用于测量燃烧涡轮燃烧器中的压力波动的探测器

摘要

本发明涉及一种用于测量燃烧涡轮燃烧器中的压力波动的探测器。具体而言涉及用于测量热气体的高频压力波动的探测器，其将输出信号的冗余与输出信号的高品质结合。

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量压力波动的探测器(probe)。其具体而言涉及用于测量燃气涡轮燃烧器中的压力波动的探测器。其还涉及根据本发明的探测器的使用。

背景技术

在现代燃气涡轮的燃烧器中发生的压力波动(所谓的燃烧器脉动或燃烧脉动，通常也简称为脉动)提供燃烧品质的重要指示，尤其是在采用预混喷燃器技术时。在不利条件下，燃烧器脉动可达到某一振幅，在该振幅下燃气涡轮构件的机械完整性处于危险之中。这意味着，燃烧器压力波动的持久监测现在基本上是不可缺少的。由于高温，发生的压力波动的直接探测要求耐高温的压力传感器，耐高温压力传感器一方面非常昂贵，并且另一方面，其面临非常极端以至于在持续操作期间存在极大的故障可能性的使用条件。还已知这种传感器的传感器特性是与温度有关的，这也使测得的压力波动的量化更难，或者允许其仅具有有限的精度。

从DE 10 2007 035 013 A1已知一种燃烧监测系统，其包括具有一个压力传送器的探测器。DE 10 2007 035 013 A1的图2示出了该探测器的安装，其中，其末梢和其压力传送器位于烟道插口内。

US 6,550 336 B2描述了包括传感器的燃烧监测系统，该传感器借助于半无限管从燃烧器壁设置回一段距离，以便不使传感器暴露于燃烧的高温。在这些所谓长管线探测器(long-line probe)中，燃气涡轮燃烧器内的实际测量点借助于管线(主要借助于小管)与定位在燃烧器外的压力传送器连接。这种构思由于燃烧室与压力传送器之间的距离而将压力传送器暴露于较低温度。出于该理由，可使用显著更廉价的压力传送器或传声器，它们的使用寿命和测量精度不受可能使用的极端使用条件限制。

在这种构造中，重要的是确保以这种形式形成的测量管线的无回声终端，并且如果有可能，还避免测量管线内的任何类型的反射。已知具有半无限管的测量管的终端。这利用具有较长长度的管线而实现，该管线连接在第一端部上，其中测量管的端部远离测量点地朝向。在充足的长度下，作为以不再在半无限管的第二端部处反射值得注意的振幅的方式的内部消耗的结果，压力波动在半无限管内削弱。

在较高的振幅下，记录的声学信号失真，并且不包含全部范围的频率。理由是燃烧器区域和定位在发动机外壳外的压力传送器之间的非常长的距离。此外，温度和压力效应还根据信号的衰减而增加或减少频率。因而将需要复杂的校准构思观念，以校准用于实际应用的探测器。

基本上，两个当前可获得的方法均不允许精确且冗余的脉动测量：外壳外的多个压力传送器将不俘获感兴趣的全部频率范围，因为在压力传送器安装在背部上的情况下，它们不足够接近燃烧器和长管线探测器，并且遭受与频率相关的衰减和信号失真。

主张的发明的一个目的是克服现有技术的缺点，并且提供俘获感兴趣的全部频率范围而不具有显著的信号失真和衰减的冗余的探测器。

发明内容

这些目的借助于用于测量压力波动的探测器而实现，该探测器包括下列元件：

传感器保持器，其包括阶梯孔，该阶梯孔具有测量孔和肩部；压力传送器，其与测量孔的内部连接，其中，阶梯孔接收传感器板，该传感器板保持至少两个或更多个压力传送器，并且传感器板的面和肩部限制腔，从而将测量孔与至少两个压力传送器的感测表面或膜连接。

阶梯孔的肩部与传感器板的面之间的腔分布来自测量孔的压力波动。这以如下方式布置多于一个压力传送器：压力传送器的压敏表面与腔齐平，且因此，压敏表面或压力膜接收在腔内侧分布的压力波动。因此，可获得来自压力传送器的冗余的压力信号并将其用于控制燃气涡轮。由于可获得例如来自三个压力传送器的三个冗余的输出信号，因而有可能探测压力传送器中的一个的故障输出信号。

