JP2005195014A - ガスタービンエンジンの運転中に燃焼器動圧を低下させるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 るガスタービンエンジン１０を運転するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】 本方法（４００）は、燃焼器の音響レベル振幅を測定する段階（４０２）と、音響レベルを所定の音響上限値と比較する段階（４０４）と、音響レベルを音響上限値よりも低い所定の音響下限値に低下させるのを可能にするように、閉ループ制御装置（２２８）を用いて燃焼器への燃料流量を調整する段階（４０６）とを含む。燃焼器（２５）が複数の個別燃料供給式の実質同心の環状リング（２０２、２０４、２０６）を含み、燃料流量を調整する段階（４０６）が、複数の個別のそれぞれの制御装置を用いて各リングへの燃料流量を交互に調整する。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼器に関する。

世界的な空気汚染問題により、国内的にも国際的にもより厳しいエミッション基準が導入されるようになってきた。産業用ガスタービンからの汚染物エミッションは、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する環境保護局（ＥＰＡ）基準に従っている。一般的に、エンジンエミッションは、高い火炎温度のために形成されたもの（ＮＯｘ）と、燃料空気反応（ＨＣ＆ＣＯ）が不完全になる低い火炎温度のために形成されたものとの２種類に分類される。少なくとも一部の公知のガスタービンは、ＣＯ及びＨＣエミッションを低レベルに維持しながらエンジンからのＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする燃料希薄混合気を形成する乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器を用いている。

ガスタービンエンジン燃焼器内部での燃料／空気混合気の燃焼により、燃焼器内部の定常状態の圧力に付加される可能性がある交互するすなわち動的な圧力が発生する場合がある。この動的圧力は、燃焼器騒音（音響）と呼ばれる場合がある。比較的高い燃焼器音響振幅は、交互する機械的応力レベルを生じる可能性があり、この機械的応力レベルによって燃焼器、関連する燃焼器構成部品及び他のガスタービンエンジンハードウェアが損傷するおそれがある。従って、燃焼音響は、望ましくないことに少なくとも一部の公知の希薄予混合式ガスタービン燃焼器の作動範囲を制限する場合がある。少なくとも一部の公知のＤＬＥ燃焼器は、ＤＬＥ燃焼器音響が主として燃空比（すなわち火炎温度）及び半径方向火炎温度プロフィールの、また二次的には負荷及び他のガスタービンパラメータの非線形関数であるので、他の公知の燃焼器よりも比較的高い音響レベルを発生する傾向になる可能性がある。ＤＬＥ燃焼器内部の燃焼音響を低減するのを可能にするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンでは、火炎温度プロフィールの調整を利用する。他の公知のガスタービンエンジンは、燃焼器音響を低減するのを可能にするような受動的手段を利用する。しかしながら、燃焼器音響の発生に影響を及ぼす可能性がある比較的多数の作動パラメータのために、燃焼器音響を測定すること、音響閾値を超える燃焼器音響を阻止すること及び音響を閾値以下に維持することが、受動的手段を用いたのでは困難である可能性がある。
米国特許５，６８５，１５７号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを運転する方法を提供する。本方法は、燃焼器の音響レベル振幅を測定する段階と、音響レベルを所定の音響上限値と比較する段階と、音響レベルを音響上限値よりも低い所定の音響下限値に低下させるのを可能にするように、閉ループ制御装置を用いて燃焼器への燃料流量を調整する段階とを含む。

別の態様では、複数の個別燃料供給式燃焼器リングを備えた燃焼器において燃焼音響を制御するための燃焼器制御システムを提供する。本システムは、燃焼器と音響連通状態に構成された１つ又は複数の燃焼器音響センサと、１つ又は複数のセンサの出力に接続された燃焼音響制御回路とを含み、この回路は、閉ループフィードバック制御装置と、最小限２つの燃焼器リング間での燃料流量の分配を制御するように構成された、制御装置の出力に接続された燃料流量制御回路とを含む。

