專利名稱：在燃氣輪機中配合以支持點火器的完整的電火花檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機，以及其中的點火器。
背景技術(shù)：
該背景技術(shù)部分將解釋為什么在航空器燃氣輪機中的點火器的使用期限缺乏絕對的可靠性會令使用該發(fā)動機的航空器的所有者承擔極大的費用。
圖1為燃氣輪機3的簡單的示意圖，其中包括一燃燒器6。燃料9被噴射入燃燒器中。一點火器12，它可以通過與汽車中的火花塞相類似的方式起作用，能產(chǎn)生最初點燃噴氣燃料的電火花或者等離子體放電(圖中未示出)。
初始點火后，點火器12能在那以后重復地產(chǎn)生電火花，這主要作為一種安全措施。也就是說，在現(xiàn)代發(fā)動機中，在正常環(huán)境下，在燃燒器6中發(fā)生燃燒中斷是極不可能的。但是，在意外情況下，例如有突然的側(cè)風，能影響在燃燒器中的環(huán)境，并且導致火焰的損失。
另外，某些飛行情況會使不可能的燃燒中斷稍微變得可能。因此，例如，當航空器遭遇暴風雨時，點火器12可能被激勵，或者其它的情況可能會擾亂燃燒器6中的穩(wěn)定情況。
點火器12和所有的機械組件一樣，具有有效的使用期限，其最終會期滿，到時點火器必須被更換。但是，這種期滿和更換在昂貴的航空器中產(chǎn)生了一種情況。
一個主要的原因就是點火器到其使用期限的終點的方法不能被容易的檢測過程所標志。也就是說，在某一點上，點火器完全停止產(chǎn)生等離子體或者電火花。但是，在這點之前，點火器可能零星地產(chǎn)生電火花。
如上所解釋的，電火花通常不需要維持燃燒器的火焰。因此，如果實際的燃燒中斷發(fā)生，并且如果零星電火花對產(chǎn)生重新點火是無效的，則零星電火花僅僅被注意到。由于這些過程的結(jié)合看起來是不可能的，所以零星電火花不能輕易地被發(fā)現(xiàn)。則即將來臨的點火器的有效使用期限的期滿也相類似地不能被發(fā)現(xiàn)。
另外一個理由就是，當所有的點火器可能構(gòu)造地盡可能相同，然而，這些點火器卻不會都擁有相同的使用期限。同樣所有的點火器在它們使用期限中不可能經(jīng)歷相同的過程。因此，不能確切的知道所給的點火器使用期限期滿的時間。
因此，不能確切的知道點火器必須被替換的時間點。解決此問題的一個途徑就是實行預防性的維護，即在點火器仍然起作用的時候進行替換。新的點火器和安裝該點火器的人力的費用不是很大，但是較早的替換強加了另外的費用，該費用比較大。
對其點火器進行替換的航空器代表了一收入源，該收入源是以每小時數(shù)千美元來計算的。如果航空器實施沒有效果，就是說在替換一點火器中的兩小時，在該段時間的收入的損失是相當大的。
因此，在航空器燃氣輪機中點火器不確定的使用期限能導致在收入方面相當大的損失。

發(fā)明內(nèi)容
在燃氣輪機中一點火器的正常運行導致在點火器內(nèi)部絕緣體的腐蝕。在本發(fā)明的一種形式中，一輔助的接地電極安裝在該絕緣體中，并且該腐蝕最終使輔助電極暴露。點火器設(shè)計使得在暴露發(fā)生時點火器應(yīng)當進行替換。
暴露的輔助接地電極能通過以下事實被檢測到，該事實就是當一電火花發(fā)生時，一較小的電流流過輔助接地電極。當該電流被檢測到則表示輔助接地電極是暴露的。另一方面，暴露的輔助接地電極在視覺上被人工觀察器所檢測，可能使用一管道鏡來檢測。


圖1表示一燃氣輪機的簡示圖。
圖2表示在圖1中所示出的一點火器12。
圖3和圖4表示圖2中末端E的放大圖。
圖5和圖6表示發(fā)明者所觀察到的末端E的幾何結(jié)構(gòu)的變化。
圖7表示本發(fā)明的一種形式。
圖8和圖9表示類似圖7中的嵌入物84的視圖。
圖10表示圖7中一部分的透視圖。
圖11表示本發(fā)明一種形式的透視、斷面圖。
圖12表示圖11中裝置的剖面圖。
圖13表示圖11中裝置的透視圖。
圖14表示本發(fā)明的一種形式。
圖15表示在本發(fā)明的一種形式中發(fā)生的一序列事件。
圖16表示兩個距離D9和D10，在其之間產(chǎn)生了兩電場。
圖17表示在圖15中構(gòu)造輔助電極72的一種模式。
圖18表示采用本發(fā)明的一種形式的一航空器。
圖19表示點火器308，其支承一個環(huán)形線圈310。
圖19A表示本發(fā)明的一種形式，其中轉(zhuǎn)接器311支承著點火器，并且也包含一線圈310。
圖20表示一點火器電纜組件，在其周圍設(shè)置有高導磁性環(huán)326，環(huán)的周圍繞有線圈320。
圖21表示一點火器系統(tǒng)的示意圖。
圖22表示發(fā)明人所發(fā)明的圖21中裝置運行的可能模式的示意圖。
圖23表示一現(xiàn)有技術(shù)的RLC電路。
圖24表示一被正弦波所激勵的RLC電路。
圖25-28表示圖24中電路的模擬輸出的曲線圖。
圖29表示由一脈沖序列所脈沖調(diào)制的RLC電路。
圖30-34表示圖29中電路的模擬輸出的曲線圖。
圖35表示時間參數(shù)。
圖36表示本發(fā)明的兩種形式。
具體實施例方式
圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中所使用的一點火器12。一電連接器(圖中未示出)連接到螺線21上，并且包含一個與電極27的末端24相連接的電觸點(圖中未示出)。絕緣體30使電極27與點火器12的殼體33相絕緣。
在圖3和圖4中示出了點火器12的末端E。將會給出涉及等離子體的產(chǎn)生的一個非常簡單的物理解釋。
