(57)【要約】【課題】ガスタービンの構成部品において逆火状態を検出し、損傷を受ける前に適切な是正措置をとることができるようにすること。【解決手段】方法は、燃焼器（１０６）の燃料ノズル（１０４）において逆火状態を検出することができる。本方法は、燃焼器（１０６）から現在音圧信号を取得する段階と、現在音圧信号を解析し、燃焼器（１０６）の現在動作周波数情報を求める段階と、現在動作周波数情報に少なくとも部分的に基づいて逆火状態が存在することを示す段階と、を含む。【選択図】      図１
2010169384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１０６）の燃料ノズル（１０４）において逆火状態を検出する方法であって、
前記燃焼器（１０６）から現在音圧信号を取得する段階と、
前記現在音圧信号を解析し、前記燃焼器（１０６）の現在動作周波数情報を求める段階と、
前記現在動作周波数情報に少なくとも部分的に基づいて逆火状態が存在することを示す段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記燃焼器（１０６）から現在音圧信号を取得する段階が、センサ、プローブ、トランスデューサ、及びマイクロフォンのうちの１つ又はそれ以上を備えるデバイスを用いて前記燃焼器（１０６）内の音圧波を検出する段階を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記現在音圧信号を解析する段階が、周波数領域において前記現在音圧信号を表すよう動作する信号処理技術を実行する段階を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記信号処理技術が、高速フーリエ変換、短時間フーリエ変換、窓フーリエ変換、ウェーブレット変換、及びラプラス変換からなる群から選択される、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
通常動作中に前記燃焼器（１０６）からベースライン音圧信号を取得する段階と、
前記ベースライン音圧信号を解析し、前記燃焼器（１０６）に対するベースライン動作周波数情報を求める段階と、
を更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記逆火状態が存在することを示す段階が、
前記現在動作周波数情報を前記ベースライン動作周波数情報と比較する段階と、
前記現在動作周波数情報の１つ又はそれ以上の基調周波数が前記ベースライン動作周波数情報の基調周波数と異なることに応答して、前記逆火状態が存在することを示す段階と、
を含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記逆火状態が発生している間に前記燃焼器（１０６）から異常音圧信号を取得する段階と、
前記異常音圧信号を解析し、前記燃焼器（１０６）に対する異常動作周波数情報を求める段階と、
を更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記逆火状態が存在することを示す段階が、
前記現在動作周波数情報を前記異常動作周波数情報と比較する段階と、
前記現在動作周波数情報の１つ又はそれ以上の基調周波数が前記異常動作周波数情報の基調周波数と実質的に一致することに応答して、前記逆火状態が存在することを示す段階と、
を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記現在音圧信号を解析する段階が、前記音圧信号を濾波する段階を更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記現在音圧信号を解析する段階が、前記燃焼器（１０６）に対する現在動作周波数及び振幅情報を求める段階を更に含み、
前記燃焼器（１０６）内に逆火状態が存在することを示す段階が、前記燃焼器（１０６）の通常動作に関連付けられるベースライン周波数及び振幅情報と、前記燃焼器（１０６）における逆火状態に関連付けられる異常動作周波数及び振幅情報とのうちの１つ又はそれ以上に前記現在動作周波数及び振幅情報を比較する段階を含む、
