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用于測量渦輪發(fā)動機流徑中的流分布的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于測量渦輪發(fā)動機流徑中的流分布的系統(tǒng)和方法。提供一種用于測量渦輪發(fā)動機中的流徑的一部分中的流分布的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)包括具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的質(zhì)量流量傳感器組件，質(zhì)量流量傳感器組件在流徑中的所述部分中設(shè)置在待測量流分布的位置處。系統(tǒng)還包括將來自溫度傳感器、壓力傳感器和多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果的控制器。
【專利說明】用于測量渦輪發(fā)動機流徑中的流分布的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文公開的主題大體涉及用于渦輪發(fā)動機的儀器，并且更特別地，涉及用于測量渦輪發(fā)動機流徑中的流分布的流量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]用于現(xiàn)代渦輪發(fā)動機的控制系統(tǒng)測量通過渦輪發(fā)動機的空氣和氣體流徑內(nèi)的各種位置處的內(nèi)部狀況?？赏ㄟ^使用定位壓縮機內(nèi)和別處的皮托管、熱電偶和其它裝置來進行空氣壓力和溫度測量。在沒有適當(dāng)?shù)挠布那闆r下，可通過開槽的方式將傳感器設(shè)置到壓縮機中或耙架上的其它位置上。耙架大體安裝到壓縮機內(nèi)的機加工表面上和別處。
[0003]目前，通過使用持續(xù)運行期間的渦輪發(fā)動機的入口鐘形口中的靜壓力以及壓差測量結(jié)果來得到壓縮機入口體積流量測量結(jié)果。根據(jù)體積流量測量結(jié)果來計算壓縮機入口質(zhì)量流量另外需要結(jié)合根據(jù)入口空氣溫度和相對濕度測量結(jié)果得到的入口空氣密度。此方法在其中空氣流率高且相當(dāng)穩(wěn)定的滿負(fù)載下非常有用，但這種方法的精確性隨著空氣流率減小而降低。在全速無負(fù)載以下，例如，了解到用于測量空氣流量的當(dāng)前方法不精確且變化相當(dāng)大。另外，各個測量類型都具有相關(guān)聯(lián)的測量不確定性，從而導(dǎo)致不確定性可能比單次測量更高。由于這個高變化性，所以難以獲得對壓縮機空氣流量的精確理解，并且因此利用壓縮機入口空氣流量來控制渦輪發(fā)動機會引起控制和診斷問題。
[0004]目前，通過利用排氣溫度和橫穿排氣管的總壓力耙架來測量排氣速度輪廓。然后利用這些測量結(jié)果，利用基于物理的方程來計算排氣速度輪廓。此方法對于驗證測試目的非常有效，并且目前被用來驗證影響排氣流速度輪廓的渦輪空氣動力學(xué)設(shè)計變化。但是，這種方法需要安裝兩組獨立的耙架，從而提高儀器在試驗期間失效的可能性。另外，各個測量類型都具有相關(guān)聯(lián)的測量不確定性，從而導(dǎo)致不確定性可能比單次測量更高。除了用于對驗證新式渦輪空氣動力學(xué)翼型件形狀進行的驗證測試之外，排氣速度和/或質(zhì)量流分布的測量目前在本行業(yè)中是不標(biāo)準(zhǔn)的。
[0005]典型地通過測量溫度和跨過孔板的壓降來計算未經(jīng)調(diào)節(jié)的渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的壓縮機抽取流量測量結(jié)果。此方法在其中通過抽取系統(tǒng)的空氣流率高且相當(dāng)穩(wěn)定的滿負(fù)載下非常有用。但這種方法的精確性在較低空氣流率下降低，因為孔過大，從而不精確性在低負(fù)載或低流量水平下提高。另外，抽取系統(tǒng)中存在大小固定的孔會限制經(jīng)調(diào)節(jié)的抽取流系統(tǒng)的功能性，因為在較高流率下，簡單的孔將是抽取流系統(tǒng)中的流限制構(gòu)件。
[0006]因此，需要一種儀器用于測量排氣速度輪廓，以提供驗證和校準(zhǔn)渦輪空氣動力學(xué)模型，以及驗證排氣冷卻機構(gòu)的混合。另外，需要一種儀器用于測量渦輪發(fā)動機壓縮機入口流質(zhì)量流分布，以使得能夠驗證入口調(diào)節(jié)措施的混合。還需要一種儀器用于精確地測量通過壓縮機抽取管道的流密度，以提供主動控制壓縮機抽取質(zhì)量流率的水平的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開提供一種用于精確地測量渦輪發(fā)動機入口質(zhì)量流率、排氣質(zhì)量流率和抽取質(zhì)量流率的方法。
