JP6063203B2 - タービン燃焼器の燃料混合システム - Google Patents
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Description
本明細書で開示される主題は、燃焼システムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンへの液体燃料混合体の供給に関する。
種々の燃焼システムは、燃料及び空気が燃焼して高温ガスを発生する燃焼室を含む。例えば、ガスタービンエンジンは、１以上の燃焼室を含むことができ、該燃焼室は、圧縮機から加圧空気を受け取り、燃料を加圧空気に噴射し、高温の燃焼ガスを発生させてタービンエンジンを駆動するように構成されている。各燃焼室は、気体燃料及び液体燃料などの１種以上の異なる燃料を受けるように構成することができる。特定の材料を燃料と混合して、例えば、燃焼効率及び／又は副生成物の生成に影響を及ぼすことができる。残念ながら、使用されていない流路に残されたこのような混合物が劣化し、これによりガスタービンエンジンの性能及び信頼性を低下させる可能性がある。
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
第１の実施形態では、システムは、液体燃料と水を混合して燃料混合物を生成するように構成された混合アセンブリを含む。燃料混合物は、ガスタービンの燃焼器で燃焼するように構成される。混合アセンブリは、一体化ハウジング内に配置された液体燃料通路を含む。液体燃料通路は、液体燃料を流し、液体トラップを含まないように構成される。混合アセンブリはまた、一体化ハウジング内に配置された水通路を含む。水通路は、水を流し、液体トラップを含まないように構成される。混合アセンブリはまた、一体化ハウジング内に配置され且つ液体燃料通路及び水通路に結合されたミキサーを含む。ミキサーは、液体燃料及び水を混合し燃料混合物を形成するように構成される。
第２の実施形態では、システムは、液体燃料と水を混合して燃料混合物を生成するように構成された弁アセンブリを含む。燃料混合物は、ガスタービンの燃焼室で燃焼するように構成される。弁アセンブリは、一体化ハウジングと、一体化ハウジングに直接結合され且つ液体燃料の流量を調整するように構成された液体燃料弁と、一体化ハウジングに直接結合され且つ水の流量を調整するように構成された送水弁とを含む。液体燃料弁と送水弁は互いに近接している。弁アセンブリはまた、一体化ハウジング内に配置され且つ液体燃料と水を混合して燃料混合物を形成するように構成された通路を含む。通路は、液体トラップを含まないように構成される。本システムはまた、液体燃料弁又は送水弁の少なくとも１つに信号を送信するように構成されたコントローラを含む。液体燃料弁及び送水弁が信号に応答して燃料混合物の組成を調整する。
第３の実施形態では、システムは、一体化弁アセンブリを含む。一体化弁アセンブリは、主燃料を受けるように構成された主燃料入口ポートと、主燃料入口ポートに結合され且つ主燃料を第１の混合Ｔ字部に送るように構成された主燃料通路と、主燃料通路に結合され且つ主燃料の主流量を調整するように構成された主燃料弁と、水を受けるように構成された水入口ポートと、水入口ポートに結合され且つ水を第１の混合Ｔ字部に送るように構成された水通路と、を含む。主燃料通路及び水通路は、液体トラップを含まないように構成され、第１の混合Ｔ字部が、主燃料混合物を生成するように構成される。一体化弁アセンブリはまた、主燃料混合物を排出するように構成された主燃料混合物出口ポートと、水通路に結合され且つ水の第１の水流量を調整するように構成された第１の送水弁とを含む。主燃料弁と第１の送水弁は互いに近接している。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
以下で詳細に検討するように、特定の実施形態は、燃料を水と混合し、燃料及び水の混合物をタービン燃焼器に供給するためのシステムを提供する。例えば、タービン燃焼器は、ガスタービンエンジンに配置されたガスタービン燃焼器とすることができる。特定の実施形態では、ガスタービン燃焼器は、天然ガス、シンガス、又は代替天然ガスなどの気体燃料、又はディーゼル燃料のような液体燃料のいずれも燃焼させることができる。気体燃料は、気体燃料経路を介してガスタービン燃焼器に供給することができ、液体燃料は、気体流路とは別個の液体燃料流路を介して供給することができる。ガスタービン燃焼器は、主として気体燃料を燃焼し、気体燃料が利用可能ではないときには液体燃料を燃焼することができる。従って、気体燃料の供給が遮られた場合でも、液体燃料を用いることによりタービン燃焼器の運転を継続することができる。しかしながら、液体燃料の燃焼は気体燃料の燃焼よりも低効率である可能性があること及び液体燃料の燃焼は、気体燃料の燃焼よりもガスタービンエンジンからの排気中により多くの副生成物を発生する可能性があることから、気体燃料の使用が好ましいとすることができる。これらの副生成物は、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）、一酸化炭素（ＣＯ）、粒状物質、その他を含むことができる。
