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【発明の名称】 ガスタ―ビン燃焼室における熱音響的な振動を減少する方法並びに装置
【発明者】 【氏名】クリスティアン オリヴァー パッシェライト

【氏名】ヴォルフガング ヴァイゼンシュタイン

【氏名】エフレイム ガットマーク

【氏名】ヴォルフガング ポリフケ
【要約】 【課題】ガスタービン燃焼室における熱音響的な振動の圧力振幅を最小限に減少する方法並びに装置を提供することにある。

【解決手段】ガスタービン燃焼室における熱音響的な振動を減少する方法において、前混合バーナ内に液状又はガス状の前混合燃料が調整して噴射される。前混合燃料は２本の燃料ライン（１３，１４）を介して供給されかつ供給された燃料量の調整は燃料ライン毎それぞれ１つの燃料弁を介して行われる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液状又はガス状の前混合燃料を調整して噴射することにより燃焼システムにおける熱音響的な振動の圧力振幅を減少する方法において、前混合燃料を２本の燃料ライン（１３，１４）を介して供給し、供給された燃料量の調整を燃料ライン毎それぞれ１つの燃料弁を介して行うことを特徴とする、燃焼システムにおける熱音響的な振動の圧力振幅を減少する方法。
【請求項２】 前記調整を、一定量の前混合燃料以外に付加的に時間的に制限されたパルスの形式で燃料を噴射することにより行い、この際完全な調整周期が、時間的に制限されたパルス形式の噴射とこれに続く付加燃料無供給とから成る、請求項１記載の方法。
【請求項３】 前記調整の周波数が、０．３Ｈｚ乃至５ＫＨｚ、有利には５Ｈｚ乃至２００Ｈｚである、請求項１記載の方法。
【請求項４】 デューティサイクルが１００パーセントよりも小さく、有利には条件１パーセント≦（小さいか又は等しい）デューティサイクル≦（小さいか又は等しい）５０パーセントを満たす、請求項１記載の方法。
【請求項５】 液状又はガス状の前混合燃料の瞬間的な噴射を、燃焼システムにおいて測定される信号に位相連結する、請求項１記載の方法。
【請求項６】 燃焼システムにおいて測定される信号を濾過し、移相しかつ増幅し、このようにして得られた信号により、液状又はガス状の前混合燃料の瞬間的な噴射を調整する燃料ノズルを制御する、請求項５記載の方法。
【請求項７】 燃焼システムにおいて測定される信号が、圧力信号又は化学発光信号、有利にはラジカルＯＨ又はＣＨの１つのエミッションの化学発光信号である、請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】 燃焼システムにおいて測定される信号を燃焼室又は鎮静化室内で測定する、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】 両燃料ラインにおいて供給される前混合燃料量の調整を、任意の相対的な位相変位φで行う、請求項１記載の方法。
【請求項１０】 両燃料ラインにおいて供給される前混合燃料量の調整を、位相変位φ＝０゜又は位相変位φ＝１８０゜で行う、請求項９記載の方法。
【請求項１１】 バーナを備えた燃焼システムにおける熱音響的な振動を制御する装置であって、バーナが、液状又はガス状の燃料を噴射するための開口（１５）を備えた２本の燃料ライン（１３，１４）を有している形式のものにおいて、燃焼システム内に、熱音響的な振動を測定するための単数又は複数のセンサ、並びに、前記センサの測定信号に関連して前混合燃料の瞬間的な噴射を制御するための手段が配置されていることを特徴とする、燃焼システムにおける熱音響的な振動を制御する装置。
