JP2011064452A

JP2011064452A - ガスタービン燃焼ダイナミックス制御システム

Info

Publication number: JP2011064452A
Application number: JP2010206291A
Authority: JP
Inventors: Kapil Kumar Singh; カピル・クマール・シンハ; Fei Han; フェイ・ハン; Shiva Srinivasan; シヴァ・スリニヴァサン; Kwanwoo Kim; クワンウー・キム; Preetham; プリーザム; Qingguo Zhang; シングオ・ジャン; Sven Georg Bethke; スフェン・ゲオルグ・ベスク
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2011-03-31
Also published as: DE102010037299A1; CH701898A2; CN102022192A; US20110067377A1

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼ダイナミックス制御システムを提供する。
【解決手段】本システム（５０）は、複数の燃焼器缶（５８）を有するガスタービン燃焼器（５２）と、燃焼器缶（５８）を連結したクロスファイアチューブ（５４）と、燃焼器缶（５８）を連結して燃焼ダイナミックスを制御するチューブ状連結システム（５６）とを含む。チューブ状連結システム（５６）は、少なくとも一対の燃焼器缶（５８）を連結するようになったチューブ（６０）を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンの運転を制御する方法に関し、より具体的には、ガスタービンにおける燃焼ダイナミックスを制御する方法に関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及び圧縮機に結合されたタービンを含む。燃焼器は、複数の燃焼器缶を含むことができる。燃焼器缶に加圧空気及び燃料を送給して、高速かつ高圧燃焼ガスを発生させる。これら燃焼ガスは、タービンに吐出される。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取出して、例えば圧縮機を駆動する、発電機を駆動する或いは航空機に動力を供給するような幾つかの手段において使用することができる動力を発生するようになる。

ガスタービンエンジンは、異なる負荷条件下で運転され、それは、燃焼作動条件を変化させて燃焼器が所望の性能を満たすようにすることを必要とする。幾つかの条件下では、燃焼現象は、燃焼器の固有モードと相互作用して、フィードバックサイクルを引き起こす可能性がある。そのことにより、大きな振幅の圧力振動又は摂動が生じる。これら圧力摂動は、燃焼ダイナミックスと呼ばれる。燃焼ダイナミックスは、ガスタービンの運転条件を制限しかねず、さらにハードウェア損傷又は緊急停止を引き起こすおそれもある。

燃焼ダイナミックスは、全てのタイプの燃焼器が直面する問題である。その設計に起因して、燃焼ダイナミックスは、エミッションの低減を達成するために開発された最新式の予混合燃焼システムにおいて相対的により深刻である。

米国特許第７，４６１，５０９号公報

従って、ガスタービンにおける燃焼ダイナミックスを制御することは、望ましいと言える。

本明細書に開示した１つの実施形態によると、本システムは、複数の燃焼器缶を有するガスタービン燃焼器と、燃焼器缶を連結したクロスファイアチューブと、燃焼器缶を連結して燃焼ダイナミックスを制御するチューブ状連結システムとを含む。チューブ状連結システムは、少なくとも一対の燃焼器缶を連結するようになったチューブを含む。

本明細書に開示した別の実施形態によると、本システムは、複数の燃焼器缶を有するガスタービン燃焼器と、燃焼器缶を連結したクロスファイアチューブと、燃焼器缶を音響的に連結して燃焼ダイナミックスを制御するチューブ状連結システムとを含む。チューブ状連結システムは、少なくとも一対の隣り合う燃焼器缶のヘッドエンドを連結するようになったチューブを含む。

本明細書に開示した別の実施形態によると、本システムは、複数の燃焼器缶を有するガスタービン燃焼システムと、燃焼器缶を連結したクロスファイアチューブと、燃焼器缶を連結して燃焼ダイナミックスを制御するチューブ状連結システムとを含む。チューブ状連結システムは、燃焼器缶を音響的に連結して、第１の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスにより生じた音波が位相不一致の第２の燃焼器缶に到達して該第２の燃焼器缶における燃焼ダイナミックスを減少させるか又は相殺するようにする。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。

