[发明专利]用于检测燃气涡轮发动机回火的方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及用于控制燃气涡轮发动机工作的方法，并且更具体地涉及一种利用燃烧动态变化(dynamics)来检测燃气轮机中火焰稳定或回火状态的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器，以及联接到压缩机上的涡轮。燃烧器可包括多个燃烧器管(can)。压缩空气和燃料输送至燃烧器管，以产生高速和高压的燃烧气体。这些燃烧气体排放至涡轮。涡轮从燃烧气体中获取能量，用于产生可以以多种方式使用的动力，举例来说，例如向压缩机提供动力，向发电机提供动力，或向飞行器提供动力。

燃气涡轮发动机在不同的负载条件下工作，不同的负载条件需要变动的燃烧工作状态来使燃烧器满足所期望的性能。燃气轮机的燃烧器设计成用以将火焰稳定在所期望的位置上，以确保不间断的工作。然而，在燃料燃烧期间的有些状态下，燃烧器可能会经受火焰稳定或回火。回火是火焰在所设计的稳定位置的上游朝向燃料和空气喷射位置传播的现象。在火焰稳定期间，火焰稳定在上游，而不会从下游位置传播。在以下论述中，用语″回火″用来代表回火和火焰稳定两者，因为以下论述同等地适用于回火和火焰稳定两者。

发生回火的条件由于温度、压力、燃料与空气之比的不同工作状态而变化，且取决于燃料的类型和成分而变化。回火可通过两种不同的物理机制发生，这两种不同的物理机制可宽泛地归类为预混回火和扩散回火。喷嘴及其构件的几何形状在使特定的喷嘴耐受回火或抵抗回火中扮演了重要的角色。此外，公知的是，包括诸如氢气的高火焰速度燃料的燃料具有与回火相关的严重问题。回火可严重地破坏喷射器、旋流器和喷嘴。燃烧器的可操作性可能受损，且可造成非计划停机。在野外的燃气轮机通常没有良好地配备用以检测回火的发生。尽管喷嘴可具有器件用以控制由回火所造成的破坏，但还未证实有可靠的方法来检测即将发生的回火。

因此，期望的是提供一种利用燃烧动态变化来检测在燃气涡轮发动机中即将发生的回火或火焰稳定事件的方法。

发明内容

根据本文所公开的一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制方法包括：利用燃气轮机的工作状态来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，以及如果在正常工作期间所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率，则检测到回火。

根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制系统包括：燃烧动态变化模拟和预测系统，其用于预测燃烧器中燃烧动态变化的频率；数据采集和分析系统，其用于从燃烧动态变化传感器接收信号和提供输出信号；回火检测系统，其用于如果来自于数据采集和分析系统的输出信号的频率并不对应于来自燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则提供即将发生回火的指示；以及控制器，其用于如果提供了即将发生回火或实际回火的指示便控制燃气轮机。

根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机监测和控制方法包括：利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，如果所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率则检测到回火，以及如果检测到回火则控制燃气轮机。

根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机监测和控制方法包括：实时地获得燃气轮机的工作状态，利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，如果在正常工作状态期间所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率则检测到回火，以及如果检测到回火则控制燃气轮机。

根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制系统包括：燃烧动态变化模拟和预测系统，其包括基于物理学的燃烧动态变化工具用于利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度；用于从燃烧动态变化传感器接收信号和提供输出信号的数据采集和分析系统；回火检测系统，其用于如果来自于数据采集和分析系统的输出信号的频率并不对应于来自于燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则提供即将发生回火的指示；以及控制器，其用于如果提供了即将发生回火或实际回火的指示则控制燃气轮机。

附图说明

当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的部分，在附图中：

图1为燃气涡轮发动机系统的简图。

图2为燃气轮机的燃烧器的简图。

图3示出了根据本文所公开的方面的燃气轮机监测和控制系统的框图。

图4示出了根据本文所公开的方面的数据采集和分析系统的框图。