專利名稱：用于在渦輪發(fā)動機中噴射水的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及渦輪發(fā)動機，并且更具體地涉及一種用于噴射水的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
渦輪發(fā)動機可包括接收和燃燒壓縮空氣和燃料以產(chǎn)生熱燃燒氣體的一個或多個 燃燒器。在有些工作條件(例如，液體燃料工作)下，可將水噴射到燃燒器中，以減少氮氧 化物(NOx)和/或一氧化碳(CO)的排放物，以及其它的排氣排放物。令人遺憾的是，在起 動狀態(tài)期間，水管線路中可能出現(xiàn)流動不穩(wěn)定。例如，在水噴射系統(tǒng)與水噴射系統(tǒng)上游的壓 力調節(jié)閥之間可能會出現(xiàn)壓力振蕩。更具體而言，壓力調節(jié)閥在水噴射系統(tǒng)啟用期間可能 未能轉變至低流速。這些流動不穩(wěn)定可造成利用液體燃料的渦輪發(fā)動機的設置(setup)和 工作方面的較大延遲。
發(fā)明內(nèi)容
在范圍上與初始要求得到專利保護的發(fā)明相匹配的一些實施例在下文中進行了 概述。這些實施例并非旨在限制要求得到專利保護的本發(fā)明的范圍，而是這些實施例僅意 圖提供本發(fā)明可能形式的簡要概括。實際上，本發(fā)明可包含與下文闡述的實施例相似或不 同的多種形式。在第一實施例中，一種系統(tǒng)包括構造成用以將水從壓力調節(jié)閥供送至渦輪發(fā)動機 的水歧管的水噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括排泄閥，其構造成用以在水噴射系統(tǒng)的起動時段期 間從壓力調節(jié)閥排泄至少一部分水，至少直到在壓力調節(jié)閥的下游達到穩(wěn)定的水壓。在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括構造成用以控制進入渦輪發(fā)動機的水歧管的水流 的水噴射控制器。水噴射控制器還構造成用以基于在起動時段期間的流動不穩(wěn)定來控制壓 力調節(jié)閥下游的水流。在第三實施例中，一種方法包括控制排泄閥來使壓力調節(jié)閥與水噴射系統(tǒng)之間的 水壓穩(wěn)定。該方法還包括在通過控制排泄閥穩(wěn)定水壓之后，啟動水噴射系統(tǒng)以將水輸送給 渦輪發(fā)動機的水歧管。
當參照附圖閱讀如下詳細描述時，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將變得 更容易理解，所有附圖中的相似標號表示相似的零件，在附圖中圖1為根據(jù)本技術的一些實施例的具有構造成用以在啟動之前形成穩(wěn)定水流的 水噴射系統(tǒng)的渦輪系統(tǒng)的框圖；圖2為根據(jù)本技術的一些實施例的如圖1中所示的水噴射系統(tǒng)的框圖；圖3為根據(jù)本技術的一些實施例的如圖1中所示的渦輪系統(tǒng)的剖面?zhèn)纫晥D；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的在如圖3中所示的線4-4內(nèi)所截取的燃燒器的剖面?zhèn)纫晥D；圖5為根據(jù)本技術的一些實施例的如圖4中所示的燃料噴嘴的剖面?zhèn)纫晥D；圖6為根據(jù)本技術的一些實施例的在啟動之前形成進入水噴射系統(tǒng)中的穩(wěn)定水 流的方法的流程圖；圖7為根據(jù)本技術的一些實施例的確定是否已經(jīng)滿足水噴射系統(tǒng)的啟動標準的 方法的流程圖；圖8為根據(jù)本技術的一些實施例的啟動水噴射系統(tǒng)的方法的流程圖；圖9為根據(jù)本技術的一些實施例的在未形成穩(wěn)定流動時起動水噴射系統(tǒng)期間水 流速對時間的圖表；以及圖10為根據(jù)本技術的一些實施例的在已形成穩(wěn)定流動時起動水噴射系統(tǒng)期間水 流速對時間的圖表。
具體實施例方式下文將描述本發(fā)明的一個或多個特定實施例。為了提供對這些實施例的簡要描 述，在說明書中可不描述實際實現(xiàn)方式的所有特征。應認識到的是，在任何這些實際實現(xiàn)方 式的開發(fā)中，如任何工程或設計項目中一樣，必須作出許多特定實現(xiàn)方式的決定，以達到開 發(fā)者的特定目標，如遵循關于系統(tǒng)和關于商業(yè)的約束，這可能從一種實現(xiàn)方式變化成另一 種實現(xiàn)方式。此外，應當認識到的是，這些開發(fā)工作可能很復雜和耗時，但對于擁有本文的 利益的普通技術人員來說，仍為設計、制作和生產(chǎn)的常規(guī)任務。在介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，用詞“一”、“一個”、“該”，以及“所述”用來
