专利名称：用于基于火焰探测而控制燃烧器运转状态的系统和方法
技术领域：
本主题大体涉及燃气涡轮机，并且更加特定地，涉及用于基于来自燃烧器的火焰的光的探测而控制燃气涡轮机燃烧器的运转状态的系统和方法。
背景技术：
燃气涡轮机典型地包括压缩机区段、燃烧区段以及涡轮区段。压缩机区段对流入燃气涡轮机中的空气进行加压。从压缩机区段排出的加压空气流入燃烧区段中，该燃烧区段通常以绕着围绕发动机的轴线的环形阵列设置的多个燃烧器为特征。进入各个燃烧器的空气与燃料混合并燃烧。燃烧热气从各个燃烧器流动至燃气涡轮机的涡轮区段，以驱动涡轮机并产生功率。在燃气涡轮机的运转期间，异常可能发生在涡轮机的燃烧器内，该异常增加了受管制的燃烧产物的排放，降低了燃烧器效率，和/或降低了燃烧器内的构件的零件寿命。例如，燃烧器内的过高的火焰温度可能引起过度燃烧的状态，从而导致了对涡轮机的构件的损坏。另外，过高的火焰温度能够导致排放的增加，并且可能使得需要对燃烧器增加冷却流，从而降低了燃烧器效率。类似地，以由于空气/燃料混合物过于贫乏而引起的熄灭的火焰为特征的贫燃熄火(lean blowout, LB0)现象增加了排放，并且也降低了燃烧器效率。 因此，在没有对这种不期望的运转状态的适当的探测和缓和的情况下，燃气涡轮机可能不符合排放标准，可能遭受降低的寿命，并且/或者可能以降低的效率运转。已知通过燃烧器的火焰的可视化而提供了对燃烧器运转状态的探测的系统。然而，这种系统典型地非常难以安装在燃烧器内和/或从燃烧器移除。这样，当系统的构件受损或者由于其它原因必须被替换时，必须花费显著数量的时间和金钱来移除和重新安装该构件。另外，很多已知的系统需要光入口或窗口通过燃烧器的燃烧器外壳的壁、燃烧衬套以及/或者流套筒而安装。因此，必须移除这种燃烧器壁(一个或多个)的一部分，这可导致显著的泄漏和磨损问题。因此，一种用于基于火焰探测而控制燃烧器运转状态的系统在本技术中将是受欢迎的，该系统能够在不移除燃烧外壳、燃烧衬套以及/或者流套筒的部分的情况下容易地安装在燃烧器内。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在下面的描述中进行阐述，或者根据该描述可以是明显的，或者可以通过本发明的实践来学习。在一个方面中，本主题公开了一种系统，该系统包括燃烧器，燃烧器具有端盖和从端盖的内表面延伸的至少一个燃料喷嘴组件。筒可以通过端盖而延伸并延伸至燃料喷嘴组件中。筒可以限定用于接收从燃烧器内发出的光的开口。另外，光缆可以设置在筒内，并且可以构造成捕获通过开口接收的光的至少一部分。在另一方面中，本主题公开了一种方法，该方法包括通过燃烧器的端盖而插入筒并将其插入燃烧器的燃料喷嘴组件中，以及利用设置在所述筒内的光缆捕获从燃烧器发出的光。参照下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。并入该说明书并组成该说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例， 并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
针对本领域的普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，在参照了附图的说明书中进行阐述，附图中图I显示根据本主题的方面的系统的一个实施例的截面图；图2显示适用于与图I中所示的系统一起使用的传感器组件的一个实施例的截面图，特别显示了安装在燃烧器的燃料喷嘴组件之内的传感器组件；图3显示图2中所示的传感器组件的实施例的局部截面图；图4显示图2和图3中所示的传感器组件的实施例的透视图；以及图5显示适用于与图I中所示的系统一起使用的传感器组件的另一实施例的局部截面图。标号构件
10燃气润轮机系统
12压缩机区段
14燃烧区段
16涡轮区段
18叶片
20燃烧器
22燃烧外壳
24燃气涡轮机外壳
26端盖组件
28端盖
30燃料喷嘴组件
32内部流套筒
34燃烧衬套
36燃烧室
38过渡件
40冲击套筒
42内导管
44传感器组件
46传感器筒
48光缆
50透镜
52光探测器
54控制器
56喷嘴本体
57笛一雜兎觸
58A-Ap ~·上山弟J而
59喷嘴末端
60凸缘
61入口
62空气旋流导叶
63燃料注入端口或孔
64预混合区域或环
65外燃烧装置管
66(喷嘴本体56的)外管
67第一环形通路
68第二环形通路
69中心(第三环形)通路
70第一内管
71内表面
72通道或孔
73(外燃烧装置管65的)外表面
74第二内管
75中心轴线
76预混合燃料通路
77基部端
78末梢端
79相应的通路
80(通路79的)直径或高度
81凸缘
82外表面
83外壁
84内通道
85末端开口
86基部开口
87跨接通路
88流体出口
89(传感器筒46的)外表面
90(光缆48的)端面
91环形凸缘或脊
92(透镜50的)外表面
93透镜冷却通路
94(光缆48的)第一端
95(光缆48的)第二端
96(透镜50的)内表面
97(光缆48的)直径或高择
98变窄部分
99螺栓孔
101外通道
102内壁
103流体入口
104流体出口
105(外通道101的)下游端
106分离的流体入口
107透镜冷却通路
144传感器组件
146传感器筒
148光缆
150透镜
177(筒146的)基部端
178(筒146的)末梢端
181凸缘
183壁
