(57)【要約】ガスタービンのために装備された燃焼室（５）は燃料を無炎酸化させるために装備されている。このために燃焼室（５）は広域の循環流が形成される内室（９）を有している。この循環流は、質量流が新鮮空気流を上回る熱い排ガス流を、導入された空気に供給する。新鮮空気と燃料とは、燃焼室に同じ方向で壁に対しほぼ平行に供給される。
2005524038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン２（１）のための燃焼室（５）であって、
壁（８，１１，１２）によって取り囲まれ、反応室として用いられる内室（９）を有し、
前記内室（９）内へ通じ、新鮮空気が供給される入口（６，１５）を有し、
前記内室（９）から外へ開口し、熱い排ガスを排出する少なくとも１つの出口（７，１４）を有し、
無炎の酸化過程を維持するために前記内室（９）内に広域の循環流が形成されるように前記入口（６，１５）と前記出口（７，１４）とが配向されかつ前記内室（９）が構成されており、
燃料が所定の方向で内室（９）内へ導入されるように装備された燃料供給装置（１８）を有しており、該燃料供給装置（１８）と前記入口（６，１５）とがほぼ同じ方向に向けられている、
ことを特徴とする、無炎の酸化を行なうための燃焼室。
【請求項２】
前記入口（６，１５）と前記出口（７，１４）の横断面と前記内燃室（５）の前記内室（９）の幾何学的な形状とが相互に、前記内室内を循環するガス流の質量流が前記入口（６，１５）内へ導入される質量流の２倍よりも大きくなるように調和されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項３】
前記入口（６，１５）と前記出口（７，１４）と当該内燃室（５）の前記内室（９）の幾何学的形状が相互に、前記内室内を循環するガス流の質量流が前記入口（６，１５）内へ導入される質量流の５倍よりも小さくなるように調和されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項４】
前記入口（６，１５）が複数の空気ノズル（１５）を有し、該空気ノズル（１５）が横に並べて配置されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項５】
前記各空気ノズル（１５）が前記壁（１１）から突出する区分を有している、請求項１記載の燃焼室。
【請求項６】
前記空気ノズル（１５）が互いに一致する方向を有している、請求項４記載の燃焼室。
【請求項７】
当該燃焼室（５）が円筒形に構成され、前記空気ノズル（１５）が当該燃焼室（５）に対し同心的に配置された円上に配置されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項８】
当該燃焼室（５）が円形リング状に構成されている請求項１記載の燃焼室。
【請求項９】
形成される循環流が前記内室（９）全体を捉えるように前記入口（６，１５）と前記出口（７，１４）と前記内室（９）の幾何学的な形状が選択されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項１０】
前記循環流が唯一の渦流中心（３５）しか有していない、請求項１記載の燃焼室。
【請求項１１】
前記渦流中心（３５）が湾曲した線又は面上に位置している、請求項１０記載の燃焼室。
【請求項１２】
当該燃焼室（５）が予熱装置（２２）を有している、請求項１記載の燃焼室。
【請求項１３】
前記内室（９）内に、該内室（９）を混合兼反応通路（２６）と帰流通路（３４）とに分離する案内装置（１７）が配置されている、請求項１記載の燃焼室。
【請求項１４】
圧縮機（２）とタービン（３）と燃料を無炎酸化する少なくとも１つの燃焼室（５）を有し、該燃焼室（５）が内室（９）を閉成し、空気流入方向（２４，２５）を規定する、前記圧縮機（２）に接続された入口（６，１５）と、前記タービン（３）に接続された出口（７，１４）と、燃料導入方向（２４，２５）を規定する燃料供給装置（１８）とを有しているガスタービン（１）において、前記燃料導入方向（２４，２５）と空気流入方向（２４，２５）とが、ほぼ合致していることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンのための燃焼室及びこのような燃焼室を備えたガスタービンに関する。
【０００２】
