JP2004092402A

JP2004092402A - Combustion vibration analysis method and apparatus and analysis program thereof

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Publication number: JP2004092402A
Application number: JP2002250739A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tsuchiya; 土屋　利明; Masanori Shimizu; 清水　雅典; Kazunori Shioda; 塩田　和則; Fukuo Maeda; 前田　福夫
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】燃焼器内の燃焼過程において、圧力変動に伴って誘起される燃焼振動解析方法及び装置並びにその解析プログラムを記録した媒体を提供する。
【解決手段】燃焼振動現象を、燃焼室１３内の媒質流体の質量、運動量、エネルギーそれぞれの保存方程式と、媒質流体の状態方程式を支配方程式として記述し、燃焼室１３内の任意に流速場、温度場を伴う場合における圧力変動をも評価可能とし、圧力、流速、温度の周波数応答特性結果を数値計算により導出する。また、燃焼室１３の上流部に燃料供給計測系２３、燃焼室１３内にセンサー１７を備え、燃料供給条件や気柱共鳴モードの状況をリアルタイムで数値計算に反映させる。
【選択図】　図２An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for analyzing combustion vibration induced by a pressure change in a combustion process in a combustor, and a medium in which an analysis program is recorded.
A combustion oscillation phenomenon is described as a conservation equation of each of mass, momentum, and energy of a medium fluid in a combustion chamber, and a state equation of the medium fluid as a governing equation. Pressure fluctuations with a temperature field can be evaluated, and the frequency response characteristics of pressure, flow velocity and temperature are derived by numerical calculation. Further, a fuel supply measurement system 23 is provided upstream of the combustion chamber 13 and a sensor 17 is provided in the combustion chamber 13 so that the fuel supply conditions and the state of the air column resonance mode are reflected in numerical calculations in real time.
[Selection] Fig. 2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と空気を混合させて燃焼させる例えばガスタービン燃焼器において、特に数値解析により燃焼振動現象を把握し、燃焼装置の振動制御が可能な燃焼振動解析方法及び装置、並びにこのような解析手法をコンピュータに実行させるための解析プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ガスタービンは、起動から定格負荷又は停止までの広い負荷範囲で安定な運転と、長寿命にして信頼性の高い運転が求められている。さらに、高効率指向や環境保護対応のため、高温化や低ＮＯｘ化対策を実施する必要がある。
【０００３】
近年、これらの要請に対応するためガスタービン燃焼器においては、低ＮＯｘ化のために予混合燃焼を適用した低ＮＯｘ燃焼器や蒸気・水噴射法、高温化に対応するための複雑な壁面冷却構造、及び複雑な燃料・空気の制御等が採用されている。
【０００４】
また、ガスタービンには種々の燃料を利用するための燃料多様化対応が求められている。これら高温化や低ＮＯｘ化、燃料多様化への対応は適宜実施されつつあるが、一方これらの実施・適用は燃焼の安定化や壁面金属材料の寿命等に対してかなり厳しい運転条件となっている。特に、予混合燃焼や蒸気・水噴射による低ＮＯｘ化は燃焼器内部の燃焼安定性を犠牲にしているものであり、結果として以下に述べる燃焼振動の増大等による機器の摩耗増大により、耐久性や寿命信頼性を大きく阻害している。
【０００５】
図１５は、従来のガスタービン燃焼器を一例にした燃焼器の構造及び周辺構成を示す概略図である。ロータ１には、圧縮機２とガスタービン３とがそれぞれ設置されている。圧縮機２は、大気の空気４を吸い込み、吸い込んだ空気４を高圧空気６とし、燃焼器５に送り出している。
【０００６】
また、燃焼器５においては、圧縮機２からの高圧空気６に、燃料配管７の燃料弁８を経て送られてくる燃料９が加えられ、両者を混合燃焼させて燃焼ガス１０を生成し、この燃焼ガス１０を作動流体としてガスタービン３に送り出している。ガスタービン３は、燃焼器５から送られてくる作動流体としての燃焼ガス１０に膨張仕事をさせて回転トルクを得、図示しない発電機を駆動して電気出力を得る一方、膨張仕事後の作動流体を排気ガス１１として大気に放出させている。
【０００７】
上記燃焼器５は、外側容器１２に包囲形成された筒状の燃焼室１３を有し、この頭部側に燃料９を霧状に噴出する燃料噴射部１４を設置し、燃料噴射部１４から噴射される燃料９に圧縮機２からの高圧空気６を加えて拡散・旋回を行なっている。
【０００８】
また、燃焼室１３は、燃料噴射部１４から噴射する燃料９を着火させる点火プラグ１５と、着火により燃焼域１６で生成される燃焼ガス１０の圧力変動などを検出するセンサ１７と、燃焼ガス１０をガスタービン３に案内する尾筒１８とをそれぞれ備えている。
【０００９】
このように燃料９は、旋回する高圧空気６と拡散・混合しながら燃焼を継続するが、その際に数十Ｈｚ前後から数十ｋＨｚ前後にわたる周波数を有する燃焼振動を伴うことがある。特にこの燃焼振動は、燃焼域１６で発生する脈動火炎を励振源として、燃焼室１３の音響特性と共鳴して成長し、数百Ｈｚまでの比較的低周波数領域で高い振動強度が現れる。
【００１０】
図１６は、センサー１７によって検出された圧力変動を周波数分析した結果の一例を示すものであり、燃焼器５内に発生する燃焼振動強度を示すものである。このような燃焼振動は、大小のレベルの違いはあるものの、燃料９の燃焼過程ではある程度不可避と考えなければならない。
【００１１】
以上述べたようにガスタービン燃焼器のような燃焼装置内においては、火炎の脈動燃焼などの動的燃焼を励振源として、数十Ｈｚから数十ｋＨｚにわたる周波数の燃焼振動が誘起されることが知られている。
【００１２】
このような燃焼振動は、工業用の燃焼装置全般に見られる現象であるが、燃焼室形状や燃料供給系と密接な関係を有し、その振動レベルは時に極めて大きくなることがある。さらに、ガスタービン燃焼器本体の筐体振動や音響振動とも共鳴し、異常振動や異常内圧を現出させる要因ともなっている。よって、燃焼振動の解明と抑制は、燃焼装置を開発する上で重要な課題となっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近のガスタービン燃焼器では、高出力化が求められており、これに伴って燃焼ガス温度も１５００℃以上になっている。このため、燃焼室は燃焼ガスの急激な温度上昇やガスタービンの負荷変動等に伴って発生する過大な熱応力に対処して強度の高い耐熱鋼を選定する一方、高い燃焼ガス温度によって発生する熱の伸びを考慮して燃焼室の節々の継ぎ部分同士を遊嵌接続する構成になっている。
【００１４】
また、最近の燃焼室は、搬入・据付・点検等の労力軽減を意図して、高強度の割合には比較的肉厚の薄い材料が使用されている。
【００１５】
しかしながら、燃焼室が肉厚の薄い材料で作製され、またその燃焼域の節々の継ぎ部分が上述したような構成であると、不測の過大な燃焼振動が発生した場合、あるいは燃焼振動と燃焼室の音響特性とが共鳴した場合、燃焼室は極度に振動し、上述した遊嵌接続の支持部材に過大な損傷を生じることがある。。
【００１６】
また、燃焼振動が顕在化しない場合でも、燃焼室自身も若干の振動を伴うため、上述した支持部材は高サイクル疲労によるクラックを発生する恐れがある。このため、燃焼振動を抑制することが燃焼器の構成部材の寿命の安定化につながることは、公知の事実とされている。
【００１７】
一方、ＮＯｘ化や燃料多様化の対応に伴う燃焼条件は、燃焼振動をさらに助長、誘発し易い条件となっており、振動増大による機器の摩耗等により信頼性を損なう結果を誘発する。
【００１８】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、燃焼器に求められている高温化や低ＮＯｘ化、燃料多様化等の要請の応えながらガスタービンの全ての運転範囲で燃焼振動の低減化を図り、信頼性の向上を図り得る燃焼振動解析方法及び装置並びにその解析プログラムを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に対応する発明による燃焼振動解析方法は、燃焼振動現象を、燃焼室内の媒質流体の質量、運動量、エネルギーそれぞれの保存方程式と、媒質流体の状態方程式を支配方程式として記述し、これらの方程式を用いて燃焼室内の任意の点における圧力、流速、温度の時間変化を連成して解析することにより、燃焼室内に任意の流速場、温度場を伴う場合の圧力変動を評価可能とし、圧力、流速、温度の周波数応答特性結果を数値計算により導出する。
【００２０】
請求項２に対応する本発明は、請求項１に対応する燃焼振動解析方法において、脈動火炎が存在する燃焼域を複数箇所設定し、各々の火炎の形状、発熱量、脈動周波数をそれぞれ独立に入力して解析することにより、燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２１】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する本発明の燃焼振動解析方法において、燃焼室の入口端部での燃料の供給条件として圧力、流速、温度及びそれらの時間変化を設定し、燃料供給の変動パターンを解析条件として入力することにより、燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２２】
請求項４に対応する本発明は、請求項１に対応する発明の燃焼振動解析方法において、燃焼室の入口端部での燃料の供給条件として圧力、流速、温度及びそれらの時間変化を燃焼室の上流部にて測定し、これに基づいて振動源としての火炎の脈動周波数、発熱量を算出し、これらのデータと前記測定された燃料供給条件を入力条件として、実際の燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２３】
請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の燃焼振動解析方法において、燃焼室の出口端部での圧力環境条件として音響インピーダンスを設定し、当該部での音響波の反射、透過の態様を入力して、燃焼室での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２４】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する本発明の燃焼振動解析方法において、燃焼室の任意の複数箇所に設置された圧力及び温度センサーにより燃焼室内の音響共鳴モードを測定し、これに基づいて燃焼室の出口端部での音響インピーダンスを算出し、これらのデータを解析モデルの圧力境界条件として設定することにより、実際の燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２５】
一方、前記目的を達成するために、請求項７に対応する本発明による燃焼振動装置は、燃焼振動現象を、燃焼室内の媒質流体の質量、運動量、エネルギーそれぞれの保存方程式及び媒質流体の状態方程式が支配方程式として書込まれた記憶部を備え、この記憶部に書込まれたこれらの方程式に基づいて燃焼室内の任意の点における圧力、流速、温度の時間変化を連成して解析し、且つ圧力、流速、温度の周波数応答特性結果を数値計算により導出する解析手段と、この解析手段より得られる解析結果を保存する手段と、前記解析手段より得られる解析結果を表示する手段とを備える。
【００２６】
請求項８に対応する発明は、請求項７に対応する本発明の燃焼振動解析装置において、燃焼室の入口端部での燃料の供給条件として圧力、流速、温度及びそれらの時間変化を設定し、且つ燃料供給の変動パターンを解析条件として前記解析手段に入力する入力手段を備え、前記解析手段は前記入力手段より入力される前記燃料供給条件としての前記各設定データ並びに解析条件に基づいて実際の燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２７】
請求項９に対応する本発明は、請求項７に対応する発明の燃焼振動解析装置において、燃焼室の入口端部での燃料の供給条件として圧力、流速、温度及びそれらの時間変化を燃焼室の上流部にて測定するとともに、その測定データに基づいて振動源としての火炎の脈動周波数、発熱量を算出して前記解析手段に入力する燃料供給測定処理手段を備え、前記解析手段は、前記燃料供給測定処理手段で算出された火炎の脈動周波数、発熱量データと前記測定された燃料供給条件を入力条件として、実際の燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２８】
請求項１０に対応する発明は、請求項７に対応する発明の燃焼振動解析装置において、燃焼室の任意の複数箇所に設置された圧力及び温度センサーにより、燃焼室内の音響共鳴モードを測定し、これに基づいて燃焼室の出口端部での音響インピーダンスを算出して前記解析手段に入力する音響モード計測処理手段を備え、前記解析手段は前記音響モード計測処理手段で算出されたデータを解析モデルの圧力境界条件として設定することにより、実際の燃焼装置での燃焼振動現象を数値計算により導出する。
【００２９】
さらに、前記目的を達成するために、請求項１１に対応する本発明は、コンピュータに、燃焼装置の形状、燃料の供給条件、火炎の燃焼条件、燃焼室端部の圧力境界条件に関するデータと、燃焼室内の媒質流体に関する質量、運動量、エネルギーそれぞれの保存方程式と、媒質流体の状態方程式とを用いて燃焼室内の任意の点における圧力、流速、温度の時間変化を連成して解析し、かつ、圧力、流速、温度の周波数応答特性結果を数値計算により得る手順を実行させるためのプログラムである。
【００３０】
請求項１２に対応する発明は、請求項１１に対応する本発明の燃焼振動解析プログラムにおいて、コンピュータに、脈動火炎が存在する燃焼域を複数箇所設定し、各々の火炎の形状、発熱量、脈動周波数をそれぞれ独立に入力し、燃焼室端部での圧力境界条件として音響インピーダンスを設定し、当該部での音響波の反射、透過の様態を模擬し、燃料の供給条件として圧力、流速、温度及びそれらの時間変化を設定し、当該部での燃料供給の変動パターンを解析条件として入力する手順を実行させるためのプログラムである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係わる燃焼振動解析方法及び装置の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図１４、図１５に示した従来技術の構成と同一構成部品には同一番号を付して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係わる燃焼振動解析方法における燃焼振動の様態を示す模式図である。本発明では、燃焼振動の様態を、（ａ）固有振動、（ｂ）音響振動、（ｃ）システム振動の３種類に分類している。
【００３３】
（ａ）固有振動は、燃焼室１３の燃焼域１６に発生した火炎１９において、燃料９の反応性などに保有される微視的な不安定性やゆらぎに由来する振動である。この固有振動については、理論的にはその存在が予言されており、学究的な研究例は散見されるが、工学的な実用面での報告例は少ない。
【００３４】
（ｂ）音響振動は、火炎１９を励振源、燃焼室１３を音響共鳴器として誘起されるもので、火炎形状や燃焼室の形状などにより少なからず影響を受ける。
【００３５】
（ｃ）システム振動は、燃料供給系や空気供給系或いは排ガス系などの周辺系と燃焼室１３がひとつの流体振動系を構成し、火炎１９が励振源となってこの振動系を共振させるものである。
【００３６】
図２は、図１に分類した燃焼振動をブロック図にて表したものである。燃料噴射部１４からノズル２０を経て燃焼室１３内に噴射された燃料９は、入口端部２１のやや下流に火炎１９を形成し、これを励振源として固有の周波数で振動する。
【００３７】
この固有振動により生起された音響波は、燃焼ガス１０を媒質として燃焼室１３内を流れ方向に伝播し、燃焼室１３の出口端部２２にて一部が反射されて再び火炎１９に戻ってくる。
【００３８】
このような音響波の往復により音響場が共鳴し、音響振動が誘起される。また、燃料噴射部１４と火炎１９との干渉により、燃料供給の脈動も含めたＨｅｌｍｈｏｌｚ振動のようなシステム振動が発生することも想定される。
【００３９】
一方、燃焼振動に関しては、従来から共鳴不安定性とシステム不安定性の両方の観点から、古くはＲａｙｌｅｉｇｈによる解析（例えば、Ｒａｙｌｅｉｇｈ、Ｌ．、“Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙｏｆ　Ｓｏｕｎｄ”、Ｄｏｖｅｒ−Ｐｒｅｓｓ（１９４５）参照）に始まり、燃焼振動の発生機構に対して様々な解明が行われてきた。その多くは波動方程式を支配方程式とした数値解析（例えば、Ｈｅｇｄｅ、Ｖ．Ｇ．、Ｄ．、ａｎｄ　Ｚｉｎｎ、Ｂ．Ｔ．、”Ｓｏｕｎｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｄｕｃｔｅｄ　Ｆｌａｍｅｓ”ＡＩＡＡ　Ｊｏｕｒｎａｌ、　Ｖｏｌ．２６、　ｐｐ．５３２−５３７（１９８８）参照）であり、加えて波動方程式を支配方程式とした燃焼振動解析方法については、公開特許公報（特開平１１−１３２４５８）明細書にも示されている。
【００４０】
しかしながら、波動方程式は以下に述べるように、静止した温度一定の均質媒質中の音響波の挙動を線形近似のもとで記述するものであり、燃焼室内の燃焼振動のように燃焼による温度分布や流速分布を伴う場合には適用できない。そのため、前記の波動方程式を支配方程式とした数値解析では、燃焼振動を記述することには必ずしも十分な成功を収めるには至っていないのが現状である。
【００４１】
そこで、本発明では燃焼振動を波動方程式ではなく、より一般的な流体方程式に基づく燃焼振動解析方法を提案するものであるが、先ず流体方程式と波動方程式の関係につき、以下に説明する。
【００４２】
（１）式、（２）式は圧縮非粘性流れの流体の質量保存式、及び運動量保存式を示すもので、静止流体中に非常に小さな変動が発生し、音響波が疎密波として伝播していく場合を考える。
【００４３】
【数１】

