JP2006070898A - ガスタービンエンジン希薄吹消回避のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンシステム（１０）の燃焼ダイナミックスを監視して診断するための方法を提供する。
【解決手段】システムが、少なくとも１つの燃焼器カン（２６）を含む少なくとも１つのガスタービン（２０）を含む。方法は、燃焼器カンの少なくとも１つでの燃焼ダイナミックスを示す信号を受信するステップと、受信された信号を所定の希薄吹消しきい値と比較するステップと、該比較を使用して希薄吹消事象の確率の減少を容易にするように、ガスタービンエンジンシステムを制御するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの動作を制御するための方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは、典型的には、圧縮器部分、燃焼器部分、および少なくとも１つのタービン部分を含む。圧縮器が空気を圧縮し、この空気が燃料と混合されて、燃焼器に導かれる。次いで、混合物が点火され、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに導かれ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出して、圧縮器に動力供給し、かつ、発電機などの負荷に動力供給するのに有用な動作、または飛行中の航空機を推進させるのに有用な動作を生み出す。

ガスタービンエンジンは、多くの異なる動作条件で動作し、燃焼器性能が、広い範囲のエンジン動作条件にわたるエンジン動作を容易にする。より具体的には、安定な燃焼は、エンジン吹消の防止、およびエンジン定格スラストおよび／またはパワーレベルの提供を容易にする。さらに、乾式低窒素酸化物（ＤＬＮ）技法を用いて操作されるガスタービンでは、燃焼の安定性は、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）の放出の制御も容易にする。
米国特許６，３０２，６８２号公報

少なくともいくつかの知られているＤＬＮ燃焼システムは、予混合された燃料と空気を利用し、希薄燃料／空気（Ｆ／Ａ）比で動作して、ＮＯ_ｘ放出の減少を容易にする。希薄燃料／空気比は、燃料と空気の比が、考察中の燃料に必要な化学量論的な燃料と空気の比よりも低い場合と定義することができる。しかし、希薄、予混合操作の結果、燃焼システムは、希薄吹消（ＬＢＯ）境界の近くで動作する場合がある。希薄吹消または微弱な消失は、燃料と空気の混合物がもはや可燃性でなくなる点である。予混合マルチノズルシステムでは、微弱な消失は、燃焼効率の大幅な低下および／または炎の完全な消失が存在する点と定義することができる。ＬＢＯ境界または制約は、超えられた場合、部分的な、または完全な吹消（すなわち、燃焼炎の消失）をもたらす可能性がある。ＬＢＯ境界付近での動作の制御は、燃焼器カンごとにＦ／Ａ比が異なる場合があるカンアニュラ燃焼システムではさらに困難である。より具体的には、異なるＦ／Ａ比により、いくつかの燃焼器カンが、他の燃焼器カンよりも希薄なＦ／Ａ比で動作する場合があり、動作中、ＬＢＯ境界を超えた場合に、カンごとのばらつきにより、１つまたは複数の燃焼器カンで炎の消失が生じる可能性がある。システム内部の制御論理によっては、１つまたは複数の燃焼器カンが炎の消失を受けるとき、ガスタービン保護システムがエンジンを停止して、システム全体を保護する。しかし、そのような予期せぬ停止は、機械に損傷をもたらす可能性があり、大きな交換労力が費やされる可能性がある。

一態様では、ガスタービンエンジンシステムの燃焼ダイナミックスを監視して制御する方法が提供される。システムは、少なくとも１つの燃焼器カンを含む少なくとも１つのガスタービンを含む。方法は、燃焼器カンの少なくとも１つでの燃焼ダイナミックスを示すガスタービンエンジンセンサからの信号を受信するステップと、受信された信号を処理して、少なくとも１つの燃焼器カンに関する希薄吹消の確率を求めるステップと、求められた希薄吹消の確率を使用して、希薄吹消（ＬＢＯ）事象の確率の減少を容易にするようにガスタービンエンジンシステムを制御するステップとを含む。

別の態様では、ガスタービンシステムが提供される。システムは、少なくとも１つの燃焼器カンを含むガスタービンエンジンと、燃焼器カンの少なくとも１つに結合された少なくとも１つの燃焼器ダイナミックス圧力センサおよび炎センサであって、各当該のカン内の燃焼を監視して、各当該のカン内の燃焼を示す信号を伝送するように構成されたセンサと、前記少なくとも１つのセンサから信号を受信するように構成された少なくとも１つの制御システムであって、燃焼信号をフィルタして、ＬＢＯ前兆の存在を判定し、フィルタされた信号から希薄吹消（ＬＢＯ）の確率を求め、希薄吹消（ＬＢＯ）の確率の減少を容易にするようにガスタービンシステムを制御するようにプログラムされた制御システムとを含む。

さらに別の態様では、少なくとも１つの燃焼器カンを含むガスタービンエンジンを含むガスタービンエンジンシステムを制御するためのコンピュータ可読媒体上で実施されるコンピュータプログラムである。コンピュータプログラムは、コードセグメントを含み、コードセグメントは、ユーザ選択入力データを受信し、次いで、システムに命令して、少なくとも１つの燃焼器カン内の燃焼を示すガスタービンエンジン信号をフィルタして、約１０Ｈｚ〜約２５Ｈｚ、約８０Ｈｚ〜約１２０Ｈｚ、および約１３０Ｈｚ〜約１６０Ｈｚの少なくとも１つの間の信号の一部分のみを通し、フィルタされた信号を所定の希薄吹消しきい値と比較し、該比較を使用して、希薄吹消事象の確率の減少を容易にするようにガスタービンエンジンシステムを制御する。