【請求項１２】 熱音響的な振動を測定するための、燃焼システム内に配置された単数又は複数のセンサが、圧力センサ、有利にはマイクロホン、特に有利には水冷式のマイクロホンである、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】 熱音響的な振動を測定するための、燃焼システム内に配置された単数又は複数のセンサが、可視光線又は赤外線用の光学的なセンサ、有利には光学的なファイバープローブである、請求項１１記載の装置。
【請求項１４】 付加的な燃料の瞬間的な噴射を制御する手段が、前記センサの測定信号を濾過、移相及び増幅する手段を有している、請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼室における熱音響的な振動を最小限に減少する方法並びに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、ガスタービンの燃焼室内では頻繁に不所望の熱音響的な振動が生ずる。“熱音響的な振動”という概念は、相互に増幅される熱的及び音響的な外乱を意味する。この場合高い振動振幅が生じ、これによって、例えば燃焼室が著しく機械的に負荷され、不均質な燃焼に基づきＮＯｘ・エミッションが増大せしめられかつフレームが消炎せしめられるような不所望の効果が生ずる。これは特に、音響的な減衰作用の劣る燃焼システムの場合に生ずる。広範な作動領域に亘ってパルセーション及びエミッションに関連して高い出力を保証するために、燃焼振動のアクティブな制御が必要である。
【０００３】ガスタービンバーナのフルイディック（fluidic）な安定性は、熱音響的な振動の発生のために極めて重要である。バーナ内で発生するフルイディックな不安定波によって渦流が発生せしめられる。コヒーレント（coherent）な組織とも呼ばれる前記渦流は、空気と燃料との混合プロセスにおいて極めて重要である。コヒーレントな組織の動的作用は、燃焼及びこれに関連したヒートレリーズ（heatrelease）に影響を及ぼす。従って渦流によって、バーナのフレームの周期的なヒートレリーズひいては圧力変動が生ぜしめられる。特にバーナの全エリアに亘って燃料と空気との均質な混合が得られない場合には、コヒーレントな渦流組織の発生によって熱音響的な不安定性の発生に著しく影響が及ぼされる。従って、前混合バーナのフレームを安定させるためにバーナの振動傾向を低減する別の可能性が生ずる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題は、ガスタービン燃焼室における熱音響的な振動の圧力振幅を最小限に減少する方法並びに装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によれば、特許請求の範囲第１項の特徴部分に記載の、ガスタービンにおける熱音響的な振動の圧力振幅を最小限に減少する方法、並びに、特許請求の範囲第１１項の特徴部分に記載の装置によって解決された。
【０００６】
【発明の効果】広範な渦流に変換される燃料量には、前混合バーナの前混合燃料流の制御された調整によって影響を及ぼすことができる。本発明によれば、前混合バーナへの液状又はガス状の燃料の噴射は調整して行われる。この場合、調整された噴射とは、本発明によれば時間的に可変な各燃料噴射を意味する。本発明によれば調整は任意の周波数で行うことができる。有利には噴射は、０．３Ｈｚ乃至５ｋＨｚの周波数で行われ、この場合５Ｈｚ乃至２００Ｈｚ範囲が特に有利である。この場合噴射は、燃焼システム内の圧力振動とは位相的に無関係に行われる。
【０００７】第１図は、熱音響的な振動の圧力振幅を最小限に減少するための本発明による方法が適用される前混合バーナが図示されている。バーナは、開口１５を備えた２つの燃料ライン１３，１４を有していて、前記開口１５を介して、ガス状又は液状の燃料１６が燃焼空気７と混合される。
【０００８】燃料１６を燃焼空気７と混合する開口１５の正確な位置は、第２図から明らかである。燃料ライン１３，１４は分割体１，２に設けられているので、開口１５は、前混合バーナの主中央軸線（バーナ軸線）２６から等間隔をおいて平行に延びる２本の直線に沿って整列している。全ての開口１５は一平面、つまり燃料噴射平面に位置している。
