JP2012528277A - 増分調整によるガスタービンエンジンの安定化 - Google Patents

Abstract

所定の上限に対するＧＴエンジンの燃焼動力学および放出を測定し、かつ、調整するための自動調整コントローラおよびそれによって実施される調整プロセスが提供される。調整プロセスには、最初に、複数の状態に対する複数の燃焼器の燃焼動力学および放出を監視するステップが含まれている。複数の状態のうちの１つまたは複数が所定の上限を超えたことが決定されると、エンジンのすべての燃焼器の燃料回路への燃料流分割が所定の量だけ調整される。制御システムは、燃焼動力学および／または放出がＧＴエンジンの規定範囲内で動作するようになるまで燃焼動力学の監視を継続し、かつ、所定の量による燃料流分割の帰納的調整を継続する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００９年５月２６日に出願した米国仮出願第６１／１８１２５３号、および２０１０年５月２４日に出願した通常の米国出願第１２／７８６１８９号の優先権を主張するものであり、これらの出願は、いずれも参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンの自動調整に関する。より具体的には、燃焼器内の１つまたは複数の燃料流分割を増分調整することによって、あるいは気体燃料温度を増分調整することによってガスタービンエンジンを自動的に調整するための制御システムを提供するためのプロセスおよびシステムが識別される。

ガスタービンエンジンを運転して機械的な仕事すなわち推力が生成される。具体的には、地上で運転されるガスタービンエンジンは、通常、発電の目的で該ガスタービンエンジンに結合された発電機を有している。ガスタービンエンジンの軸は発電機に結合されている。軸の機械的なエネルギーを使用して発電機が駆動され、それにより少なくとも電力格子に電気が供給される。発電機は、主遮断器を介して電力格子の１つまたは複数のエレメントに接続されている。主遮断器が閉じると、電気の需要がある場合、発電機から電力格子へ電流を流すことができる。発電機から電流を引き出すことによってガスタービンに負荷が印加される。この負荷は、本質的には発電機に印加される抵抗であり、発電機の電気出力を維持するためにガスタービンが打ち勝たなければならない抵抗である。

ガスタービンエンジンの運転を調整するための制御システムの使用が増加している。運転中、制御システムは、圧力、温度、燃料流量およびエンジン振動数を始めとするガスタービンエンジンの現在の運転状態を知らせる複数の指示を受け取る。制御システムは、それに応答して、制御システムのメモリの中に符号化されたルックアップテーブルに照らした複数の指示に基づいてガスタービンエンジンの入力を調整し、それによりガスタービンエンジンの性能を変化させる。この性能は、時と共に、ガスタービンエンジンの機械的な劣化のため、あるいは周囲温度または燃料成分などの運転条件の変化のため、好ましい運転範囲から外れることがある。例えば、ガスタービンエンジンは、規制放出限界を超えた運転で始動することがある。したがって制御システムを更新するためには複数回にわたる手動調整が必要である。手動調整は労働集約的であり、また、この手動調整によって、長時間にわたるガスタービンエンジンの停止時間およびオペレータによる調整運行の誤りなどの業務関連の非能率が生成される可能性がある。さらに、手動調整を利用することができないが（例えば高動力学事象）、ハードウェアに対する潜在的な損傷から保護するためには調整操作を実施することが有利であると思われる特定の時間の窓が存在しているため、これらの窓内における自動調整により、手動調整では通常は達成されない利点が得られる。

本発明によれば、ガスタービンエンジンの運転状態を監視し、かつ、所定の上限を超える状態に応答する新規な方法が提供される。最初に、様々なエンジン運転状態を監視することができる。一例として、これらの運転状態には、それらに限定されないが、放出と、例えばリーンブローアウト（ＬＢＯ）、コールドトーン（ＣＴ）、ホットトーン（ＨＴ）およびスクリーチなどの燃焼器動力学モードとを含むことができる。監視されている運転状態が複数の所定の上限のうちの１つまたは複数を超えると、この状態を調整して運転状態を限界内にするためにエンジンパラメータが変更され、それによりガスタービンエンジンが調整される。

より具体的には、燃焼動力学とも呼ばれている、ガスタービンエンジンの個々の燃焼器内の圧力変動を検出することができる（例えば圧力変換器を利用して）。次に、圧力信号にフーリエ変換を適用し、圧力信号を振幅対周波数のフォーマットに変換することができる。時間フレーム内の所定の周波数帯域における最大振幅を所定の圧力上限すなわち警報レベル限界に対して比較することができる。比較に付随して、最大振幅が圧力上限を超えたことが確認されると、適切な修正アクションが取られる。いくつかの例では、手動で適切なアクションが実施される。他の例では、制御システムによって適切なアクションが実施される。例えば、制御システムは、燃焼器の燃料回路内の１つまたは複数の燃料流分割を変更するプロセスを開始することができる。一例示的実施形態では、一度に１つの燃料流分割が定義済み増分だけ変更される。本明細書において説明されているように、「定義済み増分」という語句は、制限的な意味合いで解釈されることを意味しているのではなく、燃料流分割に対する広範囲にわたる調整を包含することができる。一例では、定義済み増分は、複数の燃料流分割のうちの１つまたは複数に矛盾なく適用される一様な量の調整である。他の例では、定義済み量は、複数の燃料流分割全体にわたって変更される可変量の調整であり、あるいは特定の燃料流分割に対する個々の調整全体にわたって変更される可変量の調整である。この方法で燃料流分割を変更することにより、燃焼器内における燃料と空気の混合が変化し、したがって燃焼特性に影響を及ぼすことになる。燃焼特性に影響が及ぼされると、圧力変動が変化する。

この変化した燃焼動力学振幅は、確立されると、調整された燃料流分割によって振幅が許容可能範囲内に入ったかどうかを検証するためにもう一度所定の上限に対して比較される。振幅が依然として所定の上限を超えている場合、もう一度燃料流分割が定義済み増分だけ調整され、かつ、必要に応じてプロセスが帰納的に繰り返される。有利には、変更は、燃料流分割に対して、矛盾なく、かつ、一様に同じ所定の増分で実施され、それにより、所定の上限を超える毎に増分の個別化された値を計算するための処理時間が節約される。

