JP5355933B2 - ガスタービンエンジンを運転するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンを運転するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、直列流れ配列で、エンジンを通って流れる空気を加圧するための高圧圧縮機と、その中で燃料が加圧空気と混合されかつ点火されて高温ガスストリームを形成する燃焼器と、高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることもある。そのようなガスタービンエンジンはまた、加圧空気を高圧圧縮機に供給するための低圧圧縮機つまりブースタを含むことができる。

性能を向上させるために、ガスタービンエンジンは、依然として所望の出力を得ながら燃料消費量を減少させるように全負荷運転に対して最適化される。同様に、燃焼システムは、通常運転時におけるエミッションを低減するために、全負荷運転に対して最適化される。最新式の予混合燃焼設計の場合には、この最適化は、燃焼温度を低く保ちかつこの温度の強力な関数である窒素酸化物の形成を最少にするために、最大の使用可能空気流量を予混合装置に送る。窒素酸化物の形成量は、ピーク反応温度の関数であり、ピーク反応温度自体は、燃焼器内における燃料対空気比によって左右されることが確認されている。化学量論比のいずれかの側にある燃料対空気比は、より低いピーク温度を生じるが、乾式低ＮＯ_Ｘ設計のための好ましい実施形態としては、「リーン（希薄）」側（つまり、燃料よりも空気が多い）での作動である。

しかしながら、幾つかの運転条件の間には、ガスタービンエンジンを低出力レベルで運転することが望ましい。ガスタービンの出力を低下させる目的で、燃料、空気又は回転速度を減少させることができる。殆どの大型高出力ガスタービンは、一定の機械速度で運転されており、従って出力を低下させるためには、燃料流量及び空気流量を減少させることに依存している。空気流量のみを減少させた場合には、出力が低下し、かつ燃焼器内の作動温度が、それらの意図した設計ポイントを超えるおそれがある。燃料流量のみを減少させた場合には、燃焼器は、希薄安定限界値に近づくおそれがある。一般的に、出力は、空気流量及び燃料流量の両方を共に減少させると同時にパイロット又は燃料ステージング（マルチノズル装置におけるような）の使用により希薄安定性の問題を軽減することによって、低下される。それにも拘わらず、その方法に関係なく、出力を低下させようとしている間に燃焼器の作動温度が燃料の完全燃焼のためには低過ぎる可能性がある作動条件に達し、それにより、例えば一酸化炭素のような汚染物質の増加を引き起こすおそれがある。

１つの態様では、ガスタービンエンジンにおける燃料を供給する方法を提供する。このガスタービンエンジンは、缶−アニュラ型燃焼器列を含み、この燃焼器列は、独立した燃料供給システムによって燃料供給される１以上の燃焼器レベルサブセットを該燃焼器列内に含む。本方法は、第１の運転モードの間に１以上のサブセットに対してのみ燃料を供給するステップと、第２の運転モードの間に燃焼器列全体に対して燃料を供給するステップとを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の燃料供給システムを提供する。本燃料供給システムは、１以上の燃焼器サブセットと、２以上の燃料マニホルドとを含み、２以上の燃料マニホルドは、各燃焼器サブセットに結合されかつ所定のガスタービンエンジン運転モードの間に該燃焼器サブセットのみに対して燃料を供給するように構成された燃料マニホルドを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、第１の燃焼器サブセットと、第２の燃焼器サブセットと、第１の燃料マニホルドが第１の燃焼器サブセットに結合されまた第２の燃料マニホルドが第２の燃焼器サブセットに結合された２以上の燃料マニホルドを含む燃料供給システムとを含み、第１及び第２の燃料マニホルドの各々は、所定のガスタービンエンジン運転モードの間に、それぞれの燃焼器サブセットのみに対して燃料を供給するように構成される。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００は、圧縮機１０２と複数の缶−アニュラ型燃焼器１０４とを含む。エンジン１００はまた、タービン１０８と共通の圧縮機／タービンシャフト１１０（ロータ１１０と呼ぶこともある）とを含む。

