CN1690388A - 在燃气轮机中配合以支持点火器的完整的电火花检测器 - Google Patents

Abstract

用于在燃气轮机(3)中检测点火器(340)的电火花(40)的系统。点火器(340)产生等离子体(40)或者电火花，这与汽车火花塞有些类似。在本发明中，感应元件(310)被设置地与点火器(340)相邻，以检测在点火器(340)中的电流脉冲，进而推断出电火花(40)的存在。发明人发现这种途径是有效的，尽管存在这样的事实，点火器(340)被接地罩(345，350)所围绕，该罩用来抑制射频干扰，并且保护人员免受高电压的影响。罩(345，350)用于阻止本发明所检测到的信号。

Description

在燃气轮机中配合以支持点火器的完整的电火花检测器

相关申请的参照

本申请与下列专利申请中的主题相关，这些申请是同一发明人同时提出的：

用来在燃气轮机的点火器中检测电火花的传感器，SN10/775,887；

用于通知航空器的飞行员在燃气轮机中检测到电火花的方法，SN10/775,864；

用来放大检测到的燃气轮机点火器电火花信号的无源的、高温放大器，SN10/775,876；

通过检测在接地的射频罩中的信号来检测燃气轮机点火器中的电火花，SN10/775,847；和

用于燃气轮机的电火花点火器，SN10/775,846。

技术领域

本发明涉及燃气轮机，以及其中的点火器。

背景技术

该背景技术部分将解释为什么在航空器燃气轮机中的点火器的使用期限缺乏绝对的可靠性会令使用该发动机的航空器的所有者承担极大的费用。

图1为燃气轮机3的简单的示意图，其中包括一燃烧器6。燃料9被喷射入燃烧器中。一点火器12，它可以通过与汽车中的火花塞相类似的方式起作用，能产生最初点燃喷气燃料的电火花或者等离子体放电(图中未示出)。

初始点火后，点火器12能在那以后重复地产生电火花，这主要作为一种安全措施。也就是说，在现代发动机中，在正常环境下，在燃烧器6中发生燃烧中断是极不可能的。但是，在意外情况下，例如有突然的侧风，能影响在燃烧器中的环境，并且导致火焰的损失。

另外，某些飞行情况会使不可能的燃烧中断稍微变得可能。因此，例如，当航空器遭遇暴风雨时，点火器12可能被激励，或者其它的情况可能会扰乱燃烧器6中的稳定情况。

点火器12和所有的机械组件一样，具有有效的使用期限，其最终会期满，到时点火器必须被更换。但是，这种期满和更换在昂贵的航空器中产生了一种情况。

一个主要的原因就是点火器到其使用期限的终点的方法不能被容易的检测过程所标志。也就是说，在某一点上，点火器完全停止产生等离子体或者电火花。但是，在这点之前，点火器可能零星地产生电火花。

如上所解释的，电火花通常不需要维持燃烧器的火焰。因此，如果实际的燃烧中断发生，并且如果零星电火花对产生重新点火是无效的，则零星电火花仅仅被注意到。由于这些过程的结合看起来是不可能的，所以零星电火花不能轻易地被发现。则即将来临的点火器的有效使用期限的期满也相类似地不能被发现。

另外一个理由就是，当所有的点火器可能构造地尽可能相同，然而，这些点火器却不会都拥有相同的使用期限。同样所有的点火器在它们使用期限中不可能经历相同的过程。因此，不能确切的知道所给的点火器使用期限期满的时间。

因此，不能确切的知道点火器必须被替换的时间点。解决此问题的一个途径就是实行预防性的维护，即在点火器仍然起作用的时候进行替换。新的点火器和安装该点火器的人力的费用不是很大，但是较早的替换强加了另外的费用，该费用比较大。

对其点火器进行替换的航空器代表了一收入源，该收入源是以每小时数千美元来计算的。如果航空器实施没有效果，就是说在替换一点火器中的两小时，在该段时间的收入的损失是相当大的。

因此，在航空器燃气轮机中点火器不确定的使用期限能导致在收入方面相当大的损失。

发明内容

在燃气轮机中一点火器的正常运行导致在点火器内部绝缘体的腐蚀。在本发明的一种形式中，一辅助的接地电极安装在该绝缘体中，并且该腐蚀最终使辅助电极暴露。点火器设计使得在暴露发生时点火器应当进行替换。

暴露的辅助接地电极能通过以下事实被检测到，该事实就是当一电火花发生时，一较小的电流流过辅助接地电极。当该电流被检测到则表示辅助接地电极是暴露的。另一方面，暴露的辅助接地电极在视觉上被人工观察器所检测，可能使用一管道镜来检测。

