专利名称：在涡轮机中设立叶轮空间温度警报的方法、系统及控制器的制作方法
技术领域：
本发明的示例性实施例涉及涡轮机技术，且更具体而言，涉及一 种在涡轮机中设立叶轮空间温度警报的方法。
背景技术：
燃气涡轮机包括压缩机和涡轮，其中，压缩机具有产生压缩气流 的多个级，涡轮具有驱动轴的涡轮转子。在工作期间，涡轮转子处的 温度显著升高。通过将压缩机排出空气引入围绕涡轮转子扩展的叶轮 空间中，提供了冷却。叶轮空间温度保持在处于压缩机排出温度与热 气通路温度之间的材料极限内。在叶轮空间温度超过材料极限的情况 下，会听到警报用以指示超温状态。当超过材料极限时，将涡轮机停 机，并且拆下孔塞以提供额外的冷却流。多种因素可影响压缩机排出 空气的温度。例如，当周围进入空气的温度升高时，压缩机排出空气 上升。常规的叶轮空间温度监测器设立了单一的不灵活的材料极限， 其并不考虑环境温度或工作参数的变化。
发明内容
才艮据本发明的 一个示例性实施例， 一种在涡轮机中设立叶轮空间 温度警报的方法，其包括基于工作状态来计算期望的叶轮空间温度， 测量实际的叶轮空间温度，以及如果实际的叶轮空间温度超过期望的 叶轮空间温度则用信号通知超温状态。
根据本发明的另一个示例性实施例， 一种用于在涡轮机中设立叶 轮空间温度警报的系统，其包括在功能上通过系统总线与输入/输出
(1/0)适配器、连接到键盘和鼠标上的用户界面适配器、连接到显示装
置上的显示适配器以及其上储存了一系列指令的至少一个存储器装置相互连接的中央处理器(CPU)，其中，该输入/输出(I/0)连接到可移 动的数据存储装置、程序存储装置和大量数据存储装置中的至少 一个
上。该系列的指令当由CPU执行时，使得系统基于工作状态来计算期
望的叶轮空间温度、测量实际的叶轮空间温度，以及如果实际的叶轮 空间温度超过期望的叶轮空间温度则用信号通知超温状态。
根据本发明的又一个示例性实施例， 一种控制器包括包含有计算 机可读程序的计算机可用介质。计算机可读程序当在执行时，基于工 作状态来计算期望的叶轮空间温度，测量实际的叶轮空间温度，以及 如果实际的叶轮空间温度超过期望的叶轮空间温度则用信号通知超 温状态。
通过本发明示例性实施例的技术，实现了附加的特征及优点。本 发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述，并且认作是要求 得到保护的本发明的 一 部分。为了更好地理解本发明及其优点和特 征，请参看说明书及附图。
图1为涡轮机的涡轮段的截面简图，该涡轮机包括根据本发明示
例性实施例的用于设立叶轮空间温度警报的系统；
图2为示出根据本发明示例性实施例的设立叶轮空间温度警报的 方法的流程图；以及
图3为适于实施本发明示例性实施例的通用计算机的示意性框图。
具体实施例方式
首先参看图1,根据本发明示例性实施例构造的燃气涡轮发动机 大体上标识为10。涡轮发动机10包括通向叶4仑空间14的轴向流动通 路12,采用叶片和喷嘴的多个涡轮级位于该叶轮空间14内。如图所 示，涡轮发动机10包括具有第一级喷嘴16和第一级叶片20的第一涡轮级15、具有第二级喷嘴22和第二级叶片26的第二涡轮级21, 以及包括第三级喷嘴28和第三级叶片32的第三涡轮级27。各涡轮级 15,21和27均连接到涡轮叶轮(未示出)上。当然，应当理解到，涡轮 10包括具有相关喷嘴和叶片(未示出)的附加涡轮级。
涡轮10包括大体上标识为34的用于设立叶轮空间温度警报的系 统。系统34包括控制器40,如将在下文所述，控制器40至少部分地 基于计算出的期望叶轮空间温度来确定叶轮空间14中的超温状态， 该期望的叶轮空间温度与实际的叶轮空间温度相比较来反映当前的 工作状态。为此目的，控制器40联结到环境温度传感器48和多个叶 轮空间温度传感器50-54上。根据本发明的示例性实施例，各温度 传感器48和50-54均为热电偶形式；然而，应理解的是，可在不脱 离本发明精神的情况下使用各种类型的温度传感装置。此外，控制器 40联结到警报器60和输入/输出(I/0)装置65上，输入/输出(I/0)装置 65提供能够进行编程、数据记录等的用户界面。
现在参看图2来描述设立用于涡轮10的叶轮空间温度警报的方 法100。如图所示，机载(on-board)性能模型如方框102中所示地运行。 机载性能模型为燃气涡轮机10的热动力学模型，其测量发动机数据 并修改工作参数以匹配在一定时间内测到的参数。以此方式，才几载性 能模型估计和预测不能直接测量的工作参lt/状态。这里，如方框104 中所示，控制器40基于当前工作状态来计算期望的叶轮空间温度。 控制器40根据传感器48负载状态和历史数据/趋势来估计环境空气温 度，以基于涡轮10的现有工作状态来确定期望的叶轮空间温度。如 方框106中所示，控制器40还通过传感器50 -54来确定实际的叶轮 空间温度。这里，如方框110中所示，在方框106所获得的实际温度 与在方框104所获得的期望/计算温度相比较。