ガスタービン燃焼器において液体燃料が使用される場合、副生成物（例えば、ＮＯx、ＳＯx、ＣＯ、又は粒状物質）の生成を低減するのを助けるために、液体燃料と水を混合させた後、ガスタービン燃焼器に導入することができる。添加される水は、ガスタービン燃焼器内の反応ゾーンの冷却に役立つことができ、これにより副生成物の生成を低減することができる。具体的には、反応ゾーンにおいて水が蒸発して蒸気になり、これが反応ゾーンの温度を低下させるのを助ける。特定の実施形態では、混合アセンブリは、水と液体燃料を混合して燃料混合物を生成することができる。混合アセンブリは、複数の構成要素を含む一体化ハウジングとすることができる。例えば、一体化ハウジングは、該一体化ハウジングを通って液体燃料が流れる液体燃料通路を含むことができる。同様に、一体化ハウジングは、該一体化ハウジングを通って水が流れる水通路を含むことができる。液体燃料通路及び水通路の両方は、一体化ハウジングを流れていないときに液体を蓄積することができる区域を定める可能性がある、液体トラップを排除することができる。従って、液体トラップの排除は、液体が蓄積できるが、除去又は排水できない領域を実質的に低減又は除外することを意味することができる。一体化ハウジングにおいて液体トラップを排除する１つの方法は、通路中に下向きの傾斜部を利用することを含めることができ、液体燃料及び／又は水が一体化ハウジング内で捕捉されることなく、一体化ハウジングから排出できるようにする。特定の実施形態では、下向きの傾斜部は、水平又は上向き部分のない、連続した下向きの傾斜部とすることができる。他の実施形態では、下向きの傾斜部は、上向き部分のない、下向き部分と水平部分とを含むことができる。液体トラップを排除することにより、一体化ハウジングは、滞留した液体燃料が劣化し、場合によっては一体化ハウジング内の流路にコーキングの蓄積を形成するのを防ぐことができる。コーキングの蓄積は、システムの流れ特性の変化を引き起こし、これによりガスタービン燃焼器が非効率的に作動するようになる可能性がある。コーキングの蓄積はまた、下流側の燃料ノズルを部分的に遮断する可能性がある。別の実施形態では、混合アセンブリは、一体化ハウジング内に配置され、且つ液体燃料通路及び水通路に結合されたミキサーを含むことができる。ミキサーは、液体燃料と水を混合して燃料混合物を形成することができる。ミキサーは、燃料混合物の均一性を向上させることができる。混合が不十分な燃料混合物は、ガスタービン燃焼器内で不均等な燃焼を生じる可能性がある。
他の実施形態では、一体化ハウジングは、燃料流路、水流経路及び／又は燃料及び水の両方の混合物用の通路を含むことができる。液体燃料トラップを排除することにより、流路の内面はほぼ滑らかであり、隆起部、急コーナー、陥凹部、段差、急な直径の変化及びその他が存在しない流体流を可能にすることができる。従って、残っているあらゆる燃料は、燃料通路を通る水流によって運び去られ、あらゆるコーキング蓄積を防ぐことができる。
別の実施形態では、一体化ハウジングは、均一な燃料混合物を生成するのを可能にするための追加の構成要素を含むことができる。例えば、液体燃料通路は、液体燃料の流量を調整する液体燃料弁を含むことができる。同様に、水通路は、水の流量を調整する送水弁を含むことができる。特定の実施形態では、液体燃料弁及び送水弁は、互いに近接している。従って、一体化ハウジング内の通路の長さが低減され、一体化ハウジングのパージ及び浄化を容易にすることができる。別の実施形態では、コントローラは、液体燃料弁及び／又は送水弁に信号を送信し、燃料混合物の組成を調整することができる。信号は、機械的又は電気的信号とすることができる。特定の実施形態では、送水弁からの水は、液体燃料弁及び液体燃料通路を通じて環流させ、液体燃料弁及び液体燃料通路に残された何らかの残留オイルを清掃又はパージするのを助けることができる。
次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１１を有するタービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示される。タービンシステム１０は、タービンシステム１０を駆動するのに液体燃料か、又は天然ガス及び／又は合成ガスのような気体燃料を用いることができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２が供給燃料１４を取り込む。例えば、１以上の燃料ノズル１２を用いて液体燃料を取り込むことができ、１以上の他の燃料ノズル１２を用いて気体燃料を取り込むことができる。加えて、燃料ノズル１２は、タービンシステム１０が液体燃料を使用する場合に供給水１５を取り込むことができる。以下で詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０は、燃料ノズル１２から上流側及び／又は燃料ノズル１２内で液体燃料を供給水１５と混合する。液体燃料と供給水１５との混合により、副生成物（例えば、ＮＯx、ＳＯx、ＣＯ、又は粒状物質）の抑制効率が改善され、これによりガスタービンエンジン１１からの副生成物の生成及び排出を低減することができる。次いで、燃料ノズル１２は更に、燃料又は燃料−水混合物を空気と混合し、燃料、水（使用する場合）及び空気の混合物を燃焼器１６に分配し、ここで更に燃料、水（使用する場合）及び空気の間の混合が生じる。燃料ノズル１２は、燃焼器１６の外部にあるか又は離れているように概略的に図示されているが、燃焼器１６内部に配置してもよい。燃料、水（使用する場合）及び空気の混合物は、燃焼器１６内の燃焼室にて燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、タービン１８を通って排気口２０に向けて排出ガスを配向する。