Método y aparato para mediciones espectroscópicas en la zona de combustión de un motor de turbina de gas.

Un método para medir una propiedad de combustión o propiedades de combustión dentro de una zona de combustión (12) de un motor de turbina de gas,

la zona de combustión que se define entre una carcasa interior (16) y exterior (14), el método que comprende:

a) transmitir un haz óptico a través de una primera fibra óptica (54) a un elemento de transmisión óptica (22) acoplada ópticamente a un puerto (24) en la carcasa exterior;

b) transmitir el haz desde un elemento de transmisión óptica a través de la zona de combustión hacia una porción de la carcasa interior; caracterizado porque el método comprende además:

c) recibir una porción del haz reflejado fuera de la porción de la carcasa interior con un elemento de recepción óptica (26) acoplado ópticamente a un puerto en la carcasa exterior; y

d) transmitir la porción recibida del haz reflejado a través de una segunda fibra óptica (56) para interrelacionar la cantidad y la naturaleza del haz recibido con las propiedades de combustión dentro de la zona de combustión.

Método y aparato para mediciones espectroscópicas en la zona de combustión de un motor de turbina de gas Campo técnico La presente invención se dirige a un método y aparato para monitorear y controlar un proceso de combustión, y más particularmente a un método y aparato para mediciones espectroscópicas en la zona de combustión de un motor de turbina de gas.

Antecedentes de la invención Los instrumentos espectroscópicos basados en láser se han implementado en una variedad de entornos para extraer los datos de medición. El aparato de medición basado en láser puede implementarse in situ y ofrece la ventaja adicional de la realimentación de alta velocidad adecuada para el control del proceso dinámico. Una técnica para medir la especie de combustión tales como composición del gas, temperatura y otros parámetros de combustión (colectivamente, "propiedades de combustión") utiliza la espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable (TDLAS) . La TDLAS se implementa típicamente con láseres de diodo que funcionan en las regiones espectrales de infrarrojo próximo e infrarrojo medio. Se han desarrollado ampliamente láseres adecuados para su uso en la industria de las telecomunicaciones y están, por lo tanto, fácilmente disponibles para la TDLAS. Se han desarrollado varias técnicas para la TDLAS que son más o menos adecuadas para sensar el control del proceso de combustión. Las técnicas comúnmente conocidas son la espectroscopia de modulación de longitud de onda y espectroscopia de absorción directa. Cada una de estas técnicas se basa en una relación predeterminada entre la cantidad y la naturaleza de la luz láser recibida por un detector después que se ha transmitido la luz a través de una zona de combustión (o cámara de combustión) y se ha absorbido en bandas espectrales específicas que son característicos de la especie de combustión presente en la zona de combustión. El espectro de absorción recibido por el detector se usa para determinar las propiedades de combustión, que incluyen la cantidad de la especie de combustión bajo los parámetros de combustión de análisis asociados tal como la temperatura.

Una aplicación particularmente útil de la TDLAS utiliza mediciones láser de diodo de longitud de onda multiplexada con el fin de monitorear múltiples especies de combustión y parámetros de combustión. Se describe uno de tales sistemas en PCT/US2004/010048 (publicación internacional núm. WO 2004/090496) titulada "Método y aparato para el monitoreo y control de combustión" ("WO '496") , el contenido de la cual se incorpora en su totalidad en la presente.

La JP 2004 204 787 muestra las características técnicas del preámbulo de las reivindicaciones 1 y 16. La US 2005 019 1755 es un método para monitorear la capa de óxido en los componentes metálicos.

Puede usarse la determinación de las propiedades de combustión para mejorar la eficiencia de la combustión en, por ejemplo, los motores de turbina de gas, mientras que se reduce simultáneamente las emisiones nocivas tales como óxidos de nitrógeno. El monitoreo de las propiedades de combustión dentro de los motores de turbina de gas también tiene el potencial para mejorar la vida útil del álabe de turbina y todos los otros componentes del motor en popa de la zona de combustión así como también proporcionar un diagnóstico útil para identificar los motores que funcionan mal.

Mientras que el monitoreo de las propiedades de combustión en los motores de turbina de gas parece tener muchos beneficios potenciales, efectuar las mediciones ha demostrado ser extremadamente difícil. La dificultad proviene de dos fuentes principales. En primer lugar, la alta presión y la temperatura de la zona de combustión (30-40 bar, 2200 K) crea un entorno en el cual las características espectrales normales están sumamente distorsionadas, lo que conduce a la dificultad en la interpretación de los datos incluso si pueden obtenerse. En segundo lugar, efectuar tales mediciones en un motor en funcionamiento requiere acceso óptico; es decir, una penetración o penetraciones en la carcasa del motor a través de las cuales uno puede dirigir un rayo láser sobre una línea de visión. Este es muy difícil de colocar en motores de turbina de gas en funcionamiento debido a la naturaleza fuerte del entorno del motor, el espacio limitado disponible para monitorear los componentes y la necesidad de minimizar el impacto en los componentes críticos.

