Способ и система управления машиной Российский патент 2020 года по МПК F02C9/20 G05B19/4097 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к системам и способам управления машинным оборудованием, а более конкретно - к генерации модели рабочих характеристик, основанной на различных состояниях и выходных данных машины, с целью активного управления функционированием машины.

[0002] Источники энергии на основе горения, такие как газотурбинные блоки, могут генерировать механическую энергию путем сжигания топлива, смешанного со сжатым воздухом. Эти реакции горения вырабатывают механическую энергию для управления нагрузочным компонентом, прикрепленным к источнику энергии на основе горения (например, с помощью поворотного вала). Эффективность источников энергии на основе горения и подобных им устройств выработки энергии может зависеть от их реализации, условий окружающей среды и/или других факторов, таких как качество изготовления и рабочее состояние (например, переходное состояние или установившееся состояние). Большое количество действий, инициируемых пользователем, и факторов окружающей среды могут повлиять на рабочие характеристики машины, включая уровень вырабатываемой энергии, эффективность машины и ее компонентов и оценка ресурсов деталей и/или системы.

[0003] Стандартные системы управления могут использовать предварительно смоделированные и расчетные характеристики для вычисления ограниченного количества физических свойств машины в течение предварительно определенных временных интервалов и в нескольких местоположениях. Хотя со временем и с развитием компьютерных систем способы моделирования улучшились, даже небольшие различия между моделью машины и ее фактическими рабочими характеристиками могут вылиться в существенные экономические потери с точки зрения снижения себестоимости, объема генерируемой энергии, неудовлетворенных или завышенных потребностей, затрат на изготовление и установку и т.д. Потенциальная экономическая выгода может быть более ярко выражена, если энергетические потребности изменяются в зависимости от сезона, времени, местоположения и т.д.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Согласно первому аспекту раскрытия настоящего изобретения предлагается способ управления машиной, включающий: вычисление с использованием модели рабочих характеристик машины набора состояний между ступенями машины, соответствующих набору входных состояний или набору выходных состояний, в процессе работы машины, при этом машина содержит турбинный компонент, имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций между ступенями, и при этом каждый набор входных состояний, выходных состояний и состояний между ступенями содержит одну из следующих характеристик: температура, давление и расход текучей среды; калибровку модели рабочих характеристик машины на основе различия между предсказанным значением в модели рабочих характеристик машины и набором входных или выходных состояний и настройку рабочего параметра машины на основе калиброванной модели рабочих характеристик и вычисленного набора состояний между ступенями машины.

[0005] Согласно второму аспекту раскрытия настоящего изобретения предлагается система управления машиной, содержащая: системный контроллер, взаимодействующий с системой текущего контроля машины и осуществляющий вычисление с использованием модели рабочих характеристик машины набора состояний между ступенями машины, соответствующих набору входных и выходных состояний, в процессе работы машины, при этом машина содержит турбинный компонент, имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций между ступенями, при этом каждый набор входных состояний, выходных состояний и состояний между ступенями содержит одну из следующих характеристик: температура, давление и расход текучей среды; и калибровку модели рабочих характеристик машины на основе различия между предсказанным значением в модели рабочих характеристик машины и набором входных или выходных состояний;

и регулирующий клапан, в рабочем режиме связанный с системным контроллером и входом турбинного компонента и в процессе работы настраивающий рабочий параметр машины на основе калиброванной модели рабочих характеристик и вычисленного набора состояний между ступенями машины.

[0006] Согласно третьему аспекту предлагается программное изделие, хранящееся на машиночитаемом носителе информации, для управления машиной, при этом машиночитаемый носитель информации содержит программный код, инициирующий компьютерную систему для вычисления с использованием модели рабочих характеристик машины набора состояний между ступенями машины, соответствующих набору входных состояний и набору выходных состояний, в процессе работы машины, при этом машина содержит турбинный компонент, имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций между ступенями, при этом каждый набор входных состояний, выходных состояний и состояний между ступенями содержит одну из следующих характеристик: температура, давление и расход текучей среды; калибровки модели рабочих характеристик машины на основе различия между предсказанным значением в модели рабочих характеристик машины и набором входных или выходных состояний и настройку рабочего параметра машины на основе калиброванной модели рабочих характеристик и вычисленного набора состояний между ступенями машины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Эти и другие признаки раскрываемой системы будут более понятны из последующего подробного описания различных аспектов системы совместно с прилагаемыми чертежами, изображающими различные варианты осуществления, на которых:

[0008] на фиг. 1 показано схематическое изображение традиционной системы турбомашины.

[0009] На фиг. 2 показано схематическое изображение турбинного компонента с системой управления машиной, соответствующей вариантам раскрытия настоящего изобретения.

[0010] На фиг. 3 показан пример компьютерной рабочей среды, предназначенной для управления машиной в соответствии с вариантами раскрытия настоящего изобретения.

[0011] На фиг. 4 показан алгоритм выполнения способа управления машиной в соответствии с вариантами раскрытия настоящего изобретения.

[0012] На фиг. 5 показан алгоритм выполнения альтернативного способа управления машиной в соответствии с вариантами раскрытия настоящего изобретения.

[0013] Следует отметить, что на чертежах элементы не обязательно представлены в реальном масштабе. Чертежи предназначены для изображения только типовых аспектов раскрытия настоящего изобретения и, таким образом, не должны рассматриваться с точки зрения ограничения объема изобретения. На чертежах одинаковые цифровые ссылки представляют схожие элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0014] В последующем описании приводятся ссылки на прилагаемые чертежи, которые составляют часть этого описания и на которых в виде иллюстраций показаны конкретные примеры осуществления настоящего изобретения, согласно которым на практике могут быть реализованы идеи настоящего изобретения. Эти варианты осуществления описываются достаточно подробно, для того чтобы специалисты в этой области техники могли на практике реализовать идеи настоящего изобретения, при этом следует принимать во внимание, что могут использоваться другие варианты осуществления, а также могут вноситься изменения без нарушения объема идей, представленных в настоящем изобретении. Таким образом, последующее описание является только лишь иллюстративным.

[0015] Согласно вариантам раскрытия настоящего изобретения предусматривается активное управление машиной, включая турбомашину, такую как газовые турбины, ветряные турбины, гидротурбины и т.д. В вариантах раскрытия настоящего изобретения может применяться сгенерированная модель рабочих характеристик машины для вычисления атрибутов машины, которые затем могут сравниваться с их фактическими значениями с целью калибровки модели рабочих характеристик, по мере того как машина продолжает функционировать. Термин "модель рабочих характеристик" может включать любое уравнение, систему уравнений, матрицу, алгоритм и/или математическую модель, которая связывает один или более наборов входных состояний, выходных состояний и уровней вырабатываемой энергии с различными рабочими параметрами и внутренними состояниями машины, включая внутренние состояния канала для текучей среды, проходящего через одну или более ступеней турбины и позиций между ступенями турбинного компонента. Согласно примеру осуществления настоящего изобретения способы управления машиной могут включать расчет набора состояний между ступенями машины, при этом состояния между ступенями в наборе соответствуют набору входных и/или выходных состояний той же машины. Состояниями между ступенями обычно называются физические свойства (например, температура, давление, расход) машины, имеющей канал для текучей среды, который пересекает несколько ступеней турбины и позиции между этими ступенями. Более конкретно, состояния между ступенями определяют характеристики таких свойств между последовательными ступенями турбомашины.

