專利名稱：用于燃?xì)馊紵鞣椒ê脱b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒器，尤其涉及用于使用預(yù)混合的氣體燃料/空氣混合物的燃燒器的方法和裝置。
燃?xì)廨啓C(jī)是公知的。典型的燃?xì)廨啓C(jī)具有環(huán)形的軸向延伸的流道，用于使工作流體依次通過壓縮區(qū)、燃燒區(qū)和渦輪區(qū)。燃燒區(qū)混合一般為空氣的工作流體和燃料，并點燃燃料/空氣混合物。
燃?xì)廨啓C(jī)一般燃燒礦物燃料。這種燃燒的一個不好的結(jié)果是形成氮氧化物，一般用NOx表示。氮氧化物是一種污染物，會引起健康和環(huán)境問題。政府標(biāo)準(zhǔn)建立了允許的Nox向空氣的排放量。
燃?xì)廨啓C(jī)中NOx的產(chǎn)生率直接取決于燃燒室中的溫度。而燃燒室溫度取決于混合物中燃料與空氣的比值。當(dāng)燃燒室的燃料/空氣比值為理想比值，通常稱為“理想混合物”時，燃燒室溫度最高，產(chǎn)生NOx最多?；旌衔镏腥剂吓c空氣的比值小于理想比值時，通常稱為“稀”混合物，導(dǎo)致較低的溫度，比理想混合物時較小的NOx產(chǎn)生率?！跋 被旌衔镌较?，導(dǎo)致溫度越低，Nox的產(chǎn)生率越小。
當(dāng)使用稀混合物以實現(xiàn)低的NOx的產(chǎn)生率時，在燃料和空氣到達(dá)燃燒器之前，需要混合氣體燃料和大量的空氣。這種方法通常稱為“預(yù)混合”，其使用預(yù)混合器以增加供應(yīng)給燃燒器的混合物的均勻性。燃料在預(yù)混合器中經(jīng)過足夠長的時間，以保證其與空氣充分混合。這段時間稱為停留時間，可能為1或2毫秒(msec)，當(dāng)通常為大約4msec。如果沒有預(yù)混合，燃燒器中的某些區(qū)域就會形成極端稀混合物，而另外的區(qū)域可能會形成較濃的混合物，或接近理想混合物。混合物中的燃料與空氣的混合越均勻，導(dǎo)致燃燒器中的峰值溫度越低，因此Nox的產(chǎn)生率越低。
然而，即使進(jìn)行預(yù)混合，其他的考慮也會有效限制了混合物的稀度?；旌衔锾。紵环€(wěn)定，會導(dǎo)致“熄火”狀態(tài)，通常稱為“稀熄火”。另外，具有較高的燃料與空氣比值的稀混合物，可保持穩(wěn)定燃燒，但導(dǎo)致燃燒器內(nèi)壓力值和放熱率的波動。在某些情況下，這兩種波動之間的時間關(guān)系是，燃燒器的壓力值波動引起放熱率波動值增加，反之亦然。這種狀態(tài)通常稱為燃燒不穩(wěn)定狀態(tài)，引起燃燒器內(nèi)壓力值的大的波動。這種波動的重復(fù)率或稱頻率依賴于具體的應(yīng)用。對于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，頻率通常在約100Hz到約700Hz，通常為200Hz左右。因此，波動周期或稱時間通常為5msec。燃燒不穩(wěn)定會導(dǎo)致包括燃?xì)廨啓C(jī)損壞在內(nèi)的問題。燃燒產(chǎn)生不穩(wěn)定的可能性使得無法使用剛好大于稀熄火極限的燃料與空氣的比值。
一項被動控制燃燒不穩(wěn)定性的技術(shù)包括噴射一種輔助或稱為引導(dǎo)性的燃料混合物進(jìn)入燃燒器的側(cè)壁。授予McVey等的美國專利No.5,263,325中公開了該技術(shù)的一個例子。然而，引導(dǎo)燃料噴射的使用，不能充分降低燃燒的不穩(wěn)定性，而又不引起Nox產(chǎn)生率的明顯增加。
一些參考文獻(xiàn)公開了燃燒不穩(wěn)定性的主動控制。例如，英國專利申請GB2239691A公開了一種主動控制，其使用壓力傳感器來測量燃燒室內(nèi)的壓力波動，一伺服閥用來調(diào)整用于燃燒的燃料的量。授予Poinsot等的美國專利No.5,145,355公開了一種檢測燃燒不穩(wěn)定性和作為該不穩(wěn)定性的函數(shù)調(diào)整射入燃燒室的燃料流量的裝置。授予Brough的美國專利No.5,575,144公開了一種檢測燃燒器內(nèi)的壓力波動，計算一抵銷脈沖來抵銷一主導(dǎo)的壓力波動，并周期地從燃燒器中抽取一定量的空氣來產(chǎn)生抵銷脈沖的系統(tǒng)。但是這些參考文獻(xiàn)都沒有公開一個用于燃燒預(yù)混合的氣體燃料/空氣混合物的燃燒器的系統(tǒng)。
授予Kondou等的美國專利No.5,445,517公開了一種燃燒器用適配靜噪系統(tǒng)。該系統(tǒng)計算燃燒噪音的反相位信號，并將該信號輸入給氣流控制閥，從而在氣體燃料中產(chǎn)生壓力變化，實現(xiàn)燃燒室中的壓力變化以通過相位干涉抑制燃燒噪音。該系統(tǒng)使用一在氣流控制閥和燃燒室之間的混合室。但是，所有的燃料都流過氣流控制閥。
授予Stickler等的美國專利No.5,349,811公開了一種減少NOx污染物產(chǎn)生的系統(tǒng)。該系統(tǒng)“調(diào)整”向燃燒器的燃料的供給率以產(chǎn)生燃燒器的空氣輸入波動和燃燒器內(nèi)的流量的波動，這增強(qiáng)了在整個燃燒室內(nèi)的燃料/空氣均勻性，減小了適于形成NOx的條件。但是，Stickler沒有公開這種系統(tǒng)用于燃燒預(yù)混氣體燃料/空氣混合物的燃燒器，而是將預(yù)混合作為一種可能的選擇。
本發(fā)明的目的是提供一種提供預(yù)混合的氣體燃料/空氣混合物的裝置，該混合物具有臨時調(diào)整的理想配比，即燃料與空氣的比值。
