CN101832184A - 用于基于火焰可视化调节发动机参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于基于火焰可视化调节发动机参数的系统和方法。一种系统包括发动机(10)，发动机(10)包括燃烧室(16)和通入燃烧室(16)中的观察口(36)。发动机(10)还包括构造成以便通过观察口(36)获得燃烧室(16)中的火焰(80)的图像的摄像机(38)，以及配置成以便基于火焰(80)的图像来调节发动机(10)的参数的控制器(42)。

Description

用于基于火焰可视化调节发动机参数的系统和方法

技术领域

本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体地讲，涉及用于基于火焰可视化来调节发动机参数的系统和方法。

背景技术

大体上，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物来产生热的燃烧气体。燃烧可发生在径向地定位在燃气涡轮发动机的纵向轴线周围的多个燃烧器中。在涡轮机操作期间，燃烧器内可能会发生异常，这会增大受管制的燃烧产物的排放，以及/或者损害涡轮发动机内的构件。例如，燃烧器内不存在火焰、不当的火焰温度、燃料分配不当以及燃烧成分变化可增大排放。另外，逆燃/拢焰(flame holding)事件、非常过度的动态振荡以及贫喷射可能会增大排放且潜在地损害燃烧器和/或涡轮发动机。另外，来自压缩机的金属微粒可能会在燃烧器内熔化和飞溅，这表明了压缩机磨损，且燃烧器内的热涂层可能脱落。没有对这些异常的适当的检测和缓解，涡轮发动机可能就不能满足排放标准，且会承受降低的寿命。

发明内容

下面对在范围方面与初始要求保护的发明相称的某些实施例进行概述。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供对本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包括可类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。

在第一个实施例中，一种系统包括发动机，发动机包括燃烧室和通入燃烧室中的观察口。发动机还包括构造成以便通过观察口获得燃烧室中的火焰的图像的摄像机，以及配置成以便基于火焰的图像来调节发动机的参数的控制器。

在第二个实施例中，一种系统包括配置成以便接收来自摄像机的燃烧室内部的图像的控制器。该控制器还配置成以便基于图像来控制影响燃烧室中的燃烧的参数。

在第三个实施例中，一种方法包括获得来自摄像机的燃烧室中的火焰的图像。该方法还包括基于该图像来控制影响燃烧室中的燃烧的参数。

附图说明

当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：

图1是根据本技术的某些实施例的、具有配置成以便基于来自以光学的方式联接到燃烧器上的摄像机的图像来调节影响燃烧的参数的控制器的涡轮机系统的简图；

图2是根据本技术的某些实施例的、如图1所示的涡轮机系统的剖面侧视图；

图3是根据本技术的某些实施例的、如图1所示的燃烧器的剖面侧视图，其中摄像机、观察口和棱镜联接到该燃烧器上；

图4是根据本技术的某些实施例的、如图3所示的摄像机、观察口和棱镜的剖面侧视图；

图5是根据本技术的某些实施例的、如图4所示的摄像机和观察口的透视图；

图6是根据本技术的某些实施例的、如图1所示的燃烧器的剖面侧视图，其中多个摄像机构造成以便沿着燃烧器的表面平移；

图7是根据本技术的某些实施例的、如图1所示的涡轮机系统的剖面侧视图，其中纤维光缆将摄像机链接到燃烧器上；

图8是根据本技术的某些实施例的、如图1所示的燃烧器的剖面侧视图，其中多根纤维光缆将摄像机链接到燃烧器的各个区上；

图9是根据本技术的某些实施例的、燃烧燃料和空气以及基于火焰可视化来调节发动机参数的方法的流程图；

图10A和B是根据本技术的某些实施例的、基于火焰可视化来调节发动机参数的方法的流程图；以及

图11是根据本技术的某些实施例的、调节流到燃烧器的燃料流量的方法的流程图。

部件列表：

10)燃气轮机系统

12)燃料喷嘴

14)燃料

16)燃烧器

18)涡轮

19)轴

20)排气

22)压缩机

24)进气

26)负载

30)空气

32)流到燃料喷嘴中的空气流

34)流到燃烧器中的空气/燃料混合物流

36)观察口

38)摄像机

40)摄像机定位机构

42)控制器

44)棱镜

46)燃烧器头端

48)流动方向

50)燃烧区

52)燃烧器壳体

54)过渡件

56)燃烧器衬套

58)摄像机轴线

60)围绕轴线旋转

62)第一棱镜角

64)第二棱镜角

66)反射涂层

68)光路

70)光路相对于摄像机轴线的角度

72)轴线

74)轴线

76)摄像机围绕轴线72的旋转

78)摄像机围绕轴线74的旋转

80)火焰

82)摄像机平移方向

84)摄像机平移方向

86)纤维光缆

88)过程流程图

90-142)见流程图

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，在例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言特定的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的限制，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂及耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外还可存在另外的元件。

