(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器の燃焼室内の空燃比、熱発生率およびガス温度の変動の指標として排気温度分布を用いることは妥当である。光学技術を用いて各燃焼缶内の火炎を観察することにより、更によい結果を得ることができるが、光学的方法を用いる場合、各燃焼缶内の火炎全体に関する三次元の空間分解情報が望ましいが、視程情報が制限されている。【解決手段】燃焼器３００で発生する火炎中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解する光センサ１００、２００と、三次元計測した１種以上の化学種を、燃焼器３００の１以上のパラメータと関連付ける部品４００とを備えるシステムを開示する。【選択図】図４
2010101615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置（３００）で発生する火炎（１０６）中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解する光センサ（１００、２００）と、
前記三次元計測した１種以上の化学種と前記装置（３００）の１以上のパラメータとを関連付ける部品（４００）と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記装置（３００）が燃焼器（３００）を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記１種以上の化学種が、ＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*及びＣＯ2*からなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記装置の前記１以上のパラメータが、空燃比、熱発生率及びガス温度からなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記装置（３００）が燃焼器（３００）を備えており、
前記燃焼器（３００）の前記１以上のパラメータに基づいて前記燃焼器（３００）の運転を制御する制御装置（４００）を更に備える、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記制御装置（４００）が、燃料噴射装置（４０２）に供給を行う１以上の燃料供給弁（４０６）を調節することにより前記燃焼器（３００）の動作を制御するよう構成されている、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記光センサ（１００、２００）が、前記火炎（１０６）の化学発光による光を集めることによって、前記装置（３００）で発生する火炎（１０６）中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
装置で発生する火炎中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解するステップと、
前記三次元計測した１種以上の化学種を、前記装置の１以上のパラメータと関連付けるステップ
とを含む方法。
【請求項９】
前記装置が燃焼器を備える、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記１種以上の化学種を、ＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*及びＣＯ2*からなる群から選択するステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光計測、特にガスタービンエンジンの燃焼器における火炎の三次元空間分解光計測を行う光センサと、この光計測に基づいて燃焼プロセスをより好適に制御するシステムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの予混合燃焼器において、火炎の化学発光による光放射を光計測することにより、かかる燃焼器のエネルギ又は熱発生率及び空燃比等の様々なパラメータを判定することが多い。光学検波器の前に波長フィルタを設置する方法は、基本的に、ＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*及びＣＯ2*等の特定の励起状態の化学種それぞれからの総光放射の部分寄与率を識別するために用いられる。これにより、１つ以上のこのような化学種の信号比を、空燃比や熱発生率、ガス温度等の様々な燃焼器パラメータと、従来方式で関連付けることができる。従来的に、この計測技術を適用するに当たり、単純な光センサ機構及びカメラ装置が用いられてきた。かかる技術及びシステムの問題点は、その空間分解能にある。燃焼流が複雑な場合、三次元での空間分解能をもつように計測を行うことは、燃焼プロセスの制御を改善してシステム性能を最適化するに当たり、非常に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃焼器において、燃焼室間の空燃比、熱発生率及びガス温度の変動の指標として排気温度分布を用いることは、妥当である。しかし、光学技術を用いて各燃焼缶内の火炎を観察することにより、更に良い結果を得ることができる。かかる状況において光学的方法を用いる場合の主な課題は、基本的に、各燃焼缶内の火炎全体に関する三次元の空間分解情報が望ましいところ、視程情報が制限されていることであった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態によるシステムは、装置で発生する火炎中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解する光センサと、三次元計測した１種以上の化学種を装置の１以上のパラメータと関連付ける部品とを含む。
