燃气涡轮光学成像系统的制作方法

专利名称：燃气涡轮光学成像系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，且尤其涉及用于监测涡轮发动机的效率的系统 和方法。
背景技术：
现代燃气涡轮可被监测以确保高效操作。监测燃气涡轮的一种方式可包括将 热电偶组(TCs)(通常是金属测量仪器)布置在燃气涡轮的排气装置环形套筒(exhaust annulus)周围，以监测离开发动机的气相产物的温度。通常，由这些TCs测量的绝对温度和 相对温度可供给到数字控制系统(DCS)中，以调节燃气涡轮的进气和燃料流率，以便提高 发动机的整体性能。由于其大小和离散布置的原因，TCs在准确估计排气装置中的平均温度方面能力 有限。为了克服此缺点的努力已经包括了在排气装置环形套筒中增加更多的TCs。但是，当 对排气装置环形套筒增加更多TCs时，排气装置中的金属仪器耙两端的压降会增大。这可 能会在发动机上导致增大的背压，增大的背压会有害地改变性能。因此，需要可在准确地监 测和调节燃气涡轮发动机的效率和性能的同时最大程度地减小由监测装备对发动机引起 的背压的技术和系统。

发明内容
在第一实施例中，一种燃气涡轮燃料喷嘴包括发动机效率监测系统，其包括适于 以规定频率发射光的激光器；成像装置，包括适于将光作为吸收光传输的第一侧和适于接 收吸收光的第二侧；以及适于产生表示吸收光的图像的成像系统。在第二实施例中，一种涡轮系统包括适于点燃燃料源以产生加压排气的燃烧器； 适于排出加压排气的排气装置，其中，排气装置包括成像装置，成像装置适于将光从成像装 置的第一侧传输到成像装置的第二侧；以及适于产生表示排气装置的一个区域中的温度的 图像的成像系统。在第三实施例中，一种方法包括使光从传输位置传输穿过涡轮的排气装置中的成 像装置，在成像装置中的接收位置处接收传输的光，在转换器处确定光的吸收量，以及产生 表示吸收光的图像。


当结合附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，相同符号在所有图中始终表示相同部件，其中图1是根据本文描述的实施例中的一个实施例的燃气涡轮发动机的简图；图2是可调式二极管激光吸收光谱系统的简图；图3A-3D是用于与图1的可调式二极管激光吸收光谱系统一起使用的成像装置的 图示；
图4是在图3A-3D的成像装置上的激光传输和接收的图示。图5是用于与图1的系统一起使用的准直器的图示；以及图6是在图 3A-3D的成像装置上的测量瓦形块的图示。部件列表10燃气涡轮发动机12燃烧器14涡轮16排气装置18驱动轴20压缩机22进气口24负载26排气测量系统28激光器控制器30第一激光器32第二激光器34多路复用器36发散开关(expansion switch)38成像装置40MMJf^K (condensing switch)42探测器44转换器46工作站48内径50夕卜径52传输位置54接收位置56光束58传输准直器60接收准直器62A光纤电缆62B光纤电缆64A棱镜64B棱镜66瓦形块68瓦线70栅格
具体实施例方式本公开描述了使用可调式二极管激光技术来测量燃气涡轮发动机的排气的温度。 激光器以及对应的激光探测器布置在涡轮排气装置的环形套筒中，其方式为使得在排气装 置的扇区上形成二维光束网。基于当光从激光器输送到探测器时被吸收的光量，可确定排 气的温度。此外，可应用图像重建技术来重建燃气涡轮发动机的排气装置平面中的温度的 二维分布，借此可实时重建排气温度的图像。激光器可被调节成以许多不同的波长发射光， 从而允许测量排气装置中的水蒸气、氧和二氧化碳，允许对排气温度进行更可靠的计算。通 过测量排气的温度，可诊断燃气涡轮中的故障，例如燃气涡轮的压缩机、燃烧或涡轮构件的 性能不佳。此外，测量的结果可传输到数字控制系统，以便于调整和控制燃气涡轮发动机。现在转到附图，且首先参照图1，示出了燃气涡轮发动机10的实施例的简图。