本發(fā)明的另一目的是提供一種控制燃燒預(yù)混合氣體燃料/空氣混合物的燃燒器中的燃燒不穩(wěn)定值的裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種控制燃燒預(yù)混氣體燃料/空氣混合物的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的壓力波動值的裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種可控制燃燒不穩(wěn)定值而又不顯著增加燃燒器內(nèi)的Nox產(chǎn)生率的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，用于具有氣體燃料供給器和燃燒器的系統(tǒng)的裝置包括一預(yù)混合器，與燃燒器流體連通；一第一燃料管線，連通在燃料供給器和預(yù)混合器之間，基本不能調(diào)整燃料流率；以及第二燃料管線，連通在燃料供給器和所述預(yù)混合器之間，可以調(diào)整燃料流率。調(diào)整燃料流率的連通用于顯著地減小燃燒器中壓力值的波動值。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，用于具有氣體燃料供給器和燃燒器的系統(tǒng)的燃料系統(tǒng)包括一燃料致動器，用于接受氣體燃料，并根據(jù)一控制器來的指令信號以一調(diào)整的流率供給氣體燃料；還包括一預(yù)混合器，用于接受來自致動器和另一來源的氣體燃料，使得來自致動器的具有調(diào)整的流率的氣體燃料只是流入預(yù)混合器中的燃料流的一部分。預(yù)混合器混合燃料和空氣，并將混合物提供給燃燒器。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，用于具有氣體燃料供給器和燃燒器的系統(tǒng)的燃料系統(tǒng)包括一燃料致動器，用于接受氣體燃料，并根據(jù)一控制器來的指令信號以一調(diào)整的流率供給氣體燃料；還包括一壓力致動的燃料閥，其接受來自致動器的具有第一調(diào)整的流率的氣體燃料，并相應(yīng)提供具有第二調(diào)整流率的氣體燃料，還包括一預(yù)混合器，用于接受來自壓力致動燃料閥的氣體燃料，混合燃料和空氣，并將混合物提供給燃燒器。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供用于具有燃料致動器的系統(tǒng)的控制器，該燃料致動器用于接受氣體燃料和一指令信號，并根據(jù)該指令信號以一調(diào)整的流率提供氣體燃料給一預(yù)混合器，該預(yù)混合器用于接受來自燃料致動器的調(diào)整的燃料流，混合燃料和空氣，并將混合物提供給燃燒器。該控制器包括確定燃料致動器的致動的裝置，該致動使得致動器以調(diào)整的流率供給氣體燃料；以及產(chǎn)生表示所述的燃料致動器的所述致動的指令信號的裝置。
此處使用的調(diào)整一詞不包括準(zhǔn)穩(wěn)定操作，例如在燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛使用的用于根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)的改變來改變給燃燒段的燃料流率的操作。燃料流率的改變一般發(fā)生得非常慢，通常需許多秒甚至幾分鐘。而本發(fā)明的調(diào)整的燃料流率則以較快的周期變化，通常為幾百Hz，但不限于此。
雖然利用燃料流率調(diào)整提供給燃燒器的系統(tǒng)是公知的，但到目前，在燃燒之前混合這方面，這樣的系統(tǒng)將所有的燃料經(jīng)過流量控制閥供給混合室。雖然這有利于保證充分的控制能力和流入混合室的流率的空間的均勻性，但其缺點是需要非常大的閥門。這樣的閥門可能無法提供所需的調(diào)整量和頻率。但是，已經(jīng)確定不需將所有的進(jìn)入預(yù)混合器的燃料流都進(jìn)行調(diào)整，即只需一部分燃料流具有調(diào)整的流率。在一實施例中，例如調(diào)整的燃料流率包括只占進(jìn)入預(yù)混合器中的總?cè)剂狭鞯臉O小的部分。在其他實施例中可使用依次減小的總?cè)剂狭鞅嚷?，例?/3，1/5，1/10，1/20，1/50。使用依次減小的比率使得例如可以使用較小的快速的反應(yīng)，較輕的重量，或較低的能量消耗的致動器閥門。
從下面結(jié)合附圖的描述中本發(fā)明的進(jìn)一步目的和其它優(yōu)點將變得顯而易見，其中
圖1是帶有本發(fā)明控制系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意圖的局部剖去的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的側(cè)視圖；圖2是預(yù)混合燃料嘴沿圖3的2-2線局部被剖去的側(cè)視圖與圖1的控制系統(tǒng)的最佳實施例中使用的氣體燃料致動器、控制器和傳感器的示意圖；圖3是圖2的預(yù)混合燃料嘴沿圖2的3-3線被剖開的截面圖；圖4是可用于圖1的控制系統(tǒng)的致動器閥門的側(cè)視圖；圖5是圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的燃燒器部分的壓力波動值的示意圖；圖6是在典型的燃燒不穩(wěn)定時期的燃燒器壓力波動值的另一示意圖；圖7是圖1的燃?xì)廨啓C(jī)和可用于圖1的控制系統(tǒng)的壓力致動燃料閥的局部被剖去的側(cè)視圖；圖8是圖2的預(yù)混合燃料嘴和圖7壓力致動燃料閥的側(cè)視圖沿圖3的2-2線局部被剖去的側(cè)視圖；圖9是機(jī)械的、燃料壓力致動的提升閥的截面?zhèn)纫晥D；圖10是圖2的預(yù)混合燃料嘴沿圖3的2-2線局部被剖去的側(cè)視圖和與一安裝在預(yù)混合器內(nèi)的燃料噴射輻條連通的壓力致動燃料閥的側(cè)視圖；圖11是圖10的壓力致動燃料閥的截面?zhèn)纫晥D；圖12是圖2的控制器執(zhí)行的控制算法的流程圖；以及圖13是具有和不具有圖1的控制系統(tǒng)的燃燒器壓力的波動值的示意圖。
