用于向涡轮构件提供喘振保护的系统和方法

专利名称：用于向涡轮构件提供喘振保护的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例大致涉及涡轮，更具体地涉及向涡轮构件提供自适应的喘振保 护。
背景技术：
燃气涡轮用于各种应用，例如用于发电的动力装置。在燃气涡轮的操作期间，效率 和单位输出功率至少部分取决于燃气涡轮的升高的燃烧器点火温度。与给定的燃烧器点火 温度相关的是最佳压缩机压力比，其使涡轮的效率最大化，并随升高的燃烧器点火温度而 增加。相应地，在用于发电的燃气涡轮中，通常希望在较高的压力比操作压缩机以实现更高 的效率。然而，燃气涡轮在高压缩机压力比操作可引起压缩机的失速/喘振，这是一种当 压缩机的压力比在超过给定压缩机速度的临界值时出现的状态，其导致压缩机排放压力快 速降低。压力降低通常是压缩机叶片分流所致，引起压缩机中的反向流动，称为“喘振”。在 失速/喘振的情况下，压缩机性能由于压缩机不能处理过大的压力比而下降，导致压缩机 排放压力快速下降。失速/喘振可进一步引起压缩机中持续的压力振荡直到采取一些校正 动作为止。因此，燃气涡轮发动机的压缩机中出现失速/喘振可损害涡轮性能和/或引起 燃气涡轮内的损坏。为了实现相对更高的效率，燃气涡轮通常在喘振状态附近操作。通常，燃气涡轮在 如下压缩机压力比操作其处于充分远离喘振边界的裕量以避免不稳定的压缩机操作。在 常规涡轮系统中，喘振保护逻辑通常是静态的。因此，一旦为压缩机建立喘振裕量保护逻 辑，就可将其视为固定的并且在压缩机操作期间不变化。由于静态喘振保护必须避免即使 对于最坏情形的压缩机操作状态下的喘振，所以压缩机经常在其操作的相当大的一部分被 过度保护，导致性能损失。此外，在当多个压缩机单元操作的情形中，过度补偿可导致一些 压缩机单元执行过低的标准，影响系统的整体效率。因此，需要一种用以向燃气涡轮的一个或多个压缩机单元提供喘振保护同时最优 化各个单独的单元的性能的改进的系统和方法。

发明内容
可通过本发明的某些实施例来解决部分或全部以上需要和/或问题。本发明的实 施例可包括用于向涡轮构件提供喘振保护的系统、方法和计算机程序产品。根据本发明的 一个实施例，公开了一种用于向涡轮构件提供喘振保护的方法。可为涡轮构件确定喘振保 护极限。可接收并向循环模型提供与涡轮构件的操作相关的一个或多个测量，执行该循环 模型以预测涡轮构件的操作状态。可至少部分地基于接收到的一个或多个测量来调节涡轮 构件的预测操作状态。可基于涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节喘振保护极限。根据本发明的另一实施例，提供了一种用于向涡轮构件提供喘振保护的系统。该 系统可包括一个或多个传感器以及一个或多个处理器。一个或多个传感器可操作而测量与涡轮构件的操作相关的参数。一个或多个处理器可操作而确定涡轮构件的喘振保护极限。 一个或多个处理器可进一步操作为从一个或多个传感器接收测量数据并向循环模型提供 接收到的测量数据，一个或多个处理器执行该循环模型以预测涡轮构件的操作状态。可至 少部分地基于接收到的测量数据调节涡轮构件的预测操作状态。一个或多个处理器可进一 步操作为基于涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节喘振保护极限。根据本发明的又一实施例，公开了一种计算机程序产品，其包括计算机可用介质， 该计算机可用介质具有具体化的计算机可读程序代码。该计算机可读程序代码可适合于被 执行以有利于执行可操作而预测涡轮构件的操作状态的循环模型。该计算机程序产品可进 一步操作为接收与涡轮构件的操作相关的一个或多个测量，并且可向循环模型提供接收到 的一个或多个测量。可至少部分地基于接收到的一个或多个测量来调节涡轮构件的预测操 作状态。然后可基于涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节喘振保护极限。通过本发明的各种实施例的技术可实现其它的系统、方法、设备、特征和方面。本 发明的其它实施例和方面在文中详细描述并视为要求保护的本发明的一部分。参考说明书 和附图可理解其它实施例和方面。


