专利名称：用于入口喷雾控制的系统和方法
技术领域：
本申请和产生的专利大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于入口喷雾控制的系统和方法，其使用具有持续反馈的多种光学感测技术来进行入口冷却。
背景技术：
多种策略对于提高燃气涡轮发动机可能能够产生的功率量是已知的。提高燃气涡轮发动机的功率输出的一种方法是通过在压缩机中压缩入口空气之前冷却它。这种冷却会使空气具有较高的密度，以便产生进入到压缩机中的较高的质量流率。压缩机中的空气的较高的质量流率允许更多空气被压缩，以便允许燃气涡轮发动机产生更多功率。另外，冷却入口空气温度会提高燃气涡轮发动机的总效率。鉴于此，可在压缩机入口区段周围使用喷雾系统，以便提供水滴流来冷却进入的空气流。喷雾系统大体可由进入的空气流的湿度控制。例如，湿度传感器和温度传感器可定位在压缩机入口周围，以便测量进入流的湿度。基于湿度和温度的读数，喷雾系统可计算有多少水可蒸发，并且可将这种量喷射到空气流中。但是，关于这种喷雾系统的缺点包括以下事实不是所有的水都会蒸发，用于水蒸发的驻留时间可能不够，水滴往往会凝聚，以及这些水滴可形成抛射体，抛射体可击中压缩机叶片而导致点蚀和其它类型的损伤。局部温度降低也可使水掉出空气流，并且导致腐蚀。因而期望有一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的入口喷雾系统或其它类型的入口空气冷却系统的改进控制系统。优选地，这种系统可基于实时测量来控制水滴的大小和喷射到进入的空气流中的水的量，以便避免对压缩机叶片有损伤，同时提升总的涡轮效率和功率输出。
发明内容
因而，本申请和产生的专利提供一种用于燃气涡轮发动机的入口空气喷雾系统。该入口空气喷雾系统可包括喷雾喷嘴阵列，以及与喷雾喷嘴阵列连通的喷雾控制系统。喷雾控制系统可包括液滴大小测量系统和湿度水平测量系统。本申请和产生的专利进一步提供一种运行其中有许多液滴的入口空气喷雾系统的方法。该方法可包括以下步骤确定许多液滴中的湿度水平，根据湿度水平来计算湿气份额水平，比较计算的湿气份额水平与期望的湿气份额水平，确定许多液滴的大小分布，比较确定的大小分布与期望的大小分布，以及如果计算的湿气份额水平大于期望的湿气份额水平且如果确定的大小分布大于期望的大小分布,则改变液滴的大小。本申请提供一种用于燃气涡轮发动机的入口空气喷雾系统。该入口空气喷雾系统可包括喷雾喷嘴阵列，以及与喷雾喷嘴阵列连通的喷雾控制系统。喷雾控制系统可包括粒子成像测速系统或相位多普勒风速测定系统和可调谐二极管激光吸收光谱系统。在审阅结合若干幅图和所附权利要求而得到的以下详细描述之后，本申请和产生的专利的这些和其它特征与改进对本领域普通技术人员将变得显而易见。
图1是具有如可在本文中描述的那样的喷雾系统和喷雾控制系统的燃气涡轮发动机的示意图。图2是图1的喷雾控制系统的示意图。图3是如可在图2的喷雾控制系统中使用的那样的粒子成像测速系统和/或相位多普勒风速测定系统的示意图。图4是用于图2的喷雾控制系统的可调谐二极管激光吸收光谱系统的透视图。图5是显示了喷雾控制系统的反馈逻辑的流程图。图6是显示了喷雾控制系统的修正逻辑的流程图。部件列表
100入口空气喷雾系统
110燃气涡轮发动机
120压缩机
130空气流
140燃烧器
150燃料流
160燃烧气体流
170涡轮
175负荷传感器
180轴
190负荷
200雨水罩
210入口过滤室
220过渡件
230入口管道
240消音器
250入口气室
260钟形口
270喷雾喷嘴阵列
275喷嘴
280水
290送水台架 300液滴 310气象站 320喷雾控制系统 330控制器
340液滴大小测量系统 350PIV系统 360激光器
370摄像机
380PDA系统
390湿度水平测量系统
400TDLAS 系统
410第一激光器
420第二激光器
430联接器
440多路复用器
450上部束
460下部束
470上部端口
480下部端口
490上部分离器
500下部分离器
510上部第一波长检测器
520上部第二波长检测器
530下部第一波长检测器
540下部第二波长检测器
550-730 步骤。
