专利名称：用于压缩机入口温度测量的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题涉及一种用于压缩机入口温度测量的系统和方法。
背景技术：
一般来说，燃气轮机发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生热的燃烧气体。 燃烧气体可流过涡轮，为负载和/或压缩机产生动力。压缩机通过一系列的级来压缩空气， 各个级具有多个叶片，叶片绕着中心轴旋转。如将理解的那样，进入压缩机中的空气流上的温度差异可在压缩机内产生不均勻的空气密度分布。从而，压缩机叶片可能会在叶片经过密度变化的区域时经受过早磨损。结果，与接收具有基本均勻的温度分布的空气流的压缩机相比，压缩机叶片的使用寿命可能会降低。
发明内容
以下对在范围上与原本声明的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施例不意图限制所声明的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包括可与以下阐述的实施例相似或不同的多种形式。在第一个实施例中，一种系统包括指向进入压缩机中的流体流的辐射探测器阵列。该辐射探测器阵列配置成输出指示流体流的二维温度轮廓的信号。该系统还包括通讯地联接到辐射探测器阵列上的控制器。该控制器配置成基于该信号来探测流体流上的温度差异。在第二个实施例中，一种系统包括配置成将空气流提供给压缩机的入口。该系统还包括指向基本垂直于空气流的方向的入口的截面的辐射探测器阵列。该辐射探测器阵列配置成输出指示该截面内的空气流的二维温度轮廓的信号。在第三个实施例中，一种方法包括通过辐射探测器阵列测量进入压缩机中的空气流的热辐射，以及基于该测量来确定空气流的二维温度轮廓。该方法还包括基于该二维温度轮廓来探测空气流上的温度差异。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似标号在所有的图中表示相似部件，其中图1是包括配置成探测进入燃气轮机系统的压缩机中的空气流上的过度的温度差异的热测量系统的燃气轮机系统的一个实施例的简图；图2是配置成将空气流提供给压缩机的压缩机入口的一个实施例的示意图；图3是指向通过压缩机入口的空气流的热测量系统的一个实施例的示意图；图4是指向入口放气热系统的下游的空气流的热测量系统的一个实施例的示意图；图5是指向冷却器系统的下游的空气流的热测量系统的一个实施例的示意图；以及 图6是用于通过借助于热辐射探测器阵列测量空气流的热辐射来探测空气流上的过度的温度差异的方法的一个实施例的流程图。部件列表
10涡轮系统
12燃料喷射器
14燃料供应
16燃烧器
18涡轮
19轴
20排气出口
22压缩机
24入口
26负载
28—
30空气
32压缩空气
34燃料-空气混合物
36热测量系统
38热辐射探测器阵列
39入口截面
40控制器
42用户接口
44下游方向
46气候防护罩
48过滤器组件
50蒸发冷却系统
52冷却器系统
54过渡区段
56消声器区段
58入口放气热系统
60喷雾器系统
62观察口
64滤波器
66透镜
68反射镜
70视场
72视场角
74显不器
76报警器
78曲线图
80X轴
82Y轴
83曲线系列
84平均温度
86下阈限
88上阈限
90分配集管
92加热管
94热电堆元件
96数字显示器
98传热盘管
100方法流程图
102见流程图
104见流程图
106见流程图
108见流程图
110见流程图
112见流程图
114见流程图
具体实施例方式下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，在例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可在不同的实现之间彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的， 但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。进入燃气轮机压缩机中的空气流上的温度差异可在压缩机内产生不均勻的空气密度分布。从而，压缩机叶片可在该叶片经过密度变化的区域时经受过早磨损。结果，与接收具有基本均勻的温度分布(例如，小于大约20、17、15、12、10、8、6、4或2华氏度或更低的温度差异)的空气流的压缩机相比，压缩机叶片的使用寿命可能会降低。