(57)【要約】【課題】燃焼動作中の燃焼ダイナミックスを改善する燃料ノズルシステムの能動的制御を提供する。【解決手段】ガスタービンシステムは、広範囲の動作条件で作動することが望ましい。しかしながら、特定の条件下では、燃焼器が指定の条件に到達するのを制限する動的境界条件が存在する。電磁プレートから形成された摂動装置を燃焼器の燃料ノズルに導入し、動作条件の範囲を拡大できるようにダイナミックスに影響を与えることができる。摂動装置は、ダイナミックスコントローラから提供される摂動信号に応じて振動する。摂動信号の特質を制御することによって、摂動装置の振動特性を制御することができる。振動は、燃料ノズル内の摂動装置を通過する流体、すなわち燃料、酸化剤、又はその両方のダイナミックスに影響を与える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステムの燃焼器の燃料ノズルで使用するための摂動装置であって、
第１及び第２のフレキシブルプレートを含む複数のフレキシブルプレートを備え、前記第１及び第２のフレキシブルプレートが共に電磁プレートであり、前記第１及び第２のフレキシブルプレートがそれぞれ、第１及び第２の摂動信号を受け取って対応する第１及び第２の磁束を生成するよう構成され、前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して前記第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が振動するように、前記第１及び第２のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置され、前記第１のフレキシブルプレートが、第１の摂動信号としてＡＣ信号を受け取り、第１の磁束として対応するＡＣ磁束を生成するよう構成されている、摂動装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のフレキシブルプレートの一方が、固定されるように構成され、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの他方が、前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように構成されている、請求項１に記載の摂動装置。
【請求項３】
前記第２のフレキシブルプレートが、前記第２の摂動信号としてＤＣ信号を受け取り、対応するＤＣ磁束を第２の磁束として生成するよう構成されている、請求項１に記載の摂動装置。
【請求項４】
前記第１のフレキシブルプレートにより受け取られたＡＣ信号が第１のＡＣ信号であり、前記第２のフレキシブルプレートが、第２のＡＣ信号を第２の摂動装置として受け取り、対応するＡＣ磁束を第２の磁束として生成するよう構成されている、請求項１に記載の摂動装置。
【請求項５】
前記摂動装置が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである、請求項１に記載の摂動装置。
【請求項６】
ガスタービンシステムの燃焼器におけるダイナミックスに影響を与えるための制御システムであって、
燃料、酸化剤又は燃料及び酸化剤の混合物を含むガス状の流体を前記燃焼器の燃焼室に送給するように各々が構成された前記燃焼器の複数の燃料ノズル用の複数の摂動装置と、
前記燃焼室内の圧力を測定するよう構成された１つ又はそれ以上の圧力センサと、
前記１つ又はそれ以上の圧力センサによって測定された圧力に基づいて圧力ダイナミックスを分析し、前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて複数の摂動信号を出力し、前記複数の摂動装置を制御するよう構成されたダイナミックスコントローラと、
を備え、前記複数の摂動信号が第１及び第２の摂動信号を含み、該第１の摂動信号がＡＣ信号であり、前記複数の摂動装置が第１の摂動装置を含み、前記複数の燃料ノズルが第１の燃料ノズルを含み、前記第１の摂動装置が、流体が第１の摂動装置を通過するように前記燃焼室の上流側の前記第１の燃料ノズル内に物理的に配置されており、前記第１の摂動装置が、第１及び第２のフレキシブルプレートを有する複数のフレキシブルプレートを含み、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの両方が電磁プレートであり、前記第１及び第２のフレキシブルプレートがそれぞれ、前記第１及び第２の摂動信号を受け取って、対応する第１及び第２の磁束を生成するよう構成されており、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、前記第１及び第２のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置されており、前記ダイナミックスコントローラが、前記第１及び第２の摂動信号を出力し、前記圧力ダイナミックスに基づいて前記第１のフレキシブルプレート、前記第２のフレキシブルプレート、又は前記第１及び第２のフレキシブルプレートの両方の振動特性を制御するよう構成されている、制御システム。
【請求項７】
前記第１及び第２のフレキシブルプレートの一方が、前記第１の燃料ノズルに対して固定されるように構成され、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの他方が、前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するよう構成されている、請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
