DE4035324A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum erfassen einer flamme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung zum Erfassen einer Flamme.

Bei Gasturbinen ist es wünschenswert zu wissen, ob in der Verbrennungskammer oder im Nachbrenner eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Die Anwesenheit einer Flamme kann erfaßt werden durch Überwachen einer optischen Strah­ lung einer bestimmten Wellenlänge, welche größer ist als eine bestimmte Hintergrundsstrahlung. Das Problem bei dieser Meßmethode besteht darin, daß heiße Teile des Tur­ binengehäuses ebenfalls optische Strahlung abstrahlt, bei der ein Teil eine Wellenlänge aufweist, die der zu überwachenden Wellenlänge entspricht. Streustrahlung von der Sonne kann ebenfalls in die Turbine eintreten und dort das Vorhandensein einer Flamme vortäuschen.

Es besteht die Aufgabe, das Verfahren und die Schaltungs­ anordnung so auszubilden, daß das Vorhandensein einer Flamme mit Sicherheit erfaßt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung für eine Gasturbine und ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung und

Fig. 2 ein Diagramm der Spektralintensität einer Strahlungsquelle bei drei verschiedenen Temperaturen.

Gemäß Fig. 1 weist die Schaltungsanordnung eine optische Sonde 1 auf, welche am Gehäuse 2 einer Gasturbine 3 an­ geordnet ist und welche die optische Strahlung inner­ halb der Verbrennungskammer oder Zone 4 erfaßt. Die Sonde 1 übermittelt die empfangene Strahlung über ein Lichtleit­ kabel 5 einem dichroitischen Strahlensplitter 6. Der Strah­ lensplitter 6 teilt die über das Kabel 5 zugeführte Strah­ lung in zwei Wellenlängenkomponenten auf. Strahlung inner­ halb eines Wellenlängenbandes zwischen etwa 470 nm und 530 nm, d. h. eine Farbe zwischen blau und grün, wird zu einer ersten Fotodiode 7 geleitet. Dieses Wellenlängen­ band kann eine beliebige Breite aufweisen, ist jedoch irgendwo zwischen blau und grün des Wellenlängenspektrums angeordnet, entsprechend den Eigenschaften des dichroiti­ schen Strahlensplitters und der Empfindlichkeit der Foto­ diode 7. Der andere Ausgang des dichroitischen Strahlen­ splitters 6 weist eine Strahlung in einem Band auf, das im wesentlichen die gleiche Breite aufweist, wie die Strahlung, die zur Fotodiode 7 gelangt, weist jedoch eine längere Wellenlänge auf, die ihre Mitte bei etwa 670 nm hat, d. h. von roter Farbe ist. Diese Strahlung wird einer zweiten Fotodiode 8 zugeleitet.

Die Ausgänge der beiden Fotodioden 7 und 8 wird einem Komparator 10 zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Verhältnis der Strahlungsamplituden bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängenbändern entspricht. Das Ausgangssignal des Komparators 10 wird einer Einheit 11 zugeführt, die ermittelt, ob das Verhältnis größer ist als ein erster Wert von 0,1 und geringer ist als ein zwei­ ter Wert von 1,0.

Liegt das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten, dann erzeugt die Einheit 11 ein Ausgangssignal für die Anzeige­ vorrichtung 12, die anzeigt, daß eine Flamme vorhanden ist. Ein weiteres Ausgangssignal kann einem Steuerteil 13 zugeführt werden, wie beispielsweise einer Zündsteue­ rung, die ein Einschalten des Zünders bewirkt, wenn die Abwesenheit einer Flamme erfaßt wird.

Die durchschnittliche Flammfarbentemperatur Tc in einer Gasturbinenverbrennungskammer beträgt etwa 1800 K, während das Turbinengehäuse eine Temperatur von etwa 1000 K und die Sonne eine Temperatur von etwa 6000 K aufweist. Die Wellenlänge, bei welcher das Maximum der abgehenden Strah­ lung auftritt, ist gegeben durch das Wien′sche Verschie­ bungsgesetz: λmax = 2897,9/Tc Mikron.

Wie die Fig. 2 zeigt, wird bei irgendeiner Temperatur einige Strahlung bei allen Wellenlängen abgestrahlt, je­ doch hängt das Verhältnis zwischen bestimmten Wellenlängen davon ab, wie nahe diese Wellenlängen beim jeweiligen Maximum liegen. Betrachtet man beispielsweise drei ver­ schiedene Farben, nämlich Blau mit 470 nm, Grün mit 527 nm und Rot mit 670 nm dann ergibt sich folgendes:

Bei von der Sonne ausgehender Strahlung weisen diese Far­ ben eine Amplitude auf, welche 99%, 99% und 83% der Maxi­ malamplitude beträgt. Für eine Flamme mit 1800 K betragen diese Werte der drei Farben 1,3%, 4% und 20% der maximalen Strahlungsintensität. Für einen Körper, wie beispiels­ weise das Turbinengehäuse, mit 1000 K beträgt die Strah­ lungsintensität 2×10^-3, 1,5×10^-2 und 4×10^-1. Wenn die Amplitude im blau-grünen Bereich verglichen wird mit einer roten Strahlung, gibt dies näherungsweise für die Sonne einen Wert von größer 1, für eine Flamme einen Wert von kleiner 1, jedoch größer 0,1 und für das Gehäuse einen Wert von kleiner 0,1.

Durch die Bestimmung, ob die Relativwerte der Strahlungs­ intensität bei verschiedenen Wellenlängen größer oder kleiner als 1 und größer oder kleiner als 0,1 sind, ist es möglich, zu bestimmen, ob die Strahlung von einer Flam­ me, der Sonne oder vom Turbinengehäuse stammt.

Dieses Verfahren ist nicht nur anwendbar bei Turbinen sondern auch bei anderen Anwendungsfällen, insbesondere bei Fällen, wo die Sonde dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, wie beispielsweise bei Flammenschächten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erfassen einer Flamme, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungsamplitude bei einer ersten Wellenlänge verglichen wird mit der Strahlungsamplitude einer längeren Wellenlänge und das Vorhandensein einer Flamme angezeigt wird, wenn das Verhältnis der Strahlungsamplitude der einen Wellen- Länge zu derjenigen der längeren Wellenlänge größer als ein erster Wert und kleiner als ein zweiter höherer Wert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nichtvorhandensein einer Flamme angezeigt wird, wenn das Verhältnis der Strah­ lungsamplitude der einen Wellenlänge zu derjenigen der längeren Wellenlänge kleiner als ein erster Wert und größer als ein zweiter größerer Wert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Nichtvorhandensein einer Flamme ein Signal der Zündeinheit (13) eines Motors zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wellenlänge im Bereich zwischen etwa 470 nm und 530 nm liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Wellen- Länge bei etwa 670 nm liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wert bei etwa 0,1 liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert bei etwa 1,0 liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige bei einer Anzeigevorrichtung (12) bewirkt wird.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine optische Strahlungs­ sonde (1) mit einem dichroitischen Strahlungssplitter (6) verbunden ist, dessen beide Ausgangsstrahlungen unterschiedlicher Wellenlänge je einer Fotodiode (7, 8) zugeführt werden und ein Komparator (10) die Ampli­ tuden der Ausgangssignale der Fotodioden (7, 8) mit­ einander vergleicht.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Splitter (6) Aus­ gangsstrahlungen etwa gleicher Bandbreite bei unter­ schiedlichen Wellenlängen erzeugt.