JP6401460B2 - 燃焼動的周波数を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には燃焼動的周波数を制御するシステム及び方法に関する。

工業及び商業運転においては、燃料に点火して、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを生成するために、一般に燃焼器が使用されている。例えば、ガスタービン及びその他のターボ機関は通例、動力又は推進力を発生するために１以上の燃焼器を含んでいる。電気出力を発生するのに使用される典型的なガスタービンは、前部に軸流圧縮機を、中央部に複数の燃焼器を、そして後部にタービンを含んでいる。周囲の空気は作動流体として圧縮機に入り、圧縮機は作動流体に運動エネルギーを連続的に付与して、高エネルギー状態の圧縮された作動流体を生成する。圧縮された作動流体は、圧縮機を出、１以上の燃料噴射器を通って燃焼器内に流れ、そこで圧縮作動流体は燃料と混合された後点火されて高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、そこで膨張して仕事を生成する。例えば、タービン内の燃焼ガスの膨張は発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を生成し得る。

個々の作動条件において、同調しておりコヒーレントである充分な振幅で特定の周波数における燃焼動力学はタービン及び／又は他の下流の構成要素で望ましくない共振を生じ得る。通例、この問題は燃焼器の同調によって処理される。しかし、タービン動翼を保護するための燃焼器の同調は燃焼器の機能及び作動性に対して厳しい制約を課すことがある。従って、燃焼動的周波数とタービン動翼固有周波数を分離する能力を改良するという継続した願望がある。

米国特許第７９９７０８３号

上記要求及び／又は問題の幾つか又は全てが本開示の幾つかの実施形態により対処され得る。１つの実施形態によって、ガスタービンエンジンにおける周波数分離の方法が開示される。この方法は、高温ガス通路部品の固有周波数を決定することを含み得る。またこの方法は燃焼動的周波数を決定することも含み得る。さらに、この方法は、圧縮機排出温度を修正して燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離することを含み得る。

別の実施形態によると、ガスタービンエンジンにおける周波数分離のためのシステムが開示される。このシステムは、圧縮機、圧縮機と連通した燃焼器、並びに圧縮機及び燃焼器と連通したタービンを含み得る。このシステムはまた、圧縮機、燃焼器、又はタービンの少なくとも１つと連通した制御装置も含み得る。制御装置は、圧縮機排出温度を修正して燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離するように構成され得る。

さらに、もう１つ別の実施形態によって、周波数分離のためのシステムが開示される。このシステムは、ガスタービンエンジン及びガスタービンエンジンと連通した制御装置を含み得る。制御装置は、コンピューターで実行可能な指令を格納する少なくとも１つの記憶装置及び少なくとも１つの記憶装置にアクセスするように構成された少なくとも１つの処理装置を含み得る。少なくとも１つの処理装置は、コンピューターで実行可能な指令を実行して、高温ガス通路部品固有周波数を決定し、燃焼動的周波数を決定し、そして圧縮機排出温度を修正して燃焼動的周波数を 高温ガス通路部品固有周波数から分離するように構成され得る。

本開示のその他の実施形態、局面、及び特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面、及び後記特許請求の範囲から当業者には明らかとなろう。

ここで、必ずしも縮尺通りではない添付の図面を参照する。

図１は、１つの実施形態に従って燃焼動的周波数を制御するように構成されたガスタービンエンジンシステムの一例を図解する概略図である。

以下、全ての実施形態を示すわけではないが幾つかの実施形態を示す添付の図面を参照して例としての実施形態をさらに詳細に説明する。本開示は多くの異なる形態で具体化され得、本明細書に記載する実施形態に限定して解釈されるべきではない。図面中類似の参照番号は同様な要素を意味する。

例示的な実施形態は、とりわけ、ガスタービンエンジンにおける周波数分離のためのシステムと方法に関する。例えば、幾つかの実施形態において、燃焼動的周波数は、圧縮機排出温度を修正することによって高温ガス通路部品固有周波数から積極的に分離（又はシフト）し得る。すなわち、圧縮機排出温度を調節することによってガスタービンエンジンの燃焼器に関連する燃焼動的周波数を修正し得る。幾つかの場合・において、圧縮機排出温度は、圧縮機に関連する１以上の入口案内翼を調節することによって修正し得る。他の場合において、圧縮機排出温度は、圧縮機に関連する入口抽気熱を調節することによって修正し得る。さらに場合の場合において、圧縮機排出温度は、圧縮機セクションに入る空気の温度を、蒸発冷却、熱交換器、又はその他当技術分野で公知の温度変更装置により調節することによって修正し得る。また、圧縮機排出温度は、１以上の入口案内翼の調節及び／又は入口抽気熱の調節及び／又は圧縮機に入る空気の温度の調節の組合せによって修正し得る。

