(57)【要約】【課題】排気ガス流中に冷却空気を噴射するためのシステム及び方法を提供すること。【解決手段】一実施形態では、システム（１０）が、スタガ配置を有する複数の空気噴射管（５４）を備える空気噴射システム（３２）を含み、複数の空気噴射管（５４）の各々が、排気ダクト（３０）内に空気を噴射するように構成されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタガ配置を有する複数の空気噴射管（５４）を備える空気噴射システム（３２）を備えてなり、複数の空気噴射管（５４）の各々が、単純サイクルヘビーデューティガスタービン（１２）の排気ダクト（３０）内に空気を噴射するように構成されているシステム（１０）。
【請求項２】
複数の空気噴射管（５４）の各々が複数の空気噴射穴（７０）を備え、空気が複数の空気噴射穴（７０）を介して排気ダクト（３０）内に噴射される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
複数の空気噴射管（５４）の第１の管（５４）上の隣り合う空気噴射穴（７０）間の第１の間隔（７２）が一定であり、間隔（７２）が、複数の空気噴射管の第２の管上の隣り合う空気噴射穴（７０）間の第２の間隔（７２）と異なる、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
複数の空気噴射管（５４）の１以上にある隣り合う空気噴射穴（７０）間の間隔（７２）が変化する、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
複数の空気噴射管（５４）の第１の管（５４）上の複数の空気噴射穴（７０）の各穴の第１の直径（６８）が一定であり、第１の直径（６８）が、複数の空気噴射管（５４）の第２の管上の複数の空気噴射穴（７０）の各穴の第２の直径（６８）と異なる、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
複数の空気噴射管（５４）の１以上にある複数の空気噴射穴（７０）の各穴の直径（６８）が変化する、請求項２記載のシステム。
【請求項７】
複数の空気噴射穴（７０）の直径（６８）が、１以上の管の中央から縁部に向かって直径（６８）が徐々に増大する、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
空気噴射穴（７０）が、複数の空気噴射管（５４）の各管の、下流に面した端部上に配置される、請求項２記載のシステム。
【請求項９】
空気噴射管（５４）の各々が異なる直径（６８）を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
各々に複数の穴（７０）が開けられている複数の空気噴射管（５４）を備える排気処理システム（１４）を備えてなり、複数の空気噴射管（５４）が、変動する管径（６８）、変動する穴径、変動する穴間隔（７２）及びそれらの組合せの少なくともいずれかを有するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンシステムに関し、特に、タービンシステムで生成した排気ガス中に冷却空気を噴射するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、一般に、圧縮機、燃焼器、タービンを有する１以上のガスタービンエンジンを含む。燃焼器は、燃料と圧縮空気の混合物を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成するように構成され、この燃焼ガスがタービンのブレードを駆動する。ガスタービンエンジンで生成した排気ガスは、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物、（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、及び未燃炭化水素など、幾つかの副生物を含む可能性がある。一般に、排気ガスを大気中に放出する前に、排気ガス中のかかる副生物を完全に除去又はその量を実質的に低減することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７５２３６０２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは空気噴射システムを含む。空気噴射システムは、スタガ配置（staggered arrangement）を有する複数の空気噴射管を含む。これらの複数の空気噴射管の各々は、タービン排気ダクト内に空気を噴射するように構成することができる。
【０００６】
他の実施形態では、システムは排気処理システムを含む。排気処理システムは複数の空気噴射管を含み、各空気噴射管には複数の穴が開けられている。これらの複数の空気噴射管の各々は、変動する管径、変動する穴径、変動する穴間隔、又はそれらの組合せの少なくともいずれかを含むことができる。
【０００７】
他の実施形態では、システムは、冷却空気の流れを受けるように、また冷却空気を複数の管に分配するように構成されたマニフォルドを含み、これらの複数の管は、不均一な分布の冷却空気をタービン排気ダクト内に送るように構成される。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による、排気ガスを冷却するための空気噴射システムを含むタービンシステムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、複数の空気噴射管を有する空気噴射システムを含む、図１に示すトランジションダクトの部分切欠斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図２に示す複数の空気噴射管を有する空気噴射システムを含むトランジションダクトの切欠側面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、空気噴射管の各々にある複数の空気噴射穴をさらに示す、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクトの部分断面端面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、図４の切断線５−５に沿った、また図３の弧状線５−５内の空気噴射管の切欠側面図である。
