JP2013238229A - ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム２００において、ガスタービンコンパートメント２０２と、ガスタービンコンパートメント内に配置された燃料部品２０６と、燃料部品の周りに少なくとも部分的に配置された熱電素子２０８とを含んでもよい。熱電素子は、燃料部品と熱交換するように構成される。
【選択図】図２

Description

本開示の実施形態は、一般にガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンのコーキングを抑制する方法に関する。

燃料ガスタービンエンジンが二元燃料の一方のみで運転中は、他方の燃料は通常はガスタービンコンパートメントの燃料ライン内で停滞する。例えば、ガスタービンは通常、天然ガス燃料で運転され、天然ガスが利用できない場合の予備として燃料油（例えば第二蒸留燃料油）がしばしば使用される。ガスタービンが天然ガス燃料で運転される場合、燃料油は通常、ガスタービンエンジンの燃焼器ノズルに繋がる液体燃料ライン（例えば配管、チューブ、バルブなど）内に留まる。液体燃料ライン内の滞留燃料油はしばしば最高２００°Ｆものタービンコンパートメント空気温度及び最高８００°Ｆものタービン表面温度にさらされる。タービンコンパートメント内の温度が高いため、液体燃料ライン内の滞留液体燃料は気化及び／又はコーキング（コークス化）し始め、ゴム状炭化水素物質を形成する。その結果、液体燃料ラインはコークスで詰まり、チェックバルブ、三方バルブ及び燃料ノズルなどの液体燃料ラインの関連する部品もコークスで詰まることがある。例えば、ある場合にはコークスの微小粒子が遊離して燃料ノズルを詰まらせることがある。別の場合には、滞留燃料が気化することがある。このように、システム内に空気が漏入すると、気化した燃料がガスタービンエンジンコンパートメント内の燃料ライン内で自動着火することがある。

これまでの解決策には、液体燃料の移動を防止する再循環システム、液体燃料を除去する浄化システム及び液体燃料の周期的な排出が含まれていた。従来は、例えば、タービンコンパートメント冷却空気流をコーキングにさらされる領域へと向ける試みがなされてきたが、十分な冷却は達成されなかった。通常、タービン内の燃焼器は２０００°Ｆをゆうに超える温度で動作する。燃焼器からの熱は、燃料、オイル、配管及びバルブなど、コンパートメントに向かって放射され、タービンの筺体内に留まる。コーキングにさらされる部品に冷却空気を当てるなどの筺体を換気する試みによっても、係る部品の周囲の空気温度は通例３００°Ｆである。そこで、ガスタービンコンパートメント内の燃焼器によって高温にさらされる燃料部品、特にガスタービンの三方バルブ及びその内部の滞留燃料を冷却する効果的な方法の必要性が依然として存在している。

上記の必要性及び／又は課題の一部又は全部は、本開示のある特定の実施形態によって対処し得る。開示する実施形態は、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム及び方法を含むことができる。一実施形態では、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステムについて開示する。システムは、ガスタービンコンパートメント、ガスタービンコンパートメント内に配置された燃料部品及び燃料部品の周りに少なくとも部分的に配置された熱電素子を含む。熱電素子は燃料部品と熱交換するように構成される。

別の実施形態では、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステムについて開示する。システムは、ガスタービンコンパートメント、ガスタービンコンパートメント内に配置された１以上のガスタービン部品及びガスタービンコンパートメント内に配置された１以上の燃料部品を含む。本システムはさらに、ガスタービンコンパートメント内の１以上の燃料部品の周りに少なくとも部分的に配置された１以上の熱電素子を含む。さらに、本システムは、１以上の熱電素子と連通するコントローラを含む。コントローラは、１以上の熱電素子と１以上の燃料部品との間の熱伝達を制御するように動作し得る。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制する方法について開示する。ガスタービンエンジンは、ガスタービンコンパートメント及びガスタービンコンパートメント内に配置された１以上のガスタービン部品を含む。本方法は、１以上の燃料部品の周囲の少なくとも一部に１つの熱電素子を配置し、１以上の燃料部品を１以上の熱電素子で冷却するステップを含む。

本発明の別の実施形態、態様及び特徴は、当業者には以下の詳細な説明、添付図面及び添付の特許請求の範囲から明らかになる。

以下に添付図面を参照するが、これらは必ずしも縮尺通りではない。

本発明の実施形態による、圧縮機、燃焼器及びタービンを有する例示的ガスタービンエンジンの概略図である。 本発明の実施形態による、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制する例示的システムの詳細を示す概略図である。 ある実施形態による例示的熱電素子の詳細を示す概略図である。 ある実施形態による、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制する例示的方法の詳細を示すフローチャートである。

