燃气涡轮发动机以及控制方法技术

一种控制燃气涡轮发动机(10)的方法，燃气涡轮发动机(10)具有：按轴向流动顺序串联的压气机(14)、燃烧装置(16)、压气机涡轮(18)和排气口(30)；燃气轮机能够至少在高输出功率范围(65R)、中高输出功率范围(82R)、中等输出功率范围(67R)、中低输出功率范围(70R、70R')和低输出功率范围(72R)中操作。方法包括以下步骤：在中高输出功率范围(82R)期间，改变可变导流静叶(46)的角度，以便维持燃烧装置(16)的第三预定温度(T3)；在中等输出功率范围(67R)期间，可变导流静叶(46)被关闭，并且将气体从压气机(14)的下游部分(36)排放泄放到压气机(14)的上游部分(38)，以便维持燃烧装置(16)的第一预定温度(T1)；在中低输出功率范围(70R、70R')期间，可变导流静叶(46)被关闭，并且将气体从压气机(14)的下游部分(36)排放泄放到压气机(14)的上游部分(38)，并且将气体从压气机(14)的下游部分(36)排放泄放到排气口(30)，以便维持燃烧装置(16)的第二预定温度(T2)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃气涡轮发动机以及控制方法
本专利技术涉及控制燃气轮机和燃气涡轮发动机的方法，并且具体地但非排他地涉及控制燃气轮机(gasturbine)的方法，方法包括在不同的需求负载下，操作可变导流静叶和压气机泄放来维持更恒定的燃烧温度从而减少排放，并且燃气涡轮发动机具有压气机，压气机具有可变导流静叶和多个泄放系统。燃气涡轮发动机优选地是单轴发动机，但是可以是两轴发动机或三轴发动机。
技术介绍
对于单轴燃气轮机，其中存在驱动负载的气体发生器单元，通过限制流过燃烧装置的空气或质量来控制低功率范围下和在稀薄燃燃烧器上的排放，以维持可接受的燃料/空气比率以及因此的高燃烧温度。高的燃烧温度和稳定的温度可导致例如COX、NOX、SOX以及未燃烧的碳氢化合物的更低的排放。先前，可变的导流静叶或从压气机输送到燃气轮机的排气口的排气的使用已足以满足法律规定的操作负载范围，但这在较低的热效率方面造成了损失。当燃气轮机的操作降低到满负载功率的较低百分比时(例如，在某些情况下，低至满负载功率的30％)，现代趋势要求更清洁的燃烧，并且具有更少的热效率的损失，因此减少燃料消耗。
技术实现思路
本专利技术试图解决减少燃气涡轮发动机的排放的问题，特别是在跨整个操作功率输出范围操作时。本专利技术解决的另一问题是维持燃烧装置的恒定温度来使排放最小化。解决的另一问题是改进燃烧稳定性并因此改进燃气涡轮发动机的可操作性。解决的又一问题是将对燃气轮机的热效率的影响减少或最小化，并且特别地比高功率输出的情况下更少。为了解决这些问题，并且在本专利技术的第一方面中，提供了控制燃气涡轮发动机的方法，燃气涡轮发动机具有按轴向流动顺序串联的压气机、燃烧装置、压气机涡轮和排气口。燃气轮机能够至少在高输出功率范围、中高输出功率范围、中等输出功率范围、中低输出功率范围和低输出功率范围内操作。方法包括以下步骤：在中高输出功率范围期间，改变可变导流静叶的角度，以便维持燃烧装置的第三预定温度；在中等输出功率范围期间，可变导流静叶被关闭并将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分，以便维持燃烧装置的第一预定温度；在中低输出功率范围期间，可变导流静叶被关闭，并将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分，并将气体从压气机的下游部分泄放到排气口，以便维持燃烧装置的第二预定温度。在低输出功率范围期间，可变导流静叶可以被关闭，并且将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分可以处于最大值，并且将气体从压气机的下游部分泄放到排气口可以处于最大值。在高输出功率范围期间，可变导流静叶可以被打开，并且将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分可以处于最小值或为零，并且将气体从压气机的下游部分泄放到排气口可以处于最小值或为零。在中低输出功率范围期间，将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分可以处于最大值。中高输出功率范围可以具有最大值点和最小值点，并且改变可变导流静叶的角度，以便维持燃烧装置的第三预定温度包括：在处于最大值点处的打开位置和处于最小值点处的关闭位置之间改变可变导流静叶的角度。中等输出功率范围具有最大值点和最小值点，并且将气体从压气机的下游部分泄放到压气机的上游部分可以包括：将所泄放的气体的量从最大值点处的最小量改变为最小值点处的最大量。中低输出功率范围可以具有最大值点和最小值点，并且将气体从压气机的下游部分泄放到排气口包括：将所泄放的气体的量从最大值点处的最小量改变为最小值点处的最大量(68)。第三预定温度、第一预定温度和第二预定温度中的每一个可以包括标称温度以及上限和下限，优选地，上限和下限与标称温度具有的差异分别为+5℃和-5℃，并且改变所泄放的气体的量可以包括：如果燃烧装置的温度达到下限，则增加所泄放的气体的量；和/或如果燃烧装置的温度达到上限，则减小所泄放的气体的量。