用於向渦輪構件提供喘振保護的系統和方法

2023-10-06 18:52:29 2

專利名稱：用於向渦輪構件提供喘振保護的系統和方法
技術領域：
本發明的實施例大致涉及渦輪，更具體地涉及向渦輪構件提供自適應的喘振保 護。
背景技術：
燃氣渦輪用於各種應用，例如用於發電的動力裝置。在燃氣渦輪的操作期間，效率 和單位輸出功率至少部分取決於燃氣渦輪的升高的燃燒器點火溫度。與給定的燃燒器點火 溫度相關的是最佳壓縮機壓力比，其使渦輪的效率最大化，並隨升高的燃燒器點火溫度而 增加。相應地，在用於發電的燃氣渦輪中，通常希望在較高的壓力比操作壓縮機以實現更高 的效率。然而，燃氣渦輪在高壓縮機壓力比操作可引起壓縮機的失速/喘振，這是一種當 壓縮機的壓力比在超過給定壓縮機速度的臨界值時出現的狀態，其導致壓縮機排放壓力快 速降低。壓力降低通常是壓縮機葉片分流所致，引起壓縮機中的反向流動，稱為「喘振」。在 失速/喘振的情況下，壓縮機性能由於壓縮機不能處理過大的壓力比而下降，導致壓縮機 排放壓力快速下降。失速/喘振可進一步引起壓縮機中持續的壓力振蕩直到採取一些校正 動作為止。因此，燃氣渦輪發動機的壓縮機中出現失速/喘振可損害渦輪性能和/或引起 燃氣渦輪內的損壞。為了實現相對更高的效率，燃氣渦輪通常在喘振狀態附近操作。通常，燃氣渦輪在 如下壓縮機壓力比操作其處於充分遠離喘振邊界的裕量以避免不穩定的壓縮機操作。在 常規渦輪系統中，喘振保護邏輯通常是靜態的。因此，一旦為壓縮機建立喘振裕量保護邏 輯，就可將其視為固定的並且在壓縮機操作期間不變化。由於靜態喘振保護必須避免即使 對於最壞情形的壓縮機操作狀態下的喘振，所以壓縮機經常在其操作的相當大的一部分被 過度保護，導致性能損失。此外，在當多個壓縮機單元操作的情形中，過度補償可導致一些 壓縮機單元執行過低的標準，影響系統的整體效率。因此，需要一種用以向燃氣渦輪的一個或多個壓縮機單元提供喘振保護同時最優 化各個單獨的單元的性能的改進的系統和方法。

發明內容
可通過本發明的某些實施例來解決部分或全部以上需要和/或問題。本發明的實 施例可包括用於向渦輪構件提供喘振保護的系統、方法和電腦程式產品。根據本發明的 一個實施例，公開了一種用於向渦輪構件提供喘振保護的方法。可為渦輪構件確定喘振保 護極限。可接收並向循環模型提供與渦輪構件的操作相關的一個或多個測量，執行該循環 模型以預測渦輪構件的操作狀態。可至少部分地基於接收到的一個或多個測量來調節渦輪 構件的預測操作狀態。可基於渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節喘振保護極限。根據本發明的另一實施例，提供了一種用於向渦輪構件提供喘振保護的系統。該 系統可包括一個或多個傳感器以及一個或多個處理器。一個或多個傳感器可操作而測量與渦輪構件的操作相關的參數。一個或多個處理器可操作而確定渦輪構件的喘振保護極限。 一個或多個處理器可進一步操作為從一個或多個傳感器接收測量數據並向循環模型提供 接收到的測量數據，一個或多個處理器執行該循環模型以預測渦輪構件的操作狀態。可至 少部分地基於接收到的測量數據調節渦輪構件的預測操作狀態。一個或多個處理器可進一 步操作為基於渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節喘振保護極限。根據本發明的又一實施例，公開了一種電腦程式產品，其包括計算機可用介質， 該計算機可用介質具有具體化的計算機可讀程序代碼。該計算機可讀程序代碼可適合於被 執行以有利於執行可操作而預測渦輪構件的操作狀態的循環模型。該電腦程式產品可進 一步操作為接收與渦輪構件的操作相關的一個或多個測量，並且可向循環模型提供接收到 的一個或多個測量。可至少部分地基於接收到的一個或多個測量來調節渦輪構件的預測操 作狀態。然後可基於渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節喘振保護極限。通過本發明的各種實施例的技術可實現其它的系統、方法、設備、特徵和方面。本 發明的其它實施例和方面在文中詳細描述並視為要求保護的本發明的一部分。參考說明書 和附圖可理解其它實施例和方面。


