(57)【要約】【課題】燃焼ダイナミックスを誘起するための方法及びシステムを提供すること。【解決手段】タービンエンジン（１０）の運転中にタービンエンジン（１０）内の燃焼堆積物（７８）を除去するために、タービンエンジン内に燃焼ダイナミックスを誘起する方法（８４）及びシステムが提供される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１０）の第１のパラメータを測定する段階（８６）と、
前記第１のパラメータの測定値に少なくとも部分的に応答して、前記タービンエンジン内の堆積物を除去するために燃焼ダイナミックスを増大させるよう前記タービンエンジン（１０）の第２のパラメータを制御する段階（９０）と、
前記堆積物の除去後に燃焼ダイナミックスを減少させるよう前記タービンエンジン（１０）の第２のパラメータを制御する段階（９６）と
を含む方法（８４）。
【請求項２】
前記第１のパラメータを測定する段階が、圧力、温度、性能、効率又はこれらの組合せを測定する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２のパラメータを制御する段階が水燃料噴射比を少なくとも約２０％増大させる段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第２のパラメータを制御する段階が、燃料流のパルス化、噴霧空気圧力調整、水流量調整、蒸気流量調整又はこれらの組合せを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記第２のパラメータを制御する段階が、燃焼ダイナミックスの圧力振幅又は周波数或いはこれらの組合せを増大させる段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項６】
燃焼器（１２）と、該燃焼器に複数の流体を供給するよう構成された燃料ノズルとを含むタービンエンジン（１０）を備えたシステムであって、
前記流体が、燃料（１４）、噴霧空気（２０）、水（２４）又はこれらの組合せを含み、前記タービンエンジン（１０）が、該タービンエンジン（１０）の運転中にタービンエンジン（１０）内の堆積物（７８）を除去するために、前記流体（１４、２０、２４）の流れを調整して一時的に燃焼ダイナミックスを増大させるように構成されている、システム。
【請求項７】
前記タービンエンジン（１０）が、前記堆積物（７８）を除去するために、前記燃料ノズル（５２）の水（２４）燃料（１４）噴射比を増大させて、一時的に燃焼ダイナミックスを増大させるように構成されている、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記タービンエンジン（１０）が、前記堆積物（７８）を除去するために、前記燃料ノズル（５２）の噴射角を変化させて、一時的に燃焼ダイナミックスを増大させるように構成されている、請求項６又は請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記タービンエンジンの測定パラメータに基づいてモデル成分乗数を生成するよう構成されたリアルタイムのモデル化システム（５０）を備え、前記モデル成分乗数が、モデルを調整して前記測定動作パラメータを予測するよう構成され、前記タービンエンジン（１０）が、前記モデル成分乗数に基づいて前記流体（１４、２０、２４）の流れを調整するよう構成される、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
前記タービンエンジン（１０）が、効率又は性能を示す１以上のパラメータを測定するよう構成され、前記タービンエンジン（１０）が、前記測定パラメータに応答して、前記堆積物（７８）を除去するために、前記流体（１４、２０、２４）の流れを自動的に調整して一時的に燃焼ダイナミックスを増大させるように構成される、請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ダイナミックスの誘起に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内の灰分を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンエンジンは、加圧空気及び燃料の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、１以上のタービン段を通って流れ、負荷及び／又は圧縮機のための動力を発生することができる。エネルギー需要が増大するにつれて、ガスタービンオペレータ及び製造業者は、次第にガスタービンにおける重油の使用を検討し始めている。