CN115898655A - 涡轮设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮设备和一种用于操作涡轮设备的相关方法。涡轮设备1包括压缩装置7、燃烧装置9、控制装置33和用于感测流体湿度的感测装置35，其中感测装置35感测压缩流体的湿度，并且控制装置33配置为基于感测到的湿度控制燃料供应。该设备和方法允许改进的燃烧温度控制和更高的燃料效率。

Description

涡轮设备

技术领域

本发明涉及涡轮设备和操作涡轮设备的方法。

背景技术

涡轮设备在本领域中是已知的，并且用于从燃料与包含在工作流体中的氧化剂的燃烧反应中释放的能量中提取驱动功率。这些设备在各种应用中实现，例如作为发动机的一部分来驱动飞机、机动车辆、海船、直升机，或在发电厂中驱动发电机。设备控制单元用于控制所述涡轮设备的燃烧反应。设备控制单元收集和处理许多机器数据点，例如涡轮每分钟的转数、设备温度、设备压强或油门杆位置，以控制设备运行参数。

工作流体的特性影响设备的操作和性能。特别地，工作流体的成分可以包括一部分水，这可以显著影响所产生的驱动功率。一方面，液滴或冷凝形式的液态水会降低压缩效率、热循环效率或压缩机叶片寿命，并干扰压强仪表。另一方面，工作流体中以蒸汽形式包含的水会改变所述流体的热力学性质。特别是修改了流体在恒定压强下的比热容，这会影响燃烧反应产生的温度。燃烧温度反过来又决定了驱动功率、燃料效率以及污染物燃烧排放的数量和比例。

同时，许多涡轮设备面临着工作流体的水含量明显波动的风险，这与设备所在位置的环境条件一致。对于使用环境空气作为工作流体的涡轮设备，这种波动通常可能是由季节性、气候波动、设备海拔高度变化或气象事件引起的。

这为控制供应给燃烧装置以与工作流体一起燃烧的燃料量带来了困难。传统技术试图解决这个困难，例如通过基于温度值模拟湿度。然而，这些技术对从特定燃料控制获得的驱动功率的准确性和可靠性存在固有限制。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是提出一种具有改进的燃料控制并因此改进的燃料效率和燃烧排放控制的涡轮设备。

这个目的通过根据权利要求1的涡轮设备来实现。这种涡轮设备包括用于压缩流体的流体压缩装置、用于向燃烧装置供应燃料的燃料供应装置，该燃烧装置被配置为燃烧压缩流体和供应的燃料的混合物，并且其特征在于，还包括用于感测压缩流体的湿度的感测装置和被配置为基于感测到的湿度控制燃料供应的控制装置。

通过提供所述感测装置，可以在后压缩阶段准确和可靠地确定涡轮设备工作流体的水含量。在这个阶段，工作流体特性与燃烧控制相关。对水分数的了解允许改进对实现期望燃烧温度所需的燃料量的确定，从而改进对功率输出、燃料效率和污染物排放的控制。感测装置可以采用任何装置的形式，该装置能够提供与代表工作流体中的水分数的值直接相关的输出信号，所述值例如相对湿度、绝对湿度等。

感测压缩流体的湿度直接提供湿度值，该湿度值与物理特性或额外测量的使用无关。因此，需要更少的用于确定压缩后工作流体水含量的实施工作和计算步骤。因此，湿度测定更可靠，更不容易受到影响精度的误差因素的影响。

根据一个实施例，感测装置可以包括至少一个电容和/或电阻湿度感测元件。电容和/或电阻感测技术提供了具有良好精度的传感器，同时紧凑且易于安装。它们也适合集成到已经设计好的涡轮设备中。

在一实施例中，电容性质的感测装置可以包括无机介电层作为感测元件。与例如基于有机聚合物的感测元件相比，这种类型的感测元件可以允许传感器具有更高的耐用性和对化学老化效应的抵抗力。这在通常出现在涡轮设备的燃烧位置附近的严酷环境中特别有意义。这种恶劣的环境可能是由高温和/或高压或来自振动和流动湍流的机械应力造成的。此外，基于无机层的传感器可以提供优于传统聚合物湿度传感器设备的响应时间，从而提高控制效率。

