JP2014118973A - ガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステムおよび燃料のルーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステムならびに燃料のルーティング方法を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステム３０は、燃料供給源２２と連通する主燃料回路３２、および燃料分配マニホルド３４を含む。燃料ルーティングシステム３０は、さらに、主燃料回路３２から、複数の燃焼室に燃料を送出するように構成される複数の燃料ノズル２０まで延在する二次燃料回路を含む。燃料ルーティングシステム３０は、さらに、主燃料回路内３２に配置され、ガスタービンに動作可能に結合される電気負荷の除去のときに燃料分配マニホルド３４へと流れる燃料流量を制限する、主燃料流量制御弁４３を含む。燃料ルーティングシステム３０は、さらに、二次燃料回路５０と主燃料回路３２の間に配置され、二次燃料回路５０と主燃料回路３２の間の燃料流量を制限する複数の逆止め弁６０を含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、そのようなガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステムならびに燃料のルーティング方法に関する。

ガスタービンエンジンは、しばしば、電力を供給する発電機などの電気負荷に連結される。電気負荷が瞬間的に除去されると、発電機の著しい速度超過が起こることがあり、それによって過渡状態が生じることがある。この過渡状態は、外部の送電網に対する電力会社の遮断器または発電機の遮断器のどちらかが開状態になると発生することがある。発電機の速度超過により、発電機が過周波数になることで、関連機器がダメージを受ける恐れがある。さらに、発電機の速度超過が予め決められた閾値を上回ると、ガスタービンエンジンの制御装置によって緊急停止命令が出され、それによってオペレータが時間がかかり多大な費用を要するガスタービンエンジンの再始動サイクルを実施しなければならなくなる。そうした問題を克服するこれまでの取り組みとして、過渡状態を認めたのを受けて燃料流量を急激に減少させ、それによって、発電機の速度超過を緩和させる目的で、燃料流量を持続的な燃焼に必要とされる最低限のレベルまで減らす、というものがある。残念ながら、この手法は、発電機がより軽量になり低コストになってきているので、発電機の過周波数の限界からの余裕をほとんどまたは全く生じることがない。

米国特許第７４５７６８８号明細書

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステムは、燃料を燃焼室に送出する燃料分配マニホルドに燃料を送り込む主燃料回路を含む。燃料ルーティングシステムは、さらに、主燃料回路から、燃焼室に燃料を送出するように構成される複数の燃料ノズルまで延在する二次燃料回路を含む。燃料ルーティングシステムは、さらに、主燃料回路内に配置され、ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷の除去のときに燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量を制限する、主燃料流量制御弁を含む。燃料ルーティングシステムは、さらに、二次燃料回路と主燃料回路との間に配置され、二次燃料回路から主燃料回路へと流れる燃料流量を制限する複数の逆止め弁を含む。

本発明の他の態様によれば、ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法が提供される。方法は、ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷が除去されたことを決定することを含む。方法は、さらに、主燃料流量制御弁を閉じて主燃料回路に沿って燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量を制限することを含む。方法は、さらに、ガスタービンエンジンの燃料ノズルの総数の一部からなる複数の燃料ノズルと連通する二次燃料回路に燃料を送ることを含む。

上記その他の利点および特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を読めばより明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの部分にある特許請求の範囲で具体的に指摘され、明確に特許請求される。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明を読めば明らかになる。

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の燃料ルーティングシステムの概略図である。 ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法の流れ図である。

詳細な説明では、図面を参照して一例として、利点および特徴と併せて本発明の実施形態について説明する。

図１を参照すると、図には、ガスタービンエンジンなどのタービンシステムが参照番号１０で概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、ロータ１８および燃料ノズル構成２０を含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態は、複数の圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、ロータ１８および燃料ノズル構成２０を含むこともできると理解すべきである。圧縮機セクション１２とタービンセクション１６は、ロータ１８によって結合される。ロータ１８は、単一のロータ、またはロータ１８を形成するように互いに結合された複数のロータセグメントであってよい。