意指存在一個或多個元件。用語“包括”、“包含”，以及“具有”旨在為包括性的，且意指存在 除所列元件外的其它元件。本公開內(nèi)容的實施例可減小水噴射系統(tǒng)內(nèi)在起動時段期間的流動不穩(wěn)定。一些實 施例可包括聯(lián)接到水管線路上的排泄閥，該水管線路將壓力調節(jié)閥連接到水噴射系統(tǒng)上。 在起動時段期間，如果滿足水噴射系統(tǒng)的啟動標準，則可開啟排泄閥。在排泄閥開啟的情況 下，水從壓力調節(jié)閥流動至水噴射系統(tǒng)和排泄裝置(drain)兩者。在水噴射系統(tǒng)的入口處 檢測到穩(wěn)定的水流之后，水噴射系統(tǒng)便可啟動。在達到經(jīng)過水噴射系統(tǒng)的期望流速之后，排 泄閥便可關閉。最后，水流速可基于經(jīng)過渦輪系統(tǒng)的燃料流上升至期望的水平。以這種方 式，便可在起動時實現(xiàn)經(jīng)過水噴射系統(tǒng)的穩(wěn)定水流，從而有助于使適量的水流至渦輪發(fā)動 機。現(xiàn)轉到附圖，且首先參看圖1，示出了燃氣輪機系統(tǒng)10的一個實施例的框圖。該 圖包括燃料噴嘴12、燃料源14，以及燃燒器16。如圖所示，燃料源14向渦輪系統(tǒng)10引導 液體燃料和/或諸如天然氣的氣體燃料，經(jīng)由燃料噴嘴12進入燃燒器16中。燃料噴嘴12 構造成用以噴射燃料和使其與壓縮空氣相混合。燃燒器16點燃且燃燒燃料_空氣混合物， 且之后使熱的加壓排氣進入渦輪18中。排氣經(jīng)過渦輪18中的渦輪葉片，從而驅動渦輪18 旋轉。繼而，在渦輪18中的葉片與軸19之間的聯(lián)接又引起軸19旋轉，如圖所示，軸19還 聯(lián)接到整個渦輪系統(tǒng)10的多個構件上。最后，燃燒過程的排氣可經(jīng)由排氣出口 20排出渦 輪系統(tǒng)10。在渦輪系統(tǒng)10的一個實施例中，壓縮機導葉(vane)或葉片作為壓縮機22的構件而包括在內(nèi)。壓縮機22內(nèi)的葉片可聯(lián)接到軸19上，且將會在軸19受到渦輪18驅動而旋 轉時進行旋轉。壓縮機22可經(jīng)由空氣進口 24將空氣引入到渦輪系統(tǒng)10中。此外，軸19 可聯(lián)接到負載26上，該負載26可通過軸19的旋轉而被供以動力。如所認識到的那樣，負 載26可以是可通過渦輪系統(tǒng)10的旋轉輸出產(chǎn)生動力的任何適合的裝置，如發(fā)電設備或外 部機械負載。例如，負載26可包括發(fā)電機、飛機螺旋槳等?？諝膺M口 24通過諸如冷空氣進 口的適合機構將空氣30吸入到渦輪系統(tǒng)10中，用于隨后通過燃料噴嘴12將空氣30與燃 料源14相混合。如下文將詳細描述的那樣，由渦輪系統(tǒng)10吸收的空氣30可通過壓縮機22 內(nèi)的旋轉葉片進給和壓縮成加壓空氣。如箭頭32所示，加壓空氣然后可進給到燃料噴嘴12 中。燃料噴嘴12然后可混合加壓空氣和燃料(由標號34示出)，以產(chǎn)生適合的混合比率來 用于燃燒(例如，促使燃料更完全地燃盡的燃燒)，以免浪費燃料或產(chǎn)生過多排放物。在一些實施例中，系統(tǒng)10可包括經(jīng)由燃料噴嘴12來噴射水，以減少與液體燃料工 作相關的排放物。例如，水噴射系統(tǒng)36可將水供送至燃料噴嘴12。水噴射系統(tǒng)36可為諸 如撬裝式(skid-mounted)單元的獨立單元，其與渦輪系統(tǒng)10是分離的或獨立的。同樣，水 噴射系統(tǒng)36與水源38可以是分離的或獨立的。因此，水噴射系統(tǒng)36可接收來自于水源38 的水，且然后用作中間件來將水引導至渦輪系統(tǒng)10 (例如，水噴射歧管)。如圖所示，水可流 過在水源38與水噴射系統(tǒng)36之間的壓力調節(jié)閥40。壓力調節(jié)閥40自動地調整水流，以達 到所期望的水壓。然而，壓力調節(jié)閥40可由于水噴射系統(tǒng)36和渦輪系統(tǒng)10的較高用水需 求而構造成以高流速(非低流速)工作。結果，在水噴射系統(tǒng)起動的低流速期間，在壓力調 節(jié)閥40處和/或閥40與水噴射系統(tǒng)36之間可能產(chǎn)生水壓振蕩。