本公开的实施例可在没有操作员干涉的情况下通过在视觉上实时识别和修正潜在的异常来增强涡轮机系统操作。某些实施例可包括联接到涡轮机系统内的各个燃烧器上的可视化系统。可视化系统可包括通入燃烧器中的观察口、构造成以便通过观察口来观察燃烧器内部的摄像机，以及配置成以便接收来自摄像机的图像的控制器。摄像机可监视由燃烧器发射的各种光谱，例如可见光、红外线和紫外线。控制器可基于来自摄像机的图像或一系列图像来识别潜在异常。例如，控制器可识别例如火焰存在、火焰温度、逆燃、非常过度的动态振荡、燃料分配不当、燃料成分变化、贫喷射先兆或者它们的组合等状态。以通信的方式联接到燃料喷嘴和其它涡轮机系统构件上的控制器可调节燃料流量、进口导叶角度、进气加热以及/或者启动喷水系统来对检测到的状态进行补偿。如果没有恰当地解决状态，则通知操作员。在某些实施例中，摄像机联接到定位机构上，该定位机构构造成以便使摄像机相对于观察口平移和/或旋转，从而使得摄像机可监视燃烧器内的各个区。在另外的实施例中，纤维光缆使摄像机以光学的方式联接到燃烧器上。在这种实施例中，摄像机可包括多路复用系统，以监视来自多根纤维光缆的图像。

现在转到附图，并且首先参看图1，其示出了燃气轮机系统10的一个实施例的简图。该简图包括燃料喷嘴12、燃料供应14和燃烧器16。如图中所描绘的，通过通入燃烧器16中的燃料喷嘴12，燃料供应14将液体燃料或气体燃料(例如天然气)输送到涡轮机系统10。燃料喷嘴12构造成以便喷射燃料，且使燃料与压缩空气混合。燃烧器16点燃并燃烧燃料-空气混合物，且然后将热的加压排气传送到涡轮18中。排气穿过涡轮18中的涡轮叶片，从而驱动涡轮18旋转。继而，涡轮18中的叶片和轴19之间的联接将使轴19旋转，轴19还联接到涡轮机系统10各处的若干构件上，如图所示。最后，燃烧过程的排气可通过排气出口20离开涡轮机系统10。

在涡轮机系统10的一个实施例中，包括压缩机桨叶或叶片作为压缩机22的构件。压缩机22内的叶片可联接到轴19上，且将在轴19被涡轮18驱动而旋转时旋转。压缩机22可通过进气口24将空气吸到涡轮机系统10。另外，轴19可联接到负载26上，可通过轴19的旋转来对负载26供以动力。如所理解的，负载26可为可通过涡轮机系统10的旋转输出来产生功率的任何适当的装置，例如发电设备或外部机械负载。例如，负载26可包括发电机、飞行器的推进器等。进气口24通过适当的机构(例如冷的进气口)将空气30吸入涡轮机系统10中，以在随后通过燃料喷嘴12使空气30与燃料供应14混合。如下面将详细论述的，可以供给由涡轮机系统10吸入的空气30，以及通过使压缩机22内的叶片旋转来将该空气30压缩成加压空气。然后可将加压空气供给到燃料喷嘴12中，如由箭头32所示。然后燃料喷嘴12可混合加压空气和燃料，如由标号34所示，以产生用于燃烧(例如使燃料更加完全地燃烧以便不浪费燃料或造成过度排放的燃烧)的最佳混合比率。

涡轮机系统10还包括观察口36、摄像机38和联接到燃烧器16上的摄像机定位机构40。摄像机38可构造成以便通过观察口36来观察燃烧过程的各方面。例如，摄像机38可监视来自燃烧器16内部的可见光、红外线和紫外线发射，以检测各种火焰异常和/或结构缺陷。另外，摄像机38可为照相机或者能够随时间产生一系列图像的摄影机。定位机构40联接到摄像机38上，以有助于相对于观察口36旋转和/或平移。这样，摄像机38就可定位成以便观察燃烧器内部的各个区。

控制器42以通信的方式联接到摄像机38、定位机构40和燃料喷嘴12上。在某些实施例中，控制器42也可以以通信的方式联接到进口导叶、进气加热单元和/或喷水系统上。摄像机38构造成以便将燃烧器16内部的图像传输到控制器42。控制器42继而可分析图像，并且确定燃烧器16是否在操作参数内运行。例如，控制器42可构造成以便检测不当的火焰温度、金属飞溅、隔热涂层(TBC)脱落、火焰存在、过度的燃烧器振荡、贫喷射(LBO)先兆、逆燃/拢焰、燃料分配不当和/或燃料成分的变化(连同其它燃烧器状态一起)。或者，摄像机38可包括构造成以便检测任何上述状态，并且将检测到的状态传输到控制器42的电路。另外，控制器42可构造成以便基于识别的状态来调节燃料流量、进口导叶角度、进气加热，以及/或者启动喷水系统。例如，控制器42可调节流到燃烧器16中的燃料流量，以及/或者燃料喷嘴12之间的燃料分配。另外，控制器42可设定警告指示器，以通知操作员检测到的状态。控制器42还可通过指示定位机构40使摄像机38平移和/或旋转来调节摄像机38的位置。

