专利名称：用于运行燃气涡轮发动机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于运行燃气涡 轮发动机的方法和设备。
背景技术：
燃气涡轮发动机在串行流布置中通常包括用于压缩流经发动机 的空气的高压压缩机、燃烧室以及高压涡轮，燃料与压缩空气在燃烧 室中混合并引燃以形成高温燃气流。高压压缩机、燃烧室和高压涡轮 有时共同称为核心发动机。这种燃气涡轮发动机还可包括低压压缩机 或升压机，用于向高压压缩机供给压缩空气。
为了提高性能，将燃气涡轮发动机优化成用于满载荷运行，以便 在降低燃料消耗的同时仍能提供所需的功率。同样地，将燃烧系统优
化成用于满载荷运行以减少正常运行时的排;改物。对于现代的预混燃 烧设计而言，这种优化将最大量的可用气流推向预混合装置，以保持 低的燃烧温度并减少形成作为温度强函数(strong ftmction)的氮氧化 物。非常确实的是氮氧化物的形成率是峰值反应温度的函数，而峰值 反应温度本身又由燃烧室中的燃料空气比所推动。作为用于千燥的低 氮氧化物(NOx)设计的优选实施例，对于在"稀燃(lean)"侧(即空气比 燃料多)上的运行，化学计量比两方中任何一方的燃料空气比都会导致 峰值温度的降低。
然而，在某些运行条件下，燃气涡轮发动机需要在降低的功率水 平下运行。为了降低燃气涡轮上的功率输出，可减少燃料、空气或转 速。大多数的重型燃气涡轮以固定的机械速度运行，于是为了降低功 率，它们依赖于减小燃料流量和空气流量。如果仅是减少空气流量，则功率输出减小，而燃烧室的运行温度或会超出它们的期望设计点。 如果仅是减少燃料流量，则燃烧室或会接近稀燃稳定性的极限。 一般 而言，功率通过同时减小空气流量和燃料流量两者而降低，且同时通
过利用母火(pilot)或燃料分级燃烧(例如在多喷嘴装置中)来减轻稀燃
稳定性问题。然而，不管上述稀燃稳定性极限的接近，当设法调低功 率而达到 一定条件时，燃烧室运行温度或会太低而不能完全地燃烧燃 料，举例来说，这或会导致污染物比如一氧化碳的增加。
发明内容
一个方面，提供了用于在燃气涡轮发动机中输送燃料的方法。该 燃气涡轮发动机包括罐状环形燃烧室阵列，在由独立燃料输送系统所 供给的该阵列内还包括至少 一个燃烧室水平子集。该方法包括在第一 运行模式中仅向 一个或多个子集供给燃料，而在第二运行才莫式中则向 整个燃烧室阵列供给燃料。
另一个方面，提供了用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统。该燃 料输送系统包括一个或多个燃烧室子集，以及至少两个燃料歧管，该 至少两个燃料歧管包括燃料歧管，其联接至各燃烧室子集，并构造成 在预定的燃气涡轮发动机运行才莫式中仅向该燃烧室子集输送燃料。
再一个方面，提供了燃气涡轮发动机组件。该燃气涡轮发动机组 件包括笫 一燃烧室子集、第二燃烧室子集以及包括至少两个燃料歧管 的燃料输送系统，其中，第一燃料歧管联:接至第一燃烧室子集，第二 燃料歧管联接至第二燃烧室子集，第一和第二燃料歧管中的每一个都 构造成在预定的燃气涡轮发动机运行模式中仅向各自的燃烧室子集 输送燃料。
图1为示范性燃气涡轮发动机的示意图2为示范性燃烧室的横截面示意图，该燃烧室可与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用；
图3为示范性燃料输送系统的简化框图；和 图4为图3中所示示范性控制系统的简化框图。
部件清单20燃烧段
22燃料喷嘴组件
100燃气涡轮发动机
102压缩枳4且4牛
104燃烧室组件
108涡轮组件
110压缩机/涡轮轴或转子
112扩散器
114压缩4几排气室
120
122燃料喷嘴组件
124燃烧室壳体
126燃烧室衬套
128燃烧±
129燃烧室冷却通道
130过渡部分或部件
