專利名稱：一種微型燃氣輪機的起動控制裝置以及起動控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微小型燃氣輪機的起動控制裝置以及起動控制方法，屬于燃氣輪機起動控制技術領域。
背景技術：
微小型燃氣輪機在依靠自身產(chǎn)生的動力實現(xiàn)運轉之前，需通過起動電機作為外界 動力源帶動燃氣輪機轉動，為燃燒室提供滿足起動要求的空氣流量，進入燃燒室內(nèi)空氣與 燃料混合，當燃燒室內(nèi)燃料與空氣之比(以下簡稱空燃比)達到著火條件后，點火成功，混 合燃氣劇烈燃燒，推動燃氣輪機渦輪做功，帶動燃氣輪機不斷加速，完成起動，最終燃氣輪 機完全依靠自身產(chǎn)生的能量運轉，并向外界提供動力。因此微小型燃氣輪機的起動過程在 整個燃氣輪機控制中是一個非常重要且必不可少的環(huán)節(jié)，對于之后燃氣輪機的平穩(wěn)可靠運 行有著極其重要的影響。傳統(tǒng)的燃氣輪機起動控制方法采用開環(huán)控制方法，起動電機與燃 油供給系統(tǒng)同時開啟。在起動電機帶動下，燃氣輪機轉子開始轉動，由于起動電機的扭矩速 度特性限制，燃氣輪機轉速隨時間沿拋物線變化，隨轉速升高，其單位時間內(nèi)的變化率逐漸 減小。而其燃油供給系統(tǒng)則控制燃油流量按固定斜率線性增加，斜率主要基于大氣壓力與 大氣溫度計算得到。在理想狀態(tài)下，因為特定的大氣條件，可以較為精確的計算得到燃油供 給曲線的斜率，因此實現(xiàn)滿足著火所需的空燃比相對來說比較簡單。但是當外界大氣條件 變化時，傳統(tǒng)起動控制，就必須通過壓力與溫度傳感器精確測量大氣壓力與大氣溫度，以實 現(xiàn)燃油流量的精確計算。同時，對于燃氣輪機轉速測量的任何偏差，以及在該大氣條件下， 與轉速對應的實際空氣流量的計算偏差，都將導致空燃比不滿足點火要求，使得燃氣輪機 無法正常起動。因此，在傳統(tǒng)燃氣輪機起動控制中，燃氣輪機轉速與燃油流量都是可變控制 參數(shù)，影響最終空燃比控制，相當于同時多個變量來實現(xiàn)對一個可變目標的匹配，以至于這 種開環(huán)控制方法在控制燃油空氣比時，對于燃油流量的變化、燃氣輪機運行狀態(tài)、傳感器精 度以及大氣條件非常敏感。作為主要應用于航空航天，艦船、車輛等領域的微小型燃氣輪 機，外界環(huán)境變化劇烈，傳統(tǒng)的起動控制方法已經(jīng)難以滿足要求。所以設計出一種新的起動 控制裝置以及更加可靠的起動控制方法，保證復雜環(huán)境下的燃氣輪機的可靠起動及其正常 運轉十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種微小型燃氣輪機起動控制裝置以及起動控制方法。其起動控制裝 置通過使用起動電機，拖動燃氣輪機達到一個設定轉速，并通過電子控制單元輸出脈寬調(diào) 制信號(以下簡稱PWM)，控制起動電機，使燃氣輪機穩(wěn)定于該轉速，使與燃氣輪機轉速相關 的燃氣輪機進氣量保持于一個穩(wěn)定狀態(tài)。之后通過電子控制單元輸出PWM信號開啟燃油 流量比例控制電磁閥，使燃油與進氣混合，并開啟點火器，當燃油與進氣混合達到起動所需 著火比例時，點火器點燃混合氣體，推動燃氣輪機達到預定轉速，完成起動過程。整個起動 控制裝置與起動控制方法保持燃氣輪機穩(wěn)定于一個設定轉速，使得起動過程中燃燒室內(nèi)空氣流量處于一個穩(wěn)定值，同時不再依據(jù)外界大氣溫度與壓力情況，計算燃油流量變化量，而 是以一個固定變量增加進入燃燒室內(nèi)的燃油量，最終燃燒室內(nèi)空燃比都將達到所需著火比 例，使得燃氣輪機起動過程受燃油流量變化、燃氣輪機狀態(tài)變化以及大氣條件變化影響較 小，有效解決了苛刻環(huán)境下的微小型燃氣輪機起動困難以及不穩(wěn)定等問題，確保燃氣輪機 可在任何條件下可靠完成起動，保證了之后的燃氣輪機穩(wěn)定運轉。
