用于确定多个压缩机导叶的角位置的方法与流程

本发明一般来说涉及涡轮机器的压缩机，且更具体地说涉及压缩机导叶。

背景技术：

多个导叶配置于涡轮机器的压缩机中，例如燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和水力涡轮机，用于通过改变压缩机的角位置而调制流入压缩机的空气以适于涡轮机器的各种工作条件。导叶定位于致动环的圆周周围且经由杠杆与致动环耦合。致动环经由附接到压缩机的壳体的轴承而搁置于所述壳体上。致动环由推杆致动以沿着壳体的圆周移动。致动环又驱动导叶旋转，以使得导叶的角位置得到调制。

技术实现要素：

本发明的一个方面是针对一种用于确定多个压缩机导叶的角位置的方法，其中所述多个压缩机导叶与杠杆耦合，所述杠杆与致动环耦合，所述致动环搁置于压缩机的壳体上且可在所述压缩机壳体的圆周周围移动，且在所述致动环在所述压缩机壳体的圆周周围移动时所述导叶可旋转，所述方法包括：(a)在所述致动环从环中心与壳体中心一致的其原始位置偏离时，通过固定于所述压缩机壳体上且垂直地指向所述致动环的至少两个线性位置传感器测量所述致动环的圆周上的至少两个点的位置；(b)基于所述至少两个点的所述测得的位置以及所述致动环的半径计算环中心偏移；(c)在测量所述至少两个点的位置的同时测量所述多个导叶中的一者的角度；以及(d)基于所述环中心偏移以及所述导叶的所述角度计算所述多个导叶的角度。

本发明的另一方面是针对一种用于确定多个压缩机导叶的角度偏差的方法，其中所述多个压缩机导叶与杠杆耦合，所述杠杆与致动环耦合，所述致动环搁置于压缩机的壳体上且可在所述压缩机壳体的圆周周围移动，且在所述致动环在所述压缩机壳体的圆周周围移动时所述导叶可旋转，所述方法包括：(a)在所述致动环从环中心与壳体中心一致的其原始位置偏离时，通过固定于所述压缩机壳体上且垂直地指向所述致动环的至少两个线性位置传感器测量所述致动环的圆周上的至少两个点的位置；(b)基于所述至少两个点的所述测得的位置以及所述致动环的半径计算环中心偏移；(c)在测量所述至少两个点的位置的同时测量所述多个导叶中的一者的角度；(d)基于所述环中心偏移以及所述导叶的所述角度计算所述多个导叶的角度；以及(e)计算最大叶片角度偏差作为所述多个导叶的最大角度与最小角度的差分。

本发明的另一方面是针对一种用于确定多个压缩机导叶的角度偏差的方法，其中所述多个压缩机导叶与杠杆耦合，所述杠杆与致动环耦合，所述致动环搁置于压缩机的壳体上且可在所述压缩机壳体的圆周周围移动，且在所述致动环在所述压缩机壳体的圆周周围移动时所述导叶可旋转，所述方法包括：(a)在所述致动环从环中心与壳体中心一致的其原始位置偏离时，通过固定于所述压缩机壳体上且垂直地指向所述致动环的至少两个线性位置传感器测量所述致动环的圆周上的至少两个点的位置；(b)基于所述至少两个点的所述测得的位置以及所述致动环的半径计算环中心偏移；以及(c)基于所述环中心偏移计算最大叶片角度偏差。

本发明的另一方面是针对种用于控制多个压缩机导叶的角位置的方法，其中所述多个压缩机导叶与杠杆耦合，所述杠杆与致动环耦合，所述致动环搁置于压缩机的壳体上且可在所述压缩机壳体的圆周周围移动，且在所述致动环在所述压缩机壳体的圆周周围移动时所述导叶可旋转，所述方法包括：在所述致动环从环中心与壳体中心一致的其原始位置偏离时，通过固定于所述压缩机壳体上且垂直地指向所述致动环的至少两个线性位置传感器测量所述致动环的圆周上的至少两个点的位置；基于所述至少两个点的所述测得的位置以及所述致动环的半径计算环中心偏移)；在测量所述至少两个点的位置的同时测量所述多个导叶中的一者的角度；以及基于所述环中心偏移以及所述一个导叶的所述角度计算全部所述多个导叶的角度。

