(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスで今にも起こりそうな振動不安定性を決定する為のシステムであって、
前記デバイスの力学に対応する少なくとも１つの信号を生成するように構成された測定ユニットと、
前記測定ユニットと連通して提供される不安定性検出ユニットと
を備え、
前記不安定性検出ユニットは、振動不安定性の発現の前に前記測定ユニットによって生成された前記信号における複数の間欠バーストの少なくとも１つ、及び、前記デバイスが今にも起こりそうな前記振動不安定性に近づくにつれて生じるパラメータの滑らかな変動に基づいて、前記デバイスにおける前記振動不安定性の発現を診断するように構成され、前記複数の間欠バーストはカオス又は雑音から前記振動不安定性への遷移に先立って検知される、
システム。
【請求項２】
前記測定ユニット及び前記不安定性検出ユニットのうちの少なくとも１つと連通して提供される制御ユニットを更に含み、前記不安定性検出ユニットは、前記今にも起こりそうな振動不安定性の発現に対応する制御信号を生成するように構成され、前記制御ユニットは、前記制御信号に基づいて、前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性を制御するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
燃焼器、工業用炉、バーナー、空力音響システム、空力弾性システム、航空力学システム、空気圧縮システム及び振動不安定性を受ける他の任意のデバイスのうちの少なくとも１つにおける、前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性を検出する為に使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
０−１テスト、バースト計数テスト及びハースト指数テストのうちの少なくとも１つを実行することによって、前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性の近接度を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記信号における前記複数の間欠バーストの存在を追跡できる対策を使用することによって、前記今にも起こりそうな前記振動不安定性の発現を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記測定ユニットは、前記デバイスの前記力学に対応する前記信号を生成するように構成された多数のセンサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサは、音響センサ、光ダイオード及び光電子増培管のうちの少なくとも１つから選択される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記測定ユニットによって生成された少なくとも１つのアナログ信号を、前記不安定性検出ユニットによって処理することができる少なくとも１つのデジタル信号に変換する為、アナログからデジタルへの変換器が前記システムと統合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記不安定性検出ユニットからの出力として得られた少なくとも１つのデジタル信号を、制御ユニットによって処理することができる少なくとも１つのアナログ信号に変換する為、デジタルからアナログへの変換器が前記システムと統合される、請求項３に記載のシステム。
【請求項１０】
０−１テストを実行することによって前記デバイスにおける前記今にも起こりそうな振動不安定性を検出及び制御するように構成された前記システムであって、
前記デバイスと連通して提供され、前記デバイスの前記力学に対応する少なくとも１つの信号を生成するように構成された前記測定ユニットと、
前記測定ユニットと連通して提供され、前記測定ユニットで生成された信号の少なくとも１つを増幅するように構成された信号調整器と、
前記信号調整器に接続されたアナログからデジタルへの変換器と、
前記不安定性検出ユニットと連通して提供される少なくとも１つのデジタルからアナログへの変換器と、
前記デジタルからアナログへの変換器と連通して提供される制御ユニットと
を備え、
前記不安定性検出ユニットは、前記アナログからデジタルへの変換器と連通して提供され、前記デバイスにおける前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性への前記デバイスの近接度に基づいて、０と１との間の値を生成するように構成され、
前記不安定性検出ユニットは、雑音の多い／カオス信号の場合は１に近い値を、振動的な力の場合は０に近い値を、前記複数の間欠バーストの場合は０と１の間の値を、生成するように構成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記バースト計数テストを実行することによって前記デバイスにおける前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性を検出及び制御するように構成された前記システムであって、
前記デバイスと連通して提供され、前記デバイスの前記力学に対応する少なくとも１つの信号を生成するように構成された前記測定ユニットと、
前記測定ユニットで生成された少なくとも１つの信号に対する固定閾値を有する閾値論理回路と、
前記閾値論理回路と連通して提供され、ゲート信号を生成するように構成された内部のゲート回路と、
前記閾値論理回路と連通して提供され、前記測定ユニットで生成された少なくとも１つの信号を前記信号の前記固定閾値と比較するように構成された比較器と、
前記閾値論理回路と連通して提供され、前記信号の前記固定閾値を上回る前記測定ユニットで生成された少なくとも１つの信号におけるピークの数を計数するように構成された計数器と、
前記計数器と連通して提供され、前記デバイスの機能を規制するように構成された制御ユニットと
を備え、