在已這樣大致描述本發明的情況下，現將參照附圖，附圖不一定按比例繪製，其 中圖1是可結合本發明的各種實施例利用的一個示例性燃氣渦輪的局部橫截面圖。圖2是用於與可結合本發明的各種實施例利用的渦輪相關的壓縮機的示例性喘 振映射圖。圖3是按照本發明的各種實施例可用來向渦輪構件提供喘振保護的一個示例性 系統的示意圖。圖4是按照本發明的各種實施例可由向渦輪構件提供喘振保護的系統利用的示 例性軟體模塊的框圖。圖5是根據本發明的說明性實施例的示出了用於向渦輪構件提供喘振保護的一 個示例性方法的流程圖。部件列表100燃氣渦輪；102壓縮機；104入口導葉；200喘振映射圖；202喘振保護極限； 204操作極限線；206操作線；208恆定速度或IGV線；300喘振保護系統；302燃氣渦輪；304 傳感器；306控制器；308數據源；310網絡；312外部控制系統；314輸入-輸出(I/O)接口 ； 316網絡接口 ；318處理器；320存儲器；322測量數據；324循環模型；326喘振保護模塊； 402作業系統；404喘振保護和極限線確定模塊；406循環模型；408構件模塊；410瞬時間隙 模型；500用於向渦輪構件提供喘振保護的方法；505方框；510方框；515方框；520方框； 525方框；530方框
具體實施例方式下文將參照附圖更充分地描述本發明的說明性實施例，附圖中示出了本發明的一 些但非全部實施例。實際上，本發明可採取許多不同的形式來實施並且不應當將其解釋為
5局限於本文所述的實施例；相反，提供這些實施例以便本公開內容將滿足可應用的法定要 求。相同標號始終指代相同元件。所公開的是用於向渦輪構件(如燃氣渦輪的壓縮機)提供喘振保護的系統、方法 和電腦程式產品。本發明的各種實施例可包括可操作來測量與渦輪構件的操作相關的數 據的一個或多個傳感器。本發明的實施例還可包括可操作來確定用於渦輪構件的初始喘振 保護極限的一個或多個處理器。該處理器可進一步操作而執行一個或多個循環模型，以至 少部分地基於從傳感器接收的測量數據實時或接近實時地預測渦輪構件的預期操作狀態。 該循環模型可用來至少部分地基於收到的測量數據和/或預測的預期操作狀態來調節渦 輪構件的預測的預期操作狀態。可至少部分地基於調節後的渦輪構件的預測操作狀態來調 節初始喘振保護極限。在這方面，渦輪構件可在適當的喘振線以下操作，同時渦輪的操作效 率增加和/或最大化。對於多個渦輪單元而言，一個或多個循環模型可操作而實時或接近 實時地基於各個渦輪單元的操作狀態生成並調節各個單元的預測操作狀態和喘振保護極 限。在這方面，可為未在最壞情形的操作狀態附近操作的單元避免過度保護和/或過度補 償，而同時向在最壞情形的狀態附近操作的單元提供喘振保護，從而增加整個系統的效率。本發明的各種實施例可包括用於向渦輪構件提供喘振保護的一個或多個專用的 計算機、系統和/或特定機器。專用計算機或特定機器可包括各種實施例中所需的各種不 同的軟體模塊，例如，喘振保護模塊和一個或多個循環模型。這些各種軟體組件可用來提供 渦輪構件的相對準確和穩定的行為表示。可利用的循環模型的一個實例是有利於實時或接 近實時地確定渦輪構件的操作狀態的機載循環模型。至少部分地基於確定的操作狀態，喘 振保護軟體模塊可操作而調節最初確定的喘振保護極限線，以增加發動機的操作效率。機 載循環模型的使用可有利於實時或接近實時並在所有操作狀態下確定渦輪構件的預期操 作狀態。這種實時或接近實時模擬和確定渦輪構件的預期操作狀態即使在極端的操作狀態 下也可確保穩定性和最佳性能。本文所述的發明的實施例可具有在渦輪構件中提供動態或可變喘振保護的技術 效果。在渦輪操作期間可實時或接近實時地調節用於渦輪構件的喘振保護極限線。結果， 可增加渦輪的效率。圖1顯示了可結合本發明的各種實施例利用的一個示例性燃氣渦輪100。燃氣渦 輪100可用作單獨的渦輪或可形成聯合循環構造的一部分，該聯合循環構造還包括例如蒸 汽渦輪和發電機以產生電力。本發明的各種實施例可結合各種不同的渦輪或其它機器如蒸 汽渦輪、燃氣渦輪等並在渦輪的不同構件如壓縮機或其它渦輪構件內利用。僅通過非限制 性實例參照燃氣渦輪的壓縮機段來描述本發明的實施例。示例性燃氣渦輪100可結合發電機利用以形成簡單循環系統。另外或備選地，示 例性燃氣渦輪100可聯接到用於發電應用的聯合循環系統中的蒸汽渦輪。在聯合或簡單循 環系統中，希望燃氣渦輪100的操作有利於最高操作效率從而以相對低的成本產生高功率 輸出。