JP4177728B2

JP4177728B2 - Combustion vibration suppression device and combustion vibration suppression method

Info

Publication number: JP4177728B2
Application number: JP2003205022A
Authority: JP
Inventors: 利明土屋; 一徳岩渕; 福夫前田; 矢山中; 和則塩田; 誠子高橋
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005048993A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の燃焼中、生成した燃焼ガスの圧力変動に伴う不安定振動を効果的に抑制する燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラント、例えばコンバインドサイクル発電プラントに適用されるガスタービン燃焼器等の燃焼装置では、高いプラント熱効率を指向するために、ガスタービン入口温度（燃焼ガス）の高温化、環境保護に対するＮＯｘ濃度やＣＯ_２濃度の低減化、あるいはクリーンなエネルギである液化天然ガス等の燃料の枯渇防止に対する液体燃料、例えば灯油、軽油等の燃料多様化への転換等、新たな技術革新への強化発展が求められている。
【０００３】
このように、新たな技術革新への強化発展が求められているガスタービン燃焼器では、厳しい技術要求事項に基づいて設計するため、燃焼ガスを生成する際、燃焼ガスから発生する圧力波と火炎の揺れとが互いに干渉する。このため、器内には圧力変動が発生し、この圧力変動が持続または成長し、遂には燃焼振動を発生させることが多い。
【０００４】
この燃焼振動が成長し、そのエネルギがより一層大きくなってくると、ガスタービン燃焼器は、構成部品の部材等に摩耗や損傷が与えられ、運転上、著しい支障を来すことが往々にしてあった。
【０００５】
ところで、燃料の燃焼ガス生成中に器内に小さな圧力変動が発生すると、この小さな圧力変動が燃料系の燃料流量や空気系の燃焼用空気流量に影響を与えて発熱量を変動させる。この発熱量の変動に伴って、圧力変動がより一層大きくなり、その影響を受けて、上述の燃料や空気の流量変動が大きくなった結果、燃焼振動が発生すると考えられている。
【０００６】
このような要因によって発生する燃焼振動に対し、ガスタービン燃焼器は、燃焼室に連絡管を介して共鳴容器を接続させ、共鳴容器のヘルムホルツ振動周波数ｆを適正値に調整して燃焼振動を抑制する考えがある。このヘルムホルツ振動周波数ｆは、連絡管の長さＬ、連絡管の断面積をＳ、連絡管を流れる燃焼ガスの音速をＣ、共鳴容器の容積をＶとするとき、以下の式（１）で表される。
【０００７】
【数１】

