JP2008169835A - ガスタービン・エンジンの燃焼状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視覚範囲を広く保ち、センサ保護のために冷却手段を使用しないで燃焼器火炎の特性を監視する燃料噴射器を提供する。
【解決手段】ガスタービン用燃料噴射器が開示される。燃料噴射器は燃焼のため燃料を燃焼器に噴射する燃料ノズル２００と、ＯＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個の光検出器２１０と、ＣＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個のフォトダイオードとを備える。
【選択図】図１０

Description

本発明はガスタービン・エンジン用光学センサ、特に燃焼不安定性および類似現象を表わす状態をリアルタイムで監視するためガスタービン・エンジンの燃焼室火炎のスペクトルおよび熱特性を監視する装置および方法に向けられる。

なお、本出願は２００４年５月７日に出願された米国特許出願第１０／８４１，７６５号の一部継続出願である、２００５年８月２３日に出願された米国特許出願第１１／２１０，０９５号の一部継続出願である。

燃焼不安定性はガスタービン、ボイラ、加熱器、火炉における排出物の抑制および高性能燃焼室の設計に重要な問題である。燃焼不安定性は、一般には燃焼室での燃焼プロセスの乱れと大きい容積エネルギの解放との結果として生じる高い圧力脈動として理解されている。燃焼不安定性はエンジン性能を低下させ、圧力脈動で生じる振動は燃焼室を含む、エンジンの構成要素を損傷させる可能性がある。

ガスタービンの燃焼室で生じる燃焼不安定性を増進する多くの要因がある。これらの要因は、たとえば燃料含有量、燃料および／または空気の噴射速度、あるいは入口圧力、燃／空濃度／比、燃焼室内の温度変動、火炎安定性、混合に悪影響を及ぼすコヒーレントな流動構造（すなわち渦の離脱）、燃焼器共鳴周波数で起こる音響圧力波の燃焼発熱との結合および／または低火炎温度で生じる消火／再点火現象ならびに高燃焼圧力を含む。

従来、燃焼不安定性を修正するために、たとえば燃料噴射分布パターンを改善すること、あるいは燃焼室の形状または容量を変更することを含む、パッシブ制御方法が使用されていた。パッシブ制御の採用は高価になることが多く、燃焼性能を制限する不利がある。より最近では、燃焼不安定性を修正するために検出された不安定状態に応じて系内圧力を増減し、および／または燃焼器に供給する燃料または空気量を調節する方法を用いるアクティブ制御が使用されている。アクティブ制御の一例はニューメイアーらに与えられた米国特許第5,784,300号明細書に開示されている。

燃焼器火炎の直接監視が燃焼不安定性をアクティブ制御方法で制御するのに使用できる情報を与えることが実験を通して測定された。たとえば、燃焼に伴う圧力脈動は火炎の動きと火炎強度の変化と監視することによって検出することができる。さらに、火炎温度または他の火炎特性に影響を及ぼす燃焼副生成物および排出物を表わすスペクトル放射を監視してもよい。これらの監視結果はガスタービンの燃焼室に流れる燃料量を調節し、あるいは燃焼のための燃／空比を調節し、これによって燃焼プロセスを安定させるためにアクティブ燃焼制御装置によって分析され、使用される。

従来技術として燃焼プロセスを監視する光学センサは知られているが、これらは多くの点で制限がある。たとえば、ホイーラーに与えられた米国特許第3,689,773号明細書は火炎をバーナの一面からから観察する、火炉用火炎監視装置について記述する。火炎正面はバーナ内部の主燃焼域が静止していないので、火炎センサの視覚範囲から外れて動く。これは監視装置が不正確に測定する結果を招く。ヤマグチらに与えられた米国特許第4,709,155号明細書は強制空気冷却装置によって高熱による損傷から保護される光ファイバを備える、ボイラで使用する光学火炎検出器について記述する。このような装置はボイラが呈する温度と比べて運転温度の格段に高いガスタービン燃焼器に適用するには制限がある。

明らかに、この技術分野では、従来技術の光学センサの不備を克服する、アクティブ燃焼制御で使用できる光学火炎センサに対する要望がある。さらに、この技術分野では、燃焼火炎が燃焼プロセス中の全時間センサの視覚輪郭内に留まるように広い視覚範囲を有し、燃焼室内での運転ために冷却手段を必要としないガスタービン・エンジンの燃焼室で使用できる光学火炎センサに対する要望がある。

本発明はガスタービン・エンジンの燃焼室内部の状態を監視する装置に向けられる。特に、本発明は、とりわけ燃焼器火炎の特性を監視する光学センサ手段を備える、新規で、有用なガスタービン・エンジン用燃料噴射器に向けられる。特に、この光学センサ手段は燃焼プロセスを不安定にするスペクトルおよび熱状態を検出するように構成される。

本発明の燃料噴射器は燃料噴射器を燃焼器の内壁またはライナに固定するフランジのような燃焼器内に噴射器を取り付ける手段を有する、細長い供給アームを備える。燃料噴射器はさらに燃焼のために霧化燃料を燃焼室に噴射し、そうでなければ流出させる、供給アームに吊る燃料ノズルまたはノズル本体を備える。本発明の好ましい実施例に従って、燃料ノズルよりも下流で燃焼室内部の燃焼状態を監視するために光学センサ手段が燃料ノズル内部に備えられる。