本发明的另一方面是针对一种用于多个压缩机导叶的致动设备，其包括：杠杆，所述导叶与其耦合；致动环，其与所述杠杆耦合，所述致动环搁置于压缩机的壳体上以用于通过圆周移动而旋转所述多个导叶；至少两个线性位置传感器，其固定于所述压缩机壳体上垂直地指向所述致动环，用于测量所述致动环的圆周上的至少两个点的位置；旋转传感器，其与所述多个导叶中的一者耦合，用于在测量所述至少两个点的所述位置的同时测量与所述旋转传感器耦合的所述导叶的角度；以及控制器，其用于：基于所述至少两个点的所述测得的位置以及所述致动环的半径计算环中心偏移，以及基于所述环中心偏移以及所述导叶的所述角度计算所述多个导叶的角度。

附图说明

图1是在本发明的一个实施例中用于多个导叶的致动设备的示意性说明。

图2是用于确定图1的多个压缩机导叶的角位置的方法的部分流程图。

图3是展示在本发明的一个实施例中致动环的位置偏差的图解说明。

图4是用于确定图1的多个压缩机导叶的角度偏差的第一方法的部分流程图。

图5是用于确定图1的多个压缩机导叶的角度偏差的第二方法的部分流程图。

图6是用于控制图1的多个压缩机导叶的角位置的方法的部分流程图。

具体实施方式

图1是在本发明的一个实施例中用于多个导叶的致动设备的示意性说明。将认识到本发明的实施例可与各种燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、水力涡轮机或其它涡轮机器一起使用。本描述的以下部分中使用燃气涡轮机作为实例来展示本发明的方面。压缩机导叶的不同角位置对应于燃气涡轮机的不同负载。举例来说，当燃气涡轮机的负载小于80％时，其导叶保持在预定设定点，57°的打开角度。随着负载上升到100％，导叶的打开角度被逐渐调制到另一预定设定点84°。致动设备用以驱动压缩机导叶且调制其角位置以用于适于燃气涡轮机的工作条件改变的目的。

如图1中所示，压缩机具有容纳致动设备的壳体40。致动环30是用于当推杆82致动致动环30以在压缩机壳体40的圆周周围移动时致动多个导叶10的环形零件。致动环30可为在燃气涡轮机中广泛使用的同步环。致动环30经由轴承86搁置于压缩机壳体40上。压缩机壳体40和致动环30同心地组装。即，当致动环30处于其不发生偏心的原始位置时环中心与壳体中心一致。具有枢轴销的一行导叶10经由所述枢轴销与第一杠杆20的一个末端耦合。导叶10当通过第二杠杆50由致动环30致动时可围绕其枢轴销旋转。致动环30与第二杠杆50耦合。

当推杆82由驱动电动机83致动时，推杆82驱动致动环30以在压缩机壳体40的圆周周围移动，致动环30随后移动第一杠杆20和第二杠杆50，并且然后第一杠杆20驱动导叶10以改变其角位置。当推杆82通过在致动环30上强加力而驱动所述致动环时致动环30的偏心发生。

图3是展示在本发明的一个实施例中致动环的位置偏差的图解说明。两个线性位置传感器70、80固定在压缩机壳体40上的任一点m、n处。具体来说，位置传感器70、80的一个末端固定于压缩机壳体40上，其意味着当致动环30在压缩机壳体40的圆周周围移动时位置传感器70、80无法移动。也就是说，图3中所示的位置传感器70的角度λ是恒定的。位置传感器70、80的另一末端不是固定的，例如在致动环30上。除此之外，位置传感器70、80经布置以便垂直地指向致动环30以用于测量致动环30的圆周上的点p0、q0和p1、q1的位置。使位置传感器70、80垂直地指向致动环30是为了确保位置传感器70、80和致动环30保持在同一垂直平面以用于简化导叶的角位置的测量的目的。

