Турбомашины с устройствами на поверхностных (saw) или объемных (baw) акустических волнах, измерительные устройства и способы установки - RU2773174C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к турбомашинам с устройствами на поверхностных (SAW) или объемных (BAW) акустических волнах, измерительным системам и способам установки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Турбомашины, например газотурбинные двигатели, требуют контроля одного или более параметров окружающей среды, например температуры, особенно во время их работы.

[0003] Контроль какого-либо параметра окружающей среды, такого как температура какой-либо зоны ротора, у ротора ротационной машины затруднен, поскольку сначала необходимо измерить этот параметр, а затем измеренные значения необходимо перевести от ротора, например, на модуль электронного мониторинга. Для этой цели в прошлом использовали технологии беспроводной связи.

[0004] Известно, что устройства на поверхностных (Surface Acoustic Wave, SAW) или объемных (Bulk Acoustic Wave, BAW) акустических волнах можно использовать в качестве датчиков параметров окружающей среды, пригодных для пассивного беспроводного обмена данными; в ответ на соответствующий РЧ-сигнал, отправленный устройством опроса на такое устройство, датчик возвращает ответный РЧ-сигнал, и разность между уровнями сигнала опроса и ответного сигнала зависит от значения параметра окружающей среды, измеренного устройством (устройство SAW или BAW может быть выполнено с возможностью измерения конкретного параметра окружающей среды, например температуры).

[0005] В прошлом были предприняты попытки использовать устройства SAW или BAW в качестве датчиков параметров с функцией пассивного обмена данными для мониторинга роторов турбомашин.

[0006] Однако процедура выполнения точных измерений и надежного обмена данными через устройство SAW или BAW в турбомашине, работающей с очень высокой частотой вращения ротора (например, до 20 000 об/мин) и с высокими вибрациями, и/или высокими ускоряющими усилиями, и/или при высокой температуре (например, до 1000 °C), и/или при высоком давлении (например, до 200 атм), и/или в атмосфере агрессивных газов, например в турбомашине, используемой в нефтегазовой отрасли, является достаточно сложной. Более того, все или почти все компоненты такой турбомашины изготовлены из металла, что затрудняет РЧ-связь между устройством опроса и транспондером, т. е. устройством SAW или BAW.

[0007] Соответственно, было бы желательно иметь возможность точного и надежного контроля одного или более параметров окружающей среды у ротора турбомашины, особенно во время ее работы.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] В соответствии с одним аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к турбомашине, содержащей ротор и статор, причем ротор имеет низкотемпературную зону и высокотемпературную зону, удаленные друг от друга; при этом турбомашина дополнительно содержит устройство SAW или BAW, электрически соединенное с антенной и размещенное в низкотемпературной зоне, по меньшей мере одно чувствительное к температуре устройство сопротивления, размещенное в высокотемпературной зоне, по меньшей мере один первый кабель, электрически соединяющий устройство SAW или BAW и по меньшей мере одно чувствительное к температуре устройство сопротивления, и устройство опроса с антенной, расположенной на статоре вблизи от антенны устройства SAW или BAW, по меньшей мере в течение некоторого интервала времени; кроме того, первый кабель электрически соединяет устройство SAW или BAW и чувствительное к температуре устройство сопротивления, при этом турбомашина дополнительно содержит второй кабель, идентичный первому кабелю, причем второй кабель электрически соединен с устройством SAW на первом конце и закорочен или оставлен разомкнутым или соединен с устройством, согласованным по импедансу, на втором конце.

[0009] В соответствии с другим аспектом описанный в настоящем документе объект изобретения относится к системе для измерения параметра окружающей среды у ротора ротационной машины, в частности турбомашины; такая система содержит устройство SAW или BAW, электрически соединенное с антенной и выполненное с возможностью размещения в первой зоне ротора, причем по меньшей мере одно параметрически управляемое устройство сопротивления выполнено с возможностью размещения во второй зоне ротора, удаленной от первой зоны ротора, и по меньшей мере один первый кабель, электрически соединяющий SAW или BAW устройство с по меньшей мере одним параметрически управляемым устройством сопротивления; кроме того, первый кабель электрически соединяет устройство SAW или BAW и чувствительное к температуре устройство сопротивления, при этом система дополнительно содержит второй кабель, идентичный первому кабелю, причем второй кабель электрически соединен с устройством SAW на первом конце и закорочен или оставлен разомкнутым или соединен с устройством, согласованным по импедансу, на втором конце.

