(57)【要約】【課題】混焼可能であって、ＮＯｘ及びＣＯのエミッションが低く、熱効率が高い、ガスタービン運転のための新しい燃焼技術を提供する。【解決手段】前記第１の燃焼室（１）内で、予混合された燃料・空気混合物を１４００Ｋ〜１８００Ｋの範囲の平均的な火炎温度で安定的な火炎で燃焼させ、前記第１の燃焼室（１）の下流端部で、前記温度を１４００Ｋよりも低い温度に低下させるために、付加的な空気（９）を高温ガス流内に噴射し、付加的な燃料（１０）を前記空気（９）の噴射個所の下流側で噴射し、これにより１ｍｓ〜１０ｍｓの自己点火時間を有する排気・空気・燃料混合物が形成され、前記混合物が前記変向ユニット（２）へと進入し、ここで少なくとも１つの周方向へと変向され、前記混合物を前記シーケンシャル燃焼室（３）内で自己点火によって、又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせによって燃焼させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス流の方向に第１の燃焼室（１）と、変向ユニット（２）と、シーケンシャル燃焼室（３）とを少なくとも有し、前記第１の燃焼室（１）は、空気（５）と気体及び／又は液体の燃料（６）とを燃焼区域（７）内に噴射するための少なくとも１つの予混合バーナ（４）を備えた予混合燃焼室であって、前記シーケンシャル燃焼室（３）は、自己点火式燃焼室であり第１のタービンロータブレード列（８）に接続されている、ガスタービンの燃焼器を運転する方法において、
前記第１の燃焼室（１）内で、予混合された燃料・空気混合物を１４００Ｋ〜１８００Ｋの範囲の平均的な火炎温度で安定的な火炎で燃焼させ、前記第１の燃焼室（１）の下流端部で、前記温度を１４００Ｋ未満の温度に低下させるために、付加的な空気（９）の質量流を高温ガス流内に噴射し、付加的な燃料（１０）の質量流を前記空気（９）の噴射個所の下流側で噴射し、これにより１ｍｓ〜１０ｍｓの自己点火時間を有する排気・空気・燃料混合物が形成され、前記混合物が前記変向ユニット（２）へと進入し、ここで少なくとも１つの周方向へと変向され、前記混合物を前記シーケンシャル燃焼室（３）内で自己点火によって、又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせによって燃焼させることを特徴とする、ガスタービンの燃焼器を運転する方法。
【請求項２】
前記第１の燃焼室（１）内で、予混合された燃料・空気混合物が１５５０Ｋ〜１８００Ｋの範囲にある、さらに好適には１６００Ｋ〜１８００Ｋの範囲にある平均火炎温度で燃焼する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の燃焼室（１）における滞留時間は１５ｍｓ〜３０ｍｓである、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記シーケンシャル燃焼室（３）における滞留時間は２ｍｓ〜１０ｍｓである、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記第１の燃焼室（１）からの高温ガス流の温度を、前記付加的な空気（９）の質量流によって１３５０Ｋ未満となるように低下させる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記付加的な燃料（１０）を、前記変向ユニット（２）に、好適には前記変向ユニット（２）の入口区分に噴射する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記高温のガス流（排気、空気、燃料の混合物）を少なくとも周方向に変向させ、さらに前記高温のガス流内に渦流を発生させる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
