JPH03207912A - 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−ヒの利用分野〕 本発明は燃焼装置の火炎反応帯の可視化に係り，特に，
ガスタービン燃焼器の燃焼状態の監視，評価装置に関す
る。

〔従来の技術〕

ガスタービンの低Ｎ　Ｏ　ｘ化のための燃焼方式として
燃料を燃焼器の長手方向に二段に分散させて燃焼させる
、いわゆる，二段燃焼のものが多くなってきている。こ
の方式で解決しなければならない燃焼制御Ｅの問題点と
して，（１）一段燃焼から二段燃焼へのスムーズな火移
りと燃焼状態の確認（２）保炎、及び，火炎安定性の確
保（３）フラッシュバックなど異常燃焼の有無の確認な
どがある。

さらに、低ＮＯｘ化の最適燃焼のために局所的な燃焼状
態量の推定技術が必要となる。

このような二段燃焼に伴う問題点を克服し，高信頼性の
燃焼器の運用を図るためには二段目火炎を，常時、観測
できる装置が必要となる。

二段目火炎への火移りを知る簡便な方法としては熱電対
を用いることができるが、空間の一点の情報しか得られ
ないこと，さらに熱電対のもつ時定数や揶命の点で充分
とはいえない。

一方、保炎状況や火炎の安定性，火炎性状の抽出，診断
までを行うものとすると、一点一点の点計測には自ずと
限界があり、さらに火炎分布に影響を与えない計測技術
となると、光を利用し、空間的に映像化するシステムが
有利である。

燃焼火炎を映像として＃Ｒ測するシステムについてはす
でに多くの公知例がある。ボイラ火炎の監視方法として
、例えば，特開昭６２−２３７２２１号や特開昭６２−
８０４３０号公報などがある。また、本発明に最も係り
のある火炎発光の分光解析より燃焼状態量（局所当量比
）を推定する方法がラジカルの発光強度による瞬時空燃
比の計測：機械学会論文集５２巻４８１号（昭６１−９
）にみられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のボイラ火炎観測に用いられた従来技術は火炎発光
のうちの特定波長の分布を問題にしたものではなく、火
炎発光全体（可視領域の輝度）の輝度分布を基に燃焼状
態を診断しようとするもので本発明の発光のうちの特定
波長を用いる場合とは本質的に異なる。可視域の全輝度
を対象とする従来技術では、燃焼炉壁や燃焼生或物のす
すなどから発生する連続スペクトルの影響が加わり、信
号Ｓ／Ｎ比を悪くする欠点が避けられない。

一方、文献上に示された特定波長の強度比から燃焼状態
を推定する方法は、光電子増倍管を用いた一次元（一点
）の計測結果より算出する方法を示したもので，本発明
で採用している二次の映像技術とは本質的な違いがある
。

本発明の目的は火炎発光のスペクトルのうち燃焼反応に
深い係りをもつ化学種（ラジカル）のスペクトルを同時
に三成分まで画像観測ができることにより、火炎の着火
や保炎状況が瞬時に判断できると共に、局所当量比も推
定できるなど、燃焼状態を高精度に診断することができ
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
光のうち可視域で顕暑な強度を示すＣ２ラジカノレ（５
１６．５ｎｍ）とＣＨラジカル（４３１．５ｎ．ｍ）及
び、紫外域に発光するＯＨラジカル（３　０　６．８　
ｎｍ）の発光を同時に画像可視化することにより達成さ
れる。

これら三種のラジカルは燃焼素反応過程で生成される中
間生戒物で、以下の特徴をもつ．Ｃ２ラジカルは、反応
帯の前の予熱帯において燃料が熱分解する過程で生成さ
れ、燃料濃度の混合率の指標として利用されている。

