专利名称：用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内火焰的系统和方法
技术领域：
本申请总体上涉及用于检测燃气涡轮机部件内火焰的系统和方法，尤其涉及用于 检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内火焰的系统和方法。
背景技术：
许多燃气涡轮机包括压缩机，燃烧器和涡轮机。压缩机生成供应给燃烧器的压缩 空气。燃烧器将压缩空气与燃料燃烧产生空气-燃料混合物，该混合物被供应给涡轮机。涡 轮机从空气_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器。燃烧器可位于压缩机和涡轮机之间。 例如，压缩机和涡轮机可沿公共轴线排列，且燃烧器可绕公共轴线以环形阵列的方式布置 在压缩机和涡轮机之间，处于涡轮机入口处，在运行中，来自压缩机的空气可通过其中一个 燃烧器进入到涡轮机中。燃烧器可在相对较高的温度下运行以确保空气和燃料充分燃烧，提高效率。燃烧 器在高温下运行会产生一个问题，即会产生相对较多的氮氧化物(NOx)，这会对环境产生负 面影响。为了减小NOx的排放，一些现代燃气涡轮机使用燃料喷嘴。例如，每个燃烧器可配 套多个燃料喷嘴，诸如预混合燃料喷嘴，这些燃料喷嘴可在燃烧器的入口处绕燃烧器以环 形阵列的方式布置。在正常操作期间，来自压缩器的空气经燃料喷嘴进入燃烧器。在燃料 喷嘴内，空气与燃料预混合形成空气-燃料混合物。然后空气-燃料混合物在燃烧器内燃 烧。预混合空气和燃料使得燃烧器在相对较低的温度下运行，这就减少了燃烧过程中生成 的副产物N0X。虽然在燃料喷嘴内预混合可以减小NOx的排放，但燃料喷嘴存在它们自身的问题。 例如，燃料喷嘴可能着火或保留火焰。燃料喷嘴内有火焰的一个常见原因是回火，其中，火 焰从燃烧器的燃烧区域向后进入燃料喷嘴。燃料喷嘴内有火焰的另一个常见原因是自燃， 其中，由于燃料组分、燃料流动、空气流动或燃料喷嘴表面等的不规则性会引起燃料喷嘴独 立地着火。不管什么原因，燃料喷嘴可倾向于持有或保留火焰，这会损坏燃料喷嘴或燃气涡 轮机的其他部分。因此，可采取补救措施以减小或消除燃料喷嘴内的火焰，检测燃气涡轮机的燃料 喷嘴内火焰存在的技术已经得到了发展。这些技术采用传感器，诸如温度传感器，光子发射 传感器，或离子传感器等。通常，在每个燃料喷嘴内设置传感器，从而可以检测任何一个燃 料喷嘴内的火焰。然而，由于涡轮机可配套多个燃烧器，每个燃烧器可配套多个燃料喷嘴， 因此，在每个燃料喷嘴内设置传感器会很昂贵。因此，就需要检测燃气涡轮机的部件(诸如燃气涡轮机的燃料喷嘴)内火焰存在 的系统和方法。
发明内容
一种系统，其可以检测燃气涡轮机的燃料喷嘴周围的火焰。燃气涡轮机可具有压 缩机和燃烧器。该系统可包括第一压力传感器，第二压力传感器，以及变换器。第一压力传 感器可检测燃料喷嘴上游的第一压力。第二压力传感器可检测燃料喷嘴下游的第二压力。 变换器可以可操作以检测第一压力传感器和第二压力传感器之间的压差。在研究了下述附图和详细说明的基础上，其他系统、装置、方法、特征和优点对本 领域技术人员来说将是显而易见的或变得很明显。所有这些另外的系统、装置、方法、特征 以及优点意在包括在说明书中且意在通过所附权利要求来保护。
参考附图可以更好地理解本发明。图中的相应部分采用相匹配的附图标记表示， 且图中的部件不必按比例绘制。图1是燃气涡轮机的局部剖视图，示意性的表示用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴 内火焰的系统。图2是图示系统的实施例的框图，该系统用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内的火焰。图3是燃气涡轮机的燃烧器的局部剖视图，图示用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴 内火焰的探针的实施例。图4是图3所示探针的部分剖视图。图5是示出本方法实施例的框图，该方法用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内的火焰。
