JPH11257646A

JPH11257646A - 液体燃料供給源と燃焼器とを有するシステム用の装置

Info

Publication number: JPH11257646A
Application number: JP10366541A
Authority: JP
Inventors: Jeffrey Mark Cohen; マークコーヘンジェフリー; Aldo A Peracchio; エイ．ペラッチオアルド; Clas A Jacobson; エイ．ジャコブソンクラス; Nancy Mary Rey; メアリーレイナンシー
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 1999-09-21
Also published as: CO4850599A1; CN1231394A; KR19990063325A; EP0926325A2; PE60799A1; EP0926325A3; CA2257055A1; BR9805618A

Abstract

(57)【要約】【課題】時間的に変動するよう調節されたストイキオ
メトリー、すなわち空気燃料比を有する液体燃料／空気
混合物を供給する装置を提供する。【解決手段】液体燃料供給源と燃焼器とを有するシス
テムに用いられる装置が、燃料アクチュエータ、コント
ローラ、および予備混合器を包含する。コントローラは
アクチュエータから求められる、調節動作を示す指示信
号を発生する。アクチュエータは液体燃料供給源から液
体燃料を受け取り、指示信号に応答して液体燃料を調節
された流量で供給する。予備混合器はアクチュエータか
ら燃料を受け取り、燃料を空気と混合し、混合物を燃焼
器に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃焼器に関し、特
に、予備混合された液体燃料／空気混合物を用いる燃焼
器に用いられる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービンエンジンは、よく知
られている。典型的なガスタービンエンジンは軸方向に
延びる環状の流路を有しており、その中を作動流体が圧
縮機部、燃焼部、タービン部の順に導かれる。燃焼部
は、作動流体、普通は空気、と燃料とを混合して燃料／
空気混合物を燃焼する。

【０００３】ガスタービンエンジンは通常、化石燃料を
燃焼する。この燃焼の結果、しばしば、ＮＯ_Xと呼ばれ
る望ましくない酸化窒素類が生成されてしまう。酸化窒
素類は、健康問題および環境問題の原因となり得る汚染
物質である。政府の基準は空気中に排出されるＮＯ_X量
の上限を定めている。

【０００４】ガスタービンエンジンの中でＮＯ_Xが生成
する速度は、燃焼室内部の温度に依存している。最高の
温度と最大の生成速度は、燃料／空気混合物の燃料空気
比（燃空比）が理論混合比となっているとき、すなわち
一般に呼ばれる「化学量論的」混合物であるときに生じ
る。燃空比が理論燃空比より低い混合物は、一般に「希
薄（リーン）」な混合物と呼ばれ、理論混合比の混合物
よりも低い温度と、低い生成速度をもたらす。希薄混合
物が希薄になるほど、低い温度と低いＮＯ_X生成速度が
得られる。

【０００５】ＮＯ_X生成速度が低くなるようにリーン混
合物を用いるときは、燃料と大量の空気を、それが燃焼
器に到達する前に混合することが望ましい。この方法は
一般に「予備混合」と呼ばれており、燃焼器に供給され
る混合物の均一性を増すために予備混合器が用いられ
る。燃料は、予備混合器の中で、適当に霧化し、蒸発
し、空気と混合されるに十分な時間だけは、該予備混合
器内に存在するようにされる。この時間は、一般に滞留
時間と呼ばれており、約１ないし２ミリ秒（ｍｓｅｃ）
のこともあるが、より一般的には約４ｍｓｅｃであ
る。予備混合がない場合は、燃焼器内部のある領域が著
しく希薄な混合物となり、他の領域は、あまり希薄では
ない、即ち、よりリッチな、あるいは化学量論比に近い
混合物となる。燃空比の均一性が高いほど、燃焼機内部
のピーク温度が低くなり、したがってＮＯ_Xがより少な
くなる。

【０００６】しかしながら、予備混合が用いられたとし
ても、混合物のリーンさは他の事情によって制限される
ことがある。混合物があまりにリーンであると、継続し
て燃焼することができず、遂には「失火」状態に至る。
これは一般に「リーンブローアウト」と呼ばれる。さら
にまた、これよりも僅かに高い空気燃料比の混合物は継
続燃焼は可能であるが、燃焼器内部での圧力および熱放
出速度の値の両方に振動が生じることがある。ある状況
においては、これら二つの振動の時間的関係は、燃焼器
圧力値の振動が熱放出速度の振動の強度を増大させると
いう関係、あるいはその逆であり得る。一般に不安定燃
焼と呼ばれるこの状態は、燃焼器内部の圧力値に大きな
振動をもたらす。この振動の繰り返し速度、すなわち周
波数は、応用例によって様々である。産業用ガスタービ
ンエンジンにおいては、周波数は通常約１００ヘルツ
（Ｈｚ）から約７００Ｈｚの範囲であり、多くは２００
Ｈｚ前後である。したがって周期は多くは約５ｍｓｅｃ
である。不安定燃焼の存在は、エンジンの損傷を含む問
題につながることがある。不安定燃焼が起こる可能性が
あるときは、リーンブローアウト限界よりわずかに高い
空気燃料比を用いることは難しい。

【０００７】不安定燃焼を受動的に制御する一つの方法
は、二次的な、あるいは口火としての燃料混合物を燃焼
器の側壁に噴射することである。マクヴェイその他に付
与された米国特許第５，２６３，３２５号は、この技術
の一例を開示している。しかしながら口火燃料噴射を使
用しても、ＮＯ_X発生速度の大幅に増加させずに不安定
燃焼を十分に低減することは、非常に困難である。

