JPH09170709A - 窒素酸化物排出物の最小化方法 - Google Patents
窒素酸化物排出物の最小化方法Info
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- JPH09170709A JPH09170709A JP8302623A JP30262396A JPH09170709A JP H09170709 A JPH09170709 A JP H09170709A JP 8302623 A JP8302623 A JP 8302623A JP 30262396 A JP30262396 A JP 30262396A JP H09170709 A JPH09170709 A JP H09170709A
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- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃焼器からの窒素酸化物排出物のレベルを低
減する。 【解決手段】 燃焼器１０内の圧力変動をモニタリング
するステップと、燃焼器に流入する燃料フローを調整し
て燃焼器を安定化させるステップと、を有する方法であ
る。燃焼器の不安定性及び希薄ブローアウトの兆候は、
これらが実際が生じる前に、燃焼器内の圧力変動のモニ
タリング、及びその後の信号解析手段３２による圧力変
動の解析によって検出可能である。上記兆候が検出され
た後に、信号は燃料スケジュール制御装置３４に送られ
て、燃焼器への燃料流が調整される。
減する。 【解決手段】 燃焼器１０内の圧力変動をモニタリング
するステップと、燃焼器に流入する燃料フローを調整し
て燃焼器を安定化させるステップと、を有する方法であ
る。燃焼器の不安定性及び希薄ブローアウトの兆候は、
これらが実際が生じる前に、燃焼器内の圧力変動のモニ
タリング、及びその後の信号解析手段３２による圧力変
動の解析によって検出可能である。上記兆候が検出され
た後に、信号は燃料スケジュール制御装置３４に送られ
て、燃焼器への燃料流が調整される。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス・タービン・
エンジンに関し、主に、燃焼器の不安定化やブローアウ
トを引き起こすことなく、窒素酸化物排出物を最小化す
る技術に関する。
エンジンに関し、主に、燃焼器の不安定化やブローアウ
トを引き起こすことなく、窒素酸化物排出物を最小化す
る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス・タービン・エンジンは、燃焼副生
成物として、大気中に有毒な通常窒素酸化物（ＮＯx）
を排出する。燃焼プロセスにおける窒素酸化物は、通
常、燃料と空気とが高温で反応することで形成される。
窒素酸化物排出物のレベルは、燃焼プロセスにおける燃
焼温度を制御することで減少させ得る。燃焼温度の制御
手法及びそれによる窒素酸化物排出物の最小化手法とし
て、燃焼に先立って燃料と空気とを予め均一に混合する
ことで、燃料−空気混合領域において局部的に燃焼温度
が高くなる領域が形成されないようにする手法が知られ
ている。
成物として、大気中に有毒な通常窒素酸化物（ＮＯx）
を排出する。燃焼プロセスにおける窒素酸化物は、通
常、燃料と空気とが高温で反応することで形成される。
窒素酸化物排出物のレベルは、燃焼プロセスにおける燃
焼温度を制御することで減少させ得る。燃焼温度の制御
手法及びそれによる窒素酸化物排出物の最小化手法とし
て、燃焼に先立って燃料と空気とを予め均一に混合する
ことで、燃料−空気混合領域において局部的に燃焼温度
が高くなる領域が形成されないようにする手法が知られ
ている。
【０００３】燃料が均一に予混合された後には、ガス・
タービン・エンジンを、所定の燃焼温度よりも低い、狭
い燃料希薄領域内で動作させて、窒素酸化物排出物を許
容レベルまでに低くすることが望ましい。しかし、燃焼
室は、燃焼の不安定化及び／または希薄ブローアウト
（lean blowout）を抑えるように、希薄ブローアウト温
度以上で動作させねばならない。窒素酸化物排出物が最
も低いレベルとなるのは、ガス・タービン・エンジン
が、できるだけ希薄ブローアウト・ラインに近づいて動
作しているときである。
タービン・エンジンを、所定の燃焼温度よりも低い、狭
い燃料希薄領域内で動作させて、窒素酸化物排出物を許
容レベルまでに低くすることが望ましい。しかし、燃焼
室は、燃焼の不安定化及び／または希薄ブローアウト
（lean blowout）を抑えるように、希薄ブローアウト温
度以上で動作させねばならない。窒素酸化物排出物が最
も低いレベルとなるのは、ガス・タービン・エンジン
が、できるだけ希薄ブローアウト・ラインに近づいて動
作しているときである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ガス・タービ
ン・エンジンが既に燃料希薄条件下で動作しているとき
に、エンジン・パワーが低くなった場合、燃料フローが
減少して燃焼火炎の温度が相対的に低くなるので、ガス
・タービン・エンジンは不安定領域に入り、さらにその
後に、希薄ブローアウト・ラインを超えることとなって
しまう。
ン・エンジンが既に燃料希薄条件下で動作しているとき
に、エンジン・パワーが低くなった場合、燃料フローが
減少して燃焼火炎の温度が相対的に低くなるので、ガス
・タービン・エンジンは不安定領域に入り、さらにその
後に、希薄ブローアウト・ラインを超えることとなって
しまう。
【０００５】ガス・タービン・エンジンが不安定領域で
動作している場合、燃焼火炎は上流側に移動してノズル
