JP4130479B2 - 燃焼振動の能動的減衰方法 - Google Patents

Description

本発明は燃焼室における燃焼振動の能動的減衰方法と燃焼装置に関する。
文献「ＶＤＩ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ（ＶＤＩ・レポート）」、第１０９０号、１９９３年に掲載のＪ．ヘルマン、Ｄ．フォルトメイヤ、Ｓ．グライス共著の論文“圧力噴霧形バーナにおける液体燃料供給量の変調による自励燃焼振動の能動的減衰法（ＡＩＣ）”に、燃焼室内にどのようにして燃焼振動が生ずるかおよびそれがどのようにして減衰されるかが記載されている。例えばタービンの燃焼室における燃焼中に、燃焼不安定とも呼ばれる自励燃焼振動が生ずる。このような燃焼振動は燃焼中における出力発生変動と燃焼室の固有振動との相互作用によって生ずる。燃焼振動はしばしば大きな騒音を発生させ、また構造部品を破損してしまうほど燃焼室に機械的負荷を与える。操作部（圧電アクチュエータ）がバーナに供給される燃料の量を変調することによって、燃焼振動を能動的に減衰することができる。その場合、マイクロホンが燃焼室内における音響振動を検出する。このマイクロホンの信号から、供給燃料量の変調が燃焼振動に対して逆周期的に行われるように、供給燃料量の変調を調整するための調整信号が導き出される。
本発明の課題は、燃焼室における燃焼振動の簡単な能動的減衰方法を提供することにある。更に本発明の課題は、燃焼振動の能動的減衰が簡単な方法で行える燃焼装置を提供することにある。
この方法についての課題は、燃焼室内における燃焼振動がそれぞれ操作量を制御する少なくとも２つの操作部によって減衰され、少なくとも１つの測定個所で測定量が検出される燃焼室における燃焼振動の能動的減衰方法において、操作部の制御が操作部の数より少ない数の測定量によって行われることにより解決される。この方法によれば、僅かな測定費用で燃焼振動を能動的に減衰するための調整を実施することができる。操作量とは物理的量によって表される系統量を意味し、例えば所定の個所に供給される燃料の量である。この意味において別の操作量は、例えば別の個所に供給される燃料の量あるいはまた、例えば供給される燃焼空気量である。操作部は必ずしも装置的ユニットとは限らない。用語「操作部」は共通の操作量を制御する２つ以上の手段も意味し、例えば一緒に燃焼空気質量流を変調する２つのスピーカーも意味する。
燃焼部に燃料および燃焼空気が供給され、その場合好適には、操作量として燃焼部に供給される燃料の量および／又は燃焼部に供給される燃焼空気の量が利用されるが、また同時に別の操作量も利用できる。好適には燃料質量流および／又は燃焼空気質量流が変調される。これによって、燃料供給量および／又は燃焼空気供給量を変調することによって、燃焼振動を能動的に減衰することができる。
燃焼振動中に、燃焼室内に音響的な固有振動ないし音場が形成される。音場は例えばその時間的経過が或る周期的規則性を有している音圧および音の粒子速度のような特徴的な音場量によって特徴づけられる。音場は典型的に空間的領域を有し、その内部において音場量は種々の振幅で周期的に振動する。音場の種々の空間的領域における音場量は、その振動が音場を特徴づけているように互いに時間的にずれている、即ちこれは特徴的な位相ずれを有している。上述の空間的領域がその特徴について或る規則性を有しているとき、音場の対称性について論ずることができる。
好適には固有振動の特徴づけにとって必要である数と全く同じ数の測定量が測定される。更に好適には、少なくとも１つの操作部の制御が音響固有振動の対称性によって求められる。多数の測定量によって音響固有振動は特徴づけられる。当面する音場の知識から、燃焼室内における音響固有振動の対称性を介して、操作部が燃焼振動に影響を与えるその都度の空間的位置を考慮しながら、操作部の調整が導き出される。音響固有振動の特徴づけによって、操作部の作用場所における燃焼振動がどんな位相およびどんな振幅を有しているかが認識される。これによって、各操作部は燃焼振動の減衰にとって必要な調整を生ずる。従って測定個所の数は、固有振動の特徴づけに必要な測定個所の数だけで決定される。
更に好適には、操作部は燃焼振動に対して逆周期的に制御される。逆周期的制御は燃焼振動を特に効果的に減衰する。逆周期的制御とは操作部が自励燃焼振動と逆に変動することを意味する。これは調和的な燃焼振動に対して操作量が同じ周波数であるが逆位相にされることを意味する。
好適には、本発明に基づく方法はガスタービンの環状燃焼室で利用される。ガスタービンの環状燃焼室は非常に多くのバーナを有し、これらのバーナはそれぞれ燃焼振動を生じさせる。各バーナに対して固有の操作部によって、燃焼振動の能動的減衰を実施することが望ましい。これらの操作部に対して検出すべき測定量の数は少なくできる。
燃焼装置に向けられた課題は、燃焼室内における少なくとも１つのバーナと少なくとも１つの変調装置とを備え、この変調装置が、