高温ガス流内の前記渦流は、前記ベーン（１１）の空気力学的な設計によって、又は波形の後縁（１２）を有したベーン（１１）によって、又は浅裂型の後縁（１３）を有したベーン（１１）によって、又は少なくとも１つの渦流発生器（１４）によって発生させられる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記高温のガス流（排気、空気、燃料の混合物）は、前記シーケンシャル燃焼室（３）の上流区分における急激な横断面拡大部（１６，２０，３１）の領域を通過する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記急激な横断面拡大部（１６，２０，３１）の区分で逆流区域（１７）が形成され、この逆流区域（１７）は、前記シーケンシャル燃焼室（３）への入口における火炎滞留点を規定する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記逆流区域（１７）に付加的な燃料（２１）の質量流を噴射する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
排気・空気・燃料の前記混合物を、前記急激な横断面拡大部（１６，２０，３１）の区分で、自己点火により、又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせにより点火させる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記シーケンシャル燃焼室（３）の出口における高温ガス温度は、少なくとも１８００Ｋ、好適には少なくとも１８２０Ｋである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記変向ユニット（２）は、タービン軸線（１８）に対して第１のタービンブレード列（８）が位置しているところの半径よりも著しく大きな半径のところに位置しており、従って前記シーケンシャル燃焼室（３）は、第１ベーン列（１１）と前記第１ブレード列（８）との間の半径の差を補償するための移行部分として作用する、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の燃焼室（１）は缶型の燃焼器であって、前記シーケンシャル燃焼室（３）は環状型の燃焼室である、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の燃焼器（１）と第２の燃焼器（３）の両方を気体燃料及び液体燃料で運転するか、又は、
前記第１の燃焼器（１）と前記第２の燃焼器（３）の両方を気体燃料で運転し、かつ前記第１の燃焼器（１）を付加的に液体燃料で運転するか、又は、
前記第１の燃焼器（１）と前記第２の燃焼器（３）の両方を液体燃料で運転し、かつ前記第１の燃焼器（１）を付加的に気体燃料で運転する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
ガスタービン、特にパワープラント用のガスタービンの燃焼器であって、高温ガス流の方向に第１の燃焼室（１）と、該第１の燃焼室（１）からの高温ガス流用の変向ユニット（２）と、シーケンシャル燃焼室（３）とを少なくとも有し、前記第１の燃焼室（１）は、空気（５）と気体及び／又は液体の燃料（６）とを前記第１の燃焼室（１）の燃焼区域（７）内に噴射するための少なくとも１つの予混合バーナ（４）を備えた予混合燃焼室であり、前記変向ユニット（２）は少なくとも変向及び渦流発生エレメント（１１，１２，１３，１４）を有しており、前記シーケンシャル燃焼室（３）は、前記変向ユニット（２）の下流の自己点火式燃焼室である、ガスタービンの燃焼器であって、
シーケンシャル燃焼室（３）の上流区分には、逆流区域（１７）を形成するために、急激な流れ横断面拡大部（１６，２０，３１）が設けられていることを特徴とする、ガスタービンの燃焼器。
【請求項１８】
前記の急激な流れ横断面拡大部（１６，２０，３１）は、少なくとも１０％の流れ横断面の拡大を有している、請求項１７記載の燃焼器。
【請求項１９】
前記の急激な流れ横断面拡大部（１６，２０，３１）は、流路輪郭（１５）の、後方に面した段部（２０）を有している、請求項１７又は１８記載の燃焼器。
【請求項２０】
前記シーケンシャル燃焼室（３）の上流区分には、前記流路輪郭（１５）において切り欠かれた環状の通路（３１）が設けられている、請求項１７記載の燃焼器。
【請求項２１】
前記逆流区域（１７）内に付加的な燃料（２１）を噴射するために、噴射手段が、前記急激な横断面拡大部（１６，２０，３１）の前記段部に配置されている、請求項１７から２０までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項２２】
