(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼器の燃焼ダイナミクスを抑制できる方法を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン制御システム４０に、燃焼ダイナミクスセンサ４４から信号５０を受け取って出力信号５２を供給するデータ取得解析システム４２と、出力信号５２に基づいて燃焼ダイナミクスを制御する燃焼ダイナミクス制御システム４６とを備える。この制御システム４６は、パージ空気流６４と関連付けられるとともに、アコースティックドライバ５６、フローマニピュレーション装置６０、又は、その両方を備え、これにより、燃焼器缶４８に流入するパージ空気流６４に摂動を与え、燃焼ダイナミクスを制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの制御システム（４０）であって、
燃焼ダイナミクスセンサ（４４）から信号（５０）を受け取って出力信号（５２）を供給する、データ取得解析システム（４２）と、
前記出力信号（５２）に基づいて燃焼ダイナミクスを制御する燃焼ダイナミクス制御システム（４６）であって、該制御システム（４６）が、パージ空気流（６４）に関連付けられているとともに、アコースティックドライバ（５６）、フローマニピュレーション装置（６０）、又は、その両方を有し、これにより、燃焼器缶（４８）に流入する前記パージ空気流（６４）に摂動を与え、燃焼ダイナミクスを制御する、制御システム（４６）と
を備えるシステム（４０）。
【請求項２】
前記出力信号（５２）が燃焼ダイナミクスを示す場合、前記制御システム（４６）が燃焼ダイナミクスを制御する、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項３】
前記フローマニピュレーション装置（６０）が、前記パージ空気流（６４）の経路に、前記パージ空気流（６４）に摂動を与える摂動弁（７０）を含む、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項４】
前記アコースティックドライバ（５６）が、前記パージ空気流（６４）の経路に、前記パージ空気流に摂動を与える音響波（６６）を送るように構成された、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項５】
前記パージ空気流（６４）に摂動を与えることによって、当量比及び流速を変動させて燃焼ダイナミクスを軽減させる、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項６】
前記制御システム（４６）が、フロー（７２）を前記燃焼器缶（４８）及び追加のアコースティックドライバ（５８）に送達するための専用流路（６２）を更に備える、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項７】
前記制御システム（４６）が、前記アコースティックドライバ（５６）及び（５８）、前記フローマニピュレーション装置（６０）、並びに、前記専用流路（６２）を介して送達される前記フロー（７２）を制御するための制御装置（５４）を更に備える、請求項６に記載のシステム（４０）。
【請求項８】
前記追加のアコースティックドライバ（５８）、前記専用流路（６２）を介して送達される前記フロー（７２）、又は、その両方の組み合わせによって、前記燃焼器缶（４８）内のボルテックス現象に摂動を与えることで、燃焼ダイナミクスを制御する、請求項６に記載のシステム（４０）。
【請求項９】
前記追加のアコースティックドライバ（５８）が、ボルテックス放出、火炎−ボルテックス相互作用、又は、それらの組み合わせを含む前記ボルテックス現象に摂動を与えるために、音響波（６６）を前記燃焼器缶（４８）内に送るように構成された、請求項８に記載のシステム（４０）。
【請求項１０】
