CN101037949A - 持续的实时排气温度容限控制 - Google Patents

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CN101037949A CNA2007100863947A CN200710086394A CN101037949A CN 101037949 A CN101037949 A CN 101037949A CN A2007100863947 A CNA2007100863947 A CN A2007100863947A CN 200710086394 A CN200710086394 A CN 200710086394A CN 101037949 A CN101037949 A CN 101037949A
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Abstract

一种用于在燃气轮机中的工作流体流动通道(17)中保持限制的气体温度的系统和方法，通过监控气体温度并且在发动机运行期间，气体温度超出预定的或者计算的温度限值时调节一个或多个参数。这些参数包括一组发动机参数中的一个或多个，该组发动机参数包括高压和低压涡轮喷嘴流动面积(42，52)，风扇和中心流动面积(62，72)，和转子转速(N)。在发动机运行期间，一个或多个参数被调节以降低气体温度低于该温度限值。限制气体温度可以是涡轮排气气体温度，例如高压涡轮排气温度。涡轮喷嘴流动面积可以采用可变的喷嘴叶片进行调节，并且风扇和中心排气喷嘴流动面积分别采用可移动的风扇喷嘴罩和可移动的中心喷嘴塞进行调节。

Description

持续的实时排气温度容限控制
技术领域
本发明涉及燃气轮机和保持流动通道的温度容限，尤其是涉及用于保持充分的温度容限的系统和方法，例如排气温度容限，以延长运行的时间，直到该燃气轮机达到定期全面检修维护的时间。
背景技术
设计燃气轮机运行在流动通道的气体温度容限之内。在超过一定时间的运行期间，热的流动通道部件会受到劣化。发动机控制机构用来自动调节发动机以补偿该部件的劣化并且满足发动机功率要求。这通常导致热的流动通道气体温度增加，因此降低了温度容限，例如排气温度(EGT)容限。当该温度容限降到预定的阈值之下时，发动机必须进行维护。这通常在发动机在保养工厂进行全面检修时进行。在全面检修期间，不同的劣化和损坏的发动机部件被替换，这样来恢复温度容限。这种全面检修是昂贵并且耗时的。
美国专利No.6,681,558描述了一种方法，其包括调节从第一组发动机参数中选出来的至少一个发动机参数，其中第一组参数包括喷嘴面积和转子转速，以延长用于恢复流动通道温度容限的维护之间的时间。该方法被设计以通过减少用于恢复流动通道温度容限的全面检修的数量和频率来实现相当大的成本节约。该方法还被设计以允许这些全面检修与定期的设备或者机身维护一致，或者与发动机内的有限寿命的部件的替换一致，以用于更大的节约成本。
而且，由于当发动机全面检修以恢复发动机气体温度容限时有限寿命部件的替换有时比进行必需替换的时间更快，有限寿命部件的最佳使用不能实现。在有限寿命部件的使用寿命完全耗尽之前，有限寿命部件的替换使得在发动机的使用寿命期间使用了更多的部件，这会增加运行费用。保持备用的部件存货以满足更频繁的替换安排更进一步的增加了费用。因此，预计恢复发动机气体温度容限而不将发动机从服务中移出能够提供相当大的成本节约。
在密封件和/或叶片末端代替或者修复之间，非常需要能够尽可能地保持或者恢复在航空燃气轮机中最优的叶片末端间隙。还非常需要准确的和自动的补偿由于磨损造成的叶片末端间隙增加所导致的发动机性能方面的劣化。
发明内容
一种用于在燃气轮机中的发动机工作流体的流动通道中保持限制的气体温度(EGT)的系统和方法，其包括在发动机运行期间监控燃气轮机流动通道中的气体温度，并且在发动机运行期间调节一个或多个发动机参数。该一个或多个发动机参数是从包括高压和低压涡轮的喷嘴流动面积和转子转速的一组发动机参数中挑选出来。当气体温度超出预定的或者计算的温度限值时进行该调节。在发动机运行期间对计算的温度限值进行计算。在发动机运行期间，一个或多个参数被调节以降低气体温度低于温度限值。
