CZ2001645A3 - Snímače a metodika pro zdokonalené měření teploty výstupních plynů u turbíny - Google Patents

Description

Snímače a metodika pro zdokonalené měření teploty výstupních plynů u turbiny

Oblast techniky

Vynález se obecně týká systémů pro měřeni výstupních plynů u turbíny, přičemž se zejména týká způsobu a snímačů pro přesné měření odchylek teplotního profilu výstupních plynů u turbíny.

Dosavadní stav techniky

Turbíny, obsahující plynové, parní nebo jiné turbosoustrojí, zahrnují stator a rotor. Jak stator, tak i rotor obecně obsahují jednu nebo více soustav lopatek, které jsou vzájemně vůči sobě axiálně přesazeny, a které zasahují do prstencovité průtokové dráhy mezi statorem a rotorem.

U plynové turbíny například soustava statorových kompresorových lopatek a soustava rotorových kompresorových lopatek působí společně pro účely stlačování vzduchu, vstupujícího do průtokové dráhy. Směšovací trysky v průtokové dráze mají za úkol směšovat palivo a stlačený vzduch ve stupni předběžného směšování. Tato směs je poté zažehnuta ve spalovacím stupni.

Produktem spalování je expandovaný plyn, který prochází průtokovou drahou turbíny a přichází do styku se soustavou statorových turbínových lopatek a se soustavou rotorových turbínových lopatek. Expandovaný plyn, pohybující se v průtokové dráze, způsobuje pohyb rotorových turbínových lopatek, v jehož důsledku dochází k otáčení turbíny.

Upotřebené produkty spalování opouštějí turbínu jako výstupní plyn, vypouštěný do atmosféry prostřednictvím výstupního kanálu.

Důležitým provozním a řídicím parametrem, sdruženým s efektivním provozem turbíny, je teplota výstupního plynu. Tato teplota výstupního plynu je obvykle měřena s využitím množiny termočlánků, rozmístěných ve stejné vzdálenosti kolem obvodu výstupního kanálu. Hlavní výstupní teplota, vypočtená na základě měření termočlánků, je využívána pro účely sledování a řízení provozu turbíny.

Kromě toho jsou odchylky odečtu teploty mezi jednotlivými termočlánky sledovány pro účely zjišťování nežádoucích provozních podmínek a případů. Poměrně malé odchylky mohou svědčit o provozní neefektivnosti, kdy dochází k nestejnoměrnému napětí v určitých oblastech turbíny, v důsledku čehož dochází ke snížení životnosti jedné nebo více součástí turbíny. Velké teplotní odchylky mohou svědčit o závažných anomáliích, které vyžadují okamžitou pozornost.

Statistické údaje, získávané z výstupů termočlánků po dobu mnoha hodin provozu turbíny, bývaly obvykle využívány pro stanovení náchylnosti k poruchám. Bylo zjištěno, že takovéto statistické údaje byly využitelným diagnostickým «* nástrojem pro zjišťování začínající či vznikající poruchy. Naměřené teplotní odchylky byly využívány pro zjišťování anomálií, zahrnujících například poruchy palivových trysek, popraskání vyzdívky spalovací komory, vzplanutí turbíny, zpětný výšleh plamene směsi paliva se vzduchem, nebo konstrukční netěsnosti. Veškeré takovéto anomálie ovlivňují množství a rychlost, s jakou je palivo a/nebo vzduch přiváděn do turbíny, takže jejich zjišťování má velký význam.

U takovýchto sledovacích a diagnostických postupů dochází k potížím, které vznikají na základě maskování anomálií, které mají být zjišťovány prostřednictvím termočlánků. Jde zejména o to, že termočlánky jsou obvykle uspořádány kolem obvodu výstupního kanálu v předem stanovených vzorech, definovaných počtem, umístěním a vzdáleností spalovacích prvků a statorových a rotorových lopatek.

Tyto potíže se velice často týkají jevu, který je znám jako schodovitost nebo vzorkování. K tomuto vzorkování obecně dochází tehdy, kdy vzorkové intervaly jsou nepostačující k tomu, aby byly rozlišeny případy, ke kterým dochází při různých frekvencích. To znamená, že vzorkovací kmitočet může být dostatečný pro zjišťování případů na jedné frekvenci, avšak nedostatečný pro zjišťováni případů, vyskytujících se na vyšší frekvenci. Takže běžné vysokofrekvenční případy se mohou jevit jako nízkofrekvenční signály, v důsledku čehož dochází k maskování anomálních nízkofrekvenčních případů.

V kontextu výstupního kanálu turbíny dochází ke vzorkování tehdy, když běžně se vyskytující vzory výstupních teplot zahrnují vysokofrekvenční signály, které se jeví jako *· nízkofrekvenční signály. Mezní limit, při kterém k tomu dochází, je funkcí počtu samostatných termočlánků, rozmístěných kolem výstupního kanálu turbíny. To znamená, že počet termočlánků v soustavě na výstupním kanálu je nedostatečný pro rozlišování všech prostorových frekvencí, přítomných ve výstupním vzoru, stanoveném uvedenými turbínovými součástmi.

Obsah vysokých prostorových frekvencí ve výstupním vzoru je proto nesprávně reprezentován (vzorkován) jako obsah nižších prostorových frekvencí. Vzorkovaný signál jednoznačně reprezentuje dva nebo více prostorových frekvenčních vzorů, a to včetně anomálií, které mohou být předmětem zájmu. Výrazné anomálie tak mohou zůstat nezjištěny. Jedním řešením je rozmístění mnohem více termočlánků. Avšak takovéto řešení není praktické.