[0010] В соответствии с еще одним аспектом описанный в настоящем документе объект изобретения относится к способу установки измерительной системы на ротор ротационной машины, в частности турбомашины; причем способ включает следующие стадии: A) фиксацию устройства SAW или BAW и связанной антенны в первой зоне ротора, B) фиксацию по меньшей мере одного параметрически управляемого устройства сопротивления во второй зоне ротора, удаленной от первой зоны ротора, C) фиксацию по меньшей мере одного первого кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны до второй зоны, D) электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом первого кабеля и по меньшей мере одного параметрически управляемого устройства сопротивления со вторым концом первого кабеля, E) фиксацию второго кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны ко второй зоне, и F) электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом второго кабеля и соединение закорачивающей перемычки со вторым концом второго кабеля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0011] Более полную оценку описанных вариантов осуществления изобретения и многих сопутствующих ему преимуществ можно легко получить и лучше понять изобретение в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с сопровождающими его чертежами, причем:

на Фиг. 1 представлен схематический вид в продольном сечении одного варианта осуществления турбомашины, а именно газотурбинного двигателя;

на Фиг. 2 подробно представлена первая часть Фиг. 2;

на Фиг. 3 представлен подробный частичный вид в перспективе рабочего колеса, включенного в Фиг. 2;

на Фиг. 4 подробно представлена вторая часть Фиг. 2; и

на Фиг. 5 представлена принципиальная схема одного варианта осуществления системы для измерения параметров окружающей среды.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0012] Необходима технология беспроводной связи, позволяющая осуществлять контроль над одним или более параметрами окружающей среды у ротора турбомашины.

[0013] Устройства SAW или BAW (особенно устройства SAW) обеспечивают эффективную связь с транспондером, если во время обмена данными расстояние между таким устройством и транспондером является небольшим (например, менее 10 см). Можно разместить такое устройство на роторе турбомашины, а транспондер — на статоре турбомашины таким образом, чтобы обеспечить хорошую связь между ними.

[0015] Кроме того, на роторе турбомашины имеются места, в которых устройство SAW или BAW может эффективно функционировать.

[0016] Однако часто необходимо измерять один или более параметров, таких как температура, в таких местах у ротора турбомашины, где передача данных и/или функционирование устройства SAW или BAW затруднены или даже невозможны.

[0017] Таким образом, было предложено объединить устройство SAW или BAW с по меньшей мере одним параметрически управляемым устройством сопротивления; при этом устройство SAW или BAW размещается там, где оно может хорошо осуществлять обмен данными и функционировать, а устройство сопротивления размещается там, где необходимо измерять параметр окружающей среды; эти два места находятся на удалении и могут отстоять на достаточно большом расстоянии друг от друга (например, 10–100 см).

[0018] Кроме того, устройство SAW или BAW и устройство сопротивления электрически соединены посредством кабеля. Кабель может быть надлежащим образом проложен, например, так, чтобы упростить установку и/или обеспечить надежное соединение. Кабель предпочтительно представляет собой коаксиальный кабель, что позволяет избежать наведенных помех, способных снизить точность измерения.

[0019] Ниже будут даны подробные ссылки на варианты осуществления описания, один или более примеров которого проиллюстрированы на чертежах. Каждый из примеров приводится для пояснения описания, а не ограничения настоящего описания. В сущности, специалистам в данной области должно быть очевидно, что в рамках настоящего описания можно создавать различные модификации и вариации без отступления от объема или сущности данного описания. Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» или «некоторые варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» или «в некоторых вариантах осуществления» в различных местах во всем данном описании не обязательно относится к одному (-им) и тому (тем) же варианту (-ам) осуществления изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления.

[0020] При представлении элементов различных вариантов осуществления формы единственного и множественного числа и слово «указанный» предназначены для обозначения того, что существуют один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий» предназначены для указания включения и означают, что помимо перечисленных элементов могут существовать дополнительные элементы.

