(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するためのフェールセーフかつ同調式のシステム及び方法。【解決手段】本制御システム２２は、入口部分２６、第１の分流部分２８、第２の分流部分３０及び出口部分３４を有する燃料供給通路２４を含む。第１の分流部分２８は、第１の長さ及び第１の直径を有する。第２の分流部分３０は、第２の長さ及び第２の直径を有し、かつ第１の分流部分２８から間隔を置いて配置される。第１及び第２の分流部分２８、３０は、合流位置３２において合流する。出口部分３４は、第１及び第２の分流部分２８、３０の合流位置３２に結合される。少なくとも１つの流量調整装置３６、３８が、入口部分２６に結合されかつ第１及び第２の分流部分２８、３０に対して燃料流れを交互に分流させて、合流位置３２において燃料流れ摂動を発生させるように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１２）における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システム（２２）であって、
燃料供給通路（２４）を含み、前記燃料供給通路（２４）が、
入口部分（２６）と、
第１の長さ及び第１の直径を有しかつ前記入口部分（２６）から延びる第１の分流部分（２８）と、
第２の長さ及び第２の直径を有し、前記入口部分（２６）から延び、前記第１の分流部分（２８）から間隔を置いて配置されかつ該第１の分流部分（２８）と合流位置（３２）において合流する第２の分流部分（３０）と、
前記第１及び第２の部分（２８、３０）の合流位置（３２）に結合された出口部分（３４）と、
を含み、該制御システム（２２）が、
前記入口部分（２６）に結合されかつ前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）に対して燃料流れを交互に分流させて、前記合流位置（３２）において燃料流れ摂動を発生させるように構成された少なくとも１つの流量調整装置（３６、３８、４４）、をさらに含む、
制御システム（２２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流量調整装置（４４）が、相互に対向する方向から前記入口部分（２６）への第１の制御流体ストリーム（４０）及び第２の制御流体ストリーム（４２）の流れを交互に制御して、前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）に対して前記燃料流れを交互に分流させるように構成される、請求項１記載の制御システム（２２）。
【請求項３】
前記第１の制御流体ストリーム（４０）が、前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）間で一方の分流部分に対して前記燃料流れを分流させるように使用される、請求項２記載の制御システム（２２）。
【請求項４】
前記第２の制御流体ストリーム（４２）が、前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）間で他方の分流部分に対して前記燃料流れを分流させるように使用される、請求項２記載の制御システム（２２）。
【請求項５】
前記流量調整装置が、モジュレータ弁を含む、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の制御システム（２２）。
【請求項６】
前記流量調整装置が（３６、３８、４４）が、ダイバータ弁を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御システム（２２）。
【請求項７】
発生燃料流れ摂動の周波数が、前記少なくとも１つの流量調整装置（３６、３８、４４）の作動の周波数に基づいて制御される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御システム（２２）。
【請求項８】
発生燃料流れ摂動の振幅が、前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）に対して交互に分流された燃料の量、第１の長さ、第１の直径、第２の長さ、第２の直径又はそれらの組合せに基づいて制御される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御システム（２２）。
【請求項９】
燃焼器（１２）における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システム（２２）であって、
燃料供給通路（２４）を含み、前記燃料供給通路（２４）が、
入口部分（２６）と、
第１の長さ及び第１の直径を有しかつ前記入口部分（２６）から延びる第１の分流部分（２８）と、
