專利名稱：用于重型燃氣輪機的基于預測模型的控制系統的制作方法
用于重型燃氣輪機的基于預測模型的控制系統 相關申請的交叉引用本申請為2006年10月12日遞交的、目前處于未決狀態的名稱 為"用于重型燃氣輪機的渦輪機殼的沖擊式冷卻"的美國申請號 11/548,791的部分延續申請。該申請通過引用并入本文中。
背景技術：
空氣沖擊式冷卻(impingement cooling)常常用于處理小型燃氣輪 機的機殼溫度，并用于降低和保持轉動葉片和附隨的機殼內表面之間 的間隙。對于重型燃氣輪機上的空氣沖擊式冷卻系統的 一個問題是跨 越大的不均勻的非標準機殼表面獲得均勻傳熱系數的能力。在小型燃 氣輪機上，對于表面距離通常采用小的沖擊孔和短的噴嘴。這些因素 在機殼上產生了所需的較高傳熱系數。釆用小的沖擊式冷卻孔的一個 有害影響是需要以通過孔的高壓降差來運行。這導致了對于不期望的 高的冷卻空氣供給壓力的需求，其負面地影響重型燃氣輪機的凈效率。沖擊式冷卻作為 一種渦輪間隙控制方法已經應用于飛行器的發 動機中。然而，在飛行器發動機上使用的沖擊系統不能用于重型渦輪 機的應用中。應用于飛行器發動機中的系統利用從壓縮機中取出的空 氣作為冷卻介質。在重型燃氣輪機上使用壓縮機的抽出空氣是不可行 的，這是因為設計的傳熱系數需要較冷的空氣溫度。同飛行器的發動 機比較起來，重型燃氣輪機具有明顯較大的、不均勻的、需要復雜的 集管設計的機殼表面。此外，重型燃氣輪機上的機殼厚度和機殼厚度 變化也要大很多。轉動葉片和附隨的機殼內表面之間的間隙在固定裝置中不能容 易地通過利用測試設備進行測量。但是所需間隙應該通過允許較高的或較低的沖擊式冷卻而受到控制。因此，本領域具有對于在重型燃氣輪機上可提供間隙控制的沖擊 式冷卻控制系統的需求。發明內容在一個實施例中，本發明提供了 一種用于控制渦輪葉片和渦輪機 殼之間間隙的方法，該方法可包括確定機殼的溫度；基于傳遞函數確定機殼的調定溫度，其中，調定溫度為機殼用于控制間隙的預期溫度； 以及基于調定溫度利用控制器修正機殼的溫度。在另 一個實施例中，本發明提供了 一種用于控制渦輪機殼溫度的 系統，該系統可包括用于確定渦輪機殼溫度的溫度傳感裝置；送風機； 用于確定機殼的調定溫度的控制系統邏輯；和用于控制送風機的控制 器，其中，送風機將空氣施加到機殼上，以便冷卻機殼接近調定溫度。在又一個實施例中，本發明提供了 一種用于控制渦輪葉片和渦輪 機殼之間間隙的系統，該系統可包括裝接在渦輪機殼上的沖擊式冷卻 集管；用于確定渦輪機殼溫度的溫度傳感裝置；送風機；用于確定機 殼調定溫度的控制系統邏輯；以及用于控制送風機的控制器，其中， 送風機將空氣施加到沖擊式冷卻集管上以便冷卻機殼接近調定溫度 并控制間隙。
圖1為根據本發明實施例的重型燃氣輪機的截面圖。 圖2為根據本發明實施例的渦輪葉片-護罩間隙的局部放大圖。 圖3為根據本發明實施例的沖擊式冷卻系統。 圖4為根據本發明實施例的沖擊式冷卻集管的透視圖。 圖5為根據本發明實施例的沖擊式冷卻集管的截面圖。 圖6為根據本發明實施例已安裝在渦輪機殼上的沖擊式冷卻集 管的透視圖。圖7為根據本發明實施例的控制系統。元件符號對照表重型渦輪機 110壓縮機段 112燃燒器段 114渦輪段 116壓縮機機殼 118渦輪機殼 120渦輪葉片 122葉片尖端 123護罩 126間隙 128送風機 130風流調節門 132互連管道 134分配總管 136孔口 (orifice) 138沖擊式冷卻集管 140頂板 142供給管 144底板 146沖擊孔 148支承支柱 150固定支座 152沖擊式空氣冷卻系統 200控制系統 700控制器 710修正流動速率的方框 720測量環境空氣溫度的方框 730測量機殼溫度的方框 740傳遞函數方框 760具體實施方式
現在將參照附圖在下文中對本發明進行更充分地描述，附圖中示 出了本發明的示范性實施例。然而，本發明可以許多不同的形式予以 體現而不應理解為局限于本文中所闡述的實施例；更合適地，提供這 些實施例是為了使得本公開內容將變得徹底和完整，并將向本領域技 術人員傳達本發明的范圍。圖1示出了重型渦輪機110的示范性實施例。重型渦輪發動機包 括壓縮機段112、燃燒器段114和渦輪段116。渦輪機110還包括壓 縮機機殼118和渦輪機殼120。渦輪機殼118和壓縮機機殼120包繞 重型渦輪機的主要零件。渦輪段116包括軸和多組旋轉的渦輪葉片和 不動的渦輪葉片。參照圖1和圖2，渦輪機殼120可包括附著于機殼120內表面上 的護罩126。