請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的にガスタービンにおける逆火状態を検出するシステム及び方法に関し、より詳細には、燃焼器の予混合燃料ノズルにおける逆火状態を検出するために音圧を監視するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは一般に、圧縮機、燃焼システム、及びタービンセクションを含む。燃焼システム内では、空気と燃料が燃焼して空気燃料混合気を発生する。次いで、空気燃料混合気は、タービンセクションにおいて膨張される。
【０００３】
従来、燃焼システムは、拡散燃焼器を利用していた。拡散燃焼器において、燃料が燃焼器内に直接拡散され、ここで燃料が空気と混合して燃焼する。拡散燃焼器は、効率的ではあるが、比較的高いピーク温度で作動され、これにより、亜酸化窒素（ＮＯｘ）などの比較的高レベルの汚染物を生成する。
【０００４】
燃焼プロセスにより生じるＮＯｘのレベルを低減するために、乾式低ＮＯｘ燃焼システムが開発された。これらの燃焼システムは希薄予混合燃焼を用いている。希薄予混合燃焼では、空気と燃料が燃料ノズルで予混合されて、比較的均一な空気燃料混合気を生成する。次いで、燃料ノズルは、この空気燃料混合気を燃焼室に噴射し、ここで空気燃料混合気が制御された比較的低いピーク温度で燃焼される。
【０００５】
このような燃焼システムは、低レベルのＮＯｘエミッションを達成するが、燃料ノズルは、火焔がノズルの１つ又はそれ以上において安定化する逆火状態を生じる可能性が比較的高い場合がある。燃料ノズルにおいて逆火状態が生じる一般的な１つの理由は、上流火焔伝播事象であり、この場合、火焔が、燃焼室の予想位置から上流の燃料ノズルに向けて伝播する。燃料ノズルにおいて逆火状態が生じる別の一般的な理由は、ノズル内の空気燃料混合気が単独で点火する自動点火である。原因に関わらず、火焔は、燃料ノズル内で安定化する傾向があり、これは、損傷を受けたハードウェアが流路内に放出される場合には、燃料ノズル又はガスタービンの他の部分に損傷を加える可能性がある。
【０００６】
この問題に対処するために、燃焼システムは、通常、燃料ノズル内で火焔が安定化するのを防ぐことを目的として耐逆火性であるように設計される。しかしながら、耐逆火性燃焼システムは、天然ガスのような従来の燃料よりも逆火状態を生じる可能性が比較的高い水素などの反応性燃料を用いてはこれまで達成されていない。反応性燃料向けの耐逆火性燃焼システムが無いことは、これらを使用することに環境的な利点があるにもかかわらず、その実用性を制限している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
当該技術分野が必要としていることは、損傷を受ける前に適切な是正措置をとることができるように、水素リッチ燃料を燃焼する乾式低ＮＯｘ燃焼器の燃料ノズルのようなガスタービンの構成部品において逆火状態を検出するシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
方法は、燃焼器の燃料ノズルにおいて逆火状態を検出することができる。本方法は、燃焼器から現在音圧信号を取得する段階と、現在音圧信号を解析し、燃焼器の現在動作周波数情報を求める段階と、現在動作周波数情報に少なくとも部分的に基づいて逆火状態が存在することを示す段階とを含むことができる。
【０００９】
開示されるシステム及び方法の他のシステム、デバイス、方法、特徴、及び利点は、添付の図及び詳細な説明を検証すると当業者には明らかであり、又は明らかになるであろう。このような全ての追加のシステム、デバイス、方法、特徴、及び利点は、本明細書内に含まれるものとし、また、添付の請求項によって保護されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃焼器の燃料ノズルにおいて逆火状態を検出するためのシステムの実施形態を示すブロック図。
【図２】燃焼器の燃料ノズルにおいて逆火状態を検出するためのシステムの実施形態を例証する、燃焼器の実施形態の断面図。
【図３】燃焼器の燃料ノズルにおいて逆火状態を検出する方法の実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、以下の図を参照するとより理解することができる。複数の図全体を通じて、同じ参照符号は対応する要素を示しているが、各図の構成要素は必ずしも正確な縮尺ではない。
【００１２】