を損傷するおそれがある。エンジンが希薄ブローアウト
・ラインを越えると、燃焼プロセスが停止してしまう。
従って、ガス・タービン・エンジンを出来る限り希薄ブ
ローアウト・ラインの近傍で運転するとともに、この希
薄ブローアウトラインを超えず、なおかつ不安定領域に
一定時間以上入らないようにすることが必要である。
動作している場合、燃焼火炎は上流側に移動してノズル
を損傷するおそれがある。エンジンが希薄ブローアウト
・ラインを越えると、燃焼プロセスが停止してしまう。
従って、ガス・タービン・エンジンを出来る限り希薄ブ
ローアウト・ラインの近傍で運転するとともに、この希
薄ブローアウトラインを超えず、なおかつ不安定領域に
一定時間以上入らないようにすることが必要である。
【０００６】現在、ガス・タービン・エンジンの安全
性、信頼性、及び効率を損なうことなく、窒素酸化物排
出物を最低限に抑えることが模索されている。
性、信頼性、及び効率を損なうことなく、窒素酸化物排
出物を最低限に抑えることが模索されている。
【０００７】本発明は、ガス・タービン・エンジンの窒
素酸化物排出物を最小減に抑えることを目的とする。ま
た、本発明は、燃焼器内での燃焼が不安定または希薄ブ
ローアウト状態にならず、なおかつガス・タービン・エ
ンジンを最も燃焼希薄状態で動作させることをも目的と
する。
素酸化物排出物を最小減に抑えることを目的とする。ま
た、本発明は、燃焼器内での燃焼が不安定または希薄ブ
ローアウト状態にならず、なおかつガス・タービン・エ
ンジンを最も燃焼希薄状態で動作させることをも目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃焼器
を以下のステップにより、出来る限り希薄ブローアウト
に近づけて動作させることで、窒素酸化物排出物を最小
化する方法が得られる。即ち、本発明においては、燃焼
器内の圧力変動をモニタリングするステップと、燃焼器
に流入する燃料フローを調整して燃焼器を安定化させる
ステップと、を有する。燃焼器の不安定性及び希薄ブロ
ーアウトの兆候は、これらが実際が生じる前に、燃焼器
内の圧力変動のモニタリング、及びその後の信号解析手
段による圧力変動の解析によって検出可能である。上記
兆候が検出された後に、信号は燃料スケジュール制御装
置に送られて、燃焼器への燃料流が調整される。
を以下のステップにより、出来る限り希薄ブローアウト
に近づけて動作させることで、窒素酸化物排出物を最小
化する方法が得られる。即ち、本発明においては、燃焼
器内の圧力変動をモニタリングするステップと、燃焼器
に流入する燃料フローを調整して燃焼器を安定化させる
ステップと、を有する。燃焼器の不安定性及び希薄ブロ
ーアウトの兆候は、これらが実際が生じる前に、燃焼器
内の圧力変動のモニタリング、及びその後の信号解析手
段による圧力変動の解析によって検出可能である。上記
兆候が検出された後に、信号は燃料スケジュール制御装
置に送られて、燃焼器への燃料流が調整される。
【０００９】パイロット燃料の増加、または、主燃料ス
テージあるいはパイロット燃料のステージの制御による
燃焼器内での燃焼温度の局部的増加、のいずれかを行う
ことで、燃料の調整を行うことが可能である。
テージあるいはパイロット燃料のステージの制御による
燃焼器内での燃焼温度の局部的増加、のいずれかを行う
ことで、燃料の調整を行うことが可能である。
【００１０】燃焼器へ流れるパイロット燃料の量を増加
させることで、燃焼器内の火炎の温度が上昇し、従って
燃焼を安定化させる。主燃料またはパイロット燃焼のい
ずれかのステージもまた、ノズルのうちのいずれかへの
燃料フロー量を減少させて他のノズルへの燃料フローを
増加させることで、制御され得る。このようなステージ
ング処理により、増加した燃料フローによって、ノズル
の周囲に燃料−希薄ポケットにおける燃料が増加し、こ
れにより、燃焼プロセスが維持されて希薄バーンアウト
のリスクを最小化する。
させることで、燃焼器内の火炎の温度が上昇し、従って
燃焼を安定化させる。主燃料またはパイロット燃焼のい
ずれかのステージもまた、ノズルのうちのいずれかへの
燃料フロー量を減少させて他のノズルへの燃料フローを
増加させることで、制御され得る。このようなステージ
ング処理により、増加した燃料フローによって、ノズル
の周囲に燃料−希薄ポケットにおける燃料が増加し、こ
れにより、燃焼プロセスが維持されて希薄バーンアウト
のリスクを最小化する。
【００１１】解析手段によって、燃焼器が安定化したと
決定されると、燃料フローが再度調整され、再度燃焼器
が燃料−希薄燃焼動作に戻る。従って、本発明によれ
ば、燃焼器の動作を、希薄ブローアウトラインに非常に
近い領域で動作させることが可能となる。その結果とし
て、窒素酸化物排出物のレベルが最小限に抑えられてお
り、なおかつ、燃焼器が不安定状態となることや、ブロ
ーアウト状態となることはない。
決定されると、燃料フローが再度調整され、再度燃焼器
が燃料−希薄燃焼動作に戻る。従って、本発明によれ
ば、燃焼器の動作を、希薄ブローアウトラインに非常に
近い領域で動作させることが可能となる。その結果とし
て、窒素酸化物排出物のレベルが最小限に抑えられてお
り、なおかつ、燃焼器が不安定状態となることや、ブロ
ーアウト状態となることはない。
【００１２】本発明の主な目的は、燃焼器の不安定及び
／又は希薄ブローアウト状態を抑えるように補正動作を
行った後に、燃焼器は、再度燃焼−希薄動作に戻ること
であり、これによって、窒素酸化物排出物のレベルを低
減することにある。従って、燃焼器は、燃焼器の状態を
安定化させるに必要十分な時間においてのみ、燃料−希
薄レベルから燃料が増加された状態に維持される。