[0021] На Фиг. 1 схематически показан газотурбинный двигатель 10, содержащий газовую турбину 11, камеру 12 сгорания и компрессор 13.

[0022] Выделена первая часть 111 газовой турбины 11 (обведена кружком); часть 111 подробно показана на Фиг. 2; в соответствии с данным вариантом осуществления часть 111 представляет собой промежуточный участок газовой турбины 11. На Фиг. 3 представлен подробный частичный вид в перспективе рабочего колеса, включенного в Фиг. 2.

[0022] Выделена вторая часть 112 газовой турбины 11 (обведена кружком); часть 112 подробно показана на Фиг. 4; в соответствии с данным вариантом осуществления часть 112 представляет собой концевой участок газовой турбины 11, где размещен подшипник.

[0023] Выделена часть 121 камеры 12 сгорания (обведена кружком); в соответствии с этим вариантом осуществления часть 121 представляет собой концевой участок камеры 12 сгорания, расположенный в пленуме непосредственно перед газовой турбиной 11.

[0024] На Фиг. 2 показан частичный вид в поперечном сечении стационарного узла 21 сопел и вращающегося узла 22 рабочих лопаток одной из ступеней газовой турбины; дополнительный стационарный узел 23 сопел частично показан слева от этой ступени, а вращающийся узел 24 рабочих лопаток частично показан справа от этой ступени. Ротор обеспечен разнесенными в осевом направлении рабочими колесами (например, 25 и 26 на Фиг. 2 и 41 на Фиг. 4) и разделителями (например, 27 на Фиг. 2), соединенными друг с другом, например, множеством расположенных по всему периметру окружности и проходящих в осевом направлении болтов (например, номер 28 на Фиг. 2 и Фиг. 4 представляет собой хвостовик болта). В показанном примере каждый из стационарного узла 21 сопел и стационарного узла 23 сопел содержит множество расположенных по всему периметру окружности стационарных лопаток статора, окружающих ротор. Как правило, в турбине на рабочих колесах ротора между стационарными узлами сопел и узлами, вращающимися вместе с ротором, соответственно установлены лопатки ротора или «рабочие лопатки»; например, на Фиг. 2 лопатки ротора или «рабочие лопатки» 29 установлены на рабочем колесе 25 между стационарными узлами 21 и 22 сопел (см. также, например, Фиг. 3).

[0025] Каждая лопатка (например, 29 на Фиг. 2 и 42 на Фиг. 4) включает в себя профильную часть лопатки, поддерживаемую в радиальном направлении хвостовиком. Участок рабочей лопатки типа «ласточкин хвост» (проходящий в радиальном направлении внутрь к хвостовику и не показанный подробно на Фиг. 2 и Фиг. 4) приспособлен для соединения с по существу соответствующим участком типа «ласточкин хвост» (например, 31 на Фиг. 3), образованным в рабочем колесе (см., например, Фиг. 2 и Фиг. 4). Рабочая лопатка обычно отливается как единое целое, и ее хвостовик содержит выступающие в осевом направлении внутренние и наружные уплотнения задних крыльев, которые совместно с посадочными поверхностями под уплотнение сопел, образованными на смежных узлах сопел, ограничивают поступление горячих газов сгорания (протекающих по траектории горячего газа) в полостях проточной части турбины, которые располагаются в радиальном направлении смежно с рабочими лопатками и рабочим колесом. Благодаря чередованию уплотнений задних крыльев и посадочных поверхностей под уплотнение сопел и их размещению так, чтобы это приводило к образованию извилистых или змеевидных радиальных зазоров, замедляется поступление горячего газа сгорания в полости проточной части турбины. Следует понимать, что поступление горячих газов сгорания также замедляется более холодным продувочным воздухом, протекающим через полости проточной части турбины, часть которого стремится выйти через зазор.

[0026] На Фиг. 3 показаны, например, две боковые поверхности 32 (см. также Фиг. 2) и 33 рабочего колеса 25; причем каждая из этих поверхностей является кольцевой; поверхность 32 является «наружной» поверхностью; поверхность 33 является «промежуточной» поверхностью, расположенной ближе к валу газовой турбины 11, чем поверхность 32; также может быть обеспечена, например, третья боковая поверхность, т. е. «внутренняя поверхность», расположенная ближе к валу газовой турбины 11, чем поверхность 33 (см. вариант осуществления, показанный на Фиг. 2 и Фиг. 3, промежуточная поверхность и внутренняя поверхность могут быть разделены, например, окружностью, по периметру которой распределены оси болтов 28).

