JPH01182529A - ガスタービン噴霧空気の制御方法、及び、同制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主噴霧空気圧縮機及び補助噴霧空気圧縮機から
構成されるガスタービン燃焼器用噴霧空気系統に係り、
特に着火、火炎伝播に好適な噴霧空気吐出圧力を得るた
めの補助噴霧空気圧力の制御技術に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、ガスタービン燃焼器の燃料噴射弁は燃焼性能の向
上、およびスモーク低減を図るために微粒化特性の改善
を図った空気噴霧式燃料噴射弁が用いられている。本型
式の燃料噴射弁には比較的高圧の噴霧空気圧力を用いる
高圧空気噴霧式のものと、比較的低圧の噴霧空気圧力を
用いる低圧空気噴霧式のものとが実用されている。いず
れの型式のものも、燃料噴霧の外周側に高速の空気流を
流し、この運動エネルギにより燃料油の微粒化を促進さ
せるものである。この場合、噴霧空気の流速、流量及び
フローパターンが微粒化特性に大きく影響するので、良
好な微粒化特性と良好な燃焼性能とを得るためには、ガ
スタービンの負荷運転範囲の全域にわたって噴霧空気圧
力比（噴霧空気圧力／主空気圧力）はほぼ一定に保たれ
ているのが一般的である。しかしながら、特開昭５３−
１４７１１６号に記載のように、高圧噴霧式燃料噴射弁
に関しては、燃料噴射弁へのカーボン付着および燃焼器
の熱的破損を防止することを目的として、噴霧空気系統
の噴霧空気圧縮機の吐出側と主圧縮機の吐出側とを連絡
するバイパス路に設けたバイパス弁を調節し、噴霧空気
の一部を主圧縮機へ戻すことにより、ガスタービンの負
荷または燃料流量に応じて噴霧空気圧力比を可変とする
ことが論じられている。また、特開昭４８−７７２１０
号において、点火用として液体燃料を使用し、主燃料を
気体燃料とするガスタービンにおいて、ガスタービン始
動時に液体燃料を供給すると共に、高圧空気源から噴霧
空気が供給され、始動時に制御タイマにより噴霧空気の
供給時間を制御する方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、噴霧空気の微粒化特性への影響が最も
大きい小燃料流量時、即ち、着火起動時の圧力比制御の
点については配慮されておらず、着火及び火炎伝播の性
能が悪いという問題があった。

特に、起動時の低速回転域ではモータ等で駆動される補
助噴霧空気圧縮機を用い、高速回転域から定格負荷運転
までは主圧縮機軸と連動（例えば増速歯車を介して連絡
するなど、一定の回転速度比で駆動するように連結）し
て駆動される主噴霧空気圧縮機を用いる方式においては
、着火及び火炎伝播時に噴霧空気圧力比が計画値よりも
大幅に高くなり、着火、火炎伝播が極めて困難となる。

本発明の目的は、空気噴霧式燃料噴射弁を用いたガスタ
ービン燃焼器の着火、火炎伝播性能の改善をするに好適
な制御方法、及び制御装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、噴霧空気圧を一定とせず、ガスタービンの
着火、起動時において、該噴霧空気圧力を主空気圧力に
対して所定の圧力比となるよう制御することによって達
成される。上記所定圧力比については、次の〔作用〕の
節で説明する。本発明において起動時とは、着火後、外
部負荷をとるまでの期間をいう。