因此，合乎需要的可为，监测进入压缩机中的空气流的温度轮廓，以探测过度的温度差异(例如，大于大约2、 4、6、8、10、12、15、17或20华氏度或更高的温度差异)。例如，某些压缩机入口包括多个与空气流流体连通的热电偶。如果一个热电偶探测到与其它热电偶探测到的温度显著地不同的温度(例如，在过度的温度差异所限定的范围之外)，则可将该情况通知操作员，这样就可采取修正措施。可惜的是，因为热电偶仅测量与该热电偶直接接触的空气的温度，所以热电偶之间的温度差异可能未被探测到。此外，采用大量热电偶可能在经济上是不合需要的， 而且可阻碍进入压缩机中的空气的流动。本公开的实施例可通过借助于热辐射探测器阵列测量空气流的热辐射来探测进入燃气轮机压缩机中的空气流上的温度差异，例如过度的温度差异。这种构造可监测空气流的整个二维截面，而不会相当大地限制进入压缩机中的流。例如，某些实施例包括指向进入压缩机中的流体流的热辐射探测器阵列。热辐射探测器阵列配置成输出指示流体流的二维温度轮廓的信号。另外，通讯地联接到热辐射探测器阵列上的控制器配置成基于该信号来探测流体流上的过度的温度差异。例如，控制器可配置成在流体流的某一区域和该流体流的平均温度之间的温差超过阈值时探测到过度的温度差异。备选地，该控制器可配置成在流体流的第一区域和流体流的第二区域之间的温差超过阈值时探测到过度的温度差异。 因为热辐射探测器阵列可监测流体流的整个二维截面，所以可探测到流体流内的基本所有温度差异。从而，可将过度的温度差异通知操作员，以及/或者控制器可在该情况不利地影响压缩机之前停用燃气轮机发动机。因此，可延长压缩机叶片的使用寿命，从而降低燃气轮机发动机的运行成本。现在转到附图，图1是包括配置成探测进入压缩机中的空气流上的过度的温度差异的热测量系统的涡轮系统10的简图。在下面对涡轮系统10进行描述是为了提供本热测量系统的实施例的背景。应当理解，以下描述的热测量系统可用于探测进入其它轴向压缩机(例如用于空气分离装置、鼓风炉或采用压缩空气的其它应用中的那些)中的空气流上的温度差异。另外，虽然下面对空气流进行了描述，但是应当理解，本公开的某些实施例可用来探测进入压缩机中的其它流体流(例如二氧化碳、氮气等)上的过度的温度差异。在本实施例中，涡轮系统10包括燃料喷射器12、燃料供应14和燃烧器16。如图所示，燃料供应14将液体燃料和/或气体燃料(例如天然气)输送到燃气轮机系统10，通过燃料喷射器12进入燃烧器16中。如下面所论述的那样，燃料喷射器12配置成喷射燃料且使燃料与压缩空气混合。燃烧器16点燃并燃烧燃料-空气混合物，且然后使热的加压排气传入涡轮18中。如将理解的那样，涡轮18包括具有固定导叶或叶片的一个或多个定子， 以及具有相对于定子旋转的叶片的一个或多个转子。排气穿过涡轮转子叶片，从而驱动涡轮转子旋转。涡轮转子和轴19之间的联接会致使轴19旋转，轴19还在整个燃气轮机系统 10中联接到若干个构件上，如图所示。最后，燃烧过程的排气可通过排气出口 20离开燃气轮机系统10。压缩机22包括刚性地安装到转子上的叶片，转子被轴19驱动旋转。当空气经过旋转的叶片时，空气压力增大，从而为燃烧器16提供足够的空气以进行恰当的燃烧。压缩机22可通过入口 M将空气吸到燃气轮机系统10中。另外，轴19可联接到负载沈上，负载沈可通过轴19的旋转而被供以动力。如将理解的那样，负载沈可为可使用燃气轮机系统 10的旋转输出的动力的任何适当的装置，例如动力发生设备或外部机械负载。例如，负载沈可包括发电机、飞机的推进器等等。如下面详细地论述的那样，入口对通过一系列的温度控制装置(例如入口放气热系统、喷雾器系统、冷却器系统和/或蒸发冷却系统)将空气30抽送到燃气轮机系统10中。空气30然后流过压缩机22的叶片，压缩机22会将压缩空气32提供给燃烧器16。特别地，燃料喷射器12可将压缩空气32和燃料14作为燃料-空气混合物34喷射到燃烧器16中。备选地，压缩空气32和燃料14可被直接喷射到燃烧器中以进行混合和燃烧。如图所示，涡轮系统10包括配置成探测进入压缩机22中的空气流上的温度差异 (例如过度的温度差异)的热测量系统36。在本实施例中，热测量系统36包括指向通过压缩机入口 M的空气流的辐射探测器阵列，例如所示出的热辐射探测器阵列38。热辐射探测器阵列38配置成输出指示空气流的二维温度轮廓的信号。例如，如下面详细论述的那样， 热辐射探测器阵列38可包括多个热电堆元件，各个元件指向空气流的不同的区域。因为各个热电堆元件配置成输出相应的区域的温度，所以可建立空气流的二维温度轮廓。