燃气涡轮温度测量的制作方法
【专利摘要】本发明涉及燃气涡轮温度测量。本公开涉及用于确定燃气涡轮(10)的加压流径中的温度的方法，包括以下步骤：从声信号发射换能器(20，21)发送声信号穿过加压流径的一部分；用接收换能器(20，21)检测声信号；测量声信号从声信号发射换能器(20，21)行进到接收换能器(20，21)所需的时间；计算声音的速度；以及根据声音的速度、在加压流径中流动的气体的热容比(κ)和比气体常数(Rspec)来计算温度。除该方法之外，还公开一种具有布置成执行这种方法的处理器和换能器的燃气涡轮。
【专利说明】燃气涡轮温度测量
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量燃气涡轮的加压流径中的温度，以及在控制燃气涡轮时使用这种测量，以及包括这种测量的燃气涡轮。
【背景技术】
[0002]测量燃气涡轮的不同温度是已知的。典型地，这些测量基于热电偶或电阻温度计。但是，由于燃气涡轮中的环境恶劣，所以需要将热电偶或电阻温度计封闭起来，以便在加压流径中使用，并且因此检测温度的瞬间变化较缓慢。另外，燃气涡轮中的热气温度往往太高，以至于无法使用直接测量。
[0003]还使用了光学高温计作为一种获得现场读数(主要是在燃烧区中)的方式。光学高温计未在燃气涡轮中广泛地用作连续测量装置。它们无法在大约900°C以下工作，而且在启动和低负载期间不可用于监测。另外，光难以接近燃气涡轮流径的加压部分。
[0004]基于声波的传播速度来测量温度的概念已经在长时间为人所知。但是，发动机噪声到目前为止仍然阻止使用此概念。
【发明内容】
[0005]本公开的一方面提供一种用于通过使用基于声波的传播速度测量温度的概念来确定燃气涡轮的加压流径中的温度的方法。
[0006]声音通过气体的速度取决于其比热比(specific heat ratio)、比气体常数(specific gas constant)和绝对温度，如下所示:
c = (K* Rspec * T)0.5
其中:
c是声音的速度[m/s]，
K是比热比[_]，
T是绝对温度[K]，
Rspec =R/M
其中:
通用气体常数R为[8.314J K 1Hi0I 1L以及 气体的分子质量M为[g/摩尔]。
[0007]根据第一实施例，测量在燃气涡轮的加压流径中、在压缩机下游且在涡轮上游的温度包括以下步骤:
从声信号发射换能器发送声信号，声信号发射换能器布置成发送声信号穿过加压流径的横截面的至少一部分，
用接收换能器检测声信号，接收换能器布置成在声信号穿过该部分之后接收声信号，
测量声信号从声信号发射换能器行进到接收换能器所需的时间，基于测得的行进时间和在声信号发射换能器和接收换能器之间的距离，来计算声信号的速度，即，声音在声信号所经过的部分中的速度，
提供在加压流径中流动的气体的热容比和比气体常数，以及
根据声音的速度、在加压流径中流动的气体的热容比和比气体常数，来计算加压流径的部分中的气体的温度。
[0008]在此语境中，“布置成发送声信号穿过加压流径的横截面的至少一部分”例如表示声信号发射换能器安装成使得换能器的声信号发射端朝向声信号经过的部分的方向。优选地，声信号发射换能器安装成与流径的侧壁齐平，以避免紊流，紊流可干扰声信号。“布置成接收声信号”典型地表示接收换能器安装在发射换能器的视线或从流径的壁直接反射的声波的视线中。
[0009]根据一个实施例，在一定频率里测量燃烧脉动压力，并且确定最大脉动压力。为了有利于检测声信号，将声信号发射换能器的频率调整为具有小于最大脉动压力的20%的燃烧脉动压力的频率。优选地，将声信号发射换能器的频率调整为具有小于最大脉动压力的10%的脉动压力的频率。