〔作用〕

空気噴霧式燃料噴射弁において、噴霧空気は燃料の液膜
流の外周側を高速で流れ、混合しながらオリフィスを通
過する時に噴霧空気のエネルギで微粒化を促進し、噴霧
を形成する。ここで噴霧空気の流動特性を支配する噴霧
空気の圧力比を、（イ）微粒化に必要な最低圧力比以上
と、（ロ）燃焼の面から良好着火と安定燃焼とが持続で
きる最高圧力比条件との間に制御することにより、微粒
化特性と燃焼の着火性・安定性の両方のマッチングが図
れるので、噴霧特性の不適による着火不良や火炎伝播の
困難性は解消される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ガス
タービンは主たる構成要素として主圧縮機１．燃焼器２
及びタービン３を備えてなり、主圧縮機１に吸込まれた
大気１００は該主圧縮機１で昇圧され高圧燃焼空気１０
１として燃焼器２へ供給され、燃焼器２に取付けられた
燃料噴射弁５から燃焼器内へ燃料１０４を噴射して燃焼
させ、発生した高温高圧の燃焼ガス１０２をタービン３
にて膨張させることにより、熱エネルギを機械−エネル
ギに変換し、タービン軸１９に連結された負荷４を駆動
する。

燃料油微粒化用の高圧噴霧系統は、（イ）タービン軸１
９により補助歯車７，８を介して駆動される主噴霧空気
圧縮機６と、（ロ）モータ１０等の駆動装置にて駆動さ
れる補助噴霧空気圧縮機９とからなっている。主噴霧空
気配管２０と補助噴霧空気配管２１とにはそれぞれ切換
弁１１．１２が設けられており、これらの切換弁１１．
１２の下流側は共に、噴霧空気供給管２２を共有して燃
料噴射弁５に接続されている。上記噴霧空気圧縮機６゜
９から供給された空気は噴霧用空気として用いられる。

上記燃料噴射弁の詳細な構造については、第４図につい
て後述する。かかる構成のガスタービンプラントにおい
て、ガスタービンの起動は起動用ディーゼルエンジンや
電動機（いずれも図示せず）により始動され、所定回転
数に達した時点で着火動作に入る。

着火動作時は、補助噴霧空気圧縮機９がモータ１０によ
り定速回転せしめられ、噴霧用の空気１０６を燃焼器の
燃料噴射弁５に供給する。この段階では、主噴霧空気圧
縮機６はクラッチ（図示せず）を切り離され、かつ、切
換弁１１は閉じられている。なお、着火動作時の主圧縮
機の回転数は通常１０〜２０ｒｐｍであるから、主圧縮
機１がらの吐出空気圧力は１０分の数ｋｇ／ｃｎ２ゲー
ジと非常に低い。このため、補助噴霧空気の供給圧力は
主圧縮機１の吐出圧力を圧力センサ１４にて検出し、圧
力伝送器１５にて発信される主空気吐出圧力信号と、同
じく補助噴霧空気吐出力を圧力センサ１６にて検出し、
圧力伝送器１７にて発信されろ補助噴霧空気吐出圧力信
号を圧力比演算制御器１８に取込み、これによる制御信
号にて補助噴霧空気吸気部に取付けた吸込み弁１３の開
度が調節され、設定される。即ち、燃焼器へ供給される
噴霧空気は、噴霧空気圧力比（補助噴霧空気圧力）／（
主空気圧力）を、着火・火炎伝播に好適な範囲内に設定
される。このような条件にて、燃焼器２へ燃料噴射弁５
を経て燃料油１０４が供給されると点火装置（図示せず
）の火花にて着火し、この火炎が火炎伝播管で接続され
た他の燃焼器へ火炎伝播して若人動作が完了する。その
後、始動用原動機の回転数を増速しながら燃料流量を増
加させていき、所定回転数でガスタービンは自刃運転に
入る。一方、タービン回転数の増加とともに主圧縮機１
の流量は増加し、その吐出圧力も高くなる。このため、
定速回転の補助噴霧空気圧力比は、吸込み弁１３を全開
にしても、計画圧力比を保持できなくなる。このため、
補助噴霧空気圧力比が、許容値内で計画値を下まわった
適切な時期に主噴霧空気圧縮機がタービン軸を介して駆
動され、切換え弁１１と同１２との開、閉動作により、
噴霧空気の系統が切換えられて運転される。燃料投入量
の増加と共にタービン回転数は増加し、所定燃料流量に
てタービンは１００％回転数に達する。

