传感器壳体 |
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| 申请号 | CN201480012139.6 | 申请日 | 2014-03-12 | 公开(公告)号 | CN105026895B | 公开(公告)日 | 2017-10-17 |
| 申请人 | 索拉透平公司; | 发明人 | M·A·迈耶尔; D·W·凯里; | ||||
| 摘要 | 提供一种 传感器 壳体(1)。该传感器壳体包括具有开放端(23)和封闭端(22)的细长主体(2)。开口(21)通过开放端轴向设置在细长主体内，并且配置成接收固定在其中的传感器(3)。 支撑 部段(9)连接到细长主体的封闭端上，并且耦接到设置在燃气 涡轮 发动机 系统上的接收端口上。该细长主体具有根据运行过程中所述 燃气涡轮发动机 系统的振动特性而确定的轴向尺寸(18)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种传感器壳体(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 传感器壳体技术领域背景技术[0002] 涡轮发动机系统通常包括燃气发生器和动力涡轮。该燃气发生器包括燃烧室，其通过燃烧燃料供给产生高压气流。该高温高压气流被引入动力涡轮中，驱动该动力涡轮产生输出动力。因而，对燃烧室进行监测和控制对于该涡轮发动机系统的正确操作是非常重要的。 [0003] 燃气涡轮系统中的燃烧不稳定能产生无法忍受的巨大压力波，其可导致部件的疲劳和失效以及昂贵的停运和维修。声传感器通常用于测量燃烧室内的动态压力。该声传感器提供的测量将被用于在不稳定性导致严重损坏之前，对不稳定性进行监测、检测和纠正。然而，由于高温高压环境，使得很难直接测量燃烧室内的动态压力。 [0004] 第US 2010/0139286 A1号美国专利申请公开说明书中公开一种燃烧器，其包括用于测量燃气涡轮中压力的压力测量装置。该压力测量装置包括限定压力测量位置的测量点。该测量点位于燃气涡轮的燃烧器内部。 [0005] 由于现有的传感器部件可能无法承受燃烧室内产生的温度和压力，因此现有涡轮发动机系统中的声传感器通常远离燃烧室而设置，以免损坏传感器。因而，现有燃烧监测系统需要用传输管将压力从燃烧室传输到传感器。为了防止共振干扰测量，传感器还连接到半无限线圈上，当由于冷凝和水洗而充满水时，其可导致错误测量。因此，需要一种燃烧监测系统，其采用位于燃烧室附近的声传感器，而不用相关的半无限线圈，以直接测量其中的压力。 发明内容[0006] 根据本发明的一个实施例，提供了一种传感器壳体。该传感器壳体包括具有开放端和封闭端的细长主体。开口通过该开放端轴向地设置在该细长主体内，并且配置成接纳固定在其中的传感器。支撑部段连接到该细长主体的封闭端，并耦接到设置在燃气涡轮发动机系统上的接收端口。此外，该细长主体具有根据运行过程中燃气涡轮发动机系统的振动特性而确定的轴向尺寸。 [0007] 根据本发明的一个替代实施例，提供了一种将传感器附接到燃气涡轮发动机系统的设备。该设备包括耦接到燃气涡轮发动机系统的传感器壳体。该传感器壳体包括细长主体，细长主体具有根据运行期间燃气涡轮发动机系统的振动特性而确定的轴向尺寸。该设备进一步包括设置在传感器壳体内的传感器，以及配置成将传感器固定在传感器壳体内的安装螺母。 [0008] 根据本发明的一个替代实施例，提供了一种测量燃气涡轮发动机系统内压力的方法。根据该方法，传感器壳体耦接到燃气涡轮发动机系统。该传感器壳体包括细长主体，细长主体具有根据运行过程中燃气涡轮发动机系统的振动特性而确定的轴向尺寸。传感器设置在传感器壳体内，并由与传感器壳体耦接的安装螺母固定在传感器壳体内。该方法进一步包括：从传感器收集压力测量值。