附图说明

图1表示一燃气轮机的简示图。

图2表示在图1中所示出的一点火器12。

图3和图4表示图2中末端E的放大图。

图5和图6表示发明者所观察到的末端E的几何结构的变化。

图7表示本发明的一种形式。

图8和图9表示类似图7中的嵌入物84的视图。

图10表示图7中一部分的透视图。

图11表示本发明一种形式的透视、断面图。

图12表示图11中装置的剖面图。

图13表示图11中装置的透视图。

图14表示本发明的一种形式。

图15表示在本发明的一种形式中发生的一序列事件。

图16表示两个距离D9和D10，在其之间产生了两电场。

图17表示在图15中构造辅助电极72的一种模式。

图18表示采用本发明的一种形式的一航空器。

图19表示点火器308，其支承一个环形线圈310。

图19A表示本发明的一种形式，其中转接器311支承着点火器，并且也包含一线圈310。

图20表示一点火器电缆组件，在其周围设置有高导磁性环326，环的周围绕有线圈320。

图21表示一点火器系统的示意图。

图22表示发明人所发明的图21中装置运行的可能模式的示意图。

图23表示一现有技术的RLC电路。

图24表示一被正弦波所激励的RLC电路。

图25-28表示图24中电路的模拟输出的曲线图。

图29表示由一脉冲序列所脉冲调制的RLC电路。

图30-34表示图29中电路的模拟输出的曲线图。

图35表示时间参数。

图36表示本发明的两种形式。

具体实施方式

图2表示现有技术中所使用的一点火器12。一电连接器(图中未示出)连接到螺线21上，并且包含一个与电极27的末端24相连接的电触点(图中未示出)。绝缘体30使电极27与点火器12的壳体33相绝缘。

在图3和图4中示出了点火器12的末端E。将会给出涉及等离子体的产生的一个非常简单的物理解释。

在运行中，高压电供给到电极27，从而在图3中的点P1和点P2之间产生了一电压差，或者电势差V。在此区域的电场等于由点P1和点P2间距离D除电势差V。例如，如果电压为20,000伏并且距离D为10毫米，或者0.01米，那么电场等于20,000/0.01，或者每米2百万伏。

电场设计为超过位于点P1和P2之间中的材料或者介质的介质击穿强度。该材料为空气加上燃料的混合物。但是，电场不能超过绝缘体30的介质击穿强度，并且绝缘体的介质击穿强度大于空气-燃料混合物的介质击穿强度。

当击穿发生时，电场使电子脱离介质中的原子，产生阳离子和自由电子。电场以平行于电场的方向驱动自由电子。但是，在移动过程中，这些临时自由电子将与其它的离子相碰撞。同样，离子和电子的热运动也将使它们相互碰撞。

在碰撞过程中，电子将会被离子所捕捉，并且下降到一较低的能量状态，释放热和光，形成一种称作等离子体的电弧形式，其在图4中被表示为闪电40。只要电场存在这种过程就会持续。

发明人已经观察到刚刚描述过的运行的一个结果。如图5所示，绝缘体30被从虚幻形50腐蚀变成弯曲形53。另外，电极27被从虚幻形56腐蚀变成实体形59。转角33A也被腐蚀。

发明者相信一个或者多个下述因素导致了腐蚀。一个因素是等离子体的腐蚀性能：自由电子非常活泼，并且寻求去与其附近的任意合适的原子或者离子结合。同样，存在于空气中的氧气的自由电子的产生，产生了电离的氧，其也是高活性的。

第三个因素是等离子体产生了一个高温的环境。该高温定义为代表具有高速度激发的原子和分子。当高速度的原子和分子与稳定物质相碰撞时，这些高速度的原子和分子更容易与该稳定物质起反应。

第四个可能的因素就是等离子体产生紫外线UV形式的高频光子，并且可能处于光谱中X射线的区域。众所周知UV和X射线能损坏多种类型的物质。

不考虑腐蚀的确切的原因，在图5中所示的腐蚀最终将导致点火器12最终停止作用。在图6中示出了主要的原因。先前，在腐蚀之前，电压施加在图6中的点P1和P2之间。但是，在腐蚀后，点P2已经有效地移动到点P3。距离D现在变成了较长的距离D2。因此，产生电离和等离子体的电场现在变弱了。

继续上述给出的例子，如果距离D2为20毫米，那么电场变成20,000/0.020，或者每米一百万伏，是其原始值的一半。最终，距离D2变得如此大以致电场没有可靠地超过空气-燃料混合物的介质击穿强度，从而电离停止发生。

图7表示了本发明的一种形式。辅助电极72嵌入绝缘体75中。在区域81中尖端78被绝缘体材料覆盖，如嵌入物84所示。如在区域90中所示，辅助电极72可以与壳体33相连。

起初，电流如箭头84所示那样进入电极27，通过等离子体85跳入壳体33，并且通过多个通道，例如通过箭头86所示的其装配螺线，脱离壳体33进入发动机中。

当腐蚀发生时，等离子体75脱离在图8中虚幻线92所示的初始的形状。辅助电极72的尖端78现在变得暴露。现在，当高压电施加到点火器上时，存在两个通道用于等离子体发生。一个是图9中的通常的通道P5。另一个如图9中的P6所示，并且从中心电极27进入现在暴露的辅助电极72。

再次声明，两个电流返回通道对中心电极72是适合的。通道P5以通常的方式通到外壳33。通道P6通到现在暴露的辅助电极72。

最终，进一步的腐蚀将会拉长通道P5，并且导致沿着此通道的等离子体的形成终止。这就是说，在图9中的通道P5起初是由图6中的距离D所表示。在充分腐蚀后，图9中的通道P5将被图6中的距离D2所表示，并且如上面所解释的，当距离D2变得足够大时，沿着通道P5将没有等离子体产生。

但是，此时在图9中的辅助等离子体通道P6仍然是有效的。等离子体仍然可以被产生，增加了点火器的使用期限。

先前讨论的在图7中的辅助电极72为杆的形状。图10以透视图的形式表示了这样一种被绝缘体75所围绕的杆。

在一个可替换的实施例中，采用了一圆柱体。图11表示一个实施例的断面图。中心电极27被一绝缘体100所围绕，绝缘体本身被导电管或者圆柱体103所围绕，圆柱体被绝缘体105的另外一层所围绕。图12表示以剖面图所示的系统，采用相似的编号。

