(57)【要約】【課題】制限されたバーナ出口領域を使用した場合に、下流側の構成部材、たとえば燃焼室およびタービン構成部材の設計における制限を減じるか、または排除する。【解決手段】再熱バーナ配列は、センタボディと、所定の横断面積を有する環状のダクトと、中間燃料噴射平面と有し、該中間燃料噴射平面は、前記センタボディに沿って配置され、前記環状ダクトの横断面領域に積極的に接続されており、センタボディは、燃焼室の上流に配置されており、再熱バーナ配列の構造は、種々異なるパラメータにより規定され、再熱バーナ配列の構造は、種々の相互関係により規定される。【選択図】図１
2014085109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の横断面積を有するダクトと、
該ダクト内に配置されたセンタボディと、
該センタボディに沿って配置された中間の燃料噴射平面と
を備える再熱バーナ配列であって、
前記センタボディが、第２の燃焼室の上流側に配置され、該第２の燃焼室の入口で終わっており、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定される流れダクトの横断面は、段階式に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼室の入口まで増大している、再熱バーナ配列において、
前記バーナの出口の周長と、前記第２の燃焼室の入口の周長との比が、０．６〜１の範囲であることを特徴とする、再熱バーナ配列。
【請求項２】
前記センタボディは、円形の横断面を有しており、前記燃焼室の入口は、円形の横断面を有しており、前記バーナの出口は、環状の横断面を有しており、前記再熱バーナ配列の構造は、以下のパラメータによって規定されており、ここで、
ｄ１＝前記燃焼室（１０９）の外径、
ｄ２＝前記環状ダクト（１０５）の外径、
ｄ３＝前記センタボディ（１０１）の外径、
ｄｈ＝前記環状ダクト（１０５）の水力直径、
Ｌ＝流れ方向（１０７）で、前記環状ダクト（１０５）の終端部における前記燃焼室（１０９）の始端部と、前記噴射平面（１０２）の終端部との間の中間長さ、
ｄＮ＝前記環状ダクト（１０５）の出口領域の等価直径、
Ａ＝前記環状ダクト（１０５）の横断面積、
Ｐ＝環状ダクト（１０５）の周囲の長さ
であり、
前記再熱バーナ配列の構造が、以下の関係式により規定され、すなわち、
ｄ３／ｄ２＝ｓｑｒｔ［１−（ｄＮ／ｄ２）＾２］、
ｄＮ＾２＝ｄ２＾２−ｄ３＾２、
ｄｈ＝４Ａ／Ｐ、
ｄｈ＝（ｄ２−ｄ３）、
ｄｈ＜ｄＮ、
Ｌ／ｄｈ＞Ｌ／ｄＮ、および
ｄ２／ｄ１は０．６〜１の範囲であり、
であり、これにより、
混合と、前記環状ダクト（１０５）から前記燃焼室（１０９）の壁（１１２）への流れの再付着とを改善するようになっている、請求項１記載の再熱バーナ配列。
【請求項３】
少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、前記燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有していて、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、該前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁には少なくとも２つのひだが設けられており、該ひだは、互いに連動して同じ方向に延びている、かつ／または正反対の横方向に延びており、平面状の前縁領域から変位部分までの移行は滑らかであり、連続的な一次導関数を持つ関数により表される表面曲率を有している、請求項１または２記載の再熱バーナ配列。
【請求項４】
少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有しており、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面において優勢な主流方向に対して垂直に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、前記前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁に少なくとも１つの渦発生器が設けられており、好適には少なくとも２つの渦発生器が設けられており、該渦発生器は、基本的に同じ周期を有しており、各流線形のボディの後縁の渦発生器の数は、好適には同一であり、隣接する流線形ボディの渦発生器は、位相を合わされて、または位相をずらされて配置されている、請求項１または２記載の再熱バーナ配列。
【請求項５】
前記流線形のボディの前縁領域は、空気力学的なプロフィルを有しており、該空気力学的なプロフィルは、噴射平面の長手方向軸線に対して相対的に傾斜された配向から、前記流線形のボディの上流側半部の噴射平面の長手方向軸線に対して平行な配向に変えられる、請求項１から４までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項６】
２つの流線形のボディの前記中心平面の間の距離は、前記ひだの高さ（ｈ）の少なくとも１．２倍であり、好適には前記ひだの高さ（ｈ）の少なくとも１．５倍である、請求項１から５までのいずれか１項の再熱バーナ配列。
【請求項７】
前記噴射平面は、長手方向軸線に沿って延びる方形または台形の横断面を有しており、該横断面は、少なくとも２つの流線形のボディを有する４つの制限壁により画定されており、該流線形のボディは、一方の制限壁から反対の制限壁にまで延びている、請求項１から６までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項８】
前記噴射平面は、環状の横断面を有しており、該環状の横断面は、長手方向軸線に沿って、内側の制限壁と、外側の制限壁とを有して延びており、前記内側の制限壁と、前記外側の制限壁とは、互いに対して同心的であり、かつ内側の制限壁から外側の制限壁へと延びる少なくとも２つの流線形のボディを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項９】
前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディは、前記バーナ内に少なくとも１種の燃料を導入する少なくとも１つのノズルを備えた噴射装置として構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１０】
少なくとも１つのノズルは、前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置されている、請求項９記載の再熱バーナ配列。
【請求項１１】
前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置された少なくとも２つのノズルは、後縁に沿った各頂点に、または１つおきの頂点に配置されており、前記後縁には、燃料ノズルが配置されている、かつ／または燃料ノズルは基本的に流線形のボディの中心平面に配置されており、好適には、ひだ状の前記後縁が前記中心平面と交差する各位置に燃料ノズルが配置されている、請求項９記載の再熱バーナ配列。
【請求項１２】
前記流線形のボディの下流側に、混合ゾーンが配置されており、前記流線形のボディにおいて、かつ／または流線形のボディの下流側で、前記混合ゾーンの前記横断面が減じられており、好適には該横断面の減少は、該流線形のボディの上流側の流れ横断面と比較して、少なくとも１０％、好適には少なくとも２０％、さらに好適には少なくとも３０％である、請求項９から１１までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１３】
前記ボディには、冷却エレメントが設けられており、好適には冷却エレメントは、ボディの側壁に沿った冷却媒体の内部循環により、かつ／またはフィルム冷却孔により与えられていて、該フィルム冷却孔は、好適には、後縁の近傍に配置されており、最も好適には冷却エレメントには、燃料噴射にも使用されるキャリアガス供給部から空気が供給されている、請求項９から１２までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１４】
