(57)【要約】  時系列およびバイパスフィルタを備える燃焼のインテリジェント制御。本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎の燃焼エラータイプを予測する方法を説明する。所定の時間スパン内の燃焼火炎（１０２）のエラーパラメータ（例えば、圧力、温度）の生信号が測定され、エラーパラメータは、燃焼エラータイプを特定するように適応されている。生信号が分解されるように、生信号からの少なくとも１つの所定の周波数範囲は、バイパスフィルタを使用することによって抽出される。時間スパン内の少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの数が数えられる。数えられたピークの数を時間スパンによって割ることによって、実際の基準値が求められる。実際の基準値が公称基準値と比較され、公称基準値は、少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの所定の数を時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、実際の基準値が公称基準値と異なるならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
2018529063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の燃焼システム（１００）の燃焼室（１０１）において燃焼する燃焼火炎（１０２）の燃焼エラータイプを予測する方法であって、該方法は、
所定の時間スパン内で前記燃焼火炎（１０２）のエラーパラメータの生信号を測定し、前記エラーパラメータは、前記燃焼エラータイプを特定するように適応されており、
前記生信号が分解されるように、少なくとも１つのバイパスフィルタ（１０８）を使用することによって前記生信号から少なくとも１つの所定の周波数範囲を抽出し、
前記時間スパン内の少なくとも１つの所定の周波数のピークの数を数え、
数えられた前記ピークの数を前記時間スパンによって割ることによって実際の基準値を求め、
該実際の基準値を公称基準値と比較し、該公称基準値は、前記少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの所定の数を前記時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、前記実際の基準値が前記公称基準値と異なるならば前記燃焼エラータイプが予測可能である、方法。
【請求項２】
前記燃焼エラータイプは、前記燃焼火炎（１０２）の乱れ、前記燃焼火炎（１０２）の吹消えまたは前記燃焼火炎（１０２）の共振周波数である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記エラーパラメータは、前記燃焼火炎（１０２）の燃焼圧力または前記燃焼火炎（１０２）の燃焼温度である、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
さらに、実際のフラクタル時系列が公称フラクタル時系列の限界に合致するように、前記燃焼火炎（１０２）の燃料火炎エラーパラメータを制御するように適応された制御パラメータを制御することを含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記制御パラメータは、前記燃焼室（１０１）内へ噴射される主燃料／パイロット燃料比である、請求項３記載の方法。
【請求項６】
ガスタービンエンジン用の燃焼システムであって、該燃焼システム（１００）は、
時間スパン内で前記燃焼システム（１００）の燃焼室（１０１）において燃焼する燃焼火炎（１０２）のエラーパラメータの生信号を測定するように構成された測定ユニット（１０３）であって、前記エラーパラメータは燃焼エラータイプを特定するように適応されている、測定ユニット（１０３）と、
前記生信号が分解されるように、前記生信号から少なくとも１つの所定の周波数範囲を抽出するためのバイパスフィルタ（１０８）と、
前記時間スパン内の前記少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの数を数えるための計数ユニット（１０９）と、
数えられた前記ピークの数を前記時間スパンによって割ることによって実際の基準値を求めるための決定ユニットと、
前記実際の基準値を公称基準値と比較するための比較ユニット（１１０）と、を備え、前記公称基準値は、前記少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの所定の数を前記時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、前記実際の基準値が前記公称基準値と異なるならば、前記燃焼エラータイプが予測可能である、ガスタービンエンジン用の燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎の燃焼エラータイプを予測する方法に関する。さらに、本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼システムに関する。
【０００２】
背景技術
ガスタービンエンジン用の燃焼システムのための制御方法が公知であり、この制御方法は、最も低いＮＯｘ生成によってエンジン信頼性を高めつつ、高い金属温度および高いダイナミクスを回避する。ＤＬＥ（ドライ・ロー・エミッション）技術のＮＯｘエミッションは、燃料配置に依存し、燃料比の制御によって調節される。
【０００３】
国際公開第２００７／０８２６０８号（WO 2007/082608）は、燃料を複数の燃料供給ラインにおいて１つまたは複数のバーナに供給する流入燃料供給ラインを有する燃焼装置を開示している。バーナは、燃焼体積を有する。過熱が防止されるべき装置の構成部分に関する温度情報を生じるために、温度センサが装置に配置されている。装置は、制御配列も有する。制御配列は、温度センサ出力を検出し、その出力に応じて、１つまたは複数のバーナへの燃料供給を変化させ、それにより、流入燃料供給ラインにおける燃料を実質的に一定に維持しながら、構成部分の温度を最大値よりも低く維持する。制御ユニットは、圧力変動が最大値よりも低く維持されるように装置の作動条件を調節するようにも努める。
【０００４】
国際公開第２０１１／０４２０３７号（WO 2011/042037 A1）は、温度情報と、圧力情報と、その他の情報とに基づいて、１つまたは複数のバーナへの燃料供給を変化させるように配置された制御配列を備える燃焼装置を開示している。その他の情報は、時間情報によって規定される時間スパンのための信号の経時進行を示しており、これにより、保護されるべき所望の部分の温度を所定の最大温度限界値よりも低く維持し、また、装置への燃料供給ラインにおける全体的な燃料供給を実質的に一定に維持しながら、燃焼体積内の圧力変化を所定の最大圧力変化限界値よりも低く維持する。
【０００５】
エンジンにおいて、燃焼システムは、あるパラメータの変化に対して敏感である。例えば、低周波数燃焼ダイナミクスが、しばしば、火炎吹消えの前に見られる。この周波数が観察されたならば、火炎を留めるために、燃料混合物またはその他のパラメータを変更することができる。各燃焼システムは、不安定点または望ましくない火炎位置を有する（高いバーナ温度および構成部材故障につながる）。火炎の移動が、しばしば、この変化に関連する燃焼ダイナミック信号を有する。火炎位置を安全領域に留めるまたは移動させることができる方法も存在する。効果が観察されると、それに関連して見いだされるダイナミック信号と、この効果を制御するように調節することができるパラメータとが特定され、次いで、この効果を自動的に制御するためのインテリジェント制御システムを開発することができる。
【０００６】
現在、動圧データは、時間の経過におけるｍＶ／ｍｂａｒとして圧電変換器から収集される。時間信号は、モニタリングカード（例えば、エンジン制御ユニットの一部）において分析される。モニタリングカードは、個々のおよび様々な振幅を有する反復されるモーダル挙動を意味する複数の周期的信号によって構成される。
【０００７】
時間信号は、複数の周期的挙動から成ると仮定される。次いで、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を信号に対して行うことができ、次いで、この周波数は、インテリジェント制御システム内で使用される。
【０００８】
この計算は、時間データを周波数データに変換する。周波数スペクトルを見ると、モニタされる対象物の挙動についての重要な情報の幾つかを求めることができる。次いで、各周波数帯域からの情報（振幅、音響エネルギまたはパワー）が、エンジンの作動をモニタするために使用される。次いで、振幅における限界に対するチェックは、修正動作（燃料配置の変更またはエンジン負荷減少またはシャットダウン）を行うためにまたは作動を継続するためにエンジン制御を決定してもよい。燃焼ダイナミクスのために、圧力挙動は、通常、振動挙動と比較して、あまり周期的ではない。
【０００９】
時間信号燃焼ダイナミクスの挙動は、通常、周期的ではないので、既存の方法は、したがって、燃焼不安定性の開始を見逃す可能性があり、ユーザ（または制御システム）が、前もってそれを防止するのではなく、燃焼ダイナミクスに反応するままにするまたはそもそもガスタービン作動を回避する。
【００１０】
発明の概要
本発明の課題は、燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎の燃焼エラータイプの開始を予測する方法を提供することである。
【００１１】
