(57)【要約】安定燃焼の開始を感知する装置および方法を提示する。電極がテービン燃焼室内のガスに曝されるようにタービン燃焼室内に電極を位置決めする。電極はイグナイタと一体化してもよい。制御モジュールは、電極に電位を印加し、燃焼イオン化信号を検出し、安定燃焼状態の発生または不安定燃焼の始まりを示す燃焼イオン化信号の振動があるかどうかを判定する。制御モジュールは、燃焼工程が不安定燃焼の始まりにあることをパラメータが示す場合に一斉通知するか、または燃焼工程の不安定状態をパラメータが示す場合に警告信号を一斉通知する。燃焼パラメータを調節することにより、燃焼工程を安定状態に向かわせる。
2006523297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼領域を有する連続燃焼システムにおける不安定燃焼状態を検出するシステムであって：
少なくとも一つの電極を有する少なくとも一つの後退可能なイグナイタであって、前記少なくとも一つの電極が前記燃焼領域内のガスに曝されるような場所に位置決めされる、少なくとも一つの後退可能なイグナイタと；
前記少なくとも一つの電極に接続されるコントローラであって、前記少なくとも一つの電極から燃焼イオン化信号を受信し、不安定燃焼の発生を示す前記燃焼イオン化信号の振動を検出することができる、コントローラとを備える；
システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記少なくとも一つの後退可能なイグナイタの温度を監視し、前記少なくとも一つの後退可能なイグナイタを能動的に位置決めしてイオン測定を行い、そして前記温度が閾値を超えている場合に前記少なくとも一つの後退可能なイグナイタを後退させるようになされた；
請求項１のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記後退可能なイグナイタを位置決めして、前記後退可能なイグナイタを前記燃焼領域中のガスに曝し、かつ温度閾値未満に保持するようになされた；
請求項１のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、更に、前記温度が急速に前記閾値へ接近している場合、前記少なくとも一つの後退可能なイグナイタを後退させるようになされた；
請求項２のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記少なくとも一つの電極を励起して、前記少なくとも一つの電極から前記燃焼領域の接地に至る電場を生成するようになされた；
請求項１のシステム。
【請求項６】
燃焼領域を有するアフターバーナの不安定燃焼状態を検出するためのシステムであって：
少なくとも一つの電極であって、前記燃焼領域のガスに曝されるような場所で、前記燃焼領域に配置された少なくとも一つの電極と；
前記少なくとも一つの電極に接続される制御モジュールであって、前記少なくとも一つの電極を励起して前記少なくとも一つの電極から前記燃焼領域の接地に至る電場を生成し、前記少なくとも一つの電極から燃焼イオン化信号を受信することができ、不安定燃焼の発生を示す前記燃焼イオン化信号の振動を検出することができる制御モジュールとを備える；
システム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの電極は前記アフターバーナの燃料ノズルに配置される；
請求項６のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの電極は前記アフターバーナのイグナイタに配置される；
請求項６のシステム。
【請求項９】
アフターバーナの燃焼領域の燃焼に曝されるような場所に配置される電極を有する前記アフターバーナにおける不安定燃焼を検出する方法であって：
前記電極を通って流れるイオン電流を示す前記電極からのイオン電流信号を受信するステップと；
燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記イオン電流信号のパラメータが示しているかどうか判定するステップと；
前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記イオン電流信号のパラメータが示す場合、信号をエンジンコントローラへ送信するステップとを備える；
方法。
【請求項１０】
燃焼室中の自由イオンを含む燃焼ガスに曝されるような場所で前記燃焼室に配置される電極を有する希薄予混合ガスタービンにおける不安定燃焼を検出する方法であって：
燃焼工程中に前記電極へ電圧を印加するステップと；
前記電極と前記燃焼室の少なくとも一つの壁との間に流れる電流のパラメータを判定するステップと；