第２の長さ及び第２の直径を有し、前記入口部分（２６）から延び、前記第１の分流部分（２８）から間隔を置いて配置されかつ該第１の分流部分（２８）と合流位置（３２）において合流する第２の分流部分（３０）と、
前記第１及び第２の部分（２８、３０）の合流位置（３２）に結合された出口部分（３４）と、
を含み、該制御システム（２２）が、
前記入口部分（２６）に結合されかつ前記第１及び第２の分流部分（２８、３０）に対して燃料流れを交互に分流させて、前記合流位置（３２）において燃料流れ摂動を発生させるように構成された少なくとも１つの流量調整装置（３６、３８、４４）、をさらに含み、
前記燃料流れの摂動の周波数及び振幅が、前記燃料供給通路（２４）及び前記流量調整装置（３６、３８、４４）と関連した複数のパラメータに基づいて制御される、
制御システム（２２）。
【請求項１０】
燃焼器（１２）における燃焼ダイナミックスを制御する方法であって、
燃料供給通路（２４）の入口部分（２６）に燃料を供給するステップと、
少なくとも１つの流量調整装置（３６、３８、４４）を使用して、前記入口部分（２６）から第１の長さ及び第１の直径を有する第１の分流部分（２８）並びに第２の長さ及び第２の直径を有する第２の分流部分（３０）に対して燃料流れを交互に分流させて、該第１及び第２の分流部分（２８、３０）の合流位置（３２）において燃料流れ摂動を発生させるステップと、を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には燃焼器における燃焼ダイナミックスの制御に関し、より具体的には、燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するためのフェールセーフかつ同調式のシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンのような回転式エンジンは、燃焼ガスの流れからエネルギーを取出す。ガスタービンは一般的に、燃焼器を通して下流タービンに結合された圧縮機を含む。燃焼ガスは、燃焼器内で空気及び燃料の混合気を燃焼させることによって生成される。燃焼により、ガス流の温度、速度及びボリュームが高められる。燃焼ガスは、ノズルを通してタービンのブレード上に導かれて、タービンを回転させかつ圧縮機に動力を供給する。
【０００３】
現在、希薄予混合式燃焼（ＬＰＣ）は、ガスタービン燃焼器の高効率を維持しながらエミッションを大幅に低減するようにする最も有望な概念の１つである。この燃焼の形態は、過剰の空気を用いて作動させて、燃焼器内の火炎の温度を一般的には１８００ケルビン以下の許容可能なレベルまで低下させる。その火炎温度では、サーマルＮＯＸ（窒素酸化物）の生成が、事実上排除される、すなわち即発ＮＯＸの生成が無視可能なレベルになる。この固有の利点は、幾つかの発生可能性がある欠点によって相殺されるおそれがある。ＬＰＣシステムは、火炎安定性つまり騒音に関して問題を有する可能性があり、またシステムダイナミック応答（燃焼不安定性）を示す可能性がある。
【０００４】
燃焼ダイナミックス（又は不安定性）は、希薄予混合式燃焼システムで生じる良く知られた問題点であり、作動上の制限を招き、またハードウェア作動停止時間さえも招く可能性がある。燃料−空気比における変動は、燃焼ダイナミックスを引き起こす上で大きな原因となる可能性がある。主として、燃焼ダイナミックスを制御する２つの方法が存在する。第１の方法は、燃料流量変動を使用することによって発生メカニズム自体を制御して例えば安定性を促進するものとすることができる。第２の方法は、例えば燃焼器の内部で共振装置を使用することによって発生するダイナミックスを抑制して燃焼ダイナミックスを抑制するものとすることができる。これまで、燃料流量変動を得る方法は、高周波機械式モジュレータ弁又は流体オシレータの何れかを使用することであった。モジュレータ弁又は流体オシレータの使用は、該モジュレータ弁又は流体オシレータの故障により、ガスタービンへの燃料供給の途絶が生じて運転停止を引き起こすおそれがあるという欠点を有する。流体オシレータの固有応答周波数及び振幅は、制御することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１２８，０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するためのフェールセーフかつ同調式のシステム及び方法を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの例示的な実施形態によると、燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システムを開示する。本制御システムは、入口部分、第１の分流部分、第２の分流部分及び出口部分を有する燃料供給通路を含む。第１の分流部分は、第１の長さ及び第１の直径を有する。第２の分流部分は、第２の長さ及び第２の直径を有し、かつ第１の分流部分から間隔を置いて配置される。第１及び第２の分流部分は、合流位置において合流する。出口部分は、第１及び第２の分流部分の合流位置に結合される。少なくとも１つの流量調整装置が、入口部分に結合されかつ第１及び第２の分流部分に対して燃料流れを交互に分流させて、合流位置において燃料流れ摂動を発生させるように構成される。