護罩126可定位在鄰近渦輪旋轉葉片122的尖端處以便 減小通過葉片尖端的空氣泄漏。葉片尖端123和護罩126之間的距離 稱為間隙128。注意到，各渦輪級的間隙128因葉片和機殼的不同熱 膨脹特性而非始終如一 的。重型燃氣輪機效率的關鍵來源(contributor)在于空氣/廢氣經由葉 片尖端-機殼間隙128的泄漏量。由于渦輪葉片123和渦輪機殼120 的不同的熱膨脹特性，間隙128隨著渦輪機通過從點火的瞬態至基本 載荷的穩態條件的轉變而顯著地改變。間隙控制系統(包括其操作順序) 可實現在所有的運轉工況下對具體間隙特性的處理。控制系統不正確 的設計和/或順序可導致渦輪葉片123尖端同機殼護罩126的過度磨 損，而過度磨損可導致間隙增加和性能降低。
1、 一種砼填充用輕質構件，包括上板(1)、周圍側壁(2)、下板(3)，上 板(1)、周圍側壁(2)、下板(3)圍成六面體，其特征在于所述的上板(1)周 邊轉角為上弧形角(4)或/和周圍側壁(2)之間的轉角均為豎弧形角(5)或/ 和下板(3)的周邊均為下弧形角(6)。
2、 根據權利要求l所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的豎弧 形角(5)與上弧形角(4)正交。
3、 根據權利要求1所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的豎弧 形角(5)與上弧形角(4)斜交。
4、 根據權利要求1所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的下弧 形角(6)與豎弧形角(5)斜交。
5、 根據權利要求1所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的下弧 形角(6)與豎弧形角(5)正交。
6、 根據權利要求1所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的上弧 形角(4)、下弧形角(6)為大小不一的弧形角；或者上弧形角(4)、下弧形角
(6) 為一端大或兩端大或中間大的弧形角；或者弧形角(4、 6)的表面為折線 形或曲線形；或者豎弧形角(5)為大小不一的弧形角；或者豎弧形角(5)為上 大下小或下大上小或兩端大中間小的豎弧形角；或者下板(3)的周邊均為陰角
(7) 。
7、 根據權利要求1所述的一種砼填充用輕質構件，其特征在于所述的輕質 構件上設置有接線盒(8)、火災探測器(9)、風管(10)、線管(11)、吊掛件(12) 或者搬運件(13)中的至少一個。
8、 根據權利要求1至12中任一權利要求所述的一種砼填充用輕質構件， 其特征在于所述的輕質構件上設置有陰角(7)、凹槽(14)、凹坑(15)、凸形模 塊(16)、凸條(17)或者倒角(18)中的至少一個；或者輕質構件中含有增強 物(19);或者增強物(19)露出輕質構件；或者輕質構件為實心輕質構件或者 空心輕質構件；或者實心輕質構件為實心輕質胎體或硬殼實心輕質胎體。
9、 根據權利要求1至12中任一權利要求所述的一種砼填充用輕質構件， 其特征在于所述的輕質構件中設置有加勁桿(20)、加強筋(21)或者加勁肋(22)導致非最優的和不均勻的傳熱系數。在示范性實施例中，0.5至1.0英 寸之間的間距提供了適當的傳熱系數。然而，該間距并不限于此范圍 而是可以為提供適當傳熱系數的任何一種距離。如同圖6所示出那樣，示范性實施例可包括多個沖擊式冷卻集管 140。該多個沖擊式冷卻集管140可附著在渦輪機的機殼120上直接 位于目標冷卻區域的上方。沖擊式冷卻集管140可這樣的定位以便在 它們的邊緣和離開機殼的任一突出部之間的間隔具有充裕的間隔。這 對于空氣經過沖擊孔148以便從沖擊式冷卻集管140的下方排出到環 境中提供了自由路徑。在示范性實施例中，兩個相鄰的沖擊式冷卻集 管之間的間隔可處于1至30英寸之間并且取決于機殼突出部和法蘭擊式冷卻集管140還可向軸向法蘭中的任一個(包括水平拼接接頭 (split joint))提供沖擊式冷卻。間隙的控制控制系統700可實現對間隙的控制。間隙可在運行期間通過在渦 輪機的機殼內部使用各種各樣的傳感器而直接測量，包括但不限于微 波間隙傳感器和電容間隙傳感器。然而，這些傳感器的失敗率 (mortality rate)非常地高。為了避免將傳感器放置在機殼內，可使用機 殼溫度來控制間隙。當給定機殼溫度時，可粗略地估計間隙。