CN102235372A - 用于控制涡轮引导导叶位置的系统、方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制涡轮引导导叶位置的系统、方法及设备。具体而言，本发明的一些实施例可包括用于控制涡轮引导导叶位置的系统、方法及设备。根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于控制至少一个涡轮引导导叶的方法。该方法包括接收与该至少一个涡轮引导导叶相关的基准信号(602)、测量与该至少一个涡轮引导导叶相关的促动器位置(622)和角位置(624)、至少部分地基于角位置(624)产生死区信号(621)，以及至少部分地基于死区信号(621)和基准信号(602)来操纵该至少一个涡轮引导导叶。

Description

用于控制涡轮引导导叶位置的系统、方法及设备
技术领域
本发明主要涉及涡轮，并且更具体地涉及用于控制涡轮引导导叶位置的系统、方法及设备。
背景技术
涡轮压缩机通常利用涡轮入口中的可调式引导导叶来在操作范围内控制空气流和压力。引导导叶通常在压缩机壳体的静止(非旋转)部分中成排地布置，且在一些情况下，在各涡轮上使用了40个至60个或更多的导叶。导叶的叶片柄部端通常延伸穿过压缩机壳体，且可附接到联动件(linkage)上，该联动件同时地转动各个单独的导叶叶片。例如，″单中心环″可用于在该环沿周向围绕压缩机入口壳体旋转时使各个单独的叶片转动。取决于这些导叶中的一排还是多排将受到控制，联动元件可组合在一起来一致地控制成排的导叶。
为了使联动件运动，且继而调整引导导叶，通常使用包括液压促动器的伺服系统。例如，使用转换器(transducer)，如解算器、线性可变差动变换器(LVDT)或线性可变差动阻抗(LVDR)装置，使液压促动器的位置可得到监测且反馈至伺服系统中的控制器。对于此种系统的一个并发问题在于，转换器测量结果与导叶叶片的实际角度之间可能存在复杂且非线性的关系，这不但是起因于几何和旋转变换，而且还由于制造公差和联动件中的磨损。引导导叶和/或可变定子导叶的定位缺乏精度可导致对穿过机器的流动的控制对应地缺乏精度，可能导致输出或效率或两者的损失。
发明内容
本发明的一些实施例可解决上述需求中的一些或全部。本发明的一些实施例可包括用于控制涡轮引导导叶位置(例如，压缩机入口和可变定子导叶)的系统、方法及设备。
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于控制至少一个涡轮引导导叶的方法。该方法包括接收与该至少一个涡轮引导导叶相关的基准信号、测量与该至少一个涡轮引导导叶相关的促动器位置和角位置、至少部分地基于角位置产生死区(deadband)信号，以及至少部分地基于死区信号和基准信号来操纵该至少一个涡轮引导导叶。
根据另一示例性实施例，提供了一种用于控制涡轮中的空气流的系统。该系统包括燃气涡轮、可操作用以控制涡轮轴向空气流的至少一个引导导叶，以及控制器。该控制器构造成用以接收与该至少一个引导导叶相关的基准信号、测量与该至少一个引导导叶相关的促动器位置和角位置、至少部分地基于角位置产生死区信号，以及至少部分地基于死区信号和基准信号来操纵该至少一个涡轮引导导叶。
根据另一示例性实施例，提供了一种用于控制涡轮中的空气流的设备。该设备包括可操作以控制涡轮轴向空气流的至少一个引导导叶，以及控制器。该控制器构造成用以接收与该至少一个引导导叶相关的基准信号、测量与该至少一个引导导叶相关的促动器位置和角位置、至少部分地基于角位置产生死区信号，以及至少部分地基于死区信号和基准信号来操纵该至少一个涡轮引导导叶。
本发明的其它实施例和方面在文中进行了详细描述，且认作是要求得到专利保护的本发明的一部分。参照以下详细描述、附图以及权利要求可理解到其它实施例和方面。
附图说明
现在将对附表和附图进行参照，它们不必按比例绘制，且在其中：
图1为根据本发明示例性实施例的用于直接导叶角度控制系统的设备的框图。
图2为根据本发明示例性实施例的示范性直接导叶控制系统的框图。
图3为示范性控制系统的框图。
图4为示范性的理想引导导叶角度对命令的线图。
图5为根据本发明示例性实施例的示范性引导导叶角度对具有联动滞后的命令的线图。
图6为根据本发明的示例性实施例的示范性组合式死区控制系统的框图。
图7为根据本发明示例性实施例的示范性引导导叶基准位置的线图。
图8为根据本发明示例性实施例的示例性方法的流程图。
零件清单
100直接导叶角度控制系统
104液压伺服系统
106液压源
110引导导叶促动器
112线性平移感测装置(LVDT)
114联动系统
116引导导叶促动环
118旋转角感测装置(RVDT)
200直接导叶控制系统框图
202控制器