本発明の好ましい実施例に従って、燃料ノズルは先端を有する外側空気スワーラーを備える。この外側空気スワーラーの先端に周方向に間隔をおいて並ぶ複数の視覚ポートが形成される。たとえば、外側空気スワーラーの先端はお互いの間に等距離を保って配置される３個ないしそれ以上の視覚ポートを備える。好ましくは、本発明の光学センサ手段は複数の光ファイバ束を備え、この光ファイバ束が外側空気スワーラーに形成される各視覚ポート内に収容される。これに加えて、光学センサ手段はさらに燃料ノズルの中心軸に沿ってホルダ内部に装着される、そうでなければ支持される１本ないしそれ以上の光ファイバを備える。

本発明は埋め込み光ファイバ束がファイバ軸に対して約１４°から３０°の範囲の（ファイバの開口数によって決まる）視界を有することを予め見通す。各光ファイバ束は、好ましくは複数の光ファイバを備え、これらの光ファイバは燃料ノズルの中心軸と実質的に平行に延在するように向けられる。光ファイバは、好ましくは燃焼室の運転温度に耐えるように処理される。たとえば、光ファイバは熱保護に好都合である金または別の貴金属のような金属コーティング材で被覆される。

各光ファイバ束は、好ましくは耐熱性案内管内部に配置される。たとえば、光ファイバ束はステンレス鋼製の案内管内部に配置される。好ましくは、各ステンレス鋼案内管の末端は熱膨張・収縮を許容する方法で燃料ノズルの外側空気スワーラーに形成される、対応する視覚ポート内部に接合される。これはエンジン運転サイクルの大部分を通じて装置の構造的一体性をを維持するのに役立つ。

本発明はさらに燃焼室内部の状態を監視することによってガスタービン・エンジンの燃焼を安定させるシステムに向けられる。このシステムは、とりわけ燃焼室内部の状態を監視する、好ましくは各燃料噴射器に埋め込まれる光学センサ手段と、光学センサ手段によって監視される状態に基づいて燃焼不安定性を検出する手段と、検出された燃焼不安定性を減少させ、そうでなければ燃焼を安定させるために燃焼室への燃料量を調節する手段とを備える。

本発明の好ましい実施例に従って、燃焼不安定性を検出する手段は熱およびスペクトル状態を含む、燃焼器火炎特性に関係する情報を分析し、処理するように適応され、構成される。たとえば、燃焼不安定性を検出する手段は火炎不安定性を表わすレベルで火炎強度の変化を検出する手段を備える。

これに代えて、燃焼不安定性を検出する手段は化学量論的不安定性を表わすスペクトル放射を検出する手段を備えてもよい。本発明の一実施例では、この検出手段は火炎温度、ＮＯｘ、ＣＯ、燃／空比および当量比に影響を及ぼす化学排出物を表わすスペクトル放射を検出し、分析するように構成される。たとえば、スペクトル放射を検出する手段は火炎から出る放射光を検出する、少なくとも１個のフォトダイオードまたは光電子増倍管を備える。

この検出手段はまた天然ガスを燃料に利用するガスタービン・エンジンで使用することを予め見通す。この例では、検出手段は燃料発熱量に悪影響を及ぼす天然ガス成分の可変性を検出するように構成される。たとえば、検出手段はエタン、プロパン、二酸化窒素および二酸化炭素に関係するスペクトル変化を検出するように構成される。このシステムはまた高温エンジン部品に腐食を生じさせる、ナトリウムのような天然ガス汚染物質の存在を検出するように構成される。

本発明はまたガスタービン・エンジンの安定した燃焼を促進する方法に向けられる。この方法は燃焼不安定性に悪影響を及ぼす、１ないしそれ以上の状態を表わすスペクトル特性を検出するため火炎よりも上流位置で燃焼器火炎を監視し、続いて燃焼安定性に影響を及ぼすある指示された状態に基づいて燃焼を安定させるようにエンジンを調整する過程を含む。本発明の一実施例では、燃焼火炎を監視する過程は火炎不安定性を表わすスペクトル強度の変化を検出する過程を含む。本発明の別の実施例では、燃焼器火炎を監視する過程は化学量論的不安定性を表わすスペクトル放射ピークまたは排出物を検出する過程を含む。当業者は燃焼を安定させるためにエンジンを調整する過程が燃焼のために燃焼室への燃料量および／または空気量、そうでなければ燃／空比を調節することを含むことを容易に理解する。

本発明はまたガスタービン・エンジンの燃焼室内部の火炎への露出と関わる温度に耐える能力を有する材料から形成される光ロッドを備える光学センサを有する燃料噴射器に向けられる。この光ロッドはその表面ですすの堆積物を酸化させるのに十分な火炎に対する露出を得る方法で位置決めされた光学面を備える。好ましくは、光ロッドは燃料ノズルに形成される視覚ポート内部に少なくとも部分的に配置される光学的に透明なサファイア・ロッドである。光ロッドは光ロッドの光学面が燃焼器火炎に極接近するように燃料ノズルの外面から十分な距離に延在する。これは光ロッドの光学面ですす堆積物の酸化を促進するのに力を貸す。本発明はまた光ロッドの光学面がすすの酸化を促し、そうでなければ進める触媒で被覆され、さらに光ロッドの光学面が燃焼火炎から出る放射光入射角度を増大し、そうでなければ光学センサの視界を広げるためにディフューザとして働く、つや消し面であることを予め見通す。

