CN105960564A - 用于监测燃烧装置的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测燃烧装置(30)的方法，包括步骤：‑借助于燃烧装置(30)的传感器，将燃烧装置(30)的第一壁与或者燃烧装置(30)的第二壁或者传感器之间的距离测量数次，和‑从距离上的变化推断：‑第一和/或第二壁和/或传感器上的沉积物(84)的形成，和/或‑燃烧装置(30)内的温度改变，和/或‑燃烧装置(30)内的压力改变。
Description
技术领域
本发明指向于一种用于监测燃烧装置(combustor)的方法和适于通过所述方法进行监测的燃烧装置。燃烧装置可以是燃气涡轮发动机的部件。
背景技术
典型的燃气涡轮发动机包括空气入口、跟着是压气机部，进入的空气在压气机部中被压缩。之后，压缩空气被引导至燃气涡轮发动机的燃烧装置部中的一个或多个燃烧装置。燃料、可以是气体或液体燃料被引入燃烧装置内并与压缩空气的一部分混合。由燃烧装置中的燃料/空气混合物的燃烧创建的热燃烧气体被指向至包括一组涡轮机叶片和一组涡轮机引导翼片的涡轮机部。抵着涡轮机叶片流动的燃烧气体导致涡轮机叶片被附接所至的燃气涡轮发动机的轴的转动。因为压气机级的叶片也被附接至轴，所以由涡轮机部产生的机械动力的一部分被用于操作压气机部。
燃气涡轮发动机的燃烧装置通常包括至少三个部件：燃烧器、旋流器和过渡件。过渡件通常与燃烧装置部的燃烧体积在下游流体连通。主燃料通过燃烧器的主燃料供给被引入旋流器内，而先导燃料通过燃烧器的单独的先导燃料供给进入旋流器。主燃料流动通过一组主燃料喷嘴进入旋流器，从那里它被沿着旋流器翼片引导，与过程中的进入的压缩空气混合。所得到的燃料/空气混合物维持延伸到燃烧体积内的燃烧器火焰。
如果不符合特定标准的(低质量)气体燃料被供给至燃烧装置，则可能会发生内部腔的污染。对于气体燃料的两个主要质量问题是与气体一起携带的液体和气体中的高硫含量。前者可以导致组成部件的烧毁，而后者可以导致燃烧装置的通道的阻塞。两者都可能导致燃烧装置并因此是燃气涡轮发动机停机。
如气体燃料一样，液体燃料质量根据现场而变化，而差质量的燃料对燃气涡轮发动机的操作具有负面影响，因为碳可能会积聚在阻塞孔的关键组成部件上。这可以导致燃料流动的限制。
对于燃烧装置的组成部件的检修间隔通常基于利用在类似条件下的类似组成部件的经验而以固定间隔设定。然而，相同设计的组成部件可以取决于数个现场因素而具有非常不同的寿命跨度。这些因素包括上述燃料质量、燃烧装置被操作的运行循环的数量、环境温度和空气质量。因此，固定的维护间隔可能或者导致尽管燃烧装置的状态尚未要求这样的维护就进行的维护。或者固定的维护间隔可能太长。这可能导致燃烧装置的损坏并因此导致燃烧装置和燃气涡轮发动机的非计划的停机时间。
US 2009/0097354 Al公开一种用于检测在气体或油管线内使用以便测量在管线内流动的流体的量的、分别是流量计的超声流量计内的沉积积聚的方法和系统。测量在流量计的外壳的内侧壁上的沉积是基于沉积影响由超声换能器发送的超声波的速度、频率或强度。
US 2012/0222484 Al公开一种用于检测流体线路、特别是从飞机中的厕所和洗脸盆出来的排水线路中的沉积的可移动装置。该装置特别适用于在具有弯曲的走向和/或变化的直径的排水线路中使用。它包括允许装置被插入排水线路的开口端内的柔性主体。超声换能器被附接至主体的被插入端。超声换能器在排水线路的轴向方向上发送超声波，超声波由它们冲击到的第一障碍物(部分)反射，第一障碍物可以或者是归因于几何变化的线路的壁或者是在壁的内侧上的沉积物。反射的信号由换能器作为响应信号接收并且可以相对于换能器与障碍物之间的距离和障碍物的尺寸进行评价。几何变化的影响可以通过将实际响应信号与排水线路是新的时测得的排水线路的基准信号进行比较来消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测燃烧装置(combustor)、特别是以便调节维护间隔以适于燃烧装置的实际状况的方法。
