CN112469944A - 燃气涡轮燃烧部段中的声学逆燃检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测燃气涡轮发动机中的燃烧器逆燃的方法，该方法包括：将动态压力传感器定位在具有火焰管的燃烧部段内；向燃气涡轮发动机提供燃料流；以及操作燃气涡轮发动机以建立火焰，该火焰具有与火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部。该方法还包括：检测邻近火焰管的压力变化以产生压力信号；监测由动态压力传感器提供的信号的振幅；检测由动态压力传感器提供的信号内的逆燃信号；以及响应于对逆燃信号的检测而改变燃料流。

Description

燃气涡轮燃烧部段中的声学逆燃检测

技术领域

本公开总体上涉及火焰不规则性的检测，并且更具体地涉及燃气涡轮发动机中的不规则性比如逆燃的检测。

背景技术

燃气涡轮发动机是流动力机(flow machine)，在流动机器中，加压的高温气体膨胀以产生机械功。燃气涡轮包括涡轮或膨胀机、定位在涡轮上游的压缩机以及在压缩机与涡轮之间的燃烧室。压缩机部段通过一个或更多个压缩机级的叶片装置来压缩空气。被压缩的空气随后在燃烧室中与气态或液态燃料混合，在燃烧室中混合物被点燃以开始燃烧。燃烧产生热气体(由燃烧气体产物和空气残留成分组成的混合物)，该热气体在随后的涡轮部段中膨胀，其中，在该过程中热能被转换成机械能以驱动轴向轴。轴连接至压缩机并且驱动压缩机。轴还驱动发电机、螺旋桨或其他旋转负载件。在喷气动力装置的情况下，热能还会加速热的废气体流，该热的废气体流产生喷气推力。逆燃是在燃气涡轮的燃烧室中在火焰前部逆着燃料/空气流向后移动并且接近或接触火焰管时发生的现象。

发明内容

一种用于检测燃气涡轮发动机中的燃烧器逆燃的方法，该方法包括：将动态压力传感器定位在具有火焰管的燃烧部段内；向燃气涡轮发动机提供燃料流；以及操作燃气涡轮发动机以建立火焰，该火焰具有与火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部。该方法还包括：检测邻近火焰管的压力动态以产生压力信号；监测由动态压力传感器提供的信号的特征；检测由动态压力传感器提供的信号内的逆燃信号；以及响应于检测逆燃信号而改变燃料流。

在另一结构中，一种检测燃气涡轮发动机中的逆燃的方法，燃气涡轮发动机包括燃烧部段，该燃烧部段具有至少两个燃烧器内筒以及位于每个燃烧器筒中的至少一个火焰管，该方法包括：向所述燃气涡轮发动机提供燃料流；操作燃气涡轮发动机以建立火焰，该火焰具有与火焰管中的每个火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部；以及将动态压力传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以监测每个燃烧器筒内的声学环境。该方法还包括：将振动传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以测量每个燃烧器筒的振动；检测两个燃烧器筒之间的振动信号的差异和啁啾信号中的一者；以及响应于对振动信号的差异和啁啾信号中的一者的检测而改变所述燃料流。

在另一结构中，一种用于检测燃气涡轮发动机中的逆燃的方法，燃气涡轮发动机包括燃烧部段，燃烧部段具有多个燃烧器筒以及在每个燃烧器筒中的至少一个火焰管，该方法包括：操作燃气涡轮发动机以建立火焰，该火焰具有与火焰管中的每个火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部；以及将振动传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以测量每个燃烧器筒的振动。该方法还包括将多个筒中的每个筒的测得的振动与多个筒中的每个剩余筒的振动进行比较，以识别各个筒中的振动事件；以及识别包括超出预定阈值的振动事件的任何筒。

前面已经相当广泛地概述了本公开的技术特征，使得本领域技术人员可以更好地理解下面详细的描述。下文中将描述本公开的形成权利要求的主题的另外的特征和优点。本领域技术人员将理解的是，出于实现本公开的相同目的，他们可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式作为用于修改或设计其他构造的基础。本领域技术人员还将认识到，这样的等同结构不会脱离本公开的最广泛的形式的精神和范围。

同样，在进行下面的详细描述之前，应当理解的是，在整个说明书中提供了用于某些单词和短语的各种限定，并且本领域的普通技术人员将理解，这样的限定在许多(如果不是大多数)情况下适用于这样限定的词和短语的先前使用和将来使用。虽然一些术语可以包括各种各样的实施方式，但是所附权利要求可以将这些术语明确地限制到具体实施方式。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机的局部横截面。

