(57)【要約】      （修正有）【課題】一般にガスタービンに関し、より具体的には、オートサーマル燃料ノズルの流れ調整を用いて低温燃料条件のもとベース負荷でガスタービンの動作を制御することに関する。【解決手段】ガスタービン用の燃焼器が、燃料ノズルと、燃料の特性に基づいて燃料ノズル内の少なくとも１つの燃料通路に燃料の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブ（６８）と空気と燃料の混合を促進するためのスワラアセンブリを含む。【選択図】図３
2018112388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズル（５４）と、
燃料の特性に基づいて前記燃料ノズル（５４）内の少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）に燃料（６０）の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブ（６８）と
を備える、ガスタービン用の燃焼器（１０）。
【請求項２】
前記受動的に作動するバルブ（６８）の位置が、
前記燃焼器（１０）のエンドカバーアセンブリ（４８）内の位置であって、前記エンドカバーアセンブリ（４８）は前記燃料ノズル（５４）に結合されている、位置、および
前記燃料ノズル（５４）の本体内の位置
のいずれかである、請求項１に記載の燃焼器（１０）。
【請求項３】
前記受動的に作動するバルブ（６８）が熱作動バルブ（６８）を含み、前記燃料（６０）の前記特性は前記燃料（６０）の温度を含む、請求項１に記載の燃焼器（１０）。
【請求項４】
前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が温度設定点よりも低いときは第１の状態にあり、前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点より高いときは第２の状態にある、請求項３に記載の燃焼器（１０）。
【請求項５】
前記第１の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が閉じられ、前記第２の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が開かれている、請求項４に記載の燃焼器（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）が、
前記燃料（６０）の少なくとも一部が通過する燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットと、
前記熱作動バルブ（６８）が前記燃料（６０）の少なくとも一部を選択的に導く燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットと
を含む、請求項４に記載の燃焼器（１０）。
【請求項７】
前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットおよび第２のセットが、スワラアセンブリ（８０）に流体的に結合されている、請求項６に記載の燃焼器（１０）。
【請求項８】
前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットが、前記スワラアセンブリ（８０）のベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットに流体的に結合され、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットが、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに流体的に結合されている、請求項７に記載の燃焼器（１０）。
【請求項９】
前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点よりも低いときに、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットを通って前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに燃料（６０）が流れることを防止するように構成されている、請求項８に記載の燃焼器（１０）。
【請求項１０】
前記熱作動バルブ（６８）が、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットおよび第２のセットにわたる燃料圧力比を制御するように構成されている、請求項８に記載の燃焼器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般にガスタービンに関し、より具体的には、オートサーマル燃料ノズルの流れ調整を用いて低温燃料条件のもとベース負荷でガスタービンの動作を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、典型的には、圧縮機、１つまたは複数の燃焼器を含む燃焼器セクション、および少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機排出空気は、各燃焼器に送られ、そこで燃料が噴射され、混合され、そして燃焼される。次いで、燃焼ガスは、燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービンセクションに送られる。
【０００３】
ガスタービンエンジンの燃焼システムは、典型的には、広い範囲の流れ、圧力、温度、および燃料／空気比の運転条件で作動する。燃焼器の性能を制御することは、満足できる全ガスタービンシステム動作を達成し維持し、許容可能な排出レベル（例えば、ＮＯxおよびＣＯレベル）を達成するために必要とされる。
【０００４】
ガスタービン燃焼器の１つのクラスは、予混合燃料を使用する燃焼を利用することによって低ＮＯx排出レベルを達成し、ここでは、燃焼前に燃料と空気を混合してサーマルＮＯx生成を制御し制限する。燃焼器のこのクラスは、燃焼プロセスの音響および非定常エネルギー放出の組み合わせに通常関連する燃焼ダイナミクス（例えば、圧力振動）を制限しながら、安定した動作および許容可能なＮＯxおよびＣＯ排出を達成するための燃焼条件の管理を必要とする。このようなシステムは、多くの場合、１つまたは複数の燃焼器の各々において独立して制御される複数の燃料噴射点および／または燃料ノズルを必要とし、始動から全負荷までのガスタービン動作を可能にする。このような燃焼システムは、一般に、例えば、燃料ノズルの前後の燃料流量、燃料通路流れ面積、およびガスタービンサイクル圧力の関数である燃料インジェクタ圧力比の比較的狭い範囲にわたって良好に機能する。そのような圧力比の制限を、正しい燃料ノズル通路領域の選択と燃料ノズルへの燃料流の調節によって管理することができる。