ガスタービンの燃焼器の燃料ノズルにおけるような、ガスタービンでの逆火状態を検出するために音圧を監視するシステム及び方法を以下で説明する。逆火状態は、燃料ノズルへの上流火焔伝播及び／又は燃料ノズルでの空気燃料混合気の自動点火により生じる可能性がある。システム及び方法は、燃焼室内の音圧信号を監視及び解析することによって逆火状態を検出することができる。音圧信号は、燃焼室を通って伝播する動的圧力波に関連する周波数スパイクを含むことができる。周波数スパイクは、燃焼器の通常の動作に関連する周波数とは異なる可能性があり、或いは、周波数スパイクは、燃焼器の異常動作に関連する周波数と一致する場合がある。この両方の場合では逆火状態を示すことができる。
【００１３】
よって、燃焼器の燃料ノズルの何れかにおいて逆火状態を検出するために、検出がノズルレベルではなく燃焼器レベルで行うので、各ノズルにセンサを関連付ける必要はない場合がある。このような構成は、逆火検出に伴うコストを低減することができる。実施形態では、システム及び方法は、他の機能を提供するプローブを利用することができる。例えば、プローブは、燃焼器内の動的圧力を監視するのに好適な燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブを含むことができる。このような場合、ガスタービンを改造して当該システムを組み込むことは比較的容易であり且つ安価とすることができる。
【００１４】
図１は、ガスタービンにおける逆火状態を検出するためのシステム２００の実施形態を示すブロック図である。通常、ガスタービンは、図示のように、圧縮機１０２、燃焼システム１０３、及びタービンセクション１０８を含む。圧縮機１０２は、流入空気を高圧に圧縮することができる。燃焼システム１０３は、燃料と共に加圧空気を燃焼して高温ガスを生成することができる。タービンセクション１０８は、高温ガスを膨張させて負荷を駆動し、更に、場合によっては圧縮機１０２を駆動することができる。
【００１５】
通常、燃焼システム１０３は、タービンセクション１０８の回りに円周方向に間隔を置いて配置された幾つかの燃焼器１０６を含む。燃焼器１０６の各々は、幾つかの燃料ノズル１０４によって支持され、該燃料ノズル１０４は、燃焼器１０６の入口に並列に配列される。
【００１６】
場合によっては、燃焼システム１０３は乾式低ＮＯｘ燃焼システムとすることができ、これは、拡散燃焼システムよりも比較的より環境に配慮したものとすることができる。乾式低ＮＯｘ燃焼システムでは、各燃焼器１０６は乾式低ＮＯｘ燃焼器とすることができ、対応する燃料ノズル１０４は、予混合ノズルとすることができる。作動時、圧縮機１０２からの加圧空気は、燃料ノズル１０４内で燃料と混合されて空気燃料混合気を形成することができる。続いて、燃料ノズル１０４は、空気燃料混合気を対応する燃焼器１０６に排出し、該燃焼器１０６は、空気燃料混合気の効率的に燃焼するように制御されたエンベロープとしての機能を果たす燃焼室又は「缶」を特徴として備える。
【００１７】
簡略にする目的で、ガスタービン１００の燃焼システム１０３が図１に示されており、１つの燃料ノズル１０４と１つの燃焼器１０６とを参照して以下で説明しているが、燃焼システム１０３は一般に、幾つかの燃焼器１０６を並行して含み、その各々が幾つかの燃料ノズル１０４によって同時に支持されることは当業者であれば理解されるであろう。
【００１８】
通常、燃焼システム１０３の動作は、特定の燃焼ダイナミックスによって特徴付けられる。具体的には、燃焼器１０６内部のガスは、燃焼プロセス中に動的圧力波を形成することができる。動的圧力波は、既知の又は期待される一定の周波数に従って燃焼室を伝播することができる。これらの動的圧力波は、本明細書では音圧波と同義的に呼ばれる。場合によっては、動的圧力波は、可聴範囲の周波数で伝播することができ、その結果、燃焼器１０６の動作は、弁別的な音波によって特徴付けられる。
【００１９】
動的圧力波の変動は、燃焼システム１０３における変動を示すことができるので、従来の大部分のガスタービンには、動的圧力波を監視するための機器が取り付けられている。また、動的圧力波は、過剰な振動のような燃焼システム１０３において変動を引き起こす可能性がある。図２を参照して以下で説明するように、監視機器は、燃焼器１０６に関連付けられる動圧センサ又はトランスデューサを含むことができるが、他の構成も実施可能である。監視機器は、燃焼器で発生する燃焼ダイナミックスを表す音圧信号を燃焼器１０６から取得することができる。望ましくない燃焼ダイナミックスに加えて、燃焼システム１０３は、燃料ノズル１０４の１つ又はそれ以上における逆火状態の発生の影響を受けやすい可能性がある。本明細書で使用される用語「逆火状態」とは、燃料ノズル１０４における持続的な火焔燃焼を意味する。逆火状態は、火焔が燃焼器１０６から燃料ノズル１０４に進む上流火焔伝播事象、及び燃料ノズル１０４内で火焔が自動的に点火する自動点火事象を含む、種々の理由で発生する可能性がある。逆火状態は、特に水素などの比較的反応性の高い燃料を利用する乾式低ＮＯｘ燃焼システムにおいて生じる可能性がより高い。
