专利名称：用于测量静压力的集成设备的制作方法
技术领域：
本文所公开的主旨涉及用于测量装置内的静压力的系统和方法。 背景技 术燃烧器压力降的测量值是用于准确的燃气轮机性能估计和发动机健康监测的重 要变量。可使用这个信息来估计通过燃烧器的核心流量，其有助于确定二次流率。此外，燃 烧器压力降测量值可用于监测燃烧器的健康。目前，对进入燃烧器的压力的测量是燃气轮机的标准仪器的一部分，但燃烧器内 的压力测量并不是标准的，因此，在大多数现场使用(fielded)的单元上不能计算越过燃 烧器的压力降。此外，目前在安装内部压力仪器时，必须对燃烧器衬套壁做出重大变化来接受仪 器探针。这些变化包括在衬套壁中钻孔和将尺件(ferule)/保持器焊接到衬套上。添加这 些特征导致空气从燃烧区转向到仪器位置，以便1)冷却尺件的焊缝，以及2)在尺件/保 持器与压力探针之间导致的泄露。燃烧区中空气的损失和这些设计特征的增大的成本两者 都是应该避免的负面因素。因此，期望的是能以最小的成本影响来测量燃气轮机的构件内的静压力。另外，期 望的是能够测量燃气轮机的构件内的静压力而无损构件/燃气轮机设计的完整性。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于测量构件内的静压力的设备。该设备包括 联接到构件上的壳体，该壳体包括设置于其中的可动构件，该可动构件可以可操作地延伸 到该构件内且可响应于该构件内的静压力从该构件缩回；以及设置于该壳体中且在热方 面受保护而免受构件内的流体影响的传感器，该传感器配置成使得能够确定构件内的静压 力。根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量燃烧器内的静压力的系统。该系统 包括联接到该燃烧器上的壳体，该壳体包括设置于其中的可动构件，该可动构件可以可操 作地延伸到燃烧器中且可响应于燃烧器内的静压力从燃烧器缩回；以及设置于壳体中且在 热方面受保护而免受燃烧器内的流体影响的传感器，该传感器配置成使得能够确定燃烧器 内的静压力；以及与传感器通信的处理器，该处理器配置成用以确定燃烧器内的静压力。根据本发明的又一方面，提供了一种用于测量燃烧器内的静压力的系统。该系统 包括联接到燃烧器上的壳体，该壳体包括设置于其中的可动构件，该可动构件可以可操作 地延伸到燃烧器中且可响应于燃烧器内的静压力从燃烧器缩回；设置于壳体中且在热方面 受保护而免受燃烧器内的流体影响的传感器，该传感器进一步配置成用以测量作用于可动 构件上的力，作用于可动构件上的力随着燃烧器内的静压力增大而增大；以及与传感器通 信的处理器，该处理器配置成用以确定燃烧器内的静压力。结合附图考虑，根据以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
在说明书结论部分处的权利要求书中特别地指出且明确地要求保护被认为是本 发明的主旨。结合附图考虑，根据下文的具体实施方式
，本发明的前述和其它特征和优点显 而易见，在附图中图1是根据本发明的一个示例性实施例的具有用于测量燃烧器内的静压力的设 备的燃烧器的示意图；图2是根据本发明的一个示例性实施例的包括与用于测量燃烧器内的静压力的 压电变换器集成的火花塞的设备的截面图；图3是根据本发明的一个示例性实施例的包括与用于测量燃烧器内的静压力的 应变计集成的火花塞的设备的截面图；图4是根据本发明的一个示例性实施例的处于完全伸展位置且与用于测量燃烧 器内的静压力的电容器探针集成的火花塞的截面图；以及图5是根据本发明的一个示例性实施例的处于完全缩回位置且具有用于测量燃 烧器内的静压力的电容器探针的火花塞的截面图。参照附图，以实例的方式，具体实施方式
阐述了本发明的实施例，以及优点和特 征。部件列表
具体实施例方式示例性实施例涉及具有用于测量构件(例如燃烧器)内的静压力的传感器的设备 (例如火花塞)。在一个示例性实施例中，传感器设置于设备壳体中且在热方面受保护而免 受构件内的流体的影响。示例性实施例还涉及合并了用于测量系统(例如燃气轮机)的构 件内的静压力的这些示例性设备的系统，和用于以最小的成本影响且在无损构件/系统的 完整性的情况下组装该系统的方法。另外，在这些实施例中，该系统包括用于确定构件内的 静压力的处理器。根据一个示例性实施例，传感器安装于壳体中或集成于壳体中，该壳体在热方面 保护传感器免受系统(壳体集成到该系统中，以便测量该系统内的静压力)的流体的影响。 在一个非限制性示例性实施例中，传感器(例如压电变换器)沿轴向安装于或集成于可动 构件与在热方面保护传感器免受系统流体影响的壳体之间。