图2是图1的燃气涡轮发动机的包括声换能器的部分的横截面。

图3是火焰管和火焰的示意图，该示意图示出了火焰管与火焰前部之间的间隔。

图4是示出在逆燃事件期间从至少一个动态压力传感器和至少一个热电偶收集的数据的一组图。

图5是示出在正常操作期间从振动传感器收集的数据的一组图。

图6是示出在另外的逆燃事件期间从振动传感器收集的数据的一组图。

图7是一组图表，示出了从振动传感器收集的原始数据和从来自燃气涡轮的两个筒上安装的振动传感器的原始数据提取的信号振动水平，以及来自一个热电偶的温度数据，这一个热电偶由于在逆燃事件期间的逆燃而显示温度升高。

在详细说明本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应该被视为限制性的。

具体实施方式

现在将参照附图描述对关于系统和方法的各种技术进行描述，其中，相似的附图标记始终表示相似的元件。本专利文件中的以下讨论的附图以及用于描述本公开的原理的各种实施方式仅作为说明，并且绝不应被解释为限制本公开内容的范围。本领域的技术人员将理解，本公开内容的原理可以实现在任何适当布置的设备中。应该理解的是，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件执行。类似地，例如，元件可以被配置成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参照示例性非限制性实施方式来描述本申请的众多创新性教导。

另外，应该理解的是，除非在一些示例中明确限制，否则本文中使用的词或短语应该被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其派生词意味着非限制性包括。除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式。此外，本文中所使用的术语“和/或”指代以及包括一个或更多个相关联列出项目的任何可能的组合和全部可能的组合。除非上下文另外明确地指示，否则术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与...相关联”和“与此相关联”以及其派生词可以意味着包括、被包括在...内、与...互连、包含、被包含在...内、连接至或与...连接、耦接至或与...耦接、可与...通信、与...合作、交织、并置、接近、结合至或与...结合、具有、具有...的属性等。

此外，尽管在本文中使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应该受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分。例如，在不偏离本公开的范围的情况下，第一元件、信息、功能或动作可以被称为第二元件、信息、功能或动作，并且类似地，第二元件、信息、功能或动作可以被称为第一元件、信息、功能或动作。

另外，除非上下文另外明确指示，否则术语“与...邻近”可以意思是：元件相对接近另一元件但不与另一元件接触；或者元件与其他部分接触。另外，除非另有明确说明，否则短语“基于”意在表示“至少部分地基于”。术语“大约”或“大致上”或类似术语旨在涵盖在用于该尺寸的正常工业制造公差内的值中的变化。如果没有可用的行业标准，除非另有说明，否则20％的变化将落入这些术语的含义之内。

图1示出了包括压缩机部段15、燃烧部段20和涡轮部段25的燃气涡轮发动机10的示例。压缩机部段15包括多个级30，其中，每个级包括一组旋转叶片和一组固定或可调的导引叶轮。压缩机部段15与入口部段流体连通，以允许发动机10将大气空气吸入压缩机部段15中。在发动机操作期间，压缩机部段15操作以吸入大气空气并将该空气压缩以输送至燃烧部段。

在所示的结构中，燃烧部段20包括多个单独的燃烧器35，燃烧器35各自操作以将燃料流与来自压缩机部段15的压缩空气混合并燃烧该空气-燃料混合物以产生高温、高压燃烧气体流。当然，很多其他燃烧部段的布置是可能的。

涡轮部段25包括多个级40，其中，每个级40包括多个旋转叶片和多个固定叶片或叶轮。级40布置成接收来自燃烧部段20的燃烧气体并使该气体膨胀以将热能和压力能转换成旋转或机械功。涡轮部段25连接至压缩机部段15以驱动压缩机部段15。用于发电或用作原动机的燃气涡轮发动机10，涡轮部段15还连接至要被驱动的发电机、泵或其他设备。在喷气式发动机的情况下，燃烧气体从发动机排放以产生推力。

控制系统45联接至燃气涡轮发动机10并操作以监测各种操作参数并且控制燃气涡轮发动机10的各种操作。在优选的结构中，控制系统45基于微处理器，并且包括用于收集、分析和存储数据的存储器设备和数据存储设备。另外，控制系统45向包括监测器、打印机、指示器等的各种设备提供输出数据，以允许用户与控制系统45交互以提供输入或调节。在发电系统的示例中，用户可以输入功率输出设定点，并且控制系统45对各种控制输入进行调节以便以有效的方式实现功率输出。

