JP2015117705A - ガスタービン燃焼器内の温度のアクティブモニタリング - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼中に同じセンサを共用して、必要な場合には同じコントローラを共用して、可能性のある広範囲の燃焼器不具合を検出し、不具合のより満足のいく前兆を検出できる、統合的なガスタービンエンジンモニタリング制御システムを実現すること。【解決手段】ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した前記音響信号の飛行時間を処理することにより、各ライン・オブ・サウンド経路上における各燃焼器経路温度を求める。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の、異常検出および分類を含めた燃焼モニタリング制御に関し、前記ガスタービンエンジンはたとえば、産業用ガスタービン（ＩＧＴ）エンジンや、他の種類の定置型ガスタービン、船舶用、航空用または他の車両用のガスタービンエンジン等である。より具体的には、本願にて開示するモニタリング制御方法およびモニタリング制御装置の実施形態は、燃焼器温度測定用と燃焼器異常検出および分類用とで同一のセンシング制御システムを用いる。本願にて開示する実施形態では、リアルタイムアクティブ燃焼器温度測定、異常検出または異常分類のうち１つまたは複数を行うために、熱音響センサ、音響送波器および／または送受波器のアレイを用いる。

関連出願の参照
本願は、以下の同時係属中の米国特許出願の記載内容全部を、引用により含むものとする：
同日付で提出した、発明の名称「Multi-Functional Sensor System For Gas Turbine Combustion Monitoring And Control」の米国特許出願（出願番号は未付与、案件番号 2013P10742US（Siemens 207））。

出願番号第１２／９６７，１４８、米国特許出願公開第２０１２／０１５０４１３号（出願日：２０１０年１２月１４日、発明の名称「Gas Turbine Engine Control Using Acoustic Pyrometry」）。

２０１３年３月１４日に提出した米国出願番号１３／８０４，１３２号（発明の名称：「Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor」）。

本願はさらに、２０１０年１２月１４日に付与された米国特許第７，８５３，４３３号「Combustion Anomaly Detection Via Wavelet Analysis of Dynamic Sensor Signals」の記載内容全てを、引用により含む。

従来技術の説明
ガスタービンエンジン等の燃焼タービンは通常、どの末端用途のガスタービンエンジンでも、圧縮部と、燃焼部と、タービン部と、排気部とを含む。動作中、圧縮部は周辺空気を取り込んで圧縮する。前記燃焼部は通常、この圧縮された空気を受け取って燃料と混合することにより燃料空気混合気を形成するための複数の燃焼器を有することができる。前記燃料空気混合気は各燃焼器によって燃焼されることにより、高温の作動ガスを形成し、これはタービン部へ送ることができる。この高温作動ガスは、固定したエアフォイル列と回転エアフォイル列とを交互に配置したものによって膨張され、ロータを駆動するパワーを生成するのに用いられる。膨張してタービン部から出てきたガスは、前記排気部を通ってエンジンから排気することができる。

ガスタービンエンジンの燃焼部には、たとえば逆火等の燃焼異常が発生することが知られている。逆火は、前記燃焼器アセンブリにおける軸流速度を空気燃料混合気の乱流燃焼速度が超えるときに生じる局所的な現象であり、軸流速度が乱流燃焼速度を超えることにより、燃焼器アセンブリの内部／周辺の１つまたは複数の部品に火炎が固定する。この１つまたは複数の部品はたとえば、燃焼室の周面に配置されたライナである。是正することなく、逆火条件が維持される期間が延びると、この固定した火炎は当該部品全体を燃焼してしまう。それゆえ、逆火および／または他の燃焼異常は燃焼エンジン部品に不所望の損傷を引き起こし、場合によっては燃焼エンジン部品を破壊させる原因にもなることがあり、これにより、当該部品の修理または交換を行わなければならなくなる。

エンジンの動作中、たとえば所望の効率および／または出力パワーを維持するため、汚染レベルを規制するため、圧力振動を防止するため、および、失火を防止するため、各燃焼器における燃料空気混合気は、１つまたは複数の動作特性を所定の範囲内に維持するように制御される。公知の形式の制御システムでは、エンジンの動作条件をモニタリングするために用いることができるパラメータとして、バルクタービン排気温度もモニタリングする場合がある。たとえば、コントローラは、測定されたタービン排気温度をモニタリングし、排気温度の変化が測定されると、コントローラはエンジンの動作条件を変化させることができる。

現在のところ、産業においてエンジン保護のために燃焼をモニタリングして燃焼プロセスの安定性を維持するために用いられているセンサおよびセンサシステムには、複数の異なる形式が存在する。たとえば、燃焼安定性および共振の制御のために、動圧センサが用いられている。受動型の視覚的センサ（光学的な可視光スペクトルセンサおよび／または赤外線スペクトルのセンサ）、イオンセンサおよびガイガーミュラー検出器は、燃焼器内における着火／失火を検出するために用いられ、それに対して熱電対は、逆火を検出するのに用いられている。