【０００９】本発明によれば、開口１５を介した燃料の噴射は時間的に一定に行われるのではなく、調整して行われる。つまり、燃料ライン１３，１４を介して供給される燃料量は可変である。
【００１０】燃料ライン１３，１４は、個々の燃料ライン（図示せず）によって燃料を供給される沈静化室（図示せず）から分割体１，２の方向に延びている。この実施態様によれば、調整は燃料弁の開閉によって行われ、これによって、沈静化室に供給される燃料量ひいては燃料ライン１３，１４を介して搬送される燃料量を変えることができる。つまり、前記本発明による本実施態様によれば、燃料量は両燃料ライン１３，１４において同じ形式で（対称的に）変えることができる。
【００１１】本発明の別の実施態様によれば、それぞれ１つの燃料ラインを介して供給される燃料量はそれぞれ１つの燃料弁を介して可変である。このために上述のバーナは技術的に修正されねばならない。このことは、沈静化室を貫通して燃料ライン１３，１４を案内し、これにより両燃料ラインに燃料を別個の供給できるように行われるか、又は、各燃料ライン１３，１４のためにそれぞれ１つの別個の沈静化室を設けることによって行われる。この場合前記別個の沈静化室には別個に燃料が供給される。
【００１２】上記いずれのケースでも、燃料ライン１３，１４を介して前混合バーナに供給される燃料量は、それぞれ１つの燃料弁を介して変えられる。従って、燃料ライン１３を介して供給される燃料量の調整は、燃料ライン１４を介して供給される燃料量の調整とは無関係に行われる。つまり、調整された両燃料流の間では任意の位相変位が生ずる。極端なケースでは燃料流の調整は１８０度だけ位相変位させて（反対称的に）行われる、即ち、一方の燃料ラインを介して最大の噴射が行われる場合に他方の燃料ラインを介して最小の噴射が行われる。
【００１３】当然上述の対称的な調整形式は修正されたバーナによっても、つまり、２つの燃料弁を用いても実施することができる。この場合、一方の燃料弁によって通流させられる燃料量はあらゆる時点で第２の燃料弁によって通流させられる燃料量にほぼ等しい。
【００１４】従って本発明によれば、両燃料流の間でそれぞれ任意の位相変位φを利用できる。有利な実施態様によれば、調整は両燃料ラインにおいて等しく行われる。有利な別の実施態様によれば、燃料流の調整は１８０度だけ位相変位させて行われる、即ち、一方の燃料ラインを介して最大の噴射が行われる場合に他方の燃料ラインを介して最小の噴射が行われる。
【００１５】φ＝１８０度の場合には、前混合バーナのフレームの軸対称性が特に効果的に阻害される。振幅の高い低周波数の熱音響的な圧力振動の場合には、周知のように、広範の軸対称的な渦流組織が周期的なヒートレリーズの原因となる。燃焼に関するこのような渦流組織の作用には、フレームの軸対称性が阻害されることによって、極めて効果的に影響が及ぼされ、このことは本発明によれば、両前混合燃料流の位相変位される調整によって得られる。特に有利な効果は、１８０度の位相変位の場合に得られる。
【００１６】選択的に噴射は、本発明の範囲において特に有利な実施態様によれば、噴射が圧力振動と不変な位相関係にあるように、行われる。この場合、圧力振動の位相は例えば燃焼室内のマイクロホンを介して規定されかつこの位相情報が噴射制御のために使用される。
【００１７】有利には、燃料の瞬間的な噴射は、燃焼システムにおいて測定される信号に位相連結される。この場合、燃焼システムにおいて熱音響的な振動に互いに関連する信号が測定される。この信号は、バーナの下流側で燃焼室内で又はバーナの上流側に配置された沈静化室内で測定することができる。この場合有利には、燃料の瞬間的な噴射を測定信号の関数として制御する手段が設けられている。
【００１８】測定信号と瞬間的な噴射との間の、測定される信号形式に応じて種々異なる適当な位相差を選択することによって、燃料の調整された噴射が最適な形式でコヒーレントな組織発生に抗して作用するので、圧力脈動の振幅が減少される。
