專利名稱：用于誘發(fā)燃燒動態(tài)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及誘發(fā)燃燒動態(tài)(combustion dynamics)，并且更具體而言，涉 及誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)的灰燼。
背景技術(shù)：
一般而言，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃燒壓縮空氣和燃料的混合物以產(chǎn)生熱燃燒氣體。燃 燒氣體可流經(jīng)一個或多個渦輪級以產(chǎn)生用于負(fù)載和/或壓縮機的動力。由于對能量的需求 日漸增加，燃?xì)鉁u輪操作人員和制造人員不斷開發(fā)重燃料油在燃?xì)鉁u輪中的使用。然而，重 燃料油的燃燒可能產(chǎn)生灰燼，灰燼可沉積在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的構(gòu)件上。

發(fā)明內(nèi)容
將與原始主張權(quán)利的發(fā)明的范圍相稱的某些實施例歸納如下。這些實施例并非意 圖限制主張權(quán)利的發(fā)明的范圍，相反，這些實施例僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的簡要歸 納。實際上，本發(fā)明可包含可與以下闡述的實施例相似或不同的各種形式。在第一實施例中，一種方法包括測量渦輪發(fā)動機的第一參數(shù)；響應(yīng)于第一參數(shù) 的測量控制渦輪發(fā)動機的第二參數(shù)以增加燃燒動態(tài)，從而至少部分地清除渦輪發(fā)動機內(nèi)的 沉積物；以及控制渦輪發(fā)動機的第二參數(shù)以在清除沉積物后減少燃燒動態(tài)。在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪發(fā)動機控制器，其構(gòu)造成暫時增加燃燒不穩(wěn) 定性以在渦輪發(fā)動機運行期間清除渦輪發(fā)動機內(nèi)的燃燒沉積物。在第三實施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪發(fā)動機、燃燒器和燃料噴嘴。該燃料噴嘴設(shè)計 成將多種流體供給到燃燒器中。流體包括燃料、霧化空氣、水或它們的結(jié)合。該渦輪發(fā)動機 設(shè)計成調(diào)節(jié)流體的流量以暫時增加燃燒動態(tài)，從而在渦輪發(fā)動機運行期間清除渦輪發(fā)動機 內(nèi)的沉積物。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得 更好理解，所有附圖中相同的標(biāo)記代表相同的零件，其中圖1是帶有用于誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除灰燼的控制器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的一個實 施例的示意性流程圖；圖2是圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的一個實施例經(jīng)縱向軸線剖切的剖視圖；圖3是圖2所示的燃燒器的一個實施例的局部剖切圖；圖4是圖3所示的一個噴嘴級的一個實施例的一部分的詳圖；以及圖5是示出了用于誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除灰燼的方法的流程圖。標(biāo)號列表10燃?xì)鉁u輪發(fā)動機；12燃燒器；14燃料；16燃料供給系統(tǒng)；18加壓空氣；20霧化 空氣；22霧化空氣系統(tǒng)；24水；26水噴射系統(tǒng)；28進氣；30進氣段；32壓縮機；34燃燒氣體；36渦輪；38軸；40負(fù)載；42排氣段；44控制器；46傳感器；48傳感器；50建模系統(tǒng)；52 燃料噴嘴；54頭端；56連接部；58過渡段；60第一級；62葉片；64端蓋；66燃燒室；68外殼； 70襯套；72導(dǎo)流套筒；74方向；76第一級噴嘴；78灰燼；80翼型件；82內(nèi)帶；84方法；86步 驟；88步驟；90步驟；92步驟；94步驟；96步驟
具體實施例方式下面將描述本發(fā)明的一個或多個具體實施例。為了致力于提供這些實施例的簡明 描述，說明書中可能未描述實際實施方案的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何此類實際實施 方案的開發(fā)過程中，與任何工程或設(shè)計項目一樣，必須作出許多針對實施方案的決定以實 現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如服從系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束，其可能因?qū)嵤┓桨付?。?外，應(yīng)當(dāng)理解的是，此類開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時的，但對于受益于本公開內(nèi)容的普通技 術(shù)人員來說卻是一項日常的設(shè)計、制作和制造工作。當(dāng)介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述的”意指
