(57)【要約】      （修正有）【課題】少なくとも１つの燃焼室と、燃焼室から出てくる高温ガス流に希釈媒体または空気を混合する少なくとも１つの混合器とを備える、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列を提供する。【解決手段】混合器は、燃焼室の下流に延びる高温ガス流路において燃焼ガスを案内するように適応されており、混合器は、希釈媒体または空気を混合して燃焼室から出てくる高温ガス流を冷却するために、混合器の側壁から内方を向いた複数の噴射管を有する。混合器２００は、少なくとも１つの噴射管に直接的または間接的に接続された少なくとも１つの圧力制御される区画２０５〜２０７を有する少なくとも１つの希釈空気プレナムを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列であって、少なくとも１つの燃焼室と、希釈媒体または空気を前記燃焼室から出てくる高温ガス流に混合する少なくとも１つの混合器とを備え、該混合器は、前記燃焼室の下流に延びる高温ガス流路において燃焼ガスを案内するように適応されており、前記混合器は、希釈媒体または空気を混合して前記燃焼室から出てくる前記高温ガス流を冷却するために、前記混合器の側壁から内方を向いた複数の噴射管を有する、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列において、前記混合器（１１５，２００，２２２）は、少なくとも１つの噴射管（１１４ａ〜ｃ）に直接的または間接的に接続された少なくとも１つの圧力制御される区画（２０５〜２０７；２０９〜２１１）を有する少なくとも１つの希釈空気プレナム（１１１）を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列。
【請求項２】
前記希釈空気プレナムは、前記高温ガス流路の周囲に環状を成している、請求項１記載の燃焼器配列。
【請求項３】
前記希釈空気プレナムは、１つまたは複数のセパレータ（２０１〜２０３；２１２〜２１４）を有しており、該セパレータは、前記希釈空気プレナムを、規則的なまたは個々に形成された対応する数の区画に分割している、請求項１記載の燃焼器配列。
【請求項４】
１つの区画が少なくとも１つの噴射管を有する、請求項３記載の燃焼器配列。
【請求項５】
各区画は、各セパレータを横切る圧力降下により異なる圧力を提供する、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項６】
前記区画は、連続的な希釈空気流によって個々に加圧される、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項７】
前記区画は、第２の希釈空気流によって個々に補充される、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項８】
前記噴射管は、周方向で規則的または不規則な区切りを形成しながら、前記混合器の側壁から内向きに周方向に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項９】
前記噴射管は、円筒形、円錐形またはほぼ円錐形である、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１０】
前記混合器（１１５，２００，２２２）は、同一、同等または異なる進入深さで前記高温ガス流に沿って複数の噴射管列を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１１】
前記混合器（１１５，２００，２２０）の前記噴射管は、同一、同等または異なる横断面を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１２】
１つの列の前記噴射管は、前記混合器の中心に向かって延びており、半径方向で互いに逆に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１３】
少なくとも１つの噴射管は、前記高温ガス流に対して傾斜させられている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの噴射管は、その進入深さに沿って、前記高温ガス流内へ直交またはほぼ直交方向に流れる希釈空気を噴射するために使用される複数の噴射孔を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
【請求項１５】