本發(fā)明此處公開的是用于圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的最佳實施例。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠20包括一燃?xì)廨啓C(jī)22，一動力渦輪和發(fā)電機(jī)26，一燃料系統(tǒng)30和一燃?xì)廨啓C(jī)控制器34。燃?xì)廨啓C(jī)在燃?xì)廨啓C(jī)控制器34的控制下接收來自燃料系統(tǒng)30的燃料，并燃燒該燃料，從而驅(qū)動動力渦輪和發(fā)電機(jī)26。
燃?xì)廨啓C(jī)22包括一壓縮機(jī)36，一燃燒段38(為了清楚局部剖去)和一渦輪機(jī)40。燃燒段38一般包括多個，例如16個預(yù)混合器(用預(yù)混合器44表示)和一燃燒器48。預(yù)混合器44可繞燃燒段38的上游端周向間隔。燃燒器48優(yōu)選為環(huán)形，位于預(yù)混合器44的下游。預(yù)混合器接收和混合來自壓縮機(jī)36的壓縮空氣50和燃料，燃料由多個燃料管線52從燃料系統(tǒng)30提供。預(yù)混合器44理想地提供一混合物進(jìn)入燃燒器48，該混合物基本為均勻的，并在燃燒器燃燒。向燃燒器48提供均勻的混合物有助于降低燃燒器內(nèi)Nox的產(chǎn)生率。
燃料系統(tǒng)30可包括一氣體燃料供給器100和一分配網(wǎng)絡(luò)102，其將燃料供給多個燃料管線，其由第一燃料管線104和第二燃料管線106表示。每個燃料管線104，106可包括一調(diào)節(jié)器108，110和一計量器112，114。調(diào)節(jié)器108，110可以是閥門，例如伺服閥，通過信號線116電連接至燃?xì)廨啓C(jī)控制器34。計量器112，114可以是流量計，例如渦輪流量計，其通過信號線117電連接至燃?xì)廨啓C(jī)控制器34。第一和第二燃料管線104，106與多個燃料管線52連接，燃料管線供燃料給預(yù)混合器44。
燃?xì)廨啓C(jī)控制器34提供指令調(diào)節(jié)器108，110的電信號，從而通過調(diào)節(jié)器108，110建立燃料流率。而這些流率建立通過燃料管線104，106的平均燃料流率，該混合物的平均燃料與空氣比提供給燃燒器48。計量器112，114向燃?xì)廨啓C(jī)控制器提供指示提供調(diào)節(jié)器108，110的實際燃料流率的電信號。通過調(diào)節(jié)器108，110的流率一般是準(zhǔn)穩(wěn)定的，這意味著流率的變化通常非常慢，通常經(jīng)過許多秒或甚至幾分鐘。
第二燃料管線106還包括一燃料致動器130，其調(diào)整通過第二燃料管線106的燃料流率。燃料致動器可包括一閥門，例如一“開/關(guān)”閥，和一閥門驅(qū)動器132，該驅(qū)動器通過信號線136電連接至燃?xì)廨啓C(jī)控制器34。盡管沒有限制，“開/關(guān)”閥可包括一電磁閥，其具有銷/孔結(jié)構(gòu)。實際上，“開/關(guān)”閥也可包括一比例閥，其經(jīng)過改裝可工作在開/關(guān)狀態(tài)，即使閥盡快地完全打開和完全關(guān)閉。參見圖4，在該替代方案中，致動器可包括一D633滑柱和襯套閥300，一線性電機(jī)302，和閥電子驅(qū)動器132，均可從MOOG買到，還包括一歧管。閥電子驅(qū)動器用于操作作為開關(guān)閥的閥門。
混合物中的燃料與空氣比值優(yōu)選為稀態(tài)的，更優(yōu)選剛好高于稀熄火極限。該比值可保證穩(wěn)定的燃燒，有助于降低燃燒器內(nèi)的NOx產(chǎn)生率和產(chǎn)生量。然而，正如在背景技術(shù)描述中所述的，該比值會造成燃燒不穩(wěn)定。從而燃燒壓力值的波動會增加熱釋放率的波動值，反之亦然。燃燒不穩(wěn)定性引起燃燒器內(nèi)的壓力值的大的波動。
參見圖5，圖表118具有曲線119，說明這種波動的峰-峰值可在20磅每平方英寸(psi)左右。參見圖6，圖表120具有曲線121，說明波動值可由多個頻率分量表示，它們彼此具有不同的幅值。具有最高幅值的頻率分量通常頻率范圍較窄，此處稱為波動的基本頻率范圍。
再參見圖1，燃?xì)廨啓C(jī)22還包括一傳感器122，其提供表示存在燃燒不穩(wěn)定的信號。在該優(yōu)選實施例中，傳感器122是一壓力傳感器，其檢測燃燒器內(nèi)的壓力，當(dāng)然也可使用其他類型的傳感器，包括但不限于熱傳感器，光傳感器，或振動傳感器。一熱傳感器或一光傳感器將產(chǎn)生一表示燃燒器中的放熱率或其變化的信號，而一振動傳感器產(chǎn)生一表示燃燒器內(nèi)壓力或放熱率或其變化的信號。壓力傳感器可包括一探針123，位于燃燒器48內(nèi)，和一遠(yuǎn)距轉(zhuǎn)換器124，其通過信號線126電連接至燃?xì)廨啓C(jī)控制器34。壓力傳感器提供具有一幅值的信號，在圖表128中簡要地表示了一段時間內(nèi)的該值，其表示燃燒器內(nèi)的壓力值的波動。
