燃气涡轮发动机和操作燃气涡轮发动机的方法与流程

燃气涡轮发动机和操作燃气涡轮发动机的方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请要求享有提交于2021年12月30日的欧洲专利申请no. 21218292.7的优先权，该欧洲专利申请的全部公开通过引用并入本文中。
技术领域
2.本发明涉及一种具有选择的出口温度测量值的燃气涡轮发动机和一种操作燃气涡轮发动机的方法。


背景技术：

3.如已知的，流过气体流动路径的热气体的温度是燃气涡轮发动机的控制中的重要参数。尽管有不利的条件，但是用于测量温度的传感器是可用的，并且可如需要地布置在沿着流动路径的多种位置处。
4.除了其它量之外，通常还使用平均热气体温度来控制燃气涡轮发动机操作，以确定设定点。然而，燃气涡轮发动机的老化和诸如跳闸和快速瞬变的应激(stressing)事件可在某种程度上导致燃气涡轮发动机的劣化。继而，随时间推移的劣化需要调节燃气涡轮发动机的操作参数，因为传感器测量值在目标平均值周围的扩展增加。在传感器变得不那么可靠的情况下，该问题变得更糟。尤其是在筒形燃烧器燃气涡轮发动机中，增加的扩展和参数调节可引起一些筒形燃烧器朝向在较冷条件下的操作漂移，从而减小贫燃熄火极限和燃烧动态性的裕度，而一些其它筒形燃烧器可朝向在较高温度下的操作偏移，因此增加nox排放并有效地减小在整个负载范围内的现有操作窗口。
5.在制造期间对筒与筒之间的离散度(scatter)的严格控制防止筒形燃烧器偏离平均值太远并因此使发动机操作劣化。当筒形燃烧器是新的且干净的时，这种解决方案是有效的，但是，当劣化变得可观时，一旦筒被安装在发动机中并且已经使用了一定的时间，严格的筒与筒之间的离散度就可能并不证明足以确保高效的操作。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供一种燃气涡轮发动机和一种操作燃气涡轮的方法，其允许克服或至少减弱上面描述的限制。
7.根据本发明，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：燃烧器组件，其具有呈筒类型的多个燃烧器单元；以及控制系统；其中，每个燃烧器单元包括：第一级燃烧器和第二级燃烧器，其限定热气体路径；混合器，其沿着热气体路径布置在第一级燃烧器和第二级燃烧器之间；第一温度传感器，其配置成在相应的第一位置处提供流过相应的燃烧器单元的混合器的热气体的相应的第一温度测量值；以及
第二温度传感器，其配置成在相应的第二位置处提供流过相应的燃烧器单元的混合器的热气体的相应的第二温度测量值；其中，控制单元配置成计算第一组的第一温度测量值的第一平均温度和第二组的第二温度测量值的第二平均温度，并确定作为第一平均温度和第二平均温度的函数的混合器出口温度命令；并且其中，最高的第一温度测量值和最低的第一温度测量值从第一组中被排除，并且最高的第二温度测量值和最低的第二温度测量值从第二组中被排除。
8.中间测量值的选择和组合避免了燃气涡轮发动机的控制受到由于累积的操作时间和老化而在极端(热或冷)温度条件下操作的燃烧器单元的影响或者受到一些温度传感器的故障的影响。事实上，个体燃烧器单元(具体地，第一级燃烧器)的操作温度的漂移将包括在总体平均值中，并且在燃气涡轮发动机的控制中引入偏差。继而，不精确的控制可加强在非最佳条件下的操作，并导致超过可允许的污染物排放水平、性能衰减、高燃烧动态性并且还导致针对某些燃烧器单元的贫燃熄火。排除最高和最低温度测量值减少了对不可预测的改变(包括诸如热电偶的构件的故障或燃烧器单元的漂移的时间和强度)的依赖性。
9.根据本发明，还提供了一种操作燃气涡轮的方法，该燃气涡轮包括燃烧器组件，该燃烧器组件具有呈筒类型的多个燃烧器单元，其中，每个燃烧器单元包括限定热气体路径的第一级燃烧器和第二级燃烧器，以及沿着热气体路径布置在第一级燃烧器和第二级燃烧器之间的混合器；该方法包括：在相应的第一位置处感测流过每个燃烧器单元的混合器的热气体的第一温度；在相应的第二位置处感测流过每个燃烧器单元的混合器的热气体的第二温度；计算第一组的第一温度测量值的第一平均温度和第二组的第二温度测量值的第二平均温度；以及确定作为第一平均温度和第二平均温度的函数的混合器出口温度命令；其中，最高的第一温度测量值和最低的第一温度测量值从第一组中被排除，并且最高的第二温度测量值和最低的第二温度测量值从第二组中被排除。
附图说明
10.现在将参考附图描述本发明，附图图示本发明的一些非限制性实施例，在附图中：
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图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机的简化框图；
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图2是根据本发明的实施例制造的图1的燃气涡轮发动机的燃烧器组件的示意性前视图；
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图3是沿着图2的线iii-iii剖切的图2的燃烧器组件的燃烧器单元的横截面侧视图；
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图4是沿着图3的线iv-iv剖切的图3的燃烧器单元的混合器的横截面前视图；
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图5是图1的燃气涡轮发动机的构件的更详细的框图；以及
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图6和图7是示出图1的燃气涡轮发动机中使用的量的曲线图。
具体实施方式
