(57)【要約】【課題】ダイナミック圧力センサなどの燃焼器内の熱音響センサにより、燃焼器の振動応答を測定する。【解決手段】ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術による燃焼異常の識別、ドミナントモード周波数解析技術による燃焼器内のバルク温度特性の測定、およびオプションとして飛行時間型高温音響解析技術による燃焼器内の能動的な絶対経路温度の測定のため、統合された監視制御システムのコントローラにより、センサの示度が燃焼の熱音響特性と相関づけられる。いくつかの実施形態によれば、監視機能のすべてが、共用の熱音響センサアレイによって実施され、このセンサアレイは、燃焼器ダイナミック熱音響振動／波の受波器と音響送波器の両方として機能する。監視される燃焼特性が、ガスタービン燃焼の制御に利用される。【選択図】図５
2015117706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類する方法において、
１つのガスタービン燃焼器内に、該燃焼器内の燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生する少なくとも２つの熱音響センサを配置し、該熱音響センサを、前記センサ出力信号を燃焼コンディションに相関づけるコントローラに接続するステップと、
前記熱音響センサにより、ダイナミックセンサ出力信号を発生させるステップと、
前記コントローラにより、前記ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析を実行して、燃焼異常が発生したか否かを判定するステップと、
前記熱音響センサを用いて前記燃焼器内の温度を、
・前記ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度の周波数解析、または、
・音響式高温測定による前記ダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視、
の一方または両方を実行することにより監視するステップと、
前記ウェーブレット解析または前記フーリエスペクトル解析と、前記監視された温度とに基づき、前記コントローラにより前記燃焼異常を分類するステップと
を含むことを特徴とする、
ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類する方法。
【請求項２】
前記コントローラにおいて、前記ダイナミックセンサ出力信号各々のウェーブレット解析を、以下のステップにより実行する、すなわち、
・前記ダイナミックセンサ出力信号を複数の時間セグメントに分割して、該時間セグメントごとに複数のデータポイントを導出するステップと、
・サンプリングされたダイナミック信号を、ウェーブレット変換の実行により変換して、処理される時間セグメント内のデータポイントに対しウェーブレット係数を計算し、ウェーブレット変換されたセグメント内の少なくとも１つの着目対象領域をターゲットとし、前記ターゲットとされた領域各々における前記ウェーブレット係数の振幅を、基底信号により正規化するステップと、
・各ターゲット領域内のウェーブレット係数の正規化された振幅を利用して、各ターゲット領域内のウェーブレット係数の正規化された個々の振幅を、予め定められた振幅閾値と比較することにより、各時間セグメント中に燃焼異常が発生したのか否かを判定するステップと
により実行する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コントローラにおいて前記バルク温度の監視を、以下のステップにより実行する、すなわち、
・前記燃焼器内の第１の位置に設けられた１つの熱音響センサによるダイナミックセンサ出力信号の１つまたは複数の音響周波数を識別するステップと、
・該１つまたは複数の音響周波数各々について、該１つまたは複数の音響周波数の各々１つに正比例する、前記第１のセンサ位置における第１のバルク温度と、該１つまたは複数の音響周波数各々に対応する計算された定数値とを求めるステップと、
・代替となる温度監視方法を用いて、前記エンジン内で第２の温度を求めるステップと、
・該第２の温度に基づき、前記第１の位置における計算された温度値を求めるステップと、
・前記第１の位置における１つまたは複数の周波数各々について求められた第１の温度値を、前記計算された温度値と比較し、該比較に基づき、前記１つまたは複数の周波数各々について、前記計算された定数値を、再計算された定数値に変更するステップと、
・さらに新たに識別した音響周波数に基づき、前記第１の位置における後続の第１のバルク温度値を求めるステップと
により実行する、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１の位置における後続の第１のバルク温度値を、さらに新たに再計算した定数値にも基づいて求める、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記第２の温度を前記燃焼器内の所定の位置で測定する、
請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記第２の温度を、前記ガスタービンの排気システム内の所定の位置で測定する、
請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記コントローラにおいて、個々のダイナミックセンサ出力信号各々による前記燃焼器内の前記能動的な経路温度の監視を、以下のステップにより実行する、すなわち、
・前記燃焼器内に配置された少なくとも１つの熱音響送波器から音響信号を送信するステップと、
・前記燃焼器内において、前記熱音響送波器を起点とするそれぞれ別個のラインオブサウンド経路中の予め定められた位置に配置された少なくとも１つの熱音響センサによって、前記音響送波器から到来する音響信号を受信するステップと、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を求めるステップと、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を処理して、経路温度を求めるステップと
により実行する、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ウェーブレット解析または前記フーリエスペクトル解析による異常検出および温度監視を、共通の熱音響センサを用いて実行する、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記燃焼器内のそれぞれ異なる位置で監視された複数の監視温度を用いて、前記分類を実行する、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類するシステムにおいて、
ガスタービン燃焼器内の燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生する、前記ガスタービン燃焼器内に配向された少なくとも２つの熱音響センサと、
前記熱音響センサに接続されたコントローラとが設けられており、
該コントローラは、以下のことによりセンサ出力信号を燃焼コンディションに相関づけ、すなわち、
・前記熱音響センサから、ダイナミックセンサ出力信号を受信し、
・前記ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析を実行して、燃焼異常が発生したか否かを判定し、
・前記熱音響センサを用いた、
