(57)【要約】【課題】燃料を燃焼空気の存在下で燃焼させるためのガスタービンの燃焼室を提供する。【解決手段】燃焼室（１）は二元燃料燃焼室として構成されており、二元燃料燃焼室には、ガス燃料動作モードにおいて、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気が主要旋回体（２）を通じて供給可能であり、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料が噴霧装置（３）を通じて、燃焼空気が主要旋回体（２）を通じて供給可能であり、噴霧装置（３）は、燃焼室（１）の長手中心軸（４）に関して、又は燃焼室（１）の予燃焼室（５）の長手中心軸（４）に関して中央の、噴霧ノズル（７）を備えた噴霧ランス（６）を有しており、中央の噴霧ランス（６）の噴霧ノズル（７）は、過流室（９）を有しており、過流室（９）の下流においてノズル開口部（２８）を有しており、過流室（９）には、液体燃料が、径方向の渦発生器（１０）及び軸方向の渦発生器（１１）を通じて供給可能である。【選択図】図２
2020063902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼空気の存在下で燃焼させるためのガスタービンの燃焼室（１）であって、前記燃焼室（１）は二元燃料燃焼室として構成されており、
前記二元燃料燃焼室には、ガス燃料動作モードにおいて、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気が主要旋回体（２）を通じて供給可能であり、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料が噴霧装置（３）を通じて、燃焼空気が前記主要旋回体（２）を通じて供給可能であり、
前記噴霧装置（３）は、前記燃焼室（１）の長手中心軸（４）に関して、又は前記燃焼室（１）の予燃焼室（５）の長手中心軸（４）に関して、中央の噴霧ノズル（７）を備えた噴霧ランス（６）を有しており、
中央の前記噴霧ランス（６）の前記噴霧ノズル（７）は、過流室（９）を有しており、前記過流室（９）の下流においてノズル開口部（２８）を有しており、
前記過流室（９）には、液体燃料が、径方向の渦発生器（１０）及び軸方向の渦発生器（１１）を通じて供給可能である燃焼室（１）。
【請求項２】
前記液体燃料が、前記径方向の渦発生器（１０）に、第１の燃料導管（１２）を通じて供給可能であり、前記軸方向の渦発生器（１１）には、別個の第２の燃料導管（１３）を通じて供給可能であることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
【請求項３】
前記第１の燃料導管（１２）には第１の燃料弁（１５）が、前記第２の燃料導管（１３）には別個の第２の燃料弁（１４）が、配設されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃焼室。
【請求項４】
前記第１の燃料弁（１５）が開かれ、前記第２の燃料弁（１４）が閉じられており、前記液体燃料が前記過流室（９）に、専ら前記径方向の渦発生器（１０）を通じて供給される場合に、中央の前記噴霧ランス（６）の前記噴霧ノズル（７）が、６０°より大きく１００°より小さい噴霧角度（β）を有する噴霧円錐（１６）をもたらし、
前記第１及び前記第２の燃料弁（１４、１５）の両方が開かれており、前記液体燃料が前記過流室（９）に、前記軸方向及び径方向の渦発生器（１０、１１）を通じて供給される場合に、中央の前記噴霧ランス（６）の前記噴霧ノズル（７）は、４０°より大きく６０°より小さい噴霧角度（β）を有する噴霧円錐（１６）をもたらすことを特徴とする、請求項３に記載の燃焼室。
【請求項５】
中央の前記噴霧ランス（６）が、フード様の部分（１８）を有しており、前記部分は、中央の前記噴霧ランス（６）の前記噴霧ノズル（７）の前記ノズル開口部（２８）の下流と、中央の前記噴霧ランス（６）の排出開口部（２１）の上流と、において、チャンバ（２７）を画定しており、前記チャンバには、前記ノズル開口部（２８）を通じて、前記液体燃料が、前記過流室（９）及び燃焼空気から、前記主要旋回体（２）を迂回して、径方向の渦発生器（２０）を通じて供給可能であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼室。
【請求項６】
前記主要旋回体（２）を迂回し、前記噴霧ノズル（７）の前記ノズル開口部（２８）と前記フード様の部分（１８）との間の前記チャンバ（２７）を通って、前記燃焼室（１）に供給可能である燃焼空気流が、前記主要旋回体（２）を通じて前記燃焼室（１）に供給され得る燃焼空気流の１％から１０％の間であることを特徴とする、請求項５に記載の燃焼室。
【請求項７】
前記噴霧装置（３）が、前記燃焼室（１）の長手中心軸（４）に関して、又は前記燃焼室（１）の前記予燃焼室（５）の長手中心軸（４）に関して、複数の分散した噴霧ノズル（８）を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼室。
【請求項８】
