(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二段燃焼式ガスタービンの高圧タービンと低圧タービンとの間に配置されている再加熱バーナー（１）であって、
チャネル（２）と、そのチャネル（２）内に突き出た、チャネル（２）の縦軸（１５）に対して垂直な噴出面（４）に渡って燃料を噴射するためのランス（３）と、を備え、
チャネル（２）とランス（３）が、高温ガス（Ｇ）の流れる方向に対して、噴出面（４）の上流の渦流生成ゾーン（６）と、噴出面（４）の下流の混合ゾーン（９）とを規定する再加熱バーナー（１）において、
混合ゾーン（９）が、
断面が一定である高速領域（１６）と、
高温ガス（Ｇ）の流れる方向に対して、高速領域（１６）の下流に有る、断面が拡がって行く発散領域（１７）と、
高温ガス（Ｇ）の流れる方向に対して、高速領域（１６）の上流に設けられた、断面が縮小している縮小領域（１８）と、を有しており、
前記ランスの先端（１４）が、高速領域（１６）の上流で且つ前記縮小領域（１８）内に配置されていることを特徴とする再加熱バーナー。
【請求項２】
混合ゾーン（９）の高速領域（１６）の断面が、バーナーの中で最も小さいことを特徴とする請求項１に記載の再加熱バーナー。
【請求項３】
発散領域（１７）の幅（ｗ）と高さ（ｗ）の両方が、バーナーの出口（１９）に向かって増大して行くことを特徴とする請求項１又は２に記載の再加熱バーナー。
【請求項４】
発散領域（１７）の幅（ｗ）と高さ（ｗ）の増大傾向が、前記発散領域（１７）の拡がっていく壁面から前記高温ガス（Ｇ）の流れが離れていかないように規定されていることを特徴とする請求項３に記載の再加熱バーナー。
【請求項５】
発散領域（１７）の内壁（２０）が、高温ガスが発散領域の内壁（２０）から離れる地点を規定する突起（２１）を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の再加熱バーナー。
【請求項６】
突起（２１）が、発散領域の内壁（２０）の周囲に渡って延びていることを特徴とする請求項５に記載の再加熱バーナー。
【請求項７】
渦流生成ゾーン（６）が、幅（ｗ）と高さ（ｈ）の両方がバーナーの出口（１９）に向かって増大して行く少なくとも一つの区画を有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の再加熱バーナー。
【請求項８】
前記チャネル（２）の断面が、四角形、正方形又は台形であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の再加熱バーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再加熱バーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
二段燃焼式ガスタービンは、第一のバーナーを備えており、その中で、圧縮空気の流れに燃料を噴射して燃焼させ、発生した排ガスを高圧タービン内で部分的に膨張させることが知られている。
【０００３】
次に、高圧タービンから出て来た排ガスは、再加熱バーナーに供給され、その中で、更に燃料を噴射されて、混合され、その下流の燃焼室で燃焼した後、発生した排ガスが、低圧タービン内で膨張する。
【０００４】
図１〜３は、従来の再加熱バーナーの典型的な例を図示している。
【０００５】
図１〜３を参照すると、従来のバーナー１は、四角形のチャネル２とその中に収容されたランス３とを有する。
【０００６】
ランス３は、図１に図示されている通り、ノズルを有し、そこから、燃料（オイル、即ち、液体燃料又は気体燃料）を噴射しており、燃料は、噴出面４として知られる面に渡って噴射される。
【０００７】
噴出面４の（高温ガスＧの流れる方向に対して）上流のチャネルゾーンは、渦流生成ゾーン６であり、そのゾーンには、各チャネル壁から突き出ている、高温ガスＧに渦流と乱流を生じさせる渦流生成器７が収容されている。
【０００８】
噴出面４の（高温ガスＧの流れる方向に対して）下流のチャネルゾーンは、混合ゾーン９であり、このゾーンは、典型的には、ディフューザを規定する平坦な拡がって行く側壁を有する。
【０００９】
図面に図示されている通り、チャネル２の側壁１０は、集束又は発散して、（中間の高さで測定して）可変のバーナー幅ｗを規定する一方、チャネル２の上方と下方壁１１は、互いに平行であり、一定のバーナー幅ｈを規定している。
【００１０】
そのようなバーナー１の構造は、設計温度におけるチャネル２内の高温ガスの速度と下流及び乱流との最良の妥協策を実現するのに最適な構造である。
【００１１】
実際に、バーナーのチャネル２を通る高温ガスの速い速度は、（バーナー１の下流の燃焼室１２内での燃焼する燃料の滞留時間が短くなるので）ＮＯｘ排出量を低減し、（バーナー１内での燃料の残留時間が短くなり、そのため、燃料が自動点火することを難しくしているので）フラッシュバックマージンを増大し、（フラッシュバックの防止のためにオイルに水を混ぜる）オイル動作での水消費量を低減している。それと反対に、高温ガスの速い速度は、（バーナー１の下流の燃焼室１２内での滞留時間が短くなるので）ＣＯ排出量と圧力降下量を増大している（即ち、達成可能な効率と出力を低減している）。
【００１２】
更に、大きな渦流強度と乱流レベルは、（良好な混合のために）ＮＯｘとＣＯ排出量を低減するが、圧力降下量を増大する（そのため達成可能な効率と出力を低減する）。
【００１３】
