避免燃气涡轮发动机贫燃料熄火的方法和设备

摘要

提供一种监控和诊断燃气涡轮发动机系统(10)的燃烧动力学特性的方法。该系统包括至少一个燃气涡轮(20)，后者包括至少一个燃烧罐(26)。该方法包括：接收一个指示至少一个燃烧罐中的燃烧动力学特性的信号，将该接收的信号与一预定的贫燃料熄火阈值相比较，以及利用该比较来控制该燃气涡轮发动机系统，以便于减小一次贫燃料熄火事件的概率。

说明书

发明领域

本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于控制燃气涡轮发动机操作的方法和设备。

燃气涡轮发动机通常包括一个压缩机区段、一个燃烧器区段和至少一个涡轮区段。压缩机压缩空气，该压缩空气与燃料混合而通到燃烧器。然后该混合物被点燃而产生热燃气。该燃气通到涡轮，该涡轮从燃气提取能量以作为压缩机的动力，并产生有用的功来作为一种负载如发电机的动力，或驱动飞行中的飞机。

燃气涡轮发动机在许多不同的操作条件下操作，而燃烧器性能有利于在范围广泛的发动机操作条件下的发动机操作。更具体地说，稳定的燃烧有利于防止发动机熄火与提供发动机的额定推力和/或动力水平。其次，对于利用干燥的低氧化亚氮(DLN)技术操作的燃气涡轮，燃烧稳定性也有利于控制氧化亚氮(NO_x)和一氧化碳(CO)的排放。

至少一些已知的DLN燃烧系统使用预混合的燃料和空气并在贫燃料/空气(F/A)比的条件下操作而有利于减少NO_x排放。贫燃料/空气比被定义为燃料对空气之比低于被考虑的燃料所需的燃料对空气的化学计量比。但是，贫燃料预混合操作的后果是，该燃烧系统可能在贫燃料熄火(LBO)边界附近操作。贫燃料熄火或弱熄灭是在该点处燃料和空气的混合物不再可燃的一个点；对于预混合的多喷嘴系统，弱熄灭可以定义为这样一个点，就是在该点处燃烧效率有一显著下降和/或火焰完全熄灭。LBO边界或约束如果遭破坏，可能导致部分或完全熄火(即燃烧火焰消失)。控制靠近LBO边界的操作在罐一环形燃烧系统中甚至更为困难，该系统中的F/A比可能从一个燃烧罐到另一个燃烧罐都发生变化。更具体地说，该可变的F/A比可能造成一些燃烧罐具有比其它的罐更贫的F/A比而操作，而在操作期间，如果一个LBO边界遭破坏，那么从罐到罐的可变性可能导致在一个或若干燃烧罐中火焰消失。取决于该系统中的控制逻辑，当一个或若干燃烧罐遇到火焰消失时，该燃气涡轮保护系统可能关掉发动机以保护整个系统。但是，此种不希望的关机可能会损失机械系统并可能导致大的替换动力的花费。

发明简述

一方面，本发明提供一种监测和控制燃气涡轮发动机系统的燃烧动力学特性的方法。该系统包括至少一个燃气涡轮，而后者包括至少一个燃烧罐。该方法包括：接收从指示至少一个燃烧罐中的燃烧动力学特性的燃气涡轮发动机传感器来的信号；处理该接收的信号而对至少一个燃烧罐测定贫燃料熄火的概率；以及利用测得的贫燃料熄火的概率来控制燃气涡轮发动机系统，以便于减小一次贫燃料熄火(LBO)事件的概率。

另一方面，本发明提供一种燃气涡轮系统。该系统包括一个燃气涡轮发动机，该发动机包括至少一个燃烧罐，该至少一个燃烧罐上联接燃烧动力学特性压力传感器和火焰传感器中的至少一个，其中该传感器做成监控每个相应的罐中的燃烧并发送一个指示每个相应的罐中的燃烧的信号，而至少一个控制系统做成接收该从所述至少一个传感器来的信号，其中该控制系统编制程序来过滤该燃烧信号，以测定一个LBO前兆的存在，从该过滤的信号来测定贫燃料熄火(LBO)的概率，并控制该燃气涡轮发动机而便于减小贫燃料熄火(LBO)的概率。

