JP2015534618A - ガスタービン内の燃焼器内筒及びトランジションにおける遠位の振動を検出するためのシステム - Google Patents

Abstract

ガスタービンの燃焼器の振動検知システムは、光子源によって燃焼器の内部の構成部品で光子を反射させるように且つ光子検出器によって反射された光子を受けるように構成されている、非接触型反射光学式振動センサを含んでいる。典型的な燃焼器の内部構成部品としては、燃焼器内筒やトランジションが挙げられる。振動分析器は、光子検出器によって受けられた光子を構成部品の振動特性と関連付けるために、非接触型反射光学式振動センサに結合されている。従って、振動特性は、例えば火炎面の位置及び燃焼停止の条件を含む燃焼特性と関連付けられる。振動特性に関する情報は、ガスタービンの動作を改善するために、タービン監視システムによって動作パラメータとして利用される。

Description

本発明は、ガス燃焼式タービン燃焼器内における振動の検出に関し、より具体的には動作中のガスタービン内における燃焼器内筒及び／又はトランジションにおいて遠位の振動を検出するためのシステムに関する。振動は、燃焼器ハウジングの内部に位置決めされた１つ以上の非接触型反射光学式振動（ＮＲＯＶ）センサであって、燃焼器ハウジングの内部に配置された燃焼器内筒及び／又はトランジションを具備する燃焼器格納要素で光子を反射させる１つ以上の非接触型反射光学式振動（ＮＲＯＶ）センサによって検出される。検知された振動の特性は、燃焼炎の特性に関連する場合があり、この場合にはタービンの動作監視パラメータとして利用される。

ガスタービンの燃焼器部の内部における定常振動の特性及び過渡振動の特性を、特に燃焼器内筒及びトランジションにおける燃焼に含まれる要素を監視することが、タービンの設計及び動作について望ましい手段である。これら要素は、燃焼ガス力学に起因して誘発される振動励起に影響を受け易い。複数の要因及び動作条件が、ガスタービンの燃焼器部の内部に効率的でクリーンな燃焼力学を提供する。安定した希薄混合体が、燃料効率において、及び、環境面で受け入れ可能な排出において望ましいが、不安定なエンジンの動作条件を回避しなければならない。燃料／空気混合体が重要であるばかりでなく、燃焼器格納要素の内部における、燃焼器内筒及び燃焼トランジションを含む燃焼炎面の形状及び位置が、ガスタービンの動作に関連している。効率及び排出の基準を考慮すると、ガスタービンの動作は、効率の維持、排出基準への適合、並びに、好ましくない燃焼力学特性に起因する振動、過度の圧力及び／又は熱による損傷の回避のために、設計バランス及び動作手順を必要とする。

タービンエンジンの設計の際に、及びその後の現場における動作の際に、例えば炎の形状及び炎面の位置、圧力変動、燃焼器の構成部品を損傷させる可能性がある燃焼温度及び／又は燃焼圧力の変動によって誘起される熱音響振動、並びに、エンジンの１つ以上の燃焼器の内部における逆火（flashback）及び／又は燃焼停止（flameout）のような、燃焼特性の影響を受ける燃焼の振動特性を監視することが有益である。監視された振動及び燃焼の特性は、エンジンの動作についての制御パラメータとして利用される。例えば、燃焼器の燃焼停止が検出された場合における典型的な制御応答は、エンジン全体でないならば、少なくとも影響を受けた燃焼器に対する燃料供給を停止することである。さらなる例としては、逆火状態が検出された場合における一般的な制御応答は、空気を燃焼器の内部に取り込むための圧力及び／又は流速を高めることである。