184(筒146的)内通道
185末端开口
189(筒146的)外表面
192(透镜150的)外表面
具体实施例方式现在，将详细地参照本发明的实施例，实施例的一个或更多示例显示在图中。以解释本发明而不是限制本发明的方式提供了各个示例。事实上，对于本领域技术人员将显而易见，在不脱离本发明的范围或要旨的情况下，在本发明中能够做出各种修改和变化。例如，显示或描述为一个实施例的部分的特征能够与另一实施例一起使用而产生又一实施例。因此，本发明意图覆盖落在所附的权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。大体上，本主题涉及用于基于来自燃烧器的火焰的光的探测而控制燃气涡轮机燃烧器的运转状态的系统和方法。所公开的系统大体包括传感器组件，该传感器组件适于安装在燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴组件之内，使得从燃烧器的火焰发出的光(例如，紫外光和/或可见光)可以被捕获及传递而用于后续的探测、测量以及/或者分析。因此，在一些实施例中，传感器组件可以包括构造成后膛装载(breech-load)于燃料喷嘴组件内的传感器筒(sensor cartridge)。例如,传感器筒可以构造成通过燃烧器的端盖而装载于燃料喷嘴组件内。另外，透镜耦合光缆可以安装在传感器筒内，并且可以构造成将从燃烧器的火焰发出的光传递至光探测器。光探测器可以构造成探测和/或测量通过透镜耦合光缆传递的光的特性，例如光的强度和/或辐射光谱。此外，光探测器可以联接至构造成分析光探测器的输出以便确定燃烧器的一个或更多运转状态的控制器。例如，基于光强度和/或辐射光谱，控制器可以构造成确定燃烧器内的火焰温度和/或探测贫燃熄火(LBO)现象的发起。 此外，控制器可以适于调整燃烧器的运转参数，例如流向燃烧器的燃料流速，以纠正和/或防止任何不期望的运转状态。应当了解，通过将传感器筒后膛装载于燃料喷嘴组件内，可以将整个传感器组件快速且容易地安装在燃烧器内以及/或者从燃烧器移除。这样，可以显著地减少安装、维修以及/或者替换传感器组件所需要的时间和成本。例如，在一些实施例中，例如通过将传感器筒构造成穿过燃烧器的端盖而装载，可以在不进入燃烧器的内部的情况下安装和/或移除传感器组件。另外，通过将传感器筒后膛装载于燃料喷嘴组件内，可以避免与通过燃烧器的燃烧外壳、流套筒以及/或者燃烧衬套而安装传感器组件相关联的问题(例如，泄漏和磨损)。本领域的普通技术人员还应当了解，可以由恰当地探测及控制燃气涡轮机燃烧器的运转状态的系统来提供众多的优点。例如，通过确定燃烧器内的火焰温度，可以防止过度燃烧状态，导致了改善的构件寿命。另外，关于火焰温度的精确信息可以使得能够减小冷却流边界，以及从而提高燃烧器效率。此外，通过受控的火焰温度，可以实现更低的排放。类似地，通过提供探测LBO现象的发起的能力(例如，通过探测诸如燃烧器内的火焰的闪烁的火焰动态)，可以采取合适的预防性措施来防止LBO现象发生，从而增强燃烧器的运转。现在参照附图，图I显示根据本主题的方面的燃气涡轮机系统10的一个实施例的局部截面图。涡轮机系统10通常包括压缩机区段12、燃烧区段14以及涡轮区段16。压缩机区段12通常包括由所示的压缩机导叶或叶片18表示的压缩机，该压缩机构造成对流入涡轮机系统10中的空气进行加压。从压缩机区段12排出的加压空气可以流入燃烧区段14 中，该燃烧区段14通常以绕着围绕发动机的轴线的环形阵列设置的多个燃烧器20 (显示了其中一个)为特征。加压空气然后可以在各个燃烧器20内与燃料混合并燃烧。燃烧热气然后可以从各个燃烧器20流动至涡轮区段16，以驱动涡轮机系统10并产生功率。燃烧区段14的各个燃烧器20大体可包括固定至燃气涡轮机外壳24的一部分的基本上圆柱形的燃烧外壳22，例如压缩机排出外壳或燃烧包绕外壳。另外，端盖组件26可以固定至燃烧外壳22的上游端。端盖组件26大体可包括端盖28和联接至端盖28的多个燃料喷嘴组件30。例如，在一个实施例中，各个燃烧器20可以包括六个燃料喷嘴组件30， 其中，五个燃料喷嘴组件30设置在环绕燃烧器20的纵向轴线的环形阵列中，而中心燃料喷嘴组件30与纵向轴线同轴地布置。作为备选，各个燃烧器20可以包括少于六个燃料喷嘴组件30或者大于六个燃料喷嘴组件30，这种组件30以任何合适的方式布置在燃烧器内。 另外，端盖组件26可以包括多个管、歧管、相关联的阀等(未显示)，以用于将气态燃料、液体燃料、空气以及/或者水供给至燃料喷嘴组件30中。例如，可以通过端盖28而安装分配管或管道(未显示)，以将燃料、空气以及/或者水供应至各个燃料喷嘴组件30中。各个燃烧器20还可以包括内部流套筒32和基本上同心地布置在流套筒32内的燃烧衬套34。燃烧衬套34大体可以限定基本上圆柱形的燃烧室36，在燃烧室36中，燃料和空气被注入并燃烧而产生燃烧热气。另外，流套筒32和燃烧衬套34两者可以在它们的下游端延伸至双壁过渡件38，其包括冲击套筒40和从冲击套筒40沿径向向内地设置的内导管42。特别地，燃烧衬套34可以在其下游端联接至内导管42，使得燃烧衬套34和内导管42大致限定了用于从各个燃烧器20流动至涡轮机系统10的涡轮区段16的燃烧热气的流动路径。此外，流套筒32可以在其下游端联接至冲击套筒40，使得流套筒32和冲击套筒 40大致限定了用于从涡轮机系统10的压缩机区段12排出的加压空气的流动路径。