关于燃气涡轮控制和运行的方法

专利名称：关于燃气涡轮控制和运行的方法
技术领域：
本申请大体涉及用于改进燃气涡轮发动机的效率和/或运行的方法、系统和/或设备，如本文所使用且除非另外特别指出，燃气涡轮发动机意图包括所有类型的燃气涡轮 或燃气轮机或者旋转式发动机，包括飞行器发动机，发电发动机及其它。更具体地，但并非 以限制的方式，本申请涉及关于在运行期间控制压缩机抽气流以提高发动机性能的方法、 系统和/或设备。
背景技术：
大体上，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮大体包括沿轴 向堆叠成级的叶片排。各个级包括一排沿周向隔开的固定的定子叶片，以及一排绕着中心 轴线或者轴旋转的转子叶片。在运行时，大体上，压缩机转子叶片绕着轴旋转，且与定子叶 片共同起作用来压缩空气流。然后，在燃烧器中使用压缩空气供应来燃烧燃料供应。然后， 由燃烧所得到的热气体(即工作流体)流膨胀通过发动机的涡轮段。工作流体流动通过涡 轮引起转子叶片旋转。转子叶片连接到中心轴上，使得转子叶片的旋转使轴旋转。这样，包含在燃料中的能量就被转化成旋转的轴的机械能，该机械能例如可用来 使压缩机的转子叶片旋转，使得产生燃烧所需的压缩空气供应，且使发电机的线圈旋转，使 得产生电功率。在运行期间，由于热气体路径的极端温度_该极端温度可达到大约2400° 至2600° F之间-以及高的旋转速度，涡轮叶片因极端的机械和热载荷而受很大应力。大 体上，如本领域普通技术人员将了解的，这就要求燃气涡轮发动机被设计成(signed)以便 在运行期间从压缩机抽取空气且使用该空气来冷却热气体路径中的部件。然而，该抽气代 价很高，因为以这种方式使用压缩机空气会降低涡轮发动机的效率。因此，只要有可能就应 当减小抽气或者使抽气最小化。如本领域普通技术人员将了解的，传统的发动机设计大体上针对从压缩机抽取冷 却空气采用“一种大小匹配所有情况”的措施，这就意味着抽气的量是固定的。这种措施的 一个结果是发动机常常从压缩机抽取超过所需的量的冷却空气。考虑与使用过量冷却空气 相关联的性能损失，以及在大多数普通的运行状态期间尽可能(最大)程度地避免这种损 失的期望，“一种大小匹配所有情况”的抽气能力大体上大小设计成对于某些应用(诸如对 于热环境条件期间的峰值发电)而言小于可能需要的水平，或者对于其它情形(诸如较冷 的环境条件下的基本负载运行)而言高于所需的水平。为了解决这个问题，一些燃气涡轮系统使用允许从压缩机进行可变水平的抽气的 技术。然而，即便是在可获得可变的抽气的情况下，传统的涡轮控制方法和系统也不能完全 利用这种能力以致于实现可获得的输出和效率增长。这样的计算机实现的方法和系统是 可用的该方法和系统测量和监测发动机运行参数，并且根据该数据对发动机系统建模，使 得可计算其它运行参数并使用它们来对运行进行精调节。在一些情况下，如以下详细地讨 论的，可修改(如本文所提供的)及影响这类技术，使得当与可变压缩机抽气技术配对时， 可实现提高的发动机性能。因此，存在对于这样的改进的设备、方法和/或系统的需求其涉及对可变冷却空气抽气水平的控制，使得可获得更高的发动机输出水平、提高的效率和/ 或其它增强的性能
发明内容
因而本申请描述了一种控制包括压缩机、燃烧器和涡轮的涡轮发动机中的可变抽 气流的方法，其中，抽气流包括从压缩机中抽取并且通过一个或者多个抽气导管在绕过燃 烧器的同时供应到涡轮的压缩空气供应，且其中，抽气导管中的至少一个包括可变抽气孔 口，可变抽气孔口具有由控制单元控制的多个设定，该方法包括以下步骤测量多个涡轮发 动机运行参数，其中被测的运行参数至少包括与涡轮内的温度相关联的一个参数，与可变 抽气孔口的设定相关联的一个参数，与压缩机内的压力相关联的一个参数，与抽气导管中 的一个内的压力相关联的一个参数，以及与抽气流的水平相关联的一个参数；通过控制单 元监测燃气轮机发动机的被测的运行参数；以基于模型的控制和被测的运行参数为基础， 通过控制单元来计算至少一个计算的运行参数，至少包括被测的临界压力比率；且操纵可 变抽气孔口中的至少一个的设定，使得通过比较被测的临界压力比率是否超过计划的临界 压力比率来确定降低的和/或最小的抽气流。本申请进一步描述了一种控制包括压缩机、燃烧器和涡轮的涡轮发动机中的可变 抽气流的方法，其中抽气流包括从压缩机抽取且通过一个或多个抽气导管在绕过燃烧器的 同时供应到涡轮的压缩空气供应，且其中，抽气导管中的至少一个包括可变抽气孔口，可变 抽气孔口具有由控制单元控制的多个设定，该方法包括以下步骤测量多个涡轮发动机运 行参数，其中被测的运行参数至少包括与涡轮内的温度相关联的一个参数，与可变抽气孔 口的设定相关联的一个参数，与抽气流的水平相关联的一个参数，与供应至燃烧器的燃料 供应相关联的一个参数；通过控制单元监测燃气轮机发动机的被测的运行参数；将至少一 个可变抽气孔口设定到允许有大约最大水平的抽气流的设定；以基于模型的控制和被测的 运行参数为基础，通过控制单元来计算至少一个计算的运行参数，至少包括当前涡轮入口 温度和最大涡轮入口温度；以及针对供应至燃烧器的燃料供应操纵设定，使得通过比较当 前涡轮入口温度的值和最大涡轮入口温度的值来确定发动机输出的提高的和/或最大水 平。在结合附图和所附的权利要求书查阅对优选实施例的以下详细描述之后，本申请 的这些和其它特征将变得显而易见。