图2显示了涡轮机系统10的一个实施例的剖面侧视图。如图所描绘的，该实施例包括联接到燃烧器16的环形阵列上的压缩机22。例如，六个燃烧器16位于所示涡轮机系统10中。各个燃烧器16包括一个或多个燃料喷嘴12，燃料喷嘴12将空气-燃料混合物供应到位于各个燃烧器16内的燃烧区。例如，各个燃烧器16可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10个更多个成环形或其它适当的布置的燃料喷嘴12。空气-燃料混合物在燃烧器16内的燃烧将使涡轮18内的桨叶或叶片在排气朝向排气出口20传递时进行旋转。

图2还显示了观察口36、摄像机38和定位机构40相对于各个燃烧器16的示例性位置。如图所示，玻璃型观察口36联接到燃烧器16上。玻璃型观察口36由耐热的透明材料构成，例如尤其是熔凝石英或人造蓝宝石。另外，在此实施例中，摄像机38位于燃料喷嘴12的下游，且定向成基本垂直于燃烧气体的流径。此构造可使摄像机38能够捕捉由燃料喷嘴12产生的火焰的图像。表明这些图像的电子信号可传输到控制器42以用于分析。如果控制器42确定了燃烧器16不在操作参数内执行，则控制器42可调节流到燃料喷嘴12的燃料流量，以进行补偿。或者，控制器42可调节进口导叶角度、进气加热，以及/或者启动喷水。

在图2所描绘的实施例中，各个燃烧器16包括单个观察口36、摄像机38和定位机构40。其它实施例可针对每个燃烧器16采用多个摄像机38。在这种实施例中，摄像机38可在各种位置处设置在各个燃烧器16附近。例如，摄像机38可径向地定位在各个燃烧器16的周边周围，以及/或者沿着各个燃烧器16的纵向轴线定位。因为燃烧器16通常由不透明的材料(例如金属)制成，所以各个摄像机位置可包括观察口36，以有助于监视燃烧器内部。另外，在不同的燃烧器16之间，摄像机38的数量和各个摄像机38的位置可有所改变。

各个摄像机28以通信的方式联接到控制器42上，且构造成以便发送表示捕捉到的图像的信号。控制器42配置成以便分析这些图像，并且检测各个燃烧器16内的火焰异常和/或结构缺陷。另外，在每个燃烧器16采用多个摄像机38的实施例中，控制器42可配置成以便产生燃烧器内部的合成(例如3维)图像。合成图像可有助于检测燃烧器16各处的火焰和/或结构不规则性。控制器42还可配置成以便比较单独的和/或多个燃烧器内部的图像，以识别非典型的燃烧器操作。例如，如果燃烧器16内的一个火焰的温度大大偏离了燃烧器平均值，则控制器42可调节流到异常火焰的燃料流量，以进行补偿。类似地，可在整个涡轮机系统10上将各个火焰的温度与平均火焰温度进行比较。如上所述，涡轮机系统10包括多个燃烧器16。通过比较整个涡轮机系统10上的火焰温度，控制器42可识别以不合需要的温度燃烧的特定火焰。或者，控制器42可包含关于特定涡轮机构造和/或操作状态的适当的火焰温度的数据库。如果火焰温度大大偏离了存储在此数据库内的温度，则控制器42可调节流到单独的燃料喷嘴12的燃料流量。

图3是燃烧器16的一个实施例的详细剖面侧视图示意。此图显示了观察口36、摄像机38和定位机构40的详细视图。另外，此实施例包括在与摄像机38基本相对的内侧上联接到观察口36上的棱镜44。可在备选实施例中采用观察燃烧器内部的其它光学方法，例如镜像表面和/或备选透镜设计。如图所描绘，燃烧器16包括在燃烧器16的基部处附连到端盖46上的燃料喷嘴12。燃烧器16的典型布置可包括五个或六个燃料喷嘴12。燃烧器16的其它实施例可使用单个大型燃料喷嘴12。燃料喷嘴12的表面和几何结构设计成以便当空气和燃料向下游流动通过燃烧器16时，为空气和燃料提供最佳混合和流径，从而使得在燃烧室中实现增大的燃烧，并且从而在涡轮发动机中产生更多的动力。燃料混合物自燃料喷嘴12向下游沿着方向48排到燃烧器壳体52内部的燃烧区50。燃烧区50是在燃烧器16内最适于点燃空气-燃料混合物的位置。例如，在燃料喷嘴12内，燃料在上游的拢焰或逆燃可导致燃料喷嘴12、燃烧器16和/或涡轮18的过早磨损或损害。另外，通常合乎需要的是，在基部下游燃烧空气-燃料混合物，以减少从燃烧区50到燃料喷嘴12的热传递。在所示实施例中，燃烧区50位于燃烧器壳体52内部、燃料喷嘴12的下游以及过渡件54的上游，过渡件54会朝向涡轮18引导加压的排气。过渡件54包括会聚区，当燃烧排气流出燃烧器16时，会聚区使得能够实现加速，从而产生更大的力来使涡轮18转动。继而，排气使轴19旋转以驱动负载26。在一个实施例中，燃烧器16还包括位于壳体52内部的衬套56，以便为冷却燃烧区50周围的壳体52的冷却空气流提供空心环形路径。衬套56也可提供适当的轮廓，以改进从燃料喷嘴12到涡轮18的流动性。

