燃氣渦輪溫度測量的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及燃氣渦輪溫度測量。本公開涉及用于確定燃氣渦輪(10)的加壓流徑中的溫度的方法，包括以下步驟：從聲信號發(fā)射換能器(20，21)發(fā)送聲信號穿過加壓流徑的一部分；用接收換能器(20，21)檢測聲信號；測量聲信號從聲信號發(fā)射換能器(20，21)行進到接收換能器(20，21)所需的時間；計算聲音的速度；以及根據(jù)聲音的速度、在加壓流徑中流動的氣體的熱容比(κ)和比氣體常數(shù)(Rspec)來計算溫度。除該方法之外，還公開一種具有布置成執(zhí)行這種方法的處理器和換能器的燃氣渦輪。
【專利說明】燃氣渦輪溫度測量
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測量燃氣渦輪的加壓流徑中的溫度，以及在控制燃氣渦輪時使用這種測量，以及包括這種測量的燃氣渦輪。
【背景技術】
[0002]測量燃氣渦輪的不同溫度是已知的。典型地，這些測量基于熱電偶或電阻溫度計。但是，由于燃氣渦輪中的環(huán)境惡劣，所以需要將熱電偶或電阻溫度計封閉起來，以便在加壓流徑中使用，并且因此檢測溫度的瞬間變化較緩慢。另外，燃氣渦輪中的熱氣溫度往往太高，以至于無法使用直接測量。
[0003]還使用了光學高溫計作為一種獲得現(xiàn)場讀數(shù)(主要是在燃燒區(qū)中)的方式。光學高溫計未在燃氣渦輪中廣泛地用作連續(xù)測量裝置。它們無法在大約900°C以下工作，而且在啟動和低負載期間不可用于監(jiān)測。另外，光難以接近燃氣渦輪流徑的加壓部分。
[0004]基于聲波的傳播速度來測量溫度的概念已經(jīng)在長時間為人所知。但是，發(fā)動機噪聲到目前為止仍然阻止使用此概念。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開的一方面提供一種用于通過使用基于聲波的傳播速度測量溫度的概念來確定燃氣渦輪的加壓流徑中的溫度的方法。
[0006]聲音通過氣體的速度取決于其比熱比(specific heat ratio)、比氣體常數(shù)(specific gas constant)和絕對溫度，如下所示:
c = (K* Rspec * T)0.5
其中:
c是聲音的速度[m/s]，
K是比熱比[_]，
T是絕對溫度[K]，
Rspec =R/M
其中:
通用氣體常數(shù)R為[8.314J K 1Hi0I 1L以及 氣體的分子質(zhì)量M為[g/摩爾]。
[0007]根據(jù)第一實施例，測量在燃氣渦輪的加壓流徑中、在壓縮機下游且在渦輪上游的溫度包括以下步驟:
從聲信號發(fā)射換能器發(fā)送聲信號，聲信號發(fā)射換能器布置成發(fā)送聲信號穿過加壓流徑的橫截面的至少一部分，
用接收換能器檢測聲信號，接收換能器布置成在聲信號穿過該部分之后接收聲信號，
測量聲信號從聲信號發(fā)射換能器行進到接收換能器所需的時間，基于測得的行進時間和在聲信號發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離，來計算聲信號的速度，即，聲音在聲信號所經(jīng)過的部分中的速度，
提供在加壓流徑中流動的氣體的熱容比和比氣體常數(shù)，以及
根據(jù)聲音的速度、在加壓流徑中流動的氣體的熱容比和比氣體常數(shù)，來計算加壓流徑的部分中的氣體的溫度。
[0008]在此語境中，“布置成發(fā)送聲信號穿過加壓流徑的橫截面的至少一部分”例如表示聲信號發(fā)射換能器安裝成使得換能器的聲信號發(fā)射端朝向聲信號經(jīng)過的部分的方向。優(yōu)選地，聲信號發(fā)射換能器安裝成與流徑的側壁齊平，以避免紊流，紊流可干擾聲信號?！安贾贸山邮章曅盘枴钡湫偷乇硎窘邮論Q能器安裝在發(fā)射換能器的視線或從流徑的壁直接反射的聲波的視線中。
[0009]根據(jù)一個實施例，在一定頻率里測量燃燒脈動壓力，并且確定最大脈動壓力。為了有利于檢測聲信號，將聲信號發(fā)射換能器的頻率調(diào)整為具有小于最大脈動壓力的20%的燃燒脈動壓力的頻率。優(yōu)選地，將聲信號發(fā)射換能器的頻率調(diào)整為具有小于最大脈動壓力的10%的脈動壓力的頻率。
