CN106917685B - 入口排热控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及入口排热控制系统。具体而言，本申请提供了一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机(15)的入口排热控制系统(100)。入口排热控制系统(100)提供入口排热歧管(120)和与入口排热歧管(120)连通的喷射器(170)，使得喷射器(170)与压缩机排出空气(140)的流和环境空气(20)的流连通。

Description

入口排热控制系统
技术领域
本申请和所得的专利大体涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言涉及入口排热控制系统，其带有改进的流控制以用于在最小入口排热流水平下操作时减少输出损耗和耗热率损耗。
背景技术
高效且安全的燃气涡轮发动机操作需要压力比低于压缩机的操作极限线。特别地，高于操作极限线的压力比可造成压缩机喘振等。较高压力比可在例如使用低BTU燃料或带有稀释喷射的燃料和/或在冷环境温度条件下的应用中出现。压缩机压力比通常可大于涡轮压力比，这是由于涡轮压力比可在燃烧器中遭受压力损耗。压缩机喘振等可引起显著的损坏和产生的燃气涡轮发动机故障时间。
用于压缩机压力比保护的通常解决方案是排放燃气涡轮压缩机排出空气且使排放空气再循环回压缩机入口。这种入口排热控制通过将较冷环境空气与热压缩机排出空气的排放部分混合来升高压缩机入口空气的入口温度，从而减小至燃料涡轮的空气密度和质量流。
然而，当前的入口排热歧管可大小确定为使得需要最小流率以用于均匀流分布。结果，最小排热流可超过用于操作极限线保护和/或防冰保护所需要的流率。使用这种超过实际需要的最小排热流因此可造成燃气涡轮输出、耗热率和效率的损耗。
发明内容
本申请和所得的专利因此提供一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的入口排热控制系统。入口排热控制系统提供入口排热歧管和与入口排热歧管连通的喷射器，使得喷射器与压缩机排出空气的流和环境空气的流连通以用于在最小流水平下改进流控制。
本应用和所得的专利还提供一种操作入口排热控制系统的方法。该方法可包括以下步骤：判断操作参数是否需要入口排热，打开至喷射器的压缩机排出线路，打开至喷射器的过滤部线路，将压缩机排出空气与环境空气在喷射器中混合，使混合空气流至入口排热歧管，以及判断操作参数是否已经由混合流实现。
本申请和所得的专利还提供一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的入口排热控制系统。入口排热控制系统可包括入口排热歧管、与入口排热歧管连通的喷射器以及与压缩机和入口排热歧管连通的旁通线路。喷射器与压缩机排出空气的流和环境空气的流连通以形成混合流以用于在最小流水平下改进流控制。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的入口排热控制系统，包括：
入口排热歧管；和
与所述入口排热歧管连通的喷射器；
所述喷射器与压缩机排出空气的流和环境空气的流连通。
技术方案2. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述喷射器与带有所述环境空气的流的过滤部线路连通。
技术方案3. 根据技术方案2所述的入口排热控制系统，其中，所述过滤部线路包括其上的过滤部线路阀。
技术方案4. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述喷射器与带有所述压缩机排出空气的流的压缩机排出线路连通。
技术方案5. 根据技术方案4所述的入口排热控制系统，其中，所述压缩机排出线路包括其上的压缩机排出阀。
技术方案6. 根据技术方案5所述的入口排热控制系统，其中，所述压缩机排出线路包括其上的喷射器阀。
技术方案7. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热控制系统还包括定位在所述压缩机和所述入口排热歧管之间的喷射器旁通线路。
技术方案8. 根据技术方案7所述的入口排热控制系统，其中，所述旁通线路包括其上的旁通阀。
技术方案9. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热歧管包括多个声学喷嘴。
技术方案10. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热控制系统还包括控制器。
技术方案11. 根据技术方案10所述的入口排热控制系统，其中，所述控制器包括防冰信号。
技术方案12. 根据技术方案10所述的入口排热控制系统，其中，所述控制器包括操作极限线信号。
技术方案13. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热控制系统还包括所述入口排热歧管上游的过滤部。
技术方案14. 根据技术方案1所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热控制系统还包括所述入口排热歧管下游的多个入口导向导叶。
技术方案15. 一种操作入口排热控制系统的方法，包括：
判断操作参数是否需要入口排热；
打开至喷射器的压缩机排出线路；
打开至所述喷射器的过滤部线路；
将压缩机排出空气与环境空气在所述喷射器中混合；
使所述混合空气流至入口排热歧管；以及
判断所述操作参数是否已经由混合流实现。
技术方案16. 一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的入口排热控制系统，包括：
入口排热歧管；
与所述入口排热歧管连通的喷射器；
所述喷射器与压缩机排出空气的流和环境空气的流连通以形成混合流；以及
与所述压缩机和所述入口排热歧管连通的旁通线路。
技术方案17. 根据技术方案16所述的入口排热控制系统，其中，所述喷射器与其上带有过滤部线路阀的过滤部线路连通。
