(57)【要約】複数の相互に隔離された筒形燃焼器要素と環状要素とを備える燃焼器を備えたガスタービンを関する。この燃焼器は、複数の筒形燃焼器内で互いに隔離された燃焼を起こすことにより熱ガス流成分を生成させ、この熱ガス流成分を環状部で合流させる。燃焼炎相互の反結合によって燃焼振動をほぼ回避することができる。従って、温度と圧力の均質化ならびに交差点火による燃焼の安定化が起こり、希薄燃焼プロセスを実行するガスタービンの安定した運転が可能となる。本発明は、このタービンの運転方法にも関する。
2004524508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱ガス流を生成する燃焼器を備えたガスタービンであって、前記燃焼器が、空気と燃料が燃焼する複数の筒形要素と、燃焼振動を回避すべく前記複数の筒形要素を環状に方向付け、前記燃焼を合流させる単一の環状要素とを含むガスタービン。
【請求項２】
圧縮空気を生成する圧縮機と、前記空気を前記筒形要素に向ける手段とを更に含む請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記燃焼の合流により熱ガス流が生成され、前記ガスタービンが前記熱ガス流を機械エネルギに変換するタービンを更に含む請求項２記載のガスタービン。
【請求項４】
前記タービンが前記熱ガス流を受け取る入口を含む請求項３記載のガスタービン。
【請求項５】
前記タービン、燃焼器及び圧縮機を機械的に接続する軸を更に含む請求項３記載のガスタービン。
【請求項６】
前記筒形要素が、燃料及び空気を受け取る入口を有する頭部と、前記ガス流を排出する出口と、前記頭部と出口を接続する側壁とを含む請求項１記載のガスタービン。
【請求項７】
前記筒形要素が第１の領域を含み、該第１の領域は燃焼域を定め、該燃焼域が前記燃焼の可視炎からなる第２領域として画定された請求項６記載のガスタービン。
【請求項８】
前記第１の領域が前記第２の領域と実質的に等しい請求項７記載のガスタービン。
【請求項９】
前記環状要素及び筒形要素が、前記熱ガス流の流れる方向に延びる軸方向延長部分を含み、前記環状要素の軸方向延長部分が前記筒形要素の軸方向延長部分全体の少なくとも半分である請求項６記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記タービンの入口が部分的にベーン支持構造体により形成され、該構造体がベーンを収容し前記タービン内に配置され、前記環状要素が前記ベーン支持構造体に接続され、これにより支持された請求項４記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記筒形要素が前記環状要素により支持された請求項１記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記筒形要素が各々前記環状要素から取外し可能な請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記筒形要素が、各々前記筒形要素を取外し易くする少なくとも１つのコネクタによって前記環状要素に接続された請求項１２記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記筒形要素が前記環状部の円周に沿って等間隔に分散し、隣接する筒形要素の側壁の間に中空の空間を画定する請求項６記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記環状要素が外側シェルと、該シェル内に配置された内側シェルと、リブとを含み、該リブが前記外側シェルから内側シェルへと延びることで、前記筒形燃焼器が前記リブの内少なくとも１つにより前記環状要素の側壁に接続された請求項６記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記側壁がディフューザ形状である請求項６記載のガスタービン。
【請求項１７】
前記筒形要素及び環状要素が、音響的反結合が実質的に起こり燃焼振動を実質的に回避できるように配置された請求項１記載のガスタービン。
【請求項１８】
前記筒形燃焼器が各々二重壁を含み、該壁が外壁と、内壁と、協働する内壁と外壁とにより画定される中空空間とを含み、前記外壁と内壁との間の前記中空空間に冷却液を通す請求項１記載のガスタービン。
【請求項１９】
熱ガス主流の生成のため空気と燃料の混合物を燃焼させる燃焼器であって、第１及び第２の領域を含み、前記第１の領域は燃焼が起こり熱ガス流成分を生成する領域を画定し、かつ前記燃焼の可視炎により画定される領域を有し、前記第２の領域は、前記熱ガス流成分が合流し、タービン入口に入る前に前記熱ガス主流が生成される領域を画定し、この結果ガス主流の温度分布が実質的に均質化される燃焼器と、