特に米国特許第７，８５３，４３３号では、動圧センサ、加速度計、高温マイクロフォン、光センサおよび／またはイオンセンサ等のセンサを用いて、燃焼器の燃焼状態を表す熱音響振動をサンプリングし、その後にウェーブレット解析することにより、燃焼異常を検出および分類する。ＵＳ２０１２／０１５０４１３では、ＩＧＴ排気システムにおいて音響高温計を用いることにより、エンジンの燃焼器のうち１つまたは複数の内部における上流のバルク温度を測定する。音響送波器から音響信号を送出し、これは複数の音響受波器によって受け取られる。各音響信号はそれぞれ、対応する送波器と受波器との各対の間の各ライン・オブ・サウンド経路を決定する。送信信号の飛行時間を求めて処理することにより、経路温度が求められる。複数の経路温度を組み合わせて処理することにより、測定箇所におけるバルク温度を求めることができる。求められた経路温度またはバルク温度または双方を用いて、燃焼器内における上流温度の相関を求めることができる。同時係属中の米国特許出願第１３／８０４，１３２号では、いわゆる卓越モード手法を用いて、タービンから上流におけるエンジン内部の第１の場所（たとえば燃焼器内部）における音響周波数を特定し、当該周波数を用いて、当該音響周波数と計算された定数値とに直接比例する第１のバルク温度値を求めることにより、燃焼器内部のバルク温度を計算する。たとえばエンジン排気等のエンジン内の第２の場所において、作動ガスの較正第２温度を求める。この較正第２温度を用いて逆算を行うことにより、前記第１の場所における作動ガスの温度値を求める。この逆算した温度値と前記第１の温度値とを比較することにより、前記計算された定数値を再計算された定数値に変える。このようにして、前記再計算された定数値に基づいて、燃焼器における第１温度を求めることができる。

したがって、燃焼に関する、複数の異なる問題的な状態を検出するためには、現在のところ、これら異なる条件ごとに別個のセンサ構成および／または別個のシステムを必要とする。公知のＩＧＴ形式および他の形式のガスタービンエンジンのモニタリング制御システムのセンサおよび検出手法を組み合わせたものは、可能性のある不都合な燃焼不具合すべての検出をカバーできるものではなかった。本質的に異なる種類のセンサおよびセンサシステムを１つの燃焼タービンエンジンに設置することは、設置コストおよび維持費用の増加になる。また、本質的に異なるセンサおよびセンサシステムは、エンジン制御システム全体における応答遅延の内因的原因となる。

したがって当該分野では、燃焼中に同じセンサを共用して、必要な場合には同じコントローラを共用して、可能性のある広範囲の燃焼器不具合を検出し、不具合のより満足のいく前兆を検出できる、統合的なガスタービンエンジンモニタリング制御システムが必要である。

また当該分野では、たとえば、エンジン排気系統で求められた測定温度に基づいて燃焼器温度を逆算する公知のバルク温度システム等、エンジン内部の他の場所から参照温度を取得する必要なく、実際の燃焼器温度をリアルタイムで測定することができる、ガスタービンエンジン温度のアクティブモニタリングシステムも望まれている。

さらに、燃焼タービンモニタリング制御システムと同じセンサを共用できることにより当該モニタリング制御システム内に組み込むことができる、温度のアクティブなモニタリングシステムを実現する必要もある。

発明の実施形態の課題は、燃焼中に、同一のセンサを共用して、また、必要な場合には同一のコントローラを共用して、可能性のある広範囲の燃焼器不具合を検出できるか、または、不具合のより満足のいく前兆を検出できる、統合的なガスタービンモニタリング制御システムを実現することである。

さらに本発明の実施形態は、たとえば、エンジン排気系統で求められた測定温度に基づいて燃焼器温度を逆算する公知のバルク温度システム等、エンジン内部の他の場所から参照温度を取得する必要なく、１つまたは複数の燃焼器内部の実際の燃焼器温度をリアルタイムで測定することができる、ガスタービン温度のアクティブモニタリングシステムを実現することも課題とする。

本発明の実施形態の課題はさらに、ガスタービンモニタリング制御システムと同じセンサを共用できることにより、当該モニタリング制御システム内に組み込むことができる、アクティブ温度モニタリングシステムを実現することである。

上記または他の課題は、本発明の１つまたは複数の実施形態では、エンジン燃焼器内の燃焼異常を特定および分類して、エンジン燃焼器内のガスタービン燃焼プロセスを能動的に制御することができる燃焼モニタリング制御システムにより解決される。このシステムの実施形態は少なくとも１対の熱音響動圧センサを含み、これらの熱音響動圧センサは燃焼器内において選択的に配列されている。この熱音響センサは、燃焼プロセスの中で生成された燃焼器の振動応答を高感度で測定する。センサの出力はモニタリング制御システムのコントローラにおいて、ウェーブレット解析技術または公知のフーリエ解析技術を用いて異常を識別するのに用いられる。音響周波数解析技術を用いてバルク温度もモニタリングする。

本発明の実施形態の、燃焼器アクティブ温度および／または燃焼異常を特定して当該異常を分類するためのシステムの構成を示すガスタービンエンジンの断面を示す斜視図である。 本発明の実施形態の、燃焼器アクティブ温度および／または燃焼異常を特定して当該異常を分類するためのシステムの実施形態を含めた、ガスタービン燃焼器の断面を示す斜視図である。 本発明の各態様の、燃焼器アクティブ温度および／または燃焼異常を特定して当該異常を分類するための前記システムの他の実施形態を含めた、ガスタービン燃焼器の断面図である。 燃焼器のアクティブ温度および／または燃焼異常を検出して当該異常の分類を行うためのシステムにおいて本発明の実施形態を実施するための一実施形態のコントローラのブロック図である。 本発明の実施形態の、燃焼器アクティブ温度および／または燃焼異常を特定して当該異常を分類するための一実施形態の方法の実施を示すフローチャートである。

