專利名稱：帶有反射型火焰輻射衰減器的燃氣輪機火焰檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火焰檢測方法和系統(tǒng)，具體地，涉及對燃氣輪機的燃燒室直接敏感的火焰檢測方法和系統(tǒng)。
近年來，普遍的法定和環(huán)境方面的各種要求已對動力設(shè)備中釋放氮氧化物給予嚴(yán)格的限制。為使燃氣輪機放出的氮氧化物量較低，可利用低溫燃燒室，現(xiàn)有的產(chǎn)生氮氧化物量低的燃氣輪機燃燒裝置通常采用一個預(yù)混(或叫基本)區(qū)和一輔助區(qū)，在輔助區(qū)進行降溫燃燒，其直接結(jié)果是增強了空氣燃料的混合。在本底負載下，燃燒只在輔助區(qū)進行，然后，依據(jù)一個嚴(yán)格的起動和停機程序在任何一個或兩個燃燒區(qū)內(nèi)進行燃燒，以免損壞硬設(shè)備。
為將火焰控制在一個或兩個適宜的區(qū)內(nèi)，必須在各區(qū)獨立地檢測火焰。一般說來，火焰檢測器對火焰輻射(此后，有時統(tǒng)稱為“光”輻射)的遠紅外，可見光，紫外線或這三種波長的某些組合的出現(xiàn)進行連續(xù)檢測，然后，將此情況通知一控制系統(tǒng)，當(dāng)火焰不該在某一燃燒區(qū)出現(xiàn)時，該控制系統(tǒng)便立即起作用。該檢測器本身必須定位于既與燃燒室所產(chǎn)生的高溫相距一定距離、同時又能對所產(chǎn)生的輻射保持高度靈敏的位置。


圖1 示出了類似于授予Cholin等人的美國專利4，855，718所揭示的一個一般火焰檢測系統(tǒng)10，實際上，這類現(xiàn)有技術(shù)的方法是將一檢測器經(jīng)由一多模光輻射波導(dǎo)耦合到燃燒室，該波導(dǎo)具有一相當(dāng)寬范圍的視角或者說有效孔徑。
該系統(tǒng)10包括在一長形、中空、圓筒形管(波導(dǎo))14的一端的火焰檢測傳感器12，該波導(dǎo)位于待觀察的燃燒室16之外。管14和室16用連接器17密封，以便將兩者密封于燃燒室壓力下，并避免檢測到不需要的環(huán)境輻射。由于管14的內(nèi)表面18反射輻射線，故該檢測器借助可能的各種多傳輸模增大了有效視角。管14的與傳感器12相對的另一端是一欄孔20，來自位于燃燒室16內(nèi)壁24的欄孔22的光輻射線可通過欄孔20傳播。從燃燒室16內(nèi)來的、落在由第二欄孔22的錐角θ限定的一個輻射檢測區(qū)范圍內(nèi)的光輻射線進入第一欄孔20并通過管14內(nèi)壁全長傳輸，最后由傳感器12檢測。由于管14的內(nèi)表面18是可反射的(其反射性能隨管材、表面光潔度、波長、溫度等因素而異)，因此使較大視角內(nèi)的燃燒室光輻射線可通過欄孔20、22。事實上，波導(dǎo)14的內(nèi)壁之反射性大大增加了傳輸模的數(shù)目-從而增大了燃燒室的傳感器的有效視角。這確保了對觀察中的燃燒室之任何部位的火焰進行真實的檢測，但這也增大了“假”火焰檢測的可能性并使其不能用于現(xiàn)代化的雙區(qū)燃氣輪機燃燒室。
通常，在燃氣輪機起動期間，兩個火花塞被暫時地插入兩個燃燒室并點火，直至可燃的空氣燃料混合物被點燃，并交叉點燃相鄰燃燒室。這一情況的出現(xiàn)由該火焰檢測系統(tǒng)檢測，并在那時停止插入并抽回火花塞。然而，來自火花塞的反射的光輻射線或直接、或通過與交叉火焰管互連的燃燒室，可直接對火焰檢測器打火，這可使控制系統(tǒng)在實際點火之前作出一假的火焰存在的過早指示。過去解決這一問題的方法是謹慎地位移在機器相對側(cè)的火焰?zhèn)鞲衅骱突鸹ㄈ?，或?qū)⒁粋€或多個燃燒室定位于火花塞和火焰?zhèn)鞲衅髦g和避免傳感器的視線朝向交叉火焰管。這些配置有效地衰減了因在兩個裝置之間設(shè)置一長的曲折路徑所引起的、不希望有的反射輻射。然而，隨著雙區(qū)、干低氮氧化物(NOx)燃燒室的出現(xiàn)，用這些現(xiàn)有技術(shù)已不能避免整個燃燒室范圍內(nèi)連續(xù)存在的一個強烈的輻射源，并且需要新的解決方案。