[0010]為了獲得更好的精度，可針對燃氣渦輪產(chǎn)生的燃燒器脈動和/或噪聲過濾接收換能器接收到的信號?？捎糜糜诖_定聲信號的換能器記錄燃燒器脈動和/或噪聲。也可在可在離聲音接收換能器和測得信號的一定距離處的其它位置處測量燃氣渦輪產(chǎn)生的脈動和/或噪聲。為了更好地使脈動信號與發(fā)射的聲信號分離，信號可傳送到接收換能器的位置。為了進行這個傳送，要考慮到在遠程位置和接收換能器之間的距離和行進時間。
[0011]根據(jù)一個實施例，由聲信號發(fā)射換能器發(fā)送的聲信號可為脈沖式的，即，僅斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)送聲信號，以產(chǎn)生短的聲音高峰。這有利于區(qū)分聲信號與發(fā)動機噪聲和脈動。優(yōu)選地，使用急劇開始且突然結束的短高峰。理想地，發(fā)射換能器從其發(fā)射的第一聲波開始以最大幅度發(fā)射。行進時間可由發(fā)射第一波到接收換能器識別發(fā)射頻率下的聲音水平的提高的時間所花的時間確定。在這種情況下，單個聲波就足夠了。脈沖間隔，即，發(fā)送脈沖式聲信號之間的時間，可為波長除以聲音的速度的大約幾倍(至少兩倍)至大約幾秒。例如可為大約聲信號從發(fā)射換能器行進到接收換能器所需的時間。
[0012]根據(jù)另一個實施例，可調(diào)制由聲信號發(fā)射換能器發(fā)送的聲信號，S卩，其頻率不斷變化，或者以步進式跳躍變化。這有利于區(qū)分聲信號與發(fā)動機噪聲和脈動。
[0013]根據(jù)另一個實施例，根據(jù)頻率來測量脈動壓力。這可在廣泛頻率范圍內(nèi)完成，直到檢測到停止頻率，以及將聲信號發(fā)射換能器的頻率調(diào)整為沒有脈動和/或發(fā)動機噪聲的這種安靜頻率。
[0014]為了降低速度測量需要的能量，以及避免產(chǎn)生不必要的額外聲音，可在聲信號發(fā)射換能器的發(fā)射頻率下測量脈動壓力，并且將由聲信號發(fā)射換能器發(fā)射的聲信號壓力控制為在發(fā)射頻率下的脈動壓力的預定倍數(shù)。為了使發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離短，以及當應用噪聲過濾時，聲信號的聲音壓力可小于發(fā)動機噪聲的聲音壓力。優(yōu)選地，可使用小于發(fā)動機噪聲的聲音壓力的I倍至0.3倍的聲音壓力。在此語境中，典型地，一倍至三倍于流通道高度的距離可被認為是小距離。
[0015]根據(jù)另一個實施例，還使用用來監(jiān)測燃燒器脈動的脈動探頭作為用以確定聲音的速度的接收換能器。
[0016]根據(jù)另一個實施例，使用同一換能器來發(fā)射聲信號和接收聲信號。在這種情況下，換能器接收由燃氣渦輪的一部分反射的信號。這可為例如流徑的內(nèi)壁，如果換能器安裝在外壁處的話。它也可在外壁處反射，如果換能器安裝在內(nèi)壁處的話。
[0017]已經(jīng)描述了使用聲學溫度測量來測量氣體。典型地，在空氣或具有給定成分的氣體中進行那些測量。但是，在燃氣渦輪運行中，包括氣體成分的邊界條件可有相當大的變化。例如在燃氣渦輪的順序燃燒器(第二燃燒器)的下游端處的氧含量可接近部分負載運行時的環(huán)境空氣的氧含量(僅降低百分之一至二)，并且在具有煙道氣再循環(huán)的基本負載運行時實際上可降為零。忽視氣體成分變化可導致明顯的測量誤差。為了避免這種測量誤差，建議確定在加壓流徑中流動的氣體的氣體成分，以及確定基于氣體成分所確定的熱容比K和/或比氣體常數(shù)R^。。溫度測量則基于確定的熱容比K和/或比氣體常數(shù)Rspe。。
[0018]難以在需要的溫度測量位置處測量燃氣渦輪的加壓氣體路徑特別是燃燒室的熱氣中的氣體成分。根據(jù)一個實施例，為了確定溫度，因此建議確定或測量壓縮機入口氣體、加壓氣體或排氣的氣體成分。針對添加流體引起的成分變化和/或測量點和其中確定聲信號的速度的部分之間的燃燒引起的成分變化，來修正測得或確定的成分。
[0019]添加的流體可為例如添加在噴燃器中的燃料、添加在噴燃器中以控制排放或擴大功率的水或蒸汽流、添加到壓縮機氣室以擴大功率的水或蒸汽流，或者為了入口冷卻和/或高度霧化(即，將水過多地噴射到進氣中，超過飽和度，也被稱為濕壓縮)而添加到壓縮機或壓縮機入口的上游中的水。另外，可考慮煙道氣再循環(huán)(如果適用)對入口氣體的成分的影響。