類似する符号が本発明の類似する特徴または様相を表わす図面を参照すると、図１には本発明の好ましい実施例に従って構成される、符号１０で表わすアクティブ燃焼制御装置が示される。このアクティブ燃焼制御装置１０はガスタービン・エンジンの燃焼室内部の熱音響燃焼不安定性を減少するように設計される。燃焼制御装置１０はエンジン排出物を低減し、エンジン動力を改善し、運転効率を最大にすることを意図する。本発明のアクティブ燃焼制御装置１０は、たとえばＮＯｘを減少するために希薄予混合燃焼を使用する、工業用ガスタービン・エンジンおよび部分的に濃厚燃焼を利用する、高出力推力増強軍用航空機エンジン（アフタバーナ）のような本来的に不安定である燃焼システムで使用するのに特によく適合する。

図１を参照すると、アクティブ燃焼制御装置１０は以下に詳細に説明されるある調節流量でガスタービン・エンジンの燃焼室に霧化燃料を供給する複数の燃料噴射器２０を備える。２種類の主要な形式の霧化燃料噴射器があり、本発明の装置と共にいずれかの形式の噴射器が使用される。これらの噴射器は燃料圧力から霧化エネルギを生じさせる旋回圧力噴霧器と、高速の圧縮機空気に基づいて霧化エネルギを生じさせるエア・ブラスト噴霧器とを含む。霧化燃料噴射器の例はブレッツに与えられた米国特許第6,688,534号明細書に開示される。この明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。

燃料噴射器２０は、たとえば燃焼器火炎の、たとえば熱およびスペクトル安定性のようなガスタービン・エンジンの燃焼室内部の状態を監視する、アレイ形態の複数の光学センサ３０を備える。これらの光学センサ３０は燃料噴射器２０に埋め込まれ、そうでなければ燃料噴射器２０と一体であり、以下により詳細に説明されるように、激しい腐食、高温環境にあるガスタービン・エンジン内部の長時間にわたる監視データ・サービスのために適応される。

本発明のアクティブ燃焼制御装置１０はさらに信号処理器４０を備える。この信号処理器４０は各燃料噴射器２０と結ばれる光学センサ・アレイ３０から与えられる、そうでなければ伝送されるリアルタイム光学データを分析し、処理するように適応され、構成される。このリアルタイム光学データはスペクトルおよび／または熱安定性に関係する状態を含む、ガスタービン・エンジンの燃焼室内部の燃焼不安定性を検出するために主に使用される。

好ましくは、信号処理器４０は光学センサ・アレイ３０から与えられる光学データに基づいて出力信号を発生する信号発生器４５を備える。この信号発生器４５は、好ましくは特定の化学種またはラジカルから出る放射光に関係する狭いスペクトル帯のエネルギを取得するように周波数帯を通過させる。これに代えて、信号発生器が特定の化学種またはラジカルから出る放射光にそれぞれ関係する複数の特定のスペクトル帯であるエネルギを取得する方法で周波数帯を通過させてもよい。

本発明の一実施例では、信号発生器４０は光信号を電子的に増幅する、１個ないしそれ以上の光電子増倍管（ＰＭＴ）を備える。たとえば、信号処理器４０は８個のフィルタ増幅形ＰＭＴを備える。これに代えて、信号処理器４０は各々一体の演算増幅器を備えた１個ないしそれ以上のフィルタ増幅形シリコン・フォトダイオードを備えてもよい。

フォトダイオードは光を検出し、それに応じてシリコンのドープ層同士に電量を生じる。比較すれば、ＰＭＴの感光性は調節され、フォトダイオードよりも素早く応答する。さらに、ＰＭＴはフォトダイオードと比べて比較的弱い信号を検出するように設計される。しかしながら、フォトダイオードはＰＭＴと比べてより安価で、より故障が少なく、広範な波長で利用できる利点がある。それにもかかわらず、これらの形式の信号発生器は交換可能で、しかも燃焼安定性に影響を及ぼす状態を検出する、信頼できる出力信号を与えるために考慮される。使用されるこの形式の信号発生器は検出信号の強さと波長とコストとによって決定される。

信号処理器４０で発生した出力信号は燃焼不安定性の素因としてその根源となるスペクトルおよび／または熱不安定性を生じる状態を検出するために分析される。この分析は信号処理器４０と機能的に結ばれるコンピュータ制御のスペクトロメータを用いてなし遂げる。適するスペクトロメータは、好ましくは１８０〜８００ｎｍの範囲の波長を検出でき、燃料不純物、燃料成分および化学排出物またはラジカルの存在と同時に、火炎安定性および火炎温度のような燃焼安定性に関係する火炎の特性に関するパラメータを導き出すためプログラムされ、そうでなければ構成される。

本発明の一実施例では、信号処理器４０とスペクトロメータとは火炎強度の変化を検出し、分析するようにプログラムされ、そうでなければ構成される。これらの変化はガスタービン・エンジンの燃焼不安定性を引き起こす、燃焼圧力の振動を表わす。本発明は光学センサ・アレイ３０および／または信号処理器４０が不安定性強度の変化に対する光強度または光信号振幅の変化を較正値に基づいて評価するように正常なエンジン運転状態のもとで較正されることを予め見通す。本発明の光学センサ・アレイ３０で生じるスペクトル・スキャンと、燃／空比の変化に従って現われるスペクトル強度の変化とを記録したものが図２に示される。不安定な運転状態を表わすスペクトル強度の変化を検出すると同時に、燃焼を安定させるために燃料流量が調節され、または調整される。