由於燃氣渦輪100的效率與燃燒器點火溫度直接成正比，所以隨著燃燒器點火溫度 升高，操作效率也升高。此外，與燃燒器點火溫度相關的是壓縮機壓力比，其隨著燃燒器點火溫度升高而 增大。因此，隨著升高點火溫度以升高燃氣渦輪100的操作效率，壓縮機壓力比也可增大。 燃氣渦輪100的壓縮機102可工作以保持用於燃氣渦輪100的有效操作的希望的壓縮機壓力比。然而，高壓縮機壓力比操作可導致壓縮機102中的空氣動力學方面的不穩定，例如不 利地影響燃氣渦輪100的構件和/或操作效率的失速和/或喘振。然而，可通過控制某些 臨界渦輪控制參數，如入口導葉104的角度、燃燒器中的燃料流量等來控制壓縮機102的操 作狀態或區域。在某些實施例中，渦輪控制參數可依賴於各種操作參數，例如，壓縮機入口 和出口溫度和壓力、排氣溫度和壓力等。這些操作參數可用來有利於渦輪控制參數的最佳 控制以獲得最佳性能。因此，通過某些操作參數的適當控制，可將壓縮機102的操作限制在 防止燃氣渦輪100失速和/或喘振的操作區域。在以下段落中，圖2示出了具有一個或多 個渦輪操作參數的渦輪的穩定和不穩定操作狀態/區域的關係，而圖3說明了有利於實時 或接近實時地確定這些渦輪操作參數的方法、系統或設備的示例性實施例。圖2示出了用於示例性渦輪壓縮機的示例性喘振映射圖200。圖2示出了用於壓 縮機(如圖1所示的壓縮機102)的示例性操作區域。喘振映射圖200顯示了作為校正的氣 流速度的函數繪製的壓縮機壓力比。該壓力比為壓縮機的出口壓力與入口壓力的比率。此 外，校正的空氣流速(磅/秒)為從壓縮機排放的空氣的重量除以時間。可通過測量各種 壓縮機流量參數獲得壓力比和校正的空氣流速二者。例如，可通過由壓力管測量壓縮機的 入口處的壓力獲得入口壓力，同時可通過定位在壓縮機的出口的壓力管類似地測量出口壓 力。可通過一個或多個傳感器將這些壓力測量轉換成電信號並進一步處理以提供壓力比。 此外，校正的空氣流速與在壓縮機的入口或出口測定的差壓成正比。因此，可通過一個或多 個傳感器將差壓測量轉換成電信號，以提供校正的空氣流速。參照圖2，喘振映射圖200示出了代表這樣一個極限的喘振線202 示例性燃氣渦 輪(如圖1所示的渦輪100)的壓縮機102在該極限內能夠安全地操作而不會出現喘振和/ 或失速。當在不超過的情況下儘可能接近喘振線202操作時渦輪的效率可最高。因此，可 將操作極限線204限定並設定在離開失速/喘振線202的預定極限或裕量處，以確保渦輪 的安全操作。該預定極限或裕量也可稱為喘振極限或喘振裕量。另外，圖2還示出了操作 線206，其為渦輪(如燃氣渦輪100)沿著其正常操作的線。雖然操作極限線204代表最大 空氣動力負荷，壓縮機的操作超過該負荷就不安全，但操作線206代表各種燃氣渦輪構件 的操作之間的空氣動力-熱動力平衡。可通過檢測壓縮機在進入對於校正的壓縮機速度的選定值的喘振狀態的壓縮機 壓力比而經驗地確定喘振映射圖200上所示的喘振線202。示例性壓縮機102的速度和入 口導葉(IGV) 104的位置可影響喘振映射圖200上的操作位置的定位。例如，在恆定的壓縮 機速度處，壓力比隨著空氣流速降低而增大直到壓縮機達到如圖2所示的喘振狀態為止。 因此，支配示例性燃氣渦輪100的各種構件各種構件的操作的操作參數可至少部分地確定 操作線206相對於操作極限線204的位置/定位。然而，各種渦輪構件中的氣流和/或操作狀態可實時改變，從而引起操作線206的 定位的改變。操作狀態改變又可引起操作參數改變。此外，喘振線202本身可受操作參數如 溫度、尖端間隙、葉片磨損、壓縮機速度等影響。因此，渦輪的喘振線可實時變化。相應地， 需要這樣一種控制系統，其實時預測操作線206的改變並相應地實時調節喘振線202使得 渦輪的操作保持與喘振線202接近，從而提供相對更高的效率。在本發明的各種實施例中， 操作極限線204，以及因此操作線206，可至少部分地基於影響操作極限線204的定位的操 作參數的實時變化實時或接近實時地向更靠近喘振線202移動。在操作極限線204更接近喘振線202的情況下，可控制與燃氣渦輪100的操作相關的各種操作參數，使得操作線206 更接近操作極限線204，從而實現相對更高的操作效率和增加的功率輸出。圖3是根據本發明的各種實施例的可用來向渦輪構件提供喘振保護的一個示例 性系統300的示意圖。