【０００８】いくつかの参考文献には、不安定燃焼の能
動的な制御が開示されている。例えば英国特許出願ＧＢ
２２３９６９１Ａ号は、燃焼室内の圧力変動を測定する
ための圧力変換器と、燃焼に供給される燃料の量を調整
するサーボバルブを用いる能動的制御を開示している。
ポインソットその他に付与された米国特許第５，１４
５，３５５号は、不安定燃焼を検出し、その不安定さの
関数として燃焼室に噴射される燃料の流量を調整する装
置を開示している。ブローに付与された米国特許第５，
５７５，１４４号は燃焼器内の圧力パルスを検出し、優
勢な圧力パルスを打ち消すようなキャンセルパルスを計
算し、キャンセルパルスを作り出すために計測された量
の空気を周期的に抜き出すことを開示している。しかし
ながらこれらの参考文献はいずれも、このようなシステ
ムを、予備混合された液体燃料／空気混合物を燃やす燃
焼器に用いることに言及していない。

【０００９】コンドウその他に付与された米国特許第
５，４４５，５１７号は、燃焼器のための適応制御的な
騒音低下システムを開示している。このシステムは燃焼
騒音の反位相信号を計算して、その信号をガス流量調節
バルブに入力し、これによってガス燃料の圧力変動を作
り出し、燃焼室内の圧力変動を実現し、こうして位相干
渉によって燃焼騒音を低減する。このシステムでは、ガ
ス流量調節バルブと燃焼室の間に混合室を設けている
が、コンドウはこのようなシステムを、予備混合された
液体燃料／空気混合物を燃やす燃焼器に用いることは開
示していない。

【００１０】スティックラーその他に付与された米国特
許第５，３４９，８１１号は、ＮＯ_X汚染物質の生成を
減少するためのシステムを開示している。このシステム
は燃焼器への燃料流量を「調整」して、燃焼器内に供給
空気量および全体流量の振動を作り出し、これによって
燃焼室全体の均一性を高めて、ＮＯ_Xの発生に好適な条
件を減少させる。しかしスティックラーはこのようなシ
ステムを、予備混合された液体燃料／空気混合物を燃や
す燃焼器に用いることに言及しておらず、むしろこれを
予備混合器の代替物として使用している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、時間
的に調節された理論比、すなわち燃空比を有する液体燃
料／空気混合物を供給する装置を提供することである。

【００１２】本発明の他の目的は、予備混合された液体
燃料／空気混合物を燃やす燃焼器において不安定燃焼の
程度を制御する装置を提供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、液体燃料／空気混合
物を燃やすガスタービンにおける燃焼器内部の圧力振動
の強度を制御する装置を提供することである。

【００１４】本発明の他の目的は、燃焼器内におけるＮ
Ｏ_Xの生成速度を著しく増大させることなく、不安定燃
焼の強度を制御することのできる装置を提供することで
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、液体燃料の供給源と燃焼器を有するシステムに用い
られる装置に、燃料アクチュエータ、コントローラおよ
び予備混合器が設けられる。コントローラは、燃料アク
チュエータから求められる調節動作の指示を示す信号を
発生する。アクチュエータは液体燃料供給源から液体燃
料を受け取り、指示信号に応答して、調節された流量で
液体燃料を供給する。予備混合器はアクチュエータから
燃料を受け取り、燃料と空気を混合し、混合物を燃焼器
に供給する。

【００１６】本発明の第二の態様によれば、液体燃料供
給源を有するガスタービン動力プラントに用いられる装
置が、燃料アクチュエータ、コントローラ、およびガス
タービンエンジンを包含している。コントローラは燃料
アクチュエータから求められる調節動作の指示を示す信
号を発生する。アクチュエータは液体燃料供給源から液
体燃料を受け取り、指示信号に応答して、調節された流
量で液体燃料を供給する。ガスタービンエンジンは予備
混合器および燃焼器を有するバーナーを包含している。
予備混合器はアクチュエータから燃料を受け取り、燃料
と空気を混合し、混合物を燃焼器に供給する。

【００１７】本発明の第三の態様によれば、システムに
用いられるコントローラが、燃料アクチュエータから求
められる調節動作を決定して、アクチュエータに調節さ
れた流量で液体燃料を供給させるための決定手段と、燃
料アクチュエータから求められる前記調節動作を示す指
示信号を発生するための手段とを有している。前記燃料
アクチュエータは液体燃料と指示信号を受け取り、指示
信号に応答して、調節された流量で液体燃料を予備混合
器に供給し、予備混合器は調節された液体燃料流を燃料
アクチュエータから受け取り、液体燃料を空気と混合
し、液体燃料と空気の混合物を燃焼器に供給する。

【００１８】ここで用いられる調節という言葉は、ガス
タービンエンジンにおいて一般的に用いられるような、
エンジンの運転状態の変更に対応して、バーナーへの燃
料流量を変更する準定常的な運転を包含しない。このよ
うな燃料流量の変更は通常非常にゆっくりと、しばしば
数十秒あるいは数分の期間で起こる。これは本発明の、
通常数１００ヘルツ（Ｈｚ）の周期で変化する調節され
た燃料流量とは対照的である。

【００１９】燃焼器への燃料流量のモジュレーション、
即ち、燃料流量を変動させて調節するというシステムは
知られているが、現在まで、このような変動調節は、予
備混合された液体燃料／空気混合物を燃やす燃焼器には
使用できないと信じられていた。予備混合器の目的は混
合することであるから、予備混合器は変動分を無効化
（中和）する、すなわち平滑化すると信じられていた。
このようなは予備混合器内の燃料の滞留時間が、モジュ
レーションの周期と同じオーダーの長さか、あるいはよ
り長いならば、また調節される燃料の流量が予備混合器
への燃料の全流量の一部、例えば半分、三分の一、また
は六分の一などであったならばさらに確実に起こるであ
ろうとみなされていた。

【００２０】しかし、予備混合は、燃料流量の調節に対
して的外れではないことが分かった。すなわち調節され
た燃料流量は、予備混合された液体燃料／空気混合物を
燃やす燃焼器にも使用可能であることが分かった。

