JP2015212546A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃焼アセンブリにおける燃焼ダイナミクスを低減する燃料供給システムを提供すること。【解決手段】燃料供給システムは、燃料マニホールドと、燃料マニホールドから燃料を受け取るように構成された主燃料配管経路とを含む。主燃料配管経路は燃焼入口領域に燃料を送る。この燃料供給システムは、燃料の一部分を受け取るように構成された入口と、燃料の受け取った部分を、副燃料配管経路の入口の下流にある主燃料配管経路の位置の出口を通して主燃料配管経路に送るように構成された出口とを有する副燃料配管経路も含む。貯蔵容積は、副燃料配管経路に流体結合され、燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は燃料供給システムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃焼アセンブリへ燃料を送るように構成された燃料供給システムに関るものである。

ガスタービンエンジンでは、エネルギーが抽出されるタービン段を通って下流に流れる高温の燃焼ガスを生成するために、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器の中で燃料と混合される。大型の産業用電力生成ガスタービンエンジンが一般的に含んでいる複数の燃焼器缶では、燃焼ガスが別々に生成されて総体として放出される。

缶燃焼器エンジンの効果的な動作には、燃焼ダイナミクス（すなわち動作の動的不安定性）が特別に重要である。大きいダイナミクスは、大抵の場合、排気ガスの温度（すなわち放熱）および燃焼器缶内の振動する圧力レベルなど、状態の変動に起因するものである。そのような大きいダイナミクスにより、エンジンのハードウェア寿命および／またはシステム操作性が制限される可能性があり、機械的疲労および熱疲労のような問題が生じる。燃焼器ハードウェアの被害は、たとえば燃料ノズル、ライナ、トランジションピース、トランジションピース面、ラジアルシール、およびインピンジメントスリーブに関する機械的問題の形で起こる可能性がある。

システム性能の劣化を防止するための努力において、燃焼ダイナミクスを制御するために様々な試みがなされている。そのような努力には、たとえば、圧力と放熱振動を切り離す（たとえば火炎の形状および位置などを変更することにより、内燃エンジン内の熱発生を制御する）ことによってダイナミクスを低減すること、または圧力と放熱を「離調」することが含まれる。共振器は、そのようなダイナミクスの低減を達成するために採用される構成要素の１つである。しかしながら、燃焼の周波数とタービンの周波数が一致するのは避けるべきであるため、電力出力要求の高まりにより、燃焼操作性の領域が狭められる。この、領域の狭小化により、周波数回避を目的とした事前の努力がより困難になる。

本発明の一態様によれば、燃料供給システムは燃料マニホールドを含む。燃料マニホールドから燃料を受け取って、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路も含まれる。さらに含まれる副燃料配管経路は、燃料の一部分を受け取るように構成された入口と、燃料の受け取った部分を、副燃料配管経路の入口の下流にある主燃料配管経路の位置の出口を通して主燃料配管経路に送るように構成された出口とを有する。さらに含まれる貯蔵容積は、副燃料配管経路に流体結合されており、燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジン用の燃料供給システムは燃料マニホールドを含む。燃料マニホールドから燃料を受け取って、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路も含まれる。さらに含まれる副燃料配管経路は、燃料の一部分を受け取るように構成された入口と、燃料の受け取った部分を通して主燃料配管経路に送るように構成された出口とを有する。さらに含まれる貯蔵容積は、副燃料配管経路に流体結合されており、燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている。貯蔵容積と副燃料配管経路の出口の間の副燃料配管経路に沿って配置された制御弁も含まれ、貯蔵容積の内部で検出された圧力に応答して開状態と閉状態の間で振動するように構成されている。主燃料配管経路の流量を調節するように主燃料配管経路に配設された第１のオリフィスがさらに含まれる。副燃料配管経路の流量を調節するように副燃料配管経路に配設された第２のオリフィスがさらに含まれ、副燃料配管経路の入口は第１のオリフィスの上流に配置されており、副燃料配管経路の出口は第１のオリフィスの下流に配置されている。

本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンシステムは、圧縮機、少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼アセンブリ、およびタービン部分を含む。燃焼アセンブリに燃料を送るように構成された燃料供給システムも含まれる。燃料供給システムは燃料マニホールドを含む。燃料供給システムには、燃料マニホールドから燃料を受け取って、燃焼アセンブリの燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路も含まれる。燃料供給システムは、燃料の一部分を主燃料配管経路から離して方向を変えるように構成された入口を有する副燃料配管経路をさらに含む。燃料供給システムがさらに含む貯蔵容積は、副燃料配管経路に流体結合され、主燃料配管経路と副燃料配管経路の間の圧力差に応答して燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている。