[0008]根據(jù)一個示例性非限制性實施例，本發(fā)明涉及一種用于測量渦輪發(fā)動機中的流徑的一部分中的氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的質(zhì)量流量傳感器組件。質(zhì)量流量傳感器組件在流徑的所述部分中設(shè)置在待測量流分布的位置處。系統(tǒng)還包括將來自多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測量結(jié)果的控制器。
[0009]在另一個實施例中，提供一種用于測量渦輪發(fā)動機的流徑的一部分中的流分布的方法。方法進一步包括感測設(shè)置在渦輪發(fā)動機的流徑的該部分中的多個絲中的物理變化，物理變化與流徑的該部分中的多個位置中的各個處的流屬性有關(guān)。方法進一步包括將來自多個絲的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果。
[0010]在另一個實施例中，提供一種渦輪發(fā)動機。渦輪發(fā)動機包括壓縮機、燃燒器和渦輪。壓縮機、燃燒器和渦輪限定流徑，并且質(zhì)量流量傳感器組件設(shè)置在流徑中。質(zhì)量流量傳感器組件設(shè)有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器。渦輪發(fā)動機進一步包括將來自多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果的控制器。
[0011]一種用于測量渦輪發(fā)動機中的流徑的一部分中的氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，包括: 具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的質(zhì)量流量傳感器組件，所述質(zhì)量流量傳感器組件在所
述流徑的所述部分中設(shè)置在待測量流分布的位置處；以及
將來自所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測量結(jié)果的控制器。
[0012]在一個實施例中，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括耙架，以及其中，所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器分配在所述耙架上。
[0013]在一個實施例中，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括柵格,所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器設(shè)置在所述柵格上。
[0014]在一個實施例中，所述流分布是質(zhì)量流分布。
[0015]在一個實施例中，所述流分布是速度流分布。
[0016]在一個實施例中,所述氣體質(zhì)量流量包括空氣流量。
[0017]在一個實施例中，所述流徑的所述部分包括所述流徑的選自下者組成的組的一部分:入口氣室、排氣管道和壓縮機抽取管道。
[0018]一種用于測量渦輪發(fā)動機的流徑的一部分中的流分布的方法，所述方法包括: 感測設(shè)置在所述渦輪發(fā)動機的所述流徑的所述部分中的多個絲中的物理變化，所述物
理變化與所述流徑的所述部分中的多個位置中的各個處的流屬性有關(guān)；以及 將來自所述多個絲的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果。
[0019]在一個實施例中，所述流分布測量結(jié)果包括速度流分布。
[0020]在一個實施例中，所述流分布測量結(jié)果包括質(zhì)量流分布。
[0021]在一個實施例中，所述流徑的所述部分包括所述流徑的選自下者組成的組的一部分:入口氣室、排氣管道和壓縮機抽取管道。
[0022]在一個實施例中，所述流徑是壓縮機入口流徑，并且所述方法進一步包括:
根據(jù)所述流分布測量結(jié)果來計算平均壓縮機入口質(zhì)量流量；
將所述平均壓縮機入口質(zhì)量流量的值提供給控制器；以及 基于所述平均壓縮機入口質(zhì)量流量的值來運行所述渦輪發(fā)動機。