しかしながら、重油の燃焼は、ガスタービンエンジンの構成部品を決定付ける可能性がある灰分を生成する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７３２０２３１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある一部の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は実施形態とは異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態では、方法は、タービンエンジンの第１のパラメータを測定する段階と、第１のパラメータの測定値に少なくとも部分的に応答して、タービンエンジン内の堆積物を除去するために燃焼ダイナミックスを増大させるようタービンエンジンの第２のパラメータを制御する段階と、堆積物の除去後に燃焼ダイナミックスを減少させるようタービンエンジンの第２のパラメータを制御する段階（９６）とを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、タービンエンジンの運転中にタービンエンジン内の燃焼堆積物を除去するために、燃焼不安定性を一時的に増大させるよう構成される。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、タービンエンジン、燃焼器、及び燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、燃焼器に複数の流体を供給するよう設計されている。流体は、燃料、噴霧空気、水又はこれらの組合せを含む。タービンエンジンは、タービンエンジンの運転中にタービンエンジン内の燃焼堆積物を除去するために、流体の流れを調整して、一時的に燃焼ダイナミックスを増大させるように設計される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】灰分を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起するコントローラを備えたガスタービンエンジンの一実施形態の概略流れ図。
【図２】長手方向軸線に沿って断面にされた、図１のガスタービンエンジンの一実施形態の断面図。
【図３】図２に示す燃焼器の一実施形態の部分切り欠き図。
【図４】図３に示す段の１つのノズルの一実施形態の詳細図。
【図５】灰分を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起する方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１２】
本発明は、灰分などの堆積物を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起するよう設計されたガスタービンエンジンに関する。一般に、特に重油の燃焼中、灰粒子が第１段ノズルガイドベーン及びタービンブレードなどのガスタービンエンジン構成部品上に堆積する場合がある。ガスタービンエンジン内の灰分の集積は、燃焼ガスの流路を変更させることがあり、その結果、ガスタービンエンジンの性能及び／又は効率を低下させる可能性がある。以下で検討するように、本明細書で開示されるガスタービンエンジンの特定の実施形態は、出力低下又はエンジン運転停止をもたらす場合があるタービン洗浄を実施するのではなく、灰分を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起するためのコントローラを利用することができ、更に、追加のハードウェア構成部品を利用することもできる。
【００１３】
従って、本発明の実施形態において、ガスタービンエンジンは、燃焼ダイナミックスを誘起して超音波で灰分を除去するよう設計される。誘起された燃焼ダイナミックスは、一般に、ガスタービンエンジン内に誘起され及び／又は増大された圧力振動を含むことができる。燃焼ダイナミックスは、ガスタービンエンジンが実質的に全出力で運転している間に灰分を除去できるようにすることができる。例示的な実施形態によれば、燃焼ダイナミックスは、時間、測定パラメータ、モデルパラメータ又はこれらの組合せに基づいて誘起及び／又は管理することができる。特定の実施形態において、ガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンのセンサ及び／又はモデル化システムから受け取ったパラメータに基づいて灰分蓄積を検出するコントローラを含むことができる。例えば、コントローラは、燃焼器又は下流側圧力を測定するよう設計された動圧センサから圧力値を受け取ることができる。この圧力は、灰分蓄積によるタービン性能の低下を示すことができる。特定の実施形態において、ガスタービンエンジンは、センサからパラメータを受け取るリアルタイムのモデル化システムを含むことができる。モデル化システムは、感知パラメータを用いて、ガスタービンエンジンの性能を予測するシステムモデル化パラメータ（モデル成分乗数など）を算出することができる。感知パラメータに加えて、或いはこれに代えて、コントローラは、モデル化パラメータを用いて、ガスタービンエンジン内で灰分が集積されたタイミングを求めることができる。
【００１４】
次いで、コントローラは、ガスタービンエンジンの動作パラメータを調整し、灰分を除去するよう燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、燃焼の不安定性は、タービンエンジン構成部品から遊離した灰堆積を揺動させる燃焼室内の動圧振動を含む場合がある。例示的な実施形態によれば、コントローラは、燃焼器に入る流体流を調整して燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、コントローラは、空気、燃料、水、希釈剤又は同様のものなど、燃焼器に流入する１以上の流体の流量、圧力、温度又はパルス周波数を増減することができる。別の実施例では、コントローラは、燃焼器に流入する流体間の比率を増減することができる。特定の実施例において、コントローラは、水噴射システムからの水流量を増大させ、燃焼器に流入する水対燃料の比を大きくすることができる。別の実施例では、コントローラは、噴霧空気の圧力を調整し、燃料噴射スプレー角度を変更することができる。更に別の実施例では、コントローラは、燃焼ダイナミックスを誘起するよう設計された周波数で燃料をパルス化して送ることができる。