[0027] На Фиг. 4 представлен частичный вид в поперечном сечении вращающегося узла рабочих лопаток последней ступени газовой турбины 11, содержащей рабочее колесо 41 и связанную вращающуюся рабочую лопатку 42; причем рабочее колесо 41 установлено на валу 40 газовой турбины 11. Стационарный компонент 43 (т. е. компонент статора газовой турбины 11) обращен к рабочему колесу 41 и валу 40. Между стационарным компонентом 43 и валом 40 размещен подшипник 44.

[0028] На Фиг. 4 выделены, например, три боковые поверхности 41A, 41B и 41C рабочего колеса 41; поверхность 41A представляет собой кольцевую «наружную поверхность» (которая может быть аналогична поверхности 32 на Фиг. 3); поверхность 41B представляет собой кольцевую «промежуточную поверхность», расположенную ближе к валу 40, чем поверхность 41A (которая может быть аналогична поверхности 33 на Фиг. 3); поверхность 41C представляет собой кольцевую «внутреннюю» поверхность, расположенную ближе к валу 40, чем поверхности 41B, с отверстием для вала 40. Наружная поверхность и промежуточная поверхность могут быть разделены ребром. Промежуточная поверхность и внутренняя поверхность могут быть разделены окружностью, по периметру которой распределены оси болтов 28.

[0029] На Фиг. 4, например, выделены две поверхности 43A и 43B компонента 43; причем поверхность 43A обращена к обеим поверхностям 41A и 41B (и находится достаточно близко к ним), поверхность 43B обращена к части боковой поверхности вала 40 (и находится достаточно близко к ней). Поверхности 43A и 43B можно рассматривать как поверхности в области подшипника (подшипника 44), даже если поверхность 43B находится ближе к подшипнику 44, чем поверхность 43A. Как будет очевидно из представленного ниже описания, возможно несколько различных вариантов осуществления; следовательно, поверхность в области подшипника, расположенная вблизи от поверхности рабочего колеса (как показано на Фиг. 4), не является строго необходимой, даже если ее наличие предпочтительно для измерения параметра окружающей среды у ротора ротационной машины; следовательно, поверхность в области подшипника, расположенная вблизи от поверхности в области подшипника, расположенной вблизи от поверхности вала (как показано на Фиг. 4) также не является строго необходимой, даже если ее наличие предпочтительно для измерения параметра окружающей среды у ротора ротационной машины.

[0030] Следует отметить, что Фиг. 4 достаточно схематична и размеры и положения показанных компонентов не отражают размеры и положения реальной машины; кроме того, например, опущены подробные изображения болтов (см. пунктирные линии).

[0031] На Фиг. 5 представлен пример осуществления системы 500 для измерения параметров окружающей среды. Обеспечено электрическое устройство 510, содержащее первое устройство 512 SAW (или в альтернативном варианте осуществления BAW) и второе устройство 514 SAW (или в альтернативном варианте осуществления BAW), которые электрически соединены друг с другом посредством провода; первое устройство 512 SAW электрически соединено с антенной 520 посредством провода для обмена данными с транспондерами; второе устройство 514 SAW электрически соединено с землей 590 посредством провода. Каждое из первого и второго устройства 512 и 514 SAW имеет первый порт и второй порт для присоединения к параметрически управляемому устройству сопротивления, например терморезистору. Первый порт первого устройства 512 SAW электрически присоединен к устройству 532 сопротивления. Второй порт первого устройства 512 SAW электрически присоединен к закорачивающей перемычке 550; в альтернативном варианте осуществления он может быть присоединен к разомкнутому кабелю или присоединен к соответствующему устройству сопротивления, т. е. к устройству с фиксированным импедансом. Первый порт второго устройства 514 SAW электрически присоединен к устройству 536 сопротивления. Второй порт второго устройства 514 SAW электрически присоединен к устройству 538 сопротивления.

