JPH02157515A - ガスタービン燃焼器の火炎分光映像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は火炎の検出、並びに、火炎パターンの可視化に
係り、特に、二段燃焼方式ガスタービン燃焼器の火炎パ
ターン計測に好適な光学的火炎観測装置に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービンの低ＮＯｘ化のための燃焼方法として、燃
料を燃焼器の長手方向に多段に分散させる方法が採られ
る。実用燃焼器では現在二段燃焼型のものが多い、燃料
を多段に分散させることによって燃料ノズル−本当りの
燃焼負荷量を小さくしてＮＯｘ発生領域となる高温度領
域をなくし低ＮＯｘ化を図かるのがこの方式の特徴であ
るが、燃焼を制御する点での困難さも発生する。それら
は（１）−段から二段目さらに後段への火移り、及び、
その確認方法、（２）保炎、及び、火炎の安定性の確保
、（３）フラッシュバックなどの異常燃焼の有無の確認
などがある。

このように多段燃焼（以後二段燃焼に限って述べること
にする）に伴うこれら問題点を克服し、高信頼性の燃焼
器の開発が求められるが、実機の運用面では二段目火炎
性状を知るための何んらかの監視装置が必要となる。

二段目火炎への火移りを間接的に知る方法としては熱電
対を特定な場所に設置しておき、その部分の燃焼ガス温
度や燃焼壁の温度を検知する方法があるが、熱電対の時
定数の問題や寿命の点で、充分とはいえない。

保炎状況や火炎の安定性の確認となると、数点の点計測
では限界があり、火炎分布状況を直接、映像として観測
することが必要である。

燃焼火炎を映像としてａｍするシステムについてボイラ
火炎の監視方法として、例えば、特開昭６２−２３７２
２１号や特開昭６２−８０４３０号公報がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ボイラ火炎ｉｉｍに用いられた従来技術は、火炎発光の
特定波長のスペクトルを問題にしたものではなく、火炎
の輝度分布を基本に燃焼状態を診断。

評価するものである。

輝度分布の計測では主に可視域の光を計測対象とするた
め、燃焼炉壁からの反射光などが連続スペクトルとして
背景光（バックグラウンド光）として入るので、信号Ｓ
／Ｎ比が悪くなるなど問題がある。

本発明の目的は燃焼火炎の発光スペクトルのうち燃焼反
応に深く係っている化学種のスペクトルを抽出し、その
強度分布状況を映像化（可視化）することにより、火炎
の着火、消炎の検知と共に、燃焼反応領域の把握などの
燃焼性評価が可能となる。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、炭化水素系燃料の燃焼において発生する発
光のうち紫外波長域にある卓越した発光スペクトル、例
えば、ＯＨラジカル（３０６〜３１５ｎｍに帯スペクト
ルをもつ）などを可視化することにより達成される。

ＯＨラジカルは中間生成物として多くの素反応と係って
おり、その強度は燃焼発熱量と比例関係にあることが知
られている。簡単に云えば、ＯＨ発光強度の高い所程、
反応が盛んに行われていることを意味し、それは燃焼温
度とも強い相関を表わすことを示している。

ＯＨの発光スペクトル帯の３００ｎｍ付近では燃焼壁や
煤などから発する固体輻射量が可視波長域に比べて相対
的に低くなるので映像のＳ／Ｎ比を高くとれるのが紫外
域スペクトルを利用する利点となる。

〔作用〕

火炎発光スペクトルの中から特定波長域の光のみを選択
的に抽出するため本システムでは光学フィルタを用いる
。しかし、光学フィルタの透過特性は短波長になる程減
少し、本システムで可視化の対象としているＯＨラジカ
ルの場合（３０６〜３１５ｎｍ）２０〜３０％の透過率
しか得られない。その他レンズなどの光学部品について
も光の透過率は悪くなるために、通常では紫外光を直接
映像化できる程の光量は得られない。