本発明の別の実施例では、信号処理器４０とスペクトロメータとは燃焼安定性に影響を及ぼす化学排出物を表わすスペクトル放射を検出するように構成される。特に、信号処理器４０は、図２に示されるように、光学センサ・アレイ３０で監視されるＯＨ化学発光ピーク（約３１０ｎｍで発生する）と、ＣＨ化学発光ピーク（約４３０ｎｍで発生する）とを検出し、分析するようにプログラムされる。この情報は次いで火炎温度、ＮＯｘ、ＣＯ、燃／空比または当量比と相互に関係付けられる。この放出物フィードバック情報は次いで燃焼のために燃料量、空気量および／または燃／空比を調節することによって安定した運転状態になるようにエンジンを調整するため使用される。

本発明のさらに別の実施例では、信号処理器４０とスペクトロメータとは燃料発熱量に悪影響を及ぼす燃料汚染物質または不純物を表わすスペクトル放射を検出し、分析するようにプログラムされ、そうでなければ構成される。これは天然ガスが典型的には不純物を含む燃料であるので、天然ガスで運転するガスタービン・エンジンでは、特に重要である。天然ガス成分の不安定性は燃料発熱量に悪影響を及ぼすことがよく知られている。たとえば、エタン、プロパン、二酸化窒素および二酸化炭素の変化は発熱量を変化させる。天然ガス中に含まれるナトリウムが燃焼器自身およびガスタービン翼のような高温エンジン部品を腐食させることもよく知られている。燃料発熱量の変化は天然ガスで運転するガスタービン・エンジンを不調に陥らせると同時に、燃焼プロセスの安定性を危険にさらす。一定の燃料汚染物質または不純物の存在を表わすスペクトル放射またはラジカルを検出すると同時にエンジンが安定した運転になるように調整される。

続いて、図１を参照すると、信号処理器４０は燃料噴射器コントローラ５０と機能的に結ばれ、そうでなければ交信している。この燃料噴射器コントローラ５０は信号処理器４０から与えられる条件付き信号を入力するように適応され、構成される。燃料噴射器コントローラ５０はこの信号に基づいて燃焼安定性に影響を及ぼす検出状態を軽減し、そうでなければ修正するように各燃料噴射器２０に対して燃料量を指令し、そうでなければ制御する。たとえば、燃料噴射器コントローラ５０は燃焼を安定させるためにパルス信号を発生させ、または調節された燃料量を燃料噴射器に指令として与える。これに代えて、燃料噴射器コントローラ５０は燃焼のために燃／空比または濃度を調節するようにしてもよい。

図３および図４を参照すると、本発明の燃料噴射器２０は従来方法を用いてガスタービン・エンジンの燃焼室６０内部に装着され、そうでなければ支持される。特に、各燃料噴射器２０は燃焼室６０内部に燃料噴射器を取り付ける支持フランジ２４を有する細長い供給アーム２２を備える。この支持フランジ２４は特に従来の固定具を用いて燃焼室の内壁またはライナに固定するように適応される。燃料噴射器２０はさらに望ましい流量を保って燃料ポンプから供給される燃料を受け入れる入口ポート２５を備える。定量または可変容量ベーンポンプが使用される。供給アーム２２の末端には燃料ノズル２６を吊り、この燃料ノズル２６は霧化燃料を燃焼室６０に噴射し、そうでなければ流出するように設計される。先に述べたように、燃料噴射器２０は圧力噴霧器またはエア・ブラスト噴霧器の形態を取ることができる。どちらの形態でも、燃料ノズル２６はノズル本体を通過する空気にある角度の速度成分を与えるように構成される外側空気スワーラー２８を備える。

図５および図６を参照すると、本発明の好ましい実施例に従って、簡単に先に説明した燃料ノズルよりも下流のガスタービン７０の燃焼室６０内部の状態を監視する、光学センサ３０が燃料ノズル２６の外側空気スワーラー２８内部に配置され、そうでなければ埋め込まれる。光学センサ３０を目立たない方法で収容するために外側空気スワーラー２８の先端３２に周方向に間隔をおいて並ぶ複数の視覚ポートが形成され、光学センサ・アレイを形づくる。たとえば、図４に最もよく示されるように、外側空気スワーラー２８の先端３２は、好ましくは互いに等距離（たとえば、約１２０°間隔）を保って配置される３個の視覚ポート３４を備え、それぞれ視覚ポート３４内部に光学センサ３０が収容される。

当業者は燃料ノズル２６の外側空気スワーラー２８に形成される視覚ポートの数がノズル形式および／またはエンジン形式に応じて変えることができることを容易に理解する。本発明に従って、ノズル本体には、たとえば互いに９０°の間隔をおいて４個の視覚ポートを設けることができる。当業者はここに開示される光学センサが本発明の本質と範囲とから離れることなく、外側空気スワーラー以外ではノズル本体の他の部分に埋め込むことができることを容易に理解する。すなわち、ノズル本体の形式および構造によって埋め込まれる光学センサの位置は燃料ノズルがノズル自身よりも下流に適当な視界を有し、燃料ノズルの全体性能に悪影響を及ぼさないという、目立たない存在に留まる限り、変えることができる。

実験を通して、燃焼火炎が視線または視界内に留まり、火炎域の正確な表示マップを与えるので、燃料ノズル２６の先端３２に光学センサ３０を配置することが有利であることが見出された。また、燃料ノズル２６の先端３２周りに間隔をおいて複数の光学センサ３０を位置決めし、これにより光学センサ・アレイを形成することが燃焼不安定性の特定の状態を監視でき、測定できることも見出された。この特定の形態の燃焼不安定性を知ることにより一段と効果的に制御を果たすことができる。

