專利名稱：用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機中的燃燒室外殼火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法
用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機中的燃燒室外殼火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法
背景技術：
本發(fā)明大體涉及用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機中的火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法，確切地說，涉及用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室外殼中的火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法。許多燃氣渦輪機包括壓縮機、燃燒室和渦輪。壓縮機產生待供應到燃燒室的壓縮空氣。燃燒室燃燒壓縮空氣與燃料，從而產生待供應到渦輪的空氣燃料混合物。渦輪從空氣燃料混合物中提取能量以驅動負載。在許多情況下，燃氣渦輪機包括多個燃燒室。燃燒室可置于壓縮機與渦輪之間。例如，壓縮機和渦輪可沿公共軸對齊，且燃燒室可置于壓縮機與渦輪之間的渦輪的入口處，環(huán)繞所述公共軸成環(huán)形陣列。在操作中，空氣可從壓縮機經由ー個燃燒室流入渦輪中。燃燒室可以較高溫度進行操作，以確保充分燃燒空氣與燃料的混合物，從而提高效率。使燃燒室以高溫進行操作的ー個問題在于，可能產生相對較高水平的氮氧化物(NOx)，從而對環(huán)境造成消極影響。為了減少NOx排放，許多現(xiàn)代燃氣渦輪機采用預混合燃料噴嘴。例如，每個燃燒室可由多個燃料噴嘴支撐，這些燃料噴嘴可以環(huán)形陣列的形式置于燃燒室周圍。在正常操作過程中，空氣從壓縮機經由燃料噴嘴進入燃燒室中。在燃料噴嘴內，空氣與燃料混合以形成空氣燃料混合物。該空氣燃料混合物隨后在燃燒室中燃燒。對空氣和燃料進行預混合可使燃燒室在相對較低的溫度下進行操作，從而減少作為燃燒エ藝的副產品生成的NOx。為了獲得進ー步的性能優(yōu)勢，許多燃燒室在燃料噴嘴的上游設置燃料噴射器。本專利申請文件中統(tǒng)一將這些燃料噴射器稱為“燃燒室外殼燃料噴射器”，且除非另作說明，否則這些燃料噴射器被定義為包括置于壓縮機與燃料噴嘴之間的燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)內的燃料噴射器。如上所述，許多燃燒系統(tǒng)在燃料噴嘴內將燃料與空氣進行預混合。應了解，本發(fā)明所討論的是在位于所述燃料噴嘴上游的某些燃燒室中進行的預混
ム
ロ ο例如，ー種此類系統(tǒng)通常指環(huán)形四級燃料分配器。如下文詳細描述，這種類型的系統(tǒng)在從壓縮機中排出的壓縮空氣流向燃料噴嘴流動時，將燃料噴射到所述壓縮空氣中。如下文詳細描述，在某些情況下，環(huán)形四級燃料分配器將燃料噴射到由燃燒室外殼和蓋組件構成的環(huán)形通道中。所屬領域的技術人員應認識到，可使用通過這種方式獲得的預混合燃料來減輕燃燒室的不穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)更好的燃料/空氣混合、提高下游燃料噴嘴的火焰穩(wěn)定界限，以及減少NOx排放。但是，燃燒室外殼燃料噴射器本身也具有相應的問題。例如，燃燒室外殼燃料噴射器可能著火和/或維持火焰，從而導致本專利申請案中所提到的燃燒室外殼火焰穩(wěn)定情況。燃燒室外殼中出現(xiàn)火焰穩(wěn)定的一個常見原因是逆燃，其中火焰從燃燒室的燃燒區(qū)域返回到燃料噴嘴中，并從燃料噴嘴返回到燃燒室外殼內。燃燒室外殼中出現(xiàn)火焰穩(wěn)定的另ー個常見原因是自點火，其中燃燒室外殼中的燃料直接獨立著火。發(fā)生這種情況的原因可能是燃料成分、燃料流、空氣流或燃料噴嘴表面不均勻等。無論原因如何，燃燒室外殼可能傾向于具有或維持火焰，從而損壞燃燒室、位于下游的燃料噴嘴，或燃氣渦輪機的其他部分。因此，需要采取補救措施來減少或消除燃燒室外殼內的火焰穩(wěn)定，已開發(fā)出用于檢測該區(qū)域內是否存在火焰的技術。但是，許多此類技術都需要使用傳感器，例如溫度傳感器、光子發(fā)射傳感器或離子傳感器等。需要將這些類型的傳感器置于燃燒室外殼內的若干位置。具體而言，基于燃燒室外殼的大小和構形，需要將這些類型的傳感器置于許多位置，以確保在可能存在火焰的位置上檢測到火焰。所屬領域的技術人員應認識到，安裝和監(jiān)控多個這種類型的傳感器可能十分昂貴。因此，需要精確且高效地檢測燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室外殼中是否存在火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內容
