[发明专利]用于涡轮发动机的主动燃烧控制

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧控制的系统和方法，更具体地涉及用于涡轮发动机的主动燃烧控制的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机用于在包括地基发电设施的各种应用中产生动力。涡轮发动机通过从燃料和空气在涡轮的燃烧腔室(“燃烧室”)中燃烧所产生的热气流中提取能量来产生动力。这些热气在被释放到大气之前被引导通过可旋转的叶片以产生机械动力。涡轮发动机可设计成在燃烧室中燃烧宽范围的碳氢化合物燃料、例如天然气、煤油、柴油等。碳氢化合物燃料的燃烧导致产生燃烧副产品，其中一部分燃烧副产品被认为是被管制的排放物。这些被管制的排放物包括各种形式的氮氧化物，统称为NO_x。为了减少向大气的NO_x排放，政府法规限制涡轮(发动机)的允许NO_x排放。

已知来自涡轮发动机的NO_x排放随着燃烧温度的升高而显著增加。一种限制涡轮排放中的NO_x的方法是在燃烧室中使用稀的(低燃空比)的燃料空气混合物。稀的燃料空气混合物使燃烧温度降低到减少NO_x生成的程度。虽然稀的燃料空气混合物减少了NO_x排放，但将混合物中的燃料含量减小到阈值以下可导致燃烧室中的火焰不稳定。燃烧火焰的不稳定可导致燃烧室中动态压力波的发展/形成。这些动态压力波可处于从数赫兹至数千赫兹的频率范围，并且由于燃烧过程而出现。这些压力脉冲会导致涡轮构件的机械损伤和使燃烧室中的火焰熄灭(“稀燃熄火”)。增加燃料空气混合物中的燃料浓度可稳定燃烧过程并减少(或消除)有害的压力脉冲。增加的燃料浓度可提高形成的火焰的温度和热释放率，从而稳定燃烧过程。然而，该方法会使控制NO_x产生的问题加剧。因此，在减少排放与稳定燃烧的考虑之间必须存在平衡。

授予Ryan等人的美国专利No.6,877,307(‘307专利)描述了一种通过向燃烧室增加燃料来控制涡轮发动机的燃烧过程以实现稳定燃烧的方法。‘307专利的方法使用传感器来检测燃烧室内的压力脉冲。当传感器检测到压力脉冲高于一阈值时，少量增加经调节器(pilot)流向燃烧室的燃料。增加流经调节器的燃料便增加了NO_x排放。继续对燃烧室压力进行监测，并且使调节器燃料流逐渐增加至使压力脉冲低于阈值的水平。因此，‘307的方法通过将调节器燃料逐渐增加至刚好足以稳定燃烧过程的值(通过消除燃烧室中高于阈值的压力脉冲)来稳定燃烧过程。虽然‘307专利的燃烧控制系统可以在将NO_x排放刚好增加至实现稳定燃烧需要的量的同时最终稳定燃烧过程，但该系统可能存在缺陷。例如，如‘307专利中所公开的，为实现稳定燃烧逐渐增加调节器燃料可延长涡轮发动机在不稳定状态下运行的时间，因此增加损坏涡轮的潜在可能性。

发明内容

一方面，(本发明)公开了一种用于涡轮发动机的燃烧控制系统。该燃烧控制系统包括燃料喷射器，所述燃料喷射器具有与涡轮发动机的燃烧室相联接的主燃料供给和调节器燃料供给。燃烧控制系统还包括与传送管相联接的传感器。传送管与燃烧室流体联接，传感器配置成检测燃烧室中的压力脉冲。一半无限盘管(semi-infinite coil)也与传送管相联接。燃烧控制系统还包括与传感器电连接的控制器。该控制器配置成将在一频率范围内的压力脉冲的幅值与一阈幅值相对比，并响应于所述对比来调节调节器燃料供给。

另一方面，(本发明)公开了一种运行燃气涡轮发动机的方法。该方法包括经主流路将第一量的燃料引入燃烧室，和经调节器流路将第二量的燃料引入燃烧室。该方法还包括在燃烧室中燃烧主燃料和调节器燃料，由于燃烧在燃烧室中引起压力脉冲。该方法还包括使用与燃烧室流体联接的传感器检测在一频率范围内的压力脉冲的幅值，以及响应于检测到的幅值高于一阈值而将调节器燃料量增加至第三量。该第三量是足以使幅值减小至低于阈值的调节器燃料量。该方法还包括将调节器燃料量从第三量减小至第四量。该第四量是比所述第一量大一增量的调节器燃料量。