图13表示在制造后或者仅仅在安装后的初始构造的绝缘体100。中心电极27的尖端110被暴露，并且被绝缘体100的锥形表面113所围绕。圆柱形辅助电极103嵌入到绝缘体100中，并且没有尖端或者边缘暴露，如图12中的距离D8所示。

先前的讨论表明辅助电极72可能在图7中的区域90中被连接。在另一个实施例中，图14中的辅助电极72也接地，但是是通过一检测器150接地。检测器150搜寻在辅助电极72中的电流。电流检测器是公知的。

如果没有检测到电流，如图7所示，可以推断辅助电极72仍然嵌在绝缘体75之中，并且与中心电极是电绝缘的。

相反，如果检测到了电流，如图9所示，可以推断出辅助电极由于腐蚀而被暴露。检测电流归因于一跟随通道P6的等离子体。当电流被检测到时，检测器150发出一信号，设立一标记，或者以别的方式表明由于腐蚀使辅助电极暴露的推论。在那时，或者在一规定的时间后由技术人员更换此点火器。

一个可替换的检测模式是移开点火器并且视觉上观察在图2中末端E相应的端部。如果看到的一平滑的绝缘体100表面，如图13所示，那么就可以推断出点火器仍然是有效的。然而，如果能看到辅助电极72，如图8所示，那么就可以推断出需要进行更换了。

在另一个实施例中，辅助电极设置变得暴露，并且然后迅速腐蚀。图15中，从左到右所示，首先表示一个新安装的点火器160。在一段时间的使用后，点火器165暴露了其辅助电极72。现在一等离子体P6延伸至辅助电极72上。

但是，如上所述，辅助电极72的设计能快速腐蚀。例如，如嵌入物170所示，辅助电极72由一尖端所构成。等离子体6导致尖端变得迅速地腐蚀，如在框170中的小微粒所示。此运行导致了两个过程的特殊顺序。

一个过程就是在辅助电极变得第一次暴露时，电流通过其中。电流被图14中的检测器150所检测到。接下来，在辅助电极断裂或者腐蚀后，没有电流通过其中。

这样的顺序的一个原因如图16所示。开始，电压V跨过距离D9，产生了一个等于V/D9的电场。在断裂或腐蚀后，同样的电压V跨过距离D10。电场等于V/D10，这是一个较小的值。后一个电场不足以产生等离子体，但是前一个可以。

在一个实施例中，刚刚描述的两个过程的发生在点火器期限的终止之前。因此，这种终止由通过辅助电极72的电流的发生所发出的信号而知，跟随着是电流的终止。电流的开始表示期限终止的接近，但是仍然存在可运行发动机的时间。后来电流的终止表示只剩下较少的时间，则点火器的更换变得更加重要。

图17表示了辅助电极72的一个实施例。提供一管颈，或者凹槽190，其使得在图15中嵌入物170示意性示出的断裂变得容易。凹槽190被有意构造到辅助电极72上的机械脆弱的区域。在图8所示的腐蚀之前，该脆弱是不重要的，因为对电极的机械支持是由绝缘体75所提供的。

上述论述表明高压电是施加到电极27上。将低压电施加到电极27上完成相同的产生等离子体的功能是可能的。

图18表示另一个实施例。一航空器300由燃气轮机(图中未示出)提供动力，该燃气轮机位于引擎机舱305中。每一个发动机包含一个或多个如上述的点火器。该点火器可能包含一辅助电极，如上所述，或者可能是现有技术类型的点火器。

图19表示一点火器308。本发明添加了一传感器，如感应线圈310。该感应线圈310与所示的点火器同轴。这种特殊的同轴设置被采用在一个实验中，以确定在点火器产生电火花时，线圈是否能检测到信号。

这种同轴设置不是必需的。在本发明的一种形式中，线圈320可以如图20中最右边的两个图那样布置。在电力电缆315中的电流I所产生的磁力线B与产生磁力线B的电流是同心的。由于电流流过整个电缆315，并且流过点火器308，磁力线B沿着电缆315和点火器308两者延伸。

按照法拉第定律，如中央的图像所示，当线圈320与磁力线B垂直时，能实现优化耦合。

在本发明的另一形式中，一可能由变压器铁芯构成的高导磁性环326布置在点火器或者电缆315附近，并且线圈320缠绕着环326。该环326捕捉磁力线B，并且将它们输送到线圈320中。在这种设置下，穿过环326的磁力线B也穿过线圈320。

术语高导磁性的一个定义是高导磁性材料的相对导磁性超过1000。作为参照点，许多钢的相对导磁性在4,000的范围内。具有相对导磁性的材料接近一百万。

在本发明的又一种形式中，采用了一现有的钳式电流检测器(图中未示出)。

发明人已经发现尽管缺乏在图20中的垂直特征，在图19中的线圈310产生了一响应于点火器308内电流脉冲的检测信号。发明人提出了关于该信号的下面观察，以及其检测。

图21为一点火器电路的电气简图。模块330表示激励器，其包含在导电壳体中(图中未示出)。激励器330产生一高压脉冲序列，从而在点火器340中产生电火花。

电力电缆335传输高压电流脉冲到点火器340中。高压脉冲的一种类型是在20,000伏的范围内。脉冲频率的一种类型存在于范围10Hz中，也就是说，每秒10个脉冲。脉冲的一种类型具有10毫秒的持续时间。因此在这个例子中，占空比为10％(0.10/0.100)。