【００４４】
次に、質量密度ρ及び圧力ｐを、定常値ρ_０、ｐ_０と微小変動値ρ´、ｐ´の和として表現すると、（３）式の通りとなる。
【００４５】
【数２】

【００４６】
また、（４）式に示す通り１次の線形近似を適用し、２次以上の微小変動量を無視すると、（１）式、（２）式は（５）式、（６）式の通り近似化される。
【００４７】
【数３】

【００４８】
よって、（５）式、（６）式から（７）式のような波動方程式が導かれる。ここで、ｃ，γ，ω，ｋはそれぞれ音速、比熱比、角周波数、波数である。
【００４９】
【数４】

【００５０】
以上のように静止流体中での音響波の挙動については、線形近似の範囲内において（７）式に示す波動方程式により記述することができる。もとより、（７）式に示す波動方程式は、音響波の挙動を記述するものとして、従来の多くの燃焼振動解析方法が支配方程式としてきたが、そもそも（１）式、（２）式に示した質量及び運動量保存式からなる流体方程式より導出することができ、これら流体方程式は内容的には（７）式に示す波動方程式を包含していることを意味する。
【００５１】
しかしながら、上述のように波動方程式の適用に当っては、流体中の温度が場所によらず一定で、すなわち音速も場所によらず一定とみなせ、さらに流速は音速に比べて十分小さいという前提条件が課せられている。
【００５２】
このように波動方程式は、静止した温度一定の均質媒質中における音響波の挙動を線形近似のもとで記述するものであり、燃焼室内の燃焼振動のように単に音響波伝播のみならず、燃焼ガス流動、さらに反応熱による温度上昇も併せてモデル化する場合は、波動方程式を支配方程式とするには不適当であることが分る。
【００５３】
そこで、本発明では、波動方程式を支配方程式とする従来の燃焼振動解析方法に代わって、波動方程式の上位概念である流体の質量、運動量、エネルギーの各保存方程式及び状態方程式に基づく以下に述べる燃焼振動解析方法により燃焼振動を解析するものである。
【００５４】
既に、流体の質量保存式と運動量保存式は（１）式と（２）式に示したが、これに加えて（８）式、（９）式はそれぞれエネルギー保存方程式及び状態方程式である。（１０）式は流体を理想気体と仮定したときの流体の澱みエネルギーである。
【００５５】
ここで、Ｅｓ，Ｔ，Ｍ，ｃｖはそれぞれ流体の澱みエネルギー、温度、分子量、等積比熱、ｑは燃焼による発熱密度、Ｒは気体定数である。
【００５６】
【数５】

【００５７】
図３は、本発明に係わる燃焼室の計算モデルの一例を示す図である。例えば、図示のように燃焼室１３内の流れを入口端部２１から出口端部２２まで断面積が準静的に変化する１次元流れとし、脈動燃焼により駆動されるガス流動、及び音響波伝播などの非定常流れを解析評価する。燃料９と高圧空気６の混合ガスは燃焼域１６で火炎１９を形成し、その下流に燃焼ガス１０を発生させる。
【００５８】
また、燃焼室１３の内壁面近傍では流れの境界層が成長し、流れ場を主流域と境界層域に分けて考えることができる。境界層域では粘性流れとしての扱いが必要になり、内壁面での摩擦応力及び熱流束については、粘性による運動量、エネルギ−の散逸過程を含む境界層方程式に基づき評価される。
【００５９】
ここでは、計算モデルを燃焼室１３の内壁面近傍の境界層域を除いた主流域のみに限定し、圧縮非粘性流れの数値解析により燃焼器内の音響特性や脈動燃焼特性を評価する。数値解法は、例えばＥｕｌｅｒ陰解法による数値シミュレーション法などを適用することができる。
【００６０】
次に本発明による燃焼振動解析方法及び装置の実施の形態について説明する。
【００６１】
図４は、本発明に係わる燃焼器の燃料供給系の構造を示す概略図で、図１５と同一構成部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部品についてのみ述べる。
【００６２】
図４において、２３は燃料弁８と燃料噴射部１４との間に配設され、燃焼域１６に噴射される燃料９の供給状態をリアルタイムで計測する燃料供給計測系で、この燃料供給計測系２３は図示しないセンサ及び同じく図示しない中央演算装置を内蔵し、燃焼域１６に噴射される燃料９の圧力、温度、流速及びこれらの時間変化を燃焼室１３の上流部で測定し、これに基づいて振動源としての火炎１９の発熱周波数、発熱量を算出するものである。
【００６３】
また、２４は燃焼室１３の内壁に沿って燃焼域１６に限定されない複数個所に設置されたセンサ１７によりリアルタイムで計測された圧力変動分布、すなわち気柱共鳴モードが入力される音響モード計測処理系で、この音響モード計測処理系２４はこれらの計測データを演算処理して燃焼室１３の実効長さや音響インピーダンスＺを算出するものである。
【００６４】
さらに、２５は燃焼室の流路形状等の条件、火炎による振動源の設定、流入環境条件の設定及び流出境界条件の設定する入力部である。
【００６５】
２６は入力部２５より条件入力及び前述した各種の設定がなされ、且つ燃料供給計測系２３で算出された火炎１９の発熱周波数、発熱量、音響モード計測処理系２４で算出された燃焼室１３の実効長さや音響インピーダンスＺが入力される燃焼振動解析装置本体で、この燃焼振動解析装置本体２６は図示しないファイルに支配方程式として記述された燃焼室内の媒質流体の質量、運動量、エネルギーそれぞれの保存方程式と媒質流体の状態方程式に基づいて流体方程式の数値解析並びに周波数分析（フーリエ解析）を行う解析及び演算機能と流入境界条件及び流出境界条件の補正の要否を判定する判定機能を備えている。
【００６６】
図中、２７は燃焼振動解析装置本体２６で解析された解析結果を保存するメモリ、２８は解析結果を表示する表示部である。
【００６７】
次に上記のように構成された燃焼振動解析装置の作用を図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６８】
まず、手順１で燃焼室の流路形状を入力し、次に手順２では脈動する火炎１９による励振源の設定を行う。（１１）式は、脈動火炎による振動源の設定方法の一例を示し、燃焼による発熱密度ｑを場所ｚ、時間ｔの関数として定式化したものである。
【００６９】
ここで、ｑ_０，ｑ_ｆ，ｋ，ωはそれぞれ定常発熱密度、発熱振幅、火炎伝播の波数、発熱角周波数である。（１１）式の例では、ｚ＝０からｚ＝Ｌ_ｆまでを燃焼域１６として、それ以外は発熱密度をゼロとしている。また、火炎伝播の波数ｋ＝０とすると、脈動する火炎１９が同位相モードで明滅する場合に相当する。
【００７０】
【数６】