前記変向ユニット（２）は、高温のガス流を少なくとも１つの周方向に変向するためのガイドベーン（１１）の列を有している、請求項１７から２０までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項２３】
前記ガイドベーン（１１）の少なくとも一部に、波形の後縁（１２）又は浅裂型の後縁（１３）が設けられている、請求項２２記載の燃焼器。
【請求項２４】
前記ベーン（１１）の少なくとも一部に、少なくとも１つの渦流発生器（１４）が設けられている、請求項２２記載の燃焼器。
【請求項２５】
前記ベーン（１１）の少なくとも一部に、少なくとも１つの渦流発生器が圧力側に設けられている、請求項２４記載の燃焼器。
【請求項２６】
前記変向ユニット（２）における流路輪郭（１５）のハブ側及び／又はハウジング側に、少なくとも１つの渦流発生器（１４）が設けられている、請求項１７記載の燃焼器。
【請求項２７】
前記渦流発生器（１４）の少なくとも一部は、四面体形の突出部として形成されている、請求項２４から２６までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項２８】
前記燃焼室（１）の下流側端部において、かつ／又は前記変向ユニット（２）の入口領域において、付加的な空気（９）の質量流を噴射する手段が配置されている、請求項２２記載の燃焼器。
【請求項２９】
前記手段（９）は、前記流路輪郭（１５）に、かつ／又は少なくとも１つの前記ベーン（１１）に配置されている、請求項２８記載の燃焼器。
【請求項３０】
前記変向ユニット（２）には、付加的な燃料の質量流を噴射するための手段（１０，２４）が設けられている、請求項１７から２９までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項３１】
少なくとも１つの前記ベーン（１１）には、燃料噴射するための手段が設けられている、請求項３０記載の燃焼器。
【請求項３２】
前記付加的な燃料は、前記少なくとも１つのベーン（１１）の後縁又は圧力側又は吸込側から噴射される、請求項３１記載の燃焼器。
【請求項３３】
前記少なくとも１つのベーン（１１）には、空気噴射（９）用の手段が設けられていて、かつ／又は前記少なくとも１つのベーン（１１）には燃料噴射（１０）用の手段が設けられており、前記空気噴射（９）用の手段は、前記燃料噴射（１０）用の手段の上流に配置されている、請求項２８又は３０記載の燃焼器。
【請求項３４】
前記変向ユニット（２）は、タービン軸線（１８）に対して前記第１タービンブレード列（８）が配置されている直径のところよりも著しく大きな直径のところに配置されている、請求項１７から３３までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項３５】
前記第１の燃焼室（１）は環状型の燃焼室又は缶型の燃焼室であって、前記シーケンシャル燃焼室（３）は環状型の燃焼室である、請求項１７から３４までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項３６】
前記第１の燃焼室（１）と前記変向ユニット（２）とは、缶型に設計されている、請求項３５記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混焼可能で、熱効率が向上させられた、かつＮＯｘ、及び完全には酸化されていない燃料、特にＣＯのエミッションが減じられたガスタービンの燃焼器を運転する方法に関する。さらに、本発明はガスタービンの燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のガスタービンでは、航空機用機関及び発電用の定置ガスタービンのいずれでも、燃料は燃焼室内で、多かれ少なかれ完全に燃焼生成物、主にＣＯ２とＨ２Ｏとに変換される。機械的な仕事を行うために、ガイドベーン列では、燃焼室の下流で排気が加速され、少なくとも１つのブレード列の方向に変向される。高温ガス流の運動エネルギ及び熱エネルギを活用するために、通常、ベーン列とブレード列の対から成る複数の段が連続的に配置されている。
【０００３】
燃焼室内で達せられる最高温度と燃焼室内における燃焼生成物の滞留時間とにより、ＮＯｘ及びＣＯの望ましくない生成物が決まってくる。窒素酸化物の発生に関する重要度の低いパラメータは、燃焼室内の圧力と燃料の組成である。
【０００４】