前記ゲート信号は、前記デバイスからの信号取得の継続時間を制御する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１２】
前記測定ユニットと連通して提供され、前記測定ユニットで生成された少なくとも１つの信号を増幅するように構成された信号調整器を更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御ユニットは、前記デバイスが前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性にならないように、前記デバイスの動作パラメータのうちの少なくとも１つの機能を規制するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ハースト指数テストを実行することによって前記デバイスにおける前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性を検出及び制御するように構成された前記システムであって、
前記デバイスと連通して提供され、前記デバイスの前記力学に対応する少なくとも１つの信号を生成するように構成された前記測定ユニットと、
前記測定ユニットと連通して提供される信号調整器と、
前記信号調整器に接続されたアナログからデジタルへの変換器と、
前記アナログからデジタルへの変換器に取り付けられた前記不安定性検出ユニットと、
前記不安定性検出ユニットに接続された少なくとも１つのデジタルからアナログへの変換器と、
前記デジタルからアナログへの変換器に取り付けられた制御ユニットと、
を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項１５】
デバイスで今にも起こりそうな振動不安定性を決定する為の方法であって、
前記デバイスの力学に対応する少なくとも１つの信号を測定ユニットによって生成するステップと、
振動不安定性の発現の前に前記測定ユニットで生成された信号における複数の間欠バーストの少なくとも１つ、及び、前記デバイスが前記今にも起こりそうな振動不安定性に近づくにつれて生じるパラメータの滑らかな変動を利用することによって、前記デバイスの今にも起こりそうな振動不安定性を不安定性検出ユニットを介して診断するステップであり、前記複数の間欠バーストはカオス又は雑音から前記振動不安定性への遷移に先立って検知される、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記デバイスの前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性の前記発現に対応する制御信号を制御ユニットによって生成するステップと、前記制御信号に基づいて前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記振動不安定性を制御するステップとを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記デバイスで前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性は、０−１テスト、バースト計数テスト及びハースト指数テストのうちの少なくとも１つを実行することによって診断される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記デバイスの前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性は、前記信号における前記複数の間欠バーストの存在を追跡できる対策を使用することによって診断される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記振動不安定性の間に発生した前記複数の間欠バーストを使用することによって前記今にも起こりそうな振動不安定性を診断することは、
前記信号に対する固定閾値を有する閾値論理を提供するステップと、
前記デバイスからの信号取得の継続時間を制御するように構成されたゲート信号を提供するステップと、
前記測定ユニットで生成された少なくとも１つの信号を前記固定閾値と比較するステップと、
前記固定閾値を上回る前記少なくとも１つの信号におけるピークの数を計数するステップと、
前記ピークの数に基づいて前記デバイスにおける前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性を制御するステップと
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記システムは、前記デバイスの動作状態を変化させるため、フラクタル性の測定の変化、マルチフラクタル性の測定の変化、又は再帰定量を通じて計算された測定の変化の少なくとも１つを用いて、前記複数の間欠バーストを通じて起こる前記今にも起こりそうな振動不安定性を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記デバイスで前記複数の間欠バーストを通じて起こる今にも起こりそうな振動不安定性は、前記デバイスの動作状態を変化させるため、フラクタル性の測定の変化、マルチフラクタル性の測定の変化、又は再帰定量を通じて計算された測定の変化の少なくとも１つを用いて、検知される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記０−１テストを実行することによって行われる前記今にも起こりそうな振動不安定性を診断することは、
前記デバイスの力学に対応する少なくとも１つの信号を生成するステップと、
前記測定ユニットによって生成された前記少なくとも１つの信号を増幅するステップと、
前記デバイスにおける前記複数の間欠バーストを通じて行われる前記振動不安定性への前記デバイスの近接度に基づいて、０と１との間の値を生成するステップと、
雑音の多い／カオス信号の場合は１に近い値を、振動的な力の場合は０に近い値を生成するステップとを含む、
