CN1680700A - 降低燃气涡轮发动机工作期间燃烧室动压力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供控制燃气涡轮发动机10的方法和装置。该发动机包括一个燃烧室25。方法400包括测定402燃烧室声级幅值，比较404该声级与预定的声级上限，以及用闭环控制器228调节进入燃烧室的燃料流量以降低声学能级至小于声级上限的预定的声级下限。

Description

降低燃气涡轮发动机工作期间 燃烧室动压力的方法和装置

发明领域

本申请总的涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮燃烧室。

在世界范围的对空气污染的关注已在国内和国际上制订了更严格的排放标准。来自工业燃气涡轮的污染排放物要服从规定氮氧化物(NOx)，未燃烧的碳氢化合物(HC)，和一氧化碳(CO)排放的环境保护局(EPA)标准。一般，发动机排放物分为两类：由于高火焰温度形成的一类(NOx)，及由于低火焰温度形成的未允许完成燃料-空气反应的一类(HC和CO)。至少有一些著名的燃气涡轮使用了减少发动机的NOx排放物但维持CO和HC排放物在低水平的产生贫油混合物的干-低-排放物(DLE)燃烧室。

在燃气涡轮发动机燃烧室内燃料/空气混合物的燃烧可能产生可附加到燃烧室内稳态压力上的交变的压力或动压力。这种动压力可被称为燃烧室声响。相当高的燃烧室声响幅值会导致可破坏燃烧室、有关燃烧室部件及其它燃气涡轮发动机硬件的交变的机械应力值。因此，燃烧声响可能不希望地限制了至少一些著名的贫油的预混合燃气涡轮燃烧室的工作范围。至少一些著名的DLE燃烧室会比其它著名的燃烧室更易于产生相当高的声级，因为DLE燃烧室声响主要是燃料空气比(或火焰温度)、径向火焰温度分布而其次是负载和燃气涡轮其它参数的非线性函数。为了降低DLE燃烧室内的燃烧声响至少有一些燃气涡轮发动机利用了火焰温度分布的调节方法。另一些著名的燃气涡轮发动机利用了减小燃烧声响的被动措施。然而，因为有许多可影响燃烧室声响产生的工作参数，故用被动措施可能难以测量燃烧室声响，捕捉到超过听觉阈值的燃烧室声响及保持声响低于该阈值。

发明概述

按照本发明的一方面，提供一种操作燃气涡轮发动机的方法。该方法包括测定燃烧室声级幅值，比较该声级与预定的声级上限，并用闭环控制器调节进入燃烧室的燃料流量以降低声级至预定的低于声级上限的声级下限。

按照本发明的另一方面，提供一套在包括多个分别供应燃料的燃烧室环的燃烧室中控制燃烧声学的燃烧室控制系统。该系统包括一个或多个与燃烧室声学相连的燃烧室声学传感器，一个与该传感器输出相连的燃烧声学控制电路，此电路包括一个闭环反馈控制器及一个与该控制器输出相连的燃料流量控制电路，其中该燃料流量控制电路被用来控制两燃烧室环中最小值之间的燃料流量分布。

按照本发明的再一方面，提供一种燃气涡轮发动机，它包括一个压缩机，一个与压缩机成流动连通的涡轮，一个联接于压缩机和涡轮之间的燃烧室系统，其中，燃烧室系统包括多个单独供应燃料的燃烧室环孔，和一可操作地与燃烧室相联接的发动机控制系统。该燃烧室系统包括一个或多个燃烧室声学传感器，一个与该传感器相联接的闭环燃烧室燃料控制器；以及一个与该控制器相联接的并用来控制在两燃烧室环中最小值之间的燃料流量分布。