例如， 冲击套筒40可以限定多个冷却孔(未显示)，该多个冷却孔构造成允许加压空气进入限定在内导管42和冲击套筒40之间的径向空间。应当了解，在备选实施例中，涡轮机系统10的燃烧器20不必精确地如上所述以及如本文所示那样进行构造。相反，各个燃烧器20大体可具有任何合适的构造，该合适的构造允许燃料或空气/燃料混合物燃烧及运输至涡轮区段16，以驱动涡轮机系统10和/或产生功率。仍参照图I，涡轮机系统10还可以包括安装在各个燃烧器20的一个或更多燃料喷嘴组件30之内的一个或更多传感器组件44。例如，在其中燃烧器20包括六个燃料喷嘴组件30的实施例中，传感器组件44可以安装在一个、一些或所有六个燃料喷嘴组件30之内。 大体上，传感器组件44可以包括传感器筒46、光缆48以及透镜50，透镜50构造成捕获和 /或传递从燃烧器20的燃烧室36发出的光。特别地，传感器筒46可以构造成安装在其中一个燃料喷嘴组件30内，使得当燃烧发生在燃烧室36内时，从燃烧器的火焰发出的光可以由安装在筒46内的透镜50接收且穿过透镜50。由透镜50接收且穿过透镜50的光然后可以被传感器组件44的光缆48捕获并通过光缆48而传递。涡轮机系统10还可以包括构造成接收由传感器组件44捕获及传递的光的光探测器52。具体而言，传感器组件44的光缆48可以光学地联接至光探测器52，使得通过光缆 48传递的光可以被光探测器52接收。大体上，所公开的光探测器52可以构造成探测和/ 或测量由光缆48传递的光的性质。例如，光探测器52可能能够探测和/或测量所传递的光的强度和/或辐射光谱。因此，应当了解，光探测器52大体可包括本领域中已知的任何合适的光探测装置和/或任何合适的光测量装置。例如，在一个实施例中，光探测器52可以包括适于探测及测量可见光、紫外光以及/或者红外光的一个或更多性质的分光计。在另一实施例中，光探测器52可以包括构造成探测及测量可见光、紫外光以及/或者红外光的一个或更多性质的光电倍增管(PMT)或PMT的组件。另外，光探测器52可以通信地联接至控制器54。控制器54大体可构造成分析由光探测器52提供的输出，以确定燃烧器20的运转状态。例如，控制器54可以构造成实现使得控制器54能够使由光探测器52测量的光的强度和/或辐射光谱与燃烧器20的内部的火焰温度相关的方程式、传递函数(transfer function)、算法和/或类似物。另外,控制器54可以包括当实现时将控制器54构造成识别LBO现象的先兆的方程式、传递函数以及/或者算法。在其它实施例中，控制器可以构造成基于光探测器的输出而确定燃烧器的各种其它的运转状态，例如燃料组分的改变、闪回/火焰稳定、燃料分布不均等。应当容易了解，这种方程式、传递函数以及/或者算法的开发通常在本领域技术人员的能力范围内，且因而本文中将不再进行任何详细讨论。然而，作为示例，通过开发使温度与由光探测器52探测及测量的光的强度和/或辐射光谱相关的合适的传递函数，可以确定燃烧器20的内部的火焰温度。因此，在一个实施例中，燃烧器20可以在其中火焰温度为已知的受控设置下运转。在这一实施例中，光探测器52可以构造成探测及测量由发生在燃烧器20内的反应产生的一种或更多化学物类(例如，OT和/或OH*)的光强度。所测量的光强度(一个或多个)然后可以与已知的火焰温度相关，以便开发合适的传递函数。作为另一示例，通过开发用于分析发生在燃烧器20内的火焰动态的合适的算法，可以探测LBO 现象的先兆。例如，LBO现象的发起常常可以以燃烧器20内的火焰的闪烁为特征，从而形成了从燃烧室36发出的光的强度和/或辐射光谱的突然增加和减少。这样，光探测器52可以构造成探测及测量光中的这种突然变化。控制器54然后可以适于将这种变化的大小和 /或数量与预定的阈值进行比较，以便确定LBO现象发生的可能性。所公开的涡轮机系统10的控制器54也可以通信地联接至涡轮机系统10的各种构件中的一个或更多，以便允许执行预防性措施和/或纠正性措施。具体而言，控制器54 可以构造成基于所确定的运转状态而调整涡轮机系统10的运转参数，以便防止和/或纠正任何不期望的运转状态。例如，控制器54可以构造成调整流入燃烧器20中的燃料流速并且/或者调整进入燃料喷嘴组件30中的燃料分流或燃料分布，以便降低过高的火焰温度和 /或防止LBO现象。在其它实施例中，控制器54可以构造成调整其它燃烧设置、调整入口导叶角度、调整入口排放热量(bleed heat)、激活涡轮机系统10的注水系统、以及/或者采取本领域中已知的任何其它合适的预防性措施和/或纠正性措施。应当了解，控制器54大体可包括允许涡轮机系统10如本文所述被控制和/或操作的本领域中已知的任何合适的处理设备。例如，控制器54可以包括具有处理器(一个或多个)的任何合适的计算机、计算机系统以及/或者涡轮机控制系统，该处理器构造成实现当被执行时控制涡轮机系统10的运转的程序(例如，存储在控制器的存储器中的计算机可读指令)。另外，如上文所指出，控制器54可以构造成基于通过光缆48传递且由光探测器 52探测和/或测量的光的性质而确定燃烧器20的运转状态。因此，控制器54还可以包括存储的程序，该程序具有当由控制器的处理器(一个或多个)实现时使得控制器54能够确定这种运转状态的合适的方程式、传递函数以及/或者算法。此外，如上文所指出，涡轮机系统10大体可包括任何数量的传感器组件44，例如通过使传感器组件44安装在各个燃料喷嘴组件30内。这样，应当了解，光探测器52可以构造成探测和/或测量通过各个传感器组件44的光缆48而传递的光的性质中的一个或更多。