专利名称：光学燃烧器探测器系统的制作方法
技术领域：
本申请大体涉及光学燃烧器探测器系统，并且更具体而言，涉及具有定位在燃烧室的周围来检测拢焰和其它类型的燃烧事件的许多纤维光学探测器的光学燃烧器探测器系统。
背景技术：
某些类型的已知的燃气轮机燃烧器使用稀薄(lean)预混合燃烧来减少诸如 NOx(氮氧化物)等气体的排放。这样的燃烧器一般具有附连到单个燃烧室上的许多燃烧装置。在运行期间，通过许多燃料喷射器来喷射燃料，并且燃料与旋动的空气流混合而产生燃烧火焰。由于稀薄化学定量关系的原因，稀薄预混合燃烧可实现较低的火焰温度，以及因而可产生较低的NOx气体等的排放。稀薄燃烧环境的一方面在于，火焰速度可随燃料浓度的增加而提高。因而可将整体的燃烧区空气动态特性设计成适应稀薄火焰速度。但是，接近燃烧区的燃料-空气混合物可能不总是均质的。由于燃料空气混合物的局部差异，局部火焰速度可超过燃烧区设计极限。如果支持升高的稀薄火焰速度的状况持续，则由于增大的热负载或其它原因，火焰可侵害上游结构以及导致损害。因而期望有可检测拢焰事件及其预兆使得可在发生损害之前采取补救措施的改进的燃烧器监测系统和方法，例如光学燃烧器探测器系统。另外，这种改进的反应时间还可提供减小运行边界的能力，以容许有甚至更稀薄的运行，以及因此有更低的NOx气体等的排放。

发明内容
因而本申请提供了一种用于燃烧室中的燃烧火焰的光学探测器系统。该光学探测器系统可包括许多光学探测器，它们不动地附连在燃烧室的周围，并且定位成使得光学探测器收集光学探测器中的各个的视场中的燃烧火焰所产生的光。在燃烧室的外部的一个或多个构件可产生和分析表示光学探测器中的各个的视场中的燃烧火焰所产生的光的信号。本申请进一步提供了一种监测燃烧室中的燃烧火焰的方法。该方法可包括以下步骤将许多光学探测器定位在燃烧室的周围；产生表示光学探测器中的各个的视场中的燃烧火焰的许多信号；以及分析信号来确定燃烧室内的燃烧火焰的位置。本申请进一步提供了一种其中具有燃烧火焰的燃烧器。该燃烧器可包括燃烧室和不动地附连在燃烧室的周围的许多光学探测器。光学探测器可定位成使得光学探测器收集光学探测器中的各个的视场中的燃烧火焰所产生的光。在燃烧室的外部的许多构件可产生和分析表示光学探测器中的各个的视场中的燃烧火焰所产生的光的信号。对于本领域普通技术人员，在审阅结合若干幅图和所附权利要求得到的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征与优点将变得显而易见。


图I是已知的燃气轮机发动机的示意图。图2是可用于图I的燃气轮机发动机的燃烧器的局部侧视图。图3是如可在本文中描述的那样的光学燃烧器探测器系统的示意图。图4是如可在本文中描述的那样的光学探测器的一部分的侧视平面图。图5是具有如可在本文中描述的那样的光学燃烧器探测器的已知燃烧器的局部侧视图。图6是具有定位在其上的许多光学探测器的燃烧器的正视平面图。部件列表10燃气轮机发动机15低压压缩机20高压压缩机25燃烧器30高压涡轮35低压涡轮40燃烧室45环形穹顶组件50混合组件55先导混合器60主混合器65燃料歧管70喷射端口75主壳体80混合器腔体85旋流器90燃烧火焰100光学燃烧探测器系统110光学燃烧器探测器120 光纤125 束130 涂层140导向管150外部构件160光检测器模块170信号处理模块180光电倍增器管190分光仪200进入孔210 视场
220控制系统
具体实施例方式现在参看附图，其中相同标号在若干幅视图中指相同元件，图I显示了燃气轮机发动机10的示意图。燃气轮机发动机10可包括低压压缩机15、高压压缩机20、燃烧器25、 高压涡轮30和低压涡轮35。空气流过低压压缩机15，并且压缩空气被输送到高压压缩机 20。高度压缩的空气然后被输送到燃烧器25。燃烧器25使压缩空气流与压缩燃料流混合， 并且点燃该混合物而产生燃烧气体流。燃烧气体流继而被输送到涡轮30、35。燃烧气体流驱动涡轮30、35，以便产生机械功。还显示了其它类型的燃气轮机发动机10和其中的构件的其它构造。图2是可用于燃气轮机发动机10等的燃烧器25的一个实例的局部侧视图。燃烧器25包括燃烧区或室40和在燃烧室40的上游的环形穹顶组件45。环形穹顶组件45可包括在其中沿周向隔开的许多混合组件50，以将燃料和空气的混合物输送到燃烧室40。各个混合组件50可包括先导混合器55和主混合器60。燃料歧管65可在先导混合器55和主混合器60之间延伸。燃料歧管65可通往定位在主壳体75的周围的许多喷射端口 70。混合器腔体80可限定在主壳体75和旋流器85之间。可在本文中使用其它构造和其它构件。 本文描述的燃烧器25仅是为了实例的目的。可在本文中使用其它类型的燃烧器。如上面描述的那样，燃烧器25使燃料流和空气流混合而产生燃烧火焰90。图3和4显示了如可在本文中描述的那样的光学燃烧探测器系统100。