在所公開的實施例中，一些控制器件顯著減小或抑制水壓振蕩，以便在低水流和/ 或起動狀態(tài)期間提供穩(wěn)定的水流，從而減少與液體燃料的設置和工作相關的停機時間和復 雜程度。例如，渦輪系統(tǒng)10包括排泄閥42，其構造成用以在水噴射系統(tǒng)啟用期間開啟以形 成穩(wěn)定的流動。當控制器44確定適合啟動水噴射系統(tǒng)36時，則控制器44便指示排泄閥42 開啟。水然后流過排泄閥42，直到水壓穩(wěn)定。一旦控制器44檢測到穩(wěn)定的水流，則控制器 44便啟動水噴射系統(tǒng)36。然后，當達到所期望的水流速時，控制器44便關閉排泄閥42。以 此方式，便在啟動水噴射系統(tǒng)36之前形成了穩(wěn)定的水流。圖2表示圖1中所示的水噴射系統(tǒng)36的詳細框圖。水從水源38經(jīng)由壓力調節(jié)閥 40和水管45流至水噴射系統(tǒng)36。排泄管線46連接到在壓力調節(jié)閥40下游和水噴射系統(tǒng) 36上游的水管45上。進入排泄管線46的水流過排泄閥42、孔口 48、手動隔離閥50，且最終 流出排泄裝置。排泄閥42構造成用以在啟動水噴射系統(tǒng)36之前開啟以形成穩(wěn)定的水流。 孔口 48構造成用以限制經(jīng)由排泄管線46的流動。例如，在一些實施例中，排泄管線46的 直徑大于大約0.5、1、1.5、2、2.5、3或3.5英寸，或其間的任一直徑。例如，如果排泄管線46 具有大約2英寸的直徑，則孔口 48的直徑可為大約0. 25至0. 75英寸、0. 3至0. 7英寸、0. 4 至0. 6英寸或大約0. 47英寸。結果，孔口 48可限制水流，使得只有大約20至90加侖、30 至80加侖、40至70加侖或大約60加侖的水在水噴射系統(tǒng)起動期間流過排泄管線46。排 泄管線46和孔口 48的直徑可基于水流標準而變化。例如，較大的直徑可用于使用較大水 流速的渦輪系統(tǒng)。此外，手動隔離閥50沿孔口 48下游的排泄管線46設置。手動隔離閥50 用于在水噴射系統(tǒng)36不工作時將水噴射系統(tǒng)36與排泄裝置隔離開。例如，如果渦輪系統(tǒng) 依靠氣體燃料工作，則水噴射系統(tǒng)36可保持在較長的時段內(nèi)不起作用。因此，手動隔離閥50可關閉成用以密封水噴射系統(tǒng)36。如前文所述，水經(jīng)由水管45進入水噴射系統(tǒng)36中。壓力傳感器52可設置在水噴 射系統(tǒng)36內(nèi)鄰近入口 53。壓力傳感器52通信地聯(lián)接到控制器44上，且構造成用以將表示 水壓的信號發(fā)送給控制器44。例如，在起動期間，壓力傳感器52可測量水壓波動，且將表示 這些波動的信號發(fā)送給控制器44。控制器44然后可分析該信號，以確定波動是否在啟動水 噴射系統(tǒng)的設立參數(shù)內(nèi)。水噴射系統(tǒng)36部分地通過接合水泵54來啟動。如圖2中所見，各水泵54均由馬 達56驅動，該馬達56由可變頻率驅動器(VFD) 58控制。VFD 58有助于連續(xù)地改變泵用馬 達的速度。例如，VFD 58可改變供送至泵用馬達56的電頻率，使得泵用馬達56可以不同速 度工作。改變泵用馬達56的速度可使流過泵54的水量變化。VFD 58通信地聯(lián)接到控制器 44上，使得控制器44可啟動泵54且改變其能力。例如，當期望低的水流速時，控制器44可 通過VFD 58來命令泵54以低能力工作。相反，在高的用水需求的時段期間，控制器44可 命令VFD 58增大泵54的能力。圖2中所表示的實施例包括并行連接的兩個泵54。然而， 其它實施例可使用布置為并行或串流構造的更多或更少的泵54。壓力傳感器60聯(lián)接到泵54下游的水噴射系統(tǒng)36上，且構造成用以測量流出泵54 的水的壓力。壓力傳感器60通信地聯(lián)接到控制器44上，且構造成用以將表示水壓的信號 發(fā)送給控制器44?；谠撔盘枺刂破?4可調整泵的工作，以到達所期望的水壓。流量計 62設置在壓力傳感器60的下游，且構造成用以測量流出泵54的水流速。流量計62通信地 聯(lián)接到控制器44上，且構造成用以發(fā)送表示流速的信號，使得控制器44可調整泵的工作， 以達到所期望的流速。目標水流速基于渦輪系統(tǒng)的需求。例如，在高渦輪負載的時段期間， 目標水流速可增大。在此狀態(tài)下，控制器44可增大泵速，直到流量計62指示已經(jīng)達到目標 流速。停止閥64設置在流量計62的下游。停止閥64在水噴射系統(tǒng)36不工作時可關閉， 而在水噴射系統(tǒng)36啟動時可開啟。當不期望噴射水(例如，在氣體燃料工作期間)時，停 止閥64可阻擋水進入渦輪發(fā)動機中。停止閥64通信地聯(lián)接到控制器44上，使得控制器44 可響應于水噴射系統(tǒng)36的啟動來開啟停止閥64。來自水噴射系統(tǒng)36的水流向定位在水噴射系統(tǒng)36下游的水噴射歧管66。