JP2010261445A

JP2010261445A - 燃料ノズル逆火検出

Info

Publication number: JP2010261445A
Application number: JP2010101579A
Authority: JP
Inventors: Garth Curtis Frederick; ガース・カーティス・フレデリック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2010-11-18
Also published as: DE102010016440A1; CH700995A2; US20100275573A1; US8397515B2; CN101876434A

Abstract

【課題】内部に燃焼域（２１）が画成されたタービンエンジン（１０）の燃焼器（２０）を提供する。
【解決手段】本燃焼器（２０）は、２以上のバーナ（６０）を備える燃料ノズルであって、該バーナ（６０）の各々がその内部に画成された通路であってそれを通して可燃性物質が燃焼域に向かって移動できるようにする通路（８０）を有している、燃料ノズル（４０）と、バーナ（６０）の各々に付随して配置されたセンサであって、該バーナ（６０）の各々の通路（８０）内の静圧をそれぞれ検知してそれに応じて検知静圧信号をそれぞれ発信する複数のセンサ（１２０）と、センサ（１２０）に接続して信号を受信する制御装置（１３０）とを含み、制御装置（１３０）は、バーナ（６０）のいずれかが逆火リスクを伴っているか否かを信号の解析から判定し、その判定に従って逆火リスクを軽減するように構成される。
【選択図】図４

Description

本明細書に記載した主題は、燃料ノズル逆火検出に関する。

ガスタービンエンジンの燃焼器は、その内部に画成された燃焼域を有し、かつ燃焼域に可燃性物質を供給する１以上の燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、それを通して燃料及び空気の混合気のような可燃性物質が燃焼域に向かって移動する通路をその各々がその中に有する１以上の装置を含む。可燃性物質がバーナの後方端部に到達すると、可燃性物質は、点火されかつ燃焼する。一般的に、この燃焼は、燃焼域の一次及び二次再循環域で行なわれ、バーナの温度が比較的高いレベルに達する可能性があるが、それら温度は通常、大きな損傷なしにバーナが作動するような設定温度パラメータ範囲内である。

しかしながら、時折、逆火が発生する。逆火時には、可燃性物質の燃焼がバーナに異常に近接して或いは該バーナ内で生じ、バーナの温度は、設定温度パラメータを越える。バーナ部品は一般的に、そのような条件に耐えるように設計されていないので、バーナ及び燃料ノズルに対する損傷が確実に発生する可能性がある。このような損傷は、ガスタービンエンジンの高額な運転停止を必要とし、またバーナ及び燃料ノズルの補修並びに／或いは交換を必要とするおそれがある。

あらゆる特定の燃料ノズル又はバーナにおける逆火の発生可能性を軽減するには、所定の燃料におけるバーナ管速度について２０％マージンを備えた燃料ノズルを設計することを必要とする。つまり、各特定の燃料ノズルは、ガスタービン運転時に特定の量のそれら燃料が特定の速度で該燃料ノズルに供給されることになるとの前提で、選択燃料で使用するように設計される。しかしながら、２０％マージンに関連する欠点は、少なくとも大々的なテスト及び損傷リスクなしには、後日に所定の燃料を別の燃料で置換えることができない点にある。

本発明の１つの態様では、内部に燃焼域が画成されたタービンエンジンの燃焼器を提供するが、本燃焼器は、２以上のバーナを備える燃料ノズルであって、該バーナの各々がその内部に画成された通路であってそれを通して可燃性物質が燃焼域に向かって移動できるようにする通路を有している、燃料ノズルと、バーナの各々に付随して配置されたセンサであって、該バーナの各々の通路内の静圧をそれぞれ検知してそれに応じて検知静圧信号をそれぞれ発信する複数のセンサと、センサに接続して信号を受信する制御装置であって、信号の解析からバーナのいずれかが逆火リスクを伴っているか否かを判定し、その判定に従って逆火リスクを軽減するように構成された制御装置とを備える。

本発明の別の態様では、内部に燃焼域が画成されたタービンエンジン燃焼器の燃料ノズルのバーナを提供するが、本バーナは、燃焼器の前方端部で終端した環状シュラウドと、環状シュラウド内に配置された中心体であって、該環状シュラウドとの間に可燃性物質が燃焼域に向かって移動する環状通路を画成する中心体と、シュラウドと相対的関連状態で配置された複数のセンサであって、通路内の静圧をそれぞれ検知して、それに応じて逆火リスクを判定するとともに逆火リスクを軽減するのに使用される検知静圧信号をそれぞれ発信するセンサとを備える。