又一方面，本发明提供一种在一可用计算机读出的介质上实施的计算机程序，用于控制一个燃气涡轮发动机系统，其中该系统包括一个燃气涡轮发动机，该发动机包括至少一个燃烧罐。该计算机程序包括一个编码程序段，后者接收使用人的选择输入数据，然后指令该系统过滤一个指示至少一个燃烧罐中的燃烧的燃气涡轮发动机信号，以仅仅通过在约10Hz～约25Hz、约80Hz～约120Hz及约130Hz～160Hz中至少一段之间的信号的部分，将该过滤的信号与一预定的贫燃料熄火阈值进行比较，并控制该燃气涡轮发动机系统，以便利用该比较而便于减小一贫燃料熄火事件的概率。

附图简述

图1是一种包括一个燃气涡轮的燃气涡轮系统的简略侧视图；

图2是可以与图1中所示的燃气涡轮发动机一起使用的一种示范的燃气涡轮发动机燃烧罐的截面示意图；

图3是图1中所示的燃气涡轮系统的示意图；

图4是一种可以用于监控图1中所示的发动机中的燃烧动力学特性的示范算法的数据流程图；

图5是例示燃气涡轮发动机的场检验试验的示范踪迹的图线，例示一种对贫燃料熄火(LBO)前兆的燃料分叉效应；

图6是可以与图1中所示的燃气涡轮发动机系统一起使用的一种示范的避免LBO的控制组件的框图；

图7是可以用于图2中所示的控制系统的另一实施例中的另一种算法的数据流程图；以及

图8是可以与图1中所示的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧罐的动力学特性的示范谱图。

发明详述

虽然本发明的方法和设备在这里是在一种用于工业环境的燃气涡轮发动机的上下文中描述的，但此处描述的方法和设备也可以用于其它燃烧涡轮系统的用途，包括(但不限于)安装在飞机中的涡轮。此外，此处提出的原理和说明可用于利用各种可燃烧燃料如(但不限于)天然气、汽油、煤油、柴油燃料和喷气发动机燃料的燃气涡轮发动机。因此下面的描述仅用于例示而没有限制作用。

图1是一种包括燃气涡轮发动机20的燃气涡轮发动机系统20的省略侧视图。燃气涡轮发动机20包括一个压缩机区段22、一个包括多个燃烧罐26的燃烧器区段24和一个利用一轴(未示出)而联接在压缩机区段22上的涡轮区段28。

在操作中，环境空气被通入压缩机区段22，在其中环境空气被压缩到一个大于环境压力的压力。然后该压缩的空气被通入燃烧器区段24，在其中该压缩空气和燃料结合而产生一种压力相当高的高速气体。涡轮区段28从燃烧器区段24排放的高压高速气体提取能量，而燃烧的燃料混合物用于产生能量如电能、热能和/或机械能。在一个实施例中，燃烧的燃料混合物产生用千瓦小时(KWh)测量的电能。但是，本发明不限于产生电能而包括其它能量形式，如机械能和热能。燃气涡轮发动机系统10通常通过各种控制参数而受附接在系统10上的自动和/或电子控制系统(未示出)的控制。

图2是示范的燃气涡轮发动机燃烧罐26的截面示意图，并包括燃气涡轮发动机控制系统202的一部分的示意图。环状的燃烧器26可以设置在发动机内壳214和发动机外壳216之间的环形空间212中。扩压器218从压缩机区段22(示于图1)沿轴向引入环形空间212。每个燃烧罐26向涡轮区段28(示于图1)排放。多个主燃料喷嘴220在环形空间212内沿周边间隔安置，以便使主燃料与流出扩压器218的一部分空气预混合，并向燃烧器26供应燃料和空气混合物。多个主燃料供应导管222向主喷嘴220供应燃料。多个辅助燃料喷嘴226向燃烧器26供应辅助燃料，而多个辅助燃料供应导管228将燃料分配到辅助燃料喷嘴226。在辅助燃料喷嘴226附近可安置多个点火器(未示出)，以点燃供应给辅助燃料喷嘴226的燃料。