ここで、全部ではないが幾つかの実施形態を示す図面を参照して、以下に例示的実施形態をより詳細に記載する。本願は、多くの異なる形態で実施してもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。これらの実施形態はむしろ本開示が適用される法的要件を満たすために提示されるものである。全体を通して同じ参照番号は同じ要素を指す。

例示的実施形態は、とりわけガスタービンエンジンでのコーキングを防止及び／又は抑制するシステム及び方法に関する。一実施形態では、熱電素子は、ガスタービンコンパートメント内の燃料部品（例えば燃料管又はバルブ）の周りに少なくとも部分的に配置される。幾つかの場合は、熱電素子は、燃料部品の周囲の少なくとも一部にジャケットを形成してもよい。このようにして、熱電素子によって燃料部品を冷却又は加熱して、燃料部品内の滞留燃料のコーキングを防止及び／又は抑制し得る。

ある実施形態では、熱電素子は、コールドシンクとヒートシンクとの間に配置されたペルティエ素子を含んでもよい。コールドシンクとヒートシンクとの間の熱伝達を制御するために、ペルティエ素子に電圧を印加してもよい。このように、コールドシンク及びヒートシンクはペルティエ素子に印加される電圧の極性に依存してもよい。別の実施形態では、熱電素子は換気システムと連通してもよい。換気システムはガスタービンコンパートメントの一部を形成してもよく、熱電素子と燃料部品との間で伝達される熱の散逸を促進してもよい。さらに別の実施形態では、コントローラが熱電素子と連通してもよい。コントローラは、熱電素子と燃料部品との間の熱伝達を制御するように動作してもよい。

図１は、本明細書で使用してもよい例示的ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。周知のように、ガスタービンエンジン１０は圧縮機１２を含んでもよい。圧縮機１２は、流入する空気流１４を圧縮してもよい。圧縮機１２は圧縮された空気流１４を燃焼器１６に送ってもよい。燃焼器１６は圧縮された空気流１４を圧縮された燃料流１８と混合してもよく、混合物を点火して燃焼ガス流２０を生成してもよい。単一の燃焼器１６のみを図示しているが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器１６を含んでもよい。燃焼ガス流２０はタービン２２に送られてもよい。燃焼ガス流２０はタービン２２を駆動して機械的仕事を発生してもよい。タービン２２内で発生された機械的仕事は、シャフト２４及び発電機などの外部負荷２６を介して圧縮機１２を駆動してもよい。

ガスタービンエンジン１０は、自然ガス、燃料オイル、様々な種類の合成ガス、その他の種類の燃料、そして／また組み合わせて使用しても良い。いくつかの事例では、ガスタービンエンジン１０はニューヨーク州、スケネクタディにあるGeneral Electric Companyの提供するいくつもの異なるガスタービンエンジンのうちの一つで、７シリーズや９種の耐久型ガスタービンエンジンを含みますが、これらに限定はされません。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してもよく、別のタイプの部品を使用してもよい。

本明細書で別のタイプのガスタービンエンジンを使用してもよい。複数のガスタービンエンジン、別のタイプのタービン及び別のタイプの発電装置を本明細書で共に使用してもよい。

図２は、ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するための例示的システム２００の詳細を概略的に示す図である。システム２００は、ガスタービンコンパートメント２０２、１以上のガスタービン部品２０４、１以上の燃料部品２０６、１以上の熱電素子２０８、１以上のコントローラ２１０及び換気システム２１２を含んでもよい。ある実施形態では、ガスタービン部品２０４は図１の燃焼器１６を含んでもよく、燃料部品２０６は図１の圧縮燃料流１８を含んでもよく、及び／又は図１の燃焼器１６に燃料を供給するためのいずれかのハードウエア（例えば配管、チーブ、バルブ、ノズルなど）を含んでもよい。

