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CN102562653B - 用于运行压缩机的系统和方法 - Google Patents

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CN102562653B
CN102562653B CN201110403262.9A CN201110403262A CN102562653B CN 102562653 B CN102562653 B CN 102562653B CN 201110403262 A CN201110403262 A CN 201110403262A CN 102562653 B CN102562653 B CN 102562653B
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stator vane
compressor
stator
stator vanes
signal
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D·E·戴维森
P·G·代弗诺瓦
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General Electric Company PLC
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及一种用于运行压缩机的系统和方法。其中，所述压缩机包括处于第一位置的第一级定子轮叶和处于第二位置的第一级定子轮叶下游的第二级定子轮叶。第一致动器与所述第一级定子轮叶配合，且第二致动器与所述第二级定子轮叶配合。所述运行压缩机的方法包括调整第一多个定子轮叶的第一位置，以及与第一多个定子轮叶的第一位置分开对第二多个定子轮叶的第二位置进行调整。

Description

用于运行压缩机的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及一种运行压缩机的系统和方法。在本发明的各特定实施例中，所述系统和方法可独立更改不同级定子轮叶的位置。
背景技术
燃气涡轮机广泛应用于工业生产和商业运作中。典型的燃气涡轮机包括位于前部的轴式压缩机、位于中间的一个或多个燃烧室和位于尾部的涡轮机。压缩机一般包括在圆周上安装的定子轮叶和旋转叶片的交替级。定子轮叶通常与围绕压缩机的壳体相连，旋转叶片通常与压缩机内的转子相连。周围空气进入压缩机后，每级定子轮叶会引导气流流向下一级旋转叶片，从而将动能逐级传递给工作流体(空气)，以使工作流体呈高能状态。随后，工作流体离开压缩机并流向燃烧室，在燃烧室中，工作流体与燃料混合并燃烧，从而产生高温、高压、高速的燃烧气体。之后，燃烧气体离开燃烧室并流向涡轮机，在涡轮机中，燃烧气体膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮机中膨胀可使连接至发电机的轴旋转以使发电机发电。
在不同运行条件下，可能需要调整定子轮叶相对于压缩机轴向中心线的角度。例如，定子轮叶可经调整以远离压缩机轴向中心线，从而在压缩机以较低转速启动或停机时防止压缩机失速。反之，定子轮叶可经调整以更靠近压缩机轴向中心线，以便在发电机的电力需求大量或突然增加时，使更多工作流体流经压缩机并增加燃气涡轮机的功率输出。
已转让给本申请案同一受让人的第5,281,087、6,551,057和6,794,766号美国专利公开一种更改定子轮叶的位置的机电或液压系统。在这些专利中，单个致动器连接到多级定子轮叶以更改定子轮叶相对于压缩机轴向中心线的位置。但定子轮叶的长度和宽度通常会沿着压缩机的轴长而减小。由此，致动器和定子轮叶的行进长度均会随着级而变化。此外，致动器和定子轮叶的累积制造公差会随着定子轮叶大小的增加而相应增加。因此，使用单个致动器对不同级定子轮叶进行精确定位会非常困难，而用于独立更改不同级定子轮叶的位置的系统和方法则会十分有用。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一个实施例是一台压缩机，所述压缩机包括处于第一位置的第一多个定子轮叶和处于第二位置的第二多个定子轮叶，其中所述第二多个定子轮叶位于第一多个定子轮叶的下游。所述压缩机进一步包括与第二多个定子轮叶的第二位置分开对第一多个定子轮叶的第一位置进行调整的第一装置，以及与第一多个定子轮叶的第一位置分开对第二多个定子轮叶的第二位置进行调整的第二装置。
