(57)【要約】【課題】燃焼室における燃焼を安定させ、エンジン性能を最大化する、個々の燃料噴射器に脈動燃料を供給するようにした燃焼制御装置を提供する。【解決手段】ガスタービン・エンジンの燃焼をアクティブに制御する装置が開示される。この装置は燃料をガスタービン・エンジン１０の燃焼室１４に供給する燃料噴射器１１０を備える。燃料噴射器１１０は燃焼室１４内部の音圧を検出する動的圧力センサと、燃焼室１４内部の火炎特性を監視する火炎センサとを備える。装置はさらに燃料噴射器１１０への燃料量を調節する弁装置１１２と、燃料噴射器１１０に組み合わされる、燃料噴射器の各センサから与えられる入力に基づく流量指令で燃料を燃料噴射器１１０に供給するように弁装置１１２を制御する電子コントローラとを備える。【選択図】図１
2008128242.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をアクティブに制御するための装置であって、
ａ）燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に供給する燃料噴射器と、
ここで、前記燃料噴射器は
ｉ）前記燃焼室内部の圧力差を検出する動的圧力センサと、
ｉｉ）前記燃焼室内部の火炎特性を監視する火炎センサと、
を備えており、
ｂ）前記燃料噴射器への燃料量を調節する弁装置と、
ｃ）前記燃料噴射器に組み合わされ、前記燃料噴射器の前記センサから与えられる入力に基づく流量指令で燃料を前記燃料噴射器に供給するように前記弁装置を制御する電子コントローラと、
を備える装置。
【請求項２】
複数の燃料噴射器を備え、少なくとも１基の前記燃料噴射器が動的圧力センサと火炎センサとを有する請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記各燃料噴射器が動的圧力センサと火炎センサとを備える請求項２記載の装置。
【請求項４】
複数の弁装置を備え、前記各弁装置が少なくとも１基の前記燃料噴射器と組み合わされる請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記各燃料噴射器が噴射器と組み合わされる弁装置を有する請求請３記載の装置。
【請求項６】
動的センサと火炎センサとを有する前記各燃料噴射器が噴射器と組み合わされる弁装置を備える請求請２記載の装置。
【請求項７】
前記燃料噴射器が霧化燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に噴射するノズルを有する噴射器本体を備える請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記動的圧力センサが前記ノズル内部に配置される請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記動的圧力センサが前記噴射器本体に配置される請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記動的圧力センサが熱−音響圧力振動を検出するように適応され、構成される請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記動的圧力センサが圧電圧力センサを備える請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記動的圧力センサがガスタービン・エンジンの燃焼室内の高温運転環境に適合する保護密閉体内部に支持される請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記火炎センサが前記ノズル内部に配置される光学センサ・アレイを備える請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記光学センサ・アレイが前記ノズルよりも下流の燃焼器火炎のスペクトル特性を検出するように適応され、構成される請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記光学センサ・アレイが前記ノズルよりも下流の燃焼器火炎の熱特性を検出するように適応され、構成される請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記光学センサ・アレイが複数の光ファイバ束を備える請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
前記光学センサ・アレイが複数の光案内ロッドを備える請求項１３記載の装置。
