CN102889135A - 最大燃料流量下的燃气涡轮发动机速度控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及最大燃料流量下的燃气涡轮发动机转速控制系统和方法。提供用于选择性地对燃气涡轮发动机的转速进行控制的方法和设备，所述燃气涡轮发动机驱动具有活动入口导流轮叶的负载压缩机并且被联接用以高达最大燃料流速的燃料流速接收燃料。燃气涡轮发动机的转速和流向所述燃气涡轮发动机的燃料流速均被感测到。如果感测到的燃气涡轮发动机的转速小于预定值并且感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速等于或超过最大燃料流速，控制调节入口导流轮叶的位置，从而减小燃气涡轮发动机上面的负载压缩机的机械载荷。

Description

最大燃料流量下的燃气涡轮发动机速度控制系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机速度控制，且特别是，本发明涉及用于在最大燃料流量条件下对燃气涡轮发动机速度进行控制的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机可被用于为各种类型的车辆和系统提供功率。典型的燃气涡轮发动机至少包括压缩机、燃烧器和涡轮机，并且可根据燃气涡轮发动机的特定最终用途而包括附加的部件和系统。在燃气涡轮发动机运行过程中，压缩机吸入环境空气并且将环境空气的压力升高到相对较高的水平。来自压缩机的压缩空气随后受到引导而进入燃烧器中，在那里，燃料喷嘴环喷射稳定的燃料流。喷射燃料被点燃，这样会显著地增加压缩空气的能量。来自该燃烧器的高能压缩空气然后流入并且通过涡轮机，从而导致旋转安装的涡轮机叶片产生转动。

燃气涡轮发动机可被用于供给推进功率、电功率和/或气动功率。例如，许多飞行器将燃气涡轮发动机用作用于为各种系统和功能供给气动功率的辅助功率单元。这些系统和功能可以改变，并且可包括飞行器环境控制系统、机舱压力控制系统和/或主机启动（MES）空气。在许多实例中，通过将压缩空气从受涡轮机驱动的离心负载压缩机中放出从而提供气动功率。

更具体而言，在燃气涡轮发动机运行过程中，负载压缩机经由空气入口吸入环境空气并压缩所述空气。多个入口导流轮叶被安装在接近所述入口的位置处并且借助于一个或多个致动器可移动。通过对入口导流轮叶的位置进行选择性地调节，进入负载压缩机的空气的流速和由此的供给各种系统和功能的放气的流速可得到调节。

由于在可获得的燃料流速方面存在限制条件，因此上述燃气涡轮机在一些运行情况下可经历最大运行工况条件。例如，如果涡轮机上面的机械载荷过高，同时流向燃气涡轮发动机的燃料流速处于最大值，这种情况就有可能发生。当出现燃料输送条件受到限制的情况时，涡轮机速度将会开始下降低于指令速度。如果涡轮机速度下降过慢的话，那么燃气涡轮发动机的运行可能会受到危害。

因此，需要一种当出现燃料输送条件受到限制的情况时将会相对较快地减小涡轮机上面的机械载荷从而使得涡轮机速度可以快速恢复的系统和方法。本发明至少解决了该需求。

发明内容

在一个实施例中，一种用于选择性地对燃气涡轮发动机的转速进行控制的方法，所述燃气涡轮发动机驱动具有活动入口导流轮叶的负载压缩机并且被联接用以高达最大燃料流速的燃料流速接收燃料，所述方法包括以下步骤：感测燃气涡轮发动机的转速，感测流向燃气涡轮发动机的燃料流速并且控制入口导流轮叶的位置从而当感测到的燃气涡轮发动机的转速小于预定值并且感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速等于或超过最大燃料流速时减小燃气涡轮发动机上面的负载压缩机机械载荷。

