CN101806251A - 一种微型燃气轮机的起动控制装置以及起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型燃气轮机的起动控制装置以及起动控制方法，其起动控制装置包括由转速传感器和温度传感器构成的数据测量模块，由起动电机、点火器、燃油保护电磁阀以及燃油流量控制比例电磁阀组成的起动执行模块，以及数字控制单元。其起动控制方法由数字控制单元控制起动电机，将燃气轮机带转到一个设定转速，并维持该转速不变，通过控制燃油流量控制比例电磁阀，调节燃油流量，实现燃油与空气比例的恰当匹配，点火器点燃混合气体，燃气轮机转速升高。单片机依据燃气轮机排气温度以及转速，闭环控制燃气轮机进入慢车状态，完成起动。本发明能够有效避免起动过程燃油流量变化、燃气轮机状态变化以及大气条件变化的影响，解决了苛刻环境下的微小型燃气轮机起动困难以及不稳定等问题，确保燃气轮机可在任何条件下可靠完成起动。

Description

一种微型燃气轮机的起动控制装置以及起动控制方法

技术领域

本发明涉及一种微小型燃气轮机的起动控制装置以及起动控制方法，属于燃气轮机起动控制技术领域。

背景技术

微小型燃气轮机在依靠自身产生的动力实现运转之前，需通过起动电机作为外界动力源带动燃气轮机转动，为燃烧室提供满足起动要求的空气流量，进入燃烧室内空气与燃料混合，当燃烧室内燃料与空气之比(以下简称空燃比)达到着火条件后，点火成功，混合燃气剧烈燃烧，推动燃气轮机涡轮做功，带动燃气轮机不断加速，完成起动，最终燃气轮机完全依靠自身产生的能量运转，并向外界提供动力。因此微小型燃气轮机的起动过程在整个燃气轮机控制中是一个非常重要且必不可少的环节，对于之后燃气轮机的平稳可靠运行有着极其重要的影响。传统的燃气轮机起动控制方法采用开环控制方法，起动电机与燃油供给系统同时开启。在起动电机带动下，燃气轮机转子开始转动，由于起动电机的扭矩速度特性限制，燃气轮机转速随时间沿抛物线变化，随转速升高，其单位时间内的变化率逐渐减小。而其燃油供给系统则控制燃油流量按固定斜率线性增加，斜率主要基于大气压力与大气温度计算得到。在理想状态下，因为特定的大气条件，可以较为精确的计算得到燃油供给曲线的斜率，因此实现满足着火所需的空燃比相对来说比较简单。但是当外界大气条件变化时，传统起动控制，就必须通过压力与温度传感器精确测量大气压力与大气温度，以实现燃油流量的精确计算。同时，对于燃气轮机转速测量的任何偏差，以及在该大气条件下，与转速对应的实际空气流量的计算偏差，都将导致空燃比不满足点火要求，使得燃气轮机无法正常起动。因此，在传统燃气轮机起动控制中，燃气轮机转速与燃油流量都是可变控制参数，影响最终空燃比控制，相当于同时多个变量来实现对一个可变目标的匹配，以至于这种开环控制方法在控制燃油空气比时，对于燃油流量的变化、燃气轮机运行状态、传感器精度以及大气条件非常敏感。作为主要应用于航空航天，舰船、车辆等领域的微小型燃气轮机，外界环境变化剧烈，传统的起动控制方法已经难以满足要求。所以设计出一种新的起动控制装置以及更加可靠的起动控制方法，保证复杂环境下的燃气轮机的可靠起动及其正常运转十分重要。