ガスタービンの効率と性能を上げるためには、再加熱バーナー１の入口と出口での高温ガスの温度を上昇させるべきである。
【００１４】
そのような上昇は、全てのパラメータ間の微妙な均衡を破り、そのため、設計温度を上回る温度の高温ガスで動作する再加熱バーナーは、フラッシュバック、ＮＯｘ及びＣＯ排出量、水消費量及び圧力降下量の問題を抱えることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】欧州特許公開第２２１１１０９号明細書
【特許文献２】欧州特許公開第１２６５０２９号明細書
【特許文献３】米国特許公開第５６７３５５１号明細書
【特許文献４】欧州特許公開第０２８７３９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上のことから、本発明の課題は、従来技術の前述した問題の解決を目指した再加熱バーナーを提供することである。
【００１７】
本課題の範囲内における本発明の一つの側面は、特に、従来のバーナーよりも高い温度の高温ガスで動作する場合に、フラッシュバック、ＮＯｘ及びＣＯ排出量、水消費量及び圧力降下量の問題を抱えないか、或いはそのような問題を限定した形で安全に動作する再加熱バーナーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本課題は、前記の側面及び更に別の側面と共に、以下の本発明による再加熱バーナーによって解決される。
【００１９】
本発明による再加熱バーナー１は、チャネル２と、そのチャネル内に突き出た、チャネルの縦軸１５に対して垂直な噴出面４に渡って燃料を噴射するためのランス３とを備え、チャネル２とランス３が、高温ガスＧの流れる方向に対して、噴出面４の上流の渦流生成ゾーン６と、噴出面４の下流の混合ゾーン９とを規定する再加熱バーナー１において、混合ゾーン９が、断面が一定である高速領域１６と、高温ガスＧの流れる方向に対して、高速領域１６の下流に有る、断面が拡がって行く発散領域１７とを有することを特徴とする再加熱バーナーである。
【００２０】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、混合ゾーン９の高速領域１６の断面がバーナーの中で最も小さいことを特徴とする。
【００２１】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、混合ゾーン９が高速領域（１６）の上流に縮小領域１８を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、発散領域１７の幅ｗと高さｗの両方がバーナーの出口１９に向かって増大して行くことを特徴とする。
【００２３】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、発散領域１７の幅ｗと高さｗの増大傾向が流れの離脱傾向に適合していることを特徴とする。
【００２４】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、発散領域１７の内壁２０が、高温ガスが発散領域の内壁２０から離れる線を規定する突起２１を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、突起２１が発散領域の内壁２０の周囲に渡って延びていることを特徴とする。
【００２６】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、渦流生成ゾーン６が、幅ｗと高さｈの両方がバーナーの出口（１９）に向かって増大して行く少なくとも一つの区画を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、チャネル２の断面が四角形、正方形又は台形であることを特徴とする。
【００２８】
本発明による再加熱バーナー１は、更に、ランスの先端１４が高速領域１６の上流に有ることを特徴とする。
【００２９】
本発明の更なる特徴及び利点は、図面に非限定的な例として図示された再加熱バーナーの好ましいが排他的でない実施例の記述から一層明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の再加熱バーナーの平面図
【図２】従来の再加熱バーナーの側面図
【図３】従来の再加熱バーナーの正面図
【図４】本発明による再加熱バーナーの実施例の平面図
【図５】本発明による再加熱バーナーの実施例の側面図
【図６】本発明による再加熱バーナーの実施例の正面図
【図７】本発明による再加熱バーナーの別の実施例の平面の部分拡大図
【図８】本発明による再加熱バーナーの別の実施例の側面の部分拡大図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面を参照すると、それらは、再加熱バーナーを図示しており、以下において、同じ符号は、幾つかの図面に渡って同じ又は同様の部分を表すものとする。
【００３２】
再加熱バーナー１は、断面が四角形、正方形又は台形であるチャネル２を有する。
【００３３】
ランス３は、チャネルの縦軸１５に対して垂直な噴出面４に渡って燃料を噴射するために、チャネル２内に突き出ている。
【００３４】
チャネル２とランス３は、高温ガスＧの流れる方向に対して、噴出面４の上流の渦流生成ゾーン６と噴出面４の下流の混合ゾーン９とを規定している。
【００３５】