【００２１】なお、米国政府は、契約Ｎｏ．MDA972-95-
C-0009に基づき、本発明に一定の権利を有している。ま
た、本願での開示内容は、関連出願である「ＡＰＰＡＲ
ＡＴＵＳＦＯＲＵＳＥＷＩＴＨＡＧＡＳＦ
ＵＥＬＥＤＣＯＭＢＵＳＴＯＲ」に開示又はクレーム
されている場合がある。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、図１に示される形式の
ガスタービン動力プラントに用いられる、最良の実施形
態を参照しつつ開示される。そこで図１を参照すると、
ガスタービン動力プラント２０は、ガスタービンエンジ
ン２２、動力タービンおよび発電機２６、燃料供給シス
テム３０、およびエンジンコントローラ３４を包含して
いる。ガスタービンエンジンは燃料供給システム３０か
ら、エンジンコントローラ３４の指示のもとに燃料を受
け取り、燃料を燃やして、動力タービンおよび発電機２
６を動かす。

【００２３】ガスタービンエンジン２２は圧縮機３６、
バーナー３８（よく分かるように、一部切開して示され
ている）、およびタービン４０を包含している。バーナ
ー３８は予備混合器４４で代表される、普通は複数の、
例えば１６個の予備混合器群と、燃焼器４８を包含して
いる。予備混合器群４４はバーナー３８の上流端部の円
周上に間隔を置いて配置されてもよい。燃焼器４８は好
ましくは環状で、予備混合器４４の下流にある。予備混
合器は圧縮機３６からの圧縮空気５０を受け取り、これ
を燃料供給システム３０から複数の燃料配管５２を通っ
て供給される燃料と混合する。予備混合器４４は、理想
的には、空間的に実質的に均一な混合物を燃焼器４８に
供給し、燃焼器４８はこれを燃焼する。燃焼器４８に均
一な混合物を供給することは、燃焼器内部でのＮＯ_X生
成を最小化するのに役立つ。

【００２４】次に図２、図３をも参照すると、各々の予
備混合器は、接線方向給気式予備混合用燃料ノズル５６
からなってもよい。このようなノズルはよく知られてお
り、例えばスナイダーその他に付与された米国特許第
５，４６１，８６５号、マックームその他に付与された
米国特許第５，４７９，７７３号が挙げられる。予備混
合用燃料ノズル５６は１個または２個以上の空気通路５
８、６０、混合室６２、および複数の燃料チューブ（ス
ポークと呼ばれることもある）６６を包含してもよい。
空気通路と混合室は２個の部分円筒６８、７０からな
り、それらの縦方向の軸７２、７４（図３）は互いに食
い違っていてもよい。空気通路５８、６０はそれぞれ圧
縮空気５０を圧縮機３６（図１）から受け取るための入
り口７６、７８と、混合室６２と連通するすき間８０、
８２を有している。各々の燃料チューブ６６は複数の燃
料配管５２（図１）の一本に接続された入り口８４およ
び混合室６２に連通するスプレー先端８６を有してい
る。各々の燃料チューブ６６は予備混合ノズル５６への
全燃料流量の等分された一部を受け取ってもよいが、こ
のような指定は絶対的な要求ではない。

【００２５】予備混合ノズル５６はさらに、混合室内部
に、断面円の中心に縦軸９２を一致させて置かれたセン
ターボディ９０、および出口９４を包含している。セン
ターボディ９０は上流の端部９６において円錐形であ
り、下流の端部９８において円筒形であってもよい。空
気と燃料は混合室６２内で混合され、混合物は出口９４
でノズルを出る。

【００２６】燃料は、適当に霧化、蒸発し、空気と混合
されることを保証するために、混合室６２の中で十分な
時間を経過しなければならない。一部の実施例において
は約１ないし２ミリ秒（ｍｓｅｃ）で十分なこともある
が、少なくとも３ｍｓｅｃないし４ｍｓｅｃの時間を
とることが好ましい。圧縮空気は入り口７６、７８から
予備混合ノズル５６の出口９４まで移動するのに、約８
ミリ秒の時間をとることが好ましい。

【００２７】再び図１を参照すると、燃料供給システム
３０は液体燃料供給源１００と、分配ネットワーク１０
２を包含しても良く、該分配ネットワークは第一の燃料
配管１０４と第二の燃料配管１０６で代表される複数
の、すなわち２個または３個以上の、燃料配管に燃料を
供給する。各々の燃料配管１０４、１０６はレギュレー
タ１０８、１１０と計器１１２、１１４を包含してもよ
い。レギュレータ１０８、１１０は信号線１１６を通じ
てエンジンコントローラ３４に電気的に接続されたバル
ブ、例えばサーボバルブであってもよい。計器１１２、
１１４は信号線１１７を通じてエンジンコントローラ３
４に電気的に接続された計器、例えばタービン流量計で
あってもよい。第一と第二の燃料配管１０４、１０６は
予備混合器４４に燃料を供給する複数の燃料配管５２に
接続している。

【００２８】エンジンコントローラ３４はレギュレータ
１０８、１１０に指示を与える電気信号を送り、こうし
てレギュレータ１０８、１１０を通る燃料流量を決定す
る。これらの流量によって燃料配管１０４、１０６を通
る平均燃料流量と、燃焼器４８に供給される混合物の平
均燃空比とが決定される。計器１１２、１１４はレギュ
レータ１０８、１１０を通る実際の燃料流量を示す電気
信号をエンジンコントローラに送る。レギュレータ１０
８、１１０を通る流量は普通は準定常的である。すなわ
ちその変化は普通は非常にゆっくりと、多くは数十秒な
いし数分の期間で起こる。

