(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼装置において、
前記燃焼装置は、
前記燃焼装置への全燃料供給量を提供する、前記燃焼装置への燃料供給ライン（２７）と、
少なくとも１つのバーナー（２０）であって、当該少なくとも１つのバーナー（２０）への複数の燃料供給ライン（２４、２５）を有しており、当該複数の燃料供給ライン（２４、２５）における前記少なくとも１つのバーナー（２０）への燃料供給量が前記燃料装置への前記燃料供給ライン（２７）における全燃料供給量に等しい、少なくとも１つのバーナー（２０）と、
前記少なくとも１つのバーナー（２０）に対応付けられた燃焼ボリューム（２３）と、
前記燃焼装置内に配置された温度センサ（３２）であって、前記燃焼装置の過熱から保護されるべき部分（３１）に関する温度状態を伝達することのできる温度センサ（３２）と、
前記燃焼ボリューム（２３）内の圧力を表す圧力情報を伝達することのできる圧力センサ（３３）と、
前記保護されるべき部分（３１）の温度を所定の最大温度限界よりも低く維持するために、ならびに前記燃焼ボリューム（２３）内の圧力の変動を所定の最大圧力変動限界よりも低く維持するために、前記燃焼装置への前記燃料供給ライン（２７）における全燃料供給量を実質的に一定に維持しつつ、前記少なくとも１つのバーナー（２０）の１つまたは複数のバーナーへの燃料供給量を前記温度情報および前記圧力情報ならびに別の情報に基づいて変化させるように構成された制御デバイス（３６）と
を有しており、
前記別の情報は、負荷情報を表す信号の、時間情報によって定められた期間にわたる積分又は平均を表すものであり、前記負荷情報は前記燃焼装置の負荷を表すものである
ことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
第１動作モードにおいて、前記制御デバイス（３６）はさらに、前記所定の最大温度限界と前記温度情報により表される前記部分（３１）の温度との間の差が所定の温度閾値を超えないように前記部分（３１）の温度を調節するべく、前記時間情報によって定められた複数の時点において前記燃料供給量を変化させるように構成されている、
請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
第２動作モードにおいて、前記制御デバイス（３６）はさらに、前記所定の最大圧力変動と前記圧力情報により表される前記圧力変動との間の差が所定の圧力変動閾値を超えないように前記圧力変動を調節するべく、前記時間情報によって定められた複数の時点において前記燃料供給量を変化させるように構成されている、
請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記燃焼装置はさらに、
回転可能なシャフトと、
エンジン負荷または前記シャフトのトルクまたは前記シャフトの回転速度に関する負荷情報を伝達することのできる、前記燃焼装置内に配置されたエンジン負荷インジケータと
を有する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記時間情報によって定められた期間にわたり前記燃料供給量を一定に維持し、前記期間中に前記負荷情報を収集するように構成されている、
請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記期間中に収集された負荷情報の変動が所定の負荷閾値未満に留まる場合には、前記期間が経過した後に前記燃料供給量を第１変更値により変化させるように構成されている、
請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記圧力変動が前記所定の最大圧力変動限界に達していることを前記圧力情報が示している場合に、前記第１変更値による前記燃料供給量の変化を少なくとも部分的に中和するために前記燃料供給量を第２変更値により変化させるように構成されている、
請求項６に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記圧力変動が所定の圧力変動差以上に前記所定の最大圧力変動限界を下回っていることを前記圧力情報が示している場合には、前記燃料供給量を第３変更値により変化させるように構成されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記温度が前記所定の最大温度限界に達していることを前記温度情報が示している場合に、前記第１変更値による前記燃料供給量の変化を少なくとも部分的に中和するために前記燃料供給量を第４変更値により変化させるように構成されている、
請求項６に記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記制御デバイス（３６）はさらに、前記温度が２回以上前記所定の最大温度限界に達していることを前記温度情報が示している場合には、前記燃料供給を第５変更値により変化させるように構成されている、
請求項９に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記複数の燃料供給ライン（２４、２５）は各前記少なくとも１つのバーナー（２０）への第１のメイン燃料供給ライン（２４）と第２のパイロット燃料供給ライン（２５）とを含んでいる、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１２】
前記複数の燃料供給ライン（２４、２５）は各前記少なくとも１つのバーナー（２０）への第１および第２のメイン燃料供給ライン（２４）を含んでいる、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１３】
前記燃焼装置は複数のバーナー（２０）を含んでおり、前記制御デバイス（３６）は１つのバーナー（２０）における前記第１および第２燃料供給ライン（２４、２５）による燃料供給量の比を変化させると共に、当該バーナー（２０）への全燃料供給量が変化することを許容するように構成されており、