図１には１つの燃焼器１６だけが図示されているが、特定の実施形態では、複数の燃焼器１６をガスタービンエンジン１１の周りで円周方向に配列することができる。複数の燃焼器１６の各々は、別個の燃料ノズル１２を含むことができる。排出ガスがタービン１８を通過すると、ガスがタービンブレードに力を加え、タービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を回転させるようにする。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含む、タービンシステム１０の種々の構成要素に接続される。圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されたブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードも回転し、これにより吸気口２６から圧縮機２４を通って燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６内に入る空気が加圧される。シャフト２２はまた、負荷２８に接続することができ、負荷は、車両、又は例えば、発電プラントの発電機などの固定負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって駆動することができるあらゆる好適な装置を含むことができる。
図２は、図１に示すようなガスタービンエンジン１１の燃焼器１６のタービン燃料供給システム４０のブロック図を示す。以下の検討において、用語「弁」は、流量制御として作動可能なあらゆる装置を指すのに用いられる。図示のように、液体燃料４２は、燃焼器１６に供給することができる。液体燃料４２の実施例には、限定ではないが、ディーゼル燃料、ジェット燃料、ガソリン、ナフサ、燃料油などのような炭化水素系の液体燃料が挙げられる。液体燃料４２は、液体燃料流路４４を介して燃焼器１６に送られ、該液体燃料流路４４は、液体燃料供給弁４６を含むことができる。液体燃料流路４４はまた、複数の混合アセンブリ５０に（垂直ドットで示される）液体燃料４２を供給するのに用いることができる液体燃料マニホルド４８を含むことができ、混合アセンブリ５０は、例えば、液体燃料マニホルド４８の周りに円周方向に配列することができる。特定の実施形態では、液体燃料マニホルド４８は、円形又は多角形の形状を有するリングとして構成することができる。複数の混合アセンブリ５０の各々は、ガスタービンエンジン１１の周りに円周方向に配列された複数の燃焼器１６の１つに結合することができる。液体燃料供給弁４６を用いて、液体燃料マニホルド４８への液体燃料４２の流れを調整及び／又は遮断することができる。特定の実施形態では、各混合アセンブリ５０は、液体燃料４２を水１５と混合するために、以下で詳細に検討するように複数の弁及び通路を含むことができる。
特定の実施形態では、液体燃料４２の一部は、パイロット燃料供給弁５４を含むことができるパイロット燃料流路５２に送ることができる。パイロット燃料流路５２は、燃焼器１６を液体燃料４２により最初に始動するときに用いることができる。例えば、パイロット燃料流路５２は、液体燃料流路４４よりも低流量の液体燃料４２を流すことができる。特定の実施形態では、パイロット燃料流路５２を通る液体燃料４２の流量は、液体燃料流路４４を通る通常の又は正規の流量の約５％〜５０％、１０％〜３５％、又は１５％〜２５％とすることができる。例えば、パイロット燃料流路５２を通る液体燃料４２の流量は、液体燃料流路４４を通る通常の流量の約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０％とすることができる。パイロット燃料とも呼ばれる場合がある低流量の液体燃料４２は、最初に燃焼器１６を始動するのに用いることができる。その後、液体燃料流路４４を用いて、通常の又は正規の流量の液体燃料４２を燃焼器１６に供給することができる。パイロット燃料流路５２はまた、以下で詳細に検討する理由のため、液体燃料流路４４と共に継続して用いることができる。燃焼器１６の始動中、パイロット燃料供給弁５４からの液体燃料４２は、パイロット燃料マニホルド５８に送ることができ、該パイロット燃料マニホルド５８を用いて、パイロット燃料を複数の混合アセンブリ５０（垂直ドットで示される）に供給することができる。特定の実施形態では、パイロット燃料マニホルド５８は、円形又は多角形の形状を有するリングとして構成することができる。パイロット燃料供給弁５４を用いて、パイロット燃料マニホルド５８への液体燃料４２の流れを調整及び／又は遮断することができる。燃焼器１６がもはや液体燃料４２を燃焼していないときには、気体燃料流路６１を介して気体燃料６０をパイロット燃料マニホルド５８に供給し、これにより気体燃料６０を用いて液体燃料４２をパイロット燃料マニホルド５８からパージすることができる。気体燃料６０の実施例には、限定ではないが、メタン、天然ガス、シンガス、その他などが挙げられる。気体燃料流路６１は、気体燃料６０の流れを調整及び／又は遮断するのに用いることができる気体燃料供給弁６２を含むことができる。パイロット燃料流路５２を気体燃料６０でパージすることにより、非使用時のパイロット燃料流路５２内の液体燃料４２のコーキング又は酸化を実質的に低減又は阻止するのを助けることができる。他の実施形態では、非使用時にパイロット燃料流路５２をパージするために、窒素、二酸化炭素、蒸気、その他などの他の気体を用いることもできる。