图表331表示刚才所述的脉冲。在这个例子中持续时间D是10毫秒。在这个例子中周期T是100毫秒，相当于频率1/T，或者每秒10个脉冲。

在图21中，一罩345围绕着电力电缆335。罩345可以为固体导管，编织传导套管，两者的结合，或者其它类型的罩。该罩345与点火器340的机壳350相连，并且机壳350与发动机的机架或者外壳352相连，该机架或者外壳被认为是DC接地点。

罩345提供了对电磁干扰的抑制并且也防止了人员接触高压电缆335。尽管电缆335本身被厚的绝缘罩所围绕，罩345提供了多余的安全措施。

在所述的布置下，激励器330的外壳(图中未示出)，罩345和点火器340的机壳350都与发动机的机架352相连，并且被认为保持在DC接地点。

在图21中所示装置典型分析的一种类型表明下述的机制能对点火运行进行解释。在图表331的持续时间D的每个高压脉冲中，由高压电缆335提供的电流到达点火间隙355，跳过该间隙355，并且沿着通道360通过发动机机架返回到激励器330中。在这种运行机制下，表明在图19中所示类型的线圈310对检测电流脉冲无效的理由能被搜集。

一个基本的理由就是，在理论上，线圈310检测不到电流，因为在理论上，没有磁力线B穿过线圈310的横截面积。而法拉第定律表明这种穿过是需要的。

考虑到另外的理由，有两种情况需要区分：DC情况和AC情况。在DC情况中，如果在图21中的DC电流由高压电缆335输送，那么在图20所示类型的静止的磁力线B则会出现。如果线圈如图19所示布置在点火器的附近，并且如果点火器的外壳350由高导磁性的材料构成，例如钢类型，则外壳将会中断一些或者所有的B磁场，并且可能抑制静态B磁场的检测。据说包括点火器外壳350和罩345的护罩可作为包含静态DC磁场的法拉第罩。因此，可能存在一个理由表明在图19中的线圈310不会检测到电流脉冲。

这个理由也能运用到缓慢变化的电流。也就是说，法拉第罩也可能阻止缓慢变化的磁场。

在AC情况下，电磁辐射会从图21中的电缆335和和点火器350中发出，特别是由于电流脉冲包含高频组件。高频组件通常更容易至少从短天线产生辐射，该短天线的长度等于波长的一部分。与导磁性相反，罩345和外壳350的导电性可以阻挡由电流脉冲产生的辐射。在一种机制中，堵塞通过反射发生：辐射的电磁场在罩345和外壳350中感应出电流，其在内部朝向电缆335辐射它们自身的电磁场。辐射场有效地把进入的辐射反射回电缆335中。

同样，如上所述，罩345和点火器外壳350都接地。在理论上，这些接地装置分流所有的AC信号到地，因此能防止它们辐射电磁能量。

因此，至少存在前述的理由，其表明在图19中的线圈不能有效的检测到图21中电缆335中的电流脉冲。

发明人已经观察到，或者假定所有的返回电流可能没有流过在图21中的通道360。返回电流指跳过火花间隙355后返回到激励器330中的电流。发明人推测一些返回电流可能沿着包括图21中的罩345和外壳350的护罩系统流动。图22为这种推测的一种表现。

电阻器R1表示从火花间隙355到激励器，通过发动机机架的接地通道的较小电阻，并且大致上相当于图21的通道360。电阻器R2表示从火花间隙355到激励器的通道的较小电阻，但是通过护罩系统。该护罩系统包括点火器的外壳350和罩345。R1和R2起源于火花间隙，或者起源于火花间隙355附近，但是它们代表不同的到激励器330的线路。

在这种推测下，尽管存在上述的理由，检测到通过R2的返回电流是可能的。

在此上下文中，发明人指出，检测通过另一个电阻器R1的返回电流通常被认为是不实际的。电阻器R1尤其代表发动机本身。一个简单的，精确的和可靠的途径来检测在发动机中的返回电流看起来是不实际的，至少一个原因是在跨越整个发动机或者发动机的大部分中，适合返回电流通道的数量是如此之大。

但是，由电阻器R2所代表的通道从电流检测的观点来看是局部的，不连续的实体，并且没有包含在罩中。因此，如果返回电流脉冲在R2中传播时，那么通过检测在R2中的电流，也就是在护罩系统中的电流，可能检测到由脉冲产生的磁场或者电磁辐射。

采取了一个实验，采用在图19中线圈310，并且发现当激励器产生一火花脉冲时，线圈310产生一检测信号。

可以观察到线圈310可检测到一个或者更多的跟随电流。线圈310可检测到在图21中的电缆335中的电流脉冲，与上述理由相反：护罩系统可能不是完全的有效。另一方面，在图19中的线圈310可检测到在点火器外壳350中的返回电流脉冲。或者线圈310可检测到刚才识别的两电流的总的或者不同的一些类型。

在线圈310中检测到的信号是较弱的，因此需要进行放大。但是，线圈310的运行环境在这方面提供了困难。

在图8的航空器300的运行中，在图19中的线圈310将位于温度超过400F的的环境中。也就是说，在正常运行过程中，在图19中点火器308的外壳350显现为至少400F的温度，并且线圈310固定在外壳上面或者与其相邻。

