用于燃气发动机的气体剂量控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于燃气发动机的气体剂量控制。一种燃气发动机组件，包括压缩机、燃烧系统、旁通管线和控制系统。控制系统构造成基于输送延迟值控制气体供应参数。输送延迟值对应于调整气体供应控制机构时的时间与在气体供应控制机构下游的预定点处接收具有气体特性的对应调整的气体的时间之间的延迟。
【专利说明】用于燃气发动机的气体剂量控制
【技术领域】
[0001]本文公开的主题涉及燃气发动机的气体剂量控制，并且具体地涉及确定涡轮增压器燃气发动机的气体供应管线中的输送延迟和基于输送延迟控制气体供应参数。
【背景技术】
[0002]燃气发动机的燃气涡轮通过提供流体(诸如气体、空气或气体/空气混合物)进入压缩机、利用燃烧器加热流体和通过涡轮级驱动加热的流体来生成功率。涡轮级包括叶片或轮叶，其固定于轴，并且构造成在加热的流体被引导至叶片或轮叶时使轴旋转，从而转动轴来生成功率。在涡轮增压器涡轮中，轴的旋转可用于使压缩机中的叶片旋转，以迫使将空气引入压缩机中。
[0003]至压缩机和燃烧系统的气体供应可由气体剂量阀控制，并且供应至压缩机和燃烧系统的空气和气体的混合物可由气体混合器控制。然而，当将控制信号传输至气体剂量阀或气体混合器来使期望量的气体或期望的气体/空气混合物流至燃烧器时，延迟存在于调整气体供应控制机构(诸如气体供应阀)的时间与在气体供应控制机构下游的点处接收气体特性的对应变化的时间之间。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一个方面，一种燃气发动机组件包括构造成从第一气体供应管线接收气体并压缩气体的压缩机。燃烧系统经由第二气体供应管线从压缩机接收气体，并且燃烧气体和燃料。旁通管线具有连接于第一气体供应管线的一个端部和连接于第二气体供应管线的相对的端部，以将少于所有气体的气体的部分从第一气体供应管线和第二气体供应管线中的一个转移至第一气体供应管线和第二气体供应管线中的另一个。控制系统基于输送延迟来控制气体供应参数，其中输送延迟对应于调整气体供应机构时的时间与在气体供应机构下游的预定点处检测气体特性的对应变化的时间之间的延迟。
[0005]根据本发明的另一个方面，一种输送延迟计算模块从沿气体供应源与燃烧系统之间的气体供应通路的至少一个传感器接收测量结果，并且计算对应于调整气体供应控制机构的时间与具有气体特性的对应调整的气体到达燃烧系统的时间之间的延迟的输送延迟值。气体供应机构命令模块生成气体供应控制信号，以基于输送延迟值来控制气体供应控制机构。
[0006]根据本发明的又一个方面，一种控制燃气发动机组件的操作的方法包括从沿气体供应通路的至少一个传感器获得至少一组测量结果，其中，气体供应通路构造成将气体从气体供应源供应至压缩机并从压缩机供应至燃气涡轮的燃烧系统。燃气发动机组件包括旁通管线，其具有沿气体供应源与压缩机之间的气体供应通路连接的一个端部和沿压缩机与燃烧系统之间的气体供应通路连接的相对的端部。该方法包括计算对应于调整气体供应控制机构的时间与在气体供应控制机构下游的预定点处接收具有气体特性的对应调整的气体的时间之间的延迟的输送延迟值。该方法包括生成气体供应控制信号来基于输送延迟值控制气体供应控制机构。
[0007]—种燃气发动机组件，包括:压缩机，其构造成从第一气体供应管线接收气体并压缩气体；燃烧系统，其构造成从压缩机经由第二气体供应管线接收气体并燃烧气体和燃料；旁通管线，其具有连接于第一气体供应管线的一个端部和连接于第二气体供应管线的相对的端部，以将少于所有气体的气体的部分从第一气体供应管线和第二气体供应管线中的一个转移至第一气体供应管线和第二气体供应管线中的另一个；以及控制系统，其构造成基于输送延迟值来控制气体供应参数，输送延迟值对应于调整气体供应控制机构时的时间与在气体供应控制机构下游的预定点处接收气体特性的对应调整的时间之间的延迟。
[0008]优选地，气体供应控制机构为气体/空气混合器，并且气体为空气和非空气气体的混合物。
[0009]优选地，气体供应控制机构为构造成调整提供至第一气体供应管线的非空气气体的量的气体剂量阀。
[0010]优选地，旁通管线构造成基于操作为涡轮增压器的燃气发动机组件将气体的部分传输至下游。
[0011]优选地，控制系统构造成通过在一定时间内沿至少第二气体供应管线确定气体的浓度来计算输送延迟值。
[0012]优选地，控制系统构造成通过测量气体的压力来计算气体的浓度。
[0013]优选地，燃气发动机组件还包括:沿第一燃料供应管线的第一传感器；以及沿第二气体供应管线的第二传感器，其中，控制系统构造成基于分析一定时间内来自第一传感器和第二传感器的测量结果来计算输送延迟值。
