃料喷射器下游的所述第一下游压力包括检测位于所述燃料喷嘴上游的位置上的压力；

进一步包括以下步骤：

检测所述主燃料喷射器下游的第二下游压力；

确定所述第一下游压力与所述第二下游压力之间的测量出的压差；

将所述第一下游压力与所述第二下游压力之间的所述测量出的压差与预期压差进行比较；

基于对以下项之间的测量压力与预期压力进行的比较，确定所述主燃料喷射器或所述辅助燃料喷射器周围是否存在火焰稳定条件：a)所述第一下游压力与所述第二下游压力以及b)所述第一下游压力与所述第二下游压力。

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