前記専用流路（６２）を介して送達される前記フロー（７２）に、燃料、空気、又は、燃料と空気の混合物が含まれる、請求項８に記載のシステム（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンの動作を制御する方法に関し、特に、ガスタービンの燃焼ダイナミクスを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及び圧縮機に接続されたタービンを有する。燃焼器は、複数の燃焼器缶を有する。圧縮空気及び燃料は、燃焼器缶へ送られ、高速且つ高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、タービンへ排出される。タービンでは、燃焼ガスからエネルギーを抽出することにより、圧縮機を駆動させたり、発電機を駆動させたり、航空機を駆動させたりすることなど、様々に利用可能な動力が生成される。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、燃焼器性能を所望通りにするために、それぞれに異なる燃焼動作条件が要求される様々な負荷条件下で動作する。条件によっては、燃焼現象と燃焼器の固有モードとが相俟って、フィードバックサイクルが生じる。その結果、大振幅圧力変動又は摂動が生じる。この圧力摂動は、燃焼ダイナミクスと称される。燃焼ダイナミクスは、ガスタービンの動作条件を制限し得ることに加え、ハードウェアの破損又は予期しない停止を引き起こす可能性がある。
【０００４】
燃焼ダイナミクスは、全てのタイプの燃焼器が直面する課題である。とりわけ、排出物を削減するべく開発された近年の予混合燃焼システムについては、その設計により、燃焼ダイナミクスが深刻である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６６４０５４９Ｂ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ガスタービンエンジンの燃焼ダイナミクスを制御する方法の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示の一実施例において、ガスタービンエンジン制御システムは、燃焼ダイナミクスセンサから信号を受け取って出力信号を供給するデータ取得解析システムと、出力信号に基づいて燃焼ダイナミクスを制御する燃焼ダイナミクス制御システムとを有する。この制御システムは、パージ空気流に関連付けられており、また、アコースティックドライバ、フローマニピュレーション装置、又は、その両方を有し、これにより、燃焼器缶に流入するパージ空気流に摂動を与え、燃焼ダイナミクスを制御する。
【０００８】
本明細書に開示の別の実施例において、ガスタービンエンジンの制御方法は、燃焼ダイナミクスセンサから信号を受け取るステップと、音響信号、フローマニピュレーション、又は、それらを組み合わせたものを用いて、受け取った信号に基づき、燃焼器缶に流入するパージ空気流に摂動を与えることによって、燃焼ダイナミクスを制御するステップとを含む。
【０００９】
本明細書に開示の別の実施例において、ガスタービンエンジン用システムは、燃焼ダイナミクスセンサから信号を受け取って出力信号を供給するデータ取得解析システムと、出力信号に基づいて燃焼ダイナミクスを制御する燃焼ダイナミクス制御システムとを含む。この制御システムは、制御装置と、アコースティックドライバ、フローマニピュレーション装置、燃焼器缶にフローを送達するための専用流路のうちの少なくとも１つとを有し、これにより、燃焼器缶に流入するパージ空気流に摂動を与えるか、燃焼器缶内のボルテックス現象に摂動を与えるか、或いは、その両方で、燃焼ダイナミクスを制御する。
【００１０】
本明細書に開示の別の実施例において、ガスタービンエンジンの制御方法は、燃焼ダイナミクスセンサから信号を受け取るステップと、音響信号、フローマニピュレーション、燃焼器缶専用のフロー、又は、それらを組み合わせたものを用いて、受け取った信号に基づき、燃焼器缶に流入するパージ空気流、燃焼器缶内のボルテックス現象、又は、その両方に摂動を与えることによって、燃焼ダイナミクスを制御するステップとを含む。
【００１１】
以下の詳細な説明を、全図面を通して同様の参照符号で同様の部品を示した添付図面を参照しながら読むことによって、本発明によるこれらとその他の特徴、態様、利点について、理解を深めることができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガスタービンエンジンシステムの概略図である。
【図２】ガスタービンの燃焼器の概略図である。
【図３】ガスタービンの燃焼器システムの部分図である。
【図４】本明細書に開示の態様による、ガスタービンエンジンの制御システムの機能ブロック図である。
【図５】本明細書に開示の態様による、データ取得解析システムのブロック図である。
【図６】本明細書に開示の態様による、ガスタービンの制御方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示の実施例は、ガスタービンエンジンの燃焼ダイナミクスを制御するシステム及び方法に関する。このシステム及び方法では、燃焼器缶に流入するパージ空気流、燃焼器缶内のボルテックス現象、又は、その両方に摂動を与えることによって、燃焼器缶内の燃焼ダイナミクスを制御する。パージ空気流及びボルテックス現象に摂動を与えるために、音響信号、フローマニピュレーション、専用流路、又は、それらを組み合わせたものを用いる。このシステム及び方法は、本明細書では、工業用途で採用される大型ガスタービンエンジンに関して記載されているが、このシステム及び方法は、航空機、船舶、ヘリコプタ、プライムムーバ用途などを含む、これらに限定されない様々な用途で用いられる、その他の燃焼エンジンシステムにも適用可能である。本明細書において、数詞が無い場合は、文脈から明らかではない限り、複数形の意味も含む。
【００１４】
図１に、例示的なガスタービンエンジン１０を示す。ガスタービンエンジン１０は、多段式軸流圧縮機１２、多缶（ｍｕｌｔｉ−ｃａｎ）燃焼器１４、及び、多段タービン１６を有する。周囲空気は、圧縮機１２によって引き込まれ、圧縮されて高圧高温になる。圧縮空気はその後、燃焼器１４に供給される。燃焼器１４では、流入する圧縮空気が燃料と混合され、燃料−空気混合物が燃焼し、高圧高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、タービン１６へ排出される。タービン１６は、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。タービン１６から抽出されたエネルギーは、船舶又はプライムムーバ用途向けに、電力の生成、推進力の供給、又は、軸動力の供給など、様々な目的に供される。
【００１５】
図２は、ガスタービン燃焼器１４の概略図である。燃焼器１４は、環状、缶型、又は、環状缶型などの燃焼器である。燃焼器１４は、意図する用途に応じて、異なるタイプのノズル１６を備えてよい。近年の低排出燃焼器では、通常、燃焼室１８に到達する前に、燃料を空気流中に注入して混合する、予混合ノズルが採用されている。典型的な燃焼器１４であれば、複数の予混合ノズル群を有し、各群のノズルの数は異なっているはずである。このことは、様々な負荷条件下で目標性能を得るために必要である。様々なノズル群の分類は、意図する目的に応じて決まる。
【００１６】
図３に、ガスタービン燃焼システム２０の一部を、１つの燃焼器缶に関して示す。燃焼システム２０は、燃焼室２４がその内部に画定された燃焼器缶２２を有する。燃焼器缶２２の形状は、大抵、環状であり、燃焼器缶２２は、ライナ２６を有する。燃料は、ノズル２８を介して燃焼器缶２２に注入される。システム２０は、また、バーナ管３０、羽根を備えた旋回翼３２、及び、パージ空気供給ライン３４を有する。旋回翼３２により、燃焼器缶２２に供給された空気流の逆回転を促進する。ガスタービンの動作中、燃焼室２４内の火炎表面３８付近に、ボルテックス構造３６が形成される。ガスタービンの動作中、火炎からのボルテックス放出及び火炎−ボルテックス相互作用などのボルテックス現象が生じることがある。
【００１７】
図４に、ガスタービンエンジンの制御システム４０の実施例のブロック図を示す。制御システム４０は、データ取得解析システム４２、燃焼ダイナミクスセンサ４４、及び、燃焼ダイナミクス制御システム４６を有する。燃焼器缶４８は１つしか図示されていないが、この制御システムは、燃焼器缶が幾つであっても対応可能である。一実施例において、各燃焼器缶４８は、燃焼ダイナミクスセンサ４４を備えている。