[0023]在一個實施例中，所述流徑是排氣流徑，并且所述方法進一步包括: 根據(jù)所述流分布測量結(jié)果來計算平均排氣質(zhì)量流量；
計算燃料質(zhì)量流量；以及
基于所述燃料質(zhì)量流量來運行所述渦輪發(fā)動機。
[0024]在一個實施例中，所述流徑是壓縮機抽取管道，并且所述方法進一步包括:
根據(jù)所述流分布測量結(jié)果來計算平均壓縮機抽取流量；以及
改變壓縮機抽取流量，以保持渦輪發(fā)動機運行極限。
[0025]一種渦輪發(fā)動機，包括:
壓縮機；
燃燒器；
渦輪；
其中，所述壓縮機、所述燃燒器和所述渦輪限定流徑；
設(shè)置在所述流徑的一部分中的質(zhì)量流量傳感器組件，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括設(shè)置在所述質(zhì)量流量傳感器組件上的多個熱絲質(zhì)量流量傳感器；以及
將來自所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果的控制器。
[0026]在一個實施例中，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括耙架，并且所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器分配在所述耙架上。
[0027]在一個實施例中,所述質(zhì)量流量傳感器組件包括成柵格的熱絲質(zhì)量流量傳感器。
[0028]在一個實施例中，所述流徑的所述部分包括所述流徑的選自下者組成的組的一部分:入口氣室、排氣管道和壓縮機抽取管道。
[0029]在一個實施例中，所述流分布測量結(jié)果包括質(zhì)量流分布測量結(jié)果。
[0030]在一個實施例中，所述流分布測量結(jié)果包括速度流分布測量結(jié)果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]根據(jù)結(jié)合附圖得到的優(yōu)選實施例的以下更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將是顯而易見的，附圖以示例的方式示出本發(fā)明的某些方面的原理。
[0032]圖1是具有流分布測量系統(tǒng)的示例性渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的示意圖。
[0033]圖2是示例性流分布測量系統(tǒng)的示意圖。
[0034]圖3是用于流分布測量系統(tǒng)的示例性校準(zhǔn)系統(tǒng)的示意圖。
[0035]圖4是入口氣室流分布測量系統(tǒng)的實施例的示意圖。
[0036]圖5是基于壓縮機入口流分布來運行渦輪發(fā)動機的示例性方法的流程圖。
[0037]圖6是排氣流分布測量系統(tǒng)的實施例的示意圖。
[0038]圖7是用于基于計算出的燃料質(zhì)量流率來運行渦輪發(fā)動機的示例性方法的流程圖。
[0039]圖8是抽取流分布測量系統(tǒng)的實施例的示意圖。
[0040]圖9是穿過圖9中的截面AA的橫截面圖。
[0041]圖10是用于基于計算出的抽取質(zhì)量流量來運行渦輪發(fā)動機的示例性方法的流程圖。
[0042]部件列表
100渦輪發(fā)動機系統(tǒng)(4)205壓縮機(8)
210燃燒器(4)
215渦輪(8)
220 軸(2)
230排氣噴嘴(3)
235發(fā)電機(2)
240電網(wǎng)
245抽取管道(5)
250入口氣室(6)
255入口氣室流分布測量系統(tǒng)(4)260排氣流分布測量系統(tǒng)(3)
265抽取流分布測量系統(tǒng)(5)
269渦輪排氣流分布測量系統(tǒng)270排氣管
275流分布測量系統(tǒng)(10)
280質(zhì)量流量傳感器(3)
285測量模塊(4)
290處理模塊(6)
295校準(zhǔn)模塊(2)
300特征化模塊(5)
310流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)(3)
315熱力模型模塊(2)
350耙架(6)
355熱絲質(zhì)量流量傳感器(11)
365渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)(10)
370箭頭375流分布376箭頭420方法(4)
435步驟440步驟445步驟460排氣路徑465箭頭470箭頭475排氣流分布500方法(J)
515步驟520步驟 525步驟
530步驟
535步驟
540步驟
550壓力換能器
555熱絲質(zhì)量流量傳感器柵格
