JP6615328B2 - 拡散バーナー内への独立制御される３段の水噴射 - Google Patents

Description

本発明は、全体として、タービンエンジンのための拡散火炎燃焼器に関し、より具体的に、当該拡散火炎燃焼器に液体の形態の水を供給するためのノズルシステム及び方法であって、水が、ノズルにおける３つの独立制御される噴射位置を介して燃焼器に提供される、ノズルシステム及び方法に関する。

世界のエネルギーは、増加し続ける必要があり、従って、信頼性のあり、入手可能な効率的且つ環境的に適合した発電に対する需要を作り出す。ガスタービンエンジンは、効率的な出力を提供する公知の一機械であり、しばしば、発電所内の発電機又は航空機もしくは船舶内のエンジンのための用途を有する。典型的なガスタービンエンジンは、圧縮機セクション、燃焼セクション及びタービンセクションを含んでいる。圧縮機セクションは、燃焼セクションに圧縮空気流を提供し、燃焼セクションでは、空気が、燃料、例えば天然ガスと混合される。燃焼セクションは、複数の周方向に配置された燃焼器を含んでおり、これら燃焼器は、空気と混合されて点火されて作動ガスを発生させる燃料を受容する。作動ガスは、タービンセクションを通じて膨張し、関連するベーンによってタービンセクション内のブレードの列を横切って誘導される。作動ガスがタービンセクションを通過すると、作動ガスはブレードを回転させ、これは、続いて、シャフトを回転させ、それにより機械的仕事を提供する。

作動ガスの温度は、特定のタービンエンジン構成に対していくらかの所定の温度を越えないように厳しく制御される。これは、極めて高い温度が、エンジンのタービンセクション内のさまざまな部品を損傷する可能性があるためである。しかしながら、作動ガスの温度が高ければ高いほどガスの流れが速くなり、これがエンジンのより効率的な動作をもたらすので、損傷を引き起こすことなく作動ガスの温度を可能な限り高くすることが望ましい。

１つの公知のガスタービンエンジン構成では、燃焼セクションが、燃料ノズル組立体、燃焼器及び移行部品を含んでおり、燃料ノズル組立体が、燃料が空気と混合されて燃やされる燃焼器内に燃料及び冷却水を導入し、高温燃焼ガスは、タービンセクション内に移行部品を通過する。燃料ノズル組立体、燃焼器及び移行部品の構成は、長年にわたって良好に発展させられてきたが、タービン性能、効率及び耐久性の継続的な向上がそれでも常に望まれている。

ＮＯｘは、ＮＯ（一酸化窒素）及びＮＯ_２（窒素酸化物）を含む単分子窒素酸化物に対する総称である。タービン燃焼器の発展は、全体システム構成の一部である他の不可欠な範囲にネガティブに影響を与えることなく排ガスＮＯｘ放出に対処することに焦点が当てられている。拡散火炎燃焼器により、水又は蒸気が、ＮＯｘ放出を制御するために燃焼器内に噴射される。しかしながら、水を噴射することは、高い燃焼器ダイナミクスの形態の望ましくない安定性の問題と、ライナークラックに関連する耐久性の問題と、を引き起こす可能性がある。このようなシステムの発展は、これら競合する構成基準、すなわち放出、ダイナミクス及びハードウェア寿命のデリケートなバランスを要求する。ノズルを通じた水噴射の柔軟性は、最適なバランスを達成するためのキーである。

本発明の教示に従えば、独立制御される水噴射の３段を有する燃料ノズル組立体を含むタービンエンジン燃焼システムが開示されている。第３段を通じて水を導入する目的は、燃焼器バスケット内の他の流体との水の混合を改善することである。ウォータージェットと外部の空力学的力との間の増大した相互作用は、表面張力を小さくするジェットの表面エネルギーの増大に起因して、水滴の早期の形成を促進する。第１段は、ノズルへの入口でガス燃料と混合される水を含み、第１段の水は、燃焼器内に噴射されるガス燃料と混合し、ガス燃料ととともに移動する。第２段は、二次液体ノズルを介して燃焼器内に噴射される水を含み、二次液体ノズルは、液体燃料稼働中には燃料オイルのために使用されるが、ガス燃料稼働中には二次水のために使用されてもよい。第３段は、まとめて霧化エアキャップとして公知である複数のオリフィスノズル孔を介して燃焼器内に噴射される水を含んでいる。霧化エアキャップノズルは、始動の信頼性を向上させるために燃料オイル稼働の点火中に燃料を霧化させるために使用され、ガス燃料稼働中に水噴射のために使用することができる。アルゴリズム及び基準は、水噴射の３段を制御し、これにより、ＮＯｘ放出と、燃焼ダイナミクスと、燃焼器バスケット壁部上及びノズルの下流の移行部品上での水の衝突と、を含むタービン動作基準の最適なバランスを達成するために規定される。

本発明のさらなる特徴は、添付の図面と合わせて得られる、以下の説明及び添付した特許請求の範囲から明らかになるであろう。

公知の構成のガスタービンエンジンの断面等角図である。 ３段の水噴射を有するマルチ機能燃料ノズルの非限定的な一実施形態の部分的な断面側面図である。 図２の３段の水噴射燃料ノズルの端面図である。 図２の３段の水噴射ノズルと接続された水供給及び制御システムの概略図である。 ガスタービンノズル及び燃焼器内での３段の水噴射のための最適な水流量を決定するための方法のフローチャート図である。