【請求項１８】
前記弁装置が平均流量に近い予め規定された範囲内に燃料量を調節するように適応され、構成される請求項１記載の装置。
【請求項１９】
ガスタービン・エンジンの燃焼器内の燃焼をアクティブに制御するための装置であって、
ａ）燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に噴射するノズルを備えた噴射器本体を有する複数の燃料噴射器と、
ここで、前記燃料噴射器は
ｉ）前記燃焼室内部の音圧を検出する動的圧力センサと、
ｉｉ）前記燃焼室内部の火炎特性を監視する火炎センサと、
を備えており、
ｂ）前記各燃料噴射器に組み合わされ、前記燃料噴射器を通過する燃料量を調節する弁装置と、
ｃ）複数の燃料噴射器に組み合わされ、前記センサから与えられる入力に基づく流量指令で燃料をそれぞれ組み合う前記燃料噴射器に供給するように前記弁装置を制御する電子コントローラと、
を備える装置。
【請求項２０】
前記各燃料噴射器の前記動的圧力センサが熱−音響圧力振動を検出するため前記燃料噴射器本体に配置される請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記各燃料噴射器の前記動的圧力センサが熱−音響圧力振動を検出するため前記ノズル内部に配置される請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
前記各燃料噴射器の前記動的圧力センサが圧電圧力センサを備える請求項１９記載の装置。
【請求項２３】
前記各燃料噴射器の前記動的圧力センサが前記燃焼室内の高温運転環境に適合する保護密閉体内部に支持される請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
前記各燃料噴射器の前記火炎センサが光学センサ・アレイを備える請求項１９記載の装置。
【請求項２５】
前記各燃料噴射器の光学センサ・アレイが前記ノズルよりも下流の燃焼器火炎のスペクトル特性を検出するように適応され、構成される請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
前記各燃料噴射器の光学センサ・アレイが前記ノズルよりも下流の燃焼器火炎の熱特性を検出するように適応され、構成される請求項２４記載の装置。
【請求項２７】
前記各燃料噴射器の前記光学センサ・アレイが複数の光ファイバ束を備える請求項２４記載の装置。
【請求項２８】
前記各燃料噴射器の前記光学センサ・アレイが複数のサファイア・ロッドを備える請求項２４記載の装置。
【請求項２９】
前記各弁装置が平均流量に近い予め規定された範囲内に燃料量を調節するように適応され、構成される請求項１９記載の装置。
【請求項３０】
燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に供給するための燃料噴射器であって、
ａ）燃料源からの燃料を受け入れる入口端部および燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に供給する出口端部を有する噴射器本体と、
ｂ）前記噴射器本体に組み合わされ、前記燃焼室内部の圧力差を検出する動的圧力センサと、
ｃ）前記噴射器本体に組み合わされ、前記燃焼室内部の火炎特性を監視する火炎センサと、
を備える燃料噴射器。
【請求項３１】
さらに、前記噴射器本体の前記入口端部に組み合わされ、前記出口端部に流れる燃料量を調節する弁装置を備える請求項３０記載の燃料噴射器。
【請求項３２】
前記噴射器本体が前記入口端部から延在する供給アームと、前記供給アームから吊り下げる燃料ノズルとを備える請求項３０記載の燃料噴射器。
【請求項３３】
前記動的圧力センサが圧電圧力センサを備える請求項３０記載の燃料噴射器。
【請求項３４】
前記動的圧力センサが前記噴射器本体の前記供給アームに配置される請求項３２記載の燃料噴射器。
【請求項３５】
前記動的圧力センサが前記噴射器本体の前記燃料ノズル内部に配置される請求項３２記載の燃料噴射器。
【請求項３６】
前記火炎センサが前記噴射器本体の前記燃料ノズル内部に配置される光学センサ・アレイを備える請求項３２記載の燃料噴射器。
【請求項３７】
前記光学センサ・アレイが複数の光ファイバ束を備える請求項３６記載の燃料噴射器。
【請求項３８】
前記光学センサ・アレイが複数の光案内ロッドを備える請求項３６記載の燃料噴射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン・エンジンに係り、燃焼安定性を維持し、エンジン性能を最大化するためガスタービン・エンジンの燃焼プロセスをアクティブに制御する装置に向けられる。
