JP3459280B2 - ガスタービンの燃焼器内の圧力計測方法および圧力計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンの燃焼器
内の圧力計測方法および圧力計測装置に係り、特にガス
タービン燃焼器内の圧力変動を長期に亘って安定的に計
測することができるガスタービンの燃焼器内の圧力計測
方法および圧力計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの燃焼器は、一般に円筒形
状となっおり、その内部で燃料が燃焼する際、気柱との
共鳴により燃焼振動が発生する。この燃焼振動は、振動
レベルの大小はあるものの、燃焼という現象が生じてい
る限りにおいては、必ず生じる。この燃焼振動は、ある
特有の振動周波数の範囲をもって生じ、ガスタービン燃
焼器の長さおよび燃焼ガスの温度により左右されるが、
ガスタービン燃焼器の燃焼性能の観点より制約を受ける
ため、１００Ｈｚ前後から２００ないし３００Ｈｚ前後
までとなっている。

【０００３】また同じく燃焼性能の観点からガスタービ
ン燃焼器の直径、長さが決定され、急激な温度上昇・変
化による熱応力の緩和のため、肉厚が薄い形状とされ、
さらには運転中の熱伸び吸収のため、ガスタービン燃焼
器の支持部にはかなりの隙間を設けて組み込まれてい
る。このような状態で、燃焼振動が大きいか、もしくは
燃焼振動とガスタービン燃焼器とが共振した場合、ガス
タービン燃焼器は極度に振動し、各支持部に過度の摩耗
が生じることになる。また、ガスタービン燃焼器そのも
のの部材も振動するため、振動応力による高サイクル疲
労によりクラック発生等が問題となり、燃焼振動を常に
小さく維持することが大切である。

【０００４】このような燃焼振動を監視するために、燃
焼振動時の圧力変動を正しく検出し、燃焼時の圧力変動
が小さくなるような運転をすることが必要である。この
ような圧力変動が小さな運転を行なうためにも、ボイラ
や熱分解炉等の燃焼器と同様の高温機器としてのガスタ
ービン燃焼器内の圧力を正しく検出することは極めて重
要である。

【０００５】そこで従来は、高温機器としてのガスター
ビン燃焼器内に直接圧力センサを取り付けて、ガスター
ビン燃焼器内の圧力変動を計測する方法が採られてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のガスタービン燃
焼器内の圧力計測方法においては、圧力センサをガスタ
ービン燃焼器内に直接取り付けているため、圧力センサ
が高温の燃焼ガスに直接晒されることになり、圧力セン
サの故障あるいは破損により圧力検出不良となるおそれ
がある。そして、圧力検出不良となった場合には、その
後のガスタービン燃焼器の運転に支障を来すという問題
がある。

【０００７】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、ガスタービン燃焼器内の圧力変動を、長期に
亘って高い信頼性で正確に計測することができるガスタ
ービンの燃焼器内の圧力計測方法および圧力計測装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係るガスタービンの燃焼器内の圧力計測方
法は、請求項１に記載したように、導圧管の先端を燃焼
器外筒を貫通して燃焼器内筒内までに挿入し、この導圧
管の基端側に取付部を介して圧力センサを取り付けると
ともに、前記取付部に導圧管よりも長い減衰管を取り付
けた後、燃焼器内の圧力を計測する方法である。

【０００９】また、本発明に係るガスタービンの燃焼器
内の圧力計測方法は、上述した課題を解決するために、
請求項２に記載したように、前記減衰管は導圧管とほぼ
同径に形成するとともに、前記導圧管の取付部に取り付
けられる圧力センサの出力から燃焼振動の周波数成分の
みを通過させるフィルタを通して圧力検出波形を検出し
て、ガスタービン燃焼器内の圧力を計測する方法であ
り、さらに、請求項３に記載したように、前記減衰管は
導圧管とほぼ同径で導圧管の長さのほぼ８倍以上の長さ
に形成するとともに、前記取付部に取り付けられる圧力
センサによりガスタービン燃焼器内の圧力を計測する方
法である。

【００１０】

【００１１】一方、上述した課題を解決するために、本
発明に係るガスタービンの燃焼器内の圧力計測装置は、
請求項４に記載したように、燃焼器外筒を貫通して燃焼
器内筒内までに先端が挿入された導圧管と、この導圧管
の基端側に取付部を介して取り付けられた圧力センサ
と、前記取付部に取り付けられ、前記導圧管よりも長い
減衰管とを備え、前記圧力センサの出力から、燃焼器内
の圧力を計測可能に構成したものである。