水１５は、水供給弁６６を含むことができる水流経路６４を介して燃焼器１６に供給することができる。水１５の実施例には、限定ではないが、ボイラー給水、脱気水、復水、脱塩水、その他などが挙げられる。このような水１５は、ガスタービンエンジン１１が接地されたプラント又は施設の他の場所で既に利用可能となっている場合がある。従って、タービン燃料供給システム４０用の水供給システムは、別個の専用水供給システムを含まなくてもよい。水供給弁６６を用いて、水マニホルド６８への水の流れを調整及び／又は遮断することができ、該水マニホルド６８は、複数の混合アセンブリ５０（垂直ドットで示される）に水１５を供給するのに用いることができる。特定の実施形態では、水マニホルド６８は、円形又は多角形の形状を有するリングとして構成することができる。
複数の混合アセンブリ５０の各々は、液体燃料４２及び水１５の均一な混合物を生成するのを助ける様々な構成要素を含むことができる。例えば、各混合アセンブリ５０は、液体燃料４２を液体燃料混合弁（「液体燃料弁」ともいう。）７２に流す液体燃料通路７０を含むことができ、該液体燃料混合弁７２を用いて、混合アセンブリ５０を通る液体燃料４２の流量を調整することができる。例えば、液体燃料混合弁７２は、オン／オフ弁又はスロットル弁とすることができる。同様に、混合アセンブリ５０は、水１５を混合アセンブリ５０に流す水通路７４を含むことができる。水通路７４は、液体燃料水混合弁（「送水弁」ともいう。）７６を含むことができ、該液体燃料水混合弁７６を用いて、液体燃料通路７０を流れる液体燃料４２と混合されることになる水１５の流量を調整することができる。例えば、液体燃料水混合弁７６は、オン／オフ弁又はスロットル弁とすることができる。液体燃料４２及び水１５は、ミキサー７８にて組み合わされ、該ミキサー７８は、液体燃料４２及び水１５を混合して液体燃料混合物８０を形成する。特定の実施形態では、液体燃料混合物８０は、液体燃料４２及び水１５のエマルジョンとすることができる。ミキサー７８の実施例は、限定ではないが、インラインミキサー、静的ミキサー、パドル型ミキサー、ブレンダー、リボンブレンダー、その他などが挙げられる。ミキサー７８は、液体燃料４２及び水１５の均一な混合物を生成する。ガスタービンエンジン１１が液体燃料４２を燃焼していない（例えば、気体燃料６０を燃焼している）場合、水１５を用いて液体燃料通路７０をパージすることができる。具体的には、水１５は、液体燃料混合弁７２を通って液体燃料マニホルド４８内に逆流し、液体燃料４２をパージ又は移動させることができる。特定の実施形態では、混合アセンブリ５０は、ミキサー７８の下流側に配置される液体燃料プロポーショニング弁８２を含むことができる。液体燃料プロポーショニング弁８２は、液体燃料混合物８０の圧力が閾値圧力を上回った場合、ガスタービンエンジン１１の燃焼器１６の全てへの主燃料流路８３に沿った液体燃料混合物８０の流れを可能にすることができる。例えば、液体燃料プロポーショニング弁８２は、制御弁、圧力弁、一方向弁、チェック弁、又はこれらの組合せとすることができる。従って、液体燃料プロポーショニング弁８２は、燃焼器１６から混合アセンブリ５０へのガスの逆流を阻止するのを助けることができる。換言すると、液体燃料プロポーショニング弁８２は、液体燃料混合物８０の圧力が設定圧力を上回った場合にだけ、燃焼器１６内への液体燃料混合物８０の流れを可能にすることができる。次いで、混合アセンブリ５０からの液体燃料混合物８０は、主燃料流路８３に沿って燃焼器１６の主ノズル８４に送ることができる。
特定の実施形態では、混合アセンブリ５０は、パイロット燃料をパイロット燃料混合弁８８に送るパイロット燃料通路８６を含むことができ、該パイロット燃料混合弁８８を用いて、混合アセンブリ５０へのパイロット燃料の流量を調整することができる。例えば、パイロット燃料混合弁８８は、オン／オフ弁又はスロットル弁とすることができる。水通路７４は、パイロット燃料ミキサー９２に水１５を流すパイロット燃料水混合弁９０を含むことができ、該パイロット燃料ミキサー９２は、パイロット燃料及び水１５を混合してパイロット燃料混合物９４を形成することができる。特定の実施形態では、パイロット燃料混合物９４は、パイロット燃料及び水１５のエマルジョンとすることができる。例えば、パイロット燃料水混合弁９０は、オン／オフ弁又はスロットル弁とすることができる。パイロット燃料ミキサー９２の実施例は、限定ではないが、混合Ｔ字部、インラインミキサー、静的ミキサー、パドル型ミキサー、ブレンダー、リボンブレンダー、その他などが挙げられる。ガスタービンエンジン１１が液体燃料４２を燃焼していない（例えば、気体燃料６０を燃焼している）場合、水１５を用いてパイロット燃料通路８６をパージすることができる。具体的には、水１５は、パイロット燃料混合弁８８を通ってパイロット燃料マニホルド５８内に逆流し、液体燃料４２をパージ又は移動させることができる。幾つかの実施形態では、パイロット燃料混合物９４は、パイロット燃料加圧弁９６に送ることができ、これによりパイロット燃料混合物９４の圧力が閾値圧力を上回った場合、第１のパイロット燃料流路９７に沿ったパイロット燃料混合物９４の流れを可能にすることができる。例えば、パイロット燃料加圧弁９６は、制御弁、圧力弁、一方向弁、チェック弁、又はこれらの組合せとすることができる。従って、パイロット燃料加圧弁９６は、燃焼器１６から混合アセンブリ５０へのガスの逆流を阻止するのを助けることができる。次いで、パイロット燃料加圧弁９６からのパイロット燃料混合物９４は、第１のパイロット燃料流路９７に沿って燃焼器１６のパイロットノズル９８に送ることができる。