機器によって振動特性及び燃焼特性を直接監視することは、燃焼器の内部における、特に燃焼器内筒及びトランジションを含む燃焼器格納要素の内部における局所的な圧力及び温度を考慮すると困難である。既知の燃焼特性を監視するための機器は、燃焼器の内部に配置されている単一の熱電対又は熱電対列を含んでいる。単一の熱電対又は熱電対列は、温度及び／又は燃焼特性に基づく温度変化に関連付けられる。しかしながら、温度に関する情報だけでは、燃焼器の振動特性に関する情報を得ることはできない。他の既知の燃焼特性を監視するための機器は、燃焼器の内部に配置されている１つ以上の圧力変換器（例えば圧電式変換器）を含んでいる。１つ以上の圧力変換器は、圧力及び／又は燃焼特性に基づく圧力変化に関連付けられる。また、圧力変換器は、燃焼器の構成部品を損傷させる場合がある燃焼温度及び／又は燃焼圧力の変動によって誘発される熱音響振動を監視することができるので、有用な振動監視情報が、タービンの設計及び動作について利用可能とされる。幾つかの提案される燃焼監視光学システムは、火炎の発光を燃焼の熱音響振動特性と関連付けているので、圧力変換器は、同一の振動監視機能を実施する必要は無い。これら光学センサは、燃焼炎の発光（例えば任意の赤外線では、可視光又は紫外スペクトル）の変化を計測し、燃焼実ハウジングの外側又は内側に配置されたフォトダイオード検出器に結合されている光学管を含んでいる。後方散乱、回折、又は位相ドップラーの原理を利用したレーザ光学センサによる燃焼の監視が、冷却水の射出容量及び水滴の分布を監視するために提案されている。しかしながら、これら提案は、振動監視情報を提供しない。

他の既知の燃焼器の振動監視システムは、検知された振動特性と燃焼特性とを関連付けることができる加速度計を利用している。加速度計は、燃焼器ハウジングのの内側又は外側に取り付けられている。加速度計は、すなわち具体的には燃焼器の内部に取り付けられている任意のタイプの監視センサは、高温の加圧された燃焼ガスによって損傷し易いので、自身の潜在的なサービス信頼性を損なう場合がある。燃焼器の内部に取り付けられている故障した燃焼監視モニタは、交換のためにエンジンの停止を―さらには中断を―必要とする。加速度計又は他の振動センサが内部燃焼器の構成部品に取り付けられている場合には、当該加速度計又は他の振動センサの交換のために、燃焼器を完全に分解する必要がある。加速度計又は任意の他の振動計測センサは、例えば燃焼器内筒又はトランジションのような燃焼器に格納された構成部品に固定されている場合には、例えば非平衡状態の非減衰物体を導入することによって、構成部品自体の振動特性に悪影響を与える場合がある。さらに、加速度計又は他の燃焼／振動監視センサが、燃焼器の内部の取付箇所から不適切に分離している場合には、他の構成部品に内部損傷が生じる場合がある。加速度計又は他の燃焼／振動監視センサも、上述の不利益のすべてを回避するために、燃焼器ハウジングの外部に取り付けられている場合があるが、燃焼器ハウジングの外部に取り付けられている加速度計又は他の燃焼／振動監視センサは、特に燃焼器ハウジングの振動減衰又は伝播遅延に起因して、燃焼器ハウジングの内部に取り付けられた加速度計又は他の燃焼／振動監視センサと同一の監視感度及び／又は応答速度を有していない場合がある。

従って、ガスタービン燃焼器の振動監視システムに関する技術分野においては、動作している燃焼器の内部における高温高圧の条件下において確実に動作することに対して、ニーズが存在する。

ガスタービン燃焼器の振動監視システムに関する技術分野においては、燃焼器の内部構成部品の振動特性に悪影響を与えることなく、高い監視感度及び応答性を実現することに対して、さらにニーズが存在する。

ガスタービン燃焼器の振動監視システムに関する技術分野においては、検知された振動の特性を燃焼特性と関連付けること、及び、特徴的な情報が、ガスタービンの動作を改善するために、タービン監視システムによって動作パラメータとして利用されることに対して、さらにニーズが存在する。

米国特許第７５３３５７２号明細書

従って、本発明の目的は、動作している燃焼器の内部が高温高圧の状態にあるにもかかわらず、ガスタービン燃焼器の内部における燃焼特性を確実に監視することである。

本発明の他の目的は、燃焼器の内部構成部品の振動特性に悪影響を与えることなく、高い監視感度及び応答性でガスタービン燃焼器の振動を監視することである。

本発明のさらなる目的は、ガスタービンの動作を改善するために、検知された振動の特性を、燃焼特性とタービン監視システムによって動作パラメータとして利用される特徴的な情報とに関連付けることである。