控制系统45可以控制各种操作参数，这些操作参数包括但不限于可变的入口导引叶轮位置、燃料流速和压力、发动机速度和发电机负载。当然，其他应用可能具有更少或更多的可控制的设备。控制系统45还监测各种参数以确保燃气涡轮发动机10正常操作。所监测的一些参数可以包括入口空气温度、压缩机出口温度和压力、燃烧器出口温度、涡轮入口温度、燃料流速、发电机功率输出等。这些测量值中的很多测量值为用户显示，并被记录，以便以后需要时进行查看。

图2是图1的燃气涡轮发动机10的燃烧器35中的一个燃烧器的放大横截面图。每个燃烧器35包括顶部帽部段50、至少一个火焰管55，燃烧器筒60和过渡件65。顶部帽部段50附接至发动机10并且支撑将燃料导向到燃烧器35中所需的任何管道和阀。燃烧器筒60从顶部帽部段50朝向涡轮部段25延伸，并且限定长轴线70，该长轴线70相对于燃气涡轮发动机中心轴线75以一倾斜的角度布置。燃烧器筒60作为衬套操作，以将燃烧器35的燃烧区域与发动机10的外部壁分开。至少一个火焰管55，并且在很多情况下，多个火焰管55设置在燃烧器筒60内。火焰管55排出燃料和空气流，该燃料和空气流被点燃以在燃烧器筒60内形成一个或更多个火焰80。在正常操作期间，火焰80限定火焰前部85(在图3中示出)，该火焰前部80与火焰管55的出口95间隔非零距离90。燃烧器筒60包括多个孔(未示出)，该多个孔允许额外的空气进入燃烧区域中以确保完全燃烧并在燃烧气体排放至涡轮部段25之前使燃烧气体冷却。过渡件65定位成邻近燃烧筒60，以接收燃烧气体并将燃烧气体有效地导向至涡轮部段25的入口。

参照图2，第一传感器100定位在燃烧器筒60的出口端部105处，并且第二传感器110在第一传感器100的下游定位在过渡件65中。在示出的结构中，传感器100、110在火焰管55的下游。传感器100、110是动态压力传感器，所述动态压力传感器能够操作以检测燃烧器35内的与听觉变化相关的小且快速的压力变化。尽管传感器100、传感器110被示出，仅需要一个传感器检测所期望的压力波动。在其他结构中，这些传感器100、110可以定位在顶部帽部段50中或在燃烧器35的其他区域中。由于小的设计变化可以对声学环境具有很大影响，所需要的传感器100、110的实际位置和数量可以随燃烧器35的设计而变化。

其他传感器比如单独或以某种组合的声学传感器、低频压力传感器、温度传感器、光学传感器或电离传感器可以配置成检测在气体流中的至少一部分的物理现象。在一些实施方式中，具有多个致动器或传感器或两者，统称为换能器。在一些实施方式中，一个或更多个致动器和传感器中的任一者或两者是声收发器，这些声收发器是既可以发射又可以检测声信号的声换能器。

动态压力传感器100、110接收在燃烧器35内产生的声波振荡、包括由火焰80产生的声波振荡，并且将这些振荡转换成可以被处理器分析的信号。火焰80的状态可以通过将关于传感器100、110的位置和火焰80的信息与包含在传感器信号中的光谱含量相结合而被可靠地检测和监测。在本文所述的各个实施方式中，关于火焰前部85的定位的信息还基于从动态压力传感器100、110中的任一者或两者接收的信号的光谱含量来确定。动态压力传感器100、110在燃气涡轮发动机10中布置在燃烧器35的压力影响区域中的两个不同位置处。压力影响区域在本文中理解为下述区域：在该区域中，压力波动在很大程度上取决于相应燃烧器35的火焰80的动态性。在罐状环形类型的燃气涡轮发动机10的情况下，这可以例如是燃烧器35的相应筒60内的区域。在其他实施方式中，在燃烧器筒60中使用在相同或不同的一个或更多个位置中对声学现象敏感的不同的声换能器。在一些结构中，压力传感器100、110定位在火焰80的上游。该位置比图2中所示的传感器位置更冷。然而，提供图2以说明如何使用传感器100、110进行火焰监测，以有助于识别有问题的现象、包括在火焰管55中或邻近火焰管的逆燃。

因此，在罐状环形的燃烧器系统中的每个筒60上安装有动态压力传感器100、110，或在环形室的情况下，在环形系统中安装有几个动态压力传感器。根据高级数据采集系统获得的结果，这些传感器100、110足够灵敏以获得由比如逆燃事件的事件产生的声音。