前記ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度周波数解析、
または、
音響式高温測定による前記ダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視、
の一方または両方を実行することにより、前記燃焼器内の温度を監視し、
・前記ウェーブレット解析または前記フーリエスペクトル解析と、監視された温度とに基づき、前記燃焼異常を分類する
ことにより、センサ出力信号を燃焼コンディションと相関づける
ことを特徴とする、
ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類するシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記ダイナミックセンサ出力信号各々のウェーブレット解析を、以下のことにより実行する、すなわち、
・前記ダイナミックセンサ出力信号を複数の時間セグメントに分割して、該時間セグメントごとに複数のデータポイントを導出し、
・サンプリングされたダイナミック信号を、ウェーブレット変換の実行により変換して、処理される時間セグメント内のデータポイントに対しウェーブレット係数を計算し、ウェーブレット変換されたセグメント内の少なくとも１つの着目対象領域をターゲットとし、前記ターゲットとされた領域各々における前記ウェーブレット係数の振幅を、基底信号により正規化し、
・各ターゲット領域内のウェーブレット係数の正規化された振幅を使用し、各ターゲット領域内のウェーブレット係数の正規化された個々の振幅を、予め定められた振幅閾値と比較することにより、各時間セグメント中に燃焼異常が発生したのか否かを判定する
ことにより実行する、
請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは、個々のダイナミックセンサ出力信号各々による前記燃焼器内のバルク温度の監視を、以下のことにより実行する、すなわち、
・前記燃焼器内の第１の位置に設けられた１つの熱音響センサによるダイナミックセンサ出力信号の１つまたは複数の音響周波数を識別し、
・該１つまたは複数の音響周波数各々について、該１つまたは複数の音響周波数の各々１つに正比例する、前記第１のセンサ位置における第１のバルク温度（Ｔ）と、該１つまたは複数の音響周波数各々に対応する計算された定数値とを求め、
・代替となる温度監視方法を用いて、前記エンジン内で第２の温度を測定し、
・該第２の温度に基づき、前記第１の位置における計算された温度値を求め、
・前記第１の位置における１つまたは複数の周波数各々について求められた第１の温度値を、前記計算された温度値と比較し、該比較に基づき、前記１つまたは複数の周波数各々について、前記計算された定数値を、再計算された定数値に変更し、
・さらに新たに識別した音響周波数に基づき、前記第１の位置における後続の第１のバルク温度値を求める
ことにより実行する、
請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の位置における後続の第１のバルク温度値を、さらに新たに再計算された定数値に基づき求める、
請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記代替となる温度監視方法は燃焼器内で実行される、
請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
前記代替となる温度監視方法は、能動的な経路温度監視を含み、
該能動的な経路温度監視は、音響信号を送信するために前記燃焼器内に配置された少なくとも１つの熱音響送波器を含むセンサと、送信された信号を受信するために、前記燃焼器内において前記熱音響送波器を起点とするそれぞれ別個のラインオブサウンド経路中に配置された少なくとも１つの熱音響センサとによって実行され、
前記コントローラは前記第２の温度を、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を求め、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を処理して、前記第２の温度を求める
ことにより算出する、
請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記燃焼器内において、少なくとも１つの熱音響センサとの、互いに別個のラインオブサウンド経路中に配置された少なくとも１つの熱音響送波器が設けられており、
前記コントローラは、個々のダイナミック出力信号各々による燃焼器内の温度監視を、以下のことにより実行する、すなわち、
・前記燃焼器内に配置された前記少なくとも１つの熱音響送波器から音響信号を送信させ、
・前記音響送波器から到来する音響信号を、前記燃焼器内において前記音響送波器を起点とするラインオブサウンド経路中の予め定められた位置に配置された少なくとも１つの熱音響センサにより受信し、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を求め、
・前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を処理して、温度を求めることにより、
実行する、
請求項１０記載のシステム。
【請求項１７】
前記異常検出および温度監視のためのウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析は、共用の熱音響センサによって実行される
請求項１０記載のシステム。
【請求項１８】
前記燃焼器内で軸線方向に隔てられた複数の位置に、複数の熱音響センサが配列されている、
請求項１０記載のシステム。
【請求項１９】
ガスタービン装置において、
圧縮機セクションと、
燃料空気混合物を調整するための噴射システムをそれぞれ備えた複数の燃焼器を含む燃焼器セクションと、
タービンセクションと、
燃焼異常を検出および分類するためのシステムとが設けられており、該システムは、
ガスタービン燃焼器内の燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生する、前記ガスタービン燃焼器内に配向されて設けられた少なくとも２つの熱音響センサと、
該熱音響センサに接続されたコントローラと
を含み、
該コントローラは、以下のことによりセンサ出力信号を燃焼コンディションに相関づける、すなわち、
・前記熱音響センサから、ダイナミックセンサ出力信号を受信し、
・前記ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析を実行して、燃焼異常が発生したか否かを判定し、
・前記熱音響センサを用いて、
前記ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度周波数解析、
または、
音響式高温測定による前記ダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視、
の一方または両方を実行することにより、前記燃焼器内の温度を監視し、
・前記ウェーブレット解析または前記フーリエスペクトル解析と、監視された温度とに基づき、前記燃焼異常を分類する
ことにより、センサ出力信号を燃焼コンディションと相関づける
ことを特徴とする、
ガスタービン装置。
【請求項２０】
前記燃焼器の温度監視は、能動的な経路温度監視を含み、
該能動的な経路温度監視は、以下のことによって実行される、すなわち、
