JP6018378B2 - 光学燃焼器プローブシステム - Google Patents

Description

本出願は、総括的には光学燃焼器プローブシステムに関し、より具体的には、燃焼チャンバの周りに配置されて保炎及びその他のタイプの燃焼事象を検出する幾つかの光ファイバプローブを備えた光学燃焼器プローブシステムに関する。

一部のタイプの公知のガスタービン燃焼器は、希薄予混合燃焼を使用してＮＯｘ（窒素酸化物）などのようなガスのエミッションを低減する。そのような燃焼器は一般的に、単一の燃焼チャンバに取付けられた幾つかのバーナを有する。作動時に、燃料が、幾つかの燃料噴射器を通して噴射されかつ旋回空気流と混合されて燃焼火炎を発生させる。希薄化学量論の故に、希薄予混合燃焼は、より低い火炎温度を達成することができ、従ってＮＯｘガスなどのより低いエミッションを発生させるようにすることができる。

希薄燃焼環境の一面では、火炎速度は、燃料濃度の増大につれて増加させることができる。従って、燃焼ゾーン全体空気力学は、希薄火炎速度に適応するように設計することができる。しかしながら、燃焼ゾーンに到達する燃料−空気混合気は、常に均質であるとは限らない。燃料空気混合気の局所的変動の結果として局所的火炎速度は、燃焼ゾーン設計限界を超える可能性がある。高い希薄火炎速度を支援する条件を維持した場合に、火炎は、上流構造体に侵入しかつ高い熱負荷又はその他により損傷を引き起こす可能性がある。

従って、保炎事象及びその前兆を検知して損傷が発生する前に是正措置を取ることができるようにすることができる、光学燃焼器プローブシステムのような燃焼器監視システム及び方法の改良に対する要望が存在する。さらに、そのような対応時間の改善はまた、作動マージンを縮小させてもなおより希薄な作動を可能にし、従ってＮＯｘガスなどのエミッションの一層の低下を可能にすることができるようにすることができる。

従って、本出願は、燃焼チャンバ内の燃焼火炎で使用する光学プローブシステムを提供する。本光学プローブシステムは、燃焼チャンバの周りに固定取付けされかつその各々の視界内における燃焼火炎により発生された光を収集するように配置された幾つかの光学プローブを含むことができる。燃焼チャンバの外部における１つ又はそれ以上の構成要素が、光学プローブの各々の視界内における燃焼火炎により発生された光を示す信号を生成しかつ解析することができる。

本出願はさらに、燃焼チャンバ内の燃焼火炎を監視する方法を提供する。本方法は、燃焼チャンバの周りに幾つかの光学プローブを配置するステップと、光学プローブの各々の視界内における燃焼火炎を示す幾つかの信号を生成るステップと、燃焼チャンバ内における燃焼火炎の位置を判定するために信号を解析するステップとを含む。

本出願はさらに、その中に燃焼火炎を有する燃焼器を提供する。本燃焼器は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバの周りに固定取付けされた幾つかの光学プローブとを含むことができる。光学プローブは、該光学プローブがその各々の視界内における燃焼火炎により発生された光を収集するように配置することができる。燃焼チャンバの外部における幾つかの構成要素が、光学プローブの各々の視界内における燃焼火炎により発生された光を示す信号を生成しかつ解析することができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び利点は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

公知のガスタービンエンジンの概略図。 図１のガスタービンエンジンで使用することができる燃焼器の部分側面図。 本明細書に説明することができるような光学燃焼器プローブシステムの概略図。 本明細書に説明することができるような光学プローブの一部分の側面図。 本明細書に説明することができるような光学燃焼器プローブを備えた公知の燃焼器の部分側面図。 その上に配置された幾つかの光学プローブを備えた燃焼器の前面図。

次に、同じ参照符号が幾つかの図全体を通して同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１５、高圧圧縮機２０、燃焼器２５、高圧タービン３０及び低圧タービン３５を含むことができる。空気が低圧圧縮機１５を通って流れ、かつ加圧空気が高圧圧縮機２０に送給される。高圧加圧空気は次に、燃焼器２５に送給される。燃焼器２５は、加圧空気の流れを加圧燃料の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させて燃焼ガスの流れを形成する。燃焼ガスの流れは次に、タービン３０、３５に送給される。燃焼ガスの流れは、タービン３０、３５を駆動して機械的仕事を産生するようになる。その他のタイプのガスタービンエンジン１０及びその中における構成要素のその他の構成もまた公知である。

