JP2014102065A - 燃焼力学のモード連成を減少させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下流熱ガス経路構成要素の寿命に悪影響を及ぼさずに広範囲の運転レベルにわたって燃焼器の熱力学的効率を高め、炎の安定性を高め、望ましくない放出を減少させる。
【解決手段】燃焼力学のモード連成を減少させるシステムは、複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において燃焼不安定性周波数をディザリングする構造を含んでいる。燃焼力学のモード連成を減少させるために、一定の温度にある圧縮された作動流体を複数の燃焼器に流入させ、複数の燃焼器の各々における燃料噴射器に燃料を流入させ、複数の燃焼器に流入する圧縮された作動流体の温度又は複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流の少なくとも一方をディザリングする。
【選択図】図１

Description

本発明は一般的には、燃焼力学（combustion dynamics）のモード連成を減少させるシステム及び方法に関する。特定的な実施形態では、このシステム及び方法は、ガス・タービン又は他のターボ機械に組み入れられ得る。

燃焼器は、燃料に点火して高温及び高圧を有する燃焼ガスを生成するために産業用運転及び商用運転に広く用いられている。例えば、ガス・タービン及び他のターボ機械は典型的には、出力又は推力を生成するために１又は複数の燃焼器を含んでいる。発電のために用いられる典型的なガス・タービンは、前部に軸流式圧縮機、中間部の周囲に多数の燃焼器、及び後部にタービンを含んでいる。周囲空気が作動流体として圧縮機に流入し、圧縮機は作動流体に運動エネルギを累進的に与えて、高エネルギを与えられた状態にある圧縮された作動流体を生成する。圧縮された作動流体は圧縮機を出て、燃焼器の１又は複数の燃料噴射器を通って流れ、ここで圧縮された作動流体は燃料と混合した後に着火して高温及び高圧を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンに流入し、ここで膨張して仕事を生成する。例えば、タービンでの燃焼ガスの膨張によって、発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を起こすことができる。

様々な要因が燃焼器の設計及び動作に影響を与える。例えば、燃焼ガス温度が高いほど、一般に燃焼器の熱力学的効率が高まる。しかしながら、燃焼ガス温度が高いと、燃料噴射器によって供給されている燃料へ向けて燃焼炎が移行する保炎状態も助長され、相対的に短い時間量で燃料噴射器に対し消耗を促す可能性がある。加えて、燃焼ガス温度が高いと、一般に二原子窒素の解離速度が高まり、窒素酸化物（ＮＯ_X）の生成が増大する。反対に、燃料流の低下及び／又は部分負荷運転（ターンダウン）に関連して燃焼ガス温度が低くなると、一般に燃焼ガスの化学反応速度が低下し、一酸化炭素及び未燃炭化水素の生成が増大する。

特定の動作条件では、同相にありコヒーレント（干渉性）である特定の周波数にある十分な振幅を有する燃焼力学は、タービン及び／又は他の下流構成要素に望ましくない共鳴振動を生じ得る。典型的には、この問題は燃焼器チューニングによって管理される。しかしながら、タービン・バケットを保護するための燃焼器チューニングは、燃焼器の機能及び操作性に厳しい制約を課す場合がある。

２以上の燃焼器の間の周波数関係を変化させると、燃焼システムの干渉性を全体として減少させて、燃焼器同士のあらゆる結合を弱めることができる。本発明の文脈では、干渉性（コヒーレンス）とは二つ（又は２以上）の動的信号の間での線形関係の強さを指し、この干渉性は、信号同士の間の周波数の重なりの程度によって強く影響される。一つの燃焼器での燃焼力学周波数が他の燃焼器のものから遠ざけられるにつれて、燃焼力学のモード連成が減少して、下流構成要素の振動応答を招く燃焼器トーンの能力が低下する。従って、２以上の燃焼器の間の周波数差を変化させることにより燃焼力学のモード連成を減少させるシステム及び方法があれば、下流熱ガス経路構成要素の寿命に悪影響を及ぼさずに広範囲の運転レベルにわたって燃焼器の熱力学的効率を高め、消耗の促進から保護し、炎の安定性を高め、且つ／又は望ましくない放出を減少させるのに有用である。

本発明の観点及び利点は、以下の記載において記述され、又は記載から明らかな場合があり、又は発明の実施を通じて習得され得る。

本発明の一実施形態は、燃焼力学のモード連成を減少させるシステムである。このシステムは、複数の燃焼器と、該複数の燃焼器の各々における少なくとも一つの燃料噴射器とを含んでいる。このシステムはまた、複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において燃焼不安定性周波数をディザリングする手段を含んでいる。