最大燃焼温度及びこの温度での滞留時間を実質的に局所的に減じることができ、結果として望ましくない窒素酸化物の形成の減少が達せられることが公知である。これは、予備混合バーナ又はスワール発生機エレメント内での、又は個別バーナ間又はスワール発生機エレメント内での燃料と空気の混合物の均質化を含む、燃料と空気の混合品質の向上により、又は空気の漏れと燃焼室の熱損失を減じることにより、又は燃焼室内での高温燃焼ガスの滞留時間を減じることにより、達成される。このような改善策はますます難しくなっていて、得られるＮＯｘ減少は小さくなっている。
【０００５】
滞留時間の低減によるＮＯｘ生成の減少は、ＣＯエミッションが部分負荷の際に増大するので、限られたものである。
【０００６】
同じロータ流入温度を維持しながらも燃焼温度を減じる１つの方法は、クーラントとして蒸気を使用して、閉じた冷却回路によってタービンベーンを冷却することである。
【０００７】
この方法の欠点は、付加的な冷却管理の複雑さ、付加的なコスト、システムの信頼性と可用性がある程度低くなることである。
【０００８】
ＷＯ２００６／０５３８２５号明細書及びＤＥ１００４３９３３号明細書には、不完全燃焼の結果を伴う比較的短い滞留時間を有した第１の燃焼室と、該第１の燃焼室の下流側にある第１ベーン列と、これに続く第２の燃焼区域と、付加的な燃料の噴射を行う、又は行わない、完全燃焼のための十分な滞留時間を有したシーケンシャル燃焼室とによって、汚染物質エミッション、特にＮＯｘを減じるための燃焼器が記載されている。前記第１ベーン列は、高温燃焼ガスの流れを軸方向に整列させている。さらにガス流は加速され、その結果ガス流温度は著しく低下する。従って、第２の燃焼区域の温度は、第１の燃焼室の温度よりも低い。この低い温度レベルは、ＮＯｘ生成のパラメータに適合する。このようにして明らかなＮＯｘ生成の減少が達せられる。
【０００９】
ＷＯ２０１１／０６１０５９号明細書は、ガスタービンの再熱燃焼器に関する。この明細書に、主に燃焼室に供給され、燃料と予め混合される冷却空気によってどのように第１の燃焼室とシーケンシャル燃焼室とを冷却するのかの構成が記載されている。目指すところは、燃焼器出口温度と、予混合された火炎における最高温度との差を最小に減じ、これにより温度に大きく関わるＮＯｘ生成を減じることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＷＯ２００６／０５３８２５号明細書
【特許文献２】ＤＥ１００４３９３３号明細書
【特許文献３】ＷＯ２０１１／０６１０５９号明細書
【特許文献４】ＷＯ２０１１／０５４７５７号特許明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、混焼可能な予混合された燃焼であって、極めて低いＮＯｘエミッション、及び完全には酸化されていない燃料、特にＣＯの極めて低いエミッションを伴う、シーケンシャル燃焼室における１８２０Ｋ以上の高い出口温度での燃焼を可能にする燃焼に基づく、ガスタービン運転のためのシーケンシャル燃焼技術の新しい機能原理を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するために本発明の構成では、（高温ガス流の方向で）第１の燃焼室と、変向ユニットと、シーケンシャル燃焼室とを少なくとも有し、前記第１の燃焼室は、空気と気体及び／又は液体の燃料とを燃焼区域内に噴射するための少なくとも１つの予混合バーナを備えた予混合燃焼室であって、前記シーケンシャル燃焼室は、自己点火式燃焼室であって第１のタービンロータブレード列に接続されている、ガスタービンの燃焼器を運転する方法において、前記第１の燃焼室内で、予混合された燃料・空気混合物を１４００Ｋ〜１８００Ｋの範囲の平均的な火炎温度で安定的な火炎で燃焼させ、前記第１の燃焼室の下流端部で、前記温度を１４００Ｋよりも低い温度に低下させるために、付加的な空気の質量流を高温ガス流内に噴射し、付加的な燃料の質量流を前記空気の噴射個所の下流側で噴射し、これにより１ｍｓ〜１０ｍｓの自己点火時間を有する排気・空気・燃料混合物が形成され、前記混合物が前記変向ユニットへと進入し、ここで少なくとも１つの周方向へと変向され、前記混合物を前記シーケンシャル燃焼室内で自己点火によって、又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせによって燃焼させるようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガスタービンの燃焼器を運転する方法及びガスタービンの燃焼器が開示されている。