Jev vzorkování je všeobecně znám v oblasti zpracovávání signálů, a mnohem méně pak v oblasti turbosoustrojí. Nicméně lze tento problém snadno sledovat prostřednictvím několika jednoduchých rovnic pro počet N termočlánků, rozmístěných ve stejné vzdálenosti od sebe kolem obvodu výstupního kanálu. Umístění termočlánku n vzhledem ke středu výstupního kanálu je definováno prostřednictvím azimutálního úhlu Θ_η ve vztahu, stanoveném rovnicí (1):

Θ_η = 2πη/Ν (1)

Pro efektivní periodické vzorkování sinusoidního signálu může být signál, který má být analyzován a který je obecně identifikován prostřednictvím funkce χ(Θ), rozložen a zjednodušen na generickou rovnici (2):

« i · · · ·· ·· ·· • · · φ· ♦·· x (Θ) = Acos (k0) kde

A - představuje amplitudu signálu, a k - představuje jeho prostorovou frekvenci.

Pokud je vzorkováni provedeno v každém z N (2) oddělených umístěni, je výsledkem:

x(n) = Acos(2nkn/N) (3)

Pro	takové	prostorově	periodické složky kx	a k2
odlišných	frekvencí,	popsané	prostřednictvím funkcí	X1 (Θ)
a χ2(θ),	získáme	dvě	soustavy vzorkovacích měření	X1 (n)

a X2 (n), kde:

Xi(n) = Acos (2nkin/N) (4)

X2<n) = Acos (2nk₂n/N) (5) kde každý z odlišných signálů je vzorkován ve stejných místech na výstupním kanálu. Prostřednictvím substituce je možno ukázat, že dvě soustavy vzorkovaných měření Xi(n) a x₂(n) jsou identické, pokud je splněn vztah ki - k₂ = mN (6) • · ’ · ’ · · · ·* ·· ·· »♦· pro některé m = -2, -1, 0, 1, 2,,.., atd. (t j. pro jakékoliv celé číslo). Za těchto podmínek jsou oba signály nerozlišitelné, pokud jsou sledovány prostřednictvím soustavy N termočlánků.

To ukazuje následující příklad. U plynové turbíny, opatřené čtrnácti spalovacími bubny a sedmadvaceti termočlánky, rozmístěnými kolem výstupního kanálu, bude výstupní vzor obsahovat znaky, označující přítomnost čtrnácti spalovacích bubnů. Jelikož však vzorkovací rozšíření není přiměřené, nebudou tyto znaky přesně reprezentovány.

Prostorové frekvence základních kmitů (14 za otáčku) a harmonických kmitů (28, 42, ..., za otáčku) přesahují Nyquistův limit 27/2 = 13,5, za který nemůže být signál jednoznačně reprezentován. Pro základní kmity s ki = 14 dostaneme z rovnice (6) k2 = -13 s m = 1. To znamená, že signál ze čtrnácti spalovacích bubnů je vzorkován v pozorovatelném rozmezí ± 13,5 za otáčku jako signál mimo fázi a s prostorovou frekvencí 13 za otáčku. Interpretace tohoto vzorkovaného signálu by byla zmatečná.

Pro první harmonické kmity získáme z rovnice (6) k_x = 28 a k₂ = 1 pro m = 1. To znamená, že signál je pozorován jako jeden s prostorovou frekvencí 1 za otáčku. Signál by mohl být dostatečně silný pro zastínění jakékoliv reálné samostatné závady kolem prstence turbíny, což může být rovněž charakterizováno prostřednictvím základní prostorové frekvence 1 za otáčku.

Je tak možno vidět, že ke vzorkování signálu dochází s využitím známých soustav samostatných termočlánků.

• 4 «44

4 4 ’ 4 4 4 ·· ·4 44 ··· ··

V důsledku toho mohou být významné události, jako jsou tepelné deformace a podobně, maskovány prostřednictvím normálních vzorů výstupních teplot, takže zůstanou nezjištěny prostřednictvím termočlánků na výstupním kanálu.

Proto tedy existuje potřeba vyvinout způsob pro popsání teplotního profilu výstupního plynu a s ním spojených odchylek. Tohoto způsobu lze možno využit pro identifikaci normálního vzoru prostorových frekvencí, který může maskovat anomálie, které by měly být zjištěny.

Existuje tak potřeba vyvinutí mechanizmu pro odstranění nebo minimalizaci vzorkování prostorových frekvencí normálního teplotního vzoru. Rovněž snímacího zařízení, které rozliší existuje potřeba vyvinutí vzorkování a tak zajistí dosažení přesného teplotního profilu z hlediska celé konstrukce turbíny.

Podstata vynálezu

Shora uvedené potřeby byly splněny prostřednictvím předmětu tohoto vynálezu, který poskytuje metodiku a soustavu snímačových typů, vhodné pro zdokonalené měření teploty plynu na výstupu turbíny.

