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特開2021-195951ヘッドエンド温度制御のためのガスタービン燃料スプリットを決定するシステムおよび方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-195951(P2021-195951A)
(43)【公開日】2021年12月27日
(54)【発明の名称】ヘッドエンド温度制御のためのガスタービン燃料スプリットを決定するシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
F02C 9/28 20060101AFI20211129BHJP
F23R 3/34 20060101ALI20211129BHJP
F23R 3/28 20060101ALI20211129BHJP
F02C 7/228 20060101ALI20211129BHJP
【ＦＩ】
F02C9/28
F23R3/34
F23R3/28 D
F02C7/228
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2021-92083(P2021-92083)
(22)【出願日】2021年6月1日
(31)【優先権主張番号】16/900,761
(32)【優先日】2020年6月12日
(33)【優先権主張国】US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】ジョナサン・カール・タッチァー
(72)【発明者】
【氏名】ロバート・ジョセフ・ローヴェン ２世
(72)【発明者】
【氏名】ジョン・ロジャース・ヒュイ
(57)【要約】 （修正有）
【課題】デジタルシミュレーションを使用して、ガスタービンエンジンの燃焼器の第１の燃焼ゾーンの温度を制御するための方法を提供する。【解決手段】回転機械の燃焼器の第１の燃焼ゾーンの動作温度を制御する方法は、デジタルシミュレーションを使用して、第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度および目標動作温度を決定するステップを含む。方法は、デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリットに対する現在の動作温度の導関数を決定するステップをさらに含む。燃料スプリットは、燃焼器への燃料の全流量を第１の燃焼ゾーンと第２の燃焼ゾーンとの間で配分する。方法はまた、目標動作温度に近づく計算された動作温度をもたらす、計算された燃料スプリットを計算するステップを含む。方法は、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導き、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導くステップをさらに含む。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転機械（１００）の燃焼器（１０６）の第１の燃焼ゾーン（１１５）の動作温度を制御する方法（２００）であって、前記燃焼器（１０６）は、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）および第２の燃焼ゾーン（１１７）を含み、
ｉ）前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と、
ｉｉ）前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の目標動作温度（４１６）を決定するステップ（２０４）と、
ｉｉｉ）前記デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の導関数（４０８）を決定するステップ（２０８）であって、前記燃料スプリット（４０６）は、前記燃焼器（１０６）への燃料の全流量を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）と前記第２の燃焼ゾーン（１１７）との間で配分するステップと、
ｉｖ）前記決定された導関数（４０８）を使用して、前記目標動作温度（４１６）に近づく前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）と、
ｖ）第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導き、第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くステップであって、前記第１の燃料流および前記第２の燃料流は、前記計算された燃料スプリット（４１２）に応じて決定されるステップと、
ｖｉ）前記計算された燃料スプリット（４１２）が目標燃料スプリット（４２０）に等しくなるまでステップｉ〜ｖを反復するステップ（２２６）であって、前記目標燃料スプリット（４２０）は、前記目標動作温度（４１６）をもたらす前記燃料スプリット（４２０）であるステップと
を含む、方法（２００）。
ｉ）前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と、
ｉｉ）前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の目標動作温度（４１６）を決定するステップ（２０４）と、
ｉｉｉ）前記デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の導関数（４０８）を決定するステップ（２０８）であって、前記燃料スプリット（４０６）は、前記燃焼器（１０６）への燃料の全流量を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）と前記第２の燃焼ゾーン（１１７）との間で配分するステップと、
ｉｖ）前記決定された導関数（４０８）を使用して、前記目標動作温度（４１６）に近づく前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）と、
ｖ）第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導き、第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くステップであって、前記第１の燃料流および前記第２の燃料流は、前記計算された燃料スプリット（４１２）に応じて決定されるステップと、
ｖｉ）前記計算された燃料スプリット（４１２）が目標燃料スプリット（４２０）に等しくなるまでステップｉ〜ｖを反復するステップ（２２６）であって、前記目標燃料スプリット（４２０）は、前記目標動作温度（４１６）をもたらす前記燃料スプリット（４２０）であるステップと
を含む、方法（２００）。
【請求項2】
前記現在の動作温度（４０４）と前記目標動作温度（４１６）を比較するステップ（２０６）をさらに含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項3】
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）は、前記動作温度（４１６）と前記燃料スプリット（４１２）との間の第２の関係（４１０）を導出するステップ（２１２）を含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項4】
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）は、前記動作温度（４１６）と前記燃料スプリット（４１２）との間の前記第２の関係（４１０）が線形関係であると仮定するステップ（２１４）を含む、請求項３に記載の方法（２００）。