本發(fā)明公布的一種微小型燃氣輪機起動控制裝置，其主要由三個部分組成，包括 數(shù)據(jù)測量模塊、數(shù)字控制單元以及起動執(zhí)行模塊。數(shù)據(jù)測量模塊負責燃氣輪機狀態(tài)參數(shù)的 測量，包括測量燃氣輪機轉速的轉速傳感器以及測量燃氣輪機排氣溫度的溫度傳感器。轉 速傳感器信號經(jīng)過數(shù)字信號處理電路，整形處理后送入單片機；溫度傳感器信號經(jīng)過放大 濾波處理后送入單片機。單片機依據(jù)采集到的燃氣輪機狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行器功率驅動電 路控制執(zhí)行起動模塊內(nèi)的起動電機、點火器、燃油保護電磁閥以及燃油流量控制比例電磁 閥，完成燃氣輪機整個起動過程的控制，保證燃氣輪機可靠、穩(wěn)定的進入慢車狀態(tài)。所述的微小型燃氣輪機的起動控制方法，首先，起動電機拖動燃氣輪機達到一個 設定轉速(該轉速應依據(jù)實際情況調(diào)整，但應該低于燃氣輪機一階臨界轉速，約為150001·/ min)，并控制起動電機，使發(fā)動機穩(wěn)定于該轉速，保證在任意大氣條件下，燃氣輪機的進氣 量處于一個穩(wěn)定值。之后，開啟點火器，同時開啟燃油保護電磁閥以及燃油流量比例控制電 磁閥，調(diào)節(jié)燃油流量，當燃油與進氣達到著火所需比例時，點火器點燃油氣混合物，油氣混 合物劇烈燃燒，燃氣輪機排氣溫度不斷上升。最終，當排氣溫度變化達到預設值時(該值根 據(jù)實際環(huán)境條件相應調(diào)整，約為20攝氏度)，ECU判定燃氣輪機點火成功，之后進入閉環(huán)控 制階段，ECU根據(jù)燃氣輪機速度變化，控制燃油流量比例控制電磁閥，調(diào)整燃油流量，燃氣輪 機轉速隨之不斷上升，最終達到穩(wěn)定慢車轉速，完成整個起動過程。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)結構簡單本發(fā)明所涉及的起動控制裝置，依據(jù)本發(fā)明所涉及起動控制方法， 僅需轉速傳感器以及溫度傳感器采集起動所需數(shù)據(jù)，有效的減少了起動裝置所需的傳感器 數(shù)量，簡化了起動裝置結構。(2)控制策略簡單本發(fā)明所涉及的起動控制方法，控制空氣流量處于一個穩(wěn)定 值，只需控制燃油流量，實現(xiàn)空燃比最終的恰當匹配，大大簡化了控制策略。(3)可靠性高本發(fā)明所涉及的起動控制方法，在起動過程中，保持燃氣輪機轉速 處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)了燃燒室內(nèi)空燃比的可靠控制，大大降低了外界環(huán)境以及燃氣輪 機自身因素對于起動過程的影響，提高了起動控制的可靠性。(4)適用于復雜環(huán)境本發(fā)明所涉及起動控制裝置以及起動控制方法，通過設定 起動穩(wěn)定轉速，使得因外界環(huán)境變化，造成的空氣流量以及燃油流量變化，不會對空燃比的 最終匹配造成影響，保證了燃氣輪機在苛刻環(huán)境下的可靠起動。


圖1是本發(fā)明起動控制裝置的電路結構框圖；圖2是本發(fā)明起動控制方法時序圖；圖3是本發(fā)明起動控制方法流程圖；圖中1.轉速傳感器2.溫度傳感器
3.數(shù)字信號處理電路4.放大濾波電路5.電源保護電路6.單片機7.執(zhí)行器功率驅動電路8.起動電機9.點火器10.燃油保護電磁閥 11.燃油流量控制比例電磁閥12.數(shù)據(jù)測量模塊 13.數(shù)字控制單元14.起動執(zhí)行模塊15.空氣流量曲線16.燃油流量曲線17.燃氣輪機起動轉速曲線18.第一步19.第二步20.第三步21.第四步22.第五步23.第六步24.第七步