举例而言，传感器可沿轴向安 装于火花塞的可缩回的探针与主体之间，该火花塞可合并到燃气轮机的燃烧器腔室中。在 这个实例中，当腔室压力较低时(诸如当该单元关闭时)，可缩回的探针延伸到燃烧腔室 内。在点燃后，燃烧器中的压力增大且探针被迫缩回到燃烧器的衬套壁，直到探针抵靠火花 塞壳体主体而停止。一旦探针完全缩回且压靠在变换器上，就可测量作用于探针上的轴向 压力，从而提供关于燃烧器内的静压力的反馈。或者，根据一个非限制性示例性实施例，传 感器安装在设置于壳体中的可动构件上。使用上面的同一实例，根据本发明的其它示例性 实施例，传感器可安装于探针上，以测量探针上的轴向应力/力，从而提供关于燃烧器内的静压力的反馈。在又一备选实施例中，传感器安装于可动构件轴杆上，以测量可动构件的压 缩，该压缩被转换成可动构件上的轴向应力/力，从而提供关于燃烧器内的静压力的反馈。 这些各种构造以最小的成本影响提供对于性能和健康监测有价值的数据(例如，燃烧器内 的静压力)，且可容易地改型为并不具有用于直接系统压力测量的所需的仪器设计特征的 现有单元。现参看附图，图1是示出了根据一个示例性实施例的用于测量燃气轮机的燃烧器 内的静压力的系统10的示意图。系统10包括设备12，设备12合并到燃气涡轮发动机(未 图示)的燃烧器组件14中，且构造成在不影响成本和燃烧器性能两者的情况下测量燃烧器 内的静压力。根据一个示例性实施例，设备12是如图所示的火花塞。当然，在其它示例性实 施例中可使用可容纳传感器并且在热方面保护传感器免受燃烧器流体的影响，以便在无损 燃烧器的完整性或性能的情况下测量燃烧器内的静压力的其它已知装置。为了方便讨论， 将在下文中更详细地讨论火花塞构造。根据本发明的示例性实施例的设备12可合并到具有不同的构造的燃烧器组件内 且不应限于图1中所示的构造。一般而言，高压气体被供应到燃烧器组件14且在喷嘴16 中与燃料(例如过程气体和/或合成气体)混合。燃料/空气或可燃混合物被传递到燃烧 器腔室18中且由火花塞12点燃以形成高压、高温燃烧气体流。根据一个示例性实施例，然 后由火花塞来测量燃烧器腔室18内的静压力，其将在下文中更详细地描述。现参看图2A，火花塞12的基本元件大体上包括主外部主体或壳体20，根据一个示 例性实施例，该主外部主体或壳体20由金属形成。根据一个实施例，壳体20包括安装凸缘 22和基座凸缘24。火花塞12还包括具有设置在壳体20内的活塞组件或可缩回的主体28 的可动构件26。根据一个示例性实施例，可动构件26是可缩回的探针。当然，根据其它示 例性实施例，设置于壳体中的可动构件26可为构造成响应于燃烧器腔室18中的流体而移 动或改变位置的任何其它机构。可缩回的主体28构造成响应于燃烧器腔室18中的静压力 而移动到燃烧器腔室18中及从燃烧器腔室18中移出。如在图2B中所示，可缩回的主体28 由返回弹簧29保持在其完全伸展位置上，返回弹簧29使一端搁靠在靠近安装凸缘22的可 缩回的主体28的肩部部分30上且另一端搁靠在基座凸缘24中的肩部32上。可缩回的主 体28具有大体由参考标号34表示的冲程距离，根据一个示例性实施例，当可缩回的主体处 于其完全伸展位置时，冲程距离限定于壳体20的基座凸缘24与可缩回的主体28的后端36 之间。根据一个示例性实施例，可动构件26还包括具有多个向内延伸的突出物42的末 端组件40，向内延伸的突出物42充当侧部电极，其与中央电极44间隔开以限定火花放电间 隙46。当火花塞12通过安装凸缘22连接到燃烧器腔室18上时，末端组件40如图所示延 伸到腔室18中。在操作中，当燃烧器内的压力较低(在点燃之前)时，可缩回的主体28保 持在其完全伸展位置，从而允许末端组件40完全延伸到燃烧器腔室内。在点燃后，燃烧器 腔室18中的压力增大且可缩回的主体28被迫缩回，直到可缩回的主体28的后端36抵靠 基座凸缘24中的肩部32而停止。燃烧器腔室18中的压力还使得末端组件40或其部分从 燃烧器腔室18中的火焰区域移出，这防止了对火花塞12的损害。可以任何常规方式形成包括可缩回的主体和末端组件的可缩回的探针的构型，且 该构型不应是限制性的。