上に規定された課題を解決するために、独立請求項に記載の、ガスタービンエンジン用の燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎の燃焼エラータイプを予測する方法およびガスタービンエンジン用の燃焼システムが提供される。
【００１２】
第１の典型的な実施の形態によれば、ガスタービンエンジン用の燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎の燃焼エラータイプを予測する方法が提供される。
【００１３】
この方法によれば、燃焼火炎のエラーパラメータ（例えば、圧力、温度）の生信号（すなわち、時間領域信号）が、所定の時間スパン内で測定され、エラーパラメータは、燃焼エラータイプ（例えば、乱れ）を特定するように適応されている。
【００１４】
次に、少なくとも１つのバイパスフィルタを使用することによって生信号から少なくとも１つの所定の周波数範囲が抽出され、生信号が分解される。
【００１５】
時間スパン内の少なくとも１つの所定の周波数のピークの数が数えられる。
【００１６】
数えられたピークの数を時間スパンによって割ることによって、実際の基準値が求められる。
【００１７】
実際の基準値は、公称基準値と比較される。公称基準値は、少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの所定の数を時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、実際の基準値が所定の量（範囲）だけ公称基準値と異なるならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
【００１８】
燃焼システムの燃焼室は、例えば、予燃焼ゾーンおよび主燃焼室を有する。燃焼火炎は、予燃焼ゾーンおよび主燃焼室において生じる。燃料は、制御可能なパイロット燃料／主燃料比でパイロット燃料質量流と主燃料質量流とに分割される。パイロット燃料は、予燃焼ゾーンにパイロットバーナにおいて噴射される。主燃料は、予燃焼ゾーンの前にスワーラを通じて空気と一緒に噴射される。パイロット燃料は、概して、燃焼室内に安定した火炎を維持および制御するためのより高濃度の燃料である。主燃料は、概して、最適な燃焼特性、すなわち、ＮＯｘなどのエミッションが低い燃焼特性を保証するために、パイロット燃料よりも希薄である。
【００１９】
例えば、ガスタービンの負荷およびパイロット燃料／主燃料比に応じて、燃焼火炎の燃焼エラータイプが生じ得る。燃焼エラータイプは、例えば、燃焼火炎の乱れ、燃焼火炎の吹消えまたは燃焼火炎の共振周波数であり得る。
【００２０】
各燃焼エラータイプは、その個々のエラーパラメータによって特定され得る。特に、エラーパラメータの振動パターン（すなわち、エラーパラメータの周波数）は、ある燃料エラータイプを示し得る。
【００２１】
エラーパラメータは、例えば、燃焼火炎の燃焼圧力または燃焼火炎の燃焼温度であり得る。特に、エラーパラメータは、例えば燃焼室内の燃焼火炎によって加熱される燃焼室壁のホットスポットのパターンであり得る。
【００２２】
本発明によれば、エラーパラメータの生信号（例えば、生信号の所定の周波数範囲）が測定される。生信号は、例えば、周波数の信号であり得る。所定の周波数範囲は、生信号が分解されるように、バイパスフィルタ（例えば、周波数範囲のそれぞれの側における１つのバイパスフィルタ）を使用することによって生信号から抽出される。各燃焼エラータイプを、エラーパラメータの測定された周波数スペクトルから抽出された特定の所定の周波数に基づいて検出することができる。例えば、エラーパラメータが燃焼火炎の圧力であるならば、圧力の振動は、所定の周波数スペクトルを規定する。例えば、エラーパラメータが燃焼火炎の温度最高点の位置であるならば、燃焼火炎の温度最高点の位置の振動は、所定の周波数スペクトルを規定する。
【００２３】
例えば、燃焼火炎の乱れが生じると、周波数パターンの特定の所定の周波数のある挙動（例えば、振幅、周波数パターン等）が存在する。特に、所定の周波数の時間スパン内のピークの数は、燃焼エラータイプの挙動を示している。
【００２４】
実際の基準値は、周波数のいかなる周期的挙動からも独立した、所定の時間スパン内で測定されたピークを表す。ピークは、所定の周波数の振幅の値の極大値として規定されてもよい。極大値を形成する振幅の値は、前もって規定されてもよい。
【００２５】
例えば、振幅の値が所定のしきい値を超えると、しきい値の各超過が、数えられるべきピークを形成する。振幅の極大値に達し、極大値がしきい値よりも高いならば、ピークが数えられてもよい。ピークを形成する各極大値は、時間スパン内で数えられる。
【００２６】