【０００５】
燃料ガス組成を設定するための基準は、多くの場合、ウォッベ指数または修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）を用いて定義される。修正ウォッベ指数は、異なる温度で異なる燃料ガスのエネルギー含有量の比較を可能にする。ウォッベ指数は、相対燃料発熱量を相対密度で割ったものとして最も一般的に定義される。修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）は、燃料の温度を考慮しているため、さらに有益である。修正ウォッベ指数は、比重と絶対ガス温度との積の平方根に対する低位発熱量の比である。
【０００６】
供給された燃料についての特定の値からの修正ウォッベ指数の変化は、許容できないほどのレベルの燃焼ダイナミクスにつながる可能性がある。すなわち、燃焼ダイナミクスは、修正ウォッベ指数の関数であってもよいと決定されている。結果として、修正ウォッベ指数の特定の値からの高レベルの変化での動作は、ハードウェアの損傷、燃焼システムの部品寿命の低下、および発電停止の可能性をもたらす場合がある。
【０００７】
燃焼ダイナミクスを回避する際のガスタービンの性能は、燃焼に使用される燃料と燃料ノズルとの組み合わせに敏感である。ガスタービン燃焼器が、特定のノズル形状と、ベース負荷での排出物適合動作のために高いガス燃料温度を必要とする修正ウォッベ値を有するガス燃料とを伴う燃焼ダイナミクスを回避するように調整される場合、低温燃料での動作は、燃焼ダイナミクスおよび非適合排出物をもたらす可能性がある。このような問題により、ガスタービンに低温燃料で完全に負荷をかけることができなくなる。これの１つの理由は、低温燃料を使用しているとき（例えば、燃料の修正ウォッベ指数が高いため）、燃料ノズル内の燃料供給オリフィスにわたる燃料圧力比が低すぎる可能性があることである。
【０００８】
現行では、高温ガス燃料で動作するように設計された特定のガスタービンは、燃料ガス温度が特定の範囲を下回る場合、および／または修正ウォッベ指数が範囲外である場合に排出物適合燃焼モードで動作することが防止される。この制限は、ハードウェアの損傷および／またはユニットのフレームアウトをもたらす可能性がある高い燃焼ダイナミクスを防止する。典型的には、パワープラントはプラントプロセスのバランスを利用して燃料を加熱し、運転温度に達するまでにかなりの時間がかかる。燃料温度が指定された範囲を下回ったときの現行の排出物適合モードの強制ロックアウトでは、オペレータがより高い負荷に達することができず、燃料温度が上昇するのを待って低負荷レベルを保持する必要がある。このような遅延は、オペレータの時間を要し、非排出物適合モードで動作を延長し、発電収益を失う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第９０９７０８４号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本開示の第１の態様は、ガスタービン用の燃焼器を提供し、この燃焼器は、燃料ノズルと、燃料の特性に基づいて燃料ノズル内の少なくとも１つの燃料通路に燃料の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブとを含む。
【００１１】
本開示の第２の態様は、タービンシステムを提供し、このタービンシステムは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含み、燃焼器は、燃料ノズルと、燃料の特性に基づいて燃料ノズル内の少なくとも１つの燃料通路に燃料の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブとを含む。
【００１２】
本開示の第３の態様は、ガスタービンの燃焼器内の燃料の温度を制御するステップと、燃焼器の燃料ノズル内の燃料供給孔にわたる燃料圧力比を制御するために、燃料の温度に基づいて燃焼器内の熱作動バルブを選択的に作動させるステップとを含む方法を提供する。
【００１３】
本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および／または検討されていない他の問題を解決するように設計される。
【００１４】
本開示のこれらの特徴および他の特徴は、本開示のさまざまな態様の以下の詳細な説明を本開示のさまざまな実施形態を示す添付の図面と併せて検討することで、より容易に理解されよう。図面において、同様の参照符号は同様の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態による複合サイクルガス発電システムの概略図である。
【図２】実施形態によるガスタービンシステムの燃焼器セクションの断面図である。
【図３】実施形態による閉状態のオートサーマルバルブを有する図２の燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図４】実施形態による開状態のオートサーマルバルブを有する図２の燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図５】実施形態によるスワラアセンブリを示す図である。
【図６】実施形態によるスワラアセンブリを示す別の図である。
【図７】実施形態による閉状態のオートサーマルバルブを有する図２の燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図８】実施形態による開状態のオートサーマルバルブを有する図２の燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図９】実施形態による閉状態のオートサーマルバルブを有する燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図１０】実施形態による開状態の図９のオートサーマルバルブを有する燃焼器のヘッドエンド領域の部分拡大断面図である。