前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記パラメータが示しているかどうか判定するステップと；
前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記パラメータが示す場合、少なくとも一つの燃焼システムパラメータを調整するステップとを備える；
方法。
【請求項１１】
前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記パラメータが示しているかどうか判定する前記ステップは、振動周波数が所定の周波数範囲内にあり、かつ振動振幅が第１閾値に相当する場合に、前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりにあると判定するステップを含む；
請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記第１閾値は±６．８９５ｋＰａ（１ｐｓｉ）に相当する；
請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記所定の周波数範囲は、前記ガスタービンのクリティカル周波数の略±５０Ｈｚである；
請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記所定の周波数範囲は略１０Ｈｚと略１０ｋＨｚとの間である；
請求項１１の方法。
【請求項１５】
前記燃焼工程が不安定燃焼の始まりまたは不安定状態のどちらかにあることを前記パラメータが示しているかどうか判定する前記ステップは、振動周波数が可聴周波数範囲内にあり、かつ振動振幅が少なくとも第２閾値に相当する場合に、前記燃焼工程が不安定状態であると判定するステップを含む；
請求項１１の方法。
【請求項１６】
燃料ノズルと燃焼室とを有する燃焼システムにおける燃焼工程の安定燃焼を維持する方法であって：
燃焼ガスに曝されるように前記燃焼室にイオンセンサを配置するステップと；
前記イオンセンサからイオン信号を受信するステップと；
前記イオン信号から振動周波数および振動振幅を決定するステップと；
前記振動周波数および前記振動振幅が、不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一方を示す場合に、少なくとも一つのパラメータを調整して燃焼工程を安定に向かわせるステップとを備える；
方法。
【請求項１７】
前記イオンセンサが、前記燃料ノズル近傍に少なくとも一つの電極と、前記燃焼室の外壁に少なくとも一つの電極とを有し、前記燃料ノズル近傍の前記少なくとも一つの電極と、前記燃焼室の外壁の前記少なくとも一つの電極との間に電圧を印加するステップを更に備える；
請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも一つのパラメータを調整する前記ステップは、燃焼システムパラメータを調整するステップを含む；
請求項１６の方法。
【請求項１９】
燃焼システムパラメータを調整する前記ステップは、前記空燃比をリッチにすることおよび前記燃料ノズのフローノズル形状を調整することのうちの一つを含む；
請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一つを示すかどうか判定するステップを更に備える；
請求項１６の方法。
【請求項２１】
前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一方を示すかどうか判定する前記ステップは、前記振動周波数が所定の周波数範囲内にあり、かつ前記振動振幅が第１閾値に相当する場合に、前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりを示すと判定するステップを含む；
請求項１６の方法。
【請求項２２】
前記所定の周波数範囲は、前記燃焼システムのクリティカル周波数の略±５０Ｈｚである；
請求項２１の方法。
【請求項２３】
前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一方を示すかどうか判定する前記ステップは、前記振動周波数が所定の周波数範囲内にあり、かつ前記振動振幅が第２閾値に相当する場合に、前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼状態を示すと判定するステップを含む；
請求項１６の方法。
【請求項２４】
前記所定の周波数範囲は、前記燃焼システムのクリティカル周波数の略±５０Ｈｚである；
請求項２３の方法。
【請求項２５】
燃料ノズルと燃焼室とを有する燃焼システムにおける燃焼工程の不安定燃焼を検出するシステムであって：