具体实施例方式以下描述用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内火焰的系统和方法。该系统和方法可 以通过检测横跨燃料喷嘴的压降的增加来检测燃料喷嘴内的火焰。例如，该系统和方法可 以通过检测横跨与某燃烧器有关的燃料喷嘴阵列的压降的增加来检测燃料喷嘴内的火焰。 由于火焰会导致压降增加，这会使温度增加和/或降低流过受影响的燃料喷嘴的空气密 度。由于空气体积的增大，燃料喷嘴上游的压力会增加，这就会增加横跨燃料喷嘴的压降。在实施例中，可以确定横跨与燃烧器有关的燃料喷嘴阵列的压降。可以通过确定 燃料喷嘴阵列输入侧的上游压力与燃料喷嘴阵列输出侧的下游压力之间的差来检测压降。 如果压力差超过预期的压力差，则在所述阵列的一个或多个燃料喷嘴中存在火焰。这样，为 了检测燃烧器任意一个燃料喷嘴中的火焰，就不需要将传感器与每个燃料喷嘴相关联，因 为，在燃烧器范围而不是喷嘴范围内进行检测。这种结构可以降低与火焰检测相关的成本。在实施例中，可以在邻近喷嘴阵列处检测上游压力和下游压力，从而提高压力读 数的准确性。例如，可以在进入燃烧器的空气流路径中检测上游压力，在燃烧器的燃烧室中 检测下游压力。在这种实施例中，可使用集成探针检测压差。集成探针可延伸穿过燃烧流 动套筒进入燃烧室。集成探针可以布置成同时检测上游压力和下游压力。在一些这种实施 例中，集成探针可以具有其他功能。例如，集成探针可包括燃烧动态监测(CDM)探针，适于 监测燃烧器内的动态压力。在这种情形下，可相对容易和便宜地改造具有用于检测燃料喷 嘴内火焰的系统的燃气涡轮机，诸如从燃气涡轮机中移走CDM探针并在它的位置安装集成探针。图1是燃气涡轮机100的局部剖视图，燃气涡轮机100具有用于检测燃料喷嘴内 火焰的系统。如图所示，燃气涡轮机100通常包括进气部分102，压缩机104，一个或多个燃 烧器106，涡轮机108和排气部分110。每个燃烧器106可包括一个或多个燃料喷嘴112。 燃料喷嘴112以阵列形式彼此平行。例如，燃料喷嘴112可布置在燃烧器106的入口周围， 例如绕燃烧器106的纵轴线环形布置。流动路径可以通过燃气涡轮机100限定。在正常操作期间，空气通过进气部分102 进入燃气涡轮机100。空气可流入压缩机104，压缩机可将空气压缩形成压缩空气。压缩 空气可以流过燃料喷嘴112，燃料喷嘴将压缩空气与燃料混合形成空气-燃料混合物。空 气-燃料混合物可流入燃烧器106，燃烧器可燃烧空气-燃料混合物产生热气体。热气体可 流进涡轮机108，涡轮机从热气体中提取能量，形成废气。然后，废气通过排气部分110从燃 气涡轮机中排出。虽然本领域技术人员会理解可以仅设置一个燃料喷嘴112，但下文中描述的燃烧 器106具有燃料喷嘴112阵列。注意燃料喷嘴112阵列附近的流动路径部分，可以预料到 横跨喷嘴阵列有压降。在正常操作期间，燃料喷嘴112阵列上游的压力会超过燃料喷嘴112 阵列下游的压力。对于本发明，术语“上游压力”限定为处于压缩机出口和至任意一个燃料 喷嘴112的入口之间的点处的压缩空气的静态压力。在这里，上游压力也指压缩机排出压 力(PCD)。本领域技术人员会理解上游压力可沿着压缩机出口和燃料喷嘴入口之间的流动 路径变化，且这些压力中的每个构成了压缩机排出压力(PCD)。本领域技术人员也会理解压 缩机排出压力(PCD)不能在压缩机排出口处精确评估。