公称基準値は、時間スパン内の所定の周波数範囲の振幅のピークの所定の数を表す。公称基準値は、予め決定された、例えば実験室条件下での時間スパン内のピークの数を指す。公称基準値は、しきい値を決定し、公称基準値よりも低い基準値は、ガスタービンの安定した作動を示し、すなわち、そこでは、それぞれの燃焼エラータイプの発生のリスクが低い。公称基準値よりも高い基準値は、ガスタービンの不安定な作動を示しており、すなわち、そこでは、それぞれの燃焼エラータイプの発生のリスクが、急速に高まるまたは高い。
【００２７】
公称基準値は、例えば、記憶ユニットにデータ方式で記憶されてもよい。さらに、ある作動状態およびエラーパラメータ（例えば、圧力、温度）のための複数の公称基準値が、燃焼エラータイプを予測するために、記憶および使用されてもよい。
【００２８】
本発明によれば、実際の基準値が公称基準値と異なるならば、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。例えば、実際の基準値が公称基準値を超えると、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。さらに、公称基準値からの範囲が規定されてもよく、これにより、実際の基準値が所定のしきい値および／または所定のしきい値時間スパンだけ公称基準値を超えると、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。
【００２９】
周波数パターンの周期的挙動が、従来のアプローチに従って決定されると、燃焼エラータイプを防止するための時間がほとんどない。なぜならば、周期性を求めることができるまで、待機が必要であるからである。これにより、周波数の周期性を測定することができるまでに長い時間がかかり、ひいては、燃焼エラータイプを防止するための反応時間も短くなる。したがって、本発明のアプローチによって、生信号からの少なくとも１つの所定の周波数が、いかなる周期的挙動からも独立して、（例えば、以下に説明される統計的方法によって）エラーパラメータの所定の周波数の実際の基準値によって提供される。実際の基準値は、周波数のいかなる周期的挙動からも独立して、所定の時間スパン内のピークを提供する。所定の時間スパン内のピークの数が臨界的であるならば、既に信号の所定の周期性が測定される前に制御作動を行うことができる。言い換えれば、時間スパンは、所定の周波数のいかなる周期的特性からも独立している。
【００３０】
上述の実際の基準値および公称基準値を用いて生信号から所定の周波数の挙動を提供することによって、既に燃焼エラータイプの開始を検出することが可能であり、燃焼エラータイプを示す周波数の公知の周期性が発生するまで長い時間スパンにわたって周波数を測定することはもはや不要である。
【００３１】
実際の基準値を用いて生信号から所定の周波数を提供することによって、燃焼エラータイプの開始時、すなわちスタート時の燃焼エラータイプの典型的な挙動が特定可能であり、ひいては、燃焼エラータイプがよりよく予測可能である。
【００３２】
本発明の別の典型的な実施の形態によれば、燃焼火炎の燃焼火炎エラーパラメータを制御するために適応された制御パラメータは、実際の基準値が公称基準値の範囲に合致し、燃焼エラータイプのリスクが低減されるように、制御される。
【００３３】
制御パラメータは、例えば、燃焼室内へ噴射される主燃料／パイロット燃料分割比または燃焼室内への燃料の全体的な質量流量である。制御パラメータは、ガスタービンの圧縮空気のブリード量の制御、ガスタービンの可変ガイドベーン（ＶＧＶ）位置の制御またはガスタービンのエンジン速度の制御であることもできる。
【００３４】
以下では、エラーパラメータの生信号から少なくとも１つの所定の周波数の基準値を提供するための、統計的方法の一例が説明される。
【００３５】
例えば、統計的方法は、公称基準値および実際の基準値が適用されてよいので、ハースト指数関数の計算を用いる。
【００３６】
ピークが測定される時間スパンは、所定の周波数のフラクタル時系列として示されてもよい。公称フラクタル時系列は、例えば、実験室においてガスタービンの複数の試験サイクルを行い、所定の周波数のどの公称フラクタル時系列において特定の燃焼エラータイプの開始が生じ得るかを測定することによって、実験室条件下で求めることができる。
【００３７】
フラクタル時系列によって、ハースト指数が求められてもよい。実際のハースト指数（すなわち、実際の基準値）は、時間スパン内で数えられたピークによって実際のフラクタル時系列を割ることによって求められる。公称ハースト指数は、燃焼エラータイプの開始が存在する作動条件を示す。
【００３８】
公称ハースト指数は、例えば、実験室においてガスタービンの複数の試験サイクルを行うことによって、実験室条件下で求めることができる。公称ハースト指数のためのデータをデータ方式で記憶することができる。
【００３９】
実際のハースト指数が公称ハースト指数と比較され、これにより、実際のハースト指数が公称ハースト指数と一致したらならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
【００４０】