本明細書では、工業用環境で使用されるガスタービンエンジンの文脈で方法および装置を説明するが、本明細書で説明する方法および装置は、航空機に設置されるタービンを含めた、しかしそれに限定されない他の燃焼タービンシステム適用例で使用することもできることが企図されている。さらに、本明細書に記載する原理および教示は、天然ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル燃料、およびジェット燃料など、しかしそれらに限定されない様々な可燃性燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。したがって、本明細書における以下の説明は、限定ではなく、単に例示として記載するものである。

図１は、ガスタービンエンジン２０を含むガスタービンエンジンシステム１０の断面切欠図である。ガスタービンエンジン２０は、圧縮器部分２２と、複数の燃焼器カン２６を含む燃焼器部分２４と、シャフト（図示せず）を使用して圧縮器部分２２に結合されたタービン部分２８とを含む。

動作時、周囲空気が、圧縮器部分２２内に導かれ、周囲圧力よりも大きな圧力まで圧縮される。次いで、その圧縮空気が燃焼器部分２４内に導かれ、そこで圧縮空気と燃料が混合されて、比較的高圧高速のガスを生成する。タービン部分２８は、燃焼器部分２４から放出された高圧高速ガスからエネルギーを抽出し、燃焼燃料混合物を使用して、例えば電気、熱、および／または機械エネルギーなどのエネルギーを生成する。一実施形態では、燃焼燃料混合物が、キロワット時（ｋＷｈ）単位で測定される電気エネルギーを生成する。しかし、本発明は、電気エネルギーの生成に限定されず、機械作業および熱など他の形態のエネルギーを包含する。ガスタービンエンジンシステム１０は、典型的には、ガスタービンエンジンシステム１０に取り付けられた自動および／または電子制御システム（図示せず）から、様々な制御パラメータによって制御される。

図２は、例示的なガスタービンエンジン燃焼器カン２６の断面の概略図であり、ガスタービンエンジン制御システム２０２の一部の模式図を含む。内側エンジンケーシング２１４と外側エンジンケーシング２１６との間の環状部２１２内部に、環状燃焼器２６を位置決めすることができる。ディフューザ２１８が、（図１に示される）圧縮器部分２２から環状部２１２内に軸方向で延びている。各燃焼器カン２６が、（図１に示される）タービン部分２８に放出する。複数の主燃料ノズル２２０が、環状部２１２内部で円周方向で間隔を空けて配置されて、主燃料を、ディフューザ２１８から出る空気の一部と予混合し、燃料と空気の混合物を燃焼器２６に供給する。複数の主燃料供給管２２２が、主ノズル２２０に燃料を供給する。複数のパイロット燃料ノズル２２６が、燃焼器２６にパイロット燃料を供給し、複数のパイロット燃料供給管２２８が、パイロット燃料ノズル２２６に燃料を配送する。パイロット燃料ノズル２２６に供給された燃料に点火するために、パイロット燃料ノズル２２６の近傍に複数の点火器（図示せず）を位置決めすることができる。

燃焼センサ２３０を燃焼器２６内部に位置決めして、内部の圧力および／または炎の揺れを監視することができる。センサ２３０は、燃焼器カン２６内部の燃焼状態を示す信号を、オンラインガスタービンエンジン制御システム２０２に伝送し、制御システム２０２は、燃焼器２６へのパイロット燃料および主燃料の流量を調節する燃料制御装置２３４、ならびにエンジン空気制御ダンパー（図示せず）を制御することができる空気制御装置２３６と通信する。

図３は、図１に示されたガスタービンエンジンシステム１０の単純化した概略図である。例示実施形態では、ガスタービンエンジンシステム１０が、オンラインガスタービンエンジン制御システム２０２を含み、制御システム２０２は、データ獲得システム（ＤＡＳ）３３２を含み、ＤＡＳ３３２は、後続の処理のためにセンサ２３０からデータをサンプルする。コンピュータ３３４が、ＤＡＳ３３２およびオンボードシステムモニタ（ＯＳＭ）３３５から、サンプルされたセンサデータを受信し、高速データ解析を行う。燃焼器カン２６は４個のみ図示されているが、ガスタービンエンジンシステム１０が、４個よりも多い、または少ない燃焼器カン２６を含む場合もあり、例えば一実施形態では、ガスタービンエンジンシステム１０が２４個の燃焼器カン２６を含むことを理解されたい。

コンピュータ３３４は、キーボード３３６を介してオペレータからコマンドを受信する。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）および陰極線管など、しかしそれらに限定されない関連付けられたモニタ３３８により、オペレータは、コンピュータ３３４から受信されたデータを見ることができる。コンピュータ３３４は、オペレータ供給コマンドおよびパラメータを使用して、ＤＡＳ３３２およびＯＳＭ３３５に制御信号および情報を提供する。個別の構成要素として図示されているが、コンピュータ３３４、ＤＡＳ３３２、およびＯＳＭ３３５が、同じデバイス内に常駐していてもよいことを理解されたい。