【００１５】
次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０の実施形態のブロック図が示されている。ガスタービンエンジン１０は、単純サイクルシステム又は複合サイクルシステムの一部とすることができる。ガスタービンエンジン１０は、燃料供給システム１６から燃料１４を受け取る燃焼器１２を含む。燃料供給システム１６は、天然ガス、軽質又は重質留出油、ナフサ、原油、残油又はシンガスのような、液体又はガス状燃料１４をガスタービンエンジン１０に提供することができる。特定の実施形態において、燃料供給システム１６は、ガスタービンエンジン１０が負荷状態で動作している間、液体燃料とガス燃料とを選択的に切り替える二元燃料運転用に構成することができる。ガス燃料及び液体燃料は、燃焼器１２内で２つの別個の液体及びガス通路に配向することができる（例えば、燃料ノズルを介して）。燃焼ダイナミックスの誘起は、ガスタービンエンジンが液体燃料又は液体及びガス燃料の組合せで動作しているときに特に有用とすることができる。
【００１６】
燃焼器１２内では、燃料１４は、矢印１８で示す加圧空気と混合することができ、点火して、ガスタービンエンジン１０を作動させる高温の燃焼ガスを生成することができる。燃焼器１２は、加圧空気１８の受け取りに加えて、噴霧空気システム２２から噴霧空気２０を受け取ることができる。噴霧空気システム２２は、別個の空気供給源からの加圧空気１８及び／又は空気の一部を処理することができる。例えば、噴霧空気システム２２は、加圧空気１８の小部分を加圧及び冷却して、噴霧空気２０を生成することができる。次いで、噴霧空気システム２２は、噴霧空気２０を燃焼器１２に配向し、ここで噴霧空気２０は、燃焼器１２に流入する燃料１４を霧化することができる。特定の実施形態において、噴霧空気２０は、燃焼器１２に流入する液体燃料１４の微細噴霧を生成するよう設計することができる。
【００１７】
燃焼器１２はまた、水噴射システム２６から水２４（又は蒸気）を受け取ることができる。本明細書で使用される用語「水噴射システム」は、一般に、水、蒸気又はこれらの組合せを燃焼器１２に供給するよう設計された水噴射システム又は蒸気噴射システムを含むことができる。水噴射システム２６は、水供給源から燃焼器１２への水２４の流れを調節することができる。水噴射システム２６は、ポンプ、流量計、バルブ、配管、圧力スイッチ、モータ、及び同様のものなど、燃焼器１２への水２４の流れを調節するよう構成された機器を収容する統合パッケージ（機器スキッドなど）を含むことができる。特定の実施形態において、水噴射システム２６は、水２４を燃焼器１２に供給し、とりわけ、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は二酸化炭素などの化合物のエミッションを低減することができる。他の実施形態では、水噴射システム２６は、水及び／又は希釈剤（とりわけ、蒸気、水又は二酸化炭素など）を燃焼器１２に提供し、エミッション低減及び／又はタービン性能向上を行うことができる。
【００１８】
燃焼器１２内では、加圧空気１８は、燃料１４と共に燃焼させて高温の燃焼ガス４０を生成することができる。加圧空気１８は、吸気口セクション３０を通ってガスタービンシステム１０に流入する吸気２８を含む。吸気２８は、圧縮機３２により加圧され、燃焼器１２に入る加圧空気１８を生成することができる。特定の実施形態において、１以上の燃料ノズルは、燃料１４、噴霧空気２０、及び水２４を燃焼器１２の燃焼ゾーンに配向することができる。燃焼ゾーン内では、加圧空気１８は、燃料１４と共に燃焼して高温の燃焼ガス４０を生成することができる。燃焼ガス３４は、燃焼器１２からタービン３６を通って流れ、該タービンがシャフト３８を介して圧縮機３２を駆動することができる。例えば、燃焼ガス３４は、タービン３６内でタービンロータブレードに推進力を与え、シャフト３８を回転させることができる。シャフト２８はまた、とりわけ、発電機、プロペラ、動力伝達装置又は駆動システムなどの負荷４０に接続することができる。高温の燃焼ガス３４は、タービン３６を通って流れた後、排気セクション４２を介してガスタービンシステム１０から出ることができる。
【００１９】
燃焼中、燃焼器１２は、圧力変動などの燃焼不安定性又はダイナミックスを生じる傾向がある。定常運転中は、燃焼ダイナミックスは、通常、ダイナミックスによる繰り返し応力に長期にわたって曝されている間、ハードウェアへの損傷を低く維持することができる。しかしながら、重質燃料油などの特定燃料の燃焼中、燃焼不安定性を比較的短い間に増大及び／又は誘起し、ガスタービンエンジン１０の構成部品から超音波で灰分を除去することができる。例えば、燃焼ダイナミックスを用いて圧力振動を増大させ、燃焼器１２内又はタービン３６の構成部品（タービンノズル、タービンブレード又はタービンシュラウド）内の遊離堆積物を揺動させることができる。
