JPH076411B2 - ガスタービン機関の消炎予測判別装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン機関の消炎予測判別装置に係り、
特に熱交換器を備えたガスタービン機関の燃焼器の消炎
を予測判別する消炎予測判別装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

従来のガスタービン機関の燃料供給装置が特開昭50−31
211号公報に記載されている。この燃料供給装置は、ガ
スタービン機関の消炎とストールとが発生しないように
するために、実際機関速度に対応する電気信号と希望機
関速度に対応する電気信号との偏差に対応して、機関へ
供給する燃料量の下限値を設定している。また、英国特
許946111号には、ガスタービン機関の消炎とストールと
が発生しないようにするために、燃料供給量の上下限値
を設定している。この上下限値は吸入空気温度Ｔと機関
速度Naとによって、または更に燃焼器入口のコンプレツ
サ圧力Ｐを加えて補正されている。吸入空気温度Ｔを用
いたのは、大気の温度状態を考慮したものであり、定常
運転時ではコンプレツサの圧縮により、外気温の空気は
温度上昇し、燃焼器入口の吸入空気温度Ｔは最大で400
℃程度となる。

しかしながら、上記従来のガスタービン機関は、空気を
加熱する熱交換器を用いないガスタービン機関であり、
燃焼器に供給される空気の温度変化が比較的少ないのに
対し、自動車用ガスタービン機関は、圧縮された空気を
更に加熱して燃焼器に供給するための熱交換器が燃焼器
上流側に設けられているため、燃焼器入口の空気温度が
大きく変化する。このため、可燃限界は熱交換器が設け
られていないガスタービン機関に比較して全く異なった
ものになる。すなわち、燃焼器入口の空気温度が機関速
度に対応せず、条件によって大きく変動するため、例え
ば、高速高負荷運転からアイドル状態まで減速した場合
を考えると、可燃限界が燃料減速ライン上にあると火炎
が吹き消えて消炎が発生することになる。このため、消
炎を精度よく予測判別することが重要になる。

従って、本発明は燃焼器の消炎を精度よく予測判別する
ことができるガスタービン機関の消炎予測判別装置を提
供することを目的とする。

本発明に関連する特開昭63−306310号公報には、燃焼器
内の火炎から光パワー信号を検出し、この光パワー信号
を周波数解析してパワースペクトルを求め、このパワー
スペクトルを利用して燃焼状態を検知し、燃焼状態を最
適燃焼状態に制御する技術が開示されている。この技術
によれば燃焼状態を最適に制御することができるが、本
発明が目的とする消炎を精度よく予測判別することはで
きない。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明のガスタービン機関の
消炎予測判別装置は、燃焼器内の火炎から発生する光を
検知する火炎検知手段と、前記火炎検知手段から出力さ
れた信号を周波数分析してパワースペクトルを求める周
波数分析手段と、前記パワースペクトルから前記火炎の
変動に対応する火炎変動情報を演算する火炎変動演算手
段と、空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比
と前記火炎変動情報とに基づいて消炎の発生を予測判別
する消炎予測判別手段と、を含んで構成したものであ
る。

〔作用〕

本発明の火炎検知手段は、燃焼器内の火炎から発生する
光を検知する。周波数分析手段は火炎検知手段から出力
された信号を周波数分析してパワースペクトルを求め
る。火炎変動演算手段は周波数分析手段で求められたパ
ワースペクトルから火炎の変動に対応する火炎変動情報
を演算する。空燃比検出手段は、燃焼器に供給される吸
気量と燃料量とから定まる空燃比を検出するか、あるい
は排ガスの空燃比を検出する。消炎予測判別手段は、前
記空燃比検出手段から出力される空燃比と前記火炎変動
演算手段から出力される火炎変動情報とに基づいて消炎
を予測判別する。本発明者等の実験によれば、燃焼器の
消炎は空燃比が所定値以上の領域で発生し易くなり、消
炎が発生し易い領域では火炎変動情報は空燃比の単調関
数で変化する。したがって、空燃比と火炎変動情報とに
基づいて消炎を精度よく予測判別することができる。