本発明では、これら目的及び他の目的は、光子源によって燃焼器の内部の構成部品で光子を反射させるように且つ光子検出器によって反射された光子を受けるように構成されている、非接触型反射光学式振動センサを含んでいるガスタービン燃焼器の振動検知システムの実施例によって実現される。典型的な燃焼器の内部構成部品としては、燃焼器内筒やトランジションが挙げられる。非接触型光学式センサは、燃焼器の内部構成部品の振動特性に影響を与えず、ハウジングの点検ポートを通じて取り外し及び交換をすることによって、燃焼器を完全に解体することなく交換可能とされる。非接触型光学式センサは、燃焼器の内部構成部品から離隔されているので、内部構成部品より低い温度で動作する。振動分析器は、光子検出器によって受けられた光子を構成部品の振動特性と関連付けるために、非接触型振動センサに結合されている。従って、振動特性は、例えば火炎面の位置及び燃焼停止に関する条件を含む燃焼特性と関連付けられる。振動特性に関する情報は、ガスタービンの動作を改善するために、タービン監視システムによって動作パラメータとして利用される。

本発明の実施例は、非接触型反射光学式振動センサの光子源によって燃焼器の内部の構成部品で光子を反射させ、非接触型反射光学式振動センサの光子検出器によって反射された光子を受けることによって、ガスタービン燃焼器の振動を検知するための方法を特徴づけている。振動分析器は、検出器によって受けられた光子を構成部品の振動特性と関連付けるために利用される。

本発明の他の実施例は、光子源によって燃焼器の内部の構成部品の光子を反射させるように且つ光子検出器によって反射された光子を受けるように構成されている、非接触型反射光学式振動センサを有しているガスタービン燃焼器の振動検知システムを特徴とする。振動分析器は、光子検出器によって受けられた光子を構成部品の振動特性と関連付けるために、振動センサに結合されている。

本発明のさらなる実施例は、燃焼器を具備するガスタービンシステムであって、燃焼器ハウジングが燃焼器内筒及びトランジション品を含む、ガスタービンシステムを特徴とする。燃焼器の振動検知システムは、燃焼器ハウジングの内部と通信している非接触型反射光学式振動センサを有している、燃焼器に結合されている。振動センサは、光子源によって少なくとも１つの構成部品で光子を反射させ、光子検出器によって反射された光子を受ける。振動分析器は、光子検出器によって受けられた光子を構成部品の振動特性と関連付けるために、振動センサに結合されている。

本発明の目的及び特徴は、当業者であれば、連帯して任意の組み合わせで利用可能とされる。

添付図面と関連付けて発明の詳細な説明を精査すれば、本発明を容易に理解することができる。

本発明における振動検出システムの典型的な実施例を含む、ガスタービンの部分的な縦断面図である。 本発明における振動検出システムの典型的な実施例のブロック図である。

理解を容易にするために、図面全体に亘って共通する同一の構成部品には、同一の参照符号が付されている。

以下の説明を精査した後に、当業者であれば、光子源によって光子を燃焼器の内部に配置された構成部品で反射させるように且つ光子検出器によって反射された光子を受けるように構成されている、非接触型反射光学式振動センサを含むガスタービン燃焼器の振動検出システムにおいて、本出願の開示内容が容易に利用可能であることを明確に理解することができる。振動の監視に適した典型的な燃焼器の内部構成部品としては、燃焼器内筒やトランジションが挙げられる。送受信機が燃焼器内筒又はトランジションと位置合わせされている光学的な見通し線を有している限り、非接触型センサを燃焼器のケーシングの内部に取り付ける必要は無い。従って、非接触型センサは、燃焼器の内部構成部品固有の振動特性に影響を与えず、燃焼器ハウジングの点検ポートを介して現場で据付、交換、又は再設定を容易にすることができ、燃焼器の内部損傷の原因となり得る内部への取付及び位置決めを回避することができる。振動分析器は、振動センサに結合されており、光子検出器から受けた光子を構成部品の振動の振動周波数特性及び／又は振幅特性と関連付けることができる。従って、振動特性は、例えば火炎面の位置及び燃焼停止に関する条件を含む燃焼特性と関連付けられる。振動特性に関する情報は、ガスタービンの動作を改善するために、タービン監視システムによって動作パラメータとして利用される。