[0020]如果測得排氣的煙道氣成分，則可通過減去添加到氣體成分的測量點和在此處確定氣體溫度的橫截面之間的流體的影響，來相應地確定在火焰上游的煙道氣成分。
[0021]為了間接地確定氣體成分，必須知道添加的流體流和燃氣渦輪內(nèi)部的氣體流。對于不同的運行條件，這些可有相當大的變化且難以確定。另外，測量氣體成分典型地緩慢，并且需要昂貴的大型測量裝備。為了避免氣體成分的測量昂貴和有關的不確定性，提出一種基于測得溫度來估計氣體成·分的方法。
[0022]根據(jù)此實施例，一種用于確定溫度的方法進一步包括估算氣體成分。提出的估算用來確定加壓流徑中的燃燒引起的氣體成分的變化。氣體成分的變化與燃燒的燃料量成比例。由于燃燒引起的溫度升高量也與燃燒的燃料量成比例，所以可根據(jù)燃燒引起的溫度升高量來確定成分變化?；跉怏w成分的起始值，以及在燃燒下游的橫截面中測得的聲音速度，可估計燃燒之后的熱氣溫度。這個溫度與燃燒上游的溫度測量可共同用來確定溫度升高量。這個溫度升高量對燃燒引起的氣體成分變化提供第一次迭代。基于燃燒室上游的已知(例如對于環(huán)境空氣)、測得或估計的氣體成分，以及確定的氣體成分變化，可確定燃燒之后的迭代氣體成分。這使得溫度測量更準確，溫度測量可再次用于迭代溫度升高量，以及用于氣體成分。這個迭代可重復，直到滿足收斂標準為止。典型地，預先確定收斂標準。收斂標準也可隨運行參數(shù)改變，例如運行溫度或測得氣體成分的百分比。收斂標準也可取決于運行條件，例如穩(wěn)態(tài)運行的小值和瞬時運行的較大值，諸如例如負載變化或頻率響應運行。
[0023]氣體成分的起始值可為例如典型的基本負載成分，或者基于燃氣渦輪的相對負載來估計起始值。
[0024]根據(jù)一個實施例，用于估算在加壓流徑中流動的氣體的氣體成分的迭代包括以下步驟:
a)測量火焰上游的溫度，
b)確定火焰上游的氣體成分，
c)獲得火焰下游的氣體成分的起始值，
d)確定起始成分的熱容比K和/或比氣體常數(shù)Rspe。，
e)基于聲信號的測得傳播速度、起始成分的熱容比K和比氣體常數(shù)Rspe。，來確定火焰之后的熱氣溫度Thtrt,
f)將燃燒器中的在火焰中的溫度升高量計算為火焰之后的熱氣溫度Ttot和火焰上游的溫度T2之間的溫差AT，
g)基于燃燒器中的溫度升高量ΛΤ、燃料成分來確定燃燒期間的氣體成分變化，以及基于火焰上游的氣體成分和燃燒期間的氣體成分變化來計算熱氣成分，
h)確定經(jīng)修正的迭代熱容比Ki和/或比氣體常數(shù)Rspecu,
i)基于迭代熱容比Ki和/或比氣體常數(shù)Rspecu來重新計算火焰之后的迭代熱氣溫度Vi，以及
j)繼續(xù)進行步驟e)處的迭代，直到滿足收斂標準為止。
[0025]收斂標準可為最后的迭代氣體成分或溫度和前一迭代值之間的差異。典型地，小于絕對值的1%的迭代值變化是充分的收斂標準。
[0026]典型地，在燃燒室上游測量溫度(諸如壓縮機出口溫度)是可行和可靠的。對于吸氣式燃氣渦輪，還知道入口氣體成分。
[0027]為了控制和監(jiān)督燃氣渦輪，有用的是不僅了解特定位置處的溫度，而且還確定溫度平均值和/或確定溫度分布或溫度輪廓。根據(jù)一個實施例，使用多個換能器來確定橫截面中的平均溫度，以及/或者確定橫截面中的溫度分布。
[0028]為避免干擾從多個換能器中發(fā)送出的聲信號，可對相鄰的發(fā)射換能器使用不同的頻率。根據(jù)使用多個換能器來測量聲信號的一個實施例，使用脈沖式和/或經(jīng)調(diào)制的聲信號。在不同的時間或根據(jù)預定順序來發(fā)送這些，以使得能夠區(qū)分在不同路徑上行進的信號。
[0029]此外，本公開的目標是一種基于在燃氣渦輪的流徑的一部分中，在壓縮機下游且在渦輪上游測得的聲音速度來確定溫度的方法，使用方法中的這個溫度來控制燃氣渦輪。
[0030]另外，本公開的目標是一種燃氣渦輪，其構造成執(zhí)行用以確定溫度的方法，以及使用該溫度來運行。
[0031]根據(jù)一個實施例，這種燃氣渦輪至少具有壓縮機、壓縮機氣室、噴燃器、燃燒室、渦輪和用于測量溫度的處理器，并且包括安裝在燃氣渦輪的流徑的一部分中、在壓縮機下游且在渦輪上游的至少一個聲信號發(fā)射換能器和接收換能器，流徑在運行中被加壓。為測量溫度，處理器配置成對聲信號發(fā)射換能器發(fā)送命令，以使其發(fā)送預定的聲信號穿過加壓流徑的橫截面的至少一部分。接收換能器布置成檢測聲信號，以及將對應的信號發(fā)送到處理器。另外，處理器配置成基于測得的行進時間和在聲信號發(fā)射換能器和聲信號接收換能器之間的給定距離來計算聲音的速度，以及根據(jù)聲音的速度，以及提供給處理器的氣體的熱容比K和比氣體常數(shù)。，來計算加壓流徑的一部分中的氣體的溫度。