存在一個或多個元件。用語“包含”、“包括”和“具有”意圖是包括性的并意味著可存在有 別于所列元件的另外的元件。本公開內(nèi)容涉及設(shè)計成誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除沉積物如灰燼的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。一 般而言，在燃燒期間，特別是重燃料油的燃燒期間，灰燼顆?？沙练e在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機構(gòu) 件，如第一級渦輪噴嘴導(dǎo)葉和渦輪葉片上?；覡a在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)的積累可改變?nèi)紵龤?體的流動通路，這又可損害燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的性能和/或效率。如下所述，在此公開的燃?xì)?渦輪發(fā)動機的某些實施例可采用用于誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除灰燼的控制器，而不是執(zhí)行可能 導(dǎo)致動力減少或發(fā)動機停機的渦輪清洗，并且還可采用額外的硬件構(gòu)件。因此，在本文提出的實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機設(shè)計成誘發(fā)燃燒動態(tài)以聲波地 (sonically)清除灰燼。誘發(fā)的燃燒動態(tài)可大致包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)誘發(fā)的和/或增加 的壓力振蕩。燃燒動態(tài)可允許清除灰燼同時燃?xì)鉁u輪發(fā)動機基本滿功率運行。根據(jù)示例性 實施例，可基于時間、測定參數(shù)、模型參數(shù)或它們的結(jié)合誘發(fā)和/或管理燃燒動態(tài)。在某些 實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機可包括控制器，其基于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的傳感器和/或建模 系統(tǒng)接收的參數(shù)檢測灰燼堆積。例如，控制器可從設(shè)計成測量燃燒器或下游壓力的動態(tài)壓 力傳感器接收壓力值。壓力可指示渦輪性能由于灰燼堆積而造成的降低。在某些實施例中， 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機可包括從傳感器接收參數(shù)的實時建模系統(tǒng)。該建模系統(tǒng)可使用感測的參數(shù) 來計算預(yù)測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的性能的系統(tǒng)建模參數(shù)，例如模型構(gòu)件系數(shù)(model component multiplier)。除感測的參數(shù)之外或代替感測的參數(shù)，控制器可使用建模參數(shù)來確定灰燼何 時在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)積累?？刂破魅缓罂烧{(diào)節(jié)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的運行參數(shù)以誘發(fā)燃燒動態(tài)，從而清除灰燼。 例如，燃燒不穩(wěn)定性可包括燃燒室中的動態(tài)壓力振蕩，其從渦輪發(fā)動機構(gòu)件搖松灰燼沉積 物。根據(jù)示例性實施例，控制器可調(diào)節(jié)進入燃燒器的流體的流量以誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，控 制器可增加或減小進入燃燒器的一種或多種流體如空氣、燃料、水、稀釋劑等的流速、壓力、 溫度或脈沖頻率。在另一實例中，控制器可增加或減小進入燃燒器的流體之間的比率。在特 定實例中，控制器可增加來自水噴射系統(tǒng)的水流速以增加進入燃燒器的水對燃料的比率。 在另一實例中，控制器可調(diào)節(jié)霧化空氣的壓力以改變?nèi)剂蠂娚鋰娚浣?。在又一實例中，控制器可使燃料以設(shè)計成誘發(fā)燃燒動態(tài)的頻率進行脈沖。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖并首先參照圖1，其示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的一個實施例的框 圖。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10可為簡單循環(huán)系統(tǒng)或聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的一部分。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10 包括從燃料供給系統(tǒng)16接收燃料14的燃燒器12。燃料供給系統(tǒng)16可向燃?xì)鉁u輪發(fā)動機 10提供液態(tài)或氣態(tài)燃料14，例如天然氣、輕質(zhì)或重質(zhì)餾分油、石腦油、原油、殘余油或合成 氣。在某些實施例中，燃料供給系統(tǒng)16可構(gòu)造成用于雙燃料操作以在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10 帶負(fù)荷運行時在液態(tài)和氣態(tài)燃料之間選擇性地切換。氣態(tài)燃料和液態(tài)燃料可被引導(dǎo)到燃燒 器12內(nèi)的兩個分離的液體和氣體通道(例如，經(jīng)由燃料噴嘴)。當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機通過液 態(tài)燃料或液態(tài)及氣態(tài)燃料的混合物運行時燃燒動態(tài)的誘發(fā)特別有用。
