检测涡轮机工作状态的方法和装置.pdf

一种在涡轮机(1)工作时检测工作状态的方法，其中热废气经排气壳体(9)排出并随时检测在排气壳体(9)中的废气温度。所提供的在涡轮机(1)工作时检测工作状态的方法显示系统的故障，其中根据相应位置检测出相对于假设的笛卡儿坐标系统的原点的多个温度测量值。接着，确定温度分布的质心，其中在坐标系统原点与其温度分布质心之间的矢量作为涡轮机工作状态的指示。

1、  一种在涡轮机(1)工作时检测其工作状态的方法，其中热废气经设置在涡轮机(1)后面的排气壳体(9)排出，并随时检测在排气壳体(9)中的废气温度，其特征在于：在横向于废气主流方向的平面内，根据相应位置检测出相对于假设的笛卡儿坐标系统的原点的多个温度测量值，其温度测量值投影到坐标系统的两轴上并分别在两彼此正交的、在相应或是正的或是负的位置分量上进行分析，对于各轴，相同定向的空间分量接着通过分量方式根据相应的参考值通过求矩相加得到两个矩总和，其中各参考值这样选择，即使得相反方向的矩总和大小相等，求值评价由两参考值合成的点，它作为温度分布的质心被用来检测涡轮机(1)的工作状态。

2、  如权利要求1的方法，其特征在于：其质心由具有数值和角度的矢量表示，在质心矢量当时的数值或角度相对于之前测量的数值之差大于公差范围时，其工作状态被认为出现了故障。

3、  如权利要求1或2的方法，其特征在于：其平面垂直于废气主流方向且其主流方向平行于涡轮机(1)轴的旋转轴线(2)。

4、  如权利要求1、2或3的方法，其特征在于：在距轴的旋转轴线(2)相等的距离处检测所有空间温度测量值。

5、  如上述权利要求之一的方法，其特征在于：在相对于旋转轴线(2)旋转对称的各个位置检测各空间温度测量值。

6、  如上述权利要求之一的方法，其特征在于：该方法在涡轮机(1)稳定状态时使用。

7、  实施如权利要求1-6之一方法的装置，其中多个温度测量装置(T)设置在横向于废气主流方向平面内的涡轮机(1)的排气壳体(9)上，通过这些温度测量装置随时在局部测量出相应温度值随时间的变化，其特征在于：各温度测量装置(T)与求值评价装置(25)的输入端连接，通过其求值评价装置(25)反映其工作状态，在求值评价装置(25)的输出端显示工作状态的信号。

8、  如权利要求7的装置，其特征在于：其平面垂直于废气主流方向且其主流方向平行于涡轮机(1)轴旋转轴线(2)，所有空间温度测量值在距轴的旋转轴线(2)相等的位置处被测出。

9、  如权利要求7或8的装置，其特征在于：空间温度测量值相对于旋转轴线(2)旋转对称地被测出。

10、  如权利要求7、8或9的装置，其特征在于：其涡轮机(1)具有环形燃烧箱(6)，在其上设置多个喷嘴(7)，喷嘴(7)的数量等于测量件的数量。

11、  如权利要求7、8或9的装置，其特征在于：其涡轮机(1)包括多个燃烧箱(6)，其中每个燃烧箱(6)分别具有一个喷嘴(7)，且燃烧箱(6)的数量等于测量件的数量。