この時点で噴霧空気圧力比が計画値になるよう予め各噴
霧空気圧縮機の容量、特性が選定されている。ガスター
ビン負荷運転時はタービン回転数が一定であり、かつ、
主噴霧空気の吸気は主圧縮機の吐出からバイパスして行
われるので、噴霧空気圧力比はタービン負荷変化に伴う
燃焼器圧力の変化に頼らずほぼ一定に保持される。この
条件において適正に設計された空気噴霧式燃料噴射弁は
燃料噴霧の粒径分布や噴角及び重量分布等の噴霧特性は
作動条件によってそれ程大きく変化せず、良好な噴霧燃
焼が実現できる。

上記の実施例においては圧力比調整の為に吸込み弁１３
を開閉制御したが、本発明を実施する際、上記の圧力比
調節は （ｉ）モータ１０を可変速形とすること、（ｉｉ）補助
噴霧圧縮機９の吐出管路側に圧力調整手段（逃がし弁、
調圧弁など）を設けること、によっても達成できる。

第２図、第３図は以上説明してきた本実施例における噴
霧空気系統及び運転方法をガスタービンの作動条件に対
応させて、その作動状態量を示したものである。

第２図はガスタービンの作動条件に対応してそれぞれ主
圧縮空気量、主圧縮機吐出圧力及び燃料流量を示したも
のであり、ガスタービンが起動され回転数が増加するに
伴い主圧縮機流量、主圧縮機吐出圧力が増加し、１００
％回転数で主圧縮機流量は一定となる。一方、着火動作
は２０％回転数において行なわれ、着火必要燃料量の投
入後、暖機運転し、以降燃料流量が増加され昇速運転に
入る。負荷運転時は定速回転数の条件であるので負荷増
加とともに燃料投入量が増加し、燃焼温度の上昇に対応
して主圧縮機の吐出圧力が増加する。

第３図はガスタービン作動条件に対応させて噴霧空気圧
力比の状態を示すものである。噴霧空気はガスタービン
の始動から着火動作（２０％回転数）を含む約６０％回
転数まで補助噴霧空気圧縮機の運転により供給され、そ
れ以降は主噴霧空気圧縮機の運転により供給される。補
助噴霧空気圧縮機は電動機により定速運転されているの
でタービン回転数が低く、従って主圧縮機吐出圧力が低
い条件では噴霧空気圧力比が計画値内に入るよう主圧縮
機吐出圧力を検出して補助噴霧空気圧縮機の吸込み弁の
開度が調節され、補助噴霧空気圧縮機の吐出圧力を下げ
て運転される。点線はこのような制御をしない時の圧力
比を示す。このように圧力比制御を行うことにより、噴
霧空気の影響を最も大きく受ける着火、暖機運転の小燃
料流量時の微粒化を適正にでき、かつ、着火、火炎伝播
に好適な噴霧空気の条件が設定できる。約６０％回転数
で噴霧空気圧縮機の切換えが行なわれる。主噴霧空気圧
縮機はタービン軸に連動して駆動され、１００％回転数
で所定の噴霧空気圧力比となるよう計画されているので
、６０％回転数域での系統切換時において噴霧空気圧力
比が許容値内で計画値を下まわる。第４図は本発明の理
解を更に深めるために空気噴霧式燃料噴射弁の構造図を
示したものである。この燃料噴射弁は油、ガス共用型で
ある。油１０４は渦巻室２３を経て油ノズル２４から噴
出する。一方、噴霧空気１０９は油ノズルの外周に設け
た空気ノズル２５から高速流として供給され油の微粒化
を促進する。この種の噴射弁においては高燃料流量時は
渦巻室内での旋回速度ならびに油ノズル２４の噴出速度
が高くなるためそれ自身でも微粒化するが、着火、暖機
運転の小流量時は微粒化が極めて悪く、適状にしかなら
ない。このため、噴霧空気による微粒化促進が極めて重
要となり、良好な微粒化が得られる最低圧力以上の噴霧
空気の供給が必要となる。一方、噴射弁からは燃料噴霧
と噴霧空気との両方が噴出することになり、この流速は
噴霧空気量の影響を受ける、従って、噴霧空気量がある
全以上になると噴射弁からの噴出流速が大きすぎて火炎
の保炎性能　・に悪影響を及ぼし、着火、安定燃焼が困
難となる。