ＣＨラジカルは、 Ｃｚ＋○Ｈ　＝２ｃ　ｏ　＋　Ｏ　Ｈ の反応によって発生するため、Ｃ２とＯＨとの相関が高
いことがうかがえる。

ＯＨラジカルは紮外域に発光スペクトルをもち強度も強
いことから従来から比較的研究が行われてきている。

このラジカルはＣＨラジカルの酸化反応、すなわち、 ＣＨ＋Ｏｚ＝ラＯＨ＋Ｃ○ によって発生するので，燃焼発熱量との相関性が高い。

このことは、ＯＨ発光強度の勾配の急な所程，反応が盛
んに行われていることを意味し、従って、温度との相関
も強いことが予想される。

このように発生過程に特徴のある上記３ラジカルの発光
を瞬時、かつ、同時に画像計測する本発明では、画像の
分解能も−ニビット（通常のものは８ビット分解能）に
上げて計測することにより、これら三ラジカル発光分布
が高精度に求めることができ、燃焼負荷（当量比）とこ
れら発光分布との間の関係が明らかになり、また、火移
りや保炎状況についても空間的な広がりの中で燃焼素反
応との関係が、より安定的に診断できるなど従来にない
新しい火炎観測，診断システムが提供できる。

〔作用〕

火炎発光の中からＣｚ串，ＣＨ　串，ＯＨ−　の特定の
波長を選択的に抽出するために本システムでは光学フィ
ルタを用いる。一般に抽出されたこれら発光量は微弱な
ためマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を内蔵する
イメージインテンシファィア（■・工）用いて微弱光像
を増強可視化している。

これら三ラジカル像を同時計測するための機能としてＭ
ＣＰに印加する電圧を高速にＯＮ−ＯＦＦする、いわゆ
る，ゲーテイング制御系が備わっている。

一方，■・Ｉで増強された映像はＣＣＤカメラの固体撮
像素子に結像させてモニタ上への映像の可視化ができる
が、本システムで使用するＣＣＤカメラには固体撮像部
を冷却して使用する冷却型ＣＣＤカメラを用いる．この
カメラを用いることによって固体撮像部で発生する熱電
子によるノイズを低レベルに抑えることができ、その結
果として−ニビットの高解像度の映像が可能である。

〔実施例〕

第１図ないし第４図に本発明の一具体実施例を示す。第
１図にガスタービン燃焼器に本火炎分光映像装置を装着
した状況を示す．また第２図に本システムの光学系及び
映像部の詳細を示す．高温高圧燃焼ガス発生器としての
ガスタービン燃焼器２（第１図では二段燃焼方式の燃焼
器を示している。）の基本構成は燃料噴射部として複数
個の一段目燃料ノズル６と二段目燃料ノズル７をもち、
これらノズルからの燃料を燃焼させるための燃焼室とし
て副燃焼室３及び主燃焼室４があり、発生した燃焼ガス
をタービン部に送るための尾筒５よりなる。コンブレツ
サ１で加圧された空気の約半分近くが一段目ノズル６及
び二段目ノズル７から噴出する燃料の酸化（燃焼）に使
用され、残りは燃焼器檗の冷却や、燃焼ガスの希釈用に
使用される。

二段目燃焼の安定性を確保するため主燃焼室４へ流入す
る混合ガスは、旋回器８を通ることによって旋回がかか
るようになっており、周方向の速度成分を得て保炎強化
を図っている。

