具有对脉动的主动保护的燃气涡轮发动机及其操作方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请请求享有2019年12月31日提交的欧洲专利申请第19220166.3号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
2.本发明涉及一种具有对脉动的主动保护的燃气涡轮发动机，并且涉及操作燃气涡轮发动机的方法。
背景技术：
3.众所周知，在过去的几年中，灵活控制发电设备中的燃气涡轮已经成为最重要的目标。一方面，实际上，对环境风险的意识促使设定越来越严格的要求的法规。另一方面，现代电力市场的组织和连续变化的需求不允许在恒定负载条件下操作发电设备。相反，满足需求波动（包括突然的上升或下降）并有助于控制电网频率的需求需要灵活的操作。
4.然而，这种灵活的操作增加了燃气涡轮遭受临界条件的风险，因为要考虑宽的操作范围。此外，构件的老化可能导致临界条件的漂移，使得由于偏离设计特性而可能在机器使用寿命期间出现危险的振动状态。实际上，在燃气涡轮领域中，众所周知的是，在不同的操作条件下会产生机械和热声振动。这样的条件取决于燃气涡轮的复杂结构的响应，并且可根据燃气涡轮的种类和尺寸而广泛地变化，并且还由于例如构件的老化而随时间变化。在燃气涡轮的设计和测试步骤中，出现振荡的操作条件和频率可能变得明显，因此可能提供诸如消声器的保护措施。然而，当条件改变时，此类措施可能变得无效。
5.因此，不良的燃烧条件可能对机器结构造成严重损坏，因为某些零件（如隔热涂层）可能容易遭受振动和热声脉动，尤其是在某些频率下。结果，比期望的需要维护的频率更高。而且，尽管进行经常性的维护，涡轮零件仍可能失去效力，并且不再能够充分发挥其功能。例如，在隔热涂层的情况下，效力失去可能导致对不再得到充分的保护的金属构件的严重且甚至是不可逆转的损坏。
6.其它严重事件，如过高水平的污染排放物，对机器本身可能不构成危险，但无论如何都要避免，以遵守法律和法规，并且也因为机器的效率受到显著影响。
7.因此，普遍希望改进对燃气涡轮的保护，使其免受临界操作条件的影响，在临界操作条件下可能出现危险的振动和/或热声脉动。
技术实现要素：
8.因此，本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机和操作燃气涡轮的方法，其允许克服或至少减轻上述限制。
9.根据本发明，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：燃烧器组件，其具有多个燃烧器单元；以及控制系统，其配置成控制向燃烧器组件的空气供应和燃料供应；
控制系统包括：脉动传感器，其联接到相应燃烧器单元并配置成从相应燃烧器单元提供脉动信号，每个燃烧器单元设有脉动传感器中的相应一个；以及处理单元，其联接到脉动传感器以接收脉动信号，并配置成：确定脉动信号的至少一个方位角分量，该方位角脉动分量由下式限定：其中nc是燃烧器组件中的筒型燃烧器的数量，是燃烧器组件的第n个筒型燃烧器的方位角，是虚数单位，并且m是在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的至少一个方位角分量的阶；从脉动信号的至少一个方位角分量确定谱参数的工作时间序列；以及基于工作时间序列和激活标准选择性地激活保护措施。
[0010]
监测脉动信号的谱参数允许在很早的阶段识别不利的振荡现象，并且对构件的老化不敏感。更精确地，由控制系统执行的监测可有效地识别不利现象的早期发生，而不管这种现象是与已知的临界条件相关联还是由不可预测的事件（如老化）引起的。
[0011]
