本发明专利技术涉及燃气涡轮设备、监测涡轮发动机中气流速度的方法和系统。例如用于监测包括工业燃气涡轮燃烧器的主动声音速度和基于测温的气流速度和温度测量被结合到燃烧监测和控制系统中，这通过添加声音发射器或声音收发器来实现，所述声音发射器或声音收发器与多个声音传感器同视线的方式发射声波。对于速度测量，大致沿气流路径被引导的声音传播飞渡时间由控制器来测量，并且与沿视线的气流速度相关联。声音传播飞渡时间与沿视线的温度相关联。声音传播路径用作速度或速度/绝对温度测量。在集成基于热声压力的传感器和监测/控制系统实施例中，控制器将速度和需要时绝对主动路径温度与声音传播和飞渡时间分析技术相关联。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请是于2013年12月18日提交的序列号为14/132,001的共同在审的美国专利申 请"ActiveTemperatureMonitoringInGasTurbineCombustors" 的部分继续申请。 本申请以引用的方式整体地结合下述一并在审的美国专利申请，就像这些专利申 请在本文被完整地阐述的那样： 与此同时提交的序列号未知、代理人案号为2014P05241US的"ActiveMeasurementOf GasFlowTemperature,IncludingInGasTurbineCombustors，' ； 在 2013 年 12 月 18 日提交的序列号 14/109,992 的"MultiFunctionalSensorSystem ForGasTurbineCombustionMonitoringAndControl，'； 于 2013 年 3 月 14 日提交的序列号为 13/804, 132 的"TemperatureMeasurementIn AGasTurbineEngineCombustor，'；以及 在2010年12月14日提交的序列号12/967，148、公布号旧2012/0150413的"6&8TurbineEngineControlUsingAcousticPyrometry，'。 本申请还以引用的方式全文结合于2010年12月14日授权的美国专利号 7,853,433 的"CombustionAnomalyDetectionViaWaveletAnalysisOfDynamic SensorSignals",就像该文献在本文被完整地阐述的那样。
本专利技术涉及主动测量气流速度或者同时测量速度和温度，例如燃气涡轮发动机的 燃烧器中的燃烧气流，这种发动机例如包括工业燃气涡轮（IGT)发动机、其他类型的静止燃 气涡轮、航海、航空和其他运输工具的燃气涡轮发动机。更具体地，本文所公开的速度或者 同时速度/温度测量方法和设备的实施例采用用于燃烧器的速度和温度确定的共用感测 和控制系统。在本文所公开的实施例中，声音传感器、声音发射器和/或收发器的周向或轴 向隔开的阵列被用于实时主动燃烧器气流速度或同时速度/温度测量中的一者或多者。气 流速度和温度数据被用于发动机燃烧监测和控制。
技术介绍
诸如用于任何终端使用应用的燃气涡轮发动机的燃烧涡轮通常包括压缩器部段、 燃烧器部段、涡轮部段和排气部段。在操作中，压缩器部段引导并压缩环境空气。燃烧器部 段总体上可包括多个燃烧器，所述燃烧器用于接收压缩空气并将其与燃料混合以形成燃料 /空气混合物。燃料/空气混合物由每个燃烧器燃烧以形成热工作气体，该热工作气体可 被引导到涡轮部段，该热工作气体在涡轮部段处膨胀通过交替排的静止翼型和旋转翼型， 并且被用于产生可驱动转子的功率。离开涡轮部段的膨胀气体可经由排气部段从发动机排 出。 诸如火焰逆燃的燃烧异常公知发生在燃气涡轮发动机的燃烧部段中。火焰逆燃是 当空气和燃料混合物的紊流燃烧速度超过燃烧器组件中的轴向流速时可能导致的局部化 现象，从而导致火焰锚定至燃烧器组件中/周围的一个或多个部件上，例如围绕燃烧室设 置的衬件。如果逆燃状况保持延长的时间段而不加以校正，则锚定火焰可能会烧穿所述部 件。因此，火焰逆燃和/或其他燃烧异常可能导致不想要的损坏，并且甚至可能毁坏燃烧发 动机部件，使得可能有必要修复或更换这种部件。 在单个燃烧器处的燃料/空气混合物在发动机操作期间被控制，以保持一个或多 个操作特征处于预定范围内，例如以保持期望效率和/或功率输出、控制污染物水平、防止 压力振荡并且防止熄火。在已知类型的控制布置中，整体涡轮排气温度也可作为参数被监 测，该参数可被用于监测发动机的操作状况。例如，控制器可监测测量涡轮排气温度，并且 排气处的温度的测量变化可能导致控制器改变发动机的操作状况。