监测燃烧器健康的方法和系统与流程

本发明的实施例大体上涉及磨损监测系统，并且更确切地说，涉及用于监测燃烧器的微振磨损(frettingwear)的系统和方法。

燃气涡轮机的燃烧器产生驱动涡轮的热燃烧气体。所述涡轮又驱动压缩机，所述压缩机提供压缩空气以在燃烧器中燃烧。此外，所述涡轮产生可用的输出动力。在一个示例中，用于燃气涡轮机的燃烧器可以配置成圆柱形燃烧室的圆形阵列，以接收来自压缩机的压缩空气，且将所述压缩空气与燃料混合以产生燃烧反应，并且产生热燃烧气体。

所述燃烧器的衬里(liner)在高温环境中操作。提供衬里止动器(stopper)和外壳(casing)止动器以防止衬里由于燃烧动力(dynamics)而发生切向、径向和平移运动。来自燃烧过程的热量和振动以及来自燃气涡轮机的其他机械负载和应力可能致使衬里摇动(shake)、卡塔作响(rattle)以及以其他方式振动(vibrate)。确切地说，所述衬里止动器和外壳止动器围绕所述衬里安装在燃烧导流套管内。

操作期间，燃烧器的各种部件可能彼此摩擦，进而导致微振磨损。例如，所述衬里止动器可能摩擦外壳，导致微振磨损，继而导致衬里止动器或衬里开裂。通常，可以通过拆卸燃烧器来检测燃烧器中的缺陷，此举会导致燃气涡轮机停机(shutdown)。

因此，需要一种在不拆卸燃烧器的情况下预测和确定燃烧器中的缺陷的方法和系统。

技术实现要素：

根据一个实施例，提供一种系统。所述系统包括外壳、设置在所述外壳内的燃烧器以及感测装置，所述感测装置位于所述外壳上并且配置成感测多个声发射波(acousticemissionwaves)，并且基于感测到的多个声发射波生成电信号。所述系统进一步包括处理子系统，所述处理子系统操作性地连接到所述感测装置并且配置成基于所述电信号确定一个或多个特征(features)，并且至少基于所述一个或多个特征确定所述燃烧器中微振磨损的存在(presence)或不存在(absence)。

根据另一个实施例，提供一种用于确定燃烧器中的微振磨损的方法。所述方法包括：感测多个声发射波；基于感测到的多个声发射波生成电信号；基于所述电信号确定一个或多个特征；以及至少基于所述一个或多个特征确定所述燃烧器中所述微振磨损的存在或不存在。

附图说明

参见附图阅读以下具体实施方式将更好地理解本发明实施例的这些和其他特征和方面，其中在附图中，相似字符表示附图中的相似部分，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机的燃烧器的微振磨损的系统的方框图；

图2是根据本发明实施例的燃烧器的局部截面图；

图3是流程图，其中示出根据本发明一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机的燃烧器的微振磨损的示例性方法；

图4是流程图，其中示出根据本发明另一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机的燃烧器的微振磨损的示例性方法；以及

图5是根据本发明一个实施例的用于确定多个时域特征中的一者的模拟(simulated)电信号的示例。

具体实施方式

本发明系统和方法的实施例公开了基于声发射波来监测燃烧器的微振磨损。例如，本发明系统和方法的实施例公开了基于传送穿过燃烧器的外壳的声发射波来监测所述燃烧器的微振磨损。确切地说，本发明系统和方法的实施例公开了通过处理所述声发射波来确定所述燃烧器中是否存在微振磨损。

图1是根据本发明一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机14的燃烧器12的微振磨损的系统10的方框图。燃气涡轮发动机14包括经由一个或多个可旋转轴20互连的压缩机16、燃烧器12以及涡轮18。在本发明中应注意，尽管图1中公开了监测燃气涡轮发动机14的燃烧器12的微振磨损，但是本发明系统和方法可以适用于包括燃烧器的任何装置或系统。