・音響信号を送信するために、少なくとも１つの熱音響送波器を前記燃焼器内に配置し、送信された信号を受信するために、前記燃焼器内において前記熱音響送波器を起点とするラインオブサウンド経路中に、少なくとも１つの熱音響センサを配置し、
・前記コントローラは第２の温度を、前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する送信信号の飛行時間を求め、前記ラインオブサウンド経路各々に沿って進行する信号の飛行時間を処理して、前記第２の温度を求めることにより算出する
ことによって実行される、
請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
ここで以下の同時係属中のアメリカ合衆国実用特許出願を参照したことにより、それらの開示内容全体が本願にすべて組み込まれたものとする：
・"Active Temperature Monitoring In Gas Turbine Combustors" 同日に同時出願、出願番号不明、ファイル番号2013P22724US (Siemens 230)
・"Gas Turbine Engine Control Using Acoustic Pyrometry" ２０１０年１２月１４日出願、出願番号12/967,148、公開番号US2012/0150413
・"Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor" ２０１３年３月１４日出願、出願番号13/804,132
さらにここでアメリカ合衆国特許第7,853,433号、"Combustion Anomaly Detection Via Wavelet Analysis of Dynamic Sensor Signals"、２０１０年１２月１４日発行、を参照したことにより、それらの開示内容全体も本願にすべて組み込まれたものとする。
【０００２】
発明の背景
１．発明の技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼の監視および制御に関する。この場合、燃焼の監視および制御には、異常の検出および分類が含まれる。また、ガスタービンエンジンには、たとえば工業用ガスタービン（ＩＧＴ）エンジン、他のタイプの定置配備用のガスタービン、船舶用、航空機用およびその他の乗物用のガスタービンエンジンが含まれる。さらに詳細には、本願で開示する監視および制御方法および監視および制御装置に関する実施形態では、燃焼器の温度測定ならびに燃焼異常の検出および分類のために、共通のセンシングおよびコントロールシステムを利用している。さらに本願で開示される実施形態では、リアルタイムの能動的な燃焼器温度測定、異常検出または異常分類のうちの１つまたは複数のために、複数の熱音響センサから成るアレイ、音響送波器および／または音響送受波器が利用される。
【背景技術】
【０００３】
２．従来技術の説明
ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンは一般に、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションと、排気セクションとによって構成されている。動作中、圧縮機セクションは、周囲の空気を取り込んで圧縮する。燃焼器セクションには一般に、圧縮された空気を収容し、燃料と混合して燃料空気混合物を生成するために、複数の燃焼器を設けることができる。燃料空気混合物は、燃焼器各々によって燃焼されて高温動作ガスが生成され、このガスをタービンセクションへ案内することができる。そしてタービンセクションにおいて高温動作ガスが膨張して静翼と回転翼が交互に設けられた列を通過し、このガスがロータを駆動可能なパワーの発生に利用される。タービンセクションから出た膨張ガスを、排気セクションを介してエンジンから排出させることができる。
【０００４】
ガスタービンエンジンの燃焼セクションにおいて、火炎のフラッシュバックといった燃焼異常が発生することが知られている。火炎のフラッシュバックは局所的な現象であり、空気と燃料の混合物の乱流燃焼速度が、燃焼器アセンブリ内の軸流速度を超えたときに発生する可能性があり、これによって火炎が燃焼器アセンブリ中または燃焼器アセンブリ周囲の１つまたは複数のコンポーネントたとえば燃焼室周囲に配置されたライナなどに滞留してしまう。フラッシュバックに対し改善措置がとられず、継続的な期間にわたりフラッシュバック状態が続くと、滞留した火炎がコンポーネントを溶かしてしまうおそれがある。したがって、火炎のフラッシュバックおよび／または他の燃焼異常が、燃焼エンジンコンポーネントに望ましくないダメージを与えるおそれがあり、場合によっては、それらのコンポーネントを修繕または交換しなければならなくなるような破壊を発生させるおそれすらある。
【０００５】
個々の燃焼器における燃焼空気混合物は、エンジン動作中、１つまたは複数の動作特性が予め定められた範囲内に保持されるように制御され、たとえば、要求された効率および／またはパワー出力の維持、汚染レベルのコントロール、圧力振動防止、およびフレームアウト回避のために制御される。１つの公知の形式の制御装置によれば、パラメータとしてタービンのバルク排気温度を監視することもでき、これをエンジンの動作コンディションを監視するために利用できる。たとえばコントローラによって、測定されたタービン排気温度を監視することができ、排気において温度の変化が測定されたときに、コントローラがエンジンの動作コンディションを変更することができる。
【０００６】
エンジン保護の目的で、燃焼を監視し、燃焼プロセスの安定性を維持するために産業上利用されているセンサおよびセンシングシステムとして、目下のところ複数の異なる種類が存在する。たとえば、燃焼安定性および共振制御のために、ダイナミック圧力センサが用いられる。燃焼器内の火炎のオン／オフを検出するためには、受動的なビジュアルセンサ（可視光および／または赤外線スペクトルのための光学センサ）、イオンセンサ、およびガイガー・ミュラー検出器が用いられる一方、フラッシュバックを検出するためには熱電対が用いられている。
【０００７】
詳しくは、アメリカ合衆国特許第7,853,433号によれば、燃焼コンディションを表す燃焼器の熱音響振動を、ダイナミック圧力センサ、加速度計、高温マイクロフォン、光学センサおよび／またはイオンセンサといったセンサによりサンプリングし、ついでウェーブレット解析することにより、燃焼異常が検出および分類される。アメリカ合衆国特許出願公開US2012/0150413によれば、１つまたは複数のエンジン燃焼器内で上流側のバルク温度を求めるために、ガスタービン排気システムにおいて音響式高温測定が用いられる。この場合、音響送波器から音響信号が送信され、複数の音響受波器により受信される。その際、各音響信号により、対応する送波器と受波器のペア間でそれぞれ別個のラインオブサウンド（line-of-sound）経路が規定される。送信された信号の飛行時間が求められ、経路温度を求めるために処理される。複数の経路温度を組み合わせて、測定場所におけるバルク温度を求めるために処理することができる。求められた経路温度またはバルク温度あるいはそれら両方の温度を、燃焼器内の上流温度と相関させるために用いることができる。同時係属中のアメリカ合衆国特許出願第13/804,132号によれば、いわゆるドミナントモード（dominant mode）のアプローチを利用して、燃焼器内のバルク温度が計算される。この場合、タービンよりも上流のエンジン内（たとえば燃焼器内）の第１の測定個所において音響周波数が識別され、音響周波数に正比例する第１のバルク温度値と、計算された定数値とを求めるために、この周波数が用いられる。エンジン排気部内などエンジン内の第２の測定個所で、動作ガスについて較正用の第２の温度が測定される。第１の測定個所における動作ガスの温度値を求めるために、較正用の第２の温度を用いて逆算が行われる。第１の温度値が逆算された温度値と比較され、計算された定数値を変更して、再計算された定数値を形成する。再計算された定数値に基づき、燃焼器における以降の第１の温度値を求めることができる。