請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記デバイスで前記複数の間欠バーストを通じて起こる今にも起こりそうな振動不安定性を診断することは、ハースト指数テストを実行することによって行われる、
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、実用デバイスで今にも起こりそうな振動不安定性の発現を事前に決定する為のシステム及び方法に関し、より具体的には、然し限定的にではなく、高いレイノルズ数の流動デバイス若しくは燃焼デバイス及び／又は雑音の多い音響デバイス等のデバイスで今にも起こりそうな振動不安定性の発現を事前に決定する為、並びに、デバイスが振動不安定性にならないようにする為にデバイスの様々なパラメータを制御する為のシステム及び方法に関する。本出願は、２０１２年１０月１日に出願された（特許文献１）と２０１２年１０月２６日に出願された（特許文献２）の両方に基づき、両明細書の優先権を主張し、両明細書の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
振動不安定性の制御は、そのような振動がそのようなデバイスの性能の低下及び寿命の減少をもたらす為、様々な分野で使用されている多くのデバイスにおいて非常に重要である。ガスタービン、ジェットエンジンで使用される燃焼器等のデバイスや、加熱炉及びバーナー等の生産加工デバイスでは、これらのデバイスは様々な流動及び燃焼プロセスによって駆動される為、振動不安定性の制御及び回避は依然として難解だが興味をそそる作業である。更に、これらのデバイスでは、振動不安定性が起き易い可能性があるが、その理由は、そのような不安定性を駆動する為にシステムで利用可能なエネルギーはほんの僅かで十分であり、デバイスにおける対応する減衰が弱い為である。従って、これらのデバイスでは、大きな振幅の圧力振動が容易に確立され、その結果、熱伝達の増加による性能損失、動作範囲の減少及び構造劣化が生じる。更に、他の分野における振動不安定性の発現の検出も依然として難解だが興味をそそる作業であり、例えば、空力弾性不安定性による流動励起振動及び空力音響不安定性によるパイプ音の発生が挙げられる。
【０００３】
研究者は、燃焼器及びターボ機械等の実用システムで起こる振動不安定性を制御する為の様々な技法を提案しており、それらの幾つかを以下に列挙する。提案された技法のうちの１つでは、遅延フィードバックコントローラが、燃焼器と共に使用される。遅延フィードバックコントローラは、不安定性を制御する為に燃料パイプの圧力を変更する。遅延フィードバックコントローラを使用する技法は燃焼器における不安定性の制御を部分的に成功させるが、この技法には、外部のアクチュエータ、燃焼器構成の変更及び任意の入力に対する周波数応答の知識が必要とされる為、この技法は、大部分の配備システムでは受け入れられないことに留意すべきである。更に、不安定性は、不安定性が起こってからしか制御することができない為、技法は、不安定性の防止に失敗する。
【０００４】
別の従来の技法では、燃焼器の安定性は、振動を引き起こす燃焼器の帯域幅及び燃焼室の動的圧力の測定値に基づいて決定される。燃焼器が安定限界に近づくと、ダンピングを示す帯域幅はゼロに向けて減少する。然し、周波数領域分析に依存する為、燃焼室における雑音の存在は、この技法を部分的に非効率的なものにする恐れがある。
【０００５】
更に別の従来の技法では、燃焼器の安定余裕は、排気流量及び燃料噴射率変調を使用して決定される。然し、この技法は、同様に、音響ドライバ及びパルス燃料噴射器の必要性によって制限される。別の従来の技法は、燃焼器のダンピングを特徴付ける為に取得信号の自己相関を利用する検出器を提案している。燃焼器の不安定性は、ダンピングがゼロになった際に検出器によって追跡される。この技法は、同様に、検出器を機能させる為に燃焼器が不安定性に達する必要がある。更に、技法は、パルス状不安定性及び不安定性への雑音誘起遷移を呈する燃焼器に対して効率的ではない場合がある。それに加えて、スペクトルにおける複数の周波数の存在は、ダンピングの概念を不明瞭にする。
【０００６】
燃焼不安定性を回避する為、燃焼器設計者は、十分な安定余裕を燃焼器の設計に組み込む。安定余裕は、最悪の可能なシナリオの場合でさえ、不安定性が起こらないようにする。然し、動作体制におけるそのような控えめな推定は、ＮＯｘの放射レベルの増加をもたらし、それにより、厳しい放射規準を満たすことがより難しくなる。
【０００７】
更に別の従来の技法では、ターボファンエンジにおける空力及び航空力学的不安定性は、慎重に選択されたバンドパス及びフィルタを通過した後に不安定性に対する前兆信号を生成するエンジンのコンプレッサ部分に配置されたセンサを使用して検出される。不安定性を検出する為のこの手法は、以前のシステムで論じられる同様の問題により、解決が難しい。
【０００８】
従って、振動不安定性を制御する為の従来の技法には、デバイスへのある設計上の特徴の組み込み、又は、不安定性を検出して不安定性を制御することができるセンサ若しくは同様の検出器の組み込みが必要とされる。更に、両プロセスは、不安定性が起こった後で不安定性を特定することを対象にする。従って、システムが不安定性になる動作体制に入らないようにし、従って、安定余裕を改善することができるように、不安定性を事前に決定し、それに従ってデバイスの様々なパラメータを制御することができるシステム及び方法の必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】印度特許第４１１０／ＣＨＥ／２０１２号明細書
【特許文献２】印度特許第４４７６／ＣＨＥ／２０１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の主目的は、実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出の為のシステムを提供することである。
【００１１】
この発明の別の目的は、実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、デバイスが不安定性を発生しないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為のシステムを提供することである。