通过仔细研究结合附图得到的对本发明的示例性实施例的以下更加详细的描述， 本发明的这些和其它特征将得到更充分的理解和了解，在附图中图1是在其中可使用本申请的某些实施例的示例性涡轮发动机的图示；图2是图1的燃气涡轮发动机的压缩机段的截面图；图3是图1的燃气涡轮发动机的涡轮段的截面图；图4是根据本申请的示例性实施例的涡轮系统的图示；图5是示出了本申请的一个示例性实施例的运行的流程图；且图6是示出了本申请的一个示例性实施例的运行的流程图。
具体实施例方式现在参看附图，图1示出了燃气涡轮发动机100的图示，燃气涡轮发动机100将被 用来描述本发明可应用其中的示例性环境。本领域技术人员将理解，本发明不限于这种类 型的使用。正如所述，本发明可用于其它类型的燃气涡轮发动机中。大体上，燃气涡轮发动 机通过从经由燃料在压缩空气流中的燃烧而产生的加压的热气体流中汲取能量来运行。如 图1所示，燃气涡轮发动机100可构造有通过共同的轴或转子机械地联接至下游涡轮段或 涡轮110的轴向压缩机106，以及定位在压缩机106和涡轮110之间的燃烧器112。
图2示出了可用于图1的燃气涡轮发动机中的示例性多级轴向压缩机106的视 图。如图所示，压缩机106可包括多个级。各个级可包括一排压缩机转子叶片120，之后是 一排压缩机定子叶片122。因此，第一级可包括绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片120， 之后是在运行期间保持静止的一排压缩机定子叶片122。压缩机定子叶片122大体上彼此 沿周向隔开且固定在旋转轴线周围。压缩机转子叶片120沿周向隔开且附连到轴上；当轴 在运行期间旋转时，压缩机转子叶片120绕着它旋转。如本领域普通技术人员将了解的，压 缩机转子叶片120构造成使得当绕着轴旋动时，它们为流动通过压缩机106的空气或流体 赋予动能。压缩机106可具有图2中所示的级以外的其它级。另外的级可包括多个沿轴向 隔开的压缩机转子叶片120，之后是多个沿周向隔开的压缩机定子叶片122。图3示出了可用于图1的燃气涡轮发动机中的示例性涡轮段或涡轮110的局部视 图。涡轮110也可包括多个级。示出了三个示例性级，但是在涡轮110中可存在更多或更少 的级。第一级包括在运行期间绕着轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片126，以及在运行 期间保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128大体上彼此沿周向隔开 且固定在旋转轴线周围。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮(未示出)上，以便绕着轴 (未示出)旋转。还示出了涡轮110的第二级。第二级类似地包括多个沿周向隔开的涡轮 定子叶片128，之后是多个沿周向隔开的涡轮转子叶片126，涡轮转子叶片126也安装在涡 轮叶轮上以便旋转。还示出了第三级，且第三级类似地包括多个涡轮定子叶片128和转子 叶片126。将了解，涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126处于涡轮110的热气体路径中。 通过热气体路径的热气体的流动方向由箭头示出。如本领域普通技术人员将了解的，涡轮 110可具有图3中示出的级以外的其它级。各个另外的级可包括一排涡轮定子叶片128，之 后是一排涡轮转子叶片126。在使用时，轴向压缩机106内的压缩机转子叶片120的旋转可压缩空气流。在燃 烧器112中，当压缩空气与燃料混合且被点燃时，可释放能量。然后，来自燃烧器112的所 得的热气体(其可称为工作流体)流被引导经过涡轮转子叶片126，工作流体流引起涡轮转 子叶片126绕着轴旋转。由此，工作流体流的能量转换成旋转叶片的机械能，且由于转子叶 片和轴之间的连接，转换成旋转的轴的机械能。然后，轴的机械能可用来驱动压缩机转子叶 片120旋转，使得产生必须的压缩空气供应，且还例如驱动发电机旋转以便产生电能。在进一步继续之前，注意为了清楚地传达本申请的发明，可能必须选择指代和描 述涡轮发动机的某些机器构件或者部件的用语。只要有可能，将以与其被接受的意义相符 的方式来使用和采用通用的工业用语。然而，意图任何这种用语都以宽泛的意义给出，且不 应狭义地理解成使得本文所意图的意义和所附的权利要求书的范围不合理地受到限制。本领域普通技术人员将了解，通常某些构件可以若干不同的名字来指代。此外，本文中可能被 描述为单个部件的部件在另外的环境中可包括以及被指代为包括若干构件部分，或者，在 本文中可能被描述为包括多个构件部分的事物可被改型为以及-在一些情况下-被称为单 个部件。这样，在理解本文所描述的本发明的范围时，不应该仅仅将注意力放在所提供的用 语和描述上，而且还应该注意本文所描述的构件的结构、构造、功能和/或使用。