在燃燒器12內(nèi)，燃料14可與通過箭頭18示出的加壓空氣混合，并且可發(fā)生點燃， 產(chǎn)生驅(qū)動燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的熱燃燒氣體。除了接收加壓空氣18以外，燃燒器12可從霧 化空氣系統(tǒng)22接收霧化空氣20。霧化空氣系統(tǒng)22可處理加壓空氣18和/或來自分離的 空氣源的空氣的一部分。例如，霧化空氣系統(tǒng)22可壓縮并冷卻加壓空氣18的一小部分以 產(chǎn)生霧化空氣20。霧化空氣系統(tǒng)22然后可將霧化空氣20引導(dǎo)到燃燒器12，在其中霧化空 氣20可使進入燃燒器12的燃料14霧化。在某些實施例中，霧化空氣20可設(shè)計成產(chǎn)生進 入燃燒器12的液態(tài)燃料14的微細(xì)霧。燃燒器12還可從水噴射系統(tǒng)26接收水24 (或蒸汽)。如本文所用，用語“水噴射 系統(tǒng)”可大致包括設(shè)計成向燃燒器12供給水、蒸汽或它們的混合物的水噴射系統(tǒng)或蒸汽噴 射系統(tǒng)。水噴射系統(tǒng)26可調(diào)節(jié)從水供給源至燃燒器12的水24的流量。水噴射系統(tǒng)26可 包括整體成套設(shè)備，例如設(shè)備撬塊(skid)，其容納構(gòu)造成調(diào)節(jié)流至燃燒器12的水24的流 量的設(shè)備，例如泵、流量計、閥、管道、壓力開關(guān)、電機等。在某些實施例中，水噴射系統(tǒng)22可 向燃燒器12供給水24以減少化合物的排放，例如，氮氧化物(NOx)或二氧化碳，以及其它。 在其它實施例中，水噴射系統(tǒng)22可向燃燒器12提供水和/或稀釋劑，例如，蒸汽、水或二氧 化碳，以及其它，以減少排放物和/或提高渦輪性能。在燃燒器12內(nèi)，加壓空氣18可與燃料14燃燒而產(chǎn)生熱燃燒氣體40。加壓空氣 18可包括通過進氣段30進入燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的進氣28。進氣28可被壓縮機32壓縮 以產(chǎn)生進入燃燒器12的加壓空氣18。在某些實施例中，一個或多個燃料噴嘴可將燃料14、 霧化空氣20和水24引導(dǎo)到燃燒器12的燃燒區(qū)域中。在燃燒區(qū)域內(nèi)，加壓空氣18可與燃 料14燃燒以產(chǎn)生熱燃燒氣體34。從燃燒器12，熱燃燒氣體34可流經(jīng)通過軸38來驅(qū)動壓 縮機32的渦輪36。例如，燃燒氣體34可向渦輪36內(nèi)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片施加原動力以使軸 38旋轉(zhuǎn)。軸28還可連接至負(fù)載40，例如，發(fā)電機、推進器、傳動裝置或驅(qū)動系統(tǒng)，以及其它。 在流經(jīng)渦輪36后，熱燃燒氣體34可經(jīng)排氣段42離開燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)10。在燃燒期間，燃燒器12容易處于燃燒不穩(wěn)定性或燃燒動態(tài)，例如壓力波動。在穩(wěn) 態(tài)運行期間，燃燒動態(tài)通?？杀３譃榈鸵栽陂L期暴露于動態(tài)驅(qū)動的循環(huán)應(yīng)力期間支撐硬 件。然而，在某些燃料如重燃料油的燃燒期間，燃燒不穩(wěn)定性在較短時間段內(nèi)可能增加和/ 或誘發(fā)以從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的構(gòu)件聲波地清除灰燼。例如，燃燒動態(tài)可用來增加壓力變 化以搖松燃燒器12內(nèi)或渦輪36的構(gòu)件如渦輪噴嘴、渦輪葉片或渦輪護罩內(nèi)的沉積物。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10包括控制器44，其可設(shè)計成基于時間、測定參數(shù)、建模參數(shù)或 它們的結(jié)合來誘發(fā)或增加燃燒動態(tài)?？刂破?4可操作地聯(lián)接至流體供給管線或系統(tǒng)，例如