【０００８】
このような原理を応用した技術として、例えば特開２００１−１４１２４０号公報（例えば、特許文献１参照）、特開２００２−２２３８６号公報（例えば、特許文献２参照）が既に開示されている。そして、これら発明は、共鳴容器の容積Ｖを可変にし、容積Ｖを適正値に調整した後、燃焼振動を低く抑えていた。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１４１２４０号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００２−２２３８６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、既に開示されている特開２００１−１４１２４０号公報や特開２００２−２２３８６号公報等の発明は、燃焼振動を効果的に抑制するものであるが、燃焼振動の振動特性は圧力や温度によって敏感に変化するため、変化後の共鳴容器の容積と振動特性の関係を逐次知ることは困難であった。燃焼振動の特性が変わる場合に、常に燃焼振動を効果的に低減するように共鳴容積を調整することは容易ではない。そのため、特定の周波数帯域にしか適用できず、特定の周波数帯域から離れると、その効果が半減する等の問題を抱えていた。
【００１２】
また、ガスタービン燃焼器は、起動運転から定格運転を経て停止運転に至るまで幅広い範囲に亘って運転が行われているが、上述の特許公報に開示された技術では、限られた運転域にしか適用できない。例えば部分負荷運転に入ると、共鳴容器の容積をその都度調整しなければならず、作業員の多くの労力と時間を費やし、あるいは微妙な調整が必要なとき熟練者による経験則を必要とするなどの不具合、不都合があった。
【００１３】
本発明は、このような背景技術に照らしてなされたものであり、より広い運転領域に亘って燃焼振動を適切に調整し、燃焼振動をより一層低く抑え、安定した燃料の燃焼運転を実現する燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃焼振動抑制装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、燃焼室の燃焼ガス生成中に発生する圧力変動値を検出する圧力センサと、この圧力センサから検出された圧力変動値に基づいて振動レベルを演算し、その演算結果を記憶する燃焼振動データ処理部と、この燃焼振動データ処理部に記憶された演算結果の中から適正値を選出する制御部と、この選出した適正値に基づいて前記燃焼室に発生する燃焼振動を抑制する燃焼振動抑制部とを備え、前記燃焼振動抑制部は、前記燃焼室に連絡管を介して接続された共鳴容器に収容されたピストンと、燃焼振動データ処理部に記憶した振動レベルのうち、前記制御部によって適正値を指令値として前記ピストンを進退させて前記共鳴容器の容積を変化させる駆動機構部とを備えものである。
また、本発明に係る燃焼振動抑制方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、燃焼室の燃焼ガス生成中に発生する圧力変動値を検出する圧力センサと、この圧力センサから検出された圧力変動値に基づいて振動レベルを演算し、その演算結果を記憶する燃焼振動データ処理部と、この燃焼振動データ処理部に記憶された演算結果の中から適正値を選出する制御部と、この選出した適正値に基づいて前記燃焼室に発生する燃焼振動を抑制する燃焼振動抑制部とを備え、前記燃焼振動抑制部は、燃焼ガスの圧力変動から発生する気柱振動を抑制する気柱振動抑制部と、前記圧力変動から発生するヘルムホルツ振動を抑制するヘルムホルツ振動抑制部とを備えたものである。
【００１５】
また、本発明に係る燃焼振動抑制方法は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃焼ガスの圧力変動値を検出し、検出した圧力変動値に基づいて振動レベルを演算する工程と、その演算結果の振動レベルを記憶する工程と、記憶した演算結果を表示する工程と、前記記憶した演算結果から適正値を選択し、その選択した値を共鳴容器に収容されたピストンを駆動する駆動機構部に与える工程と、前記駆動機構部から与えられる駆動力により前記ピストンを進退させ、前記共鳴容器の容積を変化させる工程とを行う方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法の第１実施形態を説明する概念図である。
【００１８】
本実施形態に係る燃焼振動抑制装置は、燃焼室１に設けた燃料噴射ノズル２から噴射した燃料で燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスから発生する圧力変動値を検出し、検出値を演算し、演算結果の振動レベル（振動の大きさ）を時系列に記憶し、表示するとともに、記憶した演算結果の振動レベルのうち、最も適正なデータを情報として選び出す燃焼振動データ処理部３と、この燃焼振動データ処理部３からの指令に基づいて燃焼室１に生成された燃焼ガスに基づく燃焼振動を抑制する燃焼振動抑制部４とを備えている。
【００１９】
燃焼振動データ処理部３は、燃焼室１に設けた圧力センサ５から検出した圧力変動信号に基づいて振動レベル（強さ、大きさ）を演算する演算手段６と、演算手段６で演算した結果をデータとして記憶する記憶手段７と、記憶したデータを表示する表示手段８とを備えている。
【００２０】
この表示手段８には、例えば、図２に示すような燃焼ガスの圧力変動に基づく振動レベル（強さ、大きさ）と後述する共鳴容器の容積変化値（制御変数）とのデータをプロットした振動レベル（強さ、大きさ）線図が表示される。
【００２１】
一方、燃焼振動抑制部４は、燃焼室１に連絡管９を介して接続する共鳴容器１０と、この共鳴容器１０に収容させたピストン１１を進退させる駆動機構部１２とを備えている。
【００２２】
また、燃焼振動データ処理部３と燃焼振動抑制部４との間には制御部１３を備え、この制御部１３は、燃焼振動データ処理部３の演算手段６に起動指令を与えるとともに、記憶手段７から適正なデータを選択して燃焼振動抑制部４の駆動機構部１２に与える。これより、共鳴容器１０のピストン１１を適正位置に進退させ、燃焼室１内の燃焼振動を抑制する一方、ピストン１１の進退量に対応する、例えば駆動機構部１２に組み込まれたモータ（図示せず）の軸回転角をフィードバックさせ、上述記憶手段７から選択したデータに照合し、偏位が出たとき、記憶手段７に記憶させている演算手段６から演算結果のデータを再度選択する指令を出すようになっている。
【００２３】
なお、制御部１３は、燃焼ガスの燃焼振動抑制中、何らかの事情で燃焼ガスの燃焼振動の状態が変化して、容積変化値（制御変数）と振動レベルとの関係が大きく異なるとき、制御部１３は記憶手段７に格納されている情報を更新して、一連の制御処理をはじめからやり直す。これより、演算手段６で演算した演算結果のデータを燃焼振動抑制部４の駆動機構部１２に与え、ピストン１１の位置を移動させ、燃焼振動を抑制する。
【００２４】
次に、燃焼振動抑制方法を説明する。
【００２５】
燃焼ガスに圧力変動が発生しているとき、燃焼振動を抑制するために、共鳴容器１０の適正な容積変化値（制御変数）の設定が必要になる。この適正な容積変化値は、燃焼振動データ処理部３の演算手段６からの演算結果のデータから求められる。
【００２６】
本実施形態では、演算手段６で以下に示す演算を行う。
【００２７】
まず、圧力センサ５から演算手段６に与えられた圧力変動値は、ここで必要な変動値以外の低い周波数をカットし（バイアス成分除去処理）、ノイズ除去処理を行い、さらに高い周波数をカットし（アンチェイリアシング処理）を行った後、圧力センサ５から与えられる時間領域の信号データｖ_ｋに対し、式（２）で示す周波数領域の離散フーリエ変換値Ｖ_ｋを演算する。周波数領域の離散フーリエ変換値Ｖ_ｋは、
【数２】

ここで、Ｎは時間領域の信号データｖ_ｋの個数である。
【００２８】
次に、式（３）で表わされる周波数域の平方根平均二乗ｒｍｓ（root mean square）を演算して振動レベル（強さ、大きさ）Ｐ_１を求める。
【００２９】
【数３】

【００３０】
なお、本実施形態では、周波数域の平方根平均二乗ｒｍｓから振動の大きさＰ_１を求めたが、この例に限らず、図３に示す波形のうち、周波数領域の振動レベルピーク値Ｐ_２を式（４）で求めてもよく、また、時間領域の平方根平均二乗ｒｍｓから式（５）で示す振動レベル（強さ、大きさ）Ｐ_３を求めてもよい。
【００３１】
【数４】