【図１１】実施形態による閉じた構成のオートサーマルバルブを示す図である。
【図１２】実施形態による開いた構成の図１１のオートサーマルバルブを示す図である。
【００１６】
本開示の図面は必ずしも一定の比率ではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面において、同様の符号は、図面間での同様の要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示は、一般にガスタービンに関し、より具体的には、オートサーマル燃料ノズルの流れ調整を用いて低温燃料条件のもとベース負荷でガスタービンの動作を制御することに関する。
【００１８】
図において、例えば図１に示すように、「Ａ」軸は軸方向を表す。本明細書において使用されるとき、「軸方向」および／または「軸方向に」という用語は、ターボ機械（特に、ロータセクション）の回転軸に実質的に平行な軸Ａに沿った物体の相対的な位置／方向を指す。さらに本明細書において使用されるとき、「径方向」および／または「径方向に」という用語は、軸Ａに実質的に垂直でありかつただ１つの位置において軸Ａと交差する軸（ｒ）に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。さらに、「周方向」および／または「周方向に」という用語は、軸Ａを取り囲むが、いかなる位置においても軸Ａと交差しない円周（ｃ）に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。この説明では、要素のセットは１つまたは複数の要素を含む。
【００１９】
図１を参照すると、例示的な複合サイクル発電システム２の部分の概略図が示されている。複合サイクル発電システム２は、発電機６に動作可能に接続されたガスタービンシステム４と、別の発電機１０に動作可能に結合された蒸気タービンシステム８とを含む。発電機６およびガスタービンシステム４は、シャフト１２によって機械的に結合されてもよい。また、図１に示されているように、熱交換器１４は、ガスタービンシステム４および蒸気タービンシステム８に動作可能に接続されている。熱交換器１４は、従来の導管（符号は省略）を介してガスタービンシステム４および蒸気タービンシステム８の両方に流体接続されてもよい。
【００２０】
ガスタービンシステム４は、圧縮機システム１６および燃焼器システム１８を含む。ガスタービンシステム４はまた、シャフト１２に結合されたガスタービン２０を含む。動作中、空気２２は、圧縮機システム１６の入口に入り、圧縮され、その後、燃焼器システム１８に吐出され、そこで燃料２４の供給が、燃焼されてガスタービン２０を駆動する高エネルギー燃焼ガス２６を供給する。典型的には、燃焼器システム１８は、燃焼器セクション１８の燃焼領域に燃料を噴射するための複数の燃料ノズルを含む。ガスタービン２０では、高温ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部は、回転シャフト１２を介して圧縮機システム１６を駆動するために使用され、残りは、シャフト１２を介して電気を発生させる発電機６などの負荷を駆動するための有用な仕事に利用可能である。
【００２１】
図１はまた、ガスタービン２０を出る排気ガス２８中のエネルギーが付加的な有用な仕事に変換されるその最も単純な形態の複合サイクルを示している。排気ガス２８は熱交換器１４に流入し、そこで水が蒸気３４に変換される。蒸気タービンシステム８は、高圧（ＨＰ）タービン、中間圧力（ＩＰ）タービン、および低圧（ＬＰ）タービンなどの１つまたは複数の蒸気タービン３０（１つのみ図示）を含むことができ、それぞれがシャフト３２に結合される。蒸気タービン３０は、シャフト３２に機械的に結合された複数の回転ブレード（図示せず）を含む。動作中、熱交換器１４からの蒸気３４は蒸気タービン３０の入口に入って、送られ、蒸気タービン３０のブレードに力を与えてシャフト３２を回転させる。回転シャフト３２は発電機１０に結合されて付加的な電力を発生させることができる。燃料加熱器を使用して、および／または任意の他の適切な方法で、例えば熱交換器１４で生成された熱水および／または蒸気を用いて、（例えば、ガスタービンシステム４の効率を上げるために）燃料２４を加熱することができる。ガスタービンシステム４および蒸気タービンシステム８に動作可能に結合された燃料制御システム３６は、燃料２４の温度を監視および調整する。
【００２２】
このような複合サイクル発電システム２が加熱された燃料２４のために設計されるとき、燃焼システム１８は、燃料２４が低温のときに完全に動作可能でなくてもよい。したがって、始動時に、燃料２４を加熱するために利用可能な熱が十分でない場合、蒸気タービンシステム８が十分に暖機される前に達成され得る負荷には限界がある。このため、オペレータは、複合サイクル発電システム２が暖機されているときのように、ガスタービンシステム４を始動して全負荷に素早く負荷をかけることができなくなる。
【００２３】
実施形態によれば、燃料温度に敏感な少なくとも１つの受動オートサーマルバルブが、ガスタービンシステムの燃焼器の少なくとも１つの燃料ノズル内の燃料供給オリフィスのセットに燃料を選択的に導くために設けられる。オートサーマルバルブは、温度設定点よりも低い燃料温度で閉じ、温度設定点より高い燃料温度で開くように構成される。オートサーマルバルブが閉じられると、燃料ノズル内の燃料供給オリフィスのセットに燃料が流入することが防止される。オートサーマルバルブが開いているとき、燃料は、燃料ノズル内の燃料供給オリフィスのセットに流れることができる。
【００２４】
燃焼ダイナミクスの問題により、低温燃料を使用しているとき（例えば、燃料の修正ウォッベ指数が高いため）、燃料ノズル内の燃料供給オリフィスにわたる燃料圧力比が低すぎる可能性があるため、ガスタービンシステムに低温燃料で完全に負荷をかけることができなくなる。しかしながら、実施形態によれば、オートサーマルバルブを使用する場合、低温燃料を使用するときの燃料ノズル内の燃料供給オリフィスにわたる燃料圧力比は、全燃料供給オリフィスの有効流れ面積の減少に起因してより高くなり、燃焼ダイナミクスを制御下に維持する。オートサーマルバルブが開いており、すべての燃料供給オリフィスに燃料が供給されているため、燃料がオートサーマルバルブの温度設定点を上回る温度にあるときの燃料ノズル内の燃料供給オリフィスにわたる圧力比は影響を受けない。このようなオートサーマルバルブを使用すると、冷たいまたは暖かい燃料によるベース負荷動作が可能になり、限界を超えたＭＷＩ値に起因する負荷の増加に対する制御の保持がなくなる。プラントオペレータは、燃料加熱のための保持点を持たずに、低温燃料でベース負荷に直接進むことができる。