【００１２】
この発明の更なる目的は、実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出の為の方法を提供することである。
【００１３】
この発明の更に別の目的は、実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、デバイスが、振動不安定性が存在する動作体制に入らないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本明細書の実施形態のこれらの目的及び他の目的は、以下の説明及び添付の図面と併せて考慮すると、良く認識されて理解されよう。然し、以下の説明は、好ましい実施形態及びその多くの特定の詳細を示す一方で、例示として与えられ、制限するものではないことを理解すべきである。多くの変化及び変更は、その精神から逸脱することなく、本明細書の実施形態の範囲内で行うことができ、本明細書の実施形態は、そのような全ての変更を含む。
【００１５】
この発明は添付の図面に示され、図面全体を通じて、同様の参照文字は、様々な図において対応する部分を示す。本明細書の実施形態は、図面を参照して、以下の説明から良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実用デバイスで今にも起こりそうな不安定性の発現の早期検出の為のシステム１００のブロック図である。
【図２】パラメータが不安定性に向けて移動する際に特定の構成の燃焼器（Ｃ）から得られた動的圧力データに対して適用された０−１テストに基づく測定値を描写するグラフである。
【図３】パラメータが不安定性に向けて移動する際に特定の構成の燃焼器（Ｃ）から得られた動的圧力データに対して適用された設定閾値を超えるピークの数に基づく測定値を描写するグラフである。
【図４】パラメータが不安定性に向けて移動する際に特定の構成の燃焼器（Ｃ）から得られた動的圧力データに対して適用されたハースト指数テストに基づく測定値を描写するグラフである。
【図５】燃焼器（Ｃ）内で発生したバーストを計数することによる、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為に使用されたシステムの概要である。
【図６】ハースト指数を演算することによる、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為のシステム１００の概要を描写する。
【図７】実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、デバイスが振動不安定性にならないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為の方法を描写するフローチャートである。
【図８】ハースト指数を演算することによる、空力音響システムにおける不安定性の発現の早期検出の為のシステム１００の概要を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書の実施形態並びにその様々な特徴及び有利な詳細については、添付の図面に示されて以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照して、より完全に説明される。周知のコンポーネント及び処理技法についての説明は、本明細書の実施形態を不要に不明瞭にしない為に省略される。本明細書で使用される例は、単に、実施形態を実践できる方法を容易に理解すること、そして更に、当業者が実施形態を実践できるようにすることを意図する。例えば、本明細書のある実施形態は、本発明を理解し易くする為、ガスタービンの燃焼器や、加熱炉及びバーナー等の生産加工デバイス等のデバイスにおける不安定性の早期検出の為のシステム及び方法に関するが、本発明によるシステムは、間欠バーストを通じてカオス挙動からの振動不安定性への遷移が起こる他の如何なるデバイスにも使用できることに留意すべきである。更に、本明細書のある実施形態は、燃焼システムにおける振動不安定性の検出及び防止の為のシステム及び方法に関するが、本発明によるシステム及び方法は、任意の雑音の多い又はカオスシステムにおける振動不安定性の防止の為にも使用できることに留意すべきであり、例えば、空力弾性フラッタ又は流動励起振動が原因で起きる可能性がある構造上の不安定性、サージ等の空力及び航空力学的不安定性、磁気流体力学において起きる不安定性、又は、パイプ音不安定性を呈するガス輸送システムにおける空力音響不安定性が挙げられる。その上、本明細書のある実施形態は、不安定性の発現の早期検出の為のバースト計数及びハースト指数方法のより高速且つよりロバストな技法を利用するシステム及び方法に関するが、システムは、円滑な方法で間欠バーストを通じて不安定性への遷移を決定できる他の如何なる方法も利用できることに留意すべきである。それに従って、実施例は、本明細書の実施形態の範囲を制限するものと解釈すべきではない。
【００１８】
本明細書の実施形態は、不安定性が起こる前に、実用デバイスにおける振動不安定性を決定する為のシステム及び方法を達成する。更に、本明細書の実施形態は、実用デバイスにおける振動不安定性を事前に決定する為、並びに、デバイスが振動不安定性にならないようにする為にデバイスの様々なパラメータを制御する為のシステム及び方法を達成する。更に、本明細書の実施形態は、間欠バーストを通じてカオス又は雑音の多い挙動からの振動不安定性への遷移が起こるデバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、デバイスが振動不安定性を発生しないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為のシステム及び方法を達成する。ここで、図面を参照すると、より具体的には、図１乃至６を参照すると、同様の参照文字が図全体を通じて一貫した対応する特徴を示す実施形態が示されている。