在燃烧器26内可以安置一个燃烧传感器230，以监控其中的压力和/或火焰的波动。传感器230将指示燃烧罐26内的燃烧状态的信号传送到在线的燃气涡轮发动机控制系统202，该系统202与调整通往燃烧器26的辅助燃料和主燃料流速的燃料234控制器连通并与可以控制发动机空气控制阻尼器(未示出)的空气控制器236连通。

图3是图1中所示的燃气涡轮发动机系统10的简单示意图。在该示范实施例中，燃气涡轮发动机系统10包括在线的燃气涡轮发动机控制系统202，后者包括数据获得系统(DAS)332，系统332从传感器230对数据采样，用于随后的处理。计算机334从DAS332和机上系统监控器(OSM)335接收采样的传感器数据，并完成高速数据分析。虽然只示出四个燃烧罐26，但应当理解，燃气涡轮发动机系统10可以包括多于或少于四个的燃烧罐26，例如，在一个示范实施例中，燃气涡轮发动机系统10包括二十四个燃烧罐26。

计算机334通过键盘336从操作人员接受指令。一个相关监控器338如(但不限于)液晶显示器(LCD)和阴极射线管使操作人员能观察从计算机334接收的数据。计算机334使用由操作人员提供的指令和参数，以便向DAS332和OSM提供控制信号和信息。虽然图示为单个部件，但应当理解，计算机334、DAS332和OSM335也可以安置在同一装置中。

在一个实施例中，计算机334包括一个装置340如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、磁性光盘(MOD)驱动器或任何其它数字装置，包括网络连接装置如以太网(Ethernet)装置，用于阅读从计算机可读介质342如软盘、CD-ROM、DVD或其它数字源如网络或因特网(Internet)以及尚待开发的数字机构来的指令和/或数据。在另一实施例中，计算机334执行储存在器件操作系统(未示出)中的指令。计算器334编制程序而完成此处描述的功能，而且如此处使用的，术语“计算机”不限于仅仅是那些通常称作计算机的集成电路，而是广泛地包括计算机、处理器、微型控制器、微型计算机、可编程序的逻辑控制器、特定用途集成电路及其它可编程序的电路，而且这些术语在这里使用时可以互换。此外，虽然此处描述的方法和设备是在一种工业装置中描述的，但可以考虑本发明的优点可用于非工业系统如运输设备例如(但不限于)飞机。

图4是一种可以用于监控燃气涡轮发动机20(示于图1)中燃烧动力学特性的示范算法的数据流程图400。在该示范实施例中，多个燃烧器动力学特性传感器信号402由联接到每个燃烧罐26个的传感器230产生，传感器230做成能感知燃烧罐26中的状态而产生指示其中状态的信号。在该示范实施例中，至少一个传感器230联接在燃烧罐26上，使得控制系统202能接收指示每个罐26中的燃烧状态的信号。在另一实施例中，并非所有燃烧罐26都包括传感器230。控制系统202接收从代表性数目的罐26来的信号并根据这些代表性信号而控制燃气涡轮发动机系统10。当每个燃烧罐26包括一个相应的传感器230但一个或多个传感器230在使用中失效时，情况也是如此。当任何传感器230在使用中失效时，控制系统202做成检测该失效并修改燃气涡轮发动机系统10的控制，使与从失效的传感器230来的错误输入无关。在一个实施例中，传感器230为燃烧动力学特性压力传感器。在另一实施例中，传感器230为火焰传感器。信号402被传送到控制系统202并通过一个抗混叠过滤器404，以便于防止从反射到信号402的感兴趣的较低频率区中的高频噪音。图线406例示在已由抗混叠过滤器404过滤信号后信号相对于时间的示范踪迹408。该信号是带通过滤的410，以便产生在感兴趣的频带内的数据。在一个实施例中，该感兴趣的频带为约30Hz～OHz。在另一实施例中，该感兴趣的频带为约25Hz～5Hz。在又一实施例中，该感兴趣的频带为约20Hz～10Hz。图线412例示在信号已通过带通过滤器410后信号相对于时间的示范踪迹414。然后比较信号的均方根416。在该示范的实施例中，使用一个N点滑动窗口来计算滑动窗口中信号的均方根。在该示范的实施例中，N代表该算法所使用的数据点的数目。该计算类似于计算信号中的能量。在另一实施例中，该能量可以利用从一次FFT操作得出的系数来计算。该得出的均方根信号是利用一个移动平均窗口的低通过滤的418。图线420例示在已利用一种移动平均窗口算法过滤该信号后信号相对于时间的示范踪迹422。过滤的均方根信号然后通过产生一个LBO的概率的作用424。图线426例示在作用424已应用于过滤的均方根信号后的信号相对于时间的示范踪迹428。在该示范的实施例中，作用424利用一种正态分布的累积的概率作用，其中选择平均值和方差来获得对一给定的均方根值的所要的LBO概率。在另一实施例中，使用一个小波变换来监控所要频率范围中的信号。