[0016] Модель рабочих характеристик может предсказывать одну или более характеристик, представляющих входные и/или выходные условия, и эти предсказанные характеристики могут отличаться от фактических измеренных значений для турбомашины. Для урегулирования этих различий варианты раскрытия настоящего изобретения включают калибровку модели рабочих характеристик машины на основе различий между предсказанными значениями, полученными с помощью модели рабочих характеристик, и измеренными входными и/или выходными состояниями. Калибровка модели рабочих характеристик может включать, например, модификацию промежуточных переменных для изменения взаимоотношения между переменными, включенными в модель рабочих характеристик. Для обеспечения активного контроля машины во время ее функционирования варианты раскрытия настоящего изобретения включают настройку рабочих параметров машины на основе калиброванной модели рабочих характеристик и вычисленного набора состояний между ступенями.

[0017] На фиг. 1 показана обычная турбомашина 100, которая содержит компрессорный компонент 102, функционально соединенный с турбинным компонентом 104 через общий компрессорный/турбинный вал 106. Турбомашина 100 на фиг. 1 изображена в виде газовой турбины, однако следует понимать, что в вариантах раскрытия настоящего изобретения газовые турбины могут заменяться машинами других типов (например, паровыми турбинами, гидротурбинами и т.д.). В более общем случае может использоваться любая машина, содержащая реализацию турбинного компонента 104, модифицированная и/или управляемая таким образом, чтобы соответствовать обсуждаемым в этом описании вариантам раскрытия настоящего изобретения. Компрессорный компонент 102 может гидравлически соединяться с турбинным компонентом 104, например, через узел 108 камер сгорания. Узел 108 камер сгорания содержит одну или более камер 110 сгорания. Камеры 110 сгорания могут прикрепляться к турбомашине 100 с использованием широкого диапазона конфигураций, включая, помимо прочего, установку в трубчато-кольцевом массиве. Компрессорный компонент 102 содержит множество рабочих колес 112 ротора компрессора. Рабочие колеса 112 ротора компрессора содержат рабочее колесо 114 ротора компрессора первой ступени, оснащенное множеством лопаток 116 ротора компрессора первой ступени, каждая из которых оснащена соответствующей частью 118 аэродинамического профиля. Таким же образом, турбинный компонент 104 содержит множество компонентов 120 рабочих колес турбины, содержащих одно или более рабочих колес 122 ротора, оснащенных набором соответствующих лопаток 124 ротора турбины.

[0018] В процессе функционирования рабочая текучая среда, такая как горячий сжигаемый газ может протекать из камеры (камер) 110 сгорания в турбинный компонент 104. Рабочая текучая среда в турбинном компоненте 104 может пропускаться через множество лопаток 124 ротора, установленных на рабочем колесе 122 турбины и размещенных в группе последовательных ступеней. Первый набор лопаток 124 турбины, соединенный с рабочим колесом 122 и валом 106, может идентифицироваться как "первая ступень" турбомашины 100, при этом следующие наборы лопаток 124 турбины идентифицируются как "вторая ступень" турбомашины 100 и т.д. вплоть до последнего набора лопаток 124 турбины в конечной ступени турбомашины 100. Конечная ступень турбомашины 100 может содержать лопатки 124 турбины наибольшего размера и/или радиуса в турбомашине 100. Множество соответствующих сопл (не показанных на чертеже) могут располагаться между каждой ступенью турбомашины 100, определяя части канала текучей среды между ступенями турбомашины 100. Рабочая текучая среда, протекающая через каждую лопатку 124 турбины, может вращать лопатки 124 путем передачи им тепловой и механической энергии, вследствие чего осуществляется вращение вала 106 турбомашины 100. Поворотный вал 106 может таким образом генерировать энергию путем механического соединения с компонентом 130 генератора, который преобразует механическую энергию вала 106 в электрическую энергию для питания устройств, подключенных к генератору 130. Величина электроэнергии, вырабатываемой генератором 130, может измеряться, например, в джоулях (Дж) как величина работы и/или энергии, вырабатываемой турбомашиной 100.

[0019] На фиг. 2 показана система 150 управления работой машины в соответствии с вариантами раскрытия настоящего изобретения. Система 150 может содержать турбинный компонент 104 и/или взаимодействовать с ним с целью улучшения рабочих характеристик турбомашины 100 (см. фиг. 1) и/или машин других типов, например, путем калибровки модели рабочих характеристик на основе различий между предсказанными и фактическими значениями и путем настройки одного или более рабочих параметров турбомашины 100 на основе вычисленных состояний между ступенями, полученных из калиброванной модели рабочих характеристик. Как показано на чертеже, турбинный компонент 104 может содержать множество рабочих колес 122а, 122b, 122с, 122d ротора турбины с соответствующими лопатками 124а, 124b, 124с, 124d ротора турбины. Каждые различные рабочие колеса 122 и лопатки 124 ротора турбины могут определять соответствующие ступени турбинного компонента 104, при этом "а" обозначает первую ступень, a "d" обозначает конечную ступень турбинного компонента 104. Хотя на чертеже в качестве примера показаны четыре ступени, следует понимать, что различные турбинные компоненты 104 могут содержать, например, пять ступеней турбины, десять ступеней турбины, двадцать ступеней турбины и т.д. Канал для рабочей текучей среды через турбинный компонент 104 может содержать множество позиций 152а, 152b, 152с, 152d, 152е между ступенями, обычно определяемых их местоположением перед, между и/или после других рабочих колес 122 и лопаток 124 ротора турбины. Хотя позиции 152а, 152е соответственно показаны сразу же перед первой ступенью или после последней ступени, эти части турбинного компонента 104, тем не менее, могут идентифицироваться как позиции 152 между ступенями.

[0020] В процессе функционирования рабочая текучая среда (например, горячий газ, полученный из камеры 110 сгорания (см. фиг. 1) может поступать на вход 156 турбинного компонента 104 из соединительного трубопровода 154 и характеризоваться соответствующим набором входных состояний. Термин "входное состояние" в этом описании обычно обозначает любую отдельную количественно измеримую характеристику или группу количественно измеримых характеристик, относящихся к рабочей текучей среде в турбомашине 100 (см. фиг. 1), при поступлении в турбинный компонент 104 и перед тем, как рабочая текучая среда достигает таких компонентов, как рабочие колеса 122 и лопатки 124 ротора турбины для извлечения энергии из рабочей текучей среды. Примеры входных состояний текучих сред на входе 156 могут, помимо прочего, включать температуру (выраженную, например, в градусах Цельсия (С)), давление (выраженное, например, в Паскалях (Па)), удельный массовый расход (выраженный, например, в килограммах (кг) в секунду (с)) и/или удельный объемный расход (выраженный, например, в кубических метрах (м³) в секунду). Другие типы входных состояний могут включать, например, скорость текучей среды, кинетическую энергию, объемный поток, плотность текучей среды, импульс текучей среды, вязкость и безразмерные параметры, полученные на основе одного или более других состояний.