【００１９】
図１は、実用デバイスにおける不安定性の早期検出の為のシステム１００のブロック図である。実施形態では、システム１００は、ガスタービンの燃焼器（Ｃ）や、加熱炉及びバーナー等の生産加工デバイス等のデバイスにおける不安定性を検出するように構成される。然し、システム１００を、この説明から推測できるように、システム１００の意図する機能を抑止することなく、望まない振動不安定性に遭遇する他の如何なるデバイスにも使用できることも、本発明の範囲内である。システム１００は、測定デバイス１０２と、不安定性検出ユニット１０４と、制御ユニット１０６とを含む。測定デバイス１０２は、燃焼器（Ｃ）内部で起こる力学に対応する信号を取得するように構成される。実施形態では、測定デバイス１０２は、燃焼器（Ｃ）内部で起こる力学に対応する音響信号を取得するように構成される。実施形態では、測定デバイス１０２は、燃焼器（Ｃ）又は振動不安定性にならないようにしなければならない他の如何なるデバイスとも連通して提供される。不安定性検出ユニット１０４は、測定デバイス１０２によって生成された信号（Φ（ｊ））から燃焼器（Ｃ）の安定性を診断するように構成される。制御ユニット１０６は、不安定性検出ユニット１０４から得られた情報に基づいて、燃焼器（Ｃ）の様々な動作パラメータを制御するように構成される。
【００２０】
別の実施形態では、システム１００は、信号調整器１０８や、アナログからデジタルへの変換器１２８や、デジタルからアナログへの変換器１２０も含む。信号調整器１０８は、アナログからデジタルへの変換器１２８の要件を満たすように、測定デバイス１０２によって生成された信号（Φ（ｊ））を操作するように構成される。実施形態では、信号調整器１０８は、測定デバイス１０２によって生成された信号（Φ（ｊ））を増幅するように構成される。更に、測定デバイス１０２から得られた信号（Φ（ｊ））がアナログの場合、アナログからデジタルへの変換器１２８は、不安定性検出ユニット１０４で信号（Φ（ｊ））を処理できるように、アナログ信号をデジタル信号に変換する。更に、デジタルからアナログへの変換器１２０は、制御ユニット１０６によって処理することができるように、不安定性検出ユニット１０４からの出力として得られたデジタル信号をアナログ信号に変換する。
【００２１】
システム１００の前述の構成は、本発明の実施形態を理解し易くする為に提供されることに留意すべきである。然し、ある実施形態は、システム１００のコンポーネントの異なる構成を有し得、他のある実施形態は、システム１００のあるコンポーネントを除外することができる。従って、この説明及び図面から明らかであるように、システム１００の意図する機能を抑止することなく、そのような実施形態や、システム１００のあるコンポーネントの追加又は除外による如何なる変更もまた、本発明の範囲内である。
【００２２】
実施形態では、不安定性検出ユニット１０４は、時系列として、測定デバイス１０２によって生成された信号Φ（ｊ）に基づいて、燃焼器の力学がカオス的／雑音の多い又は非カオス的／周期的なものかどうかを診断する。文献で０−１テストとして説明される数学的方法は、所定の時系列におけるカオスの存在を特定する為に使用することができる。不安定性検出ユニット１０４は、基本的に新しく、これまで未開拓のテストの適用を振動不安定性のトラッカとしてカプセル化する。信号Φ（ｊ）は、燃焼器が安定した動作状態である際に各瞬間の測定値が将来の値についての情報を本質的に提供しないように測定される。このことは、信号Φ（ｊ）の平均相互情報量の第１の最小値に対応する時間間隔で測定信号をサンプリングするように不安定性検出ユニット１０４を構成することによって達成される。平均相互情報量は、
【数１】
0006329550.tif 000002
として得ることができ、式中、
Ｉは、平均相互情報量を表し、
τは、平均相互情報量の位置を表し、
Φ（ｊ）は、ｊ＝（１，２，…，Ｎ）に対する燃焼器からの測定信号を表し、
Ｐ（Ｓ）は事象Ｓの確率を表す。
【００２３】
通常、平均相互情報量の第１の最小値の位置（τｍｉｎ）はＴ／４であり、Ｔは、燃焼器における振動の自然音響時間である。実施形態では、τｍｉｎの値は定められているが、不安定性検出ユニット１０４は、連続値が殆ど相関しない限り、サンプリング間隔の様々な値に対してロバストである。例えば、Φ（ｊ）の自己相関の第１のゼロ交差に対応するサンプリング間隔を使用することによって、τｍｉｎの比較可能な値を得ることもできる。
【００２４】
更に、ｊ＝（１，２，…，Ｎ）に対する測定信号Φ（ｊ）及びｊｉ＋１−ｊｉ＝τｍｉｎから、変換変数ｐＣ及びｑＣは、
【数２】
0006329550.tif 000003
として得られ、式中、ｃは、間隔（π／５、４π／５）で無作為に選ばれる。ｐＣ及びｑＣの拡散（又は非拡散）挙動は、平均二乗変位ＭＣ（ｎ）を分析することによって調査することができる。力学が正則的なものであれば、平均二乗変位は時間の有界関数であるが、力学がカオス的なものであれば、平均二乗変位は時間に比例して変化する。変換変数の平均二乗変位ＭＣ（ｎ）は、
【数３】
0006329550.tif 000004
として演算することができる。この定義は、ｎ＜＜Ｎ（Ｎは、測定信号のサイズを表す）を必要とすることに留意されたい。更に、限界は、ｎ≦ｎｃｕｔ（ｎｃｕｔ＜＜Ｎ）のみに対するＭＣ（ｎ）を計算することによって保証される。実際には、ｎｃｕｔ＝Ｎ／１０が良い結果をもたらすことが分かっており、ｎｃｕｔは、その値まで平均二乗変位ＭＣ（ｎ）が計算されるインデックスの値を表す。カオスに対するテストは、ｎの関数としてのＭＣ（ｎ）の増加率に基づく。従って、ＭＣ（ｎ）と同じ漸近増加を呈するが、より良い収束特性を有する修正平均二乗変位ＤＣ（ｎ）を公式化する為、不安定性検出ユニット１０４は、平均二乗変位ＭＣ（ｎ）から振動項ＶＯＳＣ（ｃ，ｎ）を除去するように構成される。修正平均二乗変位ＤＣ（ｎ）は、
ＤＣ（ｎ）＝ＭＣ（ｎ）−ＶＯＳＣ（ｎ）
として得ることができ、式中、
【数４】
0006329550.tif 000005
及び
【数５】
0006329550.tif 000006