一実施形態では、コンピュータ３３４がデバイス３４０を含み、このデバイスは、例えば、フロッピー（商標）ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、磁気光ディスク（ＭＯＤ）デバイス、あるいは任意の他のデジタルデバイスであり、そのようなデジタルデバイスには、コンピュータ可読媒体３４２、例えばフロッピ（商標）ーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、またはネットワークやインターネットなど別のデジタルソースならびになお開発すべきデジタル手段から命令および／またはデータを読み取るためのイーサネット（商標）デバイスなどのネットワーク接続デバイスが含まれる。別の実施形態では、コンピュータ３３４が、ファームウェア（図示せず）に記憶された命令を実行する。コンピュータ３３４は、本明細書で説明する機能を実施するようにプログラムされ、本明細書で用いる際、用語「コンピュータ」は、一般にコンピュータとして知られている集積回路のみに限定されず、広く、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置、アプリケーション特定集積回路、および他のプログラマブル回路を表し、本明細書では、これらの用語を同義的に用いる。さらに、本明細書で説明する方法および装置は、工業用環境で説明されるが、例えば航空機など、しかしそれに限定されない輸送環境で通常使用されるシステムなどの非工業システムでも本発明の利益を得られることが企図されている。

図４は、（図１に示される）ガスタービンエンジン２０内の燃焼ダイナミックスを監視するために使用することができる例示的なアルゴリズムに関するデータフロー図４００である。例示実施形態では、複数の燃焼器ダイナミックセンサ信号４０２が、各燃焼器カン２６に結合されたセンサ２３０によって生成され、センサ２３０は、燃焼器カン２６内部の状態を検知して、内部の状態を示す信号を生成するように構成されている。例示実施形態では、各燃焼器カン２６に少なくとも１つのセンサ２３０が結合され、したがって、制御システム２０２は、各カン２６内の燃焼状態を示す信号を受信する。代替実施形態では、全ての燃焼器カン２６がセンサ２３０を含むわけではない。制御システム２０２は、いくつかの代表となるカン２６から信号を受信し、その代表の信号に基づいてガスタービンエンジンシステム１０を制御する。これは、各燃焼器カン２６がそれぞれのセンサ２３０を含み、しかし１つまたは複数のセンサ２３０が故障している場合にも当てはまる。制御システム２０２は、故障しているセンサ２３０が存在するとき、ガスタービンエンジンシステム１０の故障および修正制御を検出して、故障しているセンサ２３０からの誤った入力を無視するように構成されている。一実施形態では、センサ２３０は燃焼ダイナミック圧力センサである。代替実施形態では、センサ２３０は炎センサである。信号４０２が、制御システム２０２に伝送され、アンチエイリアジングフィルタ４０４に通されて、信号４０２のより低い対象周波数領域への高周波雑音の折返しを容易に防止できるようにする。グラフ４０６は、アンチエイリアジングフィルタ４０４によってフィルタされた後の信号対時間の例示的な軌跡４０８を示す。信号は、対象の周波数帯域内でデータを生成するように帯域通過フィルタされる（４１０）。一実施形態では、対象の周波数帯域は、約３０Ｈｚから約０Ｈｚである。代替実施形態では、対象の周波数帯域は、約２５Ｈｚから約５Ｈｚである。別の代替実施形態では、対象の周波数帯域は、約２０Ｈｚから約１０Ｈｚである。グラフ４１２は、帯域通過フィルタ４１０に通された後の信号対時間の例示的な軌跡４１４を示す。次いで、信号の二乗平均平方根が計算される４１６。例示実施形態では、Ｎ点移動窓を使用して、移動窓内の信号のＲＭＳを計算する。例示実施形態では、Ｎは、アルゴリズムによって使用されるデータ点の数を表す。この計算は、信号のエネルギーの計算に類似している。別の実施形態では、ＦＦＴ操作から得られる係数を使用することによってエネルギーを計算することができる。結果として得られるＲＭＳ信号は、移動平均窓を使用して低域フィルタされる（４１８）。グラフ４２０は、移動平均窓アルゴリズムを使用してフィルタされた後の信号対時間の例示的な軌跡４２２を示す。次いで、フィルタされたＲＭＳ信号が、ＬＢＯの確率を生成する関数４２４に通される。グラフ４２６は、フィルタされたＲＭＳ信号に関数４２４が適用された後の信号対時間の例示的な軌跡４２８を示す。例示実施形態では、関数４２４は、所与のＲＭＳ値に関して所望のＬＢＯ確率を実現するように平均および分散が選択された正規分布の累積確率関数を使用する。代替実施形態では、ウェーブレット変換を使用して、所望の周波数範囲内で信号を監視する。

上述した代替実施形態では、炎センサ信号のＡＣ成分を使用して、燃焼器カン２６内部の燃焼状態を監視する。炎センサ２３０のＡＣ成分の周波数応答は、燃焼器ダイナミックス信号に相関することができる。したがって、差し迫ったＬＢＯ事象を検出するために、ＬＢＯ前兆検出に関するアルゴリズム４００を、炎センサ信号のＡＣ成分に適用することもできる。

ＬＢＯ確率信号が生成されると、それをしきい値境界または信号と比較して、例えばＬＢＯ前兆の存在によって、ＬＢＯ事象が差し迫っているかどうかを判定することができる。前兆が検出されると、制御システム２０２は、制御システムパラメータの１つまたは組合せを操作して、ガスタービンエンジンシステム１０の動作をＬＢＯ境界から離すことができる。パラメータは、ガスタービンエンジン２０へのバルク燃料流の増加、ガスタービンエンジン２０への空気流の減少、１つまたは複数の燃焼器カン２６の進入空気温度の上昇、および少なくとも１つの燃焼器カン２６への燃料分割の変更を含むことができ、しかしそれらに限定されない。

