(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインノズルから噴射される燃料を予混合燃焼させるとともに、パイロットノズルから噴射される燃料を拡散燃焼させ、かつ、圧縮機から供給される燃焼用空気の一部をバイパス弁を介して燃焼ガスに混合するように構成されたガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置であって、
前記燃焼器の燃焼振動を検出する振動検出手段と、
前記燃焼振動の大きさを０から１０００Ｈｚ以上の周波数範囲において解析する周波数解析手段と、
前記周波数範囲における複数の周波数域での前記燃焼振動の周波数解析結果を表示する表示手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【請求項２】
前記振動検出手段として、前記燃焼器内の燃焼ガスの圧力を検出する圧力検出センサ、予混合気または燃焼ガスの流速を検出する流速検出センサ、予混合燃料の燃焼火炎の輝度を検出する輝度検出センサの少なくとも１つを使用したことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【請求項３】
前記複数の周波数域における燃焼振動の周波数解析結果に基づき、該各周波数域の燃焼振動を低下させるための処置をそれぞれ表示する表示手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【請求項４】
前記燃焼振動を低下させる処置が、前記バイパス弁の開度、前記メインノズルへの燃料供給量に対する前記パイロットノズルへの燃料供給量の割合を決定するパイロット比および前記圧縮機の吸気量の少なくとも１つを変更することであることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【請求項５】
前記複数の周波数域における燃焼振動の周波数解析結果に基づき、前記燃焼器における燃焼状態調整要素を前記燃焼振動が低下される方向に制御する制御手段を更に付加したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【請求項６】
前記燃焼状態調整要素が、前記バイパス弁の開度、前記メインノズルへの燃料供給量に対する前記パイロットノズルへの燃料供給量の割合を決定するパイロット比および前記圧縮機の吸気量の少なくとも１つを調整する要素であることを特徴とする請求項５に記載のガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用燃焼器の燃焼振動を監視する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼器として、いわゆる予混合式燃焼器が実用されている。この燃焼器は、メインノズルから噴射される燃料を予め空気と混合して燃焼させるとともに、パイロットノズルから噴射される燃料を拡散燃焼させ、かつ、圧縮機から供給される燃焼用空気の一部をバイパス弁を介して燃焼ガスに混合するように構成されている。
この燃焼器は、希薄予混合気を燃焼させるので、ＮＯｘの生成を抑制するために有効である。なお、上記拡散燃焼は、予混合気の燃焼による火炎の安定化を図るために実施される。
【０００３】
上記構成の燃焼器において所定レベル以上の燃焼振動が発生すると、該燃焼器の構成要素が共振して損傷する虞がある。そこで、従来は、上記バイパス弁の開度や、パイロット比（メインノズルへの燃料供給量に対するパイロットノズルへの燃料供給量の割合）等を調整して試行錯誤的に燃焼条件を変更し、それによって燃焼振動のレベルを低下させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記予混合燃焼器においては、１０００Ｈｚ以上の超高周波数に至る広い周波数範囲で燃焼振動が発生する。そして、燃焼振動を抑制するための処置は、該燃焼振動の周波数が上記広い周波数範囲のいずれの周波数域に属しているかによって異なる。
