专利名称：燃气涡轮发动机燃烧室的热瞬间控制的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃气涡轮发动机燃烧室，尤其涉及控制燃烧室中的热瞬间(streak)的方法和装置。
一般，具有环形燃烧室的燃气涡轮发动机具有一个圆顶罩，沿径向内、外燃烧室衬里从该圆顶罩向下游延伸，在该内、外衬里之间形成一个燃烧区域。包括燃料喷射器和空气混合器(旋流器)的一环形组的汽化器或燃料喷嘴产生该圆顶罩中的孔配置。流经每一个名义上相同的汽化器和燃料喷射器的燃料流量与平均值有某些变化。这种变化可以由制造公差，燃料歧管压力梯度或由于焦化等产生的障碍产生。这种变化是围绕着燃烧室圆顶罩和燃烧室的圆周方向的变化。
位于该燃烧室下游的高压涡轮喷嘴，忍受燃烧燃气温度沿圆周方向的变化，这取决于该涡轮喷嘴和其沿圆周对准的燃料喷嘴的相对位置。涡轮喷嘴温度的变化可能非常大，并且这些温度变化相当难预测。因此，出于发动机的耐久性，一般将该涡轮喷嘴设计成要承受可能的最高燃气温度，即在燃气涡轮工业中被称为的热瞬间工况(heat streakcondition)。一些涡轮喷嘴不暴露在这种热瞬间温度下，因此，这些喷嘴会被过度冷却，因而这些低温涡轮喷嘴的多余的冷却空气是不需要的。
在高温(HP)涡轮喷嘴中使用的冷却空气取自绕过该燃烧室的压缩机，因此就发动机效率来说是成本高的。在涡轮喷嘴中使用的较大量的冷却空气使供燃烧用的空气减少，从而产生较高的燃烧温度，和可能较高的NOx排放量。另外，在燃料喷嘴之间的燃料流量的不均匀性导致在具有过多燃料的这些喷嘴的下游的燃料/空气比局部较高。这样，使局部的火焰温度和NOx的产物增加。因此，希望有一种可使热瞬间温度最小并可减少涡轮喷嘴中的冷却空气消耗的燃气涡轮燃烧系统。
发明概述操作燃气涡轮发动机燃烧系统的装置和方法包括多个沿圆周方向围绕燃烧室配置的燃料喷射器，多个与该燃料喷射器成一对一燃料供给关系的燃料喷嘴阀，和一个电子控制器。该电子控制器与该燃料喷嘴阀可控制地连接用于各自地控制该燃料喷嘴阀，根据检测的热瞬间工况，消除和/或减小热瞬间。该燃气涡轮发动机燃烧系统的一个示例性实施例包括利用诸如光学传感器一类的温度传感器检测热瞬间工况。该温度传感器安装在燃烧室中，用以测量燃烧室中的燃气温度。
该电子控制器可控制地与该燃料喷嘴阀连接，以便根据由该电子控制器，利用从该温度传感器的输入，计算的热瞬间工况，各自地控制所有的喷嘴阀。可以利用存储在该电子控制器中的一个工况监测和故障调整程度，通过计算或模拟燃烧室温度和将该温度与由该温度传感器测量的温度比较；和将在各个燃料喷嘴回路中的测量的燃料压力和模拟或计算的燃料压力比较，来确定该温度传感器是否损坏或产生误动作。
附图的简要说明
图1为包括使用热瞬间控制系统控制燃烧室中的热瞬间的装置的一个示例性实施例的燃气涡轮发动机燃烧室的图示；图2为表示图1所示的热瞬间控制系统的示意图。
优选实施例说明图1中表示燃气涡轮发动机燃烧室10的一个示例性实施例。该燃烧室10配置在中心线16的周围，并且在该燃烧室10的上游端19有一个燃烧室圆顶罩组件20。该圆顶罩组件20包括带有一块环形的圆顶罩板22的环形的燃烧室圆顶罩21。该燃烧室10包括一对薄膜冷却的径向外部和内部环形衬里12和14。该衬里被安置在发动机的纵向中心线16的周围并向下游方向8延伸。该外部和内部衬里12和14包括稀释孔17，并且沿径向互相间隔，这样，在它们之间形成一个燃烧区域18。该外部和内部衬里12和14从该环形的圆顶罩板22向下游延伸。
