JPH1082526A - Device to detect occurrence of flashback to premixture combustor system - Google Patents
Device to detect occurrence of flashback to premixture combustor systemInfo
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- JPH1082526A JPH1082526A JP9165538A JP16553897A JPH1082526A JP H1082526 A JPH1082526 A JP H1082526A JP 9165538 A JP9165538 A JP 9165538A JP 16553897 A JP16553897 A JP 16553897A JP H1082526 A JPH1082526 A JP H1082526A
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- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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- F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
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- F23D14/82—Preventing flashback or blowback
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/01—Purpose of the control system
- F05D2270/08—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases
- F05D2270/083—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases by monitoring combustion conditions
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Control Of Combustion (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【従来の技術】ガス・タービンは一般的に、圧縮機と、
1つ又はそれ以上の燃焼器と、燃料注入システムと、タ
ービンとを含んでいる。典型的には、圧縮機は入口空気
を加圧し、その後、入口空気は、燃焼器へ反対向きに流
れて、燃焼器で燃焼過程のための空気を供給すると共に
燃焼器を冷却するために用いられる。マルチ(多重)燃
焼器システムでは、燃焼器はガス・タービンの周囲に沿
って位置決めされていると共に、遷移ダクトが、高温燃
焼生成物をタービンに配送するように各々の燃焼器の出
口端をタービンの入口端に連結している。BACKGROUND OF THE INVENTION Gas turbines generally include a compressor,
It includes one or more combustors, a fuel injection system, and a turbine. Typically, the compressor pressurizes the inlet air, which then flows in the opposite direction to the combustor and provides air for the combustion process in the combustor and is used to cool the combustor. Can be In a multi-combustor system, the combustors are positioned along the perimeter of the gas turbine and a transition duct is provided at the outlet end of each combustor to deliver hot combustion products to the turbine. Is connected to the entrance end.
【0002】ガス・タービンの燃焼器は、NOx(酸化
窒素)のようなガスの放出を低減させるために過薄予混
合燃焼を採用して開発されていた。1つのこのような燃
焼器は、単一の燃焼室に取り付けられている複数のバー
ナを含んでいる。各々のバーナは、中心に設けられた燃
料ノズルを有している流れ管を含んでおり、燃料ノズル
は、燃料注入器(インジェクタ)及びスワール(渦巻
き)・ベーンを支持している中心ハブを含んでいる。動
作の際に、燃料は燃料注入器を介して注入されると共
に、燃料管内で渦を巻いている空気と混合され、火炎が
バーナの出口に発生する。燃焼火炎は、中心ハブの後方
にあるブラフ・ボディ再循環及び渦巻きが誘起された再
循環の結合によって安定化される。過薄化学量論によ
り、過薄予混合燃焼は、より低い火炎温度を達成し、こ
うしてより低減したNOx放出を引き起こす。[0002] Gas turbine combustors have been developed employing lean premixed combustion to reduce the emission of gases such as NOx (nitrogen oxide). One such combustor includes multiple burners mounted in a single combustion chamber. Each burner includes a flow tube having a centrally located fuel nozzle, the fuel nozzle including a central hub supporting a fuel injector (injector) and a swirl vane. In. In operation, fuel is injected through the fuel injector and mixed with swirling air in the fuel tube, producing a flame at the burner outlet. The combustion flame is stabilized by a combination of bluff body recirculation behind the central hub and vortex induced recirculation. With lean stoichiometry, lean premixed combustion achieves lower flame temperatures, thus causing lower NOx emissions.
【0003】これらの予混合システムは、「フラッシュ
バック」と一般的に呼ばれている予測可能な現象の影響
を受け易い。フラッシュバックは、燃料内の不純物によ
って引き起こされ得る。フラッシュバックは又、火炎が
遷移状態にあるとき、モード切り替えの間に引き起こさ
れ得る。フラッシュバックが発生すると、燃焼器の火炎
は、後方(上流側)に移動し、火炎を包含するようには
設計されていない燃焼器室の区域又は空洞に入り込む。
火炎は又、フラッシュバックが発生するときに動作して
いる燃焼モード以外の点火モードのために使用される燃
焼器の空洞内へ突然に移動することもある。フラッシュ
バックが発生するいずれの形式でも、燃焼制御を喪失す
ることになり、過剰な加熱に耐えるように設計されてい
ない例えば、火炎ノズルのような燃焼器部品の加熱及び
溶融を付加的に発生させ得る。オペレータには一般的
に、燃焼器が損害を被るまでフラッシュバックの発生を
認識する方法がない。[0003] These premix systems are susceptible to a predictable phenomenon commonly referred to as "flashback". Flashback can be caused by impurities in the fuel. Flashback can also be triggered during a mode switch when the flame is in a transition state. When a flashback occurs, the flame of the combustor travels rearward (upstream) and enters an area or cavity of the combustor chamber that is not designed to contain the flame.