したがって、自動調整のプロセスの一例示的実施形態では、ガスタービンエンジンを監視し、かつ、制御するための制御システムが提供される。この制御システムは、燃焼器の自動調整に関係するほとんどのプロセスを総合的に管理し、自動調整コントローラと呼ぶことができる。プロセスには、最初に、複数の状態に対する燃焼器の燃焼動力学および放出を監視するステップが含まれている。複数の状態のうちの１つまたは複数が所定の上限を超えたことが決定されると、燃料回路への燃料流分割が所定の量だけ調整される。制御システムすなわち自動調整コントローラは、燃焼動力学が所定の上限未満になるまで燃焼動力学の監視を継続し、かつ、所定の量による燃料流分割の動的調整を継続する。

さらに、自動調整のプロセスの一代替実施形態では、ガスタービンエンジンが監視され、かつ、監視によって回収されたデータに基づいて自動的に調整される。通常、自動調整には、燃焼動力学および放出を好ましい動作範囲内、つまり限界より上／下に維持するために、燃料流分割を上方または下方に増加するステップが含まれている。特に、この代替プロセスには、最初に、監視ステップの間、燃焼器内の圧力信号を検出するステップが含まれている。監視ステップに引き続いて、あるいは監視ステップと同時に、検出された圧力信号にアルゴリズムが適用される。一例では、アルゴリズムを適用するステップには、圧力信号を周波数をベースとするデータすなわちスペクトルに変換するために、圧力信号に対するフーリエ変換を実施するステップが含まれている。周波数をベースとするデータの振幅が、異なる既知の状態に対する所定の上限（振幅）と比較される。周波数をベースとするデータの振幅が、その個々の所定の上限を超えたことが決定されると、燃料流分割の増分調整が実施される。一例では、増分調整は、固定された所定の量で実施される燃料流分割の変更である。この増分調整により、検査されている周波数帯域に応じて、および／または調整されている燃料回路のタイプに応じて燃料流分割を増減することができる。この代替プロセスは、ガスタービンエンジンが提案されている範囲内で動作していることを周波数をベースとするデータが示すまで帰納的に繰り返される。

一例では、この代替プロセスが多数回にわたって帰納的に繰り返され、それにより特定の燃料回路に対する燃料流分割が最大許容可能値に到達すると、第２の燃料回路に影響を及ぼす第２の燃料流分割を定義済みの固定量だけ調整することができる。測定された、周波数をベースとするデータが、ガスタービンエンジンが提案されている範囲内で動作していることを示している場合、この代替プロセスは完結する。そうではない場合、周波数をベースとするデータの振幅が許容可能レベルになるか、あるいは第２の燃料流分割の最大許容可能値に到達するまで、第２の燃料流分割が同じ定義済み固定量によって帰納的に調整される。実施形態では、定義済み固定量は、監視されている燃料流分割、特定の燃料流分割に適用された増分調整の回数、または燃料流分割の調整に影響を及ぼす他の条件あるいはパラメータに基づいて変更することができる。

他の例では、この代替プロセスが多数回にわたって帰納的に繰り返され、それにより特定の燃料回路に対する燃料流分割が最大許容可能値に到達すると、燃料流分割の増分調整が停止される。増分調整が停止されると、ガス温度を調整することによってガスタービンエンジンを特定の性能範囲内で運転することができる。ガス温度を調整してもガスタービンエンジンを適切に調整することができない場合、警報指示がオペレータに知らされる。この警報指示は、コンソール、ページャ、移動デバイス、あるいは電子メッセージを受け取り、かつ、オペレータに通知を中継するように適合された他の技術に知らせることができる。オペレータには、燃料ガス温度を高くするオプション、あるいはエンジン着火温度を高くするオプションを付与することができる。このオプションが選択されると、自動調整コントローラは、これらのパラメータのいずれかを増分調整し、かつ、ユニットがコンプライアンス状態になるか、あるいは最大限界に到達するまでこのプロセスを繰り返すことになる。このプロセスがうまくいかない場合、ガスタービンエンジンを提案されている範囲内で運転するための自動調整に失敗したこと、および調整の完了に先立って燃焼器または制御システムに対する手動調整が推奨されることを知らせる警報指示をオペレータに発することができる。

本発明の追加利点および特徴は、その一部は以下の説明の中で説明されており、また、一部は、以下を調査することによって当業者には明らかになり、あるいは本発明を実践することによって学習することができる。以下、本発明について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

以下、本発明について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態に使用するために適した一例示的調整環境のブロック図である。 本発明の一実施形態による、燃料リッチ状態に対する推奨燃料流分割調整を示す一例示的図表である。 本発明の一実施形態による、２つの噴射ポートを備えた燃焼器に対する推奨燃料流分割調整を示す一例示的図表である。 本発明の一実施形態による、燃焼器から測値を収集するステップと、測値に基づいて燃料流分割を変更するステップとを含む調整プロセスを実施するために自動調整コントローラを使用するための方法全体の流れ図である。

本発明の主題は、本明細書においては、法令で定められた要求事項に合致するための特性を使用して説明されている。しかしながら説明自体には本特許の範囲を制限することは意図されていない。それどころか、本発明者らは、特許請求されている主題は、本文書の中で説明されているコンポーネント、コンポーネントの組合せ、ステップまたはステップの組合せと類似した異なるコンポーネント、コンポーネントの組合せ、ステップまたはステップの組合せを他の現在または将来の技術と共に含むために、他の方法で具体化することも可能であることを企図している。

当業者には理解されるように、本発明の実施形態は、とりわけ方法、システムまたはコンピュータプログラム製品として具体化することができる。したがってこれらの実施形態は、ハードウェア実施形態、ソフトウェア実施形態またはソフトウェアとハードウェアを組み合わせた実施形態の形態を取ることができる。一実施形態では、本発明は、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体上に具体化されたコンピュータ使用可能命令を含んだコンピュータプログラム製品の形態を取っている。