圖3示出了系統300，其可操作而實時或接近實時地預測燃氣渦輪 302的操作狀態並相應調節渦輪構件(如壓縮機)的喘振極限。燃氣渦輪302可包括與通 向渦輪並隨後通向排氣的燃燒器構件串流連通的壓縮機構件。渦輪可操作而驅動聯接到負 載的發電機。此外，一個或多個傳感器304可聯接到燃氣渦輪302的一個或多個構件以感 測和/或測量與渦輪相關的一個或多個操作參數，例如入口和出口溫度和壓力、排氣溫度 和壓力、壓縮機速度、入口導葉角度等。傳感器作出的測量可稱為測量數據。合適的傳感器 或感測裝置的實例包括但不限於電壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、位置 傳感器等。控制器306可從一個或多個傳感器304接收測量數據。另外，在某些實施例中，控 制器306可通過任何數量的合適的網絡310，如區域網(LAN)、廣域網(WAN)、網際網路或任何 其它能夠傳輸數據的網絡從一個或多個外部數據源308接收測量數據和/或其它數據。在 本發明的某些實施例中，外部數據源308可為儲存了與渦輪102和/或渦輪102的一個或 多個構件的操作相關的數據的源。在某些實施例中，控制器306可同時實時處理從傳感器 304接收的數據和來自外部數據源308的儲存數據，以提供渦輪構件的操作狀態的更準確 的預測。在其它實施例中，外部數據源308可包括實時數據並且可獨立地或結合一個或多 個傳感器304而聯接到控制器306，以向控制器提供測量數據。此外，在本發明的各種實施 例中，控制器306可至少部分地由經由一個或多個合適的網絡(如網絡310)與控制器306 連通的一個或多個外部控制系統312控制。控制器306可為有利於動態確定渦輪構件的喘振保護極限的處理器驅動的裝置。 例如，控制器306可包括任何數量的專用計算機或其它特定機器、專用電路、可編程邏輯控 制器(PLC)、微控制器、個人計算機、小型計算機等。在某些實施例中，控制器306的操作可 由計算機執行或計算機實現的指令控制，這些指令由與控制器306相關的一個或多個處理 器執行。在本發明的各種實施例中，可按需在一個或多個軟體中實現這些指令。指令的執 行可形成可操作而確定渦輪構件的喘振保護極限的專用計算機或其它特定機器。控制器306可包括一個或多個輸入/輸出(「I/O」)接口 314、一個或多個網絡接 口 316、一個或多個處理器318和/或一個或多個存儲裝置320。I/O接口 314可有利於控 制器306與一個或多個輸入/輸出裝置，如傳感器304、通用串行總線埠、串行埠、磁碟 驅動器、CD-ROM驅動器、紅外線接收器和/或一個或多個用戶接口裝置，如顯示器、鍵盤、鼠 標、小鍵盤、控制面板、觸屏顯示器、遙控器、麥克風等之間的連通，其有利於用戶與控制器 306交互。該一個或多個I/O接口可用來從各種傳感器和/或輸入裝置接收或收集測量數 據和/或其它數據。一個或多個網絡接口 316可有利於將控制器306連接至一個或多個合適的網絡 310，例如，區域網、廣域網、網際網路或任何其它能夠傳輸數據的網絡。在這方面，控制器306 可從其它網絡裝置和/或系統，如數據源308和/或外部控制系統312接收測量數據和/ 或控制數據。另外，在一些實施例中，網絡接口 316可用來從傳感器304接收測量數據。一個或多個處理器318可操作而從傳感器304和/或外部數據310接收與渦輪構
8件的操作相關的測量數據。一個或多個處理器318可利用任何數量的軟體應用程式，如以 下更詳細地說明的，來處理測量數據並動態地確定渦輪構件的喘振保護參數。與渦輪構件 的操作相關的測量數據的實例包括但不限於渦輪構件的入口導葉、渦輪構件的溫度、渦輪 構件的壓力、渦輪構件的入口進氣熱量和/或渦輪構件的間隙的測量，並且可包括與渦輪 構件的操作有關的任何其它測量數據。一個或多個存儲裝置320可為任何合適的存儲裝置，例如，緩存、只讀存儲器、隨 機存取存儲器、磁性存儲裝置等。存儲裝置320可儲存由控制器306利用的數據、可執行的 指令和/或各種程序模塊，例如，與渦輪構件的操作相關的測量數據322、作業系統328、有 利於動態預測和調節渦輪操作狀態的一個或多個循環模型324、和/或有利於動態調節喘 振保護極限的喘振保護模塊326。循環模型324和喘振保護模塊326是可由控制器306利 用的軟體模塊的實例。