JP4605891B2

JP4605891B2 - ガスタービンエンジン用燃料ノズルステージング方法及び装置

Info

Publication number: JP4605891B2
Application number: JP2000335302A
Authority: JP
Inventors: ギルバート・ヘンリー・バディアー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: US20020002818A1; DE60044769D1; US6389800B2; EP1098140B1; US6393823B1; JP2001152876A; EP1098140A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概してガスタービンエンジンに関し、さらに具体的には、ガスタービンエンジンの燃料ノズルをステージング（段切換え）するための燃料供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デュアル燃料ガスタービンエンジンに供給される燃料の圧力比の制御はエンジンの性能に極めて重要である。通例、デュアル燃料ガスタービンエンジンは、正常エンジン始動時及びエンジンの低出力運転状態時に動作限界を示す。例えば、予混合ガス−蒸気供給式又はデュアル燃料（ガス及び液体）ガスタービンエンジン及び蒸気予混合式タービンでは、始動時に供給される燃料流量が低いために、不都合なエンジンフレームアウトがよくみられる。さらに、フレームアウトは、燃料ノズルチップつまりシングルアニュラー燃焼器（ＳＡＣ）燃料構成で低圧力差が発生すると、ガスタービンエンジンの定常燃料流量条件下でも起こり得る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼性の問題に対処するため、通例、ガスタービンエンジン燃料供給システムの性能は、ガスタービンエンジンの最大燃料流量運転時に妥当な性能範囲に収まるように至適化される。最大燃料流量状態で燃料供給システムの性能を至適化すると高燃料流量状態でのガスタービンエンジン性能は向上するものの、低燃料流量状態でのフレームアウトの可能性も増す。燃料ノズル圧を上げれば、エンジンの燃焼性作動領域を緩和することができる。しかし、低燃料流量状態での燃焼性レベルを改善するために燃料ノズル圧を上げると、エンジンの作動状態としてはより一般的な最大燃料流量状態で過度の有害な圧力を生じかねない。さらに、燃料供給システムを低燃料流量時に至適化すると、ガスタービンエンジンの一酸化炭素排出量が増えることがあり、環境上問題となりかねない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンで使用するための、燃料ノズルステージング用の燃料供給システムが提供される。当該燃料供給システムは、２つの回路を含む。ガス回路は第１ガスをガスタービンエンジンに供給するもので、第１マニホールドと第２マニホールドを含んでいる。蒸気回路は蒸気をガスタービンエンジンに供給するもので、第１マニホールドと第２マニホールドを含んでいる。ガス回路と蒸気回路は共に、１次燃料ノズルと２次燃料ノズルを含む複数の燃料ノズルに接続される。さらに、両回路共にステージング弁を含んでいて各回路の第２マニホールドへのガス又は蒸気の流れをそれぞれ制御する。
【０００５】
運転時に、ガス回路の第１マニホールドと蒸気回路の第１マニホールドは、ガスタービンエンジンの初期運転及びアイドリング運転時にそれぞれ第１ガス及び蒸気をガスタービンエンジンに供給する。初期運転とアイドリング運転時には、これらの１次燃料ノズルが第１ガス及び蒸気をガスタービンエンジンに供給する。ガスタービンエンジンが所定の運転速度に達したら、ステージング弁が開いて第１ガス及び蒸気を２次燃料ノズル中に導く。かかる燃料ノズルのステージングの結果、燃料及び制御システムは、不都合な燃料供給システムを排し、燃焼性限界が向上しガス供給量を正確に制御する燃料供給システムをユーザーに提供して、ユーザーに余裕を与える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンエンジン（図示せず）用の燃料ノズルステージングのための燃料供給システム１０の概略図である。燃料供給システム１０は、第１ガス（つまり蒸気）と第１燃料（つまりガス）をそれぞれガスタービンエンジンに供給する蒸気回路１２とガス回路１４を含む。蒸気回路１２及びガス回路１４は共に、燃料供給システム１０内の圧力比がガスをガスタービンエンジンに供給するのに適した値となるように調量され、寸法をもつ。蒸気回路１２は調量された蒸気の流れをガスタービンエンジンに供給し、ガス回路１４は調量された第１ガスの流れをガスタービンエンジンに供給する。
【０００７】