【００７１】
このように固有周波数で脈動する火炎１９を励振源とした場合、燃料供給系との相互干渉により特定周波数の圧力変動を発生させる可能性がある。例えば、燃焼域１６で圧力が過渡的に上昇し、ノズル２０からの燃料供給が阻害される。これにより、燃料供給が抑制または停止し、燃焼域１６の圧力が過渡的に低下に転じ、ノズル２０からの燃料供給が再び開始する。このような振動現象が火炎１９の脈動燃焼を助長することも予想される。
【００７２】
また、火炎１９と燃焼室１３との相互干渉によっても特定周波数の圧力変動を発生させる可能性もある。例えば、燃焼域１６で圧力が過渡的に上昇し、ノズル２０からの燃料供給が阻害される。これにより、燃料供給が抑制または停止し、燃焼域１６の圧力が過渡的に低下に転じ、ノズル２０からの燃料供給が再び開始する。このような振動現象が火炎１９の脈動燃焼を助長することも予想される。
【００７３】
また、火炎１９と燃焼室１３との相互干渉によっても特定周波数の圧力変動を発生させる可能性もある。燃焼室１３内を＋ｚ方向に伝播する音響波は、燃焼室１３の出口端部２２において反射されて再び励振源へと戻る。
【００７４】
このような音響波伝播と脈動燃焼が連成して、燃焼室１３内に気柱共鳴モードが励起される。また、本実施の形態では、（１１）式では脈動火炎が存在する燃焼域１６を１ヶ所指定しているが、もとより燃焼室１３内に複数箇所の燃焼域１６を指定することも可能である。
【００７５】
次に図５に示す手順３では、入口端部２１での流入境界条件を設定する。（１２）式は、燃焼室１３への燃料供給条件を示すものであり、燃焼室１３の入口端部２１における流体の圧力、質量密度、温度、流速それぞれに対して添字ｉｎで示すと以下の通りとなる。
【００７６】
【数７】

【００７７】
このように本実施の形態では、燃料供給の変動パターンを解析条件として入力することにより、流出境界条件の設定（手順４）、流体方程式の数値解析（手順５）、Ｆｏｕｒｉｅｒ解析による周波数分析（手順６）を経て、燃焼装置での燃焼振動現象を計算することが可能となる。
【００７８】
以下本実施の形態の有用性について具体的な計算例を例示しながら説明する。
【００７９】
図６は円筒状の燃焼室の計算モデルを示すものである。ここでは、長さＬ＝１．５ｍ、直径Ｄ＝０．２２４ｍの燃焼室に代表的な燃料ガスを入口圧力ｐ_ｉｎ＝１ａｔａ、入口流速ｕ_ｉｎ＝６ｍ／ｓ、入口温度５０℃で供給し、燃焼室前部のＬ_ｆ＝０．０５ｍまでを燃焼域とし、発熱量は１０００℃の燃焼条件を想定し、定常発熱密度ｑ_０、発熱振幅ｑ_ｆともに１４７．８ＭＷ／ｍ^３としている。
【００８０】
また、高温化した燃焼ガスは、燃焼室出口から一定圧力の雰囲気に自由開放されるが、燃焼室出口に自由開放端の反射条件を与える。これにより、当該部での脈動燃焼を模擬した場合の気柱共鳴のパラメータ依存性を評価する。サンプル点としては、燃焼室入口、燃焼室中央の２点を選定し、当該部での圧力変動を周波数分析する。
【００８１】
燃焼室入口は、流速にとっては固定端だが、圧力変動にとっては自由端となる。一方、燃焼室出口は流速変動にとっては、自由端だが、圧力変動にとっては固定端となる。
【００８２】
このように流速変動と圧力変動は、位相関係（節と腹の関係）が逆転したモードを形成する。
【００８３】
（１３）式は、静止した媒質中に発生する気柱共鳴のｍ次モード共鳴周波数を示す。
【００８４】
図７は、図６に示す円筒状の燃焼室内に発生する気柱共鳴モード（ｍ＝０次モードとｍ＝１次モード）を模式的に示すものである。
【００８５】
しかしながら、密封容器内の音響場の問題と異なり、燃焼室内部では燃焼反応による温度分布、流速分布を伴うため、燃焼室内の気柱共鳴モードは厳密には（１３）式及び図７に示す特性から乖離してくる。
【００８６】
【数８】

【００８７】
図８は、本解析方法を用いて導出した燃焼室内の圧力変動の時間変化である。火災の発熱周波数ｆは、（１３）式に示した０次モード共鳴周波数ｆ_０に近接した周波数として、ｆ＝９０Ｈｚのケースを設定している。
【００８８】
図９は、図８の燃焼室中央における圧力変動の計算結果に対する周波数分析結果を示す。ｆ＝９０Ｈｚの場合は、気柱共鳴の０次モードが励起されるケースであり、発熱周波数ｆのピークのすぐ左隣に共鳴周波数ｆ_０のピークが確認できる。
【００８９】
また、圧力変動に両者変動に両者の差異ｆ^＊＝｜ｆ−ｆ_０｜の低周波数うなりが生じている。
【００９０】
図１０は、以上の計算結果に基づいてまとめた圧力変動の周波数応答特性を示す。
【００９１】
燃焼室中央での応答特性を破線で、燃焼室入口での応答特性を実線でそれぞれ記す。〇、□は、本解析方法による計算結果を記している。これによると燃焼室入口は図７に示すような気柱共鳴モードの腹部になっているため、気柱０次モード励起（周波数ｆ_０）及び同１次モード励起（周波数ｆ_１）の共鳴ピークをいずれも確認することができる。これに対して、燃焼室中央は気柱共鳴モードの節部の近傍に位置するため、気柱１次モード励起の共鳴ピークは確認されるものの、燃焼室入口の共鳴ピークに比べてかなり低減されている。
【００９２】
図１１は、入口流速ｕｉｎを６ｍ／ｓから１２ｍ／ｓに倍増させた場合、燃焼室中央における圧力変動の周波数応答特性を示す。入口流速ｕｉｎ＝６ｍ／ｓのときの応答特性を破線で、入口流速ｕｉｎ＝１２ｍ／ｓのときの応答特性を実践でそれぞれ記す。〇，□は、本解析方法による計算結果を記している。なお、１０００℃の燃焼条件を維持するために、入口流速ｕｉｎを倍増させたのと同時に定常発熱密度ｑ_０も倍増させている。但し、振動強度を同程度とするため、発熱振幅ｑ_ｆはそのままとしている。これによると、入口流速ｕｉｎが大きくなるに従い、共鳴ピークが高周波数側へ移行していることが分る。
【００９３】
図１２は、入口流速ｕｉｎにより気柱１次モードが受ける影響を模式的に示すもので、入口流速ｕｉｎの増加と共に実質的な燃焼室長さが短縮されていることが理解できる。
【００９４】
図１３は、定常発熱密度ｑ_０を１．５倍にした場合、燃焼室中央における圧力変動の周波数応答特性を示す。ここでは、入口流速ｕｉｎ＝６ｍ／ｓに固定しているため、火炎の燃焼温度がおよそ１０００℃から１５００℃に変化している。但し、発熱振幅ｑ_ｆはそのままとしている。
【００９５】
１０００℃の燃焼条件の応答特性を破線で、１５００℃燃焼条件の応答特性を実線でそれぞれ記す。〇，□は、本解析方法による計算結果を記している。これによると、燃焼温度が高温となるに従い、共鳴ピークが高周波数側へ移行していることが分る。これは温度上昇と共に、媒質中を伝播する音速が増加することによるためである。
【００９６】
さらに、燃料供給条件として、実際の燃焼装置から得られる情報をリアルタイムで反映させることにより、より実際的な燃焼振動の解析を行うことが可能となる。
【００９７】
一般に燃料噴射部１４から噴射する燃料９、例えばＬＮＧ等の気体燃料は、燃料域１６にて安定火炎を求めるための燃空比（理論空気量に対する理論燃料流量）を基準とする他に、燃料噴射部１４から噴射する燃料圧力と燃料域１６の器内圧力との圧力差も考慮して定められている。
【００９８】
この燃料噴射部１４との圧力差が大きければ、噴射速度も大きくなり、圧力差がゼロのときは噴射速度もゼロとなる。このように圧力差が大きいほど燃料噴射部１４から噴射する燃料流量が増加するが、燃料域１６で何らかの事情により突発的に燃焼変調があり、過渡的に器内圧力が上昇し、燃焼噴射部１４との圧力差が減少すると、燃料噴射部１４から噴射する燃料流量は低下する。
【００９９】
また、燃料流量の低下に伴って燃料域１６で燃料不足の状態になると、燃料域１６の器内圧力も低下する。燃料域１６の器内圧力が低下すると、燃料噴射部１４と燃料域１６との圧力差が再び上昇し、燃料流量は増加する。
【０１００】
このような事象が繰返される結果、燃料域１６では燃焼ガス１０の生成過程中に圧力変動が現れる得る。また、上述した圧力差に起因して発生するシステム振動の他にも、燃焼室１３の音響振動が誘起されるなど、これらの振動が共鳴したとき振動レベルは予想以上の大きさになることがある。これら連成振動の中で、とりわけ上述の圧力差によるシステム振動が運転中、頻繁に発生することを考慮すると、上述の圧力差に基づくシステム振動を解析評価し、抑制することが重要となる。
【０１０１】
そこで、本発明の実施の形態では、図４に示すように燃料弁８と燃料噴射部１４との間に設けられた燃料供給計測処理系２３により、燃焼域１６に噴射される燃料９の供給状態をリアルタイムで計測する。この燃料供給計測処理系２３では、図示しないセンサにより、燃焼域１６に噴射される燃料９の圧力、温度、流速及びこれらの時間変化を燃焼室１３の上流部で測定し、これに基づいて図示しない演算装置により振動源としての火炎１９の発熱周波数、発熱量を算出する。
【０１０２】
図５に示す手順７では、手順３で設定した流入境界条件の補正の要否を判定し、必要な場合はこれらのデータを手順３に反映させ、実際に燃料供給の変動をリアルタイムに燃焼振動解析装置本体２６に反映させることができる。
【０１０３】
また、出口端部２２に対して進行波として入射した音響波は、当該部で反射されて燃焼室１３内に定在波を形成する。出口端部２２の性状は、一般的には音響インピーダンスの指定された壁面からの反射・透過特性として記述することができる。
【０１０４】
音響インピーダンスＺは、流路端部での圧力変動ｐ´と流速変動ｕ´の比として一般的に（１４）式に定義される。
【０１０５】
Ｚ＝ｐ´／ｕ´　　　　　　………（１４）
次に＋ｚ方向に伝播する平面進行波を（１５）式のように表現する。圧力変動ｐ´及び流速変動ｕ´は、もとより（７）式に示した波動方程式を満足するが、これは流速変動幅ｕ_ｆで振動する剛平面のピストン運動により誘起された平面波を示している。ここで、ｋ，ωはそれぞれ音響波の波数、角周波数である。
【０１０６】
【数９】