如图所示，热辐射探测器阵列38指向基本垂直于空气流的方向的入口 M的截面39。在此构造中， 可监测空气流的整个二维截面，从而确保将探测到空气流上的基本任何温度差异。此外，因为热辐射探测器阵列38可监测空气温度，而不与空气直接接触，所以探测器阵列38可定位在通入压缩机22中的流径的外部，从而显著降低或消除与热电偶测量相关联的空气流限制。如将理解的那样，热辐射探测器阵列38测量来自物体的电磁能量，以确定该物体的温度。例如，探测器阵列38可测量具有在红外光谱内的波长的热辐射。如下面详细论述的那样，某些红外发射的强度可与物体的温度成比例。在某些实施例中，热辐射探测器阵列 38配置成探测这种发射以及输出指示温度的信号。还应当理解，多种热辐射探测器阵列构造可用来确定进入压缩机22中的空气流的二维温度轮廓。如之前论述的那样，某些探测器阵列38可包括一系列的热电堆元件。如将理解的那样，热电堆包括多个热电偶，它们串联连接以获得增强的信号输出。热电偶通过在接点之间产生电动势(emf)来测量热接点和冷接点之间的温差。例如，热接点可指向空气流，以测量热辐射，而冷接点可联接到散热件上， 从而使得冷接点的温度基本等于环境温度。因为热电偶是串联连接的，所以热电堆加总所有热电偶的emf，以提供增强的电压输出。建立热电堆元件阵列可产生空气流的二维温度轮廓，各个热电堆元件提供相应的被监测区域的温度。在某些实施例中，热电堆阵列可为单个固态装置，各个热电堆元件形成于该装置的表面上。备选实施例可采用辐射高温计、红外探测器(例如CCD、FPA等)或配置成输出进入压缩机22中的空气流的二维温度轮廓的其它热辐射探测器阵列。在本实施例中，热辐射探测器阵列38通讯地联接到控制器40上。控制器40配置成基于指示由热辐射探测器阵列38输出的二维温度轮廓的信号来探测空气流上的过度的温度差异。如下面详细论述的那样，入口 M可包括配置成提高或降低进入压缩机22中的空气流的温度的一系列的温度控制装置。如果这些温度控制装置其中一个没有恰当地运行， 则可在入口 M内建立温度差异。如之前所论述的那样，这种温度差异可在压缩机22内引起密度梯度，导致压缩机构件的过早磨损。因此，控制器40可监测由热辐射探测器阵列38 测量的二维温度轮廓，以确定空气流上的温度差异是否超过压缩机设计标准。虽然在本实施例中单个热辐射探测器阵列38指向通过入口 M的空气流，但是应当理解，多个探测器阵列38可用于备选实施例中，以监测入口 M的多个区。例如，热辐射探测器阵列38可指向各个温度控制装置的下游的空气流，以确保各个装置对空气流提供基本均勻的温度分布。在另外的实施例中，一系列的热辐射探测器阵列38可沿着入口 M 而设置，并且配置成监测入口 M的多个截面39。在这种实施例中，控制器40可产生空气流的三维温度轮廓，从而使得能够探测入口 M内的基本任何位置处的过度的温度差异。本实施例还包括通讯地联接到控制器40上的用户接口 42。用户接口 42可包括配置成显示由热辐射探测器阵列38的各个元件探测到的温度的数字显示器和/或配置成显示作为时间的函数(即随时间而变)的温度的图形界面。这样，操作员就可监测温度轮廓， 以识别过度的温度差异。另外，用户接口 42可包括配置成警告操作员过度的温度差异的视觉和/或可闻报警器。例如，如果控制器40确定空气流的一个区域的温度显著地大于平均空气流温度，则可启动可闻和/或视觉报警器。在某些实施例中，控制器40通讯地联接到燃气轮机系统10上，并且配置成自动降低压缩机速度和/或响应于探测到过度的温度差异而停止系统10。这样，就可在重大的叶片磨损之前减少或终止进入压缩机22中的空气流， 从而确保压缩机22的完整性。图2是配置成将空气流提供给压缩机22的压缩机入口 M的一个实施例的示意图。如图所示，空气30进入入口对且沿着下游方向44朝向压缩机22流动。在本实施例中，空气通过气候防护罩46进入入口 24。如将理解的那样，气候防护罩46包括配置成使雨滴、雨夹雪和/或雪偏转而离开入口 M的一系列的板条，从而显著降低进入空气的水分含量。空气流然后穿过过滤器组件48，过滤器组件48去除否则可进入燃气轮机系统10的污垢和/或其它碎屑。入口对还包括配置成提高或降低进入压缩机22中的空气流的温度的一系列的温度控制装置。例如，所示出的入口 M包括蒸发冷却系统50，蒸发冷却系统50用水冷却进入空气。某些蒸发冷却系统将水喷到定位在进入空气的流径中的多孔介质上。当空气穿过该介质时，热量被从更暧的空气传递给更冷的水。