在運行中，高壓電供給到電極27，從而在圖3中的點P1和點P2之間產(chǎn)生了一電壓差，或者電勢差V。在此區(qū)域的電場等于由點P1和點P2間距離D除電勢差V。例如，如果電壓為20,000伏并且距離D為10毫米，或者0.01米，那么電場等于20,000/0.01，或者每米2百萬伏。
電場設(shè)計為超過位于點P1和P2之間中的材料或者介質(zhì)的介質(zhì)擊穿強度。該材料為空氣加上燃料的混合物。但是，電場不能超過絕緣體30的介質(zhì)擊穿強度，并且絕緣體的介質(zhì)擊穿強度大于空氣-燃料混合物的介質(zhì)擊穿強度。
當擊穿發(fā)生時，電場使電子脫離介質(zhì)中的原子，產(chǎn)生陽離子和自由電子。電場以平行于電場的方向驅(qū)動自由電子。但是，在移動過程中，這些臨時自由電子將與其它的離子相碰撞。同樣，離子和電子的熱運動也將使它們相互碰撞。
在碰撞過程中，電子將會被離子所捕捉，并且下降到一較低的能量狀態(tài)，釋放熱和光，形成一種稱作等離子體的電弧形式，其在圖4中被表示為閃電40。只要電場存在這種過程就會持續(xù)。
發(fā)明人已經(jīng)觀察到剛剛描述過的運行的一個結(jié)果。如圖5所示，絕緣體30被從虛幻形50腐蝕變成彎曲形53。另外，電極27被從虛幻形56腐蝕變成實體形59。轉(zhuǎn)角33A也被腐蝕。
發(fā)明者相信一個或者多個下述因素導致了腐蝕。一個因素是等離子體的腐蝕性能自由電子非常活潑，并且尋求去與其附近的任意合適的原子或者離子結(jié)合。同樣，存在于空氣中的氧氣的自由電子的產(chǎn)生，產(chǎn)生了電離的氧，其也是高活性的。
第三個因素是等離子體產(chǎn)生了一個高溫的環(huán)境。該高溫定義為代表具有高速度激發(fā)的原子和分子。當高速度的原子和分子與穩(wěn)定物質(zhì)相碰撞時，這些高速度的原子和分子更容易與該穩(wěn)定物質(zhì)起反應(yīng)。
第四個可能的因素就是等離子體產(chǎn)生紫外線UV形式的高頻光子，并且可能處于光譜中X射線的區(qū)域。眾所周知UV和X射線能損壞多種類型的物質(zhì)。
不考慮腐蝕的確切的原因，在圖5中所示的腐蝕最終將導致點火器12最終停止作用。在圖6中示出了主要的原因。先前，在腐蝕之前，電壓施加在圖6中的點P1和P2之間。但是，在腐蝕后，點P2已經(jīng)有效地移動到點P3。距離D現(xiàn)在變成了較長的距離D2。因此，產(chǎn)生電離和等離子體的電場現(xiàn)在變?nèi)趿恕?br> 繼續(xù)上述給出的例子，如果距離D2為20毫米，那么電場變成20,000/0.020，或者每米一百萬伏，是其原始值的一半。最終，距離D2變得如此大以致電場沒有可靠地超過空氣-燃料混合物的介質(zhì)擊穿強度，從而電離停止發(fā)生。
圖7表示了本發(fā)明的一種形式。輔助電極72嵌入絕緣體75中。在區(qū)域81中尖端78被絕緣體材料覆蓋，如嵌入物84所示。如在區(qū)域90中所示，輔助電極72可以與殼體33相連。
起初，電流如箭頭84所示那樣進入電極27，通過等離子體85跳入殼體33，并且通過多個通道，例如通過箭頭86所示的其裝配螺線，脫離殼體33進入發(fā)動機中。
當腐蝕發(fā)生時，等離子體75脫離在圖8中虛幻線92所示的初始的形狀。輔助電極72的尖端78現(xiàn)在變得暴露?，F(xiàn)在，當高壓電施加到點火器上時，存在兩個通道用于等離子體發(fā)生。一個是圖9中的通常的通道P5。另一個如圖9中的P6所示，并且從中心電極27進入現(xiàn)在暴露的輔助電極72。
再次聲明，兩個電流返回通道對中心電極72是適合的。通道P5以通常的方式通到外殼33。通道P6通到現(xiàn)在暴露的輔助電極72。
最終，進一步的腐蝕將會拉長通道P5，并且導致沿著此通道的等離子體的形成終止。這就是說，在圖9中的通道P5起初是由圖6中的距離D所表示。在充分腐蝕后，圖9中的通道P5將被圖6中的距離D2所表示，并且如上面所解釋的，當距離D2變得足夠大時，沿著通道P5將沒有等離子體產(chǎn)生。
但是，此時在圖9中的輔助等離子體通道P6仍然是有效的。等離子體仍然可以被產(chǎn)生，增加了點火器的使用期限。
先前討論的在圖7中的輔助電極72為桿的形狀。圖10以透視圖的形式表示了這樣一種被絕緣體75所圍繞的桿。
在一個可替換的實施例中，采用了一圓柱體。圖11表示一個實施例的斷面圖。中心電極27被一絕緣體100所圍繞，絕緣體本身被導電管或者圓柱體103所圍繞，圓柱體被絕緣體105的另外一層所圍繞。圖12表示以剖面圖所示的系統(tǒng)，采用相似的編號。
圖13表示在制造后或者僅僅在安裝后的初始構(gòu)造的絕緣體100。中心電極27的尖端110被暴露，并且被絕緣體100的錐形表面113所圍繞。圓柱形輔助電極103嵌入到絕緣體100中，并且沒有尖端或者邊緣暴露，如圖12中的距離D8所示。
先前的討論表明輔助電極72可能在圖7中的區(qū)域90中被連接。在另一個實施例中，圖14中的輔助電極72也接地，但是是通過一檢測器150接地。檢測器150搜尋在輔助電極72中的電流。電流檢測器是公知的。
如果沒有檢測到電流，如圖7所示，可以推斷輔助電極72仍然嵌在絕緣體75之中，并且與中心電極是電絕緣的。
相反，如果檢測到了電流，如圖9所示，可以推斷出輔助電極由于腐蝕而被暴露。檢測電流歸因于一跟隨通道P6的等離子體。當電流被檢測到時，檢測器150發(fā)出一信號，設(shè)立一標記，或者以別的方式表明由于腐蝕使輔助電極暴露的推論。在那時，或者在一規(guī)定的時間后由技術(shù)人員更換此點火器。
一個可替換的檢測模式是移開點火器并且視覺上觀察在圖2中末端E相應(yīng)的端部。如果看到的一平滑的絕緣體100表面，如圖13所示，那么就可以推斷出點火器仍然是有效的。然而，如果能看到輔助電極72，如圖8所示，那么就可以推斷出需要進行更換了。