该燃烧室圆顶罩组件20包括多个沿圆周方向间隔的汽化器24，这些汽化器通过在该圆顶罩板22上的相应的圆形平板孔28配置。每一个汽化器24包括相应地围绕着汽化器的纵轴线29外接的前、后空气旋流器25和26。该前、后空气旋流器25和26也分别称为主、副旋流器。该后旋流器26包括限定一主文吐里管59的一个隔板58，多个沿圆周方向间隔的后涡旋叶片60，和一个环形出口喇叭形管72。该前旋流器25在中心支承一个可在其内滑动地支承燃料喷射器30的环圈66。该前旋流器25具有多个沿圆周间隔开的前涡旋叶片62。该燃料喷射器30和后旋流器26与汽化器轴线26同轴地配置。径向外、内燃烧室罩23和27在该环形圆顶罩板22的上游和前方延伸，并被固定在该环形的圆顶罩板22上。该外和内燃烧室罩23和27有一个环形的开口33，它可使压缩空气44流经汽化器24并流经外、内衬里12、14中的稀释孔17，而进入燃烧区域18中。
燃烧室10的下游端35上包括一个环形的燃烧室出口32。该燃烧室10通常与包括多个在沿圆周间隔的喷嘴叶片37的一个通常的涡轮喷嘴34连接。在运转中，通常将燃料42通入喷射器30，并排入该主文吐里管59和前、后空气旋流器25和26的中心，其中，燃料42与通常从压缩机(没有示出)提供给燃烧室10的一部分压缩空气44混合。该旋流器25和26对于燃料42和空气44的混合，以形成燃料/空气混合物46是有效的。该混合物被排入该燃烧区域18中。该混合物通常在起动过程中，由被配置在该外衬里12的通常的点火器(没有示出)点火，或者当点火器断开而发动机工作时，由正在进行的燃烧过程点火。
燃烧气体50在该燃烧区域18中产生，并通至燃烧室出口32，通至涡轮喷嘴34，再通至涡轮级(没有示出)。在涡轮级中从燃烧气体提取能量，供给位于燃烧室10上游的发动机的压缩机和风扇级。围绕着涡轮喷嘴34的燃烧气体的温度沿圆周方向的变化可降低发动机的寿命。因此，一般将该涡轮喷嘴设计成可承受最高的燃气温度。该温度在燃气涡轮工业中称为热瞬间温度。为了减少用于抵消热瞬间效应或工况的冷却空气量和降低热瞬间温度，提供了在图2简略图示的燃气涡轮燃烧系统40以降低热瞬间温度和减少或消除燃烧室中的热瞬间。
图2中示意性地表示包括将燃料供给燃料喷嘴器30的燃气涡轮发动机燃料供给系统45的热瞬间温度降低的燃气涡轮燃烧系统40的一个示例性实施例。每一个燃料喷射器30通过一个各自的燃料喷嘴回路31与燃料供给歧管47连接。燃料喷嘴阀48被配置在该燃料供给歧管47和每一个燃料喷射器30之间。该燃料喷嘴阀48可以为开/关阀或可以为可改变或调整通至该燃料喷射器30的燃料流量的调整阀。在燃烧室10中安装一个检测热瞬间工况的装置，以测量在燃烧室10中的燃气温度。该装置可以为温度传感器55。更具体地说，该温度传感器55可以为光学温度传感器。
该温度传感器55与一个电子控制器76连接，以供给信号。该电子控制器76可控制地与该燃料喷嘴阀48连接，控制该燃料喷嘴阀48，以消除和/或减少热瞬间。所示的热瞬间温度降低的燃气涡轮燃烧系统40的示例性实施例的电子控制器76可控制地与该燃料喷嘴阀48连接，以便各自地控制所有的燃料喷嘴阀48，即各自地控制每一个燃料喷嘴阀48，以便根据检测的热瞬间工况，消除和/或减少热瞬间。
如图1所示，可操作地被安装在该燃烧室10中的该温度传感器55用于测量在燃烧区域18中每个汽化器24下游的燃烧室火焰的燃气温度。该温度传感器55可以安装在燃烧室10中的许多轴向和径向位置上。在图1的发动机的一个沿着轴向的径向平面中表示了示例性的第一，第二和第三位置A，B和C。该示例性的第一位置A靠近在该外部和内部的燃烧室罩23和27内的燃料喷射器30。一个温度传感器55靠近每一个燃料喷射器30安置。该示例性的第二和第三位置B和C分别位于上述环形的圆顶罩板22和外衬里12上。在基本与每一个汽化器24相同的圆周位置上，该温度传感器也沿圆周方向分布在该燃烧室10周围。
