專利名稱：用于實時測量氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及確定氣體-燃料混合物的當(dāng)量比(equivalence ratio)并且更具體地涉及實時測量燃氣渦輪引擎中的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
為了減少NOx排放并且提高用于動力和推進系統(tǒng)的燃氣渦輪引擎的壽命，廣泛優(yōu)選的是貧燃料預(yù)混燃燒(lean premixed combustion)。在貧燃料火焰中，主要的NOx形成機制取決于局部火焰溫度。以貧燃料/空氣當(dāng)量比運行的燃氣渦輪引擎由于較低的火焰溫度顯著降低NOx產(chǎn)生。另外，較低的火焰溫度減少對例如燃燒襯套等燃氣渦輪機部件的維護需要。從而，當(dāng)量比對于燃氣渦輪引擎運行是關(guān)鍵參數(shù)。然而，貧燃料預(yù)混燃燒易遭遇熱聲不穩(wěn)定性和貧燃料熄火，由此降低效率并且增加排放。這進一步導(dǎo)致硬件損壞并且造成安全危害。此外，熱聲不穩(wěn)定性是在燃燒腔聲頻附近的自我維持的燃燒振蕩，其是不穩(wěn)定的熱釋放與壓力振蕩的閉環(huán)耦合的結(jié)果。已經(jīng)進行密集的實驗和理論工作來了解熱聲不穩(wěn)定性的驅(qū)動機制，并且抑制在實驗室規(guī)模和全尺寸的燃燒室(combustor)中的這些不穩(wěn)定性。熱釋放波動可以產(chǎn)生壓力振蕩，這是很好理解的；然而，由此壓力振蕩引起熱釋放波動的機制不為人所熟知。當(dāng)量比波動被認為是對于貧燃料燃氣渦輪引擎燃燒系統(tǒng)中的熱聲不穩(wěn)定性的最重要驅(qū)動機制中的一個。因為熱聲振蕩中牽涉的復(fù)雜的物理和化學(xué)相互作用， 難以預(yù)測這種不穩(wěn)定的燃燒行為。因此，在不穩(wěn)定的燃燒期間測量當(dāng)量比波動對于監(jiān)測燃氣渦輪引擎中的熱聲不穩(wěn)定性非常重要。另外，在當(dāng)量比波動和熱釋放波動之間的測量的燃燒傳遞函數(shù)可以用于直接輸入到分析模型來預(yù)測燃燒不穩(wěn)定性。已經(jīng)使用He-Ne激光器的3. 39 μ m波長輸出的紅外(IR)甲烷吸收來測量當(dāng)量比， 從而研究在預(yù)混不穩(wěn)定燃燒(實驗室規(guī)模)期間它對熱釋放的影響。還通過在相同的波長的激光吸收來測量局部燃料空氣比，從而研究在預(yù)混燃燒器(premixed burner)中混合對 NOx排放的影響。相同的IR激光吸收技術(shù)也已經(jīng)用于測量脈沖爆震引擎和內(nèi)燃引擎中的燃料濃度。然而，He-Ne激光器對于環(huán)境條件是敏感的并且在多個離散波長同時發(fā)射漫輻射和相干光。另外，在3.39 μ m波長處的吸收是所有碳氫燃料所共有的碳-氫(CH)不對稱伸縮鍵，而不同的碳氫化合物具有不同的吸收系數(shù)。因此，對于運行期間遇到的每個燃料混合物需要校準(zhǔn)傳感器。從而，IR吸收法對于燃氣渦輪引擎中的實際應(yīng)用具有限制。此外，目前的燃氣渦輪機運行依靠整體流拆分來估計平均火焰溫度，并且從燃燒穩(wěn)定性和如CO和NOx等排放方面調(diào)整燃料/空氣比用于最佳運行。然而，該方法的能力由于不確定的噴嘴到噴嘴和罐到罐流動變化而受到限制。因此，不斷地需要準(zhǔn)確和快速地實時測量實際燃氣渦輪引擎中的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供用于實時監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個設(shè)置在多個燃料噴嘴上用于將激光束直接或通過從燃料噴嘴的中心體或燃燒器管的表面反射激光束而間接傳送通過氣體-燃料混合物的光學(xué)探頭。該系統(tǒng)還包括一個或多個檢測器來測量從這些多個光學(xué)探頭傳送的激光束。此外，該系統(tǒng)包括用于采集并且處理來自該一個或多個檢測器的信號的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來確定噴嘴的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的實時當(dāng)量比的方法。該方法包括使用設(shè)置在該引擎的多個燃料噴嘴上的多個光學(xué)探頭收發(fā)通過氣體-燃料混合物的激光束。該方法還包括由一個或多個檢測器感測直接或通過從燃料噴嘴的表面反射而間接傳送通過氣體-燃料混合物的激光束。該方法進一步包括通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集檢測器信號。