[0032] Следует отметить, что в настоящем описании термины «соединение», «соединяет» и «присоединен» не означают «прямое электрическое соединение», «напрямую электрически соединяет» и «напрямую электрически присоединен»; иными словами, например, если компонент А соединен с компонентом В, между компонентами А и В могут быть размещены один или более других электрических компонентов, либо не размещено ни одного другого электрического компонента; однако в формуле изобретения используются более общие термины «соединение (-я)» и «соединен (-ы)».

[0033] В соответствии с альтернативными вариантами осуществления измерительная система может включать в себя только одно устройство SAW или BAW или три или более устройств SAW или BAW.

[0034] В соответствии с альтернативными вариантами осуществления один из портов устройства SAW или BAW может оставаться неиспользуемым, в частности неприсоединенным.

[0035] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 5, соединение между устройством SAW и параметрически управляемым устройством сопротивления осуществляется посредством кабеля, в частности двухпроводного электрического кабеля. На Фиг. 5 показаны кабели 542, 546 и 548; кабель 544, идентичный или сходный с кабелями 542, 546 и 548, не используется для соединения с параметрически управляемым устройством сопротивления. Предпочтительно, чтобы эти кабели являлись коаксиальными кабелями (см., в частности, кабели 542 и 544).

[0036] Система, показанная на Фиг. 5, предназначена для измерения параметров окружающей среды, в частности трех параметров, у ротора турбомашины 10. Электрическое устройство 510 выполнено с возможностью размещения в первой зоне ротора; после размещения устройства 510 в конкретном месте как первое, так и второе устройства 512 и 514 SAW располагаются приблизительно в том же месте, поскольку размеры устройства 510, как правило, составляют 5–20 мм. Параметрически управляемые устройства 532, 536 и 538 сопротивления выполнены с возможностью размещения в других зонах ротора, удаленных от первой зоны; хотя кабели 542, 546 и 548 изображены на Фиг. 5 очень короткими, они обычно достаточно длинные, например от 10 см до 100 см, и они обычно имеют разную длину.

[0037] В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 5, коаксиальный кабель 542 содержит электропроводящий сердечник 542A, изготовленный из металла, который окружен трубчатым электроизолирующим слоем 542B, изготовленным из керамического материала, который окружен трубчатым электропроводящим экраном 542C, который предпочтительно также является оболочкой кабеля из металла. Металл сердечника 542A, представляет собой, в частности, медь или никель. Керамический материал слоя 542B представляет собой, в частности, оксидную керамику, такую как, например, оксид алюминия или оксид магния. Металл экрана/оболочки 542C представляет собой, в частности, сталь и, более конкретно, нержавеющую сталь. На первом конце кабель 542 электрически соединен (например, посредством двух проводов) с портом первого устройства 512 SAW, а на втором конце кабель 542 электрически соединен (соответственно) с устройством 532. Аналогичные соображения могут применяться к кабелям 544, 546 и 548, при этом устройство 550 не является параметрически управляемым устройством сопротивления.

[0038] Первое и второе устройства 512 и 514 SAW могут (соответственно) опрашиваться одним устройством опроса, которое, таким образом, посредством одного опроса получает три значения параметра, например три значения температуры в трех разных и удаленных местах у ротора турбомашины 10, показанной на Фиг. 1. Эти три места представляют собой места, в которых расположены устройства 532, 536 и 538.

[0039] Следует отметить, что при приеме сигнала опроса, например, устройством 512 SAW, этот сигнал «пересылается» на все его порты выхода, т. е. в соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 5, на два порта (один справа и один слева). Такое устройство может быть преимущественно выполнено с возможностью задержки передачи выходного сигнала от второго порта по отношению к выходному сигналу от первого порта; в этом случае будет получен первый ответ на запрос с применением кабеля и устройства сопротивления при соединении с первым портом, а затем будет получен второй ответ на тот же запрос с применением кабеля и устройства сопротивления при соединении со вторым портом; задержка между двумя последовательными ответами на один и тот же запрос может находиться, например, в диапазоне 1–100 микросекунд (мкс).

