JP2016217696A - ガスタービンエンジンの液体燃料供給システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの液体燃料運転の開始に必要とされる時間を短縮すること。【解決手段】ガスタービンエンジンにおいて液体燃料を供給する方法が提供され、流体を用いて燃料マニホルドをシールするステップを含む。本方法はまた、液体燃料供給構造から燃料マニホルドへの液体燃料の送給を開始するステップを含む。本方法は更に、燃料マニホルド内に配置された流体を液体燃料と置き換えるステップを含む。本方法は更にまた、液体燃料及び流体を燃焼器に送給するステップを含む。【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンにおける液体燃料供給システム及び液体燃料を供給する方法に関する。

二系統燃料ガスタービンエンジンの様々な運転状態の間、液体燃料が液体燃料マニホルドに流入するのを阻止する必要がある。このような動作の実施例は、ガスタービンエンジンのガス燃料運転中又は燃焼器組立体のパージクレジットモード中を含む。これは、液体燃料燃焼器ノズル及び液体燃料混合バルブを保護するために行われる。液体燃料がこれらの箇所に流入するのを阻止するために、これらの構成要素の上流側で且つ液体燃料供給源の下流側でバルブ組立体が利用される。

液体燃料が燃料マニホルドに流入すること又は更に下流側の液体燃料燃焼器ノズルに流れるのを阻止することが望ましい場合に、流体は、液体燃料マニホルドに送られて、マニホルドを加圧することができる。ガスタービンエンジンの液体燃料運転が開始されると、液体燃料は、燃焼器に送られることになる。この前に、液体燃料に空いた経路を提供するために、液体燃料マニホルド内に配置された流体は除去されなければならない。通常、このことは、液体燃料マニホルドから流体を完全に排出させた後に、マニホルドを液体燃料で充填することによって行われる。残念ながら、流体排出手順は、液体燃料に移行するのに割り当てられる時間が相当な量を占める可能性があり、割り当てられた時間を超過する可能性もある。従って、流体の排出に伴う遅延は、ガスタービンエンジンのオペレータにとって望ましくない態様である。

米国特許第８，３８１，５２９号明細書

本開示の１つの態様によれば、ガスタービンエンジンにおいて液体燃料を供給する方法が提供され、本方法は、流体を用いて燃料マニホルドをシールするステップを含む。本方法はまた、液体燃料供給構造から燃料マニホルドへの液体燃料の送給を開始するステップを含む。本方法は更に、燃料マニホルド内に配置された流体を液体燃料と置き換えるステップを含む。本方法は更にまた、液体燃料及び流体を燃焼器に送給するステップを含む。

本開示の別の態様によれば、ガスタービンエンジンにおいて液体燃料を供給する方法が提供され、本方法は、水を用いて燃料マニホルドをシールするステップを含む。本方法はまた、液体燃料供給構造から燃料マニホルドへの液体燃料の送給を開始するステップを含む。本方法は更に、燃料マニホルド内に配置された水を液体燃料と置き換えるステップを含み、水を置き換えるステップは、変化する流量で燃料マニホルドに液体燃料を送給するステップを含む。本方法が更に、液体燃料及び水を燃焼器に送給するステップを含む。