【０１０７】
また、平面進行波の特性インピーダンスＺ_ｆとして、（１４）式における圧力変動ｐ´と流速変動ｕ´に（１５）式に示す平面進行波の値を代入して（１６）式を得る。（１６）式に示す音響インピーダンスを有する出口端部２２は、当該面への入射進行波に対して完全整合の状態にある。このため、入射進行波は全く反射されず、あたかも何もないかのように入射進行波はそのまま透過していくことになる。
【０１０８】
【数１０】

【０１０９】
さらに、図１４に示すように音響インピーダンスＺを有する出口端部２２に対して、特性インピーダンスＺ_ｆの平面進行波が入射した場合、反射率Ｃ_Ｒ及び透過率Ｃ_Ｔは式（１７）の通り定義される。ここで、Ｃ_Ｒの式の右辺における正号は流速変動ｕ´負号は圧力変動ｐ´の反射率に対応する。
【０１１０】
【数１１】

【０１１１】
先に述べたように音響インピーダンスＺが平面進行波の特性インピーダンスＺ_ｆに等しい完全整合端（Ｚ＝Ｚ_ｆ）では、音響波は当該部で無反射のまま波動伝播していくので、圧力変動ｐ´、流速変動ｕ´共に反射率Ｃ_Ｒ＝０、透過過率Ｃ_Ｔ＝＋１となっている。また、剛体壁のような固定反射端（Ｚ＝∽）では、圧力変動波は同位相（Ｃ_Ｒ＝＋１）で反射されるが、流速変動波は逆位相（Ｃ_Ｒ＝−１）で反射されて当該部での流速はゼロとなる。
【０１１２】
このとき、固定反射端では圧力変動波を同位相で反射しているため、その反動効果で２倍の音響圧力が作用する（Ｃ_Ｔ＝＋２）。一方、開放口での自由反射端（Ｚ＝０）では、圧力変動波は逆位相（Ｃ_Ｒ＝−１）反射されるが、流速変動波は同位相（Ｃ_Ｒ＝＋１）で反射される。
【０１１３】
一般的な入射インピーダンスＺを有する出口端部２２での音響波の反射により、燃焼室１３内には、当該部に入射する平面進行波と、前記平面進行波と反射波とが形成する定在波が混在する。平面進行波が存在しない純正な気柱共鳴モードの定在波が形成されるケースは、反射率Ｃ_Ｒ＝＋１，−１の２つのケースに相当する。
【０１１４】
本発明では以上のことに従がい、実際の計算モデルにおける出口端部２２の境界条件の設定方法を以下の通り行う。
【０１１５】
一般に、入射インピーダンスＺの設定された出口端部２２では、端部境界条件を（１８）式の通り設定するものとする。圧力ｐについては、排気槽の圧力ｐ_ｅｘ、音響インピーダンスＺ、流速変動ｕ´による以下の設定方法により、任意の音響インピーダンスＺを有する出口端部２２での圧力変動波の反射を模擬することが可能となる。また、質量密度ρ、温度Ｔ、質量流束ρμについては、当該面での空間勾配をゼロとする。
【０１１６】
【数１２】