该热瞬间温度降低的燃气涡轮燃烧系统40由电子控制器76控制。该电子控制器76可以为在控制燃气涡轮发动机工业中众所周知的全权限数字电子控制器(FADEC)。该FADEC从温度传感器55按数输入，并且如果检测和确定燃烧室10中有害的热瞬间工况，则通过改变流过一个或多个燃料喷嘴阀48并进入相应的一个燃料喷射器30的燃料量来调节周围的燃料流量分配。在该FADEC中存储一个嵌入的工况监测和故障调整前飞行(fly-along)模型程序。这是一个发动机模拟计算机程序，它实时模拟该燃气涡轮发动机的运转并计算模拟的燃烧室温度而运行。
模型的输入来自发动机的各种速度、温度、压力和位置传感器。该FADEC将该模型的模拟的燃烧室温度与温度传感器55的测量的温度比较和将燃料喷嘴中的模拟的燃料压力与各个燃料喷嘴回路31中的测量的燃料压力比较。从该两个比较中，该FADEC确定或检测一个损坏或误动作的传感器。利用从在该工况监视和故障调整沿着飞行距离嵌入的模型计算机程序中的模拟的子模型计算机程序计算或模拟的燃烧室温度，调节损坏或误动作的传感器。从各个燃烧燃气温度监测的温度传感器55发出的输出送至该模型，并且当检测出热瞬间或者局部温度有大的局部偏差时，立即确定变化的燃料喷射器30的位置，并将燃料流量调节至该变化的燃料喷射器(30)，以便减少由该FADEC检测的燃烧室中的圆周方向的温度变化。当该热瞬间温度降低的燃气涡轮燃烧系统40检测出不希望的情况，即热瞬间工况和通过改变燃料流量校正时，还可确认在通至该燃料喷射器30的燃料流量的方向和改变速率是恰当的。
虽然已经说明了认为是本发明的优选的和示例性实施例，但技术经验丰富的人从本文的说明中知道，本发明可有其他修改。因此希望确保凡落在本发明的实际精神和范围内的所有这些修改都被包含在所附权利要求书中。
零件清单8-下游方向10-燃气涡轮发动机燃烧室12-外部环形衬里14-内部环形衬里16-中心线17-稀释孔18-燃烧区域19-上游端20-燃烧室圆顶罩组件21-燃烧室圆顶罩22-圆顶罩板23-外部燃烧室罩24-汽化器25-前空气旋流器26-后空气旋流器27-内部燃烧室罩28-圆形板孔29-气化器轴线30-燃料喷射器31-回路32-燃烧室出口33-环形开口34-通常的涡轮喷嘴35-下游端37-喷嘴叶片40-燃气涡轮发动机燃烧系统42-燃料44-压缩空气45-燃料供给系统46-燃料/空气混合物47-燃料供给歧管
48-燃料喷嘴阀50-燃烧室气体55-温度传感器58-隔板59-主文吐里管60-后旋转风扇62-前旋转风扇66-环圈72-出口喇叭形管76-电子控制器A-第一位置B-第二位置C-第三位置
权利要求
1.一种燃气涡轮发动机燃烧系统(40)，包括围绕燃烧室(10)沿圆周配置的多个燃料喷射器(30)；与该燃料喷射器(30)成一对一燃料供给关系的多个燃料喷嘴阀(48)；和可控制地与该燃料喷嘴阀(48)连接，用于各自控制这些燃料喷嘴阀(48)，以便根据检测到的热瞬间工况，消除和/或减小热瞬间的一个电子控制器(76)。
2.如权利要求1所述的系统(40)，其特征为，还包括用以检测该热瞬间工况的装置。
3.如权利要求2所述的系统(40)，其特征为，这些燃料喷嘴阀(48)为可以改变或调整通至这些燃料喷射器(30)的燃料流量的一些调整阀。
