(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼空気（４）をガイドする流入通路（５）と、その下流に接続された予混合燃焼区域（５ａ）とから成る燃焼室であって、流入通路（５）内に渦発生器（２００，２０１，２０２）が配置されており、かつ、渦発生器（２００，２０１，２０２）の下流に燃焼空気（４）内に燃料（１１）を噴入する少なくとも１つの燃料ノズル（３）が配置されている形式のものにおいて、
１つ以上の燃料ノズル（３）によって噴入された燃料（１１）の量が、燃料ノズル（３）によって噴入方向（７ａ，７ｂ）に関連して制御され、それによって、燃料の燃焼により生成された熱ガスが、燃焼室（１）の流れ横断面にわたって温度段階（８）を生ぜしめるようになっていることを特徴とする、燃焼室。
【請求項２】
燃焼室(１)が環状燃焼室から成る請求項１記載の燃焼室。
【請求項３】
渦発生器（２００）が流れ方向に延びていて流れに覆われる３つの面を備えており、その１つの面が頂面（２１０）を形成しており、かつその他の両方の面が側面（２１１、２１３）を形成しており、これらの側面（２１１，２１３）が流入通路（５）の１つの同じ壁セグメントに合致しており、かつ互いに後退角（α）を挟んでおり、かつ、頂面（２１０）の、流入通路（５）に対して横方向に延びる縁（２１５）が、側面（２１１，２１３）と同様に通路壁（６）の同じ壁セグメントに接しており、かつ、頂面（２１０）の縦向きの縁（２１２，２１４）が、側面（２１１，２１３）の、流入通路（５）内へ突入した縦方向の縁と合致しており、かつ流入通路（５）の壁セグメントに対して迎え角（θ）を成して延びている請求項１記載の燃焼室。
【請求項４】
渦発生器（２００）の後退角（α）を挟んだ両方の側面（２１１，２１３）が対称軸（２１７）に関して対称的に配置されている請求項３記載の燃焼室。
【請求項５】
後退角（α若しくはα／２）を挟んだ両方の側面（２１１，２１３）が共通の１つの結合縁（１１６）を備えており、この結合縁が頂面（２１０）の両方の縦向きの縁（２１２，２１４）と共に１つの尖端（２１８）を形成しており、かつ、結合縁（２１６）が円形の流入通路（５）の半径方向に延びている請求項３記載の燃焼室。
【請求項６】
結合縁（２１６）及び又は頂面（２１０）の縦向きの縁（２１２，２１４）が少なくともほぼ鋭く形成されている請求項５記載の燃焼室。
【請求項７】
渦発生器（２００）の対称軸（２１７）が流入通路の軸線に対して平行に延びており、かつ、両方の側面（２１１，２１３）の結合縁（２１６）が渦発生器（２００）の下流側の縁を形成しており、かつ、頂面（２１０）の、流入通路（５）に対して横方向に延びる縁（２１５）が、主流（４）により最初に負荷される縁を形成している請求項１，３，４，５のいずれか１項記載の燃焼室。
【請求項８】
流入通路（５）の高さ（Ｈ）に対する渦発生器（２００）の高さ（ｈ）の比は、発生した渦が渦発生器（２００）のすぐ下流ですでに、流入通路（５）の全高（Ｈ）と、渦発生器（２００）に対応する通路部分の全高（ｈ）とを満たすような大きさに達するように、規定されている請求項１記載の燃焼室。
【請求項９】
主として流入通路（５）と、その下流に接続された予混合燃焼区域（５ａ）とから成り、それぞれ下流及び上流に流体機械を備えている、請求項１記載の燃焼室を備えたガスタービン群の運転法において、上流で作動する流体機械から到来した燃焼空気（４）を渦発生器（２００）を介して案内し、この燃焼空気（４）を渦発生器の下流で燃料と混合せしめ、かつ予混合燃焼区域（５ａ）内への燃料の噴入（７ａ，７ｂ）を異なる方向及び異なる燃料量で行い、これにより、この混合物の燃焼から生成された熱ガスにより温度段階を有するフロント（８）を形成せしめ、その最低の温度を、流れに関連して、下流に接続された流体機械（２）の負荷されるべき羽根の基部に対応せしめることを特徴する、ガスタービン群の運転法。
【請求項１０】
燃料（１１）を補助空気（１２）により補助する請求項９記載の運転法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として流入通路と、その下流に接続された予混合燃焼区域とから成る燃焼室であって、燃焼室がそれぞれ下流及び上流に流体機械を備えている形式のものに関する。本発明はさらにこの種の燃焼室の運転法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室、特に広い負荷範囲を有する環状燃焼室でいつも繰り返される問題点は、熱ガスの温度が高い場合に、燃焼により生成される有害物質エミッションを軽減せしめると共に、環状燃焼室のすぐ下流に接続されたタービンの羽根の耐用寿命を最大にすることである。