ガスタービンエンジンのための拡散バーナーでの３段の水噴射に向けられた本発明の実施形態の以下の説明は、実際は単に例示的なものであり、本発明又は本発明の用途もしくは使用を限定するよう全く意図されていない。

図１は、圧縮機セクション１２、燃焼セクション１４及びタービンセクション１６を含むガスタービンエンジン１０の断面等角図であり、圧縮機セクション１２、燃焼セクション１４及びタービンセクション１６は、全て外部ハウジング又はケーシング３０内に包囲されており、エンジン１０の動作は、中心シャフト又はロータ１８を回転させ、従って機械的仕事を作り出す。エンジン１０は、以下で説明する本発明への関係を提供するために、非限定的な例を用いて図示及び説明される。当業者は、他のガスタービンエンジン構成も本発明と関連して使用することができることを理解するであろう。ロータ１８の回転は、圧縮機セクション１２内に空気を引き込み、圧縮機セクション１２では、空気が、ベーン２２によって誘導され、回転ブレード２０によって圧縮され、燃焼セクション１４に搬送され、燃焼セクション１４では、圧縮空気が、燃料、例えば天然ガスと混合され、燃料／空気混合物が、高温作動ガスを作り出すために点火される。より具体的に、燃焼セクション１４は、燃料をそれぞれ受容する、周方向に配置された複数の燃焼器２６を含み、燃料は、噴射器又はノズル（図示せず）によって燃焼器２６内に噴射され、圧縮空気と混合され且つ点火器２４によって点火され、これにより、作動ガスを作り出すために燃焼され、作動ガスは、移行部品２８によってタービンセクション１６内に誘導される。そして、作動ガスは、タービンセクション１６内の周方向に配置された静止ベーン（図１では図示せず）によって誘導され、これにより、周方向に配置された回転可能なタービンブレード３４を横切って流れ、これは、タービンブレード３４を回転させ、従ってロータ１８を回転させる。

ガスタービンエンジン、例えばエンジン１０は、極めて高温の燃焼ガスを生成し、タービン効率を高めることが望ましい。しかしながら、極めて高温の燃焼ガスは、ＮＯｘ（窒素酸化物）放出の増大を引き起こすことが公知である。燃料ノズルを介してタービン燃焼器２６内に水を噴射することは、燃焼ガス温度を制御してＮＯｘ放出を減少させ且つ部品耐久性を改善するために、当技術分野において公知の技術である。しかしながら、水噴射の使用は、それ自体に問題がないわけではない。

適切な霧化又は気化なく燃焼器２６内に噴射される水は、燃焼器バスケット壁部に衝突し、燃焼器バスケット壁部を損傷する可能性のある局所的な熱衝撃冷却を引き起こす可能性がある。また、極めて大量の水噴射は、燃焼器２６内の燃焼品質の問題を引き起こす可能性もある。さらに、極めて大量の水を水噴射ドーナツ（以下で述べる）内でガス燃料の流れ内に噴射しようとすることは、実際には、燃料流れを制限する背圧を引き起こす可能性がある。これら及び他の理由のために、水噴射の増大された柔軟性を提供するノズルが望まれる。

図２は、タービンエンジン拡散火炎燃焼器のための燃料ノズル組立体１００の側面図である。本発明の非限定的な実施形態に従って、ノズル組立体１００は、水噴射の３段を提供するように構成されている。燃料管１０２は、燃料ノズル組立体１００にガス燃料１０４を供給する。一次水管１０６は、燃料管１０２に連結された水噴射ドーナツ型部１０８に水を供給する。水噴射ドーナツ型部１０８は、燃料管１０２を取り囲むように又は取り巻くように取り付けられている。水噴射ドーナツ型部１０８は、燃料管１０２を通って流れる燃料１０４内に１つ以上の水流１１０を噴射することを容易にすることができる。燃料管１０２内での燃料及び水の混合物は、（図３に示す）一次燃料出口１１２を通って流れ、混合物は、（図１の燃焼器２６であってもよい）燃焼器１１４内で点火される。一次燃料出口１１２は、円形パターンで配置された複数の孔１３２を含み、ガス燃料及び一次水の混合物は、孔１３２を通って燃焼器１１４に提供される。

加えて、水は、燃料ノズル組立体１００の下流の燃焼器１１４内の燃焼火炎ゾーン１１６内に噴射される。燃料１０４内及び火炎ゾーン１１６内双方に水を噴射することは、ＮＯｘ放出を良好に制御することを提供することができ、他のタービン動作基準を満たすことに柔軟性を提供する。本明細書で使用される水は、そのさまざまな相を指し、液体又は蒸気並びに液体及び蒸気の組み合わせを含み、小滴を含む。あるいは、水は、本明細書では、液体、蒸気又はスチームを指してもよい。ノズル組立体１００内では、火炎ゾーン１１６内に直接噴射される水が、以下で説明するように、二次段及び三次段を含んでいる。

二次水管１１８が、燃料ノズル組立体１００への水噴射の選択的な第２段を供給する。具体的に、二次水管１１８からの水噴射の第２段は、二次液体ノズル１２０（図３）に提供される。タービンが、本発明の対象であるガス燃料モードで動作しているときに、二次液体ノズル１２０は、第２段の水噴射のために使用される。タービンが、本発明の対象ではない液体燃料モードで動作しているときに、二次液体ノズル１２０は、二次水管１１８の代わりに液体燃料管１２２によって提供される液体燃料の噴射のために使用される。二次液体ノズル１２０は、１つのみの開口部を有し、ノズル組立体１００の中心線１２４上に位置決めされている。二次液体ノズル１２０は、火炎ゾーン１１６内での効果的な分配のために中心線１２４周りで等しく分布された中空円錐状噴霧パターンで燃焼器１１４内に二次水（あるいは液体燃料）を分配する。