在上述另一实施例中，火焰传感器信号的一个AC分量被用于监控燃烧罐26中的燃烧状态。火焰传感器230的AC分量的频率响应可以与燃烧器动力学特性信号有关。因此，用于LBO前兆检测的算法400也可应用于火焰传感器信号的AC分量而检测一个即将来临的LBO事件。

当LBO信号的概率已经发生时，可以将其与阈值边界或信号比较而确定一个LBO事件是否即将来临，例如通过LBO前兆的存在。如果该前兆被检测到，那么控制系统202可以操纵一个控制系统参数或参数的组合来移动燃气涡轮发动机系统10的操作离开LBO边界。这些参数可以包括(但不限于)：增加向燃气涡轮发动机20的整体燃料流，减少向燃气涡轮发动机20的空气流，提高一个或多个燃气罐26的入口空气温度，以及改变通往至少一个燃烧罐26的燃料分叉。

图5是例示一种对LBO前兆的燃料分叉效应的场检验试验的示范踪迹的图线500。踪迹502例示一个燃烧罐26的燃烧动力学特性信号的谱图。踪迹504和踪迹506例示对两个燃料回路的阀位置而踪迹508例示对第三燃料回路26的阀位置。每个踪迹的时间轴相互有关，因此对踪迹502中示出的燃烧动力学特性的影响可以与这三个燃料回路的阀位置的操纵有关。图线500包括一个第一时期510，其中一个从约80Hz到约140Hz的占优势的频带512是明显的。在第二时期512期间，燃料分叉增大而使燃气涡轮发动机20更接近LBO。当燃气涡轮发动机20更接近LBO时，开始出现前兆频带516中的指示。当燃气涡轮发动机20更移近LB0时，频带516中的指示的强度增大。在时期518中，该燃料分叉减小，使得燃气涡轮发动机20的操作移动离开一个LBO，因此带516中的LBO指示显著地减小和/或消除。

当燃料/空气比变得更贫而到达LBO边界时，相关燃烧动力学特性的信号频带516中的能量增大。频带516与占优势的燃烧频带512无关。当燃气涡轮发动机20的操作离开该LBO边界时，带516中的能量类似于不占优势的燃烧频率的其它频率的能量。因此，通过合适地监控频带516，可以产生一个LBO的前兆。

虽然该燃料分叉例示为被操纵而影响一个即将来临的LBO和一个即将来临的LBO的随后的发现，但取决于燃气涡轮发动机20在该即将来临的LBO的出现时燃气涡轮发动机20的操作，可以调整其它发动机参数。在该示范的实施例中，使用一个反馈的控制方案，其中该控制输入如一个或组合的上述发动机参数被改变而驱动LBO的概率到一预定的阈值以下。该反馈控制可以包括(但不限于)正比值(P)、正比值-整值(PI)和正比值-整数-微分值(PID)，带有合适的最大值和/或最小值限制。

