JPH03267617A - ガスタービン燃焼器内の火炎監視装置 - 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、ガスタービン燃焼器に係り、特に、ガスター
ビン燃焼器内の火炎を観察、監視するために好適なガス
タービン燃焼器内の火炎監視装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ガスタービン燃焼器の空気と燃料の混合比、すな
わち、空気比は、１〜１．５　の範囲であり、十分安定
した火焔となっていた。しかし、近年、乾式低ＮＯｘ燃
焼器が実用化され、この空気比が１．５〜２．０の範囲
で使われる。

従って、火炎は、空気過剰の火炎であり、安定限界に非
常に近い燃焼方式を採用する結果となった。

特に、火炎色は、濃炎が生じ易く、又、振動しやすくな
った。

これらは、排気ガス中に、−酸化炭素、未燃炭化水素を
増加させる結果となる。

又、火炎色の濃炎により、燃焼筒に温度差が生じ、燃焼
筒を変形させる。

更に、燃焼ガスが通過するホットガスパス部品に、熱的
アンバランスが加わり、部品の割れの発生を助長する。

従って、これらを防ぐには、燃焼筒内の火炎を監視し、
事前に、火炎状態をチエツクする事が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、燃焼筒内の火炎を、燃焼ガスの下流の
燃焼ガス通過筒から、光ファイバにより監視し、火炎状
態を、常時、適確に把握し火炎の撮動、火炎消火、火炎
色濃度のアンバランスをチエツクする手段を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、上述の手段により、火炎色を監視
し、その火炎の温度よりＮＯｘ濃度の推定を行ない、か
つ、火炎色の最適化を行ないＮＯｘ濃度を減少させるこ
とにある。

本発明の他の目的は、乾式二段燃焼式低ＮＯｘ燃焼器に
於いて、−段目火炎から二段目火炎への火移りを監視す
る事にある。

本発明の他の目的は、多缶燃焼器に於−て、火炎輝度を
均一化し、燃焼ガス温度の燃焼筒毎のアンバランスを小
さくし、ガスタービンホラトノ（−ッに与える熱的不均
一性を低減することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ガスタービン燃焼器内の火炎を、ホットガ
スの下流側から、光ファイバとＩＴＶカメラを用いて、
観察する事により達成される。

光ファイバを設置する場所は、高温燃焼ガスが流れるた
め、ガスタービン圧縮機の吐出空気の一部を、昇圧冷却
し、高温燃焼ガス封入空気として使うことにより達成さ
れる。

封入空気は、ガスタービン起動停止時、運動機駆動のブ
ロアから得る。又、ガスタービン負荷運転時、ガスター
ビンアクセサリギア駆動のブースト圧縮機により、ガス
タービン圧縮機吐出空気の一部を昇圧する事により得ら
れる。

〔作用〕

光ファイバの先端は、燃焼ガス通過筒の内部に挿入され
、視角は、燃焼筒内の火炎を、その範囲に含む。光ファ
イバの耐熱温度は、８０℃程度のため、ガスタービン圧
縮機吐出空気の一部を抽気し、ブースト圧縮機により昇
圧更に熱交換器により、３０℃まで冷却し、光フアイバ
先端が高温（１２００℃）の燃焼ガスに晒されない様、
光フアイバ先端を、この冷却空気により封入する。

ガスタービン起動停止時は、ブースト圧縮機による十分
に圧力の高い封入空気が得られないため、電動機駆動の
ブロアより、封入空気を得、これにより、光フアイバ先
端を、高温燃焼ガスより遮る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。最初に第５図に従
って、ガスタービンの構成及び動作につき簡単に説明す
る。

ガスタービンは、通常圧縮機、燃焼器及びタービンの三
つの主要な要素から構成されている。

第５図では、特に、燃焼器の断面図を示し、圧縮機とタ
ービンは、省略しである。

ラッパ１．外筒３及びエンドカバー５は、圧力室６を形
成し、圧縮機出口静翼７の内部から吐出された圧縮空気
８を保持する。圧力室６には、燃焼器内筒９及び尾筒１
１が存在し、それぞれ、内筒９は、エンドカバー５に固
定された燃料ノズル１３により支持され、尾筒１１は、
タービンケーシング１５の水平面で担持され、複数の初
段静翼１６を、保持するリテーナリング１７に尾筒１１
と一体のブラケット１９を介して支持される。

