燃气轮机系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种燃气轮机系统，特别地，其中的燃气轮机可为微型燃气轮机，该微型燃气轮机更特别地可用作发烟机。本发明还涉及一种对该燃气轮机系统进行控制的方法。

背景技术

燃气轮机是一种内燃式动力机械装置。燃气轮机的运行原理是，将燃料燃烧产物作为工质，使其连续地流入燃气轮机的叶轮，带动叶轮转动，从而将燃料的化学能转化为机械能。

目前常用的燃气轮机按照结构形式，可分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机以及微型燃气轮机等，而这些类型的燃气轮机可应用于多种场合，例如作为航空发动机、船舶发动机、或者应用在发电机组中，等等。其中，微型燃气轮机可用作航空发动机等，或者也可用作发烟机，以应用于军事领域。

常规的燃气轮机的结构原理如图1中的示意图所示。其中，燃气轮机100的主要部分包括压气机10、涡轮20和燃烧室30，压气机10的压气叶轮和涡轮20的涡轮叶轮之间由轴40相连接。在运行过程中，首先由外部的动力源来启动压气机10，由此压气机10从周围的大气中吸入空气，并将其压缩。压缩后的空气被输送到燃烧室30中。这样，压缩空气与喷入燃烧室中的燃料发生燃烧反应，生成高温燃气。高温燃气流入涡轮20中，并膨胀做功，推动涡轮叶轮转动，涡轮叶轮则通过轴40带动压气叶轮一同转动。燃烧后的高温燃气在带动压气机的同时，还有多余的能量作为燃气轮机的输出机械功。该机械功可用来发电、作为飞行器或船舶的推进力等。

燃气轮机的优点在于，可容易地进行多台燃气轮机的集成扩容，可适应多种燃料，燃料消耗率低，运行过程中噪音低、排放低、振动小、维修率低，并且可对燃气轮机进行远程遥控和诊断，等等。

对燃气轮机、尤其是微型燃气轮机启动的优化和保证其长时间稳定运行是本领域中关注的问题。具体来说，特别是微型燃气轮机的转速范围大，启动时的加速以及停机时的减速时间都比较短，因此需要能够有效地控制机组稳定运行，且在启动和运行过程中防止燃气轮机喘振或共振，这是燃气轮机、特别是对于微型燃气轮机亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明是为解决以上现有技术所存在的问题而做出的。本发明的目的是提供一种包括燃气轮机及其控制装置的燃气轮机系统，该燃气轮机系统能够稳定地启动，且在运转过程中平稳运行。

本发明的燃气轮机系统包括：燃气轮机，该燃气轮机包括压气机、涡轮和位于压气机与涡轮之间的燃烧室，压气机的压气叶轮和涡轮的涡轮叶轮通过主轴连接在一起，其中，燃烧室中设置有点火器，在涡轮的下游连接有尾喷管；

燃油系统，燃油系统与燃烧室连接，以向燃烧室供应燃油；

其中，该燃气轮机系统还包括：

启发电机，启发电机的输出轴与主轴相连接，并能够以电动机模式运行，在启动燃气轮机时带动主轴转动；以及

电机控制回路，启发电机经电机控制回路与电源连接，其中，电机控制回路包括电机驱动电路，电机驱动电路在启发电机以电动机模式运行时控制启发电机的运行；

电子控制单元，电子控制单元控制电机控制回路，进而控制启发电机的运行。

通过对启发电机的控制，特别是由电机驱动电路对电动机模式下运行的启发电机的控制，可以确保启发电机安全稳定地启动燃气轮机。在该过程中，防止燃气轮机的喘振和/或共振的发生。换言之，本发明的燃气轮机系统增强了其中的燃气轮机的运转、尤其是其启动运转的平稳性和安全性，进而可保护其中的零部件。