在一些 實施例中，水噴射歧管66包括圍繞渦輪發(fā)動機設置的圓柱形部件，其中，歧管66構造成用 以將水輸送給各燃燒器。水噴射歧管66可向渦輪系統(tǒng)內(nèi)的各燃燒器提供相等的水流。在 進入燃燒器之前，水流過流量配比(flow proportioning)閥68，該配比閥68構造成用以將 水流分配給燃燒器內(nèi)的各燃料噴嘴。水然后可進入燃燒器中，且與燃料和空氣相結合來減 少渦輪系統(tǒng)的排放物。圖3示出了渦輪系統(tǒng)10的一個實施例的剖面?zhèn)纫晥D，該渦輪系統(tǒng)10可結合具有所公開的實施例的流動穩(wěn)定器件的水噴射系統(tǒng)36使用。如上文所述，所公開的實施例穩(wěn)定 水噴射系統(tǒng)36上游的水流，以便使渦輪系統(tǒng)10能夠利用液體燃料和噴射水來容易地設置 和工作。如圖所示，該實施例包括聯(lián)接到環(huán)形陣列的燃燒器16上的壓縮機22。例如，十八 個燃燒器16可定位在渦輪系統(tǒng)10中。各燃燒器16均包括一個或多個燃料噴嘴12，其將空 氣燃料_混合物進給至定位在各燃燒器16內(nèi)的燃燒區(qū)。例如，各燃燒器16均可包括為環(huán) 形或其它適合布置的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個燃料噴嘴12。在燃燒器16內(nèi)燃 燒空氣_燃料混合物將會促使渦輪18內(nèi)的導葉或葉片在排氣朝排氣出口 20傳送時進行旋轉。圖4為燃燒器16的一個實施例的詳細剖面?zhèn)纫晥D的示圖，該燃燒器16可連同具 有所公開的實施例的流動穩(wěn)定器件的水噴射系統(tǒng)36來結合渦輪系統(tǒng)10使用。如上文所述， 所公開的實施例穩(wěn)定水噴射系統(tǒng)36上游的水流，以便使渦輪系統(tǒng)10能夠利用在各燃燒器 16中噴射液體燃料和水來容易地設置和工作。如圖所示，燃燒器16包括燃料噴嘴12，該燃 料噴嘴12在燃燒器16的基部或頭部端71處附接到端蓋70上。燃燒器16的典型布置可 包括五個或六個燃料噴嘴12。燃燒器16的其它實施例可使用單個的大型燃料噴嘴12。燃 料噴嘴12的表面和幾何形狀設計成用以提供最佳混合物和用于空氣和燃料在其向下游流 動進入燃燒器16時的流動通路，從而使得能夠增強在腔室中的燃燒，因而在燃氣輪機中產(chǎn) 生更多動力。燃料混合物從燃料噴嘴12朝方向72向下游排放到燃燒器外殼76內(nèi)的燃燒 區(qū)74中。燃燒區(qū)74為燃燒器16內(nèi)最適合點燃空氣-燃料混合物的位置。在所示的實施 例中，燃燒區(qū)74定位在燃燒器外殼76內(nèi)，在燃料噴嘴12的下游且處于過渡件78的上游， 過渡件78將加壓排氣引向渦輪18。過渡件78包括收斂段，其使得速率能夠在燃燒的排氣 流出燃燒器16時增大，從而產(chǎn)生較大的力來使渦輪18轉動。繼而，排氣又促使軸19旋轉， 以驅動負載26。在一個實施例中，燃燒器16還包括定位在外殼76內(nèi)的襯套80，用以提供 用于冷卻空氣流的中空環(huán)形通路，該冷卻空氣流冷卻圍繞燃燒區(qū)74的外殼76。襯套80還 可提供適合的輪廓來改善從燃料噴嘴12到渦輪18的流動。
圖5為示例性燃料噴嘴12的剖面?zhèn)纫晥D，該燃料噴嘴12可連同具有所公開的實 施例的流動穩(wěn)定器件的水噴射系統(tǒng)36來結合燃燒器16使用。如上文所述，所公開的實施 例穩(wěn)定水噴射系統(tǒng)36上游的水流，以便使渦輪系統(tǒng)10能夠利用經(jīng)由燃料噴嘴12的液體燃 料和噴射水來容易地設置和工作。具體而言，燃料噴嘴12構造成用以將空氣、水、液體燃料 和氣體燃料供送至燃燒器16。燃料噴嘴12包括后部供送段82和前部輸送段84。后部供 送段82包括構造成用以接收來自于燃燒器頭部端71的流體的入口。前部輸送段84構造 成用以將流體輸送給燃燒器16的燃燒區(qū)。氣體燃料進入氣體入口 86，且經(jīng)由氣體通道88 流至氣體燃料噴射器90。氣體燃料噴射器90包括構造成用以將氣體燃料從噴射器90傳 遞至燃燒器16的開孔92。同樣，空氣進入環(huán)形空氣入口 94，流過空氣通道96，且流出孔口 98。以此方式，空氣從燃燒器頭部端71朝燃燒區(qū)74流動。水進入環(huán)形的水入口 100，且流 過水通道102。液體燃料進入液體燃料入口 104，且流過液體燃料通道106。水和液體燃料 兩者均經(jīng)由孔口 108流出燃料噴嘴12。如所認識到的那樣，將水加入燃料-空氣混合物中 會減少NOx和CO的排放物。圖6表示在啟動水噴射系統(tǒng)36之前形成穩(wěn)定水流的方法110的流程圖。