该目的通过一种根据权利要求1的方法来实现。一种适应于通过这样的方法进行监测的燃烧装置是权利要求10的主题。在权利要求12中要求保护一种包括这样的燃烧装置的燃气涡轮发动机。发明的进一步特征和细节是其他权利要求的主题和/或从说明书和附图中显现出来。关于方法讨论的特征和细节也可以应用于燃烧装置和燃气涡轮发动机，并且反之亦然。
一种根据发明的用于监测燃烧装置的方法的特征在于步骤：
-借助于燃烧装置的(至少一个)传感器，将燃烧装置的第一壁与燃烧装置的第二壁之间距离的或者第一壁与传感器之间的距离测量数次，和
-从测得的距离上的变化推断：
-第一壁和/或第二壁和/或传感器上的沉积物的形成，和/或
-燃烧装置内的温度改变，和/或
-燃烧装置内的压力改变。
可以包括至少燃烧装置、燃料供给和空气供给的相应的燃烧装置根据发明的特征在于适于将燃烧装置的第一壁与或者燃烧装置的第二壁或者传感器之间的距离测量数次的(至少一个)传感器，和(至少一个)评价单元，评价单元被连接至传感器以接收来自其的测量信号并且适于处理根据发明的方法。
燃烧装置可以进一步包括(在流动序列中的)燃烧器(burner)和过渡件，优选轴流过渡件。过渡件可以包括适于与主燃烧室、优选燃气涡轮发动机的燃烧部的轴流主燃烧室流体连通的下游开口。主燃烧室可以具有与预燃室相比较大的横截面积。此外，燃烧器可以包括位于预燃室的径向向外并打算用于使主燃料与空气混合(并因此包括被附接至主燃料供给和空气供给的相应的供给线路的喷嘴)的混合装置，混合装置包括适于围绕预燃室的轴向中心线将旋流运动强加在进入预燃室内的燃料/空气混合物上的旋流器，和位于旋流器的径向向内并形成预燃室的轴向上游壁的(先导)燃烧器面，燃烧器面可以包含先导燃料喷射器和点火器。
测量燃烧装置的两个固定部件之间的距离并且对距离上的可能的变化进行评价允许了燃烧装置(的部件)中或上的沉积物的可能的形成的容易且成本高效的检测。此外，因为温度改变以及压力改变也可能影响燃烧装置的两个壁之间的距离，所以相同的传感器可以同时还用于监测燃烧装置或其部件被暴露于的温度和压力改变。
在根据发明的方法的优选实施例中，使用超声传感器。因此，如现有技术中已知的，传感器可以包括适于产生并发射超声波的发送器，和适于接收由障碍物反射之后的超声波并将接收到的超声波变换成相应的信号的接收器。可以从反射的超声波的行进时间对第一壁与传感器之间或第一与第二壁之间的距离进行评价。
在根据发明的方法的优选实施例中，
-将距离上的相对慢的下降视作与沉积物的形成有关，
-将距离上的相对快的变化视作与压力改变有关，和
-将处于中等(即，相对慢与相对快之间的某处)的速度水平的距离上的变化视作与温度改变有关。
因此，对距离上的变化发生的速度进行评价并归结于三个监测目标中的一个。于是，利用在燃烧装置组成部件中或上的壁上的沉积物的形成一般非常慢地发生、而压力改变一般非常快并且进一步地而温度改变一般比压力改变慢并且比沉积物的形成快得多的事实，允许使用相应的单个相同传感器的测量结果来监测所有三个目标。
有利地，可以从所推断出的温度改变导出多个燃烧装置循环。此外，可以从所推断出的压力改变导出燃烧动态。
在根据发明的方法的优选实施例中，可以使用监测结果、即有关沉积物的形成、压力改变和/或温度改变的推断来导出用于燃烧装置的维护状态。该维护状态可以包括关于燃烧装置的一般或特定状况的一个或数个方面。例如，基于监测结果，可以创建和/或调节用于燃烧装置的维护的计划。此外，可以在考虑监测结果的情况下确定维护进行的程度。此外，可以在考虑监测结果后进行燃烧装置的操作的立即停止和因此的停机(独立于维护计划)，以便避免燃烧装置的预料的损坏。
