CN101449039A - 燃气涡轮发动机起动方法和控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮发动机起动方法和控制装置。提供了一种通过使用起动序列(105)来起动燃气涡轮发动机(1)的方法。涡轮机转速和燃料输送相协调以便在点火装置处提供燃料/空气混合物从而允许成功点火。如果成功点火在起动序列(105)结束时还没有发生,则该燃气涡轮发动机被清除(111),并且在清除该燃气涡轮发动机后,起动序列(105)被重复。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机的起动方法和用于控制燃气涡轮发动机起动的控制装置。特别是,本发明论及尤其与获得点燃或点火(即产生火焰)相关的燃气涡轮发动机起动可靠性。
背景技术
燃气涡轮发动机最优的点火条件易受起动之间的变化的影响,该变化是由各种因素所导致的,例如周围的温度、燃气涡轮机温度、燃料发热值、燃料含量、压力、燃料和空气输送系统的可重复性等。在典型的燃气涡轮发动机起动系统中,使用辅助驱动单元驱动涡轮机,并使用控制单元提供起动序列,在该起动序列中涡轮机转速和燃料输送相协调以在点火装置处提供燃料/空气混合物从而允许成功点火(ignition)。
在典型起动序列中,在起动期间由辅助电动机驱动的燃气涡轮机的转速和/或流向燃烧系统的燃料流量在设定的时段、即所谓的点燃窗口逐渐增加。点燃窗口的长度是起动很可能发生的发动机转速的、典型地在额定发动机转速的5%-20%之间的范围和燃烧器中燃料的累积率的函数。在点燃窗口期间出现多次点火机会,但实际点火机会的次数取决于燃气涡轮发动机的点燃器每秒可输送的火花的数量以及点燃窗口的长度(持续时间)。因此希望点燃窗口尽可能地长。但是,点燃窗口的长度由许多因素确定。如果例如涡轮机加速太快,则燃料喷射系统将没有足够的时间在起动很可能发生的发动机转速的窗口过去之前提供足够量的燃料。另一方面,如果涡轮机加速太慢,则可能会发生燃烧器中的燃料量达到了能够对发动机造成危害的程度而涡轮机转速在点燃窗口内仍然没有达到最大转速。然而,例如涡轮机的加速率取决于周围条件。天冷时,电池驱动的起动电动机由于可能的低电力供应而可能不能迅速加速发动机。另一方面,天很热时,带有同样电池的同样的电动机可能能够非常迅速地加速发动机。为了解决所述的局限性,在不在点燃窗口期间在燃烧系统内建立潜在危险的燃料量的情况下,一般需要在最大化点燃窗口以包含实际最优窗口的广泛变化和最小化变化率以在该实际最优窗口期间增加点火机会(火花)的数量之间折衷。
燃气涡轮发动机的典型起动序列例如在US 5,844,383、US5,907,949、US 4,464,895和在RU 2078971中得以描述,其中在US5,844,383、US 5,907,949中描述了在起动期间暂时增加燃料流量以提高放热,在US 4,464,895中描述了改善雾化并且从而改善点火能力的脉动(调制)流体燃料流量,在RU 2078971中燃料流量在起动前与燃气涡轮机的工作条件有关地进行变化。
如果在点燃窗口后不能检测到成功点火,由于所谓的“未点燃跳闸(no-light-uptrip)”,燃气涡轮机通常被关闭。
因此本发明的目标是提供用控制装置控制燃气涡轮发动机的起动来起动燃气涡轮发动机的方法,利用该方法能够减少未点燃跳闸的数量。
这个目标通过在权利要求1中所要求的起动燃气涡轮发动机的方法和权利要求6中所要求的控制装置来实现。从属权利要求进一步定义了本发明的改进。
发明内容
在本发明的起动燃气涡轮发动机的方法中,使用起动序列,其中涡轮机转速和燃料输送相协调以便在点火装置处提供燃料/空气混合物从而允许成功点火。如果成功点火在起动序列结束时还没有发生,则燃气涡轮发动机被清除(purge),并且在清除后,起动序列被重复。