【請求項5】
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）は、前記現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の前記導関数（４０８）に基づいて、前記動作温度（４１６）と前記燃料スプリット（４１２）との間の前記第２の関係（４１０）の勾配を決定するステップ（２１６）を含む、請求項４に記載の方法（２００）。
【請求項6】
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）は、前記現在の動作温度（４０４）および前記現在の燃料スプリット（４０６）に基づいて、前記動作温度（４１６）と前記燃料スプリット（４１２）との間の前記第２の関係（４１０）の少なくとも１つの点を決定するステップ（２１８）を含む、請求項５に記載の方法（２００）。
【請求項7】
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）は、前記動作温度（４１６）と前記燃料スプリット（４１２）との間の前記第２の関係（４１０）に基づいて、前記計算された動作温度（４１４）をもたらす、前記計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップを含む、請求項６に記載の方法（２００）。
【請求項8】
前記現在の燃料スプリット（４０６）から前記計算された燃料スプリット（４１２）への前記燃料スプリットの変更を遅延させるために、一次遅れ時定数を設定するステップ（２２２）をさらに含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項9】
前記燃焼器（１０６）の化学量論を制御するために、前記燃焼器（１０６）への燃料の全流量を制御するステップ（２２４）をさらに含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項10】
前記燃焼器（１０６）の化学量論を制御するために、前記燃焼器（１０６）への吸気の流れを制御するステップ（２２４）をさらに含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項11】
前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の目標動作温度（４１６）を決定するステップ（２０４）は、前記デジタルシミュレーションによる前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と同時に実施される、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項12】
前記デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の導関数（４０８）を決定するステップ（２０８）は、前記デジタルシミュレーションによる前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と同時に実施される、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項13】
回転機械（１００）であって、
吸気の流れを圧縮するように構成された圧縮機（１０４）と、
第１の燃焼ゾーン（１１５）、第２の燃焼ゾーン（１１７）、少なくとも１つの第１の燃料ノズル（１１９）、および少なくとも１つの第２の燃料ノズル（１２１）を備える燃焼器（１０６）であって、前記少なくとも１つの第１の燃料ノズル（１１９）は、第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導くように構成され、前記少なくとも１つの第２の燃料ノズル（１２１）は、第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くように構成され、前記燃焼器（１０６）は、前記吸気の流れを受け入れるように構成され、燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導かれる割合である燃焼器（１０６）と、
前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを備えるコンピューティングデバイス（１３４）であって、前記コンピューティングデバイス（１３４）は、
前記デジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と、
前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の目標動作温度（４１６）を決定するステップ（２０４）と、
前記デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の導関数（４０８）を同時に決定するステップ（２０８）と、
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）と、
前記第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導き、前記第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くステップであって、前記第１の燃料流および前記第２の燃料流は、前記計算された燃料スプリット（４１２）によって決定されるステップと、
前記計算された燃料スプリット（４１２）が目標燃料スプリット（４２０）に等しくなるまで反復するステップ（２２６）であって、前記目標燃料スプリット（４２０）は、前記目標動作温度（４１６）をもたらす前記燃料スプリット（４２０）であるステップと
を行うように構成されるコンピューティングデバイス（１３４）と
を備える、回転機械（１００）。
吸気の流れを圧縮するように構成された圧縮機（１０４）と、
第１の燃焼ゾーン（１１５）、第２の燃焼ゾーン（１１７）、少なくとも１つの第１の燃料ノズル（１１９）、および少なくとも１つの第２の燃料ノズル（１２１）を備える燃焼器（１０６）であって、前記少なくとも１つの第１の燃料ノズル（１１９）は、第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導くように構成され、前記少なくとも１つの第２の燃料ノズル（１２１）は、第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くように構成され、前記燃焼器（１０６）は、前記吸気の流れを受け入れるように構成され、燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導かれる割合である燃焼器（１０６）と、
前記回転機械（１００）のデジタルシミュレーションを備えるコンピューティングデバイス（１３４）であって、前記コンピューティングデバイス（１３４）は、
前記デジタルシミュレーションを使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の現在の動作温度（４０４）を決定するステップ（２０２）と、
前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の目標動作温度（４１６）を決定するステップ（２０４）と、
前記デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリット（４０６）に対する前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の前記現在の動作温度（４０４）の導関数（４０８）を同時に決定するステップ（２０８）と、