附图简述

图1是一台燃气涡轮发动机的示意图；

图2是一套可用于图14所示燃气涡轮发动机的燃烧室声学控制系统的透视图。

图3是可用于图1所示燃气涡轮发动机的放大的声学熄火避免逻辑反馈控制规则系统300的方框图。

图4是控制图1所示燃气涡轮发动机的一种典型方法的方框图。

本发明详述

图1是包括一台低压压缩机11，一台高压压缩机12，一台高压涡轮13和一台低压涡轮14的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10的各元件绕纵轴线A旋转。在此实施例中，发动机10做成双同心轴结构，借此，由轴15使低压涡轮14与低压压缩机11相耦合并驱动，而由外部的与轴15同心的第二轴16使高压涡轮13与高压压缩机12相耦合并驱动。在燃气涡轮发动机10中，低压涡轮14直接与低压压缩机11及负载17相耦合。一个燃烧室25串连于高压压缩机12和高压涡轮13之间。在此实施例中，发动机10是一台从俄亥俄州爱文戴尔通用电气公司订购的LM6000发动机。在另一个实施例中，发动机10不包括低压压缩机11及轴15的前部，并未使用低压涡轮，它是一台从俄亥俄州爱文戴尔通用电气公司订购的LM2500发动机。

工作中，空气流过低压压缩机11，接着被压缩后的空气自低压压缩机11供应给高压燃烧室12；或在LM2500发动机的情况，空气流过高压压缩机12。高度压缩的空气被输送至燃烧室25。来自燃烧室25的气流(图1未示出)驱动涡轮13和14。

图2是可用于燃气涡轮发动机10(图1所示)的燃烧室声学控制系统200的透视图。在此实施例中，燃烧室25包括三个分别供应燃料的同心环，一个外圈的，或A环202，一个主控的或B环204，以及一个内圈的或C环206。在另一实施例中，燃烧室25包括一个主控环和一个附加环。在外环202和内环206中的及“主体”的基准火焰温度(燃料流量)或燃烧室平均火焰温度(总燃料流量)由发动机控制系统208设定为压缩机排出温度及工作模式的函数。“主体”火焰温度主要控制主控环204的火焰温度。“主体”火焰温度是各环火焰温度的加权平均值，它对三个环的火焰温度有一个约束，实际上减小了单个环的自由度。例如，对任何给定的“主体”火焰温度，任何在内外环火焰温度增加或减小调节均会导致在主控环火焰温度作相应的相同或相反的变化。

在该示例性实施例中，燃烧室25包括两个装于发动机的燃烧室声学传感器210和212，它们是能在高温下工作的装于燃烧室25的动压传感器。分别来自各传感器的未经处理的传感器信号214和216分别由放大器218和220放大。放大后的信号随后用带通滤波器222滤波。所得到的与燃烧室25内平均动压级成正比的模拟信号被输入发动机控制系统208。通过逻辑电路224将两个信号确认并合并成一个确实的级，其中所选的信号表示一个检测到的声学级225。一个放大的声学/熄火避免逻辑电路226包括一个比例积分闭环控制器228。在本实施例中，控制器228要构成能控制燃烧室环202，204和206中的每一个。在另一实施例中，控制器228包括多个分别控制各相应燃烧室环的单个控制器。放大的声学/熄火免除逻辑电路226利用所检测到的声学级225来决定所测的声学级225是否高于或低于声学阈值(声级上限)。当所测的声级225升至高于阈值时，放大的声学/熄火免除逻辑电路226将通过逐渐降低外环和/或内环火焰温度的调节来减小声级直至所测的声级225降至低于阈值减一滞后值。在某些情况下，降低外环202和或内环206火焰温度可能导致声级增高。此时，当放大的声学/熄火免除逻辑电路226检测到所测的声级225正在防逐渐降低的调节而升高时，放大的声学/熄火免除逻辑电路226将改变成逐渐升高外环和/或内环火焰温度的调节直至所测的声级225降至低于阈值减-滞后值。万一放大的声学/熄火免除逻辑电路226不能抑制和或高着的声级，则无论何时该声级升高至高于设定的触发点并持续超过设定的持续时间，发动机控制器中的逻辑电路将起动一个步骤将其降至较低的功率设定值。

