(57)【要約】【課題】ガスタービン（１００）のシーケンシャル燃焼式システム内で希釈空気を主高温流と混合するための方法を提供する。【解決手段】ガスタービンは実質的に、少なくとも１つの圧縮機と、この圧縮機の下流に接続された第１燃焼器とを有する。第１燃焼器の高温ガスは、少なくとも１つの中間タービンへ供給され、又は少なくとも１つの第２燃焼器へ直接又は間接的に供給される。第２燃焼器の高温ガスは別のタービンへ供給され、又はエネルギー回収装置へ直接又は間接的に供給される。第１燃焼器ライナ（１０４）の冷却空気は、第２燃焼器ライナの冷却空気に関して十分な過剰圧力マージンを伴って、第２燃焼器ライナ（１０５）の冷却空気と同軸に注入される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１００）のシーケンシャル燃焼式システム内で希釈空気を主高温流と混合する方法であって、
前記ガスタービンは実質的に、少なくとも１つの圧縮機と該圧縮機の下流に接続された第１燃焼器とを有しており、
該第１燃焼器の高温ガスは、少なくとも１つの中間タービンへ供給され、又は少なくとも１つの第２燃焼器へ直接又は間接的に供給され、
該第２燃焼器の高温ガスは別のタービンへ供給され、又はエネルギー回収装置へ直接又は間接的に供給される、方法において、
該方法は、第１燃焼器ライナ（１０４）の冷却空気を、該第２燃焼器ライナの冷却空気に関して十分な過剰圧力マージンを伴って、該第２燃焼器ライナ（１０５）の冷却空気と同軸に注入するステップを有することを特徴とする、
ガスタービン（１００）のシーケンシャル燃焼式システム内で希釈空気を主高温流と混合する方法。
【請求項２】
少なくとも１つの燃焼器を、カン型アーキテクチャ（１０１）を有する熱燃焼経路において運転する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１燃焼器及び前記第２燃焼器を、カン型アーキテクチャ（１０１）を有する熱燃焼経路において運転する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１燃焼器を、アニュラ型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転し、前記第２燃焼器を、カン型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１燃焼器を、カン型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転し、前記第２燃焼器を、アニュラ型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの燃焼器を、アニュラ型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記第１燃焼器及び前記第２燃焼器を、アニュラ型アーキテクチャを有する熱燃焼経路において運転する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
第１燃焼器ライナ冷却空気と第２燃焼器ライナ冷却空気との同軸の注入は、第２燃焼器ライナ冷却空気を補助するガスタービンのプレナムからの付加的な空気をベースとする、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記第１燃焼器は予混合領域として動作し、前記第２燃焼器はシーケンシャル燃焼領域又は再熱領域として動作する、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載のガスタービンのシーケンシャル燃焼式システム内で希釈空気を主高温流と混合する方法を実施するための希釈空気混合器（１１０）において、
該希釈空気混合器（１１０）は少なくとも１つの外壁（２０１）と、第１燃焼器ライナに係る内壁（２０２）と、第２燃焼器ライナに係る内壁（２０３）と、前記内壁及び前記外壁により形成された相対的な通路に添って流れる空気流（２０４，２０５）の中間分離部（２０６）とを有していることを特徴とする、
希釈空気混合器（１１０）。
【請求項１１】
重ねて設けられた外壁（３０３）によって、前記第２燃焼器ライナから到来する少なくとも１つの空気流（３０６，３０７）のための、又は前記第１燃焼器から到来する少なくとも１つの空気流（６０１）のための通路（３０９）が形成される、請求項１０記載の希釈空気混合器。
【請求項１２】