此实施例中描绘的燃烧可视化系统包括视管型观察口36。视管观察口36包括使摄像机38以光学的方式联接到燃烧器16上的空心管。此管的长度使摄像机38移置远离燃烧器16内的热的燃烧气体，从而保护摄像机38的敏感元件。本实施例还包括联接到观察口36上的棱镜44。在此实施例中，定位机构40构造成以便使摄像机38、观察口36和棱镜44共同旋转。当这些元件旋转时，棱镜44可使摄像机38能够观察燃烧器内部的不同区。如所理解的，在备选实施例中，棱镜44可联接到玻璃型观察口36上。

图4描绘了具有包括30度角、60度角和90度角的三角形构造的棱镜44的一个实施例。此类型的棱镜可描述为Littrow棱镜。棱镜44沿着轴线58与摄像机38基本相对而联接到观察口36上。当棱镜44/摄像机38组件围绕轴线58沿方向60旋转时，摄像机38可在不平移的情况下观察燃烧器16的各个区。具体地讲，棱镜44包括第一角度62和第二角度64。在此实施例中，角度62为约60度，而角度64为约30度。另外，棱镜44包括设置在与角度62相对的一侧上的反射涂层66。在此构造中，以角度70进入棱镜44的示例性光束68将由棱镜44的表面反射，如图4所示，并且进入摄像机38。基于上述Littrow棱镜的几何结构，角度70为约60度。因此，当棱镜44旋转时，摄像机38可观察自轴线58定位成约60度的燃烧器16的区。如所理解的，摄像机38可监视相对于示例性光束68由观察角度69限定的燃烧器内部的区。观察角度69可基于摄像机38构造和光学而变化。例如，观察角度69可大于0度且小于90度。例如，观察角度69的范围可在约0至90度、0至60度、0至45度、0至30度或0至15度之间。通过另一个实例，角度可为约5、10、15、20、25、30、35、40或45度，或者其间的任何角度。另外的实施例可采用具有不同几何构造的棱镜44来观察燃烧器16的另外的区。另外，某些实施例可包括可伸缩和/或可移除的棱镜，以保护棱镜在不使用时不受热的燃烧气体的影响。

定位机构40可联接到摄像机38、观察口36、棱镜44或它们的组合上。例如，在本实施例中，摄像机38、观察口36和棱镜44固定在一起，以形成单个组件。另外，观察口36设置在燃烧器壳体52内，且构造成以便围绕轴线58沿方向60旋转。定位机构40联接到观察口36上，以有助于围绕轴线58旋转。在此构造中，观察口36的旋转导致组件(包括摄像机38和棱镜44)旋转。这样，控制器就可指示定位机构40旋转，从而使得摄像机38通过棱镜44观察燃烧器内部的各个区。在其它实施例中，定位机构40可使摄像机38围绕备选轴线旋转，以及/或者使摄像机38相对于观察口36平移。

如在图5中看到的，定位机构40可联接到摄像机38上，以有助于围绕多个轴线旋转。如之前所述，定位机构40可使摄像机38围绕轴线58沿方向60旋转。但是，在没有棱镜44的实施例中，摄像机38围绕轴线58旋转仅会改变所得图像的定向。因此，定位机构40可构造成以便使摄像机38分别围绕轴线72和74沿方向76和78旋转。如图所示，轴线58、72和74彼此垂直。在此构造中，摄像机38可针对燃烧器内部的各个区导向。

定位机构40可包括能够使摄像机38旋转的任何适当的装置。例如，定位机构40可包括构造成以便使摄像机38围绕多个轴线旋转的电动机或一系列电动机。一个或多个电动机可联接到构造成以便使摄像机38围绕轴线58、72和74旋转的3轴万向架上。在一个实施例中，万向架的各个轴线具有独立的电动机。在备选实施例中，单个电动机构造成以便通过一系列位于万向架内的齿轮使摄像机38围绕各个轴线旋转。