【００２５】
図２は、実施形態によるガスタービンシステム２の燃焼器セクション１０（以下、「燃焼器１０」という）の簡略断面図を示している。
【００２６】
ガスタービンシステム２の燃焼器１０は、圧縮機吐出ケーシング４２に囲まれた燃焼器チャンバ４０を含む。一般的に説明すると、燃焼器チャンバ４０と圧縮機吐出ケーシング４２との間に位置するボリューム４４は、圧縮機セクション４から吐出される圧縮空気８の流れを受ける。圧縮空気８の流れは、エンドカバーアセンブリ４８によって閉鎖された燃焼器１０のヘッドエンド４６に向かって、ボリューム４４を通過する。
【００２７】
燃焼器チャンバ４０は、燃料と空気の混合物が点火され燃焼されて高温ガスの流れを形成する反応ゾーン５０をさらに含む。燃焼器チャンバ４０の後端にある移行ダクト５２は、高温ガスの流れを反応ゾーン５０からタービンセクション１６に導き、ここで高温ガスを使用して、例えばロータシャフト（例えば、図１のシャフト１２）を駆動し、電力を発生させることができる。エンドカバーアセンブリ４８は、燃焼のために燃料および／または予混合空気／燃料を反応ゾーン５０に噴射するように構成された複数の燃料ノズル５４に燃料を供給するための、さまざまな供給通路、マニホールド、および関連するバルブ（図２には図示せず）を含んでもよい。他の流体（例えば、空気、水、油など）もまた、エンドカバーアセンブリ４８を介して燃料ノズル５４および／または燃焼セクション１０の他の構成要素に供給されてもよい。
【００２８】
図２の燃焼器１０のヘッドエンド４６の部分拡大断面図が図３および図４に示されている。図示のように、燃料６０の供給は、エンドカバーアセンブリ４８内に／エンドカバーアセンブリ４８を介して形成された少なくとも１つの燃料通路６２を通じて燃料ノズル５４に供給される。燃料６０は、燃料通路６２から燃料通路６４の第１のセットを通って燃料ノズル５４に流れる。図３および図４に示される構成では、２つの燃料通路６４が示されているが、任意の数の燃料通路６４が利用されてもよい。以下でより詳細に説明するように、燃料６０は、受動オートサーマルバルブ６８の状態に応じて、燃料通路６６の第２のセットを通って燃料ノズル５４に選択的に流れることも可能である。実施形態によれば、オートサーマルバルブ６８は、燃料６０の温度に基づいて開閉するように構成されている。図３および図４には、２つの燃料通路６６が示されているが、任意の数の燃料通路６６を利用してもよい。また、複数のオートサーマルバルブ６８を用いてもよい。
【００２９】
図３に示すように、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点よりも低い場合には、オートサーマルバルブ６８は、燃料６０が燃料通路６６を通って燃料ノズル５４に流れ込まないようにした閉状態にある。しかしながら、燃料６０は、燃料通路６４を通って燃料ノズル５４に流入する。この場合、燃料６０は、燃料ノズル５４で使用するための燃料７０の別々の供給に分割される。
【００３０】
オートサーマルバルブ６８は、オートサーマルバルブ６８が温度設定点よりも低い燃料温度で閉じられ、温度設定点より高い燃料温度で開くように、温度設定点を含む。この範囲では、オートサーマルバルブ６８の動作は、燃料６０の温度によって制御される。
【００３１】
図４に示すように、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点を上回る場合には、オートサーマルバルブ６８は、燃料７２（すなわち、燃料６０の一部）が各燃料通路６６を通って燃料ノズル５４に流入することができる開状態にあり、燃料７０は、各燃料通路６４を通って燃料ノズル５４に流れ続ける。この範囲では、燃料６０は、燃料ノズル５４で使用するために燃料７０，７２の別々の供給に分割される。燃料７２は、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の設定点を上回る限り、燃料通路６６を介して燃料ノズル５４に流れ続ける。
【００３２】
エンドカバーアセンブリ４８のドア９６は、（例えば、オートサーマルバルブ６８の設置、修理、および／または交換のために）オートサーマルバルブ６８へのアクセスを提供する。ただ１つのオートサーマルバルブ６８が示されているが、複数のオートサーマルバルブ６８が利用されてもよい。複数のオートサーマルバルブ６８のそれぞれは、同じまたは異なる温度設定点を有してもよい。
【００３３】
燃料制御システム３６（図１）は、ガスタービンシステム４の動作中に燃料ノズル５４に供給される燃料６０の温度を監視し調整する。したがって、燃料制御システム３６は、燃料６０の温度をオートサーマルバルブ６８の温度設定点より高く上昇させることによってオートサーマルバルブ６８を「オン」にすることができ、燃料６０の温度をオートサーマルバルブ６８の温度設定点より低く低下させることによって、オートサーマルバルブ６８を「オフ」にすることができる。例えば、燃料制御システム３６は、ガスタービンシステム４の異なる負荷および／または負荷解除動作段階で燃料ノズル５４に所定の予混合燃料（例えば、ＰＭ２、ＰＭ３）を供給するときにオートサーマルバルブ６８を選択的に制御することができる。燃料ノズル５４内のスワラアセンブリ８０のベーン内の燃料供給孔に燃料を選択的に供給するためのオートサーマルバルブ６８の使用例を図７および図８に示す。
【００３４】
当技術分野で知られているように、スワラアセンブリと呼ばれることが多い燃料噴射を伴うスワラアセンブリは、多くの場合、ガスタービンシステム４で使用される燃料ノズル５４の少なくともいくつかに含まれて、反応ゾーン５０の上流で空気と燃料を予混合することができる。スワラアセンブリ８０の一実施形態を図５および図６に示す。
【００３５】