パイロットノズル９８は、主ノズル８４よりも低い流量であるが、液体燃料の点火可能な噴霧を発生するのに十分なノズル圧力降下を有して燃焼器１６に液体燃料４２を噴射できるように、主ノズル８４よりも小さくすることができる。パイロットノズル９８は、燃焼器１６が液体燃料４２を燃焼していないときに気体燃料６０で連続的にパージし、高温燃焼生成物（例えば、空気、二酸化炭素、水蒸気、その他）がパイロットノズル９８の小さなオリフィスに流入して劣化するのを阻止することができる。燃焼器１６が液体燃料４２を燃焼しているときには、パイロットノズル９８を通るパイロット燃料混合物９４の流れによってパイロットノズル９８を冷却することができるので、パイロットノズル９８は、主ノズル８４と同時に液体燃料４２を噴射することができる。
特定の実施形態では、タービン燃料供給システム４０は、信号経路１０２に沿って種々の信号を送信及び／又は受信することができるコントローラ１００を含むことができる。以下の検討において、信号経路１０２に沿って送信又は受信される信号は、参照数字１０２で示すことにする。例えば、コントローラ１００は、液体燃料供給弁４６、パイロット燃料供給弁５４、気体燃料供給弁６２、水供給弁６６、液体燃料混合弁７２、液体燃料水混合弁７６、液体燃料プロポーショニング弁８２、パイロット燃料混合弁８８、パイロット燃料送水弁９０及びパイロット燃料加圧弁９６の１以上に信号を送信し、弁を開閉するよう指示することができる。加えて、コントローラ１００は、限定ではないが、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、組成センサ、その他など、タービン燃料供給システム４０内に配置されたセンサ１０４から信号１０２を受け取ることができる。特定の実施形態では、コントローラ１００は、センサ１０４から受け取った信号１０２に基づいて水１５に対する液体燃料４２の比を調整することができる。
図３は、タービン燃料供給システム４０の別の実施形態のブロック図を示す。図３に示すように、混合アセンブリ５０は、液体燃料４２を受け取る主燃料入口ポート１２０を含む。主燃料入口ポート１２０は、主燃料通路７０に結合される。加えて、混合アセンブリ５０は、水１５を受け取る水入口ポート１２２を含む。水入口ポート１２２は、水通路７４に結合される。更に、混合アセンブリ５０は、パイロット燃料を受け取るパイロット燃料入口ポート１２４を含む。パイロット燃料入口ポート１２４は、パイロット燃料通路８６に結合される。混合アセンブリ５０はまた、液体燃料混合物８０を主ノズル８４に吐出する主燃料混合物出口ポート１２６を含むことができる。同様に、混合アセンブリ５０は、パイロット燃料混合物を第１のパイロット燃料流路９７に沿ってパイロットノズル９８に吐出するパイロット燃料混合物出口ポート１２８を含むことができる。特定の実施形態では、パイロット燃料混合物９４の一部１３０は、第２のパイロット燃料出口ポート１３２に直接供給することができる。換言すると、パイロット燃料混合物９４の一部１３０は、パイロット燃料加圧弁９６を通って流れない。代わりに、パイロット燃料混合物９４の一部１３０は、第２のパイロット燃料流路１３３に沿って燃焼器１６のパイロットノズルの第２のセット１３４に流れる。加圧弁９６は、混合物９４の閾値圧力に達したときにパイロット燃料混合物９４を流すのに使用される。換言すると、加圧弁９６の機能は、パイロットノズル１３４及び９８を順次的に湿潤することである。
図４は、混合アセンブリ５０の一実施形態の斜視図を示す。以下の検討において、ｘ軸１４４、ｙ軸１４６及びｚ軸１４８を参照する場合がある。図４に示すように、混合アセンブリ５０は、一体化ハウジング１５０、又は一体化弁アセンブリを含む。一体化ハウジング１５０は、上面１５２、底面１５４、正面１５６、背面１５８、左面１６０及び右面１６２を含む。図４に示すように、一体化ハウジング１５０は、ほぼ矩形形状のアセンブリとすることができる。しかしながら、他の実施形態では、一体化ハウジング１５０は、タービン燃料供給システム４０の特定の構成に対応した他の形状を有することができる。加えて、一体化ハウジング１５０は、タービン燃料供給システム４０の装備に対する接続部に対応するために複数の開口、又はポートを含むことができる。更に、液体燃料混合弁７２及びパイロット燃料混合弁のアクチュエータを上面１５２上に位置付けることができる。同様に、液体燃料水混合弁７６及びパイロット燃料水混合弁９０のアクチュエータを底面１５４上に位置付けることができる。従って、弁７２、７６、８８及び９０のアクチュエータは、弁が占めるスペース又は容積を低減するよう複数の軸線に沿った向きにすることができる。他の実施形態では、種々の弁７２、７６、８８及び９０のアクチュエータは、一体化ハウジング１５０の異なる場所に位置付けることができる。弁７２、７６、８２、８８、９０及び９６は、一体化ハウジング１５０に直接結合され、一体化ハウジング１５０内に孔開け又は形成されたボア又は開口に少なくとも部分的に配置することができる。加えて、主燃料出口ポート１２６は、液体燃料プロポーショニング弁８２の中心に位置付けることができ、パイロット燃料出口ポート１２８は、パイロット燃料加圧弁９６の中心に位置付けることができる。他の実施形態では、主燃料出口ポート１２６及びパイロット燃料出口ポート１２８は、一体化ハウジング１５０の異なる場所に位置付けることができる。第２のパイロット燃料出口ポート１３２は、液体燃料プロポーショニング弁８２とパイロット燃料加圧弁９６との間の正面１５６上に位置付けることができる。