【図６】本技術の他の実施形態による空気噴射管を示す、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクトの部分断面端面図である。
【図７】本技術の他の実施形態による空気噴射管を示す、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクトの部分断面端面図である。
【図８】本技術の他の実施形態による空気噴射管を示す、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクトの部分断面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び／又は環境条件の例は、開示した実施形態以外のパラメータ／条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。
【００１２】
本発明の実施形態は、一般に、排気ガス流を冷却又はテンパリングするための技術に関する。例えば、ガスタービンシステムでは、１以上のガスタービンエンジンが燃料を燃焼して燃焼ガスを生成し、１以上のタービンブレードを駆動する。燃焼させる燃料のタイプに応じて、燃焼プロセスに起因する排出物（例えば排気ガス）は、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物、（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、及び未燃炭化水素を含むことができる。ガスタービン発電所などガスタービンシステムによって放出される排気ガスの組成物は、しばしば厳しい規制要件の対象となる。単なる例として、規制では、大気中に放出される排気ガスのＮＯx組成物が３ｐｐｍ以下であることが要求される可能性がある。
【００１３】
排気ガス流中のＮＯxを除去又はその量を低減するための１つの技術は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）によるものである。ＳＣＲプロセスでは、アンモニア（ＮＨ3）などの試薬が、排気ガス流中に噴射され、ＮＯxと反応し、窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）を生成する。ＳＣＲプロセスの有効性は、少なくとも一部には、処理される排気ガスの温度に依存する可能性がある。例えば、ＮＯｘを除去するためのＳＣＲプロセスは、約７００〜９００°Ｆ（３７１．１１〜４８２．２２℃）の温度で特に有効となり得る。したがって、タービンエンジンからの排気ガス出力がＳＣＲの有効温度範囲より高い場合、規制基準を満たすために、ＳＣＲの前に排気ガスを冷却し、ＳＣＲプロセスの有効性を高めることが有利となることがある。
【００１４】
したがって、本発明の実施形態では、単純サイクルヘビーデューティガスタービンシステムなどのガスタービンシステムは、排気ガス流中に冷却空気を噴射するように構成された空気噴射システムを含むことができる。下記でさらに述べるように、空気噴射システムは、タービンの（排気ガスの流れに対して）下流、しかしＳＣＲシステムから上流に配置することができる。空気噴射システムは、複数の空気噴射管を含むことができ、各空気噴射管は、排気ガス流中に冷却空気を噴射するための複数の空気噴射穴又は開口を有する。幾つかの実施形態では、送風機など任意の好適な冷却空気源によって供給することができる冷却空気を受けるように、また冷却空気を空気噴射システムの空気噴射管の各々に分配するように、１以上のマニフォルドを設けることができる。さらに、冷却空気は、圧縮機から供給することができる。冷却空気源にかかわらず、冷却空気は、周囲空気であってもよく、トランジションダクト内に噴射される前に熱交換器を介した冷気であってもよいことを理解されたい。排気ガスの特定の所望のプロファイルに応じて、空気噴射管は、様々なサイズのものとすることも、スタガ構成で配置することもできる。さらに、空気噴射管の各々にある空気噴射穴は、下記でさらに述べる幾つかの実施形態では、様々なサイズ及び間隔構成を使用することができる。換言すれば、空気噴射管は、概して不均一な分布の冷却空気（例えば、空気噴射穴又は管の特性によって決まる）をタービン排気ダクト内に送るように調整することができる。これらの現在開示されている技術によれば、空気噴射システムによって排気ガス流中に冷却空気を噴射することにより、利点の中でもとりわけ、ＳＣＲシステムが受ける冷却された排気ガスの温度の均一性及び／又は速度分布の改善、ガスタービン背圧の低減、流れ分布の向上をもたらすことができる。さらに、現在開示されている技術は、以下で論じるように、単純サイクルヘビーデューティガスタービンシステムで特に有用となり得るが、本技術は、例えば複合サイクルガスタービンシステムを含めて、任意の好適な構成のシステム内で実施することができることを理解されたい。
【００１５】
前述のことを留意して、図１は、ガスタービンエンジン１２及び排気処理システム１４を含む例示的なタービンシステム１０のブロック図である。幾つかの実施形態では、タービンシステム１０は、発電システムとすることができる。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素の豊富な合成ガスなど、液体又はガス燃料を使用し、タービンシステム１０を駆動することができる。
【００１６】