コンピュータ可読媒体には、揮発性および不揮発性の両方の媒体、取外し可能媒体および非取外し可能媒体が含まれており、また、データベースによる読み出しが可能な媒体、スイッチおよび様々な他のネットワークデバイスが企図されている。ネットワークスイッチ、ルータおよび関連するコンポーネントは、コンピュータ可読媒体と通信する手段であるため、その性質は従来通りである。非制限の一例として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体および通信媒体を備えている。

コンピュータ記憶媒体または機械可読媒体には、情報を記憶するための任意の方法または技術で実施された媒体が含まれている。記憶される情報の例には、コンピュータ使用可能命令、データ構造、プログラムモジュールおよび他のデータ表現が含まれている。コンピュータ記憶媒体には、それらに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、ディジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、ホログラフィック媒体または他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置および他の磁気記憶デバイスが含まれている。これらのメモリコンポーネントは、瞬時に、一時的に、あるいは永久的にデータを記憶することができる。

通信媒体は、通常、データ構造およびプログラムモジュールを含んだコンピュータ使用可能命令を変調データ信号の中に記憶している。「変調データ信号」という用語は、情報を信号の中に符号化するために設定または変更されたその複数の特性のうちの１つまたは複数を有する伝搬信号を意味している。一例示的変調データ信号には、搬送波または他の輸送機構が含まれている。通信媒体には、任意の情報引渡し媒体が含まれている。非制限の一例として、通信媒体には、配線式ネットワークあるいは直接配線接続などの有線媒体、および音響、赤外線、無線、マイクロ波、拡散スペクトルなどの無線媒体、ならびに他の無線媒体技術が含まれている。これらの組合せは、コンピュータ可読媒体の範囲内である。

上で説明したように、本発明の実施形態は、一般に、ガスタービンエンジンの自動調整に関している。図１を参照すると、図に示されているガスタービンエンジン１１０には複数の燃焼器１１５が含まれている。一般に、論考用として、ガスタービン（ＧＴ）エンジン１１０は、任意の低放出燃焼器を含むことができる。一例では、これらの低放出燃焼器は、ＧＴエンジン１１０の周りに缶−環状構成で配置することができる。ＧＴエンジンの１つのタイプ（例えば大型ＧＴエンジン）は、通常、それには限定されないが、６個ないし１８個の個別燃焼器を備えることができ、それらの各々に燃焼器ライナ、エンドカバーおよびケーシングが取り付けられている。他のタイプのＧＴエンジン（例えば小型ＧＴエンジン）は、より少ない燃焼器を備えることができる。したがってＧＴエンジンのタイプに基づいて、ＧＴエンジン１１０を運転するために利用されるいくつかの異なる燃料回路を存在させることができる。さらに、ＧＴエンジン１１０に取り付けられた複数の燃焼器１１５の各々に対応する個別の燃料回路を存在させることも可能である。したがって、自動調整コントローラ１５０および自動調整コントローラ１５０によって実行される調整プロセス（図４の参照数表示４００参照）は、ＧＴエンジンの任意の数の構成に適用することができること、また、以下で説明するＧＴエンジンのタイプを本発明の範囲を制限するものとして解釈してはならないことを認識し、かつ、理解されたい。

上で論じたように、複数の燃焼器１１５（例えば低放出燃焼器）は、場合によっては燃焼器ライナ内の圧力変動のレベルを高くする傾向がある。この圧力変動は「燃焼動力学」と呼ばれている。燃焼動力学は、そのまま放置すると、複数の燃焼器１１５の完全性および寿命に劇的な影響を及ぼす可能性があり、最終的には壊滅的な故障に至ることになる。これらの燃焼動力学は、燃焼器ガス流の燃料流分割を複数の燃焼器１１５内のノズルのいくつかのグループの間で調整することによって和らげることができる。一般に、燃料流分割は、複数の燃焼器１１５の各々に対する共通の調整であり、したがって燃焼器（バーナ）は、個々のバーナレベルでの調整とは異なり、一様に調整される。これらの異なる「燃料流分割」は、燃焼動力学の許容可能レベル（従来は低レベル）が維持され、かつ、それと同時に許容可能放出レベルが促進されることを保証するために時々調整される。許容可能放出レベルは、ＧＴエンジン１１０によって生成される汚染物質の量に関係している。燃料回路毎の燃料流分割を管理しているスケジュールは、通常、ＧＴエンジン１１０の制御システム（図示せず）の中にハードコード化されている。一例では、これらのスケジュールは、とりわけタービン入口基準温度（ＴＩＲＦ）、すなわちＧＴエンジン１１０に対する負荷であってもよい基準の関数である。

いくつかのパラメータは、時と共に燃焼動力学に影響を及ぼすようになる。とりわけ周囲条件の変化および／またはガス組成の変化および／または通常の磨耗は、ＧＴエンジンの運転を劣化させる場合がある。この劣化は、燃焼動力学および放出を許容可能限界内に維持するための燃焼器の定期的な「再調整」を余儀なくしている。本明細書において論じているように、図１の自動調整制御システムすなわち自動調整コントローラ１５０を使用して、燃焼動力学、空気流、燃料流、放出および圧力分布などのパラメータの点からＧＴエンジン１１０および複数の燃焼器１１５の状態が評価される。これらのパラメータに基づいて、圧力パルスの振幅が所定の上限を超えたことを検出すると設定される警報が解除されるまで燃料流分割を増分調整することにより、適切な燃料流分割に到達する。したがって本発明の実施形態は、燃料流分割の矛盾のない微小な増分変化を使用して燃焼動力学および放出を自動調整することができる自動調整コントローラ１５０および関連する調整プロセスに関している。