保护措施可通过修改空气和/或燃料供应来改变燃气涡轮的操作条件，以便减少振荡现象的影响。在某些情况下，很小的变化可能足以使燃气涡轮处于安全操作的条件，带有的危险振荡的低风险。此外，当由时间序列显示明显趋势时，可触发保护措施，因此避免响应于实际上未反映临界条件的波动（例如统计误差）做出不必要的干预。控制系统可配置成通过直接修改向燃烧器组件的空气供应和/或燃料供应，或另外通过发送警报或警告消息提示操作者采取行动，如改变操作设定点并因此改变空气供应和/或燃料供应，来响应于保护措施的激活。
[0012]
根据本发明的一个方面，激活标准包括由谱参数的不允许的值范围限定的值标准，协同基于谱参数在不允许的值范围内的持久性的时间标准。
[0013]
组合标准的使用有助于减少不必要的保护措施激活。
[0014]
根据本发明的一方面，时间标准包括以下至少一个：工作时间序列的谱参数连续保持在不允许的值范围内达至少第一时间间隔；工作时间序列的谱参数在检查窗内连续或间断地保持在不允许的值范围内达至少累积的第二时间间隔；时间计数器达到计数阈值，计数器当工作时间序列的谱参数在不允许的值范围内时，由处理单元递增，且当工作时间序列的谱参数在不允许的值范围外时，保持不变或由处理单元递减。
[0015]
因此可使适当的时间标准可用，并且可根据设计偏好使用适当的时间标准，以便在及时激活保护措施和有效拒绝假阳性之间取得平衡。
[0016]
根据本发明的一方面，谱参数包括在相应编程频率范围内的至少一个峰值幅度，并且处理单元进一步配置成将峰值幅度的工作时间序列与相应独立幅度阈值比较，不允许
的值范围包括大于独立幅度阈值的峰值幅度值。
[0017]
以此方式，可容易地识别出最强的振荡并将其与不是潜在危险条件指示物的背景噪声区分开，因此允许了只要在任一监测的燃烧器单元处出现临界振荡，就及时激活保护措施。
[0018]
根据本发明的一个方面，谱参数包括在针对脉动信号的至少一个方位角分量的相应编程频带中的多个峰值幅度，并且处理单元进一步配置为将峰值幅度的工作时间序列的组合与组合幅度阈值比较，不允许的值范围包括大于组合幅度阈组合的值的值。
[0019]
监测多个频带中的峰值幅度的组合可揭示原本可能遗漏的声模的非线性耦合的影响。因此保护得到进一步改进。
[0020]
根据本发明的一方面，谱参数包括相应峰值幅度的至少一个峰值频率，并且处理单元进一步配置成将峰值频率的工作时间序列与下频率阈值和上频率阈值比较，不允许的值范围包括由下频率阈值和上频率阈值界定的频带。
[0021]
当振荡接近该结构的本征频率时，燃烧器组件的结构有时甚至在很窄的带中也可能显示共振行为。因此，不良振荡甚至可由临界带中的相对小幅度触发，即，本征频率附近的相对小的振荡可能放大并引起共振现象。振荡峰值频率的监测允许防止燃气涡轮保持在可能触发共振的操作条件下。在许多情况下，对空气和/或燃料供应进行少量调整可能改变操作条件到足以避免共振振荡。
[0022]
根据本发明的一个方面，处理单元配置成确定在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的所有阶的方位角分量。
[0023]
根据本发明的一个方面，处理单元配置成确定在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的不同阶或所有阶的方位角分量的组合，并从方位角分量的组合确定工作时间序列。
[0024]
因此，不仅基于在独立燃烧器单元处发生的脉动，而且基于在不同的燃烧器单元处的脉动之间的相关性，可获得更完整的信息以用于针对共振振荡的保护目的。
[0025]
根据本发明的一个方面，处理单元配置成将同相脉动分量确定为脉动信号的0阶方位角分量，并且从同相脉动分量确定工作时间序列，同相脉动分量由下式限定：。
[0026]