／又は希薄ブローアウト状態を抑えるように補正動作を
行った後に、燃焼器は、再度燃焼−希薄動作に戻ること
であり、これによって、窒素酸化物排出物のレベルを低
減することにある。従って、燃焼器は、燃焼器の状態を
安定化させるに必要十分な時間においてのみ、燃料−希
薄レベルから燃料が増加された状態に維持される。
【００１３】本発明の上記及びその他の目的及び利点
は、以下の例示的実施例及び添付図面によって、より詳
細に説明される。
は、以下の例示的実施例及び添付図面によって、より詳
細に説明される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の一実施形態を説明する。
の一実施形態を説明する。
【００１５】図１を参照すると、環状の燃焼器１０は、
内側エンジンケース１４と外側エンジンケース１６との
間の環状間隙１２内に配置されている。ディフューザ１
８は、圧縮セクション（図示せず）から環状間隙１２へ
と軸方向にのびている。各燃焼器の吐出口は、タービン
セクションへ（図示せず）と接続されている。複数の主
燃料ノズル２０は、環状間隙１２内で周方向に離間して
おり、主燃料をディフューザ１８からの空気の一部と予
混合し、この燃料と空気との混合物を燃焼器１０へと供
給する。複数のパイロット燃料ノズル２６は、このパイ
ロット燃料ノズル２６へと燃料を分配するパイロット燃
料供給手段２８によって、パイロット燃料を燃焼器１０
へと供給する。
内側エンジンケース１４と外側エンジンケース１６との
間の環状間隙１２内に配置されている。ディフューザ１
８は、圧縮セクション（図示せず）から環状間隙１２へ
と軸方向にのびている。各燃焼器の吐出口は、タービン
セクションへ（図示せず）と接続されている。複数の主
燃料ノズル２０は、環状間隙１２内で周方向に離間して
おり、主燃料をディフューザ１８からの空気の一部と予
混合し、この燃料と空気との混合物を燃焼器１０へと供
給する。複数のパイロット燃料ノズル２６は、このパイ
ロット燃料ノズル２６へと燃料を分配するパイロット燃
料供給手段２８によって、パイロット燃料を燃焼器１０
へと供給する。
【００１６】複数の主燃料供給手段２２は、燃料を主ノ
ズル２０へと供給する。複数のパイロット燃料ノズル２
６は、パイロット燃料ノズル２６へと燃料を分配する複
数のパイロット燃料供給手段２８によって、パイロット
燃料を燃焼器１０へと供給する。パイロットイグナイタ
手段（図示せず）は、パイロット燃料ノズル２６の近傍
に設けられており、パイロット燃料ノズル２６へと供給
された燃料の点火を行う。
ズル２０へと供給する。複数のパイロット燃料ノズル２
６は、パイロット燃料ノズル２６へと燃料を分配する複
数のパイロット燃料供給手段２８によって、パイロット
燃料を燃焼器１０へと供給する。パイロットイグナイタ
手段（図示せず）は、パイロット燃料ノズル２６の近傍
に設けられており、パイロット燃料ノズル２６へと供給
された燃料の点火を行う。
【００１７】高応答圧力プローブとしての圧力プローブ
３０は、燃焼器１０内に設けられており、圧力変動を監
視する。圧力プローブ３０は、オン−ライン信号解析の
ための圧力信号を、信号解析手段３２へと送る。信号解
析手段３２は、燃焼器１０へのパイロット燃料と主燃料
フローレートとを調整する燃料スケジュール制御装置３
４と接続されている。
３０は、燃焼器１０内に設けられており、圧力変動を監
視する。圧力プローブ３０は、オン−ライン信号解析の
ための圧力信号を、信号解析手段３２へと送る。信号解
析手段３２は、燃焼器１０へのパイロット燃料と主燃料
フローレートとを調整する燃料スケジュール制御装置３
４と接続されている。
【００１８】図２に、平衡比（equivalence ratio）を
Ｘ軸にとり、これに対する燃焼器内の算出された火炎温
度をＹ軸にとって、両者の相関を表すグラフを示す。こ
こでいう平行比とは、二つの比の一方を分母、他方を分
子としてとったものであり、その分母は、与えられた燃
料に対する化学量論的な燃料／空気の比即ち燃空比であ
り、その分子は、燃焼器内での実際の燃空比である。即
ち、平衡比は、以下の式によって表される。
Ｘ軸にとり、これに対する燃焼器内の算出された火炎温
度をＹ軸にとって、両者の相関を表すグラフを示す。こ
こでいう平行比とは、二つの比の一方を分母、他方を分
子としてとったものであり、その分母は、与えられた燃
料に対する化学量論的な燃料／空気の比即ち燃空比であ
り、その分子は、燃焼器内での実際の燃空比である。即
ち、平衡比は、以下の式によって表される。
【００１９】
【数１】平衡比＝（燃料／空気）／（燃料／空気）
Stoichiometric 但し、(燃料／空気)Stoichiometricは、化学量論的燃空
比を示す。
Stoichiometric 但し、(燃料／空気)Stoichiometricは、化学量論的燃空
比を示す。
【００２０】従って、図２のプロットは、燃料の燃焼に
伴う火炎温度を、燃空比の関数として示したものであ
る。窒素酸化物排出物を最小化するために燃焼器は、燃
料希薄ゾーンＡで動作させることが好ましい。窒素酸化
物を最小化するためには、燃焼器をブローアウトライン
４０にできるだけ近づけて動作させることが好ましい。
しかし、ガス・タービン・エンジンの出力が減少する
と、燃焼器への燃料フロー量も減少し、その結果、温度
が低下して燃焼器は不安定ゾーンＢに入るおそれがあ
る。燃焼器が不安定ゾーンＢに入ることは、その後に希
薄ブローアウトライン４０を超えることを意味する。
伴う火炎温度を、燃空比の関数として示したものであ
る。窒素酸化物排出物を最小化するために燃焼器は、燃
料希薄ゾーンＡで動作させることが好ましい。窒素酸化