在另一個實施例中，輔助電極設(shè)置變得暴露，并且然后迅速腐蝕。圖15中，從左到右所示，首先表示一個新安裝的點火器160。在一段時間的使用后，點火器165暴露了其輔助電極72?，F(xiàn)在一等離子體P6延伸至輔助電極72上。
但是，如上所述，輔助電極72的設(shè)計能快速腐蝕。例如，如嵌入物170所示，輔助電極72由一尖端所構(gòu)成。等離子體6導致尖端變得迅速地腐蝕，如在框170中的小微粒所示。此運行導致了兩個過程的特殊順序。
一個過程就是在輔助電極變得第一次暴露時，電流通過其中。電流被圖14中的檢測器150所檢測到。接下來，在輔助電極斷裂或者腐蝕后，沒有電流通過其中。
這樣的順序的一個原因如圖16所示。開始，電壓V跨過距離D9，產(chǎn)生了一個等于V/D9的電場。在斷裂或腐蝕后，同樣的電壓V跨過距離D10。電場等于V/D10，這是一個較小的值。后一個電場不足以產(chǎn)生等離子體，但是前一個可以。
在一個實施例中，剛剛描述的兩個過程的發(fā)生在點火器期限的終止之前。因此，這種終止由通過輔助電極72的電流的發(fā)生所發(fā)出的信號而知，跟隨著是電流的終止。電流的開始表示期限終止的接近，但是仍然存在可運行發(fā)動機的時間。后來電流的終止表示只剩下較少的時間，則點火器的更換變得更加重要。
圖17表示了輔助電極72的一個實施例。提供一管頸，或者凹槽190，其使得在圖15中嵌入物170示意性示出的斷裂變得容易。凹槽190被有意構(gòu)造到輔助電極72上的機械脆弱的區(qū)域。在圖8所示的腐蝕之前，該脆弱是不重要的，因為對電極的機械支持是由絕緣體75所提供的。
上述論述表明高壓電是施加到電極27上。將低壓電施加到電極27上完成相同的產(chǎn)生等離子體的功能是可能的。
圖18表示另一個實施例。一航空器300由燃氣輪機(圖中未示出)提供動力，該燃氣輪機位于引擎機艙305中。每一個發(fā)動機包含一個或多個如上述的點火器。該點火器可能包含一輔助電極，如上所述，或者可能是現(xiàn)有技術(shù)類型的點火器。
圖19表示一點火器308。本發(fā)明添加了一傳感器，如感應(yīng)線圈310。該感應(yīng)線圈310與所示的點火器同軸。這種特殊的同軸設(shè)置被采用在一個實驗中，以確定在點火器產(chǎn)生電火花時，線圈是否能檢測到信號。
這種同軸設(shè)置不是必需的。在本發(fā)明的一種形式中，線圈320可以如圖20中最右邊的兩個圖那樣布置。在電力電纜315中的電流I所產(chǎn)生的磁力線B與產(chǎn)生磁力線B的電流是同心的。由于電流流過整個電纜315，并且流過點火器308，磁力線B沿著電纜315和點火器308兩者延伸。
按照法拉第定律，如中央的圖像所示，當線圈320與磁力線B垂直時，能實現(xiàn)優(yōu)化耦合。
在本發(fā)明的另一形式中，一可能由變壓器鐵芯構(gòu)成的高導磁性環(huán)326布置在點火器或者電纜315附近，并且線圈320纏繞著環(huán)326。該環(huán)326捕捉磁力線B，并且將它們輸送到線圈320中。在這種設(shè)置下，穿過環(huán)326的磁力線B也穿過線圈320。
術(shù)語高導磁性的一個定義是高導磁性材料的相對導磁性超過1000。作為參照點，許多鋼的相對導磁性在4,000的范圍內(nèi)。具有相對導磁性的材料接近一百萬。
在本發(fā)明的又一種形式中，采用了一現(xiàn)有的鉗式電流檢測器(圖中未示出)。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)盡管缺乏在圖20中的垂直特征，在圖19中的線圈310產(chǎn)生了一響應(yīng)于點火器308內(nèi)電流脈沖的檢測信號。發(fā)明人提出了關(guān)于該信號的下面觀察，以及其檢測。
圖21為一點火器電路的電氣簡圖。模塊330表示激勵器，其包含在導電殼體中(圖中未示出)。激勵器330產(chǎn)生一高壓脈沖序列，從而在點火器340中產(chǎn)生電火花。
電力電纜335傳輸高壓電流脈沖到點火器340中。高壓脈沖的一種類型是在20,000伏的范圍內(nèi)。脈沖頻率的一種類型存在于范圍10Hz中，也就是說，每秒10個脈沖。脈沖的一種類型具有10毫秒的持續(xù)時間。因此在這個例子中，占空比為10％(0.10/0.100)。
圖表331表示剛才所述的脈沖。在這個例子中持續(xù)時間D是10毫秒。在這個例子中周期T是100毫秒，相當于頻率1/T，或者每秒10個脈沖。
在圖21中，一罩345圍繞著電力電纜335。罩345可以為固體導管，編織傳導套管，兩者的結(jié)合，或者其它類型的罩。該罩345與點火器340的機殼350相連，并且機殼350與發(fā)動機的機架或者外殼352相連，該機架或者外殼被認為是DC接地點。
罩345提供了對電磁干擾的抑制并且也防止了人員接觸高壓電纜335。盡管電纜335本身被厚的絕緣罩所圍繞，罩345提供了多余的安全措施。
在所述的布置下，激勵器330的外殼(圖中未示出)，罩345和點火器340的機殼350都與發(fā)動機的機架352相連，并且被認為保持在DC接地點。
在圖21中所示裝置典型分析的一種類型表明下述的機制能對點火運行進行解釋。在圖表331的持續(xù)時間D的每個高壓脈沖中，由高壓電纜335提供的電流到達點火間隙355，跳過該間隙355，并且沿著通道360通過發(fā)動機機架返回到激勵器330中。在這種運行機制下，表明在圖19中所示類型的線圈310對檢測電流脈沖無效的理由能被搜集。
一個基本的理由就是，在理論上，線圈310檢測不到電流，因為在理論上，沒有磁力線B穿過線圈310的橫截面積。而法拉第定律表明這種穿過是需要的。