204存储器
206处理器
208输入/输出接口
210网络接口
212操作系统
214数据
216伺服模块
218死区模块
220液压促动器
222LVDT
224联动件
226RVDT
300控制系统框图
302基准
304反馈
306误差
308增益
310伺服机构
312促动器
314联动件
318位置传感器
320促动器位置
324引导导叶位置
400理想的引导导叶角度对命令
402引导导叶角度轴线
404引导导叶命令轴线
406理想轨迹线
408理想响应
500引导导叶角度对具有联动滞后的命令
502引导导叶角度轴线
504引导导叶命令轴线
506理想轨迹线
508实际引导导叶角度
510定位误差
600组合式死区控制系统框图
602标称引导导叶基准信号
604求和点
606引导导叶基准信号
608控制增益
610伺服机构
612液压促动器(具有位置限制)
614联动系统(具有滞后)
616引导导叶角位置传感器
617测得的引导导叶角位置反馈信号
618引导导叶促动器位置传感器
619测得的引导导叶促动器位置反馈信号
620死区处理
621死区信号
622引导导叶促动器位置
624引导导叶角位置
626内部反馈回路
628外部反馈回路
702标称引导导叶基准位置
704仅具有线性促动器反馈的引导导叶位置
706具有线性促动器反馈和角度促动器反馈的引导导叶位置
800方法
802方框
804方框
806方框
808方框
具体实施方式
现在将在下文参照示出本发明实施例的附图来更为完整地描述本发明的实施例。然而，本发明可体现为许多不同形式，且不应看作是限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例提供为使得本公开内容将是全面和完整的，且将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。贯穿全文，相似的标号表示相似的元件。
本发明的一些实施例可实现对压缩机入口和可变定子导叶的角位置控制，从而改善涡轮中的空气流控制。根据一些示例性实施例，诸如解算器或编码器的旋转角测量装置的使用及其在反馈控制系统中的使用可用于提供对轴向压缩机的入口引导导叶和可变定子导叶的角位置的直接感测和控制。根据示例性实施例，本发明可包括将直接角度导叶位置测量的机制与常规线性促动器位置测量的机制相结合的控制算法，以便缓解具有滞后的系统的直接反馈控制方面的任何问题。
本发明的示例性实施例实现对用于压缩系统的入口或可变定子导叶进行直接旋转角度测量。根据示例性实施例，该测量可在反馈控制系统中用于以改善的准确度和可重复性来定位燃气涡轮或压缩系统的引导导叶。
现在将参照附图描述根据本发明示例性实施例的用于控制引导导叶位置的各种构件、联动件、传感器和伺服系统。
图1示出了根据本发明示例性实施例的用于直接导叶角度控制系统的设备的示例性框图。根据本发明的示例性实施例，图1中所示的构件可用于控制燃气轮机上的轴向流动式压缩机的入口引导导叶(IGV)和可变定子导叶(VSV)。根据本发明的示例性实施例，液压伺服机构102可用于操纵引导导叶促动器110。引导导叶促动器可连接到共同地称为引导导叶联动系统114的任意数目的构件(如，螺旋扣(turnbuckle)、转矩管、协同环、杠杆臂等)上。根据本发明的示例性实施例，引导导叶联动系统114的构件可用于使促动器110的线性运动转变成引导导叶促动环116的旋转运动。单独的导叶可通过杠杆臂连接到导叶促动环116上，且导叶可根据导叶促动环116的运动而旋转。根据本发明的示例性实施例，且如图1中所示的那样，线性平移感测装置112，如线性可变差动转换器(LVDT)，可用于监测引导导叶促动器110的冲头(ram)或活塞的线性位置。根据本发明的示例性实施例，旋转角度感测装置118(举例来说，如解算器、旋转可变差动转换器(RVDT)，或编码器)，也可用于直接地测量单独引导导叶的旋转。
图2描绘了根据本发明示例性实施例的示范性直接导叶控制系统200的框图。控制系统200可包括控制器202。根据示例性实施例，控制器202可包括存储器204、一个或多个处理器206，以及一个或多个输入/输出接口208。本发明的一些实施例可包括一个或多个网络接口210。存储器204可包括操作系统212和数据214。根据本发明的示例性实施例，存储器204可构造或编程为具有一个或多个专用模块以便基于从线性平移感测装置如112和旋转角度感测装置如118接收的输入来控制液压促动器，如图1中的110。例如，存储器可包括伺服模块216和死区模块(或静带模块)218，这将在下文进一步描述。
