專利名稱：燃氣渦輪葉片通道熱電偶及抽取排氣的取樣器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量燃氣渦輪排氣參數(shù)的雙重作用的探頭。更具體而言，本發(fā)明涉及一種雙重作用式探頭，它在燃氣渦輪排氣擴壓器進口處測量葉片通道溫度，并在那里抽取排氣流中的燃氣以便于進行氣體排放物成分分析。
在軸向式燃氣渦輪中，從最后一排渦輪葉片排出的熱燃氣直接通過一個排氣擴壓器。排氣擴壓器由位于排氣筒與軸承座之間的氣流內套和外套構成。氣流襯套用來形成熱燃氣的光滑流路。它們還作為一個屏障，以防止熱燃氣流直接流過排氣筒和軸承座，從而避免在這些構件中溫度和熱應力過大。
燃氣渦輪的高效工作要求經(jīng)常監(jiān)測燃燒過程的各種狀況。影響燃燒效率的燃燒過程參數(shù)之一是葉片通道的溫度，亦即正好在最后一排渦輪葉片后面的排氣筒內的溫度。因此，最理想的是周期性地對燃氣渦輪中的葉片通道溫度進行取樣。
葉片通道溫度通常用一個或多個熱電偶組件測量，它們通過適當?shù)膶蜓b置插入渦輪排氣筒中，使熱電偶組件的測量點定位在渦輪排氣流路中靠近最后一排渦輪葉片的地方。通常，多個熱電偶組件沿排氣筒周圍等距分布地裝入。每個熱電偶提供與一個渦輪的燃燒室有關的葉片通道溫度讀數(shù)。每個熱電偶的測量端位于此有關的燃燒室下游靠近渦輪葉片尾部的圓周上。在這種情況下，葉片通道溫度可分別針對每個燃燒室進行監(jiān)測。在美國專利5185996中可找到這樣一種燃氣渦輪發(fā)動機傳感器探頭的例子。
隨著環(huán)境保護的日益強調，重要的是要保證渦輪排氣不超過容許的排放物含量。因此，測量排氣成分是燃氣渦輪工作的重要方面。過去，在渦輪排氣管用傳感器監(jiān)測排放物含量，或用插入排氣管的取樣器。因為排氣管位于各個渦輪燃燒室的下游，所以每個燃燒室的各自的排放物含量不可能在排氣管中分別確定。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在靠近渦輪葉片尾部圓周處，從燃氣渦輪排氣筒中抽取流動通道中的燃氣的裝置，它不會干擾葉片通道的溫度讀數(shù)，亦不要求改變排氣筒。
為達到上述目的，本發(fā)明雙重作用式探頭的特點是一個細長的管狀件，并有一個開口端和一個封閉端。管狀件的至少一部分適合于通過原有的熱電偶組件導向裝置插入渦輪排氣的流路中。細長的熱電偶構件裝在管狀件內的中央。鄰近管狀件封閉端處裝有一個通-斷閥，以允許進入管狀件開口端的燃氣經(jīng)閥流出此管狀件。
下面由對附圖所表示的實施例(僅作為舉例)的說明可以很容易地理解本發(fā)明。其中

圖1通過燃氣渦輪排氣段的局部縱剖面圖;
圖2按本發(fā)明最佳實施例的雙重作用探頭側視圖;
圖3沿圖2的3-3線看的圖2所示雙重作用探頭的前端視圖;
圖4圖2中套管的縱剖面圖;以及圖5圖1中一部分的放大圖，以進一步詳細表示本發(fā)明雙重作用探頭的位置。
圖1表示燃氣渦輪1的排氣段33。排氣段33包括一個圍繞著擴壓器的排氣筒2，擴壓器由近似于圓柱形的內氣流套22和外氣流套11構成。排氣筒2通過其上游凸緣30，用螺栓固定在燃氣渦輪的渦輪段32中的渦輪機匣7上。與渦輪機匣7相連的殼體19環(huán)繞著最后一排渦輪葉片5的葉尖。從在渦輪段32中的最后一排葉片5排出的熱燃氣29流過排氣段33。從排氣段33出來的熱燃氣29，或在簡單循環(huán)的發(fā)電廠中為排入大氣，或在混合循環(huán)的發(fā)電廠中為直接排入廢熱回收的蒸汽發(fā)生器。
氣流內套22和外套11構成排氣29流路31的一部分。氣流內套22圍繞著一個軸承座9，軸承座內裝有軸承10，用以支承渦輪葉片轉子6。軸承座9通過支柱(圖中未表示)支撐，支柱在軸承座9和排氣筒2之間延伸。排氣管外罩3從排氣筒2起向下游延伸，并用螺栓在其上游凸緣13處固定在排氣筒下游凸緣14上。導流裝置12從排氣管外罩3起在凸緣13內部延伸，從而與氣流外套11一起形成一個光滑的流路。從氣流內套22起向下游延伸著一個排氣管內罩4。
如上面曾說過的，燃氣渦輪通常有一些縱向的導向裝置(如導套23)，它們圍繞排氣筒2的圓周間隔分布。每一個導套穿過排氣筒2延伸到剛好在一個孔(如孔24)上方的位置，此孔在排氣擴壓器的氣流外套11上。先有技術中的熱電偶組件一般插入每個導套中，以便在圍繞著擴壓器進口的各個點處獲得葉片通道溫度的測量結果。然而，如圖所示，按本發(fā)明的雙重作用探頭25可以插入導套23中，以替代光有技術中的熱電偶組件。如下文還要說明的，本發(fā)明的雙重作用探頭25，既具有葉片通道熱電偶的功能，同時還能從燃氣渦輪的排氣段中抽取流路中的燃氣。