Byl proto v souladu s předmětem tohoto vynálezu vyvinut způsob omezování šířky pásma spektrální charakteristiky teplotního profilu plynu na výstupu turbíny, opatřené výstupním kanálem, který obsahuje následující kroky:

stanovení prostorových frekvencí teplotního vzoru plynu na výstupu turbíny,

Z Z ’*· * · · · »· ·· ·· ··· ·· ··· určení limitu prostorových frekvencí, definování filtrační funkce pro odfiltrování těch prostorových frekvencí, které jsou větší než uvedený limit prostorových frekvencí, a uplatnění ve výstupním kanálu turbíny soustavy snímačů teploty, která provádí uvedenou filtrační funkci.

Turbína s výhodou obsahuje jednu nebo více spalovacích komor a jednu nebo více chladicích trysek, přičemž uvedený krok stanovení prostorových frekvencí zahrnuje následující kroky:

stanovení odchylek prostorových frekvencí, sdružených s provozem jedné nebo více spalovacích komor, a stanovení odchylek prostorových frekvencí, sdružených s provozem jedné nebo více chladicích trysek.

Uvedená soustava snímačů teploty s výhodou zahrnuje množinu snímačů, rozmístěných ve stejných vzdálenostech kolem výstupního kanálu turbíny.

Krok určení limitu prostorových frekvencí s výhodou zahrnuje následující kroky:

identifikaci počtu uvedených snímačů kolem výstupního kanálu turbíny,

J - - _e i ’ i · «Φ ·· «« *·· ·· ♦ ·· podělení počtu uvedených snímačů dvěma pro stanovení Nyquistova mezního Čísla, a definování uvedeného limitu prostorových frekvencí jako frekvence menší, než uvedené Nyquistovo mezní číslo.

Každým z uvedené množiny snímačů je s výhodou distribuovaný gradientní termočlánek.

Každým z uvedené množiny snímačů může rovněž s výhodou být odporový teploměr.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byl dále rovněž vyvinut snímač pro měření teplotního profilu plynu na výstupu turbíny, opatřené výstupním kanálem turbíny. Předmětný snímač obsahuje množinu distribuovaných gradientních termočlánků, připevnitelných k výstupnímu kanálu turbíny, přičemž každý z uvedených distribuovaných gradientních termočlánků je vytvořen ze dvou nebo více materiálů s různými termoelektrickými koeficienty, a přičemž uvedený snímač definuje filtrační funkci pro odfiltrování schodovitých signálů standardního teplotního vzoru výstupního plynu.

Každý z uvedených distribuovaných gradientních termočlánků s výhodou zahrnuje dvojici vodicích drátů a dvojici gradientních drátů, přičemž první z uvedené dvojice vodicích drátů je vytvořen z prvního vodivého materiálu a druhý z uvedené dvojice vodicích drátů je vytvořen z druhého vodivého materiálu, přičemž uvedená dvojice gradientních drátů zahrnuje první gradientní drát, jehož první konec je připojen k uvedenému prvnímu z uvedené dvojice vodicích drátů • * *·» · * · · ·* · ·« ·*« ·· ··· a končí ve druhém konci, druhý gradientní drát má první konec připojen k uvedenému druhému z uvedené dvojice vodicích drátů a končí ve druhém konci, připojeném k uvedenému druhému konci uvedeného prvního gradientního drátu, přičemž uvedený první gradientní drát je vytvořen v podstatě úplně z uvedeného prvního vodivého materiálu na jeho uvedeném prvním konci, přičemž se kombinace uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu postupně zvyšuje tak, že na jeho uvedeném druhém konci je množství uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu v podstatě stejné, a přičemž uvedený druhý gradientní drát je vytvořen v podstatě úplně z uvedeného druhého vodivého materiálu na jeho uvedeném prvním konci, přičemž se’kombinace uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu postupně zvyšuje tak, že na jeho uvedeném druhém konci je množství uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu v podstatě stejné.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byl dále rovněž vyvinut snímač pro měření teplotního profilu plynu na výstupu turbíny, opatřené výstupním kanálem turbíny. Tento snímač obsahuje množinu odporových teploměrů, připevnitelných k výstupnímu kanálu turbíny, přičemž každý 2 uvedených odporových teploměrů má rozsah, a přičemž se měrný odpor každého z uvedených odporových teploměrů mění v uvedeném rozsahu se změnami teploty, a přičemž uvedený snímač definuje filtrační funkci pro odfiltrování schodovitých signálů standardního teplotního vzoru výstupního plynu.

··· *··

Přehled obrázků na výkresech na příkladech bude podán s kde:

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn jeho konkrétního provedení, jejichž popis přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, obr. 1 znázorňuje horkých plynů, vedoucí zjednodušený pohled v řezu na dráhu plynovou turbínou;

zjednodušený koncový opatřený soustavou podle tohoto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje výstupní kanál turbíny, termočlánků pohled na gradientních obr. 3 termočlánku znázorňuje zjednodušené vyobrazení podle tohoto vynálezu;

gradientního obr. 4 základních znázorňuje graf spektrální hustoty výkonů a harmonických tepelných frekvenci, naměřených s využitím oddělených termočlánků; a obr. 5 znázorňuje graf filtrační funkce, sdružené s tohoto vynálezu, v závislosti příkladné amplitudové odezvy gradientním termočlánkem podle na prostorové frekvenci odezvy.

Příklady provedení vynálezu

Na jednotlivých obrázcích výkresů jsou stejné součásti označovány stejnými vztahovými značkami v různých pohledech.