【００１２】また、本発明に係るガスタービンの燃焼器
内の圧力計測装置は、上述した課題を解決するために、
請求項５に記載したように、前記減衰管は、前記導圧管
とほぼ同径で導圧管よりも長く設定され、前記圧力セン
サの出力から、燃焼振動の周波数成分のみを通過させる
フィルタを通して圧力検出波形を検出して、燃焼器内の
圧力を計測可能に構成したのものであり、さらに、請求
項６に記載したように、前記減衰管は、導圧管とほぼ同
径に設定するとともに、前記導圧管の長さのほぼ８倍以
上の長さに設定したしたものである。

【００１３】

【００１４】

【作用】本発明の請求項１，２および請求項４，５に係
る発明においては、ガスタービン燃焼器内の圧力が導圧
管を介して外部に引き出され、その基端側の圧力センサ
により圧力が検出される。このため、圧力センサが熱に
よって故障あるいは破損するおそれが少なく、万一故障
した場合でも、交換が極めて容易である。

【００１５】ところで、導圧管を用いる場合、その管内
の気柱共鳴特性で増幅および減衰が激しく、正確な圧力
検出ができにくいという問題があるが、本発明では、導
圧管に減衰管を付けて所定の一部の周波数特性が振幅平
坦となるようにしているので、この振幅平坦な検出特性
域が燃焼振動周波数域を覆うように一致させ、さらにフ
ィルタで燃焼振動成分のみを通過させて圧力検出波形を
得ることにより、極めて正確なガスタービン燃焼器内の
圧力検出が可能となる。

【００１６】また、本発明の請求項３および請求項６に
記載の発明においては、減衰管が、導圧管の長さのほぼ
８倍以上の長さに設定されている。このため、導圧管内
の共鳴周波数は燃焼振動の周波数より非常に低い周波数
から無数に存在することになるが、有効な特性は、共鳴
・反共鳴の山谷の振幅が検出特性に比較して大幅に小さ
くなる。このため、燃焼振動成分のみにより圧力検出が
可能となる。

【００１７】

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。

【００１９】図１は、本発明の第１実施例に係るガスタ
ービンの燃焼器内の圧力計測方法を実施するための圧力
計測装置を示すもので、図中、符号１は空気であり、こ
の空気１は、圧縮機２により圧縮され、圧縮空気３とな
って燃焼器内筒（燃焼器ライナ）４内に案内される。こ
の圧縮空気１は、燃料ノズル５から噴射された燃料と混
合拡散して点火プラグ６により点火され燃焼されるよう
になっている。そして、燃焼器ライナ４内の燃焼室で燃
焼したガスは、燃焼ガス７となってタービン部８に導か
れて仕事をした後、排ガス９となって大気に放出される
ようになっている。

【００２０】ガスタービン燃焼器は、一般に燃焼を生じ
させる燃焼器内筒４と、その燃焼ガス７をタービン部８
へ導く尾筒（トランジションピース）１０とを備えて高
温機器として構成される。ガスタービン燃焼器のよう
に、検出対象部が高温（例えば４００℃〜１５００℃）
の機器が対象となるが、燃焼器内筒４内には、図１に示
すように、燃焼器外筒１１を貫通し、燃焼器内筒４の空
気通気孔から、内径数ｍｍ、例えば４ｍｍの導圧管１２
の先端が挿入されており、この導圧管１２の基端側に
は、図１および図２に示すように、取付部としてのエル
ボ１３が取り付けられている。

【００２１】このエルボ１３には、図１および図２に示
すように、導圧管１２と同径で導圧管１２よりも長い減
衰管１４および圧力センサ１５がそれぞれ取り付けられ
ており、圧力センサ１５の出力は、増幅器１６で増幅さ
れた後、燃焼振動の周波数成分のみを通過させるバンド
パスフィルタ１７に通されるようになっている。そし
て、バントパスフィルタ１７を通過した出力信号を圧力
検出波形として用いて圧力計測手段１８により圧力計測
がなされるようになっている。導圧管１２と減衰管１４
はそれぞれ検出管２０を構成している。

【００２２】次に、本実施例の作用について説明する。

【００２３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本実施例
の計測方法の場合の高温機器としてのガスタービン燃焼
器内の圧力に対する圧力検出特性および圧力検出結果を
示し、また図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、減衰管を取
り付けない場合、すなわち圧力センサを導圧管の端部に
取り付けた場合のガスタービン燃焼器内の圧力に対する
圧力検出特性および圧力検出結果を示す。

【００２４】図４（ｂ）に示す圧力検出特性において、
符号ｆ_１，ｆ_２は、導圧管内の気柱共鳴周波数で、これ
らは次式

【数１】 で決まる周波数である。

【００２５】図４（ａ）に示すガスタービン燃焼器内の
圧力変動周波数ｆが、図４（ｂ）に示す導圧管内の気柱
共鳴周波数ｆ_１，ｆ_２の間に位置したり、あるいは近接
した場合には、図４（ｃ）に示すように、ガスタービン
燃焼器内の圧力と全く異なる圧力検出結果となる。