少なくとも１つの燃焼室と、希釈媒体または空気を前記燃焼室から出てくる高温ガス流に混合する少なくとも１つの混合器とを備え、該混合器は、前記燃焼室の下流に延びる高温ガス流路において燃焼ガスを案内するように適応されており、前記混合器は、希釈媒体または空気を混合して前記燃焼室から出てくる前記高温ガス流を冷却するために、前記混合器の側壁から内方を向いた複数の噴射管を有する、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列を作動させる方法において、前記混合器（１１５，２００，２２２）は、少なくとも１つの噴射管（１１４ａ〜ｃ）に直接的または間接的に接続された少なくとも１つの圧力制御される区画（２０５〜２０７；２０９〜２１１）を有する少なくとも１つの希釈空気プレナム（１１１）を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列を作動させる方法。
【請求項１６】
前記混合器の前記噴射管は、グループごとに集められており、これらの各グループは、前記希釈空気プレナムの異なる区画に流体接続されている、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
ダンパとして作動させるための、請求項１５または１６記載の混合器の使用。
【請求項１８】
前記混合器は、異なる区画の音響的な遮断を生ぜしめる、請求項１７記載の混合器の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列であって、少なくとも１つの燃焼室と、希釈媒体または空気を燃焼室から出てくる高温ガスに混合する少なくとも１つの混合器とを備え、混合器は、燃焼室の下流に延びる高温ガス流路において燃焼ガスを案内するように適応されており、混合器は、希釈媒体または空気を混合して燃焼室から出てくる高温ガス流を冷却するために、混合器の側壁から内方を向いた複数の噴射管を有する、ガスタービンエンジンまたは発電プラントの燃焼器配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
好適には、本発明は、１つの燃焼器または２段燃焼器配列を備えるガスタービンエンジンに関する。２段燃焼配列は、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナと、第１の燃焼室と、作動中に第１の燃焼室から出てくる高温ガスに希釈ガスを混合する混合器と、第２の燃焼室とを備える。混合器は、第１の燃焼室への接続のために適応させられた上流端部における入口と、第２の燃焼室への接続のために適応させられた下流端部における出口とを有するダクトを含む、第１の燃焼室と第２のバーナとの間に延びる高温ガス流路において、燃焼ガスを案内するように適応されている。
【０００３】
加えて、作動配列の構成部材は、例えば、ガスタービンエンジンの缶型燃焼器に関する。さらに、作動配列は、燃焼が行われ得る全てのその他のエンジンにも関する。
【０００４】
一例として、発明は、回転輪郭の周囲に配置された複数の缶型燃焼器のパターンを有するガスタービンエンジンに関する。
【０００５】
缶型燃焼器は、自立型の円筒状燃焼室である。それぞれの“缶型燃焼器”は、個々の燃料インジェクタ、イグナイタ、ライナおよびケーシングを有する。圧縮機からの一次空気は、個々の缶型燃焼器へそれぞれ案内され、そこで減速され、燃料と混合され、次いで点火される。圧縮機から二次空気も到来し、二次空気は、ライナの外側へ供給される（ライナの内側では燃焼が生じる）。次いで、二次空気は、通常はライナに設けられたスリットを通って燃焼ゾーン内へ供給され、薄いフィルム冷却によりライナを冷却する。
【０００６】
さらに、複数の缶型燃焼器がエンジンの中心軸線の周囲に配置されており、それらの共通の排気がタービンに供給される。缶型燃焼器は、その設計および試験の容易さから、早期のガスタービンエンジンにおいて最も広く使用されていた（システム全体を試験しなければならないのではなく、１つの缶だけを試験することができる）。缶型燃焼器は、メンテナンスが容易である。なぜならば、燃焼セクション全体ではなく、１つの缶だけを取り外せばいいからである。
【０００７】
焦点を合わせたガスタービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機の下流における複数の缶型燃焼器とを含み、缶型燃焼器の高温ガスはタービンへ送られ、缶型燃焼器は、缶型燃焼器構造に基づき作動する。
【０００８】
