(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの燃焼アセンブリにおける燃焼ダイナミクスを低減する燃料供給システムを提供すること。【解決手段】燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、主燃料配管経路に流体結合された副燃料配管経路とを含む。副燃料配管経路は、主燃料配管経路からの燃料の一部分を、副燃料配管経路の第１の部分を通して分流させ、副燃料配管経路の第２の部分を通して主燃料配管経路に戻すように構成されている。主燃料配管経路に隣接して遮断位置に配置された遮断メカニズムが、主燃料配管経路の中へ周期的に移動して、主燃料配管経路の断面積を周期的に変えるように構成されており、燃焼システムに入る燃料流れの圧力を効果的に振動させる。【選択図】図１
2015212614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
前記主燃料配管経路に流体結合された副燃料配管経路であって、前記主燃料配管経路からの前記燃料の一部分を、副燃料配管経路の第１の部分を通して分流させ、副燃料配管経路の第２の部分を通して前記主燃料配管経路に戻すように構成された副燃料配管経路と、
前記主燃料配管経路に隣接して遮断位置に配置された遮断メカニズムであって、前記主燃料配管経路の中へ周期的に移動して、前記主燃料配管経路の断面積を周期的に変えるように構成された遮断メカニズムとを備える燃料供給システム。
【請求項２】
前記遮断メカニズムが、
前記副燃料配管経路の流体チャンバ内に配設されたピストンと、
前記ピストンに対して動作可能に結合され、前記ピストンの第１の位置と第２の位置の間の移動に応答して前記主燃料配管経路の中へ周期的に移動するように構成された遮断部材とを備える請求項１記載の燃料供給システム。
【請求項３】
前記ピストンの前記第１の位置から前記第２の位置への移動が、前記流体チャンバの入口における前記燃料の流体圧に応答して起こる請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項４】
前記遮断メカニズムが、前記流体チャンバ内に配設されたばねをさらに備え、前記ばねが、前記ピストンに、前記流体チャンバ内の前記第１の位置の方へバイアスをかけるように構成されている請求項３記載の燃料供給システム。
【請求項５】
前記流体チャンバから前記副燃料配管経路の前記第２の部分へ前記燃料を送るように構成された前記流体チャンバの出口であって、前記ピストンが前記第１の位置にあるとき前記ピストンによって遮断される出口をさらに備える請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項６】
前記流体チャンバから前記副燃料配管経路の前記第２の部分へ前記燃料を送るように構成された前記流体チャンバの出口であって、前記ピストンが前記第２の位置にあるとき遮断されない出口をさらに備える請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項７】
前記流体チャンバに動作可能に結合され、前記ピストンの前記第１の位置および移動距離を選択的に操作するように構成されている調整ねじをさらに備える請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項８】
前記副燃料配管経路内に少なくとも１つの弁をさらに備える請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの弁がニードル弁を備える請求項８記載の燃料供給システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの弁が、前記副燃料配管経路の前記第１の部分内に配置された第１の弁と、前記副燃料配管経路の前記第２の部分内に配置された第２の弁とを備える請求項８記載の燃料供給システム。
【請求項１１】
前記遮断メカニズムが遮断部材および電磁石を備え、前記遮断部材が、前記電磁石の通電状態に応答して前記主燃料配管経路の中へ周期的に移動するように構成されている請求項１記載の燃料供給システム。
【請求項１２】
燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
入口と出口がある流体チャンバを有し、前記主燃料配管経路に流体結合された副燃料配管経路と、
前記流体チャンバ内に配設され、第１の位置と第２の位置の間を周期的に移動することができるピストンと、
前記流体チャンバと前記主燃料配管経路の間に延在するオリフィス内に配設された遮断部材であって、前記ピストンに対して動作可能に結合され、前記ピストンの前記移動に応答して前記主燃料配管経路の中へ移動することができる遮断部材において、前記主燃料配管経路が、前記ピストンが前記第１の位置にあるとき第１の断面積を有し、前記ピストンが前記第２の位置にあるとき、前記第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有する遮断部材と、