132涡轮喷嘴
134外壁开口
136外壁
138过渡部件环形通道
140内壁
142过渡部件导向腔
144燃料喷嘴法兰200燃料输送系统
210燃料泵
220主燃料歧管
222次燃料歧管
230燃料吸入管线
232排出管线
240第一分级阀
242第二分级阀
300发动机控制系统
310控制接口段
312计算机
314键盘
316关联显示器
318装置
320计算机可读介质
具体实施例方式
图1为示范性燃气涡轮发动机100的示意图。发动机100包括压 缩机102和多个罐状环形燃烧室104。发动机100还包括涡轮108和 共用的压缩机/涡轮轴IIO(有时称为转子110)。
运行中，空气流经压缩机102且将压缩空气提供给燃烧室104。 在燃料和空气在其中混合并引燃的燃烧室104中，燃料被引向燃烧区。 生成燃烧气体并将其引向涡轮108，在该涡轮中，燃气流热能转变成 机械转动能。涡轮108可转动i也联接到轴110上并驱动该轴。
图2为燃烧室104的横截面示意图。燃烧室组件104联接成与涡 轮组件108和压缩机组件102 i^fb动连通。压缩机组件102包括扩散器 112和压缩机排气室114,它们联:接成彼此流动连通。
在示范性实施例中，燃烧室组件104包括端盖120,其为多个燃料喷嘴122提供结构支撑。端盖120通过保持部件(图2中未示出)而 联接至燃烧室壳体124。燃烧室衬套126定位在壳体124内并联接于 其上，以使得衬套126限定燃烧室128。环形燃烧室冷却通道129在 燃烧室壳体124和燃烧室衬套126之间延伸。
过渡部分或部件130联接到燃烧室壳体124上，以利于向涡轮喷 嘴132引导在室128内生成的燃烧气体。在示范性实施例中，过渡部 件130包括多个形成在外壁136中的开口 134。部件130还包括限定 在内壁140和外壁136之间的环形通道138。内壁140限定导向腔142。
运行中，涡轮组件108经由轴IIO(图1中所示)驱动压缩机组件 102。随着压缩机组件102的转动，如相关箭头所示，压缩空气排进 扩散器112。在示范性实施例中，从压缩机组件102中排出的大部分 空气经由压缩机排气室114被引向燃烧室组件104,而较小部分的压 缩空气或被引导以用于冷却发动机100的部件。更具体地讲，排气室 114中的加压压缩空气经由外壁开口 134而导入过渡部件130中并进 入通道138。随后将空气从过渡部件环形通道138中导进燃烧室冷却 通道129。空气从通道129中排出并导入燃料喷嘴122中。
燃料和空气在燃烧室128内混合并引燃。壳体124有助于将燃烧 室128及其相关燃烧过程与外部环境(例如周围的涡轮部件)相隔离。 生成的燃烧气体经由过渡部件导向腔142从室128中引向涡轮喷嘴 132。在示范性实施例中，燃料喷嘴组件122经由燃料喷嘴法兰144 而联接到端盖120上。
图3为示范性燃料输送系统200的简化框图，该燃料输送系统可 与图1和图2中所示的燃气涡轮发动机一起采用。在示范性实施例中， 燃气涡轮发动机10包括在该实施例中形成环形圏的十八个燃烧室段 20。在示范性实施例中，各燃烧室段20包括至少一个燃料喷嘴组件 22。
燃料喷嘴组件22周向地位于发动机10的周缘附近，紧邻燃烧室 段20。具体地，燃烧室段20形成环绕燃气涡轮发动机内周缘的环形
8圏，而且同样地，燃料喷嘴组件以及燃料歧管还形成了周向地环绕燃 气涡轮发动机10的环形圈。
尽管示范性实施例举例说明了包括十八个燃烧室段20和十八个 燃料喷嘴组件22的燃气涡轮发动机10，但应该意识到的是，燃料系 统200可与包括n个燃烧室段和n*x个燃料喷嘴22的燃气涡轮发动 机一起采用，其中，n>2， x>l。举例来说，燃气涡轮发动机10可 包括n48个燃烧室，而且，如果x^，则发动才几10包括18个燃料喷 嘴，即一个燃烧室一个燃料喷嘴。可选地，如果x-2，则发动机10包 括36个燃料喷嘴，即一个燃烧室两个燃料喷嘴，以此类推。此外， 燃烧室内的喷嘴可通过燃烧室水平上的内部歧管或外部歧管而进一 步划分为子群，并通过阵列水平上的外部歧管而使得所给定的喷嘴子 群在阵列水平或阵列子集水平上具有共同的供给源。