最后，該方法包括處理記錄的信號來實時確定氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供制造用于實時監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)的方法。該方法包括提供可調(diào)諧二極管激光器來產(chǎn)生具有用于激光吸收測量的最佳波長的激光束。該方法還包括提供靠近燃料噴嘴用于直接或通過從燃料噴嘴的表面反射激光束而間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物的激光束的多個光學(xué)探頭。該方法還包括拋光或涂裝燃料噴嘴的表面來提高激光束的反射率。此外，該方法包括提供一個或多個檢測器來測量來自光學(xué)探頭的激光束。最后，該方法包括提供用于采集并且處理激光信號束的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于確定氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。


當(dāng)下列詳細說明參照附圖(其中所有圖中相似的符號代表相似的部件)閱讀時， 本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中圖I示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于監(jiān)測燃氣渦輪機燃料噴嘴的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)。圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例具有在燃燒器管上的多個光學(xué)探頭設(shè)置的傳感器系統(tǒng)。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃燒器管上的光學(xué)探頭的另一個設(shè)置。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例具有在燃氣渦輪引擎的多個燃燒器管上的多個光學(xué)探頭設(shè)置的傳感器系統(tǒng)。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例制造用于實時監(jiān)測引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的傳感器系統(tǒng)的方法的流程圖。圖6是對于典型的貧燃料預(yù)混合燃氣渦輪機燃燒室的模擬甲烷吸收光譜的圖示的非限制性示例。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出靜態(tài)單元中的測量的吸收光譜的圖示的非限制性示例。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實施例當(dāng)注入偏置電流變化時測量的WMS-If和-2f光譜的非限制性示例。圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出對于穩(wěn)定條件測量的波長平均光譜學(xué)(WMS)第一諧波(If)和第二諧波(2f)信號的圖示的非限制性示例。圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實施例對于穩(wěn)定條件測量的第二諧波(2f)信號與第一諧波(If)信號的比率的非限制性示例。圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實施例對于穩(wěn)定條件的快速傅里葉變換(FFT)光譜的非限制性實施例。圖12是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出對于強制火焰條件(forced flame condition) 測量的麗S-If和_2f信號的圖示的非限制性示例。圖13示出根據(jù)本發(fā)明的實施例對于強制火焰條件測量的當(dāng)量比的非限制性示例。圖14示出根據(jù)本發(fā)明的實施例對于強制火焰條件的快速傅里葉變換(FFT)光譜的非限制性實施例。圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實施例監(jiān)測引擎的氣體-燃料混合物的實時當(dāng)量比的方法的流程圖。