[0010]为了获得更好的精度，可针对燃气涡轮产生的燃烧器脉动和/或噪声过滤接收换能器接收到的信号。可用用于确定声信号的换能器记录燃烧器脉动和/或噪声。也可在可在离声音接收换能器和测得信号的一定距离处的其它位置处测量燃气涡轮产生的脉动和/或噪声。为了更好地使脉动信号与发射的声信号分离，信号可传送到接收换能器的位置。为了进行这个传送，要考虑到在远程位置和接收换能器之间的距离和行进时间。
[0011]根据一个实施例，由声信号发射换能器发送的声信号可为脉冲式的，即，仅断断续续地发送声信号，以产生短的声音高峰。这有利于区分声信号与发动机噪声和脉动。优选地，使用急剧开始且突然结束的短高峰。理想地，发射换能器从其发射的第一声波开始以最大幅度发射。行进时间可由发射第一波到接收换能器识别发射频率下的声音水平的提高的时间所花的时间确定。在这种情况下，单个声波就足够了。脉冲间隔，即，发送脉冲式声信号之间的时间，可为波长除以声音的速度的大约几倍(至少两倍)至大约几秒。例如可为大约声信号从发射换能器行进到接收换能器所需的时间。
[0012]根据另一个实施例，可调制由声信号发射换能器发送的声信号，S卩，其频率不断变化，或者以步进式跳跃变化。这有利于区分声信号与发动机噪声和脉动。
[0013]根据另一个实施例，根据频率来测量脉动压力。这可在广泛频率范围内完成，直到检测到停止频率，以及将声信号发射换能器的频率调整为没有脉动和/或发动机噪声的这种安静频率。
[0014]为了降低速度测量需要的能量，以及避免产生不必要的额外声音，可在声信号发射换能器的发射频率下测量脉动压力，并且将由声信号发射换能器发射的声信号压力控制为在发射频率下的脉动压力的预定倍数。为了使发射换能器和接收换能器之间的距离短，以及当应用噪声过滤时，声信号的声音压力可小于发动机噪声的声音压力。优选地，可使用小于发动机噪声的声音压力的I倍至0.3倍的声音压力。在此语境中，典型地，一倍至三倍于流通道高度的距离可被认为是小距离。
[0015]根据另一个实施例，还使用用来监测燃烧器脉动的脉动探头作为用以确定声音的速度的接收换能器。
[0016]根据另一个实施例，使用同一换能器来发射声信号和接收声信号。在这种情况下，换能器接收由燃气涡轮的一部分反射的信号。这可为例如流径的内壁，如果换能器安装在外壁处的话。它也可在外壁处反射，如果换能器安装在内壁处的话。
[0017]已经描述了使用声学温度测量来测量气体。典型地，在空气或具有给定成分的气体中进行那些测量。但是，在燃气涡轮运行中，包括气体成分的边界条件可有相当大的变化。例如在燃气涡轮的顺序燃烧器(第二燃烧器)的下游端处的氧含量可接近部分负载运行时的环境空气的氧含量(仅降低百分之一至二)，并且在具有烟道气再循环的基本负载运行时实际上可降为零。忽视气体成分变化可导致明显的测量误差。为了避免这种测量误差，建议确定在加压流径中流动的气体的气体成分，以及确定基于气体成分所确定的热容比K和/或比气体常数R^。。温度测量则基于确定的热容比K和/或比气体常数Rspe。。
[0018]难以在需要的温度测量位置处测量燃气涡轮的加压气体路径特别是燃烧室的热气中的气体成分。根据一个实施例，为了确定温度，因此建议确定或测量压缩机入口气体、加压气体或排气的气体成分。针对添加流体引起的成分变化和/或测量点和其中确定声信号的速度的部分之间的燃烧引起的成分变化，来修正测得或确定的成分。
[0019]添加的流体可为例如添加在喷燃器中的燃料、添加在喷燃器中以控制排放或扩大功率的水或蒸汽流、添加到压缩机气室以扩大功率的水或蒸汽流，或者为了入口冷却和/或高度雾化(即，将水过多地喷射到进气中，超过饱和度，也被称为湿压缩)而添加到压缩机或压缩机入口的上游中的水。另外，可考虑烟道气再循环(如果适用)对入口气体的成分的影响。
[0020]如果测得排气的烟道气成分，则可通过减去添加到气体成分的测量点和在此处确定气体温度的横截面之间的流体的影响，来相应地确定在火焰上游的烟道气成分。