本開示の更に別の態様によれば、ガスタービンエンジンのための燃料供給システムは、液体燃料を収容する液体燃料供給構造を含む。燃料供給システムはまた、燃焼器を含む、燃料供給システムは更に、液体燃料を受け取るために液体燃料供給構造に流体結合され、燃焼器に液体燃料を選択的に分配するため燃焼器に流体結合された燃料マニホルドを含む。燃料供給システムは更にまた、液体燃料とは異なる流体を収容し、燃料マニホルドに流体を送給するために燃料マニホルドに流体結合された流体供給構造を含み、液体燃料及び流体が、燃焼器への液体燃料の送給を開始するときに燃焼器に送給される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から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具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら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。 第１の運転状態におけるガスタービンエンジンの燃料供給システムの図。 第２の運転状態における燃料供給システムの図。 第１の液体燃料流れプロファイルのグラフ。 第２の液体燃料流れプロファイルのグラフ。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、本開示の例示的な実施形態に従って構成されたガスタービンエンジン１０などのタービンシステムが、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と、缶アニュラアレイで配列された複数の燃焼器組立体（その１つが符号１４で示される）とを含む。燃焼器組立体は、燃料供給システム２０から少なくとも1つの燃料ノズルを通って燃料と、圧縮機セクション１２から圧縮空気とを受け取るよう構成される。燃料及び圧縮空気は、燃焼器ライナによって定められる燃焼室１８内に入り、点火されて高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。燃料及び圧縮空気は、燃焼器ライナによって定められる燃焼室１８内に入り、点火されて高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。タービン２４は、圧縮機／タービンシャフト３０（ロータとも呼ばれる）を介して圧縮機１２に動作可能に接続される複数の段２６〜２８を含む。

作動時には、空気は、圧縮機１２に流入して圧縮され、高圧ガスにされる。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給されて、燃焼室１８において燃料（例えば、天然ガス、燃料油、プロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気が点火して、高圧高温の燃焼ガスストリームを形成し、これがタービン２４に送られて熱エネルギーから機械的な回転エネルギーに変換される。本明細書から理解されるように、提供される燃料は液体燃料であるが、ガスタービンエンジン１０の実施形態は、液体燃料とガス燃料の両方を利用することができ、これらは、異なる運転状態の際に利用することができる。

ここで図２及び３を参照すると、燃料供給システム２０がより詳細に例示される。燃料供給システム２０は、液体燃料を貯蔵及び分配する液体燃料供給構造３２を含む。液体燃料供給構造３２は、液体燃料配管構成３６を用いて液体燃料マニホルド３４に流体結合される。液体燃料供給構造３２と液体燃料マニホルド３４の間に液体燃料配管構成３６に沿って１又はそれ以上のバルブ３８が含められ、開放状態と閉鎖状態を選択的に遷移して、液体燃料マニホルド３４への液体燃料の流量を制御する。加えて、液体燃料マニホルド３４と燃焼室１８の間に液体燃料配管構成３６に沿って少なくとも１つのバルブ３９が含められ、開放状態と閉鎖状態を選択的に遷移して、燃焼室１８への液体燃料の流量を制御する。本明細書から理解されるように、バルブ３９はまた、液体燃料マニホルド３４内に配置された流体の流量を制御する。

バルブ３８，３９は、ガスタービンエンジン１０が液体燃料運転以外の運転状態にあるときには閉鎖状態となる。例えば、これは、ガスタービンエンジン１０のガス燃料運転中又は燃焼器組立体１４のパージクレジットモード中に生じることができる。

液体燃料が望ましくないことにバルブ３８，３９の閉鎖状態の間に液体燃料マニホルド３４内に又は液体燃料マニホルド３４を通って漏洩する可能性を低減又は排除するために、パージシステム４０を用いた液体燃料マニホルド３４の加圧が提供される。パージシステム４０は、燃焼器組立体１４に流体結合され、水マニホルドを介して水などの液体で燃焼器組立体１４の様々な部分をパージするよう構成される。より具体的には、特定の実施形態においては、水は脱塩水である。パージシステム４０は、流体供給源４４（例えば、水供給源）及び液体燃料マニホルド３４に流体結合された燃料供給ライン４２（例えば、水供給ライン）を含む。流体バルブ５２が流体供給源４４と液体燃料マニホルド３４との間に設けられ、液体燃料マニホルド３４への流体の流量を制御する。流体バルブ５２（例えば、水バルブ）は、開放状態と閉鎖状態を遷移して、液体燃料マニホルド３４への流体の流量を選択的に制御する。