オプションとして音響温度測定方式のアクティブ温度モニタリングは、少なくとも１つの対となった熱音響センサまたは複数の熱音響センサとライン・オブ・サイトで音波を送信する音響送波器または音響送受波器を追加することにより、単独で、またはここで記載した本発明の他の実施形態と共に、モニタリング制御システムに組み込まれている。音伝達飛行時間はコントローラにより測定され、当該音伝達飛行時間は、ライン・オブ・サイト上における経路温度に相関付けされる。前記アクティブ経路温度をコントローラにより処理することにより、燃焼器バルク温度を求めることができる。燃焼器ガス流路の両端間の音伝達の（複数の）経路は、絶対温度測定部として用いられる。一部の実施形態では、燃焼器の音響高温測定システムは、卓越モード手法を用いたパッシブなバルク温度測定を較正するのに用いられる。音響周波数ベースのバルク温度モニタリングシステムが通常の制御モニタリングシステムに組み込まれている場合、このバルク温度モニタリングシステムの較正および検証を行うための第２または参照温度記録として、音響温度測定手法により求められたアクティブ経路温度を用いることができる。

一部の実施形態では、燃焼力学熱音響振動／波受信器および音響送波器の双方として機能する複数の熱音響センサの一対またはそれより大型のアレイを共用して、上述のように統合されたモニタリング制御システムのモニタリング機能全てを果たすことができる。上述のように統合された熱音響圧力方式のセンサおよびモニタリング／制御システムでは、コントローラは燃焼の熱音響特性の性能の相関を求めることにより、ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術によって燃焼異常を識別し、卓越モード周波数解析技術を用いて燃焼器内部のバルク温度特性を求め、燃焼器内部において、音響高温測定の音伝達および飛行時間の解析技術を用いて、アクティブ経路絶対温度を求める。

多機能センサを備えたモニタリング制御システムの実施形態は、高精度の燃焼ガス温度のリアルタイム連続モニタリングも行いながら、動圧センサデータを評価して燃焼異常の有無を判定することにより動作する。障害異常が存在することをモニタリング制御システムが検出すると、当該モニタリング制御システムは、モニタリング対象の燃焼器ガス温度を併用して当該障害を評価し、当該障害の種類を分類または特定する。前記システムは、種々の種類の燃焼異常の発生を分類し、着火、失火および逆火を予測することができる。前記システムの実施形態はまた、燃焼器内筒の振動応答および共振（低周波、中間波および高周波の振動）もモニタリングする。上記にて述べたように、エンジン制御および性能を最大限にするため、モニタリング制御システムの実施形態により、ガス流の絶対経路温度および／またはバルク平均温度のリアルタイムのアクティブ連続監視を高精度で行うことができる。エンジン稼働中のガスタービン燃焼制御プロセスを制御および調整するためには、本発明の実施形態のシステムは、公知の任意の種類の燃焼器構造で、缶形構造でも、環状缶構造でも、または環状構造でも具現化することができる。

本発明の実施形態は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の温度を能動的に監視する方法に関し、当該方法では、少なくとも１つの音響送波器と、当該送波器からの各別個のライン・オブ・サウンド経路を成すように方向調整された少なくとも１つの熱音響センサとを、ガスタービン燃焼器内に配置する。前記センサは、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号を生成するように構成されている。少なくとも１つの送波器および少なくとも１つのセンサはコントローラに結合されており、当該コントローラは、燃焼器内における音響信号の送信を当該少なくとも１つの送波器にさせ、センサ出力信号と、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件との相関を求めるように構成されている。前記少なくとも１つの送波器から音響信号が送信され、前記少なくとも１つの送波器から当該音響信号は受信される。少なくとも１つの熱音響センサにより、前記受信した音響信号の寄与分を含む力学的センサ出力信号が生成される。各ライン・オブ・サウンド経路上にて伝搬した音響信号の飛行時間を求める。ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した音響信号の飛行時間を処理することにより、各ライン・オブ・サウンド経路上における各燃焼器経路温度が求められる。

本発明の他の実施形態は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の温度をモニタリングするためのシステムに関し、当該システムは、少なくとも１つの音響送波器と、当該少なくとも１つの送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路を成すように方向調整された少なくとも１つの熱音響センサとを含み、当該少なくとも１つのセンサは、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ生成するように構成されている。前記少なくとも１つの送波器と少なくとも１つのセンサとにコントローラが結合されており、当該コントローラは、燃焼器内における音響信号の送信を前記少なくとも１つの送波器に行わせるように構成されており、かつ、当該少なくとも１つの送波器から音響信号を送信して当該少なくとも１つの送波器からの当該音響信号を受信することにより、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件とセンサ出力信号との相関を求めるように構成されている。少なくとも１つの熱音響センサにより、前記受信した音響信号のセンサ出力信号の寄与分を含む力学的センサ出力信号が生成される。コントローラは、各ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した音響信号の飛行時間を求め、当該ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した当該音響信号の飛行時間を処理して、各ライン・オブ・サウンド経路上の各燃焼器経路温度を求める。

さらに、本発明の他の実施形態はガスタービン装置に関し、当該ガスタービン装置は圧縮部と、燃料空気混合気を制御するための噴射システムをそれぞれ備えた複数の燃焼器を含む燃焼部と、タービン部と、各燃焼器内の温度をモニタリングするためのシステムとを含む。上述の温度モニタリングシステムは、少なくとも１つの音響送波器と、少なくとも２つの熱音響センサのアレイとを備えており、当該少なくとも２つの熱音響センサはそれぞれ、前記少なくとも１つの送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路を成すように方向調整されており、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ生成するように構成されている。温度モニタリングシステムはさらにコントローラも有し、当該コントローラは前記少なくとも１つの送波器とセンサとに結合されている。コントローラは、燃焼器内における音響信号の送信を前記少なくとも１つの送波器に行わせるように構成されており、かつ、当該少なくとも１つの送波器から音響信号を送信して当該少なくとも１つの送波器からの当該音響信号を受信し、前記熱音響センサを用いて、受信した当該音響信号の寄与分を含む力学的センサ出力を生成することにより、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件とセンサ出力信号との相関を求めるように構成されている。コントローラは、各ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した音響信号の飛行時間を求め、当該ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した当該音響信号の飛行時間を処理して、各ライン・オブ・サウンド経路上の各燃焼器経路温度を求める。