前記熱ガス主流を受け取り、これを通すタービン入口を有するタービンと
を含むガスタービン。
【請求項２０】
第２の領域が環状である請求項１９記載のガスタービン。
【請求項２１】
前記第１の領域が、前記第２の領域の周りに等間隔に分散する複数の燃焼領域を含む請求項２０記載のガスタービン。
【請求項２２】
ガスタービンにおける燃焼振動を低減させる方法であって、次の工程を含む方法。
空気と燃料を複数の別個の燃焼域に導く工程と、
前記空気と燃料を前記別個の燃焼域で燃やす工程と、
前記域で熱ガス流を各々生成し、もって前記別個の燃焼域で起こる不安定な炎の音響結合を回避する工程と、
前記熱ガス流を合流させて熱ガス主流を生成し、合流した熱ガス流の温度分布を均質化する工程。
【請求項２３】
前記熱ガス主流をタービン入口を経て供給する工程を更に含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記熱ガス主流の圧力を合流工程により均質化する請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン、具体的には燃焼振動が起こり得るガスタービンとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電の目的やジェットエンジン航空機で広く使用されている。ガスタービンでは、空気と燃料を燃焼器で燃やすことで熱ガス流を生成し、このガス流をタービン部内で広がらせ、それにより軸を回転させる。かくして生成した回転エネルギの一部を、圧縮機を駆動し圧縮機用の圧縮空気を提供するために使用する。
【０００３】
排気ガス、特に酸化窒素ＮＯXを減少させる努力に伴い、希薄燃焼の概念が生じた。該概念では、空気と燃料を燃焼炎中で直接混合するのではなく、事前に、即ち実際の燃焼域と別の領域で混合する。混合に引き続き、十分に均質化した混合物を燃焼域に導く。この燃料と空気の予備混合により低い燃料／空気比を達成できるため、炎の温度が低くなり、ＮＯX排出が少なくなる利点が生ずる。他方、希薄燃焼プロセスでは不安定な炎がより生じ易くなり、燃焼振動を起こす虞がある。燃焼振動は、不安定な炎と燃焼器の壁からの音響反射により起こる圧力変動同士の正の結合に伴い生じる音響モードである。燃焼振動に伴い高騒音排気ガスが生じ、ガスタービン部に広範囲の損傷を与える可能性がある。
【０００４】
ドイツ特許出願公開第４３３９０９４号明細書は、不活性液を燃焼域に噴射することで燃焼域を再区分し燃焼振動を生じる機構を妨害することで、ガスタービンにおける燃焼振動を抑制する方法について説明している。この方法は、その形状によって通常画定される空間が広いために燃焼振動を特に起こし易い環状燃焼器に適用される。この方法は能動的な不安定制御の範疇に属する。それは、燃焼振動は閉ループの能動的制御サイクルで監視され、抑制されるためである。しかし能動的不安定制御は複雑で高価な方法であり、ガスタービンの運転に必要な設備のコストが著しく上昇する。
【０００５】
国際公開第００／１２９３９号パンフレットは、複数のバーナが接続される環状燃焼器を備えたガスタービンを開示している。ここでは、環状燃焼器での燃焼振動の問題を、受動的な手段で回避している。円筒形装置をバーナ内の幾つかのオリフィスの周りに設置することで炎の位置をずらし、燃焼器で生じる音響モードを離調させる。受動的な手段は一般に能動的不安定制御に比べさ程高価ではないが、通常は幾つかの周波数帯域しかこの静的手段では抑制できない。
【０００６】
米国特許第５３０９７１０号明細書は、ガスタービンの筒形燃焼器を開示する。筒形燃焼器は燃焼振動を起こしにくい。しかし筒形構造は一層複雑で高価であり、環状燃焼器程簡単に整備できない。更に環状燃焼器ではタービン入口での温度と圧力の分布が均質化しているが、このことは筒形燃焼器では達成できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に鑑み本発明は、燃焼振動を回避可能なガスタービンとその運転方法を提供する。本発明はまたタービン入口で熱ガス流の圧力と温度の分布を均質化したガスタービンとその運転方法も提供する。更に本発明は、整備の容易なガスタービンとその運転方法も提供する。本発明は、更に経済的な工業努力と費用で最大限に複製可能な部品の特性を用いて大量生産ができるように実施可能な方法を提供する。更なる特徴として、本発明は比較的少ない冷却しか必要としないガスタービンとその運転方法を提供する。本発明は、更に比較的簡単な構造でよいために低コストとなるガスタービンとその運転方法を提供する。更に本発明は、運転時安定するガスタービンとその運転方法を提供する。更に本発明は熱ガスに対する封止の必要性を低減させるガスタービンとその運転方法を提供する。