第２のパイロット燃料出口ポート１３２は、一体化ハウジング１５０の異なる場所に位置付けることができ、或いは、省略することもできる。図４に示すように、一体化ハウジング１５０の弁７２、７６、８２、８８、９０及び９６は、互いに近接している。例えば、弁７２及び８８の中心線間の距離１６４は、一体化ハウジング１５０の幅１６６の約３０〜８０％、４０〜７０％、又は５０〜６０％とすることができる。同様に、弁７６及び９０の中心線間の距離１６８は、一体化ハウジング１５０の幅１６６の約３０〜８０％、４０〜７０％、又は５０〜６０％とすることができる。距離１６４及び／又は１６８は、幅１６６の約３０、４０、５０、６０、７０、又は８０％とすることができる。更に、弁７２及び７６は、一体化ハウジング１５０の高さ１７０だけ分離することができる。同様に、弁８８及び９０は、一体化ハウジング１５０の高さ１７０だけ分離することができる。従って、一体化ハウジング１５０は、低容量で小型化され、一体化ハウジング１５０の内部で劣化する可能性がある液体燃料４２の量を低減することができる。更に、弁７２、７６、８２、８８、９０及び９６間の通路の長さは、一体化ハウジング１５０のパージ及び清浄化を容易にするよう低減することができる。
図５は、混合アセンブリ５０の一実施形態の後面図を示す。図５に示すように、背面１５８は、主燃料入口ポート１２０、水入口ポート１２２及びパイロット燃料入口ポート１２４を含む。特定の実施形態では、主燃料入口ポート１２０は、左面１６０付近で且つ液体燃料混合弁７２に隣接して位置付けられる。特定の実施形態では、水入口ポート１２２は、右面１６２付近で且つパイロット燃料水混合弁９０に隣接して位置付けられる。幾つかの実施形態では、パイロット燃料入口ポート１２４は、背面１５８の中間付近、又は、主燃料入口ポート１２０と水入口ポート１２２との間に位置付けられる。特定の実施形態では、経路４４に沿った液体燃料４２の流量が経路５２に沿ったパイロット燃料の流量よりも大きくなることができるので、主燃料入口ポート１２０の直径１２１は、パイロット燃料入口ポート１２４の直径１２５よりも大きくすることができる。例えば、直径１２５に対する直径１２１の比は、約１．１：１〜６：１、１．３：１〜４：１、又は１．５：１〜２．５：１とすることができる。特定の実施形態では、直径１２５に対する直径１２１の比は、約、１．１、１．３、１．５、２、２．５、３、４、５、又は６とすることができる。別の実施形態では、水入口ポート１２２は、背面１５８の中間付近、又は主燃料入口ポート１２０とパイロット燃料入口ポート１２４との間に位置付けることができる。
図６は、一体化ハウジング１５０内の種々の通路１８０の一実施形態の斜視図を示す。図４及び５に示すものと共通した図６の要素は、同じ参照数字で表記されている。明確にするために、弁７２、７６、８８及び９０は図６には示されていない。実際に、弁７２、７６、８８及び９０の場所を表すために図６では円が使用されている。図６に示すように、液体燃料通路７０は、主燃料入口ポート１２０から液体燃料混合弁７２に直接経由されている。換言すると、液体燃料通路７０は、通路７０の長さを短くするよう経由される。同様に、水通路７４は、水入口ポート１２２から液体燃料水混合弁７６及びパイロット燃料水混合弁９０に直接経由される。パイロット燃料通路８６は、パイロット燃料入口ポート１２４からパイロット燃料混合弁８８に直接経由される。従って、一体化ハウジング１５０内の通路１８０は、通路１８０の長さを短くするよう直接的に経由され、これにより非使用時の通路１８０に残される材料の残留量を低減する。例えば、通路１８０は、金属の固体ブロックに孔又はボアを孔開けすることにより形成され、一体部品の一体化ハウジング１５０を生成することができる。他の実施形態では、孔又はボアは、金属の２以上のブロックに孔開けしてもよく、該ブロックを後で共に結合し、多部品の一体化ハウジング１５０を形成する。換言すると、通路１８０は、一体化ハウジング１５０内で完全に一体化される。加えて、通路１８０の長さは、一体化ハウジング１５０内には存在しない外部配管又は管体の長さよりも短くすることができる。更に、一体化ハウジング１５０は、外部配管又は管体のネットワークよりも断片化及び複雑さを少なくすることができる。通路１８０は、一体化ハウジング１５０の特定の構成に応じて、異なる方向に形成することができる。加えて、一体化ハウジング１５０内の通路１８０の清浄化及びパージは、通路１８０の長さを短くすることによって、より容易に且つ迅速に行われる。更に、金属ブロックを材料として通路１８０を形成することにより、通路１８０からの漏洩の可能性を低減することができる。換言すると、一体化ハウジング１５０を用いると、外部配管又は管体に付随する継手、フランジ、取付具、接続部、その他が排除される。一体化ハウジング１５０の通路１８０はまた、互いに近接した弁７２、７６、８２、８８、９０及び９６の配置を可能にする。特定の実施形態では、一体化ハウジング１５０内の通路１８０は、液体が通路１８０を流れていないときに蓄積する可能性がある場所を低減するのを助けるために、円形断面を有し及び／又は内部で円滑にすることができる。
