光学的に保炎および逆火を検出すること
【課題】光学的に保炎および逆火を検出するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】複数の燃焼ゾーンを有する燃焼室１４０を画定する燃焼器筐体１７０と、燃焼器筐体１７０上に配置されて燃焼室１４０と光学的に連通する複数の火炎検出器１８０とを備え、前記複数の火炎検出器１８０がそれぞれ、前記複数の燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数内の保炎状態および逆火状態の少なくとも１つに関係する光学特性を検出するように構成させている燃焼器。
【解決手段】複数の燃焼ゾーンを有する燃焼室１４０を画定する燃焼器筐体１７０と、燃焼器筐体１７０上に配置されて燃焼室１４０と光学的に連通する複数の火炎検出器１８０とを備え、前記複数の火炎検出器１８０がそれぞれ、前記複数の燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数内の保炎状態および逆火状態の少なくとも１つに関係する光学特性を検出するように構成させている燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、光学的に保炎および逆火を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、燃焼ゾーン（主燃焼ゾーン）の上流に位置する予混合ゾーン内で燃料と空気の予混合を提供するように構成された１つまたは複数の燃料ノズルを有する１つまたは複数の燃焼器内で、圧縮機によって生成された圧縮空気とともに燃料を燃焼させる。その燃料／空気を予混合する通路内で保炎または逆火が発生するとすぐに、燃焼器に損傷が発生する可能性がある。燃焼器の所望の動作中、予混合された燃料と空気は、燃料／空気を予混合する通路を下って燃焼ゾーン内で燃焼する。保炎または逆火中は、予混合通路内の燃料と空気の混合物が燃焼する。一般に、逆火状態は、火炎が主燃焼ゾーンから上流に進んで予混合ゾーンへ入ると発生する。これは、燃焼反応を持続させるものではない。その結果、燃焼システムに重大な損傷が発生する可能性があり、場合によっては、システムの破局的な誤動作およびそれに付随する相当な経済的損失をもたらす恐れがある。
【０００３】
熱電対および光ファイバなどのイオン感知検出器および他の装置を使用して逆火を検出することがよく知られている。しかし、これらの検出器は、火炎の存在を検出するだけであり、燃焼システム内の火炎のタイプを区別しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５５４４４７８号公報
【特許文献２】米国特許第５８５７３２０号公報
【特許文献３】米国特許第６０７１１１４号公報
【特許文献４】米国特許第６５９９０２８号公報
【特許文献５】米国特許第６７８４４３０号公報
【特許文献６】米国特許第６８１８８９７号公報
【特許文献７】米国特許第７１１２７９６号公報
【特許文献８】米国特許第７２８５４３３号公報
【特許文献９】米国特許出願第２００７００１２９６５号公報
【特許文献１０】米国特許出願第２００７０１１９１４７号公報
【特許文献１１】米国特許出願第２００８００１６８７７号公報
【特許文献１２】米国特許出願第２００８００８３２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、火炎タイプを区別して保炎または逆火事象を阻止するように構成された火炎検出システムを有する燃焼器を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃焼器が提供される。この燃焼器は、燃焼ゾーンを有する燃焼室を画定する燃焼器筐体と、燃焼器筐体上に配置されて燃焼室と光学的に連通する火炎検出器とを含む。火炎検出器は、燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数に関係する光学特性を検出するように構成されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、ガスタービンが提供される。このガスタービンは、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機を含む。このガスタービンは、圧縮機と流動的に連通する燃焼器をさらに含み、この燃焼器は、圧縮機アセンブリから圧縮空気を受け取るように、そして燃料流を燃焼させて燃焼器出口ガス流を生成するように構成されている。この燃焼器は、燃焼ゾーンを有する燃焼室を画定する燃焼器筐体と、燃焼器筐体上に配置されて燃焼室と光学的に連通する火炎検出器とを含む。火炎検出器は、燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数に関係する光学特性を検出するように構成されている。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、燃焼器を動作させる方法が提供される。この方法は、燃料および空気を予混合装置内に導入するステップと、ガス状予混合物を形成するステップと、ガス状予混合物を燃焼室内で燃焼させ、それによって火炎タイプを生成するステップとを含む。この方法は、火炎タイプを監視して燃焼室内の保炎の存在を判断するステップをさらに含む。
【０００９】
上記その他の利点および特徴は、図面と併せて以下の説明を見れば、より明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題について詳細に指摘し、本明細書の終わりの特許請求の範囲において明確に特許請求する。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を見れば、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な実施形態によるガスタービンシステムの図である。
【図２】例示的な実施形態による図１のガスタービンシステム内で使用される予混合装置を有する燃焼器の図である。
【図３】例示的な実施形態によるガスタービン１００の図である。
【図４】火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と火炎タイプの波長の関係を示すグラフである。
【図５】火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と火炎タイプの波長の関係を示すグラフである。
【図６】例示的な実施形態による燃焼器を動作させる方法の流れ図である。
【図７】図３の燃焼剤カンの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明では、本発明の実施形態について、利点および特徴とともに、例として図面を参照して説明する。
【００１３】