高压和/或低压涡轮的喷嘴流动面积可分别采用可变的高压和/或低压喷嘴叶片进行调节。燃气轮机可为航空燃气轮机并且该组发动机参数还包括风扇和中心流动面积。可通过在发动机的旁通通道的风扇出口的风扇排气喷嘴处，轴向向前和向后的移动外罩，来调节风扇的流动面积。可通过在发动机的中心排气喷嘴处轴向向前和向后移动喷嘴塞，来调节中心流动面积。工作流体的流动通道可为热的涡轮流动通道，并且限制的气体温度可为排气温度(EGT)。
附图说明
本发明的上述方面和其它的特征将结合附图在下面的说明书中进行描述，其中：
图1是第一示例的航空燃气轮机连续的EGT容限控制系统的示意的剖视图。
图2是图1中示出的涡轮部分的放大的示意的剖视图。
图3是图1中的示出的航空燃气轮机连续的EGT容限控制系统的第二示例实施例的示意的剖视图。
图4是图3中示出的涡轮部分的放大的示意的剖视图。
图5是图3中的航空燃气轮机连续的EGT容限控制系统的可变面积的风扇排气喷嘴的示意的透视图。
图6是移动在图3中示出的航空燃气轮机连续的EGT容限控制系统的，可变面积的中心排气喷嘴中的喷嘴塞的示意的剖视图。
图7是在图1中示出的航空燃气轮机连续的EGT容限控制系统的示意图。
具体实施方式
在图1和2中的横截面中示意的示出的是燃气轮机10的第一示例的实施例，其包括实时的连续流动通道气体温度容限控制系统12。在此示出的控制系统12采用在发动机10中的发动机工作流体流动通道7的热涡轮流动通道13中的排气温度(EGT)。来自工作流体流动通道7的其它部分的其它的流动通道气体温度可以被采用，并且还可使用其它的气体温度容限。在此示出的发动机是航空燃气轮机10并且作为能够采用实时的连续气体温度容限控制系统12的燃气轮机代表。例如，这种发动机包括海运的和工业燃气轮机。
流动通道的气体温度容限的控制系统12和其操作方法用来限制流动通道中的高温，其中该高温会导致沿着该流动通道的热部件的劣化。温度容限的控制系统12设计为通过减少用来恢复流动通道温度容限的全面检修的数量和频率，来实现相当大的成本节约。该系统和方法还使用来允许这些全面检修与定期的设备或者机身维护或与发动机内的有限寿命的部件的替换相一致。
发动机10以连续的流动关系具有风扇14，增压器或者低压压缩机(LPC)16，高压压缩机(HPC)18，燃烧部分20，高压涡轮(HPT)22，和低压涡轮(LPT)24。HPT22驱动连接到HPC18上，并且LPT24驱动连接到LPC16和风扇14上。HPT22包括具有HPT涡轮叶片34的HPT转子30，该涡轮叶片安装在HPT转子30的圆周上。LPT24包括具有LPT涡轮叶片36的LPT转子32，该涡轮叶片36安装在LPT转子32的圆周上。热的涡轮流通通道13从HPT22的HPT入口31开始向下游延伸到LPT24的LPT出口33上。LPT出口33还被称为中心排出口。风扇旁路管道15围绕风扇14和增压器或者低压压缩机16，并且包括在旁路管道15的风扇出口19处的风扇排气喷嘴17，通过该风扇出口19，风扇旁路空气23从发动机10中排出。电子控制器48，在此图示为数字电子发动机操纵系统，通常称为全权的数字电子控制(FADEC)，其在一定程度上控制发动机的运行。
发动机产生的功率取决于不同的发动机参数，例如流动通道面积。当发动机被设计和建造时，一些参数被设置。在发动机运行期间，诸如燃料流量的其它的参数可通过复杂的发动机操纵系统进行调节，例如控制器48，以获得所需功率。这些控制系统还监控不同的发动机参数，例如转子转速，流动通道温度和流动通道压力。实时的连续流动通道气体温度容限控制系统12和方法保持在燃气轮机流动通道，例如热的涡轮流动通道13中的有限气体温度，例如排气温度(EGT)。
排气温度(EGT)通过在低压涡轮24的第一和二级25、35之间的一个或多个热电偶21，或者其它的温度测量传感器进行测量。在发动机10的运行期间，对燃气轮机流动通道中的气体温度持续监控。当气体温度超出了预定或者计算的发动机运行温度限制时，对一个或多个发动机参数进行调节。发动机参数包括高压和低压涡轮流动面积42、52，风扇和中心流动面积62、72(在图2，5，和6中示出的)，和转子转速N。在此示出的转子转速N是高压转子30的转速，该高压转子30包括驱动连接到HPC18上的HPT22。在发动机运行期间，一个或多个参数进行实时、连续或者定期地调节，以降低气体温度到温度限制值之下。