另外，一部分水蒸发，从而进一步降低空气温度。蒸发冷却系统50还可包括阻止剩余水滴流入压缩机22中的雾屏。如图所示，热辐射探测器阵列38定位在蒸发冷却系统50的下游。在此构造中，探测器阵列38测量蒸发冷却系统50的下游的空气流的二维温度轮廓。因此，热测量系统36可探测由于蒸发冷却系统50的不恰当运行而导致的过度的温度差异。入口 M还包括定位在蒸发冷却系统50的下游的冷却器系统52。冷却器系统52 包括一系列的传热盘管，其配置成将热量从空气流传递给穿过盘管的冷却的流体。冷却的流体可为水、乙二醇或任何其它适当的流体。例如，冷却的流体可由内燃机、电动机或蒸汽轮机驱动的机械制冷系统冷却。冷却器系统52可单独使用或与蒸发冷却系统50结合起来使用，以降低进入压缩机22中的空气流的温度。如所理解的那样，降低空气温度会提高空气流的密度，从而为燃气轮机系统10提供附加的空气以进行燃烧。类似于上述蒸发冷却系统50，热辐射探测器阵列38定位在冷却器系统52的下游，以监测来自冷却器系统52的空气流的二维温度轮廓。如图所示，入口 M包括在冷却器系统52的下游的过渡区段M。过渡区段讨配置成减小入口 M的截面积，以基本与压缩机22的进气面积匹配。入口 M还包括配置成降低与燃气轮机系统10的运行相关联的噪声的消声器区段56。在本实施例中，入口放气热系统 58定位在消声器区段56的下游。入口放气热系统58配置成将热量从压缩机排出空气传递给流过入口 M的空气。如将理解的那样，来自压缩机22的空气流的温度可大于大约600、700、800或900华氏度或更高。因此，通过引导压缩机排出空气的一部分通过入口 M内的一系列的管，入口放气热系统58可提高进入压缩机M中的空气流的温度。例如，入口放气热系统58可配置成显著降低在涡轮系统10以降低的动力运行的时期期间在入口 M内形成冰的可能性。另外，通过加热进入压缩机22中的空气流，入口放气热系统58可显著降低通过压缩机22的回流的可能性，从而确保燃气轮机系统10的完整性。如下面详细论述的那样，热辐射探测器阵列38定位在入口放气热系统58的下游，并且配置成监测入口放气热系统58的下游的空气流的二维温度轮廓。在本实施例中，入口 M还包括配置成进一步冷却进入压缩机22中的空气流的喷雾器系统60。在某些实施例中，喷雾器系统60包括配置成将水喷到空气流中的一系列的喷嘴。类似于上述蒸发冷却系统50，在空气流和水之间的传热与水的蒸发一起用来降低空气流的温度。如将理解的那样，例如，可对喷雾器系统60提供来自由内燃机、电动机或蒸汽轮机驱动的泵的高压水供应。另一个热辐射探测器阵列38可定位在喷雾器系统60的下游， 以测量喷雾器60的下游的空气流的二维温度轮廓。如之前论述的那样，各个热辐射探测器阵列38通讯地联接到控制器40上，控制器40配置成基于各个探测器阵列38所测量的二维温度轮廓来探测过度的温度差异。通过采用各个温度控制装置的下游的热辐射探测器阵列38，操作员可容易地识别哪个温度控制装置在引起过度的温度差异。可通过用户接口 42 将这种信息呈现给操作员，从而使得操作员可采取适当的修正措施。另外，如果在入口 M 内的任何位置处探测到过度的温度差异，则控制器40可自动降低压缩机速度和/或停用燃气轮机系统10。图3是指向通过压缩机入口 M的空气流的热测量系统36的一个实施例的示意图。在示出的构造中，热辐射探测器阵列38定位在入口 M的外部，从而确保空气流不受热测量系统36的限制。如图所示，入口 M包括配置成使得热辐射探测器阵列38能够接收入口 M内的空气流所发射的热辐射的观察口 62。如将理解的那样，观察口 62可由对阵列38 所测量的波长基本透明的材料构成。例如，如果探测器阵列38配置成监测红外光谱内的热辐射，则观察口 62可由对红外辐射基本透明的材料构成，例如蓝宝石或红外透明塑料。由于此构造的原因，热辐射探测器阵列38可测量进入压缩机22中的空气流的二维温度轮廓， 而不阻碍空气流。在本实施例中，滤波器64和透镜66定位在观察口 62和热辐射探测器阵列38之间。在某些实施例中，探测器阵列38可包括多个热电堆元件，以测量空气流所发射的热辐射。在这种实施例中，各个热电堆元件包括以串联的形式电连接的多个热电偶，以提供增强的输出信号。如将理解的那样，热电堆元件可探测各种各样的热辐射波长。例如，某些热电堆元件可探测在范围为大约0. 8至40微米的红外光谱内的电磁波长。如将进一步理解的那样，在红外光谱内的特定的波长子集可非常适于温度确定。因此，带通滤波器64可用来限制入射到探测器阵列38上的波长的范围。例如，在某些实施例中，带通滤波器64可配置成阻挡具有在大约2至20、4至18、6至16、8至14或大约7. 2至12. 4微米之间的范围之外的波长的电磁辐射。从而，滤波器64有利于使具有适用于各个热电堆元件的波长范围的热辐射传到探测器阵列38上，以输出具有与所测的温度成比例的幅度的信号。探测器阵列 38可聚集来自热电堆元件的信号，并且将指示进入压缩机22中的空气流的二维温度轮廓的信号输出到控制器40。