【００３２】
このように、演算手段６は、フーリエ変換を行って求めた振動の大きさＰ_１（Ｐ_２，Ｐ_３）と、この求めた振動の大きさＰ_１（Ｐ_２，Ｐ_３）に同期させた駆動機構部１２からの共鳴容器１０の容積変化値（制御変数）とのデータを記憶手段７に記憶させる。
【００３３】
そして、燃焼ガスに圧力変動が発生すると、制御部１３は、記憶手段１７から図２に示す最も小さい容積変化値（制御変数）を探索し、指定し、その指定値を駆動機構部１２に与えて共鳴容器１０のピストン１１を進退させる。なお、本実施形態は、フーリエ変換を行って振動レベル（強さ、大きさ）を求めたが、この例に限らず、ウェーブレット変換処理やその他の時間周波数変換処理を行って振動レベルを求めてもよい。
【００３４】
このように、本実施形態は、燃焼室１の燃焼ガスから発生する圧力振動の検出値を基に演算し、演算した振動の大きさに、駆動機構部１２からの容積変化値（制御変数）を同期させ、これらのデータを記憶させ、燃焼ガスに圧力変動に基づく燃焼振動が発生したとき、最も適正な容積変化値を探索し、指定し、駆動機構部１２を駆動させて共鳴容器１０内のピストン１１を進退させるので、燃焼ガスの燃焼振動を、無駄なく良好に吸収して抑制することができ、燃焼ガスの安定化を維持することができる。
【００３５】
図４は、燃焼振動抑制方法の第２実施形態を説明するために補助的に用いる振動レベル（強さ、大きさ）特性線図である。
【００３６】
本実施形態は、燃焼ガスに圧力変動が発生し、燃焼振動が起ったとき、制御部１３は振動レベル特性線に座標（ｘ_１，ｙ_１）の点Ａ_１の位置と、座標（ｘ_２，ｙ_２）の点Ａ_２の位置と、点Ａ_１と点Ａ_２との間の仮の位置の点Ａ_１ｘとの３点のそれぞれを指定する。ここで座標中、ｘ_１，ｘ_２，…は、共鳴容器１０の容積変化値（制御変数）を示し、ｙ_１，ｙ_２，…は振動レベル（強さ、大きさ）をそれぞれ示している。
【００３７】
この場合、点Ａ_１ｘは、点Ａ_１と点Ａ_２との間に指定され、黄金分割比法を採り入れて、点Ａのｘ座標ｘ_１と点Ａ_２のｘ座標ｘ_２とのそれぞれの位置を基準として距離比０．３８２：０．６１８の位置ｘ_３を求めることにより、容積変化値（制御変換）を指定し、その指定された指令値を駆動機構部１２に与え、ピストン１１を進退させて、座標（ｘ_３，ｙ_３）の点Ａ_３へ移動させる。
【００３８】
次に、距離の遠い方（容積変化値の大きい方）の座標（ｘ_２，ｙ_２）の点Ａ_２の位置から上述と同様に黄金分割比法を用いた距離比が０．３８２：０．６１８となる座標（ｘ_４，ｙ_４）の点Ａ_４を指定する。
【００３９】
点Ａ_３の位置に較べて点Ａ_４の位置の方が振動レベルが小さくなっていると、点Ａ_４から遠く離れた点Ａ_１の座標（ｘ_１，ｙ_１）を記憶手段７から削除し、代って点Ａ_４の位置における座標（ｘ_４，ｙ_４）を記憶する。
【００４０】
この黄金分割比法によって点Ａ_３の位置における座標（ｘ_３，ｙ_３）、点Ａ_４の位置における座標（ｘ_４，ｙ_４）および点Ａ_２の位置における座標（ｘ_２，ｙ_２）の情報が記憶手段７に記憶される。
【００４１】
この黄金分割比法を用いて、振動の大きさ特性線上に座標を繰り返し指定し、記憶手段７に記憶させた座標のうち、最も小さい振動レベルに相当する容積変化値（制御変数値）を探索する。
【００４２】
そして、振動レベルが所定のしきい値よりも小さくなった場合、あるいは振動レベルのより小さな値が得られなくなった場合、その時点で容積変化値（制御変数値）が探索できたと認定される。
【００４３】
このように、本実施形態は、黄金分割比法を採り入れて燃焼ガスに基づく振動レベルを最も小さくする共鳴容器１０の容積変化値を探索するので、燃焼ガスに基づく燃焼振動を的確に抑制することができる、燃焼ガスの安定化を維持することができる。
【００４４】
図５は、燃焼振動抑制方法の第３実施形態を説明するために補助的に用いる振動レベル特性線図である。
【００４５】
本実施形態は、制御部１３が記憶手段７に記憶させているデータのうち、適正なデータを選択して駆動機構部１２に与えて、振動レベル特性線に座標（ｘ_１，ｙ_１）の点Ａ_１の位置と、座標（ｘ_２，ｙ_２）の点Ａ_２の位置と、座標（ｘ_３，ｙ_３）の点Ａ_３の位置との３点のそれぞれを指定し、記憶手段７に記憶させる。
【００４６】
３点が指定されると、指定された３点を利用して破線で示す放物線が作成され、その放物線の最小値の座標（ｘ_５，ｙ_５）の点Ａ_５の位置が推定される。放物線の最小値における座標（ｘ_５，ｙ_５）の点Ａ_５の位置のうち、容積変化値（制御変数）ｘ_４は式（６）で求められる。
【００４７】
【数５】