【０００２】
なお、本出願は２００４年５月７日に出願された米国特許出願番号第１０／８４１，７６５号の一部継続出願である、２００５年８月２３日に出願された米国特許出願番号第１１／２１０，０９５号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
燃焼不安定性はガスタービンにおける排出物の抑制および高性能燃焼室の設計に重要な問題である。燃焼不安定性はエンジン性能を低下させ、圧力脈動で生じる振動は燃焼室を含むエンジンの構成要素を損傷させる可能性がある。燃焼不安定性は、一般には燃焼室での燃焼プロセスの乱れと大きい容積エネルギの解放とから発生する不安定で、コヒーレントな流動構造（渦の離脱）の結果として生じる高い圧力脈動として理解されている。さらに、燃焼での発熱が律動的に進むとき、音響圧力波を強め、熱−音響不安定性が生じる。
【０００４】
従来、燃焼不安定性を修正するために、たとえば燃料の噴射分布パターンを改善すること、あるいは燃焼室の形状または容量を変更することを含むパッシブ制御方法が使用されていた。パッシブ制御方法の採用は高価になることが多く、燃焼性能を制限する不利がある。より最近では、燃焼不安定性を修正するために燃焼装置の系内圧力を変化させる方法を用いるアクティブ制御方法が使用されている。この制御は音響圧力波の大きさと周波数とを監視し、燃料噴射を不安定な状態と同調させず、音響圧力波と同じ周波数に調整する。
【０００５】
最近では、燃料噴射器への燃料流は各燃料噴射器について個別に調節しないで、燃料を送る共通の燃料マニホールドの燃料圧力を変える方法で調節している。燃料流を各燃料噴射器において個別に調節し、または脈動燃料とするならば、燃焼安定性はアクティブ制御方法を用いてより効果的に達成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、燃焼を安定させ、エンジン性能を最大化するため個々の燃料噴射器に脈動燃料を供給するように設計する、ガスタービン・エンジン用燃焼制御装置を提供することは有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はガスタービン・エンジンの燃焼室内での燃焼をアクティブに制御する、新規で、有用な装置に向けられる。この装置は燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に供給する、少なくとも１基の燃料噴射器を備える。この燃料噴射器は燃焼室内部の音圧を検出する動的圧力センサと、燃焼室内部の火炎特性を監視する火炎センサとを備える。
【０００８】
この装置はさらに燃料噴射器への燃料量を調節する弁装置と、燃料噴射器に機能的に組み合わされる、燃料噴射器の各センサから与えられる入力に基づく流量指令で燃料を燃料噴射器に供給するように弁装置を制御する電子コントローラとを備える。好ましくは、この弁装置は平均流量に近い予め規定された範囲内に燃料量を調節するように適応され、構成される。
【０００９】
好ましくは、本発明の装置は複数の燃料噴射器を有しており、少なくとも１基の燃料噴射器が動的圧力センサと火炎センサとを備える。これに代わるものでは、装置の各燃料噴射器がそれぞれ動的圧力センサと火炎センサとを備える。好ましくは、装置は複数の弁装置を有しており、各弁装置が少なくとも１個の燃料噴射器と機能的に組み合わされる。これに代わるものでは、各燃料噴射器は噴射器と機能的に組み合わされるそれぞれの弁装置を備える。
【００１０】
本発明の好ましい実施例に従って燃料噴射器は霧化燃料をガスタービンの燃焼室に噴射するノズルを有する噴射器本体を備える。動的圧力センサの位置がエンジン用途および当業者に容易に明らかである、他の要因に応じて変えられることは予め見通す。本発明の一実施例では、動的圧力センサは燃料ノズル内部に配置される。本発明の別の実施例では、動的圧力センサは噴射器本体に装着され、これ以外では噴射器本体に連結される。いずれの配置でも、動的圧力センサは燃焼室内部の熱−音響圧力の振動を検出するように適応され、構成される。好ましくは、動的圧力センサは圧電センサの形式による。重要なことは動的圧力センサがガスタービンの燃焼室内部の高温運転環境に適合する保護密閉体内部に支持されることである。
【００１１】