【００２０】
ガスタービンエンジン１０は、時間、測定パラメータ、モデル化パラメータ又はこれらの組合せに基づいて燃焼ダイナミックスを誘起又は増大させるよう設計することができるコントローラ４４を含む。コントローラ４４は、燃料供給システム１６、噴霧空気システム２２、及び／又は水噴射システム２６などの燃料供給ライン又はシステムに動作可能に結合され、燃料１４、空気２０、及び／又は水２４など、燃焼器１２に入る流体のパラメータを変えることができる。具体的には、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起するために、流量、パルス周波数、比率、圧力、温度又は同様の物などの流体パラメータを変えることができる。例えば、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起するために、燃焼器１２に入る流体１４をパルス化して送ることができる。別の実施例において、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起するために、噴霧空気２０の圧力を変更することができる。更に別の実施例において、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起するために、燃焼器１２に入る水２４の量を増大させることができる。更に、特定の実施形態において、コントローラ４４は、１つの流体又は２つ又はそれよりも多くの流体の組合せについてのパラメータを変えることができる。コントローラ４４は、燃料供給システム１６、噴霧空気システム２２、及び／又は水噴射システム２６の内部、上流側又は下流側にあるバルブ又は他の制御デバイスの動作を管理することができる。例えば、バルブは、システム１６、２２、及び２６内に配置することができ、或いは、例えば燃料ノズルの一部として燃焼器１２内に配置することができる。
【００２１】
コントローラ４４は、センサ４６及び４８及び／又はモデル化システム５０から受け取った入力に基づいて、燃料１４、空気２０、及び／又は水２４のパラメータを変えることができる。具体的には、１以上のセンサ４６は、ガスタービンエンジン１０のパラメータを測定し、灰分を除去するために燃焼ダイナミックスが何時誘起されたかを判断することができる。例えば、センサ４６は、燃焼器１２の内部又は燃焼器１２の下流側に配置された圧力センサを含むことができる。センサ４６から圧力値を受け取ると、コントローラ４４は、灰分除去を実施すべきであることを示す範囲又は閾値内に圧力値があるかどうかを判断することができる。圧力値が範囲内にある場合、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。他の実施形態において、センサ４６は、灰分蓄積を示すことができる、ガスタービンエンジン１０の１以上の何らかの好適なパラメータを測定するよう設計することができる。例えば、センサ４６は、とりわけ、流量センサ、火炎検出器センサ、湿度センサ、エミッション検出器、出力センサ、ガイドベーン角度センサ、バルブ位置センサ、温度センサ又はこれらの組合せを含むことができる。更に、他の実施形態において、センサ４６は、利用することができず、コントローラ４４は、動作時間、需要、効率又は同様のものなどの動作入力をガスタービンエンジン１０に結合されたコンピュータ及び／又は制御システムから受け取ることができる。例えば、コントローラ４４は、特定の動作時間量が経過した後に燃焼ダイナミックスを誘起することができる。
【００２２】
コントローラ４４はまた、１以上のセンサ４８から測定パラメータを受け取り、どのようにして燃焼ダイナミックスを誘起すべきかを判断することができる。例えば、センサ４８は、燃焼器１２内の圧力振動を感知することができる。具体的には、センサ４８は、他のパラメータのなかでも特に、振動、火炎温度、燃焼器圧力又は下流側圧力を感知することができる。センサ４８からの測定値に基づいて、コントローラは、燃焼器１２に入る流体１４、２０、及び２４のパラメータ（すなわち、流量、パルスレート又は圧力）を変化させる量を決定することができる。センサ４８は、燃焼ダイナミックスに関係するガスタービンエンジン１０の１以上の何らかの好適なパラメータを測定するよう設計することができる。例えば、センサ４６は、とりわけ、圧力センサ、加速度計、光電子増倍管、フォトダイオード、圧力トランスデューサ、マイクロフォン、火炎検出器、温度センサ又はこれらの組合せを含むことができる。
【００２３】
特定の実施形態においては、別個のセンサ４８をセンサ４６に加えて利用することはできない。例えば、特定の実施形態において、１以上のセンサ４６は、燃焼ダイナミックスを誘起すべきタイミング及び方法を決定するためにパラメータを測定することができる。別の実施例では、コントローラ４４は、モデル、テーブル又は同様のものなどを用いて、燃焼ダイナミックスを誘起すべき方法を決定することができる。これらの実施形態においては、センサ４６を含めなくてもよい。
【００２４】