Na vyobrazení podle obr. 1 je znázorněn zjednodušený pohled na část turbínového soustrojí 10. Toto turbínové soustrojí 10 mimo jiné zahrnuje kompresor (na vyobrazení ··· 9 neznázorněno), který dodává stlačený vzduch do spalovací komory 11, kde se tento stlačený vzduch směšuje s palivem, přiváděným přívodem 12 paliva, načež je tato směs zažehnuta pro účely vytváření horkých spalovacích plynů. Tyto plyny

proudí dolů ve	směru	proudění	do	turbíny	13 společně
s chladicím vzduchem	z množiny	po	obvodu	rozmístěných
turbínových statorových	trysek.
Turbína 13	zahrnuje množinu	P°	obvodu	rozmístěných
lopatek, a to	včetně	příkladné	turbínové	lopatky 15,

rozprostírající se radiálně směrem ven od oběžného kola, které je připevněno ke hřídeli 16 pro účely otáčení kolem středové osy turbínového soustrojí 10. Horké spalovací plyny expandují proti turbínové lopatce 15, což způsobuje otáčení oběžného kola, načež horké spalovací plyny procházejí do výstupního kanálu 17. V důsledku této expanze se dále otáčí hřídel 16, který je spojen s kompresorem, a který může být rovněž připojen k zátěžovému zařízení, jako je například elektrický generátor nebo poháněči zařízeni či vrtule.

V závislosti na specifických turbínového soustrojí různých analýzy požadavcích celá řada spektrální zvláštní pozornost

10. Při soustroj í zejména turbínovým soustrojím proudění 18 ve spalovací rozměrech zde může a výkonnostních být znázorněna popisu způsobu bude věnována součástí. Pro účely podle tohoto vynálezu určitým aspektům provozu turbínového této vzaty v úvahu příkladné spektrální analýze budou součásti

10, a to komoře 11, pro proudění tekutiny včetně součástí pro proudění 19 chladicího vzduchu a výstupní proudění 20.

• · · * ««··· · • «···«· « · · · ·

S využitím běžně známých rovnic o zachování hmoty a o izoentalpickém směšování může být každá proudová trubice, přidružená k turbínovému soustrojí 10, představována zjednodušeně jednorozměrnými výrazy, za předpokladu, že hmota je zachována podél dráhy, a to následujícími dvěma rovnicemi:

^výstupí®) ⁼ Klapal. komora (θ) + Ochlad. (®) ⁼ mturbina (θ) (7) ftlvstup turbiny (Θ) hvstup turbiny (Θ) = naspal. komora (Θ) hgpal. komora (Θ) i m_chlad. (Θ) h_chlad. (Θ) (8) přičemž hmotnostní průtoky jsou za jednotku času a na jednotku plochy prstencovité průtokové dráhy turbínou 10, a přičemž:

Θ - představuje azimutální úhel kolem turbíny 10, h_spai.komora (Θ) - je entalpie výstupního vzoru ze spalovací komory 11, iUchiad. (Θ) - je periodické chladicí proudění od statorových lopatek turbíny 10, a hchiad. - je entalpie chladivá, na výstupu kompresoru 12.

Je nutno poznamenat, že h_spai. komora (Θ) je možno rozložit na dvě složky prostřednictvím jednoduché rovnice:

(9)

• · · ·	•	•	···	•	•	•
• * «·· ·	•	•	*	• ·	•	•
• ·	• «		•	•	•
«« ··	··	···	··	• ·

kde:

h_spai. komora - je prostorový průměr entalpie na výstupu spalovací komory, a

Ah_spai. komora (Θ) - popisuje prostorové kolísání entalpie, způsobené znaky spalovací komory, jako jsou například znaky bubnu, vířiČe a podobně.

Je známo, že polytropický průtokový vzor turbínovým soustrojím 10 je ovlivňován celou řadou různých součástí v průtokové dráze. Entalpie, týkající se tohoto průtoku, může být charakterizována rovnicí (10), ve které p představuje tlak, sdružený s příslušnou průtokovou součástí, identifikovanou prostřednictvím dolního indexu:

hvýstup (Θ) = hvstup turbiny (Θ) * (Pvýstup/Pspal.

Pro účely předmětu tohoto vynálezu je řešení h_Vý_StUp (Θ) velmi zajímavé pro rozložení prostorového spektra vzoru výstupních teplot.

Prostřednictvím sloučení a zpracování rovnic (8) a (9) a za předpokladu, že m_Chiad. (O)/m_spai. komora je mnohem menší, než jedna, je možno stanovit, že:

^turbina (Θ) /h_spal . komora komora (hspal.

komora

komora * Ochlad.

(Θ) / m_spai, komora (Θ) /m_3pai.

komora

Ochlad. (Θ) Ah_spai, komora (Θ) /m_spai.

komora hspal. komora + výrazy vyššího řádu (11) v

* • · ·· • ··♦ v· « ·· • t ···

Tepelný vzor a výkyvy chlazení pak mohou být charakterizovány v souladu s funkcemi f_Chiad. (Θ) a f_vzor (Θ) _t kde fchiad. (Θ) definuje prostorové kolísání, způsobené chlazením trysek, a jednotkovou amplitudu tohoto proudění. To znamená, že jde o prostorovou frekvenci, příslušející většímu počtu chladicích trysek, jejich vzdálenost a podobně.

Funkce f_vzor (Θ) definuje prostorové kolísání, způsobené prouděním ve spalovací komoře, a jednotkovou amplitudu tohoto proudění. To znamená, že jde o prostorovou frekvenci, příslušející k většímu počtu spalovacích bubnů, jejich vzdálenost a podobně.

