JP4874457B2 - ガスタービンノズル用の燃料ステージング装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明はガスタービン燃焼器のノズルへの燃料流のステージングを行う装置と方法に関する。
【０００２】
【発明の概要】
ガスタービンは一般に、タービン軸線の周囲に環状列をなすように配置された複数の燃焼器を有し、これらの燃焼器により高温燃焼ガスが発生してタービンを通流する。各燃焼器は通例、気体燃料を燃焼器に流し込む複数のノズル、例えば、５個または６個のノズルを有する。周知のように、ガスタービンの燃焼器は燃料／空気比の広範囲にわたって作用しなければならない。例えば、燃料／空気比はタービン始動中と低負荷運転中は低くそして高負荷運転中は高い。しかし、低い燃料／空気比は燃焼器の保炎性に影響を与える。保炎性を高める一方策は、燃料流を燃焼器内の燃料ノズルの幾つかに偏らせそして他のノズルの一つ以上に対して燃料流を完全に遮断することである。こうすると、燃料流が増加したノズル近くの燃焼火炎は比較的高い燃料／空気比で生じ、その結果保炎性が比較的高くなる。
【０００３】
各燃焼器の個々のノズルは通例共通の燃料供給マニホルドに連結される。タービン用の主燃料制御弁はマニホルドへの燃料流を調整する。相異なるノズル群への燃料のステージングは、伝統的に、各群用の別々の燃料供給マニホルドと制御弁を必要とする。これらは各ノズル群への燃料供給に関して所与の適応性を有するが、幾つかの欠点を有する。第１に、タービンの費用と複雑さがかなり増加する。第２に、大きな空のマニホルドを満たすための応答時間が、円滑なタービン運転を妨げる。第３に、前に燃料を供給されたマニホルドから燃料を除くために追加的な弁と配管が必要になる。最後に、燃料を供給されないマニホルドの連続浄化のために、凝縮堆積を防ぐ追加装置が必要になるかもしれない。
【０００４】
ある場合には、各燃焼器内のノズルの幾つかのオンオフ燃料制御が燃焼器の作用能力を高めるのに適している。例えば、燃焼器にあるいはその近くに配置された受動形圧力動作弁を、ある燃料圧力に達した時、開くか閉ざすことができる。しかし、受動弁作用は燃焼器作用の全範囲にわたって十分な適応性をもたらさず、また十分な精度の弁動作ももたらさない。すなわち、受動弁作用は弁部材すなわちポペット弁の不均等な動きを許し、また一つのノズルから次のノズルへの燃料圧力の変動を許してしまう。加えて、受動弁ばねは相異なり、そして不均等なばね力を有する。これらおよび他の理由で、ばねにより操作される受動弁は同時に動作せず、またこのような弁では一つより多い機械使用状態での弁作用は不可能である。受動弁がある機械状態で動作する必要があるとすると、弁は他の機械状態で作用することができない。その結果、積極的かつ選択的に燃料を各燃焼器内の一つ以上のノズルに供給しかつ同じ燃焼器の一つ以上の他のノズルに供給される燃料を遮断し、そして選定した作用パラメータでこれを行うそうするための燃料制御装置が必要である。
【０００５】
本発明による好適実施例では、ガスタービン燃焼器のノズル用の燃料装置を働かせる方法が提供され、この方法は、（ａ）燃料を圧送して燃焼器の複数の燃料ノズルに分配する段階と、（ｂ）燃料分配の積極的な遠隔制御を行って選択的に燃料を燃焼器の第１群の一つ以上のノズルに供給しかつ第１群のノズルを含まない燃焼器の第２群の一つ以上のノズルへの燃料流を遮断する段階とからなる。
【０００６】
本発明による他の好適実施例では、ガスタービン用の燃料装置が設けられ、この燃料装置は、おのおのが複数の燃料ノズルを有する複数の燃焼器と、これらの燃焼器のうちの少なくとも一つの燃焼器のノズル用の燃料供給導管と、この供給導管に設けられ、そして燃料を弁から前記一つの燃焼器のノズルに通すための複数の出口を有する燃料分配弁とを含み、弁は弁部材を含み、この弁部材は、燃料を前記一つの燃焼器の前記複数のノズルに供給するための第１位置と、燃料を前記複数のノズルのうちの第１群の一つ以上のノズルに供給しそして前記複数のノズルのうちの第２群の一つ以上のノズルへの燃料を遮断するための第２位置との間を移動可能であり、また、本燃料装置は、弁部材が開閉両位置間を移動するようにする遠隔制御手段を含んでいる。
【０００７】
【発明の詳述】