[0021]为了间接地确定气体成分，必须知道添加的流体流和燃气涡轮内部的气体流。对于不同的运行条件，这些可有相当大的变化且难以确定。另外，测量气体成分典型地缓慢，并且需要昂贵的大型测量装备。为了避免气体成分的测量昂贵和有关的不确定性，提出一种基于测得温度来估计气体成·分的方法。
[0022]根据此实施例，一种用于确定温度的方法进一步包括估算气体成分。提出的估算用来确定加压流径中的燃烧引起的气体成分的变化。气体成分的变化与燃烧的燃料量成比例。由于燃烧引起的温度升高量也与燃烧的燃料量成比例，所以可根据燃烧引起的温度升高量来确定成分变化。基于气体成分的起始值，以及在燃烧下游的横截面中测得的声音速度，可估计燃烧之后的热气温度。这个温度与燃烧上游的温度测量可共同用来确定温度升高量。这个温度升高量对燃烧引起的气体成分变化提供第一次迭代。基于燃烧室上游的已知(例如对于环境空气)、测得或估计的气体成分，以及确定的气体成分变化，可确定燃烧之后的迭代气体成分。这使得温度测量更准确，温度测量可再次用于迭代温度升高量，以及用于气体成分。这个迭代可重复，直到满足收敛标准为止。典型地，预先确定收敛标准。收敛标准也可随运行参数改变，例如运行温度或测得气体成分的百分比。收敛标准也可取决于运行条件，例如稳态运行的小值和瞬时运行的较大值，诸如例如负载变化或频率响应运行。
[0023]气体成分的起始值可为例如典型的基本负载成分，或者基于燃气涡轮的相对负载来估计起始值。
[0024]根据一个实施例，用于估算在加压流径中流动的气体的气体成分的迭代包括以下步骤:
a)测量火焰上游的温度，
b)确定火焰上游的气体成分，
c)获得火焰下游的气体成分的起始值，
d)确定起始成分的热容比K和/或比气体常数Rspe。，
e)基于声信号的测得传播速度、起始成分的热容比K和比气体常数Rspe。，来确定火焰之后的热气温度Thtrt,
f)将燃烧器中的在火焰中的温度升高量计算为火焰之后的热气温度Ttot和火焰上游的温度T2之间的温差AT，
g)基于燃烧器中的温度升高量ΛΤ、燃料成分来确定燃烧期间的气体成分变化，以及基于火焰上游的气体成分和燃烧期间的气体成分变化来计算热气成分，
h)确定经修正的迭代热容比Ki和/或比气体常数Rspecu,
i)基于迭代热容比Ki和/或比气体常数Rspecu来重新计算火焰之后的迭代热气温度Vi，以及
j)继续进行步骤e)处的迭代，直到满足收敛标准为止。
[0025]收敛标准可为最后的迭代气体成分或温度和前一迭代值之间的差异。典型地，小于绝对值的1%的迭代值变化是充分的收敛标准。
[0026]典型地，在燃烧室上游测量温度(诸如压缩机出口温度)是可行和可靠的。对于吸气式燃气涡轮，还知道入口气体成分。
[0027]为了控制和监督燃气涡轮，有用的是不仅了解特定位置处的温度，而且还确定温度平均值和/或确定温度分布或温度轮廓。根据一个实施例，使用多个换能器来确定横截面中的平均温度，以及/或者确定横截面中的温度分布。
[0028]为避免干扰从多个换能器中发送出的声信号，可对相邻的发射换能器使用不同的频率。根据使用多个换能器来测量声信号的一个实施例，使用脉冲式和/或经调制的声信号。在不同的时间或根据预定顺序来发送这些，以使得能够区分在不同路径上行进的信号。
[0029]此外，本公开的目标是一种基于在燃气涡轮的流径的一部分中，在压缩机下游且在涡轮上游测得的声音速度来确定温度的方法，使用方法中的这个温度来控制燃气涡轮。
[0030]另外，本公开的目标是一种燃气涡轮，其构造成执行用以确定温度的方法，以及使用该温度来运行。
[0031]根据一个实施例，这种燃气涡轮至少具有压缩机、压缩机气室、喷燃器、燃烧室、涡轮和用于测量温度的处理器，并且包括安装在燃气涡轮的流径的一部分中、在压缩机下游且在涡轮上游的至少一个声信号发射换能器和接收换能器，流径在运行中被加压。为测量温度，处理器配置成对声信号发射换能器发送命令，以使其发送预定的声信号穿过加压流径的横截面的至少一部分。接收换能器布置成检测声信号，以及将对应的信号发送到处理器。另外，处理器配置成基于测得的行进时间和在声信号发射换能器和声信号接收换能器之间的给定距离来计算声音的速度，以及根据声音的速度，以及提供给处理器的气体的热容比K和比气体常数。，来计算加压流径的一部分中的气体的温度。
