专利名称：燃气轮机的压力测量装置、燃烧器和燃料供应的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力测量装置，用于燃气轮机内燃烧介质的压力 测量，燃气轮机包含用于向燃气轮机的燃烧室供应处于未燃烧状态的 燃烧介质的燃烧器，压力测量装置包含限定压力测量位置的测量点。 进一步地，本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧器。此外，本发明涉 及一种包含上述燃烧器的燃气轮机。本发明也涉及一种测量燃气轮机 内的燃烧介质的压力的方法，燃气轮机包含用于向燃气轮机的燃烧室 提供处于未燃烧状态的燃烧介质的燃烧器。进一步地，本发明涉及一 种用于燃气轮机的燃烧器，燃气轮机具有燃料供应装置以将燃料供入 燃烧器，燃烧器被配置用于混合燃料与含氧气体以产生供应给燃气轮 机的燃烧室的燃烧介质。更进一步地，本发明涉及一种包含此种燃烧 器的燃气轮机。此外，本发明涉及一种控制对燃气轮机的燃烧器的燃 料供应的方法，在燃烧器中燃料与含氧气体混合以产生供应给燃气轮 机的燃烧室的燃烧介质。
背景技术：
燃气轮机通常包含一个或多个通常通向环形燃烧室的燃烧器。每 个燃烧器均被供应液态或气态的燃料，燃料在燃烧器的混合部分中与 例如为空气的含氧气体混合形成燃烧介质。随后，燃烧介质被供应至燃 烧室用于燃烧。为了监控燃烧过程，至少三个压力测量装置以压力探 测器形式放置于燃烧室内。压力探测器通过管道系统连接到典型的环 形燃烧室的外壁。压力探测器的测量点通常沿着燃烧室周边内侧不对 称地放置。压力探测器具有测量燃烧室内所含燃烧介质的任何压力脉 动的功能。
但是，由压力探测器测量得到的结果可能难以得到解释。此外， 管道系统可引发故障，这将导致燃气轮机的停工以便维修。
为了有效地利用燃气轮机燃料，尽可能地减少燃烧介质中包含的燃 料比例。在这种也被称为贫燃烧模式的工作模式下，燃烧室中的火焰 经常工作在近于不稳定状态下，往往导致燃烧室中出现压力脉动的危
5险。如果压力脉动由燃烧室中的压力探测器检测到，控制设备从探测 器读出信号并以计数器平衡扰动压力脉动的方式影响供应给特定燃烧
器的燃料。
但是，出现在传统燃气轮机的燃烧室中的压力脉动并非总是被充 分控制。
发明内容
本发明一个目的在于提供一种包含压力测量装置的燃气轮机以及 一种上述的压力测量的方法，其允许得到燃气轮机的燃烧室中压力脉 动的更正确和更可靠的信息。
上述目的依照本发明通过提供上述压力测量装置得以实现，压力 测量装置配置为被布置成使得测量点位于燃气轮机的燃烧器内部。此
燃烧器被设置包^该种压力测;装置。i力测量装i为i于燃2器的 附加元件，其被至少部分地布置在燃烧器内。此外，该目的还依照本 发明通过提供包含这种燃烧器的燃气轮机而实现。该目的也依照本发 明通过提供一种上述方法而实现，在燃气轮机的燃烧器内测量压力。
本发明的另 一个目的在于提供一种包括上述种类的燃烧器的燃气 轮机以及一种上述种类的方法，由此可更有效地控制燃气轮机的燃烧 室中的压力脉动。
上述目的依照本发明通过提供一种上述种类的燃烧器而实现，燃 烧器具有压力测量装置以测量所述燃烧介质的压力，压力测量装置包 括限定所述压力测量的位置的测量点，测量点位于所述燃烧器内，燃 烧器进一步具有控制装置，被配置为基于压力测量控制燃料供应装置 的燃料供应和/或基于压力测量控制对燃烧器的空气供应。压力测量装 置为属于燃烧器的附加元件。进一步，该目的依照本发明通过提供一 种包含这种燃烧器的燃气轮机而实现。此外，该目的依照本发明通过
提供一种上述种类的方法而实现，包括步骤测量燃烧器内燃烧介质 的压力，具体是测量燃烧介质的压力脉动，并基于压力测量控制燃料 供应和/或基于压力测量控制对燃烧器的燃料供应。