图6中描绘的实施例包括位于燃烧器16的表面上的各位置处的多个摄像机38。此实施例中描绘的各个摄像机38构造成以便相对于相应的观察口36平移。具体地，燃烧器16内的各个观察口36基本是长方形的。备选实施例可采用具有圆形、椭圆形、三角形或其它形状的观察口36。如图所示，观察口36可定向成平行于或垂直于燃烧气流的方向48。例如，垂直观察口81设置在燃烧器壳体52内、邻近火焰80。定位机构40构造成以便使摄像机38沿着垂直观察口81的表面沿方向82(例如围绕纵向轴线沿周向)平移。这样，摄像机38就可监视燃烧器16内的各个火焰80。另外，平行观察口83沿着燃烧器16的纵向轴线设置在燃烧器壳体52内。定位机构40构造成以便使摄像机38沿着平行观察口83的表面沿方向84平移。这样，摄像机38就可监视沿着纵向轴线位于上游的火焰80和沿着纵向轴线位于下游的燃烧器衬套56。

定位机构40可包括构造成以便使摄像机38沿着基本平行于观察口36的轨道平移的电动机。例如，可将电动机设置在摄像机38上，且将电动机联接到小齿轮上。可沿着平行的轨道定位对应的齿条。小齿轮的齿可与齿条的齿互锁，从而有助于摄像机38在小齿轮旋转时进行平移。可在备选实施例中采用能够使摄像机38相对于观察口36平移的其它定位机构(例如气动式、液压式、机电式等)。

类似地，观察口36可为正方形的，从而有助于摄像机38进行多轴线平移。例如，如果观察口36设置在燃烧器16的一侧上，则摄像机38可沿方向82和/或84平移。可在其它实施例中采用其它观察口构造，包括圆形和多边形。另外，定位机构40可构造成以便使摄像机38相对于观察口36进行平移和旋转(两种运动)。例如，可结合万向式摄像机安装件来采用上述齿条齿轮系统。

图7描绘了这样一个备选实施例：其中纤维光缆将燃烧器内部的图像输送到摄像机38。如图所示，纤维光缆86使摄像机38以光学的方式联接到燃烧器16上。纤维光缆86可连接到观察口36上，如图所示，或者直接附连到燃烧器16上。如上所述，控制器42以通信的方式联接到摄像机38和燃料喷嘴12上。在某些实施例中，控制器42还可以以通信的方式联接到进口导叶、进气加热单元和/或喷水系统上。控制器42还以通信的方式联接到构造成以便有助于使光纤端部相对于燃烧器16旋转和/或平移的定位机构40上。另外，棱镜可位于观察口36附近，从而使得棱镜旋转改变光纤维光学监视区。另外，其它实施例可采用备选的光传输线，例如，诸如光子晶体光纤、波导管和/或光导管。

摄像机38可包括多路复用系统，以有助于监视多根纤维光缆86。来自各个纤维光缆86的图像可在空间或时间上被多路复用。例如，如在图7中看到的，两根纤维光缆86以光学的方式联接到摄像机38上。如果摄像机构造成以便在空间上多路复用图像，则各个光缆86可将图像投射到摄像机图像感测装置(例如电荷耦合装置(CCD))的不同部分上。在此构造中，来自一个燃烧器16的图像可被引导到图像感测装置的上部部分，而来自另一个燃烧器16的图像可被引导到图像感测装置的下部部分。因此，图像感测装置可以以一半的分辨率扫描各个图像。类似地，如果十根纤维光缆86通过空间多路复用联接到摄像机38上，则可以以十分之一的分辨率扫描各个图像。换句话说，扫描分辨率与空间多路复用信号的数量成反比。如所理解的，与较高分辨率扫描相比，较低分辨率扫描为控制器42提供更少的关于燃烧器内部的信息。因此，空间多路复用信号的数量可由足以使控制器42识别火焰异常和/或结构缺陷的最小分辨率限制。

或者，由纤维光缆86提供的图像可在时间上多路复用。例如，摄像机38(例如摄影机)可备选地使用图像感测装置的整个分辨率来扫描来自各个燃烧器16的图像。使用此技术，可利用图像感测装置的全部分辨率，但是扫描频率可与所扫描的燃烧器16的数量成比例地降低。例如，如果扫描十个燃烧器16，且摄像机帧速率为每秒2000帧，则摄像机38仅能够以每秒200帧扫描来自各个燃烧器16的图像。因此，临时多路复用的信号的数量可由期望的扫描频率限制。例如，如果控制器42配置成以便以500Hz的频率识别燃烧器动态振荡，且摄像机帧速率为每秒2000帧，则可临时多路复用最多四个图像。任何额外的多路复用可能会阻止控制器42识别这种动态事件。

图8显示了由纤维光缆86以光学的方式联接到六个观察口36上的单个摄像机38。如之前所述的，摄像机38可包括使摄像机38能够按顺序或并行地扫描来自各个观察口36的图像的多路复用系统。观察口36可沿方向48沿着燃烧器16的长度定位，以及/或者围绕燃烧器16的周边径向地定位。各个观察口36的位置可由燃烧器16内的所关注的区来确定。例如，在图8中描绘的实施例中，定位得较接近燃料喷嘴12的观察口36可能是针对火焰80的，而定位在下游较远处的观察口36则可构造成以便监视燃烧器衬套56。这样，燃烧器16的各个区就可由摄像机38扫描。类似地，通过围绕燃烧器16周向地定位观察口36，摄像机38可监视火焰80和/或燃烧器衬套56的不同部分。