【００１９】有利には燃焼システムにおいて、熱音響的な振動と関連した圧力変動を表わす圧力信号が測定される。このことは例えば、燃焼室、沈静化室又は両室の一方の室の壁部に配置された単数又は複数のマイクロホンによって行われる。
【００２０】別の可能性は、燃焼プロセスのヒートレリーズ変動に互いに関連する光学的な信号の測定にある。この場合、有利にはラジカル（radical）ＯＨ又はＣＨの１つによって化学発光・エミッションが測定される。光学的な信号は、可視光線又は赤外線用のセンサによって、有利には光学的なファイバープローブ（fiber probe）によって記録される。
【００２１】有利には、燃焼システムにおいて測定される信号は、濾過され、移相されかつ増幅される。このようにして得られた信号は、液状又はガス状の燃料の瞬間的な噴射を制御するために入力信号として利用される。必要である場合には、信号は濾過する前に付加的に増幅される。濾過手段は、障害となるノイズ信号を抑制しかつ有利には帯域フィルタから形成される。移相により、通常位相変位が測定センサの配置、測定器械及び導路自体に基づき生ぜしめられるこという事実が考慮される。圧力振幅を最大限減少せしめるように、相対位相が選ばれる場合には、全ての移相効果は暗示的に考慮される。移相の値は、有利な値の規定に応じて、不変に維持される。しかし作動条件によって極めて有利な相対位相を変えることができるので、相対位相は有利には可変に維持されかつ例えば圧力変動の制御によって、常時著しい抑制作用が保証されるように調和される。
【００２２】位相的に無関係な調整のために上述したように、前混合燃料流の位相連結した前記調整は、１つ（対称的な調整）又は２つの燃料弁の開閉によって行われ、これによって、燃料ライン１３，１４を介して供給される燃料量を変えることができる。位相連結した調整においても、２つの燃料弁を使用した場合に、本発明によれば一方の燃料ラインを介して供給される燃料量を第２の燃料ラインを介して供給される燃料量の調整とは無関係に変化させることができる。
【００２３】従って本発明によれば、両燃料流の間でそれぞれ任意の位相変位φを生ぜしめることができる。有利な実施態様では、両燃料ラインにおける調整は等しく（φ＝０゜）行われる。別の有利な実施態様によれば、燃料流の調整は１８０度だけ位相変位させて、つまり、例えば燃料ライン１３を介した最大の噴射の場合に燃料ライン１４を介した最小の噴射が行われる。
【００２４】φ＝１８０度の場合には、位相的に無関係な調整のために上述した特に有利な効果が得られる。
【００２５】噴射される燃料を調整するために有利には燃料弁が使用され、この噴射弁は制御信号に応答して、噴射される燃料量を迅速に変更する（急動式の燃料弁）。
【００２６】単位時間当り噴射される燃料量を、本発明の範囲において、広範に変えることができる。既述のように本発明によれば、前混合バーナに噴射される燃料量の調整が行われる。この場合有利な実施態様によれば、前混合バーナに一定量の燃料を噴射する以外に、時間的に制限されたパルスの形式で付加的な調整された燃料量が噴射され、この場合これに次いで規定の時間に亘って付加的な燃料は噴射されない。このような措置は必要である。それというのも、燃料流全体をパルス形式で変化する場合規定の時点に燃料が全く噴射されないからである。しかしこれによって、バーナのフレームの痩身化及び消炎が生ずる虞れがある。従って、一定量の燃料の噴射と時間的に制限されたパルス形式の付加的な燃料量の噴射とが同時に行われる。
【００２７】付加的な燃料噴射の周期がｔZugabe でかつ付加的な燃料噴射を行わない周期がｔ0 で表される場合には、燃料噴射調整の周期はτ＝ｔZugabe + ｔ0 になりかつ周波数はν＝１/τ＝１/（ｔZugabe + ｔ0）になる。