運転中に、空気が圧縮機１０２を通って流れ、加圧された空気が、燃焼器１０４に供給される。燃料が燃焼器１０４内の燃焼域に送られ、燃焼域内において、燃料は、空気と混合されかつ点火される。燃焼ガスが発生しかつタービン１０８に送られ、タービン１０８において、ガスストリームの熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換される。タービン１０８は、シャフト１１０に回転可能に結合されかつ該シャフト１１０を駆動する。

図２は、燃焼器１０４の概略断面図である。燃焼器組立体１０４は、タービン組立体１０８及び圧縮機組立体１０２に流れ連通状態で結合される。圧縮機組立体１０２は、互いに流れ連通状態で結合されたディフューザ１１２と圧縮機吐出プレナム１１４とを含む。

この例示的な実施形態では、燃焼器組立体１０４は、複数の燃料ノズル１２２に対して構造的支持を与える端部カバー１２０を含む。端部カバー１２０は、保持金具（図２には図示せず）により燃焼器ケーシング１２４に結合される。燃焼器ライナ１２６は、ライナ１２６が燃焼室１２８を形成するようにケーシング１２４内に配置されかつ該ケーシング１２４に結合される。環状の燃焼室冷却通路１２９が、燃焼器ケーシング１２４と燃焼器ライナ１２６との間で延びる。

トランジションピース又は部品１３０が、燃焼器ケーシング１２４に結合されて、燃焼室１２８内で発生した燃焼ガスをタービンノズル１３２に向けて送るのを可能にする。この例示的な実施形態では、移行部品１３０は、外壁１３６内に形成された複数の開口１３４を含む。部品１３０はまた、内壁１４０と外壁１３６との間に形成された環状通路１３８を含む。内壁１４０は、案内空洞１４２を形成する。

運転中に、タービン組立体１０８は、シャフト１１０（図１に示す）を介して圧縮機組立体１０２を駆動する。圧縮機組立体１０２が回転すると、加圧空気が、関連する矢印で示すように、ディフューザ１１２内に吐出される。この例示的な実施形態では、圧縮機組立体１０２から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム１１４を通して燃焼器組立体１０４に向けて送られ、また加圧空気の僅かな部分は、エンジン１００の構成要素を冷却するのに使用するために送ることができる。より具体的には、プレナム１１４内の加圧圧縮空気は、外壁開口１３４を通して移行部品１３０内に送られ、また通路１３８内に送られる。空気は次に、移行部品環状通路１３８から燃焼室冷却通路１２９内に送られる。空気は、通路１２９から吐出され、燃料ノズル１２２内に送られる。

燃料及び空気は、燃焼室１２８内で混合されかつ点火される。ケーシング１２４は、燃焼室１２８及びその関連する燃焼プロセスを例えば周囲のタービン構成要素などの外部環境から隔離するのを可能にする。発生した燃焼ガスは、燃焼室１２８から移行部品案内空洞１４２を通してタービンノズル１３２に向けて送られる。この例示的な実施形態では、燃料ノズル組立体１２２は、燃料ノズルフランジ１４４を介して端部カバー１２０に結合される。

図３は、図１及び図２に示すガスタービンエンジンで利用することができる例示的な燃料供給システム２００の簡略ブロック図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、本実施形態ではアニュラリングを形成した１８個の燃焼（器）セクション２０を含む。この例示的な実施形態では、各燃焼器セクション２０は、１以上の燃料ノズル組立体２２を含む。

燃料ノズル組立体２２は、燃焼器セクション２０に近接してエンジン１００の外周部の周りに円周方向に設置される。具体的には、燃焼器セクション２０は、ガスタービンエンジンの外周部の周りでアニュラリングを形成し、従って燃料ノズル組立体及び燃料マニホルドもまた、ガスタービンエンジン１００の周りで円周方向にアニュラリングを形成する。