具体实施例方式现在参照附图，其中，相同标号在所有若干幅图中指示相同元件，图1显示了如可在本文中描述的那样的入口空气喷雾系统100。入口空气喷雾系统可用于燃气涡轮发动机110。燃气涡轮发动机110可包括压缩机120。压缩机120压缩进入的空气流130。压缩机120将压缩空气流130输送到燃烧器140。燃烧器140混合压缩空气流130与压缩燃料流150，并且点燃混合物而产生燃烧气体流160。燃烧气体流160又被输送到涡轮170。燃烧气体流160驱动涡轮170，以便产生机械功。涡轮170可通过轴180来驱动压缩机120以及外部负荷190，诸如发电机等。负荷传感器175可确定涡轮170上的负荷。燃气涡轮发动机110可使用天然气、多种类型的合成气，以及其它类型的燃料。燃气涡轮发动机110可为纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司等提供的许多不同的燃气涡轮发动机中的任何一个。可在本文中使用其它构件和其它构造。入口空气喷雾系统100可包括安装在入口过滤室210上的雨水罩200，进入的空气流130传送通过雨水罩200。雨水罩200可阻止天气因素(诸如雨、雪等)进入其中。雨水罩200和入口过滤室210在很大程度上可为传统设计。空气流130然后可流过过渡件220和入口管道230。也可在本文中使用消音器区段240。空气流130然后可传送通过入口气室250，并且进入到压缩机120中，以进行压缩和燃烧，如上面描述的那样。钟形口 260可定位在压缩机120周围。可在本文中使用其它构件和其它构造。入口喷雾系统100也可包括喷雾喷嘴阵列270。喷雾喷嘴阵列270可在其中具有任何数量的喷嘴275。喷嘴275可具有任何大小、形状或定向。喷雾喷嘴阵列270可定位在入口过滤室210和过渡件220周围或别处。喷雾喷嘴阵列270可与定位在送水台架(waterskid) 290上的水流280或其它类型的水源连通。气象站310可定位在入口过滤室210、送水台架290周围或别处。可使用气象站310来确定局部环境天气状况，包括温度、湿度和期望的其它参数。可在本文中使用其它构件和其它构造。如图2中显示的那样，入口空气喷雾系统100也可包括喷雾控制系统320。喷雾控制系统320可包括控制器330。控制器330可编程有多种控制算法和其它类型的软件，以运行和调整入口空气喷雾系统100和燃气涡轮发动机110。也可在本文中使用具有特定任务的多个控制器330。控制器330可与送水台架290通信，以控制可输送到喷雾喷嘴阵列270的水流280的流率。控制器330也可与负荷传感器175、气象站310和其它类型的输入通信。可在本文中包含许多不同类型的运行参数。可在本文中使用其它构造和其它构件。喷雾控制系统320也可与液滴大小测量系统340通信，以确定空气流130中的液滴300的大小。如图3中显示的那样，液滴大小测量系统340可在压缩机120上游定位在入口气室250或钟形口 260周围。如下面描述的那样，可在本文中使用不同类型的液滴大小测量系统340。液滴大小测量系统340可为大面积粒子成像测速(“PIV”)系统350。从大体上描述，PIV系统350可使用激光器360和摄像机370或其它类型的光学检测装置。激光器360可为具有散开束的脉冲式激光器片。摄像机370可为高速成像摄像机，诸如电荷耦合装置(“CXD”)摄像机。可协调激光器360和摄像机370的运行。例如，如果成对的激光脉冲照亮摄像机370的焦平面，则可使用对应的图像来计算框架中的液滴300的大小和速度。控制器330可定位图像中的液滴300，计算它们的大小，并且产生大小分布曲线。针对若干帧对这个大小分布曲线进行平均可提供对实际液滴大小分布的估计。控制器330也可计算液滴运动的距离，并且因此可通过用该距离除以帧之间的时间差来估计喷射速度。可在本文中使用其它构件和其它构造。备选地或另外，液滴大小测量系统340可包括相位多普勒风速测定(“PDA”)系统370。从大体上描述，PDA系统380可使用成对的激光器360和成对的摄像机370或其它类型的光学装置。激光器360的成对的激光束会在关注的区域中产生干涉型式。流过该区域的液滴300将从有相长干涉的区域中散射出光。然后摄像机370记录空间散射型式。散射光的多普勒变换可为粒子速度的度量，并且摄像机370之间的相对相位差是粒度的度量。可在本文中使用其它构件和其它构造。虽然PIV系统350和PDA系统380两者提供局部区域中的检测，但是可通过在延长的时限中重复执行测量来估计总体分布。也可通过部署多个系统来进行多个区域测量。可在本文中使用其它构件和其它构造。喷雾控制系统320也可与湿度水平测量系统390通信。湿度水平测量系统390可在压缩机120上游定位在入口气室340或钟形口 260周围。湿度水平测量系统390可以如图4中显示的那样的可调谐二极管激光吸收光谱(“TDLAS”)系统400为基础。TDLAS系统400可包括成对的可调谐二极管激光器，即第一激光器410和第二激光器420。第一激光器410和第二激光器420可使用不同的激光波长。