11.在图1中，编号1限定作为整体的燃气涡轮设备，其包括燃气涡轮发动机2和控制系统3。燃气涡轮发动机2继而包括压缩机4、燃烧器组件5和膨胀区段或涡轮6，它们都围绕轴线a延伸。压缩机4和涡轮6共享公共转子7。
12.压缩机4为燃烧器组件5供给从外部抽吸的空气流。通过调节压缩机4的入口导叶6的取向，到压缩机4的空气供应能够由控制系统3控制。
13.燃烧器组件5混合来自压缩机4的空气和来自燃料供应管线9的燃料以形成用于燃烧的混合物。燃料可为气态的(例如天然气或合成气)或液态的(例如轻油)。燃气涡轮发动机2可结构化成使用不同类型的燃料(气态和液态两者)。燃料供应能够通过燃料阀系统10由控制系统3控制。
14.涡轮6接收来自燃烧器组件5的热气体流并使其膨胀以提取机械功，该机械功被传递到外部使用者，典型地为发电机(这里未示出)。
15.燃烧器组件5是两级或顺序筒形燃烧器，并且设置有呈筒类型的多个燃烧器单元8，这些燃烧器单元围绕轴线a周向地分布，如图2中示意性地图示的。
16.燃烧器单元8中的一个在图3中更详细地示出，并且包括限定热气体路径14的第一级燃烧器12和第二(或顺序)燃烧器13。燃烧器单元8还包括沿着热气体路径14布置在第一级燃烧器12和第二级燃烧器13之间的混合器15。混合器15配置成根据设计偏好将稀释空气和/或燃料添加到在热气体路径中从第一级燃烧器12流动的热气体。
17.第一温度传感器17a和第二温度传感器17b在混合器处布置在热气体路径14中，并且配置成感测在周围流动的热气体的相应温度。在一个实施例中，第一温度传感器17a和第二温度传感器17b可为在使用中与流过混合器15的热气体接触的热电偶，并且分别布置在热气体路径14的外边界处的相同轴向位置处并且与彼此在直径上相对。然而，根据设计偏好，可针对轴向位置和角位置两者来选择第一温度传感器17a和第二温度传感器17b的其它布置。例如，第一温度传感器17a和第二温度传感器17b可在相同的轴向位置处放置在混合器出口平面的周边上的任何角位置处。可基于第一级燃烧器12和混合器15的配置来选择具体的角位置。
18.第一温度传感器17a提供相应的第一温度测量值st1a、...、stna，并且第二温度传感器17b提供相应的第二温度测量值st1b、...、stnb，n是燃烧器单元8的数目。
19.控制系统3(图5)包括控制单元20，该控制单元20配置成基于第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb来确定针对燃气涡轮发动机1的混合器出口温度命令metc。控制单元20接收第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb，并且选择第一组sa的中间第一温度测量值st1a、...、stna和第二组sb的中间第二温度测量值st1b、...、stnb，并且基于选择的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb的组合来确定混合器出口温度命令metc。具体地，控制单元20排除最高和最低的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb，并且包括第一组sa中剩余的中间第一温度测量值st1a、...、stna和第二组sb中剩余的中间第二温度测量值st1b、...、stnb。更准确地，第一数目nha的最高的第一温度测量值st1a、...、stna和第二数目nla的最低的第一温度测量值st1a、...、stna从第一组sa中被排除(图6)，并且第三数目nhb的最高的第二温度测量值st1b、...、stnb和第四数目nlb的最低的第二温度测
量值st1b、...、stnb从第二组sb中被排除(图7)。
20.在一个实施例中，例如，第三最高至第六最高的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb分别包括在第一组sa中和第二组sb中；两个最高的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb以及最低的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb(即低于第六最高的)从第一组sa和第二组sb中被排除。
21.第一组sa的第一温度测量值st1a、...、stna和第二组sb的第二温度测量值st1b、...、stnb不需要分别相对于极端的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb对称地选择。此外，第一组sa和第二组sb不需要包含相同数目的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb和/或当从最高到最低排序时对应位置的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb。在一个实施例中，例如，第三最高至第六最高的第一温度测量值st1a、...、stna包括在第一组sa中，并且第四最高至第八最高的第一温度测量值st1a、...、stna包括在第二组sb中。
22.然后，控制单元20计算第一组sa的第一温度测量值st1a、...、stna的第一平均温度meta；以及从第二组sb获得的第二温度测量值st1b、...、stnb的第二平均温度metb。最后，控制单元20确定作为第一平均温度meta和第二平均温度metb的函数的混合器出口温度命令metc。在一个实施例中，混合器出口温度命令metc限定为：metc = k1 + k2*meta + k3*metb其中，k1、k2和k3是校准系数。
23.混合器出口温度命令metc由控制系统3使用以控制燃气涡轮发动机1，例如通过确定燃气涡轮发动机1的设定点和通过控制到燃烧器组件3的燃烧器单元8的燃料和/或空气供应。