制御方法の制御および機能性に対するさらなる改良が、本発明において、信号分析に重点を置きつつ説明され、これにより、燃焼ダイナミクス読取りの信頼性および予測可能な能力を高める。
【００４１】
本発明の別の態様によれば、上述の方法を適用するのに適したガスタービンエンジン用の燃焼システムが提供される。燃焼システムは、燃焼システムの燃焼室において燃焼する燃焼火炎のエラーパラメータの生信号を測定するために構成された測定ユニットを有する。エラーパラメータは、燃焼エラータイプを特定するように適応されている。生信号から少なくとも１つの所定の周波数範囲を抽出するための少なくとも１つのバイパスフィルタが設けられており、これにより、生信号が分解される。燃焼システムは、さらに、時間スパン内で少なくとも１つの所定の周波数のピークの数を数えるための計数ユニットと、数えられたピークの数を時間スパンによって割ることによって実際の基準値を求めるための決定ユニットとを有する。燃焼システムは、さらに、実際の基準値を公称基準値と比較するための比較ユニットを有し、公称基準値は、少なくとも１つの所定の周波数のピークの所定の数を時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、実際の基準値が公称基準値と所定の量だけ異なるならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
【００４２】
計数ユニット、比較ユニットおよび決定ユニットなどの上述のユニットは、受け取ったデータを処理するためのマイクロプロセッサを有してもよい。計数ユニット、決定ユニットおよび比較ユニットは、１つの共通のハウジングにまとめて配置されてもよいまたは互いに離間されて配置されてもよい。さらに、データ方式ユニットは、外部データまたは公称データを記憶および受信するために、計数ユニット、決定ユニットおよび／または比較ユニットなどのそれぞれのユニットに接続されてもよい。
【００４３】
上述のユニットは、燃焼システムの（エンジン）制御ユニットの一部であってもよい。したがって、制御ユニットは、上述の方法のステップを行う。加えて、制御ユニットは、例えば、特に燃焼エラータイプを防止するために、燃焼室を駆動するための作用を制御する。したがって、制御ユニットは、燃焼室内への燃料供給を制御する、燃料制御ユニット、例えば、制御可能な弁、などの作動ユニットに接続されてもよい。特に、燃料制御ユニットは、主燃料／パイロット燃料比を制御する。
【００４４】
測定ユニットは、例えば、温度センサ、圧力センサ、光センサおよび／または音センサであってもよい。測定ユニットは、例えば、燃焼火炎の圧力振動を測定するための圧力センサまたは燃焼火炎のホットスポットおよび温度パターンを測定するための温度センサを含んでもよい。温度センサは、燃焼室内の高温生成物、すなわち、排ガスの温度を測定する。温度センサは、例えば、燃焼室内の最も高温の位置の近くまたは燃焼室内の最も高温の位置に配置されているまたは燃焼室のさらに下流に配置されている。
【００４５】
要するに、本発明の目的は、燃焼室内の燃焼ダイナミクス測定に関連した信号分析の能力を高めることである。方法は、フラクタル時系列を求めるためにバイパスフィルタ（またはカットオフフィルタ）と組み合わされた、生信号についての統計的分析を含む。
【００４６】
望ましくない燃焼特徴、すなわち、燃焼エラータイプ（乱れ、火炎の吹消え、システムに関連した共振周波数）が防止される。望ましくない燃焼特徴の開始条件は公知であり、公称値、例えば、公称フラクタル時系列が公知である。
【００４７】
燃焼特徴が存在する時に生じるエラーパラメータ（圧力、温度）の燃焼ダイナミクス生信号が測定される。上述のように、統計的計算方法によって、測定されたエラーパラメータの実際のフラクタル時系列が求められる。実際のフラクタル時系列と公称フラクタル時系列との比較は、望ましくない燃焼特徴の開始を特定する。比較の結果、望ましくない燃焼特徴を制御することができるように、燃焼室を制御することができる。
【００４８】
燃焼エラータイプの一例は、希薄吹消えであり、この場合、低い圧力周波数が観察され、希薄吹消え限界に達する。この燃焼エラータイプは、バーナへの燃料分割を調節する（または燃料流を増大させる）ことによって制御することができる。
【００４９】
本発明の方法によれば、燃焼火炎のエラーパラメータの周波数スペクトルの生信号は、バイパスフィルタ（カットオフフィルタ）の使用に関連して使用され、これにより、測定された生信号は分解され、実際のフラクタル時系列として提供される。
【００５０】
フラクタル時系列は、‘スケール不変性’として知られる特性も示し、これは、信号の特徴が、多くの異なる観察のスケール（異なる秒／分／時間）において同じに見えることを意味する。
【００５１】