[0014]优选地，分析一定时间内来自第一传感器和第二传感器的测量结果包括检测对应于第一气体供应命令信号的来自第一传感器的测量结果中的第一特征、检测对应于第一气体供应命令信号的来自第二传感器的测量结果中的第二特征，以及基于第一特征和第二特征的出现之间的时间差来计算输送延迟值。
[0015]一种燃气发动机控制电路，包括:输送延迟计算模块，其构造成接收来自沿气体供应源与燃烧系统之间的气体供应通路的至少一个传感器的测量结果，并且计算对应于调整气体供应控制机构的时间与具有气体特性的对应调整的气体到达气体供应控制机构下游的预定点的时间之间的延迟的输送延迟值；以及气体供应机构控制模块，其构造成基于输送延迟值来生成气体供应控制信号以控制气体供应控制机构。
[0016]优选地，燃气发动机控制电路还包括:目标值生成器，其构造成生成对应于燃气发动机的期望状态的目标值，其中，气体供应机构控制模块基于目标值和输送延迟值来生成气体供应控制信号以控制气体供应控制机构。
[0017]优选地，燃气发动机控制电路还包括:比较单元，其构造成将目标值与来自至少一个传感器的测量结果相比较，并且基于目标值与测量结果之间的差异来生成误差值，其中，气体供应机构控制模块构造成基于误差值和输送延迟值来生成气体供应控制信号。
[0018]优选地，输送延迟计算模块构造成接收来自沿气体供应通路的至少两个传感器的在一定时间内的至少两组测量结果，并且基于一定时间内的至少两组测量结果的分析来计算输送延迟值。
[0019]优选地，输送延迟计算模块构造成检测来自至少两个传感器之间的第一传感器的第一组测量结果中的第一特征，第一特征对应于第一气体供应控制信号，输送延迟计算模块构造成检测来自至少两个传感器之间的第二传感器的第二组测量结果中的第二特征，第二特征对应于第一气体供应控制信号，并且输送延迟计算模块构造成基于第一特征和第二特征的出现之间的时间差来计算输送延迟值。
[0020]优选地，输送延迟计算模块构造成计算燃气涡轮的气体供应通路的输送延迟值，燃气涡轮具有构造成从气体供应源接收气体和压缩气体的压缩机、构造成接收来自压缩机的气体来燃烧气体和燃料的燃烧系统，以及旁通管线，旁通管线具有沿气体供应源与压缩机之间的气体供应通路连接的一个端部，以及沿压缩机和燃烧系统之间的气体供应通路连接的相对的端部，并且输送延迟计算模块构造成通过考虑少于所有气体的气体的部分转移穿过旁通管线来计算输送延迟值。
[0021]一种控制燃气发动机组件的操作的方法,包括:获得来自沿燃气发动机组件的气体供应通路的至少一个传感器的至少一组测量结果，气体供应通路构造成将气体从气体供应源经由压缩机供应至燃烧系统，燃气发动机组件包括旁通管线，旁通管线具有沿气体供应源与压缩机之间的气体供应通路连接的一个端部和沿压缩机与燃烧系统之间的气体供应通路连接的相对的端部；计算对应于调整气体供应控制机构的时间与在气体供应控制机构下游的沿气体供应通路的预定点处接收包括气体特性的对应调整的气体的时间之间的延迟的输送延迟值；以及基于输送延迟值来生成气体供应控制信号以控制气体供应控制机构。
[0022]优选地，计算输送延迟值包括将至少一组测量结果应用于考虑来自气体供应通路的气流的部分转移穿过旁通管线的非线性算法。
[0023]优选地，沿气体供应通路的预定点为燃烧系统的歧管入口。
[0024]优选地，输送延迟值基于分析一定时间内的至少一组测量结果来计算。
[0025]优选地，至少一个传感器包括位于压缩机下游的第一传感器和位于压缩机上游的第二传感器。
[0026]优选地，计算输送延迟值包括:检测来自第一传感器的第一组测量结果中的第一特征，第一特征对应于第一气体供应控制信号；检测来自第二传感器的第二组测量结果中的第二特征，第二特征对应于第一气体供应控制信号；以及计算第一特征和第二特征的出现之间的时间差。
[0027]这些及其它的优点和特征将从结合附图进行的以下描述中变得更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]在说明书的结尾处的权利要求中具体地指出并且明确地主张了认作是本发明的主题。本发明的前述及其它的特征和优点从结合附图进行的以下详细描述中为显而易见的，在该附图中:
图1示出了根据本发明的实施例的燃气发动机组件；
图2示出了根据本发明的另一个实施例的燃气发动机组件；
图3示出了根据本发明的另一个实施例的燃气发动机组件；
图4为根据本发明的一个实施例的燃气发动机控制器的框图；以及图5为根据一个实施例的用于控制燃气发动机的方法的流程图。