在使用諸如圖1所示的火焰?zhèn)鞲衅髦?，已知用成束的熱電偶作為熱電堆去檢測火焰的存在。該技術(shù)為圖1所示的更可靠和反應(yīng)更快的火焰?zhèn)鞲衅魉娲?。雖然，熱電堆不受虛假的反射的輻射的顯著影響，而且它們的不適當(dāng)時間常數(shù)可通過使用一火焰檢測器-熱電堆組合系統(tǒng)來加以克服，但尚存在使它們不能應(yīng)用于雙區(qū)燃氣輪機燃燒室的主要技術(shù)缺陷。熱電偶在接近火焰時的可靠程度不能滿足當(dāng)前的控制標(biāo)準(zhǔn)，而對控制系統(tǒng)產(chǎn)生相反信號的兩個器件的組合又增添了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。
對所希望的輻射線的基波長進行選擇性濾波是行不通的，因為待衰減的、產(chǎn)生不需要的信號的有害反射輻射與產(chǎn)生所需信號的輻射具有相同的波長。
一種解決方案是通過消除視線范圍內(nèi)的一窄錐角以外的輻射線而限制觀察區(qū)，從而對輻射到傳感器的輻射量進行控制而消除所產(chǎn)生的假火焰信號。采用利用某種定向靈敏的輻射檢測系統(tǒng)公開于下列文獻中。
美國專利3，689，773-1972年授予Wheeler;
美國專利4，037，113-1977年授予Moore;
美國專利4，163，903-1979年授予Robertson;
美國專利4，317，045-1982年授予Coe等人;
美國專利4，328，488-1982年授予Yanai等人。
然而現(xiàn)有技術(shù)所揭示的光學(xué)窄場系統(tǒng)不是因為太復(fù)雜而需要提供不適當(dāng)?shù)妮椛錅y試校正，就是不適用于雙區(qū)燃氣輪機燃燒室-在那里，視線校正必須選擇在這樣一個角度上當(dāng)源輻射存在于被觀察燃燒室區(qū)時，該角度將直接切過所有工作狀況下的火焰路徑并在被觀察室區(qū)內(nèi)，同時還要排除任何來自其它燃燒室區(qū)的直接的或反射的額外輻射。
本發(fā)明旨在衰減由火焰?zhèn)鞲衅鹘邮諘r的有害反射火焰輻射，以免對燃氣輪機燃燒室內(nèi)的火焰存在和/或火焰位置產(chǎn)生假信息或偏差信息。衰減是在沒用濾波或其它降低火焰?zhèn)鞲衅鲗νㄟ^一個通暢欄孔所接收的火焰輻射的靈敏度情況下完成的。本發(fā)明主要應(yīng)用于雙燃燒室或雙區(qū)、干低NOx燃燒室。在這類燃燒系統(tǒng)中，為適當(dāng)操作起見，要嚴(yán)格地了解火焰是存在于某一區(qū)還是兩區(qū)中。從某一區(qū)到另一區(qū)的傳感器的未經(jīng)衰減的反射輻射將導(dǎo)致虛假的火焰指示和無效的系統(tǒng)控制。
一個實施例系統(tǒng)在一長形中空圓筒形管的一端欄孔處裝有一火花或火焰檢測器，該管的諸側(cè)壁以機械方式降低了有效反射率從而使其視角進一步受限。檢測器將到達它的紅外、可見和紫外光頻帶的能量轉(zhuǎn)換為可常規(guī)地用于控制燃氣輪機系統(tǒng)操作的電信號。該管的另一端包含一欄孔裝置，使沿管長傳輸?shù)妮椛渚€能投射到另一端的檢測器。該管的敞口端為觀察而被固定至燃燒室的隔板內(nèi)的一個開口。欄孔的尺寸和降低了的有效側(cè)壁反射率，這兩者的綜合構(gòu)成了對輻射檢測區(qū)或火焰檢測器的視角的限制。