根据一个示例性实施例，传感器50设置于壳体20中，且当壳体20联接到燃烧器 上时在热方面受保护而免受燃烧器腔室18内的流体影响。传感器50配置成使得能确定燃 烧器内的静压力。根据一个示例性实施例，传感器50沿轴向设置于可缩回的探针26与壳 体20的基座凸缘24之间。具体而言，根据一个示例性实施例，传感器50沿轴向设置于可 缩回的主体28的后端36与基座凸缘24中的肩部32之间。在一个示例性实施例中，传感 器50通过任何固定措施(诸如，例如焊接、高温胶或任何其它已知措施)固定到基座凸缘 24中的肩部32上。根据一个非限制性示例性实施例，传感器配置成在可缩回的探针26完 全缩回且压靠在传感器50上之后测量作用于可缩回的探针26上的轴向压力，从而提供关 于燃烧器腔室18内的静压力的反馈。根据一个示例性实施例，监测装置60选择性地联接到传感器50上，以用于确定燃 烧器腔室18内的静压力。在一个实施例中，监测装置60在壳体20的外部且根据一个示例 性实施例经由缆线联接到火花塞12的传感器50上。构想到在其它示例性实施例中，监测 装置60配置成与传感器50以无线的方式通信。监测装置60可为用于监测发动机和其构件的健康/条件/状态以及提供关于性 能的数据(例如，燃烧器内的静压力)的任何类型的标准仪器。根据一个示例性实施例，监 测装置60配置成基于所测量的作用于可动构件26上的力和向燃烧器腔室18内的静压力 暴露的可动构件26的预定表面积，来确定燃烧器腔室18内的静压力。根据一个示例性实 施例，向燃烧器内的静压力暴露的总表面积可包括末端组件40的表面积和面向燃烧器腔 室18的可缩回的主体28的表面积。根据一个示例性实施例，监测装置60包括具有硬件和/或软件/固件与计算机程 序的组合的处理器，计算机程序在被加载和执行时允许计算机的处理器操作，使得其执行 本文所述的方法。根据一个非限制性示例性实施例，传感器50是任何常规类型的压力变换器。在另 一非限制性示例性实施例中，传感器50是如图2所示的任何常规类型的压电变换器。或者， 根据一个示例性实施例，如图3所示，传感器50是设置于可缩回的主体28的表面部分上的 任何常规类型的应变计。当可动构件26完全缩回而靠近基座凸缘24时，应变计测量可动 构件26上的轴向应力/力。作为传感器50的应变计配置成在可动构件26完全缩回而靠近基座凸缘24之后 测量可动构件26上的轴向应力/力，从而提供关于燃烧器腔室18内的静压力的反馈。作用 于可动构件26上的力随着燃烧器腔室18内的静压力增大而增大。因此，由传感器50(例 如压电变换器)测量的力随着燃烧器腔室18内的静压力改变而改变。在本发明的一个备选示例性实施例中，传感器50是如图4和图5所示的任何常规 类型的电容器探针。在图4中，可动构件26被示为处于其完全伸展位置。在图5中，可动 构件26被示为处于其完全缩回位置。在此实施例中，参考特征62位于或机械加工于靠近 可缩回的主体28的前端64的可缩回的主体28表面上，如图4所示。电容器探针配置成通 过测量参考特征62相对于电容器探针的位移来测量可动构件26的压缩量。换言之，压缩 量可根据由电容器探针(距离探针)进行的轴向变位来测量。根据一个示例性实施例，监 测装置60可操作地将电容器探针测得的轴向变位转变成作用于可动构件26上的轴向应力 /力或使该轴向变位与作用于可动构件26上的轴向应力/力相关。监测装置60然后基于作用于可动构件26上的轴向力和向燃烧器腔室18内的静压力暴露的可动构件26的总表 面积来确定燃烧器腔室18内的静压力，如上文所述。构想到根据其它示例性实施例可使用其它类型的传感器来测量或者使得能确定 燃烧器内的静压力，且其它类型的传感器不应限于本文所述的实例。应理解的是，向燃烧器腔室18内的静压力暴露的可动构件26的总表面积取决于 可动构件26的设计构造，该设计构造可取决于应用而改变且不应限于本文所示的构造。根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于组装用来测量燃气轮机的燃烧 器内的静压力的系统的示例性方法。该方法大体上包括在壳体20中设置可动构件(例如 可缩回的探针26)，其中可动构件可操作地延伸到燃烧器内且响应于燃烧器内的静压力从 燃烧器缩回。然后，根据一个示例性实施例，将传感器50设置到壳体上。在一个实施例中， 传感器50通过任何固定措施(诸如，例如焊接、高温胶或任何其它已知措施)固定到壳体 20上。根据一个示例性实施例，传感器50配置成测量作用于可动构件上的力。或者，根据 本发明的其它示例性实施例，传感器50根据该传感器50的轴向变位来测量可动构件上的 压缩量。根据一个实施例，传感器50可沿轴向设置于可动构件与壳体20之间。或者，根据 另一实施例，传感器50可设置于可缩回的探针的表面部分上。这样做，可防止对燃烧器衬 套做出重大的硬件修改。之后，根据一个非限制性示例性实施例，经由缆线将监测装置60 联接到传感器50上。