【００２０】
一部の逆火状態は、燃焼システム１０３の燃焼ダイナミックスの関連する変動又は変化によって特徴付けることができる。具体的には、動的圧力波は、火焔状態の発生より前に或いはこれに応答して、異なる周波数又は予期しない周波数に従って発振又は伝播する場合がある。例えば、動的圧力波は、周波数の変化又はシフティングによる既存の逆火状態に応答することができ、或いは、動的圧力波の周波数シフト又は変化が燃焼システム１０３の変動を引き起こすことができ、これが逆火状態をもたらすことになる。これらの影響の組み合わせが生じる場合もある。
【００２１】
このような場合、動的圧力波の監視により、燃料ノズル１０４における逆火状態の発生の検出を可能にすることができる。その結果、逆火状態を低減又は消火させるための是正措置を取ることができ、これは、乾式低ＮＯｘ燃焼システムが水素燃料を用いて作動される場合など、燃焼システムが逆火状態に耐えるか、又はこれを回避するように設計されていない場合には有利とすることができる。
【００２２】
従って、図１には、ガスタービン１００の燃焼システム１０３における逆火状態を検出するためのシステム２００も示されている。図示のように、システム２００は一般に、音圧センサ２１０及びコントローラ２１２を含む。音圧センサ２１０は、燃焼器１０６からの音圧信号を検出、取得、又は監視を行うよう作動する何らかのセンサ、トランスデューサ、プローブ、又はマイクロフォンとすることができる。例えば、音圧センサ２１０は、燃焼器１０６内の動的圧力波を検出することができ、更に検出した動的圧力波を電気信号にコード化することができるトランスデューサを有するプローブとすることができる。
【００２３】
システム２００はまた、コントローラ２１２を含むことができる。コントローラ２１２は、本明細書で説明される機能を実行するハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせを用いて実施することができる。例証として、コントローラ２１２は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、コンパレータ、差動モジュール、又は他のハードウェア手段とすることができる。同様に、コントローラ２１２は、メモリ内に格納されて、プロセッサ又は他のプロセッシング手段によって実行することができるソフトウェア又は他のコンピュータ実行可能命令を含むことができる。
【００２４】
音圧センサ２１０は、音圧信号をコントローラ２１２に伝達することができる。音圧センサ２１０は、この目的でコントローラ２１２と電気的に接続することができる。コントローラ２１２は、燃焼器１０６から検出された音圧信号を解析して、燃焼システム１０３の現在の動作に関連付けられた１つ又はそれ以上の基調周波数を識別するよう動作することができる。例えば、コントローラ２１２は、検出された音圧信号に対して信号処理技術を実施することができる。信号処理技術は、周波数領域における音圧信号を表すように構成されたスペクトル解析を含むことができる。このような信号処理技術の実施例には、高速フーリエ変換、短時間フーリエ変換、窓フーリエ変換、ウェーブレット変換、及びラプラス変換が含まれるが、ここでは他の技術を用いることもできる。周波数領域で音圧信号を処理することによって、コントローラ２１２は、燃焼システム１０３の現在の動作に関連付けられた１つ又はそれ以上の基調周波数を識別することができる。コントローラ２１２は、これらの周波数を利用して、燃焼システム１０３内に火焔状態が存在するかどうかを判定することができる。
【００２５】