控制器54继而可以构造成分析来自光探测器52的输出，以便单独地基于针对各个传感器组件44的输出的分析或者以组合的方式基于输出的分析而确定燃烧器20的一个或更多运转状态。例如，控制器54可以构造成求得由各个传感器组件44探测的火焰温度的平均值，以便近似燃烧器20内的真实火焰温度。此外，控制器54可能能够分析和/或比较针对各个传感器组件44的由光探测器52提供的输出中的变化性。具体而言，控制器54可以装配成探测火焰温度中的燃料喷嘴至燃料的变化或罐至罐的变化和/或火焰动态。这样， 为了纠正这种变化，例如通过调整对特定的燃料喷嘴组件30或一套燃料喷嘴组件30的燃料分流，可以利用控制器54来进行燃料喷嘴的具体调整。现在参照图2至图4，显示了适用于与所公开的涡轮机系统10 —起使用的传感器组件44的一个实施例。特别地，图2显示了安装在涡轮机系统10的燃烧器20的燃料喷嘴组件30之内的传感器组件44的截面图。图3显示了图2中所示的传感器组件44的局部截面图。图4显示了图2和图3中所示的传感器组件44的透视图。
大体上，本主题的传感器组件44可以构造成安装或以其它方式装设在本领域中已知的任何合适的燃料喷嘴组件30内。因此，应当了解，图2所示的特定的燃料喷嘴构造仅仅是为了说明性的目的而提供的，以将所公开的传感器组件44放置在涡轮机系统10内一个示例性的位置中。因此，本领域的普通技术人员应当懂得，所公开的涡轮机系统10不必限于任何特定的类型的燃料喷嘴构造。如图2所示，燃料喷嘴组件30通常包括喷嘴本体56，该喷嘴本体56具有附接至燃烧器20的端盖28的内表面71的第一端57和限定了喷嘴末端59的第二端58。喷嘴本体 56的第一端57大体可构造成使用任何合适的装置而附接至端盖28的内表面71。例如，在一个实施例中，凸缘60可以限定于第一端57处，以便允许喷嘴本体56附接至内表面71，例如通过将凸缘60螺栓连接或焊接至内表面71。作为备选，凸缘60和/或喷嘴本体56可以与端盖28—体地形成。燃料喷嘴组件30还可以包括入口 61，该入口 61构造成接收从涡轮机系统10的压缩机区段12(图I)流来的加压空气。在一个实施例中，入口 61可以包括构造成改善通过喷嘴组件30的空气流速度分布的入口流调节器。流过入口 61的加压空气大体可被引导至构造成将涡流型式赋予空气的多个空气旋流导叶62，以便有助于空气与燃料的混合。另外，各个旋流导叶62可以限定构造成将燃料注入空气流中的多个燃料注入端口或孔63。空气和燃料然后可以流入由外燃烧装置管65和喷嘴本体56的外管66限定的预混合区域或预混合环64中，其中，空气和燃料在进入燃烧室36之前进行混合。正如通常所理解的，燃料喷嘴组件30的喷嘴本体56可以包括多个同心地布置的通路67、68、69，该通路67、68、69用于使诸如空气、燃料以及/或者水的流体流朝着喷嘴末端59的方向流动，以注入燃烧器20的燃烧室36中。例如，在所示的实施例中，第一内管70 可以同心地布置在喷嘴本体56的外管66之内，形成用于将流体(例如，空气幕(curtain air))供应至喷嘴末端59的环形通路67。例如，流向入口 61的加压的压缩机空气的小部分可以通过在第一环形通路67和外燃烧装置管65的外表面73之间延伸的多个沿周向布置的通道或孔72而进入第一环形通路67。另外，第二内管74大体可同心地布置在第一内管70内。这样，第二环形通路68大体可限定在第一内管70和第二内管74之间。第二环形通路68也可以构造成通过喷嘴本体56供应流体(例如，扩散空气或燃料)。这样，第二环形通路68可以与诸如通过分配管(未显示)联接至第二环形通路68的空气或燃料源的流体源(未显示)流连通，以允许流体供应至通路68，该分配管通过端盖28来安装。另外， 第二内管74本身可以限定与燃料喷嘴组件30的中心轴线75同轴地设置的第三环形通路 69(在下文中，称为喷嘴本体56的“中心通路69”)。此外，喷嘴本体56可以限定在端盖28 和空气旋流导叶62之间延伸的一个或更多预混合燃料通路76。预混合燃料通路76大体可与预混合燃料源(未显示)流连通，以便允许燃料流入喷嘴本体56中并且通过限定在空气旋流导叶62中的燃料注入端口 63而被排出。应当容易了解，在备选实施例中，预混合燃料喷嘴组件30的喷嘴本体56大体可具有本领域中已知的任何其它合适的构造，且因而不必具有上面所述和本文所示的精确构造。例如，喷嘴本体56大体可包括具有允许通过喷嘴本体56而供应一种或更多流体的任何合适的构造的任意数量的管66、70、74和通路67、68、69。仍参照图2，如上文所指出，本主题的传感器组件44大体可包括传感器筒46、光缆 48以及透镜50。大体上，传感器筒46可以构造成安装在喷嘴本体56的中心通路69之内。因此，在所示的实施例中，传感器筒46大体可构造成沿着喷嘴本体56的中心轴线75纵向地延伸。例如，如所显示的，传感器筒46可以包括设置成与燃烧器20的端盖28大致相邻接的基部端77和设置成与喷嘴末端59大致相邻接的末梢端78。这样，从燃烧室36内的燃烧器的火焰发出的光可以在传感器筒46的末梢端78被接收并且通过光缆48而被传递出筒46的基部端。大体上，传感器筒46可以具有允许筒46装载或以其它方式安装在中心通路69内的任何合适的构造。然而，在一些实施例中，传感器筒46可以构造成被后膛装载于中心通路69内。通过术语“后膛装载”来表示筒46可以通过喷嘴本体56的后端57以及/或者通过端盖28而安装在中心通路69内。