此外，本文可能使用对于涡轮发动机应用而言通用的若干描述性用语。对这些用 语的定义如下。在没有进一步特指的情况下，用语“转子叶片”指代压缩机106或涡轮110 的旋转叶片，其包括压缩机转子叶片120和涡轮转子叶片126两者。用语“定子叶片”，在 没有进一步特指的情况下，指代压缩机106或涡轮110的静止叶片，其包括压缩机定子叶片 122和涡轮定子叶片128两者。用语“叶片”将在本文中用于指代任一种类型的叶片。因 此，在没有进一步特指的情况下，用语“叶片”包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机 转子叶片120，压缩机定子叶片122，涡轮转子叶片126和涡轮定子叶片128。此外，如本文 中所用，“下游”和“上游”是指示相对于通过涡轮的工作流体流的方向的用语。这样，用语 “下游”表示流的方向，且用语“上游”表示沿着与通过涡轮的流相反的方向。关于这些用语， 用语“后”和/或“后缘”指下游方向、下游端和/或朝向所描述的构件的下游端的方向。并 且，用语“前”或“前缘”指上游方向、上游端和/或朝向所描述的构件的上游端的方向。用 语“径向”指垂直于轴线的运动或位置。通常需要描述相对于轴线处于不同的径向位置的 部件。在这种情况下，如果第一构件坐落得比第二构件离轴线更近，则在本文中可以说第一 构件在第二构件的“内侧”或“径向内部”。另一方面，如果第一构件坐落得比第二构件离轴 线更远，则在本文中可以说第一构件在第二构件的“外侧”或“径向外部”。用语“轴向”指 平行于轴线的运动或位置。并且，用语“周向”指绕着轴线的运动或位置。 再参看附图，图4示出了本发明的一个示例性实施例涡轮系统200。如将更详细 地描述的，提供了为了改进燃气轮机发动机或燃气涡轮发动机的运行的目的而利用可变压 缩机抽气和基于模型的控制的设备、方法和/或系统。如本文中所用，“可变压缩机抽气”定 义为控制从燃气涡轮的压缩机段抽取的空气流的量的能力。“可变压缩机抽气”至少包括 提供至少两种不同的空气流抽气水平的能力。如本文中所用，“基于模型的控制”是基于发 动机运行的模型控制涡轮发动机的方法。这样，涡轮发动机不仅可以以被测的运行参数控 制，而且还可以以可在给定涡轮发动机模型和被测的运行参数的情况下计算的运行参数来 控制。如下文更详细地论述的，本申请通过(除了其它之外)可变压缩机抽气和基于模型 的控制的集成提供了提高的运行性能。将了解，本发明的某些示例性实施例使用现有的压 缩机抽气管道或供应管线和安装在现有的管路内的传统的可变抽气阀或孔口。如以下更详 细地描述的，可变抽气孔口的控制可基于由控制单元依据已进行了修改以便根据本文详细 描述的过程步骤来运行的传统的基于模型的控制程序或者系统而测量、监测和/或计算的 发动机运行参数。这样，可通过经由使用基于模型的控制而更好地利用可变压缩机抽气和 可用的冷却流水平来提高发动机性能。更特别地，如以下更加详细地论述的，本发明可用来 提高发动机输出或者使发动机输出最大化，或者提高效率或使效率最大化。如本领域普通技术人员将了解的，可在涡轮系统的任何压缩机级中提供压缩机抽 气。可将抽取的流供应至发动机的涡轮段，以便在运行期间冷却部件和/或保持部件处于 合适的温度。如本文中所用，抽取的流意图指从压缩机抽取或者排放并且供给发动机的涡轮段以便冷却部件、吹扫腔体或者(用于)其它类似的使用的任何空气供应。大体上，从传 统的系统中抽取的空气的量是固定的。传统的可变压缩机抽气阀或者孔口可用来容许有变 化的压缩机空气抽气水平。以下根据本发明的一个实施例参照系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框 图来描述本发明的实施例。在下文中参照附图更全面地描述本发明的示例性实施例，其中， 在所有几幅附图中，同样的标号表示同样的元件。事 实上，这些发明可以实施为许多不同的 形式，且不应理解为限于本文中所阐述的实施例；相反，这些实施例是为了使得本公开将满 足适用的法律要求而提供的。如文中所述，图4示出了示例性涡轮系统200，该示例性涡轮系统200用于依据本 文所提供的过程使用基于模型的控制来控制来自压缩机106的抽气流，以使得对于某些应 用而言提高发动机性能。图4中所示的示例性涡轮系统200可为用于为发电机(未示出) 供以动力的燃气涡轮。如图4的示例性实施例中所示，涡轮系统200可包括压缩机106、涡 轮110和燃烧器112，上文中更加详细地描述了其一般运行。同样如图所示，涡轮系统200可包括设置成与压缩机106的抽气点或级流动连 通的抽气供应管线或者导管204。抽气导管204通常是将抽取的流从压缩机106传送至 涡轮110的管道。在本发明的一些示例性实施例中，压缩机106中的抽气点可位于9级 和/或13级处，但抽气也可发生在其它级处。根据本发明的一些示例性实施例，如本领域 普通技术人员将了解的，受控制的可变抽气流可在涡轮110的任意级中的任何构件处恢复 (reinstate)，以用于部件冷却、腔体吹扫或者其它这样的类似功能。