图3是可用于燃气涡轮发动机(示于图1)的放大的声学/熄火免除逻辑反馈控制规则系统300的方框图。放大的声学/熄火免除逻辑电路比例一积分闭环控制器228用最小值选择函数306将所测的声级225的流动平均值(moving everage)或相反经滤波的测量值302与声级基准(声学阈值)304进行比较。声级基准304是一个预定的滞后范围，它有助于减小控制器228的极限周期性变化。放大的声学/熄火免除逻辑电路226当流动平均值或相反经滤波的测量值302开始超过预定的滞后范围的上限时被激活而当流动平均值或相反经滤波的测量值302降至低于预定的滞后范围的下限时则关闭。当流动平均值或相反经滤波的测量值302超过预定的滞后范围的上限时，流动平均值或相反经滤波的测量值302要从声级基准304中减去而产生一个修正项308。然后，修正项308乘以根据外环火焰温度调节310或内环火焰温度调节312的变化区分所测声级225变化的信号(极性)而限定的调节因素309。由于在燃烧室声学范围的一些工作区域，增加外环火焰温度调节310或内环火焰温度调节312会增加所测的声级225，而在另一些工作区域，增加外环火焰温度调节310或内环火焰温度调节312会降低所测的声级225故要使用修正项信号。

例如，当发动机10处于仅需外环202和主控环204点火的工作模式时，若发生高声学，该高声学可能是因为由于所给的燃烧室入口压力和温度及压缩机放气值使外环202或主控环204火焰温度太高而引起的。因为降低外环202火焰温度就增加了主控环204火焰温度，故在外环202火焰温度与所测的声级225之间的修正根据发动机工作所处的工作区域可为正或负。信号函数314决定调节因素309的适当极性。合适的带信号的修正项314被传送到比例一积分闭环控制器228，它产生一个增高或降低外环火焰温度调节310的输出信号。外环火焰温度调节310可以在连续的基数上进行调节直至所测的声级225降至低于预定的滞后范围的下限。于是最新的对外环火焰温度的调节310将维持一段预定的时间周期，除非所测的声级225升至高于预定的滞后范围的上限。如果所测的声级225在预定的时间周期保持低于预定的滞后范围的上限，那末对外环火焰温度的调节310，将被修整成倾斜。

在另一个实施例中，当发动机10工作于外环202，主控环204和内环206均点火的工况时，外环火焰温度调节310和内环火焰温度调节312的控制可能更复杂。可能要利用外环火焰温度调节310和内环火焰温度调节312用的每个单独但相互依从的控制器，以便进行适当的控制。当所测的流动平均值或相反经滤波的测量值302升至高于预定的滞后范围的上限时，放大的声学/熄火免除逻辑电路226将如上所述控制外环火焰温度调节310或内环火焰温度调节312并根据需要在两个调节间交替变换直至流动平均值或相反经滤波的测量值302降至低于预定的滞后范围的下限。当控制器228工作反复决定对流动平均值或相反经滤波的测量值302没有影响还是存相反的影响时逻辑电路226使用一套控制规律来改变控制器228调节的大小和方向及在温度调节310与312之间转换。于是最新的外环火焰温度调节310和内环火焰温度调节312将维持一段预定的时间周期，除非所测的声级225升至高于预定的滞后范围的上限。如果所测的声级225在预定的时间周期保持低于预定的滞后范围的上限，那末对外环火焰温度的调节310及内环火焰温度的调节312将被修整成倾斜。

对于例如从俄亥俄州爱文戴尔通用电气公司订购的LM1600DLE这种用仅有两个分别供应燃料的同心环的燃烧室的工业燃气涡轮发动机可以采用一种简化型式的放大的声学/熄火免除逻辑电路226。这种简化型式的放大的声学/熄火免除逻辑电路226将采取类似上述的工作方式。

图4是控制燃气涡轮发动机的典型方法的方框图。该方法包括测定402燃烧室声级幅值发动机太贫的燃油混合不允许持续的燃烧并最终导至一般称为“贫油熄火”的“熄火”工况。贫油混合虽然可具有足以能持续燃烧所需的较高的燃料空气比，但可能会导致在燃烧室内压力能级和放热速率的明显交变。这种一般称为燃烧不稳定的工况可能会在燃烧室产生相当大的压力能级的交变。这种动压交变可以用能在高温下工作的与燃烧室声学相连的压力传感器监测。所测的值被送至用来比较404声级与预定的声级上限的发动机控制系统。此上限可凭经验推导而得并可能与发动机的一个或更多当时的工作参数有关。如果所测的声级超过预定的声级上限，发动机控制系统可激活用闭环控制器调节406进入燃烧室的燃料流量分配以降低所测的声级至预定的声级下限，此声级下限低于声级上限。