首先，如 方框112所代表的，檢驗水噴射系統(tǒng)啟動標準，以確定是否可啟動水噴射系統(tǒng)36。如下文 詳細描述的那樣，水噴射系統(tǒng)36可響應于一些渦輪系統(tǒng)10的工作條件而啟動。如果滿足 這些條件，如方框114所代表的，則開啟排泄閥42。開啟排泄閥42容許水從壓力調節(jié)閥40 流入排泄裝置中。接下來，如方框116所代表的，測量在通向水噴射系統(tǒng)36的入口 53處的水壓，以 確定是否已形成穩(wěn)定的水壓。當壓力在特定時間期間保持在期望壓力的指定容限內(nèi)時，則 水壓穩(wěn)定。例如，在一些實施例中，用于啟動水噴射系統(tǒng)所期望的水壓大致為65psi (每平 方英寸磅數(shù))。在該構造中，可形成+/_5psi的容限和5秒的最少時間。換言之，如果水壓保持在大約60psi與70psi之間達大約5秒，則方法110可繼續(xù)至下一個步驟。包括期望壓力、容限和最少時間的這些流動穩(wěn)定參數(shù)可基于渦輪系統(tǒng)10的構造而變化。例如，期望 的壓力可為大約30至120psi、40至100psi、50至80psi，或大約65psi。此外，容限可小于 大約1、2、3、4、5、6、7或8psi，或其間的任一壓力。同樣，最少時間可大于大約1、2、3、4、5、 6、7或8秒，或其間的任一時間。如果未形成穩(wěn)定的水壓，則方法110可重復步驟116，直到水壓穩(wěn)定。此外，方法 110可使用一個超時時段，在該超時時段之后，通知操作人員未形成穩(wěn)定的水流。例如，可制 定大約30秒的超時時段。在該構造中，如果在進入步驟116之后的大約30秒內(nèi)未形成穩(wěn) 定的水流，則通知操作人員該情況，以便可采取校正動作(例如，關閉壓力調節(jié)閥40)。在備 選實施例中，可使用更短或更長的超時時段。例如，該超時時段可大于大約10、20、30、40、50 或60秒，或其間的任一時間。如方框118所代表的，如果形成了穩(wěn)定的水壓，則可啟動水噴射系統(tǒng)36。如下文詳 細描述的那樣，啟動水噴射系統(tǒng)36可涉及一系列步驟，包括打開泵54和開啟停止閥64。一 旦啟動水噴射系統(tǒng)36，方法110便進行至步驟120，且確定是否已形成期望的水流速。例如， 在一些實施例中，所期望的水噴射流速在大約30至150加侖/分(gpm)之間、60至120gpm 之間、80至IOOgpm之間，或大約90gpm。該流速可對應于排泄流能力的倍數(shù)。例如，排泄流 能力可在大約10至50gpm之間、20至40gpm之間、25至35gpm之間或大約30gpm。此外，在 水噴射系統(tǒng)入口 53處的期望的水流速可為排泄流速的大約2、2.5、3、3. 5或4倍，或其間的 任一倍數(shù)。例如，如果排泄流能力為大約30gpm，而倍數(shù)為大約3，則水噴射系統(tǒng)入口 53處 的期望的流速可為大約90gpm。其它實施例可使用不同的倍數(shù)和/或不同的排泄和/或水 噴射入口流速。此外，可使用另一超時，使得如果在水噴射系統(tǒng)啟動之后的一定時間期間內(nèi) 未形成期望的流動，則通知操作人員。在一些實施例中，該超時時段可為大約1至10分鐘、 3至7分鐘、4至6分鐘或大約5分鐘。例如，如果在大約5分鐘之后未形成期望的水流速， 則通知操作人員，以便可采取校正動作(例如，停用水噴射系統(tǒng)36)。在備選實施例中，該超 時時段可更長或更短。如方框122所代表的，如果已經(jīng)形成期望的水噴射系統(tǒng)流速，則關閉排泄閥42。排 泄閥42可構造成用以在一定的時間期間內(nèi)關閉。例如，一些實施例可在大約5至60秒、10 至50秒、20至40秒或大約25秒的時段內(nèi)關閉排泄閥。一旦排泄閥42關閉，則基本上所有 來自水源38的水便流入水噴射系統(tǒng)36中，且最終流入燃料噴嘴12中。這里，如方框124所 代表的，水噴射流速可上升到目標水平。目標水平對應于渦輪系統(tǒng)10的水流標準。例如， 在高負載情況期間，渦輪系統(tǒng)10可使用增大的水流速來確保渦輪系統(tǒng)10在規(guī)定的排放水 平內(nèi)工作。圖7示出了一個實施例中的在圖6的方框112中執(zhí)行的步驟的詳細流程圖。方框 112確定是否已滿足水噴射系統(tǒng)的啟動標準。如方框126所代表的，第一標準為水噴射系 統(tǒng)沒有故障。例如，控制器44可查詢在水噴射系統(tǒng)36內(nèi)的各個構件(例如，泵54、停止閥 64等)，以確定其是否為工作的。如果構件為不工作的，則不期望啟動水噴射系統(tǒng)36，因為 該系統(tǒng)即便工作也是無效率的。