一般的にはタービンの羽根は一様に熱いガスにより負荷されるが、しかし、自己着火式に運転される環状燃焼室ではタービンの羽根がさらに大きな熱量的な負荷にさらされることに留意されなければならない。大きな熱量的な負荷にさらされる理由は、タービンの上流で行われる自己着火のためには火炎の消火に対する安全マージンを有する温度が要求され、これにより羽根は一般の燃焼室の場合に比して高い温度で負荷されるからである。その際に考慮されなければならないことは、羽根がその半径方向の全長にわたり一様な強度を有しておらず、従って羽根の若干の部分はより強く冷却される必要があり、他の部分はそれほど強く冷却される必要がないために、一般的な羽根冷却が限界に遭遇することである。この問題は従来満足に解決されていない。熱的に強く負荷される羽根基部は流体機械の効率に直接関与しておらず、従って羽根基部の温度を比較的低くしても効率に不利な影響の生じるおそれはない。その場合、熱的な効率の獲得には熱ガスの平均温度が妥当であることが周知のこととして前提される。従来知られている限りでは、効率に不利に影響することなく、かつ有害物質エミッション、とくにＮｏｘエミッションの低い状態で、羽根の目標箇所を種々の温度で負荷するための解決手段は知られていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は冒頭に記載した形式の燃焼室において熱ガス流の内部に温度段階を生ぜしめることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に基づく燃焼室は、請求項１に記載したように、流入通路内に渦発生器が配置されており、かつ、渦発生器の下流に燃焼空気内に燃料を噴入する少なくとも１つの燃料ノズルが配置されており、かつ、燃料の噴入方向と燃料量とが渦発生器と作用的に結合されていることを特徴としている。
【０００５】
熱ガス流の内部の温度段階は有利には環状燃焼室の周方向に作用する多数の燃料ノズルを介して燃料を噴入することにより得られる。各燃料ノズルは複数の種々異なる方向に向けられたノズル口を備えており、これらのノズル口を介して燃料が環状燃焼室の流れ横断面内へ供給され、これにより、まず燃料混合物の局部的な富化が達成される。このような構成は有利には燃料混合物の局部的に種々異なる富化に適しており、その場合、噴入された燃料はこれに面した局部の範囲内で有利に分配され、これにより、燃料混合物を介して温度分布に影響を与えることができる。これにより、負荷すべき羽根のためのプロフィール流れを示す半径方向での温度段階が得られる。
【０００６】
燃料による富化に先立つ燃焼空気の渦形成は、燃料ノズルの上流に設けた渦発生器により得られる。この手段の著しい利点とするところは、渦発生器が燃料噴入に対応して局部的に配置され、その箇所で個別の作用を生じることができることにある。
【０００７】
本発明の別の主たる利点は、温度段階が半径方向で良好に適合されることにある。有利には、熱ガスの平均温度より低い温度で羽根基部が負荷されるように燃料の供給が行われる。羽根基部の領域での熱ガスの温度が平均温度に比して低いにもかかわらず、その他の羽根プロフィールの領域に沿って熱ガスの若干高い温度が作用することにより、この不都合は容易に補償される。ウイークポイントの存在する領域内での熱量的な負荷が基本的に低下すると、羽根車の冷却は相応して軽減されるが、このことは結果的には効率の改善をもたらす。
【０００８】
さらに、タービンの入口温度が予め規定されており、かつ材料のデータが予め規定されている場合には、羽根の耐用寿命が増加する。要するに、耐用寿命を同じにするならば、タービンの入口温度を相応して高くすることができ、このことが機械の効率及び出力の増大をもたらす。
【０００９】
本発明のさらに別の利点は、特に遷移的な負荷範囲内では、得られた温度段階により、ロータの遷移的な振舞いが良好となり、このことにより、ステータとロータとの間の遊びを著しく小さくすることができることにある。
【００１０】
富化を種々異なって行うことにより、富化された領域に火炎を安定する効果が生じ、その結果、この範囲がパイロット段として機能することができ、これにより、パイロットバーナと主バーナとの結合体の組込みが不要となる。
【００１１】
実験により明らかとなった本発明の予期せぬ利点とするところは、このようにして得られた温度段階が音響減衰効果を有していることである。
【００１２】
本発明の有利な実施例及び効果的な実施例はその他の請求項に記載されている通りである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例を図面に即して詳しく説明する。本発明の直接的な理解にとって不必要なエレメントは省かれている。同じエレメントは異なる図面においても同じ符号で示されている。媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１４】