【０１１７】
前記に示す（１８）式によれば、本実施の形態では燃焼室１３の出口端部２２において任意の端部境界条件を設定することができ、例えば出口端部２２が開口している自由反射端（Ｚ＝０）や完全整合端（Ｚ＝Ｚ_ｆ）の場合、理論的な特性と合致する計算結果を導出することが容易に確認できる。
【０１１８】
そこで、本実施の形態では、図４に示した燃焼室１３内の内壁に沿って、燃焼域１６に限定しない複数個所に設置されたセンサ１７により、燃焼室１３内の圧力変動分布、すなわち気柱共鳴モードを測定する。
【０１１９】
燃焼室１３内に形成された気柱共鳴モードは、例えば図１１、図１３に示したように入口流速や燃焼温度などのパラメータにより少なからず影響を受けることが予想される。ここでは、燃焼室１３内に形成された気柱共鳴モードをセンサー１７によりリアルタイムで計測することにより、これらのデータを音響モード計測処理系２５で演算処理し、燃焼室１３の実効長さや音響インピーダンスＺを算出する。
【０１２０】
図５に示す手順８では、手順４で設定した流出環境条件の補正の要否を判定し、必要な場合はこれらのデータを手順４に反映させ、音響インピーダンスＺの変動をリアルタイムに燃焼振動解析装置本体２６に反映させることができる。
【０１２１】
燃焼振動の発生機構については現状不明な点も多いが、燃焼室１３内に特定周波数の脈運火炎が励振源として発生したとき、振動源である火炎条件（形状、発熱密度、発熱周波数）、燃料供給条件（流速、温度、圧力）、管端の音響インピーダンスが与えられれば、本実施の形態のような音響波伝播の数値シミュレーションにより燃焼室１３内の音響特性、周波数応答特性及び気柱共鳴モードに対する評価診断を実施することが直ちに可能となる。
【０１２２】
このように燃焼振動解析装置本体２６によって解析された解析結果は、メモリ２７に保存されると共に、表示装置２８に表示される。
【０１２３】
なお、実施形態に説明した装置は、各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムとして、又は記憶媒体に格納したプログラムをコンピュータに読み込ませることで実現させることができる。
【０１２４】
ここで、本発明における記憶媒体としては、磁気ディスク、フロッピーディスク、ハードディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等）、光磁気ディスク（ＭＯ等）、半導体メモリ等、プログラムを記憶でき、かつコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式は何れの形態であってもよい。
【０１２５】
また、記憶媒体からコンピュータにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）や、データベース管理ソフト、ネットワークソフト等のＭＷ（ミドルウェア）等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。
【０１２６】
さらに、本発明における記憶媒体は、コンピュータと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝送されたプログラムをダウンロードして記憶又は一時記憶した記憶媒体も含まれる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ガスタービン燃焼器などの燃焼装置内に誘起される燃焼振動を解析し、その実状を把握した上で、それに起因する各種振動レベルを低減する対策を的確に講じることが可能とすることにより、燃焼装置自身の長寿命化をはじめガスタービンまたはガスタービンプラントの信頼性を高め、プラントの運用率や補修点検費の節減に大きく寄与できる燃焼振動解析方法及び装置並びにその解析プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃焼振動解析方法及び装置を説明するための燃焼振動の様態を示す模式図。
【図２】図１における燃焼振動のブッロク図。
【図３】燃焼室の計算モデルの一例を示す図。
【図４】本発明による燃焼振動解析方法及び装置の実施の形態における燃焼器の燃料供給系を示す構成図。
【図５】同実施の形態の作用を説明するための手順を示すフローチャート。
【図６】同実施の形態における円筒状の燃焼室の計算モデルを示す図。
【図７】図６における燃焼室内の共鳴モードを示す図。
【図８】図６における燃焼室内の圧力変動の時間変化を示す図。
【図９】図８の燃焼室中央における圧力変動の周波数分析結果を示す図。
【図１０】図６における燃焼室内の圧力変動の周波数応答特性を示す図。
【図１１】図１０の燃焼室中央における圧力変動の周波数応答特性の入口流速に対する依存性を示す図。
【図１２】図１１に示す周波数応答特性を燃焼室内の共鳴モードにて説明する図。
【図１３】図１０の燃焼室中央における圧力変動の周波数応答特性の燃焼温度に対する依存性を示す図。
【図１４】本発明に係わる音響波の反射境界を示す図。
【図１５】従来のガスタービン燃焼器の構造及び周辺構成を示す概略図。
【図１６】従来のガスタービン燃焼器内に発生する燃焼振動強度を示すグラフ。
【符号の説明】
１…ロータ
２…圧縮機
３…ガスタービン
４…空気
５…燃焼器
６…高圧空気
７…燃料配管
８…燃料弁
９…燃料
１０…燃焼ガス
１１…排気ガス
１２…外側容器
１３…燃焼室
１４…燃料噴射部
１５…点火プラグ
１６…燃焼域
１７…センサー
１８…尾筒
１９…火炎
２０…ノズル
２１…入口端部
２２…出口端部
２３…燃料供給計測系
２４…音響モード処理系
２５…入力部
２６…燃焼振動解析装置本体
２７…メモリ
２８…表示部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion vibration analyzing method and apparatus, for example, in a gas turbine combustor that mixes fuel and air and burns, particularly by grasping the combustion vibration phenomenon by numerical analysis and capable of controlling the vibration of a combustion device, and the like. The present invention relates to an analysis program for causing a computer to execute an analysis method.
[0002]
[Prior art]
Gas turbines for power generation are required to operate stably over a wide load range from start to rated load or stop and to operate with a long life and high reliability. Furthermore, it is necessary to take measures against high temperature and low NOx for high efficiency and environmental protection.
[0003]
In recent years, in order to respond to these demands, gas turbine combustors have used low-NOx combustors that apply premixed combustion to reduce NOx, steam / water injection methods, and complicated wall cooling to respond to high temperatures. Structure, complicated fuel / air control, etc. are adopted.
[0004]
In addition, gas turbines are required to be diversified in order to utilize various fuels. The response to these high temperatures, low NOx, and diversification of fuels is being implemented as appropriate, but the implementation and application of these are quite severe operating conditions with respect to the stabilization of combustion and the life of wall metal materials. I have. In particular, the reduction of NOx due to premixed combustion and steam / water injection sacrifices combustion stability inside the combustor. As a result, wear of equipment due to increased combustion vibration described below increases durability. And life reliability is greatly impaired.
[0005]
FIG. 15 is a schematic diagram showing the structure and peripheral configuration of a combustor using a conventional gas turbine combustor as an example. The compressor 1 and the gas turbine 3 are installed in the rotor 1 respectively. The compressor 2 sucks atmospheric air 4, converts the sucked air 4 into high-pressure air 6, and sends it to the combustor 5.
[0006]
Further, in the combustor 5, fuel 9 sent through the fuel valve 8 of the fuel pipe 7 is added to the high-pressure air 6 from the compressor 2, and the two are mixed and burned to generate a combustion gas 10, The combustion gas 10 is sent to the gas turbine 3 as a working fluid. The gas turbine 3 expands the combustion gas 10 as a working fluid sent from the combustor 5 to obtain rotational torque, and drives a generator (not shown) to obtain an electric output. The fluid is released to the atmosphere as exhaust gas 11.
[0007]
The combustor 5 has a cylindrical combustion chamber 13 formed so as to be surrounded by an outer container 12, and a fuel injection unit 14 for injecting the fuel 9 in a mist state is installed on a head side of the combustion chamber 13. The high-pressure air 6 from the compressor 2 is added to the injected fuel 9 to perform diffusion and swirling.
[0008]
Further, the combustion chamber 13 includes an ignition plug 15 for igniting the fuel 9 injected from the fuel injection unit 14, a sensor 17 for detecting a pressure variation of the combustion gas 10 generated in the combustion area 16 by the ignition, and a combustion gas 10 And a transition piece 18 for guiding the gas to the gas turbine 3.
[0009]
As described above, the fuel 9 continues to burn while diffusing and mixing with the swirling high-pressure air 6, and at that time, combustion vibration having a frequency ranging from about several tens Hz to about several tens kHz may be accompanied. In particular, the combustion vibration grows in resonance with the acoustic characteristics of the combustion chamber 13 using a pulsating flame generated in the combustion region 16 as an excitation source, and a high vibration intensity appears in a relatively low frequency region up to several hundred Hz.
[0010]
FIG. 16 shows an example of the result of frequency analysis of the pressure fluctuation detected by the sensor 17, and shows the intensity of combustion vibration generated in the combustor 5. Although such combustion oscillations vary in magnitude, they must be considered inevitable to some extent in the combustion process of the fuel 9.
[0011]
As described above, in a combustion device such as a gas turbine combustor, combustion oscillation having a frequency ranging from several tens Hz to several tens kHz may be induced by using dynamic combustion such as pulsating combustion of a flame as an excitation source. Are known.
[0012]
Such combustion vibration is a phenomenon that is observed in industrial combustion devices in general, but has a close relationship with the shape of the combustion chamber and the fuel supply system, and the vibration level sometimes becomes extremely large. Furthermore, it also resonates with the housing vibration and acoustic vibration of the gas turbine combustor main body, and is a factor that causes abnormal vibration and abnormal internal pressure to appear. Therefore, elucidation and suppression of combustion oscillation are important issues in developing a combustion device.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent gas turbine combustors, high output is required, and accordingly, the combustion gas temperature has been increased to 1500 ° C. or higher. For this reason, the combustion chamber selects a high-strength heat-resistant steel in response to an excessive thermal stress generated due to a rapid temperature rise of the combustion gas, a load fluctuation of the gas turbine, and the like, while being generated by a high combustion gas temperature. In consideration of heat elongation, the joint portions of the nodes of the combustion chamber are loosely connected to each other.
[0014]
In recent combustion chambers, relatively thin materials are used for a high strength ratio in order to reduce labor such as loading, installation, and inspection.
[0015]
However, if the combustion chamber is made of a thin material and the joint of each section of the combustion area is configured as described above, unexpected unexpected combustion vibration occurs, or the combustion vibration and the combustion chamber If the acoustic characteristics of the combustion chamber resonate, the combustion chamber vibrates extremely, which may cause excessive damage to the support member of the above-mentioned loose fitting connection. .
[0016]
Further, even when the combustion vibration does not become apparent, the combustion chamber itself is slightly vibrated, so that the above-described support member may generate a crack due to high cycle fatigue. For this reason, it is a known fact that suppressing combustion oscillation leads to stabilization of the life of the components of the combustor.
[0017]
On the other hand, the combustion conditions associated with the conversion to NOx and the diversification of fuels are conditions that further promote and induce combustion vibration, and cause a result that reliability is impaired due to wear of equipment due to increased vibration.
[0018]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and while responding to the demands for high temperature, low NOx, and fuel diversification required for a combustor, combustion oscillations are reduced in all operating ranges of a gas turbine. It is an object of the present invention to provide a combustion vibration analysis method and apparatus capable of reducing the number of components and improving reliability, and an analysis program thereof.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a combustion vibration analysis method according to the first aspect of the present invention is a method of analyzing a combustion vibration phenomenon by calculating a conservation equation of each of mass, momentum, and energy of a medium fluid in a combustion chamber, and a state equation of a medium fluid. Described as governing equations, and by using these equations to analyze the time change of pressure, flow velocity, and temperature at any point in the combustion chamber, if any velocity field and temperature field are included in the combustion chamber Pressure fluctuation can be evaluated, and the frequency response characteristics results of pressure, flow velocity and temperature are derived by numerical calculation.
[0020]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the combustion vibration analyzing method according to the first aspect, wherein a plurality of combustion zones in which a pulsating flame exists are set, and a shape, a heating value, and a pulsating frequency of each flame are independently set. By inputting and analyzing, the combustion oscillation phenomenon in the combustion device is derived by numerical calculation.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the combustion vibration analysis method according to the first aspect of the present invention, wherein a pressure, a flow rate, a temperature, and a time change thereof are set as fuel supply conditions at an inlet end of the combustion chamber. By inputting a fluctuation pattern of fuel supply as an analysis condition, a combustion oscillation phenomenon in the combustion device is derived by numerical calculation.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the combustion vibration analysis method according to the first aspect of the present invention, wherein pressure, flow velocity, temperature, and their temporal changes are determined as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber. The pulsation frequency of the flame as a vibration source and the calorific value are calculated based on the measured values, and these data and the measured fuel supply conditions are used as input conditions, and combustion in an actual combustion device is performed. The vibration phenomenon is derived by numerical calculation.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, in the combustion vibration analysis method according to the first aspect of the present invention, acoustic impedance is set as a pressure environment condition at an outlet end of the combustion chamber, and reflection and reflection of an acoustic wave at the portion are performed. By inputting the mode of transmission, the combustion oscillation phenomenon in the combustion chamber is derived by numerical calculation.
[0024]
According to a sixth aspect of the present invention, in the combustion vibration analysis method according to the first aspect of the present invention, an acoustic resonance mode in the combustion chamber is measured by pressure and temperature sensors installed at arbitrary positions in the combustion chamber, Based on this, the acoustic impedance at the outlet end of the combustion chamber is calculated, and these data are set as pressure boundary conditions of the analysis model, so that the combustion oscillation phenomenon in the actual combustion device is derived by numerical calculation.
[0025]
On the other hand, in order to achieve the above object, a combustion oscillation device according to the present invention according to claim 7 describes a combustion oscillation phenomenon by conserving equations of mass, momentum and energy of a medium fluid in a combustion chamber and a state equation of a medium fluid. Is provided with a storage unit written as a governing equation, and based on these equations written in the storage unit, coupled and analyzes the time change of pressure, flow velocity, and temperature at an arbitrary point in the combustion chamber, And analysis means for deriving the frequency response characteristic results of pressure, flow velocity and temperature by numerical calculation, means for storing the analysis results obtained by the analysis means, and means for displaying the analysis results obtained by the analysis means .
[0026]
The invention according to claim 8 is the combustion vibration analyzing apparatus according to claim 7, wherein the pressure, the flow rate, the temperature, and their temporal changes are set as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber. And input means for inputting a fluctuation pattern of fuel supply as an analysis condition to the analysis means, wherein the analysis means is based on the set data and the analysis condition as the fuel supply condition input from the input means. The combustion oscillating phenomena in the combustion device is derived by numerical calculation.
[0027]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the combustion vibration analyzing apparatus according to the seventh aspect of the present invention, wherein pressure, flow velocity, temperature and their temporal changes are determined as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber. The fuel supply measurement processing means for measuring at the upstream part of the flame, calculating the pulsation frequency of the flame as a vibration source based on the measurement data, the calorific value and inputting the calculated value to the analysis means, the analysis means comprising: Using the pulsation frequency of the flame and the calorific value data calculated by the fuel supply measurement processing means and the measured fuel supply conditions as input conditions, a combustion oscillation phenomenon in an actual combustion device is derived by numerical calculation.
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, in the combustion vibration analyzing apparatus according to the seventh aspect of the present invention, the acoustic resonance mode in the combustion chamber is measured by pressure and temperature sensors installed at arbitrary plural points in the combustion chamber. An acoustic mode measurement processing unit for calculating an acoustic impedance at an outlet end of the combustion chamber based on the acoustic mode and inputting the acoustic impedance to the analysis unit, wherein the analysis unit converts the data calculated by the acoustic mode measurement processing unit into an analysis model. By setting as the pressure boundary condition, the combustion oscillation phenomenon in the actual combustion device is derived by numerical calculation.
[0029]
Further, in order to achieve the above object, the present invention according to claim 11 provides a computer with data on a shape of a combustion device, fuel supply conditions, flame combustion conditions, pressure boundary conditions at the end of the combustion chamber, Using the conservation equations for the mass, momentum, and energy of the medium fluid in the combustion chamber and the state equation of the medium fluid, analyze the time change of pressure, flow velocity, and temperature at any point in the combustion chamber, and This is a program for executing a procedure of obtaining frequency response characteristics results of pressure, flow velocity, and temperature by numerical calculation.
[0030]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the combustion vibration analysis program according to the eleventh aspect of the present invention, a computer sets a plurality of combustion zones in which a pulsating flame exists, and sets the shape, heat value, and pulsation of each flame. The frequencies are input independently, the acoustic impedance is set as the pressure boundary condition at the end of the combustion chamber, the mode of reflection and transmission of acoustic waves at the relevant section is simulated, and the pressure, flow rate, and temperature are set as fuel supply conditions. This is a program for executing a procedure for setting a change in the fuel supply time and a change pattern of the fuel supply in the section as an analysis condition.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a combustion vibration analysis method and apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. The same components as those of the prior art shown in FIGS. 14 and 15 are denoted by the same reference numerals and described.
[0032]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a mode of combustion oscillation in the combustion oscillation analysis method according to the present invention. In the present invention, the modes of combustion vibration are classified into three types: (a) natural vibration, (b) acoustic vibration, and (c) system vibration.
[0033]
(A) The natural vibration is vibration caused by microscopic instability and fluctuations held in the reactivity of the fuel 9 in the flame 19 generated in the combustion area 16 of the combustion chamber 13. The existence of this natural vibration is predicted theoretically, and there are scholarly research examples, but there are few reports on engineering practical use.
[0034]
(B) Acoustic vibration is induced by the flame 19 as an excitation source and the combustion chamber 13 as an acoustic resonator, and is affected by the shape of the flame and the shape of the combustion chamber.
[0035]
(C) The system vibration is such that a peripheral system such as a fuel supply system, an air supply system or an exhaust gas system and the combustion chamber 13 constitute one fluid vibration system, and the flame 19 becomes an excitation source to resonate the vibration system. It is.
[0036]
FIG. 2 is a block diagram showing the combustion vibration classified in FIG. The fuel 9 injected from the fuel injection unit 14 into the combustion chamber 13 via the nozzle 20 forms a flame 19 slightly downstream of the inlet end 21 and vibrates at a specific frequency using the flame 19 as an excitation source.
[0037]
The acoustic wave generated by the natural vibration propagates in the combustion chamber 13 in the flow direction using the combustion gas 10 as a medium, and is partially reflected at the outlet end 22 of the combustion chamber 13 and returns to the flame 19 again. come.
[0038]
The acoustic field resonates due to the reciprocation of the acoustic wave, and acoustic vibration is induced. It is also assumed that interference between the fuel injection unit 14 and the flame 19 causes system vibration such as Helmholz vibration including pulsation of fuel supply.
[0039]
On the other hand, regarding combustion oscillation, analysis from Rayleigh (for example, see Rayleigh, L., “The theoryof Sound”, Dover-Press (1945)) has been used in the past from the viewpoint of both resonance instability and system instability. Initially, various elucidations have been made on the mechanism of combustion oscillation generation. Many of them are numerical analysis using the wave equation as a governing equation (for example, Hegde, VG, D., and Zinn, BT, “Sound Generation by Daughted Frames” AIAA Journal, Vol. 26, pp. 532). -537 (1988)), and a combustion vibration analysis method using a wave equation as a governing equation is also disclosed in the specification of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-132458.
[0040]
However, as described below, the wave equation describes the behavior of acoustic waves in a stationary, constant temperature, homogeneous medium under a linear approximation. Not applicable when accompanied by flow velocity distribution. Therefore, at present, numerical analysis using the above wave equation as a governing equation has not always been sufficiently successful in describing combustion oscillation.
[0041]
Therefore, the present invention proposes a combustion vibration analysis method based on a more general fluid equation instead of a wave equation for combustion oscillation. First, the relationship between the fluid equation and the wave equation will be described below.
[0042]
Equations (1) and (2) show the mass conservation equation and the momentum conservation equation of a fluid in a compressed inviscid flow. Very small fluctuations occur in the stationary fluid, and the acoustic wave propagates as a compressional wave. Think about the case.
[0043]
(Equation 1)