コントローラ２１２はまた、燃焼器１０６の現在の動作に関連付けられた１つ又はそれ以上の基調周波数に少なくとも部分的に基づいて、燃焼システム１０３内に逆火状態が存在することを示すように動作することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態において、コントローラ２１２は、通常動作を示す周波数情報とは異なる現在動作周波数情報に応答して、逆火状態が燃焼システム１０３に存在することを示すことができる。より具体的には、燃焼システム１０３の通常動作中、燃焼器１０６の音圧は、特定のベースライン周波数によって特徴付けることができる。これらのベースライン周波数は、既知の又は通常の実験を通じて確認される値を有することができる。例えば、ベースライン周波数は、燃焼システム１０３を通常の状態で動作させ、燃焼器１０６からベースライン音圧信号を取得し、ベースライン音圧信号を解析してベースライン周波数を識別することによって決定することができる。
【００２７】
その後、コントローラ２１２が、システム２００の動作中に比較の目的でベースライン周波数情報にアクセスし、火焔状態を検出するようにすることができる。例えば、ベースライン周波数情報は、コントローラ２１２によって実行される動作プログラム内に、又はコントローラ２１２がアクセス可能なメモリ内に記憶させることができる。コントローラ２１２が現在音圧信号を解析して現在動作周波数を決定した後、コントローラ２１２は、通常の燃焼器動作を表すベースライン周波数情報と現在動作周波数情報とを比較することができる。現在動作周波数情報がベースライン周波数情報と完全に又は部分的に異なる場合には、コントローラ２１２は、燃料ノズル１０４の１つにおけるなど、燃焼システム１０３において逆火状態が存在することを示すことができる。
【００２８】
他の実施形態において、コントローラ２１２は、逆火状態を示す異常周波数情報に相当する現在動作周波数情報に応答して、燃焼システム１０３内に逆火状態が存在することを示すことができる。より具体的には、燃焼器１０６の音圧信号は、燃焼システム１０３内で逆火状態が生じたか又は生じているときには、特定の異常周波数によって特徴付けることができる。これらの異常周波数は、既知の又は通常の実験により確認される値を有することができる。例えば、異常周波数は、逆火事象中に燃焼システム１０３を動作させ、燃焼器１０６から異常音圧信号を取得し、異常音圧信号を解析して異常動作周波数を識別することによって決定することができる。
【００２９】
その後、コントローラ２１２がシステム２００の動作中に異常周波数情報にアクセスし、逆火状態を検出することができる。例えば、異常周波数情報は、コントローラ２１２によって実行される動作プログラム内に、又はコントローラ２１２がアクセス可能なメモリ内に記憶させることができる。コントローラ２１２は、逆火状態を表す異常周波数情報と現在動作周波数情報とを比較することができる。現在動作周波数情報が異常周波数情報と完全に又は部分的に一致する場合、コントローラ２１２は、燃料ノズル１０４の１つにおけるなど、燃焼システム１０３において逆火状態が存在することを示すことができる。
【００３０】
上記で説明された実施形態は、必要に応じて組み合わせて変えることができる。例えば、コントローラ２１２は、現在動作周波数の何れかがベースライン周波数の各々とは実質的に異なることに応答して、逆火状態が存在することを示すことができる。別の例示として、コントローラ２１２は、現在動作周波数の何れかが異常周波数の何れかと実質的に一致することに応答して、逆火状態が存在することを示すことができる。これらの実施例の組み合わせを利用することもできる。場合によっては、コントローラ２１２は、比較の目的で情報セットの両方又は片方を利用できる場合には、ベースライン周波数情報と異常周波数情報の両方を認識することができる。更に、ベースライン周波数情報に基づいて許容可能な周波数の範囲を設定することができ、異常周波数情報に基づいて許容可能でない周波数の範囲を設定することができる。このような場合、コントローラ２１２は、この範囲と現在動作周波数情報との比較に応答して、逆火状態が存在することを示すことができる。例えば、コントローラ２１２は、動作周波数の何れかが、許容可能なベースライン周波数の各範囲に入らない場合、又は許容可能でない周波数の範囲に入る場合には、逆火状態が存在することを示すことができる。
【００３１】
