JP2018520290A - 分流装置を用いた注入液体燃料ノズルおよび供給配管 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料供給管を効果的にパージする技術を用いたガスタービンエンジンのための燃料供給システムに関する。燃料供給システムは、流通ポジションおよび双方向パージポジションを有する少なくとも１つの多機能バルブを含む。燃料供給システムはまた、多機能バルブの下流に配置され、かつ当該バルブからの燃料の流れを複数の燃料供給管に分割する少なくとも１つの分流装置を含み、エンジン内の各燃焼器のために個別の燃料供給管が設けられる。分流装置は、順方向および逆方向に作動できる、すべての燃料供給管のためのポンプ要素を含む。多機能バルブがパージポジションにある場合、個々の燃料供給管のための分流装置の下流で提供されるパージ水を、分流装置によってポンプで送り出すことができる。

Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンのための燃料供給システムに関するものであり、より詳細には、パージ水を排出部へ向けて多機能バルブを介して上流へポンプで放出できるようにする多機能バルブの下流に配置された分流装置を含むガスタービンエンジンのための燃料供給システムに関するものである。

世界のエネルギー需要に関して、信頼性が高く、手頃で、効率的でありかつ環境に適した発電が要求され続けている。ガスタービンエンジンは、効率的な動力を提供する１つの公知の機械であり、多くの場合に、発電所の発電機、または航空機もしくは船舶のエンジンに適用される。典型的なガスタービンエンジンは、圧縮機セクション、燃焼セクションおよびタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、圧縮空気流を、空気が天然ガスやディーゼル燃料油などの燃料と混合される燃焼セクションに供給する。
燃焼セクションは、複数の円周方向に配置された燃焼器を含む。燃焼器は、作動ガスを生成するために、空気と混合される燃料を受け取って当該燃料に点火する。作動ガスは、タービンセクションを通って膨張し、関連するベーンによって当該タービンセクション内のブレードの列を横切るよう方向付けられる。作動ガスがタービンセクションを通過すると、作動ガスがブレードを回転させ、続いてシャフトを回転させる。それによって機械的作用がもたらされる。

上述のタイプのガスタービンエンジンのいくつかは、エンジンの燃焼セクションの燃焼器に関連付けられた噴射器に、適切な圧力および流量のもとで、液体燃料油を供給する燃料供給システムを含む。低負荷などの特定の運転条件下では、特定の燃焼器への燃料油の流れを一時的に停止させることができる。エンジンの燃焼セクションが高温であるため、燃料供給管内に存在し得る燃料油が、著しく加熱されて、燃焼器からの距離に応じて、燃料供給管の内部に炭素堆積物を形成させることがあり、その結果、流れに関する問題およびパフォーマンスに関する問題を引き起こす可能性がある。したがって、当該分野において、このシステム運転条件および他のシステム運転条件の間に、燃料油を供給管から一時的に除去してそうした炭素堆積物を防止するために、水を使用して燃料供給管をパージすることが知られている。しかしながら、この水を用いたパージを提供するための公知の技術は、特定の燃料供給管が、パージ水が燃料供給管に供給される場所から上流で燃料をパージするのに十分なほど高い流量の水を有するかどうかを知ることができないなどの欠点を有する。

本開示は、効率的な様式で燃料供給管から燃料油をパージするための技術を使用するガスタービンエンジンのための燃料供給システムを開示する。この燃料供給システムは、流通ポジションと双方向パージポジションとを有する少なくとも１つの多機能バルブを含み、当該バルブから下流の燃料油は、バルブを通って排出部に戻ることができる。燃料供給システムはまた、多機能バルブの下流に配置されかつバルブからの燃料の流れを複数の燃料供給管に分割する少なくとも１つの分流装置を含む。個々の燃料供給管は、エンジン内の各燃焼器のために設けられる。分流装置は、順方向および逆方向の両方に動作可能な、各燃料供給管のためのポンプとして機能する。多機能バルブがパージポジションにある場合、すべての燃料分配管が効果的にパージされるように、各燃料供給管のための分流装置の下流に供給されたパージ水を分流装置によってポンプで送出できる。