蒸気回路１２は、絞り弁（図示せず）から第１マニホールド２０まで延在する接続管１６を含む。絞り弁は蒸気供給源（図示せず）と接続管１６の間に位置する。蒸気流量を制御するための絞り弁の作動は周知である。一実施形態では、第１ガス供給源は蒸気供給源である。第１マニホールド２０は、当該マニホールド２０から燃料ノズルサブシステム２３まで延在する接続管２２と接続しており、複数の燃料ノズル２４を含んでいる。一実施形態では、マニホールド２０は１次蒸気マニホールドである。燃料ノズル２４はとガスタービンエンジンと接続しており、エンジンの初期運転時及びガスタービンエンジンのアイドリング速度での運転時に、蒸気をガスタービンエンジンに供給する。一実施形態では、燃料ノズル２４は１次燃料ノズルであり、ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｉｎ社（米国オハイオ州クリーブランド、パークランドブルヴァール６０３５）から入手できる。
【０００８】
接続管３０は、マニホールド２０と蒸気回路絞り弁との間の接続管１６と接続している。蒸気回路絞り弁は、蒸気供給源と接続管１６の間の、接続部３１の上流で管３０と接続している。接続管３０は、接続管１６からステージング弁３２まで延在する。ステージング弁３２は、接続管１６から２次マニホールド３４までの蒸気の流れを制御する。ステージング弁３２は、燃料供給システム１０で供給される２次蒸気流用の２次マニホールド３４での最大蒸気流量に適合するようなサイズとされる。一実施形態では、２次マニホールド３４は２次蒸気マニホールドである。２次マニホールド３４は、２次マニホールド３４から燃料サブシステム２３の複数の燃料ノズル３８まで延在する接続管３６と接続している。燃料ノズル３８はガスタービンエンジンと接続しており、ガスタービンエンジンが所定時間運転された後初期アイドリング速度から加速されると、ガスタービンエンジンに２次蒸気流と２次ガス流を供給する。一実施形態では、燃料ノズル３８は２次燃料ノズルであり、ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｉｎ社（米国オハイオ州クリーブランド、パークランドブルヴァール６０３５）から入手できる。
【０００９】
ガス回路１４は、絞り弁（図示せず）から第１マニホールド５２まで延在する接続管５０を含んでいる。絞り弁は、ガス供給源（図示せず）と接続管５０の間に位置する。一実施形態では、ガス供給源は天然ガス供給源である。第１マニホールド５２は、マニホールド５２から燃料サブシステム２３の複数の燃料ノズル５６まで延在する接続管５４と接続している。一実施形態では、マニホールド５２は１次ガスマニホールドである。燃料ノズル５６はガスタービンエンジンと接続しており、ガスタービンエンジンの初期運転時及びガスタービンエンジンのアイドリング速度での運転時に、第１燃料をエンジンに供給する。一実施形態では、燃料ノズル５６は１次燃料ノズルであり、ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｉｎ社（米国オハイオ州クリーブランド、パークランドブルヴァール６０３５）から入手できる。
【００１０】
接続管６０は、マニホールド５２とガス回路絞り弁との間の接続管５０と接続している。ガス回路絞り弁は、ガス供給源と接続管５０の間の、接続部６１の上流で管６０と接続している。接続管６０は、接続管５０からステージング弁６２まで延在する。ステージング弁６２は、接続管５０から２次マニホールド６６までのガスの流れを制御する。ステージング弁６２は、燃料供給システム１０で供給される第２燃料用の２次マニホールド６６での最大ガス流量に適合するようなサイズとされる。一実施形態では、２次マニホールド６６は２次ガスマニホールドである。２次マニホールド６６は、マニホールド６６から燃料サブシステム２３の複数の燃料ノズル７０まで延在する接続管６８と接続している。燃料ノズル７０はガスタービンエンジンと接続しており、ガスタービンエンジンが所定負荷での所定出力レベルでの運転に達した後に初期同期アイドリング速度から加速されると、ガスをガスタービンエンジンに供給する。一実施形態では、燃料ノズル７０は２次燃料ノズルであり、ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｉｎ社（米国オハイオ州クリーブランド、パークランドブルヴァール６０３５）から入手できる。
【００１１】