実施形態において、システム２００はまた、検出された周波数、及び既知のベースライン又は異常周波数の振幅を記憶、検出、及び比較することができる。このような実施形態では、コントローラ２１２は、既知の異常周波数の何れか又はその近傍にある現在動作周波数、或いは既知の正常周波数の何れかから実質的に離れている現在動作周波数の振幅が鋭い立ち上がりを示したときに、逆火状態が存在することを示すことができる。このような実施形態では、システム２００は比較的ロバストとすることができる。より具体的には、少なくとも１つの異常な基調周波数の検出に伴う振幅の鋭い立ち上がりは、逆火状態の発生のより確実な指標となることができる。このような実施形態では、予め設定された振幅閾値を設定することができる。これらの振幅閾値は、比較の目的でシステム２００の動作中にコントローラ２１２がアクセスすることができる。コントローラ２１２は、既知の異常周波数の何れか又はその近傍にある現在動作周波数、或いは既知の正常周波数の何れかから実質的に離れている現在動作周波数が設定閾値を超える振幅を有する場合には、逆火状態が燃焼システム１０３に存在することを示すことができる。
【００３２】
振幅の監視は、逆火状態のロバストな指標となることができるが、音圧信号にかなりのノイズが存在する場合には、振幅の鋭い立ち上がりを監視することが困難である可能性がある。音圧信号内のノイズは、燃焼器１０６内の振動など、様々な原因により生じる可能性がある。従って、コントローラ２１２は、音圧信号からノイズを濾波し、逆火とは無関係の振動又は他の影響に関連付けられる周波数を除去するよう動作することができる。例えば、コントローラ２１２は、帯域通過フィルタ、ノッチフィルタ、又はこれら及び他のフィルタの組み合わせを含むことができる。ノッチフィルタは、音圧信号の基調周波数が近接した間隔で配置されている場合に用いることができる。
【００３３】
ベースライン及び異常周波数並びに振幅情報は、個々のレベル又はモデルレベルの何れかで各燃焼器１０６又は燃焼システム１０３に伴って変わる可能性がある点に留意されたい。
【００３４】
上述のように、コントローラ２１２は、信号処理技術を利用して、周波数領域内で検出された音圧信号を解析することができる。音圧信号内に存在する基調周波数の特定を可能にするあらゆる技術を用いることができる。高速フーリエ変換などの何らかの好適な技術は、基調周波数が何時生じたかに関する情報を提供しない場合がある。従って、幾つかの実施形態では、コントローラ２１２は、特定の周波数が生じたウィンドウ又は時点を識別できる信号処理技術を利用してもよい。１つの実施例は、周波数領域解析を特定の空間ウィンドウに限定することができる窓フーリエ変換である。このような場合、比較的大きな時間ウィンドウを利用して、検出される比較的低い周波数を求めることができ、他方、比較的小さな時間ウィンドウを利用して、検出される比較的高い周波数を求めることができる。別の実施例は、検出周波数が生じた時間に関する情報を提供することができるウェーブレット変換である。特定の周波数が生じたウィンドウ又は時点が既知となることで、同様の動作条件で所与のガスタービンの繰り返し運転の間に逆火状態が再発するのを防ぐのを助けることができる。
【００３５】
逆火状態は、種々の理由による音圧信号の周波数シフト又は変化と相関付けることができる点に留意されたい。例えば、燃焼器１０６が希薄予混合燃焼で作動する実施例では、燃焼火焔は、燃料不足による消火の境界上で燃焼することができる。このような燃焼は、燃焼器１０６内で放熱振動を生じる可能性があり、これは、燃焼器１０６の音響モードを励起し、比較的大きな振幅の圧力振動又は脈動を引き起こす場合がある。これらの圧力脈動は、燃焼器１０６から上流側の燃料ノズル１０４に伝わり、燃料ノズル１０４の前後で振動による圧力低下を生じる可能性がある。燃焼器１０６への燃料の振動性送給は、燃料ノズル１０４において燃料濃度波の下流側への伝播を生じる可能性がある。燃料濃度波が燃料ノズル１０４内に十分な時間期間の間存在する場合には、燃料ノズル１０４内の温度上昇により、従来の点火手段がない場合でも空気燃料混合気が自動点火する可能性がある。従って、燃料ノズル１０４内での逆火状態が生じる可能性がある。
【００３６】
別の実施例として、燃料ノズル１０４内の逆火状態は、燃焼誘起の渦崩壊により生じる可能性がある。燃焼中、燃焼器１０６中のスワール（旋回）流が渦流を引き起こす場合があり、これが上流側の燃料ノズル１０４内に伝わることができる。渦流の振動は、燃料ノズル１０４内部での渦崩壊につながる可能性があり、結果として燃料ノズル１０４内部に低圧ゾーンを生じることになる。圧力勾配の結果として、燃焼火焔は上流側の燃料ノズル１０４に伝播することができる。これら及び他の事例では、燃料ノズル１０４における逆火状態は、燃焼器１０６から得られる音圧信号において具現化することができる圧力振動の特定の周波数によって特徴付けることができる。
