Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium auf Basis von Millimeterwellen

Die Erfindung betrifft die Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium.

Wesentliche Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad einer Gasturbine sind möglichst gleich ablaufende, stabile Verbrennungsprozesse in der Turbinenbrennkammer. Bspw. aufgrund sehr hoher Temperaturen, die bis zu 1400 ⁰ C erreichen können, und/oder Verschmutzungen in der Brennkammer kommt es jedoch immer wieder zu Instabilitäten und Unregelmäßigkeiten bei der Verbrennung. Diese äußern sich in Form von dynamischen Druckschwankungen in dem in der Brennkammer befindlichen Medium.

Ähnliche Probleme treten auch im technischen Umfeld von Turboverdichtern oder speziell bei Axialkompressoren auf. Hier spricht man bspw. von den Phänomenen des „Rotating stall" (rotierende Abrissströmung) und des „Surge" (Pumpen), die sich zum Einen auf den Wirkungsgrad und zum Anderen auf die Lebensdauer des Kompressors auswirken. Beide Phänomene lassen sich über eine Überwachung der Druckverhältnisse in der Kom- pressorkammer detektieren.

Zur Überwachung des Kammerdrucks in Turbinen oder Kompressoren werden in der Regel konventionelle Drucksensoren verwendet, die speziell hinsichtlich der in den Kammern herrschen- den höheren Temperaturen modifiziert sind. Dabei kommen pie- zoresistive Sensoren zum Einsatz, die auf Hochtemperatur- Dehnungsmessstreifen basieren. Bspw. die Firma KULITE bietet Drucksensoren an, die mit einer sog. „Silicon-on-Insulator"- Technologie hergestellt werden (siehe z.B. US 7 451 655 B2) , die jedoch nur für vergleichsweise niedrige Temperaturen einsetzbar sind. Für höhere Temperaturbereiche von bis zu etwa 800 ⁰ C sind von der Firma VIBRO-METER piezoelektrische Sensoren auf der Basis von Turmalin bzw. Gallium-Phosphat-Kristallen bekannt.

Weiterhin sind von der Firma OXSENSIS Sensorelemente aus Saphirglas bekannt, die einen Temperaturbereich von bis zu 1000 ⁰ C abdecken. Bei diesen kommt ein Fabry-Perot- Interferometer zum Einsatz, das mit Hilfe optischer Lichtwellenleiter spektral ausgewertet wird.

Die Temperaturbeständigkeit der bekannten Sensoren reicht für einen Einsatz direkt in oder an der Brennkammer nicht aus.

Die vorliegende Erfindung setzt sich daher zum Ziel, ein Ver- fahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen in einem heißen Medium in einer Kammer anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe liegt in der Nutzung von Millimeterwellen für die Detektion von durch dynamische Druckschwankungen in einem heißen Medium hervorgerufene Durchbiegungen eines flexiblen Elements, bspw. einer dünnen Membran. Vorteilhafterweise können zum Leiten von Millimeterwellen vergleichsweise kompakte Hohlwellenleiter von nur einigen mm Durchmesser eingesetzt werden. Mit diesen können die erzeugten Millimeterwellen von einem kühle- ren Bereich bis in den heißen Bereich in unmittelbarer Umgebung des heißen Mediums geleitet werden, d.h. bspw. bis zu einer Wand der Kammer, in dem sich das heiße Medium befindet, insbesondere bis zur Brennkämmerwand einer Turbine.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von

Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer wird nun ein flexibles Element bei Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkt. Das flexible Element wird mit einem von einem Sender ausgesendeten elektromagnetischen Millimeterwellen-Signal bestrahlt und reflektiert das elektromagnetische Signal. Eine Phasenlage des ausgesendenten Signals wird nun mit einer Phasenlage des reflektierten Signals verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen lässt sich schließlich eine Auslenkung des flexiblen Elements ermitteln.