560熱電偶
570箭頭(2)
575箭頭 600方法(4)
615步驟 620步驟 625步驟。
【具體實施方式】
[0043]本發(fā)明的實施例允許直接測量渦輪發(fā)動機系統(tǒng)中的流分布。在一個實施例中，使用具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的耙架來測量壓縮機的入口氣室處的流分布。在另一個實施例中，可用多個沿徑向定位的熱絲質(zhì)量流量傳感器測量壓縮機的入口氣室處的流分布?？墒褂昧鞣植?，以通過控制壓縮機的質(zhì)量流量運行渦輪發(fā)動機系統(tǒng)。在另一個實施例中，可用具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的耙架測量通往渦輪的排氣入口處的流分布?？墒褂门艢饬鞣植?，以基于根據(jù)測得的排氣流分布得出的計算燃料質(zhì)量流率來運行渦輪發(fā)動機系統(tǒng)。在另一個實施例中，可用成柵格的熱絲質(zhì)量流量傳感器測量壓縮機抽取管道處的流分布。可使用測得的流分布，以基于計算出的抽取質(zhì)量流量來運行渦輪發(fā)動機系統(tǒng)。
[0044]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例渦輪發(fā)動機系統(tǒng)100的示意圖。渦輪發(fā)動機系統(tǒng)100包括壓縮機205、燃燒器210和渦輪215。渦輪215聯(lián)接到連接壓縮機205和渦輪215的軸220上。在圖1中顯示的實施例中，壓縮機205壓縮氣體且排出氣體，并且燃燒器210接收壓縮氣體，以開始燃燒過程。來自燃燒器210的燃燒氣體傳送通過渦輪噴嘴230，以驅(qū)動渦輪215，渦輪215使軸220轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動發(fā)電機235。發(fā)電機235又產(chǎn)生功率，以輸出到電網(wǎng)240。在圖1中顯示的實施例中，通過抽取管道245從與壓縮機205相關(guān)聯(lián)的一個或多個級抽取來自壓縮機205的空氣，并且可將空氣傳送到渦輪215的一個或多個部分，在那里，空氣可冷卻與渦輪215相關(guān)聯(lián)的較熱的氣體路徑構(gòu)件。渦輪發(fā)動機系統(tǒng)100還可包括聯(lián)接到壓縮機205上的入口氣室250。入口氣室流分布測量系統(tǒng)255可聯(lián)接到入口氣室250上。燃燒器排氣流分布測量系統(tǒng)260可聯(lián)接到渦輪噴嘴230上。抽取流分布測量系統(tǒng)265還可設(shè)置在抽取管道245中。渦輪排氣流分布測量系統(tǒng)269可設(shè)置在渦輪排氣管270中。入口氣室250、抽取管道245、渦輪噴嘴230和渦輪排氣管270限定具有特定流分布的氣體傳送通過其中的流徑。
[0045]圖2是可用來測量流徑中的質(zhì)量流分布和速度流分布的流分布測量系統(tǒng)275的實施例的示意圖。可將流分布測量系統(tǒng)275實現(xiàn)為入口氣室流分布測量系統(tǒng)255 (設(shè)置在壓縮機入口流徑中)、排氣流分布測量系統(tǒng)260 (設(shè)置在排氣流徑中)，或者抽取流分布測量系統(tǒng)265 (設(shè)置在抽取流徑中)。流分布測量系統(tǒng)275接收來自多個質(zhì)量流量傳感器280的輸入(質(zhì)量流分布測量結(jié)果或速度流分布測量結(jié)果)。流分布測量系統(tǒng)275包括測量模塊285、處理模塊290、校準(zhǔn)模塊295和特征化模塊300。測量模塊285的功能是聚集多個質(zhì)量流量傳感器測量結(jié)果。處理模塊290的功能是對聚集的質(zhì)量流量測量結(jié)果進行濾波和調(diào)節(jié)。校準(zhǔn)模塊的功能是提供可由特征化模塊300應(yīng)用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。特征化模塊300對數(shù)據(jù)進行特征化，并且提供流分布輸出。來自多個質(zhì)量流量傳感器280的輸入傳到測量模塊285，測量模塊285又將測得的傳感器值傳送到處理模塊290。處理模塊290利用基于模型的控制和信號濾波技術(shù)(諸如卡爾曼濾波器)來處理測得電流。基于模型的控制源自燃?xì)鉁u輪的熱力響應(yīng)的預(yù)測模型。一種建模方法是使用被稱為系統(tǒng)識別的數(shù)值過程。