この例示的な実施形態は、１８個の燃焼器セクション２０と１８個の燃料ノズル組立体２２とを含むガスタービンエンジン１００を示しているが、燃料システム２００は、ｎ個の燃焼器セクション２０とｎ＊ｘ個の燃料ノズル２２（ここで、ｎ≧２、ｘ≧１である）を含むガスタービンエンジンで利用することができることを理解されたい。例えば、ガスタービンエンジン１００は、ｎ＝１８個の燃焼器を含むことができ、さらにｘ＝１である場合には、エンジン１００は、１８個の燃料ノズル、つまり１個の燃焼器につき１個の燃料ノズルを含む。任意選択的に、ｘ＝２である場合には、エンジン１００は、３６個の燃料ノズル、つまり１個の燃焼器につき２個の燃料ノズルを含む、などとなる。加えて、燃焼室内のノズルは、燃焼室レベルにおける内部又は外部マニホルドによってさらにサブグループに分けることができ、列レベルにおける外部マニホルドでは、所定のノズルサブグループは、列又は列サブセットレベルにおける共通の供給源を有するようになる。

燃料供給システム２００は、燃料供給源（図示せず）から燃料を受けるように構成された燃料ポンプ２１０を含む。燃料ポンプ２１０は、少なくとも主燃料マニホルド２２０と二次燃料マニホルド２２２とに燃料を供給するために利用される。主及び二次燃料マニホルド２２０、２２２は両方共に、ガスタービンエンジンに供給される燃料の量に適した圧力比が燃料供給システム２００内で達成されるように調量されかつそれが達成されるような寸法にされる。主及び二次燃料マニホルド自体は、複数のサブセットマニホルドの集合体とすることができ、その場合、主及び二次装置は両方共に、燃焼室レベルにおけるノズルサブグループに独立して燃料供給しかつこれらノズルサブグループを制御するマニホルドを含む。

具体的には、燃料供給システム２００は、燃料源から燃料ポンプ２１０の入口まで延びる燃料吸込管路２３０と、燃料ポンプ２１０の吐出側から主及び二次燃料マニホルド２２０及び２２２の各々まで延びる吐出管路２３２とを含む。この例示的な実施形態では、第１のステージングバルブ２４０がポンプ２１０と主マニホルド２２０との間で吐出管路２３２内に配置され、また第２のステージングバルブ２４２がポンプ２１０と二次マニホルド２２２との間で吐出管路２３２内に配置される。

図３に示す例示的な実施形態は、２つのマニホルド２２０及び２２２を含むものとして燃料供給システム２００を示しているが、燃料供給システム２００は、３以上の燃料マニホルドを有することができることを理解されたい。例えば、図３は、主マニホルド２２０が、９個の燃焼器セクション２０に対して燃料を供給し、かつ二次マニホルド２２２もまた、９個の燃焼器セクション２０に対して燃料を供給することを示している。しかしながら、燃料供給システムは、その各々が６個の燃焼器セクションに対して燃料を供給するようになった３つのマニホルドを含むことができる、などとすることができる。この例示的な実施形態では、燃焼器列は、その各々が複数のノズルサブグループを含むことができる複数の燃焼器缶サブセットを含むことができる。加えて、各マニホルドによって燃料供給される缶の間隔及び個数は、空気力学的又はその他のシステム考慮事項に応じて変化させることができる。

図４は、図３に示す例示的な燃料供給システム２００を作動させかつ／又は制御するために利用することができる例示的な制御システム３００を示している。制御システム３００は、全自動デジタルエンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）又は先端デジタルエンジン制御装置（ＭＤＥＣ）のような電子制御ユニット（ＥＣＵ）又はエンジン監視ユニット（ＥＭＵ）である。別の実施形態では、エンジン制御システム３００は、ガスタービンエンジン１００と信号を送受信して、燃料供給システム２００の制御及び／又は監視を可能にするように構成されたあらゆるエンジン制御装置を含む。具体的には、本明細書で使用する場合には、ＥＣＵは、エンジン上又はエンジンの周りに置かれ、燃料供給システム２００を制御及び／又は監視するようにプログラムされたソフトウェア及び／又はハードウェアの１以上とプロセッサとを含むあらゆる電子装置とすることができる。