前記分散した噴霧ノズル（８）が、前記燃焼室（１）の前記長手中心軸（４）の周りに、又は前記予燃焼室（５）の前記長手中心軸（４）の周りに延在する円軌道又は部分円軌道（２２）上に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼室。
【請求項９】
前記分散した噴霧ノズル（８）が配置された前記円軌道又は前記部分円軌道（２２）の中心点が、前記燃焼室（１）又は前記燃焼室（１）の前記予燃焼室（５）の前記長手中心軸（４）上に位置しており、前記分散した噴霧ノズル（８）が配置されている前記円軌道又は前記部分円軌道（２２）の半径は、前記主要旋回体（２）の内側半径の０．４倍から１．１倍の間であることを特徴とする、請求項８に記載の燃焼室。
【請求項１０】
前記分散した噴霧ノズル（８）がそれぞれ、２５°より大きく９０°より小さい噴霧角度（Ψ）を有する噴霧円錐をもたらすことを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の燃焼室。
【請求項１１】
前記分散した噴霧ノズル（８）が、自励式の、振動する流体ジェットを供給するノズルとして構成されていることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の燃焼室。
【請求項１２】
燃焼空気の存在下で燃料を燃焼させるための、請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃焼室（１）と、
燃焼の際に発生する排ガスを膨張させるためのタービンと、
を有するガスタービン。
【請求項１３】
ガス燃料動作モードにおいて、燃焼室（１）に、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気が、主要旋回体（２）を通じて供給され、
液体燃料動作モードにおいて、前記燃焼室（１）に、噴霧装置（３）を通じて液体燃料が供給され、少なくとも前記主要旋回体（２）を通じて燃焼空気が供給されることを特徴とする、請求項１２に記載のガスタービンを運転するための方法。
【請求項１４】
液体燃料動作モードにおいて、中央の噴霧ランス（６）も、分散した噴霧ノズル（８）も、アイドリングと全負荷との間の動作領域全体において、前記燃焼室（１）に前記液体燃料を供給するために用いられることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
液体燃料動作モードにおいて、ガスタービンに点火するために、中央の前記噴霧ランス（６）の過流室（９）に、前記液体燃料が、専ら径方向の渦発生器（１０）を通じて供給されること、及び前記ガスタービンの点火の後で、中央の前記噴霧ランス（６）の前記過流室（９）に、前記液体燃料が、付加的に軸方向の渦発生器（１０）を通じて供給されること、を特徴とする、請求項１３又は１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの燃焼室に関する。さらに本発明は、当該燃焼室を有するガスタービンと、当該ガスタービンの運転方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、燃焼室と、燃焼室の下流に配置されたタービンと、を有している。ガスタービンの燃焼室内では、燃料が燃焼され、その際に高温の排ガスが発生する。この高温の排ガスは、ガスタービンのタービン内で膨張し、これによって駆動力を供給するために、例えば電流を生成すべく発電機を駆動するために使用できるエネルギーが得られる。実践からは、二元燃料燃焼室を有するガスタービンが知られている。このような二元燃料燃焼室が知られている。このような二元燃料燃焼室内では、ガス燃料動作モードにおいてガス燃料が、液体燃料動作モードにおいて液体燃料が燃焼される。ガス燃料動作モードにおいて、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気が、主要旋回体を通じて燃焼室に供給可能である。液体燃料動作モードにおいては、ガスタービンの燃焼室に、液体燃料が噴霧装置を通じて、燃焼空気が主要旋回体を通じて供給可能である。
【０００３】
二元燃料燃焼室を有するガスタービンを、液体燃料動作モードにおいて、付加的な点火ノズル又は燃焼ガスを利用せずに、停止状態から効果的に点火し、起動することができるように、二元燃料燃焼室として構成された燃焼室をさらに改善する必要性が存在する。
【０００４】
さらに、ガスタービンを起動した後で、液体燃料動作モードの様々な負荷点において、窒素酸化物エミッション等の、望ましくない排ガスエミッションを削減する必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの必要性から出発して、本発明は、ガスタービンの新式の燃焼室と、当該燃焼室のガスタービンと、当該ガスタービンの運転方法とを創出することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本課題は、請求項１に記載のガスタービンの燃焼室によって解決される。
【０００７】