在另一个实施例中，一种压缩机入口导流轮叶控制系统，包括：燃气涡轮发动机、负载压缩机、转速传感器、燃料流量传感器和控制装置。所述燃气涡轮发动机用于以高达最大燃料流速的燃料流速接收燃料。所述负载压缩机被联接至且机械加载所述燃气涡轮发动机。所述负载压缩机包括多个活动入口导流轮叶。所述转速传感器被构造用以感测燃气涡轮发动机转速并且供给表示所述转速的转速信号。所述燃料流量传感器被构造用以感测流向所述燃气涡轮发动机的燃料流速并且供给表示所述燃料流速的燃料流速信号。所述控制装置被联接以接收所述转速信号和所述燃料流速信号，并且被构造用以在接收到所述转速信号和所述燃料流速信号时控制入口导流轮叶的位置，从而当所述燃气涡轮发动机的转速小于预定值并且所述燃料流速等于或超过最大燃料流速时减小燃气涡轮发动机上面的负载压缩机机械载荷。

另外，通过结合附图和本发明的背景技术部分阅读下文中的对本发明的详细描述和所附的权利要求书，燃气涡轮发动机速度控制系统和方法的其它所希望的特征和特点将会变得更加明显。

附图说明

本发明将在下文中结合以下附图进行描述，在附图中使用相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是能够实施本发明的示例性辅助功率单元（APU）的一个实施例的示意图；和

图2是能够在图1所示APU中被实施的入口导流轮叶致动控制逻辑的一部分的一个示例性实施例的功能方块图。

具体实施方式

下文中的详细描述本质上仅是示例性的且并不是旨在限制本发明申请或者本发明的应用和使用。另外，本发明并不是旨在被前文中的背景技术部分和下文中的具体实施方式部分中所存在的任何理论所约束。在这方面，尽管入口导流轮叶致动和控制系统与方法被描述为在燃气涡轮发动机负载压缩机且特别是在辅助功率单元的负载压缩机中被实施，但是应该意识到：所述系统和方法也可在包括入口导流轮叶的各种其他的燃气涡轮发动机及其部件中被实施。此外，虽然为了清楚和易读起见，在本申请中示出的控制逻辑构造使用了离散的逻辑表示，但是应该意识到：所述控制逻辑也可以在硬件、软件、固件或其各种组合中得到实施。

下面转向图1，图中以简化示意图的形式示出了示例性辅助功率单元（APU）100的一个实施例。APU 100包括功率压缩机102、燃烧器104、功率涡轮机106和负载压缩机108。在APU 100的运行过程中，功率压缩机102将环境空气吸入入口，对所述空气进行压缩，并且将压缩空气供给至燃烧器104。应该意识到：压缩机102可利用当前已公知的或者在未来将被开发出来的多种类型的压缩机中的任何一种而得以实施。例如，功率压缩机102可以是单级或多极离心压缩机。

燃烧器104接收来自功率压缩机102的压缩空气，并且还接收来自图中未示出的燃料源经由燃料计量阀112的燃料流。所述燃料和压缩空气在燃烧器104内混合，并且被点燃从而产生相对高能的燃烧气体。燃烧器104可被实施为当前已公知的或者在未来将被开发出来的多种类型的燃烧器中的任何一种。当前已公知的燃烧器的非限制性实例包括：各种筒形燃烧器、各种反向流动型燃烧器、各种通流燃烧器、和各种折流燃烧器（slinger combustor）。

无论是使用何种特定的燃烧器构造104，在燃烧器104中产生的相对高能的燃烧气体被供应至功率涡轮机106。在所述高能燃烧气体膨胀通过功率涡轮机106时，所述高能燃烧气体冲击到涡轮机叶片（图1中未示出）上面，这样导致涡轮机106进行旋转。应该意识到：涡轮机106可利用当前已公知的或者在未来将被开发出来的多种类型的涡轮机中的任何一种而得以实施，包括，例如有轮叶的径流式涡轮机、无轮叶的径流式涡轮机和有轮叶的轴流式涡轮机。无论是使用何种特定的涡轮机，功率涡轮机106包括驱动功率压缩机102和负载压缩机108的输出轴114。尽管并未图示描述，但是应该意识到：功率涡轮机106，经由输出轴114，也可以驱动发电机、启动器-发电机和/或附属的齿轮箱。

