确定方法和燃气涡轮机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种确定方法(20)，用于确定能够在初始角与最终角(E)之间调节并且构成一排前叶片(12)的一部分的叶片的最终角(E)，以防止在压气机(11)中结冰，所述一排前叶片(12)布置在燃气涡轮机(10)中的压气机(12)的一排后叶片(13)的上游。在本发明的方法中，在燃气涡轮机(10)运行期间，至少一个过程参数的当前值在参数确定步骤(22)中被确定，并且由此根据所述值在最终角限定步骤(23)中限定最终角(E)，并且空气动力学速度被确定为所述过程参数。
【专利说明】
确定方法和燃气)滿轮机
技术领域
[0001] 本发明涉及燃气涡轮机以及用于确定燃气涡轮机的压气机的导向叶片或一排导 向叶片的最终角的确定方法，其中所述导向叶片能够在初始角与最终角之间调节，用于防 止在压气机中结冰。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中已知的是通过压气机入口导向叶片的可变调节来改变燃气涡轮机 的压气机在部分载荷运行下所吸入的空气质量流。通过这种方式，对于排气的给定最大温 度，能够实现尽可能高的效率。在这种情况下，对于可变压气机入口导向叶片的可容许最终 角其中的一个限制因素是在一排入口导向叶片和/或第一排压气机转子轮叶的区域中进气 的冷却及相关的结冰风险。取决于进气的湿度，一排入口导向叶片下游的气流的加速一一 这导致气流的冷却一一可能导致压气机中结冰，结果导致机器的整体性削弱和可能的机器 损坏。
[0003] 在现有技术中常规的是对过程参数的假定值提前设定明确地固定值。结果，燃气 涡轮机的操作范围没有在每一种情形下都被完全利用。
[0004] JP 2011032869A提出了一种变量设定，其教导了基于当前的压气机入口温度和环 境湿度执行设定。然而，基于此的设定需要对专用的特性图进行计算确定;特别地，这表示 了不理想地高的技术支出并且可能需要另外的操作测量站。
【发明内容】
[0005] 本发明基于如下目的，即：克服这些缺点并且提供一种对最终角的可变确定的简 单确定方法以及用于执行该确定方法的燃气涡轮机。
[0006] 该目的通过根据权利要求1所述的确定方法以及根据权利要求8所述的燃气涡轮 机而实现。本发明的有利的变型在从属权利要求中明确并且在说明书中描述。
[0007] 在根据本发明的确定方法的情况下，该方法用于确定燃气涡轮机的压气机的布置 在后排转子轮叶或导向叶片的上游的前排导向叶片中的导向叶片的最终角，并且这些导向 叶片能够在初始角与最终角之间调节，用于防止压气机中结冰，在参数确定步骤中在燃气 涡轮机的操作期间确定至少一个过程参数的当前值，并且随后，根据所述值，在最终角固定 步骤中固定最终角，空气动力学速度被确定为过程参数。
[0008] 利用这种布置，能够有利地扩展燃气涡轮机的操作范围，因而增大其使用的可能 性并且提高其效率。作为例如根据现有技术已知的使用明确地固定的最终角的替代，最终 角可以根据当前主要条件而修改。
[0009] 空气动力学速度也在燃气涡轮机的操作期间的任何情况下针对其开环或闭环控 制被确定。结果，例如通过对一组可实现的空气动力学分配相应的一组合适的最终角以及 根据主要的空气动力学速度选择最终角的合适的当前值，能够容易地执行该变量对最终角 的可变固定的使用。另外，没有另外的操作测量站是必需的。空气动力学速度一一也称为降 低的速度一一通过利用入口温度进行校正而根据转子的机械速度获得。