本発明のもう一つの実施形態は、一定の温度にある圧縮された作動流体を生成するように構成されている圧縮機部と、圧縮機部の下流の複数の燃焼器であって、各々の燃焼器が燃料噴射器を含んでいる、複数の燃焼器と、複数の燃焼器の下流のタービン部とを含むガス・タービンである。このガス・タービンはさらに、圧縮機部によって生成される圧縮された作動流体の温度をディザリングする手段を含んでいる。

本発明はまた、燃焼力学のモード連成を減少させる方法を含むことができ、この方法は、一定の温度にある圧縮された作動流体を複数の燃焼器に流入させるステップと、複数の燃焼器の各々における少なくとも一つの燃料噴射器に燃料を流入させるステップとを含んでいる。この方法はさらに、複数の燃焼器に流入する圧縮された作動流体の温度又は複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流の少なくとも一方をディザリングするステップを含んでいる。

当業者は、本明細書を吟味すればかかる実施形態の特徴及び観点他をさらに十分に認められよう。

本発明の最良の態様を含めた本発明の完全で且つ実施可能な当業者に対する開示が、添付図面の参照を含めて本明細書の残部にさらに具体的に記述される。
本発明の様々な実施形態によるガス・タービンの一例の単純化された側面断面図である。 本発明の様々な実施形態による燃焼器の一例の単純化された側面断面図である。 本発明の一実施形態による図２に示すキャップ・アセンブリの上流平面図である。 本発明の代替的な実施形態による図２に示すキャップ・アセンブリの上流平面図である。 本発明の様々な実施形態による圧縮機排出温度をディザリングするシステムの単純化された側面断面図である。 本発明の代替的な各実施形態による燃焼器への燃料をディザリングするシステムの図である。 本発明の様々な実施形態による燃焼システムのモード連成を防ぐ方法の流れ図の一例である。

以下、本発明の各実施形態を詳細に参照し、これらの実施形態の１又は複数の実例を添付図面に示す。詳細な説明は、数値指示及び文字指示を用いて図面の各特徴を参照する。図面及び記載における類似した又は同様の指示は、本発明の類似した又は同様の部材を参照するために用いられている。本書で用いられる「第一」、「第二」及び「第三」との用語は、一つの構成要素を他の構成要素と識別するために互換的に用いられる場合があり、個々の構成要素の位置又は重要性を意味するものではない。また、「上流」、「下流」、「半径方向」、及び「軸方向」との用語は、流体の経路での流体の流れに関して相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。同様に、「半径方向」は、流体の流れに実質的に垂直な相対的方向を指し、「軸方向」は、流体の流れに実質的に平行な相対的方向を指す。

各々の例は、発明の制限のためではなく発明の説明のために掲げられている。実際に、本発明の範囲又は要旨から逸脱することなく本発明に改変及び変形を施し得ることは当業者には明らかとなろう。例えば、一実施形態の一部として図示され又は記載される各特徴を他の実施形態に対して用いて、さらに他の実施形態を得てもよい。このように、本発明は、特許請求の範囲及び均等構成の範囲内にあるような改変及び変形を網羅するものとする。

本発明の様々な実施形態は、燃焼力学のモード連成を減少させるシステム及び方法を含んでいる。このシステム及び方法は一般的には、多数の燃焼器を含んでおり、各々の燃焼器が、燃焼に先立って燃料を圧縮された作動流体と混合するための１又は複数の燃料噴射器を含んでいる。このシステム及び方法はさらに、少なくとも一つの燃焼器において燃焼不安定性周波数をディザリングする手段を含み得る。特定的な実施形態では、この少なくとも一つの燃焼器において燃焼不安定性周波数をディザリングする手段は、圧縮された作動流体の温度をディザリングしてもよいし、且つ／又は１又は複数の燃料噴射器への燃料流をディザリングしてもよい。本書で用いられる「ディザリング（dithering）」との用語は、変調すること又は発振させることを意味し、ディザリングのタイミング及び量は、無作為であっても、予定組み込みであっても、且つ／又は２以上の燃焼器における燃焼不安定性の振幅、位相、干渉性、及び／若しくは周波数の１若しくは複数に応答するものであってもよい。特定的な実施形態では、このシステム及び方法は、圧縮機部に入る作動流体の温度、圧縮機部に入る作動流体の流量、又は圧縮機部を通して再循環させられる圧縮された作動流体の流量の少なくとも一つをディザリングしてよい。代替的に又は加えて、このシステム及び方法は、燃焼器の１又は複数における燃料噴射器の１又は複数への燃料流、燃料流の温度、又は燃料流のウォッベ（Wobbe）指数の少なくとも一つをディザリングしてもよい。結果として、本発明の様々な実施形態は、２以上の燃焼器の間の周波数関係をディザリングして、燃焼システムの干渉性を全体として減少させて燃焼器同士のあらゆる結合を弱めることができる。これにより、下流構成要素の振動応答を招く燃焼器トーンの能力を低下させることができる。本発明の実施形態の各例は説明の目的でガス・タービンにおける燃焼力学の文脈で一般に記載されるが、本発明の各実施形態は任意の燃焼力学に応用されることができ、特許請求の範囲に特に記載されていない限りガス・タービンに限定されないことを当業者は容易に認められよう。