例示的な実施形態では、本明細書に記載のシステムおよび方法は、ガスタービン燃焼器内の保炎／逆火を検出してエンジン機器の損傷を抑制し、またいかなる手法の場合でも、保炎事象を能動的に阻止する。光学的な火炎検出は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ユニット内で、紫外輝線に応答する検出器を使用して実施される。より最近利用されているＳｉＣ固体火炎検出器の応答度包絡線は、約２００ｎｍから４３０ｎｍの波長に対する放出感度を含む。これは、約２５０ｎｍを下回るさらに短い波長領域のみに応答するガイガミュラー計数管とは対照的である。約３００ｎｍの最も強い放出は、燃焼工程の直接生成物である励起されたＯＨ分子によって生成される。ＳｉＣフォトダイオードの応答特性のため、この検出器は、燃焼器の高温の壁の黒体放射、すなわち煤煙からの３５０から４５０ｎｍの放射に対してあまり感度が高くない。煤煙からの過度の放射は、燃焼前に空気と燃料を予混合したことから生じる火炎（予混合された火炎）とは対照的に、拡散火炎を示す。輝線の光学的な検出が示すような燃焼が発生すると、ガスタービンは引き続き、期待される最適の動作状態で動作する。予混合された火炎は、入口温度（ｆｉｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下げることができるので望ましく、たとえば、ＤＬＮ燃焼器を使用して、雰囲気中への望ましくない放出を低減させるのに望ましい。煤煙輝線の光学的な検出が示すような保炎／逆火事象が発生した場合、火炎検出システムは、燃焼器内への燃料の流れを低減しまたはなくすなどの対策を講じて、ガスタービンの損傷を防止することができる。したがって、燃料ノズル内の保炎／逆火事象中は、熱煤煙放出または他のより濃い火炎種からのさらなる光電子放出が測定される。現在の火炎検出器は、拡散火炎を検出するのに十分な広さの感度曲線を有するが、燃焼（たとえば、ＯＨ帯域放出）と煤煙放出の存在を別々に検出できる２色または多色検出システムでは、火炎タイプの区別が可能になるであろう。さらなる例示的な実施形態では、本明細書に記載の火炎検出器は、燃料ノズルからの熱放出を検出することができる。熱放出は、燃料ノズル内で予期されるはずの温度より温度が高いことを示すので、燃料ノズルからの熱放出を監視することによって、システムは、燃料ノズル内に火炎が存在するかどうかを判断することができる。たとえば、保炎／逆火を示す熱放出は、スワラ（ｓｗｉｒｌｅｒ ｖａｎｅｓ）、バーナチューブ、または燃料ノズルもしくは他の下流の構成要素の拡散チップで測定することができる。したがって、１つまたは複数の色検出器を使用して、保炎／逆火事象からの光電子放出の増大を燃焼器内で測定し、燃料ノズル内で保炎／逆火が発生しているかどうかを判断する。燃料ノズル構成要素からの熱放出の増大を使用して、燃料ノズル内の保炎を検出することができる。
【００１４】
本明細書で詳細に論じるように、例示的な実施形態は、ガスタービン内で使用される燃焼器などの燃焼器内で保炎／逆火の増大を検出するように機能する。特に、例示的な実施形態は、ガスタービン燃焼室内の保炎／逆火を検出するように、そして適切な対策を講じてガスタービンの損傷を防止するように構成された火炎検出システムおよび方法を含む。次に図面に移ってまず図１を参照すると、燃焼器１２を有するガスタービン１０を示す。ガスタービン１０は、周囲空気１６を圧縮するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、圧縮機１４と流動的に連通しており、圧縮機１４から圧縮空気１８を受け取るように、そして燃料流２０を燃焼させて燃焼器出口ガス流２２を生成するように構成される。さらに、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に位置するタービン２４を含む。タービン２４は、燃焼器出口ガス流２２を膨張させて発電機２６などの外部負荷を駆動するように構成される。図示の実施形態では、圧縮機１４は、タービン２４によって生成された動力によって、シャフト２８を介して駆動される。燃焼器１２は、ガスタービン燃焼室内の保炎／逆火を検出するように、そして適切な対策を講じてガスタービン１０の損傷を防止するように構成された火炎検出装置を使用する。
【００１５】
図２は、例示的な実施形態による図１のガスタービンシステム１０内で使用される火炎検出装置６０を有する燃焼器１２の例示的な構成４０の図である。図示のように、燃焼器４０は、燃料２０と空気１８を混合してガス状予混合物４４を形成するように構成された予混合装置４２を含む。さらに、燃焼器４０は、予混合燃料４４を燃焼させて燃焼器出口ガス流２２を形成するように構成された燃焼室４６を含む。さらに、燃焼器出口ガス流２２は、外部負荷２６（図１参照）を駆動するためのタービン２４（図１参照）など、下流工程４８へ向けられる。予混合装置４２は、燃料２０および／または空気１８に旋回運動を提供して燃料２０と空気１８の混合を容易にするように構成された複数のスワラ５０をさらに含むことができる。例示的な実施形態では、燃焼器４０は、火炎検出装置６０をさらに含む。火炎検出装置６０は、予混合装置４２と燃焼室４６のいずれかまたは両方と結合させて連通させることができる。火炎検出装置６０が、燃焼室内で特定の光学特性を有する火炎に基づいて煤煙の発生および拡散火炎を検出するように構成されるとき、この火炎検出装置は、燃焼室４６と結合されて光学的に連通することが理解される。しかし、火炎検出装置６０が、燃料ノズルの金具表面からの熱放出を検出するように構成される場合、火炎検出装置６０は、検出中の燃料ノズル金具近傍で、予混合物装置と結合されて光学的に連通する。燃焼器４０は、火炎検出部６０に結合された制御ユニット６５をさらに含むことができる。制御ユニット６５は、燃焼室４６内に存在する火炎タイプに対応する信号を火炎検出部から受け取るように構成される。制御ユニット６５はさらに、空気１８および燃料２０の供給源と連通する。本明細書でさらに説明するように、燃焼室４６内に保炎／逆火が存在することを示す信号を受け取った場合、制御ユニット６５は、適切な対策を講じてガスタービンの損傷を軽減することができる。制御ユニット６５が講じることができる適切な対策には、保炎／逆火を低減しまたはなくすために、燃焼室への燃料および空気の流れを停止すること、または空気および燃料の流れをある程度変更することが含まれる。
【００１６】
図３は、例示的な実施形態による複数の火炎検出器１８０を含むガスタービン１００の一例を図によって示す。ガスタービンの例は、ガスタービンの燃焼室１４０と結合されて光学的に連通し、また燃焼室１４０内のいくつかの火炎タイプの波長を検出するように構成された火炎検出器を示す。
【００１７】
図１と同様に、ガスタービン１００は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１１０を含む。１つまたは複数の燃焼剤カン１２０が、ディフューザ１５０を介して圧縮機１１０と流動的に連通する。燃焼剤カン１２０は、圧縮機１１０から圧縮空気１１５を受け取るように、そして燃料ノズル１６０からの燃料流を燃焼させて燃焼器出口ガス流１６５を生成するように構成される。燃焼器出口ガス流１６５は、燃焼室１４０を通ってタービン１３０へ進む。タービン１３０は、燃焼器出口ガス流１６５を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。燃焼剤カン１２０は外側筐体１７０を含み、外側筐体１７０は、筐体１７０に取り付けられた一連の火炎検出器１８０を含む。火炎検出器１８０は、燃焼室１４０および燃焼器出口ガス流１６５と結合されて光学的に連通する。
【００１８】
例示的な実施形態では、一連の火炎検出器１８０はそれぞれ、特定の波長を検出するように構成される。したがって、燃焼剤カン１２０は、複数の波長の光電子放出を検出するように構成された複数の火炎検出器を含む。たとえば、図示のように、燃焼剤カン１２０はそれぞれ、３つの火炎検出器１８０を含むことができる。１つの検出器は、炭化水素火炎の波長（約３０６ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含む。第２の検出器は、拡散からの煤煙の波長（約３８０ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含むことができる。第３の検出器は、ＣＯ−Ｏ再結合反応からの望ましくない燃焼ゾーンにおける予混合された燃料および予混合されていない燃料からの煤煙の波長（約４００ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含むことができる。しかし、拡散からの煤煙の波長と望ましくない予混合物の燃焼からの煤煙の波長はどちらも互いに比較的近接しているので、どちらのタイプの煤煙を生成する保炎／逆火事象に対しても、３５０ｎｍから４５０ｎｍのおおよその領域内でピークに達するスペクトル感度を有する単一の検出器を実施できることが理解される。したがって、一連の火炎検出器１８０はそれぞれ、異なる波長でピークに達するスペクトル感度を含むことができる。
