專利名稱：光學燃料噴嘴回火探測器的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及燃氣輪機且更具體地涉及駐焰(flame holding)和光學回火 (flashback)探測。
背景技術：
在燃氣輪機中，在具有一個或多個燃料噴嘴的一個或多個燃燒器中使用由壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣燃燒燃料，燃料噴嘴構造成提供燃料和空氣在位于燃燒區(qū)(主燃燒區(qū))上游的預混區(qū)中的預混。當燃燒器的燃料/空氣預混通道中發(fā)生駐焰或回火時燃燒器會快速發(fā)生損壞。在燃燒器的理想操作期間，預混的燃料和空氣在燃燒區(qū)中的燃料/空氣預混通道下游燃燒。在駐焰或回火期間，預混通道中的燃料和空氣混合物燃燒。回火狀態(tài)一般發(fā)生在火焰從主燃燒區(qū)上游移動到預混區(qū)或燃料噴嘴中時，其并非旨在維持燃燒反應。結果，燃燒系統(tǒng)可能發(fā)生嚴重損壞，潛在地導致系統(tǒng)的災難性故障和伴隨的相當大的經(jīng)濟損失。如果渦輪機控制系統(tǒng)能夠探測回火事件，則燃料可在燃燒器周圍移動且火焰將在燃料噴嘴會損壞之前被推回燃燒室內。使用離子感應探測器及諸如熱電偶和光纖之類的其它裝置來探測回火是眾所周知的。然而，這些探測器僅探測火焰的存在且并不管理渦輪機內的燃料流量。因此，希望提供一種帶有配置成管理燃氣輪機內的燃料流量的火焰探測系統(tǒng)。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種燃燒器。該燃燒器可包括燃燒器殼體、設置在燃燒器殼體內的多個噴嘴、以及設置在多個燃料噴嘴的每一個中且與其成光通信的火焰探測器，其中各火焰探測器配置成探測與相應的燃料噴嘴中的駐焰狀態(tài)和回火狀態(tài)中的至少一者有關的光學特性。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種燃氣輪機。該燃氣輪機可包括構造成壓縮空氣的壓縮機、與該壓縮機成流連通的燃燒器，該燃燒器構造成接收來自壓縮機組件的壓縮空氣并燃燒燃料流以生成燃燒器排出氣流。該燃燒器可包括設置在燃燒器殼體內的多個噴嘴以及設置在多個燃料噴嘴的每一個上且與其成光通信的火焰探測器，其中各火焰探測器配置成探測與相應的燃料噴嘴中的駐焰狀態(tài)和回火狀態(tài)中的至少一者有關的光學特性。根據(jù)本發(fā)明的再另一方面，公開了一種操作燃燒器的方法。該方法可包括引導來自噴嘴的燃料和預混裝置內的空氣，形成氣態(tài)預混物，在燃燒室中燃燒該氣態(tài)預混物，由此生成火焰并監(jiān)視噴嘴以確定噴嘴內駐焰的存在。這些和其它優(yōu)點及特征將從結合附圖的以下說明變得更加明顯。


視為本發(fā)明的主題在本說明書所附的權利要求中具體指出并清楚地主張權利。根據(jù)以下結合附圖進行的詳細描述，本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)點顯而易見，附圖中圖1是根據(jù)示例性實施例的燃氣輪機系統(tǒng)的概略性圖示。
圖2是根據(jù)示例性實施例具有在圖1的燃氣輪機系統(tǒng)中采用的預混裝置的燃燒器的概略性圖示。
圖3概略性地圖示了根據(jù)示例性實施例的燃氣輪機。 圖4圖示了具有示例性光學探測器的噴嘴構造的側視透視圖。 圖5圖示了單個示例性燃料噴嘴。
圖6圖示了根據(jù)示例性實施例的用于操作燃燒器的方法的流程圖。 詳細描述通過參照附圖的示例解釋了本發(fā)明的實施例及優(yōu)點和特征。零部件清單
10燃氣輪機
12燃燒器
14壓縮機
16環(huán)境空氣
18壓縮空氣
19燃料噴嘴
20燃料流
22燃燒器排出氣流
24渦輪
26發(fā)電機
28軸
40示例性結構
42預混裝置
44預混燃料
46燃燒室
48下游過程
50旋流器葉片
60火焰探測裝置
65控制單元
100燃氣輪機
110壓縮機
115壓縮空氣
120燃燒器管
130渦輪
140燃燒室
150擴散器
160噴嘴
161內壁
162外壁
165燃燒器排出氣流
170外殼體
175噴嘴底座
180火焰探測器
185引導裝置
190聯(lián)接器
400噴嘴構造
405控制單元
505觀察區(qū)域
510區(qū)域
515區(qū)域