如果采用固态放大器来放大由线圈310产生的信号，这样的高温会产生问题。然而，采取充分的预防措施，一个电子的，晶体管化的放大器可用来检测由线圈310产生的信号。

在本发明的一种形式中，没有采用固态放大器，至少没有在400度温度附近的环境中采用。相反，采用了一无源的放大器，仅仅采用了电阻性，电容性和电感性的元件，没有例如是晶体管或者真空管的有源元件。有源元件的一个定义是能放大输入信号的功率：输出功率大于输入功率。无源元件不具有功率放大的性能。

例如在图23中串联的RLC电路能设计成在一定的条件下产生一穿过电容器C的放大电压。这种放大在由William Hayt和Jack Kemmerly编写的书名为“工程电路分析”(ISBN007-027410-X，McGraw-Hill，1993)，标题为“频率响应”的13章中有所讨论。这些文本在这里作为参考而结合。

放大的条件包括下述的情况。第一，信号源Vin为正弦曲线并且频率不变，这通常称为正弦曲线稳定状态。第二，选择电容器C和电感器L的值，使得其在点P1和P2表现出的为完全真实的输入阻抗，而不具有无源元件。这种情况称为共振，并且共振频率的值如图23中所示，omega-sub-zero。

在这些情况下，穿过电容器的电压VC将等于ABS(Q)×Vin，如图23所示，其中ABS表示电路品质因数Q的绝对值或者大小。Q的定义如图23所示。因此，例如，当Q为10时，能实现十倍的放大。

因此，现有技术指出串联的RLC电路能提供对正弦波输入的电压放大。与电压放大不同，上述文中表明双重串联的RLC电路，也就是并联RLC电路，提供了电流放大。

一计算机模拟将描述电压放大。

图24表示采用市场上可买到的SPICE程序进行模拟的电路。提供为了使该电路与发明中的电路模型一致的变压器372，这将在后面进行讨论。电阻器R，电容器C和电感器L的值被标出。这些值在所有模拟过程中保持不变。

图25-28表示在图24的电路上进行的四个模拟的结果。在图24中采用一输入信号Iin，该信号为两安培峰-峰正弦曲线的形式，在这些图中被示出。输入信号的频率在每个模拟过程中被改变。

在图25中，输入频率为50Hz。左轴表示输入信号Iin。右轴表示穿过电容器的电压VC，其表示在图25中。可以清楚地看到，在50Hz时，输出Vc为一峰-峰间约为200伏的正弦曲线。

在图26中，输入频率为750Hz。可以清楚地看到，在750Hz时，输出Vc为一峰-峰间约为3,200伏的正弦曲线。

图24的共振频率约为2517Hz，采用在图23中给出的omega-sub-zero表达式计算出。在图27中，输入频率为2517Hz，清楚地表明在2517Hz时，Vc为一峰-峰间约为32,000伏的正弦曲线。

在图28中，输入频率为50kHz，也就是50,000Hz。清楚表明在50kHz时，输出Vc为一峰-峰间约为200伏的正弦曲线。

图25-28与串联的RLC电路能放大稳定状态的正弦曲线的假设一致。在共振频率，Vc较高，在共振时为32,000伏，并且在其它频率时，Vc较低。着重指出的是图25-28没有代表在图19中的线圈310所产生的电压，但是在假定的条件下，代表了图24中的电容器C。

发明者研究了在输入信号不是一稳定状态正弦曲线时，在图24所示类型的一RLC电路能否产生类似的放大，但是该类型的一系列的脉冲能用来给在此讨论的点火器供电。实验结果表示一肯定的答案，并且在此讨论的计算机模拟提供了合理的理由。

在图29中，线圈370表示电力电缆315。电力电缆实际上是一单回路的设备，但是在图24中的线圈370表示一多回路的设备，这是为了着重强调电力电缆作为变压器373的初级线圈的使用。

线圈375表示在图19中的感应线圈310，但是也可以采用类似图20中的线圈320的线圈。在图29中，电容器C和电阻器R添加到感应线圈375上，以寻求放大作用。着重强调的是选择图29的电路元件来承受与环境相一致的运行温度，尤其是环境温度，并且也包括温度的波动，这些元件在该环境中使用。

发明者发现对于一给定的脉冲序列，一仿真的共振频率可首先被计算。然后，通过一种方法，该仿真共振频率可作为通常的正弦波稳定状态共振频率，相应于图23中的omega-sub-zero。采用仿真共振频率时，电感L和电容器C的值以通常方式选择，但是需要认识到(1)一仿真共振频率被采用并且(2)稳定状态正弦波共振将不应用。相反，取得的L和C值与一脉冲输入一起使用。

实践中，电感L的值被图19中使用来构造线圈310的材料和几何结构所确定，从而设计者所控制的值仅仅为电容器C的值。

一旦基于仿真共振频率的L和C的值被选定，可以发现应用到图29中的变压器372的脉冲序列的放大能够发生。

另一方面，仿真共振频率能用图表进行确定，并且这将被一系列例子所阐述。图30表示图29中的电路的模拟输出，但是当其被图30中输入信号400所激励时，成为一三角电流脉冲，其应用到图24中的线圈370上。在图25中用于模拟的元件值为：R为500欧姆，L为1亨利，并且C为0.40微法，如图30所示。横轴表示时间，单位为毫秒。如前所述，左轴表示输入信号，并且右轴表示输出信号，其为图24中穿过电容器C的电压。

图30表示输出为一延迟的正弦曲线，其第一峰值在点405处，为正250伏左右，然后的峰值在点410处，为负175伏左右，如此等等。该输出响应通常在RLC电路中称为欠阻尼响应，并且也称为振铃。