在一实施例中，设备的湿度感测装置可以包括形成在所述无机介电感测层上的叉指电极。这种类型的电极布置可能特别适用于方便且具有成本效益的批量生产。

在一实施例中，感测装置可以布置在流体压缩装置和燃烧装置之间。在这样的布置中，工作流体的湿度在即将燃烧之前在其压缩状态下被感测。同时，测量被燃烧效应污染的风险较小，燃烧效应特别是由燃烧引起的工作流体的组成变化。因此，这种布置将允许对用于燃烧的工作流体湿度进行特别有代表性的测量。

在一实施例中，感测装置可以被配置为在超过250℃，优选超过325℃，甚至更特别地超过400℃的温度下运行。在这样的配置中，感测装置适合于在燃烧附近进行感测，例如在发动机的压缩机出口和燃烧器入口之间，在那里通常出现这样的温度条件。

在一实施例中，感测装置可以被配置为在超过15bar、优选地高于20bar并且甚至更特别地高于25bar的压强下运行。在这样的配置中，感测装置适合于在燃烧附近进行感测，例如在压缩机出口和燃烧器入口之间，在那里通常会出现这样的压强条件。

本文所描述的发明的设备可用于多种目的和应用。在一实施例中，涡轮设备可以包括在发动机中，该发动机还包括涵道风扇或螺旋桨。这种发动机可以以改进的湿度感测来驱动交通工具，例如飞机、直升机或海船。替代地，所述发动机可以是配备有涡轮增压器的汽车活塞发动机。这可以减少燃料消耗，从而减少所述交通工具的运营成本和转场航程。

在另一实施例中，本文所描述的发明的设备可以包括在发电机中，例如作为燃气发电厂的一部分。这种发电机可以在工作流体中含水量高的情况下运行，并且因此特别受益于压缩后工作流体的准确湿度感测数据，以便控制燃烧污染物排放。

上述目的还通过提供一种根据权利要求10的操作涡轮设备的方法来解决，特别是通过根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮设备，包括压缩流体、供应燃料、燃烧压缩流体和供应的燃料的步骤，其特征在于，还包括感测压缩流体的湿度和基于感测的湿度控制燃料供应的步骤。所述方法可以通过工作流体的更具代表性的湿度测量来提供改进的燃料控制。

所述方法可以包括感测压缩装置和燃烧装置之间的压缩流体的湿度。这提供了对燃烧阶段之前处于其压缩状态的流体湿度的感测，因此所述感测受到燃烧效应污染或损害的风险较小，燃烧效应特别是燃烧导致的工作流体的成分变化。因此，这种布置将允许获得用于燃烧的工作流体湿度的代表性测量。

所述方法可以包括在流体温度高于250℃，优选高于325℃，甚至更特别地高于400℃时感测压缩流体的湿度。类似地，所述方法可进一步包括在流体压强高于15bar，优选高于20bar，甚至更特别地高于25bar时感测压缩流体的湿度。如上文进一步描述的，在这些条件下的感测可以适合于在燃烧位置附近进行感测，例如在压缩机出口和燃烧器入口之间，这些条件通常发生在该处。

附图说明

通过结合附图仔细研究以下对本发明的当前优选示例性实施例的更详细描述，将更全面地理解和认识本发明的这些以及其他目的和优点，在附图中：

图1示出了根据本发明的涡轮设备的实施例的横截面图。

图2示出了根据本发明的用于感测湿度的传感器的实施例的视图。

图3示意性地示出了根据权利要求10的方法的示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的涡轮设备的实施例的横截面图。在该实施例中，涡轮设备1包括机舱3、具有流体压缩装置7的入口5、燃烧装置9、涡轮部分11、喷嘴13和出口15。所示的涡轮设备1是喷气发动机，其可被指定为双转子(twin-spool)涡轮喷气发动机。然而，本发明可以应用于任何类型的涡轮设备，例如涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、配备有涡轮增压器的汽车发动机或发电机燃气涡轮。在该实施例中，工作流体，即从入口5输送的环境空气，通过压缩装置7中的压缩而经受压强增加，并且由于燃烧装置中的热能供应而经受温度增加。加热和加压的流体经过涡轮部分11的膨胀在轴17和19上产生扭矩，并且在喷嘴13中的膨胀产生对机舱3的推力。