【００１９】
火炎検出器１８０は、複数の火炎タイプの複数の波長を検出して火炎タイプを区別するように構成されるように、様々な方法で構成できることが理解される。光学的検出器（たとえば、フォトダイオード）のスペクトル感度は、主に、光学的検出器内で使用される材料のバンドギャップ電圧によって決定されることがよく知られている。ＳｉＣのバンドギャップ電圧は３．１ボルトであり、スペクトル感度は約２７０ｎｍでピークに達し、また波長限界は約４００ｎｍである。現在、ガスタービンの燃焼室内の火炎を検出するには、ＳｉＣ検出器が使用されている。
【００２０】
図４は、火炎放出の相対スペクトル特性と様々な火炎タイプの波長の関係を示すグラフ４００を示す。ＳｉＣ応答度曲線４１０を示す。また、予期されるＯＨ−放出スペクトルピークが約３０６ｎｍである予混合された炭化水素火炎の放出特性曲線４２０を示す。現在、炭化水素火炎を検出するにはＳｉＣ検出器が実施される。ＳｉＣ検出器は、この火炎を適切に検出する。しかし、相対スペクトル感度は、３０６ｎｍで最大の約７０％であることが理解される。現在のシステムでは、簡単な炭化水素火炎検出の場合、７０％の相対スペクトル感度は許容される。図４はさらに、典型的な予混合された燃焼器火炎温度に基づいて、拡散火炎によって生成された煤煙に対する光学スペクトル放出曲線４３０と、予混合された燃料が燃焼室１４０（図３参照）内で燃焼することによって生じる煤煙に対するスペクトル曲線４４０とを示す。スペクトル強度と特性波長の関係は、局所的な火炎温度に応じて変化しかつ変動することが理解される。したがって、図４の例に記載のスペクトル特性は例示的なものであり、他の例示的な実施形態では他のスペクトル特性も企図される。現在実施されているＳｉＣ検出器は、３８０ｎｍから４００ｎｍの波長に対してより低いスペクトル応答度を有し、これらの波長は、前述のように、それぞれ拡散煤煙および予混合煤煙の火炎発光強度に関連することがさらに理解される。例示的な実施形態では、検出器１８０のうちの第１の検出器は、炭化水素火炎の波長のスペクトルピーク（約３０６ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができ、また燃焼室１４０に結合させることができる。検出器１８０のうちの第２の検出器は、拡散煤煙による火炎の波長のピーク（約３８０ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができる。検出器１８０のうちの第３の検出器は、予混合煤煙による火炎の波長のピーク（約４００ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができる。上記で論じたように、拡散煤煙火炎および予混合煤煙火炎による放出スペクトルは比較的近接しているので、２つの煤煙火炎の平均ピークでまたはその付近で発生するスペクトルピークを有する単一の検出器を実施することができる。煤煙火炎のスペクトルピークの波長はどちらも、炭化水素火炎のピーク波長より長いので、既存の検出器または変更された検出器を使用して、炭化水素火炎を煤煙火炎と十分に区別できることが理解される。例示的な実施形態では、検出器１８０の材料は、スペクトルピークがそれぞれの火炎タイプのスペクトルピークの最も近くで発生するように、（たとえば、材料のドーピングを介してバンドギャップ電圧を調整することによって）製作することができる。さらに、材料は、波長の上限および下限をスペクトルピークにより近付けるようにさらに製作することができ、これにより、それぞれの火炎タイプの波長のスペクトルピークでピークを狭くすることができる。ＳｉＣ検出器の変更は、ＳｉＣ検出器のスペクトルピークを３０６ｎｍにより近付けて炭化水素火炎のスペクトルピークにより良好に対応するように、（たとえば、ドーピングを介して）さらに変更できることが理解される。
【００２１】
図５は、火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と本明細書に記載の目標を実現する波長の関係を示すグラフ５００を示す。グラフ５００では、炭化水素火炎におけるＯＨのスペクトルピーク（たとえば、３０６ｎｍ）に重複するスペクトル応答度を有するように変更されたＳｉＣ火炎検出器１８０の第１の検出器スペクトル感度を、曲線５１０で示す。さらに、第２の検出器スペクトル感度曲線５５０は、曲線５３０および５４０（それぞれ約３８０ｎｍおよび４００ｎｍ）で示す拡散煤煙と予混合煤煙のうちの一方または両方の熱放出スペクトルピークに対応するスペクトルピークを有するように構成された火炎検出器１８０に対応する。この例では、感度曲線５１０の下限は約２５０ｎｍであり、上限は約３６０ｎｍである。感度曲線５５０の下限は約３４０ｎｍからであり、上限は約４５０ｎｍからである。それぞれの検出器感度曲線５１０、５５０の幅はどちらも、約１００ｎｍである。下限および上限ならびに幅は、それぞれ個々の火炎タイプに対して、火炎検出器１８０のスペクトル感度の重複がほとんどまたは全くないことを説明するために示す。したがって、炭化水素火炎を検出するように構成された検出器は、煤煙火炎に対するスペクトル領域ではほとんどまたは全く応答しない。同様に、煤煙火炎を検出するように構成された検出器は、炭化水素火炎に対するスペクトル領域ではほとんどまたは全く応答しない。前述の上限および下限ならびに幅は例示のみを目的とすること、そして他の例示的な実施形態では他の下限および上限ならびに幅も企図されることが理解される。
【００２２】
例示的な実施形態では、火炎検出器１８０は、下限は炭化水素火炎に対するスペクトルピークを下回り、上限は煤煙火炎に対するスペクトルピークを上回る、単一の材料タイプのものとすることができる。このようにして、単一の検出器タイプを実施して、両方の火炎タイプを検出することができる。個々の火炎検出器は、炭化水素火炎に対して使用される火炎検出器が煤煙火炎に対する波長をフィルタリングでき、また煤煙火炎に対する火炎検出器が炭化水素火炎に対する波長をフィルタリングできるような光学フィルタをさらに含むことができる。たとえば、第１の検出器の応答度（５１０）は、ＳｉＣフォトダイオードチップ上に、またはＳｉＣフォトダイオードパッケージの光学窓上に層として、光学帯域フィルタを配置することによって実現することができる。ＳｉＣを使用する利点は、約３８０ｎｍを上回る波長にはもとから比較的反応しないので、フィルタを設計しかつ実施するのが比較的容易であることである。応答度５５０を有する検出器に対する１つの選択肢は、紫および近紫外領域におけるその感度を増大させるために燐光体で覆われたシリコンフォトダイオードであろう。しかし残念なことに、シリコンフォトダイオードの応答度は、赤外領域（１０００ｎｍ）と同程度のより低い波長まで延び、したがって黒体および可視放射で容易に反応しなくなる可能性がある。したがって、応答度５５０を実現するのに必要な帯域フィルタは、設計しかつ製作するのが困難であろう。代替方法は、ＣＣＤ分光計に接続された光ファイバを使用することであろう。この装置は、２５０から４５０ｎｍの放出スペクトル全体を走査し、また信号処理ソフトウェアプログラミングにより、前述の２つのスペクトル領域間の信号強度を高速にかつ継続的に走査することが可能になるであろう。
【００２３】