12、  如上述权利要求7-11之一的装置，其特征在于：其涡轮机(1)由燃气轮机构成。

检测涡轮机工作状态的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种权利要求1前序部分的在涡轮机工作时检测工作状态的方法以及权利要求7前序部分实施其方法的装置。
现有技术
公知的是，为了检测涡轮机的工作状态，需要不断检测和评价废气温度。对此，在排气壳体的内壁上设置同轴均匀分布的多个温度测量装置，它们检测废气的温度。为了评价所测量的废气温度，将之与极限值进行比较。对于各测量位置，在检验操作时，检测出现的最大和最小温度并由此确定温度范围。如果温度测量件检测的温度处于预先测量的温度范围之外，可以确定出现涡轮机出现了故障。
另外公知的是，由温度测量装置的一定时间内的温度平均值与瞬时温度，确定其差值，检测其工作状态。
这种评价方法的缺点是，没有考虑在规定极限值之下的出口温度的系统微小变化。
US2002/183916 A1还公开了计算出口温度场的角位移方法。所获得的角位移用于标定出口温度场，以判断专用桶式燃烧箱的温度点。
此外，EP1 118 920 A1公开了一种旋转部件的振动监测方法。对此，设置一个或多个彼此错开设置的致动传感器。通过其传感器检测振动的或由其振动引起的暂时移动的振幅和相位，并将其分解为两彼此正交的分量，以进行分析，接着将其分量分别通过求算数平均值换算成振幅和相位值，其值用于评价分析状态。
此外，JP 02-064232公开了涡轮机出口温度场的显示装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种在涡轮机工作时检测工作状态的方法，通过该方法检测和显示工作状态的系统变化。本发明另一目的在于提供一种相应的装置。
本发明针对其方法的目的是通过权利要求1的特征实现的。优选的进一步的方案由从属权利要求给出。
本发明给出了在涡轮机工作时检测工作状态的新途经。迄今为止，已有技术都是在排气通道中的多个位置进行空间温度测量，以检测废气的出口温度。已有技术中并没有考虑到测量的空间位置。现在，将所有检测到的温度值连同有关的空间位置通过求矩(moment)，生成一个变量，通过它可以快速准确地检测系统的变化。
将各时间点的废气温度与检测温度的位置在坐标系统中画出来，同时考虑到它们具体的检测位置。而后，将每一个温度测量值投影到坐标系统的两个坐标轴上，将它们分解为两个彼此正交的空间分量(其值为正的或是负的)，随后对同一轴上的每个空间分量进行求和，相对于各自方向上的参考值形成两个方向的矩之和；其中各参考值这样选择，即使得相反方向的矩总和大小相等；将由两个方向的参考值所合成的点作为温度分布的质心进行评价，以检测涡轮机的工作状态。
可以借助于出口温度分布的整体信息来考量至今处于最低条件之下的那些信息。由此，可以获得更高水平的信息内容，用于更快更有效地进行检测。
在一优选技术方案中，其质心(centroid)由具有数值和角度的矢量来表示，在质心矢量当时的数值或角度相对于之前时间点确定的数值或角度之差大于或小于允许的公差范围时，可以认为燃气轮机稳定工作时的工作状态出了问题。比较不同时间点测量的两质心，并监测其差值。如果其差值大于公差范围，可知涡轮机的操作出现了故障。其公差范围通过试验操作或通过经验值获得。
反过来考虑，如果经一段时间其质心矢量的数值和/或角度保持恒定，可以判断燃气轮机无问题。
涡轮机工作时质心矢量(即出口温度分布的质心的数值和角度)的时间特性是公知的。
在燃气轮机无故障工作时，出口温度分布的质心矢量逐渐呈一个固定大小的量，即具有恒定地数值及恒定的角度。其恒定的含义是，该量虽然会在公差范围规定的波动范围内能产生较小的变化，但这种变化不会归之于系统性的影响，而只是偶然变化的产物。