本発明によると、噴霧装置は、燃焼室の長手中心軸に関して、又は燃焼室の予燃焼室の長手中心軸に関して中央の、噴霧ノズルを備えた噴霧ランスを有しており、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルは、過流室と、過流室の下流にノズル開口部と、を有しており、過流室には、液体燃料が、径方向の渦発生器と軸方向の渦発生器とを通じて供給可能である。
【０００８】
液体燃料が径方向の渦発生器と軸方向の渦発生器とを通じて供給可能である過流室を備えた噴霧ノズルを有する中央の噴霧ランスを通じて、二元燃料燃焼室を有するガスタービンは、液体燃料動作モードにおいて、停止状態から、付加的な点火ノズル又は燃焼ガスを用いずに、液体燃料を用いて、窒素酸化物エミッション等の望ましくない排ガスエミッションを減少させて効果的に点火され、起動され得る。
【０００９】
液体燃料動作モードにおいてガスタービンを点火する際に、液体燃料が、好ましくは液体燃料が中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室に専ら径方向の渦発生器によって供給されるように、燃焼室に導入される。その後で、比較的広い噴霧円錐又は噴霧角度が、中央の噴霧ランスによって供給可能であり、これによって、液体燃料が良好に点火される。
【００１０】
燃焼室における点火及び炎の安定化の後、ガスタービンは、停止状態からの起動に際して加速され、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室の加速段階の後で、液体燃料は、軸方向の渦発生器によっても供給される。その際、より狭い噴霧円錐又は噴霧角度が、中央の噴霧ランスの領域に生じる。これによって、燃焼室の燃焼室壁が液体燃料で湿らされることが排除され得る。これは、ガスタービン又は燃焼室の安全な運転にとって必要である。
【００１１】
それゆえ、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室に、液体燃料が、一方では径方向の渦発生器を通じて、他方では軸方向の渦発生器を通じて供給可能であることによって、本発明に係る燃焼室を有するガスタービンは、液体燃料動作モードにおいて、停止状態から最適に点火され、起動し得る。
【００１２】
好ましくは、液体燃料は、径方向の渦発生器には第１の燃料導管を通じて、軸方向の渦発生器には、別個の第２の燃料導管を通じて、供給可能である。第１の燃料導管には第１の燃料弁が、第２の燃料導管には、別個の第２の燃料弁が配設されている。
【００１３】
第１の燃料弁が開かれ、第２の燃料弁が閉じられており、液体燃料が過流室に、専ら径方向の渦発生器を通じて供給される場合、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルは、６０°より大きく１００°より小さい噴霧角度を有する噴霧円錐をもたらす。
【００１４】
第１及び第２の燃料弁が開かれており、液体燃料が過流室に、軸方向の渦発生器と径方向の渦発生器とを通じて供給される場合、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルは、４０°より大きく６０°より小さい噴霧角度を有する噴霧円錐をもたらす。
【００１５】
第１の燃料弁を有する第１の燃料導管と、第２の燃料弁を有する第２の燃料導管と、を通じて、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室の方向における液体燃料の供給に用いられる径方向の渦発生器と軸方向の渦発生器とに、個別に液体燃料を供給することが可能であり、これによって、ガスタービンの点火及び起動のために、中央の噴霧ランスに、最適に燃料が供給され、その際、点火及び起動のために、噴霧される燃料に関する最適な噴霧角度が、中央の噴霧ランスによってもたらされる。中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室に、液体燃料が専ら径方向の渦発生器を通じて供給される場合にもたらされる、６０°より大きく１００°より小さい噴霧角度は、燃料の点火にとって最適である。液体燃料が中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの過流室に、軸方向の渦発生器を通じても径方向の渦発生器を通じても供給される場合に生じる４０°より大きく６０°より小さい噴霧角度は、燃料の点火に続くガスタービンの起動にとって最適である。
【００１６】