数値法を使用して、前記第１の燃焼ゾーン（１１５）の計算された動作温度（４１４）をもたらす、計算された燃料スプリット（４１２）を計算するステップ（２１０）と、
前記第１の燃料流を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）に導き、前記第２の燃料流を前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くステップであって、前記第１の燃料流および前記第２の燃料流は、前記計算された燃料スプリット（４１２）によって決定されるステップと、
前記計算された燃料スプリット（４１２）が目標燃料スプリット（４２０）に等しくなるまで反復するステップ（２２６）であって、前記目標燃料スプリット（４２０）は、前記目標動作温度（４１６）をもたらす前記燃料スプリット（４２０）であるステップと
を行うように構成されるコンピューティングデバイス（１３４）と
を備える、回転機械（１００）。
【請求項14】
前記燃料の全流量を前記第１の燃焼ゾーン（１１５）および前記第２の燃焼ゾーン（１１７）に導くように構成された燃料供給システム（１３０）をさらに備える、請求項１３に記載の回転機械（１００）。
【請求項15】
前記燃料供給システム（１３０）は、前記燃料の全流量を前記第１の燃料流と前記第２の燃料流に分割するように構成された少なくとも１つのバルブ（１３２）を備える、請求項１４に記載の回転機械（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の分野は、一般に、ガスタービンエンジンの制御に関し、より具体的には、燃焼器の所定のヘッドエンド温度を達成するようにガスタービンエンジンにおける燃料スプリットを制御することに関する。
【背景技術】
【0002】
少なくともいくつかの既知の回転機械では、タービン内のガス流から抽出されたエネルギーが、機械的負荷に動力を供給するために使用される。具体的には、回転機械は、直列流れ配置で配置された圧縮機セクション、燃焼器セクション、およびタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、燃焼器セクション内での燃料との燃焼のために空気を圧縮し、タービンセクションは、燃焼器セクションで生成された燃焼ガスからエネルギーを抽出する。少なくともいくつかの既知の燃焼器セクションは、少なくとも２つのゾーンにおける燃焼の軸方向（逐次）ステージングを含む軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）技術を含む。より具体的には、燃焼器セクションは、複数の第２段燃料ノズルの上流に位置決めされた複数の第１段燃料ノズルを含むことができる。第１の燃料流が、第１段燃料ノズルによって燃焼器に導かれ、第２の燃料流が、第２段燃料ノズルによって燃焼器に導かれる。第１の燃料流の燃焼によって生成された燃焼ガスの燃焼器内温度は、Ｔ３．５温度である。Ｔ３．５温度を制御することにより、オペレータは、燃焼器の排出量およびダイナミクスプロファイルを制御することが可能になり、回転機械のより大きな動作柔軟性を可能にする。
【0003】
Ｔ３．５温度は、典型的には、燃焼器内の高温のために直接測定されない。むしろ、燃焼器入口温度、第１および第２の燃料流、ならびに他の既知のパラメータが、Ｔ３．５温度をモデル化または近似するために使用され、かつＴ３．５温度を制御するために使用される。より具体的には、少なくともいくつかの既知の回転機械では、Ｔ３．５温度は比例積分（ＰＩ）コントローラを使用して制御され、第１および第２段ノズルへの燃料スプリットを制御する。ＰＩコントローラは、代替のパラメータを使用して第１および第２段ノズルへの燃料スプリットを制御し、その後、Ｔ３．５温度を間接的に制御する。しかし、ＰＩコントローラがＴ３．５温度を正確に制御するように回転機械を調節することは、時間がかかり高価であり得る。加えて、ＰＩコントローラの利得が正しく設定されていない場合、ＰＩコントローラはＴ３．５温度を適切に制御することができず、温度振動および／または燃焼器のブローアウトを引き起こす可能性がある。
【発明の概要】
【0004】
一態様では、回転機械の燃焼器の第１の燃焼ゾーンの動作温度を制御する方法が提供される。燃焼器は、第１の燃焼ゾーンおよび第２の燃焼ゾーンを含む。方法は、回転機械のデジタルシミュレーションを使用して、第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度を決定するステップを含む。方法はまた、第１の燃焼ゾーンの目標動作温度を決定するステップを含む。方法は、デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリットに対する第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度の導関数を決定するステップをさらに含む。燃料スプリットは、燃焼器への燃料の全流量を第１の燃焼ゾーンと第２の燃焼ゾーンとの間で配分する。方法はまた、決定された導関数を使用して、目標動作温度に近づく第１の燃焼ゾーンの計算された動作温度をもたらす、計算された燃料スプリットを計算するステップを含む。方法は、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導き、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導くステップをさらに含む。第１の燃料流および第２の燃料流は、計算された燃料スプリットに応じて決定される。方法はまた、計算された燃料スプリットが目標燃料スプリットに等しくなるまでステップｉ〜ｖを反復するステップを含み、目標燃料スプリットは、目標動作温度をもたらす燃料スプリットである。
【0005】
別の態様では、回転機械が提供される。回転機械は、吸気の流れを圧縮するように構成された圧縮機と、燃焼器と、コンピューティングデバイスとを含む。燃焼器は、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン、少なくとも１つの第１の燃料ノズル、および少なくとも１つの第２の燃料ノズルを含む。少なくとも１つの第１の燃料ノズルは、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導くように構成され、少なくとも１つの第２の燃料ノズルは、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導くように構成される。燃焼器は、吸気の流れを受け取るように構成される。燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、第２の燃焼ゾーンに導かれる割合である。コンピューティングデバイスは、回転機械のデジタルシミュレーションを含む。コンピューティングデバイスは、デジタルシミュレーションを使用して、第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度を決定するように構成される。コンピューティングデバイスはまた、第１の燃焼ゾーンの目標動作温度を決定するように構成される。コンピューティングデバイスは、デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリットに対する第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度の導関数を同時に決定するようにさらに構成される。コンピューティングデバイスはまた、数値法を使用して、第１の燃焼ゾーンの計算された動作温度をもたらす、計算された燃料スプリットを計算するように構成される。コンピューティングデバイスは、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導き、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導くようにさらに構成される。第１の燃料流および第２の燃料流は、計算された燃料スプリットによって決定される。コンピューティングデバイスはまた、計算された燃料スプリットが目標燃料スプリットに等しくなるまで反復するように構成され、目標燃料スプリットは、目標動作温度をもたらす燃料スプリットである。