三次水管１２６は、燃料ノズル組立体１００への水噴射の選択的な第３段を供給する。具体的に、三次水管１２６からの水噴射の第３段は、霧化エアキャップ１２８（図３）に提供される。タービンが、本発明の対象であるガス燃料モードで動作しているときに霧化エアキャップ１２８は、複数のウォータージェットの形態の第３段（三次）の水噴射のために使用される。霧化エアキャップ１２８は、タービン始動中に霧化空気の噴射のために、又はタービンが液体燃料モードで動作しているときに一次水の噴射のために使用され、液体燃料モードは、本明細書ではさらに説明しない。霧化エアキャップ１２８は、典型的に、二次液体ノズル１２０を取り囲んで等しく離間された、２つ以上の平面オリフィス加圧ノズル孔1３０を有し、霧化エアキャップ１２８は、火炎ゾーン１１６内で分配するために、平面オリフィス加圧ノズル孔1３０を通じて、燃焼器１１４内に細いウォータージェットの形態の水を分配する。

二次水管１１８及び三次水管１２６は、典型的に、一次水管１０６と組み合わせて使用される。合計の水噴射量と、一次段、二次段及び三次段の間での分割と、の指定に使用されるロジックが、以下で説明される。一次水管１０６、二次水管１１８及び三次水管１２６は、典型的に、以下で説明する水供給及び制御ネットワークを介して、同じ水供給源によって供給される。

図３は、燃料ノズル組立体１００の端面図である。図３は、燃焼器１１４内からノズル組立体１００を見たとして、図２の右側から見たノズル組立体１００を描いている。図３では、上述したいくつかの要素のポジション及び形態が、はっきりと見ることができる。図３の中心では、１つのみの中心開口部を有する二次液体ノズル１２０が、見ることができる。二次液体ノズル１２０から径方向外側すぐに、複数の孔１３０を有する霧化エアキャップ１２８がある。図３に示される例では、霧化エアキャップ１２８は、４つの孔１３０を有している。霧化エアキャップ１２８からさらに径方向外側には、複数の孔１３２を含む一次燃料出口１１２がある。一次燃料出口１１２は、典型的に、（下流の方が小さい）円錐形状を有し、二次液体ノズル１２０及び霧化エアキャップ１２８から若干上流に位置決めされている。上流及び下流は、タービンを通る燃料及び空気流の方向を参照し、下流は、図２の右側である。

複数の旋回翼１３４が、一次燃料出口１１２から径方向外側において周方向パターンで位置している。旋回翼１３４は、燃焼空気が燃焼器１１４に入るための経路を提供する。旋回翼１３４は、燃焼空気に回転運動を誘導し、従って、燃焼器１１４内でほぼ完全な燃焼につながるより高い程度の混合を促進する。

図４は、図２の燃料ノズル組立体１００の側面図と組み合わせられる、水供給及び制御ネットワーク１５０の概略図である。水供給及び制御ネットワーク１５０は、ノズル組立体１００への一次水、二次水及び三次水の制御された流れを提供する。水ネットワーク１５０は、タービン燃焼器噴射のための適切な量の脱塩水又は他の水の供給部を収容する水タンク１５２を含んでいる。タンク１５２からの水は、フィルター１５４を通ってポンプ１５６へ流れ、ポンプ１５６は、燃焼器噴射のために必要とされるレベルに水圧を増大させる。ポンプ１５６の下流では、水ネットワークは、一次管、二次管及び三次管に分岐する。

水管１６０が、一次流量計１６２及び一次水噴射スロットルバルブ１６４を含み、一次流量計１６２及び一次水噴射スロットルバルブ１６４は、一次水管１０６への一次（段Ｉ）噴射水の制御された流れを提供するために使用される。図２に示し且つすでに述べたように、一次水管１０６は、水がガス燃料１０４と混合される水噴射ドーナツ型部１０８に水を提供する。水管１７０が、二次流量計１７２及び二次水噴射スロットルバルブ１７４を含み、二次流量計１７２及び二次水噴射スロットルバルブ１７４は、二次水管１１８への二次（段ＩＩ）噴射水の制御された流れを提供するために使用される。図２に示し且つすでに述べたように、二次水管１１８は、二次水を燃焼器１１４内に分配する二次液体ノズル１２０に水を提供する。水管１８０が、三次流量計１８２及び三次水噴射スロットルバルブ１８４を含み、三次流量計１８２及び三次水噴射スロットルバルブ１８４は、三次水管１２６への三次（段ＩＩＩ）噴射水の制御された流れを提供するために使用される。図２に示し且つすでに述べたように、三次水管１２６は、三次水を燃焼器１１４内に分配する霧化エアキャップ１２８に水を提供する。

制御装置１９０は、流量計１６２／１７２／１８２及びスロットルバルブ１６４／１７４／１８４と通信し、制御装置１９０は、一次噴射水、二次噴射水及び三次噴射水の望ましい流量を確立するために、スロットルバルブ１６４／１７４／１８４の開放ポジションを制御する。任意のタービン負荷レベルに対する望ましい流量の決定は、以下で説明される。水回収管１９２及び水回収バルブ１９４は、ポンプ１５６によって提供されたが水管１６０／１７０／１８０によって消費されなかった水をタンク１５２に再循環させることをもたらす。