为了容许在涡轮发动 机运行期间控制和操纵抽气流，抽气导管204可连接到或者包括一个或多个可变抽气孔口 208。如所示的图4的实施例中所显示的，抽气导管204可从可变抽气孔口 208起延续，且 将抽取的流引导至涡轮110内的期望部位。在本发明的示例性实施例中，可变抽气孔口 208可包括一个或多个可变几何结构 孔口。各个孔口 208的几何结构可根据发动机的一个或多个涡轮机运行参数受控制。如以 下更加详细地论述的，孔口 208可控制抽气流水平，以保持某些期望的运行特性。在本发明 的示例性实施例中，可变抽气孔口 208可安装在现有的或者传统的抽气导管204中。在本 发明的一个示例性实施例中，可操作一个或多个可变抽气孔口 208，以便至少限定较低流量 孔口设定、高流量孔口设定和/或其它设定。控制单元210可控制一个或多个可变抽气孔 口 208的设定，使得对于涡轮系统200，可由系统操作者按照期望来实现这些设定。一个示 例性可变抽气孔口可为阀(例如液压球阀，气动阀，闸门阀等。)，其中，阀的行程可按照传 统的方式由控制单元210控制。如本领域普通技术人员将了解的，控制单元210可执行许多功能，包括燃料、空气 和排放控制，用于起动、停机和冷却的涡轮燃料和助剂排序，发电机和系统的同步和电压匹 配，对所有涡轮的监测、控制和辅助功能，对所有涡轮机运行参数的监测，保护避免不安全 的和不利的运行状态和/或其它类似的功能。在本发明的一些示例性实施例中，控制单元 210及其控制和操纵抽气流所采用的方式可结合到传统的或者现有的多参数涡轮发动机控 制系统(例如，现有的基于模型的控制系统或者校正参数控制系统)中。在本发明的一个 示例性实施例中，用于燃气涡轮系统的控制单元210可为结合到现有的涡轮机控制系统中 的构件和/或模块，诸如但不限于通用电气公司的SpeedtronicTMMark VI控制系统。如本领域普通技术人员将了解的，包括测量、监测、计算和控制涡轮发动机运行参数和运行的本发明的各方面(包括必要的传感器和计算机启动的机构(例如可变抽气孔口 208))可存在 于一个或多个这些传统的系统中，可对它们进行修改以便根据本文所述的发明来起作用。如图4所示，本发明的示例性实施例利用集成的控制单元210通过控制一个或多 个可变抽气孔口 208在运行期间提供主动抽气流调节。控制单元210能够响应于与涡轮系 统200的各种构件相关的一个或多个被测的或者计算的发动机运行参数来控制抽气流。因 此，根据本发明的一个示例性实施例，与涡轮系统200相关的一个或多个运行参数可通过 设置在涡轮系统200中的一个或多个部位处的传统的传感器由控制单元210测量。传感 器可布置在涡轮系统200的各个构件和/或级(包括压缩机106、燃烧器112、涡轮110、可 变抽气孔口 208、抽气导管204以及其它)中的各处，且如有必要可将信息传送到控制单元 210。如本领域普通技术人员将了解的，传感器可进行与阀位置、温度、压力相关的测量，以 及其它这样的测量(如以下所提供的)。传统的涡轮发动机传感器可用于闭环控制系统中。 然后控制单元210监测和记录来自传感器(注意，传感器可被认为是控制单元210的部分) 的被测的信息。控制单元210可使用从传感器获得的数据，以进行与未被传感器测量的运 行参数(诸如，例如燃烧温度)相关的计算。这些计算可基于传统的基于模型的控制系统 或者其它类似的方法。如下文所论述，控制单元210可使用这些计算值和所收集的数据来 调整抽气流，以便增强涡轮发动机运行。更特别地，根据本申请的示例性实施例，由涡轮系统200的控制单元210测量、监 测及记录的运行参数可包括涡轮排气温度和/或压力，压缩机空气流量，压缩机入口温 度，压缩机排出口温度，压缩机入口压力，压缩机排出口压力，燃料流量，燃烧动力学，分布 和进气流量和/或其它(如以下所提供的)。在本发明的一些示例性实施例中，控制单元 210可基于被测的发动机运行参数计算、监测和记录一个或多个运行参数(例如燃烧器出 口温度、涡轮基准温度、涡轮燃烧温度等)。如本文中所提供的，控制单元210可依据这些被 测量、监测、记录和/或计算的发动机运行参数(即与发动机如何运行以及发动机运行所处 的状态相关的数据)中的任何以及全部参数来控制可变抽气孔口 208。图4中所显示的以及关于图4所描述的涡轮系统200仅以实例的方式提供。许多 其它的涡轮系统运行环境、体系结构和/或构造都是可行的。因此，本发明的实施例不应理 解为限于在图4中所显示的以及关于图4所描述的任何特定的运行环境、体系结构或者构 造。下文参照图5和6提供了对用于控制来自与本申请的实施例相符合的涡轮系统的压缩 机的压缩机抽气流的操作的更加详细的描述。图5和6示出了根据本发明的一个实施例用于控制来自涡轮系统的压缩机的抽气 空气流的示例性流程图。将理解的是，图5和6中的一个或多个框和/或框的组合可由计 算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可加载到通用计算机、专用计算机或其它可编 程数据处理设备上以产生机器，使得在计算机或其它可编程数据处理设备上执行的指令产 生用于执行框图中的各个框或者框图中的框的组合(在以下说明中详细论述)的功能的措 施。