作業系統(OS) 328可有利於控制器的總體執行和/或操作以及由控 制器306執行一個或多個其它軟體模塊。處理器318可利用作業系統328實現循環模型 324和喘振保護模塊326中的編程邏輯，並且這樣，可利用測量數據322中的數據。實現的 編程邏輯可包括用於一個或多個處理器318的計算機指令以執行循環模型324和/或喘振 保護模塊326。因此，控制器306可執行軟體以形成用於向渦輪構件提供喘振保護的專用或 特定機器。在系統100的示例性操作中，控制器306中包括的處理器318可接收測量數據並 向由處理器318執行的一個或多個循環模型324提供至少一部分收到的測量數據，以預測 渦輪構件的操作狀態。在一個示例性實施例中，循環模型324可為機載循環模型並且可代 表燃氣渦輪循環的模型。機載循環模型324可包括渦輪構件映射圖，其實時或接近實時地 描述渦輪的不同構件在一組給定的測量數據/操作因素下的行為。此外，機載循環模型324 可包括多個數學模型以形成主動控制系統，並有利於在各種不同的操作點以及渦輪的各種 操作狀態下的快速和準確的計算。機載循環模型324可操作而至少部分地基於與渦輪操作 相關的測量數據實時或接近實時地預測渦輪構件的操作狀態。機載循環模型324可進一步 操作來部分地基於與渦輪操作相關的預測操作狀態和/或一個或多個測量數據實時或接 近實時地調節預測的操作狀態。此後可向喘振保護模塊326提供該調節的預測操作狀態， 其有利於實時或接近實時地計算和/或調節渦輪的喘振保護極限。另外，喘振保護模塊326 可包括一組用於控制參數(如導葉角度、燃料流量控制等)的計算機可執行的指令，以實時 或接近實時地動態調節喘振保護極限。因此，控制器306可形成計算機可讀程序產品，其處 理從一個或多個傳感器304接收的測量數據，並將該測量數據轉換成可操作來控制渦輪的 操作狀態的控制信號。圖4是可由向渦輪構件(如圖3所示的系統300)提供喘振保護的系統利用的示例 性軟體模塊的框圖。圖4顯示了多個軟體模塊，其可相互結合利用以通過動態調節與渦輪 構件相關的喘振保護極限和操作線而向渦輪構件提供喘振保護。各種軟體模塊可包括操作 系統402、喘振保護和極限線確定模塊404和一個或多個循環模型406。本發明的各種實施 例中可按需利用各種不同的循環模型，例如，機載循環模型、與渦輪構件相關的各種模型和 /或各種預測模型。機載循環模型可有利於至少部分地基於與一個或多個已建模構件相關 的測量數據對一個或多個渦輪構件動態建模。示例性構件模型408可包括壓縮機模型和渦 輪模型。本發明的各種實施例中可按需利用任何數量的預測模型，例如瞬時間隙模型410。
作業系統402可提供可在其上執行或運行一個或多個其它軟體模塊的平臺。各種 模型可從定位在燃氣渦輪的壓縮機和渦輪中的一個或多個傳感器接收測量數據。至少部分 地基於收到的測量數據，這些模型可預測和/或對一個或多個渦輪構件的行為建模。例如， 各種構件模型可對它們相應的構件的行為建模。渦輪中的測量之一的改變可影響相應的渦 輪構件的行為並且又可影響其它渦輪構件的行為。因此，可進一步向機載循環模型提供由 構件模型408和/或瞬時間隙模型410確定的構件行為，該機載循環模型可部分基於從構 件模型408和瞬時間隙模型410接收的輸出而操作來計算匹配點，即增加渦輪的操作效率 的渦輪構件的優選/最優化操作點。然而，流動狀態的改變(劣化)可引起測量數據的改 變，其導致匹配點隨時間變化。因此，可結合機載循環模型使用構件模型408和瞬時間隙模 型410以動態預測渦輪操作線並隨時調節它。在常規的燃氣渦輪發動機中，間隙(如轉子葉片尖端與定子外殼之間的徑向間 隙)可隨壓縮機速度、外殼溫度、葉片材料等動態改變並影響渦輪的操作效率。瞬時間隙模 型410可結合機載循環模型操作，以預測渦輪內的間隙狀態和/或間隙對渦輪內的喘振保 護的影響或對其建模。瞬時間隙模型410可操作而從一個或多個間隙傳感器和/或其它傳 感器接收測量數據。間隙傳感器可有利於在渦輪構件中的選擇性的位置，如渦輪構件的前 端、後端和中間級，感測間隙(如尖端間隙)。至少部分地基於安置在渦輪構件中的關鍵位 置的間隙傳感器感測的間隙，瞬時間隙模型410可有利於實時或接近實時地確定在渦輪中 的其它位置的間隙。可向機載循環模型進一步提供來自瞬時間隙模型410的一個或多個輸 出，以有利於更準確地預測渦輪操作狀態。