压缩机16配置成对大气(atmosphericair)22加压以向燃烧器12提供加压空气26。系统10进一步包括燃料源28，所述燃料源28配置成将燃料30供应到燃烧器12。燃料30与加压空气26混合并且在燃烧器12中燃烧，以产生携带热能(未示出)的燃烧气体32。燃烧气体32被从燃烧器12引导到涡轮18。燃烧气体32流动通过位于涡轮18中的涡轮叶片(未示出)之间，致使燃烧气体32膨胀。涡轮18经由一个或多个轴20驱动压缩机16。此外，涡轮18驱动发电机24以发电。

在图示实施例中，燃烧器12设置在外壳36内。一个或多个感测装置38位于外壳36上。在一个实施例中，一个或多个感测装置38可以位于外壳36的内表面上。在另一个实施例中，一个或多个感测装置38可以位于外壳38的外表面上。在又一个实施例中，一个或多个感测装置38可以位于外壳36的一个或多个穿孔上。例如，一个或多个感测装置38可以包括声发射传感器(acousticemissionsensor)、加速计(accelerometer)、静压传感器(staticpressuresensor)、动压传感器(dynamicpressuresensor)等。

例如，所述一个或多个感测装置38配置成感测从燃烧器12生成的多个声发射波37。例如，所述一个或多个感测装置38配置成感测以100khz到1.5mhz的频率范围为特征的声发射波37。在一个实施例中，所述一个或多个感测装置38配置成感测传输穿过燃烧器12的外壳36的声发射波37。所述一个或多个感测装置38进一步配置成基于感测到的声发射波37生成电信号40。

所述系统10进一步包括处理子系统42，所述处理子系统42操作性地连接到(operationallycoupledto)燃气涡轮发动机14和一个或多个感测装置38。确切地说，所述处理子系统42操作性地连接到一个或多个感测装置38。例如，所述处理子系统42可以是数字信号处理器、微处理器、微型计算机、微控制器和/或任何其他适当装置。所述处理子系统42配置成从燃气涡轮发动机14接收电信号40。确切地说，所述处理子系统42配置成从一个或多个感测装置38接收电信号40。

在图示的实施例中，所述处理子系统42包括滤波装置(filteringdevice)44、放大装置(amplifyingdevice)46和采样器(sampler)48。所述放大装置46操作性地连接到一个或多个感测装置38，并且配置成从所述一个或多个感测装置38接收电信号40。所述一个或多个感测装置38可以生成以不适用于经由电缆传输的高阻抗(highimpedance)为特征的电信号40。因此，所述放大装置46将以高阻抗为特征的电信号40转换成低阻抗电信号50。此外，在某些实施例中，所述放大装置46可以将以高阻抗为特征的电信号40放大到适用于处理子系统42和/或滤波装置44的电压范围。在本说明书中应注意，尽管放大装置46图示成处理子系统42的一部分，但是所述放大装置46也可以与处理子系统42分离。例如，所述放大装置46可以是电子设备、电子装置、电子电路或处理子系统42的模块。

所述处理子系统42可以进一步包括滤波装置44。例如，所述滤波装置44可以是模块、微处理器、微型计算机、微控制器和/或任何其他适当装置、模块或软件代码。在一个实施例中，所述滤波装置44操作性地连接到放大装置46。所述滤波装置44配置成对低阻抗电信号50进行滤波以生成滤波后的或被滤波(filtered)电信号52。在一个实施例中，所述滤波装置44例如可以包括带通滤波器。

所述采样器48操作性地连接到滤波装置44，并且配置成接收所述被滤波的电信号52。例如，所述采样器48可以是处理子系统42的模块。所述采样器48配置成对所述被滤波的电信号52进行采样以生成离散电信号54。

所述处理子系统42配置成基于所述电信号40监测燃烧器12的微振磨损。在一个实施例中，所述处理子系统42配置成基于所述离散电信号54监测燃烧器12的微振磨损。在一个实施例中，所述处理子系统42配置成基于所述电信号40或者所述离散电信号54确定一个或多个特征。例如，所述一个或多个特征包括爆发幅度(burstamplitude)、爆发能量(burstenergy)、爆发计数(burstcount)等。本说明书中所用的术语“爆发幅度”是指在确定时间段内生成的电信号的最大幅度。本说明书中所用的术语“爆发计数”是指电信号超出预定电压阈值的确定的次数。例如，所述爆发能量可以与电信号40或离散电信号54的面积成比例。所述处理子系统42进一步配置成基于所述一个或多个特征确定燃烧器12中微振磨损的存在或不存在。在一个实施例中，所述处理子系统42进一步配置成基于燃气涡轮发动机14的负载以及所述一个或多个特征来确定燃烧器12中微振磨损的存在或不存在。例如，将参见图3和图4更详细地解释微振磨损的确定。此外，例如，所述特征将参考如图5所示出的。