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可指示计 算机或其它可编程数据处理设备来以特定的方式起作用，包括执行在一个或者多个框中指 定的功能。本发明的实施例还可通过在计算机的操作系统上运行的应用程序来执行。此外， 或者在备选方案中，应用程序(全部或者部分)可位于远程存储器中或者贮存器中，以允许实施其中任务由通过通信网络链接的远程处理装置来执行的本发明的实施例。还将理解，图5和6中的各个框和/或框的组合可由执行指定的功能的基于硬件的专用计算机系统，或者元件，或者专用硬件和计算机指令的组合来实施。这些实施例还可 利用其它计算机系统构造-包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器的或者可编程的 消费电子产品、微型计算机、大型计算机等-来实施。由图5所呈现的示例性实施例涉及用于增大涡轮输出和/或使涡轮输出最大化的 方法。该方法可通过使用传统的基于模型的控制系统和可变抽气来实施。该示例性实施例 的一个方面在于涡轮发动机可增大其输出。这可借助于以下方式来实现即，通过使用可变 抽气使来自压缩机的空气抽气最大化而使发动机以可能超过之前所接受的上限的温度运 行，且然后在给定抽气流的情况下重新形成温度上限。例如，这种类型的运行可为操作者提 供在峰值需求期间在热天提高输出的灵活性。如图5所示，示例性过程500可开始于框502，其中，由控制单元210监测一个或多 个涡轮发动机运行参数。正如所述，使用传感器容许由控制单元210记录和/或监测各种 各样的被测的和/或计算的涡轮机运行参数。因此，在框502中，过程可测量、计算、记录和 /或监测一个或多个涡轮机运行参数，包括以下参数中的一个或多个a) 一个或多个抽气导管204的抽气导管204压力(该测量值可通过定位在可变抽 气孔口下游的压力变换器来测量。)；b)抽气流水平(例如，其可在给定抽气导管204的已知尺寸以及抽气导管204中 的被测压力的情况下计算。)；c)可变抽气孔口 208的设定；d)压缩机出口压力；e)环境条件；f)涡轮入口温度("Tjt贞”)(Tjt贞可在给定被测的燃气涡轮排气温度和其它被测 的参数的情况下计算。)；g)燃气涡轮输出/负载水平；和h)燃气涡轮排气温度。除非另外指出，对涡轮机运行参数的测量、计算、记录和/或监测可根据传统的方 式和方法来进行。还可监测其它运行参数。框502的监测可持续地或者周期性地更新，且 更新了的数据可由该过程中的其它步骤使用，如流程图中所指示。在框504处，该过程可确定系统操作者是否想要提高发动机输出和/或使发动机 输出最大？如果确定了系统操作者想要提高发动机输出和/或使发动机输出最大，则该过 程可继续至框506。如果确定了系统操作者不想要提高发动机输出和/或使发动机输出最 大，则该过程可结束或者重复框504。(注意，在一个优选的备选实施例中，关于系统操作者 是否想要提高发动机输出和/或使发动机输出最大的决定可自动实现而不需要来自系统 操作者的当前或者额外输入。也就是说，如果满足某些条件，该过程可自动提高发动机输出 和/或使发动机输出最大。系统操作者(其可以是控制涡轮发动机的运行的任何决策者) 可指定这些条件。在一些情况下，这些条件可包括诸如环境条件和峰值需求期间的电费费 率的因素。这样，例如，系统操作者或其它决策者可决定何时使发动机输出提高或最大化超 出基本负载水平是成本有效的，且可产生允许其自动发生的规则。)
在框506处，该过程可将可变抽气孔口 208设定到更敞开的或者基本完全敞开的 设定(即允许大约最高水平的抽气流从压缩机流到涡轮的设定)。如果可变抽气孔口 208 已经被设定到完全敞开的设定，则该过程可在不采取措施的情况下返回到框504，或者在一 些实施例中可前进到框510。在框510和/或随后的框处，该过程大体运用控制流向燃烧器的燃料的流动和/ 或内燃机输出的水平的控制机构。例如，该过程可测量和/或计算表示当前涡轮入口温度 的T 贞和表示最大涡轮入口温度的T燃烧—最大，涡轮发动机可基于热气体路径部件的温度 限值和抽气水平(即可用以冷却热气体路径部件的冷却空气的量)在该最大涡轮入口温度 下运行。在给定框502中所描述的最当前的被测的涡轮机运行参数-包括被测的涡轮机运 行参数的任何变化(该变化由于将可变抽气孔口 208设定到更加敞开的或者基本完全敞开 的设定(根据框506的运行)和/或可能由于框513和514V(如以下所描述)的运行而引 起的供应至燃烧器的燃料供应的增大或者减少而发生)_的情况下，可使用基于模型的控 制措施来计算Tjft^和Tjt^ jp如本领域普通技术人员将了解的，由基于模型的控制系 统对Tjt贞—的确定可很大程度上基于例如被测的运行参数(诸如涡轮排气温度数据，环境条件数据和/或压缩机压力比率数据)来计算。如本领域普通技术人员将了解的，由基 于模型的控制系统对Tjt贞—的确定可在很大程度上基于例如在升高的Tjt贞温度下的运行 参数的模型预测(包括例如给定新设定的情况下的抽气流水平的水平以及热气体路径内 的构件的温度限值)来计算。对于这些计算所使用的基于模型的控制措施可包括例如涡轮 机运行控制系统，诸如MBC满负载循环控制(MBC Full Load Cycle Control)，ARES模型以 及其它类似的控制系统。在框512处，该过程可比较T燃烧—浦和T燃烧最大的计算值。如果T燃烧最大超过T燃烧 — 预定的量，该过程可返回至框513，其中，可提高到燃烧器的燃料供应。如果T· —■超