[0040] Как правило, существует потребность в контроле нескольких параметров окружающей среды у одного или более роторов турбомашины; в этом случае можно использовать более одной измерительной системы. При использовании множества устройств SAW и/или BAW, в частности электрических устройств со встроенным набором устройств SAW и/или BAW, связанных с какой-либо антенной, предпочтительно размещать их в роторе турбомашины или на нем так, чтобы уравновесить их массы и избежать или уменьшить вибрации, обусловленные наличием измерительной системы.

[0041] Вариант осуществления, представленный на Фиг. 5, включает особенное преимущественное решение: первый кабель 542 соединяет первый порт устройства 512 с параметрически управляемым устройством 532 сопротивления, второй кабель 544 соединяет второй порт устройства 512 с закорачивающей перемычкой 550; при этом предпочтительно, чтобы второй кабель 544 был идентичен первому кабелю 542; предпочтительно, чтобы первый кабель 542 и/или второй кабель 544 были кабелями коаксиального типа, а более предпочтительно — кабелями одного и того же коаксиального типа. Если устройство 532 и закорачивающая перемычка 550 расположены у одного и того же участка ротора, возможна компенсация отрицательных эффектов их электрического соединения, в частности отрицательных эффектов, обусловленных изменением температуры вдоль кабелей. Этот результат проявляется еще лучше, если кабель 542 и кабель 544 проходят параллельно друг другу вдоль ротора.

[0042] Дополнительное улучшение варианта осуществления, представленного на Фиг. 5, может представлять собой использование третьего кабеля, предпочтительно идентичного первому кабелю 542 и предпочтительно коаксиального типа, при этом его соединяют с третьим портом устройства 512 с одной стороны и оставляют разомкнутым с другой стороны. Если устройство 532, закорачивающая перемычка 550 и разомкнутый кабель расположены у одного и того же участка ротора, возможна компенсация всех отрицательных эффектов их электрического соединения, в частности отрицательных эффектов, обусловленных изменением температуры вдоль кабелей, включая изменения импеданса и постоянной распространения вследствие изменения температуры.

[0043] Вышеупомянутая компенсация, основанная на двух идентичных (или аналогичных) кабелях, и вышеупомянутая компенсация, основанная на трех идентичных (или аналогичных) кабелях, преимущественно может осуществляться путем сравнения отдельных и задержанных ответов от одного и того же устройства SAW и/или BAW на один и тот же опрос при одинаковых (по существу) температурных условиях ротора. Например, в случае, показанном на Фиг. 5, первый ответ может быть связан с устройством 532, а второй ответ может быть связан с закорачивающей перемычкой 550. Например, в случае трех идентичных (или аналогичных) кабелей первый ответ может быть связан с каким-либо устройством сопротивления, второй ответ может быть связан с закорачивающей перемычкой, а третий ответ может быть связан с разомкнутым кабелем.

[0044] Ниже приведен конкретный вариант осуществления со ссылкой на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.

[0045] Турбомашина 10, в частности газотурбинный двигатель, содержит по меньшей мере один ротор и по меньшей мере один статор и может быть разделена на газовую турбину 11, камеру 12 сгорания и компрессор 13. Во время работы турбомашины 10 температура не распределяется равномерным образом. Например, даже в случае турбины 11 температура изменяется в зависимости от местоположения; можно предположить, что существует по меньшей мере одна низкотемпературная зона, например, в которой температура составляет 50–150 °C или даже ниже (например, 0–50 °C), и по меньшей мере одна высокотемпературная зона, например, в которой температура составляет 250–400 °C или даже выше (например, 400–800 °C), которые расположены на удалении друг от друга. Аналогичные соображения применимы к камере 12 сгорания и компрессору 13. В этом случае параметром окружающей среды, контроль над которым может представлять интерес, является температура, в частности температура в различных местах ротора турбомашины, в частности ротора турбины.