[0010] 在燃气涡轮机中机械速度的变化并且因此还有空气动力学速度的变化的影响中， 还有吸入并输送的质量流的变化。这继而对轮叶或叶片的区域中压气机内的流率具有影 响。取决于流率，在压气机内形成有温度分布，该温度分布由于局部产生的静态温度而可能 或可能不导致结冰。特别是对于常规燃气涡轮机的情况下的启动操作，或者当网络同步压 气机的网络存在干扰时以及在可变速压气机的情况下，包括实际速度是有利的。
[0011] 在根据本发明的确定方法的一个有利的形式中，确定温度的值。在这种情况下，燃 气涡轮机周围的区域的空气温度可以被确定为所述温度，或者后排转子轮叶或导向叶片处 的表面温度可以被确定。
[0012] 温度是对冰的形成具有影响的基本参数。最终角对温度的依附关系使得能够容易 地避免冰的形成。温度能够容易地、低成本地测量。结果，能够容易地实施根据本发明的确 定方法。
[0013] 在根据本发明的确定方法的另一个有利的形式中，最终角被固定为使得表面温度 保持在〇°c以上。
[0014] 通过这种方式，防止了结冰并且保护了压气机不受冰破坏。
[0015] 在根据本发明的确定方法的另一个有利的形式中，环境湿度或相对环境湿度的值 被确定。
[0016] 环境湿度或相对环境湿度是对冰的形成具有影响的基本参数。最终角对环境湿度 或相对环境湿度的依附关系使得能够容易地避免冰的形成。
[0017] 在根据本发明的确定方法的另一个有利的形式中，位于前排导向叶片的下游并且 位于后排导向叶片的上游的相对环境湿度被确定。
[0018] 由于气流的强劲的加速度，所以这是燃气涡轮机运行期间压气机内最冷的位置。 空气吸收水分的潜能最低，并且相对环境湿度在该位置最大。在最冷位置的确定确保了机 器内的最低温度得以考虑。
[0019] 根据本发明的燃气涡轮机包括压气机。该压气机具有前排导向叶片以及布置在前 排导向叶片的下游的后排转子轮叶或导向叶片。前排导向叶片包括能够在初始角与最终角 之间调节的导向叶片。根据本发明的燃气涡轮机还具有至少一个操作测量点和以数据传输 方式连接至该操作测量点的评价单元。该评价单元设计成执行根据本发明的确定方法。
[0020] 燃气涡轮机因此能够利用根据本发明的确定方法的优点并且具有增大的操作范 围。
[0021] 基于附图和后文的描述来更详细地论述本发明的示例性实施方式。
【附图说明】
[0022] 在附图中：
[0023] 图1示出了根据本发明的燃气涡轮机；
[0024]图2示出了根据本发明的确定方法；
[0025] 图3示出了确定方法的参数确定步骤;以及
[0026] 图4示出了通过示例给出的最终角的图形。
【具体实施方式】
[0027] 在图1中，根据本发明的燃气涡轮机10通过示例以截面图的形式绘制。燃气涡轮机 10包括压气机11，吸入的空气质量流14在压气机11中被压缩。如现有技术中常规的那样，压 气机11具有多排转子轮叶或多排导向叶片。
[0028] 在根据本发明的燃气涡轮机10中，压气机11包括前排导向叶片12和后排导向叶片 13。前排导向叶片12布置在后排导向叶片13的上游，而后排导向叶片13则布置在前排导向 叶片12的下游。在这种情况下，前排导向叶片12优选地是所谓的一排入口导向叶片12,而后 排导向叶片13是下游的接着的一排导向叶片，称为第一排导向叶片13。这是叶片在图1中所 示的方式。示出在之间的是转子轮叶。
[0029] 前排导向叶片12具有可调节的导向叶片，这是现有技术中已知的。类似地，后排导 向叶片13的导向叶片可以是可调节的。前排导向叶片12的导向叶片能够在初始角与最终角 E之间的范围内调节。利用导向叶片的调节，流动经过燃气涡轮机10的空气质量流14被调 节。初始角标记了导向叶片的基本位置，在该基本位置下能够流动最大可能的空气质量流。 利用导向叶片的调节，减小了空气质量流，直至在达到最终角E时空气质量流14减至最小。 最终角E距初始角越远，导向叶片的调节范围则越大。