物を最小化するためには、燃焼器をブローアウトライン
４０にできるだけ近づけて動作させることが好ましい。
しかし、ガス・タービン・エンジンの出力が減少する
と、燃焼器への燃料フロー量も減少し、その結果、温度
が低下して燃焼器は不安定ゾーンＢに入るおそれがあ
る。燃焼器が不安定ゾーンＢに入ることは、その後に希
薄ブローアウトライン４０を超えることを意味する。
【００２１】ガス・タービン・エンジンの動作中、圧力
プローブ３０は、燃焼器が不安定ゾーンに入っている
間、燃焼器内の圧力変動を連続的に試験測定して、圧力
信号の変化を検出する。上記解析手段は、種々の手法に
よって圧力信号を解析し得る。圧力信号の解析における
ひとつの基準として、圧力変動の大きさが挙げられる。
図３に、上記試験測定の間における燃焼器への燃料フロ
ーのプロットを示す。この図において、Ｙ軸は燃料フロ
ー量を示し、Ｘ軸は時間を示す。
プローブ３０は、燃焼器が不安定ゾーンに入っている
間、燃焼器内の圧力変動を連続的に試験測定して、圧力
信号の変化を検出する。上記解析手段は、種々の手法に
よって圧力信号を解析し得る。圧力信号の解析における
ひとつの基準として、圧力変動の大きさが挙げられる。
図３に、上記試験測定の間における燃焼器への燃料フロ
ーのプロットを示す。この図において、Ｙ軸は燃料フロ
ー量を示し、Ｘ軸は時間を示す。
【００２２】図３を参照すると、主燃料ノズルを通じて
燃焼器へと流れる燃料の量には、この試験測定の間に変
化がみられる。燃焼器は、最初に図２の燃料希薄ゾーン
Ａ内で動作する。燃焼器への燃料の量は、最初の４秒間
は実質的に等しい。この最初の４秒の経過後に、燃料の
量は連続的に減少する。燃焼器が不安定ゾーンに入るに
つれて、圧力変動が大きくなっていき、約１９秒後に
は、希薄ブローアウトが生じるに至る。
燃焼器へと流れる燃料の量には、この試験測定の間に変
化がみられる。燃焼器は、最初に図２の燃料希薄ゾーン
Ａ内で動作する。燃焼器への燃料の量は、最初の４秒間
は実質的に等しい。この最初の４秒の経過後に、燃料の
量は連続的に減少する。燃焼器が不安定ゾーンに入るに
つれて、圧力変動が大きくなっていき、約１９秒後に
は、希薄ブローアウトが生じるに至る。
【００２３】図４を参照すると、圧力変動の大きさは、
図３に示される燃焼器への燃料フローの量に応じて変化
する。圧力信号の大きさは、燃焼器への燃料フローが実
質的に同じレベルにある最初の４秒間においては、実質
的に約２０ポンド／インチ2[２０(psi)、ただし1(psi)
≒7.03×102(kg/m2)≒６８９５(Pa)]で一定である。圧
力信号の大きさは、最初の４秒間においては、約２０ｐ
ｓｉ、または最大ピークと最小ピークとの差が４０ｐｓ
ｉであり、その後に、約１８秒経過するまでに、その大
きさは約５０ｐｓｉ（最大ピークと最小ピークとの間の
差は１００ｐｓｉ）となる。そのすぐ後である約１９秒
経過後には、希薄ブローアウトが生じる。圧力変動の信
号の大きさのしきい値は、約３０ｐｓｉ程度に設定する
ことができる。従って、圧力信号が３０ｐｓｉを超える
と、解析手段３２は、燃料スケジュール制御装置３４に
信号を送って、燃焼器への燃料フローを調整する信号を
送り、燃焼器内において局部的に燃料を増加させる。
図３に示される燃焼器への燃料フローの量に応じて変化
する。圧力信号の大きさは、燃焼器への燃料フローが実
質的に同じレベルにある最初の４秒間においては、実質
的に約２０ポンド／インチ2[２０(psi)、ただし1(psi)
≒7.03×102(kg/m2)≒６８９５(Pa)]で一定である。圧
力信号の大きさは、最初の４秒間においては、約２０ｐ
ｓｉ、または最大ピークと最小ピークとの差が４０ｐｓ
ｉであり、その後に、約１８秒経過するまでに、その大
きさは約５０ｐｓｉ（最大ピークと最小ピークとの間の
差は１００ｐｓｉ）となる。そのすぐ後である約１９秒
経過後には、希薄ブローアウトが生じる。圧力変動の信
号の大きさのしきい値は、約３０ｐｓｉ程度に設定する
ことができる。従って、圧力信号が３０ｐｓｉを超える
と、解析手段３２は、燃料スケジュール制御装置３４に
信号を送って、燃焼器への燃料フローを調整する信号を
送り、燃焼器内において局部的に燃料を増加させる。
【００２４】本発明では、ガス・タービン・エンジンの
動作において、燃焼器での不安定領域及び／又は希薄ブ
ローアウトの発生に先立って、これらの兆候を確認す
る。そのしきい値は、補正動作が行われるに十分な時間
をとることができるように設定される。圧力プローブ３
０は、連続的に燃焼器の圧力変動を試験測定しているこ
とから、解析手段は、燃焼器の圧力を、予め設定された
しきい値と比較する。一旦燃焼器の圧力がしきい値を超
えると、解析手段は、燃焼器への燃料フローを調整を行
うように、燃料スケジュール制御装置に指示する。従っ
て、本発明によれば、ブローアウトが出現が近いこと早
期に検出することができる。
動作において、燃焼器での不安定領域及び／又は希薄ブ
ローアウトの発生に先立って、これらの兆候を確認す
る。そのしきい値は、補正動作が行われるに十分な時間
をとることができるように設定される。圧力プローブ３
０は、連続的に燃焼器の圧力変動を試験測定しているこ
とから、解析手段は、燃焼器の圧力を、予め設定された
しきい値と比較する。一旦燃焼器の圧力がしきい値を超
えると、解析手段は、燃焼器への燃料フローを調整を行
うように、燃料スケジュール制御装置に指示する。従っ
て、本発明によれば、ブローアウトが出現が近いこと早
期に検出することができる。
【００２５】圧力変動は、種々の基準によって解析可能
である。３００Ｈｚ未満の圧力変動の大きさは、圧力信
号の解析におけるもう一つの基準、即ち第二の基準であ