燃焼器は少なくとも、広い運転範囲を有した第１の燃焼室と、該第１の燃焼室からの高温のガス流を少なくとも１つの周方向に変向させるための後続の変向ユニットであって、付加的な空気及び／又は燃料を噴射し混合するための手段を含む変向ユニットと、高温ガスの温度が最大に達するシーケンシャル燃焼室とを有している。前記第１の燃焼室の出口において１０ｖｐｐｍｄ以下のＣＯエミッションとＮＯｘエミッションとを可能にするために、前記第１の燃焼室内で、予混合された燃料・空気混合物を１４００Ｋ〜１８００Ｋの範囲の平均的な火炎温度で安定的な火炎で燃焼させ、前記第１の燃焼室の下流端部で、前記温度を１４００Ｋよりも低い、好適には１３５０Ｋよりも低い温度に低下させるために、付加的な空気の質量流を高温ガス流内に噴射し、これにより付加的な燃料を前記空気の噴射個所の下流に噴射することができ、これにより１ｍｓ〜１０ｍｓの自己点火時間を有する高温の排気・空気・燃料混合物が形成され、この混合物が前記変向ユニットに進入し、ここで少なくとも１つの周方向へと変向されるが、シーケンシャル燃焼室に達するまでは反応せず、シーケンシャル燃焼室では前記混合物が自己点火によって、かつ／又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせによって燃焼する。
【００１４】
第１の好適な実施態様によれば、第１の燃焼室は、（平均的な火炎温度に関して）１５５０Ｋ〜１８００Ｋの運転範囲を有した、さらに好適には１６００Ｋ〜１８００Ｋの運転範囲を有した予混合燃焼器である。
【００１５】
別の実施態様によれば、前記第１の燃焼室における滞留時間は１５ｍｓ〜３０ｍｓである。
【００１６】
特に好適な実施態様によれば、第１の燃焼室における滞留時間は、３ｍｓ〜１０ｍｓの滞留時間であるシーケンシャル燃焼室内における滞留時間の約２〜５倍長い。
【００１７】
第１の側面によれば、第１の燃焼室の出口領域への付加的な空気の噴射により、低いレベルの安定したＣＯエミッションを可能にするのに十分高い温度での、この第１の燃焼器の運転が可能になる。第２の側面によれば、この噴射により、排気の温度は、１ｍｓ以内の即時的な自己点火を回避するのに十分低いレベルはあるが、３ｍｓ〜１０ｍｓ以内の自己点火を行うには十分高く、結果としてシーケンシャル燃焼室に達する前には自己点火が行われないように調整される。第３の側面によれば、変向ユニットにおける変向及び加速ベーンの前で高温のガス温度をこのように低下させることにより、通過流の４％未満の範囲で通過流内にごく少量の冷却空気だけを排出することが可能である。結果として、変向及び加速ベーンにおける空気力学的な損失は、最小限に減じられる（減じられた混合物損失、ベーンの薄い後縁）。
【００１８】
別の重要な実施態様によれば、混合区分の下流、即ちシーケンシャル燃焼室の上流区分で、高温ガス流（排気、空気、燃料の混合物）が、後方に面した段部のような、急激な横断面拡大部の領域を通過する。この段部の後方に逆流区域が生じ、この逆流区域は、シーケンシャル燃焼室内への入口における火炎滞留点を規定する。
【００１９】
自己点火が行われるシーケンシャル燃焼室の上流区分における再循環区域の発生により、自己点火された反応フロントとは別に、反応生成物を、排気、燃料、空気の混合物の反応していない抽出物と混合させる拡張された火炎面を発生させることが可能である。結果として、シーケンシャル燃焼室における熱放射の位置は、時間的にかつスペース的により安定しており、さらには、変化する燃料の組成のばらつき、又は第１の燃焼器の出口温度のばらつきが少なくなる。これら全ての効果は、圧力、入口温度及び出口温度の変化、燃料組成に関する燃焼システムの極めて広い運転範囲を可能にする。
【００２０】
シーケンシャル燃焼室における高い入口温度レベルにより、燃料・空気・第１の燃焼器からの排気の混合物の完全燃焼が極めて短い滞留時間内で可能になる。結果として、シーケンシャル燃焼器の端部におけるＮＯｘレベル及びＣＯレベルは、第１の燃焼器の端部におけるレベルと同じになり、例えばＣＯエミッション＜１０ｖｐｐｍｄ又はＣＯレベルとＮＯｘエミッションが平衡状態で＜１０ｖｐｐｍｄである。
【００２１】