すなわち、上記周波数範囲のある周波数域における燃焼振動が、例えば、上記バイパス弁の開度を増加することによって低下されたとしても、この処置は、必ずしも他の周波数域の燃焼振動が発生した場合の有効な振動低下処置にはなり得ず、場合によっては、バイパス弁の開度を減少することによって当該周波数域の燃焼振動が抑制されることもあり得る。
したがって、上記試行錯誤的な手法では、熟練度の高い作業員であっても、燃焼振動を所定のレベル以下にするまでに多大の時間を要する。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、１０００Ｈｚ以上の高い周波数におよぶ広い周波数範囲の燃焼振動を監視して、この周波数範囲における複数の周波数域での燃焼振動の周波数解析結果を表示することにある。
また、本発明の他の課題は、上記複数の周波数域の燃焼振動を低下させるための処置をそれぞれ表示することにある。
更に、本発明の別の課題は、前記燃焼器における燃焼状態調整要素を燃焼振動が低下される方向に制御することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、メインノズルから噴射される燃料を予混合燃焼させるとともに、パイロットノズルから噴射される燃料を拡散燃焼させ、かつ、圧縮機から供給される燃焼用空気の一部をバイパス弁を介して燃焼ガスに混合するように構成されたガスタービン用燃焼器の燃焼振動監視装置であって、前記燃焼器の燃焼振動を検出する振動検出手段と、前記燃焼振動の大きさを０から１０００Ｈｚ以上の周波数範囲において解析する周波数解析手段と、前記周波数範囲における複数の周波数域での前記燃焼振動の周波数解析結果を表示する表示手段とを備えている。
前記振動検出手段としては、前記燃焼器内の燃焼ガスの圧力を検出する圧力検出センサ、予混合気または燃焼ガスの流速を検出する流速検出センサ、予混合燃料の燃焼火炎の輝度を検出する輝度検出センサの少なくとも１つを使用することができる。
前記複数の周波数域における燃焼振動の周波数解析結果に基づき、該各周波数域の燃焼振動を低下させるための処置をそれぞれ表示する表示手段を更に備えることができる。
前記燃焼振動を低下させる処置として、前記バイパス弁の開度の変更、前記メインノズルへの燃料供給量に対する前記パイロットノズルへの燃料供給量の割合を決定するパイロット比の変更、前記圧縮機の吸気量の変更の内の少なくとも１つが採用される。
前記複数の周波数域における燃焼振動の周波数解析結果に基づいて、前記燃焼器における燃焼状態調整要素を前記燃焼振動が低下させる方向に制御する制御手段を更に付加することができる。
前記燃焼状態調整要素として、前記バイパス弁の開度を調整する要素、前記メインノズルへの燃料供給量に対する前記パイロットノズルへの燃料供給量の割合を決定するパイロット比を調整する要素、前記圧縮機の吸気量を調整する要素の内の少なくとも１つを採用することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１において、ガスタービンＧＴは、入口にインレット・ゲート・ベーン（ＩＧＶ）１１を設けた空気圧縮機１０、燃焼器２０およびタービン３０によって構成されている。
燃焼器２０は、図２に拡大して示すように、内筒２１の上流側に設けた複数本のメインノズル２２および一本のパイロットノズル２３と、内筒２１の下流側に連接した尾筒２４と、これらの要素を内包する外部ハウジング２５とを備えている。
【０００８】
メインノズル２１およびパイロットノズル２２には、それぞれメイン用燃料調整弁２６およびパイロット用燃料調整弁２７を介して燃料が供給される。尾筒２４には、該尾筒２４内とハウジング２５内を連通させるバイパス管２９が設けられ、このバイパス管２８の途中にバイパス弁２９が設けられている。
【０００９】
上記燃焼器２０においては、圧縮機１０（図１参照）から供給される燃焼用空気が各メインノズル２２およびパイロットノズル２３の上流側から供給される。各メインノズル２２の上流側に供給された燃焼用空気は、該メインノズル２２から噴出する予混合用燃料と混合されて予混合気を形成し、これらのメインノズル２２の前方域で予混合火炎を発生させる。
【００１０】
一方、パイロットノズル２２の上流側に供給された燃焼用空気は、該パイロットノズル２２から噴出するパイロット燃焼用燃料と混合されて、拡散燃焼火炎を形成する。
