JPS63263427A - ガスタ−ビン燃焼器の火炎検知装置 - 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内の火炎の有無を検知し、
燃焼器が正常な運転状態にあるがどぅがの判断を常時行
ない得る火炎検知装置に関するものである。

〔従来の技術〕

ガスタービン燃焼器がら排出される窒素酸化物（ＮＯｘ
）の低減化燃焼技術として燃料を２段に分散させた２段
燃焼方式が採用されてきている。

このように燃焼を多段に分散した場合の要件として、（
１）着火、（２）火移り、（３）保炎の安定化等を、排
ガス性能を満たしながら、スムーズに行なうことが必要
となる。燃焼器が正常な運転状態にあるか否かを判断を
する種々なセンシング技術の中で、火炎検知技術は最も
基本的なものである。

この技術の代表的なものには熱電対のような温度センサ
を利用したものがあるが、この方式（熱電対式）の欠点
として、応答時間を早くするためには燃焼火炎部にセン
サを挿入する必要があり。

このために燃焼器を乱するという問題がある。この問題
点を解消する方法としては光学的に情報を取り出して処
理する方法がある。

この光学方式を採用する場合には光を燃焼器外部へ取出
すための孔や窓部が必要となるが、このようなものは一
般に燃焼性能を悪化させる方向に作用するので極力最小
限にとどめることが求められる。従って２段燃焼器の場
合も１段目で発生した火炎、及び２段目で発生した火炎
の両方を、単−礼を、通して短時間に処理することが、
燃焼性能確保のうえからも望まれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のようにガスタービン燃焼器の火炎検知に求められ
る条件としては、２段に分散した発生した火炎を、光学
的手法を用いて、単一小孔からの光束を分析し、リアル
タイムで火炎の有無を判定できることが必要である。と
ころで、炉内の任意点の情報を外部に取出す光学的装置
として特開昭６１−１８９４４０号、特開昭６１−１２
９５５５号が公知である。

しかし、これらの公知技術は、リアルタイム計測の点か
らは空間の１点のみの情報しか取込めないという欠点が
あり、多点の情報をリアルタイムで計測することはでき
ない。

本発明は上述の情報に鑑みて為されたもので、特に２段
燃焼器において形成される、１段目、及び２段目ノズル
からの火炎の有無を同時に検知し得る高空間分解能の火
炎検知装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

、上記の目的を達成するために創作した本発明の装置に
ついて、先ず、その基本的原理を略述する。

単一の窓から１段目火炎と２段目火炎とをｉｌｌ測しつ
つ、双方の火炎の存在を検知するには、１段目燃焼装置
によって生成される１段目燃焼火炎からの光と、２段目
燃焼装置によって生成される２段目燃焼火炎からの光と
を同時に外部に取出すことが可能な位置、す・なわち、
２段目燃焼装置のわずか下流部に光取出し用の小孔を設
け、この小孔を通った光を２個の凸レンズを用い、光線
の結像位置に絞り部（もしくは、直接、受光用光フアイ
バ先端）を配置せしめ、燃焼器内空間２点近傍の光を効
率よく分離抽出し、これを電気的に増幅。

昇圧し、あらかじめ設定した基準値との比較を行なわせ
て、火炎の有無を判定する回路を設ければ良い。

上記の原理を実用面に適用するための具体的構成として
、本発明の火炎検知装置は、 （ａ）２段目火炎を透して１段目火炎を望み得る位置に
、集光レンズを設けた受光部を設置し、（ｂ）上記受光
部は、１段目火炎からの入射光と２段目火炎からの入射
光とを、互いに異なる点に集光する構造とし、 （ｃ）１対の光ファイバそれぞれの受光端を、前記互い
に異なる集光点に分散して位置せしめ、（ｄ）上記１対
の光ファイバそれぞれの投光端に、光の強度を電圧の高
低に変換する手段を設け、（ｅ）上記の変換電圧をそれ
ぞれ、予め設定された基準電圧と比較する手段を設けた
ものである。

〔作用〕

上記の構成によれば、１段目火炎から発した光と、２段
目火炎から発した光とが、互いに異なった点に集光し、
かつ、それぞれ光ファイバで導き出されて、それぞれに
電圧変換されるので、それぞれの火炎の存否をリアルタ
イムで検知することが出来る。

