專利名稱：用于發電的陸上簡單循環pdc混合式發動機的控制系統的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及脈沖爆震發動機，并且更詳細地講，涉及包括用于控制啟動、停機 及由基于脈沖爆震燃燒器的混合式發動機產生的逐漸升高/逐漸降低(ramp up/down)的 功率的控制系統和方法的、用于發電的基于地面的簡單循環的脈沖爆震燃燒(PDC)發動 機。
背景技術：
脈沖爆震燃燒器通過燃燒氣體(通常為空氣)和碳氫燃料的混合物產生高壓及高 溫的爆震波。爆震波作為脈沖離開脈沖爆震燃燒器管道，由此提供推力。隨著脈沖爆震燃燒器(PDC)和脈沖爆震發動機(PDE)最近的發展，正在進行各種 努力，以便在諸如在航空發動機的實際應用場合中使用PDC/PDE，和/或諸如在基于地面的 發電系統中作為產生附加推力/推進力的手段來使用PDC/PDE。另外，人們還努力將PDC/ PDE設備應用到“混合”型發動機中，該“混合”型發動機使用常規的燃氣渦輪發動機技術和 PDC/PDE技術兩者的組合，以努力使運行效率最大化。以下討論將涉及這些應用中的任一 種。注意到，以下討論將涉及“脈沖爆震燃燒器”(即PDC)。但是，該術語的使用意圖包括 脈沖爆震發動機等等。認識到爆震引發可能不能在低壓及低溫的燃燒器入口條件下在所關注的燃 料-空氣混合物中實現，所以以下這一點將是有利的，即提供一種機構，以用于使由基于 PDC的混合式發動機產出的功率逐漸升高，直到燃燒器入口壓力和溫度使得能夠實現燃 料-空氣混合物的爆震引發。
發明內容
簡而言之，根據本發明的一個實施例，基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動 機控制系統包括可編程控制器，該可編程控制器由算法軟件引導，以響應功率差信號(該 功率差信號基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機產出的實際功率之間的差值)， 并且還響應關于PDC的燃料填充時間信號，來控制基于PDC的混合式發動機的旋轉軸速度、 關于PDC的進氣閥旋轉速度，以及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充 分數(fraction)和化學計量比，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速 模式中運行時，來自空氣壓縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。根據本發明的另一個實施例，基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機控制系 統包括可編程控制器，該可編程控制器由算法軟件引導，以響應相應的低壓渦輪(LPT)軸 速度，并且還響應關于PDC的燃料填充時間信號，來控制基于PDC的混合式發動機的旋轉軸 速度、關于PDC的進氣閥旋轉速度，以及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃 料填充分數和化學計量比，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式 中運行時，來自空氣壓縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。根據本發明的又一個實施例，基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機包括
4渦輪和壓縮機，該渦輪和壓縮機一起構造成具有公共的旋轉軸的單轉子發動機；PDC，該 PDC包括構造成在渦輪上提供時間上均勻的載荷平衡和空間上均勻的載荷平衡的多個多管 道脈沖放電燃燒器；控制系統，該控制系統包括可編程控制器，該可編程控制器由算法軟件 引導，以響應功率差信號(該功率差信號基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機產 出的實際功率之間的差值)，并且還響應關于PDC的燃料填充時間信號，來控制旋轉軸速 度、關于PDC的進氣閥旋轉速度，以及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料 填充分數和化學計量比，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式中 運行時，來自空氣壓縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。