带有光学探头的燃气轮机燃烧器组件的制作方法

本发明涉及一种带有光学探头的燃气轮机燃烧器组件。

背景技术：

在燃气轮机中，在操作过程中可以光学接入燃烧室以允许拍摄图像的可能性可能对控制和诊断具有重要意义。特别地，检测从红外到紫外的波段的图像可以为高温测定应用提供关键信息，以了解燃烧室内部的温度分布以及评估燃烧质量。具有能够记录一个或多个燃烧器的火焰区域的图像的图像检测系统将是特别有用的。这种类型的信息可以使得能够评估火焰区域的形状和对称性、温度分布、例如由于燃烧器故障引起的不规则性的存在等等。此外，燃烧室内壁的光学高温测定法测量结果使得能够快速识别关键问题，如内部绝热衬里的损坏。

然而，由于温度非常高以及处理它们所需的仪器，在操作期间光学接入燃烧室极为困难。除了保持燃烧室外壳的完整性的总体期望之外，无疑更严重的问题体现在内部绝热衬里上，内部绝热衬里是对于保护外部结构免受燃烧热量的影响不可或缺的，不得有任何类型的破裂或裂缝。此外，绝热衬里通常由多个相邻的瓦片组成，因而为了光学接入制作开口的动作将需要不可预知的修改。需要考虑的另一个障碍是需要冷却光学检测探头。

燃气轮机燃烧室内部的图像检测可以对其控制和诊断做出重要贡献，但是使用现有的仪器难以实现。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种能够克服或至少减轻上述限制的燃气轮机燃烧器。

提供根据本发明的燃气轮机燃烧器，如权利要求1所述。

附图说明

现在将参照示出非限制性实施方式的示例的附图来描述本发明，其中：

-图1是根据本发明的一种实施方式的用于发电的燃气轮机设备的简化框图；

-图2示出了图1的设备的一部分的更详细的图；

-图3是示出与图1的设备有关的量的曲线图；

-图4是图1的设备的部件的横断面；

-图5是图4的部件的放大细节图；

-图6是本发明的不同实施方式中图4的部件的放大细节图。

具体实施方式

参照图1，数字1表示包括燃气轮机单元2和控制系统3的整个燃气轮机设备。

燃气轮机单元2又包括压缩机4、燃烧室5和膨胀段或涡轮7。

轴流式压缩机4向燃烧室5提供从外部环境抽取的空气流。

燃烧室5例如是环形的，设置有多个燃烧器组件8，这些燃烧器组件8引起燃烧室5中燃料和空气的混合物的燃烧。燃料可以是气态的(例如天然气或合成气)或者是液态的(例如柴油)。燃气轮机单元2可以设计成使用不同类型的燃料，或为气态或为液态。

涡轮7接收和扩大来自燃烧室5的废气，以提取转化的用于外部使用(通常在发电机中，在此未示出)的机械功。

参照图2，控制系统3包括监控装置9和控制器10。

监控装置9用于监控燃烧室5内的热声振荡，特别是检测燃烧室5的火焰区域中光强度的变化。

在一种实施方式中，监控装置9包括多个光学探头11、光电转换器12、数据获取单元13、滤光器14和用于将光学探头11与相应的光电转换器12光学耦合的波导管15。

光学探头11被布置成朝向燃烧室5的内部，使得各个燃烧器组件8的火焰区域是可见的。在一种实施方式中，将光学探头11并入各个燃烧器组件8的结构中，如下面更详细的描述。

由光学探头11收集到的发光辐射通过各个波导管15被传送到光电转换器12，在一种实施方式中波导管15可以是光纤束。

光电转换器12可以包括可被组织成图像传感器的光电检测器(例如光二极管)、光电晶体管或光电倍增管。每个光电转换器12将通过各个波导管15接收到的光强度信号转换成由数据获取单元13收集的电信号。数据获取单元13反过来向控制器10提供从源自光电转换器12的电信号所得到的光监测信号som。

在一种实施方式中，滤光器14沿着光学探头和光电转换器12之间的光路布置，例如在波导管15和相应的光电转换器12之间。在这种情况下，滤光器14和相应的关联光电转换器12限定了传送与相应波段有关的信号的独立通道(信号原本是光信号，然后被转换成电信号)。或者，滤光器可以沿着波导管15布置。在这种情况下，可以使用滤光器14下游的波导管的分开部分来提供独立通道。也可以通过专用光电转换器12或相同的光电转换器12例如通过分时来转换不同通道的发光强度信号。在一种实施方式中，分束器16可以用于通过将光束的部分引向相应的光学滤光器14来将光束分到通道内。

滤光器14具有以与oh和ch自由基的发射光谱的特征线相关联的对应波长为中心的通带，其中的oh和ch自由基是分别与扩散火焰和预混火焰相关联的燃烧反应的中间产物。特别地，滤光器14的通带b1、b2可以分别以308nm和430nm的波长为中心。通带b1、b2可以具有例如10nm以及10nm的相应宽度，并且在一种实施方式中被分开而不重叠。