4.如权利要求3所述的系统(40)，其特征为，还包括用以检测热瞬间工况的装置，该装置包括可操作地被安装在燃烧室(10)中以测量燃烧室(10)中的燃气温度并按信号供给关系与该电子控制器(76)连接的温度传感器(55)，该电子控制器(76)可控制地与这些燃料喷嘴阀(48)连接，以便根据利用来自传感器(55)的输入由该电子控制器计算的热瞬间工况，各自控制这些燃料喷嘴阀(48)。
5.如权利要求4所述的系统(40)，其特征为，还包括存储在该电子控制器(76)中的一个工况监测和故障调整程序，用于通过计算或模拟燃烧室温度和将该温度与由传感器(55)测量的温度比较，并将测得的在各个燃料喷嘴回路(31)中的燃料压力与模拟或计算的燃料压力比较，来确定该传感器(55)是否损坏或出错。
6.如权利要求4所述的系统(40)，其特征为，这些传感器(55)为温度传感器。
7.一种燃气涡轮发动机燃烧系统(40)，包括沿圆周配置在燃烧室(10)周围的多个燃料喷射器(30)；与这些燃料喷射器(30)成一对一的燃料供给关系的多个燃料喷嘴阀(48)；可操作地被安装在燃烧室(10)中以测量燃烧室(10)中的燃气温度的温度传感器(35)；和可控制地与这些燃料喷嘴阀(48)连接以控制这些燃料喷嘴阀(48)，从而根据至少部分地由这些温度传感器(55)指示的被检测的热瞬间工况消除和/或减少热瞬间的一个电子控制器(76)。
8.一种控制燃气涡轮发动机燃烧系统(40)以消除和/或减小在燃烧室(10)中的热瞬间的方法，该方法包括如下步骤将燃料供给沿圆周配置在燃烧室(10)周围的多个燃料喷射器(30)，并且点燃和燃烧在该燃烧室(10)中的燃料；控制被供给带有与这些燃料喷射器(30)成一对一燃料供给关系的多个燃料喷嘴阀(48)的燃料喷射器(30)的燃料量；和控制被供至带有可控地与这些燃料喷嘴阀(48)连接以消除和/或减小热瞬间的电子控制器(76)的每一个燃料喷射器(30)的燃料量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，这些燃料喷嘴阀(48)为一些调整阀，这些调整阀可以改变或调整流至这些燃料喷射器(30)的燃料流量，并且还包括调整流至这些燃料喷射器(30)的燃料流量，以控制被供至每一个燃料喷射器(30)的燃料量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征为，还包括各别控制这些燃料喷嘴阀(48)，以消除和/或减小热瞬间。
全文摘要
一种燃气涡轮发动机燃烧系统(40)包括多个与多个燃料喷嘴阀(48)为一对一燃料供给关系的，在圆周上配置在燃烧室(10)圆周的燃料喷射器(30)；和一个电子控制器(76)。该电子控制器可根据检测的热瞬间工况，消除和/或减少热瞬间。该燃料喷嘴阀(48)可以为调整阀。该电子控制器(26)可以用于各自控制该燃料喷嘴阀(48)。热瞬间工况可以利用诸如安装在燃烧室(10)中的温度传感器一类的温度传感器检测。可以利用在该电子控制器(76)中的一个程序，通过计算燃烧室温度和将该温度与由传感器(55)测量的温度比较，和将在各个燃料喷嘴回路(31)中的测量的燃料压力与模拟或计算的燃料压力比较，确定损坏或误动作的传感器(55)。
文档编号F23N5/02GK1955548SQ200610132078
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者K·S·文卡塔拉马尼, W·J·小迈尔斯, R·J·奥尔兰多, P·库克, 李经邦 申请人:通用电气公司