The flame may also suddenly move into a combustor cavity used for an ignition mode other than the combustion mode that is operating when the flashback occurs. Any form of flashback that results in loss of combustion control and additional heating and melting of combustor parts, such as flame nozzles, that are not designed to withstand excessive heating. obtain. Operators generally have no way to recognize the occurrence of flashback until the combustor is damaged.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】燃焼器が損害を被る前に
停止され得るように、フラッシュバックの発生を迅速に
検出する手段を有していることが好ましい。本発明で
は、多数の光ファイバと、少なくとも1つの光検出器と
が、フラッシュバックを感知するために用いられてい
る。SUMMARY OF THE INVENTION It is desirable to have a means for quickly detecting the occurrence of flashback so that the combustor can be shut down before it suffers damage. In the present invention, multiple optical fibers and at least one photodetector are used to sense flashback.
【0005】新規であると考えられる本発明の特徴は、
特許請求の範囲に具体的に記載されている。しかしなが
ら、本発明自体、構成及び動作方法は、本発明の更なる
目的及び利点と共に、同一の参照番号が同一の構成要素
を表している図面と関連した以下の記載を参照すること
により、最もよく理解されるであろう。[0005] The features of the present invention which are believed to be novel include:
It is specifically described in the claims. However, the invention itself, structure and method of operation, together with further objects and advantages of the invention, will best be understood by referring to the following description taken in conjunction with the drawings, in which like reference numerals represent like components. Will be appreciated.
【0006】[0006]
【実施例】図1は本発明のフラッシュバック保護の実施
例を示すブロック図であり、図2は図1の実施例の一部
の断面図である。燃焼器1が、火炎44を発生すること
が可能な少なくとも1つの火炎ノズル(好ましくは、複
数の火炎ノズル12a、12b、12c、12d及び1
2e)を含んでいる。火炎ノズルの各々は、光信号をそ
れぞれの光検出器14a、14b、14c、14d又は
14eに送る少なくとも1つの光ファイバをそれぞれ含
んでいるファイバ光素子24a、24b、24c、24
d又は24eを用いて監視されている。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of flashback protection according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of a part of the embodiment of FIG. The combustor 1 has at least one flame nozzle (preferably a plurality of flame nozzles 12a, 12b, 12c, 12d and 1) capable of generating a flame 44.
2e). Each of the flame nozzles includes a fiber optic element 24a, 24b, 24c, 24 that includes at least one optical fiber that sends an optical signal to a respective photodetector 14a, 14b, 14c, 14d, or 14e.
It is monitored using d or 24e.
【0007】所望であれば、各々の光学ファイバ光素子
24a、24b、24c、24d又は24eは、図2に
おいて光ファイバ24a’、24a”及び24a’”に
よって示されているような束を成したいくつかの光ファ
イバを含んでいてもよい。一実施例では、各々のファイ
バ光素子は、動作環境に耐えることが可能な(図2にお
いて管25aで示されている)保護管内に、一端26又
は両端で加圧シールされた少なくとも1つの光学マルチ
モード・ファイバを含んでいる。一実施例では、光ファ
イバは水晶で構成されており、管25aはステンレス鋼
で構成されている。所望であれば、フラッシュバックの
間に存在している火炎からの光を保護管の一部から選択
的に収集するために、光学マイクロレンズが用いられて
もよい。管は、燃焼器ケーシング10内(空気通路46
内)の孔及び燃焼器ライナ48に挿通され得る。管は、
圧縮嵌め連結部(図示していない)を用いて燃焼器ケー
シングに取り付けられ得る。If desired, each fiber optic optical element 24a, 24b, 24c, 24d or 24e forms a bundle as shown in FIG. 2 by optical fibers 24a ', 24a "and 24a'". It may include several optical fibers. In one embodiment, each fiber optic element is at least one optically pressure sealed at one end 26 or both ends in a protective tube (indicated by tube 25a in FIG. 2) capable of withstanding the operating environment. Includes multimode fiber. In one embodiment, the optical fiber is comprised of quartz and the tube 25a is comprised of stainless steel. If desired, an optical microlens may be used to selectively collect light from the flame present during the flashback from a portion of the protective tube. The tube is located in the combustor casing 10 (air passage 46
Inner) hole and combustor liner 48. The tube is
It can be attached to the combustor casing using a compression fit connection (not shown).