动态压力传感器100、110用作逆燃检测系统的实现为控制系统45的部分或者是独立的监测系统的部分。在燃气涡轮发动机10的正常操作期间，火焰80与火焰管55中的各个火焰管之间的距离为非零距离90(图3所示)。火焰80的底部或火焰前部85倾向于响应于变化的操作情况(例如，燃料压力、燃料流、空气压力，空气体积、温度等)而移动。在某些情况下，火焰前部85可能非常靠近火焰管出口95或甚至移动到火焰管55中。该情况称为逆燃，并且可能导致对火焰管55和其他涡轮发动机部件迅速且重大的损坏。逆燃检测系统监测动态压力传感器100、110以用于指示逆燃事件的特征信号。通常，指示逆燃事件的特征是特定频率范围内振幅的增加。

参照图3，火焰管55是环形管构件，该环形管构件在正常操作期间由于通过环形管构件的流而振动。用于各个火焰管55的火焰前部85与火焰前部对应的火焰管55配合以限定特征长度。该特征长度确定了各个火焰管55振动的频率。在逆燃事件开始时，火焰前部85移动靠近火焰管55。这缩短了特征长度，并且增加了由火焰管55产生的振动的振幅和频率。

图4示出了一系列图表，这些一系列图表包括由动态压力传感器100、110生成的频谱图120并且示出了火焰管55振动的频率范围。在逆燃事件期间，动态压力传感器100、110立即检测增加的振幅125。另外，当火焰前部85接近火焰管55的出口95时，这使增加振动频率的特征长度缩短。这立即表现为频率随时间增大的较高振幅线130。

现有技术的检测系统依靠热电偶检测温度的升高。图4还示出了在频谱图120中示出的同一逆燃事件的热电偶绘图135。动态压力传感器100、110几乎立即检测逆燃事件。然而，热电偶系统需要一些时间以加热热电偶。另外，为热电偶系统设置了死区或公差，以防止不必要的误报检测。因此，动态压力传感器系统在热电偶系统检测到逆燃事件之前检测到逆燃事件并对逆燃事件作出反应。早期检测到逆燃可以为操作员或控制系统提供时间，以减少至燃烧器35的燃料流或关闭燃气涡轮发动机10，以便减少损坏的可能性。

在具有包括多个火焰管55的燃烧器筒60的发动机10中，两个或更多个动态压力传感器100、110可以同时使用以识别经历逆燃事件的特定的火焰管55。在传感器100、110间隔开的情况下，可以使用三角测量方法或其他已知方法来识别振动事件的位置。经历该事件的火焰管55然后可以被识别以用于将来的检查、维护或更换。

在另一结构中，振动传感器140联接至各个燃烧器筒60，以检测筒60的振动。在发动机10的操作期间，各个筒60中的每个筒趋向于在相同的频率范围内振动。图5包括另一频谱图，该频谱图示出了由振动传感器140在正常操作期间产生的数据。然而，在逆燃事件期间，在逆燃事件发生的燃烧器筒60的特定频率范围内经常有振动的增加的振幅，如图6的频谱图150所示。控制系统45同时比较所有燃烧器筒60的振动水平并识别哪个燃烧器筒60产生异常振动。这些事件被记录为可能的逆燃事件，以允许将来的检查、维护或更换。

图7以不同的格式示出了振动数据。在图7中，绘制了在用于多个筒上的每个传感器140的在特定频率范围内的振动水平与时间的关系图。来自安装在一个筒60上的一个振动传感器140的振动水平相对于来自安装在其他筒60上的传感器140的正常振动水平的峰值或突然大的增加表示发生了事件、比如在经历峰值的筒60上发生的逆燃事件。图7还示出了基于温度的逆燃检测系统在相同操作情况下的反应。与动态压力传感器系统一样，振动传感器140比基于温度的系统对逆燃事件的反应更快。

在一些实施方式中，频谱图120、145在显示器上、比如计算机系统的显示设备上呈现给用户，以允许对发动机10进行连续和实时的监测。此外，数据能够自动分析，该自动分析允许自动警报或记录看似逆燃事件的事件。

尽管本公开的大部分讨论了监测两个燃烧器筒，但是应该清楚的是，逆燃检测系统能够同时监测任何数目的燃烧器筒。

尽管已经详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的最广泛形式的精神和范围的情况下，可以做出本文所公开的各种改变、替换、变化和改进。

本申请中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件：专利主题的范围仅由允许的权利要求来限定。此外，除非确切的词语“用于...的装置”后面是分词，否则这些权利要求都并非意在援引装置加功能的权利要求结构。

Claims (21)