因此，在所示的实施例中，传感器筒46可以构造成通过限定于端盖28中的相应的通路79而装载在中心通路69内。例如，通路79可以限定在端盖28中，以与中心通路69相对齐，并且因而与燃料喷嘴组件30的中心轴线75同轴地设置。这样，可以通过通路79而插入传感器筒46并将其插入燃料喷嘴组件30中。应当了解，通路79可以对应于限定于端盖28中的事先存在的通路，例如构造成通过中心通路69 供应流体的事先存在的通路。作为备选，通路79可以形成于端盖28中，以适应传感器筒46 的后膛装载。另外，应当了解，传感器筒46大体可限定任何合适的形状和/或具有允许筒46通过通路79而被插入的任何合适的尺寸。例如，在一个实施例中，传感器筒46可以构造成限定大致对应于通路79的形状的形状，并且可以具有大致对应于通路79的尺寸的尺寸。因此，在所示的实施例中，传感器筒46可以限定大致对应于通路79的圆形形状的基本上圆柱形的形状，并且可以具有大致对应于通路79的直径或高度的直径或高度80。这样，当筒46 安装在中心通路69内时，传感器筒46大体可占据通路79的整个横截面积。作为备选，传感器筒46和通路79可以具有不同的形状和/或尺寸。例如，在一个实施例中，传感器筒46 的直径或高度80可以小于通路79的直径或高度，使得径向通路或间隙限定在传感器筒46 和端盖28之间。另外，在一些实施例中，传感器筒46可以构造成附接或以其它方式固定至燃烧器 20的端盖28。例如,在一个实施例中，传感器筒46的基部端77可以限定构造成附接至端盖28的向外延伸的凸缘81。因此，如所显示的，传感器筒46可以构造成使得当筒46装载于中心通路69中时，靠着端盖28的外表面82而接合凸缘81。然后可以使用任何合适的装置而将凸缘81固定至外表面82，例如通过穿过限定在凸缘81中的多个螺栓孔99 (图4) 而将该凸缘81螺栓连接至外表面82，或者通过将凸缘81焊接至外表面82。在备选实施例中，应当了解，传感器筒46大体可具有允许筒46附接至端盖28的任何其它合适的构造。例如，在一个实施例中，筒46可以构造成压配合(press-fit)至限定在端盖28中的通路79 中。如上文所指出，通过将传感器筒46后膛装载于燃料喷嘴组件30内，可以对所公开的系统10提供众多的优点。例如，可以显著地减少安装、维修以及/或者替换传感器组件 44所需要的时间和成本。具体而言，在所示的实施例中，通过简单地将传感器筒46穿过限定在端盖28中的相应的通路79而插入中心通路69中以及将凸缘81附接至端盖28的外表面82，可以将传感器组件44安装在喷嘴本体56内。类似地，通过简单地将凸缘81从端盖28拆下以及穿过通路79而将组件44拉出，可以移除传感器组件44。
仍参照图2至图4，传感器筒46还可以构造成用作传感器组件44的外罩或外壳， 并且因而可以限定用于容纳光缆48和透镜50的内通路或通道。例如，在所示的实施例中， 传感器筒46可以构造为管状部件，并且可以包括限定内通道84的外壁83。内通道84大体可构造成在传感器筒46内纵向地延伸。因此，如所显示的，在一个实施例中，内通道84可以构造成沿着传感器筒46的整个长度延伸，例如通过在筒46的基部端77和末梢端78之间延伸。这样，设置于末梢端78处的内通道部分大体可限定用于接收从燃烧器的火焰发出的光的末端开口 85。因此，透镜50大体可安装在与末端开口 85大致相邻的位置，使得接收在开口 85内的光穿过透镜50。另外，设置于筒46的基部端77处的内通道84的部分大体可限定基部开口 86，光缆48可通过该基部开口 86而设置。例如，如上文所指出，光缆48大体可构造成光学地联接至涡轮机系统10的光探测器52(图I)。因此，在所示的实施例中， 光缆48可以通过基部开口 86而从内通道84内的某个位置延伸至筒46的外部的、光探测器52所设置于的位置。应当了解，在这一实施例中，例如通过使用任何合适的密封件或密封机构，可以在光缆48周围密封限定于基部开口 86处或附近的内通道84的部分，以防止流体通过基部开口 86而泄漏。此外，在本主题的一些实施例中，传感器筒46可以构造成接收流体，例如空气、氢气、氮气、液体燃料、气态燃料、水、蒸汽以及/或者任何其它合适的液体和/或气体，以用于冷却筒46、光缆48、透镜50以及/或者燃料喷嘴组件30的一个或更多构件。具体而言，传感器筒46可以构造成使得内通道84与流体源流连通。例如，内通道84可以与限定在喷嘴本体56中的一个或更多环形通路67、68流连通，使得流过这种环形通路(一个或多个)67、 68的流体可以被引导至内通道84中。因此，如所举例说明的实施例所示，多个跨接通路87 可以限定在第二环形通路68和传感器筒46两者的周边周围，以允许通过环形通路68供应的流体进入内通道84。在其它实施例中，传感器筒46可以具有允许流过一个或更多环形通路67、68的流体被引导至内通道84中的任何其它合适的构造。另外，在备选实施例中，传感器筒46可以构造成接收来自任何其它合适的流体源的流体。例如，如下面将参照图5描述的，传感器筒46可以在筒46的基部端177的附近的区域中限定流体入口 103 (图5)，以允许通过筒46而供应流体。除了对传感器组件44和/或燃料喷嘴组件30的构件提供冷却之外，通过传感器筒46供应的流体还可以用于增强燃烧器20内发生的燃烧过程，例如通过提高燃烧效率和 /或降低排放。因此，在一些实施例中，传感器筒46可以构造成将流过内通道84的流体注入燃烧室36中。