火炎センサは、好ましくはノズル内部に配置される光学センサ・アレイを備える。この光学センサ・アレイはノズルよりも下流の燃焼器火炎のスペクトル特性を検出するように適応され、構成される。光学センサ・アレイはまたノズルよりも下流の燃焼器火炎の熱特性を検出するように適応され、構成される。本発明の一実施例では、光学センサ・アレイはノズル内部に配置される、少なくとも１本、好ましくは複数の光ファイバ束を備える。本発明の別の実施例では、光学センサ・アレイはノズルの前側外面から延びる、少なくとも１本、好ましくは複数の光案内ロッドを備える。この光案内ロッドはサファイア、水晶または他の類似するガラス材から形成することができる。
【００１２】
この装置は噴射器内部に配置される、噴射器を通過する燃料の割合を計量する流量センサを備えてもよい。また、装置が噴射器内部に配置される流量センサからの入力信号またはデータを受け入れるセンサ・インターフェースを備えることも予め見通す。好ましくは、このセンサ・インターフェースは電子コントローラと交信するように適応され、構成される。当業者は、たとえば流量センサと交信するため誘導型接続手段のような多様な交信手段が利用できることを容易に理解する。このセンサ・インターフェースはまた電子コントローラと交信するためディジタル通信手段を備える。
【００１３】
本発明はまた燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に供給する、新規で、有用な機器装備燃料噴射器に向けられる。この機器装備燃料噴射器は燃料源からの燃料を受け入れる入口端部および霧化燃料をガスタービン・エンジンの燃焼室に噴射する出口端部を有する噴射器本体を備える。特に、この噴射器本体は入口端部から延在する供給アームと、この供給アームの下側端部から延在する燃料ノズルとを備える。
【００１４】
燃焼室内部で音圧差を検出する動的圧力センサは噴射器本体に機能的に組み合わされ、燃焼室の供給アーム上流または燃料ノズル内部のいずれかに配置される。また、噴射器本体の燃料ノズル内部に燃焼室内部の火炎特性を監視する火炎センサまたは光学センサ・アレイが配置される。
【００１５】
燃料噴射器はまた噴射器本体の入口部に機能的に組み合わされる燃料ノズルへの燃料量を調節する弁装置を備える。ノズル本体内部またはノズル本体に近接して噴射器を通過する燃料の割合を計量する流量センサと、流量センサからの入力信号またはデータを受け入れるセンサ・インターフェースとが設けられる。このセンサ・インターフェースは流量センサと交信する手段と、電子コントローラと交信するディジタル通信手段とを備える。
【００１６】
本発明に係るアクティブ燃焼制御装置および機器装備燃料噴射器のこれらの形態、そして他の形態は図面と共に採り上げる以下の詳細な説明から当業者にさらに容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ガスタービン・エンジンは、典型的には、たとえばタービン入口温度、圧縮機速度および圧力、燃焼器総燃料量ならびに排ガス温度および圧力を含む運転条件を検出するセンサを有する。本発明のアクティブ燃焼制御装置では、エンジン性能を微調整するため追加の検出値を必要とする。これらの検出値は燃焼器火炎の熱化学特性、燃焼不安定性を表わす振動性圧力変動および幾つかの例では、ガスタービン・エンジンの燃焼室に燃料を供給する、１基ないしそれ以上の燃料噴射器に流れる燃料流量を含む。
【００１８】
本発明のアクティブ燃焼制御装置は主としてガスタービン・エンジンの燃焼室内部の熱−音響による燃焼不安定性を減少するように設計される。この装置は、特に、たとえば次の燃焼条件を利用する工業用ガスタービン・エンジンのようなもともと不安定である燃焼装置で使用するのに最も適する。これはＮＯｘを減少させるため希薄予混合燃焼を使用する場合、高圧力比で希薄燃焼する民間航空機エンジン、一部濃厚燃焼を利用する高出力推力増強軍用航空機エンジン（アフターバーナ使用）の場合である。
【００１９】
類似する参照符号が本発明の類似した特徴または形態を表わす図面を参照すると、図１にとりわけ符号１００で指定される本発明のアクティブ燃焼制御装置を備えるガスタービン・エンジン１０が示される。一般には、ガスタービン・エンジン１０は圧縮機１２と、圧縮機１２よりも下流にある燃焼室１４と、燃焼室１４よりも下流にあるタービン（図示せず）とを備える。この燃焼室１４は全体的に円筒状の外側燃焼ライナまたはケーシング１４ａと，全体的に環状の内側燃焼ライナ１４ｂとを備える。当業者は、たとえば缶型燃焼器のような他の燃焼器形態への適用も可能であることを容易に理解する。
【００２０】