【００４８】
放物線の最小値における座標（ｘ_５，ｙ_５）の点Ａ_５の位置のうち、容積変化値ｘ_５が式（６）から求められると、容積変化値ｘ_５を基準に、制御部１３は、記憶手段７に記憶されたデータを選択し、その選択したデータを駆動機構部１２に与えて共鳴容器１０のピストン１１を進退させ、座標（ｘ_５，ｙ_５）のうち振動の大きさｙ_５に近付け、探索する。
【００４９】
このように、本実施形態は、放物線による補間法を用いて燃焼ガスに基づく振動レベルを最も小さくする共鳴容器１０の容積変化値を探索するので、燃焼ガスに基づく燃焼振動を適切に抑制することができ、燃焼ガスの安定化を維持することができる。
【００５０】
図６は、本発明に係る燃焼振動抑制装置の第４実施形態を説明する概念図である。
【００５１】
本実施形態に係る燃焼振動抑制装置は、燃焼振動データ処理部３と、気柱振動抑制部１４とヘルムホルツ振動抑制部１５とを組み合せて構成した燃焼振動抑制部１６とを備えたものである。
【００５２】
気柱振動抑制部１４およびヘルムホルツ振動抑制部１５は、共に燃焼室１に連絡管１７ａ，１７ｂを介して接続する気柱振動抑制用共鳴容器１８とヘルムホルツ振動抑制用共鳴容器１９と各共鳴容器１８，１９に収容させたピストン２０ａ，２０ｂのそれぞれを進退させる気柱振動抑制用駆動機構部２１とヘルムホルツ振動抑制用駆動機構部２２とのそれぞれを備えている。なお、他の構成部分は、第１実施形態の構成部分と同一なので同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５３】
ところで、燃焼室１で燃焼ガスの生成中、気柱振動現象とヘルムホルツ振動現象とが発生することが知られているものの、その発生要因に関して未だ究明されていない。
【００５４】
本実施形態は、このような二つの振動現象に対処するもので、第１実施形態と同様に圧力センサ５から検出した圧力変動値を基にフーリエ変換またはウェーブレット変換またはその他の時間周波数変換を行って振動レベルを演算し、演算した振動レベルに気柱振動抑制部１４およびヘルムホルツ振動抑制部１５のそれぞれからの容積変化量（制御変数）を同期させてデータを記憶手段７で記憶させる。
【００５５】
なお、燃焼ガスの燃焼振動抑制中、何らかの事情で燃焼ガスの燃焼振動の状態が変化して、容積変化値（制御変数）と振動レベルの関係が大きく異なるとき、制御部１３は、記憶手段７で記憶させておいたデータを更新して、一連の制御処理をはじめからやり直す。
【００５６】
燃焼室１で燃焼ガスを生成中、気柱振動とヘルムホルツ振動とが発生すると、制御部１３は、図７に示すように、圧力センサ５で検出した圧力変動値を所定の第１しきい値と比較し、第１しきい値を超えていると気柱振動抑制部１４における気柱振動抑制用駆動機構部２１が気柱振動抑制用共鳴容器１８のピストン２０ａを進退させ、容積変化値（制御変数）を調整し、そのときの圧力変動値を所定の第２しきい値と比較する。
【００５７】
比較した結果、その圧力変動値が第２しきい値を超えていると、ヘルムホルツ振動抑制部１５におけるヘルムホルツ振動抑制用駆動機構部２２がヘルムホルツ振動抑制用共鳴容器１９のピストン２０ｂを進退させ、容積変化値（制御変数）を調整し、そのときの圧力変動値を所定の第３しきい値と比較する。
【００５８】
比較した結果、その圧力変動値が第３しきい値を超えていると、再び第１しきい値と比較し、上述の処理を繰り返す。
【００５９】
このように、本実施形態は、燃焼ガスの生成中に発生する燃焼振動を抑制する際、図８に示すように、気柱振動抑制用共鳴容器１８のピストン２０ａを進退させて振動レベルを点Ａ_００の位置まで小さくさせて抑制し、さらにヘルムホルツ振動抑制用共鳴容器１９のピストン２０ｂを進退させて振動レベルを点Ａ_１１の位置までより一層小さくさせて抑制する。
【００６０】
したがって、本実施形態によれば、気柱振動制御部１４とヘルムホルツ振動抑制部１５とを備え、各共鳴容器１８，１９の容積変化値の特性を反映しながらきめ細かく探索するので、燃焼ガスに基づく燃焼振動を確実に抑制することができ、燃焼ガスの安定化を維持することができる。
【００６１】
なお、燃焼振動をとらえるのに、圧力センサ５の代りに光センサを用いることもできる。この場合、光センサにより燃焼火炎の発生をとらえ、検出された光信号に対して演算を行うことにより、同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法は、燃焼ガスから検出した圧力変動値を基に演算し、演算した振動レベルに、共鳴容器の容積変化値を同期させ、同期させた振動レベルと容積変化値との関係を記憶させ、燃焼振動が発生したとき、記憶させておいた最も適正な容積変化値を選択して共鳴容器のピストンを進退させるので、燃焼振動を的確に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼振動抑制装置および燃焼振動抑制方法の第１実施形態を説明する概念図。
【図２】図１に示した燃焼振動抑制装置から得た振動レベル特性線図。
【図３】他の手段によって得た周波数と振動レベルとの関係を示す振動レベル特性線図。
【図４】本発明に係る燃焼振動抑制方法の第２実施形態を説明するために補助的に用いる振動レベル特性線図。
【図５】本発明に係る燃焼振動抑制方法の第３実施形態を説明するために補助的に用いる振動レベル特性線図。
【図６】本発明に係る燃焼振動抑制装置の第４実施形態を説明する概念図。
【図７】図６で示した燃焼振動抑制装置を用いて燃焼振動を抑制するフロー図。
【図８】図６で示した燃焼振動抑制装置を用いて燃焼振動を抑制する際、気柱振動の抑制とヘルムホルツ振動の抑制とを三次元的に表わしたイメージ図。
【符号の説明】
１燃焼室
２燃料噴射ノズル
３燃焼振動データ処理部
４燃焼振動抑制部
５圧力センサ
６演算手段
７記憶手段
８表示手段
９連絡管
１０共鳴容器
１１ピストン
１２駆動機構部
１３制御部
１４気柱振動抑制部
１５ヘルムホルツ振動抑制部
１６燃焼振動抑制部
１７ａ，１７ｂ連絡管
１８気柱振動抑制用共鳴容器
１９ヘルムホルツ振動抑制用共鳴容器
２０ａ，２０ｂピストン
２１気柱振動抑制用駆動機構部
２２ヘルムホルツ振動抑制用駆動機構部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion vibration suppressing device and a combustion vibration suppressing method that effectively suppress unstable vibration accompanying pressure fluctuation of generated combustion gas during combustion of fuel.
[0002]
[Prior art]
In a combustion apparatus such as a gas turbine combustor applied to a thermal power plant, for example, a combined cycle power plant, in order to direct high plant thermal efficiency, the temperature of the gas turbine inlet (combustion gas) is increased, the NOx concentration for environmental protection, Reinforcement and development to new technological innovations are required, such as conversion to diversification of liquid fuels such as kerosene and light oil to reduce the CO ₂ concentration or prevent the depletion of fuel such as liquefied natural gas which is clean energy It has been.
[0003]
In this way, gas turbine combustors that are required to be reinforced and developed to new technological innovations are designed based on strict technical requirements, so when generating combustion gases, pressure waves and flames generated from the combustion gases are generated. The vibrations of each other interfere with each other. For this reason, pressure fluctuation occurs in the vessel, and this pressure fluctuation is sustained or grows, and finally combustion vibration is often generated.
[0004]
As this combustion vibration grows and its energy becomes even larger, the gas turbine combustor often wears and damages its component parts and the like, causing significant trouble in operation. there were.
[0005]
By the way, when a small pressure fluctuation occurs in the vessel during the generation of the combustion gas of fuel, this small pressure fluctuation affects the fuel flow rate of the fuel system and the combustion air flow rate of the air system, thereby changing the heat generation amount. Along with this variation in the heat generation amount, the pressure variation is further increased, and as a result, the above-described fluctuations in the flow rate of the fuel and air are increased, resulting in combustion vibrations.
[0006]
In response to combustion vibration caused by such factors, the gas turbine combustor connects the resonance vessel to the combustion chamber via a communication tube, and adjusts the Helmholtz vibration frequency f of the resonance vessel to an appropriate value to suppress combustion vibration. There is an idea to do. The Helmholtz vibration frequency f is expressed by the following equation (1), where the length L of the connecting tube, S is the cross-sectional area of the connecting tube, C is the sound velocity of the combustion gas flowing through the connecting tube, and V is the volume of the resonance vessel. expressed.
[0007]
[Expression 1]