[0029]详细描述参照附图经由实例阐释了本发明的实施例，以及优点和特征。
[0030]部件列表
100燃气发动机组件 110气体供应系统 120涡轮结构 121压缩机 122涡轮级 123轴
130燃烧系统
131进气歧管
132排气歧管
140发动机控制组件
141测量结果
142前馈分析单元
143目标值生成器
144反馈分析单元
145控制信号发生器
151第一气体供应管线
152第二气体供应管线
153旁通管线
154第三气体供应管线
155排气通路
156第一端部
157第二端部
161传感器
162阀
163传感器
164阀
165传感器
166传感器
167传感器
168中间冷却器
300两级燃气发动机组件
310气体供应系统
311气体供应源
312气体剂量阀
313传感器
314空气/气体混合器 320低压涡轮结构321压缩机322涡轮级323轴
330高压涡轮结构331压缩机332涡轮级333轴
340旁通管线
342旁通管线
344旁通管线
350燃烧系统
351进气歧管
352排气歧管
361传感器
362中间冷却器
363传感器
364中间冷却器
365传感器
366气体供应机构
367气体供应机构
368气体供应源
369气体供应控制机构
370混合器
371节流阀
372传感器
373传感器
374传感器
375传感器
400燃气发动机控制器402轨迹生成器404比较单元406补偿信号发生器408输送延迟计算器410输送延迟补偿器412控制信号发生器502流程框504流程框506流程框508流程框。
【具体实施方式】
[0031]在燃气发动机系统中，延迟存在于调整气体或空气供应机构的时间与在燃烧系统处接收至燃烧系统的气流的对应变化的时间之间。延迟可导致气体/空气供应系统中的低效率或误差。本发明的实施例涉及基于预定的输送延迟控制气体/空气混合物。
[0032]图1示出了根据本发明的实施例的燃气发动机组件100。组件100包括气体供应系统110、涡轮结构120、燃烧系统130和发动机控制组件140。在操作中，气体供应系统沿第一气体供应管线151将气体供应至涡轮结构120。涡轮结构120包括压缩机121、涡轮级122，以及将压缩机121的叶片与涡轮级122的轮叶相连的轴123。在操作期间，涡轮结构120可通过利用轴123驱动压缩机121的叶片迫使将气体引入压缩机121中来操作为涡轮增压器。
[0033]气体从压缩机121经由第二气体供应管线152流至燃烧系统130。气体供应管线152可在进气歧管131处从一个流动通路分成多个流动通路，以例如将气体引导至多个燃烧器。气体可在燃烧系统中燃烧和加热，并且可经由多个流动通路从对应于多个燃烧器的排气歧管132输出。气体经由第三气体供应管线154从燃烧系统130引导至涡轮级122。气体从涡轮级122经由排气通路155发出，在排气通路155处，气体可释放到空气中，被捕集来进行储存，再使用来进行附加加热或冷却操作，或用于任何其它目的。
[0034]在本发明的实施例中，旁通管线153具有在压缩机121的上游连接于第一气体供应管线151的第一端部156，以及在压缩机121的下游连接于第二气体供应管线152的第二端部157。取决于第一气体供应管线151与第二气体供应管线152中的压力之间的压力比，气体可从第一端部156流至第二端部157，或从第二端部157流至第一端部156。例如，当发动机组件100构造成操作为涡轮增压器时，气体可沿旁通管线153从连接于第一气体供应管线151的端部156流至连接于第二气体供应管线152的第二端部157，从而绕过压缩机121。经由旁通管线153输送的气体仅为来自第一气体供应管线151的气体的一部分，而流过第一气体供应管线151的气体的其余部分流至压缩机121。
[0035]由于旁通管线153从第一气体供应管线151或第二气体供应管线152转移气体的部分，故在气体供应系统I1中或沿第一气体供应管线151或第二气体供应管线152或沿旁通管线153控制气体供应机构(诸如阀)导致气体供应系统110与燃烧系统130之间的气流中的非线性响应。换言之，调整阀来将气流增大预定量可不导致燃烧系统130的进气歧管131处的气体特性(诸如气体浓度)的比例变化或线性变化。
[0036]在本发明的实施例中，气体可为纯气体或气体混合物，或大气(在本说明书中也称为〃空气")和另一气体(诸如，氧、氮或不是大气的任何其它气体或气体混合物)的组合。换言之，说明书中的用语〃气体〃可表示纯气体或非空气气体的混合物，或根据使用用语的上下文的气体/空气混合物。例如，流过第一气体供应管线151和第二气体供应管线152的气体可为气体/空气混合物，而从气体供应源(诸如图2的气体供应源111)供应的气体可为纯气体或不是空气的气体混合物。