考慮到另外的理由，有兩種情況需要區(qū)分DC情況和AC情況。在DC情況中，如果在圖21中的DC電流由高壓電纜335輸送，那么在圖20所示類型的靜止的磁力線B則會出現(xiàn)。如果線圈如圖19所示布置在點火器的附近，并且如果點火器的外殼350由高導磁性的材料構(gòu)成，例如鋼類型，則外殼將會中斷一些或者所有的B磁場，并且可能抑制靜態(tài)B磁場的檢測。據(jù)說包括點火器外殼350和罩345的護罩可作為包含靜態(tài)DC磁場的法拉第罩。因此，可能存在一個理由表明在圖19中的線圈310不會檢測到電流脈沖。
這個理由也能運用到緩慢變化的電流。也就是說，法拉第罩也可能阻止緩慢變化的磁場。
在AC情況下，電磁輻射會從圖21中的電纜335和和點火器350中發(fā)出，特別是由于電流脈沖包含高頻組件。高頻組件通常更容易至少從短天線產(chǎn)生輻射，該短天線的長度等于波長的一部分。與導磁性相反，罩345和外殼350的導電性可以阻擋由電流脈沖產(chǎn)生的輻射。在一種機制中，堵塞通過反射發(fā)生輻射的電磁場在罩345和外殼350中感應(yīng)出電流，其在內(nèi)部朝向電纜335輻射它們自身的電磁場。輻射場有效地把進入的輻射反射回電纜335中。
同樣，如上所述，罩345和點火器外殼350都接地。在理論上，這些接地裝置分流所有的AC信號到地，因此能防止它們輻射電磁能量。
因此，至少存在前述的理由，其表明在圖19中的線圈不能有效的檢測到圖21中電纜335中的電流脈沖。
發(fā)明人已經(jīng)觀察到，或者假定所有的返回電流可能沒有流過在圖21中的通道360。返回電流指跳過火花間隙355后返回到激勵器330中的電流。發(fā)明人推測一些返回電流可能沿著包括圖21中的罩345和外殼350的護罩系統(tǒng)流動。圖22為這種推測的一種表現(xiàn)。
電阻器R1表示從火花間隙355到激勵器，通過發(fā)動機機架的接地通道的較小電阻，并且大致上相當于圖21的通道360。電阻器R2表示從火花間隙355到激勵器的通道的較小電阻，但是通過護罩系統(tǒng)。該護罩系統(tǒng)包括點火器的外殼350和罩345。R1和R2起源于火花間隙，或者起源于火花間隙355附近，但是它們代表不同的到激勵器330的線路。
在這種推測下，盡管存在上述的理由，檢測到通過R2的返回電流是可能的。
在此上下文中，發(fā)明人指出，檢測通過另一個電阻器R1的返回電流通常被認為是不實際的。電阻器R1尤其代表發(fā)動機本身。一個簡單的，精確的和可靠的途徑來檢測在發(fā)動機中的返回電流看起來是不實際的，至少一個原因是在跨越整個發(fā)動機或者發(fā)動機的大部分中，適合返回電流通道的數(shù)量是如此之大。
但是，由電阻器R2所代表的通道從電流檢測的觀點來看是局部的，不連續(xù)的實體，并且沒有包含在罩中。因此，如果返回電流脈沖在R2中傳播時，那么通過檢測在R2中的電流，也就是在護罩系統(tǒng)中的電流，可能檢測到由脈沖產(chǎn)生的磁場或者電磁輻射。
采取了一個實驗，采用在圖19中線圈310，并且發(fā)現(xiàn)當激勵器產(chǎn)生一火花脈沖時，線圈310產(chǎn)生一檢測信號。
可以觀察到線圈310可檢測到一個或者更多的跟隨電流。線圈310可檢測到在圖21中的電纜335中的電流脈沖，與上述理由相反護罩系統(tǒng)可能不是完全的有效。另一方面，在圖19中的線圈310可檢測到在點火器外殼350中的返回電流脈沖?；蛘呔€圈310可檢測到剛才識別的兩電流的總的或者不同的一些類型。
在線圈310中檢測到的信號是較弱的，因此需要進行放大。但是，線圈310的運行環(huán)境在這方面提供了困難。
在圖8的航空器300的運行中，在圖19中的線圈310將位于溫度超過400F的的環(huán)境中。也就是說，在正常運行過程中，在圖19中點火器308的外殼350顯現(xiàn)為至少400F的溫度，并且線圈310固定在外殼上面或者與其相鄰。
如果采用固態(tài)放大器來放大由線圈310產(chǎn)生的信號，這樣的高溫會產(chǎn)生問題。然而，采取充分的預防措施，一個電子的，晶體管化的放大器可用來檢測由線圈310產(chǎn)生的信號。
在本發(fā)明的一種形式中，沒有采用固態(tài)放大器，至少沒有在400度溫度附近的環(huán)境中采用。相反，采用了一無源的放大器，僅僅采用了電阻性，電容性和電感性的元件，沒有例如是晶體管或者真空管的有源元件。有源元件的一個定義是能放大輸入信號的功率輸出功率大于輸入功率。無源元件不具有功率放大的性能。
例如在圖23中串聯(lián)的RLC電路能設(shè)計成在一定的條件下產(chǎn)生一穿過電容器C的放大電壓。這種放大在由William Hayt和Jack Kemmerly編寫的書名為“工程電路分析”(ISBN007-027410-X，McGraw-Hill，1993)，標題為“頻率響應(yīng)”的13章中有所討論。這些文本在這里作為參考而結(jié)合。
放大的條件包括下述的情況。第一，信號源Vin為正弦曲線并且頻率不變，這通常稱為正弦曲線穩(wěn)定狀態(tài)。第二，選擇電容器C和電感器L的值，使得其在點P1和P2表現(xiàn)出的為完全真實的輸入阻抗，而不具有無源元件。這種情況稱為共振，并且共振頻率的值如圖23中所示，omega-sub-zero。
在這些情況下，穿過電容器的電壓VC將等于ABS(Q)×Vin，如圖23所示，其中ABS表示電路品質(zhì)因數(shù)Q的絕對值或者大小。Q的定義如圖23所示。因此，例如，當Q為10時，能實現(xiàn)十倍的放大。
因此，現(xiàn)有技術(shù)指出串聯(lián)的RLC電路能提供對正弦波輸入的電壓放大。與電壓放大不同，上述文中表明雙重串聯(lián)的RLC電路，也就是并聯(lián)RLC電路，提供了電流放大。