当業者であれば、本発明の各対象および各構成を任意の組み合わせまたは部分組み合わせで結合して、または個別に使用することができる。

添付の図面を参照して以下の詳細な説明を参酌すれば、本発明の思想を容易に理解することができる。

理解しやすくするため、各図に共通する同一要素を示す符号には、可能である限り同一の符号を付している。

詳細な説明
当業者が以下の記載を参酌すれば、燃焼異常を特定および分類できる燃焼モニタリング制御システムであって、エンジン燃焼器内のガスタービン燃焼プロセスを能動的に制御することもできる燃焼温度モニタリングシステムにおいて、本発明の思想を容易に用いることが可能であることが明らかである。一部の実施形態の方法およびシステムは、燃焼器内にて選択的に方向調整または配列された１つまたは複数の熱音響動圧センサを含む。この熱音響センサは、燃焼プロセスの中で生成された燃焼器の振動応答を測定する。センサの出力はモニタリング制御システムのコントローラにおいて、ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術を用いて異常を識別するのに用いられる。一部の実施形態では、卓越モード音響振動数解析技術を用いてバルク温度もモニタリングする。

一部の実施形態では、音響温度測定方式のアクティブ温度モニタリングは、少なくとも１つまたは複数の熱音響センサとライン・オブ・サイトで音波を送信する音響送波器または音響送受波器を追加することにより、単独で、またはここで記載した本発明の他の実施形態と共に、モニタリング制御システムに組み込まれている。音伝達飛行時間はコントローラにより測定され、当該音伝達飛行時間はライン・オブ・サイト上における経路温度に相関付けされる。一部の実施形態では、前記アクティブ経路温度をコントローラにより処理することにより、燃焼器バルク温度を求める。燃焼器ガス路の端から端までの音伝達路は絶対温度測定に用いられ、卓越モード手法を用いてパッシブバルク温度測定の較正を行うために当該音伝達路を用いることができる。音響周波数ベースのバルク温度モニタリングシステムが通常の制御モニタリングシステムに組み込まれている場合、このバルク温度モニタリングシステムの較正および検証を行うための第２の温度記録として、音響温度測定手法により求められたアクティブ経路温度を用いることができる。

燃焼力学熱音響振動／波受信器および音響送波器の双方として機能する複数の熱音響センサのアレイを共用して、統合されたモニタリング制御システムのモニタリング機能全てを果たすことができる。有利には少なくとも２以上の受信センサを、アレイの形態で用いる。上述のような統合された熱音響圧力方式のセンサおよびモニタリング／制御システムの実施形態では、コントローラは熱音響センサの出力と燃焼特性との相関を求めることにより、ウェーブレット解析技術またはフーリエ解析技術によって燃焼異常を識別し、卓越モード周波数解析技術を用いて燃焼器内部のバルク温度特性を求め、または、燃焼器内部において、伝達および飛行時間の音響高温測定解析技術を用いて、アクティブ経路絶対温度を求める。

モニタリング制御システム構造
図１および２に、産業用ガスタービンエンジン１０の一例を示す。この実施例のエンジン１０は、圧縮部１２と、燃焼部１４と、タービン部１６と、排気部または排気系統１８とを含む。燃焼部１４は複数の燃焼器２０を含む。各燃焼器２０は、燃焼シェル２２と、カバープレート２４と、１つまたは複数の圧力ポート２５とを有する。燃焼器ライナまたは燃焼器内筒２６とトランジション管２７とが、タービン部１６に向かって高温の作動ガスを移送するための流路を画定する。本発明のシステムは、陸用定置型または車両用の缶形構造、環状缶構造または環状構造を含めた、公知の燃焼器の幾何学的構成のガスタービンエンジン構成を用いて動作することができる。

エンジン１０の動作中、圧縮部１２からの圧縮空気が燃焼部１４へ供給され、燃料噴射システム２８により供給された燃料と燃焼器１４内において組み合わされる。この燃料空気混合気に点火することにより、高温作動ガスを含んだ燃焼生成物が生成される。燃料と空気との燃焼は、タービン部１６の入口まで繋がっている燃焼器ライナまたは内筒２６およびトランジション管２７内の流路における軸方向の複数の種々の位置において行えることが明らかである。高温作動ガスはタービン部１６によって膨張され、排気部／排気系統１８によって排気される。

図１および２を参照すると、本発明の１実施態様では燃焼モニタリング制御システム２９が設けられている。これは、燃焼異常を識別および分類して、エンジン１０の１つまたは複数の燃焼器２０内部におけるガスタービン燃焼プロセスをアクティブに制御できるものである。その点では、エンジン１０は１つまたは複数のモニタリング制御システム２９を含むことができ、たとえば、エンジン１０の各燃焼器２０ごとに１つのシステム２９を有することができ、または、１つのシステム２９のみがエンジン１０の各燃焼器１４に対応するようにすることも可能である。また、燃焼器２０の群に対して１つのシステム２９が対応し、他の（複数の）群に対して他のシステムが対応することも可能である。このようにすると、エンジン１０用の統合されたモニタリングシステムは、エンジン構成にどのようなエンジン燃焼器構造または配向が用いられているか、定置型、陸上用のタービンエンジンであるか、または、航空用、船舶用または陸上車両用の車両エンジンであるかにかかわらず、各燃焼器間の偏差を求めて各燃焼器の相対的な性能を比較することができる。