【０００８】
本発明の別の例示的な実施形態によると、燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システムを開示する。燃料流れ摂動の周波数及び振幅は、燃料供給通路及び流量調整装置と関連した複数のパラメータに基づいて制御される。
【０００９】
本発明のさらに別の例示的な実施形態によると、燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御する方法を開示する。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の例示的な実施形態による燃焼器を有するガスタービンの概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システムの概略図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システムの概略図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御する上で必要な例示的なステップを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記に詳細に説明するように、本発明の一部の実施形態では、燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システムを開示している。本制御システムは、入口部分、第１の分流部分、第２の分流部分及び出口部分を有する燃料供給通路を含む。第１の分流部分は、第１の長さ及び第１の直径を有しかつ入口部分から延びる。第２の分流部分は、第２の長さ及び第２の直径を有し、入口部分から延びかつ第１の分流部分から間隔を置いて配置される。第２の分流部分及び第１の分流部分は、合流位置において合流する。出口部分は、第１及び第２の部分の合流位置に結合される。少なくとも１つの流量調整装置が、入口部分に結合されかつ第１及び第２の分流部分に対して燃料流れを交互に分流させて、合流位置及び出口部分において燃料流れ摂動を発生させるように構成される。例示的な流体流れ制御システムは、燃料流れ摂動を発生させかつ燃焼器内における燃焼ダイナミックスを制御するように構成されたフェールセーフ流体オシレータである。燃料供給通路内には、機械的構成要素は設けられていない。燃料供給通路内に燃料流れ摂動を発生させるためには、フルイディクスが使用される。燃料供給通路は、双安定弁又はＰＡＦＳ（選択的非対称流体スイッチ）の原理に基づいて作動して、異なる面積及び長さの２つの異なる通路に対して燃料流れを交互に分流させて、燃料流れ摂動を発生させかつ燃焼ダイナミックスを制御する。
【００１３】
次に図面に移りかつ最初に図１を参照すると、低エミッション燃焼器１２を有したガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は、周囲空気を加圧するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、圧縮機１４と流体連通状態になっておりかつ圧縮機１４から加圧空気を受けると共に燃料ストリームを燃焼させて、燃焼器排出ガスストリーム１３を発生させるように構成される。一部の実施形態では、燃料には、所定量の希釈物質と共に、炭化水素、天然ガス、或いは高水素ガスつまり水素、或いはバイオガスつまり一酸化炭素、或いは合成ガスを含むことができる。幾つかの実施形態では、燃料には、液体燃料を含むことができる。１つの実施形態では、燃焼器１２には、缶型燃焼器が含まれる。別の実施形態では、燃焼器１２には、缶−アニュラ型燃焼器又は純アニュラ型燃焼器が含まれる。さらに、ガスタービン１０には、燃焼器１２の下流に設置されたタービン１６が含まれる。タービン１６は、燃焼器排出ガスストリーム１３を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。この図示した実施形態では、圧縮機１４は、タービン１６が発生した動力によってシャフト１８を介して駆動される。この図示した実施形態では、燃焼器１２は、燃焼区域を形成した燃焼ハウジング２０を含む。本明細書では、ガスタービン１０の構成は、用途に応じて変化させることができることに注目されたい。
【００１４】