燃料输送系统200包括燃料泵210,其构造成用于容纳来自燃料 供给源(未示出)的燃料。燃料泵210用来将燃料至少输送给主燃料歧 管220和次燃料歧管222。主次燃料歧管220和222都被定量(metered) 且尺寸设置成在燃料输送系统200内达到一定的压力比，该压力比与 输送至燃气涡轮发动机的燃料数量相适合。主次歧管本身可以是多个 子集歧管的集合体，其中，主次布置都包括歧管用以独立地供给和控 制燃烧室水平上的喷嘴子群。
具体地，燃料输送系统200包括燃料吸入管线230和排出管线 232,其中，吸入管线230从燃料源延伸至燃料泵210的入口，排出 管线232从燃料泵210的排出侧延伸至每一个主次燃料歧管220和 222。在示范性实施例中，第一分级阀240设置在泵210和主歧管220 之间的排出管线232中，而第二分级阀242则设置在泵210和次歧管 222之间的排出管线232中。
尽管在图3所示的示范性实施例中举例说明了包括两个歧管220 和222的燃料输送系统200 ，但应该意识到的是燃料输送系统200可 具有三个或更多的燃料歧管。例如，图3举例说明了主歧管220向九个燃烧室段20输送燃料，而次歧管222也向九个燃烧室段20输送燃 料。然而，燃料输送系统可包"l舌三个歧管，其中每个歧管都向六个燃 烧室段输送燃料，以此类推。在示范性实施例中，燃烧室阵列可包括 多个燃烧室罐子集，其中各个子集均可包括多个喷嘴子群。另外，由 各歧管所供给的罐的间距和数目可根据空气力学或其它的系统考虑 而变化。
图4为示范性的控制系统300,其可用来运行和/或控制图3所示 的示范性燃料输送系统200。控制系统300为电子控制单元(ECU)或发 动机监控单元(EMU),例如全纟又数字式发动机控制(FADEC)或现代化 数字式发动机控制(MDEC)。在备选实施例中，发动机控制系统300 包括任何构造成发送和/或接收来自燃气涡轮发动机10的信号以有助 于控制和/或监控燃料输送系统200的发动机控制器。具体地，像本文 所用，ECU可以是任何一种电子装置，其位于发动机上或发动机附近， 并包括处理器和至少一种通过编程来控制和/或监控燃料输送系统10 的專欠件和/或;更件。
常规的发动机数据传感器(未示出)被用来检测与燃气涡轮发动机 10运行相关的选定数据参数。这样的数据参数可包括但不限于环境气 温，以及发动机参数比如废气温度、油温度、发动机燃料流量、燃气 涡轮发动机速度、压缩机排气压力、涡轮排气压力和/或多个来自燃气 涡轮发动机10的其它信号。
如图4所示，控制系统300包括控制接口段310，其在选定的发 动机运行条件下对从上述发动机传感器接收的模拟数据抽样，并向第 一和第二分级阀240、 242中的每一个分级阀输出控制信号。
更具体地讲，控制接口段310将从发动机传感器接收的模拟数据 转换成用于后续处理的数字信号。计算机312从控制接口段310中接 收抽样并数字化的传感器数据然后进行高速的数据分析。计算机312 还可经由键盘314接收来自于操作者的指令。诸如但不限于液晶显示 器(LCD)和/或阴极射线管的相关联显示器316容许操作者观察从计算机312接收的数据。操作者所4是供的指令以及参数由计算机312用来 向控制接口段310提供控制信号和信息。