预定的量，则i亥过程可前进到框514，其中，可减小到燃烧器的燃料供应。如果T 贞―和T 贞基本相等或者在彼此的预定范围内，则可以说过程500已经确定了到燃烧 器的燃料供应的大致最大水平和/或输出的最大水平。如果情况是这样，则过程500可前 进至框516。在框513处，该过程可增大到燃烧器的燃料供应。然后该过程可继续至框510。在框514处，正如所述的，该过程可降低到燃烧器的燃料供应。然后该过程可继续 至框510。在框516处，该过程可结束，如图所示，或者可返回框502。这样，在运行时，该过程 500可允许涡轮系统通过使用基于模型的控制和可变抽气来使输出提高和/或最大化。图6示出了本发明的另一个示例性实施例，过程600。图6中所表示的实施例涉及 通过使用基于模型的控制和可变抽气来提高涡轮发动机效率和/或优化涡轮效率。如下文 更详细地描述的，当前发明的这方面例如可允许系统操作者在以基本负载或部分负载水平 运行的同时切断不必要地过高的抽气流，使得发动机更高效地运行。正如所述的，使用传感 器允许由控制单元210记录和/或监测各种各样的被测的和/或计算的涡轮机运行参数。 因此，在框602处，该过程可测量、计算、记录和/或监测一个或多个涡轮机运行参数，包括 以下参数中的一个或多个a)抽气导管204中的一个或者多个的抽气导管204压力(该测量值可通过定位在可变抽气孔口下游的压力变换器来测量。)；b)抽气流水平(其可例如在给定抽气导管204的已知尺寸和抽气导管204中的被 测的压力的情况下计算。)；c)可变抽气孔口 208的设定；d)压缩机出口压力；
e)环境条件；f)涡轮入口温度("Tjt贞”)(Tjt贞可在给定被测的燃气涡轮排气温度和其它被测 的参数的情况下计算。)；g)燃气涡轮输出/负载水平；以及h)燃气涡轮排气温度。除非做出其它说明，测量、计算、记录和/或监测涡轮机运行参数可根据传统的方 式和方法来进行。还可监测其它运行参数。框602的监测可持续地或者定期地更新，且如 流程图中所指示的，更新的数据可由该过程中的其它步骤使用。在框604处，该过程可确定系统操作者是否想要降低抽气流水平或者使抽气流水 平最小以使得发动机效率得以提高和/或优化。(注意，在一个优选的备选实施例中，该过 程可自动降低抽气流水平或者使抽气流水平最小，从而使得在不接受来自系统操作者的输 入的情况下在大多数运行状态期间(即在全部或者大部分基本负载或部分负载水平期间) 提高或者优化效率。也就是说，在这种实施例中，与过程600的其它步骤有关的运行可以是 默认的控制计划，使得发动机在大多数运行状态期间以降低的或者最小化的抽气流水平运 行)。如果在框604处确定系统操作者想要降低抽气流水平以使得发动机效率得以提高和 /或优化，则该过程可继续至框606。如果确定了系统操作者不想要降低抽气流水平以使得 发动机效率得以提高和/或优化，则该过程可重复框604。在框606处，该过程可计算被测的临界压力比率。如本领域普通技术人员将了解 的，被测的临界压力比率是越过抽气导管204的压力比率，即抽气导管内的压力与压缩机 106的出口处的压力的比率。抽气导管204中的被测的压力水平可通过定位在可变抽气孔 口 208下游的压力变换器来测量。压缩机106的出口处的压力水平可通过压缩机106的出 口处的传统的器件来测量。在其中存在不只一个抽气导管204的情况中，例如，在具有从压 缩机的第9级和第13级抽取压缩机空气的抽气导管204的系统中，可针对各个抽气导管 204计算被测的临界压力比率的值。在框608处，该过程可确定计划的临界压力比率。如本领域普通技术人员将了解 的，计划的临界压力比率是由热气体路径构件的规格建立的预定值或者限值。计划的临界 压力水平确认阈值，越过该阈值，热气体路径构件就不会被充分地冷却，可能会过热或者损 害部件寿命。更具体而言，在一些情况下，确定计划的临界压力比率大体上可包括三个与将 充足抽气流(即冷却剂)提供到热气体路径部件相关联的运行特性。这些运行特性可包括 逆流边界，叶轮间隙温度测量值(其可指示充足的叶轮间隙吹扫流)，以及热气体路径中的 实际金属温度。大体上，操作涡轮发动机而使得被测的临界压力比率的值保持小于计划的 临界压力比率确保了热气体路径构件在可接受的温度内运行。如本领域普通技术人员将了 解的，计划的临界压力比率可为依赖于当前负载设定、环境条件和/或其它因素的单个值 或者值列表。
