JP2005501193A - ガスタービンライトオフ方法 - Google Patents

Abstract

主としてライトオフになるとすぐにコンバスタ(10)に実質的に一定の流量の燃料流を提供する、固定された二次燃料ライン３６を利用するガスタービンのライトオフ方法。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、発電用ガスタービンエンジンの分野に関し、より詳細には、ガスタービンライトオフ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの始動は複雑な運転である。普通は、ガスタービンエンジンが自力で回るようになるまで、バッテリなどの外部源によってエンジンを加速し、点火のためにコンバスタへ十分な空気流を供給しなければならないが、このことを業界では一般にライトオフ(light-off)と呼んでいる。ガスタービンエンジンに接続された永久磁石モータ／発電機を備えるタービン発電機では、永久磁石モータ／発電機へ電力を供給すると、ガスタービンエンジンを駆動するモータとして作動する。一般に、エンジンスピードは始動モータのトルク対スピード特性の関数として変化する。
【０００３】
コンバスタへの空気流は、一般にガスタービンエンジンスピードとともに増加する。ライトオフは、エンジンのスピードが、供給される燃料に対する空気の正しい比を生じるのに十分な燃焼空気を発生させるときに生ずる。燃料流は、外気の温度と圧力などの外気条件に、大きく依存しているので、ライトオフのための正しい空燃比を達成するために、ガスタービンエンジンへの燃料の流量を、ガスタービンエンジンのスピードの関数として能動的に制御する。
【０００４】
一般に、ライトオフのための正しい空燃比を達成するには、外気の圧力および温度を正確に知る必要があり、さもないと燃料流の表示が正確でなくなり、燃焼可能な空燃比とならない。更に、ガスタービンエンジンスピードの測定値、またはガスタービンエンジンスピードに対する燃焼空気の相関関係に何らかの偏差があると、ライトオフのための正しい空燃比達成に障害が生じやすい。したがって、スピード（燃焼空気）と燃料流とが可変である従来技術の始動方法においては、正しい空燃比が達成された、とおよその経験で考えられて初めて、ライトオフが試みられるのである。
【０００５】
ガスタービンエンジンライトオフのための別の従来技術の始動方法では、ガスタービンエンジンは、ライトオフのために実質的に一定の燃焼空気を供給するようガスタービンエンジンを固定スピードで運転する一方、燃料流は可変とする。次に燃料流を増加させて正しい空燃比を達成した時点でライトオフされる。この固定スピード方法は、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、および外気条件には無関係である。
【０００６】
ガスタービンエンジンのいずれの始動方法も、ライトオフが発生した後は、タービンエンジンの加速率が急速に増加し、それが空気流を増加させる。排ガス温度も急速に上がりライトオフの発生を示す。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、燃料流が実質的に一定の率に維持されるガスタービンエンジンの調和の取れたライトオフ方法を提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下のステップを含む、ガスタービンエンジンのライトオフ方法である。第一に、外気条件および燃料の燃焼熱を決定する。外気条件は、外気温および大気圧を含むことができる。第二に、ガスタービンエンジンのライトオフのためにコンバスタへ燃焼空気を供給するために、ガスタービンエンジンを所定加速率で、或るスピードにまで加速する。ガスタービンエンジンの所定加速率は、外気条件および燃料の燃焼熱に基づいて決定できる。ガスタービンエンジンの加速は、バッテリ電力あるいは電気グリッドなどの電気的支援を用いて行うことができ、これによりタービン駆動軸が回転し、コンプレッサブレードおよびタービンブレードが回転する。第三に、外気条件と、ガスタービンエンジンのコンプレッサブレードおよびタービンブレードの回転のスピードとに基づいて、ガスタービンエンジンのコンバスタ内にあるイグナイタなどの点火源を作動させる。第四に、実質的に一定の率で燃料流を燃料ラインを通じてコンバスタに供給でき、コンバスタへ最適な燃料供給を行う。かかる一定の率での燃料供給は、正しい空燃比が得られてガスタービンエンジンにライトオフが生ずるまで維持される。第五に、ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定するためにタービン排ガスの近傍に配置したヒートセンサによって、ガスタービンエンジンのライトオフを検出する。第六に、ガスタービンエンジンのタービンブレードの回転スピードの固定値に基づいて、ガスタービンエンジンに対する電気的支援をオフにする。この固定値は、始動モータのトルク対スピード特性によって決定する。第七に、コンバスタへの燃料流を一次燃料ラインを通じて開始して増加し、ガスタービンエンジンのスピードを、負荷がかかる最終スピードまで上げる。