この燃焼制御装置１００は図示のようにガスタービン・エンジン１０の外側ケーシング１４ａに装着される、燃焼室１４の内側燃焼ライナ１４ｂに向けて霧化燃料を供給する複数の燃料噴射器１１０を備える。後により詳しく説明されるように、燃焼制御装置１００の１基ないしそれ以上の燃料噴射器１１０は燃焼室１４内部の火炎の熱化学特性、燃焼室１４内部の振動性圧力変動および燃焼噴射器を通過する燃料量について検出が容易な方法を用いて装備している。また、後により詳しく説明されるように、エンジン運転中、燃料噴射器に供給される燃料量を調節するように高速形燃料調節弁１１２が各燃料噴射器１１０に機能的に組み合わされる。
【００２１】
図１に示されるように、燃料は燃料噴射器１１０に対して個別に、正確にいえば、分配マニホールド１８を用いて組み合うそれぞれの燃料調節弁１１２に供給される。本発明の好ましい実施例では、分配マニホールド１８は全支配ディジタル電子制御（ＦＡＤＥＣ）ユニット２０を用いて計量燃料を受け入れる。このＦＡＤＥＣユニット２０はガスタービン・エンジン１０内部あるいは外部に装備した多様なセンサから与えられる入力（たとえば、エンジン運転温度および圧力、軸速度およびトルク）を受け取り、特定のエンジン用途に合わせて開発されたソフトウエア制御法則に基づいて燃料計量弁（図示せず）の弁位置を制御する。このソフトウエア制御法則はエンジン出力を最大化し、ある指定された出力指令および一連の運転条件に合う安全な運転領域にガスタービン・エンジンを動かすように書き込む。このＦＡＤＥＣユニット２０がＮＯｘのようなエンジン排出物質を減少させるため燃焼制御装置１００と協働できることは予め見通す。
【００２２】
燃料噴射器１１０についての詳細な説明に移る前に図２を参照する。図２において、燃焼室１４内に周方向に配置された複数の燃料噴射器１１０ａ−１１０ｈが示される。この配置では、熱化学火炎特性および音圧変動を含む燃焼特性はそれぞれの燃料噴射器１１０ａ−１１０ｈに組み合わせた検出手段によって燃焼室１４全域にわたって極めてきめ細かな方法で監視され、検出される。したがって、燃焼室１４内部のある特定位置の燃焼特性について基準値と比較しつつ、検出し、これ以外では測定し、燃焼室内のその位置に対応する１基ないしそれ以上の燃料噴射器に対する燃料量を組み合う燃料調節弁１１２によってアクティブに調節して燃焼さらにはエンジン回転数を安定させる。
【００２３】
当業者は図２に示される燃料噴射器の数が例示だけを目的としており、いずれにしても、本開示を限定する意図がないことを理解する。さらに、１基よりも多数の燃料噴射器について単一の燃料調節弁に組み合わせることが可能である。それゆえ、図２に示される各燃料噴射器１１０ａ−１１０ｈが噴射器毎に燃料調節弁１１２を備えるのに対して特定の燃料調節弁１１２が複数の燃料噴射器、たとえば燃焼室１４の特定の象限または区域内にある各燃料噴射器を対象に燃料を調節するように構成してもよい。
【００２４】
たとえば、図３に示される代替的実施例では、ガスタービン・エンジン１０に組み込む燃料噴射器のうち、何基かは装備されず、何基かが装備される。特に、本発明の原理に従って運転するため燃料噴射器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄはそれぞれに燃料調節弁１１２を組み合わせて装備される。対照的に、燃料噴射器１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄは霧化燃料を燃焼室１４に供給するのに機器装備燃料噴射器に代えて従来技術による方法で構成されており、燃料調節弁を装備しない。このような装置では、燃焼特性は燃焼室１４内部の特定の燃焼域または象限内で監視され、検出される。アクティブに燃焼を制御するのに十分であるこうした配置はエンジン用途として多くはないとしても、確実に存在する。この配置では、特定の燃焼域または象限内の燃焼特性はその燃焼域または象限に組み合わせる１基ないしそれ以上の機器装備燃料噴射器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに流れる燃料量を調節してアクティブに制御することができる。これは図示されるようなそれぞれ燃料調節弁１１２を有する、あるいはこれに代えて調節弁を１基よりも多数の機器装備燃料噴射器に組み合わせる機器装備燃料噴射器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄを用いてなし遂げることができる。
【００２５】
当業者は機器装備燃料噴射器１１０の周方向位置および／または機器装備燃料噴射器１１０の数がエンジン形態および用途に応じて変えられることを容易に理解する。事実、あるエンジン用途が専ら単一の機器装備燃料噴射器１１０を必要とし、これに対し、そのエンジンに組み込む残りの燃料噴射器について従来技術による方法で運転するように構成することは予め見通す。これは本開示の範囲に含まれる。