通过相对于燃烧器布置压力测量装置，使得测量点位于燃气轮机 的燃烧器内，可得到更可靠的包含在燃烧室中的介质的脉动检测。燃烧器内部具有与燃烧室内不同的配置。因此，测量误差可以成功地被 避免，例如在将压力测量装置放置在燃烧室内的情况下可能产生的与 压力脉动的脉动节点中的测量位置有关的测量误差。
由于对燃烧室中出现脉动的可靠检测，控制装置可相应地调整燃 料供应，从而非常有效地控制燃烧室中的压力脉动。
通过将测量点布置依照本发明的燃烧器内，压力测量装置可进一 步工作于高灵敏度的范围内。燃烧过程的火焰典型地被限定于燃烧室，
与燃烧室内压力脉动相比，反射入燃烧器的压力脉动规模因此被缩减。 因此，压力测量装置可工作于高灵敏.度范围内，允许高冲奇度测量压力。
此外，因为燃烧过程的火焰通常限制在燃烧室中，所以与燃烧室 内的压力脉动相比，反射入燃烧器的压力脉动等级缩减了。因此压力 测量装置工作在高灵敏度范围内，其允许高精度地测量压力。
燃烧器内包含的燃烧介质的体积通常小于燃烧室内包含的燃烧介 质的体积。因此，燃烧器内的可能的脉动没有燃烧室内的强。此外，
依照本发明的解决方案，压力脉动对测量系统的导致压力测量系统崩 溃的破坏性影响可最终被避免。
此外，由于可独立地测量每一个供应燃烧介质给燃烧室的燃烧器 内的压力，因此可以很容易地监控单个燃烧器对压力脉动的影响。
性时，相应燃烧器的工作条件可被单独地调整以消除不同的压力脉动 特性。因此，燃烧室内的压力脉动可以非常精确的方式来控制。
此外，通过从燃气轮机拆下压力探测器部分或整个燃烧器，依照 本发明的压力测量装置可容易地进行更换或移走用于功能性测试。这 就允许简单的维护操作，因为无需在燃烧室内为上述目的进行操作。 此外，燃烧室内无需用于压力测量装置的特定连接物。
因此，带有依照本发明的压力测量装置的已装配燃气轮机的升级 可容易地通过仅仅向每个已有燃烧器添加创新性的压力测量装置而实 现。同样，已有燃烧器可替换为具有创新性压力测量装置的燃烧器。
此外，依照本发明的压力测量装置可用于了解燃烧室内声学模式， 该燃烧室已发展为在单个燃烧室中附接大量燃烧器，例如三十个燃烧 器。在每个关联燃烧器的压力测量装置处测得的信号可用于了解在连 接到这样大量燃烧器的燃烧室中发展的高频模式。方便地，控制装置被配置用于基于压力测量控制由燃料供应装置 供应的燃料的速率和/或压力。由此，燃烧介质中的燃料含量可调整， 其导致了燃烧室中燃烧模式的调整。
更优选地，压力测量装置被配置为检测燃烧介质中的压力脉动， 并且控制装置被配置为响应于检测到的压力脉动而修改燃料供应。优 选地，控制装置被配置为响应于燃烧介质中压力脉动的检测而增加燃 料供应的速率。具体地，如果压力脉动超过给定阈值则增加燃料供应 的速率。如果燃烧室工作在贫燃烧条件下，该测量特别有用。这种情 况下，火焰总是位于不稳定的边缘。如果不稳定发生，沿火焰长度方 向的压力波动就会产生。关联燃烧器中的测量装置检测该波动并增加 供应给给定燃烧器的燃料速率。燃烧介质中丰富燃料含量的结果阻止 了压力脉动的扩大并强制火焰回到稳定状态。有益地，逐渐回到贫燃 烧通过控制装置的预编程顺序的手段而实现。
如果压力测量装置布置在燃料供应装置中，则是更优选的。压力 测量装置和燃料供应装置也可为相同结构的部件。优选地，压力测量 装置具有燃料注射中心喷管的形状以将燃料注入燃烧器。这种燃料注 射喷管为本领域公知并特别地用于将液体燃料注入燃烧器的混合部 分。此外，对于不具有这种燃料注射喷管的燃烧器，例如使用气体燃 料的燃烧器，包含具有燃料注射喷外形这样的压力测量装置与总体燃 烧室设计很相配，在已有燃烧室设计中可很容易地翻新这样的压力测 量装置。此外，根据燃烧器内的流体动态，可优化这种燃料注射喷管 的设计。在已有燃料注射喷管的燃烧器情形下，例如使用液体燃料的 燃烧器，仅须将现有燃料注射喷管更换为包括依照本发明的压力测量 功能的燃料注射喷管。