[0032]根據(jù)另一個實施例，至少一個聲信號發(fā)射和接收換能器安裝在壓縮機氣室內(nèi)，以測量壓縮機出口溫度。另外或備選地，至少一個聲信號發(fā)射和接收換能器安裝在噴燃器中。這允許在進行燃燒之前測量噴燃器或燃燒室的入口溫度。在具有順序燃燒的燃氣渦輪中，這允許測量第一渦輪的排氣溫度。另外或備選地，至少一個聲信號發(fā)射和接收換能器安裝在燃燒室中，以測量熱氣溫度。
[0033]可設想到聲音換能器有不同的布置。根據(jù)燃氣渦輪的一個實施例，至少一個聲信號發(fā)射換能器安裝在加壓流徑的內(nèi)壁上，而至少一個接收換能器則安裝在加壓流徑的外壁上。備選地或以組合的方式，至少一個聲信號發(fā)射換能器可安裝在加壓流徑的外壁上，而至少一個接收換能器可安裝在加壓流徑的內(nèi)壁上。在另一個實施例中，至少一個聲信號發(fā)射換能器和接收換能器安裝在加壓流徑的外壁上。在又一個實施例中，至少一個聲信號發(fā)射換能器和至少一個接收換能器安裝在加壓流徑的內(nèi)壁上。
[0034]在燃氣渦輪的另一個實施例中，處理器配置成確定發(fā)動機噪聲水平，以及從聲信號中過濾或分離脈動和噪聲。
[0035]為了從脈動信號中過濾或分離聲信號，例如通過快速傅里葉變換(FFT)將接收換能器的信號變換到頻率范圍中。這個變換給出了具有多個頻帶(幅度在小頻率范圍中)的頻譜。頻帶的數(shù)量例如可在100至1000，高達2000或更高的頻帶的范圍中。
[0036]優(yōu)選地，頻帶頻率保持非常精確，并且根據(jù)利用的系統(tǒng)性能(例如計算機性能)，如期望那樣的頻帶內(nèi)的信號滲透性或頻帶之外的信號阻擋是理想的。在本語境中，“聲頻率信號”意于表示代表聲信號的幅度的信號，其取決于頻率。特別容易從此類聲頻率信號中獲得規(guī)定的監(jiān)測頻帶。另外，根據(jù)利用的系統(tǒng)性能(計算機性能)，理想上可選擇頻帶為狹窄的，從而容許對某些聲頻率進行目標監(jiān)測和分開監(jiān)測，而不使它們的幅度失真。在此語境中，本發(fā)明還基于下者的實現(xiàn):干擾性發(fā)動機噪聲或脈動頻率可較接近聲信號頻率，使得由于系統(tǒng)的性質(zhì)而相當寬的傳統(tǒng)的監(jiān)測頻帶也檢測噪聲或脈動頻率，并且因此無法區(qū)分聲信號與脈動頻率，而且某些脈動頻率的幅度也發(fā)生失真，尤其是膨脹。在借助于傳統(tǒng)的帶通濾波器(切比雪夫等)的聲音時間信號的情況下，不可選擇監(jiān)測頻帶的寬度為任意小。由于這些頻帶濾波器的技術特性的原因，這個的作用越顯著，需要過濾掉的頻率就越大。相反，在聲頻率信號的情況下，可根據(jù)利用系統(tǒng)性能，在理想上選擇監(jiān)測頻帶為狹窄的，使得從信號監(jiān)測過程中排除密切相鄰的脈動頻率尤其可行。另外，在優(yōu)選實施例中，可對燃氣渦輪的各種運行條件(例如正常運行、啟動、卸載、燃料變化等)執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)(尤其是帶通極限、時間常數(shù)等)的動態(tài)適應。
[0037]因此，處理器配置成確定發(fā)動機的燃燒器脈動，即，燃燒器脈動壓力，以及分離脈動信號與聲信號，處理器可將接收自接收發(fā)射器的信號變換成頻帶，并且配置成監(jiān)測至少一個限定頻帶的幅度。
[0038]可確定聲音頻譜的所有間隔中的全局最小幅度，并且可將聲信號發(fā)射換能器調(diào)整到這個間隔中的頻率。
[0039]為了進一步提高測量質(zhì)量和可靠性，可限定測量時間窗。當脈動聲信號從聲信號發(fā)射換能器中發(fā)送出時，可觸發(fā)測量窗的開始。考慮到聲信號的最小行進時間，測量窗可以時間延遲開始，以及在聲信號的最大行進時間處結束。
