JP4112043B2 - 温度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼技術の分野に関する。本発明は、特にガスタービンの燃焼器における火炎温度測定のための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼技術の分野における研究の開始以来、火炎温度の測定は常に重要視されている。火炎温度は、化石燃料の燃焼においては主要なパラメータである。なぜならば、火炎温度は、化学反応動力特性およびたとえばＮＯｘ等の有害物質の生成に直接的な関係を有するからである。さらに、燃焼過程時のエネルギ放出を知ることは、燃焼器の設計、および関連した全ての構成要素の機械的負荷および熱的負荷の測定のために不可欠である。
【０００３】
現在では、火炎温度を測定するための多数の技術が存在している。しかしこの場合、極端な使用条件が、温度センサに課せられた大きな要件となっているので、清潔な実験室条件下で性能を実証された全ての温度センサを工業用燃焼器において直接使用することができない。
【０００４】
現在汎用されている温度測定技術は大雑把に見て２つのカテゴリに分類することができる。すなわち、一方のカテゴリでは非光学的な温度センサが使用されており、他方のカテゴリでは光学的なセンサが使用されている。
【０００５】
非光学的な温度測定装置には、たとえば熱電対を有する点センサが属する。点センサは、離散した複数の点における簡単でかつ廉価な温度測定手段を提供しているが、ただし火炎のすぐ近くに取り付けられていなければならず、これにより火炎に影響を与えてしまう。さらに、熱電対は易破壊性に基づき、乱流高温の環境においてはその使用性が制限されている。その上このような環境においては化学的な表面反応により熱電対が損傷を受ける。
【０００６】
特にレーザ技術が知られるようになって以来、多くの光学的な温度測定装置が開発されている。このような光学的な温度測定方法としては、特に吸収技術および蛍光技術ならびに、レーザ散乱光を利用した様々な測定技術が挙げられる。前記光学的な測定方法に共通して云えることは、光源すなわちレーザを必要とすることである。したがって、これらの測定方法はアクティブな性質を有しているが、しかし熱電対とは異なり火炎に影響することはない。これらの方法は、光源から放出された光線と測定容量とを考慮して火炎の温度を推量する。
【０００７】
公知の光学的な、アクティブでない温度測定は高温測定法（pyrometry ）によって実施され、この場合、火炎中に含まれたすす粒子から放出される黒体放射線が利用される。しかしながら問題となるのは、気体燃料から形成された火炎に高温測定法による温度測定系を使用する場合である。この場合、すす含量が非常に低いために光学的な信号が極めて弱い。さらにこれに加えて問題となるのは、信号分析において、放射するすす粒子の、温度および波長に関連した放出能が大まかにしか知られておらず、このことは検出器への途中で生じる望ましくない吸収効果と相俟って方法の精度を損なう。
【０００８】
全ての公知の光学的な温度測定装置の取付けは、火炎からできるだけ小さな間隔を置いて実施される。この目的のために、測定センサは、燃料混合物の流れ方向に対して直角に燃焼器内火炎面に並設されているか、またはバーナの下流側でフロントプレートに設けられており、この場合、測定センサは火炎面に対して斜めに向けられている。
【０００９】
このような取付けの大きな欠点は、燃焼器内の熱音響的な揺動に基づき、火炎が所定の定点で発生せずに、燃焼器の領域で揺動してしまうことである。その結果、このような測定取付けを用いた温度測定は誤差を含んでいる。なぜならば、個々の火炎平面を連続的に検出することができないからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の光学的な温度測定装置を改良して、正確な温度測定を実施することができ、しかも火炎を損なうことなく測定センサにより迅速な測定が可能となると同時に、測定センサが廉価でかつ丈夫となるような温度測定装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、光学的な測定センサが、バーナの予混合域内で火炎面のすぐ上流側に配置されており、各測定センサが、ガスタービン燃焼器に導入される燃料流に対してほぼ平行および／または同軸的に向けられているようにした。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の本質を成す思想は、燃料流内で火炎面のすぐ上流側に配置された光学的な測定センサが、燃料流に対してほぼ平行および／または同軸的に向けられていて、これらの測定センサが、流れ方向で火炎面全体を捕捉する点に認められる。この場合、光学的な測定センサは火炎に影響を与えず、それと同時に光学的な温度測定は、ガスタービン燃焼器内に生じる熱音響的な圧力振動に基づく火炎の局所的な揺動によって損なわれない。
【００１３】
本発明の利点は特に、ガスタービンの運転時に燃焼器脈動とは無関係な正確な光学的火炎温度測定を行うことができる点にある。なぜならば、光学的なセンサの開口数が適宜な大きさに設定されていると、流れ方向で火炎の揺動が存在するにもかかわらず火炎面全体が常に捕捉されるからである。
【００１４】
１つの光学的な測定センサが、バーナの予混合域内で燃料流中に同軸的に配置されていて、多数の別の光学的な測定センサが、燃料流に対して平行にバーナ壁に配置されていると特に有利である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１６】
図面中、同一のまたは対応する部材は同じ符号で示されている。図面には本発明を理解するために重要となる構成要素しか示されていない。たとえば、検出された光信号から火炎温度を測定するための、測定センサに接続された評価ユニットは図示されていない。
【００１７】
図１には、たとえばガスタービンにおいて使用されているような円錐形のバーナが符号１で示されている。バーナ１には片側で燃料ライン４を介して燃料が供給され、空気ライン１０を介して燃焼空気が供給される。燃料と燃焼空気とは、流れ方向５でそれぞれ別個のラインを介してバーナ１に供給され、次いで燃料と燃焼空気とは、予混合域３においてできるだけ均一に互いに混合される。下流側において、バーナ１はフロントプレート９で終わっている。フロントプレート９は、火炎管２の構成要素であり、火炎管２はさらに燃焼器壁６によって仕切られている。火炎管２中では、予混合域３の下流側で火炎８が発生する。
【００１８】
光学的な温度測定のために、バーナ１とこのバーナ１に接続された燃料ライン４とには測定センサ７が配置されている。これらの測定センサ７は、第１には燃料の流れ方向５に対してほぼ平行に予混合域３に取り付けられているか、または第２には燃料ライン４の中心に設けられている。測定センサ７は全て火炎面８に向けられている。測定センサ７の開口数は、燃焼過程のために重要となる火炎面領域を含んだ円錐形の観察容量が開かれるような大きさに設定される。温度測定のためには、火炎面８が上流側から測定センサ７によって観察される。火炎８が、熱音響的な燃焼器振動に基づき流れ方向５に対して直角な平面で揺動しても、光学的な温度測定はこの影響をほとんど受けない。つまり、測定センサ７によって、前記火炎揺動にもかかわらず火炎面８全体が常に捕捉されるか、または予混合域３に取り付けられた測定センサ７の配置に対応して、常に同じ火炎区分が捕捉されるわけである。
【００１９】
図２には、測定センサ７の配置が、図１に示したＢ−Ｂ線に沿った横断面図で示されている。図２から判るように、１つの測定センサ７が燃料ライン４の中心に配置されているのに対して、６つの別の測定センサ７が半径方向で間隔を置いて配置されて燃料ライン４を取り囲んでいる。各測定センサ７は、多数のグラスファイバ１１を有しており、それぞれのグラスファイバ１１が測定ピックアップとして働く。ただし、１つのバーナに取り付けられる測定センサ７の数は重要ではない。すなわち本発明によれば燃料ライン４の中心に単に１つの測定センサ７を配置することも考えられ、その場合、この測定センサ７は、１つのグラスファイバ１１を備えているか、または冗長目的から複数のグラスファイバ１１を備えている。また、燃料ライン４を取り囲む複数の測定センサ７だけを備えた構成も考えられる。使用される測定センサ７の数ならびに測定センサ内に配置されたグラスファイバ１１の数は必要に応じて変えることができる。
【００２０】
測定センサ７の取付けを決定する判断基準は、測定センサ７を火炎面８のすぐ上流側に配置することである。この位置においてのみ、光学的な温度測定は、場合によって生じる火炎運動とは全く無関係に実施可能となり、ひいてはセンサ信号のできるだけ大きな安定性を保証する。
【００２１】
ピックアップされた信号を評価するためには、測定センサ７がたとえば適当な分光計（図示せず）に接続されている。その場合、公知の方法を用いて分光分析が実施され、この分光分析によって、分光分析と火炎温度との間の対応付けが可能となる。同様に、本発明による装置によって、火炎温度を測定するための公知の吸収技術および蛍光技術も使用可能となる。
【００２２】
当然ながら、本発明は、図示の上記実施例に限定されるものではない。すなわち本発明によれば、測定センサを流れ方向に対して平行に移動可能に配置し、これによってバーナ１の負荷点の変化時に測定センサを、対応する火炎平面に合わせて移動させることも可能である。また、同じ目的のために、予混合域に取り付けられた測定センサ７のための、バーナ軸線に対する傾斜角度の調節装置も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バーナと、バーナに隣接した燃焼器の縦断面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線に沿ったバーナの横断面図である。
【符号の説明】
１ バーナ、 ２ 火炎管、 ３ 予混合域、 ４ 燃料ライン、 ５ 流れ方向、 ６ 燃焼器壁、 ７ 測定センサ、 ８ 火炎面、 ９ フロントプレート、 １０ 空気ライン、 １１ グラスファイバ