较佳地，上述电机驱动电路采集启发电机的电机绕组的反电动势，以作为对启发电机的控制参数。

对于燃气轮机用启发电机来说，该启发电机较佳地还能够以发电机模式运行。对应地，电机控制回路还包括整流稳压电路，其中，在发电机模式下，整流稳压电路将启发电机发出的电转变为稳定电压的直流电。通过该整流稳压电路的设置，解决了启发电机的发电续航问题，有效地增加了该燃气轮机的使用寿命。

燃气轮机的燃油系统可包括：燃油箱，供油管，供油管连接在燃油箱和燃烧室之间，且供油管上设置有燃油泵，燃油泵用于将燃油从燃油箱泵送到燃烧室中；以及回油管，回油管连接在燃油箱和燃烧室之间，且在回油管上设置有启动阀；其中，电子控制单元能够控制燃油泵和启动阀中的至少一个。

进一步地，该回油管上还设置有的微控阀，微控阀与启动阀并联地布置。在此结构中，回油管包括并联的两路回油，其中微控阀可用来控制从燃烧室回流的燃油量，或者从另一方面来说，该微控阀控制在燃烧室中参与燃烧的燃油量，从而控制燃气轮机的运行转速，进而控制燃气轮机的运行工况。

较佳地燃气轮机系统可还包括发烟装置。由此，其中的燃气轮机被用作发烟机。其中，该发烟装置包括：至少一个雾油喷嘴，该雾油喷嘴设置在尾喷管上；雾油箱，雾油箱中容纳有用于发烟的雾油；以及雾油泵，雾油泵连接在雾油喷嘴和雾油箱之间，从而经由雾油喷嘴向尾喷管内喷射雾油。

燃气轮机系统还可包括润滑系统，该润滑系统向燃气轮机提供润滑油。

在本发明中，电子控制单元能够控制雾油泵，和/或采集润滑系统中的润滑油压力并基于润滑油压力控制润滑系统。

本发明还公开了一种运行如上所述的燃气轮机系统的方法，该其特征在于，方法包括如下步骤：

a.接通启发电机的电源；

b.当电子控制单元接收到启动信号时，电子控制单元启动电机驱动电路，进而由电机驱动电路开启启发电机，启发电机带动燃气轮机的主轴转动，由此带动压气叶轮和涡轮叶轮转动；

c.当主轴的转速达到第一转速时，燃油系统向燃烧室供应燃油，且由点火器进行点火，使得燃油与由压气叶轮吸入的空气相反应而燃烧，燃烧产生的高温燃气推动涡轮叶轮转动；

d.当主轴的转速达到第二转速时，电子控制单元控制电机驱动电路，切断启发电机的电源，并关闭点火器；

e.当电子控制单元接收到停机信号时，电子控制单元控制燃油系统停止向燃烧室供应燃油。

通过该方法，首先可确保在燃气轮机启动阶段，由启发电机平稳安全地带动燃气轮机开始初始运行。

其中，电机驱动电路采集启发电机的电机绕组的反电动势，以作为对启发电机的控制参数。

较佳地上述第一转速为3500～4000rpm，例如较佳地可为3800rpm；和/或上述第二转速为5500～8000rpm，例如较佳地可为7000rpm。

较佳地，在步骤b中，若主轴在第一预定时间内没有达到第一转速，则触发报警，电子控制单元切断启发电机的电源。由此，可起到异常运行保护的作用。该第一预定时间可根据实际来设定，例如，该第一预定时间为10～30s，较佳地，在一种具体情形中，该第一预定时间为20s。

具体地，在该方法的步骤a或者在步骤b中，根据燃气轮机系统所在的地理环境调节微控阀的开度。在步骤c中，电子控制单元打开启动阀，并启动燃油泵，以向燃烧室泵送燃油。在步骤d中，关闭启动阀，以使供应到燃烧室中的燃油显著增加，以使主轴转速提高到额定转速。

