JP2015212615A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃焼組立体に燃料を送るように構成された燃料供給システムにおいて燃焼ダイナミックスを制御するための燃料流れ操作部材を提供する。【解決手段】燃料供給システム２０は、燃焼入口領域に燃料２２を送るように構成された燃料ライン通路を含む。燃料ライン通路に近接して配置された流れ操作部材であって、燃料ライン通路を通して送られる燃料の質量流圧力を周期的に操作するように構成された圧電材料を備える流れ操作部材も含まれる。【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題は、燃料供給システムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃焼組立体に燃料を送るように構成された燃料供給システムに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生し、この高温燃焼ガスは、タービン段を通って下流側に流れ、このタービン段でエネルギーが抽出される。大型の産業用発電ガスタービンエンジンは通常、燃焼ガスが別々に発生しかつ集合的に排出される複数の燃焼器缶を含む。

缶型燃焼器エンジンの有効な動作に対して、燃焼ダイナミックス（すなわち、動作中の動的不安定性）が特に懸念される。高いダイナミックスは、多くの場合、排気ガスの温度（すなわち、放熱）および燃焼器缶内の振動圧力レベルなどの条件の変動により引き起こされる。このような高いダイナミックスは、ハードウェア寿命および／またはエンジンのシステム動作性を制限し、このような問題を機械的および熱的疲労として引き起こす可能性がある。

システム性能の劣化を防止するべく、燃焼ダイナミックスを制御するための種々の試みがなされてきた。このような取り組みは、例えば、圧力振動および放熱振動の結合解除（火炎形状、位置などを変更して、燃焼エンジン内の放熱を制御することなどによる）または圧力および放熱の「離相」によりダイナミックスを低減することを含む。共振器は、そのようなダイナミックスの低減を達成するために用いられてきた１つの構成要素である。しかしながら、燃焼およびタービン周波数の整合を回避すべきであるので、高まる動力出力の要件の結果、より小さい燃焼動作性がもたらされる。

本発明の一態様によれば、燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された燃料ライン通路を含む。燃料ライン通路に近接して配置された流れ操作部材であって、燃料ライン通路を通して送られる燃料の質量流圧力を周期的に操作するように構成された圧電材料を備える流れ操作部材も含まれる。

本発明の別の態様によれば、燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された燃料ライン通路を含む。燃料ライン通路に近接して位置する弁も含まれる。更に、弁に動作可能に連結され、かつ燃料ライン通路を通して送られる燃料の質量流圧力を周期的に操作するために弁を開状態と閉状態との間で周期運動させるように構成された圧電部材が含まれる。

本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンシステムは、圧縮機と、少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼組立体と、タービンセクションとを含む。燃焼組立体に燃料を送るように構成された燃料供給システムも含まれる。燃料供給システムは、管の壁の内面により画定された燃料ライン通路を含み、この燃料ライン通路は、燃焼入口領域に燃料を送るように構成される。燃料供給システムはまた、管の壁における空隙として形成されかつオリフィスを介して燃料ライン通路に流体連結された容積を含む。燃料供給システムは、容積内に位置し、かつ燃料ライン通路を通して送られる燃料の質量流圧力を周期的に操作するように構成された流れ操作部材を更に含み、この流れ操作部材が圧電材料を備える。

これらもしくは他の利点および特徴は、図面と併せて解釈される以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の末尾にある特許請求の範囲において特に指摘され、明確に特許請求されている。本発明の前述もしくは他の特徴および利点は、添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。

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に燃料を送出するための燃料供給システムの概略図である。 時間の関数としての燃料ライン通路の一部内の質量流圧力のグラフである。 第１の実施形態による流れ操作部材を内部に有する容積の概略図である。 第２の実施形態による流れ操作部材を内部に有する容積の概略図である。

詳細な説明では、例として図面を参照して、利点および特徴と共に本発明の実施形態を解説する。

図１によれば、本発明の例示的な実施形態に従って構築されたガスタービンエンジン１０が概略的に図示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２と、燃焼組立体１４と、タービンセクション１６と、シャフト１８と、燃料供給システム２０とを含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態が、複数の圧縮機セクション１２、燃焼組立体１４、タービンセクション１６、および／またはシャフト１８を含み得ることを認識すべきである。圧縮機セクション１２およびタービンセクション１６は、シャフト１８により連結される。シャフト１８は、単一のシャフトであるか、または共に連結されてシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントであってもよい。