图31表示一采用同样三角输入的模拟，并且采用与图30中的同样的元件值，但是电容器C的值为先前值的十分之一，现在为0.040微法。可以看到响应频率增加，与C值的减少一致。而且，Vc的振幅增大：现在峰值在点415处，为2.4千伏左右。

图32表示一采用同样三角输入的模拟，并且采用与图31中的同样的元件值，但是电感器L的值被减半，现在为0.5亨。可以看到响应频率增加，与L值的减少一致。而且，Vc的振幅增大：现在峰值在点420处，为2.8千伏左右。

图33表示一采用同样三角输入的模拟，并且采用与图32中的同样的元件值，但是电感器L的值被减至先前值的20％，现在为0.1亨。可以看到响应频率增加，与L值的减少一致。而且，Vc的振幅增大：现在峰值在点425处，为3.3千伏左右。

图34为图33的展开图，跨距是从0到2.0毫秒，并且阐述了一个仿真共振频率的概念。时间T表示响应的周期。响应的频率F，单位为Hz，当然为1/T。F为电路的共振频率，并且在图24中被定义。

图30-34表示以图表的方法来选择一仿真共振频率。在某种意义上，为选择L和C的值以获得一输出波形的方法，如图34所示，其中第一正弦波的上半部分与输入波形相似。例如上半部分425与输入波形有些相似。另一方面，采用一更加精确的方法。

在图34中，T/2的值定义为电路共振频率的半周期。T/2为一延迟正弦波的峰值正值或者负值的持续时间。发明者指出在图30-34的系列中，当图34中的T/2接近图34中的三角输入脉冲的持续时间TT时，对电压的放大增加。也就是说，通过改变图24中的L和C值使T/2接近持续时间TT，电容器电压Vc增加。

这里阐述了设置仿真共振频率的一个方法。选择电感L和电容C的值从而能产生一共振频率，该共振频率的半周期T/2等于输入脉冲的持续时间TT。但是输入被脉冲调制，或者在图30-34的模拟的情况下，为三角脉冲。

如果输入脉冲是矩形波而不是所示的三角波时，也能采用这种计算。输入脉冲的持续时间相应于图34中的持续时间TT，该输入脉冲例如是在图21中的图表331中的D。然后持续时间D相应于单位为Hz的频率1/D。该频率作为仿真共振频率，并且采用在图23中给出的公式对L和C进行计算，采取合适的转换到弧度的方法。

在另一个方法中，仿真共振频率基于输入脉冲的上升时间或下降时间进行选择。在图34中，上升时间大约为一微秒，即从点430上升到点435所需的时间。选择仿真共振频率使得T/4，也就是四分之一周期T等于上升时间。相应的对L和C进行选择。

相似的规则运用于下降时间。

输入脉冲可以为矩形脉冲。当然，该脉冲不是严格意义上的矩形：开始端和尾端具有有限的上升和下降时间。选择仿真共振频率使得T/4，也就是四分之一周期等于上升时间，这与三角波情况相类似。

需要指出的是仿真共振频率主要由图1中的周期D所决定。然而，周期D不是脉冲序列的频率。相反，频率等于1/T。因此，仿真共振频率不完全取决于输入频率，也不完全取决于脉冲序列的占空比，因此以仿真共振频率计算出的L和C的值也不完全取决于上述两因素。

先前讨论的用来选择仿真共振频率的方法是基于输入脉冲的时间。在本发明的又一形式中，仿真共振频率由试探法决定。如在图24中所示的实际电路运行模拟，或者通过例如是SPICE的能模拟该电路的计算机软件进行。选择可变的L和C值，然后采用这些需要被放大的值。

但是，L和C的尺寸被实际考虑的因素所限制。例如，在一给定的条件下，共振的获得需要一物理尺寸极大的电容器。因此，在一些情况下，选择元件从而提供在非共振条件下的运行，但是仍然提供了足够的放大。

需要指出的是，计算机模拟的方法可以非常简单，假定许多SPICE程序允许参数进行扫描。也就是说，在扫描过程中，诸如L的参数的值在一范围内进行选择，并且在该范围内使用的值的数目是指定的。在扫描过程中，几乎成千或者数百万的不同的L值以及C值被选择并且进行测试，这些都使用计算机机程序而很少有或者没有人工参与。

然后实验者对结果进行研究并且选择其所需的。

在仿真频率时，L和C的值被计算出来并且这些值提供了具体的阻抗。这些阻抗为计算出的相量阻抗，好像激励为稳定状态的正弦曲线。也就是说，在仿真共振频率，L和C的阻抗的总和设置为0。

也就是说，jwL+1/jwC＝0，其中L为电感值，C为电容值，w为伪共振频率，并且j为虚数运算符。一旦w被选定，则L和C被选择以满足上述给出的公式。

因此，对L和C的所需的值进行计算，好像系统运行在稳定状态的正弦曲线模式，但是，然后L和C被使用在脉冲调制输入模式中。

另外，R的值可以是重要的。在本发明的一种形式中，图24的RLC电路设计用来显示一欠阻尼响应，从工程意义上讲，使得脉冲产生的激励感应出称为振铃的正弦波响应。正弦曲线的包络线以指数规律衰减。R的值决定了衰减的速度。在本发明的一种形式中，R被选择使得下面事件发生。

首先，电流脉冲产生电火花。该脉冲激励RLC电路，例如在图29中所示的那样。RLC电路进入振铃，如图31-34所示。但是对R进行选择使得在下一个脉冲到来之前振铃正弦曲线能充分衰减，使得下一个振铃正弦曲线能与现在的相区别。

