[0001] 本发明涉及在具备多个压缩机级(compressor stage)的燃气轮机中使由喘振引起的振动噪音和流动不安全性最小化而实现稳定的压缩机单元的驱动的燃气轮机的喘振裕度控制方法和燃气轮机的抽气装置。

[0002] 一般而言，将包括燃气轮机或蒸汽轮机在内的具备涡轮的发动机或者装置称为涡轮机(Turbo machine)。上述涡轮机为将流体的热能转化为作为机械能的旋转力的动力产生装置，包括利用流体而轴旋转的旋转体以及支撑并包裹上述旋转体的固定体而构成。

[0003] 作为一个例子，燃气轮机大致包括用于生成燃烧气体的燃烧器、利用从上述燃烧器喷出的燃烧气体而驱动的涡轮、以及向燃烧器供给高压空气的压缩机。

[0004] 上述压缩机旋转时，吸入外部空气并进行压缩，向燃烧器供给压缩空气，从上述燃烧器向压缩空气供给燃料使其进行燃烧，从而生成高温、高压的燃烧气体后，向涡轮供给。

[0005] 另外，从上述燃烧器喷出的高温、高压的燃烧气体使涡轮的旋翼驱动，从而涡轮的转子旋转。

[0006] 在上述涡轮沿着上述转子的轴向而交替地多级地具备固定翼和旋翼之类的涡轮盘单元。

[0007] 上述燃气轮机在进行起动时在构成压缩机的多个压缩机级中进行多级压缩，此时，在构成上述压缩机级的初期压缩机中某一个的压力比维持非正常的状态时，可能发生由喘振(surge)引起的冲击和杂音。

[0008] 上述喘振主要因压缩机叶片所被设置的角度与压缩空气向上述压缩机叶片供给的供给角度的差异而产生。

[0009] 以往，尝试了各种用于延迟压缩机级中发生的喘振的努力，但是在上述压缩机级整体上以压力为基准进行控制的情况为大部分，因此不能进行有效的控制。

[0010] 现有技术文献

[0011] 专利文献

[0012] 美国授权专利US 9,027,354

[0040] 参照附图对根据本发明的一个实施例的燃气轮机的喘振裕度控制方法进行说明。

[0041] 参照所附的图1或图3，本实施例的燃气轮机的喘振裕度控制方法要在多级轴流压缩机的起动区间确保压缩机单元的安全性。

[0042] 为此，本实施例包括：判断在燃气轮机的压缩机单元具备的多个压缩机级中位于初期级的多个压缩机级的转速和各自压力比的步骤(ST100)；以及在上述初期压缩机级中喘振裕度不满足基准时按上述压缩机级使压缩空气向涡轮抽气而控制喘振裕度的步骤(ST200)。

[0043] 为了判断上述单位压缩机的转速和各自压力比(ST100)，需要按构成上述压缩机单元的单位压缩机分别检测转速和各自压力比。

[0044] 在多级压缩机中，压缩机叶片与压缩机叶轮沿着燃气轮机的轴向构成一对，将其定义为压缩机级(stage)。作为一个例子，上述压缩机级在压缩机单元内部构成10段至20段之间而配置多个。

[0045] 压缩机单元按压缩机级将入口空气压力与出口空气压力的比设计为特定压力比。如果特定压缩机级的转速或压力比与已设定的设计值不同时，则由于压缩空气引起与压缩机叶片的冲击或流动不稳定，由此可能发生压缩机单元中的振动噪音有关的喘振现象。

[0046] 本实施例为了使这种喘振现象最小化，分别判断构成压缩机单元的多个压缩机级中位于初期级的压缩机级的转速和各自压力比的状态是否为正常状态。

[0047] 对于上述压缩机级的各自转速，可以使用转速传感器(RPM sensor)或者发挥与其类似的功能的其他传感器，上述压力比可以利用压力传感器进行检测。

[0048] 位于初期级的压缩机级中发生喘振时，按上述压缩机级使压缩空气向涡轮抽气而控制喘振裕度(ST200)。在本实施例中，作为一个例子，在进行初始压缩的第一压缩机的转速或压力比发生异常有无时，实施第一抽气步骤(ST210)。