図２および３に示されているように、システム２９は、モニタリングおよび制御される対象である各燃焼器２０内部における燃焼熱音響振動を示すセンサ出力信号をそれぞれ生成することができる複数の熱音響センサのアレイを含む。他の実施形態のシステムは、少なくとも１つの熱音響センサを有するように構成することができるが、有利には、少なくとも２以上の熱音響センサを有することができる。これらの音響センサにより検出された音響周波数および音響振幅は、燃焼イベントの結果として作動燃焼ガス中にて発生するものであり、燃焼器２０の高温ガス経路内に生じる音源となる。モニタリング制御システム２９は、検出された熱音響振動情報を、関心対象の燃焼異常の発生を識別できる形態に変換するように構成されている。このようにして、燃焼器１４内部および／または周囲に配置されたセンサによるモニタリング対象である当該燃焼器１４内において検出された熱音響振動から、逆火イベントや他の関心対象となる種類の燃焼異常を検出して抽出することができる。システム２９の構成および用途に応じて、熱音響センサは動圧センサ、マイクロフォン、光センサまたはイオンセンサタービン入口センサのうち１つを含むか、またはこれらのうち複数を任意に組み合わせたものを含む。圧力センサは、燃焼器２０内の熱音響振動の振幅と脈動周波数の双方を検出する。高温マイクロフォンを用いて、燃焼器１４内の音響ゆらぎを測定することができる。燃焼器２０内部の力学的光信号を測定するためには、光学センサを用いることができる。燃焼器２０内部の力学的イオン活性度を測定するためには、イオンセンサを用いることができる。

図２に概略的に示した一例の熱音響センサは、公知の構造の音響送波器３０と、複数の公知の動圧センサ３２とを含み、これらは、たとえばＪ管またはレーキ等の公知の取付構造や取付手法を用いて、燃焼器２０内部にて軸方向および径方向に配列されている。とりわけ、１対のセンサ３２がカバープレート２４に結合されており、各圧力ポート２５を介して燃焼作動ガスと圧力のやりとりをすることができる。他の例のセンサ３２および３４は、燃焼器シェル２２内においてカバープレート２４から下流において、燃焼器内筒またはライナ２６に近接する場所、いわゆる１次領域（ＰＺ）と、タービン部１６とのトランジション２７管継手とに、軸方向に配列されている。ＰＺ内におけるセンサ３４Ａおよび３４Ｅの位置は、１次領域温度ＰＴＺを測定するのに好適である。タービン部１６とのトランジション２７管継手に近接するセンサ３２の位置は、タービン入口温度ＴＩＴを測定するのに好適である。図３ではセンサは、図９中にて破線で示したライン・オブ・サイト経路上にて音響振動波を送受信することができる、径方向／周方向に配列された送受波器３４Ａ〜３４Ｈである。図３中のセンサのうち一部は、燃焼器シェル２２の周部に周方向に配列されているが、これに代えて択一的に、当該一部のセンサを燃焼器ライナ２６またはトランジション管２７の周囲に配列することもできる。個別の熱電対温度センサまたは熱電対アレイ等の他の公知の種類のセンサを、ガスタービンエンジン内にて用いることもできる。たとえば図１および３では、熱電対３６は燃焼器２０内部の燃焼温度を測定し、熱電対３８は排気システム１８内部の排気温度を測定する。

図３および４にはさらに詳細な構成を示しており、両図ではモニタリング制御システム２９は、前記センサ３０，３２に結合されたコントローラ４０を有し、当該コントローラ４０はモニタリング部４２において、センサ出力信号を燃焼温度に相関付け、解析部４４において燃焼プロセスの燃焼力学的特性の解析を行うように構成されている。前記モニタリング部４２および力学的解析部４４の出力はガスタービン制御システム４６によって用いられ、当該ガスタービン制御システム４６は燃焼器２０内のモニタリング対象の燃焼条件の変化に応じて、エンジン１０の負荷軽減または遮断を行うため、たとえば燃料噴射システム２８等の産業用ガスタービン（ＩＧＴ）制御サブシステムを含めた他のガスタービン制御サブシステムへ制御信号を送信することができる。

図３に示した実施例のコントローラ４０を参照すると、これは１つまたは複数のプロセッサ５０、システムメモリ５２、所属するエンジン１０のたとえば燃料噴射制御システム２８等の制御部とやりとりするための入出力制御装置５４、音響送波器３０、センサ３２および音響送受波器３４、ネットワーク、他の計算装置、および、オペレータおよび／またはユーザに対するヒューマンマシンインタフェース等を有する。コントローラ４０はまた、１つまたは複数のアナログ／デジタルコンバータ５６Ａ、および／または、当該コントローラ４０がアナログセンサ情報を受け取るためにセンサ３２，送受波器３４ならびに／もしくは他のシステム構成要素とやりとりするために必要な他の構成要素を含むこともできる。これに代えて択一的に、および／またはこれと併用して、システム２９は、センサ３２と送受波器３４とコントローラ４０とを接続する１つまたは複数のアナログデジタルコンバータ５６Ｂを含むこともできる。さらに他の実施例として、特定のセンサ３２または送受波器３４が、自身と一体となったアナログデジタルコンバータ５６Ｃを有することができ、または別の態様で、検出した情報をデジタル形式でコントローラ４０へ直接送信することもできる。

（１つまたは複数の）プロセッサ５０は、たとえば汎用コンピュータ、マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラ等の１つまたは複数の処理装置を含むことができる。プロセッサ５０はまた、たとえば中央処理ユニット、専用デジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）、プログラマブル技術部品および／または再プログラミング可能技術部品および／または専用部品等の１つまたは複数の処理装置を含むこともでき、前記専用部品はたとえば、特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（たとえばＰＧＡ、ＦＰＧＡ等）等である。