图3描绘了典型的控制系统框图。该框图包括为用以示出可通过使用本发明的一些实施例来克服的问题。例如，图3中的控制系统300可在液压伺服系统中使用，通过用于入口引导导叶或可变定子导叶的位置控制的机械联动件作用在燃气轮机压缩机上。例如，位置命令或位置基准302可与反馈304求和来产生误差306。控制增益308可施加到误差306上以向伺服机构310提供输入，该伺服机构310可控制促动器312。促动器位置320可通过线性位置传感器318(例如，通过LVDT位置传感器)测量，且用于反馈304。在此情况下，引导导叶位置324可基于线性位置传感器318进行调整，该线性位置传感器318可通过联动件314与实际引导导叶分离。该控制系统300可用于调整联动件314的输出，以便匹配基准302的输出。假定联动件314是适合的且线性位置传感器318适当地校准，则线性位置传感器318的输出可足以预测引导导叶位置来用于反馈控制目的。
图4绘出了上述理想状况，其中，诸如图1中的114的联动件是适合的(例如，没有滞后或游隙)，且诸如图1中的112的线性平移感测装置得到适当地校准。例如，图4示出了理想的轨迹线406，其绘制成随引导导叶角度402对(或与，vs.)引导导叶命令404而变化。轨迹线406依从该假定完美的系统中的理想响应408，且在此情况下，简单的控制系统如图3中的300可足以控制此种适合的系统。
然而，利用用于将液压促动器冲头的线性运动转变成单独引导导叶的旋转运动的任何真正的机械联动件，不可避免地存在很小但为非零大小的超出界限(slop)或游隙，其由于联动构件之间的各种配合中的制造公差的累积而引起。该超出界限或游隙可导致在导叶定位系统上两种不期望的影响：(1)可能存在绝对定位准确度的损失，以及(2)由于诸如滞后的影响，可能存在可重复性的损失。本发明的示例性实施例可减轻这两种影响。
图5绘出了根据本发明示例性实施例的示范性的引导导叶角度对具有联动滞后的命令500的线图。在该图中，引导导叶角度502绘制为随引导导叶命令504而变化。如图4中那样，理想的轨迹线506示为两个变量(502，504)之间的线性关系。然而，如果诸如图1中的114的联动件并不完美，则实际引导导叶角度508可能并不依从理想的轨迹线506，而代替的是可能具有定位误差510。
在不同于现有的控制方法中，以及根据本发明的示例性实施例，由于联动系统(如图1中的114)中的游隙、非线性等造成的引导导叶定位误差可通过将使用线性平移感测装置(如图1中的112)在促动器(如图1中的110)处获得的测量结果与使用旋转角度感测装置(如图1中的118)在引导导叶处获得的测量结果相结合来至少部分地补偿或减小。
图6示出了根据本发明示例性实施例的组合式死区控制系统600的框图，其可利用引导导叶促动器位置622和引导导叶角位置624作为反馈，且另外利用死区处理620或模块来改善引导导叶控制中的定位准确度和可重复性。
根据本发明的示例性实施例，标称引导导叶基准信号602可用作对控制系统600的输入。标称引导导叶基准信号602可在求和点604与死区信号621求和，以产生引导导叶基准信号606。在一个示例性实施例中，测得的引导导叶促动器位置反馈信号619可从引导导叶基准信号606中减去，以及所产生的误差信号可在内部反馈回路626中使用。根据示例性实施例，内部反馈回路626可包括控制增益608、伺服机构610、液压促动器(具有位置极限)612，以及引导导叶促动器位置传感器618。根据本发明的示例性实施例，引导导叶促动器位置传感器618可提供引导导叶促动器位置反馈信号619以便在内部反馈回路626和外部反馈回路628内使用，这将在下文阐述。
根据本发明的示例性实施例，外部反馈回路628可接收引导导叶促动器位置622，其可用于控制联动系统(具有滞后)614，导致产生可由引导导叶角位置传感器616测量的引导导叶角位置624。在一个示例性实施例中，所产生的测得的引导导叶角位置反馈信号617可从测得的引导导叶促动器位置反馈信号619(通过内部反馈回路626产生)中减去，且所产生的误差可馈入死区处理620或模块。根据一个示例性实施例，死区处理620或模块可产生死区信号621，其可加至标称引导导叶基准信号602上。
根据一个示例性实施例，死区处理620可产生死区信号621，除非对死区处理620的相关输入信号超过预定大小，否则该死区信号621大约为零。根据一个示例性实施例，输出信号621在死区处理620的输入信号超过预定大小时可线性地与该输入信号相关。例如，除非相关输入信号超过满标度的大约0.05％，否则该死区信号621可包括大约为零的输出信号。如果输入信号超过满标度的大约0.05％，则死区输出信号621可线性地与死区处理620输入信号相关。根据本发明的示例性实施例，预定极限可根据需要而设定或调整，且例如范围可从满标度的大约0.01％至满标度的大约10％，这取决于联动系统的状态及其它因素。根据示例性实施例，死区信号621可基于引导导叶促动器(线性)位置622与引导导叶角位置624之间的差异。