第一激光波长(例如，大约945 nm)可用来测量水蒸气相的含量，而第二波长(例如，大约1516 nm)可用来测量进入的液滴300中的液体水相。可在本文中使用其它波长。因而两个激光波长探测水蒸气和液体水的吸收峰值。从大体上描述，激光器410、420可为联接在联接器430 (50:50)中的纤维，并且然后通过多路复用器440而复用传输到上部束450和下部束460中。上部束450可在入口气室350或钟形口 260周围或别处联接到上部端口 470上，而下部束460可联接到下部端口480上。上部束450可由上部分离器490接收，而下部束460可由下部分离器500接收。分离器490、500两者可与成对的检测器连通。上部分离器490可与上部第一波长检测器510和上部第二波长检测器520连通，而下部分离器500可与下部第一波长检测器530和下部第二波长检测器540连通。可在本文中使用其它构件和其它构造。在透射通过液滴300之后，激光功率中的强度降低可用来计算对应的吸收物质的位点线(line-of-site)平均浓度。特别地，上部束450可测量呈蒸气相的水的分子密度，而下部束460则测量呈液相的水的分子密度。使用来自气象站310的实测温度值和压力值，控制器330因而可计算进入的空气流130中的液滴300的湿气份额。可在本文中使用其它构件和其它构造。再次参照图2，喷雾控制系统320的控制器330因而可使用在反馈回路中接收自液滴大小测量系统340和湿度水平测量系统390的数据，以通过送水台架290来控制液滴。特别地，对于给定的喷嘴设计，基于来自PIV系统350和/或PDA系统380的液滴大小测量数据和来自TDLAS系统400的湿度水平测量数据，可通过送水台架290的压力来控制液滴大小分布。相反，饱和水平则可更多地取决于水流率、液滴在入口管道230中的驻留时间、液滴大小，以及任何喷嘴堵塞或故障。图5显示了如可在本文中使用的那样的反馈回路的示例。特别地，喷雾控制系统320可持续地测量液滴大小和湿度水平。一确定有异常，喷雾控制系统320就可自动地调节控制参数，以使入口空气喷雾系统100回到期望的工作范围。系统320调节所花的时间可取决于测量的响应时间、用于测量的平均时间，以及控制器330的反应时间。喷雾控制系统320因而在运行中对喷雾过程提供迅速且可靠的控制。在步骤550处，控制器330读取期望的湿气份额水平(H)的输入值。在步骤560处，控制器330读取期望的最大液滴大小(D)的输入值。在步骤570处，控制器330读取输入的可接受的不一致时间(T)。在步骤580处，控制器330以预先校准的参数打开喷雾喷嘴阵列270。在步骤590处，控制器330将计时器设置成零(t=0)。在步骤600处，控制器330接收来自TDLAS系统400的湿气份额水平(y’)和来自PIV系统350的液滴大小分布。在步骤610处，控制器330根据PIV数据来计算湿气份额，并且比较这个数据与TDLAS数据，以计算液滴大小的修正值。将在下面更加详细地描述这个修正步骤逻辑。在步骤620处，控制器330根据经修正的大小分布来计算最大液滴大小(d)。在步骤630处，控制器330确定所确定的湿气份额水平(y’)是否小于期望的湿气份额水平(H)，以及计算的最大液滴大小(d)是否小于期望的最大液滴大小(D)。如果是这样的话，控制器330就回到步骤590，并且将系统计时器重新设置成零。如果不是的话，控制器330就继续到步骤640，在其中，控制器330确定系统时间(t)是否大于可接受的不一致时间。如果是这样的话，控制器330就关闭喷雾系统100，以便检查系统缺陷。如果不是的话，控制器330就前进到步骤650，以便基于关于计算的湿气份额(h)和计算的最大液滴大小(d)的误差信号来调谐总的系统参数。系统然后回到步骤600，并且循环继续。可使用其它类型的控制逻辑。喷雾控制系统320可使用在TDLAS系统400中测得的湿气份额值来修正从PIV系统350/PDA系统380中获得的液滴大小分布，如以上步骤610中提到的那样。特别地，PIV图像也可用来估计湿气份额。可根据激光器片宽度和摄像机成像面积来估计成像容积。基于当前的温度和压力，可估计成像容积中的水分子的总数量。可基于来自图像的液滴直径和液滴数量来计算液体水滴所占据的总体积。对于单个波长，液滴的直径可确定如下
权利要求
1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的入口空气喷雾系统(100)，包括喷雾喷嘴阵列(270);以及与所述喷雾喷嘴阵列(270)连通的喷雾控制系统(320)；所述喷雾控制系统(320)包括液滴大小测量系统(340)和湿度水平测量系统(390)。