当該バーナー（２０）への全燃料供給量の変化は他の１つまたは複数のバーナー（２０）への全燃料供給量の逆方向の変化により補償される、
請求項１１または１２に記載の燃焼装置。
【請求項１４】
前記燃焼装置がガスタービンエンジンである、請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼装置に、とりわけガスタービンにより構成される燃焼装置に関する。燃焼装置はガスタービン、炉およびボイラーを含むさまざまな環境で使用される。
【０００２】
典型的なガスタービン設備の一例が図１に抽象的に示されている。ガスタービンの一方の端部には吸気口１０があり、続いてコンプレッサ段１１がある。入来空気はタービン軸１３の回りに円周状に分布した１つ以上の燃焼器１２で使用するためにコンプレッサ段１１で圧縮される。燃料は１４において燃焼器内に投入され、燃焼器内でコンプレッサ段１１から出てきた圧縮空気の一部と混合される。燃焼器１２内での燃料により発生した高熱ガスはタービン動翼１５に向けられ、その過程でタービン案内静翼１６によって案内される。その結果、タービン動翼１５と、軸１３を形成するシャフトとが回転させられる。一方、タービン動翼１５はコンプレッサ段１１の動翼を回転させるので、ガスタービンがいったん稼働すれば、圧縮空気はガスタービン自体によって供給される。
【０００３】
図２Ａには典型的な燃焼器の一部が概略的に示されている。（図２Ｂは図２Ａの線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。）燃焼器は前端部２０（バーナー）、旋回器部２１、バーナー予燃焼室部２２および燃焼ボリューム２３の４つの部分から成っている。主燃料は前端部２０から導管２４を通して旋回器２１内に投入され、パイロット燃料は端部にパイロット燃料ノズル２９を有する導管２５を通ってまたは一連の噴射ノズルもしくは噴射孔を介してバーナー空間に入る。燃料スプリット弁２６には燃焼器への全燃料供給量を表す燃料供給量２７が供給され、燃料スプリット弁２６から主燃料流とパイロット燃料流とが得られる。主燃料流は一連の主燃料ノズル（または噴射器）２８を通って旋回器に入り、そこから旋回静翼３０に沿って案内され、その過程で入来する圧縮空気と混合される。その結果生じる空気／燃料混合気がバーナー火炎３０を維持する。この火炎からの高熱空気は燃焼ボリューム２３に入る。
【０００４】
ガスタービンはこのような燃焼器を複数有していることが多い。その場合、主燃料流とパイロット燃料流の分割はふつう図３に示されているように行われる。すべての燃焼器への共通の燃料供給量が、すべての燃焼器への主燃料供給量と、同じくすべての燃焼器へのパイロット燃料供給量とに分けられる。
【０００５】
このような燃焼器の内部に発生する高温のせいで、燃焼器のさまざまな構成部材が過熱の危険にさらされ、燃焼器がひどく損傷しかねないまたは少なくともその性能が損なわれかねないというのはよくある問題である。またＮＯｘエミッション（ＮＯｘは化合物ＮＯおよびＮＯ2のような窒素酸化物を表す）も大きな関心事である。このような過熱の危険性を減らし、広範な動作範囲において低エミッションしか生じさせない燃焼装置を提供することが本発明の目標である。
【０００６】
この目標は独立請求項により達成される。従属請求項には本発明の有利な発展形態と変更形態が記載されている。
【０００７】
本発明の第１の態様による燃焼装置は、
燃焼装置への全燃料供給量を提供する、燃焼装置への燃料供給ラインと、
少なくとも１つのバーナーであって、当該少なくとも１つのバーナーへの複数の燃料供給ラインを有しており、当該複数の燃料供給ラインにおける前記少なくとも１つのバーナーへの燃料供給量が燃料装置への前記燃料供給ラインにおける全燃料供給量に相当する、少なくとも１つのバーナーと、
前記少なくとも１つのバーナーに対応付けられた燃焼ボリュームと、
燃焼装置内に配置された温度センサであって、燃焼装置の過熱から保護されるべき部分に関する温度状態を伝達することのできる温度センサと、
燃焼ボリューム内の圧力を表す圧力情報を伝達することのできる圧力センサと、
制御デバイスとを有する。
【０００８】
前記制御デバイスは、前記過熱から保護されるべき部分の温度を所定の最大温度限界値よりも低く維持するために、燃焼ボリューム内の圧力の変動を所定の最大圧力変動限界値よりも低く維持するために、燃焼装置への燃料供給ラインにおける全燃料供給量を実質的に一定に維持しつつ、前記少なくとも１つのバーナーの１つまたは複数のバーナーへの燃料供給量を前記温度情報および前記圧力情報ならびに別の情報に基づいて変化させるように構成されている。
【０００９】
本発明のコンセプトは特に有利である。というのも、本発明によれば、不安定な状態でまたは燃焼ボリューム内もしくはバーナー内の表面に有害な影響を与える過度の高温を生じさせるような状態で装置が稼働されるのを防止することができるからである。時間情報も考慮することで、離散的な複数の時点において燃料供給量を変化させ、これら複数の時点の間では燃料供給量を変化させずに維持することが可能である。さらに、これにより、動作点が特定の動作範囲の近くに留まるがその動作範囲内には入らないように、例えば比較的高い圧力動特性が生じる動作点（発生するＮＯｘが少なくなるという利点がある）または高い温度が生じる動作点（装置が安定した燃焼を提供するという利点がある）の近くに留まるように、燃料供給量を頻繁に変化させることが可能になる。その一方で、信号の時間経過を表す別の情報を評価することにより、燃料供給量の変化が過度に頻繁に起こらないことを保証できる。これにより、燃料供給量のためのバルブ設定を連続的に変えない安定した動作モードが可能になり、バルブ設定の振動が防止される。
【００１０】
さらに、信号の時間経過を評価することにより、信号中に生じるスパイクや雑音を無視してもよい。
【００１１】