來自較大和不希望視角的投射輻射遇到管壁后，為管內(nèi)表面的物理構(gòu)形所衰減。例如，管內(nèi)表面可以沿管長襯有多個環(huán)狀隆起(例如，內(nèi)螺紋的)。這些突起使得以較寬視角進入管內(nèi)的不希望有的反射輻射反射回去和散射出去，同時使直接的視線輻射線穿過管全長到達檢測器而不受影響。
在另一實施例中，該管內(nèi)部至少一段實際上因其直徑的擴大而被切斷。這也可用來使得由較大視角投射在那段上的不希望的反射光輻射往回反射和散射。
在另一實施例中，所述管的至少一段包含有由相對平滑的內(nèi)部段隔開的一些隆起的特殊環(huán)狀凸緣，而該管內(nèi)襯的其余部分可包含象第一實施例中的環(huán)狀隆起(如螺紋)，并與第一實施例中的隆起有相同作用。
由此，可以理解本發(fā)明使區(qū)域火焰檢測器(在一雙區(qū)燃氣輪機燃燒時)可有選擇地衰減由較大視角引起的不希望的反射輻射，同時通過由第一和第二欄孔形成的暢通孔徑能接收準(zhǔn)直輻射。這避免了火焰檢測系統(tǒng)對來自其它源的幅射的虛假響應(yīng)，同時使來自與火焰檢測系統(tǒng)對準(zhǔn)的有用的源的直接輻射不受衰減。
圖1 是現(xiàn)有技術(shù)的典型燃燒輪機燃燒室輻射檢測器的一個正面示意圖;
圖2 是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一個輻射檢測器的正面示意圖;
圖3 是圖2 輻射檢測器的平面視圖，示出了管內(nèi)襯的各部分尺寸及部分剖面;
圖3a是圖3 輻射檢測器的管接頭的一個放大剖面視圖;
圖3b是圖3 輻射檢測器的管端的放大剖面視圖;
圖4 是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的輻射檢測器的正面示意圖;
圖5 是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的輻射檢測器的正面示意圖。
參見圖2，一個火焰檢測系統(tǒng)26包括一位于燃燒室32之外的一長形中空圓筒形管30一端的火焰檢測傳感器28。連接件33將管30的一端密封到燃燒室32，以密封燃燒室的壓力并避免檢測到不希望的環(huán)境輻射。管30在本發(fā)明各實施例中最好由不銹鋼構(gòu)成，但該材料本身并非是本發(fā)明的組成部分。對著傳感器28的管30的另一端包含一通暢欄孔34，欄孔34位于設(shè)置在燃燒室32的壁38上的欄孔36附近。由于欄孔36實際并不限制本發(fā)明的視野，故在本實施例或其它實施例中也可用一個欄孔來代替欄孔34、36。
然而，在本發(fā)明的一個實施例中，管30的內(nèi)表面39加工有多個環(huán)狀凸緣或螺紋40，這與圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的管不同，環(huán)狀凸緣40的深度構(gòu)成管30總直徑的一小部分，而且它們可配置成由凹部隔開的多個非內(nèi)連的環(huán)狀齒尖，也可按螺紋樣形式排列。由燃燒室32發(fā)出的、以錐角θ所限定的輻射檢測區(qū)內(nèi)的紅外、可見或紫外光頻帶的電磁輻射被允許通過火焰檢測系統(tǒng)26的欄孔36和欄孔34。某些允許進入的輻射線被凸緣40往回反射、散射和衰減到如此程度，以致不能到達傳感器28。因此，實際上，只有在一視線錐角β范圍的光輻射線才無反射和散射，因而無衰減地通過管30全長而到達傳感器28。
實際上，該結(jié)構(gòu)上的變動形成機械而成的黑壁(它與材料的輻射率無關(guān)，從而使其與光輻射的波長無關(guān))，該黑壁設(shè)法消除進入電磁輻射的較高階(Order)的輻射模。理想情況下，只有最低階傳輸模才允許穿過管30全長到達傳感器28。實際上，凸緣40之間的凹谷42越大、凸緣40的頂端越尖銳，該系統(tǒng)的性能亦越好。與吸收輻射的特定波長的涂層不同，源的灰塵、油或其它微觀污物將不會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生有害影響。