发明内容

本发明公开一种微小型燃气轮机起动控制装置以及起动控制方法。其起动控制装置通过使用起动电机，拖动燃气轮机达到一个设定转速，并通过电子控制单元输出脉宽调制信号(以下简称PWM)，控制起动电机，使燃气轮机稳定于该转速，使与燃气轮机转速相关的燃气轮机进气量保持于一个稳定状态。之后通过电子控制单元输出PWM信号开启燃油流量比例控制电磁阀，使燃油与进气混合，并开启点火器，当燃油与进气混合达到起动所需着火比例时，点火器点燃混合气体，推动燃气轮机达到预定转速，完成起动过程。整个起动控制装置与起动控制方法保持燃气轮机稳定于一个设定转速，使得起动过程中燃烧室内空气流量处于一个稳定值，同时不再依据外界大气温度与压力情况，计算燃油流量变化量，而是以一个固定变量增加进入燃烧室内的燃油量，最终燃烧室内空燃比都将达到所需着火比例，使得燃气轮机起动过程受燃油流量变化、燃气轮机状态变化以及大气条件变化影响较小，有效解决了苛刻环境下的微小型燃气轮机起动困难以及不稳定等问题，确保燃气轮机可在任何条件下可靠完成起动，保证了之后的燃气轮机稳定运转。

本发明公布的一种微小型燃气轮机起动控制装置，其主要由三个部分组成，包括数据测量模块、数字控制单元以及起动执行模块。数据测量模块负责燃气轮机状态参数的测量，包括测量燃气轮机转速的转速传感器以及测量燃气轮机排气温度的温度传感器。转速传感器信号经过数字信号处理电路，整形处理后送入单片机；温度传感器信号经过放大滤波处理后送入单片机。单片机依据采集到的燃气轮机状态数据，通过执行器功率驱动电路控制执行起动模块内的起动电机、点火器、燃油保护电磁阀以及燃油流量控制比例电磁阀，完成燃气轮机整个起动过程的控制，保证燃气轮机可靠、稳定的进入慢车状态。

所述的微小型燃气轮机的起动控制方法，首先，起动电机拖动燃气轮机达到一个设定转速(该转速应依据实际情况调整，但应该低于燃气轮机一阶临界转速，约为15000r/min)，并控制起动电机，使发动机稳定于该转速，保证在任意大气条件下，燃气轮机的进气量处于一个稳定值。之后，开启点火器，同时开启燃油保护电磁阀以及燃油流量比例控制电磁阀，调节燃油流量，当燃油与进气达到着火所需比例时，点火器点燃油气混合物，油气混合物剧烈燃烧，燃气轮机排气温度不断上升。最终，当排气温度变化达到预设值时(该值根据实际环境条件相应调整，约为20摄氏度)，ECU判定燃气轮机点火成功，之后进入闭环控制阶段，ECU根据燃气轮机速度变化，控制燃油流量比例控制电磁阀，调整燃油流量，燃气轮机转速随之不断上升，最终达到稳定慢车转速，完成整个起动过程。

本发明的优点在于：

(1)结构简单：本发明所涉及的起动控制装置，依据本发明所涉及起动控制方法，仅需转速传感器以及温度传感器采集起动所需数据，有效的减少了起动装置所需的传感器数量，简化了起动装置结构。

(2)控制策略简单：本发明所涉及的起动控制方法，控制空气流量处于一个稳定值，只需控制燃油流量，实现空燃比最终的恰当匹配，大大简化了控制策略。

(3)可靠性高：本发明所涉及的起动控制方法，在起动过程中，保持燃气轮机转速处于一个稳定状态，实现了燃烧室内空燃比的可靠控制，大大降低了外界环境以及燃气轮机自身因素对于起动过程的影响，提高了起动控制的可靠性。

(4)适用于复杂环境：本发明所涉及起动控制装置以及起动控制方法，通过设定起动稳定转速，使得因外界环境变化，造成的空气流量以及燃油流量变化，不会对空燃比的最终匹配造成影响，保证了燃气轮机在苛刻环境下的可靠起动。