消炎の発生を予測判別するにあたっては、第１図に示す
ように、空気の流量を燃料供給量とから定まる空燃比に
基づいて火炎検知手段から出力された信号を周波数分析
手段に入力させるか否かを決定し、周波数分析手段で入
力された信号からパワースペクトルを求めてもよい。こ
のときには、火炎変動演算手段によってパワースペクト
ルから火炎変動情報を演算し、火炎変動判別手段によっ
て火炎変動情報の大きさを判別することにより消炎の発
生を予測判別する。このようにすれば、空燃比に基づい
て定まりかつ消炎が発生し易い領域における火炎検知手
段から出力された信号にのみ基づいて消炎の発生を予測
判別することができる。

また、第２図に示すように空燃比演算手段で空燃比を演
算すると共に、火炎変動演算手段で周波数分析手段で求
められたパワースペククトルから火炎変動情報を演算
し、この空燃比と火炎変動情報とに基づいて消炎の発生
を予測判別するようにしてもよい。このようにすれば、
空燃比の大きさと火炎変動情報の大きさとから消炎の発
生を予測判別することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、空燃比とパワース
ペクトルから求めた火炎変動情報とから消炎の発生を予
測判別しているため、正確に消炎の発生を予測判別する
ことができる、という効果が得られる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の第１の実施例を詳細に説明
する。第３図に示すように、空気を圧縮するコンプレツ
サ30は、燃焼ガスによって駆動されるタービン32に連結
されている。またタービン32に対応して出力軸36を備え
た出力タービン34が配置されている。タービン32に燃焼
ガスを供給するように燃焼器38が配置されており、燃焼
器38の上流側には、タービン32およびタービン34を介し
て供給された燃焼ガスによってコンプレツサ30で加熱さ
れた空気を加熱するための熱交換器42が配置されてい
る。

燃焼器38は第４図に示すように、有底円筒状のケーシン
グ10と、ケーシング10との間に空間が形成されるように
ケーシング10内に収納された有底円筒状のライナ12とを
備えている。ケーシング10の底面を貫通して燃料噴射弁
16が取付けられている。また、ライナ12の底面には一次
空気と燃料とを混合するためのスワーラ14が取付けられ
ており、このスワーラ14は燃料噴射弁16の燃料噴射口に
連結されている。ライナ12のスワーラ14側壁面には、ラ
イナ12内に二次空気を導入するための円形の二次空気導
入口18が周方向に沿って所定間隔隔てて複数個穿設され
ている。また、ライナ12の燃焼器出口22側壁面には、希
釈空気を導入するための円形の希釈空気導入口20が周方
向に沿って所定間隔隔てて複数個穿設されている。そし
て、ケーシング10の側壁を貫通してライナ12内へ突出す
るように点火プラグ26が取付けられている。ライナ12の
点火プラグ26近傍の部位を貫通して炎センサ70が設けら
れている。この炎センサ70は、第３図に示すように、ラ
イナ12を貫通する光フアイバ70Aと光フアイバ70Aの燃焼
室外側端部に設けられたフオトダイオードやフオトトラ
ンジスタ等の受光素子70Bとで構成されている。ライナ1
2とケーシング10との間に形成された空間は空気が通過
する空気通路24として作用する。

この燃焼器によれば、ケーシング10とライナ12との間の
空気通路24より、コンプレツサ30で圧縮された空気（燃
焼用空気）が熱交換器42で加熱された後に、燃焼器38に
供給される。この空気は、スワーラ14によって一次空気
としてライナ12内に供給されると共に、二次空気導入口
18を通って二次空気、希釈空気導入口20を通って希釈空
気としてそれぞれライナ12内に供給される。燃料噴射弁
16から噴射された燃料は、スワーラ14によって供給され
る旋回流である一次空気と混合されつつ点火プラグ26に
よって点火されて一次燃焼する。この一次燃焼した混合
気は二次空気導入口18から供給される二次空気によって
二次燃焼し、希釈空気導入口20から供給される希釈空気
によって希釈され、燃焼ガスの平均温度がタービンに供
給するのに適した温度まで下げられると共に、燃焼器出
口22での燃焼ガス温度分布が均一化されて燃焼器出口22
から排出される。そして、この燃焼ガスによってタービ
ンが駆動される。

ライナ12内の燃焼ガスの消炎は、一次燃焼および二次燃
焼における火炎の伝播速度に比べ、空気の流速が大きく
なり過ぎた場合に、この空気によって火炎が吹き飛ばさ
れることによって発生する。