本発明のさらに別の態様では、２以上のバーナを備えたタービンエンジン燃焼器の燃料ノズルを制御する方法を提供するが、本方法は、バーナの各々内に形成された通路内の静圧を検知するステップと、静圧を解析して、バーナの各々内における通路内の平均静圧を計算するステップと、各バーナについての平均静圧を互いに比較するステップと、バーナの１以上が逆火リスクを伴っているか否かを比較の結果から判定するステップと、バーナの１以上と関連する逆火リスクを判定に従って軽減するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

タービンエンジンの燃焼器の側面図。図１の燃焼器の燃料ノズルの斜視図。バーナ及び静圧センサの拡大側面図。静圧センサを備えたバーナの概略図。燃料ノズルを作動させる方法を示すフロー図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、タービンエンジン１０の燃焼器２０を示している。燃焼器２０は、内部に画成された燃焼域２１を有し、燃焼域２１内において、動力を発生させるために可燃性物質を燃焼させる。燃焼器２０は、トランジションピース３０に結合され、燃焼の生成物がこのトランジションピース３０によってタービンに供給され、タービンにおいて、燃焼生成物はロータの周りでタービンブレードを回転させる。

図１及び図２を参照すると、燃焼器２０は、それ自体が少なくとも１つの燃料ノズル４０を備えたヘッドエンド１１を含む。燃料ノズル４０は、特に限定されないがＤＬＮ２．０、ＤＬＮ２＋、ＤＬＮ２．５＋、ＤＬＮ２．６及びＤＬＮ２．６＋構成を含む様々な構成として設けることができる。例えば、図２の燃料ノズル４０は、ＤＬＮ２．６＋構成を表しておりかつノズル装置５０を含んでおり、このノズル装置５０内では、バーナ６０が５つの付加的バーナ６０によって囲まれており、各バーナ６０はその他のバーナと平行に配向された状態になっている。バーナ６０は、ヘッドエンド１１によって構造的に支持された平面ベース６１と該ベース６１に対して該バーナ６０を結合したベース部材６２とによってこの装置内に支持される。

図３を参照すると、バーナ６０の各々は、燃焼器２０の燃焼域２１の近傍で終端した環状シュラウド７０と該環状シュラウド７０内に配置された中心体７１とを含む。このようにして、環状通路８０が、各バーナ６０内において環状シュラウド７０及び中心体７１間の環状空間として形成される。可燃性物質は、環状通路８０を通して燃焼域に向かって移動することができる。

可燃性物質は、タービンエンジン負荷要件、エミッション要件及び付加的考慮事項に基づいて変化する量の空気及び燃料の混合気を含む。空気は、圧縮機によって生成されかつ入口９０及び９１を通って通路８０に流入する加圧空気として供給することができる。燃料は、予混合燃料、拡散燃料及び／又は液体燃料の様々なタイプとして供給することができ、かつこれらの形態の少なくとも１以上として、管路１０１、１０２及び１０３を含む燃料送給システム１００によって燃料源に結合された燃料噴射器９２を介して環状通路８０にされる。通路８０に送給可能である燃料の量を制御するのを可能にするバルブ１１０が、各管路１０１、１０２及び１０３に沿って設けられる。

図３及び図４を参照すると、バーナ６０の各々に付随して３以上の圧力センサ１２０を配置して、該バーナ６０の各々の通路８０内の静圧をそれぞれ検知する。圧力センサ１２０はさらに、検知した静圧に従って検知静圧信号をそれぞれ発信するように構成される。圧力センサ１２０は、例えば入口９０及び９１より後方のスワーラの軸方向位置と燃料噴射器９２の軸方向位置との間のバーナ６０の軸方向位置において該バーナ６０の各々の環状シュラウド７０を貫通した圧力タップ１２１を含むことができる。圧力センサ１２０はさらに、シュラウド７０の外面上に設置された、或いはそれに代えてシュラウド７０自体の内部にかつ該シュラウド７０自体の一部として形成された配管１２２を含むことができる。

図４を参照すると、バーナ６０の各々の圧力センサ１２０は、対応するバーナ６０の周りで外周部に配置されかつ互いに一定間隔で分離させることができる。従って、３つの圧力センサ１２０が各バーナ６０と相対的関連状態で配置された図４に示すように、各バーナ６０の圧力センサ１２０は、互いに１２０°だけ分離している。言うまでもなく、各バーナ６０と相対的関連状態で３つよりも多い圧力センサ１２０を配置することができ、そのようなケースでは、圧力センサ１２０間の分離は、それに応じて小さくなることを理解されたい。

上記した圧力センサ１２０構成は、各バーナ６０における３以上の圧力センサ１２０の構成に関連しているが、それらの構成は単なる例示であって、１つ又は２つの圧力センサ１２０の構成も実施可能であることを理解されたい。

燃焼器２０はさらに、圧力センサ１２０の各々に結合された制御装置１３０を含む。制御装置１３０は、検知静圧信号を受け、処理ユニット１３１と該処理ユニット１３１に結合された記憶ユニット１３２とを含む。記憶ユニット１３２は、そこに記憶した実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体として具体化することができ、それを実行した時にその命令により、処理ユニット１３１が、バーナ６０のいずれかが逆火リスクを伴っているか否かを信号の解析から判定するようにする。

処理ユニット１３１は、最初にバーナ６０の各々の通路８０内の平均静圧を計算することによって信号を解析する。コンパレータとして作用する処理ユニット１３１は次に、バーナ６０の各々の平均静圧を互いに比較する。ここで、処理ユニット１３１は、バーナ６０のそれぞれの通路８０内の平均静圧が該バーナの他のバーナの平均値と比べて閾値レベル分だけ低いときに、バーナ６０の１以上が逆火リスクを伴っていると判断する。閾値レベルはまた、継続的性能解析に従ってタービンエンジンのライフサイクル全体にわたって更新することができる。バーナ６０が逆火リスクを伴っていると処理ユニット１３１が判断した場合に、制御装置１３０はさらに、逆火リスクを軽減するように構成される。この目的で、制御装置１３０は、少なくとも燃料送給システム１００のバルブ１１０に対して制御可能に結合される。このようにして、制御装置１３０は、バルブ１１０を開放又は閉鎖して、リスクに曝されているバーナ６０に送給可能な燃料の量を増加又は減少させることができる。従って、リスクに曝されているバーナ６０は、その関連するバルブ１１０の閉鎖によって燃料を激減させることができ、そのバーナ６０に関する逆火事故を回避することができる。加えて又はそれに代えて、制御装置１３０は、タービンエンジン負荷を減少させるように構成することができる。このようにして、少なくとも燃焼域２１内の温度と共にタービンエンジンの全燃料要求量を低下させる。ここで、いずれかの特定のバーナ６０内で発生する逆火の発生可能性は、それに対応して低下する。

図５を参照するとまた本発明の別の態様では、２以上のバーナ６０を備えたタービンエンジン燃焼器の燃料ノズル４０を制御する方法を提供する。本方法は、バーナの各々内に形成された通路８０内の静圧を検知するステップ５００と、静圧を解析して、バーナの各々内における通路８０内の平均静圧を計算するステップ５１０と、平均静圧を互いに比較するステップ５２０とを含む。比較の結果から、次にバーナ６０の１以上が逆火リスクを伴っているか否かを判定する。いずれのバーナ６０もリスクに曝されていないと判明した場合には、制御は、ループ５５０に沿って静圧を検知するステップ５１０に戻る。反対に、いずれかのバーナ６０がリスクに曝されていると判明した場合には、バーナ６０の１以上と関連する逆火リスクを軽減させる５４０。その後、制御は、ループ５５１に沿って静圧を検知するステップ５１０に戻る。

上記に説明したように、判定するステップは、平均静圧の対応する平均静圧がバーナ６０の他のバーナの平均静圧よりも閾値レベルだけ小さい場合に、該バーナ６０の１以上が逆火リスクを伴っていると判断するステップを含む。同様に、軽減するステップは、リスクに曝されているバーナ６０の１以上に対して送給可能な燃料の量を減少させるステップ及び／又はタービンエンジン負荷を減少させるステップを含む。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０タービンエンジン
１１ヘッドエンド
２０燃焼器
２１燃焼域
３０トランジションピース
４０燃料ノズル
５０ノズル装置
６０バーナ
６１平面ベース
６２ベース部材
７０環状シュラウド
７１中心体
８０環状通路
９０、９１入口
９２燃料噴射器
１００燃料送給システム
１０１、１０２、１０３管路
１１０バルブ
１２０圧力センサ
１２１圧力タップ
１２２配管
１３０制御装置
１３１処理ユニット
１３２記憶ユニット
５００静圧を検知するステップ
５１０静圧を解析するステップ
５２０静圧を比較するステップ
５３０逆火リスクを判定するステップ
５４０逆火リスクを軽減するステップ
５５０、５５１ループ

Claims

内部に燃焼域（２１）が画成された、タービンエンジン（１０）の燃焼器（２０）であって、
２以上のバーナ（６０）備える燃料ノズル（４０）であって、該バーナ（６０）の各々がその内部に画成された通路であってそれを通して可燃性物質が燃焼域に向かって移動できるようにする通路（８０）を有している、燃料ノズル（４０）と、
バーナ（６０）の各々に付随して配置されたセンサ（１２０）であって、該バーナ（６０）の各々の通路（８０）内の静圧をそれぞれ検知してそれに応じて検知静圧信号をそれぞれ発信する複数のセンサ（１２０）と、
センサ（１２０）に接続して信号を受信する制御装置（１３０）であって、バーナ（６０）のいずれかが逆火リスクを伴っているか否かを信号の解析から判定し、その判定に従って逆火リスクを軽減するように構成された制御装置（１３０）と
を備える燃焼器（２０）。
前記制御装置（１３０）が、バーナ（６０）の各々の平均静圧を計算してその平均値をバーナ（６０）の他のバーナの平均値と比較することによって信号を解析する、請求項１記載の燃焼器（２０）。
前記バーナ（６０）の１以上のバーナの平均値が、バーナ（６０）の他のバーナの平均値と比べて閾値レベル分だけ低いときに、その１以上のバーナが逆火リスクを伴っている、請求項２記載の燃焼器（２０）。
前記閾値レベルがテストによって設定される、請求項３記載の燃焼器（２０）。
前記閾値レベルが、テストによって設定されかつタービンエンジン（１０）のライフサイクルの間に更新される、請求項４記載の燃焼器（２０）。
前記制御装置（１３０）が、バーナ（６０）の各々に所定の量の燃料を送給できる燃料システム（１００）に制御可能に結合されており、燃料の量を変更する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼器（２０）。
前記制御装置（１３０）が、タービンエンジン（１０）負荷を減少させるように構成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃焼器（２０）。
内部に燃焼域（２１）が画成されたタービンエンジン（１０）燃焼器（２０）の燃料ノズル（４０）のバーナ（６０）であって、
燃焼器（２０）の前方端部で終端した環状シュラウド（７０）と、
環状シュラウド（７０）内に配置された中心体（７１）であって、該環状シュラウド（７０）との間に可燃性物質が燃焼域に向かって移動する環状通路（８０）を画成する中心体（７１）と、
シュラウド（７０）と相対的関連状態で配置された複数のセンサ（１２０）であって、通路（８０）内の静圧をそれぞれ検知して、それに応じて逆火リスクを判定するとともに逆火リスクを軽減するのに使用される検知静圧信号をそれぞれ発信するセンサ（１２０）と
を備えるバーナ（６０）。
２以上のバーナ（６０）を備えたタービンエンジン（１０）燃焼器（２０）の燃料ノズル（４０）を制御する方法であって、
バーナ（６０）の各々内に形成された通路（８０）内の静圧を検知するステップと、
静圧を解析して、バーナ（６０）の各々内における通路（８０）内の平均静圧を計算するステップと、
各バーナ（６０）についての平均静圧を互いに比較するステップと、
バーナ（６０）の１以上が逆火リスクを伴っているか否かを比較の結果から判定するステップと、
バーナ（６０）の１以上と関連する逆火リスクを判定に従って軽減するステップと
を含む方法。
判定するステップが、平均値の対応する平均値がバーナ（６０）の他のバーナの平均値と比べて閾値レベル分だけ低いときに、バーナ（６０）の１以上が逆火リスクを伴っていると判断するステップを含む、請求項９記載の方法。