24.在一个实施例中，控制单元20配置成允许修改用于选择将分别包括在第一组sa和第二组sb中的第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb的标准。例如，控制单元20允许修改最高的第一温度测量值st1a、...、stna的第一数目nha、最低的第一温度测量值st1a、...、stna的第二数目nla、最高的第二温度测量值st1b、...、stnb的第三数目nhb和最低的第二温度测量值st1b、...、stnb的第四数目nlb，因此修改第一组sa和第二组sb的组成。
25.识别最高和最低的温度测量值的过程可在燃气涡轮发动机1的操作期间在每次从第一温度传感器17a和第二温度传感器17b读取时或者通过在测试间隔内对每个第一温度测量值st1a、...、stna和第二温度测量值st1b、...、stnb求平均而由控制单元5迭代地执行。在后一种情况下，用于确定第一平均温度meta、第二平均温度metb和混合器出口温度命令metc的第一组sa和第二组sb的组成在测试间隔之间保持不变。
26.最后显而易见的是，在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下，可对所描述和图示的燃气涡轮和方法作出改变和变型。

技术特征：
1. 一种燃气涡轮发动机，包括：燃烧器组件(5)，其具有呈筒类型的多个燃烧器单元(8)；以及控制系统(3)，其包括控制单元(20)；其中，每个燃烧器单元(8)包括：第一级燃烧器(12)和第二级燃烧器(13)，其限定热气体路径(14)；混合器(15)，其沿着所述热气体路径(14)布置在所述第一级燃烧器(12)和所述第二级燃烧器(13)之间；第一温度传感器(17a)，其配置成在相应的第一位置处提供流过相应的所述燃烧器单元(8)的所述混合器(15)的热气体的相应的第一温度测量值(st1a, ..., stna)；以及第二温度传感器(17b)，其配置成在相应的第二位置处提供流过相应的所述燃烧器单元(8)的所述混合器(15)的热气体的相应的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)；其中，所述控制单元(20)配置成计算第一组(sa)的所述第一温度测量值(st1a, ..., stna)的第一平均温度(meta)和第二组(sb)的所述第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的第二平均温度(metb)，并且确定作为所述第一平均温度(meta)和所述第二平均温度(metb)的函数的混合器出口温度命令(metc)；并且其中，最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)和最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)从所述第一组(sa)中被排除，并且最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)和最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)从所述第二组(sb)中被排除。2. 根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述控制系统(3)包括控制单元(20)，所述控制单元(20)配置成从所述第一组(sa)中排除第一数目(nha)的所述最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)和第二数目(nla)的所述最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)，并且从所述第二组(sb)中排除第三数目(nhb)的所述最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)和第四数目(nlb)的所述最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)。3. 根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)的所述第一数目(nha)等于所述最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的所述第三数目(nhb)，并且所述最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)的所述第二数目(nla)等于所述最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的所述第四数目(nlb)。4. 根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述控制单元(20)配置成将所述出口温度命令(metc)确定为：metc = k1 + k2*meta + k3*metb其中，metc是所述出口温度命令，meta是所述第一平均温度，metb是所述第二平均温度，并且k1、k2和k3是校准系数。5.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述控制系统(3)配置成基于所述出口温度命令(metc)来控制到所述燃烧器单元(8)的燃料和/或空气供应。6.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，在每个燃烧器单元(8)中，所述第一温度传感器(17a)的所述第一位置和所述第二温度传感器(17b)的所述第二位置分别包括第一轴向位置和第二轴向位置，并且优选地所述第一轴向位置等于所述第二轴向位置。7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一温度传感器(17a)和所述第