例示的な実施形態では、制御ユニット６５は、複数の検出器（たとえば、火炎検出器１８０）からの信号感度を検出し、また投票アルゴリズムを実施して、保炎／逆火状態に応答して制御ユニット６５が講じる対策のタイプを決定することができる。たとえば、３つの検出器１８０のうちの２つが、逆火状態が存在すると判断した場合、制御ユニット６５は、燃焼剤カン１２０への燃料を遮断または低減させることができる。同様に、１つの火炎検出器１８０だけが逆火を検出した場合、制御ユニット６５は、火炎検出器１８０が別の読取りを行うまで燃料の継続を決定することができる。さらに、火炎検出器１８０に対応する筐体内に複数の検出器素子を入れることができる。複数の検出器素子は、燃焼剤カン１２０内で検出された信号を集約するように多重化することができる。このようにして、集約信号を実施して、投票アルゴリズムの結果を決定することができる。
【００２４】
図６は、例示的な実施形態による燃焼器を動作させる方法の流れ図を示す。ブロック７０５で、燃料ノズル（たとえば、図３の１６０）が予混合装置（たとえば、図２の４２）内へ燃料を導入し、また圧縮機（たとえば、図３の１１０）が予混合装置内へ空気を導入する。ブロック７１０で、予混合装置は、ガス状予混合物を形成する。ブロック７１５で、燃焼器（たとえば、図３の燃焼剤カン１２０）が、燃焼室（たとえば、図３の１４０）内で予混合物を燃焼させる。ブロック７２０で、燃焼室内の火炎タイプが監視される。ブロック７２５で、火炎検出器は、燃焼室内の火炎タイプのスペクトルピークを監視することができる。火炎検出器が、煤煙火炎に対応するスペクトルピークを検出した場合、ブロック７３０で、制御装置は、予混合装置内への燃料の流れを変更し、または本明細書に記載の他の適切な対策を講じることができる。火炎検出器が、煤煙火炎に対応するスペクトルピークを検出しない場合、または単に通常の炭化水素火炎を検出した場合、ブロック７０５で処理を継続することができる。
【００２５】
燃焼剤カン１２０の燃焼室１４０内で保炎／逆火を検出する例示的な実施形態について説明した。本明細書に記載のように、例示的な実施形態を実施して、燃料ノズル１６０からの熱放出を検出することもできる。熱放出は、燃料ノズル１６０内で予期されるはずの温度より温度が高いことを示すので、燃料ノズル１６０からの熱放出を監視することによって、システムは、燃料ノズル１６０内に火炎が存在するかどうかを判断することができる。たとえば、保炎／逆火を示す熱放出は、スワラ、バーナチューブ、または燃料ノズル１６０もしくは他の下流の構成要素の拡散チップで測定することができる。したがって、１つまたは複数の色検出器（たとえば、火炎検出器１８０）を使用して、保炎／逆火事象からの光電子放出の増大を燃焼剤カン１２０内で測定し、燃料ノズル１６０内で保炎／逆火が発生しているかどうかを判断する。燃料ノズル１６０の構成要素からの熱放出の増大を使用して、燃料ノズル１６０内の保炎を検出することができる。一例では、燃焼は、燃料ノズル１６０の内部で発生することがある。その結果、燃料ノズル構成要素から煤煙の熱光学放射または熱放出が生じることがあり、これらが高温の火炎にさらされると、予期しない熱放出を放射するであろう。例示的な実施形態では、燃料ノズル１６０からの熱放出を検出するために、火炎検出器１８０を、前述のように燃料ノズル１６０に隣接するように向けることができる。次いで制御ユニット６５（図２参照）は、火炎検出器１８０からの信号を受け取って適切な対策を講じることができる。たとえば、制御ユニット６５は、三角測量を実施して平らな位置を検出し、根本的な原因を診断するのを助けることができる。図７は、図３の燃焼剤カンの正面図を示す。火炎検出器１８０は、燃料ノズル１６０または燃料ノズル回路に隣接するように向ける。予混合された回路からの燃料を完全にまたは部分的に、別の燃料回路の方へ、拡散火炎回路などの排出されたまたは使用されていない燃料回路の方へ向け直すことができる。さらに、火炎検出器１８０は、各火炎検出器１８０が燃料ノズル１６０のうちの１つと見通し線を共用するように、間隔をおいて配置される。したがって、保炎／逆火事象が存在することを火炎検出器のうちの２つが示した場合、制御ユニット６５には、どの燃料ノズル１６０が影響を受けたかがわかる。このようにして、制御装置は選択的に、ある影響を受けた燃料ノズル１６０への燃料を低減させ、または燃料を遮断することができる。制御ユニット６５が単一の燃料ノズル１６０だけに作用するとき、燃焼剤カン１２０の破損を最小にすることができることが理解される。したがって、影響を受けた燃料ノズル１６０には、次に予定されている停止中に補修を行うことができる。三角測量は、保炎／逆火事象中に燃料ノズル１６０からの熱放出を検出するために火炎検出器１８０をどのように実施できるのかを示す一例にすぎないことが理解される。他の例示的な実施形態では、他の検出を実施することも企図される。
【００２６】
本発明について、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明したが、本発明は、そのような開示する実施形態に限定されるものではないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明を修正して、これまで説明していないが本発明の精神および範囲に対応する任意の数の変形形態、改変形態、置換え、または同等の構成を組み込むことができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明の態様は記載の実施形態の一部のみを含みうることを理解されたい。したがって、本発明は、上記の説明に限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０ ガスタービン、ガスタービンシステム
１２ 燃焼器
１４ 圧縮機
１６ 周囲空気
１８ 圧縮空気、空気
２０ 燃料流、燃料
２２ 燃焼器出口ガス流
２４ タービン
２６ 発電機、外部負荷
２８ シャフト
４０ 燃焼器
４２ 予混合装置
４４ ガス状予混合物、予混合燃料
４６ 燃焼室
４８ 下流工程
５０ スワラ
６０ 火炎検出装置、火炎検出部
６５ 制御ユニット
１００ ガスタービン
１１０ 圧縮機
１１５ 圧縮空気
１２０ 燃焼剤カン
１３０ タービン
１４０ 燃焼室
１５０ ディフューザ
１６０ 燃料ノズル
１６５ 燃焼器出口ガス流
１７０ 外側筐体
１８０ 火炎検出器
４００ グラフ
４１０ ＳｉＣ応答度曲線
４２０ 放出特性曲線
４３０ 光学スペクトル放出曲線
４４０ スペクトル曲線
５００ グラフ
５１０ 曲線、検出器感度曲線
５２０ 検出器スペクトル感度曲線
５３０ 曲線
５４０ 曲線
５５０ 検出器スペクトル感度曲線
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、光学的に保炎および逆火を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、燃焼ゾーン（主燃焼ゾーン）の上流に位置する予混合ゾーン内で燃料と空気の予混合を提供するように構成された１つまたは複数の燃料ノズルを有する１つまたは複数の燃焼器内で、圧縮機によって生成された圧縮空気とともに燃料を燃焼させる。その燃料／空気を予混合する通路内で保炎または逆火が発生するとすぐに、燃焼器に損傷が発生する可能性がある。燃焼器の所望の動作中、予混合された燃料と空気は、燃料／空気を予混合する通路を下って燃焼ゾーン内で燃焼する。保炎または逆火中は、予混合通路内の燃料と空気の混合物が燃焼する。一般に、逆火状態は、火炎が主燃焼ゾーンから上流に進んで予混合ゾーンへ入ると発生する。これは、燃焼反応を持続させるものではない。その結果、燃焼システムに重大な損傷が発生する可能性があり、場合によっては、システムの破局的な誤動作およびそれに付随する相当な経済的損失をもたらす恐れがある。
【０００３】
熱電対および光ファイバなどのイオン感知検出器および他の装置を使用して逆火を検出することがよく知られている。しかし、これらの検出器は、火炎の存在を検出するだけであり、燃焼システム内の火炎のタイプを区別しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５５４４４７８号公報