る。時間（Ｘ軸）に対する圧力変動の大きさ（Ｙ軸）を
表すグラフを図５に示す。燃焼器への燃料フローの量が
図３に従って変化するにつれて、圧力変動の大きさも変
化する。
である。３００Ｈｚ未満の圧力変動の大きさは、圧力信
号の解析におけるもう一つの基準、即ち第二の基準であ
る。時間（Ｘ軸）に対する圧力変動の大きさ（Ｙ軸）を
表すグラフを図５に示す。燃焼器への燃料フローの量が
図３に従って変化するにつれて、圧力変動の大きさも変
化する。
【００２６】燃焼器への燃料フローが実質的に同じレベ
ルにある最初の約４秒間においては、圧力変動の大きさ
は、実質的に約３ｐｓｉで一定である。圧力信号の大き
さは、約４秒経過後の約３ｐｓｉから、希薄ブローアウ
トの直前における約１９秒経過後の約１０ｐｓｉへと増
大する。ここでは、燃焼器が不安定性領域に入ったと判
断するしきい値として約５ｐｓｉを用いる。３００Ｈｚ
未満の周波数（あるいは振動数）での圧力変動は、約１
１秒経過後に、しきい値である５ｐｓｉを超える。この
際、解析手段３２は、燃焼器への燃料フローを調整する
ように、燃料スケジュール制御装置３４に信号を送る。
ルにある最初の約４秒間においては、圧力変動の大きさ
は、実質的に約３ｐｓｉで一定である。圧力信号の大き
さは、約４秒経過後の約３ｐｓｉから、希薄ブローアウ
トの直前における約１９秒経過後の約１０ｐｓｉへと増
大する。ここでは、燃焼器が不安定性領域に入ったと判
断するしきい値として約５ｐｓｉを用いる。３００Ｈｚ
未満の周波数（あるいは振動数）での圧力変動は、約１
１秒経過後に、しきい値である５ｐｓｉを超える。この
際、解析手段３２は、燃焼器への燃料フローを調整する
ように、燃料スケジュール制御装置３４に信号を送る。
【００２７】圧力信号の第３の基準は、約３００Ｈｚ未
満の周波数における燃焼卓越振動数（dominant combust
ion frequency）に伴うエネルギーのモニタリング即ち
監視である。図６には、時間（Ｘ軸）に対して振動の大
きさ（Ｙ軸）がプロットされており、約４秒経過後では
約１ｐｓｉであった擾乱（disturbance）の大きさ
が、、約１１秒経過後には約５ｐｓｉに増大することが
示されている。燃焼プロセスが停止した約２１秒経過後
には、この擾乱は収まっている。この基準におけるしき
い値としては、絶対値で約５ｐｓｉ（または、最大ピー
クと最小ピークとの差が約１０ｐｓｉ）とした。擾乱の
大きさがしきい値を超えると、解析手段は、燃料スケジ
ュール制御装置に対して、燃料の量を増加させるように
信号を送る。
満の周波数における燃焼卓越振動数（dominant combust
ion frequency）に伴うエネルギーのモニタリング即ち
監視である。図６には、時間（Ｘ軸）に対して振動の大
きさ（Ｙ軸）がプロットされており、約４秒経過後では
約１ｐｓｉであった擾乱（disturbance）の大きさ
が、、約１１秒経過後には約５ｐｓｉに増大することが
示されている。燃焼プロセスが停止した約２１秒経過後
には、この擾乱は収まっている。この基準におけるしき
い値としては、絶対値で約５ｐｓｉ（または、最大ピー
クと最小ピークとの差が約１０ｐｓｉ）とした。擾乱の
大きさがしきい値を超えると、解析手段は、燃料スケジ
ュール制御装置に対して、燃料の量を増加させるように
信号を送る。
【００２８】圧力信号の解析における第４の基準は、図
７に示すように、時間（Ｘ軸）に対する、燃焼器内にお
ける卓越周波数（Ｙ軸）のモニタリング即ち監視であ
る。最初の４秒が経過する間に、卓越振動数は、約２３
０Ｈｚである。燃焼器に流入する燃料の量が減少するに
つれて、卓越振動数は減少する。このパラメータのしき
い値は、約２００Ｈｚである。従って、解析手段３２で
卓越振動数が２００Ｈｚより小さいレベルに達したこと
が検出された場合、燃焼器への燃料フローを調整するた
めの信号が燃料スケジュール制御装置３４に送られる。
７に示すように、時間（Ｘ軸）に対する、燃焼器内にお
ける卓越周波数（Ｙ軸）のモニタリング即ち監視であ
る。最初の４秒が経過する間に、卓越振動数は、約２３
０Ｈｚである。燃焼器に流入する燃料の量が減少するに
つれて、卓越振動数は減少する。このパラメータのしき
い値は、約２００Ｈｚである。従って、解析手段３２で
卓越振動数が２００Ｈｚより小さいレベルに達したこと
が検出された場合、燃焼器への燃料フローを調整するた
めの信号が燃料スケジュール制御装置３４に送られる。
【００２９】圧力信号を解析する第５の基準は、減衰効
果（damping coefficient）を監視することである。図
８には、時間（Ｘ軸）に対する減衰効果（Ｙ）の大きさ
がプロットされている。この図によって、約４秒経過後
から、１９秒経過後における燃焼器の不安定領域に近づ
くにつれて、減衰効果が小さくなっていることが示され
る。従って、解析手段３２で、減衰効果が０未満(マイ
ナス)になったことが検出されると、この解析手段３２
は、ブローアウトを避けるために燃焼器への燃料フロー
を調整するように、燃料スケジュール制御装置３４へと
信号が送られる。圧力信号を解析する上記５つの解析手
法のいずれも、（不安定状態やブローアウトの）兆候と
なる状態を検出できるが、より正確なシステムを実現す
るために、これらの方法が組み合わせて用いられる。例
えば、解析手段３２が上記パラメータのうち少なくとも
二つが限界となるしきい値を超えた場合に、燃料スケジ
ュール制御装置３４に信号を送ることで指示を与える構
成とする。また、しきい値を超えたパラメータの数が
（１〜５のうちの）何個となったときに、解析手段３２
が燃料スケジュール制御装置３４に信号を送るようにす
るかは、任意に決定できる。