图6是可以与燃气涡轮发动机系统10(示于图1中)一起使用的一个示范的避免LBO的控制组件600的框图。组件600可以是一个联接在控制系统202的合适的输入和输出信号上的独立电子部件。此外，组件600可以包括在控制系统202中，或者作为此处描述的各种功能的硬件实施方案，或者作为各种功能的软件实施方案。组件600包括一个比较器602，该比较器602将一个阈值或限制信号604与一指示燃烧罐26内LBO概率的信号相比较。图线608例示一个其中没有采取避免LBO的控制行动的第一区域610和一个其中起动了避免LBO的控制行动的第二区域612。图线608的X轴614代表时间，而y轴616代表LBO的概率如信号606。当LBO的概率小于限制618时，例如当燃气涡轮发动机20在区域610中操作时，没有采取避免LBO的行动。当LBO的概率大于限制618时，比较器602向可能操纵一个或组合的发动机参数的反馈控制器622提供一个输出值620，这些参数包括(但不限于)通向燃气涡轮发动机20的总燃料流、通向燃气涡轮发动机20的总空气流、通向燃烧器26的入口空气温度以及燃料喷嘴分叉。反馈控制器622的输出值与传送到控制这些发动机参数的控制器(未示出)的控制信号624一起累加。这些累加的信号传送到燃气涡轮发动机20，在该处这些控制器操纵通向燃气涡轮发动机20的总燃料流、通向燃气涡轮发动机20的总空气流、通向燃烧器26的入口空气温度以及燃料喷嘴分叉中的至少一个来减小LBO的概率。发动机参数的操纵改变燃烧罐26中由传感器230监控的燃烧状态。指示罐26内燃烧状态的信号626是由传感器230产生的并传送给算法400，在该处测定在改变的燃烧状态下LBO的概率，以便输入到比较器602中。

通过对燃烧动力学特性的信号的合适的信号处理，可以识别对贫燃料熄火(LBO)的前兆，并可以计算LBO的概率。该前兆用作对一即将发生的LBO事件的早期警告。当一即将发生的LBO事件的概率超过一预定的阈值时，可以采取校正行动。这些校正行动可以包括通过操纵燃料流或空气流而改变发动机的燃料-空气比(F/A)，提高进入燃烧器26的空气的温度，以及改变燃烧罐26中各个喷嘴之间的燃料分叉。利用LBO检测和控制算法，可以避免由贫燃料F/A分布导致的火焰灭失而引起的机器差错。此外，处理每个燃烧罐26的燃烧动力学特性的信号可以便于校正罐对罐的可变性，当与该系统的其余部分进行比较时，可以保护燃气涡轮发动机20免去一个由具有较低的F/A比的一个或若干罐26引起的LBO行程。

图7是另一算法的数据流程图700，可以用于控制系统202(示于图2中)的另一实施例中，以监控燃气涡轮发动机20(示于图1中)中的燃烧动力学特性。

例示于数据流程图700的算法包括三个主要部分：不同音调(tone)的均方根信号提取、占优势的燃烧音调频率的追踪和一个LBO概率的计算。检测逻辑以从至少一个燃烧罐来的动力学特性的信号的谱图观测和利用对一次LBO事件的作为证据的标记图起始为基础。在该示范实施例中，燃气涡轮发动机20是可从美国南卡罗莱那州Greenville市的通用电气公司商售购买到的7FA型发动机，该发劝机有14个罐，并可产生至少三个音调：一个LBO音调(10～25Hz)和两个占优势的燃烧音调，其中一个为与相对较低的F/A比有关的低燃料/空气(F/A)音调(80～120Hz)，一个为与相对较高的F/A比有关的高燃料/空气(F/A)音调(130～160Hz)。这些作为证明的标记图包括不同音调：LBO音调(10～25Hz)、低F/A音调(80～120Hz)和高F/A音调(约130～160Hz)中的能量变化与作为燃烧器接近LBO的高F/A音调的频率移动。

在该示范实施例中，由联接到每个燃烧罐26上的传感器230(示于图2中)产生多个燃烧器动力学特性传感器信号702，这些传感器做成感知燃烧罐26中的状态并产生指示其中状态的信号。在该示范实施例中，至少一个传感器230联接在每个燃烧罐26上，使得控制系统202接收指示每个罐26中的燃烧状态的燃烧器动力学特性传感器信号702。在另一实施例中，并非所有燃烧罐26都包括传感器230。控制系统202从代表性数目的罐26接收燃烧器动力学特性传感器信号702并根据代表性的传感器信号702来控制燃气涡轮发动机系统10。当每个燃烧罐26包括一个相应的传感器230时，这将也是这种情况，但一个或多个传感器已在使用中失效。当任何传感器230使用失效时，控制系统202做成检测该失效并改变气体涡轮发动机系统10的控制而不管从失效传感器230来的错误输入。在一个实施例中，传感器230是燃烧动力学特性压力传感器。在另一实施例中，传感器230是火焰传感器。在一相当高的频率Fs处对燃烧器动力学特性传感器信号702采样，并将信号702传送到控制系统202而通过一个抗混叠低通过滤器704，以便于防止高频噪声反射到信号702的有关的较低频率区中。如示范实施例中那样，抗混叠低通过滤器704的系数可以设计在第二序区段的结构中。在该示范实施例中，一个三dB截止频率处在一个感兴趣的频率区的上边界处，如200Hz。如果采样频率Fs变化，那么可以重新选择抗混叠低通过滤器704的系数，使得三dB截止频率保持在感兴趣的频率区的上边界处。