[0021] Текучие среды, поступающие в турбинный компонент 104 через вход 156, затем могут проходить через последовательные ступени турбины (определяемые, например, рабочими колесами 122, 124 ротора турбины) и позиции 152 между ступенями перед выходом из турбинного компонента 104 через выход 158. Соединение для переноса текучей среды через турбинный компонент 104 от входа 156 до выхода 158 может определять поток канала для текучей среды через турбинный компонент 104, пересекающий каждую лопатку и рабочее колесо 122, 124 ротора турбины различных ступеней турбины и позиции 152 между ступенями. После достижения выхода 158 рабочая текучая среда может характеризоваться соответствующим набором выходных состояний, которые отличаются от входных состояний турбинного компонента 104 вследствие преобразования энергии текучей среды в движение лопаток 124 ротора турбины и электроэнергию, вырабатываемую генератором 130. Термин "выходное состояние" в этом описании обычно обозначает любую отдельную количественно измеримую характеристику или группу количественно измеримых характеристик, относящихся к рабочей текущей среде в турбомашине 100 (см. фиг. 1), при выходе из турбинного компонента 104 после достижения рабочей текучей средой таких компонентов, как рабочие колеса 122 и лопатки 124 ротора турбины, для извлечения энергии из рабочей текущей среды. Хотя входные и выходные состояния турбинного компонента 104 имеют различные значения, характеристики, включенные в термин "выходное состояние", могут охватывать примеры, одинаковые или похожие на те, что приведены в этом описании для входных состояний, но относящиеся к выходу 164.

[0022] Для управления функционированием турбинного компонента 104 в машине варианты осуществления системы 150 могут включать контроллер 160, связанный с различными датчиками, клапанами и т.д. турбомашины 100 (см. фиг. 1) и/или турбинного компонента 104 с целью определения и управления различными аспектами системы, обсуждаемыми в этом описании. Контроллер 160 обычно может содержать вычислительное устройство любого типа, способное выполнять операции с помощью компонента обработки (например, микропроцессора), и примеры такого устройства могут включать компьютер, процессор компьютера, электрическую и/или цифровую схему, и/или подобный компонент, используемый для вычисления и обработки электрических входных данных. Примеры компонентов и рабочих функций контроллера 160 подробно обсуждаются в этом описании.

[0023] Один или более входных датчиков 162, выходных датчиков 164, датчиков 166 ступеней и/или датчиков 168 канала могут взаимодействовать с контроллером 160 и располагаться, например, в соответствующих областях турбинного компонента 104, в которых рабочая текучая среда может быть измерена или исследована, включая без ограничения следующие области: вход 156, выход 158, местоположения, близкие к рабочим колесам 122 и лопаткам 124 ротора турбины, и/или позиции 152 между ступенями. Каждый датчик 162, 164, 166, 168 может конфигурироваться для определения (например, путем непосредственного измерения и/или вычисления на основе соответствующих переменных) различных характеристик, таких как входные состояния, выходные состояния, состояния канала для текучей среды (например, температура, давление и/или расход рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104) и т.д., в турбинном компоненте 104 с целью моделирования и воздействия на рабочие характеристики турбинного компонента 104 в машине.

[0024] В вариантах раскрытия настоящего изобретения могут использоваться различные датчики. Датчик(и) 162, 164, 166, 168 могут представлять собой датчик(и) температуры, датчик(и) потока, датчик(и) давления и/или другие устройства для оценки свойств рабочей текучей среды в конкретном местоположении. Датчик(и) 162, 164, 166, 168, представляющие собой датчики температуры, могут включать в свой состав термометры, термопары (то есть, приборы для измерения напряжения, указывающие изменения в температуре на основе изменения напряжения), резистивные датчики температуры (то есть, устройства для анализа температуры на основе изменения электрического сопротивления), инфракрасные датчики, датчики, основанные на расширении материала (то есть, датчики для определения изменения температуры на основе расширения или сжатия материала, такого как металл) и/или датчики изменения состояния. Если один или более датчиков 162, 164, 166, 168 включают в свой состав датчики температуры, то температура текучей среды (текучих сред), проходящей через местоположение датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, может измеряться и/или преобразовываться в электрический сигнал или подаваться на вход контроллера 160. Датчик(и) 162, 164, 166, 168, являющиеся датчиками давления, могут включать в свой состав барометры, манометры, тактильные датчики давления, оптические датчики давления, ионизирующие датчики давления и т.д. Для вычисления расхода и/или других кинетических свойств рабочей текучей среды датчик(и) 162, 164, 166, 168 могут включать в свой состав, например, расходомер воздуха, датчики массового расхода, анемометры и т.д. Датчик(и) 162, 164, 166, 168 могут также выводить один или более параметров на основе других измеренных характеристик, например температуры, давления, расхода и т.д. Такие измеренные характеристики, в свою очередь, могут измеряться во множестве позиций турбинного компонента 104 и/или турбомашины 100 и применяться для математических моделей потока текучей среды через конкретный компонент, например через контроллер 160. В этом случае датчик(и) 162, 164, 166, 168 могут включать в свой состав компоненты для измерения переменных, связанных с температурой, и компоненты обработки (например, компьютерное программное обеспечение) для предсказания и/или вычисления значений температуры или других показателей, основанных на соответствующих переменных. В целом, термин "вычисление" в контексте датчиков) 162, 164, 166, 168 относится к процессу математического вычисления конкретного значения путем непосредственного измерения, моделирования с предсказанием, вывода на основе соответствующих характеристик и/или выполнения других математических способов измерения и/или нахождения конкретной характеристики. Во всяком случае состояния, измеренные каждым датчиком(-ами) 162, 164, 166, 168 могут быть проиндексированы, сведены в таблицу и т.д. согласно соответствующему времени измерения. Как обсуждалось в этом описании, контроллер 160 может действовать в качестве "псевдодатчика" для вычисления (например, путем оценки или вывода) одного или более рабочих состояний в позициях внутри турбинного компонента 104, в которых отсутствует датчик(и) 162, 164, 166, 168.

[0025] Кроме того, помимо датчика(-ов) 162, 164, 166, 168 для вычисления свойств рабочей текучей среды в различных позициях турбинного компонента 104 система 150 может также содержать датчик 170 для измерения, например, энергии, вырабатываемой турбинным компонентом 104. Датчик 170 энергии обычно может быть реализован в виде любого известного в настоящее время или разрабатываемого прибора для измерения энергии, вырабатываемой турбинным компонентом 104 и/или генератором 130, включая, помимо прочего, датчик тока, датчик напряжения, магнитометр, датчик скорости, сконфигурированный для измерения скорости вращения вала 106 (включая, например, оптические датчики, позиционные датчики, емкостные датчики, тахометры и т.д.), и/или датчики других типов для вычисления уровня энергии, вырабатываемой турбинным компонентом 104 и/или генератором 130. Датчик 170 энергии, независимо от используемой реализации, может для связи соединяться (например, электрически или по беспроводному каналу) с контроллером 160 с целью вычисления энергии, вырабатываемой турбинным компонентом 104. Кроме того, вырабатываемая энергия, обнаруженная датчиком 170 энергии, может быть сведена в таблицу или проиндексирована по времени измерения таким образом, чтобы вычисленная выработанная энергия могла в контроллере 160 с помощью перекрестных ссылок сопоставляться с состояниями, вычисленными датчиком(-ами) 162, 164, 166, 168. Контроллер 160 может вычислять уровни энергии, выработанной турбинным компонентом 104, которые соответствуют набору входных состояний, выходных состояний и т.д., вычисленных датчиком(-ами) 162, 164, 166, 168.