燃?xì)廨啓C(jī)控制器34優(yōu)選包括一處理器150，一存儲器152，一輸入/輸出(I/O)部分154和一總線156，總線具有連接器158與每個控制器134的各部件連接。
燃?xì)廨啓C(jī)控制器根據(jù)線126上的來自傳感器122的信號在線136上提供一指令信號。指令信號指令致動器130，以產(chǎn)生通過燃料管線106進(jìn)入預(yù)混合器44的調(diào)整的燃料流率。而預(yù)混合器提供具有暫時的調(diào)整的理想配比的混合物給燃燒器48。燃料流率的調(diào)整有效地改變了燃燒器壓力值的波動和熱釋放率的波動之間的時間關(guān)系，即相位關(guān)系。該改變引起波動之間偶合的降低，從而使得燃燒器壓力波動值降低。
在一實施例中，指令信號具有一代表命令閥門周期地“開”140和“關(guān)”142的指令的幅值，在圖表138中簡要表示在一段時間內(nèi)的該值。這引起閥門周期調(diào)整燃料流“開”和“關(guān)”，“開”對應(yīng)于通過閥門的最大流率，“關(guān)”對應(yīng)于通過閥門的最小流率?！伴_/關(guān)”周期144的長度優(yōu)選大致等于燃燒器壓力值波動的周期146的長度?？刂破飨鄬τ谌紵鲏毫χ档牟▌拥钠鹗紩r間148優(yōu)選地推遲或相移“開/關(guān)”循環(huán)的起始時間147。時間推遲或相移的值可選擇使得最大地減小燃燒器壓力波動的值149。調(diào)整優(yōu)選具有大約50％的工作循環(huán)，即周期146的約50％為“開”，50％為“關(guān)”。該工作循環(huán)提供類似于燃燒器壓力值的典型波動的對稱性。這也導(dǎo)致通過致動器130的平均燃料流率，即通過“開”的致動器燃料流率的一半。
參見圖2和3，每個預(yù)混合器44可包括一切向空氣進(jìn)入預(yù)混合燃料嘴56。這種噴嘴是公知的。優(yōu)選的預(yù)混合燃料嘴56可包括一個或多個空氣通道58，60，一混合室62，和多個燃料管66?？諝馔ǖ篮突旌鲜铱捎蓛蓚€具有彼此分開的縱向軸線72，74(圖3)的部分柱體68，70形成?？諝馔ǖ?8，60分別具有接收來自壓縮機(jī)36(圖1)的壓縮空氣50的入口76，78(圖3)，和與混合室62連通的孔80，82(圖3)。每個燃料管66具有與多個燃料管線52之一連通的入口84和多個燃料噴射孔86，例如15個，噴射孔86與混合室62連通。主燃料噴射孔設(shè)計的優(yōu)選提供好的燃料/空氣混合。燃料噴射孔86可具有不同的橫截面積，例如15個中的7個的截面積是其他8個的截面積的約1.5倍，以改善混合和便于吐出火焰。每個燃料管66可接收流到預(yù)混合噴嘴56的總的燃料流中的相同的比例，盡管這樣的比例不是必須的。
預(yù)混合噴嘴56還包括一中心體90，定位的縱向軸線92在混合室中徑向?qū)χ?，還包括一出口94(圖2)。中心體90優(yōu)選為帶有封閉的下游端98的錐體。在混合室62中空氣和燃料混合，混合物在出口94離開噴嘴。
燃料應(yīng)當(dāng)在混合室62中經(jīng)過足夠長的時間，以保證其與空氣充分混合。優(yōu)選時間長度為至少3或4毫秒，盡管更少的時間，例如1或2毫秒在某些實施例也是足夠的。壓縮空氣優(yōu)選在從空氣通道入口76，78到預(yù)混合噴嘴56的出口94的運(yùn)動過程中用約8毫秒的時間。
如上所述，燃料致動器提供調(diào)整的燃料流率給預(yù)混合器。需要在預(yù)混合器中將具有調(diào)整流率的燃料與空氣混合至與在預(yù)混合器中沒有調(diào)整燃料流率的燃料與空氣的混合基本同樣的程度。這限制了在預(yù)混合器出口處的燃料/空氣比值的變化，并導(dǎo)致了低的Nox產(chǎn)生率。由于這個原因具有調(diào)整流率的燃料最好通過一個或多個燃料噴射孔噴入混合室?？稍O(shè)置一噴射歧管330以提供到噴射孔的流動通道。
另外優(yōu)選以調(diào)整的燃料流保持控制預(yù)混合器的出口處的空間平均的燃料/空氣比值的暫時特性的能力。獲得良好的空間燃料/空氣混合并保持燃料/空氣比值的暫時變化的控制的能力可使得致動器的能力達(dá)到最大，而不會增加NOx的產(chǎn)生。
在一個實施例中，噴射歧管330直接連通兩個噴射孔。這兩個噴射孔在或靠近噴射孔陣列的中心，以平衡以下兩方面完全混合燃料和路過的空氣的需要，和防止這些不穩(wěn)定的燃料流沖擊硬表面例如中心體的需要。
為了最小化燃料可壓縮性的影響，優(yōu)選將噴射孔和燃料致動器130的實際位置之間的噴射歧管330的體積減至最小。大約總的平均燃料流率的10-20％通過該結(jié)構(gòu)的致動燃料系統(tǒng)。這優(yōu)選地大致對應(yīng)于以未調(diào)整的流率流過燃料的噴射孔陣列部分中的這樣尺寸的兩個孔通過的燃料量。然而，也可用更大或更小的比例。
一般需要將第一致動器靠近預(yù)混合器，以便將致動器和調(diào)整的燃料流噴射進(jìn)預(yù)混合器的點之間的距離(這可將燃料管線的體積減至最小)減至最小。因為氣體燃料是可壓縮的，燃料流率在致動器的下游調(diào)整減小，即變得平滑。減小值隨著離致動器的距離的增加而增加。將致動器和預(yù)混合器之間的距離減至最小，可最小化該減小值，從而有助于保證預(yù)混合器接收所需的調(diào)整的燃料流率。同樣致動器和預(yù)混合器之間的燃料管線優(yōu)選盡可能地直。
使致動器僅供給一部分總的燃料流率給預(yù)混合器的優(yōu)點是減小了通過致動器的平均流率，從而使得致動器容易設(shè)計和制造，而仍然減小了燃燒不穩(wěn)定性。