図２を参照すると、燃焼器１２における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システム２２を開示している。この図示した実施形態では、本システム２２は、燃焼器１２に対して燃料を供給するように構成された燃料供給通路２４を含む。燃料供給通路２４は、それを通して燃料ストリーム２７が該燃料供給通路２４に流入する燃料入口部分２６を含む。燃料供給通路２４は、入口部分２６で二股に分かれて、第１の分流部分２８及び第２の分流部分３０になっている。第１の分流部分２８は、第２の分流部分３０から間隔を置いて配置される。この図示した実施形態では、第１の分流部分２８は、第１の長さ（Ｌ１）及び第１の直径（Ｄ１）を有する。第２の分流部分３０は、第２の長さ（Ｌ２）及び第２の直径（Ｄ２）を有する。１つの実施形態では、第１の長さ（Ｌ１）は、第２の長さ（Ｌ２）よりも長くすることができる。別の実施形態では、第１の長さ（Ｌ１）は、第２の長さ（Ｌ２）よりも短くすることができる。同様に、第１の直径（Ｄ１）は、用途に応じて第２の直径（Ｄ２）よりも大きくするか又は小さくすることができる。第１及び第２の分流部分２８、３０は、下流合流位置３２において合流する。燃料出口部分３４は、合流位置３２から燃焼器１２まで延びかつ燃料ストリームを燃焼器に導くように構成される。
【００１５】
前述したように、燃焼ダイナミックス（又は不安定性）は、希薄予混合式燃焼システムで生じる良く知られた問題点であり、作動上の制限を招き、またハードウェア作動停止時間さえも招く可能性がある。燃料−空気比における変動は、燃焼ダイナミックスを引き起こす上で大きな原因となる可能性がある。これまでの燃料流量変動を得る従来型の方法は、燃料供給通路内において高周波機械式モジュレータ弁又は流体オシレータの何れかを使用することであった。モジュレータ弁又は流体オシレータの使用は、該モジュレータ弁又は流体オシレータの故障により、ガスタービンへの燃料供給の途絶が生じて運転停止を引き起こすおそれがあるという欠点を有する。流体オシレータの固有応答周波数及び振幅は、制御することができない。
【００１６】
この図示した実施形態では、２つの流量調整装置３６、３８が、燃料供給通路２４の入口部分２６の両側に対してそれぞれ結合される。１つの実施形態では、流量調整装置３６、３８は、モジュレータ弁を含む。一方の流量調整装置３６は、入口部分２６内への第１の制御流体ストリーム４０の流れを制御するように構成される。他方の流量調整装置３８は、入口部分２６内への第２の制御流体ストリーム４２の流れを制御するように構成される。流量調整装置３６、３８は、相互に対向する方向から入口部分２６への第１の制御流体ストリーム４０及び第２の制御流体ストリーム４２の流れを交互に制御して、第１及び第２の分流部分２８、３０に対して燃料流れを交互に分流させるように構成される。
【００１７】
一方の制御流体ストリームは、一方の分流部分に対して燃料流れを分流させるように使用され、また他方の制御流体ストリームは、他方の分流部分に対して燃料流れを分流させるように使用される。この図示した実施形態では、第１の流量調整装置３６が開いている時には、第１の制御流体ストリーム４０は、第２の分流部分３０に対して燃料流れを分流させるように使用され、また第２の流量調整装置３８が開いている時には、第２の制御流体ストリーム４２は、第１の分流部分２８に対して燃料流れを分流させるように使用される。第１及び第２の分流部分２８、３０に対しての燃料流れの交互分流により、合流位置３２及び出口部分３４において燃料流れ摂動を発生させることが可能になる。制御流体ストリーム４０、４２の両方は、独立した高周波数モジュレータ弁３６、３８によって制御することができ、或いは１つのダイバータ弁（切換え弁）によって制御することができる。
【００１８】
本明細書では、燃料流れ摂動の周波数及び振幅は、燃料供給通路２４及び流量調整装置３６、３８と関連した複数のパラメータに基づいて制御することができることに注目されたい。１つの実施形態では、発生燃料流れ摂動の周波数は、流量調整装置３６、３８の作動の周波数に基づいて制御される。別の実施形態では、発生燃料流れ摂動の振幅は、第１及び第２の分流部分２８、３０に対して交互に分流された燃料の量、第１の長さ（Ｌ１）、第１の直径（Ｄ１）、第２の長さ（Ｌ２）、第２の直径（Ｄ２）又はそれらの組合せに基づいて制御される。
【００１９】
