Estimación de temperatura de superficie de pala máxima para turbinas de gas estacionarias avanzadas en el infrarrojo cercano (con reflexión).

Método para estimar la temperatura máxima de una superficie de un cuerpo ubicado en un entorno circundante, comprendiendo el método:

utilizar un sensor de radiación para recibir calor irradiado desde la superficie;

crear a partir del calor irradiado recibido una imagen corregida en cuanto a la falta de uniformidad

(NUC) de la superficie, comprendiendo la imagen una pluralidad de píxeles, teniendo cada píxel un valor de píxel; y

transformar cada valor de píxel en un valor de temperatura estimada correspondiente usando una correspondencia de calibración inversa de temperatura de una banda de longitudes de onda directa aproximada por una función polinómica de orden inferior, en el que la correspondencia de calibración inversa de temperatura de una banda de longitudes de onda directa se basa en el valor de píxeles observados para temperaturas conocidas de la superficie e incluye una corrección de la radiación procedente del entorno circundante reflejada por la superficie de modo que tal radiación no contribuya a la temperatura máxima estimada de la superficie, basándose la corrección en el siguiente modelo:

donde E es la radiación recibida por el sensor de radiación, S(l) es la sensibilidad espectral del sensor de radiación, e(l) es la emisividad espectral de la superficie, B(T, l) es la radiancia espectral de la ley de Planck de la superficie, g es un factor geométrico que comprende la razón del área del entorno circundante que contribuye a la radiación recibida por el sensor de radiación con respecto al área total del entorno circundante, y T0 es la temperatura promedio del entorno circundante.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2007/022243.

Solicitante: SIEMENS CORPORATION.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 170 WOOD AVENUE SOUTH ISELIN, NJ 08830 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: VOIGT, MATTHIAS, JONNALAGADDA,VINAY, LEMIEUX,DENNIS H, RAMESH,VISVANATHAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > G01J5/00 (Pirometría de las radiaciones)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > Pirometría de las radiaciones > G01J5/06 (Dispositivos para eliminar los efectos de las radiaciones perturbadoras)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > Pirometría de las radiaciones > G01J5/60 (utilizando la determinación de la temperatura de color)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > Pirometría de las radiaciones > G01J5/52 (utilizando la comparación con fuentes de referencia, p. ej. pirómetro de desaparición de filamento)

PDF original: ES-2522295_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Estimación de temperatura de superficie de pala máxima para turbinas de gas estacionarias avanzadas en el infrarrojo cercano (con reflexión).

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud estadounidense provisional n.° 6/853.484, presentada el 2 de octubre de 26.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a la estimación de temperatura de superficie para palas con propiedades de superficie reflectantes en turbinas de gas estacionarias avanzadas. Más específicamente se refiere a estimación de 1 temperatura en una banda de longitudes de ondas mediante formación de imágenes a alta velocidad para radiación en el infrarrojo cercano. Se describen dispositivos de pirometría y formación de imágenes térmicas en los documentos US 26/81777, XP 135191, WO 25/15143, XP 16641, XP9911 y XP 99999.

La formación de imágenes de infrarrojos a alta velocidad proporcionada por un sistema de monitorización en línea usando una matriz de plano focal (FPA) para monitorización en el infrarrojo cercano puede usarse durante el tiempo 15 de funcionamiento del motor hasta la carga básica para la estimación de temperatura de palas de turbina con propiedades de superficie reflectantes. El método de una banda de longitudes de onda para la estimación de temperatura puede suponerse como punto de partida. Sin embargo, una emisividad de superficie inferior y una reflectancia de superficie superior de los recubrimientos de barrera térmica (TBC) en el infrarrojo cercano pueden provocar errores de estimación sistemáticos.

Por consiguiente se requieren métodos y sistemas relacionados de formación de imágenes en el infrarrojo cercano de una banda de longitudes de onda nuevos y mejorados para la estimación de temperatura que reduzcan los errores de estimación.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona una estimación de temperatura mejorada para turbinas de gas y otros cuerpos, 25 según el método de la reivindicación 1.

Según aspectos adicionales de la presente invención, el método también incluye la realización de una transformación de colores falsos.

Según otro aspecto de la presente invención, el cuerpo puede formar parte del trayecto de gas caliente de una turbina de gas con propiedades de superficie reflectantes.

Según otro aspecto de la presente invención, la banda de longitudes de onda de longitudes de onda de X*\ a X2 puede situarse dentro de la banda de longitudes de onda de la radiación infrarroja.

Según aspectos adicionales de la presente invención, X1 es esencialmente 9 nm y X2 es esencialmente 17 nm. Descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra un sistema de monitorización de palas en un motor de turbina de gas.

La figura 2 ilustra un trayecto de señal según un aspecto de la presente invención.

La figura 3 es un diagrama de bloques de la estimación de temperatura directa en una banda de longitudes de onda según un aspecto de la presente invención.

La figura 4 es una gráfica que ilustra una respuesta de cámara de media simulada según un aspecto de la presente invención.

La figura 5 es una gráfica que ilustra respuestas de cámara de media medidas según un aspecto de la presente invención.

La figura 6 es una imagen en escala de grises de una pala de turbina.

La figura 7 es un diagrama isotérmico con colores falsos de una pala de turbina.

La figura 8 es una gráfica que ilustra la potencia de radiación observada en función de la temperatura según un aspecto de la presente invención.

La figura 9 es una gráfica que compara temperaturas estimadas con una temperatura real.

La figura 1 es una gráfica que compara errores de temperatura estimada.

La figura 11 es un ejemplo de estimación de temperatura según un aspecto de la presente invención.

La figura 12 ilustra un sistema informático que se usa para realizar las etapas descritas en el presente documento según un aspecto de la presente invención.

