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CN106795814B - 用于启动燃气涡轮的设备和方法，调节燃气涡轮转速的方法，和相关的燃气涡轮与涡轮发动机 - Google Patents

用于启动燃气涡轮的设备和方法，调节燃气涡轮转速的方法，和相关的燃气涡轮与涡轮发动机 Download PDF

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CN106795814B CN201580045475.5A CN201580045475A CN106795814B CN 106795814 B CN106795814 B CN 106795814B CN 201580045475 A CN201580045475 A CN 201580045475A CN 106795814 B CN106795814 B CN 106795814B
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Abstract

本发明涉及一种用于启动燃气涡轮的设备，该设备包括起动器系统，该起动器系统能够按照指令驱动所述燃气涡轮。起动器系统包括用于接收代表燃气涡轮的旋转速度的信息的装置、用于根据代表燃气涡轮的旋转速度的所述信息计算扭矩设定的装置、和用于将所述扭矩设定传输到起动器系统的装置，并且用于计算扭矩设定的装置适合于将代表燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较，并且根据所述比较计算扭矩设定。

Description

用于启动燃气涡轮的设备和方法，调节燃气涡轮转速的方法， 和相关的燃气涡轮与涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种用于启动燃气涡轮的设备、一种用于启动燃气涡轮的方法和一种用于调节燃气涡轮的旋转速度的方法。特别地，本发明涉及一种启动设备、一种启动方法和一种用于调节航空器涡轮发动机的燃气涡轮的旋转速度的方法。
背景技术
在航空器上，启动燃气涡轮(GT)所必需的动力由电池或外部辅助单元(地面上的小型机动车或机场的供应网络)来供应，或者由航空器的另一个燃气涡轮(典型地为辅助动力单元)进行发电来供应。
在启动阶段中，燃气涡轮的加速度取决于由燃气涡轮的启动设备施加的扭矩以及例如由附件箱、转子、附件箱所驱动的装备或转子上的机械动力的提拉作用(take-up)引起的抗扭矩。
根据燃气涡轮所处的环境，尤其根据温度和航空器的高度，这些抗扭矩显著地波动。在这些状况下得到可重现的和可靠的启动曲线(profile)是复杂的，这是因为通常得不到由燃气涡轮体现的抗扭矩信息。
另外，由于设备或涡轮的设计或者因为测量该扭矩将对涡轮的旋转造成扰动，导致可靠性的损失，所以启动设备所施加的扭矩有时难于测量。此外，这种扭矩测量需要测量装置，该测量装置通常在燃气涡轮中提出了额外的质量与空间需求。
发明目的
本发明目的在于至少克服已知的燃气涡轮启动设备和方法的缺陷中的至少一些缺陷。
特别地，本发明目的在于在本发明的至少一个实施例中提供一种使得能够控制燃气涡轮的启动而不需要直接测量涡轮扭矩的启动设备和方法。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种提供了燃气涡轮的稳健启动的启动设备。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种使得能够在多个阶段中对涡轮应用启动曲线的启动设备。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种使得能够对暂态的启动阶段进行良好控制的启动设备。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种给予了性能增长的启动设备。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种在启动时间方面给予了缩减的启动设备。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种用于调节燃气涡轮的旋转速度的方法。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于启动燃气涡轮的设备，该设备包括能够按照指令使所述燃气涡轮旋转的起动系统，其特征在于，该设备包括：
-用于接收代表燃气涡轮的旋转速度的信息的装置，
-用于根据代表燃气涡轮的旋转速度的所述信息来计算设定扭矩值的装置，
-用于将所述设定扭矩值传输至起动系统的装置，
以及，用于计算设定扭矩值的装置适合于将代表燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较，并且根据所述比较计算设定扭矩值。
因此，根据本发明的启动设备使得能够根据代表燃气涡轮的速度的信息通过应用设定启动扭矩值借助起动系统来启动涡轮。与涡轮的扭矩不同，并且尤其与涡轮的抗扭矩不同，可例如通过将代表旋转速度的信息传输到用于(例如以通过电信号传送的数字数据的形式)接收该信息的装置的速度传感器来测量燃气涡轮的旋转速度。设定扭矩值使得能够在启动期间以及在该启动的整个时段中根据燃气涡轮的预定的旋转速度曲线来非常精确地调节涡轮的旋转，并且因此使得能够进行更为稳健的启动。
通过用于计算设定扭矩值的装置来进行的比较确定了代表涡轮的旋转速度(被称为实际速度)的信息与所需的速度之间的差，所需的速度通过预定的速度曲线来确定。
有利地并且根据本发明，设备包括：
-适合于将燃料喷射到所述燃气涡轮的燃烧室中的燃料计量设备，
-用于根据代表速度的所述信息来计算设定燃料计量值的装置，以及
-用于将燃料计量值传输到所述燃料计量设备的装置，
以及，用于计算设定燃料计量值的装置适合于将代表燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较，并且根据所述比较计算设定燃料计量值。
根据本发明的这个方面，当燃气涡轮被启动时设备使得能够控制燃料到燃气涡轮的燃烧室中的喷射，以对涡轮供应额外的扭矩，该额外的扭矩被增加到由起动系统提供的扭矩。因此设备根据代表速度的信息通过起动系统和燃料计量设备来控制对燃气涡轮的旋转进行的设定，以更好地控制各个启动阶段。特别地，在仅由于起动系统或仅由于燃料喷射或者由于二者的组合而对旋转进行设定的阶段之间的过渡更为稳健。
通过用于计算设定燃料计量值的装置来进行的比较确定了代表涡轮的旋转速度(被称为实际速度)的信息与所需的速度之间的差，所需的速度通过预定的速度曲线来确定。
有利地并且根据本发明，用于接收代表燃气涡轮的旋转速度的信息的装置、用于计算设定扭矩值的装置、用于计算设定燃料计量值的装置、用于传输设定扭矩值的装置和用于传输设定燃料计量值的装置被包含在控制所述燃气涡轮的控制单元中。
所使用的控制单元例如为使得能够通过大量的致动器来控制涡轮的大量元件的发动机控制单元(ECU)或FADEC(全权限数字发动机控制器，Full Authority DigitalEngine Control)。
根据本发明的这个方面，控制单元使得能够将用于计算和传输设定扭矩值和设定燃料计量值的装置一同放置在单件装备中。控制单元还可控制燃气涡轮的其它功能。
有利地并且根据本发明，起动系统能够通过继电器箱使燃气涡轮旋转。
根据本发明的这个方面，继电器箱使得能够将来自于起动系统的扭矩传输到燃气涡轮，扭矩可选地以换算系数进行修改。
有利地并且根据本发明，起动系统包括能够使所述燃气涡轮旋转的电机和用于控制电机的系统，该系统被配置为接收所述设定扭矩值并根据设定扭矩值控制到所述电机的电力供应。
根据本发明的这个方面，用于控制电机的系统例如通过其控制电子设备来接收设定扭矩值并且将该设定扭矩值转化为到电机的指令，该电机将扭矩施加到燃气涡轮。
本发明还涉及一种用于调节被构造为由起动系统驱动的燃气涡轮的旋转速度的方法，其特征在于，该方法包括：
-接收代表燃气涡轮的旋转速度的信息的步骤，
-将代表燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较的步骤，
-根据所述比较的结果计算设定扭矩值的步骤，
-将所述设定扭矩值传输至起动系统的步骤。
因此，根据本发明的调节方法使得能够建立用于涡轮的旋转速度的调节环路，以对所述速度给予有效的控制，以便遵照预定的速度曲线。
在比较步骤期间进行的比较确定了代表涡轮的旋转速度(被称为实际速度)的信息与所需的速度之间的差，所需的速度通过预定的速度曲线来确定。比较的结果为确定的差，该确定的差被用于计算设定扭矩值。
有利地并且根据本发明，方法包括：
-根据所述比较的结果计算设定燃料计量值的步骤，
-将设定燃料计量值传输至燃料计量设备的步骤，该燃料计量设备适合于根据所述设定燃料计量值将燃料喷射到燃气涡轮的燃烧室中。
有利地，根据本发明的调节方法通过根据本发明的启动设备来实施。
有利地，根据本发明的启动设备实施根据本发明的调节方法。
本发明还涉及一种用于启动燃气涡轮的方法，其特征在于，按照根据本发明的调节方法来调节燃气涡轮的旋转速度，以及该方法以如下顺序依次包括：
-通过起动系统来启动燃气涡轮的步骤，在该步骤期间，计算设定扭矩值，使得燃气涡轮的旋转速度从零速度改变到所谓的点火速度，
-使燃气涡轮点火的步骤，
-启动燃气涡轮的步骤，在该步骤期间，计算设定扭矩值和设定燃料计量值，以将燃气涡轮的旋转速度增大至所谓的过渡速度，
-过渡步骤，在该过渡步骤期间，将设定扭矩值固定并且计算设定燃料计量值，以增大燃气涡轮的旋转速度，
-常规状态步骤，在该常规状态步骤期间，设定扭矩值为零并且计算设定燃料计量值，以改变燃气涡轮的旋转速度。
因此，根据本发明的启动方法通过按照调节方法来调节速度给予了燃气涡轮稳健的和高效的启动。速度根据多个启动阶段来调节，以给予快速的和高效的启动。通过根据代表燃气涡轮的旋转速度的信息来计算起动系统的设定扭矩值和燃料计量设备的设定燃料计量值，改善各阶段之间的过渡。此外，本发明的启动方法在燃气涡轮的多次启动时是可重现的，这是因为该启动方法取决于燃气涡轮的旋转速度并且对外部状况的改变不敏感。
优选地，在使燃气涡轮点火的步骤，计算设定扭矩值以将燃气涡轮的旋转速度维持在点火速度，直至由燃料计量设备根据设定燃料计量值喷射的燃料燃烧为止。
在点火步骤期间速度稳定到点火速度使得能够优化燃气涡轮的点火并且减少由于过低或过高的点火速度而中止的启动的数量。
有利地，根据本发明的启动方法通过根据本发明的启动设备来实施。
有利地，根据本发明的启动设备实施根据本发明的启动方法。
本发明还涉及一种包括根据本发明的设备的燃气涡轮。
本发明还涉及一种包括根据本发明的燃气涡轮的涡轮发动机。
本发明还涉及一种启动设备、一种启动方法、一种调节方法、一种燃气涡轮和一种涡轮发动机，其特征在于，上文或下文所述的全部或某些特征的组合。
附图说明
通过阅读以下仅以非限制性的方式给出并且参照附图作出的描述，本发明的其它目的、特征和优点将显现，在附图中：
图1为根据本发明的实施例的启动设备的示意性表示，
图2为根据本发明的实施例的调节方法的示意性表示，
图3为按照根据本发明的实施例的启动方法启动的燃气涡轮的预定的速度曲线。
具体实施方式
以下的实施例为示例。虽然说明书提到一个或多个实施例，但这不一定意味着每次参照均涉及同一实施例，或特征仅适用于一个实施例。各个实施例的简单的特征还可被组合，以提供其它实施例。
图1示意性地示出了用于启动根据本发明的实施例的燃气涡轮12的设备10。启动设备10的目标在于当涡轮12不旋转时使得该涡轮能够启动。在不旋转的情况下，涡轮12中的气体不能够燃烧以使涡轮12旋转。因此，为了使得能够启动涡轮12，起动系统14被连接到涡轮，以能够触发该涡轮进行旋转。根据图1中描绘的实施例，起动系统14由例如为交流电机的电机18和用于控制电机的系统16(例如反相器)构成。用于控制电机的系统16给电机18提供电力，使得该电机可通过继电器箱20使燃气涡轮12旋转。
为了控制起动系统14，启动设备10包括用于对涡轮12应用预定的速度曲线的装置。这种预定的速度曲线的示例稍后在说明书中参照图3进行描述。这些装置尤其是：
-用于接收代表燃气涡轮12的旋转速度的信息的装置22。该信息例如通过用于涡轮12的旋转速度的传感器24来传输。
-用于根据代表燃气涡轮12的旋转速度的所述信息，尤其根据代表旋转速度的该信息与预定的速度曲线之间的比较，计算设定扭矩值的装置26。这些计算装置26使得能够确定必须由起动系统14施加到燃气涡轮12的设定扭矩值。
-用于将所述设定扭矩值传输到起动系统14，以及更特别地，传输到用于控制电机的系统16的装置28。用于控制电机的系统16则负责通过电机18的电力供应来控制该电机，以将对应于所传输的设定扭矩值的扭矩施加到燃气涡轮12。
在该实施例中，启动设备10还包括燃料计量设备30，该燃料计量设备将燃料喷射到燃气涡轮12的燃烧室32中。一个类型的燃料计量设备30例如为FMU(燃料计量单元，fuelmetering unit)。燃料计量设备30将燃料喷射到燃气涡轮12的燃烧室32中，使得燃料被燃烧，这种燃烧使得燃气涡轮12能够在启动之后尤其在常规运行状态下进行旋转。
为了使得能够对燃料进行适合的计量，启动设备10包括用于根据代表燃气涡轮12的旋转速度的信息计算设定燃料计量值的装置34和用于将设定燃料计量值传输到燃料计量设备的装置36。根据涡轮的旋转速度，尤其根据涡轮的该旋转速度与预定的速度曲线的比较来计算设定燃料计量值，并且喷射燃料使得该燃料能够在涡轮中燃烧，以对燃气涡轮提供额外的扭矩，该额外的扭矩被增加到由起动系统14提供的扭矩。
在该实施例中，用于接收代表速度的信息的装置22、用于计算设定扭矩值的装置26、用于计算设定燃料计量值的装置34、用于传输设定扭矩值的装置28和用于传输设定燃料计量值的装置36被包含在被称为控制单元38的单件装备中。该控制单元38使得能够同时地控制起动系统14和燃料计量设备30，以使得能够进行更为稳健的启动。该控制单元38可进一步地具有与燃气涡轮12相关的更多的功能，在这里不做说明。可用作控制单元38的装备例如为ECU(发动机控制单元，engine control unit)，尤其为FADEC(全权限数字发动机控制器，Full Authority Digital Engine Control)，FADEC为在航空领域中用于将燃气涡轮12用作涡轮发动机的涡轮所经常使用的装备。
此外，在该实施例中，用于计算设定扭矩值的装置26和用于计算设定燃料计量值的装置34被组合在同一件计算装备40中。这使得能够在两个设定值之间进行调整，以通过将起动系统14与燃料计量设备30的作用组合来得到燃气涡轮12的所需的扭矩。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的启动方法42。有利地，方法42由关于图1所描述的设备10实施。方法42包括接收代表燃气涡轮12的旋转速度的信息的步骤44。在比较步骤48期间，该信息与如例如参照图3描述的预定的速度曲线46进行比较。该比较步骤48使得能够确定实际旋转速度与由预定的速度曲线46限定的所需的旋转速度之间的差，并且所述确定的差则在计算设定扭矩值的步骤50和计算设定燃料计量值的步骤52期间使得能够根据涡轮12的实际旋转速度和所需的旋转速度并且可选地根据涡轮12所处的启动阶段来确定设定扭矩值和设定燃料计量值。在该实施例中，两个计算步骤50、52被组合在单个步骤54中，以使用起动系统14和由燃料计量设备30进行的燃料喷射来提供更稳健的调节，以提供进行速度调节所必需的扭矩。
在传输设定扭矩值的步骤56期间，设定扭矩值被传输到控制电机的系统。控制电机的系统16根据该设定值控制电机18，在施加起动系统的扭矩的步骤58期间，该电机则对涡轮12施加扭矩。结果得到的扭矩由箭头60示出。
此外，在传输设定燃料计量值的步骤62期间，设定燃料计量值被传输到燃料计量设备，这使得能够将燃料喷射到燃气涡轮的燃烧室中。在施加燃料计量设备的扭矩的步骤64期间，气体的燃烧使得能够对涡轮12施加扭矩。结果得到的扭矩由箭头66示出。
因此，由箭头68示出的被施加到涡轮的总扭矩是来自于起动系统14和燃料计量设备30的两个扭矩的相加。该总扭矩使得能够使涡轮12以某一速度旋转(通过步骤69示出)，在接收代表速度的信息的步骤44期间，代表该某一速度的信息被接收：因此调节方法构成了闭合的调节环路。
图3示出了按照根据本发明的实施例的启动方法启动的燃气涡轮的预定的速度曲线。根据设定速度值曲线72和测量速度曲线74这两条曲线，预定的速度曲线示出了根据时间t的旋转速度V，该设定速度值曲线72代表涡轮理论上应遵照的旋转速度，该测量速度曲线74代表涡轮12实际被测量的旋转速度。
预定的速度曲线70使得能够将用于启动燃气涡轮12的方法的各个步骤区分开。
在起动步骤A，起动系统14仅驱动燃气涡轮12进行旋转，气体未开始在涡轮12中燃烧。
点火步骤B对由燃料计量设备30喷射到燃气涡轮12的燃烧室32中的气体点火，以使得气体燃烧并且使得燃气涡轮12旋转。为了提供有效的点火，燃气涡轮12的旋转速度被维持在所谓的点火速度Va。
在启动燃气涡轮12的步骤C，主要由于起动系统14的作用以及部分地由于所喷射的燃料的燃烧，涡轮12的旋转速度逐渐增大。计算设定扭矩值和设定计量值，使得起动系统14和所喷射的燃料利用被燃气涡轮吸入的空气的燃烧的作用对燃气涡轮12施加所需的扭矩。
一旦达到所谓的过渡速度Vt，则启动方法进入到过渡步骤D，在该过渡步骤期间，将设定扭矩值固定并且计算设定燃料计量值，以增大涡轮12的旋转速度。因此，是燃料调节了涡轮12的速度，以遵照预定的速度曲线，起动系统14仅施加固定的扭矩。
最后，在常规状态步骤E，结束启动并且燃气涡轮12回到常规状态中。起动系统14停止并且涡轮12仅由于由燃料计量设备30喷射的燃料的燃烧而旋转。

Claims (10)

1.用于启动燃气涡轮(12)的设备，所述设备包括能够按照指令使所述燃气涡轮(12)旋转的起动系统(14)，
其特征在于，所述设备包括：
-用于接收代表所述燃气涡轮(12)的旋转速度的信息的装置(22)，
-用于根据代表所述燃气涡轮(12)的旋转速度的所述信息来计算设定扭矩值的装置(26)，
-用于将所述设定扭矩值传输至所述起动系统(14)的装置(28)，
以及，用于计算所述设定扭矩值的装置适合于将代表所述燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较，并且根据所述比较计算所述设定扭矩值。
2.根据权利要求1所述的用于启动燃气涡轮(12)的设备，其特征在于，所述设备包括：
-适合于将燃料喷射到所述燃气涡轮(12)的燃烧室(32)中的燃料计量设备(30)，
-用于根据代表速度的所述信息来计算设定燃料计量值的装置(34)，以及-用于将所述设定燃料计量值传输到所述燃料计量设备(30)的装置(36)，
以及，用于计算所述设定燃料计量值的装置适合于将代表所述燃气涡轮的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较，并且根据所述比较计算所述设定燃料计量值。
3.根据权利要求2所述的用于启动燃气涡轮(12)的设备，其特征在于，用于接收代表所述燃气涡轮(12)的旋转速度的信息的装置(22)、用于计算所述设定扭矩值的装置(26)、用于计算所述设定燃料计量值的装置(34)、用于传输所述设定扭矩值的装置(28)和用于传输所述设定燃料计量值的装置(36)被包含在控制所述燃气涡轮(12)的控制单元(38)中。
4.根据权利要求1所述的用于启动燃气涡轮(12)的设备，其特征在于，所述起动系统(14)能够通过继电器箱(20)使所述燃气涡轮(12)旋转。
5.根据权利要求1所述的用于启动燃气涡轮(12)的设备，其特征在于，所述起动系统(14)包括能够使所述燃气涡轮(12)旋转的电机(18)和用于控制所述电机(18)的系统(16)，所述系统被配置为接收所述设定扭矩值并根据所述设定扭矩值控制到所述电机(18)的电力供应。
6.用于调节被构造为由起动系统(14)驱动的燃气涡轮(12)的旋转速度的方法，其特征在于，所述方法包括：
-接收代表所述燃气涡轮(12)的旋转速度的信息的步骤(44)，
-将代表所述燃气涡轮(12)的旋转速度的信息与预定的速度曲线进行比较的步骤(48)，
-根据所述比较的步骤(48)的结果计算设定扭矩值的步骤(50)，
-将所述设定扭矩值传输至所述起动系统(14)的步骤(56)。
7.根据权利要求6所述的用于调节被构造为由起动系统(14)驱动的燃气涡轮(12)的旋转速度的方法，其特征在于，所述方法包括：
-根据所述比较的结果计算设定燃料计量值的步骤(52)，
-将所述设定燃料计量值传输至燃料计量设备(30)的步骤(62)，所述燃料计量设备适合于根据所述设定燃料计量值将燃料喷射到所述燃气涡轮的燃烧室(32)中。
8.用于启动燃气涡轮的方法，其特征在于，按照根据权利要求7所述的用于调节被构造为由起动系统(14)驱动的燃气涡轮(12)的旋转速度的方法来调节所述燃气涡轮(12)的旋转速度，以及所述方法以如下顺序依次包括：
-通过所述起动系统(14)来启动所述燃气涡轮(12)的步骤(A)，在启动所述燃气涡轮的所述步骤期间，计算所述设定扭矩值，使得所述燃气涡轮(12)的旋转速度从零速度改变到所谓的点火速度(Va)，
-使所述燃气涡轮点火的步骤(B)，在使所述燃气涡轮点火的所述步骤期间，计算所述设定扭矩值，以将所述燃气涡轮(12)的旋转速度维持在所述点火速度，直至由所述燃料计量设备(30)根据所述设定燃料计量值喷射的燃料燃烧为止，
-启动所述燃气涡轮(12)的步骤(C)，在启动所述燃气涡轮的所述步骤期间，计算所述设定扭矩值和所述设定燃料计量值，以将所述燃气涡轮(12)的旋转速度增大至所谓的过渡速度(Vt)，
-过渡步骤(D)，在所述过渡步骤期间，将所述设定扭矩值固定并且计算所述设定燃料计量值，以增大所述燃气涡轮(12)的旋转速度，
-常规状态步骤(E)，在所述常规状态步骤期间，所述设定扭矩值为零并且计算所述设定燃料计量值，以改变所述燃气涡轮(12)的旋转速度。
9.燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮包括根据权利要求1至5中任一项所述的用于启动燃气涡轮(12)的设备(10)。
10.涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括根据权利要求9所述的燃气涡轮(12)。
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