然后使抗混叠燃烧动力学特性传感器信号702通过一个十分之一缩小器705，以便于减小该算法的计算负荷。十分之一缩小器705将在高频处如千Hz(KHz)范围记录的燃烧器动力学特性传感器信号702的采样缩小到相对更能用处理器管理的频率如在Hz范围中，以用于均方根值的计算。十分之一缩小率或缩小采样率M可以这样选择，使得缩小采样的频率大于感兴趣的频率范围的两倍。在该示范实施例中，感兴趣的频率可以在约200Hz以下。因此，可以选择M来使采样率缩小到一个大于约400Hz的值。当采样频率Fs变化时，可以相应地调整M。例如，如果Fs＝24Hz，那么十分之一缩小率可以选择为M＝48而使采样率缩小到约500Hz。

可以对均方根计算选择窗口尺寸(试样数目)来提供一个足够精细的预定分辨率，以便于随时间而跟踪该均方根值，并可与一沿时间跟踪的高F/A音调频率同步，下面将详细讨论。

然后可以通过多个带通过滤器来过滤该十分之一缩小的信号。在该示范实施例中，该抗混叠的信号用三个并联的Butteruorth过滤器来进行带通过滤。一个LBO带通过滤器706从十分之一缩小的信号滤出一个LBO音调。该感兴趣的LBO音调处在约10Hz～约25Hz的范围内。一个低F/A音调带通过滤器707从该十分之一缩小的信号滤出一低F/A音调。该感兴趣的低F/A音调处在约80Hz～约120Hz的范围内。一个高F/A音调带通过滤器708从该十分之一缩小的信号滤出一高F/A音调。该感兴趣的高F/A音调处在约130Hz～约160Hz的范围内。带通过滤器706、707和708的系数可以在作为示范实施例的第二序区段结构内选择。这些过滤器的采样频率是从十分之一缩小器705接收的缩小采样频率。

然后计算和低通过滤每个带通过滤信号的均方根值，以便利用一均方根计算器710中的移动平均过滤器709来减小噪声。在该示范的实施例中，一个便于均方根值平滑的均方值计算器710用的移动平均过滤器尺寸设定为5个样品。在另一实施例中，可以选择其它移动平均过滤器的尺寸，其中增大该移动平均过滤器尺寸可以增大噪声的减小。但是，增大移动平均过滤器尺寸也可以引入额外的时间延迟。

或者是，可以利用快速傅里叶变换(FFT)计算的输出，其中利用输出系数来建立各种频带中的能量值。

与共同计算对应于LBO音调、低F/A音调和高F/A音调的音调一起，通过对时间范畴原始声学信号施加非叠合的Hanning窗口FFT计算利用窗口的FFT组件711和频率移动监控器712对高F/A音调中的频率移动监控在频率Fs处采样的信号的高F/A音调分量。窗口FFT是一种以及时的初始复合体的可变移动来重新计算FFT为基础的狭窄时间傅里叶变换，它允许产生声谱变化的各种不同代表。该FFT窗口尺寸设定一个特定采样频率处的时间分辨率。例如，一个8192点的窗口尺寸在12.8KHz的采样速率下给出0.64秒的时间分辨率。在该示范的实施例中，根据对该均方根值矢量和高F/A音调频率矢量的同步考虑来选择缩小采样率M和均方根窗口尺寸。在另一实施例中，利用内插法来使频移矢量与均方根值及时对准。将待平均的FFT扫描的数目设定到一个大于一的值可以提供一个噪声较小的频率追踪，但是，它可以增多所用的计算时间。利用窗口叠合可以提高时间分辨率，从而改善频率追踪的精度，但是，利用叠合又一次可能引入时间延迟。在该示范实施例中，高F/A音调的较低边界和较高边界设定为匹配高F/A音调带通过滤器的调置值。频率移动监控器712的输出传送到β计算组件713。