前記燃料ノズルは、円形であり、かつ／または前記流線形のボディの前記後縁に沿って延びる延長されたスロットノズルであり、かつ／または液体を噴射する第１のノズルおよび／またはガス状の燃料を噴射する第２のノズルおよびキャリアガスを噴射する第３のノズルを有し、該第３のノズルは、前記第１のノズルおよび／または前記第２のノズルを取り囲んでいる、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１５】
前記混合エレメントの高さは、半径方向の位置に依存する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１６】
逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法であって、
前記ガスタービンはコンプレッサと、該コンプレッサから圧縮された空気を受け取る、第１の燃焼室および第１のバーナを有する第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から予め決められた第２の燃焼器入口温度で高温ガスを受け取る、第２の燃焼室と第２のバーナとを有する第２の燃焼器と、該第２の燃焼器から高温ガスを受け取るタービンとを有し、前記第２のバーナが所定の横断面積を有するダクトと、該ダクト内に配置されたセンタボディと、該センタボディに沿って配置されかつ環状ダクトに接続されている中間燃料噴射平面とを有し、前記センタボディは、前記第２の燃焼室の上流側に配置され、前記燃焼室の入口で終わっている、逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法において、
燃料を前記噴射平面に噴射し、燃料を、前記第１の燃焼器から受け取った高温ガスと混合させ、前記第２のバーナを出る高温のガス燃料混合物の流れ速度を、前記流路の面積の増大により減じ、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定された流れダクトの横断面は、段階的に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼器の入口まで増大し、前記バーナの出口の周長と、前記燃焼室の周長との比は、０．６〜１の範囲であることを特徴とする、逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン内での予混合を目的とするバーナに関する。特に再熱プロセスにおける燃焼室のためのバーナに関する。さらに、このようなバーナの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い効率を達成するために、標準的なガスタービンにおいて高いタービン入口温度が要求される。結果として、高いＮＯｘ排出レベルが生じる。この高いＮＯｘ排出レベルは、逐次燃焼により軽減され得る。主流は、（たとえば欧州特許第１２５７８０９号明細書または米国特許第４９３２８６１号明細書に開示されている一般的なタイプのバーナであって、ＥＶ燃焼器とも呼ばれ、この場合、ＥＶは「環境（environmental）」を表すバーナを使用する）第１の燃焼室を通過し、この第１の燃焼室において燃料の一部が燃焼される。（たとえば米国特許第５４３１０１８号明細書または米国特許第５６２６０１７号明細書または米国特許出願公開第２００２／０１８７４４８号明細書に開示されているタイプのバーナであって、ＳＥＶバーナとも呼ばれ、Ｓは「二次（secondary）」を表すバーナを使用して）残りの燃料が加えられ、かつ燃焼される。低ＮＯｘ排出は燃料と酸化剤との高い混合品質を要求するので、両燃焼器は予混合バーナを有している。
【０００３】
第２の燃焼器には第１の燃焼器の排ガス（付加的な冷却空気により冷却され得る）が供給されるので、この運転状態は、付加的なエネルギが混合物に供給されることなく、燃料空気混合物の自己着火（自発着火）を可能にする。混合領域における燃料空気混合物の着火を阻止するために、混合領域における滞留時間は自動着火遅れ時間を上回ってはならない。この基準は、バーナ内に火炎のないゾーンを保証する。この基準は、バーナ出口領域を横切る燃料の適切な分布を得ることに課題を提起する。混合ゾーンの出口における燃料と酸化剤とのその後の混合は、低ＮＯｘ排出を可能にし（混合品質）、混合ゾーンにおける燃料空気混合物の自己着火により生じ得る逆火を阻止する（滞留時間）ために、ちょうど十分である。
【０００４】
現在の設計は、バーナ出口領域と、流れ速度と、バーナ内での噴射後滞留時間との関係に基づき制限されている。このことは、周方向の混合の達成を難しくする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第１２５７８０９号明細書
【特許文献２】米国特許第４９３２８６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５４３１０１８号明細書
【特許文献４】米国特許第５６２６０１７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００２／０１８７４４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示の課題は、制限されたバーナ出口領域を使用した場合に、下流側の構成部材、たとえば燃焼室およびタービン構成部材の設計における制限を減じるか、または排除することである。バーナ出口領域は、バーナ内での逆火を阻止することができるように、バーナ内で十分な流れ速度を保証するために制限されている。しかし、燃料噴射箇所からバーナ出口への所定の最短の長さが、バーナ内での十分な混合を可能にするために要求されている。
【０００７】
この課題は、特に第１の燃焼室および第２の燃焼室を有するガスタービンの２次燃焼室に用いられるバーナであって、少なくとも１種のガス状の燃料をバーナ内に導入する噴射装置を備え、このバーナの噴射装置が、少なくとも１つのボディまたはランスを有しており、該ボディまたはランスはバーナ内に配置されており、このボディは、バーナ内に少なくとも１種のガス状の燃料を導入する少なくとも１つのノズルを有している、バーナを提供することにより達成される。
【０００８】
１つの態様によれば、少なくとも１つのボディは流線形のボディとして構成されていてよく、該流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有し、かつ該流線形のボディは、長手方向で、バーナ内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びている。少なくとも１つのノズルは、その出口オリフィスを流線形のボディの後縁に、または後縁内に有している。本発明によるボディは、２つの横方向の表面を有し（通常は少なくとも、１つの中心ボディのために基本的に主流方向に対して平行であり、かつ収束している、つまり他方に対して傾斜している）、少なくとも１つの横方向の表面上の少なくとも１つのノズルの上流側に、少なくとも１つの渦発生器が配置されている。
【０００９】
二次燃焼室のためのこのようなバーナは、逐次燃焼を有するガスタービンの一部であってよく、ガスタービンは、コンプレッサと、該コンプレッサから圧縮された空気を受け取る、第１の燃焼室および第１のバーナを有する第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から予め規定された第２の燃焼器入口温度で高温ガスを受け取る、第２の燃焼室および二次バーナ（第２のバーナとも呼ばれる）を有する第２の燃焼器と、第２の燃焼器から高温ガスを受け取るタービンとを備える。タービンは、第１の燃焼器と第２の燃焼器との間に配置されていてよい。
【００１０】
本発明の１つの態様は、公知先行技術に関して別個のエレメント（別個の燃料噴射装置の上流側の別構造の渦発生エレメント）として従来使用されているような渦発生器と燃料噴射装置とをまとめて、組合わされた単独の渦発生・燃料噴射装置を形成することにある。
【００１１】
渦発生器と燃料噴射装置とをまとめることによって、燃料と酸化空気との混合および渦発生が、空間的に極めて近接し、かつ極めて効率的に行われ、これにより、一層迅速な混合が可能であり、混合ゾーンの長さを減じることができる。しかも、幾つかのケースでは、酸化空気通路内のボディの相応する設計および配向によって、ボディが流れ調整を引き受けるので、流れ調整エレメント（タービン出口ガイドベーン）を省略することも可能である。これら全てのことは、噴射装置に沿った深刻な圧力降下なしに可能であり、これによりプロセスの全体効率は維持され得る。