5燃料供給系統(tǒng)16、霧化空氣系統(tǒng)22和/或水噴射系統(tǒng)26，以改變進入燃燒器12的流體如 燃料14、空氣20和/或水24的參數(shù)。具體而言，控制器44可改變流體參數(shù)，例如流速、脈 沖頻率、比率、壓力、溫度等，以誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，控制器44可使進入燃燒器12的燃料 14進行脈沖以誘發(fā)燃燒動態(tài)。在另一實例中，控制器44可改變霧化空氣22的壓力以誘發(fā) 燃燒動態(tài)。在又一實例中，控制器44可增加進入燃燒器12的水24的量以誘發(fā)燃燒動態(tài)。 此外，在某些實施例中，控制器44可改變一種流體或兩種或多種流體的混合物的參數(shù)?？?制器44可管理燃料供給系統(tǒng)16、霧化空氣系統(tǒng)22和/或水噴射系統(tǒng)26內(nèi)、上游或下游的 閥或其它控制裝置的操作。例如，閥可定位在系統(tǒng)16、22和26內(nèi)，或閥可定位在燃燒器12 內(nèi)，例如，作為燃料噴嘴的一部分?？刂破?4可基于從傳感器46和48和/或建模系統(tǒng)50接收的輸入改變?nèi)剂?4、 空氣20和/或水24的參數(shù)。具體而言，一個或多個傳感器46可測量燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10 的參數(shù)以確定何時應(yīng)當(dāng)誘發(fā)燃燒動態(tài)以清除灰燼。例如，傳感器46可包括定位在燃燒器12 內(nèi)或燃燒器12的下游的壓力傳感器。在從傳感器46接收壓力值后，控制器44可確定壓力 值是否落在指示應(yīng)當(dāng)執(zhí)行灰燼清除的范圍或閾值內(nèi)。如果壓力值落在該范圍內(nèi)，則控制器 44可誘發(fā)燃燒動態(tài)。在其它實施例中，傳感器46可設(shè)計成測量可指示灰燼積累的燃?xì)鉁u 輪發(fā)動機10的任何合適的參數(shù)。例如，傳感器46可包括流量傳感器、火焰檢測傳感器、濕 度傳感器、排放物檢測器、功率輸出傳感器、導(dǎo)葉角度傳感器、閥位置傳感器、溫度傳感器或 它們的結(jié)合，以及其它。此外，在其它實施例中，可不采用傳感器46并且控制器44可從聯(lián) 接至燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的計算機和/或控制系統(tǒng)接收操作輸入，例如運行小時、需求、效率 等。例如，控制器44可在一定量的運行小時過去后誘發(fā)燃燒動態(tài)?？刂破?4還可從一個或多個傳感器48接收測定參數(shù)以確定應(yīng)當(dāng)如何誘發(fā)燃燒動 態(tài)。例如，傳感器48可感測燃燒器12內(nèi)的壓力振蕩。具體而言，傳感器48可感測振動、火 焰溫度、燃燒器壓力或下游壓力，以及其它參數(shù)?；趤碜詡鞲衅?8的測量，控制器可確定 改變進入燃燒器12的流體14、20和24的參數(shù)(S卩，流速、脈沖率或壓力)的量。傳感器48 可設(shè)計成測量與燃燒動態(tài)相關(guān)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的合適參數(shù)。例如，傳感器48可包括 壓力傳感器、加速度計、光電倍增器、光敏二極管、壓力傳感器、傳聲器、火焰檢測器、溫度傳 感器或它們的結(jié)合，以及其它。在某些實施例中，除了傳感器46之外可以不采用另一個傳感器48。例如，在某些 實施例中，一個或多個傳感器46可測量用于確定應(yīng)當(dāng)如何及何時誘發(fā)燃燒動態(tài)的參數(shù)。在 另一實例中，控制器44可使用模型、表格等來確定應(yīng)當(dāng)如何誘發(fā)燃燒動態(tài)。在這些實施例 中，可以不包括傳感器48?？刂破?4還可使用來自傳感器46的測定參數(shù)來確定何時停止誘發(fā)燃燒動態(tài)。例 如，當(dāng)傳感器46向控制器44提供落在用于灰燼清除的范圍或閾值之外的壓力值、振動水 平、火焰溫度或其它參數(shù)時，控制器44可將流體14、20和24的參數(shù)返回為設(shè)計成減少燃燒 動態(tài)的值。在某些實施例中，傳感器46提供的測量可指示何時已從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的 構(gòu)件清除足夠的灰燼以將燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的運行恢復(fù)至一定性能水平。換句話說，傳感器 46所測量的參數(shù)，例如，壓力、溫度或它們的結(jié)合以及其它可指示燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10已恢 復(fù)指示低灰燼水平的性能或效率水平?？刂破?4還可在設(shè)定的時間后停止誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，控制器44可在小于約1分鐘到10分鐘的時間段以及它們之間的所有子范圍之后停止誘發(fā)燃燒動態(tài)。更具體而言， 控制器44可在約4到6分鐘的時間段后停止誘發(fā)燃燒動態(tài)。然而，在其它實施例中，可采 用任何合適的時間段。此外，該時間段可取決于諸如感測到的灰燼堆積量、發(fā)動機負(fù)荷、所 實現(xiàn)的效率或所利用的燃料以及其它的因素。在某些實施例中，代替或除了使用傳感器46感測到的參數(shù)來指示何時誘發(fā)燃燒 動態(tài)，控制器44可基于從建模系統(tǒng)50接收的輸入誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10 可采用實時模型來預(yù)測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的性能。該模型可基于為新的和/或清潔的燃 氣渦輪發(fā)動機預(yù)測的性能。