第１の実施形態では、処理される信号は負荷情報と圧力情報の一方を表すものとしてよい。なお、負荷情報は燃焼装置の負荷を示すものである。こうすることで、動圧変動が上記期間にわたり繰り返し生じるかどうかを監視することができ、圧力変動が繰り返し生じた場合には、燃料供給量を変化させることにより動圧変動の改善された動作が提供されるようにするステップを実行してもよい。動圧変動の「改善」は、少なくとも特定の帯域幅に関して、動圧変動の回数または振幅を低減した場合に見られる。
【００１２】
別の実施形態および第１動作モードでは、制御デバイスはさらに、所定の最大温度限界値と温度情報により表される前記保護されるべき部分の温度との間の差が所定の温度閾値を超えないように前記部分の温度を調整すべく、時間情報によって定められた複数の時点において燃料供給量を変化させるよう構成されていてよい。これにより部材の過熱が防止される。
【００１３】
さらに別の実施形態および第２動作モードでは、制御デバイスはさらに、所定の最大圧力変動と圧力情報により表される圧力変動との間の差が所定の圧力変動閾値を超えないように前記圧力変動を調整すべく、時間情報によって定められた複数の時点において燃料供給量を変化させるよう構成されていてよい。評価を例えば帯域幅操作を介して、安定した動作にとって有害と考えられる圧力周波数の特定の帯域に対してのみに評価を限定してもよい。なぜならば、例えば、燃焼価の範囲内の共振周波数に遭遇する、および／または圧力脈動が火炎に負の影響を及ぼすことにより例えば消炎の危険性があるからである。
【００１４】
好ましくは、制御デバイスはさらに、時間情報によって定められた期間にわたり信号の平均値算出または集約のステップを実行することにより、信号の時間経過を評価するように、特に前記期間にわたり圧力又は負荷の値の積分を求める又は前記期間にわたり圧力又は負荷の値の平均を求めるように構成されていてよい。前記平均値算出または集約のステップが適用される前に、例えばフィルタを通して信号を前処理してもよい。積分は閾値との関連で処理するようにしてよい。積分または平均を処理することにより、燃焼装置の動作の全般的な傾向を知ることができ、動作が不所望な領域に進むまたは留まる場合には、燃料供給量を変化させることによって対抗措置をとることができる。有利なことに、この動作は、評価された信号（例えば圧力動特性または負荷）におけるシングルスパイクまたは雑音を無視するので、燃料供給量の変化は（不所望な領域での）一定の安定した動作が感知された場合にしか行われない。
【００１５】
以下では、所定の最大圧力変動限界値の近傍での動作が行われる前記第２動作モードをより詳しく論じる。
【００１６】
有利な実施形態では、制御デバイスはさらに、圧力情報と時間情報とに基づいて時間積分を行うことにより時間積分値を求めるように構成されていてよい。特に、圧力情報が所定の別の圧力変動限界値を下回る動圧値を示す場合にのみ、時間積分値を求めるようにしてよい。言い換えれば、所定の別の圧力変動限界値を下回る動圧値が時間積分の評価をトリガする。このような構成では、制御デバイスはさらに、時間積分値が所定の第１時間積分限界値を超えている場合、燃料供給量を第１変更値により変化させるように構成されていてよい。特に、動圧値が連続的に第１時間積分限界値よりも高いままであることが時間積分から分かる場合には、より信頼できる燃料量を得るためにパイロット燃料供給量を増やしてよい。
【００１７】
さらに、制御デバイスは、（以前の燃料供給量の変更の後に）圧力変動が所定の最大圧力変動限界値に達していることを圧力情報が示している場合には、第１変更値による燃料供給量の変化を少なくとも部分的に中和するために、燃料供給量を第２変更値により変化させるように構成されていてよい。これにより燃焼装置はじかに最大圧力変動限界値で動作するのではなく、最大圧力変動限界値から所定の距離をもって動作するので有利である。
【００１８】
また、圧力変動が所定の圧力変動差以上に所定の最大圧力変動限界値を下回っていることを圧力情報が示している場合には、燃料供給量を第３変更値により変化させる、有利には第１変更値と同じ「方向」に、できれば第１変更値の値だけ変化させるように動作を拡張してよい。こうすることで階段状の曲線（図６Ａ参照）が形成することができ、動作は所定の最大圧力変動限界値の近傍に維持される。
【００１９】
以下では、なおも第２動作モードに関して、上で述べた積分の代わりに時間平均演算により時間経過が評価される。
【００２０】
動圧の他に負荷情報も信号として経時的に評価してよい。特に、燃焼装置はさらに回転可能なシャフトと燃焼装置内に配置されたエンジン負荷インジケータとを有していてよい。なお、エンジン負荷インジケータはエンジン負荷または前記シャフトのトルクまたは前記シャフトの回転速度を表す負荷情報を伝達することができるものである。さらに別の動作パラメータまたはこれらパラメータの組合せもエンジン負荷を示すものと考えられる。それは実際の燃焼装置に依存する。
【００２１】
有利には、制御デバイスはさらに、時間情報によって定められた期間にわたり燃料供給量を一定に保ち、前記期間の間に負荷情報を収集するように構成されていてよい。それゆえ燃料供給量の過度に急速な補正が防止される。制御デバイスはさらに、前記期間中に収集した負荷情報の変動が所定の負荷閾値を下回る場合、例えば前記期間中の負荷の変動が５％である場合に、前記期間が経過した後に燃料供給量を第１変更値により変化させるように構成されていてよい。燃料供給量のこの変更は、燃焼が所定の最大圧力変動限界値の近傍で行われている場合には、パイロット燃料の低減をもたらす。
【００２２】
上で述べたように、制御デバイスはさらに、（以前の燃料供給量の変更の後に）圧力変動が所定の最大圧力変動限界値に達していることを圧力情報が示している場合には、第１変更値による燃料供給量変動を少なくとも部分的に中和するために、燃料供給量を第２変更値により変化させるように構成されていてよい。前述のように、これにより燃焼装置は直に最大圧力変動限界値で動作するのではなく、最大圧力変動限界値から所定の距離をもって動作するので有利である。
【００２３】