均方根计算器710的LBO均方根输出714联接到LBO概率组件716上，其中，利用LBO音调的均方根利用预定的统计模型计算LBO概率P_{均方根i LBO}(注意：下脚字母i取从1到罐的数目的值)。然后用两件作为证据的信息α和β增大概率，α和β分别是均方根比和高F/A音调的频率移动。然后，增大的LBO概率利用一个S形(Sigmoid)函数而受到在0～1之间的非线性规范化。在一个示范实施例中，可以利用另一个非线性函数。使用一个正态分布的累积的概率函数，并预选平均值和方差来对LBO音调的给定的均方根值获得一个所要的LBO概率。例如，可以利用该LBO音调的均方根值来对LBO事件的95％概率调谐阈值。可以利用相应的燃气涡轮发动机系统10的历史LBO数据来调谐统计模型的平均值和方差。LBO均方根输出714、低F/A音调均方根输出718和高F/A音调均方根输出720被传送到α计算组件722。

LBO概率P_{均方根i LBO}可以通过使LBO概率组件716的输出724与非曲函数730中的α计算组件722的输出726和β计算组件713的输出728一起组合而增强。

一种均方根比α反映这三种音调中的相对变化，其中

式中RMS_LBO是LBO均方根输出714，RMS_低F/A是低F/A音调的均方根输出718，而RMS_高F/A是高F/A音调的均方根720输出。均方根比α通常是利用预定的阈值而硬性限制的，以便在该概率被规范化后保持一个预定的分辨率。该阈值可以利用历史的LBO数据来调谐。

高F/A音调的频率移动的β可以定义为：

$$ >>\beta >=>>>>f>U>>->>f>C>>>>>f>C>>->>f>L>>>>,>$$

式中f_U是高F/A音调频率的上边界，f_L是高F/A音调频率的下边界，而f_c是高F/A音调的瞬时中心频率。参数f_U和f_L可以选择地调定到高F/A音调带通过滤器708的截止频率。

以对应于每个燃烧罐26的LBO音调的均方根值为基础的LBO概率724可以利用非曲函数组件730来增强而对每个燃烧罐26在零和一之间规范化成为：

P_罐i LBO＝f_非曲(P_{均方根i LBO}·α·β)参数α可以硬性限制而在P_罐i LBO规范化后保持一个预定的LBO分辨率。控制非曲函数的描图性能的参数Q₀、Q₁可以被调整而以下述方程式在α×β的最大值处至1对增强的概率值描图：

每个计算的P_罐i LBO可以输出到最大概念组件732，其中每个计算的P_罐i LBO的最大瞬时概率幅度可以被测定并传送到一个燃气涡轮LBO概率组件734。该燃气涡轮LBO概率P_LBO可以传送到气体涡轮发动机控制系统202，以用于反馈而有利于校正行动的启动，以避免一次LBO。控制系统202可以操纵一个或一组控制系统参数，以便使燃气涡轮发动机20的操作移动离开LBO边界。这些参数可以包括(但不限于)通向燃气涡轮发动机20的整体燃料流的增大、通向燃气涡轮发动机20的空气流的减小、一个或多个燃烧罐26的入口空气温度的提高，以及改变通向至少一个燃烧罐26的燃料分叉。

在上述另一实施例中，火焰传感器信号的一个AC分量用于监控燃烧罐26内的燃烧状态。一个火焰传感器230的AC分量的频率响应可以与燃烧器动力学特性信号有关。因此，用于LBO前兆检测的算法700也可以应用于火焰传感器信号的该AC分量，以检测一次即将来临的LBO事件。