【０００８】
このように、燃焼に関して様々な不都合な状況があり、これらの状況を検出するためには目下、別個のセンサ設計および／または別個のセンシングシステムが必要とされる。公知の組み合わせ型のガスタービンおよび他のタイプのガスタービンエンジンの監視制御システムのセンサおよび検出アプローチは、発生する可能性のあるすべての不都合な燃焼不良の検出をカバーしたものではない。それぞれ異なるタイプの異種のセンサとセンシングシステムを単一のガスタービンに組み込むと、取り付けコストならびに保守費用が増大してしまう。また、異種のセンサおよびセンシングシステムそれぞれによって固有に応答ラグが引き起こされ、ガスタービン制御システム全体において遅延が発生してしまう。
【０００９】
したがってこの分野においては、共通のセンサおよび、望まれるのであれば、１つの共通のコントローラを共用して、燃焼中に広い範囲の想定可能な燃焼器障害を検出するための、いっそう望ましくは障害の前兆を検出するための、組み込み型のガスタービン監視制御システムに対するニーズがある。
【００１０】
さらにこの分野において別のニーズとして挙げられるのは、エンジン排気システムで取得された温度測定に基づき燃焼器温度を逆算する公知のバルク温度システムのように、エンジン内の別の個所で基準温度を取得する必要なく、リアルタイムで実際の燃焼器温度を測定する能動的なガスタービン温度監視システムである。
【００１１】
さらに付加的なニーズとして挙げられるのは、能動的な温度監視をガスタービン監視制御システムに統合できるよう、この監視制御システムにより共用されるセンサを共用する能動的温度監視システムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第7,853,433号
【特許文献２】アメリカ合衆国特許出願公開第2012/0150413号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、共通のセンサおよび、望まれるのであれば、１つの共通のコントローラを共用して、燃焼中に広い範囲の想定可能な燃焼器障害を検出するための、いっそう望ましくは障害の前兆を検出するための、組み込み型のガスタービン監視制御システムを提供することにある。
【００１４】
さらに本発明の別の課題は、エンジン排気システムで取得された温度測定に基づき燃焼器温度を逆算する公知のバルク温度システムのように、エンジン内の別の個所で基準温度を取得する必要なく、リアルタイムで１つまたは複数の燃焼器内の実際の燃焼器温度を測定するガスタービンの能動的温度監視システムを提供することにある。
【００１５】
さらに本発明の付加的な課題は、能動的な温度監視をガスタービン監視制御システムに統合できるよう、この監視制御システムにより共用されるセンサを共用する能動的温度監視システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題および他の課題は、本発明の１つまたは複数の実施形態において、燃焼異常を識別および分類可能であり、エンジン燃焼器内のガスタービン燃焼プロセスを能動的に制御可能な燃焼監視制御システムによって解決される。このシステムの実施形態によれば、熱音響ダイナミック圧力センサの少なくとも１つのペアが組み込まれ、これは燃焼器内に選択的に配列される。このシステムの実施形態によれば、熱音響ダイナミック圧力センサの少なくとも１つのペアが組み込まれ、これが燃焼器内に選択的に配列される。熱音響センサは、燃焼プロセスにおいて発生する燃焼器の振動応答を、高い選択性を伴って測定する。センサの出力は、ウェーブレット解析技術または公知のフーリエ解析技術を利用して異常を識別するために、監視制御システムにおいて利用される。また、音響周波数解析技術を利用して、バルク温度も監視される。
【００１７】
オプションとして、音響式高温測定に基づく能動的な温度監視が監視制御システムに組み込まれ、これは単独で、あるいはここで説明する本発明の他の実施形態とともに実施され、その場合、少なくとも１つのペアを成す熱音響センサ、または複数の熱音響センサのラインオブサイト（line-of-sight）内に、音響波を送信する音響送波器または音響送受波器を加えることにより実施される。その際、コントローラにより音響送信飛行時間が測定され、ラインオブサイトに沿った経路温度と相関づけられる。目下の経路温度をコントローラにより処理して、燃焼器バルク温度を求めることができる。燃焼器のガス経路を横切る音響送信の経路は、絶対温度測定として用いられる。いくつかの実施形態によれば、ドミナントモードのアプローチを利用した受動的なバルク温度測定を較正するために、燃焼器の音響式高温測定システムが用いられる。したがって、音響式高温測定法と音響周波数ベースのバルク温度監視システムの双方が、１つの共通の制御監視システム内に組み込まれていれば、音響式高温測定法により測定される能動的な経路温度を、音響周波数ベースのバルク温度監視システムの較正および検証のために、第２のまたは基準となる温度示度として用いることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態によれば、統合された監視制御システムにおける監視機能のすべてを、共用のペアを成す熱音響センサアレイまたはいっそう大きな熱音響センサアレイによって実施することができ、これらのセンサアレイは、燃焼器ダイナミック熱音響振動／波の受波器と音響送波器の両方として動作する。この種の統合型の熱音響圧力ベースのセンサおよび監視制御システムによれば、ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術により燃焼異常を識別する目的で、ドミナントモード周波数解析技術により燃焼器内のバルク温度特性を測定する目的で、ならびに音響送波と飛行時間型音響式高温解析技術とにより燃焼器内の能動的な絶対経路温度を測定する目的で、コントローラにより燃焼の熱音響特性のパフォーマンスが相関づけられる。
【００１９】
多機能センサによるこの監視制御システムの実施形態は、正確な燃焼ガス温度を継続的にリアルタイムで監視しながら、ダイナミック圧力センサのデータを燃焼異常について評価することにより動作する。監視制御システムは、障害となる異常の発生を検出するとただちに、障害の種類を分類または判定するために、監視されている燃焼器ガス温度と関連させて障害の評価を行う。このシステムは、発生した様々なタイプの燃焼異常を分類し、これによればフレームオン、フレームアウト、フラッシュバックの予測が可能である。本発明によるシステムのこれらの実施形態によれば、燃焼器バスケットの振動応答および共振（低周波ダイナミクス、中周波ダイナミクス、高周波ダイナミクス）も監視される。既述のように、監視制御システムの実施形態による正確かつリアルタイムの連続的な能動的絶対温度監視および／またはバルク平均温度監視を、エンジンの制御およびパフォーマンスの最適化に利用することができる。本発明によるシステムの実施形態は、カン型構造であろうと、カニュラ型構造またはアニュラ型構造であろうと、エンジン動作中のガスタービンの燃焼制御プロセスを開ループ制御および閉ループ制御する目的で、どのようなタイプの公知の燃焼器構造においても実現される。