一計算機模擬將描述電壓放大。
圖24表示采用市場上可買到的SPICE程序進行模擬的電路。提供為了使該電路與發(fā)明中的電路模型一致的變壓器372，這將在后面進行討論。電阻器R，電容器C和電感器L的值被標出。這些值在所有模擬過程中保持不變。
圖25-28表示在圖24的電路上進行的四個模擬的結(jié)果。在圖24中采用一輸入信號Iin，該信號為兩安培峰-峰正弦曲線的形式，在這些圖中被示出。輸入信號的頻率在每個模擬過程中被改變。
在圖25中，輸入頻率為50Hz。左軸表示輸入信號Iin。右軸表示穿過電容器的電壓VC，其表示在圖25中?？梢郧宄乜吹?，在50Hz時，輸出Vc為一峰-峰間約為200伏的正弦曲線。
在圖26中，輸入頻率為750Hz。可以清楚地看到，在750Hz時，輸出Vc為一峰-峰間約為3,200伏的正弦曲線。
圖24的共振頻率約為2517Hz，采用在圖23中給出的omega-sub-zero表達式計算出。在圖27中，輸入頻率為2517Hz，清楚地表明在2517Hz時，Vc為一峰-峰間約為32,000伏的正弦曲線。
在圖28中，輸入頻率為50kHz，也就是50,000Hz。清楚表明在50kHz時，輸出Vc為一峰-峰間約為200伏的正弦曲線。
圖25-28與串聯(lián)的RLC電路能放大穩(wěn)定狀態(tài)的正弦曲線的假設(shè)一致。在共振頻率，Vc較高，在共振時為32,000伏，并且在其它頻率時，Vc較低。著重指出的是圖25-28沒有代表在圖19中的線圈310所產(chǎn)生的電壓，但是在假定的條件下，代表了圖24中的電容器C。
發(fā)明者研究了在輸入信號不是一穩(wěn)定狀態(tài)正弦曲線時，在圖24所示類型的一RLC電路能否產(chǎn)生類似的放大，但是該類型的一系列的脈沖能用來給在此討論的點火器供電。實驗結(jié)果表示一肯定的答案，并且在此討論的計算機模擬提供了合理的理由。
在圖29中，線圈370表示電力電纜315。電力電纜實際上是一單回路的設(shè)備，但是在圖24中的線圈370表示一多回路的設(shè)備，這是為了著重強調(diào)電力電纜作為變壓器373的初級線圈的使用。
線圈375表示在圖19中的感應(yīng)線圈310，但是也可以采用類似圖20中的線圈320的線圈。在圖29中，電容器C和電阻器R添加到感應(yīng)線圈375上，以尋求放大作用。著重強調(diào)的是選擇圖29的電路元件來承受與環(huán)境相一致的運行溫度，尤其是環(huán)境溫度，并且也包括溫度的波動，這些元件在該環(huán)境中使用。
發(fā)明者發(fā)現(xiàn)對于一給定的脈沖序列，一仿真的共振頻率可首先被計算。然后，通過一種方法，該仿真共振頻率可作為通常的正弦波穩(wěn)定狀態(tài)共振頻率，相應(yīng)于圖23中的omega-sub-zero。采用仿真共振頻率時，電感L和電容器C的值以通常方式選擇，但是需要認識到(1)一仿真共振頻率被采用并且(2)穩(wěn)定狀態(tài)正弦波共振將不應(yīng)用。相反，取得的L和C值與一脈沖輸入一起使用。
實踐中，電感L的值被圖19中使用來構(gòu)造線圈310的材料和幾何結(jié)構(gòu)所確定，從而設(shè)計者所控制的值僅僅為電容器C的值。
一旦基于仿真共振頻率的L和C的值被選定，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到圖29中的變壓器372的脈沖序列的放大能夠發(fā)生。
另一方面，仿真共振頻率能用圖表進行確定，并且這將被一系列例子所闡述。圖30表示圖29中的電路的模擬輸出，但是當其被圖30中輸入信號400所激勵時，成為一三角電流脈沖，其應(yīng)用到圖24中的線圈370上。在圖25中用于模擬的元件值為R為500歐姆，L為1亨利，并且C為0.40微法，如圖30所示。橫軸表示時間，單位為毫秒。如前所述，左軸表示輸入信號，并且右軸表示輸出信號，其為圖24中穿過電容器C的電壓。
圖30表示輸出為一延遲的正弦曲線，其第一峰值在點405處，為正250伏左右，然后的峰值在點410處，為負175伏左右，如此等等。該輸出響應(yīng)通常在RLC電路中稱為欠阻尼響應(yīng)，并且也稱為振鈴。
圖31表示一采用同樣三角輸入的模擬，并且采用與圖30中的同樣的元件值，但是電容器C的值為先前值的十分之一，現(xiàn)在為0.040微法?？梢钥吹巾憫?yīng)頻率增加，與C值的減少一致。而且，Vc的振幅增大現(xiàn)在峰值在點415處，為2.4千伏左右。
圖32表示一采用同樣三角輸入的模擬，并且采用與圖31中的同樣的元件值，但是電感器L的值被減半，現(xiàn)在為0.5亨?？梢钥吹巾憫?yīng)頻率增加，與L值的減少一致。而且，Vc的振幅增大現(xiàn)在峰值在點420處，為2.8千伏左右。
圖33表示一采用同樣三角輸入的模擬，并且采用與圖32中的同樣的元件值，但是電感器L的值被減至先前值的20％，現(xiàn)在為0.1亨?？梢钥吹巾憫?yīng)頻率增加，與L值的減少一致。而且，Vc的振幅增大現(xiàn)在峰值在點425處，為3.3千伏左右。
圖34為圖33的展開圖，跨距是從0到2.0毫秒，并且闡述了一個仿真共振頻率的概念。時間T表示響應(yīng)的周期。響應(yīng)的頻率F，單位為Hz，當然為1/T。F為電路的共振頻率，并且在圖24中被定義。
圖30-34表示以圖表的方法來選擇一仿真共振頻率。在某種意義上，為選擇L和C的值以獲得一輸出波形的方法，如圖34所示，其中第一正弦波的上半部分與輸入波形相似。例如上半部分425與輸入波形有些相似。另一方面，采用一更加精確的方法。