HPT 22还包括具有可变的HPT流动面积42的HPT喷嘴40，该可变的HPT流动面积42由一排可变的高压涡轮喷嘴叶片110进行改变，其中这些喷嘴叶片110设置在燃烧部分20的下游和HPT涡轮叶片34的上游。可变的高压涡轮喷嘴叶片110是可枢转的。提供HPT致动系统44以改变HPT流动面积42。HPT致动系统44包括喷嘴叶片110，其通过HPT致动杠杆和HPT调和环(未示出)连接到HPT致动器114上。HPT致动系统44用来旋转HPT喷嘴叶片110，因此打开和关闭HPT喷嘴叶片110，以及分别增加和减少HPT流动面积42。
LPT 24还包括具有可变的LPT流动面积52的LPT喷嘴60和一排低压涡轮喷嘴叶片120，这些喷嘴叶片120设置在高压涡轮22的下游和LPT涡轮叶片36的上游。低压涡轮喷嘴叶片120是可变的和可枢转的。提供LPT致动系统54以改变LPT流动面积52。LPT致动系统54包括LPT喷嘴叶片120，其通过HPT致动杠杆和HPT调和环(未示出)连接到LPT致动器124上。LPT致动系统54用来旋转LPT喷嘴叶片120，因此打开和关闭LPT喷嘴叶片120，以及分别增加和减少LPT流动面积52。
在图3，4，和5中示出的是燃气轮机10的第二示例的实施例，其中实时连续的流动通道气体温度容限控制系统12还包括设置在风扇的旁路管道15内的可变的风扇流动面积62和在下面描述的可变的中心流动面积72。在此示例的风扇流动面积62是设置在风扇出口19的风扇排气喷嘴17处，因此为风扇排气喷嘴的流动面积。已知一些可改变风扇流动面积62的方法。在此示出的这种方法采用风扇喷嘴面积致动系统64以改变风扇的流动面积62，通过采用外罩线性致动器68在风扇排气喷嘴17处轴向向前和向后移动外罩66，如图3中所示，因此提供了可变面积的风扇排气喷嘴17。
参见图3，4，和5，当外罩66定位在轴向的后部位置时，如虚线所示，风扇流动面积62是在风扇排气喷嘴17的喉管69处的大的L。当外罩66定位在轴向的向前位置时，如实线所示，风扇流动面积62是在风扇排气喷嘴17的喉管69处小的S。外罩66在径向外部限制风扇旁路管道15。可选择的，径向内部限制风扇旁路管道15的内罩67可以采用内罩线性致动器70向后和向前的进行移动，如图4所示，以改变风扇流动面积62，因此提供可变面积的风扇排气喷嘴17。还已知采用在风扇出口19上或附近的风扇旁路管道15内的可枢转的风扇叶片来改变风扇流动面积62。
在图3，4和6中示出的是可变的中心流动面积72，其设置在中心排气管道74之内的可变面积的中心排气喷嘴76处，其中该中心排气管道74设置在LPT 24的下游。在此示例的中心流动面积72设置在中心排气喷嘴76处，因此是中心排气喷嘴流动面积。中心喷嘴面积致动系统80用来改变中心流动面积72，通过采用中心线性致动器78，以类似于罩的移动的方式，在中心排气喷嘴76处轴向向前和向后的移动喷嘴塞82。
流动通道温度容限控制系统12和它的操作方法在图7中示意的示出。排气温度(EGT)通过热电偶21或者其它的温度测量传感器进行测量，并且表示EGT的信号送到FADEC中。在发动机的运行期间，FADEC监控诸如EGT的限制气体温度，以及从发动机和飞行器传感器中得到的其它的发动机和飞行器工作参数。FADEC还接收从驾驶员操纵控制中以及发动机和飞行器中得到的输入信号。FADEC还控制装置的运行以控制一个或多个发动机参数。在此公开的示例的参数和装置包括高压和低压涡轮的流动面积42，52，它们通过HPT和LPT致动系统44，54分别进行控制。还包括风扇和中心流动面积62，72和它们对应的致动器和转子转速N。在储存和运行在FADEC内的状态监视&故障调节飞行嵌入模型软件中，FADEC监控EGT，并且将其与在发动机运行期间计算的预定或者实时的计算温度限制值相比较。当气体温度超出通过FADEC内的软件确定的预定或者实时计算温度限制值时，对一个或者多个发动机参数进行调节。在发动机运行期间，实时计算温度限制值被计算。
在发动机的运行期间，一个或多个参数实时、持续或者定期的进行调节，以降低气体温度(例如EGT)到低于温度限制值。在测量和目标温度限制值之间的差值操纵着可变涡轮喷嘴叶片，风扇罩和塞的位置，以及转子转速和送到控制它们的不同致动器的信号所需的调节量。致动器改变涡轮叶片角度和在涡轮的入口的流动面积，以及排气喷嘴的通道高度，以允许更多或更少流量通过发动机风扇和中心，并且从而改变气流温度，同时保持所需的发动机推力输出以及失速容限在发动机转速和温度约束之内。
虽然在此已经描述认为是本发明的优选和示例的实施例的内容，本发明的其它修改对于本领域技术人员从此的教导中是显而易见的，因此希望在所附权利要求中确保落在本发明的真实的精神和范围内的所有的这些修改。因此，需要通过美国的专利证书得到保护的内容是在下面权利要求中定义和区别的。