在另一實施例中，燃料致動器130可包括一比例閥，例如一D633滑柱和襯套閥300，一線性電機(jī)302，和閥電子驅(qū)動器132，均可從MOOG買到，還包括一歧管。在此實施例中，燃料流率的調(diào)整可選擇與燃燒器壓力的波動值成比例。例如，發(fā)給閥門的指令可按照下式指令＝k1+k2*(P(t-T))，其中k1表示dc流分量，
k2表示增益因數(shù)，P(t)表示燃燒器壓力波動值，T表示時間或相位延遲。
例如，k1可選擇的對應(yīng)于理想的時間平均流率，k2可選擇的提供最大的權(quán)限同時避免閥門的飽和。T可選擇得使P(t)最小。
其他合適的致動器和調(diào)整也可使用，包括但不限于正弦調(diào)整燃料流率。
在一些實施例中，將致動器靠近預(yù)混合器是不現(xiàn)實的。這是因為第一燃料致動器一般不適于渦輪機(jī)中的條件，例如溫度。將致動器置于渦輪機(jī)之外，可導(dǎo)致致動器和預(yù)混合器之間相當(dāng)?shù)木嚯x。
因此，參見圖7和8，燃料系統(tǒng)可進(jìn)一步包括第二燃料致動器310，其位于第一致動器130和預(yù)混合器56之間。第二燃料致動器310有助于減小有關(guān)燃料向預(yù)混合器的流率的氣體可壓縮性的影響。第二致動器優(yōu)選安置得盡量靠近預(yù)混合器和燃料噴射點(可能在渦輪機(jī)的中心)。第二燃料致動器可以是“開/關(guān)”閥，優(yōu)選為一機(jī)械提升閥320(圖8，9)，由第一致動器的下游管線中的氣體的壓力致動。
參見圖9，提升閥320具有閥體340，閥座342和可動銷344。閥體340具有通道346，其入口348與上游燃料管線52流體連通，其還有一出口350。通道346提供氣體燃料的流路。閥座342壓入閥體靠近出口。銷344具有一頭部352和一軸354。頭部的形狀與閥座相配。軸延伸通過閥體中的孔。軸具有螺紋端，其接收一螺帽356。一彈簧358位于閥體340和螺帽356之間。
提升閥320還包括聯(lián)接器360和梢362。聯(lián)接器具有兩個開口端364，366。一端364焊在閥體上，另一端366與梢螺紋配合。梢為管形，其帶有一壁端368，一空腔370和一出口372。壁端368限制銷的運(yùn)動。梢還包括多個周向間隔的槽道374，靠近壁端設(shè)置，與空腔370流體連通。一旦梢旋擰在聯(lián)接器上，梢和聯(lián)接器焊在一起，防止梢和聯(lián)接器的相對運(yùn)動。
提升閥的操作如下。彈簧對螺帽施加一力，給銷的頭部一向閥座的力(即在關(guān)閉的方向)。通道中氣體的氣體壓力導(dǎo)致在頭部施加一與彈簧施加的力相反的力(即開的方向)。當(dāng)關(guān)閉的力大于氣體壓力(打開的方向)，銷的頭部與閥座結(jié)合，從而堵住通道出口，阻礙流道，防止燃料流動。當(dāng)氣體壓力(打開的方向)超過關(guān)閉方向的力時，銷的頭部從閥座上離開，從而打開流道。需要打開流道的壓力值通常稱為“開啟”壓力。
提升閥一般在部分組裝后而在完全組裝好之前校準(zhǔn)。在一典型的情況中，閥座和銷安置在閥體中，彈簧和螺帽安置在軸上。然后調(diào)整螺帽的位置，以達(dá)到一合適的開啟壓力。調(diào)整螺帽的位置改變彈簧力的值。一種粘結(jié)劑，例如LOCTITE高溫粘結(jié)劑用于將螺帽固定在軸上。部分組裝的提升閥然后插入并焊接在上游的燃料管線上。梢旋擰在聯(lián)接器上，聯(lián)接器焊接在閥體上。然后測試提升閥確定其流量。如果流量太高，或提升閥有共振問題，調(diào)整止動部的位置以限制銷的沖程。調(diào)整梢相對于聯(lián)接器的位置，使得將止動部位于合適的位置。但是，當(dāng)開啟時，閥座和銷頭部的間隙優(yōu)選足夠大，使得預(yù)期的污物可通過提升閥。然后將梢焊接在聯(lián)接器上。但是，可以替換內(nèi)部彈簧和螺帽的結(jié)構(gòu)，以便可調(diào)整開啟壓力而不拆卸提升閥。開啟壓力優(yōu)選設(shè)定在至少約500psi，即至少約兩倍于最大的預(yù)期燃燒器壓力250psi。供給壓力優(yōu)選約600psi。
閥座角和銷的直徑優(yōu)選可提供所需的主導(dǎo)系統(tǒng)壓力下的流量，并提供合適的沖程長度和泄漏特性。提升閥的流量主要取決于閥座的角度和銷的直徑。閥座的角度優(yōu)選足夠大以防止銷因摩擦而粘在閥座上。
因為渦輪機(jī)內(nèi)溫度較高，上述的提升閥部件優(yōu)選包括鉻鎳鐵合金。但是，在一些實施例中，可在閥/提升頭未啟動時，用通過提升頭的氮氣冷卻部件。
參見圖10，另一實施例包括與上述大致相同的部件，只是調(diào)整的燃料流可從安裝中心體的輻條400噴射進(jìn)預(yù)混合器的混合室中。具有燃料噴射輻條的噴嘴通常用于燃料預(yù)混合器。授予Snyder等人的美國專利No.5,461,865和授予McCoomb等人的美國專利No.5,479,773公開了兩個例子。該實施例可以使用也可不使用提升閥410。提升閥410大致與上述的提升閥320一樣，只是梢不一樣。
參見圖11，在圖10的實施例中，梢420優(yōu)選具有多個周向和軸向間隔的出口422，424，426，428，其與梢420的空腔430和預(yù)混合器56的混合室62連通。出口422，424，426，428在輻條端部從下游端432測量位于四個不同的軸向位置(75％，50％，25％，0)。然而優(yōu)選地它們位于三個不同的方位角的位置。兩個中心孔424，426的取向使得徑向遠(yuǎn)離中心體地噴射燃料，優(yōu)選彼此尺寸一樣，流動面積為0.066sq.in。最上游孔422比中心孔大50％(0.099sq.in)，位于離開中心體徑向的方位角為+90°的位置。最下游孔428比中心孔小50％(0.033sq.in)，位于離開中心體徑向的方位角為-90°的位置。