系統(tǒng)識別包括獲取來自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后對激勵和響應(yīng)數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，以估計系統(tǒng)的參數(shù)。處理模塊290可利用參數(shù)識別技術(shù)(諸如卡爾曼濾波器)、跟蹤濾波、回歸映射、神經(jīng)映射、逆推建模技術(shù)或者它們的組合，來識別數(shù)據(jù)的偏移。濾波可由經(jīng)修改的卡爾曼濾波器、擴展卡爾曼濾波器或其它濾波算法執(zhí)行，或者備選地，濾波可由其它形式的方正(η-輸入，η-輸出)或非方正(η-輸入，m-輸出)調(diào)整器執(zhí)行。流分布測量系統(tǒng)275還包括校準(zhǔn)模塊295，校準(zhǔn)模塊295對特征化模塊300提供校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，特征化模塊300對流分布進行特征化。
[0046]圖3是用于流分布測量系統(tǒng)275的流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)310的實施例的示意圖。流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)310接收來自多個質(zhì)量流量傳感器280的輸入。輸入接收在測量模塊285中，測量模塊285又將測得傳感器值傳送到處理模塊290。流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)310還包括對特征化模塊300提供輸入的熱力模型模塊315。熱力模型模塊315可利用自適應(yīng)實時發(fā)動機模擬模型，該模型可對渦輪發(fā)動機系統(tǒng)100的若干運行參數(shù)進行實時電子建模。熱力模型模塊的功能是預(yù)測燃?xì)鉁u輪的熱力響應(yīng)。
[0047]圖4中示出的是入口氣室流分布測量系統(tǒng)255。入口氣室流分布測量系統(tǒng)255包括質(zhì)量流量傳感器組件，質(zhì)量流量傳感器組件具有耙架350和多個質(zhì)量流量傳感器，諸如設(shè)置在耙架350上的熱絲質(zhì)量流量傳感器355。耙架350構(gòu)造成和定位成橫穿關(guān)注區(qū)域，在這種情況下，橫穿入口氣室250。為了橫穿關(guān)注區(qū)域，耙架350可沿著耙架350將熱絲質(zhì)量流量傳感器355分配在不同距離處。在另一個實施例中，可用沿徑向定位的多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355測量壓縮機205 (在圖1中顯示)的入口氣室250處的流分布。對流分布測量系統(tǒng)275提供多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355的輸出，流分布測量系統(tǒng)275可與渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365成一體，或者形成其一部分。進入入口氣室250中的流(由箭頭370表示，壓縮機入口流徑)在測量流分布375處傳送通過多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355，并且繼續(xù)到壓縮機(由箭頭376表示)。
[0048]渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365可為傳統(tǒng)的通用電氣SpeedTronic?Mark VI燃?xì)鉁u輪控制系統(tǒng)。SpeedTronic控制器監(jiān)測各種傳感器和與渦輪發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的其它儀器。除了控制某些渦輪功能(諸如燃料流率)之外，SpeedTronic控制器根據(jù)其渦輪傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并且呈現(xiàn)那個數(shù)據(jù)，以對渦輪操作者顯示。可使用產(chǎn)生數(shù)據(jù)表和其它數(shù)據(jù)表示的軟件來顯示數(shù)據(jù)，諸如通用電氣Cimplicity? HMI軟件產(chǎn)品。