【００２９】混合物の空気燃料比は好ましくはリーンで
あり、あるいはより好ましくはリーンブローアウト限界
よりわずかに高い比である。このような比は継続燃焼を
可能にし、かつ燃焼器内で発生するＮＯ_Xの量を最小化
するのに好適である。しかしながら、このような比は不
安定燃焼をもたらすことがあり、その場合は燃焼器圧力
値の振動が熱発生速度の振動の強度を増大させる効果を
及ぼす、あるいはその逆のことが起こる。不安定燃焼は
燃焼器内部の圧力値に大きな振動を起こさせる。

【００３０】次に図４を参照すると、グラフ１１８に曲
線１１９があり、このような振動のピークからピークま
での振幅（強度）は平方インチあたり２０ポンド（ｐｓ
ｉ）にも達することを示している。図５を参照すると、
グラフ１２０には曲線１２１があり、振動の強度は複数
の周波数成分で表すことができ、各成分の強度はいろい
ろであることを示している。ここでは強度は次の公式を
用いて、参照強度に対するデシベル（ｄＢ)で表されて
いる。

【００３１】

【数１】２０ｌｏｇ（ピークからピークまでの強度／参
照強度）。

【００３２】最も強度の大きい周波数成分は通常比較的
狭い周波数範囲にあり、ここでは振動の基本的周波数範
囲と呼ばれる。

【００３３】再び図１を参照すると、ガスタービンエン
ジン２２は、さらにセンサ１２２を包含しており、セン
サ１２２は不安定燃焼の存在を示す信号を供給する。最
良の実施形態においてはこのセンサ１２２は燃焼器内の
圧力を検知する圧力センサであるが、その他のどんな形
式のセンサでもよく、熱センサ、光センサ、振動センサ
などが挙げられるがこれに限定されるものではない。圧
力センサは燃焼器４８の内部に置かれたプローブ１２
３、および信号線１２６でエンジンコントローラ３４に
電気的に接続された、遠隔変換器１２４を有してもよ
い。圧力センサは燃焼器中の圧力値の振動を示す値の信
号を供給する。これはある時間幅に亙って単純化された
姿でグラフ１２８に示されている。

【００３４】第二の燃料配管１０６は、さらに燃料アク
チュエータ１３０を包含しており、これは燃料配管１０
６を通る燃料の流量を調節する。燃料アクチュエータは
バルブ、例えばソレノイドバルブ、および信号線１３６
でエンジンコントローラ３４に電気的に接続されたバル
ブ駆動器１３２を有してもよい。第二の燃料配管１０６
はさらにアクチュエータ１３０の上流に、燃料アクチュ
エータ１３０へ行く燃料の圧力を安定させるためのアキ
ュームレータ１３４を包含してもよい。燃料配管中の圧
力が安定していることは、燃料供給システム３０がアク
チュエータ１３０を通して調節された燃料流量を供給す
るのに好適である。

【００３５】エンジンコントローラは、センサ１２２か
らの、信号線１２６上の信号への応答として信号線１３
６上の指示信号を供給する。指示信号はアクチュエータ
１３０に指示を与え、結果として燃料配管１０６を流れ
るモジュレートされた燃料流量、即ち変動調節された燃
料流量が得られる。燃料流量をモジュレートすること
で、燃焼器圧力値の振動および熱放出速度の振動との間
の時間関係、すなわち位相関係を効果的に変化させる。
このような変化は振動同士の間の結合を弱め、したがっ
て燃焼器内の圧力振動の強度を低減させる。

【００３６】最良の実施形態においては、指示信号はグ
ラフ１３８に一定の時間幅において単純化して示されて
いるように、バルブに対して周期的に「開」１４０およ
び「閉」１４２の指示を表す値を有している。結果とし
てバルブは「オン」すなわちバルブを通して最大流量が
流れる状態と、「オフ」すなわちバルブを通して最小の
流量が流れる状態とが周期的に得られるように燃料流を
調節する。「オン／オフ」サイクルの周期１４４の長さ
は燃焼器圧力値の振動の周期１４６の長さに実質的に等
しいことが望ましい。コントローラは好ましくは「オン
／オフ」サイクルの開始時間１４７を燃焼器圧力値の振
動の開始時間１４８に関して遅らせる、あるいは移相さ
せる。時間遅れ、または移相の大きさは燃焼器圧力振動
の強度１４９が最小になるように選択されてもよい。調
節は好ましくは５０％のデューティサイクルを有してい
る、すなわち時間１４６の約５０％が「オン」であり、
同じく約５０％が「オフ」である。このようなデューテ
ィサイクルは、燃焼器圧力値の振動において普通である
対称性と同様な、対称性を与える。それはまたアクチュ
エータ１３０を通る燃料の平均流量が「オン」の流量の
約半分である、という結果を与える。

【００３７】一実施例では、予備混合燃料ノズルが１個
しかない小型のバーナー（図示せず）を用いた。第一の
燃料配管１０４は、燃料ノズル５６（図３）の５個の燃
料チューブ６６の入り口８４に接続され、第二の燃料配
管１０６は１個のチューブ６６（図３）の入り口８４に
接続された。アクチュエータを通る「オン」時の燃料流
量の値は、燃料チューブに供給される平均燃料流量が他
の５本の燃料チューブにそれぞれ供給される燃料流量と
実質的に等しくなるように設定された。したがって、ア
クチュエータ１３０からの燃料流量はノズル５６への合
計燃料流量の１／６に相当した。第一の燃料配管１０４
はノズル５６への合計燃料流量の残りの５／６を供給し
た。アクチュエータへの供給量を予備混合器への合計燃
料流量の一部のみとすることの利点は、アクチュエータ
を通る平均流量が低減されることによってアクチュエー
タの設計および製作が容易になる一方、不安定燃焼は十
分低減される、ということである。予備混合器により得
られる空気燃料比は、空間的には均一だが、時間的には
変動するよう調節されており、即ちモジュレートされて
いる。