ここで図面を参照すると、各図面を通して同じ参照番号が同じ要素を示しており、図１は、本発明の様々な実施形態を組み入れ得るガス・タービン１０の一例の単純化された側面断面図を掲げる。図示のように、ガス・タービン１０は一般的には、入口部１２、圧縮機部１４、燃焼部１６、タービン部１８、及び排気部２０を含み得る。入口部１２は、ガス・タービン１０に入る作動流体（例えば空気）２８を浄化し、加熱し、冷却し、加湿し、除湿し、且つ／又は他の方法で調整するための一連のフィルタ２２、及び１又は複数の流体調整装置２４を含み得る。浄化されて調整された作動流体２８は、圧縮機部１４の圧縮機３０に流入する。圧縮機ケーシング３２が作動流体２８を収容すると、交互段を成す動翼３４及び静翼３６が作動流体２８を累進的に加速して導き、さらに高温及び高圧にある圧縮された作動流体３８の連続流を生成する。

圧縮された作動流体３８の大部分が圧縮機排出プレナム４０を通って燃焼部１６の１又は複数の燃焼器４２に流入する。各々の燃焼器４２と流体連通している燃料供給４４が燃料を各々の燃焼器４２に供給する。可能な燃料としては、例えば高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、気化型液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、合成ガス、ブタン、プロパン、オレフィン、ディーゼル、石油留分等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。圧縮された作動流体３８は燃料と混合し、着火して高温及び高圧を有する燃焼ガス４６を生成する。

燃焼ガス４６は熱ガス経路に沿ってタービン部１８のタービン４８を通って流れ、ここで膨張して仕事を生成する。明確に述べると、燃焼ガス４６は、タービン４８において交互段を成す静止ノズル５０及び回転バケット５２を横断して流れ得る。静止ノズル５０は燃焼ガス４６を次段の回転バケット５２に導き、燃焼ガス４６は回転バケット５２を通過しながら膨張して、回転バケット４４を回転させる。回転バケット５２はシャフト５４に接続していてよく、シャフト５４は、当該シャフト５４の回転が圧縮機３０を駆動して圧縮された作動流体４６を生成するように圧縮機３０に結合されている。代替的に又は加えて、シャフト５４は発電を行なう発電機５６に接続していてもよい。タービン部１８からの排ガス５８が排気部２０を通って流れた後に環境へ放出される。

燃焼器４２は当技術分野で公知の任意の形式の燃焼器であってよく、本発明は、特許請求の範囲に特に記載されていない限り如何なる特定の燃焼器設計にも限定されない。図２は、本発明の様々な実施形態による燃焼器４２の一例の単純化された側面断面図を掲げる。図２に示すように、燃焼器ケーシング６０及び端部カバー６２が組み合わさって、燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８を収容し得る。キャップ・アセンブリ６４が燃焼器４２の少なくとも一部を横断して半径方向に延在していてよく、また１又は複数の燃料噴射器６６が、キャップ・アセンブリ６４を横断して半径方向に配列されて、燃料をキャップ・アセンブリ６４の下流の燃焼室７０に供給することができる。ライナ７２が燃焼室７０の少なくとも一部を円周方向に包囲していてよく、ライナ７２の下流の尾筒７４が燃焼室７０をタービン４８の入口に接続することができる。流入孔７８を有する衝突スリーブ７６が尾筒７４を円周方向に包囲していてよく、流れスリーブ８８がライナ７２を円周方向に包囲していてよい。この態様で、圧縮された作動流体３８は、衝突スリーブ７６の流入孔７８を通過して、尾筒７４及びライナ７２の外部の円環通路８０を通って流れることができる。圧縮された作動流体３８は、端部カバー６２に到達すると方向を反転させて、燃料噴射器６６を通って燃焼室７０に流入する。

円筒形として全体的に示されているが、燃料噴射器６６の半径方向断面は任意の幾何学的形状であってよく、本発明は、特許請求の範囲に特に記載されていない限り如何なる特定の半径方向断面にも限定されない。加えて、燃焼器４２の様々な実施形態は、異なる数及び構成の燃料噴射器６６をキャップ・アセンブリ６４において含み得る。

図３及び図４は、本発明の範囲内にあるキャップ・アセンブリ６４における燃料噴射器６６の構成例の上流平面図を掲げる。図３に示すように、例えば、多数の燃料噴射器６６が単一の燃料噴射器６６の周囲に半径方向に配列されていてよい。代替的には、図４に示すように、複数の非円形のパイ形燃料噴射器６８が単一の燃料噴射器６６を円周方向に包囲していてもよい。当業者は、本書の教示から燃料噴射器６６、６８の多数の他の形状及び構成を容易に認められ、また燃料噴射器６６、６８の特定の形状及び構成が特許請求の範囲に特に記載されていない限り本発明の制限とはならないことを容易に認められよう。