図のように、ガスタービンエンジン１２は、空気取入れ口区間１６、圧縮機１８、燃焼器区間２０、及びタービン２２を含む。タービン２０は、シャフトを介して圧縮機１８に駆動可能に結合されることが可能である。動作時には、空気が（矢印１７で示す）空気取入れ口区間１６を介してタービンエンジン１２に入り、圧縮機１８内で加圧される。圧縮機１８は、シャフトに結合された複数の圧縮機ブレードを含むことができる。シャフトの回転は、圧縮機ブレードの回転を引き起こし、それにより圧縮機１８に空気を引き込み、燃焼器区間２０に入る前にその空気を圧縮する。
【００１７】
燃焼器区間２０は、１以上の燃焼器を含むことができる。一実施形態では、複数の燃焼器が、シャフトの周りの概して円形又は環状の構成で、複数の円周方向位置に配置されてもよい。圧縮空気が圧縮機１８を脱出し燃焼器区間２０に入ったとき、その圧縮空気を、燃焼器内で燃焼させるために燃料１９と混合させることができる。例えば、燃焼器は、最適な燃焼、排出物、燃料消費、出力などに適した比率で燃料−空気混合物を燃焼器内に噴射することができる１以上の燃料ノズルを含むことができる。空気と燃料を燃焼させることにより、加圧された排気ガスを生成することができ、次いでその排気ガスを使用し、タービン２２内の１以上のタービンブレードを駆動することができる。動作時には、タービン２２に流入及び流通する燃焼ガスは、タービンブレードに接して、またタービンブレード間を流れ、それによりタービンブレードを駆動し、したがってシャフトを回転させ、発電所内の発電機などの負荷を駆動する。また、上記で論じたように、シャフトが回転すると、圧縮機１８内のブレードが、取入れ口１６によって受け取られた空気を引き込み、加圧する。
【００１８】
タービン２２を流通する燃焼ガスは、排気ガスの流れ２６としてタービン２２の下流端２４を脱出することができる。排気ガス流２６は、排気処理システム１４に向かって下流方向２７に流れ続けることができる。例えば、下流端２４を、排気処理システム１４、特にトランジションダクト３０に流体結合させることができる。上記で論じたように、燃焼プロセスの結果として、排気ガス２６は、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物、（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、及び未燃炭化水素など、幾つかの副生物を含む可能性がある。幾つかの規制要件により、排気処理システム１４を使用し、排気ガス流を大気中に放出する前にかかる副生物の濃度を低減又は実質的に最小限に抑えることができる。
【００１９】
上述のように、排気ガス流中のＮＯxを除去又はその量を低減するための１つの技術は、選択触媒還元（ＳＣＲ）を使用することによるものである。例えば、排気ガス流２６からＮＯxを除去するためのＳＣＲプロセスでは、アンモニア（ＮＨ3）が、排気ガス流中に噴射され、ＮＯxと反応し、窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）を生成する。理解されるように、このＳＣＲプロセスの有効性は、少なくとも一部には、処理される排気ガスの温度に依存する可能性がある。例えば、ＮＯｘを除去するためのＳＣＲプロセスは、約７００〜９００度°Ｆ（３７１．１１〜４８２．２２℃）の温度で特に有効となり得る。しかし、幾つかの実施形態では、タービン２２を脱出しトランジションダクト３０に入る排気ガス２６は、約１０００〜１５００°Ｆ（５３７．７８〜８１５．５６℃）、又はより具体的には１１００〜１２００°Ｆ（５９３．３４〜６４８．８９℃）の温度を有する可能性がある。したがって、ＮＯx除去に対するＳＣＲプロセスの有効性を高めるために、排気処理システム１４は、排気ガス流２６中に冷却空気を噴射し、それによりＳＣＲの前に排気ガス流２６を冷却するように構成された空気噴射システム３２を含むことができる。有効温度は、ガス流２６から除去される元素及び／又は使用される触媒に応じて変わる可能性があることを理解されたい。
【００２０】
図１に示すように、空気噴射システム３２は、トランジションダクト３０内に配置されてもよい。一実施形態では、空気噴射システム３２は、複数の空気噴射管を含むことができる。空気噴射管の各々は、排気ガス流２６と混合するために、１以上の空気源３４によって送られる冷却空気３６をトランジションダクト３０内に噴射するように構成された複数の空気噴射穴を含むことができる。例えば、一実施形態では、空気源は、１以上の送風機、圧縮機（例えば、圧縮機１８）、熱交換器、又はそれらの組合せを含むことができる。理解されるように、「冷却」という用語は、気流３６について述べるために使用されるとき、空気３６が、タービン２２を脱出する排気ガス流２６に比べて温度が低いことを意味すると理解すべきである。例えば、空気源３４によって供給される冷却空気３６は、周囲空気であってもよく、熱交換器又は他のタイプの好適な冷却機構を使用してさらに冷却されてもよい。空気噴射システム３２はまた、冷却空気３６の流れを調節するためのバルブ３５をも含むことができる。単なる例として、一実施形態では、タービン２２から排出される排気ガス２６は、約１０００ポンド／秒（４５３．６ｋｇ／秒）の流量でトランジションダクト３０に流入することができ、冷却空気３６は、約５００ポンド／秒（２２６．８ｋｇ／秒）の流量で（空気噴射システム３２を介して）トランジションダクト３０内に噴射することができる。しかし、排気ガス２６の流量、及び冷却空気３６の流量は、変わる可能性があることを理解されたい。冷却空気３６は、排気ガス流２６と混合され、符号３７によって参照されている冷却された排気ガス流を実現し、この排気ガス流は、上記で論じたように、約７００〜９００度°Ｆ（３７１．１１〜４８２．２２℃）、すなわちＳＣＲプロセスでのＮＯx除去量を増大又は実質的に最大限にするのに適した温度を有することができる。下記でさらに論じるように、空気噴射穴の構成、並びに空気噴射管の直径は、好適には、概して均一な混合をもたらし、したがって下流のＳＣＲ処理の前に、冷却された排気ガス３７中で概して均一な温度及び速度分布を達成するように構成することができる。
【００２１】