本発明のさらなる発展形態によると、中央の噴霧ランスは、フード様の部分を有しており、当該部分は、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルのノズル開口部の下流と、中央の噴霧ランスの排出開口部の上流と、においてチャンバを画定しており、当該チャンバには、ノズル開口部を通じて、液体燃料が、過流室及び燃焼空気から、主要旋回体を迂回して、径方向の渦発生器を通じて供給可能である。中央の噴霧ランスの噴霧ノズルのノズル開口部の下流に形成されたチャンバに、径方向の渦発生器を通じて供給可能である燃焼空気は、特に、燃焼室内に形成された炎の熱作用に対する、中央の噴霧ランスの冷却に用いられる。形成された燃焼空気の旋回ジェットは、中央の噴霧ランスの排出開口部の領域において、ノズル開口部を通じてチャンバ内に入る、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルの噴霧円錐と相互に作用する。チャンバの領域における、この旋回した燃焼空気と液体燃料の噴霧円錐との相互作用は、効果的且つ有害物質の少ない燃焼にとって有利である。特に、中央の噴霧ランスの噴霧ノズルのノズル開口部を通じて、少量の液体燃料のみが噴霧される場合、噴霧ランスの噴霧ノズルのチャンバに流入する旋回した燃焼空気によって、液体燃料の噴霧円錐の崩壊が防止され得る。最少量の燃料が、中央の噴霧ランスを通じて燃焼室に導入されるべき場合、噴霧ノズルのノズル開口部の下流において、中央の噴霧ランスのチャンバに導入された、旋回した燃焼空気によって、少なくとも４０°の噴霧角度がもたらされる。
【００１７】
本発明のさらなる発展形態によると、噴霧装置は、中央の噴霧ランスに加えて、複数の、燃焼室の長手中心軸に関して、又は燃焼室の予燃焼室の長手中心軸に関して分散した噴霧ノズルを有している。
【００１８】
燃焼室が、中央の噴霧ランスに加えて、複数の分散した噴霧ノズルを有するという本発明のさらなる発展形態は、特にガスタービンの液体燃料動作モードにおける起動及び試運転の後の、窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションが少ないことを保証するためには、特に好ましい。分散した噴霧ノズルは、好ましくはガスタービンがそのアイドリング速度に達した場合、中央の噴霧ランスに加えて、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料を燃焼室に導入するために用いられる。ガスタービンのアイドリング速度に達した後、すなわち、液体燃料が中央の噴霧ランスを通じても、分散した噴霧ノズルを通じても、燃焼室に導入される場合、液体燃料は、中央の噴霧ランスを通じて、燃焼室又は予燃焼室内部の再循環領域に直接導入され、これによって、安定した燃焼が得られる。その際、中央の噴霧ランスを通じた液体燃料の導入は、典型的には、燃焼空気に対して均一には行われず、液体燃料と燃焼空気との著しい予混合は行われない。分散した噴霧ノズルを通じて、液体燃料は、燃焼空気内に均一に分散される。さらに、分散した噴霧ノズルによって、液体燃料と燃焼空気との部分的な予混合が保証される。分散した噴霧ノズルによって、中央の噴霧ランスとの相互作用で、窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションが特に有利に削減され得る。
【００１９】
分散した噴霧ノズルは、好ましくは燃焼室の長手中心軸の周りに、又は予燃焼室の長手中心軸の周りに延在する円軌道又は部分円軌道上に配置されており、分散した噴霧ノズルが配置された円軌道又は部分円軌道の中心点は、燃焼室又は燃焼室の予燃焼室の長手中心軸上に位置しており、分散した噴霧ノズルが配置されている円軌道又は部分円軌道の半径は、主要旋回体の内側半径の０．４倍から１．１倍の間である。
【００２０】
分散した噴霧ノズルが、このような円軌道又は部分円軌道上に配置されている場合、液体燃料は、液体燃料と燃焼空気との均一な分散を提供しつつ、液体燃料と燃焼空気との予混合に関して最適に、燃焼室に導入可能であり、これによって、窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションが特に著しく削減され得る。
【００２１】
好ましくは自励式の、振動する流体ジェットを供給するノズルとして構成された、分散した噴霧ノズルは、それぞれ５０°より大きく９０°より小さい噴霧角度を有する噴霧円錐をもたらす。このような分散した噴霧ノズルを通じて、液体燃料は、窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションの削減を保証して、最適に燃焼室に導入され得る。振動する流体ジェットによって、液体燃料と燃焼空気との予混合が促進される。燃焼室及び予燃焼室の壁が、液体燃料で湿らされることが回避される。当該燃料は、特に均一に、燃焼室に導入され得る。排ガスエミッションを削減した、効果的な燃焼が可能である。
【００２２】
本発明に係るガスタービンは、請求項１２に規定されており、本発明に係るガスタービンの運転方法は、請求項１３に規定されている。
【００２３】
本発明に係る方法の第１のさらなる発展形態によると、液体燃料動作モードにおいて、中央の噴霧装置も分散した噴霧ノズルも、アイドリングと全負荷との間に全ての動作領域において、燃焼室に液体燃料を供給するために用いられる。各噴霧ノズルは、スイッチオン又はスイッチオフにする必要がない。これによって、高速の負荷変動が可能である。各噴霧ノズルのスイッチをオフにする際に必要であり得るパージプロセスが回避され得る。排ガスエミッションは削減され得る。
【００２４】