自動調整コントローラ１５０によって実施される総合調整プロセスは、このすぐ後で説明するステップのうちの１つまたは複数を含むことができる。最初に複数の燃焼器１１５の様々な構成の圧力信号が監視され、かつ、記録される。記録されたこれらの圧力信号はフーリエ変換を通過し、圧力信号が振幅対周波数データのフォーマットすなわちスペクトルに変換される。次に振幅および周波数が監視され、かつ、振幅が定義済み周波数帯域毎に所定の上限と比較される。所定の上限は、通常、定義済み周波数帯域に対してポンドパー平方インチ（ｐｓｉ）の形で定義される。しかしながら、他の例では、他のタイプのデバイスを使用して燃焼器１１５の性能が測定される場合（例えば加速度計）、他の表現または単位で所定の上限を表すことができる。周波数をベースとする振幅のうちの１つまたは複数が所定の周波数帯域に対するその個々の所定の上限を超えたことが決定されると、自動調整コントローラ１５０は、最初にどの燃料流分割を調整するかを決定し、次に特定の周波数帯域に関連する燃料流分割を変更する。燃料流分割に対してなされるこの調整は、定義済みの量で実行される。

一度燃料流分割調整が実施されると、プロセスは何度も繰り返される。つまり、動圧振幅が所定の上限を超えている場合、多数の所定の周波数帯域に対する振幅を監視するステップおよび所定の上限と比較するステップ、ならびに所定の燃料流分割を調整するステップが繰り返される。具体的には、動圧振幅が所定の上限を超えていることが確認されると、燃料流分割に対して同じ所定の調整が実施される。調整プロセスは、必要に応じて、動圧振幅が所定の上限未満になるか、あるいは燃料流分割をそれ以上調整することができなくなるまで繰り返される。

第１の燃料流分割をそれ以上調整することができなくなると、第２の燃料流分割が第２の定義済み割合だけ調整され、かつ、調整プロセスが繰り返されるか、あるいはオペレータに警報指示が発せられる。第２の燃料流分割の調整に関して、調整プロセスは、動圧振幅が所定の上限未満になるか、あるいは第２の燃料分割をそれ以上調整することができなくなるまで繰り返される。第２の燃料流分割をそれ以上調整することができなくなると、第３の燃料流分割が調整され、以下、同様である。

燃料流分割を連続的に繰り返し調整するためのスキームについて、すぐ上で説明したが、当業者には、燃料流分割を調整する他のタイプの適切なスキームを使用することも可能であること、また、本発明の実施形態は、一度に１つの燃料流分割に的を絞ったこれらのスキームに限定されないことを理解し、かつ、認識されたい。例えば調整スキームの一実施形態は、動圧振幅が所定の上限未満になるか、あるいは反復が特定の回数に到達するかのいずれかが最初に生じるまで、第１の燃料流分割を定義済み増分だけ繰り返し調整することができる。反復が特定の回数に到達すると、調整スキームは、動圧振幅が所定の上限未満になるか、あるいは反復が他の特定の回数に到達するかのいずれかが最初に生じるまで、第２の燃料流分割を他の定義済み増分だけ繰り返し調整する。反復が他の特定の回数に到達すると、調整スキームは第１の燃料流分割に戻る。具体的には、調整スキームは、動圧振幅が所定の上限未満になるか、あるいは反復が第３の特定の回数に到達するかのいずれかが最初に生じるまで、もう一度第１の燃料流分割を定義済み増分だけ繰り返し調整する。次に、調整スキームは、調整のために第２の燃料流分割に戻るか、あるいは第３の燃料流分割に戻ることができる。

次に、調整プロセスの一例示的実施形態について、図１および４を参照して詳細に説明する。最初に、図１は、本発明の実施形態に使用するために適した一例示的調整環境１００を示したものである。この例示的調整環境１００には、自動調整コントローラ１５０、計算デバイス１４０およびＧＴエンジン１１０が含まれている。自動調整コントローラ１００には、データ記憶装置１３５が含まれており、また、収集コンポーネント１３１、処理コンポーネント１３２および調整コンポーネント１３３の実行をサポートする処理ユニット１３０が含まれている。通常、処理ユニット１３０は、何らかの形態の計算ユニット（例えば中央処理装置、マイクロプロセッサ、等々）として具体化され、その上で走る１つまたは複数のコンポーネント１３１、１３２および１３３の動作をサポートする。本明細書において利用されているように、「処理ユニット」という語句は、一般に、処理能力および記憶メモリを備えた、ソフトウェア、アプリケーションおよびコンピュータプログラムの実行の基礎をなしている動作ソフトウェアをサポートする専用計算デバイスを意味している。一例では、処理ユニット１３０は、コンピュータと一体であるか、あるいはコンピュータに動作可能に結合される有形ハードウェアエレメントすなわちマシンを使用して構成されている。他の例では、処理ユニットは、コンピュータ可読媒体（上で論じた）に結合されたプロセッサ（図示せず）を包含することができる。通常、コンピュータ可読媒体には、プロセッサによる実行が可能な複数のコンピュータソフトウェアコンポーネントが少なくとも一時的に記憶される。本明細書において利用されているように、「プロセッサ」という用語は、制限的であることを意味しているのではなく、計算能力内で作用する処理ユニットの任意のエレメントを包含することができる。このような能力内では、プロセッサは、命令を処理する有形物品として構成することができる。一例示的実施形態では、処理には、フェッチステップ、復号ステップ／翻訳ステップ、実行ステップおよび命令ライトバックステップ（例えば動画パターンのアニメーションを提供することによる物理的ジェスチャーの復元）を含むことができる。

さらに、自動調整コントローラ１００は、データ記憶装置１３５を備えている。通常、データ記憶装置１３５は、調整プロセスに関連する情報またはＧＴエンジン１００を監視する際に生成されるデータを記憶するように構成される。様々な実施形態では、このような情報は、それには限定されないが、ＧＴエンジン１１０に結合されているセンサ１２０によって提供される測定データ（例えば測値１２１、１２２、１２３および１２４）を含むことができる。さらに、データ記憶装置１３５は、記憶されている情報の適切なアクセスのために探索可能であるように構成することも可能である。例えば、データ記憶装置１３５は、どの燃料流分割を増分するかを決定するために、測定された動圧振幅を対応する所定の上限と比較する際にスケジュールを探索することができる。データ記憶装置１３５に記憶される情報は、構成が可能であり、また、調整プロセスに関連する任意の情報を含むことができることは、理解および認識されよう。このような情報の内容および量には、本発明の実施形態の範囲を制限することは一切意図されていない。

