(57)【要約】【課題】ガス・タービン内の燃料流れを管理する【解決手段】本発明の一態様によれば、燃焼器（１２０）が開示される。燃焼器（１２０）は、燃焼器ハウジング（１７０）と、燃焼器ハウジング（１７０）内に配置された複数のノズル（１６０）と、複数の燃料ノズル（１６０）のそれぞれに配置され、それらと光通信している火炎検出器（１８０）であって、各火炎検出器（１８０）は、対応する燃料ノズル（１６０）における保炎状態および逆火状態の少なくとも一方に関係づけられる光学特性を検出するように構成されている火炎検出器（１８０）と、を備えることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器ハウジング（１７０）と、
燃焼器ハウジング（１７０）内に配置された複数のノズル（１６０）と、
複数の燃料ノズル（１６０）のそれぞれに配置され、それらと光通信している火炎検出器（１８０）であって、各火炎検出器（１８０）は、対応する燃料ノズル（１６０）における保炎状態および逆火状態の少なくとも一方に関係づけられる光学特性を検出するように構成されている火炎検出器（１８０）と、を備える燃焼器（１２０）。
【請求項２】
光学特性は、保炎状態によって発生する光である請求項１に記載に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項３】
光学特性は、逆火状態によって発生する光である請求項１に記載に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項４】
燃焼器ハウジング（１７０）上に配置されたノズル・マウント（１７５）をさらに備える請求項１に記載に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項５】
ノズル・マウント（１７５）は複数のノズル（１６０）を支持する請求項４に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項６】
各火炎検出器（１８０）とノズル・マウント（１７５）との間に配置され、ノズル・マウント（１７５）内に後装されるガイド（１８５）をさらに備える請求項５に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項７】
各火炎検出器（１８０）は、対応する燃料ノズル（１６０）と光通信している請求項６に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項８】
光路が、複数の燃料ノズル（１６０）のそれぞれとノズル・マウント（１７５）の外部の場所との間に形成されている請求項７に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項９】
各火炎検出器（１８０）は、炭化水素火炎スペクトル応答ピークに隣接するスペクトル応答ピークを含む請求項１に記載に記載の燃焼器（１２０）。
【請求項１０】
炭化水素火炎スペクトル応答ピークは炭化水素燃料成分を含む請求項９に記載の燃焼器（１２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、ガス・タービンに関し、より詳細には、保炎および光学的逆火検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービンでは、燃料を、圧縮機が生成した圧縮空気を用いて、１または複数の燃焼器内で燃焼させる。燃焼器は１または複数の燃料ノズルを有し、ノズルは燃料および空気の予混合を予混合ゾーン内で行なうように構成されている。予混合ゾーンは、焼却ゾーン（主燃焼ゾーン）の上流に配置されている。燃焼器に対する損傷が急速に起こる可能性が、その燃料／空気予混合通路において保炎または逆火が生じるとある。燃焼器の望ましい動作の間は、予混合された燃料および空気は、燃料／空気予混合通路の下流で燃焼ゾーン内で燃焼する。保炎または逆火の間は、予混合通路内の燃料および空気混合物が燃焼する。逆火状態が起きるのは一般的に、火炎が主焼却ゾーンの上流に移動して予混合ゾーンまたは燃料ノズル内に入るときであり、これらのゾーンは燃焼反応を維持することは目的としていない。結果として、重大な損傷が燃焼システムに対して起こる場合があり、システムの突発的動作不良および付随するかなりの経済的損失になりかねない。タービン制御システムが逆火事象を検出することができれば、燃料を燃焼器の周りに動かすことができ、火炎は、燃料ノズルが損傷を受ける可能性が起きる前に、燃焼室内に押し返されるであろう。イオン検知検出器および他のデバイス（たとえば熱電対および光ファイバ）を用いて逆火を検出することが、良く知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２８５４３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしこれらの検出器は、単に火炎の存在を検出するだけであり、タービン内の燃料流れを管理するわけではない。したがって、ガス・タービン内の燃料流れを管理するように構成された火炎検出システムをともなう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】
