CN102536866A - 喘振前兆防护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及喘振前兆防护系统和方法，具体而言，提供了一种监视压缩机(100)的方法。该方法可包括以下步骤：确定叶片通过频率，对叶片通过频率上下的多个频率确定功率示数，针对多个预定时间间隔对这些频率确定最大功率示数对最小功率示数的比率，并对每个预定时间间隔分析该比率，以预测压缩机(100)的喘振状态(330)。

Description

喘振前兆防护系统和方法

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机等，且更具体地涉及用于通过测量叶片通过频率附近的功率变化而在压缩机中进行喘振前兆检测和防护的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机的压缩机压力比一般设定在远离喘振/失速边界的预定裕度(称为喘振裕度或失速裕度)处，以避免不稳定的压缩机运转。在用于发电或其它目的的燃气涡轮发动机中，较高的系统效率一般要求较高的压缩机压力比。然而，此类较高的压力比可能使得如果喘振或失速状态开始形成则必须减小运转喘振/失速裕度并因此缩短响应时间。

一种检测压缩机喘振或失速的方法是通过测量穿过压缩机的空气流量和压力上升来监视压缩机的健康状况。这些压力变动可归因于许多不同的因素，例如不稳定的燃烧、旋转失速和压缩机本身上的喘振事件。为了确定这些压力变动，可监视通过压缩机的压力上升的大小和变化率。然而，该方法并未提供旋转失速或喘振的预测能力。此外，该方法可能无法以充分的提前时间向控制系统实时提供信息以抢先处理此类事件。

因此，希望用于喘振事件前兆监视和防护的改进的系统和方法。此类系统和方法可以以充分的提前时间在实际喘振事件本身之前确定压缩机中喘振可能性的大小，以充分响应，从而避免损坏压缩机。

发明内容

因此，本发明提供一种监视压缩机的方法。该方法可包括以下步骤：确定叶片通过频率，对叶片通过频率上下的多个频率确定功率示数(power indication)，对于多个预定时间间隔对这些频率确定最大功率示数与最小功率示数之间的比率，并对每个预定时间间隔分析该比率，以预测压缩机的喘振状态。

本申请还提供了一种压缩机系统。该系统可包括：速度传感器，其用于获取转子的速度信号；压力传感器，其用于获取多个动态压力信号；以及控制器，其配置成从速度信号确定叶片通过频率，并对叶片通过频率上下的多个频率基于动态功率信号来确定喘振指示信号。

本申请还提供了一种监视压缩机中的喘振状态的方法。该方法可包括以下步骤：基于转子速度信号来确定叶片通过频率，基于多个动态压力信号来对叶片通过频率上下的多个频率确定功率示数，对于预定时间间隔对这些频率确定最大功率示数与最小功率示数之间的比率，对每个预定时间分析该比率，以预测压缩机的喘振状态，并向压缩机提供喘振指示信号。

在结合附图和所附权利要求阅读以下详细说明后，本申请的这些和其它特征和改进对本领域技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

图1是公知压缩机的一部分的截面图。

图2是可如本文所述的压缩机监视系统的示意图。

图3是示出用于可如本文所述的压缩机监视的快速傅立叶变换分析的流程图。

图4是叶片通过频率附近的功率变化的快速傅立叶变换图示。

部件列表

100    压缩机系统

110    转子

120    定子

130    空气流

140    传感器

150    速度传感器

160    压力传感器

170    压缩机控制器

180    滤波器

190    存储介质

200    信号处理器

202    速度-频率转换器

206    RMS转换器

210    喘振指示器

220    转子速度信号

230    动态压力信号

240    喘振指示信号

250    快速傅立叶变换分析

260    方框

270    方框

280    方框

290    方框

300    方框

310    方框

320    方框

330    喘振

具体实施方式

一般而言，高效燃气涡轮发动机以相对低的成本产生高电力输出。因此，此类高效燃气涡轮发动机中的压缩机可运转以产生对应于高燃烧温度的循环压力比。如上所述，压缩机可经历空气动力不稳定，例如失速和/或喘振状态，因为压缩机用于产生高燃烧温度或高循环压力比。经历此类失速和/或喘振状态的压缩机可导致可影响压缩机和整个燃气涡轮发动机的构件和运转效率的问题。

现参照附图，其中若干视图中相似的标号始终指的是相似的元件，图1示出了可如本文所述的压缩机系统100的一部分。压缩机系统100可包括转子110和定子120。空气流130可在转子110与定子120之间被逐渐压缩。典型地，此类压缩机系统100可使用多级压缩，其中定子120可构造成从转子110到后续的转子或气室准备和/或重新引导空气流130。在此可使用其它类型的压缩机构造。

压缩机系统100还可在其中包括多个传感器140。传感器140可感测可指示失速和/或喘振状态的多个压缩机运转参数。具体而言，传感器140可包括例如配置成检测转子110的转速的速度传感器150和配置成动态地检测转子110周围的压力的压力传感器160。在此可使用其它类型的传感器140并检测其它类型的运转参数。

图2示出了可如本文所述并且可与压缩机系统100一起使用的压缩机控制器170。压缩机控制器170可包括滤波器180、存储介质190、信号处理器200和喘振指示器210。在此也可使用其它构件。控制器170可与速度传感器150通信以获取转子速度信号220，并与压力传感器160通信以获取动态压力信号230。在此可使用其它类型的信号。