因此，本專利申請文件描述在包括壓縮機和燃燒室的燃氣渦輪發(fā)動機中，其中所 述燃燒室包括燃料噴嘴內的主燃料噴射器和位于所述燃料噴嘴上游的輔助燃料噴射器，一種用于檢測所述輔助燃料噴射器周圍火焰的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括第一壓カ傳感器，其檢測所述輔助燃料噴射器上游的上游壓カ；第二壓カ傳感器，其檢測所述輔助燃料噴射器下游的下游壓カ；用于確定所述上游壓カ與所述下游壓カ之間的測量出的壓差的構件；以及用于將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較的構件。本專利申請文件進ー步描述在包括壓縮機和燃燒室的燃氣渦輪發(fā)動機中，其中所述燃燒室包括燃料噴嘴內的主燃料噴射器和位于所述燃料噴嘴上游的輔助燃料噴射器，所述輔助燃料噴射器經配置以將燃料噴射到所述燃燒室的流動環(huán)道中，ー種用于檢測燃料噴射器周圍火焰穩(wěn)定條件的方法。所述方法可包括以下步驟檢測所述輔助燃料噴射器上游的上游壓カ；檢測所述輔助燃料噴射器下游的下游壓カ；確定所述上游壓カ與所述下游壓カ之間的測量出的壓差；以及將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較。通過參閱附圖或隨附權利要求書閱讀以下對優(yōu)選實施例的詳細說明，可清楚地了解本發(fā)明的這些和其他特征。


參閱以下附圖可更深入地了解本發(fā)明。在附圖中，相同的參考標號指代相應部分，且附圖中的部件無需按比例繪制。圖I是已知燃氣渦輪發(fā)動機的截面圖，以示意圖方式描繪ー種燃燒系統(tǒng)，其中可設有用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室外殼中的火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)。圖2是已知燃燒室的截面圖，以示意圖方式描繪ー種燃燒室，其中可設有用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室外殼中的火焰穩(wěn)定的系統(tǒng)。圖3以方框圖的形式描繪用于檢測燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室外殼中的火焰的系統(tǒng)的ー項實施例。圖4是燃氣渦輪機的燃燒室的局部截面圖，描繪根據(jù)本發(fā)明的一項示例性火焰穩(wěn)定檢測實施例。圖5是燃氣渦輪機的燃燒室的局部截面圖，描繪根據(jù)本發(fā)明的一項示例性火焰穩(wěn)定檢測實施例。
圖6是燃氣渦輪機的燃燒室的局部截面圖，描繪根據(jù)本發(fā)明的一項示例性火焰穩(wěn)定檢測實施例。圖7是圖6所示探針的局部截面圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的方法的一項示例性實施例的方框圖，所述方法用于檢測燃燒室外殼中的火焰穩(wěn)定。元件符號列表
權利要求
1.在包括壓縮機和燃燒室的燃氣渦輪發(fā)動機中，其中所述燃燒室包括燃料噴嘴內的主燃料噴射器和位于所述燃料噴嘴上游的輔助燃料噴射器，一種用于檢測所述輔助燃料噴射器周圍火焰的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 第一壓力傳感器，其檢測所述輔助燃料噴射器上游的上游壓力； 第二壓力傳感器，其檢測所述輔助燃料噴射器下游的下游壓力； 用于確定所述上游壓力與所述下游壓力之間的測量出的壓差的構件；以及 用于將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較的構件。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒室包括燃燒腔，且所述燃料噴嘴包括位于所述燃燒腔的正上游的位置；以及 其中所述預期壓差包括所述輔助燃料噴射器周圍沒有火焰時所預期的壓差。