[0044]
Next, the mass density ρ and pressure p are ₀ , P ₀ When expressed as the sum of the small fluctuation values ρ ′ and p ′, Equation (3) is obtained.
[0045]
(Equation 2)

[0046]
Also, as shown in the equation (4), if the first-order linear approximation is applied and the second-order or higher minute fluctuation is ignored, the equations (1) and (2) are as shown in the equations (5) and (6). Approximated.
[0047]
[Equation 3]

[0048]
Therefore, a wave equation such as equation (7) is derived from equations (5) and (6). Here, c, γ, ω, and k are a sound velocity, a specific heat ratio, an angular frequency, and a wave number, respectively.
[0049]
(Equation 4)

[0050]
As described above, the behavior of an acoustic wave in a stationary fluid can be described by the wave equation shown in Expression (7) within the range of linear approximation. Originally, the wave equation shown in the equation (7) describes the behavior of the acoustic wave, and many conventional combustion vibration analysis methods have been used as the governing equations. It can be derived from fluid equations consisting of mass and momentum conservation equations, and these fluid equations imply that they include the wave equation shown in equation (7).
[0051]
However, as described above, in applying the wave equation, it is assumed that the temperature in the fluid is constant regardless of the location, that is, the sound speed can be regarded as constant regardless of the location, and that the flow velocity is sufficiently small compared to the sound speed. Is imposed.
[0052]
Thus, the wave equation describes the behavior of an acoustic wave in a stationary homogeneous medium at a constant temperature under a linear approximation. When the temperature rise due to the gas flow and the reaction heat is also modeled, it turns out that it is inappropriate to make the wave equation the governing equation.
[0053]
Therefore, in the present invention, instead of the conventional combustion vibration analysis method in which the wave equation is the governing equation, the combustion combustion described below based on the conservation equations and the state equations of the mass, momentum and energy of the fluid, which are superordinate concepts of the wave equation, is described. A combustion vibration is analyzed by a vibration analysis method.
[0054]
The mass conservation equation and the momentum conservation equation of the fluid have already been shown in equations (1) and (2). In addition, equations (8) and (9) are an energy conservation equation and a state equation, respectively. Equation (10) is the stagnation energy of the fluid when the fluid is assumed to be an ideal gas.
[0055]
Here, Es, T, M, and cv are the stagnation energy, temperature, molecular weight, and specific heat of the same volume of the fluid, q is the heat generation density by combustion, and R is the gas constant.
[0056]
(Equation 5)

[0057]
FIG. 3 is a diagram showing an example of a calculation model of a combustion chamber according to the present invention. For example, as shown in the figure, the flow in the combustion chamber 13 is a one-dimensional flow in which the cross-sectional area changes quasi-statically from the inlet end 21 to the outlet end 22, and the gas flow driven by the pulsating combustion and the acoustic wave propagation Analyze and evaluate unsteady flows such as. The mixed gas of the fuel 9 and the high-pressure air 6 forms a flame 19 in the combustion zone 16 and generates a combustion gas 10 downstream thereof.
[0058]
In the vicinity of the inner wall surface of the combustion chamber 13, the boundary layer of the flow grows, and the flow field can be divided into a main flow area and a boundary layer area. The boundary layer must be treated as a viscous flow, and the frictional stress and heat flux on the inner wall surface are evaluated based on the boundary layer equation including the momentum due to viscosity and the energy dissipation process.
[0059]
Here, the calculation model is limited to only the main flow region excluding the boundary layer region near the inner wall surface of the combustion chamber 13, and the acoustic characteristics and the pulsating combustion characteristics in the combustor are evaluated by numerical analysis of the compressed inviscid flow. As the numerical solution, for example, a numerical simulation method by the Euler implicit solution can be applied.
[0060]
Next, an embodiment of a combustion vibration analysis method and apparatus according to the present invention will be described.
[0061]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of the fuel supply system of the combustor according to the present invention. The same components as those in FIG. 15 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Only different components will be described here.
[0062]
In FIG. 4, reference numeral 23 denotes a fuel supply measurement system which is disposed between the fuel valve 8 and the fuel injection unit 14 and measures the supply state of the fuel 9 injected into the combustion zone 16 in real time. Reference numeral 23 incorporates a sensor (not shown) and a central processing unit (not shown), and measures the pressure, the temperature, the flow rate and the time change of the fuel 9 injected into the combustion zone 16 in the upstream part of the combustion chamber 13 and based on the measured values. Thus, the heat generation frequency and the heat generation amount of the flame 19 as the vibration source are calculated.
[0063]
Reference numeral 24 denotes an acoustic mode measurement processing system to which a pressure fluctuation distribution measured in real time by sensors 17 installed at a plurality of locations along the inner wall of the combustion chamber 13 and not limited to the combustion area 16, that is, an air column resonance mode is input. The acoustic mode measurement processing system 24 calculates the effective length of the combustion chamber 13 and the acoustic impedance Z by arithmetically processing these measurement data.
[0064]
Reference numeral 25 denotes an input unit for setting conditions such as a flow path shape of the combustion chamber, setting of a vibration source by a flame, setting of an inflow environment condition, and setting of an outflow boundary condition.
[0065]
Reference numeral 26 denotes a condition input from the input unit 25 and various settings described above, and the heat generation frequency and heat generation amount of the flame 19 calculated by the fuel supply measurement system 23, and the combustion chamber 13 calculated by the acoustic mode measurement processing system 24. The main body of the combustion vibration analyzer to which the effective length and the acoustic impedance Z are input. The combustion vibration analyzer main body 26 is a conservation equation for each of the mass, momentum, and energy of the medium fluid in the combustion chamber described as a governing equation in a file (not shown). And an analysis and calculation function for performing numerical analysis and frequency analysis (Fourier analysis) of the fluid equation based on the state equation of the medium fluid, and a determination function for determining whether correction of the inflow boundary condition and the outflow boundary condition is necessary.
[0066]
In the figure, reference numeral 27 denotes a memory for storing the analysis result analyzed by the combustion vibration analyzer main body 26, and reference numeral 28 denotes a display unit for displaying the analysis result.
[0067]
Next, the operation of the combustion vibration analyzer configured as described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0068]
First, in step 1, the flow path shape of the combustion chamber is input, and then, in step 2, an excitation source by the pulsating flame 19 is set. Equation (11) shows an example of a method of setting a vibration source due to a pulsating flame, in which the heat generation density q due to combustion is formulated as a function of location z and time t.
[0069]
Where q ₀ , Q _f , K, and ω represent a steady heat density, a heat amplitude, a flame propagation wave number, and a heat angular frequency, respectively. In the example of the equation (11), z = 0 to z = L _f Up to the combustion zone 16, and the heat generation density in other cases is zero. If the wave number k of the flame propagation is k = 0, this corresponds to the case where the pulsating flame 19 flickers in the in-phase mode.
[0070]
(Equation 6)

[0071]
When the flame 19 pulsating at the natural frequency is used as the excitation source, pressure interference at a specific frequency may be generated due to mutual interference with the fuel supply system. For example, the pressure rises transiently in the combustion zone 16 and the fuel supply from the nozzle 20 is hindered. As a result, the fuel supply is suppressed or stopped, the pressure in the combustion zone 16 transitions to a transient drop, and the fuel supply from the nozzle 20 starts again. It is expected that such a vibration phenomenon promotes the pulsating combustion of the flame 19.
[0072]
Further, there is a possibility that a pressure fluctuation of a specific frequency is generated by mutual interference between the flame 19 and the combustion chamber 13. For example, the pressure rises transiently in the combustion zone 16 and the fuel supply from the nozzle 20 is hindered. As a result, the fuel supply is suppressed or stopped, the pressure in the combustion zone 16 transitions to a transient drop, and the fuel supply from the nozzle 20 starts again. It is expected that such a vibration phenomenon promotes the pulsating combustion of the flame 19.
[0073]
Further, there is a possibility that a pressure fluctuation of a specific frequency is generated by mutual interference between the flame 19 and the combustion chamber 13. The acoustic wave propagating in the combustion chamber 13 in the + z direction is reflected at the outlet end 22 of the combustion chamber 13 and returns to the excitation source again.
[0074]
Such acoustic wave propagation and pulsating combustion are coupled to excite the air column resonance mode in the combustion chamber 13. Further, in the present embodiment, one combustion zone 16 in which the pulsating flame exists is designated in Expression (11), but it is also possible to designate a plurality of combustion zones 16 in the combustion chamber 13 as a matter of course. .
[0075]
Next, in a procedure 3 shown in FIG. 5, the inflow boundary condition at the inlet end 21 is set. Equation (12) shows the fuel supply condition to the combustion chamber 13. The pressure, mass density, temperature, and flow velocity of the fluid at the inlet end 21 of the combustion chamber 13 are expressed by the following suffix in, respectively. It becomes street.
[0076]
(Equation 7)