【００３８】製造使用に適したアクチュエータは、まだ
見い出されていないが、ゼネラルバルブコーポレイショ
ンのソレノイドバルブＰ／Ｎ９−９６７−９０１および
ソレノイドバルブ駆動器、イオタワンは上述の小型バ
ーナー（図示せず）を用いた実施例において適当である
ことが実証された。このソレノイドバルブはソレノイド
バルブＰ／Ｎ９−９６７−９００の派生型であるが、で
きるだけ応答が早く、かつできるだけ流量を大きくする
ように特に設計されたものである。このバルブはピント
ル／オリフィス型の設計を用いている。アクチュエータ
を通る流体流の方向はバルブが「閉」から「開」に転移
するのを補助する。多くのバルブにおいて、バルブが
「開」になるのに要する時間は、バルブが「閉」になる
のに要する時間よりも、流体流の方向への依存性が高
い。バルブ駆動器はコントローラから指示信号を受け取
り、それにしたがってバルブを「開」または「閉」にす
る信号を発生する。指示信号が「開」を示したときは、
バルブ駆動器はこれに応答して初期には高電圧、例えば
３００ボルトをソレノイドバルブに供給し、急速にバル
ブを「閉」から「開」の状態に転移させる。約５００マ
イクロ秒の後に、電圧はソレノイドバルブを「開」位置
に維持するのに十分なだけの値に低下する。

【００３９】バーナー３８への燃料流量のモジュレート
には、多くの方法でなし得る。例えば、調節された燃料
流量は、１個または２個以上の予備混合ノズルに供給さ
れてもよい。また、調節された燃料流量は各ノズルの１
個または２個以上の燃料チューブに供給されてもよい。
さらにまた、モジュレートされた燃料流量を受け取るノ
ズルの一部が、他のノズルよりも多くのモジュレートさ
れた燃料流を受け取るという構成としてもよい。

【００４０】様式の如何にかかわらず、アクチュエータ
１３０は、所望のモジュレートされた燃料流量を、燃料
供給圧力が枯渇するような大きな圧力低下を起こすこと
なく供給するだけの容量がなければならない。もし適切
であれば、アクチュエータは複数のアクチュエータ、例
えば並列に作動する複数のソレノイドバルブであっても
よい。

【００４１】ある実施例においては、上述したようなソ
レノイドバルブの代わりに、自動車の燃料噴射に用いら
れるような燃料噴射器が用いられてもよい。しかしなが
ら自動車用燃料噴射器は上述したソレノイドバルブほど
大きな流量を実現することはできないので、望ましい調
節された燃料流量を得るには、複数のこのような燃料噴
射器が要求されるかもしれない。もちろん、バーナーへ
の望ましい調節された燃料流量を調節および／または供
給するために、２個以上の燃料配管が必要とされてもよ
い。

【００４２】最良の実施形態は燃料アクチュエータとし
てソレノイドバルブを用い、「オン／オフ」調節された
燃料流量を供給しているが、適当なものであれば他のい
かなるアクチュエータおよび調節方法が用いられてもよ
く、例えばサーボバルブで波状の調節を行ってもよい
が、これに限定されるものではない。

【００４３】エンジンコントローラ３４は、好ましく
は、プロセッサ１５０、メモリ１５２、入力／出力（Ｉ
／Ｏ）部１５４、およびコントローラ３４の各要素への
連結１５８を有するバス１５６からなっている。メモリ
１５２に記憶されたプログラムは制御アルゴリズムを含
み、これはエンジンコントローラ３４に指示してセンサ
信号１２２を処理し、燃料供給システム３０への指示信
号を発生させる。Ｉ／Ｏ部１５４は、センサ信号の強度
をフィルタリングするためのフィルターを包含してもよ
い。このフィルターは基本的周波数範囲よりもはるかに
高い、およびはるかに低い周波数成分の強度を減衰させ
る。例えば、最良の実施形態においては、フィルターは
１００ヘルツ（Ｈｚ）および３００Ｈｚの周波数におい
て−３デシベル（ｄＢ）の減衰を与えるアナログバンド
パスフィルターからなる。

【００４４】次に図６を参照すると、参照符号１７０で
示される単純化されたフローチャートに、最良の実施形
態においてエンジンコントローラ３４によって実行され
る、制御アルゴリズムの実行ステップを示している。こ
のアルゴリズムは、好ましくは、実質的に一定間隔を置
いて、例えば約２．５ミリ秒（ｍｓｅｃ）ごとに実行さ
れる。アルゴリズムは「開始」と表示されたステップ１
７２から始まる。指示ステップ１７４において、アルゴ
リズムはアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって、
フィルタリング済みセンサ信号の強度の計測を開始し、
その時点の強度のデジタル表現を得る。

【００４５】ステップ１７６、１７８、１８０において
アルゴリズムは増加方向の移相をおこなう。アルゴリズ
ムは一連の、すなわち１からＮまでの、メモリロケーシ
ョンからなる移相器を用いる。これらのメモリロケーシ
ョンはメモリ部１５２にあり、全体としてメモリバッフ
ァーと呼ばれる。それぞれのメモリロケーションは図の
中に、ロケーション１における強度、即ち、強度
_(LOCATION1)から、ロケーションＮにおける強度、即ち
強度_(LOCATIONn)までとして示される強度を記憶してい
る。メモリバッファーのなかのメモリロケーションの合
計数Ｎは、望ましい移相を与えるためのアルゴリズム実
行速度との関連で選択される。