在已这样大致描述本发明的情况下，现将参照附图，附图不一定按比例绘制，其 中图1是可结合本发明的各种实施例利用的一个示例性燃气涡轮的局部横截面图。图2是用于与可结合本发明的各种实施例利用的涡轮相关的压缩机的示例性喘 振映射图。图3是按照本发明的各种实施例可用来向涡轮构件提供喘振保护的一个示例性 系统的示意图。图4是按照本发明的各种实施例可由向涡轮构件提供喘振保护的系统利用的示 例性软件模块的框图。图5是根据本发明的说明性实施例的示出了用于向涡轮构件提供喘振保护的一 个示例性方法的流程图。部件列表100燃气涡轮；102压缩机；104入口导叶；200喘振映射图；202喘振保护极限； 204操作极限线；206操作线；208恒定速度或IGV线；300喘振保护系统；302燃气涡轮；304 传感器；306控制器；308数据源；310网络；312外部控制系统；314输入-输出(I/O)接口 ； 316网络接口 ；318处理器；320存储器；322测量数据；324循环模型；326喘振保护模块； 402操作系统；404喘振保护和极限线确定模块；406循环模型；408构件模块；410瞬时间隙 模型；500用于向涡轮构件提供喘振保护的方法；505方框；510方框；515方框；520方框； 525方框；530方框
具体实施例方式下文将参照附图更充分地描述本发明的说明性实施例，附图中示出了本发明的一 些但非全部实施例。实际上，本发明可采取许多不同的形式来实施并且不应当将其解释为
5局限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例以便本公开内容将满足可应用的法定要 求。相同标号始终指代相同元件。所公开的是用于向涡轮构件(如燃气涡轮的压缩机)提供喘振保护的系统、方法 和计算机程序产品。本发明的各种实施例可包括可操作来测量与涡轮构件的操作相关的数 据的一个或多个传感器。本发明的实施例还可包括可操作来确定用于涡轮构件的初始喘振 保护极限的一个或多个处理器。该处理器可进一步操作而执行一个或多个循环模型，以至 少部分地基于从传感器接收的测量数据实时或接近实时地预测涡轮构件的预期操作状态。 该循环模型可用来至少部分地基于收到的测量数据和/或预测的预期操作状态来调节涡 轮构件的预测的预期操作状态。可至少部分地基于调节后的涡轮构件的预测操作状态来调 节初始喘振保护极限。在这方面，涡轮构件可在适当的喘振线以下操作，同时涡轮的操作效 率增加和/或最大化。对于多个涡轮单元而言，一个或多个循环模型可操作而实时或接近 实时地基于各个涡轮单元的操作状态生成并调节各个单元的预测操作状态和喘振保护极 限。在这方面，可为未在最坏情形的操作状态附近操作的单元避免过度保护和/或过度补 偿，而同时向在最坏情形的状态附近操作的单元提供喘振保护，从而增加整个系统的效率。本发明的各种实施例可包括用于向涡轮构件提供喘振保护的一个或多个专用的 计算机、系统和/或特定机器。专用计算机或特定机器可包括各种实施例中所需的各种不 同的软件模块，例如，喘振保护模块和一个或多个循环模型。这些各种软件组件可用来提供 涡轮构件的相对准确和稳定的行为表示。可利用的循环模型的一个实例是有利于实时或接 近实时地确定涡轮构件的操作状态的机载循环模型。至少部分地基于确定的操作状态，喘 振保护软件模块可操作而调节最初确定的喘振保护极限线，以增加发动机的操作效率。机 载循环模型的使用可有利于实时或接近实时并在所有操作状态下确定涡轮构件的预期操 作状态。这种实时或接近实时模拟和确定涡轮构件的预期操作状态即使在极端的操作状态 下也可确保稳定性和最佳性能。本文所述的发明的实施例可具有在涡轮构件中提供动态或可变喘振保护的技术 效果。在涡轮操作期间可实时或接近实时地调节用于涡轮构件的喘振保护极限线。结果， 可增加涡轮的效率。图1显示了可结合本发明的各种实施例利用的一个示例性燃气涡轮100。燃气涡 轮100可用作单独的涡轮或可形成联合循环构造的一部分，该联合循环构造还包括例如蒸 汽涡轮和发电机以产生电力。本发明的各种实施例可结合各种不同的涡轮或其它机器如蒸 汽涡轮、燃气涡轮等并在涡轮的不同构件如压缩机或其它涡轮构件内利用。仅通过非限制 性实例参照燃气涡轮的压缩机段来描述本发明的实施例。示例性燃气涡轮100可结合发电机利用以形成简单循环系统。另外或备选地，示 例性燃气涡轮100可联接到用于发电应用的联合循环系统中的蒸汽涡轮。在联合或简单循 环系统中，希望燃气涡轮100的操作有利于最高操作效率从而以相对低的成本产生高功率 输出。