部件列表
7.工作流体流动通道
10.燃气轮机
12.容限控制系统
13.热的涡轮流动通道
14.风扇
15.风扇旁路管道
16.增压器或者低压压缩机(LPC)
17.风扇排气喷嘴
18.高压压缩机(HPC)
19.风扇出口
20.燃烧部分
21.热电偶
22.高压涡轮(HPT)
23.风扇旁路空气
24.低压涡轮(LPT)
25.第一级
30.高压转子
31.HPT入口
32.LPT转子
33.LPT出口
34.HPT叶片
35.第二级
36.LPT叶片
40.HPT喷嘴
42.HPT流动面积
44.HPT致动系统
48.控制器
52.LPT流动面积
54.LPT致动系统
60.LPT喷嘴
62.风扇流动面积
64.风扇喷嘴面积致动系统
66.外罩
67.内罩
68.外罩线性致动器
69.喉管
70.内罩线性致动器
72.中心流动面积
74.中心排气管道
76.中心排气喷嘴
78.中心线性致动器
80.中心喷嘴面积致动系统
82.喷嘴塞
110.HPT喷嘴叶片
114.HPT致动器
120.LPT喷嘴叶片
124.LPT致动器
N-转子转速
L-大
S-小

Claims (10)

1.一种用于在燃气轮机(10)中的发动机工作流体流动通道(7)中保持限制的气体温度(EGT)的方法，该方法包括：
在发动机运行期间监控燃气轮机的流动通道中的气体温度，
在发动机运行期间，当气体温度超出预定或者计算的温度限制值时，调节从一组发动机参数中选择的一个或多个发动机参数，该组发动机参数包括高压和低压涡轮喷嘴流动面积(42，52)和转子转速(N)，其中计算的温度限制值是在发动机运行期间计算得到的，和
在发动机运行期间调节该一个或多个参数，以降低气体温度到该温度限制值之下。
2.如权利要求1所述的方法，其中高压和/或低压涡轮喷嘴流动面积(42，52)分别使用可变的高压和/或低压涡轮喷嘴叶片(110，120)进行调节。
3.如权利要求1所述的方法，其中燃气轮机(10)是航空燃气轮机并且该组发动机参数还包括风扇和中心流动面积(62，72)。
4.如权利要求3所述的方法，其中通过在发动机(10)的旁路管道的风扇出口(19)处的风扇排气喷嘴(17)处轴向向前和向后移动外罩(66)，来对风扇流动面积(62)进行调节。
5.如权利要求3所述的方法，其中通过在发动机(10)的中心排气喷嘴(76)处轴向向前和向后移动喷嘴塞(82)，来对中心流动面积(72)进行调节。
6.如权利要求1所述的方法，其中工作流体流动通道(7)是热的涡轮流动通道(13)。
7.如权利要求6所述的方法，其中该限制的气体温度是排气温度(EGT)。
8.一种用于在燃气轮机(10)中的燃气轮机流动通道(13)中保持限制的气体温度(EGT)的系统，该系统包括：
设置在燃气轮机流动通道(13)中并且连接到电子控制器(48)上的一个或多个温度测量传感器，以在发动机运行期间测量燃气轮机的流动通道中的气体温度，
电子控制器(48)，可用于监控气体温度，并且在发动机运行期间，当气体温度超出预定或者计算的温度限制值时，调节从一组发动机参数中选择的一个或多个发动机参数，该组发动机参数包括高压和低压涡轮喷嘴流动面积(42，52)和转子转速(N)，其中计算的温度限制值在发动机运行期间通过控制器进行计算，和
电子控制器(48)可操作用于在发动机运行期间调节该一个或多个参数，以降低气体温度到温度限制值之下。
9.如权利要求8所述的系统，其中高压和/或低压涡轮喷嘴流动面积(42，52)可分别使用可变的高压和/或低压涡轮喷嘴叶片(110，120)进行调节，并且可变的高压和/或低压涡轮喷嘴叶片(110，120)可操作地连接到控制器(48)。
10.如权利要求9所述的系统，其中燃气轮机(10)是飞行器燃气轮机，其还包括：
围绕发动机的风扇(14)的风扇旁路管道(15)，
在风扇旁路管道(15)的风扇出口(19)处的风扇排气喷嘴(17)，
在发动机(10)的中心排气管道(74)之内的可变面积中心排气喷嘴(76)，和
该组发动机参数还包括分别在风扇和中心排气喷嘴(17，76)内的风扇和中心流动面积(62，72)。
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PB01 Publication
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