本發(fā)明涉及一種帶有光學(xué)探頭的燃?xì)廨啓C燃燒器組件。

背景技術(shù)：

在燃?xì)廨啓C中，在操作過程中可以光學(xué)接入燃燒室以允許拍攝圖像的可能性可能對控制和診斷具有重要意義。特別地，檢測從紅外到紫外的波段的圖像可以為高溫測定應(yīng)用提供關(guān)鍵信息，以了解燃燒室內(nèi)部的溫度分布以及評估燃燒質(zhì)量。具有能夠記錄一個或多個燃燒器的火焰區(qū)域的圖像的圖像檢測系統(tǒng)將是特別有用的。這種類型的信息可以使得能夠評估火焰區(qū)域的形狀和對稱性、溫度分布、例如由于燃燒器故障引起的不規(guī)則性的存在等等。此外，燃燒室內(nèi)壁的光學(xué)高溫測定法測量結(jié)果使得能夠快速識別關(guān)鍵問題，如內(nèi)部絕熱襯里的損壞。

然而，由于溫度非常高以及處理它們所需的儀器，在操作期間光學(xué)接入燃燒室極為困難。除了保持燃燒室外殼的完整性的總體期望之外，無疑更嚴(yán)重的問題體現(xiàn)在內(nèi)部絕熱襯里上，內(nèi)部絕熱襯里是對于保護外部結(jié)構(gòu)免受燃燒熱量的影響不可或缺的，不得有任何類型的破裂或裂縫。此外，絕熱襯里通常由多個相鄰的瓦片組成，因而為了光學(xué)接入制作開口的動作將需要不可預(yù)知的修改。需要考慮的另一個障礙是需要冷卻光學(xué)檢測探頭。

燃?xì)廨啓C燃燒室內(nèi)部的圖像檢測可以對其控制和診斷做出重要貢獻(xiàn)，但是使用現(xiàn)有的儀器難以實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠克服或至少減輕上述限制的燃?xì)廨啓C燃燒器。

提供根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C燃燒器，如權(quán)利要求1所述。

附圖說明

現(xiàn)在將參照示出非限制性實施方式的示例的附圖來描述本發(fā)明，其中：

-圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C設(shè)備的簡化框圖；

-圖2示出了圖1的設(shè)備的一部分的更詳細(xì)的圖；

-圖3是示出與圖1的設(shè)備有關(guān)的量的曲線圖；

-圖4是圖1的設(shè)備的部件的橫斷面；

-圖5是圖4的部件的放大細(xì)節(jié)圖；

-圖6是本發(fā)明的不同實施方式中圖4的部件的放大細(xì)節(jié)圖。

具體實施方式

參照圖1，數(shù)字1表示包括燃?xì)廨啓C單元2和控制系統(tǒng)3的整個燃?xì)廨啓C設(shè)備。

燃?xì)廨啓C單元2又包括壓縮機4、燃燒室5和膨脹段或渦輪7。

軸流式壓縮機4向燃燒室5提供從外部環(huán)境抽取的空氣流。

燃燒室5例如是環(huán)形的，設(shè)置有多個燃燒器組件8，這些燃燒器組件8引起燃燒室5中燃料和空氣的混合物的燃燒。燃料可以是氣態(tài)的(例如天然氣或合成氣)或者是液態(tài)的(例如柴油)。燃?xì)廨啓C單元2可以設(shè)計成使用不同類型的燃料，或為氣態(tài)或為液態(tài)。

渦輪7接收和擴大來自燃燒室5的廢氣，以提取轉(zhuǎn)化的用于外部使用(通常在發(fā)電機中，在此未示出)的機械功。

參照圖2，控制系統(tǒng)3包括監(jiān)控裝置9和控制器10。

監(jiān)控裝置9用于監(jiān)控燃燒室5內(nèi)的熱聲振蕩，特別是檢測燃燒室5的火焰區(qū)域中光強度的變化。

在一種實施方式中，監(jiān)控裝置9包括多個光學(xué)探頭11、光電轉(zhuǎn)換器12、數(shù)據(jù)獲取單元13、濾光器14和用于將光學(xué)探頭11與相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器12光學(xué)耦合的波導(dǎo)管15。