如果压力测量装置包括压力传感器或包括用于将物理压力转化为
例如是电信号的信息信号的转换器，则更加有益。压力传感器可被配 置使用硅、石英和/或电介质薄膜作为传感器材料。压力传感器也可包 含光学传感器。
有益地，燃烧器包括混合部分用于通过混合含氧气体和燃料来产 生燃烧介质，例如混合空气和燃料，压力测量装置配置为被布置成使 得测量点位于燃烧器混合部分内。如此，燃烧器混合部分内的压力可 由压力测量装置测得。燃烧室中压力波动通常引起燃烧器混合部分中可预测的压力变化。因此，测量混合部分内的压力允许非常精确和可 靠地监控关联燃烧室中压力的脉动。
在特别有益的实施方式中，压力测量装置具有细长形状。优选地， 压力测量装置至少部分是圆柱形和/或成杆状。由于其细长形状，压力 测量装置可容易地安装成至少部分地在燃烧器内延伸，测量点位于混 合部分内而不干扰燃烧器内给定流体动力学特性。燃烧器通常呈具有 纵轴线的管状外形。压力测量装置优选地被配置为按照它的细长形状 排列平行于燃烧器的纵轴线延伸进行布置。优选地，压力测量装置可 至少部分地布置在管状燃烧器的中心。这种情形下，具有平行于纵轴 线的优选流向的燃烧器内的流体动力学特性不受压力测量装置存在的 影响。
如果压力测量装置包括将压力测量装置附接至燃烧器的附接元件 和具有细长形状的延伸元件，则是更优选地，在这里测量点相对于附 接元件位于延伸元件的远端部。如此，使用附接元件可将压力测量装 置附接至管状燃烧器的端壁。由于延伸元件的细长外形，压力测量装 置够到其远端部而进入混合部分。这就允许精确测量燃烧室内压力波 动而不会干扰燃烧器内流体动力学特性。
在进一步优选的实施方式中，压力测量装置包括将测量点连接至 压力传感器的导流探测通道。因此，压力传感器可布置在压力测量装 置中的不同于测量点的位置。具体地，压力传感器可布置在燃烧器外。 压力传感器相对于燃烧室优选地布置在燃烧器的远端部分。在这种情 形下，相对于从燃烧室发出的压力变化的可能破坏性影响，压力传感 器安装在安全位置。通过将压力传感器布置远离测量点，压力传感器 定位距燃烧室中热源相当远的距离处。因此，压力传感器可保持在合 理的低工作温度下。优选地，压力传感器距离燃烧室足够远以保持其
工作温度低于500。C。
如果压力测量装置具有用于将燃料注入燃烧器的燃料注射中心喷 管的外形和/或功能，则是进一步有益的。这种燃料注射喷管为本领域
公知，并具体用于注射液体燃料进入燃烧器的混合部分。此外，对于 不具有这种燃料注射喷管的燃烧器，例如使用气体燃料的燃烧器，包
括这种具有燃料注射喷管外形的压力测量装置很适合总体燃烧器设计 在现有燃烧器设计很容易对此进行翻新。此外，可根据燃烧器内流体动力学特性优化这种燃料注射喷管的设计。对于已有燃料注射喷管的 燃烧器而言，例如使用液体燃料的燃烧器，已有燃料注射喷管仅需替 换为包含依照本发明的压力测量装置的燃料注射喷管。
如果压力测量装置包括用于将物理压力转化为例如电信号的信息 信号的压力传感器，则是更优选的。压力传感器也可称为转换器，具 体地其被配置为允许动态压力测量。因此，测量点处的压力可以随时 间测量。压力随时间变化的信息允许对存在于燃烧室中的压力脉动的 性质做非常精确的分析。压力传感器可配置为使用硅、石英和/或电介 质薄膜作为传感器材料。压力传感器也可包括光学压力传感器。
在更优选实施方式中，压力测量装置包含导流探测通道，其连接 测量点至压力传感器。因此，压力传感器可布置在压力测量装置中的 不周于测量点的位置。具体地，压力传感器可布置在燃烧器外。压力 传感器相对于燃烧室优选地布置在燃烧器的远端部分处。这种情形下， 相对于从燃烧室发出的压力变化的可能破坏性影响，压力传感器安装 在安全位置处。通过将压力传感器布置远离测量点，压力传感器可定 位在距燃烧室中热源相当远的距离处。因此，压力传感器可保持在合 理的低工作温度。优选地，压力传感器距离燃烧室足够远以保持其工