[0026] Турбинный компонент 104 и система 150 могут содержать один или более регулирующих клапанов 172, расположенных, например, между соединительным трубопроводом 154 и входом 156 (то есть, между камерой 110 сгорания и турбинным компонентом 104), для настройки различных аспектов турбомашины 100 (см. фиг. 1) в процессе функционирования. Хотя в примере на чертеже показано, что регулирующий клапан 172 находится рядом с входом 156, следует также понимать, что другие регулирующие клапаны 172 могут располагаться в других частях турбомашины 100, например, для воздействия на расход текучей среды, поступающей или покидающей компрессорный компонент 102 (см. фиг. 1), камеру (камеры) 110 сгорания (см. фиг. 1) и/или другие части турбомашины 100, через которые протекает рабочая текучая среда. Вне зависимости от того, какой регулирующий клапан(ы) 172 управляется, на одну или более переменных, таких как объем, температура, расход и т.д. рабочей текучей среды, в турбинном компоненте 104 может оказываться воздействие путем настройки позиции регулирующего клапана(-ов) 172, как объясняется в данном описании. Регулирующий клапан(ы) 172 может управлять объемом или частью рабочей текучей среды, поступающей из камеры 110 сгорания, а более конкретно - может регулировать расход рабочей текучей среды, вводимой в турбинный компонент 104 из предшествующего компонента. Рабочая текучая среда, которая не поступает в турбинный компонент 104, может отводиться через обводной трубопровод 174, например, в другие компоненты турбомашины 100 и/или вытесняться оттуда и не вводиться в турбинный компонент 104.

[0027] Как обсуждалось в этом описании, регулирующий клапан 172 может в рабочем режиме соединяться с контроллером 160, для того чтобы контроллер 160 управлял позицией регулирующего клапана 172 во время работы турбомашины 100 (см. фиг. 1). Более конкретно, контроллер 160 может настраивать позицию регулирующего клапана 172 на основе калиброванной модели рабочих характеристик турбомашины 100, которая, в свою очередь, может калиброваться на основе входных данных и/или сигналов, полученных согласно различным характеристикам, обнаруженным и/или определенным датчиком(-ами) 162, 164, 166, 168, 170. Согласно примеру осуществления контроллер 160 может настраивать позицию клапана 172 на основе калиброванной модели рабочих характеристик с использованием измеренных значений входных состояний, выходных состояний, вырабатываемой энергии и т.д., полученных из датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, 170. Помимо непосредственного управления начальным расходом турбомашины 100 и/или расходом текучей среды, поступающей в турбинный компонент 104, регулирующий клапан 172 может также воздействовать на другие свойства, такие как температура, давление, и т.д., в различных частях турбинного компонента 104, на относительное расширение рабочих колес 122 и лопаток 124 ротора турбины в турбинном компоненте 104 (то есть, на увеличение объема или области в результате теплового расширения), тепловое напряжение внутренних компонентов турбинного компонента 104 и т.д. Кроме того, эти характеристики и/или другие характеристики турбинного компонента 104 могут настраиваться, например, путем управления объемом топлива в камере 110 сгорания с помощью механического и/или электрического соединения между камерой 110 сгорания и контроллером 160. С этой целью контроллер 160 может содержать устанавливаемый пользователем программный код, который содержит модель рабочих характеристик для связи одного или более свойств (например, входных состояний, выходных состояний, состояний между ступенями и т.д.) с другими характеристиками турбинного компонента 104 с целью активного моделирования и управления рабочими характеристиками турбинного компонента 104 в процессе его функционирования, как это объясняется в данном описании.

[0028] На фиг. 2 и 3 показан пример реализации контроллера 160 и составляющих его компонентов совместно с упрощенным изображением системы 150. В частности, контроллер 160 может содержать вычислительное устройство 204, которое, в свою очередь, может содержать систему 206 управления. Компоненты, показанные на фиг. 3, служат для реализации одного из вариантов системы управления машиной. Как обсуждалось выше, вычислительное устройство 204 может поддерживать модель рабочих характеристик, которая сопоставляет рабочие состояния и/или другие характеристики турбинного компонента 104 в турбомашине 100 (см. фиг. 1) друг с другом. Кроме того, согласно вариантам раскрытия настоящего изобретения может выполняться калибровка предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик турбомашины 100 в процессе ее функционирования на основе, например, измерений, полученных с помощью датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, 170. Варианты раскрытия настоящего изобретения могут частично конфигурироваться или эксплуатироваться техническими специалистами, вычислительным устройством 204 и/или в результате действий технического специалиста с вычислительным устройством 204. Следует понимать, что некоторые из различных компонентов, показанных на фиг. 3, могут быть реализованы независимо, объединены и/или сохранены в памяти одного или более отдельных вычислительных устройств, содержащихся в вычислительном устройстве 204. Кроме того, следует понимать, что некоторые из компонентов и/или функциональных блоков могут быть не реализованы, или дополнительные схемы и/или функциональные блоки могут быть включены в систему 206 управления.

[0029] Вычислительное устройство 204 может содержать процессор (PU) 208, интерфейс 210 ввода/вывода (I/O, Input/Output), память 212 и шину 214. Кроме того, вычислительное устройство 204 показано в процессе взаимодействия со внешним устройством 216 I/O и запоминающим устройством 218. Система 206 управления может выполнять программу 220 моделирования рабочих характеристик, которая, в свою очередь, может содержать различные программные компоненты, сконфигурированные для выполнения различных действий, включая вычислитель 222, определитель 224, компаратор 226, модуль 228 калибровки модели рабочих характеристик (калибратор РМ (performance model)). Различные модули системы 206 управления могут использовать алгоритмические вычисления, справочные таблицы и другие подобные средства, хранящиеся в памяти 212, для обработки, анализа и использования данных с целью выполнения своих соответствующих функций. В целом, PU 208 может выполнять компьютерный программный код, такой как программа, инициирующая функционирование системы 206 управления, которая может храниться в памяти 212 и/или в системе 214 хранения информации. В процессе выполнения компьютерного программного кода PU 208 может считывать и/или записывать данные в/из память 212, запоминающее устройство 218 и/или через интерфейс 210 I/O. Шина 214 может устанавливать линию связи между каждым из компонентов в вычислительном устройстве 204. Устройство 216 ввода/вывода может включать в свой состав любые устройства, которые позволяют пользователю взаимодействовать с вычислительным устройством 204 или любым устройством, которое позволяет вычислительному устройству 204 осуществлять связь с описанным оборудованием и/или другими вычислительными устройствами. Устройство 216 ввода/вывода (включая, помимо прочего, клавиатуры, дисплеи, координатно-указательные устройства и т.д.) может быть связано с контроллером 160 либо непосредственно, либо через промежуточные контроллеры ввода/вывода (не показанные на чертеже).

[0030] В памяти 212 могут также храниться различные виды данных 300, относящиеся к одной или более машин и/или их компонентам, к турбомашине 100 (см. фиг. 1) и/или к турбинному компоненту(-ам) 104. Как обсуждалось в этом описании, контроллер 160 может настраивать регулирующий клапан 172, камеру 110 сгорания и/или другие рабочие параметры машины на основе предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик турбомашины 100 и/или калиброванной модели рабочих характеристик, полученной из калибратора 228 РМ. Для калибровки моделей рабочих характеристик машины программа 220 моделирования рабочих характеристик системы 206 управления может хранить данные 300 и взаимодействовать с ними в процессах, описываемых при раскрытии настоящего изобретения. Например, поле 302 входных состояний может содержать один или более наборов входных состояний турбинного компонента 104 в соответствующие моменты времени. Более конкретно, каждая запись в поле 302 входных состояний может содержать отдельную группу входных состояний, измеренных (например, с помощью датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, 170) в процессе функционирования турбинного компонента 104 в конкретный момент времени, таких как значения температуры, давления, расхода и т.д. рабочей текучей среды на входе 156. В состав данных 300 может также входить поле 304 выходных состояний, которое содержит один или более наборов выходных состояний, измеренных (например, с помощью датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, 170) в процессе функционирования турбинного компонента 104 в различные моменты времени. Например, поле 304 выходных состояний может содержать значения температуры, давления, расхода и т.д. рабочей текучей среды на выходе 158, которые могут соответствовать заданному моменту времени. В составе данных 300 в других позициях с использованием других полей и/или групп полей могут храниться другие обнаруженные рабочие состояния. Предварительно сконфигурированная модель рабочих характеристик может храниться в поле 306 модели рабочих характеристик, которое может содержать одну или более систем уравнений для математического сопоставления друг с другом различных рабочих состояний турбинного компонента 104. Модель (модели) рабочих характеристик, хранимая в поле 306 модели рабочих характеристик может включать в свой состав предварительно сконфигурированные модели рабочих характеристик турбомашины 100 и/или других турбомашин, и/или могут содержать калиброванные модели рабочих характеристик, полученные в результате выполнения различных описываемых шагов процесса. Таким образом, следует понимать, что в состав данных 300 могут входить несколько измеренных и/или вычисленных переменных, которые могут применяться к модели(-ям) рабочих характеристик, хранимой в поле 306 модели рабочих характеристик, для моделирования рабочих характеристик машины, содержащей турбинный компонент 104.