ガスタービン燃焼器は、一般に、広範囲な負荷帯に亘っ
て運転される場合が多く、この負荷帯で火炎の安定性を
確保し、低ＮＯｘ燃焼を維持するうえで特に燃焼負荷比
率の大きな二段目燃焼火炎の性状把握が重要である． 二段目火炎の検知及びその性状観測より、燃焼状態を診
断するシステムとして，本発明では、旋回器８の出口近
傍に形威される火炎の一部を画像計測するためのプロー
ブ１２がケーシング９に装着されている６火炎観測は，
主燃焼室の後部ライナ４！１０に取付けた観測窓１ｌを
通して行われる．観測窓の取付位置は、二段目火炎形成
に直接影響を与えることの少ないことと、旋回器出口の
近傍が全体的に観測できることを考慮に入れて，図に示
すように、主燃焼室後方部に設けてある．第２図にプロ
ーブ１２とこれに付随する光学系及び映像の処理系統の
詳細を示す． プローブ１２は，火炎像を光学的に捉えるための各種光
学部材より戒る．プローブ１２が装着されるケーシング
９の内部は高温（約４００℃）？高圧（約１．２ＭＰａ
）状態にあるので，その条件下で充分使用に耐えうるだ
けの冷却性と耐圧性をプローブを備えている．その詳細
構造については、直接、本発明と関係ないので割愛する
．プローブの内部は図に示すようにレンズとミラより構
成されている． 本発明の特徴の一つは三種類の映像を同時画像計測する
ことにあり，そのためプローブ１２は映像を三分割して
外部（映像部）に伝達する役目をしている。プローブｌ
２の火炎側先端部には対物レンズ１３があり、火炎像を
プローブ内に集光する役目を担っている．比較的長いプ
ロープ内の映像伝送のために使用されるのがリレーレン
ズｌ４であり、レンズ１４を出た光束は平行先になるよ
うにしてある。平行光になった光はプローブ１２の軸に
対して４５゜の角度に取付けられたハーフミラ１５．１
６によって、プローブ１２の軸に対して直角に反射する
光と軸方向に透過する光に分割され、結果的に第２図に
示したように三光東Ａ，Ｂ，Ｃが得られることができる
．なお、ハーフミラ１５．１６の反射及び透過の比率は
、プローブ出口に続く映像機の光学特性や、観測する発
光波長の種類によって最適なものが選ばれることになる
． ブローブの各出口には接眼レンズ１７，１８，１９が配
置され、後方に続く映像装置に結像できるようにレンズ
の位置が調整できるようにしてある． プローブの出口に配置される映像装置は三式とも同一構
成をとり、以下に示す機能をもつ．光学フィルタ２０は
特定の波長帯のみを透過するために用いるもので、これ
によって観測しようとする発光のスペクトル帯が容易に
選択できる．選択された発光スペクトルは一般に非常に
微弱であることに加え，波長も紫外域から可視あるいは
赤外域と不可視波長域の光も観測するために，増幅した
うえで可視光に変換できる増強器が必要となる。この役
目を行うのがＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）を内
蔵したイメージインテンシファイア（工・工と略記する
）２１である。この工・Ｉの映像増強度（ゲイン）は約
１〜２　Ｘ　１　０４程度が得られる。

■・Ｉ後部の蛍光面に増強され可視光に変換された映像
が写し出される。この映像をＣＣＤカメラ２３の撮像素
子に結像させるために使用するのが結像レンズ２２であ
る。

なお、ＣＣＤカメラは、通常、７ビットか８ビットのも
のが多いが、火炎発光のように輝度濃淡の少ないものを
映像化する場合は、通常のＣＣＤカメラでは充分な分解
能が得られず，後述のような本発明の解析を行うことは
一般に困難である．本システムでは輝度の濃淡を１２ビ
ットの分解濃で解析できるようにするために、ＣＣＤカ
メラ部には、撮像素子を−３０℃近傍まで冷却して、熱
電子によるノイズを低レベルに抑えた冷却型のものを使
用している。

以上説明した同一構成の映像装置によって得られた三種
類の映像は映像コントローラ２５を介して、映像の伝送
や、映像の取込み制御が行われる．この映像コントロー
ラ２５をはじめ次に説明するゲーテイング装Ｉ！２４に
コマンドを発しシステムの全体を制御するのがコンピュ
ータ２６である．さて、ゲーテイング装置２４は，三個
の映像増強器工・工と接続させていて、■・工に供給さ
れる電圧を高速にＯＮ−ＯＦＦする機能をもつもので，
■・工の印加電圧時間間隔を最短でｎ　ｓｅｅ（　１　
０　−”秒）オーダで制御できる。このゲーテイング装
置によってコンピュータ２６から映像取込みのコマンド
が発せられると三個の工・■に同時に電圧のゲーテイン
グ作用が実施され、任意の時間間隔の映像がＣＣＤカメ
ラ２３に取込まれることになる。