液体が蓄積する可能性がある低いスポット及び他の場所は、液体トラップと呼ばれる。特定の実施形態では、通路１８０は、液体トラップの排除を可能にするために連続した下向きの傾斜部を有することができる。換言すると、通路は、ｘ軸１４４及びｙ軸１４６を含む水平面１８３に対してある角度１８１で角度を付けることができる。特定の実施形態では、角度１８１は、約１〜４５度、２〜２５度、又は３〜５度とすることができる。例えば、角度１８１は、約１、２、３、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度とすることができる。他の実施形態では、通路１８０は、下向きに傾斜している部分と水平部分とを含むが、上向きに傾斜している部分を含まない下向きの傾斜部を有することができる。従って、液体は、通路１８０から外部に自由に排出可能にすることができる。特定の実施形態では、追加のドレイン管路又は通路１８２は、通路１８０の端部及び／又は屈曲部に及びドレインポート１８４に結合され、通路１８０に対し追加の排出能力をもたらすことができる。従って、通路１８０は、液体が一体化ハウジング１５０内で捕捉される可能性がある場所を含まない。
上記で検討したように、タービン燃料供給システム４０の種々の実施形態は、燃焼器１６の上流側で水１５と液体燃料４２の混合を可能にし、液体燃料及びパイロット燃料混合物８０、９４を形成する混合アセンブリ５０を含む。このような液体燃料４２と水１５の混合は、燃焼器１６内の温度の低下の助けとなり、ＮＯxのような副生成物の形成の低減を助けることができる。水１５と液体燃料４２の予混合もまた、燃焼器１６内に水１５を噴射するよりも、ＮＯx生成の低減の点でより効率的とすることができる。例えば、液体燃料及びパイロット燃料混合物８０、９４は、液体燃料４２よりも粘性及び表面張力が低く、これにより燃焼器１６内での混合物８０、９４の噴霧化、分散化及び蒸発速度を改善することができる。従って、混合アセンブリ５０を使用することにより、混合物８０、９４によりもたらされるＮＯx抑制効率が高くなるので、ＮＯx生成を低減する際に使用される水１５をより少なくすることができる。更に、混合アセンブリ５０内での弁７２、７６、８８及び９０（及び任意選択的に弁８２及び９６）の互いに対して近接した配列により、液体燃料４２を使用していないときにタービン燃料供給システム４０のパージ及び清浄化を容易にすることができる。具体的には、一体化ハウジング１５０の構成は、燃焼器１６からパージされる液体燃料４２の量の低減を助け、これにより何らかの残留する液体燃料４２を清浄化する効率が高くなる。例えば、一体化ハウジング１５０の通路１８０は、液体燃料４２が蓄積して劣化し、後で燃焼器１６の作動を妨げる可能性がある堆積物になる可能性がある液体トラップを含まない。従って、混合アセンブリ５０を使用することにより、燃焼器１６を液体燃料４２の燃焼に切り替えること及び液体燃料の燃焼から切り替えることを容易にすることができる。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１０ タービンシステム
１１ ガスタービンエンジン
１２ 燃料ノズル
１４ 供給燃料
１５ 供給水
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 排気出口
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 吸気口
２８ 負荷
４０ タービン燃料供給システム
４２ 液体燃料
４４ 液体燃料流路
４６ 液体燃料供給弁
４８ 液体燃料マニホルド
５０ 複数の混合アセンブリ
５２ パイロット燃料流路
５４ パイロット燃料供給弁
５８ パイロット燃料マニホルド
６０ 気体燃料
６１ 気体燃料流路
６２ 気体燃料供給弁
６４ 水流路
６６ 水供給弁
６８ 水マニホルド
７０ 液体燃料通路
７２ 液体燃料混合弁
７４ 水通路
７６ 水混合弁
７８ ミキサー
８０ 液体燃料混合物
８２ 液体燃料プロポーショナル弁
８３ 主燃料流路
８４ 主ノズル
８６ パイロット燃料通路
８８ パイロット燃料混合弁
９０ パイロット燃料水混合弁
９２ パイロット燃料ミキサー
９４ パイロット燃料混合物
９６ パイロット燃料加圧弁
９７ 第１のパイロット燃料流路
９８ パイロットノズル
１００ コントローラ
１０２ 信号経路
１０４ センサ
１２０ 主燃料入口ポート
１２１ 主燃料入口ポートの直径
１２２ 水入口ポート
１２４ パイロット燃料入口ポート
１２５ パイロット燃料入口ポートの直径
１２６ 主燃料混合物出口ポート
１２８ パイロット燃料混合物出口ポート
１３０ パイロット燃料混合物の一部
１３２ 第２のパイロット燃料出口ポート
１３３ 第２のパイロット燃料流路
１３４ パイロットノズルの第２のセット
１４４ ｘ軸
１４６ ｙ軸
１４８ ｚ軸
１５０ 一体化ハウジング
１５２ 上面
１５４ 底面
１５６ 正面
１５８ 背面
１６０ 左面
１６２ 右面
１６４ 液体燃料混合弁とパイロット燃料混合弁の中心線間の距離
１６６ 一体化ハウジングの幅
１６８ 水混合弁とパイロット燃料水混合弁の中心線間の距離
１７０ 一体化ハウジングの高さ
１８０ 一体化ハウジング内の種々の通路
１８１ 水平面に対する角度
１８２ 追加のドレイン管路通路
１８３ 水平面
１８４ ドレインポート
１１ ガスタービンエンジン
１２ 燃料ノズル
１４ 供給燃料
１５ 供給水
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 排気出口
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 吸気口
２８ 負荷
４０ タービン燃料供給システム
４２ 液体燃料
４４ 液体燃料流路
４６ 液体燃料供給弁
４８ 液体燃料マニホルド