すでに述べたように、すべてのタービン動作性能基準を達成することは、特に高負荷動作中には、困難なバランスである。ノズルシステム１００の３段の水噴射能力は、水供給及び制御ネットワーク１５０とともに、増大された柔軟性と、要求されるバランスを達成する能力と、を提供する。タービンエンジン、例えばタービンエンジン１０は、非常に低い負荷（約１０％）から最大負荷（１００％）まで広い範囲の負荷レベルで動作される。水噴射の総量は、負荷レベルとともに変化し、より高い負荷レベルは、燃料に比例してより多くの水を要求する（水：燃料比又はＷ：Ｆと表現される）。同様に、一次水と二次水と三次水との間の比例分割は、負荷レベルに応じて変化し、低い負荷レベルは、一次水のみを使用して十分な性能を示し、高い負荷レベルは、水噴射の３段すべてを要求する可能性がある。

図５は、ガスタービンノズル及び燃焼器での３段の水噴射のために最適な水流量を決定するための方法のフローチャート図２００である。チューニングプロセスとして公知のフローチャート図２００の方法は、タービン負荷の全範囲にわたって各負荷レベルのための最適な３段の水噴射割合を決定する。このチューニングプロセスは、新たなタービンの運転が開始されるとき、又はメンテナンス手順後にタービンが運転されるために戻されるときに実行される。チューニングプロセスの結果として、各負荷レベルに対する一次水、二次水及び三次水の流量は、制御装置１９０内に設定値として格納され、これら流量の設定値は、通常のタービン動作中に使用され、現在の動作負荷レベルに基づいて水流量を確立する。

フローチャート図２００のチューニングプロセスを行うために、“チューニングされる”（最適な水噴射割合を決定する）タービンは、データを集めるために、さまざまなセンサが装着されなければならない。これは、タービンの通常動作中に使用される要素、例えば燃料流れセンサ及びＮＯｘ放出センサとともに、典型的にはタービンの通常動作のためには取り付けられない温度センサ（熱電対）及び燃焼器圧力センサを含む。フローチャート図２００のチューニングプロセスでは、水流量パラメータが所定の値に設定される場合に、それらパラメータは、タービン内のノズルのすべてに対して、すなわち、例えば図１のタービン１０の燃焼器２６のそれぞれのためのノズルに対して、これらの所定の値に設定される。

ボックス２０２では、チューニングされるタービンが、第１負荷レベル、例えばピーク出力の１０％に設定される。次のステップでは、１０％の負荷レベルに対する最適な水噴射パラメータが、制御装置１９０によって使用されるルックアップテーブル又は他のファームウェア設定で、決定されて格納され、その後、タービンは、次の負荷レベル（例えば２０％）に設定される。判定菱形部２０４では、（ガス燃料１０４と水を混合させる一次水管１０６を介する）１段のみの水噴射が、動作基準を満たすのに十分かどうかを決定するために、従来のチューニングプロセスが使用される。ＮＯｘ放出を制御するために多数の水噴射が必要とされない低い負荷レベル、例えば１０％では、シンプルな水噴射の１段のみが十分である可能性がある。この場合、負荷レベルでの１段のみの水噴射のための最適な水：燃料比（Ｗ：Ｆ）が決定される。これは、既存の公知のプロセスを使用して、又は３段の水噴射のための以下で説明される技術を使用して、決定される。ボックス２０６では、判定菱形部２０４で１段のみの噴射が十分である場足、現在の負荷レベルに対する形態パラメータ（例えば特定のＷ：Ｆ比又は流量での一次水のみ）が、格納され、プロセスは、ボックス２０２に戻り、ボックス２０２で、タービンは、次の負荷レベルに設定される。

判定菱形部２０４において、１段のみの水噴射が、動作基準を満たすために十分でないことが決定されると、判定菱形部２０８において、（一次水管１０６及び二次水管１１８を介する）２段の水噴射が、動作基準を満たすのに十分であるかどうかを決定するために、従来のチューニングプロセスが使用される。例えば、ＮＯｘ放出を制御するために適度な水噴射量が必要とされる負荷レベル、例えば４０％では、水噴射の２段が十分である可能性がある。この場合、負荷レベルでの、段Ｉ（一次水管１０６）と段ＩＩ（二次水管１１８）との間の分割とともに、２段の水噴射のための最適な水：燃料比（Ｗ：Ｆ）が決定される。これらは、既存の公知のプロセスを使用して、又は３段の水噴射のための以下で説明される技術を使用して、決定される。ボックス２０６では、判定菱形部２０８で２段の噴射が十分である場足、現在の負荷レベルに対する形態パラメータ（例えば全体的なＷ：Ｆ比及び段Ｉと段ＩＩとの間での分割）が、格納され、プロセスは、ボックス２０２に戻り、このボックスで、タービンは、次の負荷レベルに設定される。

判定菱形部２０８において、２段の水噴射が動作基準を満たすために十分でないことが決定されると、３段の水噴射がボックス２１０で開始される。すでに述べたように、高い負荷レベル（例えば６０％よりも高い）では、水噴射が２段に制限されると、ＮＯｘ軽減のために必要とされる水噴射の量がタービン性能の他の態様に有害な影響をもたらし始める可能性がある。この解決法は、３段の水噴射が、全動作基準のより良好なバランスを達成する柔軟性及び能力を提供することである。