所述第一装置包括液压、气动或电动式活塞中的至少一种，或者包括液压、气动或电动式电机中的至少一种。所述压缩机进一步包括一个与所述第一多个定子轮叶配合的第一构件，和一个与所述第一装置和所述第二装置均配合的连接器。所述第一装置与所述第一构件配合。所述第二装置包括液压、气动或电动式活塞中的至少一种。所述第一装置独立于所述第二多个定子轮叶的所述第二位置对所述第一多个定子轮叶的所述第一位置进行调整。
本发明的另一个实施例是一台压缩机，所述压缩机包括处于第一位置的第一级定子轮叶和处于第二位置并位于第一级定子轮叶下游的第二级定子轮叶。第一致动器与第一级定子轮叶配合，且第二致动器与第二级定子轮叶配合。
所述压缩机进一步包括一个与所述第一级定子轮叶配合的第一构件，一个与所述第一装置和所述第二装置均配合的连接器，和连接至所述第二级定子轮叶的多个叶臂。所述第一致动器与所述第一构件配合。所述第二致动器与所述多个叶臂配合。所述第一致动器与所述第二级定子轮叶的所述第二位置分开对所述第一级定子轮叶的所述第一位置进行调整。所述第一致动器独立于所述第二级定子轮叶的所述第二位置对所述第一级定子轮叶的所述第一位置进行调整。
本发明还可包括一种运行压缩机的方法。所述方法包括调整第一多个定子轮叶的第一位置，以及与第一多个定子轮叶的第一位置分开对第二多个定子轮叶的第二位置进行调整。
所述方法进一步包括独立于所述第一多个定子轮叶的所述第一位置对所述第二多个定子轮叶的所述第二位置进行调整，打开所述第一多个定子轮叶并关闭所述第二多个定子轮叶，及关闭所述第一多个定子轮叶并打开所述第二多个定子轮叶。
所属领域的一般技术人员可通过查看说明书的内容来更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细披露了本发明，包括其最佳实施例，其中：
图1为根据本发明的一个实施例的压缩机的简化截面示意图；
图2为图1所示的压缩机的透视图；
图3为根据本发明的一个实施例的控制系统的简化方框示意图；
图4为根据本发明的一个替代实施例的压缩机的透视图；以及
图5为根据本发明的一个替代实施例的控制系统的简化方框示意图。
元件符号列表：
参考标号 部件 参考标号 部件
10 压缩机 12 定子轮叶
14 旋转叶片 16 壳体
18 转子 20 叶臂
22 构件/协调环 24 第一装置
26 第二装置 28 第一致动器
30 第二致动器 32 桥
34 杆 36 配件
38 螺旋扣 40 控制系统
42 速度信号 44 运行模式信号
46 预设程序 48 位置命令
50 比较器 52 反馈信号
54 误差信号 56 控制增益
58 控制信号 60 位置传感器
70 压缩机-图4 72 连接器
74 第一致动器 76 第二致动器
80 控制系统-图5 82 速度信号
84 运行模式信号 86 预设程序
88 位置命令-下游 90 位置命令-第一级
92 比较器 94 反馈信号
95 误差信号 96 控制增益
98 控制信号 100 位置传感器
102 比较器 104 反馈信号
106 控制信号 108 位置传感器
具体实施方式
现在将详细阐述本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同的部分。
提供各个实施例是为解释本发明而非限定本发明。事实上，所属领域的一般技术人员可轻易在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明作各种修改和变化。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特点可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
本发明范围内的各实施例提供了一种更改压缩机中定子轮叶的位置的系统和方法。在特定实施例中，所述系统可与一个级定子轮叶的位置分开和/或独立于一个级定子轮叶的位置对另一级定子轮叶的位置进行调整。因此，与现有的各个定子轮叶系统相比，本发明的实施例展示了一个或多个气动、机械和/或控制方面的优势。
图1为根据本发明的一个实施例的压缩机10的简化截面示意图。如所属领域中已知，压缩机10一般包括定子轮叶12和旋转叶片14的交替级。定子轮叶12的第一级通常指代入口导叶，且旋转叶片14和定子轮叶12的长度和宽度一般会沿着入口导叶下游的压缩机10的轴长逐级减少。定子轮叶12和旋转叶片14的每个级均包含多个在圆周上排列的机翼，且定子轮叶12会与环绕压缩机10的壳体16相连，旋转叶片14会与压缩机10内的转子18相连。这样，定子轮叶12会引导进入压缩机10的气流流向下一级旋转叶片14，从而将动能逐级传递给工作流体(空气)，以使工作流体呈高能状态。