ガスタービンは熱エネルギを機械的なエネルギに変換するために用いられる。この機械的なエネルギは例えば軸（発電所、船舶駆動装置、ヘリコプタ）に又は推進力として飛行機に付与される。すべてのガスタービンは燃焼室を有し、この燃焼室内で燃料が過剰空気で燃焼される。その際、燃焼室内では安定した火炎が形成される。火炎を安定化するためには、圧縮機出口にてきわめて高い速度を有しているガス流はたいてい減速される。安定した火炎を形成するためには適宜の手段が設けられる。例えば燃焼室内には狭域のうず流が火炎安定のために発生させられる。燃焼は燃焼室とタービンとに熱的に過剰な負荷をかけないために過剰空気をもって行なわれる。
【０００３】
EP０４６３２１８B１号明細書によれば相当する反応室における燃料の無炎酸化が公知である。無炎酸化は高い燃焼室温度のもとで燃料が排ガス及び酸素を含有する熱いガス流へ導入されることで達成される。
【０００４】
ガスタービンの燃焼室は複数の要求に応えなければならない。これらの要求のいくつかは、圧力損失をできるだけわずかにすること、タービンを保護するために排ガスを（わずかに）最大排ガス温度より低くすること、窒素酸化物の発生をわずかにすることである。
【０００５】
これらの要求から、窒素酸化物の発生が低くかつガスタービンにおける使用に適する燃焼室を提供するという課題が導き出される。
【０００６】
この課題は請求項１による燃焼室で解決された。
【０００７】
本発明による燃焼室は無炎酸化のために装備されている。これは、燃焼室の内室にて広域の循環流が形成されるように燃焼室の入口と出口とが配向されることで達成される。この広域の循環流で、供給された新鮮空気には熱い排ガスが比較的に大きな量で添加される。有利にはこの比率は新鮮空気に少なくとも２倍の大きさの排ガス流が添加されるように選択される。これによって新鮮空気と排ガスとの混合物は燃料の発火温度の上にある混合温度を有するようになる。発生する無炎酸化は安定した炎の形成は必要としない。したがって比較的に高いガス速度で働くことができる。この場合、燃料の酸化は入口と出口との間に位置する比較的に大きな区間に亘って延在する。
【０００８】
しかも広域の循環流は比較的に少ない損失で得られるので、燃焼室はわずかな流動抵抗しか有せず、ひいてはわずかな圧力損失しかもたらさない。この場合には燃焼室圧の３％よりも少ない範囲の圧力損失しか発生しない。新鮮空気は燃焼室に圧縮され、有利には渦流なしで、いわばジェット空気流として供給され、秩序正しい流れを発生する。
【０００９】
新しい燃焼室は高い出力密度（例えば１００MW／ｍ３）を可能にする。火炎のひきちぎれ並びに火炎バックラシュは原理的に不可能である。達成されるNOｘ−濃度は１０ppmよりも低い。
【００１０】
無炎の酸化を、燃焼室の低い流過抵抗とコンパクトな構成形態とを同時に達成して可能にするためには、燃料は新鮮空気と同じ方向で燃焼室へ導入される。これによって、さもないと圧力損失の増大をもたらす局所的な渦流が著しく減じられることになる。
【００１１】
燃焼室は２〜５の内部の循環で構成されると有利である。これは新鮮空気がその質量流の２倍から５倍で排ガスに添加されることを意味する。
【００１２】
この場合、空気と燃料は同軸的に、隣接するジェット流で又は横に並んで互いにほぼ平行に配置されたジェット流で燃焼室へ導入される。燃焼室への供給は、有利には端壁から、外側の燃焼室壁に隣接した領域にて、つまり端壁の半径方向外方に位置する領域にて行なわれると有利である。これによって新鮮空気と燃料はまず壁に対しほぼ平行な流れで燃焼室へ導入される。燃焼室の出口は有利には同じ方向又は反対方向に配向されている。この場合、出口の外側制限部は燃焼室中心軸線に対しては、燃焼室の入口に所属する空気ノズルに対してよりもわずかな間隔を有している。この処置によって燃焼室の入口から出口へ向かって壁に沿って案内され、次いで出口から入口へ有利には燃焼室の中心軸線上を帰流させられる広域の循環流が達成される。
【００１３】
燃焼室の入口は有利には多数の空気ノズルによって形成される。この空気ノズルは新鮮空気を新鮮空気ジェット流として内室内へ導く。さらに空気ノズルは有利には、噴射される空気ジェット流が排ガスを吸い戻すインゼクタ作用を発揮するように形成されている。これは例えば燃焼室の端壁を越えて突出する円錐形の区分によって達成されるか、又は助成される。
【００１４】