[0046] Для контроля температуры турбомашина 10 может содержать по меньшей мере одну систему, идентичную или аналогичную системе 500, показанной на Фиг. 5. В частности, турбомашина может содержать:

- по меньшей мере одно устройство SAW или BAW (см., например, устройство 45 или 46 на Фиг. 4 или устройство 512 или 514 на Фиг. 5), электрически соединенное с антенной и размещенное в низкотемпературной зоне,

- по меньшей мере одно чувствительное к температуре устройство сопротивления (см., например, устройство 34 или 36 на Фиг. 3 или устройство 532 или 536 или 538 на Фиг. 5), в частности терморезистор, размещенное в высокотемпературной зоне,

- по меньшей мере один первый кабель (см., например, кабель 451, или 452, или 461, или 462 на Фиг. 4 или кабель 542, или 546, или 548 на Фиг. 5) электрически соединяющий по меньшей мере одно устройство SAW или BAW и по меньшей мере одно чувствительное к температуре устройство сопротивления,

и

- устройство (см., например, 47 и 48 на Фиг. 4) опроса с антенной, расположенной на статоре рядом с антенной (520) устройства (45, 46, 512, 514) SAW или BAW, по меньшей мере в течение некоторого интервала времени.

[0047] Как видно на Фиг. 4, устройство 47 опроса находится вблизи от устройства 45 SAW, а устройство 48 опроса находится вблизи от устройства 46 SAW; такие расстояния могут составлять, например, 1–100 мм, предпочтительно 2–20 мм. Следует учитывать, что устройства опроса являются стационарными, поскольку их прикрепляют к статору, а устройства SAW или BAW перемещаются, поскольку их прикрепляют к ротору; следовательно, Фиг. 4 соответствует ситуации, когда устройства опроса и транспондеры находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Если частота вращения ротора составляет, например, 12 000 об/мин, временной интервал, который можно рассматривать как «минимальное расстояние», может составлять, например, около 1 мс (в течение этого времени сигнал опроса передается устройством опроса на транспондер, а ответный сигнал от транспондера принимается устройством опроса); если частота вращения ротора составляет, например, 1200 об/мин, временной интервал, который можно рассматривать как «минимальное расстояние», может составлять, например, около 10 мс (в течение этого времени сигнал опроса передается устройством опроса на транспондер, а ответный сигнал от транспондера принимается устройством опроса); если турбомашина выполнена с возможностью вращения рабочего вала с различными частотами вращения, в первую очередь следует принимать в расчет самую высокую частоту вращения.

[0048] Устройство опроса выполнено с возможностью опроса устройства SAW или BAW посредством передачи РЧ-сигналов на частотах в диапазоне от 300 кГц до 3 ГГц, предпочтительно в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц, еще более предпочтительно в диапазоне от 1 ГГц до 3 ГГц.

[0049] Как показано на Фиг. 5 со ссылкой на устройство 512 и устройство 532, устройство 45 и/или устройство 46 могут использовать два порта для измерения температуры в одном месте, даже при электрическом соединении с двумя кабелями, в частности коаксиальными кабелями.

[0050] Как показано на Фиг. 5 со ссылкой на устройство 514 и устройства 536 и 538, устройство 45 и/или устройство 46 могут использовать два порта для измерения температуры в двух местах, например в местах расположения устройств 34 и 35, показанных на Фиг. 3.

[0051] На Фиг. 4 устройство 45 SAW (или BAW) (действующее как транспондер), а также его антенна прикреплены к рабочему колесу 41 ротора, предпочтительно посредством сварки, и устройство 46 SAW (или BAW) (действующее как транспондер), а также его антенна прикреплены к рабочему колесу 40 ротора, предпочтительно посредством сварки; третий вариант, не показанный на фигурах, заключается в креплении устройства SAW или BAW к разделителю (см., например, разделитель 27 на Фиг. 2) ротора, предпочтительно посредством сварки. Устройства 45 и 46 могут быть размещены внутри углубленных посадочных мест, тогда как их антенны предпочтительно располагаются на наружных участках таких посадочных мест.

[0052] На Фиг. 4 устройства 47 и 48 опроса, а также их антенны размещены в области подшипника 44; другой вариант, не показанный на фигурах, заключается в размещении одного или более устройств опроса в узле сопел (см., например, сопло 21 и сопло 23 на Фиг. 2).

[0053] Как уже отмечалось, турбомашина может содержать несколько чувствительных к температуре устройств сопротивления, электрически соединенных с устройствами SAW или BAW и расположенных в разных местах одной или более высокотемпературных зон турбомашины. Например, как показано на Фиг. 1, на роторной турбине 11, и/или на роторе камеры 12 сгорания, и/или на роторе компрессора 13 могут быть обеспечены некоторые устройства сопротивления.