Die durch die Druckschwankungen im Medium hervorgerufene Durchbiegung bzw. Auslenkung des flexiblen Elements hängt direkt mit der Differenz der Phasenlagen zwischen ausgesendetem und reflektiertem Signal zusammen.

Vorteilhafterweise wird beim Vergleichen der Phasenlagen die Differenz der Phasen gebildet.

In einer Ausführungsform werden das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal in einem gemeinsamen Hohlwellenleiter zum flexiblen Element und wieder zurück geführt.

In einer alternativen Ausführung wird das ausgesendete Signal in einem separaten Sende-Hohlwellenleiter zum flexiblen Element geführt und das am flexiblen Element reflektierte Signal wird in einem separaten Empfangs-Hohlwellenleiter geführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen eines heißen Mediums in einer Kammer weist auf - ein Sensorelement mit einem flexiblen Element, das mit dem Medium in Kontakt steht und das durch Druckschwankungen des Mediums aus einer Ruhelage ausgelenkbar ist,

- einen Millimeterwellen-Sender zum Aussenden eines elektromagnetischen Millimeterwellen-Signals auf das flexible Element,

- einen Empfänger zum Empfangen eines am flexiblen Element reflektierten Signals, - eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen einer Phasenlage des ausgesendenten Signals mit einer Phasenlage des reflektierten Signals und zum Bestimmen der Auslenkung aus der Ruhelage aus dem Ergebnis des Vergleichs der Phasenlagen.

Vorteilhafterweise ist das flexible Element auf der einen Seite des Sensorelements angebracht, während auf der anderen, dem flexiblen Element gegenüberliegenden Seite des Sensor- elements eine für das ausgesendete und für das reflektierte Signal transparente Dichtung vorgesehen ist. Im Bereich zwischen dem flexiblen Element und der Dichtung herrschen definierte Druckverhältnisse, insbesondere ein Vakuum.

Das flexible Element ist vorzugsweise eine durchbiegbare, temperaturbeständige Membran.

In einer Ausführungsform sind ein separater Sende- Hohlwellenleiter zum Führen des ausgesendeten Signals vom Sender zum Sensorelement und ein separater Empfangs-

Hohlwellenleiter zum Führen des reflektierten Signals vom Sensorelement zum Empfänger vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung ist dann mit dem Sender und mit dem Empfangs- Hohlwellenleiter verbunden ist, wobei der Auswerteeinrichtung das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal zugeführt sind.

In einer alternativen Ausführungsform ist ein gemeinsamer Hohlwellenleiter vorgesehen, in dem das ausgesendete Signal vom Sender zum Sensorelement und das reflektierte Signal vom Sensorelement zum Empfänger geführt werden. Die Auswerteeinrichtung weist in diesem Fall einen ersten und einen zweiten Mischer, einen Phasenschieber und eine Auswerteschaltung zum Bestimmen der Auslenkung auf, wobei - dem ersten Mischer das ausgesendete und das reflektierte

Signal zugeführt sind, - dem Phasenschieber das ausgesendete Signal zugeführt ist, - dem zweiten Mischer ein Ausgangssignal des Phasenschiebers und das reflektierte Signal zugeführt sind,

- Ausgangssignale des ersten und des zweiten Mischers der Auswerteschaltung zugeführt sind.

Das Sensorelement ist vorteilhafterweise in einer Wand der Kammer untergebracht.

Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung mit separaten Hohlwellenleitern für ein gesendetes und ein reflektiertes Signal, Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung mit einem gemeinsamen Hohlwellenleiter für das gesendete und das reflektierte Signal,

Figur 3 Bauformen des Sensorelementes.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.

Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion von Druckschwankungen in einer Brennkammer 110 einer Gasturbine 100. Die Gasturbine 100 ist nur andeutungs- weise durch die Wand 120 der Brennkammer 110 symbolisiert.

Weitere Bauteile der Turbine 100 sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

In der Brennkammer 110 befindet sich im Betrieb der Turbine 100 ein heißes Medium 130, bspw. eine gasförmige Mischung aus Verbrennungsgas und Luft. Wie einleitend bereits erwähnt können in dem heißen Medium 130 dynamische Druckschwankungen auftreten, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu detektieren sind.