具體實施例如在下文詳細論述的，本發(fā)明的實施例針對以氣體為燃料的燃氣渦輪引擎中的當(dāng)量比的非侵入性測量。如本文使用的，短語“當(dāng)量比”指燃料-氧化劑比與燃料-氧化劑化學(xué)計量比的比率。本發(fā)明解決了實時監(jiān)測引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)和方法。當(dāng)介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，冠詞“一”、“該”和“所述”意在表示存在這些元件中的一個或多個。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”意在為包含性的并且表示可存在除列出的元件外的附加元件。運行參數(shù)的示例不排除公開的實施例的其他參數(shù)。圖I示出根據(jù)本發(fā)明的實施例用于監(jiān)測引擎燃燒室的氣體-燃料混合物11的當(dāng)量比的傳感器系統(tǒng)10。要注意到還可采用該傳感器系統(tǒng)10來監(jiān)測氣體-燃料混合物的當(dāng)量比并且由此觀察燃氣渦輪機、鍋爐、加熱器和爐的多種低排放、高性能燃燒腔的燃燒條件。引擎燃燒室12的剖視圖示出具有燃燒器管14和靠近火焰的燃燒室12末端附近的中心體16。系統(tǒng)10包括靠近引擎噴嘴設(shè)置用于收發(fā)直接通過氣體-燃料混合物11的信號束21的多個光學(xué)探頭(18，20)。在一個實施例中，這些光學(xué)探頭18、20是安裝在燃燒器管 14上的多個位置上的光纖耦合傳感器探頭。系統(tǒng)10進一步包括用于使用充當(dāng)激光投擲器的光纖探頭18中的一個產(chǎn)生被引導(dǎo)通過氣體-燃料混合物11的激光束21的可調(diào)諧二極管激光器(TDL) 22。在一個實施例中，TDL 22是近紅外TDL以提供基于I. 65微米附近的甲烷的固定波長激光吸收的吸收傳感器并且利用未燃燒的氣體-燃料混合物中的大量的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)。激光束21的波長范圍可從約IOOOnm變化至約4000nm。如示出的，光學(xué)探頭20充當(dāng)捕捉探頭并且接收激光束21。系統(tǒng)10還包括用于分裂激光束21并且傳送激光束21通過引擎中的多個燃料噴嘴的燃料-空氣混合物的分束器或光學(xué)開關(guān)。系統(tǒng)10進一步包括用于調(diào)制激光波長來產(chǎn)生激光波長的最佳調(diào)制深度的激光控制器24。此外，系統(tǒng)10 包括用于安裝TDL傳感器22的激光器座(未示出)。系統(tǒng)10還配置成具有一個傳送通過充滿校準(zhǔn)氣體(CH4和N2混合物)的靜態(tài)單元的光路。對TDL吸收傳感器實施該校準(zhǔn)來確定線強度和激光設(shè)置點。系統(tǒng)10還包括檢測器26，其感測激光束21并且引導(dǎo)信號到鎖定放大器28用于解調(diào)感測的信號來同時恢復(fù)第一諧波(If)和第二諧波(2f)信號。從而，鎖定放大器28提高信噪比并且自動校正由于振動或窗口污染引起的傳送變化。在一個實施例中，感測的信號由Perkin-Elmer鎖定放大器(模式7280)解調(diào)來同時恢復(fù)具有O. 5毫秒的時間常數(shù)的If和2f信號。在另一個實施例中傳感器系統(tǒng)10帶寬可通過使用兩個鎖定放大器或軟件鎖定而提高。感測的信號束由數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)30進一步處理。接收的信號束的該處理包括使用具有第二諧波檢測的固定波長調(diào)制光譜學(xué)(WMS)技術(shù)用于測量燃氣渦輪引擎的燃料-空氣混合物的實時當(dāng)量比。該波長調(diào)制光譜學(xué)(WMS)包含通過長度 L(cm)的引擎燃燒室的均勻氣體介質(zhì)的單色輻射的傳輸系數(shù)τ (V)，其由比爾-朗伯定律給出
τ(ν) = (It/1o)V= οχρ[-Ρ 8φνΣ] I- PiScpvL,( I )其中It和I。是傳送和入射激光強度，SGn^atnT1)和φν是吸收特征的線強度和線
形函數(shù)，并且Pi (大氣)是吸收物種的分壓。右手邊中的近似對于光學(xué)上薄的樣品都成立 (PiScpvLO-I)。在本發(fā)明中，激光波長V用角頻率ω快速調(diào)制V (O = v+α cos {ω )( 2 )其中McnT1)是中心激光頻率并且a (cnT1)是調(diào)制深度。同時調(diào)制二極管激光器強度。傳輸系數(shù)是CU的周期偶函數(shù)并且從而可以采用傅里葉余弦級數(shù)展開
Cd一τ ( V + a cos {ω )] =a)cos(kat),( 3 )
k=0并且第二諧波傅里葉分量由以下給出