前記固定のフレキシブルプレートが、前記第１の燃料ノズルの内側表面に固定的に取り付けられる、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記ダイナミックスコントローラが、ＤＣ信号を第２の摂動信号として出力し、前記第２のフレキシブルプレートが対応するＤＣ磁束を第２の磁束として生成するよう構成されている、請求項６に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記ダイナミックスコントローラが、前記圧力ダイナミックスに基づいて、前記第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上、並びに前記第２の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上を調整するよう構成されている、請求項９に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記ダイナミックスコントローラによって出力されるＡＣ信号が第１のＡＣ信号であり、前記ダイナミックスコントローラが、第２のＡＣ信号を第２の摂動信号として出力し、前記第２のフレキシブルプレートが対応するＡＣ磁束を第２の磁束として生成するように構成されている、請求項６に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記ダイナミックスコントローラが、前記圧力ダイナミックスに基づいて、前記第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上、並びに前記第２の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するよう構成されている、請求項１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記複数の摂動信号が、第３及び第４の摂動信号を含み、該第３の摂動信号がＡＣ信号であり、前記複数の摂動装置が第２の摂動装置を含み、前記複数の燃料ノズルが、第２の燃料ノズルを含み、前記第２の摂動装置が、前記流体が第２の摂動装置を通過するように前記燃焼室の上流側の前記第２の燃料ノズル内に物理的に配置されており、前記第２の摂動装置が、第３及び第４のフレキシブルプレートを有する複数のフレキシブルプレートを含み、前記第３及び第４のフレキシブルプレートの両方が電磁プレートであり、前記第３及び第４のフレキシブルプレートがそれぞれ、前記第３及び第４の摂動信号を受け取って、対応する第３及び第４の磁束を生成するよう構成され、前記第３及び第４のフレキシブルプレートの一方又は両方が前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、前記第３及び第４のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置されており、前記ダイナミックスコントローラが、前記第３及び第４の摂動信号を出力し、前記圧力ダイナミックスに基づいて前記第３のフレキシブルプレート、前記第４のフレキシブルプレート、又は前記第３及び第４のフレキシブルプレートの両方の振動特性を制御するよう構成されており、前記ダイナミックスコントローラが、前記第３及び第４の摂動信号とは独立して前記第１及び第２の摂動信号を出力するよう構成されている、請求項６に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記ダイナミックスコントローラが、前記圧力ダイナミックスに基づいて、前記第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上、並びに前記第３の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するよう構成されている、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
前記ダイナミックスコントローラが、前記圧力ダイナミックスに基づいて、第２の摂動信号がＡＣ信号であるときに前記第２の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上と、前記第２の摂動信号がＤＣ信号であるときに前記第２の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上と、前記第４の摂動信号がＡＣ信号であるときに前記第４の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上と、前記第４の摂動信号がＤＣ信号であるときに前記第４の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上と、を調整するよう構成される、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
ガスタービンシステムの燃焼器におけるダイナミックスに影響を与える方法であって、前記燃焼器が、
燃焼室と、
第１の燃料ノズルを有し、燃料、酸化剤又は燃料及び酸化剤の混合物を含むガス状の流体を前記燃焼室に送給するように各々が構成された複数の燃料ノズルと、
第１の摂動装置を有し、前記流体が前記第１の摂動装置を通過するように前記第１の摂動装置が前記燃焼室の上流側の前記第１の燃料ノズル内に物理的に配置された複数の摂動装置と、
を含み、前記第１の摂動装置が、第１及び第２のフレキシブルプレートを有する複数のフレキシブルプレートを含み、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの両方が電磁プレートであり、前記第１及び第２のフレキシブルプレートがそれぞれ、前記第１及び第２の摂動信号を受け取って、対応する第１及び第２の磁束を生成するよう構成されており、前記第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、前記第１及び第２のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置されており、