本発明者等の第４図に示した燃焼器に圧縮かつ加熱した
空気を供給して燃焼させた実験によれば、消炎の発生す
る条件は、第８図および第９図に示すように燃焼器入口
の空気の温度Taと燃焼器入口の空気の圧力Paとによって
大きく変化した。第８図は燃焼器入口空気の温度Taが32
0℃の場合を示し、空気の圧力Paが大きくなるにしたが
って可燃範囲が拡大、すなわち消炎範囲が減少してい
る。第９図は、空気の圧力Paを2kg/cm²とした場合を示
し、空気の温度Taが高くなるにしたがって可燃範囲が拡
大、すなわち消炎範囲が減少している。しかしながら、
吸気の温度Taの上昇に伴う可燃範囲の拡大の方が空気の
圧力Paの上昇に伴う可燃範囲の拡大よりもさらに大きな
ものである。このため、空気を圧縮、加熱するガスター
ビン機関においては、燃焼器入口の空気の温度Ta（定常
運転時、400℃〜700℃程度）、空気の流量Ga等を考慮し
なければならない。

本発明者等が、第４図に示す燃焼器に圧縮かつ加熱され
た空気を供給して消炎について実験を進めたところ、空
気の流量Ga、空気の温度Ta、空気の圧力Paに基づいて最
小燃料供給量Gfminを決定し、この最小燃料供給量Gfmin
以上の燃料供給を行えば消炎が発生しないことを見出し
た。実験によれば、この最小燃料供給量Gfminの最適な
値は以下の（１）式で与えられた。

Gfmin＝K1・Pa^1/2・Ta^-3・Ga²…（１） ただし、K1は係数である。

上記の（１）式における係数K1は、以下で説明するよう
に燃焼器内の消炎を検出し、この消炎が発生する直前の
燃料供給量となるように変更される。また、最大燃料供
給量Gfmaxは以下の（２）式で与えられる。

Gfmax＝（K2−K3・Ta）・Ga…（２） ここで、K2、K3は正の定数である。この定数K2、K3は、
最大燃料供給量Gfmaxで燃焼させたときの燃焼ガス温度
が燃焼器やタービン等の耐熱限界温度以上とならないよ
うに実験によって定めることができる。

この最小燃料供給量Gfminを決定するため、燃焼器38の
入口には、第３図に示すように、空気の温度Ta、空気の
圧力Paおよび空気の流量Gaを各々検出する複数のセンサ
から成るセンサ群40が取付けられている。センサ群40で
検出された温度Ta、圧力Paおよび空気の流量Gaの各信号
は最小燃料供給量Gfminに対応する信号を発生するGfmin
関数発生器52、最大燃料供給量Gfmaxに対応する信号を
発生するGfmax関数発生器50およびゲート回路74に入力
される。

このGfmin関数発生器52には最小燃料供給量演算用の係
数K1を演算する係数K1演算器54が接続されている。Gfma
x関数発生器50の出力端は上限値用ダイオード56のカソ
ードに接続され、Gfmin関数発生器52の出力端は下限値
用ダイオード58のアノードに接続されている。Gfmax関
数発生器50は、最大燃料供給量Gfmaxに対応したレベル
の信号を出力し、Gfmin関数発生器52は、最小燃料供給
量Gfminに対応したレベルの信号を出力する。上限値用
ダイオード56のアノードおよび下限値用ダイオード58の
カソードは、燃料供給量Gfに対応したレベルの信号を発
生する燃料供給量信号発生器60の出力端に接続されてい
る。この燃料供給量信号発生器60の出力端は、燃料噴射
弁16に接続された流量調節器付燃料噴射ポンプ44および
ゲート回路74に接続されている。また、燃料供給量信号
発生器60の入力端にはアクセルペダル64の踏込み量に応
じた信号を出力する運転者制御器62が接続されている。

上記の炎センサ70は、ゲート回路74に接続されている。
ゲート回路74には、センサ群40の中の空気の流量を検出
するセンサおよび燃料供給量信号発生器60が接続され、
燃料供給量Gf信号および空気の流量Ga信号が入力されて
いる。ゲート回路74は、空燃比Ga/Gfが所定値（例え
ば、200）以上の時に炎センサ70の出力信号を通過させ
る。ゲート回路74は、パワースペクトルを演算する周波
数分析器76に接続されている。周波数分析器76は、火炎
変動情報を演算する演算器78に接続されている。演算器
78は火炎変動情報の大きさを判別して消炎の発生を予測
判別する判別器80に接続されている。判別器80は係数K1
を演算する係数K1演算器54に接続され、係数K1演算器54
はGfmin関数発生機52に接続されている。