较佳地，在步骤d中，启动阀先保持打开状态，直到主轴的转速升高到第三转速，接着启动阀在第二预定时间内继续保持打开状态，然后再关闭启动阀。这样，可在燃气轮机达到额定转速之前，先对该燃气轮机进行慢车暖机，以有利于燃气轮机后续的稳定运行。

在一种实际的情形中，第三转速为12000～13000rpm，较佳地可为13000rpm；和/或第二预定时间为5～20s，较佳地可为5s。

如上所述，启发电机还能够以发电机模式运行，因此，在上述的步骤d中，当主轴的转速超过燃气轮机的第四转速之后，燃气轮机带动启发电机以发电机模式运行，并且，由电子控制单元启动整流稳压电路，以将启发电机发出的电力以稳定的直流电形式输出。

本发明的燃气轮机还可用作发烟机。这样，燃气轮机系统就还会包括以上已公开的发烟装置。这样，在方法的步骤d中，当电子控制单元接收到发烟信号时，电子控制单元启动雾油泵，从雾油箱向尾喷管泵送雾油。即，电子控制单元还能够控制发烟过程。

通过本发明的上述燃气轮机系统的结构以及相应的运行方法，解决了燃气轮机使用启发电机来启动时的稳定安全运行的问题，并且提高了启发电机发电模式下的续航能力，延长燃气轮机的使用寿命。而且，通过稳定地启动燃气轮机，有效地保护了该燃气轮机系统中的零部件，这样进一步提高该燃气轮机的使用寿命。

附图说明

图1示出了已有的燃气轮机的结构示意图。

图2示出了本发明的燃气轮机系统的示意性结构图。

图3示出了本发明燃气轮机系统中使用的启发电机的示意性结构图。

具体实施方式

下面将结合图2～图3对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

图2示出了本发明的燃气轮机系统100的示意性结构框图。从图2中可见，该燃气轮机系统100包括燃气轮机，该燃气轮机包括压气机110、涡轮120和位于压气机110与涡轮120之间的燃烧室130以及尾喷管，压气机110的压气叶轮和涡轮120的涡轮叶轮通过主轴连接在一起，从而压气机110和涡轮120联动。燃烧室130包括燃油喷嘴132，用于向燃烧室130内部喷射燃油。较佳地，燃烧室130中可设置有多个围绕其周向呈环状地设置的燃油喷嘴132。并且，燃烧室130还连接有点火器131，该点火器131用于点燃喷入燃烧室130内部的燃油。

在燃气轮机系统100的燃气轮机用作发烟机时，在涡轮120的下游还连接有发烟装置140，具体例如该发烟装置140的雾油喷嘴连接在位于涡轮120下游的尾喷管上。发烟装置140还包括雾油箱142以及连接在雾油箱142和雾油喷嘴之间的雾油泵141，雾油泵141将雾油箱142中的发烟用雾油通过雾油喷嘴喷射到尾喷管中，与尾喷管中的燃气流混合而喷出尾喷管，进而形成烟雾。

燃气轮机系统100包括燃油系统，以向燃烧室130供应燃油。如图2中所示，燃油系统包括燃油箱154，在燃油箱154和燃烧室130之间连接有供油管155和回油管156。其中，在供油管155上安装有燃油泵151，用于向燃烧室130、例如朝向燃烧室130的燃油喷嘴132泵送燃油。

较佳地，回油管156分为两个支路，从而形成为两路回油。其中，一个支路中串联有启动阀153，另一支路中串联有微控阀152。当启动阀153处于打开状态时(此时微控阀152全开)，两路支路共同回油，此时回油量最大，喷油嘴132喷出至燃烧室130的油量最少，燃烧供能亦最少，燃气轮机的转速最低，从而燃气轮机处于慢速状态。当启动阀153处于关闭状态时，只有设置了微控阀152的一路支路回油。此时，当调节微控阀152以使相应的支路中的回油量减小时，喷油嘴132喷出至燃烧室130的燃油量增大，当燃油量达到油气比最佳的量时，燃油的燃烧供能亦最大，此时燃气轮机转速最高。