在一个实施例中，计算机312包括装置318如软盘驱动器、光盘 (CD-ROM)驱动器、数字化视频光盘(DVD)驱动器、磁光盘(MOD)装 置和/或任何其它的数字装置，包括网络连接装置如从计算机可读介质 320中读取指令和/或数据的以太网装置，该计算机可读介质例如包括 软盘、CD-ROM、 DVD或其它的诸如网络或因特网的数字信源，以及 还有待于开发的数字装置。在另一个实施例中，计算机312执行存储 在固件(未示出)中的指令。计算机312被编程用来执行本文所述的功 能，并如本文所用，术语计算才几并非仅限于通常公知为计算机的那些 集成电路，而是广义上泛指计算机、处理器、微型控制器、微型计算 机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它的可编程电路，而且 这些术语在本文可交换地使用。
运行中，燃料输送系统200能够在所有的运行条件下将燃料输送 至燃气涡轮发动机IO。具体地，控制系统300构造成在第一运行模式 时起动或打开第一分级阀240。举例来说，在初始的发动机启动;f莫式 中，计算机312可编程为打开第一分级阀240并确保命令第二分级阀 242关闭。在第一运行模式中，燃料通过泵210供给，经由笫一分级 阀240、主歧管220并进入多个燃烧室段20。如图3所示，在该运行 模式中，燃料仅供给至一半的燃烧室段20,而剩余的燃烧室段则未供 给燃料。也就是说，接收燃料的燃烧室段与未接收燃料的燃烧室段相 互交错，以使每隔一个的燃烧室段被用来生成功率。更具体地讲，在 第一运行模式中接收燃料的各燃烧室段邻近于未接收燃料的燃烧室 段设置。^f旦阵列子集的给定间if巨和布置取决于所希望的功率水平以及 涡轮段的空气力学考虑。
在第二运行模式中，控制系统300构造成起动或打开第二分级阀 242，以使得燃料通过泵210供给，经过笫二分级阀242、次歧管220 并进入剩余的燃烧室段。在第二运行模式中，燃料输送系统200允许附加的燃料流向剩余的燃烧室段22,以提高燃气涡轮发动机10的功 率输出。因此，在第二运行模式中，主次歧管二者向所有的燃烧室段 供给燃料。在该运行模式中，燃料输送系统200建立了供给燃烧系统 的两个独立受控的、并行的燃津牛供应。更具体地讲，在基本载荷或高 水平的部分载荷期间，两系统都基于现有的控制曲线而同样地受控。
在本文称作功率"调低，，才莫式的第三运行沖莫式中，当希望来自燃 气涡轮发动机的输出功率降低时，则转换适当的燃料回路以切断通向 所选燃烧罐组的燃料流量。在该实施例中，关闭第一分级阀240和第 二分级阀242中的任一方，以使得燃料仅共给一半的燃烧室段220。
本文所述的是示范性的燃料输送系统，其构造成限制通向选定燃 料喷嘴组件的燃料流量，以减少在所选运行条件期间的排出物。示范 性的燃料输送系统还构造成用于优化燃气涡轮发动机的功率调低运 行，从而容许最终用户在拥有更加有益的运行的同时还减少了排放 物。另外，该燃料输送系统改善了燃气涡轮在峰值或载荷跟踪应用中 的鲁棒性，即如果在该情形下宁可以最小调低状态运转也不招致破坏 性的停机/启动循环。
本文还描述了运行燃气涡轮发动机的示范性方法。该方法包括在 第一运行模式中仅向主燃烧室供给燃料，而在第二运行模式中则同时 向主次燃烧室供给燃料。
本文所述的燃料输送系统构造成形成并行的燃料回路以容许燃 料流量与所选燃烧室隔离，以使得燃气涡轮发动机可以大体降低的功 率水平(功率"调低"状态)运行，并同时与当前用于功率调低的方法 相比大体上改善了排出物和稀燃喷射余量(lean blowout margin)。示范 性的燃料输送系统还使得与当前可能相比能够获得显著地更低功率 调低水平。
举例来说，在基本载荷或高水平的部分载荷期间，主歧管和次歧 管二者都基于现有的控制曲线而同样地受控。当命令最d、的功率减低 时，适当的燃料回路将转换成切断通向选定燃烧罐组的燃料流量。同
12样地，功率的下降无需降低燃烧温度。因此，这不会对系统的排放物
输出产生负面影响。而且，调低的显著下降将易于控制。当前产生50 %调低的相同条件可应用于继续运行的燃烧罐。举例来说，如果隔离 了这些罐的一半，且剩余的一半处于当前50%调低的燃料设定，则可 获得25%的调低，而排放物和稀燃喷射余量和当前的50%的调低相