燃焼器セクション１４は、ガスタービンエンジン１０を動作させる天然ガスまたは合成ガスなどの可燃性の液体燃料および／またはガス燃料を使用する。例えば、燃料ノズル構成２０は、空気供給源および燃料供給源２２と流体連通する。燃料ノズル構成２０は、空気−燃料混合物を作り出し、その空気−燃料混合物を燃焼器セクション１４へと吐出し、それによって燃焼が起こり、高温の加圧排出ガスが作り出される。燃焼器セクション１４は、高温の加圧ガスをトランジションピースを介してタービンノズル（すなわち「段１のノズル」）さらにバケットおよびノズルの他の段に送出し、それによってタービンケーシング２４内にあるタービンセクション１６の回転が引き起こされる。タービンセクション１６が回転すると、ロータ１８が回転し、それによって空気が圧縮機セクション１２へと流入して圧縮される。さらに、ロータ１８は、その機械的な回転力を電力に変換するように構成される発電機などの電気負荷２６に動作可能に結合され得る。

図２を参照すると、図には、燃料ルーティングシステム３０の概略が示されている。燃料ルーティングシステム３０は、上述の燃料供給源２２および燃料ノズル構成２０を含む。図には、主燃料回路３２が示されている。主燃料回路３２は、燃料供給源２２から、燃料を燃料ノズル構成２０に送達するように構成される燃料分配マニホルド３４まで延在する。燃料ノズル構成２０は、取り付けられるガスタービンエンジン１０のタイプに応じてその総数が変動可能な燃料ノズルを含む。一実施形態では、燃料ノズルの総数は、約１０〜約１００本である。他の実施形態では、燃料ノズルの総数は、約３０〜約３６本である。燃料ノズルの明確な総数に関係なく、燃料は、主燃料回路３２を通って送られる。主燃料回路３２は、１つまたは複数の燃焼室１４までの経路の間に、燃料を送りかつ処理するいくつかの関連構成要素を含むことができる。主燃料回路３２に沿った様々な場所には、例えば、少なくとも１つのポンプまたは圧縮機３６、加熱器３８、主燃料流量制御弁４１および１つまたは複数の遮断弁４０があってよい。さらに、主燃料回路３２の内容物を例えば大気である外部の場所に選択的に逃がすために、少なくとも１つのベントライン４２があってもよい。さらなる構成要素を含んでもよく、前述の例は単なる例示にすぎない。

二次燃料回路５０は、主燃料回路３２から分岐し、主燃料回路３２と燃料ノズル構成２０の複数の燃料ノズル５２との間に延在する。複数の燃料ノズル５２は、燃料ノズル構成２０の燃料ノズルの総数のサブセットしか含まず、したがって燃料ノズルの総数よりも数が少ない。一実施形態では、複数の燃料ノズル５２の数は、燃料ノズルの総数の約半分よりも少ない。他の実施形態では、複数の燃料ノズル５２の数は、約８〜約１８本である。さらに他の実施形態では、複数の燃料ノズル５２の数は、約８〜約１０本である。見えやすくするために図には複数の燃料ノズル５２のうちの３本だけが概略的に示されているが、上述から明らかなように、複数の燃料ノズル５２の数は、図示の３本よりも多くても少なくてもよい。二次燃料回路５０は、燃料を各燃料ノズルにそれぞれ送る複数の別個の燃料ライン５３を備える。