【０００８】
より具体的には、本発明は、空気／燃料混合物を燃焼させることで熱ガス流を生成する燃焼器と、熱ガス流を通すタービン入口を有するタービンとを含むガスタービンを提供する。燃焼器は、タービン入口の隣に配置された環状部と複数の筒形燃焼器を含む筒形部を含み、筒形燃焼器は各々環状部に接続され、各筒の出口を介して環状部に向かい開いている。筒形燃焼器と環状燃焼器の組み合せによって各々単独の概念の利点が一緒になり、そのことで各々単独の概念の欠点を回避できる。特に筒形部内で別個に燃焼させることで不安定な炎の結合を回避でき、その結果燃焼振動を回避できる。更に環状部によりタービン入口の温度と圧力が均一化する。更に環状燃焼器内で交差点火することで、全運転条件で安定した運転を保証できる。更に冷却の必要がある燃焼器の表面全体が筒形燃焼器又は要素と比較して小さくなるため、所要の冷却が減少する。
【０００９】
筒形燃焼器は、各々頭部とここから筒出口迄延びる側壁を持つと好ましい。燃料と空気は頭部を経て筒形燃焼器へ導かれる。主燃焼域は可視炎域として画定される。各筒形燃焼器の側壁は、各筒形燃焼器が主燃焼域を実質的に完全に包囲する程度に延出するよう寸法を決めると好ましい。別の好適な実施形態では、各筒形燃焼器の側壁が主燃焼域を著しく越えない程度に延出するよう寸法を決める。全主燃焼域を包囲することで、炎同士の反結合を高い程度で達成できる。側壁は主燃焼域を著しく越えないので燃焼器を不必要に拡大しなくともよく、その結果冷却容量や工事費を低く抑えられる。
【００１０】
環状部は熱ガス流の方向に沿って測定した環状部軸方向延長部分を有し、筒形部は熱ガス流の方向に沿って測定した筒形部軸方向延長部分を有し、環状部軸方向延長部分は筒形部軸方向延長部分の少なくとも半分であると好ましい。このことにより、筒形燃焼器からの熱ガス流を各々十分に合流でき、温度と圧力が高い程度で均質化する。
【００１１】
タービン入口を、少なくとも部分的にタービンに配置されたベーンを保持するベーン支持構造体によって形成し、環状部をベーン支持構造体に接続することで、これにより支持すると好ましい。主な利点として、燃焼器とタービンの隙間の封止が比較的簡単になることが挙げられる。それは、これら部品の相対移動がなくなるためである。
【００１２】
筒形燃焼器を各々環状部に接続することで環状部により支持すると好ましい。従って筒形燃焼器と環状部との相対移動がなくなり、両者間の隙間の封止が簡単になる。更に筒形燃焼器の支持が、筒しかない燃焼器に比べ左程複雑でない。それは、このような筒は通常外側ケーシングからの支持を必要とするからである。従ってコストが下がる。更なる好適な実施形態では、筒形燃焼器と環状部との各接続部分を、各筒形燃焼器が独立して環状部から簡単に取外しできるように設計し、その結果筒形燃焼器を単独で簡単に交換することで整備が簡単な構造にできる。
【００１３】
筒形燃焼器は、環状部の円周に沿って等間隔に分散させるとよく、それに伴い隣接する各筒形燃焼器の側壁間に中空空間が画定される。中空空間は、筒形燃焼器の冷却用の冷却液を導くために使用できる。
【００１４】
環状部が、半径方向外側に配置した外側シェルと半径方向内側に配置した内側シェルとを有するよう設計するとよい。外側シェルから内側シェルへ延びるリブを筒形部の隣に配置し、各筒形燃焼器をその側壁によってリブの内の少なくとも１つに接続する。
【００１５】
側壁はディフューザの形状であると好ましく、それに伴い筒形燃焼器から放出された熱ガス流を環状部へ拡散できる。
【００１６】
本発明はまた、空気／燃料混合物を燃焼させることで熱ガス主流を生ずる燃焼器と、熱ガス主流が通るタービン入口を持つタービンとを備えたガスタービンを提供する。燃焼器は、熱ガス流を各々別個の主燃焼域で生成する第１ステージを含み、主燃焼域は可視炎の領域として画定され、各々互いに分離される。燃焼器の第１の領域に第２の領域が続き、そこで各熱ガス流が合流して熱ガス主流を形成する。第２の領域は、各熱ガス流を適切に合流させて熱ガス主流の温度分布を確実に均質化させるべく設計するとよい。
【００１７】
本発明は、ガスタービンの燃焼振動の低減方法をも提供する。この方法は以下の工程を含む。即ち、空気と燃料を複数の別個の燃焼域に導く工程、空気と燃料を互いに隔離された別個の燃焼域で燃やすことで各熱ガス流を生成し、別個の燃焼域で生じる不安定な炎の音響結合を実質的に回避する工程、各熱ガス流を合流させて熱ガス主流とすることで温度と圧力の分布を実質的に均質化させ、熱ガス主流をタービン入口を経て供給する工程である。この方法の利点は、上述のガスタービンの利点に対応する。