添付図面、特に図１には、二重壁遷移ダクト１２を有する燃焼器１０が示されており、ダクト１２は燃焼器の出口端をタービンの入口端に連結して高温燃焼生成物をタービンに送る。ガスタービンには複数の燃焼器１０が含まれ、一般に、タービン軸線の周囲に環状列をなすように配置されることを認識されたい。また、各燃焼器は燃料を燃焼器の燃焼域に流し込む複数のノズル１４を有することを認識されたい。図１に示した燃焼器とノズルの構成は、本発明の好適実施例によって燃料をノズルに供給する燃料制御装置を除けば、従来設計のものである。
【０００８】
図２には燃料制御装置が示されており、燃料を主供給導管２２と制御弁２４とによって、マニホルド２８と平行に接続された複数の燃焼器供給管路２６に供給する気体または液体燃料供給源２０を備えている。各供給管路２６は一つの燃焼器１０に接続されていることを認識されたい。燃焼器と供給管路２６の数は可変であり、燃焼器１０の図示の供給管路は単なる例に過ぎない。図２に概略的に示した燃焼器１０には６個のノズル１４が存在し、燃焼器供給管路２６によって燃料を供給される。供給管路２６は燃料を被制御燃料分配弁３０に供給し、この弁は燃料を２次またはノズル燃料供給管路３２によって個々のノズル１４に供給する。
【０００９】
空気圧装置が制御空気を弁３０に圧送するために用いられる。詳述すると、制御空気供給源４０が空気を空気供給管路４２とステージング制御弁４４とによって圧送する。空気供給管路４２は空気を複数の燃焼器空気供給管路４６に圧送し、これらの管路は空気供給マニホルド４８と平行に接続されている。前述の構成では、各燃焼器用の各被制御燃料分配弁３０は燃焼器燃料供給管路２６によって燃料を供給されそして燃焼器空気供給管路４６によって加圧空気を供給される。
【００１０】
図３と図４について説明すると、弁３０は弁体５０を含み、この弁体は燃焼器燃料供給管路２６に接続される燃料入口５２と、例えば、図４に示した開弁位置で見られるように、対応燃焼器１０のノズル１４それぞれに連結される複数の燃料出口５４とを有する。燃料入口５２は燃料を中央通路５７を有する一室５６に供給する。複数の通路５８が室５６と個別出口５４との間の連通をなして燃料を個別ノズル１４に供給する。室５６は可動部材またはポペット６０の端によって部分的に境され、部材６０はばね６２によって偏圧され、図３に示した閉弁位置を占めて中央通路５７を閉ざす。弁部材６０は空洞６４内で燃料室５６の方に向かいまたそれから離れる向きに移動可能である。
【００１１】
弁３０はまた、燃焼器空気供給管路４６と連通する空気入口６６を有する。空気入口６６は、燃料室５６とは反対の部材６０の側で空気を空洞６４に供給する。従って、空洞６４に圧送された空気は、ばね６２とともに、可動弁部材６０を閉位置の方に押圧する。その結果、弁部材６０を図３に示した閉弁位置から図４に示した開弁位置まで動かすために、室５６内の燃料圧力は、ばね６２の偏圧と、空気入口６６による空気の空洞６４内への圧送によって部材６０にかかる力とに打ち勝つ。もし燃料圧力がばねの力と空気圧力との合力を超えれば、弁部材６０は図３の閉位置から図４の開位置に移動するので、燃料は中央通路５７を通流して出口５４に達する。空洞６４に送給される空気の圧力を変えることにより、弁部材６０は、空洞６４に供給された空気の圧力によって閉位置から開位置に変位し得る。従って、弁３０は様々なタービン運転状態で開閉可能である。
【００１２】
本発明の好適実施例によれば、関連燃焼器の１群の燃料ノズル１４の一つ以上への燃料の流れを遮断するとともに、同じ燃焼器の１群の一つ以上のノズルへの燃料流を保つことが望ましい。従って、室５６と、各ノズル用の燃料出口通路５４との間に燃料を通す通路５８の一つ以上を閉ざすことができる。図３では、一つの通路５８に栓７０を設けてある。従って、閉弁位置では、燃料は燃料室５６から、開いている通路５８と通路５４を通って、燃焼器と関連する第１群のノズルの一つ以上に供給される。また、閉弁位置では、燃料は栓をした通路５８により同じ燃焼器の第２群の一つ以上のノズルから遮断される。また、図４に示した弁の開位置において同量の燃料が全ての燃料ノズルに供給されるのと同様に、同じ所定量の燃料が弁３０に供給されて選択した燃料ノズルに分配されることを認識されたい。その結果、一つ以上の通路５８を閉ざすことにより、例えば、通路５８に栓７０を設けそして弁３０を閉ざすことにより、燃料の供給を受けているノズルに比較的高い燃料／空気比が与えられるとともに燃料は残りのノズルの一つ以上に対して遮断される。もちろん、比較的高い燃料／空気比は保炎性を高める。
【００１３】