実施形態では、自動調整コントローラ１００は、ルックアップテーブルを記録する（例えば図１のデータ記憶装置１３５を利用して）。これらのルックアップテーブルは、ＧＴエンジンおよびＧＴエンジンに取り付けられた燃焼器の運転状態に関連する様々な情報を含むことができる。一例として、ルックアップテーブルは、有効運転の外部限界を画定する、提案された許容範囲帯域を有する運転曲線を含むことができる。ＧＴエンジンを自動的に調整するプロセスを実施する際に、調整プロセスの状況を運転曲線中に記録するように自動調整コントローラを自動的に再プログラムすることができる。つまり、調整プロセス中における発生事象および調整プロセスによる結果を反映するために、ルックアップテーブル中の運転曲線が変更される。有利には、次の調整手順の間、変更された運転曲線にアクセスすることができ、したがって後続する個々の調整をより有効にすることができる（例えば状態を所定の上限未満にするために必要な燃料流調整増分の回数を少なくすることができる）。この方法によれば、一度に１つのパラメータの増分調整を介してルックアップテーブル（例えば運転行列）を自動的に展開することができる。増分調整は運転曲線の中に記憶されるため、自動調整コントローラは、任意の特定の運転システムのための最適調整性能を学習する。したがって必要な調整の量が著しく低減され、これは、場合によっては安定点がまれにしか生じない自動格子制御（ＡＧＣ）上のユニットにとっては有利であり、あるいは燃料特性または周囲条件の突然の周期的変動に遭遇するユニットにとっては有利である。

燃料流分割の調節による調整によって放出警報または動力学警報を解除することができないいくつかの実施形態では、増分バイアスを供給して、上記セクションで識別された最適コンプライアンス外れ分割調整点から燃料温度を調整することができる。しかしながら、燃料温度を操作する能力が欠如しているか、あるいはその能力が限られているために燃料温度の増分バイアス化がオプションではなく、かつ、ユニットが警報モードを維持している場合、ＧＴデバイスの着火曲線の調整を許容する要求を発することができる。オペレータの要求が許可されると、上記セクションで説明した最適コンプライアンス外れ点で既存のユニット着火曲線に増分着火温度バイアスが提供される。

次に、自動調整コントローラ１００上に記憶されているルックアップテーブルをさらに参照して、ルックアップテーブル構成の変形形態について説明する。一例では、分割対ＴＩＲＦすなわち負荷をグラフにした多数のルックアップテーブルが提供される。これらのルックアップテーブルの各々は、多数の周囲温度およびガスパラメータの組合せに関連している。「ガスパラメータ」は、ガスの組成および性質の特性であり、公称初期値と比較すると、相対値として実施することができる。調整は、安定したＴＩＲＦすなわち負荷で実施される。警報レベルまたは放出レベルを超えたために増分バイアス調整が必要になると、アルゴリズムは、必ず、ユニットがどの周囲温度およびガスパラメータファミリーで動作しているかを最初に決定し、次に、どの燃料分割をどの方向に変更するかを決定する。次に、所望のバイアス増分（上方または下方）および現在のＴＩＲＦすなわち負荷が記録される。アルゴリズムは、次に、記録されている周囲温度およびガスパラメータに基づいて、修正すべきテーブルを決定する。画定されると、アルゴリズムは、分割対ＴＩＲＦグラフ中のどの点がＴＩＲＦの現在値の範囲を確定しているかを決定する。これらの２つの点が識別されると、その２つの点に対するバイアス値が増分修正され（上方または下方）、正しいルックアップテーブルに増分が記憶される。

さらに、例示的調整環境１００には計算デバイス１４０が含まれており、この計算デバイス１４０は、ＧＴエンジン１００の自動調整に失敗したことをオペレータに警告するユーザインタフェース（ＵＩ）表示１５５を表示するための表示デバイス１４５に動作可能に結合されている。図１に示されている計算デバイス１４０は、様々なタイプの計算デバイスの形態を取ることができる。単なる非制限の一例として、計算デバイス１４５は、パーソナルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ハンドヘルドデバイス、消費者電子デバイス（例えばページャ）、ハンドヘルドデバイス（例えばパーソナル・ディジタル・アシスタント）、様々なサーバ、等々であってもよい。しかしながら、本発明はこのような計算デバイス上の実施態様に限定されず、本発明の実施形態の範囲内で、任意の様々な異なるタイプの計算デバイス上で実施することができることに留意されたい。

次に、図４を参照して、調整プロセス２００について、図１の例示的調整環境１００に照らして論じる。図４は、概ね、本発明の一実施形態による、複数の燃焼器１１５から測値を収集するステップと、測値に基づいて燃料流分割を変更するステップとを含む調整プロセスを実施するために図１の自動調整コントローラ１５０を使用するための総合方法４００の流れ図である。この総合方法４００には、最初に、ＧＴエンジン１００の燃焼動力学を示すデータを監視するステップが含まれている。一実施形態では、測定データを収集コンポーネント１３１に送るセンサ１２０（例えば圧力変換器）を使用して、燃焼動力学１２２が複数の燃焼器１１５の各々に対して測定される。他の実施形態では、センサ１２０は、ＧＴエンジン１００から検出される放出１２１を送る。さらに他の実施形態では、ＧＴエンジン１１０から収集される測定データには、それらに限定されないが、ＧＴパラメータ１２３およびガスマニホルド圧力１２４を含むことができる。

いくつかの例では、ＧＴエンジン１００から収集されたデータが正規化される。例えば、センサ１２０は、複数の燃焼器１１５の各々の圧力変動を検出し、かつ、これらの変動を燃焼動力学１２２として報告する圧力変換器として構成することができる。変動は、一定の時間期間にわたって測定し、収集コンポーネント１３１に圧力可変性の回転平均の形態で送ることができる。