図５は、ＬＢＯ前兆に対する燃料分割効果の現場検証試験の例示的な軌跡を示す。軌跡５０２は、１つの燃焼器カン２６の燃焼ダイナミック信号の分光写真を示す。軌跡５０４および軌跡５０６は、２つの燃料回路に対する弁の位置を示し、軌跡５０８は、第３の燃料回路２６に対する弁の位置を示す。各軌跡の時間軸は互いに相関し、したがって、軌跡５０２に示される燃焼ダイナミックスに対する効果を、３つの燃料回路の弁位置操作に相関させることができる。グラフ５００は、第１の期間５１０を含み、そこでは、約８０Ｈｚ〜約１４０Ｈｚの卓越周波数帯域５１２が明らかである。第２の期間５１４中、燃料分割が増加されて、ガスタービンエンジン２０がＬＢＯに近づけられる。ガスタービンエンジン２０がＬＢＯに近づけられると、前兆周波数帯域５１６の示唆が現れ始める。周波数帯域５１６の示唆の強さは、ガスタービンエンジン２０がＬＢＯに近づけられるにつれて増加する。期間５１８で、燃料分割が減少され、それによりガスタービンエンジン２０の動作がＬＢＯから離され、それに従って、帯域５１６のＬＢＯ示唆が実質的に減少し、かつ／またはなくなる。

燃料／空気比がより希薄になり、ＬＢＯ境界に近づくにつれて、関連する燃焼ダイナミックス信号の周波数帯域５１６のエネルギーが増大する。周波数帯域５１６は、卓越燃焼周波数帯域５１２と関連していない。ガスタービンエンジン２０の動作がＬＢＯ境界から離れると、帯域５１６のエネルギーは、卓越燃焼周波数ではない他の周波数のエネルギーと同様になる。したがって、周波数帯域５１６を適切に監視することによって、ＬＢＯに関する前兆を生成することができる。

差し迫ったＬＢＯ、および差し迫ったＬＢＯからの後続の回復をもたらすために操作されるものとして、燃料分割を例示してきたが、ガスタービンエンジン２０の動作によっては、差し迫ったＬＢＯの発生時に他のエンジンパラメータを調節することもできる。例示実施形態では、フィードバック制御スキームが使用され、ＬＢＯの確率を所定のしきい値よりも低くするために、制御入力、例えば上で論じたエンジンパラメータの１つまたは組合せが変更される。フィードバック制御は、適切な上限および／または下限を有する、比例（Ｐ）、比例積分（ＰＩ）、および比例積分微分（ＰＩＤ）を含むことができ、しかしそれらに限定されない。

図６は、（図１に示される）ガスタービンエンジンシステム１０と共に使用することができる例示的なＬＢＯ回避制御モジュール６００のブロック図である。モジュール６００は、制御システム２０２の適切な入力および出力信号線に結合された独立の電子構成要素にすることができる。さらに、モジュール６００は、本明細書で説明する機能のハードウェア実装として、または機能のソフトウェア実装として、制御システム２０２内に組み込むことができる。モジュール６００は比較器６０２を含み、比較器６０２は、しきい値または限界信号６０４を、燃焼カン２６内部のＬＢＯの確率を示す信号と比較する。グラフ６０８は、ＬＢＯを回避するための制御処置が行われない第１の領域６１０と、ＬＢＯを回避するための制御処置が開始される第２の領域６１２とを示す。グラフ６０８のｘ軸６１４は時間を表し、ｙ軸６１６は、信号６０６など、ＬＢＯの確率を表す。ＬＢＯの確率が限界６１８よりも小さいとき、例えばガスタービンエンジン２０が領域６１０内で動作しているときには、ＬＢＯを回避するための動作は行われない。ＬＢＯの確率が限界６１８よりも大きいとき、比較器６０２は、フィードバック制御装置６２２に出力６２０を提供し、装置６２２は、エンジンパラメータの１つまたは組合せを操作することができる。エンジンパラメータには、ガスタービンエンジン２０への総燃料流、ガスタービンエンジン２０への総空気流、燃焼器２６への進入空気温度、および燃料ノズル分割が含まれ、しかしそれらに限定されない。フィードバック制御装置６２２の出力は、エンジンパラメータを制御する制御装置（図示せず）に伝送される制御信号６２４と合わされる。合わされた信号が、ガスタービンエンジン２０に伝送され、そこで、制御装置が、ガスタービンエンジン２０への総燃料流、ガスタービンエンジン２０への総空気流、燃焼器２６への進入空気温度、および燃料ノズル分割の少なくとも１つを操作して、ＬＢＯの確率を減少させる。エンジンパラメータの操作は、燃焼器カン２６内の燃焼状態を変え、燃焼状態はセンサ２３０によって監視される。カン２６内部の燃焼状態を示す信号６２６が、センサ２３０によって生成され、アルゴリズム４００に伝送され、そこで、変えられた燃焼状態の下でのＬＢＯの確率が求められて、比較器６０２へ入力される。

燃焼ダイナミックス信号の適切な信号処理によって、希薄吹消（ＬＢＯ）の前兆を識別することができ、ＬＢＯの確率を計算することができる。前兆は、差し迫ったＬＢＯ事象に対する早期の警告として働く。差し迫ったＬＢＯ事象の確率が所定のしきい値を超えるとき、ＬＢＯ事象を回避するために修正処置を行うことができる。修正処置は、燃料流または空気流の操作によるエンジン燃料空気比（Ｆ／Ａ）の変更、燃焼器２６に入る空気の温度の上昇、および燃焼器カン２６内の様々なノズル間の燃料分割の変更を含むことができる。ＬＢＯ検出および制御アルゴリズムを使用することによって、低いＦ／Ａ分散によって生じる炎の消失による機械トリップを回避することができる。さらに、各燃焼器カン２６の燃焼ダイナミックス信号の処理が、カンごとのばらつきの修正を容易にできるようにし、システムの残りの部分と比較して低いＦ／Ａ比を有する１つまたはいくつかのカン２６によるＬＢＯトリップからガスタービンエンジン２０を保護することができる。