圧縮空気８は、圧力室６内で反転し、外筒と内筒９の環
状空間２１へ流入し、燃料ノズル１３の側に多くあけら
れた内筒９の燃焼空気孔（図示せず）から燃焼域２３へ
流入する。本発明の範囲外の燃料流量制御装置から圧送
された燃料は、燃料ノズル１３を介して、燃焼域２３へ
流入し、圧縮空気８と反応し、多量の熱を発生し、燃焼
ガス８ａとなり尾筒１１を経由して、初段ノズル１６に
流入する。

燃料が、天然ガスや軽油の場合に、燃焼域２３の空間に
明るく輝く火炎が存在する。

第１図は１本発明の火炎監視手段の詳細を示す図である
。本発明の実施例に於いて、内筒９の中心線は、ガスタ
ービンの回転軸心と平行である。

互いに傾斜がある場合でも、本発明に、何等変更を加え
るものではない。

これらの距離は、初段ノズル１６の平均半径より大きい
。よって、尾筒１１は、燃焼ガス８ａの入口側から出口
側に、猫背状に曲っている。

内筒９の中心線を、燃焼ガス８ａの下流側に延長すると
、尾筒の背側の壁面を貫通する。この部分に、ボス３１
を設け、冷却管３３の中に存在する直視型のファイバス
コープ３５を取付ける。

取付手段は、例えば、食込み継手３７を用いる。

又、ラッパ１との取合も、食込み継手３８゜３９を用い
る。冷却管３３は、不銹ｗｉ裂の薄い板厚のチューブで
あり、圧力室６内にて、はぼ、自在に曲げた後１尾筒１
１とラッパ１に組立てる事ができる。

ファイバスコープ３５の詳細については、（株）オリン
パスのカタログＢＯ４７ＪＢ−１０８９Ｕに示されてい
る。ファイバスコープ３５の尾筒１１側の端部に達した
映像は、ファイバスコープ３５内を通過し。

他方のラッパ１外部の端部に達する。

第２図は、冷却管３３中に納まったファイバスコープ３
５の尾筒１１側端部の詳細を示す。

ブロック４５は、直視型ファイバスコープ３５の先端４
７を、セットスクリュー４２により、固定する。４１は
、石英耐熱ガラス４１であり、ブロック４５に、貫通孔
をもつナツト４３により固定される。石英耐熱ガラス４
１は、直接燃焼ガス８ａが、ファイバスコープ３５に接
触することを防ぐ為に設ける。冷却管３３とファイバス
コープ３５の環状空間を流れるラッパ１の外部から導入
された冷却空気４６ｄは、冷却管３３の先端で、尾筒１
１内の空間に噴出される。

この噴出流４６ｄは、いわゆるパージエアであり、上述
の石英耐熱ガラス４１に、燃焼ガスが、直接、接触する
量を、できるだけ少なくするために設けた物である。ま
た、燃焼ガス中の煤塵が、石英耐熱ガラス４１に付着す
ることを防ぐためのものである。

第３図は、第２図の変形例を示す。この例の特徴は、第
２図との比較で説明すると、石英耐熱ガラス４１のパー
ジエア４６ｃ、ｄと、ファイバスコープ３５の冷却空気
１４６ｃ、ｄの系統を分けた物であり、冷却空気１４６
ｃ、ｄは、ファイバスコープ３５を冷却した後、ラッパ
１外部の大気中へ放出される。この方法では、ファイバ
スコープ３５を少量の空気で冷却する事ができる。しが
し、冷却管３３の構造が複雑となる。又、冷却空気１４
６ｃ、ｄに、十分圧力があれば、冷却空気１４６ｃ、ｄ
を、圧力室６に放出しても良い。

第４図は、ファイバスコープ３５の冷却管３３の配置を
示すガスタービンの軸心直角方向の断面図である。本図
に於いて、尾筒１１は、全部で１０缶配置されている。

それぞれの尾筒１１には、内部にファイバスコープ３５
をもつ冷却管３３が装着されており、ラッパ１の外部へ
導かれ、冷却管マニフオルド５１に接続される。

冷却管マニフオルド５１には、複数のＩＴＶカメラ１０
１が取付られており、冷却管３３の内部のファイバスコ
ープ３５の映像を、電気信号１０３に変換する。

ラッパ１を含むガスタービンは、ベース１０５に、サポ
ート板１０７を介して、固定されている。

冷却槽マニフオルド５１には、共通の空気源より、８０
℃以下に冷却された空気４６が供給される。

ガスタービンは、停止状態と運転状態とで、その温度が
３００〜４００℃異なる。よって、運転状態では、温度
上昇によりラッパ１の直径が、多少大きくなる。この伸
びが、冷却管マニフオルド５１に、過大な反力を与えな
い様、外部冷却管３３ｂに数個所キングを付けて布設す
る。