【特許文献２】米国特許第５８５７３２０号公報
【特許文献３】米国特許第６０７１１１４号公報
【特許文献４】米国特許第６５９９０２８号公報
【特許文献５】米国特許第６７８４４３０号公報
【特許文献６】米国特許第６８１８８９７号公報
【特許文献７】米国特許第７１１２７９６号公報
【特許文献８】米国特許第７２８５４３３号公報
【特許文献９】米国特許出願第２００７００１２９６５号公報
【特許文献１０】米国特許出願第２００７０１１９１４７号公報
【特許文献１１】米国特許出願第２００８００１６８７７号公報
【特許文献１２】米国特許出願第２００８００８３２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、火炎タイプを区別して保炎または逆火事象を阻止するように構成された火炎検出システムを有する燃焼器を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃焼器が提供される。この燃焼器は、燃焼ゾーンを有する燃焼室を画定する燃焼器筐体と、燃焼器筐体上に配置されて燃焼室と光学的に連通する火炎検出器とを含む。火炎検出器は、燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数に関係する光学特性を検出するように構成されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、ガスタービンが提供される。このガスタービンは、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機を含む。このガスタービンは、圧縮機と流動的に連通する燃焼器をさらに含み、この燃焼器は、圧縮機アセンブリから圧縮空気を受け取るように、そして燃料流を燃焼させて燃焼器出口ガス流を生成するように構成されている。この燃焼器は、燃焼ゾーンを有する燃焼室を画定する燃焼器筐体と、燃焼器筐体上に配置されて燃焼室と光学的に連通する火炎検出器とを含む。火炎検出器は、燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数に関係する光学特性を検出するように構成されている。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、燃焼器を動作させる方法が提供される。この方法は、燃料および空気を予混合装置内に導入するステップと、ガス状予混合物を形成するステップと、ガス状予混合物を燃焼室内で燃焼させ、それによって火炎タイプを生成するステップとを含む。この方法は、火炎タイプを監視して燃焼室内の保炎の存在を判断するステップをさらに含む。
【０００９】
上記その他の利点および特徴は、図面と併せて以下の説明を見れば、より明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題について詳細に指摘し、本明細書の終わりの特許請求の範囲において明確に特許請求する。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を見れば、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な実施形態によるガスタービンシステムの図である。
【図２】例示的な実施形態による図１のガスタービンシステム内で使用される予混合装置を有する燃焼器の図である。
【図３】例示的な実施形態によるガスタービン１００の図である。
【図４】火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と火炎タイプの波長の関係を示すグラフである。
【図５】火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と火炎タイプの波長の関係を示すグラフである。
【図６】例示的な実施形態による燃焼器を動作させる方法の流れ図である。
【図７】図３の燃焼剤カンの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明では、本発明の実施形態について、利点および特徴とともに、例として図面を参照して説明する。
【００１３】
例示的な実施形態では、本明細書に記載のシステムおよび方法は、ガスタービン燃焼器内の保炎／逆火を検出してエンジン機器の損傷を抑制し、またいかなる手法の場合でも、保炎事象を能動的に阻止する。光学的な火炎検出は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ユニット内で、紫外輝線に応答する検出器を使用して実施される。より最近利用されているＳｉＣ固体火炎検出器の応答度包絡線は、約２００ｎｍから４３０ｎｍの波長に対する放出感度を含む。これは、約２５０ｎｍを下回るさらに短い波長領域のみに応答するガイガミュラー計数管とは対照的である。約３００ｎｍの最も強い放出は、燃焼工程の直接生成物である励起されたＯＨ分子によって生成される。ＳｉＣフォトダイオードの応答特性のため、この検出器は、燃焼器の高温の壁の黒体放射、すなわち煤煙からの３５０から４５０ｎｍの放射に対してあまり感度が高くない。煤煙からの過度の放射は、燃焼前に空気と燃料を予混合したことから生じる火炎（予混合された火炎）とは対照的に、拡散火炎を示す。輝線の光学的な検出が示すような燃焼が発生すると、ガスタービンは引き続き、期待される最適の動作状態で動作する。予混合された火炎は、入口温度（ｆｉｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下げることができるので望ましく、たとえば、ＤＬＮ燃焼器を使用して、雰囲気中への望ましくない放出を低減させるのに望ましい。煤煙輝線の光学的な検出が示すような保炎／逆火事象が発生した場合、火炎検出システムは、燃焼器内への燃料の流れを低減しまたはなくすなどの対策を講じて、ガスタービンの損傷を防止することができる。したがって、燃料ノズル内の保炎／逆火事象中は、熱煤煙放出または他のより濃い火炎種からのさらなる光電子放出が測定される。現在の火炎検出器は、拡散火炎を検出するのに十分な広さの感度曲線を有するが、燃焼（たとえば、ＯＨ帯域放出）と煤煙放出の存在を別々に検出できる２色または多色検出システムでは、火炎タイプの区別が可能になるであろう。さらなる例示的な実施形態では、本明細書に記載の火炎検出器は、燃料ノズルからの熱放出を検出することができる。熱放出は、燃料ノズル内で予期されるはずの温度より温度が高いことを示すので、燃料ノズルからの熱放出を監視することによって、システムは、燃料ノズル内に火炎が存在するかどうかを判断することができる。たとえば、保炎／逆火を示す熱放出は、スワラ（ｓｗｉｒｌｅｒ ｖａｎｅｓ）、バーナチューブ、または燃料ノズルもしくは他の下流の構成要素の拡散チップで測定することができる。したがって、１つまたは複数の色検出器を使用して、保炎／逆火事象からの光電子放出の増大を燃焼器内で測定し、燃料ノズル内で保炎／逆火が発生しているかどうかを判断する。燃料ノズル構成要素からの熱放出の増大を使用して、燃料ノズル内の保炎を検出することができる。
【００１４】