[0040]提出的燃燒器轉變可用于新的燃氣渦輪，以及用于對現(xiàn)有燃氣渦輪改型。用于對燃氣渦輪改型的方法包括以下步驟:打開燃氣渦輪殼體，將至少一個聲信號發(fā)射換能器和至少一個接收換能器安裝在加壓流徑的壁上，以及封閉燃氣渦輪殼體。[0041]以上燃氣渦輪可為例如從EP0620363 Al或EP0718470 A2中得知的單燃燒燃氣渦輪或順序燃燒燃氣渦輪。公開的方法和用途以及改型方法也可應用于單燃燒燃氣渦輪或順序燃燒燃氣渦輪。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]在附圖的協(xié)助下，在下面更詳細地描述本發(fā)明，即其性質(zhì)和優(yōu)點。參照附圖:
圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的燃氣渦輪的示例。
[0043]圖2a示意性地顯示具有用于測量溫度的換能器的示例性布置的圖1的燃氣渦輪的第一燃燒室的橫截面11-11。
[0044]圖2b示意性地顯示具有用于測量溫度分布的換能器的示例性布置的圖1的燃氣渦輪的第一燃燒室的橫截面Π-ΙΙ。
[0045]圖2c示意性地顯示具有用于測量平均溫度的換能器的示例性布置的圖1的燃氣渦輪的第一燃燒室的橫截面11-11。
[0046]圖3示意性地顯示具有用于測量溫度分布的換能器的示例性布置的圖1的燃氣渦輪的順序燃燒室的橫截面in-1n。
[0047]圖4示意性地顯示連接到處理器上的換能器的示例性布置，其用于確定在燃氣渦輪的第一渦輪或第二渦輪上游的溫度。
[0048]部件列表 10燃氣渦輪 11入口空氣 12壓縮機
13第一燃燒室 14第一渦輪 15第二燃燒室 16第二渦輪 17排氣
18(第一渦輪的)第一導葉
19(第二渦輪的)第一導葉
20(在內(nèi)壁上的)換能器
21(在外壁上的)換能器 22內(nèi)壁
23外壁 24第一噴燃器 25順序噴燃器 26壓縮機氣室 27外殼 28機器軸線 29聲信號水平 30處理器 31燃燒器脈動 32熱氣溫度 33脈動聲信號
34煙道氣再循環(huán)裝置(可選的)
35空氣 36水噴射 37燃料
38水/蒸汽噴射 K熱容比
Rspec比氣體常數(shù)
T火焰之后的熱氣溫度Thtrt和火焰上游的溫度T2之間的溫差 Thot熱氣溫度 T2火焰上游的溫度。
【具體實施方式】
[0049]相同或在功能上同等的元件在下面設有相同標號。示例無論如何不使本發(fā)明局限于這樣的布置。
[0050]在圖1中示意性地顯示示例性布置。燃氣渦輪10設有壓縮機入口氣體11。在燃氣潤輪10中，壓縮機12后面是第一燃燒器,第一燃燒器包括第一噴燃器24和第一燃燒室
13。在第一噴燃器34中，燃料37添加到壓縮氣體中，并且混合物在第一燃燒室13中燃燒。熱的燃燒氣體從第一燃燒室13饋送到第一潤輪14中，第一潤輪14后面是第二燃燒器,第二燃燒器包括順序噴燃器25 (也被稱為第二噴燃器)和順序燃燒室15 (也被稱為第二燃燒室)。燃料37可在順序噴燃器35中添加到離開第一渦輪14的氣體中，并且混合物在順序燃燒室15中燃燒。熱的燃燒氣體從順序燃燒室15饋送到第二渦輪16中。
[0051]蒸汽和/或水38可噴射到第一噴燃器和/或順序噴燃器中，以控制排放，以及提高功率輸出。水36也可噴射到壓縮機中，或者噴射到壓縮機上游，以冷卻入口，以及擴大功率。
[0052]在圖1中顯示的示例中，換能器20、21布置在壓縮機氣室26和順序噴燃器25中，以相應地測量第一燃燒室13和順序燃燒室15的入口溫度。為了相應地測量第一渦輪14的第一導葉18處的熱氣溫度和第二渦輪16的第一導葉19處的熱氣溫度，換能器20、21分別布置在第一燃燒室13和順序燃燒室15的下游端部區(qū)域中。換能器20布置在朝向機器軸線28的內(nèi)壁上，并且換能器21布置在朝向燃氣渦輪的外殼17的外壁上。
[0053]排氣17離開第二渦輪16。排氣17典型地在熱回收蒸汽發(fā)生器中用來產(chǎn)生蒸汽，以實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電或用于聯(lián)合循環(huán)中的水蒸汽循環(huán)(未顯示)。
[0054]可選地，排氣17的一部分可在煙道氣再循環(huán)裝置34 (典型地在熱回收蒸汽發(fā)生器下游)中分叉，以及混合到入口空氣35中。典型地，再循環(huán)裝置34包括用于冷卻再循環(huán)煙道氣的再冷器。
[0055]圖2a示意性地顯示具有換能器20、21的第一示例性布置的圖1的燃氣渦輪10的第一燃燒室13的橫截面II。[0056]在第一不例中，聲信號發(fā)射換能器20a和接收換能器21a相應地布置在第一燃燒室13的內(nèi)壁22和外壁24上，使得它們在相同的周向位置處面向彼此。在各種情況下，它們布置在第一噴燃器24下游。