冷却管マニフオルド５１に導入される空気は、圧縮機吐
出部、又は、圧力室６から抽気した空気を、熱交換器（
第６図参照）で、８０℃以下に冷却して用いる。この場
合、冷却空気４６は、圧力室６内の空気と、燃焼器内筒
９９尾筒１１内部の空間の燃焼ガス８ａの、圧力差によ
って流れる。

この圧力差は、ガスタービンの定格負荷条件で、圧縮機
吐出空気圧の約３％が普通である。

又、上述の方法では、燃焼ガス温度が高い場合。

石英ガラス４１のパージエア不足となる。この場合には
、第６図に示す冷却空気系統を用いる。

この系統の特徴は、冷却空気４６を、ブロア１１１によ
り若干昇圧する事である。

冷却空気４６は、圧力室６より抽気され、フィルタ１１
３を通り、−旦、１００’Ｃ程度に、水１１９ａを冷媒
とする熱交換器１１５により冷却される。

冷却空気４６の温度が、若干、上昇するブロア１１１に
より、昇圧された後、更に、別の水１１９ｂを冷媒とす
る熱交換器１１７により再度８０℃以下に冷却される。

その後、各冷却管マニフォルド５１に冷却空気４６が供
給される。

もちろん、この系統に於いて、冷却管マニフォルド５１
に供給される空気が８０℃以下であれば、熱交換器は、
１１５の一個でも良い。ブロア１１１の不流側に熱交換
器１１７を設ける場合、ブロア１１１は、３００〜４０
０℃の耐熱性をもつ必要がある。ブロア１１上の上流側
に熱交換器１１５を設ける場合、熱交換器１１５は、ブ
ロア１１１による温度上昇を考慮し、冷却空気４６の温
度を、十分低くする必要がある。ブロア１１１の駆動は
、電動機（図示せず）、又は、ガスタービンのアクセサ
リギア図示せずによる方法でも良い。又、起動時は電動
機駆動とし、運転時は、アクセサリギア駆動の併用でも
良い。

ガスタービンの燃焼器内筒９中に、火炎が存在する場合
、その細心の延長上に設置されたファイバスコープ３５
を介して、火炎の映像は、ガスタービンの外部に取り出
され、工業用テレビカメラ１０１により、電気信号１０
３に交換されて、モニタＴＶ（図示せず）に表示される
。ファイバスコープ３５は、耐熱性が不十分のため、圧
力室６より抽気し、８０℃以下に冷却された空気４６に
より、常に冷却される。

又、ファイバスコープ３５先端部分は、石英ガラス４１
を介しているが、熱負荷が過大とならぬ様、冷却空気４
６で、常に、燃焼ガスをパージしている。

この様にして、信頼性を高められたファイバスコープ３
５により得られた火炎画像は、燃焼器の運転状態の監視
に、十分段に立つ。更に、メタノール燃焼等における不
輝炎にてもファイバスコープとＩＴＶカメラが紫外線の
検知が可能であると、下記の確認に有効である。

先ず、点火時に、火炎の有無の判断に使用できる。更に
、火炎が、異常事態により消火した場合にも、直接的に
どの燃焼器で消火が起こったか。

把む事ができる。

又、特に、燃焼器が、二段燃焼式、すなわち。

火炎が、別々の場所に、互いに独立的に存在する場合、
どちらの火炎が着火しており、又は、消えているか、火
炎画像から判断する事が出来る。

火炎が異常振動しているかどうかも分かる。

又、火炎色により、特に近年問題となっている窒素酸化
物の多少も、ある程度、判断可能である。

本発明のこの記述は、画素がニガ程度の光ファイバとＩ
ＴＶカメラを組合せて使うものであるが。

最近、急速に実用化された画素が２５万程度の固体撮像
素子（ＣＣＤチップ）を、ビデオイメージスコープとし
て５、直接１尾筒１１のボス３１の部分に固接し、第６
図と同じ冷却システムを用いれば、直接、火炎画像の電
気信号１０３を受信することが可能である。

従って、ＣＣＤチップを用いる場合も、本発明に含まれ
る。工業用ビデオイメージスコープの詳細については（
株）オリンパスのカタログＢＯ４６ＪＢ−１０８９を参
照されたい。

本発明の、更に、進んだ利用法につき、第７図に従って
以下に示す。

ファイバスコープ３５により伝送された火炎像は、ＩＴ
Ｖ（工業用テレビ）カメラ１０１に導かれ映像化されモ
ニタテレビ２０１に常時デイスプレーされる。ＩＴＶカ
メラ１０１から出力されるアナログ映像信号の一方は、
Ａ／Ｄ変換器２０３を介してディジタル信号に変換され
た後、イメージプロセサ２０５に送られ、火炎画像の温
度等高線を、計算２表示する。この等高線により、平均
燃焼ガス温度（Ｔａｖｇ）　　を、演算器２０７にて積
分にて算出する。また、燃焼ガス温度のピーク値（Ｔ−
ａｘ）を求める。これらの値を用い、次の計算式により
、燃焼ガスのパターンファクタ（Ｐ、Ｆ、）を求める。