应当理解，备选实施例可采用具有其它波长范围的其它带通滤波器。此外，某些实施例可采用高通滤波器、低通滤波器，或者可省略滤波器。另外，虽然在本实施例中采用了采用热电堆元件的热辐射探测器阵列38，但是应当理解，可在备选实施例采用其它探测器元件，例如CCD、FPA或高温计。本热测量系统36还包括配置成将热辐射聚焦到探测器阵列38上的光学聚焦装置，例如透镜66。如将理解的那样，透镜66可由任何适当的材料构成，例如塑料或玻璃。在某些实施例中，透镜66可与滤波器64组合成单个元件。在另外的实施例中，可省略透镜 66，从而使得热辐射直接传到热辐射探测器阵列38上。本实施例还包括第二光学聚焦装置，例如所示出的反射镜68。反射镜68配置成将来自空气流的热辐射引导到热辐射探测器阵列38上。在某些实施例中，反射镜68可包括基底(例如玻璃、塑料等)和设置在基底上的反射涂层(例如银、铬等)。备选地，反射镜68可由反射性材料形成，例如抛光的不锈钢。本实施例采用凹的反射镜68来建立期望的视场70。由于反射镜68的形状和热辐射探测器阵列38的位置的原因，建立了具有角72 的视场70。例如，在某些实施例中，角72可大于大约5、10、20、40、60、80、100、120、140或 160度或更大。如之前所论述的那样，热辐射探测器阵列38可指向入口 M的整个截面39， 以建立空气流的二维温度轮廓。从而，可选择角72，从而使得视场70包括在期望的测量位置处的整个入口截面39。因此，与采用直接接触式热电偶的、不可探测热电偶之间的温度差异的构造相比，热测量系统36可探测空气流内的任何温度差异。应当理解，备选实施例可采用凸的反射镜或基本平的反射镜来引导热辐射朝向探测器阵列38。在另外的实施例中， 可省略反射镜68，并且热辐射探测器阵列38可指向空气流。在这种实施例中，透镜66(如果存在的话)可用来基于该透镜66的形状和光学属性建立期望的视场70。如之前所论述的那样，本热辐射探测器阵列38包括配置成将探测到的热辐射转换成输出信号的热电堆元件。因为热电堆元件包括串联连接的多个热电偶，所以热电堆元件输出具有与各个相应的元件的视场内的区域的温度成比例的幅度的电信号。探测器阵列 38可聚集来自热电堆元件的信号，并且将指示进入压缩机22中的空气流的二维温度轮廓的信号输出到控制器40。控制器40配置成接收此信号，以及基于该信号确定入口截面39 内的空气流的二维温度轮廓(例如通过查找表、算法等)。在本实施例中，控制器40通讯地联接到包括显示器74和报警器76的用户接口 42上。显示器74配置成呈现各个热电堆元件探测到的作为时间的函数的温度的图形表示。如图所示，显示器74包括曲线图78，其具有表示时间的χ轴80和表示温度的y轴 82。如之前所论述的那样，探测器阵列38的各个热电堆元件配置成输出指示该元件的视场内的区域的温度的信号。在本实施例中，曲线图78包括表示各个区域的作为时间的函数的温度的一系列的曲线83。本曲线图78包括四条曲线83，这说明热辐射探测器阵列38包括四个热电堆元件。但是，应当理解，探测器阵列38可包括更多或更少的元件，从而导致在曲线图78上显示更多或更少的曲线83。曲线图78还包括指示空气流的平均温度的虚线84。如之前所论述的那样，热辐射探测器阵列38可指向入口 M的整个截面39，以监测空气流的二维温度轮廓。通过对各个区域(例如在各个热电堆元件的视场内的区)内的温度取平均值，可计算空气流的平均温度。在某些实施例中，压缩机22接收具有在平均空气温度的限定范围内的温度差异的空气流可为合乎需要的。从而，控制器40可配置成将各个区域的温度与平均温度作比较，以确定是否存在过度的温度差异。在这种实施例中，曲线图78包括对应于期望的空气温度范围的下阈限86和上阈限88。例如，对某些压缩机来说，接收在平均空气温度的10、9、8、7、6、 5、4、3或2华氏度或更少的范围内的空气可能是合乎需要的。在这种构造中，如果一个区域内的温度超过上阈限88或降低到下阈限86以下，控制器40可识别入口 M内的过度的温度差异。