專利名稱：用于監(jiān)測燃燒器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于監(jiān)測燃燒器的系統(tǒng)和方法。在特定的實施例中，燃燒器噴嘴可包括傳感器，以便監(jiān)測燃燒器中的一個或者多個條件。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪、飛行器發(fā)動機及許多其它的基于燃燒的系統(tǒng)包括一個或者多個燃燒器，燃燒器將工作流體(諸如空氣)與燃料混合，并且點燃燃料一空氣混合物以便產(chǎn)生高溫和高壓的燃燒氣體。圖I示出了示范性的燃燒器10的簡化截面圖，其例如可包括在燃氣渦輪中。外殼12可圍繞燃燒器10，以便容納流到燃燒器10的壓縮的工作流體，并且燃燒器10可包括徑向地布置在頂蓋16和端罩18之間的一個或者多個噴嘴14。端罩18可包括用于將氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、空氣和/或水供給穿過噴嘴14的多個管、歧管、相關(guān)聯(lián)的閥等(未 示出)。頂蓋16和襯套20大體圍繞和限定位于噴嘴14下游的燃燒室22，并且襯套20下游的過渡件24將燃燒室22連接到渦輪入口 26。具有流孔30的沖擊套筒28可圍繞過渡件24，以便在沖擊套筒28和過渡件24之間限定環(huán)形通道32。壓縮的工作流體可穿過沖擊套筒28中的流孔30以流過環(huán)形通道32，以便向過渡件24和襯套20提供對流冷卻。當壓縮的工作流體到達端罩18時，壓縮的工作流體反轉(zhuǎn)方向，以便流過一個或者多個噴嘴14，在噴嘴處，壓縮的工作流體與燃料混合，之后在燃燒室22中點燃，以便產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。在燃燒器10運行期間，可能會發(fā)生異常，其增加被管制的燃燒產(chǎn)物的排放、降低燃燒器的效率和/或降低燃燒器10內(nèi)的構(gòu)件的壽命。例如，燃燒器10內(nèi)的過高的火焰溫度可造成過度燃燒的狀態(tài)，因此導(dǎo)致對燃燒室22或者下游構(gòu)件的損傷。另外，過高的火焰溫度可導(dǎo)致增加的排放物，并且可能需要到達燃燒器10的增加的冷卻流，因此降低了燃燒器的效率。相似地，貧燃熄火(LBO)事件(以由于太稀薄的空氣/燃料混合物而引起的熄滅的火焰為特征)增加了排放物且還降低了燃燒器效率。沒有足夠的監(jiān)測，燃燒器10可能不會滿足排放標準，可能會經(jīng)歷縮短的壽命，并且/或者可能以降低的效率運行。對于監(jiān)測燃燒器10中的條件而言，本領(lǐng)域中已知許多系統(tǒng)。例如，燃燒器10可包括一個或者多個傳感器34，傳感器34探測和/或測量燃燒器10中的各種條件，諸如溫度、壓力、光和燃燒器10中實質(zhì)上任何其它可測量的操作參數(shù)。如在圖I中所示，傳感器34可安裝在穿過外殼12和/或襯套20的一個或者多個口 36中，以便允許傳感器34訪問或者探測燃燒室22內(nèi)部的條件。沿著燃燒室22的側(cè)面定位傳感器34具有若干缺點。例如，圖I中示出的傳感器34各自都需要通過燃燒器10的外殼12和/或襯套20的穿孔(penetration)，產(chǎn)生了穿過穿孔或在穿孔周圍的潛在泄漏和/或湍流源。另外，沿著燃燒器10的側(cè)面定位的傳感器34必然干擾沿著襯套20外部流動的工作流體流，因此增加了越過燃燒器10的工作流體的壓差，這會降低燃氣渦輪的總的效率。這兩個缺點，以及與側(cè)面安裝的傳感器34相關(guān)的其它缺點，減少了可用來在噴嘴14中與燃料混合的工作流體的量和/或流率?？捎糜谂c燃料預(yù)混合的工作流體的量對最高燃燒溫度和NOx排放有直接的影響。已經(jīng)做出了更多新近的嘗試來將傳感器34結(jié)合到燃燒器10的尾端，以便減少或者消除與工作流體流的任何干擾。盡管如此，位于燃燒器的尾端中的噴嘴14的尺寸和數(shù)量必然限制可用于傳感器34的表面面積。因此，用于監(jiān)測燃燒器10的、減少或者消除了穿過燃燒器10的側(cè)面的穿孔和/或與工作流體的干擾的改進的系統(tǒng)和方法將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點下面在隨后的描述中闡明，或者可從描述中顯而易見，或者可通過本發(fā)明的實踐來學(xué)習(xí)。本發(fā)明的一個實施例是燃燒器噴嘴，其包括限定軸向中心線的中心體。圍罩周向 地圍繞中心體的至少一部分，以便在中心體和圍罩之間限定環(huán)形通道。腔室在中心體內(nèi)部，并且基本上平行于軸向中心線而對齊(align)。傳感器在中心體內(nèi)部延伸，并且大體與腔室鄰近，其中，傳感器探測燃燒器噴嘴附近的條件。本申請的另一個實施例是燃燒器，其包括端蓋和徑向地設(shè)置在端蓋中的多個噴嘴。多個噴嘴中的至少一個包括限定軸向中心線的中心體和中心體內(nèi)部的傳感器，其中，傳感器探測燃燒器噴嘴附近的條件。本發(fā)明的實施例還可包括用于監(jiān)測燃燒器的方法。該方法包括使燃料流過在噴嘴中沿軸向?qū)R的中心體；和使工作流體流過基本與中心體平行且徑向地在中心體外側(cè)的環(huán)形通道。該方法進一步包括使用位于中心體內(nèi)部的傳感器來感測燃燒器內(nèi)部的條件。在審閱說明書之后，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將更好地了解這些實施例和其它實施例的特點和方面。