在這方面，可至少部分地基於間隙狀態調節喘振 保護極限線。另外，瞬時間隙模型410的使用可最大限度地減小將間隙傳感器/探頭安置 在渦輪中的特定位置的需要，這樣安置可能造成渦輪內部氣流的擾動。另外，機載循環模型可操作而至少部分地基於預先儲存的數據和/或從安置在渦 輪中的傳感器接收的一個或多個測量確定渦輪的初始喘振保護極限。然後可實時或接近實 時地動態調節喘振保護極限。有利於動態確定喘振保護極限的一個或多個測量的實例可 包括入口導葉角度、渦輪構件的溫度、渦輪構件的壓力、入口進氣熱量流量或渦輪構件的間 隙。然而，為了增加渦輪的操作效率，可向喘振保護和極限線確定模塊404提供由機載循環 模型確定的調節後的預測操作狀態，喘振保護和極限線確定模塊404可操作而至少部分地 基於調節後的操作狀態動態調節喘振保護極限。在本發明的各種實施例中，喘振保護模塊 404可包括計算機可實現的指令以控制渦輪參數，如導葉角度、燃料流量等，以調節與喘振 保護極限相關的操作點。因此，該一個或多個軟體模塊可形成可操作而向渦輪構件提供喘 振保護的專用機器。圖5是示出了根據本發明的一個說明性實施例的用於向渦輪構件提供喘振保護 的一個示例性方法500的流程圖。方法500可開始於方框505。在方框505，可為渦輪構件(如燃氣渦輪的壓縮機) 確定喘振保護極限線。喘振保護極限線也可稱為操作極限線，例如，與圖2所示的操作極限 線204相似的操作極限線。渦輪構件可在喘振極限線以下操作以在不經受喘振的情況下安 全地操作。為了確保渦輪構件的安全操作，可為該構件確定喘振保護極限線。在本發明的各 種實施例中，可動態確定喘振保護極限線以應對流量降低以及因此而改變的渦輪的操作狀 態。在本發明的一個示例性實施例中，喘振保護極限線可由包括在與渦輪構件串行連通的控制器中的預測軟體模塊動態生成。在確定喘振保護極限線之後，操作可進行至方框510。在方框510，可接收與渦輪構件的操作相關的一個或多個測量。該渦輪可包括多個 傳感器或探頭，其安置在渦輪的不同構件中並且可操作而測量與渦輪的操作相關的一個或 多個測量數據。一個或多個測量數據的實例包括入口導葉角度、入口和出口溫度、入口和出 口壓力、渦輪構件的入口進氣熱量，或渦輪構件中的間隙。用來感測一個或多個測量數據的 傳感器包括但不限於壓力傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、速度傳感器等。嵌入控制器中 的預測模塊可接收一個或多個測量數據。在接收一個或多個測量數據之後，操作可進行至 方框515。在方框515，可執行循環模型，如嵌入控制器中的機載循環模型，以預測渦輪構件 的預期操作狀態。預測模型，如嵌入控制器中的機載循環模型，可包括構件模型，其可操作 而基於從傳感器接收的一個或多個測量數學地估計渦輪的不同構件的行為。在本發明的各 種實施例中，機載循環模型可包括一組計算機可實現的指令/電腦程式代碼，以實時或 接近實時地對渦輪的操作建模並預測渦輪的操作狀態。在本發明的某些實施例中，機載循 環模型可結合瞬時間隙模型工作，以提供渦輪的預期操作狀態的更準確的預測。瞬時間隙 模型可對渦輪的不同部件中的間隙建模。進一步向循環模型提供瞬時間隙模型的輸出，以 有利於確定渦輪構件對系統中的動態改變的間隙的改變的響應，從而獲得對渦輪的預期操 作狀態的改進的預測。包括在控制器中並且可操作而執行計算機實現的指令的一個或多個 處理器可執行機載循環模型。因此，包括可操作而實現電腦程式邏輯以預測渦輪的預期 操作狀態的一個或多個處理器的本發明的實施例可形成用於向渦輪構件提供喘振保護的 專用機器。在執行機載循環模型後，操作可進行至方框520。在方框520，可向機載循環模型提供一個或多個測量的一部分。可向機載循環提供 從多個傳感器接收並用於預測渦輪構件的預期操作狀態的一個或多個測量，以有利於調節 與渦輪構件相關的預測操作狀態。在這方面，可至少部分地基於渦輪的操作動態調節渦輪 構件的預測操作狀態。操作然後可進行至方框525。在方框525，可基於一個或多個測量的至少一部分調節渦輪構件的預期操作。一 個或多個測量可動態改變，引起渦輪構件的預期操作狀態的改變。至少部分地基於在方框 520中向機載循環模型提供的一個或多個測量，機載循環模型可調節渦輪構件的預期操作 狀態。