作温度低于500。C。
如果压力传感器布置在测量点处，则是更优选的。在这种布置下， 可得到特别精确的压力测量。
如果压力传感器包括光学压力传感器，则是更优选的。具体地，
该光学压力传感器可为光导纤维压力传感器，其有益地包含附接至柔 性膜的光导纤维布拉格光栅，作为压力检测装置。这种光学压力传感 器允许非常精确的压力测量。光学压力传感器可工作在高温环境，甚 至工作在温度超过50(TC的环境下。因此其可位于靠近燃烧室的测量 点，其导致非常精确的压力测量。
在依照本发明的有益实施例中，燃烧器具有带纵轴线的管状外形， 压力测量装置布置成其细长外形平行于纵轴线延伸，具体地处于燃烧 器的中心。因此，压力测量装置大体上沿着纵轴线延伸，即相对于管 状燃烧器半径范围处于其内部中心。
在依照本发明的燃气轮机的有益实施例中，燃气轮机包括多个创 新性燃烧器，控制装置被配置用于基于单个燃烧器中各自的压力测量
10单独控制对每个燃烧器的燃料供应。通过单个地调节燃烧器，最合适 动。 '、、'、、 ''' P '"、"、-
上述本发明压力测量装置的特征可相应地转换成创新性方法。本 发明的公开内容应该包括了由此得到的创新性方法的有益实施例。
以下参照下列附图详细描述本发明，其中
图l为具有依照本发明的压力测量装置的第一实施方式的燃气轮 机燃烧器的一种实施方式的正视图； 图2为依照图1沿II-II线的剖视图； 图3为依照图1沿III-III线的剖视图4为可布置在图2所示燃烧器的由IV所标区域的依照本发明的 压力测量装置的第二实施方式的顶端剖视图，以及
图5为依照本发明的压力测量装置第三实施方式的详细剖视图。
具体实方式
图1和图2描述了燃气轮机用的燃烧器10的一种实施方式。典型地， 多个该种燃烧器10连接到燃气轮机的环形燃烧室，用于提供以在燃气 轮机燃烧室中实施燃烧过程所需的燃料/气体混合物的形式的燃烧介 质。因此，这些燃烧器典型地被布置在燃烧室周围。
如图2所示，燃烧器10沿着纵轴线18延伸并包含燃料供应部分12、 混合部分14和稳定部分16。在燃料供应部分12中，燃料以液体或气体 形式被提供给混合部分14。在混合部分14中，空气被从外部通过气孔 36引入并与燃料混合以形成燃料/空气混合物形式的燃烧介质。混合部 分14具有在所供应燃料的流动方向上根据图2从左到右定向地膨胀的 锥体形状。混合部分14通向稳定部分16,该稳定部分16具有圆柱外形 且被设计为稳定燃烧燃料的流体动力特性。稳定部分16接入燃烧室， 该燃烧室根据图2跟随稳定部分14的右侧端部，但未显示在图中。在燃 烧室中，燃料燃烧以向燃气轮机提供动力。
燃料供应部分12设有中心燃料喷管形状的压力测量装置20的第一 实施例。压力测量装置20布置在燃料供应部分12的相对于纵轴线18的延伸半径的中心中。
在图2和图3所示实施方式中，压力测量装置20被配置用于也执行 燃料喷管的功能。压力测量装置20包括附接元件22以将压力测量装置 20附接至燃料供应部分12的外壳30。接着附接元件22的是沿着燃烧器 10的纵轴线18延伸的细长形状的延伸元件24。延伸元件24延伸通过燃 料供应部分12并进入混合部分14。相对于附接元件22，延伸元件24的 顶部或远端部26位于混合部分14内。
测量点28定位在延伸元件24的远端部26处，混合部分14内的燃烧 介质的压力可在此测量。这是通过可位于测量点28处也可通过导流揮: 测通道与测量点28相连的压力传感器50实现的。这种情形下，图2中未 详示的压力传感器50也可位于压力测量装置外。