【００２０】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類する方法にも関する。この方法によれば、１つのガスタービン燃焼器内に、この燃焼器内の燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生可能な少なくとも２つの熱音響センサを配置し、これらの熱音響センサを、センサ出力信号を燃焼コンディションに相関づけ可能なコントローラと接続する。熱音響センサによって、ダイナミック出力信号を発生させる。その際、燃焼異常が発生したか否かを判定する目的で、ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析をコントローラにより実行する。本発明による方法の実施形態によれば、熱音響センサにより燃焼器内の温度を、ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度周波数解析、または、音響式高温測定によるダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視のうち、一方または両方を実行することにより監視する。その際、ウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析と、監視された温度とに基づき、コントローラにより異常を分類する。
【００２１】
本発明はさらに、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼異常を検出および分類するシステムに関する。このシステムには、ガスタービン燃焼器内に配向されて設けられた少なくとも２つの熱音響センサと、燃焼器内の燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生可能な複数のセンサと、これらのセンサに接続されたコントローラとが設けられており、このコントローラは、センサ出力信号を燃焼コンディションに相関づけることができる。この場合、燃焼異常が発生したのか否かを判定する目的で、コントローラは、熱音響センサからダイナミックセンサ出力信号を受信し、ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエ解析を実行することにより相関を実施する。さらにコントローラは、熱音響センサを用いて燃焼器内の温度を、ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度の周波数解析、または、音響式高温測定によるダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視のうち、一方または両方を実行することにより監視する。コントローラは、ウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析と、監視された温度とに基づき、異常を分類する。
【００２２】
これらに加え本発明はさらに、ガスタービン装置にも関する。この装置には、圧縮機セクションと、燃料空気混合物を調整するための噴射システムをそれぞれ備えた複数の燃焼器を含む燃焼器セクションと、タービンセクションと、燃焼異常を検出および分類するためのシステムとが設けられている。燃焼異常検出システムには、ガスタービン燃焼器内に配向されて設けられた少なくとも２つの熱音響センサが含まれる。これらのセンサは、燃焼器内における燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生させることができる。これらのセンサにはコントローラが接続されており、このコントローラは、熱音響センサからダイナミックセンサ出力信号を受け取ることによって、センサ出力信号を燃焼コンディションに相関づけることができる。その際にコントローラは、燃焼異常が発生したか否かを判定する目的で、ダイナミックセンサ出力信号のウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析を実行する。さらにコントローラは、熱音響センサを用いて燃焼器内の温度を監視し、この監視は、ダイナミックセンサ出力信号のバルク温度の周波数解析、または、音響式高温測定によるダイナミックセンサ出力信号の能動的な経路温度監視のうち、一方または両方を実行することによって行われる。さらにこの場合、コントローラは、ウェーブレット解析またはフーリエスペクトル解析と、監視された温度とに基づき、異常を分類する。
【００２３】
当業者であれば、本発明の個々の対象および特徴を、いかなる組み合わせであっても、またはいかなる部分的な組み合わせであっても、いっしょにまたは別々に適用することができる。
【００２４】
添付の図面を参照した以下の詳細な説明を読めば、本発明の教示内容を容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】燃焼器の能動的な温度および／または燃焼異常を検出するための、およびそれらの燃焼異常を分類するためのシステムに関する実施形態を描いた、本発明によるガスタービンエンジン横断面の斜視図
【図２】燃焼器の能動的な温度および／または燃焼異常を検出するための、およびそれらの燃焼異常を分類するためのシステムの１つの実施形態が組み込まれた、本発明によるガスタービン燃焼器を示す横断面図
【図３】燃焼器の能動的な温度および／または燃焼異常を検出するための、およびそれらの燃焼異常を分類するための、本発明によるシステムの別の実施形態を示す横断面図
【図４】燃焼器の能動的な温度および／または燃焼異常を検出するための、およびそれらの燃焼異常を分類するためのシステムにおいて、本発明の実施形態を実現するためのコントローラの１つの構成を示すブロック図
【図５】燃焼器の能動的な温度および／または燃焼異常を検出するための、およびそれらの燃焼異常を分類するための、本発明による方法の１つの実施形態を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２６】
理解しやすくするため、各図に共通する同じ要素は、可能なかぎり同じ参照符号を用いて表した。
【００２７】
以下の説明を読めば当業者は、燃焼異常の検出および分類、ならびにエンジン燃焼器内のガスタービン燃焼プロセスのダイナミックな制御を実施可能な燃焼監視制御システムに、本発明の教示内容をただちに利用できることを、明確に理解できるようになる。本発明による方法およびシステムのいくつかの実施形態には、燃焼器内に選択的に配向または配列される１つまたは複数の熱音響ダイナミック圧力センサが組み込まれている。熱音響センサは、燃焼プロセスにおいて発生する燃焼器の振動応答を測定する。センサの出力は、ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術を利用して異常を識別するために、監視制御システムにおいて利用される。いくつかの実施形態によれば、ドミナントモードの周波数解析技術を利用して、バルク温度も監視される。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、音響式高温測定に基づく能動的な温度監視が監視制御システムに組み込まれ、これは単独で、あるいはここで説明する本発明の他の実施形態とともに実施され、その場合、少なくとも１つまたは複数の熱音響センサのラインオブサイトに、音響波を送信する音響送波器または音響送受波器を加えることにより実施される。その際、コントローラにより音響送信飛行時間が測定され、ラインオブサイトに沿った経路温度と相関づけられる。いくつかの実施形態によれば、目下の経路温度がコントローラにより処理されて、燃焼器バルク温度が求められる。燃焼器ガス経路を横切って存在する音響送信経路は、絶対温度測定として用いられ、ドミナントモードアプローチを利用した受動的なバルク温度測定の較正に使用することができる。したがって、音響式高温測定法と音響周波数ベースのバルク温度監視システムの双方が、１つの共通の制御監視システム内に組み込まれていれば、音響式高温測定法により測定される能動的な経路温度を、音響周波数ベースのバルク温度監視システムの較正および確認のために、第２の温度示度として用いることができる。
