专利名称：排气支柱径向温度测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮，且更特定而言，涉及测量燃气涡轮中的排气温度分布。
背景技术：
随着用于燃气涡轮的基于模型的控制的出现，以及越来越重视改进涡轮性能和热回收蒸汽发生器(“HRSG”)的寿命和性能，开始期望对燃气涡轮中排气温度的分布具有更好的了解。当前，在燃气涡轮站中现有的仪器典型地在涡轮排气中周向地在多个位置处、但仅径向地在一个位置处测量涡轮的排气温度。在燃气涡轮的性能测试期间，通常的做法是在绕涡轮的排气框架的多个周向位置 处放置排气温度耙(rake)，其测量涡轮排气中在若干径向位置处的排气温度。这些耙测量燃气涡轮的排气温度的更完全的分布，且能用于限定对燃气涡轮站的仪器测量的校正。但是，这些耙典型地并不足够耐用以用作长期生产仪器。生产耙的设计面临在高的温度/流量环境下从动态响应的角度的机械耐用性的挑战。此外，任何这种设计必须对涡轮性能具有可以忽略的影响。
发明内容
在本发明的示范实施例中，测量燃气涡轮中排气温度分布的方法包括如下步骤在构成燃气涡轮排气框架的多个支柱中的每一个的蒙皮(skin)内在沿各支柱的多个径向位置处安装多个热电偶；从支柱中的每一个的蒙皮内的热电偶中的每一个收集温度数据；使用支柱蒙皮温度数据来计算安装于排气框架支柱的蒙皮内的各热电偶处的涡轮排气流动路径温度；使用排气流动路径温度来产生燃气涡轮排气温度的径向分布曲线；并且使用燃气涡轮的排气温度的径向分布曲线来改进燃气涡轮控制且来为选定涡轮构件提供保护措施。在本发明的另一示范实施例中，一种测量燃气涡轮中排气温度分布的方法包括如下步骤在构成燃气涡轮的排气框架的多个支柱中的每一个的蒙皮内在沿各支柱的多个径向位置处安装多个热电偶；从支柱中的每一个的蒙皮内的热电偶中的每一个收集温度数据；使用传递函数以从支柱蒙皮温度数据计算在排气框架支柱的蒙皮内安装的各热电偶处的涡轮排气流动路径温度；使用回归分析以从排气流动路径温度产生燃气涡轮的排气温度的归一化径向分布曲线；并且使用燃气涡轮的排气温度的归一化径向分布曲线和排气温度的现有站仪器测量，以产生燃气涡轮的排气温度的实际分布曲线。在本发明的又一示范实施例中，一种测量在燃气涡轮中的排气温度分布的系统包括多个热电偶，其安装于构成燃气涡轮的排气框架的多个支柱中的每一个的蒙皮内，热电偶沿各支柱安装于多个径向位置处；和计算机系统，其连接到多个热电偶，该计算机系统执行如下步骤从支柱中的每一个的蒙皮内的热电偶中的每一个收集温度数据；使用传递函数以从支柱蒙皮温度数据计算在排气框架支柱的蒙皮内安装的各热电偶处的涡轮排气流动路径温度；使用回归分析以从排气流动路径温度产生燃气涡轮的排气温度的归一化径向分布曲线；并且使用燃气涡轮的排气温度的归一化径向分布曲线和排气温度的现有站仪器测量来产生燃气涡轮的排气温度的实际分布曲线。
图I为示出典型燃气涡轮的构件的简单图。图2为从后方看的典型燃气涡轮排气框架的平面图，其中排气框架包括多个排气支柱。图3为是燃气涡轮排气框架的部分的支柱的局部透视图。部件列表
10燃气涡轮系统
11引入空气
12压缩器
13燃料
14燃烧器
16涡轮
17高速热气体
18轴
19排气
20框架 22外柱体 24内柱体
26径向延伸的支柱
28前缘
30后缘
32热电偶
36站仪器
38支柱蒙皮
40内/外连接器
42计算机系统。
具体实施例方式本发明涉及提供在燃气涡轮的排气框架处的实时径向排气温度分布以改进对总体排气温度或“Tx”和径向分布曲线的了解，类似于当安装排气温度耙时实现的那样。热电偶优选地在若干径向位置处安装于排气框架支柱的蒙皮内。来自各支柱中的热电偶的数据用于产生燃气涡轮排气温度的归一化径向分布曲线。现有站仪器然后用于将归一化的径向分布曲线扩展为燃气涡轮排气温度的实际分布曲线。在利用全部耙的性能测试期间验证或校准温度的计算/传递函数。求此分布曲线的积分来确定总体Tx以改进燃气涡轮控制，包括基于模型的控制或者校正的参数控制(MBC/CPC控制)，或者使用具体径向温度，以为叶片平台或其它涡轮构件提供保护措施。本发明涉及在无需添加温度耙的情况下测量涡轮中的径向排气温度分布。而是在沿涡轮的排气框架的支柱的若干径向位置处应用多个热电偶。为了耐用地操作，这些热电偶测量在支柱蒙皮内的金属温度。但热电偶的位置可在支柱的前缘和/或后缘、在支柱内或支柱外。基于从性能IE (performance rake)和/或分析所取得的润轮试运行数据在金属温度与流动路径温度之间定义传递函数。