【００１８】
燃焼ダイナミクスセンサ４４は、燃焼ダイナミクスを示す信号５０を生成する。センサ４４は、燃焼器缶内の圧力変動又は火炎摂動のいずれかを監視することができる。センサ４４は、圧力センサ、或いは、火炎反応を測定するための光学センサ又は化学センサなどの火炎センサであってよい。センサ４４からの信号５０は、データ取得解析システム４２に供給される。
【００１９】
データ取得解析システム４２は、センサ４４から信号５０を受け取り、それらを処理して出力信号５２を燃焼ダイナミクス制御システム４６に供給する。燃焼ダイナミクスを正確に示す出力信号５２を生成するために、様々な信号処理手法を用いて、燃焼器缶から受け取った信号５０を処理することができる。出力信号５２はその後、燃焼ダイナミクスを制御する、燃焼ダイナミクス制御システムで用いられる。
【００２０】
当量比（燃料−空気の比率）及び速度（流速）の変動は、燃焼ダイナミクスを引き起こす主な要因である。火炎からのボルテックス放出及び火炎−ボルテックス相互作用などのボルテックス現象も、燃焼ダイナミクス発生の原因である。燃焼ダイナミクス制御システム４６は、当量比、速度、ボルテックス現象、又は、それらのいずれかの組み合わせに、変動又は摂動を与えることによって、燃焼ダイナミクスを低減させる。なお、本明細書においては、「変動」、「摂動」、「揺動」という表現が同義的に用いられ得ることに留意されたい。
【００２１】
一実施例において、燃焼ダイナミクス制御システム４６は、制御装置５４、アコースティックドライバ５６及び５８、フローマニピュレーション装置６０、及び、専用流路６２を有する。燃焼器缶に流入するパージ空気又は不活性流６４に摂動を与えるために、アコースティックドライバ５６、フローマニピュレーション装置６０、又は、この両方を用いる。パージ空気流６４を、拡散経路（図示せず）、オイルカートリッジ（図示せず）、又は、その他のノズル経路（図示せず）を介して、燃焼器缶４８に流入させることができる。アコースティックドライバ５６は、パージ空気流６４を介して、音響エネルギー又は音響波を送るように構成されている。アコースティックドライバには、サイレン装置、スピーカ、又は、所望の周波数で音響波を発生し得るその他の類似器機が含まれる。一実施例において、アコースティックドライバ５６は、パージ空気流６４の流路６８に設置される。パージ空気中を通過する音響信号６６により、パージ空気流に摂動が与えられるはずである。
【００２２】
摂動弁７０を、フローマニピュレーション装置として使用することができる。摂動弁７０は、パージ空気流の流路内に設置される。摂動弁７０は、作動すると、パージ空気流６４を変動させる。一実施例において、摂動弁は流体弁である。或いは、摂動弁は、機械弁、電気機械弁、又は、流速に摂動を与え得るその他のいかなる弁であってもよい。
【００２３】
出力信号５２が燃焼ダイナミクスを示す場合、制御装置５４は、パージ空気流６４に摂動を与えるコマンドを発する。制御装置５４は、パージ空気流６４に摂動を与えるために、アコースティックドライバ５６又は摂動弁７０、或いはその両方を作動させる。摂動が与えられたパージ空気流６４は、火炎基部の当量比及び速度に摂動を与え、これが火炎全体に伝播する。当量比及び速度の変動により、燃焼器缶４８内の燃焼及び燃焼と音響場の相互関係を調整し、それによって、燃焼ダイナミクスを軽減することができる。
【００２４】
専用流路６２を用いて、フロー７２が燃焼器缶４８に送達される。このフロー７２には、燃料、空気、又は、燃料と空気の混合物が含まれる。専用流路６２からのフロー７２は、燃焼器缶４８に流入し、ボルテックス現象に摂動を与える。更に、ボルテックス現象に摂動を与えるために、音響波６６を燃焼器缶４８内に送るように、追加のアコースティックドライバ５８を構成してもよい。
【００２５】
出力信号５２が燃焼ダイナミクスを示す場合、制御装置５４は、ボルテックス現象に摂動を与えるコマンドを発する。制御装置５４は、燃焼器缶に導入されるフロー７２を制御すること、及び／又は、アコースティックドライバ５８を作動させることによって、ボルテックス現象に摂動を与えることができる。ボルテックス現象の摂動は、火炎からのボルテックス放出及び火炎−ボルテックス相互作用などのボルテックス現象を阻害するので、これによって、燃焼ダイナミクスが軽減又は解消する。
