用於測量靜壓力的集成設備的製作方法

2023-09-10 09:08:15 1

專利名稱：用於測量靜壓力的集成設備的製作方法
技術領域：
本文所公開的主旨涉及用於測量裝置內的靜壓力的系統和方法。 背景技 術燃燒器壓力降的測量值是用於準確的燃氣輪機性能估計和發動機健康監測的重 要變量。可使用這個信息來估計通過燃燒器的核心流量，其有助於確定二次流率。此外，燃 燒器壓力降測量值可用於監測燃燒器的健康。目前，對進入燃燒器的壓力的測量是燃氣輪機的標準儀器的一部分，但燃燒器內 的壓力測量並不是標準的，因此，在大多數現場使用(fielded)的單元上不能計算越過燃 燒器的壓力降。此外，目前在安裝內部壓力儀器時，必須對燃燒器襯套壁做出重大變化來接受儀 器探針。這些變化包括在襯套壁中鑽孔和將尺件(ferule)/保持器焊接到襯套上。添加這 些特徵導致空氣從燃燒區轉向到儀器位置，以便1)冷卻尺件的焊縫，以及2)在尺件/保 持器與壓力探針之間導致的洩露。燃燒區中空氣的損失和這些設計特徵的增大的成本兩者 都是應該避免的負面因素。因此，期望的是能以最小的成本影響來測量燃氣輪機的構件內的靜壓力。另外，期 望的是能夠測量燃氣輪機的構件內的靜壓力而無損構件/燃氣輪機設計的完整性。

發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種用於測量構件內的靜壓力的設備。該設備包括 聯接到構件上的殼體，該殼體包括設置於其中的可動構件，該可動構件可以可操作地延伸 到該構件內且可響應於該構件內的靜壓力從該構件縮回；以及設置於該殼體中且在熱方 面受保護而免受構件內的流體影響的傳感器，該傳感器配置成使得能夠確定構件內的靜壓 力。根據本發明的另一方面，提供了一種用於測量燃燒器內的靜壓力的系統。該系統 包括聯接到該燃燒器上的殼體，該殼體包括設置於其中的可動構件，該可動構件可以可操 作地延伸到燃燒器中且可響應於燃燒器內的靜壓力從燃燒器縮回；以及設置於殼體中且在 熱方面受保護而免受燃燒器內的流體影響的傳感器，該傳感器配置成使得能夠確定燃燒器 內的靜壓力；以及與傳感器通信的處理器，該處理器配置成用以確定燃燒器內的靜壓力。根據本發明的又一方面，提供了一種用於測量燃燒器內的靜壓力的系統。該系統 包括聯接到燃燒器上的殼體，該殼體包括設置於其中的可動構件，該可動構件可以可操作 地延伸到燃燒器中且可響應於燃燒器內的靜壓力從燃燒器縮回；設置於殼體中且在熱方面 受保護而免受燃燒器內的流體影響的傳感器，該傳感器進一步配置成用以測量作用於可動 構件上的力，作用於可動構件上的力隨著燃燒器內的靜壓力增大而增大；以及與傳感器通 信的處理器，該處理器配置成用以確定燃燒器內的靜壓力。結合附圖考慮，根據以下描述，這些和其它優點和特徵將變得更加顯而易見。


在說明書結論部分處的權利要求書中特別地指出且明確地要求保護被認為是本 發明的主旨。結合附圖考慮，根據下文的具體實施方式
，本發明的前述和其它特徵和優點顯 而易見，在附圖中圖1是根據本發明的一個示例性實施例的具有用於測量燃燒器內的靜壓力的設 備的燃燒器的示意圖；圖2是根據本發明的一個示例性實施例的包括與用於測量燃燒器內的靜壓力的 壓電變換器集成的火花塞的設備的截面圖；圖3是根據本發明的一個示例性實施例的包括與用於測量燃燒器內的靜壓力的 應變計集成的火花塞的設備的截面圖；圖4是根據本發明的一個示例性實施例的處於完全伸展位置且與用於測量燃燒 器內的靜壓力的電容器探針集成的火花塞的截面圖；以及圖5是根據本發明的一個示例性實施例的處於完全縮回位置且具有用於測量燃 燒器內的靜壓力的電容器探針的火花塞的截面圖。參照附圖，以實例的方式，具體實施方式