コントローラ４４はまた、センサ４６からのパラメータを測定し、燃焼ダイナミックスの誘起を中断するタイミングを決定することができる。例えば、センサ４６が、灰分除去の範囲又は閾値外に含まれる圧力値、振動レベル、火炎温度又は他のパラメータをコントローラ４４に提供する場合には、コントローラ４４は、流体１４、２０、及び２４のパラメータを、燃焼ダイナミックスを低減するよう設計された値に戻すことができる。特定の実施形態において、センサ４６により提供される測定値は、ガスタービンエンジンの作動を一定の性能レベルにまで復元させるために、ガスタービンエンジン１０の構成部品から十分な灰分が何時除去されたかを示すことができる。換言すると、とりわけ、圧力、温度又はこれらの組合せなど、センサ４６により測定されたパラメータは、ガスタービンエンジン１０が低レベルの灰分を示す性能もしくは効率レベルにまで回復したことを示すことができる。
【００２５】
コントローラ４４はまた、設定時間後に燃焼ダイナミックスの誘起を中断することができる。例えば、コントローラ４４は、約１〜１０分未満、及びこれらの間の部分範囲の時間期間後に燃焼ダイナミックスの誘起を中断することができる。より具体的には、コントローラ４４は、ほぼ４〜６分の時間期間後に燃焼ダイナミックスの誘起を中断することができる。しかしながら、他の実施形態では、あらゆる好適な時間期間を利用することができる。更に、この時間期間は、とりわけ、感知された灰分蓄積の量、エンジン負荷、得られた効率又は利用される燃料などの要因に応じて決定することができる。
【００２６】
特定の実施形態において、燃焼ダイナミックスを誘起するタイミングを示すために、センサ４６により感知されたパラメータを用いる代わりに又はこれに加えて、コントローラ４４は、モデル化システム５０から受け取った入力に基づいて燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、ガスタービンエンジン１０は、リアルタイムのモデルを利用して、ガスタービンエンジン１０の性能を予測することができる。モデルは、新しい及び／又は清浄なガスタービンエンジン１０について予測された性能に基づくことができる。モデル化システム５０は、とりわけ、周囲温度、周囲圧力、周囲湿度、及び燃料流量など、運転可能なガスタービンエンジン１０の入力パラメータを測定することができる。特定の実施形態において、モデル化システム５０は、センサ４６及び／又はセンサ４８から測定されたパラメータを受け取ることができる。次いで、モデル化システム５０は、測定された入力パラメータをモデルに基づいて計算された値と比較することができる。測定パラメータとモデル予測値との間の差異に基づいて、モデル化システム５０は、モデル成分乗数を計算することができる。モデル化システム５０は、モデル成分乗数を用いて、測定された入力パラメータをモデル予測値と一致するようにモデルを操作することができる。例えば、モデル成分乗数は、とりわけ、圧縮機効率乗数、圧縮機流量能力乗数、タービン効率乗数、タービン流量能力乗数、及び燃焼器効率乗数を含むことができる。
【００２７】
コントローラ４４は、モデル化システム５０からモデル成分乗数を受け取り、このモデル成分乗数を使用して燃焼ダイナミックスを誘起するタイミングを決定することができる。例えば、モデル成分乗数は、ガスタービンエンジン１０内の灰分又は汚損のレベルを示すことができる。特定の実施形態において、コントローラ４４は、モデル成分乗数が灰分を除去すべきであることを示す範囲内又は閾値内にあるかどうかを判断することができる。灰分を除去すべきであることを検出すると、コントローラ４４は、上述のように流体１４、２０、及び２４のパラメータを変えることによって、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。
【００２８】
例示的な実施形態によれば、コントローラ４４は、アナログデジタルコンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインタフェースボードなどの制御回路及び構成部品を含むことができる。勿論、とりわけ、圧力、温度、流量、振動又は湿度を測定するスイッチ、トランスデューサ又はセンサなどの他のデバイスをシステムに含めてもよい。特定の実施形態において、コントローラ４４は、センサ４６及び４８とモデル化システム５０との組合せに基づいて、燃焼ダイナミックスを調節することができる。更に、コントローラ４４はまた、例えばオペレータ入力により、燃料消費量などの動作パラメータを指定する別個の制御システムから入力を受け取ることができる。
【００２９】
図２は、図１のガスタービンエンジン１０の１つの実施形態の側断面図である。ガスタービンエンジン１０は、燃焼器１２のヘッド端部５４内に１以上の燃料ノズル５２を含む。特定の実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、環状配列で配置された複数の燃焼器１２を含むことができる。燃料ノズル５２は、燃料１４（図１）、噴霧空気２０（図１）、及びヘッド端部５２に取り付けられた接続部５６を通じて水２４（図１）を受け取ることができる。
【００３０】