前記方法が、
前記燃焼室内の圧力を測定する１つ又はそれ以上の圧力センサから提供される測定値に基づいて圧力ダイナミックスを分析するステップと、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第１及び第２のフレキシブルプレートに提供される前記第１及び第２の摂動信号の特質を制御して、前記第１の摂動装置の振動特性を制御するステップと、
を含み、前記第第１の摂動信号がＡＣ信号である、方法。
【請求項１７】
前記第１及び第２の摂動信号の特質を制御するステップが、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第２の摂動信号がＡＣ信号であるときに前記第２の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第２の摂動信号がＤＣ信号であるときに前記第２の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の摂動信号が第３及び第４の摂動信号を含み、該第３の摂動信号がＡＣ信号であり、前記複数の摂動装置が第２の摂動装置を含み、前記複数の燃料ノズルが第２の燃料ノズルを含み、前記第２の摂動装置が、前記流体が前記第２の摂動装置を通過するように前記燃焼室の上流側の前記第２の燃料ノズル内に物理的に配置され、前記第２の摂動装置が、第３及び第４のフレキシブルプレートを有する複数のフレキシブルプレートを含み、前記第３及び第４のフレキシブルプレートの両方が電磁プレートであり、前記第３及び第４のフレキシブルプレートがそれぞれ、前記第３及び第４の摂動信号を受け取って、対応する第３及び第４の磁束を生成するよう構成され、前記第３及び第４のフレキシブルプレートの一方又は両方が前記第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、前記第３及び第４のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置されており、
前記方法が更に、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第３及び第４のフレキシブルプレートに提供される前記第３及び第４の摂動信号の特質を制御して、前記第２の摂動装置の振動特性を制御するステップを含み、前記第３の摂動信号がＡＣ信号である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第３及び第４の摂動信号の特質を制御するステップが、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第３の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第４の摂動信号がＡＣ信号であるときに前記第４の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
前記分析された圧力ダイナミックスに基づいて、前記第４の摂動信号がＤＣ信号であるときに前記第４の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上を調整するステップと、
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２の摂動信号が、前記第３及び第４の摂動信号から独立して制御される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の１つ又はそれ以上の態様は、ガスタービン燃焼器における燃焼ダイナミックスを制御する方法、装置、及びシステムに関する。詳細には、１つ又はそれ以上の態様は、燃焼動作中の燃焼ダイナミックスを改善する燃料ノズルシステムの能動的制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器は、広範囲の動作条件で作動することが望ましい。しかしながら、特定の条件下では、燃焼器が指定の条件に到達するのを制限する動的境界条件が存在する。燃焼器ダイナミックスとは、燃焼中に生じる圧力の周期的振動及び／又は脈動を意味する。これらのダイナミックスは、例えば、共振周波数でガスタービン自体に悪影響をもたらす可能性がある。また、ＮＯｘのエミッション増大のような望ましくない作用が生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，６６５，３０５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
有害な作用を軽減するような燃焼ダイナミックスへの影響を利用することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様は、ガスタービンシステムの燃焼器の燃料ノズルで使用する摂動装置に関する。摂動装置は、第１及び第２のフレキシブルプレートを含む複数のフレキシブルプレートを備えることができる。第１及び第２のフレキシブルプレートの両方は、電磁プレートとすることができ、それぞれが第１及び第２の摂動信号を受け取って、対応する第１及び第２の磁束を生成するよう構成される。第１及び第２のフレキシブルプレートは、該第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように互いに対して物理的に配置することができる。第１のフレキシブルプレートは、第１の摂動信号としてＡＣ信号を受け取り、対応するＡＣ磁束を第１の磁束として生成するよう構成することができる。
【０００６】