本発明の付加的な特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかとなろう。

分流装置の上流の多機能バルブが燃料供給ポジションにある、ガスタービンエンジンおよび燃料供給システムを含むガスタービンエンジンシステムを示す図である。 分流装置の上流の多機能バルブが双方向パージポジションにある、図１に示す燃料供給システムの一部分の概略図である。 多機能バルブが排出ポジションにある、図２に示す燃料供給システムの一部の概略図である。

ガスタービンエンジンのための燃料供給システムに関する本発明の実施形態の以下の説明は、事実上、単なる例示であり、かつ決して本発明またはその用途または使途を限定するよう意図されたものではない。例えば、上述したように、燃料供給システムは、ガスタービンエンジンに関して特定の用途を有する。しかしながら、本発明の燃料供給システムは、他のタイプのデバイスおよび発電所に適用されてもよい。

図１は、ガスタービンエンジン１２と、ディーゼル燃料油などの液体燃料を所望の流量および所望の圧力でガスタービンエンジン１２に供給する燃料供給システム１４と、を含むガスタービンエンジンシステム１０を示す図である。ガスタービンエンジン１２は、圧縮機セクション１６と燃焼セクション１８とタービンセクション２０とを、そのすべてが外側ハウジングまたはケーシング２２内に包囲されるように、含んでおり、当該エンジン１２の動作が、中心シャフトまたはロータ２４を回転させて、機械的作用をもたらす。エンジン１２は、以下に説明される本発明にその背景を提供するために、非限定的な例として図示されかつ説明されている。当業者であれば、以下に説明する本発明に関連して他のガスタービンエンジンのデザインも使用できることを理解されよう。ロータ２４の回転は圧縮機セクション１６内に空気を引き込み、空気はここでベーン２６によって方向付けられて、回転ブレード２８によって圧縮されて、燃焼セクション１８に供給される。圧縮された空気は、燃焼セクション１８において燃料と混合されて、高温の作動ガスを生成するために燃料／空気混合物が点火される。より具体的には、燃焼セクション１８は、円周方向に配置された複数の燃焼器３０を含む。この非限定的な実施形態では１６個の燃焼器３０を含む。これら燃焼器３０は、噴射器（図示せず）によって燃焼器３０へ向けて燃料ミストとして噴射される燃料を受け取る。燃料は、圧縮された空気と混合されて、作動ガスを生成するべく燃焼するように、点火装置３２によって点火される。作動ガスは、移行構成要素３４によってタービンセクション２０へ方向付けられる。次いで、作動ガスは、タービンセクション２０内の円周方向に配置された静止ベーン（図示せず）によって方向付けられて、円周方向に配置された回転可能なタービンブレード３６を横切って流れ、それによってタービンブレード３６が回転され、結果的にロータ２４が回転される。一度作動ガスがタービンセクション２０を通過すると、作動ガスは、排気ガスとしてエンジン１２から出力ノズル３８を介して出力される。

燃料供給システム１４は、例えば低圧でライン４０で液体ディーゼル燃料油を受け取り、これはデュプレックスフィルタアセンブリ４２によって濾過される。次いで、濾過された燃料油は、モータ４６によって作動される容積移送ポンプや遠心ポンプなどのポンプ４４に供給される。ポンプ４４は、液体燃料油をより高い圧力となるように送り出し、より高い圧力を有する燃料油を燃料ライン４８に供給する。システム１４は、ポンプ４４からのライン４８内の燃料油の圧力を制御するポンプ排出量調節器５０を含み、調節器５０は、圧力を調節するために、ライン４８からライン５２へ燃料油の一部を引き込み、それをライン５４上の貯留部（図示せず）に戻す。ライン４８におけるポンプ４４からの燃料油の流れは、流量計５６によって測定されており、緊急時などが発生した場合に燃料油の流れを停止できる緊急遮断バルブ５８を通って送られる。

