JPH0476232A - ガスタービン機関の消炎予測判別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン機関の消炎予測判別装置に係り、
特に熱交換器を備えたガスタービン機関の燃焼器の消炎
を予測判別する消炎予測判別装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来の
ガスタービン機関の燃料供給装置が特開昭５０−３１２
１１号公報に記載されている。この燃料供給装置は、ガ
スタービン機関の消炎とストールとが発生しないように
するために、実際機関速度に対応する電気信号と希望機
関速度に対応する電気信号との偏差に対応して、機関へ
供給する燃料量の下限値を設定している。また、英国特
許９４６１１１号には、ガスタービン機関の消炎とスト
ールとが発生しないようにするために、燃料供給量の上
下限値を設定している。この上下限値は吸入空気温度Ｔ
と機関速度Ｎａとによって、または更に燃焼器人口のコ
ンプレッサ圧力Ｐを加えて補正されている。吸入空気温
度Ｔを用いたのは、大気の温度状態を考慮したものであ
り、定常運転時ではコンプレッサの圧縮により、外気温
の空気は温度上昇し、燃焼器人口の吸入空気温度Ｔは最
大で４００℃程度となる。

しかしながら、上記従来のガスタービン機関は、空気を
加熱する熱交換器を用いないガスタービン機関であり、
燃焼器に供給される空気の温度変化が比較的少ないのに
対し、自動車用ガスタービン機関は、圧縮された空気を
更に加熱して燃焼器に供給するための熱交換器が燃焼器
上流側に設けられているため、燃焼器入口の空気温度が
大きく変化する。このため、可燃限界は熱交換器が設け
られていないガスタービン機関に比較して全く異なった
ものになる。すなわち、燃焼器入口の空気温度が機関速
度に対応せず、条件によって大きく変動するため、例え
ば、高速高負荷運転からアイドル状態まで減速した場合
を考えると、可燃限界が燃料減速ライン上にあると火炎
が吹き消えて消炎が発生することになる。このため、消
炎を精度よく予測判別することが重要になる。

従って、本発明は燃焼器の消炎を精度よく予測判別する
ことができるガスタービン機関の消炎予測判別装置を提
供することを目的とする。

本発明に関連する特開昭６３−３０６３１０号公報には
、燃焼器内の火炎から光パワー信号を検出し、この光パ
ワー信号を周波数解析してパワースペクトルを求め、こ
のパワースペクトルを利用して燃焼状態を検知し、燃焼
状態を最適燃焼状態に制御する技術が開示されている。

この技術によれば燃焼状態を最適に制御することができ
るが、本発明が目的とする消炎を精度よく予測判別する
ことはできない。

〔課題を解決するた島の手段〕

上記目的を達成するために本発明のガスタービン機関の
消炎予測判別装置は、燃焼器内の火炎から発生する光を
検知する火炎検知手段と、前記火炎検知手段から出力さ
れた信号を周波数分析してパワースペクトルを求める周
波数分析手段と、前記パワースペクトルから前記火炎の
変動に対応する火炎変動情報を演算する火炎変動演算手
段と、空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比
と前記火炎変動情報とに基づいて消炎の発生を予測判別
する消炎予測判別手段と、を含んで構成したものである
。

〔作用〕

本発明の火炎検知手段は、燃焼器内の火炎から発生する
光を検知する。周波数分析手段は火炎検知手段から出力
された信号を周波数分析してパワースペクトルを求める
。火炎変動演算手段は周波数分析手段で求められたパワ
ースペクトルから火炎の変動に対応する火炎変動情報を
演算する。空燃比検出手段は、燃焼器に供給される吸気
量と燃料量とから定まる空燃比を検出するか、あるいは
排ガスの空燃比を検出する。消炎予測判別手段は、前記
空燃比検出手段から出力される空燃比と前記火炎変動演
算手段から出力される火炎変動情報とに基づいて消炎を
予測判別する。本発明者等の実験によれば、燃焼器の消
炎は空燃比が所定値以上の領域で発生し易くなり、消炎
が発生し易い領域では火炎変動情報は空燃比の単調関数
で変化する。