圖3 示出第一實施例的管30的一般結(jié)構(gòu)，其中長度為a、b和c的三段30a、30b、30c分別用搭頭組裝，(如圖3a所示)。一般來說，a、b和c均為6英寸長，但該管諸段并不限于這一長度。這些管段的總直徑通常為1.250±0.005英寸(如圖3所示尺寸d)。圖3a和圖3b詳盡地示出了凸緣40和凹谷42的形狀，其中角g通常為45°，角h通常為7°圖3b示出長度為e、厚度為f的搭接部43，e(例如)可為0.300±0.005英寸，f(例如)可為0.100±0.005英寸。
在圖4 中，根據(jù)本發(fā)明另一實施例的火焰檢測系統(tǒng)44包括一火焰檢測傳感器46，該傳感器位于燃燒室50之外的中空長形圓筒管48的一端。如第一實施例一樣，該管包括位于管48另一端的欄孔52，欄孔52位于設(shè)置在燃燒室50之壁56上的欄孔54附近，管48的端部借助連接件55密封至燃燒室50，兩欄孔54和52使光線能存在于如同第一實施例中的一個較寬角度檢測區(qū)θ范圍內(nèi)，但以不同方式對該較寬角度射線進行選擇性的衰減(即對準(zhǔn))。
管48加工有擴大的內(nèi)徑段60，以替代沿管48的內(nèi)表面58的多個環(huán)狀凸緣。如圖4所示，進入管48的在角β外的光線投射到擴大段60的內(nèi)表面并被往回反射和散射，從而被衰減，(極象第一實施例中的較寬角光線)。本方法是對第一實施例的粗略變化，實際上是在兩個凸緣之間有一個大凹谷，通常具有與第一實施例相同的衰減作用。較大管段60被封焊在內(nèi)部支管的兩側(cè)，以保持結(jié)構(gòu)和壓力容器的完整性。
第一實施例提供了一個比第二實施例更緊湊的設(shè)計，并且除了凸緣40尖端的反射外還沿其整個長度提供衰減，凸緣40的所需銳度存在一些制造問題，同時提高了成本。
第二實施例的有效性隨著未除去、且仍反射輻射的管壁面積的大小以及較小和擴大的管段直徑之差而變化。
圖5 示出本發(fā)明的第三實施例，該實施例有效地組合了第一和第二實施例的特征。如同前兩實施例一樣，系統(tǒng)62包含位于燃燒室68之外的中空長形圓筒形管66一端的火焰檢測傳感器64。管66的另一端含有欄孔69，欄孔69與位于設(shè)置在燃燒室68的壁72上的欄孔70緊靠。管66的端部通過連接件73密封到燃燒室68。正如前兩實施例那樣，落在由較寬錐角θ限定的檢測區(qū)范圍內(nèi)的光輻射分別通過欄孔70和69進入管66內(nèi)。
管66的內(nèi)表面74包括組合前兩實施例諸屬性的各段。例如，段76包含多個第一實施例的典型環(huán)狀凸緣結(jié)構(gòu)78，管66的其余內(nèi)表面74實際上包括幾段如圖4第二實施例所示的兩個凸緣、一個凹谷結(jié)構(gòu)。雖然整個管66的最大內(nèi)徑通常是恒定的，但實際上“段”82包括了減小直徑的部分，管段84與減小了直徑的段82在直徑上的差異較大，以實現(xiàn)圖4所示第二實施例的同樣目的。因此，正如前兩實施例那樣，只允許由窄錐角β限定的檢測區(qū)中的光輻射才能無衰減地通過管66到達傳感器64。
雖然已對本發(fā)明認為最實用及最佳的實施例進行了描述，但本發(fā)明自然不局限于所公開的實施例，相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括體現(xiàn)在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種改型及等同配置。