本発明に係る方法の第２のさらなる発展形態によると、中央の噴霧ランスの過流室の液体燃料動作モードにおいて、ガスタービンに点火するために、液体燃料が、専ら径方向の渦発生器を通じて供給され、中央の噴霧ランスの過流室のガスタービンの点火の後で、液体燃料が付加的に、軸方向の渦発生器を通じて供給される。点火及び起動の際には、分散した噴霧ノズルは動作していない。アイドリング速度に達した後で、分散した噴霧ノズルのスイッチがオンにされる。本発明に係る方法の第２のさらなる発展形態は、特に、ガスタービンを停止状態から最適に点火し、起動するために用いられる。ガスタービンがアイドリング速度に達し、起動した後で、第１のさらなる発展形態に係る方法が用いられる。
【００２５】
本発明に係る好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明するが、これに限定されるものではない。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るガスタービンの本発明に係る燃焼室の噴霧装置を極めて概略的に示した上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩの横断面を示した図である。
【図３】図２の詳細部分ＩＩＩを示した図である。
【図４】本発明に係るガスタービンを運転するための本発明に係る方法を明確に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、ガスタービンの燃焼室と、燃焼室を有するガスタービンと、ガスタービンを運転するための方法と、に関する。
【００２８】
図１から図３は、ガスタービンの燃焼室１を異なる見方で示すか、又はその詳細を示しており、当該図面において燃焼室は、二元燃料燃焼室である。
【００２９】
図１は、燃焼空気及び燃料の流れの方向に反する、燃焼室１の概略的な前面図又は上面図である。図２は、図１の切断線ＩＩ‐ＩＩに沿った横断面を示している。
【００３０】
燃焼室１は、炎管２３を有しており、当該炎管は、燃焼室１の一次燃焼領域を画定している。流れの方向において炎管２３の上流では、燃焼室１が予燃焼室５を有しており、当該予燃焼室は、燃焼室１の一次燃焼領域を構成している。炎管２３と予燃焼室５とは、互いに対して同心に配置されているか、又は共通の長手中心軸４を有している。
【００３１】
本発明に係る燃焼室１は、二元燃料燃焼室である。ガス燃料動作モードにおいて、燃焼室１内では、ガス燃料が燃焼され、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気は、主要旋回体２によって、燃焼室１に、すなわちまず予燃焼室５に供給された後で、炎管２３に供給される。
【００３２】
その際、主要旋回体２は、径方向旋回体として構成されており、ガス燃料動作モードにおいて、燃焼室１の予燃焼室５に流入する燃焼空気とガス燃料とから成る混合気の所定の渦を形成する。ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気は、ガス燃料動作モードにおいて、点火用電極１７を用いて点火され、これによってガスタービンは、ガス燃料動作モードにおいて、停止状態から加速する。点火用電極１７は、電気点火用電極である。
【００３３】
燃焼室１の液体燃料動作モードでは、燃焼室１において液体燃料が燃焼される。当該液体燃料は、噴霧装置３を用いて燃焼室１に供給される。液体燃料の燃焼のために必要な燃焼空気は、主要旋回体２によって、燃焼室１に供給される。
【００３４】
ガス燃料動作モードにおけるガス燃料の燃焼の際にも、液体燃料動作モードにおける液体燃料の燃焼の際にも、排ガスが発生する。この燃焼室１内で発生する排ガスは、ガスタービンの図示されていないタービンに供給可能であり、排ガスは、タービン内で膨張し、その際にエネルギーが得られ、当該エネルギーは、例えば電気機械を駆動するために使用され得る。
【００３５】
燃焼室１の噴霧装置３は、中央の噴霧ランス６を有しており、中央の噴霧ランス６は、概ね燃焼室１の予燃焼室５の長手中心軸４上、又は、燃焼室１の炎管２３の長手中心軸４上に位置している。従って、当該長手中心軸４に関して、噴霧ランス６が中央に位置しており、中央の噴霧ランス６は、噴霧ノズル７を含んでいる。中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７によって、液体燃料は、噴霧円錐１６を形成しながら、燃焼室１の予燃焼室５内に噴射され得る。その際、噴霧円錐１６は、噴霧角度βによって表されている。
【００３６】
図示された好ましい実施例においては、噴霧装置３は、中央の噴霧ランス６だけではなく、中央の噴霧ランス６に加えて、燃焼室１の長手中心軸４に関して又は予燃焼室５の長手中心軸４に関して分散した複数の噴霧ノズル８を有している。点火用電極１７は、これらの分散した噴霧ノズル８の内の１つに隣接して配置されている。
【００３７】
これらの分散した噴霧ノズル８を通じて、液体燃料が同様に、燃焼室１の予燃焼室５内に、やはり、噴霧円錐２９を形成しながら噴射可能であり、当該噴霧円錐は、噴霧角度Ψによって表されている。