動作中に、空気は、圧縮機セクション１２に流入し、圧縮されて高圧ガスとなる。高圧ガスは、燃焼組立体１４に供給され、燃料２２、例えば、プロセスガスおよび／または合成ガス（シンガス）と混合される。代替的に、燃焼組立体１４は、限定されるものではないが、天然ガスおよび／または燃料オイルを含む燃料を燃焼させることができる。燃料／空気または可燃混合気は、点火されて、高圧高温燃焼ガス流を形成する。その後、燃焼組立体１４は、燃焼ガス流をタービンセクション１６に送出し、このタービンセクション１６が、熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。

ここで図２を参照すると、燃焼組立体１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム２０がより詳細に図示されている。燃料マニホールドなどの燃料供給源２４は、供給源（図示せず）から燃料ライン通路２６へ燃料２２を導く。燃料ライン通路２６は、燃料供給源２４と燃焼組立体１４との間を延びる。特に、燃料ライン通路２６は、プレナムおよび／または燃料噴射ノズルなどの、燃焼組立体１４の燃焼入口領域２７へ流れる燃料２２のための通路を提供する。燃料ライン通路２６は、少なくとも１つの管セグメントで形成されるが、通常は、複数の管セグメントが、溶接方式などで互いに動作可能に連結される。

本明細書の説明から認識されるように、燃料ライン通路２６内ひいては燃焼組立体１４内に送られる燃料２２に質量流変動または質量流振動が付与され、有利には燃焼組立体１４の流圧を振動させる。このような組立体は、他の構造では必要となる位相整合回避技術（ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）の必要性を低減または回避する。図３に示すように、燃料ライン通路２６の一部に沿った燃料２２の質量流圧力の例示的なプロファイルが時間の関数として図示されている。燃料ライン通路２６内で測定される、燃焼のための燃料２２の質量流は、燃料ライン通路２６の長さに沿った軸方向位置の関数として周期的に振動する。

引き続き図２を参照すると、燃料ライン通路２６は、管３０の壁２８により画定される。より詳細には、壁２８の内面３２が、燃料ライン通路２６を画定する。燃料２２は、燃料ライン通路２６を通って、燃料ライン通路２６の軸方向と呼ばれる場合もある主方向３４に流れる。少なくとも１つの容積３６は、燃料ライン通路２６の壁２８に近接して位置する。例示的な実施形態において、少なくとも１つの容積３６は、壁２８に形成された空隙である。管３０に対して外側に位置し得る少なくとも１つの容積３６に燃料ライン通路２６を流体連結するために、壁２８の全長にわたって延びる孔が存在することが考えられる。図示の実施形態において、少なくとも１つの容積３６は、壁２８に形成された単なる凹部または空隙にすぎない。一実施形態では、少なくとも１つの容積３６（図４および図５）に燃料ライン通路２６を流体連結するために、オリフィス３８が壁２８の内面３２に存在してもよい。

少なくとも１つの容積３６の正確な位置および少なくとも１つの容積が燃料ライン通路２６に流体連結される方式に関係なく、流れ操作部材４０は、燃料ライン通路２６を通して送られる燃料２２の質量流圧力を操作するために、少なくとも１つの容積３６内に少なくとも部分的に位置する。流れ操作部材４０は、少なくとも１つの容積３６内に固定される。例えば、流れ操作部材４０は、少なくとも１つの容積の１つまたは複数の壁４２に固定されてもよい。少なくとも１つの容積３６は、種々の考えられる幾何学的形状で形成されてもよく、流れ操作部材４０は通常、少なくとも１つの容積３６の幾何学的断面に対応する。

流れ操作部材４０は、少なくとも部分的に圧電材料で形成される圧電部材である。圧電材料は、印加された機械的応力に応答して電荷を蓄積しかつその逆も行う（ａｎｄ ｖｉｃｅ ｖｅｒｓａ）ように構成された任意の適切な材料であり、この材料では、機械的歪みの内部発生が、印加された電界に起因する。流れ操作部材４０（すなわち、圧電部材）は、これを直接取り囲む燃料流領域ひいては燃料ライン通路２６全体に質量流圧力変動を付与する方式で振動するのに適した任意の構造であってもよい。用いてもよい圧電部材の例としては、板、膜、またはダイヤフラムが挙げられるが、上記の列挙は、単なる例示であり、網羅的であるようには意図されていない。