[0049]SpeedTronic?控制系統(tǒng)是包括微處理器的計算機系統(tǒng)，微處理器執(zhí)行程序來通過使用傳感器輸入和來自人類操作者的指令來控制渦輪發(fā)動機的運行?？刂葡到y(tǒng)包括邏輯單元，諸如可在軟件中實現(xiàn)或者由硬連線邏輯電路實現(xiàn)的采樣和保持、累加和微分單元。由控制系統(tǒng)處理器產(chǎn)生的命令使渦輪發(fā)動機上的促動器(例如)調(diào)節(jié)將燃料供應(yīng)給燃燒室的燃料控制系統(tǒng)，設(shè)定壓縮機的入口導(dǎo)葉，以及調(diào)節(jié)渦輪發(fā)動機上的其它控制設(shè)置。
[0050]渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365包括計算機處理器和數(shù)據(jù)存儲器，它們使用處理器執(zhí)行的各種算法來將傳感器讀數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。由算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表示渦輪發(fā)動機的各種運行狀況。數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)在操作者顯示器22上，諸如電子地聯(lián)接到操作者顯示器上的計算機工作站。顯示器和/或控制器可使用諸如通用電氣Cimplicity?數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制軟件應(yīng)用的軟件來產(chǎn)生數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)打印輸出。
[0051]熱絲質(zhì)量流量傳感器355確定流到系統(tǒng)中的空氣或氣體的質(zhì)量。熱絲質(zhì)量流量傳感器355的運行理論類似于熱絲風(fēng)速計(確定空氣速度)的運行理論。質(zhì)量流量傳感器通過用電流加熱懸浮在氣體流中的絲來運行。絲的電阻隨著絲的溫度升高而增大，這會限制電流流過電路。當(dāng)氣體流經(jīng)絲時，絲冷卻，從而減小其電阻，這又允許更多電流流過電路。隨著更多電流流過，絲的溫度升高，直到電阻再次達到平衡。保持絲的溫度所需的電流量與流經(jīng)絲的空氣質(zhì)量成比例。如果空氣密度由于壓力增大或溫度降低而提高，但空氣體積保持恒定，則較稠密的空氣將從絲中移除熱，從而指示有較高質(zhì)量空氣流。不像熱絲風(fēng)速計，熱絲質(zhì)量流量計直接響應(yīng)于空氣密度。
[0052]備選實施例利用呈板形式的電阻金屬膜，其與流向平行地對齊。板的面向流的側(cè)(即，窄側(cè))涂覆有隔熱材料，使得質(zhì)量流量傳感器的電阻金屬板不受耙架的前緣上的任何淀積物影響。這個備選實施例會減小淀積在電阻材料上的材料的影響，并且因此減少在持續(xù)運行期間對頻繁校準(zhǔn)的需要。
[0053]從性能建模角度看，壓縮機入口質(zhì)量流率分布的測量提供一種計算平均壓縮機入口質(zhì)量流率的手段。然后可將平均壓縮機入口質(zhì)量流率傳給渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365，以控制各種渦輪發(fā)動機運行模式。可利用對壓縮機入口流的精確理解以及對渦輪發(fā)動機排氣狀況的精確理解，以通過基于模型的控制策略來設(shè)定渦輪發(fā)動機的整體性能水平。另外，可利用對壓縮機入口流的精確理解來更精確地控制渦輪發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程的燃料/空氣比，從而允許以非常接近燃燒極限(諸如貧熄火)的方式運行。
[0054]從機械角度看，壓縮機入口流速度和/或質(zhì)量流分布的測量提供驗證入口調(diào)節(jié)措施的混合的能力。示例將是注入入口引氣(bleed)熱，以防止壓縮機喘振。除了量化在注入到壓縮機中之前流動流內(nèi)的入口引氣熱的混合的能力之外，相對于沒有入口引氣熱的基本情況，將壓縮機入口流耙架(一個或多個)定位在入口引氣熱注入端口下游將提供量化注入的入口引氣熱量的能力。這個方法可擴展到量化其它入口調(diào)節(jié)措施的量和混合，諸如為了增加功率而注入水蒸氣(即，濕壓縮)等。
[0055]圖5中示出的是用于基于壓縮機入口流分布來運行渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的方法420的流程圖。
[0056]在步驟435中，方法420使用入口流質(zhì)量流量傳感器來測量壓縮機入口質(zhì)量空氣流量。
[0057]在步驟440中，方法420將平均壓縮機入口質(zhì)量流量值提供給渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng) 365。