続いて、遮断バルブ５８を通って流れる燃料油は、分割されて、３つの個別の段６０に送られる。これら段６０は、エンジン１２の燃焼器３０の異なる位置に燃料油の流れを供給する。段６０のうちの１つがパイロット段である。特に、燃料油は、改良された燃焼性を提供するために、当業者に十分理解される様式で、燃焼器３０内の３つの異なる位置の１つ以上に選択的に噴射される。本明細書では図１に示す中央段６０がすべての段６０の代表として説明され、３つの段６０のすべてが同じ構成要素を含みかつ同じ様式で動作することを理解されたい。個々の段６０を通る燃料油の流量は、制御バルブ６２によって制御されており、かつ三位置多機能バルブ６４に送られる。以下でさらに詳細に説明するように、多機能バルブ６４は、通常運転のための中間流通ポジション６６と、漏出した燃料油が排出ライン７４上のチェックバルブ７２を介して排出部７０へ流動できるように制御バルブ６２が閉鎖された場合の排出ポジション６８と、多機能バルブ６４の下流の燃料油を排出部７０へ向けてパージするためのパージポジション７６と、を含む。

図１は、燃料油の流れを複数の燃料供給管８２に均等に分配する分流装置７８へ向けて燃料油が流れる流通ポジション６６にもたらされた多機能バルブ６４を示す。個々の供給管８２は、エンジン１２内の個々の燃焼器３０のために設けられている。この非限定的な実施形態では、エンジン１２は１６個の燃焼器３０を含んでおり、そのため各分流装置７８は１６個の燃料供給管８２を含む。本明細書では説明のために、供給管８２の１つが、チェックバルブ８６を介して燃焼器３０の１つに連結された流れ供給管８４として示されており、残りの１５個の供給管８２の各々は、エンジン１２内の他の燃焼器３０のそれぞれに連結されておりかつ同様の様式で作動することを理解されたい。分流装置７８は公知の装置であり、典型的には、モータ８０と、ギアボックス（図示せず）と、多数の容積移送ポンプ要素９６とを含む。個別のポンプ要素９６は、供給管８２のそれぞれのために分流装置７８に設けられており、かつすべてのポンプ要素９６はそれぞれ他のポンプ要素９６に同期される。ポンプ要素は、本明細書では、要素の個々のサイクルまたは回転のために低圧側から高圧側へ一定量の流体を包含して移送するような構成要素として定義される。負荷や他の要因に基づく特定のエンジン運転状態では、燃料油は、ライン８８から噴射接合部９２におけるチェックバルブ９０を通って管８４に噴射される水と混合される。排出物や燃焼器の運動状態などを制御するために水を燃料油と混合するこのプロセスは、当業者に公知である。

当業者によく理解されるように、管８２内の燃料油は、燃焼器３０からの距離に応じて、燃焼器３０内の燃焼プロセスによって著しく加熱される。燃料油が燃焼器３０に供給されて燃焼器３０内で燃焼するため、管８２内の燃料油の加熱は悪影響を及ぼさない。しかしながら、燃焼器３０の電源が切られかつ燃料油が管８２内に存在する場合、管８２内の燃料油が加熱されると、管８２の内部に炭素堆積物が形成されてしまい、管８２が詰まる可能性があり、それによって管８２内の燃料油の流量および圧力に影響がある。したがって、段６０の１つ以上が不活性であるかまたはシステムの停止時などのそうした低負荷時に、システム１０の通常運転中に発生する可能性のある、特定の供給管８２がエンジン１２の特定の燃焼器３０に燃料油を供給しない事象のあるときは、特定の管８２からの燃料油を選択的にパージして、燃料油が加熱されることを防止し、かつ管８２での炭素の堆積を防止する必要がある。

このパージ工程を実行するために、管８４内の燃料油をパージするべく上述したように燃料油と混合される、ライン８８において利用可能な高圧噴射水を使用することが当該分野において知られている。バルブ６４は遮断ポジション６８に配置することができ、この場合、管８２に噴射された水は、燃焼器３０を通って噴射接合部９２の下流で管８２から燃料油を押し出す。さらに、燃料接合部９２の上流の特定の管８２から燃料油をパージすることも望ましい。なぜなら、管８２のこれら領域もまた高温となる可能性があるからである。