对于本发明，术语“下游压力”限定 为燃烧器106中的静态压力。在这里，由于下游压力可取自燃烧器室中的压力，因此下游压 力也指燃烧器室压力(PCC)。如上所述，正常操作条件下，上游压力可超过下游压力。上游和下游压力之间的这 种预期压差(PCD-PCC)会有助于沿流动路径驱动流动。预期压差可在已知范围内，该范围 可根据例如燃气涡轮机100的构造或当前运行状况而变化。在一些情况下，火焰可能存在于燃气涡轮机100的一个或多个燃料喷嘴112中。火 焰可能是由于，例如，回火或自燃。回火表示从燃烧器106的燃烧反应区到燃料喷嘴112内 的火焰传播，而自燃表示燃料喷嘴112内空气-燃料混合物的自发点火。然而，火焰可由于 任何其他原因存在于燃料喷嘴112中。这样，燃气涡轮机100可包括系统200，该系统用于检测燃气涡轮机100的燃料喷 嘴112中的火焰。系统200可通过检测横跨燃料喷嘴112阵列的压差的增加来检测任意一 个燃料喷嘴112中的火焰。当火焰存在于受影响的燃料喷嘴112中时，通过受影响的燃料喷嘴112的压缩空 气会变热且膨胀，这就会增加通过受影响的燃料喷嘴112的空气流动阻力。这样，能够流经 受影响的燃料喷嘴112的空气会相对少。为了弥补通过受影响的燃料喷嘴112的减少空气 流，压缩空气会被改向通过其余的燃料喷嘴112。这样，相对较大体积的空气被迫通过相对 较小的燃料喷嘴空间，这就会增加燃料喷嘴112上游的压力。当任何一个燃料喷嘴112持有火焰时，由于增加的上游压力和下降的下游压力， 横跨燃料喷嘴112阵列的压降就可增加。更具体地说，横跨燃料喷嘴112阵列的压降会超过预期的压降。换句话说，当火焰存在于任何一个燃料喷嘴112中时，压缩器排出压力(PCD) 和燃烧器室压力(PCC)之间的差会相对大于燃气涡轮机100正常操作期间相应的压差。例 如，压差可高于预定压力约5-10%。系统200可检测到压差的这种变化，从而确定一个或多 个燃料喷嘴112正持有火焰。知道这种情况，可以采取补救措施以保护燃气涡轮机100不 受进一步损坏。例如，可以采取现在已知或以后发展的任何方式来减少或消除火焰。图2是示出系统200的实施例的框图，系统200用于检测燃气涡轮机100的燃料 喷嘴112中的火焰。如图所示，系统200可包括上游压力传感器204，下游压力传感器206， 以及变换器208。上游压力传感器204可置于压缩机104和燃料喷嘴112之间。上游压力 传感器204可检测压缩机排出压力(PCD)。下游压力传感器206可至少部分地置于燃烧器 106内。下游压力传感器206可检测燃烧器室压力(PCC)。压力传感器204，206可操作性 地与变换器208 (例如压差变换器)相关联。变换器208可检测上游压力和下游压力之间 的压差。压力传感器204，206可以通过任何可能的方式连接到变换器208。例如，压力传感 器204，206可以为操作性地连接至变换器208的单独的实体部件，或者压力传感器204，206 可以是变换器208的象征性功能元件。换句话说，变换器208可检测上游和下游压力之间 的压差，而不是单独测量上游压力，单独测量下游压力，以及将两个测量值相减从而确定压 差。在一些实施例中，压力传感器204，206可操作性地与多个压力变换器208相关联， 这可以允许冗余检测且可以减小火焰错误指示的可能性。在一些实施例中，由于相同的原 因，多个压力传感器204，206也可操作性地与一个或多个压力变换器208相关联。在这种 情形下，可以采用典型的表决程序以确定是否发生了火焰的错误指示。在实施例中，系统200可进一步包括控制器210。控制器210可使用硬件，软件或 其组合实现以执行这里描述的功能。通过实例，控制器210可以是处理器，特定用途集成电 路，比较器，差分模块，或其他硬件装置。