電気負荷２６が除去されると、開状態に陥るので、燃料流を止めるために主燃料流量制御弁４１を閉じる必要がある。電気負荷２６を除去する間に起こり得る有害システムの動作を回避するために、燃焼器セクション１４へと流れる燃料が急激に減らされる。この燃料流量の急激な減少は、燃料を燃料供給源２２から二次燃料流量制御弁４３を通って複数の燃料ノズル５２へと送ることによって行われる。複数の燃料ノズル５２は、上述したとおり、燃料ノズル構成２０の燃料ノズルの総数よりも少ない。単なる一例として、燃料ノズルの総数が３０本、複数の燃料ノズルの数が１２本の場合、主燃料流量制御弁４１を閉じ、燃料を二次燃料流量制御弁４３を通って燃料回路５０に送り複数の燃料ノズル５２だけに送ることによって、燃料流量が、そうでなければ燃料ノズルの総数に供給されることになる燃料流量の４０％になる。したがって、燃料を燃焼器セクション１４のより少ない数の燃料ノズルへ移動させることによって、全体の燃焼流が著しく減少し、それによって各燃料ノズルがフレームアウトの閾値を超えて動作可能になり、電気負荷２６の速度超過も緩和する。

一実施形態では、複数の燃料ノズル５２は、燃焼器セクション１４に連結される少なくとも１つの火炎検出器５６（図１）に近接して配置される。少なくとも１つの火炎検出器５６は、少なくとも１本の燃料ノズルからの燃焼を検出するように構成される。少なくとも１つの火炎検出器５６によって燃焼が検出されない場合、通常、ガスタービンエンジン１０が自動的にシャットダウンされることになる。完全なシャットダウンおよびそれによる全始動シーケンスを回避するように、少なくとも１つの火炎検出器５６が燃焼器セクション１４の少なくとも１つのセグメントにおける燃焼を検出するように複数の燃料ノズル５２が配置される。

燃料ルーティングシステム３０の動作中、主燃料流量制御弁４１が閉位置にあると、少なくとも１つのベントライン４２に配置される吹出し弁５８が開けられ、主燃料回路３２の内容物が大気に逃がされる。具体的には、少なくとも１つのベントライン４２は、主燃料流量制御弁４１と燃料分配マニホルド３４の間に配置される。さらに、不要な燃料が主燃料回路３２の主燃料流量制御弁４１の下流にないようにするために、複数の逆止め弁６０が複数の燃料ノズル５２と主燃料回路３２の間に配置される。複数の逆止め弁６０は、二次燃料流量制御弁４３が閉じているときは閉じた状態にある。

図１、２を参照して、図３の流れ図に示されるように、ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法１００がさらに提供される。ガスタービンエンジン１０、より具体的には燃料ルーティングシステム３０についてはすでに説明したので、具体的な構造的構成要素をより詳細に説明する必要はない。ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法１００は、ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷が除去されたことを決定すること１０２を含む。主燃料流量制御弁４１が閉じられて主燃料回路に沿って燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量が制限される１０４。ガスタービンエンジンの燃料ノズルの総数の一部からなる複数の燃料ノズルと連通する二次燃料回路へと燃料が送られる１０６。吹出し弁５８が開けられて主燃料供給回路３２内の燃料が大気に逃がされる。

本発明を、限ら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、本発明はそうした開示の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、前述されていないが本発明の精神および範囲に対応する任意の数の変形形態、代替実施形態、置換形態または均等の構成を取り入れるように本発明を変更することができる。さらに本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解すべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲の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 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ ロータ
２０ 燃料ノズル構成
２２ 燃料供給源
２４ タービンケーシング
２６ 電気負荷
３０ 燃料ルーティングシステム
３２ 主燃料回路
３４ 燃料分配マニホルド
３６ 少なくとも１つのポンプまたは圧縮機
３８ 加熱器
４０ １つまたは複数の遮断弁
４１ 主燃料流量制御弁
４２ 少なくとも１つのベントライン
４３ 二次燃料流量制御弁
５０ 二次燃料回路
５２ 複数の燃料ノズル
５３ 複数の別個の燃料ライン
５６ 少なくとも１つの火炎検出器
５８ 吹出し弁
１００ ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法
１０２ ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷が除去されたことを決定する
１０４ 主燃料流量制御弁が閉じられて主燃料回路に沿って燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量が制限される
１０６ ガスタービンエンジンの燃料ノズルの総数の一部からなる複数の燃料ノズルと連通する二次燃料回路に燃料が送られる