[0032]根据另一个实施例，至少一个声信号发射和接收换能器安装在压缩机气室内，以测量压缩机出口温度。另外或备选地，至少一个声信号发射和接收换能器安装在喷燃器中。这允许在进行燃烧之前测量喷燃器或燃烧室的入口温度。在具有顺序燃烧的燃气涡轮中，这允许测量第一涡轮的排气温度。另外或备选地，至少一个声信号发射和接收换能器安装在燃烧室中，以测量热气温度。
[0033]可设想到声音换能器有不同的布置。根据燃气涡轮的一个实施例，至少一个声信号发射换能器安装在加压流径的内壁上，而至少一个接收换能器则安装在加压流径的外壁上。备选地或以组合的方式，至少一个声信号发射换能器可安装在加压流径的外壁上，而至少一个接收换能器可安装在加压流径的内壁上。在另一个实施例中，至少一个声信号发射换能器和接收换能器安装在加压流径的外壁上。在又一个实施例中，至少一个声信号发射换能器和至少一个接收换能器安装在加压流径的内壁上。
[0034]在燃气涡轮的另一个实施例中，处理器配置成确定发动机噪声水平，以及从声信号中过滤或分离脉动和噪声。
[0035]为了从脉动信号中过滤或分离声信号，例如通过快速傅里叶变换(FFT)将接收换能器的信号变换到频率范围中。这个变换给出了具有多个频带(幅度在小频率范围中)的频谱。频带的数量例如可在100至1000，高达2000或更高的频带的范围中。
[0036]优选地，频带频率保持非常精确，并且根据利用的系统性能(例如计算机性能)，如期望那样的频带内的信号渗透性或频带之外的信号阻挡是理想的。在本语境中，“声频率信号”意于表示代表声信号的幅度的信号，其取决于频率。特别容易从此类声频率信号中获得规定的监测频带。另外，根据利用的系统性能(计算机性能)，理想上可选择频带为狭窄的，从而容许对某些声频率进行目标监测和分开监测，而不使它们的幅度失真。在此语境中，本发明还基于下者的实现:干扰性发动机噪声或脉动频率可较接近声信号频率，使得由于系统的性质而相当宽的传统的监测频带也检测噪声或脉动频率，并且因此无法区分声信号与脉动频率，而且某些脉动频率的幅度也发生失真，尤其是膨胀。在借助于传统的带通滤波器(切比雪夫等)的声音时间信号的情况下，不可选择监测频带的宽度为任意小。由于这些频带滤波器的技术特性的原因，这个的作用越显著，需要过滤掉的频率就越大。相反，在声频率信号的情况下，可根据利用系统性能，在理想上选择监测频带为狭窄的，使得从信号监测过程中排除密切相邻的脉动频率尤其可行。另外，在优选实施例中，可对燃气涡轮的各种运行条件(例如正常运行、启动、卸载、燃料变化等)执行系统参数(尤其是带通极限、时间常数等)的动态适应。
[0037]因此，处理器配置成确定发动机的燃烧器脉动，即，燃烧器脉动压力，以及分离脉动信号与声信号，处理器可将接收自接收发射器的信号变换成频带，并且配置成监测至少一个限定频带的幅度。
[0038]可确定声音频谱的所有间隔中的全局最小幅度，并且可将声信号发射换能器调整到这个间隔中的频率。
[0039]为了进一步提高测量质量和可靠性，可限定测量时间窗。当脉动声信号从声信号发射换能器中发送出时，可触发测量窗的开始。考虑到声信号的最小行进时间，测量窗可以时间延迟开始，以及在声信号的最大行进时间处结束。
[0040]提出的燃烧器转变可用于新的燃气涡轮，以及用于对现有燃气涡轮改型。用于对燃气涡轮改型的方法包括以下步骤:打开燃气涡轮壳体，将至少一个声信号发射换能器和至少一个接收换能器安装在加压流径的壁上，以及封闭燃气涡轮壳体。[0041]以上燃气涡轮可为例如从EP0620363 Al或EP0718470 A2中得知的单燃烧燃气涡轮或顺序燃烧燃气涡轮。公开的方法和用途以及改型方法也可应用于单燃烧燃气涡轮或顺序燃烧燃气涡轮。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]在附图的协助下，在下面更详细地描述本发明，即其性质和优点。参照附图:
图1示意性地显示根据本发明的燃气涡轮的示例。
[0043]图2a示意性地显示具有用于测量温度的换能器的示例性布置的图1的燃气涡轮的第一燃烧室的横截面11-11。
[0044]图2b示意性地显示具有用于测量温度分布的换能器的示例性布置的图1的燃气涡轮的第一燃烧室的横截面Π-ΙΙ。
[0045]图2c示意性地显示具有用于测量平均温度的换能器的示例性布置的图1的燃气涡轮的第一燃烧室的横截面11-11。
[0046]图3示意性地显示具有用于测量温度分布的换能器的示例性布置的图1的燃气涡轮的顺序燃烧室的横截面in-1n。
[0047]图4示意性地显示连接到处理器上的换能器的示例性布置，其用于确定在燃气涡轮的第一涡轮或第二涡轮上游的温度。
[0048]部件列表 10燃气涡轮 11入口空气 12压缩机
13第一燃烧室 14第一涡轮 15第二燃烧室 16第二涡轮 17排气
18(第一涡轮的)第一导叶
19(第二涡轮的)第一导叶
20(在内壁上的)换能器
21(在外壁上的)换能器 22内壁
23外壁 24第一喷燃器 25顺序喷燃器 26压缩机气室 27外壳 28机器轴线 29声信号水平 30处理器 31燃烧器脉动 32热气温度 33脉动声信号
34烟道气再循环装置(可选的)
35空气 36水喷射 37燃料
38水/蒸汽喷射 K热容比
Rspec比气体常数
T火焰之后的热气温度Thtrt和火焰上游的温度T2之间的温差 Thot热气温度 T2火焰上游的温度。
【具体实施方式】
[0049]相同或在功能上同等的元件在下面设有相同标号。示例无论如何不使本发明局限于这样的布置。
[0050]在图1中示意性地显示示例性布置。燃气涡轮10设有压缩机入口气体11。在燃气润轮10中，压缩机12后面是第一燃烧器,第一燃烧器包括第一喷燃器24和第一燃烧室
13。在第一喷燃器34中，燃料37添加到压缩气体中，并且混合物在第一燃烧室13中燃烧。热的燃烧气体从第一燃烧室13馈送到第一润轮14中，第一润轮14后面是第二燃烧器,第二燃烧器包括顺序喷燃器25 (也被称为第二喷燃器)和顺序燃烧室15 (也被称为第二燃烧室)。燃料37可在顺序喷燃器35中添加到离开第一涡轮14的气体中，并且混合物在顺序燃烧室15中燃烧。热的燃烧气体从顺序燃烧室15馈送到第二涡轮16中。
[0051]蒸汽和/或水38可喷射到第一喷燃器和/或顺序喷燃器中，以控制排放，以及提高功率输出。水36也可喷射到压缩机中，或者喷射到压缩机上游，以冷却入口，以及扩大功率。
[0052]在图1中显示的示例中，换能器20、21布置在压缩机气室26和顺序喷燃器25中，以相应地测量第一燃烧室13和顺序燃烧室15的入口温度。为了相应地测量第一涡轮14的第一导叶18处的热气温度和第二涡轮16的第一导叶19处的热气温度，换能器20、21分别布置在第一燃烧室13和顺序燃烧室15的下游端部区域中。换能器20布置在朝向机器轴线28的内壁上，并且换能器21布置在朝向燃气涡轮的外壳17的外壁上。
[0053]排气17离开第二涡轮16。排气17典型地在热回收蒸汽发生器中用来产生蒸汽，以实现联合发电或用于联合循环中的水蒸汽循环(未显示)。
[0054]可选地，排气17的一部分可在烟道气再循环装置34 (典型地在热回收蒸汽发生器下游)中分叉，以及混合到入口空气35中。典型地，再循环装置34包括用于冷却再循环烟道气的再冷器。