压缩装置7加速从入口5输送的流体并将产生的动能转换成压强势能。它包括布置在内低压轴19上的用于第一压缩级的低压压缩机21，以及布置在外高压轴17上的用于第二压缩级的高压压缩机23。设备的压缩比是整体热循环效率的关键参数。压缩后产生的压强可能超过25bar。

燃烧装置9布置在压缩装置的下游并且包括连接到燃料供应装置27的燃烧器25。燃烧器25用作发生燃烧反应的燃烧室。燃烧发生在压缩流体(此处为压缩空气)和由燃料供应装置27喷射的燃料(例如煤油)之间。燃料供应装置27负责将燃料输送到燃烧器以进行燃烧反应。燃料供应装置27可以经由流动链路从燃料储存器(未示出)吸取燃料并且经由燃料喷射器(未示出)将其供应到燃烧器25。燃烧装置9还可以包括图1中未示出的扩散装置、涡流装置、点火装置等。

燃烧装置9下游的涡轮部分11包括低压涡轮29和高压涡轮31。低压涡轮29和低压压缩机21安装在公共的低压轴19上。高压涡轮31和高压压缩机23安装在单独的外高压轴17，外高压轴17与低压轴19上同轴对齐。由于轴17和19机械独立地旋转，低压和高压压缩机21和23分别由单独的涡轮29和31驱动，这允许更高的压缩比同时避免低流速下的稳定性问题。

涡轮设备还包括控制装置33。通常，控制装置33采用称为电子控制单元(ECU)的数字计算机的形式。然而，控制装置可以包括数字、液压机械、电子或其他装置的任何组合。ECU可以集成在更大的控制系统中，例如全权限数字电子控制(FADEC)系统，该系统控制车辆的所有方面。控制装置33用于控制燃料供应装置27。

根据本发明，涡轮设备1还包括用于湿度感测的感测装置35。在图1的该实施例中，用于感测湿度的感测装置35是放置在压缩装置7和燃烧装置9之间的机舱3的内表面上的湿度传感器。然而，感测装置也可以不同地定位，例如在外轴17的表面上，或者在低压压缩机21和高压压缩机23之间，或者邻近燃烧器25入口，或者在燃烧装置9内部、邻近燃烧器25外壳。

在优选实施例中，感测装置35包括电容和/或电阻感测元件。这些感测元件经历电容变化和/或根据水蒸气变化，这种效应可用于确定湿度。这种类型的感测装置提供了良好的精度，同时紧凑且易于安装。因此，它特别适合集成在已经设计和当前制造的涡轮设备中。感测装置可以使用多孔或无孔、无机、金属或纳米结构薄膜作为感测元件。

图2示出了这样一种湿度传感器，它在优选的实施例中可以用作感测装置35以感测湿度。该传感器包括无机介电层形式的电容感测元件41，并提供快速的亚秒级感测响应时间，以及对恶劣环境的高耐受性。因此，图2的无机介电层传感器适用于涡轮设备1的在压缩后和/或接近燃烧出现的严酷环境。特别是，这些传感器可以配置为在所述压缩后环境中出现的高于400℃的温度和高于25bar的压强下运行。在EP3495807A1或EP3584570A1中描述了这种传感器的示例，它们的描述通过引用包含在本文中。

在先前实施例的进一步改进中，所述无机介电层41可以布置有叉指电极43a、43b，如图2所示。这种类型的组合可以通过普通工业半导体制造或高产微加工技术方便且经济高效地批量生产。EP3812754A1提供了这种传感器的示例，其描述通过引用并入本文。