【００２６】
図４Ａを参照すると、本発明の好ましい実施例に従って構成される燃料噴射器１１０が示される。この燃料噴射器１１０は分配マニホールド１８からの燃料を受け入れる燃料入口管継手１１４ａ、１１４ｂを有する入口端部１１４を備える。入口端部１１４内部に燃料入口管継手１１４ａ、１１４ｂと機能的に連通している燃料調節弁１１２が収容され、これ以外では機能的に組み合わされる。
【００２７】
燃料噴射器１１０はさらに入口端部１１４から角度を付けて吊り下げる支持体または供給アーム１１５によって形成される本体部を備える。燃料ノズル１１６は霧化燃料を燃焼室１１４に噴射するため供給アーム１１５の下側端部から延びる。供給アーム１１５の上側端部に燃料噴射器１１０をガスタービン・エンジン１０の外側ケーシング１４ａに装着するフランジ１１８が設けられる。運転では、内部燃料管（図示せず）が弁装置１１２から送られる流量調節された燃料を供給アーム１１５を経由して燃料ノズル１１６に供給する。
【００２８】
この燃料噴射器１１０は固定流量を含む変動する運転条件のもとで調節した変調周波数を保って燃焼室１４の内側ライナ１４ｂに霧化燃料を噴射するように適応され、構成される。好ましくは、燃料噴射器１１０は希薄直接噴射のために適応され、構成される。しかしながら、当業者は本発明の燃料噴射器が多様な燃料霧化用途に向けて構成できることを容易に理解する。
【００２９】
一般に、燃料噴射器で燃料を霧化するには主に２つの方法があり、いずれの燃料噴射器でも本発明のアクティブ燃焼制御装置１００を利用することができる。これらの燃料噴射装置は燃料圧力から霧化エネルギを引き出す旋回圧力噴霧器と、高速の圧縮空気から霧化エネルギを引き出すエア・ブラスト噴霧器とを含む。燃料噴射器の具体例はブレッツに発行された米国特許第6,688,534号明細書に開示される。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００３０】
続いて図４Ａを参照すると、燃料噴射器１１０はガスタービン・エンジン１０の燃焼室１４内部の音圧差を検出する動的圧力センサ１３０と、ガスタービン・エンジン１０の燃焼室１４内部の火炎特性を監視する火炎センサまたは光学センサ・アレイ１４０とを備える。動的圧力センサ１３０は内側燃焼ライナ１１４ｂよりも上流の燃料噴射器１１０の供給アーム１１５に配置され、これ以外では支持される。動的圧力センサ１３０は燃焼室１４を流動する圧縮空気の熱−音響圧力振動を検出するように適応され、構成される。
【００３１】
好ましくは、動的圧力センサ１３０は圧電圧力センサを利用する音響マイクロフォンの形態である。重要なことは動的圧力センサ１３０がガスタービン・エンジン１０の燃焼室１４内部の高温運転環境に適合する保護密閉体内部に支持されることである。供給アーム１１５に装着する動的圧力センサ１３０の位置は燃焼室１４を通過する空気の流動方向に対してセンサの向きが適切である限り、変えることができる。
【００３２】
動的圧力センサ１３０の一例はエリクセンらに発行された米国特許第6,928,878号明細書に開示される。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。動的圧力センサ用温度抵抗性半導体構成物の一例はエリクセンらに発行された米国特許第6,773,951号明細書に開示される。この明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。これに代えて、たとえばＰＣＢセンサおよび振動計のような高温動的圧力センサを本発明のアクティブ燃焼制御装置１００に利用してもよい。これは本開示の範囲に含まれる。
【００３３】
続いて図４Ａを参照すると、燃料噴射器１１０の火炎センサ１４０は燃料ノズル１１６内部に配置される、好ましくは燃焼不安定性に関係する火炎特性を検出する光学センサ・アレイを備える。特に、火炎センサまたは光学センサ・アレイ１４０は燃料ノズル１１６よりも下流に生じる燃焼器火炎のスペクトルおよび／または熱特性を検出するように適応され、構成される。本実施例では、光学センサ・アレイ１４０は燃料ノズル１１６の前側外面から延びる、たとえばサファイア・ロッドのような複数の光案内ロッドを備える。このような方法で構成される光学センサ・アレイの一例はミューレが出願した米国特許出願公開番号第２００６／０００２１９号明細書に開示される。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００３４】