イオンセンサとの間で通信する電子モジュールであって、前記イオンセンサからイオン信号を受信し、前記イオン信号の振動周波数および振動振幅を判定し、前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一つを示す場合、少なくとも一つの燃焼パラメータを調整して前記燃焼工程を安定に向かわせる、電子モジュールを備える；
システム。
【請求項２６】
燃焼ガスに曝されるように前記燃焼室に配置されたイオンセンサであって、前記電子モジュールとの間で通信するイオンセンサを更に備える；
請求項２５のシステム。
【請求項２７】
前記イオンセンサは後退可能なイグナイタであり、前記電子モジュールは前記後退可能なイグナイタの温度を監視し、イオン測定を行うよう前記後退可能なイグナイタを能動的に位置決めし、前記温度が閾値を超える場合に前記後退可能なイグナイタを後退させる；
請求項２６のシステム。
【請求項２８】
前記燃料ノズルと直列なトリム弁を更に備え、
前記少なくとも一つのパラメータは前記燃焼室の空燃比であり、
前記電子モジュールは、前記振動周波数および前記振動振幅が不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態のうちの一つを示す場合に、前記空燃比をリッチにして燃焼工程を安定に向かわせる；
請求項２５のシステム。
【請求項２９】
前記少なくとも一つのパラメータは前記燃料ノズルのフローノズル形状である；
請求項２５のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連特許出願のクロスリファレンス］
本願は、２００２年１２月２６日出願の同時係属米国特許出願番号１０／３２９，６６４の一部継続出願である。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、一般に連続燃焼システムに関し、より詳細には、不安定燃焼が始まる付近で作動する連続燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジン等の連続燃焼システムは多くの産業で使用されている。これらの産業には、輸送、発電、および装置産業が含まれる。連続燃焼システムはその動作中に、プロパン、天然ガス、軽油、灯油、またはジェット燃料等の燃料を燃焼させることによりエネルギーを作り出す。燃焼工程の副産物の一つが、大気中への汚染物質排出である。汚染物質排出レベルは政府機関により規制されている。大気中へ排出される環境に有害なガスの量の著しい減少にもかかわらず、政府は、ＮＯx、ＣＯ、ＣＯ2、および炭化水素（ＨＣ）等のガスの排出レベルをますます低レベルに、しかも、かつてないほど多くの産業で規制している。
【０００４】
産業界は排出レベルを減らすために様々な方法を開発した。ガス燃料タービンに対する一方法は、希薄予混合燃焼である。希薄予混合燃焼では、燃料と空気との比を低く（希薄に）保ち、燃焼工程の前に燃料を空気と予混合する。次いで、亜酸化窒素の生成（主として１８５０Ｋを超える温度で発生する）を制限するのに十分低い温度に保つ。また、予混合は、一酸化炭素および未燃焼炭化水素が完全には酸化されない局部的な燃料リッチ領域を生ずる可能性も低下させる。
【０００５】
希薄予混合ガスタービン他の連続燃焼システムのメーカーが直面する更なる困難な課題の一つは、不安定燃焼という現象である。不安定燃焼は、燃焼している燃料の非定常的な熱放出の結果によるものであり、破壊的な圧力振動または音響振動を発生しうる。希薄予混合ガスタービンでは、空燃比が希薄可燃限界−このときタービン排出ガスは最少になる−に近い場合に不安定燃焼を生じうる。一般に、予混合燃料流の空燃比を可能な限り希薄にして燃焼温度を最低にし、排出ガスを低減すべきである。しかし、空燃比が希薄すぎると火炎は不安定になり、圧力変動が生じる。不安定燃焼の典型的な兆候は、数ヘルツから数百ヘルツの範囲の周波数で、±６．８９５ｋPa（１ｐｓｉ）程度の低い圧力で発生する燃焼圧力の変動である。振幅および周波数によっては、この振動が時に不快な可聴ノイズを引き起こすが、より深刻な影響として、高サイクル疲労によりタービン構成要素が壊滅的な損傷を蒙ることもある。最も厳しい振動は、燃焼領域にある機械的構成要素の共振周波数を励起する振動であって、機械応力の振幅を著しく増大させる。
【０００６】
ほとんどの連続燃焼システムは、不安定燃焼が発生する運転領域に入るのを避けるように十分な安全マージンを持って、現場で性能検証されている。しかしながら、構成要素が摩耗したり、燃料組成が変化したりする場合に燃焼工程が不安定になる可能性は依然として残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、非常に低いレベルの不安定燃焼であっても、その存在を感知する装置および方法を提供し、それにより、オペレータまたは閉ループ制御システムは、安定燃焼状態に復帰させるか、または（タービンまたはアフターバーナ内の）燃焼工程を停止するか、いずれかの軽減策をとることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