闡述了本發明的實施例，以及優點和特 徵。部件列表
具體實施例方式示例性實施例涉及具有用於測量構件(例如燃燒器)內的靜壓力的傳感器的設備 (例如火花塞)。在一個示例性實施例中，傳感器設置於設備殼體中且在熱方面受保護而免 受構件內的流體的影響。示例性實施例還涉及合併了用於測量系統(例如燃氣輪機)的構 件內的靜壓力的這些示例性設備的系統，和用於以最小的成本影響且在無損構件/系統的 完整性的情況下組裝該系統的方法。另外，在這些實施例中，該系統包括用於確定構件內的 靜壓力的處理器。根據一個示例性實施例，傳感器安裝於殼體中或集成於殼體中，該殼體在熱方面 保護傳感器免受系統(殼體集成到該系統中，以便測量該系統內的靜壓力)的流體的影響。 在一個非限制性示例性實施例中，傳感器(例如壓電變換器)沿軸向安裝於或集成於可動 構件與在熱方面保護傳感器免受系統流體影響的殼體之間。舉例而言，傳感器可沿軸向安 裝於火花塞的可縮回的探針與主體之間，該火花塞可合併到燃氣輪機的燃燒器腔室中。在 這個實例中，當腔室壓力較低時(諸如當該單元關閉時)，可縮回的探針延伸到燃燒腔室 內。在點燃後，燃燒器中的壓力增大且探針被迫縮回到燃燒器的襯套壁，直到探針抵靠火花 塞殼體主體而停止。一旦探針完全縮回且壓靠在變換器上，就可測量作用於探針上的軸向 壓力，從而提供關於燃燒器內的靜壓力的反饋。或者，根據一個非限制性示例性實施例，傳 感器安裝在設置於殼體中的可動構件上。使用上面的同一實例，根據本發明的其它示例性 實施例，傳感器可安裝於探針上，以測量探針上的軸向應力/力，從而提供關於燃燒器內的靜壓力的反饋。在又一備選實施例中，傳感器安裝於可動構件軸杆上，以測量可動構件的壓 縮，該壓縮被轉換成可動構件上的軸向應力/力，從而提供關於燃燒器內的靜壓力的反饋。 這些各種構造以最小的成本影響提供對於性能和健康監測有價值的數據(例如，燃燒器內 的靜壓力)，且可容易地改型為並不具有用於直接系統壓力測量的所需的儀器設計特徵的 現有單元。現參看附圖，圖1是示出了根據一個示例性實施例的用於測量燃氣輪機的燃燒器 內的靜壓力的系統10的示意圖。系統10包括設備12，設備12合併到燃氣渦輪發動機(未 圖示)的燃燒器組件14中，且構造成在不影響成本和燃燒器性能兩者的情況下測量燃燒器 內的靜壓力。根據一個示例性實施例，設備12是如圖所示的火花塞。當然，在其它示例性實 施例中可使用可容納傳感器並且在熱方面保護傳感器免受燃燒器流體的影響，以便在無損 燃燒器的完整性或性能的情況下測量燃燒器內的靜壓力的其它已知裝置。為了方便討論， 將在下文中更詳細地討論火花塞構造。根據本發明的示例性實施例的設備12可合併到具有不同的構造的燃燒器組件內 且不應限於圖1中所示的構造。一般而言，高壓氣體被供應到燃燒器組件14且在噴嘴16 中與燃料(例如過程氣體和/或合成氣體)混合。燃料/空氣或可燃混合物被傳遞到燃燒 器腔室18中且由火花塞12點燃以形成高壓、高溫燃燒氣體流。根據一個示例性實施例，然 後由火花塞來測量燃燒器腔室18內的靜壓力，其將在下文中更詳細地描述。現參看圖2A，火花塞12的基本元件大體上包括主外部主體或殼體20，根據一個示 例性實施例，該主外部主體或殼體20由金屬形成。根據一個實施例，殼體20包括安裝凸緣 22和基座凸緣24。火花塞12還包括具有設置在殼體20內的活塞組件或可縮回的主體28 的可動構件26。