在其他已知类型的控制 布置中，离散的皮托管静态或多孔压力探针被用于确定在具体位置处的气流速度，但是这 种探针的网格阵列扰乱气流并且引入测量误差。由于这种气流扰乱网格阵列，当使用时具 有有限数量的宽阔隔开的探针，这提供相对粗放的气流速度分布和轮廓信息。 目前，存在多种不同类型的传感器和感测系统，其被用于监测燃烧并且保持用于 发动机保护的燃烧过程的稳定性的领域中。例如，动态压力传感器被用于燃烧稳定性和谐 振控制。无源视觉(光学可见光和/或红外光谱）传感器、离子传感器和盖革米勒检测器被 用于检测燃烧器中的点火/熄火，而热偶被用于逆燃检测。相对于公知的燃烧气体流速（U) 监测方法，皮托管静态和多孔压力探针采用差压技术、热丝探针采用热风速测定技术，而激 光多普勒和粒子图像测速系统采用光学技术来表征气体流速。差压和热风速测定仪器是扰 乱仪器周围的局部气流的侵入式点测量装置。激光多普勒和粒子图像测速仪器分别提供非 侵入式点和2或3维非侵入式气体流速测量，尽管这些仪器都需要所述流的粒子示踪。此 外，复杂的基于激光的测量(例如，过滤瑞利散射（FRS)和其他这种基于激光光谱的技术)已 经被用于测量气体速度。但是，这些技术比侵入式差压或热风速测定仪器更复杂，并且需要 更专业训练以在监测系统中实施。此外，用于速度的大多数光学技术适合于实验室环境而 不是在发电站现场的操作发动机中。相对于温度（T)监测技术，公知的喇曼光谱、激光感生 荧光(用于u和T监测两者）以及相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS)(用于u和T监测两者） 仪器系统也意图用于实验室环境，而不是用于火力发电设备的现场使用。可调谐二极管激 光吸收光谱（TDLAS)仪器被用于一些工业发电场应用，例如用于锅炉的温度测量，但是该 仪器是极其昂贵的，每个系统大约US$500, 000。其他类型的温度测量和燃烧异常检测系统 在发电领域现场应用中具有更好的接受度。 具体地，借助于传感器，例如动态压力传感器、加速度计、高温麦克风、光学传感器 和/或离子传感器，美国专利7, 853, 433通过采样并随后小波分析代表燃烧状况的燃烧器 热声振荡来检测并分类燃烧异常。美国公布US2012/0150413采用IGT排气系统中的声波 测温来确定一个或多个发动机燃烧器内的上游整体温度。声音信号从声音发射器被发射并 且由多个声音接收器来接收。每个声音信号限定在相应发射器和接收器的对之间的不同声 音路径线路。所发射的信号的飞渡时间被确定并且被处理以确定路径温度。多个路径温度 可被结合并处理以确定在测量部位处的整体温度。所确定的路径或整体温度或两者可被用 于与燃烧器中的上游温度相关联。在审的美国专利申请13/804, 132通过识别在发动机中 位于涡轮上游(例如，在燃烧器中）的第一位置处的声音频率利用所谓的主导模式方法以及 利用用于确定第一整体温度值的频率来计算燃烧器内的整体温度，第一整体温度值与声音 频率和计算的恒定值成正比。工作气体的标定第二温度在发动机中的第二位置(例如，发动 机排气)中被确定。利用标定第二温度来执行反向计算，以确定在第一位置处该工作气体的 温度值。该第一温度值与反向计算的温度值相比较，以将计算的恒定值改变为重计算的恒 定值。可基于该重本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于主动监测气流速度的方法，所述方法包括：将分别取向在上游和下游横向位置中的至少一个第一声音发射器和至少一个第一声音传感器放置在气流路径中并且在相对于彼此不同的第一声音路径线路中，所述第一传感器能够产生表明第一热声振荡的第一传感器输出信号；将所述至少一个第一发射器和所述至少一个第一传感器联接到控制器，所述控制器能够使得所述至少一个第一发射器在所述气流路径内发射第一声音信号并且能够将第一传感器输出信号与气流速度相关联；从所述至少一个第一声音发射器发射第一声音信号；从所述至少一个第一声音发射器接收所述第一声音信号以及利用所述至少一个第一声音传感器来产生包括所接收的第一声音信号的属性的第一动态传感器输出信号；确定沿每个第一声音路径线路行进的第一声音信号的第一飞渡时间；以及处理沿其第一声音路径线路行进的第一声音信号的第一飞渡时间以确定沿每个相应第一声音路径线路的相应气流速度。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：UP德西尔瓦，H克劳森，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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