【０００９】
コンバスタへ燃料を供給する少なくとも一つの燃料オリフィスが、燃料ラインを介して燃料源と流体連通している。燃料ラインは、二次燃料ラインと一次燃料ラインとを含むことができる。二次燃料ラインを通じてコンバスタに供給される燃料は、主としてコンバスタでのライトオフのために使用される。コンバスタに実質的に一定の率で燃料を供給する二次燃料ラインは、ソレノイドバルブなどのバルブおよび／またはコンバスタへの燃料流を固定させるフローオリフィスを含むことができる。しかし、二次燃料ライン中に、フローオリフィスを設置せずにバルブを使用することができ、バルブを所定の位置に開けることにより、コンバスタへの燃料流を固定することができる。コンバスタに可変の率で燃料を供給する一次燃料ラインは、制御バルブなどの一次燃料バルブを含む。ライトオフが起こった後に、燃料を一次燃料ラインを通じて主として供給する。しかし、コンバスタがアイドルスピードでアイドリング状態にある状況では、一次燃料ラインを通じて供給される燃料を停止することができ、その結果二次燃料ラインを通じた燃料の供給を可能とすることのみで、コンバスタは、ガスタービンエンジンに対する何らの電気的支援もなく、アイドルスピードで作動する。
【００１０】
一定期間一定流量で燃料を供給した後にライトオフが生じない状況では、システムを停止し、パージする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ガスタービンエンジンにおいて、ガスタービンコンプレッサからの吸入空気は連続的に圧縮され、燃焼可能な比率で燃料と混合され、その後、混合気は点火源に接触して、点火されその後燃焼し続ける。熱エネルギが放出されることにより、燃焼ガスがタービンを貫流し、ここで熱エネルギが回転エネルギーに変換されて発電機などの装置を駆動する。次に燃焼ガスが大気に排出される。本発明によるガスタービンエンジンのライトオフ方法はコンバスタ内で行われる。
【００１２】
図１は、コンプレッサ／タービン構成１２に接続されたコンバスタ１０の一部分の部分断面図である。構成１２は、コンプレッサブレード１４と、エンジンロータまたはタービン駆動軸１８周りに配置されたタービンブレード１６とを含む。
【００１３】
図１および図２を参照して説明すると、コンバスタ１０は、コンプレッサブレード１４近傍に配置された吸気通路２２を画成する環状ハウジング外壁２０を含む。コンバスタ外壁ライナー２４およびハウジング内壁２６は環状の燃焼室２８を画成する。燃焼室２８は、燃料をコンバスタ１０に供給するための少なくとも１つの燃料オリフィス３０を含む。しかし、燃料をコンバスタ１０に供給するため、複数の燃料オリフィス３０を使用することもできる。燃料オリフィス３０は、一次燃料ライン３４と二次燃料ライン３６とを介して、燃料源３２と流体連通している（図２に示す）。一次燃料ライン３４は、コンバスタ１０への燃料流を制御する制御弁などの一次燃料弁３８を含むことができる。コンバスタ１０のライトオフのために主として使用される二次燃料ライン３６は、コンバスタ１０へ実質的に一定の燃料流を供給するための構成３９を含むことができる。しかし、一つの燃料ラインは、燃料流を制御するためと、コンバスタ１０へ一定の燃料流を供給するための両方に使用することができる。構成３９は、ソレノイドバルブなどのバルブ４０、および／またはフローオリフィス４２を含むことができる。構成３９がバルブ４０のみを含むとき、バルブ４０を所定の位置に開くことによって、実質的に一定の流量割合でコンバスタ１０へ燃料を供給する。構成３９がバルブ４０とフローオリフィス４２の両方を含むとき、フローオリフィス４２は、コンバスタ１０への燃料流を固定するために主として使用される。しかし、実質的に一定の流量割合でコンバスタ１０へ燃料を供給するために制御バルブが使用されているとき、制御弁に固有である流量変動が起こり得る。例えば、ノイズあるいは電気的な干渉が原因でコントローラへの信号が変化し、これにより制御弁の開位置および／または閉位置が変動し、よってコンバスタ１０への燃料流に変動が起こる。したがって、制御弁の周期的な較正が制御弁の精度を維持するために必要である。対照的に、二次燃料ライン３６中にバルブ４０および／またはフローオリフィス４２を含む構成３９は、制御弁の使用に関連する欠陥を排除し、その結果、コンバスタ１０への燃料の供給を実質的に一定の流量割合に固定するための、より信頼できる強固なシステムを供給する。
【００１４】
ＰＣＴ特許 ＷＯ ９８／２５０８２に記載された環状のコンバスタ１０の詳細な説明を引用して本出願に組み込む。
【００１５】