運転時は、燃料供給システム１０は、調量ガス流を用いてガスタービンエンジンを始動できるように、蒸気及びガスを供給することができる。ガスタービンエンジンを始動するため、燃料供給システム１０は、１次ノズル２４と１次ノズル５６間で調量ガス流をステージングする。一実施形態では、燃料供給システム１０は、２０個の１次ノズル２４，５６を含む。ガスタービンエンジン始動時並びに低出力モード及びアイドリング出力モード時には、第１ガス及び蒸気は、それぞれ１次マニホールド２０及び５２から１次燃料ノズル２４及び５６を通して、ガスタービンエンジンに供給される。第１ガス及び蒸気を１次マニホールド２０及び５２に供給している間は、ステージング弁３２及び６２は、ガス及び蒸気が２次マニホールド３４及び６６に供給されないように閉じられる。ガスタービンエンジンの低出力状態及びアイドリング運転時に第１ガス及び蒸気を１次ノズル２４及び５６を通して供給すると、燃料供給システム１０の低圧力比が高まり、ガスタービンエンジンの燃焼性限界が改善される。さらに、燃料及び制御システム１０は、排ガス量を公知の非予混合式燃料及び制御システムよりも４倍も削減できることが判明した。
【００１２】
別の実施形態では、ステージング弁３２及びステージング弁６２は、ステージング弁３２及びステージング弁６２が完全に閉じた位置（図示せず）でパイロット流れを与える。パイロット流れは、ガスタービンエンジンからのマニホールド３４及び６６への有害な燃焼ガスの逆流を防止するのに必要な最小限の正のガス流れをマニホールド３４及び６６に与える。
【００１３】
次いで、ガスタービンエンジンは同期アイドリング運転から加速される。エンジンが所定の運転速度に達したら、燃料供給システム１０は、蒸気回路ステージング弁３２及びガス回路ステージング弁６２を徐々に開いてガス流れを２次マニホールド３４及び６６へと導く。ステージング弁３２及び６２が開かれると、第１ガス及び蒸気はそれぞれマニホールド３４及び６６に導かれる。同時に、第１ガス及び蒸気は、依然として、それぞれマニホールド２０及び５２を通して１次燃料ノズル２４及び５６に導かれている。まもなく、２次蒸気及びガスはそれぞれ２次燃料ノズル３８及び７０を通してガスタービンエンジンに流れ込む。一実施形態では、燃料供給システム１０は１０個の２次燃料ノズル３８及び７０を含む。同時に、蒸気及び第１ガスは依然それぞれマニホールド２０と５２を通して１次燃料ノズル２４及び５６に導かれている。
【００１４】
図２は、燃料及び制御システム１０に使用し得るデュアル燃料ノズル８０の一実施形態の側面図である。燃料ノズル８０は、燃料ノズル２４，３８，５６及び７０（図１に示す）に類似している。一実施形態では、燃料ノズル２４，３８，５６及び７０は各々同一形式の燃料ノズルであり、全出力運転で同じ設定の流れ動作特性を有する。従って、エンジンを加速して２次燃料ノズル３８及び７０が、ガス及び蒸気をガスタービンエンジンに供給する際、ガスタービンエンジンの出口温度のパターン因子及びプロフィールが保たれる。
【００１５】
ノズル８０は、第１ガス入口８２、蒸気入口８３、ノズル本体８４及びノズルチップ８６を含む。ノズル本体８４は第１端部８８と第２端部９０を有する。第１燃料入口８２は第１端部８８に位置し、ノズルチップ８６は第２端部９０に位置する。第１燃料入口８２はノズル本体８４から延在しており、燃料回路接続管６８（図１に示す）又は燃料回路接続管５４（図１に示す）との接続を可能にする継手９２を含んでいる。さらに、第１燃料入口８２は、継手９２をノズル本体８４と接続するエルボブロック９４を含んでいる。第１燃料が接続管５４及び６８を通して継手９２へと流れると、エルボ９４が第１燃料流を継手９２からノズル本体８４へと導く。
【００１６】
蒸気入口８３は、ノズル本体８４に付属した継手９８から延在している。継手９８は、ノズル８０を蒸気回路接続管２２（図１に示す）又は蒸気回路接続管３６（図１に示す）と接続する。蒸気が蒸気入口に入る方向１０２は、第１ガスがガス入口８２に入る方向１０３と実質的に平行である。ガスはノズル本体８４に入ると、蒸気と混合され、ノズルチップ８６へと導かれる。
【００１７】
ガスタービンエンジン用の燃料ノズルステージングのための上述の燃料供給システムは、経済性に優れ、信頼性が高い。当該システムは、ガス回路と燃料回路を含み、各々の回路は第１マニホールドと第２マニホールドを含んでいる。燃料供給システムは、初期運転時に複数の１次燃料ノズルを通して蒸気及び第１燃料をタービンエンジンに供給する。エンジンが所定の運転速度に達したら、燃料供給システムは複数の２次燃料ノズルも通して蒸気及び第１燃料をガスタービンエンジンに供給する。従って、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルステージングのための燃料供給システムが提供されるが、かかるシステムによって、コストのかかる燃料供給システムを排して、信頼性が高く、融通がきき、しかも正確なガスタービンエンジン用燃料供給システムがユーザーに提供される。
【００１８】