滤波器180接收这些信号220、230并可设置成从感测到的参数去除不希望的成分，例如高频噪音。在此可使用其它类型的滤波。如下文将更详细地描述的，可在移动窗口(moving window)范围对采样率执行经滤波的数据在一定时间周期上的缓存(或存储)。在一个实例中，移动窗口在约八(8)秒的周期上出现。在此可使用其它窗口长度。

存储介质190可构造成存储经滤波和/或缓存的数据。信号处理器200可联接到存储介质190上并配置成计算缓存的数据的快速傅立叶变换分析以便确定喘振的可能性。如下文将更详细地描述的，信号处理器200可包括速度-频率转换器202，以将转子速度信号220转换为叶片通过频率。叶片通过频率可以是机械速度和转子叶片数量的乘积。信号处理器200还可包括均方根(RMS)转换器206。RMS转换器206可计算动态压力信号230的均方根。喘振指示器210可联接到信号处理器200上并配置成响应于喘振可能性的判断来生成喘振指示信号240。喘振指示信号240可耦合到整个压缩机系统100上，以便在检测到喘振可能性的情况下采取诸如停机的修正措施和其它措施。

图3示出流程图，该流程图示出可用于部分基于转子速度信号220和动态压力信号230来确定喘振指示信号240的快速傅立叶变换分析250。在方框260中，从通过速度传感器150产生并由速度-频率转换器202转换的转子速度信号220确定叶片通过效率。在方框270，经由动态压力信号230对叶片通过频率上下的频带确定功率示数。功率示数可为如通过均方根转换器206确定的动态压力信号230的均方根。在本例中，可对叶片通过频率上下约24至约40赫兹的频带确定功率示数。在此可使用其它范围。这些频带中的功率示数可每秒监视约一次。在此可使用其它监视率。

在方框280，可对每个针对约八(8)秒的频率收集功率示数的窗口。因此，该窗口是叶片通过频率左右的每个频率中八(8)秒时间的功率历史。在方框290，对该窗口中的每个频率确定最小功率示数和最大功率示数。在方框300，对每个频率确定最大功率示数对最小功率示数的比率。在方框310，确定这些比率的最大比率。根据大小，最大比率因此可用作喘振指示信号240。在方框320，可以以每秒约一次的速度更新窗口。可使用其它更新速度。

图4示出了叶片通过频率附近的功率变化的快速傅立叶变换分析250的图示。在大约t＝1200秒处，这些比率的最大比率从前一时间周期(t＝0-1200秒)大致以约50％至400％的级别增大。如图所示，这些比率的最大比率的出现变得越频繁，对于指定的功率相对变化就存在越大的喘振可能性。另外，上述比率的大小差别越大，对于指定的功率相对变化就存在越大的喘振可能性。这种情况下，喘振330发生在约1600秒处，其中这些比率的最大比率的大小已比刚经过400秒的比率中的最大比率之前的大小增大超过两倍。根据该大小，这些尖峰中的一个(或其组合)可用作喘振指示信号240。

因此，快速傅立叶变换分析250测量压缩机系统100的控制器170的能力，以维持期望的速度设定点。随着喘振状态开始出现，控制器170可能丧失维持如通过叶片通过频率附近的较大的功率变化所示的设定点的能力。因此，快速傅立叶变换分析250显示压缩机系统100的稳定性或稳定性的缺乏。因此，喘振指示信号240的及时使用可避免潜在的压缩机损坏。

有利地，压缩机运转参数的长期快速傅立叶变换分析可减轻当前分析和运转过程的不足。此外，快速傅立叶变换分析可有助于精确捕获异常压力扰动并因此可通过使用比率因子等来使伪(false)压力喘振最小化。此外，这些前述优点可帮助在压缩机喘振或失速前精确预测喘振和/或失速状态的开始，并因此通过基于该预测来适当地控制运转参数而防止压缩机损坏。

应当明显的是，前文仅涉及本申请的某些实施例，并且本领域的普通技术人员可对本文做出许多变更和改型而不脱离如通过所附权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围。

Claims (11)

1.一种监视压缩机(100)的方法，包括：

确定叶片通过频率；

对所述叶片通过频率上下的多个频率确定功率示数；

针对多个预定时间间隔对所述多个频率确定最大功率示数对最小功率示数的比率；以及

对每个预定时间间隔分析所述比率，以预测所述压缩机(100)的喘振状态(330)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定叶片通过频率的步骤包括获取转子速度信号(220)并且将所述转子速度信号(220)转换为所述叶片通过频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定功率示数的步骤包括获取动态压力信号(230)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定功率示数的步骤包括获取所述动态压力信号(230)的均方根。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对在多个预定时间间隔对所述多个频率确定最大功率示数对最小功率示数的比率的步骤包括每秒确定所述比率约一次并将多个比率组织成窗口。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，组织所述多个比率的步骤包括将所述多个比率组织成约八(8)秒的窗口。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括更新所述窗口的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对每个预定时间间隔分析所述比率以预测所述压缩机(100)的喘振状态(330)的步骤包括获取多个最大比率并提供所述多个最大比率中的一个作为喘振指示信号(240)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向所述压缩机(100)提供所述喘振指示信号(240)的步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括生成快速傅立叶变换分析(250)图示的步骤。

11.一种压缩机系统(100)，包括：

速度传感器(150)，其用于获取转子(110)的速度信号(220)；

压力传感器(160)，其用于获取多个动态压力信号(230)；以及

控制器(170)，其配置成从所述速度信号(220)确定叶片通过频率并对所述叶片通过频率上下的多个频率基于所述多个动态功率信号(230)来确定喘振指示信号(240)。

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