如图 所描绘，燃气涡轮发动机10包括燃烧器12。燃烧器12可为筒式环形燃烧室，也就是说，燃 烧器12可具有环形和筒型燃烧室两者的特性，借此燃烧器12可由具有多个单独的圆柱形 燃烧筒的外壳组成。燃烧器12接收燃料，燃料可在压力下从燃料喷嘴中喷出。燃料可与空 气混合，用于在燃烧器12内燃烧。此燃烧会产生热的加压排气。燃烧器12将排气引导通过涡轮14朝向排气口 16。在所示实施例中，排气口 16包 括包围驱动轴18的渐阔的环形通道。此外，当来自燃烧器12的排气穿过涡轮14到达排气 口 16时，气体强制涡轮叶片使驱动轴18沿着燃气涡轮发动机10的轴线旋转。如图所示， 驱动轴18连接到燃气涡轮发动机10的各种构件上，包括压缩机20。驱动轴18将涡轮14连接到压缩机20上，以形成转子。压缩机20包括联接到驱 动轴18上的叶片。因此，涡轮14中的涡轮叶片的旋转导致将涡轮14连接到压缩机20上 的驱动轴18使压缩机20内的叶片旋转。这从而使压缩机20压缩通过进气口 22接收的空 气。压缩空气被供给到燃烧器12，且与燃料混合，以允许进行更高效率的燃烧。驱动轴18 还连接到负载24上，负载24可为运载工具或固定负载，例如动力装置中的发电机或航空器 上的推进器。实际上，负载24可为由燃气涡轮发动机10的旋转输出供以动力的任何适当 的装置。下面描述的技术允许监测燃气涡轮发动机10的效率，而不危害发动机10的性能。图2示出了可使用可调式二极管激光吸收光谱法和燃气涡轮发动机10的排气装 置16 (即排气口)一起来测量燃气涡轮发动机10的排气温度的排气测量系统26。排气测 量系统26可包括激光器控制器28、第一激光器30、第二激光器32、多路复用器34、发散开 关36、成像装置38、聚集开关40、探测器42、转换器44和工作站46。激光器控制器28可 为激光器30和32提供受控制的电流和温度，使得激光器30和32可产生恒定的输出功率。 在一个实施例中，激光器控制器可为激光二极管控制器，可通过例如来自转换器44的反馈 信号的外部输入来控制激光二极管控制器。在一个实施例中，激光器30和32可为红外激光器。也就是说，从激光器30和32 发射的光可处于红外频率。在一个实施例中，第一激光器30和第二激光器32可以以第一 频率和第二频率来提供两个独立的光束。可对这些频率进行选择，从而使得可使用第一频 率和第二频率来在两个不同的分子(即光谱)跃迁上扫描。也就是说，可以事先选择频率， 从而使得激光器30和32中的各个可获得探测分子的不同跃迁。在一个实施例中，第一激 光器30可在H20分子的6862CHT1跃迁上扫描，而第二激光器32可在H20分子的6673cm—1跃 迁上扫描。在另一个实施例中，第一激光器30可为用于为排气测量系统26产生光的唯一
5激光器。在此实施例中，第一激光器30可被调节成以二种或更多种波长发射光。排气测量系统26还可包括多路复用器34。多路复用器34可通过光纤电缆以光纤 的方式联接到第一激光器30和第二激光器32上。多路复用器32例如可为无源2x1多路 复用器，其可将两个输入中单独的一个传送到单个输出线路。构想的是，多路复用器34还 可为用于任何使用N个激光器的实施例的Nxl多路复用器。多路复用器34的单个输出可 为连接到发散开关36上的光纤电缆。发散开关36可为lxN光学开关，借此从多路复用器34中接收到的光可以连续地 应用于N个离散的单模式光纤电缆，其中N为大于1的任何整数。在一个实施例中，N可为 24。可通过来自例如转换器44的控制命令来控制发散开关36。这些控制信号控制从多路 复用器34中接收到的光应用于N个光纤电缆的顺序。离开发散开关的N个光纤电缆可联 接到成像装置38上。联接到成像装置上的N个光纤电缆为待传输到成像装置38的光提供路径，从而使 得N个光纤电缆中的各个可终止于成像装置38的内边缘处的光学准直器，以形成可传输穿 过装置38的柱形束。