図３および４は、従来のガスタービンエンジンのライトオフ方法または始動手順をグラフで示す。図３を参照すると、ガスタービンエンジンスピード（ガスタービンエンジン回転数）ｎは、始動手順中、ほぼ曲線Ｒに沿って時間ｔとともに増加する。同時に、燃料流Ｗｆは、ほぼ図４の直線Ｓに沿って時間ｔとともに増加する。従来技術によれば、ライトオフのために正しい空燃比を達成するには、外気の圧力と温度を正確に知る必要があり、さもないと燃料流Ｗｆの表示が正確でなくなり、空燃比に乱れを来たす。同様に、ガスタービンエンジンスピードの測定値、または燃焼空気とガスタービンエンジンスピードとの相関関係に偏差があると、ライトオフのための正しい空燃比の達成に乱れを来たしやすい。従来の始動手順においては、エンジンスピードｎと燃料流Ｗｆは一緒に、時間ｔと共に変動する。従来の始動手順は、ｎとＷｆとが共に変動するので、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、センサ精度、および外気条件に極めて敏感である。例えば、低温下および高い標高下でのガスタービンエンジンの始動では、ライトオフのための正しい空燃比の達成には問題が極めて多い。
【００１６】
図５は、ガスタービンエンジンの従来の固定スピードライトオフ方法を、エンジン空気流ｆおよび燃料流Ｗｆ対時間ｔのグラフで示す。この従来技術において、破線Ｗｆで示したように燃料流の開始は時刻ｔ_１である。開始レベル後、空気流を表わす線ｆを燃料流Ｗｆが横切るまで、燃料流Ｗｆを一定の率で増加させる。これら２本の線Ｗｆとｆとが交差する点Ｘにおいて、ライトオフのための正しい空燃比が達成され、このようになる時刻がｔ_２である。コンバスタ内の点火源は時刻ｔ_１でオンにされ、時刻ｔ_２でライトオフが生ずる。いったんライトオフが発生すると、空気流ｆはガスタービンエンジンスピードｎの増加に伴って増加する。時刻ｔ_３において排ガスの温度上昇がライトオフの発生を示すと、燃料流は、加速度または排ガスの温度限度の関数として制御される。この従来技術の始動手順は、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、および外気条件に対して敏感ではない。
【００１７】
本発明によるガスタービンエンジンのライトオフ方法を、図６、７、８に示す。図６は、エンジン空気流ｆおよび燃料流Ｗｆ対時間ｔのグラフ表示である。図７は、エンジン空気流ｆ、燃料流Ｗｆおよび排ガス温度ＥＧＴ対時間ｔのグラフ表示である。図８は、本発明によるガスタービンエンジンのライトオフ方法のフローチャート形式の制御ロジックであり、概して図６および７に対応する。
【００１８】
図６、７、８を参照すると時刻ｔ_０で、外気条件と燃料の燃焼熱とをステップ４４で決定する。外気条件には外気温度と大気圧の両方が含まれる。燃料の燃焼熱は、普通、標準温度および標準圧力下で、１ポンドまたは１立方フィートの可燃物質が完全燃焼したときに発生する熱である。燃料の燃焼熱は、温度および圧力により変化する。ステップ４６で、ガスタービンエンジンの加速率を、先のステップ４４のインプットに基づいて設定することができる。ステップ４８の時刻ｔ_０で、電気的支援を用いてタービン駆動軸１８を回転始動し、これがコンプレッサブレード１４およびタービンブレード１６を回転させる。これは始動インバータに電力を供給するバッテリを介して行われ、このインバータは、供給電力によってコンプレッサ／タービン構成１２を駆動するモータとして作用する。タービン／コンプレッサ構成１２を電気的に駆動するその他の構成として、例えば駆動軸に電気モータを直接接続してタービン／コンプレッサ構成１２を駆動するものがある。モータは、外部電源および／またはバッテリによって駆動することができる。ステップ５０では、時刻ｔ_１において、ステップ４４での外気条件と、ステップ４８におけるコンプレッサブレード１４およびタービンブレード１６の回転スピード（回転速度）とに基づいて、イグナイタを点火する。ステップ５２では、時刻ｔ_２において、燃料源３２から二次燃料ライン３６を介して、コンバスタ１０への実質的に一定流量の燃料供給を開始する。ステップ５４において、図７に時刻ｔ_３において示すように、熱センサを用いて排ガス温度を測定してライトオフを検出することができる。ライトオフが生ずると、排ガス温度が著しく上昇し、その結果、ガスタービンエンジンスピードの増加に伴って空気流ｆが増加し、それによりタービンブレード１６は、タービンブレード１６を通り抜けるガスと、電気的支援によるタービン駆動軸１８の回転との組み合わせによって回転する。ライトオフ発生後、ガスタービンエンジンの加速率は定常状態に制御される（ステップ５６）。ステップ５８では、時刻ｔ_４において、ガスタービンエンジンに対する電気的支援を、始動モータのトルク対スピード特性によって決まるタービンブレード１６の最高スピードまたは固定スピード値に基づいて断つ。次に、インバータはタービン／コンプレッサ構成１２を駆動するための電力供給を停止する。