【００３７】
図２は、燃焼システム１０３の燃料ノズル１０４における逆火状態を検出するためのシステムの実施形態を例証する、燃焼システム１０３の実施形態の断面図である。実施形態において、システム２００は、乾式低ＮＯｘ燃焼システムに関して実施することができ、この場合、燃料ノズル１０４は予混合ノズルとすることができるが、他の構成も実施可能である。
【００３８】
実施形態において、システム２００は、図２に示された燃焼器１０６に関連付けられるプローブ２１４を含むことができる。具体的には、プローブ２１４は、燃焼ケーシング１１６、フロースリーブ１１８、及び燃焼ライナ１２０を通り、更に燃焼室１２２に延びることができる。プローブ２１４は、音圧信号を検出するためのセンサ２１０、及び場合によっては検出信号を解析して火焔状態を示すためのコントローラ２１２を含むことができる。或いは、コントローラ２１２は、図示のようにプローブ２１４とは別個にすることができる。
【００３９】
図２に示すように、音圧センサ２１０は、燃焼室１２２内に位置付けられることになるプローブ２１４の一部に配置することができる。音圧センサ２１０の位置決めは、燃焼室火焔に起因して燃焼室１２２で生成される圧力脈動を検出するように選択される。次いで、音圧センサ２１０は、信号プロセッサを含むコントローラ２１２に電気信号を送信する。
【００４０】
プローブ２１４は、燃焼室内で音圧信号を検出することによって燃料ノズル１０４の何れかにおける逆火状態を検出することができるので、該プローブ２１４は、ガスタービン１００を改造してシステム２００を組み込むコストを低減することができる。従って、各燃料ノズル１０４内に個々のセンサが必要ではなくなり、実装及びメンテナンスコストを低減することができる。
【００４１】
実施形態において、プローブ２１４は、燃焼器１０６内の燃焼ダイナミックスを監視する既存の機器のような、ガスタービン１００の既存のプローブと関連付けることができる。このような機器の実施例は、燃焼室１２２内の動的圧力波を監視する燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブである。このような実施形態において、ガスタービン１００を改造してシステム２００を組み込むことは、既存のＣＤＭプローブを改造してセンサ２１０及びコントローラ２１２を含むプローブ２１４を組み込むこと、或いは、許容可能なセンサ２１０を含む既存のＣＤＭプローブを上述のコントローラ２１２に取り付けることと同程度に容易とすることができる。
【００４２】
図３は、燃焼器の燃料ノズルにおける火焔状態を検出するための方法の実施形態を示すブロック図である。ブロック３０２において、音圧信号が燃焼器から得られる。燃焼器は、例えば、乾式低ＮＯｘ燃焼器とすることができる。実施形態において、燃焼器は、水素などの比較的反応性の高い燃料を利用することができる。音圧信号は、音圧センサ、プローブ、トランスデューサ、又はマイクロフォンを用いて燃焼器から得ることができる。実施形態において、音圧信号は、燃焼器における動的圧力波を監視する燃焼ダイナミックス監視プローブを用いて得ることができる。
【００４３】
ブロック３０４において、音圧信号が解析され、燃焼器の現在動作周波数情報を求める。現在動作周波数情報は、音圧信号内に存在する１つ又はそれ以上の基調周波数を含むことができる。これらの基調周波数は、現在の動作中に燃焼システムを伝播する圧力波の周波数を表すことができる。解析は、信号プロセッサなどのコントローラを用いて実行することができる。解析は、周波数領域における音圧信号を表すように動作可能な1つ又はそれ以上の信号処理技術を含むことができる。例示的な信号処理技術には、高速フーリエ変換、短時間フーリエ変換、窓フーリエ変換、ウェーブレット変換、又はラプラス変換が含まれるが、他の技術又はこれらの組み合わせを利用してもよい。実施形態において、音圧信号の解析は、音圧信号を濾波し、振動などのノイズを除去することを含むことができる。このような実施形態では、音圧信号は、信号処理技術を実行する前に濾波することができる。実施形態において、音圧信号の解析は、現在動作周波数情報における各基調周波数に関連付けられた振幅を求めることを更に含むことができる。
【００４４】