图2为图1所示的压缩机10的透视图。如图1和图2所示，每个定子轮叶12可穿过壳体16固定地连接至壳体16外的叶臂20。每个级上的叶臂20又可连接至构件22，例如图2所示的协调环22，以使每个级上的叶臂20的运动同步。构件或协调环22围绕壳体16的旋转或运动会移动相关叶臂20，从而改变壳体16内的定子轮叶12的位置。
压缩机10可进一步包括用于分开和/或独立调整不同级定子轮叶12的位置的第一装置24和第二装置26。例如，如图2所示，第一装置24可与压缩机10的第一级上的多个定子轮叶12连接，第二装置26可与一个或多个随后的级上的多个定子轮叶12连接。第一装置24和/或第二装置26可包括所属领域的一般技术人员已知的任意合适的电力、机械或机电设备，以相对于一个部件移动另一部件。例如，第一装置24和/或第二装置26可包括连接至叶臂20和/或构件22以移动相关定子轮叶12的带螺纹的配合件、棘轮和棘爪组件、有齿轮的机制和/或一个或多个弹簧。此外，如图2所示，第一装置24和/或第二装置26可包括与相关多个定子轮叶12配合的致动器，致动器例如可以是液压、气动或电动式活塞或电机。所述致动器可根据需要进行延伸或收缩以调整定子轮叶12的位置。
在图2所示的特定实施例中，第一致动器28与第一级上的多个定子轮叶12配合，且第二致动器30与第二、三和四级上的多个定子轮叶12配合。第一致动器28连接至桥32，桥32与构件或协调环22及叶臂20配合。这样，第一致动器28的伸缩会移动桥32、协调环22和叶臂20，从而调整第一级上的定子轮叶12的位置。杆34会将第二致动器30连接到一级或多级定子轮叶12。例如，如图2所示，配件36、螺旋扣38和桥28可通过杆34、构件22以及叶臂20将第二致动器30连接至每级定子轮叶12。第二致动器30的伸缩使杆30旋转，杆30随即移动螺旋扣38、桥28、构件22以及叶臂20，从而调整定子轮叶12的位置。每级配件36和/或螺旋扣38的长度可经调整以更改第二致动器30通过杆34传输给每级定子轮叶12的运动量。这样，第一致动器28就可以独立于下游级定子轮叶12的位置对压缩机10的第一级定子轮叶12的位置进行调整。类似地，第二致动器30可独立于第一级定子轮叶12的位置对随后一级或多级定子轮叶12的位置进行调整。
图3为控制系统40的简化方框示意图，所述系统适用于独立运行图1和图2所示的第一装置24和第二装置26。控制系统40接收作为输入参数的速度信号42和运行模式信号44。速度信号42反映了压缩机10的速度，操作模式信号44反映了压缩机10的特定运行模式。例如，压缩机10可采用启动、停机、冲洗、关闭或其他运行模式运行，其中每个运行模式对于每一级定子轮叶12的速度和相关定子轮叶12位置均具有自己的预设程序。在块46中，控制系统40生成位置命令48，其中所述位置命令48反映根据速度信号42和运行模式信号44的定子轮叶12的预设位置。在块50中，控制系统40将位置命令48与反馈信号53进行比较，从而产生误差信号54，其中所述误差信号54会反映将定子轮叶12移动至预设位置所需的调整额度。在块56中，控制增益可应用于误差信号52，以根据所控制的特定级定子轮叶12对误差信号52进行调整，且所产生的组合可作为控制信号58提供给第一装置24或第二装置26以重新定位定子轮叶12。所控制的定子轮叶12的实际位置可通过线性位置传感器60(例如，LVDT位置传感器)进行测量，从而提供反馈信号52。
图4是根据本发明的一个替代实施例的压缩机70的透视图。压缩机70也包括之前图1和图2所示的实施例中所述的定子轮叶12和旋转叶片14的交替级。此外，每个定子轮叶12也会穿过壳体16固定地连接至壳体16外的叶臂20和构件22，这样，构件22围绕壳体16旋转或运动就会移动相关叶臂20，从而改变壳体16内的定子轮叶12的位置。
在图4所示的特定实施例中，连接器72与第一装置24和第二装置26配合。如之前图2所示的实施例所述，第一装置24和/或第二装置26也可包括本发明所属领域的一般技术人员已知用于相对某个部件移动另一个部件的任意合适的电力、机械或机电设备。例如，第一装置24和/或第二装置26可包括与叶臂20和/或构件22相连以移动相关定子轮叶12的带螺纹的配合件、棘轮和棘爪组件、有齿轮的机制、一个或多个弹簧和/或致动器。