同相脉动分量可能导致转子的扭转振动。因此，监测同相脉动分量的谱参数允许激活也针对转子的扭转振动的保护措施，因此可防止转子的扭转振动。
[0027]
根据本发明的一个方面，处理单元配置成从脉动信号确定谱参数的原始时间序列，并通过低通滤波从相应原始时间序列确定工作时间序列。
[0028]
因此，可忽略不很重要的假阳性和短暂的瞬态现象，并避免不必要地激活保护措施。
[0029]
根据本发明的一个方面，还提供了一种操作燃气涡轮的方法，该燃气涡轮包括具有多个燃烧器单元的燃烧器组件和控制系统，该控制系统配置成控制向燃烧器组件的空气供应和燃料供应，每个燃烧器单元（8）设有相应一个脉动传感器（12）；该方法包括：从燃烧器单元中的每个提供脉动信号；确定脉动信号的至少一个方位角分量，该方位角脉动分量由下式限定：
其中nc是燃烧器组件中的筒型燃烧器的数量，是燃烧器组件的第n个筒型燃烧器的方位角，是虚数单位，并且m是在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的至少一个方位角分量的阶；从脉动信号的至少一个方位角分量确定谱参数的工作时间序列；以及基于工作时间序列和激活标准，选择性地激活保护措施；其中激活保护措施包括修改向燃烧器组件的空气供应和/或燃料供应。
附图说明
[0030]
现在将参考附图描述本发明，附图示出了本发明的一些非限制性实施例，在附图中：
‑
图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机的简化框图；
‑
图2是图1的燃气涡轮发动机的燃烧器组件的示意性前视图；
‑
图3是根据本发明的实施例的由图1的燃气涡轮的控制系统执行的方法的流程图；
‑
图4是示出在图3的方法中使用的谱量的图；
‑
图5和图6是示出在图3的方法中使用的时间序列的图；
‑
图7
‑
9是示出在图3的方法中可用的时间序列和备选激活标准的图；
‑
图10是示出根据本发明的另一实施例的在由图1的燃气涡轮的控制系统执行的方法中使用的时间序列的图；
‑
图11是示出在图10的方法中可用的激活标准的图；
‑
图12是示出根据本发明的另一实施例的在由图1的燃气涡轮的控制系统执行的方法中使用的时间序列的图。
具体实施方式
[0031]
参考图1，数字1整体上限定了燃气涡轮设备，包括燃气涡轮发动机2和控制系统3。燃气涡轮发动机2继而又包括压缩机4、燃烧器组件5和膨胀区段或涡轮6，它们均绕轴线a延伸。压缩机4和涡轮6共用公共转子7。
[0032]
压缩机4向燃烧器组件5供给从外部吸入的气流。通过调节压缩机4的入口导向导叶6的定向，可由控制系统3控制向压缩机4的空气供应。
[0033]
燃烧器组件5（例如筒型或筒环型燃烧器）设有多个燃烧器单元8，这些燃烧器单元绕轴线a周向分布，如图2中示意性所示。燃烧器单元8将来自压缩机4的空气和来自燃料供应管线9的燃料混合以形成用于燃烧的混合物。燃料可为气态的，例如天然气或合成气，或是液态的，例如柴油。燃气涡轮发动机2可构造成使用气态和液态两者的不同类型的燃料。燃料供应可由控制系统3通过燃料阀系统10控制。
[0034]
涡轮6接收并膨胀来自燃烧器组件5的热气流，以提取机械功，该机械功传递给外部用户，通常为发电机，这里未示出。
[0035]
控制系统3包括脉动传感器12、处理单元13和控制器14。脉动传感器12可为例如压力传感器或光学传感器。
[0036]
脉动传感器12联接到相应燃烧器单元8，并且配置成响应于相应燃烧器单元8处的脉动而提供脉动信号p
n
（t）。在一个实施例中，每个燃烧器单元8设有相应脉动传感器12，因此提供了脉动信号p1（t）、p2（t）、
…