ボックス２１２では、段Ｉ（一次水管１０６）と段ＩＩ（二次水管１１８）と段ＩＩＩ（三次水管１２６）との間での分割が、現在の負荷レベルに対して確立される。３段の噴射の開始後にボックス２１２が最初に行われるときには、分割がデフォルトの値、例えば４０％の段Ｉ、４０％の段ＩＩ及び２０％の段ＩＩＩ（これらの値は、単に例として与えられる）に設定される。ボックス２１４では、全体的なＷ：Ｆ比が、現在の負荷レベルに対して設定される。ここでも、デフォルトのＷ：Ｆ比が、任意の与えられる負荷レベルでの最初の繰り返しのために設定される。ボックス２１６では、タービン動作データが、タービンに取り付けられた複数のさまざまなセンサによって測定される。これらは、例えば、（タービンのノズルのそれぞれのための）燃料流量センサ、（各ノズルに対する各水管のための）水流量センサ、（燃焼器のそれぞれのための）燃焼器壁部／ライナー温度、（燃焼器のそれぞれのための）燃焼ガス圧力、燃焼ガス温度及び／又はタービン段周りでのさまざまな周方向ポジションにおける部品温度、並びにＮＯｘ放出センサを含む。

判定菱形部２１８では、タービン動作性能基準が、現在の負荷レベルにおいてＷ：Ｆ比及び分割の現在値に従う場合に満たされるかどうかが決定される。いくつかの異なる動作基準が、判定菱形部２１８で考えられてもよい。これらは、噴射水流量に関するそれらの関連とともに、以下で説明される。

判定菱形部２１８で考えられる第１動作基準は、燃料ガススロットルバルブが制御中であるかどうかである。ガススロットルバルブは、ガス燃料１０４の流れを絞るために使用される、燃料管１０２内のバルブである。バルブ流れに対するバルブのポジション特性曲線は、所定の参照流れ設定点に対するバルブのポジションを示す。流れとポジションとの間での非線形が極めて大きくなる場合、すなわち、流れの小さな増大に対して、バルブステム変位が、極めて大きくなり、最大限界に達し、参照流れ設定点と実際の流れとの間の誤差を減少させる能力を失っている場合には、バルブは、制御外にあるとみなされる。このような制御外の状況は、水噴射ドーナツ型部１０８を介して噴射される一次水が極めて多いことから生じ、大きな水流が、ガス流れに対する制限を作り出し、燃料管１０２内に背圧を引き起こす。この場合、一次水の噴射量は、ガススロットルバルブの制御を回復するために減少されなければならない（二次水噴射及び／又は三次水噴射を増大させる必要がある）。

判定菱形部２１８で考えられる第２動作基準は、ＮＯｘ放出が順守されているかどうかである。法令は、典型的に、ＮＯｘ放出が、規定値、例えばタービン排ガス中で２５パーツパーミリオン（ＰＰＭ）の濃度より低くとどまることを要求する。ＮＯｘ放出が極めて高いと、特に、これは、局所的な燃焼ガス温度が極めて高く、従って水噴射を増大させる必要があることを示す。この場合、全体的なＷ：Ｆ比が、おそらく増大される必要がある。

判定菱形部２１８で考えられる第３動作基準は、液体の水が燃焼器壁部に衝突しているかどうかである。高い水噴射流れの状況では、ノズル組立体１００から流出した大量の水が、完全に霧化せず、火炎ゾーン１１６内で空気／燃料混合物と拡散しない可能性がある。このように、水滴が燃焼器１１４の壁部に衝突するリスクがあり；これは、燃焼器壁部での熱的疲労につながる可能性があるので、望ましくない。水の衝突は、燃焼器壁部上に熱電対を配置して冷却スポットをモニタリングすることによって検出される。燃焼器壁部に水が衝突する場合には、全体的なＷ：Ｆ比が、低下されるべきであるか（可能であれば、ＮＯｘ放出制限を妨害することなく）、又は段Ｉ／ＩＩ／ＩＩＩの分割が調節されるべきである。

判定菱形部２１８で考えられる第４動作基準は、タービンブレード経路温度が許容可能な範囲内にあるかどうかである。タービン１０のタービンセクション１６では、熱電対が、多くの周方向位置に配置されている。例えば、タービン１０が、１４の燃焼器２６を含んでいる場合、１４の熱電対が、タービン段周りで周方向に配置され、核熱電対から読み取る温度は、燃焼器２６の特定の１つと関連付けられている。熱電対は、それら熱電対と軸方向に直接整列された燃焼器２６内での状態を反映せず、むしろ、燃焼ガスがタービン軸に沿って流れるときに燃焼ガスの“旋回”に起因して異なる周方向ポジションにある燃焼器２６の状態を反映することに留意されたい。ブレード経路温度の広がりは、熱電対のいずれかの最小温度示数と最大温度示数との差と、熱電対のすべての平均温度示数と、を確認する。平均よりも顕著に低温のタービンブレード経路位置を確認するブレード経路温度の広がりは、燃焼が希薄であるか又は非常に多くの水を受けている、従って燃焼しない状態に達する１つ以上の燃焼器を示す。平均よりも顕著に高温のタービンブレード経路位置を確認するブレード経路温度の広がりは、通常、ノズル１００の１つ以上にハードウェア破損／断裂を示す。水噴射方法は、ブレード経路温度の広がりが低温スポット又は高温スポットを示すかどうかに応じて変化する。

判定菱形部２１８で考えられる第５動作基準は、燃焼器ダイナミクスが許容可能な範囲内にあるかどうかである。燃焼器２６内及び燃焼器２６の下流での圧力振動は、燃焼器ダイナミクスとも称され、通常、火炎不安定性にも起因する、燃焼プロセスの非定常の結果である。圧力センサが、燃焼器ダイナミクスを測定するために使用される。過度の燃焼器ダイナミクスは、極めて大量の水が噴射されていることを示す可能性があり、圧力振動がタービンへの損傷を引き起こす可能性があるので、許容することはできない。水噴射は、過度の燃焼ダイナミクスが検出されると、減少されるか、又は３段の間で再びバランスをとる必要がある。