高温ガス通路部品固有周波数は単一の対象周波数又はある範囲の対象周波数を含み得る。幾つかの場合において、高温ガス通路部品は（例えば、ステージ１のタービン動翼のような）タービン動翼又はその他のタービン構成部品であり得る。高温ガス通路部品はタービンのあらゆるステージのあらゆるタービン構成部品を含み得る。同様に、燃焼動的周波数は単一の対象周波数又はある範囲の対象周波数を含み得る。

上述したように、圧縮機排出温度は、入口案内翼の角度及び／又は圧縮機への入口抽気熱の流れを調節するか、及び／又は圧縮機に入る空気の温度を調節することによって調節することができる。例えば、幾つかの実施形態において、制御装置は、１以上の動的圧力センサーなどによって燃焼器の音色(tone)の周波数と振幅をリアルタイムでモニターするように構成され得る。このようにして、制御装置により積極的な制御を実施して、燃焼器の対象周波数をリアルタイムで調節し、高温ガス通路部品固有周波数から分離（又はシフト）することができる。タービン動翼と燃焼器の間の周波数分離を維持するために燃焼器の対象周波数を修正し、周波数のオーバーラップに起因する許容できないタービン動翼応答を防ぐことができる。

幾つかの実施形態において、燃焼動的対象周波数を制御するように圧縮機排出温度を調節して高温ガス通路部品固有周波数からの分離を維持し得る。燃焼動的周波数に作用する上での圧縮機排出温度の役割は二重である。第一に、燃焼系に入る空気の温度の変化は音の速さ、従って燃焼器の音響固有周波数を変化させる。第二に、圧縮機排出温度の変化は、圧縮機を通る、従って燃焼系を通る空気の流れの変化を伴うか、又はその結果であり得る。燃焼系を通る空気の流れの変化は、燃焼プロセスに固有の放熱の変動と燃焼器の音響共鳴周波数とのカップリングに影響を及ぼす。この放熱と燃焼器音響共鳴とのカップリングにおいて重要な役割を果たす当技術分野で公知の１つの特定のメカニズムは、放熱の変動により駆動される音響の脈動が燃料ポートを通る質量流の変動を引き起こすときに起こり、その結果火炎ゾーンの燃料／空気比が変動することになる。結果として生じる燃料／空気比の変動と音響の圧力脈動が同調すると、自励のフィードバックループが得られる。このメカニズムは燃料／空気比の撹乱が火炎ゾーンに到達するのにかかる、当技術分野で伝達時間（Ｔａｕ）といわれる時間の関数であり、従って燃焼器を通る流量に反比例する。伝達時間が増大すると、燃焼不安定性の頻度が低下し、伝達時間が減少すると、燃焼不安定性の頻度が増大する。従って、入口案内翼、入口抽気熱の流れ、及び／又は圧縮機に入る空気の温度を変えることにより圧縮機排出温度を変化させることによって、燃焼器の本来の音響周波数及び／又は伝達時間が変化する。燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から離れるようにシフトさせることによって、ガスタービンエンジンの作動は、高サイクル疲労によるタービン動翼の損傷のリスクなしに続くことができる。

ここで、本発明で使用し得るガスタービンエンジンシステム１００の例示の実施形態の概略図である図１を参照する。例えば、ガスタービンエンジンシステム１００は圧縮機１０２を含み得る。圧縮機１０２は流入する空気流１０４を圧縮し得る。圧縮機１０２は圧縮された空気流１０４を燃焼器１０６に送り込み得る。燃焼器１０６は圧縮された空気流１０４を加圧された燃料流１０８と混合し、その混合物に点火して燃焼ガス流１１０を作り出し得る。単一の燃焼器１０６のみが示されているが、ガスタービンエンジンシステム１００は任意の数の燃焼器１０６を含み得る。燃焼ガス流１１０は次にタービン１１２に送り込まれ得る。タービン１１２はステージ１、ステージ２、ステージ３、等のようなステージに配列された幾つかの動翼１３２を含み得る。燃焼ガス流１１０はタービン１１２内の動翼１３２を駆動して機械的な仕事を産み出し得る。タービン１１２で産み出される機械的な仕事は圧縮機１０２を、及びシャフト１１４を介して発電機などのような外部負荷１１６を駆動し得る。

ガスタービンエンジンシステム１００は天然ガス、各種タイプの合成ガス、及び／又はその他の種類の燃料を使用し得る。ガスタービンエンジンシステム１００はいろいろな構成であり得、他の種類の構成部品を使用し得る。また、他のタイプのガスタービンエンジンも本発明に使用し得る。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及びその他の種類の発電設備も共に本発明に使用し得る。