在根据发明的方法的优选实施例中，从监测结果、即有关沉积物的形成、压力改变和/或温度改变的推断导出(至少一个)维护值，而如果维护值超过阈值则将燃烧装置设定为操作的停止。此外，如果维护值超过阈值则可以将燃烧装置计划为维护。特别地，可以将用于操作的停止的所述(第一)阈值选取成高于用于计划维护的所述(第二)阈值。因此，可以将阈值选取成指示出燃烧装置的进一步的操作是否是可能的而不会损坏它(第一阈值)和——如果是的话——则这样的继续操作持续多久是可允许的直到应该进行维护(第二阈值)。
优选地，可以在不同的位置使用数个传感器以便提供整个燃烧装置的最佳监测。特别地，至少一个传感器应该被置于燃烧装置的暴露于特定流体的部分的每一个中。因此，(单独的)传感器可以被集成到以下中的一个、数个或所有内：
-用于引导液体燃料的腔，和/或
-用于引导气体燃料的腔，和/或
-用于引导燃烧气体的腔。
一种根据发明的燃气涡轮发动机的特征在于根据发明的(至少一个)燃烧装置。除了燃烧装置，燃气涡轮机可以包括空气入口、压气机部、涡轮机部和排气出口。经由空气入口进入燃气涡轮机的空气(或至少氧气)可以在压气机部中被压缩并接着被引导至燃烧装置。压缩气体可以与燃料混合并且混合物在燃烧装置内燃烧。热燃烧气体可以接着在涡轮机部内膨胀，由此创建了机械动力并且将所述动力传递至燃气涡轮发动机的轴。燃烧气体可以接着经由排气出口被从燃气涡轮发动机排放。
附图说明
参照附图更详细地说明根据发明的燃气涡轮发动机的特定实施例。附图在以下图中示意性地示出：
图1：在纵向截面图中的燃气涡轮机；
图2：燃气涡轮发动机的一般结构；
图3：在纵向截面图中的根据图1的燃气涡轮机的燃烧装置的一部分；和
图4：图示出用于监测根据图3的燃烧装置的过程的方框图。
具体实施方式
除非另有说明，术语上游和下游是指空气流动和/或工作气体流动的通过发动机的流动方向。术语向前和向后是指气体的通过发动机的一般流动。术语轴向、径向和周向是参照燃气涡轮发动机的转动轴线20做出的。
图1在截面图中示出根据发明的燃烧涡轮发动机10的示例。燃气涡轮发动机10在流动序列中包括空气入口12、压气机部14、燃烧装置部16和涡轮机部18，它们一般被布置在流动序列中并且一般在转动轴线20(因此也是燃气涡轮发动机10的纵向轴线)的方向上。燃气涡轮发动机10进一步包括可围绕转动轴线20转动并且在纵向上延伸穿过燃气涡轮发动机10的轴22。轴22将涡轮机部18驱动地连接至压气机部14。
在燃气涡轮发动机10的操作中，通过空气入口12吸入的空气24由压气机部14压缩并且被输送至燃烧装置部16。
压气机部14包括引导翼片级46和转子叶片级48的轴向序列。
燃烧装置部16包括燃烧器风箱26、由双壁罐27限定的一个或多个燃烧室28和被固定至各燃烧室28的至少一个燃烧装置(combustor)30。燃烧室28和燃烧装置30位于燃烧器风箱26的内侧。通过了压气机部14的压缩空气进入扩散器32并且被从扩散器32排放到燃烧器风箱26内，空气的一部分从那里进入燃烧装置30并与气体或液体燃料混合。燃料/空气混合物接着被燃烧并且来自燃烧的工作气体34经由过渡管道被引导至涡轮机部18。
涡轮机部18包括被附接至轴22的多个涡轮机叶片38。另外，被附接至燃气涡轮机10的定子42的引导翼片40被布置在涡轮机叶片38之间。
来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机部18并驱动涡轮机叶片38，这进而使轴22转动。引导翼片40用于优化燃烧或工作气体的到涡轮机叶片38上的角度。
如图2中示意性地示出的，燃气涡轮发动机10的燃烧装置30可以包括三个部件：燃烧器(burner)50、旋流器52和被连接至燃烧室28的过渡件54。主燃料通过主燃料供给线路56借助燃烧器50被引入旋流器52内，而先导燃料通过包括先导燃料喷嘴60的先导燃料供给线路58进入旋流器52。
主燃料和先导燃料的流动被从连接至共用燃料供给64的燃料分割阀62导出。主燃料的流动通过一组主燃料喷嘴66进入旋流器52，从那里它被沿着旋流器翼片引导同时与进入的压缩空气混合。所得到的燃料/空气混合物在过渡件54内被燃烧，其中所得到的燃烧空气进入燃烧装置28。