图7为随时间变化且根据本发明的一个示例性实施例的示范性引导导叶基准位置的线图。该线图中的实线曲线表示示例性标称引导导叶基准位置702，其可用作对控制系统的输入，如图6中的602。当机械联动件(如图1中的114)包括游隙和/或滞后时，且当控制系统(如图3中的300)在仅使用来自于线性促动器的反馈(如图3中的304)的情况下使用时，则引导导叶位置可能不准确地依从标称引导导叶基准位置702。这种情况在图7中标记为704的曲线中绘出。然而，对于相对类似的机械系统(具有滞后)，当使用诸如图6中的组合式死区控制系统600时，具有线性和角度促动器反馈706的实际引导导叶位置可更为准确地依从标称引导导叶基准位置702。
现在将参照图8的流程图来描述用于控制至少一个涡轮引导导叶的示例性方法800。该方法800始于方框802，在其中，根据本发明的一个示例性实施例，该方法包括接收与至少一个涡轮引导导叶相关的基准信号。在方框804，该方法800包括测量与该至少一个涡轮引导导叶相关的促动器位置和角位置。在方框806，该方法800包括至少部分地基于角位置来产生死区信号。以及在方框808，该方法800包括至少部分地基于死区信号和基准信号来操纵该至少一个涡轮引导导叶。该方法800在方框808之后结束。
因此，本发明的示例性实施例可提供产生如下一些系统和方法的技术效果，这些系统和方法提供了以改善的准确度定位燃气涡轮或压缩系统的引导导叶。本发明的示例性实施例可提供以下进一步的技术效果，即提供了用于以改善的可重复性定位燃气涡轮或压缩系统引导导叶的系统和方法。
在本发明的示例性实施例中，直接导叶控制系统100，200和组合式死区控制系统600可包括实施为便于任何上述操作的任意数目的软件和/或硬件应用。
在示例性实施例中，一个或多个I/0接口可便于在直接导叶控制系统100，200和组合式死区控制系统600与一个或多个输入/输出装置之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行端口、盘驱动器、DC-ROM驱动器和/或一个或多个用户界面装置，如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等，它们可便于使用者与直接导叶控制系统100，200和组合式死区控制系统600交互作用。该一个或多个I/O接口可用于从广泛的多种输入装置中接收或采集数据和/或用户指令。接收到的数据可根据需要由本发明的各种实施例中的一个或多个计算机处理器处理，和/或储存在一个或多个存储装置中。
一个或多个网络接口可便于直接导叶控制系统100，200和组合式死区控制系统600的输入和输出连接到一个或多个适合的网络和/或连接上；例如，便于与任意数目的与系统相关的传感器进行通信的连接。该一个或多个网络接口还可便于连接到一个或多个适合的网络上；例如，局域网、宽域网、国际互联网、蜂窝网络、射频网络、BluetoothTM激活的网络、Wi-FiTM激活的网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等，以便与外部装置和/或系统进行通信。
根据需要，本发明的实施例可包括直接导叶控制系统100，200和组合式死区控制系统600，其具有多于或少于图1、图2和图6中所示的构件。
上文参照根据本发明的示例性实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本发明。将应理解的是，框图和流程图中的一个或多个方框，以及框图和流程图中的方框的组合可分别由计算机可执行程序指令来实现。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图中的一些方框可能并不必然地需要以现有的顺序执行，或可能并不必然地需要全部执行。
这些计算机可执行程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器或其它可编程数据处理设备上来产生特定的机器，使得在计算机、处理器或其它可编程数据处理设备上执行的指令形成用于执行在流程图的一个或多个方框中指定的一个或多个功能。这些计算机程序指令还可储存在计算机可读存储器中，该存储器可采用特定的方式指引计算机或其它可编程数据处理设备起作用，使得储存在计算机可读存储器中的指令产生包括执行流程图的一个或多个方框中指定的一个或多个功能的指令器件的制品。举例来说，本发明的实施例可提供计算机程序产品，包括具有计算机可读程序代码或包括于其中的程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适于执行以实施在流程图的一个或多个方框中指定的一个或多个功能。计算机程序指令还可加载到计算机或其它可编程数据处理设备上，以便形成一系列运算元件或步骤以在计算机或其它可编程设备上执行，从而产生计算机可执行的处理，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实施流程图的一个或多个方框中的指定功能的元件或步骤。