【0006】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、同様の符号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】例示的な回転機械の概略図である。
【図4】Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の関係、および目標燃料スプリットを決定するために使用される数値法の第１のグラフと、経時的な燃料スプリットの対応する過渡応答の第２のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示することを意味する。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実践のために必要とされる当業者に知られている従来の特徴をすべて含むことを意味しない。
【0009】
以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語が参照されるが、これらの用語は以下の意味を有すると定義されるものとする。
【0010】
単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
【0011】
特に明記しない限り、本明細書で使用される「一般に」、「実質的に」、および「およそ」などの近似を表す文言は、そのように修飾された用語が、絶対的または完全な程度ではなく、当業者によって認識されるようなおおよその程度にのみ適用され得ることを示している。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限界が特定されてもよい。このような範囲は、組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈または文言が特に指示しない限り、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。加えて、特に明記しない限り、「第１の」、「第２の」、などの用語は、本明細書において単に標識として使用されているにすぎず、これらの用語が言及する項目について順序、位置、または階層上の要件を加えることを意図するものではない。さらに、例えば、「第２の」項目への言及は、例えば、「第１の」もしくはより小さい番号の項目、または「第３の」もしくはより大きい番号の項目の存在を要求するものではなく、または排除するものでもない。
【0012】
本明細書で使用する場合、「軸方向の」および「軸方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸に対して実質的に平行に延びる方向および配向を指す。また、「半径方向の」および「半径方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸に対して実質的に垂直に延びる方向および配向を指す。加えて、本明細書で使用する場合、「円周方向の」および「円周方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸の周りに円弧状に延びる方向および配向を指す。さらに、本明細書で使用する場合、「上流」という用語は、回転機械の前方端部または入口端部を指し、「下流」という用語は、回転機械の後方端部または排気端部を指す。構成要素を通る流体の流れを説明する場合、流体が流れてくる方向は、「上流」として説明され、流体が流れていく方向は、「下流」として説明される。
【0013】
本明細書に記載の方法およびシステムは、デジタルシミュレーションを使用して、ガスタービンエンジンの燃焼器の第１の燃焼ゾーンの温度を制御するための方法に関する。より具体的には、燃焼器は、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン、少なくとも１つの第１の燃料ノズル、および少なくとも１つの第２の燃料ノズルを含む。少なくとも１つの第１の燃料ノズルは、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導き、少なくとも１つの第２の燃料ノズルは、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導く。燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、第２の燃焼ゾーンに導かれる割合である。デジタルシミュレーションは、第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度、第１の燃焼ゾーンの目標動作温度、および現在の燃料スプリットに対する第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度の導関数を同時に決定する。次いで、コンピューティングデバイスが、数値法を使用して、第１の燃焼ゾーンの計算された動作温度をもたらす、計算された燃料スプリットを計算する。第１の燃料流および第２の燃料流は、計算された燃料スプリットによって決定され、第１の燃料流は、第１の燃焼ゾーンに導かれ、第２の燃料流は、第２の燃焼ゾーンに導かれる。方法は、計算された燃料スプリットが目標動作温度をもたらす目標燃料スプリットに等しくなるまで反復される。したがって、本明細書に記載のシステムおよび方法は、ＰＩＤコントローラなどの従来のフィードバックコントローラを使用せずに第１の燃焼ゾーンの温度を制御し、回転機械を調節する時間およびコストを削減する。
【0014】
図１は、例示的な回転機械１００、すなわち、ターボ機械、より具体的にはタービンエンジンの概略図である。例示的な実施形態では、回転機械１００は、ガスタービンエンジンである。あるいは、回転機械は、限定はしないが、蒸気タービンエンジン、ガスターボファン航空機エンジン、他の航空機エンジン、風力タービン、圧縮機、およびポンプを含む、任意の他のタービンエンジンおよび／または回転機械であってもよい。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、吸気セクション１０２と、吸気セクション１０２の下流に結合された圧縮機セクション１０４と、圧縮機セクション１０４の下流に結合された燃焼器セクション１０６と、燃焼器セクション１０６の下流に結合されたタービンセクション１０８と、タービンセクション１０８の下流に結合された排気セクション１１０とを含む。タービンセクション１０８は、ロータシャフト１１２を介して圧縮機セクション１０４に結合される。
【0015】