[0057]在第二不例中，聲信號發(fā)射換能器20b和接收換能器21b相應地布置在第一燃燒室13的內(nèi)壁22和外壁24上，使得它們在相同的周向位置處面向彼此。在各種情況下，它們布置在兩個第一噴燃器24下游和在第一噴燃器24之間。
[0058]在第三不例中，聲信號發(fā)射換能器和接收換能器結合在一個裝置20c、21c中。換能器20c布置在內(nèi)壁22上，換能器21c相應地布置在第一燃燒室13的外壁24上。由換能器20c、21c發(fā)送的聲信號被面向換能器相對的側壁反射,并且反射聲信號被換能器20c、21c檢測到。
[0059]圖2b顯示具有用于測量溫度分布的換能器20、21的示例性布置的圖1的燃氣渦輪10的第一燃燒室13的橫截面。
[0060]聲信號發(fā)射換能器20例如可布置成沿著第一燃燒室13的內(nèi)壁22沿周向分布。接收換能器21例如可布置成沿著第一燃燒室13的外壁23沿周向分布。對于各個聲信號發(fā)射換能器20，多個接收換能器21i，ii, ii…V沿著外壁23的一部分布置，面向?qū)穆曅盘柊l(fā)射換能器20?？蓽y量在各個聲信號發(fā)射換能器20和對應的接收換能器21i，ii,ii...V之間的聲音的平均速度，并且可得出對應的溫度，從而得出溫度分布?？苫诎l(fā)射換能器20和各個接收換能器21i，ii, ii…V之間的部分的單獨測量來計算平均溫度。為了進行溫度平均，可使用經(jīng)過各個部分的質(zhì)量流量。
[0061]聲信號發(fā)射換能器21也可分布在外壁23上，以及接收換能器20分布在內(nèi)壁22上。在備選實施例中，多個換能器21i，ii, ii…V也可為聲信號發(fā)射換能器21，而換能器20可為接收換能器。
[0062]如果來 自不止一個聲信號發(fā)射換能器20、21的聲信號由接收換能器20、21接收到，則使聲信號發(fā)射換能器20、21同步可有利于容易地將接收到的信號分配給發(fā)射的聲信號。備選地，可對聲信號發(fā)射換能器執(zhí)行順序脈沖。
[0063]在另一個備選方案中，對多個聲信號發(fā)射換能器20、21使用不同的發(fā)射頻率。
[0064]對于具有多個聲信號發(fā)射換能器的任何布置，可對不同的聲信號發(fā)射換能器使用不同的頻率。也可對聲信號發(fā)射換能器應用頻率調(diào)制。可在不同的時間進行不同的聲信號發(fā)射換能器的調(diào)制，以有利于將接收到的信號分配給發(fā)射換能器。
[0065]圖2c顯示具有用于測量平均溫度的換能器20、21的示例性布置的圖1的燃氣渦輪10的第一燃燒室13的橫截面。
[0066]在這個不例中，聲信號發(fā)射換能器21a布置在燃燒室13的環(huán)形橫截面的外壁23上的相對位置上。在兩個聲信號發(fā)射換能器21a之間，接收換能器21b布置在外壁23上。在這個示例中，燃燒室13的流徑足夠高，使得兩個聲信號發(fā)射換能器21a和兩個接收換能器21b可等距交錯地布置在外壁23上，使得各個接收換能器在相鄰的聲信號發(fā)射換能器21a的視線中。對于這個布置，可確定聲音的平均速度以及從而沿著各個視線的平均溫度?？赏ㄟ^對針對所有部分確定的溫度取平均來估計總體平均溫度。
[0067]圖3中，示意性地顯示圖1的燃氣渦輪的順序燃燒室的橫截面II1-1II。其顯示用于測量溫度分布的換能器20、21的另一個示例性布置。在每隔一個順序噴燃器25a之間的位置處，換能器21布置在外壁上，并且相對于內(nèi)壁上的換能器20交錯。換能器20在每隔一個順序噴燃器25之間的位置處布置在內(nèi)壁上。聲信號發(fā)射換能器可布置在外壁上，而接收換能器布置在內(nèi)壁上，反之亦然。對于各個順序噴燃器25，可確定各個聲信號發(fā)射換能器20、21和接收換能器20，21之間的各個部分的平均溫度，從而得到在周向方向上的溫度分布。可基于各個順序噴燃器25下游的單獨平均值來計算平均熱氣溫度。