図７は、（図１に示される）ガスタービンエンジン２０内の燃焼ダイナミックスを監視するために（図２に示される）制御システム２０２の別の実施形態で使用することができる代替アルゴリズムに関するデータフロー図７００である。

データフロー図７００に例示されるアルゴリズムは、３つの主要な部分、すなわち様々な音のＲＭＳ信号抽出と、主要燃焼音の周波数追従と、ＬＢＯ確率計算とを含む。検出論理は、少なくとも１つの燃焼器カンからのダイナミックス信号のスペクトル観察に基づき、かつＬＢＯ事象の始まりの証拠となる兆候を使用する。例示実施形態では、ガスタービンエンジン２０は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｇｒｅｅｎｖｉｌｌｅ，Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）から市販されている７ＦＡエンジンであり、このエンジンは、１４個のカンを有し、少なくとも３種の音、すなわちＬＢＯ音（１０〜２５Ｈｚ）と、２つの主要燃焼音、すなわち比較的低いＦ／Ａ比に相関する低燃料／空気（Ｆ／Ａ）音（８０〜１２０Ｈｚ）および比較的高いＦ／Ａ比に相関する高燃料／空気（Ｆ／Ａ）音（１３０〜１６０Ｈｚ）とを発生することができる。これらの証拠となる兆候は、燃焼器がＬＢＯに近づいた際の、様々な音、すなわちＬＢＯ音（１０〜２５Ｈｚ）、低Ｆ／Ａ音（８０〜１２０Ｈｚ）、および高Ｆ／Ａ音（１３０〜１６０Ｈｚ）のエネルギー変化と、高Ｆ／Ａ音の周波数偏移とを含む。

例示実施形態では、複数の燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２が、各燃焼器カン２６に結合された（図２に示される）センサ２３０によって生成され、センサ２３０は、燃焼器カン２６内部の状態を検知して、内部の状態を示す信号を生成するように構成されている。例示実施形態では、各燃焼器カン２６に少なくとも１つのセンサ２３０が結合され、したがって、制御システム２０２は、各カン２６内の燃焼状態を示す燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２を受信する。代替実施形態では、全ての燃焼器カン２６がセンサ２３０を含むわけではない。制御システム２０２は、いくつかの代表となるカン２６から燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２を受信し、その代表の燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２に基づいてガスタービンエンジンシステム１０を制御する。これは、各燃焼器カン２６がそれぞれのセンサ２３０を含み、しかし１つまたは複数のセンサ２３０が故障している場合にも当てはまる。制御システム２０２は、故障しているセンサ２３０が存在するとき、ガスタービンエンジンシステム１０の故障および修正制御を検出して、故障しているセンサ２３０からの誤った入力を無視するように構成されている。一実施形態では、センサ２３０は燃焼ダイナミック圧力センサである。代替実施形態では、センサ２３０は炎センサである。燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２は、比較的高い周波数Ｆ_Ｓでサンプルされ、制御システム２０２に伝送され、アンチエイリアジング低域フィルタ７０４に通されて、信号７０２のより低い対象周波数領域への高周波雑音の折返しを容易に防止できるようにする。アンチエイリアジング低域フィルタ７０４の係数は、例示実施形態と同様に２次セクション構造で設計することができる。例示実施形態では、３ｄＢ遮断周波数が、対象の周波数領域の上限であり、例えば２００Ｈｚである。サンプリング周波数Ｆ_Ｓが変化する場合、３ｄＢ遮断周波数が対象の周波数領域の上限のままであるように、アンチエイリアジング低域フィルタ７０４の係数を再選択することができる。

アンチエイリアジングされた燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２は、次いで、アルゴリズムの計算負荷の軽減を容易にするために、デシメータ７０５に通される。デシメータ７０５は、例えばキロヘルツ（ｋＨｚ）範囲の高周波数で記録された燃焼器ダイナミックセンサ信号７０２を、ＲＭＳ値計算のために、例えばＨｚ範囲の比較的プロセッサ操作性が高い周波数にダウンサンプルする。デシメートレートまたはダウンサンプリングレートＭは、ダウンサンプル周波数が、対象の周波数範囲の２倍よりも大きくなるように選択することができる。例示実施形態では、対象の周波数を、最大で約２００Ｈｚにすることができる。したがって、Ｍは、約４００Ｈｚよりも大きな値までレートをダウンサンプルするように選択することができる。サンプリング周波数Ｆ_Ｓが変化するとき、それに従ってＭを調節することができる。例えば、Ｆ_Ｓ＝２４ｋＨｚの場合、デシメータレートをＭ＝４８と選択して、サンプリングレートを約５００Ｈｚまで下げることができる。

ＲＭＳ計算のための窓サイズ（サンプルの数）は、以下で詳細に論じるように、時間にわたるＲＭＳ値の追従を容易にするのに十分に微細な所定の解像度を提供するように選択することができ、かつ適時に高Ｆ／Ａ音周波数追従と同期させることができる。