混合ゾーン９は、断面が一定である高速領域１６と、高温ガスＧの流れる方向に対して、高速領域１６の下流に有る、断面が拡がって行く発散領域１７とを有する。
【００３６】
高速領域１６の断面は、バーナー１の中で最も小さい。
【００３７】
更に、混合ゾーン９は、高速領域１６の上流に縮小領域１８を有する。
【００３８】
図４と５に明確に図示されている通り、発散領域１７の幅ｗと高さｈの両方は、バーナーの出口１９に向かって増大している。有利には、発散領域の幅ｗと高さｈの増大傾向は、流れの離脱傾向に適合している、即ち、発散領域１７の拡がって行く壁面から流れが離れて行かないようにしている。そのような観点から、この発散領域は、所謂コアンダ式ディフューザを規定している。
【００３９】
渦流生成ゾーン６は、幅ｗと高さｈの両方がバーナーの出口１９に向かって変化して行く（即ち、それらが増減する）区画を有する。
【００４０】
有利には、ランスの先端１４は、高速領域１６の上流に有る。
【００４１】
好ましい実施形態（図７と８）では、発散領域１７の内壁２０は、バーナー１内を流れる高温ガスが発散領域の内壁２０から離れる線を規定する突起２１を有する。この突起２１は、発散領域の内壁２０の周囲に渡って延びている。
【００４２】
本発明による再加熱バーナーの動作は、ここで述べるとともに、図示した事柄から明らかであり、実質的に次の通りである。
【００４３】
高温ガスＧは、バーナー１のチャネル２に入って、渦流生成ゾーン６を通り、そこで、大きな渦流と乱流にされる。そのゾーンの断面の幅ｗと高さｈの両方が（少なくとも渦流生成ゾーン６の中央において）増大して行くので、その断面は、通過する高温ガスに同程度の渦流と乱流を発生させる従来のバーナーの渦流生成ゾーンの断面よりも実質的に大きい。それによって、高温ガスに生じる圧力降下量を従来のバーナーよりも小さくすることができる。
【００４４】
次に、高温ガスは、混合ゾーン９を通過する時に、縮小領域１８で最高速度に加速され、そのため、高温ガスは、高速領域１６を通過する時に、その速い速度を実質的に維持する。
【００４５】
高温ガスが速い速度で高速領域１６を通過するので、バーナー内での燃料の残留時間が短くなり、フラッシュバックの危険性、水消費量及びＮＯｘ排出量が低減される。
【００４６】
更に、ランスの先端１４が（高温ガスの流れる方向に対して）高速領域１６の上流に有るとともに、縮小領域１８内に収容されている特別な構成のために、高温ガスは、ランスの先端１４の下流の地点まで加速し続け、そのため、火炎がランスの先端１４の上流に伝わって、それによってフラッシュバックを引き起こす危険性が低減され、それによって、フラッシュバックの危険性が低減されるとともに、水量を削減したオイル動作が可能となる。
【００４７】
高温ガスは、高速領域１６の後に、発散領域１７を通過し、そこでは、速度が低下して、運動エネルギーの一部が静圧に変換される。そのような減速によって、高速領域を速く（即ち、速い速度で）通過した燃料を含む高温ガスの速度が低下し、そのため、高温ガスが、バーナー１の下流の燃焼室１２に遅い速度で入り、それによって、燃焼室１２内での燃料の滞留時間を燃料が完全かつ正常に燃焼して、低いＣＯ排出量を達成するのに十分な長さとすることができる。更に、運動エネルギーの一部が静圧に変換されるので、渦流生成ゾーン６、縮小領域１８及び高速領域１６内で生じた圧力降下量の一部が補償され、そのため、バーナー全体での小さい圧力降下量が実現される。
【００４８】
従って、そのような渦流生成ゾーン６、高速領域１６及び発散領域１７の組み合わせによって、チャネル２を通る高温ガスの速い速度（そのため、少ないＮＯｘ排出量、大きなフラッシュバックマージン及びオイル動作での少ない水消費量）と同時に、バーナー１から出る時の遅い速度を実現することができ、その結果、燃焼室内での残留時間が長くなり、そのためＣＯ排出量が低減される。
【００４９】
更に、反応ゾーンを或る程度下流に移動させることができるので、従来のバーナーと比べて混合品質が良くなった時に反応が起こり、そのような要因は、ＮＯｘ排出量の低下にも寄与する。
【００５０】
更に、バーナー全体を通した圧力降下量が小さくなり、そのため、ガスタービンの効率と出力が増大する。
【００５１】
更に、高温ガスが発散領域１７の内壁２０から離れる地点を固定するための突起２１は、不安定な流れの発生と、そのため、燃焼室内での不安定な燃焼及び脈動の発生とを防止している。
【００５２】
当然のことながら、ここで述べた特徴は、互いに独立して規定することができる。
【００５３】
実際には、使用する材料とサイズは、要求条件と技術水準に応じて任意に選定することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１    バーナー
２    チャネル
３    ランス
４    噴出面
６    渦流生成ゾーン
７    渦流生成器
９    混合ゾーン
１０    側壁
１１    上方／下方壁
１２    燃焼室
１４    ランスの先端
１５    チャネル２の縦軸
１６    混合ゾーン９の高速領域
１７    混合ゾーン９の発散領域
１８    縮小領域
１９    バーナーの出口
２０    発散領域１７の内壁
２１    突起
Ｇ      高温ガス
ｈ      高さ
ｗ      幅
【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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