专利名称：用于经优化的燃气轮机停机的系统和方法
技术领域：
本申请大体涉及燃气轮机发动机，并且更具体而言，涉及用于调节转子速度相对于时间的轨迹以实现期望的减速速率的系统和方法。这种期望的减速速率可用来优化排放、温度梯度、构件间隙和其它 类型的燃气轮机发动机参数。
背景技术：
燃气轮机发动机停机的普通的方法是随着时间的过去逐渐减少燃料流。一旦燃料流和/或转子速度对于特定的涡轮而言足够低，则燃料流可在涡轮减速到最小速度时停止。这个最小速度可称为“旋转装置速度”，即，转子必须不断被外部源转动以便防止转子有热翘曲所处的速度。取决于燃气轮机发动机的性质，在旋转装置接合在全速度的大约百分之一(1% )左右处的情况下，燃料流可停止在典型的全速度的大约百分之二十(20% )左右处。但是，随着时间的过去减少燃料流的流量不提供与转子的速度的直接关系。相反，可在停机行为中导致大的差异。例如，可导致转子的速度相对于时间的差异。转子的速度的这些差异可产生燃料-空气比率的显著不同，因为进气随转子的速度而变化，而燃料流不与速度直接有关。因而不同的停机时间可导致燃烧温度的差异、瞬时温度梯度、旋转速度的差异、排放的差异等。此外，停机行为的差异可对涡轮间隙有影响，以及因此，对整体涡轮性能和构件寿命有影响。因此存在对一种用于经优化的燃气轮机停机的改进的系统和方法的期望。优选地，这些改进的系统和方法可随着时间的过去而控制涡轮转子和有关构件的减速速率，以便以动态开环的方式最大程度地减少停机差异及其影响。
发明内容
因而本申请和产生的专利提供一种燃气轮机发动机。该燃气轮机发动机可包括用于压缩空气流的压缩机、用于燃烧空气流和燃料流以产生燃烧气体流的燃烧器、由燃烧气体流驱动的涡轮、由涡轮驱动且驱动压缩机的转子、转子速度传感器和燃气轮机停机控制器。该燃气轮机停机控制器基于动态目标轨迹计划(schedule)所确定的转子的旋转速度而改变通往燃烧器的燃料流。本申请和产生的专利进一步提供一种停机燃气轮机发动机的方法。该方法可包括以下步骤测量转子的旋转速度；测量转子的旋转速度的变化速率；确定剩余停机时间相对于转子的停机旋转速度的目标轨迹计划；以及调节燃料流以在停机旋转速度处满足剩余停机时间。本申请和产生的专利进一步提供一种用于燃气轮机发动机的燃气轮机停机控制器。该燃气轮机发动机停机控制器可包括剩余停机时间相对于转子的停机旋转速度的目标轨迹计划、用以产生经调节的燃料流请求信号的轨迹调节计划、用以产生计划燃料流信号的燃料流计划，以及用以基于计划燃料流信号、经调节的燃料流请求信号和转子的旋转速度的变化速率来产生燃料流误差信号的一个或多个求和结点。在审阅结合若干幅图和所附权利要求所得到的以下详细描述之后，本申请和产生的专利的这些和其它特征与改进对本领域普通技术人员将变得显而易见。
图I是如可在本文中描述的燃气轮机发动机的示意图。图2是用于调节转子速度相对于时间的轨迹的燃气轮机控制系统的示意图。部件列表 100燃气轮机发动机110压缩机120进入的空气流130燃烧器140经压缩的燃料流150燃烧气体流160 涡轮170发电机180 转子190启动系统200负载换流式逆变器210控制器220转子速度传感器230空气流控制器240燃料流控制器250建模器251金属温度传感器252间隙传感器253排放传感器254其它类型的系统传感器260燃气轮机停机控制器270燃料计划280动态目标轨迹计划290轨迹调节计划300时间求和结点中的目标时间(Target_Time)310时间表中的最小剩余时间(Remaining_Time (Min))320除法器中的目标剩余时间(Remaining_Time (Target))330第一串联竞拍电路340第二串联竞拍电路360变化速率求和结点370PI 控制器
350燃料求和结点
具体实施例方式现在参照附图，其中相同标号在整个几幅图中指示相同元件，图I显示了如可在本文中描述的燃气轮机发动机100的一个实例的示意图。在大体上描述，燃气轮机发动机100可包括压缩机110。压缩机110压缩进入的空气流120。压缩机110将经压缩的空气流120输送到燃烧器130。燃烧器130混合经压缩的空气流120与经压缩的燃料流140，并且点燃混合物而产生燃烧气体流150。虽然显示了仅单个燃烧器130，但是燃气轮机发动机100可包括任何数量的燃烧器130。燃烧气体流150又被输送到涡轮160。燃烧气体流150驱动涡轮160，以便产生机械功。在涡轮160中产生的机械功通过转子180驱动压缩机110和外部负载，例如发电机170等。可在本文中使用其它构件和其它构造。燃气轮机发动机100可使用天然气、各种类型的合成气和其它类型的燃料。燃气轮机发动机100可为由例如纽约斯克内克塔迪的通用电气公司提供的任何数量的不同类型的燃气轮机。燃气轮机发动机100可具有其它构造，并且可使用其它类型的构件。也可在本文中使用其它类型的燃气轮机发动机。可在本文中共同使用多个燃气轮机发动机100、 其它类型的涡轮和其它类型的动力发生装备。启动系统190可与发电机170处于连通。启动系统190可协助燃气轮机发动机100以传统的方式起动。启动系统190可包括负载换流式逆变器200等。