(57)【要約】【課題】ガスタービンの燃焼バイパス流れを再導入する。【解決手段】燃焼器本体（１１）は、燃料および空気の一次燃焼用の反応域（１５）と、燃焼器本体（１１）を囲み、圧縮機吐出空気を燃焼器本体（１１）の一端（１４）に運ぶための環状通路（１３）を画定するケーシング（１２）とを含む。当該システムはさらに、環状通路（１３）内の圧縮機吐出空気から抽出された燃焼器バイパス空気を受け入れるための再導入マニホルド（１９）と、反応域（１５）の下流で燃焼器バイパス空気を燃焼器本体（１１）に注入するように再導入マニホルド（１９）と連通する１つまたは複数の再導入スロット（２１）とを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機吐出空気から抽出された燃焼器バイパス空気を再導入するように構成されたガスタービン用の燃焼器（１０）であって、
一次燃焼用の反応域（１５）を含む燃焼器本体（１１）と、
前記燃焼器本体（１１）を囲み、前記圧縮機吐出空気を前記燃焼器本体（１１）内のその一端（１４）に運ぶための環状通路（１３）を前記燃焼器本体（１１）との間に画定するケーシング（１２）と、
前記環状通路（１３）内の前記圧縮機吐出空気から抽出された前記燃焼器バイパス空気を受け入れるための再導入マニホルド（１９）と、
前記反応域（１５）の下流で前記燃焼器バイパス空気を前記燃焼器本体（１１）に注入するように再導入マニホルド（１９）と連通する１つまたは複数の再導入スロット（２１）と、
冷却空気を前記１つまたは複数の再導入スロット（２１）に供給するための１つまたは複数の冷却孔（２３）と
を含む燃焼器（１０）。
【請求項２】
前記１つまたは複数の冷却孔（２３）が、冷却空気を前記１つまたは複数の再導入スロット（２１）へ連続的に供給する請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項３】
前記再導入マニホルド（１９）に向かって流れる前記燃焼器バイパス空気を調節するためのバルブ（２０）をさらに含む請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項４】
前記環状通路（１３）から前記燃焼器バイパス空気を抽出するための抽出マニホルド（１７）をさらに含む請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項５】
前記燃焼器バイパス空気を前記抽出マニホルド（１７）から前記再導入マニホルド（１９）へ運ぶための管路（１８）をさらに含む請求項４記載の燃焼器（１０）。
【請求項６】
前記１つまたは複数の再導入スロット（２１）が、前記再導入マニホルド（１９）と連通する連続的な環状スロットを含む請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項７】
前記１つまたは複数の再導入スロット（２１）が、前記再導入マニホルド（１９）と連通する複数のスロットを含む請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項８】
前記複数のスロットが、前記燃焼器本体（１１）のまわりに互いに等しい間隔をおいて配置される請求項７記載の燃焼器（１０）。
【請求項９】
ガスタービンの燃焼器（１０）のまわりで燃焼器バイパス空気をバイパスさせるための方法であって、
燃焼器本体（１１）と前記燃焼器本体（１１）を囲むケーシング（１２）との間の空間によって画定され、圧縮機吐出空気を含む環状通路（１３）から前記燃焼器バイパス空気を抽出するステップと、
前記燃焼器バイパス空気を再導入マニホルド（１９）へ運ぶステップと、
前記燃焼器バイパス空気を、前記燃焼器本体（１１）内の反応域（１５）の下流にあり、前記再導入マニホルド（１９）と連通する１つまたは複数の再導入スロット（２１）を通して前記燃焼器本体（１１）に再導入するステップと
を含む方法。
【請求項１０】
冷却空気を、１つまたは複数の冷却孔（２３）を通して前記１つまたは複数の再導入スロット（２１）に供給するステップをさらに含む請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般にガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンの燃焼バイパス流れを再導入するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮空気を発生させる圧縮機部分を含み、圧縮空気はその後、燃焼部分の反応域で燃料を燃やすことによって加熱される。燃焼部分からの高温ガスはタービン部分へ向けられ、タービン部分では高温ガスを用いて、ロータ軸を駆動して動力を発生させる。燃焼部分は通常、圧縮機部分からの圧縮機吐出空気を受け入れるチャンバを形成するケーシングを含む。通常は、チャンバ内にいくつかの円筒形の燃焼器が配設され、燃焼させる燃料と共に圧縮機吐出空気を受け入れる。各燃焼器の後端にはダクトが接続され、高温ガスを燃焼器からタービン部分へ向ける働きをする。
【０００３】
燃料のコストが上昇しているため、ほとんどフル出力で稼働するように設計されたガス火力発電所も、今では断続的に運転されている。一般的には、石炭および核エネルギーによって安定した出力のほとんどをまかなうことができる。最需要期の間の差を補うために、ガスタービンを用いることが増えつつある。例えば、ガスタービンを日中だけ用い、電力需要が低下する夜間はオフラインにすることができる。