已知有限数量的排气支柱，和周向分布曲线的分裂性质，变化涡流等，热电偶并不用于限定绝对排气温度分布曲线。而是，它们用于限定特征或归一化的径向分布曲线，其使用涡轮现有站仪器扩展为实际径向分布曲线。使用传递函数来计算安装于排气支柱蒙皮内或蒙皮外的各热电偶处的流动路径温度。然后使用例如回归分析对来自所有支柱的径向温度进行额外处理用于产生归一化的径向温度分布曲线。这个方案解决了周向分布和在有限数量的周向位置处测量径向分布曲线的关注问题。典型涡轮站仪器用于扩展或校准归一化分布曲线，其能够然后积分成总体排气温度或者可馈送到保护控制环路以避免在叶片平台处的过高温度或用于类似应用。在 一个径向位置处发生现有Tx测量，且应用校正来计算总体排气温度。这种校正并非恒定的。它随着负荷、燃烧器模式等变化。这种方案可能以更低成本且更高的可靠性来提供与生产排气耙相同的益处。它确立对于任何已知循环条件或燃烧器分流(split)在实时基础上做出校正。它还向控制系统提供关于在任何径向位置处的温度的额外信息。当安装性能耙时，各耙将若干热电偶(TC)放置于沿涡轮排气框架的不同径向位置处。典型地，存在周向定位的大量耙来测量排气温度。典型地，由于离散的燃烧环管的效果，排气温度周向不均匀，并且由于燃烧器出口分布曲线，它也在径向变化。性能耙提供贯穿流场的足够数据以允许计算平均排气温度。性能耙提供Tx的最佳测量，但它们对于长期使用并不足够耐用。对于长期仪器(或者“站”仪器)，典型地单个热电偶在单个径向位置处并且在大量(例如，二十七个)周向位置处安装于排气流动中。这些负责周向温度分布，但并不记录径向分布。为了校正径向分布，比较来自性能耙的平均Tx与来自站仪器的平均值。然后使用这个比例来校正站测量以与更准确的测量一致。站仪器的设计试图把测量温度也将是平均温度的径向位置作为目标。因此，该比例典型地接近I. O。平均排气温度典型地用于燃气涡轮控制并且取决于该校正系数。由于校正典型地凭经验确定，在ISO日基本负荷附近，并且单个值用于提供在基本负荷处的最佳了解。该比例可随着负荷、外界温度、老化、点火温度或其它因素而变化。在已知径向位置的排气框架的支柱之间居中的热电偶可具有排气温度的“纯粹”的测量。安装于相同径向位置的支柱的外侧上的另一热电偶可具有热效应和气流效应(aero effect)，其可导致它测量与由居中的热电偶所测量的温度不同但相关的温度。使用传递函数，其可为例如总质量流和排气压力的函数。传递函数取决于热电偶在支柱上的轴向和径向位置。因此，例如，用于支柱的前缘的传递函数可不同于用于支柱的后缘的传递函数。在一个实施例中，热电偶安装于支柱蒙皮的外侧上。在另一个实施例中，热电偶安装于支柱蒙皮的内侧上。由于具有更多受保护且耐久的仪器，该实施例是合乎需要的。在该实施例中，在支柱内的金属温度与支柱外的气体温度且又与纯粹的排气温度具有一定关系。然后使用传递函数来使两个值相关。
在另一个实施例中，使用热电偶的组合。在现有站仪器提供在一个径向位置处的准确周向测量的情况下，需要考虑径向分布。在单个支柱上的所有热电偶用于限定在该支柱处的径向分布曲线。该分布曲线被归一化且将用于所有支柱的所有归一化分布曲线求平均值以限定排气温度的归一化径向分布曲线。站仪器的在径向位置处的测量温度用于将归一化的径向分布曲线扩展以用于燃气涡轮控制系统中。该实施例为合乎需要的，已知相对于燃烧环管的数量的包括排气框架的相对较少量的支柱。这种组合或归一化的方案可与在支柱上或在支柱中的任何位置处的热电偶一起使用。传递函数可通过分析来确定但典型地它们通过测试而发展。图I为示出典型燃气涡轮系统10的构件的简单图。该燃气涡轮系统10包括(i)压缩器12，其将引入的空气11压缩到高压，(ii)燃烧器14，其燃烧燃料13以便产生高压、 高速热气体17，以及(iii)涡轮16，其从从燃烧器14进入涡轮16的高压高速热气体17提取能量以便由热气体17旋转。在涡轮16旋转时，也导致连接到涡轮16和压缩器12的轴18旋转。最终，排气19离开涡轮16。在燃气涡轮中各个位置处的循环条件由称作站仪器36的长期仪器测量。该仪器向燃气涡轮控制系统42提供输入，燃气涡轮控制系统42将改变如在控制规则中所限定的燃气涡轮操纵装置。图2为在后方看的涡轮16的排气框架20的平面图。排气框架20包括外柱体22和内柱体24，外柱体22和内柱体24由多个径向延伸的支柱26互连。排气框架20典型地从涡轮16的排气扩散器(未示出)接收排气流19。在图2中所示的排气框架20中，存在总共六个径向延伸的支柱26，其使得外柱体22与内柱体24互连。