[0068]圖4顯示連接到處理器上的換能器的示例性布置，其用于確定燃氣渦輪的渦輪的第一導葉18、19上游的溫度。處理器30控制布置在燃氣渦輪的燃燒室13、15的內(nèi)壁22上的聲信號發(fā)射換能器20。控制聲信號發(fā)射換能器20,以發(fā)送脈沖式聲音33。接收換能器20、21檢測燃燒室13、15的外壁23上的聲音壓力，將其轉換成電信號或光信號，以及將測得的值傳遞到處理器30。處理器30過濾對應于發(fā)射的聲信號的信號?；诮?jīng)過濾的對應于發(fā)射的聲信號的信號，確定熱氣溫度32，并且將熱氣溫度32用于控制燃氣渦輪?；诼曇羲?9，確定脈動信號31，并且將脈動信號31用于控制和保護燃氣渦輪。
[0069]在圖2a至2c中針對第一燃燒器作為示例顯示的布置可直接應用于第二燃燒器，以及圖3的示例可直接應用于第一燃燒器。
[0070]在圖2a)至2c)和圖3中顯示了具有環(huán)形燃燒室的示例。公開的方法同樣可應用于具有罐式燃燒器的燃氣渦輪。噴燃器以及罐式燃燒器中的換能器不必分別置于內(nèi)壁和外壁上，而是可置于噴燃器或燃燒室的周邊的任何地方。
【權利要求】
1.一種用于確定在燃氣渦輪(10)的加壓流徑中、在壓縮機(12)下游且在渦輪(14，16)上游的溫度方法，包括以下步驟: 從聲信號發(fā)射換能器(20，21)發(fā)送聲信號，所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)布置成發(fā)送聲信號穿過所述加壓流徑的橫截面的至少一部分， 用接收換能器(20，21)檢測所述聲信號，所述接收換能器(20，21)布置成在所述聲信號穿過所述部分之后接收所述聲信號， 測量所述聲信號從所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)行進到所述接收換能器(20，21)所需的時間， 基于測得的行進時間和在所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)和所述接收換能器(20，21)之間的距離來計算聲音的速度， 提供在所述加壓流徑中流動的氣體的熱容比(K)和比氣體常數(shù)(RspJ，以及 根據(jù)聲音的速度、在所述加壓流徑中流動的氣體的熱容比(K)和比氣體常數(shù)(RSPJ，來計算所述加壓流徑的所述部分中的氣體的溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，在一定頻率里測量脈動壓力，確定最大脈動壓力，以及將所述聲信號發(fā)射換能器的頻率調(diào)整到具有小于所述最大脈動壓力的20%的脈動壓力的頻率，以及/或者將所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)的頻率調(diào)整到具有小于所述最大脈動壓力的10%的脈動壓力的頻率。
3.根據(jù)權利要求1或2的所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，根據(jù)頻率來測量脈動壓力，以及將所述聲信號發(fā)·射換能器(20，21)的頻率調(diào)整到?jīng)]有脈動和/或發(fā)動機噪聲的頻率。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，針對由所述燃氣渦輪(10)產(chǎn)生的噪聲，過濾由所述接收換能器(20，21)接收到的信號，以及/或者由所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)發(fā)送的所述聲信號是脈沖式的或在進行頻率調(diào)制的情況下發(fā)送。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，在所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)的發(fā)射頻率下測量所述脈動壓力，以及將由所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)發(fā)射的聲信號壓力控制到所述發(fā)射頻率下的脈動壓力的預定倍數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，使用用來監(jiān)測燃燒器脈動的脈動探頭作為接收換能器(20，21)。
7.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，確定在所述加壓流徑中流動的氣體的氣體成分，以及基于所述氣體成分來確定熱容比(K )和/或比氣體常數(shù)(Rspe。)。