由于燃气涡轮100的效率与燃烧器点火温度直接成正比，所以随着燃烧器点火温度 升高，操作效率也升高。此外，与燃烧器点火温度相关的是压缩机压力比，其随着燃烧器点火温度升高而 增大。因此，随着升高点火温度以升高燃气涡轮100的操作效率，压缩机压力比也可增大。 燃气涡轮100的压缩机102可工作以保持用于燃气涡轮100的有效操作的希望的压缩机压力比。然而，高压缩机压力比操作可导致压缩机102中的空气动力学方面的不稳定，例如不 利地影响燃气涡轮100的构件和/或操作效率的失速和/或喘振。然而，可通过控制某些 临界涡轮控制参数，如入口导叶104的角度、燃烧器中的燃料流量等来控制压缩机102的操 作状态或区域。在某些实施例中，涡轮控制参数可依赖于各种操作参数，例如，压缩机入口 和出口温度和压力、排气温度和压力等。这些操作参数可用来有利于涡轮控制参数的最佳 控制以获得最佳性能。因此，通过某些操作参数的适当控制，可将压缩机102的操作限制在 防止燃气涡轮100失速和/或喘振的操作区域。在以下段落中，图2示出了具有一个或多 个涡轮操作参数的涡轮的稳定和不稳定操作状态/区域的关系，而图3说明了有利于实时 或接近实时地确定这些涡轮操作参数的方法、系统或设备的示例性实施例。图2示出了用于示例性涡轮压缩机的示例性喘振映射图200。图2示出了用于压 缩机(如图1所示的压缩机102)的示例性操作区域。喘振映射图200显示了作为校正的气 流速度的函数绘制的压缩机压力比。该压力比为压缩机的出口压力与入口压力的比率。此 外，校正的空气流速(磅/秒)为从压缩机排放的空气的重量除以时间。可通过测量各种 压缩机流量参数获得压力比和校正的空气流速二者。例如，可通过由压力管测量压缩机的 入口处的压力获得入口压力，同时可通过定位在压缩机的出口的压力管类似地测量出口压 力。可通过一个或多个传感器将这些压力测量转换成电信号并进一步处理以提供压力比。 此外，校正的空气流速与在压缩机的入口或出口测定的差压成正比。因此，可通过一个或多 个传感器将差压测量转换成电信号，以提供校正的空气流速。参照图2，喘振映射图200示出了代表这样一个极限的喘振线202 示例性燃气涡 轮(如图1所示的涡轮100)的压缩机102在该极限内能够安全地操作而不会出现喘振和/ 或失速。当在不超过的情况下尽可能接近喘振线202操作时涡轮的效率可最高。因此，可 将操作极限线204限定并设定在离开失速/喘振线202的预定极限或裕量处，以确保涡轮 的安全操作。该预定极限或裕量也可称为喘振极限或喘振裕量。另外，图2还示出了操作 线206，其为涡轮(如燃气涡轮100)沿着其正常操作的线。虽然操作极限线204代表最大 空气动力负荷，压缩机的操作超过该负荷就不安全，但操作线206代表各种燃气涡轮构件 的操作之间的空气动力-热动力平衡。可通过检测压缩机在进入对于校正的压缩机速度的选定值的喘振状态的压缩机 压力比而经验地确定喘振映射图200上所示的喘振线202。示例性压缩机102的速度和入 口导叶(IGV) 104的位置可影响喘振映射图200上的操作位置的定位。例如，在恒定的压缩 机速度处，压力比随着空气流速降低而增大直到压缩机达到如图2所示的喘振状态为止。 因此，支配示例性燃气涡轮100的各种构件各种构件的操作的操作参数可至少部分地确定 操作线206相对于操作极限线204的位置/定位。然而，各种涡轮构件中的气流和/或操作状态可实时改变，从而引起操作线206的 定位的改变。操作状态改变又可引起操作参数改变。此外，喘振线202本身可受操作参数如 温度、尖端间隙、叶片磨损、压缩机速度等影响。因此，涡轮的喘振线可实时变化。相应地， 需要这样一种控制系统，其实时预测操作线206的改变并相应地实时调节喘振线202使得 涡轮的操作保持与喘振线202接近，从而提供相对更高的效率。在本发明的各种实施例中， 操作极限线204，以及因此操作线206，可至少部分地基于影响操作极限线204的定位的操 作参数的实时变化实时或接近实时地向更靠近喘振线202移动。在操作极限线204更接近喘振线202的情况下，可控制与燃气涡轮100的操作相关的各种操作参数，使得操作线206 更接近操作极限线204，从而实现相对更高的操作效率和增加的功率输出。图3是根据本发明的各种实施例的可用来向涡轮构件提供喘振保护的一个示例 性系统300的示意图。