光学センサ３０は光ファイバ束３６によって関連部分が形成される。光ファイバ束３６は各々独立した複数の光ファイバ３８からなる。これは一部光ファイバに故障が発生した場合でも信号処理器４０に対して効果的にエネルギを伝達するために冗長性を与え、燃焼器火炎に対する視界をより広くすることができる。さらに、光ファイバ束は燃料ノズルの形状に倣って容易に曲げることができる。

図６に最もよく示されるように、本発明は各光ファイバ束３６がファイバ軸に対して約１４°から３０°の間の角度θで定まる視界を有することを予め見通す。各光ファイバ束内の個々の光ファイバがファイバ自身の視界内で異なるスペクトル波長を監視するために光ファイバ束３６は分割され、そうでなければ構成されることも予め見通す。

本発明の一実施例では、各光ファイバ束３６は３本の光ファイバ３８を備える。この光ファイバ３８は、図４および図５に最もよく示されるように、燃料ノズル２６の中心軸と平行になるように位置を定め、そうでなければ向けられる。このような向きが燃焼器火炎に関して最も広い視界を与えることが測定されている。しかしながら、当業者は光ファイバ束の特定の向きが、たとえば燃料ノズルの形状によって変えることができることを容易に理解する。

光ファイバ束を形成している光ファイバ３８は１００μのシリカ・ファイバ（強ＵＶ）またはそれと同様なものからなる。この光ファイバ３８は、好ましくは燃焼室６０の運転温度に耐えるために被覆され、そうでなければ処理される。これらの温度は５００°Ｃを超える。たとえば、光ファイバ３８は熱保護に適する金または類似する貴金属のようなコーティング材で被覆される。高温に耐える他のコーティング材を使用してもよい。

各光ファイバ束３６は熱保護ために追加して用いられる耐熱性案内管４２内部に配置される。たとえば、光ファイバ束３６はステンレス鋼製の案内管または類似する保護構造体内部に配置される。各案内管４２の末端はそこに光ファイバを固定するために先細に加工され、熱膨張および収縮に順応する方法で対応する視覚ポート３４内部に接合される。たとえば、視覚ポート３４内部に各案内管４２の末端を固定するためにセラミック・セメントが使用される。これはエンジン運転サイクルの大部分を通じて光ファイバ束の一体性を保証する。案内管４２は、好ましくは燃料噴射器２０の供給アーム２２に埋め込まれ、そうでなければ装着される。たとえば、案内管は燃料ノズル２６の供給アーム２２に形成される溝に位置決めされる。各光ファイバ束３６の基部端は信号処理器４０による受信に適する、従来の光コネクタ（図示せず）と接続し、燃焼室６０の外部位置で終わる。

図５を参照すると、装置の全視界と実用性とを増すために燃料ノズル２６の外側空気スワーラー２８に形成される視覚ポート３４内部に位置決めされる光ファイバ束３６に加えて、複数の光学センサ８０が燃料ノズル２６の中心軸に沿って装着される。この光学センサ８０は被覆される１本ないしそれ以上の光ファイバからなる。たとえば、光学センサ８０は金を用いて被覆される４００μのシリカ・ファイバ（強ＵＶ）またはそれに類似するものからなる。

本発明の一実施例では、光学センサ８０は内側空気スワーラー（図示せず）と連結した支持取り付け装置によって燃料ノズル２６内部に軸方向に沿って装着される。この位置決めでは、光学センサ８０は化学量論的安定性を表わすスペクトル比の変化を検出するために利用される。特に、この実施例では、光学センサ８０は信号処理器４０の信号発生器である時間期間を通じて発生するＯＨ出力に対するＣＨ出力のスペクトル比の変化を検出するために並べて軸方向に位置決めされる２本の光ファイバ８２ａ、８２ｂを備える。たとえば、図７のスペクトル・スキャンに示されるように、信号発生器４０のＰＭＴで測定時間を通じて発生するＯＨ出力信号に対するＣＨ出力信号の関係が燃／空比の変化として相互に関係付けられる。この情報に基づいてエンジンは燃焼を安定させるように調整される。本発明の別の実施例では、この軸方向に装着される光学センサはそれぞれ金で被覆される耐熱温度７００°Ｃ、２００μの４本のシリカ・ファイバを有する、２本の光ファイバ束を備える。

本発明の別の実施例に従って、燃料噴射器２０の光学センサ・アレイ３０は赤外線のスペクトル放射を検出するために適応され、構成される。この場合、光学センサ・アレイは先に説明され、開示されたものと同様な方法で燃料ノズル２６内部に埋め込まれるが、使用する光ファイバ３８のうち、１本ないしそれ以上は強ＵＶに代えて強ＩＲを使用する。一実施例では、強ＩＲ光ファイバ３８は１．７μから２．１μの間のスペクトル放射を検出するように適応され、構成される。これは排ガス温度に相関する。対照的に、排ガス温度は先に述べたＵＶ波長範囲の化学発光出力には相関しない。

スペクトル放射１．７μから２．１μの範囲内に燃焼プロセスで生じた水分の蒸発に有利な吸収／発光帯があることが判明した。本発明は赤外線センサ・アレイから与えられる出力が光学高温計に類似する方法で火炎温度を得るために使用できることを予め見通す。赤外線センサ・アレイから与えられる出力が視界内にあるとき、タービン入口翼温度を得るために使用できることも予め見通す。