ガスタービンエンジン１００の運転に関連する選択データパラメータを検知するために、従来型のエンジンデータセンサ（図示せず）が設けられる。そのようなデータパラメータには、それに限定されないが、排気ガス温度、オイル温度、エンジン燃料流量、ガスタービンエンジン速度、圧縮機吐出圧、タービン排気圧力、及び／又はガスタービンエンジン１００から受け複数のその他の信号と、周囲空気温度とを含むことができる。

図４に示すように、制御システム３００は、選択エンジン運転条件の間に上記のエンジンセンサから受けたアナログデータをサンプリングしかつ第１及び第２のステージングバルブ２４０、２４２の各々に対して制御信号を出力する制御インタフェースセクション３１０を含む。

より具体的には、制御インタフェースセクション３１０は、エンジンセンサから受けたアナログデータをその後の処理のためにデジタル信号に変換する。コンピュータ３１２は、サンプリングしかつデジタル化したセンサデータを制御インタフェースセクション３１０から受けかつ高速データ解析を行う。コンピュータ３１２はまた、キーボード３１４を介してオペレータから命令を受けることができる。それに限定されないが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）及び／又は陰極線管のような関連するモニタ３１６は、コンピュータ３１２から受けたデータをオペレータが観察することを可能にする。コンピュータ３１２は、オペレータ提供の指令及びパラメータを使用して、制御インタフェースセクション３１０に対して制御信号及び情報を与える。

１つの実施形態では、コンピュータ３１２は、例えばフロッピディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、磁気光学ディスク（ＭＯＤ）デバイス、及び／又はイーサネット（登録商標）デバイスのようなネットワーク接続デバイスを含むあらゆるその他のデジタル装置などの装置３１８を含み、該装置３１８は、フロッピディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、或いはネットワーク又はインタネット及び今後さらに開発されるデジタル手段などのその他のデジタルソースのようなコンピュータ可読媒体３２０から命令及び／又はデータを読取るようになっている。別の実施形態では、コンピュータ３１２は、ファームウェア（図示せず）内に記憶された命令を実行する。コンピュータ３１２は、本明細書に記載した機能を実行するようにプログラムされ、本明細書で使用する場合にコンピュータという用語は、コンピュータとして一般的に知られている集積回路そのものに限定されるものではなく、広くコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能論理コントローラ、専用集積回路、及びその他のプログラム可能回路を意味しており、またこれらの用語は、本明細書では互換的に使用される。

運転中に、燃料供給システム２００は、全ての運転条件の間にガスタービンエンジン１００に対して燃料を供給することができる。具体的には、制御システム３００は、第１の運転モードの間に第１のステージングバルブ２４０を作動させるつまり開放するように構成される。例えば、コンピュータ３１２は、初期エンジン始動モードの間に、第１のステージングバルブ２４０を開放しかつ指令に応じて第２ステージングバルブ２４２が閉鎖状態を保つのを保証するようにプログラムすることができる。第１の運転モードにおいて、燃料は、ポンプ２１０により第１のステージングバルブ２４０及び主マニホルド２２０を通して複数の燃焼器セクション２０内に供給される。図３に示すように、この運転モードにおいて、燃料は、燃焼器セクション２０の内の半数のみに対して供給され、残りの燃焼器セクションに対して燃料は供給されない。つまり、燃料を受ける燃焼器セクションは、燃料を受けない燃焼器セクションの間に配置されて、一つおきの燃焼器セクションが出力発生のために利用されるようになる。より具体的には、第１の運転モードにおいては、燃料を受けている各燃焼器セクションは、燃料を受けていない燃焼器セクションに隣接して配置される。列サブセットの所定の間隔及び配置は、所望の出力レベルとタービンセクションの空気力学的考慮事項とによって決まる。