図１に関して上述したように、空気は、吸気口セクション３０を通ってガスタービンエンジン１０に入り、圧縮機３２により加圧することができる。次いで、圧縮機３２からの加圧空気は、燃焼器１２に配向することができ、ここで加圧空気１８（図１）は、燃料１４（図１）と混合することができる。例えば、燃料ノズル５２は、燃料混合気を最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力に好適な比率で噴射することができる。燃焼により生成された高温排出ガス３８は、燃焼器１２からトランジションセクション５８に出て、トランジションセクション５８を通ってタービン３６の第１の段６０に流れることができる。特定の実施形態において、灰分は、高温排出ガス３８がタービン３６に流れるときに、第１の段６０の構成部品上に堆積することができる。更に、灰分は、第１の段６０の下流側で集積することができる。図１に関して上述したように、灰分は、燃焼ダイナミックスを誘起することによって除去することができる。タービン３６内では、燃焼ガスは、排気セクション４２を通って出るまでに、タービン３６内で半径方向に延びるブレード６２を回転させて、シャフト（図１）を回転させることができる。
【００３１】
燃焼器１２の１つの実施形態の詳細図が図３に示されている。噴霧空気、燃料、及び水接続部５６が、燃焼器１２のヘッド端部５４付近で端部カバー６４に取り付けられる。燃料ノズル５０は、燃料１４（図１）、噴霧空気２０（図１）、及び水２４（図１）を接続部５６から燃焼器１２内の燃焼室６６に分配する。特定の実施形態において、燃焼室６６は、燃焼ダイナミックスの誘起を引き起こすよう設計することができる。例えば、燃焼室６６の長さは、灰分清掃に用いることができる周波数を発生するのに最適にすることができる。特定の実施形態において、燃料ノズル５２は、燃料１４、噴霧空気２０、及び水２４を燃焼室６６に配向するための同心通路を含むことができる。特定の実施形態において、噴霧空気２０は、燃料ノズル５２から環状リングの燃焼室６６に液体燃料を配向することができる。噴霧空気２０の圧力を調整し、燃焼室６６に入る液体燃料噴霧の形状及び／又は角度を変えることができる。
【００３２】
更に、特定の実施形態において、バルブ、圧力調整器又は同様のものなどの制御デバイスは、とりわけ、流量、圧力、流体比、及びパルス周波数など、燃焼器１２に入る流体のパラメータを変更するために、燃焼器１２内（例えば、接続部５６又は燃料ノズル５０内）に含めることができる。例えば、制御デバイスは、コントローラ４４（図１）からの信号に応答して、燃料１４、噴霧空気２０、及び水２４のパラメータを変更するのに用いることができる。例えば、液体燃料の噴霧角を調整し且つ燃焼ダイナミックスを誘起するよう、コントローラ４４が噴霧空気２０の圧力を調節することができる。別の実施例では、燃料１４の流れは、燃焼ダイナミックスを誘起するよう設計された周波数で燃料ノズル５２を通してパルス化して送ることができる。更に別の実施例では、水２４の流れを増大させて燃焼ダイナミックスを誘起することができる。勿論、他の実施形態では、制御デバイスは、燃焼器１２から上流側で誘起することができる。
【００３３】
燃焼室６６は、一般に、ケーシング６８、ライナ７０、及び流れスリーブ７２により定められる。流れスリーブ７２は、ライナ７０を中心として同心状に配置され、圧縮機３２（図１）からの加圧空気１８（図１）をライナ７０内の穿孔又は他の開口及び／又はヘッド端部５４内に配置された通路を介して燃焼室６６に配向することができる。燃焼室６６内では、燃料１４及び加圧空気１８が燃焼して燃焼ガス３４を形成し、該燃焼ガスは、方向７４の下流側でタービン３６のトランジションセクション５８及び第１の段６０に流れることができる。燃焼ガス３４は、第１段ノズル７６を通って第１段６０に入ることができる。燃焼ガス３４が第１段ノズル７６を通って流れると、第１段ノズル７６内に灰分を集積することができる。
【００３４】
図４は、図３に示す第１段ノズル７６の一部の切り欠き図である。灰分７８は、第１段ノズル７６の構成部品上に堆積することができる。例えば、図示のように、灰分７８は、第１段ノズル７６のガイドベーン８０上、及び内側バンド８２上に堆積することができる。しかしながら、他の実施形態では、灰分７８は、第１段ノズル７６の種々の構成部品上、並びに第１段ノズル７６の下流側に位置するタービンブレード及び他の構成部品上に集積することができる。特定の実施形態において、灰分７８は、燃焼ガス流路の形状を変更し、これによりタービン性能を抑制する可能性がある。上述のように、燃焼ダイナミックスを導入し、灰分７８を超音波で除去することができる。
【００３５】
図５は、ガスタービンエンジンからの灰分を除去するために燃焼ダイナミックスを誘起するためのコンピュータ及び／又はコントローラで実装される方法８４の１つの実施形態を表すフローチャートである。例えば、方法８４は、ハードウェア及び／又はソフトウェアを介して実施することができる（例えば、メモリ又は他の機械可読媒体上に配置されるコード）。方法８４は、ガスタービンエンジンのパラメータを測定する段階（ブロック８６）で開始することができる。例えば、図１に示すように、センサ４６は、とりわけ、圧力、温度、流量、湿度水準、エミッション値、出力レベル、ガイドベーン角度、バルブ位置又はこれらの組合せなどのパラメータを測定することができる。ガスタービンエンジン内の灰分蓄積を全体的に示すあらゆる好適なパラメータ又はパラメータの組合せを利用することができる。センサ４６は、測定パラメータをコントローラ４４又はモデル化システム５０に提供することができ、次いで、モデル化システム５０は、モデル成分乗数などの計算パラメータをコントローラ４４に提供することができる。