此传输组件可称为掷器(pitch)。在传播穿过装置38之后，光束可由 成像框38的第二内表面上的专用接收准直器捕捉。接收准直器将接收到的光束集中在相 应的光纤电缆上，相应的光纤电缆可为具有例如400 u m的直径芯的多模式光纤。成像装置 38的接收组件可称为受器(catch)。在一个实施例中，成像装置38中的传输准直器的数量 和接收准直器的数量是相等的。另外，成像装置38可为空心的，从而使得成像装置38可包括大小设置成用于待定 位在成像装置38内部的光纤电缆的电线管道。可对掷器和受器组件的光纤电缆使用单个 电线管道。或者，可对掷器和受器组件中的各个使用分开的电线管道。受器的光纤电缆离开成像装置38的电线管道，且联接到聚集开关40上。这样，受 器的光纤电缆就将从掷器中接收到的光束输送到聚集开关40。聚集开关40可为Nxl光学 开关，其中N为大于1的任何正整数。聚集开关40可以以与上述发散开关36相反的方式 操作。也就是说，聚集开关40可连续地应用从N个光纤电缆中接收到的光，且基于来自例 如转换器44的控制命令，将光传输到单个光纤电缆。这些控制信号可控制从成像装置38 中接收到的光应用于聚集开关40的单个光纤电缆输出的顺序。离开聚集开关40的N个光 纤电缆可联接到探测器42上。探测器42将传输自聚集开关42的光信号转换成模拟电子信号。在一个实施例 中，探测器42可为例如设计成检测光信号且将光信号转换成电子信号的放大的、可变换增 益的、砷化铟镓(InGaAs)探测器。这些电子信号被传输到转换器44。转换器44接收来自探测器42的电子信号，且通过转换器44中的模数转换器(A/ D)将模拟信号转换成数字信号。转换器44可包括一个或多个处理器，一个或多个处理器可 为数字信号处理器、微处理器、现场可编程的门阵列、复杂的可编程逻辑装置、专用集成电 路，和/或其它已知的逻辑电路。可使用处理器来处理来自A/D转换器的数字信号。基于 这些数字信号，处理器将输出信号提供给激光器控制器28。此输出信号可为例如锯齿波，激 光器控制器28可使用锯齿波来控制激光器的调制、频率和定时。控制器44的处理器还可 对发散开关36和聚集开关40两者提供命令。因此，转换器44的处理器使激光器的发射与 开关的操作同步。例如，一旦处理器使开关36和40以连续的方式滚过所有N个光纤电缆，从而以由激光器控制器28控制的频率发射光，所产生的光信号就可被处理器转换，以便于 生成结果温度数据。可通过例如图像重建来使用这个结果温度数据，以在例如工作站46的 显示器上产生二维温度分布。或者，可在转换器44中进行图像重建。如以上所描述，经处理的数字信号可从转换器44传输到工作站46。工作站46可 包括硬件元件(包括电路)、软件元件(包括存储在计算机可读介质上的计算机代码)或者 硬件元件和软件元件两者的组合。工作站46可为例如台式计算机、便携式计算机，例如膝 上型计算机、笔记本或写字板式计算机、服务器，或者任何其它类型的计算装置。因此，工作 站可包括一个或多个处理器，例如，一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器 和/或ASICS，或者这种处理构件的一些组合。工作站还可包括存储器，其例如可存储待由 一个或多个处理器22处理的指令或数据，例如用于工作站的操作的固件，即基本输入/输 出指令或操作系统指令，和/或可在工作站46上执行的各种程序、应用程序或例程。工作 站46还可包括用于显示与工作站46的各种程序的操作有关的一个或多个图像的显示器， 以及可允许用户与工作站46交互和/或控制工作站46的输入结构。如将在下面描述，工 作站46可包括硬件和/或可存储在工作站的存储器中且可由处理器执行以执行图像重建 技术的计算机代码，以重建燃气涡轮发动机10的排气装置平面中的排气温度的二维分布。图3A示出了成像装置38的正视图，成像装置38可与以上关于图2描述的燃气涡 轮发动机10 —起使用。