建模系統(tǒng)50可測量運行的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的輸入?yún)?shù)，例 如，環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、環(huán)境濕度和燃料流量，以及其它。在某些實施例中，建模系統(tǒng)50可 從傳感器46和/或傳感器48接收測定參數(shù)。建模系統(tǒng)50然后可將測定輸入?yún)?shù)與基于 模型計算出的值進行比較?；跍y定參數(shù)與模型預(yù)測值之間的差值，建模系統(tǒng)50可計算模 型構(gòu)件系數(shù)。建模系統(tǒng)50可使用模型構(gòu)件系數(shù)來調(diào)節(jié)模型以使測定輸入?yún)?shù)與模型預(yù)測 值匹配。例如，模型構(gòu)件系數(shù)可包括壓縮機效率系數(shù)、壓縮機流量系數(shù)、渦輪效率系數(shù)、渦輪 流量系數(shù)以及燃燒器效率系數(shù)，以及其它?？刂破?4可從建模系統(tǒng)50接收模型構(gòu)件系數(shù)并使用模型構(gòu)件系數(shù)來確定何時誘 發(fā)燃燒動態(tài)。例如，模型構(gòu)件系數(shù)可指示燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10內(nèi)灰燼或污垢的水平。在某些 實施例中，控制器44可確定模型構(gòu)件系數(shù)是否落在指示應(yīng)當(dāng)清除灰燼的范圍或閾值內(nèi)。在 檢測到應(yīng)當(dāng)清除灰燼后，控制器44可通過改變流體14、20和24的參數(shù)誘發(fā)燃燒動態(tài)，如以 上所述。根據(jù)示例性實施例，控制器44可包括控制電路和控制構(gòu)件，例如模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換 器、微處理器、非易失性存儲器和接口板。系統(tǒng)中當(dāng)然可包括其它裝置，例如，額外的開關(guān)、 變換器或測量壓力、溫度、流速、振動或濕度的傳感器，以及其它。在某些實施例中，控制器 44可基于傳感器46和48的結(jié)合以及建模系統(tǒng)50來調(diào)節(jié)燃燒動態(tài)。此外，控制器44還可 從例如通過操作人員輸入而指定運行參數(shù)如燃料成分的單獨的控制系統(tǒng)接收輸入。圖2是圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。燃?xì)鉁u輪發(fā)動 機10包括燃燒器12的頭端54內(nèi)的一個或多個燃料噴嘴52。在某些實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā) 動機10可包括環(huán)形排列地布置的多個燃燒器12。燃料噴嘴52可通過附接在頭端52上的 連接部56接收燃料14 (圖1)、霧化空氣20(圖1)和水24(圖1)。如以上關(guān)于圖1所述，空氣可通過進氣段30進入燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10并被壓縮機 32壓縮。來自壓縮機32的壓縮空氣然后可被引導(dǎo)到燃燒器12中，在其中壓縮空氣18(圖 1)可與燃料14(圖1)混合。例如，燃料噴嘴52可以用于最佳燃燒、排放、燃料消耗和功率 輸出的適當(dāng)比率將燃料混合物噴射到燃燒器12中。燃燒所產(chǎn)生的熱排放氣體38 (圖1)可 離開燃燒器12流至過渡段58并流過過渡段58至渦輪36的第一級60。在某些實施例中， 當(dāng)熱排氣38流至渦輪36時灰燼可沉積在第一級60的構(gòu)件上。此外，灰燼可積累在第一級 60的下游。如以上關(guān)于圖1所述，可通過誘發(fā)燃燒動態(tài)清除灰燼。在渦輪36內(nèi)，燃燒氣體 可轉(zhuǎn)動在渦輪36內(nèi)徑向延伸的葉片62以在通過排氣段42離開前使軸38 (圖1)旋轉(zhuǎn)。圖3示出了燃燒器12的一個實施例的詳圖。霧化空氣、燃料和水連接部56在燃 燒器12的頭端54附近附接在端蓋64上。燃料噴嘴50可從連接部56將燃料14 (圖1)、霧 化空氣20(圖1)和水24(圖1)分配至燃燒器12內(nèi)的燃燒室66。在某些實施例中，燃燒室66可設(shè)計成有利于誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，可優(yōu)化燃燒室66的長度以產(chǎn)生可用于灰燼清 理的頻率。在某些實施例中，燃料噴嘴50可包括用于將燃料14、霧化空氣20和水24引導(dǎo) 到燃燒室66的同心通道。在某些實施例中，霧化空氣20可將液態(tài)燃料從燃料噴嘴50引導(dǎo) 到環(huán)形環(huán)狀的燃燒段66中?？烧{(diào)節(jié)霧化空氣20的壓力以改變進入燃燒段66的液態(tài)燃料 噴霧的形狀和/或角度。此外，在某些實施例中，燃燒器12內(nèi)，例如，連接部56或燃料噴嘴50內(nèi)，可包括控 制裝置如閥、壓力調(diào)節(jié)器等，以改變進入燃燒器12的流體的參數(shù)，例如，流速、壓力、流體比 率和脈沖頻率以及其它。例如，控制裝置可用來響應(yīng)來自控制器44(圖1)的信號而改變?nèi)?料14、霧化空氣20和/或水24的參數(shù)。例如，可通過控制器44調(diào)節(jié)霧化空氣20的壓力 以調(diào)節(jié)液態(tài)燃料的噴射角并誘發(fā)燃燒動態(tài)。