【００２６】これに対して、導圧管１２に減衰管１４を
接続した場合の圧力検出特性は、図３（ｂ）に示すよう
に、一部の領域（ｐ_１／ｐ_２）で平坦な周波数特性とな
る。そこで、この平坦な周波数特性領域が、燃焼振動周
波数を覆うような特性をもつ導圧管１２および減衰管１
４を設定する。このような特性を得るためには、一般に
減衰管１４を導圧管１２よりも長めとすればよいことが
判明した。

【００２７】ところで、このままでの検出管（導圧管１
２＋減衰管１４）の特性は、図３（ｂ）に示すように、
鋭いピークをもったり、複数個の振幅平坦の特性をもっ
ているため、燃焼振動周波数成分のみを覆うような領域
の電気回路によるバンドパスフィルタ１７を通す。これ
により、図３（ｃ）に示すような圧力検出結果が得られ
る。

【００２８】しかして、燃焼振動成分を鮮明にし、しか
も正確に検出することができる。また、圧力センサ１５
は、導圧管１２を介してガスタービン燃焼器の外部に引
き出されているので、導圧管２１の基端側で、温度が低
い位置に圧力センサ１５を取り付けることができ、圧力
センサ１５が故障、破損して圧力検出不良となることが
極めて少ない。そして万一、圧力センサ１５で検出不良
となっても、ガスタービン燃焼器外に圧力センサ１５が
位置しているため交換が容易である。

【００２９】図５は、本発明の第２実施例を示すもの
で、導圧管２１の管内の一次の共鳴周波数ｆ_１が、燃焼
振動の周波数ｆの所要倍数、例えば１．４倍となるよ
う、導圧管２１の長さを設定し、導圧管２１の長さを非
常に短かくできるようにしたものである。この第２実施
例は、減衰管を使用しない場合の対応である。導圧管２
１内の一次共鳴周波数を燃焼振動の周波数の１．４倍以
上に選べば、燃焼器内の圧力の周波数ピークと導圧管２
１の共鳴周波数ピークを充分にすることができ、燃焼器
内の圧力周波数と共鳴周波数の波形検出がし易くなる。

【００３０】すなわち、次式が成立するようにしたもの
である。

【００３１】

【数２】

【数３】Ｌ≧（２ｎ−１）ｃ／４×１．４ｆ

【００３２】これにより、導圧管２１の検出特性は、図
５（ｂ）に示すように、燃焼振動周波数ｆより充分高い
が、そのままでは燃焼振動の成分と導圧管２１の共鳴振
動の成分とが重なって検出されるため、ローパスフィル
タにより燃焼振動成分のみ出力するようカットオフ周波
数を調整する。すなわち、ローパスフィルタによる共鳴
周波数の分離が容易となる。なお、導圧管２１のガスタ
ービン燃焼器からの引出し方法は、前記第１実施例の場
合（図１参照）と同一である。

【００３３】しかして、本実施例の場合には、低い周波
数が目標周波数まで平坦な特性で検出できるが、数百ヘ
ルツの燃焼振動を検出するには、導圧管２１の長さが余
りにも短かくなる。このため、適用範囲がある程度限定
される。しかしながら、圧力センサ１５がガスタービン
燃焼器の外部に取り付けられているため、圧力センサ１
５の故障、破損による圧力検出不良を抑制することがで
きる。

【００３４】図６は、本発明の第３実施例を示すもの
で、減衰管を導圧管の長さのほぼ８倍以上の長さに設定
したものである。

【００３５】すなわち、本実施例に係る検出方法は、図
６（ｂ）に示すように、前記第１実施例と同様、導圧管
３１に減衰管３２を延長して圧力センサ１５で検出する
ものであるが、前記第１実施例の場合と異なり、減衰管
３２が、導圧管３１の長さのほぼ８倍以上の長さに設定
されている。減衰管３２の長さが導圧管３１の長さに比
較して短い場合は、導圧管３１内の共鳴周波数の振幅が
大きく、この影響により圧力検出による燃焼振動成分の
みの検出が困難である。

【００３６】しかして、本実施例の場合には、検出管
（導圧管３１＋減衰管３２）内の共鳴周波数は、図６
（ａ），（ｂ）に示すように、燃焼振動の周波数ｆより
非常に低い周波数から無数に存在することになるが、有
効な特性は、共鳴・反共鳴の山谷の振幅が、図４（ｂ）
に示す検出特性と比較して大幅に小さくなるともに、周
波数が高くなるに従って、共鳴・反共鳴の山谷の振幅が
小さくなる有用な特性を示す。このため、前記各実施例
と同様の効果が得られる。この場合には、周波数フィル
タであるバンドパスフィルタが不要となる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ガスタービン燃焼器内の圧力を導圧管を介して外部
に引き出して圧力センサで検出するようにしているの
で、圧力センサが故障，破損するおそれが少なく、万一
故障した場合でも、その交換が極めて容易である。