本明細書で使用する場合、「結合する」という用語は、構成要素間の直接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続に限定されず、複数の構成要素間の間接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続も含むことができることに留意されたい。例示的な実施形態では、燃焼器セクション１０６は、複数の燃焼器１１４を含む。燃焼器セクション１０６は、各燃焼器１１４が圧縮機セクション１０４と流れ連通するように、圧縮機セクション１０４に結合される。ロータシャフト１１２は、限定はしないが、発電機および／または機械的駆動用途などの負荷１１６にさらに結合される。例示的な実施形態では、圧縮機セクション１０４およびタービンセクション１０８の各々は、ロータシャフト１１２に結合された少なくとも１つのロータアセンブリ１１８を含む。
【0016】
この実施形態では、吸気セクション１０２は、入口ガイドベーンコントローラ１０５によって制御される少なくとも１つの入口ガイドベーン１０３を含む。入口ガイドベーン１０３は、吸気セクション１０２が大気から圧縮機セクション１０４に導く吸気１２０の流れを制御する。具体的には、入口ガイドベーン１０３は、吸気１２０を圧縮機セクション１０４に導く可変または固定の翼形部１０７を含むことができる。入口ガイドベーン１０３は、吸気１２０の流れの角度を変更し、圧縮機セクション１０４の効率を高める。加えて、入口ガイドベーン１０３の翼形部１０７は可変であってもよく、または圧縮機セクション１０４に対する翼形部１０７の角度を変更し、吸気１２０の流れの角度を変化させ、異なる動作条件の間に圧縮機セクション１０４の効率を高めることができる。
【0017】
例示的な実施形態では、燃焼器１１４は、少なくとも２つのゾーンにおける燃焼の軸方向（逐次）ステージングを含む軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）技術を含む。具体的には、燃焼器１１４は、各々が第１の燃焼ゾーン１１５、第２の燃焼ゾーン１１７、少なくとも１つの第１の燃料ノズル１１９、および少なくとも１つの第２の燃料ノズル１２１を含む軸方向多段燃焼器である。少なくとも１つの第１の燃料ノズル１１９は、少なくとも１つの第２の燃料ノズル１２１の上流に位置決めされ、第１の燃料流を、第２の燃焼ゾーン１１７の対応する上流にある第１の燃焼ゾーン１１５に導く。少なくとも１つの第２の燃料ノズル１２１は、少なくとも１つの第１の燃料ノズル１１９および第１の燃焼ゾーン１１５の下流に位置決めされ、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーン１１７に導く。第１の燃焼ゾーン１１５および第２の燃焼ゾーン１１７は、燃焼器１１４内の燃焼ダイナミクスを制御するために、燃焼器への燃料の全流量の燃焼を多段化する。例示的な実施形態では、単一の第１の燃料ノズル１１９および単一の第２の燃料ノズル１２１が図１に示されている。しかし、燃焼器１１４は、複数の第１の燃料ノズル１１９および／または複数の第２の燃料ノズル１２１を含むことができる。
【0018】
回転機械１００はまた、燃料の全流量の燃料スプリットを制御する少なくとも１つのバルブ１３２を含む燃料供給システム１３０を含む。燃料スプリットは、第１の流れと第２の流れとの間での燃焼器への全燃料流の配分に対応する。例示的な実施形態では、燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、少なくとも１つの第２の燃料ノズル１２１に導かれる割合（すなわち、第２の燃料流を第１および第２の燃料流の和で割ったもの）として表される。あるいは、燃料スプリットは、任意の適切な方法で表される。具体的には、燃料供給システム１３０は、燃料の全流量を燃焼器１１４に導く。より具体的には、燃料供給システム１３０は、燃料の全流量を第１の燃料ノズル１１９および第２の燃料ノズル１２１に導き、次に、燃料の全流量をそれぞれ第１の燃焼ゾーン１１５および第２の燃焼ゾーン１１７に導く。バルブ１３２は、選択された燃料スプリットに従って、燃料の全流量を第１の燃料流と第２の燃料流に分割する。以下により詳細に説明するように、燃料スプリットを制御することによってＴ３．５温度が制御され、これにより燃焼器１１４の燃焼ダイナミクスが制御される。
【0019】
回転機械１００は、回転機械１００の少なくとも１つの動作パラメータを制御するコンピューティングデバイス１３４をさらに含む。より具体的には、例示的な実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、バルブ１３２を制御することによって燃焼器１１４への燃料の全流量の燃料スプリットを制御する。加えて、コンピューティングデバイス１３４はまた、入口ガイドベーンコントローラ１０５を制御し、かつ／または入口ガイドベーン１０３を直接制御し、燃焼器１１４に導かれる吸気１２０の流れを制御することができる。したがって、コンピューティングデバイス１３４は、燃料スプリットと燃焼器１１４への吸気１２０の流れの両方を制御することによって、燃焼器１１４内の燃焼反応の化学量論を制御する。
【0020】
コンピューティングデバイス１３４はまた、燃焼器１１４内の少なくとも１つの温度を正確に決定する回転機械１００のデジタルシミュレーションを実行するようにプログラムされる。より具体的には、デジタルシミュレーションは、燃焼器１１４内のＴ３．５およびＴ３．９温度を正確に決定する。Ｔ３．５温度は、第１の燃焼ゾーン１１５内で、第２の燃料ノズル１２１および第２の燃焼ゾーン１１７の軸方向上流における燃焼器１１４内の温度である。Ｔ３．９温度は、第２の燃焼ゾーン１１７内で、第２の燃料ノズル１２１の軸方向下流における燃焼器１１４内の温度である。以下により詳細に説明するように、コンピューティングデバイス１３４は、デジタルシミュレーションを使用してＴ３．５温度を制御するために、燃料スプリットおよび燃焼器１１４への吸気１２０の流れを制御する。
【0021】
動作中、吸気セクション１０２は、吸気１２０を圧縮機セクション１０４に向けて導く。コンピューティングデバイス１３４および／または入口ガイドベーンコントローラ１０５は、入口ガイドベーン１０３を制御して吸気１２０の流れを制御する。圧縮機セクション１０４は、吸気１２０をより高い圧力に圧縮し、その後に圧縮空気１２２を燃焼器セクション１０６に向けて放出する。圧縮空気１２２は燃焼器セクション１０６に導かれ、そこで燃料（図示せず）と混合され、燃焼されて高温燃焼ガス１２４を生成する。コンピューティングデバイス１３４は、デジタルシミュレーションを使用して燃焼器１１４内のＴ３．５温度を制御するために、第１の燃料ノズル１１９および第２の燃料ノズル１２１への燃料スプリットを制御する。燃焼ガス１２４はタービンセクション１０８に向かって下流に導かれ、タービンブレード（図示せず）に衝突し、熱エネルギーは、ロータアセンブリ１１８を長手方向軸１２６の周りに駆動するために使用される機械的回転エネルギーに変換される。しばしば、燃焼器セクション１０６およびタービンセクション１０８は、タービンエンジン１００の高温ガスセクションと呼ばれる。次に、排気ガス１２８は、回転機械１００が複合サイクル発電プラントの一部であるガスタービンである場合、排気セクション１１０を通って周囲大気または蒸気タービン（図示せず）に放出される。
【0022】
