用于燃气涡轮燃烧监测和控制的多功能传感器系统的制作方法
【专利说明】用于燃气涡轮燃烧监测和控制的多功能传感器系统
[0001]相关申请的交叉引用
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:
在同一日同时提交的序列号未知、案卷号2013P22724US (Siemens 230)的“ActiveTemperature Monitoring In Gas Turbine Combustors，，；
在2010年12月14日提交的序列号12/967，148、公布号US2012/0150413的“GasTurbine Engine Control Using Acoustic Pyrometry” ；
在 2013 年 3 月 14 日提交的序列号 13/804，132 的 “Temperature Measurement in aGas Turbine Engine Combustor，，。
[0002]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“Combust1n Anomaly Detect1n Via Wavelet Analysis of DynamicSensor Signals”,就像该文献在本文被完整地阐述的那样。
技术领域
[0003]本发明涉及燃气涡轮发动机中的燃烧器的燃烧监测和控制，包括异常检测和分类，所述燃气涡轮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，本文所公开的监测和控制方法和设备的实施例采用用于燃烧器温度确定以及燃烧异常检测和分类的共用感测和控制系统。在本文所公开的实施例中，热声传感器、声音发射器和/或收发器的阵列被用于实时主动燃烧器温度确定、异常检测或异常分类中的一者或多者。
【背景技术】
[0004]诸如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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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采用燃气涡轮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。可基于该重计算的恒定值来确定在燃烧器处的后续第一温度值。
[0009]因此，与燃烧相关的不同不利状况目前需要单独的传感器设计和/或单独的感测系统以检测这些状况。公知组合的燃气涡轮和其他类型的燃气涡轮发动机监测和控制系统传感器和检测方法并没有覆盖所有可能的不利燃烧故障检测。在单个燃气涡轮中安装不同类型的不同传感器和感测系统增加了安装成本和维护费用。此外，不同的传感器和感测系统内在地引入了总体燃气润轮控制系统中的响应滞后和延迟。
[0010]因此，本领域需要一种集成燃气涡轮监测和控制系统，其用于检测各种各样的可能燃烧器故障，或者在燃烧期间在共用传感器以及(需要的话)公共控制器的情况下更令人满意地预兆故障。
[0011]本领域还需要一种燃气涡轮主动温度监测系统，其实时地确定实际燃烧器温度而不需要从发动机内的其他位置获得基准温度，例如已知的整体温度系统，该整体温度系统基于在发动机排气系统中获得的温度测量结果来反向计算燃烧器温度。
[0012]还需要一种主动温度监测系统，其共用通常结合燃气涡轮监测和控制系统使用的传感器，使得主动温度监测可集成在该监测和控制系统内。
【发明内容】
[0013]本发明的实施例的目的是形成一种集成燃气涡轮监测和控制系统，其用于检测各种各样的可能燃烧器故障，或者在燃烧期间在燃烧期间在共用传感器以及(需要的话)公共控制器的情况下更令人满意地预兆故障。
[0014]本发明的实施例的另一目的是形成一种燃气涡轮主动温度监测系统，其实时地确定一个或多个燃烧器中的实际燃烧器温度而不需要从发动机内的其他位置获得基准温度，例如已知的整体温度系统，该整体温度系统基于在发动机排气系统中获得的温度测量结果来反向计算燃烧器温度。
[0015]本发明的实施例的另一目的是形成一种主动温度监测系统，其共用通常结合燃烧涡轮监测和控制系统使用的传感器，使得主动温度监测可集成在该监测和控制系统内。
[0016]这些以及其他目的通过燃烧监测和控制系统在本发明的一个或多个实施例中被实现，所述燃烧监测和控制系统可识别并分类燃烧异常并且主动地控制发动机燃烧器内的燃气涡轮燃烧过程。该系统的实施例结合选择性地阵列在燃烧器中的至少一对热声动态压力传感器。所述热声传感器以高灵敏度来测量燃烧器的振动响应，该振动响应在燃烧过程中被产生。传感器输出被用于监测和控制系统控制器中，以利用小波分析或已知的傅里叶分析技术来识别异常。整体温度也使用声音频率分析技术被监测。
[0017]可选地，基于声波测温的主动温度监测单独地或与