したがって、空燃比と火炎変動情報とに基づいて消炎を
精度よく予測判別することができる。

消炎の発生を予測判別するにあたっては、第１図に示す
ように、空気の流量と燃料供給量とから定まる空燃比に
基づいて火炎検知手段から出力された信号を周波数分析
手段に人力させるか否かを決定し、周波数分析手段で人
力された信号からパワースペクトルを求めてもよい。こ
のときには、火炎変動演算手段によってパワースペクト
ルから火炎変動情報を演算し、火炎変動判別手段によっ
て火炎変動情報の大きさを判別することにより消炎の発
生を予測判別する。このようにすれば、空燃比に基づい
て定まりかつ消炎が発生し易い領域における火炎検知手
段から出力された信号にのみ基づいて消炎の発生を予測
判別することができる。

また、第２図に示すように空燃比演算手段で空燃比を演
算すると共に、火炎変動演算手段で周波数分析手段で求
められたパワースペクトルから火炎変動情報を演算し、
この空燃比と火炎変動情報とに基づいて消炎の発生を予
測判別するようにしてもよい。このようにすれば、空燃
比の大きさと火炎変動情報の大きさとから消炎の発生を
予測判別することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、空燃比とパワース
ペクトルから求約た火炎変動情報とから消炎の発生を予
測判別しているため、正確に消炎の発生を予測判別する
ことができる、という効果が得られる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の第１の実施例を詳細に説明
する。第３図に示すように、空気を圧縮するコンプレッ
サ３０は、燃焼ガスによって駆動されるタービン３２に
連結されている。またタービン３２に対応して出力軸３
６を備えた出力タービン３４が配置されている。タービ
ン３２に燃焼ガスを供給するように燃焼器３８が配置さ
れており、燃焼器３８の上流側には、タービン３２およ
びタービン３４を介して供給された燃焼ガスによってコ
ンプレッサ３０で加熱された空気を加熱するた狛の熱交
換器４２が配置されている。

燃焼器３８は第４図に示すように、有底円筒状のケーシ
ング１０と、ケーシング１０との間に空間が形成される
ようにケーシング１０内に収納された有底円筒状のライ
ナ１２とを備えている。ケーシング１０の底面を貫通し
て燃料噴射弁１６が取付けられている。また、ライナ１
２の底面には一次空気と燃料とを混合するためのスワー
ラ１４が取付けられており、このスワーラ１４は燃料噴
射弁１６の燃料噴射口に連結されている。ライナ１２の
スワーラ１４側壁面には、ライナ１２内に二次空気を導
入するための円形の二次空気導入口１８が周方向に沿っ
て所定間隔隔てて複数個穿設されている。また、ライナ
１２の燃焼器出口２２側壁面には、希釈空気を導入する
ための円形の希釈空気導入口２０が周方向に沿って所定
間隔隔てて複数個穿設されている。そして、ケーシング
１０の側壁を貫通してライナ１２内へ突出するように点
火プラグ２６が取付けられている。ライナ１２の点火プ
ラグ２６近傍の部位を貫通して炎センサ７０が設けられ
ている。この炎センサ７０は、第３図に示すように、ラ
イナ１２を貫通する光ファイバ７０Ａと光ファイバ７０
Ａの燃焼室外側端部に設けられたフォトダイオードやフ
オトトランジスク等の受光素子７０Ｂとで構成されてい
る。

ライナ１２とケーシング１０との間に形成された空間は
空気が通過する空気通路２４として作用する。

この燃焼器によれば、ケーシング１０とライナ１２との
間の空気通路２４より、コンプレッサ３０で圧縮された
空気（燃焼用空気）が熱交換器４２で加熱された後に、
燃焼器３８に供給される。

