JP2008291842A - ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおける燃焼を制御する方法について説明する。
【解決手段】本方法は、タービンの燃焼室（１４）に対応して配置した１つ又はそれ以上のプローブ（３０）によって、該燃焼室（１４）内の圧力振動の振幅及び該圧力振動の持続時間又はサイクルを測定する段階と、燃焼室（１４）を形成した特定の材料、所定の燃焼周波数、並びに測定した圧力振動の振幅及びサイクル値についてのＷｏｈｌｅｒ曲線を作成することによって、該燃焼室（１４）の疲労条件下における挙動を評価する段階と、タービンの疲労条件下で機能した間における燃焼室（１４）への累積損傷（Ｄ）をＰａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒ仮説によって測定する段階と、測定した累積損傷値（Ｄ）が超過した場合に、タービンの防護措置を実施する段階とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法に関する。

外部から吸込んだ空気を加圧する多段圧縮機と、加圧空気に付加した気体燃料の燃焼を行う燃焼室と、燃焼室から流入した気体を膨張させるタービン又はエキスパンダとで通常構成されたガスタービンを使用して電気エネルギーを生成することは、公知である。この時、タービンは、作業機械を作動させるために又は発電機に動力を供給するために利用可能な機械的エネルギーを発生することができる。

ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御する現在の方法は、特定の振幅レベルを有する応力が一定の期間確認された後にのみ、ある種の防護措置を実施することを想定している。さらに、限られた数の臨界振幅のみが考慮され、一方、期間は経験による推定に基づいて設定される。

得られた結果では、燃焼室ひいてはタービンの健全性を保護することを目的とする措置が一定の疲労閾値を超えた時にのみ実施され、一方、タービン自体の構成要素の疲労ライフサイクルもまた、この閾値以下で終了する可能性があることになる。公知のように、疲労は機械的現象であり、それによって、問題となる最大荷重強度が材料自体の破損又は静的降伏の荷重強度よりも非常に低い場合であっても、経時的に可変荷重を受ける材料は、一定期間で又は偶発的にのいずれかで損傷を受けて破損する。

従って、本発明の目的は、ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法を提供することであり、本方法は、圧力振動の測定値に基づいてかつ特有の制御及び評価機器を用いてその燃焼室の許容可能疲労閾値を設定することができて、圧力の過剰な増大が生じた時に十分な防護措置を行うことを可能にする。

本発明の別の目的は、ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法を提供することであり、本方法では、取得したデータに基づいて燃焼室自体の構成要素に対する保守間隔を最適化することが可能になる。

本発明によるこれらの目的は、ガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法を提供することによって達成される。

本発明のさらに別の特徴は、従属する特許請求項において特定される。

本発明によるガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法の特徴及び利点は、添付の概略図を参照して以下の例示的かつ非限定的説明から一層明確になるであろう。

特に図１を参照すると、この図は、一般的なガスタービンを概略的に示しており、このガスタービンは、入口ダクト１２を通して導入された空気を加圧することができる圧縮機１０を含む。加圧空気は次に、燃焼室１４に送られて、供給ダクト１６から流入した気体燃料と混合される。燃焼は、ガス流の温度、流量及びボリュームを増大させ、従ってその中に含まれるエネルギーを増大させる。このガス流は、ダクト１８を通してタービン２０に向かって導かれ、タービン２０は、ガスのエネルギーを、例えばシャフト２４によってタービン２０に連結された発電機２２のような作業機械を作動させるために利用可能な仕事エネルギーに変換する。タービン２０はまた、関連するシャフト２６を通して圧縮機１０を作動させるのに必要なエネルギーを供給し、一方、排気ガスは、出口ダクト２８を通してタービン２０によって排出される。

本発明による燃焼室１４の圧力ダイナミックス（動的挙動）を制御しかつそのライフサイクルを推定する方法は、燃焼室１４自体内で生じる圧力の増大による応力振幅とその応力の持続時間（サイクル）との間を有名なＷｏｈｌｅｒ曲線により相関させることを想定している。