Hi(y,a) = -^φ(ν + acos0)cos2Ode( 4 )
π 71對于WMS檢測，鎖定放大器28用于通過使檢測器信號乘以頻率2 ω的正弦參考信號測量第二諧波(2f)信號。該技術(shù)對于吸收線形狀曲率敏感并且對于低頻噪聲不敏感。從而，WMS 2f檢測從抗噪性和敏感性方面提供超過直接吸收的益處。鎖定放大器28充當(dāng)帶通濾波器并且將噪聲排斥在鎖定帶寬外。另外，WMS測量消除在波長掃描直接吸收測量中要求的難以解決的基線擬合的需要，尤其在弱吸收的情況下是如此。最后，采用If信號的 WMS-2f信號的標(biāo)準(zhǔn)化去除校準(zhǔn)和考慮由于束轉(zhuǎn)向、散射和窗口污染引起激光傳輸變化的需要。這樣的標(biāo)準(zhǔn)化對于考慮內(nèi)在激光傳輸變化的燃氣渦輪機燃燒室中的實際應(yīng)用是重要的。在本發(fā)明中，TDL 22包含使用具有第二諧波檢測的固定波長WMS來簡化數(shù)據(jù)處理并且便于實時測量當(dāng)量比。激光波長設(shè)置在吸收特征的線中心以最大化WMS-2f信號。如果線形函數(shù)不隨測試條件而變化，測量的2f/lf比與吸收物種的分壓成正比例。當(dāng)氣體壓力和溫度由壓力換能器和熱電偶測量時，則利用已知的燃料組成從測量的比來確定當(dāng)量比。本系統(tǒng)10的DAQ系統(tǒng)30包括電子信號處理器，其適用于并且配置成分析和處理從鎖定放大器28或相反直接從檢測器26接收的實時數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意到，本發(fā)明的實施例不限于用于執(zhí)行本發(fā)明的處理任務(wù)的任何特定處理器。術(shù)語“電子信號處理器”(當(dāng)該術(shù)語在本文使用時)意在指示任何能夠執(zhí)行對于執(zhí)行本發(fā)明的任務(wù)必需的計算或運算的機器。 術(shù)語“處理器”意在指示任何能夠接受結(jié)構(gòu)化輸入并且根據(jù)規(guī)定的規(guī)則處理該輸入以產(chǎn)生輸出的機器。還應(yīng)該注意到，如本文使用的短語“配置成”意思是處理器裝配有用于執(zhí)行本發(fā)明的任務(wù)的硬件和軟件的組合，如將由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員理解的。系統(tǒng)10還包括信號發(fā)生器32，其基于從光學(xué)探頭18、20接收的數(shù)據(jù)和由DAQ系統(tǒng)30對接收的數(shù)據(jù)的處理產(chǎn)生輸出信號。圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例具有在引擎燃燒室56上的多個光學(xué)探頭52、54設(shè)置的傳感器系統(tǒng)50。該系統(tǒng)50描繪了具有燃燒器管58和中心體60的引擎燃燒室56的剖視圖。這些光學(xué)探頭52、54周向地設(shè)置在該燃燒器管58上用于間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物62的激光束64。在該實施例中，這些多個光學(xué)探頭52、54通過從燃料噴嘴的中心體60的表面反射信號束而間接收發(fā)信號束64。第一光學(xué)探頭52和第二光學(xué)探頭54安裝在燃燒器管上使得傳送的信號激光束60對著中心體60的表面處的最佳角度。為了本系統(tǒng) 50的高性能，中心體60的表面可拋光或涂裝或處理以獲得相當(dāng)大的反射率。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例具有在引擎燃燒室76上的多個光學(xué)探頭72、 74設(shè)置的另一個傳感器系統(tǒng)70。該系統(tǒng)70描繪了具有燃燒器管78和中心體84的引擎燃燒室76的剖視圖。第一光學(xué)探頭72和第二光學(xué)探頭74安裝在燃燒器管78上使得探頭都互相挨著位于單個端口上。這些多個光學(xué)探頭72、74通過從引擎的中心體84的表面反射激光束而間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物82的激光束80。第二光學(xué)探頭74充當(dāng)捕捉探頭并且接收引擎燃燒室76的中心體84的表面所反射的激光束的一部分。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例具有在燃氣渦輪引擎110上的多個光學(xué)探頭104、 106設(shè)置的傳感器系統(tǒng)100。燃氣渦輪機110的典型的剖視圖示出具有包括多個噴嘴和多個周向環(huán)抱多個中心體109的燃燒器管108的罐。