燃料噴射器１１０の光学センサ・アレイ１４０が燃焼プロセス中の発熱周波数を測定するために利用できることは予め見通す。これは本開示の範囲に含まれる。この発熱周波数はしばしばその特徴的な音響周波数に関わりのある高調波または分周波を含んでいる。これは発熱が燃焼器音と結合する周波数である。この燃焼制御装置１００は、仮に不安定性がその発熱に関係した駆動周波数で制御できるとすれば、燃焼プロセスを一段と効果的に制御することが可能である。
【００３５】
図４Ｂを参照すると、燃料噴射器１１０の別の実施例が示される。この実施例では、動的圧力センサ１３０は燃料噴射器１１０の供給アーム１１５には配置されず、燃料噴射器１１０の燃料ノズル１１６内部に配置され、これ以外では支持される。この実施例では、さらに火炎センサまたは光学センサ・アレイ１４０が燃料ノズル１１６の入口端から延びる、１本ないしそれ以上の光ファイバ束を備える。この方法を用いて構成される光学センサ・アレイの一例はミューレが出願した米国特許出願公開番号第２００５／０２４７０６６号明細書に開示される。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００３６】
図５を参照すると、燃料噴射器１１０の動的圧力センサ１３０が単一の信号処理器１７５を用いて信号を解析する電子コントローラ１７０に圧力検出値を表わす出力信号を与える。電子コントローラ１７０は出力信号の分析に基づいて燃焼器の特定の燃焼域内の少なくとも一部について燃焼安定性を維持する方法で燃料噴射器１１０への燃料量を調節するように燃料噴射器１１０に組み合わせた燃料調節弁１１２に指令を出力する。
【００３７】
運転では、火炎センサまたは光学センサ・アレイ１４０はスペクトロメータまたは類似する装置で分析した出力信号を電子コントローラ１７０に組み合わされた信号処理器１７５に与える。このスペクトロメータは燃焼安定性に関係する火炎特性を引き出すように構成される。これらの特性を表わすパラメータは、たとえば燃料汚染物質、燃焼安定性に影響を及ぼす化学放射物、ラジカルの存在と同時に、火炎強度、火炎安定性および火炎温度を含む。電子コントローラ１７０は火炎センサ１４０から与えられる分析信号に基づいて燃料噴射器に組み合わされた弁装置１１２に指令を出力し、これにより、燃料噴射器１１０へ向かう燃料量が調節されて燃焼安定性を維持することができる。
【００３８】
本発明のアクティブ燃焼制御装置１００の各燃料噴射器１１０はそれぞれの燃料噴射器に流れる燃料量を監視する流量センサを備える。この流量センサは、好ましくは１３７９０ｈＰａ（２００ｐｓｉ）から１０３４２５ｈＰａ（１５００ｐｓｉ）までの系内圧力で運転するように適応され、構成され、また、燃料ノズルに向かう流量の２５％から１００％の範囲、そして平均流量の約±２０％に相当する量を扱うように設計される。燃料噴射器内の流量センサの位置は燃料ノズルに流れる燃料量を正確に検出できるように配置する限り、変えることができる。
【００３９】
図５に示されるように、燃料噴射器１１０内部の各センサが電子コントローラ１７０と直接交信することは予め見通す。また、動的圧力センサ１３０および火炎センサ１４０からの入力信号を受け入れるセンサ・インターフェースを各燃料噴射器１１０に配置してもよい。同様に、燃料噴射器内部または外部に装着する他のセンサを設けてもよい。このセンサ・インターフェースは電子コントローラ１７０と交信するように適応され、構成され、さらにセンサ・インターフェースは弁装置１１２と交信するように適応され、構成される。センサ・インターフェースが電子コントローラ１７０と交信するディジタル通信手段を備えることは予め見通す。
【００４０】
先に簡単に説明したように、少なくとも１基の燃料噴射器１１０、好ましくは各燃料噴射器１１０は動的圧力センサ１３０および／または火炎センサ１４０が検出した燃焼不安定性に応じて燃料量を調節するように適応され、構成される高速形燃料調節弁１１２を備える。特に、燃料調節弁１１２は平均流量の約±２０％までの検出した燃焼不安定性に比例して周波数１０００Ｈｚまでの燃料量を調節するように構成される。コーンウェルらが出願した米国特許出願第１１／３２１，２０３号明細書は燃焼制御装置１００の燃料噴射器１１０と共に使用するように構成された３種類の高速形燃料調節弁の実施例を開示する。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００４１】
