专利名称：一种液冷式燃烧摄像机的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及观察工业燃烧过程的摄像机装置，具体地，但非限制性的，涉及一种液冷式燃烧摄像机。
背景技术：
燃烧摄像机设计用来观察工业燃气轮机的燃烧过程。已知的设计方案利用空气来冷却组件使用的摄像机，这种摄像机一般是电荷耦合器件(“CCD”)摄像机。由于将空气作为冷却剂产生的有关限制，这些组件都比较大。然而，这些组件还是不能被充分冷却，这常常导致电荷耦合器件摄像机因对热量的敏感而发生故障。空气冷却介质所要求的较大尺寸使得燃烧室中观察燃烧过程的孔口的直径必须近乎2.0英寸(大约5厘米)。然而，该尺寸的孔口一般大于工业燃气涡轮机所能接受的尺寸。
而且，已知的燃烧摄像机组件一般安装在燃气涡轮机的外面，因此摄像机只有一小部分，比如透镜组，延伸到高温和高压的涡轮机环境中。现在很多工业气涡轮机都要求将燃烧摄像机整个安装在气涡轮机内，这会使CCD摄像机大大过热而产生故障。已知的燃烧摄像机的设计特点一般是采用带螺纹的机械紧固件和垫圈来装配和密封石英窗盖，石英窗盖是透明层，通过石英窗盖可以用CCD摄像机观察燃烧过程。然而，这种构造方式具有两个不希望的结果(1)摄像机壳体直径较大，和(2)由于高温环境中的老化需要经常维修垫圈。
已知的燃烧摄像机还包括装置，对可观察锅炉的燃烧过程的摄像机设计进行改进得到。这些改进的装置也是空气冷却的，因而尺寸比较大。另一种流行的设计方案包括使透镜与摄像机分离。这种摄像机装置的透镜通常包括“透镜组”，用来将燃烧过程的图像投射回锅炉外面的CCD摄像机。这种设置使得只有透镜组布置在涡轮机的恶劣的温度和压力条件下。这种设计方案的缺点包括光衰减和像畸变。光衰减妨碍了对燃烧过程中的低光特征的观察，比如点火过程的火花。像畸变导致图像有些模糊，妨碍了对燃烧过程细节的观察。
许多新的工业燃气轮机要求燃烧摄像机装置设计成能满足以下标准(1)可以整个安装在350磅/平方英寸、825华氏度(24.6公斤/平方厘米、440摄氏度)的环境下，而且能够观察3000华氏度(1650摄氏度)的燃烧过程；(2)这样的冷却方式使得冷却介质不会排放到燃烧室，否则会影响燃烧过程而不能代表实际过程；(3)可通过直径为1.0英寸(大约2.5厘米)的孔口观察燃烧过程；(4)限制光衰减量使得CCD摄像机能够观察燃烧点火过程中火花塞的工作情况；(5)具有较小的总体尺寸以满足工业涡轮机和燃烧试验台的空间的限制；和(6)由于受到位置限制难以接近涡轮机或试验台，要求不进行维修能够工作较长时间。因此，需要有一种能够满足这些要求的燃烧摄像机装置，并对上面所介绍的已知设计方案所存在的一些问题进行了改进。
发明内容
本发明介绍了一种液冷式摄像机装置，包括观察工业燃气轮机的燃烧过程的摄像机，这种装置还包括三管同心组件以及布置在三管同心组件第一端的窗盖。摄像机可以靠近窗盖的后面布置，且三管同心组件可以在管子之间形成通道，用于将冷却剂流从入口引导到摄像机以及从摄像机引导到出口。冷却剂可以是水。
在某些实施例中，窗盖的宽度可以不超过1英寸(2.54厘米)。在其它一些实施例中，窗盖可以是圆柱形的，其直径可以不超过1英寸(2.54厘米)。窗盖可以是钎焊石英件。这种液冷式燃烧摄像机还可以包括液体循环机构，用于将冷却液流输送至入口以及从出口排出冷却液流。
在某些实施例中，这种液冷式燃烧摄像机还可以包括连接到三管同心组件第二端的壳体。壳体可以包括连接到供应软管的入口，以及连接排放软管的出口。壳体还可以包括若干个壳体通道，用于将水流从入口引导到三管同心组件及从三管同心组件引导到出口。
在其它一些实施例中，三管同心组件可以包括内摄像管、中间摄像管和外摄像管。内摄像管可以布置在中间摄像管内形成第一冷却剂通道，中间摄像管可以布置在外摄像管内形成第二冷却剂通道。第一壳体通道可以将冷却剂流从入口引导到第一冷却剂通道，第二壳体通道可以将冷却剂流从第二冷却剂通道引导到出口。
通过阅读下面结合附图对优选实施例所作的详细说明以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征变得更加清楚。
图1是显示本发明的液冷式燃烧摄像机的实施例的分解图；图2是图1的液冷式燃烧摄像机的平面图；图3是图1的液冷式燃烧摄像机的侧向剖视图；图4是示出通过图1的液冷式燃烧摄像机的液体冷却剂的侧向剖视图；图5是闭环冷却系统的实例的示意图，其可用于图1的液冷式燃烧摄像机。