さらに図１を参照して、ガスタービンエンジンシステム１００は圧縮機１０２に関連する入口抽気熱システム１２０を含み得る。入口抽気熱システム１２０は、圧縮機１０２の後部から高温の空気を除去し、続いてその高温の空気を再循環のために圧縮機１０２に送り戻すように構成され得る。幾つかの実施形態において、入口抽気熱システム１２０はバルブ１２４又はその他の入口抽気熱システム１２０を調節するための制御手段を含み得る。入口抽気熱の量は圧縮機排出温度及び／又は圧縮機を通る空気の流量に対してある効果を有し得る。

幾つかの実施形態において、ガスタービンエンジンシステム１００は圧縮機１０２に関連する入口案内翼系１１８を含み得る。入口案内翼系１１８は幾つかの固定及び／又は調節可能なベーンを含み得る。入口案内翼の角度は圧縮機排出温度及び／又は圧縮機を通る空気の流量に対してある効果を有し得る。

幾つかの実施形態において、ガスタービンエンジンシステム１００はガスタービンエンジンシステム１００の回りの様々な位置に位置する１以上のセンサーを含み得る。センサーはガスタービンエンジンシステム１００の様々な構成部品をモニターするためにそれと関連し得る。例えば、動的圧力センサー１２８は燃焼器１０６の燃焼動的周波数及び燃焼動的振幅をモニターするための燃焼器１０６と関連し得る。温度センサー１３０は圧縮機排出温度及び／又は燃焼器入口温度をモニターするために圧縮機１０２の下流に位置し得る。加速度計、歪みゲージ、又は光学センサー１３４は動翼１３２の振動性応答をモニターするためにステージ１動翼１３２のようなタービン１１２と関連し得る。他のセンサーも使用し得る。センサーは通常の設計であり得る。本発明では、他の種類の作動パラメーターもモニターし得る。また、タービン１１２内のあらゆるステージをモニターし得る。

幾つかの実施形態において、ガスタービンエンジンシステム１００は、モニター及び／又は制御のためにガスタービンエンジンシステム１００の各種の構成部品と連通した１以上の制御装置１２２を含み得る。例えば、制御装置１２２は圧縮機１０２、燃焼器１０６、タービン１１２、入口案内翼系１１８、入口抽気熱システム１２０のバルブ１２４、温度センサー１３０、動的圧力センサー１２８、及び／又は振動センサー１３４、等と連通し得る。制御装置１２２は少なくとも記憶装置１２４及び１以上の処理装置（又はプロセッサー）１２６を含み得る。処理装置１２６は適宜ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組合せで実行され得る。処理装置１２６のソフトウェア又はファームウェアの実行は、記載した各種の機能を果たすために適切なプログラミング言語で書かれたコンピューターで実行可能又は機械で実行可能な指令を含み得る。さらに、処理装置１２６はネットワーク、サーバー、コンピューター又は携帯型装置と関連し得る。

幾つかの場合において、制御装置１２２は、圧縮機排出温度を制御することにより燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から積極的に分離（又はシフト）するように構成され得る。幾つかの場合において、高温ガス通路部品はステージ１動翼１３２であり得るが、本発明はあらゆる動翼ステージに使用し得る。例えば、制御装置１２２は高温ガス通路部品の応答振幅及び／又は周波数、燃焼動的振幅及び／又は周波数、及び／又は圧縮機排出温度を決定、予測、モニター、確認、などするように構成され得る。制御装置はまた、圧縮機排出温度を制御／調節することにより燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離する（又はシフトする）ようにも構成され得る。例えば、圧縮機排出温度は、圧縮機１０２に関連する入口案内翼１１８の角度を調節することにより、圧縮機１０２に関連する入口抽気熱システム１２０を調節することにより、圧縮機に入る空気の温度を調節することにより、又はこれらの組合せによって制御され得る。例えば、制御装置はバルブ１２４を開閉して入口抽気熱を増減し得る。

燃焼周波数を分離する（又はシフトする）ための制御装置１２２に関連するアルゴリズムは大きく変わることができ、中でもその燃焼構成に依存し得る。構造的特徴及び／又は方法論的作用に関して具体的な言語で実施形態を説明して来たが、本開示が記載された具体的な特徴又は作用に必ずしも限定されないと理解されたい。むしろ、具体的な特徴及び作用は本発明の実施形態を実施するための例示として開示されている。

Claims (18)