本発明による燃焼システムの混焼可能性に関して、いくつかの選択肢がある。即ち、前記第１の燃焼器と第２の燃焼器の両方を気体燃料及び液体燃料で運転する、又は、前記第１の燃焼器と前記第２の燃焼器の両方を気体燃料で運転し、かつ前記第１の燃焼器を付加的に液体燃料で運転して良く、又は、前記第１の燃焼器（１）と前記第２の燃焼器（３）の両方を液体燃料で運転し、かつ前記第１の燃焼器（１）を付加的に気体燃料で運転して良い。
【００２２】
以下に、本発明を添付の図面に示した実施態様につきさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】変向ユニットが組み込まれた燃焼室の第１の実施態様を概略的に示した図である。
【図２】本発明による燃焼室の別の実施態様を示した図である。
【図３ａ】高温のガス流内における渦流形成を向上させるために段状の後縁を有したベーンを示した図である。
【図３ｂ】高温のガス流内における渦流形成を向上させるために浅裂型の後縁を有したベーンを示した図である。
【図４】シーケンシャル燃焼室内への段状の拡張部を有した燃焼室を概略的に示した図である。
【図５ａ】段状の流れ横断面拡大部の実施態様を詳しく示した図である。
【図５ｂ】切り欠かれた環状の通路としての流れ横断面拡大部の実施態様を詳しく示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１には、再熱燃焼システムを備えたガスタービンの縦断面図が概略的に示されている。このガスタービンは、圧縮機と、燃焼システム１，２，３，４，５，６，９，１０と、タービン１９とを有している。タービン１９は、回転軸線１８と少なくとも第１列のタービンブレード８とを有したロータ２３を中心として周方向に延在している。燃焼システムは、第１の燃焼室１とシーケンシャル燃焼室３との間に組み込まれた変向ユニット２を有している。第１の燃焼室１は、環状に配置された複数の予混合バーナ４を備えた予混合燃焼器であって、各バーナ４は、燃焼空気５供給用のプレナムと、液体燃料及び／又は気体燃料用の１つ以上の燃料供給ライン６とに接続されている。シーケンシャル燃焼室３は自己点火に基づいている。タービン１９の第１ベーン列１１は、第１ブレード列８の遠く上流にある位置で燃焼システムに組み込まれている。この位置で、第１ベーン列１１は、シーケンシャル燃焼室３を第１の燃焼室１から分離している。第１ベーン列１１は、以下に説明するように、変向及び混合ユニット２として働く。図１及び図２からわかるように、第１ベーン列１１は、（回転軸線１８に対して）第１のタービンブレード列８が位置しているところの半径よりも明らかに大きな半径のところに位置しており、シーケンシャル燃焼室３はこの半径の差を補償するために移行部分として利用される。ガスタービンの運転中、燃焼空気は圧縮機によって圧縮され、予混合バーナ４へと供給される。燃料はこの空気内へと噴射され、燃料・空気混合物が形成され、第１の燃焼室１の燃焼区域７においてバーナ４の下流で燃焼する。第１の燃焼室１の出口における反応生成物の温度は１４５０Ｋ〜１７８０Ｋの範囲にあり、これは低エミッション（ＮＯｘ＜１０ｖｐｐｍｄ及びＣＯ＜１０ｖｐｐｍｄ）での安定した燃焼を全運転範囲にわたって可能にし、気体燃料（天然ガス、気体水素、合成ガス等）及び液体燃料（オイル）の両方に対して適している。燃焼器滞留時間は好適には３０ｍｓ以下である。
【００２５】
第１の燃焼室１の下流端部と、第１ベーン列１１の上流に、高温ガス流内へ付加的な空気９の質量流を吹き込むための手段が配置されている。このような新鮮な空気９の付加的な質量流により、結果として生じる排気・空気混合物の温度は第１の燃焼室１の出口で大幅に減じられる。
【００２６】
続く変向ユニット２では、排気と空気の混合物が第１ベーン列１１を通過し、少なくとも１つの周方向へと変向される。ベーン１１の熱ストレスを減じるために、ベーン１１は耐高温性の材料、例えばセラミックコーティングから形成されており、付加的に、内部の冷却システムを備えている。ベーン１１の冷却は、タービンベーンの技術分野より公知であるような、ベーン１１内側の対流冷却及び／又はフィルム冷却及び／又はインピンジ冷却によって実現される。選択的には、例えばクーラントとしての蒸気又は空気を用いる閉じた冷却系による実施態様が可能である。
【００２７】