加えて、別のガスタービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機の下流における第１の缶型燃焼器配列とを有し、第１の缶型燃焼器配列の高温ガスは、第１のタービンまたは第２の缶型燃焼器配列へ送られ、第２の缶型燃焼器配列の高温ガスは、第２のタービンまたは後続の蒸気サイクルへ送られ、少なくとも１つの缶型燃焼器配列は缶型燃焼器構造に基づき作動する。
【０００９】
さらに、少なくとも１つの缶型燃焼器は、１つまたは複数の配置された予混合バーナまたは準予混合バーナを有する。第１のタービンは、第１の缶型燃焼器配列から作動ガスを受け取るように接続されており、第２の缶型燃焼器配列は、第１のタービンから排出された作動ガスを受け取り、作動ガスを第２のタービンへ供給するように接続されており、第２の缶型燃焼器配列は、第１のタービンの出口から第２のタービンの入口まで流れ方向に延びる燃焼空間を形成する環状ダクトと、自己点火燃焼のために燃料を第２の缶型燃焼器配列へ導入する手段とを有する。
【００１０】
さらに、本発明の装置の作動的使用は、好適には、別のタイプの燃焼器、すなわち環状多筒形燃焼器にも関する。缶型燃焼器のように、缶型環状燃焼器は、自己の燃料インジェクタを備えた別個のライナに設けられた個別の燃焼ゾーンを有する。缶型燃焼器とは異なり、全ての燃焼ゾーンは、共通のリング（環）ケーシングを共有している。各燃焼ゾーンは、もはや圧力容器として機能しなくてよい。燃焼ゾーンは、空気を周方向へ流れさせるライナ穴または接続チューブ若しくは管を介して互いに“連通”していることもできる。環状多筒形燃焼器からの出口流は、概して、より均一な温度分布を有し、これは、タービンセクションによってより好ましい。これはまた、各室が個々のイグナイタを有する必要性をも排除する。１つまたは２つの缶型燃焼器において点火されると、燃焼は他の缶型燃焼器へ容易に広がり、他の缶型燃焼器を点火することができる。
【００１１】
ガスタービンエンジンの燃焼器は少なくとも１つの予混合バーナを有しており、これらは、好適には、欧州特許出願公開第０３２１８０９号明細書および／または欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書に記載の燃焼プロセスおよび対象によって形成されるべきであり、これらの文献は本記載の一体的部分を形成している。特に、前記予混合バーナは、全ての種類の液体および／または気体燃料を用いて作動させることができる。すなわち、個々の缶内に様々な燃料を提供することが容易に可能である。これは、予混合バーナを、様々な燃料を用いて同時に作動させることもできることも意味する。
【００１２】
発明の背景
風または太陽などの不安定な再生可能源による発電が増大していることにより、既存のガスタービンベースの発電プラントは、電力需要のバランスを保ち、電力網を安定させるためにますます利用されている。すなわち、改良された運転柔軟性が要求されている。これは、ガスタービンがしばしばベース負荷設計点よりも低い負荷、すなわちより低い燃焼器入口および燃焼温度で運転されることを意味する。
【００１３】
それと同時に、エミッション制限値および全体的なエミッション許容はより厳しくなっているので、より低いエミッション値で運転し、部分負荷運転時および過渡期間中においても低エミッションを保つことが要求される。なぜならば、これらも、累積エミッション限界の原因であるからである。
【００１４】
従来の燃焼システムは、圧縮機入口質量流量を調節することによってまたは異なるバーナ、燃料段または燃焼器の間における燃料分割を制御することによって、作動条件における可変性に対応するように設計されている。しかしながら、これは新たな要求を満たすには不十分である。
【００１５】
エミッションをさらに減じかつ運転柔軟性を高めるために、２段燃焼が独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書において提案されている。運転条件、特に第１の燃焼室の高温ガス温度に応じて、ガスが第２のバーナ（シーケンシャルバーナとも呼ばれる）へ進入させられる前に高温ガスを冷却する必要がある。この冷却は、第２のバーナにおける、燃料噴射、および第１の燃焼器の高温煙道ガスとの、噴射された燃料の予混合を許容するために有利である。
【００１６】
従来の冷却方法は、主高温ガス流における大きな圧力降下につながる熱交換器構造を必要とするか、または側壁からの冷却媒体の噴射を提案する。側壁からの冷却媒体の噴射のために、大きな圧力降下が必要とされ、このことは、このような燃焼器配列で作動させられるガスタービンの効率にとって不利益であり、流れ全体の制御された冷却が困難である。
【００１７】