総合方法４３０のステップ４３０は、測定データを振幅対周波数のフォーマットに変換するために（図１の処理コンポーネント１３２を利用して）、そのデータをフーリエ変換または他の適切なアルゴリズムに通すことに関係している。この振幅対周波数のフォーマットは、グラフ、図表あるいは行列などの様々な構成で取得することができ、以下、「スペクトル」と呼ぶ。一例では、振幅対周波数のフォーマットが行列の構成で取得される場合、その行列には、燃焼器識別、周波数および振幅の値のカテゴリを含むことができる。

実施形態では、スペクトルを周波数範囲で分割すること、つまり多数の周波数帯域に離散化することができ、個々の帯域は、振幅に関して独自の所定の上限を有している。スペクトルは、任意の数の周波数帯域に離散化することができる。一例では、スペクトルは、調整されているＧＴエンジン１００のタイプに基づいて４〜６個の周波数帯域つまり窓に離散化され、個々の周波数帯域は異なるパラメータを表している。運転中、特定の周波数帯域に対する所定の上限（つまり警報レベル限界）を超えると、スケジュールは、自動調整コントローラ１５０に、変更する燃料流分割および調整すべき方向（上方または下方）を指示する。通常、変更する適切な燃料流分割および適切な調整方法は、処理されている測定データのタイプ（例えば燃焼器動力学または放出レベル）、および処理されている測定データの性質（例えば燃焼器動力学トーン、ＮＯｘまたはＣｏなどの放出のタイプ）に基づいて選択される。

ステップ４４０で、個々の周波数帯域内の最大動圧振幅が識別される。この最大動圧振幅は、これらの周波数帯域のうちの１つまたは複数の周波数帯域内の測定データ（燃焼動力学１２２）の等級毎に最大動圧振幅を選択することによって決定することができる。所定の上限（つまり警報限界レベル）および個々の周波数帯域から引き出された最大動圧振幅は、いずれもポンドパー平方インチ（ｐｓｉ）の形で測定される。

ステップ４５０に示されているように、識別された最大動圧振幅が適切な所定の上限に対して比較される。（範囲外の最大周波数を比較し、あるいは対処するための特定の優先順序は存在していない）。この所定の上限は、評価されている測定データおよび／または調整されている燃料回路のタイプに基づいていてもよい。比較されると、ステップ４６０に示されているように、最大動圧振幅が所定の上限を超えているかどうか決定される。最大動圧振幅が所定の上限を超えておらず、それによって、ＧＴエンジン１００が特定の測定データに対して提案されている範囲内で動作している場合、調整プロセスは他の状態へ移動する。つまり、調整プロセスは、ステップ４７０に示されているように、他のセットの測定データの監視および評価へ進行する。説明用として、動圧振幅のみが一連の周波数ビンの中で監視される。他のパラメータは、周波数ビンの関数ではなく、依然として最大調整限界に影響される。

しかしながら、最大動圧振幅が所定の上限を超えると、調整のために燃料流分割が選択される。これは、図４のステップ４８０に示されている。上で論じたように、適切な燃料流分割は、図２および３を参照して以下でより完全に論じるようにスケジュールによって選択される。この選択された燃料流分割は、次に、ステップ４９０に示されているように、予め規定された量だけ増分調整される。燃料流分割の増分調整は、ＧＴエンジン１００に取り付けられている複数の燃焼器１１５のうちの少なくとも１つに増分バイアス調整１６０を伝達している、図１の調整コンポーネント１３３によって達成することができる。一実施形態では、燃焼器１１５上の自動弁が、到来する増分バイアス調整１６０を認識すると、それに応答して対象燃料回路に対する燃料流分割を調整する。

この定義済みの量は、通常、試験経験および燃焼器識別（行列によって提供される）に基づいている。一例では、増分調整の定義済み量は、噴射ポート間の燃料流分割の０．２５％調整である。したがって燃料流分割を上方または下方に予め規定された量だけ増すことにより、噴射点を介した燃料流分布のパターンが変更される。しかしながら、燃料流分割を変更しても、燃料回路への総燃料流は、通常、一定に保持される。

自動調整コントローラ１５０は、増分バイアス調整１６０を適用すると、一定の時間期間を待機した後、ＧＴエンジン１００から抽出したデータを取得し、かつ、処理する。これは、図４のステップ５００に示されている。この一定の時間期間を待機することにより、燃料流分割の調整がＧＴエンジン１００を調整するのに十分であったかどうかを決定するためのチェックの前に、ＧＴエンジン１００が確実に安定する。実施形態では、調整と調整の間で待機される時間期間は、処理されているパラメータすなわち測定データのタイプに基づいて変更することができる。例えば、燃焼動力学を安定させるために必要な時間期間は、放出を安定させるために必要な時間期間より短くすることができる。

ステップ５１０で、増分の最大回数に到達したかどうかを確認するための決定が実施される。燃料流分割を調整することができる増分の最大回数に到達していない場合は、プロセスを何度も繰り返すことができる。したがって、さらに増分調整が必要であることを比較ステップ４５０が示している場合、少なくとももう１回燃料流分割を調整することができる。しかしながら、燃料流分割を調整することができる増分の最大回数に到達していない場合、他の燃料流分割を（スケジュールによって決定されるように）調整することができ、あるいはオペレータに警報が発せられる。これは、ステップ５２０に示されている。一実施形態では、警報インジケータ１８０が処理コンポーネント１３２によって計算デバイス１４０に送られる。オペレータは、この警報に応答して、ＧＴエンジン１００を手動で調整するためのアクションを取るか、あるいはＧＴエンジン１００を保守するために技術者とコンタクトを取ることができる。