タービン燃焼システムの燃焼室内のガス、特に、燃焼中に生成される自由イオンを含むこれらガスに曝される場所に、電極等のイオンセンサを配置する。センサに電圧を印加して、センサから燃焼室の指定接地（例えば燃焼室壁）に至る電場を生成する。一実施の形態では、電場がセンサから燃焼室の指定接地へ放射されるように電圧を印加する。自由イオンがこの電場にあると、僅かなイオン電流が流れる。イオン電流の大きさはイオン密度を示す。制御モジュールは、燃焼イオン化信号をセンサで検出して受信し、燃焼イオン化信号に、不安定燃焼の発生または不安定燃焼の始りを示す振動があるかどうか判定する。信頼性の低い高価な圧力変換器を電場へ装着する必要も無く、圧力振動を推定するこの方法により、圧力振動を間接的にモニターする能力が提供される。イオン信号の振動振幅は、圧力の振動振幅と関係付けられて、コントローラのメモリに格納される。
【０００９】
制御モジュールは、燃焼工程の間、イオンセンサに電圧を印加し、センサと燃焼室の指定接地点との間に流れるイオン電流を測定し、イオン電流振動の振幅および周波数を所定のパラメータと比較し、振動の振幅および周波数が不安定燃焼範囲内にある場合、一斉に信号を通知する。パラメータには振動の周波数および振幅が含まれる。
【００１０】
振動周波数が所与の燃焼システムに対するクリティカル域内（例えば、クリティカル周波数が２７５Ｈｚでは、約２５０Ｈｚから約３００Ｈｚの範囲）にある場合、および／または圧力の振動振幅が定常状態の振幅（例えば、±１３．７９ｋPa（２ｐｓｉ））に対する第１閾値を超えていることがイオン信号から推定できる場合、不安定燃焼状態を示す信号を一斉通知する。振動周波数がクリティカル域内にある場合、および／または振動振幅が定常状態の振幅に対する第２閾値を超えている場合、不安定燃焼の始りを示す信号を一斉通知する。信号を受信すると、空燃比をリッチにしたり、フローノズルの形状を調整したり、あるいは他の形の軽減策をとる。
【００１１】
本発明のこれら利点および他の利点は、追加の発明性ある特徴とともに、本明細書による本発明の説明から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を特定の好適な実施の形態と併せて説明するが、これらの実施の形態に限定するものではない。逆に、付帯する請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲により、全ての代替、改変、および均等物を含めるよう意図する。
【００１３】
本発明は、ガスタービン、工業用バーナ、工業用ボイラ、またはアフターバーナ等の連続燃焼システムの燃焼領域での不安定燃焼状態および／または不安定燃焼の始まりを、イオン化信号を利用して感知する方法および装置を提供する。本発明を、燃焼時に火炎内に自由イオンが生成される液体または気体の任意の炭化水素燃料に使用してもよい。火炎内の自由イオンの数量は炭化水素の濃度に比例するので、測定したイオン電流も自由イオンの数量に比例する。火炎の振動は炭化水素の振動を発生させ、これがイオン化信号に振動を生じさせる。これらイオン電流振動が圧力振動と適切に関係付けられていれば、圧力振動はイオン信号によって明瞭に示される。イオン信号の振動振幅を対応する圧力振動へ適切に変換するために、イオン信号の振動は、典型的には、実験室環境で圧力変換器によって測定された圧力振動と関係付けられる。本発明は、イオン化信号振動の周波数および振幅を検出し、イオン化信号振動の周波数および振幅が、選定された閾値を超える場合に指示を出す。
【００１４】
図面では、同様の符号は同様の要素を指し、適切なタービン環境で本発明が実施されるとして、これを図示する。図１は、本発明を実施可能な適切なタービン環境１００の一実施例を示す。タービン環境１００は適切なタービン環境の一例にすぎず、本発明の使用や機能の範囲に関してどのような制限も示唆するものではない。例えば、本発明を、アフターバーナ、工業用バーナ、工業用ボイラ等で実施してもよい。また、タービン環境１００が、例示の動作環境１００の中で図示される構成要素の任意の一つ、または組合せに何らかの依存性または要件を伴うと解釈すべきでない。
【００１５】
図１を参照すると、本発明を実施するための例示システムには、電子モジュール１０２、燃料ノズル１０４、および燃焼室１０６が含まれる。燃料ノズル１０４は、従来手段を用いて燃焼室１０６に取り付けられる。燃料ノズル１０４は、典型的には導電材料でできており、入口部１０８と、燃焼室１０６内に通ずる出口ポート１１０と、中央本体１１２とを有する。空気および燃料を予混合撹拌器１１４で混合した後、イグナイタを用いて燃焼領域中の燃料混合気に点火する。アフターバーナでは、空気は別の通路を通って燃焼室１０６に入り、燃料ノズル通路を用いて燃料を燃焼室１０６に導入する。タービンの動作は周知であり、本明細書で説明する必要はないであろう。