メモリ６６は、（１つまたは複数の）プロセッサ５０により実行可能なコンピュータプログラムコードを記憶するための領域と、処理のために用いられるデータを記憶するための領域、たとえばウェーブレット変換、フーリエ変換または、モニタリング制御システム２９を動作させるために実行される他の数学的演算を計算するための記憶領域とを含むことができる。これについては、以下詳細に説明する。本発明の種々の態様自体は、関心対象の燃焼エンジン異常や燃焼力学的特性の検出とエンジン制御機能とを行うために構成されたコードを有するコンピュータプログラム製品として具現化することができる。以下、これについて詳細に説明する。

これについては、（１つまたは複数の）プロセッサ５０および／またはメモリ５２は、指定されたモニタリング機能および制御機能をコントローラ４０が実行するための十分なコード、変数、設定ファイル等によりプログラミングされている。たとえばコントローラ４０は、熱音響状態を検出し、１つまたは複数のセンサ３２，３４からの入力に基づいて熱音響状態を解析し、当該解析結果に応じてエンジン１０の特徴を制御し、および／または、当該解析結果をオペレータ、ユーザ、他のコンピュータ処理等に報告するように有効に構成することができる。これについては、以下詳細に説明する。したがって、センサ３２，３４に由来する力学的出力信号すべてを１つのプロセッサ５０へ転送するようにすることもできる。この実施態様では、この１つのプロセッサ５０は、データ解析を用いてセンサの力学的出力信号を処理し、以下詳細に説明するように、見かけ上、機能を制御した結果が全体的に並列に計算されているかのように、機能を制御することができる。これに代えて択一的に、複数のプロセッサ５０を用いて、たとえば各プロセッサの計算能力に応じて、各プロセッサがそれぞれ１つまたは複数のセンサ３２，３４力学的信号を処理するために用いられるようにすることもできる。

モニタリング制御システム動作
図５は、本発明の実施形態のモニタリング制御システム２９の動作例を図解するフローチャートである。太い実線および点線の動作ブロックは、上記にて説明した燃焼力学的特性解析機能４２、温度モニタリング測定機能４４、および、ガスタービン制御機能４６（たとえばＩＧＴ制御機能を含む）という、コントローラ４０内にて実行される機能のブロックである。ステップ１００において、センサ３２，３４により生成されたセンサ信号を読み込む。ステップ１１０において、センサ信号の振幅と、予め定められた警報限界とを比較する。たとえば、ＩＧＴにおいて使用する場合、ステップ１２０は、１００Ｈｚ未満の低周波数の振動（ＬＦＤ）が重要である。というのも、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのエンジン回転数において共振の影響が生じる可能性があるからである。関心対象となる他の周波数帯としては、約１００〜５００Ｈｚの間の中間周波数振動（ＩＦＤ）、および、５００Ｈｚを上回る高周波数振動（ＨＦＤ）がある。警報限界を超えると、コントローラ４０はステップ４００において、たとえば燃料噴射システム２８へ、エンジン１０の負荷軽減または遮断をするように制御命令を送信する。

ステップ１１０において警報限界を超えない場合には、燃焼力学的特性解析サブシステムの異常検出部において振動の周波数解析を行う。異常検出を実施する手法例は、米国特許第７，８５３，４３３号に記載されている。同刊行物は、引用により本願の開示内容に含まれることとする。ステップ１３０においてセンサから、サンプリングされた高速の動圧信号が得られ、ステップ１４０において複数のセグメントに時分割される。ステップ１５０において、米国特許第７，８５３，４３３号に記載されているウェーブレット解析技術を用いて、時間‐時間分割されたサンプルセグメントを解析する。これに代えて択一的に、時間セグメントを周波数空間に変換する公知のフーリエスペクトル解析が、各ピーク周波数と、これに対応する振幅とを特定することにより、卓越振動数を解析し、規定された閾値を超える振幅を特定する。ステップ１６０において１つまたは複数の燃焼異常が生じたと判定された場合、温度モニタリング測定サブシステム４４において求められた燃焼器温度と、フーリエ解析技術またはウェーブレット解析技術または双方の技術によって得られた異常情報とを比較する。ステップ１８０において、温度モニタリング測定サブシステム４４から得られたパッシブ温度情報または経路温度情報を併用して、着火、失火または逆火といった異常分類を行う。たとえばガスタービンに失火が生じた場合には、燃焼器温度は劇的に降下する。逆に逆火時には、燃焼器１４内の上流の燃焼器温度は劇的に上昇する。ステップ１８０において異常判定がなされた場合には、エンジン制御システム４６において、エンジンの負荷軽減または遮断をするための適切な制御信号が生成される。

温度モニタリング測定サブシステム４４は、米国特許出願第１３／８０４，１３２号（出願日：２０１３年３月１４日、発明の名称「Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor」）に記載のパッシブ音響手法を用いるパッシブ温度測定部、および／または、米国特許出願公開第２０１２／１５０４１３号に記載のガスタービン排気システム温度測定用に音響高温測定技術を調整したものを使用する、燃焼器１４内部のリアルタイムの実際の経路温度の測定部を含むことができる。両刊行物の記載内容は、引用により本願の開示内容に含まれることとする。