燃焼室は管燃焼室とも呼ばれるリング状に配置された単個燃焼室のセットに属することもできる。択一的に燃焼室はリング燃焼室として構成されていることができる。定置の設備の場合には別の異なる燃焼室形も可能である。
【００１５】
燃焼室は有利には、燃焼室が唯一の循環中心（渦流中心）を有するように構成される。管燃焼室の場合にはこの渦流中心は燃焼室長手方向軸線に対し同軸的に配置された線又は面である。循環流は燃焼室の内室全体を捉えるトロイド流である。入口に所属する空気ノズルが例えば外側の環を成して端壁に配置されているリング燃焼室の場合には、渦流中心は同様に燃焼室長手方向軸線に対し同軸に配向された円線により形成される。この円線は有利には、空気ノズルが配置されている線に対しほぼ平行である。
【００１６】
燃焼室は有利には予熱装置を備え、この予熱装置で燃焼室には運転開始にあたり無炎酸化に適した温度を与えることができる。予熱装置は例えば一時的に運転される、火炎を形成するバーナによって又は電気的な加熱装置によって又はその他の熱源によって形成されていることができる。
【００１７】
燃焼室はその内壁にて触媒的に有効な材料でコーティングされていることができる。さらに燃焼室内には触媒的な表面を有する案内体が配置されることができる。又、燃焼室の出口には触媒器が配置されていることもできる。
【００１８】
図１には圧縮機２と、該圧縮機２に例えば軸４を介して結合されているタービン３と、少なくとも１つの燃焼室５とを有するガスタービン１が示されている。各燃焼室は圧縮機２により圧縮された空気が供給される入口６と燃焼室５において発生させられたガス流をタービン３に供給する出口７とを有している。
【００１９】
燃焼室５は図２に示したようにそれぞれほぼ管状の単固燃焼室（can-type-burner）であることができる。これらの単固燃焼室は一緒になって燃焼室セットを形成する。このような単固燃焼室５の１つは図３に示されている。燃焼室は壁８により取り囲まれた内室９を有している。この内室９はほぼ円筒形である。壁８には入口側にて、例えば平らに構成できる端壁１１が所属している。対向する側には端壁１２が構成され、該端壁１２には出口７を規定する半径Bを有する開口１４が配置されている。入口６としては図４に示したように１つの円上に配置された一連の空気ノズル１５が用いられる。この場合空気ノズル１５は壁８の近くで、開口１４の半径Bよりも大きい燃焼室５の仮想中心軸線１６に対する半径A上に配置されている。実地において試みられた実施例においては空気ノズル１５のノズル開口の直径Dは燃焼室５の中心軸線１６に沿って測った長さ１のほぼ１／５０である。燃焼室の直径は燃焼室の長さのほぼ１／２である。図面は寸法的に正しいものではない。
【００２０】
内室９においては案内管１７が中心軸線１６に対し同心的に配置されている。案内管１７は内室９の長さよりも短い。案内管１７の直径はほぼ開口１４の直径に相応している。端壁１１と１２とに対しては案内管１７はその半径よりもいくらか小さい。案内管１７を固定する手段、例えば壁８又は端壁１１，１２に向かうウェブは図示していない。
【００２１】
空気ノズル１５は図３に示したように内室９内に突入している。空気ノズル１５は例えばほぼ截頭円錐形の輪郭を有している。空気ノズルはインゼクタ効果を発揮する真っ直ぐなジェット空気流を発生させるように構成されている。燃料を供給するためには燃料供給装置１８が設けられている。この燃料供給装置１８は中央の導管２１から燃料が供給される燃料ノズル１９によって形成されている。燃料ノズル１９は例えばそれぞれ１つの空気ノズル１５の直前に開口することができる。この場合、各空気ノズル１５に１つの燃料ノズル１９が対応配置されていることができる。しかしながら若干の空気ノズルだけに燃料ノズル１９を対応配置することもできる。さらに燃料ノズル１９を、図４に選択的に示したように、空気ノズル１５間に配置することもできる。燃料ノズル１９の数は空気ノズル１５の数と同じであっても、異なっていてもよい。燃料ノズル１９と空気ノズル１５は同じ流出方向を有している。つまり空気と燃料は同じ方向で内室９内へ導入される。
【００２２】
燃焼室５はさらに、運転準備のために予熱装置２２を有している。この予熱装置２２は本実施例では電気的に加熱可能でかつ壁８の内側に取り付けられたグローコイルによって形成されている。択一的にバーナ、アーク発生装置又は他の制御可能な熱源が設けられていてもよい。
【００２３】