光学燃烧器探测器系统100可包括定位在燃烧器25的燃烧室40或其中具有燃烧火焰90或其它类型的燃烧动态特性的类似类型的装置的周围的一个或多个光学燃烧器探测器110。可在本文中使用任何类型的燃烧和/或燃烧室40。各个光学燃烧器探测器110可包括光纤120束。光纤120可为石英纤维等。可在本文中使用其它类型的光纤120。光纤120优选为较小直径的石英纤维，以便使得与单个大直径纤维相比能够有较紧的弯曲半径。此外，小直径的石英纤维可拥有类似的光收集能力。 可在本文中使用任何适当的光纤材料。可使用光纤120束125。光纤120在其上可具有涂层30。涂层30可为黄金涂层或另一种类型的贵重金属。 可在本文中使用类似的涂层，以便提供热保护。也可使用耐高温的其它类型的涂层。光纤 120可定位在导向管140内。导向管140可由不锈钢或其它类型的耐温材料制成。因而具有光纤120、涂层130和导向管140的光学燃烧器探测器110可经受住燃烧室40内或其它地方的高的运行温度和压力。例如，燃烧室40内的温度和压力可超过大约1400°华氏度 (大约760°摄氏度)和大约750磅每平方英寸(标准尺寸)(大约5200千帕)或更多。光学燃烧器探测器系统100另外可包括定位在燃烧室40的外部的许多外部构件 150。外部构件150可包括光检测器模块160。光检测器模块160包含用以按光谱的方式分离来自光学燃烧器探测器110的进入的收集到的光的光学构件。光检测器模块160产生与光的强度成比例的信号。光检测器模块160基于接收自光学燃烧器探测器110的数据来对信号处理模块170产生输出信号。信号处理模块170分析来自光检测器模块160的信号， 以提供燃烧信息。具体而言，信号处理模块170可包括许多金属罐式光电倍增器管180等。 因为光电倍增器管180具有快速的响应时间，所以可使用光电倍增器管180来监测燃烧室40内的瞬时变化。信号处理模块170还可包括分光仪190等，以便捕捉光放射光谱。因而信号处理器170即基于光电倍增器管180来处理时间频率，又通过分光仪190来处理光频域。还可在本文中使用干涉滤波器。可在本文中使用其它构造和其它类型的构件。图5显示了在燃烧器25的周围的光学燃烧器探测器110中的一个的使用。具体而言，可在旋流器85的周围或在喷射端口 70的下游的另一个位置的周围钻出进入孔200。 光学燃烧器探测器110的导向管140可被供给到进入孔200中，并且可焊接到旋流器85或其它位置上。假定导向管140可由不锈钢制成，则可使用TIG(“钨惰性气体”)焊接。可在本文中使用其它连接手段。然后可将在其上具有涂层130的光纤120旋拧通过导向管140 以及铜焊到进入孔200上。也可在本文中使用其它连接手段。可将光纤120设定在期望的视场210处。因而各个光学燃烧器探测器110可监测在其视场210内的燃烧火焰90或其它类型的燃烧动态特性所产生的光。如图6中显示的那样，光学燃烧器探测器系统100可使用定位在燃烧室40的周围的任何数量的光学燃烧器探测器110。因而使用许多光学燃烧器探测器110提供了在空间上区分来自不同位置的燃烧事件的位置的能力。换句话说，可精确地确定燃烧室40内的燃烧火焰90的位置和特性。此外，使用外部构件150提供了远程地确定燃烧事件的性质的能力。在使用中，可使用光学燃烧器系统100的光学燃烧器探测器110而通过观测在所关注的局部区域中的燃烧火焰90的“化学发光”来确定燃烧事件。大体地描述，化学发光是燃烧反应所产生的光学辐射。燃烧反应产生具有高能态的分子。受激分子可通过放射光来部分地转变到较低的能态。放射的强度可与特定的反应中的化学产生速率部分地成比例。 因而化学发光可测量反应速率和放热速率，以有关于特定的视区中的燃烧过程的当前强度的信息。具体而言，表示各个光学燃烧器探测器110的视场210中的燃烧火焰90的信号可由光纤190收集，并且被导引到光检测器模块160。光检测器模块160产生与光的强度成比例的信号。然后可在信号处理器170中即以时域的方式又基于波长来分析该信号。信号处理器170的分光仪190可构造成检测表示实现燃烧稳定性的化学放射的光谱辐射。另外， 也可检测表示燃料污染物或杂质的光谱辐射。信号处理器170的光电倍增器管180可测量瞬时波动。可在本文中使用其它类型的信号处理。可对光检测器模块160所提供的信号进行滤波，以处理燃烧器几何结构引起的反射性背景放射。通过区分信号水平与背景信号，可更加精确地确定所关注的区域中的燃烧事件。因而光学燃烧器探测器系统100可以能够在小于大约500微秒的时间常数内检测燃烧事件，例如火焰侵害、拢焰等。这种快速的响应时间大体容许操作员或控制系统采取补救措施。因而可在本文中提供主动反馈控制。反馈控制系统220大体可与压缩机25和/ 或燃气轮机发动机10的外部构件150和控制构件通讯。除了快速响应时间之外，使用光学燃烧器探测器系统100主动地防止不合需要的燃烧事件，使得可减小整体运行边界。减小整体运行边界可容许有较稀薄的运行，以及因此容许有具有较少排放的较高的运行效率。减小运行边界还可导致有在总重量上可为较轻的较紧凑的几何结构。此外，现在可记下和记录不合需要的燃烧事件，以便对产品寿命和维护要求提供改进的预测能力。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，并且本领域普通技术人员可在本文中作出许多改变和修改，而不偏离由权利要求及其等效方案限定的本发明的大体精神和范围。