パッシブな温度測定法では、ステップ２００において、センサ３２／３４からのサンプリングされた高速の動圧信号を、卓越モードについて解析する。前記高速の動圧信号は、たとえばステップ１３０において得られたものである。ステップ２１０においてパッシブ音響手法を用いて、周波数に基づいて燃焼器温度を計算する。ステップ２２０において、参照温度値を用いてこのパッシブ値を較正することにより、燃焼器１４内部のアクティブ温度値が得られる。ステップ２２０において求められたこの較正パッシブ温度値は、ステップ２３０において、燃焼ガスのバルク平均温度を求めるのに用いられる。ステップ２２０において用いられる参照温度値は、燃焼器内部の１つまたは複数の熱電対３６から、または、排気系統１８に配置された熱電対３８から取得することができる。前記参照温度値は、米国特許出願第２０１２／０１５０４１３号に記載されたように、排気系統１８において測定される実際の経路温度とするか、または、ステップ３００〜３３０において測定される、燃焼器１４内部のリアルタイム測定経路温度とすることができる。

リアルタイム経路温度は、音響送波器３０または音響送受波器３４において１つまたは複数の音響信号を送信することにより測定される。ステップ３１０において少なくとも１つ、有利には２以上のセンサが、この音響信号を受波する。この音データはステップ３２０において、アクティブ音響技術を用いて、たとえば上述の米国特許出願公開第２０１２／０１５０４１３号に記載された手法を用いて、ガス温度に変換される。同刊行物は、引用により本願の開示内容に含まれることとする。ステップ３３０において求められるリアルタイム経路温度は、伝達経路上における局所的なアクティブ温度値である。ステップ３００〜３３０を実施することにより複数の異なる音響経路上にて測定された複数のアクティブ温度値のみを用いて、またはステップ２００〜２３０の卓越振動数パッシブ音響手法と併用して、燃焼器１４のバルク温度を求めることができる。１つの送波器３０と音響センサ３２との間で１つの経路アクティブ温度測定を行うだけでも、有用な制御情報が得られるが、１つの燃焼器１４内または複数の燃焼器１４内において、複数のセンサ３０，３２および／または３４を軸方向パターンで、周方向パターンで、および／または径方向パターンで、またはこれらを組み合わせたパターンで選択的に配列することにより、ガスタービンエンジン１０内におけるアクティブなリアルタイムの２次元または３次元の燃焼温度モニタリングを容易にすることができる。

前記ステップ３００〜３３０において求められたリアルタイム経路温度は、ここで記載した実施例の統合されたモニタリング制御システム２９において、燃焼力学的特性解析４２、パッシブ温度モニタリング測定４４および制御機能４６のうち１つまたは複数を用いるかまたは用いない、他のモニタリング機能や制御機能の入力として用いることができる。たとえば、燃焼器タービン入口温度（ＴＩＴ）をリアルタイムでアクティブモニタリングし、燃焼プロセスの制御パラメータとして用いることができる。ステップ３００〜３３０において求められた燃焼アクティブ経路温度は、燃料噴射システム２８を介して、燃焼器１４内の燃料空気混合気を制御するために用いることができる。

本願にて記載した実施形態の、熱音響センサを用いたシステムおよび方法を使用する燃焼器のアクティブ温度モニタリングは、公知の熱電対方式の温度モニタリングシステムより高速の温度変化応答を実現できると考えられ、別個に取得される参照温度を用いて燃焼器温度を逆算／較正により推定する必要がなくなる。