【００２９】
統合された監視制御システムにおける監視機能を、共用の熱音響センサアレイによって実施することができ、このセンサアレイは、燃焼器ダイナミック熱音響振動／波の受波器と音響送波器の両方として動作する。この種の実施形態の場合、少なくとも１つのセンサが送波器の機能を実行し、少なくとも１つのセンサが受波器の機能を実行する。１つのアレイにおいて、少なくとも２つまたはそれよりも多くの受信センサを用いるのが有利である。この種の統合型の熱音響圧力ベースのセンサおよび監視／制御システムの実施形態の場合、コントローラは以下の目的で、熱音響センサ出力を燃焼特性と相関づける。すなわち、
・ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術による燃焼異常の識別
・ドミナントモード周波数解析技術を用いた燃焼器内のバルク温度特性の測定
・飛行時間型高温音響解析技術を用いた能動的な絶対経路温度の測定
【００３０】
監視制御システムの構造
図１および図２を参照すると、これらの図面には工業用ガスタービン（ＩＧＴ）エンジン１０が例示されている。例示したエンジン１０には、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、排気セクションまたは排気システム１８が含まれている。燃焼器セクション１４には複数の燃焼器２０が含まれている。各燃焼器２０はそれぞれ、燃焼器シェル２２、カバープレート２４、および１つまたは複数の任意選択の圧力ポート２５を有している。燃焼器のライナまたはバスケット２６とトランジションダクト２７とによって、高温動作ガスをタービンセクション１６へ搬送するための通路が規定される。本発明によるシステムは、公知の燃焼器ジオメトリーのガスタービンエンジン設計で動作可能であり、これには陸上に定置配備する用途または乗物の用途におけるカン型構造、カニュラ型構造またはアニュラ型構造の燃焼器が含まれる。
【００３１】
ガスタービンエンジン１０の動作中、圧縮機セクション１２から燃焼器セクション１４へ圧縮空気が供給され、燃焼器セクション１４において燃焼器２０内の燃料噴射システム２８により供給された燃料と混合される。ついで燃料空気混合物が発火して、高温動作ガスを含む燃焼生成物が形成される。なお、自明のとおり、燃料および空気の燃焼は、燃焼器のライナまたはバスケット２６およびトランジションダクト２７を通ってタービンセクション１６の入口に至る通路に沿って、軸線方向の様々な位置で発生する可能性がある。高温動作ガスはタービンセクション１６を通過しながら膨張し、排気セクション／システム１８を介して排出される。
【００３２】
さらに図１および図２を参照すると、本発明の１つの着想によれば燃焼監視制御システム２９が設けられており、このシステムによって、ガスタービンエンジン１０の燃焼器２０のうち１つまたは複数の燃焼器内において、燃焼異常を検出および分類することができ、ガスタービン燃焼プロセスをダイナミックに制御することができる。この点に関してエンジン１０には、１つまたは複数の監視制御システム２９を設けることができ、たとえば各燃焼器２０ごとに１つのシステム２９を設けてもよいし、あるいは単一のシステム２９がエンジン１０の各燃焼器２０のために用いられるようにしてもよい。同様に、１つのシステム２９が複数の燃焼器２０から成るクラスタのために用いられるようにすることもでき、この場合、別の（複数の）クラスタのためには別のシステムが用いられる。このようにすれば、ガスタービン１０のために統合された監視システムによって、個々の燃焼器間の偏差を求めることができ、さらにそれらの相対的なパフォーマンスを比較することができ、陸上に定置配備されるタービンエンジンであれ、航空機、船舶または陸上車両の用途のための乗物用エンジンであれ、エンジン設計によりどのようなエンジン燃焼器の構造や配向が採用されようと、このことが可能である。
【００３３】
図２および図３に示されているように、システム２９には複数の熱音響センサから成るアレイが含まれており、これらのセンサは、個々に監視制御される燃焼器２０各々における燃焼の熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ発生させることができる。少なくとも１つの熱音響センサを用いて、ただし有利には少なくとも複数の熱音響センサを用いて、別のシステムによる実施形態を構成することもできる。これらの音響センサにより検知される音響の周波数および振幅は、動作燃焼ガスにおいて燃焼が生じた結果として発せられるものであり、これにより燃焼器２０の高温ガス経路内で発生した音響源の特性が定まる。監視制御システム２９は検知された音響振動情報を、着目対象となる燃焼異常の発生を識別できるような形式に変換するように構成されている。このようにして、燃焼器２０の内部および／または燃焼器２０の周囲に配置されたセンサによって監視される燃焼器２０において検知された熱音響振動から、火炎フラッシュバックの発生および着目対象とする他の種類の燃焼異常を、検出および抽出することができる。システム２９のコンフィギュレーションおよび用途に応じて、熱音響センサは、ダイナミック圧力センサ、マイクロフォン、光学センサまたはイオンセンサ、タービンインレットセンサのうちの１つまたは複数の何らかの組み合わせを有する。圧力センサは、燃焼器２０内の熱音響振動の振幅ならびに脈動周波数を検知する。燃焼器２０内の音響波動を測定するには、高温マイクロフォンを利用することができる。燃焼器２０内部のダイナミックな光信号を測定するには、光学センサを利用することができる。燃焼器２０内部のダイナミックなイオンの動きを測定するには、イオンセンサを利用することができる。
【００３４】
図２に概略的に例示されている音響センサアレイは、公知の構造の音響送波器３０と、複数の公知のダイナミック圧力センサ３２を有しており、これらの圧力センサ３２は、Ｊ型チューブ（J tube）またはレーキ（rake）など公知の取り付け構造および取り付け手法によって、燃焼器２０内部において軸線方向および半径方向に配列されている。詳しくは、センサ３２のペアがカバープレート２４に結合されており、個々の圧力ポート２５を通る燃焼器動作ガスと圧力連動状態にある。さらに別のセンサ３２および３４も例示されており、これらのセンサ３２，３４は、燃焼器シェル２２内においてカバープレート２４の下流で軸線方向に配列されており、燃焼器バスケットまたは燃焼器ライナ２６の近傍で、いわゆるプライマリゾーン（primary zone PZ）内と、トランジションダクト２７とタービンセクション１６との接合部付近とに設けられている。プライマリゾーンＰＺにおけるセンサ３４Ａおよび３４Ｅの位置は、プライマリゾーンの温度ＰＺＴを測定するのに役立つ。トランジションダクト２７とタービンセクション１６との接合部付近にあるセンサ３２の位置は、タービンインレット温度ＴＩＴを測定するのに役立つ。図３によればセンサは、半径方向／周方向に配列された送受波器３４Ａ〜３４Ｈであり、これらの送受波器は、破線で示されたラインオブサイト経路に沿って音響振動波を送信および受信することができる。図３に示したいくつかのセンサは、燃焼器シェル２２の周囲に周方向に配列されているが、別の選択肢としてそれらのセンサを、燃焼器ライナ２６またはトランジションダクト２７の周囲に配列させてもよい。固有の熱電対温度センサまたは熱電対アレイなど他の種類の公知のセンサを、ガスタービン内に設けることができる。たとえば図１および図３に示されているように、熱電対３６によって燃焼器２０内の燃焼温度が測定され、熱電対３８によって排気システム１８内の排気温度が測定される。