燃料噴射器６６、６８は、動作範囲にわたって多数の燃料流動領域（fueling regime）を容易にするために様々なグループ又は回路に分割され得る。例えば、図３及び図４に示す構成例では、中央燃料噴射器６６及び／又は外側燃料噴射器６６、６８の一つが第一の燃料回路８２から燃料を受け取り、周囲の燃料噴射器６６、６８の１又は複数がグループ化されて、第二及び／又は第三の燃料回路８４、８６から同じ又は異なる燃料を受け取ることができる。基底負荷運転時には、燃料は三つ全ての燃料回路８２、８４、８６を通って図３及び図４に示す各々の燃料噴射器６６、６８に供給されてよく、縮小運転又はターンダウン運転時には、燃料流は燃料噴射器６６、６８の１又は複数から減少させられるか又は完全に排除されてよい。

燃焼不安定性周波数と下流構成要素共振周波数との間の重なりによって、下流構成要素の無用の振動が生じ得る。代替的に又は加えて、２以上の燃焼器４２の周波数の間のコヒーレントな関係が、下流構成要素の振動応答を増長させ得る。本発明の様々な実施形態は、燃焼器４２に供給される圧縮された作動流体３８の温度及び／又は燃料流をディザリングすることにより２以上の燃焼器４２の間の周波数変動にタイミング遅延が存在するように、燃焼器の周波数を変化させ又は発振させることを図る。ディザリングのタイミング及び量は、無作為であっても、予定組み込みであっても、且つ／又は燃焼不安定性の振幅、位相、干渉性、及び／若しくは周波数の１若しくは複数に応答するものであってもよい。この態様で、本発明の各実施形態は、第二の燃焼器での燃焼不安定性周波数とは異なる第一の燃焼器での燃焼不安定性周波数を発生して、燃焼システムの燃焼力学のモード連成及び／又は干渉性を減少させることができる。

図５は、本発明の様々な実施形態による圧縮機３０排出温度をディザリングすることにより燃焼不安定性周波数をディザリングするシステム９０の単純化された断面図を掲げる。圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度の変化は、各々の燃焼器４２の燃焼不安定性周波数に直接的な影響を与える。図５に示すように、システム９０は図１に関して前述されているガス・タービン１０に組み込まれていてよく、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度をディザリングする様々な手段を含み得る。この手段の機能は、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度を変調し又は発振させるものであり、ディザリングのタイミング及び量は、無作為であっても、予定組み込みであっても、且つ／又は燃焼不安定性の振幅、位相、干渉性、及び／若しくは周波数の１若しくは複数に応答するものであってもよい。

図５に示す一つの特定的な実施形態では、この手段は、蒸発冷却、熱交換器、又は当技術分野で公知の他の温度変更装置を用いて、圧縮機部１４に入る作動流体２８の温度をディザリングすることによりこの機能を達成することができる。図５に示すように、圧縮機部１４に入る作動流体２８の温度をディザリングすることに関連する構造は、制御弁９２、絞り弁、感温膨張弁、又は入口部１２における熱交換器若しくは蒸発冷却器のような１若しくは複数の温度変更装置２４に接続されて動作し得る他の適当な流れ制御装置を含み得る。制御弁９２は、手動で且つ／又は遠隔で無作為に又は望まれる間隔で切り換えられて、入口部１２を流れる作動流体２８に提供される加熱又は冷却を交互に増減させることができる。この態様で、この手段は、圧縮機部１４に入る作動流体２８の温度を変化させ又は発振させることができ、すると圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度が変化し又は発振する。

図５に示す第二の実施形態では、この手段は、圧縮機部１４に入る作動流体２８の流量をディザリングすることにより、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度を変化させ又は発振させる機能を達成することができる。図５に示すように、圧縮機部１４に入る作動流体２８の流量をディザリングすることに関連する構造は、圧縮機３０に設置される１又は複数の入口ガイド・ベーン９６に接続されて動作し得るアクチュエータ９４又は他の作動素を含み得る。アクチュエータ９４又は他の作動素は、手動で及び／又は遠隔で無作為に又は周期的な間隔で切り換えられて、入口ガイド・ベーン９６を交互に開閉し、これにより圧縮機部１４に入る作動流体２８の流量を増減させることができる。代替的な実施形態では、圧縮機部１４に入る作動流体２８の流量をディザリングすることに関連する構造は、可変静翼としても公知の可変位置を有する１又は複数の組の静翼３６を含んで、圧縮機３０を流れる作動流体２８の流量を変化させ又は発振させることができる。この態様で、この手段は、圧縮機３０を流れる作動流体２８の流量を変化させ又は発振させることができ、すると圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度が変化し又は発振する。