图2显示了用于将气体形式燃料供入燃烧器10的第一燃料进口32。 燃料通过燃料进口32进入燃烧器10并随后导入围绕压力测量装置20的 延伸元件24的内部气体管道34。图3显示了用于提供气体形式燃料的第 二流体进口 42,该第二流体进口连接至围绕内部气体管道34的外部气 体管道44。图3还显示了设计用于提供流体形式燃料的第三燃料进口 38。燃料进口38连接至管道40以在压力测量装置20内输送液体燃料， 如前面在该实施方式中所提及的，压力测量装置20用作中心燃料喷管 以将液体燃料供入混合部分14 。
图4显示了压力测量装置20第二实施方式的延伸元件24末端部的 示意图。延伸元件24的该末端部对应压力测量装置20的包含在图2的IV 区域中的那部分。该末端部包含转换器形式的压力传感器50,该压力 传感器通过装置20远端26中的小孔48暴露给燃烧介质。
图5显示了依照本发明的压力测量装置20的第三实施方式。该装置 20包含附接元件22，附接元件22包括附接孔60以将该装置20附接至燃 烧器10的外壳30。对应于根据图2的该装置20,接着附接元件22的是具 有远端部26或顶部的延伸元件24。在远端部26附近，压力传感器50包 含在延伸元件24中。在根据图5的实施方式中的压力传感器50被配置作 为光学传感器，其包含光导纤维52、光学透镜54和布拉格光栅56。
在压力测量装置20的进一步实施方式中(图中未显示)，压力传 感器50也可布置在该装置20的进料侧62上。在这种情形下，导流探测 通道在延伸元件24内延伸，是从延伸元件24的远端部26处的测量点28开始延伸。通过这个探测通道，测量点28处的压力变化被导给布置在 该装置20外面的压力传感器。
权利要求
1.一种压力测量装置(20)，用于燃气轮机内的燃烧介质的压力测量，该燃气轮机包括燃烧器(10)，该燃烧器向所述燃气轮机的燃烧室供应处于未燃烧状态的所述燃烧介质，该压力测量装置(20)包括限定所述压力测量的位置的测量点，其特征在于所述压力测量装置(20)被配置为布置成使得所述测量点(28)位于所述燃气轮机的所述燃烧器(10)内。
2. 根据权利要求l所述的压力测量装置，其特征在于所述燃烧器 (10)包括混合部分(14),该混合部分通过混合含氧气体和燃料产生所述燃烧介质，所述压力测量装置(20)被配置为布置成使得所述测 量点(28)位于所述燃烧器(10)的所述混合部分(14)内。
3. 根据权利要求1或2所述的压力测量装置，其特征在于所述压 力测量装置(20)具有细长外形。
4. 根据前述权利要求任一项所述的压力测量装置，其特征在于 所述压力测量装置(20)包括附接元件(22)和细长形状的延伸元件(24 )，所述附接元件将所述压力测量装置(20 )附接至所述燃烧器(10 )， 所述测量点(28)相对于所述附接元件(22)位于所述延伸元件(24) 的远端部(26)。
5. 根据前述权利要求任一项所述的压力测量装置，其特征在于 所述压力测量装置(20)具有用于将燃料注入所述燃烧器(10)的燃 料注射中心喷管的外形和/或功能。
6. 根据前述权利要求任一项所述的压力测量装置，其特征在于 所述压力测量装置(20)包括用于将物理压力转换为信息信号的压力 传感器(50),该压力传感器具体地配置为进行动态压力测量。
7. 根据权利要求6所述的压力测量装置，其特征在于具有导流探 测通道，该导流探测通道将所述测量点(28)连接至所述压力传感器(50)。
8. 根据权利要求6所述的压力测量装置，其特征在于所述压力传 感器(50)布置在所述测量点(28)处。
9. 根据权利要求6至8任一项所述的压力测量装置，其特征在于 所述压力传感器(50)包括光学压力传感器。
10. —种用于燃气轮机的燃烧器(10),该燃烧器(10)设有依照前述权利要求任一项所述的压力测量装置(20)。
11. 根据权利要求10所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于 所述燃烧器具有管状形状，该管状形状具有纵轴线(18),所述压力 测量装置(20)布置成使它的细长外形平行于所述纵轴线(18)延伸， 具体是位于所述燃烧器(10)中心。