具體實施例方式示例性實施例包括探測燃料噴嘴例如燃氣輪機中采用的燃料噴嘴中的駐焰/回火的系統(tǒng)和方法。特別地，示例性實施例包括火焰探測系統(tǒng)和配置成探測燃料噴嘴中的駐焰/回火并采取適當?shù)拇胧﹣矸乐箵p壞燃氣輪機的方法。現(xiàn)在轉向附圖且首先參照圖1， 圖示了具有燃燒器12的燃氣輪機10。燃氣輪機10包括構造成壓縮環(huán)境空氣16的壓縮機 14。燃燒器12與壓縮機14成流連通并構造成接收來自壓縮機14的壓縮空氣18且燃燒燃料流20以生成燃燒器排出氣流22。另外，燃氣輪機10包括位于燃燒器12下游的渦輪24。 渦輪M構造成使燃燒器排出氣流22膨脹以驅動諸如發(fā)電機沈的外部負載。在圖示的實施例中，壓縮機14經(jīng)由軸觀由渦輪M所生成的動力驅動。燃燒器12采用配置成探測燃氣輪機燃料噴嘴中的駐焰/回火并采取適當?shù)拇胧﹣矸乐箵p壞燃氣輪機10的火焰探測裝置。圖2是根據(jù)示例性實施例具有在圖1的燃氣輪機系統(tǒng)10中采用的火焰探測裝置 60的示例性構造40的概略性圖示。如圖所示，構造40包括構造成將來自燃料噴嘴19的燃料20以及空氣18混合而形成氣態(tài)預混物44的預混裝置42。此外，構造40包括構造成燃燒預混燃料44以形成燃燒器排出氣流22的燃燒室46。此外，燃燒器排出氣流22引導至下游過程48，例如渦輪M (參見圖1)，以便驅動外部負載沈(參見圖1)。預混裝置42還可包括構造成向燃料20和/或空氣18提供渦旋運動以有利于燃料20和空氣18的混合的多個旋流器葉片50。在示例性實施例中，構造40還包括火焰探測裝置60，其可聯(lián)接在構造40的各種位置例如但不限于噴嘴19上并與其連通。在示例性實施例中，如本文進一步描述的，火焰探測裝置60配置成探測燃料噴嘴19內的火焰。構造40還可包括聯(lián)接在火焰探測裝置60 上的控制單元65。控制單元65配置成接收來自與噴嘴19中的火焰探測對應的火焰探測的信號?？刂茊卧?5還與空氣18的源(例如圖1的壓縮機14)以及燃料20 (例如噴嘴19) 連通。如本文進一步描述的，如果控制單元65接收指示噴嘴19中存在駐焰/回火的信號， 則控制單元65可采取適當?shù)拇胧┮詼p輕對燃氣輪機的損壞。控制單元65可采取包括中止到燃燒室的燃料和空氣流或對空氣和燃料流量進行一些更改以減少或消除駐焰/回火。圖3概略性地圖示了根據(jù)示例性實施例的包括多個火焰探測器180的燃氣輪機 100的實例。該燃氣輪機的實例圖示了聯(lián)接在燃氣輪機100的噴嘴上并與其光通信且配置成探測噴嘴160內火焰的存在的火焰探測器180。
與圖1相似，燃氣輪機100包括構造成壓縮環(huán)境空氣的壓縮機110。一個或多個燃燒器管120經(jīng)由擴散器150與壓縮機110成流連通。燃燒器管120構造成接收來自壓縮機 110的壓縮空氣115并燃燒來自燃料噴嘴160的燃料流以生成通過燃燒室140移動至渦輪 130的燃燒器排出氣流165。渦輪130構造成使燃燒器排出氣流165膨脹以驅動外部負載。 燃燒器管120包括噴嘴160和火焰探測器180設置在其中的外殼體170。圖4圖示了具有示例性光學探測器的噴嘴構造400的側視透視圖。圖4圖示了出于說明目的而示出的一系列六個噴嘴160。在其它示例性實施例中可設想更少或附加的噴嘴160。圖5圖示了單個示例性燃料噴嘴160。噴嘴160可設置在噴嘴底座175上，該噴嘴底座構造成附在用于各燃燒器管120 的外殼體上。各燃料噴嘴160可包括火焰探測器180?；鹧嫣綔y器180可有利地聯(lián)接在燃料噴嘴160的內壁上。應理解的是，各燃料噴嘴160包括相應的火焰探測器180。燃料噴嘴還可包括引導裝置185，各引導裝置185設置在火焰探測器180與噴嘴底座175之間。在示例性實施例中，引導裝置185沿著各燃料噴嘴160的內部長度設置。引導裝置185可沿著鄰近內壁的長度布置。本領域的技術人員理解燃料噴嘴160可包括內部通道。在示例性實施例中，引導裝置可在內部通道中并沿著燃料噴嘴160的長度布置，且從后部被裝入噴嘴底座175中。聯(lián)接器190可設置在噴嘴底座175中并支撐引導裝置185以便聯(lián)接到控制單元405上。在示例性實施例中，引導裝置185是與火焰探測器180光通信的光學引導裝置。在示例性實施例中，引導裝置185從后部被裝入，并穿過噴嘴底座175。在示例性實施例中，各引導裝置185與控制單元405通信地聯(lián)接。因此，在示例性實施例中，光路可設置在各燃料噴嘴與殼體170的外部之間，穿過噴嘴底座175。光路可各自包括可為設置(例如經(jīng)由銅焊)在各燃料噴嘴160上的透鏡或窗上的火焰探測器180。