根據一個示例性實施例，可動構件26是可縮回的探針。當然，根據其它示 例性實施例，設置於殼體中的可動構件26可為構造成響應於燃燒器腔室18中的流體而移 動或改變位置的任何其它機構。可縮回的主體28構造成響應於燃燒器腔室18中的靜壓力 而移動到燃燒器腔室18中及從燃燒器腔室18中移出。如在圖2B中所示，可縮回的主體28 由返回彈簧29保持在其完全伸展位置上，返回彈簧29使一端擱靠在靠近安裝凸緣22的可 縮回的主體28的肩部部分30上且另一端擱靠在基座凸緣24中的肩部32上。可縮回的主 體28具有大體由參考標號34表示的衝程距離，根據一個示例性實施例，當可縮回的主體處 於其完全伸展位置時，衝程距離限定於殼體20的基座凸緣24與可縮回的主體28的後端36 之間。根據一個示例性實施例，可動構件26還包括具有多個向內延伸的突出物42的末 端組件40，向內延伸的突出物42充當側部電極，其與中央電極44間隔開以限定火花放電間 隙46。當火花塞12通過安裝凸緣22連接到燃燒器腔室18上時，末端組件40如圖所示延 伸到腔室18中。在操作中，當燃燒器內的壓力較低(在點燃之前)時，可縮回的主體28保 持在其完全伸展位置，從而允許末端組件40完全延伸到燃燒器腔室內。在點燃後，燃燒器 腔室18中的壓力增大且可縮回的主體28被迫縮回，直到可縮回的主體28的後端36抵靠 基座凸緣24中的肩部32而停止。燃燒器腔室18中的壓力還使得末端組件40或其部分從 燃燒器腔室18中的火焰區域移出，這防止了對火花塞12的損害。可以任何常規方式形成包括可縮回的主體和末端組件的可縮回的探針的構型，且 該構型不應是限制性的。
根據一個示例性實施例，傳感器50設置於殼體20中，且當殼體20聯接到燃燒器 上時在熱方面受保護而免受燃燒器腔室18內的流體影響。傳感器50配置成使得能確定燃 燒器內的靜壓力。根據一個示例性實施例，傳感器50沿軸向設置於可縮回的探針26與殼 體20的基座凸緣24之間。具體而言，根據一個示例性實施例，傳感器50沿軸向設置於可 縮回的主體28的後端36與基座凸緣24中的肩部32之間。在一個示例性實施例中，傳感 器50通過任何固定措施(諸如，例如焊接、高溫膠或任何其它已知措施)固定到基座凸緣 24中的肩部32上。根據一個非限制性示例性實施例，傳感器配置成在可縮回的探針26完 全縮回且壓靠在傳感器50上之後測量作用於可縮回的探針26上的軸向壓力，從而提供關 於燃燒器腔室18內的靜壓力的反饋。根據一個示例性實施例，監測裝置60選擇性地聯接到傳感器50上，以用於確定燃 燒器腔室18內的靜壓力。在一個實施例中，監測裝置60在殼體20的外部且根據一個示例 性實施例經由纜線聯接到火花塞12的傳感器50上。構想到在其它示例性實施例中，監測 裝置60配置成與傳感器50以無線的方式通信。監測裝置60可為用於監測發動機和其構件的健康/條件/狀態以及提供關於性 能的數據(例如，燃燒器內的靜壓力)的任何類型的標準儀器。根據一個示例性實施例，監 測裝置60配置成基於所測量的作用於可動構件26上的力和向燃燒器腔室18內的靜壓力 暴露的可動構件26的預定表面積，來確定燃燒器腔室18內的靜壓力。根據一個示例性實 施例，向燃燒器內的靜壓力暴露的總表面積可包括末端組件40的表面積和面向燃燒器腔 室18的可縮回的主體28的表面積。根據一個示例性實施例，監測裝置60包括具有硬體和/或軟體/固件與計算機程 序的組合的處理器，電腦程式在被加載和執行時允許計算機的處理器操作，使得其執行 本文所述的方法。根據一個非限制性示例性實施例，傳感器50是任何常規類型的壓力變換器。