2.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述入口空气喷雾系统(100)进一步包括入口气室(250)和钟形口(260)，以及其中，所述液滴大小测量系统 (340)定位在所述入口气室(250)或所述钟形口(260)周围。
3.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述入口空气喷雾系统(100)进一步包括入口气室(250)和钟形口(260)，以及其中，所述湿度水平测量系统 (390)定位在所述入口气室(250)或所述钟形口(260)周围。
4.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述入口空气喷雾系统(100)进一步包括气象站(310)，以及其中，所述气象站(310)与所述喷雾控制系统 (320)通信。
5.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述入口空气喷雾系统(100)进一步包括负荷传感器(175)，以及其中，所述负荷传感器(175)与所述喷雾控制系统(320)通信。
6.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述液滴大小测量系统(340)包括一个或多个激光器(360)和一个或多个摄像机(370)。
7.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述液滴大小测量系统(340)包括粒子成像测速系统(350)。
8.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述液滴大小测量系统(340)包括相位多普勒风速测定系统(380)。
9.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述湿度水平测量系统(390)包括可调谐二极管激光吸收光谱系统(400)。
10.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述湿度水平测量系统(390)包括第一波长的第一激光器(410)和第二波长的第二激光器(420)。
11.根据权利要求10所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述湿度水平测量系统(390)包括成对的第一波长检测器(510，530)和成对的第二波长检测器(520，540)。
12.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述入口空气喷雾系统(100)进一步包括送水台架(290)，以及其中，所述送水台架(290)与所述喷雾喷嘴阵列(270)和所述喷雾控制系统(320)连通。
13.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述喷雾控制系统 (290)包括控制器(330)，以控制所述喷雾喷嘴阵列(270)中的液滴(300)的大小。
14.根据权利要求1所述的入口空气喷雾系统(100)，其特征在于，所述喷雾喷嘴阵列 (270)定位在入口过滤室(210)周围。
15.—种运行其中有许多液滴(300)的入口空气喷雾系统(100)的方法，包括确定所述许多液滴(300)中的湿度水平；根据所述湿度水平来计算湿气份额水平；比较所计算的湿气份额水平与期望的湿气份额水平；确定所述许多液滴(300)的大小分布；比较所确定的大小分布与期望的大小分布；以及如果所计算的湿气份额水平大于所期望的湿气份额水平且如果所·确定的大小分布大于所期望的大小分布，则改变所述液滴(300)的大小。
全文摘要
本发明涉及用于入口喷雾控制的系统和方法。本申请提供一种用于燃气涡轮发动机(110)的入口空气喷雾系统(100)。入口空气喷雾系统(100)可包括喷雾喷嘴阵列(270)，以及与喷雾喷嘴阵列(270)连通的喷雾控制系统(320)。喷雾控制系统(320)可包括液滴大小测量系统(340)和湿度水平测量系统(390)。
文档编号F02C7/16GK102996250SQ201210339799
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者R.J.基拉, C.米特拉, J.E.梅斯特罗尼, S.梅蒂, R.沙马 申请人:通用电气公司