Ｔａｖｇ　　　Ｔｃａ 但し、Ｔｅａは、圧縮機吐出温度である。

燃焼状態を診断するため、比較テーブルとして正常な燃
焼をしている場合の燃焼負荷に対するパターンファクタ
データをあらかじめ用意しておき、それらの偏差を比較
器２０９により算出し、その偏差Ｉ　Ｆ傘−Ｆ　ｌ　　
が、パターンファクターの許容値より小であれば、運転
継続は出来ると判断し、逆に大きい場合は、運転継続停
止の信号が、トリップ回路２１１から発信される。

更に、本発明により、ガスタービンの試運転時、各燃焼
器内の燃焼ガス温度分布を、把握し、燃料流量を微調整
することにより各燃焼器の平均燃焼ガス温度を平均化す
ることができる。

この調整を行なえば、ガスタービンのホントパーツに与
える損傷を最小とすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、内筒内の火炎を直接火炎画像として見
る事ができるため、火炎振動２着火消火。

火炎色のバランス状態を監視する事ができる。

更に、燃焼器が二段燃焼式の場合、従来、困難であった
、火炎間の火移りの有無をチエツクする事ができる。

更に、火炎形状から、パターン認識の手段で内筒断面の
温度分布を計算すれば、タービン部のホットパーツへ与
える熱応力のバランス度が分かり、ホットパーツの寿命
管理に使う事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の光ファイバを設置した燃
焼器断面図、第２図は、本発明の一実施例の光フアイバ
冷却手段の断面図、第３図は、本発明の他の実施例の光
フアイバ冷却手段の断面図、第４図は、多缶燃焼器に対
する光ファイバの配置を示す断面図、第５図は、従来の
燃焼器構造を示す断面図、第６図は光ファイバの冷却空
気系統図、第７図は、火炎画像の処理系統図を示す。 １１・・・尾筒、３５・・光ファイバ、３３・・冷却管
。 ４１・・・耐熱石英ガラス、１０１・・・ＩＴＶカメラ
、第 （２） 芋 竿 図 茅４０ 竿 ６ 釘ム ５７へ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器内筒及び前記燃焼器内筒に接続された燃焼器
   尾筒を含むガスタービン燃焼器に於いて、前記燃焼器内
   筒の内面を、その軸心に、略沿わせて、上流方向に見、
   かつ、ガスタービン圧縮機の吐出空気により冷却された
   火炎監視手段を、前記燃焼器尾筒の壁の一部分に設けた
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器内の火炎監視装置
   。 ２、請求項１に於いて、前記ガスタービン圧縮機の吐出
   空気の一部分を、ブロアで昇圧し、更に、前記ブロアよ
   り吐出された圧縮空気を、熱交換器により冷却し、また
   は、前記熱交換器で冷却した空気を前記ブロアで昇圧し
   て冷却された圧縮空気により、冷却するガスタービン燃
   焼器内の火炎監視装置。 ３、請求項１において、前記ガスタービン圧縮機の吐出
   の一部分の空気を、熱交換器により冷却され、更に、ガ
   スタービンアクセサリギアで、駆動されるブロアで、昇
   圧し、前記空気により、冷却するガスタービン燃焼器内
   の火炎監視装置。 ４、請求項１に於いて、前記ガスタービンの起動停止時
   、電動機により駆動されるブロアにより、冷却するガス
   タービン燃焼器内の火炎監視装置。 ５、請求項１において冷却管内に挿入された光ファイバ
   、更に工業用テレビカメラにより火炎画像を遠隔伝送す
   るガスタービン燃焼器内の火炎監視装置。 ６、請求項１において、冷却管内に挿入された固体撮像
   素子により火炎画像を、遠隔伝送するガスタービン燃焼
   器内の火炎監視装置。 ７、請求項１において、前記燃焼筒の内部に火炎ガス個
   所が独立に形成されるガスタービン燃焼器内の火炎監視
   装置。 ８、請求項１において火炎画像から火炎温度の等高線を
   得、これにより、燃焼ガス平均温度を求め、更に燃焼ガ
   スのパターンファクタの算出により、燃焼状態につき判
   断するガスタービン燃焼器内の火炎監視装置。