在圖34中，T/2的值定義為電路共振頻率的半周期。T/2為一延遲正弦波的峰值正值或者負值的持續(xù)時間。發(fā)明者指出在圖30-34的系列中，當圖34中的T/2接近圖34中的三角輸入脈沖的持續(xù)時間TT時，對電壓的放大增加。也就是說，通過改變圖24中的L和C值使T/2接近持續(xù)時間TT，電容器電壓Vc增加。
這里闡述了設(shè)置仿真共振頻率的一個方法。選擇電感L和電容C的值從而能產(chǎn)生一共振頻率，該共振頻率的半周期T/2等于輸入脈沖的持續(xù)時間TT。但是輸入被脈沖調(diào)制，或者在圖30-34的模擬的情況下，為三角脈沖。
如果輸入脈沖是矩形波而不是所示的三角波時，也能采用這種計算。輸入脈沖的持續(xù)時間相應(yīng)于圖34中的持續(xù)時間TT，該輸入脈沖例如是在圖21中的圖表331中的D。然后持續(xù)時間D相應(yīng)于單位為Hz的頻率1/D。該頻率作為仿真共振頻率，并且采用在圖23中給出的公式對L和C進行計算，采取合適的轉(zhuǎn)換到弧度的方法。
在另一個方法中，仿真共振頻率基于輸入脈沖的上升時間或下降時間進行選擇。在圖34中，上升時間大約為一微秒，即從點430上升到點435所需的時間。選擇仿真共振頻率使得T/4，也就是四分之一周期T等于上升時間。相應(yīng)的對L和C進行選擇。
相似的規(guī)則運用于下降時間。
輸入脈沖可以為矩形脈沖。當然，該脈沖不是嚴格意義上的矩形開始端和尾端具有有限的上升和下降時間。選擇仿真共振頻率使得T/4，也就是四分之一周期等于上升時間，這與三角波情況相類似。
需要指出的是仿真共振頻率主要由圖1中的周期D所決定。然而，周期D不是脈沖序列的頻率。相反，頻率等于1/T。因此，仿真共振頻率不完全取決于輸入頻率，也不完全取決于脈沖序列的占空比，因此以仿真共振頻率計算出的L和C的值也不完全取決于上述兩因素。
先前討論的用來選擇仿真共振頻率的方法是基于輸入脈沖的時間。在本發(fā)明的又一形式中，仿真共振頻率由試探法決定。如在圖24中所示的實際電路運行模擬，或者通過例如是SPICE的能模擬該電路的計算機軟件進行。選擇可變的L和C值，然后采用這些需要被放大的值。
但是，L和C的尺寸被實際考慮的因素所限制。例如，在一給定的條件下，共振的獲得需要一物理尺寸極大的電容器。因此，在一些情況下，選擇元件從而提供在非共振條件下的運行，但是仍然提供了足夠的放大。
需要指出的是，計算機模擬的方法可以非常簡單，假定許多SPICE程序允許參數(shù)進行掃描。也就是說，在掃描過程中，諸如L的參數(shù)的值在一范圍內(nèi)進行選擇，并且在該范圍內(nèi)使用的值的數(shù)目是指定的。在掃描過程中，幾乎成千或者數(shù)百萬的不同的L值以及C值被選擇并且進行測試，這些都使用計算機機程序而很少有或者沒有人工參與。
然后實驗者對結(jié)果進行研究并且選擇其所需的。
在仿真頻率時，L和C的值被計算出來并且這些值提供了具體的阻抗。這些阻抗為計算出的相量阻抗，好像激勵為穩(wěn)定狀態(tài)的正弦曲線。也就是說，在仿真共振頻率，L和C的阻抗的總和設(shè)置為0。
也就是說，jwL+1/jwC＝0，其中L為電感值，C為電容值，w為偽共振頻率，并且j為虛數(shù)運算符。一旦w被選定，則L和C被選擇以滿足上述給出的公式。
因此，對L和C的所需的值進行計算，好像系統(tǒng)運行在穩(wěn)定狀態(tài)的正弦曲線模式，但是，然后L和C被使用在脈沖調(diào)制輸入模式中。
另外，R的值可以是重要的。在本發(fā)明的一種形式中，圖24的RLC電路設(shè)計用來顯示一欠阻尼響應(yīng)，從工程意義上講，使得脈沖產(chǎn)生的激勵感應(yīng)出稱為振鈴的正弦波響應(yīng)。正弦曲線的包絡(luò)線以指數(shù)規(guī)律衰減。R的值決定了衰減的速度。在本發(fā)明的一種形式中，R被選擇使得下面事件發(fā)生。
首先，電流脈沖產(chǎn)生電火花。該脈沖激勵RLC電路，例如在圖29中所示的那樣。RLC電路進入振鈴，如圖31-34所示。但是對R進行選擇使得在下一個脈沖到來之前振鈴正弦曲線能充分衰減，使得下一個振鈴正弦曲線能與現(xiàn)在的相區(qū)別。
在一個實施例中，在圖35中的振鈴正弦曲線在1/2T內(nèi)減少至其原始振幅A的50％。同時在任意選擇的0.05T和0.9T之間的時間內(nèi)，預期減至50％。
1996年6月4日，由Frus發(fā)表的，申請?zhí)枮?58,091的美國專利5,523,691描述了在航空器發(fā)動機中的點火器中檢測電火花的一種方法。Frus指出，在其圖1A中的電感L1首先被一電流充電。當正常電火花發(fā)生時，電感L1通過點火器火花塞迅速放電。
但是，如果點火器火花塞不能產(chǎn)生電火花，則電感L1將火花塞看作為一非常高的電阻。在這種情況下，電感L1通過包含在電壓分配器27中的一電阻器放電。這種較遲的放電需要明顯更長的時間。Frus檢測放電的時間長度，并且當更長的放電被檢測到時，他推斷沒有產(chǎn)生電火花。
Frus同時說明，如果由激勵器13產(chǎn)生的電壓下降到低于預定的值時，電火花不能產(chǎn)生。Frus討論了一種方法來檢測這種失效。
發(fā)明人認為在Frus文中的電感L1不能與本申請圖19中的線圈310產(chǎn)生相類似的用途。例如，F(xiàn)rus文中的電感L1傳送輸送到點火器火花塞中的電流。相反，線圈310則不具備此用途。
另外的不同是Frus文中的電感L1必須設(shè)計得能抵抗確切的超過1,000伏并且可能超過20,000伏的電壓。因此，需要從實際的電感L1中延伸的輸入和輸出之間產(chǎn)生有效的絕緣，同樣在該設(shè)備中盤繞的導線附近也需要有效的絕緣。相反，圖19中的線圈310需要承受較小的電壓。在一個實施例中，線圈310被設(shè)計成一電感，在其兩端的運行電壓在三個不同的實施例中分別不超過5，10或者100伏。