简单地说，负载换流式逆变器200可倒转发电机170的运行，以便将发电机170转变成构造成为转动转子180而提供动力的马达。因而启动系统190可在再生模型中起作用，以倒转发电机170，以便对转子180施加负扭矩。燃气轮机发动机100的总体运行可由控制器210控制。适当的控制器210实例包括(但不限于)专用电路、微控制器、微型计算机、个人计算机、服务器等。控制器210可包括促进执行计算机可读指令的任何数量的处理器。通过执行与例如转子速度相对于时间的轨迹相关联的计算机可读指令，控制器210可形成控制转子180的减速的专用机器。控制器210可包括任何数量的相关联的装置，例如存储器装置、输入/输出接口、网络接口、操作系统等。控制器210还可包括可执行来促进控制器210的运行的任何数量的软件应用程序。可在本文中使用其它构件和其它构造。控制器210还可使用各种类型的传感器。例如，转子速度传感器220可定位在转子180的周围，并且可与控制器210处于连通。转子速度传感器220可为转速计或相似类型的装置。同样，控制器210可通过空气流控制器230来控制空气流120，以及通过燃料流控制器240来控制燃料流140。可在本文中使用与控制器210或其它控制器处于连通的其它类型的传感器。控制器210还可包括建模器250。建模器250可包括机载循环模型简化相关(“0CMSC”)系统(例如高级实时发动机模拟器(“ARES”)、基于模型的控制器(“MBC”)等)来进行良好的建模，以测量系统参数。这样的系统参数可包括硬件状况，例如金属温度、尖部间隙要求、排放速率等。因而，金属温度传感器251、间隙传感器252、排放传感器253和其它类型的系统传感器254可在本文中与控制器210连通起来使用。可在本文中使用其它构件和其它构造。
图2显示了如可在本文中描述的经优化的燃气轮机停机控制器260。经优化的燃气轮机停机控制器260的功能性可为上面描述的控制器210的功能性的一部分或者为独立的单元，或者可如期望的那样分担功能性。经优化的燃气轮机停机控制器260可包括燃料计划270。燃料计划270可基于与旋转速度的变化速率(Ndot)相比较的转子180的旋转速度(N)而考虑燃料流140。经优化的燃气轮机停机控制器260还可包括动态目标轨迹计划280。动态目标轨迹计划280可比较剩余时间与转子180的旋转速度(N)，以便在期望的时间处达到期望的速度(N)，例如旋转装置速度。经优化的燃气轮机停机控制器260还可包括轨迹调节计划290。轨迹调节计划290可提供燃料流140的增大或减小，如将在下面更加详细地描述的那样。可在本文中使用其它构件和其它构造。 进入经优化的燃气轮机停机控制器260中的输入可包括目标停机计划280中的当前时间(Time)、目标停机计划280中的目标时间(Target_Time)、转子180的旋转速度(N)和转子180的旋转速度的变化速率(Ndot)。也可在本文中使用其它参数，例如与建模器250有关的那些。例如，目标时间(Targetjime)可以发动机参数为基础，发电机参数可包括金属温度传感器251、间隙传感器252、排放传感器253和与建模器250连通的其它类型的系统传感器254等所确定的上面描述的那些。某些系统参数可偏好较长或较短的停机时间、恒定的或不同的变化速率等。当前时间(Time)可在时间求和结点300中与目标时间(Target_Time)比较，以便产生剩余时间计算值(Remaining_Time)。然后剩余时间(Remaining_Time)可在时间表310中与最小剩余时间(Remaining_Time (Min))比较。可在时间表310中选择剩余时间(Remaining_Time)和最小剩余时间(Remaining_Time (Min))的最大值。转子180的旋转速度(N)可由转子速度传感器220确定。然后转子180的旋转速度(N)可在目标轨迹计划280中与剩余时间(Remaining_Time)动态地比较。因而可在其 中确定目标剩余时间(Remaining_Time (Target))。最小剩余时间(Remaining_Time (Min))和剩余时间(Remaining_Time)中的大者可在除法器320中除以目标剩余时间(Remaining_Time (Target)),以便确定剩余时间比率(Remaining_Time (Ratio))。因而剩余时间比率(Remaining_Time (Ratio))可在轨迹调节计划290中与转子180的旋转速度(N)比较。轨迹调节计划290可产生经调节的燃料流信号( Wfuel)。表示经调节的燃料流( Wfuel)的信号可应用于第一串联竞拍(auctioning)电路330和第二串联竞拍电路340。串联竞拍电路330、340基于许多不同的运行参数来规定从最小燃料流( Wfuel (Min))至最大燃料流( Wfuel (Max))的容许燃料流范围。串联竞拍电路330,340的输出可为燃料流请求信号( Wfuel (Request))。转子180的旋转速度(N)还可在燃料计划270中与旋转速度的变化速率(Ndot)比较。然后计划燃料流(Wfuel)可在燃料求和结点350和变化速率求和结点360中与燃料流请求( Wfuel (Request))比较。