前記主燃料配管経路からの燃料を前記流体チャンバの前記入口へ送る、前記副燃料配管経路の第１の部分と、
前記流体チャンバの前記出口からの燃料を、前記第１の部分から下流の位置で前記主燃料配管経路へ送る前記副燃料配管経路の第２の部分とを備える燃料供給システム。
【請求項１３】
前記ピストンの前記第１の位置から前記第２の位置への移動が、前記流体チャンバの前記入口における前記燃料の流体圧に応答して起こる請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１４】
前記ピストンに、前記流体チャンバ内の前記第１の位置の方へバイアスをかけるように構成されたばねをさらに備える請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１５】
流体チャンバの断面積が開口の断面積よりも大きい請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１６】
前記ピストンが前記第１の位置にあるとき、前記流体チャンバの前記出口が前記ピストンによって遮断される請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１７】
前記ピストンが前記第２の位置にあるとき、前記流体チャンバの前記出口が遮断されない請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１８】
前記副燃料配管経路内に少なくとも１つの弁をさらに備える請求項１２記載の燃料供給システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの弁が、前記副燃料配管経路の前記第１の部分内に配置された第１の弁と、前記副燃料配管経路の前記第２の部分内に配置された第２の弁とを備える請求項１８記載の燃料供給システム。
【請求項２０】
圧縮機と、
少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼アセンブリと、
タービン部分と、
前記燃焼アセンブリに燃料を送るように構成された燃料供給システムであって、
燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路と、
前記主燃料配管経路に流体結合された副燃料配管経路であって、前記主燃料配管経路からの前記燃料の一部分を、副燃料配管経路の第１の部分を通して分流させ、副燃料配管経路の第２の部分を通して前記主燃料配管経路に戻すように構成された副燃料配管経路と、
前記主燃料配管経路に隣接して遮断位置に配置された遮断メカニズムであって、前記主燃料配管経路の中に周期的へ移動して、前記主燃料配管経路の断面積を周期的に変えるように構成された遮断メカニズムとを備える燃料供給システムとを備えるガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は燃料供給システムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃焼アセンブリへ燃料を送るように構成された燃料供給システムに関るものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、エネルギーが抽出されるタービン段を通って下流に流れる高温の燃焼ガスを生成するために、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器の中で燃料と混合される。大型の産業用電力生成ガスタービンエンジンが一般的に含んでいる複数の燃焼器缶では、燃焼ガスが別々に生成されて総体として放出される。
【０００３】
缶燃焼器エンジンの効果的な動作には、燃焼ダイナミクス（すなわち動作の動的不安定性）が特別に重要である。大きいダイナミクスは、大抵の場合、排気ガスの温度（すなわち放熱）および燃焼器缶内の振動する圧力レベルなど、状態の変動に起因するものである。そのような大きいダイナミクスにより、エンジンのハードウェア寿命および／またはシステム操作性が制限される可能性があり、機械的疲労および熱疲労のような問題が生じる。燃焼器ハードウェアの被害は、たとえば燃料ノズル、ライナ、トランジションピース、トランジションピース面、ラジアルシール、およびインピンジメントスリーブに関する機械的問題の形で起こる可能性がある。
【０００４】