Para ilustrar la dificultad de proporcionar el acceso óptico visual a la zona de combustión de un motor de turbina de gas, la Fig. 1 es una vista esquemática de un motor de turbina de gas 10 que incluye una zona de combustión 12. La zona de combustión 12 se define entre una carcasa exterior cilíndrica 14 y una carcasa interior cilíndrica 16. Un eje de turbina 18 reside dentro de la carcasa interior 16. El área encerrada en el área adyacente de la zona de combustión complica el acceso eficaz.

La Fig. 2 es una sección transversal esquemática de la zona de combustión 12 tomada a lo largo de las líneas A-A de la Fig.

1. La Fig. 2 muestra la carcasa exterior cilíndrica 14, la carcasa interior cilíndrica 16, el eje de turbina 18 y un número de copas de combustible de la cámara de combustión 20 entre las carcasas interior y exterior. Una posibilidad para proporcionar acceso visual a la zona de combustión es proporcionar un elemento de transmisión óptica 22 asociado con el puerto de introscopio 24 en la carcasa exterior y un elemento de recepción óptica 26 asociado con un puerto en la carcasa interior. Sin embargo, el eje de turbina que se aloja en la carcasa interior evita que se coloque cualquier elemento óptico dentro de la carcasa interior.

Se ilustra una segunda posibilidad en la Fig. 3, con números de referencia similares asociados con los elementos similares. Aquí se proporciona una línea de visión al pasar el láser de un puerto de inspección de introscopio 24A a un segundo puerto de inspección de introscopio 24B. En tal modalidad, la línea de visión rodea la carcasa interior central formando esencialmente un cordón 28 a través del espacio de combustión anular. Mientras que es potencialmente factible, tal diseño es problemático debido a la alta presión, el entorno de alta temperatura y la dificultad para dirigir el haz en el ángulo severo requerido por la geometría del motor.

La presente invención se dirige hacia la superación de uno o más de los problemas descritos anteriormente.

Breve descripción de las figuras La Fig. 1 es una vista en sección parcial tomada a lo largo de un eje longitudinal de una representación esquemática de un motor de turbina de gas; La Fig. 2 es una vista en sección transversal esquemática de la zona de combustión del motor de turbina de gas de la Fig. 1 tomada a lo largo de las líneas A-A de la Fig. 1 que ilustra un acoplamiento óptico potencial de un par de elementos de transmisión/recepción óptica; La Fig. 3 es similar a la Fig. 2 sólo que ilustra un segundo acoplamiento potencial de un par de elementos de transmisión/recepción óptica; La Fig. 4 es similar a la Fig. 2 sólo que ilustra el acoplamiento de un par de elementos de transmisión/recepción óptica configurado de acuerdo con la presente invención; La Fig. 5 es una representación esquemática de una modalidad de un aparato para medir los parámetros de combustión dentro de una zona de combustión de un motor de turbina de gas de acuerdo con la presente invención usando una sola entrada de haz de longitud de onda; La Fig. 6 es una representación esquemática de una modalidad de un aparato para medir los parámetros de combustión dentro de una zona de combustión de un motor de turbina de gas de acuerdo con la presente invención usando una entrada de haz multiplexado; y La Fig. 7 es un gráfico de la señal reflejada contra el tiempo en cuatro longitudes de onda diferentes entre 1348-1559 nm medido en un ejemplo de acuerdo con la presente invención.

Resumen de la invención Un primer aspecto de la invención es un método para medir las propiedades de combustión dentro de una zona de combustión de un motor de turbina de gas, la zona de combustión que se define entre una carcasa interior y exterior de acuerdo con la reivindicación 1. El método comprende transmitir un haz desde un elemento de transmisión óptica acoplado ópticamente a un puerto en la carcasa exterior fuera de una porción de la carcasa interior y recibir una porción del haz reflejado fuera de la carcasa interior con un elemento de recepción óptica acoplado ópticamente a un puerto en la carcasa exterior. El elemento de transmisión óptica y el elemento de recepción óptica pueden acoplarse ópticamente al mismo puerto y el puerto puede ser un puerto de... [Seguir leyendo]