【００１２】
１つのバーナ内に少なくとも１つのこのような噴射装置が配置されており、好適には少なくとも２つのこのような噴射装置が１つのバーナ内に配置されている。典型的には、半径方向に延びる多数の噴射装置が、中心ボディの周りに配置されていて、たとえば１０個，１２個，１４個、またはそれ以上のこのような噴射装置が１つのバーナ内に配置されている。
【００１３】
第１のシステムでは、燃料および空気は予混合され、伝播火炎は、注意深く制御された空気力学的な構造を使用して安定化されている。
【００１４】
第２の燃焼システムでは、燃料は、第１のシステムの排ガス内に噴射され、燃焼が発生する前に混合される。この燃焼システムへの入口温度は、燃料の自己着火温度を超過しているので、燃焼は特徴的な遅れ時間後に発生する。
【００１５】
したがって、火炎は、流速および特徴的な自己着火遅れ時間によって与えられた予め規定された箇所で自己安定するので、複雑な空気力学的な火炎安定装置は必要ない。
【００１６】
第２のチャンバ内の火炎は自己着火により開始されるので、噴射後滞留時間（post injection residence time）、つまり噴射平面の下流側での滞留時間、ひいては噴射後バーナ容積は、重要な機能的特徴である。
【００１７】
噴射後容積は、自己着火プロセスを通じた流入状態により設定されるのに対して、バーナ下流側の噴射平面の長さは、高品質の混合を保証するために最大にされる必要がある。この理由から、バーナ出口領域は、バーナ主流速度と相まって、たとえば、ＧＴ２４／ＧＴ２６として知られ、かつ欧州特許出願公開第０６２０３６２号明細書に記載の現在の逐次燃焼ガスタービンのような一般的な再熱燃焼システムにおける大幅に制限された設計パラメータである。上掲の欧州特許明細書は、本明細書の組み込まれた部分を成す。
【００１８】
燃焼室または他の下流側の構成部材とバーナとが一体にされている場合、多数の付加的な設計要求が、バーナ出口の選択に対する制約を課す。この付加的な要求は、自己着火プロセスに基づいて必要となるバーナ領域とも対立し得る。このことは、複雑な設計の妥協点の必要性をもたらす。
【００１９】
燃焼システムが、缶型の燃焼システム内に構成されることが要求されている場合、軸線対称な設計、つまり円筒状の設計が明らかに適している。しかし、このことは、半径方向に延びる噴射装置の構想を適用した場合に重大な別の問題を引き起こす。なぜならば、半径方向に延びる噴射装置の増大する間隔に基づく大きな半径において必要とされる周方向の混合が増大するからである。
【００２０】
周方向の混合は達成が困難であり、上述の半径方向に延びる噴射装置の構想とうまく合わない。さらに、燃料空気混合物の自己着火時間を変化させながら火炎固定するために必要となる、バーナ出口の外壁と燃焼室入口における燃焼室壁との間の半径方向の段部は、概して燃焼システムの全体の大きさに比例して増大する。大きなシステムのために、燃焼室壁に向かってバーナを出た流れの再付着は、反応ゾーン内では行われないか、または反応ゾーンのかなり下流側でしか行われない。この遅い再付着は、不安定な燃焼および不完全燃焼をもたらす。
【００２１】
本発明の課題は、バーナ出口領域に関して、大きなセンタボディと協働する改善された再熱バーナ構想を提供することである。センタボディの下流側の表面の面積の、センタボディの下流側の表面を含むバーナ出口面積に対する比が、０．６より大きく、好適には０．８よりも大きい場合に、センタボディは大きいと云う。
【００２２】
このセンタボディは、燃料がセンタボディと外側バーナ壁との間でダクト内に噴射される噴射平面の上流側で開始し、次いで、センタボディは、バーナの出口に向かって下流側に延びている。センタボディは、第２の燃焼室の上流側に配置されていて、第２の燃焼室入口で終わっている。バーナと後続の第２の燃焼室とにより区画された流れダクトの横断面は、段階式に、バーナ出口から第２の燃焼室入口にまで増大する。外側のバーナ壁から燃焼室入口への段部は、第２の燃焼室壁に向かってバーナを出る流れの良好な再付着を保証するために制限されている。この段部は、バーナ出口の周長に対する、燃焼室入口の周長の比により特徴付けられていてよい。１つの態様によれば、バーナ出口の周長と燃焼室入口の周長との比は、０．６〜１の範囲である。別の態様によれば、この比は、０．７〜０．９の範囲である。さらに別の態様では、この比は、０．８〜１の範囲である。
【００２３】
センタボディは、燃料噴射装置の長さ対高さの増大された比による改善された混合と、上述の設計態様と同等の滞留時間のための混合通路とを提供し、バーナおよび混合領域に適合する。
【００２４】
１つの態様によれば、センタボディは円形の横断面を有しており、燃焼室入口は円形の横断面を有しており、かつバーナ出口は、環状の横断面を有している。この態様では、センタボディは、その流れ方向の終端部で、環状ダクトの外径と、後続の第２の燃焼室との間の横断面領域に関して、筒状またはほぼ円筒状の端部を有していてよい。センタボディの表面の、環状ダクトの横断面領域に関して全体的に円錐形、部分的に円錐形、または中間が円錐形のトポグラフィ（形状）も可能である。
【００２５】
センタボディは、環状ダクトおよび燃焼室の横断面積に関して種々異なる寸法で設計されていてよい。
【００２６】
噴射平面は、少なくとも１つの噴射装置から成っており、該噴射装置は、センタボディに対して半径方向またはほぼ半径方向に配置されている。少なくとも１種の燃料をバーナの環状ダクト内に導入する噴射装置は、少なくとも１つの流線形のボディを有している。この流線形のボディは、バーナの環状の空間内に配置されていて、バーナの環状ダクト内に少なくとも１種の燃料を導入するための少なくとも１つのノズルを有している。
【００２７】
流線形のボディのプロフィルは、主流方向に対して平行であってよい。しかし、流線形のボディは、該流線形のボディの長手方向の延在部分の少なくとも所定の部分にわたって、主流方向に関して傾斜していてもよい。この場合、たとえば流線形のボディのプロフィルは、たとえば長手方向の中点の両側で長手方向軸線に関して両方向に、回転しているか、または捻れていてよく、これにより主流に穏やかなスワール（回旋流）を与えることができる。
【００２８】
たとえば欧州特許第２４９６８８２号明細書から公知の噴射装置フルートが使用され得る。このようなフルートは、少なくとも１つのボディを有しており、該ボディは、バーナ内に配置され、（バーナ内に少なくとも１種のガス状または液状の燃料を導入するための）少なくとも１つのノズルを備えている。少なくとも１つのボディは、流線形の横断面プロフィルを有し、かつ長手方向で、バーナ内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びる流線形のボディとして形成されている。この場合、ボディは、主流方向に対して基本的に平行な２つの横方向面を有している。さらに、このようなフルートは、少なくとも１種の燃料をバーナ内に導入するための少なくとも１つのノズルを有している。
【００２９】
さらにひだを有する流線形のボディが噴射装置として使用されていてよい。ひだ状の各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有している。この流線形のボディは、長手方向で、バーナ内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びている。この場合、流線形のボディの中心平面に関して、後縁には少なくとも２つのひだが正反対の横方向で設けられている。さらに、このようなひだ状の流線形のボディは、バーナ内に少なくとも１種の燃料を導入する少なくとも１つのノズルを有している。
【００３０】
１つの態様によれば、ひだを形成する流線形のボディの横方向の変位は、最大でも流線形のボディの長さの３分の２よりも下流側で、好適には流線形のボディの長さの下流側の半分で生じる。
【００３１】
さらに、英国特許第２２１６９９９号明細書から公知のような噴霧バーも噴射装置として使用され得る。
【００３２】
