JP4895757B2 - ガスタービンエンジン燃焼器のホットストリーク制御 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンの燃焼器に関し、より詳細には、燃焼機内のホットストリークを制御する方法および装置に関する。

アニュラ型燃焼器を有するガスタービンエンジンは、通常、半径方向内側および外側の燃焼器ライナがそこから下流に延びるドームを有し、両ライナの間に燃焼領域が画成される。燃料噴射器および空気混合器（スワラ）を有する、環状に１列のキャブレタまたは燃料ノズルが、ドームの穴を通して配設されている。燃料は、公称上同一の各キャブレタを通って流れるが、燃料噴射器は平均からある程度のバラツキを有する。このバラツキは、製造公差、燃料マニホルド圧力の勾配、またはコーキングによる障害物などから生じ得る。このバラツキは、燃焼器ドームおよび燃焼器を廻る円周方向でのバラツキである。

燃焼器の下流に配置された高圧タービンノズルは、タービンノズルの相対位置およびその円周上の位置が合う燃料ノズルに応じて、燃焼ガス温度の円周上のバラツキの影響を受ける。タービンノズル温度のバラツキは極めて重要であり得るが、これら温度のバラツキを予測するのは極めて難しい。したがって、エンジンの耐久性のために、タービンノズルは、通常、起こり得る最大の温度、すなわち、ガスタービン業界ではホットストリーク状態と呼ばれるものに耐えられるように設計される。一部のタービンノズルは、そのようなホットストリーク温度には曝されず、したがって、これらノズルは過度に冷却されることになり、それら低温のタービンノズル向けの過剰な冷却空気は不必要になる。

ＨＰタービンノズルで用いられる冷却空気は、圧縮機から燃焼器をバイパスして採られ、エンジン効率の点からは犠牲を払うことになる。タービンノズルに使用される冷却空気の量が多くなると、燃焼に使える空気が少なくなり、燃焼温度が高くなり、好ましくないＮＯｘを高濃度で排出する可能性が生じることになる。さらに、燃料流量が燃料ノズル間で一様でないと、過剰な燃料を有するノズルの下流では、局所的に燃料／空気比が高くなることになる。すなわち、局所的な火炎温度およびＮＯｘの生成量が増加する。
米国特許出願第２００３／００１４９７９Ａ１号 米国特許出願第２００４／００２４５１６Ａ１号 米国特許出願第２００４／０２０６０９１Ａ１号 米国特許出願第２００４／０２２１５８２Ａ１号 米国特許出願第２００４／０２２７９２８Ａ１号 米国特許出願第２００５／００８１５２８Ａ１号 米国特許出願第２００５／０１４４９５５Ａ１号 米国特許出願第２００５／０１８０６９９Ａ１号 米国特許第４１１５９９８号 米国特許第５１１７６３７号 米国特許第６５５４５６２号 米国特許第６６４０１９９号 米国特許第６７５５０２４号 米国特許第６８５７２７２号

したがって、ホットストリーク温度を最低限に抑え、タービンノズルの冷却空気消費量を低減することができるガスタービン燃焼システムを得ることが望ましい。

ガスタービンエンジン燃焼システムを作動させる装置および方法は、燃焼器を円周上の周囲に配設された複数の燃料噴射器と、燃料噴射器と１対１の燃料供給関係にある複数の燃料ノズルバルブと、感知されたホットストリーク状態に応答してホットストリークを除去し、かつ／または減少させるように燃料ノズルバルブを個々に制御するために、燃料ノズルバルブに制御可能に接続された電子制御装置とを備える。ガスタービンエンジン燃焼システムの例示的実施形態は、燃焼器内のガス温度を測定するために燃焼器に作動可能に取り付けられた光学的センサなどの温度センサでホットストリーク状態を感知するステップを含む。

電子制御装置は、温度センサからの入力を用いて電子制御装置によって計算されたホットストリーク状態に応答して全てのノズルバルブを個々に制御するために、燃料ノズルバルブに制御可能に接続することができる。電子制御装置に格納された、状態監視・不具合アコモデーション（condition monitoring & fault accommodation）プログラムは、燃焼器温度を計算またはシミュレートし、それを温度センサからの測定温度と比較し、また、個々の燃料ノズル回路の測定された燃料圧力をシミュレートまたは計算された燃料圧力と比較することによって、温度センサが故障または誤作動していないかを判定するために使用することができる。