如圖示的，多個光學(xué)探頭104、106安裝在一個這樣的燃燒器管上用于通過從燃氣渦輪引擎110的中心體表面反射信號束而間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物的信號束。要理解多個光學(xué)探頭可安裝在多個燃燒器管上用于同時監(jiān)測靠近燃氣渦輪引擎110的多個噴嘴的當(dāng)量比。采用非限制性方式，光學(xué)探頭的各種設(shè)置的先前論述的任何實施例可用于在該實施例中將探頭安裝在多個燃燒器管上。傳感器系統(tǒng)100還包括用于產(chǎn)生由光學(xué)探頭引導(dǎo)進入引擎的氣體-燃料混合物的激光束用于檢測當(dāng)量比的激光裝置112。如示出的，激光控制器114配置成調(diào)制激光波長來產(chǎn)生測量當(dāng)量比所需要的激光束的最佳調(diào)制深度。此外，傳感器系統(tǒng)100包括檢測器116，其測量激光信號并且將信號引導(dǎo)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ) 118。DAQ 118處理接收的信號來確定燃氣渦輪引擎110中的氣體-燃料混合物的實時當(dāng)量比。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例制造用于實時監(jiān)測引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的傳感器系統(tǒng)的方法200的流程圖。在步驟202，該方法包括提供可調(diào)諧二極管激光器 (TDL)傳感器以產(chǎn)生處于由燃料中的氣體組分強烈吸收的波長的激光束。在步驟204，該方法包括提供靠近噴嘴的多個光學(xué)探頭用于直接收發(fā)或通過從燃料噴嘴的表面反射激光束而間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物的激光束。此外，在步驟206，該方法包括拋光或涂裝燃料噴嘴的表面。在208，該方法還包括提供一個或多個檢測器用于感測來自光學(xué)探頭的信號束。最后在步驟210，該方法包括提供用于采集并且處理信號束的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于確定燃料-空氣混合物的當(dāng)量比。該傳感器系統(tǒng)還包括信號發(fā)生器，其充分地產(chǎn)生輸出信號， 這些輸出信號示出在引擎燃燒室中的多個條件下作為各種參數(shù)的函數(shù)的實時當(dāng)量比。此外，該方法200包括提供用于解調(diào)檢測器信號的激光控制器和鎖定放大器用于同時恢復(fù)第一諧波(If)和第二諧波(2f)信號來提高信噪比、自動傳輸校正并且去除對于校正的需要。 此外，該方法200還包括提供分束器用于將信號束分裂成第一信號束和第二信號束；傳送該第一信號束通過燃氣渦輪引擎的燃料-空氣混合物；以及傳送該第二信號束通過靜態(tài)單兀用于確定激光設(shè)置點。通過非限制性示例，甲烷吸收光譜220的圖示在圖6中示出。針對典型的貧燃料預(yù)混燃氣渦輪機燃燒室條件(I個大氣壓，空氣中6%的甲烷，氣體介質(zhì)長度L = 7cm并且溫度=700K)模擬該吸收光譜220。X軸222代表采用厘米倒數(shù)(cnT1)單位的波數(shù)。Y軸224 代表吸收。在本發(fā)明中，對于當(dāng)量比的實時TDL傳感器基于I. 6511111(6047(31^1波數(shù))附近的甲烷的近IR吸收，如由曲線226示出的。對于甲烷吸收測量存在來自空氣中其他物種的最小干擾。1653. 725nm附近的線在大氣壓力下很好地隔離，并且從而選擇以用于本TDL傳感器。本TDL傳感器與先前的基于He-Ne激光的紅外(IR)吸收的傳感器相比存在若干優(yōu)勢。首先，近IR光纖耦合TDL傳感器利用分布式反饋(DFB)電信二極管激光器、近IR光纖和光學(xué)器件的成熟技術(shù)，并且從而具有高得多的信噪比(SNR)。其次，DFB 二極管激光器輸出波長和功率是非常穩(wěn)定的，并且利用溫度和注入電流容易地調(diào)諧激光波長。波長調(diào)制光譜學(xué)與第二諧波檢測結(jié)合來提高TDL傳感器靈敏度和準(zhǔn)確性。第三，近IR TDL傳感器通過使用If標(biāo)準(zhǔn)化對來自窗口污染或束轉(zhuǎn)向的傳輸損耗不敏感。在近IR的甲烷(CH4)吸收水平更適合于視線應(yīng)用來確保足夠的傳輸和吸收。I. 65 μ m附近的吸光度保持在大約3-4%， 其對于WMS-2f測量是理想的。此外，在一個實施例中，在很好控制的環(huán)境中使用具有N2中5. 