ａ） 燃焼振動を特徴づける測定量を検出するためのセンサと、
ｂ） このセンサの信号を調整信号に変換するための調整器と、
ｃ） 操作量を変調するための操作部と、
を有し、操作量を変調するために全体として少なくとも２つの操作部が存在している燃焼装置において、センサの数が操作部の数より少ないことによって解決される。
その場合、変調装置が２つ以上の操作部を有していることによって、あるいは２つ以上の変調装置が存在することによって、２つ以上の操作部が存在できる。この燃焼装置によれば、必要な調整器およびセンサの数を減少することができ、これによって燃焼振動の能動的減衰を安価な構造費用で実施することができる。そのようにできるセンサおよび調整器の節約は、かなり大きなコストダウンを生ずる。
各バーナがそれぞれ燃料供給路および燃焼空気供給路を有し、少なくとも１つの操作部が燃料供給路および／又は燃焼空気供給路に接続されていることが有利である。これによって、燃焼振動の減衰を供給燃料量の調整あるいは供給燃焼空気量の調整によって実施することができる。同時にまた１つの操作部あるいは複数の操作部が、別の１つあるいは複数の操作量を変調することもできる。
バーナが予混合バーナとパイロットバーナとを含むハイブリッドバーナであることが有利である。ハイブリッドバーナの原理は、１９９０年１０月、ボストンで開催の「ＡＳＭＥ／ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ASME/IEEE発電会議）」で発表されたＨ．マグホン、Ｐ．ベーレンブリンク、Ｈ．テルミューレン、Ｇ．ガルトナー共著の論文“ガスタービンのＮＯｘおよびＣＯの発生量減少の進歩”に記載されているので、これも参照されたい。
燃焼室がガスタービンの環状燃焼室であることが有利である。
以下図を参照して燃焼振動の能動的減衰方法とその装置を詳細に説明する。
唯一の図は軸線３１に沿って延びるガスタービン３３を概略的に示している。圧縮機２は流体技術的にタービン３に接続されている。圧縮機２とタービン３との間に燃焼装置１が接続されている。この燃焼装置１は燃焼室４から成り、この燃焼室４には複数のハイブリッドバーナ５が開口している。各ハイブリッドバーナ５は燃焼空気供給路６を兼ねる円錐状予混合バーナ６から構成されている。この予混合バーナ６は、固有の燃焼空気供給路７ａを備えたパイロットバーナ７を取り囲んでいる。各予混合バーナ６に燃料供給管２３を介して燃料２８が供給される。各パイロットバーナ７に燃料供給管２４を介して燃料２８が供給される。ハイブリッドバーナ５は、一部は燃焼室４内に、残りは燃焼室４に隣接する前室４ａ内に配置されている。各パイロットバーナ７の燃料供給管２４に操作部８が組み込まれている。これらの操作部８は、共通のロジック制御部９に電気接続されている。このロジック制御部９は、調整器１０に電気接続されている。この調整器１０は圧力センサ１１、特に圧電式圧力計１１に電気接続されている。この圧力センサ１１は、燃焼室４内の測定個所１１ａに配置されている。
ガスタービン１の運転中、燃焼空気２９が圧縮機２において圧縮され、通路２１を通って前室４ａに導入される。この燃焼空気２９は前室４ａから予混合バーナ６の空気供給路６ａ、７ａに到達する。燃料供給管２４を通してパイロットバーナ７に燃料２８が供給され、燃焼空気２９内でパイロット火炎として燃焼する。予混合バーナ６に燃料供給管２３を通して燃料２８が供給され、燃焼空気２９と混合される。燃焼室４内に生ずる燃料・空気・混合気はパイロット火炎において発火する。燃焼室４の音響特性との相互作用によって燃焼振動が生ずる。そのような燃焼振動は、燃焼室４内に音響固有振動３０ないし音場を引き起こす。この音響固有振動３０は圧力センサ１１によって測定され、この圧力センサ１１は測定信号を発生する。この測定信号は調整器１０において調整信号に変換され、この調整信号からロジック制御部９によって操作部８の操作量が求められる。その操作量はバーナ５の空間的位置および音響固有振動３０の対称性から生ずる。パイロットバーナ７への燃料供給量は、燃焼振動に対して逆周期的に調整される。即ち各パイロットバーナ７の燃料質量流は、燃焼室４に噴射される各パイロットバーナ７の火炎場所ないし燃焼領域における燃料の量が火炎場所における燃焼振動と逆相で同じ周波数をもって時間的に変化するように変調される。これによって燃焼振動が減衰される。即ち操作部８の制御には、唯一の測定個所１１ａでの測定しか必要とされない。センサ１１および調整器１０は節約される。これにより燃焼振動の単純な能動的減衰方法が得られ、構造的に単純な燃焼振動の能動的減衰装置が得られる。この方法は、特に２個より多くのバーナ５を備えた燃焼室４にも適用され、例えば８個のバーナを備えた環状燃焼室あるいはサイロ燃焼室にも適用される。好適にはセンサ１１および調整器の数は、音響固有振動３０の特徴づけにとって正に必要な数と同じ数にされる。