本発明の別の態様は、ガスタービンシステムの燃焼器におけるダイナミックスに影響を与えるための制御システムに関する。制御システムは、燃焼器の複数の燃料ノズル用の複数の摂動装置と、１つ又はそれ以上の圧力センサと、ダイナミックスコントローラと、を備えることができる。各燃料ノズルは、燃焼器の燃焼室に流体を送給するよう構成することができる。流体は、燃料、酸化剤、又は燃料と酸化剤の混合物を含むことができる。１つ又はそれ以上の圧力センサは、燃焼室内の圧力を測定するよう構成することができる。ダイナミックスコントローラは、１つ又はそれ以上の圧力センサによって測定された圧力に基づいて圧力ダイナミックスを分析し、分析した圧力ダイナミックスに基づいて複数の摂動信号を出力して、複数の摂動装置を制御するよう構成することができる。複数の摂動信号は、第１及び第２の摂動信号を含むことができ、ここで第１の摂動信号はＡＣ信号とすることができる。複数の摂動装置は、第１の摂動装置を含むことができ、複数の燃料ノズルは、第１の燃料ノズルを含むことができ、ここで第１の摂動装置は、流体が第１の摂動装置を通過するよう燃焼室の上流側で第１の燃料ノズル内に物理的に配置することができる。第１の摂動装置が、第１及び第２のフレキシブルプレートを含む複数のフレキシブルプレートを備えることができ、第１及び第２のフレキシブルプレートの両方が電磁プレートとすることができる。第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、第１及び第２のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置することができる。ダイナミックスコントローラは、第１及び第２の摂動信号を出力し、圧力ダイナミックスに基づいて第１のフレキシブルプレート、第２のフレキシブルプレート、又は第１及び第２のフレキシブルプレートの両方の振動特性を制御するよう構成することができる。
【０００７】
本発明の別の態様は、ガスタービンシステムの燃焼器におけるダイナミックスに影響を与える方法に関する。本方法は、燃焼室と、第１の燃料ノズルを含む複数の燃料ノズルと、第１の摂動装置を含む複数の摂動装置とを備えた燃焼器に好適とすることができる。第１の燃料ノズルを含む複数の燃料ノズルの各々は、流体を燃焼室に送給するよう構成することができる。好ましくはガス状の流体は、燃料、酸化剤、又は燃料と酸化剤の混合物を含むことができる。第１の摂動装置は、流体が第１の摂動装置を通過するように燃焼室の上流側で第１の燃料ノズル内に物理的に配置することができる。第１の摂動装置は、第１及び第２のフレキシブルプレートを含む複数のフレキシブルプレートを備えることができ、その両方が電磁プレートとすることができる。第１及び第２のフレキシブルプレートはそれぞれ、第１及び第２の摂動信号を受け取って、対応する第１及び第２の磁束を生成するよう構成することができる。第１及び第２のフレキシブルプレートの一方又は両方が第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように、第１及び第２のフレキシブルプレートが互いに対して物理的に配置することができる。このような燃焼器におけるダイナミックスに影響を与える方法は、燃焼室内の圧力を測定する１つ又はそれ以上の圧力センサから提供される測定値に基づいて圧力ダイナミックスを分析するステップと、分析された圧力ダイナミックスに基づいて、第１及び第２のフレキシブルプレートに提供される第１及び第２の摂動信号の特質を制御して、第１の摂動装置の振動特性を制御するステップと、を含み、第第１の摂動信号がＡＣ信号とすることができる。
【０００８】
ここで、以下で示される図面に関連して本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を通じてより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１つの態様による、例示的なガスタービンシステムのブロック図。
【図２】本発明の１つの態様による、燃焼器の１つの実施例を示す図。
【図３】本発明の１つの態様による、摂動装置を備えた燃料ノズルの１つの実施例を示す図。
【図４】本発明の１つの態様による、摂動装置の１つの実施例を示す図。
【図５】本発明の１つの態様による、ガスタービンシステムのダイナミックスに影響を与えるための制御システムの概略図。
【図６】本発明の１つの態様による、ガスタービンシステムのダイナミックスに影響を与えるための例示的な方法のフローチャート。
【図７】本発明の１つの態様による、摂動装置に提供される摂動信号を制御する例示的なプロセスのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
燃焼器ダイナミックスを能動的に制御する新規の方法、システム、及び装置が記載される。１つの態様において、記載される方法、システム、及び装置は、予混合された燃料及び酸化剤（例えば、空気）が流れる１つ又はそれ以上の燃料ノズルに配置された摂動装置を用いることによる燃焼ダイナミックスの能動的制御に関する。摂動装置の動作特性、すなわち、周波数、大きさ（すなわち振幅）、及び位相を制御することができる。好ましくは、少なくとも１つの摂動装置の動作特性は、他の全ての摂動装置から別個に制御される。最も好ましくは、全ての摂動装置の動作特性が個別に制御される。
【００１２】
図１は、ガスタービンシステム１００の１つの実施例を示している。図示のように、ガスタービンシステム１００は、ガスタービン１４０を駆動する高エネルギーガスを発生させる燃焼器１３０を含むことができ、該ガスタービン１４０を用いて、発電などの有用な仕事を行うための負荷１６０を駆動することができる。タービン１４０はまた、圧縮機１１０に動作可能に結合されるシャフト１５０を含むことができ、圧縮機は、酸化剤（例えば、空気）を含有する加圧流体を加圧して燃焼器１３０に提供する。ガスタービンシステム１００は更に、燃料を燃焼器１３０に送給する燃料送給ユニット１２０を含むことができる。