図２は、ガスタービンエンジン１０及び同様のもので使用することができる燃焼器２５の実施例の部分側面図である。燃焼器２５は、燃焼ゾーン又はチャンバ４０及び該燃焼チャンバ４０の上流における環状ドーム組立体４５を含む。環状ドーム組立体４５は、その中で円周方向に間隔を置いて配置されて燃料及び空気の混合気を燃焼チャンバ４０に送給する幾つかの混合組立体５０を含むことができる。各混合組立体５０は、パイロット混合器５５及び主混合器６０を含むことができる。燃料マニホルド６５は、パイロット混合器５５及び主混合器６０間で延びることができる。燃料マニホルド６５は、主ハウジング７５の周りに配置された幾つかの噴射ポート７０に到ることができる。混合器空洞８０は、主ハウジング７５及びサイクロン８５間に形成することができる。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。本明細書に説明した燃焼器２５は、実施例のためのみのものである。本明細書では、その他のタイプの燃焼器も使用することができる。上記のように、燃焼器２５は、燃料の流れ及び空気の流れを混合して燃焼火炎９０を生成する。

図３及び図４は、本明細書に説明することができる光学燃焼器プローブシステム１００を示している。光学燃焼器プローブシステム１００は、その中に燃焼火炎９０又はその他のタイプの燃焼ダイナミックスを有する燃焼器２５或いは同様のタイプの装置の燃焼チャンバ４０の周りに配置された１つ又はそれ以上の光学燃焼器プローブ１１０を含むことができる。本明細書では、あらゆるタイプの燃焼及び／又は燃焼チャンバ４０を使用することができる。

各光学燃焼器プローブ１１０は、光ファイバ１２０のバンドルを含むことができる。光ファイバ１２０は、石英ファイバ及び同様のものとすることができる。本明細書では、その他のタイプの光ファイバ１２０も使用することができる。光ファイバ１２０は、比較的小さい直径の石英ファイバとして単一の大きい直径のファイバに比較して小さい屈曲半径を可能にするのが好ましい。さらに、小さい直径の石英ファイバは、同様の光収集能力を保有することができる。本明細書では、あらゆる好適な光ファイバ材料を使用することができる。光ファイバ１２０のバンドル１２５も使用することができる。

光ファイバ１２０は、その上に皮膜３０を有することができる。皮膜３０は、金皮膜又は別のタイプの貴金属とすることができる。本明細書では、同様の皮膜を使用して熱保護を与えるようにすることができる。本明細書では、その他のタイプの耐熱性皮膜も使用することができる。光ファイバ１２０は、ガイドチューブ１４０内に配置することができる。ガイドチューブ１４０は、ステンレス鋼又はその他のタイプの耐熱性材料で構成することができる。従って、光ファイバ１２０、皮膜１３０及びガイドチューブ１４０を備えた光学燃焼器プローブ１１０は、燃焼チャンバ４０又はその他内の高い作動温度及び圧力に耐えることができる。例えば、燃焼チャンバ４０内の温度及び圧力は、約１４００°Ｆ（約７６０℃）及び約７５０ポンド／平方インチ（ゲージ）（約５２００キロパスカル）又はそれ以上を超える可能性がある。

光学燃焼器プローブシステム１００はさらに、燃焼チャンバ４０の外側に配置された幾つかの外部構成要素１５０を含むことができる。外部構成要素１５０は、光検出器モジュール１６０を含むことができる。光検出器モジュール１６０は、光燃焼器プローブ１１０からの入射収集光をスペクトル分離する光学要素を内蔵している。光検出器モジュール１６０は、光の強さに比例した信号を生成する。光検出器モジュール１６０は、光学燃焼器プローブ１１０から受信したデータに基づいて信号処理モジュール１７０への出力信号を生成する。信号処理モジュール１７０は、光検出器モジュール１６０からの信号を解析して燃焼情報をもたらす。具体的には、信号処理モジュール１７０は、幾つかの金属缶光電子増倍管１８０及び同様のものを含むことができる。光電子増倍管１８０は、高速応答時間を有するので光電子増倍管１８０を使用して燃焼チャンバ４０内の時間的変化を監視することができる。信号処理モジュール１７０はまた、光学エミッションスペクトルを捕捉するためのスペクトロメータ１９０及び同様のものを含むことができる。従って、信号処理モジュール１７０は、光電子増倍管１８０に基づいて時間周波数を処理しまたスペクトロメータ１９０により光周波数を処理する。本明細書では、干渉フィルタもまた使用することができる。本明細書では、その他の構成及びその他のタイプの構成要素も使用することができる。