因此， 控制系統700可部分地基于機殼的溫度。圖7示出了控制系統的實施 例。下文中根據本發明的實施例參照系統、方法、設備和計算機程序 產品的方框圖對控制系統700的控制系統邏輯部分的示范性實施例進 行了描述。應理解的是，方框圖的每個方框和方框圖中方框的組合可 分別地通過計算機程序指令來實現。這些計算機程序指令可加載在通 用計算機、或其它可編程數據處理設備上以便產生機器(machine), 乂人 而使得在計算機或其它可編程數據處理設備上執行的指令生成用于實現以下說明中詳細論述的方框圖中每個方框或方框圖中方框組合 的功能的裝置。這些計算機程序指令還可保存在可指導計算機或其它可編程數 據處理設備以特定方式運行的計算機可讀存儲器中，從而使得保存在 可讀存儲器中的指令產生包括實現方框或方框組合中指定功能的指 令裝置的制品。計算機程序指令還可加載在計算機或其它可編程數據 處理設備上以便引起在計算機或其它可編程設備上執行一 系列的運 行步驟，以便產生計算機實現的過程從而使得在計算機或其它可編程 設備上執行的指令提供用于實現方框或方框組合中指定功能的步驟。控制系統700可通過在計算機操作系統上運行的應用程序而實 現。控制系統700還可實際應用到其它的計算機系統配置中，包括手 提式裝置、多處理機系統、基于微處理器或可編程的用戶電子設備、 微型計算機、大型計算機等。作為控制系統700部件的應用程序可包括實現某些抽象數據類 型、執行某些作業、運算或任務的子程序、程序、組件、數據結構等。 在分布的計算環境中，應用程序可(完全地或部分地)位于本機存儲器 或其它存儲裝置中。此外或在備選方案中，應用程序可(完全地或部分 地)位于遠程存儲器或存儲裝置中以便通過經由通信網絡連線的遠程 處理裝置執行作業而允許本發明的實際應用。在下文中參照附圖對本 發明的示范性實施例進行了更為充分地描述，其中，在各個附圖中， 相同數字表示相同的元件。事實上，本發明可以許多不同的形式予以 體現而不應理解為局限于本文中所闡述的實施例；更合適地，提供這 樣的實施例使得本公開內容將會滿足可應用的法定要求。如圖7的示范性實施例所示，用于調整渦輪機內間隙128的控制 系統700可以機殼120的溫度為基準。控制系統700通過控制對于重 型渦輪機的冷卻水平而可采用控制器710用以修正改變機殼120溫度 的渦輪機運轉工況。可被修正成改變機殼120溫度的運轉工況可包括空氣的流動速率和冷卻劑溫度。為了說明起見，在圖7的示范性實施例中，在方框720 處控制器710修正空氣的流動速率以便改變機殼溫度。如早先的圖3所示，環境空氣可通過利用送風機130或任何其它 的空氣移動裝置而被施加到渦輪機殼上以便冷卻機殼120。在示范性 實施例，可迫使空氣進入裝接在機殼上的沖擊式冷卻集管140中以便 冷卻機殼120。還可迫使空氣進入定位在機殼120周邊附近的多個沖 擊式冷卻集管140中。施加在機殼120上的環境空氣的溫度可在方框730處測量。渦輪 機殼120的溫度在方框740處測量。環境空氣的溫度和機殼的溫度可 通過為本領域普通技術人員所公知的任何溫度測量裝置進行測量。在方框760處，可^^行傳遞函數以便基于當前運轉工況而確定調 定溫度。調定溫度可以是才幾殼的溫度且根據所需間隙128而設定。間 隙測量數據可以是當前運轉工況的函數，該運轉工況可包括燃氣輪機 載荷、時間、環境溫度、轉子溫度、機殼溫度。傳遞函數可以是根據 運轉工況和模仿機殼因當前運轉工況而膨脹的間隙模型而創建的。在示范性實施例中，調定溫度可以是環境溫度、轉子溫度和燃氣輪機載 荷狀態的函數。如果間隙模型確定間隙128低于最低允許值，則系統可關閉或停 止渦輪機的運行。否則，在760處傳遞函數的輸出為調定溫度。調定溫度和機殼溫度可輸入到控制器710中。控制器710向送風 機130輸出控制信號以便修正在方框720處被吹送到機殼118上的環 境空氣的流動速率。在示范性實施例中，控制器710為比例-積分-微分("PID ")控制器。本領域普通技術人員將會理解可單獨或結合使 用比例控制器、積分控制器或微分控制器，以便控制渦輪機的運轉工 況。對于包括許多沖擊式冷卻集管140的示范性實施例來說，控制系 統600可控制進入一個或多個沖擊式冷卻集管140的空氣流動。還可 構思出控制系統600分別相對于各個沖擊式冷卻集管140而執行以便控制機殼120的局部間隙。此外可構思出可使用多個送風機130將空 氣施加到多個沖擊式冷卻集管140上。本領域普通技術人員將會理解，本發明并不局限于本文中所示出 的控制系統配置。本領域普通技術人員將會理解，可執行控制系統的 許多變體以便最終控制機殼的溫度。例如，控制系統可以是基于燃氣 輪機載荷狀態的開環控制系統或任何其它可允許的模式。本發明所屬領域的技術人員將會想起本發明的許多變型和其它 實施例具有存在于上述說明和附圖中所教導的益處。因此，應理解的 是，本發明并不局限于所公開的具體實施例并且意圖將變型和其它實 施例包括在所附權利要求的保護范疇內。盡管本文中采用了專用名 詞，但其僅作為 一般性和描述性的意義而使用并非為了制約的目的。