図１に、中心線１６の周りに配置され、燃焼器ドームアセンブリ２０を燃焼器１０の上流端１９に有するガスタービンエンジン燃焼器１０の例示的実施形態を示す。ドームアセンブリ２０は、環状ドームプレート２２を有する環状燃焼器ドーム２１を備える。燃焼器１０は、長手方向エンジン中心線１６周りに配置され、下流方向８に延在するフィルム冷却された１対の外側および内側環状ライナ１２および１４を備える。外側および内側ライナ１２および１４は、希釈孔１７を有し、互いに半径方向に離間し、それにより、両ライナの間に燃焼領域１８を画成する。外側および内側ライナ１２および１４は、環状ドームプレート２２から下流へ延在する。

燃焼器ドームアセンブリ２０は、円周上に離隔し、ドームプレート２２の対応する円形プレート開口２８を通して配設された複数のキャブレタ２４を備える。各キャブレタ２４は、キャブレタの長手方向軸２９を取り巻く前方および後方空気スワラ２５および２６をそれぞれ備える。前方スワラおよび後方空気スワラ２５および２６はそれぞれ、一次スワラおよび二次スワラとも呼ばれる。後方スワラ２６は、一次ベンチュリ５９を画成する隔壁５８、円周上に離隔配置された複数の後方スワールベーン６０、および環状出口フレア７２を備える。前方スワラ２５は、その中に燃料噴射器３０を摺動的に支持するフェルール６６を中心に支持する。前方スワラ２５は、円周上に離隔配置された複数の前方スワールベーン６２を有する。燃料噴射器３０および後方スワラ２６は、キャブレタ軸２９と同軸に配設されている。半径方向外側および内側の燃焼器カウリング２３および２７が、環状ドームプレート２２に取り付けられ、その前方、上流に延びる。外側および内側燃焼器カウリング２３および２７は、それらの間に環状開口３３を有し、環状開口３３により、圧縮空気４４がキャブレタ２４に流れてこれを通過し、また外側および内側ライナ１２および１４の希釈孔１７を通って流れ、両ライナ間の燃焼領域１８に流入することができる。

燃焼器１０は、その下流端３５に環状燃焼器出口３２を有し、円周上に離隔配置された複数のノズルベーン３７を備える従来型タービンノズル３４に従来通り連結される。作動中、燃料４２は、噴射器３０に従来通り導管で導かれ、そこから１次ベンチュリ５９内、および前方および後方スワラ２５および２６の中心部に噴射され、そこで燃料は、圧縮機（図示せず）から燃焼器１０に従来通り供給される圧縮空気４４の一部と混合される。スワラ２５および２６は、燃料４２と空気４４を混合して燃料／空気混合物４６を生成するのに効果的である。燃料／空気混合物４６は、燃焼領域１８内に放出され、そこで燃料は、始動中は、外側ライナ１２を通して配設された従来式のイグナイタ（図示せず）によって、イグナイタが切断されエンジンが作動しているときは、進行中の燃焼プロセスによって、従来通り着火される。

燃焼ガス５０が、燃焼領域１８中で生成され、そこから燃焼器出口３２、タービンノズル３４、次いでタービン段（図示せず）に導かれ、そのタービン段は、燃焼器１０の上流に配設されたエンジンの圧縮機およびファン段を作動させるエネルギーを燃焼ガスから取り出す。タービンノズル３４を廻る燃焼ガス温度の円周上のバラツキが、エンジンの耐久性を低下させ得るので、タービンノズルは、通常、ガスタービン業界ではホットストリーク温度と呼ばれる生じ得る最高温度に耐えられるように設計される。ホットストリーク温度を低くし、ホットストリークの影響または状態に対処するのに用いられる冷却空気の量を減少させるために、ホットストリーク温度を低下させ、燃焼器でのホットストリークの発生を減少または無くする、図２に概略的に示すガスタービン燃焼システム４０が提供される。

図２に概略的に示すのは、燃料を燃料噴射器３０に供給するガスタービンエンジン燃料供給システム４５を備える、ホットストリーク温度を低下させるガスタービン燃焼システム４０の例示的実施形態である。各燃料噴射器３０は、個々の燃料ノズル回路３１を介して燃料供給マニホルド４７に接続されている。燃料ノズルバルブ４８が、燃料供給マニホルド４７と各燃料噴射器３０との間に配設されている。燃料ノズルバルブ４８は、オン／オフバルブでもよく、燃料噴射器３０への燃料流量を変化させ、または調節することができる調節用バルブでもよい。ホットストリーク状態を感知する手段が、燃焼器１０のガス温度を測定するために燃焼器１０に作動可能に取り付けられている。その手段は温度センサ５５でもよく、より詳細には、温度センサ５５は光学的温度センサでもよい。