【００３８】
従って、好ましい実施例では、噴霧装置３は、噴霧ノズル７と複数の分散した噴霧ノズル８とを備えた中央の噴霧ランス６を有している。以下において、中央の噴霧ランス６及び分散した噴霧ノズル８について詳しく言及する。
【００３９】
図３は、図２の詳細部分ＩＩＩを示しており、すなわち中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の領域における、中央の噴霧ランス６の詳細部分を示している。中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７は、過流室９と、過流室９の下流にノズル開口部２８と、を有している。中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の過流室９には、液体燃料が、一方では径方向の渦発生器１０を通じて、他方では軸方向の渦発生器１１を通じて供給され得る。径方向の渦発生器１０には、第１の燃料弁１５が配設されている第１の燃料導管１２から、液体燃料が供給される。軸方向の渦発生器１１には、これとは関係なく、第２の燃料弁１４が配設されている第２の燃料導管１３を通じて、液体燃料が供給され得る。
【００４０】
第１の燃料弁１５が開かれ、第２の燃料弁１４が閉じられており、液体燃料が、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の過流室９に、専ら径方向の渦発生器１０を通じて供給される場合、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７は、６０°より大きく１００°より小さい、好ましくは７０°より大きく９０°より小さい噴霧角度βを有する、液体燃料の噴霧円錐をもたらす。このような噴霧角度βは、特に、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料を点火用電極１７を通じて点火するために用いられる。
【００４１】
第１の燃料弁１５と第２の燃料弁１４とが両方開かれており、液体燃料が、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の過流室９に、軸方向の渦発生器１１と径方向の渦発生器１０とを通じて供給される場合、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７は、４０°より大きく６０°より小さい噴霧角度βを有する、液体燃料の噴霧円錐１６をもたらす。中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の当該噴霧角度又は噴射角度βは、特に燃料の点火の後で、ガスタービンの回転数をアイドリング速度まで上昇させるため、及び、後続のガスタービンの負荷時の運転のために有利である。
【００４２】
中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７の過流室９に、燃料側の径方向の渦発生器１０を通じて、及び場合によっては燃料側の軸方向の渦発生器１１を通じて供給される燃料は、ノズル開口部２８を通って、過流室９から排出され得る。
【００４３】
中央の噴霧ランス６の燃料側の径方向の渦発生器１０と、中央の燃料ランス６の燃料側の軸方向の渦発生器１１と、は好ましくは専ら径方向の渦発生器１０を１ｂａｒから１５ｂａｒの関連する噴霧圧力で動作させた場合に、液体燃料の貫流量が、両方の渦発生器１０及び１１を同時に動作させた場合よりも大幅に少なくなるように構成されている。
【００４４】
中央の噴霧ランス６又はその噴霧ノズル７は、フード様の部分１８を有しており、フード様の部分１８は、ノズル開口部２８の下流且つ中央の噴霧ランス６の排出開口部２１の上流で、チャンバ２７を画定している。
【００４５】
液体燃料は、ノズル開口部２８を通って、過流室９からチャンバ２７に流入し、このチャンバ２７には、さらなる燃焼空気が、燃焼空気側の径方向の渦発生器２０を通じて導入され得る。径方向の燃焼空気側の渦発生器２０を通じてチャンバ２７に供給される燃焼空気は、主要旋回体２の側を、図２に示されたバイパス導管１９を通って通過する。
【００４６】
従って、燃焼空気のための径方向の渦発生器２０によって、燃焼空気は、主要旋回体２を迂回し、バイパス１９を通るように誘導され、中央の噴霧ランス６のチャンバ２７に供給される。チャンバ２７に供給された燃焼空気の旋回によって、旋回ジェットが発生し、当該旋回ジェットは、ノズル開口部２８を通ってチャンバ２７に流入する液体燃料の噴霧を支援する。さらに、この旋回した空気流は、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７を冷却する。主要旋回体２の側を通過し、バイパス１９を通ってチャンバ２７の方向に誘導される燃焼空気は、主要旋回体２を通じて燃焼室１に供給され得る燃焼空気流の１％から１０％の間である。
【００４７】