12. —种用于燃气轮机的燃烧器(10),该燃气轮机具有将燃料供 入所述燃烧器(10)的燃料供应装置(20， 34， 44),该燃烧器(10) 被配置用于混合所述燃料与含氧气体以产生燃烧介质，该燃烧介质供应 给所述燃气轮机的燃烧室，其特征在于所述燃烧器(10)具有压力测量装置(20),该压力测量装置用于 所述燃烧介质中的压力测量，该压力测量装置包括限定所迷压力测量 的位置的测量点(28),所述测量点(28)位于所述燃烧器(10)内， 所述燃烧器(10)进一步具有控制装置(64),该控制装置被配置用 于基于所述压力测量控制所述燃料供应装置(20, 34, 44 )的燃料供 应和/或被配置用于基于所述压力测量控制对所述燃烧器(10)的空气 供应。
13. 根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于所述控制装置 (64)被配置用于基于所述压力测量控制由所述燃料供应装置(20,34, 44)供应的所迷燃料的速率和/或压力。
14. 根据权利要求12或13所迷的燃烧器，其特征在于所述压力测 量装置(20)被配置为检测所述燃烧介质中的压力脉动，所述控制装 置(64)被配置为响应于所述检测到的压力脉动而调整所述燃料供应。
15. 根据权利要求14所迷的燃烧器，其特征在于所述控制装置应燃料的速率。
16. 根据前述权利要求12至15任一项所述的燃烧器，其特征在于 所述压力测量装置(20)被布置在所述燃料供应装置(20)中。
17. 根据权利要求12至6任一项所述的燃烧器，其特征在于所述 压力测量装置(20)具有用于将燃料注入所述燃烧器(10)的燃料注 射中心喷管的外形。
18. —种燃气轮机，包括根据权利要求10至17任一项所述的燃烧器 (10)。
19. 根据权利要求18所述的燃气轮机，其特征在于所述燃气轮机 包括多个所述燃烧器(10),所述控制装置(64)被配置用于基于单 个燃烧器(10)中的各自压力测量而单独控制对每个燃烧器(10)的 燃料供应。
20. —种用于控制对燃气轮机的燃烧器(10)的燃料供应的方法， 在该燃烧器(10)中，所述燃料与含氧气体混合以产生供应给所述燃 气轮机的燃烧室的燃烧介质，其特征在于,包括如下步骤-测量所迷燃烧器(10)内的所述燃烧介质的压力，以及 -基于所述压力测量而控制对所述燃烧器(10)的所述燃料供应 和/或空气供应。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于基于所述压力测量 控制供应给所述燃烧器的所述燃料的速率和/或压力。
22. 根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于如果所述压力 测量检测到燃烧介质中的压力脉动，则调整所述燃料供应，具体是提 高所供应的所述燃料的速率。
全文摘要
本发明涉及一种压力测量装置(20)，用于测量燃气轮机内的燃烧介质的压力，该燃气轮机包括燃烧器(10)，该燃烧器用于向燃气轮机的燃烧室供应处于未燃烧状态的燃烧介质，压力测量装置(20)包括限定压力测量位置的测量点，其特征在于，压力测量装置(20)被配置以布置成使得所述测量点(28)位于燃气轮机的燃烧器(10)内。本发明进一步涉及一种用于燃气轮机的燃烧器以及一种向燃烧器供应燃料的方法。
文档编号F23R3/28GK101600905SQ200780049132
公开日2009年12月9日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年1月2日
发明者C·格沃德, N·-E·安德森 申请人:西门子公司