上記予混合火炎および拡散燃焼火炎によって生成された高温の燃焼ガスは、図１に示したタービン３０に供給され、その膨張作用によって該タービンを回転駆動する。
【００１１】
ここで、上記バイパス弁２９の作用について説明する。バイパス弁２９が閉じた状態にあると、圧縮機１０から供給された燃焼用空気の全てが燃焼のために使用される。一方、バイパス弁２９が開かれると、その開度に対応した量の空気が燃焼ガスに直接混入されることになる。したがって、このバイパス弁２９の開度を調整すれば、燃焼器２０における燃空比を変化することができる。
【００１２】
上記構成の燃焼器２０は、例えば１６個（１ＣＨ〜１６ＣＨ）配設され、それぞれ図１に示す燃焼振動監視装置４０によってその燃焼振動が監視される。
図１に示す圧力検出センサ４１は燃焼器２０内の燃焼ガスの圧力を、流速検出センサ４２は予混合気または燃焼ガスの流速を、また、輝度検出センサ４３は予混合燃料の燃焼火炎の輝度をそれぞれ検出するものであり、上記１ＣＨ〜１６ＣＨの燃焼器２０のそれぞれに対して配設される。そして、各センサ４１の検出信号は、インタフェース部４４を介してフーリエ変換器等からなる周波数分析部４５に加えられ、ここで周波数解析される。
【００１３】
燃焼振動は、一種の共鳴振動であるので、燃焼ガスの圧力変動、予混合気や燃焼ガスの流速の変動および予混合燃料の燃焼火炎の輝度の変動として現れる。したがって、上記センサ４１〜４３の検出信号は、実質的に燃焼振動を示すことになる。
そこで、周波数分析部４５は、例えば、上記圧力検出センサ４１の検出信号をフーリエ変換して燃焼振動のスペクトルを求め、かつ、フィルタ要素によって図３に示す低周波数域（０〜５０Ｈｚ）、中周波数域（５０〜５００Ｈｚ）、高周波数域（１６０〜５００Ｈｚ）、高々周波数域１（１２００〜１５００Ｈｚ）、高々周波数域２（２０００〜２５００Ｈｚ）および高々周波数域３（３５００〜４２００Ｈｚ）の振動成分を抽出する。
【００１４】
周波数分析部４５によって得られた振動のスペクトルおよび上記各周波数域の振動成分は、ＣＰＵ等からなる処理部４６に加えられる。上記スペクトルは、処理部４６から表示部４７に転送され、該表示部４７において図４および図５に例示したように表示される。
【００１５】
なお、図４は、１ＣＨないし８ＣＨの燃焼器２０の０〜５ＫＨｚの周波数範囲における燃焼振動のスペクトルを例示し、また、図５は、１１ＣＨないし１６ＣＨの燃焼器２０の０〜５００Ｈｚの周波数範囲における燃焼振動のスペクトルを例示している。もちろん、表示部４７においては、１ＣＨないし１６ＣＨの他の他の周波数範囲のスペクトルも必要に応じて選択表示することができる。
【００１６】
一方、処理部４６は、１ＣＨないし１６ＣＨの各燃焼器２０の上記各周波数域における振動成分のピーク値をホールドし、そのピーク値を図６に示す態様で表示部４７に表示させる。なお、図６に示すＯＡは、０〜５００Ｈｚの広域周波数における振動成分のピーク値を示している。
更に、処理部４６は、上記各周波数域の振動成分のピーク値を該各周波数域に対して予め設定された所定の許容基準レベルとそれぞれ比較し、該振動成分が対応する許容基準レベル以上の場合に、警報を発するとともに、図３に示した振動抑制処置を表示部４７に表示させる。
【００１７】
上記振動抑制処置は、前記バイパス弁２９の開度変更、後述のパイロット比の変更および前記ＩＧＶ１１の角度変更を内容とするものであり、例えば、周波数域３５００〜４２００Ｈｚにおける振動成分のピーク値が許容基準レベル以上になった場合には、前記バイパス弁２９の開度減少操作と、パイロット比の低下操作と、ＩＧＶ１１の開度増大操作とが振動抑制処置として表示される。
【００１８】
なお、バイパス弁２９の開度変更操作と、ＩＧＶ１１の開度変更操作は、燃焼ガスの燃空比を変化させることになる。また、上記振動抑制処置は、実験やシュミレーションに基づいて予め決定したものであり、処理部４６に内蔵させた図示していないメモリに予め記憶される。
【００１９】
上記パイロット比は、メインノズル２２への燃料供給量Ｇｍに対するパイロットノズル２３への燃料供給量Ｇｐの割合を示すものであり、以下のように表わされる。