図１は軸の軸線１０から判るように、環状燃焼室を示し、この環状燃焼室１は大体において組み合わされた環状又はほぼ環状の円筒形を有している。この種の燃焼室が単一の１つの円筒体から成ることができるのは勿論である。さらに、軸方向、ほぼ軸方向又は螺旋状に延びる多数の円筒体から燃焼室を形成することも可能であり、その場合、この円筒体は下流で作動するタービンに対して周方向に配置される。図１は環状燃焼室１の重要な一部、すなわち温度段階を生ぜしめる燃料ノズルと、下流に接続されていて負荷されるべきタービンに至る渦形成部だけが示されている。主流４は常に燃焼空気流であり、その温度及び組成は著しく種々異なることができる。この環状燃焼室１の上流で圧縮機が作動すると、主流４は圧縮された空気から成り、この空気が燃焼空気を形成する。これに対して環状燃焼室１が上流で作動する第１の燃焼室と第１のタービンとに接続されていれば、この主流はこの燃焼室１内に噴入される燃料の自己着火を生じる温度を有する比較的熱い排ガスから成る。要するに燃焼空気４は流入通路５内に流入する。この流入通路５はその内側に通路壁６の周方向で一列の渦発生器２００を備えている。この渦発生器については後でさらに詳しく説明する。燃焼空気４は渦発生器２００の下流に循環区域が生じないように、後続の予混合燃焼区域５ａ内でこの渦発生器により渦を形成される。この予混合燃焼区域５ａの周方向に複数の燃料ノズル３が配置されており、この燃料ノズルは燃料１１及び補助空気１２の供給を行う。個々の燃料ノズル３への燃料１１及び補助空気１２の供給は例えば図示されていない環状導管により行われる。渦発生器２００により生じたそれぞれの渦流は、局部的に噴入された燃料７ａ，７ｂと作用的に結合して、局部的に噴入された燃料を介して燃料量を制御することにより、渦発生器２００の作用で生じた個々の燃焼空気部分流の種々異なる大きさの富化を生ぜしめ、これにより、次いで行われる燃焼時に種々異なる温度段階を生ぜしめる。流れ横断面にわたるこの種の温度段階は図面にグラフィクにかつ量的に示されている。この図示から容易に判るように、この温度段階的な熱ガスフロント８は対応する案内羽根９を介してタービンの回転羽根２を負荷する。羽根基部は温度段階８に対応して熱量的に少なく負荷され、その反面、その他の羽根面は若干高い温度で負荷され、その結果、効率及び出力の尺度となる平均熱ガス温度が維持される。
【００１５】
図２に示すように、渦発生器２００の領域内でそれぞれの燃料ノズル３に環状燃焼室１のための典型的な室が形成されていると、側方にも渦発生器２００を配置することができる。燃焼室が複数の個々の管から成っている場合には、この種の区分は不要である。それというのは、その場合、管は室をも形成するからである。要するに燃料ノズル３は向流側で渦発生器２００により囲まれることになる。局部的な燃料の噴入７ａ，７ｂは上流に位置する渦発生器２００の位置に依存して行われる。その場合、この噴入は有利には渦発生器２００の個々の側面の間で温度段階が保証されるように、かつこれにより、その箇所に生じる渦が対応する燃料量と良好に混合されるように行われる。勿論、燃料噴入７ａ，７ｂは多数のノズルを介して行われてもよく、このことは所期の温度段階に依存し、かつ環状燃焼室１内の流れ横断面の範囲内の個々の渦発生器２００の位置に関連して行われる。この環状燃焼室１は半径方向では複数の上下に位置する室列から成ることができ、その場合、１つの室列がその他の同軸的に配置された室列に対してパイロット段として形成されることができる。
【００１６】
次に図３から図１３までについて渦発生器の原理を詳しく説明する。
【００１７】
図３，図４，図５には本来の意味での流入通路５は示されていない。矢印で示されているのは燃焼空気４の流れであり、この燃焼空気は以下には主流と呼ばれることもある。これらの図から判るように、渦発生器２００は主として流れに覆われる３つの三角形の面から成っている。これらの３つの三角形の面は１つの頂面２１０と２つの側面２１１，２１３である。これらの面はその縦方向で流れ方向に対して所定の角を成して延びている。渦発生器２００，２０１，２０２の有利には直角三角形から成る側面はその縦側ですでに述べた通路壁６上に有利には気密に固定されている。これらの側面は流出側で互いに後退角αを成して交わっており、その交わった尖端が鋭い結合縁２１６を形成しており、この結合縁は側面と合致しているそれぞれの通路壁６に対して垂直に位置している。後退角αを挟む両方の側面２１１，２１３は図３ではその形状、大きさ及び向きに関して互いに対称的であり、かつ軸の軸線１０と同方向に向いた対称軸の両側にそれぞれ位置している。
【００１８】