温度センサ５５は、信号供給関係において電子制御装置７６に接続される。電子制御装置７６が、燃焼器ノズルバルブ４８を制御してホットストリークを除去し、かつ／または減少させるために燃料ノズルバルブ４８に制御可能に接続されている。ここに示されたホットストリーク温度を減少させるガスタービン燃焼システム４０の例示的実施形態は、全ての燃料ノズルバルブ４８を個々に制御するために燃料ノズルバルブ４８に制御可能に接続された電子制御装置７６を有する。すなわち、検知されたホットストリーク状態に応答してホットストリークを除去し、かつ／または減少させるために、燃料ノズルバルブ４８の一つ一つが別々に制御される。

燃焼器１０に作動可能に取り付けられた温度センサ５５は、図１に示すように、燃焼領域１８内の、各キャブレタ２４の下流の燃焼器炎のガス温度を測定するように働く。温度センサ５５は、燃焼器１０内の多数の軸方向および半径方向位置に取り付けることができる。例示的な第１、第２および第３の位置、Ａ、ＢおよびＣが、図１の軸方向−半径方向平面に示されている。例示的な第１の位置Ａは、外側および内側燃焼器カウリング２３および２７の中で燃料噴射器３０に近接しており、一つ一つの燃料噴射器３０に近接して温度センサ５５が１つずつ配設される。例示的な第２および第３の位置ＢおよびＣはそれぞれ、環状ドームプレート２２および外側ライナ１２に配置されている。温度センサもまた、たとえば、キャブレタ２４のそれぞれと実質的に同じ円周上の位置に燃焼器１０を廻って分布配置されている。

ホットストリーク温度を減少させるガスタービン燃焼システム４０は、電子制御装置７６によって制御され、電子制御装置７６は、当業界では公知の、ガスタービンエンジンの作動を制御するための全自動ディジタル電子制御装置（ＦＡＤＥＣ）でもよい。ＦＡＤＥＣは、温度センサ５５から入力を受け取り、燃焼器１０内に望ましくないホットストリーク状態を感知し確定した場合、１つまたは複数の燃料ノズルバルブ４８を通ってそれぞれ燃料噴射器３０の１つに向かう燃料の量を変化させることによって、円周上の燃料流量の分布を調節する。飛行中状態監視・不具合アコモデーション組込モデルプログラムが、ＦＡＤＥＣに格納されている。それは、リアルタイムで作動して、ガスタービンエンジンの作動をシミュレートし、燃焼器のシミュレート温度を計算するエンジンシミュレーションコンピュータプログラムである。

モデルへの入力は、エンジン内の様々な、速度、温度、圧力および位置センサから来る。ＦＡＤＥＣは、モデルからのシミュレートされた燃焼器温度を、センサ５５からの測定された温度と、また、シミュレートされた燃料ノズル内の燃料圧力を、個々の燃料ノズル回路３１内の測定された燃料圧力と比較する。ＦＡＤＥＣは、その２つの比較から故障または誤作動しているセンサを判定または検知する。故障または誤作動しているセンサは、飛行中状態監視・不具合アコモデーション組込モデルプログラム中のサブモデルシミュレーションコンピュータプログラムにより計算またはシミュレートされた燃焼器温度を用いることによって補償される。燃焼ガス温度を監視する様々な温度センサ５５からの出力が、モデルに供給され、モデルがホットストリークまたは局所温度の大きな局所的偏りを感知したとき、モデルは即座に異常な１つまたは複数の燃料噴射器３０の位置を特定し、ＦＡＤＥＣによって感知された燃焼器の円周上の温度のバラツキを最低限に抑えるために、異常な１つまたは複数の燃料噴射器３０への燃料流量を調節する。ホットストリーク温度を減少させるガスタービン燃焼システム４０が、望ましくない状態すなわちホットストリークを検出し、燃料流量を変化させることによってそれを修正するとき、ガスタービン燃焼システム４０はまた、燃料噴射器３０への燃料流の方向および変化率が確実に適切になるようにする。

本明細書には、好ましくかつ例示的な本発明の実施形態と考えられるものを記述してきたが、本明細書の教示から、本発明の他の変更形態が当業者にとって明らかであり、したがって、そのような変更形態は全て本発明の真の精神および範囲内に包含されるものとして添付特許請求の範囲で保証されることが望ましい。したがって、本特許で保証されることが望まれるのは、添付請求の範囲で定義され弁別された本発明である。

ホットストリーク制御システムを用いて燃焼器内のホットストリークを制御するための装置の例示的実施形態を含むガスタービンエンジン燃焼器の図である。 図１に示されたホットストリーク制御システムの概略図である。