図５は、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度をディザリングする適当な構造の第三の例を掲げる。明確に述べると、この手段は、圧縮機部１４を通して再循環させられる圧縮された作動流体３８の流量をディザリングすることにより、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度を変化させ又は発振させる機能を達成することができる。図５に示すように、圧縮機部１４を通して再循環させられる圧縮された作動流体３８の流量をディザリングすることに関連する構造は、コンジット９８、パイプ、又は圧縮機３０の下流部分と圧縮機３０の入口との間の他の流体接続を含み得る。制御弁１００、絞り弁、感温膨張弁、又は他の適当な流れ制御装置が、手動で及び／又は遠隔で無作為に又は周期的間隔で切り換えられて、コンジット９８を通じて方向転換された圧縮された作動流体３８の流量を交互に増減させて、圧縮機部１４を通して再循環させることができる。代替的な実施形態では、この手段は、圧縮機部１４を通して再循環させられる圧縮された作動流体３８を交互に加熱し又は冷却するようにコンジット９８に接続されて動作し得る付加的な熱交換器（不図示）を含み得る。この態様で、この手段は、圧縮機部１４を通して再循環させられる圧縮された作動流体３８の流量及び／又は温度を変化させ又は発振させることができ、すると圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度が変化し又は発振する。

図５に示す各々の実施形態では、システム９０は、圧縮機部１４によって生成される圧縮された作動流体３８の温度のディザリングを遠隔で及び／又は自動的に制御するプロセッサ１０２を選択随意で含み得る。プロセッサ１０２は一般的には、当技術分野で公知の任意の適当な処理装置であってよく、プロセッサ１０２によって実行可能な論理１０６を記憶するメモリ１０４を含み得る。メモリ１０４は一般的には、限定しないがＲＡＭ、ＲＯＭ、ハード・ドライブ、フラッシュ・ドライブ、又は他のメモリ装置を含む任意の適当なコンピュータ可読の媒体（１又は複数）であってよい。広く理解されているように、メモリ１０４は、プロセッサ１０２によって実行され得る命令又は論理１０６を含めてプロセッサ１０２によってアクセス可能な情報を記憶するように構成され得る。命令又は論理１０６は、プロセッサ１０２によって実行されると、望まれる機能範囲を提供することをプロセッサ１０２に行なわせる任意の命令セットであってよい。例えば、命令又は論理１０６は、コンピュータ可読の形態として表現されたソフトウェア命令であり得る。ソフトウェアが用いられるときには、任意の適当なプログラム言語、スクリプト言語、又は他の形式の言語若しくは言語の組み合わせを用いて、本書に含まれている教示を具現化することができる。代替的には、命令は、結線型論理、又は限定しないが特定応用向け回路を含めた他の回路によって具現化され得る。

プロセッサ１０２の技術的効果は、メモリ１０４に記憶されている論理であって、圧縮機部１４に入る作動流体２８の温度、圧縮機部１４に入る作動流体２８の流量、又は圧縮機部１４を通して再循環させられる圧縮された作動流体３８の流量の少なくとも一つをディザリングすることをプロセッサ１０２に行なわせる論理１０６を実行することである。図５に示すように、プロセッサ１０２は、制御弁９２、１００及び／又はアクチュエータ９４の１又は複数に接続されて動作することができ、これらの構成要素の位置又は動作を変化させ又は発振させることができる。特定的な実施形態では、プロセッサ１０２は、様々な制御弁９２、１００及び／又はアクチュエータ９４を連続的にディザリングするようにプログラムされていてもよいし、他の特定的な実施形態では、プロセッサ１０２は、無作為に、手動で指示されたときに、又は振幅、周波数、位相、及び／若しくは干渉性に関して予め決められた限度を上回る若しくは下回る燃焼器不安定性を感知したことに応答して、様々な制御弁９２、１００及び／又はアクチュエータ９４をディザリングするようにプログラムされていてもよい。

図６は、本発明の代替的な実施形態による燃焼器４２の１又は複数への燃料流をディザリングすることにより燃焼不安定性周波数をディザリングするシステム１１０の図を掲げる。燃焼器４２の１又は複数に供給する燃料回路の１又は複数への燃料流をディザリングすると、燃料流量、温度、及び／又はエネルギ容量若しくはウォッベ指数の差から生ずる燃料圧力比（すなわち燃焼器圧力：燃料圧力）及び／又は当量比の変化によって、各々の燃焼器４２の周波数を異なるように変化させ又は発振させることができる。燃料の温度及び／又はウォッベ指数は、温度及び／又はウォッベ指数が異なる付加的な燃料流を有する燃料流を、１又は複数の燃焼器の１又は複数の燃料噴射器に供給している燃料流に脈動添加することにより発振させることができる。