流れ操作部材４０は、少なくとも１つの容積３６内に任意の方式で配向されてもよい。換言すれば、燃料ライン通路２６内の燃料２２の流れの主方向３４に対して任意の角度配向で、流れ操作部材４０を配置することができる。一実施形態では、流れ操作部材４０を、図２および図５に示すように、主方向３４と実質的に平行な方向に配向することができる。代替的な実施形態では、流れ操作部材４０を、図４に示すように、主方向３４と実質的に直交する方向に配向することができる。

流れ操作部材４０は、動作中に、圧電部材内で発生する電荷に応答して２つの極端な状態間で振動するように構成される。振動中、燃料流の噴流４４は、図４および図５に示すように、少なくとも１つの容積３６から放出されるときに発生し、燃料ライン通路２６内の燃料２２の主流に導入される。図４に示すように、複数の流れ操作部材（すなわち、圧電部材）は、燃料ライン通路２６内での質量流圧力振動を促進するために、少なくとも１つの容積３６内に含まれてもよい。更に、複数の容積が、燃料ライン通路２６の壁に沿って含まれてもよい。図示の実施形態では、各々が圧電部材を含む、第１の容積４６および第２の容積４８が含まれる。任意の数の容積が含まれてもよく、および燃料ライン通路２６に沿って軸方向に互いに間隔を置いて配置されてもよく、および／または円周方向に間隔を置いて燃料ライン通路２６の単一の軸平面内に位置してもよいことを認識すべきである。

流れ操作部材の１つまたは複数のパラメータを調節するために流れ操作部材４０と通信するように、制御装置が含まれてもよい。特に、圧電材料に印加される電圧は、流れ操作部材４０の動作特性を調節するように制御されてもよい。調節してもよいパラメータの例としては、振幅および駆動周波数が挙げられる。このようなパラメータの調整により、用途によって異なり得る監視された動作状態に基づく自由度が許容される。

流れ操作部材４０は、燃料２２と直接相互作用して、径方向内方への流れ操作部材４０の振動期間の一部で燃料流全体に径方向内方に力を付与するように構成されてもよい。代替的に、流れ操作部材４０は、弁を開状態と閉状態との間で周期的に振動させるために、弁または他の流れ調整装置に動作可能に連結されてもよい。弁は、少なくとも１つの容積３６内に位置してもよく、および／または燃料ライン通路２６内に直接位置してもよい。開位置と閉位置との間の弁の周期運動は、質量流圧力振動を望ましい形で促進する。

有利には、質量流の振動は、周波数および／または位相の整合を懸念することなく、より高い動力要件に合わせて設計する自由度をもたらす。

本発明について限られた数の実施形態のみに関連して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ないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明していないが、本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形形態、変更形態、置換形態、または同等の構成を組み込むように修正することができる。加えて、本発明の種々の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いくつかのみを含み得ることを理解されたい。よって、本発明は、前述の説明により限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求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 燃焼組立体
１６ タービンセクション
１８ シャフト
２０ 燃料供給システム
２２ 燃料
２４ 燃料供給源
２６ 燃料ライン通路
２７ 燃焼入口領域
２８ 壁
３０ 管
３２ 壁２８の内面
３４ 主方向
３６ 少なくとも１つの容積
３８ オリフィス
４０ 流れ操作部材
４２ 壁
４４ 燃料流の噴流
４６ 第１の容積
４８ 第２の容積

Claims (20)