附图说明 [0009] 图1是示例性公开的燃烧监测系统的示意图； [0010] 图2是用于将声传感器附接到燃烧室的示例性传感器设备的剖面图； [0011] 图3是图2的传感器壳体的透视图； [0012] 图4是用于将声传感器附接到燃烧室的另一个示例性传感器设备的剖面图； [0013] 图5是示出了图2的传感器壳体的频率分析的曲线图；以及 [0014] 图6是示出了燃气涡轮发动机中压力测量过程的流程图。 具体实施方式[0015] 图1是用于对燃气涡轮发动机系统的燃烧室内的压力进行监测的一种示例性公开的燃烧监测系统100的示意图。监测系统100包括传感器设备106、信号处理单元102、以及将传感器3连接到信号处理单元102的信号传输线17。 [0016] 传感器设备106可包括压电传感器或配置成测量由声波强加于其上的压力的其他类型的传感器。传感器设备106可被安装到与涡轮发动机系统的燃烧器模块104相关联的火炬壳体8。火炬壳体8包括设置在其中的并与燃烧器模块104内的燃烧室连接的火炬室7。火炬壳体8可包括一端封闭而另一端开放的圆柱主体。燃料和空气分别馈送到火炬室7中，并在其中相互混合以产生燃料空气混合物。然后，燃料空气混合物被点燃以提供火炬火焰，随后火炬火焰通过火炬壳体8的开放端被引入到燃烧器模块104内的燃烧室，以点燃燃烧室内的燃料。传感器设备106可通过火炬壳体8的圆柱主体的侧壁被固定到火炬壳体8。根据进一步实施例，传感器设备106可沿着火炬壳体8的圆柱主体的径向方向设置。 [0017] 在涡轮发动机系统运行期间，由于燃烧室内的燃料燃烧而产生了声波。该声波通过火炬室的圆柱主体的开放端进入火炬室7，并将压力强加到传感器设备106上。传感器设备106将压力转换成电信号，电信号通过传输线17传输至处理单元102。或者，传感器设备106可直接固定到燃烧器模块104的侧壁，并且配置成测量燃烧室内的压力。 [0018] 处理单元102可包括已知的电子部件，例如处理器和存储器，配置成处理该电信号并产生表明燃烧室内的压力的输出。处理单元102可通过用户界面将输出提供给用户，并允许用户看到与燃烧室内声波相关联的参数，例如频率和压力波的振幅。或者，处理单元102可将输出提供给其他系统部件，如涡轮发动机系统的控制器，以便控制器监测并控制燃气涡轮发动机的运行。 [0019] 图2和图3描述了图1的传感器设备106的示例性实施例。传感器设备106包括用于将传感器3安装并固定到火炬壳体8的传感器壳体1。传感器壳体1包括具有封闭端22和开放端23的细长主体2。细长主体2的开放端23具有沿着主体2的轴向方向设置在其中的开口21。传感器3通过开放端23设置在壳体1的开口21内。阶部13设置在开口21内，将开口21划分成紧邻主体2的封闭端22的第一部段24和紧邻主体2的开放端23的第二部段25。开口21的第一部段24具有与传感器3的头部段16的直径大体匹配的具有合适的间隙/公差的直径，以易于安装。 [0020] 传感器3可通过开放端23插入到细长主体2中，使得头部段16由开口21的第一部段24接纳。传感器3的圆盘部段15通过设置在其间的垫片5靠在阶部13上。根据一个实施例，选择垫片5的厚度19，使得开口21的第一部段24的端壁与传感器3的头部段16之间的间隙14基本上最小化。因此，头部段16基本上接近第一部段24的端壁，但不会接触第一部段24的端壁。可选地或附加地，间隙14的轴向尺寸20可通过改变垫片5的厚度19来调整。垫片5的厚度越大，间隙14越大，反之垫片5的厚度越小，间隙14越小。在一个实施例中，开口21的第一部段24的轴向尺寸是24.13毫米，公差为0.127毫米，垫片5的厚度19是0.991毫米，公差为 0.102毫米，传感器3的头部段16的轴向尺寸是24.69毫米，公差为0.203毫米。因此，第一部段24的端壁与传感器3的头部段16之间的间隙14的轴向尺寸20是0.432毫米，公差为0.432毫米。 [0021] 根据又一实施例，开口21的第二部段25被车上螺纹。