由此，在关闭启动阀153之后，通过调节微控阀152可对回油量或者说对参与燃烧的燃油量进行调节，从而得到所需要的转速、尾喷温度、排气流量等。例如，随着调节微控阀152的开度而使之增大，则回油量增大，从而调小了参与燃烧的燃油量，由此燃气轮机的转速降低。

可见，通过设置微控阀152，能够进一步提高对燃气轮机的运行工况进行调节的灵活性。

燃气轮机系统100中还包括润滑系统170，用于向诸如燃气轮机主轴上的轴承、电机轴的轴承等部件提供润滑油。该润滑系统可包括润滑油泵，用于向轴承泵送润滑油，还可包括回油泵，用于从燃气轮机回收润滑油。

燃气轮机系统100中设置有启发电机111，该启发电机111的输出轴与燃气轮机的主轴相连接。该启发电机111可在电动机模式和发电机模式之间切换。在启动燃气轮机时，启发电机111充当电动机，驱动燃气轮机的主轴，而在燃气轮机的转速达到一定转速之后，启发电机111被主轴驱动，以发电机模式运行。

在本发明中，燃气轮机系统100还包括控制系统，用于控制该燃气轮机系统100的启动、运行和停车等。该控制系统可包括电子控制单元(ecu)160、远程遥控器161、蓄电池组180、电机驱动电路181、整流稳压电路182等。

其中，电机控制回路用来控制启发电机111的运行。具体来说，如图2所示，该电机控制回路包括电机驱动电路181和整流稳压电路182。电机驱动电路181采用方波或正弦波方式控制起发电机111以电动机模式运行。较佳地，启发电机111通过电机驱动电路181和整流稳压电路182与外界的电源或电网连接。例如，在图2所示的示例中，启发电机111通过电机驱动电路181和整流稳压电路182与蓄电池组190相连接，从而可从蓄电池组190接收电力(电动机模式)或者向蓄电池组190充电(发电机模式)。

具体来说，电机驱动电路181较佳地感测启发电机111的电机绕组的反电动势，用作启发电机111的位置信息判断依据，并且，ecu160根据燃气轮机的运行负载的特性，设定了启发电机111驱动主轴的加速时间，如将在下文中详细描述的，并且对电机驱动电路181的功率管特性做了适应性调整。通过这一系列的设定，电机驱动电路181能够实现燃气轮机在启发电机111的带动下的平稳启动。

在燃气轮机达到一定转速之后，ecu160控制启发电机111进入发电机运行模式。此时，整流稳压电路182接通整流桥与启发电机111的线路，通过其中的稳压电路将启发电机111发出的电力转变为稳定的直流电源，例如将启发电机111发出的电力稳定在28v左右，该电力可向蓄电池组190充电，同时也可满足整个燃气轮机系统100的运行用电需求，例如燃油泵151、雾油泵141、各控制电路等的用电需求。

图3示出了本发明的启发电机111的一种较佳的结构。如图3所示，该电机111具有定子112和转子113。其中，定子112包括定子铁芯(优选的是由硅钢片制成)，在定子铁芯上缠绕有线圈，以形成定子绕组。转子113则包括至少一个、较佳地多个磁体(例如永磁体)，并且转子113安装在电机111的电机转轴114上。

如图3所示，转子113、具体来说是组成转子113的各磁体设置在电机转轴114的一端附近，而在电机转轴114的另一端附近则设置至少一个轴承115，较佳地是如图3所示的两个互相间隔开的轴承115。由此，电机转轴114以及设置在该电机转轴114一端附近的转子113以悬臂形式被支承。