[0049] 上述第一抽气步骤(ST210)中向涡轮供给的抽气量根据上述喘振裕度的状态而增加或减少，作为一个例子，以示出根据时间的喘振裕度状态的曲线图为基准进行说明。

[0050] 上述的第一抽气步骤(ST210)在曲线图中示出的A位置不维持对压缩机单元的工作，随着时间的经过，朝向B位置，曲线图的移动轨迹可向下移动。

[0051] 例如，曲线图中，移动轨迹从A位置向下而到达B位置时，判断为在初期压缩机级发生喘振。图3中示出的虚线表示在A至D位置要求的压缩机单元以振动或噪音的发生最小化的状态稳定地工作的极限(limit)1至3。

[0052] 此时，从初期压缩机级向涡轮进行抽气时，在曲线图的B位置打开后述的第一阀门310(参照图4)，以特定量被调节开度量时，在初期压缩机级产生的振动和噪音减少。

[0053] 此时，由于初期压缩机级中的喘振裕度减少，因此也能够使燃气轮机的输出功率最小化。

[0054] 作为参考，上述第一阀门310关闭时，曲线图的移动轨迹可从B位置向A位置小幅移动。

[0055] 本实施例在进行第一抽气(ST210)时，抽气量并不完全开放或完全关闭，考虑压缩机单元的安全性和燃气轮机的效率，可以根据时间对向涡轮供给的抽气量进行比例控制。在这里，比例控制的意思是指以根据时间增加或减少抽气量的方式利用后述的第一至第三阀门310、320、330调节开度量。

[0056] 因此，在燃气轮机的工作中，能够减少在初期压缩机级具备的压缩机叶片的冲击产生，也能够减少压缩空气的流动不稳定性。

[0057] 按压缩机级使压缩空气向涡轮抽气而控制喘振裕度的步骤还包括第二抽气步骤(ST220)，在进行第一抽气之后(ST210)喘振裕度不稳定时，该第二抽气步骤(ST220)在上述第一压缩机的下一级相邻定位的压缩机级进一步进行抽气。

[0058] 上述第二抽气步骤(ST220)中，向上述涡轮供给的抽气量根据上述喘振裕度的状态而增加或减少，优选在上述的第一压缩机中产生的喘振裕度在进行初始第一抽气之后(ST210)稳定。

[0059] 如果第一抽气之后(ST210)不稳定而转速或压力比持续增加时，随着轨迹从曲线图的B位置向C位置移动，喘振裕度减少。

[0060] 此时，在C位置，抽气量并不完全开放或完全关闭，考虑到压缩机单元的安全性和燃气轮机的效率，可以根据时间对向涡轮供给的抽气量进行比例控制。

[0061] 因此，燃气轮机在工作中能够减少在初期压缩机级具备的压缩机叶片的冲击的产生，并能够减少压缩空气的流动不稳定性，能够减少压缩机单元的振动和噪音产生，还能够使燃气轮机的输出功率降低最小化。

[0062] 本实施例根据压缩机单元中的喘振裕度而依次进行第一抽气(ST210)和第二抽气(ST220)。如果第一、二抽气之后压缩机单元中喘振裕度还不满足基准时，在下一压缩机级中实施进一步进行抽气的第三抽气步骤(ST230)。

[0063] 上述第三抽气步骤(ST230)在第一、二抽气之后(ST210、ST220)不稳定而转速或压力比持续增加时，随着轨迹从曲线图的C位置向D位置移动，喘振裕度增加。

[0064] 此时，在D位置，抽气量并不完全开放或完全关闭，考虑到压缩机单元的安全性和燃气轮机的效率，可以根据时间对向涡轮供给的抽气量进行比例控制。

[0065] 因此，燃气轮机在工作中能够减少在初期压缩机级具备的压缩机叶片的冲击的产生，并能够减少压缩空气的流动不稳定性，能够减少压缩机单元的振动和噪音产生，还能够使燃气轮机的输出功率降低最小化。