Descripción de una realización preferida

Un método para la estimación de temperatura de superficie de pala con TBC de turbina de gas máxima que constituye un aspecto de la presente invención incluye utilizar un sistema de monitorización de palas por infrarrojos en línea (OLM) existente tal como se ilustra en la figura 1. El sistema de monitorización en línea tiene la capacidad de obtener imágenes de infrarrojos de palas individuales durante el funcionamiento del motor. Las palas están expuestas al trayecto de gas caliente con temperaturas de aproximadamente 14°C y una presión de 15 bares. La rotación de las palas de 3 ó 36 rpm provoca una velocidad de punta de pala de aproximadamente 39 m/s.

La figura 1 muestra la instalación del sistema de monitorización de palas en un motor de prueba SGT6-5F. La radiación infrarroja procedente de la superficie de una pala se transmite por el tubo 11 de lente hasta el sensor 12 de FPA ubicado en el recinto 13 de la cámara. El sistema de monitorización en línea usa un tubo de lente, una ventana de acceso, una fase de alineación, una lente de enfoque y filtros para proyectar potencia radiante desde la superficie de la pala hasta el sensor de matriz de plano focal ubicado en el recinto refrigerado de la cámara. El tiempo de adquisición del sensor es suficientemente corto, entre 1-3 ps para evitar desenfoque de movimiento provocado por la alta velocidad de la pala. El trayecto de señal para la estimación de temperatura de la pala y el parámetro de sistema relevante se muestran en la figura 2. La figura 2 muestra el trayecto de señal y el parámetro característico relevante para la estimación de temperatura.

Diversos factores tales como reflexión de superficie, absorción, emisión de gas, atenuación de lente, oscurecimiento de lente, deriva del sensor, aproximaciones numéricas u otros efectos pueden tener un impacto sobre la precisión de la estimación de temperatura. Son de esperar errores sistemáticos en la estimación de temperatura, si no se tienen en cuenta por ejemplo cambios de emisividad o la radiación reflejada. Son relevantes para la estimación de temperatura de superficie de pala dos materiales de superficie: el recubrimiento de barrera térmica (TBC) y el material de base. Se sabe que la emisividad, la reflectancia y la transmitancia del TBC puede cambiar en función de la longitud de onda, la temperatura y la antigüedad. Las palas sin revestimiento tienen propiedades de superficie diferentes a las de las palas con revestimiento. Es posible que las propiedades de superficie también puedan cambiar debido a depósitos sobre la pala.

La potencia radiada desde la pala es en general una mezcla de componentes emitidas, reflejadas y transmitidas. Los gases calientes entre la superficie de la pala y el tubo de lente pueden absorber y emitir radiación. La condensación de agua o depósitos sobre la superficie de la lente, el oscurecimiento de la lente o absorción, reflexión o captación de lente limitada, o filtros ópticos provocarán pérdida de señal y, en última instancia, radiación dispersa. La matriz de plano focal de InGaAs tiene una sensibilidad espectral específica en el dominio del infrarrojo cercano de desde ,9 p,m hasta 1,6 p.m y puede captar potencia radiante dentro de este intervalo. La señal eléctrica generada a partir de la carga captada en cada elemento sensor también es una función del parámetro de cámara. La señal puede distorsionarse por ruido del sensor y faltas de uniformidad espaciales.

Resumen de algunos efectos que pueden comprometer la estimación de temperatura:

- Incertidumbre en la emisividad objetivo (debido a depósitos, antigüedad, sensibilidad a la temperatura... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para estimar la temperatura máxima de una superficie de un cuerpo ubicado en un entorno circundante, comprendiendo el método:

utilizar un sensor de radiación para recibir calor irradiado desde la superficie;

crear a partir del calor irradiado recibido una imagen corregida en cuanto a la falta de uniformidad (NUC) de la superficie, comprendiendo la imagen una pluralidad de píxeles, teniendo cada píxel un valor de píxel; y

transformar cada valor de píxel en un valor de temperatura estimada correspondiente usando una correspondencia de calibración inversa de temperatura de una banda de longitudes de onda directa aproximada por una función polinómica de orden inferior, en el que la correspondencia de calibración inversa de temperatura de una banda de longitudes de onda directa se basa en el valor de píxeles observados para temperaturas conocidas de la superficie e incluye una corrección de la radiación procedente del entorno circundante reflejada por la superficie de modo que tal radiación no contribuya a la temperatura máxima estimada de la superficie, basándose la corrección en el siguiente modelo:

AAq A2

E= | S(Á)£(Á)B(T,Á)dÁ+ J S(Á)(l-£(Á))-

g£()

g( 1-*W)

B(T,Á)dÁ,

donde £ es la radiación recibida por el sensor de radiación, S(X) es la sensibilidad espectral del sensor de radiación, e(X) es la emisividad espectral de la superficie, 6(7, X) es la radiancia espectral de la ley de Planck de la superficie, g es un factor geométrico que comprende la razón del área del entorno circundante que contribuye a la radiación recibida por el sensor de radiación con respecto al área total del entorno circundante, y 7o es la temperatura promedio del entorno circundante.

2. Método según la reivindicación 1, que comprende realizar una transformación de colores falsos.

3. Método según la reivindicación 1, en el que el cuerpo forma parte del trayecto de gas caliente de una turbina de gas, teniendo el cuerpo propiedades de superficie reflectantes.

4. Método según la reivindicación 1, en el que la banda de longitudes de onda de longitudes de onda de X'\ a X2 se sitúa dentro de la banda de longitudes de onda de la radiación Infrarroja.

5. Método según la reivindicación 4, en el que X`\ es esencialmente 9 nm y X2 es esencialmente 17 nm.