在示例性實施例中，火焰探測器180因此是在設置在燃料噴嘴160 的內壁161和外壁162之間的觀察區(qū)域505中垂直于噴嘴160內的燃料流對齊的光學元件。 火焰探測器180的觀察區(qū)域505可設置在與用于燃燒的理想?yún)^(qū)域515相對的其中會發(fā)生回火或駐焰的區(qū)域510中。因此，該光路首先被布置成垂直于燃料流。該光路還可包括引導裝置185以經(jīng)由火焰探測器180傳播從燃料噴嘴160中的火焰生成的光。在示例性實施例中，引導裝置185可為在內部上鏡面拋光的一系列鏡面光纖纜線或管道，并且可聯(lián)接在控制單元405中的多路中心上。引導裝置185可為可傳播噴嘴160中的火焰所生成的光的任何光學器件。如本文所述，引導裝置185然后可在殼體170外部指向控制單元405，控制單元405配置成作為光信號探測火焰并采取糾正措施例如控制機器的燃料時間表以維持燃燒室中的火焰而不是會損壞的燃料噴嘴160中的火焰。因此，控制單元405配置成接收光信號并解釋光信號以判斷燃料噴嘴160中是否存在火焰。在示例性實施例中，火焰探測器180也可為具有光譜響應以探測處于特定波長的火焰的材料。因此，利用預先了解燃料噴嘴中生成的火焰的類型和火焰的相關波長，為探測器180選擇的材料可具有在確定波長的光譜響應。例如，公知光學探測器(例如光電二極管)的光譜響應主要通過光學探測器中使用的材料的帶隙電壓來確定。SiC具有3.1伏的帶隙電壓并具有峰值處于約270nm且具有假設約400nm的波長極限的光譜響應。例如，火焰探測器可具有接近含有烴燃料成分的烴火焰光譜響應峰值的光譜響應峰值。因此，可在噴嘴160上設置SiC探測器以探測噴嘴160中的火焰。在示例性實施例中，引導裝置185可為從后部裝在與控制單元405通信聯(lián)接的噴嘴底座175上的電引導裝置例如導線。在示例性實施例中，控制單元405配置成接收來自引導裝置185的電信號并從這些信號提取光譜響應以判斷噴嘴160中是否存在火焰。因此，用于燃料噴嘴回火探測的光學測量基于當燃料熱釋放向上游移動到噴嘴 160中時燃燒器管中發(fā)出強光信號的原理。通過將火焰探測器180放置在噴嘴160中，可通過從火焰探測器180所形成的光學入口探測到的光信號探測到噴嘴160中正在發(fā)生的駐焰事件。在示例性實施例中，不論控制單元405接收的信號的類型如何，控制單元405都可以探測來自多個探測器(例如火焰探測器180)的信號響應并執(zhí)行算法以確定由控制單元 405響應于駐焰/回火狀態(tài)所采取的措施的類型。例如，控制單元405可監(jiān)視所有的火焰探測器，并且對于其中探測到火焰的任何火焰探測器180而言，控制單元405都可切斷或減小到其中火焰探測器180探測到火焰的那些噴嘴160的燃料流量?？刂茊卧?05也可執(zhí)行表決算法，其可判斷回火狀態(tài)是否存在于燃燒器管而不僅是一個噴嘴160中。例如，如果六個探測器180中的五個確定相應的噴嘴160中存在回火狀態(tài)，則控制單元405然后可切斷或減少到燃燒器管120的燃料，因為該特定的管可能駐焰。類似地，如果僅一個火焰探測器 180探測到回火，則控制單元405可決定繼續(xù)燃料供應直到火焰探測器180進行另一次讀取。此外，多個探測器元件可存在于與火焰探測器180對應的圍罩中。例如，單個火焰探測器180可包括設置在噴嘴160周圍的多個透鏡。多個探測器元件可被多路化以便集合在噴嘴160中探測到的信號。這樣，可實現(xiàn)集合信號以確定用于單個噴嘴160的表決算法的結^ ο在示例性實施例中，本文所述的算法可在各火焰探測器180處定期取樣以判斷噴嘴中是否存在火焰。在其它示例性實施例中，本文所述的算法也可經(jīng)常地監(jiān)視是否探測到火焰以采取即時措施。響應于探測火焰，控制單元405可將來自預混回路的燃料全部或部分地重新引向另一燃料回路、排空或未使用的燃料回路。這樣，控制單元405可選擇性地減少燃料或切斷到一個受影響的燃料噴嘴160的燃料。應理解，當控制單元405僅作用在單個燃料噴嘴160 上時燃燒器管120可經(jīng)歷最小的破壞。因此，受影響的燃料噴嘴160可在下一次計劃的停機期間進行維修。圖6圖示了根據(jù)示例性實施例的用于操作燃燒器的方法600的流程圖。在方框 605，燃料噴嘴(例如圖3的160)將燃料引導到預混裝置(例如圖2的42)中且壓縮機(例如圖3的110)將空氣引導到預混裝置中。在方框610，預混裝置形成氣態(tài)預混物。在方框 615，燃燒器(例如，圖3的燃燒器管120)在燃燒室(例如圖3的140)中燃燒該預混物。