Die Wand 120 der Brennkammer 110 weist eine Öffnung 140 auf, in der ein Sensorelement 200 untergebracht ist. Das Sensorelement 200 weist eine flexible Membran 210 auf, die in direktem Kontakt mir dem heißen Medium 130 steht. Idealerweise ist das Sensorelement 200 derart in die Brennkammerwand 120 eingelassen, dass die Membran 210 mit der Brennkammerinnen- wand 120 fluchtet bzw. bündig abschließt. Wenn in der

Brennkammer 110 der normale Betriebszustand herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen Druckschwankungen Δp vorliegen und bei dem ein Kammerinnendruck p ₀ herrscht, befindet sich die Membran in einer Ruhelage. Liegt jedoch bspw. eine Druck- erhöhung in der Kammer 110 vor, d.h. Δp>0, so wird die

Membran 210 vom Kammerinnenraum aus gesehen um eine Auslenkung Δx nach außen durchgebogen. Ein derartiger Zustand ist in der Figur 3B dargestellt. Über eine Messung der Auslenkung Δx der Membran 210 können demnach Rückschlüsse auf Druckschwankungen Δp in der Brennkammer 110 gezogen werden.

Um die Auslenkung der Membran 210 zu detektieren wird diese mit einem elektromagnetischen Millimeterwellensignal S bestrahlt. Ein Hochfrequenzgenerator 410 eines Senders 400 ei- ner Sende-Empfangseinrichtung 300 erzeugt ein elektromagnetisches Signal S im Millimeterwellenbereich, bspw. mit einer Frequenz von 100GHz. Dieses Signal S wird über eine Antenne 420 in einen Sende-Hohlwellenleiter 610 eingespeist und über den Sende-Hohlwellenleiter 610 zum Sensorelement 200 geführt. An der Membran 210 des Sensorelements 200 wird das gesendete Signal S reflektiert. Das reflektierte Signal R wird über einen Empfangs-Hohlwellenleiter 620 zu einem Empfänger 500 der Sende-Empfangseinrichtung 300 geleitet und dort an einer An ^¬ tenne 520 des Empfängers 500 empfangen.

Das reflektierte und empfangene Signal R wird ebenso wie das ausgesendete Signal S einer Auswerteeinrichtung 310 zugeführt. In der Auswerteeinrichtung 310 wird in an sich bekann- ter Weise die Phasenlage φ _s des ausgesendeten Signals S mit der Phasenlage φ _R des reflektierten und im Empfangsteil 300 empfangenen Signals R verglichen. Insbesondere wird beim Vergleich die Differenz Δφ der Phasenlagen φ _s , φ _R gebildet.

Da die Geometrie der Anordnung, d.h. insbesondere die Weglänge zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und der Membran 210, bekannt ist, ist auch die Phasendifferenz Δφ ₀ im Normalzustand bekannt, die gemessen wird, wenn die Membran 210 nicht ausgelenkt ist, d.h. wenn in der Brennkammer 110 der normale Betriebszustand herrscht, bei dem keine ungewöhnlichen Druckschwankungen Δp vorliegen. Liegt jedoch bspw. eine Druckerhöhung in der Kammer 110 vor, d.h. Δp>0, so wird die Membran 210 vom Kammerinnenraum aus gesehen nach außen ausgelenkt. Damit verringert sich die Weglänge zwischen der Sende-Empfangseinrichtung 300 und der Membran 210, so dass zwangsläufig auch die Phasendifferenz Δφ zwischen dem ausgesendeten S und dem empfangenen Signal R geringer wird, d.h. Δφ < Δφ ₀ .

Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der an Stelle der getrennten Hohlwellenleiter 610, 620 für den Sende- und für den Empfangszweig des Millimeterwellensignals ein gemeinsamer Hohlwellenleiter 600 verwendet wird, der im Ausführungsbeispiel der Figur 2 als gemeinsamer Leiter für das gesendete Signal S und das an der Membran reflektierte Signal R dient. Wie im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wird das Sensorelement 200 in die Öffnung 140 der Brennkammerwand 120 befestigt. Die Membran 210 ist demzufolge wieder den Druckverhältnissen im heißen Medium 130 in der Brennkammer ausgesetzt, so dass sie sich bei Druckschwankungen im Medium entsprechend durchbiegt.

Die Auswertung der Signale S und R erfolgt im Ausführungsbei- spiel der Figur 2 in einer Auswerteeinrichtung 780, die nach dem Prinzip eines I/Q-Mischers arbeitet. Dieses Verfahren der Signalauswertung mit dem Ziel, eine Phasendifferenz zwischen den Signalen S und R zu ermitteln, ist an sich bekannt, wird daher im Folgenden nicht mehr im Detail beschrieben.

Ein Hochfrequenzgenerator 710 einer Sende-Empfangseinrichtung 700 erzeugt auch hier ein elektromagnetisches Signal S im

Millimeterwellenbereich. Das Signal S gelangt über einen Zir- kulator (oder Richtkoppler) 720 zu einer Antenne 730, die das Signal S in den gemeinsamen Hohlwellenleiter 600 einspeist. Am Ausgang des Hohlwellenleiters 600 befindet sich das Sen- sorelement 200 mit der Membran 210, an der das Signal S reflektiert wird. Das reflektierte Signal R wird über den gemeinsamen Hohlwellenleiter 600 zurück zur Antenne 730 und zum Zirkulator 720 geleitet. Dieser trennt in an sich bekannter Weise das reflektierte Signal R vom weiterhin im Hochfre- quenzgenerator erzeugten Signal S und führt das reflektierte Signal R zu einem ersten Mischer 740. Dem ersten Mischer 740 wird auch das Signal S vom Hochfrequenzgenerator 710 zugeführt. Dem ersten Mischer 740 ist dann ein Signal zu entnehmen, das dem sogenannten „Quadrature"-Signal Q entspricht.

Das Signal R gelangt vom Zirkulator 720 außerdem auch zu einem zweiten Mischer 760. Das im Hochfrequenzgenerator 710 erzeugte Signal S wird außerdem einem 90°-Phasenschieber 750 zugeführt. Das Ausgangssignal S _sh i _ft des Phasenschiebers 750, dessen Phase gegenüber dem Eingangssignal S des Phasenschiebers 750 um 90° verschoben ist, gelangt ebenfalls zum Mischer 760, wo es mit dem reflektierten Signal R gemischt wird. Das dem zweiten Mischer 760 entnehmbare Signal entspricht dann dem sogenannten „In-phase"-Signal I.

In bekannter Weise lässt sich nun in einer Auswerteschaltung 770 aus den Signalen I und Q die Phasendifferenz Δφ zwischen den Ursprungssignalen S und R und daraus wie oben erläutert eine eventuelle Druckschwankung im heißen Medium 130 ermit- teln.

Die Auswerteeinrichtung 780 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel den ersten 740 und zweiten Mischer 760, den Phasen- Schieber 750 und die Auswerteschaltung 770. Es sind hier natürlich auch andere an sich bekannte Maßnahmen zur Bestimmung der Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten Signal S und einem zweiten Signal R einsetzbar. Die im Zusammenhag mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen sind lediglich beispielhaft zu verstehen.

Die Figuren 3A und 3B zeigen Detailansichten möglicher Ausführungsformen des Sensorelements 200. Das Sensorelement 200 ist eine vorzugsweise runde Druckdose, auf deren eine Seite die Membran 210 aufgebracht ist und an deren andere Seite sich, wie im Folgenden beschrieben wird, der Hohlwellenleiter anschließt (in den Figuren 3A, 3B nicht dargestellt) . Je nachdem, welcher Druckmessbereich Δp, welche Empfindlichkeit des Sensorelements und welche Eigenfrequenz der Membran gewünscht sind, müssen insbesondere der Durchmesser d und die Dicke D der Membran 210 ausgelegt werden. Typischerweise liegt der Durchmesser d zwischen lmm und 20mm, während die Dicke D der Membran 210 zwischen 5μm und 250μm gewählt wird.