[0037]燃气发动机组件100包括沿旁通管线153和第二气体供应管线152定位的气体供应控制机构162和164，在本说明书中也称为阀(V) 162和164。这些提供为用于控制组件100中的气流的阀的位置的实例，并且本发明的实施例涵盖附加的阀、位于组件100内的不同位置的阀，以及除阀之外的任何其它类型的气体供应控制机构。
[0038]燃气发动机组件100还包括传感器(S) 161和163。传感器161可沿第一气体供应管线151定位，并且传感器163可沿第二气体供应管线152定位。尽管传感器161和163经由实例提供，但本发明的实施例涵盖组件100内的传感器的任何布置，诸如沿旁通管线153、在气体供应系统110中，在涡轮结构120中，沿多个流动通路131或132中的一个或更多个，沿第三气体供应管线154，或沿排气流动通路155。传感器161和163可包括任何类型的传感器，诸如压力传感器、温度传感器、流量传感器或任何其它类型的传感器。
[0039]尽管气体流动通路已经描述为第一气体供应管线151、第二气体供应管线152和第三气体供应管线154、旁通管线153和排气通路155，但本发明的实施例不限于管线或导管，而是实施例涵盖可限制和引导气流的任何结构。示例性结构包括管线、管、软管和钻入或形成在结构(诸如涡轮结构120)中的腔、由框架结构(诸如框架构件或涡轮结构120)形成的腔，或任何其它结构。第一气体供应管线151、第二气体供应管线152和第三气体供应管线154、旁通管线153和排气通路155可包括任何形状，并且可具有不同的部分，其具有不同形状，诸如管状，大致平的、直的、弯曲的、窄的、截面面积减小、截面面积增大，或根据组件100的设计考虑的任何其它形状。
[0040]燃气发动机组件100还包括发动机控制组件140，其构造成控制气体从气体供应系统110至燃烧系统130的供应。在一个实施例中，发动机控制组件140包括电路，诸如处理电路、存储器、可编程逻辑、被动电气构件和用以接收、储存、分析和传输数据的其它电路。发动机控制组件140接收和储存来自传感器161和163的测量结果141。测量结果142在前馈分析单元142中使用来测量沿第一气体供应管线151和第二气体供应管线152的气体输送延迟，同时考虑穿过旁通管线153的气流的部分的转移。因此，在一个实施例中，前馈分析单元142应用非线性算法来生成前馈补偿信号。
[0041]在一个实施例中，前馈分析单元142包括构造成呈现算法的软件和硬件中的一个或两者，该算法接收测量的传感器数据作为输入，并且生成对应于燃气发动机组件100的输送延迟的一个或更多个值作为输出。算法描述了随发动机状态变化的沿气体供应通路(诸如穿过气体供应系统110、沿第一气体供应管线151、穿过压缩机121、沿第二气体供应管线152和沿旁通管线153)的歧管中的气体浓度的变化。在一些实施例中，发动机状态对应于燃烧系统130的燃烧水平、涡轮结构120的转速或转矩水平、燃料消耗水平、气流水平、排气水平或任何其它发动机状态。
[0042]在一个实施例中，算法为表达气体供应机构与进气歧管131之间的输送延迟的非线性算法。算法考虑了气体的部分从第一气体供应管线151和第二气体供应管线152转移穿过旁通管线153。
[0043]发动机控制组件140还包括目标值生成器143。目标值对应于发动机状态，诸如气体参数值。在一个实施例中，目标值对应于燃烧系统130的进气歧管131处期望的气体浓度。在一个实施例中，目标值基于基准数据来计算，诸如来自使用者的数据输入、用于控制燃气涡轮的模型数据，或任何其它基准数据。例如，燃气发动机组件100可根据模型控制，该模型计算目标值来实现期望的功率输出水平，诸如轴123的转速、轴122的转矩水平、预先限定的排气输出水平、预定燃料消耗水平、预定气体消耗水平，这些水平的任何组合，或对应于功率输出的任何其它标准。
[0044]目标值提供至反馈分析单元144，其将目标值与测量结果141比较来生成误差值。前馈分析值和误差值提供至控制信号发生器145来生成控制信号以控制燃气发动机组件100的控制操作。控制信号的实例包括控制信号以控制阀162和164、控制从气体供应系统110的气体供应、控制供应至燃烧系统130的燃料，或控制燃气发动机组件100的任何其它可变参数。