さらに別の態様では、圧縮機と、圧縮機と流れ連通状態で結合されたタービンと、圧縮機及びタービンとの間に結合された燃焼器システムとを含み、この燃焼器システムが、複数の個別燃料供給式燃焼器リングと燃焼器に作動可能に結合されたエンジン制御システムとを含むガスタービンエンジンを提供する。燃焼器システムは、１つ又は複数の燃焼器音響センサと、１つ又は複数のセンサに接続された閉ループ燃焼器燃料制御装置と、制御装置に接続されかつ最小限２つの燃焼器リング間での燃料流量の分配を制御するように構成された燃料流量制御回路とを含む。

図１は、低圧圧縮機１１、高圧圧縮機１２、高圧タービン１３及び低圧タービン１４を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０の要素は、長手方向軸線Aの周りで回転する。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、二重同心軸系装置として構成され、それによって低圧タービン１４は、シャフト１５によって低圧圧縮機１１に駆動連結され、また高圧タービン１３は、シャフト１５の外部にありかつ同心の第２のシャフト１６によって高圧圧縮機１２に駆動連結される。ガスタービンエンジン１０においては、低圧タービン１４は、低圧圧縮機１１及び負荷１７に直接結合される。燃焼器２５が、直列流れ関係で高圧圧縮機１２と高圧タービン１３との間に配置される。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、ゼネラル・エレクトリック社から市販されているＬＭ６０００型エンジンである。別の実施形態では、エンジン１０は、低圧圧縮機１１及びシャフト１５の前方部分を含まずまたフリー低圧タービンを使用しており、ゼネラル・エレクトリック社から市販されているＬＭ２５００型エンジンである。

運転中、空気は低圧圧縮機１１を通って流れ、加圧された空気が低圧圧縮機１１から高圧圧縮機１２に供給されるか、或いはＬＭ２５００型エンジンの場合には、空気は高圧圧縮機１２を通って流れる。高度に加圧された空気が、燃焼器２５に供給される。燃焼器２５からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１３及び１４を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で用いることができる燃焼器音響制御システム２００の斜視図である。この例示的な実施形態では、燃焼器２５は、３つの個別燃料供給式同心環状リング、つまり外側すなわちＡリング２０２と、パイロットすなわちＢリング２０４と、内側すなわちＣリング２０６とを含む。別の実施形態では、燃焼器２５は、パイロットリングと１つの付加的リングとを含む。外側リング２０２及び内側リング２０６内の基準火炎温度（燃料流量）と「混合平均」すなわち燃焼器平均火炎温度（全燃料流量）とは、エンジン制御システム２０８によって圧縮機吐出温度及び運転モードの関数として計画される。「混合平均」火炎温度は、主としてパイロットリング２０４の火炎温度を制御する。「混合平均」火炎温度は、個々のリング火炎温度の加重平均値であり、この加重平均値により３つのリング火炎温度に制約条件を与えて、事実上自由度を１つだけ減らす。例えば、任意の特定の「混合平均」火炎温度の場合には、内側又は外側リング火炎温度の任意の上昇又は低下調整によって、パイロットリング火炎温度における対応する同等及び反対の変化が生じる。

この例示的な実施形態では、燃焼器２５は、エンジン取付け式の２つの燃焼器音響センサ２１０及び２１２を含み、これらセンサは、燃焼器２５に取付けられた高耐熱性動圧変換器である。各センサからのそれぞれ生の圧力変換器信号２１４及び２１６は、それぞれ電荷増幅器２１８及び２２０を用いて増幅される。増幅された信号は、次に帯域通過フィルタ２２２を用いてフィルタ処理される。得られたアナログ信号は、燃焼器２５内部の平均動圧レベルに比例しており、エンジン制御システム２０８に入力される。この２つの信号は、論理回路２２４によってその妥当性が確認されかつ単一の有効レベルに組み合わされ、この論理回路２２４において、選択信号は感知音響レベル２２５を表す。機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、比例積分閉ループ制御装置２２８を含む。この例示的な実施形態では、制御装置２２８は、燃焼器リング２０２、２０４及び２０６の各々を制御するように構成される。別の実施形態では、制御装置２２８は、各々がそれぞれの燃焼器リングを制御する複数の個別の制御装置を含む。機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、感知音響レベル２２５を用いて該感知音響レベル２２５が音響閾値（音響上限値）以上であるか又は以下であるか否かを判定する。感知音響レベル２２５が閾値以上に上昇している場合には、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、感知音響レベル２２５が閾値マイナのスヒステリシス量以下に低下するまで、外側リング及び／又は内側リングの火炎温度の増分減少調整を行うことによって音響レベルを低下させることを試みることになる。ある状態の下では、外側リング２０２及び／又は内側リング２０６の火炎温度を低下させることは、結果として音響レベルを増大させることになる場合がある。そのような場合には、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６が感知音響レベル２２５が増分減少調整に応じて上昇していることを検出した時に、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、感知音響レベル２２５が閾値マイナスのヒステリシス量以下に低下するまで、外側リング及び／又は内側リングの火炎温度の増分増加調整をするように変更することになる。万一、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６が上昇する音響レベルを抑えることができない場合には、音響レベルが設定トリガポイント以上に上昇しかつ設定持続期間以上に持続する時はいつでも、エンジン制御内の論理は、より低い出力設定への段階を進めることになる。