[0030] 在根据本发明的燃气涡轮机10的情况下，最终角E能够可变地确定。为此，燃气涡 轮机10具有评价单元16和操作测量点15，其中操作测量点15以数据传输的方式连接至评价 单元16。操作测量点15设计成测量至少一个过程参数的当前值。还能够想到的是，燃气涡轮 机10具有用于测量不同参数的多个操作测量点15。操作测量点15是用于温度T和/或用于绝 对环境湿度Η或用于相对环境湿度h的测量点。另外，操作测量点15可以是用于燃气涡轮机 10的机械速度的测量点。所述至少一个操作测量点15可以布置在燃气涡轮机10内或者在外 布置在燃气涡轮机10周围的区域中。
[0031] 在所示的配置中，操作测量点15在燃气涡轮机10内布置在后排导向叶片13处并且 设计成测量后排导向叶片13的导向叶片的表面的温度T。连接至操作测量点15的评价单元 16在根据本发明的确定方法20中确定最终角E。
[0032]根据本发明的确定方法20通过示例的方式在图2中以从开始21到结束24的图形示 出。为了防止压气机11中结冰，根据本发明，在参数确定步骤22中，在燃气涡轮机10的运行 期间确定至少一个过程参数的当前值。随后，根据该值，在最终角固定步骤23中固定最终角 E〇
[0033] 在参数确定步骤22中，可以检测燃气涡轮机内或燃气涡轮机外的当前值。
[0034] 最终角固定步骤23可以通过使用存储的公式以计算的方式来执行，在这种情况下 最终角E是所确定的参数的函数;或者，最终角固定步骤23可以通过从存储表中分配最终角 而执行，其中在该存储表中针对参数的各种值预先限定了各种最终角E。最终角E对于不同 类型的燃气涡轮机的相同过程参数是不同的。因此，最终角固定步骤23必须对于每种类型 的燃气涡轮机单独地执行。
[0035] 在图3中，参数确定步骤22在通过示例给出的形式的图形中示出。在所示的变型 中，确定四个不同参数的值。根据本发明，参数至少为一个。
[0036] 在温度确定步骤25中，确定温度T的值。在环境湿度确定步骤26中，确定环境湿度Η 的值。在相对环境湿度确定步骤27中，确定相对环境湿度h的值。并且在空气动力学速度确 定步骤28中，确定空气动力学速度的值η*。
[0037]温度确定步骤25可以在燃气涡轮机10内或燃气涡轮机10外执行。燃气涡轮机10周 围的区域中的空气温度和/或空气质量流14的空气温度或者燃气涡轮机的内部中的材料表 面上的表面温度、特别是后排导向叶片13的表面温度可以确定为温度Τ。在燃气涡轮机的内 部，特别地确定在前排导向叶片12的下游且在后排导向叶片13的上游的位置处的空气温 度，因为这里是最冷的位置。根据温度Τ，最终角Ε被特别地选择为使得温度Τ、特别是后排导 向叶片13的表面温度保持在0 °C以上。
[0038]确定导向叶片的表面温度所在的位置特别地位于叶片的前缘，特别是在叶片前缘 的外部区域中，特别是当从旋转轴线的方向径向地观察时导向叶片的高度的大约四分之一 处。导向叶片的表面的最冷的点预计在该位置。理想地，确定导向叶片的表面温度所在的位 置对于每个燃气涡轮机并且特别是对于每种运行模式单独地确定。表面温度在这种情况下 也可以非接触地确定。
[0039] 环境湿度确定步骤26中还有相对环境湿度确定步骤27同样可以在燃气涡轮机10 内或燃气涡轮机10外执行。特别地，环境湿度Η或相对环境湿度h在空气质量流14内确定。特 别地，在前排导向叶片12的下游且在后排导向叶片13的上游的位置处确定相对环境湿度h， 因为这里是最冷的位置;并且，在恒定环境湿度Η的情况下，具有最高相对环境湿度h的位置 也在这里。特别地，最终角E固定成使得相对环境湿度h保持小于100%。