【００１６】
電子モジュール１０２は、別体型モジュールであっても、点火制御モジュールの一部であっても、あるいはエンジン制御モジュールの一部であってもよい。電子モジュール１０２には、プロセッサ１３２が命令したときに、制御されたＡＣまたはＤＣ電圧信号を電極３０２へ提供するための電源１３０が含まれる。プロセッサ１３２は、電極３０２へ電力を提供するよう電源に命令し、コンディショニングモジュール１３６を経由して電極３０２からのイオン電流信号を受信し、要求される計算タスクを実行してイオン信号を解析し、不安定燃焼の始まりおよび不安定燃焼状態を判定し、そしてインターフェース１３４を介してエンジン制御モジュール等の他のモジュールと通信する。コンディショニングモジュール１３６は、ライン１３８を経由して電極３０２から信号を受信し、何らかの必要なフィルタ処理または増幅を実行する。電極３０２はイグナイタ３００の一部であってもよく、さもなければ別体のイオンセンサーユニットであってもよい。
【００１７】
注目すべきことに、別の種類のイオン電流センサを本発明に従って用いてもよい。例えば、全てが引用されて本明細書に組み込まれる、米国特許第６，４２９，０２０号および２００１年９月１８日出願の米国特許出願番号０９／９５５，５８２に記載の電極を用いてもよい。更に、ガスタービンまたは工業用バーナのイグナイタを用い、往復ガス機関の点火プラグと類似の方法でイオン電流を感知できる。このイグナイタは専ら起動時点火に用いられるので、それ以外の時間をイオン感知のために利用できる上、イグナイタが燃焼室へ既に取り付けられているという利点がある。イグナイタは様々な方式でガスタービンの燃焼室内または工業用バーナへ装着できる。イグナイタを、例えば、燃料ノズル近傍の固定位置（図１参照）、後退（格納）機構（retraction mechanism)による移動位置（図２参照）、燃料ノズル内への一体化（図３参照）、点火ではなくイオン感知のために選択した固定位置（図４参照）、そして個別に燃料供給装置を備えた点火専用閉チャンバ（不図示）内に配置できる。
【００１８】
図１に戻ると、本システムの冷却空気流内にイグナイタ３００を配置することで、イグナイタは燃焼室の高温に耐えることができる。また、イオン場１５０を感知するように火炎１４０へ十分近づけつつ、損傷を避けるように高温から十分遠ざけてイグナイタ３００を配置することもできる。イオン電流は、イグナイタの中央電極３０２と、イグナイタの接地されたケース３０４との間を流れる。イグナイタ３００は電子モジュール１０２に接続する。
【００１９】
ここで図２において、イグナイタ３００の代替の装着配置は、摺動後退機構４００上へ配置するものであり、イグナイタ３００を点火にとって理想的な位置に位置決めし、燃焼圧力および燃焼温度の上昇とともにこれを後退させる。この後退機構４００は大規模な工業用タービンでは普通であり、イグナイタ３００を火炎から安全に離して、イオン場１５０の外に保持する。本発明の電子モジュール（または別体型モジュール）は、後退機構４００の位置を制御して、イグナイタ３００の安全動作温度を維持しながら、イグナイタ３００の先端３０６を火炎１４０から離れたイオン場１５０に保持する。先端近くの熱電対または他の温度測定装置を介してイグナイタ温度を監視しながら、測定可能なイオン場にイグナイタ３００が常にあるように制御ループを通じて能動的に位置決めする更に複雑な配置が必要になるかもしれない。イオン測定を瞬時に行ってから、イグナイタの温度が閾値温度を超えている場合、または閾値温度へ急速に接近している場合、イグナイタ３００を冷却する時間の間は後退させるように、制御ループがイグナイタの出入りを繰り返す必要がある。この温度制御およびアクチュエータドライバの機能を、図２に示すように、コイル２００により制御されるソレノイドとして、またはスタンドアロンモジュールとして、電子モジュール１０２に追加してもよい。
【００２０】