例如，如图3特别地显示的，一个或更多流体出口 88可以限定在内通道84 和传感器筒46的外表面89之间，用于将通过内通道84供应的流体排出筒46的末梢端78 并排入燃烧室36中。这样，流体可以用作雾化空气、扩散空气、扩散燃料和/或类似物。应当了解，限定在传感器筒46中的流体出口 88大体可具有允许流过内通道84的流体从筒46排出的任何合适的构造。例如，在所示的实施例中，流体出口 88可以构造成以便从内通道84延伸至限定在末梢端78附近的成角度的表面89。在其它实施例中，传感器筒46不必限定这一成角度的表面89，并且因而流体出口 88可以构造成在内通道84和传感器筒46的任何合适的外表面89之间延伸。另外，流体出口 88可以限定在传感器筒46内， 以便具有任何合适的定向和/或布置。例如，如图3和图4所示，流体出口 88可以包括环形地设置在末端开口 85周围的笔直的或成角度的通路。作为备选，流体出口 88可以包括构造成包绕在传感器筒46的外壁83的至少一部分周围的弯曲的或螺旋状的通路。此外， 一个或更多旋流特征(未显示)可以限定在流体出口 88附近，以当流体从流体出口 88排出时将涡流型式赋予该流体。仍参照图2至图4，传感器组件44的透镜50大体可包括构造成允许光穿过其的任何合适的窗口或光学元件。因此，在一个实施例中，透镜50可以简单地包括光窗口，该光窗口构造成使得从燃烧室36发出的光可以穿过透镜50而进入内通道84中。在其它实施例中，透镜50可以包括光学透镜，该光学透镜构造成捕获从燃烧室36发出的光并将其集中在光缆48的端面90上。例如，透镜50可以包括具有等于透镜50和光缆48的端面90之间的间距的焦距的凹透镜。这样，可以直接将由透镜50捕获的光集中在光缆48上。然而，在备选实施例中，透镜50可以构造为凸透镜或任何其它合适的光学元件，例如棱镜。另外，透镜50大体可构造成安装在内通道84内，使得该透镜能够传送和/或捕获沿着传感器筒46的方向发出的光的至少一部分。例如，在一个实施例中，透镜50可以直接安装于传感器筒46的末梢端78处，使得透镜50基本上齐平地定位于末端开口 85之内。 作为备选，如所举例说明的实施例中所示，透镜50可以定位于内通道84之内而从末端开口 85偏移。此外，应当了解，可以使用任何合适的装置将透镜50安装在内通道84内。例如， 在所示的实施例中，内通道84可以具有限定了环形凸缘或脊91的阶梯状轮廓，透镜50可以靠着该环形凸缘或脊91而定位并附接。在这一实施例中，使用任何合适的附接机构，例如螺钉、销、保持环、保持夹以及/或者任何其它合适的保持特征，可以靠着环形脊91安装透镜50。在其它实施例中，应当了解，内通道84不必限定所示的阶梯状轮廓。例如，在一个实施例中，槽(未显示)可以限定在内通道84的周边周围，透镜50可以牢固地安装于该槽中。在另外的实施例中，传感器筒46和/或透镜50可以具有允许透镜50附接至内通道 84内的任何其它合适的构造。此外，所公开的透镜50大体可由任何合适的材料形成。例如，透镜50可以由能够承受发生在燃烧器20内的高温的材料形成。这样，透镜50大体可用作用于设置在内通道 84内的光缆48的热屏蔽件。例如，在一些实施例中，透镜50可以由诸如蓝宝石或任何其它合适的高温材料的材料形成。此外，在一个实施例中，透镜50的外表面92可以包括构造成对透镜50提供增加的热阻的保护性的、透明的涂层。此外，透镜50大体可具有任何合适的形状和/或尺寸。然而，在一个实施例中，透镜50的形状和/或尺寸可以大致对应于透镜50安装于其中的内通道84的部分的形状和/ 或尺寸。这样，例如通过使用任何合适的密封件和/或密封机构，可以将透镜50密封在内通道84之内，以便防止通过内通道84供应的流体流经透镜50。作为备选，透镜50可以构造成使得通过内通道84供应的流体的至少一部分流经透镜50并通过末端开口 85而排出。另外，在本主题的一些实施例中，传感器筒46可以包括用于冷却透镜50的外表面 92的透镜冷却特征。例如，传感器筒46可以限定一个或更多透镜冷却通路93，以用于靠着和/或邻近透镜50的外表面92而引导通过内通道84供应的流体的至少一部分。因此，如图3和图4特别地显示的，多个以环形方式设置的流体冷却通路93可以限定在流体出口 88 和内通道84之间，使得可以靠着和/或邻近透镜50的外表面89而引导流过流体出口 88 的流体的一部分。这样，流体可以用作用于外表面89的冷却介质，并且还可以用于将任何碎屑和/或污染物清离外表面89。应当了解，在备选实施例中，透镜冷却通路93可以与流过内通道84的流体直接流连通，并且因而不必为了连接至流体出口 88而限定在传感器筒 46之内。仍参照图2至图4，如上文所指出，传感器组件44的光缆48大体可构造成捕获和 /或传递从燃烧器的火焰发出并穿过透镜50而到达涡轮机系统10的光探测器52 (图I)的光，以便允许这种光的性质被探测和/或测量。因此，光缆48的一部分可以设置在传感器筒46的外部，使得光缆48的第一端94 (图I)可以光学地联接至光探测器52。光缆48的剩余部分可以设置在传感器筒46内，使得光缆48的第二端95定位于如下位置在该位置， 穿过透镜50的光的至少一部分可以被引导至光缆48的端面90中并被其捕获。例如，在一些实施例中，光缆48的端面90可以直接设置成靠着透镜50的内表面96。在其它实施例中，光缆48的端面90可以与透镜50隔开。例如，如上所述，光缆48可以与透镜50隔开大体等于透镜50的焦距的距离。