果（damping coefficient）を監視することである。図
８には、時間（Ｘ軸）に対する減衰効果（Ｙ）の大きさ
がプロットされている。この図によって、約４秒経過後
から、１９秒経過後における燃焼器の不安定領域に近づ
くにつれて、減衰効果が小さくなっていることが示され
る。従って、解析手段３２で、減衰効果が０未満(マイ
ナス)になったことが検出されると、この解析手段３２
は、ブローアウトを避けるために燃焼器への燃料フロー
を調整するように、燃料スケジュール制御装置３４へと
信号が送られる。圧力信号を解析する上記５つの解析手
法のいずれも、（不安定状態やブローアウトの）兆候と
なる状態を検出できるが、より正確なシステムを実現す
るために、これらの方法が組み合わせて用いられる。例
えば、解析手段３２が上記パラメータのうち少なくとも
二つが限界となるしきい値を超えた場合に、燃料スケジ
ュール制御装置３４に信号を送ることで指示を与える構
成とする。また、しきい値を超えたパラメータの数が
（１〜５のうちの）何個となったときに、解析手段３２
が燃料スケジュール制御装置３４に信号を送るようにす
るかは、任意に決定できる。
【００３０】燃料スケジュール制御装置３４は、解析手
段３２から燃焼器への燃料フローを調整を指示する信号
を受信すると、すぐに、燃料フローを調整する。この際
の調整手法としては、例えば、パイロット燃料ノズルを
通じての燃料フローを増加させるか、あるいは、主燃料
及び／又はパイロット燃料ノズルのステージングを行う
か、によってなされる。
段３２から燃焼器への燃料フローを調整を指示する信号
を受信すると、すぐに、燃料フローを調整する。この際
の調整手法としては、例えば、パイロット燃料ノズルを
通じての燃料フローを増加させるか、あるいは、主燃料
及び／又はパイロット燃料ノズルのステージングを行う
か、によってなされる。
【００３１】パイロット燃料ノズルを通じて出て行く燃
料が増加した場合、パイロット燃料ノズルの周囲の個々
の領域では、燃料の量が増加して火炎温度も高くなり、
燃焼プロセスが増大（increase）する。窒素酸化物の排
出量は、燃料の増加によって増えてしまうものの、燃焼
器が希薄ブローアウトゾーンに入ってしまうことは防が
れる。この希薄ブローアウトは、主燃料ノズルあるいは
パイロット燃料ノズルのステージングを行うことによっ
ても、回避することが可能である。このステージングに
おいては、ノズルの幾つかに対しては燃料の供給が停止
され、その分の燃料は、供給が停止されたノズル数より
も少数のノズルに再分配される。従って、幾つかの燃料
ノズルへの燃料フローが増加され、その結果、これらの
個々の領域では、燃料が増加した状態で燃焼がなされ、
これにより、燃焼器内での燃焼が維持される。また、単
純に、幾つかのノズルへの燃料フローの供給を停止し
て、その停止した分の燃料を他のノズルへと分配するこ
とも可能である。
料が増加した場合、パイロット燃料ノズルの周囲の個々
の領域では、燃料の量が増加して火炎温度も高くなり、
燃焼プロセスが増大（increase）する。窒素酸化物の排
出量は、燃料の増加によって増えてしまうものの、燃焼
器が希薄ブローアウトゾーンに入ってしまうことは防が
れる。この希薄ブローアウトは、主燃料ノズルあるいは
パイロット燃料ノズルのステージングを行うことによっ
ても、回避することが可能である。このステージングに
おいては、ノズルの幾つかに対しては燃料の供給が停止
され、その分の燃料は、供給が停止されたノズル数より
も少数のノズルに再分配される。従って、幾つかの燃料
ノズルへの燃料フローが増加され、その結果、これらの
個々の領域では、燃料が増加した状態で燃焼がなされ、
これにより、燃焼器内での燃焼が維持される。また、単
純に、幾つかのノズルへの燃料フローの供給を停止し
て、その停止した分の燃料を他のノズルへと分配するこ
とも可能である。
【００３２】燃焼器の圧力インジケータ（即ち上記パラ
メータの値）が、しきい値を超えて再度このしきい値内
に戻った後に、燃焼器内で可能な限り希薄な燃焼が維持
されるように、燃料の量が減少される。
メータの値）が、しきい値を超えて再度このしきい値内
に戻った後に、燃焼器内で可能な限り希薄な燃焼が維持
されるように、燃料の量が減少される。
【００３３】本発明の主な利点の一つは、燃焼器が所定
時間以上にわたってブローアウトまたは不安定ゾーンに
入った状態になることなく、窒素酸化物が低レベルに維
持される点である。窒素酸化物のレベルが最も低くなる
のは、燃焼器が燃料−希薄環境、図２のゾーンＡ内で、
出来る限りブローアウトライン４０の近傍で動作してい
るときである。しかし、燃焼器が希薄ブローアウトライ
ンを超えるのに先立って、燃焼器は、不安定ゾーンＢに
入る。希薄燃焼ラインを超えることや、所定時間以上に
わたって不安定ゾーン内で動作することは、極めて望ま
しくないので、本発明においては、これらの状態の前兆
となる状態を、幾つかの事象、この実施形態では圧力変
動や卓越振動数等に対して設定し、これにより、希薄ブ
ローアウトや不安定状態を避けるための予防装置の提供
を可能として、ＮＯxの低減を達成している。さらに、
本発明によれば、燃焼器動作が安定化した後にも、最低
のＮＯxレベルにて燃焼器を動作させることが可能とな
る。
時間以上にわたってブローアウトまたは不安定ゾーンに
入った状態になることなく、窒素酸化物が低レベルに維
持される点である。窒素酸化物のレベルが最も低くなる
のは、燃焼器が燃料−希薄環境、図２のゾーンＡ内で、
出来る限りブローアウトライン４０の近傍で動作してい
るときである。しかし、燃焼器が希薄ブローアウトライ
ンを超えるのに先立って、燃焼器は、不安定ゾーンＢに
入る。希薄燃焼ラインを超えることや、所定時間以上に