国際公開第２０１４／０６３８３５号を参照すると、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナと、第１の燃焼室と、作動中に第１の燃焼室から出てくる高温ガスに希釈ガスを混合する混合器と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを備える、２段燃焼器配列が開示されている。混合器は、第１の燃焼室への接続のために適応させられた上流端部における入口と、第２のバーナへの接続のために適応させられた下流端部における出口とを有するダクトを含む、第１の燃焼室と第２のバーナとの間に延びる高温ガス流路において、燃焼ガスを案内するように適応されている。混合器は、複数の噴射管を有し、複数の噴射管は、希釈ガスを混合して第１の燃焼室から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、混合器の側壁から内方へ延びている。
【００１８】
加えて、国際公開第２０１４／０６３８３５号には、少なくとも１つの圧縮機と、燃焼器配列であって、順次に流体流れ接続されて配置された、第１のバーナと、第１の燃焼室と、作動中に第１の燃焼室から出てくる高温ガスに希釈ガスを混合する混合器と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを備える燃焼器配列と、を備えるガスタービンを作動させる方法が記載されている。混合器は、第１の燃焼室への接続のために適応させられた上流端部における入口と、第２のバーナへの接続のために適応させられた下流端部における出口とを有するダクトを含む、第１の燃焼室と第２のバーナとの間に延びる高温ガス流路において、燃焼ガスを案内するように適応されている。混合器は、希釈ガスを混合して第１の燃焼室から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、ダクトの側壁から内方へ延びている複数の噴射管と、タービンとを有する。希釈ガスは、混合器の横断面の様々な領域内へ混合されるか、または希釈ガスは、混合器の横断面の様々な領域へ希釈ガスを導入するために、噴射孔、および／または第２の噴射管および第１の噴射管を通じて噴射される。
【００１９】
さらに、ヘルムホルツダンパを利用することによる燃焼ダイナミクスの減衰は、ガスタービン分野において営業する全ての企業によって広く利用されており、複数の発明の開示が出願されている。現在の技術水準は、缶型−環状燃焼器へのダンパ適用に焦点を合わせている。缶型燃焼器の周囲にヘルムホルツダンパを採用することは、以下の文献において見ることができる。
【００２０】
米国特許出願公開第２００５／０１６６５９６号明細書には、燃焼器システムの流路内の最も高い音響圧力振幅を有する箇所またはその付近に配置されたときに、音響エネルギによる不安定性を有効に減衰させ、その際、共振器の一部が、約０．１０インチを超える厚さを有するシステムの一セクションと一体である場合にシステムをバイパスする質量空気流の増大を回避する、貫流型共振器が記載されている。共振器の音響減衰性能は、穴の下流のセットを通る体積速度の同位相の成分を、共振器の下流側の面における圧力振動の振幅によって割ったものとして定義される音響的コンダクタンスに関して表されてもよい。音響コンダクタンスの高い値は、高い減衰性能を示している。その結果、共振器の音響コンダクタンスが高いほど、潜在的に損傷を生じる燃焼振動をできるだけ減じるためにガスタービンなどのシステムにおいて要求される個々の共振器がより少なくなり、このような燃焼振動の発生を回避する可能性がより高まる。
【００２１】
米国特許出願公開第２０１１／０２２０４３３号明細書は、以下の解決手段を提供する。この対象の第１の態様は、燃焼領域を規定した円筒状ボディと、燃焼領域と連通した音響ダンパ共振スペースを有する音響部分を有する音響ダンパと、を有する燃焼器である。音響部分は、円筒状ボディの軸方向と交差する方向に延びるように円筒状ボディに沿って設けられている。この態様によれば、音響ダンパ共振スペースを有する共振部分は、円筒状ボディの軸方向と交差する方向、もしくは周方向に延びるように円筒状ボディに沿って設けられているので、音響部分は、周方向において円筒状ボディの特定の領域に集中することなく、周方向で広く配置される。その結果、音響部分は、円筒状ボディの外周に向かって突出することを防止され、燃焼器の外側において必要とされるスペースを減じることができる。つまり、ケーシングを小さくすることができるので、ケーシングを構成するハウジングを小さくすることができる。これにより、例えば、ガスタービンを地上において十分に搬送することができるので、輸送コストを含む製造コストを削減することができる。さらに、円筒状ボディの外周に向かう音響部分の突出が減じられると、燃焼器は、音響ダンパと一緒に容易に抜き出すことができる。