结果可为燃料流误差信号(Wfuel_err)。可在PI控制器370中使用燃料流误差信号(Wfuel_err)来确定燃料行程基准(FSR)。PI控制器370可为控制器260的功能性的一部分或独立的单元。燃料流控制器240可关于通往燃烧器130的燃料流140的流率来使用燃料行程基准(FSR)。可重复本文描述的开环过程，直到可达到旋转装置速度或其它规定的速度或其它状况为止。可在本文中使用其它构件和其它构造。因而经优化的燃气轮机停机控制器260提供开环控制，以便调节在停机期间的转子速度相对于时间的轨迹，以便减少其中的差异。控制器260可按动态的方式调节燃料流140，以在目标时间处达到目标转子速度。目标时间可取决于环境状况来控制任何数量的系统参数，包括零件间隙、温度梯度、排放输出等。经优化的燃气轮机停机控制器260可控制本文的描述的构件，直到实现旋转装置速度为止。因而经优化的燃气轮机停机控制器260避免通常由已知的固定燃料流计划引起的停机时间的差异，以及旋转速度、构件温度、排放等的相关联的差异。此外，经优化的燃气轮机停机控制器260的运行可取决于待优化的期望参数而改变。应当显而易见的是，前述仅涉及本申请和产生的专利的某些实施例。本领域普通技术人员可在本文中作出许多改变和改良，而不偏离所附权利要求及其等效方案所限定的 本发明的大体精神和范围。
权利要求
1.一种燃气轮机发动机(100)，包括 用于压缩空气流的压缩机(110)； 燃烧器(130)，其用于燃烧所述空气流(120)和燃料流(140)，以产生燃烧气体流(150)； 由所述燃烧气体流(150)驱动的涡轮(160)； 由所述涡轮(160)驱动且驱动所述压缩机(110)的转子(180)； 转子速度传感器(220);以及 燃气轮机停机控制器(260)，其用以基于动态目标轨迹计划(280)所确定的所述转子(180)的旋转速度而改变通往所述燃烧器(130)的燃料流。
2.根据权利要求I所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃烧器(130)包括与所述燃气轮机停机控制器(260)连通的燃料流控制器(240)。
3.根据权利要求I所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃气轮机停机控制器(260)包括建模器(250)。
4.根据权利要求I所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃气轮机停机控制器(260)包括燃料计划(270)，以基于与所述旋转速度的变化速率相比较的所述转子(180)的旋转速度而确定计划燃料流。
5.根据权利要求I所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃气轮机发动机停机控制器(260)包括轨迹调节计划(290)，以基于所述转子(180)的旋转速度和剩余时间比率而产生经调节的燃料流。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，燃气轮机发动机停机控制器(260)包括与所述轨迹调节计划(290)连通的成对的串联竞拍电路(330，340)。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述成对的串联竞拍电路(330，340)产生被请求的燃料流调节信号。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃气轮机停机控制器(260)包括燃料求和结点(350)和变化速率求和结点(360)，以便基于所述被请求的燃料流调节信号而产生燃料流误差信号。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，燃气轮机停机电路包括PI控制器(370)，使得所述PI控制器(370)接收所述燃料流误差信号，以及产生燃料行程基准。
10.根据权利要求I所述的燃气轮机发动机(100)，其特征在于，所述燃气轮机发动机(100)进一步包括金属温度传感器(251)、间隙传感器(252)、排放传感器(253)和/或与所述燃气轮机停机控制器(260)连通的其它类型的系统传感器(254)。
全文摘要
本发明涉及用于经优化的燃气轮机停机的系统和方法。本申请和产生的专利提供一种燃气轮机发动机(100)。燃气轮机发动机(100)可包括用于压缩空气流(120)的压缩机(110)、用于燃烧空气流(120)和燃料流(140)以产生燃烧气体流(150)的燃烧器(130)、由燃烧气体流(150)驱动的涡轮(160)、由涡轮驱动且驱动压缩机(110)的转子(180)、转子速度传感器(220)和燃气轮机停机控制器(260)。燃气轮机停机控制器(260)基于动态目标轨迹计划(280)所确定的转子(180)的旋转速度而改变通往燃烧器(130)的燃料流(140)。
文档编号F02C9/28GK102777264SQ20121015665
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者S·V·汉努拉 申请人:通用电气公司