在方框110中比较实际温度与期望/计算温度之后，判断是否应当 发出超温警报信号。更具体而言，在方框120中，判断在方框106中 所获得的实测温度是否超过预定的极限。根据本发明的示例性方面，预定极限将会变化。各种因素例如但不限于发动机型号和叶轮空间，
将有助于设立预定极限。在方框130中，判断期望/计算温度是否比实
测温度大了限定量。根据本发明的示例性方面，限定量将会变化。各 种因素例如但不限于地点位置，将有助于设立对于期望/计算温度的可
接受偏差。在方框140中，对于限定的热天(hotday)来计算期望温度， 而在方框145中，判断热天的期望/计算温度是否高于预定的极限。当 然，限定的热天和预定极限的温度水平将基于例如发动机位置、负载 等变化。此外，由各传感器50-54感测到的温度的极限可取决于传 感器位置而变化。在方框150中，追踪处于多种温度下的总工作时间， 而在方框155中，判断处于特定温度即哪一温度的总时间是否高于预 定极限。如果在方框120,130,145和155中所确定的状态中的任意一 个为肯定的，则在方框200中发出超温警报信号。这里，采取补救措 施来使工作状态适应参数范围外的叶轮空间温度。例如，附加的冷却 空气可引入叶轮空间中，以使温度回到参数范围内。
通过基于当前工作状态来将实际温度与预定极限以及与计算出 的期望温度相比较，并且追踪多种温度状态下的运行时间，指示超温 状态的警报就会更确切地反映实时工作状态。更具体而言，通过在冷 天预测热天温度，以及追踪特定温度下或温度范围内的运行时间，本 发明的示例性实施例基于概率性极限而非不考虑环境温度变化的刻 板/固定的单点极限来设立超温警报。以这种方式，本发明的示例性实 施例通过预测涡轮何时可能需要冷却空气来降低运行成本，并且还将 预防'性维护工作减少到所需的基础水平。
这里，应当理解到，可以用软件、固件、石更件或它们的一些组合 来实现本发明的性能。作为一个实例，控制器40可采取适当的大功 率固态开关装置的形式。在所示的示例性实施例中，控制器40表示 为中央处理器或CPU。然而，这仅为在本发明范围内的适当的大功率 控制器的实例。本发明例如但不限于，控制器40可包括可控硅整流 器(SCR 晶闸管、MOS控制的晶闸管(MCT)以及绝缘栅双极晶体管中的至少一种。本领域的技术人员将认识到，实现控制器40还可使
用多种单独的专用或可编程的集成电子电路或装置，或其它的电子电 路或装置，如硬布线的电子电3各或逻辑电3各，包括分立元件电路或可
编程逻辑装置，如PLD、 PAL、 PLA等。
实现控制器40还可使用适当编程的通用计算机，如微处理器或 微控制器，或其它处理器装置，如图3中以400所示。计算机400包 括至少一个微处理器或中央处理器(CPU)405。 CPU 405通过系统总线 410互连到随机存取存储器(RAM)415、只读存储器(ROM)420、用于 连接可移动的数据和/或程序存储装置430和大量数据和/或程序存储 装置435的输入/输出(I/0)适配器425,用于连接键盘445和鼠标450 的用户界面适配器440、用于连接数据端口 460的端口适配器455, 以及用于连接显示装置470的显示适配器465上。
ROM 420包含用于计算机系统400的基本操作系统。作为备选， 操作系统可驻留在RAM 415中或如本领域所公知的其它位置。可移 动的数据和/或程序存储装置430的实例包括J兹介质如软盘驱动器和 ;兹带机，以及光学介质如CD ROM驱动器。大量数据和/或程序存储 装置435的实例包括硬盘驱动器和非易失性存储器，如闪速存储器。 除键盘445和鼠标450之外，其它用户输入装置如轨迹球、书写板、 压力垫、麦克风、光笔和位置感测屏幕显示器，也可连接到用户界面 440上。显示装置的实例包括阴极射线管(CRT)和液晶显示器(LCD)。
具有适当应用接口的计算机程序可由本领域的技术人员制作出， 并存储在系统或数据和/或程序存储装置上，以简化本发明的实施。在 工作中，用于本发明的信息或制作成用以运行本发明的计算机程序， 通过经由数据端口 460输入或使用键盘445 4建入来加载到适当的可移 动数据和/或程序存储装置430上。 一般而言，有限状态机能够在其上 执行如本申请中所示的流程图的任何装置或类似装置均可用作控制 器。如图所示，为了最大的数据/信号处理能力和速度，优选分布式处 理体系。此外，应当理解到，本文所绘的流程图仅作为实例。可在不脱离 本发明精神的情况下，对该图或其中所述的步骤(或操作)进行一些修 改。例如，可以不同的顺序来执行步骤，或者可增加、删减或更改步 骤。所有这些变型均认作是要求得到保护的本发明的一部分。