ヴェーラー曲線（Ｗｏｈｌｅｒ曲線）は、疲労サイクルの最大振幅を、特定の材料が予め設定した確率で破損する前に耐えるサイクル数と関連付ける統計ベースのグラフである。その作成は、多数の試験試料に適用する特定の振幅で一定の応力サイクルを研究室で再構成して、それら試験試料が破損前に耐えるサイクル数を記録することよって行われる。試験試料は同じ応力を受けるが、それら全てが同じサイクル数後に破損するわけではなく、結果にばらつきがある。経験からこのばらつきが正規分布に従って生じることがわかっている。次に、同じ一連の実験を異なる振幅値で反復し、取得した各分布ごとに、破損前のサイクル数の平均値を記録する。

各応力振幅における全ての平均値を結合する曲線は、５０％の破損確率におけるＷｏｈｌｅｒ曲線である。これは、試験した試料に関して、特定の振幅の応力サイクルに曝されると、それら試料がＷｏｈｌｅｒ曲線によって範囲を定められたサイクル数に達する前に破損する確率が５０％であることを意味する。

本発明による方法は次に、燃焼室１４に対応して配置した１つ又はそれ以上のプローブ３０を用いて、燃焼室１４自体内で圧力振動の振幅をリアルタイムで直接測定するための一連の試験を想定している。測定値は、「累積応力」すなわち各有意な振幅レベルにわたる経過時間の量を決定するために用いられる。すでに経過した疲労ライフサイクルは、振幅及び疲労ライフサイクルの相対消費量の全てを考慮した有名なパルムグレン−マイナー則（Ｐａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ）によって算出される。

以下で説明する累積損傷Ｄが特定の所定値を超えると、タービンを停止するように指令が与えられ、プラントの検査が行われる。このようにして、疲労サイクルの全振幅の寄与全てを考慮して、残存疲労ライフサイクルの正確な推定を得ることができる。

実施面で、本発明による方法の適用実施例によると、燃焼室１４の挙動は、燃焼室１４を形成した特定の材料及び４００Ｈｚの燃焼周波数についてのＷｏｈｌｅｒ曲線を作成することによって、疲労条件下で評価される。ピークからピークの４つの異なる振幅レベルについて４つの点が特定され、これによって以下のデータに基づいてＷｏｈｌｅｒ曲線図を作成することが可能になる（図２）。

タービンの疲労条件下で機能した間における燃焼室１４への累積損傷Ｄを測定するために、Ｐａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒ仮説が用いられ、これは、あらゆる張力レベルにおける損傷の割合が、機能サイクル数とその張力レベルに対して降伏を生じることになるサイクル総数との間の比率に正比例することを表しており、すなわち

であり、ここで、項Ｄは累積損傷を表し、項Ｎ_ｉは残存寿命を表しかつＷｏｈｌｅｒ曲線から導き出され、また項ｎ_ｉは測定される。ｋは振幅レベル数を示し、Ｎ_ｉはｉ番目レベルの振幅において破損に達するのに必要なサイクル数であり、またｎ_ｉはｉ番目レベルの振幅において経過したサイクル数である。

図２に示す値は、図３のグラフに見ることができるように、サイクル値及び振幅値の指数回帰で近似させて、以下の派生関数、すなわち
Ｆ（ｘ）：＝６．６５１・ｅｘｐ（−１．５８３・１０^−６・ｘ）＋１．８３９
を得ることができる。

Ｎ_ｉの値を決定するためには、逆関数、すなわち、
ｙ＝６．６５１・ｅｘｐ（１．５８３・１０^６・ｘ）＋１．８３９ｓｏｌｖｅ，ｘ→（６３１７１１．９３９３５５６５３８２１８６）・ｌｎ（．１５０３５３３３０３２６２６６７２６８１・ｙ−．２７６４９９７７４４７０００４５１０６０）
ｇ（ｙ）：＝（６３１７１１．９３９３５５６５３８２１８６）・ｌｎ（．１５０３５３３３０３２６２６６７２６８１・ｙ−．２７６４９９７７４４７０００４５１０６０）、
を算出することが必要である。