图3示出了系统300，其可操作而实时或接近实时地预测燃气涡轮 302的操作状态并相应调节涡轮构件(如压缩机)的喘振极限。燃气涡轮302可包括与通 向涡轮并随后通向排气的燃烧器构件串流连通的压缩机构件。涡轮可操作而驱动联接到负 载的发电机。此外，一个或多个传感器304可联接到燃气涡轮302的一个或多个构件以感 测和/或测量与涡轮相关的一个或多个操作参数，例如入口和出口温度和压力、排气温度 和压力、压缩机速度、入口导叶角度等。传感器作出的测量可称为测量数据。合适的传感器 或感测装置的实例包括但不限于电压传感器、压力传感器、温度传感器、速度传感器、位置 传感器等。控制器306可从一个或多个传感器304接收测量数据。另外，在某些实施例中，控 制器306可通过任何数量的合适的网络310，如局域网(LAN)、广域网(WAN)、因特网或任何 其它能够传输数据的网络从一个或多个外部数据源308接收测量数据和/或其它数据。在 本发明的某些实施例中，外部数据源308可为储存了与涡轮102和/或涡轮102的一个或 多个构件的操作相关的数据的源。在某些实施例中，控制器306可同时实时处理从传感器 304接收的数据和来自外部数据源308的储存数据，以提供涡轮构件的操作状态的更准确 的预测。在其它实施例中，外部数据源308可包括实时数据并且可独立地或结合一个或多 个传感器304而联接到控制器306，以向控制器提供测量数据。此外，在本发明的各种实施 例中，控制器306可至少部分地由经由一个或多个合适的网络(如网络310)与控制器306 连通的一个或多个外部控制系统312控制。控制器306可为有利于动态确定涡轮构件的喘振保护极限的处理器驱动的装置。 例如，控制器306可包括任何数量的专用计算机或其它特定机器、专用电路、可编程逻辑控 制器(PLC)、微控制器、个人计算机、小型计算机等。在某些实施例中，控制器306的操作可 由计算机执行或计算机实现的指令控制，这些指令由与控制器306相关的一个或多个处理 器执行。在本发明的各种实施例中，可按需在一个或多个软件中实现这些指令。指令的执 行可形成可操作而确定涡轮构件的喘振保护极限的专用计算机或其它特定机器。控制器306可包括一个或多个输入/输出(“I/O”)接口 314、一个或多个网络接 口 316、一个或多个处理器318和/或一个或多个存储装置320。I/O接口 314可有利于控 制器306与一个或多个输入/输出装置，如传感器304、通用串行总线端口、串行端口、磁盘 驱动器、CD-ROM驱动器、红外线接收器和/或一个或多个用户接口装置，如显示器、键盘、鼠 标、小键盘、控制面板、触屏显示器、遥控器、麦克风等之间的连通，其有利于用户与控制器 306交互。该一个或多个I/O接口可用来从各种传感器和/或输入装置接收或收集测量数 据和/或其它数据。一个或多个网络接口 316可有利于将控制器306连接至一个或多个合适的网络 310，例如，局域网、广域网、因特网或任何其它能够传输数据的网络。在这方面，控制器306 可从其它网络装置和/或系统，如数据源308和/或外部控制系统312接收测量数据和/ 或控制数据。另外，在一些实施例中，网络接口 316可用来从传感器304接收测量数据。一个或多个处理器318可操作而从传感器304和/或外部数据310接收与涡轮构
8件的操作相关的测量数据。一个或多个处理器318可利用任何数量的软件应用程序，如以 下更详细地说明的，来处理测量数据并动态地确定涡轮构件的喘振保护参数。与涡轮构件 的操作相关的测量数据的实例包括但不限于涡轮构件的入口导叶、涡轮构件的温度、涡轮 构件的压力、涡轮构件的入口进气热量和/或涡轮构件的间隙的测量，并且可包括与涡轮 构件的操作有关的任何其它测量数据。一个或多个存储装置320可为任何合适的存储装置，例如，缓存、只读存储器、随 机存取存储器、磁性存储装置等。存储装置320可储存由控制器306利用的数据、可执行的 指令和/或各种程序模块，例如，与涡轮构件的操作相关的测量数据322、操作系统328、有 利于动态预测和调节涡轮操作状态的一个或多个循环模型324、和/或有利于动态调节喘 振保护极限的喘振保护模块326。循环模型324和喘振保护模块326是可由控制器306利 用的软件模块的实例。操作系统(OS) 328可有利于控制器的总体执行和/或操作以及由控 制器306执行一个或多个其它软件模块。处理器318可利用操作系统328实现循环模型 324和喘振保护模块326中的编程逻辑，并且这样，可利用测量数据322中的数据。