図１は、圧縮器部１２と、燃焼器部１４と、タービン部１６と、ロータ１８が貫通して方向づけられているタービン部１６とを有している、既知の構成から成る典型的な燃焼ガスタービン１０を表わす。燃焼器部１４は、タービン部１６の内部においてタービンブレードを回転させるための高温で加圧された燃焼ガスを含む、燃焼器ハウジング２０を含んでいる。一般に、ガスタービン１０の燃焼器部１４は、複数の周方向に方向づけられている燃焼器を有しているが、図１は、一の典型的な燃焼器のみを表わす。燃焼器格納部３０は、燃焼器内筒３２及びトランジション３４を含んでおり、燃焼器内筒３２及びトランジション３４は、燃焼火炎面Ｆを燃焼器部１４の内部に隔離する。火炎面Ｆは、燃焼器格納部３０の内部において動的に振動し、その位置を変化させる。火炎面Ｆの振動位置及び強度が、燃焼器内筒３２及びトランジション３４を含む燃焼器格納部３０を振動させる。燃焼器内筒３２及びトランジション３４の振動特性は、例えば火炎面の位置や燃焼停止に関する条件のような燃焼特性と関連付けられる。

図１及び図２に表わす典型的な実施例では、本発明における振動検出システムは、燃焼器ハウジング２０の内部と通信可能とされる２つの非接触型反射光学式振動（ＲＯＶ）センサ４０，５０を含んでいる。２つのＮＲＯＶセンサが図示されているが、燃焼器それぞれに利用されるセンサは、単一のセンサであっても３つ以上のセンサであっても良い。同様に、燃焼器部１４の燃焼器それぞれが１つ以上のＮＲＯＶセンサを利用している場合がある。図１及び図２に表わすように、ＮＲＯＶセンサ４０，５０は、光子源（場合によっては、コヒーレント光子ビームレーザ源）によって少なくとも１つの燃焼器格納部３０で光子を経路Ｉに沿って反射させ、光子検出器（例えば固体電荷結合装置）によって反射された光子を経路Ｒに沿って受ける。ＮＲＯＶセンサ４０，５０は、既知の構成から成り、センサと反射面との相対的位置と関連するレーザ強度法、レーザ干渉法、又はレーザドップラー検出法を利用することができる。発電機の振動監視に適した典型的なＮＲＯＶセンサの動作及び機能については、特許文献１に開示されており、当該特許文献の内容全体が、参照によって本出願に組み込まれている。振動の相対的な位置、振動周波数、及び振幅についての変化は、振動分析器６０によって監視される。

典型的なＮＲＯＶセンサ４０，５０は、燃焼器ハウジング２０の内部に形成されている点検ポート２２，２４に挿入されており、これによりＮＲＯＶセンサ４０，５０の光子源及び光子検出器それぞれが、対を成すトランジション３４及び燃焼器内筒３２の外面との光学的な見通し線上に位置している。ＮＲＯＶセンサ４０は、既知の構成から成る光ファイバ管集合体４２，４４を含んでおり、光ファイバ管４２，４４それぞれが、自身のための光子源及び光子検出器に結合されている。光ファイバ管４２，４４の両方が、燃焼器部１４内部において比較的高温且つ高圧の条件下で動作可能とされるので、センサ４０の光子源及び光子検出器の残りの構成部品が、ガスタービンの外側に維持されている。ＮＲＯＶセンサ５０は、高耐熱性の光学窓５４を具備する光学管５２を有しており、光学窓５４は、点検ポート２２に挿入されており、燃焼器部１４の内部と連通している。このようにして、センサ５０の残り部分は、ガスタービンの外側に維持されている。図１に表わす典型的な実施例は、点検ポート２２，２４それぞれに単一のセンサを有しているが、複数のセンサが、一のアクセスポートに挿入されており、複数のセンサそれぞれが、光子を照射し、様々な燃焼器部品（例えば燃焼器内筒３２及びトランジション３４、又は一の構成部品の様々な部分（例えば燃焼器内筒３２の上流側端部及び下流側端部））から反射された光子を受けるように方向づけられている。例えば、複数のセンサが、異なるセンサについての複数の光ファイバ管４２，４４を単一の点検ポート２２，２４に挿入すると共に別々に方向づけることによって、又は光学管５２の内部において光プリズムを光学窓５４と直列に追加することによって、単一の点検ポート２２，２４に収容されている。