従って、噴霧空気の圧力比には微粒化の面との燃焼の面
とから決まる適正範囲が存在する。第５図が実験的に調
べた噴霧空気圧力比と着火燃空比との関係を示すもので
、噴霧空気圧力が低過ぎると微粒化が悪くなり、また噴
霧空気圧力比が高すぎると噴射弁からの流速が速くなり
すぎて火炎が保炎でき難くなり、いずれも着火燃空比が
高くなる。

適正な圧力比は１．２から１．６までの範囲にあること
が判る。

〔発明の効果〕

本発明の装置により、本発明の方法を用いて噴霧空気圧
を制御すると、噴霧燃料油の微粒化と、保炎との両面に
ついて良好な状態を維持することが出来、ガスタービン
起動の信頼性が高くなる。

また、本発明によって着火燃空比を従来よりも低く抑え
ることが出来るので、着火時の急激な温度上昇が抑制、
出来、タービン等の熱衝撃が緩和されて長痔命化の効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御装置の一実施例の全体系統図
、第２図はガスタービン作動状態の説明図表、第３図は
本発明の噴霧空気圧力比の制御例を示す図表、第４図は
空気噴霧式燃料噴射弁の構造を説明するための断面図、
第５図は噴霧空気圧力比と着火燃空此の関係を示す図表
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）空気噴霧式燃料噴射弁を備えた燃焼器と、（
   ｂ）上記燃焼器に対して燃焼用空気を圧送する主圧縮機
   と、（ｃ）前記主圧縮機の吐出空気の一部を吸入・加圧
   して前記空気噴霧式燃料噴射弁に噴霧用空気を供給する
   主噴霧空気圧縮機と、（ｄ）上記の主噴霧空気圧縮機と
   別個の駆動系統によつて駆動され、大気を吸入・加圧し
   て前記空気噴霧式噴射弁に噴霧用空気を供給する補助噴
   霧空気圧縮機とを備えたガスタービンにおいて、 （ｅ）前記主圧縮機によつて供給される燃焼用空気圧力
   に対する噴霧空気圧力の比を、運転状態に応じて調節す
   ることを特徴とする、ガスタービン噴霧空気の制御方法
   。 ２、前記の圧力比調節は当該ガスタービンの着火・起動
   時に行われるものであり、かつ、その圧力比は、（イ）
   噴霧燃料の微粒化に必要な最低圧力比よりも高く、かつ
   、（ロ）火炎伝播による保炎が可能である最高圧力比よ
   りも低いように制御することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のガスタービン噴霧空気の制御方法。 ３、（ａ）空気噴霧式燃料噴射弁を備えた燃焼器と、（
   ｂ）上記燃焼器に対して燃焼用空気を圧送する主圧縮機
   と、（ｃ）前記主圧縮機の吐出空気の一部を吸入・加圧
   して前記空気噴霧式燃料噴射弁に噴霧用空気を供給する
   主噴霧空気圧縮機と、（ｄ）上記の主噴霧空気圧縮機と
   別個の駆動系統によつて駆動され、大気を吸入・加圧し
   て前記空気噴霧式噴射弁に噴霧用空気を供給する補助噴
   霧空気圧縮機とを備えたガスタービンにおいて、 （ｆ）主圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサと、補
   助噴霧空気圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサとを
   設けると共に、 （ｇ）前記補助噴霧空気圧縮機の吐出圧力を調節する手
   段を設け、かつ、 （ｈ）前記の双方の圧力センサの出力信号に基づいて前
   記吐出圧力調節手段を制御する圧力演算制御器を設けた
   ことを特徴とする、ガスタービンの噴霧空気の制御装置
   。