この空気は、スワーラ１４によって一次空気としてライ
ナＩ２内に供給されると共に、二次空気導入口１８を通
って二次空気、希釈空気導入口２０を通って希釈空気と
してそれぞれライナ１２内に供給される。燃料噴射弁１
６から噴射された燃料は、スワーラ１４によって供給さ
れる旋回流である一次空気と混合されつつ点火プラグ２
６によって点火されて一次燃焼する。この−次燃焼した
混合気は、二次空気導入口１８から供給される二次空気
によって二次燃焼し、希釈空気導入口２０から供給され
る希釈空気によって希釈され、燃焼ガスの平均温度がタ
ービンに供給するのに適した温度まで下げられると共に
、燃焼器出口２２での燃焼ガス温度分布が均一化されて
燃焼器出口２２から排出される。そして、この燃焼ガス
によってタービンが駆動される。

ライナ１２内の燃焼ガスの消炎は、−次燃焼および二次
燃焼における火炎の伝播速度に比べ、空気の流速が大き
くなり過ぎた場合に、この空気によって火炎が吹き飛ば
されることによって発生する。

本発明者等の第４図に示した燃焼器に圧縮かつ加熱した
空気を供給して燃焼させた実験によれば、消炎の発生す
る条件は、第８図および第９図に示すように燃焼器入口
の空気の温度Ｔａと燃焼器人口の空気の圧力Ｐａとによ
って大きく変化した。

第８図は燃焼器人口空気の温度Ｔａが３２０℃の場合を
示し、空気の圧力Ｐａが大きくなるにしたがって可燃範
囲が拡大、すなわち消炎範囲が減少している。第９図は
、空気の圧力Ｐａを２ｋｇ／ｃ＋＋ｆとした場合を示し
、空気の温度Ｔａが高くなるにしたがって可燃範囲が拡
大、すなわち消炎範囲が減少している。しかしながら、
空気の温度Ｔａの上昇に伴う可燃範囲の拡大の方が空気
の圧力Ｐａの上昇に伴う可燃範囲の拡大よりもさらに大
きなものである。このため、空気を圧縮、加熱するガス
タービン機関においては、燃焼器人口の空気の温度Ｔａ
　（定常運転時、４００℃〜７００℃程度）、空気の流
量Ｇａ等を考慮しなければならない。

本発明者等が、第４図に示す燃焼器に圧縮かつ加熱され
た空気を供給して消炎について実験を進約たところ、空
気の流量Ｇａ、空気の温度Ｔａ。

空気の圧力ｐａに基づいて最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎを
決定し、この最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎ以上の燃料供給
を行えば消炎が発生しないことを見出した。

実験によれば、この最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎの最適な
値は以下の（１）式で与えられた。

Ｇｆｍｉｎ＝Ｋ　ｌ　・Ｐ　ａ１／２・Ｔａ　’　・Ｇ
ａ２・・−（１）ただし、Ｋ１は係数である。

上記の（１）式における係数に１は、以下で説明するよ
うに燃焼器内の消炎を検出し、この消炎が発生する直前
の燃料供給量となるように変更される。

また、最大燃料供給量Ｇｆｍａｘは以下の（２）式で与
えられる。

Ｇｆｍａｘ＝　　（Ｋ２−に３　・Ｔａ）　　・Ｇａ−
・Ｃ２）ここで、Ｋ２、Ｋ３は正の定数である。この定
数に２、Ｋ３は、最大燃料供給量Ｇｆｍａｘて燃焼させ
たときの燃焼ガス温度が燃焼器やタービン等の耐熱限界
温度以上とならないように実験によって定めることがで
きる。

この最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎを決定するため、燃焼器
３８の人口には、第３図に示すように、空気の温度Ｔａ
、空気の圧力Ｐａおよび空気の流量Ｇａを各々検出する
複数のセンサから成るセンサ群４０が取付けられている
。センサ群４０で検出された温度Ｔａ、圧力Ｐａおよび
空気の流量Ｇａの各信号は最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎに
対応する信号を発生するＧｆｍｉｎ関数発生器５２、最
大燃料供給量Ｇｆｍａｘに対応する信号を発生するＧ　
ｆｍａｘ関数発生器５０およびゲート回路７４に人力さ
れる。

このＧｆｍｉｎ関数発生器５２には最小燃料供給量演算
用の係数に１を演算する係数に１演算器５４が接続され
ている。Ｇ　ｆｍａｘ関数発生器５０の出力端は上限値
用ダイオード５６のカソードに接続され、Ｇｆｍｉｎ関
数発生器５２の出力端は下限値用ダイオード５８のアノ
ードに接続されている。Ｇｆｍａｘ関数発生器５０は、
最大燃料供給量Ｇｆｍａｘに対応したレベルの信号を出
力し、Ｇｆｍｉｎ関数発生器５２は、最小燃料供給量Ｇ
ｆｍｉｎに対応したレベルの信号を出力する。上限値用
ダイオード５６のアノードおよび下限値用ダイオード５
８のカソードは、燃料供給量Ｇｆに対応したレベルの信
号を発生する燃料供給量信号発生器６０の出力端に接続
されている。この燃料供給量信号発生器６０の出力端は
、燃料噴射弁１６に接続された流量調整器付燃料噴射ポ
ンプ４４およびゲート回路７４に接続されている。また
、燃料供給量信号発生器６０の入力端にはアクセルペダ
ル６４の踏込み量に応じた信号を出力する運転者制御器
６２が接続されている。

上記の炎センサ７０は、ゲート回路７４に接続されてい
る。ゲート回路７４には、センサ群４０の中の空気の流
量を検出するセンサおよび燃料供給量信号発生器６０が
接続され、燃料供給量Ｇｆ倍信号よび空気の流量Ｇａ信
号が人力されている。

ゲート回路７４は、空燃比Ｇａ／Ｇｆが所定値（例えば
、２００）以上の時に炎センサ７０の出力信号を通過さ
せる。ゲート回路７４は、パワースペクトルを演算する
周波数分析器７６に接続されている。周波数分析器７６
は、火炎変動情報を演算する演算器７８に接続されてい
る。演算器７８は火炎変動情報の大きさを判別して消炎
の発生を予測判別する判別器８０に接続されている。判
別器８０は係数に１を演算する係数に１演算器５４に接
続され、係数に１演算器５４はＧｆｍｉｎ関数発生機５
２に接続されている。

以下本実施例の作用を説明する。コンプレッサ３０によ
って圧縮された空気は空気流路４６を介して熱交換器４
２に供給されて加熱される。熱交換器４２で加熱された
空気は燃焼器３８に供給され、燃料噴射弁１６から噴射
された燃料と混合されて上記で説明したように燃焼され
る。燃焼ガスは燃焼器３８を介して供給され、タービン
３２および出力タービン３４を回転させた後、熱交換器
４２を介して排出される。

Ｇ　ｆｍａｘ関数発生器５０は、センサ４０で検出され
た空気の温度Ｔａと流量Ｇａとに基づいて上記（２）式
にしたがって演算したレベルの最大燃料供給量信号を出
力する。Ｇｆｍｉｎ関数発生器５２は、センサ群４０で
検出された空気の温度Ｔａ、圧力Ｐａおよび流量Ｇａに
基づいて上記（１）式にしたがって最小燃料供給量を演
算し、最小燃料供給量に対応したレベルの信号を出力す
る。燃料供給量信号発生器６０は、アクセルペダル６４
の踏込み量に応じた燃料供給量信号を発生する。燃料供
給量信号のレベルが最大燃料供給量のレベルよりも大き
くなるときには、上限値用ダイオード５６のアノードの
電位がカソードの電位よりも高くなるため、上限値用ダ
イオード５６のアノードとカソードとの電位が等しくな
るまで、燃料供給量信号発生器６０からＧｆｍａｘ関数
発生器５０方向に電流が流れ、これによって燃料供給量
信号のレベルが最大燃料供給量信号のレベル以上になら
ないように制限される。また、燃料供給量信号のレベル
が最小燃料供給量信号のレベルより低下する場合には、
下限値用ダイオード５８のカソードの電位が下限値用ダ
イオード５８のアノードの電位よりも低くなるた約、下
限値用ダイオード５８のカソードとアノードとの電位が
等しくなるまで、Ｇｆｍｉｎ関数発生器５２から調整器
付５燃料噴射ポンプ４４方向に電流が流れ、これによっ
て燃料供給量信号のレベルが最小燃料供給量信号のレベ
ル未満にならないように制限される。調整器付燃料噴射
ポンプ４４は、上限値用ダイオード５６および下限値用
ダイオード５８によってレベルが所定範囲内の値になる
ように制限された燃料供給量信号によって燃料噴射弁１
６を制御し、ライナ１２内に燃料を噴射する。

空燃比Ｇａ／Ｇｆ所定値以上になるとゲート回路７４が
開かれ、炎センサ７０出力が通過可能になる。火炎が発
生すると炎センサ７０によって火炎から発生する光が検
知され、この検知信号はゲート回路７４を通過して周波
数分析器７６に人力される。周波数分析器７６は炎セン
サ７０から出力された信号からパワースペクトルを演算
する。

このパワースペクトルは第５図に示すように周波数に応
じて変化する。演算器７８は周波数分析器７８で演算さ
れたパワースペクトルに基づいて以下の式に従って火炎
変動情報りを演算する。

Ｄ−・　・　・（３） ただし、Ａは全周波数（例えば、０〜２００Ｈｚ）に亘
るパワースペクトルの積分値、Ｂは特定周波数領域（例
えば、０〜２０Ｈｚ程度までの領域）のパワースペクト
ルの積分値である。判別器８０は、火炎変動情報りが所
定値（例えば、９０％）以下であるか否かを判断するこ
とにより消炎の発生を予測判別する。第７図に示すよう
に、空燃比Ｇａ／Ｇｆが２００以上の領域で消炎が発生
し、この時火炎変動情報りは最大値（９８％程度）から
徐々に単調減少しているた必、空燃比が所定値以上の領
域で火炎変動情報りが所定値（９０％）以下か否かを判
断することにより消炎を精度よく予測判別することがで
きる。なお、消炎が発生する直前では、火炎変動情報り
が最大値から単調減少しているため、火炎変動情報りが
最大値から減少しているか否かを判断することにより消
炎の発生を予測判別することも可能である。

なお、火炎変動情報りは以下の式で定めてもよい。

Ｄ−・　・　・（４） ただし、Ｊは、第６図に示すように、全周波数領域のパ
ワースペクトルの最大値、Ｋは特定周波数帯域（例えば
、５〇七から最大周波数までの領域）のパワースペクト
ルの最大値である。

上記（４）式の火災変動情報りを用いたときには火災変
動情報りが所定値（例えば、１０％）以下のときに消炎
の発生が予測されることになる。

判別器８０によって消炎の発生が予測判別されると、係
数に１演算器５４は、係数に１を以下の式にしたがって
消炎の発生が予測判別される毎に所定値εずつ大きくす
る。

Ｋ１−（１＋ε）Ｋｌ・・・（５） また、消炎の判定が判別されないときは以下の式にした
がって最小燃料供給量信号のレベルを小さくすれば、誤
差等によって最小燃料供給量が最適値より大きくなった
時の補正をすることができ、これによって燃料消費量を
低減できる。