挿入された渦発生器（複数）には、冷却エレメントが設けられていてもよい。この場合、好適にはこれらの冷却エレメントは、渦発生器の表面の少なくとも１つに設けられたしみ出し冷却／フィルム冷却孔である（衝突冷却のような内部冷却も可能である）。フィルム冷却孔には、空気がキャリアガス供給部から供給され得る。このキャリアガス供給部は、セットアップを簡単にするために燃料噴射のためにも使用されている。燃料の直列噴射により、低圧のキャリアガスが使用され得る。つまり１０〜３５ｂａｒの範囲、好適には１６〜２５ｂａｒの範囲の低圧キャリアガスが使用され得るので、同じガス供給部が、燃料噴射のためにも、冷却のためにも使用され得る。
【００３３】
環状ダクト内に燃料を導入する上述のノズルは、出口オリフィスを、流線形のボディの後縁に、または流線形のボディの後縁内に有している。流線形のボディは、２つの横方向の表面を有している。上述のノズルの上流側で、少なくとも１つの横方向の表面には、少なくとも１つの渦発生器が配置されている。
【００３４】
一般的に、米国特許第５８０３６０号明細書および米国特許第５４２３６０８号明細書に開示されているような渦発生器が本文脈において使用され得る。これらの２つの文書の開示は、特にこの明細書に記載されたものとする。
【００３５】
さらに好適な態様は、流線形のボディが、少なくとも２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のノズルを有していて、これらのノズルは、後縁に沿って互いに異なる位置に（一列に互いに間隔を空けて）配置されており、これら各ノズルの上流側には少なくとも１つの渦発生器が配置されている。
【００３６】
２つの渦発生器を、１つのノズルのために、またはノズル対のためにボディの正反対の両側に設けることも可能である。
【００３７】
概してノズルに対して相対的な渦発生器の本文脈における「上流側」は、渦発生器が渦流をノズルの位置で発生させるということを意味している。渦発生器は、上流側でノズルに面していてよく、これにより渦流を燃料噴射箇所の近傍にもたらすことができる。
【００３８】
好適には、（列設した）ノズルに隣接する複数の渦発生器は、ボディの両方の横方向の表面に配置されている。さらに好適には、２つ、３つ、４つまたはそれ以上のノズルが、後縁に沿って配置されており、渦発生器が交互に２つの横方向の表面に配置されている。
【００３９】
一方では、主流方向に対して平行に燃料および／またはキャリアガスを噴射する少なくとも１つのノズルが設けられていることが可能である。このことは、燃料が下流側に極めて迅速に搬送されるので、一層高い反応状態を得ることを可能にし、付加的には低圧のキャリアガスの使用を可能にする。燃料ジェットは、低温のキャリアガス（またはキャリア空気）により取り囲まれていてよく、このことは自発着火を、混合物が燃焼ゾーンに到達するまで遅延させる。一層良好な分布および混合のために、燃焼空気内への燃料の進入を増大させることができるように、キャリアガスは、燃料と共に噴射されてもよい。
【００４０】
少なくとも１つのノズルが、燃料および／またはキャリアガスを主流方向に関して傾斜した角度で噴射することも可能である。したがってノズルは、燃料および／又キャリアガスを、好適には主流方向に関して０〜３０℃を含む範囲の傾斜角度で噴射してよい。６０℃までの傾斜角度も可能である。燃料の傾斜角度は、混合を最適化し、バーナ内での燃料の滞留時間を調節するために使用され得る。
【００４１】
１つの態様によれば、各渦発生器の下流側で、燃料を噴射する少なくとも２つのノズルが後縁に配置されている。
【００４２】
さらに別の態様では、少なくとも１つの流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有していて、長手方向で、バーナの環状ダクト内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びている。燃料を環状ダクト内に導入する上述のノズルは、その出口オリフィスを該流線形のボディの前縁に、または前縁内に有している。
【００４３】
各流線形のボディの前縁領域は、前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有している。平面状の前縁領域から変位部分までの典型的な移行は、滑らかであり、連続一次導関数の関数を表す表面曲率を伴っている。
【００４４】
さらに好適な態様は、噴射平面が、予め、少なくとも１つの噴射装置から成っていることにより特徴付けられている。この噴射装置は、センタボディに対して半径方向に、またはほぼ半径方向に配置されている。流線形のボディは、その下流側の端部に複数の渦発生器および／またはひだを有している。これらの渦発生器および／またはひだは、１つまたは複数の隣接するボディに関して位相を合わせて、または互いに位相をずらされて配置されている。この場合、燃料ノズルまたは複数の燃料ノズルは、同心円状に後縁に配置されている。この場合、ひだ状の、つまりひだを有する流線形のボディの配列では、ノズルは、好適には、ひだ状の後縁が中心平面と交差する箇所に配置されている。渦発生器を有する配列では、ノズルは好適には渦発生器の下流側に配置されている。燃料ノズルに関して、１つ配列は、液状の燃料の噴射のための第１のノズルを提起する。これらの第１のノズルは、ガス状の燃料を噴射するための第２のノズルにより取り囲まれている。これらの第２のノズル自体は、第３のノズルまたはキャリアガス噴射により取り囲まれている。
【００４５】
付加的には、燃料ガス噴射のための第２のノズルが、後縁に沿った少なくとも１つのひだに沿って延びる１つのスリット状ノズルとして構成されている配列を提供することも可能である。液状燃料噴射のためには、付加的にオリフィスの形態の第１のノズルが第２のノズル内に配置されている。
【００４６】
さらに好適な態様では、噴射装置の高さ、すなわちひだの高さまたは渦流エレメントの高さがその半径方向の位置と共に増大し、これにより発生された渦の強さが、半径方向に延びる噴射装置の長さに沿って増大し、付加的な周方向の混合が、半径方向に延びる噴射装置の外側に端部に向かって提供されている。
【００４７】
上記で特定された設計の利点は以下のとおりである。
１．予め定義された噴射後混合容積および長さのために、あらゆるバーナ外径が、センタボディ直径の適切な選択により達成され得る。
２．バーナのハードウェアは、下流側の構成要素、たとえば燃焼室またはタービン構成要素ために、適切な寸法設計を提供するために設計され得る。
３．半径方向に延びる隣接した噴射装置の半径方向またはほぼ半径方向に沿った発散、すなわち、環状のダクトの内径における位置から環状ダクトの外径における位置への、半径方向に延びる隣接した２つの噴射装置の間の距離の半径方向における変化は、環状ダクトの小さな高さにより最小にされる。このことは、従来のフルート使用の経験の適用可能性が維持されることを保証する。
４．半径方向に延びる隣接した噴射装置の半径方向に沿った小さな発散は、半径方向に延びる噴射装置の、センタボディに対して相対的な外側端部において増大する周方向の混合の要求を最小限にする。このことは、良好な混合特徴を維持する。
【００４８】
さらに他の利点は以下のように纏められる。
５．反応性の高い燃料を提供するためのより高いバーナ速度。
６．現在の設計により達成されるのと同等の混合レベルのための一層低いバーナ圧力降下。
７．現在の設計と同等のバーナ圧力降下のために高い入口温度で運転可能な第２の燃焼室。
８．高圧のキャリア空気をなくすか、または低圧のキャリア空気と交換する可能性。
９．現在のバーナデザインと同一か、または大きい電力出力用のために、インジェクタ高さに対して増大されたインジェクタ混合長さによる、同じ量の燃料空気混合気の滞留時間のための改良された混合品質および減じられたＮＯｘ排出量。
【００４９】
合理的な燃料空気混合の実施に関して、現在のバーナシステムの以下の構成要素が関連する。
１０．第２の燃焼室入口で、主流は、たとえば高圧タービン段により生じる上流側の乱流とは関係なく均一な流入状態を保証するために調整されている。
【００５０】
さらに、
１１．最小限の圧力降下を伴う燃料および燃焼空気の均一な混合は、高い効率の現在のガスタービンの設計のために予調整されている。均一な混合は、火炎温度における局所的な最高温度を阻止するために要求されており、局所的な最高温度は、高いＮＯｘ排出をもたらす。燃焼器内の圧力降下は直接に出力およびガスタービンの効率を減じるので、低い圧力降下が有利である。
【００５１】
以下に本発明の実施の形態を図面に関して説明する。図面は本発明の好適な実施の形態を示す例示的な目的のものであり、本発明を制限する目的のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】大きなセンタボディと協働する再熱バーナ配列をバーナ出口直径に関して示す図である。