附图说明

图1是本发明起动控制装置的电路结构框图；

图2是本发明起动控制方法时序图；

图3是本发明起动控制方法流程图；

图中：              1.转速传感器          2.温度传感器

3.数字信号处理电路  4.放大滤波电路        5.电源保护电路

6.单片机            7.执行器功率驱动电路  8.起动电机

9.点火器            10.燃油保护电磁阀     11.燃油流量控制比例电磁阀

12.数据测量模块     13.数字控制单元       14.起动执行模块

15.空气流量曲线  16.燃油流量曲线  17.燃气轮机起动转速曲线

18.第一步        19.第二步        20.第三步

21.第四步        22.第五步        23.第六步

24.第七步

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，是本发明起动控制装置的电路结构框图。其起动控制装置包括数据测量模块12、电子控制单元13和起动执行模块14三部分。其中数据测量模块12由转速传感器1和温度传感器2构成，转速传感器1采集起动过程中发动机转子转速，温度传感器2采集燃气轮机转涡轮排气温度。其中数字处理单元13包括数字信号处理电路3、放大滤波电路4、电源保护电路5、单片机6以及执行器功率驱动电路7。电源保护电路为整个系统提供稳定电压，具有欠压及过载保护功能，并指示系统当前电源状态；数字信号处理电路3接收来自转速传感器1采集的燃气轮机转速信号，经处理后送入单片机6；放大滤波电路4接收温度传感器2采集的燃气轮机涡轮排气温度信号，经滤波放大处理后送入单片机6；执行器功率驱动电路7接收来自单片机6输出的PWM控制信号，驱动起动执行模块14内的起动电机8、点火器9、燃油保护电磁阀10以及燃油流量控制比例电磁阀11依起动控制策略动作，根据燃气轮机转速以及涡轮排气温度变化精确控制燃油流量，完成燃气轮机的可靠、高效起动。

如图2所示，是本发明起动控制方法时序图。首先单片机6输出PWM信号至执行器功率驱动电路7，控制起动电机8带动燃气轮机转动，燃气轮机转速沿燃气轮机起动转速曲线17不断上升。T1时刻，燃气轮机转速达到一个设定转速(该转速应依据实际情况调整，但应该低于燃气轮机一阶临界转速，约为15000r/min左右)，并且起动电机8在单片机6控制下使燃气轮机转速维持在该设定转速不变。由于进入燃气轮机的空气流量与燃气轮机转速直接相关，因此，空气流量沿空气流量曲线15，依发动机转速变化，同比例上升。T1时刻后，随着燃气轮机转速保持稳定，无论外界大气条件如何，空气流量曲线16保持在一个稳定值。同时，在T1时刻，单片机6输出PWM信号，经由执行器功率驱动电路7控制燃油保护电磁阀10及燃油流量控制比例电磁阀11依次开启，并开启点火器，单片机6调节燃油流量控制比例电磁阀11控制燃油流量沿燃油流量曲线16线性增长。T2时刻，燃油流量曲线16与空气流量曲线15相交于一点时，燃油空气比达到恰当比例，在点火器作用下，完成点火。随着燃油不断燃烧，燃气轮机排气温度上升，在T3时刻，燃气温度变化超过20℃时，单片机6判定燃气轮机点火成功，进入转速排温闭环控制阶段，燃气轮机转速不断上升，T4时刻，最终完成起动，进入慢车状态。

如图2所示，是本发明起动控制方法时序图。在燃气轮机起动过程中，依据本发明所述起动控制方法，T1时刻，当在燃气轮机被起动电机8带转至设定转速时，由于外界大气条件变化，空气流量曲线15的具体稳定值可能不同。同时，由于燃油流量控制比例电磁阀11机械状态改变以及系统电源电压的变化，导致燃油流量曲线16的斜率可能发生变化，但是无论燃油流量曲线斜率如何变化，两条曲线总会于T2时刻相交于A点，使得燃油空气比最终达到满足着火条件的合适比例。单片机6在T1时刻输出PWM控制信号，经由执行器功率驱动电路7开启点火器9，当燃油空气比在T2时刻达到恰当比例时，实现点火。点火成功后，随着燃料燃烧，排气温度不断上升。在T3时刻，排气温度变化超过20℃时，单片机6判定点火成功，进入转速排温闭环控制阶段，最终控制燃气轮机完成起动，达到慢车状态。整个起动过程中受燃油流量变化、燃气轮机状态变化以及大气条件变化影响较小，可实现在任何苛刻条件下的燃气轮机可靠起动。