具有与开口21的带螺纹的第二部段25匹配的螺纹部段12的安装螺母4通过开口21拧入壳体1。拧紧之后，安装螺母4压靠在传感器3的圆盘部段15上，以固定传感器壳体1内的传感器3。此外，螺母4具有沿着轴向方向设置的用于引导传输线17通过螺母4的通孔。 [0022] 壳体1的主体2可具有如图3所示的六角形形状，其允许使用已知的机械工具来旋转壳体1。或者，壳体1的主体2可具有圆柱形状，所述圆柱形状具有匹配机械工具的平坦部段。再或者，壳体1的主体2具有允许使用本领域已知的工具来旋转壳体1的其他形状和/或结构。 [0023] 如图2和图3进一步所示，壳体1进一步包括从壳体1的封闭端22向外且轴向地延伸的支撑部段9。在一个实施例中，支撑部段9具有圆柱形状。支撑部段9的外表面被车上螺纹，并且匹配设置在火炬壳体8的侧壁上的螺纹端口。使用上述的机械工具通过旋转壳体1的主体2，将支撑部段9拧入火炬壳体8的螺纹端口。因而，壳体1可通过支撑部段9安装且固定到火炬壳体8。或者，火炬壳体8的侧壁上的端口和支撑部段9的外表面可不被车上螺纹。支撑部段9可设置在端口内，并通过过盈配合或通过其他已知的技术固定在其中。 [0025] 根据进一步实施例，火炬壳体8的侧壁上的端口可沿着火炬壳体8的圆柱主体的径向方向来定向。因此，当固定到火炬壳体8上时，传感器壳体1从火炬壳体8的侧壁径向地延伸。 [0026] 此外，如图2和图3所示，壳体1可进一步包括从壳体1的支撑部段9向外且轴向地延伸的末端部段10。末端部段10可具有圆柱形状、圆锥形状、或其他合适的形状。末端部段10的径向尺寸可小于支撑部段9的径向尺寸。当壳体1完全固定到火炬壳体8时，末端部段10伸出火炬壳体8的侧壁并在火炬室7内径向地延伸。 [0027] 再此外，穿过末端部段10、支撑部段9、以及壳体1的封闭端22沿着主体2的轴向方向设置通道11。更具体地说，通道11可为轴向钻穿末端部段10、支撑部段9、以及主体2的封闭端22的通孔。当壳体1安装到火炬壳体8时，通道11将声波从火炬室7朝着传感器3的头部段16引导，从而使头部段16暴露在火炬室7内的压力波中。因而，传感器3可提供燃烧室104内的压力和声波的测量值。在一个实施例中，通道11的长度为6.35毫米，直径为2.54毫米。其他尺寸也可用于通道11。 [0028] 根据又一进一步实施例，主体2具有配置成优化壳体1的振动特性的轴向尺寸18，从而减小由燃气涡轮发动机的运行所引起的壳体1的振动并避免对壳体1和与之关联的部件的损害。更具体地说，与燃气涡轮发动机的运行相关联的振动的特征在于发动机阶次。本文中的术语“发动机阶次”是指与涡轮发动机的运行相关联的振动的频率分量。具体地说，由涡轮发动机的运行所导致的振动可包括涡轮发动机的给定转速下的多个频率分量。一般来说，对于给定的发动机阶次n，转速r越大，频率越高。在给定的转速r下，发动机阶次n越大，频率越高。图5是描述了随着涡轮发动机的转速从0增加到最大转速rm时前4个发动机阶次(506，508，510和512)的变化的曲线图。根据进一步实施例，第n个发动机阶次的频率分量可表示为 其中r以每分钟转数(rpm)表示涡轮发动机的转速。例如，在6000rpm的转速下，第一发动机阶次具有100赫兹的频率，第二发动机阶次具有200赫兹的频率，第三发动机阶次具有300赫兹的频率，等等。根据又一进一步实施例，与涡轮发动机的运行相关联的振动的能量可主要集中在低发动机阶次中。例如，该能量的绝大部分可与所述4个发动机阶次相关联。 [0029] 另一方面，壳体1的振动特性可由沿着给定方向的固有频率表示。如图2和图3所示，例如，壳体1的振动特性可由沿着与X、Y、以及Z轴相对应的正交方向的固有频率表示。 [0030] 如果壳体1的固有频率基本上接近于或等于其中一个发动机阶次，则在涡轮发动机的运行过程中，壳体1可被相应的发动机阶次激励，导致壳体1过度振动，并且导致其结构的潜在损坏。