公知の燃料供給システムのデザインでは分流装置７８が多機能バルブ６４の上流に配置されているため、流れ供給管８２はバルブ６４に直接連結されており、この場合、パージポジション７６によって、パージされた燃料油は、分流装置７８の下流の排出部７０に送り込まれる。しかしながら、こうしたデザインでは、噴射接合部９２の上流の管８２内のパージ水の流れを適切に制御することができず、その結果、パージ水の大部分が燃焼器３０に注入され、バルブ６４に戻らなくなることがあった。特に、噴射接合部９２の上流の特定の管８２から燃料油をパージする場合、管８２の適切な洗浄を確実にするために、多くの場合に、水の流れがバルブ６４を通って戻る代わりに燃焼器３０に向かうようにするべく、チェックバルブに打ち勝つのに十分な高い圧力を有する噴射水を提供することが必要とされていた。さらに、噴射接合部９２の上流において噴射された水の流れが制御されていなかったため、これらの完全なパージ工程中に、すべての管８２が同時にパージされていることを知ることはできなかった。より詳細には、ライン８８に入るパージ水は、流量を制御しないマニホールド（図示せず）によって供給される。パージ水の分割が制御されていないため、個々の管８２は、さまざまな量の水を受ける可能性があり、この場合、管８２内の水の速度はその流量に比例する。油を管８２の内面から確実に除去するために水の適切な速度を維持しなければならないため、油がその内面から効果的に除去されたかどうか知ることができなかった。

本発明は、分流装置７８を、噴射接合部９２の上流における管８２内のパージ水の流れを制御する機構として使用することを提案する。特に、水のパージ中にモータ８０およびポンプ要素９６を逆方向に作動することによって、パージ中に十分な流れが流れ供給管８２内に存在することを保証できる。この場合、すべての管８２を同時にパージすることができる。この制御を提供するために、本発明は、上述のように流れを制御するために図１に示すように多機能バルブ６４の下流に分流装置７８を移動させること、およびこの様式で動作するように必要なモータおよびギアボックスを分流装置７８に提供することを提案する。提案されたデザインによって、多機能バルブ６４のより効果的なポジションのモニタリングが可能となり、かつシステム１４内の構成要素の空間のより効果的な利用が実現される。

図２は、パージポジション７６にある多機能バルブ６４を示す燃料供給システム１４の一部の概略図である。この図では、１つの燃焼器３０が燃焼器９４として示されている。説明されるように、段６０の各々における流れ供給管８２のすべてを、噴射接合部９２の上流の管８２から排出部７０へ燃料油をパージするように、燃焼器３０を介して噴射接合部９２の下流における供給管８４を介してのみ燃料油をパージするように、かつ噴射接合部９２の上流および下流の両方において燃料油をパージするように、制御することができる。この場合、制御された量のパージ水を上流に流すことができ、かつ制御された量のパージ水を下流に流すことができる。

制御バルブ６２を閉じ、多機能バルブ６４をパージポジション７６にもたらし、かつモータ８０を制御された速度で逆方向に動作させると、ライン８８からのパージ水は、分流装置７８を通ってかつバルブ６４を通って、排出部７０へ向けて後方に流れ、それによって燃料油は管８２から排出部７０へ向けて押し出される。また、ライン８８における噴射水によって提供される圧力と逆方向におけるモータ８０の速度とを制御することによって、接合部９２において流れを分割すると同時に、両方向に（すなわち排出部７０へ向けてかつ燃焼器９４を通じて）特定の管８２をパージすることできる。排出部７０へ向かって流れるパージ水および燃焼器９４を通って流れるパージ水のパーセンテージは、噴射水の流量およびモータ８０の逆方向速度を制御することによって制御することができる。したがって、特定の段６０では、任意の所定のシステム動作状態において、その段に関するすべての管８２を、説明したようにパージすることができる。この実施形態では、システムが停止している間、分流装置７８は、過去に行われたような油の代わりに水で満たされる。これはシステムの耐用期間を長期にする利点を有する。