【００３６】
次に、コントローラ４４は、パラメータが灰分除去を行うべき値又は閾値の範囲内にあるかどうかを判断することができる（ブロック８８）。例えば、コントローラ４４は、このパラメータを範囲又は値のテーブルに比較することができる。別の実施例では、コントローラ４４は、灰分除去を行うべきかどうかを判断するアルゴリズムと共に複数のパラメータを用いることができる。パラメータが灰分除去範囲外にある場合、ガスタービンエンジン１０は、コントローラ４４が灰分除去範囲内にあるパラメータを受け取るまで定常状態で運転を継続することができる。
【００３７】
灰分除去範囲内にあるパラメータを検出すると、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスを誘起することができる（ブロック９０）。特定の実施形態において、コントローラ４４は、パラメータ検出に応答して燃焼ダイナミックスを自動的に誘起することができ、他の実施形態では、コントローラ４４は、例えばオペレータユニットからの確認情報を待機することができる。具体的には、コントローラ４４は、ガスタービンエンジン１０の運転パラメータを調整することによって、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、図１に示すように、コントローラ４４は、燃料１４、噴霧空気２０又は水２４など、燃焼器１２に入る流体の流れを変えることができる。理解されるように、水２４は、液体形態、蒸気形態又はこれらの組合せの水を含むことができる。従って、水２４に関して本明細書で記載される技法は、水噴射及び蒸気噴射の両方を包含することができる。
【００３８】
具体的には、コントローラ４４は、水２４（又は蒸気）の流量を増大させ、水燃料噴射比を少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００％大きくすることができる。より具体的には、コントローラ４４は、水の流量を増大させ、水燃料噴射比を約２０〜３５％又は更に具体的には、約２５〜３０％、及びこれらの間の全ての部分範囲だけ大きくすることができる。特定の実施形態において、コントローラ４４は、水噴射システム２６（図１）内又は燃料ノズル５２（図２）内に含まれるバルブなどの制御デバイスを調節して水流量を増大させることができる。しかしながら、他の実施形態では、水流量は、水噴射システム２６（図１）の上流側又は下流側に位置付けられたバルブ又は圧力調整器などの他の制御デバイスを通じて調節することができる。
【００３９】
コントローラ４４はまた、燃焼器１２に入る噴霧空気２０（図１）の圧力を増減することによって燃焼ダイナミックスを誘起することができる。特定の実施形態において、コントローラ４４は、噴霧空気圧力を少なくとも約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００％増減することができる。より具体的には、コントローラ４４は、噴霧空気圧力を約５〜２０％、及びこれらの間の全ての部分範囲で調整することができる。特定の実施形態において、圧力調整は、燃料ノズル５２から出る液体燃料１４の噴射角を変更して燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、噴射角は、少なくとも約１、５、１０、１５、２０、２５又は３０％変更することができる。コントローラ４４は、バルブ又は圧力調整器などの制御デバイスの動作を管理し、噴霧空気圧力を調整することができる。
【００４０】
コントローラ４４はまた、燃焼器１２に入る燃料１４の流れをパルス化して送ることによって、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。例えば、バルブは、燃焼器１２に入る燃料のパルス化周波数を制御するために、燃料供給システム１６内、燃料ノズル５２内又は燃料供給システム１６の上流もしくは下流側に含めることができる。特定の実施形態において、コントローラ４４は、センサ４８（図１）などのセンサから測定パラメータを受け取り、燃焼器１２から出る周波数を求めることができる。次いで、コントローラ４４は、検出した周波数に実質的に一致する、或いはその倍数のレートで流れをパルス化することができる。
【００４１】
一般に、コントローラ４４は、ガスタービンエンジン１０の運転中に燃焼ダイナミックスを誘起することができる。燃焼ダイナミックスが誘起されて灰分を除去している間、ガスタービンエンジン１０は、全出力を下回って運転している場合でも、これまでの出力を維持し続けることができる。例えば、特定の実施形態において、ガスタービンエンジン１０がその出力の少なくとも約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００％を維持しながら、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。より具体的には、ガスタービンエンジン１０がその出力の少なくとも約９０〜１００％並びにこれらの間の全ての部分範囲を維持しながら、燃焼ダイナミックスを誘起することができる。