[0058]在步驟445中，方法420基于計算出的壓縮機入口空氣流量來運行渦輪發(fā)動機系統(tǒng)。[0059]圖6中示出的是排氣流分布測量系統(tǒng)260。具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355的耙架350設(shè)置在排氣路徑460中。來自燃燒器210 (在圖1中顯示)的排氣(由箭頭465表示)流過多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355，并且排氣(由箭頭470表示)繼續(xù)到渦輪215 (在圖1中顯示)。多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355的輸出傳到流分布測量系統(tǒng)275，流分布測量系統(tǒng)275可與渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365成一體，或者形成其一部分。多個熱絲質(zhì)量流量傳感器355測量排氣流分布475。排氣速度和/或質(zhì)量流分布的測量在機械和性能建模方面提供許多好處。從機械角度看，排氣速度分布的測量提供一種驗證和校準(zhǔn)渦輪空氣動力學(xué)模型的手段。另外，排氣質(zhì)量流分布的測量提供驗證排氣冷卻機構(gòu)的混合(例如排氣框架送風(fēng)機冷卻)的能力。從性能建模角度看，排氣質(zhì)量流率的測量提供一種計算平均排氣質(zhì)量流率的手段。在對三個變量中的兩個有恰當(dāng)了解時，然后可利用平均排氣質(zhì)量流率來分離壓縮機入口空氣流率、燃料流率和/或框架送風(fēng)機流率，從而改進排氣系統(tǒng)的整體建模。在已知壓縮機入口流量和框架送風(fēng)機流量的情況下，可利用產(chǎn)生的平均排氣質(zhì)量流率來計算進入渦輪發(fā)動機中的燃料質(zhì)量流率，渦輪發(fā)動機系統(tǒng)中的最不精確的測量結(jié)果中的一個。然后可將這個計算燃料質(zhì)量流率傳給渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365，以控制渦輪發(fā)動機，或者調(diào)節(jié)接收自燃料質(zhì)量流量測量裝置的燃料質(zhì)量流量。
[0060]圖7中示出的是用于基于計算出的燃料質(zhì)量流率來運行渦輪發(fā)動機的方法500的流程圖。
[0061]在步驟515中，方法500計算平均排氣質(zhì)量流量。
[0062]在步驟520中，方法500測量主要送風(fēng)機流量。
[0063]在步驟525中，方法500測量壓縮機入口空氣流量。
[0064]在步驟530中，方法500根據(jù)平均排氣質(zhì)量流量、壓縮機入口空氣流量和框架送風(fēng)機空氣流量來計算燃料質(zhì)量流量。
[0065]在步驟535中，方法500將燃料質(zhì)量流量值提供給渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365。
[0066]在步驟540中，方法500基于計算出的燃料質(zhì)量流率來運行渦輪。
[0067]圖8中示出的是抽取流分布測量系統(tǒng)265，并且在圖9中示出的是沿著圖8中的線AA得到的橫截面。抽取流分布測量系統(tǒng)265包括熱絲質(zhì)量流量傳感器柵格555，并且可包括熱電偶560、壓力換能器550和流分布測量系統(tǒng)275。抽取流分布測量系統(tǒng)265測量流過抽取管道245的空氣流(由箭頭570表示)的流分布?？諝饬?由箭頭570表示)被壓縮機205中抽取出(在圖1中顯示)，并且可傳送到(如由箭頭575表示的那樣)渦輪215(在圖1中顯示)。流分布測量系統(tǒng)275可計算平均壓縮機抽取質(zhì)量流率，然后平均壓縮機抽取質(zhì)量流率可傳到渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365。計算出的平均壓縮機抽取質(zhì)量流率提供通過計量裝置(諸如位于壓縮機抽取系統(tǒng)中的閥)來將壓縮機抽取質(zhì)量流率的水平主動控制到渦輪發(fā)動機內(nèi)的預(yù)定義運行極限的能力。將整體壓縮機抽取系統(tǒng)主動控制到運行極限的能力對燃燒發(fā)動機系統(tǒng)提供許多性能和保持能力好處。這些好處包括針對性能能力優(yōu)化冷卻流；針對遵守排放要求優(yōu)化冷卻流；針對改進的部件壽命管理優(yōu)化冷卻流；以及能夠控制壓縮機喘振或失速的裕度。