つまり、燃焼器のメンテナンスの容易性を高めることができる。上述の態様は、さらに、円筒状ボディを構成しかつ厚さ方向に貫通した複数の貫通孔を有する多孔質プレートと、多孔質プレートをカバーするように多孔質プレートの周囲にかつ多孔質プレートから所定の距離に設けられたカバー部材とによって形成された音響ライナを有してもよく、音響ライナは、音響ライナ共振スペースを有している。そうすることによって、音響ライナによって減衰させることができる周波数領域における振動と、音響ダンパによって減衰させることができる周波数領域における振動とを減衰させることができる。したがって、広い周波数領域の燃焼振動を減衰させることができる。上記構成では、音響部分の少なくとも一部が音響ライナの周方向外側に設けられることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０３２１８０９号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１４／０６３８３５号
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１６６５９６号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１１／０２２０４３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
前記従来技術に、革新的な発明的貢献を導入するために、本発明の基本概念は、混合器の一部をダンパとして利用することである。これは、可変圧力降下混合器を有するという提案された概念を利用することよって行うことができる。これにより、燃焼室の周囲にダンパを有することができる。提案された発明は、混合器の改良された流体動的特徴を導入するという利点も有する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
したがって、提案された発明の基本概念は、混合器プレナム体積の間における１つまたは複数のセパレータ（バッフル）を使用することによって可変圧力降下混合器を提供することである。これは、それぞれの所定の圧力（これは各セパレータを横切る圧力降下による）を有する区画に分割されたプレナムを備える混合器を提供する。混合器の異なる希釈媒体（以下、希釈空気と呼ぶ）管は、グループごとに集められ、これらのグループのそれぞれは、プレナムの異なる区画に流体動的接続されている。これは、各希釈空気管グループを横切る（区画と燃焼室との間の）異なる圧力降下につながる。これにより、ある希釈空気管グループは、高温燃焼ガスにおける良好な進入を有するように十分に高い圧力降下を有し、他のグループは、低温の空気を燃焼室壁部の比較的近くにとどまらせるために十分に小さな圧力降下を有する。
【００２５】
対照的に、ただ１つの混合器プレナムを有する混合器は、管の異なるグループの間に異なる圧力降下を提供することができない。
【００２６】
混合器プレナム体積内の前記セパレータは、異なる区画の音響的な遮断を生ぜしめる。遮断の程度は、セパレータを横切る圧力降下に依存し、高い圧力降下は、より高い音響的遮断を意味する。この音響的遮断の結果、相対的な混合器管を有する異なる区画は、異なる共振周波数を有する。混合器プレナムの共振周波数と一致する周波数で燃焼室において音響的脈動が生じると（例えば、燃焼不安定性により）、フィードバック増幅ループが生じる恐れがあり、これは、燃焼室においてさらに脈動を増強し、その結果、強い希釈空気変動が生じる。これは、燃焼器作動にとって不都合である。
【００２７】
音響的に遮断された区画における混合器プレナムの分離は、ある周波数における音響的脈動が、脈動周波数と一致する共振を有する、相対的な希釈空気管を有する、区画のみを強く励起することを意味する。
【００２８】
つまり、本発明の主な概念は、混合器の少なくとも１つの部分をダンパとして利用することである。
【００２９】
つまり、解決すべき２つの技術的問題が存在する。
【００３０】
第１に、冷却空気は、適切な希釈空気管を通って混合器プレナムから到来する空気によって、混合器壁部の近くに提供されるべきである。この空気流は、混合器チューブまたは管を通る希釈空気の通常の圧力降下よりも大幅に小さな圧力降下を有するべきである。これは、希釈空気の良好な進入が維持されながら、この冷却空気の小さな進入を可能にするためである。
【００３１】
第２に、音響脈動が存在する場合、混合器は、１つの共振器として応答するのではなく、区画分割ごとに１つの、複数（２つ以上）の共振によって特徴付けられる。これは、冷却空気変動と、燃焼室ダイナミクスとの可能な接続を、混合器の一部のみに限定するために有利である。