【０００４】
負荷軽減中、すなわち「ターンダウン」中、燃焼システムは、最大定格負荷出力、すなわち「ベースロード」の約５０パーセント（５０％）に抑えられ、エミッションコンプライアンスを保つことが可能でなければならない。要求されるターンダウンレベルにおいて許容できる燃空比を維持し、大気汚染物質と考えられる窒素酸化物（「ＮＯｘ」）および一酸化炭素（ＣＯ）の生成を制御するために、圧縮機部分からの圧縮機吐出空気の一部が燃焼器をバイパスするようにすることが望ましい場合がある。
【０００５】
これまでのバイパスシステムでは、高温ガスをタービンに向けるダクトの中にバイパス流れを希釈噴射として直接再注入することによって、これを実現してきた。この手法は、いくつかの欠点をもつ恐れがある。バイパス流れをただ１回の希釈噴射として再注入すると、燃焼システム内で消炎（ｆｌａｍｅ  ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）および高レベルの大気汚染物質が生じる可能性がある。さらに、燃焼器バイパス空気を局所的な１つの箇所でダクトに直接導入すると、タービン部分に流入する高温ガスの温度パターンおよび分布のゆがみが生じることがある。さらに一般的には、パターンおよび分布に対する効果を下流の機器の熱要求に合うように調整することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７３４０８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、圧縮機吐出空気の一部が燃焼器をバイパスし、燃焼器の下流で高温ガスの流路に入るようにするための装置を提供することが望ましい。そうしたバイパスによって、消炎および大気汚染物質の問題を軽減し、ガスの温度分布のゆがみを防止し、パターンおよび分布の要因を下流の機器の熱要求に合うように調整することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態では、本願は、ガスタービン用の燃焼器を提供する。この燃焼器は、燃焼器本体を含むことができ、燃焼器本体は、燃料および空気の一次燃焼用の反応域を含む。燃焼器は、燃焼器本体を囲み、圧縮機吐出空気を燃焼器本体内のその一端に運ぶための環状通路を画定するケーシングを含むこともできる。燃焼器はさらに、環状通路内の圧縮機吐出空気から抽出された燃焼器バイパス空気を受け入れるための再導入マニホルドと、反応域の下流で燃焼器バイパス空気を燃焼器本体に注入するように再導入マニホルドと連通する１つまたは複数の再導入スロットとを含むことができる。燃焼器は、冷却空気を１つまたは複数の再導入スロットに供給するための１つまたは複数の冷却孔を含むこともできる。
【０００９】
別の実施形態では、本願は、ガスタービン用の燃焼器を提供する。この燃焼器は、燃焼器本体を含むことができ、燃焼器本体は、燃料および空気の一次燃焼用の反応域を含む。燃焼器は、燃焼器本体を囲み、圧縮機吐出空気を燃焼器本体内のその一端に運ぶための環状通路を画定するケーシングを含むこともできる。燃焼器はさらに、環状通路から燃焼器バイパス空気を抽出するための抽出マニホルドと、環状通路から抽出された燃焼器バイパス空気を受け入れるための再導入マニホルドと、燃焼器バイパス空気を抽出マニホルドから再導入マニホルドへ運ぶための管路とを含むことができる。燃焼器は、反応域の下流で燃焼器バイパス空気を燃焼器本体に注入するように再導入マニホルドと連通する１つまたは複数の再導入スロットと、冷却空気を１つまたは複数の再導入スロットに供給するための１つまたは複数の冷却孔とを含むこともできる。
【００１０】
さらなる実施形態では、本願は、ガスタービンの燃焼器をバイパスさせるための方法を提供する。この方法は、燃焼器本体と、燃焼器本体を囲むケーシングとの間の空間によって画定され、圧縮機吐出空気を含む環状通路から、燃焼器バイパス空気を抽出するステップを含むことができる。この方法は、燃焼器バイパス空気を再導入マニホルドへ運ぶステップを含むこともできる。この方法はさらに、燃焼器バイパス空気を、燃焼器本体内の反応域の下流にあり、再導入マニホルドと連通する１つまたは複数の再導入スロットを通して、燃焼器本体に再導入するステップを含むことができる。
【００１１】
当業者には、以下の詳細な説明をいくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて検討することにより、本願のこうした特徴および他の特徴が明らかになるであろう。
【００１２】
本願は、以下の図面を参照することによってより適切に理解することができる。図面全体を通して同じ参照番号は対応する部分を示し、また図中の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本明細書に記載されるガスタービン用の燃焼器の断面図である。
【図２】本明細書に記載される再導入マニホルドの詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、ガスタービンの燃焼バイパス流れを再導入するためのシステムおよび方法の実施形態について説明する。ここで図面を参照すると、図１は、本願の一実施形態におけるガスタービンの燃焼器１０の断面図を示している。ガスタービンはさらに、圧縮機部分およびタービン部分（一部を燃焼器の左右に示す）を含むことができる。