正如前文中所述，负载压缩机108经由输出轴114受到功率涡轮机106的驱动。当受到驱动时，负载压缩机108经由多个入口导流轮叶116将环境空气吸入入口，并且对所述空气进行压缩。该压缩空气可经由放气阀118被供应至各种气动负载。为了清楚起见，气动负载并未在图1中示出，但是例如可包括：用于一个或多个主发动机的环境控制系统和主发动机启动空气。还应该意识到：负载压缩机108可利用当前已公知的或者在未来将被开发出来的多种类型的压缩机中的任何一种而得以实施。例如，负载压缩机108可以是单级或多极离心压缩机。

如上文中所述，环境空气经由多个入口导流轮叶116被吸入负载压缩机108中。入口导流轮叶116被设置在邻近负载压缩机108入口的位置处并且经由一个或多个入口导流轮叶致动器122可移动至多个位置处。如大体上已公知地，可通过调整入口导流轮叶116的位置从而调节进入和通过负载压缩机108的空气流量。入口导流轮叶致动器122和由此的入口导流轮叶116的位置经由入口导流轮叶控制逻辑125受到控制调节，所述入口导流轮叶控制逻辑125至少在本图示实施例中被设置在控制装置124内，下面对其一个实施例进行简要描述。

控制装置124被构造用以控制发动机100的总体运行。更具体而言，至少在本图示实施例中，控制装置124实施燃料控制逻辑以尤其是通过控制燃料计量阀112的位置从而控制调节流向燃烧器104的燃料流速。控制装置124还实施适当的控制逻辑以控制调节入口导流轮叶致动逻辑从而控制入口导流轮叶116的位置。由于对本发明而言不需要对燃料控制逻辑的详细描述，因此在此略去该描述。然而，在下文中将会对入口导流轮叶致动逻辑125的一部分和由此实施的功能性进行详细描述。

下面参见图2，图中示出了入口导流轮叶致动逻辑125的至少一部分的一个实施例的示意性功能图。虽然入口导流轮叶致动逻辑125实施本申请所述功能性的所述部分的构型和实施方式可发生变化，但是图示部分包括第一比较器202、第二比较器204和最大燃料入口导流轮叶控制装置206。第一比较器202被联接以接收表示燃气涡轮发动机（例如功率涡轮机106）转速的转速信号208。第一比较器202被构造用以将感测到的转速信号208与预定速度值212（例如SPEED）进行比较，并供给基于该比较结果的二进制输出。特别是，至少在图示实施例中，如果感测到的转速208小于预定速度值212，那么第一比较器202供给“逻辑值-1”（“logical-1”）；如果感测到的转速208不小于预定速度值212，那么第一比较器202供给“逻辑值-0”（“logical-0”）。应该意识到：用于预定速度值212的该特定值可以改变，但是优选被设定为等于最大运转速度的一定百分比的数值。例如，在一个特定实施例中，该预定速度值212为最大运转速度的98%。

第二比较器204被联接以接收表示燃气涡轮发动机（例如燃烧器104）燃料流速的燃料流量信号214。第二比较器204被构造用以将燃料流量信号208与预定流量值216（例如MAX_FUEL）进行比较，并供给基于该比较结果的二进制输出。特别是，至少在图示实施例中，如果感测到的燃料流量214等于预定流量值216，那么第二比较器204供给“逻辑值-1”（“logical-1”）；如果感测到的燃料流量214不等于预定流量值216，那么第二比较器204供给“逻辑值-0”（“logical-0”）。应该意识到：用于预定流量值216的该特定值可以改变，但是优选被设定为等于最大燃料流速的98%的数值，该数值能够被受控地输送给燃气涡轮发动机100。