如本文中使用，术语“光缆”可以包括具有单根光纤的光缆48或构造为光纤束且具有多根光纤的光缆48。因此，应当了解，所公开的光缆48大体可包括任意数量的光纤。 大体上，光缆48的光纤(一根或多根)可以同样地构造成类似于本领域中已知的任何合适的光纤。因此，光纤(一根或多根)可以构造成具有相对于光纤(一根或多根)的纵向轴线的任何合适的视场。另外，光纤可以由诸如石英玻璃、氟化玻璃、蓝宝石等的任何合适的材料形成。此外，在一些实施例中，光纤可以包括构造成对光纤提供热保护的外部涂层。例如，光纤可以涂敷有金、其它贵金属以及/或者允许光纤承受燃料喷嘴组件30内的高温的任何其它合适的材料。还应当了解，光缆48大体可限定任何合适的尺寸。例如，在所示的实施例中，光缆 48可以限定允许光缆48设置和/或安装在内通道84的变窄部分98之内的直径或高度97， 该变窄部分98由限定为大致与传感器筒46的末梢端78相邻的阶梯状轮廓形成。然而，如上文所指出，传感器筒46不必限定这种阶梯状轮廓。因此，在其它实施例中，光缆48大体可限定允许光缆48插入内通道84内的任何合适的直径或高度97。现在参照图5，显示了适用于与根据本主题的方面公开的涡轮机系统10 —起使用的传感器组件144的另一实施例的局部截面图。大体上，传感器组件144可以包括上面参照图2至图4描述的相同或相似的构件和/或特征中的很多或全部。因此，传感器组件144 可以包括传感器筒146、光缆148以及透镜150。传感器筒146大体可构造成后膛装载于燃料喷嘴组件30的中心通路69(图2)中并固定于其内。因此，在一个实施例中，传感器筒 146可以在其基部端177处限定凸缘181，以用于将筒146附接至燃烧器20的端盖28的外表面82(图2)。另外，传感器组件144的透镜150可以在与筒146的末梢端178大致相邻的位置处安装在传感器筒146的内通道184之内，使得从燃烧器的火焰发出的光可以穿过透镜150而进入内通道184中。此外，光缆148可以部分地设置在传感器筒146内，使得穿过透镜150的光可以被光缆148捕获并由光缆148传递至光探测器52 (图2)。然而，不同于上述实施例，传感器筒146可以限定一个或更多外通道101，该一个或更多外通道101构造成使诸如空气、氢气、氮气、液体燃料、气态燃料、水、蒸汽以及/或者任何其它合适的液体和/或气体的流体流过传感器筒146。特别地，筒146可以包括限定了外通道101 (—个或多个)和内通道184的同心地布置的壁183、102。例如，在所示的实施例中，传感器筒146可以包括限定筒146的外管的外壁183和限定筒146的内管的内壁102。这样，外通道101可以限定在外壁183和内壁102之间，其相对于内通道184沿径向设置在外侧。在其它实施例中，传感器筒可以包括任意数量的内壁102，所述内壁102限定了相对于内通道184沿径向设置在外侧的任何数量的另外的通道101。应当了解，外通道101大体可与合适的流体源(未显示)流连通，以允许流体被接收在外通道101内。例如，在一个实施例中，流体入口 103可以限定为大致在传感器筒146 的基部端177附近(例如通过限定在凸缘181内)，并且可以构造成联接至流体源。这样， 从流体源流来的流体可以进入流体入口 103，并且可以被引导至外通道101中。在另一实施例中，类似于上面参照图2至图4描述的通路87的一个或更多跨接通路(未显示)可以限定在外通道101和喷嘴本体56的一个或更多环形通路67、68(图2)之间，以允许流过环形通路(一个或多个)67、68的流体被引导至外通道101中。在另外的实施例中，传感器筒 146可以具有允许流体被接收在外通道101内的任何其它合适的构造。还应当了解，在一些实施例中，由传感器筒146接收的流体的一部分可以被引导至内通道184中，以提供用于传感器组件144的光缆148和透镜150的冷却。例如，内通道184可以与流体入口 103流连通，使得流过入口 103的流体的一部分被引导至内通道184中。作为备选，内通道184可以联接至限定为大致在传感器筒146的基部端177附近的分离的流体入口 106 (以隐线显示)。在另外的实施例中，例如通过限定穿过内壁102的一个或更多开口(未显示)，内通道184可以与外通道101流连通。另外，一个或更多流体出口 104可以限定在外通道101的下游端105处，用于将流过外通道101的流体注入燃烧器20的燃烧室36中。这样，例如通过提高燃烧效率和/或降低排放，流体可以用于增强发生在燃烧器20内的燃烧过程。例如，流体可以作为雾化空气、扩散空气、扩散燃料和/或类似物而注入燃烧室36中。应当了解，限定于外通道101的下游端105处的流体出口 104(—个或多个)大体可具有任何合适的构造。例如，在一个实施例中，外通道101的下游端105可以完全延伸至传感器筒146的外表面189，使得下游端 105在末梢端178处或附近的末端开口 185周围限定流体开口 104。作为备选，如图5所示， 外通道101的下游端105可以终止于传感器筒146内，使得一个或更多流体出口 104可以限定在传感器筒146的外通道101和外表面189之间。例如，多个笔直的或成角度的流体出口 104可以在外通道101和外表面189之间延伸，以便以环形的方式设置在末端开口 185 周围。另外，类似于上述实施例，一个或更多透镜冷却通路107可以限定在传感器筒146 中，以允许透镜150的外表面192被冷却和/或被清洁。