ＮＲＯＶセンサ４０，５０は、既知の振動分析器６０に結合されている。振動分析器６０は、センサそれぞれを制御し、センサが検出した読み取り値を検知された振動周波数特性及び／又は振幅特性に変換する。振動分析器６０は、センサが検出した読み取り値を振動特性と関連付けるために、制御装置６２と、アクセス可能とされるメモリ６４に格納された動作実行ソフトウエア及び／又はファームウエアの命令セットとを含んでいる。燃焼器内筒３２及び／又はトランジション３４の振動特性は、振動分析器６０によって、通信経路７２を介してガスタービン監視システム７０に通信される。ガスタービン監視システム７０は、振動特性に関する情報をタービンの動作条件と関連付けし、ガスタービン１０を操業するための制御パラメータ又は他の動作パラメータとして、当該振動特性に関する情報を利用することができる。例えば、ガスタービン監視システム７０が振動特性を燃焼停止に関する条件と関連付けた場合には、ガスタービン監視システム７０は、燃焼器の燃料噴射器による燃焼器部１４への燃料供給を停止させる。ガスタービン監視システム７０は、通信経路７４を介して、発電所制御システムの通信バス８０と通信しており、発電所制御システムの通信バス８０では、例えばＮＲＯＶセンサ４０，５０によって検知された振動特性を含む動作状態が、発電所の作業員によって、ヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）９０を介して監視されている。従って、ヒトである作業員は、発電所を動作する場合に、監視された振動特性に関する情報を利用することもできる。

本明細書では、本発明の内容を備えている様々な実施例について説明及び図示しているが、当業者であれば、本発明の内容を備えている多様な他の実施例を想到することができる。本発明は、その用途において、本明細書及び図面に開示した構成部品の構成及び配置の詳細を典型的な実施例に限定する訳ではない。本発明は、他の実施形態として実施可能であり、様々な方法で実践又は実施可能とされる。また、本明細書で利用される表現及び用語は、説明することを目的とするものであり、限定的に解釈すべきではない。“含んでいる”、“備えている”、又は“有している”、並びにこれらの変化形の利用は、付加的な物品と同様に、その後に挙げられた物品及び当該物品と等価な物品を含んでいることを意味するものである。さもなければ、特定又は限定されないならば、“取り付けられている”、“接続されている”、“支持されている”、及び“結合されている”との用語、並びにこれらの変化形は、広義に利用されるものであり、直接又は間接を問わず、取付、接続、支持、及び結合を含んでいる。さらに、“接続されている”及び“結合されている”との記載は、物理的又は機械的な接続又は結合に限定されない。

１０ 燃焼ガスタービン
１２ 圧縮器部
１４ 燃焼器部
１６ タービン部
１８ ロータ
２０ 燃焼器ハウジング
２２ 点検ポート
２４ 点検ポート
３０ 燃焼閉じ込め部
３２ 燃焼器内筒
３４ トランジション
４０ センサ
４２ 光ファイバ管
４４ 光ファイバ管
５０ センサ
５２ 光学管
５４ 光学窓
６０ 振動分析器
６２ 制御装置
６４ メモリ
７０ ガスタービン監視システム
７２ 通信経路
７４ 通信経路
８０ 発電所制御システムの通信バス
９０ ヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）