实现的 编程逻辑可包括用于一个或多个处理器318的计算机指令以执行循环模型324和/或喘振 保护模块326。因此，控制器306可执行软件以形成用于向涡轮构件提供喘振保护的专用或 特定机器。在系统100的示例性操作中，控制器306中包括的处理器318可接收测量数据并 向由处理器318执行的一个或多个循环模型324提供至少一部分收到的测量数据，以预测 涡轮构件的操作状态。在一个示例性实施例中，循环模型324可为机载循环模型并且可代 表燃气涡轮循环的模型。机载循环模型324可包括涡轮构件映射图，其实时或接近实时地 描述涡轮的不同构件在一组给定的测量数据/操作因素下的行为。此外，机载循环模型324 可包括多个数学模型以形成主动控制系统，并有利于在各种不同的操作点以及涡轮的各种 操作状态下的快速和准确的计算。机载循环模型324可操作而至少部分地基于与涡轮操作 相关的测量数据实时或接近实时地预测涡轮构件的操作状态。机载循环模型324可进一步 操作来部分地基于与涡轮操作相关的预测操作状态和/或一个或多个测量数据实时或接 近实时地调节预测的操作状态。此后可向喘振保护模块326提供该调节的预测操作状态， 其有利于实时或接近实时地计算和/或调节涡轮的喘振保护极限。另外，喘振保护模块326 可包括一组用于控制参数(如导叶角度、燃料流量控制等)的计算机可执行的指令，以实时 或接近实时地动态调节喘振保护极限。因此，控制器306可形成计算机可读程序产品，其处 理从一个或多个传感器304接收的测量数据，并将该测量数据转换成可操作来控制涡轮的 操作状态的控制信号。图4是可由向涡轮构件(如图3所示的系统300)提供喘振保护的系统利用的示例 性软件模块的框图。图4显示了多个软件模块，其可相互结合利用以通过动态调节与涡轮 构件相关的喘振保护极限和操作线而向涡轮构件提供喘振保护。各种软件模块可包括操作 系统402、喘振保护和极限线确定模块404和一个或多个循环模型406。本发明的各种实施 例中可按需利用各种不同的循环模型，例如，机载循环模型、与涡轮构件相关的各种模型和 /或各种预测模型。机载循环模型可有利于至少部分地基于与一个或多个已建模构件相关 的测量数据对一个或多个涡轮构件动态建模。示例性构件模型408可包括压缩机模型和涡 轮模型。本发明的各种实施例中可按需利用任何数量的预测模型，例如瞬时间隙模型410。
操作系统402可提供可在其上执行或运行一个或多个其它软件模块的平台。各种 模型可从定位在燃气涡轮的压缩机和涡轮中的一个或多个传感器接收测量数据。至少部分 地基于收到的测量数据，这些模型可预测和/或对一个或多个涡轮构件的行为建模。例如， 各种构件模型可对它们相应的构件的行为建模。涡轮中的测量之一的改变可影响相应的涡 轮构件的行为并且又可影响其它涡轮构件的行为。因此，可进一步向机载循环模型提供由 构件模型408和/或瞬时间隙模型410确定的构件行为，该机载循环模型可部分基于从构 件模型408和瞬时间隙模型410接收的输出而操作来计算匹配点，即增加涡轮的操作效率 的涡轮构件的优选/最优化操作点。然而，流动状态的改变(劣化)可引起测量数据的改 变，其导致匹配点随时间变化。因此，可结合机载循环模型使用构件模型408和瞬时间隙模 型410以动态预测涡轮操作线并随时调节它。在常规的燃气涡轮发动机中，间隙(如转子叶片尖端与定子外壳之间的径向间 隙)可随压缩机速度、外壳温度、叶片材料等动态改变并影响涡轮的操作效率。瞬时间隙模 型410可结合机载循环模型操作，以预测涡轮内的间隙状态和/或间隙对涡轮内的喘振保 护的影响或对其建模。瞬时间隙模型410可操作而从一个或多个间隙传感器和/或其它传 感器接收测量数据。间隙传感器可有利于在涡轮构件中的选择性的位置，如涡轮构件的前 端、后端和中间级，感测间隙(如尖端间隙)。至少部分地基于安置在涡轮构件中的关键位 置的间隙传感器感测的间隙，瞬时间隙模型410可有利于实时或接近实时地确定在涡轮中 的其它位置的间隙。可向机载循环模型进一步提供来自瞬时间隙模型410的一个或多个输 出，以有利于更准确地预测涡轮操作状态。在这方面，可至少部分地基于间隙状态调节喘振 保护极限线。另外，瞬时间隙模型410的使用可最大限度地减小将间隙传感器/探头安置 在涡轮中的特定位置的需要，这样安置可能造成涡轮内部气流的扰动。