なおも図１を参照すると、冷却された排気ガス流３７は、アンモニア噴射グリッド３８を介して、下流を（例えば、方向２７で）流れ続けることができる。アンモニア噴射グリッド３８は、冷却された排気ガス流３７中にアンモニア（ＮＨ3）４０を噴射するように構成することができる。一実施形態では、アンモニア噴射グリッド３８は、冷却された排気ガス流３７中にアンモニア４０を噴射するための開口を有するパイプ網を含むことができる。さらに下流では、ＳＣＲシステム４２は、ハニカム又はプレート構成など、任意の好適な幾何形状を使用して実装することができる。ＳＣＲシステム４２内で、アンモニア４０は、本質的に触媒として働き、排気ガス流３７中のＮＯxと反応し、窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）を生成し、したがって、流れ矢印４６で示すようにスタック４４を通って大気中に放出する前に、排気ガス３７からＮＯxを除去する。スタック４４は、幾つかの実施形態では、消音器又はマフラを含むことができる。例として、また現行の規制基準に応じて、排気処理システム１４は、空気噴射システム３２及びＳＣＲシステム４２を使用し、符号４３によって参照されている処理済み排気ガス流中のＮＯxの組成物を約３ｐｐｍ以下に低減することができる。他の実施形態では、噴霧水を冷却空気と混合することができ、水−空気混合物をトランジションダクト３０内に噴射し、排気ガス温度を下げることができる。
【００２２】
本実施形態は、概して、排気ガス流２６を処理し、そこからＮＯxを除去することに注目しているが、他の実施形態は、一酸化炭素又は未燃炭化水素など、他の燃焼副生物の除去を可能にすることができる。したがって、供給される触媒は、排気ガス流２６から除去される組成物に応じて変わる可能性がある。さらに、本明細書で開示されている実施形態は、ＳＣＲシステム４２の使用に限定されず、複数のＳＣＲシステム４２を含んでいてもよい。さらに、システム１０はまた、スタック４４を脱出する処理済み排気流４３の組成物を連続的に監視する連続排出物監視（ＣＥＭ）システム４８を含むことができる。処理済み排気流４３の組成物が１以上の規制要件を満たすことができないことをＣＥＭシステム４８が検出した場合、ＣＥＭシステム４８は、システム１０によって生成される処理済み排気流４３が規制要件を満たすと決定することができるまで、作動パラメータを調整する、サービスを行う、又は他の方法でシステム１０の運転を止めるようにシステム１０のオペレータに通知するなど、さらなる措置を開始する任務を課すことができる適切な規制組織体（例えば、環境保護庁）に通知を送ることができる。また、幾つかの実施形態では、ＣＥＭシステム４８は、温度、冷却空気３６の流量、ダクト３０内に噴射されるＮＨ3の量などを調整するなど、修正措置を実施することができる。
【００２３】
次に図２を参照すると、一実施形態によるトランジションダクト３０の部分切欠斜視図を示す。トランジションダクト３０の上流端５０は、排気ガス流２６を受けるようにトランジションダクト３０をタービン２２に流体結合する開口５２を含むことができる。さらに、図２は、トランジションダクト３０内に少なくとも部分的に配置された空気噴射システム３２の一実施形態を示す。空気噴射システム３２は、スタガ構成（例えば、少しずつ異なる垂直位置及び水平位置）で配置された複数の空気噴射管５４ａ〜５４ｆを含むことができる。空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、冷却空気３６の流れを受け、排気ガス流２６と混合するために冷却空気３６をトランジションダクト３０内に噴射するように構成することができる。例えば、図の実施形態では、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々の、下流に面する（例えば、下流方向２７に面する）端部は、空気噴射穴を配列したものを含むことができる。さらに、現在示されている空気噴射システム３２は、６本の空気噴射管５４ａ〜５４ｆをもつものとして示したが、他の実施形態では、空気噴射システム３２がそれより少ない管、又はそれより多い管、例えば２〜１００本以上の管を有することができることを理解されたい。例えば、空気噴射システム３２は、８、１０、１２、１４、１６本以上の管を含むことができる。
【００２４】
図２に示すように、符号５６によって参照されている第１の空気噴射マニフォルドは、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々の第１の端部に結合される。空気噴射マニフォルド５６は、冷却空気３６の流れを送る空気源３４に流体結合させることができる入口５８を含むことができる。上記で論じたように、冷却空気３６は、（例えば、送風機又は圧縮機によって）周囲空気として送ることも、例えば熱交換器を介して冷却することもできる。したがって、マニフォルド５６は、入口５８を介して冷却空気３６を受け取り、さらに空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々に冷却空気３６を分配するように構成することができる。次いで、排気ガス流２６と混合するために、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々にある空気噴射穴を介して、冷却空気３６をトランジションダクト３０内に噴射することができる。現在示されている図では見えないが、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々にある空気噴射穴のサイズ及び間隔は、冷却された排気ガス３７の概して均一な温度及び／又は速度分布をもたらすように構成することができることを理解されたい。例えば、これらの空気噴射穴は、同じサイズであってもよく、且つ／又は空気噴射管５４ａ〜５４ｆの長さ５９全体にわたって均一に分配されてもよく、或いは、サイズ及び／又は分布が様々であってもよい。さらに、空気噴射管５４ａ〜５４ｆそれら自体のサイズ（例えば、直径）及び／又は長さ５９は、様々であってもよく、同じであってもよい。そうすることで、流れ分布をトランジションダクト３０内で改善し、したがってガスタービンシステム１０内の背圧を低減することができる。空気噴射穴及び空気噴射管５４ａ〜５４ｆの様々な構成を示す幾つかの実施形態を、図４〜８を参照して以下でさらに示す。