图2是根据本发明实施例的图1所示燃烧器(combustor)12的局部截面图。燃烧器12包括压缩空气进气管道(inletduct)202、导流套管(flowsleeve)204和燃烧气体排气管道207，以将燃烧空气引导到涡轮。导流套管204容纳圆柱形燃烧衬里206，所述圆柱形燃烧衬里206容纳燃烧区域208。所述燃烧衬里206以同轴方式安装在所述导流套管204内。所述燃烧衬里206和导流套管204均以同轴方式安装在燃烧器外壳36内。所述导流套管204使用安装托架(mountingbracket)214安装在燃烧器外壳36中。所述圆柱形燃烧器外壳36容纳一个或多个燃烧室212。

所述燃烧衬里206具有与燃料喷嘴218对准的入口端216以及连接到燃烧气体排气管207的排气端220。燃烧衬里206的圆柱形壁222限定燃烧区域208。圆柱形壁222包括空气孔(apertures)224，以允许压缩空气26流动到燃烧区域208中以进行燃烧和冷却。燃料通过燃料入口端口226供应到燃料喷嘴218。压缩空气26从压缩机16(参见图1)流动到燃烧室212的压缩空气进气管道202，然后流动通过形成于燃烧衬里206与导流套管204之间的环形空气通道230。流动通过空气通道230的压缩空气26冷却燃烧衬里206，并且经由空气孔224进入燃烧区域208中并且与燃料混合以用于燃烧。燃烧衬里206通过邻近燃烧衬里206的入口端216的衬里止动器232固持在导流套管204中。燃烧衬里206还由联轴器(coupling)234支撑，所述联轴器234将燃烧衬里206的排气端220附接到排气管道207。例如，所述衬里止动器232可以围绕圆柱形燃烧衬里206的外表面以对称方式布置。外壳止动器236可以设置在外壳36与导流套管204之间。

例如，声发射波由于燃烧衬里206与衬里止动器232之间的微振磨损以及/或者外壳止动器236与燃烧器12的外壳36之间的微振磨损而生成。例如，声发射波还可能由于衬里止动器232与导流套管204之间的微振磨损以及/或者外壳止动器236与导流套管204之间的微振磨损而生成。例如，微振磨损可能导致燃烧衬里206、衬里止动器232和导流套管204的结构改变，进而导致生成声发射波。

图3是流程图，其中示出根据本发明一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机的燃烧器的微振磨损的示例性方法300。在方框302中，感测声发射波并且基于感测到的或感测所得的(sensed)声发射波生成电信号。例如，所述声发射波可以是传输穿过燃烧器的外壳的声发射波。例如，安装在燃烧器外壳上的感测装置感测声发射波以生成电信号。例如，所述声发射波是由于燃烧衬里与衬里止动器之间的微振磨损以及/或者外壳止动器与燃烧器的外壳之间的微振磨损生成的。例如，所述声发射波还可能是由于衬里止动器与导流套管之间的微振磨损以及/或者外壳止动器与导流套管之间的微振磨损生成的。例如，由所述感测装置感测到的声发射波可以以100khz到1.5mhz的频率范围为特征。

此外，在方框304中，可以基于所述电信号确定一个或多个特征。例如，所述特征可以包括爆发幅度、爆发能量和爆发计数中的一者或多者。特征确定的示例如参见图5所示的。在某些实施例中，所述电信号可以分成多个预定义微振磨损周期(predefinedfrettingwearcycles)，并且可以为每个所述微振磨损周期确定所述特征。微振(fretting)通常定义成处于有载状态下(underload)并且在振动或某个其他力的作用下发生细微相对运动的两种材料之间的接触区域处发生的特殊磨损过程。所述振动的幅度非常小，小于几毫米(millimeter)。在有载状态下引起两个相互作用的材料表面发生磨损的振动运动的每个振荡周期定义成“微振磨损周期”。