感测装置35提供输出信号37，其可以采用电的、机械的、电磁的或任何其他可想到的形式并且被中继到控制装置33，如图1的实施例中所示。控制装置33从感测装置35接收代表工作流体湿度的信号形式的输入37，并通过输出信号39作为燃料流量的调节杠杆来控制燃料供应，例如使用去往燃料喷射器压力泵(未示出)的信号。控制装置33确定要供应用于燃烧的燃料量，并且可以进一步确定燃料供应的模式和位置。

通常，控制装置考虑各种输入数据以确定要喷射的燃料量。根据本发明，控制装置33考虑来自感测装置35的压缩工作流体的准确湿度值。这通常有利于控制一个或多个设备参数，因为工作流体的水含量会影响其主要物理特性，例如分子量和密度。特别是，水含量决定了工作流体在恒定压强下的比热容，因此决定了为获得所需的温度升高而必须传递的热量。由于在热力学上模拟为热机的涡轮设备的情况下，去往燃烧装置的燃料供应可被理想化为热量供应，所以压缩工作流体的这种湿度测量对于燃烧反应的控制特别有意义。因此，通过更准确地确定工作流体的比热容，可以更准确地预测与为燃烧提供的燃料量相关的燃烧反应动态。因此，可以在最佳目标温度附近对燃烧温度进行更高水平的“调整”或校准。

作为本发明的一个特别的优点，燃烧温度控制的改进水平可以允许降低包括在最高温度设计点中的关于临界冶金极限的安全公差。由于设备材料经受蠕变效应，高温可能使设备部件变形或熔化，特别是与加热的燃烧装置9排出流体接触的涡轮29和31的受高应力的金属叶片。因此，材料蠕变强度和寿命要求强加了临界温度值，这限制了最大允许温度，从而限制了峰值功率输出。燃烧温度控制的改进水平因此可以增加最大设备功率输出，这又可以降低设备的特定燃料消耗。

关于从涡轮设备1排出的污染物排放，直接从改进的燃烧温度控制中获得了额外的特殊优势。碳氢化合物燃烧反应的更高燃料效率意味着更低的温室气体排放，例如水蒸气和二氧化碳，以及更低的未燃烧燃料排放。此外，已经确定碳氢化合物-燃料燃烧反应的温度对反应副产物的构成(如氮氧化物、一氧化碳或臭氧)有很大影响。因此，改进的燃烧温度控制可以改进污染物排放目标的实现。

必须注意的是，已经设想了多种设备构造，特别是压缩装置7和涡轮部分11的布置，并且可以将其应用于本发明。替代实施例可以包括改变每个涡轮或压缩机的轮盘(rotor)数量，增加压缩机或涡轮的更多转子(spool)，增加用于压缩的机舱的定子叶片，增加用于适应轴动力传输或方向的齿轮，流动系列的非轴向排列，替代的压缩机技术，例如离心或混流压缩，增加用于涡轮叶片的冷却机构，增加后燃器的后涡轮部分，增加注入压缩部分的水，增加压缩装置的可变定子叶片，等等。

通常，当需要变速负载和易于启动时，例如在车辆中，多轴布置可能更适合。例如，在涡轮设备1的实施例中，图1的双转子设备可以根据权利要求8而布置，以驱动同轴安装在内低压轴19上的涵道风扇，例如在涡轮风扇发动机中。类似地，涡轮设备在其他实施例中可以布置成驱动螺旋桨，例如在涡轮轴或涡轮螺旋桨发动机中，有利地具有通过齿轮箱的适应性动力传输。

可以根据权利要求9构想另一有益的布置，其中发电机由本发明的涡轮设备提供动力。单轴布置可能更适合这种基于地面的涡轮的固定的高基本负载发电要求。对所述发电机的低排放的严格要求，同时要求稳定运行，使得精确的湿度测量对于精确的燃烧温度控制特别有用。

现在将参照图3描述根据本发明的第二实施例的操作涡轮设备的方法。例如，根据如图1所示的第一实施例的涡轮设备可以根据本发明的方法操作。如图3所示，几个步骤依次执行。该方法从压缩流体的处理步骤45开始。例如，压缩用作涡轮设备1的工作流体的流体，其中所述流体经由入口5进入并被压缩装置7压缩。