根據本發明的又一個實施例，基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機包括 渦輪和壓縮機，該渦輪和壓縮機一起構造成具有公共的旋轉軸的單轉子發動機；PDC，該 PDC包括構造成在渦輪上提供時間上均勻的載荷平衡和空間上均勻的載荷平衡的多個多管 道脈沖放電燃燒器；控制系統，該控制系統包括可編程控制器，該可編程控制器由算法軟件 引導，以響應相應的低壓渦輪(LPT)軸速度，并且還響應關于PDC的燃料填充時間信號，來 控制旋轉軸速度、關于PDC的進氣閥旋轉速度，以及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持 了所需的燃料填充分數和化學計量比，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式 或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相 匹配。根據本發明的又一個實施例，一種控制基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動 機的方法包括基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機產出的實際功率之間的差值 產生功率差信號；產生關于PDC的燃料填充時間信號；以及響應功率差信號和關于PDC的 燃料填充時間信號，控制基于PDC的混合式發動機的旋轉軸速度、關于PDC的進氣閥旋轉速 度，以及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充分數和化學計量比，并且 還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機的質 量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。根據本發明的又一個實施例，一種控制基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動 機的方法包括產生用于基于PDC的混合式發動機的相應的低壓渦輪(LPT)軸速度信號； 產生關于PDC的燃料填充時間信號；以及響應相應的LPT軸速度信號和關于PDC的燃料填 充時間信號，控制基于PDC的混合式發動機的旋轉軸速度、關于PDC的進氣閥旋轉速度，以 及關于PDC的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充分數和化學計量比，并且還使 得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機的質量空 氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。
當參照附圖閱讀以下詳細說明時，將會更好地理解本發明的這些及其它特征、方 面和有利之處，在全部附圖中，相同的符號代表相同的零件，其中圖1是根據本發明的一個實施例的簡化系統框圖，其顯示了用于發電的陸上 (land-based)的簡單循環的基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機；圖2是根據本發明的一個實施例的在圖1中描繪的PDC的截面軸向視圖；圖3是根據本發明的一個實施例的顯示控制系統的視圖，該控制系統用于在啟動、停機期間控制圖1中所描繪的基于PDC的混合式發動機，并用于控制由混合式發動機產 出的功率的逐漸升高及逐漸降低；圖4是顯示基于PDC的混合式發動機運行階段的視圖，該基于PDC的混合式發動 機運行由圖3中所描繪的控制系統來控制；以及圖5是根據本發明的一個實施例的、顯示了控制基于PDC的混合式發動機的方法 的流程圖。盡管以上標明的視圖闡明了備選的實施例，但是，如在討論中所說明的，還可以想 到本發明的其它實施例。在所有情況下，該公開內容通過陳述而不是限制來提出本發明的 所顯示的實施例。本領域的技術人員可設計出落在本發明原理的范圍和精神內的許多其它 變更和實施例。部件清單(10)陸上的簡單循環的基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發 動機(12)壓縮機(13)氣室(14)PDC(IS)進氣閥(19)PDC管道延長部分(20)燃料進入閥 (21)高壓渦輪(HPT) (22) PDC集束(23)氣室(24) PDC集束管道(26)爆燃燃燒器管道(27) 低壓渦輪(LPT) (28)高壓渦輪入口(30)基于PDC的混合式發動機控制系統(32)可編程 控制器(37)氣體噴嘴(38)加速階段(40)減速階段(42)燃料傳感器(44)火花點火裝置 (50)關于控制基于PDC的混合式發動機的方法的流程圖(52)流程圖(50)中所描繪的第一 步驟54)流程圖(50)中所描繪的第二步驟(56)流程圖(50)中所描繪的最終步驟