[0031] Калибратор 228 РМ может калибровать предварительно сконфигурированные модели рабочих характеристик, хранимые в поле 306 модели рабочих характеристик, с использованием измеренных и/или вычисленных рабочих состояний машины, которые могут храниться, например, в поле 302 входных рабочих состояний, в поле 304 выходных рабочих состояний и/или в ином виде в составе данных 300, как объясняется в этом описании. Более конкретно, калибратор 228 РМ может модифицировать смоделированные взаимосвязи между переменными в предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик, основанной на данных 300 и/или предварительно определенной информации, относящейся к турбинному компоненту 104, и другими компонентами турбомашины 100 (см. фиг. 1) (такими, как температура горения в камере 110 сгорания, нормативные размеры рабочих колес 122 и лопаток 124 ротора турбины, состав материала каждого элемента в турбинном компоненте 104 и т.д.). Система 206 управления может, таким образом, в реальном времени настраивать рабочие характеристики турбомашины 100 на основе накопленных данных 300 и/или калиброванной модели(-ей) рабочих характеристик, полученной из калибратора 228 РМ, например, путем настройки позиции регулирующего клапана 172 и/или других компонентов турбомашины 100 с целью воздействия на ее функционирование. Контроллер 160 может настраивать позицию регулирующего клапана 172 и/или других компонентов с использованием управляющих входных сигналов в виде, например, цифровых команд, инструкций и т.д., которые могут быть преобразованы в механические настройки регулирующего клапана 172 и/или других компонентов. Регулирующий клапан 172 может непосредственно изменять расход рабочей текучей среды, поступающей на вход 156 из камеры 110 сгорания, и такие изменения расхода могут косвенно воздействовать на другие рабочие параметры турбомашины 100, смоделированные с использованием предварительно сконфигурированной и/или калиброванной модели рабочих характеристик. Например, расход рабочей текучей среды на входе 156 может воздействовать на температуру (то есть, температуру в градусах Цельсия (°С)) рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104, относительное расширение одного или более рабочих колес 122 и/или лопаток 124 ротора турбины (то есть, на значение коэффициента расширения материала, вызываемого работой на повышенной температуре, измеряемого, например, в сантиметрах (см)), уровень теплового напряжения, действующего на компоненты турбинного компонента 104 в результате протекания рабочей текучей среды в канале для текучей среды (то есть, величина силы, прикладываемой к рабочим колесам 122 и/или лопаткам 124 ротора, на единицу площади, измеряемая в Ньютонах (Н) на квадратный метр (м²)), и т.д. Расход рабочей текучей среды, поступающей в турбинный компонент 104, также может воздействовать, например, на начальный расход турбинного компонента 104, концентрацию выбросов из камеры 110 сгорания, скорость вращения вала 106, зазор между лопатками ротора турбины и боковой стенкой турбинного компонента 104 и т.д.

[0032] Вычислительное устройство 204 может содержать любое универсальное вычислительное изделие, выполняющее компьютерный программный код, установленный пользователем (например, персональный компьютер, сервер, портативное устройство и т.д.). Однако следует понимать, что вычислительное устройство 204 только представляет различные возможные эквиваленты вычислительных устройств и/или технических специалистов, которые могут выполнять различные шаги процесса, соответствующие раскрытию настоящего изобретения. Кроме того, вычислительное устройство 204 может являться частью более крупной системной архитектуры контроллера 160, способного управлять различными аспектами и элементами машины.

[0033] В этом отношении в других вариантах осуществления вычислительное устройство 204 может содержать любое специализированное компьютерное изделие, включающее в свой состав аппаратуру и/или компьютерный программный код для выполнения конкретных функций, любое вычислительное изделие, содержащее комбинацию специализированного и универсального аппаратного/программного обеспечения и т.п. В каждом случае программный код и аппаратура могут создаваться с использованием, соответственно, стандартных программных и технических способов. Согласно одному из вариантов осуществления вычислительное устройство 204 может содержать программное изделие, хранимое на машиночитаемом запоминающем устройстве, которое в рабочем режиме в процессе исполнения может автоматически управлять машинами (например, через турбинный компонент 104).

[0034] На фиг. 2-4 показаны шаги алгоритма управления машиной согласно вариантам раскрытия настоящего изобретения. Шаги, показанные на фиг. 4 и описываемые далее, дают общее представление о процессе реализации вариантов раскрытия настоящего изобретения и обсуждаются со ссылкой на ряд наглядных примеров. Кроме того, алгоритм, показанный на фиг. 4, может быть реализован, например, с помощью системы (систем) 150, содержащих контроллер(ы) 160. В процессе функционирования машины, такой как турбомашина 100 (см. фиг. 1), программа 220 моделирования рабочих характеристик контроллера 160 может на шаге S1 измерять или, в противном случае, получать наборы входных и выходных состояний, относящихся к турбинному компоненту 104. Получение на шаге S1 входных и/или выходных состояний может выполняться с использованием датчиков) 162, 164, 166, 168, 170 и/или по меньшей мере частично с помощью контроллера 160. Шаг S1, таким образом, может быть реализован как отдельный или предварительный шаг, и поэтому он показан на фиг.4 пунктирной линией. Согласно варианту осуществления эти и другие входные состояния турбинного компонента 104 могут передаваться в контроллер 160, например, через датчик(и) 162, 164, 166, 168, 170 и/или другие приборы, сконфигурированные для измерения, вывода и т.д. одного или более свойств рабочей текучей среды на входе 156 в турбинный компонент 104. Как обсуждалось выше, входные данные и/или состояния, вычисленные на шаге S1, могут включать в свой состав, например, температуру, давление и/или расход рабочей текучей среды и могут сохраняться в виде данных 300 в поле 302 входных состояний или в поле 304 выходных состояний. В любом случае входные и выходные состояния, вычисленные для турбинного компонента 104 на шаге S1, могут быть проиндексированы и/или сопоставлены с помощью перекрестных ссылок различным моментам времени работы таким образом, чтобы каждое из входных и/или выходных состояний могло быть отражено на графике относительно времени функционирования.