在未示出的不同实施方式中，没有滤光器，并且对全部光谱执行光强度信号到电信号的转换。在另外的实施方式中，可以存在选择红外和/或可见波段的滤光器，例如用于高温测定应用或用于检测燃烧器的火焰区域的延伸和对称特性。

监控装置9还可以包括压电转换器17，其用于提供指示燃烧室5内的压力的压力监控信号spm。压电转换器17可以通过管道(未示出)与燃烧室5的内部流体连接，或者可以容纳在燃烧室5的增压室(也未示出)中。

控制器10从放置在燃气轮机单元2上或与其连接的传感器接收操作测量结果，从监控装置9(分别从数据获取单元13和压电转换器17)接收光监控信号som和压力监控信号spm。控制器10用于根据接收到的操作测量结果和计算出的或外部提供的设定点来调节控制信号sc。特别地，控制器10用于基于光监控信号som来调节控制信号sc。光监控信号som可以单独使用，或者可选地与压力监控信号spm组合使用，如下所述。

控制信号sc用于经由未详细示出的执行器组件18来调节燃气轮机单元的操作条件(例如，控制信号sc能够调节第一压缩机级的入口叶片或入口导向叶片(igv)的开度，以及供应给燃烧器组件8的燃料的流速的调节阀)。

在一种实施方式中，控制器10包括第一处理模块20、第二处理模块21以及控制模块22。

第一处理模块20用于基于从数据获取单元13接收到的光监控信号som来检测燃烧室5内的热声不稳定状况。在一种实施方式中，第一处理模块20还可以使用由压电转换器17所提供的压力监控信号spm来识别发光强度振荡与压力振荡之间的相关性，以便细化热声不稳定状况及其临界性的检测。

第二处理模块21使用光监控信号som来调整数据获取单元13的操作参数(例如增益参数)。

控制模块22用于基于所接收到的操作测量结果，特别包括光监控信号som、压力监控信号spm以及设定点来调节用于执行器组件18的控制信号sc。

更详细地，第一处理模块20通过傅立叶变换分析来计算光监控信号som的频谱并监控频率含量。例如，第一处理模块20识别振幅大于阈值(图3中的th)的任何频谱分量，并将监控信息提供给控制模块22。可以将阈值确定为波长的函数。

振幅大于阈值的频谱分量的存在表示与放热相关的振荡，因此表明潜在的破坏性不稳定状况。

在一种实施方式中，第一处理模块20分别处理来自通道的与滤光器14的带宽b1、b2相关联的光监控信号som。因此，可以看出初期或明显不稳定的开始。

在一种实施方式中，第一处理模块20识别光监控信号som的频谱分量与压力监控信号spm的频谱分量之间的任何相关性。实际上，第一处理模块20计算压力监控信号spm的频谱，并识别其超过阈值的任何分量。压力监控信号spm的频谱分量表示燃烧室5内部的压力振荡。如已经讨论的，压力振荡可以与机器的正常运行联系起来，而并不总是有害的。然而，在光监控信号som和压力监控信号spm中存在基本相等的频率的频谱分量高概率地表示热释放振荡和压力振荡相互加强的热声不稳定状况。通常要避免热声不稳定现象，并且必须利用控制模块22基于第一处理模块20所提供的监控信息i而采用的适当的控制动作来对抗热声不稳定现象。

监控信息i可以以电信号或包含如下信息的消息的形式被限定，例如：

检测到的光监控信号som的频谱分量的频率和振幅；

光监控信号som和压力监控信号spm的相互关联的频谱分量的频率；

可选地，指示检测到的振荡的危险的参数(指示符参数可以基于案例研究按经验确定，并且根据所检测的振荡的幅度和热释放振荡与压力振荡之间的耦合而被校正)。

控制模块22用于基于检测到的设备测量结果，或者间接地由未示出的传感器并且根据由第一处理模块20提供的监控信息i来调节控制信号sc。通过控制信号sc，控制模块22调节燃气轮机单元2的操作状态。控制模块22还使用监控信息来执行旨在修改操作状态的控制动作，以避免引起热声振荡的状况。控制动作可以间接地涉及例如负载设定点或废气温度设定点的选择，或直接操纵执行器组件18(特别是igv的开度、第一压缩机级以及经由调节阀供应给燃烧器组件8的燃料的流速)。