由于该腔可布置在燃气涡轮的燃烧室附近，故腔中的压力波动不失真或衰减，且因此，压力传送器的输出信号具有高品质。

由于该腔由阶梯测量孔的肩部和传感器板的面限制，故有可能将腔自身定位在传感器板的面和/或阶梯孔的肩部中。由于传感器板的面可例如通过铣削或其他工艺更容易地加工，故在大多情况下，腔是传感器板的部分。

为了使腔内侧的测量孔的压力波动尽可能小地失真，优选将腔的体积保持为尽可能小。这导致了腔的三叶草状几何形状。已经发现，0.2mm直到1mm之间的腔的深度是充分的。

为了进一步改善腔内侧和传感器膜上的压力波动的品质，优选地将测量孔与半无限管连接。该半无限管可具有例如多于15米直至30米或50米的长度。其内径优选地与测量孔的内径相似，且在4mm与8mm之间，优选地为6mm。

由于该设计，在测量半无限管的压力波动的品质方面的积极效果也可与主张的发明结合使用。

在主张的发明的另一有利实施例中，探测器包括支撑盘。支撑盘和传感器板各自包括用于各传感器或各压力传送器的一个孔，且各压力传送器具有阶梯状轮廓。这允许将来自支撑盘的轴向力经由压力传送器传递至传感器板。通过这样做，获得阶梯测量孔的肩部与传感器板的面之间的气密密封，并且没有可包括腐蚀性污染物的热气体可离开腔。

为了对支撑盘施加这种轴向力，在主张的发明的优选实施例中，探测器包括夹紧器件，传感器保持器包括螺纹、和与螺纹互相作用来对支撑盘、至少一个传感器和传感器板施加轴向力的该夹紧器件。

在优选实施例中，夹紧器件是中空螺杆或支撑管，并且传感器保持器包括内螺纹。这意味着，通过紧固中空螺杆，轴向力施加至支撑盘，并因此施加至传感器板。

为了保护半无限管不受损坏，在主张的发明的另一实施例中，探测器包括保护管。该保护管不仅覆盖半无限管，而且保护压力传送器的布线不受机械损坏。

由于要求保护的探测器安装在发生高温的燃气涡轮中，因而探测器具有相当的长度，优选补偿器件，该补偿器件允许半无限管由于热膨胀而延伸至轴向方向。

在下面参考附图更详细地描述主张的发明。

附图说明

图1显示了根据本发明构造的探测器；

图2显示了要求保护的探测器在燃气涡轮内的安装情况；

图3显示了具有三个传感器的探测器末梢的截面；

图4显示了传感器安装组件的前视图；

图5显示了传感器安装组件的分解图；

图6显示了传感器线缆的引出；

图7显示了探测器的鼓筒(drum)和压力密封件的细节；并且

图8显示了要求保护的探测器的结果。

附图标记

1 传感器保持器

2 压力传送器

3 半无限管

4 引导管道

5 弹簧

6 止动衬套

7 补偿器

8 凸缘

9 高压配件支撑

10 高压配合

11 传感器信号线缆

12 半无限管

13 圆筒板模块

14 接头套管(swage lock)

15 壳体

100 探测器

102 阶梯孔

104 测量孔

106 肩部

108 内螺纹

110 传感器板

112 支撑盘

114 中空螺杆

116 间隔件

118 面

120 腔

122 膜

124、126 孔

128 布线(3 传感器信号线缆)

130 环形空间

132 套筒

134 螺纹

136 板

138 波纹管(bellow)

140 衬套

142护套

144管线

146管线。

具体实施方式

图1示出了要求保护的探测器100的实施例。在图1的左侧处，可看到传感器保持器1，其具有三个压力传送器2、半无限管3、以及引导管道4。在图1的右手侧上，可看到补偿器件以及用于半无限管3的鼓筒。如从图1可见，在引导管道4处由壳体15和补偿器件支撑。结合下列附图说明该探测器100的细节。探测器100的末梢(在图1的左手侧处)安装在例如燃气涡轮的烟道插口中，这已结合DE 10 2007 035 013 A1的图2进行了说明。换而言之：要求保护的探测器100可用作用于DE 10 2007 035 013 A1中描述的探测器的改进解决方案。