スワラアセンブリ８０は、燃料ノズル５４の予混合器を通過する燃焼空気に旋回を与える一連の翼形部形状のターニングベーン８６によって接続されたハブ８２およびシュラウド８４を含む。各ターニングベーン８６は、ベーン８６のコアを通る一次燃料供給通路８８および二次燃料供給通路９０を含み、一次燃料供給通路８８は二次燃料供給通路９０から（例えば軸方向に）オフセットされている。一次燃料供給通路８８および二次燃料供給通路９０は、燃料を各ベーン８６の壁を貫通する一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４にそれぞれ分配する。一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４を、ベーン８６の正圧側、負圧側、または両側に配置することができる。燃料はスワラアセンブリ８０内の燃焼空気と混合を開始し、燃料／空気の混合は環状通路（図示せず）内で完了する。環状通路を出た後、燃料／空気混合物は燃焼器１０の反応ゾーン５０に入り、そこで燃焼が行われる。
【００３６】
図７および図８では、オートサーマルバルブ６８を使用して、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４に燃料７０を選択的に供給する。例えば、図７では、オートサーマルバルブ６８が閉状態にあり（すなわち、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点より低い）、燃料通路６４を介して燃料ノズル５４に燃料７０が供給される。燃料７０の少なくとも一部は、燃料ノズル５４の本体を通って、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２に導かれる。しかしながら、オートサーマルバルブ６８が閉状態にあるので、燃料７２の供給は燃料通路６６を通ってスワラアセンブリ８０に流れない。
【００３７】
図８において、オートサーマルバルブ６８は開状態にある（すなわち、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点を上回っている）。オートサーマルバルブ６８が開状態にあると、燃料７０は燃料通路６４を通って燃料ノズル５４に入り、燃料７２は燃料通路６６を通って燃料ノズル５４に入る。燃料７２は、燃料ノズル５４の本体を通って、スワラアセンブリ８０のベーン８６の二次燃料供給孔９４に導かれる。さらに、燃料７０は、燃料ノズル５４の本体を通って、スワラアセンブリ８０のベーン８６の一次燃料供給孔９２に引き続き導かれる。
【００３８】
オートサーマルバルブ６８による燃料７２の供給の温度に基づく調節は、スワラアセンブリ８０のベーン８６にわたる燃料空気濃度分布プロファイルを受動的に制御することを可能にする。さらに、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４にわたる燃料圧力比に対する受動的な制御を提供する。換言すると、オートサーマルバルブ６８を使用する場合、低温燃料（例えば、オートサーマルバルブ６８の温度設定点を下回る燃料温度）を使用するときのスワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４にわたる燃料圧力比は、（燃料７２が二次燃料供給孔９４に供給されないので）燃料ノズルの有効な流れ面積がより小さくなり、燃焼ダイナミクスが制御され続けるため、より高くなる。オートサーマルバルブ６８が開いており、すべての燃料供給孔９２，９４に燃料が供給されているので、燃料６０がオートサーマルバルブ６８の温度設定点を上回る温度にあるときのスワラアセンブリ８０のベーン８６における一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４にわたる圧力比は元の設計値から変更されない。このようなオートサーマルバルブ６８を使用すると、冷たいまたは暖かい燃料によるベース負荷動作が可能になり、限界を超えたＭＷＩ値に起因する負荷の増加に対する制御の保持がなくなる。したがって、プラントオペレータは、燃料加熱のための保持点を持たずに、低温燃料でベース負荷に直接進むことができる。
【００３９】
燃料ノズル５４内のスワラアセンブリ８０のベーン８６における一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４に燃料を選択的に供給するためのオートサーマルバルブ６８の使用の別の例を図９および図１０に示す。この実施形態では、オートサーマルバルブ６８は、エンドカバーアセンブリ４８ではなく、燃料ノズル５４の本体内に配置される。図７および図８に示す実施形態と比較して、この実施形態では、エンドカバーアセンブリ４８に／エンドカバーアセンブリ４８を介して必要とされる燃料通路／接続部の数が少ない。実際には、燃料ノズル５４または燃焼器１０の他の構成要素内の１つまたは複数の位置に燃料または他の流体を選択的に供給するために、任意の数のオートサーマルバルブ６８を使用することができる。
【００４０】
図９および図１０では、オートサーマルバルブ６８を使用して、燃料１７０，１７２をスワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２および二次燃料供給孔９４に選択的に供給する。例えば、図９では、オートサーマルバルブ６８は閉状態にあり（すなわち、燃料通路１６２を通じて供給される燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点より低い）、図１０では、オートサーマルバルブ６８が開状態にある（すなわち、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定値を上回っている）。
【００４１】
図９において、燃料６０は、燃料通路１６２を通じて燃料ノズル５４に供給される。燃料６０は、燃料通路１６２から燃料通路１６４のセットを通って燃料ノズル５４に流れる。燃料６０の第１の部分１７０は、燃料ノズル５４の本体を通って、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２に導かれる。しかしながら、燃料６０の第２の部分１７２は、オートサーマルバルブ６８が閉状態にあるので、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の二次燃料供給孔９４に流れない。
【００４２】
図１０において、オートサーマルバルブ６８は開状態にある（すなわち、燃料６０の温度がオートサーマルバルブ６８の温度設定点を上回っている）。開状態では、燃料６０の第１の部分１７０は、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の一次燃料供給孔９２に導かれ、燃料６０の第２の部分１７２は、スワラアセンブリ８０のベーン８６内の二次燃料供給孔９４に導かれる。