【００１３】
ガスタービンシステム１００は、該ガスタービンシステム１００の作動を制御するよう構成されたシステムコントローラ１７０を含むことができる。図示のように、システムコントローラ１７０は、システムユニット（圧縮機１１０、燃料送給ユニット１２０、燃焼器１３０、及びタービン１４０）を監視するセンサからの１つ又はそれ以上のセンサ信号を入力することができる。また、図示していないが、負荷１６０及びシャフト１５０を監視するためのセンサを設けることもできる。システムコントローラ１７０はまた、オペレータから始動、部分負荷作動、全負荷作動、シャットダウン、その他に対する命令などの動作入力を受け取ることができる。受け取った入力に基づいて、システムコントローラ１７０は、制御信号をシステムユニットに出力し、システム動作を制御することができる。システムユニット１１０、１２０、１３０、及び１４０からシステムコントローラ１７０へのセンサ信号、及びシステムコントローラ１７０からユニット１１０、１２０、１３０、及び１４０への制御信号は、破線の矢印で表される。図１の煩雑さを最小限にするために、システムユニット１１０、１２０、１３０、及び１４０とシステムコントローラ１７０との間の接続は省略されている。
【００１４】
図２は、複数の燃料ノズル２２０を含むことができる例示的な燃焼器１３０を示しており、燃料ノズル２２０の各々は、燃焼室２３０に流体を送給するよう構成することができる。各燃料ノズル２２０によって送給される流体は、燃料送給ユニット１２０からの燃料、空気などの圧縮機１１０からの加圧酸化剤、又は燃料及び酸化剤の混合物を含むことができる。流体は、ガス形態で送給することができる。燃料／酸化剤混合物は、燃焼室２３０内で燃焼され、結果として高エネルギーガスがタービン１４０にもたらされる。
【００１５】
図３は、例示的な燃料ノズル２２０を示している。図示のように、燃料ノズル２２０は、１つ又はそれ以上の摂動装置３１０を含むことができる。好ましくは、摂動装置３１０は、燃焼室２３０の上流側で燃料ノズル２２０内に配置され、流体が摂動装置３１０を通過するようになる。一例として、摂動装置３１０は、燃焼室２３０に面する燃料ノズル２２０の端部又はその近傍に配置することができる。図３において、摂動装置３１０は、燃料ノズル２２０内の燃料／酸化剤混合物の流れ方向に沿った同じ長手方向の位置に配置することができる。しかしながらこれは限定ではない。特定の燃料ノズル２２０内に複数の摂動装置３１０が存在する場合には、摂動装置３１０の位置は、何れかの２つの摂動装置３１０間で同じである必要はない。１つ又はそれ以上の摂動装置は、燃料ノズル２２０の内側表面３２０に取り付けることができる。
【００１６】
図４は、例示的な摂動装置３１０を示す。例示的な摂動装置３１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスとすることができる。図示のように、摂動装置３１０は、複数のフレキシブルプレートを含むことができる。説明を簡単にするために、２つのフレキシブルプレート、すなわち第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０のみが図示されている。しかしながら、フレキシブルプレートの数は、２つ、或いは２つよりも多いあらゆる数とすることができる。この図では、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の両方が電磁プレートと想定される。一例として、一方又は両方の電磁プレートは、薄い柔軟性合金から作られ、電気回路を導電性金属から絶縁する高温セラミックで塗装することができる。第１のフレキシブルプレート４１０は、第１の摂動信号を受け取り、受け取った第１の摂動信号に対応する第１の磁束を発生することができる。同様に、第２のフレキシブルプレート４２０は、第２の摂動信号を受け取り、これに応じて第２の磁束を発生することができる。
【００１７】
２つの磁束が相互作用すると、フレキシブルプレートに物理的な力が作用する可能性がある点に留意されたい。従って、１つの態様において、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０は、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の一方又は両方が第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動するように互いに対して物理的に配置することができる。例えば、第１のフレキシブルプレート４１０は、図４において破線で示すように第２のフレキシブルプレート４２０に対して振動するように、第２のフレキシブルプレート４２０に近接して配置することができる。
【００１８】
この図の上方右部分において、第２のフレキシブルプレート４２０は、燃料ノズル２２０の内側表面３２０に固定的に取り付けられて図示される。すなわち、第１のフレキシブルプレート４１０のみが振動するように示されている。しかしながら、これは限定ではない。１つの代替形態において、第１のフレキシブルプレート４１０が固定され、第２のフレキシブルプレート４２０が振動することができる。別の代替形態において、両方のフレキシブルプレート４１０、４２０が振動することができる。一般に、特定の摂動装置３１０の複数のフレキシブルプレートのうちの少なくとも１つが振動するように構成することができる。
【００１９】
また、上方右部分において、矢印は、燃料ノズル２２０内を流れる流体の例示的な流れ勾配を示す。振動は、摂動装置３１０を通過するガス状流体に影響を与えることができる。その結果、フレキシブルプレート４１０、４２０の一方又は両方の振動特性を制御できる場合には、燃焼器１３０内で生じるダイナミックス、詳細には燃焼室１３０内で生じるダイナミックスに影響を与えることができる。