これまで記載した燃焼室５は以下の通り働く：
ガスタービン１の運転に際して燃焼室５は圧縮されかつ圧縮により予熱された新鮮空気を入口６にて受取る。この場合の圧力は例えば１０バールから２０バールの範囲であることが可能である。空気は個々の空気ノズル１５に分配され、ひいてはジェット流の形で円筒状の壁８に沿って内室９へ流入する。これは矢印２４，２５によって示されている。内室９内の温度は例えばグローコイル２３によって、導入させられた燃料が発火するように上昇させられる。この燃料は燃料ノズル１９を介して新鮮空気流と一緒に矢印２４，２５の方向で内室９内へ導かれる。この燃料は内室９内で、空気ノズル１５から端壁１２までの行程で反応する。したがって案内管１７の外側と壁８の内側との間に形成されたリング状の通路は反応通路２６を形成し、この反応通路２６内を新鮮空気と燃料は矢印２７，２８の方向へ流過する。
【００２４】
反応通路２６の端部は端壁１２によって覆われているので、矢印２９，３１によって示されているように流れは反転させられる。発生する反応生成物の小さな部分だけが熱いガスとして出口７からタービン５へ矢印３２，３３で示すように流出する。大部分は案内管１７を通って端壁１１へ循環により戻される。したがって案内管１７は循環通路３４を規定する。循環通路３４内を戻される排ガスは燃焼室出口温度、例えば１，３００℃を有している。この質量流は入力６を通って流入する供給空気質量流の２倍から５倍である。
【００２５】
端壁１１においては、戻されたガスは半径方向に変向され、供給される新鮮空気によりインゼクタ効果により反応通路２６へ吸込まれる。ここで熱いガスは供給された新鮮空気と混合される。混合温度は供給された燃料の発火温度の上側に、例えば７２０℃の上側にある。したがって新鮮空気で供給された燃料は火炎現象を発生させることなしに、ほぼ案内管１７の長さに亘る距離で完全に酸化される。この場合にはガス容量内部に局所的な温度ピークは発生しない。
【００２６】
燃焼室８が加熱されかつ記述した安定した無炎の運転が開始されたあとで、予熱装置２２は遮断されることができる。無炎の酸化は全負荷又は部分負荷運転にて、燃焼室８が全体として燃料の発火温度の上の温度に保たれ、説明した流れパターンが維持される間は保証される。この場合には案内管１７は輪状又はトルソ形に延在して形成される広域の循環流の面状の渦流中心を形成する。したがってこの渦流中心は安定して中心輪線１６に対し同軸的に位置せしめられる。
【００２７】
図５は選択的に示された燃焼室５の実施例においては、循環流は空気ノズル１５の図４に示された環状の配置、開口１４の構成と配置、場合によっては壁８の形状付与だけによって達成される。この場合には循環通路３４と反応通路２６は組み込まれた構成部分によって互いに分離されておらず、形成される流れによって規定されている。循環流の渦流中心は図５においては破線３５で示されている。この渦流中心３５は中心軸線１６に対し平行に位置している。
【００２８】
さらに変化させられた実施例（図６）の場合には出口７に高温触媒器が配置されている。この高温触媒器は特に下方の温度領域で反応捉進に役立つ。
【００２９】
図７と８には変化させられた燃焼室５が示されている。この燃焼室５はリング燃焼室として構成されている。これまで用いた符号が付けられている限り、それに関しては先の記述が当嵌まる。以下の説明は本実施例に限定される。
【００３０】
燃焼室５はリング状の内室９を有している。この内室９は長手方向の中心軸１６と同心的に配置されている。リング状の内室９は中心軸１６に向かっても外に向かっても壁８によって取り囲まれている。この壁８は図に示すように流体技術的に好ましい湾曲で端壁１１，１２へ移行することができる。端壁１１には空気ノズル１５が配置され、この空気ノズル１５は中心軸１６に対し同心的な円上に位置している（図７）。空気ノズル１５によって規定された移動方向は中心軸１６に対しほぼ平行である。端壁１２はリングスリット形の開口１４又はその代りに環をなして配置された一連の単個開口１４を備えていることができる。さらに外側の環、つまり半径方向でもっとも外に位置する制限部３６は空気ノズル１５から流出する空気ジェット流が半径方向でさらに外側で端壁１２に当たるように半径方向で内側に配置されている。換言すれば本実施例では、空気ノズル１５の仮想の線状の延長３７は端壁１２を開口１４の外側で貫通する。これに相応して空気ノズル１５から流出する流れは出口７の手前で１８０°変向され、大部分は端壁１１に向かって帰流し、そこで再び１８０°変向される。この結果、広域の循環流が形成される。この循環流はその全長に亘って燃焼室５の壁８に沿って案内される。渦流中心３５は中心軸１６に対し同心的に配置される。渦流中心３５は内室９のほぼ真ん中を通って延びている。渦流中心３５は破線で示すように案内装置１７によって又は単に壁８の形により規定されることができる。先の実施例の場合のように、燃料と供給された新鮮空気との間では完全な反応で無炎の酸化が空気ノズルから端面１２との間で行われるので、排ガスだけが循環される。
【００３１】
本発明の燃焼室５の別の実施例は図９と１０とに示されている。図３から５による燃焼室に対する記述は本実施例にも当嵌まる。以下、本実施例について補完する。
【００３２】
図９に示された燃焼室５は反転流で働く。先の燃焼室の場合には入口６と出口７は燃焼室５の互いに向き合った端面側１１，１２に配置されているのに対し、図９に示された燃焼室の場合には入口６と出口７は燃焼室５の同じ端面側１１に配置されている。この構成形態は例えば出力の小さいタービンに適している。この構成形態は典型的な形式で半径方向圧縮機を有するタービンに使用することができる。空気ノズル５は端壁１１に設けられた開口１４を取囲む円上に配置されている。空気ノズル１５と開口１４は中心軸６に対し同心的に配置されている。形成される循環流（図９の矢印）はこの場合にもリング状の、中心軸１６に対し同心的な循環中心３５を有している。循環流は供給された新鮮空気の質量流の２倍から５倍を越える質量流を有している。
【００３３】
燃焼室５の前記実施例は、先に記述した実施例に対しほぼ内室９全体が循環室として活用されるという利点を有している。空気ノズルから端壁１２までの距離も端壁１２から出口１４までの距離も燃料の循環に利用され、きわめてコンパクトな構成形態が可能である。
【００３４】
必要に応じて渦流中心３５は案内管１７によって規定されるか又は安定化させられることができる。さらに端壁１２は図９に破線で示したようにトーラス形に湾曲されていること、つまり中心軸１６を取巻くトラフとして構成されていることができる。
【００３５】
ガスタービンのために装備された燃焼室５は燃料を無炎で酸化するために装備されている。このために燃焼室５は広域の循環流が形成される内室９を有している。この循環流は、導入された空気に、質量流が新鮮空気流を上回る熱い排ガス流を供給する。新鮮空気と燃料とは燃焼室へ同じ方向で壁に対しほぼ平行に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ガスタービンの概略図。
【図２】図１のガスタービンの燃焼室の正面図。
【図３】個々の燃焼室の概略図。
【図４】図３の燃焼室の正面図。
【図５】燃焼室の変化実施例の縦断面図。
【図６】燃焼室の別の変化実施例の縦断面図。
【図７】リング燃焼室として構成された燃焼室の正面図。
【図８】図７の燃焼室の縦断面図。
【図９】反転循環流式燃焼室の縦断面図。
【図１０】図９の燃焼室の正面図。
【符号の説明】
【００３７】
１  ガスタービン、  ２  圧縮機、  ３  タービン、  ４  軸、  ５  燃焼室、  ６  入口、  ７  出口、  ８  壁、  ９  内室、  １１  端壁、  １２  端壁、  １４  開口、  １５  空気ノズル、  １６  中心軸線、  １７  案内管、  １８  燃料供給装置、  １９  燃料ノズル、  ２１  導管、  ２２  予熱装置、  ２３  グローコイル、  ２４，２５  矢印、  ２６  反応通路、  ２７，２８  矢印、  ２９  矢印、  ３０  矢印、  ３１  矢印、  ３２  矢印、  ３３  矢印、  ３４  循環通路、  ３５  渦流中心、  ３６  制限部、  ３７  延長部
【図１】
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【図２】
2005524038.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2005524038.tif 000013
2005524038.tif 000014
2005524038.tif 000015
2005524038.tif 000016
2005524038.tif 000017
2005524038.tif 000018