【図２】規定されたパラメータを有する再熱バーナ配列の構造を示す図である。
【図３】再熱バーナ配列の横断面を示す図である。
【図４】再熱バーナ配列の斜視図である。
【図５】別の再熱バーナ装置の横断面を示す図である。
【図６】さらに別の再熱バーナ配列の横断面を示す図である。
【図７ａ】ひだを有する流線形のボディの後縁上の主流を示す図である。
【図７ｂ】ひだを有する流線形のボディの後縁上の主流を示す別の図である。
【図７ｃ】ひだ状の流線形のボディの後縁上の主流を示す更に別の図である。
【図８ａ】流線形のボディの沿った流れ状態を示す図である。
【図８ｂ】流線形のボディの沿った流れ状態を示す別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１は、センタボディ１０１と協働する再熱バーナ配列１００を示している。図示されたセンタボディ１０１は、噴射平面１０２の上流側で開始し、この噴射平面１０２は、環状ダクト１０５内への燃料１０３およびキャリア空気１０４の噴射を生ぜしめる。次いで、センタボディ１０１は、再熱バーナ配列１００の出口１０６に向かって下流側に続いている。センタボディ１０１は、高温ガスの主流１０７に積極的に接続されている。センタボディ１０１はより一層良好な混合を提供し、かつバーナと燃焼器領域を適合させる。本発明による予混合バーナに関して、センタボディ１０１には、燃料供給ライン（図示せず）が設けられていてよい。センタボディ１０１は、その主流１０７の流れ方向の終端部１０８に、環状ダクト１０５とその後の燃焼室（図２、符号１０９を参照）との間の横断面領域に関して、円筒状またはほぼ円筒状の終端部（図２を参照）を有している。環状ダクト１０５の領域に関して、センタボディ１０１の表面の全体的、部分的、または中間の円錐形の形状も、必要に応じて可能である。隣接するエレメントに関してセンタボディ１０１は、特に環状ダクトおよび燃焼室の横断面積に関して種々の寸法設計で設計されていてよい。
【００５４】
したがって、図１に示された提案された再熱バーナ配列が、燃焼室１０９に対して減じられた出口横断面積で示されている。この場合、バーナ配列の入口側１１０の下流にはセンタボディ１０１が配置されていて、該センタボディ１０１の長さに沿って中間に、かつ環状ダクト１０５の横断面領域内に、燃料噴射平面１０２が配置されている。この燃料噴射平面１０２は、長手方向に延びる流線形のボディとして設けられている（図４を参照）。流線形のボディが配置されている位置で、またはその位置の下流側で、少なくとも環状ダクト１０５の外壁が、収束部分１１１において収束し、環状ダクト１０５の減じられた横断面領域に向かって狭まる。このことは混合スペース１０５を規定する。この混合スペース１０５は、燃料と空気の混合物が燃焼室または燃焼スペース１０９内に進入する出口側１０８において終端する。燃焼スペース１０９は、壁１１２により画定されている。このような収束部分１１１の下流側で、環状ダクト１０５の横断面積は、漸進的に変化するものであって、つまりディフューザを形成する。
【００５５】
噴射平面１０２に関して、最小の圧力降下を伴う燃料１０３と燃焼空気１０４との均一な混合は、高効率の近代のガスタービンの設計の前提条件である。火炎温度の局所的な最大値を防ぐために均一な混合が要求される。火炎温度の局所的な最大値は、ＮＯｘの高い排出をもたらす。燃焼器内の圧力降下は、直接にガスタービンの出力および効率を損なうので、低い圧力降下が有利である。
【００５６】
図２は、センタボディ１０１と隣接する構成要素とに関連する規定されたパラメータを有する再熱バーナ配列の構造を示している。再熱バーナ配列は、以下のパラメータにより規定される。
ｄ１＝燃焼室１０９の外径、
ｄ２＝環状ダクト１０５の外径、
ｄ３＝センタボディ１０１の外径、
ｄｈ＝環状ダクト１０５の水力直径、
Ｌ＝環状ダクト１０５の終端部における燃焼室１０９の始端部と、流れ方向で見た噴射平面１０２の終端部との間の中間長さ、
ｄＮ＝環状ダクト１０５の出口領域の等価直径、
Ａ＝環状ダクト１０５の横断面積、
Ｐ＝環状ダクト１０５の円周長さ（π*ｄ２＋π*ｄ３）。
【００５７】
上述のパラメータの構造的な相互関係は、以下のように規定されている。
ｄ３／ｄ２＝ｓｑｒｔ［１−（ｄＮ／ｄ２）＾２］、
ｄＮ＾２＝ｄ２＾２−ｄ３＾２、
ｄｈ＝４Ａ／Ｐ、
ｄｈ＝（ｄ２＾２−ｄ３＾２）／（ｄ２＋ｄ３）、
ｄｈ＜ｄＮ、
Ｌ／ｄｈ＞Ｌ／ｄＮ、
ｄ２／ｄ１は、０．６〜１の範囲であり、
これにより、混合および環状ダクト（１０５）から燃焼室（１０９）の壁（１１２）への流れの再付着が改善される。
【００５８】
図３は、再熱バーナ配列１００の横断面図を示している。センタボディ１０１の全周にわたって分散して、環状ダクト１０５内に、流れギャップの橋架部として設けられた、半径方向に配置された複数の流線形のボディ２００が配置されている。流線形のボディ２００は長手方向軸線２０１を有している。この長手方向軸線２０１は、噴射平面の長手方向軸線に対して垂直に、かつ入口流れ方向１０７（図２）に対して垂直に延びている。流れ方向１０７は、本実施の形態では、バーナの長手方向軸線に対して平行に延びている。良好な混合を保証するために、乱流散逸を有する流れ場が、２つ以上の流線形のボディ２００を流路に配置することによって、流路の全横断面にわたって誘発されている。
【００５９】
流線形のボディ２００上の複数の渦発生器２０２は、基本的に同じ周期を有しているが、同じ位相であるか、または位相をずらされている。つまり、各流線形のボディ２００の後縁の渦発生器の数は、好適には同一であり、隣接する流線形のボディ２００の渦発生器は好適には位相をずらされて配置されている。特にこの位相は１８０°ずらされている。つまり、両流線形のボディ２００の渦発生器は、長手方向で同じ位置で中心線と交差しており、長手方向で同じ位置において、各ボディの変位は同じ絶対値を有しているが、反対の向きである。流線形のボディ２００の後縁２０４に沿って、少なくとも１つの燃料ノズル２０３が配置されていて、かつ／または燃料ノズルが、流線形のボディ２００の後縁２０４に設けられた渦発生器の中心平面上に配置され、かつ好適には流線形のボディ２００の反対の側の横方向の表面に配置された、隣接する各渦発生器２０２の平面の各位置に配置されている。
【００６０】
図４は、再熱バーナ配列の斜視図を示している。再熱バーナ配列は、センタボディ１０１と、渦発生器２０２を後縁に備えた複数の流線形のボディとを有している（図３を参照）。
【００６１】
図５は、再熱バーナ配置１００を横断面で示している。各流線形のボディ３００の前縁領域は、前縁部分において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有している。この場合、流線形のボディ３００の中心平面３０２に関して、後縁には少なくとも１つのひだ、または相補的な少なくとも２つのひだが設けられている。ひだ３０３の表面カーブは、互いに連動して同じ方向に延びている。ひだ３０３を形成する、隣接する２つの流線形のボディ３００の中心平面３０２からの横方向またはほぼ横方向の変位は互いに一致している。
【００６２】
図６は、再熱バーナ配置１００を横断面で示している。各流線形のボディ４００の前縁領域は、前縁部分において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有している。この場合、流線形のボディ４００の中心平面４０３に関して、後縁には、少なくとも１つのひだ４０１，４０２または正反対の横方向４０４，４０５に向けられた相補的な少なくとも２つのひだが設けられている。ひだ４０１，４０２を形成する隣接する２つの流線形のボディ４００の中心平面からの横方向の変位は、逆向きであり、この場合、平面状の前縁領域から変位部分までの典型的な移行は、滑らかであり、連続的な一次導関数を持つ関数により表された表面曲率を伴っている。
【００６３】
反応度は、燃料空気混合物をそれぞれ窒素または蒸気で希釈することにより減速させることができる。
【００６４】
第１の段の出力低下は、高い反応性の燃料の場合、第２のバーナのための損傷の少ない流入条件をもたらし得る。転じて、ガスタービン全体の効率が低下され得る。
【００６５】
主流の速度が高められると、混合ゾーンの長さを一定に保つことができる。しかし、通常は圧力降下を甘受しなければならない。