【０００５】
本発明の一態様によれば、燃焼器が開示される。燃焼器は、燃焼器ハウジングと、燃焼器ハウジング内に配置された複数のノズルと、複数の燃料ノズルのそれぞれに配置され、それらと光通信している火炎検出器であって、各火炎検出器は、対応する燃料ノズルにおける保炎状態および逆火状態の少なくとも一方に関係づけられる光学特性を検出するように構成されている火炎検出器と、を備えることができる。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、ガス・タービンが開示される。ガス・タービンは、空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機と流れ連絡している燃焼器であって、圧縮空気を圧縮機アセンブリから受け取り、燃料ストリームを燃焼させて燃焼器出口ガス・ストリームを発生させるように構成された燃焼器と、を備えることができる。燃焼器は、燃焼器ハウジング内に配置された複数のノズルと、複数の燃料ノズルのそれぞれに配置され、それらと光通信している火炎検出器であって、各火炎検出器は、対応する燃料ノズルにおける保炎状態および逆火状態の少なくとも一方に関係づけられる光学特性を検出するように構成されている火炎検出器と、を備えることができる。
【０００７】
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開示される。本方法は、ノズルからの燃料と空気とを予混合装置内に導入することと、ガス予混合物を形成することと、ガス予混合物を燃焼室内で燃焼させて火炎を発生させることと、ノズルをモニタしてノズル内での保炎の存在を判定することと、を含むことができる。
【０００８】
これらおよび他の優位性および特徴は、以下の説明とともに図面からより明らかとなる。
【０００９】
主題は、本発明とみなされるものであるが、特に明細書の終わりの請求項において指摘され明瞭に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】典型的な実施形態によるガス・タービン・システムの図式説明図である。
【図２】典型的な実施形態による図１のガス・タービン・システムにおいて用いられる予混合装置を有する燃焼器の図式説明図である。
【図３】典型的な実施形態によるガス・タービンを概略的に例示する図である。
【図４】典型的な光学的検出器を有するノズル構成の側面斜視図を例示する図である。
【図５】単一の典型的な燃料ノズルを例示する図である。
【図６】典型的な実施形態による燃焼器を動作させるための方法のフロー・チャートを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明によって、本発明の実施形態とともに優位性および特徴を、一例として図面を参照して説明する。
【００１２】
典型的な実施形態には、燃料ノズル（たとえばガス・タービン内で用いられる燃料ノズル）における保炎／逆火を検出するシステムおよび方法が含まれている。特に、典型的な実施形態には、燃料ノズルにおける保炎／逆火を検出してガス・タービンに対する損傷を防止する適切な措置を取るように構成された火炎検出システムおよび方法が含まれている。次に図面を参照し、図１を最初に参照して、燃焼器１２を有するガス・タービン１０が例示されている。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を備えている。燃焼器１２は圧縮機１４と流れ連絡していて、圧縮空気１８を圧縮機１４から受け取り、燃料ストリーム２０を燃焼させて燃焼器出口ガス・ストリーム２２を発生させるように構成されている。加えて、ガス・タービン１０は、燃焼器１２の下流に配置されたタービン２４を備えている。タービン２４は、燃焼器出口ガス・ストリーム２２を膨張させて、外部負荷（たとえば発電機２６）を駆動するように構成されている。例示した実施形態においては、圧縮機１４は、タービン２４で発生したパワーによってシャフト２８を介して駆動される。燃焼器１２は、火炎検出装置を用いている。火炎検出装置は、ガス・タービン燃料ノズルにおける保炎／逆火を検出して、ガス・タービン１０に対する損傷を防止する適切な措置を取るように構成されている。