在一个实施例中，成像装置38可为包括内径48和外径50的框架。 装置26的内径48可安装到例如覆盖驱动轴18的护罩上。同样，装置38的外径50可安装 到例如排气口 16的衬套上。因此，成像装置38可插入排气口 16的渐阔的通道中，其方式 为允许来自涡轮14的排气流流过成像装置38。在一个实施例中，可使用前述成像装置38 来检查燃气涡轮10的排气口 16的一段中的温度，因为装置38可大小设置成仅包围排气口 16中的环形套筒的单个扇区。因此，可联合使用多个装置38，以监测排气口 16的整个环形 套筒。图3B示出了成像装置38的倾斜透视图，而图3C和3D则分别示出了成像装置38的 俯视图和侧视图。成像装置38可容纳成像装置38的周边周围的光传输器和接收器。图4示出了这 些与成像装置38结合的光学传输位置52和光学接收位置54。光学传输位置52和光学接 收位置54可沿着成像装置38的内径48和外径50的内部部分布置，且可被引导成以便在 传输位置52和接收位置54之间形成二维光束网56。在一个实施例中，传输位置52和接收 位置54可位于成像装置38的相对侧上。例如，传输位置可位于成像装置38的上部的内表 面上，而接收位置则可位于成像装置38的下部的内表面上。不管传输位置52和接收位置 54的定位如何，位置52和54可为成对的，从而使得光可在成像装置38上传输。传输位置52和接收位置54可分别联接到单模式光纤电缆(掷器电缆)和多模式 光纤电缆(受器电缆)上。对掷器使用单模式光纤电缆和对受器使用多模式光纤电缆可协 助保持传输光学器件和接收光学器件之间的对准。这些电缆可允许光传输到传输位置52， 且可有利于从接收位置54传输光。可通过成像装置中的导管或通道(即电线管道)将掷 器和受器电缆供给到成像装置38的内部中。此导管可被机械加工到装置的周边中，以容纳 电缆。如上所述，电缆允许光传输到传输位置52，从而使得传输位置52将光束56传输到接 收位置54。然后可通过如上所述的第二组光纤电缆将光束56传输到开关40，以进行分析。图5示出了可位于各个传输位置52处的传输准直器58，以及可位于各个接收位置54处的接收准直器60。各个准直器58和60可由可经受涡轮发动机10的排气装置16的 环境(例如诸如约900° F(755° K)的温度)的材料制成。在一个实施例中，准直器58和 60可由不锈钢组成。如之前所描述，光作为光束56从传输位置52传输到接收位置54。传输准直器58 和接收准直器60协助光束56的这种传输。例如，光可通过光纤电缆62A进入传输准直器 58。传输准直器58可从光纤电缆62A接收分散的光，并且可使光准直，即将光引导到单个 方向。传输准直器58还可包括涂有抗反射物的熔融硅石棱镜64A。棱镜64A的高度可介于 约5mm和15mm之间，宽度介于5mm和15mm之间，且可通过例如内部反射来使准直光改变方 向。在一个实施例中，棱镜64可使准直光改变方向90度。
第二个涂有抗反射物的熔融硅石棱镜64B可联接到接收准直器60上。此棱镜64B 在结构上类似于棱镜64A，例如，棱镜64B可使准直光改变方向90度。但是，棱镜64B可大 小设置成与棱镜64A不同。例如，棱镜64B的尺寸可以是棱镜64A的尺寸的大约两倍。在另 一个实施例中，棱镜64B的高度可介于约10mm和30mm之间，宽度介于10mm和30mm之间。与单独使用一般准直器相比，使用棱镜64B可提供接收准直器60的束56受光角 方面的重要优点。例如，准直器58和60可享有是传统准直器的大约两倍大的公差窗，因为 激光在进入准直器58之前会传播通过熔融硅石材料，而因为熔融硅石材料的折射指数(n =1. 44)大于空气的折射指数(n = 1. 0)，所以根据斯涅耳定律，这会放大由接收准直器60 提供的立体受光角。因此，可与成像装置38 —起使用传输准直器58和接收准直器60来改进光束56 的传输和接收。光束56可与涡轮发动机10的排气装置16中的成像栅格一起使用。