用于监测压缩机间隙和控制燃气涡轮的装置和方法
专利汇可以提供用于监测压缩机间隙和控制燃气涡轮的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及用于监测 压缩机 间隙和控制燃气 涡轮 的装置和方法，该燃气涡轮为包括压缩机(2)的燃气涡轮(1)，该燃气涡轮(1)包括 传感器 (22)和 控制器 (41)。传感器(22)用于测量压缩机(2)中的 叶片 (27)的间隙(20)，控制器(41)用于接收间隙(20)信息并使用该信息来控制燃气涡轮(1)，以防止喘振和叶片(27)的摩擦中的至少一种。，下面是用于监测压缩机间隙和控制燃气涡轮的装置和方法专利的具体信息内容。
1.一种包括压缩机(2)的燃气涡轮(1)，所述燃气涡轮(1)包括：
传感器(22)，其用于测量所述压缩机(2)中的叶片(27)的间隙(20)； 和
控制器(41)，其用于接收间隙(20)信息并使用所述信息来控制所述 燃气涡轮(1)，以防止喘振和所述叶片(27)的摩擦中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)，其特征在于，所述控制 器(41)控制到达所述燃气涡轮(1)的燃料流(42)和到达所述压缩机(2)的 进口引入加热空气(43)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)，其特征在于，所述传感 器(22)是电容探测器和微波探测器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)，其特征在于，所述传感 器(22)检测轴承的移动、壳体(8)不为圆形的、轴(5)的下垂和所述轴(5) 的跳动中的至少一种。
5.一种包括压缩机(2)的燃气涡轮(1)，所述燃气涡轮(1)包括：
多个传感器(22)，其用于测量所述压缩机(2)中的叶片(27)的间隙； 和
控制器(41)，其用于接收间隙(20)信息并使用所述信息来控制到达 所述燃气涡轮(1)的燃料流(42)和到达所述压缩机(2)的进口引入加热 空气(43)中的至少一种，以防止喘振和所述叶片(27)的摩擦中的至少一 种。
6.一种用于控制包括压缩机(2)的燃气涡轮(1)的方法，所述方法 包括：
接收与所述压缩机(2)中的叶片(27)的间隙(20)相关的信息；和
控制所述燃气涡轮(1)以防止喘振和所述叶片的摩擦中的至少一 种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 检测轴承的移动、壳体(8)不为圆形的、轴(5)的下垂和所述轴(5)的跳 动中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 指示关于喘振状态的裕度。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 指示所述燃气涡轮(1)在不存在额外的喘振风险的情况下能够产生的 额外的功率量。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法由存储 在机器可读介质上并包括机器可执行指令的计算机程序产品所执行， 以运行包括压缩机(2)的燃气涡轮(1)，所述产品包括：
用于接收与所述压缩机(2)中的叶片(27)的间隙(20)相关的信息的 指令；和
用于控制所述燃气涡轮(1)以防止喘振和所述叶片(27)的摩擦中的 至少一种的指令。
技术领域
本文所公开的发明涉及燃气涡轮领域，尤其涉及提高燃气涡轮的 效率。
背景技术
压缩机叶片的形状通常为翼形(airfoil)。压缩机叶片在壳体内旋 转，该壳体具有圆形形状。当压缩机叶片旋转时，压缩机叶片使用它 们的翼形形状来压缩壳体内的空气。压缩机叶片和壳体用来容纳已压 缩的空气。
压缩机叶片的外部尖端与壳体之间的距离称为“间隙”。当间隙 增加时，压缩机的效率降低，这是因为与更多的空气穿过叶片尖端而 逃离相关的混合损失的增加。因此，太多的间隙可引起燃气涡轮的总 体效率的降低。此外，根据运行状态，太大的间隙可以导致压缩机喘 振(surge)。太小的间隙也可导致问题。
如果间隙太小，则压缩机叶片、壳体和其它构件的热膨胀和收缩 以及动力学变化可以导致压缩机叶片摩擦壳体。当压缩机叶片摩擦壳 体时，可发生整个燃气涡轮的损坏。因此，在多种运行状态期间保持 适当的间隙量是重要的。
在现有技术中，通常执行详细的分析和测试以保持适当的间隙 量。该分析与测试用于在燃气涡轮的“冷”组合(build-up)中建立间隙 目标。间隙目标必须适应制造误差和多种运行状态，例如启动、停机、 全功率和部分功率。因为需要适应该误差和运行状态，间隙目标可引 起在某些运行模式期间的效率低下。例如，用于启动的持续时间可能 必须足够长以确保压缩机的适当加热以避免摩擦。