光學(xué)探頭11被布置成朝向燃燒室5的內(nèi)部，使得各個燃燒器組件8的火焰區(qū)域是可見的。在一種實施方式中，將光學(xué)探頭11并入各個燃燒器組件8的結(jié)構(gòu)中，如下面更詳細(xì)的描述。

由光學(xué)探頭11收集到的發(fā)光輻射通過各個波導(dǎo)管15被傳送到光電轉(zhuǎn)換器12，在一種實施方式中波導(dǎo)管15可以是光纖束。

光電轉(zhuǎn)換器12可以包括可被組織成圖像傳感器的光電檢測器(例如光二極管)、光電晶體管或光電倍增管。每個光電轉(zhuǎn)換器12將通過各個波導(dǎo)管15接收到的光強度信號轉(zhuǎn)換成由數(shù)據(jù)獲取單元13收集的電信號。數(shù)據(jù)獲取單元13反過來向控制器10提供從源自光電轉(zhuǎn)換器12的電信號所得到的光監(jiān)測信號som。

在一種實施方式中，濾光器14沿著光學(xué)探頭和光電轉(zhuǎn)換器12之間的光路布置，例如在波導(dǎo)管15和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器12之間。在這種情況下，濾光器14和相應(yīng)的關(guān)聯(lián)光電轉(zhuǎn)換器12限定了傳送與相應(yīng)波段有關(guān)的信號的獨立通道(信號原本是光信號，然后被轉(zhuǎn)換成電信號)?；蛘?，濾光器可以沿著波導(dǎo)管15布置。在這種情況下，可以使用濾光器14下游的波導(dǎo)管的分開部分來提供獨立通道。也可以通過專用光電轉(zhuǎn)換器12或相同的光電轉(zhuǎn)換器12例如通過分時來轉(zhuǎn)換不同通道的發(fā)光強度信號。在一種實施方式中，分束器16可以用于通過將光束的部分引向相應(yīng)的光學(xué)濾光器14來將光束分到通道內(nèi)。

濾光器14具有以與oh和ch自由基的發(fā)射光譜的特征線相關(guān)聯(lián)的對應(yīng)波長為中心的通帶，其中的oh和ch自由基是分別與擴散火焰和預(yù)混火焰相關(guān)聯(lián)的燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物。特別地，濾光器14的通帶b1、b2可以分別以308nm和430nm的波長為中心。通帶b1、b2可以具有例如10nm以及10nm的相應(yīng)寬度，并且在一種實施方式中被分開而不重疊。

在未示出的不同實施方式中，沒有濾光器，并且對全部光譜執(zhí)行光強度信號到電信號的轉(zhuǎn)換。在另外的實施方式中，可以存在選擇紅外和/或可見波段的濾光器，例如用于高溫測定應(yīng)用或用于檢測燃燒器的火焰區(qū)域的延伸和對稱特性。

監(jiān)控裝置9還可以包括壓電轉(zhuǎn)換器17，其用于提供指示燃燒室5內(nèi)的壓力的壓力監(jiān)控信號spm。壓電轉(zhuǎn)換器17可以通過管道(未示出)與燃燒室5的內(nèi)部流體連接，或者可以容納在燃燒室5的增壓室(也未示出)中。

控制器10從放置在燃?xì)廨啓C單元2上或與其連接的傳感器接收操作測量結(jié)果，從監(jiān)控裝置9(分別從數(shù)據(jù)獲取單元13和壓電轉(zhuǎn)換器17)接收光監(jiān)控信號som和壓力監(jiān)控信號spm?？刂破?0用于根據(jù)接收到的操作測量結(jié)果和計算出的或外部提供的設(shè)定點來調(diào)節(jié)控制信號sc。特別地，控制器10用于基于光監(jiān)控信號som來調(diào)節(jié)控制信號sc。光監(jiān)控信號som可以單獨使用，或者可選地與壓力監(jiān)控信號spm組合使用，如下所述。