流体は、構成要素を加圧するために液体燃料マニホルド３４にポンプ送給される。この加圧は、バルブ３８を通過する傾向のある液体燃料の何らかの漏洩分を阻み、これにより液体燃料が液体燃料配管構成３６に沿って上流側箇所から液体燃料マニホルド３４内に侵入する可能性が低減される。液体燃料の漏洩分から液体燃料マニホルド３４を効果的にシールするために、液体燃料マニホルド３４にポンプ送給される流体は、液体燃料配管構成３６の内部圧力よりも高くなくてはならず、この内部圧力は、特定の用途及び運転状態に応じて変わる可能性がある。

図２において、ガスタービンエンジン１０の非液体燃料運転状態を定める第１の運転状態にある燃料供給システム２０が例示される。図３は、液体燃料運転状態の開始を例示し、流体が、接近する液体燃料の圧力によって液体燃料マニホルド３４により置き換えられる。

ガスタービンエンジンの始動運転中又は液体燃料運転への移行中、燃焼器組立体１４に送られることになる液体燃料のための経路を空けるために、液体燃料マニホルド３４内に配置される流体が除去されなければならない。本明細書で記載される実施形態は、流体を排出するのに伴う時間を無駄に浪費することなく、単に、流体を置き換えるために液体燃料の圧力を利用している。これは、バルブ３８，３９を開放することにより達成される。次いで、液体燃料及び流体は、燃焼器組立体１４に送られる。排出プロセスの排除又は削減により、有利には、ガスタービンエンジン１０の高速始動中であるか、ガス燃料運転から液体燃料運転への移行中であるかに関わらず、ガスタービンエンジン１０の液体燃料運転の開始に必要とされる時間が短縮される。流体の一部を排出することが企図されるが、通常は、流体全てが燃焼器組立体１４に送られる。

上述のように、液体燃料を液体燃料マニホルド３４に送るステップは、バルブ３８を開放することを含む。バルブ３９の開放と連動して行われると、液体燃料及び流体が燃焼器組立体１４に送られる。バルブ３８は、液体燃料の流量の制御を可能にするよう構成される。１つの実施形態において、流量は、流体除去プロセス全体にわたって一定である。しかしながら、一部の実施形態において、液体燃料運転状態の開始の間は液体燃料の流量を変えることが有利である。この利点は、必要とされる燃料供給プロファイル及び／又は液体燃料マニホルド３４からの流体の置き換え特性に関係する場合がある。例えば、図４及び５は、２つの例示的な液体燃料流量プロファイルを示している。詳細には、図４は、段階的プロファイルで液体燃料マニホルド３４に送られている液体燃料を示している。２つの異なる流量のみが例示されているが、流量プロファイルには、より多くの「ステップ」を含めることができることを理解されたい。図５には、常に変化する流量が例示されている。液体燃料マニホルドにおける流体の置き換え中の液体燃料の固有流量プロファイルは、特定の用途によって決まることになる。時間の経過に伴って増大する流量を例示しているが、時間の経過に伴って流量が減少してもよく、また、増減の組み合わせ（例えば、脈動流）を利用することもできる点を理解されたい。

有利には、液体燃料マニホルド３４を含む液体燃料配管構成３６から各構成のシール中に内部に配置された流体を完全に排出する必要性を排除することにより、液体燃料運転の始動又は移行時間が短縮される。一部の用途において、ガスタービンエンジン１０のオペレータは、この応答時間に数秒レベルまで敏感になっている。従って、短縮された時間期間が僅かな量であっても、オペレータにとって極めて望ましい場合がある。

様々な特定の実施形態に関して本開示を説明してきたが、本開示は、請求項の技術的思想及び範囲内で修正を実施することができることは理解されるであろう。むしろ、本開示は、添付の請求項によって定義される本開示の技術的思想及び範囲内にある全ての修正形態、均等形態、及び代替形態を保護されるべきである。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、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本明細書における検討は、蒸気タービンの実施形態に関連するが、他の固定又は回転機械にも適用することができる。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 複数の燃焼器組立体
１８ 燃焼室
２４ タービン
２６-２８ 複数の段
３０ 圧縮機／タービンシャフト
３２ 液体燃料供給構造
３４ 液体燃料マニホルド
３６ 液体燃料配管構成
３８ バルブ
３９ バルブ
４０ パージシステム
４２ 燃料供給ライン
４４ 流体供給源
５２ 流体バルブ