因此，需要在不同的运行模式期间监测压缩机叶片和壳体之间的 间隙的技术。另外，该技术应该用于在间隙方面控制燃气涡轮。
发明内容
还公开了一种包括压缩机的燃气涡轮，该燃气涡轮包括：多个传 感器，其用于测量压缩机中的叶片的间隙；和控制器，其用于接收间 隙信息并使用该信息以控制到达燃气涡轮的燃料流量和到达压缩机 的进口引入加热空气(inlet bleed-heat air)中的至少一种，以防止喘振和 叶片摩擦中的至少一种。
还公开了一种用于控制包括压缩机的燃气涡轮的方法，该方法包 括：接收与压缩机中的叶片的间隙相关的信息；以及控制燃气涡轮以 防止喘振和叶片摩擦中的至少一种。
附图说明
图1表示燃气涡轮的示范性实施例；
图2表示压缩机级的示范性实施例的端视图；
图3表示压缩机的示范性实施例的侧视图；
图4表示用于燃气涡轮的控制系统的示范性实施例；和
图5表示用于控制燃气涡轮的示范性方法。
具体实施方式
通常，利用传感器测量间隙，该传感器将与间隙相关的信息提供 给控制系统。可包括于燃气涡轮发动机控制器内的控制系统接收信息 并根据该信息控制燃气涡轮的某些参数。受控制的参数的两个实例是 进口引入加热空气和燃料流量。在对实施例进行详细讨论之前，提供 某些定义。
术语“燃气涡轮”涉及持续燃烧式发动机。燃气涡轮通常包括压缩 机、燃烧室和涡轮。压缩机压缩空气以用于在燃烧室中燃烧。术语“压 缩机叶片”涉及压缩机中的叶片。各压缩机叶片具有用于压缩空气的翼 形形状。术语“压缩机级”涉及绕着轴的一部分圆周地布置的多个压缩 机叶片。燃气涡轮可以在压缩机中包括一个或多个压缩机级。术语“壳 体”涉及围绕压缩机级以限制空气绕着压缩机叶片的外部尖端移动的 结构。术语“间隙”涉及在一个压缩机叶片的外部尖端与壳体之间的距 离量。术语“摩擦”涉及至少一个压缩机叶片与壳体相接触。摩擦通常 导致对燃气涡轮的损坏。术语“进口引入加热空气”涉及在将空气送到 燃烧室之前从压缩机中抽取的空气。该抽取的空气通常由压缩加热并 且引导到压缩机的进口。
术语“喘振”涉及中断通过燃气涡轮的压缩机的气流。喘振状态可 导致到达燃烧室的气流停止并导致燃气涡轮的不稳定运行或未受控 制的停机。在喘振状态期间，气流通常导向压缩机的进口。还可以针 对压缩机的某些运行参数对喘振进行进一步讨论。一个运行参数是 “压力比”(P出口/P进口)，其为压缩机的出口压力与压缩机的进口压力 之比。另一个运行参数是“压缩机气流量”，其为流经压缩机的空气 量。压力比和压缩机气流量的某些组合可以描述可以在燃气涡轮中引 起或导致的喘振状态的条件。这些组合可以以多种方式来表示，例如 表、数据集以及例如算法。一种通用的表示使用压力比-压缩机气流量 的映射(map)或曲线图。
术语“喘振线”和“运行限制线”涉及压力比-压缩机气流量曲线图 上的线。喘振线表示燃气涡轮在其上方的运行将引起或导致燃气涡轮 经历喘振状态的运行极限。运行限制线表示燃气涡轮的控制极限，以 确保相对喘振线维持足够的裕度。间隙可以是确定可导致喘振状态的 运行参数的因素。例如，在某些燃气涡轮中，如果运行期间的间隙量 减少，则相对喘振线的裕度可增加。通常，以在运行限制线(即，相对 喘振线的裕度)上的运行状态运行燃气涡轮防止喘振状态的发生。
图1表示燃气涡轮1的示范性实施例。燃气涡轮1包括压缩机2、 燃烧室3和涡轮4。压缩机2通过轴5联接到涡轮4。在图1的实施 例中，轴5还联接到发电机6。涡轮4包括压缩机级7和壳体8。下 文将对压缩机2进行更详细的描述。
图2表示压缩机2的一个压缩机级7的示范性实施例的端视图。 参考图2，示出了间隙20。图2所示的壳体8包括由凸缘28联接到 一起的两个180度分段。示于图2中的壳体8按约360度封闭多个压 缩机叶片27。图2还描绘了绕壳体8布置的多个传感器22。传感器 22用于测量间隙20。
传感器22通常绕壳体8圆周地布置，以测量与间隙20相关的某 些方面。例如，因为轴承移动，压缩机级7的一个区域中的间隙20 可大于另一个区域中的间隙。由轴承磨损和制造误差引起的轴承移动 可允许轴5移动。作为另一个实例，圆周测量用于检测壳体8何时不 为圆形的。通常，传感器22位于凸缘28附近并远离凸缘28。因为壳 体8通常在凸缘28附近具有更多质量，所以壳体8可能为不圆的， 直到均匀地加热壳体8。传感器22还可测量在其它压缩机级7处的间 隙20。
在多于一个的压缩机级7处测量间隙20可用于检测轴5的下垂 (slag)和跳动中的至少一种。图3是压缩机2的示范性实施例的侧视图。 参考图3，传感器22布置于第一压缩机级7上方和最末的压缩机级7 上方以便测量轴5的任何下垂或跳动。