线性位置传感器70、80可为线性超声波传感器、激光距离传感器和套管型传感器。在本发明的一个实施例中，使用两个激光距离传感器70、80。激光距离传感器70、80的一个末端固定到压缩机壳体40上的两个点m和n且垂直地指向致动环30，而激光距离传感器70、80的另一末端不固定。举例来说，超声波传感器和激光距离传感器仅固定于压缩机壳体40上，不在致动环30上。如图3中所示，当致动环30处于其原始环中心o与壳体中心一致的原始位置wz1时，激光距离传感器70、80将激光束发射到致动环30的表面上的两个点p0、q0上。以此方式，位置传感器70、80可确定距离e和f。随后，致动环30在一个力之下移动到位置wz2，其中环中心移动到从原始环中心o偏离的o1。此时，可操作位置传感器70、80以将激光束发射到致动环30的表面上的另两个点p1、q1上。可见三个点p0、p1和m处于同一线中且三个点q0、q1和n处于同一线中。

应注意虽然图1和3中说明两个线性位置传感器70、80，但可使用更多线性位置传感器，例如三个和四个。对应地，可测量比致动环30上的点p1、q1更多的点的位置。

在本发明的另一个实施例中，可使用两个线性套管型传感器70、80。套管型传感器70、80的一个末端固定于压缩机壳体40上，且线性套管型传感器70、80的另一末端接触致动环30的表面而不是固定于致动环30上。

例如旋转换能器等旋转传感器60与多个导叶10中的任一者耦合以用于测量导叶的角度ax。在本发明的一个实施例中，旋转传感器60可通过螺钉扣紧到一个导叶。

图2展示根据本发明的一个方面用于确定多个压缩机导叶的角位置的方法的部分流程图。在s10中，所述方法测量在当致动环30从其原始位置偏离时两个线性位置传感器70、80指向的方向上致动环30的圆周上的两个点(例如，点p1、q1)的位置。

随后，在s20中，所述方法基于两个点p1、q1的测得的位置以及致动环30的半径r计算环中心偏移a1、b1。关于此步骤的阐释和细节如下。

图1中的原始位置wz1是致动环30处于其原始位置的位置，而偏离位置wz2是致动环30在推杆82的力下从其原始位置偏离的位置。两个位置传感器70、80分别固定于压缩机壳体40上的点m和点n处。

当致动环30处于原始位置wz1时可校准两个位置传感器70、80的位置。激光距离传感器70、80用作实例以呈现根据本发明的一个方面的方法。当致动环30处于其原始位置wz1时，激光距离传感器70、80将激光束发射到致动环30的表面上的两个点p0、q0上。以此方式，位置传感器70、80可测量点m与点p0之间的距离e以及点n与点q0之间的距离f。第一位置传感器70的角度λ是恒定的。一旦位置传感器70、80的位置经定位，便可界定第一轴线x的方向。轴线x的方向从壳体中心指向第一位置传感器70定位的点m。λ是传感器指向方向与第一位置传感器70和壳体中心之间的连接线之间的角度。也可界定垂直于第一轴线x的第二轴线y的方向。因此界定笛卡尔坐标系。所述领域的技术人员可理解在本发明中可使用非水平轴线x，但图3中轴线x是水平的。可测量on与nq0之间的角度β。也可测量两个位置传感器70、80之间的角度ω。

在压缩机的操作期间，推杆82在致动环30上强加力且致使其从其原始位置wz1偏离到位置wz2。可操作激光距离传感器70、80以将激光束发射到从其原始位置wz1偏离的致动环30的表面上的两个点p1、q1上。以此方式，位置传感器70、80可测量点m与点p1之间的距离g以及点n与点q1之间的距离h。