部件清单100 液冷式燃烧摄像机102 窗盖103 摄像机104 窗盖支座106 外摄像管
108 中间摄像管110 内摄像管112 摄像机装配法兰114 管子压合接头116 中心孔118 孔120 螺栓122 上壳体124 入口126 出口128 入口接头130 出口接头132 出口通道134 O型圈136 O型圈138 摄像机支座139 螺丝140 摄像机电缆141 螺栓法兰142 螺栓144 上摄像机法兰146 O型圈148 密封螺栓150 孔152 孔202 入口内部通道204 连接通道502 水泵504 热交换器具体实施方式
现在参考附图，其中相同的标号代表相同的部件，图1示出了所介绍的液冷式燃烧摄像机装置100的实施例。液冷式燃烧摄像机100可以包括有窗盖102。窗盖102可以用本技术领域中已知的钎焊石英材料如GE-214制成。窗盖102是透明压力界面，供摄像机103观察燃烧过程。其它已知的材料也可用于窗盖102，只要能够提供必要的物理性能，可在燃烧环境下工作，同时还允许摄像机103通过这种透明窗孔观察燃烧过程。
窗盖102的直径可以大致为一英寸(大约2.54厘米)或更小。窗盖102的厚度可以在1/8至1/4英寸(大约3.18至6.35厘米)之间。窗盖102可以固定在窗盖支座104液冷式燃烧摄像机装置100可以具有三管同心结构，可以包括外摄像管106、中间摄像管108和内摄像管110。这种三管同心结构可以用不锈钢、铬镍铁合金或本技术领域中已知的其它类似材料制成。这些管子的尺寸使得内摄像管110能够装配在中间摄像管108中，而中间摄像管108能够装配在外摄像管106中。而且，当组装起来时，三管同心结构的尺寸应允许内摄像管110外半径与中间摄像管108内半径之间，以及中间摄像管108外半径与外摄像管106内半径之间留有空隙。空隙形成允许流体经过的通道。
窗盖支座可以通过焊接或本技术领域中已知的其它方法固定到外摄像管106的一端以形成整体部件。外摄像管106的另一端可以通过管子压合接头114连接并密封到摄像机装配法兰112上。摄像机装配法兰112可以包括能够将管子压合接头114装配其中的中心孔116。如下面参考图2和3的更详细介绍，摄像机装配法兰112还可以包括以某种特殊方式引导液体流过的内部通道。摄像机装配法兰112还可以包括若干个孔118，能够用螺栓120通过孔将液冷式燃烧摄像机100装配到要求的位置。摄像机装配法兰112可以用不锈钢、铬镍铁合金或本技术领域中已知的其它类似材料制成。
中间摄像管108可以通过焊接或其它方法连接到上壳体122以形成整体部件。上壳体可以用不锈钢、铬镍铁合金或本技术领域中已知的其它类似材料制成。上壳体122可以包括入口124和出口126。入口124连接在入口接头128，从而使入口124与输送软管(未示出)相连。可以用泵(未示出)使加压液体通过输送软管流通到入口124。这种泵可以是本技术领域中已知的任何一种泵如离心泵、往复泵或其它类似的泵和流体输送装置。出口126可以连接在出口接头130，从而使出口126与排出软管(未示出)相连。如下面参考图2和3的更详细介绍，上壳体122还可以包括以某种特殊方式引导水流从流过的内部通道。
上壳体122的入口内部通道202可以将水流从入口124引导到内摄像管110外半径与中间摄像管108内半径之间的空隙中。上壳体122的出口通道132可以将冷却液流从设置在摄像机装配法兰112的连接通道204引导到出口126。连接通道204可以将冷却液流从中间摄像管108外半径与外摄像管106内半径之间的空隙引导到出口通道132。上壳体122可以通过O型圈134密封到摄像机装配法兰112。摄像机装配法兰112的连接通道204可以通过O型圈136密封到上壳体122的出口通道132。通过在可统称为装置壳体的摄像机装配法兰112和上壳体122加工出这些冷却通道，可以减小设备的总体尺寸，由于工业燃烧设备的观测和试验设备具有安装空间限制，这是十分重要的。