控制信號sc用于經(jīng)由未詳細(xì)示出的執(zhí)行器組件18來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C單元的操作條件(例如，控制信號sc能夠調(diào)節(jié)第一壓縮機級的入口葉片或入口導(dǎo)向葉片(igv)的開度，以及供應(yīng)給燃燒器組件8的燃料的流速的調(diào)節(jié)閥)。

在一種實施方式中，控制器10包括第一處理模塊20、第二處理模塊21以及控制模塊22。

第一處理模塊20用于基于從數(shù)據(jù)獲取單元13接收到的光監(jiān)控信號som來檢測燃燒室5內(nèi)的熱聲不穩(wěn)定狀況。在一種實施方式中，第一處理模塊20還可以使用由壓電轉(zhuǎn)換器17所提供的壓力監(jiān)控信號spm來識別發(fā)光強度振蕩與壓力振蕩之間的相關(guān)性，以便細(xì)化熱聲不穩(wěn)定狀況及其臨界性的檢測。

第二處理模塊21使用光監(jiān)控信號som來調(diào)整數(shù)據(jù)獲取單元13的操作參數(shù)(例如增益參數(shù))。

控制模塊22用于基于所接收到的操作測量結(jié)果，特別包括光監(jiān)控信號som、壓力監(jiān)控信號spm以及設(shè)定點來調(diào)節(jié)用于執(zhí)行器組件18的控制信號sc。

更詳細(xì)地，第一處理模塊20通過傅立葉變換分析來計算光監(jiān)控信號som的頻譜并監(jiān)控頻率含量。例如，第一處理模塊20識別振幅大于閾值(圖3中的th)的任何頻譜分量，并將監(jiān)控信息提供給控制模塊22。可以將閾值確定為波長的函數(shù)。

振幅大于閾值的頻譜分量的存在表示與放熱相關(guān)的振蕩，因此表明潛在的破壞性不穩(wěn)定狀況。

在一種實施方式中，第一處理模塊20分別處理來自通道的與濾光器14的帶寬b1、b2相關(guān)聯(lián)的光監(jiān)控信號som。因此，可以看出初期或明顯不穩(wěn)定的開始。

在一種實施方式中，第一處理模塊20識別光監(jiān)控信號som的頻譜分量與壓力監(jiān)控信號spm的頻譜分量之間的任何相關(guān)性。實際上，第一處理模塊20計算壓力監(jiān)控信號spm的頻譜，并識別其超過閾值的任何分量。壓力監(jiān)控信號spm的頻譜分量表示燃燒室5內(nèi)部的壓力振蕩。如已經(jīng)討論的，壓力振蕩可以與機器的正常運行聯(lián)系起來，而并不總是有害的。然而，在光監(jiān)控信號som和壓力監(jiān)控信號spm中存在基本相等的頻率的頻譜分量高概率地表示熱釋放振蕩和壓力振蕩相互加強的熱聲不穩(wěn)定狀況。通常要避免熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且必須利用控制模塊22基于第一處理模塊20所提供的監(jiān)控信息i而采用的適當(dāng)?shù)目刂苿幼鱽韺篃崧暡环€(wěn)定現(xiàn)象。

監(jiān)控信息i可以以電信號或包含如下信息的消息的形式被限定，例如：

檢測到的光監(jiān)控信號som的頻譜分量的頻率和振幅；

光監(jiān)控信號som和壓力監(jiān)控信號spm的相互關(guān)聯(lián)的頻譜分量的頻率；

可選地，指示檢測到的振蕩的危險的參數(shù)(指示符參數(shù)可以基于案例研究按經(jīng)驗確定，并且根據(jù)所檢測的振蕩的幅度和熱釋放振蕩與壓力振蕩之間的耦合而被校正)。