备选地，可基于探测到的温度和平均温度之间的百分比差来限定上阈限88和下阈限86。例如，在某些实施例中，可为合乎需要的是压缩机22接收平均空气温度的15%、 12%、10%、8%、6%、4%或更低的范围内的空气。在备选实施例中，控制器40可配置成通过将区域之间的温差与阈值作比较来探测进入压缩机22中的空气流内的过度的温度差异。在这种实施例中，显示器74可配置成显示指示区域的最大探测温度和区域的最小探测温度之间的差异的单个曲线。该曲线图还可包括指示最大预期温度差异的阈值。如果最大探测温度和最小探测温度之间的温差超过阈值，则控制器40可识别空气流内的过度的温度差异。例如，对于某些压缩机构造来说，指示过度的温度差异的阈值可小于大约20、17、15、12、10、8、6、4或2华氏度或更低。备选地， 阈值可限定为在最小探测温度和最大探测温度之间的百分比差。在这种构造中，阈值可对应于30%、25%、20%、15%、10%、5%或更低的百分比差。如果探测到过度的温度差异，控制器40就可启动用户接口 42内的报警器76。如之前所论述的那样，报警器76可为配置成警告操作员探测到的状况的可闻报警器和/或视觉报警器。操作员然后可采取适当的修正措施来解决空气温度差异。另外，控制器40和/ 或用户接口 42可通讯地联接到燃气轮机发动机10上，并且配置成在探测到过度的温度差异之后降低压缩机速度和/或停用发动机。例如，在某些实施例中，如果温度差异超过第一阈值，则控制器40可减小发动机动力，从而降低压缩机速度。如果温度差异超过第二阈值 (高于第一阈值)，则控制器40可停用燃气轮机发动机10。这种措施可大大延长压缩机叶片的操作寿命，从而降低涡轮发动机维护成本。图4是指向入口放气热系统58的下游的空气流的热测量系统36的一个实施例的示意图。如之前所论述的那样，入口放气热系统58配置成将热量从压缩机排出空气传递给流过入口对的空气。因此，入口放气热系统58可显著降低在涡轮系统10以降低的动力运行的时期期间在入口 M内形成冰的可能性。另外，通过加热进入压缩机22中的空气流，入口放气热系统58可显著降低通过压缩机22的回流的可能性，从而确保燃气轮机系统10的完整性。如图所示，入口放气热系统58包括分配集管90和加热管92。在所示出的构造中， 分配集管90接收来自压缩机的空气流且将空气分配给加热管92。在某些实施例中，来自压缩机22的空气流的温度可大于大约600、700、800或900华氏度或更高。因此，当沿下游方向44流过入口 M的空气接触加热管92时，来自压缩机排出空气的热量会传递到入口 M 内的空气流。如将理解的那样，对入口空气的传热程度可至少部分地取决于加热管92的数量。虽然在本实施例中采用了四个加热管92，但是应当理解，可在备选实施例中使用更多或更少的管92。例如，某些入口放气热系统58可包括不止1、2、3、4、5、10、15、20、25、30个或更多个管92。所示出的热辐射探测器阵列38指向入口放气热系统58，从而使得在入口放气热系统58的下游的空气流的整个截面落在探测器阵列38的视场70内。这样，探测器阵列 38就可监测在入口放气热系统58的下游的空气流的二维温度轮廓，从而确保入口放气热系统58所引起的基本任何温度差异都将被探测到。如之前所论述的那样，热辐射探测器阵列38可包括多个热电堆元件94，各个热电堆元件指向空气流截面的不同的区域。在此构造中，热辐射探测器阵列38可输出指示各个区域的温度的信号，从而使得控制器40可建立空气流的二维温度轮廓。在本实施例中，热辐射探测器阵列38包括4X4矩阵的热电堆元件94。在此构造中，各列热辐射探测器阵列38可指向相应的加热管92，从而使得可独立地监测在各个加热管92的下游流动的空气的温度。但是，应当理解，备选热辐射探测器阵列38可包括更多或更少的热电堆元件94。例如，某些热辐射探测器阵列38可包括不止1、2、4、6、8、10、15、 20、25、30排或更多排，以及/或者不止1、2、4、6、8、10、15、20、25、30列或更多列。还应当理解，除了其它形状以外，某些热辐射探测器阵列38可为圆形、椭圆形或多边形，其中热电堆元件94基本覆盖探测器阵列38的表面。此外，应当理解，备选的热辐射传感器(例如CCD、 FPA、高温计等)可形成热辐射探测器阵列38的元件。如将理解的那样，除了其它因素以外，热测量系统36的整体灵敏度可取决于热电堆元件94的灵敏度、热辐射探测器阵列38的精度、系统36内的光学和/或电气噪声、控制器40内的信号调节器的精度、热辐射传感器光学器件的质量、各个热电堆元件的视场和/ 或控制器40用来计算温度的技术。