在另一實例中，燃料14的流量可以設(shè)計成誘發(fā) 燃燒動態(tài)的頻率脈沖地通過燃料噴嘴50。在又一實例中，可增加水24的流量以誘發(fā)燃燒動 態(tài)。當(dāng)然，在其它實施例中，燃燒器12的上游可包括控制裝置。燃燒室66大致由外殼68、襯套70和導(dǎo)流套筒72限定。導(dǎo)流套筒72可繞襯套70 同軸地定位以通過襯套70中的穿孔或其它開口和/或通過定位在頭端54中的通道將加壓 空氣18(圖1)從壓縮機32 (圖1)引導(dǎo)到燃燒室66中。在燃燒室66內(nèi)，燃料14和加壓空 氣18可燃燒以形成可沿方向74向下游流至渦輪36的過渡段58和第一級60的燃燒氣體 34。燃燒氣體34可通過第一級噴嘴76進入第一級60。當(dāng)燃燒氣體34流經(jīng)第一級噴嘴76 時，灰燼可積累在第一級噴嘴76內(nèi)。圖4是圖3所示的第一級噴嘴76的一部分的剖切圖?；覡a78可沉積在第一級噴 嘴76的構(gòu)件上。例如，如圖所示，灰燼78已沉積在第一級噴嘴76的導(dǎo)葉80和內(nèi)帶82上。 然而，在其它實施例中，灰燼78可積累在第一級噴嘴76的各種構(gòu)件上和/或渦輪葉片和定 位在第一級噴嘴76的下游的其它構(gòu)件上。在某些實施例中，灰燼78可改變?nèi)紵龤怏w流動 通路的形狀，從而抑制渦輪性能。如上所述，可誘發(fā)燃燒動態(tài)以聲波地清除灰燼78。圖5是示出了用于誘發(fā)燃燒動態(tài)以從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機清除灰燼的計算機和/或控 制器實現(xiàn)的方法84的一個實施例的流程圖。例如，方法84可通過硬件和/或軟件(例如， 設(shè)置在存儲器或其它機器可讀介質(zhì)上的代碼)實現(xiàn)。方法84可通過測量燃?xì)鉁u輪發(fā)動機 的參數(shù)(方框86)開始。例如，如圖1所示，傳感器46可測量參數(shù)，例如，壓力、溫度、流速、 濕度水平、排放值、功率輸出水平、導(dǎo)葉角度、閥位置或它們的結(jié)合，以及其它?？刹捎么笾?指示燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)灰燼堆積的任何合適的參數(shù)或參數(shù)的結(jié)合。傳感器46可向控制器 44或建模系統(tǒng)50提供測定參數(shù)，建模系統(tǒng)50又可向控制器44提供計算出的參數(shù)，例如模 型構(gòu)件系數(shù)?？刂破?4然后可確定參數(shù)是否落在應(yīng)當(dāng)發(fā)生灰燼清除的值或閾值的范圍內(nèi)(方 框88)。例如，控制器44可將參數(shù)與范圍或值的表格進行比較。在另一實例中，控制器44 可結(jié)合算法使用多個參數(shù)來確定是否應(yīng)當(dāng)發(fā)生灰燼清除。如果參數(shù)落在灰燼清除范圍之 外，則燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10可繼續(xù)在穩(wěn)定狀態(tài)下運行直到控制器44接收到落在灰燼清除范 圍內(nèi)的參數(shù)為止。在檢測到落在灰燼清除范圍內(nèi)的參數(shù)后，控制器44可誘發(fā)燃燒動態(tài)(方框90)。在 某些實施例中，控制器44可響應(yīng)于檢測到參數(shù)而自動誘發(fā)燃燒動態(tài)，而在其它實施例中， 控制器44可等待例如來自操作人員輸入的確認(rèn)。具體而言，控制器44可通過調(diào)節(jié)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的運行參數(shù)來誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，如圖1所示，控制器44可改變進入燃燒器 12的流體如燃料14、霧化空氣20或水24的流量。如可以理解的那樣，水24可包括呈液體 形式、蒸汽形式或它們的結(jié)合的水。因此，本文關(guān)于水24所述的技術(shù)可包括水噴射和蒸汽
噴射二者。具體而言，控制器44可增加水24 (或蒸汽)的流速以增加水對燃料噴射比率至少 約 10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%^； 100%。更具體而言，控制器 44 可 增加水流速以增加水與燃料噴射比率約20-35%，或甚至更具體而言，約25-30%，以及它 們之間的所有子范圍。在某些實施例中，控制器44可調(diào)節(jié)控制裝置，例如水噴射系統(tǒng)26 (圖 1)或燃料噴嘴50(圖2)內(nèi)包括的閥，以增加水流速。然而，在其它實施例中，可通過其它控 制裝置，例如定位在水噴射系統(tǒng)26 (圖1)的上游或下游的閥或壓力調(diào)節(jié)器，來調(diào)節(jié)水流速?？刂破?4還可通過增加或減小進入燃燒器12的霧化空氣20 (圖1)的壓力來誘發(fā) 燃燒動態(tài)。在某些實施例中，控制器44可增加或減小霧化空氣壓力至少約1%、5%、10%、 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%。更具體而言，控制器44可調(diào)節(jié)霧化 空氣壓力約5-20%，以及它們之間的所有子范圍。在某些實施例中，壓力調(diào)節(jié)可改變離開燃 料噴嘴50的液態(tài)燃料14的噴射角以誘發(fā)燃燒動態(tài)。