通过清除燃气涡轮发动机,所积累的燃料能被从燃烧系统中逐出,以使得在没有由于燃烧系统中过量的燃料所导致的损害发动机的危险的情况下,起动序列能被重复。由于仅通过停止燃料输送而仍保持发动机旋转,清除能够被相当快地完成,起动序列能够被相当快地重复。
因此本发明的方法考虑在由于点火失败所导致的发动机关闭之前对多个起动序列的重复。
在起动序列期间,例如通过使用外部电动机可以使涡轮机转速在起动很可能发生的涡轮机转速的范围内改变。在重复起动序列时,涡轮机转速的范围被移动和/或被定标(scale)。换句话说,如果涡轮机转速例如从起动窗口中的起点线性增加到终点,则该起点和终点可以从一个起动序列移动到另一个。可替换地或者同时地,在起点和终点之间的涡轮机转速范围能例如通过降低起点并提高终点来增加。该涡轮机转速范围的移动和/或定标可以依照固定方案。
除了或者代替涡轮机转速,被引入燃烧器中的燃料/空气混合物的燃料/空气比可以在使起动很可能在起动序列中发生的燃料/空气比范围内变化。在这种情况中,燃料/空气比范围从一个起动序列到另一起动序列可以被移动和/或定标。该燃料/空气比的改变例如能够通过相对于空气输送改变燃料输送来实现,这又取决于发动机的旋转速度。类似于发动机的旋转速度中的情况,对于燃料/空气比的最优化窗口的起点和终点能够被移动和/或被定标、例如伸展。燃料/空气比范围的移动和/或定标可以依照固定方案。
当达到预定的停止条件或检测到成功点火时,停止清除和起动序列的重复。作为停止条件的例子,可以使用预先设定数量的起动序列,该数量不应被超过。
本发明的用于控制燃气涡轮发动机起动的控制装置适用于执行本发明的方法。该控制装置包括:
窗口生成器,其适合生成窗口信号,该窗口信号代表能使起动很可能发生的涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围。换句话说,该窗口信号代表该起动序列的点燃窗口。处理器单元连接到该窗口生成器用以接收该窗口信号。该处理器单元适合开始燃气涡轮发动机的起动序列并且在起动序列期间在由窗口信号所定义的涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围内改变涡轮机转速和/或燃料/空气混合物的混合比。点火监视器监视该起动序列的成功,该监视器适合在该起动序列完成后生成代表点火成功或失败的状况信号。该处理器单元连接到该点火监视器以在该起动序列完成后接收该状况信号。另外,该处理器单元适合在该状况信号指示点火失败时生成清除信号并且向该燃气涡轮发动机输出该清除信号,这导致清除该发动机。另外,该处理器单元适合在清除完成后,开始另一起动序列。
如果该清除在特定时段内被执行,则该时段的结束可以表示该清除的结束。如果用于清除的时段不固定,该清除可以在检测到燃烧器中的燃料含量降低到特定水平或条件以下时完成。
为了允许从一个起动序列到另一起动序列改变涡轮机转速范围和/或燃料/空气混合物范围,该窗口生成器可以包含移动单元和/或定标单元,该移动单元和/或定标单元连接到处理器单元以接收该清除信号。所述移动单元和/或定标单元适合在接收到该清除信号时分别对涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围进行移动和定标。
为了完成起动序列的重复,该控制装置有利地包含计数器,该计数器连接到该处理器单元用以接收该清除信号。该计数器适合对清除的次数进行计数并且当计数到预先设定的清除次数时输出停止信号。该停止信号使处理器单元不开始另一起动序列。
附图说明
从下面结合附图的本发明实施方式的描述中将清楚本发明的其它特征、性质和优点。
图1示出本发明控制装置的实施方式的方框图;
图2示出描述本发明方法的实施方式的流程图;
图3示出在本发明方法期间点燃窗口的变化。
具体实施方式