[0008]
For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2001-141240 (see, for example, Patent Document 1) and Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-22386 (see, for example, Patent Document 2) have already been disclosed as techniques that apply such a principle. In these inventions, after changing the volume V of the resonant container and adjusting the volume V to an appropriate value, the combustion vibration is kept low.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-141240
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-22386
[Problems to be solved by the invention]
However, the inventions disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-141240 and 2002-22386 effectively suppress combustion vibration, but the vibration characteristics of combustion vibration depend on pressure and temperature. Since it changes sensitively, it is difficult to know the relationship between the volume of the resonant container and the vibration characteristics after the change. When the characteristics of combustion vibration change, it is not easy to adjust the resonance volume so as to always effectively reduce the combustion vibration. For this reason, it can be applied only to a specific frequency band, and there is a problem that the effect is reduced by half when it is away from the specific frequency band.
[0012]
Further, the gas turbine combustor is operated over a wide range from the start operation to the rated operation and then to the stop operation. However, the technology disclosed in the above-mentioned patent gazette has a limited operation range. Only applicable. For example, when entering partial load operation, the volume of the resonant container must be adjusted each time, which requires a lot of labor and time for workers, or requires a rule of thumb by skilled workers when subtle adjustments are required. There were problems and inconveniences.
[0013]
The present invention has been made in light of the background art as described above, and appropriately adjusts combustion vibration over a wider operating range, further suppresses combustion vibration, and realizes stable fuel combustion operation. An object of the present invention is to provide a combustion vibration suppressing device and a combustion vibration suppressing method.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a combustion vibration suppressing device according to the present invention includes a pressure sensor for detecting a pressure fluctuation value generated during combustion gas generation in a combustion chamber, and the pressure, as described in claim 1. A vibration level is calculated based on the pressure fluctuation value detected from the sensor, and an appropriate value is selected from the combustion vibration data processing unit that stores the calculation result and the calculation result stored in the combustion vibration data processing unit. A control unit and a combustion vibration suppression unit that suppresses combustion vibration generated in the combustion chamber based on the selected appropriate value, and the combustion vibration suppression unit is connected to the combustion chamber via a communication pipe Of the piston stored in the resonance vessel and the vibration level stored in the combustion vibration data processing unit, the control unit uses the appropriate value as a command value to drive the piston back and forth to change the volume of the resonance vessel. It is intended a mechanism.
A combustion vibration suppressing method according to the present invention includes a pressure sensor for detecting a pressure fluctuation value generated during combustion gas generation in a combustion chamber, as described in claim 3, in order to achieve the above-described object, A vibration level is calculated based on the pressure fluctuation value detected from the pressure sensor, and an appropriate value is selected from the calculation result stored in the combustion vibration data processing unit storing the calculation result and the combustion vibration data processing unit. A control unit for selecting, and a combustion vibration suppressing unit for suppressing combustion vibration generated in the combustion chamber based on the selected appropriate value, the combustion vibration suppressing unit being an air column generated from pressure fluctuations of the combustion gas An air column vibration suppression unit that suppresses vibration and a Helmholtz vibration suppression unit that suppresses Helmholtz vibration generated from the pressure fluctuation are provided.
[0015]
The combustion vibration suppressing method according to the present invention, in order to achieve the object described above, as described in claim 5, to detect the pressure fluctuation values of the combustion gases, vibration based on the detected pressure variation value level A step of storing the vibration level of the calculation result, a step of displaying the stored calculation result, an appropriate value is selected from the stored calculation result, and the selected value is accommodated in the resonance vessel. And a step of changing the volume of the resonance container by advancing and retreating the piston by a driving force applied from the driving mechanism.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a combustion vibration suppressing device and a combustion vibration suppressing method according to the present invention will be described below with reference to the drawings and the reference numerals attached to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a combustion vibration suppressing device and a combustion vibration suppressing method according to the present invention.
[0018]
The combustion vibration suppression device according to the present embodiment generates combustion gas from the fuel injected from the fuel injection nozzle 2 provided in the combustion chamber 1, detects a pressure fluctuation value generated from the generated combustion gas, and calculates the detection value. The vibration level (magnitude of vibration) of the calculation result is stored and displayed in time series, and the combustion vibration data processing unit 3 that selects the most appropriate data as information from the stored vibration levels of the calculation result; A combustion vibration suppression unit 4 that suppresses combustion vibration based on the combustion gas generated in the combustion chamber 1 based on a command from the combustion vibration data processing unit 3 is provided.
[0019]
The combustion vibration data processing unit 3 calculates a vibration level (strength, magnitude) based on a pressure fluctuation signal detected from a pressure sensor 5 provided in the combustion chamber 1, and a result calculated by the calculation means 6. Is stored as data, and display means 8 is provided for displaying the stored data.
[0020]
For example, data of a vibration level (strength and size) based on the pressure fluctuation of the combustion gas as shown in FIG. 2 and a volume change value (control variable) of a resonance container to be described later is plotted on the display means 8. A vibration level (strength, size) diagram is displayed.
[0021]
On the other hand, the combustion vibration suppressing unit 4 includes a resonance container 10 connected to the combustion chamber 1 via a communication tube 9 and a drive mechanism unit 12 for moving the piston 11 accommodated in the resonance container 10 back and forth.
[0022]
Further, a control unit 13 is provided between the combustion vibration data processing unit 3 and the combustion vibration suppression unit 4, and this control unit 13 gives a start command to the calculation means 6 of the combustion vibration data processing unit 3 and also stores the storage means. The appropriate data is selected from 7 and supplied to the drive mechanism 12 of the combustion vibration suppressing unit 4. As a result, the piston 11 of the resonance container 10 is advanced and retracted to an appropriate position to suppress the combustion vibration in the combustion chamber 1, while the motor (for example, incorporated in the drive mechanism unit 12) corresponding to the advance / retreat amount of the piston 11 is illustrated. Command to reselect the calculation result data from the calculation means 6 stored in the storage means 7 when the deviation occurs. To come out.
[0023]
The control unit 13 is configured to control the control unit 13 when the combustion vibration state of the combustion gas changes for some reason during the suppression of the combustion vibration of the combustion gas, and the relationship between the volume change value (control variable) and the vibration level is greatly different. 13 updates the information stored in the storage means 7 and restarts a series of control processes from the beginning. Thereby, the data of the calculation result calculated by the calculation means 6 is given to the drive mechanism unit 12 of the combustion vibration suppressing unit 4, and the position of the piston 11 is moved to suppress the combustion vibration.
[0024]
Next, a combustion vibration suppressing method will be described.
[0025]
When pressure fluctuations occur in the combustion gas, it is necessary to set an appropriate volume change value (control variable) of the resonance container 10 in order to suppress combustion vibration. This appropriate volume change value is obtained from the calculation result data from the calculation means 6 of the combustion vibration data processing unit 3.
[0026]
In the present embodiment, the calculation means 6 performs the following calculation.
[0027]
First, the pressure fluctuation value given from the pressure sensor 5 to the calculation means 6 cuts a low frequency other than the fluctuation value necessary here (bias component removal processing), performs noise removal processing, and cuts a higher frequency. After performing (anti-chairing processing), a discrete Fourier transform value V _k in the frequency domain represented by Expression (2) is calculated for the time domain signal data v _k given from the pressure sensor 5. The discrete Fourier transform value V _k in the frequency domain is
[Expression 2]