例如，噴射角可改變至少約1%、5%、 10 %、15 %、20 %、25 %或30 %?？刂破?4可管理控制裝置如閥或壓力調(diào)節(jié)器的操作以調(diào)節(jié) 霧化空氣壓力?？刂破?4還可通過使進入燃燒器12的燃料14的流量進行脈沖而誘發(fā)燃燒動態(tài)。 例如，燃料供給系統(tǒng)16中、燃料噴嘴50內(nèi)或燃料供給系統(tǒng)16的上游或下游可包括閥以控 制進入燃燒器12的燃料流量的脈沖頻率。在某些實施例中，控制器44可從傳感器如傳感 器48 (圖1)接收測定參數(shù)以確定燃燒器12內(nèi)存在的頻率。控制器44然后可使流量在基 本匹配檢測到的頻率或為檢測到的頻率的倍數(shù)的速率進行脈沖。總體而言，控制器44可在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10運行期間誘發(fā)燃燒動態(tài)。當(dāng)誘發(fā)燃 燒動態(tài)以清除灰燼時，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10可繼續(xù)保持其以前的功率輸出，即使當(dāng)滿功率運 行時。例如，在某些實施例中，可在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10保持其功率輸出的至少約1%、5%、 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或 100% 時誘發(fā)燃燒動態(tài)。更具體而言， 可在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10保持其功率輸出的至少約90-100%以及它們之間的所有子范圍時 誘發(fā)燃燒動態(tài)。誘發(fā)燃燒動態(tài)可改變?nèi)紵?2中壓力振蕩的頻率和/或壓力幅度以搖松燃?xì)鉁u 輪發(fā)動機10的構(gòu)件上的沉積物。在誘發(fā)燃燒動態(tài)期間，頻率可增加100%、200%、300%、 400 %、500 %、600 %或700 %。在某些實施例中，頻率可增加約200-500 %，以及其間的所有 子范圍。例如，在某些實施例中，在穩(wěn)態(tài)運行期間，壓力振蕩可具有約80Hz的頻率，而在誘 發(fā)燃燒動態(tài)時，該頻率可在約180-1000HZ的范圍內(nèi)。在誘發(fā)燃燒動態(tài)期間，該幅度可增加 其正常大小的1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65或70倍。在某些實施例中， 在穩(wěn)態(tài)運行期間該幅度可增加約2-50倍，以及其間的所有子范圍。例如，在穩(wěn)態(tài)運行下， 峰_峰幅度可為約2. 5psi。然而，當(dāng)誘發(fā)燃燒動態(tài)時，峰-峰幅度可增加到約6-lOpsi。在某 些實施例中，峰_峰幅度可增加至少約100 %、200 %、300 %、400 %、500 %、600 %或700 %。在誘發(fā)燃燒動態(tài)之后，控制器44然后可測量燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10的另一參數(shù)(方 框92)。該參數(shù)可與前面通過傳感器46 (圖1)測量的參數(shù)相同以確定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機是否
9在灰燼清除范圍內(nèi)運行。例如，傳感器46可連續(xù)或間歇地測量燃燒器壓力并向控制器44 提供測定值?？刂破?4然后可使用該測定值來確定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機何時在灰燼清除范圍 內(nèi)運行，以誘發(fā)燃燒動態(tài)，以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機何時在灰燼清除范圍之外運行，以停止燃燒 動態(tài)。在其它實施例中，參數(shù)可為與前面通過傳感器46測量的參數(shù)不同的參數(shù)。不論是否 測量相同或不同的參數(shù)，都可采用任何合適類型的參數(shù)，例如，從誘發(fā)燃燒動態(tài)以來經(jīng)過的 時間、壓力、溫度或它們的結(jié)合，以及其它。此外，在某些實施例中，傳感器46可向建模系統(tǒng) 50 (圖1)提供測定參數(shù)，建模系統(tǒng)50又可向控制器44提供計算出的參數(shù)，例如模型構(gòu)件系 數(shù)。因此，控制器44可使用測定參數(shù)(即，壓力、溫度、時間)、模型參數(shù)或它們的結(jié)合來確 定何時停止誘發(fā)燃燒動態(tài)。控制器44然后可使用該參數(shù)來確定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10是否在灰燼清除范圍之外 運行(方框94)。例如，控制器44可將參數(shù)與范圍或值的表格進行比較。在另一實例中，控 制器可結(jié)合算法使用多個參數(shù)來確定是否應(yīng)當(dāng)停止燃燒動態(tài)。如果參數(shù)落在灰燼清除范圍 內(nèi)，則控制器44可繼續(xù)誘發(fā)燃燒動態(tài)直到接收到落在灰燼清除范圍之外的參數(shù)為止。在檢測到參數(shù)落在灰燼清除范圍之外后，控制器44可停止誘發(fā)燃燒動態(tài)(方框 96)。