いくつかの実施形態では、オペレータに警報を発するアクションは、スケジュールに命じられて取られる最初のアクションである。つまり、特定のパラメータに対する測定データが、そのデータをフーリエ変換を介して処理する際に対応する所定の上限を超えると、取られる最初のアクションは、燃料流分割を増分調整する場合とは異なり、相違していることをオペレータに通知することである。

他の実施形態は、コンプライアンス運転で達成するために、オペレータが自動調整コントローラ１５０に燃料ガス温度および／または着火温度を増分調整させることを許容している。

次に図２を参照すると、本発明の一実施形態による、燃料リッチ状態に対する推奨燃料流分割調整を示す一例示的図表２００すなわちスケジュールが提供されている。図に示されているように、図表２００には、調整されているＧＴエンジンによって消費されている燃料のタイプの表示２１０が含まれている。さらに、この図表には、監視されている状態をリストにした列２２０が含まれている。この例示的図表２００には、監視されている４つの状態が存在しており、それらはパラメータＡ〜Ｄである。この例では４つの状態が監視されているが、ＧＴエンジンを自動調整するために任意の数の状態を観察することができるため、この監視される状態の数を制限するものとして解釈してはならない。通常、パラメータＡ〜Ｄは、圧力変換器、放出試験デバイス、加速度計を使用して測定される特定の状態、およびＧＴエンジンの運転を監視することができる他の項目を表すことができる。一例として、パラメータＡはリーンブローアウト（ＬＢＯ）を表すことができ、パラメータＢ２２１はコールドトーン（ＣＴ）を表すことができ、パラメータＣはホットトーン（ＨＴ）を表すことができ、また、パラメータＤは窒素酸化物（ＮＯｘ）を表すことができる。したがって、この例では、パラメータＡ〜Ｃは圧力データに関連しており、一方、パラメータＤはガス組成に関連している。通常、ガス組成は、放出（例えばＣＯおよびＮＯｘ）の濃度レベルを監視することによって決定される。上で説明した増分調整と同様の増分調整を使用した調整プロセスを、放出を含む状態と関連して使用することができる。

パラメータＡ〜Ｄの各々は、調整プロセスの間、自動的に監視される。さらに、調整プロセス中に監視されるデータは、状態毎に最大振幅を決定するために、フーリエ変換を介して処理される。これらの状態に対する最大振幅のいずれかが、それぞれパラメータＡ〜Ｄの各々に対してマップされた個々の所定の限界を超えるか、あるいは限界未満になると、アクション２３０が実施される。

一例として、パラメータＢ２２１（例えばＣＴ状態）に対する最大振幅が、パラメータＢ２２１にマップされた個々の所定の上限を超えると、アクション２３１、２３２および２３３が順序２５０に基づいて実施される。具体的には、パラメータＢ２２１に対する最大動圧振幅が所定の上限を超えると、順序２５０によって示されているように、分割２ ２３２が最初に増分量だけ増加される。次に、その燃料流分割に対する調整の最大回数に到達するまで分割２ ２３２が増分量だけ帰納的に増加されると、分割１ ２３１が低減される。次に、分割１ ２３１の調整で効果がない場合、分割３ ２３３が実施される。最後に、分割３ ２３３の調整でも最大周波数振幅を所定の上限未満にするのに効果がない場合、オペレータに警報が発せられる。関連する分野では認識されるように、上記例示的方法は、７ＦＡエンジンなどの特定のエンジンを自動調整するためのプロセスの単なる一例にすぎず、他のエンジンを自動調整するための、様々な監視パラメータおよび様々な燃料流分割を含んだ様々な方法が存在している。

所定の上限を超過していることに照らして取られるアクションを選択するためのスケジュール（例えば図表２００）の単一の構成について説明したが、当業者には、系統立てられた階層構造のアクションを提供する他のタイプの適切なスケジュールを使用することも可能であること、また、本発明の実施形態は、本明細書において説明されているスケジュールの状態およびアクションに限定されないことを理解し、かつ、認識されたい。さらに、自動調整コントローラは、様々な燃焼システムと共に使用することができることに留意されたい。したがって本発明は３つの燃料分割調整のみに限定されない。燃料ノズルおよび燃料流分割の正確な量は、調整されている燃焼器の構成およびＧＴエンジンのタイプに応じて変更することができる。したがって異なる燃焼システムに対しては、本発明の本質を逸脱することなく、調整点の数を本開示で説明されている調整点の数より多くすることも、あるいは少なくすることも可能である。

さらに、図表２００には、燃料流分割に対する、様々な監視状態に対する複数の周波数帯域に応答した調整が示されている。複数の周波数がそれらの個々の所定の上限を超える場合、最初に対処すべき周波数の決定に際して、自動調整コントローラによっては好み付けまたは優先順位付けはなされない。しかしながら、他の例では、対処する周波数の順序を決定するために、図１の自動調整コントローラ１５０によっていくつかの優先指標が利用される。

図３を参照すると、本発明の一実施形態による、２つの噴射ポートを備えた燃焼器に対する推奨燃料流分割調整３２０を示す一例示的図表３００が示されている。２つの噴射ポートしか提供されていないため、存在しているのは、提供されている噴射ポート間の燃料分布を調整することができる１つの燃料流分割のみである。さらに、この例では調整されているＧＴエンジンの２つの状態３１０が測定される。これらの状態３１０は、パラメータＡおよびパラメータＢによって示されている。パラメータＡまたはＢのいずれかが対応する所定の上限を超えると、スケジュールは、取るべきどちらかの燃料流分割調整３２０を指示する。指示された燃料流分割を最大推奨回数だけ調整してもＧＴエンジンが正規の運転範囲には入らない場合、次のステップには、オペレータに警報を発するステップまたは自動的に技術者をコールするステップが含まれる。

自動調整を現在の調整プロセスと比較すると、自動調整から生じる様々な利点を認識することができる。つまり、本発明の調整プロセスは自動的に実施することができるため、手動調整の欠点が克服される。例えば、自動調整は、迅速、かつ、頻繁に実施することができ、そのため、手動調整の前に生じ得る劣化を実質的に防止する。さらに、頻繁な調整により、過剰汚染物質が減少し／より少ない放出が促進され、その一方でエンジン寿命が改善される。