図８ａないし図８ｃを参照すると、視覚ポート３４内部に配置されるステンレス鋼製の案内管４２内部に光ファイバ束３６を形成する、光ファイバ３８の末端を終了させる、異なる３種類の方法が示される。図８ａに示される一実施例では、光ファイバ３８は案内管４２の末端からある間隔おいた位置で終了している。フレーム９２内部に支持される成形レンズ９０は案内管４２の末端と連結される。このレンズ９０はサファイアのような材料から作製され、光ファイバ３８の視界の焦点を合わせ、そうでなければ修正するために使用される。本発明はレンズ９０の露出面が保護用コーティングを備えることを予め見通す。たとえば、レンズ９０はメゾムに与えられた米国特許第4,521,088号明細書に開示されるようなすすの酸化を促進する触媒として働き、かつレンズの汚れを減少させる酸化プラチナ−アルミニウム混合物の蒸着層を備える。この明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。

図８ｂに示される別の実施例では、光ファイバ３８は案内管４２の末端からある間隔をおいた位置で終了し、フレーム９６内部に支持される窓９４が案内管４２の末端と連結される。この窓９４はサファイアまたは類似する透明な材料から作製され、光ファイバを劣化させる、汚染物質および燃焼副生成物の侵入に備えて案内管の末端を密封するように働く。本発明は窓９４が光沢を消し、そうでなければ処理され、光ファイバ束の視界を広くするディフューザとして使用されることを予め見通す。

図８ｃに示される別の実施例では、光ファイバ束３６の各光ファイバ３８の末端３８ａは各ファイバの末端３８ａが光ファイバ束３６の軸心に対して異なる方向に向けられ、または方向付けされるように外側に広げられ、そうでなければ開かれる。これは光ファイバがより広角に、または広域から光を集めることができる。光ファイバ３８の末端３８ａを被覆する保護用コーティングが使用される。

当業者は、たとえば図５および図８ｃに示されるように、本発明の燃料噴射器内部に装着されるむき出しの光ファイバが図８ａのレンズ９０および図８ｂの窓９４も含めて、たとえば２、３時間という、比較的短い時間で成長するすすで黒ずみ、光を通さなくなることを容易に理解する。したがって、これら光学センサで得られる信号は時間が経つに従い使用できなくなる。

ガスタービン燃焼室では、知見として、すすが約４５０°Ｃの温度で酸化し、そうでなければ燃え始めることが知られている。しかしながら、光ファイバ束３６の光ファイバ３８が製作される材料はこの燃焼温度に簡単には耐えることができない。したがって、本発明に従って、燃焼温度に簡単に耐え、火炎にさらすことのできる光学的に透明なサファイア・ロッドが光ファイバ束３６の前部に合わせて燃料ノズル２６の各視覚ポート３４内部にノズル外面から外方向に延ばして位置決めされる。この設置条件に（すなわち、燃焼火炎に極接近して）置かれたとき、サファイア・ロッドの光学面に付着し、そうでなければ堆積したすすは燃焼火炎にさらされたとき、酸化し、または燃え尽きる。

図９を参照すると、各サファイア・ロッド１９４は燃料ノズル２６の外側空気スワーラー面３２に形成される視覚ポート３４から延在し、囲いフレーム１９６内部に封じられている。このサファイア・ロッド１９４は比較的浅い角度で空気スワーラー面３２から延ばしてもよい。しかしながら、サファイア・ロッド１９４は燃料ノズル２６の中心軸に対して比較的深い角度で向けることは好ましい。したがって、各サファイア・ロッド１９４の末端は燃料ノズル２６から流出する空気流内部にノズル外面から離れてその末端が燃焼火炎に比較的近づくように十分な距離に延在する。結果として、サファイア・ロッド１９４の光学面１９４ａに付着するすすは火炎の強い熱によって酸化し、または燃え尽きる。各サファイア・ロッド１９４は視覚ポート３４内部に配置された光ファイバ束３６と光路を通じている光沢のある基部端を有する。

本発明の実施例では、火炎にさらされ、そうでなければ火炎に極接近して位置決めされるサファイ・ロッド１９４の光学面１９４ａはすすの酸化を促進する触媒で被覆される。すなわち、この触媒はロッドの光学面がさらされる温度以下まで酸化が発生する温度を下げることによってすすの酸化を促す。このような触媒は酸化プラチナ−アルミニウムからなる。

本発明の一実施例では、各サファイア・ロッド１９４の光学面１９４ａは燃焼火炎からの放射光入射角度を増大するためにディフューザとして働くように構成される。好ましくは、各サファイア・ロッド１９４の光学面１９４ａは、たとえば光学面を研削し、または光を散乱させるように働く適当な面を作製する、他のいずれかの公知技術によって形成されるつや消し面である。したがって、光学面１９４ａは実質的に半球状の視界を有する。これは上述した他の光学センサによる場合よりも光がより多く捉えられ、光ファイバ束３６に送られるように光または放射光を様々な角度からサファイア・ロッド１９４に入射させることができる。結果として、ここに開示されたむき出しの光ファイバ束で監視する火炎部分と比べて、燃焼火炎をより広域にわたって光学センサで監視することができる。これは全体としての火炎強度制御信号をより増大することができる。これに代えて、各サファイア・ロッドの末端は光学面の視界を広げるために多面体として加工してもよい。