此栅 格可为光束56提供位置，该位置对应于燃气涡轮发动机10的排气装置16中的位置。因 此，可通过确定栅格的各个部分中的光束中的吸光水平而使用栅格来确定穿过栅格的排气 的温度分布。可通过使用可调式二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术来在例如转换器44的处理 器中执行对光束56的吸收水平的确定。TDLAS依赖于某些气体分子在电磁光谱中的特定波 长处的能量的吸收。例如，诸如H20、02和C02分子种类在离散的电磁频率处吸收光(即吸 收跃迁)。在略微低于或高于吸收跃迁的波长处，基本不吸收传输的光。因此，通过使光束 传输通过包含一定量的目标分子的气体混合物，将光束的波长调节成从正好在目标分子的 吸收跃迁以下到正好在目标分子的吸收跃迁以上进行扫描，以及测量光束的吸收，可确定 气体中的目标分子的温度。也就是说，通过比耳_朗伯定律，分子在给定频率处所吸收的光
量可与气体的温度和吸收种类的浓度相关，通常写作f = ，其中I。是从激光器发射的
i 0
光密度，I是探测器上的入射密度，Kv是光谱吸收系数，而L是光的路径长度。此夕卜，通过取等式一的自然对数，可得到吸收率A。这可表示为
A = 111(+)=风仏0兴1^，尺；^)/^。另外，如果使用两个激光频率^和u2来获得两个
离散的分子跃迁，则整体的吸收率的比率就会变成温度的单一函数，当消掉摩尔分数Xj，即 种类浓度、压力P，以及路径长度L，且线形9取整数1时，有⑶= 。例如，如果扫描了在6862cm—1和6673cm—1频率上的、用于燃气涡轮10的排气中的水的分子跃迁，所产生的光束56的吸收率分布可提供用于计算光束56穿过的点处的排气 的温度的必要数据。也就是说，可监测例如涡轮发动机10的排气装置16中的水的跃迁的 实测跃迁，以便用于检测在排气装置16中的给定位置处的排气的温度。另外，排气的温度 可显示在例如工作站46中的显示器上。可使用例如图像重建技术来在工作站46上显示排 气装置16中的排气的温度，且图像重建技术可基于上述栅格中的光束56的实测光吸收。如可在图6中看到的，显示了具有光学传输位置52、光学接收位置54、光束56的 成像装置38，其包括瓦形块66，即由瓦线68表示的成像装置中的区域，瓦线68形成栅格 70，栅格70可操作来测量燃气涡轮发动机10的排气装置16中的温度。重新构造的温度分 布的保真度可取决于各个瓦形块66中的束56的位置和相对间距。也就是说，其中束56密 度高的瓦形块66将具有较好的温度分辨率，而其中存在很少束56的开放区域将体现较高 的精度不确定性。这些瓦形块66可为扇区，例如转换器44的处理器可基于这些扇区来确 定从各个束56吸收的吸收量。可通过例如成像系统将这些确定的结果映射到工作站46中 的显示器上。成像系统例如可位于工作站46中。或者，成像系统可包括转换器44的处理 器。不管成像系统的位置如何，成像系统可使用图像重建技术(例如使用一个或多个图像 重建算法)来产生排气装置16中的温度分布的代表图像。将在下面描述在确定吸收水平、 源自吸收水平获得的排气装置的温度以及结果的后续映射中使用的一个这种算法。对图像重建算法和激光网格几何结构(即瓦形块66的大小)的选择会对例如由 成像系统产生的最终温度图像的保真度有直接影响。如图所示，图6包括待在涡轮排气装 置16内成像的多个扇区，即瓦形块66。虚线表示光束56，而形成多边形区域的实线则表示 瓦形块55，从各个束的吸收将映射到瓦形块66上。因此，例如，可能有n个光束56和m个 瓦形块66，其中，在一个实施例中，n大于m。光束56和瓦形块66之间的关系可表示为如 下[P]n= I |B LMJP]，其中[P]是表示所有n个束的吸收率A (如上所述)的向量，而 [R]是m个瓦形块66的吸收率值的向量。| |B|匕是n乘m的加权值或者是可用于将各个 束56的吸收率映射到特定的瓦形块66的基函数的矩阵。