1. Un método para medir una propiedad de combustión o propiedades de combustión dentro de una zona de combustión (12) de un motor de turbina de gas, la zona de combustión que se define entre una carcasa interior (16) y exterior (14) , 5 el método que comprende:

a) transmitir un haz óptico a través de una primera fibra óptica (54) a un elemento de transmisión óptica (22) acoplada ópticamente a un puerto (24) en la carcasa exterior; b) transmitir el haz desde un elemento de transmisión óptica a través de la zona de combustión hacia una porción de la carcasa interior; caracterizado porque el método comprende además: c) recibir una porción del haz reflejado fuera de la porción de la carcasa interior con un elemento de recepción óptica (26) acoplado ópticamente a un puerto en la carcasa exterior; y d) transmitir la porción recibida del haz reflejado a través de una segunda fibra óptica (56) para interrelacionar la cantidad y la naturaleza del haz recibido con las propiedades de combustión dentro de la zona de combustión.

2. Un método de la reivindicación 1 en donde el elemento de transmisión óptica y el elemento de recepción óptica se acoplan ópticamente al mismo puerto.

3. Un método de la reivindicación 2 en donde el puerto es un puerto de introscopio preexistente proporcionado por el 20 fabricante del motor para observar un álabe de turbina durante el mantenimiento.

4. Un método de la reivindicación 1 que comprende además en la etapa a) , transmitir un haz que comprende una pluralidad de longitudes de onda multiplexadas discretas, en una primera fibra simple, y que comprende además en la etapa d) transmitir el haz recibido que comprende una pluralidad de longitudes de onda multiplexadas discretas en una segunda fibra simple.

5. Un método de la reivindicación 4 que comprende además:

en la etapa d) demultiplexar la porción del haz recibido por el elemento de recepción óptica en longitudes de onda 30 discretas y transportar al menos una longitud de onda discreta del haz demultiplexado a un detector a través de la segunda fibra óptica.

6. Un método de la reivindicación 5 que comprende además:

e) determinar la concentración de al menos una especie de combustión en base a la intensidad de la al menos una longitud de onda detectada.

7. Un método de la reivindicación 6 que comprende además:

f) alternar los parámetros de entrada del motor en respuesta a una concentración seleccionada de la al menos una especie de combustión.

8. Un método de la reivindicación 6 que comprende además monitorear la concentración de la al menos una especie de combustión para determinar un mal funcionamiento del motor.

9. Un método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además antes de la etapa a) , tratar la porción de la carcasa interior para mejorar su reflectividad.

10. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-8, que comprende además antes de la etapa 50 a) tratar la porción de la carcasa interior para dispersar el haz.

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fibra óptica aguas arriba al multiplexor es una fibra de modo simple.

12. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el haz está en el intervalo espectral infrarrojo próximo o medio.

13. Un aparato para medir una propiedad de combustión o propiedades de combustión de un motor de turbina de gas, el motor de turbina de gas que tiene una zona de combustión (12) definida entre una carcasa interior (16) y exterior (14) , y al menos un puerto (24) en la carcasa exterior, el aparato que comprende:

un laser (52) que genera un haz de luz; un elemento de transmisión óptica (22) acoplada ópticamente al láser que transmite el haz mediante una primera fibra óptica (54) ; caracterizado porque el aparato comprende además:

un elemento de recepción óptica (26) , el elemento de recepción óptica y el elemento de transmisión óptica que se configuran para la asociación operativa con un puerto (24) en la carcasa exterior del motor de turbina de gas, de manera que el elemento de transmisión óptica y el elemento de recepción óptica se acoplan ópticamente mediante la reflexión del haz fuera de una porción de la carcasa interior; y un detector (58) acoplado ópticamente al elemento de recepción óptica mediante una segunda fibra óptica (56) .

14. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el motor de turbina de gas que comprende:

un puerto en la carcasa exterior asociado operativamente con la zona de combustión sustancialmente opuesto a una porción de la carcasa interior; y el par de elementos de transmisión y recepción ópticos acoplado ópticamente con el puerto, el par de elementos de transmisión y recepción ópticos que se configura de manera que el elemento de transmisión óptica transmite un haz fuera de la porción de la carcasa interior y el elemento de recepción óptica recibe al menos una porción del haz reflejado fuera de la porción de la carcasa interior.

15. Un aparato de la reivindicación 13 que comprende además:

una pluralidad de láseres cada uno que genera un haz de una longitud de onda discreta; y un multiplexor acoplado ópticamente a la pluralidad de láseres para multiplexar los haces de longitud de onda discreta en un haz multiplexado, el multiplexor que se acopla ópticamente al elemento de transmisión óptica mediante una fibra óptica.

16. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13-15, en donde la primera fibra óptica es una fibra de modo simple.