44% CH4的混合物的靜態(tài)單元對本TDL傳感器實施校準(zhǔn)來確定線強度并且找到激光設(shè)置點。對于直接吸收測量，利用在IOOHz頻率的線性電流斜坡來調(diào)諧激光波長。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出在靜態(tài)單元(I個大氣壓，297K溫度，氣體介質(zhì)長度L = 4. 5cm)中1653. 725nm附近測量的甲烷吸收線形的圖示250的非限制性示例。使用Voigt線型最佳擬合試驗曲線，并且在上面板252中示出殘差(由峰值吸光度標(biāo)準(zhǔn)化的擬合和數(shù)據(jù)之間的差)。該吸收特征的線強度可以使用積分吸光度面積推斷。對于麗S測量，正弦調(diào)制激光波長。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實施例當(dāng)注入偏置電流從65變化至85毫安(mA)時測量的麗S-If和-2f光譜的非限制性示例。If信號由于幅度調(diào)制而具有大的偏移。因為2f信號在吸收線中心處達到峰值，激光波長可以通過對于固定波長WMS測量最大化2f信號而鎖定。在每個燃燒測試之前重復(fù)該過程來確保正確的激光設(shè)置點。通過另一個非限制性示例，圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實施例在穩(wěn)定條件下測量的麗S-If和-2f信號的圖示270。對于TDL傳感器實現(xiàn)具有O. 5ms的鎖定時間常數(shù)的O. 5ms 時間分辨率。如在圖10中示出的測量的比280是不穩(wěn)定的，可能由于不穩(wěn)定的紊流混合所引起。圖11示出對于穩(wěn)定條件的數(shù)據(jù)290的快速傅里葉變換(FFT)光譜的非限制性示例。在該FFT光譜上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的頻率，其指示沿著傳感器視線波動的隨機當(dāng)量比。通過非限制性示例，圖12示出在強制火焰條件下對于O. 177kg/s的空氣流和297K 的入口空氣溫度測量的麗S-If和-2f信號的圖示300的非限制性示例。在該非限制性示例中，燃料流率是恒定的，所以燃燒室出口附近的當(dāng)量比由于空氣流率變化而改變。圖12 圖不對于42Hz (平均φ = O. 63)強迫頻率(forcing frequecny)的WMS-If和_2f信號測量的時間歷史?？梢詮腎f信號中看到激光傳輸信號正波動，可能由于窗口和測試臺的振動引起。該結(jié)果清楚地表明具有使用If標(biāo)準(zhǔn)化的自動傳輸校正的TDL傳感器的優(yōu)勢。圖13 和14示出對于強制火焰測量的當(dāng)量比310和快速傅里葉變換(FFT)光譜320的非限制性示例。主要振蕩模式(42Hz)和諧波可以從FFT光譜中清楚地看到。基本模式的零到峰值當(dāng)量比振蕩是約O. 069。在沒有If標(biāo)準(zhǔn)化情況下，峰值當(dāng)量比振蕩將是0.075(比實際值高9% )。該結(jié)果表明快速TDL傳感器可以用于準(zhǔn)確地表征燃氣渦輪機燃燒室中的當(dāng)量比波動。圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實施例監(jiān)測引擎的氣體-燃料混合物的實時當(dāng)量比的方法400的流程圖。在步驟402，該方法包括使用靠近引擎的燃料噴嘴設(shè)置的多個光學(xué)探頭收發(fā)通過氣體-燃料混合物的信號束。這些信號束是由快速近紅外可調(diào)諧二極管激光器 (TDL)產(chǎn)生的激光束。該方法還包括校準(zhǔn)TDL吸收傳感器來確定線強度和激光設(shè)置點。如在圖I中示出的，光學(xué)探頭18安裝在引擎燃燒室的燃燒器管上并且將激光束傳送通過氣體-燃料混合物到另一個光學(xué)探頭20。在步驟404，該方法包括由一個或多個檢測器(示出作為圖I中的檢測器26)感測直接傳送或通過從噴嘴的表面反射而間接傳送通過氣體-燃料混合物的信號束。在步驟406，感測的信號束由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(如在圖I中示出的DAQ 系統(tǒng)30)進一步采集。在步驟406之前，感測的信號束由鎖定放大器調(diào)制。最后在步驟408， 該方法400包括處理該信號來實時確定氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。有利地，本方法和系統(tǒng)能夠?qū)γ總€渦輪機燃燒室實時直接測量氣體-燃料比，并且從而直接提供火焰溫度。