S využitím těchto obecních funkcí pro charakteristiku obvodových kolísání v proudech plynu je možno vidět, že:

Flchlad. (θ)/naspal, komora ⁼ (^chlad./^spal. komora) (1 + fchiad. (θ) ) (12)

(Θ)

Vezmeme-li v úvahu rovnice (10) až (13), pak rovnice (14), která následuje, představuje model podle tohoto vynálezu pro teplotní profil plynu na výstupu turbíny:

(13) « · · · · · ··· 4 · · • · ··· 4 · · · · 4 · < 4 · · · 4 ·· ·· ·· ·4 ··· ···44 hvýstup (Θ) (Pvýstup/pspal. komora) ~ hchlad. ) /hspal. komora) (M_chi_acj. /iTlspal. komora) + (Ah_spal.

komora/hspal. komora) Fvzor (0) [1 ( (hgpal. komora (1 ~ m_chlad. /m_Spai.komora) ~ ( (hspal, komora hchlad.) /hgpal.komora) (^chlad./^spal. komora) ^— mchlad./lUspal.komora) ( ůh_Sp_ai, komora/hspal. komora) íchlad. (Θ) + výraz vyššího řádu] fchlad.

(Θ) fvzor (θ)

Rovnice (14) poskytuje soustavu výrazů, odpovídajících součástem turbínového soustrojí 10, které ovlivňují teplotní vzor výstupního prouděni 20, proudícího ven z výstupního kanálu 17 turbiny.

Tabulka 1 obsahuje souhrnný přehled výrazů rovnice (14) a turbínových součástí, které definují specifické prostorové frekvence tepelného vzoru výstupního kanálu 17.

Tabulka 1

Výraz	Řád	Prostorové frekvence
1	1	0
(h3pai,komora—hchlad. ) /hspal.komora	Ochlad. /ffispal. komora	0
(Ι-Ochlad./Mspal.komora) *fvzor	ůhgpal, komora/hspal. komora	Hbubny, 2ttbubny, ^ribubny, ·
( (hSpai.komora hchlad.) /hSpai.komora) * f chlad.	Hlchlad. /lůspal.komora	ritrysky, 2ntrysky, 3ritrysky, · · ·
íchlad. fvzor	Ochlad. ůhSpai. komora/ mSpal.komora hSpai.komora	^trysky ± Bbubny, ^trysky i 2Ububny, ^trysky ±

* · · · · · ··· ♦ * ♦ · ♦·· · · * φ « * · • · · φ · ··· «· «· ·· ··· ··

První výraz v tabulce 1 se týká průměrné teploty na výstupu ze spalovací komory.

Druhý výraz se týká průměrného chladicího účinku proudu vzduchu, proudícího od statorových trysek.

Třetím výrazem je amplituda signálu spektrální teploty s ohledem na prostorovou frekvenci, sdruženou s prouděním ze spalovacích bubnů vzhledem ke středové ose turbíny, a její vyšší harmonické kmity.

Čtvrtým výrazem je amplituda signálu spektrální teploty s ohledem na prostorovou frekvenci, sdruženou s prouděním ze statorových trysek vzhledem ke středové ose turbíny, a její vyšší harmonické kmity.

Poslední výraz pak představuje postranní pásma, která jsou výsledkem nelineárnosti, vznikající směšováním průtokových proudů tekutiny ze spalovacích bubnů a z trysek.

Spektrum je znázorněno na vyobrazení podle obr. 4 pro stroj se čtrnácti spalovacími bubny a s osmačtyřiceti tryskami. V případě sedmadvaceti termočlánků je veškerý vysokofrekvenční obsah nad Nyquistovým limitem 13,5 schodovitý a do značné míry narušuje interpretaci měřeného spektra.

Způsob podle tohoto vynálezu, určený pro charakterizování spektrální frekvence jako funkce účinků spalovacích bubnů, chladicích trysek a jejich přidružených součástí, může být využíván pro identifikaci efektivních teplotních snímačů.

- — - T	v --		«
• *	« 9	9 *	99 9	9	9
9 9	··♦ 9	• ·	•	9 9	9
9 ·	9	« ·	•	•	9
• ·	9 9	99	···		9«

Rozložená soustava 30 gradientních termočlánků 31 podle tohoto vynálezu je znázorněna ve zjednodušené formě na vyobrazení podle obr. 2.

Tato soustava 30 obsahuje množinu od sebe vzdálených gradientních termočlánků

31, opatřených spojovacími vedeními 32 pro přenášení elektrického signálu do analytického zařízení (neznázorněno).

Gradientní termočlánky 31 jsou s výhodou rozmístěny kolem výstupního kanálu 17 turbíny obdobným způsobem, který je používán u známého nespojitého uspořádání termočlánků.

Je nutno poznamenat, že gradientní termočlánky 31 mohou být od sebe vzájemně odděleny kolem obvodu výstupního kanálu 17, nebo se mohou překrývat v jednom nebo ve více místech, a to v souladu s požadovanou filtrační funkcí. Počet použitých gradientních termočlánků 31 je závislý na příslušných charakteristikách turbíny, a zejména na prostorových frekvencích, které mají být zjišťovány.

Kromě toho je rozložená soustava 30 gradientních termočlánků 31 jednou z mnoha jiných možností pro řešení problému schodovítosti či vzorkování. Další možností je odporový teploměr, který bude popsán v dalším.