二温度传感器(17b)在所述混合器(15)的出口处。8.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，在每个燃烧器单元(8)中，所述第一温度传感器(17a)的所述第一位置和所述第二温度传感器(17b)的所述第二位置分别包括第一角位置和第二角位置，并且优选地所述第一角位置与所述第二角位置在直径上相对。9.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，在每个燃烧器单元(8)中，所述第一温度传感器(17a)和所述第二温度传感器(17b)包括相应的热电偶，所述热电偶在使用中与流过所述混合器(15)的热气体接触。10.一种操作燃气涡轮的方法，所述燃气涡轮包括燃烧器组件(5)，所述燃烧器组件(5)具有呈筒类型的多个燃烧器单元(8)，其中，每个燃烧器单元(8)包括限定热气体路径(14)的第一级燃烧器(12)和第二级燃烧器(13)，以及沿着所述热气体路径(14)布置在所述第一级燃烧器(12)和所述第二级燃烧器(13)之间的混合器(15)；所述方法包括：在相应的第一位置(17a)处感测流过每个燃烧器单元(8)的所述混合器(15)的热气体的第一温度(st1a, ..., stna)；在相应的第二位置(17b)处感测流过每个燃烧器单元(8)的所述混合器(15)的热气体的第二温度(st1b, ..., stnb)；计算第一组(sa)的所述第一温度测量值(st1a, ..., stna)的第一平均温度(meta)和第二组(sb)的所述第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的第二平均温度(metb)；以及确定作为所述第一平均温度(meta)和所述第二平均温度(metb)的函数的混合器出口温度命令(metc)；其中，最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)和最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)从所述第一组(sa)中被排除，并且最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)和最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)从所述第二组(sb)中被排除。11. 根据权利要求10所述的方法，包括从所述第一组(sa)中排除第一数目(nha)的所述最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)和第二数目(nla)的所述最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)，以及从所述第二组(sb)中排除第三数目(nhb)的所述最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)和第四数目(nlb)的所述最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)。12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述最高的第一温度测量值(st1a, ..., stna)的所述第一数目(nha)等于所述最高的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的所述第三数目(nhb)，并且所述最低的第一温度测量值(st1a, ..., stna)的所述第二数目(nla)等于所述最低的第二温度测量值(st1b, ..., stnb)的所述第四数目(nlb)。13. 根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，所述出口温度命令(metc)被确定为：metc = k1 + k2*meta + k3*metb其中，metc是所述出口温度命令，meta是所述第一平均温度，metb是所述第二平均温度，并且k1、k2和k3是校准系数。14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，在每个燃烧器单元(8)中，所述
第一温度传感器(17a)的所述第一位置和所述第二温度传感器(17b)的所述第二位置分别包括在所述混合器(15)的出口处的第一轴向位置和第二轴向位置，并且优选地所述第一轴向位置等于所述第二轴向位置。15.根据权利要求14所述的方法，其中，在每个燃烧器单元(8)中，所述第一温度传感器(17a)的所述第一位置和所述第二温度传感器(17b)的所述第二位置分别包括第一角位置和第二角位置，并且优选地所述第一角位置与所述第二角位置在直径上相对。

技术总结
本发明涉及燃气涡轮发动机和操作燃气涡轮发动机的方法。一种燃气涡轮发动机包括具有多个筒形燃烧器单元的燃烧器组件以及控制单元。每个燃烧器单元具有第一级燃烧器、第二级燃烧器以及布置在第一级燃烧器和第二级燃烧器之间的混合器。第一温度传感器和第二温度传感器在相应的第一位置处提供流过相应的燃烧器单元的混合器的热气体的相应的第一温度测量值和第二温度测量值。控制单元计算第一组的第一温度测量值的第一平均温度和第二组的第二温度测量值的第二平均温度，确定作为第一平均温度和第二平均温度的函数的混合器出口温度命令。最高和最低的第一温度测量值以及最高和最低的第二温度测量值从第一组和第二组中被排除。被排除。被排除。


技术研发人员：格拉尼特 P
受保护的技术使用者：安萨尔多能源瑞士股份公司
技术研发日：2022.12.15
技术公布日：2023/7/6