因而，为了减少涡轮发动机的振动而引起的壳体1的振动，设置壳体1的固有频率，使得它们高于与多数振动能量相关联的前几个发动机阶次。 [0031] 根据进一步实施例，由于主体2的细长形状，沿X轴的壳体1的固有频率大于沿Y轴和Z轴的固有频率。因而，如果沿Y轴和Z轴的固有频率被设置成高于给定的发动机阶次，则确保沿X轴的固有频率高于该发动机阶次。 [0032] 此外，沿Y轴和Z轴的壳体1的固有频率与主体2的轴向尺寸18相关联。通常，减小主体2的轴向尺寸18提供了沿Y轴和Z轴的相对较大的固有频率，而增加轴向尺寸18则提供了沿Y轴和Z轴的相对较小的固有频率。因而，可设计主体2的轴向尺寸18，使得沿Y轴和Z轴的壳体1的固有频率被设置成高于一个或多个发动机阶次。 [0033] 图5示出了传感器壳体1的固有频率和前四个发动机阶次的示例性频率曲线图300。在图5中，线502和504分别代表针对给定的主体2的轴向尺寸18，沿Y轴和Z轴的固有频率。根据一个实施例，选择主体2的轴向尺寸18，使得在转速r的整个运行范围内，线502和线 504在线506～512之上。因此，在转速r的整个运行范围内，沿Y轴和Z轴的固有频率高于前四个发动机阶次。或者，可选择主体2的轴向尺寸18，使得沿Y轴和Z轴的主体2的固有频率高于更多数量或更少数量的发动机阶次。 [0034] 根据进一步实施例，选择主体2的轴向尺寸18，使得沿Y轴和Z轴的主体2的固有频率高于各种类型和型号的涡轮发动机的选定组的发动机阶次。例如，在一个实施例中，主体2的轴向尺寸18被设置为82.55毫米。根据燃气涡轮发动机的类型和型号，也可使用其他尺寸。 [0035] 根据又一进一步实施例，选择主体2的轴向尺寸18，使得沿Y轴和Z轴的主体2的固有频率不仅高于选定组的发动机阶次而且高于选定组的发动机驱动力的频率。此处，发动机驱动力的频率是指在发动机的安装位置处或附近，振动幅度达到峰值时的频率。发动机驱动力的频率代表频率分量，其基本上促成发动机的全面振动以及上述发动机阶次。发动机系统所产生的发动机驱动力的频率可与各自的发动机阶次相关联，但不同于相关联的发动机阶次。给定的发动机阶次可促成略微低于或高于相关联的发动机阶次的一个或多个频率下的或者相关联的发动机阶次的非整数倍的频率下的多个发动机驱动力的频率。例如，与第一发动机阶次相关联的发动机驱动力的频率可在90赫兹到110赫兹之间或在250赫兹到270赫兹之间。因此，选择主体的轴向尺寸18，使得主体2的固有频率高于前两个发动机阶次(例如100赫兹和200赫兹)以及与第一个发动机阶次相关联的发动机驱动力的频率(例如110赫兹和270赫兹)。 [0036] 根据进一步实施例，主体2的轴向尺寸18通过本领域中已知的有限元分析(FEA)进行选择，以提供上述所需的振动特性。有限元分析的目的是确定自由振动过程中主体2的固有频率。有限元分析采用线性方程组对主体2的振动特性进行建模，并通过求解线性方程组提供振动特性的表示。 [0037] 图4是用于将压力传感器3附接并固定到火炬壳体8的传感器壳体1的另一个实施例的剖面图。图4中相同的标号表示与图2中所示相类似的部件或结构。 [0038] 根据图4，传感器壳体1的主体2具有外部结构和形状，与图3所示的大致对应。然而，省去了用于将压力和声波引导到传感器3的通道11。相反，末端部段10与支持部段9均具有足够的直径尺寸，使得开口21的第一部段24穿过末端部段10、支撑部段9以及主体2的封闭端22而设置。当传感器3设置在壳体1的主体2中时，传感器3的头部段16由开口21的第一部段24接纳，并且可伸出火炬壳体8的侧壁。因此，传感器3的头部段16可在火炬室7内延伸并且可与其中的压力和声波直接接触。 [0039] 传感器3可通过安装螺母4固定在壳体1的主体2内，该螺母通过垫片5将传感器3的圆盘部段15压靠在阶部13上。安装螺母4可具有螺接并固定在开口21内的螺纹部段。