同样，控制器210可包括软件或其他计算机可执行 指令，这些指令可存储在存储器中且能通过处理器或其他处理装置来执行。控制器210可从变换器208接收检测的压差，例如通过信号。控制器210也可以 知道预期的压差。例如，控制器210可将预期的压差存储在诸如控制器210的存储器中。 控制器200也可以诸如通过将算法应用于燃气涡轮机100的已知参数或燃气涡轮机100的 测量的运行状况等来确定预期的压差。控制器210可以将检测的压差与预期的压差进行比 较，且在检测的压差超过预期的压差的情况下，控制器210将显示燃气涡轮机100内存在火 焰状况。在一些实施例中，预期的压差可包括可接受的压差范围，在这种情形下，控制器210 将检测的压差与预期的压差范围进行比较，从而确定检测的压差是否落在该范围内。如果 检测的压差没有落在所述范围内，控制器210可显示燃料喷嘴112中存在火焰。在实施例中，上游和下游压力传感器204，206可邻近燃料喷嘴112布置。这种结 构图示在图3和图4中，图3和图4分别为燃气涡轮机100的燃烧器106的局部剖视图和 集成探针250的局部剖视图。如图所示，燃烧器106的外部可以通过燃烧器壳体114限定。 燃烧器壳体114可适于将燃烧器106固定至涡轮机108，诸如通过在燃烧器壳体114和涡 轮机壳体118(部分显示)之间延伸的螺栓116。燃烧器壳体114大体上为圆柱形。燃烧 衬套120可设置在燃烧壳体114的内部上。燃烧衬套120也可大体上为圆柱形，且相对于 燃烧器壳体114同心布置。燃烧衬套120可限定燃烧室122的周边，燃烧室可适于燃烧如上所述的空气_燃料混合物。燃烧室122在入口端部被衬套盖组件124限制，且在出口端 部被过渡管路126限制。过渡管路126可将燃烧器106的出口 128与涡轮机108的入口连 接，从而使得空气-燃料混合物燃烧产生的热气体可以引导进入涡轮机108。为了向燃烧室122提供空气-燃料混合物，多个燃料喷嘴112可以与燃烧室122 的内部流体连通。燃料喷嘴112可在燃烧器106的输入端部彼此平行布置。更具体地，燃 料喷嘴112可延伸穿过盖组件130和衬套盖组件124，盖组件在输入端部封闭燃烧器壳体 114，衬套盖组件124在输入端部封闭燃烧室122。燃料喷嘴112可接收来自压缩机104的 空气，可将空气与燃料混合形成空气-燃料混合物，且可将空气-燃料混合物引导至燃烧室 122内用于燃烧。在图示的实施例中，为了清晰起见，仅详细显示了一个燃料喷嘴112。绕燃烧器106设置流动套筒132，这样，来自压缩机104的空气可以到达燃料喷嘴 112。如图所示，流动套筒132大体上为圆柱形且可同心设置在燃烧器壳体114和燃烧器衬 套120之间。更具体地，流动套筒132可在燃烧器壳体114的径向凸缘134和过渡管路126 的外壁136之间延伸。在过渡管路126附近穿过流动套筒132形成孔138阵列。孔138可 允许来自于压缩机104的空气从压缩机104向燃料喷嘴112反向流动。更具体地，空气可 沿限定在环形空间中的空气流路径140流动，如箭头所示，环形空间位于流动套筒132和燃 烧器衬套120之间。如上所述，上游和下游压力传感器204，206可邻近燃料喷嘴112布置，这可以减小 压力读数不准确的可能性。例如，上游压力传感器204可置于位于流动套筒132和燃烧套 筒120之间的空气流路径140中，这就允许在邻近燃料喷嘴112阵列处检测压缩机排出压 力(PCD)。类似地，下游压力传感器206可设置在燃烧衬套120附近或燃烧室122中，这就 允许在邻近燃料喷嘴112阵列处检测燃烧器室压力(PCC)。通过将传感器204，206设置在 邻近燃料喷嘴112阵列处，传感器204，206会以相对较小地可能检测可归因于燃料喷嘴112 中的火焰之外的原因的压力误差。在实施例中，上游和下游压力传感器204，206可以是集成探针250的组件。