、pnc（t），nc是燃烧器组件5的燃烧器单元8的数量。然而，根据设计偏好，可使用具有仅与选择的燃烧器单元8相关联的脉动传感器12的其它构造。能够检测燃烧器单元8内部的压力振荡和/或燃烧器单元8的结构的机械振动的任何种类的脉动传感器都可用于该目的。例如，可使用压电压力或振动传感器或应变仪。脉动传感器12可设有检测电子器件，以根据设计偏好确定的形式（例如，作为电压信号）提供脉动信号p
n
（t）。例如，压电传感器通常提供电荷信号作为输出。因此，检测电子器件可包括电荷放大器，以将压电传感器的电荷输出转换成电压输出。
[0037]
处理单元13联接到脉动传感器以接收脉动信号p
n
（t）。通过图3中所示的过程，处理单元13配置成确定脉动信号p
n
（t）的谱参数的工作时间序列tsw
n
（见图4
‑
6和相关描述作为示例），并基于工作时间序列tsw
n
和激活标准选择性地激活保护措施。在一个实施例中，保护措施可包括控制系统3的自动响应。在此情况下，控制系统配置成响应于保护措施的激活而修改向燃烧器组件的空气供应和/或燃料供应。保护措施还可包括发送警报或警告消息提示操作者采取措施，如改变操作设定点，并因此改变空气供应和/或燃料供应。
[0038]
大体上，时间序列是按时间顺序索引的数据点序列。时间序列可为时间间隔相等的数据序列，因此是离散时间数据序列。如本文所理解的，工作时间序列是在处理单元13中用于实现脉动保护目的的谱参数的时间序列。如本文所理解的，原始时间序列是作为在相继的时间点处计算出的谱参数的值而直接获得的时间序列。换句话说，在相继的时间点处确定脉动信号p1（t）、p2（t）、
…
、pnc（t）的谱，并提取感兴趣的谱参数。在限定原始时间序列的每个时间点处提取谱参数的相继值。工作时间序列可与原始时间序列一致，或可通过处理从原始时间序列导出。处理可包括例如滤波并且限定为使得所得的工作时间序列更适合于实现脉动保护。
[0039]
确切地说，处理单元13将接收到的模拟脉动信号p
n
（t）迭代地转换为对应的数字信号（图3，框100），并且应用快速傅里叶变换（框110），以确定针对每个脉动信号p
n
（t）的频谱序列。在每次迭代，处理单元13提取频谱的选择的谱参数（框120；也见图4，其中提取的谱参数是峰值幅度a1、a2），并基于提取的谱参数更新工作时间序列tsw
n
（框130
‑
140）。换句话说，每个时间序列tsw
n
基于如由处理单元13在接着的迭代中确定的谱参数中的相应一个的值的序列。工作时间序列tsw
n
的值不必是谱参数的精确值，并且可添加处理。在一个实施例中，例如，处理单元13更新（框130）脉动信号p
n
（t）的谱参数的原始时间序列tsr
n
（即谱参数的精确数字值的序列，见图5的峰值幅度a1），并通过低通滤波从相应原始时间序列tsr
n
确定工作时间序列tsw
n （框140；也见图6的滤波的峰值幅度a1）。因此，工作时间序列tsw
n
平滑化以减少假阳性并避免不必要地激活保护措施。然而，在其它实施例中，谱参数的原始时间序列可直接用作工作时间序列tsw
n
。
[0040]
此外，在每次迭代，处理单元13检查关于激活标准的更新的时间序列tsw
n
（框
150），并且如果满足激活标准则激活保护措施（框150，输出是；框160）。然后，由处理单元13通过a/d转换、快速傅里叶变换、谱参数提取、工作时间序列tsw
n
的更新以及激活标准的检查的步骤来执行该过程的新迭代（框100
‑
150）。如果不满足激活标准（框150，输出否），则处理单元13直接开始该过程的新迭代。
[0041]
激活标准可包括值标准和时间标准的组合。值标准由谱参数的不允许的值范围限定，如时间序列在禁止区域内。时间标准基于谱参数在不允许的值范围内的持久性。
[0042]
时间标准可包括以下条件中的一个或多个：
‑
工作时间序列tsw
n