例如，在某些实施例中，热测量系统36可能能够识别小于大约2、1、0. 75,0. 5或0. 25华氏度或更低的温度差异。因此，热测量系统36可在压缩机叶片发生过度磨损之前探测空气流内的热差异，从而显著降低压缩机维护成本。因为热测量系统36的灵敏度至少部分地取决于各个热电堆元件94的视场，所以应当理解，可通过采用大量热电堆元件94来增强热测量系统灵敏度。这样，各个热电堆元件94就将监测空气流的更小区域，从而提高各个元件94的灵敏度。类似于以上参照图3所描述的热测量系统36，所示出的热测量系统36包括通讯地联接到控制器40上的用户接口 42。所示出的用户接口 42包括数字显示器96，其配置成呈现探测器阵列38的视场70内的各个区域的温度的数值表示。在本实施例中，显示器96配置成输出各个被监测区域和空气流的平均温度之间的温差。应当理解，备选实施例可包括配置成呈现各个区域的绝对温度的显示器96。在本实施例中，温度值是以华氏度显示的。如之前所论述的那样，控制器40可配置成通过将各个被监测区域和平均空气流温度之间的温差与阈值作比较来探测空气流内的过度的温度差异。在所示实施例中，阈值为5华氏度，这对应于通到压缩机22的空气流内的最大预期温度差异。如之前所论述的那样，可在备选实施例中采用更高或更低的阈值。因为所示出的热辐射探测器阵列38包括四排热电堆元件94，所以各排均测量在相应的加热管92的下游的空气流温度。如图所示，在显示器96的左列内的各个温度指示相对于平均温度相差少于5度的温差。类似地，右列和从左边起第二列内的各个温差在5度容差内。因此，显示器96指示对应的加热管92不会引起过度的温度差异。相反，对应于从右边起第二个加热管92的温度测量指示管92没有有效地加热周围的空气。特别地，对应于从右边起第二个加热管92的下游的空气流的各个区域的温度比平均温度低不止5度。因此，控制器40将探测到过度的温度差异，并且启动报警，降低压缩机速度和/或停用压缩机22。
图5是指向冷却器系统52的下游的空气流的热测量系统36的一个实施例的示意图。如图所示，冷却器系统52包括三个传热盘管98，传热盘管98配置成将热量从入口空气传递给在盘管98内循环的冷却的流体。如之前所论述的那样，冷却的流体可由例如机械制冷系统产生。虽然在本实施例中采用了三个传热盘管98，但是应当理解，可在备选实施例中使用更多或更少的盘管98。例如，某些冷却器系统52可采用1、2、3、4、5、6个或更多个传热盘管98。如图所示，传热盘管98横跨入口对而水平地布置。在此构造中，一排或多排热电堆元件94指向各个传热盘管98的下游的空气流。例如，顶部两排元件94指向顶部传热盘管98。在本实施例中，显示器96配置成输出各个被监测区域和空气流的平均温度之间的温差。如可在显示器96上看到的那样，与底部两排所监测的区域内的空气温度相比，顶部两排所监测的区域内的空气温度升高。特别地，顶部排内的各个热电堆元件94探测到比入口 24内的平均空气温度高不止5度的空气温度。这种温度差异可指示顶部的传热盘管98没有有效地运行。因此，控制器40将探测通到压缩机22的空气流内的过度的温度差异，并且警告操作员该情况，以便可采取适当的修正措施。虽然图4和5分别示出了在入口放气热系统58和冷却器系统52的下游的温度差异的探测，但是应当理解，类似的构造可用来探测蒸发冷却系统50、喷雾器系统60或入口 M内的其它温度控制装置的下游的温度差异。图6是用于通过借助于热辐射探测器阵列38测量空气流的热辐射来探测空气流上的过度的温度差异的方法100的一个实施例的流程图。首先，如由方框102所表示，通过热辐射探测器阵列38测量空气流的热辐射。如之前所论述的那样，热辐射探测器阵列38可包括各自指向空气流的不同的区域的多个热电堆元件。各个热电堆元件配置成输出具有与相应的区域的温度成比例的幅度的信号。热辐射探测器阵列38配置成聚集来自各个元件的信号，并且将所得到的信号输出到控制器40。接下来，如由方框104所表示，基于热辐射测量来确定空气流的二维温度轮廓。例如，控制器40可接收来自热辐射探测器阵列38的所得到的信号，并且基于各个热电堆元件信号的幅度来确定二维温度轮廓。然后可产生和显示二维温度轮廓的表示，如由方框106所表示。例如，显示器74可呈现显示了各个区域的作为时间的函数的温度的一系列的曲线83。备选地，显示器96可呈现各个区域的温度的数值表示。接下来，如由方框108所表示，可根据二维温度轮廓来探测空气流上的过度的温度差异。