如果出现负载改变，这不会影响质心矢量的数值，因为其数值基本不随负载变化而变。
质心矢量的角度基本上随负载的变化而变，因为由此改变涡轮机中的热气流并由此改变流动状态。热气流的改变通过调节压缩装置的进口导向叶片和/或通过改变输入的燃烧剂流实现。
热气流的改变引起出口温度分布相应的旋转。但这不等于出现故障，因为其角度的变化是由于燃气轮机通常操作引起的。
如果在涡轮机稳定工作时，其质心矢量的数值或角度发生改变，这起因于系统的变化(例如起因于挡热板破裂形成通道堵塞)。系统的变化起因于燃气轮机误操作或故障，因为此时没有其它已知的、外力的作用。另外，也可能是喷嘴焦化或火焰定向改变的喷嘴问题引起出口温度分布质心位置的改变。同样，温度波动反映的流动波动也导致其角度旋转。
适合的是，温度测量装置的测量位置所处的平面垂直于废气主流方向且其主流的方向平行于涡轮机轴旋转轴线。随时在距轴的旋转轴线相等的距离处进行温度测量。
在一优选技术方案中，测量位置相对于旋转轴线旋转对称地设置。由此，实现等距离的分布，这种对称的设置方式特别有利于对涡轮机的工作状态进行评价。
本发明的方法方法通常适合于连续不断地对涡轮机的工作状态进行检测。因此，特别优选的是其检测在涡轮机稳定状态时或准稳定状态时可随时进行，因为其方法可以提供特别可靠的结果。借助质心矢量所进行的燃气轮机工作的状态分析从原理上还允许在瞬间对涡轮机进行修正性的操作，这对于涡轮机的瞬态工作来说是一个十分需要的功能。利用本发明的方法，可以详细研究在瞬时工作状态(如在起动过程中和停机过程中)燃气轮机特性的可靠结果和报告。
适合的是，其涡轮机被设计成燃气轮机。
各温度测量装置与一个求值评价装置的输入端连接，通过其求值评价装置反映其工作状态，在求值评价装置中实施所述的方法，在求值评价装置的输出端显示工作状态的信号。其求值评价装置包括储存测量温度值的装置和识别工作状态的装置。
在一优选技术方案中，设置温度测量装置的平面垂直于废气主流方向且其主流方向平行于涡轮机轴旋转轴线。处于其平面内的温度测量装置设置在排气壳体上，使得所有空间温度测量值在距轴的旋转轴线相等的距离被测出。由此，各点温度测量的条件相同，不需要考虑其位置的不同。
适合的是，以相对于旋转轴线旋转对称的方式进行空间温度测量。
如果其涡轮机具有环形燃烧箱，在其上设置多个喷嘴，喷嘴的数量等于测量装置的数量，可以建立喷嘴与排气通道中所测量的排气温度的关系。
如果其涡轮机包括多个燃烧箱，每个燃烧箱分别具有一个喷嘴，即使采用多个温度测量装置，只要测量装置的数量与燃烧箱的数量相应，也可以建立喷嘴与在排气通道中测量的排气温度的关系。
优选地，其涡轮机由燃气轮机构成。
附图说明
下面参照附图进一步描述本发明。其中：
图1示出了燃气轮机的局部纵向截面图；
图2示出了具有出口温度分布图的笛卡儿坐标系统；
图3示出了燃气轮机出口温度的质心矢量的数据-时间以及角度-时间图；
图4示出了为实施本发明监测方法所采用的一个的求值评价装置。
具体实施方式
图1示出了燃气轮机1的纵向局部断面图。其燃气轮机在内部包括绕旋转轴线2转动的转子3，它也称作透平转子或转子轴。沿着转子3依次设置吸进壳体4、压缩装置5、具有多个同轴设置的喷嘴7的环面型的环形燃烧箱6、透平部件8以及排气壳体9。
在压缩装置5中形成环形压缩通道10，其横截面沿燃烧箱6的方向逐渐变小。在压缩装置5燃烧箱侧的出口设置扩散器11，它与环形燃烧箱6相连，流体可在二者之间流动。燃烧箱6构成一燃烧室12，用于容纳由燃烧剂和压缩空气L构成的混合物。热气通道13与燃烧室12相连并允许流体流过，其排气壳体9设置在热气通道13之后。
在压缩通道10和热气通道13中分别交替形成导向叶片环状通流部分。由导流叶片14形成的导流叶片环状通流部分15分别处于由工作叶片16形成的工作叶片环状通流部分17之后。静止设置的导流叶片14与定子18连接，而工作叶片16借助透平叶轮盘19固定在转子3上。