在继续进行之前，应该注意到：转速信号208和燃料流量信号214可由多个源中的任一个源供给。然而，在图示实施例中，转速信号208由转速传感器126（参见图1）供给，所述转速传感器被构造用以感测燃气涡轮发动机100的转速并且将转速信号208供给第一比较器202。应该意识到：转速传感器126可利用多种类型的传感器中的任何一种而得以实施。燃料流量信号214由传感器128（参见图1）供给，所述传感器被构造用以或是直接地或是间接地感测流向燃气涡轮发动机100的燃料流量。也就是说，传感器128可使用用以直接感测流向燃气涡轮发动机100的流速的流速传感器而得以实施。另一种可选方式是，传感器128可使用例如用以间接感测流量控制阀例如燃料计量阀112的位置，根据所述位置或基于发送至112的燃料需求输出信号而计算出的燃料流量获得由此的基本燃料流速的位置传感器而得以实施。

下面返回对入口导流轮叶致动逻辑125的描述，可以看到：第一比较器202和第二比较器204的输出被供给与逻辑（AND-logic）218的独立的输入端。如大体上已公知地，当与逻辑的所有输入端都是“逻辑值-1”（“logical-1”）时，与逻辑将会供给“逻辑值-1”；否则与逻辑将会供给“逻辑值-0”。因此，仅当感测到的转速208小于预定速度值212且感测到的燃料流量214等于预定流量值216时，图示与逻辑218将会供给“逻辑值-1”。与逻辑218的输出被联接至最大燃料入口导流轮叶控制装置206上面的使能输入端（ENABLE input）。因此可以意识到：仅当与逻辑218的输出为“逻辑值-1”时，最大燃料IGV（入口导流轮叶）控制装置206被使能（被启用），否则不被使能。

通过阅读上面的描述，仅当感测到的燃气涡轮发动机的转速202小于预定速度值212，且感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速204等于或大于预定流量值216时，该最大燃料IGV（入口导流轮叶）控制装置206被使能。最大燃料IGV（入口导流轮叶）控制装置206被构造，当它被使能时，用以以减小功率涡轮机106上面的负载压缩机108的机械载荷的方式控制调节入口导流轮叶116的位置。因此可以意识到：最大燃料IGV（入口导流轮叶）控制装置206在被使能时会将入口导流轮叶116移动至一个更加封闭的位置。这样做会防止涡轮机处于速度不足的状态。

最大燃料IGV（入口导流轮叶）控制装置206能够被构造，当它被使能时，用以将入口导流轮叶116移动至一个固定的预定位置，或者用以选择性地调节入口导流轮叶116的位置。如果被构造用以实施后者的功能性，且如图2另外所示地，最大燃料IGV控制装置206也可以被联接用以接收表示燃气涡轮发动机100的指令转速的速度指令222。该最大燃料IGV控制装置206，响应于速度指令222，将会选择性地调节入口导流轮叶116的位置，从而将燃气涡轮发动机100的转速控制调节为所述指令转速。

另一种可选方式是，该最大燃料IGV控制装置206能够被构造，当它被使能时，用以将入口导流轮叶116移动至一个固定的预定位置，这将会使得流向燃气涡轮发动机100的燃料流量下降低于能够被受控地输送给燃气涡轮发动机100的最大燃料流速。结果是，燃料流速再一次被用以控制调节燃气涡轮发动机100的速度。经由燃料控制装置对燃气涡轮发动机进行控制明显比使用入口导流轮叶控制速度更快速。

代替的是，入口导流轮叶致动逻辑125可被构造用以预测燃气涡轮发动机100是否且何时将会处于指示最大燃料流量的状态下。如果它被构造以实施该功能性，且如图1附加示出地，那么控制装置124还可包括其上面储存有历史发动机运行数据的存储器132。该历史发动机运行数据可以改变，但是至少是在以前的发动机运转过程中采集的发动机运行数据的子集。可被采集和储存在存储器中的数据类型的一些实例包括燃气涡轮机效率、燃气涡轮机性能、机械载荷与燃料需求比、负载压缩机效率、环境压力和环境温度。