通常，传感器22可以测量达到至少0.762cm(0.3英寸)的距离。传 感器22可以使用在间隙传感领域所公知的不同技术以测量间隙20。 在一个实施例中，传感器22是电容传感领域所公知的电容探测器， 该电容传感器使电容与间隙20相关。电容探测器测量由探测器和作 为电介质的周围空气形成的电容器的电容。移动通过探测器附近的空 气的压缩机叶片27影响电容器的电容。使所测量的电容与间隙20相 关联。这些传感器22可从Menlo Park，California的Tyco Thermal Cntrols LLC的PYROTENAX传感器获得。在另一个实施例中，传感 器22是微波探测器，其使用微波以测量间隙20。如微波传感领域所 公知的，微波探测器发射微波，该微波可以用于测量运动或障碍物。 所测量的运动和障碍物可以关联到间隙20。这些传感器22可从San Juan Capistrano，California的Endevco Corporation获得。
传感器22提供用于控制燃气涡轮1的某些参数的信息。图4表 示用于燃气涡轮1的控制系统40的示范性实施例。控制系统40包括 “n个”传感器22。该“n个”传感器22将间隙信息提供到燃气涡轮 发动机控制器41。在图4的非限制性实施例中，燃气涡轮发动机控制 器41使用间隙信息来控制燃料流42和进口引入加热空气43中的至 少一种。在其它实施例中，燃气涡轮发动机控制器41还可以控制燃 气涡轮1的其它参数，以防止喘振状态和叶片摩擦中的至少一种。在 其它实施例中，燃气涡轮发动机控制器41可以控制不是燃气涡轮1 的一部分但是与燃气涡轮1相关的装置，使得这些装置的控制可以防 止喘振状态和叶片摩擦中的至少一种。
在启动期间，控制系统40可以提高燃料流42的流率以减少达到 全功率运行的时间。控制系统40可以通过监测间隙20来提高流率以 确保存在足够的间隙量20。控制系统40还可以在部分功率运行期间 提高燃气涡轮1的效率。
通常，进口引入加热空气43在部分功率运行期间使用，以确保 相对喘振线的足够的裕度。因为并非所有已压缩的空气都用于燃烧， 所以进口引入加热空气43的使用降低了燃气涡轮1的效率。控制系 统40可允许在减小的裕度下(即带有相对喘振线更小的裕度的运行限 制线)运行并通过确定存在适当的间隙量20来延迟进口引入加热空气 43的促动。控制系统40还可以提供若干其它的优点。
通常，可增加从喘振线到运行限制线的裕度，以考虑与燃气涡轮 1的老化相关联的退化。控制系统40可确定退化是否正在影响间隙 20。如果退化没有影响间隙20，则控制系统40可在不增加相对喘振 线的裕度的情况下运行燃气涡轮1。控制系统40可用于增加来自燃气 涡轮1的功率输出以满足增加的需求。
燃气涡轮1可用于转动发电机6以向电网系统提供功率。通常， 连接到电网系统的商业电能供应商必须遵守某些标准，例如电网准 则。如果电网频率开始降低，则电网准则可要求商业电能供应商提高 电能输出。控制系统40可以用于确定是否存在足够的间隙量20以提 高功率输出而不增加喘振的风险。
图5表示用于控制燃气涡轮1的方法50。该方法50要求接收51 与间隙20相关的信息。该方法50还要求控制52燃气涡轮1以防止 喘振和叶片摩擦中的至少一种。
可包括或者要求各种构件以提供此处教导的方面。例如，燃气涡 轮发动机控制器41可包括模拟系统和数字系统中的至少一中。数字 系统可包括处理器、存储器、贮存器、输入/输出接口、输入/输出装 置和通讯接口中的至少一种。通常，可以将贮存在于机器可读介质上 并包括机器可执行指令的计算机程序产品输入到数字系统。计算机程 序产品可包括指令，该指令可以由处理器执行，用于监测间隙20以 及控制燃气涡轮1以防止喘振和压缩机叶片27摩擦中的至少一种。 可包括各种构件以支持此处所讨论的各个方面或者支持本公开之外 的其它功能。
计算机程序产品的技术效果是提高燃气涡轮1的效率以及防止增 大喘振的风险。
将理解的是，各种构件或者技术可提供某些必须的或者有益的功 能或特征。因此，可能需要用来支持权利要求及其变型的这些功能和 特征被认为包括为此处的教导以及所公开的发明的一部分。
虽然参考示范性实施例对本发明进行了描述，但是将理解的是， 可以进行各种变化以及可以对其元件进行等效替换而不脱离本发明 的范围。此外，本领域的技术人员将理解许多修改，以使特定的工具、 状态或材料适应于本发明的教导，而不脱离其实质范围。因此，不意 图将本发明限制于作为用于实施本发明的所期望的最佳方式公开的 特定实施例，而是本发明将包括所有落入权利要求的范围内的所有实 施例。
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