符号の説明

８ 下流方向
１０ ガスタービンエンジン燃焼器
１２ 外側環状ライナ
１４ 内側環状ライナ
１６ 中心線
１７ 希釈孔
１８ 燃焼領域
１９ 上流端
２０ 燃焼器ドームアセンブリ
２１ 燃焼器ドーム
２２ ドームプレート
２３ 外側燃焼器カウリング
２４ キャブレタ
２５ 前方空気スワラ
２６ 後方空気スワラ
２７ 内側燃焼器カウリング
２８ 円形プレート開口
２９ キャブレタ軸
３０ 燃料噴射器
３１ 回路
３２ 燃焼器出口
３３ 環状開口
３４ 従来型タービンノズル
３５ 下流端
３７ ノズルベーン
４０ ガスタービンエンジン燃焼システム
４２ 燃料
４４ 圧縮空気
４５ 燃料供給システム
４６ 燃料／空気混合物
４７ 燃料供給マニホルド
４８ 燃料ノズルバルブ
５０ 燃焼ガス
５５ 温度センサ
５８ 隔壁
５９ 一次ベンチュリ
６０ 後方スワールベーン
６２ 前方スワールベーン
６６ フェルール
７２ 出口フレア
７６ 電子制御装置
Ａ 第１の位置
Ｂ 第２の位置
Ｃ 第３の位置

Claims (4)

1. 燃焼器（１０）の周囲に配設された複数の燃料噴射器（３０）と、
   前記燃料噴射器（３０）と１対１の燃料供給関係にあり、前記燃料噴射器（３０）への燃料流量を変化させる又は調節することができる複数の燃料ノズルバルブ（４８）と、
   前記燃料ノズルバルブ（４８）を個々に制御するため、前記燃料ノズルバルブ（４８）に制御可能に接続され、感知されたホットストリーク状態に応答してホットストリークを除去し且つ／又は減少させる電子制御装置（７６）と、
   燃焼器（１０）内のガス温度を測定するために燃焼器（１０）に作動可能に取り付けられ、信号供給関係において前記電子制御装置（７６）に接続された温度センサ（５５）を含み、前記電子制御装置（７６）が、前記センサ（５５）からの入力を用いて前記電子制御装置によって計算されたホットストリーク状態に応答して前記燃料ノズルバルブ（４８）を個々に制御するように、制御可能に前記燃料ノズルバルブ（４８）に接続されている、ホットストリーク状態を感知する手段と、
   燃焼器温度を計算またはシミュレートし、それを前記センサ（５５）からの測定温度と比較し、また、個々の燃料ノズル回路（３１）の測定された燃料圧力をシミュレートまたは計算された燃料圧力と比較することによって、前記センサ（５５）が故障または誤作動していないか判定するために、前記電子制御装置（７６）に格納された状態監視−フォールトアコモデーションプログラムと
   を備えるガスタービンエンジン燃焼システム（４０）。
2. 前記センサ（５５）が光学的温度センサである、請求項１記載のシステム（４０）。
3. 燃焼器（１０）内のホットストリークを除去し且つ／又は減少させるようにガスタービンエンジン燃焼システム（４０）を制御する方法であって、
   燃焼器（１０）の周囲に配設された複数の燃料噴射器（３０）に燃料を供給するステップであって、燃焼器（１０）内で燃料に着火しそれを燃焼するステップと、
   前記燃料噴射器（３０）と１対１の燃料供給関係にあり、前記燃料噴射器（３０）への燃料流量を変化させる又は調節することができる複数の燃料ノズルバルブ（４８）によって、前記燃料噴射器（３０）に供給する燃料の量を制御するステップと、
   ホットストリークを除去し、かつ／または減少させるために、前記燃料ノズルバルブ（４８）に制御可能に接続された電子制御装置（７６）によって、前記燃料噴射器（３０）の一つ一つに供給する燃料の量を制御するステップと
   を含み、
   前記燃料噴射器（３０）の一つ一つに供給する燃料の量を制御する前記ステップは、
   前記電子制御装置（７６）に格納された状態監視−フォールトアコモデーションプログラムによって、
   燃焼器温度を計算またはシミュレートし、該計算またはシミュレートした燃焼器温度を、燃焼器（１０）内のガス温度を測定するために燃焼器（１０）に作動可能に取り付けられ信号供給関係において前記電子制御装置（７６）に接続された温度センサ（５５）からの測定温度と比較し、
   個々の燃料ノズル回路（３１）の測定された燃料圧力をシミュレートまたは計算された燃料圧力と比較することによって、前記センサ（５５）が故障または誤作動していないか判定し、
   前記電子制御装置によって計算されたホットストリーク状態に応答して、ホットストリークを除去し、かつ／または減少させるために、該電子制御装置（７６）で燃料ノズルバルブ（４８）を個々に制御する
   ことを特徴とする、方法。
4. 前記センサ（５５）として光学的温度センサを用いることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

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