在框610处，该过程可针对一个或者所有的抽气导管204比较来自框606的被测 的临界压力比率与来自框608的计划的临界压力比率。如果确定了被测的临界压力比率超 过计划的临界压力比率预定的量，则该过程可前进至框614。如果确定了计划的临界压力比 率超过被测的临界压力比率预定的量，则该过程可前进至框612。如果确定了被测的临界压 力比率与计划的临界压力比率基本相同或者处于彼此的预定范围内，则该过程可前进至框 616。在框612处，该过程可将可变抽气孔口设定到减少从压缩机106流向涡轮110的 抽气流的设定，即将可变抽气孔口设定到更加闭合的位置。可进行该设定，因为超过被测的 临界压力比率预定量的计划的临界压力比率可表示从压缩机抽取了过量的冷却剂。然后该 过程可前进至框606。
在框614处，该过程可将可变抽气孔口设定到增大从压缩机106流向涡轮110的 抽气流的设定，即将可变抽气孔口设定到更加敞开的位置。这可能是必要的，因为超过计划 的临界压力比率预定量的被测的临界压力比率可表示没有从压缩机中抽取足够的冷却剂。 然后该过程可前进至框606。在框616处，该过程可结束，如图所示，或者可返回至框602。在运行中，如本领域 普通技术人员将了解的，过程600允许系统操作者切断不必要的抽气流，使得可提高和/或 最大化涡轮发动机的效率。图5和6的示例性过程元素以实例的方式显示，且其它过程和流动实施例可具有 更少或者更多数量的元素，且这些元素可根据本发明的其它实施例布置成备选的构造。本 发明的示例性实施例可提供通过利用可变抽气流(经由一个或多个可变抽气孔口)和基于 模型的控制系统来改进和/或最大化燃气轮机发动机的输出和/或效率的技术效果。此外，根据本发明的一个备选实施例，如普通技术人员将理解的，图5和6的过程 步骤可组合到组合的/单独的过程中。在这种类型的实施例的一个实例中，例如，该过程可 依据图6的过程自动地降低或者最小化抽气流水平，使得在大多数运行状态期间效率得以 提高或者优化(即，在所有或者大多数基本负载或部分负载水平期间，在不从系统操作者 接受输入的情况下)。在从系统操作者接受输入之后(或者正如所描述的，在满足某些特定 条件之后以自动的方式)，该过程可以提高的或者最大化的抽气流水平来提高或者最大化 输出。如本领域普通技术人员将了解的，可进一步选择性地应用以上关于若干个示例性 实施例所描述的许多不同的特征和构造，以形成本发明的其它可行的实施例。为了简明起 见以及将本领域普通技术人员的能力考虑在内，在本文中没有详细地讨论各种可能的重 复，但是由以下若干权利要求所包含的所有组合和可行的实施例意图是本发明的一部分。 此外，根据对本发明的若干示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将构想到改进、变化 及修改。处于本领域中的这样的改进、变化及修改也意图由所附的权利要求书覆盖。此外， 将显而易见的是，以上内容仅涉及本申请的所述的实施例，且在本文中可进行许多修改和 改变而不脱离由所附的权利要求及其等效物所限定的本申请的精神和范围。
权利要求
一种控制包括压缩机(106)、燃烧器(112)和涡轮(110)的涡轮发动机(100)中的可变抽气流的方法，其中，抽气流包括从所述压缩机(106)抽取并且通过一个或多个抽气导管(204)在绕过所述燃烧器(112)的同时供应至所述涡轮(110)的压缩空气供应，且其中，所述抽气导管(204)中的至少一个包括具有由控制单元(210)控制的多个设定的可变抽气孔口(208)，所述方法包括以下步骤测量多个涡轮发动机运行参数，其中，被测的运行参数至少包括与所述涡轮(110)内的温度相关联的一个参数，与所述可变抽气孔口(208)的设定相关联的一个参数，与所述压缩机(106)内的压力相关联的一个参数，与所述抽气导管(204)其中之一内的压力相关联的一个参数，以及与抽气流的水平相关联的一个参数；由所述控制单元(210)监测所述燃气轮机发动机(100)的被测的运行参数；以基于模型的控制和所述被测的运行参数为基础，由所述控制单元(210)计算至少一个计算的运行参数，至少包括被测的临界压力比率；以及针对所述可变抽气孔口(208)中的至少一个来操纵设定，使得通过比较所述被测的临界压力比率是否超过计划的临界压力比率来确定降低的和/或近似最小的抽气流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，权利要求1中所提出的步骤中的一个或者 多个的更详细的列举包括以下步骤a)确定所述计划的临界压力比率，其中所述计划的临界压力比率包括确认近似阈值的 预定值，越过所述阈值时，所述涡轮(110)的热气体路径内的部件不会得到充分冷却；b)计算所述被测的临界压力比率，其中所述被测的临界压力比率包括所述抽气导管 (204)其中一个中的被测的压力除以所述压缩机(106)的出口处的被测的压力；以及c)比较所述被测的临界压力比率与所述计划的临界压力比率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为替代，针对所述可变抽气孔口(208) 中的至少一个操纵设定、使得通过比较所述被测的临界压力比率是否超过计划的临界压力 比率来确定降低的和/或近似最小的抽气流的步骤包括针对所述可变抽气孔口(208)的 至少一个操纵设定，使得通过比较所述被测的临界压力比率是否超过计划的临界压力比率 来确定近似最小的抽气流。