[0068]圖8顯示用于基于抽取管道245中的流分布來改變抽取流量，以保持渦輪發(fā)動機運行極限的方法600的流程圖。
[0069]在步驟615中，方法600計算平均壓縮機抽取流量。[0070]在步驟620中，方法600將計算出的平均壓縮機抽取流量值提供給渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)365。
[0071]在步驟625中，方法600改變壓縮機抽取流量，以保持渦輪發(fā)動機運行極限。
[0072]本文使用的用語僅是為了描述特定實施例，而不意于限制本發(fā)明。在用語的定義偏離用語的常用含義的情況下， 申請人:意于利用本文提供的定義，除非有特別指示。單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”意于也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確的說明。將理解的是，雖然用語第一、第二等可用來描述各種元件，但這些元件不應(yīng)受這些用語限制。這些用語僅用來區(qū)分一個元件與另一個元件。用語“和/或”包括一個或多個相關(guān)聯(lián)的所列項目中的任一個和全部組合。短語“聯(lián)接到”和“聯(lián)接”意為直接聯(lián)接或間接聯(lián)接。對于上面描述的所有實施例，不必按順序執(zhí)行方法的步驟。
[0073]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括等效結(jié)構(gòu)要素，則它們意于處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量渦輪發(fā)動機中的流徑的一部分中的氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，包括:具有多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的質(zhì)量流量傳感器組件，所述質(zhì)量流量傳感器組件在所述流徑的所述部分中設(shè)置在待測量流分布的位置處；以及 將來自所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測量結(jié)果的控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括耙架，以及其中，所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器分配在所述耙架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括柵格，所述多個熱絲質(zhì)量流量傳感器設(shè)置在所述柵格上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述流分布是質(zhì)量流分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述流分布是速度流分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體質(zhì)量流量包括空氣流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量氣體質(zhì)量流量的系統(tǒng)，其特征在于，所述流徑的所述部分包括所述流徑的選自下者組成的組的一部分:入口氣室、排氣管道和壓縮機抽取管道。
8.一種用于測量渦輪發(fā)動機的流徑的一部分中的流分布的方法，所述方法包括: 感測設(shè)置在所述渦輪發(fā)動機的所述流徑的所述部分中的多個絲中的物理變化，所述物理變化與所述流徑的所述部分中的多個位置中的各個處的流屬性有關(guān)；以及 將來自所述多個絲的信號轉(zhuǎn)換成流分布測量結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述流分布測量結(jié)果包括速度流分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述流分布測量結(jié)果包括質(zhì)量流分布。
【文檔編號】G01F1/86GK103968908SQ201410039627
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】S.?？{亞克, T.C.比爾黑默, D.C.沃維克, A.I.西皮奧, D.J.戴維斯, J.N.庫克, V.韋斯 申請人:通用電氣公司