在調節渦輪構件的預期操作狀態之後，操作可進行至方框530。在方框530，可基於渦輪構件的調節後的預期操作狀態調節喘振保護極限線。控制 器中包括的喘振保護軟體模塊可操作而調節最初由循環模型確定的喘振保護極限線。為了 增加渦輪的操作效率，系統需要儘可能接近喘振極限線操作。因此，給定限定渦輪的操作線 的渦輪的預期操作狀態，可調節喘振極限線以使喘振極限線接近渦輪的操作線。可至少部 分地基於渦輪的調節後的預期操作狀態調節喘振極限線。因此，可處理控制器從傳感器接 收的一個或多個測量數據並將其轉換成用於控制渦輪致動器(如燃料流量閥和入口導向 閥等)的信號。方法500可在方框530之後結束。在圖5的方法500中所述的操作不必按照圖5所述的次序執行，而是可以以任何 合適的次序執行。另外，在本發明的某些實施例中，可或多或少而不是全部地執行圖5中所 述的要素或操作。
本發明的實施例可應用於不同類型的渦輪，例如蒸汽渦輪、燃氣渦輪等。本發明中 的喘振控制器可應用於包括存在旋轉失速和/或喘振的危險的壓縮機的任何壓縮(泵送) 系統中。實例包括燃氣渦輪發動機和冷卻系統，如一些空氣調節系統或製冷系統。本發明還 可應用於各種壓縮機中，包括軸流式壓縮機、工業風扇、離心壓縮機、離心冷卻器和鼓風機。 此外，本發明的實施例可與渦輪的不同構件(如渦輪的壓縮機構件和渦輪構件)有關。顯 而易見的是，在前面的說明書中列舉/提供的任何實例只是為說明的目的而提供的，並且 不限制本發明的範圍。以上參照根據本發明的示例性實施例的系統、方法、設備和/或電腦程式產品 的方框和流程圖描述了本發明。應該理解的是，方框圖和流程圖中的一個或多個方框以及 方框圖和流程圖中的方框的結合可分別通過計算機可執行的程序指令實現。同樣，根據本 發明的一些實施例，方框圖和流程圖的一些方框不必以所提出的次序執行，或不必全部執 行。可將這些計算機可執行的程序指令裝載到通用計算機、專用計算機、處理器或其 它可編程數據處理設備中以產生特定機器，使得在計算機、處理器或其它可編程數據處理 設備上執行的指令形成用於實現在流程方框或方框中指定的一個或多個功能的裝置。這些 電腦程式指令還可儲存在計算機可讀存儲器中，該存儲器可引導計算機或其它可編程數 據處理設備以特定的方式工作，使得儲存在計算機可讀存儲器中的指令產生包括實現在流 程圖方框或方框中指定的一個或多個功能的指令裝置的產品。例如，本發明的實施例可提 供電腦程式產品，包括具有計算機可讀的程序代碼或其中體現的程序指令的計算機可用 介質，適合被執行的所述計算機可讀程序代碼以實現在流程圖方框或方框中指定的一個或 多個功能。還可將電腦程式指令裝載在計算機或其它可編程數據處理設備上，以使在計 算機或其它可編程設備上執行一系列操作要素或步驟，從而產生計算機實現的過程使得在 計算機或其它可編程設備上執行的指令提供用於實現流程圖方框或方框中指定功能的要 素或步驟。相應地，方框圖和流程圖的方框支持用於執行指定功能的裝置的結合、用於執行 指定功能的要素或步驟的組合以及用於執行指定功能的程序指令裝置。還應該理解的是， 方框圖和流程圖的各個方框以及方框圖和流程圖中的方框的結合可由執行指定功能、要素 或步驟的專用、基於硬體的計算機系統或專用硬體和計算機指令的結合實現。雖然已結合目前認為是最實用和各種實施例描述了本發明，但應該理解的是，本 發明並不局限於所公開的實施例，相反，本發明旨在涵蓋包括在權利要求的精神和範圍內 的各種改型和等效布置。此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發明，並且還使本領域的任 何技術人員能夠實施本發明，包括製造並利用任何裝置或系統並且執行任何所結合的方 法。本發明可取得專利的範圍在權利要求中限定，並且可包括本領域技術人員所想到的其 它實例。如果此類其它實例沒有不同於權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它們 包括與權利要求的文字語言無實質性區別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在權 利要求的範圍內。
權利要求