ガスタービンエンジンシステムの概略図。燃焼器の例示的な燃焼器缶の軸方向断面図。例示的な燃焼器の環状缶構成の側面図。例示的な燃焼器の一部分を示す図。本明細書に開示した態様による、環状缶システムの実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、缶間の連結の実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、缶間の連結の別の実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、その中で缶グループが連結されている環状缶システムの別の実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、環状缶システムの他の実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、環状缶システムの他の実施形態を示す図。本明細書に開示した態様による、環状缶システムの他の実施形態を示す図。

本明細書に開示した実施形態は、複数缶ガスタービンエンジンにおける燃焼ダイナミックスを制御するためのシステムを含む。本システムは、燃焼器缶を連結して燃焼ダイナミックスを制御する専用のチューブ状連結システムを含む。本明細書では、産業用途に採用した高出力ガスタービンエンジンとの関連で本システム及び方法を説明しているが、本システム及び方法は、それに限定されないが航空機、船舶、ヘリコプタ及び原動機用途のような様々な用途で利用する他の燃焼エンジンシステムに適用可能である。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の指示対象も含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０を示している。ガスタービンエンジン１０は、複数段軸流圧縮機１２、複数缶燃焼器１４及び複数段タービン１６を含む。圧縮機１２は、空気を吸込みかつ高圧及び高温に加圧する。加圧空気は次に、燃焼器１４に供給される。燃焼器１４内において、流入加圧空気は、燃料と混合され、燃料−空気混合気を燃焼させて高圧かつ高温の燃焼ガスを発生させる。これら燃焼ガスは、タービン１６に吐出される。タービン１６は、燃焼ガスからエネルギーを取出す。タービン１６により取出されたエネルギーは、電力の発電、推進推力の供給、或いは船舶又は原動機用のシャフト動力の供給用途のような様々な目的のためのものとすることができる。

図２及び図３を参照すると、燃焼器１４は、複数の燃焼器缶１６を含む。各燃焼器缶１６は、予混合器２０が設置された上流ドーム端部を有する環状の燃焼器ライナ１８を含む。各予混合器２０は、例えば該予混合器内に燃料２２を噴射して加圧空気２４の一部分と混合させるようになった対応する燃料噴射器を有し、混合気は適当に点火されて、燃焼器ライナ１８内部に燃焼ガスストリーム２６を発生するようになる。燃焼ガスストリーム２６は、環状の高圧タービンノズル２８内に吐出される。

燃焼器ライナを囲んでいるのは、環状のシュラウドつまりケーシング３０であり、ケーシング３０は、ライナの周りに環状のマニホルドを形成し、この環状のマニホルドを通して、ライナ自体を冷却すること及び予混合器に空気を供給することの両方のために従来通りの方法で加圧空気が送られる。

燃焼器１４は、環状であり、エンジンの長手方向つまり軸方向中心軸線の周りでほぼ対称であり、かつ図３に示すようにほぼ同一の燃焼器缶１６列を含む。各燃焼器ライナ１８は、その半径方向断面がほぼ円筒形又は円形であるので、各
燃焼器缶１６はさらに、対応する出口３４で終端する一体形移行部品３２を含む。対応する燃焼器缶からの移行部品出口３４は、燃焼器の周辺部の周りで互いに隣り合って、別々の燃焼ガスストリーム２６を共通の第一段タービンノズル２８内にまとめて吐出するようになったセグメント環状空間を形成する。