本实施例包括以光学的方式联接到燃烧器16上的单个摄像机38。其它实施例可针对每个燃烧器16采用多个摄像机38。例如，位于燃料喷嘴12附近的观察口36可由纤维光缆86以光学的方式联接到第一摄像机38上，而位于下游较远处的观察口36可由纤维光缆86以光学的方式联接到第二摄像机38上。此备选构造可有助于较高的帧速率和/或较大的扫描分辨率。但是，如所理解的，额外的摄像机38会增加生产成本。在其它实施例中，来自涡轮机系统内的各个燃烧器16的纤维光缆86可以以光学的方式联接到单个摄像机38上。例如，如果涡轮机系统包括十个燃烧器16，且各个燃烧器16包括六个观察口36，则总共六十根光纤86可自各个观察口36延伸到单个摄像机38。此构造可降低成本，但会减小帧速率和/或扫描分辨率。

图9介绍了一种根据某些所公开的实施例的操作涡轮发动机的方法88的流程图。首先，如由框90表示，燃料和空气被引入燃烧器中。然后燃料和空气在燃烧器内预混合，如由框92表示。然后当燃料-空气混合物流动通过燃烧器时，使该燃料-空气混合物燃烧，如由框94表示。如由框96表示，基于火焰可视化来调节发动机参数。如之前所论述，可经由观察口通过以光学的方式联接到燃烧器上的摄像机使火焰可视。

图10A和B显示了在一个实施例中在图9的框96中执行的步骤的详细流程图。首先，如由框98表示，监视火焰的红外发射。如之前所论述，摄像机可构造成以便检测波长范围内的光谱发射，包括可见光、红外线和紫外线。可通过在摄像机透镜系统内包括滤光器以削弱除了红外线之外的每个发射光谱来检测红外发射。这种滤光器有助于监视和分析红外发射。类似地，控制器可配置成以便以电子的方式分析从摄像机中接收到的图像，并且过滤掉除了红外线之外的任何波长。在其它实施例中，摄像机可仅对红外发射敏感。不考虑用于检测红外发射的技术，控制器可分析图像以识别火焰异常。如所理解的，可通过观察红外发射的频率和强度来计算温度。因此，控制器可配置成以便基于检测到的红外发射来计算火焰温度。如由框100表示，分析火焰温度，以确定火焰温度对当前燃烧器操作状态是否合适。例如，除了其它燃烧产物之外，不当的火焰温度还可导致增大的氮氧化物(NOx)和/或一氧化碳(CO)的排放。因为这些气体的排放受到严格管制，所以确保合适的火焰温度可使得符合排放要求。如果火焰温度是不合需要的，则控制器可调节涡轮机系统参数以进行补偿，如由框102所表示的。

可通过各种方法确定合适的火焰温度。首先，可将单独的燃烧器内的一个火焰的温度与其它火焰相比。如果一个火焰以比燃烧器内的平均火焰温度高得多或低得多的温度燃烧，则控制器可调节流到与异常火焰相关联的燃料喷嘴的燃料流量。类似地，可在整个涡轮机系统上将各个火焰的温度与平均火焰温度相比。如之前所论述，涡轮机系统包括多个燃烧器。通过比较整个涡轮机系统上的火焰温度，控制器可识别以不合需要的温度燃烧的特定火焰。或者，控制器可包含关于特定涡轮机构造和/或操作状态的合适的火焰温度的数据库。如果火焰温度大大偏离了存储在此数据库内的温度，则控制器可调节流到单独的燃料喷嘴的燃料流量。

如由框104表示，监视来自燃烧器衬套的红外发射。如之前所论述，一个摄像机可构造成以便相对于观察口旋转和/或平移，以观察火焰和燃烧器衬套。或者，多个摄像机可联接到燃烧器上，以观察燃烧器的不同区。例如，燃烧器可包括两个摄像机，一个针对火焰，且另一个针对燃烧器衬套。类似地，两根纤维光缆可以以光学的方式联接到燃烧器上，一根针对火焰，另一根针对燃烧器衬套。这些纤维光缆中的各个可连接到单个摄像机上。在各个以上构造中，监视火焰和燃烧器衬套两者。

如由框110表示，可监视燃烧器衬套的金属飞溅。当进入燃烧器的金属微粒撞击衬套时，金属微粒可熔化和飞溅。大体上，这种金属微粒源自压缩机区，且表明了压缩机磨损。如果金属飞溅的大小和/或频率表明压缩机异常，则控制器可设定警告指示器，如由框108表示，以通知操作员可能的问题。