デシメートされた信号は、次いで、複数の帯域通過フィルタに通してフィルタすることができる。例示実施形態では、アンチエイリアジングされた信号が、並列に結合された３つのバターワースフィルタによって帯域通過フィルタされる。ＬＢＯ帯域通過フィルタ７０６は、デシメートされた信号からＬＢＯ音をフィルタ除去する。対象のＬＢＯ音は、約１０Ｈｚ〜約２５Ｈｚの範囲内にある。低Ｆ／Ａ音帯域通過フィルタ７０７は、デシメートされた信号から低Ｆ／Ａ音をフィルタ除去する。対象のＦ／Ａ音は、約８０Ｈｚ〜約１２０Ｈｚの範囲内にある。高Ｆ／Ａ音帯域通過フィルタ７０８は、デシメートされた信号から高Ｆ／Ａ音をフィルタ除去する。対象の高Ｆ／Ａ音は、約１３０Ｈｚ〜約１６０Ｈｚの範囲内にある。帯域通過フィルタ７０６、７０７、および７０８の係数は、例示実施形態と同様に２次セクション構造で選択することができる。これらのフィルタのサンプリング周波数は、デシメータ７０５から受信されたダウンサンプル周波数である。

次いで、ＲＭＳ計算器７１０内の移動平均フィルタ７０９を使用することによって、各帯域通過フィルタされた信号のＲＭＳ値が計算され、雑音を低減するために低域フィルタされる。例示実施形態では、ＲＭＳ値のスムージングを容易にするためのＲＭＳ計算器７１０での移動平均フィルタサイズは、５サンプルに設定される。代替実施形態では、他の移動平均フィルタサイズを選択することができ、その際、移動平均フィルタサイズの増大は、雑音低減を向上させることができる。しかし、移動平均フィルタサイズの増大は、追加の時間遅延ももたらす場合がある。

別法として、ＦＦＴ計算の出力を使用することができ、出力係数を使用して、様々な周波数帯域でのエネルギーの量を設定する。

ＬＢＯ音、低Ｆ／Ａ音、および高Ｆ／Ａ音に対応する音の計算と同時に、窓高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール７１１および周波数偏移モニタ７１２を使用して、時間領域未処理音響信号に非重複ハニング窓ＦＦＴ計算を施すことによって、周波数Ｆ_Ｓでサンプルされた信号の高Ｆ／Ａ音成分が、高Ｆ／Ａ音の周波数偏移に関して監視される。窓ＦＦＴは、適時の初期複素数の可変推移を用いたＦＦＴの再計算に基づく短時間フーリエ変換であり、スペクトル変化の様々な表現の生成を可能にする。ＦＦＴ窓サイズが、特定のサンプリング周波数での時間解像度を設定する。例えば、８１９２点の窓サイズが、１２．８ＫＨｚサンプリングレートで０．６４秒の時間解像度を与える。例示実施形態では、ダウンサンプリングレートＭおよびＲＭＳ窓サイズは、ＲＭＳ値ベクトルと高Ｆ／Ａ音周波数ベクトルに関する同期の考慮に基づいて選択される。代替実施形態では、適時に周波数偏移ベクトルをＲＭＳ値と整合するために補間が使用される。平均が１よりも大きい値になるようにＦＦＴスキャンの数を設定することで、より雑音の少ない周波数追従を提供することができ、しかしこれは、使用される計算時間を増大する場合がある。窓の重ね合わせの使用は、時間解像度を高め、したがって周波数追従の正確性を改善することができ、しかし同様に、重ね合わせの使用は、時間遅延をもたらす場合がある。例示実施形態では、高Ｆ／Ａ音の上限および下限が、高Ｆ／Ａ音帯域通過フィルタ設定に合致するように選択される。周波数偏移モニタ７１２の出力は、ベータ計算モジュール７１３に伝送される。

ＲＭＳ計算器７１０のＬＢＯ ＲＭＳ出力７１４が、ＬＢＯ確率モジュール７１６に結合され、ここで、ＬＢＯ確率Ｐ_{ＲＭＳｉＬＢＯ}（注：添え字ｉは、１からカンの数までの値を取る）が、事前定義された統計モデルを使用して、ＬＢＯ音ＲＭＳ値を用いて計算される。次いで、確率は、それぞれＲＭＳ比および高Ｆ／Ａ音の周波数偏移である２つの証拠情報αおよびβによって強化される。強化されたＬＢＯ確率は、次いで、例えばシグモイド関数を使用して、０と１の間に非線形正規化を施される。例示実施形態では、別の非線形関数を使用することができる。正規分布の累積確率関数が使用され、平均および分散が、ＬＢＯ音の所与のＲＭＳ値に関して所望のＬＢＯ確率を実現するように事前選択される。例えば、９５％のＬＢＯ事象確率に関するしきい値を、ＬＢＯ音のＲＭＳ値を使用して調整することができる。統計モデルの平均および分散は、当該のガスタービンエンジンシステム１０の履歴ＬＢＯデータを使用して調整することができる。ＬＢＯ ＲＭＳ出力７１４、低Ｆ／Ａ音ＲＭＳ出力７１８、および高Ｆ／Ａ音ＲＭＳ出力７２０が、アルファ計算モジュール７２２に伝送される。

ＬＢＯ確率Ｐ_{ＲＭＳｉＬＢＯ}は、シグモイド関数モジュール７３０で、ＬＢＯ確率モジュール７１６の出力７２４を、アルファ計算モジュール７２２の出力７２６およびベータ計算モジュール７１３の出力７２８と組み合わせることによって強化することができる。

ＲＭＳ比αは、３つの音の相対変化を反映する。

ここで、ＲＭＳ_ＬＢＯは、ＬＢＯ ＲＭＳ出力７１４であり、ＲＭＳ_{ＬｏｗＦ／Ａ}は、低Ｆ／Ａ音ＲＭＳ出力７１８であり、ＲＭＳ_{ＨＩＧＨＦ／Ａ}は、高Ｆ／Ａ音ＲＭＳ出力７２０である。ＲＭＳ比αは通常、確率が正規化された後に所定の解像度を維持するように、所定のしきい値を使用して厳しく制限される。しきい値は履歴ＬＢＯデータを使用して同調させることができる。