図６に示すように、システム１１０は、図１に関して前述されているガス・タービン１０に組み入れられることができ、１又は複数の燃焼器４２における燃料回路８２、８４、８６の１又は複数への燃料流をディザリングすることにより燃焼不安定性周波数をディザリングする様々な手段を含み得る。三つの燃焼器４２のみを図７に示しているが、本発明は、特許請求の範囲に特に記載されていない限り燃焼器４２の如何なる特定の数にも限定されない。この手段の機能は、燃焼器４２の１又は複数に供給する燃料回路８２、８４、８６の１又は複数への燃料流を変調し又は発振させることであり、ディザリングのタイミング及び量は、無作為であっても、予定組み込みであっても、且つ／又は燃焼不安定性の振幅、位相、干渉性、及び／若しくは周波数の１若しくは複数に応答するものであってもよい。

図６に示す一つの特定的な実施形態では、燃焼器４２の１又は複数への燃料流をディザリングすることに関連する構造は、制御弁１１２、絞り弁、又は燃料を燃焼器４２の１若しくは複数に供給する燃料回路８２、８４、８６の１若しくは複数に接続されて動作し得る他の適当な流れ制御装置を含み得る。それぞれの燃料回路８２、８４、８６における各々の制御弁１１２は、手動で及び／又は遠隔で無作為に又は望まれる間隔で切り換えられて、燃料回路８２、８４、８６の１又は複数への燃料流を交互に増減させることができる。

他の特定的な実施形態では、燃焼器４２の１又は複数への燃料流をディザリングする手段は、燃焼器４２の１又は複数における１又は複数の燃料噴射器６６への燃料流をディザリングすることにより、この機能を達成することができる。さらに他の特定的な実施形態では、この手段は、燃焼器４２の１又は複数における燃料噴射器６６の１又は複数に供給している燃料流に異なるウォッベ指数の燃料を脈動添加することによりウォッベ指数をディザリングすることにより、この機能を達成することができる。１若しくは複数の燃料噴射器６６への燃料流、又は燃焼器４２の１若しくは複数への燃料流のウォッベ指数を変化させ又は発振させることに関連する構造は、個別の制御弁１１４、絞り弁、又は代替的な燃料供給及び／若しくは熱交換器と、１若しくは複数の燃焼器４２における１若しくは複数の燃料噴射器６６に供給する１若しくは複数の燃料回路８２、８４、８６との間に接続されて動作し得る他の適当な流れ制御装置を含み得る。各々の個別の制御弁１１４は、手動で及び／又は遠隔で無作為又は望まれる間隔で切り換えられて、１又は複数の燃焼器４２の１又は複数の燃料回路に供給される燃料流を変化させ、このようにして、燃料噴射器６６及び／又は燃焼器４２への燃料流及び／又は燃料流のウォッベ指数を変化させることができる。当業者は本書の教示から、１又は複数の燃料回路８２、８４、８６と１又は複数の燃料噴射器６６との間の個別の制御弁１１４は、それぞれの燃料回路８２、８４、８６における制御弁１１２に加えて又は代えて存在し得ることを容易に認められよう。この態様で、１又は複数の燃料回路８２、８４、８６からの燃料流は、１若しくは複数の燃料噴射器６６及び／又は燃焼器４２に対して変化させられ又は発振させられて、１又は複数の燃焼器４２の周波数を変化させ又は発振させることができる。

図６に示すさらにもう一つの特定的な実施形態では、この手段は、燃焼器４２への燃料流の温度をディザリングすることにより、燃焼器４２への燃料流を変化させ又は発振させる機能を達成することができる。図６に示すように、燃焼器４２への燃料流の温度をディザリングすることに関連する構造はさらに、制御弁１１６、絞り弁、感温膨張弁、又は燃料回路８２、８４、８６の１若しくは複数での燃料の温度を調節するのに用いられる１若しくは複数の熱交換器１１８に接続されて動作し得る他の適当な流れ制御装置を含み得る。前述の制御弁１１２、１１４の１又は複数は、熱交換器から燃焼器４２の１又は複数における燃料噴射器６６の１又は複数への燃料の脈動添加を許可することができる。この態様で、この手段は、燃焼器４２への燃料流の温度を変化させ又は発振させることができ、すると燃焼器４２への燃料流が変化し又は発振する。

図６に示す各々の実施形態では、システム１１０は、図５に示す実施形態に関して前述されているように、プロセッサ１０２、メモリ１０４、及び論理１０６を選択随意で含み得る。但しこの特定的な実施形態では、プロセッサ１０２の技術的効果は、メモリ１０４に記憶されている論理であって、燃焼器４２への燃料流、燃料流の温度、又は燃料流のウォッベ指数の少なくとも一つをディザリングすることをプロセッサ１０２に行なわせる論理１０６を実行することである。図６に示すように、プロセッサ１０２は、制御弁１１２、１１４、１１６の１又は複数に接続されて動作することができ、これらの構成要素の位置又は動作を変化させ又は発振させることができる。特定的な実施形態では、プロセッサ１０２は、様々な制御弁１１２、１１４、１１６を連続的にディザリングするようにプログラムされていてもよいし、他の特定的な実施形態では、プロセッサ１０２は、無作為に、手動で指示されたときに、又は振幅、周波数、位相、及び／若しくは干渉性に関して予め決められた限度を上回る若しくは下回る燃焼器不安定性を感知したことに応答して、様々な制御弁１１２、１１４、１１６をディザリングするようにプログラムされていてもよい。