技术方案18. 根据技术方案16所述的入口排热控制系统，其中，所述喷射器与其上带有压缩机排出阀且其上带有喷射器阀的压缩机排出线路连通。
技术方案19. 根据技术方案16所述的入口排热控制系统，其中，所述旁通线路包括其上的旁通阀。
技术方案20. 根据技术方案16所述的入口排热控制系统，其中，所述入口排热控制系统还包括带有防冰信号和操作极限线信号的控制器。
在结合若干附图和所附权利要求阅读以下详细描述时，本申请和所得的专利的这些和其它特征与改进对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是带有入口排热控制系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是示出图1的入口排热控制系统的操作中的示例性步骤的流程图。
零件清单
10 燃气涡轮发动机
15 压缩机
17 入口导向导叶组件
20 空气
25 燃烧器
30 燃料
35 燃烧气体
40 涡轮
45 轴
50 负载
55 控制器
100 入口排热控制系统
110 入口过滤部
120 入口排放歧管
130 声学喷嘴
140 压缩机排出空气
150 压缩机排出线路
160 入口排热阀
170 喷射器
175 喷射器阀
180 过滤部线路
190 过滤部线路阀
200 旁通线路
210 旁通阀
220 极限线信号
230 防冰信号
240 电流逻辑
250 喷射器逻辑
260–380 步骤。
具体实施方式
现在参照附图，其中相似的标号贯穿若干视图表示相似的元件，图1示出了如可在本文中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括带有入口导向导叶组件17的压缩机15。压缩机15压缩进入的空气20的流。压缩机15将压缩的空气20的流输送至燃烧器25。燃烧器25将压缩的空气20的流与加压的燃料30的流混合且点燃混合物以形成燃烧气体35的流。虽然仅示出单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括定位成周向阵列的任何数目的燃烧器25。燃烧气体35的流继而输送至涡轮40。燃烧气体35的流驱动涡轮40以便产生机械功。涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15和外部负载50(诸如发电机等)。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气、液态燃料和/或其它类型的燃料及其混合物。燃气涡轮发动机10可为由纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任一者，包括但不限于诸如7或9系列重型燃气涡轮发动机的那些等。燃气涡轮发动机10可具有不同构造且可使用其它类型的构件。其它类型的燃气涡轮发动机也可在本文中使用。多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮以及其它类型的功率产生设备也可在本文中一起使用。
燃气涡轮发动机10可包括控制器55。控制器55可为独立控制器或与燃气涡轮控制系统集成。控制器55的示例是由纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司提供的SpeedtronicTMMark VITM控制系统。这种控制系统可设计成满足所有燃气涡轮控制需要，包括速度和负载控制功能以及温度控制功能。控制系统也可处理定序的辅助构件，以允许完全自动的起动、关闭和冷却。控制系统因此可提供针对不利操作条件等的总体燃气涡轮系统保护。所有这些功能可以集成的方式执行。其它类型的控制系统可在本文中使用。其它构件和其它构造可在本文中使用。
燃气涡轮发动机10可包括如可在本文中描述的入口排热控制系统100。入口排热控制系统100可包括定位在入口过滤部110和压缩机15的入口导向导叶17之间的多个构件。入口过滤部110可包括多个空气过滤器和/或滤网，其可移除湿气和颗粒物质(诸如来自进入的空气流20的灰尘和/或碎屑)。入口过滤部110可为常规设计且可具有任何合适的大小、形状或构造。其它构件和其它构造可在本文中使用。
入口排热控制系统110可包括入口排放歧管120。入口排热歧管120可包括多个声学喷嘴130等。任何数目的声学喷嘴130可在本文中使用。入口排热歧管120可具有任何合适的大小、形状或构造。入口排热歧管120可与加热的压缩机排出空气140的流连通。压缩机排出空气140可经由压缩机排出线路150传送至入口排热歧管120。压缩机排出线路150可具有其上的一个或多个入口排热阀160。入口排热阀160可为常规设计。入口排热阀160可与控制器55连通。
入口排热控制系统100可包括喷射器170。喷射器170可定位在入口排热歧管120上游的压缩机排出线路150上。压缩机排出线路150可在喷射器170上游包括其上的喷射器阀175。喷射器阀175可为常规设计。喷射器阀175可与控制器55连通。喷射器170还可经由过滤部线路180与入口过滤部110中的空气20的流连通。空气20的流可在环境温度和压力下。过滤部线路阀190可定位在其上。过滤部线路阀190可为常规设计。过滤部线路阀190可与控制器55连通。旁通线路200可与压缩机排出线路150连通以便根据需要绕过喷射器170。旁通阀210可定位在其上。旁通阀210可为常规设计。旁通阀210可与控制器55连通。其它构件和其它构造可在本文中使用。
喷射器170使压缩机排出空气140能够与来自入口过滤部110的环境空气流20的一部分混合以形成用于入口排热歧管120的混合流。大体上描述，喷射器170是不带有运动部分的机械装置。喷射器170基于动量传递将两种流体流混合。喷射器170具有用于高压压缩机排出空气140的运动空气入口、用于从过滤部线路180接收的较低压力环境空气20的吸入空气入口、降低静止压力的主喷嘴以及用于使混合流减速且恢复静止压力的扩散器。混合流因此相比于进入的压缩机排出空气140以及来自入口过滤部110的环境空气20的流在不同压力和温度下离开扩散器。喷射器170可具有任何合适的大小、形状或构造。其它构件和其它构造可在本文中使用。