圖2詳細表示了按本發(fā)明最佳實施例的圖1中的雙重作用探頭25。如圖所示，雙重作用探頭25包括一個細長的管狀件34，此管件有一個前開口端35和一個后開口端45。管件34最好用能持續(xù)在溫度高至1300°F的環(huán)境下工作的不銹鋼制造。管件34的后開口端45連接在三通管接頭36的進口37上，三通管接頭36有第一出口38和第二出口39。一系列變徑接頭51、52連接在第一出口38上，以便為了下文所述之目的有效地減小第一出口38的直徑。
細長的熱電偶構件40裝在管件34的中央。如圖所示，管件34的內徑比熱電偶構件40的外徑大，并大到足以在管件內形成一個環(huán)形空腔。例如，管件34的內徑可大約為熱電偶構件40外徑的兩倍。熱電偶構件40最好有一個復式的、高強度的、接地的測量端41，它通過會集(不扭絞)4根偶絲并將它們一起插入一個微型環(huán)內(從而使微型環(huán)圍繞著會集在一起的偶絲)再加上高溫不銹鋼釬焊制成，它能耐溫接近2000°F。熱電偶構件40的測量端41從管件34的前開口端35伸出，并支撐在支承板43上，以保持熱電偶構件40處于其中心位置。
熱電偶構件40的終端50從三通管接頭36的第一出口38伸出，并經(jīng)過變往接頭51和52。變徑接頭52的直徑基本上等于熱電偶構件40終端50的外徑，從而形成了封閉地圍繞著終端50。第二變徑接頭52的密封能力最好足以抵抗在工作溫度至少1000°F的情況下高至150磅/寸2的壓力差。三通管接頭36通過其密封的出口38構成了管件34的一個密封端。
熱電偶構件40的終端50延伸到一個封裝的轉接組件48中，復式測量端的各有關偶絲在此組件內通過點焊與相應的外接線44、46連接起來，此外接線44、46從轉接組件48向外延伸。在各外接線44、46的端頭設有插頭54、56，用于將復式測量端的每一個熱電偶構件回路，與一個外部控制設備(圖中未表示)連接起來。封裝的轉接組件48、外接線44、46以及插頭54、56應適合于在高至500°F的溫度下連續(xù)工作。
通-斷閥60經(jīng)變徑接頭58連接在三通管接頭36的第二出口39。通-斷閥60最好由一個不銹鋼球閥組成。當轉動手柄62使閥60打開時，進入管件前端35的排出的燃氣流，可以經(jīng)閥的出口64放出。當閥60關閥時，燃氣不能逸出。
套管66可活動地套在管件34的至少一部分外表面上(如圖所示)。如同下文中還要詳細闡明的那樣，當管件34的下部34a通過導套23插入燃氣渦輪1(見圖1)的排氣段33中時，套管66靠近氣流外套11上的孔24并緊貼在導套23中，以提供附加的支承并抑制管件34的振動。接頭42套裝在管件34上，并如下文所述進行定位，以便與導套23上的相配的固定裝置連接。在組裝時，接頭42可在后端45與三通管接頭36的進口37連接之前，在管件34上從前端35向后滑動，或反之，從后端45向前在管件34上滑動。
圖3是取自圖2中3-3線的雙重作用式探頭25前端視圖。如圖所示，支承板43最好是矩形的，并在位置68處點焊在管件34上。在支承板43上制有孔70，熱電偶構件40的測量端41可從此孔伸出。支承板43支托著伸出的測量端，并因而將熱電偶構件40保持在它位于管件34內的中心位置。支承板43的寬度尺寸應確定為能與管件34的前端面構成一個足夠大的扇形口72a和72b。這些是排氣將通過它們進入管件34的開口。在圖3中還表示了熱電偶構件40的復式測量端41的4根偶絲71。
圖4進一步詳細表示了圖2中的套管66。套管66最好用不銹鋼制造，它的內徑D基本上等于管件34的外徑，從而緊套在管件34上。套管的插入端最好在位置90和92處倒角，以便于將管件34和套管66插入渦輪排氣段33的導套23之一個中。在組裝雙重作用的探頭25時，在將后端45連接在三通管頭36的進口37之前，套管66可以從前端35在管件34上滑動，或換一種方式，套管66可以從后端45在管件34上滑動。
由圖5可看得更清楚，在使用時，本發(fā)明的雙重作用探頭25通過一個導套23插入燃氣渦輪1排氣段33中。導套23從排氣筒2延伸到正好在排氣擴壓器氣流外套11上的孔24上方的位置。管件34的下部34a伸出導套23的端頭76，通過孔24，并進入渦輪排氣流路31中靠近渦輪葉片后部環(huán)面(圖中未表示)。然后裝在管件34上的接頭42與一個在導套23插入端的相配固定裝置74連接，以便將探頭25固定在導套23中。接頭在管件34上定位并鐓粗密封，使得在探頭25緊固于導套23中時，熱電偶構件40的測量端41沿徑向和軸向定位在渦輪流路31中的位置，正好與標準的葉片通道熱電偶組件測量端的位置完全一致。如圖所示，套管66緊貼在導管23的端頭76內，以提供附加的支承，并抑制管件34的振動。