これらおよび他の利点および特徴は、以下の説明を図面とともに解釈することから、より明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結びで特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に請求される。本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面とともに解釈することから明らかになる。

ガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンに燃料を配送するための燃料供給システムの概略図である。 燃料供給システムの燃料質量流量の振動の複数の期間を示す図である。

発明を実施するための形態は、本発明の実施形態を、図面を参照しながら利点および特徴とともに一例として説明するものである。

図１を参照すると、本発明の例示的実施形態によって構築されたガスタービンエンジン１０が概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、シャフト１８および燃料供給システム２０を含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態が、複数の圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、および／またはシャフト１８を含み得ることを理解されたい。圧縮機部分１２とタービン部分１６は、シャフト１８によって結合されている。シャフト１８は、単一のシャフトまたはシャフト１８を形成するために互いに結合された複数のシャフト部分でよい。

動作において、圧縮機部分１２に空気が流れ込み、圧縮されて高圧ガスになる。高圧ガスは、燃焼アセンブリ１４に供給され、たとえばプロセスガスおよび／または合成ガスといった燃料２２と混合される。あるいは、燃焼アセンブリ１４は、それだけではないが、天然ガスおよび／または重油を含んでいる燃料を燃焼させることができる。燃料／空気または燃焼性の混合物が点火されて、高圧高温の燃焼ガス流れを形成する。その後、燃焼アセンブリ１４が燃焼ガス流れをタービン部分１６に導き、タービン部分１６が熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。

次に図２を参照すると、燃焼アセンブリ１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム２０が、より詳細に示されている。燃料マニホールド２４は、供給源（図示せず）からの燃料２２を主燃料配管経路２６に導く。主燃料配管経路２６は、燃料マニホールド２４と燃焼アセンブリ１４の間に延在している。具体的には、主燃料配管経路２６は、燃料２２を燃焼アセンブリ１４の燃焼入口領域２７へ流すためのプレナムおよび／または燃料噴射ノズルなどの経路をもたらす。主燃料配管経路２６は、少なくとも１つの、一般的には複数のパイプ部分で形成され、パイプ部分は、溶接などのやり方で互いに動作可能に結合される。

主燃料配管経路２６に沿って配設された第１のオリフィス２８は、主燃料配管経路２６内の燃料２２の流れを調節するように構成されている。第１のオリフィス２８は、主燃料配管経路２６内に燃料２２の望ましい流れ特性をもたらすように寸法設定されている。一般に、第１のオリフィス２８は、主燃料配管流路２６の残りの部分よりも小さい断面積を含むように寸法設定されている。一実施形態では、主燃料配管経路２６に沿った第１のオリフィス２８の下流に配管構造体３０が含まれる。配管構造体３０は、当業界では「ピグテール」と称されることがある継手であり、主燃料配管経路２６を燃料噴射器または燃焼アセンブリ１４の燃料の前混合器に接続するものである。

燃料２２の第２の送り経路である副燃料配管経路３２が図示されている。前述の主燃料配管経路２６と同様に、副燃料配管経路３２は、少なくとも１つの、一般的には複数のパイプ部分で形成され、パイプ部分は、溶接などのやり方で互いに動作可能に結合される。副燃料配管経路３２は、入口３４および出口３６を含む。図示の実施形態では、入口３４は、燃料マニホールド２４と主燃料配管経路２６の第１のオリフィス２８の間に配置されており、それによって、副燃料配管経路３２を主燃料配管経路２６から直接離して分岐する。さらに別の実施形態では、入口３４は、燃料マニホールド２４と直接的に流体結合する構成で配置されている。主入口３４は、その正確な位置とは無関係に、燃料マニホールド２４から供給される燃料２２の一部分を受け取るように構成されており、それによって、そうしなければ主燃料配管経路２６を通って連続的に流れるはずの燃料２２の一部分が、副燃料配管経路３２へと方向を変えられる。副燃料配管経路３２を通って燃料２２の一部分が送られ、副燃料配管経路３２に沿って、以下で詳細に説明される複数の構成要素が含まれる。

副燃料配管経路３２内の入口３４の下流に第２のオリフィス３８が配設され、副燃料配管経路３２内の燃料２２の一部分の流れを調節するように構成されている。あるいは、この位置に制御弁を採用してもよい。第２のオリフィス３８（または制御弁）は、副燃料配管経路３２内に燃料２２の望ましい流れ特性をもたらすように寸法設定されている。一般に、第２のオリフィス３８は、副燃料配管流路３２の残りの部分よりも小さい断面積を含むように寸法設定されている。