[0054] На Фиг. 4 показаны два устройства SAW (или BAW) (действующие как транспондеры), расположенные на одном роторе асимметричным образом и в различных частях ротора. Однако при необходимости использования нескольких устройств сопротивления преимущественно размещать в роторе или на нем набор, например из двух, или трех, или четырех, или пяти устройств SAW или BAW, так, чтобы уравновесить их массы. Например, турбомашина может содержать три или четыре устройства, таких как устройство 45, на одной окружности рабочего колеса со смещением на 120° или 90° и/или два или три устройства, таких как устройство 46, на одной окружности вала со смещением на 180° или 120°.

[0055] Способ установки измерительной системы, идентичной или аналогичной системе 500, показанной на Фиг. 4, на ротор ротационной машины, в частности турбомашины 10, показанной на Фиг. 1, включает по существу следующие стадии:

A) фиксацию (в общем случае нескольких, по меньшей мере одного) устройства SAW или BAW и связанных антенн в первой зоне ротора,

B) фиксацию по меньшей мере одного параметрически управляемого устройства сопротивления во второй зоне ротора, расположенной на удалении от первой зоны ротора,

C) фиксацию по меньшей мере одного первого кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны до второй зоны, и

D) электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом первого кабеля и соединение по меньшей мере одного параметрически управляемого устройства сопротивления со вторым концом первого кабеля;

это относится, например, к каждому из устройств 512 и 514 системы 500.

[0056] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления измерительной системы (это применимо, например, к системе 500, если речь идет об устройстве 512) также могут быть обеспечены следующие стадии:

E) фиксация второго кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны до второй зоны, и

F) электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом второго кабеля и соединение закорачивающей перемычки со вторым концом второго кабеля;

в этом случае предпочтительно, чтобы первый кабель и второй кабель проходили параллельно друг другу.

[0057] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления измерительной системы также могут быть обеспечены следующие стадии:

- фиксация третьего кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны до второй зоны, и

- электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом третьего кабеля и соединение разомкнутого кабеля со вторым концом третьего кабеля;

в этом случае предпочтительно, чтобы первый кабель, второй кабель и третий кабель проходили параллельно друг другу.

[0058] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления измерительной системы (это применимо, например, к системе 500, если речь идет об устройстве 514) также могут быть обеспечены следующие стадии:

G) фиксация другого параметрически управляемого устройства сопротивления в третьей зоне ротора, расположенной на удалении от первой зоны ротора,

H) фиксация другого кабеля, в частности коаксиального кабеля, на роторе так, чтобы он проходил от первой зоны до третьей зоны, и

L) электрическое соединение устройства SAW или BAW с первым концом другого кабеля и соединение другого параметрически управляемого устройства сопротивления со вторым концом другого кабеля.

[0059] При использовании нескольких устройств SAW или BAW преимущественно фиксировать их (возможно, вместе с их антеннами) в роторе или на нем так, чтобы уравновесить их массы.

Реферат

Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к турбомашинам с устройствами на поверхностных (SAW) или объемных (BAW) акустических волнах, измерительным системам и способам установки. Описана система измерения параметра окружающей среды у ротора ротационной машины; в соответствии с некоторыми вариантами осуществления параметр, подлежащий измерению, представляет собой температуру, а машина, подлежащая контролю, представляет собой турбомашину. Система включает в себя по меньшей мере устройство (512) на поверхностных (SAW) или объемных (BAW) акустических волнах, электрически соединенное с антенной (520), параметрически управляемое устройство (532) сопротивления и два идентичных кабеля (542, 544), электрически соединяющих устройство (512) SAW или BAW соответственно с устройством (532) сопротивления, а также закорачивающую перемычку (550), или разомкнутый кабель, или устройство, согласованное по импедансу. Устройство (512) SAW или BAW расположено в первой зоне ротора, тогда как параметрически управляемое устройство (532) сопротивления расположено во второй зоне ротора, находящейся на удалении от первой зоны ротора. Устройство опроса может получать значения параметров окружающей среды посредством отправки РЧ-сигналов на устройство (512) SAW или BAW через антенну (520). Технический результат - точный и надежный контроль одного или более параметров окружающей среды у ротора турбомашины, особенно во время ее работы. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула