ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法
【課題】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本システム（２００）は、ガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）の周りの火炎を検出することができる。ガスタービン（１００）は、圧縮機（１０４）及び燃焼器（１０６）を有することができる。本システム（２００）は、第１の圧力センサ（２０４）と、第２の圧力センサ（２０６）と、変換器（２０８）とを含むことができる。第１の圧力センサ（２０４）は、燃料ノズルの上流の第１の圧力を検出することができる。第２の圧力センサ（２０６）は、燃料ノズル（１１２）の下流の第２の圧力を検出することができる。変換器（２０８）は、第１の圧力センサ（２０４）と第２の圧力センサ（２０６）との間の圧力差を検出するように動作可能とすることができる。
【解決手段】本システム（２００）は、ガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）の周りの火炎を検出することができる。ガスタービン（１００）は、圧縮機（１０４）及び燃焼器（１０６）を有することができる。本システム（２００）は、第１の圧力センサ（２０４）と、第２の圧力センサ（２０６）と、変換器（２０８）とを含むことができる。第１の圧力センサ（２０４）は、燃料ノズルの上流の第１の圧力を検出することができる。第２の圧力センサ（２０６）は、燃料ノズル（１１２）の下流の第２の圧力を検出することができる。変換器（２０８）は、第１の圧力センサ（２０４）と第２の圧力センサ（２０６）との間の圧力差を検出するように動作可能とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、総括的にはガスタービンの構成要素における火炎を検出するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機は、燃焼器に供給する加圧空気を発生させる。燃焼器は、燃料と共に加圧空気を燃焼させて、空気−燃料混合（燃焼）ガスを発生させ、この空気−燃料混合ガスをタービンに供給する。タービンは、空気−燃料混合ガスからエネルギーを取出して負荷を駆動する。
【０００３】
多くのケースで、ガスタービンは、幾つかの燃焼器を含む。燃焼器は、圧縮機とタービンとの間に配置することができる。例えば、圧縮機及びタービンは、共通軸線に沿って整列させることができ、また燃焼器は、圧縮機とタービンとの間において該タービンへの入口に共通軸線の周りでの円形アレイの形態で配置することができる。運転中に、圧縮機からの空気は、燃焼器の１つを通してタービン内に移動することができる。
【０００４】
燃焼器は、空気及び燃料を適切に燃焼させかつ効率を高めることを保証するような比較的高温で作動させることができる。燃焼器を高温で作動させた場合の１つの問題は、環境に悪影響を与えるおそれがある比較的高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する可能性があることである。
【０００５】
ＮＯｘエミッションを低減するために、幾つかの最新式のガスタービンは、燃料ノズルを用いている。例えば、各燃焼器は、予混合燃料ノズルのような幾つかの燃料ノズルによって支援することができ、それら燃料ノズルは、燃焼器への入口において該燃焼器の周りでの円形アレイの形態で配置することができる。通常運転時に、圧縮機からの空気は、燃料ノズルを介して燃焼器に流入する。燃料ノズル内において、空気は燃料と予混合されて空気−燃料混合気を形成する。空気−燃料混合気は次に、燃焼器内で燃焼される。空気及び燃料を予混合することにより、比較的より低温で燃焼器を作動させることが可能になり、それにより、燃焼プロセスの副産物として生成されるＮＯｘが低減される。
【０００６】
燃料ノズル内における予混合はＮＯｘエミッションの低減を可能にするが、燃料ノズルは、それ自体の問題がある。例えば、燃料ノズルは、発火するか又は火炎を保持する可能性がある。燃料ノズル内における火炎の１つの一般的理由は、火炎が燃焼器の燃焼ゾーンから燃料ノズル内に逆方向に移動する逆火である。燃料ノズル内における火炎の別の一般的理由は、燃料ノズルが、とりわけ燃料組成、燃料流量、空気流量又は燃料ノズル表面の異常により単独で発火する自己着火である。原因に関係なく、燃料ノズルは、火炎を保持又は持続させる傾向を持つ可能性があり、これにより、燃料ノズル又はガスタービンのその他の部分を損傷させるおそれがある。
【０００７】
燃料ノズル内における火炎を減少させるか又は排除する改善措置を取ることができるようにするために、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎の存在を検出する技術的方法が開発されてきた。これらの技術的方法の多くは、とりわけ温度センサ、光子放出センサ又はイオンセンサのようなセンサを用いている。一般的に、センサは、燃料ノズルのいずれか１つ内における火炎を検出することができるように、該燃料ノズルの各々内に配置される。しかしながら、各燃料ノズル内にセンサを配置することは、タービンが幾つかの燃焼器によって支援されまた各燃焼器が幾つかの燃料ノズルによって支援されることになっているので、極めて費用のかかるものとなる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，１６４，０５５号公報
【特許文献２】米国特許第６，３５７，２１６ Ｂ１号公報
【特許文献３】米国特許第６，４３８，９６１ Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許第６，７０８，５６８ Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第６，８４８，３１９ Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，８５７，３２０ Ｂ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，９７８，６８０ Ｂ２号公報
【特許文献８】米国特許第７，０１７，４１５ Ｂ２号公報
【特許文献９】米国特許第７，１１１，４６３ Ｂ２号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／００４６２１８ Ａ１号公報
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／０００６５９６ Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、ガスタービンの燃料ノズルのような該ガスタービンの構成要素内における火炎の存在を検出するシステム及び方法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本システムは、ガスタービンの燃料ノズルの周りの火炎を検出することができる。ガスタービンは、圧縮機及び燃焼器を有することができる。本システムは、第１の圧力センサと、第２の圧力センサと、変換器とを含むことができる。第１の圧力センサは、燃料ノズルの上流の第１の圧力を検出することができる。第２の圧力センサは、燃料ノズルの下流の第２の圧力を検出することができる。変換器は、第１の圧力センサと第２の圧力センサとの間の圧力差を検出するように動作可能とすることができる。
【００１１】
その他のシステム、装置、方法、特徴及び利点は、当業者には明らかであり、また以下の図及び詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。全てのそのような付加的なシステム、装置、方法、特徴及び利点は、本説明の範囲内に含まれることを意図しておりかつ特許請求の範囲で保護されることを意図している。
【００１２】
本開示は、以下の図面を参照することで一層よく理解することができる。同じ参照符号は、図全体を通して対応する部分を表しており、また図の構成要素は必ずしも尺度通りにはなっていない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを概略的に示すガスタービンの部分断面図。
【図２】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムの実施形態を示すブロック図。
【図３】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのプローブの実施形態を示す、ガスタービンの燃焼器の部分断面図。
【図４】図３に示すプローブの部分断面図。
【図５】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出する方法の実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
下記で説明しているのは、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法である。本システム及び方法は、燃料ノズルにわたる（燃料ノズルの入口及び出口間の）圧力低下の増大を検出することによって該燃料ノズル内における火炎を検出することができる。例えば、本システム及び方法は、特定の燃焼器と関連する燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下の増大を検出することによって、該燃料ノズル内における火炎を検出することができる。圧力低下の増大は、その影響を受けた燃料ノズルを通って流れる空気の温度を上昇させかつ／又は該空気の密度を減少させる可能性がある火炎により発生することになる。空気のボリューム増大により、燃料ノズルの上流の圧力が上昇することになり、それにより、燃料ノズルにわたる圧力低下が増大することになる。
【００１５】
実施形態では、燃焼器と関連する燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下を決定することができる。燃料ノズルアレイの入口側の上流側圧力と該燃料ノズルアレイの出口側の下流側圧力との間の差を求めることによって圧力低下を検出することができる。圧力差が予測圧力差を越えた場合には、アレイの１つ又はそれ以上の燃料ノズル内において火炎が存在する可能性がある。従って、燃焼器の燃料ノズルのいずれか１つ内における火炎を検出するために、ノズルレベルの代わりに燃焼器レベルで検出を行なうので、センサを各燃料ノズルと関連させる（組合せる）ことは必要でないことになる。
【００１６】
実施形態では、圧力読取り値の精度を高めるために、上流側圧力及び下流側圧力をノズルアレイに近接させて検出することができる。例えば、上流側圧力は、燃焼器への空気流路内で検出することができ、また下流側圧力は、燃焼器の燃焼チャンバ内で検出することができる。そのような実施形態では、圧力差を検出するために、統合型プローブを用いることができる。統合型プローブは、燃焼器の流れスリーブを貫通して燃焼器チャンバ内に延びることができる。統合型プローブは、上流側圧力及び下流側圧力の両方を同時に検知するように配置することができる。幾つかのそのような実施形態では、統合型プローブは、その他の機能を果たすようにすることができる。例えば、統合型プローブは、燃焼器内のダイナミック圧力を監視するのに適した燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブを含むことができる。そのようなケースでは、ガスタービンからＣＤＭプローブを取外しかつその所定の位置に統合型プローブを設置することなどによって、燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを備えるようにガスタービンを改造することが、比較的容易かつ安価に行なうことができる。
【００１７】
図１は、燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを有するガスタービン１００の部分断面図である。図示するように、ガスタービン１００は一般的に、吸気セクション１０２、圧縮機１０４、１つ又はそれ以上の燃焼器１０６、タービン１０８及び排気セクション１１０を含む。各燃焼器１０６は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル１１２を含むことができる。燃料ノズル１１２は、アレイの形態で互いに並行に配置することができる。例えば、燃料ノズル１１２は、燃焼器１０６の長手方向軸線を中心として円形構成などの形態で該燃焼器１０６への入口の周りに配置することができる。
【００１８】
ガスタービン１００を通して、流路を形成することができる。通常運転時に、空気は、吸気セクション１０２を通してガスタービン１００に流入することができる。空気は、圧縮機１０４内に流入することができ、圧縮機１０４は、空気を加圧して加圧空気を形成することができる。加圧空気は、燃料ノズル１１２を通って流れることができ、燃料ノズル１１２は、加圧空気を燃料と混合して空気−燃料混合気を形成することができる。空気−燃料混合気は、燃焼器１０６内に流れることができ、燃焼器１０６は、空気−燃料混合気を燃焼させて高温ガスを発生させることができる。高温ガスは、タービン１０８内に流入することができ、タービン１０８は、高温ガスからエネルギーを取出して、排気ガスを形成することができる。その後、排気ガスは、排気セクション１１０を通してガスタービン１００から排出させることができる。
【００１９】
以下において、燃焼器１０６が燃料ノズル１１２のアレイを有するものとして説明しているが、１つのみの燃料ノズル１１２を設けることができることは当業者には分かるであろう。燃料ノズル１１２のアレイの近傍における流路の一部分に焦点を当てると、ノズルアレイにわたる圧力低下を予測することができる。通常運転時には、燃料ノズル１１２のアレイの上流側の圧力は、該燃料ノズル１１２のアレイの下流側の圧力を越えるものとすることができる。本発明の目的上、「上流側圧力」という用語は、圧縮機出口と燃料ノズル１１２のいずれか１つへの入口との間のポイントにおける加圧空気の静圧であると定義される。本明細書では、上流側圧力はまた、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）とも呼ばれる。上流側圧力は、圧縮機出口と燃料ノズル入口との間の流路に沿って変化させることができること、またこれらの圧力の各々は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）に相当することが、当業者には分かるであろう。当業者にはまた、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）は、圧縮機吐出口で正確に評価することができないことも分かるであろう。本発明の目的上、「下流側圧力」という用語は、燃焼器１０６内の静圧であると定義される。本明細書では、下流側圧力はまた、該下流側圧力が燃焼（器）チャンバ内から取出すことができるので、燃焼（器）チャンバ圧力（ＰＣＣ）とも呼ばれる。
【００２０】
上述したように、通常運転状態下では、上流側圧力は、下流側圧力を越えたものとすることができる。そのような上流側及び下流側圧力間の予測圧力差（ＰＣＤ−ＰＣＣ）は、流路に沿って流れを駆動することによって高めることができる。予測圧力差は、公知の範囲内のものとすることができ、その範囲は、例えばガスタービン１００の構成又は現在の運転状態に応じて変化させることができる。
【００２１】
幾つかの状況では、ガスタービン１００の1つ又はそれ以上の燃料ノズル１１２内において火炎が存在する可能性がある。火炎は、例えば逆火又は自己着火によるものである可能性がある。逆火は、燃焼器１０６の燃焼反応ゾーンから燃料ノズル１１２内への火炎の伝播を意味し、一方、自己着火は、燃料ノズル１１２内での空気−燃料混合気の自然発生的着火を意味する。しかしながら、あらゆるその他の理由で、火炎が、燃料ノズル１１２内に存在する可能性がある。
【００２２】
従って、ガスタービン１００は、該ガスタービン１００の燃料ノズル１１２内における火炎を検出するためのシステム２００を含むことができる。本システム２００は、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力差の増大を検出することによって、該燃料ノズル１１２のいずれか１つ内における火炎を検出することができる。
【００２３】
影響を受けた燃料ノズル１１２内において火炎が存在する場合には、その影響を受けた燃料ノズル１１２を通って移動する加圧空気は、より高温となりかつ膨張する可能性があり、このことは、その影響を受けた燃料ノズル１１２を通る空気流れ抵抗を増大させる可能性がある。従って、空気は、この影響を受けた燃料ノズル１１２を通って比較的流れることができにくくなる可能性がある。この影響を受けた燃料ノズル１１２を通る空気流量の減少を補償するために、残りの燃料ノズル１１２を通して加圧空気を導き直すことができる。従って、比較的より大きなボリュームの空気を比較的より狭い燃料ノズル空間を通して強制的に移動させることができ、それにより、燃料ノズル１１２の上流側圧力を高めることができる。
【００２４】
燃料ノズル１１２のいずれか１つが火炎を保持（保炎）している場合には、上流側圧力の増加及び下流側圧力の減少により、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力差を増大させる可能性がある。より具体的には、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力低下は、予測圧力低下を越える可能性がある。別の言い方をすると、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の差は、燃料ノズル１１２のいずれか１つ内において火炎が存在する場合には、ガスタービン１００の通常運転時においてよりも比較的より大きなものになる可能性がある。例えば、圧力差は、所定の圧力よりも約５〜１０％ほど高いものになる可能性がある。そのような圧力差の変化をシステム２００によって検出して、燃料ノズル１１２の１つ又はそれ以上が火炎を保持していることを判定することができる。そのことを知ることにより、改善措置を取ってガスタービン１００を更なる損傷から保護することができる。例えば、あらゆる既知の又は今後開発される方法で、火炎を減少又は消滅させることができる。
【００２５】
図２は、ガスタービン１００の燃料ノズル１１２内における火炎を検出するためのシステム２００の実施形態を示すブロック図である。図示するように、本システム２００は、上流側圧力センサ２０４、下流側圧力センサ２０６及び変換器２０８を含むことができる。上流側圧力センサ２０４は、圧縮機１０４と燃料ノズル１１２との間に配置することができる。上流側圧力センサ２０４は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）を検出することができる。下流側圧力センサ２０６は、少なくとも部分的に燃焼器１０６内に配置することができる。下流側圧力センサ２０６は、燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）を検出することができる。圧力センサ２０４、２０６は、差圧変換器のような変換器２０８と動作可能に組合せることができる。変換器２０８は、上流側圧力及び下流側圧力間の圧力差を検出することができる。圧力センサ２０４、２０６は、あらゆる可能な方法で変換器２０８に接続することができる。例えば、圧力センサ２０４、２０６は、変換器２０８に動作可能に接続された別個の物理的構成要素とすることができ、或いは圧力センサ２０４、２０６は、変換器２０８の具象的機能とすることができる。言い換えると、変換器２０８は、上流側圧力の独立測定を行なうこと、下流側圧力の独立測定を行なうこと及び２つの測定値を差引いて圧力差を求めることの代わりに、上流側及び下流側圧力間の圧力差を検出することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、圧力センサ２０４、２０６は、幾つかの圧力変換器と動作可能に組合せることができ、それにより、火炎の冗長検出を可能にすることができかつ火炎の誤表示の可能性を減少させることができる。また、幾つかの実施形態では、上記と同じ理由により、幾つかの圧力センサ２０４、２０６は、１つ又は幾つかの圧力変換器２０８と動作可能に組合せることができる。そのようなケースでは、典型的なボウティング（ｖｏｔｉｎｇ）法を用いて、火炎の誤表示が発生しているかどうかを判定することができる。
【００２７】
実施形態では、システム２００はさらに、制御装置２１０を含むことができる。制御装置２１０は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組合せを使用して、本明細書に記載した機能を実行するように動作させることができる。実例として、制御装置２１０は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、コンパレータ、差動モジュール又はその他のハードウェア手段とすることができる。同様に、制御装置２１０は、メモリ内に記憶させかつプロセッサ又はその他のプロセッシング手段によって実行可能とすることができるソフトウェア又はその他のコンピュータ実行可能命令を含むことができる。
【００２８】
制御装置２１０は、変換器２０８による検出圧力差を例えば信号などによって受信することができる。制御装置２１０はまた、予測圧力差も知ることができる。例えば、制御装置２１０は、該制御装置２１０のメモリ内などに予測圧力差を記憶させることができる。制御装置２１０はまた、特にガスタービン１００の既知のパラメータ又は該ガスタービン１００の測定運転状態にアルゴリズムを適用することなどによって予測圧力差を決定することができる。制御装置２１０は、検出圧力差を予測圧力差と比較することができ、また検出圧力差が予測圧力差を越えている場合には、制御装置２１０は、ガスタービン１００内において火炎状態が存在することを表示することができる。幾つかの実施形態では、予測圧力差は、許容可能な圧力差の範囲を含むことができ、このようなケースでは、制御装置２１０は、検出圧力差を予測圧力差の範囲と比較して、検出圧力差がその範囲内にあるか否かを判定することができる。検出圧力差が、その範囲内にない場合には、制御装置２１０は、燃料ノズル１１２内における火炎の存在を表示することができる。
【００２９】
実施形態では、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２に近接して配置することができる。図３及び図４には、そのような構成を示しており、これらに図では、それぞれガスタービン１００の燃焼器１０６及び統合型プローブ２５０の部分断面図を示している。図示するように、燃焼器１０６の外面は、燃焼器ケーシング１１４によって形成することができる。燃焼器ケーシング１１４は、該燃焼器ケーシング１１４とタービンケーシング１１８（部分的に示す）との間で延びるボルト１１６などによって燃焼器１０６をタービン１０８に固定するのに適したものとすることができる。燃焼器ケーシング１１４は、その形状をほぼ円筒形とすることができる。燃焼器ケーシング１１４の内面上に燃焼ライナ１２０を配置することができる。燃焼ライナ１２０もまた、その形状をほぼ円筒形とすることができかつ燃焼器ケーシング１１４に関して同心に配置することができる。燃焼ライナ１２０は、燃焼（器）チャンバ１２２の周辺部を構成することができ、燃焼チャンバ１２２は、上述のように空気−燃料混合気を燃焼させるのに適したものとすることができる。燃焼チャンバ１２２は、その入口端部をライナキャップ組立体１２４によって境界付けまたその出口端部を移行ダクト１２６によって境界付けることができる。移行ダクト１２６は、燃焼器１０６の出口１２８をタービン１０８の入口と連結して、空気−燃料混合気の燃焼時に生成された高温ガスをタービン１０８内に導くことができるようにする。
【００３０】
空気−燃料混合気を燃焼チャンバ１２２に供給するために、燃焼チャンバ１２２の内部と流体連通状態で幾つかの燃料ノズル１１２を配置することができる。燃料ノズル１１２は、燃焼器１０６の入口端部において互いに平行に配置することができる。より具体的には、燃料ノズル１１２は、入口端部において燃焼器ケーシング１１４を囲むキャップ組立体１３０を貫通してかつ該入口端部において燃焼チャンバ１２２を囲むライナキャップ組立体を貫通して延びることができる。燃料ノズル１１２は、圧縮機１０４から空気を受けることでき、その空気を燃料と混合して空気−燃料混合気を形成することができ、かつその空気−燃料混合気を燃焼のために燃焼チャンバ１２２内に導くことができる。この図示した実施形態では、分かり易くするために、１つの燃料ノズル１１２のみを詳細に図示している。
【００３１】
圧縮機１０４からの空気が燃料ノズル１１２に到達することができるようにするために、燃焼器１０６の周りに流れスリーブ１３２を配置することができる。図示するように、流れスリーブ１３２は、その形状をほぼ円筒形とすることができかつ燃焼器ケーシング１１４と燃焼（器）ライナ１２０との間に同心に配置することができる。より具体的には、流れスリーブ１３２は、燃焼器ケーシング１１４の半径方向フランジ１３４と移行ダクト１２６の外壁１３６との間で延びることができる。移行ダクト１２６近くで流れスリーブ１３２を貫通してアパーチャ１３８のアレイを形成することができる。アパーチャ１３８は、圧縮機１０４からの空気を該圧縮機１０４から燃料ノズル１１２に向かって逆方向に流すのを可能にすることができる。より具体的には、矢印で示すように、流れスリーブ１３２と燃焼器ライナ１２０との間の環状空間として形成された空気流路１４０に沿って空気を流すことができる。
【００３２】
上述したように、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２に近接して配置することができ、それにより、圧力読取り値が不正確になる可能性を減少させることができる。例えば、上流側圧力センサ２０４は、流れスリーブ１３２と燃焼ライナ１２０との間の空気流路１４０内に配置し、それにより、燃料ノズル１１２のアレイに近接して圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）を検出するのを可能にすることができる。同様に、下流側圧力センサ２０６は、燃焼ライナ１２０近くに又は燃焼チャンバ１２２内に配置し、それにより、燃料ノズル１１２のアレイに近接して燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）を検出するのを可能にすることができる。センサ２０４、２０６を燃料ノズル１１２のアレイに近接して配置することによって、センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２内における火炎以外の原因に起因する圧力異常を検出する可能性を比較的より少なくすることができる。
【００３３】
実施形態では、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、統合型プローブ２５０の構成要素とすることができる。統合型プローブ２５０は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の差のような、燃料ノズル１１２にわたる（燃料ノズル１１２の入口及び出口間の）圧力差の増大を検出するように動作可能とすることができる。例えば、統合型プローブ２５０は、差圧プローブとすることができる。
【００３４】
図３及び図４に示すように、プローブ２５０は、燃焼器１０６と組合せることができる。具体的には、プローブ２５０は、燃焼器ケーシング１１４、流れスリーブ１３２及び燃焼ライナ１２０を貫通して、燃焼チャンバ１２２内に延びることができる。上流側圧力センサ２０４は、流れスリーブ１３２と燃焼ライナ１２０との間のような、燃焼器１０６への空気流路１４０内に配置された状態になっているプローブ２５０の一部分上に配置することができる。下流側圧力センサ２０６は、燃焼器チャンバ１２２内に配置された状態になっているプローブ２５０の一部分上に配置することができる。従って、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）及び燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）の両方は、単一プローブ２５０を使用して検知することができる。図４に示すように、統合型プローブ２５０はまた、変換器２０８を含むことができる。この図示した実施形態では制御装置２１０を示していないが、プローブ２５０はまた、制御装置２１０を含むことができる。それに代えて、制御装置２１０は、プローブ２５０から分離させることができる。
【００３５】
実施形態では、燃焼器チャンバ１２２内での下流側圧力センサ２０６の位置決めは、該下流側圧力センサ２０６への燃焼チャンバ１２２内の温度の影響を減少させるように選択することができる。例えば、燃焼チャンバ１２２内の温度は、下流側圧力センサ２０６が耐えることができる温度を越える可能性がある。従って、下流側圧力センサ２０６は、該下流側圧力センサ２０６の先端２５４が燃焼ライナ１２０近くに位置するように、燃焼チャンバ内に配置することができる。例えば、図示するように、先端２５４は、燃焼ライナ１２０とほぼ同一平面にすることができる。幾つかのケースでは、先端２５４の周りに、僅かな空気ギャップ２５６を形成することができる。空気ギャップ２５６は、冷却空気流れを可能とすることができ、それにより、下流側圧力センサ２０６への温度の影響をさらに減少させることができる。
【００３６】
統合型プローブ２５０は、該統合型プローブ２５０が燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力低下を検出することによって該燃料ノズル１１２のいずれか１つ内における火炎を検出することができるので、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム２００を備えるようにガスタービンを改造する費用を低減することができる。個々のセンサは、各燃料ノズル１１２内には必要でなくて、実装及び保守費用を低減することができる。
【００３７】
実施形態では、統合型プローブ２５０は、燃焼（器）ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブのような、ガスタービンの既存のプローブと組合せることができる。燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブは、燃焼チャンバ１２２のダイナミック圧力（動的圧力（動圧））のような、ガスタービンのパラメータを測定するために使用することができる。そのような実施形態では、下流側圧力センサ２０６は、燃焼チャンバ１２２からの動圧信号を統合型プローブ２５０上に設置された動圧センサ２５２に送信するのを可能にする同心軸方向ボアを有することができる。そのような実施形態では、統合型プローブ２５０を備えるようにガスタービンを改造することは、既存の燃焼ダイナミック監視（ＣＤＭ）プローブを図４に示す統合型プローブ２５０と置き換えることのような簡単なものとすることができる。
【００３８】
図５は、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出する方法５００の実施形態を示すブロック図である。ブロック５０２において、燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下を検出することができる。例えば、この圧力低下は、上記のシステムの１つを使用することなどにより、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の圧力差を検出することによって検出することができる。ブロック５０４において、圧力低下が予測圧力低下を越えたことに応答して燃料ノズルの少なくとも１つ内に火炎が存在すると判定することができる。例えば、検出圧力低下を予測圧力低下と比較することによって火炎が存在することを判定することができる。幾つかの実施形態では、予測圧力低下は、該予測圧力低下の範囲とすることができ、このようなケースでは、検出圧力低下が、予測圧力低下の範囲内にないと決定することによって火炎が存在することを判定することができる。その後に、本方法５００は、終了する。実施形態では、本方法５００はさらに、火炎を消失させるステップを含むことができる。火炎は、あらゆる既知の又は今後開発される方法で、消滅させることができる。
【００３９】
上記には、本発明の実施形態による方法及びシステムのブロック図及び概略図を参照して、本発明の実施形態を説明している。図の各ブロック及び該図におけるブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実行することができることを理解されたい。これらのコンピュータプログラム命令は、１つ又はそれ以上の汎用コンピュータ、専用コンピュータ或いはその他のプログラム可能データ処理装置上にロードして、それらコンピュータ或いはその他のプログラム可能データ処理装置で実行する命令が１つ又は複数のブロックにおいて特定された機能を実行するための手段を構成するような機械を製作することができる。そのようなコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ読取り可能メモリ内に記憶させることができ、このコンピュータ読取り可能メモリがコンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置に指示して、コンピュータ読取り可能メモリ内に記憶させた命令が１つ又は複数のブロックにおいて特定された機能を実行する命令手段を含む製品を構成するように特定の方法で機能させることができる。
【００４０】
以上、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するための本システム及び方法は、燃料ノズルのアレイを有するガスタービンに関して説明しているが、本システム及び方法は、１つのみの燃料ノズルを有する燃焼器でも用いることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１００ ガスタービン
１０２ 吸気セクション
１０４ 圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ タービン
１１０ 排気セクション
１１２ 燃料ノズル
１１４ 燃焼器ケーシング
１１８ タービンケーシング
１２０ 燃焼（器）ライナ
１２２ 燃焼（器）チャンバ
１２４ ライナキャップ組立体
１２６ 移行ダクト
１２８ 出口
１３０ キャップ組立体
１３２ 流れスリーブ
１３４ 半径方向フランジ
１３６ 外壁
１３８ アパーチャ
１４０ 空気流路
２００ システム
２０４ 上流側圧力センサ
２０６ 下流側圧力センサ
２０８ 変換器
２１０ 制御装置
２５０ 統合型プローブ
２５２ 圧力センサ
２５４ 先端
２５６ 空気ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本開示は、総括的にはガスタービンの構成要素における火炎を検出するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機は、燃焼器に供給する加圧空気を発生させる。燃焼器は、燃料と共に加圧空気を燃焼させて、空気−燃料混合（燃焼）ガスを発生させ、この空気−燃料混合ガスをタービンに供給する。タービンは、空気−燃料混合ガスからエネルギーを取出して負荷を駆動する。
【０００３】
多くのケースで、ガスタービンは、幾つかの燃焼器を含む。燃焼器は、圧縮機とタービンとの間に配置することができる。例えば、圧縮機及びタービンは、共通軸線に沿って整列させることができ、また燃焼器は、圧縮機とタービンとの間において該タービンへの入口に共通軸線の周りでの円形アレイの形態で配置することができる。運転中に、圧縮機からの空気は、燃焼器の１つを通してタービン内に移動することができる。
【０００４】
燃焼器は、空気及び燃料を適切に燃焼させかつ効率を高めることを保証するような比較的高温で作動させることができる。燃焼器を高温で作動させた場合の１つの問題は、環境に悪影響を与えるおそれがある比較的高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する可能性があることである。
【０００５】
ＮＯｘエミッションを低減するために、幾つかの最新式のガスタービンは、燃料ノズルを用いている。例えば、各燃焼器は、予混合燃料ノズルのような幾つかの燃料ノズルによって支援することができ、それら燃料ノズルは、燃焼器への入口において該燃焼器の周りでの円形アレイの形態で配置することができる。通常運転時に、圧縮機からの空気は、燃料ノズルを介して燃焼器に流入する。燃料ノズル内において、空気は燃料と予混合されて空気−燃料混合気を形成する。空気−燃料混合気は次に、燃焼器内で燃焼される。空気及び燃料を予混合することにより、比較的より低温で燃焼器を作動させることが可能になり、それにより、燃焼プロセスの副産物として生成されるＮＯｘが低減される。
【０００６】
燃料ノズル内における予混合はＮＯｘエミッションの低減を可能にするが、燃料ノズルは、それ自体の問題がある。例えば、燃料ノズルは、発火するか又は火炎を保持する可能性がある。燃料ノズル内における火炎の１つの一般的理由は、火炎が燃焼器の燃焼ゾーンから燃料ノズル内に逆方向に移動する逆火である。燃料ノズル内における火炎の別の一般的理由は、燃料ノズルが、とりわけ燃料組成、燃料流量、空気流量又は燃料ノズル表面の異常により単独で発火する自己着火である。原因に関係なく、燃料ノズルは、火炎を保持又は持続させる傾向を持つ可能性があり、これにより、燃料ノズル又はガスタービンのその他の部分を損傷させるおそれがある。
【０００７】
燃料ノズル内における火炎を減少させるか又は排除する改善措置を取ることができるようにするために、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎の存在を検出する技術的方法が開発されてきた。これらの技術的方法の多くは、とりわけ温度センサ、光子放出センサ又はイオンセンサのようなセンサを用いている。一般的に、センサは、燃料ノズルのいずれか１つ内における火炎を検出することができるように、該燃料ノズルの各々内に配置される。しかしながら、各燃料ノズル内にセンサを配置することは、タービンが幾つかの燃焼器によって支援されまた各燃焼器が幾つかの燃料ノズルによって支援されることになっているので、極めて費用のかかるものとなる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，１６４，０５５号公報
【特許文献２】米国特許第６，３５７，２１６ Ｂ１号公報
【特許文献３】米国特許第６，４３８，９６１ Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許第６，７０８，５６８ Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第６，８４８，３１９ Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，８５７，３２０ Ｂ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，９７８，６８０ Ｂ２号公報
【特許文献８】米国特許第７，０１７，４１５ Ｂ２号公報
【特許文献９】米国特許第７，１１１，４６３ Ｂ２号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／００４６２１８ Ａ１号公報
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／０００６５９６ Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、ガスタービンの燃料ノズルのような該ガスタービンの構成要素内における火炎の存在を検出するシステム及び方法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本システムは、ガスタービンの燃料ノズルの周りの火炎を検出することができる。ガスタービンは、圧縮機及び燃焼器を有することができる。本システムは、第１の圧力センサと、第２の圧力センサと、変換器とを含むことができる。第１の圧力センサは、燃料ノズルの上流の第１の圧力を検出することができる。第２の圧力センサは、燃料ノズルの下流の第２の圧力を検出することができる。変換器は、第１の圧力センサと第２の圧力センサとの間の圧力差を検出するように動作可能とすることができる。
【００１１】
その他のシステム、装置、方法、特徴及び利点は、当業者には明らかであり、また以下の図及び詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。全てのそのような付加的なシステム、装置、方法、特徴及び利点は、本説明の範囲内に含まれることを意図しておりかつ特許請求の範囲で保護されることを意図している。
【００１２】
本開示は、以下の図面を参照することで一層よく理解することができる。同じ参照符号は、図全体を通して対応する部分を表しており、また図の構成要素は必ずしも尺度通りにはなっていない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを概略的に示すガスタービンの部分断面図。
【図２】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムの実施形態を示すブロック図。
【図３】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのプローブの実施形態を示す、ガスタービンの燃焼器の部分断面図。
【図４】図３に示すプローブの部分断面図。
【図５】ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出する方法の実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
下記で説明しているのは、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム及び方法である。本システム及び方法は、燃料ノズルにわたる（燃料ノズルの入口及び出口間の）圧力低下の増大を検出することによって該燃料ノズル内における火炎を検出することができる。例えば、本システム及び方法は、特定の燃焼器と関連する燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下の増大を検出することによって、該燃料ノズル内における火炎を検出することができる。圧力低下の増大は、その影響を受けた燃料ノズルを通って流れる空気の温度を上昇させかつ／又は該空気の密度を減少させる可能性がある火炎により発生することになる。空気のボリューム増大により、燃料ノズルの上流の圧力が上昇することになり、それにより、燃料ノズルにわたる圧力低下が増大することになる。
【００１５】
実施形態では、燃焼器と関連する燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下を決定することができる。燃料ノズルアレイの入口側の上流側圧力と該燃料ノズルアレイの出口側の下流側圧力との間の差を求めることによって圧力低下を検出することができる。圧力差が予測圧力差を越えた場合には、アレイの１つ又はそれ以上の燃料ノズル内において火炎が存在する可能性がある。従って、燃焼器の燃料ノズルのいずれか１つ内における火炎を検出するために、ノズルレベルの代わりに燃焼器レベルで検出を行なうので、センサを各燃料ノズルと関連させる（組合せる）ことは必要でないことになる。
【００１６】
実施形態では、圧力読取り値の精度を高めるために、上流側圧力及び下流側圧力をノズルアレイに近接させて検出することができる。例えば、上流側圧力は、燃焼器への空気流路内で検出することができ、また下流側圧力は、燃焼器の燃焼チャンバ内で検出することができる。そのような実施形態では、圧力差を検出するために、統合型プローブを用いることができる。統合型プローブは、燃焼器の流れスリーブを貫通して燃焼器チャンバ内に延びることができる。統合型プローブは、上流側圧力及び下流側圧力の両方を同時に検知するように配置することができる。幾つかのそのような実施形態では、統合型プローブは、その他の機能を果たすようにすることができる。例えば、統合型プローブは、燃焼器内のダイナミック圧力を監視するのに適した燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブを含むことができる。そのようなケースでは、ガスタービンからＣＤＭプローブを取外しかつその所定の位置に統合型プローブを設置することなどによって、燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを備えるようにガスタービンを改造することが、比較的容易かつ安価に行なうことができる。
【００１７】
図１は、燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステムを有するガスタービン１００の部分断面図である。図示するように、ガスタービン１００は一般的に、吸気セクション１０２、圧縮機１０４、１つ又はそれ以上の燃焼器１０６、タービン１０８及び排気セクション１１０を含む。各燃焼器１０６は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル１１２を含むことができる。燃料ノズル１１２は、アレイの形態で互いに並行に配置することができる。例えば、燃料ノズル１１２は、燃焼器１０６の長手方向軸線を中心として円形構成などの形態で該燃焼器１０６への入口の周りに配置することができる。
【００１８】
ガスタービン１００を通して、流路を形成することができる。通常運転時に、空気は、吸気セクション１０２を通してガスタービン１００に流入することができる。空気は、圧縮機１０４内に流入することができ、圧縮機１０４は、空気を加圧して加圧空気を形成することができる。加圧空気は、燃料ノズル１１２を通って流れることができ、燃料ノズル１１２は、加圧空気を燃料と混合して空気−燃料混合気を形成することができる。空気−燃料混合気は、燃焼器１０６内に流れることができ、燃焼器１０６は、空気−燃料混合気を燃焼させて高温ガスを発生させることができる。高温ガスは、タービン１０８内に流入することができ、タービン１０８は、高温ガスからエネルギーを取出して、排気ガスを形成することができる。その後、排気ガスは、排気セクション１１０を通してガスタービン１００から排出させることができる。
【００１９】
以下において、燃焼器１０６が燃料ノズル１１２のアレイを有するものとして説明しているが、１つのみの燃料ノズル１１２を設けることができることは当業者には分かるであろう。燃料ノズル１１２のアレイの近傍における流路の一部分に焦点を当てると、ノズルアレイにわたる圧力低下を予測することができる。通常運転時には、燃料ノズル１１２のアレイの上流側の圧力は、該燃料ノズル１１２のアレイの下流側の圧力を越えるものとすることができる。本発明の目的上、「上流側圧力」という用語は、圧縮機出口と燃料ノズル１１２のいずれか１つへの入口との間のポイントにおける加圧空気の静圧であると定義される。本明細書では、上流側圧力はまた、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）とも呼ばれる。上流側圧力は、圧縮機出口と燃料ノズル入口との間の流路に沿って変化させることができること、またこれらの圧力の各々は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）に相当することが、当業者には分かるであろう。当業者にはまた、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）は、圧縮機吐出口で正確に評価することができないことも分かるであろう。本発明の目的上、「下流側圧力」という用語は、燃焼器１０６内の静圧であると定義される。本明細書では、下流側圧力はまた、該下流側圧力が燃焼（器）チャンバ内から取出すことができるので、燃焼（器）チャンバ圧力（ＰＣＣ）とも呼ばれる。
【００２０】
上述したように、通常運転状態下では、上流側圧力は、下流側圧力を越えたものとすることができる。そのような上流側及び下流側圧力間の予測圧力差（ＰＣＤ−ＰＣＣ）は、流路に沿って流れを駆動することによって高めることができる。予測圧力差は、公知の範囲内のものとすることができ、その範囲は、例えばガスタービン１００の構成又は現在の運転状態に応じて変化させることができる。
【００２１】
幾つかの状況では、ガスタービン１００の1つ又はそれ以上の燃料ノズル１１２内において火炎が存在する可能性がある。火炎は、例えば逆火又は自己着火によるものである可能性がある。逆火は、燃焼器１０６の燃焼反応ゾーンから燃料ノズル１１２内への火炎の伝播を意味し、一方、自己着火は、燃料ノズル１１２内での空気−燃料混合気の自然発生的着火を意味する。しかしながら、あらゆるその他の理由で、火炎が、燃料ノズル１１２内に存在する可能性がある。
【００２２】
従って、ガスタービン１００は、該ガスタービン１００の燃料ノズル１１２内における火炎を検出するためのシステム２００を含むことができる。本システム２００は、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力差の増大を検出することによって、該燃料ノズル１１２のいずれか１つ内における火炎を検出することができる。
【００２３】
影響を受けた燃料ノズル１１２内において火炎が存在する場合には、その影響を受けた燃料ノズル１１２を通って移動する加圧空気は、より高温となりかつ膨張する可能性があり、このことは、その影響を受けた燃料ノズル１１２を通る空気流れ抵抗を増大させる可能性がある。従って、空気は、この影響を受けた燃料ノズル１１２を通って比較的流れることができにくくなる可能性がある。この影響を受けた燃料ノズル１１２を通る空気流量の減少を補償するために、残りの燃料ノズル１１２を通して加圧空気を導き直すことができる。従って、比較的より大きなボリュームの空気を比較的より狭い燃料ノズル空間を通して強制的に移動させることができ、それにより、燃料ノズル１１２の上流側圧力を高めることができる。
【００２４】
燃料ノズル１１２のいずれか１つが火炎を保持（保炎）している場合には、上流側圧力の増加及び下流側圧力の減少により、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力差を増大させる可能性がある。より具体的には、燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力低下は、予測圧力低下を越える可能性がある。別の言い方をすると、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の差は、燃料ノズル１１２のいずれか１つ内において火炎が存在する場合には、ガスタービン１００の通常運転時においてよりも比較的より大きなものになる可能性がある。例えば、圧力差は、所定の圧力よりも約５〜１０％ほど高いものになる可能性がある。そのような圧力差の変化をシステム２００によって検出して、燃料ノズル１１２の１つ又はそれ以上が火炎を保持していることを判定することができる。そのことを知ることにより、改善措置を取ってガスタービン１００を更なる損傷から保護することができる。例えば、あらゆる既知の又は今後開発される方法で、火炎を減少又は消滅させることができる。
【００２５】
図２は、ガスタービン１００の燃料ノズル１１２内における火炎を検出するためのシステム２００の実施形態を示すブロック図である。図示するように、本システム２００は、上流側圧力センサ２０４、下流側圧力センサ２０６及び変換器２０８を含むことができる。上流側圧力センサ２０４は、圧縮機１０４と燃料ノズル１１２との間に配置することができる。上流側圧力センサ２０４は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）を検出することができる。下流側圧力センサ２０６は、少なくとも部分的に燃焼器１０６内に配置することができる。下流側圧力センサ２０６は、燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）を検出することができる。圧力センサ２０４、２０６は、差圧変換器のような変換器２０８と動作可能に組合せることができる。変換器２０８は、上流側圧力及び下流側圧力間の圧力差を検出することができる。圧力センサ２０４、２０６は、あらゆる可能な方法で変換器２０８に接続することができる。例えば、圧力センサ２０４、２０６は、変換器２０８に動作可能に接続された別個の物理的構成要素とすることができ、或いは圧力センサ２０４、２０６は、変換器２０８の具象的機能とすることができる。言い換えると、変換器２０８は、上流側圧力の独立測定を行なうこと、下流側圧力の独立測定を行なうこと及び２つの測定値を差引いて圧力差を求めることの代わりに、上流側及び下流側圧力間の圧力差を検出することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、圧力センサ２０４、２０６は、幾つかの圧力変換器と動作可能に組合せることができ、それにより、火炎の冗長検出を可能にすることができかつ火炎の誤表示の可能性を減少させることができる。また、幾つかの実施形態では、上記と同じ理由により、幾つかの圧力センサ２０４、２０６は、１つ又は幾つかの圧力変換器２０８と動作可能に組合せることができる。そのようなケースでは、典型的なボウティング（ｖｏｔｉｎｇ）法を用いて、火炎の誤表示が発生しているかどうかを判定することができる。
【００２７】
実施形態では、システム２００はさらに、制御装置２１０を含むことができる。制御装置２１０は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組合せを使用して、本明細書に記載した機能を実行するように動作させることができる。実例として、制御装置２１０は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、コンパレータ、差動モジュール又はその他のハードウェア手段とすることができる。同様に、制御装置２１０は、メモリ内に記憶させかつプロセッサ又はその他のプロセッシング手段によって実行可能とすることができるソフトウェア又はその他のコンピュータ実行可能命令を含むことができる。
【００２８】
制御装置２１０は、変換器２０８による検出圧力差を例えば信号などによって受信することができる。制御装置２１０はまた、予測圧力差も知ることができる。例えば、制御装置２１０は、該制御装置２１０のメモリ内などに予測圧力差を記憶させることができる。制御装置２１０はまた、特にガスタービン１００の既知のパラメータ又は該ガスタービン１００の測定運転状態にアルゴリズムを適用することなどによって予測圧力差を決定することができる。制御装置２１０は、検出圧力差を予測圧力差と比較することができ、また検出圧力差が予測圧力差を越えている場合には、制御装置２１０は、ガスタービン１００内において火炎状態が存在することを表示することができる。幾つかの実施形態では、予測圧力差は、許容可能な圧力差の範囲を含むことができ、このようなケースでは、制御装置２１０は、検出圧力差を予測圧力差の範囲と比較して、検出圧力差がその範囲内にあるか否かを判定することができる。検出圧力差が、その範囲内にない場合には、制御装置２１０は、燃料ノズル１１２内における火炎の存在を表示することができる。
【００２９】
実施形態では、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２に近接して配置することができる。図３及び図４には、そのような構成を示しており、これらに図では、それぞれガスタービン１００の燃焼器１０６及び統合型プローブ２５０の部分断面図を示している。図示するように、燃焼器１０６の外面は、燃焼器ケーシング１１４によって形成することができる。燃焼器ケーシング１１４は、該燃焼器ケーシング１１４とタービンケーシング１１８（部分的に示す）との間で延びるボルト１１６などによって燃焼器１０６をタービン１０８に固定するのに適したものとすることができる。燃焼器ケーシング１１４は、その形状をほぼ円筒形とすることができる。燃焼器ケーシング１１４の内面上に燃焼ライナ１２０を配置することができる。燃焼ライナ１２０もまた、その形状をほぼ円筒形とすることができかつ燃焼器ケーシング１１４に関して同心に配置することができる。燃焼ライナ１２０は、燃焼（器）チャンバ１２２の周辺部を構成することができ、燃焼チャンバ１２２は、上述のように空気−燃料混合気を燃焼させるのに適したものとすることができる。燃焼チャンバ１２２は、その入口端部をライナキャップ組立体１２４によって境界付けまたその出口端部を移行ダクト１２６によって境界付けることができる。移行ダクト１２６は、燃焼器１０６の出口１２８をタービン１０８の入口と連結して、空気−燃料混合気の燃焼時に生成された高温ガスをタービン１０８内に導くことができるようにする。
【００３０】
空気−燃料混合気を燃焼チャンバ１２２に供給するために、燃焼チャンバ１２２の内部と流体連通状態で幾つかの燃料ノズル１１２を配置することができる。燃料ノズル１１２は、燃焼器１０６の入口端部において互いに平行に配置することができる。より具体的には、燃料ノズル１１２は、入口端部において燃焼器ケーシング１１４を囲むキャップ組立体１３０を貫通してかつ該入口端部において燃焼チャンバ１２２を囲むライナキャップ組立体を貫通して延びることができる。燃料ノズル１１２は、圧縮機１０４から空気を受けることでき、その空気を燃料と混合して空気−燃料混合気を形成することができ、かつその空気−燃料混合気を燃焼のために燃焼チャンバ１２２内に導くことができる。この図示した実施形態では、分かり易くするために、１つの燃料ノズル１１２のみを詳細に図示している。
【００３１】
圧縮機１０４からの空気が燃料ノズル１１２に到達することができるようにするために、燃焼器１０６の周りに流れスリーブ１３２を配置することができる。図示するように、流れスリーブ１３２は、その形状をほぼ円筒形とすることができかつ燃焼器ケーシング１１４と燃焼（器）ライナ１２０との間に同心に配置することができる。より具体的には、流れスリーブ１３２は、燃焼器ケーシング１１４の半径方向フランジ１３４と移行ダクト１２６の外壁１３６との間で延びることができる。移行ダクト１２６近くで流れスリーブ１３２を貫通してアパーチャ１３８のアレイを形成することができる。アパーチャ１３８は、圧縮機１０４からの空気を該圧縮機１０４から燃料ノズル１１２に向かって逆方向に流すのを可能にすることができる。より具体的には、矢印で示すように、流れスリーブ１３２と燃焼器ライナ１２０との間の環状空間として形成された空気流路１４０に沿って空気を流すことができる。
【００３２】
上述したように、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２に近接して配置することができ、それにより、圧力読取り値が不正確になる可能性を減少させることができる。例えば、上流側圧力センサ２０４は、流れスリーブ１３２と燃焼ライナ１２０との間の空気流路１４０内に配置し、それにより、燃料ノズル１１２のアレイに近接して圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）を検出するのを可能にすることができる。同様に、下流側圧力センサ２０６は、燃焼ライナ１２０近くに又は燃焼チャンバ１２２内に配置し、それにより、燃料ノズル１１２のアレイに近接して燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）を検出するのを可能にすることができる。センサ２０４、２０６を燃料ノズル１１２のアレイに近接して配置することによって、センサ２０４、２０６は、燃料ノズル１１２内における火炎以外の原因に起因する圧力異常を検出する可能性を比較的より少なくすることができる。
【００３３】
実施形態では、上流側及び下流側圧力センサ２０４、２０６は、統合型プローブ２５０の構成要素とすることができる。統合型プローブ２５０は、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の差のような、燃料ノズル１１２にわたる（燃料ノズル１１２の入口及び出口間の）圧力差の増大を検出するように動作可能とすることができる。例えば、統合型プローブ２５０は、差圧プローブとすることができる。
【００３４】
図３及び図４に示すように、プローブ２５０は、燃焼器１０６と組合せることができる。具体的には、プローブ２５０は、燃焼器ケーシング１１４、流れスリーブ１３２及び燃焼ライナ１２０を貫通して、燃焼チャンバ１２２内に延びることができる。上流側圧力センサ２０４は、流れスリーブ１３２と燃焼ライナ１２０との間のような、燃焼器１０６への空気流路１４０内に配置された状態になっているプローブ２５０の一部分上に配置することができる。下流側圧力センサ２０６は、燃焼器チャンバ１２２内に配置された状態になっているプローブ２５０の一部分上に配置することができる。従って、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）及び燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）の両方は、単一プローブ２５０を使用して検知することができる。図４に示すように、統合型プローブ２５０はまた、変換器２０８を含むことができる。この図示した実施形態では制御装置２１０を示していないが、プローブ２５０はまた、制御装置２１０を含むことができる。それに代えて、制御装置２１０は、プローブ２５０から分離させることができる。
【００３５】
実施形態では、燃焼器チャンバ１２２内での下流側圧力センサ２０６の位置決めは、該下流側圧力センサ２０６への燃焼チャンバ１２２内の温度の影響を減少させるように選択することができる。例えば、燃焼チャンバ１２２内の温度は、下流側圧力センサ２０６が耐えることができる温度を越える可能性がある。従って、下流側圧力センサ２０６は、該下流側圧力センサ２０６の先端２５４が燃焼ライナ１２０近くに位置するように、燃焼チャンバ内に配置することができる。例えば、図示するように、先端２５４は、燃焼ライナ１２０とほぼ同一平面にすることができる。幾つかのケースでは、先端２５４の周りに、僅かな空気ギャップ２５６を形成することができる。空気ギャップ２５６は、冷却空気流れを可能とすることができ、それにより、下流側圧力センサ２０６への温度の影響をさらに減少させることができる。
【００３６】
統合型プローブ２５０は、該統合型プローブ２５０が燃料ノズル１１２のアレイにわたる圧力低下を検出することによって該燃料ノズル１１２のいずれか１つ内における火炎を検出することができるので、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するためのシステム２００を備えるようにガスタービンを改造する費用を低減することができる。個々のセンサは、各燃料ノズル１１２内には必要でなくて、実装及び保守費用を低減することができる。
【００３７】
実施形態では、統合型プローブ２５０は、燃焼（器）ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブのような、ガスタービンの既存のプローブと組合せることができる。燃焼ダイナミックス監視（ＣＤＭ）プローブは、燃焼チャンバ１２２のダイナミック圧力（動的圧力（動圧））のような、ガスタービンのパラメータを測定するために使用することができる。そのような実施形態では、下流側圧力センサ２０６は、燃焼チャンバ１２２からの動圧信号を統合型プローブ２５０上に設置された動圧センサ２５２に送信するのを可能にする同心軸方向ボアを有することができる。そのような実施形態では、統合型プローブ２５０を備えるようにガスタービンを改造することは、既存の燃焼ダイナミック監視（ＣＤＭ）プローブを図４に示す統合型プローブ２５０と置き換えることのような簡単なものとすることができる。
【００３８】
図５は、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出する方法５００の実施形態を示すブロック図である。ブロック５０２において、燃料ノズルのアレイにわたる圧力低下を検出することができる。例えば、この圧力低下は、上記のシステムの１つを使用することなどにより、圧縮機吐出圧力（ＰＣＤ）と燃焼器チャンバ圧力（ＰＣＣ）との間の圧力差を検出することによって検出することができる。ブロック５０４において、圧力低下が予測圧力低下を越えたことに応答して燃料ノズルの少なくとも１つ内に火炎が存在すると判定することができる。例えば、検出圧力低下を予測圧力低下と比較することによって火炎が存在することを判定することができる。幾つかの実施形態では、予測圧力低下は、該予測圧力低下の範囲とすることができ、このようなケースでは、検出圧力低下が、予測圧力低下の範囲内にないと決定することによって火炎が存在することを判定することができる。その後に、本方法５００は、終了する。実施形態では、本方法５００はさらに、火炎を消失させるステップを含むことができる。火炎は、あらゆる既知の又は今後開発される方法で、消滅させることができる。
【００３９】
上記には、本発明の実施形態による方法及びシステムのブロック図及び概略図を参照して、本発明の実施形態を説明している。図の各ブロック及び該図におけるブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実行することができることを理解されたい。これらのコンピュータプログラム命令は、１つ又はそれ以上の汎用コンピュータ、専用コンピュータ或いはその他のプログラム可能データ処理装置上にロードして、それらコンピュータ或いはその他のプログラム可能データ処理装置で実行する命令が１つ又は複数のブロックにおいて特定された機能を実行するための手段を構成するような機械を製作することができる。そのようなコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ読取り可能メモリ内に記憶させることができ、このコンピュータ読取り可能メモリがコンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置に指示して、コンピュータ読取り可能メモリ内に記憶させた命令が１つ又は複数のブロックにおいて特定された機能を実行する命令手段を含む製品を構成するように特定の方法で機能させることができる。
【００４０】
以上、ガスタービンの燃料ノズル内における火炎を検出するための本システム及び方法は、燃料ノズルのアレイを有するガスタービンに関して説明しているが、本システム及び方法は、１つのみの燃料ノズルを有する燃焼器でも用いることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１００ ガスタービン
１０２ 吸気セクション
１０４ 圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ タービン
１１０ 排気セクション
１１２ 燃料ノズル
１１４ 燃焼器ケーシング
１１８ タービンケーシング
１２０ 燃焼（器）ライナ
１２２ 燃焼（器）チャンバ
１２４ ライナキャップ組立体
１２６ 移行ダクト
１２８ 出口
１３０ キャップ組立体
１３２ 流れスリーブ
１３４ 半径方向フランジ
１３６ 外壁
１３８ アパーチャ
１４０ 空気流路
２００ システム
２０４ 上流側圧力センサ
２０６ 下流側圧力センサ
２０８ 変換器
２１０ 制御装置
２５０ 統合型プローブ
２５２ 圧力センサ
２５４ 先端
２５６ 空気ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１０４）及び燃焼器（１０６）を有するガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）の周りの火炎を検出するためのシステム（２００）であって、
前記燃料ノズル（１１２）の上流の第１の圧力を検出する第１の圧力センサ（２０４）と、
前記燃料ノズル（１１２）の下流の第２の圧力を検出する第２の圧力センサ（２０６）と、
前記第１の圧力及び第２の圧力間の圧力差を検出するように動作可能な変換器（２０８）と、を含む、
システム（２００）。
【請求項２】
前記第１の圧力センサ（２０４）が、前記燃焼器（１０６）への空気流路（１４０）内に配置される、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項３】
前記空気流路（１４０）が、前記燃焼器（１０６）のケーシング（１１４）と該燃焼器（１０６）のチャンバ（１２２）との間の領域を含む、請求項２記載のシステム（２００）。
【請求項４】
前記第２の圧力センサ（２０６）が、前記燃焼器（１０６）のチャンバ（１２２）内に配置される、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項５】
前記変換器（２０８）が、差圧変換器を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項６】
統合型プローブ（２５０）をさらに含み、
前記統合型プローブ（２５０）が、前記燃焼器（１０６）への空気流路（１４０）を貫通して燃焼チャンバ（１２２）内に延びる、
請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項７】
前記第１の圧力センサ（２０４）が、前記空気流路（１４０）内に配置された前記統合型プローブ（２５０）の一部分上に設置され、また
前記第２の圧力センサ（２０６）が、前記燃焼チャンバ（１２２）内に配置された前記統合型プローブ（２５０）の一部分上に設置される、
請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項８】
前記統合型プローブ（２５０）が、燃焼ダイナミックス監視プローブをさらに含む、請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項９】
前記統合型プローブ（２５０）が、燃焼ダイナミックス監視を実行するようにさらに動作可能である、請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項１０】
前記圧力差が所定の圧力差を越えたことに応答して前記ガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）内に前記火炎が存在することを表示するように動作可能な制御装置（２１０）をさらに含む、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項１】
圧縮機（１０４）及び燃焼器（１０６）を有するガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）の周りの火炎を検出するためのシステム（２００）であって、
前記燃料ノズル（１１２）の上流の第１の圧力を検出する第１の圧力センサ（２０４）と、
前記燃料ノズル（１１２）の下流の第２の圧力を検出する第２の圧力センサ（２０６）と、
前記第１の圧力及び第２の圧力間の圧力差を検出するように動作可能な変換器（２０８）と、を含む、
システム（２００）。
【請求項２】
前記第１の圧力センサ（２０４）が、前記燃焼器（１０６）への空気流路（１４０）内に配置される、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項３】
前記空気流路（１４０）が、前記燃焼器（１０６）のケーシング（１１４）と該燃焼器（１０６）のチャンバ（１２２）との間の領域を含む、請求項２記載のシステム（２００）。
【請求項４】
前記第２の圧力センサ（２０６）が、前記燃焼器（１０６）のチャンバ（１２２）内に配置される、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項５】
前記変換器（２０８）が、差圧変換器を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項６】
統合型プローブ（２５０）をさらに含み、
前記統合型プローブ（２５０）が、前記燃焼器（１０６）への空気流路（１４０）を貫通して燃焼チャンバ（１２２）内に延びる、
請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項７】
前記第１の圧力センサ（２０４）が、前記空気流路（１４０）内に配置された前記統合型プローブ（２５０）の一部分上に設置され、また
前記第２の圧力センサ（２０６）が、前記燃焼チャンバ（１２２）内に配置された前記統合型プローブ（２５０）の一部分上に設置される、
請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項８】
前記統合型プローブ（２５０）が、燃焼ダイナミックス監視プローブをさらに含む、請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項９】
前記統合型プローブ（２５０）が、燃焼ダイナミックス監視を実行するようにさらに動作可能である、請求項６記載のシステム（２００）。
【請求項１０】
前記圧力差が所定の圧力差を越えたことに応答して前記ガスタービン（１００）の燃料ノズル（１１２）内に前記火炎が存在することを表示するように動作可能な制御装置（２１０）をさらに含む、請求項１記載のシステム（２００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１５９７３９（Ｐ２０１０−１５９７３９Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−２５４４８５（Ｐ２００９−２５４４８５）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５４４８５（Ｐ２００９−２５４４８５）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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