【００６６】
燃料と酸化剤とのより迅速な混合を実施することにより、主流速度を維持しながら混合ゾーンの長さを減じることができる。
【００６７】
したがって、本発明の主な目的は、後者の２点を解決した改善されたバーナ構造を提供することであるが、前者の３点と組み合わせることもできる。
【００６８】
高い反応性の燃料に対する可能性を得るために、インジェクタは、流れ調整（少なくとも部分的）、噴射および混合を同時に実施するために設計されている。
【００６９】
結果として、流路に沿って種々の装置内で現在使用されているインジェクタは、バーナの圧力損失を減じることができる。流れ調整装置、渦発生器およびインジェクタの組み合わせが、提案された発明によって置き換えられる場合、混合ゾーンにおける燃料空気混合物の短い滞留時間を達成するために、主流速度を高めることができる。
【００７０】
図６に示した実施の形態では、ひだの高さは、半径方向の位置に依存する。この実施の形態では、ひだの高さＨは、環状の流れダクトの内径側における小さなひだ高さＨｉから、バーナの環状の流れダクトの外径側における大きなひだ高さＨｏにまで増大する。したがって、渦および循環混合は、直径の増大と共に増大する。本実施の形態では、流線形のボディの厚さは、半径方向の位置に依存する。この実施の形態では、流線形のボディの厚さは、環状の流れダクトの内径側における小さな厚さＴｉから、バーナの環状の流れダクトの外径側における流線形のボディの大きな厚さＴｏにまで増大する。
【００７１】
図７ａ，図７ｂおよび図７ｃは、本発明による種々のノズル配列を備えた、ひだを有する流線形のボディ４００の後縁上の主流を示す図である。
【００７２】
図７ａは、液状燃料の噴射のための第１のノズル４５１が、ガス状の燃料を噴射するための第２のノズル４５２に取り囲まれており、第２のノズル自体はキャリア空気を噴射するための第３のノズル４５３により取り囲まれている配列を示している。ノズル４５１，４５２，４５３は、同心的に後縁に配置されている。各ノズル配置は、ひだ状の後縁が中心平面と交差する箇所に配置されている（図８、符号１３５を参照）。
【００７３】
さらに、中心平面からの下流側の端部におけるひだの頂点までのひだ高さＨおよび流線形のボディの厚さＴとは、図７ａに示されている。
【００７４】
図７ｂは、燃料ガス噴射のための第２のノズル４５２が、ひだの各頂点区分に後縁に沿って延びているスリット状のノズルとして構成されている配列を示している。さらに、液状燃料噴射のための第１のノズル４５１は、ひだ状の後縁が中心平面と交差する各箇所に配置されている。第１のノズル４５１および第２のノズル４５２は全て、キャリア空気の噴射のための第３のノズル４５３により取り囲まれている。
【００７５】
図７ｃは、燃料ガス噴射のための第２のノズル４５２が、後縁に沿った少なくとも１つのひだに沿って延びる１つのスリット状ノズルとして構成されている配列を示している。液状燃料噴射のためにオリフィスの形状の付加的な第１のノズル４５１が第２のノズル４５２内に配置されている。
【００７６】
ひだによる混合概念は、図８を参照しながら説明される。図８は、流線形のボディに沿った流れ状態を示している。該流線形のボディの中心平面１３５は、基本的に空気流の流れ方向１１４に対して平行に配置されている。流線形のボディは直線状の前縁１３８とひだ状の後縁１３９とを有している。前縁における空気流１１４は、この場合、流れプロフィルを平面図で概略図に矢印１１４で示されているように発展させる。
【００７７】
後縁１３９におけるひだ構造体１４２は、前縁１３８の下流側において漸進的に、ひだ状の波形形状へと第１の方向１３０に発展する。第１の方向は、中心平面１３５を横切っている。この第１の方向１３０へ延びるひだは、符号１２８で示されている。図８ａで下方に向けられている第２の横方向１３１に延びるひだは、符号１２９で示されている。ひだは交互に２つの方向に延びており、ひだまたは後縁を形成する線／平面が中心平面１３５を通過する箇所では、転換点１２７が存在する。
【００７８】
図８ａに示された矢印から判るように、上面における溝状の構造を流れる空気流と、下面における溝を流れる空気流とは、交絡し、後縁１３９の下流側で渦を形成し始め、このことは符号１４１で示されているような集中的な混合をもたらす。この渦１４１は、燃料／空気噴射のために利用でき、以下に詳しく説明する。
【００７９】
ひだ構造体１４２は、以下のパラメータにより規定されている。
・周期λは、主流方向１１４に対して垂直な方向でのひだの１周期の幅を規定する。
・高さｈは、隣接するひだの隣接する頂点の間の、主流れ方向１４に対して垂直な方向での、つまり方向１３０および１３１に沿った距離であり、図８ｂに規定されている。
・ひだ１２８の第１の方向への変位を規定する第１のひだ角度α１（仰角とも云う）と、ひだ１２９の方向１３１への変位を規定する第２のひだ角度α２（仰角とも云う）。典型的にはα１とα２は等しい。
【符号の説明】
【００８０】
１００  再熱バーナ配列
１０１  センタボディ
１０２  噴射平面
１０３  燃料
１０４  キャリア空気
１０５  環状ダクト
１０６  再熱バーナ配列の出口
１０７  主流
１０８  センタボディ１０１の終端部
１０９  燃焼室
１１０  再熱バーナ配列の入口側
１１１  収束部分
１１２  壁
１１４  空気流、流れ方向
１２７  転換点
１２８  ひだ
１２９  ひだ
１３０  第１の方向
１３１  第２の方向
１３５  流線形のボディの中心平面
１３８  前縁
１３９  後縁
１４１  渦
１４２  ひだ構造体
２００  流線形のボディ
２０１  長手方向軸線
２０２  渦発生器
２０３  燃料ノズル
２０４  後縁
３００  流線形のボディ
３０２  中心平面
３０３  ひだ
４００  流線形のボディ
４０１  ひだ
４０２  ひだ
４０３  中心平面
４０４  横方向
４０５  横方向
４５１  第１のノズル
４５２  第２のノズル
４５３  第３のノズル
【図１】
2014085109.tif 000003
【図２】
2014085109.tif 000004
【図３】
2014085109.tif 000005
【図４】
2014085109.tif 000006
【図５】
2014085109.tif 000007
【図６】
2014085109.tif 000008
【図７ａ】
2014085109.tif 000009
【図７ｂ】
2014085109.tif 000010
【図７ｃ】
2014085109.tif 000011
【図８ａ】
2014085109.tif 000012
【図８ｂ】
2014085109.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月26日(2013.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の横断面積を有するダクトと、
該ダクト内に配置されたセンタボディと、
該センタボディに沿って配置された中間の燃料噴射平面と
を備える再熱バーナ配列であって、
前記センタボディが、第２の燃焼室の上流側に配置され、該第２の燃焼室の入口で終わっており、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定される流れダクトの横断面は、段階式に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼室の入口まで増大している、再熱バーナ配列において、
前記バーナの出口の周長と、前記第２の燃焼室の入口の周長との比が、０．６〜１の範囲であることを特徴とする、再熱バーナ配列。
【請求項２】
前記センタボディは、円形の横断面を有しており、前記燃焼室の入口は、円形の横断面を有しており、前記バーナの出口は、環状の横断面を有しており、前記再熱バーナ配列の構造は、以下のパラメータによって規定されており、ここで、
ｄ１＝前記燃焼室（１０９）の外径、
ｄ２＝前記環状ダクト（１０５）の外径、
ｄ３＝前記センタボディ（１０１）の外径、
ｄｈ＝前記環状ダクト（１０５）の水力直径、
Ｌ＝流れ方向（１０７）で、前記環状ダクト（１０５）の終端部における前記燃焼室（１０９）の始端部と、前記噴射平面（１０２）の終端部との間の中間長さ、
ｄＮ＝前記環状ダクト（１０５）の出口領域の等価直径、
Ａ＝前記環状ダクト（１０５）の横断面積、