上述した動作性能基準のすべてが満たされない場合、判定菱形部２２０では、Ｗ：Ｆ比が最適化されているかどうかが決定される。Ｗ：Ｆ比が最適化されていないと、プロセスは、ボックス２１４に戻るようにループし、ボックス２１４では、Ｗ：Ｆ比が新たな値に設定され、タービンは、新たなＷ：Ｆ比により定常状態に達することが可能であり、データが、ボックス２１６で再び測定され、判定菱形部２１８で評価される。

Ｗ：Ｆ比が、判定菱形部２２０で最適化されると、判定菱形部２２２では、段Ｉ／ＩＩ／ＩＩＩの間での水噴射の分割が最適化されているかどうかが決定される。分割が最適化されていないと、プロセスは、ボックス２１２に戻るようにループし、ボックス２１２では、分割が新たな値に設定され、Ｗ：Ｆ比は、ボックス２１４ですでに設定されたもののままであり、タービンは、新たな分割により安定状態に達することが可能であり、データが、ボックス２１６で再び測定され、判定菱形部２１８で評価される。Ｗ：Ｆ比及び分割は、それらが最適化されてすべてのタービン動作基準が満たされるまで、２つの入れ子にされたループで繰り返し調節される。

判定菱形部２２０でＷ：Ｆ比が最適化され、判定菱形部２２２で水噴射の分割が最適化されるが、判定菱形部２１８でタービン動作基準がそれでも満たされない場合、タービン動作基準を満たすように水噴射によりなされる他ない。この場合、保守工学部門は、タービンの状態を評価するためにボックス２２４でコンタクトされ、いくつかの保守又はメンテナンス手順が必要とされる。

上述した性能基準のすべての評価と、Ｗ：Ｆ比及び分割の繰り返しの設定と、は、熟練のチューニングエンジニアによって手動で実行されるか、又はこのようなチューニングエンジニアから取得された知識に基づいてプログラムされたアルゴリズムによって実行されてもよい。

タービン動作基準が、判定菱形部２１８で十分であると決定されると、現在の負荷レベルに対する３段の噴射形態パラメータ（例えば全体的なＷ：Ｆ比及び段Ｉ／ＩＩ／ＩＩＩの間での分割）が、ボックス２０６で格納され、プロセスが、ボックス２０２に戻り、ボックス２０２では、タービンが新たな負荷レベルに設定される。プロセスは、最適な水噴射形態パラメータが、１００％の負荷レベルに対して格納された後に、終了する。

フローチャート図２００のチューニングプロセスが、１００％まですべての負荷レベルに対して完了された後に、タービンは、通常の動作運転を開始することができ、格納されたデータ（全体的なＷ：Ｆ及び分割）は、任意の与えられる負荷レベルに対して望ましい３段の水流量を確立するために使用される。言い換えると、タービンの通常動作中に、フローチャート図２００のチューニングプロセスは、使用されず；制御装置１９０は、現在のタービン負荷レベルに対するＷ：Ｆ及び分割の格納された値を単に使用し、水噴射の３段すべてに対して望ましい水流量を確定するためにスロットルバルブ１６４／１７４／１８４を設定する。

タービン燃焼器における独立制御される３段の水噴射を提供する、上述したシステム及び方法は、タービン動作基準及び性能基準を満たすのに、より大きな柔軟性を提供する。特に、３段の水噴射は、従来の１段のみ又は２段の水噴射システムが燃焼品質、水の衝突又は燃料流れの問題に直面する高負荷レベルで、ＮＯｘを遵守したタービン動作を可能にする。

以上の説明は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示及び説明している。当業者は、このような説明及び添付した図面並びに特許請求の範囲から、さまざまな変更、修正及び変形例が、以下の特許請求の範囲で規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなくなされることを容易に理解するであろう。

１０ タービンエンジン、１６ タービンセクション、１００ 燃料ノズル組立体、１０２ ガス燃料管、１０４ ガス燃料、１０６ 一次水管、１１２ 一次燃料出口、１１６ 火炎ゾーン、１１８ 二次水管、１２０ 二次液体ノズル、１２２ 液体燃料管、１２４ 中心線、１２６ 三次水管、１２８ 霧化エアキャップ、１５６ ポンプ、１６４，１７４，１８４ スロットルバルブ、１９０ 制御装置

Claims (16)