【００２６】
制御装置５４は、データ取得解析システム４２とリアルタイムで通信する。制御装置５４により、アコースティックドライバ５６及び５８、フローマニピュレーション装置６０、専用流路６２からのフロー７２のいずれをも、単独又は様々な組み合わせで制御することができる。例えば、第１インスタンスの出力信号５２が燃焼ダイナミクスを示す場合、制御装置５４は、パージ空気流路６８のアコースティックドライバ５６のみを作動させて、音響波６６を送ることができる。アコースティックドライバ５６が作動すると、燃焼ダイナミクスが変化する可能性がある。それに続く第２インスタンスのデータ取得解析システム４２からの出力信号は、アコースティックドライバ５６の作動により、燃焼ダイナミクスが減少又は解消したか否かを示す。燃焼ダイナミクスに変化がない場合、又は、燃焼ダイナミクスが増大している場合、制御装置５４は、アコースティックドライバ５６を調整して、様々な周波数の音響波を送ることができる。第３インスタンスの出力信号は、燃焼ダイナミクスに対するあらゆる影響を示す。このプロセスを繰り返して、燃焼ダイナミクスを削減することもできる。
【００２７】
同様に、制御装置５４は、フローマニピュレーション装置６０を、単独で又はアコースティックドライバ５６と組み合わせて作動させ、作動後に出力信号５２からのフィードバックを確認することができる。フィードバックが燃焼ダイナミクスの減少又は解消を示す場合、制御装置５４により、アコースティックドライバ５６及びフローマニピュレーション装置６０を停止し、通常動作を再開することができる。
【００２８】
フローマニピュレーション装置６０、アコースティックドライバ５６、又は、その両方を組み合わせた制御が、燃焼ダイナミクスの減少を全くもたらさない場合、燃焼ダイナミクスが、当量比又は速度の変動によって発生したのではないと解釈することができる。したがって、ボルテックス現象が燃焼ダイナミクスを引き起こしている可能性がある。その後、制御装置５４で、追加のアコースティックドライバ５８を作動させてもよい。加えて、制御装置５４で、専用流路６２からのフロー７２を開始することもできる。データ取得解析システム４２からのフィードバックが燃焼ダイナミクスの減少又は解消を示す場合、制御装置５４によりアコースティックドライバ５８を停止させて、フロー７２を止めることができる。
【００２９】
上述したように、制御装置５４により、アコースティックドライバ５６及び５８、フローマニピュレーション装置６０、専用流路６２からのフロー７２のいずれをも、単独又は様々な組み合わせでも、異なる順序でも制御することができる。制御装置５４とデータ取得解析システム４２は、リアルタイムで通信する。したがって、制御装置５４により、ガスタービンの動作時に燃焼ダイナミクスが望ましくない影響をもたらすよりもずっと前に、比較的短時間で、異なる制御組み合わせを試し、燃焼ダイナミクスを減少させることができる。
【００３０】
図５に、データ取得解析システムが使用する信号処理手法８０の一実施例のブロック図を示す。一実施例において、燃焼ダイナミクスセンサからの信号８２を、高周波成分による歪みを確実に最小限に抑えるために、アンチエイリアスフィルタ８４に通す。信号はその後、信号の周波数成分を抑えて対象の周波数帯の中でデータを生成するために、バンドパスフィルタ８６で処理される。その後、ブロック８８において、サンプリング周波数が対象の最大周波数の少なくとも２倍でなければならないとするナイキスト基準に従って、サンプリング周波数が決定される。同様に、必要とされる周波数分解能とエネルギー漏れに合わせて、サンプリング窓が選択される。信号はその後、時間領域信号を周波数領域信号に変換する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザ９０に供給される。システム内の過渡電流に影響されない、より忠実な信号成分を得るために、周波数スペクトルは、ブロック９２において、複数のインスタンス（例えば６４インスタンス）にわたって平均化される。平均化されたスペクトルはその後、ブロック９４において評価され、様々な帯域におけるピーク周波数とその振幅が決定される。このピーク周波数と振幅データから、制御装置に供給する出力信号９６が生成される。