タービンエンジンが燃焼生成物によって駆動されると、コンプレッサを駆動するためバッテリが供給する電力の割合は低下する。換言すれば、当初はタービン／コンプレッサ構成１２を駆動する動力の１００％が始動モータを介し電力によって供給される。ライトオフ後、この割合は低下し、電気的支援がなくなるまでは、タービン／コンプレッサ構成１２を駆動する、より大きな割合の動力が燃焼生成物によって供給され、そしてタービン／コンプレッサ構成１２は完全に燃焼生成物と空気によって駆動される。ステップ６０において、点火検出後であって電気的支援がオフとなる前に（すなわち時刻ｔ_３とｔ_４の間に）、一次燃料ライン３４を通じたコンバスタ１０への燃料の供給を開始し、そして流量を増加させて、ガスタービンエンジンのスピードを、負荷をかけることのできる最終スピードまで上げる。ここで流量を増加させるとは、時間に関し正の割合で変化させることをいう。
【００１９】
コンバスタ１０がアイドルスピードでアイドリングしている状況では、次に一次燃料ライン３４を通じた燃料の供給が停止され、その結果一定の流量割合で２次燃料流ライン３６を通じた燃料の供給を可能とすることのみで、図６と図７に時刻ｔ４において示すように、コンプレッサ／タービン構成１２に対する電気的支援なしで、アイドルスピードで運転される。
【００２０】
燃料を実質的に一定の流量割合で供給し定められた時間後にライトオフが発生しない状況では、システムを停止してパージする。
【００２１】
以上本発明の好ましい実施の形態を詳述したが、当業者にとって、本発明の精神と範囲から逸脱することなくそれらの修正、追加、および変更が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
添付図面に関連した以上の説明により、本発明の完全な理解が得られるであろう。全ての図面で、類似の参照文字は類似の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】環状コンバスタの一部分の部分断面図である。
【図２】燃料源から図１の環状コンバスタへの燃料流の系統ダイアグラムである。
【図３】従来技術のガスタービンエンジンをライトオフする方法に関する、ガスタービンエンジンスピード対時間のグラフである。
【図４】従来技術のガスタービンエンジンをライトオフする方法に関する、ガスタービンエンジンへの燃料流対時間のグラフである。
【図５】従来技術のガスタービンエンジンの運転スピード対時間のグラフである。
【図６】本発明によるガスタービンエンジンのライトオフ方法に関する、ガスタービンエンジンスピードおよび燃料流対時間のグラフである。
【図７】図６のガスタービンエンジンのライトオフ方法に関する、ガスタービンエンジンスピードおよび燃料流対時間のグラフに、排ガス温度対時間を含めたグラフである。
【図８】本発明によるガスタービンエンジンのライトオフ方法を表わす系統フローダイアグラムである。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンのライトオフ方法であって：
   ａ．ガスタービンエンジンのライトオフのため、前記ガスタービンエンジンを所定の加速率で、或るスピードにまで加速して、コンバスタへ燃焼空気を供給するステップａと；
   ｂ．前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタ用の点火源を作動させるステップｂと；
   ｃ．実質的に一定の率で燃料ラインを介して前記コンバスタへの燃料流を開始して前記コンバスタへ最適の燃料供給を行い、更に、正しい空燃比が達成されて前記ガスタービンエンジンのライトオフが起こるまで前記一定の率を維持するステップｃとを備えるガスタービンエンジンの始動方法。
2. 更に、外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記外気条件が外気温と大気圧とを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ガスタービンエンジンの前記所定の加速率が、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて決定される、請求項２に記載の方法。
5. 前記ガスタービンエンジンが電気的支援を用いて加速される、請求項１に記載の方法。
6. 前記点火源が、前記外気条件と前記ガスタービンエンジンの前記スピードとに基づいて作動する、請求項２に記載の方法。
7. ステップｃの後に、ヒートセンサを用いてライトオフを検出するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
8. ステップｃの後に、前記ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定することによってライトオフを検出するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