Here, N is the number of signal data v _{k in} the time domain.
[0028]
Next, the formula (3) represented by the frequency band of the square root mean square rms at (root mean square) calculates the in vibration level (strength, size) obtaining a P _1.
[0029]
[Equation 3]

[0030]
Incidentally, in the present embodiment, the root mean square rms frequency range to determine the size of P ₁ of the vibration is not limited to this example, among the waveform shown in FIG. 3, the vibration level peak value P ₂ in the frequency domain may be calculated by equation (4), also square vibration level showing a mean square rms by the formula (5) in the time domain (strength, size) may be obtained P _3.
[0031]
[Expression 4]

[0032]
In this way, the calculation means 6 synchronizes with the vibration magnitude P ₁ (P ₂ , P ₃ ) obtained by performing Fourier transform and the obtained vibration magnitude P ₁ (P ₂ , P ₃ ). Further, the storage unit 7 stores data of the volume change value (control variable) of the resonance container 10 from the drive mechanism unit 12.
[0033]
When pressure fluctuation occurs in the combustion gas, the control unit 13 searches the storage unit 17 for the smallest volume change value (control variable) shown in FIG. 2 and designates it, and gives the designated value to the drive mechanism unit 12. The piston 11 of the resonance container 10 is advanced and retracted. In this embodiment, the vibration level (strength and size) is obtained by performing Fourier transform. However, the present invention is not limited to this example, and the vibration level is obtained by performing wavelet transform processing or other time-frequency transform processing. Also good.
[0034]
Thus, this embodiment calculates based on the detected value of the pressure vibration generated from the combustion gas in the combustion chamber 1, and the volume change value (control variable) from the drive mechanism unit 12 is calculated based on the calculated vibration magnitude. These data are stored, and when combustion vibration based on pressure fluctuation occurs in the combustion gas, the most appropriate volume change value is searched and designated, and the drive mechanism unit 12 is driven to drive the resonance container 10 Since the piston 11 is advanced and retracted, the combustion vibration of the combustion gas can be satisfactorily absorbed and suppressed without waste, and the stabilization of the combustion gas can be maintained.
[0035]
FIG. 4 is a vibration level (strength, size) characteristic diagram that is used in an auxiliary manner to explain the second embodiment of the combustion vibration suppressing method.
[0036]
In the present embodiment, when pressure fluctuation occurs in the combustion gas and combustion vibration occurs, the control unit 13 determines the position of the point A ₁ of the coordinates (x ₁ , y ₁ ) and the coordinates (x _2, _{y 2)} and the position of _{a 2} points, specifies the respective three points and the point _{a 1x} position tentative between points _{a 1} and point _{a 2.} Here, in the coordinates, x ₁ , x ₂ ,... Indicate the volume change value (control variable) of the resonance container 10, and y ₁ , y ₂ ,... Indicate the vibration level (strength, size), respectively. .
[0037]
In this case, the point A _1x is designated between the point A ₁ and the point A _2, and adopts the golden division ratio method, and each of the x coordinate x ₁ of the point A and the x coordinate x ₂ of the point A ₂ distance ratio position as a reference 0.382: by obtaining the position _{x 3} of 0.618, specify the volume change value (control conversion), given the specified command value to the drive mechanism 12, the piston 11 Move forward and backward to move to point A _{3 of} coordinates (x ₃ , y ₃ ).
[0038]
Next, the distance ratio using the golden division ratio method is 0.382: 0 from the position of the point A ₂ of the coordinate (x ₂ , y ₂ ) of the longer distance (the larger volume change value). Designate the point A ₄ with coordinates (x ₄ , y ₄ ) to be .618.
[0039]
Remove the direction of the position of the point A ₄ compared to the position of the point A ₃ is the vibration level is small, the coordinate distant point A ₁ from point A ₄ the (x _{1, y} ₁₎ from the storage means 7 Instead, the coordinates (x ₄ , y ₄ ) at the position of the point A ₄ are stored.
[0040]
Coordinates at the position of the point _{A 3} by the golden section ratio method _(x _{3, y 3),} the coordinates _(x 4, _{y 4)} at the position of the point _{A 4} coordinate in and the position of the point _{_{_{A 2 (x 2, y 2}}} ) Is stored in the storage means 7.
[0041]
Using this golden section ratio method, coordinates are repeatedly specified on the vibration magnitude characteristic line, and a volume change value (control variable value) corresponding to the smallest vibration level among the coordinates stored in the storage means 7 is searched. To do.
[0042]
When the vibration level becomes smaller than a predetermined threshold value or when a smaller value of the vibration level cannot be obtained, it is determined that the volume change value (control variable value) can be searched at that time.
[0043]
Thus, since this embodiment searches for the volume change value of the resonance vessel 10 that adopts the golden division ratio method and minimizes the vibration level based on the combustion gas, the combustion vibration based on the combustion gas is accurately suppressed. The stabilization of the combustion gas can be maintained.
[0044]
FIG. 5 is a vibration level characteristic diagram used supplementarily to explain the third embodiment of the combustion vibration suppressing method.
[0045]
In the present embodiment, appropriate data out of the data stored in the storage unit 7 by the control unit 13 is selected and given to the drive mechanism unit 12, and the coordinates (x ₁ , y ₁ ) of the coordinates (x ₁ , y ₁ ) are displayed on the vibration level characteristic line. Each of the three points of the position of the point A _1, the position of the point A ₂ of the coordinates (x ₂ , y ₂ ), and the position of the point A ₃ of the coordinates (x ₃ , y ₃ ) is designated, and the storage means 7 Remember me.
[0046]
When three points are designated, a parabola indicated by a broken line is created using the designated three points, and the position of the point A ₅ of the coordinates (x ₅ , y ₅ ) of the minimum value of the parabola is estimated. Among the positions of the point A ₅ of the coordinates (x ₅ , y ₅ ) at the minimum value of the parabola, the volume change value (control variable) x ₄ is obtained by Expression (6).
[0047]
[Equation 5]