的谱参数连续保持在不允许的值范围内达至少第一时间间隔t1（在图7的示例中，其是指峰值幅度a1的工作时间序列tsw
n
，不允许的值范围irvi包括大于独立幅度阈值ath
n
的峰值幅度值区域）；
‑
工作时间序列tsw
n
的谱参数在检查窗w内连续或间断地保持在不允许的值范围irvi内达至少累积的第二时间间隔t2（图8，其中ct是检查窗w内禁止区域中的累积时间）；以及
‑
时间计数器tc达到计数阈值c0，时间计数器tc当工作时间序列tsw
n
的谱参数在不允许的值范围irvi内时，由处理单元13递增，且否则保持不变（图9，实线）或递减（图5，虚线）。
[0043]
保护措施可包括改变燃气涡轮发动机2的操作条件。为此，处理单元13可调节控制器14的设定点，由此控制系统3响应于保护措施的激活来修改向燃烧器组件5的空气供应和/或燃料供应。
[0044]
在一个实施例中，谱参数包括至少一个峰值幅度a1（图4
‑
6）。如本文所理解的，“峰值幅度”是指在一个或多个给定的监测频带中的谱峰值的幅度，在该频带中可能预期危险的脉动。谱峰值通常远大于平均谱幅度和监测频带之外的局部峰值幅度。在图4的示例中，分别在第一监测带b1和第二监测带b2中提取第一峰值幅度a1和第二峰值幅度a2。然而，峰值幅度的检测不必局限于特定的带。例如，在一个实施例中，可检测具有的幅度超过阈值的所有峰值。阈值可例如根据谱值的平均值和标准偏差来适应性地设置。对应于相应峰值和峰值幅度的每个频率限定为相应峰值的峰值频率。处理单元13进一步配置为将峰值幅度a1的接着的值的工作时间序列tsw
n
与相应独立幅度阈值ath
n
比较。在该实施例中，不可接受的值范围irvi包括大于独立幅度阈值ath
n
的峰值幅度值。处理单元13可配置成从多个编程频带提取峰值幅度。在一个实施例中，通过相应工作时间序列tsw
n
，针对激活标准来独立监测每个峰值幅度。
[0045]
监测可扩展到所有燃烧器单元8，或限于一个或多个燃烧器单元8，这例如从设计上可认为是更关键的。例如，当满足针对至少一个燃烧器单元8的激活标准时，可激活保护措施，因此为每一个燃烧器单元8提供有效的保护。
[0046]
在一个实施例中，每个燃烧器单元8设有脉动传感器12，其供应相应脉动信号p
n
（t）。处理单元13配置成还从脉动信号p
n
（t）（直到nc，nc是燃烧器组件5中的燃烧器单元8的数量）确定m阶的一个或多个方位角分量，并且将方位角分量的谱参数（例如给定带中的幅度峰值和/或峰值频率）与相应阈值（分别为幅度阈值和上频率阈值和下频率
阈值）比较。m阶的方位角分量限定为其中nc是燃烧器组件5中的燃烧器单元8的数量，是nc燃烧器单元8中第n个燃烧器单元8的方位角，是虚数单位，并且方位角分量具有在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的整数阶m，其中floor（nc/2）是小于或等于nc/2的最大整数，并且ceil（nc/2）是大于或等于nc/2的最小整数。第n个燃烧器单元8（见图2）的方位角 限定为参考平面rp1（例如，参考燃烧器单元8的径向中间平面）与第n个燃烧器单元8的对应平面rpn（例如，第n个燃烧器单元8的径向中间平面）之间的角度。
[0047]
m阶的方位角分量本身是脉动信号，并提供关于燃烧器单元8的脉动状态的进一步信息。因此，可使用m阶的方位角分量来激活保护措施。
[0048]
然后可应用参考图3描述的过程。实际上，这样的过程独立于所使用的脉动信号的特定性质以及为测试而选择的特定谱参数。换句话说，该过程不取决于如何（例如通过压力或光学或其它传感器）生成特定的脉动信号，并且不取决于该脉动信号代表单个相应燃烧器单元8处的脉动（例如独立脉动信号p
n
（t）），还是作为脉动信号p
n