以上、本発明の様々な具体的実施形態を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲に記載された技術思想及び技術的範囲内で変更を施して実施できることは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジン用の燃料ノズルステージングを行うための燃料供給システムの概略図。
【図２】図１に示す燃料供給システムに関して使用し得るデュアル燃料ノズルの一実施形態の側面図。
【符号の説明】
１０燃料供給システム
１２蒸気回路
１４ガス回路
１６接続管
２０第１マニホールド
２２接続管
２３燃料ノズルサブシステム
２４燃料ノズル
３０接続管
３１接続部
３２ステージング弁
３４２次マニホールド
３６接続管
３８燃料ノズル
５０接続管
５２第１マニホールド
５４接続管
５６燃料ノズル
６０接続管
６１接続部
６２ステージング弁
６６２次マニホールド
６８接続管
７０燃料ノズル
８０デュアル燃料ノズル
８２第１ガス入口
８３蒸気入口
８４ノズル本体
８６ノズルチップ
８８第１端部
９０第２端部
９２継手
９４エルボブロック
９８継手

Claims

少なくとも第１マニホールド（２０）と第２マニホールド（５２）と第３マニホールド（３４）と第４マニホールド（６６）と燃料ノズルサブシステム（２３）とを含む燃料供給システム（１０）を用いるガスタービンエンジンでの燃料供給方法であって、
第１マニホールドは、第１蒸気をガスタービンエンジンに供給するように構成されており、第２マニホールドは、第１燃料をガスタービンエンジンに供給するように構成されており、燃料ノズルサブシステムは上記マニホールドに接続されていて、第１蒸気及び第１燃料を受けるように構成された複数の１次燃料ノズル（２４，５６）と、複数の２次燃料ノズル（３８，７０）とを含んでおり、
第３マニホールドは、ガスタービンエンジンに第１蒸気を供給するように構成されており、第４マニホールドは、ガスタービンエンジンに第１燃料を供給するように構成されており、
当該方法が、
ガスタービンの初期運転時に、第１蒸気及び第１燃料を燃料供給システムに供給し、第１蒸気及び第１燃料を第１マニホールド、第２マニホールド及び燃料ノズルサブシステムを通して導く段階、
ガスタービンエンジンをアイドリング速度から加速する段階、及び
ガスタービンエンジンが第１の負荷での第１の出力レベルでの運転に達した後に、第１蒸気及び第１燃料を第３マニホールドと第４マニホールドを通して導く段階
を含む、方法。
燃料供給システム（１０）が、第３マニホールドへの第１蒸気の流量を制御するように構成された第１のステージング弁（３２）と、第４マニホールドへの第１燃料の流量を制御するように構成された第２のステージング弁（６２）とをさらに含み、第１蒸気及び第１燃料を第３マニホールドと第４マニホールドのうちの少なくとも１つを通して導く段階が、前記第１及び第２のステージング弁（３２、６２）のそれぞれによって第１蒸気及び第１燃料の流量を制御する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
２次ノズル（３８，７０）が、ガスタービンエンジンが第１の出力レベルでの運転に達した後に第１蒸気及び第１燃料を受けるように構成されており、ガスタービンエンジンを加速する段階が第１蒸気及び第１燃料を２次ノズルに導く段階を含む、請求項１又は２に記載の方法。
ガスタービンエンジン用の燃料供給システム（１０）であって、
ガスタービンエンジンの初期運転時にガスタービンエンジンに第１蒸気を供給するように構成された第１マニホールドと、ガスタービンエンジンの初期運転時にガスタービンエンジンに第１燃料を供給するように構成された第２マニホールドとを含む少なくとも２つのマニホールド（２０，５２）、
マニホールドに接続され、複数の１次燃料ノズル（２４、５６）と複数の２次燃料ノズル（３８、７０）とを含む燃料ノズルサブシステム（２３）とを含む燃料ノズルサブシステム（２３）であって、１次燃料ノズルがガスタービンエンジンの初期運転時に第１蒸気及び第１燃料を受けるように構成されている燃料ノズルサブシステム（２３）、及び
ガスタービンエンジンが第１の負荷での第１の出力レベルでの運転に達したらガスタービンエンジンに第１蒸気を供給するように構成された第３マニホールド（３４）
を含む燃料供給システム（１０）。
ガスタービンエンジンが第１の出力レベルでの運転に達したらガスタービンエンジンに第１燃料を供給するように構成された第４マニホールド（６６）をさらに含む、請求項４記載の燃料供給システム（１０）。
前記第３マニホールド（３４）の上流側に設けられ、該第３マニホールドへの第１蒸気の流れを制御する第１のステージング弁（３２）をさらに備える、請求項４又は５に記載の燃料供給システム（１０）。
前記第４マニホールド（６６）の上流側に設けられ、該第４マニホールドへの第１燃料の流れを制御する第２のステージング弁（６２）をさらに備える、請求項５に記載の燃料供給システム（１０）。