わたって不安定ゾーン内で動作することは、極めて望ま
しくないので、本発明においては、これらの状態の前兆
となる状態を、幾つかの事象、この実施形態では圧力変
動や卓越振動数等に対して設定し、これにより、希薄ブ
ローアウトや不安定状態を避けるための予防装置の提供
を可能として、ＮＯxの低減を達成している。さらに、
本発明によれば、燃焼器動作が安定化した後にも、最低
のＮＯxレベルにて燃焼器を動作させることが可能とな
る。
【００３４】本発明の解析手段は、どのような手段でも
よく、例えば、種々のソフトウェアパッケージを用いた
どのようなコンピュータ装置であってもよい。本発明に
適した商用ソフトウェアとしては、ＭＡＴＬＡＢ［マサ
チューセッツ、ナチックのマスワーク社(Math Works,In
c.of Natick,Massachusetts)の登録商標］が挙げられ
る。
よく、例えば、種々のソフトウェアパッケージを用いた
どのようなコンピュータ装置であってもよい。本発明に
適した商用ソフトウェアとしては、ＭＡＴＬＡＢ［マサ
チューセッツ、ナチックのマスワーク社(Math Works,In
c.of Natick,Massachusetts)の登録商標］が挙げられ
る。
【００３５】図１に示される圧力プローブ３０は、種々
の位置に設置し得る。この圧力プローブ３０は、燃焼器
の内部または燃焼器の近傍に配置し得る。上述した圧力
信号パラメータのしきい値は、周波数パラメータを除い
ては、圧力プローブ３０の設置位置に依存して変化す
る。また、補正動作を行うに十分な時間がとれるよう
に、しきい値の値を調整することも可能である。
の位置に設置し得る。この圧力プローブ３０は、燃焼器
の内部または燃焼器の近傍に配置し得る。上述した圧力
信号パラメータのしきい値は、周波数パラメータを除い
ては、圧力プローブ３０の設置位置に依存して変化す
る。また、補正動作を行うに十分な時間がとれるよう
に、しきい値の値を調整することも可能である。
【００３６】以上、本発明を好適実施形態によって説明
したが、当業者によれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱
することなく、細部における種々の変更及び省略が可能
である。
したが、当業者によれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱
することなく、細部における種々の変更及び省略が可能
である。
【図１】ガス・タービン・エンジン燃焼器の断面を、シ
ステムの窒素酸化物排出物を最小化するアクティブ燃料
制御システムの構成図とともに示した説明図。
ステムの窒素酸化物排出物を最小化するアクティブ燃料
制御システムの構成図とともに示した説明図。
【図２】図１の燃焼器内での平衡比に対する火炎温度を
示すグラフ。
示すグラフ。
【図３】主燃料ノズルを通じて図１の燃焼器に流入する
燃料フローを時間に対して示したグラフ。
燃料フローを時間に対して示したグラフ。
【図４】主燃料ノズルを通じての燃料フローが図３に従
って変化した際における圧力変動を時間の関数として示
したグラフ。
って変化した際における圧力変動を時間の関数として示
したグラフ。
【図５】主燃料ノズルを通じての燃料フローが図３に従
って変化した際における、３００Ｈｚ未満の周波数にお
ける圧力変動の振幅を示したグラフ。
って変化した際における、３００Ｈｚ未満の周波数にお
ける圧力変動の振幅を示したグラフ。
【図６】燃焼器への燃料を図３に従って変化させた際に
おける、周波数が３００Ｈｚ未満の燃焼器卓越周波数の
エネルギーの振幅を示すグラフ。
おける、周波数が３００Ｈｚ未満の燃焼器卓越周波数の
エネルギーの振幅を示すグラフ。
【図７】燃料フローを図３に従って変化させた際におけ
る、約２００〜２５０Ｈｚの、燃焼器内の卓越周波数を
示すグラフ。
る、約２００〜２５０Ｈｚの、燃焼器内の卓越周波数を
示すグラフ。
【図８】燃料フローを図３に従って変化させた際におけ
る、約２００〜３５０Ｈｚでのダンピング係数の振幅を
示すグラフ。
る、約２００〜３５０Ｈｚでのダンピング係数の振幅を
示すグラフ。
１０…燃焼器 １２…環状間隙 １４…内側エンジンケース １６…外側エンジンケース １８…ディフューザ ２０…主燃料ノズル ２２…主燃料供給手段 ２６…複数のパイロット燃料ノズル ２８…パイロット燃料供給手段 ３０…圧力プローブ ３２…信号解析手段 ３４…燃料スケジュール制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ジェイ．ロスフジョルド アメリカ合衆国，コネチカット，サウス ウィンザー，オーチャード ヒル ドライ ブ 175
Claims (15)
- 【請求項１】 燃焼器を希薄ブローアウト状態の近傍で
動作させることによる窒素酸化物排出物の最小化方法で
あって、 前記燃焼器内の圧力変動を監視するステップと、 前記燃焼器内の前記圧力変動が所定のしきい値を超えた
ときに、前記燃焼器への燃料フロー量を調整するステッ
プと、を有することを特徴とする方法。 - 【請求項２】 前記圧力変動を前記しきい値と比較する
ステップを有することを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項３】 前記圧力変動を解析するステップを有す
ることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 前記圧力変動の大きさを、予め設定され
た前記しきい値と比較するステップを有することを特徴
とする請求項３記載の方法。 - 【請求項５】 ３００Ｈｚ未満での圧力変動の大きさを
前記しきい値と比較するステップを有することを特徴と