【００１８】
上記の本発明の特徴、長所及び利点の幾つかやその他の特徴等は、図面と共に説明を読み進めるにつれて明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の好適な実施形態を示す図面を参照し、本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は種々の形態で具体化でき、本明細書中で説明する例示の実施形態に制限されると解釈すべきではない。むしろこれら例示の実施形態は、本開示が綿密且つ完全で、本発明の趣旨を当業者に十分伝えるべく提供する。同一番号は、一貫して同一要素を示す。
【００２０】
図１はガスタービン１を概略的に示す。ガスタービン１は、圧縮機３、燃焼器５及びタービン７からなる。タービン７は、圧縮機３と共に軸９に取り付けられている。圧縮機３内では、空気１１が圧縮されて燃焼器５に導かれる。燃料１３も圧縮機５に導かれ、空気１１と混合されて空気／燃料混合物１５を生ずる。空気／燃料混合物１５を燃やすことで熱ガス流１７が生じ、熱ガス流１７はタービン入口１９を経てタービン７へと導かれ、そこでベーンとブレードからなる装置（図示せず）によりエネルギが軸９に伝達され、該軸が回転する。回転エネルギの一部は圧縮機３を駆動するために使用される。更に回転エネルギの一部は、例えば発電機を駆動するために使用される。
【００２１】
図２は環状燃焼器５を示す。バーナ２１は可視炎２５で燃える空気／燃料混合物１５の供給手段として働き、主燃焼域２３を画定する。不安定な炎が生じることで圧力パルスが生じ、そのため益々炎が不安定になる虞がある。特に隣接するバーナ２１は互いに音響結合を生じるため、矢印２７で示す如く互いに不安定な炎を誘引してしまう。燃焼器の壁から圧力パルスが反射することで、燃焼振動が永続的に不安定な炎から生じる虞がある。
【００２２】
図３は燃焼器５の新規の概念を示す。燃焼器５は、筒形部３３と環状部３５を備える。筒形部３３は複数の筒形燃焼器３１からなり、各々が筒出口３７を経て環状部３５に接続し、これに向かって開いている。空気１１と燃料１３が各筒形燃焼器３１の頭部３９を経て導かれることで、空気／燃料混合物１５が作られる。側壁４１は、筒形燃焼器３１の頭部から各筒出口３７へと延びる。空気／燃料混合物１５は、可視炎２５により画定される各筒形燃焼器３１の主燃焼域２３で燃え、その結果熱ガス流４２を各々生成する。各熱ガス流、即ち熱ガス流成分４２は環状部３５で合流し熱ガス主流１７となる。その結果、熱ガス主流１７の温度と圧力がタービン７に入る前に十分に均質化される。更に炎２３同士の交差点火が確立することで、極端な希薄燃焼条件下でも運転安定性が向上する。空気１１と燃料１３の少なくとも一部が予備混合して空気／燃料混合物１５を生じ、その結果希薄燃焼を確立すると好ましい。この希薄燃焼は、適切な場合拡散炎によって安定化する。
【００２３】
側壁４１は、各燃焼域２３を完全に包囲するようにその寸法が決められる。これに伴い炎２５の音響的反結合が生じ、燃焼振動を回避できる。しかし側壁４１が燃焼域２３の延長部分を著しく超えないため、筒形部３３を合理的に小さく維持できる。
【００２４】
図４は、環状部３５の構成をより具体的に三次元の視点で示す。この構成物は外側シェル５１と内側シェル５３からなり、環状空間５４を包囲している。外側シェル５１の内面と内側シェル５３は、熱ガスから保護するための熱遮蔽要素５５で被覆されている。筒形部３３の筒形燃焼器３１は、環状部３５の円周方向５７に沿い略等間隔に分散している。
【００２５】
図５は、ガスタービン１に支持された燃焼器５の縦断面図を示す。圧縮機３はブレード６１とベーン６３を有し、これらが軸９の回転に伴い空気１１を圧縮し、圧縮機ディフューザ６５を経て外部ケーシング６９で形成された空間６７へ導く。圧縮空気１１は主に燃焼器５に導かれるが、空気１１の一部は燃焼器５とタービン７を冷却すべく使用される。外部ケーシング６９は、タービン７のベーン支持構造体７１も包囲する。この支持構造体７１はベーン７３を支持する。２列のベーン７３間で、ブレード７５が軸９に取り付けられる。ベーン支持構造体７１は燃焼器５の環状部３５も支持し、該環状部はベーン支持構造体７１に装着される。従って、環状部３５とタービン７との相対移動が殆どなく、環状部３５とタービン７の隙間から熱ガスが流出しないよう簡単に封止できる。更に、筒形燃焼器３１は環状部３５に装着されるため、環状部３５と筒形燃焼器３１との相対移動が殆ど生じない。従って、隙間から熱ガスが流出しないように簡単に封止できる。更に燃焼器５を外部ケーシング６９で支持せずに、左程複雑でも高価でない構造となし得る。熱ガス流の方向に、筒形部３３は筒形部延長部分Ｃ、環状部３５は環状部延長部分Ａを各々有する。この延長部分は筒形延長部分Ｃの少なくとも半分である。