本発明について、あらゆる点で、本発明を制限するのではなく、本発明を説明することが意図された特定の実施形態に関連して説明した。当業者には、本発明の範囲を逸脱することなく本発明に関連する代替実施形態が明らかになるであろう。

以上から、本発明は、本システムおよび方法に固有の明らかな他の利点と相俟って、上で示したすべての目的および目標を達成するために良好に適合された発明であることが分かるであろう。特定の特徴および副組合せは、ユーティリティの特徴および副組合せであり、他の特徴および副組合せを参照することなく使用することができることは理解されよう。これは、特許請求の範囲によって企図されており、また、特許請求の範囲内である。

Claims (20)

1. 処理ユニットによって実施される、ガスタービンエンジンの燃焼器を自動的に調整するためのコンピュータ化方法であって、前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数の運転状態を監視するステップと、前記１つまたは複数の運転状態が閾値を超えたかどうかを決定するステップと、前記閾値を超えると燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップとを含み、前記燃料流分割によって前記燃焼器の燃料回路の個々の燃料ノズルへ導かれる総燃料流の一部が管理される方法。
2. 前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数の運転状態を監視するステップが、前記燃焼器の圧力パルスを記録するステップと、前記記録された圧力パルスをフーリエ変換に通して、前記記録された圧力パルスに関連する周波数読値を形成するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記１つまたは複数の運転状態が閾値を超えたかどうかを決定するステップが、前記圧力パルスの最大振幅を少なくとも１つの燃焼器モードに関連する所定の上限に対して比較するステップと、前記最大振幅が前記所定の上限のうちの少なくとも１つを超えたことを検出するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記燃料流分割に対する前記調整によって前記１つまたは複数の運転状態が前記閾値未満に減少したことを検証するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 検証ステップが、前記ガスタービンエンジンの前記運転状態が安定するよう、一定の時間期間の間、休止するステップと、前記燃焼器の前記圧力パルスを再記録するステップと、前記再記録された圧力パルスから引き出される次の最大振幅が前記所定の上限のうちの少なくとも１つを超えているかどうかを決定するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記次の最大振幅が前記所定の上限のうちの少なくとも１つを超えたことが決定されると、前記定義済みの増分による前記燃料流分割の他の調整を実施するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記次の最大振幅が許容可能な運転範囲内に入ったことが決定されると、前記定義済み増分による前記燃料流分割の調整を終了するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップが、前記燃料流分割に一様な量の調整を加えるステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップが、前記燃料流分割に可変量の調整を加えるステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記燃料流分割に対する前記可変量の調整が、前記燃料流分割に対してそれまでになされた定義済み調整の回数、または現在調整中の燃料流分割の識別のうちの少なくとも１つに基づく、請求項９に記載の方法。
11. 前記１つまたは複数の運転状態が前記ガスタービンエンジンの放出を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記１つまたは複数の運転状態が、リーンブローアウト、コールドトーン、ホットトーンおよびスクリーチを含む燃焼器動力学を含む、請求項１に記載の方法。
13. 燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップが、前記閾値を超えた前記１つまたは複数の運転状態の関数として前記燃料流分割の増減を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
14. 燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップが、調整のために選択された前記燃料流分割のタイプの関数として前記燃料流分割の増減を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
15. 調整プロセスを使用することによってガスタービンの燃焼器動力学または放出を自動的に安定させるためのシステムであって、燃焼器の燃料回路の個々の燃料ノズルへ導かれる総燃料流の一部を管理するための燃料流分割を個々に備えた１つまたは複数の燃焼器を含んだガスタービンエンジンと、前記調整プロセスを実行するための自動調整コントローラであって、前記調整プロセスが、前記ガスタービンエンジンから１つまたは複数のパラメータを測定するステップであって、前記１つまたは複数のパラメータが圧力データまたはガス組成のうちの少なくとも１つを表すステップと、それぞれ測定された１つまたは複数のパラメータに対する振幅を引き出すステップと、前記振幅が前記測定された１つまたは複数のパラメータにマップされた定義済み限界を超えたかどうかを決定するステップと、前記定義済み限界を超えると、変更すべき適切な燃料流分割を選択するためにスケジュールにアクセスするステップとを含む自動調整コントローラとを備えるシステム。
16. 変更すべき適切な燃料流分割を選択するためにスケジュールにアクセスするステップが、前記測定された１つまたは複数のパラメータから調整外れパラメータを識別するステップであって、前記調整外れパラメータの引き出される振幅が前記調整外れパラメータにマップされた定義済み限界を超えているステップと、前記調整外れパラメータを使用して前記スケジュールを検査する際に、変更すべき第１の燃料流分割を選択するステップとを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記調整プロセスが、前記第１の燃料流分割を調整するための増分量を決定するために前記スケジュールを利用するステップと、前記第１の燃料流分割を調整するための方向を決定するために前記スケジュールを利用するステップとをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記調整プロセスが、前記第１の燃料流分割を調整する際に、第１の燃料流分割に対して実施する帰納的調整の回数を決定するステップと、前記回数の帰納的調整が許容可能な反復回数に到達すると、スケジュールによって規定されるアクションを取るステップとをさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記スケジュールによって規定される前記アクションが、第２の燃料流分割の調整、オペレータへの警報の発信、燃料ガス温度の調整または着火温度の調整のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
20. コンピュータ実行可能命令によって呼び出されると、ガスタービンエンジンを自動調整するための方法を実行する１つまたは複数のコンピュータ可読媒体であって、前記方法が、前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数の運転状態を監視するステップと、前記１つまたは複数の運転状態が閾値を超えたかどうかを決定するステップと、前記閾値を超えると燃料流分割を定義済み増分だけ調整するステップとを含み、前記燃料流分割によって前記燃焼器の燃料回路の個々の燃料ノズルへ導かれる総燃料流の一部が管理される１つまたは複数のコンピュータ可読媒体。

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