或者，安装螺母4可通过过盈配合固定在开口21内。 [0040] 如结合图5所描述，选择壳体1的轴向尺寸18，使得壳体1的固有频率在燃气涡轮发动机的整个转速运行范围内高于选定组的发动机阶次和/或发动机驱动力的频率。轴向尺寸18可通过FEA选择。 [0041] 工业实用性 [0042] 尽管描述为与燃气涡轮发动机系统一起使用，本文所公开的传感器壳体通常仍可用于备选应用和环境中。例如，可需要传感器测量动态环境中的任何机械系统或工业系统中的参数，并且该公开的传感器壳体可用于这样的环境中。 [0043] 图6描述了测量燃气涡轮发动机的燃烧室内的压力的过程600。根据过程600，在步骤602中，传感器壳体1耦接到涡轮发动机的火炬壳体8。如图2所描述，火炬壳体8的火炬室7可连接到涡轮发动机的燃烧室104，并且接纳来自其的高压气流。传感器壳体1可通过设置在火炬壳体的侧壁上的接收端口耦接到火炬壳体8上。该接收端口可被车上螺纹以与传感器壳体1的支撑部段9上的螺纹相匹配。火炬壳体1可通过接收端口与支撑部段9之间的耦接固定到火炬壳体8上。根据进一步实施例，当固定到火炬壳体上时，传感器壳体1从火炬壳体8径向延伸。此外，密封件6可设置在传感器壳体1和火炬壳体8之间，以通过传感器壳体8的接收端口与支撑部段9之间的耦接防止出现泄漏。 [0044] 传感器壳体1具有细长主体2，该主体具有轴向尺寸18。可选择轴向尺寸18，使得传感器壳体1的振动特性得以优化，以在涡轮发动机运行过程中将壳体1的过度振动最小化。具体地说，可选择轴向尺寸18，使得传感器壳体1的固有频率高于选定组的发动机阶次和/或发动机驱动力的频率。根据一个实施例，轴向尺寸18将传感器壳体1的固有频率设置成高于前四个发动机阶次，使得传感器壳体1的振动最小化。 [0045] 在步骤604，压力传感器3，如压电器件，设置在传感器壳体内。传感器3的头部段16设置在开口21的第一部段24内，而圆盘部段15靠在在开口21的阶部13上。 [0046] 在步骤606，安装螺母4安装在传感器壳体1内。安装螺母4包括与开口21的第二部段的螺纹匹配的螺纹部段12。安装螺母4的螺纹部段可通过旋转安装螺母4拧入开口21。此外，螺母4具有轴向设置在其中的通孔。传输线17可被引导通过螺母4的通孔。当被完全拧紧时，螺母4可压靠在传感器3的圆盘部段15上，从而将传感器3固定在壳体1内。 [0047] 在步骤608，传感器3产生表明火炬室7内的压力的信号，并将该信号传输给处理单元102。火炬室7内的压力和声波可通过图2所示的通道11被引导至传感器3的头部段16。或者，传感器3的头部段16可延伸穿过图4所示的火炬壳体8的侧壁，使得传感器3可直接感测到火炬室7内的压力。处理单元102可处理并通过用户界面向用户展示压力测量值或者向控制器提供压力测量值，以便对涡轮发动机的运行进行控制。 [0048] 本文所公开的传感器设备106允许传感器3直接附接到火炬壳体8或燃烧器模块104。不需要现有涡轮发动机系统中的燃烧室与传感器之间的传输管将传感器耦接到传感器壳体。因此，传感器设备106消除了从传统系统中的半无限线圈处定期排出冷凝水的需要，以防止错误的压力读数。因而，传感器设备106提供了一种改进的设计，以从燃气涡轮发动机的火炬室和燃烧室收集压力测量值。 [0049] 当安装到传感器壳体1中时，传感器3与火炬室7或燃烧器模块104内的声波直接接触。因此，传感器壳体1为火炬室7或燃烧器模块104内的压力提供更精确的测量值。进一步地，传感器壳体1的轴向尺寸18可根据运行过程中燃气涡轮发动机系统的振动特性而确定。例如，可选择传感器壳体1的轴向尺寸18，使得传感器壳体1的固有频率高于所需一组发动机阶次和/或发动机驱动力的频率。因此，涡轮发动机系统的运行所导致的传感器壳体1的振动和损坏被最小化。 |
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