である。従って、ベクトルξ＝（１，２，…，ｎｃｕｔ）及びΔ＝（ＤＣ（１），ＤＣ（２），…，ＤＣ（ｎｃｕｔ））と定義することにより、ベクトルξとΔの相関から、ｎでの修正平均二乗変位ＤＣの漸近増加率ＫＣを得ることができる。通常、ＫＣの値は、本質的に、システム１００のユーザが燃焼器のカオス力学と非カオス力学とを区別できるようにする。漸近増加率ＫＣは、正則及びカオス力学の場合、ｃの関数である。周期力学の場合、ｃの殆どの値は、予想通り、ＫＣ＝０をもたらすが、ＫＣが大きいｃの孤立した値が存在する。従って、異常値及び偽の共振に対する対策のロバスト性を保証する為、ｃの異なる乱数値に対してＫＣの中央値（例えば、Ｋ）が得られる。得られたＫの値は、雑音の多い／カオス信号の場合は１の近くにあり、正則力学の場合は０の近くにある。更に、燃焼器の流動場が本質的に乱流である場合、不安定性への遷移は、乱流強度に応じた、１からそれより低い値へのＫの値の減少と関連付けられよう（即ち、不安定性における乱流強度が高い程、不安定性におけるＫの０からの離脱度が高い）。従って、Ｋの閾値は、燃焼器の様々なパラメータを制御して安定した動作状態の下で燃焼器を維持するように適切な制御ユニット１０６を構成することができる範囲を超えると同時に定義することができる。図２は、パラメータが振動不安定性に向けて移動する際に特定の構成の燃焼器から得られた動的圧力データに対して適用されたこのテストに基づく不安定性検出ユニットの結果を示すグラフである。
【００２５】
別の実施形態では、システム２００には、カオスから不安定性への遷移に先行する間欠バースト挙動を明白に追跡することによる、不安定性の発現の早期検出の為のユニットが提供される。システム２００は、測定デバイス２０２と、不安定性検出ユニット２０４と、制御ユニット２１８とを含む。測定デバイス２０２は、燃焼器（Ｃ）内部で起こる力学に対応する信号（Φ（ｊ））を生成するように構成される。実施形態では、測定デバイス２０２は、燃焼器（Ｃ）内部で起こる力学に対応する音響信号を生成するように構成される。実施形態では、測定デバイス２０２は、燃焼器（Ｃ）又は振動不安定性にならないようにしなければならない他の如何なるデバイスとも連通して提供される。不安定性検出ユニット２０４は、測定デバイス２０２によって生成された信号（Φ（ｊ））から燃焼器（Ｃ）の安定性を診断するように構成される。実施形態では、不安定性検出ユニット２０４は、信号Φ（ｊ）が得られるサンプリングレート（ＦＳ）を必要とするプログラムされたユニットである。実施形態では、如何なるデバイスも一般に安定した状態で動作を開始する為、信号Φ（ｊ）は、ＦＳ＝１０Ｆｍａｘ（Ｆｍａｘは、防止を望む最大周波数である）に固定することによって取得することができる。信号Φ（ｊ）を取得できるサンプリングレート（ＦＳ）は、平均相互情報量の第１の最小値の位置（τｍｉｎ）に関連する。τｍｉｎを演算した後、信号Φ（ｊ）を取得したサンプリングレート（ＦＳ）は、ＦＳ＝１０τｍｉｎとして訂正することができる。サンプリングレート（ＦＳ）を固定することで、システムは、前兆検出を最適化することができる。τｍｉｎ及びＦＳを得る為の前述の手順は、本発明の実施形態を理解し易くする為に提供されることに留意すべきである。更に、前述のτｍｉｎ及びＦＳの値が定められているが、この説明で開示されるようにシステム１００で利用される検出技法は、妥当な範囲内のこれらの量の変化に対してロバストであることに留意すべきである。
【００２６】
システム２００は、少なくとも１つのセンサを含む。センサは、システム２００が組み込まれるデバイス（燃焼器（Ｃ））から信号を取得するように構成される。次いで、取得信号は、不安定性検出ユニット２０４に到達し、不安定性検出ユニット２０４では、不安定性への動作状態の近接度が決定される。更に、不安定性検出ユニット２０４は、不安定性に対応する適切な信号を生成するように構成され、制御ユニット２１８に信号を伝達する。
【００２７】
制御ユニット２１８は、不安定性検出ユニット２０４から得られた情報に基づいて、燃焼器（Ｃ）の様々な動作パラメータを制御するように構成される。実施形態では、閾値を超える際に、燃焼器（Ｃ）の様々なパラメータを制御することによって、燃焼器（Ｃ）が安定した動作状態を維持し、それにより、燃焼器（Ｃ）の安定余裕が増加することを制御ユニット２１８が適切に保証できるように、不安定性検出ユニット２０４によって得られた数値に対して適切な閾値が設定される。
【００２８】
不安定性検出ユニット２０４は、不安定性になる前にデバイス内で発生したバーストを検査することによって、システム２００が組み込まれるデバイス（燃焼器（Ｃ））における不安定性の発現の早期検出を診断する。バーストは、短時間で減衰する測定信号の振幅における急激なスパイクを指す。測定信号におけるそのようなバーストの発生は、小さな振幅と大きな振幅との間の信号の間欠切り替え挙動をもたらす。多くの場合、これは、カオス挙動から振動不安定性への遷移が間欠バーストを通じて起こる高いレイノルズ数の流動デバイスの場合である。また、そのようなバーストは、不安定性への遷移が間欠バーストによって特徴付けられる領域を通じて起こる、高レベルの雑音を伴うシステムではよくあることでもある。
【００２９】
一実施形態では、今にも起こりそうな不安定性の発現は、継続時間（ｔ）の間のユーザが定義した閾値（ξ）を上回る信号Φ（ｊ）のピークの数（Ｎ）を計数することによって決定される。閾値（ξ）は、デバイス（燃焼器（Ｃ））の振幅の許容レベルに対応するであろう。実施形態では、継続時間（ｔ）の値は、４００τｍｉｎとして定義され、継続時間（ｔ）内に発生した全てのピーク（Ｎｔｏｔ）が計数される。実施形態では、継続時間（ｔ）は、本格的な不安定性でのデバイス（燃焼器（Ｃ））における１００の振動サイクルに対応するであろう。例えば、２５０Ｈｚで不安定性が起こる燃焼器（Ｃ）等のデバイスでは、サンプリングは、４００ミリ秒の継続時間の間で１０ｋＨｚであろう。動作状態が不安定になる確率は、
ｐ＝Ｎ／Ｎｔｏｔ