ここで図３において、イグナイタの更なる代替の装着配置は、燃焼室１０６に隣接する吐出端にある燃料ノズル内である。イグナイタ３００は、その周囲を冷却空気または燃料が流れて、安全な動作温度を維持するように、燃料ノズル１０４内に配置される。Ａｎｇｅｌｌ他の米国特許第４，９３８，０１９号に記載されているように、イグナイタ先端３０６は燃焼室に曝され、点火プラズマで点火し得る混合気に届くことができる。この位置でのイグナイタを、点火後にイオンセンサとして役立てることができる。図４は、燃料ノズル１０４から離れた燃焼室１０６内の、火炎状態および場所によってはイオンが存在しているものの濃度が低目の場所にイグナイタ３００を配置する更なる実施の形態を示す。この実施の形態では、イグナイタ３００を単にイオンセンサとして用いて、中心電極３０２と接地されたケース３０４との間を流れるイオン電流の増加を感知することにより、火炎が燃料ノズルから離れて移動したことを検出する。更に、連続燃焼室システムのイオン電流を検知することができる他の種類の電極を用いてもよい。以下、本発明の動作を説明の目的のため、電極３０２を用いることとする。言うまでもなく、ここで説明する電極および他の種類の電極を本発明で用いることができる。
【００２１】
ここで図５において、正常燃焼中は、火炎１４０が自由イオンを生成し、電圧が電極３０２に印加されると電極３０２にイオン電流が流れる。イオン電流は、電極３０２と接地（例えば、燃焼室壁）との間を流れる。イオン電流の流れの大きさ（振幅）は、燃焼工程の自由イオン濃度に比例することになる。電極３０２に電位が印加されると、電界ポテンシャル１４２が電極３０２と燃焼室の残りの構成要素との間に確立される。電気絶縁されているか、またはほとんど接地されていない壁を持つ燃焼室の場合、接地片を用いてリターンパスを提供することで、イオン電流の流れを強化する。例えば、図６は、イオン電流１４４が電極３０２と接地点間を流れるようにリターンパスを提供する接地片３２０を示す。本明細書で用いる用語「接地片」は、接地のためのリターンパスを提供する任意の接続体を意味する。例えば、接地片は、接地平板、ひも状導電体、導電片、端子片等であってもよい。
【００２２】
火炎１４０が振動を始めると、火炎を囲むイオン場も振動することになる。電子モジュール１０２はその振動を感知し、振動の振幅および周波数が本明細書で説明する閾値レベルを超える場合に適切な措置をとる。ここで図７において、圧力およびイオン電流の振動を示す。図７では、曲線７００が、イオンセンサとして用いるイグナイタ３００を有する燃焼室に取り付けられた圧力センサからの圧力振動を示す。曲線７０２は電極３０２を通って流れるイオン電流である。見てとれるように、イオン電流が燃焼室内の圧力振動を直に指し示す。図７の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）である図８は、イオン電流７０２の主周波数が、燃焼室１０６の様々な動作状態全体にわたって圧力７００の主周波数に追従することを示している。
【００２３】
火炎１４０が不安定になると、典型的には数Ｈｚから数百Ｈｚおよびそれ以上の周波数範囲に及ぶ圧力振動を示すことになる。±６．８９５ｋＰａ（１ｐｓｉ）程度の小さな振幅を持つ振動が、場合によっては耐え難いほどの可聴ノイズを発生する。ノイズに加え、圧力振動波によりシステムに機械応力が発生して、早期の損傷そして破壊的損傷すら招く。燃焼室ライナおよびタービンブレード（不図示）は、燃焼振動が引き起こす高い疲労応力の影響を強く受ける。
【００２４】
図９に、電子モジュール１０２が不安定燃焼の始まりを検出する際に実行するステップを示す。各設定ポイント（すなわち閾値）はオペレータが決定して、エンジン制御モジュールに、または点火制御モジュール等の他の制御モジュールに格納される（ステップ９００）。設定ポイントには、制御モジュールが検出すべき振動の振幅および周波数の閾値が含まれる。例えば、閾値は、不安定燃焼の始まりや停止レベル（例えば、破壊的な不安定燃焼）他に対する閾値であってもよい。２つの閾値を用いて説明するが、言うまでもなく閾値の数は任意であってよい。説明に用いる閾値は第１閾値と第２閾値である。第１閾値は不安定燃焼の始まりに対する閾値であり、振動の周波数および振幅は、燃焼システム動作を不安定域から離脱させるよう制御パラメータを変更できる領域にある。第２閾値は、それ以上動作させると重大な機械的損傷につながるのでシステムを保護するために電力を下げたり、システムを停止したりして緊急対応策を実行しなければならない状態に対する閾値である。
【００２５】
電極３０２は、サイクル中の適切なポイントで通電される（ステップ９０２）。典型的には、電極３０２は、燃料／空気の混合気が点火された後（または点火時に）通電される。電子モジュール１０２はイオン波形を受信し、その波形を処理する（ステップ９０４）。この波形処理は、波形に振動があるかどうかを検出することを含む。振動がある場合は、振動の振幅および周波数を決定する。振動振幅が第１閾値を超え、かつ第２閾値未満の場合（ステップ９０６）、周波数を調べて、第１閾値に対する周波数帯域設定ポイントにあるかどうかを判定する（ステップ９０８）。振動周波数がその周波数帯域にある場合、制御パラメータを変更することによりタービンが不安定燃焼ポイントから更に離れて動作できるように、エンジン制御モジュールに通知を送信する（ステップ９１０）。留意すべきは、最初に振幅をチェックしてから次に周波数を、という順序は任意であり、最初に周波数を、次に振幅を調べてもよく、または両者を同時にチェックしてもよい。