排气通道9通过对中于旋转轴线2而由内壁24界定，在其内壁上沿圆周均匀固定设置24个温度测量装置M_i。所有温度测量装置M_i处于垂直于旋转轴线2的假想平面上。
在燃气轮机1工作时，由压缩装置5通过吸进壳体4吸入空气L并在压缩通道10中被压缩。在喷嘴侧的压缩装置5出口提供的空气L通过扩散器11通向喷嘴7并与燃烧剂混合。其混合物通过所形成的工作流体20在燃烧室12中燃烧，从这里出来的工作流体20流入热气通道13。工作流体20在透平部件8中设置的导流叶片14和在工作叶片16上脉冲式地膨胀，由此，驱动转子3并通过它耦合到工作机械上(未示出)。在排气通道9中，工作流体20作为废气继续排出。各温度测量装置M_i测量废气在相应位置的温度T_i。
图2示出了在时间点t₀出口温度的笛卡儿坐标系统P(x，y)。
它被定义为：
P(x，y)：＝在平面内的笛卡儿坐标系统，它与旋转轴线2在坐标原点P(0，0)垂直相交
M_i：＝温度测量装置，其测量位置在同一平面内
n：＝24，温度测量装置的数量
T_i：＝温度测量装置M_i的温度，其中i＝1..n
在坐标系统P(x，y)中，从坐标原点P(0，0)起始的24条辅助直线H_i呈放射形地向温度测量装置M_i的各测量位置延伸，其中H_i中的i＝1..n。因此，各辅助直线H_i与x轴正向呈角度Θ_i，其值为15°或其15°的整数倍。
由测量装置M_i测出的各温度T_i在相应的辅助线H_i上记录成一点，它距坐标原点P(0，0)的距离与测量的温度T_i值成比例。因此，在辅助线H_i(i＝1..n)上形成与局部温度温度T_i相关的点。对于各点借助公知的三角函数即
T_xi＝T_i·cos(Θ_i)，其中i＝1..24        (1)
T_yi＝T_i·sin(Θ_i)，其中i＝1..24        (2)
得到在坐标系统两轴上的投影。
为了得到测量位置的相同权数，所有温度测量装置M设置在一个平面内，该平面与旋转轴线2垂直并同时朝着废气主流方向延伸。借助这种方法，也可以在圆周上非均匀地分布多个温度测量装置M_i。
为确定废气出口温度分布的质心S，各温度T_i的矩必须绕质心S平衡。在考虑分量时即坐标系统在各轴上取值方向相反的量的平衡，这种相对定向矩的总和平衡可以用下面的
Σ i = 1 6 M + xi + Σ i = 19 24 M + xi = Σ i = 13 24 M - xi - - - ( 3 ) ]]>
和
Σ i = 1 12 M + yi = Σ i = 13 24 M - yi - - - ( 4 ) ]]>
来表示。各单独矩由在质心S为支点的杠杠臂来计算，它与作用到力臂另一端的分量即温度T_i的有效量相乘。由于质心在初始时是未知的，这些矩在坐标系统中以还未知的参考值T_GL按照下式的分量形式计算
M_+xi＝(T_+xi-T_xGL)·T_+xi    (5)
M_-xi＝(T_-xi+T_xGL)·T_-xi    (6)
M_+yi＝(T_+yi-T_yGL)·T_+yi    (7)
M_-yi＝(T_-yi+T_yGL)·T_-yi    (8)
为了计算质心S，将等式(5)和(6)代入等式(3)合并整理，将等式(7)和(8)代入等式(4)，由此，根据以下公式得到x轴的参考值
T xGL = Σ i = 1 6 T + xi 2 + Σ i = 19 24 T + xi 2 - Σ i = 7 18 T - xi 2 Σ i = 1 6 T + xi + Σ i = 7 18 T - xi + Σ i = 19 24 T + xi - - - ( 9 ) ]]>
并且根据以下公式得到y轴的参考值