【００４３】
オートサーマルバルブ６８は、燃料６０の温度に敏感であり、受動的に作動される。換言すると、制御接続およびセンサ信号は必要とされない。例えば、オートサーマルバルブ６８を、可動ピストンに結合された感温流体の膨張によって受動的に作動させることができる。
【００４４】
実施形態によるオートサーマルバルブ６８を、図１１および図１２に示す。他の適切なタイプのオートサーマルバルブ６８を使用することもできる。図示のように、オートサーマルバルブ６８は、１つまたは複数の燃料入口ポート１０４および燃料出口ポート１０６を含むバルブセクション１０２を含む。オートサーマルバルブ６８は、熱膨張性材料１１２を含むベローズまたは他の膨張性要素１１０を囲むハウジング１０８をさらに含む。膨張性要素１１０は、ロッド１１４に結合されている。バルブディスク１１６が、ロッド１１４の遠位端に結合されている。熱膨張性材料１１２は、例えば、シリコン熱伝達流体、熱性の塩もしくは油、または本明細書に記載の機能性を提供することができる任意の他の適切な熱膨張性材料を含むことができる。
【００４５】
オートサーマルバルブ６８は、図１１に閉じた構成で示されている（例えば、燃料６０の温度はオートサーマルバルブ６８の温度設定点より低い）。閉じた構成では、バルブディスク１１６の表面１１８は、燃料出口ポート１０６に隣接して形成された相補的な（例えば、円錐形の）バルブ座１２０に密封係合する。一般に、バルブディスク１１６およびバルブ座１２０は、流体出口ポート１０６を通る燃料６０の流れを防止するためにシールを形成することができる任意の適切な構成を有することができる。閉じた構成では、燃料６０の流れは、１つまたは複数の燃料入口ポート１０４から燃料出口ポート１０６を通って下流位置に流れることが防止される。
【００４６】
ここで図１２を参照すると、オートサーマルバルブ６８の温度設定点を上回る燃料６０の温度の上昇は、膨張性要素１１０内の熱膨張性材料１１２を加熱し膨張させる。ハウジング１０８内の膨張性要素１１０の拡大（例えば、矢印１２２によって示されるような）は、ロッド１１４およびバルブディスク１１６をバルブ座１２０および燃料出口ポート１０６から離れるように強制する。バルブディスク１１６の表面１１８がバルブ座１２０に対してシールをそれ以上形成しなくなると、燃料６０は燃料入口ポート１０４からガス流出口ポート１０６を通って（点線の矢印で示すように）、下流の位置に流れることができる。
【００４７】
オートサーマルバルブ６８は、閉じた状態または完全に開いた状態のバイナリバルブとして構成されてもよい。あるいは、オートサーマルバルブ６８は、ある範囲の燃料温度にわたって開くように構成されてもよい。この場合、オートサーマルバルブ６８は、第１の温度で開き始め、第２のより高い温度で完全に開いてもよい。
【００４８】
異なる熱膨張係数を提供するために、さまざまな熱膨張性材料１１２を異なるオートサーマルバルブ６８に使用することができる。これは、例えば、異なるオートサーマルバルブ６８に対する異なる開閉温度設定点を提供する。さらに、一般に、任意の数のオートサーマルバルブ６８を使用することができる。加えて、オートサーマルバルブ６８は、図の特定の位置に配置されているように示されているが、これらの位置は説明の目的のみのためであり、他の適切な位置がガスタービンシステムで利用可能であってもよい。
【００４９】
他の実施形態では、１つまたは複数のオートサーマルバルブ６８の代わりに、またはそれに加えて、感圧バルブを使用することができる。この場合、燃料温度が燃料ノズルを横切る圧力降下を十分に高いレベルに押し上げるのに十分に高いとき、感圧バルブが開く。勿論、１つまたは複数のオートサーマルバルブ６８の代わりに、またはそれに加えて、能動的に制御されるバルブを使用することもできる。
【００５０】
スワラアセンブリ８０と関連して上述したが、本明細書に記載されたオートサーマル燃料ノズルの流れ調整は、他のタイプの燃料ノズルおよび燃料噴射システムへの燃料の流れを選択的に制御するため、および／またはその圧力比を制御するために使用されてもよい。例えば、スワラアセンブリから分離された燃料噴射「ペグ」のセットを含む燃焼システムは、燃料圧力比に対して非常に敏感であり得る。さらに、スワラアセンブリを含む燃料ノズルを含まない燃焼システムもまた、オートサーマル燃料ノズルの流れ調整の恩恵を受けることができる。
【００５１】
さまざまな実施形態において、互いに「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」として説明される構成要素を、１つまたは複数のインタフェースに沿って接合することができる。いくつかの実施形態では、これらのインタフェースは、別個の構成要素間の接合部を含むことができ、他の場合には、これらのインタフェースは、強固なおよび／または一体的に形成された相互接続を含むことができる。すなわち、場合によっては、互いに「結合された」構成要素は、単一の連続した部材を画成するように同時に形成されることができる。しかしながら、他の実施形態において、これらの結合した構成要素は、別々の部材として形成された後に公知のプロセス（例えば、締め付け、超音波溶接、接着）によって接合されてもよい。
【００５２】
ある要素または層が別の要素に対して「上に」、「係合される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素に対して直接的に上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素が存在してもよい。一方で、別の要素に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係を説明するために使用される他の用語も、同様な方法で解釈されなければならない（例えば、「・・・の間に」に対する「・・・の間に直接的に」、「・・・に隣接」に対する「・・・に直接的に隣接」、など）。本明細書において、用語「および／または」は、関連する列挙された項目のいずれかおよび１つもしくは複数のすべての組み合わせを含む。