因此，框图和流程图中的方框支持用于执行指定功能的器件的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合，以及用于执行指定功能的程序指令器件。还将理解到的是，框图和流程图中的各方框，以及框图和流程图中的方框组合可由专用的基于硬件的计算机系统执行，该计算机系统执行指定的功能、元件或步骤，或专用硬件和计算机指令的组合。
尽管已结合当前认作是最为实用的各种实施例来描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是意图涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和同等布置。尽管本文使用了特定用语，但它们仅用于一般性和描述性的意义，而非出于限制的目的。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围限定在权利要求中，且可包括本领域普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于控制至少一个涡轮引导导叶的方法，包括：
接收与所述至少一个涡轮引导导叶相关的基准信号(602)；
测量与所述至少一个涡轮引导导叶相关的促动器位置(622)和角位置(624)；
至少部分地基于所述角位置(624)产生死区信号(621)；以及
至少部分地基于所述死区信号(621)和所述基准信号(602)来操纵所述至少一个涡轮引导导叶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生所述死区信号(621)还基于所述促动器位置(622)与所述角位置(624)之间的差异。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生所述死区信号(621)包括产生大约为零的输出信号，但如果相关输入信号超过预定大小则除外，以及其中，所述输出信号在所述输入信号超过所述预定大小时线性地与所述输入信号相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生所述死区信号(621)包括产生大约为零的输出信号，但如果相关输入信号超过满标度的大约0.05％则除外，其中，所述输出信号为连续的，且在所述输入信号超过满标度的大约0.05％时线性地与所述输入信号相关。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，操纵所述至少一个涡轮引导导叶还基于所述促动器位置(622)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，操纵所述至少一个涡轮引导导叶还基于内部反馈回路(626)，所述内部反馈回路(626)包括至少部分地基于所述促动器位置(622)的反馈。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，操纵所述至少一个涡轮引导导叶还基于包括所述角位置(624)的外部反馈回路(628)。
8.一种用于控制涡轮中的空气流的系统，包括：
燃气涡轮；
可操作以控制涡轮轴向空气流的至少一个引导导叶；以及
控制器，其构造成用以：
接收与所述至少一个引导导叶相关的基准信号(602)；
测量与所述至少一个引导导叶相关的促动器位置(622)和角位置(624)；
至少部分地基于所述角位置(624)产生死区信号(621)；以及
至少部分地基于所述死区信号(621)和所述基准信号(602)来操纵所述至少一个引导导叶。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述死区信号(621)还基于所述促动器位置(622)与所述角位置(624)之间的差异。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述死区信号(621)包括大约为零的输出信号，但如果相关输入信号超过预定大小则除外，以及其中，所述输出信号在所述输入信号超过所述预定大小时线性地与所述输入信号相关。
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