〔実施例〕

第１図は本発明の１実施例の説明図、第２図は上記実施
例の要部拡大断面図である。

ガスタービン燃焼器は、高温高圧燃焼ガス発生装置とし
て、ガスタービンの中でも特に苛酷な条件下で使用され
る。燃焼器２は燃焼器外筒１内に格納され、圧縮機で加
圧された空気は図中矢印で示した該燃焼器外筒１と該燃
焼器２との間に形成される環状部を通って燃焼器２に上
流側に送り込まれる。２段燃焼器においては、通常１段
目と２段目と、それぞれの燃焼を行う燃焼室があり、本
燃焼器の場合、１段目燃焼室は２段目燃焼室に比べ燃焼
室の外径が小さく構成されている。１段目燃焼室、２段
目燃焼室をここでは副燃焼室３．主燃焼室４と呼ぶ。該
副燃焼室、主燃焼室の上流側にはそれぞれ複数個の１段
燃料ノズル５、及び２段燃料ノズル６が設置されている
。

２段目火炎の保炎と、燃焼の滞留時間の確保とのために
２段燃焼ノズル６下流側に旋回器７が配置されている。

燃焼器内の火炎分布は、燃焼器の構造や燃料ノズルの取
付角度によって異なるが、本例の燃焼器については旋回
器７の出口附近から、主燃焼室４の上流側壁面に面した
一角が２段目火炎の分布領域となり、主燃焼室上流部の
燃焼器中心附近は１段目火炎によって占められている。

従って、該旋回器７のｂずか下流に当たる位置となるよ
うに主燃焼室４の壁面に小孔８を設けることにより該小
孔８からは１段目火炎及び２段目火炎の光情報が外部に
放出されることになる。光を燃焼装置の外部に取出すた
めに、該小孔８と対向するように位置せしめて、光を透
過させるための計測窓９が燃焼器外筒１に設けられる。

計測窓を透過した光は、本発明の主要構成要素をなす受
光部１０に導かれる。

第２図は該受光部１０の詳細図であり、第３図はこの受
光部の変形例を示したものである。

第２図の詳細について以外に説明する。

受光部１０の基本構造は３重の円筒よりなる。

すなわち外筒１６の内側に第１内筒１７が摺動自在に嵌
合し、さらに該第１内筒１７の内側に第２内筒１８が摺
動自在に嵌合する構造をなす。外筒１６の先端部にレン
ズ１９を配置し、燃焼器小孔８（第１図）を通ってきた
光を集光させる。燃焼器内の光源は光軸に沿った線光源
と見做せるから、レンズ１９面に到達する光束は、線光
源の全ての光束を含んでいる０図に実線で描いた光路は
レンズの結像公式に従って、主燃焼室２の中心部（すな
わち１段目火炎で占められる部分）から発した光束の経
路を示している。また、破線で描いた光路は旋回器７の
出口（２段目火炎の占める領域）から発した光の光路を
示している。本第２図に示されるように光字が主燃焼室
２の中心附近にある場合（実線）は旋回器７の出口光源
（破線）に比べ、結像位置はレンズ１９に近い側にあり
、適当な焦点距離を有するレンズを選定することにより
。

固結像位置間隔を長くとることができる。結像−位置で
のビーム径は普通数１０μｍ程度まで絞り込むことがで
きるので、結像位置に受光センサを配置すれば、検出の
目的である光源附近の光束を高い比率で捕集することが
可能となる。ところで線光源から発する光束の内にはレ
ンズ光軸上を伝播するものもある。この光束はレンズ通
過後もレンズ光軸上を伝播し、光軸上に配置した受光セ
ンサに入ることになるので、空間分解能の点で有害とな
る６本発明を実施する望上記有害な光束のレンズ通過を
阻止するため、通常レンズ１９の表面の光軸近傍にマス
キング（図示せず）を設けることが望ましい。

上述のように２段目の火炎の光束は破線で示したように
集光する。集光位置には第２のレンズ２０が第１内筒先
端部に配置されている。該レンズ２０は第１段目火炎か
らの光束（実線）を再び集光するために用いられる。レ
ンズ２ｏの中心部にはファイバ端口金２５を挿入するた
めの中心孔２１があけられており、該ファイバ端口金２
５に接着剤等を塗布した後、これを該中心孔２１に挿入
し、レンズ２０の中心光軸上に固定する。該ファイバ端
口金２５には光ファイバｌｌａが接続されている。集光
点にファイバ端口金２５の先端を一致させるために第１
円筒１７は外筒１６に対して移動調節できるようにしで
ある。移動Ｖ＆構の１例を図に簡単に示しておいた。

外筒１６の他端にボルト通し板２７を設けておき、第１
内筒１７の他端にはボルト支持板２９を設けておく。該
ボルト通し板２７にはメネジの切られた通し穴２８があ
けられている。通し孔２８と該ボルト支持板との間に位
置調整用ボルト３゜が渡されており、該ボルト先端部に
はボルトを回転するための回転ノブ３１が取付けられて
いる。