图2显示了具有三个压力传送器2和半无限管3的传感器保持器1的截面图。由于图2是截面图，故三个压力传送器2中的仅两个是可见的。

如从图2可见，传感器保持器1包括阶梯孔102。阶梯孔的在图2的左手侧处的部分也称作测量孔104。

测量孔104在传感器保持器1的末梢处通向周围。在右手侧上，测量孔104在肩部106处终止。阶梯孔102在其与传感器保持器1的末梢相反的端部处包括内螺纹108。

从肩部106开始，在阶梯孔102内布置有接收三个传感器2的传感器板110和支撑盘112。

传感器保持器1的内螺纹108与中空螺杆114协作。中空螺杆114可为保护管道4的一体部分，或可与保护管道4分离。在中空螺杆114的面(和支撑盘112)之间安装有可选的间隔件116。

通过紧固中空螺杆114，传感器板110压靠传感器保持器1的肩部106。轴向力经由间隔件116、支撑盘112、和压力传送器2传递至传感器板110。

在图3中示出了不具有传感器保持器1的传感器安装组件的前视图。在图3中，可看到在传感器板110的面118处加工有三叶草状腔120。半无限管3的端部与腔120的底部齐平。腔120连接压力传送器2的膜122和测量孔104以及半无限管3。半无限管3可焊接至传感器板110。

腔120的三叶草状设计缩小了腔120的体积，并且以最佳方式将测量孔104和半无限管3与三个压力传送器2的膜122连接，以便测量孔104和半无限管3内的压力波动可由三个压力传送器2探测到，而不具有任何显著的失真或衰减。

由此，压力传送器2非常精确地探测测量孔104内的压力波动。由于存在暴露于相同波动的三个压力传送器2，故实现了压力传送器2的输出信号的冗余。在正常的操作条件下，三个压力传送器2的输出信号应或多或少相等。

在压力传送器2中的一个故障的情况下，该故障的压力传送器的输出信号显著地不同于剩下的两个压力传送器2的输出信号，并且因而缺损的压力传送器2的输出信号可被忽略，直至该压力传送器2已被修复或替换。

为了将腔120的体积减小至最小，优选地，压力传送器2的膜122垂直于测量孔104的纵向轴线。如果腔120的深度处于0.2mm至1.0mm之间的范围中，那么已足够。

图4是在图2中示出但具有传感器保持器1的情况的透视图，并且再次，其示出了腔120的体积最小化，以便尽可能小地影响压力波动。此外，可看到的是，中空螺杆114在其与传感器板110相反的端部处接收保护管4。

图5是传感器板110、压力传送器2、支撑板112和间隔件116的分解图。

传感器板110包括孔124，对于孔124中的各个接收一个压力传送器2。以相似的方式，支撑盘112包括三个孔126。孔124和126可为阶梯状。由于传感器板110的厚度和压力传送器2的阶梯状轮廓，故如果组件组装后，那么膜122与传感器板110的腔120齐平。压力传送器2和孔124、126的阶梯状轮廓允许轴向力从中空螺杆114传递到传感器板110。

图6示出以螺旋方式绕半无限管3且在保护管4内的压力传送器2的这些布线128(传感器信号线缆)的引出。由于布线128绕半无限管3卷绕，故降低了由无限管的热膨胀和/振动引起的损伤风险。

