[发明专利]与燃气涡轮发动机中的燃料输送相关的方法和系统

说明书

技术领域

本申请大体上涉及用于改善燃气涡轮发动机的效率、性能和操作的方法、系统和设备，如在此所使用的并且除非另有特定说明，否则燃气涡轮发动机意指包括所有类型的燃气涡轮或旋转发动机、包括飞机发动机、动力设备的发动机等等。更具体地，但并非作为限制，本申请涉及与燃气涡轮发动机中的燃料输送有关的方法、系统和设备。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括轴向分级地叠置的叶片排。每级均包括固定的周向分开的定子叶片排和围绕中心轴线或轴旋转的转子叶片排。操作中，通常压缩机转子叶片围绕轴旋转，并且同定子叶片一致作用以压缩空气流。然后，压缩空气的供应用于燃烧器，以燃烧燃料供应。得到的热的燃烧气体流通过涡轮分段膨胀。通过涡轮的工作流体的流动引起转子叶片旋转。转子叶片连接至中心轴，使得转子叶片的旋转使轴旋转。这样，包含在燃料中的能量转化成旋转轴的机械能，该旋转轴例如可用于使压缩机的转子叶片旋转，使得产生燃烧所需的压缩空气的供应，并且该旋转轴例如可用于使发电机的线圈旋转，使得产生电力。

本领域中已知预热燃料供应，使得可以以高温向燃烧器输送燃料供应。由于很多原因，加热的燃料促进有效的发动机操作。有时，需要基于变化的燃料特性改变燃料的温度。然而，常规的燃料输送系统具有某些限制，该限制导致在燃料输送至燃烧器时在精确控制燃料温度方面的困难或延迟。这可导致以不可接受的温度输送燃料。

更具体地，燃气涡轮发动机通常设计成利用具有与热值相关的某些特性的燃料操作。也可称为总发热值、总能量或沃泊指数等级(Wobbe Index rating)的燃料的热值通常描述在燃料燃烧时释放的热或能量的量。但在燃气涡轮发动机应用中，如果考虑向喷嘴输送燃料的温度，则可更精确地描述由以给定的压力比通过燃料喷嘴燃烧的燃料释放的能量的量。考虑或补偿燃料温度的燃料特性通常称为修正沃泊指数等级或MWI等级。因此，该术语将用于本申请；但该术语的使用不意图为限制性的。(如在此所使用的，修正沃泊指数等级或MWI等级意图宽广地表示由以给定的压力比通过燃料喷嘴燃烧的燃料释放的能量的量的燃料测量，其考虑或补偿了向喷嘴输送燃料的温度。)因此，燃气涡轮发动机通常设计成利用具有特定的修正沃泊指数等级或属于可接受的修正沃泊指数等级范围的燃料操作。事实如此，具有修正或控制输送至燃烧器的燃料的温度(从而将燃料的修正沃泊指数等级修正或控制到优选范围)的能力是一种有用的方式，以确保发动机使用促进有效操作并减小燃烧器损坏危险的燃料。

然而，给定常规系统的限制，如以下更详细讨论的，可变的燃料状态常常导致向燃烧器输送的燃料在可接受的或目标修正沃泊指数等级外。换句话说，在常规系统中，常常向燃烧器输送在提供可接受的或目标沃泊指数等级的温度范围外的燃料。这可导致对燃烧器的损坏和效率低的发动机性能。此外，这可导致涡轮发动的“快速减负(runback)”情形，在该快速减负情形期间，通常，发动机的操作系统自动地减小或中断发动机输出，以避免由于燃料不满足发动机规格而可出现的发动机损坏。当然，发动机输出的急剧下降诸如在峰值需求期间可得到不恰当的力矩，并独自地导致明显的问题。

通常，对于常规燃料输送系统中这些类型的性能缺点存在多种原因。原因之一是在操纵燃料温度中出现的热滞后。例如，在包括燃料压缩机的系统中，该燃料压缩机通过压缩来加热燃料，然后通过燃料后冷却器的使用来冷却加热流的组分，该滞后至少部分地由于两种流混合的点的位置。也就是说，根据常规系统，两种流(即由后冷却器冷却的流和未冷却的流)以预期的量混合，使得向燃烧器输送具有预期温度的燃料供应。如以下更详细讨论的，混合点的位置对燃料流的温度在燃料流进入燃烧器时可被改变的速率产生影响。

另一问题与燃料供应内诸如热值特性的可变燃料特性的及时检测相关。检测变化的状态的延迟使得难于及时确定应向燃烧器输送燃料的合适温度(或温度范围)。结果，存在对与燃气涡轮发动机中的燃料输送相关的改善的方法、系统和设备的需求，尤其地对有效并且高效地控制至少间歇地使用燃料压缩机的系统中的燃料温度的需求，使得可始终以对于发动机合适地给予其燃料热值和目标修正沃泊指数等级的温度向燃烧器输送燃料。

发明内容