1.一种检测燃气涡轮发动机中的燃烧器逆燃的方法，所述方法包括：

将动态压力传感器定位在具有火焰管的燃烧部段内；

向所述燃气涡轮发动机提供燃料流；

操作所述燃气涡轮发动机以建立火焰，所述火焰具有与所述火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部；

检测邻近所述火焰管的压力变化以产生压力信号；

监测由所述动态压力传感器提供的所述信号的特征；

检测在由所述动态压力传感器提供的所述信号内的逆燃信号；以及

响应于对所述逆燃信号的检测而改变所述燃料流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃烧部段包括多个单独的燃烧器筒，并且其中，所述动态压力传感器定位成检测所述燃烧器筒中的第一燃烧器筒内的压力变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述火焰管定位在所述第一燃烧器筒内，并且其中，每个燃烧器筒包括至少一个火焰管。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一燃烧器筒包括多个火焰管，并且其中，所述动态压力传感器同时检测来自所述多个火焰管中的每个火焰管的压力变化。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括将振动传感器定位成邻近所述多个燃烧器筒中的每个燃烧器筒，每个振动传感器测量所述每个振动传感器各自的燃烧器筒的振动并且生成指示这些测得的振动的信号。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括将测得的振动在振动传感器之间进行比较，并且识别来自一个振动传感器的在其他测得的振动中不存在的测得的振动。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括将第二动态压力传感器定位成邻近所述第一燃烧器筒，以检测所述第一燃烧器筒内的邻近所述多个火焰管的压力变化，并且基于来自所述动态压力传感器和所述第二动态压力传感器的信号来确定所述多个火焰管中的哪个火焰管正在产生压力变化。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述逆燃信号包括频率随时间增大的振幅的增大。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述燃料流包括将所述燃料流减小至零以关闭所述燃气涡轮发动机。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，定位步骤包括将所述动态压力传感器定位在所述火焰管的下游。

11.一种检测燃气涡轮发动机中的逆燃的方法，所述燃气涡轮发动机包括燃烧部段，所述燃烧部段具有至少两个燃烧器筒以及位于每个筒中的至少一个火焰管，所述方法包括：

向所述燃气涡轮发动机提供燃料流；

操作所述燃气涡轮发动机以建立火焰，所述火焰具有与所述火焰管中的每个火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部；

将动态压力传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以监测每个燃烧器筒内的声学环境；

将振动传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以测量每个燃烧器筒的振动；

检测两个燃烧器筒之间的振动信号的差异和啁啾信号中的一者；以及

响应于对所述振动信号的差异和所述啁啾信号中的一者的检测而改变所述燃料流。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，每个燃烧器筒包括多个火焰管，并且其中，每个动态压力传感器同时检测来自所述每个动态压力传感器各自的燃烧器筒内的所述多个火焰管中的每个火焰管的压力变化。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括将测得的振动在所述振动传感器之间进行比较，以产生振动信号的差异，并且识别在其他振动传感器中不存在的来自一个振动传感器的振动信号的差异。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，每个燃烧器筒包括多个火焰管。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将第二动态压力传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以检测每个相应的燃烧器筒内的邻近所述多个火焰管的压力变化，并且基于来自用于每个燃烧器筒的所述动态压力传感器和所述第二动态压力传感器的信号来确定所述多个火焰管中的哪个火焰管正在产生压力变化。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述啁啾信号包括振幅随时间增大并且频率随时间增大的压力信号。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述振动信号的差异包括下述振动信号：该振动信号指示燃烧器筒中的第一燃烧器筒处的在多个其他燃烧器筒处未检测到的振动。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，改变所述燃料流包括将所述燃料流减少至零以关闭所述燃气涡轮发动机。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，定位步骤包括将所述动态压力传感器定位在所述火焰管的下游。

20.一种检测燃气涡轮发动机中的逆燃的方法，所述燃气涡轮发动机包括燃烧部段，所述燃烧部段具有多个燃烧器筒以及位于每个燃烧器筒中的至少一个火焰管，所述方法包括：

操作所述燃气涡轮发动机以建立火焰，所述火焰具有与所述火焰管中的每个火焰管的出口间隔非零距离的火焰前部；

将振动传感器定位成邻近每个燃烧器筒，以测量每个燃烧器筒的振动；

将所述多个筒中的每个筒的测得的振动与所述多个筒中的每个剩余筒的振动进行比较，以识别各个筒中的振动事件；以及

识别包括超出预定阈值的振动事件的任何筒。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，识别步骤包括对包括在多个剩余燃烧器筒中未被识别的振动事件的任何筒进行识别。

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