Ｋ１−（１−ε）Ｋｌ・・・（６） また、上記の消炎発生の予測判別はマイクロコンピュー
タによって行ってもよい。第１０図は、消炎発生の予測
判別を行なって最小燃料供給量を演！するマイクロコン
ピュータによる最小燃料供給量演算ルーチンを示すもの
である。まずステップ１００において空気の流量Ｇａ、
燃料供給量Ｇｆ、炎センサ７０出力を取り込み、ステッ
プ１０２において炎センサ７０出力を周波数分析してパ
ワースペクトルを求めると共に、このパワースペクトル
から上記の（３）式または（４）式にしたがって火炎変
動情報りを演算する。次のステップ１０４では空気の流
量Ｇａを燃料供給量Ｇｆで除算することにより空燃比Ｇ
ａ／Ｇｆを演算する。ステップ１０６では、空燃比Ｇ　
ａ　／　Ｇ　ｆが所定値（例えば、２００）以上か否か
を判断することにより消炎の発生し易い領域か否かを判
断する。空燃比Ｇａ／Ｇｆが所定値以上の時はステップ
１０８におし）で火炎変動情報りが所定値（上記（３〕
式を使用する場合には例えば９０％、上記（４）式を使
用する場合には例えば１０％）以下か否かを判断するこ
とにより消炎の発生が予測されるか否かを判断する。ス
テップ１０８の判断が肯定の時は消炎の発生が予測され
るため、ステップ１１０において最小燃料供給量Ｇｆｍ
ｉｎを所定値ε大きくする。一方、空燃比Ｇａ／Ｇｆが
所定値未満の時または火炎変動情報が所定値を越えると
きには火炎の発生が予測されないため、ステップ１１２
において最小燃料供給量Ｇｆｍｉｎを所定値ε小さくす
ることにより燃料消費量を低減させる。

マイクロコンピュータで消炎の発生を予測判別する場合
においても上記と同様にゲート回路を設け、ゲート回路
を通過した信号のみから消炎を予測判別してもよい。

なお、上記では熱交換器を備えたガスタービン機関に本
発明を適用したが、本発明は熱交換器を備えていないガ
スタービン機関にも適用することができる。また、上記
では最小燃料供給量を大きくして消炎の発生を防止した
が、燃料供給量Ｇｆを大きくして消炎の発生を防止して
もよい。

また上記においては、空燃比Ｇａ／Ｇｆを燃料供給量Ｇ
ｆと空気供給量Ｇａとの各センサ出力から演算する構成
が記載しであるが、第１１図に示すように、排ガス中に
設けられた空燃比センサ（酸素センサ等）８１から直接
空燃比Ａ／Ｆを検出してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明を説明するためのブロック
図、第３図は本発明の実施例のブロック図、第４図は本
発明の実施例の燃焼器の断面図、第５図および第６図は
火炎変動情報を説明するための線図、第７図は空燃比と
火炎変動情報との関係を示す線図、第８図は燃焼器入口
の空気の温度を一定にしたときの燃料流量と空気の流量
との関係を示す線図、第９図は燃焼器入口の空気の温度
を一定にしたときの燃料流量と空気の流量との関係を示
す線図、第１０図は本発明の他の実施例の最小燃料供給
量演算ルーチンを示す流れ図、第１１図は本実施例の変
形例のブロック図である。 ３０・・・コンプレッサ、 ３２・・・タービン、 ３８・・・燃焼器、 ４０・・・センサ、 ４２・・・熱交換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼器内の火炎から発生する光を検知する火炎検
   知手段と、 前記火炎検知手段から出力された信号を周波数分析して
   パワースペクトルを求める周波数分析手段と、 前記パワースペクトルから前記火炎の変動に対応する火
   炎変動情報を演算する火炎変動演算手段と、 空燃比を検出する空燃比検出手段と、 前記空燃比と前記火炎変動情報とに基づいて消炎の発生
   を予測判別する消炎予測判別手段と、を含むガスタービ
   ン機関の消炎予測判別装置。