として定義することができる。ｐの値は、不安定性への動作状態の近接度である。実施形態では、ｐの値は、不安定性に向かうパラメータの増加に対して、１に向けて滑らかに増加する。更に、燃焼器（Ｃ）は、必要に応じて、ｐの測定値が設定閾値確率を超える際に、制御ユニット２１８を起動することによって、不安定性にならないようにすることができる。実施形態では、閾値を得た際に、燃焼器（Ｃ）の様々な制御パラメータを制御することによって、燃焼器（Ｃ）が安定した動作状態を維持し、それにより、燃焼器（Ｃ）の安定余裕が増加することを制御ユニット２１８が適切に保証できるように、燃焼器（Ｃ）が不安定性に達する確率に対して適切な閾値が設定される。図３は、特定の構成の燃焼器から得られた非定常圧力データにおけるバーストの計数に基づく不安定性検出ユニットの結果を示すグラフである。
【００３０】
実施形態では、燃焼器（Ｃ）内で発生したバーストを計数することによる、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為のユニットが提供されたシステム２００は、図５に示されるように、信号調整器２０８と、閾値論理２１０と、比較器２１２と、ゲート信号２１４と、計数器２１６と、制御ユニット２１８とを含む。制御ユニット２１８は、少なくとも１つのデジタルからアナログへの変換器２２０と、空気流量コントローラ２２２と、燃料流量コントローラ２２４とを更に含む。図５は、燃焼器（Ｃ）内で発生したバーストを計数することによる、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為に使用されたシステム構成である。燃焼器（Ｃ）内部で生成された信号Φ（ｊ）は、適切なセンサ（図示せず）によって決定される。更に、信号調整器２０８は、測定信号（Φ（ｊ））を増幅するように構成される。内部のゲート回路によって生成されたゲート信号２１４は、信号取得の継続時間（ｔ）を制御する。閾値論理２１０は、閾値論理をゲート信号に適用すると、閾値（ξ）を上回る信号におけるピークが決定されるように、固定閾値（ξ）を含む。比較器２１２は、測定信号Φ（ｊ）を信号の閾値（ξ）と比較するように構成される。更に、計数器２１６は、閾値（ξ）を上回る信号Φ（ｊ）におけるピークの数を計数するように構成される。実施形態では、信号におけるバーストの発生は、圧力信号の振幅を、閾値を超えて増大し、閾値論理回路は、閾値を上回るピークの発生を示す信号を生成する。更に、計数器２１６は、ゲート時間内のピークの数（Ｎ）を計数し、この数（Ｎ）に基づいて情報を制御ユニット２１８に伝送する。制御ユニット２１８は、空気流量制御バルブの機能を規制するように構成された空気流量コントローラ２２２と、燃料流量制御バルブの機能を規制するように構成された燃料流量コントローラ２２４とを含み、それらの一方又は両方は、燃焼器（Ｃ）が不安定性にならないようにするように調整することができる。実施形態では、制御ユニット２１８によって生成される信号は、デジタルである。更に、デジタルからアナログへの変換器２２０は、空気流量コントローラ２２２及び燃料流量コントローラ２２４での使用の為、デジタル信号をアナログ信号に変換するように構成される。
【００３１】
システム２００の前述の構成は、本発明の実施形態を理解し易くする為に提供されることに留意すべきである。然し、ある実施形態は、システム２００のコンポーネントの異なる構成を有し得、他のある実施形態は、システム２００のあるコンポーネントを除外することができる。従って、この説明及び図面から明らかであるように、システム２００の意図する機能を抑止することなく、そのような実施形態や、システム２００のあるコンポーネントの追加又は除外による如何なる変更もまた、本発明の範囲内である。
【００３２】
更に別の実施形態では、今にも起こりそうな不安定性の発現は、ハースト指数を演算することによって決定される。ハースト指数を決定する為、長さＬの信号Φ（ｊ）は、等しいスパン（ｗ）の非重複セグメント（ｘｉ（ｊ）、ｉ＝１，２，…，ｎ）の数（ｎ）に分割される。更に、信号の平均は、これらのセグメントから減じられ、
【数６】
0006329550.tif 000007
として累積偏差級数が得られる。
【００３３】
その上、セグメントにおける局所的な傾向を計上する為、局所的な多項式フィット
【数７】
0006329550.tif 000008
を偏差級数（ｙｉ）にする。次いで、位数ｑ及びスパンｗの構造関数
【数８】
0006329550.tif 000009
が
【数９】
0006329550.tif 000010
として得られる。
【００３４】
次いで、様々なスパンサイズに対する
【数１０】
0006329550.tif 000011
の対数・対数プロットの線形領域の傾きとして、ハースト指数Ｈ２が得られる。図４は、制御パラメータの変化に対する、特定の構成の燃焼器（Ｃ）から得られた非定常圧力データのハースト指数の変動を描写するグラフである。燃焼器（Ｃ）が不安定性に近づくと、ハースト指数は滑らかに降下する。標準のハースト指数Ｈ２を使用する代わりに、標準のハースト指数と同様の傾向を与える一般化されたハースト指数Ｈｑをシステムで使用することもできる。
【００３５】
実施形態では、ハースト指数による、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為のシステム３００は、信号調整器３２６と、アナログからデジタルへの変換器３２８と、デジタルからアナログへの変換器３３０と、制御ユニット３３２とを含む。図６は、ハースト指数による、燃焼器（Ｃ）における不安定性の発現の早期検出の為のシステム３００を描写する。信号調整器３２６は、アナログからデジタルへの変換器３２８の要件を満たすように、測定デバイス３０２によって生成された信号（Φ（ｊ））を操作するように構成される。実施形態では、信号調整器３２６は、測定デバイス３０２によって生成された信号（Φ（ｊ））を増幅するように構成される。更に、測定デバイス３０２によって生成された信号（Φ（ｊ））がアナログの場合、アナログからデジタルへの変換器３２８は、不安定性検出ユニット３０４で信号（Φ（ｊ））を処理できるように、アナログ信号をデジタル信号に変換する。不安定性検出ユニット３０４は、ハースト指数アルゴリズムの通りに動作する。更に、制御ユニット３３２は、不安定性検出ユニット３０４から、燃焼器（Ｃ）の安定性に基づく情報を得て、不安定性を回避できるように燃焼器（Ｃ）の制御パラメータを制御する。更に、デジタルからアナログへの変換器３３０は、制御ユニット３３２によって処理することができるように、不安定性検出ユニット３０４からの出力として得られたデジタル信号をアナログ信号に変換する。更に、制御ユニット３３２は、不安定性検出ユニット３０４から、燃焼器（Ｃ）の安定性に基づく情報を得て、不安定性を回避できるように燃焼器（Ｃ）の制御パラメータを制御する。実施形態では、制御ユニット３３２は、不安定性を回避できるように、流量制御バルブのパラメータを制御するように構成される。