图3为使得外柱体22与内柱体24互连的径向延伸的支柱26中的一个的更详细的局部透视图。支柱26中的每一个包括相对于从涡轮排气扩散器流出的排气19的前缘28和后缘30。多个热电偶32沿排气框架支柱26的蒙皮38在从内柱体24径向延伸的若干位置处安装。图3中所示的热电偶32被图示为安装于各排气支柱26的蒙皮38内的多个径向位置处。但热电偶32可位于支柱内或支柱外且在支柱的前缘和/或后缘。热电偶位置也可为包括在支柱内部和支柱外部并且在支柱前缘和后缘的位置的混合。来自支柱26的每一个中的热电偶32的温度数据用于产生涡轮16的排气温度的归一化径向分布曲线。然后使用涡轮的现有站仪器36来将归一化分布曲线扩展为涡轮的排气温度的实际分布曲线。因此，涡轮的现有站仪器36优选地包括合适的计算机系统，其可为燃气涡轮控制系统42，其用于执行用于发展涡轮16的排气温度分布曲线的计算。在利用全部耙的性能测试期间验证或校准用于温度的计算/传递函数。对该分布曲线求积分以确定总体Tx以改进基于模型的控制或者校正参数控制(MBC/CPC)控制，或者使用具体径向温度以为涡轮叶片平台提供保护措施等。尽管在图I中未具体地示出，计算机系统42可典型地包括中央处理单元(CPU)和可将各种计算机构件联接到CPU的系统总线。系统总线可为若干类型的总线结构中的任何类型，包括使用多种总线架构中的任何架构的存储器总线或存储器控制器、外围总线和局部总线。计算机系统42所使用的存储器还典型地包括随机存取存储器(RAM)和一个或多个硬磁盘驱动器，随机存取存储器(RAM)和一个或多个硬磁盘驱动器从(典型地固定的)磁性硬盘读取和写入到(典型地固定的)磁性硬盘。还可在只读存储器(ROM)中存储基本输入/输出系统(BIOS)，其包含诸如在起动期间帮助在计算机系统内的元件之间传递信息的基本例程。计算机系统42也可包括用于存取其它计算机可读媒介，诸如可移除的“软”盘或者诸如CD ROM的光盘的其它类型的驱动器。硬盘、软盘和光盘驱动器典型地分别由硬盘驱动器接口、软盘驱动器接口和光学驱动器接口连接到系统总线。驱动器和它们的相关联的计算机可读媒介提供由诸如计算机系统42的机器使用的计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性存储。计算机系统42还将包括用于连接到诸如热电偶32的外部装置的输入/输出(I/O)装置(未示出)和/或通信装置(未示出)。这种I/O和通信装置可为内部的或外部的，且典型地经由串行或并行端口接口连接到计算机的系统总线。计算机系统42还可包括其它典型外围装置，诸如打印机、显示器和键盘。典型地，计算机系统42可包括监视器(未示出)，在其上显示各种信息。用于测量涡轮中的排气温度分布的本发明的方法在无需添加温度耙的情况下改进了径向温度分布的测量。而是在沿涡轮16的排气框架20的支柱26的若干径向位置处应用多个热电偶32。为了耐用地操作，这些热电偶32测量在支柱的蒙皮38内的金属温度。传递函数用于基于来自性能耙和/或分析的性能数据来确定在金属温度与流动路径温 度之间的差异。已知有限数量的排气支柱26，和周向分布曲线的分裂性质、变化涡流等，热电偶32并不用于限定绝对排气温度。而是，它们用于限定归一化径向分布曲线，其与现有站仪器一起使用以计算实际径向分布曲线。传递函数用于计算在各热电偶32处的流动路径温度。对来自所有支柱26的径向温度的额外处理(例如，回归分析或类似分析)产生了归一化径向温度分布曲线。该方案解决了周向分布和在有限数量的周向位置处测量径向分布曲线的关注问题。站仪器36用于扩展或校准归一化分布曲线，其然后积分为总体排放温度，或者可馈送到保护控制环路以避免在叶片平台处的过高温度或类似应用。在一个径向位置处发生现有Tx测量，且应用校正以计算总体排气温度。该校正并非恒定的。它随负荷、燃烧器模式等变化。该方案可能以更低成本和更高的可靠性来提供与生产排气耙相同的益处。它确立对于任何给定循环条件或燃烧器分流可在实时基础上做出校正。它还对控制系统提供关于在任何径向位置处的温度的额外信息。本发明的方法通过如下步骤获取等效于生产耙的可靠数据
将热电偶放置于现有结构支柱内(无性能损失，保护热电偶)；
归一化该分布曲线以补偿有限量的支柱；