1. 燃焼入口領域（２７）に燃料（２２）を送るように構成された燃料ライン通路（２６）と、
   前記燃料ライン通路（２６）に近接して配置された流れ操作部材（４０）であって、前記燃料ライン通路（２６）を通して送られる前記燃料（２２）の質量流圧力を周期的に操作するように構成された圧電材料を備える前記流れ操作部材（４０）と
   を備える燃料供給システム（２０）。
2. 前記燃料ライン通路（２６）が、管（３０）の壁（２８）の内面（３２）により画定される、請求項１に記載の燃料供給システム（２０）。
3. 前記管（３０）の前記壁（２８）に近接して配置されかつ前記燃料ライン通路（２６）に流体連結された容積を更に備え、前記流れ操作部材（４０）が前記容積内に位置する、請求項２に記載の燃料供給システム（２０）。
4. 前記容積が、前記管（３０）の前記壁（２８）に形成された空隙を備える、請求項３に記載の燃料供給システム（２０）。
5. 前記容積内に配置された複数の流れ操作部材（４０）を更に備える、請求項３に記載の燃料供給システム（２０）。
6. 複数の流れ操作部材（４０）と、
   互いに軸方向に間隔を置いて配置されかつ前記管（３０）の前記壁（２８）に近接して配置された複数の容積であって、各々が前記燃料ライン通路（２６）に流体連結されかつ前記複数の流れ操作部材（４０）の少なくとも１つを内部に収容する前記複数の容積と
   を備える、請求項３に記載の燃料供給システム（２０）。
7. 前記流れ操作部材（４０）が圧電ダイヤフラムを備える、請求項３に記載の燃料供給システム（２０）。
8. 前記圧電ダイヤフラムが、前記容積内に配置され、かつ前記燃料（２２）の流れの主方向（３４）に実質的に平行に配向される、請求項７に記載の燃料供給システム（２０）。
9. 前記圧電ダイヤフラムが、前記容積内に配置され、かつ前記燃料（２２）の流れの主方向（３４）に実質的に直交する方向に配向される、請求項７に記載の燃料供給システム（２０）。
10. 前記容積が、オリフィス（３８）を介して前記燃料ライン通路（２６）に流体連結される、請求項３に記載の燃料供給システム（２０）。
11. 前記圧電材料を通して印加された電圧を制御するときに前記流れ操作部材（４０）の少なくとも１つのパラメータを調節するように構成された制御装置を更に備える、請求項１に記載の燃料供給システム（２０）。
12. 燃焼入口領域（２７）に燃料（２２）を送るように構成された燃料ライン通路（２６）と、
    前記燃料ライン通路（２６）に近接して位置する弁と、
    前記弁に動作可能に連結され、かつ前記燃料ライン通路（２６）を通して送られる前記燃料（２２）の質量流圧力を周期的に操作するために弁を開状態と閉状態との間で周期運動させるように構成された圧電部材と
    を備える、燃料供給システム（２０）。
13. 前記燃料ライン通路（２６）が、管（３０）の壁（２８）の内面（３２）により画定される、請求項１２に記載の燃料供給システム（２０）。
14. 前記管（３０）の前記壁（２８）に近接して配置されかつ前記燃料ライン通路（２６）に流体連結された容積を更に備え、前記圧電部材が前記容積内に位置する、請求項１３に記載の燃料供給システム（２０）。
15. 前記容積が、前記管（３０）の前記壁（２８）に形成された空隙を備える、請求項１４に記載の燃料供給システム（２０）。
16. 複数の圧電部材と、
    軸方向に互いに間隔を置いて配置されかつ前記管（３０）の前記壁（２８）に近接して配置された複数の容積であって、各々が前記燃料ライン通路（２６）に流体連結されかつ前記複数の圧電部材の少なくとも１つを内部に収容する前記複数の容積と
    を更に備える、請求項１３に記載の燃料供給システム。
17. 前記圧電部材が圧電ダイヤフラムを備える、請求項１３に記載の燃料供給システム。
18. 前記容積が、オリフィス（３８）を介して前記燃料ライン通路（２６）に流体連結される、請求項１４に記載の燃料供給システム（２０）。
19. 前記燃料（２２）がガス燃料を含む、請求項１２に記載の燃料供給システム（２０）。
20. 圧縮機と、
    少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼組立体（１４）と、
    タービンセクション（１６）と、
    前記燃焼組立体（１４）に燃料（２２）を送るように構成された燃料供給システム（２０）であって、
    管（３０）の壁（２８）の内面（３２）により画定された燃料ライン通路（２６）であって、燃焼入口領域（２７）に燃料（２２）を送るように構成された前記燃料ライン通路（２６）と、
    前記管の前記壁（２８）における空隙として形成されかつオリフィス（３８）を介して前記燃料ライン通路（２６）に流体連結された容積と、
    前記容積内に位置し、かつ前記燃料ライン通路（２６）を通して送られる前記燃料（２２）の質量流圧力を周期的に操作するように構成された流れ操作部材（４０）であって、圧電材料を備える前記流れ操作部材（４０）とを備える前記燃料供給システム（２０）と
    を備えるガスタービンシステム。