別の動作についても異なるシナリオで説明した。特に、圧力変動が所定の圧力変動差以上に所定の最大圧力変動限界値を下回っていることを圧力情報が示している場合には、燃料供給量を第３変更値により変化させる、有利には第１変更値と同じ「方向」に、できれば第１変更値の値だけ変化させるように動作を拡張してよい。こうすることで階段状の曲線（図６Ａ参照）が形成することができ、動作は所定の最大圧力変動限界値の近傍に維持される。
【００２４】
以下では、所定の最大圧力温度の近傍での動作が行われる前記第１動作モードをより詳しく論じる。
【００２５】
最初のステップとして、制御デバイスはさらに、前記温度が前記所定の最大温度限界値に達していることを前記温度情報が示している場合に、第１変更値による燃料供給量の変化を少なくとも部分的に中和するために燃料供給量を第４変更値により変化させるように構成されていてよい。
【００２６】
この変更の後、制御デバイスはさらに、時間情報によって定められた期間にわたり燃料供給量を一定に保ち、前記期間の間に負荷情報を収集するように構成されていてよい。したがって以前と同様に、燃料供給量の過度に急速な補正が防止される。制御デバイスはさらに、前記期間中に収集した負荷情報の変動が所定の負荷閾値を下回る、例えば前記期間中の負荷の変動が５％である場合に、前記期間が経過した後に燃料供給量を第１変更値により変化させるように構成されていてよい。燃焼が所定の最大温度限界値の近くで行われる場合には、燃料供給量の変化がパイロット燃料の増大をもたらす場合がある。
【００２７】
処理は次のように続けてよい。すなわち、温度が２回以上所定の最大温度限界値に達していることが温度情報により示された場合に、燃料供給量を第５変更値により、有利には第１変更値と同じ「方向」にできれば第１変更値の値だけ変化させるように、制御デバイスをさらに構成する。以前の構成のうちの幾つかを適用することにより、所定の最大温度限界値の近傍に留まる動作を提供することができる。
【００２８】
すべての動作モードに関して、以下の有利な構造的構成が適用される。
例えば、複数の燃料供給ラインは前記少なくとも１つのバーナーのそれぞれへの第１のメイン燃料供給ラインと第２のパイロット燃料供給ラインとを含んでいてよい。さらに、これら複数の燃料供給ラインは前記少なくとも１つのバーナーのそれぞれへの第１及び第２のメイン燃料供給ラインを含んでいてよい。
【００２９】
制御デバイスは、第１及び第２の燃料供給ラインにおける燃料供給量の比を変更すると共に、前記バーナーへの全燃料供給量を実質的に一定に保つように構成されていてよい。代替的に、燃焼装置が複数のバーナーを含んでおり、制御デバイスは１つのバーナーにおいて第１及び第２の燃料供給ラインにおける燃料供給量の比を変更すると共に、そのバーナーへの全燃料供給量を変化させることができるように構成されていてもよい。この前記バーナーへの全燃料供給量の変更は、他の１つ以上のバーナーへの全燃料供給量の逆方向の変更によって補償される。
【００３０】
保護されるべき部分は、前記少なくとも１つのバーナーの前面、前記少なくとも１つのバーナーの予燃焼室の壁、燃焼ボリュームの壁、およびバーナーの旋回室内に位置するランスのうちの少なくとも１つとしてよい。
【００３１】
温度センサは保護されるべき部分の上または中に配置されていてよい。ここで、保護されるべき部分は、前記少なくとも１つのバーナーの前面、前記少なくとも１つのバーナーの予燃焼室の壁、燃焼ボリュームの壁、およびバーナーの旋回室内に位置するランスのいずれであってもよい。
【００３２】
温度センサは前記少なくとも１つのバーナーに入るガスの温度を感知できるように配置されていてよい。代替的に、燃焼装置がガスタービンの場合には、ガスタービンエンジンのタービン静翼の温度を感知できるように燃焼ボリュームの下流端部に温度センサを配置してもよい。別の代替形態として、前記少なくとも１つのバーナーへの燃料供給ラインの中に温度センサを配置してもよい。
【００３３】
燃焼装置はガスタービンエンジンとしてよく、燃焼ボリュームはこのガスタービンエンジンの燃焼ボリュームを含んでいてよい。代替的に、燃焼装置はボイラーまたは炉であってもよい。
【００３４】
上では、制御デバイスを構造的に規定した。この制御デバイスによって実行される方法ステップを規定し、これらの方法ステップだけをクレーム化することも可能である。これは大部分が繰り返しになるので、この時点では行わない。しかしながら、温度情報、圧力情報および負荷情報のような入力情報を評価し、燃料供給量の設定を制御する方法ステップとして請求項を規定してもよい。しかしながら当業者であれば、前述の記載および後述の記載から、ことわりが無い限り、１つの対象に関連する特徴のあらゆる組み合わせの他に、それとは異なる対象に関連する複数の特徴の組み合わせ、殊に装置を特定する請求項に記載の特徴と、方法を特定する請求項に記載の特徴の組み合わせも本願の開示内容と見なせることが分かる。
【００３５】
本発明の上で規定された態様および他の態様は以下に示す実施例から明らかであり、これらの実施例を参照して説明される。
【００３６】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態をあくまで例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一般的なガスタービンの縦断面である。
【図２】図２Ａは一般的な燃焼器の縦断面であり、図２Ｂは図２Ａの線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面である。
【図３】複数の燃焼器を有する一般的なガスタービンにおけるメイン燃料供給量とパイロット燃料供給量の導出を示すブロック線図である。
【図４】本発明に関係する、異なる負荷値に対するメイン燃料とパイロット燃料の分離をプロットしたグラフである。
【図５】本発明による燃焼装置における温度センサと圧力センサの配置の一例である。
【図６】制御機構の作用を図解したグラフの一例を示す。
【００３８】
図面における表示は概略的である。なお、異なる複数の図における類似または同一の要素には同じ参照符号が使用される。
【００３９】