T yGL = Σ i = 1 12 T + yi 2 - Σ i = 13 24 T - yi 2 Σ i = 1 12 T + yi + Σ i = 13 24 T - yi - - - ( 10 ) ]]>
将上述两参考值合并为下式的质心矢量其幅度及其角度分别为
| S → ges | = T xGL 2 + T yGL 2 - - - ( 11 ) ]]>
φ ges = tan ( T yGL T xGL ) - - - ( 12 ) ]]>
质心矢量起于坐标原点P(0，0)，而终于处于P(T_xGL，T_yGL)的质心S。角度φ_ges表示相对于x轴正向的正的角度，通常采用正切函数来表示这个角度φ_ges。
用时间解析即再现的方法，将所有检测的温度T_i根据上述的计算合成为质心矢量
| S → ges | . ]]>
在图2中，在辅助线H_i上记录的温度T_i的点经圆周线22彼此连接，它共同围成多边形角的基本呈圆形的面23，其质心S通过采用的方法确定。
对于理想的燃气轮机1，对称的出口温度分布为对称形状，其质心矢量应为零矢量。
质心矢量的数值越大，出口温度分布相对于坐标系统的原点越偏。数值越小，出口温度分布的对称性就越好。
在图3中，示出了质心矢量随时间变化的组合数值-时间和角度-时间的图表。其质心矢量由数值和角度φ_ges表示，其中角度φ_ges用虚线表示。而数值由实线表示。
在燃气轮机稳定无故障工作时，从时间点t＝t₀到时间点t＝t_m数值的特性曲线在很小的波动范围内近似恒定。同样，角度φ_ges也在很小的范围内波动，近于恒定。
到时间点t＝t₁，在稳定工作时，由于透平入口腔的局部封闭，涡轮机发生系统性的变化，可用本发明的方法来检测所述的系统变化。
从时间点t＝t₁开始，角度φ_ges发生较大变化，降到上述值大约一半处。从时间点t＝t₂起，数值移出其波动范围之外。由于角度φ_ges和数值的改变已不再是微不足道的，可以较早、较容易地检测到故障。
虽然可通过现有技术公开的方法来记录温度变化，但小的系统温度变化不超过阈值，由此不能诊断为工作异常。因此，通过EP 1 118 920 A1的监测方法不能足够提前检测故障信号(即透平入口腔的局部封闭)，这种故障信号与由第一工作叶片组的振荡激励以及紧接着的叶片折断所产生，并伴随着这种振荡激励及叶片折断而存在。
EP 1 118 920 A1描述的方法虽然可以按照两彼此垂直的分量分析检测到的导出平均值，通过其分量确定得到的数值和角度的大小，但不能对分量加权，特别是根据形成的矩改变权数。在本发明的方法中，各温度T_i(例如T_+xi)与其相应的力臂例如(T_+xi-T_xGL)根据等式(5)-(8)进行作用，得到物理意义上的矩，即面的质心点S。
通过质心S即点P(T_xGL，T_yGL)的移动改变各力臂并由此改变各温度T_i的权数。由此，本发明的方法对出口温度分布的小的改变也特别敏感。对此，其方法相对于简单的求平均值进行了进一步的改进，因为简单的求平均值不能明显描述对称温差且不能给出关于其出口温度分布的几何定向和旋转的启示。
图4示出了监测质心矢量的装置。它包括实施该方法的求值评价装置25。对此，其求值评价装置25与所有的温度测量装置M_i和显示装置26连接。由检测到的温度T_i，其求值评价装置25计算质心矢量并检验其数值和角度φ_ges是否处于公差范围之外。如果燃气轮机工作异常，求值评价装置25向显示装置26发出信号，显示装置26显示设备的工作状态出现异常。其显示装置26可以是监视器或监控灯。
通过持续不断地监控其数值和角度φ_ges可以在外界感知之前检测出设备的瞬时变化，并将之归为系统性的异常，从而可以提前提示设备的问题或故障，从而避免涡轮机进一步的损坏，或者直接对燃气轮机进行矫正性操作。