【００２５】
図の実施形態では、空気噴射システム３２はまた、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々の第２の端部に結合された第２の空気噴射マニフォルド６０を含む。空気噴射マニフォルド６０は、空気噴射マニフォルド５６上の入口５８と同様のものとすることができる入口６２を含むことができる。したがって、空気噴射マニフォルド６０は、冷却空気３６を受け取り、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々に冷却空気３６を分配することができる。上記で論じたように、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々にある空気噴射穴は、排気ガス流２６と混合するために冷却空気３６をトランジションダクト３０内に噴射するように構成することができる。換言すれば、幾つかの実施形態では、空気噴射システム３２は、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆの両端に冷却空気流３６を送るために、複数のマニフォルド（例えば、５６及び６０）を含むことができる。各マニフォルド５６、６０は、同じ空気源３４に、又は別個の各々の空気源３４（この場合には、入口５８、６２を介して受け取られた冷却空気３６は、離散的な空気源によって送ることができる）に流体結合させることができる。さらに、他の実施形態では、空気噴射システム３２は、単一のマニフォルド（例えば、５６）だけを含むことができる。さらに、本実施形態はマニフォルド５６、６０をトランジションダクト３０の外にあるものとして示しているが、他の実施形態では、マニフォルド５６、６０は、トランジションダクト３０内に配置されてもよい。
【００２６】
図３は、図２に示す、複数の空気噴射管５４ａ〜５４ｆを有する空気噴射システム３２を含むトランジションダクト３０の切欠側面図を示す。トランジションダクト３０は、概して下流方向２７に延びる。例えば、トランジションダクト３０の上流端５０は、約１０〜２０フィート（３．０４８〜６．０９６ｍ）、より具体的には約１２〜１８フィート（３．６５８〜５．４８６ｍ）、さらに具体的には約１４〜１５フィート（４．２６７〜４．５７２ｍ）の高さ６３を有することができる。トランジションダクト３０の反対側の下流端６４は、約２５〜１００フィート（７．６２〜３０．４８ｍ）、より具体的には約２５〜６０フィート（７．６２〜１８．２９ｍ）の高さ６５を有することができる。上記で論じたように、空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、スタガ構成で配置する（例えば、マニフォルド５６及び／又はマニフォルド６０に結合する）ことができる。例えば、図３に示すように、空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、各管が、排気処理システム１４のｘ方向６６及びｙ方向６７で、他のすべての管に対してオフセットされるように配置される。すなわち、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々が、排気処理システム１４のｘ軸６６及びｙ軸６７に沿って異なる位置を有する。また、管５４ａ〜５４ｆの各々の間の間隔は等しくてもよいし、異なっていてもよく、徐々に広く離隔することができる。さらに、トランジションダクト３０の幅がｘ軸及び／又はｙ軸に沿ってどのように変化するかに基づいて、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆの長さ５９が変わる可能性がある。
【００２７】
上記で論じたように、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々は、（例えば、方向２７で）下流に面する端部６８上に配置された複数の空気噴射穴を含むことができる。空気噴射穴は、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々によって受け取られた冷却空気３６を、排気ガス流２６と混合し冷却された排気ガス流３７を生成するためにトランジションダクト３０内に噴射するように構成することができる。その後で、アンモニア（ＮＨ3）などの触媒を、アンモニア噴射グリッド３８によって、冷却された排気ガス流３７内に導入することができ、ＳＣＲシステム４２は、処理済み排気ガス流内のＮＯxの組成物を、選択触媒還元を介して低減し、それによりスタック４４を介して排気処理システム１４を脱出する処理済み排気ガス流４３内のＮＯxの量を低減するように構成することができる。例えば、幾つかの規制要件によれば、処理済み排気ガス流４３は、３ｐｐｍ以下のＮＯx組成物を有することができる。この場合も、現在示されている実施形態は、概して、排気ガス流２６を処理し、そこからＮＯxを除去することに注目しているが、排気処理システム１４の他の実施形態は、硫黄酸化物、（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、及び未燃炭化水素など、他の望ましくない燃焼副生物の除去を可能にすることができることに留意されたい。
【００２８】
上述のように、空気噴射システム３２の空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、所与の応用分野のための排気ガス流２６の特定の特性に応じて、様々な異なる形で構成することができる。一般に、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの構成は、ＳＣＲシステム４２によるＳＣＲ処理の前に、冷却された排気ガス３７の概して均一な温度及び／又は速度分布、並びに流れ分布の改善をもたらすように選択される。例として、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの長さ及びサイズ（例えば、直径）は、変わる可能性があり、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々にある空気噴射穴のサイズ及び間隔もまた、変わる可能性がある。