図３は、図２に示された燃料供給システム１４の一部を示しているが、多機能バルブ６４は閉鎖（排出）ポジション６８にある。このモードでは、制御バルブ６２は閉鎖されているが、特定の量の燃料油がバルブ６２を通って漏出する可能性があり、ここで多機能バルブ６４は図示されるようにそうした漏出を排出部７０へ向けて方向付ける。また、排出ポジション６８にある多機能バルブ６４を用いて噴射接合部９２の下流の配管８２を選択的にパージして、ライン８８内のパージ水を活性化することが可能である。

上述の説明は、本発明の例示的な実施形態を単に開示して説明するものである。当業者であれば、そうした説明ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、特許請求の範囲に定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更、変形、および変化が可能であることは容易に理解されるであろう。

１０ ガスタービンエンジンシステム
１２ ガスタービンエンジン
１４ 燃料供給システム
１６ 圧縮機セクション
１８ 燃焼セクション
２０ タービンセクション
２２ ケーシング
２４ ロータ
２６ ベーン
２８ 回転ブレード
３０ 燃焼器
３２ 点火装置
３４ 移行構成要素
３６ タービンブレード
３８ 出力ノズル
４０、４８、５２、５４、８８ ライン
４２ デュプレックスフィルタアセンブリ
４４ ポンプ
４６ モータ
５０ ポンプ排出量調節器
５６ 流量計
５８ 遮断バルブ
６０ 段
６２ 制御バルブ
６４ 多機能バルブ
６６ 流通ポジション
６８ 閉鎖（排出）ポジション
７０ 排出部
７２ チェックバルブ
７４ 排出ライン
７６ パージポジション
７８ 分流装置
８０ モータ
８２ 燃料供給管
８４ 流れ供給管
８６ チェックバルブ
９０ チェックバルブ
９２ 噴射接合部
９４ 燃焼器
９６ ポンプ要素