【００２６】
振動が存在する場合、モジュール１０２は、振動振幅が第２閾値レベルを超えているかどうかを判定する（ステップ９１２）。振動振幅が第２閾値を超えている場合、モジュールは、周波数が第２閾値に対する周波数帯域設定ポイント以内にあるかどうかを判定する（ステップ９１４）。振動周波数がその周波数帯域にある場合、燃焼システムを停止する、またはシステム出力の定格を下げて燃焼システムへの損傷を避ける等の適切な対応策がとれるよう警告を送信する（ステップ９１６）。連続燃焼システムによっては、通知および／または警告は、振幅が閾値を超えるか、または周波数が周波数帯域にある場合に送信する。
【００２７】
信号の受信に応答して、空燃比をリッチにする、またはフローノズルの形状を調整する、あるいは他の種の軽減策がとられる。一実施の形態では、個別のトリム機能をエンジンの各パイロットノズルに設けて空燃比をリッチにする軽減策がとられる。ここで図１０において、主燃料ノズル９５２に囲まれた、燃焼器１０６の中心線にパイロットノズル９５０を配置する。主燃料ノズル９５２は空気撹拌器９５４を有して、空気を噴射燃料と混合し、得られた混合気をほぼ一様にする。全燃料の９０％を超える燃料が予混合されて主ノズル９５２を介して注入されるが、この混合気は希薄過ぎて安定燃焼を維持できないことが普通である。パイロットノズル９５０は全燃料の最大１０％を空気と予混合をせずに注入する。このパイロット燃料は、希薄予混合火炎よりもっと高い温度にて拡散火炎内で急速に燃焼し、燃焼室１０６内の所望場所で火炎全体を安定化して、これを維持する傾向がある。トリム弁９５６がパイロットノズル９５０に至る燃料ラインに配置されて燃料流量を調整し、電子モジュール１０２が各トリム弁を制御する。このトリム弁９５６は権限を制限されている、すなわち、パイロット燃料回路において、全流量のうちのある少ない割合を操作することができるにすぎない。パイロットステージの主制御は、燃料スキッド９６０に配置したパイロットステージ燃料制御弁を介してコントローラ９５８が行う。説明の目的として、トリム弁９５６は、各パイロットノズル９５０からのパイロット燃料流量の１０％の調整範囲を有するであろう。他の範囲でもよいことは言うまでもない。トリム弁９５６は、調整範囲の中央値である９５％に設定されることになろう。これは、トリム弁９５６が所与のノズルへのパイロット燃料流量を利用可能流量の１００％にまで上昇させたり、所与のノズルへのパイロット燃料流量を利用可能流量の９０％まで下げたりすることができるということである。
【００２８】
動作中、電子モジュール１０２は電極３０２からイオン波形を受信し、このイオン波形を処理して、燃焼振動が、軽減策をとってエンジンを保護したり燃焼器の性能を改善したりしなければならないような、振幅になっているかまたは周波数範囲にあるどうかを判定する。軽減策をとらなければならない場合、電子モジュール１０２は、パイロット燃料の量を増大する軽減策を、不安定になっている燃焼器のみに対して行うのが適切か、または全ての燃焼器対して行うのが適切かを判定する。ほとんどの状況では不安定になっている燃焼器単体へのパイロット燃料を調整することになろう。モジュール１０２は、エンジンコントローラ９５８の許可を得てパイロット燃料量を増大する。主エンジン制御装置９５８は、所定ルールに基づいて許可を与える。モジュール１０２はトリム弁９５６を駆動して所定量を開かせる。一実施の形態では、この所定量が流量の１％である。パイロット燃料流量を追加すると、全体の空燃比が上昇して火炎を僅かに高い温度で燃焼させるので、より安定するが、ＮＯx排出が増大する犠牲を被る。電子モジュール１０２は、ある時間待機した後、イオン信号を閾値と比較することにより、火炎が十分に安定しているかどうか判定する。閾値から判定して火炎がまだ十分な安定度に達していない場合、トリム弁９５６は更に多くの燃料を流すよう命令を受ける。例えば、トリム弁は１％追加して、９７％まで開く。追加のパイロット燃料流量は全体の空燃比を上昇させて、火炎を僅かに高い温度で燃焼させる。火炎が十分安定していて（すなわち、正常燃焼の限度内）、それ以上の措置が不要であると電子モジュール１０２が判定するまでこの工程を反復する。この工程は、一般的にパイロット燃料の使用量を最小に抑える結果となる。トリム弁設定が上限に達すると、電子モジュール１０２は、通知をエンジンコントローラ９５８に送信して、主ノズル９５２を介してシステムへ更に燃料を追加したり、システムを停止したりする等の他の措置をとる。電子モジュール１０２は火炎を監視して安定性の判定を反復して行う。火炎が安定していることが示されると、コントローラ９５８は定期的な試験により、どれほどの量の過剰パイロット燃料が使用されているかを判定する。コントローラは電子モジュール１０２に命令して、トリム弁にパイロット燃料流量を所定量だけ制限するよう命令させる。その結果、空燃比はより希薄になり、火炎温度は低下する。電子モジュール１０２は、イオン信号の振動を測定し、振幅および周波数を閾値と比較する。火炎が依然として安定領域にある場合、安定度の閾値に達するまで処理を繰り返す。電子モジュール１０２は、上記のような不安定燃焼のチェックを続ける。