【００２６】
図６と７は、筒形燃焼器３１と環状部分３５との接続部分を三次元的に示す。環状部分３５は、外側シェル５１から内側シェル５３へ延びるリブ９１を持つ。筒形燃焼器３１は側壁４１でこのリブ９１に接続される。側壁４１はディフューザ形状で、フランジ８５を備える。該フランジで側壁が環状部３５に接続される。どの筒形燃焼器３１も整備のために簡単に取外せる。頭部３９は開口８３を有し、そこにバーナを取り付けられる。
【００２７】
図６は、二重壁構造を有する筒形燃焼器３１を更に示し、この構造は外壁１０１と該外壁で包囲された内壁１０３を備える。外壁１０１と内壁１０３の間には、冷却流体が通るための中空の空間、即ち開口１０５が形成されている。特に蒸気を冷却流体として使用でき、密閉冷却サイクルで燃焼器内の熱ガスから分離する。内壁１０３を、溶接フランジ１０３ｂを持つシリンダ１０３ａとして製造できる。内壁１０３は、案内要素１０７とフォーク状支持体１０９による固定により外壁１０１内に取り付けられる。隣接する筒形燃焼器３１間に存在する冷却流体用の空間１０５は狭まる。従って、冷却の有効性を高めるべく、この領域１１１では衝突冷却が行なわれる。内壁１０３を低コストで設計し、簡単に取り付けることで、整備周期に合わせこの内壁１０３を完全に交換できる。
【００２８】
以上本発明を説明してきたが、本発明を多くの方法で変更可能なことは明らかである。このような変更を本発明の趣旨や範囲から逸脱したものとはみなさない。当業者には明らかであろうこのような変更は全て特許請求の範囲内に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ガスタービンの概略図である。
【図２】環状燃焼器での燃焼を示す。
【図３】図２に示したものに対する本発明の改良点を概略的に示す。
【図４】環状燃焼器に接続された複数の筒形燃焼器を示す。
【図５】環状燃焼器に接続された筒形燃焼器を有するガスタービンを縦断面で示す。
【図６】環状燃焼器に接続された筒形燃焼器を三次元の視点で示す。
【図７】環状燃焼器に接続された筒形燃焼器を三次元の視点で示す。
【符号の説明】
【００３０】
１  ガスタービン、３  圧縮機、５  燃焼機、７  タービン、９  軸、１１  空気、１３燃料、１５  空気／燃料混合気、１７、４２  熱ガス流、１９  タービン入口、２１  バーナ、２３  主燃焼域、２５  可視炎、３３  筒型部、３５  環状部、３７  筒出口、３９  頭部、４１  側壁、４２  熱ガス流要素、５１、５３  シェル、５４  環状空間、５５  熱遮蔽要素、６１  ブレード、６３、７３  ベーン、６５圧縮機ディフューザ、６９  外部ケーシング、７１  ベーン支持構造体、８３、１０５  開口、８５  フランジ、９１  リブ、１０１  外壁、１０３  内壁、１０３a  シリンダ、１０３ｂ  溶接フランジ、１０７  ガイド要素、１０９  フォーク状支持体、１１１  領域
【国際公開パンフレット】
2004524508.tif 000003
2004524508.tif 000004
2004524508.tif 000005
2004524508.tif 000006
2004524508.tif 000007
2004524508.tif 000008
2004524508.tif 000009
2004524508.tif 000010
2004524508.tif 000011
2004524508.tif 000012
2004524508.tif 000013
2004524508.tif 000014
2004524508.tif 000015
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2004524508.tif 000017
2004524508.tif 000018
2004524508.tif 000019
2004524508.tif 000020
2004524508.tif 000021
2004524508.tif 000022
2004524508.tif 000023
2004524508.tif 000024
2004524508.tif 000025
2004524508.tif 000026
【国際調査報告】
2004524508.tif 000027
2004524508.tif 000028
2004524508.tif 000029