前記通路は自律的に動作する、又は互いに依存する結合で関連し合って動作する、請求項１０又は１１記載の希釈空気混合器。
【請求項１３】
前記希釈空気混合器は前記第１燃焼器と前記第２燃焼器との間に配置されている、請求項１０から１２のいずれか１項記載の希釈空気混合器。
【請求項１４】
前記第２燃焼器ライナ冷却空気を補助するガスタービンのプレナムから付加的な空気を供給する手段が設けられている、請求項１０から１３のいずれか１項記載の希釈空気混合器。
【請求項１５】
燃焼器からの高温ガスの流れ方向において、及び／又は周囲方向において、複数の列から成るホールの下流で可欠のまたは余分な空気流を注入するために、前記希釈空気混合器にシート状のボアとして開口部が設けられている、請求項１０から１４のいずれか１項記載の希釈空気混合器。
【請求項１６】
請求項１から９のいずれか１項記載のガスタービンのシーケンシャル燃焼式システムを動作させるための燃焼器において、
少なくとも１つの燃焼器は、複数の中空の部分円錐体から成るバーナを有しており、前記複数の部分円錐体が合わさって１つの完全なボディを成しており、該ボディは複数のタンジェンシャル吸気スロットと気体燃料及び液体燃料のための複数の供給通路とを有しており、
前記複数の中空の部分円錐体の中心軸は、流れ方向で増加するテーパ角を有し、互いにずらされて長手方向に延在しており、
前記部分円錐体により形成された円錐内部空間内のバーナヘッドに燃料ノズルが配置されており、該燃料ノズルの燃料噴射口は、前記部分円錐体の互いにずらされた各中心軸を結んだ線の中央に配置されていることを配置されていることを特徴とする、
燃焼器。
【請求項１７】
請求項１から９のいずれか１項記載のガスタービンのシーケンシャル燃焼式システムを動作させるための燃焼器において、
少なくとも１つの燃焼器は、燃焼空気流のためのバーナと、実質的に渦流発生器から成る燃焼噴射手段を有しており、前記渦流発生器は実質的に複数の中空の部分円錐体から成り、該複数の部分円錐体が合わさって１つの完全なボディを成しており、該ボディは複数のタンジェンシャル吸気スロットと気体燃料及び液体燃料のための複数の供給通路とを有しており、
前記複数の中空の部分円錐体の中心軸は、流れ方向で増加するテーパ角を有し、互いにずらされて長手方向に延在しており、
前記部分円錐体により形成された円錐内部空間内のバーナヘッドに燃料ノズルが配置されており、該燃料ノズルの燃料噴射口は、部分円錐体の互いにずらされた各中心軸を結んだ線の中央に位置しており、前記渦流発生器の下流に混合区間が設けられており、
該混合区間は、流れ方向で該区間の第１部分内に延在している移行通路を有しており、該移行通路は、前記渦流発生器内で形成された流れを、該移行通路の下流でつながる前記混合区間の貫流横断面に移動させることを特徴とする、
燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのシーケンシャル燃焼式システム内で希釈空気を混合するための方法に関する。これに加えて本発明は、上述の方法を実施するための希釈空気混合器にも関する。さらに本発明は、カン型燃焼器のデザインについてもアニュラ型燃焼器のデザインについても、高い信頼性をもって均一にできるだけ最小の圧力降下で、ＣＰＳＣ（Constant Pressure Sequential Combustion 一定圧力シーケンシャル燃焼）において希釈空気を主熱流と混合することにも関する。さらに本発明は、ガスタービンのシーケンシャル燃焼式システムにおける燃焼器を動作させるための種々の予混合バーナにも関する。
【背景技術】
【０００２】
まずここで、本発明をよりよく理解できるよう、いくつかの一般的な考察を挙げおく。
【０００３】
環境保護の点から、ガスタービン機関のＣＯ放出を低減しなければならない。このような放出は、燃焼チャンバ内でＣＯからＣＯ２へ酸化するのに十分な時間がないとき、及び／又はこの酸化が、燃焼器内で冷間領域に触れることで局所的に冷却されるときに発生することが知られている。部分負荷条件ＣＯのもとでは発火温度が低くなり、ＣＯからＣＯ２への酸化が緩慢になるので、ＣＯ放出は通常、この条件のもとでは増加する傾向にある。
【０００４】
他方、ＣＯ放出の低減は、ガスタービンの待機点におけるガスタービン負荷の低減にも利用できる。これによりＣＯ2の放出が低減されることから環境への影響が少なくなるし、機関待機中の燃料消費が減ることから電気コスト全体が抑えられる。さらにＣＯ放出の低減は、ＣＯ触媒の節約になることから、原価の削減にも利用できる。この場合、ＣＯ触媒を省くことができる（あるいは少なくとも低減することができる）。これと同時に、触媒に起因して生じる損失もなくなることになり（あるいは少なくとも減少することになり）、したがって電力プラントの効率全体が上昇する。
【０００５】
US 2012/0017601 A1によれば、このような背景技術の基本としてガスタービンを動作させるための方法が開示されており、この方法によれば、部分負荷運転中、第２燃焼器の作動中のバーナの空気比λが、最大空気比λmaxよりも小さくなるように保持される。この方法の特徴は基本的に、３つの新たな要素が設けられている点にあり、それとともに単独で又は組み合わせて実施可能な複数の測定が追加されている点にある。
【０００６】
この場合、最大空気比λmaxはＣＯ放出限界値に依存する。ここでＣＯ放出限界値は、バーナ及び燃焼器の設計仕様に基づき、さらには動作条件すなわち特にバーナ入口温度にも基づいて観測されるものである。
【０００７】
１つめの要素は、部分負荷が高まったときだけ第２燃焼器を作動させることができるよう、複数の可変の圧縮機入口案内羽根列の動作方式を変更することである。無負荷運転からスタートして、第１燃焼器だけが作動している期間中、可変の圧縮機入口案内羽根列はすでに開放状態にある。これによって第２の燃焼器を動作させるべき時点よりも前に、比較的高い負荷まで負荷上昇させることができる。可変の圧縮機入口の案内羽根列が開放状態にあり高温のガス温度又は高圧タービンのタービン吸気温度が限界値に達したならば、第２燃焼器に燃料が供給される。
【０００８】
これに加えて、可変の圧縮機入口案内羽根列が迅速に閉鎖状態となる。何の対策を施すことなく、高圧タービンのタービン吸気温度ＴＩＴが一定のときに可変の圧縮機入口案内羽根列を閉鎖状態にすると、相対的な出力が著しく低下してしまうことになる。
【０００９】
このような出力低下を回避するために、第２燃焼器へ供給される燃料質量流を高めることができる。そのため、第２燃焼器を作動させるときの最小負荷と、第２燃焼器への最小燃料流が著しく増大される。
【００１０】
その結果、第２燃焼器の最小の高温ガス温度も高められ、これによって空気比λが低減され、それゆえＣＯ放出も低減される。
【００１１】
空気比λを低減するための２つめの要素は、高圧タービンＴＡＴ１のタービン出口温度及び／又は低圧タービンＴＡＴ２のタービン出口温度ＴＡＴ２のタービン出口温度を部分負荷中、上昇させることによって運転方式を変更することである。このような上昇によって、可変の圧縮機入口案内羽根をいっそう高い負荷点へシフトさせることができる。
【００１２】
通常、第２タービンの最大タービン出口温度は全負荷時に対し決定され、ガスタービン及び場合によっては下流の排熱回収ボイラは、この温度に従って設計される。これにより第２タービンの最大の高温ガス温度は、可変の圧縮機入口案内羽根列が閉鎖状態にある部分負荷中、ＴＩＴ２（第２タービンのタービン入口温度）によって制限されるのではなく、ＴＡＴ２（第２タービンのタービン出口温度）によって制限されることになる。可変の圧縮機入口案内羽根の少なくとも１つの列が閉鎖状態にある部分負荷のとき、タービンにおける質量流ひいては圧力比が低減されるので、タービン入口温度とタービン出口温度との比も低減される。
【００１３】
これに付随して、ＴＡＴ２が一定であればＴＩＴ２も低減され、たいていの場合、全負荷値より著しく小さくなる。ここで提案されているようにＴＡＴ２を全負荷限界値よりも僅かに上昇させ、典型的には１０°Ｃ〜３０°Ｃのオーダで上昇させることによって、たしかにＴＩＴ２は上昇するけれども、これは全負荷値よりは低い値に保たれ、この値は実際には、耐用年数を損なわずに、あるいは耐用年数を著しく損なわずに達成できる値である。設計仕様や材料選定の点で適合を行う必要はなく、又はそれを典型的には排ガス側に限ることができる。ＴＩＴ２を上昇させるためには高温ガス温度を上昇させ、これは燃料質量流の増加とこれに関連づけられた空気比λの低減とによって実現される。これに応じてＣＯ放出が低減される。
【００１４】
動作中のバーナの空気比λを低減するためのさらに別の可能性は、ＴＩＴ２が一定のときに個々のバーナを停止状態にし、燃料を再配分することである。
【００１５】
ＴＩＴ２をコンスタントに平均値に保持するためには、停止状態にされたバーナの個数に比例して、動作中のバーナをいっそう高温で運転しなければならない。この目的で燃料供給が増大され、局所的な空気比λが低減される。
【００１６】
分離ラインを有するガスタービンにおいてＣＯ放出に対し最適化された運転を行うため、典型的には分離ラインと隣り合うバーナ（例えば第２燃焼器のためのバーナ）がまず第１に停止状態にされる。ここで分離ラインとは、ケーシングが典型的には上半部と下半部とに分離されている面のことを指す。個々のケーシング半部は、例えばフランジにより分割ラインにおいて結合されている。
【００１７】
この場合、それらの隣り合うバーナが順番に停止状態にされ、あるいは燃焼器の反対側で分割面と隣り合うバーナが停止状態にされ、分割面からスタートし燃焼器の両側において順番に隣り合うバーナが交互に続いて停止状態にされる。
【００１８】
有利であるのは、分割ラインと隣り合うバーナをまず第１に停止状態にすることである。それというのもガスタービンの分割ラインは典型的には完全に漏れがないという状態ではなく、ほとんどの場合には漏れた流れによって可燃性ガスがいくらか冷却され希釈化が生じ（以下の考察を参照）、そのためＣＯ放出が局所的に増加することになる。分割ラインと隣り合うバーナを停止状態にすれば、そのような局所的なＣＯ放出が回避される。
【００１９】
ステージングによって回避すべき燃焼の不安定性は、典型的には低負荷においてはもはや発生せず、あるいはごく僅かである。したがって１つの実施形態によれば、固定の絞り機構ではなく、少なくとも１つの制御弁によって制限を行うことが提案されている。少なくとも１つのこの制御弁は、低負荷のときには開放状態にされるので、作動状態にあるすべてのバーナは実質的に均一に低い空気比λで運転可能である。高負荷のときには少なくとも１つのこの制御弁は、ステージングを実現するために絞られる。
【００２０】
現在行われているやり方を挙げると、図２に示されているように再熱燃焼器からの冷却空気及び予混合燃焼器からの残留空気又はプレナムからの外気は、希釈空気として燃焼器へ別個に供給される。
【００２１】
逆流のマージンを十分にとる目的で、両方の希釈空気流は約１．５％の過剰圧力で注入されなければならない。しかしながら問題となるのは、図２ａに描かれているように、シーケンシャルライナ冷却管路と予混合ライナ冷却管路における圧力特性が異なることに起因して、すべての流路が同じ圧力レベルというわけではないことである。
【００２２】
図２及び図２ａに描かれている構成によれば、前述の逆流マージン要求及び全部で３つの流路間の差異ゆえに、少なくとも８％の燃焼器圧力降下が発生する。シーケンシャルライナ冷却管路を整合させるために、予混合ライナ及び予混合バーナ管路において圧力降下を人為的に増大させなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】US 2012/0017601 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の基礎とする課題は、カン型及びアニュラ型の燃焼器デザインのためのシーケンシャル燃焼式ガスタービンを動作させるための方法を提案することであり、この場合、予混合ライナ空気をシーケンシャル冷却空気と同軸で注入することをベースとする。
【００２５】
さらに本発明がベースとするコンセプトは、一定の圧力のシーケンシャル燃焼式システムである。このコンセプトによれば、予混合燃焼器からの高温燃焼生成物が希釈空気混合器により冷却され、ついで再熱燃焼器へ供給される。
【００２６】
希釈空気混合器の役割は、予混合及び再熱の冷却空気を予混合燃焼器からの高温燃焼生成物と混合することである。この混合器の主要な要求は、再熱バーナへの入口において温度分布が均一となること、ならびにパフォーマンスの理由から圧力降下が小さいことである。
【００２７】
本発明は、一定圧力のシーケンシャル燃焼式システムにおいて、カン型燃焼器の設計仕様に対してもアニュラ型燃焼器の設計仕様に対しても、高い信頼性を伴って均一にできるかぎり最小の圧力降下で、希釈空気を主熱流と混合しようというものである。
【００２８】
以下で説明する本発明の目的は、シーケンシャル燃焼式のアニュラ型アーキテクチャ又はカン型アーキテクチャを有し部分負荷のもとで動作する少なくとも１つの燃焼器を使用するガスタービンのために、いっそう低い燃焼器圧力降下を生じさせるとともに、シンプルな壁面噴流と均一な混合を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明によれば上記の課題は、請求項１記載の方法、請求項９記載の希釈空気混合器、請求項１６記載及び請求項１７記載の燃焼器により解決される。
【００３０】
図１には、この種のガスタービンの一般的な略図が例示されている。この場合、圧縮機の次に、複数のカンによって構成することのできる燃焼器区間が設けられている。これらのカンにおいて、第１燃焼器に続いて第２燃焼器が配置されている。第２燃焼器の入口温度をコントロールし、ひいてはそこに噴射される燃料の自己着火時間をコントロールするためには、これら２つの燃焼器の間に希釈空気を噴射するのがよい。最終的に、高温燃焼ガスがタービンに供給される。
【００３１】
カン型アーキテクチャとして、アニュラ型の第１燃焼器チャンバ及び／又は第２燃焼器チャンバがバーナごとに流れ方向で独立したカンを有する場合もあるし、あるいは隣接する燃焼領域又はバーナが相互に壁によって分離された別個の流体燃焼領域が設けられている場合もある。
【００３２】
本発明の基本的な着想は、予混合ライナ冷却空気がシーケンシャルライナ冷却空気と同軸で注入されることである。この場合、最適な混合を達成する目的で、直径がそれぞれ異なるホールから成る複数の列を設けると有利である。
【００３３】
このようにすれば、予混合ライナ冷却管路からいっそう高い外部圧力を遮蔽する作用により、シーケンシャルライナ冷却空気を用いても、０．５％の余剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【００３４】
他の有利な着想として挙げられるのは、２つの列とスリーブを備えプレナムからの付加的な空気の補助ないしはサポートが行われる同軸の希釈空気注入をベースとする希釈空気混合器である。
【００３５】
他の有利な着想として挙げられるのは、シーケンシャルライナ空気を補助ないしはサポートするプレナムからの付加的な空気との同軸の希釈空気注入をベースとする希釈空気混合器である。
【００３６】
他の有利な着想として挙げられるのは、シーケンシャルライナ空気を補助する予混合ライナ空気との同軸の希釈空気注入をベースとする希釈空気混合器である。
【００３７】
さらに別の有利な着想として挙げられるのは、シーケンシャルライナ空気を補助する予混合ライナ冷却空気とプレナム空気との同軸の希釈空気注入をベースとする希釈空気混合器である。
【００３８】
このような最終的な目的を達成するために、以下のように構成するのも有利である。すなわち、種々の要素のジオメトリ及び／又は流体係数が測定され、高い流量の要素と低い流量の要素が燃焼器カン又はアニュラ型燃焼チャンバ内部で混合される。
【００３９】
ガスタービンは実質的に少なくとも１つの圧縮機と第１燃焼器を有しており、第１燃焼器は圧縮機下流で接続されている。第１燃焼器の高温ガスは少なくとも１つの中間タービンに供給され、又は直接又は間接的に第２燃焼器へ供給される。第２燃焼器の高温ガスは別のタービンへ供給され、又はエネルギー回収装置例えば蒸気発生器へ直接または間接的に供給される。
【００４０】
本発明による利点は以下の通りである。すなわち、
−燃焼器全体の圧力降下が低減され、したがって熱力学的効率が増大する。
−壁面噴流を伴う希釈空気混合器の設計仕様がシンプルである。
−再熱バーナ入口における温度分布が均一であり、それゆえ均質な燃焼プロセスにより燃焼器内の脈動に対し作用を及ぼすことができ、さらに再熱バーナのＣＯ生成物の過度に大きい増加に対し作用を及ぼすことができる。
−局所的な逆流あるいは過熱が生じない信頼性の高い動作が得られる。
【００４１】
これらのことから本発明の着想を、カン型アーキテクチャあるいはそれだけでなく他のアーキテクチャにおいて（高圧タービンを有するまたは有していない）シーケンシャル燃焼で動作する機関のために利用することが考えられる。
【００４２】
シーケンシャル燃焼に関して、燃焼器の組み合わせを以下のように構成することができる。
−少なくとも１つの燃焼器は、少なくとも１つの動作タービンを備えたカン型アーキテクチャとして構成されている。
−第１燃焼器も第２燃焼器も双方ともに、少なくとも１つの動作タービンを備えたカン型−カン型のアーキテクチャとして構成されている。
−第１燃焼器はアニュラ型燃焼チャンバとして構成されており、第２燃焼器はカン型コンフィギュレーションとして設けられており、これに少なくとも１つの動作タービンが設けられている。
−第１燃焼器はカン型アーキテクチャとして構成されており、第２燃焼器はアニュラ型燃焼チャンバとして構成されており、これに少なくとも１つの動作タービンが設けられている。
−第１燃焼器も第２燃焼器も双方ともに、少なくとも１つの動作タービンを備えたアニュラ型チャンバとして構成されている。
−第１燃焼器も第２燃焼器もともにアニュラ型燃焼チャンバとして構成されており、これに少なくとも１つの中間動作タービンが設けられている。
【００４３】
したがってカン型アーキテクチャの希釈空気混合器の観点からすれば、個々のカンどうしの相互作用は最小であり、あるいは存在しない。このためカン型の実施形態の場合、既述のコンセプトはアニュラ型の機関アーキテクチャよりもいっそう効果的である。
【００４４】
これまで述べてきた方法に加えて、この方法を実施するためのガスタービンも本発明の対象である。その際、希釈空気混合器の着想に従って、ガスタービンの設計仕様を適応させるべきであるし、及び／又は、局所的な燃焼器圧力降下を低減するために用いられる希釈空気混合器に応じて実現性を保証する目的で、燃料分配系統及び／又は冷却空気系統を適応させるべきである。ガスタービンのすべての要素は、許容された公差の範囲内におかれる。このような公差は、要素ごとに、及び用いられる希釈空気混合器について、ジオメトリと特性をいくらか異ならせることになる。
【００４５】
特にこれによって、運転中の圧力損失と流量も異なることになる。これらの公差は、通常運転中の動作の挙動特に高い部分負荷と全負荷における動作の挙動に実質的に影響が及ぼされないように選定される。この目的で、様々な希釈空気混合器のジオメトリ及び／又は流体係数が、希釈空気混合器に関連して存在する流量とともに測定される。
【００４６】
本発明によるさらに別の利点は以下の通りである。
【００４７】
特にいっそう小さい部分負荷条件において、ＣＯ放出が低減される。したがって、電力プラントのオペレータによって低い電力出力が望まれる期間中、ガスタービンを低い値で待機させておくことができる。
−これにより、電力プラントのオペレータは燃料を節約することができ、ひいては電気コスト全体を低減することができる。
−ＣＯ放出が低減されることから環境に恩恵がもたらされ、待機点がいっそう小さくなり（つまりは燃料消費とＣＯ2生成物が少なくなり）、あるいはこれら両方の利点の組み合わせが得られる。
−高価なＣＯ触媒を省くことができ、したがって原価が低減される。
【００４８】
後続の動作燃焼器の間に希釈空気混合器を設けた構成を利用することにより、以下の利点が得られる。すなわち、
−第１燃焼器内の元の物質とのＣＯ酸化に対するボリュームが増加することにより、上述のすべての利点とともにＣＯ低減が得られる。
−それぞれ異なるカン型燃焼器間の周囲温度勾配が低減される。したがってタービンのインレットプロフィルが改善され、タービン部品の耐用期間が改善される。
【００４９】
図１〜図７には、実施形態に基づき本発明が概略的に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】カン型アーキテクチャのシーケンシャル燃焼を用いた一般的なガスタービンを示す図
【図２】希釈空気の混合ジオメトリについて示す図
【図２ａ】動作要素の概略を圧力降下の詳細とともに示す図
【図３】圧力降下が低減された状態の同軸の希釈空気注入を示す図
【図３ａ】動作要素の概略を圧力降下の詳細とともに示す図
【図４】複数の列のホールとガスタービンのプレナムからの付加的な空気による同軸の希釈空気注入について示す図
【図５】シーケンシャルライナ空気を補助するプレナムからの付加的な空気による同軸の希釈空気注入を示す図
【図５ａ】動作要素の概略を圧力降下の詳細とともに示す図
【図６】シーケンシャルライナ空気を補助する予混合ライナ冷却空気による同軸の希釈空気注入を示す図
【図７】同軸の希釈注入予混合ライナ冷却空気と、シーケンシャルライナ空気を補助するプレナム空気を示す図
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１には、本発明による方法を実現するためのシーケンシャル燃焼式のガスタービン１００が示されている。ガスタービン１００は、圧縮機（図示せず）と第１カン型燃焼器１０１と第２カン型燃焼器１０２を有しており、これには再熱バーナとタービン（図示せず）が備えられている。典型的にはこれには発電機（図示せず）が含まれており、これはガスタービンのコールドエンドで、つまり圧縮機のところで、ガスタービンのシャフトと結合されている。
【００５２】
図１には、カン型アーキテクチャのシーケンシャル燃焼を用いた一般的なガスタービン１００が示されており、ここでは希釈空気の希釈空気混合器１１０が加えられている。
【００５３】
これに加えてガスタービンは、予混合燃焼器ライナ１０４とシーケンシャル燃焼器ライナ１０５を有しており、この場合、ライナに添って進む空気の流れは、第１燃焼器１０１と第２燃焼器１０２との中間に配置された希釈空気混合器１１０へと向かう。希釈空気混合器１１０の精確な配置は厳密に対称であると捉えなくてもよく、燃焼器の個々の設計仕様に応じて配置される。