本システムでは、微弱な紫・外光を増幅し、ＣＯＤカメ
ラで映像化できる光量を確保するためにマイクロチャネ
ルプレート（ＭＣＰ）と呼ばれる光増幅器を用いる。

この増幅器の詳細は割愛するが、受光面と蛍光面を数十
万個の光ファイバで結合した構造からなり、受光面に入
ったホトン（光子）が光フアイバ内を反射進行する間に
光電効果によって電子を増幅させ、この電子を蛍光面に
衝突させて、蛍光面を発光（可視域に発光スペクトルを
もつ）させるもので、受光面照度に対する蛍光面照度比
（ゲイン）は１０番〜１０Ｉ！ｌに達する。蛍光面の映
像を通常のＣＯＤカメラで観測することにより、リアル
タイムで火炎の特定スペクトルによる映像化ができる。

〔実施例〕

第１図ないし第３図に本発明の一具体実施例を示す。第
１図に本発明の基本となるガスタービン燃焼器内の火炎
のｗＬ側システムを示す。

高温高圧燃焼ガスの発生器としてのガスタービン燃焼器
２（ここでは二段燃焼方式燃焼器を示す）の基本構成は
燃料噴射部として複数個の二段ノズル６と二段ノズル７
、燃焼室として副燃焼室３及び主燃焼室４をもち、さら
に、発生した燃焼ガスをタービン側に導くための尾筒５
より成る。

コンプレッサ１で加圧された空気の一部は燃焼器２のハ
ードウェアの冷却用に使用され、残りは二段ノズル６．
−段ノズル７から噴出される燃料と混合した後、それぞ
れ副燃焼室３、及び、主燃焼室４内で、燃料の酸化（燃
焼）に使用される。

二段目燃焼の安定性確保を目的として、主燃焼室に流入
する混合ガスは、旋回器８によって旋回がかけられ、周
方向の速度成分をもつ。発生する二に火炎は主燃焼室の
後方へ伸びる傾向にある。燃料と空気の混合度を改善ル
で行き、予混合燃焼に近づくにつれて燃焼の安定範囲は
一般に狭くなりがちであり、フラッシュバックのような
異常燃焼や燃焼振動のような不安定現象も起り易くなる
。

広範囲な燃焼負荷帯に亘って二段火炎１３を検知し、安
定性を確保しつつ、ＮＯｘのような有害生成物の発生も
極力抑制するにはリアルタイムで火炎パターンを把握し
、最適火炎パターンへの制御を行うことが必要である。

二段目火炎１３のパターンを捉えるために、本発明では
主室ライナ壁１１の後流部に火炎観測のための石英窓１
２を設け、斜後方より局部的に火炎Ｉ！測を行う。石英
窓１２は窓側に形成される火炎（発光領域）の干渉が少
ない位置に取付けられる。石英窓１２に対峙するケーシ
ング１０に観測プローブ１４が取付けられる。本実施例
では映像伝送手段としてイメージファイバ１５を用いて
いる１ｗ４測プローブ１４はこのイメージファイバ１５
を内包したうえ高温からイメージファイバ１５を保護す
るための冷却手段などを内蔵する。

もちろん、ここに用いるイメージファイバ１５は３００
ｎｍ付近までの光を充分透過する石英等が使用される。

ファイバ出口端には光学フィルタ１６を配置し、抽出す
べき光のみを透過させる。

イメージファイバ１５．光学フィルタ１６を通過する光
量は微弱なため、高感度紫外カメラ等を用いたとしても
映像化は現在の技術では不可能である。微弱光の増幅の
ために使用されるのがマルチチャンネルプレート（以下
ＭＣＰ）１８であり、ＭＣＰ１８の受光面に紫外波長域
の映像を結像させるためにＵｖレンズ１７が用いられる
。ＭＣＰの原理については先に簡単に触れたが要は光電
効果を利用し、ホトン（光子）を電子に変換し、増幅さ
れた電子をＭＣＰの蛍光面に当ててると、その各点の電
子の強弱に応じて蛍光面の輝度が変わることにより、蛍
光面に映像を得ることができる。