例如，可采用不同的加权函数(例 如均勻的、高斯的或三次样条加权函数)使瓦形块66内的各种位置处的束56的影响适应 于映射的吸收率。为了计算给定瓦形块66内的吸收率，可采用最小二乘法，其中[R]n = (I IB n IB iriPi。然后成像系统可基于例如由上述最小二乘法确定的吸收率，使用此吸 收率来产生表示栅格70的各个瓦形块66的温度的图像。因此，瓦形块66中的束56的数 量由此可影响作为整体的温度图像而显示在工作站46上的由成像系统产生的温度图像。 也就是说，排气装置平面上的真实的温度最大值和/或最小值的位置可基于各个束56的位 置。因此，可使用事先对涡轮发动机10的状态的了解来首先定位束56，使得对束56的定位 对温度测量来说是最优的。虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员会想到许多修 改和变化。因此，将理解的是权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这种修 改和变化。
9
权利要求
一种发动机效率监测系统(26)，包括适于以规定频率发射光的激光器(30)；装置(38)，包括适于将光作为吸收光传输的第一侧(50)；和适于接收所述吸收光的第二侧(48)；以及适于基于所述接收到的吸收光来分析所述发动机(10)的状态的处理器(44)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器(30)是可调式二极管激光器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括适于以第二规定频率发射 光的第二激光器(32)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括适于接收光且将所述光连 续地应用于所述第一侧(50)的开关(36)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一侧(50)包括适于将光作为吸收 光传输的多个传输位置(52)。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多个传输位置(52)中的各个包括准 直器(58)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，各个准直器(58)包括硅石棱镜(60A)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二侧(48)包括适于接收所述吸收 光的多个接收位置(54)。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多个接收位置(54)中的各个包括准 直器(60)。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，各个准直器(60)包括硅石棱镜(62B)。
全文摘要
本发明提供了一种用于重建燃气涡轮发动机(10)的排气装置平面中的温度的二维分布的方法和系统。光传输位置(52)和光探测位置(54)对可布置在涡轮发动机(10)的排气装置(16)的环形套筒中，其方式为使得单独的光线在排气装置(16)的扇区上形成二维光束网(70)。基于光线的吸收量，可确定光线所穿过的排气装置(16)的扇区的温度。基于这些确定，可产生对应于涡轮发动机(10)的操作的图像。
文档编号G01K11/00GK101876591SQ20101017462
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者K·M·欣克利, M·A·伍德曼西, S·K·巴苏, V·K·亚拉姆, 陈为国, 顾毅康 申请人:通用电气公司