[0048]
Coordinates in the minimum of the parabola _(x 5, _{y 5)} of the position of _{A 5} points, if the volume change value _{x 5} obtained from equation (6), based on the volume change value _{x 5,} the control unit 13 Then, the data stored in the storage means 7 is selected, the selected data is given to the drive mechanism unit 12 to move the piston 11 of the resonance container 10 forward and backward, and the magnitude of vibration y in the coordinates (x ₅ , y ₅ ) Close to ₅ and search.
[0049]
As described above, the present embodiment searches for the volume change value of the resonance vessel 10 that minimizes the vibration level based on the combustion gas using the parabolic interpolation method, and accordingly appropriately suppresses the combustion vibration based on the combustion gas. And stabilization of the combustion gas can be maintained.
[0050]
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a fourth embodiment of the combustion vibration suppressing device according to the present invention.
[0051]
The combustion vibration suppressing device according to the present embodiment includes a combustion vibration data processing unit 3, and a combustion vibration suppressing unit 16 configured by combining an air column vibration suppressing unit 14 and a Helmholtz vibration suppressing unit 15.
[0052]
Both the air column vibration suppression unit 14 and the Helmholtz vibration suppression unit 15 are connected to the combustion chamber 1 via

communication pipes

17a and 17b, an air column vibration suppression resonance container 18, a Helmholtz vibration suppression resonance container 19, and each resonance container 18. , 19 includes an air column vibration suppressing drive mechanism 21 and a Helmholtz vibration suppressing drive mechanism 22 for advancing and retracting each of the

pistons

20a and 20b accommodated in the

pistons

20a and 20b. In addition, since another component is the same as the component of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and duplication description is abbreviate | omitted.
[0053]
By the way, although it is known that the air column vibration phenomenon and the Helmholtz vibration phenomenon occur during the generation of the combustion gas in the combustion chamber 1, the cause of the occurrence has not been investigated yet.
[0054]
This embodiment deals with these two vibration phenomena, and performs Fourier transform, wavelet transform or other time-frequency transform based on the pressure fluctuation value detected from the pressure sensor 5 as in the first embodiment. The vibration level is calculated, and the volume change amount (control variable) from each of the air column vibration suppression unit 14 and the Helmholtz vibration suppression unit 15 is synchronized with the calculated vibration level, and the data is stored in the storage unit 7.
[0055]
When the combustion vibration state of the combustion gas is changed for some reason during the suppression of the combustion vibration of the combustion gas, and the relationship between the volume change value (control variable) and the vibration level is greatly different, the control unit 13 stores the storage means 7. The data memorized in step 3 is updated, and a series of control processing is started again from the beginning.
[0056]
When air column vibrations and Helmholtz vibrations occur during the generation of combustion gas in the combustion chamber 1, the control unit 13 sets the pressure fluctuation value detected by the pressure sensor 5 to a predetermined first threshold value as shown in FIG. If the first threshold value is exceeded, the air column vibration suppression drive mechanism 21 in the air column vibration suppression unit 14 moves the piston 20a of the air column vibration suppression resonance container 18 forward and backward, and the volume change value ( Control variable) and the pressure fluctuation value at that time is compared with a predetermined second threshold value.
[0057]
As a result of the comparison, if the pressure fluctuation value exceeds the second threshold value, the Helmholtz vibration suppression drive mechanism 22 in the Helmholtz vibration suppression unit 15 moves the piston 20b of the Helmholtz vibration suppression resonance container 19 forward and backward. The change value (control variable) is adjusted, and the pressure fluctuation value at that time is compared with a predetermined third threshold value.
[0058]
As a result of the comparison, if the pressure fluctuation value exceeds the third threshold value, it is compared with the first threshold value again, and the above processing is repeated.
[0059]
As described above, in the present embodiment, when suppressing the combustion vibration generated during the generation of the combustion gas, as shown in FIG. 8, the piston 20a of the resonance column 18 for suppressing the air column vibration is advanced and retracted to increase the vibration level. suppressed by reduced to the position of a _00, further inhibiting by even smaller than the vibration level by advancing and retracting the piston 20b of the Helmholtz vibration suppressing resonance container 19 to the position of the point a _11.
[0060]
Therefore, according to the present embodiment, the air column vibration control unit 14 and the Helmholtz vibration suppression unit 15 are provided, and the detailed search is performed while reflecting the characteristics of the volume change values of the