Významným aspektem rozložené soustavy 30 gradientních termočlánků 31 podle tohoto vynálezu je uspořádání gradientních termočlánků 31, znázorněné na vyobrazení podle obr. 3.

VVVV w » V * V · • · 4 · 4 4 «4« 4 4*

4 44« 444 4 4 4 44 »«4»444 • 4 44 44 444 44«44

Tyto gradientní termočlánky 31 jsou vytvořeny jako slitiny z materiálů, které mají odlišné termoelektrické koeficienty. Každý z gradientních termočlánků 31 je vytvořen ze směsi dvou nebo více takových materiálů.

Kromě toho je každý gradientní termočlánek 31 vytvořen s proměnlivým poměrem směsi materiálů podél délky gradientního termočlánku 31. To znamená, že například materiálem „A může být slitina jednoho ze spojovacích vedeni 32. Konec 33 termočlánkového drátu, který je zde připojen, je tvořen stoprocentním materiálem A. Druhé spojovací vedení 32 je vytvořeno z materiálu B, přičemž konec dalšího termočlánkového drátu, který je zde připojen, je tvořen stoprocentním materiálem B.

Podél termočlánkového drátu směrem ke konci 34 má první termočlánkový drát postupně se zvyšující množství materiálu B, přidaného do základního materiálu A, přičemž druhý termočlánkový drát má postupně se zvyšující množství materiálu A, přidaného do základního materiálu B. Na konci 34 jsou oba termočlánkové dráty uspořádány tak, že mají totožné složení, tj. nominálně 50 % každého z materiálů A a B.

Je pochopitelné, že celá řada materiálů s různými termoelektrickými koeficienty může být využívána v celé řadě různých poměrů pro vytvoření gradientních termočlánků 21 s volitelnými výstupy, vytvářejícími požadovanou filtrační funkci podél délky termočlánku. Je možno využívat standardních termočlánkových materiálů s příslušnou kontinuálně proměnlivou rozpustností jednoho v druhém, takže je dosaženo hladké změny termoelektrického koeficientu.

Uspořádáni materiálů, které mají rozdílné termoelektrické koeficienty, zaručuje, že snímač má požadované charakteristiky. Diferenciální teplotní změny podél délky každého gradientního termočlánku 31 vytvářejí diferenciální podíl na elektromotorické síle E_AB, snímané ve spoji se spojovacími vedeními 32. Diferenciální podíl dE_AB, například dvou materiálů A a B, je úměrný rozdílu mezi termoelektrickými koeficienty pro každý z materiálů ve slitině materiálů, které existují v daném bodě podél termočlánkového drátu.

To může být charakterizováno následující rovnicí (15) :

E_ab = [a_a(x) - a_b(x)](dT(x)/dx)dx (15) kde „a - je lokální termoelektrický koeficient materiálu, „x - je specifické místo podél délky termočlánku, „L - je délka gradientního termočlánku, „T - je lokální teplota, a indexy „a a „b odkazují na dva termočlánkové dráty.

Přepokládejme pro účely jednoho příkladu, že ve slitině materiálů je gradient mezi konci 33 a 34, takže následující gradient v diferenciálním termoelektrickém koeficientu je vytvářen:

a_a(x) - a_b(x) = (a_a(0) - a_b(0))(l - x/L) (16)

Jelikož termočlánkové dráty mají na konci 33, kde x = 0, stoprocentní obsah materiálů A a B, máme a_a(0) ct_A a • · ·· otb(O) = α_Β nebo a_a(x) - a_b(x)

- CIabÍI - x/L), kde áíXab - α_Α - a_B.

Dosazením rovnice (16) do rovnice (15) a rozvinutím na části dostaneme následující rovnici (17) :

= Δα_ΑΒ * (1/L) T(x) - T(0)dx (17)

Rovnice (17) zcela jasně vyjadřuje, že každý z gradientních termočlánků 31 odpovídá prostorovému průměrnému teplotnímu diferenciálu, vykazovanému podél jeho celé délky L. Je nutno poznamenat, že prodloužené dráty 32 a/nebo studené spoje mohou být přidány ke gradientním termočlánkům 31 pro vytváření průměrných teplotních hodnot ve vztahu k teplotě studeného spoje, pokud má být některá měřena.

Uskupení gradientních termočlánků 31 rozložené soustavy 30 vytváří filtrační systém, který působí pro potlačování amplitudy vyšších frekvenčních signálů, sdružených s harmonickými kmity standardních součástí turbíny.

To lze chápat následovně. Předpokládejme vzor teplot na výstupu plynové turbíny popsaný prostřednictvím 2π periodické funkce T (θ) ; T (θ) = Τ(θ) + 2π), kde Θ je azimutální úhel kolem turbíny. Snímač výstupního vzoru, mající prostorovou filtrační funkci F(Θ) poskytuje měřenou teplotu Μ(θ).

T (Θ), F (Θ) a Μ(θ) mají vůči sobě vzájemný vztah prostřednictvím konvoluce Μ(θ) = Jf (θ - Φ)Τ(Φ)άΦ.

• · · ·» · ··· 44

4 · 4 · 44 • 4 444»44

44 «·«*· ·

'ΐ

Uplatněním konvoluční vlastnosti Fourierovy transformace dostaneme:

M(n) = F(n)T(n) kde n - je prostorová frekvence, a

M, F a T - jsou příslušné Fourierovy transformace M, F a T.