【００２９】
例えば、図４を参照すると、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクト３０の部分断面端面図が示されており、上流方向２８（図３）に面して見たときの空気噴射管５４ａ〜５４ｆを示している。現在示されている実施形態では、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々は、各々符号６８ａ〜６８ｆによって表されている様々な直径を有することができる。直径６８ａ〜６８ｆは、その各々の管５４ａ〜５４ｆの位置がｙ軸６７に沿って正の方向で上昇するにつれて、概して減少することができる。例えば、直径６８ｆ（管５４ｆ）は、直径６８ｅ（管５４ｅ）より大きくてもよく、直径６８ｅ（管５４ｅ）は、直径６８ｄ（管５４ｄ）より大きくてもよく、直径６８ｄ（管５４ｄ）は、直径６８ｃ（管５４ｃ）より大きくてもよく、以下同様である。一実施形態では、空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、約１〜５０インチ（２．５４〜１２７ｃｍ）、又はより具体的には１０〜３０インチ（２５．４〜７６．２ｃｍ）、又はさらに具体的には１２〜２４インチ（３０．５〜６１ｃｍ）の範囲に及ぶ直径を含むことができる。例えば、管５４ａの直径６８ａは、約１２インチ（３０．５ｃｍ）とすることができ、一方、管５４ｆの直径６８ｆは、約２４インチ（６１ｃｍ）とすることができ、直径６８ｂ、６８ｃ、６８ｄ、及び６８ｅの各々が、１２インチ（３０．５ｃｍ）と２４インチ（６１ｃｍ）の間であり、しかし概してサイズが増大する（例えば、直径６８ｃは直径６８ｂより大きく、直径６８ｄは直径６８ｃより大きく、直径６８ｅは直径６８ｄより大きい）。他の実施形態では、直径６８ａ〜６８ｆは、その各々の管５４ａ〜５４ｆの位置がｙ軸６７に沿って正の方向で上昇するにつれて、概して増大することができる。例えば、直径６８ａ（管５４ａ）は、直径６８ｂ（管５４ｂ）より大きくすることができ、直径６８ｂ（管５４ｂ）は、直径６８ｃ（管５４ｃ）より大きくてもよく、直径６８ｃ（管５４ｃ）は、直径６８ｄ（管５４ｄ）より大きくてもよく、以下同様である。さらに、直径６８ａ〜６８ｆは、ある管から別の管にかけて１〜１００％、例えば、各管から次の管にかけて１０、２０、３０、４０、又は５０％だけ、直径が徐々に増大又は減少することができる。
【００３０】
なおも図４を参照すると、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々は、下流に面する端部６８上に配置された各々の空気噴射穴７０ａ〜７０ｆを含むことができる。図５に示すように、管５４ｄを参照すると、下流に面する端部は、下流方向２７に面する管の約１８０度の表面（円弧７１で示す）として定義することができる。図の実施形態では、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆの下流に面する端部６８は、各各々の空気噴射管５４ａ〜５４ｆの長さ５９に沿って配置された２列の空気噴射穴を含むことができるが、他の実施形態は、それより多くの列、例えば１〜２０列を含むことができる。上記で論じたように、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの各々は、トランジションダクト３０内に冷却空気３６を噴射するように構成することができる。現在示されている実施形態では、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの各々は同じ直径を有することができ、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの各々の間の間隔７２もまた、同じとすることができる。例として、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、約２〜７インチ（５．０８〜１７．８ｃｍ）、又はより具体的には３〜６インチ（７．６２〜１５．２ｃｍ）、又はさらに具体的には４〜５インチ（１０．２〜１２．７ｃｍ）の直径を有することができる。図６〜８において下記で論じるものを含めて、他の実施形態では、各空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの間の間隔７２、及び／又は空気噴射穴７０ａ〜７０ｆそれら自体のサイズは、変わる可能性がある。さらに、穴７０ａ〜７０ｆは、直径６８ａ〜６８ｆの関数として、例えば対応する直径の１〜２０％として定義することができる。
【００３１】
図５で続行すると、図４の切断線５−５に沿った、また図３の弧状線５−５によって画定された領域内における、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの切欠側面図が示されている。上記で論じたように、また本図に示すように、空気噴射管５４ａ〜５４ｆは、スタガ様式（例えば、少しずつ異なる垂直位置及び水平位置）で配置され、また空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々は、排気ガス流２６と混合し冷却された排気ガス流３７を生成するために、トランジションダクト３０内に冷却空気３６を噴射するように構成することができる。本実施形態は、各空気噴射管（５４ａ〜５４ｆ）上に２列の空気噴射穴（７０ａ〜７０ｆ）を提供することができる。したがって、冷却空気３６は、概して下流方向２７で、しかし２つの異なる角度で、空気噴射管５４ａ〜５４ｆを脱出することができる。