システム性能の劣化を防止するための努力において、燃焼ダイナミクスを制御するために様々な試みがなされている。そのような努力には、たとえば、圧力と放熱振動を切り離す（たとえば火炎の形状および位置などを変更することにより、内燃エンジン内の熱発生を制御する）ことによってダイナミクスを低減すること、または圧力と放熱を「離調」することが含まれる。共振器は、そのようなダイナミクスの低減を達成するために採用される構成要素の１つである。しかしながら、燃焼の周波数とタービンの周波数が一致するのは避けるべきであるため、電力出力要求の高まりにより、燃焼操作性の領域が狭められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３１３５６８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路を含む。これも燃料供給システムに含まれている副燃料配管経路は、主燃料配管経路に流体結合されており、主燃料配管経路からの燃料の一部分を、副燃料配管経路の第１の部分を通して分流させ、副燃料配管経路の第２の部分を通して主燃料配管経路に戻すように構成されている。主燃料配管経路に隣接して、遮断位置に、遮断メカニズムがさらに配置されており、周期的に主燃料配管経路の中に移動して、主燃料配管経路の断面積を周期的に変えるように構成されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路を含む。主燃料配管経路には、入口と出口がある流体チャンバを有する副燃料配管経路も流体結合されている。流体チャンバ内にはピストンがさらに配設されており、第１の位置と第２の位置の間を周期的に移動することができる。流体チャンバと主燃料配管経路の間に延在するオリフィス内には、遮断部材がさらに配設されており、この遮断部材は、ピストンに対して動作可能に結合され、ピストンの移動に応答して主燃料配管経路の中へ移動することができ、主燃料配管経路は、ピストンが第１の位置にあるとき第１の断面積を有し、ピストンが第２の位置にあるとき、第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有する。副燃料配管経路の第１の部分も含まれており、主燃料配管経路からの燃料を流体チャンバの入口へ送る。副燃料配管経路の第２の部分がさらに含まれており、流体チャンバの出口からの燃料を、第１の部分から下流の位置で主燃料配管経路へ送る。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンシステムは、圧縮機、少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼アセンブリ、およびタービン部分を含む。燃焼アセンブリに燃料を送るように構成された燃料供給システムも含まれる。燃料供給システムは、燃焼入口領域に燃料を送るように構成された主燃料配管経路を含む。燃料供給システムには、主燃料配管経路に流体結合された副燃料配管経路も含まれ、主燃料配管経路からの燃料の一部分を、副燃料配管経路の第１の部分を通して分流させ、副燃料配管経路の第２の部分を通して主燃料配管経路に戻すように構成されている。燃料供給システムには、主燃料配管経路に隣接して、遮断位置に、遮断メカニズムがさらに配置されており、周期的に主燃料配管経路の中に移動して、主燃料配管経路の断面積を周期的に変えるように構成されている。
【０００９】
これらおよび他の利点および特徴は、以下の説明を図面とともに解釈することから、より明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びで特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に請求される。本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面とともに解釈することから明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】ガスタービンエンジンに燃料を配送するための燃料供給システムの第１の状態における概略図である。
【図３】燃料供給システムの第２の状態における概略図である。
【図４】燃料供給システムの燃料質量流量の振動の複数の期間を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明を実施するための形態は、本発明の実施形態を、図面を参照しながら利点および特徴とともに一例として説明するものである。
【００１３】
図１を参照すると、本発明の例示的実施形態によって構築されたガスタービンエンジン１０が概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、シャフト１８および燃料供給システム２０を含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態が、複数の圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、および／またはシャフト１８を含み得ることを理解されたい。圧縮機部分１２とタービン部分１６は、シャフト１８によって結合されている。シャフト１８は、単一のシャフトまたはシャフト１８を形成するために互いに結合された複数のシャフト部分でよい。
【００１４】
