[发明专利]用于燃气涡轮燃烧监测和控制的多功能传感器系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请以引用的方式整体地结合下述一并在审的美国专利申请，就像这些专利申请在本文被完整地阐述的那样：

在同一日同时提交的序列号未知、案卷号2013P22724US（Siemens 230）的“Active Temperature Monitoring In Gas Turbine Combustors”；

在2010年12月14日提交的序列号12/967,148、公布号US2012/0150413的“Gas Turbine Engine Control Using Acoustic Pyrometry”；

在2013年3月14日提交的序列号13/804,132的“Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor”。

本申请还以引用的方式全文结合于2010年12月14日授权的美国专利号7,853,433的“Combustion Anomaly Detection Via Wavelet Analysis of Dynamic Sensor Signals”，就像该文献在本文被完整地阐述的那样。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机中的燃烧器的燃烧监测和控制，包括异常检测和分类，所述燃气涡轮发动机例如包括工业燃气涡轮（IGT）发动机、其他类型的静止燃气涡轮、航海、航空和其他运输工具的燃气涡轮发动机。更具体地，本文所公开的监测和控制方法和设备的实施例采用用于燃烧器温度确定以及燃烧异常检测和分类的共用感测和控制系统。在本文所公开的实施例中，热声传感器、声音发射器和/或收发器的阵列被用于实时主动燃烧器温度确定、异常检测或异常分类中的一者或多者。

背景技术

诸如燃气涡轮发动机的燃烧涡轮通常包括压缩器部段、燃烧器部段、涡轮部段和排气部段。在操作中，压缩器部段引导并压缩环境空气。燃烧器部段总体上可包括多个燃烧器，所述燃烧器用于接收压缩空气并将其与燃料混合以形成燃料/空气混合物。燃料/空气混合物由每个燃烧器燃烧以形成热工作气体，该热工作气体可被引导到涡轮部段，该热工作气体在涡轮部段处膨胀通过交替排的静止翼型和旋转翼型，并且被用于产生可驱动转子的功率。离开涡轮部段的膨胀气体可经由排气部段从发动机排出。

诸如火焰逆燃的燃烧异常公知发生在燃气涡轮发动机的燃烧部段中。火焰逆燃是当空气和燃料混合物的紊流燃烧速度超过燃烧器组件中的轴向流速时可能导致的局部化现象，从而导致火焰锚定至燃烧器组件中/周围的一个或多个部件上，例如围绕燃烧室设置的衬件。如果逆燃状况保持延长的时间段而不加以校正，则锚定火焰可能会烧穿所述部件。因此，火焰逆燃和/或其他燃烧异常可能导致不想要的损坏，并且甚至可能毁坏燃烧发动机部件，使得可能有必要修复或更换这种部件。

在单个燃烧器处的燃料/空气混合物在发动机操作期间被控制，以保持一个或多个操作特征处于预定范围内，例如以保持期望效率和/或功率输出、控制污染物水平、防止压力振荡并且防止熄火。在已知类型的控制布置中，整体涡轮排气温度也可作为参数被监测，该参数可被用于监测发动机的操作状况。例如，控制器可监测测量涡轮排气温度，并且排气处的温度的测量变化可能导致控制器改变发动机的操作状况。

目前，存在多种不同类型的传感器和感测系统，其被用于监测燃烧并且保持用于发动机保护的燃烧过程的稳定性的领域中。例如，动态压力传感器被用于燃烧稳定性和谐振控制。无源视觉（光学可见光和/或红外光谱）传感器、离子传感器和盖革米勒检测器被用于检测燃烧器中的点火/熄火，而热偶被用于逆燃检测。