する請求項３記載の方法。 - 【請求項６】 略３００Ｈｚ未満での燃焼器卓越振動数
に伴うエネルギーを前記しきい値と比較するステップを
有することを特徴とする請求項３記載の方法。 - 【請求項７】 前記燃焼器内での卓越周波数の大きさを
前記しきい値と比較するステップを有することを特徴と
する請求項３記載の方法。 - 【請求項８】 減衰効果の大きさを前記しきい値と比較
するステップを有することを特徴とする請求項３記載の
方法。 - 【請求項９】 燃料スケジュール制御手段に対して、前
記燃焼器に供給される燃料の量を調整するための信号を
送るステップを有することを特徴とする請求項３記載の
方法。 - 【請求項１０】 前記ステップの後続ステップとして、
パイロット燃料ノズルへの燃料の供給量を増加するステ
ップを有することを特徴とする請求項９記載の方法。 - 【請求項１１】 前記ステップの後続ステップとして、 前記複数のパイロット燃料ノズルのうちの幾つかで燃料
フローを減少させ、その他のパイロット燃料ノズルへの
燃料フローを増加させることで、前記燃焼器内での燃料
希薄燃焼における燃料の量が増加するように、複数のパ
イロット燃料ノズルのステージングを行うステップを有
することを特徴とする請求項９記載の方法。 - 【請求項１２】 前記ステップの後続ステップとして、 前記複数の主燃料ノズルのうちの幾つかで燃料フローを
減少させ、その他の主燃料ノズルへの燃料フローを増加
させることで、前記燃焼器内での燃料希薄燃焼における
燃料の量が増加するように、複数の主燃料ノズルのステ
ージングを行うステップを有することを特徴とする請求
項９記載の方法。 - 【請求項１３】 前記ステップの後続のステップとし
て、 前記圧力変動の連続監視を行うステップと、 前記圧力変動が、前記燃焼器内での燃料希薄燃焼を維持
するための前記しきい値を超えた状態から元の状態へと
戻ったときに、前記燃焼器へ供給する燃料の量を調整す
るステップと、を有することを特徴とする請求項１記載
の方法。 - 【請求項１４】 燃焼器を希薄ブローアウト状態近傍で
動作させることによる窒素酸化物排出物の最小化方法で
あって、 前記燃焼器内での燃焼プロセスにわたって、連続的に前
記燃焼器内の圧力変動を監視するステップと、 少なくとも一つの解析手法によって、前記圧力変動を解
析するステップと、 前記圧力変動が予め設定された所定のしきい値を超えた
ときに、燃料スケジュール制御装置手段に第一の信号を
送るステップと、 燃焼不安定状態及び希薄バーンアウトを防ぐために、前
記燃焼器への燃料フローを調整するステップと、 前記圧力変動の監視を続けるステップと、 前記圧力変動が、前記予め設定された所定のしきい値を
超えた状態から元の状態へと戻ったときに、燃料スケジ
ュール制御装置手段に第二の信号を送るステップと、 前記燃焼器が希薄燃焼状態で動作するように、燃料フロ
ーを再度調整するステップと、を有することを特徴とす
る方法。 - 【請求項１５】 窒素酸化物排出物の最小化方法であっ
て、 少なくとも一つのパラメータに対してしきい値を設定す
るステップと、 前記燃焼器内での燃焼プロセスを通じて、前記燃焼器内
に設けられた圧力プローブを用いて連続的に前記燃焼器
内の圧力変動を検出するステップと、 前記検出された圧力変動を、信号解析手段に送るステッ
プと、 前記検出された圧力変動を、少なくとも一つのしきい値
と比較するステップと、 前記検出された圧力変動が前記予め設定された少なくと
も一つのしきい値を超えたときに、燃料スケジュール制
御装置手段に第一の信号を送るステップと、 燃焼不安定状態及び希薄バーンアウトを防ぐために、前
記燃焼器への燃料フローを調整するステップと、 前記圧力変動の検出を続けるステップと、 前記圧力変動が、前記予め設定されたしきい値を超えた
状態から元の状態へと戻ったときに、燃料スケジュール
制御装置手段に第二の信号を送るステップと、 前記燃焼器が希薄燃焼状態で動作するように、燃料フロ
ーを再度調整するステップと、を有することを特徴とす
る方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/557267 | 1995-11-14 | ||
| US08/557,267 US5706643A (en) | 1995-11-14 | 1995-11-14 | Active gas turbine combustion control to minimize nitrous oxide emissions |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09170709A true JPH09170709A (ja) | 1997-06-30 |
Family
ID=24224716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8302623A Pending JPH09170709A (ja) | 1995-11-14 | 1996-11-14 | 窒素酸化物排出物の最小化方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5706643A (ja) |
| EP (1) | EP0774573B1 (ja) |
| JP (1) | JPH09170709A (ja) |
| KR (1) | KR100481653B1 (ja) |
| CA (1) | CA2190217C (ja) |
| DE (1) | DE69619344T2 (ja) |
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