【0008】管の他端には、光検出器が装着されてい
る。一実施例では、光検出器は、シリコン、ヒ化ガリウ
ム、シリコン・カーバイド、ゲルマニウム、窒化ガリウ
ム又は燐化ガリウムのような材料から成る半導体フォト
ダイオードを含んでいる。光検出器は、燃焼器を保持し
ているエンジンの仕切り5の外側に位置していてもよ
く、従って、過酷な燃焼環境から保護され得る。各々の
光検出器は、電気信号をマルチプレクサ18に送ること
が可能であり、マルチプレクサ18は、(図1に示され
ている)ガス・タービン制御器/モニタ22によって作
動される前にデータを信号プロセッサ20に送信するこ
とが可能である。[0008] At the other end of the tube is mounted a photodetector. In one embodiment, the photodetector includes a semiconductor photodiode made of a material such as silicon, gallium arsenide, silicon carbide, germanium, gallium nitride or gallium phosphide. The light detector may be located outside the partition 5 of the engine holding the combustor, and thus may be protected from harsh combustion environments. Each photodetector is capable of sending an electrical signal to a multiplexer 18 which signals data prior to being actuated by gas turbine controller / monitor 22 (shown in FIG. 1). It can be sent to the processor 20.
【0009】火炎ノズル当たりに1つのファイバ光素子
及び1つの光検出器が示されているが、任意の多数の構
成が可能である。例えば、図4に示されているように、
すべてのファイバ光素子がバンドル54を成して一緒に
配置されていると共に1つの光検出器56によって配設
されているか、又は単一のファイバ(図示していない)
に光学的に結合されていると共に1つの光検出器によっ
て配設されている状態で、1つのファイバ光素子24
a、24b、24c、24d及び24eが、各々のノズ
ルに対して使用され得る。多数の光検出器が使用される
ときにはいつでも、(図1においてマルチプレクサ18
として示されている)単純なスキャニング又はマルチプ
レクシング・システムが、多重感知システムと信号プロ
セッサとの間のインタフェイスとして使用され得る。Although one fiber optic element and one photodetector are shown per flame nozzle, any number of configurations are possible. For example, as shown in FIG.
All fiber optics are arranged together in a bundle 54 and are arranged by one photodetector 56, or a single fiber (not shown)
While being optically coupled to one another and disposed by one photodetector,
a, 24b, 24c, 24d and 24e may be used for each nozzle. Whenever multiple photodetectors are used (multiplexer 18 in FIG. 1)
A simple scanning or multiplexing system (shown as) may be used as an interface between the multiple sensing system and the signal processor.
【0010】図2に示すように、好ましい実施例では、
ファイバ光素子は、火炎ノズルの領域(以下、試験領域
と呼ぶ。)13a及び13bで指し示されている又は指
し向けられており、この領域では、火炎は通常運転条件
下で存在しない。1つのこのような試験領域は、スワー
ル・ベーン52a又は52b及び燃料注入器50a又は
50bからすぐ前方(下流側)の火炎ノズル12a又は
12bの後部にある。この位置で、火炎ノズルは、著し
い量の赤外放射線(IR)を放出するほど十分に高温で
はなく、さもなければ、広いスペクトル応答性の半導体
フォトダイオード(例えば、シリコン、ゲルマニウム又
はヒ化ガリウム)を小さなバンドギャップで飽和させる
であろう。このことは、IRフィルタが必要とされない
ので、検出機構を簡略化させる。As shown in FIG. 2, in a preferred embodiment,
The fiber optic elements are indicated or pointed to in the area of the flame nozzle (hereinafter referred to as the test area) 13a and 13b, where the flame is not present under normal operating conditions. One such test zone is at the rear of the flame nozzle 12a or 12b, immediately forward (downstream) from the swirl vanes 52a or 52b and the fuel injector 50a or 50b. At this location, the flame nozzle is not hot enough to emit significant amounts of infrared radiation (IR), or otherwise a broad spectrum responsive semiconductor photodiode (eg, silicon, germanium or gallium arsenide) Will be saturated with a small bandgap. This simplifies the detection mechanism since no IR filter is required.