【００３２】
これらの技術的問題の他に、提案された概念は、缶型燃焼器のライナまたはその周囲に配置することができる広帯域減衰装置の設計を目的とする。このダンパは、基本的に、希釈空気管のグループと、少なくとも１つの区画とから成る。
【００３３】
しかしながら、発明の提案された対象は、混合器の一部がダンパとして機能するように、混合器プレナムの流体動的および音響的特徴を調整する。加えて、本特許は、一部のセクションにおける良好な進入と、燃焼器壁部冷却の向上として機能する他のセクションにおける小さな進入とを同時に有するために、希釈空気の進入の程度を調節することができるように、混合器に対して作動的な自由度を生ぜしめる。
【００３４】
概して、その計画は、多くのガスタービンエンジンの燃焼器において生じる熱音響的な不安定性を減衰させるために対象の発明を利用することである。
【００３５】
さらに、混合器は、噴射管の少なくとも１つのグループを有し、噴射管は、希釈空気を混合して第１の燃焼室から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、混合器の側壁から内方へ延びている。噴射管は、混合器の側壁に沿って周方向に分配されており、噴射管は、混合器の中心へ向けられた円筒形、円錐形またはほぼ円錐形を有する。
【００３６】
例えば、第１のグループの噴射管は、高温ガス流路内への第１の進入深さを有し、第２のグループの第２の噴射管は、第２の進入深さを有し、第３のグループの第３の噴射管は、第３の進入を有する。混合器は、高温ガスを冷却するために作動中に希釈空気が混合されるように配置されている。
【００３７】
さらに、第２のグループの進入深さは、第３のグループの進入深さよりも大きい。逆に、第３のグループの噴射管の数は、第２のグループの噴射管の数よりも多くてもよい。
【００３８】
例えば、噴射管の数は、隣接する噴射管の出口開口の間の距離が同等になるように選択することができる。この文脈で「同等」とは、より大きな進入深さを有するグループの出口開口の間の距離が、より小さな進入深さを有するグループの噴射管の出口開口の間の距離の１〜３倍であることを意味することができる。出口開口の間の距離は、さらに、噴射管の出口直径によって増大させることができる。例えば、この距離は、出口の直径に比例することができる。
【００３９】
さらに、混合器は、高温ガス流れ方向で、同一、同等または異なる進入深さを備える、複数の噴射管の少なくとも１つの列を有しており、混合器は、同一、同等または異なる進入深さを備える、複数の噴射管の複数の列を高温ガス流れ方向で有する。
【００４０】
少なくとも１つの噴射管グループは、混合器の側壁に沿って周方向に分配され、かつ混合器を通流する高温ガスの主流れ方向に対して垂直な平面に関して互い違いの設計を有しており、互い違いは、相対的な噴射管の直径の０．１〜３．５倍である。
【００４１】
第１の列の噴射管の進入深さは、第２の列の進入深さよりも混合器の中心に近く、したがって、第２の列の進入深さは、第３の列の進入深さよりも混合器の中心に近いまたは混合器の中心から遠く、１つの列の噴射管は、ほぼ混合器の中心に向かって延びており、半径方向で互いに逆に配置されている。
【００４２】
噴射管は、その進入深さに沿って、流れる希釈空気を高温ガス流内へ直交またはほぼ直交方向に噴射するために使用される複数の噴射孔を有することができる。さらに、噴射管は、それぞれの進入深さに沿って均一または不均一な円錐形の勾配を有する。
【００４３】
さらに、管から出てくる希釈空気が噴射位置における高温ガス流の方向の流れ成分を有するように、噴射管は、高温ガスの流れ方向に対して９０°未満の角度で高温ガス流れ方向に傾斜させることができる。
【００４４】
区画の数にしたがった噴射管の数は、対応する混合器配列の構成に応じて選択することができる。この文脈における「同等」とは、より大きな進入深さを有するグループに関する出口開口の間の距離が、より小さな進入深さを有するグループに関する距離の１〜３倍に相当することを意味することができる。出口開口の間の距離は、さらに、噴射管の出口直径とともに増大させることができる。
【００４５】
様々な区画に関連したこれらの管の直径、長さおよび数は、所要の局所的質量流量および温度低下が小さな圧力降下で達成されるように、希釈ガスを高温ガス流へ混合するように設計されている。通常、噴射管は、混合前の希釈空気圧力の合計圧力の０．４％〜２％の圧力降下で希釈空気の混合を可能にする。噴射管の入口における小さな圧力降下により、混合前の希釈空気圧力の合計圧力の０．２％〜１％の圧力降下で十分であり得る。入口圧力降下を減じるために、丸みづけられた管入口を使用することができる。