【００２０】
摂動装置３１０の少なくとも１つのフレキシブルプレートが摂動信号としてＡＣ信号を受け取ることが好ましい。図４において、第１のフレキシブルプレート４１０は、第１の摂動信号としてＡＣ信号を受け取り、第１の磁束として対応するＡＣ磁束を発生すると想定される。第１の磁束の特性は、とりわけ、振幅、周波数、及び位相の１つ又はそれ以上を含む、第１の摂動信号の特性に大きく依存することができる点に留意されたい。
【００２１】
１つの態様において、第２のフレキシブルプレート４２０は、第２の摂動信号としてＤＣ信号を受け取り、第２の磁束として対応するＤＣ磁束を発生することができる。第２の磁束の特性は、とりわけ、大きさ及び極性の一方又は両方を含む第２の摂動信号の特性に大きく依存することができる点に留意されたい。
【００２２】
別の態様において、第２のフレキシブルプレート４２０はまた、第２の摂動信号としてＡＣ信号を受け取り、第２の磁束として対応するＡＣ磁束を発生することができる。区別する目的で、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０によって受け取られたＡＣ信号及びこれに対応して発生した磁束は、第１及び第２のＡＣ信号及び第１及び第２のＡＣ磁束と呼ばれることになる。第２のＡＣ磁束の特性は、とりわけ、振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を含む、第２のＡＣ信号の特性に大きく依存することができる。
【００２３】
上記で示したように、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の一方又は両方は、第１及び第２の磁束間の相互作用に起因して振動する可能性がある。振動特性は、第１及び第２の磁束の特性に依存することができる。例えば、第２の摂動信号がＤＣ信号である場合、振動特性は、ＡＣ及びＤＣ磁束の特性並びにこれらの間の相互作用に大きく依存することができる。第２の摂動信号が第２のＡＣ信号である場合には、振動特性は、第１及び第２のＡＣ磁束の特性並びにこれらの間の相互作用に大きく依存することができる。
【００２４】
特定のフレキシブルプレートが受け取る摂動信号のタイプは、当該特定のフレキシブルプレートが振動するかどうかとの相関を有する必要はない点に留意されたい。例えば、第１のフレキシブルプレート４１０は第１の摂動信号としてＡＣ信号を受け取っても、第１のフレキシブルプレート４１０は、振動又は固定することができる。別の実施例として、第２のフレキシブルプレート４２０が第２の摂動信号としてＡＣ信号又はＤＣ信号を受け取るかに関係なく、第２のフレキシブルプレート４２０は、振動又は固定することができる。摂動装置３１０の複数のフレキシブルプレートのうち少なくとも１つのフレキシブルプレートは振動することができる。
【００２５】
図５は、燃焼器１３０においてダイナミックスに影響を与えるための制御システム５００の概略図を示す。１つの観点からみれば、制御システム５００は、ガスタービンシステム１００の一部とみなすことができる。図示のように、制御システム５００の燃焼器１３０は、複数の燃料ノズル２２０用の複数の第１の摂動装置３１０を含むことができる。上述のように、各燃料ノズル２２０は、燃焼器の燃焼室２３０に流体を送給することができる。各燃料ノズル２２０によって送給されるガス状流体は、燃料、酸化剤、又はその混合物を含むことができる。簡単にするために、少なくとも１つの第１の摂動装置３１０を備えた燃料ノズル２２０だけが図示されている。しかしながら、燃焼器１３０は、摂動装置３１０を有していない燃料ノズルを含むこともできる点に留意されたい。
【００２６】
制御システム５００はまた、燃焼器１３０、特に燃焼室２３０内の圧力を測定するよう構成された１つ又はそれ以上の圧力センサ５１０を含むことができる。制御システム５００は更に、燃焼器のダイナミックスに影響を与える動作を制御するダイナミックスコントローラ５７０を含むことができる。図５のダイナミックスコントローラ５７０は、図１のシステムコントローラ１７０と同じか又はその一部とすることができ、或いは、互いに異なるものであってもよい。
【００２７】
ダイナミックスコントローラ５７０は、１つ又はそれ以上の圧力センサ５１０によって測定された圧力に基づいて圧力ダイナミックスを分析することができる。このようにして、圧力センサ５１０は、ダイナミックスコントローラ５７０にフィードバックを行う。分析に基づいて、ダイナミックスコントローラ５７０は、複数の摂動信号を出力して複数の摂動装置３１０を制御することができる。第１及び第２の摂動信号は、ダイナミックスコントローラ５７０によって出力される摂動信号の中に含まれると考えることができる。
【００２８】
図５において、少なくとも１つの燃料ノズル２２０は、少なくとも１つの摂動装置３１０を含む。考察の目的で、１つの燃料ノズル２２０が第１の燃料ノズル２２０と呼ばれ、１つの摂動装置３１０が第１の摂動装置３１０と呼ばれている。その結果、第１の摂動装置３１０は、第１の燃料ノズル２２０内で流体が第１の摂動装置３１０を通過するように、燃焼室２３０の上流側で第１の燃料ノズル２２０内に物理的に配置されると言える。
【００２９】