在一个实施例中，在图35中的振铃正弦曲线在1/2T内减少至其原始振幅A的50％。同时在任意选择的0.05T和0.9T之间的时间内，预期减至50％。

1996年6月4日，由Frus发表的，申请号为458,091的美国专利5,523,691描述了在航空器发动机中的点火器中检测电火花的一种方法。Frus指出，在其图1A中的电感L1首先被一电流充电。当正常电火花发生时，电感L1通过点火器火花塞迅速放电。

但是，如果点火器火花塞不能产生电火花，则电感L1将火花塞看作为一非常高的电阻。在这种情况下，电感L1通过包含在电压分配器27中的一电阻器放电。这种较迟的放电需要明显更长的时间。Frus检测放电的时间长度，并且当更长的放电被检测到时，他推断没有产生电火花。

Frus同时说明，如果由激励器13产生的电压下降到低于预定的值时，电火花不能产生。Frus讨论了一种方法来检测这种失效。

发明人认为在Frus文中的电感L1不能与本申请图19中的线圈310产生相类似的用途。例如，Frus文中的电感L1传送输送到点火器火花塞中的电流。相反，线圈310则不具备此用途。

另外的不同是Frus文中的电感L1必须设计得能抵抗确切的超过1,000伏并且可能超过20,000伏的电压。因此，需要从实际的电感L1中延伸的输入和输出之间产生有效的绝缘，同样在该设备中盘绕的导线附近也需要有效的绝缘。相反，图19中的线圈310需要承受较小的电压。在一个实施例中，线圈310被设计成一电感，在其两端的运行电压在三个不同的实施例中分别不超过5，10或者100伏。

另外，Frus文中的电感L1看起来不能存在于温度超过400F的环境中。

在本发明的一种形式中，当燃气涡轮机起动时，采用了一特定的起动顺序，如图18中所示的航空器中所示。飞行员运行一起动系统以使发动机中的转子(图中未示出)旋转，或者指令一控制系统(图中未示出)以开始启动程序。一燃料控制器(图中未示出)输送燃料到燃烧器中。在燃烧器中的点火器被启动。

如果发动机的点火没有被检测到，则飞行员检查在图18中的指示器500。指示器500位于航空器中飞行员的位置，通常称为驾驶舱。该指示器从检测器505中接收信号，该信号是响应于在图19中的电容器C所产生的电压信号，该信号定义为火花信号。如果火花信号表示点火器正在产生电火花，则指示器500通过指示灯表示产生了电火花。如果火花信号不存在，则指示器不产生指示，表示不存在电火花。

从另一个角度讲，指示器500与汽车中类似的指示器进行相反的工作。例如，在汽车中的油压指示器灯点亮则表示发生了问题。相反，当问题不存在时，则指示器500点亮，也就是说，此时点火器正在产生电火花。

提供一开关510，使得在不需要电火花的信息时，能允许飞行员关闭指示器500。可替换的，图中未示出的控制系统能控制何时指示器500能显示其信息。

图36表示了本发明的两种形式。点火器550具有最接近端555和远端560。最接近端具有一外壳565，在这种情况下，外壳为圆柱形或者横截面是圆形。其它的横截面形状也是可能的。

图中显示了一可分开的壳体570，其包含线圈L，电容器C和电阻R，与图29中的相应的元件相类似，如模块RLC所示。连接器，接线导线，同轴电缆575或者类似的元件允许对通过电容器C或者其它选择的元件的电压进行外部检测。

外壳570包含一孔隙580，该孔隙的横截面与外壳565的横截面相匹配。匹配的形状意味着两形状相同，并且具有相同的尺寸，使得孔隙580能与外壳565紧密的配合。

在本发明的一种形式中，电感L缠绕在点火器轴线周围，如图19所示。在本发明的另一形式中，一高导磁性环围绕着点火器，并且捕捉进入点火器的电流产生的磁力线B。如图20所示，电感L缠绕在环的周围。

在本发明的另一形式中，电火花检测器RLC与点火器整体构成，如图36中的点火器600所示。

本发明的几个另外的方面如下面所述。在本发明的一种形式中，在图19A中的转接器311被提供，并且安装在发动机或者燃烧器(两者都未示出)上。点火器螺线接入转接器中。转接器包含整体线圈310，该线圈实施上述的检测功能。

RLC电路没有必要在共振时运行。相反，RLC电路可以看作能实现两种功能。第一为放大在电感L中产生的脉冲。第二为RLC电路产生振铃，或者衰减的正弦曲线。振铃导致检测信号能持续一段比感应出振铃的脉冲还更长的时间，从而使得脉冲更容易被检测。

图34是三角波的例子。在点火器中使用的实际的信号不需要是三角的，但是取决于所使用的特定点火器的需要。同样，点火器的物理属性随着其使用期限而变化，并且这些属性影响施加到点火器上的脉冲的形状。众所周知，通过在电容器中的模拟，电流和所施加的AC电压相位不同。电容器的内部电阻随着其使用期限而改变。这种改变将会导致在电流和电压之间的相位角发生变化，这样阐述了这样一个观点，就是施加到实际物体上的电压的变化能改变在该物体中产生的电流。

在此的讨论构架在诸如图24中的R，L和C的分散的，集总的的电路元件上。但是，观察到能够用分配的元件实现相类似的结果。

上述运用在燃气轮机中只是一个实施例。通常，本发明一般运用到燃气轮机上，该燃气轮机应用在航空器，陆地车辆，船舶，发电和其它装置上。而且，本发明通常运用到点火器中的电火花的检测上。