図３は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で用いることができる機能拡張型音響／ブローアウト回避論理フィードバック制御アルゴリズム３００のブロック図である。機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路の比例積分閉ループ制御装置２２８は、最小選択関数３０６を用いて感知音響レベル２２５の移動平均値又は他の方法でフィルタ処理した測定値３０２を音響基準レベル（音響閾値）３０４と比較する。音響基準レベル３０４は、制御装置２２８のリミットサイクルを減少させるのを可能にする既定のヒステリシス帯域である。機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、移動平均値又は他の方法でフィルタ処理した測定値３０２が最初に既定のヒステリシス帯域の上限値を超えた時に動作するようになり、また移動平均値又は他の方法でフィルタ処理した測定値３０２が既定のヒステリシス帯域の下限値以下に低下した時に停止する。移動平均値又は他の方法でフィルタ処理した測定値３０２が既定のヒステリシス帯域の上限値を超えた場合には、移動平均値又は他の方法でフィルタ処理した測定値３０２を音響基準レベル３０４から差し引いて、誤差項３０８を生成する。次に誤差項３０８には、外側リング火炎温度調整値３１０又は内側リング火炎温度調整調値３１２のいずれかの変化により除算した、感知音響レベル２２５の変化の符号（極性）により定められた調整係数３０９が乗算される。誤差項の符合を用いる理由は、燃焼器音響エンベロープの一部の作動領域では、外側リング火炎温度調整値３１０又は内側リング火炎温度調整値３１２を増大させると、感知音響レベル２２５が増大し、また他の運転領域では、外側リング火炎温度調整値３１０又は内側リング火炎温度調整値３１２を増大させると、感知音響レベル２２５が低下するからである。

例えば、エンジン１０が外側リング２０２及びパイロットリング２０４のみを燃焼させる必要がある運転モードにある場合に、万一高い音響が起こるとすれば、この高い音響は、外側リング２０２又はパイロットリング２０４のいずれかの火炎温度が所定の燃焼器入口圧力及び温度並びに圧縮機抽気レベルにとって高すぎることによって起こっている可能性がある。外側リング２０２の火炎温度を低下させるとパイロットリング２０４の火炎温度が上昇するので、外側リング２０２の火炎温度と感知音響レベル２２５との間の相関関係は、エンジンが運転されているその運転領域に応じて正又は負のどちらかになる可能性がある。符号関数３１４が、調整係数３０９の適当な極性（方向性）を決定する。適当に符号付された誤差項３１４は、比例積分閉ループ制御装置２２８に伝達され、比例積分閉ループ制御装置２２８が、外側リング火炎温度調整値３１０を増大させるか又は減少させるかのいずれかの出力を生成する。外側リング火炎温度調整値３１０は、感知音響レベル２２５が既定のヒステリシス帯域の下限値以下に低下するまで、連続ベースで調整されることができる。感知音響レベル２２５が既定のヒステリシス帯域の上限値以上に増大しない限り、次に、既定の時間にわたって外側リング火炎温度調整値３１０の最も最近の調整値が維持されることになる。この既定の時間の間に感知音響レベル２２５が既定のヒステリシス帯域の上限値以下のままである場合には、次に外側リング火炎温度調整値３１０に対する調整が一段階高められることになる。

別の実施形態では、エンジン１０が、外側リング２０２、パイロットリング２０４及び内側リング２０６を燃焼させる状態で運転されている時は、外側リング火炎温度調整値３１０及び内側リング火炎温度調整値３１２の制御は、一層複雑になる可能性がある。外側リング火炎温度調整値３１０及び内側リング火炎温度調整値３１２対しての各１つあての個別ではあるが相互依存している制御装置を使用して、適当な制御動作を行うようにすることができる。感知移動平均値又はその他の方法でフィルタ処理した測定値３０２が既存のヒステリシス帯域の上限値以上に上昇した場合には、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６は、上述のように、外側リング火炎温度調整値３１０又は内側リング火炎温度調整値３１２のいずれかを機能させさせ、その上に、移動平均値又はその他の方法でフィルタ処理した測定値３０２が既定のヒステリシス帯域の下限値以下に低下するまで必要に応じて各調整値の間を交互させることになる。制御装置２２８の動作が時間切れになるか或いは移動平均値又はその他の方法でフィルタ処理した測定値３０２に全く何の影響も及ぼさないか又は悪影響を及ぼすかのいずれかであると判定した時には、論理回路２２６は、制御法則の組を用いて、制御装置２２８の調整の大きさ及び方向を変更するか又は調整値３１０と３１２との間で切り替える。感知音響レベル２２５が既定のヒステリシス帯域の上限値以上に増大しない限り、次に、既定の時間にわたって外側リング火炎温度調整値３１０及び内側リング火炎温度調整値３１２の最も最近の調整値が維持されることになる。この既定の時間の間に感知音響レベル２２５が既定のヒステリシス帯域の上限値以下のままである場合には、次に外側リング火炎温度調整値３１０及び内側リング火炎温度調整値３１２に対する調整が一段階高められることになる。

例えばゼネラル・エレクトリック社から市販されているＬＭ１６００型ＤＬＥのような２つのみの個別燃料供給式同心環状リングを備えた燃焼器を用いた産業用ガスタービンエンジンには、機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６の簡易バージョンを適用可能である。機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路２２６のこのような簡易バージョンの動作は、上述の動作と同様のものとなる。

図４は、ガスタービンエンジンを運転する例示的な方法４００のブロック図である。本方法は、燃焼器音響レベル振幅を測定する段階を含む。過剰に希薄なエンジン燃料混合気は、燃焼を持続させることができず、最終的には「希薄ブローアウト」と普通呼ばれる「フレームアウト」状態になる。しかし、持続燃焼を可能にするのに必要なほど充分に高い燃空比を有する希薄混合気は、燃焼器内部で圧力及び熱発生率の両方における大きな振動（変動）を生じるおそれがある。普通燃焼不安定性と呼ばれるこの状態は、燃焼器内部で圧力の大きさに比較的大きい振動を発生することになる。動圧振動は、燃焼器と音響連通状態で配置した高耐熱性圧力変換器を用いて監視することができる。感知した大きさは、その音響レベルを所定の音響上限値と比較する４０４ためにエンジン制御システムに伝達することができる。限界値は、実験的に導き出すことができ、またエンジンの１つ又はそれ以上の現在の運転パラメータに関係付けることができる。感知音響レベルが所定の音響上限値を超えた場合には、エンジン制御システムが起動して、音響レベルを音響上限値よりも低い所定の音響下限値に低下させるのを可能にするように、閉ループ制御装置を用いて燃焼器への燃料流量の分配を調整する４０６。

開示した実施形態の制御装置は、例えばコンピュータ又はプロセッサベースの制御システムによってソフトウェアで実行されるプログラム式ハードウェアを含むが、この制御装置は、ハードワイヤ式ハードウェア構成、集積回路の形態で製造したハードウェア及びそれらの組合せを含む他の形態を取ることができることが分かるであろう。開示した機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路は、信号を定期的にサンプリングするディジタルシステムとして実施することができ、或いは連続信号を有するアナログシステムとして又はディジタル及びアナログシステムの組合せとして実施することができることを理解されたい。

本明細書に記載したシステム及び方法の技術的効果には、ガスタービンエンジン内部の状態を監視することと、監視状態に関連するパラメータを計算するのを自動化することとを少なくとも可能にすることが含まれる。ガスタービンエンジンについての状態を監視してその状態に関連するパラメータを計算することは１つの技術的効果であるが、さらに、計算したパラメータをエンジン制御システムに直接供給するか又はさらに処理して、運転中のガスタービンエンジンの停止を減らすことが可能になる。

上記の方法及び装置は、高レベルの燃焼器音響の持続を回避するのを著しく改善することを可能にするための、費用効果がありかつ信頼性がある手段を提供する。より具体的には、本方法及び装置は、ガスタービンエンジンにおける高音響レベルによる音響警報及び出力低下トリップを減らすのを可能にする。その結果、本明細書に記載した方法及び装置は、費用効果がありかつ信頼性がある方法でガスタービンエンジンを運転することを可能にする。

以上、ガスタービンエンジンの監視及び制御システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。これらのシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することが可能である。各システム構成要素はまた、他のシステム構成要素と組合せて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで用いることができる燃焼器音響制御システムの斜視図。 図１に示すガスタービンエンジンで用いることができる機能拡張型音響／ブローアウト回避論理フィードバック制御アルゴリズム３００のブロック図。 図１に示すガスタービンエンジンを運転する例示的な方法のブロック図。

符号の説明

２５ 燃焼器
２００ 燃焼器音響制御システム
２０２ 外側リング
２０４ パイロットリング
２０６ 内側リング
２０８ エンジン制御システム
２１０、２１２ 燃焼器音響センサ
２１８、２２０ 電荷増幅器
２２２ 帯域通過フィルタ
２２４ 論理回路
２２５ 感知音響レベル
２２６ 機能拡張型音響／ブローアウト回避論理回路
２２８ 制御装置

Claims (8)

1. 燃焼器（２５）を含むガスタービンエンジン（１０）を運転する方法（４００）であって、
   前記燃焼器の音響レベル振幅を測定する段階（４０２）と、
   前記音響レベルを所定の音響上限値と比較する段階（４０４）と、
   前記音響レベルを前記音響上限値よりも低い所定の音響下限値に低下させるのを可能にするように、閉ループ制御装置（２２８）を用いて前記燃焼器への燃料流量を調整する段階（４０６）と、
   を含む方法。
2. 前記燃焼器が複数の個別燃料供給式の実質同心の環状リング（２０２、２０４、２０６）を含み、前記燃料流量を調整する段階が、複数の個別のそれぞれの制御装置を用いて各リングへの燃料流量を交互に調整する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記燃焼器への燃料流量を調整する段階が、各それぞれのリングに対する火炎温度制御調整値（３１０、３１２）を決定する段階を含む、請求項２記載の方法。
4. 前記燃焼器の音響レベル振幅を測定する段階が、該燃焼器作動中における前記音響レベル振幅の移動平均値（３０２）を求める段階を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記燃焼器への燃料流量を調整する段階が、前記音響レベル振幅の移動平均値における変化の方向性を判定する段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記音響レベルを所定の音響上限値と比較する段階が、最小選択関数（３０６）を用いて前記音響レベルを所定の音響上限値と比較する段階を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記閉ループ制御装置が比例積分制御装置であり、前記燃焼器への燃料流量を調整する段階が、前記音響レベル振幅の移動平均値における変化の方向性、火炎温度制御調整値及び前記音響レベル振幅の移動平均値の少なくとも１つに基づいた誤差信号（３０８）を前記制御装置に入力する段階を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記燃焼器への燃料流量を調整する段階が、
   所定の時間にわたって前記音響レベル振幅の移動平均値（３０２）を監視する段階と、
   前記音響レベル振幅の移動平均値が前記所定の時間の経過時点で低下していない場合には、次に燃料流量の制御を別の燃焼器リングに順次切り替えること及び前記制御装置の調整の方向を変更することのうちの少なくとも１つを行う段階と、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。

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