具體實施例方式增大或減小從常規的燃氣渦輪發動機輸送的功率，可簡單地通過調節發動機旋轉 速度和質量流率，并隨著相應的增大或減小的發動機旋轉速度來增加或減少燃料的量來實 現，以獲得所需的輸出功率。然而，與常規的燃氣渦輪發動機所要求的相比，基于PDC的混 合式發動機要求控制更多的操作變量，以引起所產生的發動機功率的所需的增大或減少。增大或減小從基于PDC的發動機輸送的功率仍然需要增大或減小發動機旋轉速 度。另外，基于PDC的發動機要求調節PDC操作的頻率，以便為相應的增大或減小的輸出功 率做準備。一個實例為以如下方式操作PDC 每秒鐘10次脈沖以達到10%的發動機輸出功 率，每秒鐘50次脈沖以達到50%的發動機輸出功率，每秒鐘100次脈沖以達到100%的發 動機輸出功率，等等。當然，PDC脈沖速率將取決于許多因素，包括(例如)基于PDC的混 合式發動機的類型和大小，并且可(例如)基于實際的試驗數據或歷史數據來探試性地確 定。根據在以下進一步詳細描述的特定的實施例，PDC脈沖速率通過以下方式來實現 即響應功率差信號(該功率差信號基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機產出的實 際功率之間的差值)，并且還響應關于PDC的燃料填充時間信號，來調節關于PDC的進氣閥 打開時間段及關于PDC的燃料填充時間段，使得所需的燃料填充分數和化學計量比得以保 持，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓 縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。圖5是根據本發明的一個實施例顯示了控制基于PDC的混合式發動機的方法的流 程圖。首先，如在框52中所顯示的，測量基于PDC的混合式發動機輸出功率。然后，如在框 54中所顯示的，產生基于所測得的發動機輸出功率與所需的發動機輸出功率的功率差信 號。最后，如在框56中所顯示的，響應功率差信號來調節基于PDC的混合式發動機的旋轉速
6度、進氣閥打開時間段以及基于燃料填充時間信號的關于PDC的燃料填充時間段，以便1) 實現所需的燃料分數和化學計量比，以及2)當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速 模式中運行時，使來自相應的空氣壓縮機的質量流率與由PDC吸入的質量流率相匹配。本文參照附圖所描述的實施例基于以下假設i.混合式發動機具有幾個集束 (bundle)；并且各集束為包括至少4個管道的多管道的PDC。集束的數目選擇成使得渦輪上 的載荷平衡在時間上是均勻的。管道的數目選擇成使得渦輪上的載荷平衡在空間上是均勻 的。ii.各PDC包括經閥調節的(valved)空氣流和經閥調節的燃料流。加燃料的時間可不 依賴于空氣閥旋轉速度來衡量。iii.渦輪和壓縮機安裝在同一根軸上(單轉子)。iv.在 渦輪上給定的載荷下，閥旋轉速度在方位方向上均勻并且連續。v. PDC管道徹底吹掃。沒有 殘余的燃燒產物保留在PDC管道中。吹掃分數+已加燃料分數=1.0。vi.填充馬赫數 0. 3 (使填充損失降低到最低程度)，并且由在給定的頻率及燃燒器入口條件下可用的填充 時間確定。vii.準爆震(爆震+高速爆燃)。本領域的技術人員將易于認識到，上述假設 可能適用或者可能不適用根據本文所述的新穎原理而構造及運行的其它發電的發動機實 施例。圖1是根據本發明的一個實施例的簡化系統框圖，其顯示了用于發電的陸上的簡 單循環的基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機10。壓縮機12產生壓縮空氣，并經由 氣室13將壓縮空氣供應給PDC14。通過相應的進氣閥18控制壓縮空氣到PDC集束管道24 的供應，該進氣閥18可以是例如旋轉型閥。從進氣閥18下游供應給各PDC集束管道24的 燃料通過相應的燃料進入閥20來控制。所產生的空氣/燃料混合物穿過PDC集束22 (在 圖2中進一步詳細地進行了描述)，并經過相應的氣體噴嘴37離開而進入PDC管道延長部 分19，該PDC管道延長部分19構造成經由渦輪入口 28將所產生的空氣/燃料混合物傳輸 給高壓渦輪21。然后，離開高壓渦輪的所產生的空氣/燃料混合物經由氣室23傳輸給低壓 渦輪27。來自壓縮機12的壓縮空氣也經由爆燃燃燒器管道26傳輸給高壓渦輪入口 28。圖2是根據本發明的一個實施例在圖1中所描繪的PDC燃燒器14的截面軸向視 圖。可以看出，PDC燃燒器14包括四個集束22，各集束22具有四個PDC管道24和單個爆 燃燃燒器管道26。各集束22將燃料/空氣混合物輸送到相應的渦輪入口 28。PDC管道24 布置成圓形的方式，以便在PDC14點火期間在高壓渦輪上提供平衡的載荷。圖3是根據本發明的一個實施例顯示控制系統30的視圖，該控制系統30用于在 啟動和停機期間控制圖1中所描繪的基于PDC的混合式發動機10，并用于控制由該混合 式發動機產出的功率的逐漸升高及逐漸降低。控制器32配置成以便控制包括壓縮機12、 卩0(14和渦輪21，27的渦輪機的速度。控制器32還配置成以便控制進氣閥18的旋轉速度， 并通過燃料進入閥20控制燃料填充時間。控制器32由算法軟件引導，該算法軟件響應固 定的設定值和感測變量來確定所需的渦輪機速度、進氣閥旋轉速度和燃料填充時間。由算法軟件使用的固定的設定值可包括(不限制)所需的輸出功率(作為額定的 基于PDC的混合式發動機功率的百分比)、燃料填充分數、燃料吹掃分數和化學計量比。由 算法軟件所使用的感測變量可包括(不限制)燃料填充長度、燃料供應壓力、燃料流率和所 產生的功率。通過使用發電發動機領域的技術人員熟知的一種或多種控制極限技術，可確定及 控制由基于PDC的混合式發動機產生的功率。這些控制極限可包括(不限制)速度極限、