本発明の発明者は、燃焼エリアにおける燃焼過程による燃焼装置の構成部材の過熱は、燃焼装置への全燃料供給量を変化させることなく、燃焼器へのメイン／パイロット燃料供給量を変化させることによって防止することが可能であることに気付いた。ふつうは、燃焼装置、例えばガスタービンに課される定負荷にマッチするように、１つの燃焼器（または複数の燃焼器）への一定の全燃料供給量を維持することが望ましい。通常そうであるようにガスタービンへの負荷が変化する場合には、ガスタービンへの全燃料供給量を変更する必要がある。
【００４０】
有利な実施形態によれば、燃料は複数の噴射点において、すなわち、図２、３および５に示されているようにメイン燃料ノズル（または噴射器）２８およびパイロット燃料ノズル２９において、複数の燃料供給ライン２４、２５を使用してガスタービンの燃焼室内に供給される。燃料は異なる燃料供給ライン（パイロット燃料供給ライン２５およびメイン燃料供給ライン２５）を通して供給され、分割比は、本発明の制御デバイス３６としての、いわゆるエンジンコントロールユニットによってバルブを介して制御される。
【００４１】
通常、パイロット燃料供給ラインとメイン燃料供給ライン２５との間の燃料噴射比は、全動作域にわたり最良の性能とＮＯｘを達成するために、既定の燃料分割マップを介して種々の負荷にわたり設定されている。本発明によれば、既定の燃料分割マップの使用は特別な動作範囲に限られる。というのも、完全な動作性を保証するには、既定の燃料分割マップを低エミッションに関してかなり保守的なレベルに設定しなければならないからである。
【００４２】
既定の分割マップを全動作域にわたり使用することの主な不利点は、既定の燃料分割マップが、例えば周囲温度の変化、製造公差および特定の場所の要求のゆえに生じうるエンジン特性の変化を考慮していないことである。そのうえ、既定の動作マップ上では、狭い動作マージンが経験されることがよくある。例えば、高い金属温度（図４の領域Ａ）と高い燃焼器圧力変動（図４の領域Ｂ）との境界は互いに接近している。
【００４３】
本発明の背後にある思想は、「負荷」対「メイン／パイロット燃料分割」のグラフである図４に示されている。横軸の左方は低負荷を、右方は高負荷を表している。縦軸は燃料分割を表しており、縦軸の高い方では、燃料量のかなりの部分がパイロット燃料供給によるものである。縦軸の低い方は、パイロット燃料供給による燃料量が少ないことを示す。縦軸は燃料供給量の絶対的な値を示すものではなく、メイン燃料供給量に対するパイロット燃料供給量の相対的な値を示すものである。
【００４４】
グラフにおいて、参照符号Ａが指しているハッチングされた領域は、燃焼器の構成部材が過熱による損傷を受ける危険のある動作状態を表している。例えば、ある条件においては、所与の負荷に対して特定のメイン対パイロット燃料分割が燃焼器表面の過熱を生じさせる場合がある。したがって、本発明は、所与の負荷に対して、領域Ａを避けるようなメイン燃料流とパイロット燃料流との分割（分割）を導出することを課題としている。
【００４５】
同時に、本発明は動作を領域Ｂから遠ざけることも課題としている。１つの特定のケースでは、領域Ｂは、燃焼領域内における動圧振動の振幅が不所望に高くなる動作状態を表している。このような動圧振動が許容されるレベルを超えた場合、ガスタービンの動作および／または燃焼システムの機械的寿命が深刻な影響を受ける可能性がある。
【００４６】
したがって、領域Ａだけでなく領域Ｂからも遠ざかることができることが望ましい。これは本発明によって実現される。
【００４７】
動圧振動の周波数は燃焼器のジオメトリと燃焼器を一部として含む音響系の特性とに依存し、１００Ｈｚ未満から数ｋＨｚまでにわたる。メイン／パイロット燃料流分割の適切な変化を達成するために、燃焼器に関係した適切な点の温度と圧力振動との両方がセンサによって監視される。
【００４８】
次に図２Ａに対応する図５を参照すると、この燃焼器構成における温度と圧力振動は、第１に温度センサ３２を燃焼器のライフクリティカルな部分に配置し、第２に圧力センサ３３を燃焼ボリューム２３内に配置することによって測定される。この例では、ライフクリティカルな部分は燃焼ボリューム２３を画定する周囲壁である。２つのセンサからの出力３４および３５は制御デバイスとしての制御ユニット３６へと運ばれる。
【００４９】
制御ユニット３６への別の入力３８として、負荷情報が提供される。負荷情報は、駆動中の発電機の速度もしくは電力出力、駆動中の発電機によって発電される電力、ガスタービンのシャフトの回転速度、またはシャフトによるトルクを表すものであってよい。なお、上記発電機はガスタービンのシャフトに結合されており、シャフトによって駆動されるものとしてよい。負荷情報はまた燃焼室を励起する質量流量を表すものであってもよい。負荷情報はセンサ（図５には図示せず）から取得されてもよいし、別の動作パラメータから導出してもよい。また、負荷情報は上記定義の組合せであってもよい。
【００５０】
入出力３４、３５、３８を介して提供された情報に基づいて、制御ユニット３６は、制御ユニット３６の出力部３７から制御信号を供給することによって、メイン燃料とパイロット燃料との比をバルブ２６を介して制御する。
【００５１】
制御ユニット３６は、ガスタービンの動作を図４の領域Ａと領域Ｂの間の安全領域内に保つための適切な処理ステップを実行する処理装置を含んでいる。このような処理の１つの例を以下に示す。
【００５２】
第１実施形態では、ガスタービンは大きな圧力変動を伴う動作点を表す領域Ｂの近くで運転させることによって高いＮＯｘ低減率で動作させられる。この実施形態は図６Ａを参照することで説明される。
【００５３】
図６によれば、パイロット燃料ノズル２９に供給されるパイロット燃料とメイン燃料ノズル２８に供給されるメイン燃料との間の分割は曲線６０に従う。曲線６０は低負荷の領域６１と高負荷の領域６３の内部では規定の燃料分割マップに従う。図６の中負荷領域６２内に示されている領域では、規定の燃料分割マップに従うならば、曲線６０は破線に従うことになる。それとは対照的に、本発明の構想の結果である実際の曲線は、領域６１、６２、６３において実線で示されており、該実際の曲線は領域ＡまたはＢのいずれの領域においても永続的な動作点とならないように前記燃料分割を「修正」する。