Claims (4)

1. 予混合域（３）を有する円錐形のバーナ（１）にフロントプレート（９）を介して結合されたガスタービン燃焼室（２）における火炎の火炎面（８）の温度を測定するための装置において、前記バーナのバーナ軸線に沿って、予混合域（３）に燃料を供給するための燃料供給ライン（４）と、予混合域（３）に空気を供給するための空気ライン（１０）とが設けられており、前記予混合域において燃料と燃焼空気とが混合され、ガスタービン燃焼室（２）内に火炎を形成しながらバーナ軸線に沿った流れ方向（５）で点火し、バーナ軸線に沿って予混合域（３）内へ突出した燃料ライン（４）の中央に光学的な測定センサ（７）が配置されており、予混合域（３）を画定したバーナ壁部に、複数の別の光学的な測定センサ（７）が配置されており、これらの光学的な測定センサがそれぞれ、火炎面（８）全体が測定センサ（７）によって検出されるように火炎面（８）に向けられた開口を有することを特徴とする、火炎の火炎面の温度を測定するための装置。
2. 各測定センサ（７）が、束を形成するように組み合わされた多数のグラスファイバ（１１）を含む、請求項１記載の装置。
3. 測定センサ（７）が、流れ方向（５）に対して平行に移動可能に配置されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 測定センサ（７）を設定するための装置が設けられており、該装置によってそれぞれ、個々の測定センサ（７）とバーナ軸線との間の傾斜角度が設定されることができる、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。

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