氣體-燃料比(和它的波動)的原位實時測量可以為燃燒室優(yōu)化和控制提供有價值的信息，尤其是對于在燃燒罐中具有關(guān)多個噴嘴的燃氣渦輪引擎是如此。另外，該方法可以提供在線數(shù)據(jù)來監(jiān)測部分到部分和引擎到引擎部件變化。另外，本發(fā)明還為燃氣渦輪機應(yīng)用提供實際傳感器設(shè)置。從而，本發(fā)明提供用于實時主動控制燃氣渦輪機燃燒室以優(yōu)化效率和可靠性的傳感器。例如，實時當(dāng)量比數(shù)據(jù)可以用于控制點火溫度來提高引擎效率。在具有當(dāng)量比波動的燃燒動力學(xué)情況下，該實時信號可以為主動控制系統(tǒng)提供反饋控制信號來抑制不穩(wěn)定性。此外，技術(shù)人員將認識到來自不同實施例的各種特征的互換性。相似地，描述的各種方法步驟和特征以及對于每個這樣的方法和特征的其他已知的等同物可以由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員混合和匹配以根據(jù)本公開的原理構(gòu)建另外的系統(tǒng)和技術(shù)。當(dāng)然，要理解不是必須上文描述的所有這樣的目的或優(yōu)勢可根據(jù)任何特別實施例實現(xiàn)。從而，例如，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認識到本文描述的系統(tǒng)和技術(shù)可采用實現(xiàn)或優(yōu)化如本文教導(dǎo)的一個優(yōu)勢或一組優(yōu)勢的方式來體現(xiàn)或?qū)嵤槐貙崿F(xiàn)如可在本文中教導(dǎo)或啟示的其他目的或優(yōu)勢。盡管本文僅圖示和描述本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，要理解附上的權(quán)利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于實時監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個光學(xué)探頭，設(shè)置在多個燃料噴嘴上用于將激光束直接或通過從所述燃料噴嘴的中心體或燃燒器管的表面反射激光束而間接傳送通過氣體-燃料混合物；一個或多個檢測器，用于接收從所述多個光學(xué)探頭傳送的激光束；以及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，用于采集并且處理來自所述一個或多個檢測器的信號以用于實時確定所述燃氣渦輪引擎的所述氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其進一步包括多個激光裝置、多個控制器和用于將激光束引導(dǎo)通過所述燃料噴嘴中的所述氣體-燃料混合物的所述多個光學(xué)探頭。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述多個光學(xué)探頭設(shè)置在所述燃料噴嘴的燃燒器管上，其中所述燃料噴嘴安裝在所述燃氣渦輪引擎的環(huán)形燃燒腔上或燃燒室罐中。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述多個光學(xué)探頭包括安裝在所述燃燒器管上的多個位置上的光纖耦合傳感器探頭。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中第一光學(xué)探頭配置成將所述激光束傳送通過所述氣體-燃料混合物或到所述燃料噴嘴的表面上，其中所述燃料噴嘴包括所述中心體或所述燃燒器管。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中第二光學(xué)探頭配置成接收直接或通過從所述燃料噴嘴的表面反射而間接傳送通過燃料-空氣混合物的激光束。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述第一光學(xué)探頭和所述第二光學(xué)探頭周向或軸向安裝在所述燃燒器管上使得在從所述燃料噴嘴的表面反射之后在它們之間傳送的激光束沿著對著所述表面處的最佳角度的路徑而行。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述第一光學(xué)探頭和所述第二光學(xué)探頭互相挨著位于所述燃燒器管上。
9.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個激光裝置基于近紅外或中紅外激光。
10.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中激光束的波長范圍從約IOOOnm至約4000nm。