当業者は本書の教示から、図５及び図６に関して記載され図示されるシステム９０、１１０は、燃焼システムの干渉性を減少させる様々な方法を提供することができ、図７は、本発明の様々な実施形態による適当な方法の流れ図の一例を掲げることを容易に認められよう。これらの方法は一般的には、図１に関して前述され図示されているガス・タービン１０の各々の部分に関連する１又は複数のステップを含み得る。例えば、この方法は、入口部１２において作動流体２８をフィルタリングして調整するステップ１２０を含み得る。この方法はさらに、圧縮された作動流体３８を生成するように作動流体２８を圧縮するステップ１２２と、燃焼ガス４６を生成するように圧縮された作動流体３８を燃料と共に燃焼させるステップ１２４とを含み得る。最後に、この方法は、燃焼ガス４６をタービン４８に流して仕事を生成するステップ１２６と、排ガス５８を環境に排気するステップ１２８とを含み得る。

図５に示す特定的な実施形態に関して記載されるように、燃焼力学のモード連成を減少させ且つ／又は燃焼干渉性を減少させる方法は、燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８の温度をディザリングすることを含み得る。この方法は、１又は複数の仕方で燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８の温度をディザリングすることができる。例えば、この方法は、ブロック１３０によって示すように、入口部１２を通して流れる作動流体２８の温度をディザリングすることにより、燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８の温度をディザリングすることができる。代替的に又は加えて、この方法は、ブロック１３２によって示すように、圧縮機部１４に入る作動流体３８の流量をディザリングすることにより、燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８の温度をディザリングすることができる。最後に、この方法は、ブロック１３４によって示すように、圧縮機３０において再循環させられる圧縮された作動流体３８の流量をディザリングすることにより、燃焼器４２に流入する圧縮された作動流体３８の温度をディザリングすることができる。

図６に示す特定的な実施形態に関して記載されるように、燃焼力学のモード連成を減少させ且つ／又は燃焼干渉性を減少させる方法は、ブロック１３６によって示すように、少なくとも一つの燃焼器４２の燃料噴射器６６の１又は複数への燃料流をディザリングすることを含み得る。この方法は、１又は複数の仕方で燃料流をディザリングすることができる。例えば、この方法は、ブロック１３８によって示すように、１又は複数の燃料噴射器６６への燃料流をディザリングすることにより、燃焼器４２への燃料流をディザリングすることができる。代替的に又は加えて、この方法は、ブロック１４０によって示すように、１又は複数の燃焼器４２における１又は複数の燃料噴射器６６への燃料流の温度をディザリングすることにより、１又は複数の燃料噴射器６６及び／又は燃焼器４２への燃料流をディザリングすることができる。最後に、この方法は、燃焼器４２の１又は複数における燃料噴射器６６の１又は複数への燃料流のウォッベ指数をディザリングすることにより、燃料ノズル６６及び／又は燃焼器４２への燃料流をディザリングすることができる。

図１から図６に関して記載され図示される様々な実施形態は、既存の燃焼器４２を凌ぐ次の利点の１又は複数を提供し得る。明確に述べると、燃焼器４２への圧縮された作動流体３８の温度及び／又は燃料流を単独で又は様々な組み合わせでディザリングすると、燃焼力学の連成を解除して、これにより燃焼力学の干渉性及び／又はモード連成を減少させることができる。結果として、本書に記載される様々な実施形態は、下流熱ガス経路構成要素の寿命に悪影響を及ぼさずに広範囲の運転レベルにわたって熱力学的効率を高め、炎の安定性を高め、且つ／又は望ましくない放出を減少させることができる。

この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０：ガス・タービン
１２：入口部
１４：圧縮機部
１６：燃焼部
１８：タービン部
２０：排気部
２２：フィルタ
２４：流体調整装置
２８：作動流体
３０：圧縮機
３２：圧縮機ケーシング
３４：動翼
３６：静翼
３８：圧縮された作動流体
４０：圧縮機排出プレナム
４２：燃焼器
４４：燃料供給
４６：燃焼ガス
４８：タービン
５０：静止ノズル
５２：回転バケット
５４：シャフト
５６：発電機
５８：排ガス
６０：燃焼器ケーシング
６２：端部カバー
６４：キャップ・アセンブリ
６６：燃料噴射器
６８：パイ形燃料噴射器
７０：燃焼室
７２：ライナ
７４：尾筒
７６：衝突スリーブ
７８：流入孔
８０：円環通路
８２：一次燃料回路
８４：二次燃料回路
８６：三次燃料回路
８８：流れスリーブ
９０：システム
９２、１００：制御弁
９４：アクチュエータ
９６：入口ガイド・ベーン
９８：コンジット
１０２：プロセッサ
１０４：メモリ
１０６：論理
１１０：システム
１１２、１１６：制御弁
１１４：個別の制御弁
１１８：熱交換器