在图1中以方框图的形式示出用于控制燃气涡轮发动机1起动的本发明的控制装置3。在所示实施方式中,控制装置3包括处理器单元5,窗口生成器7,点火监视器9和计数器19。窗口生成器7包含移动单元11和定标单元13。控制装置3的所有单元可以以硬件或者软件实现。
处理器单元5连接到燃气涡轮发动机1以开始和控制起动序列用以点燃发动机1。在起动序列期间,涡轮机转速和燃料空气比在涡轮机转速和燃料空气比的点燃窗口(light up window)内分别斜升。所述窗口由该斜升的起点和终点来定义。该燃料空气比可以通过燃料流量指令来变化,该燃料流量指令定义了对于给定涡轮机转速的确定的燃料流量,因为涡轮机转速也决定着通过燃烧系统的空气流量。处理器单元5从窗口生成器7接收起动序列的实际窗口。
处理器单元5还连接到点火监视器9,该点火监视器9输出代表点火成功或者不成功的状况信号。为了检测点火成功或者不成功,该点火监视器9连接到燃气涡轮发动机1中的点火检测器21。
如果处理器单元5从点火监视器9接收到代表点火失败的状况信号,则处理器单元5适合产生清除信号。该清除信号接着被输出到燃气涡轮发动机1并且使发动机停止燃料输送但是继续空气输送。因此,在发动机的燃烧装置和燃烧室中积累的过剩燃料被吹离发动机,从而使得在清除之后在燃烧系统中不存在潜在危险的燃料空气比。在清除发动机后,处理器单元5向燃气涡轮发动机1输出另一起动序列用以再一次尝试对发动机点燃。
对于新的起动序列,在移动单元11已经移动了在起动窗口中给定的涡轮机转速和/或燃料空气比的范围之后,处理器单元5从窗口生成器7接收新的点燃窗口。附加地或可替换地,定标单元13将在起动窗口中给定的涡轮机转速和/或燃料空气比的范围乘以定标系数。在本实施方式中,虽然存在移动单元11中和定标单元13,但原则上窗口生成器可以仅配备移动单元11或者定标单元13。在新的起动序列被初始化之前,相对先前的起动窗口被移动和/或定标的该新的起动窗口被输出到处理器单元5。然后,该处理器单元5在接收到新的起动窗口后起动新的起动序列。
在图3中示意性示出多个起动序列和燃气涡轮发动机1的清除的起动窗口序列。该图示出燃料流量需求和时间的关系。在起动窗口201到209期间,燃料流量斜升,这在每个起动窗口201到209中用对角线表示。该燃料流量需求可以适应燃气涡轮发动机的旋转速度,以便于在起动窗口期间提供固定的燃料/空气比或以便于提供增加的燃料/空气比。在每个点燃窗口(一般持续2-10秒)期间,点火系统产生多个火花以实现点燃。
由处理器单元5输出到燃气涡轮发动机1的每个清除信号也可以通过软件或者硬件计数器19接收。在接收到清除信号时,计数器计数,并且当达到最大计数时,从计数器19输出停止信号到处理器单元5。该停止信号使处理器单元5不再继续输出清除信号而是向燃气涡轮发动机1输出关闭信号。
图2示出起动燃气涡轮发动机的本发明方法的实施方式的流程图。当在步骤101中开始该方法后,在步骤103中,计数值i设为1,并且起动窗口被初始化。对该起动窗口的初始化包括为涡轮机转速和/或燃烧系统中的燃料/空气混合物的斜生设置起动端点。该方法接着进行到步骤105,其中燃气涡轮发动机1的起动序列被初始化。在起动序列期间,点火监视器9监视发动机中的点火。如果在步骤107中检测到点火成功、即点燃成功,则该燃气涡轮发动机1在步骤108中转入其普通工作模式。
在步骤107中,如果到该起动序列结束时检测到点燃不成功,则在步骤109中检查该计数值i是否仍小于最大计数值imax。如果否,则终止该方法并关闭燃气涡轮发动机1。如果计数值i仍小于最大计数值imax,则在步骤111中由处理器单元5向燃气涡轮发动机1输出清除信号。该清除信号也被输出到窗口生成器7,并且使该窗口生成器7产生相对先前起动序列的起动窗口被移动和/或被定标的另一起动窗口。该移动和/或定标例如可以依照预先设定的移动序列和/或定标序列。该新的起动窗口被输出到处理器单元5,和115,该计数值i在步骤115中被加一。该方法然后返回步骤105,其中具有被移动和/或被定标的起动窗口的该新的起动序列被初始化。继续所述的方法直到检测到点燃成功或达到最大计数值imax。