本発明の思想を含む種々の実施形態を詳細に図示および説明したが、当業者であれば、この思想を依然として含む他の異なった実施形態を数多く容易に導き出すことができる。本願発明はその実施に際し、発明の詳細な説明や図面に記載された実施例の詳細な構造や各構成要素の具体的配置に限定されることはない。実施例のエンジン１０および実施例の燃焼器１４は、本発明の特定の構成および態様を非常に明確かつ詳細に説明するために例示したものであり、限定する趣旨のものではない。しかし、ここで詳細に記載した本発明の種々の態様は種々の燃焼エンジンにおいて、燃焼異常のモニタリングおよび／または検出を行うために使用することができる。本発明は他の実施形態でも実施可能であり、かつ、種々の態様で実用化または実施することができる。また、ここで使用した表現や用語は説明のためのものであり、これらも、本発明を限定するものとして見なすべきではない。「含む」、「有する」または「包含する」との用語、および、その変形的な用語は、下記にて記載した項目と、その等価的項目と、他の追加的項目とを含むことを意味する。また、「取り付けられている」、「接続されている」、「支持されている」および「結合されている」ならびにその変形用語は広い意味で用いられるものであり、直接的および間接的な取付、接続、支持および結合との意味を含む。さらに、「接続されている」および「結合されている」との記載は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの燃焼器内の温度をアクティブにモニタリングする方法であって、
   ガスタービンの燃焼器に、少なくとも１つの音響送波器、および、当該送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路を成すように方向調整された少なくとも１つの熱音響センサを配置し、
   前記センサは、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号を生成するように構成されており、
   少なくとも１つの送波器および少なくとも１つのセンサをコントローラに結合し、ただし、当該コントローラは、前記燃焼器内における音響信号の送信を当該少なくとも１つの送波器にさせ、センサ出力信号を、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件に相関付けるように構成されており、
   前記方法は、
   前記少なくとも１つの送波器から音響信号を送信するステップと、
   前記少なくとも１つの音響送波器から前記音響信号を、前記少なくとも１つの熱音響センサにより受信して、受信した当該音響信号の寄与分を含む力学的センサ出力信号を生成するステップと、
   前記各ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した各音響信号の飛行時間を求めるステップと、
   前記ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した前記音響信号の飛行時間を処理することにより、各ライン・オブ・サウンド経路上における各燃焼器経路温度を求めるステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. さらに、燃焼器経路温度をリアルタイムで求める、
   請求項１記載の方法。
3. さらに、
   求めた各燃焼器経路温度を用いて前記燃焼器内のバルク温度を求める、
   請求項１記載の方法。
4. さらに、
   各センサ出力信号における１つまたは複数の音響周波数を特定し、
   前記１つまたは複数の各音響周波数ごとに、当該１つまたは複数の各音響周波数に直接比例する第１のバルク温度値Ｔと、当該１つまたは複数の各音響周波数に対応する計算された定数値とを求め、
   前記１つまたは複数の周波数ごとに求めた前記第１のバルク温度値と前記経路温度との比較を行い、前記１つまたは複数の各周波数ごとに、当該比較に基づき、前記計算された定数値を再計算された定数値に変え、
   さらに特定した別の音響周波数に基づき、前記第１の場所における後続の第１の温度値を求める
   ことにより、前記燃焼器内のバルク温度を求める、
   請求項１記載の方法。
5. さらに別に再計算された定数値にも基づいて、後続の第１の温度値を求める、
   請求項４記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路をそれぞれ成すように方向調整された少なくとも２つのセンサのアレイを含む、
   請求項１記載の方法。
7. 請求項１記載の方法により求めた、燃焼経路温度を用いて、産業用ガスタービン燃焼器内の燃焼を制御する方法。
8. さらに、求めた前記燃焼経路温度に少なくとも部分的に基づいて、前記燃焼器内の燃料空気混合気を制御する、
   請求項７記載の方法。
9. ガスタービンエンジンの燃焼器内の温度をモニタリングするためのシステムであって、
   少なくとも１つの音響送波器、および、当該少なくとも１つの送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路を成すように方向調整された少なくとも１つの熱音響センサ
   を有し、
   前記少なくとも１つのセンサは、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ生成するように構成されており、
   前記システムはさらに、
   少なくとも１つの送波器および少なくとも１つのセンサに結合されたコントローラであって、前記燃焼器内における音響信号の送信を当該少なくとも１つの送波器にさせるように構成されたコントローラ
   を有し、
   前記コントローラは、
   前記少なくとも１つの送波器から音響信号を送信し、
   前記少なくとも１つの音響送波器から前記音響信号を、前記少なくとも１つの熱音響センサにより受信して、受信した当該音響信号の寄与分を含む力学的センサ出力信号を生成し、
   前記各ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した各音響信号の飛行時間を求め、
   前記ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した前記音響信号の飛行時間を処理することによって、各ライン・オブ・サウンド経路上における各燃焼器経路温度を求める
   ことにより、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件にセンサ出力信号を相関付けるように構成されている
   ことを特徴とするシステム。
10. 音響送波器と熱音響センサとが送受波器を構成し、
    前記燃焼器において、前記送受波器が複数配列されている、
    請求項９記載のシステム。
11. 前記送波器の上流と下流とにそれぞれ、前記センサのアレイのうち少なくとも１つのセンサが配置されている、
    請求項９記載のシステム。
12. さらに、複数の前記熱音響センサが、前記燃焼器において少なくとも１つの同一平面内において径方向に配列されている、
    請求項９記載のシステム。
13. さらに、複数の前記熱音響センサが前記燃焼器において軸方向に配列されている、
    請求項９記載のシステム。
14. 前記コントローラは、複数の各音響信号の飛行時間の測定結果を処理することにより、前記燃焼器内におけるバルク温度を求める、
    請求項９記載のシステム。
15. さらに、
    動圧センサ、マイクロフォン、光センサまたはイオンセンサのうち１つまたは複数の任意の組み合わせを含む、複数の前記熱音響センサを有する、
    請求項９記載のシステム。
16. 前記コントローラは、求めた前記燃焼経路温度を用いて、産業用ガスタービン内の燃焼を制御する、
    請求項９記載のシステム。
17. 前記コントローラは、求めた前記燃焼経路温度に少なくとも部分的に基づいて、前記燃焼器内の燃料空気混合気を制御する、
    請求項１６記載のシステム。
18. 圧縮部と、
    燃料混合気を調整するための噴射システムをそれぞれ有する複数の燃焼器を含む燃焼部と、
    タービン部と、
    各燃焼器内の温度をモニタリングするためのシステムと
    を有するガスタービン装置であって、
    少なくとも１つの音響送波器、および、当該少なくとも１つの送波器からの別個のライン・オブ・サウンド経路をそれぞれ成すように方向調整された少なくとも２つの熱音響センサのアレイ
    を有し、
    前記センサは、燃焼熱音響振動を含めた熱音響振動を表すセンサ出力信号をそれぞれ生成するように構成されており、
    前記ガスタービン装置はさらに、
    前記少なくとも１つの送波器およびセンサに結合されたコントローラであって、前記燃焼器内における音響信号の送信を当該少なくとも１つの送波器にさせるように構成されたコントローラ
    を有し、
    前記コントローラは、
    前記少なくとも１つの送波器から音響信号を送信し、
    前記少なくとも１つの送波器から前記音響信号を、前記熱音響センサにより受信して、受信した当該音響信号の寄与分を含む力学的センサ出力信号を生成し、
    前記各ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した各音響信号の飛行時間を求め、
    前記ライン・オブ・サウンド経路上を伝搬した前記音響信号の飛行時間を処理することによって、各ライン・オブ・サウンド経路上における各燃焼器経路温度を求める
    ことにより、センサ出力信号を、少なくとも燃焼温度を含めた燃焼条件に相関付けるように構成されている
    ことを特徴とするシステム。
19. 前記コントローラは、各燃焼器に関して、求めた前記燃焼経路温度に少なくとも部分的に基づいて、当該燃焼器内の燃料空気混合気を制御する、
    請求項１８記載のガスタービン装置。
20. 前記コントローラは、各燃焼器に関して、複数の各音響信号の求めた飛行時間を処理することにより、前記燃焼器内のバルク温度を求める、
    請求項１８記載のガスタービン装置。

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