【０００５】
本発明の別の実施形態による方法は、装置で発生する火炎中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解するステップと、三次元計測した１種以上の化学種を装置の１以上のパラメータと関連付けるステップとを含む。
【０００６】
本発明のまた別の実施形態によるシステムは、燃焼器で発生する火炎中の１種以上の化学種を光計測して三次元空間分解する光センサと、三次元計測した１種以上の化学種を燃焼器の１以上のパラメータと関連付ける装置とを含む。
【０００７】
添付図面に対応する以下の説明から、上述の及びその他の利点及び特徴を更に理解できよう。
【０００８】
本発明の企図は、添付の特許請求の範囲において特に明示されている。本発明に係る以上に記載の及びその他の特徴及び利点は、添付図面に対応する以下の詳細な説明に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンエンジンの燃焼器部分の燃焼火炎を三次元計測する、本発明の実施形態による光センサと付属の光学素子とを示す図である。
【図２Ａ】ガスタービンエンジンの燃焼器部分の燃焼火炎を三次元計測する、本発明の別の実施形態の側面図である。
【図２Ｂ】ガスタービンエンジンの燃焼器部分の燃焼火炎を三次元計測する、本発明のまた別の実施形態の平面図である。
【図３】ガスタービンエンジンの燃焼器内に設置される、図１又は図２のセンサの部分切取側面図である。
【図４】ガスタービンエンジンの燃焼器内に設置される、図１又は図２のセンサとこれに関連付けられた制御装置及び燃料制御弁との部分切取側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
これより、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態をその特徴及び利点と共に例示し、説明する。
【００１１】
図１を参照されたい。本発明の例示的実施形態によるイメージセンサ１００は、特定の波長の放射光を検出する複数の開口１０４を有する単一のセンサアレイ１０２を備える。このイメージセンサ１００は、ガスタービンエンジンの燃焼器（図３〜図４）の燃焼ゾーン１０６内の火炎の様々な化学種（例えばＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*、ＣＯ2*、ただし、分子名の後の記号「*」は、励起状態の分子を示す）のうち、１つの化学種により発する火炎化学発光強度の三次元マッピングを行う波長カラーセンサであってよい。燃焼ゾーン１０６内の火炎の光学像は、センサアレイ１０２の開口１０４上に直接集束されるのではなく、結像レンズ１０８により、開口１０４よりも上方に設置された焦点面１１０に集束する。この像は、その後、単一波長の光フィルタ１１２により、開口１０４上に再結像し、開口１０４において燃焼ゾーン１０６の部分重複像又は視野が形成される。光フィルタ１１２（即ち局所光学素子）は、金属層にパターン配置される屈折マイクロレンズ又は回折格子を用いた集積回路の誘電体積層構造に適用可能である。その後、化学種の検出画像を組み合わせて、燃焼ゾーン１０６内の火炎の三次元空間分解図が生成される。燃焼ゾーン１０６の火炎像の斜視が複数あることにより、開口１０４そのものの個数から考えられるよりも高い空間分解能で三次元画像を合成することができる。
【００１２】
本発明の別の実施形態として、それぞれに異なる波長フィルタ機能を有する複数のセンサアレイ１０２を用いてよい。これにより、燃焼ゾーン１０６内の火炎の、異なる波長を有する幾つかの異なる化学種（例えばＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*、ＣＯ2*）を同時に計測することができる。これにより、様々な化学種間でレシオメトリック計測を行うことができる。これらの化学種のうち２種以上の異なる化学種の比から、空燃比や熱発生率、ガス温度等の様々な燃焼パラメータを従来方式で関連付けたり、導出したりすることができる。これに対して、単一の波長フィルタ機能を有するセンサアレイ１０２を１つだけ設置する場合は、基本的に、計測された１つの化学種から、熱発生率とガス温度とを関連付けたり、導出したりすることができる。
【００１３】
図２Ａ及び２Ｂに、本発明の別の実施形態によるイメージセンサ２００、開口２０４の二次元アレイ２０２を示す。この実施形態では、多数の異なるフィルタ素子２０６が結像アレイ２０２の開口２０４上に直接配置されており、多様な色計測を行うことができる。図２Ｂの平面図（すなわちアレイ２００の正視図）に、アレイ２００を最もわかりやすく示す。例えばケイ素又は炭化ケイ素の薄膜蒸着により、イメージセンサ２００の表面２０８上にカラーフィルタアレイを創出してもよい。蒸着可能なその他の材料として、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム及び様々な金属酸化物等が挙げられる。図２の例では、正方形（２×２）状に４つの異なるカラーフィルタ２０６が設けられ、この正方形パターンが、センサ２００の上面２０８全体にわたり繰り返されている。４つの異なるカラーフィルタ２０６は、計測が望まれる各々の化学種（例えばＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*、ＣＯ2*）の主色を示す。フィルタ素子２０６の上方にはそれぞれ、マイクロレンズが配置されており、４つのフィルタ素子の各群によって、燃焼領域１０６（図１）全体にわたる火炎の多波長強度マップが生成される。
【００１４】