监测装置配置成基于作用于可动构件上的力和向燃烧器内的静压力 暴露的可动构件的预定表面积来确定燃烧器内的静压力。虽然本文所述的示例性实施例涉及具有不同构造的火花塞，但应理解的是，联接 到燃烧器上的壳体20可为用于当与传感器集成时可测量燃烧器内的静压力的其它类型的 已知装置的壳体20。此外，构想到本文所述的用于测量静压力的集成设备可合并到这样的各种类型的 构件/系统内该各种类型的构件/系统具有可根据其它示例性实施例来测量的内压力，且 不应限于本文所述的构件/系统。虽然仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应容易地理解，本发明并 不限于这些公开的实施例。而是可修改本发明，以包括之前未描述但与本发明的精神和范 畴相应的任意数量的变型、更改、替代或等效布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施 例，但将理解的是，本发明的方面可包括所描述实施例中的仅某些实施例。因此，本发明不 应被认为受到前文描述的限制，而是仅受到所附权利要求书范围的限制。
权利要求
一种用于测量构件(18)内的静压力的设备(12)，包括联接到所述构件(14)上的壳体(20)，所述壳体(20)包括设置于该壳体中的可动构件(26)，所述可动构件(26)可以可操作地延伸到所述构件(18)中且可响应于所述构件(18)内的静压力从所述构件(18)缩回；以及设置在所述壳体(20)中且在热方面受保护而免受所述构件(18)内的流体影响的传感器(50)，所述传感器(50)配置成使得能够确定所述构件(14)内的静压力。
2.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述构件(18)是燃气轮机的燃烧器o
3.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述传感器(50)是压力变换器。
4.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述可动构件(26)是火花塞(12) 的可缩回的探针(26)。
5.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述传感器(50)配置成用以测量作 用于所述可动构件(26)上的力，作用于所述可动构件(26)上的力随着所述构件(18)内的 静压力增大而增大。
6.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述构件(18)内的静压力是基于作 用于所述可动构件(26)上的力和向所述静压力暴露的所述可动构件(26)的预定表面积来 确定的。
7.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述传感器(50)沿轴向设置于所述 可动构件(26)与所述壳体(20)之间。
8.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述传感器(50)设置于所述可动构 件(26)的表面部分上。
9.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述传感器(50)是应变计。
10.根据权利要求1所述的设备(12)，其特征在于，所述传感器(50)配置成根据由所 述传感器(50)进行的轴向变位来测量所述可动构件(26)的压缩。
全文摘要
本发明涉及用于测量静压力的集成设备。提供了一种用于测量构件(18)内的静压力的设备(12)。该设备(12)包括联接到构件(14)上的壳体(20)，壳体(20)包括设置在其中的可动构件(26)，可动构件(26)可以可操作地延伸到构件(26)中，且可响应于构件(18)内的静压力从该构件(18)缩回；以及设置于壳体(20)中且在热方面受保护而免受该构件(18)内的流体影响的传感器(50)，该传感器(50)配置成使得能确定构件(14)内的静压力。
文档编号G01L9/08GK101876576SQ20101013181
公开日2010年11月3日 申请日期2010年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者J·A·韦斯特 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