【００１３】
図２は、典型的な実施形態による図１のガス・タービン・システム１０において用いられる火炎検出装置６０を有する典型的な構成４０の図式説明図である。例示したように、構成４０は予混合装置４２を備えている。予混合装置４２は、燃料ノズル１９からの燃料２０と空気１８とを混合して、ガス予混合物４４を形成するように構成されている。さらに構成４０は、燃焼室４６を備えている。燃焼室４６は、予混合燃料４４を燃焼させて燃焼器出口ガス・ストリーム２２を形成するように構成されている。さらに、燃焼器出口ガス・ストリーム２２を、下流プロセス４８に（たとえば、外部負荷２６（図１参照）を駆動するためにタービン２４（図１参照）に）送る。予混合装置４２はさらに、複数の旋回翼５０を備えることができる。旋回翼５０は、燃料２０および空気１８の混合を促進するために燃料２０および／または空気１８に旋回運動（ｓｗｉｒｌ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を与えるように構成されている。
【００１４】
典型的な実施形態においては、構成４０はさらに、火炎検出装置６０を備えている。火炎検出装置６０は、構成４０の種々の場所（たとえば、これに限定されないが、ノズル１９）に結合して、これと通信状態になることができる。典型的な実施形態においては、本明細書でさらに説明するように、火炎検出装置６０は、燃料ノズル１９内の火炎を検出するように構成されている。構成４０はさらに、火炎検出６０に結合された制御ユニット６５を備えることができる。制御ユニット６５は、火炎検出から、ノズル１９内の火炎の検出に対応する信号を受け取るように構成されている。制御ユニット６５はさらに、空気１８の供給源（たとえば、図１の圧縮機１４）および燃料２０の供給源（たとえば、ノズル１９）と通信状態にある。本明細書でさらに説明するように、制御ユニット６５が、ノズル１９内に保炎／逆火が存在することを示す信号を受け取ると、制御ユニット６５は、ガス・タービンに対する損傷を軽減する適切な措置を取ることができる。制御ユニット６５が取ることができる適切な措置としては、燃焼室への燃料および空気の流れを中止することか、または保炎／逆火を減らすかもしくはなくすために空気および燃料の流れをある程度変更することが挙げられる。
【００１５】
図３に、典型的な実施形態による複数の火炎検出器１８０を備えるガス・タービン１００の例を概略的に例示する。ガス・タービンの例に例示する火炎検出器１８０は、ガス・タービン１００のノズルに結合されて、これと光通信しており、ノズル１６０内の火炎の存在を検出するように構成されている。
【００１６】
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を備えている。１または複数の燃焼筒１２０がディフューザ１５０を介して圧縮機１１０と流れ連絡している。燃焼筒１２０は、圧縮空気１１５を圧縮機１１０から受け取り、燃料ノズル１６０からの燃料ストリームを燃焼させて、燃焼器出口ガス・ストリーム１６５を発生させるように構成されている。燃焼器出口ガス・ストリーム１６５は、燃焼室１４０を通ってタービン１３０まで移動する。タービン１３０は、燃焼器出口ガス・ストリーム１６５を膨張させて外部負荷を駆動するように構成されている。燃焼筒１２０は外部ハウジング１７０を備えており、その中にノズル１６０および火炎検出器１８０が配置されている。
【００１７】
図４に、典型的な光学的検出器を有するノズル構成４００の側面斜視図を例示する。図４に例示する一連の６つのノズル１６０は、説明を目的として示している。他の典型的な実施形態においては、より少ないかまたは追加のノズル１６０も考えられる。図５は、単一の典型的な燃料ノズル１６０を例示する図である。
【００１８】
ノズル１６０をノズル・マウント１７５上に配置することができる。ノズル・マウント１７５は、各燃焼筒１２０に対する外部ハウジング上に取り付けるように構成されている。各燃料ノズル１６０は火炎検出器１８０を備えることができる。火炎検出器１８０は、燃料ノズル１６０の内壁に結合させることができるため都合が良い。当然のことながら、各燃料ノズル１６０は、対応する火炎検出器１８０を備えている。燃料ノズルはさらに、ガイド１８５を備えることができる。各ガイド１８５は、火炎検出器１８０とノズル・マウント１７５との間に配置されている。典型的な実施形態においては、ガイド１８５は、各燃料ノズル１６０の内部の長さに沿って配置されている。ガイド１８５は、内壁に隣接する長さに沿って配置することができる。当業者であれば分かるように、燃料ノズル１６０は内部通路を備えることができる。典型的な実施形態においては、ガイドは、内部通路内に燃料ノズル１６０の長さに沿って配置することができ、ノズル・マウント１７５内に後装することができる。結合器１９０を、ノズル・マウント１７５内に配置して、制御ユニット４０５に結合するためにガイド１８５を支持することができる。典型的な実施形態においては、ガイド１８５は火炎検出器１８０と光通信している光学ガイドである。典型的な実施形態においては、ガイド１８５は、後装されて、ノズル・マウント１７５上で通過している。典型的な実施形態においては、各ガイド１８５は、制御ユニット４０５に通信によって結合されている。