第２の運転モードにおいて、制御システム３００は、第２のステージングバルブ２４２を作動させるつまり開放するように構成されて、燃料は、ポンプ２１０により第２のステージングバルブ２４２及び二次マニホルド２２２を通して残りの燃焼器セクション内に供給されるようになる。第２の運転モードにおいて、燃料供給システム２００は、付加的な燃料が残りの燃焼器セクション２０に流れてガスタービンエンジン１００の出力を増大させることを可能にする。従って、第２の運転モードにおいては、主及び二次マニホルドの両方が、燃焼器セクションの全てに対して燃料を供給している。この運転モードにおいては、燃料供給システム２００は、燃焼システムに対して２つの独立制御した並列燃料供給を確立する。より具体的には、ベース負荷又は高い部分負荷レベルの間に、両方のシステムは、既存の制御曲線に基づいて独立して制御される。

ガスタービンエンジンからの出力の減少が望ましい場合の、本明細書で「出力低下」モードと呼ぶ第３の運転モードにおいては、選択燃焼缶セットへの燃料流を遮断するように、適切な燃料回路を移行させる。この実施形態では、第１又は第２のステージングバルブ２４０又は２４２のいずれかを閉鎖して、燃料が燃焼器セクション２０の半数のみに対して燃料供給されるようにする。

本明細書に説明しているのは、選択運転条件の間に、選択燃料ノズル組立体への燃料流量を制限してエミッションを低減するように構成された例示的な燃料供給システムである。本例示的な燃料供給システムはまた、ガスタービンエンジンの出力低下運転を最適化して、エンドユーザが一層有利な運転方法を得ると同時にエミッションも低減するのを可能にするように構成される。加えて、本燃料供給システムは、ピーキング又は負荷追従用途においてガスタービンの堅牢性を向上させる、つまりそのような場合には、不利な運転停止／始動サイクルを行うようにするのではなく最低の出力低下状態で運転することができるようにする。

また本明細書に説明しているのは、ガスタービンを運転する例示的な方法である。本方法は、第１の運転モードの間に主燃焼器に対してのみ燃料を供給するステップと、第２の運転モードの間に主及び二次燃焼器に対して燃料を供給するステップとを含む。

本明細書に説明した燃料供給システムは、燃料流が選択燃焼器に流れないのを可能にするように並列燃料回路を構築して、出力低下の現在の方法と比べてエミッション及び希薄吹消えマージンを実質的に改善しながら、実質的に低下した出力レベル（「出力低下」条件）でガスタービンエンジンを運転することできるように構成される。本例示的な燃料供給システムはまた、現在可能であるよりも大幅に低い出力低下レベルを可能にする。

例えば、ベース負荷又は高い部分負荷レベルの間に、主マニホルド及び二次マニホルドの両方は、既存の制御曲線に基づいて同様に制御される。最低の出力低下が指令された時には、適切な燃料回路が、選択燃焼缶セットへの燃料流を遮断するように移行されることになる。従って、出力の低下は、燃焼温度の低下を必要としない。従って、システムのエミッション放出に悪影響を与えないことになる。さらに、大幅に低い出力低下レベルが操作可能になる。現在の５０％出力低下を行うのと同じ条件を、運転状態を維持している燃焼缶に適用することができる。例えば、缶の半数が燃料遮断されまた残りの半数が現在の５０％出力低下燃料設定状態になっている場合に、現在の５０％出力低下に匹敵するエミッション及び希薄吹消えマージンの状態で、２５％出力低下を達成することができる。燃焼器をさらに低い出力レベルで作動させることを可能にするための既存の対応により、２５％以下の出力低下レベルを可能にすることができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には解るであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器の概略断面図。 例示的な燃料供給システムの簡略ブロック図。 図３に示す例示的な制御システムの簡略ブロック図。