第一预定温度与第二预定温度之间的差在5至20℃的范围中，并且更优选地为相差约5℃，并且第一预定温度与第三预定温度之间的差在5至20℃的范围中，并且更优选为相差约10℃。方法可以包括：检测到可变导流静叶的角度已达到最大关闭位置，并且开始将气体从压气机的下游部分泄放到上游部分。方法可以包括：检测到将气体从压气燃烧装置机的下游部分泄放到压气机的上游部分已达到最大值，并且开始将气体从压气机的下游部分泄放到排气口。高输出功率范围可以在最大输出功率的100％至70％之间，优选地，高输出功率范围可以在最大输出功率的100％至80％之间。中高输出功率范围可以在最大输出功率的90％至40％之间，优选地，中高输出功率范围可以在最大输出功率的70％至50％之间。中等输出功率范围可以在最大输出功率的90％至40％之间，优选地，中高输出功率范围可以在最大输出功率的70％至50％之间。中低输出功率范围可以在最大输出功率的50％至35％之间，而低输出功率范围可以在最大输出功率的0％至45％之间，优选地，低输出功率范围可以在最大输出功率的0％至30％之间，并且优选地，低输出功率范围可以在最大输出功率的0％至25％之间。通过本专利技术的另一方面解决了上述问题，在本专利技术的另一方面中提供了能够至少在高输出功率范围、中高输出功率范围、中等输出功率范围、中低输出功率范围和低输出功率范围中操作的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括按轴向流动顺序串联的压气机、燃烧装置、压气机涡轮和排气口。压气机包括具有可变静叶机构的可变导流静叶的至少一个级。温度传感器安装至燃气涡轮发动机并被布置为感测或计算燃烧装置的温度。燃气涡轮发动机还包括：包括第一管道以及位于管道上的第一阀的第一压气机泄放系统，第一管道将压气机的下游部分和上游部分连接；包括第二管道以及位于管道上的第二阀的第二压气机泄放系统，第二管道将压气机的下游部分与排气口连接。发动机控制单元连接到温度传感器、第一阀、第二阀和可变静叶机构，发动机控制单元被编程为根据燃烧装置的温度来控制可变静叶机构、第一阀和第二阀，使得在中高输出功率范围期间，可变导流静叶的至少一个级被至少部分地打开，以便维持燃烧装置的第三预定温度；在中等输出功率范围期间，第一阀被至少部分地打开，以便维持燃烧装置的第一预定温度；并且在中低输出功率范围期间，第二阀被至少部分地打开并且第一阀完全打开，以便维持燃烧装置的第二预定温度。燃气涡轮发动机可包括位于涡轮和排气口之间的动力涡轮，动力涡轮被连接至轴以用于驱动负载。上游部分可以是压气机的入口或燃气涡轮发动机的入口，并且下游部分至少是压气机的出口。第一压气机泄放系统和第二压气机泄放系统可具有位于压气机出口处的第一泄放出口的共用阵列或者共用第一泄放出口。第一压气机泄放系统和第二压气机泄放系统可具有位于压气机的入口和出口之间的共用第二泄放出口或第一泄放出口的共用阵列。附图说明通过参考下面结合附图对本专利技术的实施例的描述，本专利技术的上述属性和其他特征以及优点以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且将更好地理解本专利技术本身。图1是根据本专利技术的燃气涡轮发动机的示意性布局，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制燃气涡轮发动机(10)的方法，/n所述燃气涡轮发动机(10)按轴向流动顺序具有一个压气机(14)、一个燃烧装置(16)、一个压气机涡轮(18)和一个排气口(30)，所述燃气轮机能够至少操作在：/n-一个高输出功率范围(65R)，/n-一个中高输出功率范围(82R)，/n-一个中等输出功率范围(67R)，/n-一个中低输出功率范围(70R、70R')，以及/n-一个低输出功率范围(72R)，/n所述方法包括以下步骤：/n-在所述中高输出功率范围(82R)期间，改变所述可变导流静叶(46)的角度，以便维持所述燃烧装置(16)的第三预定温度(T3)，/n-在所述中等输出功率范围(67R)期间，所述可变导流静叶(46)被关闭，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)，以便维持所述燃烧装置(16)的第一预定温度(T1)，/n-在所述中低输出功率范围(70R、70R')期间，所述可变导流静叶(46)被关闭，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)以及将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述排气口(30)，以便维持所述燃烧装置(16)的第二预定温度(T2)。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171030 EP 17199218.31.一种控制燃气涡轮发动机(10)的方法，
所述燃气涡轮发动机(10)按轴向流动顺序具有一个压气机(14)、一个燃烧装置(16)、一个压气机涡轮(18)和一个排气口(30)，所述燃气轮机能够至少操作在：