図３に、ガスタービンエンジン３０２の一部である一般的な燃焼器３００に配備された、図１又は図２の三次元燃焼イメージセンサ１００、２００を示す。この例示的実施形態において、イメージセンサ１００、２００は、主燃焼領域より下流のトランジションダクト内に配置されている。ガスタービンエンジン３０２の一般的な燃焼器３００における各缶の内部に、火炎特性を計測するためのイメージセンサ１００、２００を備えてもよい。このイメージセンサ１００、２００を、空冷式又は液令式の取り付けブラケットと一体化させることで、苛酷となり易い熱環境に耐え得るようにしてもよい。上述のように、イメージセンサ１００、２００により、計測された化学種（例えばＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*、ＣＯ2*）の三次元空間分解マップが生成され、計測された化学種から、空燃比、熱発生率又はガス温度等の様々な特定の燃焼パラメータを従来方式で関連付けること又は導出することができる。イメージセンサの出力は、計測された化学種と特定の燃焼パラメータとを関連付ける制御装置４００（図４）に送られる。関連付けられた又は導出された燃焼パラメータに対応して、制御装置は、燃焼器３００の燃料ノズル４０２（図４）への流れパラメータを調節し、ガスタービンエンジン３０２内の燃焼プロセスを直接的に制御し、均衡化すること又は改善することができる。
【００１５】
図４に、ガスタービン制御装置４００と一体化された図１又は図２の三次元イメージセンサ１００、２００を示す。線４０４上のセンサ１００、２００からの出力信号は、電気ケーブル又は適宜の光ファイバ接続を介して制御装置４００に供給される。制御装置４００は、センサ１００、２００からの画像情報を処理し、燃焼器３００の運転が最適ではないことを検出すると制御動作を行う。この実施形態において、この制御動作は、エンジン３０２の燃料噴射装置の燃料噴射ノズル４０２へ燃料を供給する個別の燃料供給弁４０６を調節することを含む。このようにして、フィードバック制御システムにおいてイメージセンサ１００、２００の出力を用いて燃焼プロセスを改良することができる。同様に、運転を最適化するために、制御装置４００は、自動的にその他のパラメータを変動させることができる。これらのパラメータとして、例えば気流分布、希釈剤噴射及び燃料ノズル配置等が含まれる。
【００１６】
本発明の実施形態によるイメージセンサ１００、２００から、概して、反応流の燃焼パラメータの三次元空間分解マップが生成される。イメージセンサ１００、２００により、燃焼器３００の火炎中の様々な化学種について直接計測した濃度から、熱発生率、空燃比及びガス温度等の様々な燃焼パラメータを間接的に三次元計測したり、これらのパラメータを相互に関連付けたりすることができる。センサ１００、２００は、光ファイバに接続された多開口結像装置を備えており、化学発光による火炎光を集光する。ＯＨ*、ＣＨ*、Ｃ2*及びＣＯ2*等の励起状態の化学種から放射された光は、単一又は複数の多開口アレイ上で集光され、化学種濃度の三次元空間分解マップが生成される。計測された三次元空間分解マップを、各燃焼缶の熱発生率や空燃比、ガス温度等の、燃焼器３００に関するパラメータと関連付けることができる。これにより、燃焼器の動作状態を監視しながら、所与の燃焼器の設計による性能の工学的評価を行うことができる。
【００１７】
これらの様々な燃焼パラメータ（空燃比、熱発生率、温度等）を監視する方法は、基本的に閉ループ式又は閉鎖モデルである、ガスタービン燃焼器３００の制御に必要な燃焼監視パッケージの一部を構成している。かかるパッケージには、ガスタービンエンジン３０２の各燃焼室又は燃焼缶の燃焼状態、排出量、空燃比、熱発生率及びガス温度を監視する装置が含まれる。代替的に、本発明の実施形態を環状（すなわち非缶形）燃焼器又は再燃焼装置に適用し、かかる装置の火炎特性を計測することもできる。燃焼監視は、高性能ガスタービン燃焼器用の高度制御パッケージにおいて不可欠な要素である。監視対象のファクタとしては、例えば、燃焼動圧振動、排出物、空燃比、熱発生及びガス温度等が含まれる。本発明の実施形態により、燃焼室間の空燃比、熱発生率及びガス温度の実時間変動をより高い精度で監視し、各燃焼器への燃料及び空気流量を調節することで、かかる変動を低減させることができる。その結果、より多くの種類のガスタービンにおいて、動作時の排出量を低減し、耐久性及び動作機能を改善させることができる。
【００１８】
以上、本発明を一部の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、明らかなように、本発明の実施形態は本明細書に記載の形態に限定されない。むしろ、本発明の本質及び範疇において、本発明を修正し、本明細書に記載されていない様々な変形、変更、置換または等価の措置を加えることができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様として、上記の実施形態の一部を含むだけでも良いことを理解されたい。従って、本発明は以上の説明に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載の内容に基づいてのみ解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００１９】
１００  イメージセンサ
１０２  アレイ
１０４  開口
１０６  ゾーン
１０８  レンズ
１１０  面
１１２  光フィルタ
２００  イメージセンサ
２０２  アレイ
２０４  開口
２０６  フィルタ
２０８  表面
３００  燃焼器
３０２  タービンエンジン
４００  制御装置
４０２  ノズル
４０４  線
４０６  弁
【図１】
2010101615.tif 000003
【図２Ａ】
2010101615.tif 000004
【図２Ｂ】
2010101615.tif 000005
【図３】
2010101615.tif 000006
【図４】
2010101615.tif 000007