另外，机载循环模型可操作而至少部分地基于预先储存的数据和/或从安置在涡 轮中的传感器接收的一个或多个测量确定涡轮的初始喘振保护极限。然后可实时或接近实 时地动态调节喘振保护极限。有利于动态确定喘振保护极限的一个或多个测量的实例可 包括入口导叶角度、涡轮构件的温度、涡轮构件的压力、入口进气热量流量或涡轮构件的间 隙。然而，为了增加涡轮的操作效率，可向喘振保护和极限线确定模块404提供由机载循环 模型确定的调节后的预测操作状态，喘振保护和极限线确定模块404可操作而至少部分地 基于调节后的操作状态动态调节喘振保护极限。在本发明的各种实施例中，喘振保护模块 404可包括计算机可实现的指令以控制涡轮参数，如导叶角度、燃料流量等，以调节与喘振 保护极限相关的操作点。因此，该一个或多个软件模块可形成可操作而向涡轮构件提供喘 振保护的专用机器。图5是示出了根据本发明的一个说明性实施例的用于向涡轮构件提供喘振保护 的一个示例性方法500的流程图。方法500可开始于方框505。在方框505，可为涡轮构件(如燃气涡轮的压缩机) 确定喘振保护极限线。喘振保护极限线也可称为操作极限线，例如，与图2所示的操作极限 线204相似的操作极限线。涡轮构件可在喘振极限线以下操作以在不经受喘振的情况下安 全地操作。为了确保涡轮构件的安全操作，可为该构件确定喘振保护极限线。在本发明的各 种实施例中，可动态确定喘振保护极限线以应对流量降低以及因此而改变的涡轮的操作状 态。在本发明的一个示例性实施例中，喘振保护极限线可由包括在与涡轮构件串行连通的控制器中的预测软件模块动态生成。在确定喘振保护极限线之后，操作可进行至方框510。在方框510，可接收与涡轮构件的操作相关的一个或多个测量。该涡轮可包括多个 传感器或探头，其安置在涡轮的不同构件中并且可操作而测量与涡轮的操作相关的一个或 多个测量数据。一个或多个测量数据的实例包括入口导叶角度、入口和出口温度、入口和出 口压力、涡轮构件的入口进气热量，或涡轮构件中的间隙。用来感测一个或多个测量数据的 传感器包括但不限于压力传感器、温度传感器、位置传感器、速度传感器等。嵌入控制器中 的预测模块可接收一个或多个测量数据。在接收一个或多个测量数据之后，操作可进行至 方框515。在方框515，可执行循环模型，如嵌入控制器中的机载循环模型，以预测涡轮构件 的预期操作状态。预测模型，如嵌入控制器中的机载循环模型，可包括构件模型，其可操作 而基于从传感器接收的一个或多个测量数学地估计涡轮的不同构件的行为。在本发明的各 种实施例中，机载循环模型可包括一组计算机可实现的指令/计算机程序代码，以实时或 接近实时地对涡轮的操作建模并预测涡轮的操作状态。在本发明的某些实施例中，机载循 环模型可结合瞬时间隙模型工作，以提供涡轮的预期操作状态的更准确的预测。瞬时间隙 模型可对涡轮的不同部件中的间隙建模。进一步向循环模型提供瞬时间隙模型的输出，以 有利于确定涡轮构件对系统中的动态改变的间隙的改变的响应，从而获得对涡轮的预期操 作状态的改进的预测。包括在控制器中并且可操作而执行计算机实现的指令的一个或多个 处理器可执行机载循环模型。因此，包括可操作而实现计算机程序逻辑以预测涡轮的预期 操作状态的一个或多个处理器的本发明的实施例可形成用于向涡轮构件提供喘振保护的 专用机器。在执行机载循环模型后，操作可进行至方框520。在方框520，可向机载循环模型提供一个或多个测量的一部分。可向机载循环提供 从多个传感器接收并用于预测涡轮构件的预期操作状态的一个或多个测量，以有利于调节 与涡轮构件相关的预测操作状态。在这方面，可至少部分地基于涡轮的操作动态调节涡轮 构件的预测操作状态。操作然后可进行至方框525。在方框525，可基于一个或多个测量的至少一部分调节涡轮构件的预期操作。一 个或多个测量可动态改变，引起涡轮构件的预期操作状态的改变。至少部分地基于在方框 520中向机载循环模型提供的一个或多个测量，机载循环模型可调节涡轮构件的预期操作 状态。在调节涡轮构件的预期操作状态之后，操作可进行至方框530。在方框530，可基于涡轮构件的调节后的预期操作状态调节喘振保护极限线。控制 器中包括的喘振保护软件模块可操作而调节最初由循环模型确定的喘振保护极限线。为了 增加涡轮的操作效率，系统需要尽可能接近喘振极限线操作。因此，给定限定涡轮的操作线 的涡轮的预期操作状态，可调节喘振极限线以使喘振极限线接近涡轮的操作线。可至少部 分地基于涡轮的调节后的预期操作状态调节喘振极限线。因此，可处理控制器从传感器接 收的一个或多个测量数据并将其转换成用于控制涡轮致动器(如燃料流量阀和入口导向 阀等)的信号。方法500可在方框530之后结束。在图5的方法500中所述的操作不必按照图5所述的次序执行，而是可以以任何 合适的次序执行。另外，在本发明的某些实施例中，可或多或少而不是全部地执行图5中所 述的要素或操作。