控制模塊22用于基于檢測到的設(shè)備測量結(jié)果，或者間接地由未示出的傳感器并且根據(jù)由第一處理模塊20提供的監(jiān)控信息i來調(diào)節(jié)控制信號sc。通過控制信號sc，控制模塊22調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C單元2的操作狀態(tài)。控制模塊22還使用監(jiān)控信息來執(zhí)行旨在修改操作狀態(tài)的控制動作，以避免引起熱聲振蕩的狀況?？刂苿幼骺梢蚤g接地涉及例如負(fù)載設(shè)定點或廢氣溫度設(shè)定點的選擇，或直接操縱執(zhí)行器組件18(特別是igv的開度、第一壓縮機級以及經(jīng)由調(diào)節(jié)閥供應(yīng)給燃燒器組件8的燃料的流速)。

例如，控制模塊22可用于基于根據(jù)光監(jiān)控信號som所確定的oh、ch自由基的比例來確定控制動作。在一種實施方式中，一旦檢測到熱聲振蕩，控制模塊22單獨基于光監(jiān)控信號som或基于光監(jiān)控信號som與壓力監(jiān)控信號spm之間的相關(guān)性確定供給到燃燒室5的用于在由光學(xué)探頭11的視角所覆蓋的體積中燃燒的混合物的空氣-燃料比和預(yù)混程度。如果控制模塊22通過第一組控制信號sc確定在這樣的體積中的混合物中自由基oh、ch的比例偏少(例如，空氣-燃料比例高于閾值)，控制模塊22請求在不影響總體的功率傳送的情況下(即，減小與預(yù)混火焰相關(guān)聯(lián)的功率而增加與引燃火焰相關(guān)聯(lián)的功率)修改引燃(擴散或部分預(yù)混)火焰和預(yù)混火焰的平衡。反之亦然，如果混合物太豐富，控制模塊22請求增加與預(yù)混火焰相關(guān)聯(lián)的功率而減小與引燃火焰相關(guān)聯(lián)的功率。相反，如果空氣-燃料比處在可接受的范圍內(nèi)，控制模塊22通過第二組控制信號sc使得總體負(fù)載和功率傳送降低，同時不必影響引燃(擴散或部分預(yù)混)火焰和預(yù)混火焰的平衡。

與火焰振蕩相關(guān)聯(lián)的光強度變化的光學(xué)檢測有利地使得可以精確和及時地識別熱聲不穩(wěn)定狀況。這種結(jié)果通過使用壓電轉(zhuǎn)換器是不可實現(xiàn)的，壓電轉(zhuǎn)換器不能根據(jù)與設(shè)備的正常操作相關(guān)的壓力變化區(qū)分由于(潛在有害的)熱聲不穩(wěn)定引起的振動。結(jié)合使用光學(xué)監(jiān)控和壓電轉(zhuǎn)換器使得可以通過將光強度振蕩與壓力振蕩關(guān)聯(lián)起來進(jìn)一步細(xì)化對熱聲不穩(wěn)定狀況的識別。

監(jiān)控與oh和ch自由基的發(fā)射光譜的特征線相關(guān)聯(lián)的波段也使得可以識別熱聲振蕩是由于擴散(引燃)火焰還是預(yù)混火焰引起的。

參考圖4，根據(jù)一種實施方式，燃燒器組件8中的至少一個配備有光學(xué)傳感器11。更詳細(xì)地，燃燒器組件8沿軸線a延伸，繞軸線a主燃燒器25布置在周邊，引燃燃燒器(pilotburner)26居中布置。光學(xué)探頭11再次沿軸線a插入引燃燃燒器26內(nèi)。

