用于燃?xì)鉁u輪燃燒監(jiān)測和控制的多功能傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于燃?xì)鉁u輪燃燒監(jiān)測和控制的多功能傳感器系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請以引用的方式整體地結(jié)合下述一并在審的美國專利申請，就像這些專利申請?jiān)诒疚谋煌暾仃U述的那樣:
在同一日同時(shí)提交的序列號未知、案卷號2013P22724US (Siemens 230)的“ActiveTemperature Monitoring In Gas Turbine Combustors，，；
在2010年12月14日提交的序列號12/967，148、公布號US2012/0150413的“GasTurbine Engine Control Using Acoustic Pyrometry” ；
在 2013 年 3 月 14 日提交的序列號 13/804，132 的 “Temperature Measurement in aGas Turbine Engine Combustor，，。
[0002]本申請還以引用的方式全文結(jié)合于2010年12月14日授權(quán)的美國專利號7,853,433 的“Combust1n Anomaly Detect1n Via Wavelet Analysis of DynamicSensor Signals”,就像該文獻(xiàn)在本文被完整地闡述的那樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒器的燃燒監(jiān)測和控制，包括異常檢測和分類，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)例如包括工業(yè)燃?xì)鉁u輪(IGT)發(fā)動(dòng)機(jī)、其他類型的靜止燃?xì)鉁u輪、航海、航空和其他運(yùn)輸工具的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。更具體地，本文所公開的監(jiān)測和控制方法和設(shè)備的實(shí)施例采用用于燃燒器溫度確定以及燃燒異常檢測和分類的共用感測和控制系統(tǒng)。在本文所公開的實(shí)施例中，熱聲傳感器、聲音發(fā)射器和/或收發(fā)器的陣列被用于實(shí)時(shí)主動(dòng)燃燒器溫度確定、異常檢測或異常分類中的一者或多者。
【背景技術(shù)】
[0004]諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒渦輪通常包括壓縮器部段、燃燒器部段、渦輪部段和排氣部段。在操作中，壓縮器部段引導(dǎo)并壓縮環(huán)境空氣。燃燒器部段總體上可包括多個(gè)燃燒器，所述燃燒器用于接收壓縮空氣并將其與燃料混合以形成燃料/空氣混合物。燃料/空氣混合物由每個(gè)燃燒器燃燒以形成熱工作氣體，該熱工作氣體可被引導(dǎo)到渦輪部段，該熱工作氣體在渦輪部段處膨脹通過交替排的靜止翼型和旋轉(zhuǎn)翼型，并且被用于產(chǎn)生可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的功率。離開渦輪部段的膨脹氣體可經(jīng)由排氣部段從發(fā)動(dòng)機(jī)排出。
[0005]諸如火焰逆燃的燃燒異常公知發(fā)生在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒部段中?；鹧婺嫒际钱?dāng)空氣和燃料混合物的紊流燃燒速度超過燃燒器組件中的軸向流速時(shí)可能導(dǎo)致的局部化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致火焰錨定至燃燒器組件中/周圍的一個(gè)或多個(gè)部件上，例如圍繞燃燒室設(shè)置的襯件。如果逆燃狀況保持延長的時(shí)間段而不加以校正，則錨定火焰可能會(huì)燒穿所述部件。因此，火焰逆燃和/或其他燃燒異常可能導(dǎo)致不想要的損壞，并且甚至可能毀壞燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)部件，使得可能有必要修復(fù)或更換這種部件。
[0006]在單個(gè)燃燒器處的燃料/空氣混合物在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間被控制，以保持一個(gè)或多個(gè)操作特征處于預(yù)定范圍內(nèi)，例如以保持期望效率和/或功率輸出、控制污染物水平、防止壓力振蕩并且防止熄火。在已知類型的控制布置中，整體渦輪排氣溫度也可作為參數(shù)被監(jiān)測，該參數(shù)可被用于監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況。例如，控制器可監(jiān)測測量渦輪排氣溫度，并且排氣處的溫度的測量變化可能導(dǎo)致控制器改變發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況。
[0007]目前，存在多種不同類型的傳感器和感測系統(tǒng)，其被用于監(jiān)測燃燒并且保持用于發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)的燃燒過程的穩(wěn)定性的領(lǐng)域中。例如，動(dòng)態(tài)壓力傳感器被用于燃燒穩(wěn)定性和諧振控制。無源視覺(光學(xué)可見光和/或紅外光譜)傳感器、離子傳感器和蓋革米勒檢測器被用于檢測燃燒器中的點(diǎn)火/熄火，而熱偶被用于逆燃檢測。