ガスタービンコンパートメント２０２は、ガスタービン部品２０４、燃料部品２０６及び熱電素子２０８の全体又は一部を囲ってもよい。幾つかの場合には、燃料部品２０６はその内部に配置された（燃料油などの）滞留液体燃料を含んでもよい。すなわち、燃料部品２０６は、別の燃料源がガスタービンエンジンに動力を供給するので使用されない滞留液体燃料を含んでもよい。このようにして、燃料部品内の滞留液体燃料は、ガスタービンコンパートメント２０２内の高温にさらされる。
ガスタービンコンパートメント２０２内の高温のため、燃料部品２０６内の滞留液体燃料は気化及び／又は熱分解し始めることがある。燃料部品２０６内の滞留液体燃料の温度を制御し、コーキングを防止するため、熱電素子２０８は、燃料部品２０６の周囲の少なくとも一部に熱電素子２０８を配置してもよい。このようにして、熱電素子２０８は、燃料部品２０６及びその内部の滞留液体燃料の温度を調整するためにジャケット又はスリーブを形成してもよい。例えば、熱電素子２０８は、燃料部品２０６内の滞留液体燃料のコーキングを防止するため、燃料部品２０６及びその内部の滞留液体燃料を加熱又は冷却してもよい。換気システム２１２が、熱電素子２０８と燃料部品２０６との間で伝達される熱の散逸を促進してもよい。例えば、換気システム２１２は冷却空気流を熱電素子２０８へと向けてもよい。

ある実施形態では、熱電素子２０８はコントローラ２１０と連通してもよい。コントローラ２１０は、本明細書に記載の機能を実行するためにハードウエア、ソフトウエア、又はこれらの組合せを使用してもよい。例えば、コントローラ２１０はプロセッサ、ＡＳＩＣ、比較器、差動モジュール、又はその他のハードウエア手段でよい。コントローラ２１０は、ガスタービンコンパートメント２０２、燃料部品２０６及びその内部の滞留液体燃料を監視するように構成される。コントローラ２１０はさらに、別のシステム温度を監視してもよい。このように、コントローラ２１０は熱電素子２０８と連通して、燃料部品２０６及びその内部の滞留液体燃料を制御してもよい。燃料部品２０６と、その内部の滞留液体燃料との加熱又は冷却は、燃料部品２０６内の滞留液体燃料のコーキングを防止することができる。

図３は、本明細書で使用してもよい例示的熱電素子３００の詳細を示す概略図である。ある実施形態では、熱電素子３００は少なくとも１つのペルティエ素子を含んでもよく、又はペルティエ効果を使用し、又はその他の方法で実装する部品を含んでもよい。例えば、熱電素子３００は、Ｎ形不純物イオンをドープした半導体３０２を含んでもよく、又はＰ形不純物イオンをドープした半導体３０４を含んでもよい。Ｎ形及びＰ形不純物イオンをドープした半導体３０２及び３０４は導体３０６及び３０８によって互いに接続されて、直列の電子回路及び並列の熱回路を形成してもよい。熱伝達基板３１０及び３１２は導体３０６及び３０８をそれぞれ囲んでもよい。熱伝達基板３１０及び３１２は、熱電素子３００の極性に応じてコールドシンク又はヒートシンクでよい。

知られているように、ペルティエ形熱電素子では電流３１４を熱電素子３００に印加すると、ペルティエ形熱電素子内のエネルギサが熱又は冷気に変換されるので、接合部及び／又は導体での局部的な加熱及び／又は冷却が促進される。したがって、熱電素子３００は、一か所では加熱がなされ、別の個所では冷却がなされるように、又はその逆に配置されることができる。

熱伝達基板３１０及び３１２は、熱電素子３００に印加される電圧の極性に応じてコールドシンク又はヒートシンクでよい。例えば、図３に示すように、熱伝達基板３１２はコールドシンクであり、熱伝達基板３１０はヒートシンクである。別の実施形態では、熱伝達基板３１２がヒートシンクであり、熱伝達基板３１０がコールドシンクであってよい。

図４は、ある実施形態によるガスタービンエンジンでのコーキングを抑制する方法４００の例示的フローチャートを示す。一例では、図２の例示的コントローラ２１０と、例示的コントローラ２１０の１以上のモジュールが単独又は組合せて、方法４００の記載した動作を実行してもよい。

この特定の実装形態では、方法４００は、方法４００が１以上の熱電素子が１以上の燃料部品の周りに少なくとも部分的に配置される、図４のブロック４０２から開始されてもよい。燃料部品は、燃焼器に燃料（例えば液体燃料）を供給するための配管、チューブ、バルブ、ノズル又などを含んでもよい。このように、ある実施形態では、熱電素子は燃料部品の周囲にジャケット、又はスリーブを形成してもよい。

ブロック４０２の後にブロック４０４が続く。ブロック４０４で、方法４００は、１以上の熱電素子で１以上の燃料部品を冷却するステップを含んでもよい。例えば、ある実施形態では、熱電素子は、燃料部品とその内部の滞留液体燃料との温度を調整するために燃料部品で熱を伝達してもよい。例えば、熱電素子は、燃料部品内の滞留液体燃料のコーキングを防止するように、燃料部品及びその内部の滞留液体燃料を冷却してもよい。