Claims (4)

1. 少なくとも２つのバーナ（５）を備えた燃焼室（４）内における燃焼振動を能動的に減衰するための方法であって、
   前記バーナ（５）の各々に燃焼のために燃料および燃焼空気の少なくとも１つを供給し、
   操作量を変調するための少なくとも２つの操作部（８）を制御することによって燃焼振動を減衰させ、
   前記操作量は、バーナ（５）に供給される燃料又は燃焼空気の量であり、そして
   少なくとも１つの測定個所（１１ａ）で測定量を検出する
   燃焼室（４）における燃焼振動の能動的減衰方法において、
   前記バーナ（５）として予混合バーナ（６）とパイロットバーナ（７）とを備えるハイブリッドバーナを用い、
   操作部（８）の制御を操作部（８）の数より少ない数の測定量によって行い、測定量を燃焼振動の特徴づけのために用い、そして
   少なくとも１つの操作部（８）を、音響的固有振動（３０）の対称性を考慮して制御することにより前記パイロットバーナ（７）への燃料供給量を制御する
   ことを特徴とする燃焼振動の能動的減衰方法。
2. 燃焼室（４）内に生じた音響固有振動（３０）から、該固有振動の特徴づけにとって必要な数の測定量を検出することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 操作部（８）を、燃焼振動に対して逆周期的に制御することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ガスタービン（１）の環状燃焼室（４）に採用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法の用途。

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