使用传递函数来说明在排气温度与金属温度之间的变量；并且 使用带有支柱热电偶的现有站仪器来将分布曲线扩展为实际Tx分布曲线。本方法的可能的益处包括改进的排放控制、改进的热气体路径和HRSG寿命、通过调整分流以最小化在关键位置处的温度而增加的峰值火焰能力。本方法的技术优点包括用来改进模型调节的到基于模型的控制系统的改进的输入和对到HRSG内的Tx的改进的了解。虽然结合当前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但是应当了解本发明并不受限于所公开的实施例，而是相反本发明意图涵盖包括于所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
权利要求
1.一种测量在燃气涡轮(16)排气框架(20)处的排气温度分布的方法，所述方法包括如下步骤 沿构成所述燃气涡轮排气框架(20)的多个支柱(26)中的每一个的蒙皮(38)在沿各支柱(26)的多个径向位置处安装多个热电偶(32)， 从所述多个支柱(26)中的每一个的蒙皮(38)内的热电偶(32)中的每一个收集温度数据， 使用支柱蒙皮温度数据以计算在所述多个支柱(26)的蒙皮(38)内安装的各热电偶(32)处的涡轮排气流动路径温度， 使用所述排气流动路径温度以产生所述燃气涡轮(16)排气温度的归一化径向分布曲线，并且 使用所述燃气涡轮(16)排气温度的归一化径向分布曲线以产生所述燃气涡轮(16)排气温度的实际分布曲线。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，使用传递函数以从所述支柱蒙皮(38)温度数据计算所述涡轮排气流动路径温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用回归分析以从所述排气流动路径温度产生所述燃气涡轮(16)排气温度的归一化径向温度分布曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，燃气涡轮(16)站仪器(36)用于将所述归一化径向分布曲线扩展为所述燃气涡轮排气温度的实际分布曲线。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在利用温度耙对所述涡轮(16)进行性能测试期间获得所述涡轮(16)排气流动路径温度计算和用于从所述支柱蒙皮(38)温度数据计算所述涡轮(16)排气流动路径温度的传递函数。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传递函数至少最初基于在所述涡轮(16)的试运行期间从沿构成所述燃气涡轮(16)排气框架(20)的多个支柱(26)径向安装的性能耙所取得的温度数据。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述热电偶(32)在所述排气支柱(26)的前缘(28)处安装于所述排气支柱(26)的蒙皮(38)内。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述热电偶(32)在所述排气支柱(26)的后缘(30)处安装于所述排气支柱(26)的蒙皮(38)内。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述热电偶(32)在所述排气支柱(26)的前缘(28)处安装于所述排气支柱(26)的蒙皮(38)夕卜。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述热电偶(32)在所述排气支柱(26)的后缘(30)处安装于所述排气支柱(26)的蒙皮(38)夕卜。
全文摘要
公开了一种以类似于安装生产耙的方式提供燃气涡轮(16)中的实时径向排气温度分布以改进对Tex的了解的方法。热电偶(32)沿排气框架(20)支柱蒙皮(38)在若干径向位置处安装。来自沿支柱(26)中的每一个的热电偶(32)的数据用于产生涡轮(16)排气温度的归一化径向分布曲线。涡轮(16)站的现有仪器(36)然后用于将归一化分布曲线扩展为涡轮(16)排气温度的实际分布曲线。在利用全部耙进行性能测试期间获得用于温度的计算/传递函数。对该分布曲线求积分以确定总体Tx以改进基于模型的控制或者校正参数控制(MBC/CPC)控制，或者使用具体径向温度，以为叶片平台或其它涡轮构件提供保护措施。
文档编号G01K13/02GK102853943SQ20121014305
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者D.A.斯奈德, H.乔丹, C.霍尔森贝克 申请人:通用电气公司