[0035] После вычисления на шаге S1 входных и выходных состояний осуществляется переход к шагу S2, на котором вычисляются одно или более состояний между ступенями турбинного компонента 104 в процессе функционирования машины. Более конкретно, вычислитель 222 программы 220 моделирования рабочих характеристик вычисляет температуру, давление, расход и т.д. в пределах по меньшей мере одной позиции 152а, 152b, 152с, 152d между ступенями турбинного компонента 104 в процессе функционирования с использованием предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик и соответствующих характеристик (например, входных и выходных состояний, вычисленных на шаге S1). Например, температура приблизительно 1200°C на входе, температура приблизительно 1000°C на выходе, и расход рабочей текучей среды на входе примерно 0,5 кг в секунду могут соответствовать температуре приблизительно 1100°C в позиции 152d между ступенями. Вычисленное состояние (состояния) между ступенями может быть проиндексировано и/или с помощью перекрестных ссылок сопоставлено различным моментам времени. В результате состояние (состояния) между ступенями, вычисленное на шаге S2 с использованием модели рабочих характеристик, может соответствовать входным и/или выходным состояниям турбомашины 100, вычисленным на шаге S1, в конкретные моменты времени.

[0036] Помимо вычисления состояний между ступенями турбомашины 100 в реальном времени в процессе функционирования в рамках вариантов раскрытия настоящего изобретения также предусматриваются процессы обучения для непрерывной калибровки предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик с использованием данных турбомашины 100, полученных в реальном времени. На шаге S3, калибратор 228 РМ может выполнять калибровку предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик машины, которая использовалась на шаге S2 для вычисления одного или более состояний между ступенями. Как обсуждалось в этом описании, предварительно сконфигурированная модель рабочих характеристик (хранимая, например, в поле 306 модели рабочих характеристик) может математически оценивать различные свойства в соответствующих ступенях турбинного компонента 104 на основе группы входных переменных (например, входная температура, расход текучей среды на выходе, производимая энергия в Джоулях) и предварительно определенных значений (например, температура воспламенения в камере 110 сгорания, химические свойства реагентов в камере 110 сгорания, химические свойства рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104) и т.д. Калибратор 228 РМ программы 220 моделирования рабочих характеристик может настраивать предварительно сконфигурированную модель рабочих характеристик на основе различий между состояниями и выходными данными, полученными на шаге S1, и любыми вычисленными значениями тех же состояний, полученными на шаге S2. Калибратор 228 РМ, таким образом, может на шаге S3 модифицировать предварительно сгенерированную модель рабочих характеристик (на основе, например, последующего функционирования турбомашины 100, функционирования других машин, результатов тестирования, относящихся к прототипам, производственных испытаний и т.д.) с целью получения обновленного набора данных для управления работой машины.

[0037] После калибровки модели рабочих характеристик на шаге S3 может осуществляться переход к шагу S4 настройки одного или более рабочих параметров машины на основе различных атрибутов турбинного компонента 104, вычисленных с помощью модели рабочих характеристик. Контроллер 160 может автоматически настраивать позицию регулирующего клапана 172, температуру горения и/или расход топлива в камере 110 сгорания, и/или другие аспекты машины для дальнейшего управления функционированием турбинного компонента 104. Действие (действия), реализуемое контроллером 160 на шаге S4, может изменяться в зависимости от режима работы турбинного компонента 104. Например, для уменьшения уровня теплового напряжения, действующего на рабочие колеса 122 и лопатки 124 ротора турбины, контроллер 160 может настраивать позицию регулирующего клапана 172 для увеличения или ограничения расхода горячего сжигаемого газа, проходящего через турбинный компонент 104. Некоторые примеры реализации, промежуточные шаги и т.д. шага S4 показаны на фиг. 5 и подробно обсуждаются в этом описании.

[0038] На фиг. 2, 3 и 5 совместно иллюстрируются процессы и подпроцессы управления работой машины. Шаги S1 и S2 могут быть реализованы в контроллере 160 по существу в соответствии с обзорным алгоритмом выполнения процесса, показанным на фиг. 4, и/или примерами осуществления, обсуждаемыми в этом описании. Хотя на фиг. 5 показано несколько подпроцессов для реализации шагов S3 и S4, следует понимать, что альтернативные варианты осуществления могут включать выполнение шагов S3 и/или S4 в упрощенной форме, показанной на фиг. 4, и/или эти шаги могут опускаться, и/или различные дополнительные подпроцессы для шагов S3 и S4, показанных на фиг. 5 и обсуждающихся в этом описании, могут реорганизовываться.

[0039] После вычисления на шаге S2 энергии, вырабатываемой турбинным компонентом, контроллер 160 может на шаге S3-1 модифицировать предварительно сконфигурированную модель для турбомашины 100 (см. фиг. 1) и/или для другой машины на основе группы возможных моделей рабочих характеристик. Предварительно сконфигурированная модель рабочих характеристик может формироваться пользователем вручную, генерироваться автоматически посредством реализации контроллера 160 для той же машины или для другой машины и/или может генерироваться с помощью комбинации способов. Модификация предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик может включать, например, настройку одной или более математических взаимосвязей между переменными и/или константами, включенными в модель рабочих характеристик, для обновления математических взаимосвязей между различными рабочими состояниями турбомашины 100. Процессы, применяемые на шаге S3-1, могут включать те же настройки, что обсуждаются в различных местах этого описания, касающихся общего процесса выполнения шага S3, то есть - настройки предварительно сконфигурированной модели рабочих характеристик в поле 306 модели рабочих характеристик с использованием калибратора 228 РМ.

[0040] В примере осуществления настоящего изобретения предварительно сконфигурированная модель рабочих характеристик может оценивать температуру, например приблизительно в 1150 градусов Цельсия (°С), во второй ступени турбины на основе температуры 1200°С на входе, температуры 1070°С на выходе и вырабатываемой энергии 50 мегаватт (МВт), например, путем применения предварительно определенных корреляций свойств материала турбомашины 100 и т.д. Однако один или более датчиков 166 могут обнаружить, что фактическая температура составляет приблизительно 1180°С во второй ступени турбинного компонента 104. Если предварительно сконфигурированная модель рабочих характеристик не соответствует реальному режиму работы турбомашины 100, калибратор 228 РМ системы 206 управления может на шаге S3-1 настроить предварительно сконфигурированную модель рабочих характеристик. Калибратор 226 РМ может на шаге S3-1 настроить предварительно сконфигурированную модель рабочих характеристик, например, путем увеличения или уменьшения одной или более предварительно определенных корреляций между входными значениями (например, переменными, вычисленными на шагах S1 и S2) и одним или более выходными значениями. Таким образом, процесс калибровки модели рабочих характеристик на шаге S3 может включать выбор и настройку одной или более переменных в модели рабочих характеристик на шагах S3-1.

[0041] Затем может осуществляться переход к шагу S3-2 настройки одного или более пороговых значений, хранимых в модели рабочих характеристик, например максимальных температур на входе, уровней относительного расширения и/или теплового напряжения, которые могут указывать пороги безопасности, эффективности и т.д. для конкретной турбомашины 100. Эти значения могут храниться в соответствующих полях данных 300, и процессы сравнения рабочих состояний турбомашины 100 с одним или более пороговыми значениями подробно обсуждаются в этом описании в отношении подпроцессов шага S4.

[0042] Настройка рабочего параметра машины на шаге S4 может включать одну или более точных настроек, выполняемых в зависимости от того, превышает ли одно или более свойств турбомашины 100 пороговое значение. В основном варианты раскрытия настоящего изобретения могут включать сравнение в процессе работы одного или более свойств турбинного компонента 104 с предварительно определенными значениями или порогами (хранимыми, например в памяти 212 контроллера 160) для дальнейшей настройки различных рабочих параметров машины. Например, температура на входе может быть получена непосредственно либо косвенно от датчика(-ов) 162, 164, 166, 168, например, с использованием сгенерированной на шаге S3 модели рабочих характеристик. В случае относительного расширения в турбинном компоненте 104 (то есть, наращивания поверхности или объема рабочих колес 122 (см. фиг. 1) или лопаток 124 (см. фиг. 1) ротора турбины в одной или более ступеней) вычислитель 222 может вычислить одно или более значений относительного расширения, например в сантиметрах, кубических сантиметрах и т.д., с использованием данных 300 из полей 302, 304, 306 совместно с калиброванной моделью рабочих характеристик.