動作において、圧縮機部分１２に空気が流れ込み、圧縮されて高圧ガスになる。高圧ガスは、燃焼アセンブリ１４に供給され、たとえばプロセスガスおよび／または合成ガスといった燃料２２と混合される。あるいは、燃焼アセンブリ１４は、それだけではないが、天然ガスおよび／または重油を含んでいる燃料を燃焼させることができる。燃料／空気または燃焼性の混合物が点火されて、高圧高温の燃焼ガス流れを形成する。その後、燃焼アセンブリ１４が燃焼ガス流れをタービン部分１６に導き、タービン部分１６が熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。
【００１５】
次に図２および図３を参照すると、燃焼アセンブリ１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム２０が、より詳細に示されている。燃料マニホールドなどの燃料源２４は、供給源（図示せず）からの燃料２２を主燃料配管経路２６に導く。主燃料配管経路２６は、燃料源２４と燃焼アセンブリ１４の間に延在している。具体的には、主燃料配管経路２６は、燃料２２を燃焼アセンブリ１４の燃焼入口領域２７へ流すためのプレナムおよび／または燃料噴射ノズルなどの経路をもたらす。主燃料配管経路２６は、少なくとも１つの、一般的には複数のパイプ部分で形成され、パイプ部分は、溶接などのやり方で互いに動作可能に結合される。
【００１６】
燃料２２の第２の送り経路である副燃料配管経路３２が図示されている。前述の主燃料配管経路２６と同様に、副燃料配管経路３２は、少なくとも１つの、一般的には複数のパイプ部分で形成され、パイプ部分は、溶接などのやり方で互いに動作可能に結合される。副燃料配管経路３２に含まれる第１の部分３４は、副燃料配管経路３２の主入口３５から流体チャンバ３６まで延在し、それによって、主燃料配管経路２６の副燃料配管経路３２を直接分岐する。さらに別の実施形態では、第１の部分は、燃料源２４に対して直接流体結合された構成で配置されている。主入口３５は、その正確な位置とは無関係に、燃料マニホールドから供給される燃料２２の一部分を受け取るように構成されており、それによって、そうしなければ主燃料配管経路２６を通って連続的に流れるはずの燃料２２の一部分が、副燃料配管経路３２へと方向を変えられる。第１の部分３４は、燃料２２を流体チャンバ３６の入口３７へ送る。
【００１７】
これも副燃料配管経路３２に含まれる第２の部分３８が、流体チャンバ３６の出口３９から副燃料配管経路３２の主出口４０まで延在し、それによって、燃料２２を主燃料配管経路２６に戻すための経路をもたらす。副燃料配管経路３２の主出口４０は、燃焼入口領域２７に対して直接流体結合され、燃料２２を主燃料配管経路２６とは別の位置へ戻すように企図されている。主出口４０は、その正確な位置とは無関係に、燃料源２４から供給される燃料２２の一部分を戻すように構成されている。
【００１８】
流体チャンバ３６は、副燃料配管経路３２を通る燃料２２を蓄積するように構成されている。流体チャンバ３６の入口３７を通って流体チャンバ３６に入る燃料２２の圧力が、流体チャンバ３６内に少なくとも部分的に配設されている遮断メカニズム５０と相互に作用してこれを操作するように構成されている。遮断メカニズム５０に含まれるピストン５２は、流体チャンバ３６内にあって第１の位置（図２）と第２の位置（図３）の間で移動するように構成されている。一実施形態では、ピストン５２は円形の断面を有し、流体チャンバ３６は、ピストン５２に適合するように寸法設定されたシリンダを備える。ピストン５２は、遮断部材５４に対して、たとえばロッド５６などで動作可能に結合されている。遮断部材５４は、主燃料配管経路２６に隣接するオリフィス５８の中に少なくとも部分的に延在し、主燃料配管経路２６内の様々な半径方向位置へ移動することが可能になる。具体的には、ピストン５２が第１の位置から第２の位置へ移動するとき、遮断部材５４が主燃料配管経路２６の中へさらに移動し、それによって主燃料配管経路２６の断面積を低減する。遮断部材５４は、ピストン５２が第１の位置にあるとき、主燃料配管経路２６から完全に引き出されるか、または主燃料配管経路２６の中へわずかに突出してもよいように企図されている。
【００１９】
遮断部材５４は、任意の幾何学的構成の構造体を総称的に表し、動作条件に対して適切な任意の材料で形成される。遮断部材５４は、正確な構成とは無関係に、主燃料配管経路２６の中へさらに移動したとき、遮断位置において燃料流れのための断面積を低減することを理解されたい。
【００２０】
動作において、流体チャンバ３６の入口３７における圧力が増加するにつれて、ピストン５２が第１の位置から離れて第２の位置の方へ押し付けられ、それによって、遮断部材５４が主燃料配管経路２６の中へさらに移動する。流体チャンバ３６の断面積は、遮断部材５４が配設されているオリフィス５８の断面積よりも大きく、それによって、流体チャンバ３６の入口３７に最も近いピストン５２の面の力がより大きくなることが保証される。流体チャンバ３６内にばね６０も含まれており、ピストン５２と相互に作用するように構成されている。具体的には、ピストン５２が第１の位置から第２の位置へ動くとき、ばね６０が圧縮され、それによって、液圧の力がピストン５２を動かす力に対抗する。示されるように、ばね力は、ピストン５２を動かす液圧の力に対して打ち勝つかまたは完全に抵抗するのに十分ではない。