在另 一非限制性示例性實施例中，傳感器50是如圖2所示的任何常規類型的壓電變換器。或者， 根據一個示例性實施例，如圖3所示，傳感器50是設置於可縮回的主體28的表面部分上的 任何常規類型的應變計。當可動構件26完全縮回而靠近基座凸緣24時，應變計測量可動 構件26上的軸向應力/力。作為傳感器50的應變計配置成在可動構件26完全縮回而靠近基座凸緣24之後 測量可動構件26上的軸向應力/力，從而提供關於燃燒器腔室18內的靜壓力的反饋。作用 於可動構件26上的力隨著燃燒器腔室18內的靜壓力增大而增大。因此，由傳感器50(例 如壓電變換器)測量的力隨著燃燒器腔室18內的靜壓力改變而改變。在本發明的一個備選示例性實施例中，傳感器50是如圖4和圖5所示的任何常規 類型的電容器探針。在圖4中，可動構件26被示為處於其完全伸展位置。在圖5中，可動 構件26被示為處於其完全縮回位置。在此實施例中，參考特徵62位於或機械加工於靠近 可縮回的主體28的前端64的可縮回的主體28表面上，如圖4所示。電容器探針配置成通 過測量參考特徵62相對於電容器探針的位移來測量可動構件26的壓縮量。換言之，壓縮 量可根據由電容器探針(距離探針)進行的軸向變位來測量。根據一個示例性實施例，監 測裝置60可操作地將電容器探針測得的軸向變位轉變成作用於可動構件26上的軸向應力 /力或使該軸向變位與作用於可動構件26上的軸向應力/力相關。監測裝置60然後基於作用於可動構件26上的軸向力和向燃燒器腔室18內的靜壓力暴露的可動構件26的總表 面積來確定燃燒器腔室18內的靜壓力，如上文所述。構想到根據其它示例性實施例可使用其它類型的傳感器來測量或者使得能確定 燃燒器內的靜壓力，且其它類型的傳感器不應限於本文所述的實例。應理解的是，向燃燒器腔室18內的靜壓力暴露的可動構件26的總表面積取決於 可動構件26的設計構造，該設計構造可取決於應用而改變且不應限於本文所示的構造。根據本發明的一個示例性實施例，提供了一種用於組裝用來測量燃氣輪機的燃燒 器內的靜壓力的系統的示例性方法。該方法大體上包括在殼體20中設置可動構件(例如 可縮回的探針26)，其中可動構件可操作地延伸到燃燒器內且響應於燃燒器內的靜壓力從 燃燒器縮回。然後，根據一個示例性實施例，將傳感器50設置到殼體上。在一個實施例中， 傳感器50通過任何固定措施(諸如，例如焊接、高溫膠或任何其它已知措施)固定到殼體 20上。根據一個示例性實施例，傳感器50配置成測量作用於可動構件上的力。或者，根據 本發明的其它示例性實施例，傳感器50根據該傳感器50的軸向變位來測量可動構件上的 壓縮量。根據一個實施例，傳感器50可沿軸向設置於可動構件與殼體20之間。或者，根據 另一實施例，傳感器50可設置於可縮回的探針的表面部分上。這樣做，可防止對燃燒器襯 套做出重大的硬體修改。之後，根據一個非限制性示例性實施例，經由纜線將監測裝置60 聯接到傳感器50上。監測裝置配置成基於作用於可動構件上的力和向燃燒器內的靜壓力 暴露的可動構件的預定表面積來確定燃燒器內的靜壓力。雖然本文所述的示例性實施例涉及具有不同構造的火花塞，但應理解的是，聯接 到燃燒器上的殼體20可為用於當與傳感器集成時可測量燃燒器內的靜壓力的其它類型的 已知裝置的殼體20。此外，構想到本文所述的用於測量靜壓力的集成設備可合併到這樣的各種類型的 構件/系統內該各種類型的構件/系統具有可根據其它示例性實施例來測量的內壓力，且 不應限於本文所述的構件/系統。雖然僅結合有限數量的實施例詳細地描述了本發明，但應容易地理解，本發明並 不限於這些公開的實施例。而是可修改本發明，以包括之前未描述但與本發明的精神和範 疇相應的任意數量的變型、更改、替代或等效布置。此外，雖然已描述了本發明的各種實施 例，但將理解的是，本發明的方面可包括所描述實施例中的僅某些實施例。因此，本發明不 應被認為受到前文描述的限制，而是僅受到所附權利要求書範圍的限制。