添加一泄漏电阻器(bleed resistor)用来从图24中的电容器C以及在RLC电路中相应的电容器中放出电荷。该泄漏电阻加剧振铃的衰减，这样导致振铃消失的更快。

通常，选用R，L和C的值用来提供一检测信号，例如在电容器C上。检测信号的定义可参照K型热电偶获得，该热电偶广泛地使用在燃气轮机中。这种热电偶产生的信号在250毫伏范围内。因此，检测信号的一个定义可以是一超过250毫伏的信号。与该信号的定义一致，在一个实验中，发明人获得一个穿过电容器C的470毫伏的信号。

本发明的一个特征就是允许RLC电路中的电容器设置在远离其它组件的位置，这样就能位于比在图19中线圈310的位置更冷的位置。在一个实施例中，电容器C能位于室温的环境中，或者比室温更低的环境中，其中室温标称为75F。

这点很重要，因为许多电容器具有的实际的温度限制为175F。但是在图19中的线圈310的位置可能超过了400F。

上述讨论是关于对表示发生在操作台的正常电火花信号的传输。该信号也可以传送给维修人员，可以传送给使用该燃气轮机的设备，或者传送给远方维修人员。该信号也能传输到多个操作台。

在不脱离本发明的精神和范围内，可以进行许多替换和修改。例如，上述讨论的局限在航空器燃气轮机。但是，本发明能运用到其它类型的燃气轮机，例如用于发电的基于陆地的燃气轮机以及泵，或者船舶中。另外，本发明不仅仅局限于燃气轮机上，也通常能使用在点火器中，该点火器被使用在不同的燃烧应用中。

同样，如上所解释的，本发明不需要运行在较热的环境下，但本发明确实提供了能抵抗高温的能力，。

本发明所要保护的内容由下面的权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种燃气轮机(3)，其包括点火器(340)，从激励器(330)到点火器(340)的电缆(335)，该电缆把电能传输给点火器(340)，第一导电罩(345)，该罩围绕着电缆(335)并且连接到发动机，和第二导电罩(350)，该罩从外部导电罩(345)延伸并且围绕着点火器(340)，一种方法，该方法包括：

a)维持一邻接着点火器(340)的传感器(310)；

b)检测在第一导电罩(345)或第二导电罩(350)两者之一中的电流脉冲，或者对两者中的电流脉冲都检测；

c)当检测到电流脉冲时发出表示电火花存在的信号。

2.一种燃气轮机(3)，其包括点火器(340)，从激励器(330)到点火器(340)的电缆(335)，该电缆把电能传输给点火器(340)，第一导电罩(345)，该罩围绕着电缆(335)并且连接到发动机，和第二导电罩(350)，该罩从外部导电罩(345)延伸并且围绕着点火器(340)，一装置，该装置包括：

a)一与点火器(340)相邻的线圈(310)

b)装置(150)，该装置(150)检测在第一导电罩(345)或第二导电罩(350)两者之一中的电流脉冲，或者对两者中的电流脉冲都检测；

c)当检测到电流脉冲时能发出表示电火花存在的信号的装置。

3.一种用于检测电火花的装置，该装置包括：

a)电源(330)，其将高压电施加到与火花间隙(355)相连的导线(335)上，从而在火花间隙(355)中产生介质击穿；

b)电流通道(360)，用于当击穿发生时从火花间隙(355)中将返回电流输送到电源(330)；

c)围绕着导线(335)的导电罩(345)；

d)检测器(150)，用来检测在导电罩(345)中的电流，并且响应于电火花存在的情况，发出表示电火花存在的信号。

4.如权利要求3所述的装置，其中电流通道通向系统接地点。

5.如权利要求4所述的装置，其中导电罩(345)与系统接地点相连。

6.如权利要求3所述的装置，其中电火花发生在燃气轮机中。

7.一种用于燃气轮机中的装置，包括：

a)点火器(340)，该点火器

i)被外壳(350)所围绕，

ii)由电力电缆(335)供电，该电缆被导电罩(345)所围绕，该导电罩与外壳(350)相连；

b)检测器(150)，该检测器用于

i)检测在罩(345)，外壳(350)，电缆(335)或者它们的组合中的电流，但是不接触电缆(335)，

ii)响应于电火花存在的情况，发出表示在点火器(340)中存在电火花的信号。

8.如权利要求7所述的装置，其中发动机(3)提供动力给航空器(300)，并且信号被传输到航空器的操作台。

9.如权利要求7所述的装置，其中检测器(150)包括：

c)与罩(350)相邻的线圈(310)，其中电流被感应。

10.一种装置，其包括：

a)具有机架(352)或壳体的燃气轮机(3)，该机架(352)或壳体具有DC接地的电势；

b)发动机(3)的点火器(340)；

c)供电电缆，其提供电流脉冲给点火器(340)；

d)围绕着供电电缆(335)的导电罩(345)，该罩与点火器(340)的外壳(350)相连，其中罩(345)和外壳(350)与所述接地电势相连；

e)激励器(330)，其提供所述电流到点火器(340)中，并且接收来自点火器的返回电流，该返回电流流过

i)所述罩(345)，

ii)第二通道(360)；

f)与所述外壳相邻的检测器(150)，其检测下述的一个或多个：

i)电缆(335)中的电流脉冲；

ii)外壳(350)中的电流脉冲；或

iii)电缆(335)中的电流脉冲与外壳(350)中的电流脉冲之间的差。

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