該回転ノブを回すことにより、１回転につきネジピッチ
分だけ、第１内ｆ７ｉ１７を前後（図において左右）に
移動できる。

レンズ２０に入った１段目火炎の光束は図中実線で示す
ように再集光される。集光位置には先に述べたファイバ
口金２５と同じファイバ端口金２６が配置しである。該
口金の保持は第２円筒１８の先端部に絞り板２２を取付
け、該絞り板２２の中心に絞り孔２３があけられており
、該絞り板２２の裏面に、該ファイバ端口金２６を保持
する金具を設け、集光点が該口金端面になるように該金
具に該ファイバ端口金２６を保持する。

該ファイバ端口金２６に入射した光は光ファイバｌｌｂ
を伝播して外部に取出される。

なお集光位置はレンズ２０の移動に伴って変わるので絞
り板２２を固定している第２内筒１８は第１内筒１７の
内壁面と接触しながら前後に移動できるようにしである
。移動の機構は先に説明した外筒１６に対する第１内筒
１７の移動方式と同様である。

以上、第２図に示した実施例の受光部は、１光軸上に配
置したレンズ系を通して空間２点の火炎からの光束を捕
集することができた。

次に受光部の１変形例を第３図について説明する。同図
（Ａ）は縦断面図、同図（Ｂ）は前回のＢ−Ｂ断面図で
ある。本変形例の法本は燃焼器から放射された光束を２
本の光束に分割し、それぞれについて集光、捕捉を行う
ものである。受光部は外部からの様々な光の影響を受け
ないようにするために、円筒３２及び、端板２３で囲わ
れた内部に格納され、端板３３には光入射用の円孔３４
が設けられる。

該円孔３４から入射した光は４５°ビームスプリツタ３
７によって２本の光束に分割される。分割された光束の
内の一つは４５°ビームスプリツタ３７を透過した光束
によって得られ、凸レンズ３９によって集光される。そ
こでレンズの結像公式に合致する位置にファイバ入力端
４３を置くことにより、求めようとする燃焼器内空間任
意点附近からの光束を高い比率で捕捉できる。今、仮に
該４５°ビームスプリツタ３７を透過した側の受光系を
第１段目火炎検出用の受光系としておく。

一方、該４５″′ビームスプリツタで分割したもう一方
の光束はプリズム３８を通して光束を直角な曲げ、凸レ
ンズ４１に導き集光する。こちら側は２段目火炎からの
光束を高い比率で捕捉できる位置に前述したものと同様
の光フアイバ入力端４３を配置し、該入力端４３に入射
した光束を光ファイバｌｌｂによって外部に取出す。

なお、上述の凸レンズ３９，４１．及び光フアイバ入力
端４３及び４３はそれぞれ外筒３５及び内筒３６の何れ
かに設置されており、２光束の互いの影１９（例えば散
乱光の混入）を受けないようにしている。上に述べた２
光束の光学系は基本的に同様なものであるので、次に、
その１光束の受光系について述べる。外筒３５は円筒３
２の端板３３に固定された部材で、該外筒３５の内壁に
接して前後に移動できる内筒４３が嵌合している。

内筒４３の先端部には第２図に示した光学系の絞り板２
２と同種のピンホール板４２を配置し、該ピンホール板
４２の中心部には集光した光を通すに充分な絞り穴があ
けられている。光フアイバ入力端４３は該ピンホール板
４２の裏面に固定金具を用いて保持される。

内筒３６は次に示す移動機構によって前後に移動できる
。この移動機構は、内筒の側面にラック４４が付いてこ
れとギヤ４５がかみ合い、ギヤの回転軸は外筒３２の外
側までのびて、その他端に回転ノブ４６が付いている構
造である。回転ノブ４６を回転させるとその回転力は前
記のギヤ４５を介してラック４４に伝達され、該ラック
によって回転力が並進運動に変換される。このようにし
て内筒３６は回転ノブの回転方向に応じて前後自在に移
動できる。

（第１図参照）以上説明したように受光部１０によって
、１段目火炎からの光束と２段目火炎からの光束とを分
離して２本の光ファイバ１１ａ。

１１ｂによって外部に光信号を取出すことができる。

ところで、本第１図に示した光を取出すための小孔８は
、２段目火炎の生成ゾーン、すなわち。

燃料が燃焼反応を起こす領域に近接して設けられている
。この位置に設置することの利点は反応ゾーンでの化学
発光強度が強いという外に、燃焼反応に伴って発生する
各種ラジカルの発光スペクトル帯が得られることである
。