集成 探针250可操作以检测横跨燃料喷嘴112的压差的增加，压差诸如压缩机排出压力(PCD) 和燃烧器室压力(PCC)之间的差。例如，集成探针250可以是压差探针。如图3、4所示，探针250与燃烧器106相关联。具体的说，探针250可延伸穿过燃 烧壳体114，流动套筒132，以及燃烧衬套120，并进入燃烧室122。上游压力传感器204可 设置在探针250的一部分上，从而设置在进入燃烧器106的空气流路径140中，诸如在流动 套筒132和燃烧衬套120之间。下游压力传感器206可设置在探针250的一部分上，从而 设置在燃烧室122中。这样，采用单个探针250即可检测压缩机排出压力(PCD)和燃烧器 室压力(PCC)。如图4所示，集成探针250也可包括变换器208。虽然控制器210未显示在 图示实施例中，探针250也可包括控制器210。可替代地，控制器210也可与探针250分开。在实施例中，燃烧室122内下游压力传感器206的定位可选择以减小燃烧室122 内温度对下游压力传感器206的影响。例如，燃烧室122中的温度可能超过下游压力传感 器206能耐受的温度。因此，下游压力传感器206可布置在燃烧室内部从而使得下游压力 传感器206的尖端254靠近燃烧衬套120。例如，尖端254可如图所示与燃烧衬套120大概 齐平。在有些情况下，可在尖端254附近形成微小空气隙256。空气隙256可允许冷却空气 流，这可以进一步减小温度对下游压力传感器206的冲击。
由于集成探针250可通过检测横跨燃料喷嘴112阵列的压降来检测任何一个燃料 喷嘴112中的火焰，因此集成探针250可以降低燃气涡轮机的改造费用，该燃气涡轮机具有 系统200，该系统用于检测燃气涡轮机燃料喷嘴中的火焰。每个燃料喷嘴112内不需要独立 的传感器，从而降低应用和维修成本。在实施例中，集成探针250可与燃气涡轮机的现有探针(例如，燃烧器动态监测 (CDM)探针)相关联。燃烧动态监测(CDM)探针可用来测量燃气涡轮机的参数，例如燃烧室 122的动态压力。在这种实施例中，下游压力传感器206可具有同心轴向孔，该孔允许动态 压力信号从燃烧室122传递到压力动态压力传感器252，该压力动态压力传感器252位于集 成探针250上。在这种实施例中，如图4所示，用集成探针250改造燃气涡轮机同用图4所 示的集成探针250替代现有燃烧动态监测(CDM)探针一样简单。图5是图示方法500的实施例的框图，该方法用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内 的火焰。在块502中，可检测横跨燃料喷嘴阵列的压降。例如，压降可以通过检测压缩机排 出压力(PCD)和燃烧器室压力(PCC)之间的压差来检测，例如，通过使用上述系统之一来检 测。在块504中，可以响应于超过预期的压降的压降来确定火焰存在于至少一个燃料喷嘴 中。例如，可通过比较检测的压降与预期的压降来确定存在火焰。在一些实施例中，预期的 压降可以是预期的压降范围，在这种情形下，通过确定检测的压降没有落在预期的压降的 围内来确定火焰存在。然后，方法500结束。在实施例中，方法500还可以包括消除火焰。 火焰可以采用已知或后面发展的任何方式来消除。参照本发明实施例的系统和方法的框图和示意图，上面描述了本发明的实施例。 会理解的是，图形的每个块体以及图形中块体的组合可以通过计算机程序指令实施。这些 计算机程序指令可以加载到一个或多个通用计算机上，专用计算机上，或其它可编程数据 处理设备以生成机器，从而使得在计算机或其它可编程数据处理设备上执行的指令建立了 用于实施块体或多块体中所规定的功能的手段。