第１の摂動装置３１０は、複数のフレキシブルプレートを含むことができる。考察の目的で、第１の摂動装置３１０は、図４に関して説明したように、少なくとも第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０を含むと想定される。すなわち、第１の摂動装置３１０の第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０は、受け取った摂動信号に対応する磁束を生成する電磁プレートであり、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の一方又は両方がそれぞれの磁束間の相互作用に起因して振動するように、該第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０が互いに対して物理的に配置されると想定される。また、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０はそれぞれ、ダイナミックスコントローラ５７０から第１及び第２の摂動信号を受け取ると想定される。その結果、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第１及び第２の摂動信号を出力するように構成されると言える。第１及び第２の摂動信号は、第１の摂動装置３１０の第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の一方又は両方の振動特性を制御するために出力することができる。更に、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１の摂動信号としてＡＣ信号を出力すると想定される。
【００３０】
上記の考察から、何れか２つのフレキシブルプレート間の相互作用に起因して発生した振動は、燃焼器のダイナミックスに影響を与える可能性がある点を想起されたい。また、振動特性は、フレキシブルプレートによって発生される磁束に大きく依存することができる点も想起されたい。その結果、磁束は、フレキシブルプレートが受け取る摂動信号に従って発生する。
【００３１】
次いで、第１の摂動装置３１０の第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０間では、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０に提供される第１及び第２の摂動信号の特性を制御することにより、第１のフレキシブルプレート４１０、第２のフレキシブルプレート４２０、又は両方のフレキシブルプレートの振動特性を制御することができる。このようにして、ダイナミックスコントローラ５７０は、燃焼器１３０内で生じるダイナミックスに影響を与えることができる。影響の程度は、同じ燃料ノズル２２０及び／又は異なる燃料ノズル２２０の１つ又はそれ以上の摂動装置３１０が複数の摂動振動を制御することを通じて制御されるにつれて増大することができる。
【００３２】
１つの態様において、第１及び第２のフレキシブルプレート４１０、４２０の一方は、第１の燃料ノズル２２０に対して固定することができる。例えば、フレキシブルプレートの一方は、第１の燃料ノズル２２０の内側表面３２０に固定的に取り付けることができる。この場合、他方のフレキシブルプレートは振動することができ、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１及び第２の摂動信号を出力し、振動しているフレキシブルプレートの振動特性を制御することができる。別の実施例として、フレキシブルプレートの両方は、振動することができる。この場合、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１及び第２の摂動信号を出力し、振動している両方のフレキシブルプレートの振動特性を制御することができる。
【００３３】
上記で示すように、好ましくは、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１の摂動信号として第１のＡＣ信号を出力する。ダイナミックスコントローラ５７０は、第２のＡＣ又はＤＣ信号の何れかを第２の摂動信号として出力することができる。１つの態様において、ダイナミックスコントローラ５７０は、適宜、ＡＣ及びＤＣ信号の一方の出力から、他方の出力に切り換えることができる。すなわち、第２の摂動信号として信号のタイプを必ずしも固定する必要はない。
【００３４】
また、圧力センサ５１０は、ダイナミックスコントローラ５７０にフィードバックを提供することを上記で示した。すなわち、１つの態様において、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力センサ５１０からの圧力情報に基づいて圧力ダイナミックスを連続的に分析し、第１及び第２の摂動信号の特性を調整することができる。すなわち、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。第２の摂動信号がＤＣ信号である場合、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第２の摂動信号の大きさ及び極性の何れか一方又は両方を調整することができる。第２の摂動信号が第２のＡＣ信号である場合、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第２の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。
【００３５】
全ての摂動装置３１０を同じ方式で制御する必要はない点に留意されたい。換言すると、少なくとも２つの摂動装置３１０の間では、摂動信号は、２つの摂動装置３１０に独立して提供することができる。図５に戻ると、第１の摂動装置３１０に加えて、燃焼室２３０の上流側の第２の燃料ノズル２２０内に配置された第２の摂動装置３１０も存在し、流体が第２の摂動装置３１０を通過するようにすることも想定される。また、第２の摂動装置３１０は、少なくとも第３及び第４のフレキシブルプレート４１０、４２０を含み、その両方が電磁プレートであり、受け取った摂動信号に対応する第３及び第４の磁束を発生することも想定される。更に、ダイナミックスコントローラ５７０は、第３及び第４の摂動信号を第３及び第４のフレキシブルプレート４１０、４２０に出力することができ、ここで第３の摂動信号はＡＣ信号であることが想定される。１つの態様において、ダイナミックスコントローラ５７０は、第１及び第２の摂動信号とは独立して第３及び第４の摂動信号を出力することができる。換言すると、共通の信号が第１及び第２の摂動装置３１０に提供される必要はない。