ＭＣＰの受光面照度に対する蛍光面照度の比。

すなわち、増幅ゲインは１０番〜１０Ｉ５に上げること
ができる。ＭＣＰの蛍光面の像はビームスプリッタ１９
によって、ある強度比率で分割され、一つはリレーレン
ズ２ｏを通して２１のＣＣＤカメラの撮像素子に結像さ
せ、画像処理機２２によって映像のグレースケールに応
じた濃淡を擬似カラーによって色付けて表示される。こ
のように紫外域にあって、人間の目では捉えられない光
を可視域の光に変換してリアルタイムで可視化できるこ
とのメリットは非常に大きい。ビームスプリッタ１９で
二分されたもう一方の光は、火炎検知用に使用され、応
答性を速くするため、画像計測ではなく、従来から用い
られているのと同じく、画像全体の光量変化を光電子増
倍管（ホトマル）で検出する方式である。すなわち、１
９で二分された光はレンズ２３で光ファイバ２４の入口
端に結像し、ファイバ２４の他端はホトマル２５によっ
て増幅されオシロスコープ２６等を用いてホトマル出力
を、常時、モニタできる。火炎の有無を判定するときは
ホトマルの出力を比較器２７に導き。

予め設定した敷居値に対しての大小を電圧レベルで比較
することによって瞬時に判定ができる。第３図に火炎発
光スペクトル分布を示したが火炎検知に紫外域にある特
にＯＨラジカル発光強度を用いる利点は、（１）ＯＨは
燃焼反応域以外からは発しないことにより、二段燃焼器
のように一段目火炎の燃焼ガスが二段目火炎部にあると
しても一段目火炎の影響はほとんど無視できる。（２）
燃焼壁からの固体輻射や燃焼生成物、特に、煤による輻
射の影響は紫外域では可視域に比べて比較的小さい、な
どがある。

第２図には、本発明の他の実施例を示した。

この方式は、イメージファイバに代えて、充分な光量と
解像度を得るために、光学レンズ系の組合せによってＭ
ＣＰ及びＣＣＤカメラに結像させるもので、この光学系
は次のようになる。第１図に示した観測プローブ１４の
部分に相当する部分は対物レンズ２８．リレーレンズ２
９．接眼レンズ３０からな光学筒３４よりなり、これら
のレンズは光学筒３４の後部に接続して設置されるＭＣ
Ｐ１８の受光面に火炎像を結像するように配置される。

ＭＣＰ１８の受光面の前にはもちろん光学フィルタ１６
が取付けられる。ＭＣＰ１８とＣＣＤカメラ２１は第１
図に示す方式ではリレーレンズ２０を用いたのに対し、
本光学系では光のロスを少なくするためにＭＣＰ１８の
蛍光面とＣＣＤカメラ２１の撮像素子間を直接光ファイ
バで結合するためにファイバカップリング３３を用いる
方式を採る。

火炎検知用の光学系は第１図と方式は同じである。ただ
、ビームスプリッタ３１や、光ファイバへ集光させるた
めのレンズ３２は、光学筒３４内に格納し、コンパクト
化に努めると共に、ジャケット部３５に光ファイバ２４
の端子を挿入するだけで機能するように操作性も容易に
しである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、反応領域の広がり具合や、燃焼反応の
非定常挙動なども知ることができるので燃焼状態を的確
に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本光学系の説明図、第２
図は本発明の他の実施例の説明図、第３図は炭化水素系
燃料の発光スペクトル分布図であ謔３０ 戚長べ国鴨〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービン燃焼器の長手方向の上流端付近と中流
   付近に燃料噴射ノズルを設置して二段燃焼を行わせるガ
   スタービン燃焼器において、二段目火炎の性状、及び、
   挙動を観測する装置として、火炎発光分光より特定化学
   種のスペクトルを抽出し、その強度分布の画像可視化手
   段を備え、且つ、火炎着火、消炎を高速に検知する手段
   を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の火炎分
   光映像装置。 ２、前記画像可視化手段は、燃焼反応域から卓越して発
   生する紫外域に発光スペクトルをもつ化学種の発光強度
   を可視化するもので、映像伝送手段として、イメージフ
   ァイバーや組合せレンズ方式を採り、紫外光から可視光
   への変換増幅には光電効果を利用したマルチチャンネル
   プレートを用い、さらにＣＣＤカメラにより映像化する
   ガスタービン燃焼器の火炎分光映像装置。 ３、前記高速火炎検知手段とは、前記映像伝送手段によ
   り得られた紫外域発光スペクトルを分岐し、光ファイバ
   で光電子増倍管に導き、電圧レベルに変換した後、予め
   、設定した敷居値との比較を行い、火炎の有無を高速で
   判定する機能をもつ特許請求の範囲第２項の火炎検知装
   置。