熱電偶構件40的偶絲通過外接線44、46和接頭54、56連接在一個監(jiān)控設備94上，監(jiān)控設備在燃氣渦輪1的外部，用于處理熱電偶測量端測得的數(shù)據(jù)，以計算在排氣筒2中葉片通道的溫度，并據(jù)此控制燃燒過程的各個方面。
在起熱電偶作用的同時，本發(fā)明的雙重作用探頭25還作為一個從排氣筒2的流路31中軸取排出的燃氣29的裝置。從渦輪排出的熱燃氣29通過扇形開口72a、72b(圖3)進入探頭25的管件34，扇形開口72a、72b在管件34的前端35。當探頭25的閥60打開時，排出的燃氣可以從管件34通過閥60的出口64逸出。為便于抽氣，可以通過適當?shù)闹虚g連接管78、82和86，在出口64上連接一個真空泵88。
在真空泵88和閥的出口64之間可裝一個化學分析器84，以分析抽出的排氣的化學成分。具體而言，化學分析器84可用于測定排氣中的NOx含量。冷卻器80可裝在化學分析器84和閥60的出口64之間，用以在需要時冷卻所抽取的燃氣，以免損壞化學分析器84。由于抽出的燃氣溫度較高，中間連接管78最好用一種能耐溫接近500°F的材料制作。例如，中間連接管78可以是鋼管。但若使用冷卻器80時，中間連接管82和86可采用耐溫較低的材料，例如橡膠或聚氯乙烯(PVC)。
權利要求
1.測量葉片通道溫度和抽取從燃氣渦輪(1)排出的燃氣流的雙重作用探頭(25)，其特征為細長的管狀件(34)有一個開口端(35)和一個密封端，接近管件開口端的此管件至少一部分，適合于插入燃氣渦輪排氣流路(31)中；具有一個測量端(41)和一個終端(50)的細長熱電偶構件(40)裝在管件內部的中央；以及在接近于管件密封端的管件(34)上連接一個通-斷閥(60)，以允許進入管件(34)開口端的排出的燃氣流(29)，通過閥(60)從管件(34)引出。
2.按權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，所述熱電偶構件(40)的測量端(41)至少局部地從管件(34)開口端(35)伸出，以及其中雙重作用探頭(25)進一步的特征為，在管件(34)的開口端連接有一塊支承板(43)，支承板上設有孔(70)，熱電偶構件(40)的測量端(41)通過此孔伸出，將熱電偶構件(40)支承在其位于管件內部的中央位置。
3.按照權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，熱電偶構件(40)的終端(50)通過管件(34)的密封端向外延伸，以便與外部監(jiān)控設備(94)連接。
4.按照權利要求1所述的雙重作用探頭(25)，其特征是，熱電偶構件(40)的測量端(41)由復式測量端組成。
5.按照權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，套管(66)可滑動地套在管件(34)的至少一部分外表面上。
6.按照權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，通-斷閥(60)與一臺真空泵(88)連接，當此通-斷閥(60)打開時，用真空泵便于從管件(34)抽取排出的燃氣流。
7.按照權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，一臺化學分析器(84)與通-斷閥(60)連接，當此閥打開時，此分析器用于分析通過閥抽出的排出的燃氣流。
8.按照權利要求1所述之雙重作用探頭(25)，其特征是，在閥(60)和化學分析器(84)之間裝有冷卻器(80)，以冷卻排出的燃氣流，避免損壞分析器。
9.按照權利要求1所述之雙重作用探頭，其特征是，閥(60)通過三通管接頭(36)與管件(34)連接。
全文摘要
用于測量葉片通道溫度和從燃氣渦輪中抽取排出的燃氣流的雙重作用探頭，包括一個細長的管件，管件有一個開口端和一個密封端。細長的熱電偶構件裝在管件內的中央起熱電偶的作用。管件的至少一部分適合于通過燃氣渦輪的排氣筒和擴壓器插入渦輪排氣的流路中。通一斷閥(60)連接在管件上靠近其密封端處，以允許進入管件開口端的排出的燃氣流從管件抽出進行分析。
文檔編號F02C7/00GK1107937SQ9411760
公開日1995年9月6日 申請日期1994年10月27日 優(yōu)先權日1993年10月27日
發(fā)明者喬治·J·魯賓森, 里查德·J·安多斯 申請人:西屋電氣公司