进一步地，在燃气轮机系统100中还设置有电子控制单元(ecu)160，该ecu160用于控制燃气轮机系统100的各个部件的运行，且较佳地，ecu160还可兼具信号采集、逻辑控制、信号输出等功能。例如，ecu160可采集燃气轮机主轴的转速、润滑系统中润滑油的压力、向启动电机111供电的电源电压等信号。此外，ecu160还可接收来自例如远程遥控器161的控制信号等。基于这些信号，ecu160对燃气轮机系统100中的各部件进行控制，例如控制润滑油系统170、燃油泵151、雾油泵141、微控阀152、启动阀153、点火器131、电机驱动电路181、整流稳压电路182等。

具体来说，在ecu160所要控制的部件处设置相应的传感器，以感测并向ecu160反馈相应的参数信号，ecu160基于这些信号来对相应的部件进行控制。例如，在整流稳压电路182处设置电压传感器(见图2中的“v”处)，该电压传感器检测经整流稳压后的电压数值并传送给ecu160。再例如，在润滑油系统170处设置有压力传感器(见图2中的“ph”处)，该压力传感器感测润滑油系统170中的润滑油压力，并将该压力传送给ecu160。此外，在燃气轮机的主轴上还可设置转速传感器(图2中的“n”处，当然，也可以设置在转子其他位置)，ecu160可根据转速传感器的信号得出主轴的转速，并据此对燃气轮机的运行进行控制，比如控制启发电机111的运行或者控制燃油系统对燃烧室130的供油等等。

附加地，还可设置数据监控与记录系统162，用于监控和记录ecu160所接收到的各种信号。

下面将详细介绍本发明的燃气轮机系统100的运行控制方法。

在开机准备阶段，首先接通外界电源，例如接通蓄电池组190的开关，从而准备好向电气控制系统提供电源。

在该开机准备阶段，较佳地，可根据该燃气轮机系统100所在的地理位置环境来调节微控阀152的开度。此处的地理位置环境指的是所在地的海拔高度、大气条件等。对微控阀152开度的调节可以是由操作人员手动进行，也可根据预设的程序自动进行。

当燃气轮机系统100接收到启动命令时，在启发电机111开启，带动燃气轮机的主轴旋转。在微控阀152开度为自动调节的情况中，也可以将微控阀152的开度整合在该启动命令中，从而在开启启发电机111的同时或基本同时设定好微控阀152的开度。在该阶段，在一种具体的较佳示例中，通过远程遥控器161来发出启动命令，ecu160接收到该启动命令，并控制电机驱动电路181，接通启发电机111的电源，即，在图中所示的结构中，开始由蓄电池组190向启发电机111提供电力，使启发电机111运行。其中，电机驱动电路181根据从ecu160发出的指令对启发电机111的运行进行控制。

在启动阶段，燃气轮机的主轴仍处于较低转速，尚未达到点火条件，因此此时燃油泵151处于关闭状态，点火器131也未启动。换言之，在此启动阶段，只有启发电机111带动燃气轮机的主轴旋转，并逐渐加速。在此过程中，通过压气机110吸入的空气流，对燃气轮机内部残存的积油或异物予以吹扫，以为后续的燃气轮机运行提供更好的运行条件。

进一步地，在启动阶段，若在一定的时间之内未达到点火条件，则ecu160将控制整个系统停车，并切断启发电机111的电源。由此，确保燃气轮机系统的安全性。具体来说，在本发明中，设定第一预定时间，例如10～30s，优选的为20s，当在启发电机111开始启动之后在该第一预定时间届满时，燃气轮机的主轴仍未达到第一转速(即点火转速)，则启动上述报警停车程序。

当燃气轮机主轴加速到第一转速时，ecu160控制启动阀153打开，燃油泵151开始运行，向燃烧室130输送燃油。此时，点火器131启动点火，点燃被输送到燃烧室130内的燃油。燃油燃烧所产生的高温、高压燃气流入涡轮120中，推动涡轮加速。此时，启发电机111继续运行，从而燃气轮机的压气叶轮和涡轮在启发电机111和高温燃气的共同作用下加速运行。此处，第一转速例如为3500～4000rpm，优选的为3800rpm，或者也可以根据不同类型的燃气轮机或者不同的运行和环境条件而有所变化。