図１０を参照すると、本発明の好ましい実施例に従って構成される、符号２００で表わす燃料噴射ノズルの別の実施例が示される。この燃料噴射ノズル２００は燃焼器火炎のあるスペクトル領域を支配する放射光信号または化学排出物を監視するように適応され、構成される、１個ないしそれ以上の光学センサ２１０を備える。これらの信号は火炎強度の変化を検出するため使用され、好ましくは燃焼安定性を維持するためにここに説明される制御装置に対する可変入力信号である。

燃料噴射ノズル２００の光学センサ２１０は本発明の上述した実施例で説明された光ファイバ３８および光ロッド１９４をさらに改良して構成し、全設計的見地からより実用的で、しかもアクティブ燃焼制御装置により正確な入力信号を与えるものである。これらの改良は光検出器（たとえば、フォトダイオード）を各光学センサ２１０と組み合わせて達成される。フォトダイオードの使用は燃料噴射器本体内を貫いて、または外面に装着して光ファイバを引き回す必要性を取り除き、燃料ノズル自身の内部で光信号を電気信号に変換することができる。したがって、この変換された電気信号はファイバ導波路よりも噴射器を通してより簡単に引き回し、燃焼室で生じる厳しい環境により簡単に適合するワイヤによって信号処理器に伝送することができる。

本発明の好ましい実施例に従って、燃料ノズル２００の光学センサ２１０は注目度の高い領域である、約３００から４００ｎｍの間の波長範囲で発生する燃焼火炎（すなわち、火炎発光）から出る放射光に応答している。特に、燃料ノズル２００はジェット燃料のＯＨ化学発光ピーク（すなわち、約３１０ｎｍの波長で発生する放射光）を表わす火炎放射光に応答するフォトダイオードを備える、少なくとも１個の光学センサ２１０を有する。燃焼器火炎がより薄くなると、ＯＨ化学発光ピークは成長し、火炎が発生する他の化学発光ピークと比べてより強い放射光信号を与える。ジェット燃料を可能な限り希薄に保って燃焼させることはエンジン設計者の一つの目標であるので、ＯＨ化学発光ピークはＮＯｘおよびＣＯ排出量を減少するため監視対象として重要な信号である。

燃料ノズル２００はさらにジェット燃料のＣＨ化学発光ピーク（すなわち、約４３０ｎｍの波長で生じる放射光）を表わす火炎放射光に応答するフォトダイオードを備える、少なくとも１個の光学センサ２１０を有する。このＣＨ化学発光ピークもエンジン排出物を減少する目的で監視される。

図１１を参照すると、光学センサ２１０はノズル本体２００内部に形成される孔２１２内に収容され、これはステンレス鋼、金または白金のような適する耐熱性金属から製作された保護シースまたは保護管２１４内に収容されている。図１２に最もよく示されるように、各光学センサ２１０の保護構造体２１４内には導波手段または導波管２１６と、フォトダイオード２１９８と、フォトダイオード２１８で発生した信号を増幅するため使用される演算増幅器２２０とが設けられる。

フォトダイオードの出力信号をより限定するため帯域フィルタまたは低域フィルタが使用できることは予め見通す。導波手段２１６は、たとえば水晶またはサファイアのような光波伝播材から形成される。図に示されるように、導波手段は、好ましくは可能な限り短くするが、より好ましくはフォトダイオード２１８を保護し、そうでなければ覆うために単にレンズとして働く。

本発明に従って、フォトダイオード２１８は燃焼中の温度上昇でも故障せず、運転するのによく適する。好ましくは、これは青色強調シリコン（Ｓｉ）フォトダイオード、炭化ケイ素（ＳｉＣ）フォトダイオード、窒化ガリウム（ＧａＮ）フォトダイオードまたはヒ化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）フォトダイオードのいずれかである。燃料ノズル２００で使用される、この特殊なフォトダイオードはこのアクティブ燃焼制御装置の応答性を大きく左右する。

図１３に示されるように、たとえばＳｉＣおよびＧａＮフォトダイオードは約３１０ｎｍの波長で生じる、ＯＨ化学発光ピークに対して応答する。対照的に、ＳｉおよびＧａＡｓＰフォトダイオードは約４３０ｎｍの波長で生じる、ＣＨ化学発光ピークに対して応答する。上記したフォトダイオードに代えて、光電子増倍管（ＰＭＴ）も高ゲイン、低信号ノイズを理由に検出器として利用することが可能であり、本開示の範囲に含まれる。ＰＭＴはＯＨ化学発光ピークおよびＣＨ化学発光ピークの双方に対して応答性をもたらす。当業者は燃料ノズル２００の光学センサ２１０の数および／または位置が単に模範例を示すだけで、エンジン用途および燃料ノズル設計の要求に応じて変えられることを容易に理解する。

要するに、本発明のファイバ光学機器装備燃料噴射器は、たとえば燃焼不安定性の検出によるエンジン制御、スペクトルの分析による燃／空比の安定性、火炎温度に相関させるタービン入口温度の取得、スペクトル異常に基づく燃料不純物の検出、航空機増強火炎の検出、光学高温計によるタービン入口翼温度の取得および希薄による燃焼休止状態の先行警告または予測を含む、多様な目的のために使用することができる。

本発明の装置、システムおよび方法が好ましい実施例について説明されたが、当業者は添付の請求の範囲によって定義されるような本発明の本質と範囲とから離れることなく、変更および変形をなし得ることを容易に理解する。