本发明的实施例可应用于不同类型的涡轮，例如蒸汽涡轮、燃气涡轮等。本发明中 的喘振控制器可应用于包括存在旋转失速和/或喘振的危险的压缩机的任何压缩(泵送) 系统中。实例包括燃气涡轮发动机和冷却系统，如一些空气调节系统或制冷系统。本发明还 可应用于各种压缩机中，包括轴流式压缩机、工业风扇、离心压缩机、离心冷却器和鼓风机。 此外，本发明的实施例可与涡轮的不同构件(如涡轮的压缩机构件和涡轮构件)有关。显 而易见的是，在前面的说明书中列举/提供的任何实例只是为说明的目的而提供的，并且 不限制本发明的范围。以上参照根据本发明的示例性实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品 的方框和流程图描述了本发明。应该理解的是，方框图和流程图中的一个或多个方框以及 方框图和流程图中的方框的结合可分别通过计算机可执行的程序指令实现。同样，根据本 发明的一些实施例，方框图和流程图的一些方框不必以所提出的次序执行，或不必全部执 行。可将这些计算机可执行的程序指令装载到通用计算机、专用计算机、处理器或其 它可编程数据处理设备中以产生特定机器，使得在计算机、处理器或其它可编程数据处理 设备上执行的指令形成用于实现在流程方框或方框中指定的一个或多个功能的装置。这些 计算机程序指令还可储存在计算机可读存储器中，该存储器可引导计算机或其它可编程数 据处理设备以特定的方式工作，使得储存在计算机可读存储器中的指令产生包括实现在流 程图方框或方框中指定的一个或多个功能的指令装置的产品。例如，本发明的实施例可提 供计算机程序产品，包括具有计算机可读的程序代码或其中体现的程序指令的计算机可用 介质，适合被执行的所述计算机可读程序代码以实现在流程图方框或方框中指定的一个或 多个功能。还可将计算机程序指令装载在计算机或其它可编程数据处理设备上，以使在计 算机或其它可编程设备上执行一系列操作要素或步骤，从而产生计算机实现的过程使得在 计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图方框或方框中指定功能的要 素或步骤。相应地，方框图和流程图的方框支持用于执行指定功能的装置的结合、用于执行 指定功能的要素或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应该理解的是， 方框图和流程图的各个方框以及方框图和流程图中的方框的结合可由执行指定功能、要素 或步骤的专用、基于硬件的计算机系统或专用硬件和计算机指令的结合实现。虽然已结合目前认为是最实用和各种实施例描述了本发明，但应该理解的是，本 发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖包括在权利要求的精神和范围内 的各种改型和等效布置。此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任 何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方 法。本发明可取得专利的范围在权利要求中限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其 它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们 包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权 利要求的范围内。
权利要求
一种用于向涡轮构件提供喘振保护的方法(500)，所述方法包括确定用于所述涡轮构件的喘振保护极限(505)；接收与所述涡轮构件的操作相关的一个或多个测量(510)；向循环模型提供所述接收到的一个或多个测量(520)，所述循环模型被执行以预测所述涡轮构件的操作状态(515)，其中，至少部分地基于所述接收到的一个或多个测量来调节所述涡轮构件的预测操作状态(525)；以及基于所述涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节所述喘振保护极限(530)。