在点火之后，燃气轮机加速。其中，燃气轮机的转速(即，燃气轮机中由主轴相连的压气叶轮和涡轮叶轮的转速)持续升高，当燃气轮机的转速达到第二转速时，ecu160控制电机驱动电路停止驱动启发电机111，并关闭点火器131。此时，燃油泵151持续地向燃烧室130供应燃油，从而由燃油燃烧所产生的高温、高压燃气来驱动燃气轮机的继续加速运行。此处，第二转速可以例如是5500～8000rpm，较佳地为7000rpm。

为了使燃气轮机加速到额定转速状态，需要关闭启动阀153，这样，回油管156中仅有微控阀152所在的这一路管路可供燃油回流到燃油箱154中。这样，供应到燃烧室130中的燃油量显著上升，使得燃气轮机的转速能够升高至额定转速。

较佳地，在将燃气轮机加速到额定转速之前，还可以添加一个暖机阶段。具体来说，在燃气轮机加速到慢车状态之后，启动阀153保持打开，燃气轮机继续加速到第三转速，例如可加速到12000～18000rpm，优选的为13000rpm，然后启动阀153继续保持打开第二预定时间，例如保持打开5～20s，优选的为8s。然后，再关闭启动阀153，将燃气轮机加速到额定转速。

当ecu160检测到燃气轮机超过第四转速的运行状态，控制启发电机111在燃气轮机带动下以发电机模式运行。此时，例如由ecu160开启整流稳压电路182，向诸如蓄电池组190或外部电网输出直流电，该直流电例如为28v。这样，启发电机111对蓄电池组190充电，此外，启发电机111发出的电力还可用于给燃气轮机系统100的控制和动力线路供电，例如为雾油泵141、燃油泵151等供电。其中，在一种较佳的情形中，该第四转速为20000rpm。

对于具有发烟装置140的燃气轮机系统100来说，在额定运行状态下，还可启动发烟装置140，以向外部环境提供烟雾。具体地，当ecu160接收到发烟信号之后，雾油泵141启动，将雾油从雾油箱142泵送到发烟装置140的尾喷管中。在该尾喷管中，雾油与来自涡轮120的高温燃气混合，混合物被喷出尾喷管的出口，形成烟雾。该发烟信号例如可从远程遥控器161向ecu160发出。

当ecu160接收到诸如远程遥控器161等发出的停机信号，则ecu160切断燃油泵151的电源，此时，不再有燃油供应到燃烧室130中，也就不再有高温燃气产生。此时，燃气轮机、具体是其连接在主轴上的压气叶轮和涡轮叶轮在惯性下逐渐地停止转动，直至最终停止。

此外，在以如上所述的方法运行燃气轮机系统100的过程中，ecu160还对润滑油系统170进行控制，向燃气轮机系统100的相应部件供应润滑油，以确保燃气轮机系统100的安全稳定的运行。其中，如以上已经提到的，ecu160接收有关润滑油系统170中的润滑油压力信号，来控制润滑油系统170。

在以上方法中，以相关的控制信号从远程遥控器161发出为例进行描述的，这些控制信号也可以其他方式向ecu160发出。例如，在数据监控与记录系统162中也可集成有控制信号发送装置。或者，也可从主机操作面板处由操作人员来发出各种控制信号。

进一步地，在本发明中，在诸如ecu160、数据监控与记录系统162、电机驱动电路181、整流稳压电路182等的控制装置中可加入用于启动失败检测保护、润滑油压力低保护、电源电压低保护、运行转速异常保护、防喘振/共振保护之类的程序，从而进一步确保燃气轮机、尤其是微型燃气轮机的平稳和安全的启动、运行和停机。