【００３１】
図６に、ガスタービンの制御方法１００のブロック図を示す。ブロック１０２において、燃焼ダイナミクスセンサから信号を受け取る。ブロック１０４において、受け取った信号が燃焼ダイナミクスを示すか否かが判定される。信号が燃焼ダイナミクスを示していない場合、この方法は、ブロック１０２に進む。信号が燃焼ダイナミクスを示している場合、この方法は、燃焼ダイナミクスを制御するブロック１０６に進む。燃焼ダイナミクスは、ブロック１０８で燃焼器缶に流入するパージ空気流に摂動を与えること、又は、ブロック１１０で燃焼器缶内のボルテックス現象に摂動を与えることによって、制御することができる。パージ空気流とボルテックス現象の両方に摂動を与えることによって、燃焼ダイナミクスを制御してもよい。
【００３２】
パージ空気流には、音響信号、フローマニピュレーション、又は、その両方を用いて摂動を与えることができる。燃焼器缶内のボルテックス現象には、音響信号、燃焼器缶への専用フロー、又は、その両方を用いて摂動を与えることができる。ブロック１０８及び１１０の後、この方法は最初から開始し、燃焼ダイナミクスが解消されるか、或いは、容認又は許容可能なレベルに軽減されるまで、プロセスが繰り返される。
【００３３】
上述のガスタービンエンジンの制御システム及び方法は、このように、パージ空気流に摂動を与えること、並びに、ボルテックス現象に摂動を与えることによって燃焼ダイナミクスを制御する、燃焼ダイナミクスを制御する手段を提供する。この制御システム及び方法では、燃焼ダイナミクスを軽減又は解消することによって、ガスタービンのあらゆる損傷を防止する。この制御システム及び方法を、既存のガスタービン制御システムに統合することもできる。
【００３４】
上述した目的又は利点は、その全てをある特定の実施形態によって実施されなければならないわけではないことを理解されたい。
すなわち、当業者には明らかなように、本明細書に記載のシステム及び方法を、本明細書で教示した１つの利点又はそのグループが達成又は最適化されるように実施してもよく、本明細書において教示又は示唆したその他の目的又は利点を必ずしも含んでいなくてもよい。
【００３５】
本明細書では、本発明の特徴の一部のみを図示及び説明したが、当業者には多様な修正及び改変形態が想起可能である。かかる修正及び改変形態も本発明の企図の範疇にあるものとして、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  多缶燃焼器
１６  タービン
１８  燃焼室
２０  ガスタービン燃焼システム
２２  燃焼器缶
２４  燃焼室
２６  ライナ
２８  ノズル
３０  バーナノズル
３２  旋回翼
３４  パージ空気供給ライン
３６  ボルテックス構造
３８  火炎表面
４０  ガスタービンエンジンの制御システム
４２  データ取得解析システム
４４  燃焼ダイナミクスセンサ
４６  燃焼ダイナミクス制御システム
４８  燃焼器缶
５０  センサからの信号
５２  出力信号
５４  制御装置
５６  アコースティックドライバ
５８  アコースティックドライバ
６０  フローマニピュレーション装置
６２  専用流路
６４  パージ空気流
６６  音響信号
７０  摂動弁
７２  フロー
８０  信号処理手法
８２  信号
８４  アンチエイリアスフィルタ
８６  バンドパスフィルタ
８８  ブロック
９０  高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザ
９２  ブロック
９４  ブロック
１００  ガスタービンの制御方法
１０２  ブロック
１０４  ブロック
１０６  ブロック
１０８  ブロック
１１０  ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011038763.tif 000006
【図５】
2011038763.tif 000007
【図６】
2011038763.tif 000008
【外国語明細書】
2011038763000001.pdf