对燃气轮机的燃烧器篮和过渡部分进行远程振动检测的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机燃烧器中的振动检测，更具体地，涉及在燃气轮机的操作期间，对燃气轮机的燃烧器篮和/或过渡部分进行远程振动检测的系统。利用一个或多个非接触反射光学振动(NROV)传感器来检测振动，非接触反射光学振动传感器定位在燃烧器壳体内，从也位于壳体内的燃烧器篮和/或过渡燃烧控制部件反射光子。感测的振动特性与燃烧火焰特性有关，并用作涡轮机操作监控参数。
【背景技术】
[0002]对于涡轮机设计和操作，监控燃气轮机燃烧器部分内，尤其是燃烧器篮和过渡燃烧控制部件内的稳态和瞬时振动是期望的手段。这些部件易于受到由燃烧气体动力引起的诱导振动激光的影响。在正在进行的操作期间，大量因素和操作状态提供燃气轮机燃烧器部分内的有效和清洁的燃烧动力。尽管对于燃烧效率和环境可接受排放而言，稳定的稀混合物是期望的，但是必须避免不稳定的发动机操作状态。不仅燃料/空气混合物是重要的，而且燃烧控制部件(包括燃烧器篮和过渡部分)内的燃烧火焰前缘的形状和位置也与燃气轮机操作相关。假定效率和排放标准，燃气轮机的操作要求平衡设计和操作途径，以维持效率，满足排放标准，并避免由不期望的燃烧动力特性引起的振动、过度压力和/或热损坏。
[0003]因此，在燃气轮机发动机设计和随后的场操作期间，有益的是，监控由燃烧特性影响的燃烧振动特性:比如火焰形状和火焰前缘位置；压力振动；由可损坏燃烧器部件的燃烧温度和/或压力振动引起的热声振动；发动机燃烧器的一个或多个内的闪烁(flashback)和/或熄火。监控的振动和燃烧特性通常用作发动机操作的控制参数。例如，如果检测到熄火，则典型的控制响应是切断对至少受影响燃烧器(如果不是整个发动机的话)的燃料供给。在另一示例中，如果检测到闪烁状态，则典型的控制响应是增加到燃烧器中的进气压力和/或流率。
[0004]给定燃烧器内，尤其是燃烧器篮和过渡燃烧控制部件内的局部压力和温度状态，利用仪器进行振动和燃烧特性直接监控是困难的。已知的燃烧特性监控仪器包括在燃烧器内取向的单个热电偶或热电偶阵列，其使温度和/或温度改变与燃烧特性相关联。然而，仅温度信息不会提供与燃烧器振动特性有关的信息。其它已知的燃烧特性监控仪器包括在燃烧器内取向的一个或压力换能器(比如压电换能器)，其使压力和/或压力改变与燃烧特性相关联。压力换能器还可监控由燃烧温度和/或压力振动(可损坏燃烧器部件)引起的热声振动，使得有用的振动监控信息可用于涡轮机设计和操作。一些提出的已知监控光学系统使火焰发光与燃烧热声振动特性相关联，消除了对执行相同振动监控功能的压力换能器的需求。这些光学传感器测量燃烧火焰发光的改变(例如，以红外、可见光或紫外光谱任一)，并可包括插入燃烧器内的光管，其联接到位于燃烧器壳体之外或之内的光电二极管检测器。已提出由采用散射、衍射或相位多普勒原理的激光光学传感器进行的燃烧监控来监控燃烧器内的冷却水注射含量和液滴分布，但是其不能提供振动监控信息。
[0005]其它已知的燃烧振动监控系统利用加速计，加速计也可使感测的振动特性与燃烧特性相关联。加速计可以安装在燃烧器壳体内部或外部。加速计或就此而言安装在燃烧器内的任何类型的监控传感器易于受到来自热加压燃烧气体的损坏，从而降低了它们的潜在服务可靠性。安装在火锅器内的失效的燃烧监控传感器要求发动机关闭(由此服务中断)，以便于它们的更换。如果加速计或其它振动传感器安装到内部燃烧器部件，则可能需要拆下整个燃烧器来更换它们。如果加速计或任何其它振动传感器固定到燃烧器控制部件，比如燃烧器篮或过渡部分，则它们还可不利地影响部件本身的振动特性，例如通过引入不平衡的无阻尼质量。此外，如果加速计或其它振动测量传感器无意地与燃烧器内的附接点分开，则其可对其它部件产生内部损坏。尽管加速计或其它燃烧/振动监控传感器还可安装在燃烧器壳体的外部以避免所有上述缺点，但是除了另的之外，由于壳体振动衰减或传播延迟，它们不会像安装在燃烧器壳体内那样提供相同的监控灵敏度和/或响应率。
[0006]因此，本领域中需要一种燃气轮机燃烧器振动监控系统，尽管操作燃烧器内的高温和压力状态，其也能可靠地发挥作用。