本発明の燃料制御装置を、例えば、火炎の不安定が問題となる始動または低負荷運転中に用いるために、加圧された空気が空洞６４に供給され、ばね６２とともに、弁部材６０を閉弁位置に変位させる。閉弁位置では、燃料室５６からの燃料が開いた通路５８と出口５４を経て、選択されたノズル群に送給される。燃料は栓付き通路５８により他群のノズルから完全に遮断される。従って、低負荷運転または始動中の選択ノズルの燃料／空気比が増加して保炎性を高める。比較的高負荷の運転または全負荷運転中は、加圧空気が比較的低圧で供給されるように制御されるか、あるいは空洞６４への空気流が完全に遮断される。従って、燃料室５６内の加圧された燃料により弁部材６０は燃料室５６から離れる向きに変位するので、燃料流は中央通路５７を経て通路５４を通り燃焼器の全ノズルに達し得る。また、室６４への空気流圧力を変えることにより、弁３０の開閉を所望に応じてタービン運転の様々な時点で行うことができる。
【００１４】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と同等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン用燃焼器を部分的に破断しかつ部分的に断面で示す側面図である。
【図２】本発明の好適実施例による図１の燃焼器のノズル用の燃料制御装置の概略図である。
【図３】燃料を燃焼器内の１群の一つ以上のノズルに供給しそして他群の一つ以上のノズルへの燃料を遮断する位置にある被制御燃料分配弁の断面図である。
【図４】図３と同様の図で、燃料を燃焼器の全ノズルに供給する全開位置にある弁を示す図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービン燃焼器
１４ ノズル
２０ 燃料供給源
２４ 制御弁
２６ 燃焼器燃料供給管路
３０ 燃料分配弁
３２ ノズル燃料供給管路
４０ 制御空気供給源
４４ ステージング制御弁
４６ 燃焼器空気供給管路
５２ 燃料入口
５４ 燃料出口
５６ 燃料室
５７ 中央通路
５８ 通路
６０ 可動弁部材（ポペット）
６２ ばね
６４ 空洞
６６ 空気入口
７０ 栓

Claims (1)

1. ガスタービン燃焼器（１０）の燃料装置における燃料／空気比を変更する方法であって、当該方法が、
   （ａ）ガスタービンの軸線の周囲に、各々が複数の燃料ノズル（１４）を有する複数の燃焼器（１０）を設ける段階と、
   （ｂ）燃料を圧送して各燃焼器（１０）の複数の燃料ノズル（１４）に分配する段階と、
   （ｃ）燃料を、（ｉ）各燃焼器の第１群の１つ以上のノズル（１４）に選択的に供給して、第１群のノズルを含まない各燃焼器の第２群の１つ以上のノズルへの燃料流を遮断することと、（ｉｉ）全てのノズル（１４）に供給することとの切り替えによって、燃料の分配を制御することによって、上記各燃焼器の複数の燃料ノズルの燃料／空気比を変更する段階と、
   （ｄ）燃料供給導管（２６）及び弁部材（６０）を通して燃料を圧送する段階であって、弁部材（６０）が、弁（３０）を開いて燃料供給導管（２６）で供給される燃料を全ての燃料ノズルに分配する位置と、弁（３０）を閉じて燃料供給導管（２６）で供給される燃料を第１群のノズルに燃料を分配する位置との間で移動可能である、段階と、
   （ｅ）空気圧信号に応じて前記弁部材（６０）の変位を可能にし、燃料圧力と空気圧との差に応じて弁部材（６０）を変位させる段階と、
   （ｆ）前記タービンが燃料／空気比のある範囲にわたって作動し、第１群のノズルへの燃料の選択的供給と全てのノズルへの燃料の供給とで燃料の分配を制御して、前記範囲内において第１群のノズルと全てのノズルとで異なる燃料／空気比でタービン運転を実現する段階と
   を含んでおり、
   前記弁部材（６０）内に一室（５６）が設けられ前記燃料供給導管（２６）と連通していて燃料を供給され、前記室は前記弁部材（６０）によって部分的に境され、加圧された燃料が前記部材を押圧して前記部材を一方向に前記部材の前記開位置の方に動かそうとし、また、前記弁部材内に第２室（６４）が設けられ、燃焼器空気供給管路（４６）と連通しており、前記第２室は前記弁部材（６０）に対して作用し前記弁部材を前記第１方向とは逆の第２方向に前記弁部材の前記閉位置の方に動かそうとし、
   始動又は低負荷運転中は、前記弁部材（６０）が閉位置に変位するように第２室（６４）に供給される空気圧を高め、高負荷運転又は全負荷運転中は、前記弁部材（６０）が開位置に変位するように第２室（６４）に供給される空気圧を下げる段階をさらに含む、方法。

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