図５は、燃焼器２５の周りでの光学燃焼器プローブ１１０の１つの使用を示している。具体的には、サイクロン８５の周りに又は噴射ポート７０の下流における別の位置の周りに、アクセス孔２００を穿孔加工することができる。光学燃焼器プローブ１１０のガイドチューブ１４０は、アクセス孔２００内に挿入することができかつサイクロン８５又はその他の位置に溶接することができる。ガイドチューブ１４０がステンレス鋼で製作されている場合には、ＴＩＧ（「タングステン不活性ガス」）溶接を使用することができる。本明細書では、その他の連結手段も使用することができる。その上に皮膜１３０を備えた光ファイバ１２０は次に、ガイドチューブ１４０内にねじ込みかつアクセス孔２００にロウ付けすることができる。本明細書では、その他の連結手段もまた、使用することができる。光ファイバ１２０は、所望の視界に設定することができる。従って、各光学燃焼器プローブ１１０は、その視界２１０内における燃焼火炎９０又はその他のタイプの燃焼ダイナミックスにより発生された光を監視することができる。

図６に示すように、光学燃焼器プローブシステム１００は、燃焼チャンバ４０の周りに配置されたあらゆる数の光学燃焼器プローブ１１０を使用することができる。従って、幾つかの光学燃焼器プローブ１１０の使用により、異なる位置による燃焼事象の位置を空間的に識別することができるようになる。言い換えると、燃焼チャンバ４０内における燃焼火炎９０の位置及び特性は、正確に判定することができる。さらに、外部構成要素１５０の使用により、燃焼事象の性質を遠隔的に判定することができるようになる。

使用中に、光学燃焼器システム１００の光学燃焼器プローブ１１０を使用して、関心のある局所領域における燃焼火炎９０の「化学発光」を観察することによって燃焼事象を判定することができる。一般的に説明すると、化学発光というのは、燃焼反応によって発生した光放射である。燃焼反応は、高エネルギー状態になった分子を生成する。励起した分子は、光を放射することによって部分的により低いエネルギー状態に移行することができる。その放射の強さは、部分的に特定の反応における化学的生成速度に比例することになる。従って、化学発光により反応速度及び発熱速度を測定して、特定の観察領域における燃焼プロセスの現在の強さについての情報を得ることができる。

具体的には、各光学燃焼器プローブ１１０の各々の視界２１０内における燃焼火炎９０を示す信号は、光ファイバ１９０によって収集しかつ光検出器モジュール１６０に導くことができる。光検出器モジュール１６０は、光の強さに比例した信号を生成する。信号は次に、信号処理装置１７０内において時間的にかつ波長に基づいて解析することができる。信号処理装置１７０のスペクトロメータ１９０は、燃焼安定性を生じさせる化学排出物を示すスペクトル放射を検出するように構成することができる。さらに、燃料混入物質又は不純物を示すスペクトル放射もまた、検出することができる。信号処理装置１７０の光電子増倍管１８０により、時間変動を測定することができる。本明細書では、その他のタイプの信号処理も使用することができる。光検出器モジュール１６０によって得られた信号は、燃焼器ジオメトリによって引き起こされる反映バックグラウンドエミッションを考慮してフィルタ処理することができる。バックグラウンド信号から信号レベルを識別することによって、関心のある領域における燃焼事象を一層正確に判定することができる。

従って、光学燃焼器プローブシステム１００は、約５００マイクロ秒よりも小さい時定数で火炎エンクローチメント、保炎及び同様のもののような燃焼事象を検出するのを可能にすることができる。そのような高速応答時間は一般的に、オペレータ又は制御システムが是正措置を取るのを可能にする。従って、本明細書では、能動フィードバック制御を行うことができる。フィードバック制御システム２２０は、一般に外部構成要素１５０並びに圧縮機２５及び／又はガスタービンエンジン１０の制御構成要素と通信状態とすることができる。

高速応答時間に加えて、光学燃焼器プローブシステム１００の使用により、望ましくない燃焼事象を能動的に防止して、全体作動マージンを縮小させることができるようになる。全体作動マージンを縮小させることにより、より希薄な作動を可能にし、かつ従ってより低いエミッション状態でより大きい作動効率を可能にすることができる。作動マージンを縮小させることによりまた、全体重量をより軽量とすることができるより小型ジオメトリとすることができる。さらに、今や、望ましくない燃焼事象を記録しかつ蓄えて、製品寿命及び整備要件についての予測能力を向上させるようにすることができる。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 低圧圧縮機
２０ 高圧圧縮機
２５ 燃焼器
３０ 高圧タービン
３５ 低圧タービン
４０ 燃焼チャンバ
４５ 環状ドーム組立体
５０ 混合組立体
５５ パイロット混合器
６０ 主混合器
６５ 燃料マニホルド
７０ 噴射ポート
７５ 主ハウジング
８０ 混合器空洞
８５ サイクロン
９０ 燃焼火炎
１００ 光学燃焼器プローブシステム
１１０ 光学燃焼器プローブ
１２０ 光ファイバ
１２５ バンドル
１３０ 皮膜
１４０ ガイドチューブ
１５０ 外部構成要素
１６０ 光検出器モジュール
１７０ 信号処理モジュール
１８０ 光電子増倍管
１９０ スペクトロメータ
２００ アクセス孔
２１０ 視界
２２０ 制御システム