Claims (17)

1. ガスタービンエンジンの燃料ルーティングシステムであって、
   燃料を燃焼室に送出する燃料分配マニホルドに燃料を送り込む主燃料回路と、
   前記主燃料回路から、前記燃焼室に燃料を送出するように構成される複数の燃料ノズルまで延在する二次燃料回路と、
   前記主燃料回路内に配置され、前記ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷の除去のときに前記燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量を制限する、主燃料流量制御弁と、
   前記二次燃料回路と前記主燃料回路との間に配置され、前記二次燃料回路から前記主燃料回路へと流れる燃料流量を制限する、複数の逆止め弁と
   を備える、燃料ルーティングシステム。
2. 前記二次燃料回路が、複数の燃料ラインを備え、前記複数の燃料ラインのそれぞれが前記複数の燃料ノズルのうちの一つと連通する、請求項１記載の燃料ルーティングシステム。
3. 前記複数の燃料ノズルが、前記ガスタービンエンジンの燃料ノズルの総数の一部を含む、請求項１記載の燃料ルーティングシステム。
4. 前記燃料ノズルの総数の一部が、前記燃料ノズルの総数のサブセットである、請求項３記載の燃料ルーティングシステム。
5. 前記主燃料回路から延在し、前記主燃料回路の内容物を大気に逃がすように構成される位置まで延在する、ベントラインをさらに備える、請求項１記載の燃料ルーティングシステム。
6. 前記ベントラインに配置される吹出し弁であって、前記主燃料流量制御弁が閉じた状態にある間開いた状態にある吹出し弁をさらに備える、請求項５記載の燃料ルーティングシステム。
7. 前記ベントラインが、前記主燃料流量制御弁と前記燃料分配マニホルドの間に配置される、請求項５記載の燃料ルーティングシステム。
8. 前記燃料分配マニホルドに近接し、少なくとも１本の燃料ノズルからの燃焼を検出する、少なくとも１つの火炎検出器をさらに備える、請求項１記載の燃料ルーティングシステム。
9. 前記二次燃料回路と連通する前記複数の燃料ノズルが、前記少なくとも１つの火炎検出器に近接して配置される、請求項８記載の燃料ルーティングシステム。
10. 前記燃料ノズルの総数が、約１０〜約１００本の燃料ノズルを含む、請求項３記載の燃料ルーティングシステム。
11. 前記複数の燃料ノズルが、約８〜約１８本の燃料ノズルを含む、請求項１記載の燃料ルーティングシステム。
12. ガスタービンエンジンにおける燃料のルーティング方法であって、
    前記ガスタービンエンジンに動作可能に結合される電気負荷が除去されたことを決定するステップと、
    主燃料流量制御弁を閉じて主燃料回路に沿って燃料分配マニホルドへと流れる燃料流量を制限するステップと、
    前記ガスタービンエンジンの燃料ノズルの総数の一部からなる複数の燃料ノズルと連通する二次燃料回路に燃料を送るステップと
    を含む、方法。
13. 前記複数の燃料ノズルが、燃料噴射の全体の有効面積の減少を達成するように前記燃料ノズルの総数のサブセットを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記主燃料回路と前記二次燃料回路の複数の燃料ラインの間の燃料流量を、前記複数の燃料ラインのそれぞれと前記主燃料回路の間に配置される複数の逆止め弁を閉じることによって制限するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
15. 前記主燃料流量制御弁が閉じた状態にある間、ベントラインに配置される吹出し弁を開けるステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
16. 前記燃料ノズルの総数のうちのどれが前記複数の燃料ノズルを構成するかを選択するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
17. 前記燃料分配マニホルドに近接して配置される少なくとも１つの火炎検出器にごく近接する前記複数の燃料ノズルを選択するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。