權利要求
1.一種用于控制渦輪葉片(122)和渦輪機殼(120)之間的間隙(128)的方法，包括確定所述機殼(120)的溫度；基于傳遞函數(760)確定所述機殼(120)的調定溫度，其中，所述調定溫度為用于控制所述間隙(128)的所述機殼(120)的預期溫度；和基于所述調定溫度利用控制器(710)修正所述機殼(120)的溫度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述機殼(120)的 溫度通過送風機(130)將空氣施加到所述機殼(120)上而修正。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將沖擊式冷卻集管(140)設置到所述機殼(120)上；和 送風機(130)將空氣施加到所述沖擊式冷卻集管(140)上，以便修正所述機殼(120)的溫度。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器(710) 控制從所述送風機(130)吹送的空氣量(720)，以便修正所述機殼(120) 的溫度接近所述調定溫度。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器(710) 控制從所述送風機(130)吹送的進入多個沖擊式冷卻集管(140)的空氣 量(720)。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳遞函數(760) 基于選自載荷、時間、環境溫度和機殼(120)溫度的輸入。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器(710) 為PID控制器。
8. —種用于控制渦輪機殼(120)溫度的系統，包括 用于確定所述渦輪機殼(120)溫度的溫度傳感裝置； 送風機(130);用于確定所述機殼(120)的調定溫度的控制系統(700)邏輯；和用于控制所述送風機(130)的控制器(710)，其中，所述送風機(130) 將空氣施加到機殼(118)上，以便冷卻所述機殼(118)接近所述調定溫度。
9. 一種用于控制渦輪葉片(122)和渦輪機殼(120)之間的間隙(128)的系統，包括裝接在渦輪機殼(120)上的沖擊式冷卻集管(140); 用于確定所述渦輪機殼(120)溫度的溫度傳感裝置； 送風機(130);用于確定所述機殼(120)的調定溫度的控制系統(700)邏輯；和 用于控制所述送風機(130)的控制器(710)，其中，所述送風機(130)將空氣施加到所述沖擊式冷卻集管(140)上，以便冷卻所迷機殼(120)接近所述調定溫度并控制所述間隙(128)。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述系統還包括 多個沖擊式冷卻集管(140)，以便降低對所述機殼(120)的冷卻并控制所 述間隙(128)。
全文摘要
一種用于重型燃氣輪機的基于預測模型的控制系統，用于控制渦輪葉片(122)和渦輪機殼(120)之間的間隙(128)，其包括裝接在渦輪機殼(120)上的沖擊式冷卻集管(140)、用于確定渦輪機殼(120)溫度的溫度傳感裝置、送風機(130)、用于確定機殼(120)調定溫度的控制系統(700)邏輯和用于控制送風機(130)的控制器(710)，其中送風機(130)將空氣施加到沖擊式冷卻集管(140)上，以便冷卻機殼(120)接近調定溫度并控制間隙(128)。
文檔編號F02C7/18GK101230790SQ20081000846
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月24日 優先權日2007年1月24日
發明者D·埃里克森, J·西爾, M·米查爾斯基, P·蔡爾德斯, 華 張 申請人:通用電氣公司