【００４６】
発明の個々の好適な実施の形態の概要
混合器の希釈空気プレナムは、高温ガス流路の周囲に環状を成している。
【００４７】
混合器の希釈空気プレナムは、１つまたは複数のセパレータを有しており、セパレータは、希釈空気プレナムを、対応する数の規則的なまたは個々に形成された区画に分割している。
【００４８】
混合器の１つの区画は、少なくとも１つの噴射管を有する。
【００４９】
混合器の各区画は、各セパレータを横切る圧力降下により、異なる圧力を提供する。
【００５０】
混合器の区画は、混合器の内部の連続的な希釈空気流によって個々に加圧される。
【００５１】
混合器の区画は、第２の希釈空気流によって個々に補充される。
【００５２】
混合器の噴射管は、周方向における規則的または不規則な区切りによって、混合器の側壁から内向きに周方向に配置されている。
【００５３】
混合器の噴射管は、円筒形、円錐形またはほぼ円錐形である。
【００５４】
混合器は、同一、同等または異なる進入深さの、高温ガス流に沿った複数の噴射管列を有する。
【００５５】
混合器の噴射管は、同一、同等または異なる横断面を有する。
【００５６】
１つの列の噴射管は、混合器の中心に向かって延びており、半径方向で互いに逆に配置されている。
【００５７】
混合器の少なくとも１つの噴射管は、高温ガス流に対して傾斜させられている。
【００５８】
混合器の少なくとも１つの噴射管は、その進入深さに沿って、流れる希釈空気を高温ガス流内へ直交またはほぼ直交方向に噴射するために使用する複数の噴射孔を有する。
【００５９】
発明の主な利点は以下のものである。
１．可変圧力降下混合器を使用することによって、混合器の一部を、燃焼室の周囲のダンパとして作用するように使用することができる。
２．より短い混合器配列。
３．より安定した混合器出口プロフィル、すなわち、温度変動におけるより少ない振動。
４．均一な噴射速度、すなわち小さい圧力降下での混合、すなわちより良好な性能。
５．管直径が変化することによるストローハル不安定性の排除、すなわちより安定した燃焼（より少ない脈動、ＢＣ変化をより受けにくい）。
６．提案された発明は、混合器の改良された流体動的特徴を導入するという利点も有する。
７．ダンパとしての混合器の使用。
８．混合器は、異なる区画の音響的な遮断を生ぜしめる。
【００６０】
図面の簡単な説明
開示、その性質およびその利点は、添付の図面を用いて以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】希釈空気を混合するための希釈空気混合器配列を含んだ２段燃焼を用いる、一般的なガスタービンエンジンを示している。
【図２】従来技術による、複数の噴射管を備える希釈空気混合器を示している。
【図３】本発明の希釈空気混合器を示しており、この希釈空気混合器のプレナムは複数の区画に分割されており、各区画はそれぞれ異なる圧力を有する。
【図４】区画と比較して、重ね合わされた希釈空気流を有する、希釈空気混合器に関する代替的な実施の形態を示している。
【図５】様々な希釈空気流を有する希釈空気混合器に関する別の代替的な実施の形態を示している。
【図６】周方向に取り付けられかつ半径方向に延びる複数の噴射管を有する混合器の断面図を示している。
【図７】混合器の別の断面図を示している。
【００６２】
典型的な実施の形態の詳細な説明
図１は、開示による２段燃焼器配列１０４を備えるガスタービンエンジン１００を示している。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１０３と、燃焼器配列１０４と、タービン１０５とを有する。燃焼器配列１０４は、第１のバーナ１１２と、第１の燃焼室１０１と、作動中に第１の燃焼室１０１から出てくる高温ガス１０９（図２参照）に希釈空気を混合する混合器１１５とを有する。混合器１１５の下流において、燃焼器配列１０４は、さらに、第２のバーナ１１３と、第２の燃焼室１０２とを有する。第１のバーナ１１２、第１の燃焼室１０１、混合器１１５、第２のバーナ１１３および第２の燃焼室１０２は、順次、流体流れ接続されて配置されている。燃料１１２を、第１の燃料噴射部１２３によって第１のバーナ１１２へ導入し、圧縮機１０３において圧縮された圧縮空気と混合し、第１の燃焼室１０１において燃焼させることができる。希釈空気は、後続の混合器１１５において混合される。付加的な燃料を、第２の燃料噴射部１２４によって第２のバーナへ導入し、混合器１１５から出た高温ガス１０９（図２参照）と混合し、第２の燃焼室１０２において燃焼させることができる。