（t）的组合提供并因此代表不同燃烧器单元8处的脉动（例如m阶的方位角分量）的组合效果。此外，谱参数可为如上限定的峰值幅度或峰值频率，并且视情况可使用相关的幅度和频率阈值来限定不可接受的值范围。图4
‑
10和图12的示例的谱参数可为m阶的方位角分量的谱参数。
[0049]
因此，在应用快速傅里叶变换之后，可提取m阶的方位角分量的谱参数，如峰值幅度a1、a2或峰值频率f1、f2，并且可建立并迭代更新谱参数的原始时间序列tsr
n
。谱参数可包括以任何组合的针对方位角分量中的一个或多个或全部的一个或多个监测带中或贯穿整个谱的谱峰值的峰值幅度和/或峰值频率。可例如通过低通滤波来平滑原始时间序列tsr
n
，以产生工作时间序列tsw
n
，然后对其进行测试以符合如上限定的激活标准。符合测试包括将方位角分量的工作时间序列tsw
n
的值与（方位角）幅度和/或频率阈值以及匹配值标准和/或时间标准比较。在一个实施例中，处理单元13确定在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的所有m阶的方位角分量。在一个实施例中，处理单元13确定在范围[
‑
ceil（nc/2）+1；floor（nc/2）]内的不同阶m或所有阶m的方位角分量的
组合，并且从方位角分量的组合确定工作时间序列tsw
n
。
[0050]
在一个实施例中，处理单元13确定0阶的方位角分量，即，由下式限定的同相脉动分量p
ip
（t）： 。
[0051]
同相脉动分量p
ip
（t）继而又是脉动信号。谱参数包括同相脉动分量p
ip
（t）的同相峰值幅度。处理单元13配置成更新并比较同相脉动分量p
ip
（t）的同相峰值幅度的工作时间序列tsw
n
与脉动阈值（同相脉动阈值）。不允许的值范围包括大于脉动阈值的同相脉动值。同相脉动分量p
ip
（t）可能引起转子7的扭转振动。因此，监测同相脉动分量p
ip
（t）的谱参数允许激活也针对转子的扭转振动的保护措施，因此可防止转子的扭转振动。
[0052]
参考图4和图10，在一个实施例中，谱参数包括在针对每个脉动信号p
n
（t）的相应编程频带中的多个峰值幅度a
k
，并且处理单元13配置成将峰值幅度a
k
的工作时间序列tsw
n
的组合与组合幅度阈值a0比较。作为非限制性示例，该组合可为针对每个脉动信号p
n
（t）的峰值幅度a
k
的值的线性组合k1a1+
…
+k
ni
a
ni
，其中ni是脉动信号p
n
（t）的谱中的显著峰值幅度的数量，并且k1、...、k
ni
是线性组合的系数。因此，针对脉动信号p
n
（t）的不允许的值范围irvi包括大于组合幅度阈值a0的组合的值：irvi = {k1a
1 +
…
+k
ni
a
ni > a0}。
[0053]
在图10
‑
11的示例中，两个峰值幅度a1、a2被认为是谱参数。图10中的实线示例性地示出了工作时间序列tsw
n
的图。图11示出了由处理单元13供应的用于激活保护措施的激活信号act。当工作时间序列tsw
n
保持在不允许的值范围irvi内达超过第一时间间隔t1的时间间隔时，激活信号act切换为激活值。
[0054]
参考图12，在一个实施例中，谱参数包括相应峰值幅度a1的至少一个峰值频率f1，并且处理单元进一步配置成将峰值频率的工作时间序列与下频率阈值fthl和上频率阈值fthu比较。在该示例中，不允许的值范围irvi包括由下频率阈值fthl和上频率阈值fthu界定的频带。
[0055]
最后清楚的是，在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下，可对所描述和示出的燃气涡轮和方法进行改变和变化。
[0056]
具体而言，清楚的是，根据设计偏好，出于脉动保护的目的，可有利地使用和监测所描述的谱参数的任何组合。