ブロック３０６において、現在動作周波数情報に少なくとも部分的に基づいて、逆火状態が示される。逆火状態は、通常動作を示すベースライン周波数情報又は逆火状態を示す異常周波数情報のうちの1つ又はそれ以上と現在動作周波数情報との比較に応答して示すことができる。実施形態では、逆火状態は、現在動作周波数情報が通常動作を示すベースライン周波数情報と実質的に完全に又は部分的に異なることに応答して示すことができる。例えば、逆火状態は、現在動作周波数情報における基調周波数の１つがベースライン周波数情報における基調周波数の各々と実質的に異なることに応答して示すことができる。このような実施形態では、方法３００は更に、通常動作中に燃焼器からベースライン周波数情報を得ることを含むことができ、これは、逆火状態が生じていないことが燃焼システムが認識している場合を意味する。例えば、燃焼システムは、通常の状態で動作することができ、ベースライン音圧信号を得ることができ、ベースライン音圧信号を解析して、燃焼システムの通常動作に関連付けられる１つ又はそれ以上の基調周波数を求めることができる。次いで、方法３００は、現在動作周波数をベースライン動作周波数と比較し、少なくとも１つの現在動作周波数がベースライン動作周波数の各々と異なるかどうかを判断することができる。
【００４５】
他の実施形態では、逆火状態は、現在動作周波数情報が逆火状態を示す異常周波数情報に実質的に完全に又は部分的に一致することに応答して示すことができる。例えば、逆火状態は、現在動作周波数情報の基調周波数の１つが異常周波数情報の基調周波数の１つと実質的に一致することに応答して示すことができる。このような実施形態では、方法３００は更に、異常動作中に燃焼器から異常周波数情報を得ることを含むことができ、これは、燃料ノズル内に逆火状態が生じていることを燃焼システムが認識している場合を意味する
例えば、燃焼システムは、異常状態で動作することができ、異常音圧信号を得ることができ、更に、異常音圧信号を解析して、燃焼システムの異常動作に関連付けられる１つ又はそれ以上の基調周波数を求めることができる。次いで、方法３００は、現在動作周波数を異常動作周波数と比較し、現在動作周波数の１つが異常動作周波数の１つと一致するかどうかを判断することができる。
【００４６】
これら２つの代替形態はまた、逆火状態を示す望ましい機能を達成するように組み合わせて変更することができる。更に、周波数範囲は、ベースライン及び異常周波数情報に基づいて設定することができ、この場合、現在動作周波数が、ベースライン周波数の許容可能な範囲に入らないこと、又は異常周波数の許容可能でない範囲に入ること、或いはこれらの組み合わせであることに応答して、逆火状態を示すことができる点は理解されたい。
【００４７】
また、実施形態において、方法３００は周波数の振幅を考慮することができる。例えば、ブロック３０４において、音圧信号を解析し、１つ又はそれ以上の現在動作周波数及び各周波数の振幅を求めることができる。このような場合、ブロック３０６において、逆火状態は、必要に応じて、現在動作周波数の振幅と１つ又はそれ以上のベースライン又は異常周波数の振幅との比較に応答して示すことができる。ベースライン及び異常周波数情報に基づいて振幅閾値を設定することができ、この場合、火焔状態は、現在動作周波数の振幅が許容閾値振幅を超えることに応答して示すことができる点に留意されたい。当業者であれば、上記開示に基づいた構成の範囲を実施することができ、各構成は、本開示の範囲内に含まれる。
【００４８】
本明細書は、本発明の最良の形態を含む実施例を使用して本発明を開示しており、また、当業者であれば、何れかのデバイス又はシステムを実施し利用すること、並びに何れかの包含される方法を実行することを含めて、本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者には想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４９】
１００  ガスタービン
１０２  圧縮機
１０３  燃料システム
１０４  燃料ノズル
１０６  燃焼器
１０８  タービンセクション
１１６  燃焼ケーシング
１１８  流れスリーブ
１２０  燃焼ライナ
１２２  燃焼室
２００  システム
２１０  音圧センサ
２１２  コントローラ
２１４  プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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