【００４６】この形式の移相器はよく知られている。ス
テップ１７６において、最後のメモリロケーションにあ
る強度がバッファーから移転され、その強度についての
移相が完了する。ステップ１７８において、それまでに
バッファーに記憶された他のすべての強度がそれぞれの
次のメモリロケーションに移転される。ステップ１８０
において、アルゴリズムは最も新しく測定された強度を
最初のメモリロケーションに記憶する。最良の実施形態
においては、移相の大きさはアルゴリズムを実施する前
に経験的に決められる。しかしながら、適当な移相の大
きさを決めるための他の適当な方法が用いられてもよ
く、例えば適応アルゴリズムが用いられてもよいが、こ
れに限定されるものではない。

【００４７】ステップ１８２、１８４、１８６におい
て、アルゴリズムはステップ１７６において最も新しく
移相が完了した強度に基づいて指示信号を発生する。ス
テップ１８２は強度が強度のしきい値、例えばゼロ、よ
り大きいかどうかを決定する。もしそうであれば、ステ
ップ１８４は「開」指令を表す値の信号を発生する。も
しそうでなければ、ステップ１８６は「閉」指令を表す
値の信号を発生する。ステップ１８４、１８６は、指示
信号を発生するのにデジタルアナログ変換器を用いても
よい。この信号は次いでアクチュエータ１３０に出力さ
れる。しきい値の強度は望ましいオン／オフのデューテ
ィサイクルが得られるように適応されてもよい。もし振
動がゼロについて対称であれば、しきい値をゼロにする
ことによってオン５０％、オフ５０％のデューティサイ
クルが得られる。

【００４８】アルゴリズムはステップ１８０で終了す
る。ある時間にわたってアルゴリズム１７０が実行され
ると、ステップ１７４は、その時間にわたるフィルタリ
ングされたセンサ信号の強度を全体として表す、一連の
強度を生成する。ステップ１７４、１７８、１８０はス
テップ１７４で生成された各強度に時間遅れ、あるいは
移相の処理を行う。ステップ１８２、１８４、１８６
は、移相された強度に基づいて、全体としてその時間に
わたる一揃いの指示信号を表す、一連の指示信号値を発
生する。

【００４９】開示された実施例におけるコントローラが
プログラムされたハードウェアからなっているのに対し
て、すなわちコンピューターによってソフトウェアを用
いて実行されているのに対して、他の形態をとることも
できる。この点は、当業者であれば容易にわかるであろ
う。他の形態とは、配線されたハードウェア構成、集積
回路形式で作られたハードウェア、ファームウェア、お
よびそれらの組み合わせである。開示された実施例は周
期的にサンプリングされた信号を用いるデジタルシステ
ムからなっているが、本発明は連続した信号を用いるア
ナログシステム、あるいはデジタルおよびアナログシス
テムの組み合わせでも実現できることは理解されるべき
である。さらにまた、最良の実施形態の制御システムは
一定のゲインと、あらかじめ設定された移相量を用いて
いるが、これは可変ゲインと可変移相量を有する適応制
御システムの使用を除外するものではない。

【００５０】図７を参照すると、グラフ１９０は本発明
のもたらし得る利益の一部を図示している。グラフ１９
０は、小型バーナーを用いた実施例で集められた情報を
提供する二つの曲線１９２、１９４を有している。一つ
の曲線１９２は本発明における燃焼器の圧力振動の強度
を図示している。他の曲線１９４は本発明を用いない場
合の強度を図示している。グラフ１２０（図５）におけ
ると同様に、グラフ１９０は振動の強度を、それぞれに
異なった強度を有する複数の周波数成分として示してい
る。強度は式２０ｌｏｇ（ピークからピークまでの（Ｐ
−Ｐ）強度／参照強度）を用いて求めた、参照強度に対
するｄＢ値で表されている。二つの曲線１９２、１９４
を比較するならば、本発明が燃焼器圧力振動の強度に１
４ｄＢの低減をもたらしたことがわかる。

【００５１】次に図８を参照すると、もう一つのグラフ
２００が、本発明の他の利益の一部を示している。グラ
フ２００は、小型バーナーを用いた実施例で集められた
情報を提供する二つの曲線２０２、２０４を有してい
る。一つの曲線２０２は、本発明において空気燃料比を
いろいろにした場合の燃焼器の圧力振動の強度を図示し
ている。他の曲線は本発明を用いない場合の、いろいろ
な比における強度を図示している。それぞれの曲線２０
２、２０４上の点Ａは、０．４７という見かけ空気燃料
比に相当している（化学量論比は１．０であることに注
意せよ）。各曲線上の点Ｂは０．４９、点Ｃは０．５
１、点Ｄは０．５３、点Ｅは０．５６にそれぞれ相当す
る。他の点２０６は、本発明を用いず、いろいろな流量
で口火用燃料噴射を行った場合の強度を図示している。
点２０６はすべて見かけ空気燃料比０．４９に相当して
いる。水平の波線２０８は振動強度の適切な限界値を示
している。振動の強度は式２０ｌｏｇ（ピークからピー
クまでの（Ｐ−Ｐ）強度／参照強度）を用いて求めた、
参照強度に対するｄＢ値で表されている。

【００５２】曲線２０２、２０４、および点２０４は、
またそれぞれの条件におけるＮＯ_Xの生成量を示してい
る。垂直の波線２１０はＮＯ_X生成量の適切な限界値を
示している。

【００５３】曲線２０２、２０４を比較するならば、本
発明が空気燃料比にかかわりなく振動強度の減少をもた
らすことが分かる。またこの比較によって、本発明が振
動強度およびＮＯ_X生成量の限界値２０８、２１０を同
時に満足する成績を達成していることがわかる。

【００５４】本発明によって、予備混合は燃焼器への燃
料流量の調節にとって不適切ではないことが示された。
予備混合機内の燃料の滞留時間を調節の周期より長く取
った場合でさえ、予備混合によって得られる独自の混合
が、燃料流量の調節を相殺することはない。このことは
調節される燃料流量が予備混合器への合計流量の一部、
例えば二分の一、三分の一、または六分の一であっても
あてはまる。