従って、考慮した異なる振幅についてのサイクルに関して残存寿命を表すベクトルが生成される。

従って、燃焼室１４の残存寿命は、Ｐａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒ仮説によって得られたＮ_ｉの値を含むベクトルによって表される。この点で、例えば２ｐｓｉと３ｐｓｉとの圧力値に等しいなどの２つの連続する振幅レベルｉとｉ＋１との間で経過した時間を計器で測定する。その時、測定した時間間隔は、ｉ番目の振幅レベルによるものであり、４００Ｈｚを乗算して（ｉ＋１）番目のレベルにおけるｎ_ｉの値を得る。ｎ_ｉをＮ_ｉで除算しかつ合計することによって、累積損傷Ｄの値が最終的に得られる。

累積損傷Ｄには、０．１に等しい閾値が設定される。Ｄがこの閾値を超えると、タービンは拡散火炎動作条件下、すなわち燃焼室１４内は低圧力振動レベルであるが汚染物質エミッションがより多い状態で機能する動作タイプに置かれる。

好ましい適用実施例によると、タービンの制御ソフトウェアは、前に明らかにした残存寿命ベクトルを離散化する必要なしに、残存寿命の算出のための連続関数ｇ（ｙ）を直接用いることができる。

従って、本発明によるガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法は、本方法が、燃焼室の残存疲労寿命の正確な評価によりタービンの性能を改善するのを可能にして、厳密に必要な場合にのみ特有の防護措置を行うことを可能にするので、前に詳述した目的を達成することが理解できるであろう。

このように着想した本発明によるガスタービンの燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法は、あらゆる場合において、それら全てが同じ発明概念に含まれる多数の修正及び変更を行うことができる。従って、本発明の保護範囲は、提出した特許請求の範囲によって定まる。

本発明による燃焼室の圧力ダイナミックスを制御しかつそのライフサイクルを推定する方法を適用することが可能であるガスタービンの概略図。 測定した一定の応力サイクル数を特定の振幅値と関連付けた図表。 図２の値と指数回帰によってそれら値を近似させることによって取得した関数との間の比較を示す図表。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ 入口ダクト
１４ 燃焼室
１６ 供給ダクト
１８ ダクト
２０ タービン
２２ 発電機
２４ シャフト
２６ シャフト
２８ 出口ダクト
３０ プローブ

Claims (4)

1. 入口ダクト（１２）を通してその中に導入された空気を加圧することができる少なくとも１つの圧縮機（１０）と、前記加圧空気を供給ダクト（１６）から流入した気体燃料と混合する少なくとも１つの燃焼室（１４）と、前記燃焼室（１４）から流入した気体のエネルギーを１つ又はそれ以上の作業機械（２２）を作動させるために利用可能な仕事エネルギーに変換することができる少なくとも１つのタービン（２０）とを含む形式のガスタービンにおける燃焼を制御する方法であって、
   前記燃焼室（１４）に対応して配置した１つ又はそれ以上のプローブ（３０）によって、該燃焼室（１４）内の圧力振動の振幅及び前記圧力振動の持続時間又はサイクルを測定する段階と、
   前記燃焼室（１４）を形成した特定の材料、所定の燃焼周波数、並びに前記測定圧力振動の振幅及びサイクル値についてのヴェーラー曲線を作成することによって、該燃焼室（１４）の疲労条件下における挙動を評価する段階と、
   前記タービンの疲労条件下で機能した間における前記燃焼室（１４）への累積損傷（Ｄ）を下記に定義したパルムグレン−マイナー則
   

   

   ここで、
   Ｄ＝累積損傷
   ｋ＝振幅レベル数
   Ｎ_ｉ＝前記Ｗｏｈｌｅｒ曲線から導き出したｉ番目レベルの振幅において破損に達するのに必要なサイクル数
   ｎ_ｉ＝ｉ番目レベルの振幅において経過したサイクル数、
   によって測定する段階と、
   前記測定した累積損傷値（Ｄ）が超過した場合に、前記タービンの防護措置を行う段階と、
   を含む方法。
2. 前記測定したサイクル値及び振幅値を、指数回帰ｆ（ｘ）で近似させる段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記サイクル数（Ｎ_ｉ）を決定するために前記指数回帰ｆ（ｘ）の逆関数ｇ（ｘ）を算出する段階をさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記防護措置を行う段階が、前記タービンを拡散火炎動作条件下に置く段階と、前記燃焼室（１４）内の圧力振動を減少させる段階とを含む、請求項１記載の方法。

Images