本明細書で詳細に論じるように、例示的な実施形態は、ガスタービン内で使用される燃焼器などの燃焼器内で保炎／逆火の増大を検出するように機能する。特に、例示的な実施形態は、ガスタービン燃焼室内の保炎／逆火を検出するように、そして適切な対策を講じてガスタービンの損傷を防止するように構成された火炎検出システムおよび方法を含む。次に図面に移ってまず図１を参照すると、燃焼器１２を有するガスタービン１０を示す。ガスタービン１０は、周囲空気１６を圧縮するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、圧縮機１４と流動的に連通しており、圧縮機１４から圧縮空気１８を受け取るように、そして燃料流２０を燃焼させて燃焼器出口ガス流２２を生成するように構成される。さらに、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に位置するタービン２４を含む。タービン２４は、燃焼器出口ガス流２２を膨張させて発電機２６などの外部負荷を駆動するように構成される。図示の実施形態では、圧縮機１４は、タービン２４によって生成された動力によって、シャフト２８を介して駆動される。燃焼器１２は、ガスタービン燃焼室内の保炎／逆火を検出するように、そして適切な対策を講じてガスタービン１０の損傷を防止するように構成された火炎検出装置を使用する。
【００１５】
図２は、例示的な実施形態による図１のガスタービンシステム１０内で使用される火炎検出装置６０を有する燃焼器１２の例示的な構成４０の図である。図示のように、燃焼器４０は、燃料２０と空気１８を混合してガス状予混合物４４を形成するように構成された予混合装置４２を含む。さらに、燃焼器４０は、予混合燃料４４を燃焼させて燃焼器出口ガス流２２を形成するように構成された燃焼室４６を含む。さらに、燃焼器出口ガス流２２は、外部負荷２６（図１参照）を駆動するためのタービン２４（図１参照）など、下流工程４８へ向けられる。予混合装置４２は、燃料２０および／または空気１８に旋回運動を提供して燃料２０と空気１８の混合を容易にするように構成された複数のスワラ５０をさらに含むことができる。例示的な実施形態では、燃焼器４０は、火炎検出装置６０をさらに含む。火炎検出装置６０は、予混合装置４２と燃焼室４６のいずれかまたは両方と結合させて連通させることができる。火炎検出装置６０が、燃焼室内で特定の光学特性を有する火炎に基づいて煤煙の発生および拡散火炎を検出するように構成されるとき、この火炎検出装置は、燃焼室４６と結合されて光学的に連通することが理解される。しかし、火炎検出装置６０が、燃料ノズルの金具表面からの熱放出を検出するように構成される場合、火炎検出装置６０は、検出中の燃料ノズル金具近傍で、予混合物装置と結合されて光学的に連通する。燃焼器４０は、火炎検出部６０に結合された制御ユニット６５をさらに含むことができる。制御ユニット６５は、燃焼室４６内に存在する火炎タイプに対応する信号を火炎検出部から受け取るように構成される。制御ユニット６５はさらに、空気１８および燃料２０の供給源と連通する。本明細書でさらに説明するように、燃焼室４６内に保炎／逆火が存在することを示す信号を受け取った場合、制御ユニット６５は、適切な対策を講じてガスタービンの損傷を軽減することができる。制御ユニット６５が講じることができる適切な対策には、保炎／逆火を低減しまたはなくすために、燃焼室への燃料および空気の流れを停止すること、または空気および燃料の流れをある程度変更することが含まれる。
【００１６】
図３は、例示的な実施形態による複数の火炎検出器１８０を含むガスタービン１００の一例を図によって示す。ガスタービンの例は、ガスタービンの燃焼室１４０と結合されて光学的に連通し、また燃焼室１４０内のいくつかの火炎タイプの波長を検出するように構成された火炎検出器を示す。
【００１７】
図１と同様に、ガスタービン１００は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１１０を含む。１つまたは複数の燃焼剤カン１２０が、ディフューザ１５０を介して圧縮機１１０と流動的に連通する。燃焼剤カン１２０は、圧縮機１１０から圧縮空気１１５を受け取るように、そして燃料ノズル１６０からの燃料流を燃焼させて燃焼器出口ガス流１６５を生成するように構成される。燃焼器出口ガス流１６５は、燃焼室１４０を通ってタービン１３０へ進む。タービン１３０は、燃焼器出口ガス流１６５を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。燃焼剤カン１２０は外側筐体１７０を含み、外側筐体１７０は、筐体１７０に取り付けられた一連の火炎検出器１８０を含む。火炎検出器１８０は、燃焼室１４０および燃焼器出口ガス流１６５と結合されて光学的に連通する。
【００１８】
例示的な実施形態では、一連の火炎検出器１８０はそれぞれ、特定の波長を検出するように構成される。したがって、燃焼剤カン１２０は、複数の波長の光電子放出を検出するように構成された複数の火炎検出器を含む。たとえば、図示のように、燃焼剤カン１２０はそれぞれ、３つの火炎検出器１８０を含むことができる。１つの検出器は、炭化水素火炎の波長（約３０６ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含む。第２の検出器は、拡散からの煤煙の波長（約３８０ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含むことができる。第３の検出器は、ＣＯ−Ｏ再結合反応からの望ましくない燃焼ゾーンにおける予混合された燃料および予混合されていない燃料からの煤煙の波長（約４００ｎｍ）の最も近くでピークに達するスペクトル感度を含むことができる。しかし、拡散からの煤煙の波長と望ましくない予混合物の燃焼からの煤煙の波長はどちらも互いに比較的近接しているので、どちらのタイプの煤煙を生成する保炎／逆火事象に対しても、３５０ｎｍから４５０ｎｍのおおよその領域内でピークに達するスペクトル感度を有する単一の検出器を実施できることが理解される。したがって、一連の火炎検出器１８０はそれぞれ、異なる波長でピークに達するスペクトル感度を含むことができる。
【００１９】
火炎検出器１８０は、複数の火炎タイプの複数の波長を検出して火炎タイプを区別するように構成されるように、様々な方法で構成できることが理解される。光学的検出器（たとえば、フォトダイオード）のスペクトル感度は、主に、光学的検出器内で使用される材料のバンドギャップ電圧によって決定されることがよく知られている。ＳｉＣのバンドギャップ電圧は３．１ボルトであり、スペクトル感度は約２７０ｎｍでピークに達し、また波長限界は約４００ｎｍである。現在、ガスタービンの燃焼室内の火炎を検出するには、ＳｉＣ検出器が使用されている。
【００２０】
図４は、火炎放出の相対スペクトル特性と様々な火炎タイプの波長の関係を示すグラフ４００を示す。ＳｉＣ応答度曲線４１０を示す。また、予期されるＯＨ−放出スペクトルピークが約３０６ｎｍである予混合された炭化水素火炎の放出特性曲線４２０を示す。現在、炭化水素火炎を検出するにはＳｉＣ検出器が実施される。ＳｉＣ検出器は、この火炎を適切に検出する。しかし、相対スペクトル感度は、３０６ｎｍで最大の約７０％であることが理解される。現在のシステムでは、簡単な炭化水素火炎検出の場合、７０％の相対スペクトル感度は許容される。図４はさらに、典型的な予混合された燃焼器火炎温度に基づいて、拡散火炎によって生成された煤煙に対する光学スペクトル放出曲線４３０と、予混合された燃料が燃焼室１４０（図３参照）内で燃焼することによって生じる煤煙に対するスペクトル曲線４４０とを示す。スペクトル強度と特性波長の関係は、局所的な火炎温度に応じて変化しかつ変動することが理解される。したがって、図４の例に記載のスペクトル特性は例示的なものであり、他の例示的な実施形態では他のスペクトル特性も企図される。現在実施されているＳｉＣ検出器は、３８０ｎｍから４００ｎｍの波長に対してより低いスペクトル応答度を有し、これらの波長は、前述のように、それぞれ拡散煤煙および予混合煤煙の火炎発光強度に関連することがさらに理解される。例示的な実施形態では、検出器１８０のうちの第１の検出器は、炭化水素火炎の波長のスペクトルピーク（約３０６ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができ、また燃焼室１４０に結合させることができる。