不管是什么具体类型的数据被储存在存储器132中，入口导流轮叶致动逻辑125被联接以选择性地取回历史发动机运行数据。入口导流轮叶致动逻辑125被进一步构造以对取回的数据进行处理从而预测是否：感测到的流向燃气涡轮发动机100的燃料流速等于最大燃料流速，同时感测到的燃气涡轮发动机100的转速小于预定的速度值212。如果最大入口导流轮叶致动逻辑125预测这种状态将会发生，那么就会建立起用于入口导流轮叶116的最大位置限度。该最大位置限度对应于最大入口导流轮叶位置，其将会防止感测到的流向燃气涡轮发动机100的燃料流速等于最大燃料流速216，同时感测到的燃气涡轮发动机100的转速小于预定的速度值212。如可以意识到地，在后面的实施例中，如果需要的话，可以不实施图2所示的逻辑装置。

本申请中所描述的系统和方法在出现或预测出现受限燃料输送条件时将会相对快速地减小燃气涡轮发动机100上面的机械载荷，从而使得燃气涡轮发动机的速度可快速得到恢复或者不会下降。

虽然在上文本发明的详细描述中介绍了至少一个示例性实施例，但应当认识到本发明具有其他大量的变化形式。还应当认识到，上述示例性实施例只是实施范例，而并不是想要以任何方式对本发明的范围，应用或构成形成任何限制。相反，前述详细描述为本领域技术人员实施本发明的实施例提供了便捷的路线图。应当理解的是，在不脱离后附权利要求书所公开的本发明范围的情况下，对实施例中描述的元件的功能和布置的可以进行各种变化。

Claims (8)

1.一种选择性地对驱动具有活动入口导流轮叶的负载压缩机的燃气涡轮发动机的转速进行控制的方法，所述燃气涡轮发动机被联接用以高达最大燃料流速的燃料流速接收燃料，所述方法包括以下步骤：

感测燃气涡轮发动机的转速；

感测流向燃气涡轮发动机的燃料流速；并且

控制入口导流轮叶的位置从而当（i）感测到的燃气涡轮发动机的转速小于预定值并且（ii）感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速等于或超过最大燃料流速时减小燃气涡轮发动机上面的负载压缩机机械载荷。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收表示燃气涡轮发动机的指令转速的速度指令；和

选择性地调节入口导流轮叶的位置，从而将燃气涡轮发动机的转速控制调节为所述指令转速。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使所述入口导流轮叶移动至导致感测到的燃料流速小于最大燃料流速的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

接收表示燃气涡轮发动机的指令转速的速度指令；和

控制所述流向燃气涡轮发动机的燃料流速，从而将燃气涡轮发动机的转速控制调节为所述指令转速。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收历史发动机运行数据；

至少对所述历史发动机运行数据进行处理，从而预测是否：感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速等于最大燃料流速，同时感测到的燃气涡轮发动机的转速小于预定值；以及

建立用于入口导流轮叶的最大位置限度，其将会防止感测到的流向燃气涡轮发动机的燃料流速等于最大燃料流速，同时感测到的燃气涡轮发动机的转速小于所述预定值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述感测流向燃气涡轮发动机的燃料流速的步骤包括使用流速传感器直接感测燃料流速。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述感测流向燃气涡轮发动机的燃料流速的步骤包括基于流量控制阀的位置间接感测燃料流速。

8.一种压缩机入口导流轮叶控制系统，包括：

燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机用于以高达最大燃料流速的燃料流速接收燃料；

负载压缩机，所述负载压缩机被联接至且机械加载所述燃气涡轮发动机，所述负载压缩机包括多个活动入口导流轮叶；

转速传感器，所述转速传感器被构造用以感测燃气涡轮发动机转速并且供给表示所述转速的转速信号；

燃料流量传感器，所述燃料流量传感器被构造用以感测流向所述燃气涡轮发动机的燃料流速并且供给表示所述燃料流速的燃料流速信号；和

控制装置，所述控制装置被联接以接收所述转速信号和所述燃料流速信号，所述控制装置被构造用以在接收到所述转速信号和所述燃料流速信号时控制入口导流轮叶的位置从而当（i）所述燃气涡轮发动机的转速小于预定值并且（ii）所述燃料流速等于或超过最大燃料流速时减小燃气涡轮发动机上面的负载压缩机机械载荷。

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