【００４２】
燃焼ダイナミックスの誘起によって、燃焼器１２の圧力振動の周波数及び／又は圧力振幅を変更し、ガスタービンエンジン１０の構成部品上の遊離堆積物を揺動させることができる。燃焼ダイナミックスの誘起中、周波数は、１００、２００、３００、４００、５００、６００又は７００％増大することができる。特定の実施形態において、周波数は、約２００〜５００％、並びにこれらの間の全ての部分範囲で増大することができる。例えば、特定の実施形態において、定常状態で運転中、圧力振動は、約８０Ｈｚの周波数を有することができ、燃焼ダイナミックスを誘起している間は、周波数範囲は、約１８０〜１０００Ｈｚにわたることができる。燃焼ダイナミックスの誘起中、振幅は、通常振幅の１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、６５又は７０倍に増大することができる。特定の実施形態において、振幅は、定常状態運転中の通常振幅の約２〜５０倍並びにこれらの間の全ての部分範囲で増大することができる。例えば、定常状態運転下では、ピーク間振幅は約２．５ｐｓｉとすることができる。しかしながら、燃焼ダイナミックスが誘起されている間、ピーク間振幅は約６〜１０ｐｓｉに増大することができる。特定の実施形態において、ピーク間振幅は、少なくとも約１００、２００、３００、４００、５００、６００又は７００％に増大することができる。
【００４３】
燃焼ダイナミックスの誘起後、コントローラ４４は、ガスタービンエンジン１０の別のパラメータを測定することができる（ブロック９２）。パラメータは、センサ４６（図１）によって以前に測定され、ガスタービンエンジンが灰分除去範囲内で運転していると判断した同じパラメータとすることができる。例えば、センサ４６は、燃焼器圧力を連続して又は断続的に測定し、コントローラ４４に測定値を提供することができる。次に、コントローラ４４は、測定値を用いて、ガスタービンエンジンが燃焼ダイナミックスを誘起するよう灰分除去範囲内で動作しているタイミング、並びにガスタービンエンジンが燃焼ダイナミックスを中断するよう灰分除去範囲外で動作しているタイミングを求めることができる。他の実施形態では、パラメータは、センサ４６によって以前に測定されたもの以外の異なるパラメータとすることができる。測定されるパラメータが同じか又は異なるかに関わらず、とりわけ、燃焼ダイナミックスの誘起以来経過した時間、圧力、温度又はこれらの組合せなど、あらゆる好適なタイプのパラメータを利用することができる。更に、特定の実施形態において、センサ４６は、モデル化システム５０に測定したパラメータを提供することができ、その結果、モデル成分乗数などの計算パラメータをコントローラ４４に提供することができる。従って、コントローラ４４は、測定パラメータ（すなわち、圧力、温度、時間）、モデルパラメータ又はこれらの組合せを用いて、燃焼ダイナミックスの誘起を中断するタイミングを決定することができる。
【００４４】
次に、コントローラ４４は、パラメータを使用して、ガスタービンエンジン１０が灰分除去範囲外で運転しているかどうかを判断することができる（ブロック９４）。例えば、コントローラ４４は、パラメータを範囲又は値のテーブルと比較することができる。別の実施例では、コントローラは、燃焼ダイナミックスを中断すべきかどうかを判断するためのアルゴリズムと共に、複数のパラメータを用いることができる。パラメータが灰分除去範囲内にある場合、コントローラ４４は、灰分除去範囲外にあるパラメータを受け取るまで燃焼ダイナミックスの誘起を継続することができる。
【００４５】
パラメータが灰分除去範囲外にあると判断されると、コントローラ４４は、燃焼ダイナミックスの誘起を中断することができる（ブロック９６）。例えば、コントローラ４４は、水流量、噴霧空気圧力又は燃料パルス周波数を以前の値、或いは燃焼ダイナミックスを低減するよう設計された値に戻すことができる。次に、コントローラ４４は、パラメータが灰分除去範囲内で検出されるまで、通常運転条件下で動作可能にすることができる。
【００４６】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  燃焼器
１４  燃料
１６  燃料供給システム
１８  加圧空気
２０  噴霧空気
２２  噴霧空気システム
２４  水
２６  水噴射システム
２８  吸気
３０  吸気セクション
３２  圧縮機
３４  燃焼ガス
３６  タービン
３８  シャフト
４０  負荷
４２  排気セクション
４４  コントローラ
４６  センサ
４８  センサ
５０  モデルシステム
５２  燃料ノズル
５４  ヘッド端部
５６  接続部
５８  トランジションセクション
６０  第１の段
６２  ブレード
６４  端部カバー
６６  燃焼室
６８  ケーシング
７０  ライナ
７２  フロースリーブ
７４  方向
７６  第１の段ノズル
７８  灰分
８０  翼形部
８２  内側バンド
８４  方法
８６  ステップ
８８  ステップ
９０  ステップ
９２  ステップ
９４  ステップ
９６  ステップ
【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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