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中 所述用于確定所述測量出的壓差的構件包括有效連接的傳感器，用以檢測所述上游壓力與所述下游壓力之間的壓差； 所述用于將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較的構件包括由計算機實施的控制器； 所述由計算機實施的控制器經配置以經由以下項中的至少一項來確定所述預期壓差a)查閱存儲值；以及b)通過對所述燃氣渦輪發(fā)動機的參數(shù)和所測量的操作條件運用算法來進行計算；以及 所述由計算機實施的控制器經配置以當所述預期壓差與所述測量出的壓差之間的差值超出預定閾值時作出響應，指出所述輔助燃料噴射器周圍存在火焰。
4.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述輔助燃料噴射器包括經配置以將燃料噴射到所述燃燒室的流動環(huán)道中的燃料噴射器。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中 所述燃燒室包括第一腔，其包括燃燒室外殼；以及第二腔，其包括蓋組件； 所述蓋組件至少部分由端蓋界定前端，且由所述燃料噴嘴界定后端； 其中燃料管線穿過所述端蓋和所述蓋組件的內部以與所述燃料噴嘴接合；以及 所述燃燒室外殼環(huán)繞所述蓋組件布置，以在兩者之間構成燃燒室外殼環(huán)道。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述輔助燃料噴射器包括經配置以將燃料噴射到所述燃燒室外殼環(huán)道中的燃料噴射器。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，在所述后端，所述蓋組件與環(huán)繞所述燃燒腔的襯墊接合；其中，朝向所述前端，所述蓋組件包括使所述燃燒室外殼環(huán)道與所述蓋組件的所述內部流連通的入口 ；以及 其中所述輔助燃料噴射器包括經配置以將燃料噴射到所述燃燒室外殼環(huán)道中位于以下項之間的軸向位置的燃料噴射器a)所述蓋組件與所述襯墊接合的軸向位置與b)所述入口的軸向位置。
8.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，所述第一壓力傳感器置于所述燃燒室的所述流動環(huán)道中和所述輔助燃料噴射器的上游。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一壓力傳感器包括位于所述燃燒室外殼環(huán)道中的位置。
10.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第二壓力傳感器包括位于所述燃燒室外殼環(huán)道中的位置； 進一步包括用于計算所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量的構件，以及用于確定所計算出的所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量是否大于預定閾值的構件，其中所述預定閾值對應于所述輔助燃料噴射器周圍的火焰穩(wěn)定條件。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述預定閾值包括約O.2%。
12.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第二壓力傳感器包括位于所述蓋組件的所述內部中和所述燃料噴嘴上游的位置； 進一步包括用于計算所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量的構件，以及用于確定所計算出的所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量是否大于預定閾值的構件，其中所述預定閾值對應于所述輔助燃料噴射器周圍的火焰穩(wěn)定條件。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述預定閾值包括約O.5%。