1. 圧縮機、伝達時間を有する燃焼器、およびタービンを備えるガスタービンエンジンにおける周波数分離の方法であって、
   前記タービン内に位置する高温ガス通路部品固有周波数を決定するステップと、
   燃焼動的振幅及び／又は周波数を決定するステップと、
   燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離し、前記燃焼器の前記伝達時間を変更するために、前記圧縮機の後部から除去して前記圧縮機に送り戻す高温の空気を有する調整可能な入口抽気熱の流れにより、圧縮機排出温度を修正するステップと、
   を含む、方法。
2. 燃焼動的振幅及び／又は周波数を決定するステップが、少なくとも１つの動的圧力センサで前記燃焼器をモニターするステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. さらに、少なくとも１つの温度センサで圧縮機をモニターすることにより前記圧縮機排出温度を決定するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 圧縮機排出温度を修正するステップが、１以上の入口案内翼を調節するステップを含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 圧縮機排出温度を修正するステップが、前記圧縮機に入る空気の温度を調節するステップを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 圧縮機排出温度を修正するステップが、高温ガス通路部品固有周波数から燃焼動的周波数を分離して燃焼動的周波数を変更する、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 圧縮機と、
   圧縮機と連通し、伝達時間を有する燃焼器と、
   圧縮機及び燃焼器と連通し、高温ガス通路部品を備えるタービンと、
   圧縮機、燃焼器、又はタービンの少なくとも１つと連通しているコンピュータ制御装置であって、燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離し、前記燃焼器の前記伝達時間を変更するために、前記圧縮機の後部から除去して前記圧縮機に送り戻す高温の空気を有する調整可能な入口抽気熱の流れにより、圧縮機排出温度を修正するように構成されているコンピュータ制御装置と、
   を含む、ガスタービンエンジンにおける周波数分離のためのシステム。
8. さらに、燃焼器と結合しており、燃焼動的周波数をモニターするように構成されている少なくとも１つの動的圧力センサを含む、請求項７に記載のシステム。
9. さらに、圧縮機排出と関連しており、圧縮機排出温度をモニターするように構成されている少なくとも１つの温度センサを含む、請求項７または８に記載のシステム。
10. さらに、圧縮機と結合した１以上の入口案内翼を含み、前記コンピュータ制御装置が１以上の入口案内翼を調節して圧縮機排出温度を修正するように構成されている、請求項７から９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記コンピュータ制御装置が、圧縮機に入る空気の温度を調節して圧縮機排出温度を修正するように構成されている、請求項７から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 高温ガス通路部品固有周波数が、単一の周波数又はある範囲の周波数を含む、請求項７から１１のいずれかに記載のシステム。
13. 高温ガス通路部品が、タービン動翼を含む、請求項７から１２のいずれかに記載のシステム。
14. 燃焼動的周波数が、単一の周波数又はある範囲の周波数を含む、請求項７から１３のいずれかに記載のシステム。
15. ガスタービンエンジンと、
    前記ガスタービンエンジンと連通した制御装置と、
    を備える、周波数分離のためのシステムであって、
    前記ガスタービンエンジンは、
    圧縮機と、
    前記圧縮機と連通し、伝達時間を有する燃焼器と、
    前記燃焼器と連通し、固有周波数を有する高温ガス通路部品を備えるタービンと、
    を備え、
    前記制御装置が、
    コンピュータで実行可能な指令を格納する少なくとも１つの記憶装置と、
    少なくとも１つの記憶装置にアクセスするように構成された少なくとも１つの処理装置と、
    を含み、
    前記少なくとも１つの処理装置がコンピュータで実行可能な指令を実行して、
    高温ガス通路部品の固有周波数を決定し、
    燃焼動的周波数を決定し、
    燃焼動的周波数を高温ガス通路部品固有周波数から分離し、前記燃焼器の前記伝達時間を変更するために、前記圧縮機の後部から除去して前記圧縮機に送り戻す高温の空気を有する調整可能な入口抽気熱の流れにより、圧縮機排出温度を修正する、
    ように構成されている、
    システム。
16. 燃焼器と結合しており、燃焼動的周波数をモニターするように構成されている少なくとも１つの動的圧力センサと、
    圧縮機と結合しており、圧縮機排出温度をモニターするように構成されている少なくとも１つの温度センサと、
    をさらに含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 圧縮機と結合した１以上の入口案内翼をさらに含み、
    制御装置が１以上の入口案内翼を調節して圧縮機排出温度を修正するように構成されている、
    請求項１５または１６に記載のシステム。
18. 制御装置がさらに、圧縮機排出温度を修正するために、圧縮機に入る空気の温度を調節するように構成されている、請求項１５から１７のいずれかに記載のシステム。