本发明方法使能够使用更短的起动窗口和由此更低的斜生率(ramprate),但是仍旧包含实际最优范围窗口中的广泛变化。总的来说,这因此对于每个起动尝试增加了在实际最优燃料空气混合物窗口中的点火机会(来自点火的火花)。因此,增加了点燃的可能性。
Claims (8)
1.通过使用起动序列(105)来起动燃气涡轮发动机(1)的方法,其中涡轮机转速和燃料输送相协调以便在点火装置处提供燃料/空气混合物从而允许成功点火,其特征在于,如果成功点火在起动序列(105)结束时还没有发生,则该燃气涡轮发动机(1)被清除(111),并且在清除该燃气涡轮发动机(1)后,起动序列(105)被重复。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,涡轮机转速在使起动很可能在起动序列(105)中发生的涡轮机转速范围内变化,其特征还在于在重复起动序列时涡轮机转速范围被移动和/或被定标。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,燃料/空气混合物的燃料/空气比在使起动很有可能在起动序列(105)中发生的燃料/空气比范围内变化,其特征还在于在重复起动序列时燃料/空气比范围被移动和/或被定标。
4.如权利要求2或3所述的方法,其特征在于,涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围的移动和/或定标依照固定方案。
5.如上述任一权利要求所述的方法,其特征在于,如果达到预定的停止条件(109)或检测到成功点火(107),则清除(111)和起动序列(105)的重复停止。
6.用于控制燃气涡轮发动机(1)起动的控制装置(3),包括:
-窗口生成器(7),其适合生成窗口信号,该窗口信号代表使起动很可能发生的涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围
-处理器单元(5),其连接到该窗口生成器(7)用以接收该窗口信号,并且适合开始燃气涡轮发动机(1)的起动序列并且在该起动序列期间在由窗口信号所定义的涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围内改变涡轮机转速和/或燃料/空气混合物的混合比;和
-点火监视器(9),其用于监视起动序列的成功,该监视器适合在该起动序列完成后生成代表点火成功或失败的状况信号;借此
-该处理器单元(5)连接到该点火监视器(9)用以在该起动序列完成后接收该状况信号;
其特征在于,
-该处理器单元(5)适合在该状况信号指示点火失败时生成清除信号并且向燃气涡轮发动机(1)输出该清除信号,这导致清除该发动机(1);和
该处理器单元(5)适合在清除完成后,开始另一起动序列。
7.如权利要求6所述的控制装置(3),其特征在于,该窗口生成器(7)包含移动(11)单元和/或定标单元(13),所述移动(11)单元和/或定标单元(13)连接到该处理器单元(5)用以接收该清除信号并且适合于如果接收该清除信号则分别对涡轮机转速范围和/或燃料/空气比范围进行移动或定标。
8.如权利要求6或7所述的控制装置(3),其特征在于,所述控制装置包括计数器(19),所述计数器连接到该处理器单元(5)用以接收该清除信号,该计数器(19)适合对清除的次数进行计数并且当计数到预先设定次数的清除时输出停止信号以使该处理器单元(5)不开始另一启动序列。
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