Claims (20)

1. 燃焼力学のモード連成を減少させるシステムであって、
   ａ．複数の燃焼器と、
   ｂ．該複数の燃焼器の各々における少なくとも一つの燃料噴射器と、
   ｃ．前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において燃焼不安定性周波数をディザリングする手段と
   を備えたシステム。
2. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流の温度をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流のウォッベ指数をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、メモリに記憶されている論理であって、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流、該燃料流の温度、又は該燃料流のウォッベ指数の少なくとも一つをディザリングすることを当該プロセッサに行なわせる論理を実行するように構成されているプロセッサを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記複数の燃焼器の上流に位置し、一定の温度にある圧縮された作動流体を生成するように構成されている圧縮機部をさらに含んでおり、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部に入る作動流体の温度をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の燃焼器の上流に位置し、一定の温度にある圧縮された作動流体を生成するように構成されている圧縮機部をさらに含んでおり、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部に入る作動流体の流量をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
8. 前記複数の燃焼器の上流に位置し、一定の温度にある圧縮された作動流体を生成するように構成されている圧縮機部をさらに含んでおり、前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器において前記燃焼不安定性周波数をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部を通して再循環させられる前記圧縮された作動流体の流量をディザリングする、請求項１に記載のシステム。
9. ａ．一定の温度にある圧縮された作動流体を生成するように構成されている圧縮機部と、
   ｂ．該圧縮機部の下流の複数の燃焼器であって、各々の燃焼器が燃料噴射器を含んでいる、複数の燃焼器と、
   ｃ．該複数の燃焼器の下流のタービン部と、
   ｄ．前記圧縮機部により生成される前記圧縮された作動流体の前記温度をディザリングする手段と
   を備えたガス・タービン。
10. 前記圧縮機部により生成される前記圧縮された作動流体の前記温度をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部に入る作動流体の温度をディザリングする、請求項９に記載のガス・タービン。
11. 前記圧縮機部により生成される前記圧縮された作動流体の前記温度をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部に入る作動流体の流量をディザリングする、請求項９に記載のガス・タービン。
12. 前記圧縮機部により生成される前記圧縮された作動流体の前記温度をディザリングする前記手段は、前記圧縮機部を通して再循環させられる前記圧縮された作動流体の流量をディザリングする、請求項９に記載のガス・タービン。
13. 前記圧縮機部により生成される前記圧縮された作動流体の前記温度をディザリングする前記手段は、メモリに記憶されている論理であって、前記圧縮機部に入る作動流体の温度、前記圧縮機部に入る前記作動流体の流量、又は前記圧縮機部を通して再循環させられる前記圧縮された作動流体の流量の少なくとも一つをディザリングすることを前記プロセッサに行なわせる論理を実行するように構成されているプロセッサを含んでいる、請求項９に記載のガス・タービン。
14. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への燃料流をディザリングする手段をさらに含んでいる請求項９に記載のガス・タービン。
15. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への前記燃料流をディザリングする前記手段は、前記複数の燃焼器における各々の燃料噴射器への前記燃料流をディザリングする、請求項１４に記載のガス・タービン。
16. 燃焼力学のモード連成を減少させる方法であって、
    ａ．一定の温度にある圧縮された作動流体を複数の燃焼器に流入させるステップと、
    ｂ．前記複数の燃焼器の各々における少なくとも一つの燃料噴射器に燃料を流入させるステップと、
    ｃ．前記複数の燃焼器に流入する前記圧縮された作動流体の前記温度又は前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における前記少なくとも一つの燃料噴射器への前記燃料流の少なくとも一方をディザリングするステップと
    を備えた方法。
17. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への前記燃料流の温度をディザリングすることをさらに含んでいる請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数の燃焼器の少なくとも一つの燃焼器における少なくとも一つの燃料噴射器への前記燃料流のウォッベ指数をディザリングすることをさらに含んでいる請求項１６に記載の方法。
19. 圧縮機を通して再循環させられる前記圧縮された作動流体の流量をディザリングする請求項１６に記載の方法。
20. 前記圧縮された作動流体を生成するように作動流体を圧縮すること、及び該作動流体の温度又は流量の少なくとも一方をディザリングすることをさらに含んでいる請求項１６に記載の方法。