【００２１】
図３の第２の位置に示されるように、流体チャンバ３６の出口３９は、もはやピストン５２によって遮断されず、それによって、流体チャンバ３６から副燃料配管経路３２の第２の部分３８への燃料流れが可能になる。この燃料流れが生じるとき、流体チャンバ３６内に押し込められた流体が出て行くので、流体チャンバ３６の入口の圧力が急速に低下する。流体チャンバ３６の入口３７の圧力が低下するとピストン５２に対する力が減少し、それによって、ばね６０によってピストン５２に与えられたばね力が、液圧の力に打ち勝って、ピストン５２を図２に示された第１の位置まで戻すことができる。ある期間にわたって、このプロセスが繰り返され、ピストン５２の、したがって遮断部材５４の、周期的な移動が達成される。
【００２２】
別の実施形態には電磁石が含まれており、副燃料配管経路３２内の位置において、プログラムされた時間または燃料２２の流体圧に応答して通電状態と非通電状態の間を繰り返すように構成されている。これは、前述の実施形態に関連して、前述のように周期的に行なわれる。電磁石の周期動作は、時間応答の振動周波数または燃料配管経路３２内の燃料２２の流体圧の検出に完全に基づくものでよいことを理解されたい。
【００２３】
遮断メカニズム５０の振動の速度を制御するために、様々な調整用の構成要素が含まれている。具体的には、副燃料配管経路３２内にはニードル弁などの少なくとも１つの弁６２が配置されている。一実施形態では、少なくとも１つの弁６２は第１の弁６４および第２の弁６８を備え、第１の弁６４は副燃料配管経路３２の第１の部分３４内に配置されており、第２の弁６８は副燃料配管経路３２の第２の部分３８内に配置されている。理解され得るように、各部分の内部には、より多くの弁があってよい。加えて、調整ねじ７０などが、流体チャンバ３６に対して動作可能に結合されている。調整ねじ７０は、ピストン５２の第１の位置の様々な位置を確定するように移動可能である。さらに、いくつかの実施形態では調整ねじ７０とばね６０が対抗できるので、遮断メカニズム５０の望ましい振動特性を達成するように、ばね６０のばね係数とピストン５２の断面積が加減され得る。
【００２４】
副燃料配管経路３２は、遮断部材５４が第１の位置と第２の位置の間で振動することにより、主燃料配管経路２６の内部に、したがって燃焼アセンブリ１４の内部に、質量流量変動または振動を与え、燃焼アセンブリ１４の流れ圧力を有利に振動させる。そのようなアセンブリでは、そうでなければ必要となる位相整合回避技法の必要性が軽減され、または回避される。
【００２５】
図４を参照すると、流体チャンバ３６の入口３７の圧力の例示的プロファイルおよび副燃料配管経路３２内の流れが示されている。示されるように、圧力および質量流量は、時間の関数として周期的に振動する。
【００２６】
有利には、質量流量の振動が、周波数および／または位相の整合に関係することなく、より大きい所要電力を求めて設計するための融通性をもたらす。
【００２７】
本発明を、限定された数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明はこれまでに説明されていない任意数の変形形態、変更形態、代替形態または同等な機構を組み込むように変更することができるが、それらは本発明の趣旨および範囲と相応するものである。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様が、説明された実施形態のうちのいくつかしか含まなくてもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の適用範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機部分
１４  燃焼アセンブリ
１６  タービン部分
１８  シャフト
２０  燃料供給システム
２２  燃料
２４  燃料源
２６  主燃料配管経路
２７  燃焼入口領域
３２  副燃料配管経路
３４  第１の部分
３５  主入口
３６  流体チャンバ
３７  入口
３８  第２の部分
３９  出口
４０  主出口
５０  遮断メカニズム
５２  ピストン
５４  遮断部材
５６  ロッド
５８  オリフィス
６０  ばね
６２  少なくとも１つの弁
６４  第１の弁
６８  第２の弁
７０  調整ねじ
【図１】
2015212614.tif 000003
【図２】
2015212614.tif 000004
【図３】
2015212614.tif 000005
【図４】
2015212614.tif 000006
【外国語明細書】
2015212614000001.pdf