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機火焰檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有置于一輻射導(dǎo)管一端的輻射傳感器，而該導(dǎo)管的與所述傳感器相對著的欄孔端同燃氣輪機的燃燒室壁上的欄孔對齊，其改進之處在于它還包括沿所述輻射導(dǎo)管內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)上的變異，以便散射和衰減由所述燃燒室發(fā)出的在輻射傳感器視線視角以外的輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機火焰檢測系統(tǒng)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)變異包括環(huán)形延伸的凸緣和凹谷。
3.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機火焰檢測系統(tǒng)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)變異包括介于所述兩端中部的所述輻射導(dǎo)管的一個擴大的內(nèi)徑段。
4.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機火焰檢測系統(tǒng)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)變異包括一種內(nèi)螺紋。
5.用于檢測燃燒室內(nèi)電磁輻射的一種方法，其特征在于，該方法包括以下步驟使來自燃燒室的輻射通過一有中空內(nèi)側(cè)并位于所述燃燒室之外的長形圓筒部件并導(dǎo)向一輻射傳感器;和在沿所述圓筒部件引導(dǎo)所述輻射時，對傳感器視線角以外的所述燃燒室的輻射進行衰減。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述電磁輻射包括在紅外，可見光及紫外光頻帶內(nèi)的輻射。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述衰減步驟包括對投射在位于所述圓筒形部件中的所述中空內(nèi)側(cè)的至少一段上的多個環(huán)狀凸緣上的所述導(dǎo)向輻射部分進行反射和散射的步驟。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述衰減步驟包括對投射在所述中空內(nèi)側(cè)的具有比其余任何段直徑都大的至少一段上的所述被導(dǎo)向輻射部分進行反射和散射。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述衰減步驟包括對投射在位于所述圓筒形部件的所述中空內(nèi)側(cè)的至少一段上的多個環(huán)形凸緣上的所述被導(dǎo)向輻射部分進行反射和散射;及對投射在所述中空內(nèi)側(cè)的具有比中空內(nèi)側(cè)其它段直徑均大的至少一段上的所述被匯集輻射部分進行反射和散射。
全文摘要
一種用于測定燃氣輪機的燃燒室區(qū)內(nèi)的火焰存在的定向敏感火焰檢測設(shè)備和方法。一個輻射檢測器通過一具有用機械形式降低內(nèi)部反射率以增強有效對準(zhǔn)的輻射對準(zhǔn)器耦合到被監(jiān)視的燃燒區(qū)。用此法，可獲得基本上與輻射波長或?qū)?zhǔn)器管的材料性能無關(guān)的較窄的檢測器視角。
文檔編號F02C7/00GK1055429SQ9110190
公開日1991年10月16日 申請日期1991年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月23日
發(fā)明者斯蒂芬·費多爾, 羅伯特·J·亞西洛 申請人:通用電氣公司