在步骤47中，燃料被供应并与压缩流体混合，从而为发生燃烧反应提供条件。例如，燃料供应装置27经由加压喷射将燃料输送到燃烧器25，在燃烧器25中，所述燃料与压缩流体混合。在步骤49中，所述流体和燃料的混合物例如在燃烧装置9中燃烧。

根据本发明，在进一步的步骤51中感测在步骤45中压缩的流体的湿度。在该方法的该实施例中，感测湿度的步骤51在压缩装置和燃烧装置之间进行(例如图1的物体7和9)，因此在相当恶劣的环境中进行。感测发生在超过400℃的温度和超过25bar的压强中，例如在图1的涡轮设备实施例的典型运行中可能发生的情况。

在进一步的步骤53中，根据在步骤51中感测的湿度含量来控制在步骤47中供应的燃料量。采用这种方法，涡轮设备可以以改进的燃烧温度控制精度运行。如前面关于涡轮设备的部分所述，基于感测到的湿度值操作控制提供了允许增加峰值功率输出和降低设备的单位功耗的好处。

在不脱离由所附权利要求的范围限定的本发明的范围的情况下，对前述本发明的实施例的修改和对实施例的组合是可能的。用于描述和要求保护本发明的诸如“包括”、“包含”、“由……组成”、“具有”和“是”的表达旨在以非排他性的方式来解释，即允许未明确描述的项目、部件或元件也存在。对单数的引用也被解释为与复数有关。

附图标记

1涡轮设备

3机舱

5入口

7压缩装置

9燃烧装置

11涡轮部分

13喷嘴

15出口

17外高压轴

19内低压轴

21低压压缩机

23高压压缩机

25燃烧器

27燃料供应装置

29低压涡轮

31高压涡轮

33控制装置

35用于感测湿度的感测装置

37感测装置输出信号

39控制装置输出信号

41无机介电层感测元件

43a、43b传感器叉指电极

45压缩流体

47供应燃料

49燃烧压缩的流体和供应的燃料

51感测压缩流体的湿度

53基于感测到的湿度控制燃料供应

Claims (12)

1.一种涡轮设备，包括：

流体压缩装置(7)，用于压缩流体；

燃料供应装置(27)，用于向燃烧装置(9)供应燃料，所述燃烧装置(9)被配置为使压缩流体和供应的燃料的混合物燃烧；

其特征在于，还包括用于感测压缩流体的湿度的感测装置(35)和配置为基于感测到的湿度来控制燃料供应的控制装置(33)。

2.根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述感测装置(35)包括至少一个电容和/或电阻湿度感测元件(41)。

3.根据权利要求2所述的涡轮设备，其中，所述感测元件(41)是无机介电感测层。

4.根据权利要求3所述的涡轮设备，其中，所述感测装置包括形成在所述无机介电感测层(41)之上的至少一对叉指电极(43a、43b)。

5.根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述感测装置布置在所述流体压缩装置(7)和所述燃烧装置(9)之间。

6.根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述感测装置(35)被配置为在高于250℃、优选高于325℃、甚至更特别地高于400℃的温度下运行。

7.根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述感测装置(35)被配置为在高于15bar、优选高于20bar、甚至更特别地高于25bar的压强下运行。

8.一种发动机，包括根据权利要求7所述的涡轮设备(1)，并且包括涵道风扇和/或螺旋桨。

9.一种操作涡轮设备的方法，所述涡轮设备特别是根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮设备，所述方法包括以下步骤：

a)压缩流体；

b)供应燃料；

c)使压缩的流体和供应的燃料燃烧；

其特征在于，还包括步骤d)感测压缩流体的湿度，以及步骤

e)根据感测到的湿度控制燃料供应。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在压缩装置和燃烧装置之间感测压缩流体的湿度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在流体温度高于250℃、优选高于325℃、甚至更特别地高于400℃时感测压缩流体的湿度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在流体压强高于15bar、优选高于20bar、甚至更特别地高于25bar时感测压缩流体的湿度。

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