生ダイナミクス信号（圧力のフラクタル時系列）の標準偏差に基づく統計的方法を、生信号の周波数のカットオフ範囲内に関連した燃焼不安定性（すなわち、望ましくない燃焼特徴、燃焼エラータイプ）の開始を予測するために使用することができる。これの一例は、時間によって割られた測定（圧力のフラクタル時系列）の標準偏差であり、それは、ハースト指数である。
【００５２】
関心のある範囲が、カットオフフィルタを使用することによって規定され、次いで、当該範囲に対応するシステムの安定性を判定するために、ハースト指数が使用される。これは、ハースト指数の所定の限界に対する、ハースト指数の値におけるチェックによって達成される。次いで、ハースト指数の実際の限界に応じて警告または動作がなされるように、複数の所定の限界を使用することができる。
【００５３】
Ｈ（ハースト指数）＜０．５より低い典型的な値は、システムが不安定になることを示し、Ｈ＜０．３は警告トリガとして使用することができるのに対し、Ｈ＜０．１５は修正動作として使用されてもよい。修正動作は、検討された周波数の範囲に依存する。制御動作は、燃料配置変更またはバーナ間の燃料分割調節を含むことができる（インテリジェント制御におけるループを閉鎖する）。このタイプの制御は、低周波数範囲においてまたはエンジン負荷変化またはシャットダウンの間において、典型的である。修正動作は、圧縮機空気のブリード量、ＶＧＶ（可変ガイドベーン）またはエンジン速度の変化も意味することができる。
【００５４】
本発明のアプローチによって、カットオフフィルタと組み合わされた時系列の統計的アプローチが導入される。提案された方法は、測定されたシステムの安定性を判定するために、フラクタル時系列からの全ての既存の情報を使用する（周期性を仮定しない）。
【００５５】
利点は、燃焼ダイナミクスモニタリングにおける改良されたより迅速な応答にある。方法の結果としてなされる修正動作は、エンジンが、従来は制御システムによって許容できないと考えられていた条件において作動することを可能にする。この方法が、最近のインテリジェント制御方法と組み合わされると、より少ないＮＯｘを達成することができる。
【００５６】
エンジン作動の予測的能力が高められ、これにより、結果として、ユーザは、燃焼不安定性の開始に反応するのではなく、燃焼不安定性の開始の前にエンジン運転レジームを手動で変更することができる。
【００５７】
本発明の複数の実施の形態が、様々な対象に関して説明されていることが留意されなければならない。特に、幾つかの実施の形態は、装置タイプ請求項に関して説明されているのに対し、他の実施の形態は、方法タイプ請求項に関して説明されている。しかしながら、その他の通告がない限り、１つのタイプの対象に属する特徴のあらゆる組合せに加え、異なる対象に関連する特徴、特に、装置タイプクレームの特徴と、方法タイプクレームの特徴とのあらゆる組合せも本願によって開示されていると考えられることが、当業者は上記および以下の説明から分かるであろう。
【００５８】
本発明の上記で規定した態様および別の態様は、以下で説明される実施の形態の例から明らかであり、実施の形態の例に関して説明される。以下に複数の実施の形態に関連して発明をより詳細に説明するが、発明はそれらに限定されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の典型的な実施の形態による、ガスタービンエンジン用の燃焼システムと、燃焼エラータイプを予測する方法との概略図を示している。
【００６０】
詳細な説明
図面における例示は概略的である。異なる図面において同一または類似の要素には同じ参照符号が付されていることに留意されたい。
【００６１】
図面は、本発明の典型的な実施の形態による、ガスタービンエンジン用の燃焼システムと、燃焼エラータイプを予測する方法との概略図を示している。
【００６２】
特に、図面には、ガスタービンエンジン用の燃焼システム１００が示されている。燃焼システム１００は、少なくとも１つの測定ユニット１０３を有する。測定ユニット１０３は、燃焼システム１００の燃焼室１０１において燃焼する燃焼火炎１０２のエラーパラメータの周波数スペクトルの生信号を測定するように構成されている。エラーパラメータは、燃焼エラータイプを特定するように適応されている。バイパスフィルタ１０８は、生信号から少なくとも１つの所定の周波数を抽出するように適応されており、これにより、生信号が分解される。
【００６３】
燃焼システムは、さらに、時間スパン内の少なくとも１つの所定の周波数のピークの数を数えるための計数ユニット１０９を有する。決定ユニットは、数えられたピークの数を時間スパンで割ることによって実際の基準値を求めるように適応されている。
【００６４】
燃焼システム１００は、さらに、実際の基準値を公称基準値と比較するための比較ユニット１１０を有し、公称基準値は、少なくとも１つの所定の周波数のピークの所定の数を時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、実際の基準値が公称基準値と所定の量だけ異なるならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