【００３６】
次いでフィードバック圧力ダイナミックスに基づいて、ダイナミックスコントローラ５７０は、第３の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の１つ又はそれ以上を調整することができる。また、第４の摂動信号がＤＣ信号である場合、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第４の摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。第４の摂動信号が別のＡＣ信号である場合、ダイナミックスコントローラ５７０は、圧力ダイナミックスに基づいて第４の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。
【００３７】
第１及び第２の摂動装置３１０が同じ燃料ノズル２２０内に配置されている場合、２つの摂動装置３１０に提供される摂動信号は、依然として独立して提供できる点に留意されたい。
【００３８】
図６は、燃焼ダイナミックスに影響を与えるための例示的な方法６００のフローチャートを示す。考察の目的で、ガスタービンシステム１００が想定される。本方法６００は、ダイナミックスコントローラ５７０によって実施することができる。ステップ６１０において、圧力ダイナミックスは、燃焼室２３０内の圧力を測定する１つ又はそれ以上の圧力センサから提供される測定値に基づいて分析することができる。次いで、ステップ６２０において、分析された圧力ダイナミックスに基づいて、第１及び第２のフレキシブルプレート（４１０、４２０）に提供される第１及び第２の摂動信号の特質を制御し、第１の摂動装置の振動特性を制御することができる。第１の摂動信号は、好ましくはＡＣ信号である。
【００３９】
図７は、ステップ６２０を実施する例示的なプロセスのフローチャートを示す。ステップ７１０において、ダイナミックスコントローラ５７０からの摂動信号がＡＣ信号であるか、又はＤＣ信号であるかが判定される。摂動信号がＡＣ信号である場合、ステップ７２０において、分析された圧力ダイナミックスに基づいて摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。摂動信号がＤＣ信号である場合、ステップ７３０において、分析された圧力ダイナミックスに基づいて摂動信号の大きさ及び極性の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。例えば、第１の摂動信号がＡＣ信号であるので、第１の摂動信号の振幅、周波数、及び位相を調整することができる。第２の摂動信号もＡＣ信号である場合には、第２の摂動信号の振幅、周波数、及び位相を調整することができる。第２の摂動信号がＤＣ信号である場合には、その大きさ及び極性を調整することができる。
【００４０】
複数の摂動装置３１０が存在する場合、摂動装置３１０の各々に加えられる摂動信号も同様に制御することができる。すなわち、ステップ６２０において、第３及び第４のフレキシブルプレートに提供される第３及び第４の摂動信号は、分析された圧力ダイナミックスに基づいて制御され、第２の摂動装置３１０の振動特性を制御することができる。この場合、第３の摂動信号はＡＣ信号とすることができ、従って、ステップ７１０及び７２０において、第３の摂動信号の振幅、周波数、及び位相の何れか１つ又はそれ以上を調整することができる。第４の摂動信号がＡＣ信号である場合、第４の摂動信号の振幅、周波数、及び位相を調整することができる。他の場合には、第４の摂動信号の大きさ及び極性を調整することができる。
【００４１】
開示の態様によって提供される重要な融通性及び利点が存在する。非網羅的な融通性のリストには以下のことが挙げられる。
・複数の摂動装置は、単一の燃料ノズルに設置することができる。
・各摂動装置は、異なる周波数及び大きさで作動することができる。
・１つの燃料ノズル内で、幾つかの振幅、周波数、及び位相角適用し、最大の利点を得ることができる。
・異なる燃料ノズルは、それぞれ固有の摂動装置を異なる動作モードで作動させ、最大の利点を得ることができる。
非網羅的な利点のリストには、以下のことが含まれる。
・作動ウィンドウにおいて動的壁を排除すること。
・低ターンダウンをもたらすこと。
・燃焼を強化すること。
・エミッションを低減すること。
・製造公差により生じるばらつきを軽減すること。
・堅牢な燃焼火炎を提供すること。
【００４２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む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、当業者であれば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】
【００４３】
１００  ガスタービンシステム
１１０  圧縮機
１２０  燃料送給ユニット
１３０  燃焼器
１４０  ガスタービン
１５０  シャフト
１６０  負荷
１７０  システムコントローラ
【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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【図６】
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【図７】
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