[0077]
As described above, in the present embodiment, setting the outflow boundary condition (procedure 4), numerical analysis of the fluid equation (procedure 5), and frequency analysis by Fourier analysis (procedure) are performed by inputting the fluctuation pattern of the fuel supply as the analysis condition. After 6), it becomes possible to calculate the combustion oscillation phenomenon in the combustion device.
[0078]
Hereinafter, the usefulness of the present embodiment will be described with reference to specific calculation examples.
[0079]
FIG. 6 shows a calculation model of a cylindrical combustion chamber. Here, a typical fuel gas is introduced into a combustion chamber having a length L = 1.5 m and a diameter D = 0.224 m by an inlet pressure p. _in = 1 ata, inlet flow velocity u _in = 6 m / s, inlet temperature 50 ° C, L at the front of the combustion chamber _f = 0.05 m as the combustion zone, the calorific value is assumed to be 1000 ° C, and the steady heat density q ₀ , Heating amplitude q _f Both are 147.8 MW / m ³ And
[0080]
The high-temperature combustion gas is freely released from the combustion chamber outlet to an atmosphere of a constant pressure, and gives a reflection condition of a free open end to the combustion chamber outlet. Thereby, the parameter dependence of the air column resonance in the case where the pulsating combustion in the relevant part is simulated is evaluated. As the sample points, two points at the entrance of the combustion chamber and at the center of the combustion chamber are selected, and the pressure fluctuation at the relevant section is subjected to frequency analysis.
[0081]
The combustion chamber inlet is a fixed end for flow velocity but a free end for pressure fluctuations. On the other hand, the combustion chamber outlet is a free end for flow velocity fluctuation, but is a fixed end for pressure fluctuation.
[0082]
Thus, the flow velocity fluctuation and the pressure fluctuation form a mode in which the phase relation (the relation between the node and the antinode) is reversed.
[0083]
Equation (13) shows the m-order mode resonance frequency of air column resonance generated in a stationary medium.
[0084]
FIG. 7 schematically shows an air column resonance mode (m = 0 order mode and m = 1 order mode) generated in the cylindrical combustion chamber shown in FIG.
[0085]
However, unlike the problem of the acoustic field in the sealed container, since the temperature distribution and the flow velocity distribution due to the combustion reaction are accompanied in the combustion chamber, the air column resonance mode in the combustion chamber is strictly expressed by the equation (13) and the characteristic shown in FIG. Divergence from.
[0086]
(Equation 8)

[0087]
FIG. 8 is a time change of the pressure fluctuation in the combustion chamber derived using the present analysis method. The heat generation frequency f of the fire is represented by the zero-order mode resonance frequency f shown in Expression (13). ₀ Is set as a frequency close to that of f = 90 Hz.
[0088]
FIG. 9 shows a frequency analysis result with respect to the calculation result of the pressure fluctuation at the center of the combustion chamber in FIG. In the case of f = 90 Hz, the zero-order mode of the columnar resonance is excited, and the resonance frequency f is located immediately to the left of the peak of the heating frequency f. ₀ Can be confirmed.
[0089]
In addition, the difference f between the two in the pressure fluctuation ^* = | Ff ₀ The low frequency beat of | has occurred.
[0090]
FIG. 10 shows the frequency response characteristics of pressure fluctuation summarized based on the above calculation results.
[0091]
The response characteristic at the center of the combustion chamber is indicated by a broken line, and the response characteristic at the entrance of the combustion chamber is indicated by a solid line. 〇 and □ indicate the calculation results by this analysis method. According to this, since the inlet of the combustion chamber is at the abdomen of the air column resonance mode as shown in FIG. 7, the air column 0th mode excitation (frequency f ₀ ) And first-order mode excitation (frequency f ₁ ) Can be confirmed. On the other hand, since the center of the combustion chamber is located near the node of the air column resonance mode, the resonance peak of the air column first mode excitation is confirmed, but is considerably reduced compared to the resonance peak at the combustion chamber inlet. ing.
[0092]
FIG. 11 shows the frequency response characteristics of the pressure fluctuation at the center of the combustion chamber when the inlet flow velocity uin is doubled from 6 m / s to 12 m / s. The response characteristics when the inlet flow velocity uin = 6 m / s are indicated by broken lines, and the response characteristics when the inlet flow velocity uin = 12 m / s are described in practice. 〇 and □ indicate the calculation results by this analysis method. In addition, in order to maintain the combustion condition of 1000 ° C., the inlet flow velocity uin was doubled and the steady heat generation density q ₀ Has also doubled. However, in order to make the vibration intensity approximately the same, the heat generation amplitude q _f Is left as it is. According to this, it can be seen that the resonance peak shifts to the higher frequency side as the inlet flow velocity uin increases.
[0093]
FIG. 12 schematically shows the influence of the inlet flow velocity ui on the primary mode of the air column, and it can be understood that the substantial combustion chamber length is reduced as the inlet flow velocity ui increases.
[0094]
FIG. 13 shows the steady heat density q ₀ , The frequency response characteristic of the pressure fluctuation at the center of the combustion chamber is shown. Here, since the inlet flow velocity uin is fixed at 6 m / s, the combustion temperature of the flame changes from about 1000 ° C. to 1500 ° C. However, the heating amplitude q _f Is left as it is.
[0095]
The response characteristic under the combustion condition of 1000 ° C. is indicated by a broken line, and the response characteristic under the combustion condition of 1500 ° C. is indicated by a solid line. 〇 and □ indicate the calculation results by this analysis method. According to this, it can be seen that as the combustion temperature becomes higher, the resonance peak shifts to the higher frequency side. This is because the speed of sound propagating in the medium increases as the temperature increases.
[0096]
Furthermore, by reflecting information obtained from an actual combustion device in real time as fuel supply conditions, it becomes possible to perform more realistic analysis of combustion oscillation.
[0097]
Generally, the fuel 9 injected from the fuel injection unit 14, for example, a gaseous fuel such as LNG, is based on a fuel-air ratio (theoretical fuel flow rate with respect to the theoretical air amount) for obtaining a stable flame in the fuel region 16. The pressure difference is determined in consideration of the pressure difference between the fuel pressure injected from the injection unit 14 and the internal pressure of the fuel region 16.
[0098]
If the pressure difference from the fuel injection unit 14 is large, the injection speed is also large, and if the pressure difference is zero, the injection speed is also zero. As described above, as the pressure difference increases, the fuel flow rate injected from the fuel injection unit 14 increases. However, combustion modulation suddenly occurs in the fuel region 16 due to some circumstances, and the internal pressure increases transiently. When the pressure difference from the fuel injection unit 14 decreases, the flow rate of fuel injected from the fuel injection unit 14 decreases.
[0099]
When the fuel flow becomes low in the fuel region 16 with a decrease in the fuel flow rate, the internal pressure of the fuel region 16 also decreases. When the internal pressure of the fuel zone 16 decreases, the pressure difference between the fuel injection section 14 and the fuel zone 16 increases again, and the fuel flow rate increases.
[0100]
As a result of such a phenomenon being repeated, pressure fluctuations may appear in the fuel zone 16 during the generation process of the combustion gas 10. Further, in addition to the system vibration generated due to the above-described pressure difference, when these vibrations resonate, for example, acoustic vibration of the combustion chamber 13 is induced, the vibration level may become larger than expected. is there. Among these coupled vibrations, it is important to analyze, evaluate, and suppress the system vibrations based on the above-mentioned pressure difference, especially considering that the above-mentioned system vibration due to the pressure difference frequently occurs during operation.
[0101]
Therefore, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the fuel supply measurement processing system 23 provided between the fuel valve 8 and the fuel injection unit 14 supplies the fuel 9 injected into the combustion zone 16. Measure the status in real time. In the fuel supply measurement processing system 23, the pressure, the temperature, the flow rate and the time change of the fuel 9 injected into the combustion zone 16 are measured by an unillustrated sensor in the upstream part of the combustion chamber 13, and based on the measured values, The heat generation frequency and the heat generation amount of the flame 19 as the vibration source are calculated by an arithmetic unit that does not perform the calculation.
[0102]
In step 7 shown in FIG. 5, it is determined whether correction of the inflow boundary condition set in step 3 is necessary, and if necessary, these data are reflected in step 3 to actually change the fuel supply fluctuation in real time by the combustion oscillation. This can be reflected on the analyzer main body 26.
[0103]
The acoustic wave incident as a traveling wave on the outlet end portion 22 is reflected by the portion and forms a standing wave in the combustion chamber 13. The properties of the outlet end 22 can be generally described as reflection and transmission characteristics from a specified wall of acoustic impedance.
[0104]
The acoustic impedance Z is generally defined by the equation (14) as the ratio of the pressure fluctuation p ′ at the flow path end to the flow velocity fluctuation u ′.
[0105]
Z = p '/ u' (14)
Next, a plane traveling wave propagating in the + z direction is expressed as in equation (15). The pressure fluctuation p ′ and the flow velocity fluctuation u ′ naturally satisfy the wave equation shown in the equation (7). _f 5 shows a plane wave induced by a piston motion of a rigid plane oscillating at. Here, k and ω are the wave number and angular frequency of the acoustic wave, respectively.
[0106]
(Equation 9)

[0107]
Also, the characteristic impedance Z of the plane traveling wave _f Then, the value of the plane traveling wave shown in Expression (15) is substituted into the pressure fluctuation p 'and the flow velocity fluctuation u' in Expression (14) to obtain Expression (16). The exit end portion 22 having the acoustic impedance shown in the equation (16) is in a state of perfect matching with the traveling wave incident on the surface. Therefore, the incident traveling wave is not reflected at all, and the incident traveling wave is transmitted as it is as if there is nothing.
[0108]
(Equation 10)

[0109]
Further, as shown in FIG. 14, the characteristic impedance Z _f When the plane traveling wave of _R And transmittance C _T Is defined as in equation (17). Where C _R The positive sign on the right side of the equation corresponds to the flow rate fluctuation u 'and the negative sign corresponds to the reflectance of the pressure fluctuation p'.
[0110]
[Equation 11]

[0111]
As described above, the acoustic impedance Z is the characteristic impedance Z of the plane traveling wave. _f (Z = Z _f In), the acoustic wave propagates without reflection at the relevant portion, so that both the pressure fluctuation p ′ and the flow velocity fluctuation u ′ have the reflectance C. _R = 0, transmission rate C _T = + 1. Further, at a fixed reflection end (Z = ∽) such as a rigid wall, the pressure fluctuation wave has the same phase (C _R = +1), but the velocity fluctuation wave has the opposite phase (C _R = -1), and the flow velocity at the relevant portion becomes zero.
[0112]
At this time, since the pressure fluctuation wave is reflected at the fixed reflection end in the same phase, twice the acoustic pressure acts due to the recoil effect (C _T = + 2). On the other hand, at the free reflection end (Z = 0) at the opening, the pressure fluctuation wave has the opposite phase (C _R = -1), but the velocity fluctuation waves are in phase (C _R = +1).
[0113]
Due to the reflection of the acoustic wave at the outlet end portion 22 having a general incident impedance Z, a standing traveling wave formed in the combustion chamber 13 and the plane traveling wave and the reflected wave are formed. Waves are mixed. In the case where a genuine air column resonance mode standing wave having no plane traveling wave is formed, the reflectance C _R = + 1, -1.
[0114]
According to the present invention, a method of setting a boundary condition of the exit end portion 22 in an actual calculation model is performed as described below.
[0115]
In general, at the exit end 22 where the incident impedance Z is set, the end boundary conditions are set as in equation (18). For the pressure p, the pressure p in the exhaust tank _ex , The acoustic impedance Z, and the flow velocity fluctuation u ′, the following setting method makes it possible to simulate the reflection of the pressure fluctuation wave at the outlet end 22 having an arbitrary acoustic impedance Z. For the mass density ρ, the temperature T, and the mass flux ρμ, the spatial gradient on the surface is set to zero.
[0116]
(Equation 12)