図２は、回転機械１００の燃焼器１１４の第１の燃焼ゾーン１１５の温度を制御する例示的な方法２００の流れ図である。図３は、図２に示す回転機械１００の燃焼器１１４の第１の燃焼ゾーン１１５の温度を制御する方法２００を示す制御図３００である。方法２００は、回転機械１００のデジタルシミュレーションを使用して、第１の燃焼ゾーン１１５の現在の動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０２を含む。デジタルシミュレーションは、回転機械１００のモデルである。具体的には、デジタルシミュレーションは、コンピューティングデバイス１３４への制御入力および／または回転機械１００全体に位置決めされた適切なセンサ（図示せず）からのフィードバックに基づいて、回転機械１００の動作中にリアルタイムで回転機械１００内の複数の動作パラメータの動作状態を正確に決定するモデルである。より具体的には、デジタルシミュレーションは、回転機械１００の動作中にリアルタイムで回転機械１００内の複数の動作パラメータの動作状態を正確に決定する熱力学的および流体力学的モデルである。デジタルシミュレーションが決定する複数の動作パラメータは、多くの他のパラメータの中でも、燃焼器１１４内のＴ３．５およびＴ３．９温度を含む。したがって、デジタルシミュレーションは、回転機械１００の動作中にリアルタイムで燃焼器１１４内のＴ３．５およびＴ３．９温度を決定する。例示的な実施形態では、デジタルシミュレーションは、回転機械１００をモデル化するために使用される既存のシミュレーションである。代替の実施形態では、デジタルシミュレーションは、回転機械１００の新しいデジタルシミュレーションまたは燃焼器１１４のみの新しいシミュレーションである。
【0023】
方法２００はまた、目標動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０４を含む。例示的な実施形態では、目標動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０４は、圧縮機セクション１０４の出口温度および燃焼器モードを使用して、目標動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０４を含む。上述したように、燃焼器１１４は、複数の第１の燃料ノズル１１９および複数の第２の燃料ノズル１２１を含むことができる。複数の第１の燃料ノズル１１９および複数の第２の燃料ノズル１２１の配置（すなわち、複数の第１の燃料ノズル１１９および／または複数の第２の燃料ノズル１２１のどのノズルが所与の時間に流れているか）は、燃焼器モードを少なくとも部分的に決定する。したがって、目標動作Ｔ３．５温度は、圧縮機セクション１０４の出口温度および燃焼器モードによって少なくとも部分的に決定される。少なくともいくつかの燃焼モードは低負荷条件用に構成され、他の燃焼モードは高負荷条件用に構成される。各動作モードは、回転機械１００の排出量および／またはダイナミクスを最適化するために異なる理想的なＴ３．５温度を有する。いくつかの実施形態では、目標動作Ｔ３．５温度は、Ｔ３．５温度スケジュールに対する少なくとも１つの圧縮機出口温度によって決定される。いくつかの実施形態では、各燃焼器モードは、独自のスケジュールを有する。
【0024】
例示的な実施形態では、目標動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０４は、デジタルシミュレーションおよび／またはコンピューティングデバイス１３４を使用して、圧縮機セクション１０４の出口温度および燃焼器モードを使用して目標動作Ｔ３．５温度を決定するステップ２０４を含む。デジタルシミュレーションおよび／またはコンピューティングデバイス１３４は、第１の燃焼ゾーン１１５の温度を決定するステップ２０２と同時に、反復的に目標動作Ｔ３．５温度を決定することができる。例えば、回転機械１００が負荷および排出量の要件を満たすために、目標動作Ｔ３．５温度の更新を必要とする条件が変化し得る。例えば、負荷１１６に対する要件は増減する可能性があり、したがって、回転機械１００の動作条件は、負荷１１６に対する変化する要件に対応するように変化し得る。具体的には、負荷１１６に対する変化する要件に対応するために、目標Ｔ３．５動作温度は変化し得る。代替の実施形態では、目標動作Ｔ３．５温度は、デジタルシミュレーションによってではなく、オペレータによってまたは何らかの他の方法によって決定されてもよく、かつ／または制御サイクルごとに反復的に更新されなくてもよい。
【0025】
方法２００は、現在の動作Ｔ３．５温度と目標動作Ｔ３．５温度を比較するステップ２０６をさらに含む。現在の動作Ｔ３．５温度と目標動作Ｔ３．５温度が異なる場合、コンピューティングデバイス１３４は、以下に説明するように、現在の動作Ｔ３．５温度を目標動作Ｔ３．５温度に変更するように燃料スプリットを制御する。
【0026】
方法２００はまた、デジタルシミュレーションを使用して、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数を決定するステップ２０８を含む。例示的な実施形態では、デジタルシミュレーションは、回転機械１００のデジタルシミュレーションを使用して、第１の燃焼ゾーン１１５の温度を決定するステップ２０２と同時に、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数を決定することができる。加えて、燃料スプリットにおける小さな摂動を使用して、Ｔ３．５温度の導関数をモデル化することができる。したがって、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数を決定するための追加のデジタルシミュレーションモジュールは、必要とされない。加えて、例示的な実施形態では、デジタルシミュレーションは、現在の燃料スプリットにおける小さな変化をシミュレートし、デジタルシミュレーションを介して、シミュレートされたＴ３．５温度をもたらす対応する変化を評価することによって、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数を決定する。あるいは、デジタルシミュレーションは、任意の適切な方法で現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数を決定する。
【0027】
方法２００は、決定された導関数を使用して、目標動作Ｔ３．５温度に近づく計算された動作Ｔ３．５温度４１４をもたらす、計算された燃料スプリットを計算するステップ２１０をさらに含み、すなわち、計算された動作Ｔ３．５温度４１４は、現在の動作Ｔ３．５温度よりも目標動作Ｔ３．５温度に近くなる。例示的な実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、デジタルシミュレーションからの出力に対して数値法を使用して計算された燃料スプリットを決定する（２１０）。図４は、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の関係のグラフ表示４０２を含む第１のグラフ４００を含み、追加の破線は、計算された燃料スプリットを決定するために使用される数値法を示す。図４はまた、経時的な燃料スプリットの過渡応答の対応するグラフ表示４１８を含む第２のグラフ４０１を含む。Ｔ３．５温度と滑らかな曲線としての燃料スプリットとの間の関係のグラフ表示４０２の図４における図は、単に説明の便宜上のものである。Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の実際の関係は、より複雑な関係であり得る。
【0028】