1. タービンエンジンのための燃焼システムであって、
   燃焼チャンバと；
   ガス燃料が火炎ゾーン内で燃焼する前記燃焼チャンバ内に前記ガス燃料を提供するように構成された一次燃料出口と、前記火炎ゾーン内に二次液体を噴霧するように構成された二次液体ノズルと、前記火炎ゾーン内に水を噴霧するように構成された霧化エアキャップと、を有する燃料ノズル組立体と；
   前記一次燃料出口に前記ガス燃料を供給するために前記一次燃料出口と流体連通しているガス燃料管と；
   前記ガス燃料管と流体連通している一次水管であって、前記一次燃料出口の上流で前記ガス燃料管内の前記ガス燃料と混合するために一次水を供給する、一次水管と；
   前記二次液体ノズルと流体連通している二次水管であって、前記二次液体ノズルを通じて前記火炎ゾーンに二次水を供給する、二次水管と；
   前記霧化エアキャップと流体連通している三次水管であって、前記霧化エアキャップを通じて前記火炎ゾーンに三次水を供給する、三次水管と；
   前記一次水、前記二次水及び前記三次水の流量が、前記燃料ノズル組立体の上流に配置された水供給システムによって制御され、これにより、前記タービンエンジンの性能を最適化し、
   前記水供給システムが、３つのスロットルバルブを制御するように構成された制御装置を含み、前記３つのスロットルバルブの１つが、前記一次水管、前記二次水管及び前記三次水管のそれぞれに配置され、前記制御装置が、タービン負荷パーセントに応じてルックアップテーブルに基づいて前記一次水、前記二次水及び前記三次水の前記流量を達成するために前記３つのスロットルバルブを制御し、
   前記ルックアップテーブルが、前記タービンエンジンが定期運転させられる前に実行されるチューニングプロセスで生成され、前記チューニングプロセスが、所定の負荷レベルに前記タービンエンジンを設定するステップと、前記所定の負荷レベルにおいて複数の基準に基づいてタービンエンジン性能を最適化する、水／燃料比と一次水／二次水／三次水の割合とを決定するステップと、前記タービンエンジンを次の負荷レベルに設定するステップと、を含むことを特徴とする燃焼システム。
2. 前記複数の基準が、前記燃料ノズル組立体への前記ガス燃料の流れを制御する燃料ガススロットルバルブの能力と、前記タービンエンジンからの排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）放出の濃度と、前記燃焼チャンバの壁部上での水衝突の存在と、前記タービンエンジンのタービンセクション内での複数の周方向位置で測定された温度の間の変化量と、前記燃焼チャンバ内での燃焼ガス圧力の振動の振動数及び振幅と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
3. 前記タービンエンジンの性能を前記一次水のみにより最適化することができる場合には、前記二次水及び前記三次水が使用されず、前記タービンエンジンの性能を前記一次水及び前記二次水のみにより最適化することができる場合には、前記三次水が使用されないことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
4. 前記二次液体ノズルが、前記燃料ノズル組立体の中心線上に配置された１つのみのノズル開口部を有し、前記ノズル開口部が、中空円錐状噴霧パターンで前記火炎ゾーン内に前記二次液体を噴霧することを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
5. 前記霧化エアキャップが、前記二次液体ノズルを取り囲む等しく離間された周方向パターンで配置された複数の第１開口部を有し、前記複数の第１開口部が、前記火炎ゾーン内に前記三次水を噴霧することを特徴とする請求項４に記載の燃焼システム。
6. 前記一次燃料出口が、前記霧化エアキャップを取り囲む等しく離間された周方向パターンで配置された複数の第２開口部を有し、前記複数の第２開口部が、前記燃焼チャンバ内に前記ガス燃料及び前記一次水を提供することを特徴とする請求項５に記載の燃焼システム。
7. 前記燃焼システムが、前記一次燃料出口及び前記ガス燃料が使用されない交互モードで動作するように構成され、前記二次液体ノズルによって噴霧される前記二次液体が、前記火炎ゾーン内で燃焼する液体燃料であり、前記霧化エアキャップが、前記火炎ゾーンに水のみを供給し、前記液体燃料が、前記二次水管の所定位置で前記二次液体ノズルと流体連通している液体燃料管によって供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
8. タービンエンジンのための水／燃料噴射システムであって、
   ガス燃料が火炎ゾーン内で燃焼する燃焼チャンバ内に前記ガス燃料を提供するように構成された一次燃料出口と、前記火炎ゾーン内に二次液体を噴霧するように構成された二次液体ノズルと、前記火炎ゾーン内に水を噴霧するように構成された霧化エアキャップと、を有する燃料ノズル組立体と；
   前記一次燃料出口に前記ガス燃料を供給するために前記一次燃料出口と流体連通しているガス燃料管と；
   前記ガス燃料管と流体連通している、第１スロットルバルブを含む一次水管であって、前記一次燃料出口の上流で前記ガス燃料管内の前記ガス燃料と混合するために一次水を供給する、一次水管と；
   前記二次液体ノズルと流体連通している、第２スロットルバルブを含む二次水管であって、前記二次液体ノズルを通じて前記火炎ゾーンに二次水を供給する、二次水管と；
   前記霧化エアキャップと流体連通している、第３スロットルバルブを含む三次水管であって、前記霧化エアキャップを通じて前記火炎ゾーンに三次水を供給する、三次水管と；
   前記一次水管、前記二次水管及び前記三次水管に加圧水を提供するためのポンプと；
   前記第１スロットルバルブ、前記第２スロットルバルブ及び前記第３スロットルバルブと通信する制御装置であって、前記一次水、前記二次水及び前記三次水の流量が、前記制御装置によって制御され、これにより、前記タービンエンジンの性能を最適化する、制御装置と；
   を備え、
   前記制御装置が、タービン負荷パーセントに応じてルックアップテーブルに基づいて前記一次水、前記二次水及び前記三次水の前記流量を達成するために前記第１スロットルバルブ、前記第２スロットルバルブ及び前記第３スロットルバルブを制御するように構成され、
   前記ルックアップテーブルが、前記タービンエンジンが定期運転させられる前に実行されるチューニングプロセスで生成され、前記チューニングプロセスが、所定の負荷レベルに前記タービンエンジンを設定するステップと、前記所定の負荷レベルにおいて複数の基準に基づいてタービンエンジン性能を最適化する、水／燃料比と一次水／二次水／三次水の割合を決定するステップと、前記タービンエンジンを次の負荷レベルに設定するステップと、を含むことを特徴とする噴射システム。