Das Sensorelement 200 weist weiterhin eine Bohrung 230 auf, an die der gemeinsame Hohlwellenleiter 600 angekoppelt wird und die selbst die Funktion eines Hohlwellenleiters übernimmt. Das ausgesendete Signal S gelangt so durch die Bohrung 230 zur Membran 210 und wird an dieser reflektiert. Das reflektierte Signal R wird wiederum über die Bohrung 230 zurück zum Hohlwellenleiter transportiert.

An der Außenseite des Sensorelements 200 befindet sich ein Gewinde 220. Ein dem Gewinde 220 entsprechendes Innenengewin- de ist in der Öffnung 140 der Brennkammerwand 120 vorgesehen (nicht dargestellt) , so dass das Sensorelement 200 in die Brennkammerwand 120 eingeschraubt werden kann.

Speziell in der Figur 3B ist der oben erwähnte Fall dargestellt, bei dem in der Brennkammer 110 eine Druckschwankung Δp>0 vorliegt. Die Membran 210 ist dann um eine Auslenkung Δx nach außen (aus Sicht des Brennkammerinnenraums) verformt. Die Membran 210 ist im einfachsten Fall, wie er in der Figur 3A dargestellt ist, direkt auf die Bohrung 230 und damit quasi direkt auf den Hohlwellenleiter aufgebracht. Alternativ könnte die Druckdose wie in der Figur 3B skizziert mit einer für die verwendeten Millimeterwellen transparenten Dichtung 240 verschlossen sein, bspw. aus einem keramik- oder einem glasartigen Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dämpfung im Arbeitsbereich mit Millimeterwellen. Im Bereich zwischen der Membran 210 und der Dichtung 240 können dann definierte Druckverhältnisse wie bspw. ein Vakuum erzeugt werden.

Da sich die Membran 210 und zumindest Teile des Sensorelements 200 in einer sehr heißen Umgebung befinden, müssen die- se Bauteile aus Materialien mit sehr hoher Temperaturbeständigkeit ausgelegt werden. Hierzu eigenen sich bspw. Hochtemperaturlegierungen wie Inconell oder Hastelloy sowie Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Ebenso können Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden, die mit ei- ner leitfähigen Beschichtung versehen sind, damit die Signale S und R geleitet bzw. reflektiert werden können.

Der gemeinsame Hohlwellenleiter 600 bzw. der Sende- und der Empfangshohlwellenleiter 610, 620 sollten idealerweise sehr massiv ausgeführt sein, um Einflüsse auf die Messung der Phasendifferenz durch evtl. Vibrationen zu vermeiden. Hierfür kommen metallische und gut leitende Werkstoffe oder leitende bzw. leitend beschichtete Keramiken in Frage.

In der einfachsten Ausführung eignet sich die Erfindung dazu, das Vorhandensein einer Druckschwankung Δp zu detektieren. Hierbei könnte in der Auswerteeinrichtung bspw. beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Phasendifferenz Δφ ein Alarm o.a. ausgelöst werden, der einen Benutzer auf das Vorliegen der Druckschwankung aufmerksam macht. Ebenso ist es möglich, in einer aufwändigeren Ausführung die Vorrichtung zunächst zu kalibrieren, so dass eine eindeutige Zuordnung zwischen der gemessenen Phasendifferenz Δφ und der vorliegenden Druckschwankung Δp möglich wird.

Das oben im Zusammenhang mit einer Brennkammer einer Gasturbine beschriebene Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung lässt sich ohne Weiteres auf die Kompressorkammer bspw. eines Axialkompressors übertragen. Auch ist die Erfindung natürlich nicht unbedingt auf den Einsatz in temperaturbelasteten Umgebungen beschränkt.