【００５４】
他のコンセプトを挙げるとガスタービンは、圧縮機と第１燃焼器と第１タービンと第２燃焼器と第２タービンを有している。典型的にはこれには発電機が含まれており、これはガスタービンのコールドエンドすなわち圧縮機のところで、ガスタービンのシャフトと結合されている。第１燃焼器と第２燃焼器はアニュラ型コンセプト又はカン型アーキテクチャで動作する一方、第１燃焼器下流の第１タービンは任意である。
【００５５】
カン型アーキテクチャは、タービンシャフト周囲に環状アレイとして配置された複数のカンを有しており、これによってカンそれぞれの個々の燃焼動作が可能となり、燃焼プロセス中に個々のカンどうしで有害な相互作用を生じさせないようにしている。
【００５６】
カンの燃焼又はアニュラ型コンセプトのために予混合バーナ１０６が設けられるならば、それらのバーナは有利にはEP 0 321 809 A1及び／又はEP 0 704 657 A2による燃焼プロセス及び対象内容に従って形成されるべきものであり、これらの文献は本願の一部を成すものである。
【００５７】
詳細には上述の予混合バーナ１０６は、液体及び／又は気体のあらゆる種類の燃料によって動作可能である。したがって、個々のカン内に様々な燃料を容易に供給することができる。つまりこのことは、１つの予混合バーナを同時に異なる燃料で動作させることも可能であることを意味する。
【００５８】
第２の燃焼器つまり後続の燃焼器のカン型燃焼器又はアニュラ型燃焼器は、有利にはEP 0 620 362 A1又はDE 103 12 971 A1によって実施され、これらの文献は本願の一部を成すものである。
【００５９】
これらに加えて、以下の文献も本願の一部を成すものである。
【００６０】
EP 0 321 809 A1及びB1は、タンジェンシャル吸気スロットと気体燃料及び液体燃料のための供給ダクトを備えたバーナに関する。このバーナは複数の中空の部分円錐体から成り、これらの部分円錐体が合わさって１つの完全なボディを成している。この場合、これら複数の中空の部分円錐体の中心軸は、流れ方向で増加するテーパ角を有しており、互いにずらされて長手方向に延在している。さらに燃料ノズルの燃料噴射口は、部分円錐体の互いにずらされた各中心軸を結んだ線の中央に位置しており、このノズルは、部分円錐体により形成された円錐状の内部空間においてバーナヘッドのところに配置されている。
【００６１】
EP 0 704 657 A2及びB1は、熱発生器のバーナ装置に関する。この装置は、実質的にEP 0 321 809 A1及びB1に従って構成された燃焼空気流のための渦流発生器と、燃料噴射手段と、渦流発生器の下流に配置された混合区間とから成る。その際、混合区間は、渦流発生器内で形成された流れを混合区間の貫流横断面に移すための移行通路を有しており、この通路はその下流に設けられた混合区間の第１部分内で流れ方向に延びている。
【００６２】
さらに、所定の滞留時間での燃料空気混合を改善する目的で、燃料の自己着火を利用したガスタービン再熱燃焼器内で使用するための燃料噴射器も提案されている。この噴射器の個々の実施形態は以下の通りである。
−クロスフローコンフィギュレーションにおいて酸化剤の流れに対し垂直に気体燃料が噴射される。
−インラインコンフィギュレーションにおいて酸化剤の流れに対し平行に気体燃料が噴射される。
−酸化剤の流れに対し０°〜９０°の傾斜角で気体燃料が噴射される。
−EP 0 646 705 A1 及びB1は、シーケンシャル燃焼式ガスタービン群において部分負荷運転を行う方法に関する。
−EP 0 646 704 A1及びB1は、２つの燃焼室を備えたガスタービンプラントの制御方法に関する。
−EP 0 718 470 A2及びB1は、部分負荷運転を行うときに、２つの燃焼室を備えたガスタービン群を運転する方法に関する。
【００６３】
先に挙げた文献の１つ又は複数の改善を含む他の関連刊行物も、本願の一部分を成すものである。
【００６４】
図２には、希釈空気混合器１１０において希釈空気混合を行うジオメトリが示されている。希釈空気混合器１１０は、外壁２０１と、予混合ライナ冷却流２０４に係る内壁２０２と、シーケンシャルライナ冷却流２０５に係る内壁２０３と、相対的な通路に沿った２つの空気流２０４，２０５の中間分離部２０６を有している。再熱燃焼器（図１参照）からの空気流２０５と予混合燃焼器（図１参照）からの残りの空気２０４は、別個に希釈空気混合器１１０へ供給され、ついで予混合バーナ（図１参照）からの高温ガス流２０９へ送られる。