パイロット比＝Ｇｐ／（Ｇｍ＋Ｇｐ）
したがって、上記パイロット比は、図１に示したメイン用燃料調整弁２６およびパイロット用燃料調整弁２７の開度を調整することによって変化させることができる。
【００２０】
なお、前記バイパス弁２９の開度変更操作と、パイロット比の変更操作と、ＩＧＶ１１の開度変更操作の内の少なくとも１つを実行することによっても、燃焼振動を抑制することができるが、これらの操作を同時に実行すれば、より速やかな振動抑制効果が得られる。
【００２１】
図４、図５および図６に示した振動の解析結果は、圧力検出センサ４１の検出信号に基づくものである。しかし、予混合気または燃焼ガスの流速を表わす流速検出センサ４２の検出信号や、予混合燃料の燃焼火炎の輝度を表わす輝度検出センサ４３の検出信号を用いた場合でも図４、図５および図６の解析結果に準じた解析結果を得ることができるので、これらのセンサ４２，４３のいずれかを圧力検出センサ４１に代用することができる。
【００２２】
もちろん、圧力検出センサ４１、流速検出センサ４２および輝度検出センサ４３の検出信号の解析結果を全て利用する振動抑制処置を設定して、その振動抑制処置を実行するようにしてもよい。かくすれば、より効果的な振動抑制作用が期待できる。
【００２３】
上記振動抑制処置を自動的に実行することも可能である。その場合、図１に示す制御部４８が設けられるとともに、メイン用燃料調整弁２６、パイロット用燃料調整弁２７およびバイパス弁２９として電磁式のものが用いられる。そして、上記処理部４６から制御部４８に上記振動抑制処置を指示する制御指令信号を与えて、弁２６，２７および２８とＩＧＶ１１の駆動アクチュエータを上記振動抑制処置に従がうように制御する。
【００２４】
すなわち、例えば、図３に示した周波数域３５００〜４２００Ｈｚにおける振動成分のピーク値が許容基準レベル以上になった場合には、バイパス弁２９が所定の基準制御量だけ閉じ方向に作動するように制御されるとともに、パイロット比が所定の基準制御量だけ低下するようにメイン用燃料調整弁２６およびパイロット用燃料調整弁２７が制御され、更に、ＩＧＶ１１が所定の基準制御量だけ開方向に作動するように制御される。なお、上記各基準制御量も実験やシュミレーションに基づいて予め適宜決定される。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、予混合式燃焼器に必要とする１０００Ｈｚ以上の高い周波数におよぶ広い周波数範囲（例えば、０〜５０００Ｈｚ）の燃焼振動を監視して、この周波数範囲における複数の周波数域での燃焼振動の周波数解析結果を表示することができる。したがって、その解析結果の表示内容に基づいて適正な振動抑制処置を講じることが可能になる。
また、本発明によれば、上記複数の周波数域の燃焼振動を低下させるための処置をそれぞれ表示することができるので、容易かつ速やかに燃焼振動を抑制することが可能である。
さらに、本発明によれば、燃焼状態調整要素を燃焼振動が低下される方向に制御する制御手段を設けているので、燃焼振動を自動的に抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼振動監視装置の実施形態を示したブロック図。
【図２】予混合式燃焼器の構造を概念的に例示した断面図。
【図３】振動抑制の手順を示したフローチャート。
【図４】ある周波数範囲における燃焼振動のスペクトルを例示したグラフ。
【図５】他の周波数範囲における燃焼振動のスペクトルを例示したグラフ。
【図６】複数の周波数域における燃焼振動のレベルを例示したグラフ。
【符号の説明】
１０  圧縮機
２０  燃焼器
２２  メインノズル
２３  パイロットノズル
３０  タービン
４０  燃焼振動監視装置
４１  圧力検出センサ
４２  流速検出センサ
４３  輝度センサ
４５  周波数分析部
４６  処理部
４７  表示部
４８  制御部
【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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