在說明書的剩余部分中更具體地闡明了(包括參照附圖)本發(fā)明的對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言完整和能夠?qū)崿F(xiàn)的公開，包括其最佳模式，其中
圖I是示范性的燃燒器的簡化側(cè)截面 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴嘴的透視 圖3是在圖2中示出的噴嘴的一部分的放大的透視 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃燒器的簡化側(cè)截面圖；且 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、在圖4中示出的燃燒器的簡化軸向截面圖。部件列表 燃燒器 10 外殼 12 噴嘴 14 頂蓋 16 立而罩 18
襯套 20 燃燒室 22 過渡件 24渦輪入口 26 沖擊套筒 28 流孔 30 環(huán)形通道 32 傳感器 34 通道 36 噴嘴 40 中心體 42 圍罩 44 葉片 46 軸向中心線 48 環(huán)形通道 50 燃料口 52 燃料腔室 54 稀釋劑腔室 56 開口 58 下游表面 60 傳感器 62 燃燒器 70 溫度傳感器 72 壓力傳感器 74 火焰探測器 76。
具體實施例方式現(xiàn)將詳細地參照本發(fā)明的當前實施例，其一個或者多個示例在附圖中示出。詳細的描述使用數(shù)字和字母標號來指代附圖中的特征。附圖和描述中的相同或者相似的標號已被用來指代本發(fā)明的相同或相似的部件。通過解釋本發(fā)明而非限制本發(fā)明的方式來提供各個示例。事實上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員將會顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，在本發(fā)明中可做出修改和變化。例如，作為一個實施例的部分示出或者描述的特征可用在另一個實施例上，以便得到更進一步的實施例。因此，意圖是，本發(fā)明覆蓋了在所附的權(quán)利要求和它們的等效物的范圍之內(nèi)的這種修改和變化。本發(fā)明的不同實施例包括用于監(jiān)測燃燒器內(nèi)部的條件的系統(tǒng)和/或方法。例如，一些實施例可包括噴嘴，其在該噴嘴內(nèi)部具有傳感器，傳感器大體與噴嘴的軸向中心線對齊。備選實施例可將多個噴嘴加入到燃燒器中，其中一個或者多個噴嘴具有傳感器。這樣，本發(fā)明的不同實施例能夠?qū)崿F(xiàn)在不需要額外的通過燃燒器側(cè)面的穿孔(該穿孔可能會干擾燃燒器周圍或者通過燃燒器的流體流)的情況下對燃燒器內(nèi)的條件進行可靠監(jiān)測。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴嘴40的透視圖，并且圖3是在圖2中示出的噴嘴40的一部分的放大的透視圖。如圖2和圖3中所示，噴嘴40大體包括中心體42、圍罩44及多個葉片46。中心體42在噴嘴40中居中地定位，并且大體沿著噴嘴40的長度延伸，以便限定噴嘴40的軸向中心線48。圍罩44周向地圍繞中心體42的大部分或者至少一部分，如圖2中所示，以便在中心體42和圍罩44之間限定環(huán)形通道50。環(huán)形通道50可基本平行于中心體42，例如，如圖2和圖3中所示。葉片46大體在中心體42和圍罩44之間的環(huán)形通道50中沿徑向延伸，并且燃料可穿過葉片46中的燃料口 52從中心體42和/或圍罩44供應(yīng)。在特定的實施例中，葉片46可相對于軸向中心線48彎曲或成角度，如圖2和圖3中所示，以給予流過葉片46的工作流體和/或燃料切向速度，以便在燃燒之前增強環(huán)形通道50中的工作流體和燃料之間的混合。一個或多個腔室可在中心體42內(nèi)部沿軸向延伸，以便提供與中心體42和/或通過中心體42的流體連通。例如，如圖2和圖3中所示，燃料腔室54和一個或者多個稀釋劑腔室56可沿著中心體42的長度延伸，以及/或者延伸通過中心體42。