另外，F(xiàn)rus文中的電感L1看起來不能存在于溫度超過400F的環(huán)境中。
在本發(fā)明的一種形式中，當燃氣渦輪機起動時，采用了一特定的起動順序，如圖18中所示的航空器中所示。飛行員運行一起動系統(tǒng)以使發(fā)動機中的轉(zhuǎn)子(圖中未示出)旋轉(zhuǎn)，或者指令一控制系統(tǒng)(圖中未示出)以開始啟動程序。一燃料控制器(圖中未示出)輸送燃料到燃燒器中。在燃燒器中的點火器被啟動。
如果發(fā)動機的點火沒有被檢測到，則飛行員檢查在圖18中的指示器500。指示器500位于航空器中飛行員的位置，通常稱為駕駛艙。該指示器從檢測器505中接收信號，該信號是響應(yīng)于在圖19中的電容器C所產(chǎn)生的電壓信號，該信號定義為火花信號。如果火花信號表示點火器正在產(chǎn)生電火花，則指示器500通過指示燈表示產(chǎn)生了電火花。如果火花信號不存在，則指示器不產(chǎn)生指示，表示不存在電火花。
從另一個角度講，指示器500與汽車中類似的指示器進行相反的工作。例如，在汽車中的油壓指示器燈點亮則表示發(fā)生了問題。相反，當問題不存在時，則指示器500點亮，也就是說，此時點火器正在產(chǎn)生電火花。
提供一開關(guān)510，使得在不需要電火花的信息時，能允許飛行員關(guān)閉指示器500?？商鎿Q的，圖中未示出的控制系統(tǒng)能控制何時指示器500能顯示其信息。
圖36表示了本發(fā)明的兩種形式。點火器550具有最接近端555和遠端560。最接近端具有一外殼565，在這種情況下，外殼為圓柱形或者橫截面是圓形。其它的橫截面形狀也是可能的。
圖中顯示了一可分開的殼體570，其包含線圈L，電容器C和電阻R，與圖29中的相應(yīng)的元件相類似，如模塊RLC所示。連接器，接線導線，同軸電纜575或者類似的元件允許對通過電容器C或者其它選擇的元件的電壓進行外部檢測。
外殼570包含一孔隙580，該孔隙的橫截面與外殼565的橫截面相匹配。匹配的形狀意味著兩形狀相同，并且具有相同的尺寸，使得孔隙580能與外殼565緊密的配合。
在本發(fā)明的一種形式中，電感L纏繞在點火器軸線周圍，如圖19所示。在本發(fā)明的另一形式中，一高導磁性環(huán)圍繞著點火器，并且捕捉進入點火器的電流產(chǎn)生的磁力線B。如圖20所示，電感L纏繞在環(huán)的周圍。
在本發(fā)明的另一形式中，電火花檢測器RLC與點火器整體構(gòu)成，如圖36中的點火器600所示。
本發(fā)明的幾個另外的方面如下面所述。在本發(fā)明的一種形式中，在圖19A中的轉(zhuǎn)接器311被提供，并且安裝在發(fā)動機或者燃燒器(兩者都未示出)上。點火器螺線接入轉(zhuǎn)接器中。轉(zhuǎn)接器包含整體線圈310，該線圈實施上述的檢測功能。
RLC電路沒有必要在共振時運行。相反，RLC電路可以看作能實現(xiàn)兩種功能。第一為放大在電感L中產(chǎn)生的脈沖。第二為RLC電路產(chǎn)生振鈴，或者衰減的正弦曲線。振鈴導致檢測信號能持續(xù)一段比感應(yīng)出振鈴的脈沖還更長的時間，從而使得脈沖更容易被檢測。
圖34是三角波的例子。在點火器中使用的實際的信號不需要是三角的，但是取決于所使用的特定點火器的需要。同樣，點火器的物理屬性隨著其使用期限而變化，并且這些屬性影響施加到點火器上的脈沖的形狀。眾所周知，通過在電容器中的模擬，電流和所施加的AC電壓相位不同。電容器的內(nèi)部電阻隨著其使用期限而改變。這種改變將會導致在電流和電壓之間的相位角發(fā)生變化，這樣闡述了這樣一個觀點，就是施加到實際物體上的電壓的變化能改變在該物體中產(chǎn)生的電流。
在此的討論構(gòu)架在諸如圖24中的R，L和C的分散的，集總的的電路元件上。但是，觀察到能夠用分配的元件實現(xiàn)相類似的結(jié)果。
上述運用在燃氣輪機中只是一個實施例。通常，本發(fā)明一般運用到燃氣輪機上，該燃氣輪機應(yīng)用在航空器，陸地車輛，船舶，發(fā)電和其它裝置上。而且，本發(fā)明通常運用到點火器中的電火花的檢測上。
添加一泄漏電阻器(bleed resistor)用來從圖24中的電容器C以及在RLC電路中相應(yīng)的電容器中放出電荷。該泄漏電阻加劇振鈴的衰減，這樣導致振鈴消失的更快。
通常，選用R，L和C的值用來提供一檢測信號，例如在電容器C上。檢測信號的定義可參照K型熱電偶獲得，該熱電偶廣泛地使用在燃氣輪機中。這種熱電偶產(chǎn)生的信號在250毫伏范圍內(nèi)。因此，檢測信號的一個定義可以是一超過250毫伏的信號。與該信號的定義一致，在一個實驗中，發(fā)明人獲得一個穿過電容器C的470毫伏的信號。
本發(fā)明的一個特征就是允許RLC電路中的電容器設(shè)置在遠離其它組件的位置，這樣就能位于比在圖19中線圈310的位置更冷的位置。在一個實施例中，電容器C能位于室溫的環(huán)境中，或者比室溫更低的環(huán)境中，其中室溫標稱為75F。
這點很重要，因為許多電容器具有的實際的溫度限制為175F。但是在圖19中的線圈310的位置可能超過了400F。
上述討論是關(guān)于對表示發(fā)生在操作臺的正常電火花信號的傳輸。該信號也可以傳送給維修人員，可以傳送給使用該燃氣輪機的設(shè)備，或者傳送給遠方維修人員。該信號也能傳輸?shù)蕉鄠€操作臺。