【００２９】
安定性制御システムのいずれの誤動作も、トリム弁９５６の制御量の範囲が限られていることから、燃焼性能だけに影響を及ぼす。燃料スキッド９６０ではパイロット制御弁が依然としてほとんどの制御を担っている。トリム弁９５６にとって最も安全な故障モードは全開することであり、結果として過剰なパイロット燃料となり易いであろう。そして過剰なＮＯxを発生するものの、圧力振動または過度に高い燃焼温度により燃焼器に損傷を与えることはないだろう。電子モジュール１０２が一つの燃焼器内の単一ノズルのトリム弁を操作している間、その他燃焼器の残りのパイロットノズルが影響を受けることはほとんどない。これにより、全ての燃焼器を、火炎安定性、効率、および排出ガスに関して最適な態様に維持できる。当該技術に精通する者には言うまでもなく、パイロットノズルのトリム弁は不安定燃焼の閉ループ制御のための一つの可能な技術に過ぎない。例えば、別の技術では可変形状ノズルを用いているが、そこでは、予混合器の形状を変えることで異なる燃料−空気の分布を生み出す。
【００３０】
以上のように、不安定燃焼を検出するための方法および装置が説明されたことが分かる。不安定燃焼を感知する圧力センサの必要性は、本発明を利用することで解消される。圧力センサをなくすことにより、タービンシステムの寿命期間にわたる保守費用が軽減される。制御構成要素は、個別に格納してもよく、または既存のタービン制御モジュールに一体化してもよい。
【００３１】
本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。  
【００３２】
本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、好ましい実施の形態で考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本明細書に組み込まれてその一部を成す付帯図面は、本発明のいくつかの態様を図解し、詳細な説明とともに本発明の原理を説明する。
【図１】図１は、タービンシステムの一部における本発明の構成要素を示す線図であり、イオンセンサ電極はイグナイタと一体である。
【図２】図２は、後退機構内のイオンセンサ電極を示す線図である。
【図３】図３は、燃料ノズル内のイオンセンサ電極を示す線図である。
【図４】図４は、イオンセンサとして単独に用いられるイグナイタを示す線図である。
【図５】図５は、不安定燃焼を伴うシステムにおける本発明のイオンセンサを示す線図である。
【図６】図６は、電気絶縁壁を有する燃焼室内に不安定燃焼を伴うシステムにおける本発明によるイオンセンサを示す線図である。
【図７】図７は、燃焼室内でイオン電流振動が圧力振動と一致することを説明する、圧力センサ出力およびイオン電流を示すグラフである。
【図８】図８は、イオン電流振動の優勢な周波数が燃焼室内の圧力振動のサージに追随することを説明する線図である。
【図９】図９は、不安定燃焼の始りまたは不安定燃焼状態を本発明により追跡する際に、本発明が実行するステップを説明するフロー図である。
【図１０】図１０は、閉ループモードで動作して不安定燃焼状態を検出するタービン環境における図１の構成要素を説明する線図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  タービン環境
１０２  電子モジュール
１０４  燃料ノズル
１０６  燃焼室（燃焼器）
１０８  入口部      
１１０  出口ポート
１１２  中央本体
１１４  予混合攪拌器
１３０  電源
１３２  プロセッサ
１３４  インターフェース
１３６  コンディショニングモジュール
１３８  ライン
１４０  火炎
１４２  電界ポテンシャル
１４４  イオン電流
１５０  イオン場
３００  イグナイタ
３０２  中央電極
３０４  ケース
３０６  先端
３２０  接地片
４００  摺動後退機構
９５２  主燃料ノズル
９５４  空気攪拌器
９５６  トリム弁
９５８  コントローラ
９６０  燃料スキッド
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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