【0011】所望であれば、多くの目的のために、管2
5b’及び25b”内にそれぞれ設けられた複数のファ
イバ光素子24b’及び24b”が、火炎ノズルにおけ
るフラッシュバックを監視するために使用され得る。図
3は本発明の例示的なフラッシュバック保護の実施例を
示す回路図である。ファイバ光素子24a、24b及び
24cが、検出された任意の光をそれぞれの光検出器1
4a、14b及び14cを伝達し、光検出器14a、1
4b及び14cは、結果として生ずる任意の電気信号を
マルチプレクサ18に送信する。マルチプレクサ18
は、例えば電界効果トランジスタ34a、34b及び3
4cとして示されているスイッチを含んでいる。シフト
・レジスタ45が、スイッチ動作のタイミングを制御し
得ると共に、増幅器38及び抵抗40の対が、マルチプ
レクサから信号プロセッサ20への信号送信の前に信号
増幅のために使用され得る。図3の図面は例示のみのた
めのものである。他の実施例では、例えば、アナログか
らデジタルへのコンバータが、スイッチングで使用さ
れ、次いで、増幅がデジタルで発生する。If desired, the tube 2 can be used for many purposes.
A plurality of fiber optic elements 24b 'and 24b "provided in 5b' and 25b", respectively, can be used to monitor flashback at the flame nozzle. FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an exemplary flashback protection embodiment of the present invention. The fiber optic elements 24a, 24b and 24c transmit the detected arbitrary light to the respective photodetectors 1.
4a, 14b and 14c and the photodetectors 14a, 1
4b and 14c send any resulting electrical signals to multiplexer 18. Multiplexer 18
Are, for example, the field effect transistors 34a, 34b and 3
4c. A shift register 45 may control the timing of the switch operation, and a pair of amplifier 38 and resistor 40 may be used for signal amplification prior to signal transmission from the multiplexer to signal processor 20. The drawing in FIG. 3 is for illustration only. In other embodiments, for example, an analog to digital converter is used for switching, and then amplification occurs digitally.
【0012】光が光検出器によって、火炎が存在しては
ならない試験領域に火炎が存在することを示すレベルで
検出されると、その情報が信号プロセッサ20を介して
(図1に示されている)制御器/モニタ22に伝達され
て、こうして燃焼器1をターン・オフさせ得る。本発明
のある程度好ましい特徴のみをここに図示すると共に記
載してきたが、多くの改変及び変更が当業者には想起さ
れよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範
囲内ですべてのこのような改変及び変更を網羅している
ものと理解されるべきである。When light is detected by the photodetector at a level indicating the presence of a flame in the test area where the flame must not be present, that information is passed through the signal processor 20 (shown in FIG. 1). Is transmitted to the controller / monitor 22 so that the combustor 1 can be turned off. While only certain preferred features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. It is, therefore, to be understood that the appended claims are intended to cover all such modifications and changes as fall within the scope of the invention.
【図1】本発明のフラッシュバック保護の実施例を示す
ブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of flashback protection according to the present invention.
【図2】図1の実施例の一部の断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the embodiment of FIG.
【図3】本発明のフラッシュバック保護の実施例を示す
回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of flashback protection according to the present invention.
【図4】本発明の他の実施例を示す部分的なブロック図
である。FIG. 4 is a partial block diagram showing another embodiment of the present invention.