主燃燒器25是預(yù)混型，并且布置在引燃燃燒器26周圍，并且設(shè)置有由數(shù)字28表示的旋流器。

旋流器28徑向地限定在第一截頭圓錐形主體30和基本上為截頭圓錐形的環(huán)形壁31之間。第一截頭圓錐形主體30具有圓柱形軸向腔，并且朝向外部還具有截頭圓錐形形狀。旋流器28還包括多個葉片32，其限定它們各自的流動通道33，所述流動通道33用于以相對于軸線a的對角線模式朝向燃燒室5輸送燃燒空氣流。

旋流器28提供在流動通道33中形成的空氣的量大于理論化學(xué)計量比的燃料與空氣流的混合，以產(chǎn)生具有過量空氣的預(yù)混火焰。

引燃燃燒器26包括第二截頭圓錐形主體40和第三截頭圓錐形主體41，在它們之間限定軸流式旋流器43。第二截頭圓錐形主體40圍繞軸線a延伸并且具有其中容納有光學(xué)探頭11的軸向通腔。第三截頭圓錐形主體41是中空的，圍繞與之同軸的第二截頭圓錐形主體40布置，并連接到第一截頭圓錐形主體30的外截頭圓錐形表面。

旋流器43包括多個葉片45，該多個葉片45布置在第二截頭圓錐形主體40與第三截頭圓錐形主體41之間的空間中。流動通道44被限定在成對的相鄰葉片45之間。

如上所述，光學(xué)探頭11沿軸線a容納在第二截頭圓錐形主體40內(nèi)，并且包括管狀體50。管狀體50的第一端部50a面對與引燃燃燒器26的出口相鄰的燃燒室5，并且可以設(shè)置有由具有平行平面(圖5的細(xì)節(jié))的板限定的光學(xué)窗口51，或者聚焦透鏡(圖6的細(xì)節(jié)，其中光學(xué)窗口用51'表示)。聚焦透鏡可以是平凸透鏡，其使得光學(xué)探頭11在燃燒室5內(nèi)的視角擴大。光學(xué)窗口51至少在濾光器14的帶b1，b2中是透明的，并且在一種實施方式中，在從紅外范圍到紫外范圍的波段中是透明的。光學(xué)窗口51提供到主燃燒器25和引燃燃燒器26二者的火焰區(qū)域的光學(xué)通路，同時保護光學(xué)探頭11的內(nèi)部，既限制其暴露于高溫又防止氣體的回流。在一種實施方式中，光學(xué)窗口51由藍(lán)寶石或石英制成。

空氣進(jìn)氣口52形成于管狀體50的與第一端部50a相對的第二端部50b處，并且用于向管狀體50的內(nèi)部供給冷卻空氣流?？諝膺M(jìn)氣口52可以與向燃?xì)廨啓C單元的燃燒器組件8供給燃燒空氣的空氣供給系統(tǒng)55(這里僅示意性地示出)連通?？梢允估鋮s空氣在管狀體50的內(nèi)部和外部流動。

光學(xué)探頭11還包括波導(dǎo)管15之一的一部分，該部分通過第二端部容納在管狀體50的內(nèi)部，并延伸到光學(xué)窗口51。因此，波導(dǎo)管15光學(xué)地面對主燃燒器25和引燃燃燒器26二者的火焰區(qū)域。

至少容納在管狀體50內(nèi)的波導(dǎo)管15的部分是耐高溫(例如高達(dá)500℃)的類型。

光學(xué)探頭11與燃燒器組件8的集成出于數(shù)個原因是有益的。首先，光探頭11接近火焰區(qū)域，因此在燃燒中發(fā)射的光輻射(包括帶b1、b2，通常從紅外線范圍到紫外范圍的光譜)被有效地且高信噪比地收集。此外，不需要在燃燒室5的殼體中提供合適的開口，既有利于易于組裝和維護，又利于燃燒室5本身的結(jié)構(gòu)強度。

最后，清楚的是，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對所描述的燃燒器組件進(jìn)行修改和變化。