図４は、３つの燃焼器缶１６を備えた燃焼器１４の一部分を示している。クロスファイアチューブ３６が、隣り合う燃焼器缶１６を連結している。クロスファイアチューブ３６は、１つの燃焼器缶内において、隣接する燃焼器缶内における点火燃料により燃料の点火を行ない、それによって各燃焼器缶内における別個の点火器の必要性を排除する。具体的には、缶間クロスファイアが望ましい場合には、缶間クロスファイアは、クロスファイアチューブを通して燃焼缶から未燃焼缶に移動する高温ガスの圧力パルスによって達成される。クロスファイアチューブ３６はまた、燃焼器缶１６間の圧力をある程度均一にするための働きをすることができる。

缶環状燃焼システムにおける燃焼ダイナミックスは、２つのモードに分類することができる音圧分布を示す。１つのモードは、隣り合う燃焼器缶の位相一致振動に特徴がある。もう１つのモードでは、隣り合う燃焼器缶は、位相不一致で振動する、つまり２つの隣り合う缶における振動モードの形が、位相不一致である。缶を通る流路にわたる振動モードの形の仕組みに起因して、缶のヘッドエンドボリューム内部の圧力もまた、周辺の缶に比較して位相不一致で振動する。複数缶燃焼器はまた、燃焼器缶間でそれら缶を連結する流路を介してクロストークする傾向を有する。

図５は、本発明のシステム５０の実施形態を示している。本システム５０は、ガスタービン燃焼器５２、クロスファイアチューブ５４及びチューブ状連結システム５６を含む。燃焼器５２は、複数燃焼器缶５８を含む。実施例として、図には、４つの燃焼器缶５８及び単一のクロストーク流路６４を示している。クロスファイアチューブ５４は、隣り合う燃焼器缶５８を連結する。チューブ状連結システム５６は、燃焼器缶を連結するようになったチューブ６０を含む。

チューブ状連結システム５６は、燃焼ダイナミックスモードを制御しかつ排除する。図５及び図６に示す実施形態では、チューブ６０は、隣り合う燃焼器缶５８のヘッドエンド６２を音響的に連結する。チューブ６０は、該チューブ６０の流れ面積がクロスファイアチューブ５４の流れ面積よりも大きくなるように設計される。１つの実施形態では、チューブ６０の流れ面積は、ヘッドエンド６２の直径と少なくとも同じ大きさでありまた缶間クロストーク流れ面積よりも大きい。１つの実施形態では、チューブの直径は、ヘッドエンド６２の直径の約０．７〜約１．０倍である。

チューブ６０は、音響経路として作用する。缶間クロストーク６４面積及び燃焼器缶５８間クロスファイアチューブ５４に比較してチューブ６０のより大きい流れ面積は、該燃焼器缶５８間に強制的に付加的圧力ノードを生じさせる。チューブ６０の大きな流れ面積によって可能になる滑らかな圧力分布により、ヘッドエンド６２ボリューム内部の圧力振幅は、効果的に低減されることになる。

チューブ６０の直径が適度に大きい場合には、付加的インピーダンスステップが生じることは全くなくかつ滑らかな圧力分布によってヘッドエンドボリューム内部に強制的により小さい圧力振幅が生じることになり、従って燃焼ダイナミックスの全体振動モードの形を変形させかつ振動数をシフトさせる。これにより、火炎放熱励起及び燃焼システム音響（騒音）が離調されることになり、かつ火炎位置及び燃料噴射位置における圧力振幅が低減し、従って発生源つまり火炎の放熱変動と音響との間の相互作用が減衰される。

環状空間の周りに生じる可能性がある円周方向振動モードの形に応じて、燃焼器缶５８のヘッドエンドは、複数グループとして連結されて、全体環状空間を連結するものとはせずかつ２つ又はそれ以上の部分に切り分ける。例えば、図７に示す１つの実施形態７０では、燃焼器缶の環状空間は、２つの部分に分割される。チューブ状連結システムは、２つのチューブグループに分割される。第１のチューブグループ７２は、第１の缶セットつまり缶「１」、缶「３」及び缶「５」のヘッドエンドを連結する。第２のチューブグループ７４は、第２の缶セットつまり缶「２」、缶「４」及び缶「６」のヘッドエンドを連結する。