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，是本發(fā)明起動控制裝置的電路結構框圖。其起動控制裝置包括數(shù)據(jù) 測量模塊12、電子控制單元13和起動執(zhí)行模塊14三部分。其中數(shù)據(jù)測量模塊12由轉速傳 感器1和溫度傳感器2構成，轉速傳感器1采集起動過程中發(fā)動機轉子轉速，溫度傳感器2 采集燃氣輪機轉渦輪排氣溫度。其中數(shù)字處理單元13包括數(shù)字信號處理電路3、放大濾波 電路4、電源保護電路5、單片機6以及執(zhí)行器功率驅動電路7。電源保護電路為整個系統(tǒng)提 供穩(wěn)定電壓，具有欠壓及過載保護功能，并指示系統(tǒng)當前電源狀態(tài)；數(shù)字信號處理電路3接 收來自轉速傳感器1采集的燃氣輪機轉速信號，經(jīng)處理后送入單片機6 ；放大濾波電路4接 收溫度傳感器2采集的燃氣輪機渦輪排氣溫度信號，經(jīng)濾波放大處理后送入單片機6 ；執(zhí)行 器功率驅動電路7接收來自單片機6輸出的PWM控制信號，驅動起動執(zhí)行模塊14內(nèi)的起動 電機8、點火器9、燃油保護電磁閥10以及燃油流量控制比例電磁閥11依起動控制策略動 作，根據(jù)燃氣輪機轉速以及渦輪排氣溫度變化精確控制燃油流量，完成燃氣輪機的可靠、高效起動。如圖2所示，是本發(fā)明起動控制方法時序圖。首先單片機6輸出PWM信號至執(zhí)行 器功率驅動電路7，控制起動電機8帶動燃氣輪機轉動，燃氣輪機轉速沿燃氣輪機起動轉速 曲線17不斷上升。Tl時刻，燃氣輪機轉速達到一個設定轉速(該轉速應依據(jù)實際情況調(diào) 整，但應該低于燃氣輪機一階臨界轉速，約為15000r/min左右)，并且起動電機8在單片機 6控制下使燃氣輪機轉速維持在該設定轉速不變。由于進入燃氣輪機的空氣流量與燃氣輪 機轉速直接相關，因此，空氣流量沿空氣流量曲線15，依發(fā)動機轉速變化，同比例上升。Tl 時刻后，隨著燃氣輪機轉速保持穩(wěn)定，無論外界大氣條件如何，空氣流量曲線16保持在一 個穩(wěn)定值。同時，在Tl時刻，單片機6輸出PWM信號，經(jīng)由執(zhí)行器功率驅動電路7控制燃油 保護電磁閥10及燃油流量控制比例電磁閥11依次開啟，并開啟點火器，單片機6調(diào)節(jié)燃油 流量控制比例電磁閥11控制燃油流量沿燃油流量曲線16線性增長。T2時刻，燃油流量曲 線16與空氣流量曲線15相交于一點時，燃油空氣比達到恰當比例，在點火器作用下，完成 點火。隨著燃油不斷燃燒，燃氣輪機排氣溫度上升，在T3時刻，燃氣溫度變化超過20°C時， 單片機6判定燃氣輪機點火成功，進入轉速排溫閉環(huán)控制階段，燃氣輪機轉速不斷上升，T4 時刻，最終完成起動，進入慢車狀態(tài)。如圖2所示，是本發(fā)明起動控制方法時序圖。在燃氣輪機起動過程中，依據(jù)本發(fā)明 所述起動控制方法，Tl時刻，當在燃氣輪機被起動電機8帶轉至設定轉速時，由于外界大氣條件變化，空氣流量曲線15的具體穩(wěn)定值可能不同。同時，由于燃油流量控制比例電磁閥11機械狀態(tài)改變以及系統(tǒng)電源電壓的變化，導致燃油流量曲線16的斜率可能發(fā)生變化，但 是無論燃油流量曲線斜率如何變化，兩條曲線總會于T2時刻相交于A點，使得燃油空氣比 最終達到滿足著火條件的合適比例。單片機6在Tl時刻輸出PWM控制信號，經(jīng)由執(zhí)行器功 率驅動電路7開啟點火器9，當燃油空氣比在T2時刻達到恰當比例時，實現(xiàn)點火。點火成功 后，隨著燃料燃燒，排氣溫度不斷上升。在T3時刻，排氣溫度變化超過20°C時，單片機6判 定點火成功，進入轉速排溫閉環(huán)控制階段，最終控制燃氣輪機完成起動，達到慢車狀態(tài)。整 個起動過程中受燃油流量變化、燃氣輪機狀態(tài)變化以及大氣條件變化影響較小，可實現(xiàn)在 任何苛刻條件下的燃氣輪機可靠起動。 如圖3所示，是本發(fā)明起動控制方法流程圖。第一步18單片機6開啟起動電機8， 帶轉發(fā)動機。第二步19燃氣輪機轉速升高達到設定轉速(該轉速應依據(jù)實際情況調(diào)整，但 應該低于燃氣輪機一階臨界轉速，約為15000r/min左右)，起動電機8在單片機6控制下， 維持燃氣輪機轉速在該設定轉速保持不變。第三步20單片機6開啟點火器9。第四步21 單片機6依次開啟燃油保護電磁閥10及燃油流量控制比例電磁閥11。之后，進入第五步 22，單片機6輸出PWM信號，經(jīng)執(zhí)行器功率驅動電路7調(diào)接燃油流量控制比例電磁閥，燃油 流量不斷上升。當燃氣輪機排氣溫度變化超過20°C，單片機6判定點火成功，完成起動控制 過程第六步23，進入起動控制過程第七步24，進入轉速排溫閉環(huán)控制階段，完成起動過程， 燃氣輪機最終進入慢車狀態(tài)。若第六步23中，燃氣輪機排氣溫度變化未達到20°C，則回到 第五步22，單片機6繼續(xù)調(diào)節(jié)燃油流量控制比例電磁閥11，改變?nèi)加土髁?，直至最終燃氣輪 機排氣溫度變化超過20°C，進入第七步24，完成燃氣輪機的整個起動過程。