人们将认为虽然在公开的实施例中的控制器包括例如由计算机或以处理器为基础的控制系统在软件中执行的编程的硬件，也可采取其它形式包括硬连接的的硬件结构，以集成电路形式制造的硬件，固件(firmware)及其组合等。应当理解公开的放大的声学/熄火免除逻辑电路可配备于周期性地采集信号的数字系统中，或配备于连续采集信号的模拟系统中，或数字与模拟系统的组合系统中。

本文所述的系统及其方法的技术作用至少包括有助于监测燃气涡轮发动机内工况及自动计算与所监测工况有关的参数。虽然监测燃气涡轮发动机的工况和计算参数是一种技术作用但被计算的参数也可直接输入发动机控制系统或作进一步处理以助于减少工作着的燃气涡轮发动机的关闭。

上述方法和装置提供了一种有助于明显改进免除燃烧室声学持续在高能级的廉格并可靠的措施。更尤其，该方法和装置有助于减少由于燃气涡轮发动机中高声级而需要的声学报警器及电源跳闸装置。结果，在此所述的方法和装置有助于以廉价并可靠的方式控制燃气涡轮发动机。

上文已详细地说明了燃气涡轮发动机监测和控制系统的实施例。该系统并不限于在此说明的特定的实施例，而是，各系统的部件可与这里所述的其它部件独立地和分开地使用。各系统部件也可与其它系统部件组合使用。

虽然就各种特定的实施例已说明了本发明，但精通本技术的人们将认为只要在本权利要求的精神和范围内可加以修改来实施。

                              明细表

1台燃气涡轮发动机             10

低压燃烧室                    11

高压燃烧室                    12

高压涡轮                      13

低压涡轮                      14

轴                            15

轴                            16

负载                          17

燃烧室                        25

控制系统                      200

环                            202

环                            204

环                            206

发动机控制系统                208

燃烧室声学传感器              210

燃烧室声学传感器              212

传感器信号                    214

传感器信号                    216

电荷放大器                    218

电荷放大器                    220

带通滤波器                    222

逻辑电路                      224

声级                          225

逻辑电路                      226

闭环控制器                    228

控制规则系统                  300

流动平均值                    302

基准能级                      304

最小值选择函数                306

修正项                        308

调节因素                      309

外环火焰温度调节              310

内环火焰温度调节              312

方法                          400

测定                          402

比较                          404

调节                          406

Claims (8)

1.操作包括一燃烧室25的燃气涡轮发动机的一种方法400，所述的方法包括如下步骤：

步骤402测定燃烧室声级幅值；

步骤404比较该声级与一预定的声级上限；和

步骤406用闭环控制器228调节供给该燃烧室的燃料流量，以利于将该声级降低至低于该声级上限的一预定的声级下限。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该燃烧室包括多个单独供应燃料的基本上同心的环孔202，204，206，调节燃料流量的步骤还包括利用多个单独的相应控制器交替地调节供给每个环孔的燃料流量。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，调节供给燃烧室的燃料流量的步骤包括为各相应的环孔确定火焰温度控制调节310，312。

4.按照权利要求0所述的方法，其特征在于，测定燃烧室声级幅值的步骤包括测定燃烧室工作期间该声级幅值的流动平均值302。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，调节供给燃烧室燃料流量的步骤包括测定该声级幅值的流动平均值的变化极性。

6.按照权利要求0所述的方法，其特征在于，比较该声级与一预定的声级上限的步骤包括利用一最小值选择函数306比较该声级与一预定的声级上限。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该闭环控制器是一个比例积分控制器，所述的调节供给燃烧室的燃料流量的步骤包括根据按该声级幅值流动平均值变化的极性、火焰温度控制调节及该声级幅值流动平均值之中的至少一个给该控制器输入一个修正信号308。

8.按照权利要求0所述的方法，其特征在于，调节供给燃烧室的燃料流量的步骤还包括：

在一预定长度的时间内监测该声级幅值的流动平均值302；和

如果该预定长度的时间终点仍未减小该声级幅值的流动平均值，那末进行顺序地变换供给另一燃烧室环孔的燃料流量的控制和改变该控制器调节的方向之中的至少一个的步骤。

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