通过概括本发明，我们已经在技术上实现了允许在涡轮机中灵活 追踪叶轮空间温度的解决方案。通过基于工作状态来将实际温度与计 算出的期望温度相比较，指示超温状态的警报会更为确切地反映实时 工作状态。更具体而言，通过在冷天预测热天温度，以及追踪特定温 度下或温度范围内的运行时间，本发明的示例性实施例基于概率性极 限而非不考虑环境温度变化的刻板/固定的单点极限来设立超温警报。 以这种方式，本发明的示例性实施例通过预测涡轮何时需要冷却空气 来降低运行成本，并且还将预防性维护工作减少到所需的基础水平。
总的来说，本书面说明使用了包括最佳方式的实例来公开本发 明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何 装置或系统，以及执行任何合并的方法。本发明的专利范围由权利要 求所限定，并且可包括本领域熟练的技术人员所构思出的其它实例。 如果这些其它实例与权利要求中的书面语言并无不同，或者如果这些 其它实例包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件，则 将意味着这样的实例处于本发明示例性实施例的范围之内。
权利要求
1.一种在涡轮机(10)中设立叶轮空间温度警报的方法(100)，所述方法(100)包括基于循环状态来计算期望的叶轮空间温度(104)；测量实际的叶轮空间温度(106)；以及如果所述实际的叶轮空间温度超过所述期望的叶轮空间温度，则用信号通知超温状态(200)。
2. 根据权利要求1所述的方法(IOO),其特征在于，所述方法还包括设立对于所述叶轮空间的预定材料极限(120);以及 如果所述实际温度超过所述预定材料极限，则用信号通知所述超 温状态(200)。
3. 根据权利要求1所述的方法(IOO),其特征在于，所述方法还包括确定涡轮机(10)在多个叶轮空间温度中的各个叶轮空间温度下的 运行时间(150);设立对于所述多个叶轮空间温度中的各个叶轮空间温度下的运 行时间极限(155);以及如果所述涡轮机超过对于所述多个叶轮空间温度中的一个叶轮 空间温度的所述运行时间极限，则用信号通知所述超温状态(200)。
4. 一种用于在涡轮机(10)中设立叶轮空间温度警报的系统(400): 控制器(405)，其在功能上经由系统总线(410)互连到 输入/输出(1/0)适配器(425)，其连接到可移动的数据存储装置、程序存储装置(430)和大量数据存储装置(435)中的至少 一个上； 用户界面适配器(440)，其连接到键盘(445)和鼠标(450)上； 显示适配器(465),其连接到显示装置(470)上；以及 一系列的指令存储于其上的至少一个存储器装置(415,420)上，所述系列指令当由所述控制器(405)执行时，使得所述系统 基于工作状态来计算期望的叶轮空间温度(104); 测量实际的叶轮空间温度(106);以及如果所述实际的叶轮空间温度超过所述期望的叶轮空间温度，则 用信号通知超温状态(200)。
5. 根据权利要求4所述的系统(400)，其特征在于，所述系列指令 在由所述控制器执行时，使得所述系统设立对于所述叶轮空间(14)的预定材料极限(120);以及 如果所述实际温度超过所述预定材料极限，则用信号通知所述超 温状态(200)。
6. 根据权利要求4所述的系统(400)，其特征在于，所述系列指令 在由所述控制器执行时，使得所述系统确定涡轮机(10)在多个叶轮空间温度中的各个叶轮空间温度下的 运行时间(150);设立对于所述多个叶轮空间温度中的各个叶轮空间温度的运行 时间极限(155);以及如果所述涡轮机超过对于所述多个叶轮空间温度中的一个叶轮 空间温度的运行时间极限，则用信号通知所述超温状态(200)。
全文摘要
本发明涉及在涡轮机中设立叶轮空间温度警报的方法、系统及控制器。具体而言，一种在涡轮机(10)中设立叶轮空间温度警报的方法(100)，其包括基于工作状态来计算期望的叶轮空间温度(104)，测量实际叶轮空间温度(106)，以及如果实际叶轮空间温度超过期望的叶轮空间温度则用信号通知超温状态(200)。
文档编号F01D21/12GK101614138SQ20091013989
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者K·W·威尔克斯, R·S·罗森, T·J·菲谢蒂 申请人:通用电气公司