11.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述激光裝置中的一個包括用于吸收測量的快速近紅外可調(diào)諧二極管激光器(TDL)。
12.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其進一步包括用于測量第一諧波和第二諧波信號來提高信噪比并且自動校正由于振動或窗口污染引起的傳輸變化的鎖定放大器。
13.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進一步包括用于分裂所述激光束并且將所述激光束傳送通過所述燃氣渦輪引擎中的多個燃料噴嘴的所述燃料-空氣混合物的分束器或光學(xué)開關(guān)。
14.一種監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的實時當(dāng)量比的方法，所述方法包括: 使用設(shè)置在所述引擎的多個燃料噴嘴附近的多個光學(xué)探頭收發(fā)通過氣體-燃料混合物的激光束；由一個或多個檢測器感測直接或通過從所述燃料噴嘴的表面反射而間接傳送通過所述氣體-燃料混合物的激光束；通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集檢測器信號；以及處理記錄的信號來實時確定所述氣體-燃料混合物的所述當(dāng)量比。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其進一步包括校準(zhǔn)可調(diào)諧二極管激光器用于確定線強度和激光設(shè)置點。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理進一步包括使用具有第二諧波檢測的固定波長調(diào)制光譜學(xué)(WMS)技術(shù)用于測量燃氣渦輪引擎的所述燃料-空氣混合物的實時當(dāng)量比。
17.—種制造用于實時監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供可調(diào)諧二極管激光器來產(chǎn)生具有用于吸收測量的最佳波長的激光束；提供靠近燃料噴嘴的多個光學(xué)探頭用于直接或通過從所述燃料噴嘴的表面反射激光束而間接收發(fā)通過氣體-燃料混合物的激光束；拋光或涂裝所述燃料噴嘴的表面來提高所述激光束的反射率；提供一個或多個檢測器用于檢測來自所述光學(xué)探頭的激光束；以及提供用于采集并且處理所述信號的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于實時確定所述氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括提供用于解調(diào)所述檢測器信號的激光控制器和鎖定放大器用于同時恢復(fù)第一諧波(If)和第二諧波(2f)信號來提高信噪比、自動傳輸校正并且去除對于校準(zhǔn)的需要。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括提供分束器用于將所述信號束分裂成第一信號束和第二信號束；傳送所述第一信號束通過所述燃氣渦輪引擎的所述燃料-空氣混合物；以及傳送所述第二信號束通過靜態(tài)單元用于確定激光設(shè)置點。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于實時測量氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的系統(tǒng)和方法。提供一種實時監(jiān)測燃氣渦輪引擎的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比。該系統(tǒng)包括設(shè)置在多個燃料噴嘴上用于將激光束直接或通過從燃料噴嘴的中心體或燃燒器管的表面反射激光束而間接傳送通過氣體-燃料混合物的多個光學(xué)探頭。該系統(tǒng)還包括一個或多個檢測器來測量從這些多個光學(xué)探頭傳送的激光束。此外，該系統(tǒng)包括用于采集并且處理來自該一個或多個檢測器的信號用于實時確定噴嘴的氣體-燃料混合物的當(dāng)量比的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。
文檔編號G01N21/39GK102608067SQ201110452908
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者K·R·麥芒努斯, S·D·維何, 李和杰 申請人:通用電氣公司