[0045]在一个实施例中，前馈分析单元142仅基于来自压力传感器和温度传感器的压力数据和温度数据中的一个或两者计算输送延迟。在另一个实施例中，前馈分析单元142仅基于来自压力传感器的压力数据、来自温度传感器的温度数据、压缩机121、轴123或涡轮级122的转速数据和穿过气体供应机构的气体的质量流中的一个或更多个来计算输送延迟。换言之，尽管燃气发动机组件100可包括任何数量和类型的传感器，但前馈分析单元142可利用各种类型的传感器中的各个来计算输送延迟，或者前馈分析单元142可仅利用传感器的子集来计算输送延迟，诸如仅压力传感器、温度传感器和涡轮结构120的转速传感器。
[0046]在一个实施例中，燃气发动机组件100不包括λ传感器和氧浓度传感器中的一个或两者。在此类实施例中，前馈分析单元142计算系统的输送延迟以基于沿气体供应通路的其它传感器调整气体供应控制信号145，诸如压力传感器、温度传感器、转速传感器和气流传感器。在另一个实施例中，燃气发动机组件100包括λ传感器和氧浓度传感器中的一个或两者。在此类实施例中，前馈分析单元142可计算输送延迟来提供系统冗余。在此类实施例中，由前馈分析单元142计算的输送延迟与由λ传感器和氧浓度传感器中的一个或两者生成的数据相比较，以检测传感器故障、软件故障或燃气发动机组件100中的其它异常。
[0047]图1示出了具有从旁通管线153的第一端部156的上游的气体供应系统110喷射的气体的发动机组件100的构造。然而，本发明的实施例涵盖在沿气体和空气供应管线151和152的任何点处的气体喷射。例如，在一个实施例中，旁通管线153的第一端部156位于气体供应系统HO的上游。在此类实施例中，空气可供应至气体供应系统110，并且空气可在旁通管线153的第一端部156处流过旁通管线153的开口。气体可通过如上文所述的气体供应系统110混合到空气流中。
[0048]在又一个实施例中，气体供应系统110可将气体喷射到阀164之前的旁通管线153的第二端部167下游的供应管线152中，阀164可称为节流阀164。换言之，本发明的实施例涵盖将气体从气体供应系统110引入到第一供应管线151和第二供应管线152中的任何构造。
[0049]图2示出了根据本发明的另一个实施例的燃气发动机组件200。与图1中相同的燃气发动机组件200的元件先前已经描述，并且不再次参照图2来描述。如图2中所示，在一个实施例中，气体供应系统110包括气体供应源111、气体剂量阀(V) 112、传感器(S) 113和空气/气体混合器(M) 114。气体供应源111可为储存容器、气体过滤系统或用以将非空气气体提供至燃气发动机组件200的其它系统或路径。
[0050]气体剂量阀112控制非空气气体进入燃气发动机组件200的流动，并且传感器113检测非空气气体的特性，诸如压力、温度、浓度、流速或任何其它特性。混合器114控制添加至待供应至燃烧系统130的非空气气体的空气的量。如上文参照图1所述，所得的气体(其可为非空气气体，或空气和非空气气体的混合物，或气体/空气混合物)供应至压缩机121，并且一部分可转移穿过旁通管线153。
[0051]在一个实施例中，来自压缩机121的气体供应至中间冷却器168以控制气体的温度。可称为节流阀164的阀164控制进入燃烧系统130的气流。传感器165位于节流阀164的下游，并且检测进气歧管131处的气体特性。在一个实施例中，进气歧管131的多个流动通路中的各个包括单独的传感器165。
[0052]在一个实施例中，燃气发动机组件包括传感器166和167，以检测分别来自排气歧管132和涡轮级122的排出气体输出的特性。在本发明的实施例中，控制气体供应机构的时间直到在进气歧管131处接收气流中的对应特征的时间之间的输送延迟可基于来自传感器113，161，163，165，166和167中的一个或更多个的检测数据来计算。在一个实施例中，输送延迟基于来自传感器113，161，163，165，166和167中的两个或更多个的数据来计算。在一个实施例中，输送延迟基于分析一定时间内来自传感器113，161, 163, 165, 166和167中的两个或更多个的数据来计算。
[0053]例如，在一个实施例中，气体供应控制信号传输至混合器114来调整供应至第一气体供应管线151的气体与空气的比率。气流特性的变化(诸如气体的压力或温度的变化)由传感器161检测，并且对应的特征在由传感器161提供至发动机控制组件140的数据集中检测到。气流特性(诸如压力或温度)的变化还由传感器165检测，并且对应的特征在由传感器165提供至发动机控制组件140的数据集中检测到。在一个实施例中，来自传感器161和165的数据集中检测到的特征具有空气与气体的比率的变化的非线性关系，至少部分地因为旁通管线153转移气体的至少一部分以绕过压缩机121 (或从第二气体供应管线152反馈回第一气体供应管线151)。在一个实施例中，发动机控制组件140的前馈分析单元142分析对应于流动特性变化的特征出现在来自传感器161和165的数据集中的时间，并且确定混合器114改变设置的时间与具有气体特性(诸如变化的气体浓度)变化的气体的对应部分到达进气歧管131的时间之间的输送延迟。接着，控制信号发生器145调整和生成控制信号来考虑计算的输送延迟值控制阀或其它气体供应控制机构。