例えば、冷却空気３６は、排気処理システム１４のｘ軸６６から正の方向８０で離れるように延びる第１の角度７６で、また、排気処理システム１４のｘ軸６６から負の方向８２で離れるように延びる第２の角度７８で、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々を脱出することができる。単なる例として、角度７６、７８は、約２０〜７０度、又はより具体的には約３０〜６０度、又はさらに具体的には約４０〜５０度の大きさを有することができる。角度７６、７８は、同じ大きさを有しても、異なる大きさを有してもよい。理解されるように、角度７６、７８は、所与の応用分野における排気ガスの特定の特性に応じて、変わる可能性がある。例えば、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆ及び空気噴射管５４ａ〜５４ｆの構成と共に、角度７６、７８の大きさは、ＳＣＲシステム４２によるＳＣＲ処理の前に、冷却された排気ガス３７の概して均一な温度及び／又は速度分布、並びに流れ分布の改善をもたらすように選択することができる。
【００３２】
さらに図では、特に図５の空気噴射管５４ｆを参照すると、幾つかの実施形態は、空気噴射管５４ｆの上流に面する端部７４上に空気噴射穴を含んでいてもよい。かかる実施形態では、（破線で示す）空気噴射穴７０ｇは、空気噴射穴７０ｆと同様に、しかし上流に面する端部７４上に配置することができる。したがって、上流に面する空気噴射穴７０ｇは、冷却空気３６が概して上流方向２８で空気噴射管５４ｆを脱出し、排気ガス流２６と混合されるようにトランジションダクト３０内に冷却空気３６を噴射するように構成することができる。さらに、幾つかの実施形態はまた、各管の頂部及び／又は底部に（例えば、ｙ方向６７と位置合わせされた）空気噴射穴を提供することができる。したがって、空気噴射穴は、各管の周り３６０度、各管の周り１８０度、又は各管の任意の好適な適用範囲の離隔された関係で配置することができる。同様に、空気噴射穴は、各管の円周の全部又は一部の周りで、任意の好適な角度で配置することができる。
【００３３】
次に図６を参照すると、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクト３０の部分断面端面図が示されており、上流方向２８（図３）に面して見たときの空気噴射管５４ｄ〜５４ｆの一部分を示している。図４に示す実施形態と同様に、図６に示す実施形態は、空気噴射管の位置がｙ軸６７に沿って正の方向で上昇するにつれて直径が変わる（例えば減少する）空気噴射管５４ａ〜５４ｆを含むことができ、空気噴射管５４ａ〜５４ｆのすべてにわたって概して同じ直径を有する空気噴射穴７０ａ〜７０ｆを含むことができ、しかし他の実施形態では、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの直径は様々であってもよい。しかし、図６に示す実施形態は、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆ間の間隔７２が各空気噴射管５４ａ〜５４ｆの長さ５９に沿って異なることができる点で、図４に示す実施形態と異なる。具体的には、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆ上の空気噴射穴間の間隔７２は、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆの位置がｙ軸６７に沿って正の方向で上昇するにつれて変わってもよい。例えば、管５４ｆ上の空気噴射穴７０ｆ間の間隔７２ｆは、管５４ｅ上の空気噴射穴７０ｅ間の間隔７２ｅより大きくてもよく、間隔７２ｅは、管５４ｄ上の空気噴射穴７０ｄ間の間隔７２ｄより大きくてもよく、以下同様である。話を簡単にするために、図６には空気噴射管５４ｄ〜５４ｆだけが示されているが、間隔７２は、空気噴射管５４ａ〜５４ｃ上でも同様に減少し続けることができることに留意されたい。換言すれば、本実施形態は、特定の空気噴射管上の空気噴射穴を、それより下方の空気噴射管上の空気噴射穴に対して（例えば、ｙ軸６７に沿って負の方向で）共に近づけることができることを示している。
【００３４】
図７は、空気噴射システム３２の空気噴射管５４ｄ〜５４ｆが図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクト３０の部分断面端面図を用いて示されている他の実施形態を示す。図７に示す実施形態は、図６に示す実施形態と同様の間隔構成を提供している。すなわち、各空気噴射管５４ａ〜５４ｆ上の空気噴射穴間の間隔７２ａ〜７２ｆは、空気噴射管５４ａ〜５４ｆの位置がｙ軸６７に沿って正の方向で上昇するにつれて変わってもよい。しかし、図７の実施形態は、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの直径が各各々の空気噴射管５４ａ〜５４ｆについて異なっている点、及び空気噴射管５４ａ〜５４ｆの各々の直径が同じである点で、図５及び図６に示す実施形態と異なる。例えば、管５４ｆ上の穴７０ｆの直径は、管５４ｅ上の穴７０ｅの直径より大きくてもよく、穴７０ｅの直径は、管５４ｄ上の穴７０ｄの直径より大きくてもよく、以下同様である。話を簡単にするために、図７には空気噴射管５４ｄ〜５４ｆだけが示されているが、穴７０ａ〜７０ｃの直径は、空気噴射管５４ａ〜５４ｃに関しても同様に減少し続けることができることに留意されたい。換言すれば、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、同じ空気噴射管上の他の空気噴射穴に対して同じサイズであるが、異なる空気噴射管上の空気噴射穴に対して異なるサイズを有することができる。
【００３５】