符号の説明

２０ 燃焼（器）セクション
２２ 燃料ノズル組立体
１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機組立体
１０４ 燃焼器組立体
１０８ タービン組立体
１１０ 圧縮機／タービンシャフト又はロータ
１１２ ディフューザ
１１４ 圧縮機吐出プレナム
１２０ 端部カバー
１２２ 燃料ノズル組立体
１２４ 燃焼器ケーシング
１２６ 燃焼器ライナ
１２８ 燃焼室
１２９ 燃焼室冷却通路
１３０ トランジションピース
１３２ タービンノズル
１３４ 外壁開口
１３６ 外壁
１３８ 移行部品環状通路
１４０ 内壁
１４２ 移行部品案内空洞
１４４ 燃料ノズルフランジ
２００ 燃料供給システム
２１０ 燃料ポンプ
２２０ 主燃料マニホルド
２２２ 二次燃料マニホルド
２３０ 燃料吸込管路
２３２ 吐出管路
２４０ 第１のステージングバルブ
２４２ 第２のステージングバルブ
３００ エンジン制御システム
３１０ 制御インタフェースセクション
３１２ コンピュータ
３１４ キーボード
３１６ 関連するモニタ
３１８ 装置
３２０ コンピュータ可読媒体

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１００）用の燃料供給システム（２００）であって、
   第１の燃焼器サブセットと、
   第２の燃焼器サブセットと、
   第１の燃料マニホルドが第１の燃焼器サブセットに結合されまた第２の燃料マニホルドが第２の燃焼器サブセットに結合された２以上の燃料マニホルド（２２０、２２２）と
   を含む燃料供給システム（２００）であって、第１及び第２の燃料マニホルド（２２０、２２２）の各々が、所定のガスタービンエンジン運転モードの間にそれぞれの燃焼器サブセットのみに対して燃料を供給するように構成された燃料マニホルドを含む、燃料供給システム（２００）。
2. 該燃料供給システムが、前記所定のガスタービンエンジン（１００）運転モードの間に前記サブセットの各々に対して燃料を供給するようにさらに構成される、請求項１記載の燃料供給システム（２００）。
3. 前記ガスタービンエンジン（１００）が、ｎ個の燃焼器（１０４）を含み、第１の燃焼器サブセットが、ｎ／２個の燃焼器を含み、また第２の燃焼器サブセットが、残りのｎ／２個の燃焼器を含む、請求項１記載の燃料供給システム（２００）。
4. 第１の燃焼器サブセットが、第２の燃焼器サブセット間に配置される、請求項３記載の燃料供給システム（２００）。
5. 各燃焼器（１０４）に結合された複数のノズルサブグループをさらに含み、各前記サブグループが、独立した燃料マニホルド（２２０、２２２）によって燃料供給されて、各前記サブセットが前記燃焼器内で各サブグループの別個の制御を有するようになる、請求項３記載の燃料供給システム（２００）。
6. 燃料ポンプと第１のマニホルド（２２０）との間に配置された第１のステージングバルブ（２４０）と、前記燃料ポンプと第２のマニホルド（２２２）との間に配置された第２ステージングバルブ（２４２）とをさらに含む、請求項３記載の燃料供給システム（２００）。
7. 第１の燃焼器サブセットと、
   第２の燃焼器サブセットと、
   第１の燃料マニホルドが第１の燃焼器サブセットに結合されまた第２の燃料マニホルドが第２の燃焼器サブセットに結合された２以上の燃料マニホルド（２２０、２２２）と
   を含む燃料供給システム（２００）を含むガスタービンエンジン組立体（１００）であって、第１及び第２の燃料マニホルドの各々が、所定のガスタービンエンジン運転モードの間にそれぞれの燃焼器サブセットのみに対して燃料を供給するように構成される、ガスタービンエンジン組立体（１００）。
8. 前記燃料供給システム（２００）が、第２の所定のガスタービンエンジン運転モードの間に第１及び第２の燃焼器サブセットの各々に対して燃料を供給するようにさらに構成される、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１００）。
9. 該ガスタービンエンジン組立体が、ｎ個の燃焼器（１０４）を含み、第１の燃焼器サブセットが、ｎ／２個の燃焼器を含み、また第２の燃焼器サブセットが、残りのｎ／２個の燃焼器を含む、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１００）。
10. 第１の燃焼器サブセットが、第２の燃焼器サブセット間に配置される、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１００）。
    

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