【００３８】また、導圧管に減衰管を設けると共に、フ
ィルタで燃焼振動成分のみを通過させて圧力検出波形を
得るようにしたので、極めて正確な圧力検出が可能とな
る。さらに、本発明においては、減衰管を、導圧管の長
さのほぼ８倍以上の長さに設定しているので、導圧管内
の共鳴周波数の振幅が大幅に小さくなり、燃焼振動成分
のみにより圧力を検出することができる。

【００３９】また、本発明においては、導圧管を、その
管内の一次の共鳴周波数が燃焼振動の周波数の所要倍数
となる長さに設定しているので、導圧管を非常に短かく
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るガスタービンの燃焼
器内の圧力計測方法を実施するための圧力計測装置を示
す構成図。

【図２】図１のエルボの部分を示す拡大断面図。

【図３】（ａ）は図１のガスタービン燃焼器内の圧力を
示す説明図、（ｂ）はその際の圧力検出特性を示す説明
図、（ｃ）は最終的な圧力検出結果を示す説明図。

【図４】（ａ）は図１のガスタービン燃焼器内の圧力を
示す説明図、（ｂ）は減衰管がない場合の圧力特性を示
す説明図、（ｃ）はその際の圧力検出結果を示す説明
図。

【図５】本発明の第２実施例を示すもので、（ａ）はガ
スタービン燃焼器内の圧力を示す説明図、（ｂ）はその
際の検出特性を示す説明図、（ｃ）は最終的な圧力検出
結果を示す説明図。

【図６】本発明の第３実施例を示すもので、（ａ）はガ
スタービン燃焼器内の圧力を示す説明図、（ｂ）はその
際の圧力検出特性を示す説明図、（ｃ）は最終的な圧力
検出結果を示す説明図。

【符号の説明】 ４ ガスタービン燃焼器内筒 １１ ガスタービン燃焼器外筒 １２，２１，３１ 導圧管 １３ エルボ １４，３２ 減衰管 １５ 圧力センサ １６ 増幅器 １７ バンドパスフィルタ １８ 圧力検出手段

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導圧管の先端を燃焼器外筒を貫通して燃
   焼器内筒内までに挿入し、この導圧管の基端側に取付部
   を介して圧力センサを取り付けるとともに、前記取付部
   に導圧管よりも長い減衰管を取り付けた後、燃焼器内の
   圧力を計測することを特徴とするガスタービンの燃焼器
   内の圧力計測方法。
2. 【請求項２】 前記減衰管は導圧管とほぼ同径に形成す
   るとともに、前記導圧管の取付部に取り付けられる圧力
   センサの出力から燃焼振動の周波数成分のみを通過させ
   るフィルタを通して圧力検出波形を検出して、ガスター
   ビン燃焼器内の圧力を計測する請求項１記載のガスター
   ビンの燃焼器内の圧力計測方法。
3. 【請求項３】 前記減衰管は導圧管とほぼ同径で導圧管
   の長さのほぼ８倍以上の長さに形成するとともに、前記
   取付部に取り付けられる圧力センサによりガスタービン
   燃焼器内の圧力を計測する請求項１記載のガスタービン
   の燃焼器内の圧力計測方法。
4. 【請求項４】 燃焼器外筒を貫通して燃焼器内筒内まで
   に先端が挿入された導圧管と、この導圧管の基端側に取
   付部を介して取り付けられた圧力センサと、前記取付部
   に取り付けられ、前記導圧管よりも長い減衰管とを備
   え、前記圧力センサの出力から、燃焼器内の圧力を計測
   可能に構成したことを特徴とするガスタービンの燃焼器
   内の圧力計測装置。
5. 【請求項５】 前記減衰管は、前記導圧管とほぼ同径で
   導圧管よりも長く設定され、前記圧力センサの出力か
   ら、燃焼振動の周波数成分のみを通過させるフィルタを
   通して圧力検出波形を検出して、燃焼器内の圧力を計測
   可能に構成した請求項４記載のガスタービンの燃焼器内
   の圧力計測装置。
6. 【請求項６】 前記減衰管は、導圧管とほぼ同径に設定
   するとともに、前記導圧管の長さのほぼ８倍以上の長さ
   に設定した請求項４記載のガスタービンの燃焼器内の圧
   力計測装置。