[0066] 如果第三抽气步骤(ST230)之后喘振裕度稳定时(ST250)，判断为燃气轮机正常工作(ST260)。

[0067] 如果第三抽气步骤(ST230)之后喘振裕度不稳定时，可以中止燃气轮机的工作而预防压缩机单元的故障或错误工作(ST270)。

[0068] 本实施例在第一抽气之后喘振裕度持续时实施第二抽气，之后喘振裕度还持续时，可以通过第三抽气来实现压缩机单元的稳定的工作。

[0069] 此时，依次进行第一至第三抽气，因此能够同时实现燃气轮机的稳定的工作和效率提高。

[0070] 参照附图，对本发明的一个实施例的燃气轮机的抽气装置进行说明。

[0071] 参照所附的图2至图4，本实施例的燃气轮机的抽气装置包括：检测传感器单元100，对燃气轮机的压缩机单元10具备的多个压缩机级11、12、13中位于初期级的多个压缩机级11、12、13检测转速和各自压力比；抽气管200，一端与包裹位于上述初期级的多个压缩机级11、12、13的压缩机壳体20的圆周方向连接，另一端向涡轮延长；阀门单元300，具备于上述抽气管200；以及控制部400，根据在上述检测传感器单元100中检测的检测值来控制上述阀门单元300的开度量。

[0072] 就上述检测传感器单元100而言，对于压缩机级11、12、13的各自转速，可以使用转速传感器或者发挥与其类似的功能的其他传感器，上述压力比可以利用压力传感器进行检测。

[0073] 上述抽气管200分别各自结合于压缩机级11、12、13，作为一个例子，包括：歧管210，一端从上述压缩机壳体20的圆周方向朝内侧插入且多个等间隔地配置；主管220，上述歧管210向上述压缩机壳体20的外侧延长后全部合流而形成为单管。

[0074] 作为一个例子，上述歧管210在压缩机壳体20以圆筒形态形成时，可以互相对置而分别位于上下位置，或者位于上下左右对称的位置。

[0075] 上述歧管210全部以相同直径形成，并以与上述压缩机级11、12、13的内侧连通的状态结合。上述歧管210可根据布局而不同，但以相同的长度向上述主管220延长。

[0076] 上述主管220以相同直径形成时，可以根据阀门单元300的开度量，通过各个歧管210，相同流量的压缩空气经由上述主管220向涡轮供给。

[0077] 因此，即便上述歧管210位于互相不同的位置时，也能够稳定地供给向涡轮30供给的大量的压缩空气，从而提高供给安全性。

[0078] 本实施例的主管220是多个歧管210合为1个单一配管而向涡轮延长。上述主管220以具备构成阀门单元300的第一阀门310且利用控制部400控制开度量的方式构成。

[0079] 上述歧管210以比上述主管220大的直径形成，因此高压的压缩空气能够稳定地向上述主管220移动，还能够使移动途中因压力下降而引起的问题的发生最小化。

[0080] 上述歧管210分别具备于压缩机级11、12、13，主管220也以与从上述压缩机级11、12、13分别延长的歧管210连接的方式分别具备。

[0081] 上述主管220并不是向涡轮各自供给，而是合为单一管而供给，因此向涡轮供给的抽气量根据阀门单元300的开度状态而控制。

[0082] 本实施例的阀门单元300分别安装于从上述压缩机级11、12、13分别延长的歧管，包括第一阀门310、第二阀门320和第三阀门330。

[0083] 第一至第三阀门310、320、330均通过控制部400来控制，通过控制开度量，能够稳定地实现由涡轮供给的抽气量控制。

[0084] 参照所附的图4至图6，本实施例的控制部400按照从上述压缩机级11、12、13中的初期级至相邻的下一压缩机级顺序依次控制阀门单元300的开度量。即，控制部400可以以将对上述压缩机级11的第一阀门310控制为打开状态后，为了对相邻的压缩机级12的抽气而打开第二阀门320的方式进行控制。

[0085] 另外，为了对相邻的压缩机级13的抽气，以第三阀门330打开的方式进行控制，则能够供给向涡轮30供给的压缩空气。此时，高压的压缩空气沿着粗实线的移动路径移动。

[0086] 本实施例的控制部400在上述压缩机级11、12、13中的初期级11为正常、与上述初期级11相邻的下一压缩机级12为非正常时，可以以对应上述初期级11和下一压缩机级12的第一、二阀门单元310、320全部开放的方式进行控制。

[0087] 此时，抽出的空气沿着用粗实线表示的移动路径向涡轮30供给，从而防止消除由喘振引起的振动和噪音，维持燃气轮机的稳定的工作。