計算された動作Ｔ３．５温度に対応する計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０は、計算された燃料スプリットを決定するために数値法を使用するステップを含む。例えば、図４に示して上述したように、デジタルシミュレーションは、現在の動作Ｔ３．５温度４０４、現在の燃料スプリット４０６、および現在の燃料スプリット４０６に対するＴ３．５温度の導関数４０８を決定する。例えば、上述したように、導関数４０８は、現在の燃料スプリットにおける小さな変化δに起因してシミュレートされたＴ３．５温度をもたらす対応する変化Δから決定される。コンピューティングデバイス１３４は、現在の動作Ｔ３．５温度４０４、現在の燃料スプリット４０６、および現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数４０８を受け取り、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０を導出する。Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０は、現在の燃料スプリット４０６からの導関数４０８の直線延長、すなわち、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数４０８に等しい勾配を有し、現在の燃料スプリット４０６に等しいｘ軸座標および現在の動作Ｔ３．５温度４０４に等しいｙ軸座標を有する点と交差する直線として図４に示されている。コンピューティングデバイス１３４は、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０を使用して、目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度４１４をもたらす計算された燃料スプリット４１２を解く。より具体的には、例示的な実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、第２の関係４１０と目標動作Ｔ３．５温度４１６の交点を決定し、計算された燃料スプリット４１２をその交点のｘ軸座標として設定する。計算された燃料スプリット４１２を有するグラフ表示４０２上の点は、計算された動作Ｔ３．５温度４１４を決定するｙ軸座標を有する。例示的な実施形態では、導関数２０８の性質により、計算された動作Ｔ３．５温度４１４は、典型的には、現在の動作Ｔ３．５温度４０４よりも目標動作Ｔ３．５温度に近い。
【0029】
したがって、目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度に変化する現在の動作Ｔ３．５温度をもたらす、計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０は、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０を導出するステップ２１２を含むことができる。目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度をもたらす、計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０はまた、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０が線形関係であると仮定するステップ２１４を含み得る。目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度をもたらす、計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０は、現在の燃料スプリットに対するＴ３．５温度の導関数２０８に基づいて、Ｔ３．５温度と燃料スプリットとの間の第２の関係４１０の勾配を決定するステップ２１６をさらに含むことができる。目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度をもたらす、計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０はまた、現在の動作Ｔ３．５温度４０４および現在の燃料スプリット４０６に基づいて、Ｔ３．５温度と燃料スプリット４１２との間の第２の関係４１０の少なくとも１つの点を決定するステップ２１８を含み得る。目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づく計算された動作Ｔ３．５温度をもたらす、計算された燃料スプリットを決定するステップ２１０は、第２の関係４１０と目標動作Ｔ３．５温度４１６の交点に従って計算された動作Ｔ３．５温度４１４をもたらす、計算された燃料スプリット４１２を計算するステップ２２０をさらに含むことができる。
【0030】
コンピューティングデバイス１３４が計算された燃料スプリット４１２を決定した後、コンピューティングデバイス１３４は、計算された燃料スプリット４１２に応じて、第１の燃料流および第２の燃料流への燃料の全流量を調整するようにバルブ１３２を制御する。バルブ１３２が燃料スプリットを調整した後、燃焼器１１４および回転機械１００の動作状態は変化し、デジタルシミュレーションは、目標動作Ｔ３．５温度４１６を達成するために必要に応じて方法２００を反復する。
【0031】
より具体的には、グラフ４００に示すように、Ｔ３．５温度と燃料スプリット４１２との間の第２の関係４１０は複雑なグラフ表示４０２の線形近似にすぎないため、計算された燃料スプリット４１２は、典型的には、最初は目標動作Ｔ３．５温度４１６をもたらさない。むしろ、現在の燃料スプリット４０６を計算された燃料スプリット４１２に変更すると、目標動作Ｔ３．５温度４１６に近づくがそれとは異なる計算された動作Ｔ３．５温度４１４をもたらす。したがって、例示的な実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、方法２００の上記のステップを連続的に反復するか、または繰り返すようにプログラムされる。代替の実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、計算された動作Ｔ３．５温度４１４が目標動作Ｔ３．５温度４１６に等しくなるまで、すなわち、目標動作Ｔ３．５温度４１６の機能的に十分な距離内に収束するまで、方法２００の上記のステップを反復するか、または繰り返すようにプログラムされる。
【0032】
グラフ４００の下には、時間差のない経時的な燃料スプリットの過渡応答の対応するグラフ表示４１８と、時間差のある経時的な燃料スプリットの過渡応答の対応するグラフ表示４１９とを含むグラフ４０１が示されている。グラフ４００と同様に、グラフ４０１は、燃料スプリットを表すｘ軸を有するが、グラフ表示４０２とは対照的に、グラフ４０１は、グラフ４００から離れる時間を表すｙ軸を有する。グラフ４０１は、現在の燃料スプリット４０６および計算された燃料スプリット４１２のｘ軸値がグラフ４００とグラフ４０１の両方に整列するように、グラフ４００に対して位置決めされる。
【0033】
グラフ表示４１８に示すように、計算された燃料スプリット４１２は、最初に、目標動作Ｔ３．５温度４１６を実際にもたらす燃料スプリットを表す目標燃料スプリット４２０をオーバーシュートし、次いで、方法２００が反復されるにつれて目標燃料スプリット４２０に近づき、実質的に等しくなる。しかし、いくつかの実施形態では、燃料スプリットにおける急激な変化は、燃焼器１１４および回転機械１００の動作を不安定にする可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、方法２００への燃料スプリットの応答を遅延させるために、オペレータによって一次遅れ時定数が設定される。具体的には、燃料スプリットが段階的に計算された燃料スプリット４１２に瞬時にジャンプするのを防ぐために、一次遅れ時定数は、燃料スプリットが現在の燃料スプリット４０６から計算された燃料スプリット４１２に滑らかに変化するように設定される。より具体的には、一次遅れは、バルブ１３２が現在の燃料スプリット４０６から計算された燃料スプリット４１２に燃料スプリットを変更する速度を遅くする。加えて、バルブ１３２は燃料スプリットを即座に変更しないため、方法２００は、所与の反復中にバルブ１３２によって適用された燃料スプリットが指定の計算された燃料スプリット４１２に達する前に複数回反復することができる。一次遅れ時定数の選択は、制御の応答時間を明示的に定義するが、従来のＰＩレギュレータは、時間応答特性を分析によって決定されたままにし、時間応答の調整をより直感的かつ容易にする。したがって、計算された燃料スプリット４１２は、バルブ１３２が燃料スプリットを変更するにつれて継続的に改良および変更される。したがって、グラフ表示４１９に示すように、一次遅れが、バルブ１３２が現在の燃料スプリット４０６から計算された燃料スプリット４１２に燃料スプリットを変更する速度を遅くするので、燃料スプリットは、現在の燃料スプリット４０６から目標燃料スプリット４２０に徐々に変化する。いくつかの実施形態では、バルブ１３２が現在の燃料スプリット４０６からその反復のための指定の計算された燃料スプリット４１２に燃料スプリットを変更することに成功する反復に達するまでに、計算された燃料スプリット４１２は、目標燃料スプリット４２０に等しくなる。したがって、方法２００はまた、現在の燃料スプリット４０６から計算された燃料スプリット４１２に燃料スプリットを変更するバルブ１３２を遅延させるために一次遅れを設定するステップ２２２を含むことができる。