[0055]图2a示意性地显示具有换能器20、21的第一示例性布置的图1的燃气涡轮10的第一燃烧室13的横截面II。[0056]在第一不例中，声信号发射换能器20a和接收换能器21a相应地布置在第一燃烧室13的内壁22和外壁24上，使得它们在相同的周向位置处面向彼此。在各种情况下，它们布置在第一喷燃器24下游。
[0057]在第二不例中，声信号发射换能器20b和接收换能器21b相应地布置在第一燃烧室13的内壁22和外壁24上，使得它们在相同的周向位置处面向彼此。在各种情况下，它们布置在两个第一喷燃器24下游和在第一喷燃器24之间。
[0058]在第三不例中，声信号发射换能器和接收换能器结合在一个装置20c、21c中。换能器20c布置在内壁22上，换能器21c相应地布置在第一燃烧室13的外壁24上。由换能器20c、21c发送的声信号被面向换能器相对的侧壁反射,并且反射声信号被换能器20c、21c检测到。
[0059]图2b显示具有用于测量温度分布的换能器20、21的示例性布置的图1的燃气涡轮10的第一燃烧室13的横截面。
[0060]声信号发射换能器20例如可布置成沿着第一燃烧室13的内壁22沿周向分布。接收换能器21例如可布置成沿着第一燃烧室13的外壁23沿周向分布。对于各个声信号发射换能器20，多个接收换能器21i，ii, ii…V沿着外壁23的一部分布置，面向对应的声信号发射换能器20。可测量在各个声信号发射换能器20和对应的接收换能器21i，ii,ii...V之间的声音的平均速度，并且可得出对应的温度，从而得出温度分布。可基于发射换能器20和各个接收换能器21i，ii, ii…V之间的部分的单独测量来计算平均温度。为了进行温度平均，可使用经过各个部分的质量流量。
[0061]声信号发射换能器21也可分布在外壁23上，以及接收换能器20分布在内壁22上。在备选实施例中，多个换能器21i，ii, ii…V也可为声信号发射换能器21，而换能器20可为接收换能器。
[0062]如果来 自不止一个声信号发射换能器20、21的声信号由接收换能器20、21接收到，则使声信号发射换能器20、21同步可有利于容易地将接收到的信号分配给发射的声信号。备选地，可对声信号发射换能器执行顺序脉冲。
[0063]在另一个备选方案中，对多个声信号发射换能器20、21使用不同的发射频率。
[0064]对于具有多个声信号发射换能器的任何布置，可对不同的声信号发射换能器使用不同的频率。也可对声信号发射换能器应用频率调制。可在不同的时间进行不同的声信号发射换能器的调制，以有利于将接收到的信号分配给发射换能器。
[0065]图2c显示具有用于测量平均温度的换能器20、21的示例性布置的图1的燃气涡轮10的第一燃烧室13的横截面。
[0066]在这个不例中，声信号发射换能器21a布置在燃烧室13的环形横截面的外壁23上的相对位置上。在两个声信号发射换能器21a之间，接收换能器21b布置在外壁23上。在这个示例中，燃烧室13的流径足够高，使得两个声信号发射换能器21a和两个接收换能器21b可等距交错地布置在外壁23上，使得各个接收换能器在相邻的声信号发射换能器21a的视线中。对于这个布置，可确定声音的平均速度以及从而沿着各个视线的平均温度。可通过对针对所有部分确定的温度取平均来估计总体平均温度。
[0067]图3中，示意性地显示图1的燃气涡轮的顺序燃烧室的横截面II1-1II。其显示用于测量温度分布的换能器20、21的另一个示例性布置。在每隔一个顺序喷燃器25a之间的位置处，换能器21布置在外壁上，并且相对于内壁上的换能器20交错。换能器20在每隔一个顺序喷燃器25之间的位置处布置在内壁上。声信号发射换能器可布置在外壁上，而接收换能器布置在内壁上，反之亦然。对于各个顺序喷燃器25，可确定各个声信号发射换能器20、21和接收换能器20，21之间的各个部分的平均温度，从而得到在周向方向上的温度分布。可基于各个顺序喷燃器25下游的单独平均值来计算平均热气温度。