Claims (20)

1. ガスタービンの燃焼器の内部における振動を検知するための方法において、
   非接触型反射光学式振動センサの光子源によって、前記燃焼器の内部の構成部品で光子を反射させるステップと、
   前記非接触型反射光学式振動センサの光子検出器によって、反射された光子を受けるステップと、
   振動分析器を介して、前記光子検出器によって受けられた光子を前記構成部品の振動特性と関連付けるステップと、
   とを備えていることを特徴とする方法。
2. 燃焼器内筒で光子を反射させるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼器のトランジションで光子を反射させるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記光子検出器によって受けられた光子を振動周波数又は振幅と関連付けるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 振動特性を前記燃焼器の内部における燃焼特性と関連付けるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記構成部品の振動特性を前記燃焼器の燃焼停止の条件と関連付けるステップを備えていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記構成部品の振動特性を、前記ガスタービンを動作させるための動作パラメータとして利用するステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. ガスタービンの燃焼器の振動検知システムにおいて、
   光子源によって、前記燃焼器の内部の構成部品で光子を反射させるように、及び、光子検出器によって、反射された光子を受けるように構成されている非接触型反射光学式振動センサと、
   前記光子検出器によって受けられた光子を前記構成部品の振動特性と関連付けるために、前記非接触型反射光学式振動センサに結合されている振動分析器と、
   を備えていることを特徴とする振動検知システム。
9. 前記非接触型反射光学式振動センサが、レーザ強度センサを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
10. 前記非接触型反射光学式振動センサが、レーザ干渉センサを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
11. 前記非接触型反射光学式振動センサが、レーザドップラーセンサを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
12. 前記非接触型反射光学式振動センサが、前記燃焼器の内部に挿入するように構成されている少なくとも１つの光ファイバケーブルであって、前記光子源に結合されている少なくとも１つの前記光ファイバケーブルを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
13. 前記非接触型反射光学式振動センサが、前記燃焼器の内部に挿入するように構成されている少なくとも１つの光ファイバケーブルであって、前記光子源に結合されている少なくとも１つの前記光ファイバケーブルを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
14. 前記非接触型反射光学式振動センサが、光学管と、前記燃焼器の内部に挿入するように構成されている光学窓とを備えていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
15. 前記構成部品の振動特性を、前記振動分析器に結合されているタービン監視システムに通信するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の振動検知システム。
16. 燃焼器内筒及びトランジション分を内蔵している燃焼器ハウジングを有している燃焼器と、
    前記燃焼器に結合されている燃焼器振動検知システムと、
    を備えているガスタービンシステムにおいて、
    前記燃焼器振動検知システムが、
    光子源によって少なくとも１つの構成部品で光子を反射させるために且つ光子検出器によって反射された光子を受けるために、前記燃焼器ハウジングの内部と通信可能とされる非接触型反射光学式振動センサと、
    前記光子検出器によって受けられた光子を前記構成部品の振動特性と関連付けるために、前記非接触型反射光学式振動センサに結合されている振動分析器と、
    とを備えていることを特徴とするガスタービンシステム。
17. 前記ガスタービンシステムが、前記振動分析器に結合されているタービン監視システムを備えており、
    前記タービン監視システムが、ガスタービンを動作させるための動作パラメータとして、前記構成部品の振動特性を利用することを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンシステム。
18. 前記タービン監視システムが、前記燃焼器の燃焼停止の条件を検出するために、前記構成部品の振動特性を利用することを特徴とする請求項１７に記載のガスタービンシステム。
19. 前記燃焼器ハウジングによって形成されている点検ポートであって、前記点検ポートの内部に結合されている前記非接触型反射光学式振動センサを有している前記燃焼器ハウジングの内部と連通している前記点検ポートを備えていることを特徴とする請求項１７に記載のガスタービンシステム。
20. 前記非接触型反射光学式振動センサが、レーザ強度センサ、レーザ干渉センサ、及びレーザドップラーセンサから成る群から選択されることを特徴とする請求項１７に記載の振動検知システム。

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