9. 前記燃料ラインが、前記燃料ラインを通じて供給される燃料流を定めるバルブを備える、請求項１に記載の方法。
10. 前記燃料ラインが、前記燃料ラインを通じて供給される燃料流を定めるフローオリフィスを更に備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記ガスタービンエンジンに対する前記電気的支援を、前記ガスタービンエンジンの前記スピードの固定値に基づいてオフにするステップを更に備える、請求項５に記載の方法。
12. ガスタービンエンジンのライトオフ方法であって：
    ａ．前記ガスタービンエンジンのライトオフのため、前記ガスタービンエンジンを所定の加速率で、或るスピードにまで加速して、コンバスタへ燃焼空気を供給するステップａと；
    ｂ．前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタ用の点火源を作動させるステップｂと；
    ｃ．実質的に一定の率で前記コンバスタへの燃料流を開始して、二次燃料ラインを介して前記コンバスタへ最適の燃料供給を行い、更に、正しい空燃比が達成されて前記ガスタービンエンジンのライトオフが起こるまで前記一定の率を維持するステップｃと；
    ｄ．ライトオフの発生後に、一次燃料ラインを介しての前記コンバスタへの燃料流を開始し、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへの前記燃料流を増加させ、負荷がかかる最終スピードまで前記ガスタービンエンジンの前記スピードを増加させるガスタービンエンジンのライトオフ方法。
13. 更に、外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガスタービンエンジンの前記所定の加速率が、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ガスタービンエンジンが電気的支援を用いて加速される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記点火源が、前記外気条件と前記ガスタービンエンジンの前記スピードとに基づいて作動する、請求項１３に記載の方法。
17. ステップｃの後に、前記ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定することによって点火を検出するステップを更に備える、請求項１２に記載の方法。
18. 前記ガスタービンエンジンに対する前記電気的支援を、前記ガスタービンエンジンの前記スピードの固定値に基づいてオフにするステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
19. 前記一次燃料ラインが、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへの燃料流を増加させる制御弁を備える、請求項１２に記載の方法。
20. ガスタービンエンジンのライトオフ方法であって：
    ａ．外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップａと；
    ｂ．ガスタービンエンジンの加速率を、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて設定するステップｂと；
    ｃ．電気的支援を用いて、前記ガスタービンエンジンを前記加速率で加速し、それによってタービン駆動軸が回転し、コンプレッサブレードとタービンブレードとが回転するステップｃと；
    ｄ．前記ガスタービンエンジンのコンバスタ用の点火源を作動させるステップｄと；
    ｅ．前記ガスタービンエンジンのライトオフが起こるまで、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへ、二次燃料ラインを介して実質的に一定の率で燃料流を供給するステップｅと；
    ｆ．前記ガスタービンエンジンの点火を検出するステップｆと；
    ｇ．前記タービンブレーへの点火の発生後に、前記タービンブレードのスピードの固定値に基づき前記ガスタービンエンジンへの前記電気的支援をオフとするステップｇと；そして、
    ｉ．前記コンバスタへ一次燃料ラインを介して前記燃料流を開始し、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへの前記燃料流を増加させ、負荷がかかる最終スピードまで前記ガスタービンエンジンの前記スピードを上げるステップｉとを備えるガスタービンのライトオフ方法。

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