以下本実施例の作用を説明する。コンプレツサ30によっ
て圧縮された空気は空気流路46を介して熱交換器42に供
給されて加熱される。熱交換器42で加熱された空気は燃
焼器38に供給され、燃料噴射弁16から噴射された燃料と
混合されて上記で説明したように燃焼される。燃焼ガス
は燃焼器38を介して供給され、タービン32および出力タ
ービン34を回転させた後、熱交換器42を介して排出され
る。

Gfmax関数発生器50は、センサ40で検出された空気の温
度Taと流量Gaとに基づいて上記（２）式にしたがって演
算したレベルの最大燃料供給量信号を出力する。Gfmin
関数発生器52は、センサ群40で検出された空気の温度T
a、圧力Paおよび流量Gaに基づいて上記（１）式にした
がって最小燃料供給量を演算し、最小燃料供給量に対応
したレベルの信号を出力する。燃料供給量信号発生器60
は、アクセルペダル64の踏込み量に応じた燃料供給量信
号を発生する。燃料供給量信号のレベルが最大燃料供給
量のレベルよりも大きくなるときには、上限値用ダイオ
ード56のアノードの電位がカソードの電位よりも高くな
るため、上限値用ダイオード56のアノードとカソードと
の電位が等しくなるまで、燃料供給量信号発生器60から
Gfmax関数発生器50方向に電流が流れ、これによって燃
料供給量信号のレベルが最大燃料供給量信号のレベル以
上にならないように制限される。また、燃料供給量信号
のレベルが最小燃料供給量信号のレベルより低下する場
合には、下限値用ダイオード58のカソードの電位が下限
値用ダイオード58のアノードの電位よりも低くなるた
め、下限値用ダイオード58のカソードとアノードとの電
位が等しくなるまで、Gfmin関数発生器52から調整器付
燃料噴射ポンプ44方向に電流が流れ、これによって燃料
供給量信号のレベルが最小燃料供給量信号のレベル未満
にならないように制限される。調節器付燃料噴射ポンプ
44は、上限値用ダイオード56および下限値用ダイオード
58によってレベルが所定範囲内の値になるように制限さ
れた燃料供給量信号によって燃料噴射弁16を制御し、ラ
イナ12内に燃料を噴射する。

空燃比Ga/Gf所定値以上になるとゲート回路74が開か
れ、炎センサ70出力が通過可能になる。火炎が発生する
と炎センサ70によって火炎から発生する光が検知され、
この検知信号はゲート回路74を通過して周波数分析器76
に入力される。周波数分析器76は炎センサ70から出力さ
れた信号からパワースペクトルを演算する。このパワー
スペクトルは第５図に示すように周波数に応じて変化す
る。演算器78は周波数分析器78で演算されたパワースペ
クトルに基づいて以下の式に従って火炎変動情報Ｄを演
算する。

ただし、Ａは全周波数（例えば、０〜200Hz）に亘るパ
ワースペクトルの積分値、Ｂは特定周波数領域（例え
ば、０〜20Hz程度までの領域）のパワースペクトルの積
分値である。判別器80は、火炎変動情報Ｄが所定値（例
えば、90％）以下であるか否かを判断することにより消
炎の発生を予測判別する。第７図に示すように、空燃比
Ga/Gfが200以上の領域で消炎が発生し、この時火炎変動
情報Ｄは最大値（98％程度）から徐々に単調減少してい
るため、空燃比が所定値以上の領域で火炎変動情報Ｄが
所定値（90％）以下か否かを判断することにより消炎を
精度よく予測判別することができる。なお、消炎が発生
する直前では、火炎変動情報Ｄが最大値から単調減少し
ているため、火炎変動情報Ｄが最大値から減少している
か否かを判断することにより消炎の発生を予測判別する
ことも可能である。

なお、火炎変動情報Ｄは以下の式で定めてもよい。

ただし、Ｊは、第６図に示すように、全周波数領域のパ
ワースペクトルの最大値、Ｋは特定周波数帯域（例え
ば、50Hzから最大周波数までの領域）のパワースペクト
ルの最大値である。