权利要求
1.一种用于燃烧室(40)中的燃烧火焰(90)的光学探测器系统(100)，包括不动地附连在所述燃烧室(40)的周围的多个光学探测器(110)；其中，所述多个光学探测器(110)定位成使得所述多个光学探测器(110)收集所述多个光学探测器(110)中的各个的视场(210)中的所述燃烧火焰(90)所产生的光；以及在所述燃烧室(40)的外部的一个或多个构件(150)，其用以产生和分析表示所述多个光学探测器(110)中的各个的所述视场(210)中的所述燃烧火焰(90)所产生的光的信号。
2.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，所述多个光学探测器 (110)包括多个经涂覆(130)的光纤(120)。
3.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，所述多个光学探测器 (110)包括光纤(120)束(125)。
4.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，所述多个光学探测器(110)包括定位在不锈钢导向管(140)内的多个光纤(120)。
5.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，在所述燃烧室(40)的外部的所述一个或多个构件(150)包括光检测器模块(160)，以产生表示所述多个光学探测器(110)中的各个的所述视场(210)中的所述燃烧火焰(90)所产生的光的所述信号。
6.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，在所述燃烧室(40)的外部的所述一个或多个构件(150)包括信号处理模块(170),以分析表不所述多个光学探测器(110)中的各个的所述视场(210)中的所述燃烧火焰(90)所产生的光的所述信号。
7.根据权利要求6所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，所述信号处理模块 (170)包括多个光电倍增器管(180)。
8.根据权利要求6所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，所述信号处理模块 (170)包括分光仪(190)。
9.根据权利要求I所述的光学探测器系统(100)，其特征在于，在所述燃烧室(40)的外部的所述一个或多个构件(150)与反馈控制系统(220)通讯，以及其中，所述反馈控制系统(220)与所述燃烧室(40)相关联。
10.一种监测燃烧室(40)中的燃烧火焰(90)的方法，包括将多个光学探测器(110)定位在所述燃烧室(40)的周围；产生表示所述多个光学探测器(110)中的各个的视场(210)中的所述燃烧火焰(90) 的多个信号；以及分析所述多个信号，以确定所述燃烧室(40)内的所述燃烧火焰(90)的位置。
11.根据权利要求10所述的监测燃烧火焰(90)的方法，其特征在于，所述分析步骤包括以时域的方式分析所述燃烧火焰(90)。
12.根据权利要求10所述的监测燃烧火焰(90)的方法，其特征在于，所述分析步骤包括基于波长来分析所述燃烧火焰(90)。
13.根据权利要求10所述的监测燃烧火焰(90)的方法，其特征在于，在所述燃烧室(40)的外部执行所述产生步骤和所述分析步骤。
14.根据权利要求10所述的监测燃烧火焰(90)的方法，其特征在于，所述方法进一步包括和与所述燃烧室(40)相关联的反馈控制系统(220)通讯的步骤。
全文摘要
本发明涉及光学燃烧器探测器系统。本申请提供了一种用于燃烧室(40)中的燃烧火焰(90)的光学探测器系统(100)。该光学探测器系统(100)可包括许多光学探测器(110)，它们不动地附连在燃烧室(40)的周围，并且定位成使得光学探测器(110)收集光学探测器(110)中的各个的视场(210)中的燃烧火焰(90)所产生的光。在燃烧室(40)的外部的一个或多个构件(150)可产生和分析表示光学探测器(110)中的各个的视场(210)中的燃烧火焰(90)所产生的光的信号。
文档编号G01J1/42GK102607698SQ201110461558
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者D·L·沃什伯恩, G·克诺特, J·海恩斯, K·麦芒努斯, S·维赫 申请人:通用电气公司