第４図は、炭化水素系燃料の発光スペクトル分布を示し
たものである。可視波長域は約４００ｎｍ（ナノメータ
）〜７００ｎｍの範囲にあり、青白く見える炎の主たる
成分はＣＨラジカルの発光によるものと考えてよい。燃
焼反応ゾーンに存在する２段目火炎はこのＣＨラジカル
発光を強く放射するのに対し、該燃焼器２の中央部附近
に存する１段目火炎の場合は、１段目燃料ノズル５から
離れていて、燃焼反応がほぼ完了した状態の炎であるた
め、ラジカルによる発光強度は低下している。このよう
なガスタービン２段燃焼器の燃焼形態に伴う、発光強度
の分布特質を有効に利用することにより、１段目火炎と
２段目火炎との分離精度を一層高めることが可能である
。

これには第１図に示すように２段目火炎の光情報を伝播
する光ファイバｌｌｂの終端にＣ１（ラジカル発光波長
帯のみを通過する色フィルタ４０を配置しておくことに
より、２段目火炎の光情報をより高精度に取出すことが
できる。色フィルタ４０の代りに分光器により波長帯を
分離して、光情報をとり出すことも可能である。光ファ
イバ１１ａ、ｌｌｂを伝播した光は、光電子増倍管１２
．１２により、光強度を電圧に変換し１表示装置１３等
に電圧の変化をリアルタイムで表示することができる。

また、ガスタービンの場合は炎の検出を高速で行って、
その判定を常時、運転制御回路に送り、運転の継続が可
能かどうかの判断をしなげねばならない、その基本とな
る信号は、まず、該光電子増倍管１２，１２で得られた
信号電圧をＡ／Ｄ変換器１４，１４でデジタル化してお
き、さらに比較器１５．１５に伝送し、予め基準として
設けたデジタル化された電圧値と上記のデジタル化した
信号値との大小関係を比較し、基準を越える数値を示す
場合′は、火炎が存在すると判定し、基準以下の数値の
場合は火炎がないと判定して、アラーム信号やトリップ
信号等を運転回路へ送信し、常時２つの火炎の存在をリ
アルタイムでモニタし、燃焼器の正常な運転を確保する
。

〔発明の効果〕

以下詳細したように、本発明の火炎検知装置によれば、
一つの観測光力鳩望見し得る２種類の火炎それぞれの存
否を自動的に検知・監視することが出来、しかもリアル
タイムな検知が可能であるという優れた実用的効果を奏
し、ガス２タービンの自動運転技術の向上に貢献すると
ころ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る火炎検知装置の１実施例を備えた
ガスタービン燃焼器の断面図である。 第２図は上記実施例における受光部の詳細断面図である
。 第３図（Ａ）は受光部の変形例の断面図、第３図（Ｂ）
はそのＢ−Ｂ断面図である。 第４図は炭化水素系燃料の燃焼に伴って発生する発光ス
ペクトル分布を示した図表である。 １・・・燃焼巻外筒、２・・・燃焼器、３・・・副燃焼
室、４・・・主燃焼室、５・・・１段燃料ノズル、６・
・・２段燃料ノズル、８・・・小孔、９・・・計測窓、
１０・・・受光部、１１ａ、ｌｌｂ・・・光ファイバ、
１１ｃ・・・カラーフィルタ、１９．２０・・・レンズ
、３７・・・ビームスプリッタ、３９．４１・・・凸レ
ンズ。

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ついて上流側に設
   けた燃料ノズルによつて形成される１段目火炎と、上記
   燃料ノズルよりも下流側に設けたノズルによつて形成さ
   れる２段目火炎とを検出する火炎検知装置において、 （ａ）２段目火炎を透して１段目火炎を望み得る位置に
   、集光レンズを設けた受光部を設置し、（ｂ）上記受光
   部は、１段目火炎からの入射光と２段目火炎からの入射
   光とを、互いに異なる点に集光する構造とし、 （ｃ）１対の光ファイバそれぞれの受光端を、前記互い
   に異なる集光点に分散して位置せしめ、（ｄ）上記１対
   の光ファイバそれぞれの投光端に、光の強度を電圧の高
   低に変換する手段を設け、（ｅ）上記の変換電圧をそれ
   ぞれ、予め設定された基準電圧と比較する手段を設けた
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器の火炎検知装置。 ２、前記ガスタービン燃焼器は多缶式の燃焼器であり、
   前記の受光部は多缶の燃焼器のそれぞれに対して設置さ
   れた複数個であり、前記１対の光ファイバは上記複数個
   の受光部のそれぞれに対して受光端を接続したものであ
   り、上記の複数対の光ファイバそれぞれの投光端は、光
   路切替機能を有する光スイッチを介して１対の「光→電
   圧変換手段」に接続したものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載したガスタービン燃焼器の火
   炎検知装置。