如图4所示，连接器72可与第一致动器74和第二致动器76配合。第一致动器74可通过桥32、构件22和叶臂20与第一级多个定子轮叶12配合。如之前图2所示的实施例所述，第二致动器76可与下游级多个定子轮叶12配合。具体而言，所述第二致动器76可通过连接器72、配件36、螺旋扣38、桥28、构件22及叶臂20配合至每一级定子轮叶12。第二致动器76的伸缩使连接器72旋转，连接器72随即移动螺旋扣38、桥28、构件22以及叶臂20，以调整下游级定子轮叶12的位置。连接器72旋转还会移动第一致动器74以调整与第一致动器74连接的第一级定子轮叶12的位置。或者，可对第一致动器74通电以减少或增加连接器72所造成的移动。这样，第一致动器74可与下游级定子轮片12的位置分开地对第一级定子轮片12的位置进行调整。类似地，第二致动器76可与第一级定子轮叶12的位置分开地对下游级定子轮叶12的位置进行调整。
图5为适用于分开运行图4所示的第一装置24和第二装置26的控制系统80的简化方框示意图。图5的下方部分控制第二装置26，且其运行方式实质上类似于之前图3所述的控制系统40的运行方式。具体而言，控制系统80接收作为输入参数的速度信号82和运行模式信号84。速度信号82反映了压缩机70的速度，运行模式信号84反映了压缩机70的特定运行模式。例如，压缩机70可采用启动、停机、冲洗、关闭或其他运行模式运行，其中每个运行模式对于每一级定子轮叶12的速度和相关定子轮叶12位置均具有自己的预设程序。在块86中，控制系统80生成位置命令88、90，其中所述位置命令88、90分别反映根据速度信号82和运行模式信号84的下游定子轮叶12和第一级定子轮叶12的预设位置。在块92中，控制系统80将下游定子轮叶12的位置命令88与此类定子轮叶12的反馈信号94进行比较，从而产生误差信号95，其中所述误差信号95会反映将下游定子轮叶12移动至预设位置所需的调整额度。在块96中，控制增益可应用于误差信号95，以根据所控制的特定级定子轮叶12对误差信号95进行调整，且所产生的组合可作为控制信号98提供给第二装置26的以重新定位下游定子轮叶12。下游定子轮叶12的实际位置可通过线性位置传感器100(例如，LVDT位置传感器)进行测量，从而提供反馈信号94。
同时，在块102中，控制系统80会结合第一级定子轮叶12的位置命令90、此类定子轮叶12的反馈信号104和提供给第二装置26的控制信号98，以确定第一级定子轮叶12的位置需要进行何种调整(如果需要进行调整的话)。上文所述的比较会产生误差信号106，其反映将第一级定子轮叶12移动至预设位置所需的调整额度，且所述误差信号106可提供给第一装置24以重新定位第一级定子轮叶12。第一级定子轮叶12的实际位置可通过线性位置传感器108(例如LVDT位置传感器)进行测量，从而提供反馈信号104。
之前图1至图5所述的各实施例还提供一种用于运行压缩机10、70的方法，所述方法可分开定位不同级定子轮叶12的位置。所述方法包括，与一个或多个下游级多个定子轮叶12的位置分开和/或独立于一个或多个下游级多个定子轮叶12的位置对一个级的多个定子轮叶12的位置进行调整。尤其是，所述方法可包括对不同级定子轮叶12所进行的打开和关闭调整的任意组合。
本说明书所公开的系统和方法强化现有压缩机运行方案的气动和控制方面，这将提高压缩机在不同的运行条件下的稳定性，包括启动/停机过渡、离线水洗、电源关闭和高温下输出运行。例如，本发明多个实施例的预期优势可能是在启动期间以较低的转速避免压缩机旋转失速，以及在停机期间将压缩机旋转失速限制为较低转速。最小化压缩机在启动和停机期间旋转失速的时间可减小定子轮叶12和旋转叶片14上的振动应力，从而增加压缩机的寿命和耐久性。另一个预期优势可能是在离线水洗运行期间提高吸水量。具体而言，可与下游定子轮叶12分开和/或独立于下游定子轮叶12打开第一级定子轮叶12，这会提高对所注入的水洗溶液进行吸入，同时避免压缩机失速。相反地，在电源关闭运行时，可与下游定子轮叶12分开和/或独立于下游定子轮叶12关闭第一级定子轮叶12，这会通过使压缩机效率降低最小化增加电源关闭范围。本发明范围内的各实施例的另一个预期优势可能是，与下游定子轮叶12分开和/或独立于下游定子轮叶12打开第一级定子轮叶12，以增加高温环境下通过压缩机的气流，从而补偿较高环境温度下气流所减少的浓度。