【００５４】
負荷が非常に低い場合には、高い値のパイロット燃料がバーナーに供給される。このメインとパイロットとの燃料分割は負荷が閾値Ｃに達するまで変更されない。閾値Ｃは「活動化負荷」を定めている。「活動化負荷」とは、それを超えると、本発明による処理の制御部分の実行が必要であると見なされるエンジン負荷に相当する。規定の燃料分割マップは、負荷が閾値Ｃを超えた場合、パイロット燃料供給量が低減され、メイン燃料供給量が増大されるように、メイン／パイロット燃料分割を変更することを規定している。この手続きは規定の燃料分割マップに従うために実質的に連続的に繰り返される。
【００５５】
制御デバイス３６は、負荷が閾値Ｃを通過した場合、あるいは負荷が負荷の全範囲を通過した場合に、圧力情報を提供する圧力センサ３３の出力と、温度情報を提供する温度センサ３２の出力と、負荷情報を提供するエンジン負荷インジケータの出力を読むように構成されている。
【００５６】
次の期間には、温度情報が収集され、所定の最大温度限界値と比較される。さらに、圧力情報が収集され、所定の最大圧力変動限界値と比較される。
【００５７】
これらの条件のいずれかが真ならば、本発明による能動的パイロット制御処理が活動化される。そうでなければ、メイン／パイロット流分割マップのデフォルト設定からの変化が検査される。
【００５８】
図６Ａに示されているように、第１の例として、燃料供給はメイン／パイロット流分割マップに従い、ある点において負荷は領域Ａに浸食し始めるように上昇する。これらの状況下では、温度情報パラメータは許容される最大値、すなわち所定の最大温度限界値を超える。その結果、特定の能動的パイロット制御が開始され、分割は想定される点７３まで減分される。圧力動特性信号はさらに監視され、圧力情報として制御デバイス３６に提供される。圧力情報がある所定の値よりも低い圧力動特性値を示しているならば、時間情報によって規定される時間にわたり圧力動特性値の時間積分が計算される。この時間積分は、信号の時間経過を表す本発明における別の情報に相当する。ここで、信号は圧力動特性値である。この時間積分が所定の第１時間積分限界値を超えている場合、本発明の燃料分割制御は領域Ｂに達する（点７４）までパイロット燃料を決められた比で減少させる。領域Ｂに達したら、パイロット燃料は、領域Ａと領域Ｂの間の目標領域内の、領域Ｂに近い動作点まで僅かに（７５）増大させられる。
【００５９】
積分は曲線と所与の動圧限界値との間で行われる。計算される領域が限界値と限界値よりも下方の曲線との間であって、計算される積分が負の値となる場合、最小限界値のために積分の逆数をとってもよい。
【００６０】
また、動圧値のために特定の周波数帯域に注目してもよい。積分を求める前に、例えば帯域幅演算子を適用することによって、特定の周波数帯域だけを考慮してもよい。これにより、例えば、消炎が生じるような圧力周波数に注目することができる。
【００６１】
これらのステップを処理し終われば、負荷が一定にとどまる限り、メイン／パイロット燃料分割の変更はそれ以上行われない。
【００６２】
これ以降、１つの可能な実施形態として、領域Ａ、領域Ｂまたはデフォルト燃料分割マップに達するまで燃料分割の調整は行われない。
【００６３】
代替的には、さらなる燃料分割調整は可能であり、有利である。負荷の変化は監視され、制御デバイス３６に提供される負荷情報を介して診断されるようにしてもよい。いったん負荷が所定の値だけ増大したら、あるいは負荷とは無関係に単に所定の時間だけ待機したら、点７２で開始する上記処理がさらに行われる。これが複数回繰り返して実行されることで、燃料分割が更新され、ガスタービンの動作点は領域Ｂの近傍に留まる。このことは図６Ａの領域６２の左側の階段状曲線から見て取ることができる。
【００６４】
この動作モードは後続の複数回の繰り返しにおいて継続する。この処理は負荷上限または最小パイロット燃料供給量設定に達する（点７０）と終了する。メイン／パイロット燃料分割は、領域６３において点７１から始めて再びデフォルト燃料分割に従うことができるならば、変更しなくてよい（領域６２の右側の曲線を参照せよ）。
【００６５】
上記第１の例では、時間積分が求められた。次に、第２の例では、異なる実施を示す。再び、図６Ａを参照する。
【００６６】
この第２の例によれば、再び燃料供給量はメイン／パイロット燃料分割マップに従い、ある点において負荷は領域Ａに浸食し始めるように上昇するものと仮定される。これらの状況下では、温度情報パラメータは許容される最大値、すなわち所定の最大温度限界値を超える。その結果、特定の能動的パイロット制御が開始され、分割は想定される点７３まで減分される。この時点から、時間情報によって定められた期間、例えば１５〜３０分の間、動作状態が監視される。この期間にわたり動作負荷が監視され、負荷の時間平均が求められる。この負荷の時間平均は、本発明によれば、時間経過を表す更なる情報である。時間平均値が比較的（例えば５％までの変動で）一定していれば、制御処理はパイロット分割を決められた比で減少させ、ある期間にわたり負荷を監視し、時間平均値を求める前記ステップを再び開始する。
【００６７】
この処理は繰り返して継続され、本発明の燃料分割制御は領域Ｂに達する（点７４）までパイロット燃料を決められた比で減少させる。領域Ｂに達したら、パイロット燃料は、領域Ａと領域Ｂの間の目標領域内の、領域Ｂに近い動作点まで僅かに（７５）増大させられる。
【００６８】
これらのステップを処理し終われば、負荷が一定にとどまる限り、メイン／パイロット燃料分割の変更はそれ以上行われない。
【００６９】
またこれ以降、領域Ａ、領域Ｂまたはデフォルト燃料分割マップに達するまで燃料分割の調整は行われない。
【００７０】
