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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
技术介绍
本专利技术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，本专利技术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。
技术实现思路
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，可清楚地了解本专利技术的这些和其他特征。附图说明参阅以下附图可更深入地了解本专利技术。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，描绘根据本专利技术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，描绘根据本专利技术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，描绘根据本专利技术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是根据本专利技术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。如下文详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2011.06.20 US 13/163,7941.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装置；以及用于将所述测量出的压差与预期压差进行比较的装置；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；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；所述用于确定所述上游压力与所述下游压力之间的所述测量出的压差的装置包括可操作地连接以检测所述上游压力与所述下游压力之间的压差的传感器；所述用于将所述测量出的压差与预期压差进行比较的装置包括计算机实现的控制器；所述计算机实现的控制器经配置以通过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运行条件运用算法来进行计算；所述计算机实现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。2.根据权利要求1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。3.根据权利要求2所述的系统，其中：所述燃烧室包括燃烧室外壳以及盖组件；所述盖组件至少部分由端盖界定前端，由所述燃料喷嘴界定后端；其中燃料管延伸穿过所述端盖和所述盖组件的内部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。4.根据权利要求3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。5.根据权利要求4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内部流体连通的入口；以及其中所述辅助燃料喷射器包括经配置以在位于以下项之间的轴向位置处将燃料喷射到所述燃烧室外壳环道中的燃料喷射器：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。6.根据权利要求4所述的系统，所述第一压力传感器位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。7.根据权利要求6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。8.根据权利要求6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装置，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装置，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。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述预定阈值包括0.2％。10.根据权利要求6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；进一步包括计算所述预期压差超出所述测量出的压差的量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：AW克鲁尔，GO克雷默，GC弗里德里克，DK托伦托，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：