燃料可包括液態(tài)燃料或者氣態(tài)燃料，并且稀釋劑可包括工作流體、水、蒸汽、惰性氣體或者適合用于稀釋燃料和/或移除來自中心體42的熱量的另外的流體。燃料腔室54和稀釋劑腔室56可在噴嘴40的 下游表面60處的開口 58處終止，因此提供了用于氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料或者稀釋劑流進并且流過中心體42的流體連通。備選地或者另外，稀釋劑腔室56可在中心體42的下游表面60附近終止，因此提供了用于稀釋劑流進中心體42并且向中心體42的下游表面60提供沖擊冷卻的流體連通。燃料腔室54和稀釋劑腔室56可與噴嘴40的軸向中心線48同心，或者，如圖2和圖3中所示，燃料腔室54和稀釋劑腔室56可與軸向中心線48對齊，并且自軸向中心線48徑向地偏移。如圖2和圖3中所示，噴嘴40可還包括傳感器62，傳感器62在中心體42的圓周周邊內(nèi)部和/或之內(nèi)，并且軸向地延伸穿過中心體42。傳感器62可包括例如溫度傳感器、壓力傳感器、光傳感器、火焰探測器或者用于探測和/或測量燃燒器10中的條件的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何合適裝置。如圖2中最清楚地顯示，傳感器62可穿過噴嘴40的尾端插入，以有利于傳感器62的安裝、維護和更換。具體地講，通過將傳感器62從后端裝入(breech-loading)噴嘴40內(nèi)，整個傳感器62可快速且容易地安裝和/或從噴嘴40中移除。這樣，安裝、維修和/或更換傳感器62所需的時間和成本可顯著地降低。例如，在若干實例中，可在不用到達燃燒器內(nèi)部的情況下安裝和/或移除傳感器62，諸如通過穿過燃燒器的端罩18安裝傳感器62。另外，通過將傳感器62從后端裝入噴嘴40內(nèi)，可避免圖I中示出的與側(cè)面安裝的傳感器34相關(guān)的泄漏和磨損問題。如同燃料腔室54和稀釋劑腔室56 —樣,傳感器62可與軸向中心線48同心或者自軸向中心線48徑向地偏移。另外，傳感器62可在中心體42的下游表面60中的開口 58附近終止，使得傳感器62在中心體42的下游表面60處接近燃料腔室54和/或稀釋劑腔室56。圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、結(jié)合了圖2和圖3中示出的噴嘴40的燃燒器70的簡化側(cè)截面圖。如圖所示，與之前關(guān)于圖I中示出的示范性燃燒器10所描述的一樣，燃燒器70大體包括相同的構(gòu)件，并且工作流體沿著相同的路線流動。具體地講，工作流體可穿過沖擊套筒28中的流孔30，以便流過環(huán)形通道32來向過渡件24和襯套20提供對流冷卻。當工作流體到達端罩18時，流體反轉(zhuǎn)方向，以便流過一個或多個噴嘴40，其中，工作流體與燃料混合，之后在燃燒室22中點燃以便產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。
但是，如圖4中所看到的，燃燒器70不再需要圖I中示出的側(cè)面安裝的傳感器34和通道36。作為替代，如在圖5中示出的燃燒器70的軸向視圖中所示，傳感器62已經(jīng)被結(jié)合到徑向地布置或者設(shè)置在端蓋16中的一個或者多個噴嘴40中。如在圖5中所示，多個噴嘴40可圍繞單個噴嘴40，并且取決于特定的實施例，噴嘴40可有不同的直徑。圖5還說明了傳感器62的類型、數(shù)量和關(guān)于燃料腔室54的相對位置可根據(jù)特定的實施例而不同。例如，如圖5中所示，燃燒器70可包括在一個噴嘴40中的溫度傳感器72、在第二噴嘴40中的壓力傳感器74以及在第三噴嘴40中的火焰探測器76。這樣，圖2至圖5中示出的實施例因此在不需要穿過外殼12和/或襯套20的穿孔的情況下提供了用于監(jiān)測燃燒器70中的條件的可靠的系統(tǒng)和方法。結(jié)果，減少或者完全避免了與外殼12和/或襯套20穿孔相關(guān)的共同缺點，諸如泄漏、磨損、增加的維護及流阻。關(guān)于圖2至圖5示出和描述的實施例可進一步提供用于監(jiān)測燃燒器70的方法。該方法可包括使液態(tài)或者氣態(tài)燃料流過在噴嘴40中沿軸向?qū)R的中心體42 ;和使工作流體流過環(huán)形通道50。該方法可進一步包括用位于中心體42中的傳感器62感測燃燒器70內(nèi)部的條件。在特定的實施例中，該方法可用位于中心體42內(nèi)部的傳感器62感測燃燒器70 內(nèi)部的溫度、壓力或者火焰條件。該書面描述用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或者系統(tǒng)及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的能得到專利保護的范圍由權(quán)利要求限定，并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它的實例。