すでに述べたように、噴霧装置３は、中央の噴霧ランス６に加えて、分散した噴霧ノズル８を有している。分散した噴霧ノズル８は、好ましくは円軌道又は部分円軌道２２上に配置されており、分散した噴霧ノズル８が配置された円軌道又は部分円軌道２２の中心点は、燃焼室１の長手中心軸４、すなわち炎管２３の長手中心軸４上か、又は予燃焼室５の長手中心軸４上に位置している。この、分散した噴霧ノズル８が配置されている円軌道又は部分円軌道２２の半径ｒ２２は、主要旋回体２の内側半径ｒ２の０．４倍から１．１倍の間の値である。分散した噴霧ノズル８は、複数の好ましくは同心の円軌道上、又は楕円軌道上、又は多角形上に配置されていてもよい。
【００４８】
中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７が、液体燃料が専ら径方向の渦発生器１０によって誘導されるのか、又は付加的に軸方向の渦発生器１１によって誘導されるのかに応じて、６０°より大きいか、若しくは１００°より小さい噴霧角度β、又は、４０°より大きいか、若しくは６０°より小さい噴霧角度βをもたらす一方で、分散した噴霧ノズル８はそれぞれ、２５°より大きく９０°より小さい噴霧角度又は噴射角度Ψを有する噴霧円錐２９をもたらす。
【００４９】
その際、分散した噴霧ノズル８は、好ましくは自励式のノズルとして構成され、振動する流体ジェットを供給するノズルである。これによって、液体燃料と燃焼空気との良好な予混合が得られる。中央の噴霧ノズル８には、燃料弁３０が配設されている燃料導管２４から、中央の噴霧ランス６の噴霧ノズル７とは関係なく、液体燃料が供給され得る。
【００５０】
円軌道又は部分円軌道２２上に配置され、好ましくは円軌道又は部分円軌道２２に沿って均等に配分された、分散した噴霧ノズル８を用いて、液体燃料は、燃焼空気と均一に分散しつつ、燃焼室１に、つまり、まず予燃焼室５に導入される。同時に、燃焼空気と液体燃料との部分的な予混合がもたらされ、特に分散した噴霧ノズル８が、主要旋回体２の出口に接して配置されていることによって支援される。
【００５１】
本発明に係るガスタービンは、本発明に係る燃焼室とタービンとを有している。燃焼室内では、燃料が、燃焼空気の存在下で燃焼される。タービン内では、発生する排ガスが膨張し、その際に、例えば電気機械を駆動するためのエネルギーが得られる。
【００５２】
本発明は、さらに、ガスタービンを運転するための方法に関する。ガスタービンは、本発明に係る燃焼室１を有しており、燃焼室１は、二元燃料燃焼室である。
【００５３】
ガス燃料動作モードにおいて、燃焼室１には、ガス燃料と燃焼空気とから成る混合気が、主要旋回体２によって供給される。
【００５４】
液体燃料動作モードにおいて、燃焼室１には、液体燃料が噴霧装置３によって供給され、燃焼空気は、少なくとも部分的に主要旋回体２を通って、及び、必要な場合には主要旋回体２の側を通るバイパス１９を通って、中央の噴霧ランス６のチャンバ２７の方向に誘導される。
【００５５】
液体燃料動作モードにおいてガスタービンを点火するため、及び、液体燃料動作モードにおいてガスタービンを停止状態から起動するために、ガスタービンは、燃焼室１に液体燃料が液体燃料動作モードにおいて、まず専ら中央の噴霧ランス６によって供給されるように動作する。
【００５６】
その際、液体燃料の点火のために、液体燃料は、噴霧ノズル７に、まず専ら径方向の渦発生器１０を通じて供給され、それによって、中央の噴霧ランス６を通じて点火するために、点火のために６０°より大きく１００°より小さい、好ましくは７０°より大きく９０°より小さい噴射角度又は噴霧角度βを有する噴霧円錐１６が供給される。この場合、液体燃料は、点火用電極１７によって良好に点火可能であり、その結果、安定して燃焼する炎が形成され得る。この場合、専ら燃料弁１５が開かれており、燃料弁１４及び３０は閉じられている。
【００５７】
安定して燃焼する炎の形成に続いて、アイドリング速度の方向にガスタービンを加速するために、液体燃料が、付加的に軸方向の渦発生器１１も通じて、噴霧ノズル７に供給される。その際、中央の噴霧ランス６の噴霧角度βは、４０°より大きく６０°より小さい角度まで減少する。これによって、燃焼室１の予燃焼室５及び炎管２３の壁が、不利に液体燃料で湿らされることが回避され得る。その後で、燃料弁１４も開かれている。燃料弁３０は、依然として閉じられている。
【００５８】
ガスタービンのアイドリング速度に達した後、付加的に、分散した噴霧ノズル８を通じた、燃焼室１への液体燃料の導入が行われる。これによって、動作中の、液体燃料の最適かつ効果的な燃焼が、すなわち、排ガスエミッション、特に窒素酸化物エミッションを削減した燃焼が保証され得る。その後で、燃料弁３０も開かれている。
【００５９】
その際、噴霧装置３の中央の噴霧ランス６を通じて、液体燃料が、燃焼室１の中央領域に、すなわち予燃焼室５及び炎管２３の中央領域に導入される。これは、安定した燃焼にとって有利である。その際、中央の噴霧ランス６を通じた液体燃料の導入は、典型的には燃焼空気に対して均一には行われず、中央の噴霧ランス６の領域における、液体燃料と燃焼空気との著しい予混合は行われない。分散した噴霧ノズル８によって、液体燃料が、燃焼空気中に均一に分散する。さらに、分散した噴霧ノズル８によって、液体燃料と燃焼空気との部分的な予混合が得られる。これは、特に窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションの削減に有利である。