2.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述涡轮构件包括涡轮压缩机。
3.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，接收与所述涡轮构件的操作相关 的一个或多个测量(510)包括接收与所述涡轮构件的入口导叶的角度、所述涡轮构件的温 度、所述涡轮构件的压力、所述涡轮构件的入口进气热量或所述涡轮构件的间隙相关的一 个或多个测量。
4.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述方法还包括 从不同于所述循环模型的预测模型接收一个或多个输出；以及向所述循环模型提供所述接收到的所述一个或多个输出，其中，至少部分地基于所述 接收到的一个或多个输出来进一步调节所述涡轮构件的预测操作状态。
5.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，确定所述涡轮构件的喘振保护极限 (505)包括利用所述循环模型确定所述涡轮构件的初始喘振保护极限。
6.一种用于向涡轮构件提供喘振保护的系统(300)，所述系统(300)包括 可操作来测量与所述涡轮构件的操作相关的参数的一个或多个传感器(304)；以及 一个或多个处理器(318)，所述一个或多个处理器(318)可操作为确定所述涡轮构件的喘振保护极限； 从所述一个或多个传感器(304)接收测量数据；向循环模型(324)提供所述接收到的测量数据，所述循环模型(324)由所述一个或多 个处理器(318)执行以预测所述涡轮构件的操作状态，其中，至少部分地基于所述接收到 的测量数据来调节所述涡轮构件的预测操作状态，以及基于所述涡轮构件的所述调节后的预测操作状态来调节所述喘振保护极限。
7.根据权利要求6所述的系统(300)，其特征在于，所述涡轮构件包括涡轮压缩机。
8.根据权利要求6所述的系统(300)，其特征在于，与所述涡轮构件的操作相关的参数 包括与所述涡轮构件的入口导叶的角度、所述涡轮构件的温度、所述涡轮构件的压力、所述 涡轮构件的入口进气热量或所述涡轮构件的间隙相关的一个或多个参数。
9.根据权利要求6所述的系统(300)，其特征在于，所述一个或多个处理器(318)还可 操作为从不同于所述循环模型(324)的预测模型接收一个或多个输出；以及 向所述循环模型(324)提供所述接收到的一个或多个输出，其中，至少部分地基于所 述接收到的一个或多个输出来进一步调节所述涡轮构件的预测操作状态。
10.一种计算机程序产品，包括计算机可用介质，所述计算机可用介质具有体现于其中 的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码适合于被执行以有利于执行循环模型，所述循环模型可操作来预测涡轮构件的操作状态；接收与所述涡轮构件的操作相关的一个或多个测量；向所述循环模型提供所述接收到的一个或多个测量，其中，至少部分地基于所述接收 到的一个或多个测量来调节所述涡轮构件的预测操作状态；以及基于所述涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节喘振保护极限。
全文摘要
本发明涉及用于向涡轮构件提供喘振保护的系统和方法。该方法的实施例包括由可操作来确定涡轮构件的喘振保护极限的一个或多个处理器(318)执行的计算机实现的指令。处理器(318)接收与涡轮构件的操作相关的一个或多个测量，并向循环模型(324)提供接收到的一个或多个测量，循环模型(324)被执行以预测涡轮构件的操作状态。可至少部分地基于接收到的一个或多个测量来进一步调节涡轮构件的预测操作状态。此外，可基于涡轮构件的调节后的预测操作状态来调节喘振保护极限。
文档编号F04D29/66GK101922474SQ201010170648
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者D·A·斯奈德, H·L·小乔丹, J·D·斯坦普夫利, T·A·希利 申请人:通用电气公司