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン内の複数の燃焼器に燃料を提供するための燃料供給システムであって、
   前記燃料供給システムは、
   液体燃料を受け入れる燃料ラインと、
   前記燃料ラインに沿って設けられた少なくとも１つの制御バルブであって、それを介して燃料の流れを制御する、少なくとも１つの制御バルブと、
   前記制御バルブの下流において前記燃料ラインに沿って設けられ、かつ流通ポジションと排出ポジションとパージポジションとを含む少なくとも１つの多機能バルブと、
   前記多機能バルブの下流において前記燃料ラインに沿って設けられた少なくとも１つの分流装置であって、前記分流装置は、前記流れライン内の燃料を複数の流れ供給管へ向けて方向付け、前記流れ管の個々の流れ管は、前記燃焼器の個々の燃焼器に連結されており、前記少なくとも１つの分流装置は、順方向および逆方向の両方向への流動を可能にするように制御される、各流れ管のための個別のポンプ要素を含む、少なくとも１つの分流装置と、
   前記少なくとも１つの分流装置の下流において前記流れ管の各々に連結された個別の水噴射ラインと、
   前記少なくとも１つの多機能バルブに連結された排出部であって、前記流れ管が前記排出部へ向けてかつ／または前記燃焼器を通って前記多機能バルブを介してパージ可能となるように、前記水噴射ラインから前記流れ管へ向けて所定の圧力で噴射される水と、前記ポンプ要素の速度と、前記ポンプ要素の作動方向とが制御される、排出部と、
   を備えることを特徴とする燃料供給システム。
2. 噴射される水の圧力と、特定のポンプ要素の速度と、前記特定のポンプ要素の作動方向とは、すべての前記流れ管が前記排出部へ向けてかつ前記燃焼器を介して同時にパージされるように、制御されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 制御された割合の水が前記排出部に向けて流れかつ制御された割合の水が前記燃焼器を通って流れるように、噴射される水の圧力と、前記特定のポンプ要素の速度と、前記特定のポンプ要素の作動方向とが制御されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 噴射される水が前記排出部へ向けてのみ流れるように、前記ポンプ要素は逆方向に選択的に作動されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 噴射される水が前記燃焼器を通ってのみ流れかつ前記少なくとも１つの多機能バルブに提供される燃料が前記排出部に送られるように、前記少なくとも１つの多機能バルブは、前記排出ポジションに選択的に作動されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの制御バルブは３つの制御バルブであり、前記少なくとも１つの多機能バルブは３つの多機能バルブであり、かつ前記少なくとも１つの分流装置は３つの分流装置であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の燃焼器は１６個の燃焼器であり、かつ前記複数の流れ供給管は１６本の流れ管であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 燃料はディーゼル燃料油であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. ガスタービンエンジン内の複数の燃焼器に燃料を提供するための燃料供給システムであって、
   前記燃料供給システムは、
   流通ポジションと排出ポジションとパージポジションとを含む多機能バルブと、
   前記多機能バルブからの燃料を複数の流れ供給管へ向けて方向付ける分流装置であって、前記複数の流れ管の個々の流れ管が前記燃焼器の個々の燃焼器に連結され、前記分流装置が、順方向および逆方向の両方向に作動するように制御される、個々の流れ管のためのポンプ要素を含む、分流装置と、
   前記流れ管へ向けて水を噴射するために前記分流装置の下流において前記流れ管の各々に連結された個別の水噴射ラインと、
   前記多機能バルブに連結された排出部と、
   を備えることを特徴とするシステム。
10. 制御された割合の水が前記排出部に向けて流れかつ制御された割合の水が前記燃焼器を通って流れるように、噴射される水の圧力と、前記ポンプ要素の速度と、前記ポンプ要素の作動方向とが制御されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 噴射される水が前記排出部へ向けてのみ流れるように、前記ポンプ要素は逆方向に選択的に作動されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
12. 噴射される水が前記燃焼器を通ってのみ流れることができかつ前記少なくとも１つの多機能バルブに提供される燃料が前記排出部へ向けて流れることができるように、前記多機能バルブは、前記排出ポジションに選択的に作動されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
13. 燃料はディーゼル燃料油であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
14. ガスタービンエンジン内の１つ以上の燃焼器に連結された１つ以上の流れ供給管から燃料をパージするための方法であって、
    前記流れ供給管は燃料供給システムの一部であり、
    前記燃料供給システムは、多機能バルブであって、それを介して燃料を順方向および逆方向に選択的に流動できるようにする多機能バルブと、前記１つ以上の燃焼器の反対側において前記１つ以上の流れ供給管に連結されかつ前記多機能バルブからの燃料を受け取る流れデバイスと、を備えており、前記流れデバイスは、少なくとも１つのポンプ要素を含んでおり、
    前記方法は、
    前記流れデバイスの下流において前記燃料供給管へ向けてパージ水を噴射するステップと、
    噴射された水が前記流れ装置および前記多機能バルブを通って規定の流量で排出部へ向けて流れるように、前記ポンプ要素を逆方向に選択的に作動させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 前記ポンプ要素を逆方向に選択的に作動させるステップは、前記流れ管が前記排出部へ向けてかつ前記燃焼器を通って同時にパージされる様式で、前記ポンプ要素を逆方向に作動させるステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ポンプ要素を選択的に作動させるステップは、制御された割合の噴射された水が前記排出部へ向けて流れかつ制御された割合の水が前記燃焼器を通って流れるように、前記ポンプ要素を作動させるステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ポンプ要素を選択的に作動させるステップは、噴射された水が前記排出部にのみ流れる様式で、前記ポンプ要素を逆方向に作動させるステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記パージ水が前記燃焼器にのみ流入するように前記多機能バルブを排出ポジションで作動させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記１つ以上の燃焼器は複数の燃焼器であり、かつ前記１つ以上の流れ供給管は各燃焼器のための個別の流れ供給管を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 燃料はディーゼル燃料油であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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