在笛卡尔坐标系中的位置wz2处的环中心偏移a1、b1可使用经测量参数之间的三角函数以各种公式导出。下方呈现两个实例以展示所述公式。

实例1：

a1＝f1(r，e，ω，δp，δq，λ，β，f)

b1＝f2(r，e，ω，δp，δq，λ，β，f)

具体来说，

在以上等式(1)和(2)中：

r是致动环30的半径，其可提前测量；

e是点m与点p0之间的距离；

ω是两个传感器70、80之间的角度；

δp＝g-e且δq＝f-h；

g是点m与点p1之间的距离；

h是点n与点q1之间的距离；

f是点n与点q0之间的距离；

λ是位置传感器70的角度；以及

β是on与nq0之间的角度。

实例2

a1＝f3(r，g，ω，u，v，λ，β，h)

b1＝f4(r，g，ω，u，v，λ，β，h)

具体来说，

[-(u+g·cosλ)-a1]²+[g·sinλ-b1]²＝r²(3)

[cos(π-ω)·v+cos(π-ω-β)·h-a1]²+[sin(π-ω)·v+sin(π-ω-β)·h-b1]²＝r²(4)

在以上等式(3)和(4)中，如图3中所示，

r是致动环30的半径，其可提前测量；

g是点m与点p1之间的距离；

ω是两个传感器70、80之间的角度；

u是原始环中心o与位置传感器70位于的点m之间的距离；

v是原始环中心o与位置传感器80位于的点n之间的距离；

λ是位置传感器70的角度；

h是点n与点q1之间的距离；

f是点n与点q0之间的距离；

e是点m与点p0之间的距离；

δp＝g-e且δq＝f-h；以及

β是on与nq0之间的角度。

在s30中，所述方法在以旋转传感器60测量两个点p1、q1的位置的同时测量多个导叶中的一者的角度αx。旋转传感器60可通过螺钉扣紧到一个导叶10。

随后，在s40中，所述方法基于环中心偏移a1、b1以及导叶的角度αx计算多个导叶中的一些或全部的角度αi。可计算多个导叶中的一些的角度以用于一些目的，同时可计算全部所述多个导叶的角度用于其它目的。

ai＝f(a1,b1,θx,αx,θil1)(5)

在以上等式(5)中：

a1、b1是环中心偏移；

θx是在经界定笛卡尔坐标系中在压缩机壳体40的圆周上的导叶的角度。此导叶是由旋转传感器60测量其位置角度的一个导叶；

θi是在经界定笛卡尔坐标系中在压缩机壳体40的圆周上的任一导叶的角度；i可为1、2、3、4……指示多个导叶10中的任一者。

ax是由旋转传感器60测量的导叶的位置角度；

l1是连接导叶的第一杠杆20的长度。

对于压缩机的某一框架，仅两个参数，环中心偏移a1和b1以及由旋转传感器60测量的导叶的位置角度α1随时间的推移而变化。等式(5)中的其它参数是常数。

所属领域的技术人员可根据运动学分析获得等式(5)中的特定函数f，其变量是环中心偏移a1和b1以及导叶的位置角度αi。

示范性函数是：

在以上等式(6)中，θd是在测量两个点p1、q1的位置时参考轴线x的致动环偏移方向角度，即线oo1与轴线x之间的角度。可基于a1、b1计算此致动环偏移方向角度θd，如从等式(6)可以看出。θi是在经界定笛卡尔坐标系中在压缩机壳体40的圆周上的任一导叶的角度；ax是由旋转传感器60测量的导叶的位置角度。

根据本发明的一方面呈现用于确定多个压缩机导叶的角度偏差的第一方法。图4是此方法的部分流程图。除上述步骤s10、s20、s30和s40之外，此方法进一步包含步骤s50：计算多个导叶的最大角度αmax和最小角度αmin的差分作为最大叶片角度偏差maxδα。即，

maxδα＝αmax-αmin(7)