有許多可能的實施例來調(diào)整給燃燒段38的燃料流率。例如，調(diào)整的燃料流率可提供給一個或多個預(yù)混合噴嘴。另外，調(diào)整的燃料流率可提供給每個噴嘴的燃料管中的一個或多個。另外，一些接收調(diào)整的燃料流的燃料噴嘴可接收比其他的噴嘴更多的調(diào)整燃料流。盡管如此，致動器130優(yōu)選能提供需要的調(diào)整的燃料流率而不引起大的壓力降以致于耗竭可獲得的燃料供給壓力。在合適的情況下，致動器可包括多個致動器，例如多個電磁閥平行工作。在一些實施例中，類似于用于汽車的燃料噴射器的那些致動器的致動器可用來代替上述的電磁驅(qū)動器。但是，汽車燃料噴射器一般不能使燃料流率達(dá)到向上述的電磁閥那樣的高，因此需要多個這樣的燃料噴射器以便提供需要的調(diào)整的燃料流率。當(dāng)然，需要不止一個燃料管線來向燃燒段調(diào)整和/或傳遞需要的調(diào)整的燃料流率。
存儲在存儲器152中的程序包括控制算法，其指導(dǎo)燃?xì)廨啓C(jī)控制器34來處理傳感器信號122，產(chǎn)生給燃料系統(tǒng)30的合適的指令信號。I/O部分154可包括一濾波器，用于過濾傳感器信號的值。濾波器衰減大大高于和大大低于基本頻率范圍的頻率分量的值。例如，在該優(yōu)選實施例中，濾波器包括模擬帶通濾波器，其在頻率為100Hz和300Hz時提供3分貝(dB)的衰減。
參見圖12，簡化的流程圖表170說明在優(yōu)選實施例中燃?xì)廨啓C(jī)控制器34的控制算法的執(zhí)行步驟。該算法優(yōu)選在例如約2.59毫秒(msec)的大致周期間隔進(jìn)行。該算法在標(biāo)為“開始”的步驟172開始。在指令步驟174，算法通過一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器開始測量濾波的傳感器信號的值，以獲得那時的幅值的數(shù)字表示。
在步驟176，178，180，該算法執(zhí)行增加相位位移。該算法使用移相器，其包括一系列(1至N)存儲單元，總稱為緩存區(qū)，位于存儲部分152。每個存儲單元存儲一值，示意性地表示為值(單元1)至值(單元N)。緩存區(qū)的存儲單元的總數(shù)N根據(jù)算法的執(zhí)行速度來選擇。以提供合適的相移。這種移相器是公知的。在步驟176，最后存儲單元的值移出緩存區(qū)，完成那個值的相移。在步驟178，所有其他以前存儲在緩存區(qū)中的值，移到下一個相應(yīng)的存儲單元。在步驟180，算法在第一存儲單元存儲剛測得的值。在最佳實施例中，相移的值在執(zhí)行算法之前試驗確定。但是，確定合適的相移值的其他合適方法也可使用，包括但不限于自適應(yīng)算法。
在步驟182，184，186，根據(jù)在步驟176最近完成的相移值，算法產(chǎn)生一指令。步驟182確定該值是否大于一閥值，例如0。如果是，步驟184產(chǎn)生代表“開”指令值的指令信號。否則，在步驟186產(chǎn)生代表“關(guān)”指令值的指令信號。步驟184，186可使用一數(shù)模轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生指令信號，隨后輸出給致動器130。閥值可以調(diào)整使得產(chǎn)生希望的開/關(guān)工作循環(huán)。如果波動關(guān)于0對稱，0閥值可產(chǎn)生50％開50％關(guān)的工作循環(huán)。
在步驟180算法退出。算法170執(zhí)行一段時間，步驟174產(chǎn)生一系列值，其總體代表這段時間內(nèi)經(jīng)濾波的傳感器信號的值。步驟176，178，180施加一時間延遲或相移給在步驟174產(chǎn)生的每個值。根據(jù)相移值，步驟182，184，186產(chǎn)生一系列指令信號值，其總體代表該時間內(nèi)完整的指令信號。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會明白，盡管本公開實施例中的控制器包括程序化硬件，即由計算機(jī)的軟件執(zhí)行，但也可由其他形式代替，包括硬連線的硬件，集成電路形式制造的硬件，穩(wěn)固設(shè)備，及其組合。應(yīng)當(dāng)了解盡管所公開的實施例包括一具有周期采樣信號的數(shù)字系統(tǒng)，本發(fā)明還可采用具有連續(xù)信號的模擬系統(tǒng)，或數(shù)字和模擬系統(tǒng)的組合。另外，盡管在本最佳實施例中的控制系統(tǒng)采用恒定的增益和預(yù)定的相移，但不排除使用具有可變增益和可變相移的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。另外，控制器可包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和電結(jié)構(gòu)。
參見圖13，圖表190顯示本發(fā)明的一些可能的優(yōu)點。圖表190有兩個曲線192，194，其提供圖2實施例的信息。其他實施例一般提供略小程度的衰減。實線192表示本發(fā)明的燃燒器壓力的波動值。虛線194表示沒有本發(fā)明時的值。與圖6的圖表120一樣，圖表190中波動值表示為多個頻率分量，每個分量的值不同于其他分量。比較曲線192和194，表明本發(fā)明提供基本頻率的波動值10.5psi的降低。