这种计算机程序指令也可以存储在计算 机可读存储器中，该可读存储器可指导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式起作 用，从而使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制品，该指令装置实 施规定在块体或多块体中的功能。虽然上面参考具有燃料喷嘴阵列的燃气涡轮机描述了用于检测燃气涡轮机的燃 料喷嘴内火焰的系统和方法，但技术人员会理解该系统和方法也可以用于仅具有一个燃料 喷嘴的燃烧器。部件列表100燃气涡轮机 132流动套筒102进气部分134径向 凸缘104压缩机 136外壁106燃烧器 138孔108涡轮机 140空气 流路径110排气部分 200系统112燃料喷嘴 204上游压力传感器114燃烧壳 体 206下游压力传感器118涡轮机壳体 208变换器120燃烧衬套 210控 制器122燃烧室 250集成探针124衬套盖组件 252压力传感器126过渡管路 254尖端128出口 256空气隙130盖组件
权利要求
一种系统(200)，用来检测燃气涡轮机(100)的燃料喷嘴(112)周围的火焰，燃气涡轮机(100)具有压缩机(104)和燃烧器(106)，该系统(200)包括第一压力传感器(204)，检测燃料喷嘴(112)上游的第一压力；第二压力传感器(206)，检测燃料喷嘴(112)下游的第二压力；变换器(208)，其可操作以检测第一压力和第二压力之间的压差。
2.根据权利要求1所述的系统(200)，其中，第一压力传感器(204)位于进入燃烧器 (106)的空气流路径(140)中。
3.根据权利要求2所述的系统(200)，其中，空气流路径(140)包括处于燃烧器(106) 的壳体(114)与燃烧器(106)的腔室(122)之间的区域。
4.根据权利要求1所述的系统(200)，其中，第二压力传感器(206)位于燃烧器(106) 的腔室(122)中。
5.根据权利要求1所述的系统(200)，其中，变换器(208)包括压差变换器。
6.根据权利要求1所述的系统(200)，进一步包括集成探针(250)，集成探针(250)延 伸穿过进入燃烧器(106)的空气流路径(140)，进入燃烧室(122)中。
7.根据权利要求6所述的系统(200)，其中，第一压力传感器(204)位于设置在空气流路径(140)中的一部分集成探针(250)上；且第二压力传感器(206)位于设置在燃烧室(122)中的一部分集成探针(250)上。
8.根据权利要求6所述的系统(200)，其中，集成探针(250)进一步包括燃烧动态监测 探针。
9.根据权利要求6所述的系统(200)，其中，集成探针(250)进一步可操作以执行燃烧 器动态监测。
10.根据权利要求1所述的系统(200)，进一步包括控制器(210)，其可操作以响应于超 过预定压差的压差显示燃气涡轮机(100)的燃料喷嘴(112)中存在火焰。
全文摘要
本发明公开了用于检测燃气涡轮机的燃料喷嘴内的火焰的系统和方法。系统(200)可检测燃气涡轮机(100)的燃料喷嘴(112)周围的火焰。燃气涡轮机(100)可具有压缩机(104)和燃烧器(106)。系统(200)可包括第一压力传感器(204)，第二压力传感器(206)以及变换器(208)。第一压力传感器(204)可检测燃料喷嘴上游的第一压力。第二压力传感器(206)可检测燃料喷嘴(112)下游的第二压力。变换器(208)可操作以检测第一压力传感器(204)和第二压力传感器(206)之间的压差。
文档编号G01M99/00GK101900641SQ20091024683
公开日2010年12月1日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年1月8日
发明者A·克鲁尔, D·L·威廉森, G·O·克拉梅, J·E·梅斯特罗尼, J·M·斯托里, J·R·马萨尔, J·利平斯基 申请人:通用电气公司