検出器１８０のうちの第２の検出器は、拡散煤煙による火炎の波長のピーク（約３８０ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができる。検出器１８０のうちの第３の検出器は、予混合煤煙による火炎の波長のピーク（約４００ｎｍ）でまたはその付近で発生するスペクトル感度を含むことができる。上記で論じたように、拡散煤煙火炎および予混合煤煙火炎による放出スペクトルは比較的近接しているので、２つの煤煙火炎の平均ピークでまたはその付近で発生するスペクトルピークを有する単一の検出器を実施することができる。煤煙火炎のスペクトルピークの波長はどちらも、炭化水素火炎のピーク波長より長いので、既存の検出器または変更された検出器を使用して、炭化水素火炎を煤煙火炎と十分に区別できることが理解される。例示的な実施形態では、検出器１８０の材料は、スペクトルピークがそれぞれの火炎タイプのスペクトルピークの最も近くで発生するように、（たとえば、材料のドーピングを介してバンドギャップ電圧を調整することによって）製作することができる。さらに、材料は、波長の上限および下限をスペクトルピークにより近付けるようにさらに製作することができ、これにより、それぞれの火炎タイプの波長のスペクトルピークでピークを狭くすることができる。ＳｉＣ検出器の変更は、ＳｉＣ検出器のスペクトルピークを３０６ｎｍにより近付けて炭化水素火炎のスペクトルピークにより良好に対応するように、（たとえば、ドーピングを介して）さらに変更できることが理解される。
【００２１】
図５は、火炎検出器１８０の相対スペクトル感度と本明細書に記載の目標を実現する波長の関係を示すグラフ５００を示す。グラフ５００では、炭化水素火炎におけるＯＨのスペクトルピーク（たとえば、３０６ｎｍ）に重複するスペクトル応答度を有するように変更されたＳｉＣ火炎検出器１８０の第１の検出器スペクトル感度を、曲線５１０で示す。さらに、第２の検出器スペクトル感度曲線５５０は、曲線５３０および５４０（それぞれ約３８０ｎｍおよび４００ｎｍ）で示す拡散煤煙と予混合煤煙のうちの一方または両方の熱放出スペクトルピークに対応するスペクトルピークを有するように構成された火炎検出器１８０に対応する。この例では、感度曲線５１０の下限は約２５０ｎｍであり、上限は約３６０ｎｍである。感度曲線５５０の下限は約３４０ｎｍからであり、上限は約４５０ｎｍからである。それぞれの検出器感度曲線５１０、５５０の幅はどちらも、約１００ｎｍである。下限および上限ならびに幅は、それぞれ個々の火炎タイプに対して、火炎検出器１８０のスペクトル感度の重複がほとんどまたは全くないことを説明するために示す。したがって、炭化水素火炎を検出するように構成された検出器は、煤煙火炎に対するスペクトル領域ではほとんどまたは全く応答しない。同様に、煤煙火炎を検出するように構成された検出器は、炭化水素火炎に対するスペクトル領域ではほとんどまたは全く応答しない。前述の上限および下限ならびに幅は例示のみを目的とすること、そして他の例示的な実施形態では他の下限および上限ならびに幅も企図されることが理解される。
【００２２】
例示的な実施形態では、火炎検出器１８０は、下限は炭化水素火炎に対するスペクトルピークを下回り、上限は煤煙火炎に対するスペクトルピークを上回る、単一の材料タイプのものとすることができる。このようにして、単一の検出器タイプを実施して、両方の火炎タイプを検出することができる。個々の火炎検出器は、炭化水素火炎に対して使用される火炎検出器が煤煙火炎に対する波長をフィルタリングでき、また煤煙火炎に対する火炎検出器が炭化水素火炎に対する波長をフィルタリングできるような光学フィルタをさらに含むことができる。たとえば、第１の検出器の応答度（５１０）は、ＳｉＣフォトダイオードチップ上に、またはＳｉＣフォトダイオードパッケージの光学窓上に層として、光学帯域フィルタを配置することによって実現することができる。ＳｉＣを使用する利点は、約３８０ｎｍを上回る波長にはもとから比較的反応しないので、フィルタを設計しかつ実施するのが比較的容易であることである。応答度５５０を有する検出器に対する１つの選択肢は、紫および近紫外領域におけるその感度を増大させるために燐光体で覆われたシリコンフォトダイオードであろう。しかし残念なことに、シリコンフォトダイオードの応答度は、赤外領域（１０００ｎｍ）と同程度のより低い波長まで延び、したがって黒体および可視放射で容易に反応しなくなる可能性がある。したがって、応答度５５０を実現するのに必要な帯域フィルタは、設計しかつ製作するのが困難であろう。代替方法は、ＣＣＤ分光計に接続された光ファイバを使用することであろう。この装置は、２５０から４５０ｎｍの放出スペクトル全体を走査し、また信号処理ソフトウェアプログラミングにより、前述の２つのスペクトル領域間の信号強度を高速にかつ継続的に走査することが可能になるであろう。
【００２３】
例示的な実施形態では、制御ユニット６５は、複数の検出器（たとえば、火炎検出器１８０）からの信号感度を検出し、また投票アルゴリズムを実施して、保炎／逆火状態に応答して制御ユニット６５が講じる対策のタイプを決定することができる。たとえば、３つの検出器１８０のうちの２つが、逆火状態が存在すると判断した場合、制御ユニット６５は、燃焼剤カン１２０への燃料を遮断または低減させることができる。同様に、１つの火炎検出器１８０だけが逆火を検出した場合、制御ユニット６５は、火炎検出器１８０が別の読取りを行うまで燃料の継続を決定することができる。さらに、火炎検出器１８０に対応する筐体内に複数の検出器素子を入れることができる。複数の検出器素子は、燃焼剤カン１２０内で検出された信号を集約するように多重化することができる。このようにして、集約信号を実施して、投票アルゴリズムの結果を決定することができる。
【００２４】
図６は、例示的な実施形態による燃焼器を動作させる方法の流れ図を示す。ブロック７０５で、燃料ノズル（たとえば、図３の１６０）が予混合装置（たとえば、図２の４２）内へ燃料を導入し、また圧縮機（たとえば、図３の１１０）が予混合装置内へ空気を導入する。ブロック７１０で、予混合装置は、ガス状予混合物を形成する。ブロック７１５で、燃焼器（たとえば、図３の燃焼剤カン１２０）が、燃焼室（たとえば、図３の１４０）内で予混合物を燃焼させる。ブロック７２０で、燃焼室内の火炎タイプが監視される。ブロック７２５で、火炎検出器は、燃焼室内の火炎タイプのスペクトルピークを監視することができる。火炎検出器が、煤煙火炎に対応するスペクトルピークを検出した場合、ブロック７３０で、制御装置は、予混合装置内への燃料の流れを変更し、または本明細書に記載の他の適切な対策を講じることができる。火炎検出器が、煤煙火炎に対応するスペクトルピークを検出しない場合、または単に通常の炭化水素火炎を検出した場合、ブロック７０５で処理を継続することができる。
【００２５】