[0008]具體地，借助于傳感器，例如動(dòng)態(tài)壓力傳感器、加速度計(jì)、高溫麥克風(fēng)、光學(xué)傳感器和/或離子傳感器，美國專利7，853，433通過采樣并隨后小波分析代表燃燒狀況的燃燒器熱聲振蕩來檢測并分類燃燒異常。美國公布US2012/0150413采用燃?xì)鉁u輪排氣系統(tǒng)中的聲波測溫來確定一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)的上游整體溫度。聲音信號從聲音發(fā)射器被發(fā)射并且由多個(gè)聲音接收器來接收。每個(gè)聲音信號限定在相應(yīng)發(fā)射器和接收器的對之間的不同聲音路徑線路。所發(fā)射的信號的飛渡時(shí)間被確定并且被處理以確定路徑溫度。多個(gè)路徑溫度可被結(jié)合并處理以確定在測量部位處的整體溫度。所確定的路徑或整體溫度或兩者可被用于與燃燒器中的上游溫度相關(guān)聯(lián)。在審的美國專利申請13/804，132通過識別在發(fā)動(dòng)機(jī)中位于渦輪上游(例如，在燃燒器中)的第一位置處的聲音頻率利用所謂的主導(dǎo)模式方法以及利用用于確定第一整體溫度值的頻率來計(jì)算燃燒器內(nèi)的整體溫度，第一整體溫度值與聲音頻率和計(jì)算的恒定值成正比。工作氣體的標(biāo)定第二溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)中的第二位置(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣)中被確定。利用標(biāo)定第二溫度來執(zhí)行反向計(jì)算，以確定在第一位置處該工作氣體的溫度值。該第一溫度值與反向計(jì)算的溫度值相比較，以將計(jì)算的恒定值改變?yōu)橹赜?jì)算的恒定值。可基于該重計(jì)算的恒定值來確定在燃燒器處的后續(xù)第一溫度值。
[0009]因此，與燃燒相關(guān)的不同不利狀況目前需要單獨(dú)的傳感器設(shè)計(jì)和/或單獨(dú)的感測系統(tǒng)以檢測這些狀況。公知組合的燃?xì)鉁u輪和其他類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測和控制系統(tǒng)傳感器和檢測方法并沒有覆蓋所有可能的不利燃燒故障檢測。在單個(gè)燃?xì)鉁u輪中安裝不同類型的不同傳感器和感測系統(tǒng)增加了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。此外，不同的傳感器和感測系統(tǒng)內(nèi)在地引入了總體燃?xì)鉂欇喛刂葡到y(tǒng)中的響應(yīng)滯后和延遲。
[0010]因此，本領(lǐng)域需要一種集成燃?xì)鉁u輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)，其用于檢測各種各樣的可能燃燒器故障，或者在燃燒期間在共用傳感器以及(需要的話)公共控制器的情況下更令人滿意地預(yù)兆故障。
[0011]本領(lǐng)域還需要一種燃?xì)鉁u輪主動(dòng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)地確定實(shí)際燃燒器溫度而不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其他位置獲得基準(zhǔn)溫度，例如已知的整體溫度系統(tǒng)，該整體溫度系統(tǒng)基于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測量結(jié)果來反向計(jì)算燃燒器溫度。
[0012]還需要一種主動(dòng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其共用通常結(jié)合燃?xì)鉁u輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)使用的傳感器，使得主動(dòng)溫度監(jiān)測可集成在該監(jiān)測和控制系統(tǒng)內(nèi)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明的實(shí)施例的目的是形成一種集成燃?xì)鉁u輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)，其用于檢測各種各樣的可能燃燒器故障，或者在燃燒期間在燃燒期間在共用傳感器以及(需要的話)公共控制器的情況下更令人滿意地預(yù)兆故障。
[0014]本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是形成一種燃?xì)鉁u輪主動(dòng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)地確定一個(gè)或多個(gè)燃燒器中的實(shí)際燃燒器溫度而不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其他位置獲得基準(zhǔn)溫度，例如已知的整體溫度系統(tǒng)，該整體溫度系統(tǒng)基于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測量結(jié)果來反向計(jì)算燃燒器溫度。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是形成一種主動(dòng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其共用通常結(jié)合燃燒渦輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)使用的傳感器，使得主動(dòng)溫度監(jiān)測可集成在該監(jiān)測和控制系統(tǒng)內(nèi)。
[0016]這些以及其他目的通過燃燒監(jiān)測和控制系統(tǒng)在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn)，所述燃燒監(jiān)測和控制系統(tǒng)可識別并分類燃燒異常并且主動(dòng)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪燃燒過程。該系統(tǒng)的實(shí)施例結(jié)合選擇性地陣列在燃燒器中的至少一對熱聲動(dòng)態(tài)壓力傳感器。所述熱聲傳感器以高靈敏度來測量燃燒器的振動(dòng)響應(yīng)，該振動(dòng)響應(yīng)在燃燒過程中被產(chǎn)生。傳感器輸出被用于監(jiān)測和控制系統(tǒng)控制器中，以利用小波分析或已知的傅里葉分析技術(shù)來識別異常。整體溫度也使用聲音頻率分析技術(shù)被監(jiān)測。
[0017]可選地，基于聲波測溫的主動(dòng)溫度監(jiān)測單獨(dú)地或與