入口排热控制系统100的操作可由控制器55控制。控制器55可接收例如操作极限线信号220、防冰控制信号230等。其它类型的信号和相关的传感器可在本文中使用。控制器55因此可包括用于操作极限线控制、防冰控制等的电流逻辑240。控制器55还可包括与电流逻辑240有关的用于操作喷射器170的喷射器逻辑250。其它构件和其它构造可在本文中使用。
图2示出了带有入口排热控制系统100的操作中的示例性步骤的流程图。在步骤260，燃气涡轮发动机10在操作中。在步骤270，控制器55可判断燃气涡轮发动机10需要防冰保护和/或已经达到或接近操作极限线。在步骤280，控制器55因此可选择在步骤290的防冰保护和/或在步骤300的操作极限线保护。如果在步骤290需要防冰保护，则控制器55可打开入口排热阀160、喷射器阀175以及过滤部线路阀190以在步骤310打开喷射器170。在步骤320，控制器55可应用电流逻辑240以判断仅通过喷射器170的使用是否已经实现防冰需要。如果实现，则然后在步骤330不需要额外流。如果未实现，则然后控制器55可在步骤340关闭喷射器阀175和过滤部线路阀190且打开旁通阀210以便绕过喷射器170，以便至少提供压缩机排出空气140的最小流。
如果在步骤280期望操作极限线保护，则控制器55可打开入口排热阀160、喷射器阀175以及过滤部线路阀190以在步骤350打开喷射器170。在步骤360，控制器55可应用电流逻辑240以判断仅通过喷射器170的使用是否已经实现操作极限线保护。如果实现，则然后在步骤370不需要额外流。如果未实现，则然后控制器55可在步骤380关闭喷射器阀175和过滤部线路阀190且打开旁通阀210以便绕过喷射器170，以便至少提供压缩机排出空气140的最小流。这些步骤仅为示例性的。其它和不同的步骤可在本文中以其它和不同顺序执行。
入口排热控制系统100因此可限制压缩机排出空气140的使用。相比于W2的大约0.5%到大约1%的常规流率，最小排热流率因此可为W2(压缩机空气流)的大约0%到大约1%。入口排热控制系统100因此允许需要的排热流率的较大控制以便降低与在当前最小排热流水平下操作相关联的总体输出损耗和耗热率损耗。总体燃气涡轮输出和效率因此可改进。
应当清楚的是，前述内容仅涉及本申请和所得的专利的某些实施例。许多改变和修改可由本领域的普通技术人员在本文中作出而不脱离由以下权利要求和其等同物限定的本发明的大体精神和范围。

Claims (13)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机(15)的入口排热控制系统(100)，包括：
入口排热歧管(120)；和
与所述入口排热歧管(120)连通的喷射器(170)；
所述喷射器(170)与压缩机排出空气(140)的流和环境空气(20)的流连通，
其中所述喷射器(170)与带有所述环境空气(20)的流的过滤部线路(180)连通，并且
其中所述过滤部线路(180)包括其上的过滤部线路阀(190)。
2.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述喷射器(170)与带有所述压缩机排出空气(140)的流的压缩机排出线路(150)连通。
3.根据权利要求2所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机排出线路(150)包括其上的压缩机排出阀(160)。
4.根据权利要求3所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述压缩机排出线路(150)包括其上的喷射器阀(175)。
5.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述入口排热控制系统还包括定位在所述压缩机(15)和所述入口排热歧管(120)之间的喷射器旁通线路(200)。
6.根据权利要求5所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述旁通线路(200)包括其上的旁通阀(210)。
7.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述入口排热歧管(120)包括多个声学喷嘴(130)。
8.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述入口排热控制系统还包括控制器(55)。
9.根据权利要求8所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述控制器(55)包括防冰信号(230)。
10.根据权利要求8所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述控制器(55)包括操作极限线信号(220)。
11.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述入口排热控制系统还包括所述入口排热歧管(120)上游的过滤部(110)。
12.根据权利要求1所述的入口排热控制系统(100)，其特征在于，所述入口排热控制系统还包括所述入口排热歧管(120)下游的多个入口导向导叶(17)。
13.一种操作入口排热控制系统(100)的方法，包括：
判断操作参数是否需要入口排热；
打开至喷射器(170)的压缩机排出线路(150)；
打开至所述喷射器(170)的过滤部线路(180)；
将压缩机排出空气(140)与环境空气(20)在所述喷射器(170)中混合；
使所述混合空气流至入口排热歧管(120)；以及
判断所述操作参数是否已经由混合流实现。
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