4.一种控制包括压缩机(106)、燃烧器(112)和涡轮(110)的涡轮发动机(100)中的 可变抽气流的方法，其中抽气流包括从所述压缩机(106)抽取且通过一个或多个抽气导管 (204)在绕过所述燃烧器(112)的同时供应至所述涡轮(110)的压缩空气供应，并且其中， 所述抽气导管(204)中的至少一个包括具有由控制单元(210)控制的多个设定的可变抽气 孔口(208)，所述方法包括以下步骤测量多个涡轮发动机运行参数，其中，被测的运行参数至少包括与所述涡轮(110)内 的温度相关联的一个参数，与所述可变抽气孔口(208)的设定相关联的一个参数，与抽气 流的水平相关联的一个参数；与到所述燃烧器(112)的燃料供应相关联的一个参数； 由所述控制单元(210)监测所述燃气轮机发动机(100)的被测的运行参数； 将至少一个可变抽气孔口(208)设定到允许有近似最大水平的抽气流的设定； 以基于模型的控制和所述被测的运行参数为基础，由所述控制单元(210)计算至少一 个计算的运行参数，至少包括当前涡轮入口温度与最大涡轮入口温度，以及针对到所述燃烧器(112)的燃料供应操纵设定，使得通过比较所述当前涡轮入口温度的值和所述最大涡轮入口温度的值来确定提高的和/或近似最大水平的发动机输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述当前涡轮入口温度包括当前涡轮入 口温度，且所述最大涡轮入口温度包括近似最大涡轮入口温度，在给定热气体路径部件温 度限值和抽气流水平的情况下，所述涡轮发动机(100)可以所述最大涡轮入口温度运行。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤中的一个或多个的更详细的列 举包括以下步骤a)确定系统操作者是否想要提高和/或最大化发动机输出；b)将所述可变抽气孔口(208)中的至少一个设定到允许有近似最大水平的抽气流的 设定；c)在由于针对所述至少一个可变抽气孔口(208)允许有近似最大水平的抽气流的设 定而产生的被测的运行参数的任何变化的情况下，计算当前涡轮入口温度和最大涡轮入口 温度，其中，最大涡轮入口温度的所述计算基于近似最大燃烧器出口温度，在给定热气体路 径部件的温度限值和处于针对所述至少一个可变抽气孔口(208)允许有近似最大水平的 抽气流的设定时的近似抽气流水平的情况下，所述涡轮发动机(100)可以该最大涡轮入口 温度运行；以及比较当前涡轮入口温度与最大涡轮入口温度。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于可变抽气流包括取决于所述可变抽气孔口(208)的设定而变化的抽气流水平；且所述可变抽气孔口(208)具有至少两个离散的设定，所述设定包括较不敞开的设定和 较敞开的设定，在较不敞开的设定中，通过所述可变抽气孔口(208)允许有降低水平的抽 气流，且在较敞开的设定中，通过所述可变抽气孔口(208)允许有提高水平的抽气流。
8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，基于模型的控制包括基于所述涡轮发 动机(100)的运行的计算机-实施的模型来控制涡轮发动机(100)的方法，并且其中，对所 述涡轮发动机(100)的控制基于多个被测的运行参数和计算的运行参数，所述计算的运行 参数基于运行的计算机实现的模型和所述被测的运行参数来计算。
9.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，将抽取的流的至少一部分供应至所述 涡轮(110)中的热气体路径部件，使得所述抽取的流在运行期间冷却所述部件。
10.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于对被测的运行参数的测量通过多个传感器来完成，所述多个传感器包括设置在所述可 变抽气孔口(208)的下游的至少一个压力变换器；且所述传感器收集运行参数数据并且将所述运行参数数据传输到所述控制单元(210)。
全文摘要
一种控制燃气轮机发动机中的可变抽气流的方法，其中抽气流包括从压缩机抽取且通过抽气导管供应到涡轮的压缩空气供应，且其中抽气导管包括可变抽气孔口，该方法包括以下步骤测量多个涡轮发动机运行参数；由控制单元监测燃气轮机发动机的被测的运行参数；将可变抽气孔口设定到允许有近似最大水平的抽气流的设定；以基于模型的控制和被测的运行参数为基础，由控制单元计算至少一个计算的运行参数，至少包括当前涡轮入口温度和最大涡轮入口温度；以及操纵供应到燃烧器的燃料供应的设定，使得通过比较当前涡轮入口温度的值和最大涡轮入口温度的值来确定发动机输出的提高的和/或最大水平。
文档编号F02C9/00GK101881222SQ20101018414
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月8日
发明者S·A·蔡尔德斯 申请人:通用电气公司