在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以進行許多替換和修改。例如，上述討論的局限在航空器燃氣輪機。但是，本發(fā)明能運用到其它類型的燃氣輪機，例如用于發(fā)電的基于陸地的燃氣輪機以及泵，或者船舶中。另外，本發(fā)明不僅僅局限于燃氣輪機上，也通常能使用在點火器中，該點火器被使用在不同的燃燒應(yīng)用中。
同樣，如上所解釋的，本發(fā)明不需要運行在較熱的環(huán)境下，但本發(fā)明確實提供了能抵抗高溫的能力，。
本發(fā)明所要保護的內(nèi)容由下面的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機(3)，其包括點火器(340)，從激勵器(330)到點火器(340)的電纜(335)，該電纜把電能傳輸給點火器(340)，第一導電罩(345)，該罩圍繞著電纜(335)并且連接到發(fā)動機，和第二導電罩(350)，該罩從外部導電罩(345)延伸并且圍繞著點火器(340)，一種方法，該方法包括a)維持一鄰接著點火器(340)的傳感器(310)；b)檢測在第一導電罩(345)或第二導電罩(350)兩者之一中的電流脈沖，或者對兩者中的電流脈沖都檢測；c)當檢測到電流脈沖時發(fā)出表示電火花存在的信號。
2.一種燃氣輪機(3)，其包括點火器(340)，從激勵器(330)到點火器(340)的電纜(335)，該電纜把電能傳輸給點火器(340)，第一導電罩(345)，該罩圍繞著電纜(335)并且連接到發(fā)動機，和第二導電罩(350)，該罩從外部導電罩(345)延伸并且圍繞著點火器(340)，一裝置，該裝置包括a)一與點火器(340)相鄰的線圈(310)b)裝置(150)，該裝置(150)檢測在第一導電罩(345)或第二導電罩(350)兩者之一中的電流脈沖，或者對兩者中的電流脈沖都檢測；c)當檢測到電流脈沖時能發(fā)出表示電火花存在的信號的裝置。
3.一種用于檢測電火花的裝置，該裝置包括a)電源(330)，其將高壓電施加到與火花間隙(355)相連的導線(335)上，從而在火花間隙(355)中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿；b)電流通道(360)，用于當擊穿發(fā)生時從火花間隙(355)中將返回電流輸送到電源(330)；c)圍繞著導線(335)的導電罩(345)；d)檢測器(150)，用來檢測在導電罩(345)中的電流，并且響應(yīng)于電火花存在的情況，發(fā)出表示電火花存在的信號。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中電流通道通向系統(tǒng)接地點。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中導電罩(345)與系統(tǒng)接地點相連。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中電火花發(fā)生在燃氣輪機中。
7.一種用于燃氣輪機中的裝置，包括a)點火器(340)，該點火器i)被外殼(350)所圍繞，ii)由電力電纜(335)供電，該電纜被導電罩(345)所圍繞，該導電罩與外殼(350)相連；b)檢測器(150)，該檢測器用于i)檢測在罩(345)，外殼(350)，電纜(335)或者它們的組合中的電流，但是不接觸電纜(335)，ii)響應(yīng)于電火花存在的情況，發(fā)出表示在點火器(340)中存在電火花的信號。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中發(fā)動機(3)提供動力給航空器(300)，并且信號被傳輸?shù)胶娇掌鞯牟僮髋_。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中檢測器(150)包括c)與罩(350)相鄰的線圈(310)，其中電流被感應(yīng)。
10.一種裝置，其包括a)具有機架(352)或殼體的燃氣輪機(3)，該機架(352)或殼體具有DC接地的電勢；b)發(fā)動機(3)的點火器(340)；c)供電電纜，其提供電流脈沖給點火器(340)；d)圍繞著供電電纜(335)的導電罩(345)，該罩與點火器(340)的外殼(350)相連，其中罩(345)和外殼(350)與所述接地電勢相連；e)激勵器(330)，其提供所述電流到點火器(340)中，并且接收來自點火器的返回電流，該返回電流流過i)所述罩(345)，ii)第二通道(360)；f)與所述外殼相鄰的檢測器(150)，其檢測下述的一個或多個i)電纜(335)中的電流脈沖；ii)外殼(350)中的電流脈沖；或iii)電纜(335)中的電流脈沖與外殼(350)中的電流脈沖之間的差。
全文摘要
用于在燃氣輪機(3)中檢測點火器(340)的電火花(40)的系統(tǒng)。點火器(340)產(chǎn)生等離子體(40)或者電火花，這與汽車火花塞有些類似。在本發(fā)明中，感應(yīng)元件(310)被設(shè)置地與點火器(340)相鄰，以檢測在點火器(340)中的電流脈沖，進而推斷出電火花(40)的存在。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種途徑是有效的，盡管存在這樣的事實，點火器(340)被接地罩(345，350)所圍繞，該罩用來抑制射頻干擾，并且保護人員免受高電壓的影響。罩(345，350)用于阻止本發(fā)明所檢測到的信號。
文檔編號F02P17/12GK1690388SQ200510064020
公開日2005年11月2日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者R·L·蓬茲亞尼, R·伊爾伍德 申請人:通用電氣公司