【００３５】
図３および図４に詳しく示されているように、監視制御システム２９は、センサ３０，３２と接続されたコントローラ４０を有しており、このコントローラ４０は、監視セクション４２においてセンサ出力信号を燃焼温度と相関させ、分析セクション４４において燃焼プロセスの燃焼ダイナミクス分析を実施することができる。監視セクション４２およびダイナミック分析セクション４４の出力は、ガスタービン制御システム４６によって利用され、このシステムは、燃料噴射システム２８など工業用ガスタービン（ＩＧＴ）の制御サブシステムを含む他のガスタービン制御サブシステムへ制御信号を送信することができ、それにより燃焼器２０内で監視されている燃焼コンディションの変化に応答して、エンジン１０をアンロードまたはシャットダウンすることができる。
【００３６】
図３に例示されているコントローラ４０について説明すると、このコントローラ４０には、１つまたは複数のプロセッサ５０、システムメモリ５２、および入出力制御デバイス５４が含まれている。入出力制御デバイス５４は、燃料噴射制御システム２８、音響送波器３０、センサ３２、音響送受波器３４、ネットワーク、他の計算デバイス、オペレータ／ユーザ向けのマンマシンインタフェースなど、対応づけられたエンジン１０の制御部とのインタフェースを成すように設けられている。コントローラ４０には、１つまたは複数のアナログ／ディジタル変換器５６Ａ、および／または、コントローラ４０がセンサ３２、送受波器３４および／またはアナログセンサ情報を受信するための他のシステムコンポーネントとのやりとりを可能にするのに必要とされる他のコンポーネントを含めてもよい。別の選択肢として、および／またはこれに加えて、センサ３２と送受波器３４とコントローラ４０とのインタフェースを成す１つまたは複数のアナログ／ディジタル変換器５６Ｂを、システム２９に含めることができる。さらに１つの例を挙げると、いくつかのセンサ３２または送受波器３４は、それらと統合されたアナログ／ディジタル変換器５６Ｃを備えることができ、あるいはそのようにするのではなく、それらのセンサ３２または送受波器３４が、検知された情報をディジタル表現でコントローラ４０にダイレクトに伝達するようにしてもよい。
【００３７】
プロセッサ５０に、汎用のコンピュータ、マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラなど１つまたは複数の処理デバイスを含めることができる。さらにプロセッサ５０は、中央処理ユニット、専用ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、プログラマブルおよび／またはリプログラマブルテクノロジーのコンポーネント、および／または特化されたコンポーネント、たとえば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（たとえばＰＧＡ，ＦＰＧＡ）など、１つまたは複数の処理デバイスを有することができる。
【００３８】
メモリ５２には、プロセッサ５０により実行可能なコンピュータプログラムコードを格納するエリアと、処理に使用するデータを格納するエリアとを設けることができ、たとえばウェーブレット変換、フーリエ変換、または実行される他の数学的演算を計算するためのメモリエリアを設けることができ、これは以下で詳しく説明する監視制御システム２９を動作させるために使われる。したがって本発明の様々な着想をコンピュータプログラム製品として実現することができ、このようなコンピュータプログラム製品には、本願で詳しく説明するように、着目対象とする燃焼エンジン異常の検出、燃焼ダイナミクス、およびエンジン制御機能を実施するように構成されたコードが含まれている。
【００３９】
これに関連してプロセッサ５０および／またはメモリ５２は、指示された監視制御機能をコントローラ４０が実行するのに十分なコード、変数、コンフィギュレーションファイル等によってプログラミングされる。たとえば、コントローラ４０の動作を以下のようにコンフィギュレーションすることができる。すなわち熱音響コンディションを検知し、１つまたは複数のセンサ３２，３４から到来した入力に基づき熱音響コンディションを分析し、分析に応じてガスタービンエンジン１０の特性を制御し、および／または、あとで詳しく説明するように、分析結果をオペレータ、ユーザ、他のコンピュータプロセス等に通知するように、コンフィギュレーションすることができる。このため、センサ３２，３４から発せられるダイナミック出力信号すべてを、単一のプロセッサ５０へ伝達することができる。この実装形態では単一のプロセッサ５０が、あとで詳しく説明するデータ分析および制御機能を用いて、全体として結果がパラレルに計算されたかのように見えるよう、複数のダイナミックセンサ出力信号を処理する。これに対する代案として、複数のプロセッサ５０を使用することができ、たとえばプロセッサ各々の計算能力に応じて、プロセッサごとにそれぞれ１つまたは複数のセンサ３２，３４のダイナミック信号を処理する。
【００４０】
監視制御システムの動作
図５は、本発明による監視制御システム２９の実施形態の動作を図面で例示して説明するためのフローチャートである。太い点線で囲まれた動作ブロックは、既述の燃焼ダイナミクス分析４２、温度監視測定４４、ならびにコントローラ４０において実行されるガスタービン制御４６の機能（一例としてＩＧＴ制御機能を含む）に関連するものである。ステップ１００において、センサ３２，３４により発せられたセンサ信号が読み出される。ステップ１１０において、センサ信号の振幅が事前に定められた警告リミットと比較される。たとえばＩＧＴの用途であれば、ステップ１２０において１００Ｈｚよりも下の低周波ダイナミクス（ＬＦＤ）が重要であり、その理由は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのエンジン回転速度では、共振作用が発生する場合があるからである。着目対象とする他の周波数帯域は、約１００〜５００Ｈｚの中間周波ダイナミクス（ＩＦＤ）、および５００Ｈｚよりも上の高周波ダイナミクス（ＨＦＤ）である。振幅が警告リミットを超えた場合、コントローラ４０は制御命令をたとえば燃料噴射システム２８に送信し、ステップ４００においてガスタービンエンジン１０をアンロードまたはシャットダウンする。
【００４１】