图8例示可以与燃气涡轮发动机20(示于图1)一起使用的一个燃烧罐26的动力学特性的示范谱图800。谱图800包括用时间单位(秒)作参比量的X轴802和用频率单位(Hz)作参比量的y轴804。谱图800例示与从燃气涡轮发动机20的每个燃烧罐26采样的频率有关的能量水平。例如，当对应于一特定频率的能量水平升高时，所例示的相关像素的强度提高，使得较暗的像素指示要比较亮的像素更高的能量水平。一个约10Hz～25Hz的LBO频带806对应于一个LBO音调。一个约80Hz～120Hz的低F/A频率808对应于一个低F/A音调。一个约130Hz～160Hz的高F/A频带对应于一个高F/A音调。谱图800例示在操作期812、LBO开始时期814和后发动机行驶时期816的燃烧器动力学特性。谱图800例示在操作时期812期间每个频带806、808和810中相当恒定的能量幅度。在LBO开始时期814期间，LBO频带806中所示的能量提高指示LBO音调818的增强。此外，在低F/A频带808中示出的能量降低指示低F/A音调820的减弱，而高F/A频带810中示出的能量降低指示高F/A音调822的减弱。在LBO开始时间814期间，高F/A音调的能量也在频率中降低。

上述方法和设备提供一种用于监测燃烧动力学特性和控制燃气涡轮发动机中的燃烧的成本效益好而可靠的手段。更具体地说，这些方法便于测定每个燃烧罐中的一次LBO前兆和确定使发动机操作移动离开一个LBO阈值的校正行动。结果，此处描述的方法和设备以成本效益好而可靠的方式便于燃气涡轮发动机的操作。

以上详细描述了用于监测和控制燃气涡轮发动机的燃烧动力学特性的方法和设备。例示的设备不限于此处描述的特定实施例，相反，每种部件可以与此处描述的其它部件无关而独立地使用。每个系统的部件也可以与其它系统的部件组合地使用。

该方法和设备的技术效果是提供一种系统，该系统能连续地监控燃气涡轮发动机的操作，从而检测通向LBO的途径，并自动改变燃气涡轮发动机的操作，以便于减小一次LBO事件的概率。

虽然已按照各个特定实施例描述了本发明，但该技术的专业人员将认识到，本发明可以在权利要求书的范围和精神内可通过修改实施。

                      部件清单

10  燃气涡轮发动机

20  燃气涡轮

22  缩机区段

24  燃烧器区段

26  燃烧罐

28  涡轮区段

202 燃气涡轮发动机控制系统

212 环形空间

214 发动机内壳

216 发动机外壳

218 扩压器

220 主燃料喷嘴

222 主燃料供应导管

226 辅助燃料喷嘴

228 辅助燃料供应导管

230 燃烧传感器

234 燃料控制器

236 空气控制器

332 数据获得系统(DAS)

334 计算机

335 在线系统监控器(OSM)

336 键盘

338 监控器

340 装置

342 计算机可读介质

400 数据流程图

402 燃烧器动力学特性传感器信号

404 抗混叠传感器

406 图线

408 踪迹

410 带通过滤器

412 图线

414 踪迹

416 均方根

418 低通过滤器

420 图线

422 踪迹

424 作用

426 图线

428 踪迹

500 图线

502 踪迹

504 踪迹

506 踪迹

508 踪迹

510 时间期间

512 频带

514 时间期间

516 频带

518 期间

600 控制组件

602 比较器

604 限制信号

608 图线

610 面积

612 面积

614 X轴

616 Y轴

618 限度

620 输出

622 控制器

624 控制信号

626 信号

700 数据流程图

702 燃烧器动力学特性传感器信号

704 低通过滤器

705 十分之一缩小器

706 LBO带通过滤器

707 低F/A音调带通过滤器

708 高F/A音调带通过滤器

709 移动平均过滤器

710 均方根计算器

711 快速傅里叶变换(FFT)组件

712 频移监控器

713 β计算组件

714 LBO均方根输出

716 LBO频率组件

718 低F/A音调均方根输出

720 高F/A音调均方根输出

722 α计算组件

724 输出

726 输出

728 输出

730 非曲函数组件

732 最大概率组件

734 LBO概率组件

800 谱图

802 X轴

804 Y轴

806 LBO频带

808 低F/A频带

810 高F/A频带

812 操作时期

814 LBO开始时期

816 后发动机行驶时期

818 LBO音调

820 低F/A音调

822 高F/A音调