權利要求
一種微小型燃氣輪機起動控制裝置及其起動控制方法，其起動控制裝置包含數(shù)據(jù)測量模塊(12)、數(shù)字控制單元(13)以及起動執(zhí)行模塊(14)。數(shù)據(jù)測量模塊(12)由轉速傳感器(1)和溫度傳感器(2)構成。數(shù)字控制單元(13)包括數(shù)字信號處理電路(3)、放大濾波電路(4)、電源保護電路(5)、單片機(6)以及執(zhí)行器功率驅動電路(7)起動執(zhí)行模塊包括起動電機(8)、點火器(9)、燃油保護電磁閥(10)以及燃油流量控制比例電磁閥(11)。其起動控制方法，特征在于，單片機(6)控制起動電機(8)帶動燃氣輪機轉動至一個設定轉速，通過控制燃油流量控制比例電磁閥(11)，調(diào)節(jié)燃油流量，使得空氣與燃料混合達到合適比例，點火器(9)點燃混合氣體，燃氣輪機轉速升高，進入慢車狀態(tài)，完成起動。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微小型燃氣輪機起動控制方法，其特征在于，起動過程 分為三部分。首先，起動電機(8)帶動燃氣輪機轉動至一個設定轉速，并維持燃氣輪機處于 該轉速不變。之后單片機(6)輸出控制信號開啟點火器(9)，單片機(6)控制燃油流量控制 比例電磁閥(11)，調(diào)節(jié)燃油流量定比例，沿線性增長，實現(xiàn)空氣與燃料比例的合適匹配后， 點火器點燃混合氣體。最后，溫度傳感器檢測溫度變化，當變化超過預設值時，判定燃氣輪 機點火成功，進入轉速排溫閉環(huán)控制階段，燃氣輪機轉速不斷升高，進入慢車狀態(tài)，完成起 動。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種微小型燃氣輪機起動控制方法，其特征在于，燃氣輪機 在起動電機(8)帶動下，達到一個設定轉速，并維持該轉速不變，使進入燃氣輪機的空氣流 量處于一個穩(wěn)定值，為燃氣輪機起動提供穩(wěn)定的空氣流量，直至排氣溫度變化超過預設值， 數(shù)字控制單元(13)判定點火成功。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種微小型燃氣輪機起動控制方法，其特征在于，燃氣輪機 起動設定轉速約為15000r/min。
5.根據(jù)權利要求2所述的一種微小型燃氣輪機起動控制方法，其特征在于，確認點火 成功的排氣溫度變化量為20°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型燃氣輪機的起動控制裝置以及起動控制方法，其起動控制裝置包括由轉速傳感器和溫度傳感器構成的數(shù)據(jù)測量模塊，由起動電機、點火器、燃油保護電磁閥以及燃油流量控制比例電磁閥組成的起動執(zhí)行模塊，以及數(shù)字控制單元。其起動控制方法由數(shù)字控制單元控制起動電機，將燃氣輪機帶轉到一個設定轉速，并維持該轉速不變，通過控制燃油流量控制比例電磁閥，調(diào)節(jié)燃油流量，實現(xiàn)燃油與空氣比例的恰當匹配，點火器點燃混合氣體，燃氣輪機轉速升高。單片機依據(jù)燃氣輪機排氣溫度以及轉速，閉環(huán)控制燃氣輪機進入慢車狀態(tài)，完成起動。本發(fā)明能夠有效避免起動過程燃油流量變化、燃氣輪機狀態(tài)變化以及大氣條件變化的影響，解決了苛刻環(huán)境下的微小型燃氣輪機起動困難以及不穩(wěn)定等問題，確保燃氣輪機可在任何條件下可靠完成起動。
文檔編號F02C9/00GK101806251SQ20101013182
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者丁力, 丁水汀, 張奇, 徐國強, 杜發(fā)榮, 王振宇, 韓樹軍 申請人:北京航空航天大學