高Ｆ／Ａ音の周波数偏移βは、

と定義することができる。ここで、ｆ_Ｕは、高Ｆ／Ａ音周波数の上限であり、ｆ_Ｌは、高Ｆ／Ａ音周波数の下限であり、ｆ_Ｃは、高Ｆ／Ａ音の瞬間中心周波数である。パラメータｆ_Ｕおよびｆ_Ｌは、高Ｆ／Ａ音帯域通過フィルタ７０８の遮断周波数に選択的に設定することができる。

各燃焼器カン２６に関するＬＢＯ音のＲＭＳ値に基づくＬＢＯ確率７２４を、シグモイド関数モジュール７３０を使用して、各燃焼器カン２６に関して、

として強化し、０と１の間に正規化することができる。パラメータαは、Ｐ_{Ｃａｎ ｉ ＬＢＯ}が正規化された後に所定のカンＬＢＯ解像度を維持するように、厳しく制限される場合がある。シグモイド関数のマッピング性能を制御するパラメータＱ_０、Ｑ_１は、以下の等式で、α×βの最大値での強化された確率値を１にマップするように調節することができる。

計算された各Ｐ_{Ｃａｎ ｉ ＬＢＯ}は、最大確率モジュール７３２に出力することができ、そこで、計算された各Ｐ_{Ｃａｎ ｉ ＬＢＯ}の最大瞬間確率振幅を求めて、ガスタービンＬＢＯ確率モジュール７３４に伝送することができる。ガスタービンＬＢＯ確率Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐ_ＬＢＯは、フィードバックとしてガスタービンエンジン制御システム２０２に伝送することができ、ＬＢＯを回避するための修正処置の開始を容易にする。制御システム２０２は、制御システムパラメータの１つまたは組合せを操作して、ガスタービンエンジン２０の動作をＬＢＯ境界から離すことができる。パラメータは、ガスタービンエンジン２０へのバルク燃料流の増加、ガスタービンエンジン２０への空気流の減少、１つまたは複数の燃焼器カン２６の進入空気温度の上昇、および少なくとも１つの燃焼器カン２６への燃料分割の変更を含むことができ、しかしそれらに限定されない。

上述した代替実施形態では、炎センサ信号のＡＣ成分を使用して、燃焼器カン２６内部の燃焼状態を監視する。炎センサ２３０のＡＣ成分の周波数応答は、燃焼器ダイナミックス信号に相関することができる。したがって、差し迫ったＬＢＯ事象を検出するために、ＬＢＯ前兆検出に関するアルゴリズム７００を、炎センサ信号のＡＣ成分に適用することもできる。

図８は、（図１に示される）ガスタービンエンジン２０と共に使用することができる燃焼器カン２６のダイナミックスの例示分光写真８００の図である。分光写真８００は、時間（秒）単位で表されるｘ軸８０２と、周波数（Ｈｚ）単位で表されるｙ軸８０４とを含む。分光写真８００は、ガスタービンエンジン２０の各燃焼器カン２６からサンプルされた周波数に関連付けられたエネルギーレベルを例示する。例えば、特定の周波数に対応するエネルギーレベルが増大するにつれて、例示された関連する画素の強度が高まり、暗い画素が、明るい画素よりも高いエネルギーレベルを示す。約１０Ｈｚ〜２５ＨｚのＬＢＯ周波数帯域８０６が、ＬＢＯ音に対応する。約８０Ｈｚ〜１２０Ｈｚの低Ｆ／Ａ周波数帯域８０８が、低Ｆ／Ａ音に対応する。約１３０Ｈｚ〜１６０Ｈｚの高Ｆ／Ａ周波数帯域８１０が、高Ｆ／Ａ音に対応する。分光写真８００は、動作期間８１２、ＬＢＯ発生期間８１４、およびエンジントリップ後の期間８１６にわたる燃焼器ダイナミックスを示す。分光写真８００は、動作期間８１２中、各周波数帯域８０６、８０８、および８１０で、比較的一定のエネルギー振幅を示す。ＬＢＯ発生期間８１４中、ＬＢＯ周波数帯域８０６に示されるエネルギーが増大し、ＬＢＯ音８１８の強まりを示す。さらに、低Ｆ／Ａ周波数帯域８０８に示されるエネルギーは減少し、低Ｆ／Ａ音８２０の弱まりを示し、高Ｆ／Ａ周波数帯域８１０に示されるエネルギーは減少し、高Ｆ／Ａ音８２２の弱まりを示す。また、高Ｆ／Ａ音のエネルギーは、ＬＢＯ発生期間８１４中、周波数が減少する。

上述した方法および装置は、ガスタービンエンジン内で燃焼ダイナミックスを監視し、燃焼を制御するために、コスト効率が高く、信頼できる手段を提供する。より具体的には、本方法は、各燃焼器におけるＬＢＯ前兆を確認し、修正処置を決定して、エンジン動作をＬＢＯしきい値から離すことを容易にする。その結果、本明細書で説明した方法および装置は、コスト効果が高く、信頼できる様式でのガスタービンエンジン動作を容易にする。

ガスタービンエンジンの燃焼ダイナミックスを監視して制御するための例示方法および装置を詳細に上述した。例示した装置は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されず、各構成要素を、本明細書で説明した他の構成要素から独立させて個別に利用することができる。各システム構成要素を、他のシステム構成要素と組み合わせて使用することもできる。

本方法および装置の技術的な効果は、ＬＢＯへの接近を検出するためにガスタービンエンジン動作を継続的に監視し、ガスタービンエンジンの動作を自動的に修正して、ＬＢＯ事象の確率の減少を容易にするシステムを提供することである。