7壓力極限、溫度極限和/或質量流量極限。為了簡明起見，并且為了提高關于本文所描述的 原理的清楚程度，這些已知的控制極限技術的進一步細節不在本文中進行討論。圖4是顯示基于PDC的混合式發動機運行的加速和減速階段38，40的視圖，該基 于PDC的混合式發動機運行由圖3中所描繪的控制器32控制。在加速模式38中，渦輪機 速度N逐漸升高至對應于額定功率條件的所需百分比的速度。該動作使通過系統的質量流 率( N)提高至對應于額定功率條件的所需百分比的質量流率。在減速模式40期間，根據本發明的一方面比例為N3的渦輪機速度N逐漸降低至 對應于額定功率條件的所需百分比的速度。該動作使通過系統的質量流率( N)降低至 對應于額定功率條件的所需百分比的質量流率。算法軟件使用以下根據特定的實施例由等式1-15代表的關系式來引導控制器 32，以控制渦輪機速度N、進氣閥18的旋轉速度θ valve和燃料進入閥20的燃料填充時間tff。 燃料填充時間tff通過保持燃料填充分數的燃料傳感器42來確定。吹掃時間tpurge也是已 知的，因為燃料填充時間tff固定。備選地，Vfill可使用由以下等式(3)，(7)，(8)和(14)限 定的關系式來確定，從而允許燃料填充時間tff也使用由以下等式(13)代表的關系式確定。 相對于參考時間，當PDC燃燒室內的靜壓力等于或小于上游的總壓力時的時間在 等式(11)中表示為tVQ，其中參考時間是閥18關閉、并且當火花通過火花點火裝置44引燃 時的時間。比例、。/、^固定，并且、_ € evalre。因此，對于給定功率水平，由以上 等式(3)，(9)，(10)和(11)可以看出，、作為渦輪機速度N的函數而按比例變化(scale) 0總結起來說，基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機包括控制系統30，該控制系統30包括可編程控制器32，該可編程控制器32由算法軟件引導，以響應功率差信號 (該功率差信號基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機10產出的實際功率之間的差 值)，并且還響應關于PDC14的燃料填充時間信號，來控制基于PDC的混合式發動機10的旋 轉軸速度、關于PDC14的進氣閥18打開時間段，以及關于PDC14的燃料填充時間段，使得所 需的燃料填充分數和化學計量比得以保持，并且還使得當基于PDC的混合式發動機10在加 速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機12的質量空氣流率與經由PDC14吸入的質量 空氣流率相匹配。在加速階段38期間，隨著產生的功率逐漸升高至額定功率值的指定百分比時，控 制變量(包括渦輪機的速度N、進氣閥18旋轉速度θ valve以及燃料填充時間tff)逐漸升高。 控制這些變量的作用在于使來自壓縮機12的質量流率與可通過PDC14吸入的質量流率相 匹配，其中來自壓縮機12的質量流率直接隨著壓縮機的速度N變化。這一點通過改變相應 的進氣閥18和燃料進入閥的開關頻率θ valve, tff來實現。使用本文所描述的系統和方法，基于PDC的混合式發動機功率可以以離散的間隔 (其可以是例如10%的間隔)逐漸升高或降低，一直到100%的功率條件。升高通過以下方 式實現，即隨著燃燒器入口壓力和溫度上升，從爆燃模式開始，直到脈沖爆震操作可行。降 低通過以下方式實現，即隨著燃燒器入口壓力和溫度下降，從脈沖爆燃模式開始，直到僅僅 爆燃模式可行。盡管本文僅顯示并描述了本發明的某些特征，但是，本領域的技術人員將想到許 多變更和變化。因此，應當理解，所附的權利要求旨在涵蓋落在本發明的真正精神內的所有 這樣的變更和變化。
權利要求
一種基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機控制系統(30)，所述控制系統(30)包括可編程控制器(32)，所述可編程控制器(32)由算法軟件(50)引導，以響應基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機(10)產出的實際功率之間的差的功率差信號，并且還響應關于所述PDC(14)的燃料填充時間信號，來控制所述基于PDC的混合式發動機(10)的旋轉軸速度、關于所述PDC(14)的進氣閥(18)旋轉速度以及關于所述PDC(14)的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充分數和化學計量比，并且還使得當所述基于PDC的混合式發動機(10)在加速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機(12)的質量空氣流率與經由所述PDC(14)吸入的質量空氣流率相匹配。