-一个高输出功率范围(65R)，
-一个中高输出功率范围(82R)，
-一个中等输出功率范围(67R)，
-一个中低输出功率范围(70R、70R')，以及
-一个低输出功率范围(72R)，
所述方法包括以下步骤：
-在所述中高输出功率范围(82R)期间，改变所述可变导流静叶(46)的角度，以便维持所述燃烧装置(16)的第三预定温度(T3)，
-在所述中等输出功率范围(67R)期间，所述可变导流静叶(46)被关闭，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)，以便维持所述燃烧装置(16)的第一预定温度(T1)，
-在所述中低输出功率范围(70R、70R')期间，所述可变导流静叶(46)被关闭，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)以及将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述排气口(30)，以便维持所述燃烧装置(16)的第二预定温度(T2)。


2.根据权利要求2所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-在所述低输出功率范围(72R)期间，所述可变导流静叶(46)被关闭，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)处于最大值，并且将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述排气口(30)处于最大值。


3.根据权利要求1至2中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-在所述高输出功率范围(65R)期间，所述可变导流静叶(46)被打开，并且将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)处于最小值或为零，并且将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述排气口(30)处于最小值或为零。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-在所述中低输出功率范围(70R、70R')期间，将一种气体从所述压气机(14)的一个下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的一个上游部分(38)处于最大值。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-所述中高输出功率范围(80R)具有一个最大值点(88)和一个最小值点(84)，并且改变所述可变导流静叶(46V)的所述角度以便维持所述燃烧装置的第三预定温度(T3)包括：在所述最大值点(88)处的一个打开位置和所述最小值点(84)处的一个关闭位置之间改变所述可变导流静叶(46V)的所述角度。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-所述中等输出功率范围(67R)具有一个最大值点(66)和一个最小值点(68)，并且将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述压气机(14)的所述上游部分(38)包括：将所泄放的气体的量从所述最大值点(66)处的一个最小量改变为所述最小值点(71、71')处的一个最大量。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-所述中低输出功率范围(70R、70R')具有一个最大值点(68、69)和一个最小值点(71、71')，并且将一种气体从所述压气机(14)的所述下游部分(36)泄放到所述排气口(30)包括：将所泄放的气体的量从所述最大值点(71、71')处的一个最小量改变为所述最小值点(68)处的一个最大量。


8.根据权利要求6至7中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方法，其中，
-所述第三预定温度(T3)、所述第一预定温度(T1)和所述第二预定温度(T2)中的每一个包括标称温度以及上限和下限，优选地，所述上限和所述下限与所述标称温度具有的差异分别为+5℃和-5℃，并且
-改变所泄放的所述气体的量包括：
-如果所述燃烧装置的温度达到所述下限，则增加所泄放的所述气体的量，和/或
-如果所述燃烧装置的温度达到所述上限，则减小所泄放的所述气体的量。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的控制燃气涡轮发动机(10)的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·布拉特，D·斯基珀，M·史密斯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE