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用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)流徑中的流分布的系統(tǒng)和方法。提供一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(cè)量流分布的位置處。系統(tǒng)還包括將來(lái)自溫度傳感器、壓力傳感器和多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)量結(jié)果的控制器。
【專利說(shuō)明】用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的儀器，并且更特別地，涉及用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)測(cè)量通過(guò)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和氣體流徑內(nèi)的各種位置處的內(nèi)部狀況。可通過(guò)使用定位壓縮機(jī)內(nèi)和別處的皮托管、熱電偶和其它裝置來(lái)進(jìn)行空氣壓力和溫度測(cè)量。在沒有適當(dāng)?shù)挠布那闆r下，可通過(guò)開槽的方式將傳感器設(shè)置到壓縮機(jī)中或耙架上的其它位置上。耙架大體安裝到壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)加工表面上和別處。
[0003]目前，通過(guò)使用持續(xù)運(yùn)行期間的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的入口鐘形口中的靜壓力以及壓差測(cè)量結(jié)果來(lái)得到壓縮機(jī)入口體積流量測(cè)量結(jié)果。根據(jù)體積流量測(cè)量結(jié)果來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)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(duì)濕度測(cè)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(wú)負(fù)載以下，例如，了解到用于測(cè)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(gè)測(cè)量類型都具有相關(guān)聯(lián)的測(cè)量不確定性，從而導(dǎo)致不確定性可能比單次測(cè)量更高。由于這個(gè)高變化性，所以難以獲得對(duì)壓縮機(jī)空氣流量的精確理解，并且因此利用壓縮機(jī)入口空氣流量來(lái)控制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)引起控制和診斷問(wèn)題。
[0004]目前，通過(guò)利用排氣溫度和橫穿排氣管的總壓力耙架來(lái)測(cè)量排氣速度輪廓。然后利用這些測(cè)量結(jié)果，利用基于物理的方程來(lái)計(jì)算排氣速度輪廓。此方法對(duì)于驗(yàn)證測(cè)試目的非常有效，并且目前被用來(lái)驗(yàn)證影響排氣流速度輪廓的渦輪空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)變化。但是，這種方法需要安裝兩組獨(dú)立的耙架，從而提高儀器在試驗(yàn)期間失效的可能性。另外，各個(gè)測(cè)量類型都具有相關(guān)聯(lián)的測(cè)量不確定性，從而導(dǎo)致不確定性可能比單次測(cè)量更高。除了用于對(duì)驗(yàn)證新式渦輪空氣動(dòng)力學(xué)翼型件形狀進(jìn)行的驗(yàn)證測(cè)試之外，排氣速度和/或質(zhì)量流分布的測(cè)量目前在本行業(yè)中是不標(biāo)準(zhǔn)的。
[0005]典型地通過(guò)測(cè)量溫度和跨過(guò)孔板的壓降來(lái)計(jì)算未經(jīng)調(diào)節(jié)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)抽取流量測(cè)量結(jié)果。此方法在其中通過(guò)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?yàn)榭走^(guò)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(huì)限制經(jīng)調(diào)節(jié)的抽取流系統(tǒng)的功能性，因?yàn)樵谳^高流率下，簡(jiǎn)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(cè)量排氣速度輪廓，以提供驗(yàn)證和校準(zhǔn)渦輪空氣動(dòng)力學(xué)模型，以及驗(yàn)證排氣冷卻機(jī)構(gòu)的混合。另外，需要一種儀器用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)入口流質(zhì)量流分布，以使得能夠驗(yàn)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(cè)量通過(guò)壓縮機(jī)抽取管道的流密度，以提供主動(dòng)控制壓縮機(jī)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(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)示例性非限制性實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(cè)量流分布的位置處。系統(tǒng)還包括將來(lái)自多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果的控制器。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的流徑的一部分中的流分布的方法。方法進(jìn)一步包括感測(cè)設(shè)置在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的流徑的該部分中的多個(gè)絲中的物理變化，物理變化與流徑的該部分中的多個(gè)位置中的各個(gè)處的流屬性有關(guān)。方法進(jìn)一步包括將來(lái)自多個(gè)絲的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)量結(jié)果。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪。壓縮機(jī)、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(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括將來(lái)自多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)量結(jié)果的控制器。
[0011]一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(cè)量流分布的位置處；以及
將來(lái)自所述多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果的控制器。
[0012]在一個(gè)實(shí)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(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器分配在所述耙架上。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，所述質(zhì)量流量傳感器組件包括柵格,所述多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器設(shè)置在所述柵格上。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布是質(zhì)量流分布。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布是速度流分布。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中,所述氣體質(zhì)量流量包括空氣流量。
[0017]在一個(gè)實(shí)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(jī)抽取管道。
[0018]一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的流徑的一部分中的流分布的方法，所述方法包括: 感測(cè)設(shè)置在所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的所述流徑的所述部分中的多個(gè)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(gè)位置中的各個(gè)處的流屬性有關(guān)；以及 將來(lái)自所述多個(gè)絲的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)量結(jié)果。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布測(cè)量結(jié)果包括速度流分布。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布測(cè)量結(jié)果包括質(zhì)量流分布。
[0021]在一個(gè)實(shí)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(jī)抽取管道。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流徑是壓縮機(jī)入口流徑，并且所述方法進(jìn)一步包括:
根據(jù)所述流分布測(cè)量結(jié)果來(lái)計(jì)算平均壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量；
將所述平均壓縮機(jī)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(jī)入口質(zhì)量流量的值來(lái)運(yùn)行所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流徑是排氣流徑，并且所述方法進(jìn)一步包括: 根據(jù)所述流分布測(cè)量結(jié)果來(lái)計(jì)算平均排氣質(zhì)量流量；
計(jì)算燃料質(zhì)量流量；以及
基于所述燃料質(zhì)量流量來(lái)運(yùn)行所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流徑是壓縮機(jī)抽取管道，并且所述方法進(jìn)一步包括:
根據(jù)所述流分布測(cè)量結(jié)果來(lái)計(jì)算平均壓縮機(jī)抽取流量；以及
改變壓縮機(jī)抽取流量，以保持渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行極限。
[0025]一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括:
壓縮機(jī)；
燃燒器；
渦輪；
其中，所述壓縮機(jī)、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(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器；以及
將來(lái)自所述多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)量結(jié)果的控制器。
[0026]在一個(gè)實(shí)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(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器分配在所述耙架上。
[0027]在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(jī)抽取管道。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布測(cè)量結(jié)果包括質(zhì)量流分布測(cè)量結(jié)果。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，所述流分布測(cè)量結(jié)果包括速度流分布測(cè)量結(jié)果。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]根據(jù)結(jié)合附圖得到的優(yōu)選實(shí)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(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)的示例性渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
[0033]圖2是示例性流分布測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
[0034]圖3是用于流分布測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
[0036]圖5是基于壓縮機(jī)入口流分布來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性方法的流程圖。
[0037]圖6是排氣流分布測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
[0038]圖7是用于基于計(jì)算出的燃料質(zhì)量流率來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性方法的流程圖。
[0039]圖8是抽取流分布測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
[0040]圖9是穿過(guò)圖9中的截面AA的橫截面圖。
[0041]圖10是用于基于計(jì)算出的抽取質(zhì)量流量來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性方法的流程圖。
[0042]部件列表
100渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(4)205壓縮機(jī)(8)
210燃燒器(4)
215渦輪(8)
220 軸(2)
230排氣噴嘴(3)
235發(fā)電機(jī)(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(cè)量系統(tǒng)(4)260排氣流分布測(cè)量系統(tǒng)(3)
265抽取流分布測(cè)量系統(tǒng)(5)
269渦輪排氣流分布測(cè)量系統(tǒng)270排氣管
275流分布測(cè)量系統(tǒng)(10)
280質(zhì)量流量傳感器(3)
285測(cè)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(dòng)機(jī)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(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明的實(shí)施例允許直接測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的流分布。在一個(gè)實(shí)施例中，使用具有多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的耙架來(lái)測(cè)量壓縮機(jī)的入口氣室處的流分布。在另一個(gè)實(shí)施例中，可用多個(gè)沿徑向定位的熱絲質(zhì)量流量傳感器測(cè)量壓縮機(jī)的入口氣室處的流分布。可使用流分布，以通過(guò)控制壓縮機(jī)的質(zhì)量流量運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可用具有多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的耙架測(cè)量通往渦輪的排氣入口處的流分布。可使用排氣流分布，以基于根據(jù)測(cè)得的排氣流分布得出的計(jì)算燃料質(zhì)量流率來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可用成柵格的熱絲質(zhì)量流量傳感器測(cè)量壓縮機(jī)抽取管道處的流分布。可使用測(cè)得的流分布，以基于計(jì)算出的抽取質(zhì)量流量來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。
[0044]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100的示意圖。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100包括壓縮機(jī)205、燃燒器210和渦輪215。渦輪215聯(lián)接到連接壓縮機(jī)205和渦輪215的軸220上。在圖1中顯示的實(shí)施例中，壓縮機(jī)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(guò)程。來(lái)自燃燒器210的燃燒氣體傳送通過(guò)渦輪噴嘴230，以驅(qū)動(dòng)渦輪215，渦輪215使軸220轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)235。發(fā)電機(jī)235又產(chǎn)生功率，以輸出到電網(wǎng)240。在圖1中顯示的實(shí)施例中，通過(guò)抽取管道245從與壓縮機(jī)205相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)級(jí)抽取來(lái)自壓縮機(jī)205的空氣，并且可將空氣傳送到渦輪215的一個(gè)或多個(gè)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)100還可包括聯(lián)接到壓縮機(jī)205上的入口氣室250。入口氣室流分布測(cè)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(cè)量系統(tǒng)260可聯(lián)接到渦輪噴嘴230上。抽取流分布測(cè)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(cè)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(guò)其中的流徑。
[0045]圖2是可用來(lái)測(cè)量流徑中的質(zhì)量流分布和速度流分布的流分布測(cè)量系統(tǒng)275的實(shí)施例的示意圖。可將流分布測(cè)量系統(tǒng)275實(shí)現(xiàn)為入口氣室流分布測(cè)量系統(tǒng)255 (設(shè)置在壓縮機(jī)入口流徑中)、排氣流分布測(cè)量系統(tǒng)260 (設(shè)置在排氣流徑中)，或者抽取流分布測(cè)量系統(tǒng)265 (設(shè)置在抽取流徑中)。流分布測(cè)量系統(tǒng)275接收來(lái)自多個(gè)質(zhì)量流量傳感器280的輸入(質(zhì)量流分布測(cè)量結(jié)果或速度流分布測(cè)量結(jié)果)。流分布測(cè)量系統(tǒng)275包括測(cè)量模塊285、處理模塊290、校準(zhǔn)模塊295和特征化模塊300。測(cè)量模塊285的功能是聚集多個(gè)質(zhì)量流量傳感器測(cè)量結(jié)果。處理模塊290的功能是對(duì)聚集的質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化，并且提供流分布輸出。來(lái)自多個(gè)質(zhì)量流量傳感器280的輸入傳到測(cè)量模塊285，測(cè)量模塊285又將測(cè)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(hào)濾波技術(shù)(諸如卡爾曼濾波器)來(lái)處理測(cè)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(cè)模型。一種建模方法是使用被稱為系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)值過(guò)程。系統(tǒng)識(shí)別包括獲取來(lái)自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，以估計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)。處理模塊290可利用參數(shù)識(shí)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(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)的偏移。濾波可由經(jīng)修改的卡爾曼濾波器、擴(kuò)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(cè)量系統(tǒng)275還包括校準(zhǔn)模塊295，校準(zhǔn)模塊295對(duì)特征化模塊300提供校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，特征化模塊300對(duì)流分布進(jìn)行特征化。
[0046]圖3是用于流分布測(cè)量系統(tǒng)275的流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)310的實(shí)施例的示意圖。流分布校準(zhǔn)系統(tǒng)310接收來(lái)自多個(gè)質(zhì)量流量傳感器280的輸入。輸入接收在測(cè)量模塊285中，測(cè)量模塊285又將測(cè)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(duì)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(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬模型，該模型可對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100的若干運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)電子建模。熱力模型模塊的功能是預(yù)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)255。入口氣室流分布測(cè)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(gè)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(gè)實(shí)施例中，可用沿徑向定位的多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器355測(cè)量壓縮機(jī)205 (在圖1中顯示)的入口氣室250處的流分布。對(duì)流分布測(cè)量系統(tǒng)275提供多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器355的輸出，流分布測(cè)量系統(tǒng)275可與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365成一體，或者形成其一部分。進(jìn)入入口氣室250中的流(由箭頭370表示，壓縮機(jī)入口流徑)在測(cè)量流分布375處傳送通過(guò)多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器355，并且繼續(xù)到壓縮機(jī)(由箭頭376表示)。
[0048]渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)各種傳感器和與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)，以對(duì)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(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，微處理器執(zhí)行程序來(lái)通過(guò)使用傳感器輸入和來(lái)自人類操作者的指令來(lái)控制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。控制系統(tǒng)包括邏輯單元，諸如可在軟件中實(shí)現(xiàn)或者由硬連線邏輯電路實(shí)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(dòng)機(jī)上的促動(dòng)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(jī)的入口導(dǎo)葉，以及調(diào)節(jié)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的其它控制設(shè)置。
[0050]渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365包括計(jì)算機(jī)處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它們使用處理器執(zhí)行的各種算法來(lái)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(dòng)機(jī)的各種運(yùn)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(jì)算機(jī)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(cè)和控制軟件應(yīng)用的軟件來(lái)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(yùn)行理論類似于熱絲風(fēng)速計(jì)(確定空氣速度)的運(yùn)行理論。質(zhì)量流量傳感器通過(guò)用電流加熱懸浮在氣體流中的絲來(lái)運(yùn)行。絲的電阻隨著絲的溫度升高而增大，這會(huì)限制電流流過(guò)電路。當(dāng)氣體流經(jīng)絲時(shí)，絲冷卻，從而減小其電阻，這又允許更多電流流過(guò)電路。隨著更多電流流過(guò)，絲的溫度升高，直到電阻再次達(dá)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(jì)，熱絲質(zhì)量流量計(jì)直接響應(yīng)于空氣密度。
[0052]備選實(shí)施例利用呈板形式的電阻金屬膜，其與流向平行地對(duì)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(gè)備選實(shí)施例會(huì)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(yùn)行期間對(duì)頻繁校準(zhǔn)的需要。
[0053]從性能建模角度看，壓縮機(jī)入口質(zhì)量流率分布的測(cè)量提供一種計(jì)算平均壓縮機(jī)入口質(zhì)量流率的手段。然后可將平均壓縮機(jī)入口質(zhì)量流率傳給渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365，以控制各種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式。可利用對(duì)壓縮機(jī)入口流的精確理解以及對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣狀況的精確理解，以通過(guò)基于模型的控制策略來(lái)設(shè)定渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能水平。另外，可利用對(duì)壓縮機(jī)入口流的精確理解來(lái)更精確地控制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過(guò)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(yùn)行。
[0054]從機(jī)械角度看，壓縮機(jī)入口流速度和/或質(zhì)量流分布的測(cè)量提供驗(yàn)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(jī)喘振。除了量化在注入到壓縮機(jī)中之前流動(dòng)流內(nèi)的入口引氣熱的混合的能力之外，相對(duì)于沒有入口引氣熱的基本情況，將壓縮機(jī)入口流耙架(一個(gè)或多個(gè))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(gè)方法可擴(kuò)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(jī)入口流分布來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)測(cè)量壓縮機(jī)入口質(zhì)量空氣流量。
[0057]在步驟440中，方法420將平均壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量值提供給渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 365。
[0058]在步驟445中，方法420基于計(jì)算出的壓縮機(jī)入口空氣流量來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。[0059]圖6中示出的是排氣流分布測(cè)量系統(tǒng)260。具有多個(gè)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(lái)自燃燒器210 (在圖1中顯示)的排氣(由箭頭465表示)流過(guò)多個(gè)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(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器355的輸出傳到流分布測(cè)量系統(tǒng)275，流分布測(cè)量系統(tǒng)275可與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365成一體，或者形成其一部分。多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器355測(cè)量排氣流分布475。排氣速度和/或質(zhì)量流分布的測(cè)量在機(jī)械和性能建模方面提供許多好處。從機(jī)械角度看，排氣速度分布的測(cè)量提供一種驗(yàn)證和校準(zhǔn)渦輪空氣動(dòng)力學(xué)模型的手段。另外，排氣質(zhì)量流分布的測(cè)量提供驗(yàn)證排氣冷卻機(jī)構(gòu)的混合(例如排氣框架送風(fēng)機(jī)冷卻)的能力。從性能建模角度看，排氣質(zhì)量流率的測(cè)量提供一種計(jì)算平均排氣質(zhì)量流率的手段。在對(duì)三個(gè)變量中的兩個(gè)有恰當(dāng)了解時(shí)，然后可利用平均排氣質(zhì)量流率來(lái)分離壓縮機(jī)入口空氣流率、燃料流率和/或框架送風(fēng)機(jī)流率，從而改進(jìn)排氣系統(tǒng)的整體建模。在已知壓縮機(jī)入口流量和框架送風(fēng)機(jī)流量的情況下，可利用產(chǎn)生的平均排氣質(zhì)量流率來(lái)計(jì)算進(jìn)入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料質(zhì)量流率，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的最不精確的測(cè)量結(jié)果中的一個(gè)。然后可將這個(gè)計(jì)算燃料質(zhì)量流率傳給渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365，以控制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，或者調(diào)節(jié)接收自燃料質(zhì)量流量測(cè)量裝置的燃料質(zhì)量流量。
[0060]圖7中示出的是用于基于計(jì)算出的燃料質(zhì)量流率來(lái)運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的方法500的流程圖。
[0061]在步驟515中，方法500計(jì)算平均排氣質(zhì)量流量。
[0062]在步驟520中，方法500測(cè)量主要送風(fēng)機(jī)流量。
[0063]在步驟525中，方法500測(cè)量壓縮機(jī)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(jī)入口空氣流量和框架送風(fēng)機(jī)空氣流量來(lái)計(jì)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365。
[0066]在步驟540中，方法500基于計(jì)算出的燃料質(zhì)量流率來(lái)運(yùn)行渦輪。
[0067]圖8中示出的是抽取流分布測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)275。抽取流分布測(cè)量系統(tǒng)265測(cè)量流過(guò)抽取管道245的空氣流(由箭頭570表示)的流分布。空氣流(由箭頭570表示)被壓縮機(jī)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(cè)量系統(tǒng)275可計(jì)算平均壓縮機(jī)抽取質(zhì)量流率，然后平均壓縮機(jī)抽取質(zhì)量流率可傳到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365。計(jì)算出的平均壓縮機(jī)抽取質(zhì)量流率提供通過(guò)計(jì)量裝置(諸如位于壓縮機(jī)抽取系統(tǒng)中的閥)來(lái)將壓縮機(jī)抽取質(zhì)量流率的水平主動(dòng)控制到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的預(yù)定義運(yùn)行極限的能力。將整體壓縮機(jī)抽取系統(tǒng)主動(dòng)控制到運(yùn)行極限的能力對(duì)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供許多性能和保持能力好處。這些好處包括針對(duì)性能能力優(yōu)化冷卻流；針對(duì)遵守排放要求優(yōu)化冷卻流；針對(duì)改進(jìn)的部件壽命管理優(yōu)化冷卻流；以及能夠控制壓縮機(jī)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(lái)改變抽取流量，以保持渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行極限的方法600的流程圖。
[0069]在步驟615中，方法600計(jì)算平均壓縮機(jī)抽取流量。[0070]在步驟620中，方法600將計(jì)算出的平均壓縮機(jī)抽取流量值提供給渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)365。
[0071]在步驟625中，方法600改變壓縮機(jī)抽取流量，以保持渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行極限。
[0072]本文使用的用語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施例，而不意于限制本發(fā)明。在用語(yǔ)的定義偏離用語(yǔ)的常用含義的情況下， 申請(qǐng)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(gè)”、“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(shuō)明。將理解的是，雖然用語(yǔ)第一、第二等可用來(lái)描述各種元件，但這些元件不應(yīng)受這些用語(yǔ)限制。這些用語(yǔ)僅用來(lái)區(qū)分一個(gè)元件與另一個(gè)元件。用語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的所列項(xiàng)目中的任一個(gè)和全部組合。短語(yǔ)“聯(lián)接到”和“聯(lián)接”意為直接聯(lián)接或間接聯(lián)接。對(duì)于上面描述的所有實(shí)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(lái)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(shí)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(yǔ)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(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(cè)量流分布的位置處；以及 將來(lái)自所述多個(gè)熱絲質(zhì)量流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果的控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)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(gè)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(cè)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(gè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jī)抽取管道。
8.一種用于測(cè)量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的流徑的一部分中的流分布的方法，所述方法包括: 感測(cè)設(shè)置在所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的所述流徑的所述部分中的多個(gè)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(gè)位置中的各個(gè)處的流屬性有關(guān)；以及 將來(lái)自所述多個(gè)絲的信號(hào)轉(zhuǎn)換成流分布測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果包括質(zhì)量流分布。
【文檔編號(hào)】G01F1/86GK103968908SQ201410039627
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)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.埃卡納亞克, T.C.比爾黑默, D.C.沃維克, A.I.西皮奧, D.J.戴維斯, J.N.庫(kù)克, V.韋斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司