付加的な空気９の噴射、及び高温ガス流から変向ユニット２の構成部分への熱伝達、高温ガス流への冷却空気及び漏れ空気の約３％〜５％の追加、変向ユニット２での加速の結果、高温ガス流の静温は１３５０Ｋ未満のレベルまで著しく減じられる。この減じられた温度により、付加的な燃料１０の質量流の噴射が可能となり、これによりシーケンシャル燃焼室３に達するまで反応しない程度の１ｍｓ〜１０ｍｓの自己点火時間を有した排気・空気・燃料混合物が形成される。シーケンシャル燃焼室３ではこの混合物は自己点火によって、又は自己点火と高温の反応生成物の再循環との組み合わせによって燃焼する。
【００２８】
燃料噴射システム１０，２４と、後続の混合通路２６を備えた空気力学的な混合装置１２，１３は変向ユニット２内に組み込まれている。付加的な燃料１０の噴流の浸透深さを改善するために、空気噴流をサポートするシステムを使用して良い。第１の燃焼室１からの排気と混合する前に燃料が点火されることを阻止するために、空気噴流内への個別の燃料噴流を含む選択肢もある。高温に基づき、混合気は自己点火で着火し、数ミリ秒、典型的には１０ｍｓ未満で完全に燃焼する。
【００２９】
燃料噴射１０についてのオプションは以下のものを含む。
・変向ベーン１１の後縁からの噴射（図３ａ、図３ｂ参照）。
・ガイドベーン１１の圧力側及び吸込側からの噴射。
・変向セクション２内の流路のハブ側又はハウジング側からの噴射。
・変向ユニット２に、好適にはガイドベーン列１１のすぐ上流に組み込まれた別個の燃料噴射システム２４，２５からの噴射（図４）。このような燃料噴射手段２４，２５は公知である。これらの燃料噴射手段２４，２５は、流れ横断面全体にわたって延在する流線形のボディとして設計されて良い。このような手段は、例えばＷＯ２０１１／０５４７５７号特許明細書に開示されている。
【００３０】
これらのリストにあるオプションの２つ以上の組み合わせが可能である。
【００３１】
高温ガスと、（冷却空気、キャリアエア、サポートエアからの）付加的な空気９と、付加的な燃料１０との混合品質は、渦流、好適には流れ方向の渦流軸線を有する渦流の発生により向上される。これらの渦流は、変向セクション２内又は変向セクション２のすぐ下流における様々な手段により発生させることができる。即ち、
・波形の後縁１２を有したベーン１１の使用（図３ａ参照）。
・浅裂形の後縁１３を有したベーン１１の使用（図３ｂ参照）。
・ベーン１１の下流の変向セクション２内での流路輪郭のハブ側又はハウジング側における、四面体のような渦流発生器の使用。
・いずれにせよ流れ変向により生じる第２の渦流が強化されるようなベーン１１の空気力学的な設計。（可能であるならば、第２の渦が回避される）燃料噴射を行わない変向設計とは異なり、第２の渦流はベーン及びハブ側及びハウジング側における境界輪郭の形状により増幅される。
【００３２】
運転範囲を拡大するために、流路輪郭１５内に設けられた後方に面した段部２０又は切り欠かれた環状の通路３１のような高温ガス流通路の急激な横断面拡大部１６が、シーケンシャル燃焼室３の入口区分における混合区分２６の後方に配置されている（図４及び図５参照）。逆流区域１７が段部１６で生じる。反応区域３０を形成することによりこの逆流区域１７は、シーケンシャル燃焼室３への入口において、火炎の滞留点を規定し、これにより、温度、圧力、流量、酸素含有量、様々な点火特性を備えた燃料等に関して広い運転範囲が得られる。好適な実施態様によれば、前記の急激な流れ横断面拡大部１６の前記段部は、少なくとも１０％の流れ横断面の拡大を含む。
【００３３】
運転範囲をさらに拡張するために、別の燃料噴射システム２１を、第２の燃焼器３に向かう入口における後方に面した段部１６又は切り欠かれた環状の通路３１内に設けることができる（図４参照）。後方に面した段部１６の下流又は切り欠かれた環状の通路３１内におけるこの再循環区域１７に燃料を噴射することにより、この再循環区域１７における温度は付加的な噴射燃料２１の燃焼により高くなる。
【００３４】
シーケンシャル燃焼室３は好適には対流熱伝達により冷却される。即ち、燃焼室壁の高温ガスとは反対の側が、公知のように、燃焼室へ直接的に流入しない冷却媒体、好適には空気によって冷却される。
【００３５】
シーケンシャル燃焼室３は好適には環状型の燃焼室として設計されている。シーケンシャル燃焼室３としての缶型の燃焼器は、冷却すべき面積が大きい、大きな漏れ、回転するタービンブレード１８への流れが缶側壁の伴流により乱されるといった多くの欠点を有している。