在方框620，監(jiān)視噴嘴。在方框625，火焰探測器可監(jiān)視在噴嘴中是否探測到火焰。如果火焰探測器在噴嘴中探測到火焰，則在方框630，控制單元(例如圖4中的控制單元40 可更改進入預混裝置的燃料流量或采取本文所述的其它合適的措施。如果在方框625火焰探測器未探測到火焰，則在方框605可繼續(xù)該過程。如本文所述，控制單元405可定期檢查燃料噴嘴中火焰的存在。備選地，控制單元405可對燃料噴嘴連續(xù)監(jiān)視火焰的存在。技術效果包括在燃氣輪機中運行更寬范圍的燃料的能力，以及噴嘴中是否正在發(fā)生駐焰的擔憂減少，因為可探測任何駐焰事件。因此，本文所述的回火探測系統(tǒng)和方法使得能夠增大可容許燃料消耗變動的引用極限。 雖然已結合僅有限數(shù)量的實施例詳細地描述了本發(fā)明，但應當容易理解的是，本發(fā)明并不局限于此類公開的實施例。相反，可對本發(fā)明進行修改以結合此前未說明但與本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變型、改型、替換或等同裝置。此外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例，但應理解，本發(fā)明的各個方面可僅包括其中一些所述的實施例。因此，本發(fā)明不應被視為由前面的說明所限制，而是僅通過所附權利要求的范圍來限制。
權利要求
1.一種燃燒器(120)，包括燃燒器殼體(170)；設置在所述燃燒器殼體(170)內的多個噴嘴(160)；以及設置在所述多個燃料噴嘴(160)的每一個上并與其光通信的火焰探測器(180)，其中，各火焰探測器(180)配置成探測與相應的燃料噴嘴(160)中的駐焰狀態(tài)和回火狀態(tài)中的至少一個有關的光學特性。
2.如權利要求1所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述光學特性是所述駐焰狀態(tài)所生成的光。
3.如權利要求1所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述光學特性是所述回火狀態(tài)所生成的光。
4.如權利要求1所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述燃燒器(120)還包括設置在所述燃燒器殼體(170)上的噴嘴底座(175)。
5.如權利要求4所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述噴嘴底座(175)支撐所述多個噴嘴(160)。
6.如權利要求5所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述燃燒器(120)還包括引導裝置 (185)，所述引導裝置(18 設置在各所述火焰探測器(180)與所述噴嘴底座(17 之間、 并且從后部裝入所述噴嘴底座(175)。
7.如權利要求6所述的燃燒器(120)，其特征在于，各所述火焰探測器(180)與相應的燃料噴嘴(160)光通信。
8.如權利要求7所述的燃燒器(120)，其特征在于，光路形成在所述多個燃料噴嘴 (160)的每一個與所述噴嘴底座(17 的外部位置之間。
9.如權利要求1所述的燃燒器(120)，其特征在于，各火焰探測器(180)包括接近烴火焰光譜響應峰值的光譜響應峰值。
10.如權利要求9所述的燃燒器(120)，其特征在于，所述烴火焰光譜響應峰值包括烴燃料成分。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學燃料噴嘴回火探測器，具體而言，根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種燃燒器(120)。該燃燒器(120)可包括燃燒器殼體(170)、設置在該燃燒器殼體(170)內的多個噴嘴(160)、以及設置在多個燃料噴嘴(160)的每一個上并與其光通信的火焰探測器(180)，其中各火焰探測器(180)配置成探測與相應的燃料噴嘴(160)中的駐焰狀態(tài)和回火狀態(tài)中的至少一個有關的光特性。
文檔編號F23D14/72GK102235674SQ201110079528
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2010年3月24日
發(fā)明者G·C·弗里德里克 申請人:通用電氣公司