[0068]图4显示连接到处理器上的换能器的示例性布置，其用于确定燃气涡轮的涡轮的第一导叶18、19上游的温度。处理器30控制布置在燃气涡轮的燃烧室13、15的内壁22上的声信号发射换能器20。控制声信号发射换能器20,以发送脉冲式声音33。接收换能器20、21检测燃烧室13、15的外壁23上的声音压力，将其转换成电信号或光信号，以及将测得的值传递到处理器30。处理器30过滤对应于发射的声信号的信号。基于经过滤的对应于发射的声信号的信号，确定热气温度32，并且将热气温度32用于控制燃气涡轮。基于声音水平29，确定脉动信号31，并且将脉动信号31用于控制和保护燃气涡轮。
[0069]在图2a至2c中针对第一燃烧器作为示例显示的布置可直接应用于第二燃烧器，以及图3的示例可直接应用于第一燃烧器。
[0070]在图2a)至2c)和图3中显示了具有环形燃烧室的示例。公开的方法同样可应用于具有罐式燃烧器的燃气涡轮。喷燃器以及罐式燃烧器中的换能器不必分别置于内壁和外壁上，而是可置于喷燃器或燃烧室的周边的任何地方。
【权利要求】
1.一种用于确定在燃气涡轮(10)的加压流径中、在压缩机(12)下游且在涡轮(14，16)上游的温度方法，包括以下步骤: 从声信号发射换能器(20，21)发送声信号，所述声信号发射换能器(20，21)布置成发送声信号穿过所述加压流径的横截面的至少一部分， 用接收换能器(20，21)检测所述声信号，所述接收换能器(20，21)布置成在所述声信号穿过所述部分之后接收所述声信号， 测量所述声信号从所述声信号发射换能器(20，21)行进到所述接收换能器(20，21)所需的时间， 基于测得的行进时间和在所述声信号发射换能器(20，21)和所述接收换能器(20，21)之间的距离来计算声音的速度， 提供在所述加压流径中流动的气体的热容比(K)和比气体常数(RspJ，以及 根据声音的速度、在所述加压流径中流动的气体的热容比(K)和比气体常数(RSPJ，来计算所述加压流径的所述部分中的气体的温度。
2.根据权利要求1所述的用于确定温度的方法，其特征在于，在一定频率里测量脉动压力，确定最大脉动压力，以及将所述声信号发射换能器的频率调整到具有小于所述最大脉动压力的20%的脉动压力的频率，以及/或者将所述声信号发射换能器(20，21)的频率调整到具有小于所述最大脉动压力的10%的脉动压力的频率。
3.根据权利要求1或2的所述的用于确定温度的方法，其特征在于，根据频率来测量脉动压力，以及将所述声信号发·射换能器(20，21)的频率调整到没有脉动和/或发动机噪声的频率。
4.根据权利要求1或2所述的用于确定温度的方法，其特征在于，针对由所述燃气涡轮(10)产生的噪声，过滤由所述接收换能器(20，21)接收到的信号，以及/或者由所述声信号发射换能器(20，21)发送的所述声信号是脉冲式的或在进行频率调制的情况下发送。
5.根据权利要求1或2所述的用于确定温度的方法，其特征在于，在所述声信号发射换能器(20，21)的发射频率下测量所述脉动压力，以及将由所述声信号发射换能器(20，21)发射的声信号压力控制到所述发射频率下的脉动压力的预定倍数。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的用于确定温度的方法，其特征在于，使用用来监测燃烧器脉动的脉动探头作为接收换能器(20，21)。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的用于确定温度的方法，其特征在于，确定在所述加压流径中流动的气体的气体成分，以及基于所述气体成分来确定热容比(K )和/或比气体常数(Rspe。)。