本发明范围内的实施例还可提供若干机械方面的优势。例如，分开和/或独立定位不同大小的定子轮叶12的致动器可具有较少的接头和接线，从而减少与致动器相关的累积制造公差和磨损。累积制造公差的减小可减小叶片角误差。此外，累积制造公差的减小还可允许增大单独误差，而不增加叶片角误差。另外，第一级(即，最大级)定子轮叶的通常会在极限位置之间移动最远，且可使一个致动器控制不同级的大小不同的定子轮叶，这很可能会与其他级较小的定子轮叶产生非线性关系，从而产生较大的叶片角误差。将致动器专门用于，分开和/或独立调整最大级定子轮叶的位置可有效断绝与其他级较小的定子轮叶的任何非线性关系。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (11)

1.一种压缩机(10)，其包括：
第一多个定子轮叶(12)，其中所述第一多个定子轮叶(12)处于第一位置，其中所述第一多个定子轮叶是入口导叶；
位于所述第一多个定子轮叶(12)下游的第二多个定子轮叶(12)，其中所述第二多个定子轮叶(12)处于第二位置；
第一装置(24)，所述第一装置用于与所述第二多个定子轮叶(12)的所述第二位置分开地、并且独立地对所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置进行调整；
第二装置(26)，所述第二装置用于与所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置分开地、并且独立地对所述第二多个定子轮叶(12)的所述第二位置进行调整；以及
控制系统，其可操作地向所述第一装置和第二装置提供控制信号，以与所述第二多个定子轮叶(12)的所述第二位置分开地、并且独立地对所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置进行调整，以及用以与所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置分开地、并且独立地对所述第二多个定子轮叶(12)的所述第二位置进行调整，所述控制信号是基于速度信号输入和操作模式信号输入。
2.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其特征在于，所述第一装置(24)包括液压、气动或电动式活塞(28)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其特征在于，所述第一装置(24)包括液压、气动或电动式电机(74)中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其特征在于，进一步包括一个与所述第一多个定子轮叶(12)配合的第一构件(22)。
5.根据权利要求4所述的压缩机(10)，其特征在于，所述第一装置(24)与所述第一构件(22)配合。
6.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其特征在于，所述第二装置(26)包括液压、气动或电动式活塞(30)中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其特征在于，进一步包括一个与所述第一装置(24)和所述第二装置(26)均配合的连接器(72)。
8.一种用于运行压缩机(10)的方法，其包括：
将第一信号提供给第一多个定子轮叶(12)，其中所述第一多个定子轮叶的定子轮叶是入口导叶；
基于所述第一信号调整第一多个定子轮叶(12)的第一位置；
将第二信号提供给第二多个定子轮叶，所述第二信号与所述第一信号是分开的、且相互独立；以及
与所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置分开地、并且独立地对第二多个定子轮叶(12)的第二位置进行调整；
其中，所述第一信号和所述第二信号各自相应地基于速度信号输入和操作模式信号输入。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括独立于所述第一多个定子轮叶(12)的所述第一位置对所述第二多个定子轮叶(12)的所述第二位置进行调整。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，进一步包括打开所述第一多个定子轮叶(12)并关闭所述第二多个定子轮叶(12)。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括关闭所述第一多个定子轮叶(12)并打开所述第二多个定子轮叶(12)。
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