【００６５】
例えば、比較ユニット１１０は、例えば、実際の基準値と公称基準値とを比較し、時間スパン内での数えられたピークの時系列分析が、フラクタル次元に基づいて行われてもよい。これより、基準値としてのフラクタル時系列が求められてもよい。さらに、求められたフラクタル時系列に基づいて、ハースト指数が求められてもよい。一例では、Ｈ（ハースト指数）＜０．５より低い典型的な公称値（限界）は、システムが不安定になることを示し、Ｈ＜０．３は警告トリガとして使用することができるのに対し、Ｈ＜０．１５は修正動作として使用されてもよい。これにより、Ｈ＜限界であるならば、修正動作が、ステップ１１１において行われる。Ｈ＞限界であるならば、修正動作はステップ１１２において行われず、ガスタービン運転は継続される。
【００６６】
さらに、図面は、上述の燃焼システム１００によって行うことができる本発明による方法を示している。方法は、ガスタービンエンジン用の燃焼システム１００の燃焼室１０１において燃焼する燃焼火炎１０２の燃焼エラータイプ（例えば、乱れ）を予測するように適応されている。方法は、所定の時間スパン内で燃焼火炎１０１のエラーパラメータ（例えば、圧力、温度）の周波数スペクトルの生信号を測定するステップを含み、エラーパラメータは、燃焼エラータイプを特定するように適応されている。さらに、方法は、生信号が分解されるように、バイパスフィルタ１０８を使用することによって生信号から少なくとも１つの所定の周波数を抽出することを含む。別のステップにおいて、時間スパン内の少なくとも１つの所定の周波数範囲のピークの数が数えられる。さらに、別のステップにおいて、数えられたピークの数を時間スパンによって割ることによって、実際の基準値が求められる。最後に、別のステップにおいて、実際の基準値が公称基準値と比較され、公称基準値は、少なくとも１つの所定の周波数のピークの所定の数を時間スパンによって割ることによって求められ、これにより、実際の基準値が公称基準値と異なるならば、燃焼エラータイプが予測可能である。
【００６７】
燃焼システム１００の燃焼室１０１は、例えば、予燃焼ゾーンおよび主燃焼ゾーンを有する。燃焼火炎１０２は、予燃焼ゾーンおよび主燃焼室において生じる。燃料は、制御可能なパイロット燃料／主燃料比で、パイロット燃料ライン１０７内のパイロット燃料質量流と、主燃料ライン１０６内の主燃料質量とに分割される。パイロット燃料は、予燃焼チャンバ内にパイロットバーナにおいて噴射される。主燃料は、予燃焼ゾーン１０１の前にスワーラを通じて空気と一緒に噴射される。パイロット燃料は、概して、燃焼室１０１内に安定した火炎を維持および制御するためのより高濃度の燃料である。主燃料は、概して、最適な燃焼特性、すなわち、ＮＯｘなどのエミッションが低い燃焼特性を保証するために、パイロット燃料よりも希薄である。
【００６８】
例えば、ガスタービンエンジンの負荷およびパイロット燃料／主燃料比に応じて、燃焼火炎の燃焼エラータイプが生じ得る。燃焼エラータイプは、例えば、燃焼室またはその他のハードウェアの乱れを結果として生じる燃焼火炎１０２の共振周波数または燃焼火炎の吹消えであり得る。
【００６９】
各燃焼エラータイプは、その個々のエラーパラメータによって特定され得る。特に、エラーパラメータの振動パターン（すなわち、エラーパラメータの周波数）は、ある燃料エラータイプを示し得る。
【００７０】
エラーパラメータは、例えば、燃焼火炎１０２の燃焼圧力または燃焼火炎の燃焼温度であり得る。特に、エラーパラメータは、例えば燃焼室１０１内の燃焼火炎１０２によって加熱される燃焼室壁のホットスポットのパターンであり得る。
【００７１】
エラーパラメータの生信号の所定の周波数が測定される。所定の周波数は、生信号が分解されるように、バイパスフィルタ１０８を使用することによって生信号から抽出される。各燃焼エラータイプを、エラーパラメータの測定された周波数スペクトルから抽出された特定の所定の周波数に基づいて検出することができる。例えば、エラーパラメータが燃焼火炎１０２の圧力であるならば、圧力の振動は、所定の周波数スペクトルを規定する。例えば、エラーパラメータが燃焼火炎１０２の温度最高点の位置であるならば、燃焼火炎の温度最高点の位置の振動は、所定の周波数スペクトルを規定する。
【００７２】
例えば、燃焼火炎１０２の乱れが生じると、周波数パターンの特定の所定の周波数のある挙動（例えば、振幅、周波数パターン等）が存在する。特に、所定の周波数の時間スパン内のピークの数は、燃焼エラータイプの挙動を示している。
【００７３】
実際の基準値は、周波数のいかなる周期的挙動からも独立して、所定の時間スパン内で測定されたピークを表す。ピークは、所定の周波数の振幅の値の極大値として規定されてもよい。極大値を形成する振幅の値は、前もって規定されてもよい。
【００７４】