图7详细地示出了壳体15和补偿器件。图7中的参考标号11显示了传感器信号线缆。

半无限管3标为半无限，因为，在提及的内径下，待测量的压力波动(基本上是声波)在该较长长度上消散，并且因而不可再在半无限管的端部处反射。这意味着，在声学上，半无限管实际上在该方向上作用为无限管。在安装的实际使用中，发现在长管在迄今使用的长管线探测器中的操作是极为有问题的。经验显示，不是非常紧凑的单元的构件被拿开或踩踏，并且在持续使用期间必须期望使用相当粗的处理。但是，这对于设计为半无限管的管线而言是非常关键的问题。具有例如6mm内径和适当壁厚的这种管线易于在内壁处扭折或以其他方式受损，这因而导致压力波动的非期望反射。根据本发明的构思，探测器因而设有绕组载体或圆筒板模块13，其代表探测器的一体构件。半无限管3作为绕组定位在该模块13上。该模块由保护套筒132附加地覆盖。这甚至当组装和维护人员踩在安装的探测器上时确保半无限管的整体性。在第二端部14处，半无限管3连接至环形空间130和冲洗气体供应源。冲洗气体供应源的构造设计在实际使用中引起与半无限管3非常相似的问题：为了确保其机械整体性，冲洗气体供应源必须不安装成“自由地浮动”，而是必须集成到紧凑的单元中。根据本发明，这通过绕保护管4放置壳体15而实现。在保护管4与壳体15之间形成有上面提及的环形空间130。可将冲洗气体引入该环形空间130中，其然后朝测量孔104的测量点侧端部的方向流动穿过半无限管3和测量管104孔。这防止了热且腐蚀性的燃烧气体渗透到测量孔104中，和压力传送器2与燃烧气体的接触。冲洗气体的持久流动还确保了测量管内遍及其长度的基本恒定的温度。

绕组载体或模块13实现与冲洗气体供应源有关的另一功能，因为绕组载体13设有开口，开口允许空气绕半无限管3的绕组的自由循环。

壳体15在前端部处提供有外螺纹134，利用该外螺纹134，其旋入燃气涡轮(未显示)的外套筒中。壳体15由此非常紧密地旋入外套筒中，以至于与密封环或密封绳功能上连接的外管的密封座形成气室(plenum)压力相对于外部压力的可靠密封。自然地，本领域技术人员已知的其他装置，例如，凸缘接头可用于外管12对外套筒104的附接和密封。

在壳体15的远离测量点地朝向的前侧上，安装有板136。该板136用作用于压力弹簧5的第一支撑。用于弹簧5的第二支撑是以能够轴向地移动的方式固定至半无限管3的止动衬套6。以此方式，压力弹簧6能够将轴向力施加至保护管4上。轴向尺寸已选择为以便在安装好的状态下，轴向力始终以确保传感器保持器1的锥形座的气密座的方式施加到保护管4上。

此外，半无限管3和保护管4在壳体15中的弹簧加载、可轴向地移动的定位一方面确保外套筒与燃气涡轮的罩之间的不同膨胀的补偿，且另一方面确保半无限管3与壳体15之间的不同膨胀的补偿，由此，确保了在罩和传感器保持器1上的锥形座的紧密度。

板136设有开口，该开口的直径大于半无限管3的直径。这防止半无限管3粘合在壳体15中。

另一方面，在能够轴向地移动的支撑6与壳体15之间也不可实现气密座。在操作期间，依然必须相对于大气密封而不阻碍保护管4与壳体15之间的轴向移动的气室压力依然存在于板136的贯通开口处。出于该理由，该贯通开口以气密方式跟随有波纹管138，波纹管138也以气密方式在第二端部处附接至衬套140。

衬套140再次设有用于气密管连接的高压配件10，例如接头套管(swagelock)连接，其提供相对于半无限管3的两部分的气密密封。衬套140利用紧密的滑动配合可轴向地移动地定位在护套142中，并且以这种方式还径向地固定半无限管3。护套142以固定的方式经由板136与壳体15连接。

后部分中的三个定位点处的半无限管3的牢固、径向的支撑，和前部分中的通过弹簧5的预加载增大了实际上薄且软的管3的固有振动频率。一方面，这防止了在超过数个10⁴操作小时的连续操作期间的振动损伤；另一方面，基本上防止了可潜在地歪曲测量结果的整个测量装置的振动(包括压力传送器2)。

在不背离本发明的构思或超出本发明的要求保护的范围的情况下，根据本发明的探测器的其他实施例和应用对本领域技术人员将是显而易见的。

图8例示出了与现有技术探测器相比，要求保护的探测器在大频率范围中的的非常优秀的特性。

管线144显示了具有处于大约3000Hz下的谐振频率的常规探测器的测试结果。这种谐振频率以消极的方式影响了压力传送器的输出信号。

管线146显示了根据本发明的探测器的测试结果。该探测器不具有谐振频率，且因而改善了压力传送器2的输出信号的品质。