图3更详细地示出燃气涡轮发动机10的燃烧装置30的一部分。燃烧装置30被设计成利用液体或燃料进行操作。其燃烧器50包括主液体燃烧器68、主气体燃烧器70和先导燃烧器72。主液体燃烧器68和主气体燃烧器70各包括廊道74、76，其为用于将相应的燃料分发给数个喷嘴以供到旋流器52内的引入的环形腔。
至少一个超声传感器78被分配给燃烧器50的部件中的所有、即主液体燃烧器68、主气体燃烧器70和先导燃烧器72。超声传感器78位于盲孔80中，盲孔中的每一个从相应的燃烧器壳体的外侧几乎到达相应的廊道74、76、位于先导燃烧器72附近的燃料廊道82。
从传感器78发送的超声波行进穿过盲孔80内的空气并穿过处于盲孔80与相应的廊道74、76、燃料廊道82之间的大块材料的窄部分。超声波的至少一部分将接着行进穿过处于与廊道74、76和燃料廊道78一起的流体并且将接着至少部分被从它们撞击到的壁反射。采取相同的路线返回，所发送的超声波的一部分可以由超声传感器78接收并且被变换成电信号。对接收到的信号、特别是相对于行进时间进行评价允许确定传感器与用于反射超声波的相应的壁(壁的一部分)之间的距离。如果在壁上形成了沉积物(在84处示意性地指示出)，则这些距离变化。
在燃烧装置30的可替代的实施例(未示出)中，通孔(到达廊道74、76和燃料廊道82内)可以被设置用于超声传感器78以替代盲孔80。这对于将超声波发送到腔内可以是有利的，但关于超声传感器78的污染是不利的，因为这些传感器将被直接暴露于腔内存在的流体。
气体廊道76的壁上的沉积物84的形成可能特别归因于气体燃料的高硫含量，该高硫含量可能会归因于硫化银的形成而导致通道的阻塞。如果供给不对应于用于在这样的燃烧装置30中使用的特定标准的气体燃料，则特别会是该情况。这样的气体燃料可能还包括可能与气体一起携带的液体(例如，从气体压气机出来)，导致燃烧装置30的组成部件的烧毁。两者、硫化银的形成以及所携带的液体都会引起燃气涡轮发动机10停机。
差质量的液体燃料也可能对涡轮机操作具有负面影响。它可能特别导致在用于在燃烧装置(特别是液体廊道74)内引导液体燃料的那些腔上的沉积物84的形成。它可能进一步导致作为使液体燃料燃烧的结果的在燃烧装置的其他关键组成部件(包括燃料廊道82的壁)上的碳沉积84的形成。
通过对借助于超声传感器78测得的在距离上的变化并且特别是下降进行评价，可以确定形成在被监测的壁上的沉积物84的厚度。基于这些结果，可以创建用于燃烧装置30的维护状态。例如，如果用于燃烧装置30的一般维护计划是基于固定间隔，则监测沉积物84的形成可以被用于必要时更改间隔。
图4示出必要时更改维护计划这样的过程。该过程基于燃烧装置30的评价单元86中的软件自动地运行。在起动过程之后，在步骤1中，将来自超声传感器78的读数变换成维护值(US)。相对于相应的壁上的沉积物84的形成，维护值(或者组合的维护值)可能与测得的距离成反比。接着可以将维护值与第一阈值(ALim)进行比较；步骤2。如果维护值中的至少一个大于第一阈值(并因此比较要求是真的(T))，则(自动地)停止燃烧装置30的操作以便避免归因于沉积物84的形成和/或与气体燃料一起的液体的携带造成的损坏；步骤3a。
否则，即如果比较要求是假的(F)并因此维护值全部小于第一阈值，则进行进一步的比较，确定维护值中的至少一个是否大于比第一阈值(ALim)小的第二阈值(BLim)；步骤3b。如果这是真的(T)，则为下一次计划的维护对出自燃烧装置30的一个或数个组成部件的详细的检查和/或改变做出计划，和/或将直到将进行下一次维护的时间设定得较短；步骤4a。附加过程步骤5可以包括发出警告信号给维护人员，指示出特定维护要求即将到来。否则，即如果维护值与第二阈值的比较交付了假的(F)结果，那么燃烧装置被保持处于操作中而不改变维护状态；步骤4b。在两个情况中，借助于超声传感器测量距离和将读数与第一和第二阈值进行比较继续进行(即，再次以步骤1起动)。