Pro gradientní termočlánek podle tohoto vynálezu, který je znázorněn na vyobrazení podle obr. 2, a jehož činnost je vyjádřena prostřednictvím rovnice (17), je filtrační funkce následuj ící:

F (Θ) — 0 pro |θ I > Ιΐ/ntermočlánky

F (Θ) - Dtermočlánky/2ΐΐ pro |θ í á 7ΐ/η termočlánky

Standardní Fourierova transformace pro filtrační funkci, sdruženou s distribuovaným systémem gradientních termočlánků podle tohoto vynálezu, je vyjádřena v rovnici (18) :

F(n) = ntermočlánky/τΐη * SÍn (Ttn/ntermočlánky) (18) kde n - je prostorová frekvence, otáčky“¹.

Uspokojivých výsledků je dosahováno v případě, kdy ^termočlánky je zvoleno tak, že je rovno počtu spalovacích bubnů. Povšimněme si, že jde o výrazně nižší počet termočlánků, než u stávajícího stavu techniky.

· 4 4 4··444

44 4 4 ·4·4 44 • 4 444 · 4 4 4444 «4 44 444 44444

Výsledné filtrační spektrum je znázorněno na vyobrazení podle obr. 5. Povšimněme si, že Nyquistův limit je nyní ntermočiánky/2. Z rovnice (18) a z obr. 5 vyplývá, že dominantní signály, základní a harmonické kmity spektra spalovacích bubnů jsou u tohoto uspořádání zcela odstraněny. Zbývající vysokofrekvenční obsah, sdružený s chlazenými tryskami, má výrazně sníženou amplitudu.

Například pro turbínu 10 s osmačtyřiceti tryskami, se čtrnácti spalovacími bubny a se čtrnácti gradientními termočlánky 31 je amplituda signálu typického vzoru snížena o faktor

F(n = 48) I = (14/48 * π) * sin(48 * π/14) = 0,09

Veškerý očekávaný vysokofrekvenční obsah je tak výrazně utlumen, a pokud je vzorkován pro frekvence pod Nyquistovým limitem, potom nadále nezastiňuje nízkofrekvenční signály, vytvářené přirozenými nesouvislými spalovacími poruchami.

Alternativní filtrační funkce mohou být rozvinuty odborníkem z dané oblasti techniky. Úkolem předmětu tohoto vynálezu je vyvinout způsob a alespoň jeden navrhovaný systém pro zjišťování spektrálních vzorů, sdružených s typickými konstrukcemi turbiny, a poskytováni filtračního mechanizmu pro maskování vysokofrekvenčních základních a harmonických kmitů, které jinak mohou maskovat poruchy, které mají být zjišťovány, a to bez výrazného zvýšení počtu měřicích ústrojí. Soustava 30 gradientních termočlánků 31 podle obr. 2 je jedním takovým systémem.

Úprava poměrů různých materiálů a • · ·· φ · ·· φ φ φφφ · φ φφ φφ φφ • * • ···

jejich příslušných termoelektrických koeficientů může být použita pro přizpůsobení specifických filtračních charakteristik soustavy 30 gradientních termočlánků 31.

Alternativní efektivní filtrační funkce může být zajištěna s využitím odporového teploměru. Soustava odporových teploměrů může být rozmístěna kolem výstupního kanálu 17 turbíny stejným způsobem, jaký byl popsán pro rozmístění soustavy 30 gradientních termočlánků 31, znázorněné na vyobrazení podle obr. 2.

Namísto toho, aby byly vytvořeny ze dvou nebo více materiálů s odlišnými termoelektrickými koeficienty, je každý odporový teploměr ze soustavy tvořen drátem nebo zapouzdřeným drátem. Odporový teploměr má měrný odpor p v jakémkoliv bodě x podél jeho délky L mezi prvním koncem A a druhým koncem B, který je závislý na teplotě v souladu se vztahem p(x) = po + β (T(x) = T_o) kde

Po - je měrný odpor při referenční teplotě To, a β - je teplotní koeficient měrného odporu.

Rovnice (19) popisuje odpor v odporovém teploměru o konstantní průřezové ploše A. V důsledku toho odporový teploměr poskytuje alternativní filtrační funkci, která výrazně snižuje velikost typického spektrálního vzoru turbíny.

• · · · * * · *··· • · · · · ♦ ··♦ · · · 0 · ··· ♦ 9 · · · « · · • · · · · « · * ·· ·« ·« ♦ ·· ** ···

Rab = Po (L/A) + (β/Α) * Jt (x) - T_odx (19)

Složitějších filtračních funkcí je možno dosáhnout prostřednictvím úpravy průřezové plochy a dalších znaků odporového teploměru.

Shora byl popsán způsob pro charakterizování spektrálního vzoru teplot ve výstupním kanálu turbíny. Kromě toho byly popsány dva typy snímačů, z nichž každý je určen pro zavedení filtrační funkce do analýzy měření teploty pro omezení spektrální šířky kmitočtového pásma. Tímto způsobem pak poměrně malé konstrukční anomálie, zjistitelné z odchylek teplotního profilu ve výstupním kanálu turbíny, nebudou maskovány prostřednictvím schodovitých signálů, sdružených s běžně se vyskytujícími teplotními vzory výstupního plynu.