例えば、振幅の値が所定のしきい値を超えると、しきい値の各超過が、数えられるべきピークを形成する。振幅の極大値に達し、極大値がしきい値よりも高いならば、ピークが数えられてもよい。ピークを形成する各極大値は、前記時間スパン内で数えられる。
【００７５】
公称基準値は、時間スパン内の所定の周波数範囲の振幅のピークの所定の数を表す。公称基準値は、例えば実験室条件下で予め決定された時間スパン内のピークの数を指す。公称基準値は、しきい値を特定し、公称基準値よりも低い基準値は、ガスタービンの安定した作動を示し、すなわち、そこでは、それぞれの燃焼エラータイプの発生のリスクが低い。公称基準値よりも高い基準値は、ガスタービンの不安定な作動を示し、すなわち、そこでは、それぞれの燃焼エラータイプの発生のリスクが、急速に高まるまたは高い。
【００７６】
公称基準値は、例えば、記憶ユニットにデータ方式で記憶されてもよい。さらに、ある作動状態およびエラーパラメータ（例えば、圧力、温度）のための複数の公称基準値が、燃焼エラータイプを予測するために、記憶および使用されてもよい。
【００７７】
本発明によれば、実際の基準値が公称基準値と異なるならば、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。例えば、実際の基準値が公称基準値を超えると、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。さらに、公称基準値からの範囲が規定されてもよく、これにより、実際の基準値が所定のしきい値および／または所定のしきい値時間スパンだけ公称基準値を超えると、それぞれの燃焼エラータイプが予測される。
【００７８】
実際の基準値を用いて生信号から所定の周波数を提供することによって、燃焼エラータイプの開始時、すなわちスタート時の燃焼エラータイプの典型的な挙動が特定可能であり、ひいては、燃焼エラータイプがよりよく予測可能である。
【００７９】
燃焼火炎１０２の燃焼火炎エラーパラメータを制御するために適応された制御パラメータが制御され、これにより、実際の基準値が公称基準値の範囲に合致し、燃焼エラータイプのリスクが低減される。
【００８０】
制御パラメータは、例えば、燃焼室１０１内へ噴射される主燃料／パイロット燃料分割比または燃焼室１０１内への燃料の全体的な質量流である。制御パラメータは、ガスタービンの圧縮機空気のブリード量の制御、ガスタービンの可変ガイドベーン（ＶＧＶ）位置の制御またはガスタービンのエンジン速度の制御であることもできる。
【００８１】
制御ユニット１０９、比較ユニット１１０および決定ユニットなどの上述のユニットは、受け取ったデータを処理するためのマイクロプロセッサを含んでもよい。
【００８２】
上述のユニット１０８，１０９，１１０は、燃焼システム１００の（エンジン）制御ユニット１０４の一部であってもよい。したがって、制御ユニット１０４は、上述の方法のステップを行う。加えて、制御ユニット１０４は、例えば、特に燃焼エラータイプを防止するために、燃焼室１０１を駆動するための作用を制御する。したがって、制御ユニット１０４は、燃焼室内への燃料供給を制御する、燃料制御ユニット１０５、例えば、制御可能な弁、などの作動ユニットに接続されてもよい。特に、燃料制御ユニット１０５は、主燃料／パイロット燃料比を制御する。
【００８３】
測定ユニット１０３は、例えば、温度センサ、圧力センサ、光センサおよび／または音センサであってもよい。特に、測定ユニット１０３は、例えば、燃焼火炎の圧力振動を測定するための圧力センサまたは燃焼火炎１０２のホットスポットおよび温度パターンを測定するための温度センサを含んでもよい。温度センサは、燃焼室１０１内の高温生成物、すなわち、排ガスの温度を測定する。温度センサは、例えば、燃焼室１０１内の最も高温の位置の近くまたは燃焼室１０１内の最も高温の位置に配置されているまたは燃焼室１０１のさらに下流に配置されている。
【００８４】
“含む”という用語は、他の要素またはステップを排除するのではなく、単数での記載は複数を排除するのではないことに留意すべきである。異なる実施の形態に関連して記載された要素が組み合わされてもよい。請求項に記載の参照符号は請求項の範囲を限定すると解釈すべきでないことにも留意すべきである。
【符号の説明】
【００８５】
１００  燃焼システム
１０１  燃焼室
１０２  燃焼火炎
１０３  測定ユニット
１０４  制御ユニット
１０５  燃料制御ユニット
１０６  主燃料ライン
１０７  パイロット燃料ライン
１０８  バイパスフィルタ
１０９  計数ユニット
１１０  比較ユニット
１１１  エンジン作動を修正する
１１２  エンジン作動を継続する
【図１】
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【国際調査報告】
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