如图3所示，是本发明起动控制方法流程图。第一步18单片机6开启起动电机8，带转发动机。第二步19燃气轮机转速升高达到设定转速(该转速应依据实际情况调整，但应该低于燃气轮机一阶临界转速，约为15000r/min左右)，起动电机8在单片机6控制下，维持燃气轮机转速在该设定转速保持不变。第三步20单片机6开启点火器9。第四步21单片机6依次开启燃油保护电磁阀10及燃油流量控制比例电磁阀11。之后，进入第五步22，单片机6输出PWM信号，经执行器功率驱动电路7调接燃油流量控制比例电磁阀，燃油流量不断上升。当燃气轮机排气温度变化超过20℃，单片机6判定点火成功，完成起动控制过程第六步23，进入起动控制过程第七步24，进入转速排温闭环控制阶段，完成起动过程，燃气轮机最终进入慢车状态。若第六步23中，燃气轮机排气温度变化未达到20℃，则回到第五步22，单片机6继续调节燃油流量控制比例电磁阀11，改变燃油流量，直至最终燃气轮机排气温度变化超过20℃，进入第七步24，完成燃气轮机的整个起动过程。

Claims (5)

1.一种微小型燃气轮机起动控制装置及其起动控制方法，其起动控制装置包含数据测量模块(12)、数字控制单元(13)以及起动执行模块(14)。数据测量模块(12)由转速传感器(1)和温度传感器(2)构成。数字控制单元(13)包括数字信号处理电路(3)、放大滤波电路(4)、电源保护电路(5)、单片机(6)以及执行器功率驱动电路(7)起动执行模块包括起动电机(8)、点火器(9)、燃油保护电磁阀(10)以及燃油流量控制比例电磁阀(11)。

其起动控制方法，特征在于，单片机(6)控制起动电机(8)带动燃气轮机转动至一个设定转速，通过控制燃油流量控制比例电磁阀(11)，调节燃油流量，使得空气与燃料混合达到合适比例，点火器(9)点燃混合气体，燃气轮机转速升高，进入慢车状态，完成起动。

2.根据权利要求1所述的一种微小型燃气轮机起动控制方法，其特征在于，起动过程分为三部分。首先，起动电机(8)带动燃气轮机转动至一个设定转速，并维持燃气轮机处于该转速不变。之后单片机(6)输出控制信号开启点火器(9)，单片机(6)控制燃油流量控制比例电磁阀(11)，调节燃油流量定比例，沿线性增长，实现空气与燃料比例的合适匹配后，点火器点燃混合气体。最后，温度传感器检测温度变化，当变化超过预设值时，判定燃气轮机点火成功，进入转速排温闭环控制阶段，燃气轮机转速不断升高，进入慢车状态，完成起动。

3.根据权利要求2所述的一种微小型燃气轮机起动控制方法，其特征在于，燃气轮机在起动电机(8)带动下，达到一个设定转速，并维持该转速不变，使进入燃气轮机的空气流量处于一个稳定值，为燃气轮机起动提供稳定的空气流量，直至排气温度变化超过预设值，数字控制单元(13)判定点火成功。

4.根据权利要求2所述的一种微小型燃气轮机起动控制方法，其特征在于，燃气轮机起动设定转速约为15000r/min。

5.根据权利要求2所述的一种微小型燃气轮机起动控制方法，其特征在于，确认点火成功的排气温度变化量为20℃。

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