一種用於向渦輪構件提供喘振保護的方法(500)，所述方法包括確定用於所述渦輪構件的喘振保護極限(505)；接收與所述渦輪構件的操作相關的一個或多個測量(510)；向循環模型提供所述接收到的一個或多個測量(520)，所述循環模型被執行以預測所述渦輪構件的操作狀態(515)，其中，至少部分地基於所述接收到的一個或多個測量來調節所述渦輪構件的預測操作狀態(525)；以及基於所述渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節所述喘振保護極限(530)。
2.根據權利要求1所述的方法(500)，其特徵在於，所述渦輪構件包括渦輪壓縮機。
3.根據權利要求1所述的方法(500)，其特徵在於，接收與所述渦輪構件的操作相關 的一個或多個測量(510)包括接收與所述渦輪構件的入口導葉的角度、所述渦輪構件的溫 度、所述渦輪構件的壓力、所述渦輪構件的入口進氣熱量或所述渦輪構件的間隙相關的一 個或多個測量。
4.根據權利要求1所述的方法(500)，其特徵在於，所述方法還包括 從不同於所述循環模型的預測模型接收一個或多個輸出；以及向所述循環模型提供所述接收到的所述一個或多個輸出，其中，至少部分地基於所述 接收到的一個或多個輸出來進一步調節所述渦輪構件的預測操作狀態。
5.根據權利要求1所述的方法(500)，其特徵在於，確定所述渦輪構件的喘振保護極限 (505)包括利用所述循環模型確定所述渦輪構件的初始喘振保護極限。
6.一種用於向渦輪構件提供喘振保護的系統(300)，所述系統(300)包括 可操作來測量與所述渦輪構件的操作相關的參數的一個或多個傳感器(304)；以及 一個或多個處理器(318)，所述一個或多個處理器(318)可操作為確定所述渦輪構件的喘振保護極限； 從所述一個或多個傳感器(304)接收測量數據；向循環模型(324)提供所述接收到的測量數據，所述循環模型(324)由所述一個或多 個處理器(318)執行以預測所述渦輪構件的操作狀態，其中，至少部分地基於所述接收到 的測量數據來調節所述渦輪構件的預測操作狀態，以及基於所述渦輪構件的所述調節後的預測操作狀態來調節所述喘振保護極限。
7.根據權利要求6所述的系統(300)，其特徵在於，所述渦輪構件包括渦輪壓縮機。
8.根據權利要求6所述的系統(300)，其特徵在於，與所述渦輪構件的操作相關的參數 包括與所述渦輪構件的入口導葉的角度、所述渦輪構件的溫度、所述渦輪構件的壓力、所述 渦輪構件的入口進氣熱量或所述渦輪構件的間隙相關的一個或多個參數。
9.根據權利要求6所述的系統(300)，其特徵在於，所述一個或多個處理器(318)還可 操作為從不同於所述循環模型(324)的預測模型接收一個或多個輸出；以及 向所述循環模型(324)提供所述接收到的一個或多個輸出，其中，至少部分地基於所 述接收到的一個或多個輸出來進一步調節所述渦輪構件的預測操作狀態。
10.一種電腦程式產品，包括計算機可用介質，所述計算機可用介質具有體現於其中 的計算機可讀程序代碼，所述計算機可讀程序代碼適合於被執行以有利於執行循環模型，所述循環模型可操作來預測渦輪構件的操作狀態；接收與所述渦輪構件的操作相關的一個或多個測量；向所述循環模型提供所述接收到的一個或多個測量，其中，至少部分地基於所述接收 到的一個或多個測量來調節所述渦輪構件的預測操作狀態；以及基於所述渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節喘振保護極限。
全文摘要
本發明涉及用於向渦輪構件提供喘振保護的系統和方法。該方法的實施例包括由可操作來確定渦輪構件的喘振保護極限的一個或多個處理器(318)執行的計算機實現的指令。處理器(318)接收與渦輪構件的操作相關的一個或多個測量，並向循環模型(324)提供接收到的一個或多個測量，循環模型(324)被執行以預測渦輪構件的操作狀態。可至少部分地基於接收到的一個或多個測量來進一步調節渦輪構件的預測操作狀態。此外，可基於渦輪構件的調節後的預測操作狀態來調節喘振保護極限。
文檔編號F04D29/66GK101922474SQ201010170648
公開日2010年12月22日 申請日期2010年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者D·A·斯奈德, H·L·小喬丹, J·D·斯坦普夫利, T·A·希利 申請人:通用電氣公司