上述のように、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの直径は、約２〜７インチ（５．０８〜１７．８ｃｍ）、又はより具体的には３〜６インチ（７．６２〜１５．２ｃｍ）とすることができる。一例を挙げれば、穴７０ｆは、約６インチ（１５．２ｃｍ）の直径を有することができ、穴７０ｅは、約５．５インチ（１４ｃｍ）の直径を有することができ、穴７０ｄは、約５インチ（１２．７ｃｍ）の直径を有することができ、穴７０ｃは、約４．５インチ（１１．４ｃｍ）の直径を有することができ、穴７０ｂは、約４インチ（１０．２ｃｍ）の直径を有することができ、穴７０ａは、約３．５インチ（８．８９ｃｍ）の直径を有することができる。さらに、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、概して円形であるものとして図示したが、他の実施形態では、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、矩形、菱形、楕円形、細長い穴（ｓｌｏｔ）形とすることもでき、他の好適なタイプの幾何学的構成で構成することができることを理解されたい。上記で論じたように、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、各々の管５４ａ〜５４ｆの直径６８ａ〜６８ｆの割合、例えば５〜２０％として決定することもできる。
【００３６】
さらに、図７に示すように、空気噴射穴（７０ｄ及び７０ｆ）は、（例えば、管５４ｄ、５４ｆで示す）各管の長さ５９に沿って第１の列及び第２の列で配置し、それにより第１の列及び第２の列からの対応する空気噴射穴がｙ軸６７に対して概して位置合わせされるようにすることができる。さらに、図７の管５４ｅを参照すると、空気噴射穴７０ｅは、第１の列と第２の列内の穴がスタガパターンで配置されるように配置することもできる。さらに、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆは、図７では概して同じ直径６８ａ〜６８ｆを有するものとして示されているが、直径６８ａ〜６８ｆは、図４及び図６に示すものなど、様々であってもよいことを理解されたい。
【００３７】
図８で続行すると、空気噴射システム３２の他の実施形態を、図３の切断線４−４に沿ったトランジションダクト３０の部分断面端面図に示す。図８の実施形態は、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの直径が各各々の空気噴射管５４ａ〜５４ｆ上で様々であってもよいことを除いて、図４の実施形態と概して同様である。例えば、図の空気噴射管５４ｄ〜５４ｆに示すように、空気噴射穴７０ｄ〜７０ｆは、空気噴射管５４ｄ〜５４ｆの中央８０から外へ、各各々の管の端部８２に向かって、直径が概して増大することができる。他の実施形態では、管径６８ａ〜６８ｆが同じサイズであってもよい（例えば、図７）。話を簡単にするために、図８には空気噴射管５４ｄ〜５４ｆだけが示されているが、各々の空気噴射管５４ａ〜５４ｃ上の空気噴射穴７０ａ〜７０ｃを同様に配置することができることを理解されたい。すなわち、各管は、内向きに穴サイズが縮小する同じパターンを示すことができ、幾つかの実施形態では、穴サイズそれら自体が管の間で様々であってもよい。さらに、空気噴射穴７０ａ〜７０ｆの各々の間の間隔７２が、空気噴射管５４ａ〜５４ｆのすべてにわたって概して一定であるものとして示されているが、間隔７２もまた、各各々の空気噴射管上で様々であってもよいことを理解されたい。例えば、間隔７２は、ある特定の空気噴射管上の空気噴射穴間で概して一定であるが、別の空気噴射管上の空気噴射穴間の間隔とは（図７に示す実施形態のように）異なることができる。さらに、間隔７２もまた、同じ空気噴射管上の空気噴射穴間で変わることができ、管５４ａ〜５４ｆそれら自体の間の間隔も変わることができる。
【００３８】
上記で論じたように、本明細書で述べられている様々な技術は、排気ガス流の温度の均一性及び／又は速度分布を向上するために排気ガス流中に冷却空気を噴射し、一方、排気ガス流を冷却し選択触媒還元プロセスの有効性を向上することを可能にすることができる。例えば、本明細書に開示されている技術は、一定又は様々な管径、管間隔、穴径、又は穴間隔の任意の組合せ、或いはそれらの任意の組合せを網羅することができる。この場合も、開示されている技術及び空気噴射システム３２の構成は、幾つかの実施形態の例にすぎないものとし、決して限定しないものと解釈すべきであることを理解されたい。
【００３９】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４０】
１０  タービンシステム
１２  タービンエンジン
１４  排気処理システム
１６  取入れ口
１７  矢印
１８  圧縮機
１９  燃料
２０  燃焼器
２２  タービン
２４  下流端
２６  排気ガス
２７  下流方向
２８  上流方向
３０  トランジションダクト
３２  空気噴射システム
３４  空気源
３５  バルブ
３６  冷却空気
３７  冷却された排気ガス
３８  噴射グリッド
４０  アンモニア
４２  選択触媒還元（ＳＣＲ）システム
４３  処理済み排気ガス
４４  スタック
４６  流れ矢印
４８  連続排出物監視（ＣＥＭ）システム
５０  上流端
５２  開口
５４  空気噴射管
５６  マニフォルド
５８  入口
５９  長さ
６０  マニフォルド
６２  入口
６３  高さ
６４  下流端
６５  高さ
６６  ｘ軸
６７  ｙ軸
６８  直径
７０  噴射穴
７１  円弧
７２  間隔
７４  上流に面する端部
７６  角度
７８  角度
８０  正の方向
８２  負の方向
【図１】
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【図２】
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【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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