図８に示す別の実施形態８０では、チューブ状連結システム８２は、一次チューブ８４及び二次チューブ８６を含む。１つの実施形態では、一次チューブは、燃焼器缶９０のヘッドエンド８８の環状空間の周りに設けられた円形チューブである。二次チューブ８６は、ヘッドエンド８８及び一次チューブ８４間の連結部として作用する。各二次チューブ８６は、燃焼器缶のヘッドエンドを一次チューブ８４に連結する。それに代えて、二次チューブ８６は、１つの燃焼器缶９０グループのみのヘッドエンドを一次チューブ８４に連結するように使用することができる
図９は、環状缶システム１００の別の実施形態を示している。チューブ１０２は、隣り合う燃焼器缶１０４を連結する。１つの実施形態では、チューブは、そこには火炎が存在しかつ最大の放熱を受ける缶１０４の燃焼セクション１０６に連結される。１つの実施形態では、チューブ１０２の直径は、クロスファイア連結部１０８の直径の約４〜６倍である。しかしながら、ハードウェア要件並びに選択した缶及びそれらの相対位置により、より大きい又はより小さい直径が許容可能である。

前に説明したように、燃焼器缶１０４は、クロスファイアチューブ１０８及びクロストーク１１０に介して既に連結されている。特定の缶は正常に作動しているが、他の缶の燃焼ダイナミックスが、クロストーク及びクロスファイアチューブを通して、正常に作動している燃焼器缶に影響を与える可能性がある。様々な構成のチューブ状連結システムの判定基準は、特定の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスにより生じた音波が、その中に燃焼ダイナミックスが生じている位相不一致の連結した燃焼器缶に到達して、該連結した燃焼器缶における燃焼ダイナミックスを低減するか又は相殺する（打消す）ことである。

例えば、第１の燃焼器缶（缶「１」）における燃焼ダイナミックスが「＋ｘ」単位でありかつ第２の燃焼器缶（缶「２」）の燃焼ダイナミックスが「−ｘ」単位で位相不一致である場合には、第１の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスにより生じた音波１１２が第２の燃焼器缶に到達しかつ第２の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスを相殺し、或いはその逆も同様である。１つの缶における燃焼ダイナミックスの振幅が大きければ大きいほど、連結した缶における相殺力が強い。例えば、第１の燃焼器缶における燃焼ダイナミックスの振幅が「＋２ｘ」単位でありかつ第２及び第４（缶「４」）の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスの振幅が各々「−ｘ」単位である場合には、第１の燃焼器缶により生じた音波が第２及び第４の燃焼器缶に到達しかつ第２及び第４の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスを相殺する。従って、チューブ状連結システム１１４は、連結した缶１０４にわたる燃焼ダイナミックスの自動相殺（打消し）を可能にする。

図１０に示す別の実施形態では、チューブ状連結システム１１８のチューブ１１６は、全ての一つおきの燃焼器缶を連結する。別の実施形態では、単一の缶が、複数燃焼器缶に連結される。例えば、図１１に示すように、チューブ１２０は、第１の燃焼器缶を第２、第３及び第４の燃焼器缶に連結する。第１の燃焼器缶の燃焼ダイナミックスにより生じた音波は、位相不一致である第２、第３（缶「３」）及び第４の燃焼器缶に到達しかつ第２、第３及び第４の燃焼器缶における燃焼ダイナミックスを相殺する。

缶の長さ及び選定を調整することによって、様々な振動モード／音質に対して連結を最適にすることができる。位相一致及び位相不一致の両方のモードについて、周辺缶との連結及び隣り合っていない缶への連結を考慮することができる。さらに、缶を連結することの選定は、得られたチューブジオメトリ及び様々な缶間の利用可能スペースにより決まる。このことはまた、元の缶から遠く離れた缶への直接的連結を必要とする可能性がある。加えて、缶を連結することの選定はまた、それらの分離を制御する本システム内の缶数により決まる。