頂面２１０は流入通路に対して横方向に延びていて著しく狭く形成された縁２１５により、側面２１１，２１３が位置しているのと同じ通路壁６上に位置している。その縦向きの縁２１２，２１４は、側面２１１，２１３の、流入通路内に突入した縦方向の縁をも形成している。頂面２１０は通路壁６に対して迎え角θを成して延びており、その縦向きの縁２１２，２１４は結合縁２１６と共に１つの尖端２１８を形成している。勿論、渦発生器２００，２０１，２０２は底面を備え、この底面により適当形式で通路壁６上に固定されてもよい。この種の底面はエレメントの作用に全く無関係である。
【００１９】
渦発生器２００，２０１，２０２の作用は次ぎの通りである。すなわち、縦向きの縁２１２，２１４が流れにより覆われると、図面に示したように、主流は互いに反対向きの１対の渦に変換される。渦の軸線は主流の軸内に位置している。スワール数及び所望ならば渦の崩壊（Ｖｏｒｔｅｘ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の箇所は迎え角θと後退角αとを適当に選ぶことにより規定される。角度の増加に伴い渦の強さもしくはスワール数が増大し、かつ渦の崩壊箇所が上流へ向かって渦発生器２００，２０１，２０２自体まで移動する。使用例に応じて、これらの迎え角θ及び後退角αは構造条件によりかつプロセス自体により予め規定される。これらの渦発生器は長さ及び高さに関連して適合されなければならない。このことについては図６に基づいてさらに詳しく説明する。
【００２０】
図３では両方の側面２１１，２１３の結合縁２１６が渦発生器２００の流出側の縁を形成している。従って、流入通路に対して横方向に延びる、頂面２１０の縁２１５は通路の流れにより最初に負荷される縁である。
【００２１】
図４では図６の渦発生器に基づくいわゆる半分の「渦発生器」が示されている。この渦発生器２０１では、両方の側面のうち一方の側面だけが後退角α／２を有している。他方の側面は直線的に流れ方向に向けられている。対称的な渦発生器に対比してこの場合には図面から判るように、後退角を付した側だけに渦が発生する。この渦発生器の下流には渦中立フイールド（ｖｏｒｔｅｘ−ｎｅｕｔｒａｌ  ｆｉｅｌｄ）が存在せず、流れにはスワールが強制的に生じる。
【００２２】
図５の実施例は、この場合には渦発生器２０２の鋭い結合縁２１６が通路の流れにより最初に負荷される箇所を成している点で図３の実施例と異なっている。要するにエレメントが角１８０°回転させられている。図示から判るように、互いに反対向きの両方の渦がその回転方向を異にしている。
【００２３】
図６は流入通路５内に組み込まれた渦発生器２００の基本的なジオメトリを示す。一般的には、発生される渦が渦発生器２００のすぐ下流ですでに通路全高Ｈを満たすような大きさに達するように、結合縁２１６の高さｈと、通路の高さＨ又は渦発生器に対応する通路部分の高さとが互いに規定される。このようにすれば、負荷される横断面内での均一な速度分布が生じる。選択されるべき両方の高さの比ｈ／Ｈへ影響する別の判定基準は、流れが渦発生器２００を覆って流れる際に生じる圧力低下である。周知のように、比ｈ／Ｈの値が大きいと圧力損失係数も大きい。
【００２４】
渦発生器２００，２０１，２０２は、２つの流れを互いに混合すべき箇所に挿入されるのが一般的である。例えば熱ガスとしての主流４は矢印の示す方向で横向きの縁２１５もしくは結合縁２１６を攻撃する。ガス状又は液状の燃料の形態の二次流れはいずれにしろ補助空気により富化されるが（図１参照）、この二次流れは主流に比して著しくわずかな質量流れしか有していない。この二次流れは本発明では図１から特に判るように渦発生器の下流で主流内へ導入される。
【００２５】
図１に示す実施例では、渦発生器２００が相互間隔をおいて流入通路５の室の周囲に分配されている。勿論、渦発生器は通路壁６に中間スペースが残されないように周方向で互いに列を成して配置されていてもよい。最終的には渦発生器の数及び配置の選択にとって、発生させられるべき渦が決定的な役割を果たす。
【００２６】
図７〜図１３は主流４内へ燃料を導入するための別の可能な形態を示す。これらの実施態様は極めて種々の形式で、例えば図１から判るように、互いにかつ中央の燃料噴入と組み合わされることができる。
【００２７】
図７では、渦発生器の下流で通路壁に設けられた孔２２０と、これに対して付加的に、側面２１１，２１３の極めて近くに設けられていて、その縦方向で、渦発生器を配置すべき同じ通路壁６内で延びる壁孔２２１とを介して燃料が噴入される。壁孔２２１を通して燃料を導入することにより、発生する渦に付加的な衝撃が与えられ、このことが渦発生器の耐用寿命を増大せしめる。
【００２８】
図８及び図９では、燃料がスリット２２２又は壁孔２２３を介して噴入され、その際、スリット及び壁孔は頂面２１０の、流入通路に対して横方向に延びている縁２１５のすぐ手前で、その縦方向で、渦発生器を配置すべき同じ通路壁６内に配置されている。壁孔２２３及びスリット２２２のジオメトリは、規定された噴入角で燃料が主流４内へ噴入され、かつ保護幕として下流の渦発生器を覆うように流れてこの渦発生器を熱ガスとしての主流４から著しく遮蔽するように選択されている。