本發(fā)明不論燃料與空氣比值如何都提供波動值的降低。
本發(fā)明表明預(yù)混合與進(jìn)入燃燒器的燃料流率的調(diào)整不相干。預(yù)混合器固有的混合不抵消燃料流率的調(diào)整，盡管燃料在預(yù)混合噴嘴中的停留時間可比調(diào)整時間長。即使在調(diào)整的燃料流率包括進(jìn)入預(yù)混合器的總?cè)剂狭髀手械暮苄∫徊糠?，例?/3，1/5，1/10，1/20，1/50時也是如此。遞進(jìn)的小的分?jǐn)?shù)可例如提供使用較小和較快的響應(yīng)、較輕的重量、或較小的能量消耗的致動器閥門的可能。
盡管本發(fā)明參照最佳實施例進(jìn)行了描述，本說明書不是用于限制。該優(yōu)選實施例的各種變形及其附加實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，正如所附權(quán)利要求書中所述的那樣。因此，例如，盡管本優(yōu)選實施例公開了本發(fā)明的控制燃燒不穩(wěn)定性的應(yīng)用，本發(fā)明并不限于此。本發(fā)明可采用任何合適的方式。基于發(fā)明概念的各種變化和變形仍將落在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于具有氣體燃料供給器和燃燒氣體燃料和空氣的混合物的燃燒器的系統(tǒng)的裝置，燃燒器內(nèi)有一壓力和一放熱率，壓力值和放熱率值中的至少一個是變化的，該裝置包括來自氣體燃料供給器的第一氣體燃料流，第一氣體燃料流具有準(zhǔn)穩(wěn)定流率；來自氣體燃料供給器的第二氣體燃料流；燃料致動器，接收第二氣體燃料流，并以一調(diào)整的流率提供一調(diào)整的氣體燃料流；預(yù)混合器，接收第一氣體燃料流和調(diào)整的氣體燃料流，混合氣體燃料流和空氣，形成氣體燃料和空氣的混合物，并提供該混合物；以及響應(yīng)燃燒器內(nèi)的壓力值和放熱率值中的至少一個的變化的裝置，用于控制燃料致動器以減少燃燒器內(nèi)的壓力值和放熱率值中的至少一個的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，用于控制的裝置包括傳感器，檢測壓力值和放熱率值中的一個的變化，并提供其指示信號；控制裝置，響應(yīng)傳感器的信號并產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，傳感器包括一壓力傳感器，檢測壓力值的變化，并提供其指示信號，控制裝置具有響應(yīng)該傳感器的信號的裝置，以產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，調(diào)整的氣體燃料流占供給預(yù)混合器的總氣體燃料流的一小部分。
5.一種用于具有氣體燃料供給器和燃燒氣體燃料和空氣的混合物的燃燒器的系統(tǒng)的裝置，燃燒器內(nèi)有一壓力和一放熱率，壓力值和放熱率值中的至少一個是變化的，該裝置包括燃料致動器，接收來自氣體燃料供給器的氣體燃料流，并響應(yīng)一指令信號以一第一調(diào)整的流率提供一第一調(diào)整的氣體燃料流；壓力致動燃料閥，接收第一調(diào)整的氣體燃料流，并響應(yīng)第一調(diào)整的氣體燃料流的壓力，以第二調(diào)整的流率提供第二調(diào)整的氣體燃料流；預(yù)混合器，接收所述的第二調(diào)整的氣體燃料流，混合氣體燃料流和空氣，形成氣體燃料和空氣的混合物，并提供該混合物給燃燒器；以及響應(yīng)壓力值和放熱率值中的至少一個的變化的裝置，用于提供一指令信號給致動器以減少燃燒器內(nèi)的壓力值和放熱率值中的至少一個的變化。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，用于控制的裝置包括傳感器，檢測壓力值和放熱率值中的一個的變化，并提供其指示信號；控制裝置，響應(yīng)傳感器的信號并產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，傳感器包括一壓力傳感器，檢測壓力值的變化，并提供其指示信號，控制裝置具有響應(yīng)該傳感器的信號的裝置，以產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
8.一種用于具有氣體燃料供給器和燃燒氣體燃料和空氣的混合物的燃燒器的系統(tǒng)的裝置，燃燒器內(nèi)有一壓力和一放熱率，壓力值和放熱率值中的至少一個是變化的，該裝置包括燃料致動器系統(tǒng)，接收來自氣體燃料供給器的氣體燃料流，并響應(yīng)一指令信號以一調(diào)整的流率提供一調(diào)整的氣體燃料流；多個預(yù)混合器，所述多個預(yù)混合器中的一部分接收調(diào)整的氣體燃料流，其他的預(yù)混合器接收準(zhǔn)穩(wěn)定流率狀態(tài)的氣體燃料流，所述多個預(yù)混合器混合氣體燃料流和空氣，形成氣體燃料和空氣的混合物，并提供該混合物給燃燒器；以及響應(yīng)燃燒器中壓力值和放熱率值中的至少一個的變化的裝置，用于控制燃料致動器，以減少燃燒器內(nèi)的壓力值和放熱率值中的至少一個的變化。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，用于控制的裝置包括傳感器，檢測壓力值和放熱率值中的一個的變化，并提供其指示信號；控制裝置，響應(yīng)傳感器的信號并產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，傳感器包括一壓力傳感器，檢測壓力值的變化，并提供其指示信號，控制裝置具有響應(yīng)該傳感器信號的裝置，以產(chǎn)生用于控制燃料致動器的指令信號。