【００６５】
図２ａには、動作要素の概略が圧力の詳細とともに示されている。逆流のマージンを十分にとる目的で、両方の希釈空気流は約１．５％の過剰圧力を伴って注入すべきである。
しかしながらこの構成の場合、図２ａに描かれているように、シーケンシャルライナ冷却流と予混合冷却流（図２の符号２０４、２０５参照）の圧力降下特性が異なることに起因して、すべての流路において同じ圧力レベルが生じるわけではない。
【００６６】
このような構成によれば、上述の逆流マージン要求及び全部で３つの流路２１０，２１１，２１２間の差異ゆえに、少なくとも８％の燃焼器圧力降下が発生する。
【００６７】
それゆえシーケンシャルライナ冷却管路２１０の整合のために、予混合ライナ管路２１１と予混合バーナ管路２１２において圧力の降下又は低減を人為的に大きくする必要がある。
【００６８】
図３には、希釈空気混合器３００における同軸の希釈空気注入について示されている。この混合器は、主外壁３０１と、予混合ライナ冷却流２０４に係る内壁３０２と、予混合ライナ冷却流２０４に係る中間クロージャ３０８を有している。上に重ねて設けられた外壁３０３によって、シーケンシャルライナ冷却管路からの空気流３０６，３０７のための通路が形成される。この構成は、予混合ライナ冷却空気２０４がシーケンシャルライナ冷却空気３０６，３０７と同軸に注入されることに基づいている。予混合バーナからの高温ガス２０９との最適な混合を達成するために、全体としてどのような構成であっても、同一の直径又は類似した直径あるいは異なる直径をもつ複数の列のホール３０５を設けることができる。
【００６９】
これらに加え１つのオプションとして、シート状のボア３０４として開口部が希釈空気混合器３００に設けられている。このボアは、予混合バーナからの高温ガス２０９の流れ方向において、及び周囲方向において、複数の列から成るホール３０５の下流で可欠のまたは余分な空気流を注入するために用いられる。
【００７０】
図３ａには、動作要素の概略が圧力の詳細とともに示されている。このようにして図３の実施形態によれば、予混合ライナ冷却管路２１１，２１２からいっそう高い外部圧力を遮蔽する作用により、シーケンシャルライナ冷却空気管路２１０が設けられていても、０．５％の余剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【００７１】
図４による希釈空気混合器４００は、図３による希釈空気混合器３００をベースとしており、さらにここではガスタービンのプレナムからの空気流４０１が加わっている。このようにして、シーケンシャルライナ冷却空気管路２１０（図３参照）が設けられていても、０．５％よりも小さい余剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【００７２】
図５による希釈空気混合器５００は、図２による希釈空気混合器３００をベースとしており（図２の符号１１０も参照）、さらにここではシーケンシャルライナ空気流２０５を補助するガスタービンのプレナムからの空気流５０１が加わっている。図５ａに示されているように、このようにすればシーケンシャルライナ冷却空気管路２１０が設けられていても、１％の過剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【００７３】
図６には、中間分離部２０６のバイパスによって、シーケンシャルライナ空気６０２をじかに補助する予混合ライナ冷却空気６０１との同軸の希釈空気注入について示されている。このようにすれば、シーケンシャルライナ冷却空気管路２１０（図３ａ参照）が設けられていても、１％の過剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【００７４】
図７には、中間分離部２０６のバイパスによって、シーケンシャルライナ冷却空気６０２をじかに補助する予混合ライナ冷却空気６０１とプレナム空気７０１を伴う同軸の希釈空気注入について示されている。このようにすれば、シーケンシャルライナ冷却空気管路２１０（図３ａ及び図５ａ参照）が設けられていても、１％の過剰圧力で十分な逆流マージンをとることができる。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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