第２のオリフィス３８の下流には、副燃料配管経路３２に流体結合された貯蔵容積４０がある。代替実施形態では、第２のオリフィス３８は、貯蔵容積４０の下流に配置される。貯蔵容積４０は、副燃料配管経路３２を通る燃料２２の一部分を含有するのに適切な容積を有する、たとえばタンクなどの任意のタイプの構造体でよい。貯蔵容積４０の正確な構造とは無関係に、副燃料配管経路３２を通る燃料２２の一部分が、貯蔵容積４０の容積入口４２に入り、容積出口４４を通って放出される。

貯蔵容積４０は、周期的に、副燃料配管経路３２を通る燃料２２を蓄積し、後に、その内容物を、副燃料配管経路３２を通してさらに送るために放出するように構成されている。貯蔵容積４０内の燃料２２の蓄積および放出は、貯蔵容積４０の下流ではあるが副燃料配管経路３２の全体構造の出口３６の上流にある副燃料配管経路３２の位置に配置された制御弁４６によって指示される。あるいは、制御弁４６は、貯蔵容積４０の上流に配置される。制御弁４６は、開状態と閉状態の間で動くように構成された任意の適切な弁構造体でよく、受動デバイスまたは能動デバイスを含む。開状態と閉状態の間の振動は、貯蔵容積４０の時間に依拠した蓄積および放出の周期動作を助長する所定の期間に基づくものでよい。あるいは、制御弁４６は、貯蔵容積４０内で検出される圧力に基づいて開状態と閉状態の間で振動してよい。一実施形態では、貯蔵容積４０の内部には、制御弁４６と有効に通信する圧力センサが含まれる。そのような通信は、コントローラを通じた無線または配線接続の構成でよい。一実施形態では、制御弁４６は、貯蔵容積４０において所定の圧力が検出されるまで閉じたままである。貯蔵容積４０内の燃料含有量の放出は、貯蔵容積４０が完全に空になるまで続行されてよい。あるいは、貯蔵容積４０は、制御弁４６の開状態の間に部分的に減らされてもよい。

制御弁４６は、閉状態において燃料２２の流れを制限し、それによって、燃料２２は、副燃料配管経路３２を出口３６の方へ完全に通ることはできない。しかしながら、制御弁４６が開状態であると、貯蔵容積４０は、燃料２２を部分的に、または完全に放出し、出口３６を通して主燃料配管経路２６の中へ送ることができる。示されるように、出口３６は第１のオリフィス２８の下流に配置されている。配管構造体３０（すなわちピグテール）を有する一実施形態では、出口３６は配管構造体３０の上流に配置されている。出口３６は、副燃料配管経路３２を通って送られた燃料２２の一部分を主燃料配管経路２６の中に再結合するように配置されている。

副燃料配管経路３２は、制御弁４６が開状態と閉状態の間で振動することにより、主燃料配管経路２６の内部に、したがって燃焼アセンブリ１４の内部に、質量流量変動すなわち振動を与え、燃焼アセンブリ１４の流れ圧力を有利に振動させる。そのようなアセンブリでは、そうでなければ必要となる位相整合回避技法の必要性が軽減され、または回避される。

図３を参照すると、貯蔵容積４０からの燃料２２の蓄積および放出の例示的プロファイルが示されている。図示の実施形態では、燃焼用の燃料２２の質量流量は、主燃料配管経路２６内で測定されたとき、時間または貯蔵容積４０内の圧力の関数として周期的に振動する。ポイント５０は貯蔵容積が空の状態を表し、ポイント５２は貯蔵容積を充填する状態を表し、ポイント５４は貯蔵容積が放出する状態を表す。部分５６は、制御弁４６が急激に開いたことによる、主燃料配管経路２６内の質量流量の急上昇を示す。反対に、主燃料配管経路２６の質量流量における急下降は、制御弁４６を閉じた際の部分５８によって表される。

有利には、質量流量の振動が、周波数および／または位相の整合に関係することなく、より大きい所要電力を求めて設計するための融通性をもたらす。

本発明を、限定された数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明はこれまでに説明されていない任意数の変形形態、変更形態、代替形態または同等な機構を組み込むように変更することができるが、それらは本発明の趣旨および範囲と相応するものである。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様が、説明された実施形態のうちのいくつかしか含まなくてもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の適用範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機部分
１４ 燃焼アセンブリ
１６ タービン部分
１８ シャフト
２０ 燃料供給システム
２２ 燃料
２４ 燃料マニホールド
２６ 主燃料配管経路
２７ 燃焼入口領域
２８ 第１のオリフィス
３０ 配管構造体
３２ 副燃料配管経路
３４ 入口
３６ 出口
３８ 第２のオリフィス
４０ 貯蔵容積
４２ 容積入口
４４ 容積出口
４６ 制御弁
５０ 貯蔵容積が空の状態を表すポイント
５２ 貯蔵容積を充填する状態を表すポイント
５４ 貯蔵容積が放出する状態を表すポイント
５６ 質量流量の急上昇を示す部分
５８ 主燃料配管経路内の質量流量の急下降を示す部分