例如，透镜冷却通路107可以与流体出口 104和/或外通道101流连通，使得流过流体出口 104和/或外通道101的流体的一部分可以被引导至透镜冷却通路中。应当了解，在其中同样穿过内通道184引导流体的实施例中，多个流体出口(未显示)也可以限定在传感器筒146的内通道184和外表面189之间。作为备选，内通道184 可以与外通道101和/或流体出口 104流连通，以允许流体从内通道排出。在另外的实施例中，流过内通道184的流体可以通过和/或环绕透镜150的一部分而排出。该书面描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例包括与权利要求的文字语言无差异的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性差异的等同结构要素，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种系统(10),包括包括端盖(28)和从所述端盖(28)的内表面(71)延伸的至少一个燃料喷嘴组件(30) 的燃烧器(20)；通过所述端盖(28)而延伸并延伸至所述至少一个燃料喷嘴组件(30)中的筒(46)，所述筒(46)限定了用于接收从所述燃烧器(20)内发出的光的开口(85);以及设置在所述筒(46)内的光缆(48)，所述光缆(48)构造成捕获通过所述开口(85)接收的光的至少一部分。
2.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述筒(46)的一部分构造成接合所述端盖(28)的外表面(82)。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述筒(46)限定了凸缘(81)，所述凸缘(81)附接至所述外表面(82)。
4.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述筒(46)通过限定在所述端盖 (28)中的通路(79)而延伸，所述通路(79)与所述至少一个燃料喷嘴组件(30)的中心轴线 (75)同轴地对齐。
5.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，还包括安装在所述筒(46)内的透镜 (50)。
6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述透镜(50)将通过所述开口(85) 接收的光的至少一部分集中在所述光缆(48)的端面(90)上。
7.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，还包括联接至所述光缆(48)的光探测器(52)，所述光探测器(52)构造成测量通过所述光缆(48)传递的光的特性。
8.根据权利要求7所述的系统(10)，其特征在于，所述光探测器(52)包括分光计和光电倍增管中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的系统(10)，其特征在于，还包括通信地联接至所述光探测器 (52)的控制器(54)，所述控制器(54)构造成分析所述光探测器(52)的输出，以确定所述燃烧器(20)的运转状态。
10.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(54)进一步构造成基于所述运转状态而调整所述燃烧器(20)的运转参数。
11.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，通过所述筒(46)的至少一部分而供应流体，所述流体被引导通过所述筒(46)的内通道(84)和外通道(101)中的至少一个。
12.—种方法,包括通过燃烧器(20)的端盖(28)而插入筒(46)并将其插入所述燃烧器(20)的燃料喷嘴组件(30)中;以及利用设置在所述筒(46)内的光缆(48)来捕获从所述燃烧器(20)发出的光。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括测量由所述光缆(48)捕获的所述光的特性。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括分析所述特性，以便确定所述燃烧器(20)的运转状态。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括基于所述运转状态而控制影响所述燃烧器(20)内的燃烧的运转参数。
全文摘要
本发明涉及用于基于火焰探测而控制燃烧器运转状态的系统和方法。公开了一种系统(10)，该系统(10)包括燃烧器(20)，该燃烧器(20)具有端盖(28)和从端盖(28)的内表面(71)延伸的至少一个燃料喷嘴组件(30)。筒(46)可以通过端盖(28)而延伸并延伸至燃料喷嘴组件(30)中。筒(46)可以限定用于接收从燃烧器(20)内发出的光的开口(85)。另外，光缆(48)可以设置在筒(46)内，并且可以构造成捕获通过开口(85)接收的光的至少一部分。
文档编号F23R3/00GK102589003SQ201210013628
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月6日 优先权日2011年1月7日
发明者A·W·克鲁尔, D·M·卡利坦, N·宗 申请人:通用电气公司