[0054]尽管图1和图2示出了单级燃气涡轮，但本公开的实施例不限于单级，例如，图3示出了根据本发明的实施例的两级燃气涡轮组件300。
[0055]两级燃气涡轮组件300类似于图1和图2的燃气涡轮组件100和200，除了两级燃气发动机组件300包括低压涡轮结构320和高压涡轮结构330。尽管图3中仅示出了两个涡轮结构320和330，但本发明的实施例涵盖任何数量的涡轮结构。
[0056]两级燃气发动机组件300包括气体供应系统310、低压涡轮结构320、高压涡轮结构330和燃烧系统350。气体供应系统310包括气体供应源311、气体剂量阀(V)312、传感器(S) 313，以及空气/气体混合器(M) 314。气体供应源311、气体剂量阀(V) 312、传感器(S) 313和气体/气体混合器(M) 314先前已经关于图2的气体供应源111、气体剂量阀(V) 112、传感器(S) 113和空气/气体混合器(M) 114描述。
[0057]来自空气/气体混合物314的气体(其可为非空气气体，或空气和非空气气体的混合物，或气体/空气混合物)输出供应至低压涡轮结构320的压缩机321。低压涡轮结构包括压缩机321、涡轮级322，以及基于气体至涡轮级322的供应而旋转的轴323。在一些情形下，少于所有气流的来自空气/气体混合器314的气体的部分转移穿过旁通管线340和344中的一个或两者。气体从压缩机321供应至中间冷却器362，以控制气体的温度，并且气体传输至高压涡轮结构330的压缩机331。高压涡轮结构330包括压缩机331、涡轮级332，以及基于气体至涡轮级332的供应而旋转的轴333。在一些情形中，少于所有气流的来自压缩机321的气体的部分转移穿过旁通管线342和344中的一个或两者。
[0058]气体从压缩机331供应至中间冷却器364并且供应至混合器370。混合器370接收来自气体供应源368的非空气气体，并且气流可由气体供应控制机构(V) 369控制。尽管图3中示出了两个混合器370和314，但在一个实施例中，仅空气供应至第一压缩机321，并且两级燃气涡轮300不包括气体供应系统310。在此类实施例中，混合器370为空气/气体混合器370，其构造成控制供应至进气歧管351的气体和空气的比率。在两个气体供应源311和368存在并且两个混合器314和370存在的另一个实施例中，混合器370控制与来自气体供应源311的气体相同或不同的气体添加至流至燃烧系统350的空气/气体混合物。
[0059]节流阀371控制气体流入进气歧管351、加热和燃烧的气体流出排气歧管352和流至涡轮级332和322。气体供应控制机构(也称为阀(V) 312，366，367，368，369和371)控制气体和空气/气体混合物从气体供应源311和368至燃烧系统350的流动。阀312，366，367，368，369和371由发动机控制组件控制，诸如图1中所示的发动机控制组件140，以控制气体和空气/气体混合物的流动。传感器313，363，363，365，372，373，374和375测量两级燃气涡轮组件300中的气体和空气/气体混合物的特性。传感器313，363，363，365，372，373，374和375类似于先前已经描述的图1和图2的传感器113，161，163，165，166 和 167。
[0060]如上文参照图1和图2所述，来自传感器313，363，363，365，372，373，374和375中的一个或更多个的测量数据供应至发动机控制组件140来计算两级燃气发动机组件300的输送延迟。发动机控制组件140生成考虑输送延迟的气体供应机构控制信号以控制气体供应机构 312，366，367，368，369 和 371。
[0061]图4示出了根据本发明的实施例的燃气发动机控制器400。例如，燃气发动机控制器400可对应于图1的发动机控制组件140。燃气发动机控制器400包括轨迹生成器402，其包括代表算法的硬件和软件中的一个或两者，以描述燃气发动机组件(诸如图1-3的燃气涡轮组件100，200和300)的操作状态之间的过渡。换言之，轨迹生成器402从使用者接收基准数据作为输入数据，储存在来自另一个控制系统或来自任何其它来源的储存器中。轨迹生成器402确定发动机组件的当前状态和目标状态。轨迹生成器402计算从当前状态到目标状态的轨迹，并且输出对应于沿轨迹的点的目标值。燃气发动机组件的目标状态的实例包括任何可测量的参数，诸如输出功率水平、轴或涡轮级的转速、燃烧系统的温度或压力、消耗的燃料、气流或燃气发动机组件的任何其它状态。