[0007]本领域中另外需要一种燃气轮机燃烧器振动监控系统，其提供高监控灵敏度和响应，而不会不利地影响燃烧器内部部件的振动特性。
[0008]本领域中额外需要一种燃气轮机燃烧器振动监控系统，其便于使感测的振动特性与燃烧特性相关联，促进特性信息由涡轮机监控系统用作操作参数，以修改燃气轮机的操作。
【发明内容】
[0009]相应地，本发明之目的是尽管操作燃烧器内有高温和压力状态，仍可靠地监控燃气轮机内的燃烧特性。
[0010]本发明的另一目的是以高监控灵敏度和响应监控燃气轮机燃烧器，而不会不利地影响燃烧器内部部件的振动特性。
[0011]本发明的额外目的是便于使感测的振动特性与燃烧特性相关联，促进特性信息由涡轮机监控系统用作操作参数，以修改燃气轮机的操作。
[0012]这些和其它目的根据本发明由燃气轮机燃烧器振动感测系统的实施例来实现，燃气轮机燃烧器振动感测系统包括非接触反射光学振动传感器，用于以光子源从燃烧器内的部件反射光子，并以光子检测器接收反射的光子。示例性燃烧器内部部件包括燃烧器篮或过渡部分。非接触光学传感器不会影响燃烧器内部部件的振动特性，并可经由壳体检测端口进行移除和更换，而不用完全使燃烧器停机。非接触光学传感器与燃烧器内部部件间隔开，由此在比内部部件低的温度下操作。振动分析器联接到非接触振动传感器，用于使由检测器接收的光子与部件的振动特性相关联。振动特性又可与燃烧特性(举例来说，包括火焰前缘位置和熄火状态)相关联。振动特性信息可由涡轮机监控系统用作操作参数，以修改燃气轮机的操作。
[0013]本发明的实施例表征了一种用于感测燃气轮机燃烧器中的振动的方法，其通过以非接触反射光学振动传感器的光子源从燃烧器内的部件反射光子，并以振动传感器的光子检测器接收反射的光子来实现。振动分析器用于使由检测器接收的光子与部件的振动特性相关联。
[0014]本发明的其它实施例表征了一种燃气轮机燃烧器振动感测系统，具有非接触反射光学振动传感器，其适于以光子源从燃烧器内的部件反射光子，并以光子检测器接收反射的光子。振动分析器联接到振动传感器，用于使由检测器接收的光子与部件的振动特性相关联。
[0015]本发明的额外实施例表征了一种具有燃烧器的燃气轮机系统，燃烧器具有包括燃烧器篮和过渡部件的燃烧器壳体。燃烧器振动感测系统联接到燃烧器，具有与燃烧器壳体内部连通的非接触反射光学振动传感器。振动传感器以光子源从部件中的至少一个反射光子，并以光子检测器接收反射的光子。振动分析器联接到振动传感器，用于使由检测器接收的光子与部件的振动特性相关联。
[0016]本发明的目的和特征可共同地或单独地以任何组合或子组合形式由本领域技术人员施加。
【附图说明】
[0017]通过结合附图考虑下面详细描述，本发明的教导易于理解，附图中:
[0018]图1是包括本发明的振动感测系统的示例性实施例的燃气轮机的示意性部分截面图；以及
[0019]图2是本发明的振动感测系统的示例性实施例的框图。
[0020]为了便于理解，可能的话，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。
【具体实施方式】
[0021]在考虑下面描述之后，本领域技术人员会清楚地认识到，本发明的教导可易于用在燃气轮机燃烧器振动感测系统中，燃气轮机燃烧器振动感测系统包括非接触反射光学振动传感器，其适于以光子源从燃烧器内的部件反射光子，并以光子检测器接收反射的光子。适用于振动监控的示例性燃烧器内部部件包括燃烧器篮或过渡部分。非接触传感器不必安装在燃烧器外壳内，只要发射器和接收器在视线上与燃烧器篮或过渡部分对准即可。因此，其不会影响燃烧器内部部件的固有振动特性，易于经由燃烧器壳体端口安装、更换或重新装配，并且不会从可能对燃烧器造成内部损坏的内部安装位置脱离。振动分析器联接到振动传感器，用于使由检测器接收的光子与部件的振动频率和/或幅度特性相关联。振动特性又可与燃烧特性(举例来说，包括火焰前缘位置和熄火状态)相关联。振动特性信息可由涡轮机监控系统用作操作参数，以修改燃气轮机的操作。
[0022]图1示出具有已知构造的示例性燃气轮机10，具有压缩机部分12、燃烧器部分14和涡轮部分18，转子18取向通过这些部分。燃烧器14包