如果這些其它的實例包括與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的文字語言沒有實質(zhì)差異的等效的結(jié)構(gòu)元素，則這些其它的實例意圖在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器噴嘴(40)，包括 a.中心體(42)，其中，所述中心體(42)限定了軸向中心線(48)； b.圍罩(44)，周向地圍繞所述中心體(42)的至少一部分，以便在所述中心體(42)和所述圍罩(44)之間限定環(huán)形通道(50)； c.腔室(54、56)，在所述中心體(42)內(nèi)部，并且基本平行于所述軸向中心線(48)而對齊；以及 d.傳感器￠2)，在所述中心體(42)內(nèi)部延伸，并且大體鄰近所述腔室(54、56)，其中，所述傳感器(62)探測所述燃燒器噴嘴(40)附近的條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述環(huán)形通道(50)基本平行于所述中心體(42)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述腔室(54.56)提供用于液態(tài)燃料通過所述中心體(42)的流體連通。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述腔室(54.56)提供用于稀釋劑通過所述中心體(42)的流體連通。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述傳感器(62)包括溫度傳感器(72)、壓力傳感器(74)或者火焰探測器(76)中的至少一種。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述腔室(54、56)徑向地設(shè)置在所述軸向中心線(48)的外側(cè)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，所述傳感器(62)徑向地設(shè)置在所述軸向中心線(48)的外側(cè)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(40)，其特征在于，還包括在所述圍罩(44)和所述中心體(42)之間的所述環(huán)形通道(50)中的多個葉片(46)。
9.一種用于監(jiān)測燃燒器(70)的方法，包括 a.使燃料流過在噴嘴(40)中沿軸向?qū)R的中心體(42)； b.使工作流體流過環(huán)形通道(50)，其中，所述環(huán)形通道(50)基本上平行于所述中心體(42)，并且沿徑向在所述中心體(42)外側(cè)；和 c.使用位于所述中心體(42)內(nèi)部的傳感器(62)感測所述燃燒器(70)內(nèi)部的條件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括使用位于所述中心體(42)內(nèi)部的所述傳感器￠2)感測所述燃燒器(70)內(nèi)部的壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9至10中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括使用位于所述中心體(42)內(nèi)部的所述傳感器感測所述燃燒器(70)內(nèi)部的火焰條件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括使液態(tài)燃料流過所述中心體(42)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測燃燒器的系統(tǒng)和方法。燃燒器噴嘴(40)包括限定軸向中心線(48)的中心體(42)。圍罩(44)周向地圍繞中心體(42)的至少一部分，以在中心體和圍罩之間限定環(huán)形通道(50)。腔室(54、56)在中心體內(nèi)部，并且基本上平行于軸向中心線而對齊。傳感器(62)在中心體內(nèi)部延伸，并且大體鄰近腔室，其中傳感器探測燃燒器噴嘴附近的條件。一種用于監(jiān)測燃燒器(70)的方法包括使燃料流過在噴嘴中沿軸向?qū)R的中心體；和使工作流體流過與中心體基本上平行并且徑向地在中心體外側(cè)的環(huán)形通道。該方法還包括用位于中心體內(nèi)部的傳感器感測燃燒器內(nèi)部的條件。
文檔編號F23R3/28GK102927591SQ20121028000
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者A.W.克拉爾, K.文卡塔拉曼 申請人:通用電氣公司