【００５５】以上、本発明を要約すると、液体燃料供給
源と燃焼器とを有するシステムに用いられる装置が、燃
料アクチュエータ、コントローラ、および予備混合器を
包含する。コントローラは、アクチュエータから求めら
れる、調節動作を示す指示信号を発生する。アクチュエ
ータは液体燃料供給源から液体燃料を受け取り、指示信
号に応答して液体燃料を調節された流量で供給する。予
備混合器はアクチュエータから燃料を受け取り、燃料を
空気と混合し、混合物を燃焼器に供給する。

【００５６】液体燃料供給源を有するガスタービン動力
プラントに用いられる装置が燃料アクチュエータ、コン
トローラ、およびガスタービンを包含する。コントロー
ラはアクチュエータから求められる、調節動作を示す指
示信号を発生する。アクチュエータは液体燃料供給源か
ら液体燃料を受け取り、指示信号に応答して液体燃料を
調節された流量で供給する。ガスタービンエンジンは予
備混合器および燃焼器を有するバーナーを包含する。予
備混合器はアクチュエータから燃料を受け取り、燃料を
空気と混合し、混合物を燃焼器に供給する。

【００５７】本発明を最良の実施形態を参照しつつ説明
したが、この説明は限定的な意味に解釈されることを意
図したものではない。添付の請求範囲に述べられる本発
明の主旨から逸脱することなくなされ得る、最良の実施
形態の様々な変形とともに本発明の追加的な実施態様
が、本記述の参照によって当業者に明らかとなるであろ
う。すなわち、例えば、最良の実施形態は不安定燃焼を
制御するために本発明を用いることを開示しているが、
本発明はこれに限定されるものではなく、いかなる適当
な用途にも応用され得る。したがって、添付の請求範囲
が、本発明の真の範囲に該当するすべての変形または実
施態様を包含していると見なされるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が使用され得る、ガスタービン動力プラ
ントの単純化された概念図である。

【図２】予備混合燃料ノズルの一部側面図、一部断面図
および本発明の最良の実施形態において使用される液体
燃料アクチュエータ、コントローラ、およびセンサの単
純化された概念図である。

【図３】図２の予備混合燃料ノズルの、３−３方向の断
面図である。

【図４】典型的な不安定燃焼時における燃焼器圧力変動
の強度を示すグラフである。

【図５】典型的な不安定燃焼時における燃焼器圧力変動
の強度を示すもう一つのグラフである。

【図６】本発明の最良の実施形態において用いられる制
御アルゴリズムの単純化されたフローチャートである。

【図７】本発明を用いる場合と用いない場合の、燃焼器
内の圧力振動の強度を示すグラフである。

【図８】本発明を用いる場合と用いない場合の、燃焼器
内の圧力振動の強度とＮＯ_X生成量を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

２０…ガスタービン動力プラント２２…ガスタービンエンジン２６…動力タービンおよび発電機３０…燃料供給システム３４…エンジンコントローラ３６…圧縮機３８…バーナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アルドエイ．ペラッチオアメリカ合衆国，コネチカット，サウスウインザー，フェアヴュードライヴ 102 (72)発明者クラスエイ．ジャコブソンアメリカ合衆国，コネチカット，トルランド，メットカルフロード 138 (72)発明者ナンシーメアリーレイアメリカ合衆国，コネチカット，グラストンベリー，ブルーヒルズトレイル 57