11.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，提供給預(yù)混合器的第二調(diào)整的氣體燃料流只占供給預(yù)混合器的氣體燃料流的一部分，其他部分包括準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的氣體燃料流。
12.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，壓力致動燃料閥具有一開啟壓力，其至少兩倍于燃燒器的最大預(yù)期壓力值。
13.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，第二調(diào)整的氣體燃料流的平均流率為供給燃燒器的總的燃料流的約0.01至0.33倍之間。
14.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，混合物的等效的燃料與空氣比例在約0.4至0.6之間。
15.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，提供給一部分預(yù)混合器的調(diào)整的氣體燃料流只占供給該一部分預(yù)混合器的燃料流的一部分，其他部分包括準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的燃料流。
16.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，調(diào)整的氣體燃料流的平均流率為供給燃燒器的總的燃料流的約0.01至0.33倍之間。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，調(diào)整的燃料流的平均流率為供給燃燒器的總的燃料流的約0.001至0.33倍之間。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，調(diào)整的燃料流的平均流率為供給燃燒器的總的燃料流的約0.01至約0.16倍之間。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，混合物的等效的燃料與空氣比例在約0.4至0.6之間。
20.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置包括測量所述傳感器信號以產(chǎn)生指示燃燒器內(nèi)的壓力值的測量信號的裝置；根據(jù)所述測量信號產(chǎn)生相移信號的裝置；以及根據(jù)所述相移信號產(chǎn)生所述指令信號的裝置。
21.一種用于具有燃料致動器的系統(tǒng)的控制器，該燃料致動器用于接受氣體燃料和一指令信號，并根據(jù)該指令信號以一調(diào)整的流率供給氣體燃料，該系統(tǒng)還包括一預(yù)混合器，該預(yù)混合器用于接受來自燃料致動器的調(diào)整的氣體燃料流，混合氣體燃料和空氣，并將氣體燃料和空氣混合物提供給燃燒器，該控制器包括確定燃料致動器的致動的裝置，該致動使得致動器以調(diào)整的流率供給氣體燃料；以及產(chǎn)生表示所述的燃料致動器的所述致動的指令信號的裝置。
22.如權(quán)利要求21所述的控制器，其特征在于，該系統(tǒng)還包括一提供表示燃燒器內(nèi)的壓力值的波動的傳感器信號的傳感器，所述確定裝置根據(jù)所述傳感器信號來確定致動，從而燃燒器內(nèi)的混合物的燃燒實現(xiàn)所述波動值減少。
23.如權(quán)利要求22所述的控制器，其特征在于，所述的確定裝置包括測量所述傳感器信號的裝置，以產(chǎn)生一表示燃燒器內(nèi)的壓力值的測量信號；和根據(jù)所述測量信號產(chǎn)生一相移信號的裝置。
24.如權(quán)利要求23所述的控制器，其特征在于，所述的產(chǎn)生指令信號的裝置包括接收所述相移信號和根據(jù)其產(chǎn)生指令信號的裝置。
25.減少燃燒氣體燃料和空氣的混合物的燃燒器(48)內(nèi)燃燒不穩(wěn)定性的系統(tǒng)，該燃燒器具有預(yù)混合器(44)，其特征在于第一燃料管線(104)以準(zhǔn)穩(wěn)定流率向預(yù)混合器供給氣體燃料；以及第二燃料管線(106)以一根據(jù)表示可能的燃燒不穩(wěn)定性的信號調(diào)整的流率向預(yù)混合器供給氣體燃料。
26.一種減少燃燒氣體燃料和空氣的混合物的燃燒器(48)內(nèi)燃燒不穩(wěn)定性的方法，該燃燒器具有預(yù)混合器(44)，其特征在于給預(yù)混合器的燃?xì)饬鞲鶕?jù)表示可能的燃燒不穩(wěn)定性的信號而調(diào)整。
全文摘要
一種用于具有氣體燃料供給器和燃燒器的系統(tǒng)的裝置包括:一燃料致動器,一控制器和一預(yù)混合器?？刂破鳟a(chǎn)生表示燃料致動器的致動的指令信號。致動器接收流體燃料供給器的氣體燃料,并根據(jù)指令信號以一調(diào)整的燃料流率將其送出。預(yù)混合器接受來自致動器的燃料,混合燃料和空氣,并將混合物提供給燃燒器。
文檔編號F02C3/22GK1244645SQ9910713
公開日2000年2月16日 申請日期1999年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者杰弗里·M·科恩, 南?！·雷伊, 岡薩洛·J·雷伊, 克拉斯·A·雅各布森 申請人:聯(lián)合工藝公司