另外，控制器可分析燃烧器衬套红外发射的图像，以确定是否已经发生TBC脱落，如由框112表示。TEC是应用到燃烧器的内部上以保护金属构件不受燃烧气体的极热影响的涂层。TBC可包括固定到燃烧器衬套上的瓷瓦和/或喷射到金属表面上的陶瓷涂层。例如，喷射涂层可由氧化钇稳定的(stablized)氧化锆(YSZ)构成。如果喷射涂层或瓷瓦脱落，或者在TBC中形成缝隙，则在瑕疵部位处，衬套温度可能变化。可通过监视燃烧器衬套的红外发射来检测此温度变化。如果识别到这种状态，则控制器可设定警告指示器，如由框108表示，以通知操作员该状态。

如由框114表示，以可见光谱监视火焰。类似于观察红外发射，摄像机可通过用滤光器大大削弱红外线和紫外波长来监视可视图像，或者控制器可以以电子的方式过滤掉不希望有的波长。或者，摄像机可构造成以便仅检测可见光。例如，光检测元件(例如CCD)可仅对来自可见光谱的光敏感。

如由框116表示，控制器检测燃烧器内(是否)不存在火焰。如之前所论述，各个燃料喷嘴可产生单独的火焰。针对燃料喷嘴的摄像机可构造成以便观察这些火焰的存在性。然后火焰的图像被传输到控制器，在控制器中识别(是否)不存在火焰。如果检测到不存在火焰，则控制器可调节涡轮机系统参数以进行补偿，如由框102表示。

如由框118表示，控制器监视来自火焰的可见光发射，以检测高动态。各个燃烧器内的空气和燃料压力可随时间循环地变化。这些波动可驱动燃烧器以特定频率振荡。如果此频率对应于涡轮发动内的部件或子系统的自然频率，则会引起对该部件或整个发动机的损害。因此，控制器配置成以便监视和补偿高动态状态。例如，在高动态状态下，各个火焰的形状和/或大小可随时间变化，从而对应于燃烧器驱动振荡的频率。控制器可通过监视随着时间变化的各个火焰的形状和/或大小来识别高动态状态。摄像机(例如摄影机)可配置成以便以大于振荡频率的帧速率扫描图像。例如，如果火焰形状和/或大小以2000Hz的速率变化，则摄像机可配置成以便以每秒2000帧来扫描图像，以恰当地观察变化。否则，控制器可能就不能基于在较低的帧速率下接收的图像来识别高动态。如由框102表示，控制器可通过调节涡轮机系统参数来补偿这些动态。

控制器还可通过观察火焰的可视发射来识别LBO先兆，如由框120表示。LBO是其中火焰由于燃料-空气混合物变得太稀薄而熄灭的状态。LBO可针对燃烧器中的单独的火焰或每个火焰而发生。LBO先兆可包括火焰形状和/或大小的大幅度低频率的变化、诸如OH的火焰反应产物和/或火焰相对于燃料喷嘴的运动。如果检测到LBO先兆，则控制器可调节涡轮机系统参数，如由框102表示。

如由框122表示，控制器确定火焰的可见光谱是否表明逆燃/拢焰事件。当火焰从燃烧器的燃烧区向上游行进到预混合区时，大体出现逆燃状态。此状态是不合需要的，因为预混合区可能不会构造成可容忍由燃烧反应产生的热。因此，控制器可检测火焰运动到预混合区，且调节涡轮机系统参数以进行补偿，如由框102表示。

还检测燃烧器内的燃料分配不当，如由框124表示。燃料分配不当可在当流到某些燃料喷嘴的燃料流量大于流到其它燃料喷嘴的燃料流量时发生。例如燃料喷嘴可在燃烧器内组织成一系列同心的环。燃烧器可构造成以便单独地调节流到这些环中的各个环的燃料流量。在这种布置中，流到外部环的燃料流量可大于流到内部环的燃料流量。可检测到这种异常状态，因为例如外部环的火焰比内部环的火焰更大和/或更亮。如果控制器检测到这种状态，则除了进行其它涡轮机系统参数调节之外，控制器可减少流到外部环的燃料流量和/或增大流到内部环的燃料流量，如由框102表示。

如由框126表示，检测燃料成分的变化。例如，燃料可能包含影响燃烧的杂质。另外，燃料和空气的混合比率可随时间变化。可由控制器基于例如火焰当中的颜色变化来检测这些状态。如果控制器检测到燃烧器中的一个火焰偏离期望颜色，则控制器可调节流到相应的喷嘴的燃料流量，以进行补偿。类似地，如果燃烧器中的每个火焰的颜色都与期望颜色不同，则控制器可调节涡轮机系统参数，如由框102表示。

摄像机还可关于紫外线发射来监视火焰，如由框128表示。如之前所论述，摄像机可构造成以便检测宽的波长光谱，例如可见光、红外线和紫外线。在这种构造中，摄像机可包括滤光器，滤光器削弱除了紫外线之外的所有波长，从而使得控制器可接收火焰的紫外线光谱图像。类似地，控制器可接收火焰的宽光谱图像，并且以电子的方式过滤掉非紫外波长。在其它实施例中，摄像机成像传感器配置成以便仅检测紫外线发射。