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体燃料供給源と、液体燃料と空気の混
合物を燃やす燃焼器と、を有するシステム用の装置であ
って、液体燃料供給源から液体燃料を受け取り、指示信号に応
答して、液体燃料を、その流量が変動するように調節し
て供給する燃料アクチュエータと、前記変動するよう調節された流量に対応する前記指示信
号を発生するコントローラと、前記燃料アクチュエータから前記変動するよう調節され
た液体燃料流量を受け取り、液体燃料を空気と混合し
て、液体燃料と空気の混合物を燃焼器に供給する予備混
合器と、からなる装置。
【請求項２】前記変動するよう調節された流量は、周
期を有し、前記予備混合器が混合室を有し、かつ前記混
合室中の燃料の滞留時間が、前記調節された流量の周期
と少なくとも同じオーダーの値である、請求項１記載の
装置。
【請求項３】前記予備混合器が混合室を有し、前記混
合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒であ
る、請求項１記載の装置。
【請求項４】予備混合器への燃料流の一部のみがアク
チュエータによって予備混合器へ供給され、燃料流の他
の部分は準定常流をなす、請求項１記載の装置。
【請求項５】システムがさらにセンサを包含し、該セ
ンサが燃焼器内の圧力値の振動を示すセンサ信号を供給
し、前記コントローラが前記センサ信号に応答して指示
信号を供給し、燃焼器内の前記混合物の燃焼が前記振動
の強度の低下をもたらす、請求項１記載の装置。
【請求項６】前記調節された流量が周期を有し、前記
予備混合器が混合室を有し、かつ前記混合室中の燃料の
滞留時間が、前記変動するよう調節された流量の周期と
少なくとも同じ位数の値である、請求項５記載の装置。
【請求項７】前記予備混合器が混合室を有し、前記混
合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒であ
る、請求項５記載の装置。
【請求項８】アクチュエータによって予備混合器へ供
給される燃料が予備混合器への燃料流の一部のみをな
し、燃料流の他の部分は準定常流をなす、請求項５記載
の装置。
【請求項９】前記予備混合器が混合室を有し、前記混
合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒であ
り、かつ、予備混合器への燃料流の一部のみがアクチュ
エータから予備混合器へ供給され、燃料流の他の部分は
準定常流をなす、請求項５記載の装置。
【請求項１０】システムがガスタービンエンジンであ
る、請求項１記載の装置。
【請求項１１】前記調節された燃料流の平均流量が燃
焼器への全流量の約０．００１から約０．３３倍の範囲
である、請求項１記載の装置。
【請求項１２】前記調節された燃料流の平均流量が燃
焼器への全流量の約０．０１から約０．１６倍の範囲で
ある、請求項１記載の装置。
【請求項１３】混合物の見かけ空気燃料比が約０．４
から約０．６の範囲である、請求項１記載の装置。
【請求項１４】前記コントローラは、前記センサ信号を測定して、燃焼器内の圧力値を示す測
定された信号を発生する手段と、前記測定された信号から移相された信号を生成する手段
と、前記移相された信号から指示信号を発生する手段とを有
する請求項１記載の装置。
【請求項１５】液体燃料供給源を有するガスタービン
動力プラントのための装置であり、液体燃料を液体燃料供給源から受け取り、指示信号に応
答して、液体燃料を調節された流量で供給する燃料アク
チュエータと、前記調節された流量に対応する指示信号を発生するコン
トローラと、圧縮機、バーナー、およびタービンを有するガスタービ
ンエンジンと、からなり、前記バーナーが予備混合器お
よび燃焼器を有し、前記予備混合器が前記圧縮機からの
圧縮空気を受け取り、これを前記燃料アクチュエータか
らの変動するよう調節された燃料流と混合して燃料と空
気の混合物を生成し、前記燃焼器が前記燃料と空気の混
合物を受け取って燃焼し、前記タービンが前記燃焼生成
物を受け取る、ガスタービン動力プラントのための装
置。
【請求項１６】前記変動するようするよう調節された
流量が周期を有し、前記予備混合器が混合室を有し、か
つ前記混合室中の燃料の滞留時間が、前記調節された流
量の周期と少なくとも同じオーダーの値である、請求項
１５記載の装置。
【請求項１７】前記予備混合器が混合室を有し、前記
混合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒で
ある、請求項１５記載の装置。
【請求項１８】アクチュエータによって予備混合器へ
供給される燃料が予備混合器への燃料流の一部のみをな
し、燃料流の他の部分は準定常流をなす、請求項１５記
載の装置。
【請求項１９】システムはさらにセンサを包含し、該
センサが燃焼器内の圧力値の振動を示すセンサ信号を供
給し、前記コントローラが前記センサ信号に応答して指
示信号を供給し、かつ燃焼器内の前記混合物の燃焼が前
記振動の強度の低下をもたらす、請求項１５記載の装
置。
【請求項２０】前記調節された流量が周期を有し、前
記予備混合器が混合室を有し、かつ前記混合室中の燃料
の滞留時間が、前記調節された流量の周期と少なくとも
同じオーダーの値である、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】前記予備混合器が混合室を有し、前記
混合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒で
ある、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】アクチュエータから予備混合器へ供給
される燃料が予備混合器への燃料流の一部のみをなし、
燃料流の他の部分は準定常流をなす、請求項１９記載の
装置。
【請求項２３】前記予備混合器が混合室を有し、前記
混合室中の燃料の滞留時間が、少なくとも約４ミリ秒で
あり、かつアクチュエータによって予備混合器へ供給さ
れる燃料が予備混合器への燃料流の一部のみをなし、燃
料流の他の部分は準定常流をなす、請求項１９記載の装
置。
【請求項２４】前記調節された燃料流の平均流量が燃
焼器への全流量の約０．００１から約０．３３倍の範囲
である、請求項１５記載の装置。
【請求項２５】前記調節された燃料流の平均流量が燃
焼器への全流量の約０．０１から約０．１６倍の範囲で
ある、請求項１５記載の装置。
【請求項２６】混合物の見かけ空気燃料比が約０．４
から約０．６の範囲である、請求項１５記載の装置。
【請求項２７】燃料アクチュエータを有するシステム
に用いられるコントローラであり、前記アクチュエータ
が液体燃料と指示信号を受け取り、指示信号に応答して
液体燃料を、その流量が変動するよう調節された流量で
供給し、システムはさらに予備混合器を有し、該予備混
合器が燃料アクチュエータから、前記変動するよう調節
された燃料流を受け取り、液体燃料を空気と混合し、液
体燃料と空気の混合物を燃焼器に供給するものであっ
て、前記コントローラは、液体燃料が前記変動するよう調節された流量で供給する
ために燃料アクチュエータから求められる調節動作を決
定する手段と、前記アクチュエータから求められる前記調節動作を示す
指示信号を発生する手段とを有する、燃料アクチュエー
タを有するシステムに用いられるコントローラ。
【請求項２８】システムはさらにセンサを包含し、該
センサが燃焼器内の圧力値の振動を示すセンサ信号を供
給し、前記コントローラが前記センサ信号に応答して指
示信号を供給し、かつ前記決定手段が前記センサ信号に
応答して、求められる調節動作を決定し、燃焼器内の前
記混合物の燃焼が前記振動の強度の低下をもたらす、請
求項２７記載のコントローラ。
【請求項２９】前記決定手段は、前記センサ信号を測定して、燃焼器内の圧力値を示す測
定された信号を発生する手段と、前記測定された信号から移相された信号を生成する手段
とを有する請求項２８記載のコントローラ。
【請求項３０】前記指示信号を発生する前記手段は、
前記移相された信号を受け取って、この信号から指示信
号を発生する手段を有する、請求項２９記載のコントロ
ーラ。
【請求項３１】前記移相された信号を受け取って、こ
の信号から指示信号を発生する手段は、前記移相された
信号をしきい値と比較し、その結果によって開指令また
は閉指令を表す値の指示信号を発生する手段を有する、
請求項３０記載のコントローラ。