５０ 複数の混合アセンブリ
５２ パイロット燃料流路
５４ パイロット燃料供給弁
５８ パイロット燃料マニホルド
６０ 気体燃料
６１ 気体燃料流路
６２ 気体燃料供給弁
６４ 水流路
６６ 水供給弁
６８ 水マニホルド
７０ 液体燃料通路
７２ 液体燃料混合弁
７４ 水通路
７６ 水混合弁
７８ ミキサー
８０ 液体燃料混合物
８２ 液体燃料プロポーショナル弁
８３ 主燃料流路
８４ 主ノズル
８６ パイロット燃料通路
８８ パイロット燃料混合弁
９０ パイロット燃料水混合弁
９２ パイロット燃料ミキサー
９４ パイロット燃料混合物
９６ パイロット燃料加圧弁
９７ 第１のパイロット燃料流路
９８ パイロットノズル
１００ コントローラ
１０２ 信号経路
１０４ センサ
１２０ 主燃料入口ポート
１２１ 主燃料入口ポートの直径
１２２ 水入口ポート
１２４ パイロット燃料入口ポート
１２５ パイロット燃料入口ポートの直径
１２６ 主燃料混合物出口ポート
１２８ パイロット燃料混合物出口ポート
１３０ パイロット燃料混合物の一部
１３２ 第２のパイロット燃料出口ポート
１３３ 第２のパイロット燃料流路
１３４ パイロットノズルの第２のセット
１４４ ｘ軸
１４６ ｙ軸
１４８ ｚ軸
１５０ 一体化ハウジング
１５２ 上面
１５４ 底面
１５６ 正面
１５８ 背面
１６０ 左面
１６２ 右面
１６４ 液体燃料混合弁とパイロット燃料混合弁の中心線間の距離
１６６ 一体化ハウジングの幅
１６８ 水混合弁とパイロット燃料水混合弁の中心線間の距離
１７０ 一体化ハウジングの高さ
１８０ 一体化ハウジング内の種々の通路
１８１ 水平面に対する角度
１８２ 追加のドレイン管路通路
１８３ 水平面
１８４ ドレインポート
Claims (8)
- 一体化ハウジング（１５０）を備える燃料混合システムであって、当該燃料混合システムが、液体燃料（４２）と水（１５）を混合して、ガスタービン（１１）の燃焼器（１６）で燃焼させることのできる燃料混合物（８０）を生成するように構成された混合アセンブリ（５０）を備えており、前記混合アセンブリ（５０）が、
前記一体化ハウジング（１５０）内に配置された複数の液体通路（１８０）であって、液体燃料（４２）を流すように構成された液体燃料通路（７０）と、水（１５）を流すように構成された水通路（７４）とを含む複数の液体通路（１８０）と、
前記一体化ハウジング（１５０）内に配置されて前記液体燃料通路（７０）及び水通路（７４）に結合したミキサー（７８）であって、液体燃料（４２）と水（１５）を混合して燃料混合物（８０）を形成するように構成されたミキサー（７８）と
を備えており、
前記一体化ハウジング（１５０）が１以上の金属固体ブロックを含んでいて、前記液体燃料通路（７０）と水通路（７４）とを含む液体通路（１８０）が、前記１以上の金属固体ブロックに穿孔された孔又はボアで形成されており、
前記液体燃料通路（７０）と水通路（７４）とを含む液体通路（１８０）が、燃料及び／又は水を一体化ハウジング（１５０）内で捕捉せずに一体化ハウジング（１５０）から排出できるように、下向き傾斜部又は下向き傾斜部と水平部しか含んでいない、燃料混合システム。 - 前記ミキサー（７８）が、混合Ｔ字部、インラインミキサー、静的ミキサー、パドル型ミキサー、ブレンダー、又はリボンブレンダー、或いはこれらの組合せを含む、請求項１記載のシステム。
- 前記混合アセンブリ（５０）が、
前記一体化ハウジング（１５０）に結合され、前記液体燃料（４２）の流量を調整するように構成された液体燃料弁（７２）と、
前記一体化ハウジング（１５０）に結合され、水（１５）の流量を調整するように構成された送水弁（７６）と
を含んでおり、前記一体化ハウジング（１５０）が、前記液体燃料弁（７２）と送水弁（７６）が互いに近接するように構成されている、請求項１又は請求項２記載のシステム。 - 前記液体燃料弁（７２）又は前記送水弁（７６）の少なくとも１つに信号を送信するように構成されたコントローラ（１００）を備えており、前記液体燃料弁（７２）又は送水弁（７６）が、前記信号に応答して燃料混合物（８０）中の液体燃料（４２）と水（１５）の比率を調整する、請求項３記載のシステム。
- 前記混合アセンブリ（５０）が、液体燃料（４２）と水（１５）を混合して液体燃料（４２）と水（１５）のエマルジョンを前記燃料混合物（８０）として生成するように構成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
- 前記液体燃料通路（７０）及び前記水通路（７４）が、滑らかな内部表面を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
- 前記混合アセンブリ（５０）が、前記一体化ハウジング（１５０）に結合されたプロポーショニング弁（８２）を含んでいて、前記プロポーショニング弁（８２）が、前記燃料混合物（８０）の圧力が閾値圧力を上回ったときに前記燃焼器（１６）に燃料混合物（８０）が流れるように構成されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシステム。
- 前記水通路（７４）は、燃焼器（１６）内で燃料混合物（８０）が燃焼されていないときに、水（１５）を前記ミキサー（７８）及び液体燃料通路（７０）に流して前記混合アセンブリ（５０）から液体燃料（４２）をパージするように構成されている、請求項１記載のシステム。
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