[0040] 通过测量燃气涡轮机10的机械速度还有温度T来执行空气动力学速度确定步骤 28。最终角E可以作为空气动力学速度η*的函数而形成，空气动力学速度η*然后可以通过利 用入口温度进行校正而由机械速度得到。在J^rgSeume的《固定燃气涡轮机》(第一版)一书 中的第346页描述了这方面的细节。
[0041] 图4为了说明的目的通过示例的方式示出了对于特定类型的燃气涡轮机，最终角E 与温度T和相对环境湿度h的依赖关系。环境湿度Η的值在此通过示例的方式基于常数而绘 制。这里，最终角Ε的范围为35°C至55°C。另外，图4示出了对于从现有技术已知的防止结冰 的"抗结冰(AI)"方法的限制线。在防止结冰的AI方法的情况下，空气质量流14被加热，特别 是利用取自进一步向下游的较热的气流。根据本发明的确定方法20也可以在防止结冰的AI 方法或某种其他空气预加热步骤中执行。
[0042] 如果温度在0°C以下并且所关注的轮叶或叶片上的相对湿度大于100%，则发生结 冰。这适用于转子轮叶和导向叶片。然而，由于运行期间的离心力，转子轮叶的结冰可能性 较小，因此在实际中较少观察到一一即使最冷的温度预计出现在转子轮叶处也是如此。原 则上可以执行转子轮叶处的最低温度的测量，但这比导向叶片处的测量更难。
[0043]尽管已经通过优选的示例性实施方式具体而详细地图示和描述了本发明，但本发 明不受所公开的示例限制，并且在不偏离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员能 够从中得到其他变型。
【主权项】
1. 一种确定方法(20)，用于确定燃气涡轮机(10)的压气机（12)的布置在后排转子轮叶 或导向叶片（13)的上游的前排导向叶片（12)中的导向叶片的最终角(E)，其中所述前排导 向叶片（12)中的导向叶片能够在初始角与所述最终角(E)之间调节，用于防止在所述压气 机(11)中结冰， 其特征在于， 在参数确定步骤(22)中在所述燃气涡轮机（10)的操作期间确定至少一个过程参数的 当前值，并且随后，根据所述值，在最终角固定步骤(23)中固定所述最终角(E )，空气动力学 速度(η*)被确定为所述过程参数。2. 根据权利要求1所述的确定方法(20)，至少一个温度(Τ)的值被确定。3. 根据权利要求2所述的确定方法（20)，所述燃气涡轮机（10)周围的区域的空气温度 被确定为所述温度(Τ)。4. 根据权利要求2或3所述的确定方法(20)，其中，所述后排转子轮叶或导向叶片（13) 处的表面温度被确定为所述温度(Τ)。5. 根据权利要求4所述的确定方法(20)，所述最终角(Ε)被固定为使得所述后排转子轮 叶或导向叶片（13)处的表面温度保持在0 °C以上。6. 根据权利要求1至4中任一项所述的确定方法(20)，环境湿度(H)的值被确定。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的确定方法(20)，相对环境湿度(h)的值被确定。8. -种燃气涡轮机(10 )，具有： 压气机（11)，所述压气机（11)具有前排导向叶片（12)和布置在所述前排导向叶片（12) 的下游的后排导向叶片（13)，所述前排导向叶片（12)包括能够在初始角与最终角(E)之间 调节的导向叶片； 至少一个操作测量点（15)和以数据传输方式连接至所述操作测量点（15)的评价单元 (16)，所述评价单元(16)设计成执行根据权利要求1至7中任一项所述的确定方法。
【文档编号】F01D25/02GK105874172SQ201480072121
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月28日
【发明人】S·布劳恩, T·艾斯费尔德, M·拉森, U·瓦尔特克
【申请人】西门子股份公司