在使用时，摄像机支座138可以支承和对准摄像机103于窗盖102附近，其中所述摄像机可以是电荷耦合器件摄像机。电荷耦合器件摄像机103可以从本技术领域已知类型的摄像机中选择。若干个螺丝139可以将电荷耦合器件摄像机103牢固地固定在摄像机支座138的适当位置。摄像机支座138可以焊接或通过本技术领域中已知的其它方法连接到内摄像管110的一端。接着CCD摄像机的摄像机电缆140可以向上穿过内摄像管110并引导到供水软管，在那里离开燃气轮机与本技术领域中已知的摄像成像器材(未示出)相连，于是可以检查和记录CCD摄像机103所观察到的图像。这种方法可以使电荷耦合器件摄像机103非常接近于燃烧火焰，几乎没有光衰减，这样能够产生明亮、干净和清晰的燃烧过程图像，同时还能够防止低温电荷耦合器件摄像机103和摄像机电缆140受到高温涡轮机环境的影响。
内摄像管110的另一端可以固定到四螺栓法兰141。四螺栓法兰141可以与上壳体122顶面的孔对齐然后用螺栓142安装，这样装配起来后，就可以利用机械方法使内摄像管110对准并固定在上壳体122和中间摄像管108内。
上摄像机法兰144和O型圈146可以布置在四螺栓法兰141上面，并与若干个密封螺栓148，共同将装置密封和拉紧。密封螺栓148可以穿过上摄像机法兰144中的孔150和上壳体122中的孔152，插入摄像机装配法兰112顶面的螺纹孔(未示出)内。通过将装置拉紧，密封螺栓148还可以利用机械方法使中间摄像管108对准并固定在外摄像管106中。所属领域的普通技术人员应当认识到可以用其它已知的方法将装置密封和拉紧。
这种液冷式燃烧摄像机100的设计方案能够高效地组装和维修设备。举例来说，如果窗盖102损坏，通过将外摄像管106从管子压合接头114拆下，然后换上新的窗盖102/窗盖支座104/外摄像管106组件，能够高效地进行更换。
而且，使用钎焊石英窗盖102可以省去带螺纹的机械连接件，从而使摄像机壳体的直径减小到1英寸(大约2.54厘米)以下，摄像机壳体通常包括窗盖102、窗盖支座104或类似部件。将石英钎焊到金属支座可以使石英与金属熔合在一起，从而形成气密密封。因此，可以不需要将石英约束/固定到金属上的机械紧固件，这样可以减小装置的尺寸。这种钎焊石英方法还可以省去在高温和高压环境下通常需要经常进行维修的高温垫圈或密封圈。也就是说，通过钎焊石英方法形成的密封可省去对垫圈或其它密封圈的需求。
还有，摄像机支座138/内摄像管110/四螺栓法兰141组件能够高效地安装和更换电荷耦合器件摄像机103。在从上壳体122中取出内摄像管110的情况下，通过将内摄像管110向下插入摄像机支座138然后拧紧三个螺丝139可以安装电荷耦合器件摄像机103。然后可以将内摄像管110插入上壳体122并用密封螺栓148固定就位。使用时，液冷式燃烧摄像机装置100可以通过冷却液的内部流动来保护和冷却处于工业燃气轮机高压和高温环境中的电荷耦合器件摄像机103。水比空气更强的冷却能力使得摄像机壳体的尺寸能够减小。虽然在此实例中所介绍的冷却液是水，但是也可以使用其它液体。
如图3所示，通过连接到入口接头128的金属软管(未示出)，冷却水可以从涡轮机的外面经由入口124进入上壳体122。水泵(未示出)可以通过金属软管输送加压水流。输送的水压力在10至80磅/平方英寸之间，而流量大约为5到30加仑/秒(近似0.32到1.89升/秒)。冷却水接着可以通过入口内部通道202流至由内摄像管110外半径和中间摄像管108内半径确定的空隙。然后水可以在此空隙中向下流到窗盖102。当冷却水到达窗盖102时，窗盖102可以使水流方向改变180度，因此冷却水被引导到由中间摄像管108外半径和外摄像管106内半径确定的空隙中。冷却水接着可以在此空隙中流回摄像机装配法兰112。在摄像机装配法兰112，冷却水可以引导到摄像机装配法兰112中通过机械加工形成的连接通道204内。
冷却水可以从连接通道204引导到上壳体122中的出口通道132。冷却水接着可以经出口通道132流至出口126和出口接头130，通过连接到出口接头130的金属软管(未示出)被排出。通过这种方式，不用将任何冷却剂排放到燃烧室中就可以冷却摄像机103，将冷却剂排放到燃烧室中会影响燃烧过程。冷却剂在进入装置时大约为80华氏度(近似26.7摄氏度)，而在离开时大约为92华氏度(近似33.3摄氏度)。通过这种方式进行冷却，液冷式燃烧摄像机100可以工作在压力通常超过350磅/平方英寸而温度超过900华氏度(近似482.2摄氏度)的工业燃气轮机中。