本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、特許請求の範囲の精神および範囲内で修正を加えて本発明を実施することができることを当業者には理解されたい。

ガスタービンを含むガスタービンシステムの側面切欠図である。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用することができる例示ガスタービンエンジン燃焼器の断面の概略図である。 図１に示されるガスタービンシステムの概略図である。 図１に示されるエンジンでの燃焼ダイナミックスを監視するために使用することができる例示アルゴリズムに関するデータフロー図である。 希薄吹消（ＬＢＯ）前兆に対する燃料分割効果を示すガスタービンエンジンの現場検証試験の例示軌跡を示すグラフである。 図１に示されるガスタービンエンジンシステムと共に使用することができる例示ＬＢＯ回避制御モジュールのブロック図である。 図２に示される制御システムの別の実施形態で使用することができる代替アルゴリズムに関するデータフロー図である。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用することができる燃焼器カンのダイナミックスの例示分光写真の図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジンシステム
２０ ガスタービンエンジン
２２ 圧縮器部分
２４ 燃焼器部分
２６ 燃焼器カン
２８ タービン部分
２０２ ガスタービンエンジン制御システム
２１８ ディフューザ
２３０ 燃焼センサ
２３４ 燃料制御装置
２３６ 空気制御装置
３３２ データ獲得システム
３３４ コンピュータ
３３５ オンボードシステムモニタ
３３６ キーボード
３３８ モニタ
４００ アルゴリズム
４０２、７０２ 燃焼器ダイナミックセンサ信号
４０４ アンチエイリアジングフィルタ
６００ ＬＢＯ回避制御モジュール
６０２ 比較器
６２２ フィードバック制御装置
６２４ 制御信号
７０５ デシメータ
７０６、７０７、７０８ 帯域通過フィルタ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンシステム（１０）の燃焼システムを監視して制御するための方法であって、前記システムが、少なくとも１つの燃焼器カン（２６）を含む少なくとも１つのガスタービン（２０）を含み、
   前記燃焼器カンの少なくとも１つでの燃焼ダイナミックスを示すガスタービンエンジンセンサ（２３０）からの信号を受信するステップと、
   前記受信された信号を処理して、少なくとも１つの燃焼器カンに関する希薄吹消の確率を求めるステップと、
   前記求められた希薄吹消の確率を使用して、希薄吹消（ＬＢＯ）事象の確率の減少を容易にするように前記ガスタービンエンジンシステムを制御するステップと
   を含む方法。
2. 信号を受信する前記ステップが、
   前記受信された信号をフィルタするステップと、
   前記フィルタされた信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）および前記フィルタされた信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の少なくとも一方を計算するステップと、
   前記計算されたＲＭＳ信号を使用して、希薄吹消（ＬＢＯ）の確率を計算するステップと
   を含む請求項１記載の方法。
3. 前記受信された信号をフィルタする前記ステップが、
   前記信号からの高周波雑音の除去を容易にするために、前記受信された信号にアンチエイリアジングフィルタ（７０４）を適用するステップと、
   前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に帯域通過フィルタを適用するステップと
   を含む請求項２記載の方法。
4. 前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に帯域通過フィルタを適用する前記ステップが、前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に、通常のエンジン動作中の燃料／空気比よりも小さい燃料／空気比に対応する信号の一部分のみを通す帯域通過フィルタを適用するステップを含む請求項３記載の方法。
5. 前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に帯域通過フィルタを適用する前記ステップが、前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に、約３０Ｈｚよりも小さい信号の一部分のみを通す帯域通過フィルタを適用するステップを含む請求項３記載の方法。
6. 前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に帯域通過フィルタを適用する前記ステップが、前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に、約５Ｈｚから約２５Ｈｚの間の信号の一部分のみを通す帯域通過フィルタを適用するステップを含む請求項３記載の方法。
7. 前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に帯域通過フィルタを適用する前記ステップが、前記アンチエイリアジングフィルタされた信号に、約１０Ｈｚから約２０Ｈｚの間の信号の一部分のみを通す帯域通過フィルタを適用するステップを含む請求項３記載の方法。
8. 前記フィルタされた信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）および前記フィルタされた信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の少なくとも一方を計算する前記ステップが、Ｎ点移動窓アルゴリズムを使用して、前記フィルタされた信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を計算するステップを含み、Ｎは、前記アルゴリズムによって使用されるデータ点の数である請求項１記載の方法。
9. 前記受信された信号を処理して、少なくとも１つの燃焼器カンそれぞれに関する希薄吹消の確率を求める前記ステップが、
   ＬＢＯの確率を、前記燃焼ダイナミックスの複数の音の間の振幅の相対変化、および前記燃焼ダイナミックスの高Ｆ／Ａ音の周波数偏移の少なくとも一方と組み合わせるステップと、
   シグモイド関数を使用して前記組合せを正規化するステップと
   を含む請求項１記載の方法。
10. 前記受信された信号を処理して、少なくとも１つの燃焼器カンに関する希薄吹消の確率を求める前記ステップが、
    各正規化された組合せから、前記少なくとも１つの燃焼器カンそれぞれに関する希薄吹消の最大瞬間確率を求めるステップと、
    前記少なくとも１つの燃焼器カンそれぞれに関する希薄吹消の最大瞬間確率から、ガスタービンＬＢＯ確率を求めるステップと、
    ＬＢＯを回避するための修正処置の開始を容易にするように前記ガスタービンエンジンを制御するステップと
    を含む請求項１記載の方法。