【００５３】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本開示を限定することを意図とするものではない。本明細書で用いられるように、文脈で別途明確に指示しない限り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は複数形も含むものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成部品の存在を示すが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および／またはこれらのグループの存在もしくは追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。
【００５４】
この明細書は、最良の形態を含んだ本発明の開示のために、また、任意の装置またはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含んだ本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
［実施態様１］
燃料ノズル（５４）と、
燃料の特性に基づいて前記燃料ノズル（５４）内の少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）に燃料（６０）の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブ（６８）と
を備える、ガスタービン用の燃焼器（１０）。
［実施態様２］
前記受動的に作動するバルブ（６８）の位置が、
前記燃焼器（１０）のエンドカバーアセンブリ（４８）内の位置であって、前記エンドカバーアセンブリ（４８）は前記燃料ノズル（５４）に結合されている、位置、および
前記燃料ノズル（５４）の本体内の位置
のいずれかである、実施態様１に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様３］
前記受動的に作動するバルブ（６８）が熱作動バルブ（６８）を含み、前記燃料（６０）の前記特性は前記燃料（６０）の温度を含む、実施態様１に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様４］
前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が温度設定点よりも低いときは第１の状態にあり、前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点より高いときは第２の状態にある、実施態様３に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様５］
前記第１の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が閉じられ、前記第２の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が開かれている、実施態様４に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様６］
前記少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）が、
前記燃料（６０）の少なくとも一部が通過する燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットと、
前記熱作動バルブ（６８）が前記燃料（６０）の少なくとも一部を選択的に導く燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットと
を含む、実施態様４に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様７］
前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットおよび第２のセットが、スワラアセンブリ（８０）に流体的に結合されている、実施態様６に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様８］
前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットが、前記スワラアセンブリ（８０）のベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットに流体的に結合され、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットが、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに流体的に結合されている、実施態様７に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様９］
前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点よりも低いときに、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットを通って前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに燃料（６０）が流れることを防止するように構成されている、実施態様８に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様１０］
前記熱作動バルブ（６８）が、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットおよび第２のセットにわたる燃料圧力比を制御するように構成されている、実施態様８に記載の燃焼器（１０）。
［実施態様１１］
圧縮機（１６）と、
燃焼器（１０）と、
タービン（２０）と
を備えたタービンシステム（４）であって、
前記燃焼器（１０）は、
燃料ノズル（５４）と、
燃料（６０）の特性に基づいて前記燃料ノズル（５４）内の少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）に燃料（６０）の供給を選択的に導くために受動的に作動するバルブ（６８）と
を備える、タービンシステム（４）。
［実施態様１２］
前記受動的に作動するバルブ（６８）の位置が、