Ｐ＝環状ダクト（１０５）の周囲の長さ
であり、
前記再熱バーナ配列の構造が、以下の関係式により規定され、すなわち、
ｄ３／ｄ２＝ｓｑｒｔ［１−（ｄＮ／ｄ２）＾２］、
ｄＮ＾２＝ｄ２＾２−ｄ３＾２、
ｄｈ＝４Ａ／Ｐ、
ｄｈ＝（ｄ２−ｄ３）、
ｄｈ＜ｄＮ、
Ｌ／ｄｈ＞Ｌ／ｄＮ、および
ｄ２／ｄ１は０．６〜１の範囲であり、
であり、これにより、
混合と、前記環状ダクト（１０５）から前記燃焼室（１０９）の壁（１１２）への流れの再付着とを改善するようになっている、請求項１記載の再熱バーナ配列。
【請求項３】
少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、前記燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有していて、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、該前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁には少なくとも２つのひだが設けられており、該ひだは、互いに連動して同じ方向に延びている、かつ／または正反対の横方向に延びており、平面状の前縁領域から変位部分までの移行は滑らかであり、連続的な一次導関数を持つ関数により表される表面曲率を有している、請求項１または２記載の再熱バーナ配列。
【請求項４】
少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有しており、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面において優勢な主流方向に対して垂直に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、前記前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁に少なくとも１つの渦発生器が設けられており、好適には少なくとも２つの渦発生器が設けられており、該渦発生器は、基本的に同じ周期を有しており、各流線形のボディの後縁の渦発生器の数は、好適には同一であり、隣接する流線形ボディの渦発生器は、位相を合わされて、または位相をずらされて配置されている、請求項１または２記載の再熱バーナ配列。
【請求項５】
前記流線形のボディの前縁領域は、空気力学的なプロフィルを有しており、該空気力学的なプロフィルは、噴射平面の長手方向軸線に対して相対的に傾斜された配向から、前記流線形のボディの上流側半部の噴射平面の長手方向軸線に対して平行な配向に変えられる、請求項１から４までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項６】
２つの流線形のボディの前記中心平面の間の距離は、前記ひだの高さ（ｈ）の少なくとも１．２倍であり、好適には前記ひだの高さ（ｈ）の少なくとも１．５倍である、請求項１から５までのいずれか１項の再熱バーナ配列。
【請求項７】
前記噴射平面は、環状の横断面を有しており、該環状の横断面は、長手方向軸線に沿って、内側の制限壁と、外側の制限壁とを有して延びており、前記内側の制限壁と、前記外側の制限壁とは、互いに対して同心的であり、かつ内側の制限壁から外側の制限壁へと延びる少なくとも２つの流線形のボディを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項８】
前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディは、前記バーナ内に少なくとも１種の燃料を導入する少なくとも１つのノズルを備えた噴射装置として構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項９】
少なくとも１つのノズルは、前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置されている、請求項８記載の再熱バーナ配列。
【請求項１０】
前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置された少なくとも２つのノズルは、後縁に沿った各頂点に、または１つおきの頂点に配置されており、前記後縁には、燃料ノズルが配置されている、かつ／または燃料ノズルは基本的に流線形のボディの中心平面に配置されており、好適には、ひだ状の前記後縁が前記中心平面と交差する各位置に燃料ノズルが配置されている、請求項８記載の再熱バーナ配列。
【請求項１１】
前記流線形のボディの下流側に、混合ゾーンが配置されており、前記流線形のボディにおいて、かつ／または流線形のボディの下流側で、前記混合ゾーンの前記横断面が減じられており、好適には該横断面の減少は、該流線形のボディの上流側の流れ横断面と比較して、少なくとも１０％、好適には少なくとも２０％、さらに好適には少なくとも３０％である、請求項８から１０までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１２】
前記ボディには、冷却エレメントが設けられており、好適には冷却エレメントは、ボディの側壁に沿った冷却媒体の内部循環により、かつ／またはフィルム冷却孔により与えられていて、該フィルム冷却孔は、好適には、後縁の近傍に配置されており、最も好適には冷却エレメントには、燃料噴射にも使用されるキャリアガス供給部から空気が供給されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１３】
前記燃料ノズルは、円形であり、かつ／または前記流線形のボディの前記後縁に沿って延びる延長されたスロットノズルであり、かつ／または液体を噴射する第１のノズルおよび／またはガス状の燃料を噴射する第２のノズルおよびキャリアガスを噴射する第３のノズルを有し、該第３のノズルは、前記第１のノズルおよび／または前記第２のノズルを取り囲んでいる、請求項９から１２までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１４】
前記混合エレメントの高さは、半径方向の位置に依存する、請求項９から１３までのいずれか１項記載の再熱バーナ配列。
【請求項１５】
逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法であって、
前記ガスタービンはコンプレッサと、該コンプレッサから圧縮された空気を受け取る、第１の燃焼室および第１のバーナを有する第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から予め決められた第２の燃焼器入口温度で高温ガスを受け取る、第２の燃焼室と第２のバーナとを有する第２の燃焼器と、該第２の燃焼器から高温ガスを受け取るタービンとを有し、前記第２のバーナが所定の横断面積を有するダクトと、該ダクト内に配置されたセンタボディと、該センタボディに沿って配置されかつ環状ダクトに接続されている中間燃料噴射平面とを有し、前記センタボディは、前記第２の燃焼室の上流側に配置され、前記燃焼室の入口で終わっている、逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法において、
燃料を前記噴射平面に噴射し、燃料を、前記第１の燃焼器から受け取った高温ガスと混合させ、前記第２のバーナを出る高温のガス燃料混合物の流れ速度を、前記流路の面積の増大により減じ、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定された流れダクトの横断面は、段階的に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼器の入口まで増大し、前記バーナの出口の周長と、前記燃焼室の周長との比は、０．６〜１の範囲であることを特徴とする、逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
さらに、
１１．最小限の圧力降下を伴う燃料および燃焼空気の均一な混合は、高い効率の現在のガスタービンの設計のために予調整されている。均一な混合は、火炎温度における局所的な最高温度を阻止するために要求されており、局所的な最高温度は、高いＮＯｘ排出をもたらす。燃焼器内の圧力降下は直接に出力およびガスタービンの効率を減じるので、低い圧力降下が有利である。