【００６０】
図４では、曲線２５及び２６によって、燃料の質量流量ｍＢＳが明らかにされており、当該質量流量は、液体燃料動作モードにおいて、ガスタービンの負荷Ｐに応じて、中央の噴霧ランス６を通じて、及び分散した噴霧ノズル８を通じて、燃焼室１に導入される。
【００６１】
その際、曲線２５は、中央の噴霧ランス６を通じて燃焼室１に導入される燃料の質量流量に対応する。曲線２６は、液体燃料動作モードにおいて、分散した噴霧ノズル８を通じて燃焼室１に導入される液体燃料の質量流量を可視化している。
【００６２】
負荷Ｐが０％の場合（ガスタービンのアイドリング）には、すでに述べたように、曲線２５によると、中央の噴霧ランス６を通じて、曲線２６によると、分散した噴霧ノズル８を通じて、燃料が燃焼室１に導入される。
【００６３】
アイドリング（０％）から出発して負荷を上げていくにつれて、曲線２６によると、分散した噴霧ノズル８を通じて燃焼室１に導入される燃料の量は連続的に増大し、中央の噴霧ランス６を通じて導入される燃料の量は、曲線２５によると、さしあたり略一定であり続ける。
【００６４】
曲線２５によると、負荷がさらに増大すると共に、中央の噴霧ランス６を通じて燃焼室１に導入される燃料の量は減少する。しかしながら、中央の噴霧ランス６は動作を停止しておらず、むしろ負荷が１００％（ガスタービンの全負荷）の場合でも、液体燃料が、中央の噴霧ランス６を通じて、燃焼室１に導入される。これによって、全負荷運転において、排ガスエミッションは特に著しく削減され得る。なぜなら、中央の噴霧ランス６を通じて燃焼室１に導入される燃料の量は、最小限まで削減されるからである。
【００６５】
この関連において、チャンバ２７に、径方向の渦発生器２０を通じて、全負荷の場合に燃焼空気が供給され、それによって、特に噴霧ノズル７を通じて誘導される液体燃料が少量である場合に、噴霧円錐１６が、チャンバ２７に径方向の渦発生器２０を通じて導入される燃焼空気によって安定すると有利である。
【００６６】
全負荷の場合にも、すなわち液体燃料動作モードにおけるガスタービンの負荷領域全体にわたって、液体燃料が、中央の噴霧ランス６も通じて供給されることによって、高速の負荷変動が実現し得る。中央の噴霧ランス６をパージ又は浄化する必要もない。なぜなら、中央の噴霧ランス６を通じて持続的に、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料が燃焼室１に導入されるからである。
【００６７】
特に液体燃料動作モードにおいて、全負荷で、又は全負荷に近い負荷で、中央の噴霧ランス６を通じて燃焼室１に導入される液体燃料の量は、燃焼室１に導入される燃料の総量の５％より少なく、好ましくは２％より少ない。これによって、全負荷において、特に窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションを最小限に抑えた、ガスタービンの特に効果的な運転が保証され得る。
【００６８】
従って、本発明によって、液体燃料動作モードにおいて、一方ではガスタービンを安定して点火することが可能であり、他方ではガスタービンの回転を、ゼロの回転数から、点火後に安定してアイドリング速度にまで速めることが可能である。さらに、ガスタービンのアイドリングと全負荷との間の動作領域全体にわたって、少ない排ガスエミッションでの、確実で安定した燃焼が実現し得る。特に、１００ｖｐｐｍ＠１５％Ｏ２よりも少ない窒素酸化物エミッションが実現し得る。
【００６９】
ガス燃料動作モードでは、燃料弁１４、１５、３０は、全体として閉じられている。しかしながら、中央の噴霧ランス６のチャンバ２７を通じて、燃焼空気を、主要旋回体２の側を通過して燃焼室１に供給するために、中央の噴霧ランス６を用いることが可能である。液体燃料動作モードにおいて液体燃料の点火に用いられる点火用電極は、ガス燃料動作モードにおいても、ガスの点火に用いられる。
【符号の説明】
【００７０】
１  燃焼室
２  主要旋回体
３  噴霧装置
４  長手中心軸
５  予燃焼室
６  噴霧ランス
７  噴霧ノズル
９  過流室
１０  径方向の渦発生器
１１  軸方向の渦発生器
１２  燃料導管
１３  燃料導管
１４  燃料弁
１５  燃料弁
１６  噴霧円錐
１７  点火用電極
１８  フード様部分
１９  バイパス
２０  径方向の渦発生器
２１  排出開口部
２２  部分円
２３  炎管
２４  燃料導管
２５  曲線
２６  曲線
２７  チャンバ
２８  ノズル開口部
２９  噴霧円錐
３０  燃料弁
【図１】
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【図２】
2020063902.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020063902.tif 000006
【外国語明細書】
2020063902000001.pdf