【００２８】本発明の範囲では、“デューティサイクル（duty cycle）”という概念によって百分率でτに対するｔZugabe の比が表される。従って、５０パーセントのデューティサイクル（duty cycle）の場合、付加的な燃料噴射の周期は付加的な燃料が噴射されない周期に等しい。一定量の燃料の添加、つまり、付加的な噴射なしは、１００パーセントのデューティサイクル（duty cycle）に等しい。
【００２９】前混合バーナへの燃料の噴射は、本発明によれば、１００パーセント以下のデューティサイクル（duty cycle）で行われ、この場合、１パーセント≦デューティサイクル≦５０パーセントの範囲が有利である。
【００３０】
【発明の実施の形態】本発明の上述の最も一般的な実施態様によれば、燃料の噴射は、燃焼システムにおける圧力振動とは位相的に無関係に行われる。選択的に特に有利な実施態様によれば噴射は、噴射が圧力振動と不変な位相関係にあるように行われる。位相連結して調整された燃料噴射をフローチャート（第３図）に基づき説明する。燃料弁３０，３１を制御するために閉じられた制御ループが使用される。燃焼室において測定される圧力信号又は発光信号は、ノイズ抑制のために濾過され（符号３６）、移相され（符号３８）、増幅され（符号４０）かつ燃料弁３０，３１の制御のために利用される。燃料弁３０，３１を用いて調整された燃料は、バーナ３２に噴射され、このバーナに続いて燃焼室を含むチャンバ３４が設けられている。燃焼システムのチャンバ（沈静化室又は燃焼室）の１つには、上述の圧力信号又は発光信号の測定が行われ、これによって、制御ループが閉じられる。
【００３１】第４図では、燃焼システムがほぼ１００Ｈｚの周波数の場合に軸対称的な熱音響的な振動にさらされる実施態様における圧力変動の実験規定の結果を図示している。更に第４図では、位相連結して調整された燃料噴射の場合の圧力変動を、一定燃料量噴射（１００パーセント）の場合の圧力変動に関連して図示している。燃料の噴射は急動式の燃料弁（MOOG社）によって行われる。
【００３２】実施例では、Ｂ＆Ｋ水冷式のマイクロホンによってチャンバの音響的な共振が記録される。信号は、増幅され、帯域濾過されかつ移相される。この場合、移相は零度乃至１９０度で系統的に変えられる。形成される信号は、燃料弁を増幅段を介して制御する信号発生器用のトリガを成す。両燃料流の調整は、相互の位相変位なしに（φ＝０゜）行われる。第４図から明らかなように、圧力振幅は移相を適当に選択した場合に８７パーセントポイントまでだけ減少される。
【００３３】第５図では、燃焼システムがほぼ１００Ｈｚの周波数の場合に軸対称的な熱音響的な振動にさらされる実施態様における圧力変動の実験規定の結果を図示している。更に第５図では、位相連結して調整された燃料噴射の場合の圧力変動を、一定燃料量噴射（１００パーセント）の場合の圧力変動に関連して図示している。燃料の噴射は急動式の燃料弁（MOOG社）によって行われる。
【００３４】実施例では、Ｂ＆Ｋ水冷式のマイクロホンによってチャンバの音響的な共振が記録される。信号は、増幅され、帯域濾過されかつ移相される。この場合、移相は零度乃至３６０度で系統的に変えられる。形成される信号は、燃料弁を増幅段を介して制御する信号発生器用のトリガを成す。両燃料弁に対する信号は、いずれの場合でも付加的に１８０度だけ互いに相対的に位相変位され、これによって、両燃料流の調整は１８０度の位相変位（φ＝１８０゜）で行われる。第５図から明らかなように、圧力振幅は相対位相を適当に選択した場合に５５パーセントポイントまでだけ減少される。
【出願人】 【識別番号】５９３１２２６６４
【氏名又は名称】エー ビー ビー リサーチ リミテッド
【出願日】 平成１１年９月７日（１９９９．９．７）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外２名）
【公開番号】 特開２０００−８８２５１（Ｐ２０００−８８２５１Ａ）
【公開日】 平成１２年３月３１日（２０００．３．３１）
【出願番号】 特願平１１−２５３０９５