Claims (18)

1. ガスタービンエンジン（１０）において液体燃料を供給する方法であって、
   流体を用いて燃料マニホルド（３４）をシールするステップと、
   液体燃料供給構造（３２）から前記燃料マニホルドへの液体燃料の送給を開始するステップと、
   前記燃料マニホルド内に配置された水を前記液体燃料と置き換えるステップと、
   前記液体燃料及び前記流体を燃焼器（１４）に送給するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記流体が水を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記流体が脱塩水を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記燃焼器のガス燃料運転から液体燃料運転への移行中に生じる、請求項１に記載の方法。
5. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記燃料マニホルドのパージ処理に続いて生じる、請求項１に記載の方法。
6. 前記燃料マニホルドにおける流体の全てが前記燃焼器に送給される、請求項１に記載の方法。
7. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記液体燃料供給構造と前記燃料マニホルドとの間に配置された第１のバルブ（３８）を開放するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記液体燃料及び前記流体を前記燃焼器に送給するステップが、前記燃料マニホルドと前記燃焼器との間に配置された第２のバルブ（３９）を開放するステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. ガスタービンエンジン（１０）において液体燃料を供給する方法であって、
   水を用いて燃料マニホルド（３４）をシールするステップと、
   液体燃料供給構造（３２）から前記燃料マニホルドへの液体燃料の送給を開始するステップと、
   前記燃料マニホルド内に配置された水を前記液体燃料と置き換えるステップと、
   を含み、
   前記水を置き換えるステップが、変化する流量で前記燃料マニホルドに液体燃料を送給するステップを含み、
   前記方法が更に、
   前記液体燃料及び前記水を燃焼器（１４）に送給するステップと、
   を含む、方法。
10. 前記水を前記液体燃料と置き換えるステップが、第１の時間期間において一定である第１の流量で前記燃料マニホルドに前記液体燃料を送給し、第２の時間期間において一定である第２の流量で前記燃料マニホルドに前記液体燃料を送給するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記水を前記液体燃料と置き換えるステップが、所定の時間期間にわたって連続的に変化する流量で前記燃料マニホルドに前記液体燃料を送給するステップを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記燃焼器のガス燃料運転から液体燃料運転への移行中に生じる、請求項９に記載の方法。
13. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記燃料マニホルドのパージ処理に続いて生じる、請求項９に記載の方法。
14. 前記液体燃料の送給を開始するステップが、前記燃料マニホルドのパージ処理に続いて生じる、請求項９に記載の方法。
15. ガスタービンエンジン（１０）のための燃料供給システム（２０）であって、
    液体燃料を収容する液体燃料供給構造（３２）と、
    燃焼器（１４）と、
    前記液体燃料を受け取るために前記液体燃料供給構造に流体結合され、前記燃焼器に前記液体燃料を選択的に分配するため前記燃焼器に流体結合された燃料マニホルド（３４）と、
    前記液体燃料とは異なる流体を収容し、前記燃料マニホルドに流体を送給するために前記燃料マニホルドに流体結合された流体供給構造（４４）と、
    を備え、
    前記液体燃料及び前記流体が、前記燃焼器への前記液体燃料の送給を開始するときに前記燃焼器に送給される、燃料供給システム（２０）。
16. 前記流体が水である、請求項１５に記載の燃料供給システム（２０）。
17. 前記流体が脱塩水である、請求項１５に記載の燃料供給システム（２０）。
18. 前記燃料マニホルドにおける流体の全てが前記燃焼器に送給される、請求項１５に記載の燃料供給システム（２０）。