従って、上記した本システムは、燃焼器缶間の音響相互作用を可能にすることによって複数缶燃焼器システムにおける燃焼ダイナミックスを制御する方法を提供する。本システム自体は、燃焼ダイナミックスを制限し、相殺し（打消し）かつ制御する。本システムは、如何なる大きな修正もない状態で既存のガスタービンで使用することができる。チューブ状連結システムは、既存のガスタービンに改造することができる。燃焼器缶を連結するクロスファイアチューブの設計は、変更することを必要としない。

上記した全てのそのような目的又は利点は、あらゆる特定の実施形態により必ずしも達成することができるとは限らないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書に記載したシステム及び方法は、本明細書に教示し又は提案している場合もあるようなその他の目的又は利点を必ずしも達成しない状態で、本明細書に教示した１つの利点又は群の利点を達成又は最適化するように具現化又は実行することができることは当業者には分かるであろう。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。

１０ガスタービンエンジン
１２圧縮機
１４複数缶燃焼器
１６タービン
１８燃焼器ライナ
２０予混合器
２２燃料
２４加圧空気
２６燃焼ガスストリーム
２８ノズル
３０ケーシング
３２一体形移行部品
３４出口
３６クロスファイアチューブ
５０本システムの実施形態
５２ガスタービン燃焼器
５４クロスファイアチューブ
５６チューブ状連結システム
５８燃焼器缶
６０チューブ
６２チューブのヘッドエンド
６４缶間クロストーク
７０別の実施形態
７２第１のチューブグループ
７４第２のチューブグループ
８０別の実施形態
８２チューブ状連結システム
８４一次チューブ
８６二次チューブ
８８ヘッドエンド
９０燃焼器缶
１００環状缶システムの別の実施形態
１０２チューブ
１０４燃焼器缶
１０６燃焼セクション
１０８クロスファイア連結部
１１０クロストーク
１１２音波
１１４チューブ状連結システム
１１６チューブ
１１８チューブ状連結システム
１２０チューブ

Claims

複数の燃焼器缶（５８）を有するガスタービン燃焼器（５２）と、
前記燃焼器缶（５８）を連結したクロスファイアチューブ（５４）と、
前記燃焼器缶（５８）を連結して燃焼ダイナミックスを制御するチューブ状連結システム（５６）と、を含み、
前記チューブ状連結システム（５６）が、少なくとも一対の前記燃焼器缶（５８）を連結するようになったチューブ（６０）を含む、
システム（５０）。
前記チューブ（６０）が、隣り合う燃焼器缶（５８）を連結する、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、少なくとも２つのチューブグループ（７２、７４）を含み、
各チューブグループが、１つの前記燃焼器缶（５８）セットのみを連結するようになっている、
請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、前記燃焼器缶（５８）のヘッドエンド（６２）を連結する、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）の直径が、前記ヘッドエンド（６２）の直径の約０．７〜約１．０倍である、請求項４記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、該チューブ（６０）の流れ面積が前記クロスファイアチューブ（５４）の流れ面積よりも大きくなるような寸法になっている、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、該チューブ（６０）の流れ面積が缶間クロストーク（６４）面積よりも大きくなるような寸法になっている、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、前記燃焼器缶（５８）内の燃焼器缶を該燃焼器缶内の複数の他の燃焼器缶に連結する、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、一つおきの燃焼器缶を連結する、請求項１記載のシステム（５０）。
前記チューブ（６０）が、一次チューブ（８４）及び少なくとも１つの二次チューブ（８６）を含み、
前記少なくとも１つの二次チューブ（８６）が、前記燃焼器缶（９０）のヘッドエンド（８８）を前記一次チューブ（８４）に連結する、
請求項１記載のシステム（５０）。