例如，控制器44可使水流速、霧化空氣壓力或燃料脈沖頻率回到它們的之前的值或設(shè) 計成減少燃燒動態(tài)的值?？刂破?4然后可允許燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10在正常運行條件下運行 直到檢測到參數(shù)在灰燼清除范圍內(nèi)為止。此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任 何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方 法。本發(fā)明可取得專利的范圍通過權(quán)利要求來限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所想到的 其它實例。如果此類其它實例沒有不同于權(quán)利要求的文字語言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它 們包括與權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它實例包含在 權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種方法(84)，包括測量渦輪發(fā)動機(10)的第一參數(shù)(86)；響應(yīng)于所述第一參數(shù)的測量而控制(90)所述渦輪發(fā)動機(10)的第二參數(shù)以增加燃燒動態(tài)，從而至少部分地清除所述渦輪發(fā)動機內(nèi)的沉積物(78)；以及在清除沉積物后控制(96)所述渦輪發(fā)動機的所述第二參數(shù)以減少燃燒動態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量所述第一參數(shù)包括測量壓力、溫度、 性能、效率、時間或它們的結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述第二參數(shù)包括增加水對燃料噴 射比率至少約20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述第二參數(shù)包括使燃料流量脈沖、 調(diào)節(jié)霧化空氣壓力、調(diào)節(jié)水流速、調(diào)節(jié)蒸汽流速或它們的結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述第二參數(shù)包括增加壓力幅度或 所述燃燒動態(tài)的頻率，或它們的結(jié)合。
6.一種系統(tǒng)，包括渦輪發(fā)動機(10)，包括燃燒器(12)；以及燃料噴嘴(52)，構(gòu)造成將多種流體供給到所述燃燒器內(nèi)，其中，所述流體包括燃料 (14)、霧化空氣(20)、水(24)或其結(jié)合，并且所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述流體 (14，20，24)的流量以臨時增加燃燒動態(tài)，從而在所述渦輪發(fā)動機(10)運行期間清除所述 渦輪發(fā)動機(10)內(nèi)的沉積物(78)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成增加所述燃 料噴嘴(52)的水(24)對燃料(14)噴射比率以暫時增加所述燃燒動態(tài)，從而清除所述沉積 物(78)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成改變所述燃 料噴嘴(52)的噴射角度以暫時增加所述燃燒動態(tài)，從而清除所述沉積物(78)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，包括構(gòu)造成基于所述渦輪發(fā)動機的測定參數(shù)生成模 型構(gòu)件系數(shù)的實時建模系統(tǒng)(50)，其中，所述模型構(gòu)件系數(shù)構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述模型以預(yù)測所 述測定參數(shù)，并且其中，所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成基于所述模型構(gòu)件系數(shù)調(diào)節(jié)所述流體 (14，20，24)的流量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成測量指示效 率或性能的一個或多個參數(shù)，并且所述渦輪發(fā)動機(10)構(gòu)造成響應(yīng)于所述測定參數(shù)而自 動調(diào)節(jié)所述流體(14，20，24)的流量以暫時增加所述燃燒動態(tài)，從而清除所述沉積物(78)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在渦輪發(fā)動機內(nèi)誘發(fā)燃燒動態(tài)以在渦輪發(fā)動機(10)運行期間清除渦輪發(fā)動機(10)內(nèi)的燃燒沉積物(78)的方法(84)和系統(tǒng)。
文檔編號F02C9/50GK101886577SQ20101018420
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者G·D·邁爾斯, K·W·麥馬漢, M·A·哈德利, S·D·德雷珀 申請人:通用電氣公司