[0117]
According to the expression (18) shown above, in the present embodiment, an arbitrary end boundary condition can be set at the outlet end 22 of the combustion chamber 13, for example, free reflection where the outlet end 22 is open End (Z = 0) or perfect matching end (Z = Z _f In the case of), it can be easily confirmed that a calculation result that matches the theoretical characteristics is derived.
[0118]
Therefore, in the present embodiment, the pressure fluctuation distribution in the combustion chamber 13, that is, the air pressure variation distribution in the combustion chamber 13 is detected by sensors 17 installed at a plurality of locations along the inner wall inside the combustion chamber 13 shown in FIG. Measure the column resonance mode.
[0119]
The air column resonance mode formed in the combustion chamber 13 is expected to be affected to a considerable extent by parameters such as the inlet flow velocity and the combustion temperature as shown in FIGS. Here, the air column resonance mode formed in the combustion chamber 13 is measured in real time by the sensor 17, and these data are arithmetically processed by the acoustic mode measurement processing system 25, and the effective length and the acoustic impedance of the combustion chamber 13 are measured. Calculate Z.
[0120]
In step 8 shown in FIG. 5, it is determined whether correction of the spill environmental conditions set in step 4 is necessary, and if necessary, these data are reflected in step 4, and the fluctuation of the acoustic impedance Z is analyzed in real time by combustion vibration analysis. This can be reflected on the device main body 26.
[0121]
There are many unknown points about the mechanism of generating the combustion vibration at present. However, when a pulsating flame of a specific frequency is generated as an excitation source in the combustion chamber 13, the flame conditions (shape, heat density, heat frequency) as the vibration source, Given the fuel supply conditions (flow velocity, temperature, pressure) and the acoustic impedance at the pipe end, acoustic characteristics, frequency response characteristics, and air column resonance in the combustion chamber 13 are obtained by numerical simulation of acoustic wave propagation as in the present embodiment. The evaluation diagnosis for the mode can be immediately performed.
[0122]
The analysis result analyzed by the combustion vibration analyzer main body 26 is stored in the memory 27 and displayed on the display device 28.
[0123]
The apparatus described in the embodiments can be realized as a program for causing a computer to execute each procedure, or by causing a computer to read a program stored in a storage medium.
[0124]
Here, the storage medium in the present invention can store programs such as a magnetic disk, a floppy disk, a hard disk, an optical disk (CD-ROM, CD-R, DVD, etc.), a magneto-optical disk (MO, etc.), a semiconductor memory, etc. In addition, as long as the storage medium is readable by a computer, the storage form may be any form.
[0125]
Further, an OS (Operating System) running on the computer based on an instruction of a program installed in the computer from the storage medium, MW (Middleware) such as database management software, network software, etc. realize the present embodiment. May be partially executed.
[0126]
Further, the storage medium in the present invention is not limited to a medium independent of a computer, but also includes a storage medium in which a program transmitted via a LAN, the Internet, or the like is downloaded and stored or temporarily stored.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, combustion vibrations induced in a combustion device such as a gas turbine combustor are analyzed, the actual condition thereof is grasped, and countermeasures for reducing various vibration levels caused by the analysis are obtained. A combustion vibration analysis method that can significantly improve the reliability of a gas turbine or a gas turbine plant, including extending the life of the combustion device itself, and greatly contribute to the reduction of plant operation rates and repair and inspection costs, An apparatus and an analysis program thereof can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a mode of combustion oscillation for explaining a combustion oscillation analysis method and apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of the combustion oscillation in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a calculation model of a combustion chamber.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a fuel supply system of a combustor in the embodiment of the method and apparatus for analyzing combustion vibration according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for explaining the operation of the embodiment.
FIG. 6 is a view showing a calculation model of a cylindrical combustion chamber in the embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a resonance mode in the combustion chamber in FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram showing a time change of the pressure fluctuation in the combustion chamber in FIG. 6;
FIG. 9 is a diagram showing a frequency analysis result of pressure fluctuation at the center of the combustion chamber of FIG. 8;
FIG. 10 is a view showing a frequency response characteristic of a pressure fluctuation in the combustion chamber in FIG. 6;
11 is a diagram showing the dependence of the frequency response characteristic of the pressure fluctuation at the center of the combustion chamber of FIG. 10 on the inlet flow velocity.
FIG. 12 is a diagram illustrating the frequency response characteristics shown in FIG. 11 in a resonance mode in a combustion chamber.
FIG. 13 is a diagram showing the dependence of the frequency response characteristic of the pressure fluctuation at the center of the combustion chamber of FIG. 10 on the combustion temperature.
FIG. 14 is a diagram showing a reflection boundary of an acoustic wave according to the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the structure and peripheral configuration of a conventional gas turbine combustor.
FIG. 16 is a graph showing the intensity of combustion vibration generated in a conventional gas turbine combustor.
[Explanation of symbols]
1 ... rotor
2 ... Compressor
3 ... Gas turbine
4 ... air
5. Combustor
6 ... High pressure air
7 ... Fuel piping
8 ... fuel valve
9 ... fuel
10. Combustion gas
11 ... exhaust gas
12 ... Outer container
13. Combustion chamber
14. Fuel injection unit
15 ... Spark plug
16: Combustion zone
17… Sensor
18 ... transition piece
19 ... Fire
20 ... Nozzle
21 ... Inlet end
22 ... Exit end
23… Fuel supply measurement system
24 ... Sound mode processing system
25 ... input section
26: Main body of combustion vibration analyzer
27… Memory
28 Display unit

Claims

The combustion oscillation phenomenon is described as a conservative equation for each of the mass, momentum, and energy of the medium fluid in the combustion chamber, and the state equation of the medium fluid as governing equations, and the pressure and flow velocity at any point in the combustion chamber are calculated using these equations. By analyzing the changes in temperature over time, it is possible to evaluate the pressure fluctuations when an arbitrary flow field and temperature field are present in the combustion chamber, and to calculate the frequency response characteristics of pressure, flow velocity and temperature by numerical calculation. A combustion vibration analysis method characterized by deriving.

In the combustion vibration analysis method according to claim 1, the combustion apparatus includes a plurality of combustion zones in which a pulsating flame exists, and inputs and analyzes the shape, heat generation amount, and pulsation frequency of each flame independently. A combustion vibration analysis method characterized by deriving combustion vibration phenomena by numerical calculation.

2. The combustion vibration analysis method according to claim 1, wherein pressure, flow velocity, temperature, and their temporal changes are set as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber, and a fuel supply fluctuation pattern is input as analysis conditions. A combustion vibration analysis method characterized in that a combustion vibration phenomenon in a combustion device is derived by numerical calculation.

2. The combustion vibration analysis method according to claim 1, wherein pressure, flow velocity, temperature, and their temporal changes are measured at the upstream end of the combustion chamber as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber, and vibration is determined based on the measured values. A pulsation frequency of a flame as a source, a calorific value are calculated, and using these data and the measured fuel supply conditions as input conditions, a combustion oscillation phenomenon in an actual combustion device is derived by numerical calculation. Combustion vibration analysis method.

In the combustion vibration analysis method according to claim 1, an acoustic impedance is set as a pressure environment condition at an exit end of the combustion chamber, and a mode of reflection and transmission of an acoustic wave in the section is input to the combustion impedance analysis method. A combustion vibration analysis method characterized in that a combustion vibration phenomenon is derived by numerical calculation.

2. The combustion vibration analysis method according to claim 1, wherein the acoustic resonance mode in the combustion chamber is measured by pressure and temperature sensors installed at arbitrary positions in the combustion chamber, and the sound at the outlet end of the combustion chamber is measured based on the acoustic resonance mode. A combustion vibration analysis method characterized in that an impedance is calculated, and these data are set as pressure boundary conditions of an analysis model, so that a combustion vibration phenomenon in an actual combustion device is derived by numerical calculation.

The combustion oscillation phenomenon is provided with a storage unit in which the conservation equations of the mass, momentum, and energy of the medium fluid in the combustion chamber and the state equation of the medium fluid are written as governing equations, and these equations written in this storage unit Analysis means for coupling and analyzing the time change of pressure, flow velocity, and temperature at an arbitrary point in the combustion chamber based on the equation, and deriving a frequency response characteristic result of pressure, flow velocity, and temperature by numerical calculation; A combustion vibration analysis apparatus comprising: means for storing an analysis result obtained from the analysis means; and means for displaying the analysis result obtained from the analysis means.

8. The combustion vibration analyzing apparatus according to claim 7, wherein pressure, flow velocity, temperature, and their temporal changes are set as fuel supply conditions at an inlet end of the combustion chamber, and the fluctuation pattern of fuel supply is used as an analysis condition. Means for inputting to the means, wherein the analyzing means derives a combustion oscillation phenomenon in an actual combustion device by numerical calculation based on the respective set data as the fuel supply conditions and the analyzing conditions inputted from the input means. A combustion vibration analysis apparatus characterized in that:

The combustion vibration analyzer according to claim 7, wherein pressure, flow velocity, temperature, and their temporal changes are measured at the upstream end of the combustion chamber as fuel supply conditions at the inlet end of the combustion chamber, and the measured data is used as the measurement data. A fuel supply measurement processing means for calculating a pulsation frequency of a flame as a vibration source and a heat generation amount based on the pulsation frequency of the flame calculated by the fuel supply measurement processing means. A combustion vibration analysis apparatus for deriving combustion vibration phenomena in an actual combustion device by numerical calculation, using the calorific value data and the measured fuel supply conditions as input conditions.

The combustion vibration analyzing apparatus according to claim 7, wherein acoustic resonance modes in the combustion chamber are measured by pressure and temperature sensors installed at arbitrary plural points in the combustion chamber, and based on the measured acoustic resonance mode, the pressure at the outlet end of the combustion chamber is measured. An acoustic mode measurement processing unit that calculates acoustic impedance and inputs the calculated acoustic impedance to the analysis unit, wherein the analysis unit sets the data calculated by the acoustic mode measurement processing unit as a pressure boundary condition of the analysis model, thereby realizing an actual model. A combustion vibration analysis device, wherein a combustion vibration phenomenon in a combustion device is derived by numerical calculation.

The computer provides data on the shape of the combustion device, fuel supply conditions, flame combustion conditions, pressure boundary conditions at the end of the combustion chamber, conservation equations for the mass, momentum, and energy of the medium fluid in the combustion chamber, Using the equation of state, the time change of pressure, flow velocity, and temperature at any point in the combustion chamber is coupled and analyzed, and the procedure of obtaining the frequency response characteristic results of pressure, flow velocity, and temperature by numerical calculation is executed. Combustion vibration analysis program for

12. The combustion vibration analysis program according to claim 11, wherein a plurality of combustion zones in which a pulsating flame exists are set in a computer, and the shape, heat generation amount, and pulsation frequency of each flame are input independently, and the end portion of the combustion chamber is set. Acoustic impedance is set as the pressure boundary condition of the part, and the mode of reflection and transmission of the acoustic wave in the part is simulated, and the pressure, flow rate, temperature and their time change are set as the fuel supply condition. A combustion vibration analysis program for executing a procedure of inputting a fuel supply fluctuation pattern as an analysis condition.