ステップ１１０において、振幅が警告リミットを超えていないと判定されたならば、燃焼ダイナミクス分析サブシステムの異常検出部において、ダイナミクスの周波数解析が実行される。異常検出をどのように実行するのかについては、たとえばアメリカ合衆国特許第7,853,433号で説明されており、この文献をここで参照したことにより、その開示内容が本願に組み込まれたものとする。ステップ１３０において、サンプリングされた高速ダイナミック圧力信号がセンサから取得され、ステップ１４０において複数のセグメントに時間が分割される。ステップ１５０において、時間−時間分割された複数のサンプルセグメントが、アメリカ合衆国特許第7,853,433号に記載されたウェーブレット解析技術を用いて分析される。別の選択肢として、時間セグメントを周波数空間に変換する公知のフーリエスペクトル解析が用いられ、ピーク周波数およびそれらの個々の振幅を識別することによりドミナント周波数が分析され、規定の閾値を超えた振幅が識別される。ステップ１６０において、１つまたは複数の燃焼異常が発生したと判定されると、温度監視測定サブシステム４４において求められた燃焼器温度が、フーリエ解析技術またはウェーブレット解析技術あるいはそれら両方によって得られた異常情報と比較される。ステップ１８０において、温度監視測定サブシステム４４から得られた受動的な情報または経路温度情報と関連づけられて、フレームオン（flame on）、フレームアウト（flame out）またはフラッシュバック（flashback）として異常分類が行われる。たとえばガスタービンがフレームアウトして燃焼が停止した場合には、燃焼器温度が著しく低下する。逆にフラッシュバックの状況では、燃焼器２０内において上流で燃焼器温度が著しく上昇する。ステップ１８０において異常判定が下されると、エンジンをアンロードまたはシャットダウンさせる適切な制御信号が、ガスタービン制御システム４６において形成される。
【００４２】
温度監視測定サブシステム４４において、参照により組み込まれたアメリカ合衆国特許出願第13/804,132号、"Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor"、２０１３年３月１４日出願、に記載された受動的な音響方式を利用した受動的な温度測定を行うことができ、および／または、（やはり参照により組み込まれた）アメリカ合衆国特許出願公開第2012/0150413号に記載されたガスタービン排気システム温度測定のための音響式高温測定技術を適合させて、燃焼器２０内でリアルタイムの目下の経路温度測定を行うことができる。
【００４３】
受動的な温度測定法の場合、ステップ１３０で取得されたようなセンサ３２／３４から到来したサンプリングされた高速ダイナミック圧力信号が、ステップ２００においてドミナントモードのために分析される。ステップ２１０において、受動的な音響方式を用い周波数に基づき燃焼器温度が計算される。ステップ２２０において、燃焼器２０内部の能動的な温度値を得るために、受動的な値が基準温度値を用いて較正される。ステップ２２０において求められた較正された受動的な温度値は、ステップ２３０において、燃焼ガスのバルク平均温度を求めるために用いられる。ステップ２２０において用いられる基準温度値は、燃焼器内の１つまたは複数の熱電対３６あるいは排気システム１８に配置された熱電対３９から得ることができる。基準温度値を、アメリカ合衆国特許出願公開第2012/0150413号に記載されているようにして、排気システム１８内で測定される目下の経路温度とすることができ、あるいは燃焼器１４内で測定されたリアルタイムの経路温度とすることができ、これはステップ３００〜３３０において求められる。
【００４４】
リアルタイムの経路温度は、音響送波器３０または音響送受波器３４において１つまたは複数の音響信号を送信することにより測定される。ステップ３１０において、少なくとも１つの、有利には２つまたはそれよりも多くのセンサが、（複数の）音響信号を受信する。参照によりその開示内容が本願に組み込まれた前述のアメリカ合衆国特許出願公開第2012/0150413号に記載された方法を用いるなどして、ステップ３２０において能動的な音響方式を利用して、音響データがガス温度に変換される。ステップ３３０において求められたリアルタイムの経路温度は、伝達経路に沿って局所化された能動的な温度値である。ステップ３００〜３３０を実施することによりそれぞれ異なる音響経路に沿って測定された複数の能動的な温度値を、燃焼器２０のバルク温度を求めるために単独で、またはステップ２００〜２３０のドミナント周波数の受動的な音響方式と並行して、利用することができる。単一の送波器３０と音響センサ３２との間の単一の経路の能動的な温度測定によって、有用な制御情報が得られる一方、複数のセンサ３０，３２および／または３４を、１つの燃焼器２０内または一連の複数の燃焼器２０内に選択的に軸線方向、周方向および／または半径方向の何らかのパターンで、あるいはこれらのパターンを組み合わせて配列することによって、ガスタービンエンジン１０において二次元または三次元の能動的なリアルタイムの燃焼温度を監視することができる。
【００４５】
ステップ３００〜３３０において求められたリアルタイム経路温度を、本出願で例示した統合型の監視制御システム２９において挙げた燃焼ダイナミクス分析４２、受動的な温度監視測定４４、およびガスタービン制御４６の機能のうちの１つまたは複数を伴ってまたは伴わないで、他の監視制御機能の入力として利用することができる。たとえば燃焼器タービンインレット温度（ＴＩＴ）を、リアルタイムで能動的に監視することができ、燃焼プロセスに対する制御パラメータとして利用することができる。ステップ３００〜３３０において求められた燃焼の能動的な経路温度を、燃料噴射システム２８を介した燃焼器２０内の燃料空気混合物の制御に用いることができる。
【００４６】
熱音響センサを用い、これまで説明してきたシステムおよび方法の実施形態を利用して、燃焼器の能動的な温度監視を行うことにより保証されるのは、熱電対ベースの公知の温度監視システムよりも高速に温度変化に対応できることであり、別個に取得された基準温度を使用する手法をとることで、燃焼器温度を推定して逆算／較正する必要がないことである。
【００４７】
本発明の教示内容を組み入れた様々な実施形態について開示し、詳細に説明してきたが、当業者であれば、やはりこれらの教示内容を組み入れた数多くの他の様々な実施形態を容易に考え出すことができる。本発明はその適用にあたり、発明の詳細な説明で述べたまたは図面に示した構造およびコンポーネントの配置について詳細に例示した実施形態に限定されるものではない。また、実施例として挙げたエンジン１０および燃焼器１４は、これまで細部にわたり述べてきた本発明のいくつかの特徴および着想を明確に説明するために、例示目的で示したにすぎず、限定を意図したものではない。ただし、これまで十分に説明してきた本発明の種々の着想は、燃焼異常の発生を監視および／または検出する目的で、種々の燃焼エンジンに適用することができる。本発明は、他の実施形態でも可能であるし、多様な手法で実施または実行することができる。さらにここで理解しておきたいのは、本願で採用した表現や用語は、説明を目的としたものにすぎず、限定とみなされるものではないことである。本願で用いた「を含む」、「から成る」または「を有する」およびそれらの変形は、そこに挙げた項目およびそれらと同等の項目ならびに付加的な項目を包含するものである。他で明記または限定されていないかぎり、用語「取り付けられている」、「接続されている」、「支持されている」、「結合されている」およびそれらの変形は、広い意味で用いられるものであり、取り付け、接続、支持、結合という意味を直接的におよび間接的に包含している。さらに「接続されている」および「結合されている」は、物理的または機械的な接続または結合に限られるものではない。
【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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【外国語明細書】
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