8.根据权利要求6所述的用于确定温度的方法，其特征在于，测量所述压缩机的入口气体(11)、加压气体或排气的气体成分，以及针对添加流体(36，37，38)引起的成分变化，以及/或者在测量点和其中确定声信号的速度的部分之间的燃烧引起的成分变化，来修正测得的成分。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的用于确定温度的方法，其特征在于，通过迭代来估算在所述加压流径中流动的气体的气体成分，所述迭代包括以下步骤: a)测量火焰上游的温度， b)确定火焰上游的气体成分，c)使用火焰下游的气体成分的起始值， d)确定起始成分的热容比(K)和/或比气体常数(RspJ， e)基于所述声信号的测得传播速度、所述起始成分的热容比(K)和比气体常数(RspJ，来确定火焰之后的热气温度(ThJ， f)将所述燃烧器中的在火焰中的温度升高量计算为火焰之后的热气温度(ThJ和火焰(T2)上游的温度之间的温差(AT)， g)基于所述燃烧器中的温度升高量(△T)、燃料成分，来确定燃烧期间的气体成分的变化，以及基于火焰上游的气体成分和燃烧期间的气体成分的变化来计算热气成分， h)确定经修正的迭代热容比U1)和/或比气体常数(Rsp^i), i)基于所述迭代热容比U1)和/或比气体常数(Rsl^i),来重新计算火焰之后的迭代热气温度(Tht^i),以及 j)继续进行步骤e)处的迭代，直到满足收敛标准为止。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的用于确定温度的方法，其特征在于，使用多个换能器(20，21)来确定所述横截面中的平均温度，以及/或者确定所述横截面中的温度分布。
11.使用根据权利要求1至10中的任一项所述的方法确定的温度来控制燃气涡轮的运行。
12.—种 燃气涡轮(10)，至少具有压缩机(12)、压缩机气室(26)、喷燃器(24，25)、燃烧室(13，15)、涡轮(14，16)和处理器(30)， 其特征在于，至少一个声信号发射和接收换能器(20，21)安装在所述燃气涡轮(10)的流径的一部分中，在压缩机(12)下游且在涡轮(14，16)上游，所述流径在运行中被加压， 其中，所述处理器(30)配置成对所述声信号发射换能器(20，21)发送命令，使其发送预定的声信号穿过所述加压流径的横截面的至少一部分， 其中，所述接收换能器(20，21)布置成检测所述声信号，以及将对应的信号发送给所述处理器(30)， 其中，所述处理器配置成基于测得的行进时间和在声信号发射换能器(20，21)和所述声信号接收换能器(20，21)之间的距离，来计算声音的速度，以及 根据声音的速度，以及提供给所述处理器(30)的气体的热容比(K)和比气体常数(RspJ，来计算所述加压流径的所述部分中的气体的温度。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个声信号发射和接收换能器(20，21)安装在所述压缩机气室(26)和/或所述喷燃器(24，25)和/或所述燃烧室(13，15)中。
14.根据权利要求12或13所述的燃气涡轮，其特征在于，至少一个声信号发射换能器(20)安装在所述加压流径的内壁上，而至少一个接收换能器(21)安装在所述加压流径的外壁上，以及/或者至少一个声信号发射换能器(20)安装在所述加压流径的外壁上，而至少一个接收换能器(21)安装在所述加压流径的内壁上，以及/或者至少一个声信号发射换能器和接收换能器(21)安装在所述加压流径的外壁上，以及/或者至少一个声信号发射换能器(21)和至少一个接收换能器(21)安装在所述加压流径的内壁上。
15.根据权利要求12或14所述的燃气涡轮，其特征在于，所述处理器配置成确定燃烧器脉动，以及分离脉动信号·与所述声信号。
【文档编号】F02C9/00GK103850803SQ201310621175
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】W.朗, J.霍夫曼恩 申请人:阿尔斯通技术有限公司