【００３６】
本発明の好適な実施態様によれば、第１の燃焼室１は環状型の燃焼器として設計されていて、シーケンシャル燃焼室３も環状型の燃焼器として設計されている。
【００３７】
選択的な実施態様によれば、第１の燃焼室１は缶型の燃焼器の構成で設計されていて、シーケンシャル燃焼室３は環状型の燃焼室として設計されている。
【００３８】
混合システムを含む変向ユニット２は、タービン軸線１８を中心とした環状のリングとして、又はタービン軸線１８を中心として配置された個別のバーナ、又は缶として構成されている。
【００３９】
シーケンシャル燃焼室３の軸方向長さを減じるために、流れは、ディフューザのような燃焼器形状での流れの分離を発生させることなく減速させることができ、タービン１９のロータ内へ進入する前に再び加速させることができる。
【００４０】
シーケンシャル燃焼室３内では、高温ガスの温度は最大に達する。従って、ＮＯｘの生成を減じるためには、燃焼室３内での滞留時間は短く維持する、好適には１０ｍｓ未満にする必要がある。
【００４１】
燃焼室内でのＮＯｘ生成を減じる別の方法は、高温燃焼ガス内の酸素濃度を減じることである。これは別のオプション、即ち排ガス再循環により達成して良い。例えば、排ガスの部分質量流が、タービン１９の後方又は排熱回収装置（図示せず）の後方で引き出され、冷却され、その後、ガスタービンの流入空気流５，９内へと混合される。
【００４２】
空気動力学を、例えば低圧損失を最適化するために、変向ユニット２を、ひいては第１ベーン列１１を、第１タービンブレード列８よりも（タービン軸１８に関して）著しく大きな直径で配置し、シーケンシャル燃焼室３を変向ユニット２と第１タービンブレード列８との間の半径差を補償するための移行部材として使用するのが有利である。このような構成により、同じ軸方向速度で、スワールが収束するのに従い、半径に反比例して周速度が増大し、従って、ロータ入口における流れ角度又は変向は、変向ユニット２における変向よりも著しく大きくなる。流れ損失は、ガイドベーン１１における変向に大きく依存するので、この損失は、タービンロータ入口における一定の流れ角度を維持しながら減じることができる。
【００４３】
選択的には、変向ユニット２における流速が、軸方向速度比に対して同じ変向接線に関する半径比で、半径方向外側に向かうオフセットガイドバッフルにおいて比例的に減じられる。熱伝達は流量にほぼ比例して減少するので、この実施態様では、変向ユニット２の構成部分の冷却は少なくて済む。
【００４４】
ガスタービンの始動時、第１の燃焼室１は点火装置によって点火され、燃焼温度の上昇及び質量流量の増加のような、一般的に使用される運転法を適用することにより、シーケンシャル燃焼器の点火のために適した燃焼器出口温度まで上昇させられる。第１の燃焼室１の広く制御可能な範囲により、燃料の自己点火特性のばらつきは、変向ユニット２へのより高い又はより低い入口温度により補償され、例えば、典型的にはより活性の燃料での運転が可能である。システムを簡略化するために、液体バックアップ燃料における運転は、所定の電力損失を犠牲にして、第１の燃焼室１に限られても良い。液体燃料が主燃料として使用される場合、燃焼器は、液体燃料専用に形成されて良い。
【符号の説明】
【００４５】
１  第１の燃焼室
２  変向ユニット、変向セクション
３  シーケンシャル燃焼室
４  予混合バーナ
５  流入空気
６  燃料
７  燃焼区域
８  第１タービンブレード列
９  付加的な空気
１０  付加的な燃料
１１  ベーン、ベーン列
１２  ベーン１１の波形の後縁
１３  ベーン１１の浅裂形の後縁
１４  突出部、渦流発生器
１５  流路輪郭
１６  高温ガス流路の急激な拡大部
１７  逆流区域
１８  タービン軸線
１９  タービン
２０  後方に面した段部
２１  付加的な燃料
２２  冷却空気
２３  ロータ
２４  付加的な燃料噴射手段
２５  燃料噴射手段の後縁
２６  混合区域
２７  燃焼器ライナ
２８  ベーン１１の前縁
２９  燃料噴射手段の前縁
３０  反応区域
３１  切り欠かれた環状通路
３２  高温ガス
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【外国語明細書】
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