Claims (13)

1. 燃焼チャンバ（４０）内の燃焼火炎（９０）で使用する光学プローブシステム（１００）であって、
   複数の噴射ポート（７０）の下流に位置し、かつ前記燃焼チャンバ（４０）内部でサイクロン（８５）の周りに取付けられた複数の光学プローブ（１１０）であって、その各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により前記燃焼チャンバ（４０）内部で発生した光を収集するように配置された複数の光学プローブ（１１０）と、
   前記燃焼チャンバ（４０）の外部の１以上の構成要素（１５０）であって、前記複数の光学プローブ（１１０）の各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により発生した光を示す信号を生成しかつ解析する１以上の構成要素（１５０）と
   を備える、光学プローブシステム（１００）。
2. 前記複数の光学プローブ（１１０）が、複数の被覆（１３０）光ファイバ（１２０）を含む、請求項１記載の光学プローブシステム（１００）。
3. 前記複数の光学プローブ（１１０）が、光ファイバ（１２０）のバンドル（１２５）を含む、請求項１記載の光学プローブシステム（１００）。
4. 前記複数の光学プローブ（１１０）が、ステンレス鋼ガイドチューブ（１４０）内に配置された複数の光ファイバ（１２０）を含む、請求項１記載の光学プローブシステム（１００）。
5. 前記燃焼チャンバ（４０）の外部の１以上の構成要素（１５０）が、前記複数の光学プローブ（１１０）の各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により発生した光を示す信号を生成する光検出器モジュール（１６０）を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光学プローブシステム（１００）。
6. 前記燃焼チャンバ（４０）の外部の１以上の構成要素（１５０）が、前記複数の光学プローブ（１１０）の各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により発生した光を示す信号を解析する信号処理モジュール（１７０）を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の光学プローブシステム（１００）。
7. 前記信号処理モジュール（１７０）が、複数の光電子増倍管（１８０）を含む、請求項６記載の光学プローブシステム（１００）。
8. 前記信号処理モジュール（１７０）が、スペクトロメータ（１９０）を含む、請求項６記載の光学プローブシステム（１００）。
9. 前記燃焼チャンバ（４０）の外部の１以上の構成要素（１５０）が、フィードバック制御システム（２２０）と通信状態になっており、前記フィードバック制御システム（２２０）が、前記燃焼チャンバ（４０）と関連する、請求項１記載の光学プローブシステム（１００）。
10. 燃焼チャンバ（４０）内の燃焼火炎（９０）を監視する方法であって、当該方法が、
    複数の噴射ポート（７０）の下流に、かつ前記燃焼チャンバ（４０）内部でサイクロン（８５）の周りに複数の光学プローブ（１１０）を配置するステップと、
    前記複数の光学プローブ（１１０）の各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により前記燃焼チャンバ（４０）内部で発生した光を前記複数の光学プローブ（１１０）で収集するステップと、
    前記複数の光学プローブ（１１０）の各々の視界（２１０）を横切って流れる前記燃焼火炎（９０）により発生した光を示す複数の信号を、前記燃焼チャンバ（４０）の外部の１以上の構成要素（１５０）によって生成するステップと、
    前記燃焼チャンバ（４０）内部の燃焼火炎（９０）の位置を空間的に識別するために前記複数の信号を前記１以上の構成要素（１５０）によって解析するステップと
    を含む、燃焼火炎（９０）を監視する方法。
11. 前記解析するステップが、前記燃焼火炎（９０）を時間的に解析するステップを含む、請求項１０記載の燃焼火炎（９０）を監視する方法。
12. 前記解析するステップが、前記燃焼火炎（９０）を波長に基づいて解析するステップを含む、請求項１０記載の燃焼火炎（９０）を監視する方法。
13. 前記燃焼チャンバ（４０）と関連したフィードバック制御システム（２２０）と通信するステップをさらに含む、請求項１０記載の燃焼火炎（９０）を監視する方法。
    

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