【００１９】
こうして、典型的な実施形態においては、光路を、各燃料ノズルとハウジング１７０の外部との間にノズル・マウント１７５を介して配置することができる。光路はそれぞれ、火炎検出器１８０を備えることができる、火炎検出器１８０は、各燃料ノズル１６０上に（たとえば、蝋付けを介して）配置されるレンズまたは窓とすることができる。典型的な実施形態においては、火炎検出器１８０はしたがって、燃料ノズル１６０の内壁１６１と外壁１６２との間に配置された視認領域５０５においてノズル１６０内の燃料の流れに垂直に位置合わせされた光学素子である。火炎検出器１８０の視認領域５０５は、燃焼にとって望ましい領域５１５とは対照的に、逆火または保炎が起こる可能性がある領域５１０内に配置することができる。したがって光路は最初は、燃料流れに対して垂直に配置される。光路はさらに、燃料ノズル１６０において火炎から発生した光を火炎検出器１８０を介して伝えるためのガイド１８５を備えることができる。典型的な実施形態においては、ガイド１８５は、一連のミラー、光ファイバ・ケーブル、または内側が鏡面研磨されたチューブとすることができ、制御ユニット４０５内の多重化中心に結合することができる。ガイド１８５は、ノズル１６０内の火炎によって発生した光を伝えることができる任意の光学装置とすることができる。本明細書で説明したように、ガイド１８５をそれから、ハウジング１７０から外部に出して制御ユニット４０５まで導くことができる。制御ユニット４０５は、火炎を光信号として検出するとともに、修正処置を取るように構成されている。修正措置は、たとえば、装置の燃料供給スケジュールを制御して、火炎を、損傷を受ける可能性がある燃料ノズル１６０内ではなく燃焼室内で維持するようにすることである。このように制御ユニット４０５は、光信号を受け取り、光信号を解釈して、火炎が燃料ノズル１６０内に存在する否かを判定するように構成されている。
【００２０】
典型的な実施形態においては、火炎検出器１８０は、特定の波長における火炎を検出するスペクトル応答を有する材料とすることもできる。こうして、燃料ノズル内で発生する火炎の火炎タイプおよび付随する波長が事前に判っていれば、検出器１８０に対して選ぶ材料は、決定した波長においてスペクトル応答を有することができる。たとえば、光学的検出器（たとえば、フォトダイオード）のスペクトル応答は主に、光学的検出器において用いる材料のバンド・ギャップ電圧によって決まることは良く知られている。ＳｉＣは、バンド・ギャップ電圧が３．１ボルトで、スペクトル応答は約２７０ｎｍにピークがあり、波長限界は約４００ｎｍである。たとえば、火炎検出器は、炭化水素燃料成分を含む炭化水素火炎スペクトル応答ピークに隣接するスペクトル応答ピークを有することができる。こうしてＳｉＣ検出器をノズル１６０上に実装して、ノズル１６０内での火炎の検出を図ることができる。典型的な実施形態においては、ガイド１８５は、電気的ガイド（たとえばワイヤ）であって、制御ユニット４０５に通信によって結合されるノズル・マウント１７５に後装されるものとすることができる。典型的な実施形態においては、制御ユニット４０５は、電気信号をガイド１８５から受け取って、スペクトル応答を信号から抽出し、ノズル１６０内に火炎が存在するか否かを判定するように構成されている。
【００２１】
このように、燃料ノズル逆火検出に対する光学的測定は、燃料熱放出が上流に移動してノズル１６０内に入ると、強力な光信号がバーナー・チューブ内に放出されるという原理に基づいている。火炎検出器１８０をノズル１６０内に配置することによって、ノズル１６０内で起こる事象の検出を、火炎検出器１８０によって形成された光学アクセス・ポートから光が検出されているという痕跡によって行なうことができる。
【００２２】