【0034】
加えて、コンピューティングデバイス１３４およびデジタルシミュレーションはまた、吸気１２０の流れおよび燃焼器１１４の化学量論を制御するために、入口ガイドベーン１０３を制御することができる。さらに、コンピューティングデバイス１３４およびデジタルシミュレーションは、燃焼器１１４の化学量論をさらに制御するために、燃焼器１１４への燃料の全流量をさらに制御してもよい。その結果、コンピューティングデバイス１３４およびデジタルシミュレーションは、燃焼器１１４への燃料の全流量を制御することによって、および／または吸気１２０の流れを制御する入口ガイドベーン１０３を制御することによって、燃焼器１１４の化学量論を制御することができる。したがって、方法２００はまた、燃焼器１１４の化学量論を制御するために、燃焼器１１４への燃料の全流量、および／または燃焼器１１４への吸気１２０の流れを制御する入口ガイドベーン１０３の少なくとも１つを制御するステップ２２４を含むことができる。
【0035】
加えて、コンピューティングデバイス１３４は、方法２００の上記のステップを連続的に反復するか、または繰り返す（２２６）ようにプログラムされる。代替の実施形態では、コンピューティングデバイス１３４は、計算された動作Ｔ３．５温度４１４が目標動作Ｔ３．５温度４１６に等しくなるまで、すなわち、目標動作Ｔ３．５温度４１６の機能的に十分な距離内に収束するまで、方法２００の上記のステップを反復するか、または繰り返す（２２６）ようにプログラムされる。
【0036】
上述のシステムは、デジタルシミュレーションを使用して、ガスタービンエンジンの燃焼器の第１の燃焼ゾーンの温度を制御するための方法に関する。より具体的には、燃焼器は、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン、少なくとも１つの第１の燃料ノズル、および少なくとも１つの第２の燃料ノズルを含む。少なくとも１つの第１の燃料ノズルは、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導き、少なくとも１つの第２の燃料ノズルは、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導く。燃料スプリットは、燃料の全流量のうち、第２の燃焼ゾーンに導かれる割合である。デジタルシミュレーションは、第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度、第１の燃焼ゾーンの目標動作温度、および現在の燃料スプリットに対する第１の燃焼ゾーンの現在の動作温度の導関数を同時に決定する。次いで、コンピューティングデバイスが、数値法を使用して、第１の燃焼ゾーンの計算された動作温度をもたらす、計算された燃料スプリットを計算する。第１の燃料流および第２の燃料流は、計算された燃料スプリットによって決定され、第１の燃料流は、第１の燃焼ゾーンに導かれ、第２の燃料流は、第２の燃焼ゾーンに導かれる。方法は、計算された燃料スプリットが目標動作温度をもたらす目標燃料スプリットに等しくなるまで反復される。したがって、本明細書に記載のシステムおよび方法は、ＰＩＤコントローラなどの従来のフィードバックコントローラを使用せずに第１の燃焼ゾーンの温度を制御し、回転機械を調節する時間およびコストを削減する。
【0037】
加えて、本明細書に記載のシステムおよび方法の例示的な技術的効果は、（ａ）燃焼器の第１の燃焼ゾーンの温度を制御するステップ、（ｂ）計算された燃料スプリットに基づいて、第１の燃料流を第１の燃焼ゾーンに導くステップ、（ｃ）計算された燃料スプリットに基づいて、第２の燃料流を第２の燃焼ゾーンに導くステップ、（ｄ）燃焼器の燃焼ダイナミクスを制御するステップ、および（ｅ）燃焼器の排出量を制御するステップの少なくとも１つを含む。
【0038】
デジタルシミュレーションを使用して、ガスタービンエンジンの燃焼器の第１の燃焼ゾーンの温度を制御するためのシステムおよび方法の例示的な実施形態が、詳細に上述されている。本方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素および／またはステップから独立に、かつ別々に利用することができる。例えば、本方法は、他の回転機械と組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明したガスタービンエンジンのみで実践することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の回転機械用途と関連して実現および利用することができる。
【0039】
本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されていないかもしれないが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の実施形態の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。
【0040】
本明細書は、最良の態様を含む本開示の実施形態を開示するため、およびどのような当業者も、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実施を含む本開示の実施形態の実践を可能にするために、実施例を使用している。本明細書に記載した実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【0041】
１００ 回転機械、ガスタービンエンジン１０２ 吸気セクション
１０３ 入口ガイドベーン
１０４ 圧縮機セクション
１０５ 入口ガイドベーンコントローラ
１０６ 燃焼器セクション
１０７ 翼形部
１０８ タービンセクション
１１０ 排気セクション
１１２ ロータシャフト
１１４ 燃焼器
１１５ 第１の燃焼ゾーン
１１６ 負荷
１１７ 第２の燃焼ゾーン
１１８ ロータアセンブリ
１１９ 第１の燃料ノズル
１２０ 吸気
１２１ 第２の燃料ノズル
１２２ 圧縮空気
１２４ 高温燃焼ガス
１２６ 長手方向軸
１２８ 排気ガス
１３０ 燃料供給システム
１３２ バルブ
１３４ コンピューティングデバイス
２００ 方法
３００ 制御図
４００ 第１のグラフ
４０１ 第２のグラフ
４０２ グラフ表示
４０４ 現在の動作Ｔ３．５温度
４０６ 現在の燃料スプリット
４０８ 導関数
４１０ 第２の関係
４１２ 計算された燃料スプリット
４１４ 計算された動作Ｔ３．５温度
４１６ 目標動作Ｔ３．５温度
４１８ グラフ表示
４１９ グラフ表示
４２０ 目標燃料スプリット
【外国語明細書】