如图5所示，离开装置的冷却水接着可以利用水泵502、热交换器504以及本技术领域中已知的其它装置和阀门(未示出)进行再循环，从而形成闭环冷却系统。在热交换器504，冷却水可以将流经燃烧摄像机装置100所吸收的能量可以发散，然后通过水泵502使冷却水在燃烧摄像机装置100中再循环。所属领域的普通技术人员应当知道其它也可以满足热传递的方法。
显然上述说明只是涉及本发明的优选实施例，因此在不脱离由所附权利要求及其等效形式限定的本发明精神和范围的情况下，可以作出很多修改和变化。
权利要求
1.一种液冷式摄像机装置(100)，包括用于观察工业燃气轮机的燃烧过程的摄像机(103)，其包括三管同心组件(106、108、110)；和布置在所述三管同心组件(106、108、110)第一端的窗盖(102)；其中，所述摄像机(103)靠近所述窗盖(102)的后面布置，且所述三管同心组件(106、108、110)在所述管子之间形成通道，用于将冷却剂流从入口(124)引导到所述摄像机(103)以及从所述摄像机(103)引导到出口(126)。
2.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述冷却剂是水。
3.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述窗盖(102)的宽度不超过1英寸(2.54厘米)。
4.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述窗盖(102)是圆柱形的，其直径不超过1英寸(2.54厘米)。
5.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述窗盖(102)包括钎焊石英。
6.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，还包括液体循环机构(502)，用于将冷却液流输送至所述入口(124)以及从所述出口(126)排出冷却液流。
7.根据权利要求1所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，还包括连接到三管同心组件(106、108、110)第二端的壳体(112、122)；其中，所述壳体(112、122)包括连接到供应软管的入口(124)以及连接到排放软管的出口(126)。
8.根据权利要求7所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述壳体(112、122)包括若干个壳体通道，用于将所述水流从所述入口(124)引导到所述三管同心组件(106、108、110)以及从所述三管同心组件(106、108、110)引导到出口(126)。
9.根据权利要求8所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，所述三管同心组件(106、108、110)包括内摄像管(110)、中间摄像管(108)和外摄像管(106)；且其中，所述内摄像管(110)布置在所述中间摄像管(108)内形成第一冷却剂通道，所述中间摄像管(108)布置在所述外摄像管(106)内形成第二冷却剂通道。
10.根据权利要求9所述的液冷式燃烧摄像机(100)，其特征在于，第一壳体通道(202)将所述冷却剂流从所述入口(124)引导到所述第一冷却剂通道，第二壳体通道(132)将所述冷却剂流从所述第二冷却剂通道引导到所述出口(126)。
全文摘要
一种液冷式摄像机装置(100)，包括用于观察工业燃气轮机的燃烧过程的摄像机(103)，所述装置还包括三管同心组件(106、108、110)以及布置在三管同心组件第一端的窗盖(102)。摄像机(103)可以靠近窗盖(102)的后面布置。三管同心组件(106、108、110)能够在管子之间形成通道，用于将冷却剂流从入口(124)引导到摄像机(103)以及从摄像机(103)引导到出口(126)。所述冷却剂可以是水。所述窗盖(102)可以是圆柱形的，其直径可以不超过1英寸(2.54厘米)。窗盖(102)可以是钎焊石英件。
文档编号H05K7/20GK1945124SQ20061013959
公开日2007年4月11日 申请日期2006年9月19日 优先权日2005年9月20日
发明者D·L·威廉逊 申请人:通用电气公司