8.根據(jù)權利要求6所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，測量所述壓縮機的入口氣體(11)、加壓氣體或排氣的氣體成分，以及針對添加流體(36，37，38)引起的成分變化，以及/或者在測量點和其中確定聲信號的速度的部分之間的燃燒引起的成分變化，來修正測得的成分。
9.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，通過迭代來估算在所述加壓流徑中流動的氣體的氣體成分，所述迭代包括以下步驟: a)測量火焰上游的溫度， b)確定火焰上游的氣體成分，c)使用火焰下游的氣體成分的起始值， d)確定起始成分的熱容比(K)和/或比氣體常數(shù)(RspJ， e)基于所述聲信號的測得傳播速度、所述起始成分的熱容比(K)和比氣體常數(shù)(RspJ，來確定火焰之后的熱氣溫度(ThJ， f)將所述燃燒器中的在火焰中的溫度升高量計算為火焰之后的熱氣溫度(ThJ和火焰(T2)上游的溫度之間的溫差(AT)， g)基于所述燃燒器中的溫度升高量(△T)、燃料成分，來確定燃燒期間的氣體成分的變化，以及基于火焰上游的氣體成分和燃燒期間的氣體成分的變化來計算熱氣成分， h)確定經(jīng)修正的迭代熱容比U1)和/或比氣體常數(shù)(Rsp^i), i)基于所述迭代熱容比U1)和/或比氣體常數(shù)(Rsl^i),來重新計算火焰之后的迭代熱氣溫度(Tht^i),以及 j)繼續(xù)進行步驟e)處的迭代，直到滿足收斂標準為止。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的用于確定溫度的方法，其特征在于，使用多個換能器(20，21)來確定所述橫截面中的平均溫度，以及/或者確定所述橫截面中的溫度分布。
11.使用根據(jù)權利要求1至10中的任一項所述的方法確定的溫度來控制燃氣渦輪的運行。
12.—種 燃氣渦輪(10)，至少具有壓縮機(12)、壓縮機氣室(26)、噴燃器(24，25)、燃燒室(13，15)、渦輪(14，16)和處理器(30)， 其特征在于，至少一個聲信號發(fā)射和接收換能器(20，21)安裝在所述燃氣渦輪(10)的流徑的一部分中，在壓縮機(12)下游且在渦輪(14，16)上游，所述流徑在運行中被加壓， 其中，所述處理器(30)配置成對所述聲信號發(fā)射換能器(20，21)發(fā)送命令，使其發(fā)送預定的聲信號穿過所述加壓流徑的橫截面的至少一部分， 其中，所述接收換能器(20，21)布置成檢測所述聲信號，以及將對應的信號發(fā)送給所述處理器(30)， 其中，所述處理器配置成基于測得的行進時間和在聲信號發(fā)射換能器(20，21)和所述聲信號接收換能器(20，21)之間的距離，來計算聲音的速度，以及 根據(jù)聲音的速度，以及提供給所述處理器(30)的氣體的熱容比(K)和比氣體常數(shù)(RspJ，來計算所述加壓流徑的所述部分中的氣體的溫度。
13.根據(jù)權利要求12所述的燃氣渦輪，其特征在于，所述至少一個聲信號發(fā)射和接收換能器(20，21)安裝在所述壓縮機氣室(26)和/或所述噴燃器(24，25)和/或所述燃燒室(13，15)中。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的燃氣渦輪，其特征在于，至少一個聲信號發(fā)射換能器(20)安裝在所述加壓流徑的內(nèi)壁上，而至少一個接收換能器(21)安裝在所述加壓流徑的外壁上，以及/或者至少一個聲信號發(fā)射換能器(20)安裝在所述加壓流徑的外壁上，而至少一個接收換能器(21)安裝在所述加壓流徑的內(nèi)壁上，以及/或者至少一個聲信號發(fā)射換能器和接收換能器(21)安裝在所述加壓流徑的外壁上，以及/或者至少一個聲信號發(fā)射換能器(21)和至少一個接收換能器(21)安裝在所述加壓流徑的內(nèi)壁上。
15.根據(jù)權利要求12或14所述的燃氣渦輪，其特征在于，所述處理器配置成確定燃燒器脈動，以及分離脈動信號·與所述聲信號。
【文檔編號】F02C9/00GK103850803SQ201310621175
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2012年11月29日
【發(fā)明者】W.朗, J.霍夫曼恩 申請人:阿爾斯通技術有限公司