図３を参照すると、燃焼器１２における燃焼ダイナミックスを制御するための同調式流体流れ制御システム２２を開示している。この図示した実施形態では、本システム２２は、燃焼器１２に対して燃料を供給するように構成された燃料供給通路２４を含む。燃料供給通路２４の構成は、前述の実施形態で説明したものと同じである。この図示した実施形態では、燃料供給通路２４の入口部分２６に、流量調整装置４４が設けられる。本明細書では、流量調整装置４４は、ダイバータ弁であることに注目されたい。流量調整装置４４は、チャネル４８内に移動可能に配置された往復動部材４６を含む。往復動部材４６は、リンクを介して回転駆動部材（図示せず）に結合される。往復動部材４６は、第１及び第２の制御流体ストリームの流れを制御するようにチャネル４８内で移動することができ、第１及び第２の分流部分２８、３０に対して燃料流れを交互に分流させる。言い換えれば、往復動部材４６を一方の端部５０に向かって移動させた時には、燃料流れは、第２の分流部分３０に対して分流され、また往復動部材４６を他方の端部５２に向かって移動させた時には、燃料流れは、制御流体ストリームにより第１の分流部分２８に対して分流される。第１及び第２の分流部分２８、３０に対しての燃料流れの交互分流により、合流位置３２及び出口部分３４において燃料流れ摂動を発生させて、燃焼器１２内での燃焼ダイナミックスの制御を行うことが可能になる。
【００２０】
上述した実施形態によると、燃料供給通路内部には、機械的構成要素は設けられておらず、従って装置の予定外の運転停止の可能性が回避される。この例示的な構成により、制御流れの作動の周波数によってその周波数を制御することができまた切換えられる燃料又は流体の量によってその振幅を制御することができるフェールセーフシステムが得られる。
【００２１】
図４を参照すると、燃焼器内における燃焼ダイナミックスを制御する上で必要な例示的なステップを示すフローチャートを開示している。ステップ５４で示すように、燃料ストリームが、燃料入口部分を介して燃料供給通路に供給される。ステップ５６で示すように、第１制御流体ストリーム及び第２の制御流体ストリームの交互流れが、相互に対向する方向から入口部分に制御される。１つの実施形態では、独立したモジュレータ弁（流量調整装置）を使用して、燃料供給通路の入口部分に向けて第１制御流体ストリーム及び第２の制御流体ストリームの流れを交互に制御することができる。別の実施形態では、単一のダイバータ弁（流量調整装置）を使用して、燃料供給通路の入口部分に向けて第１の制御流体ストリーム及び第２の制御流体ストリームの流れを交互に制御することができる。
【００２２】
ステップ５８で示すように、相互に対向する方向から入口部分２６に交互になった第１の制御流体ストリーム及び第２の制御流体ストリームの流れは、第１及び第２の分流部分に対して燃料流れを交互に分流させるように制御される。一方の制御流体ストリームは、一方の分流部分に対して燃料流れを分流させるように使用され、また他方の制御流体ストリームは、他方の分流部分に対して燃料流れを分流させるように使用される。
【００２３】
ステップ６０で示すように、燃料流れの第１及び第２の分流部分に対する交互分流により、燃料供給通路の合流位置及び出口部分において燃料流れ摂動を発生させることが可能になる。ステップ６２で示すように、この例示的な制御技術はさらに、燃料供給通路及び流量調整装置と関連した複数のパラメータに基づいて燃料流れ摂動の周波数及び振幅を制御するステップを含む。１つの実施形態では、発生燃料流れ摂動の周波数は、流量調整装置の作動の周波数に基づいて制御される。別の実施形態では、発生燃料流れ摂動の振幅は、第１及び第２の分流部分に対して交互に分流された燃料の量、分流部分の長さ、分流部分の直径又はそれらの組合せに基づいて制御される。
【００２４】
本明細書では、本発明の一部の特徴にみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想到されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービン
１１  加圧空気
１２  燃焼器
１３  排出ガスストリーム
１４  圧縮機
１６  タービン
１８  シャフト
２０  燃焼器ハウジング
２２  同調式流体流れ制御システム
２４  燃料供給通路
２６  燃料入口部分
２７  燃料ストリーム
２８  第１の分流部分
３０  第２の分流部分
３２  合流位置
３４  燃料出口部分
３６  流量調整装置
３８  流量調整装置
４０  第１の制御流体ストリーム
４２  第２の制御流体ストリーム
４４  流量調整装置
４６  往復動部材
４８  チャネル
５０  一方の端部
５２  他方の端部
５４  燃料供給通路の入口部分に燃料を供給するステップ
５６  入口部分に対して第１及び第２の制御流体ストリームの流れを交互に制御するステップ
５８  第１及び第２の分流部分に対して燃料流れを交互に分流させるステップ
６０  燃料供給通路の合流位置及び出口部分において燃料流れ摂動を発生させるステップ
６２  発生燃料流れ摂動の周波数及び振幅を制御するステップ
【図１】
2010261699.tif 000003
【図２】
2010261699.tif 000004
【図３】
2010261699.tif 000005
【図４】
2010261699.tif 000006