此外，在方框306中，可以基于所述特征中的一者或多者来确定所述微振磨损的存在或不存在。例如，所述特征中的一者或多者可以与阈值相关联(correlatedto)，以确定燃烧器中微振磨损的存在或不存在。例如，可以将爆发幅度a与相应的阈值t1进行比较。如果所述爆发幅度a超出阈值t1，则可以确定燃烧器中存在微振磨损。同样，可以将爆发计数与相应的阈值t2进行比较。如果所述爆发计数超出阈值t2，则可以确定燃烧器中存在微振磨损。同样，如果所述爆发能量超出阈值t3，则可以确定燃烧器中存在微振磨损。

在某些实施例中，在方框308中，可以确定燃烧器的一个或多个部件中的磨损体积(wearvolume)。本说明书中所用的术语“磨损体积”是指燃烧器的一个或多个部件中由于微振磨损而引起的磨损量。例如，可以基于所述特征确定磨损体积的量。确切地说，可以基于所述特征相对于相应阈值的偏差量来确定磨损体积的量。随后在步骤310中，当燃烧器中存在微振磨损时，操作员或用户可以通过更换或维修燃烧器的一个或多个部件来维修燃烧器。

图4是流程图，其中示出根据本发明另一个实施例的用于监测燃气涡轮发动机的燃烧器的微振磨损的示例性方法400。在方框402中，感测声发射波并且基于感测到的声发射波生成电信号。例如，所述声发射波可以是传输穿过燃烧器的外壳的声发射波。安装在燃烧器外壳上的感测装置感测声发射波并且生成电信号。例如，所述声发射波是由于燃烧衬里与衬里止动器之间的微振磨损以及/或者外壳止动器与燃烧器的外壳之间的微振磨损生成的。例如，所述声发射波还可能是由于衬里止动器与导流套管之间的微振磨损以及/或者外壳止动器与导流套管之间的微振磨损生成的。例如，由所述感测装置感测到的声发射波可以以100khz到1.5mhz的频率范围为特征。

此外，在方框404中，将所述电信号放大以生成低阻抗电信号。例如，所述放大可以由电子设备、电子装置、电子电路或处理子系统的模块来执行。在方框406中，对所述低阻抗电信号进行滤波以生成被滤波的(或滤波后的)电信号。之后在方框408中，对所述被滤波的电信号进行采样以生成离散电信号。

此外在方框410中，基于所述离散电信号确定一个或多个特征。例如，所述特征可以包括爆发幅度、爆发能量和爆发计数中的一者或多者。之后在方框412中，可以基于所述特征中的一者或多者来确定所述微振磨损的存在或不存在。例如，所述特征中的一者或多者与阈值相关联，以确定燃烧器中微振磨损的存在或不存在。随后在步骤414中，如果燃烧器中存在微振磨损，则操作员或用户可以通过更换或维修燃烧器的一个或多个部件来维修燃烧器。

图5是根据本发明一个实施例的用于确定多个时域(timedomain)特征中的一者的模拟电信号500的示例。例如，电信号500可以是指图1中所示的电信号40。在一个实施例中，所述电信号500可以是指图1中所示的离散电信号54。x轴502表示时间戳(timestamp)，并且y轴504表示电压和幅度。此外，参考数字506表示预定电压阈值。如图5所示，峰值(peak)508具有最大幅度，因此峰值508的幅度表示特征，即爆发幅度。另外，在图5的示例中，电信号500超出或越过预定电压阈值506五次，因此电信号500的爆发计数是五个。此外，所述电信号500的爆发能量例如可以基于电信号500中越过或超出预定电压阈值506的部分510的面积来进行确定。

本发明系统和方法的实施例公开了在不拆卸燃气涡轮发动机的情况下监测燃烧器的微振磨损。此外，本发明系统和方法的实施例公开了燃烧器或燃烧器的一个或多个部件的磨损的在线估计，所述部件包括衬里止动器、外壳、外壳止动器等，从而防止早期故障和意外停机。

尽管本说明书中已经说明和描述了本发明的某些特征，但所属领域中的技术人员可以得出许多修改和变化。因此，应理解，随附权利要求书意图涵盖本发明实际精神内的所有修改和变化。