9. 前記タービンエンジンの性能を前記一次水のみにより最適化することができる場合には、前記二次水及び前記三次水が使用されず、前記タービンエンジンの性能を前記一次水及び前記二次水のみにより最適化することができる場合には、前記三次水が使用されないことを特徴とする請求項８に記載の噴射システム。
10. 前記複数の基準が、前記燃料ノズル組立体への前記ガス燃料の流れを制御する燃料ガススロットルバルブの能力と、前記タービンエンジンからの排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）放出の濃度と、前記燃焼チャンバの壁部上での水衝突の存在と、前記タービンエンジンのタービンセクション内での複数の周方向位置で測定された温度の間の変化量と、前記燃焼チャンバ内での燃焼ガス圧力の振動の振動数及び振幅と、を含むことを特徴とする請求項８に記載の噴射システム。
11. タービンエンジン燃焼システム内での３段の水噴射のための水流量を決定するための方法であって、
    前記タービンエンジン燃焼システム内での一次水、二次水及び三次水の噴射を有するタービンエンジンを提供するステップと；
    所定の負荷レベルで動作するように前記タービンエンジンを設定し、タービン動作データを測定するステップと；
    前記タービン動作データを用いた前記タービンエンジン燃焼システム内での１段のみの水噴射又は２段の水噴射を用いて複数のタービン動作基準が前記所定の負荷レベルで満たされるかどうかを決定するステップと；
    １段のみの水噴射又は２段の水噴射を用いて前記タービン動作基準が前記所定の負荷レベルで満たされない場合に３段の水噴射を開始するステップと；
    一次水／二次水／三次水の割合を前記所定の負荷レベルのための予備値に設定するステップと；
    水／燃料比を前記所定の負荷レベルのための予備値に設定するステップと；
    前記水／燃料比及び前記一次水／二次水／三次水の割合を用いて前記タービンエンジン
    を動作させ、前記タービン動作データを測定するステップと；
    前記タービン動作データを用いて前記複数のタービン動作基準が満たされるかどうかを決定するステップと；
    前記タービン動作基準を満たすために前記水／燃料比が最適値にあるかどうかを決定し、前記水／燃料比が最適値にない場合には前記水／燃料比を新たな値に設定し、前記タービンエンジンを動作させるステップに戻すステップと；
    前記タービン動作基準を満たすために前記一次水／二次水／三次水の割合が最適値にあるかどうかを決定し、前記一次水／二次水／三次水の割合が最適値にない場合には前記一次水／二次水／三次水の割合を新たな値に設定し、前記タービンエンジンを動作させるステップに戻すステップと；
    ルックアップテーブルにおいて前記所定の負荷レベルに対する前記水／燃料比及び前記一次水／二次水／三次水の割合を格納し、前記タービン動作基準が満たされ且つ前記水／燃料比及び前記一次水／二次水／三次水の割合が最適化された場合に、新たな負荷レベルで動作させるように前記タービンエンジンを設定するステップと；
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記複数の基準が、前記タービンエンジン燃焼システムへのガス燃料の流れを制御する燃料ガススロットルバルブの能力と、前記タービンエンジンからの排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）放出の濃度と、燃焼チャンバの壁部上での水衝突の存在と、前記タービンエンジンのタービンセクション内での複数の周方向位置で測定された温度の間の変化量と、前記燃焼チャンバ内での燃焼ガス圧力の振動の振動数及び振幅と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記タービンエンジン燃焼システムが、前記一次水、前記二次水及び前記三次水とともに燃料を燃焼チャンバ内に噴射するように構成された燃料ノズル組立体を含み、水供給システム内の制御装置が、前記水／燃料比及び前記一次水／二次水／三次水の割合を得るために、前記一次水、前記二次水及び前記三次水の流量を制御することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記燃料ノズル組立体が、
    ガス燃料が火炎ゾーン内で燃焼する前記燃焼チャンバ内に前記ガス燃料を提供するように構成された一次燃料出口、前記火炎ゾーン内に二次液体を噴霧するように構成された二次液体ノズル、及び前記火炎ゾーン内に水を噴霧するように構成された霧化エアキャップと；
    前記一次燃料出口に前記ガス燃料を供給するために前記一次燃料出口と流体連通しているガス燃料管と；
    前記ガス燃料管と流体連通している一次水管であって、前記一次燃料出口の上流で前記ガス燃料管内の前記ガス燃料と混合するために一次水を供給する、一次水管と；
    前記二次液体ノズルと流体連通している二次水管であって、前記二次液体ノズルを通じて前記火炎ゾーンに二次水を供給する、二次水管と；
    前記霧化エアキャップと流体連通している三次水管であって、前記霧化エアキャップを通じて前記火炎ゾーンに三次水を供給する、三次水管と；
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記水供給システムが、前記一次水管、前記二次水管及び前記三次水管に加圧水を提供するためのポンプと、前記一次水管、前記二次水管及び前記三次水管のそれぞれ内の第１スロットルバルブ、第２スロットルバルブ及び第３スロットルバルブと、を含み、前記制御装置が、前記水／燃料比及び前記一次水／二次水／三次水の割合を得るために、前記第１スロットルバルブ、前記第２スロットルバルブ及び前記第３スロットルバルブのポジションを制御することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法が、前記タービンエンジンが定期運転させられる前に実行され、前記ルックアップテーブルが、前記タービンエンジンの定期運転動作中に、前記一次水、前記二次水及び前記三次水の流量を制御するために前記制御装置によって使用されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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