例如，控制器40可配置成在空气流的(某)区域和该空气流的平均温度之间的温差超过阈值时探测到过度的温度差异。备选地，控制器40可配置成在空气流的第一区域和该空气流的第二区域之间的温差超过阈值时探测到过度的温度差异。如果探测到过度的温度差异，如由方框110所表示，则可启动可闻和/或视觉报警器，以警告操作员该情况，如由方框112所表示。例如，一旦已经将该情况通知了操作员，操作员就可停用压缩机，从而显著降低过度的压缩机叶片磨损的可能性，过度的压缩机叶片磨损可减少叶片的操作寿命。 另外，在探测到过度的温度差异之后，压缩机22可自动停用，如由方框114所表示。例如， 在某些实施例中，控制器40可通讯地联接到燃气轮机发动机10上，并且配置成在探测到过度的温度差异之后降低压缩机速度和/或停用发动机10。应当理解，如果探测到空气流上的过度的温度差异，操作员或控制器40可采取备选措施。例如，如果定位在入口放气热系统58的下游的热辐射探测器阵列38探测到过度的温度差异，则操作员可调节进入入口放气热系统58中的流，以补偿温度差异。类似地，操作员可调节进入蒸发冷却系统50、冷却器系统52或喷雾器系统60中的流，以补偿在相应的温度控制装置的下游探测到的过度的温度差异。在另外的实施例中，控制器40可调节压缩机的运行(例如降低压缩机速度)，以减轻可由过度的温度差异引起的叶片磨损。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种系统(10)，包括指向进入压缩机0 中的流体流的辐射探测器阵列(38)，其中，所述辐射探测器阵列 (38)配置成输出指示所述流体流的二维温度轮廓的信号；以及通讯地联接到所述辐射探测器阵列(38)上的控制器(40)，其中，所述控制器00)配置成基于所述信号来探测所述流体流上的温度差异。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述辐射探测器阵列(38)包括多个热电堆元件(94)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括配置成将来自所述流体流的热辐射聚焦到所述辐射探测器阵列(38)上的光学聚焦装置(66，68)。
4.根据权利要求3所述的系统(10)，其特征在于，所述光学聚焦装置(66，68)包括反射镜(68)、透镜(66)或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括设置在所述辐射探测器阵列(38)和所述流体流之间的带通滤波器(64)，其中，所述带通滤波器(64)配置成阻止具有小于大约7. 2微米以及大于大约12. 4微米的波长的电磁辐射通过。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述辐射探测器阵列(38)配置成探测具有在红外光谱内的波长的热辐射。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器00)配置成在所述流体流的一定区域和所述流体流的平均温度之间的温差超过阈值时探测到所述温度差异。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器00)配置成在所述流体流的第一区域和所述流体流的第二区域之间的温差超过阈值时探测到所述温度差异。
9.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括多个辐射探测器阵列(38)，各个辐射探测器阵列(38)指向压缩机入口 04)的不同的区。
10.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括具有所述压缩机0 的燃气轮机发动机。
全文摘要
本发明涉及用于压缩机入口温度测量的系统和方法。一种系统(10)包括指向进入压缩机(22)中的流体流的辐射探测器阵列(38)。该辐射探测器阵列(38)配置成输出指示流体流的二维温度轮廓的信号。该系统(10)还包括通讯地联接到辐射探测器阵列(38)上的控制器(40)。该控制器(40)配置成基于该信号来探测流体流上的温度差异。
文档编号G01J5/12GK102288301SQ201110122800
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月3日
发明者A·安萨里, R·J·奇拉 申请人:通用电气公司