2.根據權利要求1所述的基于PDC的混合式發動機控制系統(30)，其特征在于，所述 基于PDC的混合式發動機(10)包括構造成在相應的渦輪(21)上提供時間上均勻的載荷平 衡和空間上均勻的載荷平衡的多個多管道脈沖放電燃燒器(14)。
3.根據權利要求1所述的基于PDC的混合式發動機控制系統(30)，其特征在于，所述 燃料填充時間段不依賴于所述進氣閥(18)旋轉速度。
4.根據權利要求1所述的基于PDC的混合式發動機控制系統(30)，其特征在于，在相 應的渦輪(21)上給定的載荷下，所述進氣閥(18)旋轉速度在方位方向上均勻并且連續。
5.根據權利要求1所述的基于PDC的混合式發動機控制系統(30)，其特征在于，所述 可編程控制器(32)進一步由算法軟件(50)引導，以響應PDC燃料進入閥(20)的關閉來控 制火花的點火。
6.一種基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機(10)，包括渦輪(21)和壓縮機(12)，所述渦輪(21)和壓縮機(12) —起構造成具有公共旋轉軸的 單轉子發動機；PDC(14)，所述PDC(14)包括構造成在所述渦輪(21)上提供時間上均勻的載荷平衡和 空間上均勻的載荷平衡的多個多管道脈沖放電燃燒器；以及控制系統(30)，所述控制系統(30)包括可編程控制器(32)，所述可編程控制器(32) 由算法軟件(50)引導，以響應基于所需的功率與由所述基于PDC的混合式發動機(10) 產出的實際功率之間的差的功率差信號，并且還響應關于所述PDC(14)的燃料填充時間 信號，來控制所述旋轉軸速度、關于所述PDC(14)的進氣閥(18)旋轉速度以及關于所述 PDC (14)的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充分數和化學計量比，并且還使得當 所述基于PDC的混合式發動機(10)在加速模式(38)或減速模式(40)下運行時，來自空氣 壓縮機(12)的質量空氣流率與經由所述PDC(14)吸入的質量空氣流率相匹配。
7.根據權利要求6所述的基于PDC的混合式發動機(10)，其特征在于，所述燃料填充 時間段不依賴于所述進氣閥(18)旋轉速度。
8.根據權利要求6所述的基于PDC的混合式發動機(10)，其特征在于，在相應的渦輪 (21)上給定的載荷下，所述進氣閥(18)旋轉速度在方位方向上均勻并且連續。
9.一種基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機(10)，包括渦輪(21)和壓縮機(12)，所述渦輪(21)和壓縮機(12) —起構造成具有公共旋轉軸的 單轉子發動機；PDC (14)，所述PDC (14)包括構造成在所述渦輪(21)上提供時間上均勻的載荷平衡和 空間上均勻的載荷平衡的多個多管道脈沖放電燃燒器(22)；以及控制系統(30)，所述控制系統(30)包括可編程控制器(32)，所述可編程控制器(32) 由算法軟件(50)引導，以響應相應的低壓渦輪(LPT) (27)軸速度，并且還響應關于所述 PDC(14)的燃料填充時間信號，來控制所述旋轉軸速度、關于所述PDC(14)的進氣閥(18)旋 轉速度，以及關于所述PDC(14)的燃料填充時間段，使得保持了所需的燃料填充分數和化 學計量比，并且還使得當所述基于PDC的混合式發動機(10)在加速模式(38)或減速模式 (40)下運行時，來自空氣壓縮機(12)的質量空氣流率與經由所述PDC(14)吸入的質量空氣 流率相匹配。
10.根據權利要求9所述的基于PDC的混合式發動機(10)，其特征在于，所述燃料填充 時間段不依賴于所述進氣閥(18)旋轉速度。
全文摘要
本發明涉及用于發電的陸上簡單循環PDC混合式發動機的控制系統。一種基于脈沖爆震燃燒器(PDC)的混合式發動機控制系統包括由算法軟件引導的可編程控制器，以響應相應的低壓渦輪(LPT)軸速度信號或者功率差信號(該功率差信號基于所需的功率與由基于PDC的混合式發動機產出的實際功率之間的差值)，并且還響應PDC的燃料填充時間信號，來控制基于PDC的混合式發動機的旋轉軸速度、PDC的進氣閥旋轉速度及PDC的燃料填充時間段，使得所需的燃料填充分數和化學計量比得以保持，并且還使得當基于PDC的混合式發動機在加速模式或減速模式中運行時，來自空氣壓縮機的質量空氣流率與經由PDC吸入的質量空氣流率相匹配。
文檔編號F02C9/48GK101915167SQ200910215178
公開日2010年12月15日 申請日期2009年12月22日 優先權日2008年12月22日
發明者A·拉希德, K·M·欣克利, N·D·喬世, V·E·唐吉拉拉 申請人:通用電氣公司