Claims (17)

1. 燃料マニホールドと、
   前記燃料マニホールドから燃料を受け取って、燃焼入口領域に前記燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
   前記燃料の一部分を受け取るように構成された入口、および前記燃料の受け取った部分を、副燃料配管経路の前記入口の下流にある前記主燃料配管経路の位置の出口を通して前記主燃料配管経路に送るように構成された出口を有する副燃料配管経路と、
   前記副燃料配管経路に流体結合され、前記燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている貯蔵容積とを備える燃料供給システム。
2. 前記貯蔵容積と前記副燃料配管経路の前記出口の間の前記副燃料配管経路に沿って配置された制御弁をさらに備える請求項１記載の燃料供給システム。
3. 前記制御弁が、前記貯蔵容積と有効に通信し、開状態と閉状態の間で振動するように構成されている請求項２記載の燃料供給システム。
4. 前記制御弁の前記開状態が、前記貯蔵容積の第１の所定の圧力で起こる請求項３記載の燃料供給システム。
5. 前記制御弁の前記閉状態が、前記貯蔵容積の第２の所定の圧力で起こる請求項４記載の燃料供給システム。
6. 前記制御弁が、前記開状態と前記閉状態の間で時間の関数として振動するように構成されている請求項３記載の燃料供給システム。
7. 前記主燃料配管経路の流量を調節するように前記主燃料配管経路に配設された第１のオリフィスをさらに備える請求項１記載の燃料供給システム。
8. 副燃料配管経路流量を調節するように前記副燃料配管経路に配設された第２のオリフィスをさらに備える請求項７記載の燃料供給システム。
9. 前記副燃料配管経路の前記入口が前記第１のオリフィスの上流に配置されており、前記副燃料配管経路の前記出口が前記第１のオリフィスの下流に配置されている請求項７記載の燃料供給システム。
10. 前記副燃料配管経路の前記入口が、前記燃料マニホールドと前記第１のオリフィスの間に配置されている請求項７記載の燃料供給システム。
11. 前記燃料がガス燃料を含む請求項１記載の燃料供給システム。
12. 燃料マニホールドと、
    前記燃料マニホールドから燃料を受け取って、燃焼入口領域に前記燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
    前記燃料の一部分を受け取るように構成された入口、および前記燃料の受け取った部分を出口を通して前記主燃料配管経路に送るように構成された出口を有する副燃料配管経路と、
    前記副燃料配管経路に流体結合され、前記燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている貯蔵容積と、
    前記貯蔵容積と前記副燃料配管経路の前記出口の間の前記副燃料配管経路に沿って配置された制御弁であって、前記貯蔵容積の内部で検出された圧力に応答して開状態と閉状態の間で振動するように構成されている制御弁と、
    主燃料配管経路流量を調節するように前記主燃料配管経路に配設された第１のオリフィスと、
    副燃料配管経路流量を調節するように前記副燃料配管経路に配設された第２のオリフィスであって、前記副燃料配管経路の前記入口が前記第１のオリフィスの上流に配置されており、前記副燃料配管経路の前記出口が前記第１のオリフィスの下流に配置されている第２のオリフィスとを備える、ガスタービンエンジン用の燃料供給システム。
13. 前記制御弁の前記開状態が、前記貯蔵容積の第１の所定の圧力で起こる請求項１２記載の燃料供給システム。
14. 前記制御弁の前記閉状態が、前記貯蔵容積の第２の所定の圧力で起こる請求項１３記載の燃料供給システム。
15. 前記副燃料配管経路の前記入口が、前記燃料マニホールドと前記第１のオリフィスの間に配置されている請求項１２記載の燃料供給システム。
16. 前記燃料がガス燃料を含む請求項１２記載の燃料供給システム。
17. 圧縮機と、
    少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼アセンブリと、
    タービン部分と、
    前記燃焼アセンブリに燃料を送るように構成された燃料供給システムであって、
    燃料マニホールドと、
    前記燃料マニホールドから燃料を受け取って、前記燃焼アセンブリの燃焼入口領域に前記燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
    前記燃料の一部分を前記主燃料配管経路から離して方向を変えるように構成された入口を有する副燃料配管経路と、
    前記副燃料配管経路に流体結合され、前記主燃料配管経路と前記副燃料配管経路の間の圧力差に応答して前記燃料の一部分を周期的に貯蔵して放出するように構成されている貯蔵容積とを備える燃料供給システムとを備えるガスタービンシステム。