權利要求
一種用於測量構件(18)內的靜壓力的設備(12)，包括聯接到所述構件(14)上的殼體(20)，所述殼體(20)包括設置於該殼體中的可動構件(26)，所述可動構件(26)可以可操作地延伸到所述構件(18)中且可響應於所述構件(18)內的靜壓力從所述構件(18)縮回；以及設置在所述殼體(20)中且在熱方面受保護而免受所述構件(18)內的流體影響的傳感器(50)，所述傳感器(50)配置成使得能夠確定所述構件(14)內的靜壓力。
2.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述構件(18)是燃氣輪機的燃燒器o
3.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述傳感器(50)是壓力變換器。
4.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述可動構件(26)是火花塞(12) 的可縮回的探針(26)。
5.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述傳感器(50)配置成用以測量作 用於所述可動構件(26)上的力，作用於所述可動構件(26)上的力隨著所述構件(18)內的 靜壓力增大而增大。
6.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述構件(18)內的靜壓力是基於作 用於所述可動構件(26)上的力和向所述靜壓力暴露的所述可動構件(26)的預定表面積來 確定的。
7.根據權利要求1所述的設備(1)，其特徵在於，所述傳感器(50)沿軸向設置於所述 可動構件(26)與所述殼體(20)之間。
8.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述傳感器(50)設置於所述可動構 件(26)的表面部分上。
9.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述傳感器(50)是應變計。
10.根據權利要求1所述的設備(12)，其特徵在於，所述傳感器(50)配置成根據由所 述傳感器(50)進行的軸向變位來測量所述可動構件(26)的壓縮。
全文摘要
本發明涉及用於測量靜壓力的集成設備。提供了一種用於測量構件(18)內的靜壓力的設備(12)。該設備(12)包括聯接到構件(14)上的殼體(20)，殼體(20)包括設置在其中的可動構件(26)，可動構件(26)可以可操作地延伸到構件(26)中，且可響應於構件(18)內的靜壓力從該構件(18)縮回；以及設置於殼體(20)中且在熱方面受保護而免受該構件(18)內的流體影響的傳感器(50)，該傳感器(50)配置成使得能確定構件(14)內的靜壓力。
文檔編號G01L9/08GK101876576SQ20101013181
公開日2010年11月3日 申請日期2010年2月23日 優先權日2009年2月23日
發明者J·A·韋斯特 申請人:通用電氣公司