1 燃焼器 5 仕切り 10 燃焼器ケーシング 12a、12b、12c、12d、12e 火炎ノズル 13a、13b 試験領域 14a、14b、14c、14d、14e、56 光検
出器 18 マルチプレクサ 20 信号プロセッサ 22 ガス・タービン制御器/モニタ 24a、24b、24c、24d、24e、24b’、
24b” ファイバ光素子 24a’、24a”、24a’” 光ファイバ 25a、25b’、25b” 管 26 一端 34a、34b、34c 電界効果トランジスタ 38 増幅器 40 抵抗 44 火炎 45 シフト・レジスタ 46 空気通路 48 燃焼器ライナ 50a、50b 燃料注入器 52a、52b スワール・ベーン 54 バンドルDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Combustor 5 Partition 10 Combustor casing 12a, 12b, 12c, 12d, 12e Flame nozzle 13a, 13b Test area 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 56 Photodetector 18 Multiplexer 20 Signal processor 22 Gas turbine controller / Monitors 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24b ',
24b "fiber optical element 24a ', 24a", 24a'"optical fiber 25a, 25b ', 25b" tube 26 one end 34a, 34b, 34c field effect transistor 38 amplifier 40 resistor 44 flame 45 shift register 46 air passage 48 combustor Liners 50a, 50b Fuel injectors 52a, 52b Swirl vane 54 Bundle
フロントページの続き (72)発明者 ジェフェリ・アラン・ロベット アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコテ ィア、ロビンソン・ロード、3番 (72)発明者 エミリー・イクシー・シュー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、バレンシア・ロード、1417番Continued on the front page (72) Inventor Jefferi Alan Robbett United States of America, New York, Scotia, Robinson Road, No. 3 (72) Inventor Emily Icy Shue United States of America, New York, Schenectady, Valencia Road , 1417
Claims (4)
る予混合燃焼器システムにおけるフラッシュバックの発
生を検出する装置であって、 少なくとも1つの光検出器と、 該少なくとも1つの光検出器と前記燃焼器システムの試
験領域との間に結合されている少なくとも1つのファイ
バ光素子であって、前記試験領域には、前記少なくとも
1つの火炎ノズルのそれぞれの火炎が通常運転条件下で
は存在していない、少なくとも1つのファイバ光素子
と、 前記少なくとも1つの光検出器の信号を監視する信号プ
ロセッサとを備えた予混合燃焼器システムにおけるフラ
ッシュバックの発生を検出する装置。1. An apparatus for detecting the occurrence of flashback in a premixed combustor system including at least one flame nozzle, comprising: at least one photodetector; said at least one photodetector and said combustion. At least one fiber optic element coupled to a test area of the instrument system, wherein the test area is free of a respective flame of the at least one flame nozzle under normal operating conditions; An apparatus for detecting the occurrence of flashback in a premixed combustor system comprising at least one fiber optic element and a signal processor for monitoring a signal of said at least one photodetector.
は、保護管内に配置されている少なくとも1つの光ファ
イバを含んでいる請求項1に記載の装置。2. The apparatus of claim 1, wherein said at least one fiber optic includes at least one optical fiber disposed within a protective tube.
数の火炎ノズルを含んでおり、前記少なくとも1つの光
検出器は、複数の光検出器を含んでおり、前記少なくと
も1つのファイバ光素子は、複数のファイバ光素子を含
んでおり、各々のファイバ光素子は、前記複数の光検出
器のそれぞれ1つと前記複数の火炎ノズルのそれぞれ1
つのそれぞれの試験領域との間に結合されている請求項
1に記載の装置。3. The at least one flame nozzle includes a plurality of flame nozzles, the at least one photodetector includes a plurality of photodetectors, and the at least one fiber optic element includes: A plurality of fiber optic elements, each fiber optic element having a respective one of the plurality of photodetectors and a respective one of the plurality of flame nozzles.
The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is coupled between two respective test areas.
数の火炎ノズルを含んでおり、前記少なくとも1つのフ
ァイバ光素子は、複数のファイバ光素子を含んでおり、
各々のファイバ光素子は、前記少なくとも1つの光検出
器と前記複数の火炎ノズルのそれぞれ1つのそれぞれの
試験領域との間に結合されている請求項1に記載の装
置。4. The at least one flame nozzle includes a plurality of flame nozzles, the at least one fiber optic element includes a plurality of fiber optic elements,
The apparatus of claim 1, wherein each fiber optic element is coupled between the at least one photodetector and a respective test area of a respective one of the plurality of flame nozzles.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US08/669114 | 1996-06-24 |
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JPH1082526A true JPH1082526A (en) | 1998-03-31 |
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Country Status (2)
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EP (1) | EP0816760A1 (en) |
JP (1) | JPH1082526A (en) |
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