Přestože byla popsána specifická provedení předmětu tohoto vynálezu, je pro odborníka z dané oblasti techniky zcela zřejmé, že je možno vytvářet jeho různé modifikace a alternativy, aniž by došlo k úniku z myšlenky a rozsahu předmětu tohoto vynálezu, tak jak jsou definovány v následujících patentových nárocích.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob omezování šířky pásma spektrální charakteristiky výstupního teplotního profilu plynu turbínového soustrojí (10), opatřené výstupním kanálem (17), vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:

   stanovení prostorových frekvencí teplotního vzoru plynu na výstupu turbíny, určení limitu prostorových frekvencí, definování filtrační funkce pro odfiltrování těch prostorových frekvencí, které jsou větší než uvedený limit prostorových frekvencí, a uplatnění ve výstupním kanálu (17) turbíny (13) soustavy (30) snímačů teploty, která provádí uvedenou filtrační funkci.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že turbínové soustrojí (10) obsahuje jednu nebo více spalovacích komor a jednu nebo více chladicích trysek (14), přičemž uvedený krok stanovení prostorových frekvencí zahrnuje následující kroky:

   stanovení odchylek prostorových frekvencí, sdružených s provozem jedné nebo více spalovacích komor, a stanovení odchylek prostorových frekvencí, sdružených s provozem jedné nebo více chladicích trysek (14).

   •· *· · •· •····* • · * · *
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že soustava (30) snímačů teploty zahrnuje množinu snímačů (31), rozmístěných ve stejných vzdálenostech kolem výstupního kanálu (17) turbíny (13).
4. 4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že krok určení limitu prostorových frekvencí zahrnuje následující kroky:

   identifikaci počtu uvedených snímačů (31) kolem výstupního kanálu (17) turbíny (13), podělení počtu uvedených snímačů (31) dvěma pro stanovení Nyquistova mezního čísla, a definování uvedeného limitu prostorových frekvencí jako frekvence menší, než uvedené Nyquistovo mezní číslo.

   5. Způsob podle nároku 3, v y z n a č u j i c í se t í m , že každým z uvedené množiny snímačů (31) je distribuovaný gradientní termočlánek (31) . 6. Způsob podle nároku 3, v y z n a č u j i c í se t í m , že každým z uvedené množiny snímačů (31) je odporový teploměr.
5. 7. Soustava (30) snímačů teploty pro měření teplotního profilu plynu na výstupu turbíny (13), opatřené výstupním kanálem (17) turbíny (13), vyznačující se •· «· •· •· ··· tím, že obsahuje množinu distribuovaných gradientních termočlánků (31), připevnitelných k výstupnímu kanálu (17) turbíny (13), přičemž každý z uvedených distribuovaných gradientních termočlánků (31) je vytvořen ze dvou nebo více materiálů s různými termoelektrickými koeficienty, a přičemž soustava (30) snímačů teploty definuje filtrační funkci pro odfiltrování schodovitých signálů standardního teplotního vzoru výstupního plynu.
6. 8. Soustava (30) snímačů teploty podle nároku 7, vyznačující se tím, že každý z uvedených distribuovaných gradientních termočlánků (31) zahrnuje dvojici vodicích drátů (32) a dvojici gradientních drátů (31), přičemž první z uvedené dvojice vodicích drátů (32) je vytvořen z prvního vodivého materiálu a druhý z uvedené dvojice vodicích drátů (32) je vytvořen z druhého vodivého materiálu, přičemž uvedená dvojice gradientních drátů (31) zahrnuje první gradientní drát, jehož první konec (33) je připojen k uvedenému prvnímu z uvedené dvojice vodicích drátů (32) a končí ve druhém konci (34), druhý gradientní drát má první konec (33) připojen k uvedenému druhému z uvedené dvojice vodicích drátů (32) a končí ve druhém konci (34), připojeném k uvedenému druhému konci uvedeného prvního gradientního drátu, přičemž uvedený první gradientní drát je vytvořen v podstatě úplně z uvedeného prvního vodivého materiálu na jeho uvedeném prvním konci (33), přičemž se kombinace uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu postupně zvyšuje tak, že na jeho uvedeném druhém konci (34) je množství uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu v podstatě stejné, a přičemž uvedený druhý gradientní drát je vytvořen v podstatě úplně ♦ · • 4 · • 4 «41 ·«

   - — — w v I 4 4 • 4 · 4 4 • * · 4 • 4 4 • 4 · 4 • · 4 • 44 ·· 4» 4

   z uvedeného druhého vodivého materiálu na jeho uvedeném prvním konci (33), přičemž se kombinace uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu postupně zvyšuje tak, že na jeho uvedeném druhém konci (34) je množství uvedeného prvního vodivého materiálu a uvedeného druhého vodivého materiálu v podstatě stejné.
7. 9. Soustava (30) snímačů teploty pro měření teplotního profilu plynu na výstupu turbíny (13), opatřené výstupním kanálem (17) turbíny (13), vyznačující se tím, že obsahuje množinu odporových teploměrů, připevnitelných k výstupnímu kanálu (17) turbíny (13), přičemž každý z uvedených odporových teploměrů má rozsah, a přičemž se měrný odpor každého z uvedených odporových teploměrů mění v uvedeném rozsahu se změnami teploty, a přičemž soustava (30) snímačů teploty definuje filtrační funkci pro odfiltrování schodovitých signálů standardního teplotního vzoru výstupního plynu.