[0062]燃气发动机控制器400还包括比较单元404，其接收来自燃气发动机组件的传感器的测量结果和来自轨迹生成器402的目标值作为输入。比较单元404生成对应于当前测量的数据与目标值之间的差异的误差值。误差值可为数字、数字范围、限定值的子集或任何其它值的等式。误差值输出至补偿信号发生器406，其生成补偿信号来基于误差值控制燃气发动机组件的气体供应机构。
[0063]燃气发动机控制器400还包括输送延迟计算器408。输送延迟计算器408可对应于图1的前馈分析单元142。输送延迟计算器包括构造成呈现算法的软件和硬件中的一个或两者，该算法接收测量的传感器数据作为输入，并且生成对应于燃气发动机组件的输送延迟的一个或更多个值作为输出。算法描述随发动机状态变化的沿气体供应通路的歧管中的气体浓度的变化。发动机状态可对应于燃烧系统的燃烧水平、涡轮结构的转速或转矩水平，或任何其它发动机状态。
[0064]在一个实施例中，算法为表达气体供应机构与进气歧管之间的输送延迟的非线性算法。算法考虑少于所有气体的气体的部分转移穿过燃气发动机组件的旁通管线，其具有连接在气流流过的压缩机的上游和下游的端部。
[0065]补偿信号和输送延迟值提供至输送延迟补偿器410，以基于输送延迟信号调整补偿信号。调整的补偿信号输出至控制信号发生器412，其生成至燃气发动机组件中的气体供应控制机构的一个或更多个适合的控制信号，以控制至燃气发动机系统的燃烧系统的气体或空气/气体混合物的流动。
[0066]在一些实施例中，轨迹生成器402、比较单元404、补偿信号发生器406、输送延迟计算器408、输送延迟补偿器410和控制信号发生器412实施在同一计算机芯片、微控制器电路、集成电路、电路板或具有包围处理电路和存储器的壳体的计算机中。在其它实施例中，轨迹生成器402、比较单元404、补偿信号发生器406、输送延迟计算器408、输送延迟补偿器410和控制信号发生器412以分布式方式实施在多个计算机芯片、微控制器电路、集成电路、电路板或计算机之间。
[0067]图5示出了根据一个实施例的控制燃气发动机组件的方法的流程图。在框502中，传感器测量结果在燃气发动机组件中获得。传感器测量结果可包括压力传感器、温度传感器、发动机速度传感器和气流传感器。在一个实施例中，传感器测量结果排除λ传感器和氧浓度传感器中的一个或两者。传感器测量结果对应于气体供应源与燃烧系统之间的气体供应的气体特性和燃气涡轮特性(诸如转速)中的一个或两者。在一些实施例中，传感器测量结果对应于气体供应源与燃烧系统之间的气体/空气混合物的气体/空气混合物特性。
[0068]在框504中，测量结果与一个或更多个目标值比较以生成误差值。在一个实施例中，目标值基于对应于燃气发动机组件的当前状态和燃气发动机组件的目标状态的轨迹来计算。在此类实施例中，目标值对应于沿轨迹的点，并且误差值对应于当前测量的燃气涡轮特性与目标燃气涡轮特性之间的差异。
[0069]在框506中,测量结果在一定时间内被分析来计算输送延迟。在一个实施例中,输送延迟基于算法确定，该算法接收测量的传感器数据作为输入，并且生成对应于燃气发动机组件的输送延迟的一个或更多个值作为输出。算法描述随发动机状态变化的沿气体供应通路的歧管中的气体浓度的变化。在一些实施例中，发动机状态对应于燃烧系统的燃烧水平、涡轮结构的转速或转矩水平，或任何其它发动机状态。在一个实施例中，算法为表达气体供应机构与进气歧管之间的输送延迟的非线性算法。算法考虑气体的部分转移穿过燃气发动机组件的旁通管线，其具有连接在气流流过的压缩机的上游和下游的端部。
[0070]在一个实施例中，一定时间内的测量结果的分析包括识别对应于气体供应控制信号的来自第一传感器的第一组测量结果中的第一特征，以及识别对应于相同气体供应控制信号的来自第二传感器的第二组测量结果中的第二特征。接着，输送延迟基于第一特征与第二特征之间的时间差来计算。
[0071]在框508中，生成控制信号来基于计算的误差值与输送延迟值来控制一个或更多个气体供应机构。
[0072]本发明的实施例基于输送延迟值来控制燃气发动机组件，该输送延迟值考虑了至少部分地由沿至燃烧系统的气体供应通路的旁通管线引入的非线性特性。本发明的实施例涵盖包括任何类型的传感器的系统，诸如压力传感器、温度传感器、发动机速度传感器和气流传感器，并且在一个实施例中，系统不包括λ传感器或氧浓度传感器。实施例涵盖单级涡轮组件和多级涡轮组件。