例如，控制模块22可用于基于根据光监控信号som所确定的oh、ch自由基的比例来确定控制动作。在一种实施方式中，一旦检测到热声振荡，控制模块22单独基于光监控信号som或基于光监控信号som与压力监控信号spm之间的相关性确定供给到燃烧室5的用于在由光学探头11的视角所覆盖的体积中燃烧的混合物的空气-燃料比和预混程度。如果控制模块22通过第一组控制信号sc确定在这样的体积中的混合物中自由基oh、ch的比例偏少(例如，空气-燃料比例高于阈值)，控制模块22请求在不影响总体的功率传送的情况下(即，减小与预混火焰相关联的功率而增加与引燃火焰相关联的功率)修改引燃(扩散或部分预混)火焰和预混火焰的平衡。反之亦然，如果混合物太丰富，控制模块22请求增加与预混火焰相关联的功率而减小与引燃火焰相关联的功率。相反，如果空气-燃料比处在可接受的范围内，控制模块22通过第二组控制信号sc使得总体负载和功率传送降低，同时不必影响引燃(扩散或部分预混)火焰和预混火焰的平衡。

与火焰振荡相关联的光强度变化的光学检测有利地使得可以精确和及时地识别热声不稳定状况。这种结果通过使用压电转换器是不可实现的，压电转换器不能根据与设备的正常操作相关的压力变化区分由于(潜在有害的)热声不稳定引起的振动。结合使用光学监控和压电转换器使得可以通过将光强度振荡与压力振荡关联起来进一步细化对热声不稳定状况的识别。

监控与oh和ch自由基的发射光谱的特征线相关联的波段也使得可以识别热声振荡是由于扩散(引燃)火焰还是预混火焰引起的。

参考图4，根据一种实施方式，燃烧器组件8中的至少一个配备有光学传感器11。更详细地，燃烧器组件8沿轴线a延伸，绕轴线a主燃烧器25布置在周边，引燃燃烧器(pilotburner)26居中布置。光学探头11再次沿轴线a插入引燃燃烧器26内。

主燃烧器25是预混型，并且布置在引燃燃烧器26周围，并且设置有由数字28表示的旋流器。

旋流器28径向地限定在第一截头圆锥形主体30和基本上为截头圆锥形的环形壁31之间。第一截头圆锥形主体30具有圆柱形轴向腔，并且朝向外部还具有截头圆锥形形状。旋流器28还包括多个叶片32，其限定它们各自的流动通道33，所述流动通道33用于以相对于轴线a的对角线模式朝向燃烧室5输送燃烧空气流。

旋流器28提供在流动通道33中形成的空气的量大于理论化学计量比的燃料与空气流的混合，以产生具有过量空气的预混火焰。

引燃燃烧器26包括第二截头圆锥形主体40和第三截头圆锥形主体41，在它们之间限定轴流式旋流器43。第二截头圆锥形主体40围绕轴线a延伸并且具有其中容纳有光学探头11的轴向通腔。第三截头圆锥形主体41是中空的，围绕与之同轴的第二截头圆锥形主体40布置，并连接到第一截头圆锥形主体30的外截头圆锥形表面。

旋流器43包括多个叶片45，该多个叶片45布置在第二截头圆锥形主体40与第三截头圆锥形主体41之间的空间中。流动通道44被限定在成对的相邻叶片45之间。

如上所述，光学探头11沿轴线a容纳在第二截头圆锥形主体40内，并且包括管状体50。管状体50的第一端部50a面对与引燃燃烧器26的出口相邻的燃烧室5，并且可以设置有由具有平行平面(图5的细节)的板限定的光学窗口51，或者聚焦透镜(图6的细节，其中光学窗口用51'表示)。聚焦透镜可以是平凸透镜，其使得光学探头11在燃烧室5内的视角扩大。光学窗口51至少在滤光器14的带b1，b2中是透明的，并且在一种实施方式中，在从红外范围到紫外范围的波段中是透明的。光学窗口51提供到主燃烧器25和引燃燃烧器26二者的火焰区域的光学通路，同时保护光学探头11的内部，既限制其暴露于高温又防止气体的回流。在一种实施方式中，光学窗口51由蓝宝石或石英制成。

空气进气口52形成于管状体50的与第一端部50a相对的第二端部50b处，并且用于向管状体50的内部供给冷却空气流。空气进气口52可以与向燃气轮机单元的燃烧器组件8供给燃烧空气的空气供给系统55(这里仅示意性地示出)连通。可以使冷却空气在管状体50的内部和外部流动。

光学探头11还包括波导管15之一的一部分，该部分通过第二端部容纳在管状体50的内部，并延伸到光学窗口51。因此，波导管15光学地面对主燃烧器25和引燃燃烧器26二者的火焰区域。

至少容纳在管状体50内的波导管15的部分是耐高温(例如高达500℃)的类型。

光学探头11与燃烧器组件8的集成出于数个原因是有益的。首先，光探头11接近火焰区域，因此在燃烧中发射的光辐射(包括带b1、b2，通常从红外线范围到紫外范围的光谱)被有效地且高信噪比地收集。此外，不需要在燃烧室5的壳体中提供合适的开口，既有利于易于组装和维护，又利于燃烧室5本身的结构强度。

最后，清楚的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的燃烧器组件进行修改和变化。