燃焼剤カン１２０の燃焼室１４０内で保炎／逆火を検出する例示的な実施形態について説明した。本明細書に記載のように、例示的な実施形態を実施して、燃料ノズル１６０からの熱放出を検出することもできる。熱放出は、燃料ノズル１６０内で予期されるはずの温度より温度が高いことを示すので、燃料ノズル１６０からの熱放出を監視することによって、システムは、燃料ノズル１６０内に火炎が存在するかどうかを判断することができる。たとえば、保炎／逆火を示す熱放出は、スワラ、バーナチューブ、または燃料ノズル１６０もしくは他の下流の構成要素の拡散チップで測定することができる。したがって、１つまたは複数の色検出器（たとえば、火炎検出器１８０）を使用して、保炎／逆火事象からの光電子放出の増大を燃焼剤カン１２０内で測定し、燃料ノズル１６０内で保炎／逆火が発生しているかどうかを判断する。燃料ノズル１６０の構成要素からの熱放出の増大を使用して、燃料ノズル１６０内の保炎を検出することができる。一例では、燃焼は、燃料ノズル１６０の内部で発生することがある。その結果、燃料ノズル構成要素から煤煙の熱光学放射または熱放出が生じることがあり、これらが高温の火炎にさらされると、予期しない熱放出を放射するであろう。例示的な実施形態では、燃料ノズル１６０からの熱放出を検出するために、火炎検出器１８０を、前述のように燃料ノズル１６０に隣接するように向けることができる。次いで制御ユニット６５（図２参照）は、火炎検出器１８０からの信号を受け取って適切な対策を講じることができる。たとえば、制御ユニット６５は、三角測量を実施して平らな位置を検出し、根本的な原因を診断するのを助けることができる。図７は、図３の燃焼剤カンの正面図を示す。火炎検出器１８０は、燃料ノズル１６０または燃料ノズル回路に隣接するように向ける。予混合された回路からの燃料を完全にまたは部分的に、別の燃料回路の方へ、拡散火炎回路などの排出されたまたは使用されていない燃料回路の方へ向け直すことができる。さらに、火炎検出器１８０は、各火炎検出器１８０が燃料ノズル１６０のうちの１つと見通し線を共用するように、間隔をおいて配置される。したがって、保炎／逆火事象が存在することを火炎検出器のうちの２つが示した場合、制御ユニット６５には、どの燃料ノズル１６０が影響を受けたかがわかる。このようにして、制御装置は選択的に、ある影響を受けた燃料ノズル１６０への燃料を低減させ、または燃料を遮断することができる。制御ユニット６５が単一の燃料ノズル１６０だけに作用するとき、燃焼剤カン１２０の破損を最小にすることができることが理解される。したがって、影響を受けた燃料ノズル１６０には、次に予定されている停止中に補修を行うことができる。三角測量は、保炎／逆火事象中に燃料ノズル１６０からの熱放出を検出するために火炎検出器１８０をどのように実施できるのかを示す一例にすぎないことが理解される。他の例示的な実施形態では、他の検出を実施することも企図される。
【００２６】
本発明について、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明したが、本発明は、そのような開示する実施形態に限定されるものではないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明を修正して、これまで説明していないが本発明の精神および範囲に対応する任意の数の変形形態、改変形態、置換え、または同等の構成を組み込むことができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明の態様は記載の実施形態の一部のみを含みうることを理解されたい。したがって、本発明は、上記の説明に限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０ ガスタービン、ガスタービンシステム
１２ 燃焼器
１４ 圧縮機
１６ 周囲空気
１８ 圧縮空気、空気
２０ 燃料流、燃料
２２ 燃焼器出口ガス流
２４ タービン
２６ 発電機、外部負荷
２８ シャフト
４０ 燃焼器
４２ 予混合装置
４４ ガス状予混合物、予混合燃料
４６ 燃焼室
４８ 下流工程
５０ スワラ
６０ 火炎検出装置、火炎検出部
６５ 制御ユニット
１００ ガスタービン
１１０ 圧縮機
１１５ 圧縮空気
１２０ 燃焼剤カン
１３０ タービン
１４０ 燃焼室
１５０ ディフューザ
１６０ 燃料ノズル
１６５ 燃焼器出口ガス流
１７０ 外側筐体
１８０ 火炎検出器
４００ グラフ
４１０ ＳｉＣ応答度曲線
４２０ 放出特性曲線
４３０ 光学スペクトル放出曲線
４４０ スペクトル曲線
５００ グラフ
５１０ 曲線、検出器感度曲線
５２０ 検出器スペクトル感度曲線
５３０ 曲線
５４０ 曲線
５５０ 検出器スペクトル感度曲線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼ゾーンを有する燃焼室（４６、１４０）を画定する燃焼器筐体（１７０）と、
前記燃焼器筐体（１７０）上に配置されて前記燃焼室（４６、１４０）と光学的に連通する複数の火炎検出器（１８０）とを備え、
前記複数の火炎検出器（１８０）がそれぞれ、前記複数の燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数内の保炎状態および逆火状態の少なくとも１つに関係する光学特性を検出するように構成されている、燃焼器（１２、４０）。
【請求項２】
前記光学特性が火炎タイプの波長である、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項３】
前記火炎タイプが炭化水素火炎である、請求項２記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項４】
前記火炎タイプが煤煙火炎である、請求項２記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項５】
前記複数の火炎検出器（１８０）のうちの１つが、炭化水素火炎のスペクトル感度ピーク近傍のスペクトル感度ピークを含む、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項６】
前記複数の火炎検出器（１８０）のうちの別の１つが、煤煙火炎のスペクトル感度ピーク近傍のスペクトル感度ピークを含む、請求項５記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項７】
前記複数の火炎検出器（１８０）が、複数の火炎タイプを検出するように構成されている、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項１】
複数の燃焼ゾーンを有する燃焼室（４６、１４０）を画定する燃焼器筐体（１７０）と、
前記燃焼器筐体（１７０）上に配置されて前記燃焼室（４６、１４０）と光学的に連通する複数の火炎検出器（１８０）とを備え、
前記複数の火炎検出器（１８０）がそれぞれ、前記複数の燃焼ゾーンのうちの１つまたは複数内の保炎状態および逆火状態の少なくとも１つに関係する光学特性を検出するように構成されている、燃焼器（１２、４０）。
【請求項２】
前記光学特性が火炎タイプの波長である、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項３】
前記火炎タイプが炭化水素火炎である、請求項２記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項４】
前記火炎タイプが煤煙火炎である、請求項２記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項５】
前記複数の火炎検出器（１８０）のうちの１つが、炭化水素火炎のスペクトル感度ピーク近傍のスペクトル感度ピークを含む、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項６】
前記複数の火炎検出器（１８０）のうちの別の１つが、煤煙火炎のスペクトル感度ピーク近傍のスペクトル感度ピークを含む、請求項５記載の燃焼器（１２、４０）。
【請求項７】
前記複数の火炎検出器（１８０）が、複数の火炎タイプを検出するように構成されている、請求項１記載の燃焼器（１２、４０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１６４２９６（Ｐ２０１０−１６４２９６Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６２７（Ｐ２０１０−１６２７）
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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