最大角度αmax和最小角度αmin可选自多个导叶的计算出的角度。

根据本发明的一方面呈现用于确定多个压缩机导叶的角度偏差的第二方法。图5是第二方法的部分流程图。除上述步骤s10和s20之外，此方法进一步包含：基于计算出的环中心偏移a1、b1计算最大叶片角度偏差maxδα。

其中a1、b1是环中心偏移，且

l1是与导叶连接的第一杠杆20的长度。

在本发明的一个实施例中，用于确定多个压缩机导叶的角度偏差的方法进一步包括步骤s61：通过比较最大叶片角度偏差maxδα与设定的阈值而确定最大叶片角度偏差maxδα是否在损坏压缩机。

根据本发明的一个方面呈现用于控制多个压缩机导叶10的角位置的方法。除上述s10、s20和s30之外，此方法进一步包含步骤s41：基于环中心偏移a1、b1以及导叶的角度αx计算在测量两个点p1、q1的位置时全部多个导叶的角度αi。

此方法还包含步骤s70：获得全部多个导叶的角度αi的平均αave；以及步骤s80，使用所述平均αave作为用于调制导叶10的角度的反馈。多个导叶的角度αi的平均αave可以规则间隔计算。全部多个导叶的全部角度αi的平均αave准确地表示全部多个导叶的角位置。实现使用平均αave作为反馈的闭环控制方法以减少叶片间的偏差。

根据本发明的一个方面呈现用于多个压缩机导叶的致动设备。所述致动设备包括：杠杆20，导叶10与其耦合；致动环30，其与杠杆20耦合，其搁置于压缩机壳体40上以用于旋转多个导叶10；两个线性位置传感器70、80，其固定于压缩机壳体40上垂直地指向致动环30以用于测量致动环30的圆周上的两个点p1、q1的位置；旋转传感器60，其与多个导叶10中的一者耦合以用于在测量两个点p1、q1的位置的同时测量与旋转传感器60耦合的导叶的角度αx；以及控制器90，其可经编程以用于基于两个点p1、q1的测得的位置以及致动环30的半径r计算环中心偏移a1、b1，且用于基于环中心偏移a1、b1以及导叶的角度αx计算多个导叶的角度αi。

在本发明的一个实施例中，控制器90可进一步经编程以用于获得多个导叶的角度αi的平均αave；以及使用平均αave作为用于控制导叶10的角度的反馈。

在本发明的一个实施例中，控制器90可进一步经编程以用于计算多个导叶的最大角度和最小角度的差分作为最大叶片角度偏差maxδα。

在本发明的一个实施例中，控制器90可进一步经编程用于通过比较最大叶片角度偏差maxδα与设定的阈值而确定最大叶片角度偏差maxδα是否正损坏压缩机。

在本发明的一个实施例中，控制器90使用以下函数基于环中心偏移a1、b1以及导叶的测得的角度αx计算多个导叶的角度αi。

在以上等式(6)中，θd是在测量两个点p1、q1的位置时参考轴线x的致动环偏移方向角度，即线oo1与轴线x之间的角度。可基于a1、b1计算此致动环偏移方向角度θd，如从等式(6)可以看出。

控制器90可呈处理器或计算机可执行程序的形式以实施上述函数。替代地，控制器90可为以fpga(现场可编程门阵列)、asic(专用集成电路)或相似电路开发的模拟控制系统，或用于接收输入信号或数据包、处理数据、执行指令、产生适当输出信号的其它装置。所述模拟控制系统经配置有适当控制模块和数据库以执行控制器90的各种功能。控制器90可为中央控制站的部分或用于致动设备的专用控制器。

虽然在此已经展示且描述了本发明的优选实施例，但将显而易见的是此类实施例是仅借助于实例而提供。在不脱离此处的本发明的情况下所属领域的技术人员将了解许多变化、改变和替代。因此，希望本发明仅受到所附权利要求书的精神和范围的限制。