JP2005344716A - 燃焼器火炎温度を推定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、実際の温度を直接測定せずに燃焼ライナ内部の温度を求める方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、燃焼室内部で起こる横音響モードの１つの周波数の測定値に基づくものである。周波数は、燃焼室の幾何学的横寸法と燃焼室内部のガス内での音速とから求められる。ガス内での音速は、ガス温度とガス特性との関数であることが熱力学から知られる。従って、共振周波数の測定値と既知の燃焼器寸法及びガス特性から、温度を正確に求めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼器火炎温度を推定する方法に関する。

ＧＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈｅａｖｙ Ｄｕｔｙ ガスタービンシリーズ（図１を参照）のようなカンアニュラ型燃焼器システムでは、タービンは、一般的に温度を測定する排気熱電対を用いて制御される。より具体的には、熱電対測定は、燃焼が起こり、燃焼生成物がタービン内に広がった後にガスタービンの排気口で行われる。圧縮機吐出圧力及び圧縮機吐出温度のような他の測定パラメータと共に温度測定値から、ガスタービンにおける推定燃焼温度が求められる。この測定は、入力として排気温度測定値を用いるので、得られた推定値は、燃焼器から排気口まで移動する燃焼生成物の速度タイムラグと熱電対の応答定数とに起因して時間遅れになっている。
米国特許第６，７０８，５６８号

本発明の実施形態では、燃焼温度を排気熱電対からの出力から推定するのではなく、代わりに燃焼器温度を燃焼器音響識別特性から算出する。これは、速度タイムラグを排除しかつ熱電対時定数を動圧センサの時定数と置き換える。従って、推定値はより速く更新される。さらに、この方法を用いることによって、排気熱電対を用いて単一の全体温度を算定するのと対照的に、温度は、燃焼している各燃焼室について算定することができる。このことは、個々の燃焼器の高度な診断を可能にするという利点がある。

従って、本発明は、圧縮機と、複数の燃焼器を含む燃焼セクションと、それを通って作動流体が流れるタービンとを有するガスタービンの対象燃焼器内の燃焼温度を求める方法として実施することができ、本方法は、ａ）燃焼セクションの対象燃焼器の第１の横音響モードの共振周波数を測定する段階と、ｂ）対象燃焼器内の燃焼温度を求めるために用いる１つの因子としてその周波数を使用する段階とを含む。

本発明はまた、圧縮機とタービンとを有するガスタービンのカンアニュラ型燃焼セクション内の燃焼温度を、燃焼カンの直径と、ガスの気体定数と、ガスの比熱比とを含む因子に基づいて求める方法として実施することができ、本方法は、ａ）燃焼セクションの燃焼器の第１の横音響モードの共振周波数を測定する段階と、ｂ）燃焼器内の燃焼温度を求めるために用いる１つの因子としてその周波数を使用する段階とを含む。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、添付の図面と共になされる本発明の現在好ましくかつ例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつ評価されるであろう。

本発明は、測定した温度をガスタービンを制御するためにまた燃焼過程の診断としても用いる目的で、カンアニュラ型燃焼器を使用するガスタービンの燃焼室内部の全体温度を求めるための非侵襲的かつ簡単な方法として実施される。

本方法は、以下の段階を含む。第１に、動圧トランスデューサを用いて、ガスタービンの各燃焼器内部からの燃焼騒音信号を測定する。適当な動圧トランスデューサの実施例は、米国特許第６，７０８，５６８号の実施例によって開示されており、この特許の開示内容全体は参考文献として本明細書に組入れられる。各トランスデューサからの信号は、スペクトル解析法を用いて処理されて、関心がある横モードの周波数が分離される。横モードの周波数は、８５０〜１１５０ヘルツの周波数範囲のラインで識別される。各カンについての実際の周波数を求めるために、スペクトル図（図２及び図３）からこの周波数の範囲内のピーク振幅を求める。従って、周波数は、単にピーク振幅に対応する周波数にすぎない。例示的なデータを、表Ｉに記載しかつ図４に示す。本発明の実施形態では、この周波数は、公知の音響及び熱力学的関係を用いて燃焼器内部のガスの温度と相関づけられる。

燃焼器燃焼室の場合には、第１の横音響モードの共振周波数（ｆ）は、以下の等式：
ｆ＝（ａｃ）／（πＤ）
で与えられ、
式中、ｃ＝ガス内での音速、ａ＝１．８４（音響モードに関連する固定定数）、及びＤ＝メートルで表した燃焼室の等価内径である。Ｄの値は、燃焼ライナの形状及び寸法に基づいて決定される。テーパ付きライナの場合には、等価ライナの直径は、
Ｄ＝Ｄ１／［１＋（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｄ１］
であり、
式中、Ｄ１は上流側（大きい方の）直径であり、またＤ２は下流側（小さい方の）直径である。直線形すなわち円筒形燃焼器燃焼室の場合には、等価直径は、単に直径Ｄ＝Ｄ１＝Ｄ２である。

音速は、等式：
ｃ＝（γＲＴ）^１／２
で与えられ、
式中、γ＝ガスの比熱比（燃焼器内部の空気についての所定の定数）、Ｒ＝ガスの気体定数、及びＴ＝ガス温度である。