【００１５】
ガスタービンの燃焼器１０は、燃焼器本体１１を含むことができる。燃焼器１０はさらに、燃焼器本体１１を囲むケーシング１２を含むことができる。燃焼器本体１１およびケーシング１２は一緒に、環状通路１３を画定することができる。一般的に述べると、環状通路１３は圧縮機から吐出された圧縮空気を受け入れる。環状通路１３は、圧縮機吐出空気を燃焼器本体１１のその先端１４へ運ぶ。燃焼器本体１１はさらに、燃料の一次燃焼用の反応域１５を含むことができる。燃料および圧縮空気は、一般に反応域１５に導入され、そこで燃焼して高温ガスを形成する。ダクト１６は、燃焼器本体１１の後端を形成することができる。ダクト１６は、高温ガスを反応域１５からタービンへ向けることが可能であり、タービンでは高温ガスを膨張させ、ロータ軸を駆動して動力を発生させることができる。
【００１６】
ある所定のターンダウンレベルでは、圧縮機部分からの圧縮機吐出空気の一部が燃焼器１０の反応域１５をバイパスするようにすることが望ましい場合がある。本願の一実施形態によれば、燃焼器１０は、環状通路１３から圧縮機吐出空気の一部を抽出するための抽出マニホルド１７を含むことができる。環状通路１３から抽出された圧縮機吐出空気の一部は、燃焼器バイパス空気を形成する。抽出マニホルド１７は、燃焼器バイパス空気を抽出マニホルド１７から再導入マニホルド１９へ運ぶように、管路１８と連通することができる。圧縮機１０はさらに、再導入マニホルド１９に向かって流れる燃焼器バイパス空気を調節するために、バルブ２０を含むことができる。特定の実施形態では、バルブ２０を管路１８の中に配設することができる。
【００１７】
図２は、本願の一実施形態の再導入マニホルドのさらに詳細な図を示している。再導入マニホルド１９は、管路１８を通して燃焼器バイパス空気を受け入れることができる。再導入マニホルド１９は、燃焼器本体１１の壁の中に配置された１つまたは複数の再導入スロット２１と連通することができる。本願の特定の実施形態では、再導入スロット２１は、燃焼器本体１１の壁の中に配置された連続的な環状スロットを含むことができる。本願の他の実施形態では、再導入スロット２１は、燃焼器本体１１の壁の中に配置されたいくつかのスロットを含むことができる。本願のさらに他の実施形態では、スロットは、燃焼器本体１１のまわりに互いに等しい間隔をおいて配置することができる。１つまたは複数の再導入スロット２１は一般に、再導入スロット２１を再導入マニホルド１９と接続する１つまたは複数の孔２２を通して、再導入マニホルド１９と連通することができる。再導入後、燃焼器バイパス空気は、有用な仕事を行うことが可能なタービン部分２４の第１のステージに進むことができる。
【００１８】
ターンダウンレベルでは、再導入マニホルド１９および１つまたは複数の再導入スロット２１を通る燃焼器バイパス流れは一般に、再導入マニホルド１９および再導入スロット２１を冷却し、温度が許容できるレベルの範囲内に維持されることを保証するのに十分である。しかしベースロードでは、燃焼器バイパス流れの量は最低になり、再導入マニホルド１９および再導入スロット２１の温度を許容できるレベルの範囲内に維持するには不十分である場合がある。特定の実施形態では、本願の燃焼器１０は、冷却空気を１つまたは複数の再導入スロット２１に供給するためのいくつかの冷却孔２３を含むことができる。特定の実施形態では、燃焼器バイパス空気とは無関係な冷却空気が冷却孔２３を通過し、冷却空気を１つまたは複数の再導入スロット２１に供給することができる。他の実施形態では、燃焼器バイパス空気とは無関係な冷却空気が連続的に冷却孔２３を通過し、冷却空気を１つまたは複数の再導入スロット２１に供給することができる。さらに他の実施形態では、燃焼器の後方構造２５の冷却に用いられる空気が冷却孔２３を通過し、一定レベルの再導入スロット２１の冷却を行うことができる。冷却孔２３はさらに、燃焼器バイパス流れが最低になる期間中、温度が許容できるレベルの範囲内に保たれることを保証するような大きさにすることができる。さらに、再導入スロット２１によって生成される低圧域、冷却孔２３のエジェクタ効果、および冷却孔２３によって供給される冷却空気によって、さらに逆流マージンを与えることができる。
【００１９】
前述のことが本願の好ましい実施形態のみに関連していること、また以下の特許請求の範囲およびその等価物によって定められる本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者が本明細書について多数の変更および修正を行うことが可能であることが明確になるはずである。
【符号の説明】
【００２０】
１０  燃焼器
１１  燃焼器本体
１２  ケーシング
１３  環状通路
１４  先端
１５  反応域
１６  ダクト
１７  抽出マニホルド
１８  管路
１９  再導入マニホルド
２０  バルブ
２１  再導入スロット
２２  孔
２３  冷却孔
２４  タービン部分
２５  燃焼器の後方構造
【図１】
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【図２】
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