さらに、コンピュータ２６より映像コントローラ２５に
映像転送のコマンドが発せられると、ＣＣＤカメラに取
込まれた映像は順に映像コントローラ２５を介して画像
処理機２７に送られ各種画像解析が行われる． 次に、本システムの画像解析結果から燃焼状態を推定す
る方法について説明する． 本システムでは三波長の発光を同時計測するが、観測す
る発光としては従来から比較的研究が行われ，発生のメ
カニズムも知られているＯＨ＊（３　０　６．４　ｎｍ
），ＣＨ申（４３１．５ｎｍ），Ｃｚ−（５１６．５ｎ
ｍ）（なお拳はラジカルを表わす）を選んでいる． 第３［ｉｉｉ１にガスタービン燃焼器の二段目火炎につ
いて旋回路８出口付近の火炎発光帯の分布を模擬的に示
した．特に，発光帯のＱ｝｛串，ＣＨ．，０２一　発光
の最大強度の発生使Ｒを拡大して示すと第３図（ｂ）に
示すように旋回路出口に近い方からＣｚ串，ＣＨ＠，Ｏ
Ｈ●　発光の順に発生する。

これら三発光強度の位置はわずか０．２〜０．３■の距
離にあり，先に説明したように、高分解能な映像装置を
用いないと分析は難しい． 発光強度分布の特徴として、最大強度の発生する前後の
分布を○Ｈ●についてみてみると、第３図（ｃ）に示す
よう、最大ピークを境にして左側を火炎上流側（旋回器
出口側）、右側を火炎下流側と呼ぶことにすると上流側
と下流側では分布に特徴があることがわかる。すなわち
、上流側では立上がり勾配が急であり下流側では比較的
ゆるやかである。この傾向はＣｚ傘　やＣＨ欅でもみら
れる。この発光分布が燃焼の当量比に対してどのように
変化するかについて第３図（ｄ）に示す、勾配比なる指
標を用いて整理する。この勾配比は次のように定義する
．すなわち、火炎上流側の発光強度分布に関して、ピー
クよりＸの距離の間にあるＸ＋１なる矩形面積Ｓに対す
るハツチングで示した面積Ｓ−の比Ｓ／Ｓ＊とする．こ
の勾配比（Ｓ／Ｓ串）と当量比（Φ）との関係を示すと
第４ｒｙｉ（ｂ）の結果が得られる。

Φ＝１．０でＳ／Ｓ●は最低となり、Ｓ／Ｓ●＞１，Ｓ
／Ｓ●〈１では増加する． 次にＯＨＭ，ＣＨ●，Ｃｚ●　発光強度と当量比（Φ）
との関係については従来から研究されていて一次元の計
測結果よりＣｚ●とＣＨ＊の比Ｃｚ申／ＣＨ−及び、Ｏ
Ｈ●とＣｚ本の比ＯＨ串／　Ｃ　＊　＊がΦとほぼ比例
することが示されている．本システムによる二次元の画
像解析でも第４図（ａ）に示すようにほぼ比例関係にあ
ることが示されている。

ところで，二段目火炎の当量比については，燃料は計測
されるのに対して、旋回器に流入する空気量は計測する
手段をもたないので、一般にはわからない．しかし、旋
回器に流入する空気量を間接的に知る方法として最大発
光強度の発生位置（第３図（ａ）に示すＬ）と、旋回器
出口流速との関係が、第４図（ｃ）に示すように、比例
関係になることが知られている．この結果から発生位置
Ｌが画像解析より求まると平均空気流量が算出でき，当
量比が求まる． 本システムではＯＨ●，ＣＨ　串，Ｃｚ傘　間の発光強
度比並びに発光勾配比と当量比との関係を併用すること
により，負荷変動を伴うガスタービン燃焼器の局所当量
比を精度よく推定することができ、低ＮＯｘ燃焼へ向け
た最適な燃焼制御もできるようになる。

〔発明の効果〕

本発明、燃焼化学反応によって発生する火炎発光のうち
ＯＨＭ，ＣＨ：，Ｃｚ●　の三種ラジカルの分布を同時
に画像計測するこができ、その発光分布結果から定量的
には燃焼の局所当量比が推定できる他、燃料ノズル出口
（旋同器出口）の平均流速や，空気流量の算出もできる
．さらに、定性的には、燃焼反応領域の広がりや火炎挙
動などを通して火炎の性状を診断することができ、ガス
タービン燃焼鼎の火炎監視，燃焼状態の評価装置として
、高精度なシステムを提供することができる．

【図面の簡単な説明】

第１ｖｌＩはガスタービン燃焼器に適応した本発明の一
実施例の断面図、第２図は本発明の光学系及び映像処理
系統図、第３図（ａ）は旋回器出口付近に形成される火
炎発光帯の分布図、第３図（ｂ）は発光帯の部分を拡大
して示し、Ｃｚ●，ＣＨ●，ＯＨ申の最高強度の位置関
係を示した説明図、第３図（ｃ）は発光強度の分布パタ
ーンを示す説明図、第３図（ｄ）は発光強度分布の勾配
比を示す説明図、第４１ｉ！ｉ（ａ）は当量比と各発光
強度比との関係を示す説明図、第４図（ｂ）は当量比と
勾配比との関係を示す説明図、第４図（Ｃ）は旋回器出
口流速と最大発光強度の発生位置との関係を示す説明図
である． １・・・コンプレツサ、４・・・主燃焼室，７・・・二
段目燃竿 ２ 図 （０Ｌ） ０、！，　　０．ｇ　　　／．０　　／．２ざ董七〇） 第 ４ 閏 ｏ，ｌ，　　０．Ｊ３　　／．０　　／，２ざ｛，，　
（壬） 千ｎ冫ト４（倫Ａ）

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に関して上流端付近
   と中流付近に燃料噴射ノズルを備えた二段燃焼を行う燃
   焼器において、 中流付近の前記燃料噴射ノズルにより形成される火炎の
   性状を診断、評価するために、前記火炎から発生する自
   発光のうち特定の三種のラジカルによる発光成分を全発
   光量から分光し、且つ、これら発光像を同時に映像化し
   、画像処理する機能をもつガスタービン燃焼器の火炎分
   光映像装置。 ２、請求項１において、前記発光像の同時映像化装置は
   、火炎監視用プログラムに入光する火炎発光量はハーフ
   ミラーを用いて三分割した後、光学フィルタを通して目
   的とするラジカルの発光波長帯を選択し、これをイメー
   ジインテンシフアイアに入光させ増強した後、冷却型の
   ＣＣＤカメラ等を用いて高解像度な発光像を得て、この
   ＣＣＤカメラに捉える発光像を同時に映像化するため、
   イメージインテンシフアイアの印加電圧を高速にＯＮ−
   ＯＦＦできるゲーテング装置を備え、コンピュータから
   このゲーテイング装置にコマンドが送信されると三個の
   イメージインテンシフアイアに同時にゲーテイング操作
   が開始され、設定された取込時間範囲での映像化が行わ
   れる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。 ３、特許請求範囲の第１項の前記火炎の性状の診断・評
   価において、 発光成分のうち三種の発光としてＯＨ＊ （３０６．４ｎｍ）、ＣＨ＊（４３１．５ｎｍ）、Ｃ＿
   ２＊（５１６．５ｎｍ）を選び、これらの三者の発光強
   度比ＯＨ＊／Ｃ＿２＊、Ｃ＿２＊／ＣＨ＊と当量比、さ
   らに、各発光強度分布の勾配と当量比との関係から、燃
   焼負荷変動に伴つて変化する当量比を高精度に推定し、
   加えて、火炎発光帯の発生位置や分布状況から燃焼状態
   の診断ができるガスタービン燃焼器の火炎分光映像装置
   。