上記（４）式の火災変動情報Ｄを用いたときには火災変
動情報Ｄが所定値（例えば、10％）以下のときに消炎の
発生が予測されることになる。

判別器80によって消炎の発生が予測判別されると、係数
K1演算器54は、係数K1を以下の式にしたがって消炎の発
生が予測判別される毎に所定値εずつ大きくする。

K1←（１＋ε）K1・・・（５） また、消炎の判定が判別されないときは以下の式にした
がって最小燃料供給量信号のレベルを小さくすれば、誤
差等によって最小燃料供給量が最適値より大きくなった
時の補正をすることができ、これによって燃料消費量を
低減できる。

K1←（１−ε）K1・・・（６） また、上記の消炎発生の予測判別はマイクロコンピユー
タによって行ってもよい。第10図は、消炎発生の予測判
別を行なって最小燃料供給量を演算するマイクロコンピ
ユータによる最小燃料供給量演算ルーチンを示すもので
ある。まずステツプ100において空気の流量Ga、燃料供
給量Gf、炎センサ70出力を取り込み、ステツプ102にお
いて炎センサ70出力を周波数分析してパワースペクトル
を求めると共に、このパワースペクトルから上記の
（３）式または（４）式にしたがって火炎変動情報Ｄを
演算する。次のステツプ104では空気の流量Gaを燃料供
給量Gfで除算することにより空燃比Ga/Gfを演算する。
ステツプ106では、空燃比Ga/Gfが所定値（例えば、20
0）以上か否かを判断することにより消炎の発生し易い
領域か否かを判断する。空燃比Ga/Gfが所定値以上の時
はステツプ108において火炎変動情報Ｄが所定値（上記
（３）式を使用する場合には例えば90％、上記（４）式
を使用する場合には例えば10％）以下か否かを判断する
ことにより消炎の発生が予測されるか否かを判断する。
ステツプ108の判断が肯定の時は消炎の発生が予測され
るため、ステツプ110において最小燃料供給量Gfminを所
定値ε大きくする。一方、空燃比Ga/Gfが所定値未満の
時または火炎変動情報が所定値を越えるときには火炎の
発生が予測されないため、ステツプ112において最小燃
料供給量Gfminを所定値ε小さくすることにより燃料消
費量を低減させる。

マイクロコンピュータで消炎の発生を予測判別する場合
においても上記と同様にゲート回路を設け、ゲート回路
を通過した信号のみから消炎を予測判別してもよい。

なお、上記では熱交換器を備えたガスタービン機関に本
発明を適用したが、本発明は熱交換器を備えていないガ
スタービン機関にも適用することができる。また、上記
では最小燃料供給量を大きくして消炎の発生を防止した
が、燃料供給量Gfを大きくして消炎の発生を防止しても
よい。

また上記においては、空燃比Ga/Gfを燃料供給量Gfと空
気供給量Gaとの各センサ出力から演算する構成が記載し
てあるが、第11図に示すように、排ガス中に設けられた
空燃比センサ（酸素センサ等）81から直接空燃比A/Fを
検出してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明を説明するためのブロツク
図、第３図は本発明の実施例のブロツク図、第４図は本
発明の実施例の燃焼器の断面図、第５図および第６図は
火炎変動情報を説明するための線図、第７図は空燃比と
火炎変動情報との関係を示す線図、第８図は燃焼器入口
の空気の温度を一定にしたときの燃料流量と空気の流量
との関係を示す線図、第９図は燃焼器入口の空気の温度
を一定にしたときの燃料流量と空気の流量との関係を示
す線図、第10図は本発明の他の実施例の最小燃料供給量
演算ルーチンを示す流れ図、第11図は本実施例の変形例
のブロツク図である。 30……コンプレツサ、 32……タービン、 38……燃焼器、 40……センサ、 42……熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細目 一成 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−157515（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼器内の火炎から発生する光を検知する
   火炎検知手段と、 前記火炎検知手段から出力された信号を周波数分析して
   パワースペクトルを求める周波数分析手段と、 前記パワースペクトルから前記火炎の変動に対応する火
   炎変動情報を演算する火炎変動演算手段と、 空燃比を検出する空燃比検出手段と、 前記空燃比と前記火炎変動情報とに基づいて消炎の発生
   を予測判別する消炎予測判別手段と、 を含むガスタービン機関の消炎予測判別装置。