図１は本発明の好ましい実施例に従って構成されたガスタービン・エンジン用アクティブ燃焼制御装置のブロック図である。 図２は本発明の光学センサ・アレイを利用するガスタービン・エンジンの燃焼器内部の状態を監視して得られる光学データを用いてスペクトロメータで発生したスペクトル・スキャンを示すグラフである。 図３は本発明の光学センサ・アレイを有する燃料噴射器を備える、従来のガスタービン・エンジンの燃焼器の断面図である。 図４はガスタービンの燃焼器内部に配置される、本発明の好ましい実施例に従って構成された燃料噴射器の斜視図である。 図５は燃焼器内部の状態を視る光ファイバ束を示すため噴射器から外された外側空気スワーラーと共に示す、図４の燃料噴射器の一部を形成する燃料ノズルの拡大斜視図である。 図６は燃料ノズル内部に埋め込まれた光ファイバ束の視界を表わす、図４の燃料噴射器の端部を示す側面図である。 図７は本発明の燃料ノズル内部に配置された一対の光ファイバで得られる光学データを用いてスペクトロメータで発生したスペクトル比スキャンを示すグラフである。 図８ａは本発明に従う光ファイバ束の端部を終了させる方法を示す斜視図である。 図８ｂは本発明に従う光ファイバ束の端部を終了させる方法を示す斜視図である。 図８ｃは本発明に従う光ファイバ束の端部を終了させる方法を示す斜視図である。 図９は光学センサがディフューザとして働き、付着するすす堆積物の酸化を促進するため燃焼火炎に極接近して配置されるつや消し面を有する光ロッドを備える、本発明の燃料ノズルの一部を示す斜視図である。 図１０は光学センサが燃焼火炎から出る放射光を検出するフォトダイオードを備える、本発明の燃料噴射ノズルの好ましい実施例の斜視図である。 図１１は導波手段およびフォトダイオードを有する光学センサ・パッケージを示すため部分的に切断された図１０の燃料噴射ノズルの拡大斜視図である。 図１２は図１１に示される光学センサの構成要素を示す、図１１の１２−１２線に沿う断面図である。 図１３は燃料噴射ノズルと共に使用される異なる４種類のフォトダイオードおよび光電子増倍管の火炎スペクトルに対するフォトダイオード応答性を示すグラフである。

符号の説明

２０… 燃料噴射器
２２… 供給アーム
２６、２００… 燃料ノズル
３０、２１０… 光学センサ
３４… 視覚ポート
３６… 光ファイバ束
３８… 光ファイバ
４０… 信号処理器
４２… 案内管
５０… 燃料噴射器コントローラ
９０… レンズ
９４… 窓
１９４… サファイア・ロッド
２１６… 導波手段
２１８… フォトダイオード
２２０… 演算増幅器

Claims (22)

1. ａ）燃焼のため燃料をガスタービン燃焼器に噴射する燃料ノズルと、
   ｂ）前記燃料ノズルと組み合わされ、火炎から出る放射光を検出する、少なくとも１個の光検出器と、
   を備えるガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
2. さらに、前記少なくとも１個の光検出器よりも下流に配置された導波手段を備える請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
3. 前記導波手段が前記少なくとも１個の光検出器のためのレンズを形成するように十分な軸長を備える請求項２記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
4. 前記少なくとも１個の光検出器が約３００から４４０ｎｍの間の波長範囲で発生する放射光に応答している請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
5. 前記少なくとも１個の光検出器が約３１０ｎｍの波長で発生する放射光に応答している請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
6. 前記少なくとも１個の光検出器が約４３０ｎｍの波長で発生する放射光に応答している請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
7. 前記光検出器がフォトダイオードである請求項６記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
8. 前記フォトダイオードが次の光検出器からなる群から選ばれる請求項７記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
   Ｓｉフォトダイオード、ＳｉＣフォトダイオード、ＧａＡｓＰフォトダイオード、ＧａＮフォトダイオード
9. 前記光検出器が光電子増倍管である請求項６記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
10. 前記導波手段が水晶およびサファイアからなる群から選ばれる光波伝播材から形成される請求項２記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
11. フィルタが前記少なくとも１個の光検出器と組み合わされる請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
12. 前記フィルタが帯域フィルタおよび低域フィルタからなる群から選ばれる請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
13. 演算増幅器が前記光検出器と組み合わされる請求項１記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
14. ａ）燃焼のため燃料をガスタービン燃焼器に噴射する燃料ノズルと、
    ｂ）前記燃料ノズルと組み合わされ、ＯＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個のフォトダイオードと、
    ｃ）前記燃料ノズルと組み合わされ、ＣＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個のフォトダイオードと、
    を備えるガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
15. 各フォトダイオードが導波手段に隠れて配置される請求項１４記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
16. 各導波手段が導波手段と組み合わされる前記フォトダイオードのためのレンズを形成するように十分な軸長を備える請求項１５記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
17. ＣＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個のフォトダイオードが次の光検出器の群から選ばれる請求項１４記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
    Ｓｉフォトダイオード、ＧａＡｓＰフォトダイオード
18. ＯＨ化学発光ピークを表わす火炎放射光に応答している、少なくとも１個のフォトダイオードが次の光検出器の群から選ばれる請求項１４記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
    ＳｉＣフォトダイオード、ＧａＮフォトダイオード
19. 各導波手段が水晶およびサファイアからなる群から選ばれる光波伝播材から形成される請求項１５記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
20. フィルタが各フォトダイオードと組み合わされる請求項１３記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
21. 前記フィルタが帯域フィルタおよび低域フィルタからなる群から選ばれる請求項２０記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。
22. 演算増幅器が各フォトダイオードと組み合わされる請求項１４記載のガスタービン燃焼器用燃料噴射器。

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