これらの関係を組合せて、次に、以下：
ｆ＝［ａ（γＲＴ）^１／２］／（πＤ）
従って、Ｔ＝（ｆπＤ／ａ）^２／（γＲ）
として、未知のガス温度についての解を求める。
例示的なケースにおいて、ａ、γ及びＲの値を代入すると、
Ｔ_{ｆｌａｍｅ}＝（ｆπＤ／１．８４１）^２／（１．４・２８６）となり、ここで、Ｔ_{ｆｌａｍｅ}は、ケルビンで表したものであり、またＤ（等価ライナ直径）は、メートルで表したものである。
英語圏単位では、
Ｔ_{ｆｌａｍｅ}＝{［（０．０２５４ｆπ Ｄ／１．８４１）^２／（１．４・２８６）］−２７３．１５}・９／５＋３２であり、ここで、Ｔ_{ｆｌａｍｅ}は、華氏で表したものであり、またＤ（等価ライナ直径）は、インチで表したものである。

図２は、１４個の燃焼カンすなわち燃焼室の各々の動圧の周波数スペクトルを示す。図３の詳細図から分かるように、横振動モードが、全てのカンにおいて１０５０ヘルツあたりにはっきりと現れる。

下の表Ｉ及び図４を参照すると、本発明を実施する方法を実験的に図１に示したタイプの１４個のカンアニュラ型燃焼器を有するゼネラル・エレクトリック（ＧＥ）ガスタービンに適用してそれに従った燃焼器騒音データの測定値から得た周波数データを示している。

図４は、図３に示しかつ表Ｉに記載したように、８５０ヘルツ〜１１５０ヘルツに見られるピーク振幅に対応する周波数のプロット図である。図５に示すように、次に、周波数データを上述のように他の因子と共に用いて１４個のカン燃焼器の各燃焼カン内部の火炎温度を算定した。表Ｉに記載しかつ図５の実施例に示す各燃焼カン内部の予測温度は、図６に示すように、従来の方法により推定したスワール補正排気温度分布と比較することができる。これで分かるように、非常に強い相関関係が存在する。

明らかなように、本発明により算定した温度を用いて、ガスタービン燃焼システムの高度な制御及び保護を行うことができる。そのような用途には、タービン燃焼温度を制御すること、個々の燃焼器カンからのエミッションを算定すること、希薄ブローアウトを回避するためにどの負荷で異なる燃焼モード間で切り換えるかを決定すること、希薄ブローアウトを防止するためにそのような状態の前兆が検出された時に燃料噴射質量流量を急速に変更するための閉ループ制御アルゴリズムを構成すること、及び最小熱消費率を得るための部分負荷燃焼器最適化アルゴリズムを構成することが含まれる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

カンアニュラ型燃焼システムの概略図。 横動圧モードを示す、例示的な燃焼器における動圧スペクトルを示すグラフ。 約８５０〜１１５０ヘルツの範囲の横動圧モードを示す、図２の細部３のグラフ。 ヘルツで表した動圧測定値に基づいた、１４個のカンの各々における横モード周波数を示す図。 本発明の実施形態に従って図４のデータから算定した１４個のカンにおける温度°Ｆで表した火炎温度を示す図。 ガスタービンの排気口で熱電対を用いて測定した、１４個のカンの各々における温度°Ｆで表したスワール補正排気温度プロフィールを示す図。

符号の説明

＃１〜＃１４ カンアニュラ型燃焼器

Claims (10)

1. 圧縮機と、複数の燃焼器を含む燃焼セクションと、それを通って作動流体が流れるタービンとを有するガスタービンの対象燃焼器内の燃焼温度を求める方法であって、
   ａ）前記燃焼セクションの対象燃焼器の第１の横音響モードの共振周波数を測定する段階と、
   ｂ）前記対象燃焼器内の燃焼温度を求めるために用いる１つの因子として前記周波数を使用する段階と、
   を含む燃焼温度を求める方法。
2. 前記燃焼温度がガスタービン燃焼温度である、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
3. 前記求めた燃焼温度を用いてタービン燃焼温度を制御する段階をさらに含む、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
4. 前記求めた燃焼温度を用いて前記対象燃焼器からのエミッションを算定する段階をさらに含む、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
5. 前記共振周波数を測定する段階が、
   前記対象燃焼器の燃焼騒音信号を検知する段階と、
   前記信号を処理して関心がある前記横モードの周波数を分離する段階と、
   前記周波数を前記対象燃焼器内の燃焼温度を求めるための１つの因子として用いる段階と、
   を含む、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
6. 前記燃焼騒音信号が、動圧トランスデューサによってなされた測定値に基づいて検知される、請求項５記載の燃焼温度を求める方法。
7. 前記燃焼器が、複数の燃焼器カンを有するカンアニュラ型燃焼器であり、前記共振周波数を測定する段階が、ガスタービンの各燃焼器からの燃焼騒音信号を検知する段階と、各前記信号を処理して関心がある前記横モードの周波数を分離する段階と、前記それぞれの燃焼器内の燃焼温度を求めるための１つの因子として前記周波数をそれぞれ用いる段階と、
   を含む、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
8. 前記対象燃焼器内の燃焼温度が、該対象燃焼器の直径を含む因子に基づいて求められる、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
9. 前記対象燃焼器内の燃焼温度が、該対象燃焼器の周長を含む因子に基づいて求められる、請求項１記載の燃焼温度を求める方法。
10. 前記対象燃焼器内の燃焼温度が、次の関係式：
    Ｔ＝（ｆπＤ／ａ）^２／（γＲ）
    から求められ、
    式中、Ｄ＝燃焼室の等価内径、ｆ＝第１の横音響モードの共振周波数、ａ＝１．８４、γ＝燃焼器内のガスの比熱比、及びＲ＝ガスの気体定数である、
    請求項１記載の燃焼温度を求める方法。

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