能够低于25 % 。
尽管本发明已根据各种具体实施例进行了描述，但本领域技术人 员将认识到，本发明能够以属于权利要求保护精神和范围内的变型来 实行。
权利要求
1. 一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料输送系统(200)，所述燃 料输送系统包括一个或多个燃烧室(104)子集；和至少两个燃料歧管(220,222)，其中包括联接至各燃烧室子集并构 造成在预定的燃气涡轮发动机运行模式中仅向所述燃烧室子集输送 燃料的燃料歧管。
2. 根据权利要求1所述的燃料输送系统(200),其特征在于所述 燃料输送系统还构造成在所述预定的燃气涡轮发动机(100)运行模式 中向所述子集中的每一个输送燃料。
3. 根据权利要求1所述的燃料输送系统(200)，其特征在于所述 燃气涡轮发动机(100)包括n个燃烧室(104),其中第一燃烧室子集包括 n / 2个燃烧室，而第二燃烧室子集则包括剩余的n / 2个燃烧室。
4. 根据权利要求3所述的燃料输送系统(200)，其特征在于所述 第一燃烧室子集置入在所述第二燃烧室子集之间。
5. 根据权利要求3所述的燃料输送系统(200)，其特征在于所述 燃料输送系统还包括多个联接至各燃烧室(l04)的喷嘴子群，其中各所 述子群均由独立的燃料歧管(220，222)供给，使得所述子集对所述燃烧 室内的各个子群具有单独的控制。
6. 根据权利要求3所述的燃料系统(200),其特征在于所述燃料 系统还包括设置在燃料泵和所述第一jt支管(220)之间的第一分级阀(240);和 设置在所述燃料泵(210)和所述第二歧管(222)之间的第二分级阀 (242)。
7. —种燃气涡轮发动机组件(IOO)，包括 笫一燃烧室子集；第二燃烧室子集；和包括至少两个燃料歧管(220,222)的燃料输送系统(200)，其中第一 燃料歧管联接至所述第一燃烧室子集，而第二燃料歧管联接至所述第 二燃烧室子集，所述第 一和笫二燃料歧管中的每一个燃料歧管都构造 成在预定的燃气涡轮发动机运行模式中仅向所述各自的燃烧室子集 输送燃料。
8. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机组件(100)，其特征在 于所述燃料输送系统(200)还构造成在第二预定的燃气涡轮发动机运 行模式中向所述第一燃烧室子集和第二燃烧室子集中的每一个燃烧 室子集输送燃料。
9. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机组件(IOO)，其特征在 于所述燃气涡轮发动机组件包括n个燃烧室(104)，所述第一燃烧室子 集包括n / 2个燃烧室，而所述第二燃烧室子集则包括剩余的n / 2个 燃烧室。
10. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机组件(100)，其特征在 于所述第一燃烧室子集置入在所述第二燃烧室子集之间。
全文摘要
本发明涉及用于运行燃气涡轮发动机的方法和设备，具体而言，本发明提供了用于燃气涡轮发动机(100)的燃料输送系统(200)。该燃料输送系统包括一个或多个燃烧室(104)子集以及至少两个燃料歧管(220，222)，该至少两个燃料歧管中含有燃料歧管，其联接至各燃烧室子集并构造成在预定的燃气涡轮发动机运行模式中仅向该燃烧室子集输送燃料。
文档编号F02C7/22GK101311509SQ20081010851
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年5月22日
发明者D·A·斯奈德, W·S·齐明斯基 申请人:通用电气公司