コーンウェルらの出願の明細書に開示された３種類の燃料調節弁は拘束・振動する弁装置の形態である。各弁装置はガスタービン・エンジンの燃焼室に燃料を供給する燃料噴射器への燃料量をアクティブに制御する、これ以外では調節するためにそれぞれが異なった構成であるが、類似する方法による３つの機能を有する。３種類の弁装置間の基本的類似性は弁部材がエネルギを最低に保つ共振周波数で運転することである。弁装置の弁部材を操作位置から操作位置に振動させるのに利用するエネルギはスプリングに保存される。スプリング形式および弁装置の構成は３種類の弁装置が互いに異なる形式および構成になる。
【００４２】
また、３種類の調節弁装置は、仮に動力が失われたならば、各弁部材が平均流量または中立流量条件に逆戻りする点で類似し、各弁装置は流量が調節されても、平均流量が変化しないように設計される。運転では、弁装置でなし遂げられる燃料調節は、運転中、燃焼器においてそのとき検出した燃焼不安定性の大きさに比例する。この燃料調節または流量の大きさは個別の燃料量を有する、ある特別な弁装置内の各弁部材と互いに協働している多重弁ユニットを用いて変えられる。弁部材の振動周波数は弁部材をある操作位置に電磁気的に拘束する間の時間周期を調節して変えられ、さらに位相はある拘束位置から弁部材を解放する時期を調節することにより変えられる。
【００４３】
３種類の弁装置は少なくとも約２３０°Ｃまでの温度、そして約１０００Ｈｚまたはそれ以上のかなり高い周波数で運転するように設計される。好ましくは、この弁は約３００億サイクル（すなわち、５００Ｈｚで１７，０００運転時間）の運転寿命を有する。この弁装置は金属同士の接触または振動する弁要素との接触がなく、弁要素が、好ましくは約２５０ｇよりも小さい質量を有するように流体または油圧軸受を使用して設計される。
【００４４】
燃料噴射器１１０に対して脈動燃料を調節し、これ以外では供給するため本発明のアクティブ燃焼制御装置に組み合わせる弁アクチュエータについて代替形式を利用できることは予め見通す。これらの手段は、たとえば磁気ひずみ弁アクチュエータ、圧電弁アクチュエータ、空洞圧電燃料調節弁を利用する弁アクチュエータ、ＭＥＭＳ形アクチュエータ（熱、流体または機械的増幅）、電力計型弁アクチュエータおよび回転形弁アクチュエータを含む。
【００４５】
本発明のアクティブ燃焼制御装置およびそれに付属する要素が好ましい実施例に基づいて説明されたが、当業者は添付の請求の範囲によって定義されるような本発明の本質と範囲とから離れることなく、変更および変形がなし得ることを容易に理解する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は燃料噴射器を表わすため燃焼器の外側ケーシングが切り離され、内側ライナが切断されている、本発明のアクティブ燃焼制御装置を備えるガスタービン・エンジンの一部を示す側面図である。
【図２】図２は本発明の好ましい実施例に従って構成された複数の燃料噴射器を示す、ガスタービン・エンジンの燃焼室を横切る、図１の２−２線に沿う横断面図である。
【図３】図３は数個の燃料噴射器が本発明の好ましい実施例に従って構成され、他の燃焼器が従来技術によって構成された燃料噴射器の代替的実施例を示す、ガスタービン・エンジンの燃焼室を横切る、図１の２−２線に沿う横断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは動的圧力センサが噴射器本体に配置され、火炎センサの位置を示すため燃料ノズルが断面によって示される、本発明の好ましい実施例に従って構成された燃料噴射器の側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは動的圧力センサおよび火炎センサの位置を示すため燃料ノズルが断面によって示される、本発明の好ましい実施例に従って構成された別の燃料噴射器の側面図である。
【図５】図５は図４の燃料噴射器内部に配置されるセンサと弁装置と交信しているセンサからの入力に基づく流量指令で燃料を燃料噴射器に供給する電子コントローラとの間の情報のやり取りを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０…  ガスタービン・エンジン
１４…  燃焼室
１００…  燃焼制御装置
１１０…  燃料噴射器
１１２…  燃料調節弁
１１６…  燃料ノズル
１３０…  動的圧力センサ
１４０…  火炎センサ
１７０…  電子コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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