测得的距离的变化不仅受到壁上的沉积物84的形成的影响，而且受到燃烧装置30内的改变的温度和压力的影响。这些改变的温度和压力因此也可能对维护值具有影响，而针对距离上的变化的不同原因之间的差别可以基于这些变化发生的速度而做出。壁上的沉积物84的形成与温度上的(相关)变化相比相对慢地进展，该温度上的变化可能特别归因于循环中的燃烧装置30的操作(即，当开始操作时将燃烧装置30加热并且当终止操作时将其冷却)。压力上的、特别是归因于燃烧动态的改变比温度改变甚至更快地发生。因此，距离上的变化发生的速度可以被分成至少三个范围。具有相对慢的变化的第一范围，代表着沉积物84的形成。由中等速度水平的变化限定的第二范围，代表着温度改变，和具有相对快的变化的第三范围，代表着压力改变。范围中的每一个可以用(不同)范围的维护值来代表。因此，将维护值与阈值进行比较可以包括将对于范围中的每一个的特定维护值与相同或特定的(并因此是不同的)第一和第二阈值进行比较。
Claims (12)
1.一种用于监测燃烧装置(30)的方法，其特征在于，
-借助于所述燃烧装置(30)的传感器，将所述燃烧装置(30)的第一壁与所述燃烧装置(30)的第二壁或者与所述传感器之间的距离测量数次，和
-从所述距离上的变化推断：
-所述第一壁和/或第二壁和/或传感器上的沉积物(84)的形成，和/或
-所述燃烧装置(30)内的温度改变，和/或
-所述燃烧装置(30)内的压力改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用超声传感器(78)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
-将所述距离上的相对慢的下降视作与沉积物(84)的形成有关，
-将所述距离上的相对快的变化视作与压力改变有关，和
-将处于中等速度水平的所述距离上的变化视作与温度改变有关。
4.根据前述权利要求中的一个所述的方法，其特征在于，从所推断出的温度改变导出所述燃烧装置(30)的多个运行循环。
5.根据前述权利要求中的一个所述的方法，其特征在于，从所推断出的压力改变导出特定燃烧动态。
6.根据前述权利要求中的一个所述的方法，其特征在于，从有关所述沉积物(84)的形成、所述压力改变和/或所述温度改变的推断导出维护状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从有关所述沉积物(84)的形成、所述压力改变和/或所述温度改变的推断导出维护值(US)，而如果所述维护值(US)超过阈值(ALim)则将所述燃烧装置(30)设定为操作的停止。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从有关所述沉积物(84)的形成、所述压力改变和/或所述温度改变的推断导出维护值(US)，而如果所述维护值(US)超过阈值(BLim)则将所述燃烧装置(30)计划为维护。
9.根据权利要求7和8所述的方法，其特征在于，用于操作的停止的所述阈值(ALim)高于用于计划维护的所述阈值(BLim)。
10.一种燃烧装置(30)，包括：适于将所述燃烧装置(30)的第一壁与所述燃烧装置(30)的第二壁或者与传感器之间的距离测量数次的传感器，和评价单元(86)，所述评价单元(86)被连接至所述传感器以接收来自其的测量信号并且适于处理根据前述权利要求中的至少一个所述的方法。
11.根据权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，
-用于引导液体燃料的腔，和/或
-用于引导气体燃料的腔，和/或
-用于引导燃烧气体的腔，
而传感器被设置在所述腔中的一个、数个或所有中，用于测量相应的腔的第一壁与相应的腔的第二壁或者与所述传感器之间的距离。
12.一种燃气涡轮发动机(10)，包括根据权利要求10或11所述的燃烧装置(30)。
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