【００２９】
次に記載する実施例では、二次流れ（上を参照）はまず、図示されていない案内を介して通路壁６を通して渦発生器の中空な内部へ導入される。これにより、別の手段を講じる必要なく、渦発生器のための内的な冷却の可能性を生じる。
【００３０】
図１０では、頂面２１０の範囲内で流入通路に対して横方向に延びている縁２１５のすぐ後方でこの縁に沿って設けられた壁孔２２４を介して燃料が噴入される。渦発生器の冷却はこの場合には内的よりむしろ外的に行われる。流出した二次流れは頂面２１０を覆って流れる際にこの頂面を熱ガスとしての主流４から遮蔽する保護層を形成する。
【００３１】
図１１では、頂面２１０の範囲内で対称軸２１７に沿って配置された壁孔２２５を介して燃料が噴入される。この実施例では、燃料がまず渦発生器の外周に導入されるので、通路壁６が熱ガスとしての主流４から良好に保護される。
【００３２】
図１２では頂面２１０の縦向きの縁２１２，２１４のところに設けられた壁孔２２６を介して燃料が噴入される。この手段によれば、燃料が頂面末端で流出することによりエレメントの内壁が完全に燃料により覆われるので、渦発生器の良好な冷却が保証される。この場合二次流れは、発生した渦内へ直に供給され、これにより、規定された流れ比が得られる。
【００３３】
図１３では、縦向きの縁２１２，２１４の領域でも、結合縁２１６の領域でも、側面２１１，２１３に設けられた壁孔２２７を介して燃料の噴入が行われる。この実施例は図７の実施例（壁孔２２１参照）及び図１２の実施例（壁孔２２６参照）と同様に作用する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱ガス流内に温度段階を生ぜしめることにより、タービンの羽基部を平均熱ガス温度より低い温度で負荷することができ、タービンの羽根の耐用寿命を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度段階を有する本発明の環状燃焼室の部分略示図である。
【図２】個々の燃料ノズルの作用範囲を図示した環状燃焼室の部分図である。
【図３】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給の１実施例を示す図である。
【図４】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給の別の１実施例を示す図である。
【図５】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図６】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図７】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図８】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図９】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図１０】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図１１】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図１２】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【図１３】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに別の１実施例を示す図である。
【符号の説明】
１  環状燃焼室、  ２  タービン（タービンの羽根）、  ３  燃料ノズル、  ４  主流（燃焼空気）、  ５  流入通路、  ５ａ  予混合燃焼区域、  ６  通路壁、  ７ａ，７ｂ  燃料噴入、  ８  温度段階フロント（熱ガスフロント）、  ９  案内羽根、  １０  軸の軸線、  １１  燃料、  １２  補助空気、  ２００，２０１，２０２  渦発生器、  ２１０  頂面、  ２１１，２１３  側面、  ２１２，２１４  縦向きの縁、  ２１５  横に延びる縁、  ２１６  結合縁、  ２１７  対称軸、  ２１８  尖端、  ２２０〜２２７  燃料噴入孔、  Ｌ，ｈ  渦発生器の寸法、  Ｈ  通路の全高、  α  後退角、  θ  迎え角
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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