タービン内の隙間を調整するための例示的システム及び方法を記載している。これらのシステム及び方法の一部又は全部は、図２の例示的コントローラ２１０で記載したような構成によって少なくとも部分的に実装されてもよいが、必ずしもその必要はない。

実施形態を構造的特徴及び／又は方法論的な行為に特有の言語で記載したが、本開示は必ずしも記載した特定の特徴又は行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、特定の特徴及び行為は実施形態を実装する例示的な形態として開示されたものである。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム（２００）であって、
   ガスタービンコンパートメント（２０２）と、
   ガスタービンコンパートメント（２０２）内に配置された燃料部品（２０６）と、
   燃料部品（２０６）の周りに少なくとも部分的に配置された熱電素子（２０８）であって、燃料部品（２０６）と熱交換する熱電素子（２０８）と
   を備えるシステム（２００）。
2. 前記熱電素子（２０８）が、コールドシンク（３１０）とヒートシンク（３１２）との間に配置されたペルティエ素子（３００）を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
3. コールドシンク（３１０）とヒートシンク（３１２）との間の熱伝達を制御するためにペルティエ素子（３００）に電圧が印加される、請求項２記載のシステム（２００）。
4. コールドシンク（３１０）及びヒートシンク（３１２）が、ペルティエ素子（３００）に印加される電圧の極性に依存する、請求項３記載のシステム（２００）。
5. 前記熱電素子（２０８）が換気システム（２１２）と連通する、請求項２記載のシステム（２００）。
6. 前記熱電素子（２０８）が、燃料部品（２０６）の少なくとも一部の周囲にジャケットを形成する、請求項１記載のシステム（２００）。
7. 前記燃料部品（２０６）が液体燃料管である、請求項１記載のシステム（２００）。
8. 前記燃料部品（２０６）が液体燃料バルブである、請求項１記載のシステム（２００）。
9. 前記液体燃料バルブが三方液体燃料バルブである、請求項８記載のシステム（２００）。
10. 前記熱電素子（２０８）と連通して、熱電素子（２０８）と燃料部品（２０６）との間の熱伝達を制御するコントローラ（２１０）をさらに備える、請求項１記載のシステム（２００）。
11. ガスタービンエンジンでのコーキングを抑制するシステム（２００）であって、
    ガスタービンコンパートメント（２０２）と、
    ガスタービンコンパートメント（２０２）内に配置され、１以上のガスタービン部品と連通する１以上の燃料部品（２０６）と、
    ガスタービンコンパートメント（２０２）内の１以上の燃料部品（２０６）の周りに少なくとも部分的に配置された熱電素子（２０８）と、
    １以上の熱電素子（２０８）と連通して、１以上の熱電素子（２０８）と１以上の燃料部品（２０６）との間の熱伝達を制御するコントローラと
    を備えるシステム（２００）。
12. １以上の熱電素子（２０８）が、コールドシンク（３１０）とヒートシンク（３１２）との間に配置されたペルティエ素子（３００）を備える、請求項１１記載のシステム（２００）。
13. コールドシンク（３１０）とヒートシンク（３１２）との間の熱伝達を制御するために、ペルティエ素子（３００）に電圧が印加される、請求項１２記載のシステム（２００）。
14. コールドシンク及びヒートシンクが、ペルティエ素子に印加される電圧の極性に依存する、請求項１３記載のシステム（２００）。
15. １以上の熱電素子（２０８）が換気システム（２１２）と連通する、請求項１２記載のシステム（２００）。
16. １以上の熱電素子（２０８）が全体として、１以上の燃料部品（２０６）の周りに少なくとも部分的に１以上のジャケットを形成する、請求項１１記載のシステム（２００）。
17. １以上の燃料部品（２０６）が液体燃料管からなる、請求項１１記載のシステム（２００）。
18. １以上の燃料部品（２０６）が液体燃料バルブからなる、請求項１１記載のシステム（２００）。
19. １以上の液体燃料バルブが三方液体燃料バルブである、請求項１８記載のシステム（２００）。
20. ガスタービンコンパートメント（２０２）と、ガスタービンコンパートメント（２０２）内に配置された１以上の燃料部品（２０６）とを備えるガスタービンエンジンでのコーキングを抑制する方法であって、
    １以上の燃料部品（２０６）の周りに少なくとも部分的に１以上の熱電素子（２０８）を配置するステップと、
    １以上の燃料部品（２０６）を１以上の熱電素子（２０８）で冷却するステップと
    を含む方法。