如由框130表示，控制器可如上所述通过监视火焰的紫外线发射来检测逆燃事件。例如，燃烧区内的恰当地预混合的燃烧反应可以发射约300nm的紫外线辐射。此发射可为在火焰内产生的氢氧(OH)离子的结果。如果火焰移动到预混合区中，则火焰可产生发射约350nm至450nm的紫外线辐射的烟灰。因此，如果燃烧区内的紫外线发射的频率从约300nm变化成约350nm至450nm，则可能发生了逆燃事件。为了补偿逆燃，控制器可调节涡轮机系统参数，如由框102表示。

紫外线发射还可用来检测LBO先兆，如由框132表示。如之前所论述，恰当地预混合的火焰可产生发射约300nm的紫外线辐射的OH。如果火焰熄灭，则约300nm的辐射发射可降低到零。可能发生LBO的一个指示是重复的短持续时间熄灭事件。这些熄灭事件的频率可与LBO的可能性成比例。因此，通过测量不存在300nm辐射的频率，控制器可能能够预测LBO事件。为了补偿此状态，控制器可调节涡轮机系统参数，如由框102表示。

图11显示了在一个实施例中在图10A和B的框102中执行的步骤的详细流程图。如由框134表示，调节喷嘴之间的燃料分配。如之前所论述，对于各个喷嘴，燃料流量可为可单独地调节的，或者可以喷嘴组的方式来调节。例如，喷嘴可在燃烧器的端盖内组织成一系列同心的环。可独立地调节流到各个环的燃料流量。例如，控制器可增加流到外部环的燃料流量，同时减少流到内部环的燃料流量。类似地，控制器可单独地调节流到各个喷嘴的燃料流量。另外，可在备选实施例中实现其它喷嘴构造和组。

如由框136表示，控制器确定燃烧器内的燃料重新分配是否已经修正了火焰异常。例如，如果控制器确定了燃烧器的中心附近的火焰比朝向燃烧器的外部的火焰更冷，则控制器可增大流到中心的燃料喷嘴的燃料流量。类似地，如果控制器确定了燃烧器的中心不存在火焰，则控制器可增大流到中心的燃料喷嘴的燃料流量。如果此技术没能校正火焰异常，则该方法前进到框138。

如由框138表示，对流到燃烧器中的燃料流量进行调节。例如，如果在燃烧器内的基本所有火焰中检测到高动态，则控制器可增大或减小流到经历高动态的特定燃烧器的燃料流量。类似地，如果在燃烧器内的基本所有火焰中检测到LBO先兆，则控制器可调节流到异常燃烧器的燃料流量。然后控制器可确定此修正措施是否已经解决了异常，如由框140表示。

在某些实施例中，控制器以通信的方式联接到进口导叶、进气加热单元和/或喷水系统上。可使用这些系统来补偿某些类型的火焰异常。因此，如果调节流到燃烧器中的燃料流量没能修正异常，则控制器就调节进口导叶角度以进行补偿，如由框142表示。如果控制器确定了调节进口导叶角度没有解决异常，如由框144表示，则控制器就调节进气加热，如由框146表示。如果控制器确定了调节进气加热没有解决异常，如由框148表示，则控制器启动喷水系统，如由框150表示。然后控制器可确定此修正措施是否已经解决了异常，如由框152表示。

如果没有修正异常，则控制器设定警告指示器，如由框154表示。警告指示器可通知操作员涡轮发动机内的检测到的状态。例如，控制面板可包括表示之前描述的各种状态的一系列指示器。在检测之后，控制器可点亮表明检测到的状态的指示器。然后操作员就可采取适当的补救措施，包括调节发动机参数或停用发动机。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

发动机(10)，所述发动机(10)包括：

燃烧室(16)；

通入所述燃烧室(16)中的观察口(36)；

构造成以便通过所述观察口(36)获得所述燃烧室(16)中的火焰(80)的图像的摄像机(38)；以及

配置成以便基于所述火焰(80)的图像来调节所述发动机(10)的参数的控制器(42)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发动机(10)包括涡轮发动机，所述涡轮发动机包括多个燃烧室(16)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像机(38)包括摄影机。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像机(38)包括配置成以便检测可见波长、红外波长和紫外波长的成像传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像机(38)由纤维光缆(86)以光学的方式联接到所述观察口(36)上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧室(16)包括多个观察口(36)，并且其中，至少一个摄像机(38)构造成以便通过所述观察口(36)获得所述燃烧室(16)中的火焰(80)的图像。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像机(38)构造成以便相对于所述观察口(36)旋转，相对于所述观察口(36)平移，或者它们的组合。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(42)配置成以便基于表明火焰存在、火焰温度、逆燃、非常过度的动态振荡、燃料分配不当、燃料成分变化、贫喷射先兆或者它们的组合的图像或一系列图像来调节所述发动机(10)的参数。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发动机(10)的所述参数包括流到所述燃烧室(16)的燃料流率。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发动机(10)的所述参数包括对所述燃烧室(16)内的多个燃料喷嘴(12)的燃料分配。

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