【００３６】
システム３００の前述の構成は、本発明の実施形態を理解し易くする為に提供されることに留意すべきである。然し、ある実施形態は、システム３００のコンポーネントの異なる構成を有し得、他のある実施形態は、システム３００のあるコンポーネントを除外することができる。従って、この説明及び図面から明らかであるように、システム１００の意図する機能を抑止することなく、そのような実施形態や、システム３００のあるコンポーネントの追加又は除外による如何なる変更もまた、本発明の範囲内である。
【００３７】
実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、デバイスが振動不安定性にならないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為の方法について以下の本明細書で説明する。図７は、実用デバイスにおける振動不安定性の発現の早期検出、及び、システムを使用してデバイスが振動不安定性にならないようにする為のデバイスの様々なパラメータの制御の為の方法を描写するフローチャートである。方法４００は、実用デバイスと連通する測定デバイスを提供するステップ（ステップ４０２）を含み、その結果、測定デバイスによって実用デバイスの力学に対応する信号が生成される（ステップ４０４）。更に、不安定性検出ユニットによって実用デバイスの安定性が特定される（ステップ４０６）。実施形態では、不安定性検出ユニットは、０−１テスト方法によって、不安定性の発現を診断する。別の実施形態では、不安定性検出ユニットは、測定信号のバーストの数を計数することによって、不安定性の発現を診断する。更に別の実施形態では、不安定性検出ユニットは、ハースト指数によって、不安定性の発現を診断する。更に、燃焼器を安定した動作状態の下で維持する為、不安定性検出ユニットからの出力に従って、実用デバイスの様々なパラメータが制御される（ステップ４０８）。
【００３８】
特定の実施形態の前述の説明は、他者が、現知識を適用することによって、一般概念から逸脱することなく、様々な応用に対してそのような特定の実施形態を容易に変更及び／又は適合させることができる程、本明細書の実施形態の一般的な性質を完全に明らかにし、従って、そのような適合及び変更は、開示される実施形態の均等物の意味及び範囲内で理解されるべきである、及び、理解されることを意図する。例えば、本明細書のある実施形態は、高速且つロバストである為、不安定性の発現の早期検出の為に０−１テスト、バースト計数及びハースト指数方法を利用するシステム及び方法に関するが、システムは、間欠バーストを通じて不安定性への遷移を決定できる他の如何なる方法も利用できることに留意すべきである。例えば、一般化されたハースト指数データ（Ｈｑ）の変動から、ホルダースペクトル（Ｈｏｌｄｅｒ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を構築することができる。更に、構築されたホルダースペクトルによって、マルチフラクタルスペクトル幅（Ｗ）を計算することができる。また、マルチフラクタルスペクトル幅（Ｗ）は、デバイスが不安定性に近づくと減少する傾向を有し、それにより、不安定性の発現を特定する為のインジケータとしても使用することができる。不安定性の発現を特定する為の別の可能なインジケータは、回帰プロットとして知られているものから得ることができる。再帰定量化解析により、層流性、決定性、捕捉時間等の量を得ることができる。これらの量は、遷移を示す傾向を示す。最大リアプノフ指数の値の変化は、別の有用なインジケータである。その上、本発明のある実施形態は、燃焼器で今にも起こりそうな不安定性を決定する為のシステム及び方法について開示しているが、本発明で開示されるシステム及び方法は、振動不安定性を受ける他の如何なるデバイスにも使用できることに留意すべきである。例えば、図８では、方法の一般性を見ることができ、空力音響システムから取得されたデータに対してハースト指数テストが適用される。テストは、実際の振動不安定性への遷移の前に、振動不安定性の発現をうまく事前に警告することができる。更に、本明細書で使用される表現又は用語は、制限することではなく、説明することを目的とすることを理解されたい。従って、本明細書の実施形態は、好ましい実施形態の観点から説明されてきたが、当業者であれば、本明細書の実施形態は、本明細書に記載されるような実施形態の精神及び範囲内で変更して実践できることが認識されよう。
【符号の説明】
【００３９】
１００、２００、３００  システム
１０２、２０２、３０２  測定デバイス
１０４、２０４、３０４  不安定性検出ユニット
１０６、２１８、３３２  制御ユニット
１０８、２０８、３２６  信号調整器
２１０  閾値論理
１２８、３２８  アナログからデジタルへの変換器
２１２  比較器
１２０、２２０、３３０  デジタルからアナログへの変換器
２１４  ゲート信号
２１６  計数器
２２２  空気流量コントローラ
２２４  燃料流量コントローラ
【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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【図８】
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