代替的には、さらなる燃料分割調整が可能である。負荷の変化は監視され、制御デバイス３６に提供される負荷情報を介して診断されるようにしてもよい。いったん負荷が所定の値だけ増大したら、あるいは負荷とは無関係に単に所定の時間だけ経過したら、点７２で開始する上記処理がさらに行われる。これは複数回繰り返して実行され、ガスタービンの動作点は領域Ｂの近傍に留まる。このことは図６Ａの領域６２の左手の階段状曲線から見て取ることができる。
【００７１】
この動作モードは後続の複数回の繰り返しにおいて継続する。この処理は負荷上限または最小パイロット燃料供給量設定に達する（点７０）と終了する。メイン／パイロット燃料分割は、領域６３において点７１から始めて再びデフォルト燃料分割に従うことができるならば、変更しなくてよい（領域６２の右側の曲線を参照せよ）。
【００７２】
第１および第２の例は点７２に達するとすぐに開始される処理を示している。さらなる変更形態として、この処理を既に活動化負荷点Ｃにおいて開始し、ガスタービンエンジンが全負荷範囲にわたり領域Ｂの近傍にあるようにすることによって、ＮＯｘエミッションに関して最適化されるようにしてもよい。また別の変更形態として、曲線６０が領域Ａと交差していなくても、曲線６０上の任意の点で処理を開始してもよい。
【００７３】
第３の実施形態では、バーナー２０または燃焼室の特定の表面が高温となる動作点を表す領域Ａの近くでガスタービンを運転することで、ガスタービンは高いエンジン信頼性をもって動作する。特に、圧力センサまたはトランスジューサ信号が低下する場合、および／または燃焼動特性の問題が最も重要であるような所与の場所でガスタービンエンジンを運転する場合、ガスタービンエンジンを最も高い信頼性をもって運転するには、領域Ａの近傍で運転することが１つの選択肢である。この実施形態は図６Ｂを参照することで説明される。
【００７４】
この第２の例によれば、燃料供給量はメイン／パイロット燃料分割マップに従い、ある点において負荷は領域Ａに浸食し始めるように上昇するものと仮定される。これらの状況下では、温度情報パラメータは許容される最大値、すなわち所定の最大温度限界値を超える。その結果、特定の能動的パイロット制御が開始され、分割は想定される点７３まで減分される。この時点から、時間情報によって定められた期間にわたり、例えば１５〜３０分の間、動作状態が監視される。この期間にわたり動作負荷が監視され、負荷の時間平均が求められる。時間平均値が比較的（例えば５％までの変動で）一定していれば、制御処理はパイロット分割を決められた比で増大させ、ある期間にわたり負荷を監視し、時間平均値を求める前記ステップを再び開始する。
【００７５】
負荷の監視とパイロット分割の増分の処理は繰り返して継続され、それにより本発明の燃料分割制御は領域Ａに達する（点７４）までパイロット燃料を決められた比で増大させる。領域Ａに達したら、パイロット燃料は、領域Ａと領域Ｂの間の目標領域内の、領域Ａに近い動作点まで僅かに（７５）減少させられる。
【００７６】
これらのステップを処理し終われば、負荷が一定にとどまる限り、メイン／パイロット燃料分割の変更はそれ以上行われない。
【００７７】
またこれ以降、領域Ａ、領域Ｂまたはデフォルト燃料分割マップに達するまで燃料分割の調整は行われない。
【００７８】
代替的には、さらなる燃料分割調整が可能である。負荷の変化は監視され、制御デバイス３６に提供される負荷情報を介して診断されるようにしてもよい。いったん負荷が所定の値だけ増大したら、あるいは負荷とは無関係に単に所定の時間だけ待機したら、もしくは領域Ａに達したら、点７２で開始する上記処理がさらに行われる。これは複数回繰り返して実行され、ガスタービンの動作点は領域Ａの近傍に留まる。このことは図６Ｂの領域６２の左側の階段状曲線から見て取ることができる。
【００７９】
この動作モードは後続の複数回の繰り返しにおいて継続する。この処理は負荷上限または最小パイロット燃料供給量設定に達する（点７０）と終了する。メイン／パイロット燃料分割は、領域６３において点７１から始めて再びデフォルト燃料分割に従うことができるならば、変更しなくてよい（領域６２の右側の曲線を参照せよ）。
【００８０】
上記の与えられた諸例は特に有利である。なぜならば、１つの動作モードにおいて、エンジンが達成可能な最低のＮＯｘで、しかも高い信頼性をもって運転されるからである。さらに、説明された動作モードのうちの１つは、エンジンが所定の期間にわたり定常的に運転されている場合、ＮＯｘを低減しようと努める。
【００８１】
代替的に、熱電対の信号が不良の場合には、エンジンを一時的に領域Ｂの近傍で運転してよい。燃焼動特性プローブの信号が不良の場合には、エンジンを一時的に領域Ａの近傍で運転してよい。これは、監視設備が故障している場合でも、ガスタービンの計画されている次の点検まで安定した動作を可能にする。
【００８２】
別の利点として、本発明は、エンジンの特定の燃料計画と最も低いＮＯｘを規定するために、エンジンの開発テスト中に使用することもできる。
【００８３】
温度センサと圧力センサの配置の一例は既に図５に示されている。他の幾つかの位置も予想される。場合によっては、温度センサ３２をバーナーの前面３９の背後に埋め込んでもよい。したがってこの場合、過熱から保護される部材はバーナーの前面である。代替的に、予燃焼室２２の壁または燃焼ボリューム２３の壁部分に温度センサ３２を埋め込んでもよい。したがってこれら２つのケースでは、過熱から保護される部材はそれぞれ、予燃焼室の壁、燃焼ボリュームの前壁である。温度センサ３２のまた別の可能な配置位置として、旋回室内に配置されたバーナーランスの端部に温度センサ３２を設けてもよい。ランスの先端はランスの部分のうちで最も過熱を受けやすい部分であるから、温度センサはランスの先端に配置されるのが好ましい。
【００８４】