[0073]本发明的实施例涵盖涡轮组件、发动机控制系统、电路、组件、程序和模型，以及包括提供成控制功率输出的气体供应管线并包括沿气体供应管线的旁通管线的其它发动机组件。例如，本发明的实施例还涵盖用于控制涡轮组件、计算输送延迟值、生成气体供应控制信号的方法。
[0074]尽管已经仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明不限于此类公开的实施例。相反，本发明可修改来并入迄今未描述的任何数量的改型、变化、置换或等同布置，但这与本发明的精神和范围相称。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是本发明的方面可仅包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不被看作是由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种燃气发动机组件，包括: 压缩机，其构造成从第一气体供应管线接收气体并压缩所述气体； 燃烧系统，其构造成从所述压缩机经由第二气体供应管线接收所述气体并燃烧所述气体和燃料； 旁通管线，其具有连接于所述第一气体供应管线的一个端部和连接于所述第二气体供应管线的相对的端部，以将少于所有所述气体的所述气体的部分从所述第一气体供应管线和所述第二气体供应管线中的一个转移至所述第一气体供应管线和所述第二气体供应管线中的另一个；以及 控制系统，其构造成基于输送延迟值来控制气体供应参数，所述输送延迟值对应于调整气体供应控制机构时的时间与在所述气体供应控制机构下游的预定点处接收气体特性的对应调整的时间之间的延迟。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机组件，其特征在于，所述气体供应控制机构为气体/空气混合器,并且 所述气体为空气和非空气气体的混合物。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机组件，其特征在于，所述气体供应控制机构为构造成调整提供至所述第一气体供应管线的非空气气体的量的气体剂量阀。
4.根据权利要求1所述的燃气发动机组件，其特征在于，所述旁通管线构造成基于操作为涡轮增压器的所述燃气发动机组件将所述气体的部分传输至下游。
5.根据权利要求1所述的燃气发动机组件，其特征在于，所述控制系统构造成通过在一定时间内沿至少所述第二气体供应管线确定所述气体的浓度来计算所述输送延迟值。
6.根据权利要求5所述的燃气发动机组件，其特征在于，所述控制系统构造成通过测量所述气体的压力来计算所述气体的浓度。
7.根据权利要求1所述的燃气发动机组件，其特征在于，还包括: 沿所述第一燃料供应管线的第一传感器；以及 沿所述第二气体供应管线的第二传感器， 其中，所述控制系统构造成基于分析一定时间内来自所述第一传感器和所述第二传感器的测量结果来计算所述输送延迟值。
8.根据权利要求7所述的燃气发动机组件，其特征在于，分析一定时间内来自所述第一传感器和所述第二传感器的所述测量结果包括检测对应于第一气体供应命令信号的来自所述第一传感器的所述测量结果中的第一特征、检测对应于所述第一气体供应命令信号的来自所述第二传感器的所述测量结果中的第二特征，以及基于所述第一特征和所述第二特征的出现之间的时间差来计算所述输送延迟值。
9.一种燃气发动机控制电路，包括: 输送延迟计算模块，其构造成接收来自沿气体供应源与燃烧系统之间的气体供应通路的至少一个传感器的测量结果，并且计算对应于调整气体供应控制机构的时间与具有气体特性的对应调整的气体到达所述气体供应控制机构下游的预定点的时间之间的延迟的输送延迟值；以及 气体供应机构控制模块，其构造成基于所述输送延迟值来生成气体供应控制信号以控制所述气体供应控制机构。
10.根据权利要求9所述的燃气发动机控制电路，其特征在于，还包括: 目标值生成器，其构造成生成对应于燃气发动机的期望状态的目标值， 其中，所述气体供应机构控制模块基于所述目标值和所述输送延迟值来生成所述气体供应控制信号以控制所述气体供应控制机构。
【文档编号】F02D19/02GK104141546SQ201410194273
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2013年5月10日
【发明者】O.E.萨尔米恩托佩纽拉, R.R.布格迈尔, J.胡贝尔, M.萨特里亚, R.C.塞尔加, P.斯里尼瓦桑 申请人:通用电气公司