典型的な実施形態においては、制御ユニット４０５が受け取る信号のタイプにかかわらず、制御ユニット４０５は、信号応答を複数の検出器（たとえば、火炎検出器１８０）から検出すること、および保炎／逆火状態に応答して制御ユニット４０５が取る措置のタイプを決定するアルゴリズムを実施することが可能である。たとえば、制御ユニット４０５は、すべての火炎検出器をモニタすることができ、いずれかの火炎検出器１８０において火炎が検出された場合には、制御ユニット４０５は、火炎検出器１８０が火炎を検出したノズル１６０に対する燃料流れを中断または減らすことができる。また制御ユニット４０５は、投票アルゴリズムを実施することもできる。投票アルゴリズムは、逆火状態が、単一のノズル１６０だけではなく燃焼筒内に存在する場合があるか否かを判定することができる。たとえば、６つの検出器１８０のうち５つが、対応するノズル１６０内に逆火状態が存在すると判定した場合、制御ユニット４０５は、燃焼筒１２０に対する燃料を中断または減らすことができる。なぜならば、特定の筒は、火炎を保持する場合があるからである。同様に、１つの火炎検出器１８０のみが逆火を検出した場合、制御ユニット４０５は、火炎検出器１８０が別の読み取りを行なうまで燃料を続けることを決定することができる。さらに、複数の検出器素子を、火炎検出器１８０に対応するエンクロージャ内に設けることができる。たとえば、単一の火炎検出器１８０が、ノズル１６０の周りに配置された複数のレンズを備えていても良い。複数の検出器素子を多重化して、ノズル１６０内で検出された信号を総計することができる。このように、総計した信号を実施して、単一のノズル１６０に対する投票アルゴリズムの結果を決定することができる。
【００２３】
典型的な実施形態においては、本明細書で説明したアルゴリズムは、各火炎検出器１８０において周期的にサンプリングして、火炎がノズル内に存在するか否かを判定することができる。他の典型的な実施形態においては、本明細書に記載したアルゴリズムは、緊急の措置を取るべき火炎が検出されたか否かを常にモニタすることもできる。
【００２４】
火炎の検出に応答して、制御ユニット４０５は、予混合回路からの燃料を、完全にまたは部分的に、別の燃料回路（排気済みまたは未使用の燃料回路）に送り直すことができる。このようにして、制御ユニット４０５は、１つの作用を受けた燃料ノズル１６０に対して、選択的に燃料を減らすかまたは燃料を遮断することができる。当然のことながら、制御ユニット４０５が単一の燃料ノズル１６０のみに処置を施すならば、燃焼筒１２０が受ける中断を最小にすることができる。こうして、作用を受けた燃料ノズル１６０に、次の作業停止の間に補修することができる。
【００２５】
図６に、典型的な実施形態による燃焼器を動作させるための方法６００のフロー・チャートを例示する。ブロック６０５において、燃料ノズル（たとえば、図３の１６０）が燃料を予混合装置（たとえば、図２の４２）内に導入し、圧縮機（たとえば、図３の１１０）が空気を予混合装置内に導入する。ブロック６１０において、予混合装置がガス予混合物を形成する。ブロック６１５において、燃焼器（たとえば、図３の燃焼筒１２０）が予混合物を燃焼チャンバ（たとえば、図３の１４０）内で燃焼させる。ブロック６２０において、ノズルをモニタする。ブロック６２５において、火炎検出器が、火炎がノズル内で検出されたか否かをモニタすることができる。火炎検出器がノズル内の火炎を検出したら、ブロック６３０において、制御ユニット（たとえば、図４の制御ユニット４０５）が、予混合装置内への燃料流れを変更するかまたは本明細書に記載した他の適切な措置を行なうことができる。ブロック６２５において火炎検出器が火炎を検出しなかったら、プロセスはブロック６０５から続けることができる。本明細書で説明したように、制御ユニット４０５は、燃料ノズル内に火炎が存在するか否かを周期的にチェックすることができる。あるいは、制御ユニット４０５は、燃料ノズルを連続的にモニタして火炎が存在するか否かを調べることができる。
【００２６】
技術的効果としては、より広範囲の燃料をガス・タービン内で実施することが、保炎がノズル内で生じたか否かに対する懸念を減らした状態で可能であることが挙げられる。なぜならば、どんな保炎事象も検出できるからである。このように、本明細書に記載した逆火検出システムおよび方法によって、許容可能な燃料消費の変化に対する引用限界を引き上げることができる。
【００２７】
本発明を限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、これまで説明してはいないが本発明の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または等価な配置を取り入れるように、本発明を変更することができる。さらに加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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