前記燃焼器（１０）のエンドカバーアセンブリ（４８）内の位置であって、前記エンドカバーアセンブリ（４８）は前記燃料ノズル（５４）に結合されている、位置、および
前記燃料ノズル（５４）の本体内の位置
のいずれかである、実施態様１１に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１３］
前記受動的に作動するバルブ（６８）が、熱作動バルブ（６８）を備え、前記燃料の前記特性が、前記燃料（６０）の温度を含み、前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料の温度が温度設定点よりも低いときは第１の状態にあり、前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点より高いときは第２の状態にある、実施態様１１に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１４］
前記第１の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が閉じられ、前記第２の状態において、前記熱作動バルブ（６８）が開かれている、実施態様１３に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１５］
前記少なくとも１つの燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）が、
前記燃料（６０）の少なくとも一部が通過する燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットと、
前記熱作動バルブ（６８）が前記燃料（６０）の少なくとも一部を選択的に導く燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットと
を含む、実施態様１３に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１６］
前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットおよび第２のセットが、スワラアセンブリ（８０）に流体的に結合され、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第１のセットは、前記スワラアセンブリ（８０）のベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットに流体的に結合され、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットは、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに流体的に結合されている、実施態様１５に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１７］
前記熱作動バルブ（６８）が、前記燃料（６０）の温度が前記温度設定点よりも低いときに、前記燃料通路（６２、６４、６６、１６２、１６４）の第２のセットを通って前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第２のセットに燃料（６０）が流れることを防止するように構成されている、実施態様１６に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１８］
前記熱作動バルブ（６８）が、前記スワラアセンブリ（８０）の前記ベーン（８６）内の前記燃料供給孔（９２、９４）の第１のセットおよび第２のセットにわたる燃料圧力比を制御するように構成されている、実施態様１６に記載のタービンシステム（４）。
［実施態様１９］
ガスタービンの燃焼器（１０）内の燃料（６０）の温度を制御するステップと、
前記燃焼器（１０）の燃料ノズル（５４）内の燃料供給孔（９２、９４）にわたる燃料圧力比を制御するために、前記燃料（６０）の温度に基づいて前記燃焼器（１０）内の熱作動バルブ（６８）を選択的に作動させるステップと
を含む方法。
【符号の説明】
【００５５】
２  複合サイクル発電システム
４  ガスタービンシステム
６  発電機
８  蒸気タービンシステム、圧縮空気
１０  発電機、燃焼セクション、燃焼器セクション
１２  回転シャフト
１４  熱交換器
１６  圧縮機システム、タービンセクション
１８  燃焼器システム
２０  ガスタービン
２２  空気
２４  燃料
２６  高エネルギー燃焼ガス
２８  排気ガス
３０  蒸気タービン
３２  回転シャフト
３４  蒸気
３６  燃料制御システム
４０  燃焼器チャンバ
４２  圧縮機吐出ケーシング
４４  ボリューム
４６  ヘッドエンド
４８  エンドカバーアセンブリ
５０  反応ゾーン
５２  移行ダクト
５４  燃料ノズル
６０  燃料
６２  燃料通路
６４  燃料通路
６６  燃料通路
６８  オートサーマルバルブ
７０  燃料
７２  燃料
８０  スワラアセンブリ
８２  ハブ
８４  シュラウド
８６  ターニングベーン
８８  一次燃料供給通路
９０  二次燃料供給通路
９２  一次燃料供給孔
９４  二次燃料供給孔
９６  ドア
１０２  バルブセクション
１０４  燃料入口ポート
１０６  燃料出口ポート
１０８  ハウジング
１１０  膨張性要素
１１２  膨張性材料
１１４  ロッド
１１６  バルブディスク
１１８  表面
１２０  バルブ座
１２２  矢印
１６２  燃料通路
１６４  燃料通路
１７０  （燃料６０の）第１の部分
１７２  （燃料６０の）第２の部分
【図１】
2018112388.tif 000003
【図２】
2018112388.tif 000004
【図３】
2018112388.tif 000005
【図４】
2018112388.tif 000006
【図５】
2018112388.tif 000007
【図６】
2018112388.tif 000008
【図７】
2018112388.tif 000009
【図８】
2018112388.tif 000010
【図９】
2018112388.tif 000011
【図１０】
2018112388.tif 000012
【図１１】
2018112388.tif 000013
【図１２】
2018112388.tif 000014
【外国語明細書】
2018112388000001.pdf