然而，如果沒有檢測到水噴射系統(tǒng)故障，則方法112可進行 至下一個步驟。如方框128所代表的，下一個步驟確定渦輪系統(tǒng)10是否僅依靠液體燃料工作。如前文所述，渦輪系統(tǒng)10可依靠液體燃料和/或氣體燃料工作。在氣體燃料工作的時段期間， 可在不使用噴射水的情況下滿足規(guī)定的排放物要求。因此，步驟128將水噴射系統(tǒng)的啟動 限制于液體燃料工作，其中，噴射水可將排放物降低到期望的水平。如方框130所代表的，如果渦輪系統(tǒng)10只依靠液體燃料工作，則可檢查燃料流，以 確定是否已形成了足以噴射水的燃料流速。在低燃料流的時段期間，可在不啟動水噴射系 統(tǒng)36的情況下滿足排放物要求。因此，通過在該狀況下暫停噴射水可減少水的使用。然 而，在高燃料流的時段期間，噴射水可用于將渦輪系統(tǒng)排放物降低到可接受的水平。結果， 水噴射系統(tǒng)36響應于(或一旦達到)目標流速而啟動。如方框132所代表的，如果渦輪系 統(tǒng)的燃料流超過目標流速，則可監(jiān)測燃燒器溫度來確定其是否達到足以啟動水噴射系統(tǒng)的 水平。類似于步驟130，在不使用噴射水的情況下，渦輪系統(tǒng)10在一些燃燒器溫度狀況內(nèi)的 工作可產(chǎn)生在規(guī)定限度內(nèi)的排放物。因此，當燃燒器溫度超出該范圍時，則可啟動水噴射系 統(tǒng)36。如方框134所代表的，如果渦輪系統(tǒng)10在期望的燃燒器溫度下工作，則可測量渦 輪負載，以確定負載是否足以啟動水噴射系統(tǒng)36。例如，當啟用渦輪系統(tǒng)10時，則渦輪速度 可在施加負載之前逐漸地增大到期望的水平。對于發(fā)電而言，可在接合發(fā)電機之前啟動渦 輪且將其設定至期望的轉速。一般而言，渦輪系統(tǒng)10空載時，渦輪系統(tǒng)10的排放物不會超 過所設立的水平。因此，在感測到足夠的負載之前，可不啟動水噴射系統(tǒng)36。最后，如方框136所代表的，測量在水噴射系統(tǒng)入口 53處的壓力， 以確定壓力是否 已達到期望的水平。例如，在一些實施例中，該壓力可為大約10至60psi、20至40psi、25 至35psi或大約30psi。其它實施例可使用更高或更低的水噴射系統(tǒng)啟用壓力。如果已形 成期望的壓力，則步驟112完成，且在水噴射系統(tǒng)啟動之前形成穩(wěn)定流動的方法可繼續(xù)。然 而，如果未形成期望的壓力，則可在超時時段之后通知操作人員該情況。在一些實施例中， 該超時時段可大于大約10、15、20、25、30、35、40或45秒，或其間的任一時間。例如，如果從 步驟136開始已過去了大約30秒且未形成期望的系統(tǒng)入口壓力，則可通知操作人員，且可 采取校正動作來解決該情況。圖8示出了一個實施例中的在圖6的方框118中執(zhí)行的步驟的詳細流程圖。步驟 118包括用于啟動水噴射系統(tǒng)36的步驟。首先，如方框138所代表的，設定最小目標水噴射 流速。該最小流速有助于在使流動上升到期望的水平之前形成經(jīng)過水噴射系統(tǒng)36的穩(wěn)定 流動。如方框140所代表的，一旦設定最小目標水噴射流速，便啟動水噴射泵54。如前文 所述，控制器44可通過指示VFD 58接合泵用馬達56來啟動泵54。一旦接合泵54，則整個 水噴射系統(tǒng)36的水壓便增大。在如方框144所代表的開啟停止閥64之前執(zhí)行如方框142 所代表的時間延遲，以有助于該壓力的增大。一旦停止閥64開啟，則水便可經(jīng)由水歧管66 流至渦輪系統(tǒng)10的燃料噴嘴12，完成自水源38的流動通路。這里，如方框146所代表的， 水噴射流速上升到目標水平。目標水平可基于燃料流速確定。例如，在燃料流增加的時段 期間可使用較高的水流速，以確保符合排放物標準。一旦達到期望的水噴射流速，則形成穩(wěn) 定水流的方法便可繼續(xù)。圖9為在未形成穩(wěn)定流動時啟動水噴射系統(tǒng)期間水流速對時間的圖表。在該圖所 代表的狀態(tài)中，控制器44并不在水噴射系統(tǒng)起動期間啟動排泄閥42。曲線148代表期望 的水流速，曲線150代表實際水流速，曲線152代表在通向水噴射系統(tǒng)36的入口 53處的水壓，以及曲線154代表受控的水噴射泵輸出。期望的水流速由渦輪系統(tǒng)10確定?；谝恍?參數(shù)(例如，燃燒器溫度、燃料流速等)，渦輪系統(tǒng)10計算足以使排放物降低到可接受水平 的期望的水流速。如曲線148所示，渦輪系統(tǒng)10然后將表示該期望流速的電子信號發(fā)送給 水噴射系統(tǒng)的控制器44。曲線150代表由水噴射系統(tǒng)36所產(chǎn)生的實際水流速。