resonance containers

18 and 19, so that it is based on the combustion gas. Combustion vibration can be reliably suppressed and combustion gas stabilization can be maintained.
[0061]
An optical sensor can be used in place of the pressure sensor 5 to capture combustion vibration. In this case, the same effect can be obtained by detecting the occurrence of the combustion flame by the optical sensor and calculating the detected optical signal.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, the combustion vibration suppressing device and the combustion vibration suppressing method according to the present invention calculate based on the pressure fluctuation value detected from the combustion gas, and synchronize the volume change value of the resonance container with the calculated vibration level. The relationship between the synchronized vibration level and the volume change value is stored, and when the combustion vibration occurs, the most appropriate volume change value stored is selected and the piston of the resonance container is moved forward and backward. Can be accurately suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a combustion vibration suppressing device and a combustion vibration suppressing method according to the present invention.
FIG. 2 is a vibration level characteristic diagram obtained from the combustion vibration suppressing device shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a vibration level characteristic diagram showing the relationship between frequency and vibration level obtained by other means.
FIG. 4 is a vibration level characteristic diagram used supplementarily to explain a second embodiment of the combustion vibration suppressing method according to the present invention.
FIG. 5 is a vibration level characteristic diagram used supplementarily to explain a third embodiment of the combustion vibration suppressing method according to the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a fourth embodiment of a combustion vibration suppressing device according to the present invention.
7 is a flowchart for suppressing combustion vibration using the combustion vibration suppressing device shown in FIG. 6;
FIG. 8 is an image diagram that three-dimensionally represents suppression of air column vibration and suppression of Helmholtz vibration when suppressing combustion vibration using the combustion vibration suppressing device shown in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Combustion chamber 2 Fuel injection nozzle 3 Combustion vibration data processing part 4 Combustion vibration suppression part 5 Pressure sensor 6 Calculation means 7 Storage means 8 Display means 9 Communication pipe 10 Resonance vessel 11 Piston 12 Drive mechanism part 13 Control part 14 Air column vibration suppression Part 15 Helmholtz vibration suppression part 16 Combustion

vibration suppression part

17a, 17b Connecting pipe 18 Resonance container 19 for air column vibration

suppression Resonance container

20a, 20b for Helmholtz vibration suppression Piston 21 Drive mechanism part 22 for suppressing air column vibrations Helmholtz vibration suppression drive Mechanism part

Claims

A pressure sensor for detecting a pressure fluctuation value generated during combustion gas generation in the combustion chamber;
A combustion vibration data processing unit that calculates a vibration level based on the pressure fluctuation value detected from the pressure sensor and stores the calculation result;
A control unit for selecting an appropriate value from the calculation results stored in the combustion vibration data processing unit;
A combustion vibration suppression unit that suppresses combustion vibration generated in the combustion chamber based on the selected appropriate value ;
The combustion vibration suppression unit is configured to set a command value to an appropriate value by the control unit among the piston stored in a resonance container connected to the combustion chamber via a communication pipe and the vibration level stored in the combustion vibration data processing unit. And a drive mechanism for changing the volume of the resonance container by moving the piston back and forth .

The combustion vibration data processing unit calculates calculation means for calculating the detected pressure fluctuation value to obtain a vibration level, storage means for storing a calculation result calculated by the calculation means, and displays the stored calculation result. The combustion vibration suppressing device according to claim 1, further comprising a display unit.

A pressure sensor for detecting a pressure fluctuation value generated during combustion gas generation in the combustion chamber;
A combustion vibration data processing unit that calculates a vibration level based on the pressure fluctuation value detected from the pressure sensor and stores the calculation result;
A control unit for selecting an appropriate value from the calculation results stored in the combustion vibration data processing unit;
A combustion vibration suppression unit that suppresses combustion vibration generated in the combustion chamber based on the selected appropriate value;
The combustion oscillation suppressing section, comprising: the inhibiting gas column vibration suppressing unit air column vibration generated from the pressure fluctuations of the combustion gas and suppressing Helmholtz vibration suppressing portion Helmholtz vibration generated from the pressure variations Combustion vibration suppression device .

The combustion vibration data processing unit calculates the vibration level using a signal detected from an optical sensor provided so as to capture light emission of a combustion flame in the combustion chamber, instead of the pressure sensor. It claims 1 to to combustion oscillation suppressing device according to any one of 3.

A step of detecting a pressure fluctuation value of the combustion gas and calculating a vibration level based on the detected pressure fluctuation value; a step of storing the vibration level of the calculation result; a step of displaying the stored calculation result; Selecting an appropriate value from the calculated result, and providing the selected value to the drive mechanism unit that drives the piston housed in the resonance vessel;
And a step of changing the volume of the resonance container by advancing and retracting the piston by a driving force applied from the driving mechanism.

6. The combustion vibration suppressing method according to claim 5, wherein the step of calculating the vibration level is calculated using any one of Fourier transform, wavelet transform, and other time frequency transform.

Select a proper value from the calculation result of the storage, the step of providing the selected value to the drive mechanism portion, from the vibration level characteristic lines, according to claim 5, wherein the searching for the minimum value as the optimum value Combustion vibration suppression method.

The step of selecting an appropriate value from the stored calculation result and applying the selected value to the drive mechanism unit employs the golden division ratio method in the vibration level characteristic line and searches for the minimum value as the appropriate value. The combustion vibration suppressing method according to claim 5 .

The step of selecting an appropriate value from the stored calculation result and giving the selected value to the drive mechanism unit selects at least three or more of the vibration level characteristic lines and creates a parabola connecting the selected three points. 6. The method of suppressing combustion vibration according to claim 5 , wherein a minimum value is searched for as an appropriate value using the created parabola.