以上のすべての例において、温度センサは過熱の監視が行われる部材の中または上に取り付けられている。しかし代替的に、温度センサをこの部材自体からは離れて、しかしこの部材の温度を同様に測定できる場所に取り付けることも可能である。例えば、コンプレッサ排気エリア内の空気の温度を測定できるように、温度センサ３２が燃焼器外に配置される。温度センサはガスタービンを制御するための標準的な計装の一部であってよい。この構成により、バーナーや燃焼器の他の部分または燃焼器に隣接する部分のような部材を過熱から保護することができる。この構成の１つの利点は、センサに容易にアクセスすることができ、信号が既に使用可能であることである。この場合、制御は大きな動圧振動が発生するのを防止するために用いられる。システムによっては、大きな動圧振動は火炎の位置に影響を及ぼす。一方で、これは部材中の金属温度に関する情報を提供することができる。別の代替例として、温度センサを冷却空気入口の下流、しかも燃焼器のフードの内部に配置し、圧力センサをフード空間内に配置してもよい。動圧振動はある頻度で流れが方向を変えるときに生じる。したがって、システムの音響特性に依存して、振動は振動源、すなわち火炎から放出される熱に（バーナーを介して）接続しているボリュームの中の燃焼ボリューム外で記録される。動圧センサは、その配置位置が燃焼室内の圧力特性に相応する圧力特性をもたらす限り、ガスタービンのケーシング内のどこかに、燃焼缶の外部にさえ配置してよい。
【００８５】
別の構成として、第１のタービン静翼の温度に相当する測定値を形成するために、温度センサを燃焼ボリュームの非常に下流の端部に配置してよい。このケースでは、第１のタービン静翼が保護されるべき部材である。このタービン静翼における温度プロファイルは燃料の分布に、したがってパイロットとメインの分割に影響される。それゆえ、静翼の表面の金属温度と燃料スプリットバルブの設定との間に直接的な繋がりが見られる。
【００８６】
さらに別の可能な構成においては、燃料スプリットバルブに供給される燃料供給の温度を測定するように温度センサを配置してよい。圧力センサは燃焼ボリュームの上流部分に配置してよい。この燃焼システムでは、圧力振動は特定の動作状態によって、より具体的には、コンプレッサの下流の空気温度または燃料温度のようなパラメータによって誘発される。脈動の開始は、火炎が燃焼器内のある場所に移動したことを示す。あるシステムでは、この場所は熱伝達の増大に対応し、保護すべき部材の金属温度を上昇させる。したがって、アルゴリズムは、燃料温度の監視を通して、火炎をより安全な領域へ戻すよう作用する。
【００８７】
これまで、制御される燃料分割は単一のバーナーにおけるメインとパイロットとの間の燃料分割であると仮定してきた。しかし、１つの燃焼器に対して１つより多くのメイン供給を有することも可能である。この場合、パイロットの使用をかなり制限すること、またはパイロットを使用しないことさえ可能である。その場合、本発明は燃焼器への２つ以上のメイン燃料供給の間での分割を制御する一方で、前に述べたように、燃焼器への全供給量は一定に保つ。ガスタービン内に１つより多くの燃焼器がある場合には、別の可能なシナリオが生じる。その場合、１つの燃焼器におけるメインとパイロットの間での（または２つ以上のメイン供給の間での）分割がその燃焼器に供給される全燃料量の変化を含む場合も考えられる。すなわち、１つの燃焼器に供給される燃料の総量は、１つ以上の他の燃焼器に供給される燃料の総量が補償調整される限り、一定に保たれない。それゆえ、それでもこれは、特定の負荷に対して燃焼装置全体に供給される燃料の総量は一定に保たれることを意味する。
【００８８】
本発明は主にガスタービンとの関連において説明されているが、炉やボイラーのような他の燃焼関連の環境において使用してもよい。
【００８９】
既に述べたように、監視される２つの主なパラメータは温度と圧力である。代わりに、他の「競合する」パラメータを監視し、アルゴリズムにおいてパラメータＸおよびＹとして使用してもよい。「競合する」とは、パラメータが動作状態に対して「プッシュプル」効果を有しており、一方では動作状態を領域Ａの近くに移動させ、他方では領域Ｂの近くに移動させるということを意味している。監視されるそのようなパラメータの１つの例がエミッション、例えばＮＯｘである。
【００９０】
異なる実施形態を要約すれば、金属温度、例えばバーナーの金属温度と、燃焼動特性の読取り値とに基づいて、燃焼計画（パイロット分割）を調整する処理が行われる。評価されるパラメータは金属温度、燃焼動特性の読取り値、エンジンクロック時間およびエンジン負荷もしくは発電機速度である。メイン／パイロット燃料分割を制御するために、逆積分技術または時間平均技術のいずれかを使用して、図６の領域ＡまたはＢの境界の１つに接近し、所望の動作点に達する。ＮＯｘが主な関心ならば、領域Ｂの近傍で高い信頼性をもってガスタービンエンジンを動作させることができる。しかし、燃焼動特性に関して既知の問題をもつ特定の場所でエンジンを動作させる場合には、この技術はエンジンを領域Ａの近傍で動作するように駆動するために使用することができる。
【００９１】
逆積分は金属温度または圧力を表す信号の一方に適用される。逆積分は（所定の限界値の下で）時間積分を計算し、積分が完遂されて積分値が得られたら、領域ＡまたはＢの一方に接近するようにパイロット分割を変更する（増大または減少させる）。上記方法はつねに、連続的に監視されている信号（バーナー金属温度または圧力動特性）の一方を２つの限界値の間に、すなわち、圧力または温度に対して既定の最大値と積分の既定の最小値との間に維持しようと努める。
【００９２】
時間平均は、平均値計算期間の間、ガスタービンエンジンが定常的に動作しているか否か確認するために、負荷やエンジン速度のようなパラメータ（ツインシャフト構成の場合）に適用される。ガスタービンエンジンが定常的に動作していれば、領域ＡまたはＢの一方に接近するようにパイロット分割を変更する（増大または減少させる）。
【００９３】
すべての実施形態に関して、本発明によれば、有利には、燃料分割の更新が連続的に起こらないように燃料供給のためのバルブの変化の回数を最小に留める動作モードを見つけることができる。これによりバーナーの堅実な動作が可能となる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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