在水噴射系統(tǒng)工作期間，期 望的是，實際水流速與期望的水流速大致一致。如可從圖9看到的那樣，實際水流速150并 未追隨期望的水流速148。如下文詳細闡述的那樣，這種弱相關歸因于在水噴射系統(tǒng)36內(nèi) 的流動不穩(wěn)定。如曲線152所示，入口壓力在大約20秒處急劇下降。該壓降156歸因于在水噴射 系統(tǒng)36內(nèi)的流動不穩(wěn)定。如曲線154所示，水噴射泵54大致在入口壓降156的同時啟動。 如前文所述，壓力調節(jié)閥40構造成用以自動地調整流動以達到期望的壓力。同樣，水噴射 系統(tǒng)36構造成用以自動地改變泵的能力以達到期望的流速。當水噴射泵54啟動時，在壓 力調節(jié)閥40與泵54之間的相互作用在水噴射系統(tǒng)36內(nèi)產(chǎn)生振蕩，這是因為壓力調節(jié)閥40 并未構造成用以從零流動工作過渡至低流動工作。在壓降156處，壓力調節(jié)閥40設定成完 全開啟，以補償振蕩。第二水壓降158在大約45秒處開始，其中，在壓力調節(jié)閥40與泵54 之間的相互作用造成水的入口壓力急劇下降。最后，水噴射系統(tǒng)36終止流動160且重新初 始化。如曲線152所示，在水噴射系統(tǒng)入口 53處的水壓在流動終止160時下降至大致為零。 因此，水噴射系統(tǒng)36關閉，這是因為存在極少的水流入泵54中。然后，該過程重復，直到第 二流動終止162，此時，進行第三次嘗試來啟動水噴射系統(tǒng)36。如從圖9中所見，所有三次 嘗試均未成功。換言之，實際水流150永遠不會與期望的水流148大致一致。
圖10為在形成穩(wěn)定流動時啟動水噴射系統(tǒng)期間水流速對時間的圖表。曲線164 代表期望的水流速，曲線166代表實際水流速，曲線168代表在水噴射系統(tǒng)入口 53處的水 壓，以及曲線170代表受控的泵能力。如從曲線164和166所見，實際水流速緊緊地追隨期 望的水流速，表示水噴射系統(tǒng)成功起動。在大約20秒處，排泄閥40開啟172。如從曲線168所見，在排泄閥42開啟172之 后大約五秒達到174穩(wěn)定的水壓。如前文所述，當壓力保持在期望壓力的指定容限內(nèi)達特 定的時間期間時，則水壓穩(wěn)定。在當前的實施例中，用于啟動水噴射系統(tǒng)的期望水壓為大約 65psi。此外，形成了大約+/_5psi的容限和大約5秒的最少時間。換言之，如果水壓保持 在大約60psi至大約70psi之間達大約5秒內(nèi)，則認為水壓是穩(wěn)定的。如圖10中所見，水 壓在排泄閥42開啟172之后保持在60psi至70psi之間達五秒以上。因此，基于上文所限 定的參數(shù)，水壓已經(jīng)穩(wěn)定174。一旦水壓穩(wěn)定，則啟用水噴射系統(tǒng)36。如從曲線170所見，水泵54在形成174穩(wěn) 定壓力之后大約五秒啟動176。如曲線168所示，由于在泵54與壓力調節(jié)閥40之間的相互 作用，故水壓在泵54啟動176之后會波動。然而，相比于圖9中所見的急劇壓降，這些波動 相對較小。在大約70秒處，停止閥64開啟178，從而容許水流入渦輪發(fā)動機中。此外，這里 水流速開始上升至目標水平。在大約152秒處，排泄閥42關閉180，因為水流速已達到預定水平。這里，水噴射 系統(tǒng)36可正常地工作，而不將水轉移至排泄裝置。最后，在大約230秒處，水噴射流速達到 期望的水平182。如從曲線164和166所見，實際水流速在整個上升和穩(wěn)態(tài)流動狀況始終緊緊地追隨期望的水流速。如圖10所示，排泄閥42的開啟和關閉有助于在系統(tǒng)啟用期間經(jīng) 過水噴射系統(tǒng)36的水流的穩(wěn)定。總的來說，所公開的實施例解決了與嘗試使水流穩(wěn)定的壓力調節(jié)閥40和水噴射 系統(tǒng)36兩者都相關的壓力波動。令人遺憾的是，在沒有所公開的實施例的情況下，系統(tǒng)可 能未能使通向渦輪發(fā)動機的水流穩(wěn)定。結果，由于與水噴射相關的問題，可能特別難以結合 渦輪發(fā)動機來設置和使用液體燃料。此外，如上文所述，排泄閥42使得能夠利用壓力調節(jié) 閥40來首先使流動穩(wěn)定，然后是水噴射系統(tǒng)36的上升。也就是說，排泄閥42基本上將同 時或并行的控制模式(即，通過閥40和系統(tǒng)36兩者的流動控制)變成了串級或按順序的 控制模式(即，閥40之后的是系統(tǒng)36)。換言之，排泄閥42減小或消除了在壓力調節(jié)閥40 的壓力控制器件和水噴射系統(tǒng)36之間的沖突。