以上をまとめると、本発明に係る再熱バーナ配列は、所定の横断面積を有するダクトと、該ダクト内に配置されたセンタボディと、該センタボディに沿って配置された中間の燃料噴射平面とを備える再熱バーナ配列であって、前記センタボディが、第２の燃焼室の上流側に配置され、該第２の燃焼室の入口で終わっており、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定される流れダクトの横断面は、段階式に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼室の入口まで増大している、再熱バーナ配列において、前記バーナの出口の周長と、前記第２の燃焼室の入口の周長との比が、０．６〜１の範囲である。
好適な態様では、前記センタボディは、円形の横断面を有しており、前記燃焼室の入口は、円形の横断面を有しており、前記バーナの出口は、環状の横断面を有しており、前記再熱バーナ配列の構造は、以下のパラメータによって規定されており、ここで、
ｄ１＝前記燃焼室の外径、
ｄ２＝前記環状ダクトの外径、
ｄ３＝前記センタボディの外径、
ｄｈ＝前記環状ダクトの水力直径、
Ｌ＝流れ方向で、前記環状ダクトの終端部における前記燃焼室の始端部と、前記噴射平面の終端部との間の中間長さ、
ｄＮ＝前記環状ダクトの出口領域の等価直径、
Ａ＝前記環状ダクトの横断面積、
Ｐ＝環状ダクトの周囲の長さ
であり、
前記再熱バーナ配列の構造が、以下の関係式により規定され、すなわち、
ｄ３／ｄ２＝ｓｑｒｔ［１−（ｄＮ／ｄ２）＾２］、
ｄＮ＾２＝ｄ２＾２−ｄ３＾２、
ｄｈ＝４Ａ／Ｐ、
ｄｈ＝（ｄ２−ｄ３）、
ｄｈ＜ｄＮ、
Ｌ／ｄｈ＞Ｌ／ｄＮ、および
ｄ２／ｄ１は０．６〜１の範囲であり、
であり、これにより、
混合と、前記環状ダクトから前記燃焼室の壁への流れの再付着とを改善するようになっている。
好適な態様では、少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、前記燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有していて、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面内で優勢な主流方向に対して垂直方向に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、該前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁には少なくとも２つのひだが設けられており、該ひだは、互いに連動して同じ方向に延びている、かつ／または正反対の横方向に延びており、平面状の前縁領域から変位部分までの移行は滑らかであり、連続的な一次導関数を持つ関数により表される表面曲率を有している。
好適な態様では、少なくとも２つの流線形のボディが設けられており、該流線形のボディは、燃料噴射平面に配置されており、各流線形のボディは、流線形の横断面プロフィルを有しており、該流線形の横断面プロフィルは、長手方向で、前記燃料噴射平面において優勢な主流方向に対して垂直に、または傾斜して延びており、各流線形のボディの前縁領域は、前記前縁位置において優勢な主流方向に対して平行に向けられたプロフィルを有しており、前記流線形のボディの中心平面に関して、後縁に少なくとも１つの渦発生器が設けられており、好適には少なくとも２つの渦発生器が設けられており、該渦発生器は、基本的に同じ周期を有しており、各流線形のボディの後縁の渦発生器の数は、好適には同一であり、隣接する流線形ボディの渦発生器は、位相を合わされて、または位相をずらされて配置されている。
好適な態様では、前記流線形のボディの前縁領域は、空気力学的なプロフィルを有しており、該空気力学的なプロフィルは、噴射平面の長手方向軸線に対して相対的に傾斜された配向から、前記流線形のボディの上流側半部の噴射平面の長手方向軸線に対して平行な配向に変えられる。
好適な態様では、２つの流線形のボディの前記中心平面の間の距離は、前記ひだの高さの少なくとも１．２倍であり、好適には前記ひだの高さの少なくとも１．５倍である。
好適な態様では、前記噴射平面は、長手方向軸線に沿って延びる方形または台形の横断面を有しており、該横断面は、少なくとも２つの流線形のボディを有する４つの制限壁により画定されており、該流線形のボディは、一方の制限壁から反対の制限壁にまで延びている。
好適な態様では、前記噴射平面は、環状の横断面を有しており、該環状の横断面は、長手方向軸線に沿って、内側の制限壁と、外側の制限壁とを有して延びており、前記内側の制限壁と、前記外側の制限壁とは、互いに対して同心的であり、かつ内側の制限壁から外側の制限壁へと延びる少なくとも２つの流線形のボディを有している。
好適な態様では、前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディは、前記バーナ内に少なくとも１種の燃料を導入する少なくとも１つのノズルを備えた噴射装置として構成されている。
好適な態様では、少なくとも１つのノズルは、前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置されている。
好適な態様では、前記流線形のボディのうちの少なくとも１つの前記流線形のボディの後縁に配置された少なくとも２つのノズルは、後縁に沿った各頂点に、または１つおきの頂点に配置されており、前記後縁には、燃料ノズルが配置されている、かつ／または燃料ノズルは基本的に流線形のボディの中心平面に配置されており、好適には、ひだ状の前記後縁が前記中心平面と交差する各位置に燃料ノズルが配置されている。
好適な態様では、前記流線形のボディの下流側に、混合ゾーンが配置されており、前記流線形のボディにおいて、かつ／または流線形のボディの下流側で、前記混合ゾーンの前記横断面が減じられており、好適には該横断面の減少は、該流線形のボディの上流側の流れ横断面と比較して、少なくとも１０％、好適には少なくとも２０％、さらに好適には少なくとも３０％である。
好適な態様では、前記ボディには、冷却エレメントが設けられており、好適には冷却エレメントは、ボディの側壁に沿った冷却媒体の内部循環により、かつ／またはフィルム冷却孔により与えられていて、該フィルム冷却孔は、好適には、後縁の近傍に配置されており、最も好適には冷却エレメントには、燃料噴射にも使用されるキャリアガス供給部から空気が供給されている。
好適な態様では、前記燃料ノズルは、円形であり、かつ／または前記流線形のボディの前記後縁に沿って延びる延長されたスロットノズルであり、かつ／または液体を噴射する第１のノズルおよび／またはガス状の燃料を噴射する第２のノズルおよびキャリアガスを噴射する第３のノズルを有し、該第３のノズルは、前記第１のノズルおよび／または前記第２のノズルを取り囲んでいる。
好適な態様では、前記混合エレメントの高さは、半径方向の位置に依存する。
さらに本発明に係る逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法は、前記ガスタービンはコンプレッサと、該コンプレッサから圧縮された空気を受け取る、第１の燃焼室および第１のバーナを有する第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から予め決められた第２の燃焼器入口温度で高温ガスを受け取る、第２の燃焼室と第２のバーナとを有する第２の燃焼器と、該第２の燃焼器から高温ガスを受け取るタービンとを有し、前記第２のバーナが所定の横断面積を有するダクトと、該ダクト内に配置されたセンタボディと、該センタボディに沿って配置されかつ環状ダクトに接続されている中間燃料噴射平面とを有し、前記センタボディは、前記第２の燃焼室の上流側に配置され、前記燃焼室の入口で終わっている、逐次燃焼を伴うガスタービンを運転する方法において、燃料を前記噴射平面に噴射し、燃料を、前記第１の燃焼器から受け取った高温ガスと混合させ、前記第２のバーナを出る高温のガス燃料混合物の流れ速度を、前記流路の面積の増大により減じ、前記バーナと、後続の前記第２の燃焼室とにより画定された流れダクトの横断面は、段階的に、前記バーナの出口から前記第２の燃焼器の入口まで増大し、前記バーナの出口の周長と、前記燃焼室の周長との比は、０．６〜１の範囲である。
【外国語明細書】
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