[0043] Если рабочие параметры включают в свой состав тепловое напряжение, программа 200 моделирования рабочих характеристик может выполнять различные вычисления. Под напряжением обычно понимается величина внутренней механической силы, прикладываемой к области поверхности материала, которая может измеряться, например, в Ньютонах на квадратный метр (м²). Более конкретно, тепловое напряжение может представлять собой напряжение, передаваемое от рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104 в направлении движущихся компонентов турбины (например, рабочих колес 122 (см. фиг. 1-2) и лопаток 124 (см. фиг. 1-2) ротора турбины, и, таким образом, может быть прямо пропорционально температуре окружающей среды. Вычислитель 222 программы 220 моделирования рабочих характеристик может вычислять величину теплового напряжения, передаваемого рабочей текучей средой в направлении рабочих колес 122 и лопаток 124 ротора турбины турбомашины 100 (см. фиг. 1). Более конкретно, величина теплового напряжения может вычисляться путем применения данных 300, хранимых в полях 302, 304, 306 для модели рабочих характеристик, например, калиброванной калибратором 228 РМ на шаге S3.

[0044] Согласно одному из вариантов осуществления компаратор 226 программы 220 моделирования рабочих характеристик на шаге S4-1 может сравнивать температуру на входе турбинного компонента 104 с одним или более предварительно определенными пороговыми значениями. Предварительно определенное пороговое значение может соответствовать, например, максимальной температуре для устранения негативных механических воздействий (например, в некоторых случаях дополнительного износа компонентов). На основе такого сравнения определитель 224 системы 206 может указать на то, что температура на входе турбинного компонента 104 превышает конкретное пороговое значение (то есть, осуществляется переход по ветви "Да" к шагу S4-2). В этом случае может осуществляться переход к шагу S4-2, на котором определитель 224 системы 206 управления определяет и настраивает расход рабочей текучей среды, поступающий в турбинный компонент 104, с целью воздействия на температуру рабочей текучей среды в турбомашине 100. Согласно примеру осуществления настройка расхода рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104 может включать настройку позиции регулирующего клапана 172, изменение объема поступления и/или расхода топлива в камере 110 сгорания и/или передачу управляющих сигналов для модификации работы других компонентов, связанных с турбинным компонентом 104 или воздействующих на него. После настройки температуры на входе в турбомашину 100, выполняемой на шаге S4-2, выполнение алгоритма может завершаться ("Конец"), или может осуществляться переход к шагу S3, в процессе выполнения которого калибратор 228 РМ программы 220 моделирования модели рабочих характеристик на шаге S3-1 настраивает модель рабочих характеристик турбомашины 100 и далее на шаге S3-2 настраивает пороговое значение температуры на входе на основе новых рабочих состояний турбомашины 100.

[0045] Если температура на входе в турбинный компонент 104 не превышает порогового значения (то есть, на шаге S4-1 осуществляется переход по ветви "Нет"), компаратор 226 программы 220 моделирования рабочих характеристик на шаге S4-3 может сравнить смоделированное значение относительного расширения с одним или более предварительно определенных пороговых значений. Если относительное расширение в турбинном компоненте 104 превышает пороговое значение (то есть, на шаге S4-3 осуществляется переход по ветви "Да", осуществляется переход к шагу S4-2, на котором определитель 224 настраивает расход рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104, например, для снижения размера относительного расширения с целью удовлетворения требованиям и/или предпочтительным установкам. Варианты раскрытия настоящего изобретения также могут включать способ управления работой машины, основанный на тепловом напряжении, которое характеризуется соответствующими компонентами. Согласно примеру осуществления программа 220 моделирования рабочих характеристик может переходить к шагу S4-4 в том случае, если значения относительного расширения в турбинном компоненте 104 не превышают предварительно определенного порогового значения (то есть, на шаге S4-3 осуществляется переход по ветви "Нет"). На шаге S4-4 компаратор 226 программы 220 моделирования рабочих характеристик может сравнить величину теплового напряжения, вычисленную на шаге S4-1, с одним или более предварительно определенными пороговыми значениями. Если тепловое напряжение в турбинном компоненте 104 превышает пороговое значение (то есть, на шаге S4-4 осуществляется переход по ветви "Да"), осуществляется переход к шагу S4-2, на котором определитель 224 программы 220 моделирования рабочих характеристик настраивает расход рабочей текучей среды в турбинном компоненте 104, например, для снижения размера относительного расширения с целью удовлетворения требованиям и/или предпочтительным установкам пользователя. Если тепловое напряжение не превышает порогового значения (то есть, на шаге S4-4 осуществляется переход по ветви "Нет"), то алгоритм может завершаться ("Конец"). Кроме того, следует понимать, что одна или более операций сравнения, выполняемых на шагах S4-1, S4-3 и S4-4, могут быть опущены или выполняться в другом порядке таким образом, чтобы программа 220 моделирования рабочих характеристик могла настраивать рабочие параметры на основе выбранных характеристик и/или в конкретном порядке предпочтения.

[0046] Технические эффекты системы и способов, раскрытых в настоящем описании, заключаются в управлении машиной, такой как турбомашина, путем калибровки модели рабочих характеристик в реальном времени с целью обеспечения более точной взаимосвязи между входными состояниями, выходными состояниями и состояниями между ступенями. Варианты осуществления настоящего изобретения, обсуждавшиеся в этом описании, позволяют с помощью аппаратуры, программного обеспечения и/или комбинации этих средств автоматически управлять машиной без вмешательства пользователя. Кроме того, варианты осуществления, обсуждавшиеся в этом описании, могут снизить количество системных сбоев и/или повысить стабильность работы системы.

[0047] Посредством реализации различных вариантов осуществления настоящего изобретения, обсуждавшихся в этом описании, могут достигаться различные технические и коммерческие преимущества, некоторые из которых рассматривались на примерах. Варианты раскрытия настоящего изобретения могут сократить или устранить человеческий фактор, приводящий к возникновению ошибок при управлении машиной в условиях изменяющихся рабочих условий. Более конкретно, варианты раскрытия настоящего изобретения позволяют устранить входные сигналы управления, которые могли бы привести к нестабильной работе или отказам системы. Кроме того, варианты осуществления способа, обсуждавшиеся в настоящем описании, позволяют уменьшить время, требуемое для определения взаимосвязи между конкретными входными данными и рабочими параметрами одной из машин в процессе ее работы. Управляющие системы и способы, соответствующие описанным вариантам осуществления, могут также обеспечить более широкий диапазон состояний, включая входные состояния реального времени, выходные состояния и/или уровни вырабатываемой энергии, которые могут использоваться для управления работой машины. Благодаря этим преимуществам может сокращаться время испытаний, а также могут уменьшаться затраты на топливо и персонал для установки и обслуживания машины. Кроме того, варианты раскрытия настоящего изобретения могут предоставить производителю или обслуживающему персоналу возможность применения данных, полученных в ходе эксплуатации других машин и/или эксплуатации машины на более ранней стадии, к другим машинам и/или новым машинам в процессе производства и установки. В целом, машины, управляемые в соответствии с вариантами раскрытия настоящего изобретения, могут характеризоваться гибкими уровнями вырабатываемой энергии и номинальной мощности, удовлетворяющими изменяющемуся потребительскому спросу.

[0048] Терминология, применяемая в этом описании, используется только с целью описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения раскрытия изобретения. В рамках этого описания единственное число, выражаемое терминами "один", "указанный" и "конкретный", также подразумевает формы множественного числа, если из контекста явно не следует иное. Кроме того, следует понимать, что термины 'содержит' и/или 'содержащий', используемые в этом описании, указывают на наличие изложенных признаков, целых чисел, шагов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, целых чисел, шагов, операций, элементов, компонентов и/или группы компонентов.

[0049] В данном описании термин "сконфигурирован", "сконфигурирован для" и/или "сконфигурирован с целью" может обозначать целевые признаки описываемого таким образом компонента. Например, система или устройство, сконфигурированное для выполнения какой-либо функции, может содержать компьютерную систему или вычислительное устройство, запрограммированное или иным способом модифицированное для выполнения этой конкретной функции. В других случаях программный код, хранящийся в машиночитаемом носителе информации (например, в запоминающем устройстве), может быть сконфигурирован таким образом, чтобы при запуске на вычислительном устройстве это устройство выполняло соответствующие функции. В этих случаях разработанный программный код в процессе выполнения активизирует конкретные функции в вычислительном устройстве. Согласно другим примерам устройство, сконфигурированное для взаимодействия с другими компонентами и/или работающее под управлением других компонентов, может специфическим образом формироваться и/или конструироваться для эффективного взаимодействия с этими компонентами и/или для работы под управлением этих компонентов. В некоторых таких условиях устройство конфигурируется для взаимодействия с другим компонентом, поскольку по меньшей мере часть его структуры дополняет по меньшей мере часть структуры этого другого компонента. При некоторых обстоятельствах размеры по меньшей мере части устройства устанавливаются для взаимодействия по меньшей мере с частью такого другого компонента. Физическая взаимосвязь (например, дополняющая, предусматривающая совпадение размеров и т.д.) между устройством и другим компонентом может способствовать, например, замене одного или более устройств или другого компонента, соединению одного или более устройств или другого компонента и т.д.

[0050] В данном описании используются примеры раскрытия настоящего изобретения, включающие наилучшие варианты и позволяющие специалисту в этой области техники применять изобретение на практике, включая производство и использование любых устройств или систем и выполнение любых встроенных способов. Объем настоящего изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, очевидные специалисту в этой области техники. Такие другие примеры предназначены для включения в объем формулы изобретения, если в них используются структурные элементы, не противоречащие буквальному толкованию формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквального толкования формулы изобретения.

Варианты раскрытия настоящего изобретения включают способы, системы и программные изделия для управления машиной. Способы в соответствии с раскрытием настоящего изобретения могут включать: вычисление с использованием модели рабочих характеристик машины набора состояний между ступенями машины, соответствующих набору входных состояний или набору выходных состояний, в процессе работы машины, при этом машина содержит турбинный компонент, имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций между ступенями; калибровку модели рабочих характеристик машины на основе различия между предсказанным значением в модели рабочих характеристик машины и набором входных или выходных состояний и настройку рабочего параметра машины на основе калиброванной модели рабочих характеристик и вычисленного набора состояний между ступенями машины. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления машиной (100), включающий:

вычисление, с использованием модели рабочих характеристик машины (100), набора состояний (152А-Е) между ступенями машины (100), соответствующих набору входных состояний (302) или набору выходных состояний (304), в процессе работы машины (100), при этом машина (100) содержит турбинный компонент (104), имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций (152А-Е) между ступенями, и каждый набор входных состояний (302), выходных состояний (304) и состояний (152А-Е) между ступенями содержит одну из следующих характеристик: температура, давление и расход текучей среды;

калибровку модели (306) рабочих характеристик машины (100) на основе различия между предсказанным значением в модели (306) рабочих характеристик машины и набором входных состояний (302) или выходных состояний (304) и

настройку рабочего параметра машины (100) на основе калиброванной модели (228) рабочих характеристик и вычисленного набора состояний (152А-Е) между ступенями машины (100).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель (306) рабочих характеристик машины (100) включает пороговое значение теплового напряжения и теплового расширения в турбинном компоненте (104) машины (100).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что калибровка модели (306) рабочих характеристик включает настройку порогового значения теплового напряжения и теплового расширения.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что настройка рабочего параметра машины (100) включает уменьшение расхода текучей среды на входе (156) в ответ на превышение порогового значения теплового напряжения и теплового расширения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель (306) рабочих характеристик канала для текучей среды включает начальный расход для каждой из множества ступеней турбины в турбинном компоненте (104) машины (100).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что настройка рабочего параметра включает настройку позиции регулирующего клапана (172) турбинного компонента (104).

7. Способ по п. 1, также включающий повторение вычисления, калибровки и настройки с использованием калиброванной модели (228) рабочих характеристик.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель (306) рабочих характеристик соответствует другой машине (100), отличной от упомянутой машины (100), которой управляют.

9. Система (150) управления машиной, содержащая:

системный контроллер (160), взаимодействующий с системой текущего контроля машины (100) и способный выполнять:

вычисление с использованием модели (306) рабочих характеристик машины (100) набора состояний (152А-Е) между ступенями машины (100), соответствующих набору входных состояний (302) и набору выходных состояний (304), в процессе работы машины (100), при этом машина содержит турбинный компонент (104), имеющий канал для текучей среды, пересекающий множество ступеней турбины и множество позиций (152А-Е) между ступенями, при этом каждый набор входных состояний (302), выходных состояний (304) и состояний (152А-Е) между ступенями содержит одну из следующих характеристик: температура, давление и расход текучей среды; и

калибровку модели (306) рабочих характеристик машины (100) на основе различия между предсказанным значением в модели (306) рабочих характеристик машины (100) и набором входных состояний (302) или выходных состояний (304); и

регулирующий клапан (172), связанный с системным контроллером (160) и входом турбинного компонента (104) и осуществляющий настройку рабочего параметра машины (100) на основе калиброванной модели (228) рабочих характеристик и вычисленного набора состояний (152А-Е) между ступенями машины (100).

10. Система (150) по п. 9, отличающаяся тем, что модель (306) рабочих характеристик машины (100) включает пороговое значение теплового напряжения и теплового расширения в турбинном компоненте (104) машины (100).

11. Система (150) по п. 10, отличающаяся тем, что системный контроллер (160) также способен настраивать пороговое значение теплового напряжения и теплового расширения на основе различия между предсказанным значением в модели (306) рабочих характеристик машины (100) и набором входных состояний (302) или выходных состояний (304).

12. Система (150) по п. 9, отличающаяся тем, что она настраивает регулирующий клапан (172) для модификации расхода текучей среды на входе турбинного компонента (104) в ответ на превышение порогового значения внутренним состоянием одной из множества выбранных позиций между ступенями.

13. Система (150) по п. 9, отличающаяся тем, что модель (306) рабочих характеристик канала для текучей среды включает начальный расход для каждой из множества ступеней турбины в турбинном компоненте (104) машины (100).

14. Система (150) по п. 9, отличающаяся тем, что системный контроллер (160) также сконфигурирован для выполнения упомянутых вычисления, калибровки и настройки с использованием калиброванной модели (228) рабочих характеристик в ответ на настройку регулирующего клапана.

15. Система (150) по п. 14, отличающаяся тем, что системный контроллер (160) взаимодействует с контроллером другой машины (100), при этом модель (306) рабочих характеристик предварительно конфигурируется на основе функционирования другой машины (100).