因此，排泄閥42確保了將穩(wěn)定的流動提供 給水噴射系統(tǒng)36，從而減小或消除水噴射系統(tǒng)36將與壓力調節(jié)閥40沖突的可能性。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本領域的技術人員 能夠實施本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何相結合的方法。本發(fā)明的 專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域的技術人員所構思出的其它實例。如果這些 其它實例具有與權利要求的書面語言并無不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與 權利要求的書面語言無實質差異的同等結構元件，則認為這些實例落在權利要求的范圍之 內(nèi)。
權利要求
一種系統(tǒng)，包括水噴射系統(tǒng)(36)，其構造成用以將水從壓力調節(jié)閥(40)供送至渦輪發(fā)動機(10)的水歧管(66)；以及排泄閥(42)，其構造成用以在所述水噴射系統(tǒng)(36)的起動時段期間從所述壓力調節(jié)閥(40)排泄所述水的至少一部分，至少直到在所述壓力調節(jié)閥(40)的下游達到穩(wěn)定的水壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排泄閥(42)構造成用以在所述水噴 射系統(tǒng)(36)啟動之前開啟。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排泄閥(42)構造成在所述起動時段 期間逐漸地關閉。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排泄閥(42)包括電磁閥。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括控制器(44)，所述控制器 (44)構造成用以在滿足水噴射系統(tǒng)啟動標準之后開啟所述排泄閥(42)。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(44)構造成用以在使通向所 述水噴射系統(tǒng)(36)的入口(53)處的水壓穩(wěn)定之后啟動所述水噴射系統(tǒng)(36)。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(44)構造成用以在經(jīng)過所述 水噴射系統(tǒng)(36)的水流速達到期望的水平之后關閉所述排泄閥(42)。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括所述渦輪發(fā)動機(10)，其 中，所述渦輪發(fā)動機(10)構造成用以依靠液體燃料或液體燃料和氣體燃料的組合進行工 作。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水噴射系統(tǒng)(36)包括自含式單元，所 述自含式單元包括多個水噴射泵(54)，其構造成用以將水從所述壓力調節(jié)閥(40)傳送至所述渦輪發(fā)動 機(10)的水歧管(66)；多個流量計(62)，其與所述水噴射泵(54)成流體連通且定位在所述水噴射泵(54)下 游；以及停止閥(64)，其與所述流量計(62)成流體連通且定位在所述流量計(62)下游。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括水源(38)，所述水源(38) 與所述壓力調節(jié)閥(40)成流體連通且定位在所述壓力調節(jié)閥(40)上游。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在渦輪發(fā)動機中噴射水的系統(tǒng)和方法。具體而言，該系統(tǒng)包括水噴射系統(tǒng)(36)，其構造成用以將水從壓力調節(jié)閥(40)供送至渦輪發(fā)動機(10)的水歧管(66)。該系統(tǒng)還包括排泄閥(42)，其構造成用以在水噴射系統(tǒng)(36)的起動時段期間從壓力調節(jié)閥(40)排泄至少一部分水，至少直到在壓力調節(jié)閥(40)的下游達到穩(wěn)定的水壓。
文檔編號F02C3/30GK101818688SQ20101011491
公開日2010年9月1日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2009年1月29日
發(fā)明者C·海恩, L·童, R·多伊爾, S·羅斯, S·貝克曼, W·西利 申請人:通用電氣公司