14.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第二壓力傳感器包括位于所述燃燒腔中的位置； 進一步包括用于計算所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量的構件，以及用于確定所計算出的所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量是否大于預定閾值的構件，其中所述預定閾值對應于所述輔助燃料噴射器周圍的火焰穩(wěn)定條件。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述預定閾值包括約O.5%。
16.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，進一步包括一體式探針，所述一體式探針穿過所述燃燒室的氣流通道延伸到所述燃燒腔中； 其中 所述第一壓力傳感器置于所述一體式探針中位于所述氣流通道中的部分上；以及 所述第二壓力傳感器置于所述一體式探針中位于所述燃燒腔中的部分上。
17.在包括壓縮機和燃燒室的燃氣渦輪發(fā)動機中，其中所述燃燒室包括燃料噴嘴內的主燃料噴射器和位于所述燃料噴嘴上游的輔助燃料噴射器，所述輔助燃料噴射器經配置以將燃料噴射到所述燃燒室的流動環(huán)道中，一種用于檢測燃料噴射器周圍火焰穩(wěn)定條件的方法，所述方法包括以下步驟 檢測所述輔助燃料噴射器上游的上游壓力； 檢測所述輔助燃料噴射器下游的下游壓力； 確定所述上游壓力與所述下游壓力之間的測量出的壓差；以及 將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述燃燒室包括燃燒腔，且所述燃料噴嘴包括位于所述燃燒腔的正上游的位置； 進一步包括以下步驟 經由以下項中的至少一項來確定所述預期壓差a)查閱存儲值；以及b)通過對所述燃氣渦輪發(fā)動機的參數(shù)和所測量的操作條件運用算法來進行計算；以及 當所述預期壓差與所述測量出的壓差之間的差值超出預定閾值時作出響應，指出所述輔助燃料噴射器周圍存在火焰。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述燃燒室包括第一腔，其包括燃燒室外殼；以及第二腔，其包括蓋組件； 所述蓋組件至少部分由端蓋界定前端，且由所述燃料噴嘴界定后端； 其中燃料管線穿過所述端蓋和所述蓋組件的內部以與所述燃料噴嘴接合； 所述燃燒室外殼環(huán)繞所述蓋組件布置，以在兩者之間構成燃燒室外殼環(huán)道；以及 所述輔助燃料噴射器包括經配置以將燃料噴射到所述燃燒室外殼環(huán)道中的燃料噴射器。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括以下步驟 計算所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量； 確定所計算出的所述預期壓差超出所述測量出的壓差的量是否大于預定閾值；以及 其中所述預定閾值對應于所述輔助燃料噴射器周圍的火焰穩(wěn)定條件。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述下游壓力包括第一下游壓力，且檢測所述輔助燃料噴射器下游的所述第一下游壓力包括檢測位于所述燃料噴嘴上游的位置上的壓力； 進一步包括以下步驟 檢測所述主燃料噴射器下游的第二下游壓力； 確定所述第一下游壓力與所述第二下游壓力之間的測量出的壓差； 將所述第一下游壓力與所述第二下游壓力之間的所述測量出的壓差與預期壓差進行比較； 基于對以下項之間的測量壓力與預期壓力進行的比較，確定所述主燃料噴射器或所述輔助燃料噴射器周圍是否存在火焰穩(wěn)定條件a)所述第一下游壓力與所述第二下游壓力以及b)所述第一下游壓力與所述第二下游壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種包括壓縮機和燃燒室的燃氣渦輪發(fā)動機以及用于檢測燃料噴射器周圍火焰穩(wěn)定條件的方法。其中所述燃燒室包括燃料噴嘴內的主燃料噴射器和位于所述燃料噴嘴上游的輔助燃料噴射器，所述輔助燃料噴射器經配置以將燃料噴射到所述燃燒室的流動環(huán)道中。所述方法可包括以下步驟檢測所述輔助燃料噴射器上游的上游壓力；檢測所述輔助燃料噴射器下游的下游壓力；確定所述上游壓力與所述下游壓力之間的測量出的壓差；以及將所述測量出的壓差與預期壓差進行比較。
文檔編號G01M15/14GK102840986SQ20121021091
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2011年6月20日
發(fā)明者A.W.克魯爾, G.O.克雷默, G.C.弗里德里克, D.K.托倫托 申請人:通用電氣公司