第２の燃焼室１０２から出た高温ガス１０９（図２参照）は、後続のタービン１０５において膨張させられ、仕事を行う。タービン１０５および圧縮機１０３はシャフト１０６に配置されている。タービン１０５から出た排ガス１０７の残りの熱はさらに、排熱回収ボイラまたは蒸気発生用のボイラ（図示せず）において利用することができる。ここに示された例においては、圧縮機排出ガスが希釈空気として混合される。通常、圧縮機排出ガスは、圧縮された周囲空気１０８である。煙道ガス再循環（図示せず）を備えたガスタービンの場合、圧縮機排出ガスは、周囲空気と再循環された煙道ガスとの混合物である。通常、ガスタービンシステムは、ガスタービン１００のシャフト１０６に連結された発電機（図示せず）を含む。
【００６３】
したがって、提案された設計は、缶型燃焼器のライナまたはその周囲に配置することができる広帯域減衰装置を有する。このダンパは、基本的に、希釈空気管のグループと、少なくとも１つの区画とから成る。
【００６４】
図２は、従来技術による希釈空気混合器１１５を示している。この例では、圧縮機プレナムからの圧縮ガスは、燃焼器ライナに沿って、希釈空気１１０のプレナムとしての接続ダクト１１１内を案内される。接続ダクト１１１から、希釈空気１１０は、様々な長さＬａ〜ｃを有する噴射管１１４ａ〜ｃを通じて混合器内へ噴射される。接続ダクト１１１は、高さＨの横断面を有する。プレナム１１１と燃焼室１１３との間の圧力降下（Ｐplenum−Ｐch）は、希釈空気管１１４ａ〜ｃを通るときの圧力降下に相当し、この圧力降下は全ての希釈空気管において同じである。燃焼室への希釈空気の進入は、圧力降下と、管長さ（進入深さ）とによって駆動される。
【００６５】
希釈空気混合器１１５は、環状の横断面を有するように配置することができる。環状の希釈空気混合器の場合、高さＨは、環状通流部の外壁の直径と、環状通流部の内壁の直径との差である。円筒状の横断面を有する希釈空気混合器（缶型混合器配列）の場合、高さＨは、横断面の直径である。様々な後続配置された噴射管１１４ａ〜ｃの長さＬａ〜ｃは、第１の燃焼室から出てくる高温ガス１０９との、噴射された希釈空気１１０の良好な混合が保証されるように、選択される。
【００６６】
図３は、別の希釈空気１１０（初期圧力Ｐplenumを有する）混合器２００を示している。この混合器２００は、混合器プレナム体積２０４の間に１つまたは複数のセパレータ（バッフル）２０１，２０２，２０３を使用することによって、可変の圧力降下を有する。混合器プレナム体積は、様々な区画２０５，２０６，２０７に分割されている。各区画は、各セパレータ２０１〜２０３を横切る圧力降下により異なる圧力Ｐcomp-1，Ｐcomp-2，Ｐcomp-3を有する。混合器２００の異なる希釈空気管２０８，２０９，２１０は、グループごとに集めることができる。これらの各グループは、混合器空気プレナム２０４の異なる区画に流体接続されている。したがって、個々の管２０８，２０９，２１０を通流する希釈空気は、１つの区画２０５，２０６，２０７内の対応する圧力に関連する圧力Ｐchを有する。前述の圧力Ｐchは、高温ガス流１０９の圧力に能動的に接続されている。
【００６７】
この構成は、区画と燃焼室との間の、各希釈空気管グループを横切る異なる圧力降下につながる。これにより、ある希釈空気管グループは、高温燃焼ガスにおける良好な進入を生じるように十分に高い圧力降下を有し、他のグループは、低温の空気を燃焼室壁部の比較的近くにとどまらせるために十分に小さな圧力降下を有する。
【００６８】
セパレータ２０１〜２０３は、異なる区画２０５〜２０７の音響的な遮断を生ぜしめる。遮断の程度は、セパレータを横切る圧力降下に依存し、すなわち、高い圧力降下は、より高い音響的遮断を意味する。
【００６９】
音響的遮断の結果、相対的な希釈空気管を有する異なる区画２０５〜２０７は、異なる共振周波数を有する。混合器プレナムの共振周波数と一致する周波数で燃焼室において音響的脈動が生じると、フィードバック増幅ループが生じる恐れがあり、これは、燃焼室においてさらに脈動を増強し、その結果、強い希釈空気変動が生じる。
【００７０】
音響的に遮断された区画２０５〜２０７における混合器空気プレナム２０４の分離は、ある周波数における音響的脈動が、音響的脈動の周波数に近い共振周波数を有する相対的な希釈空気管を有する区画のみを励起し、相対的な希釈空気管を有するその他の区画は影響されないことを意味する。
【００７１】
図４は、図３における構成にほぼ対応するが、重ね合わされた空気プレナム２０８が利用可能であり、この重ね合わされた空気プレナム２０８から区画２０９〜２１１が個々に適用される、という相違点を有し、この図における個々の管は、符号２１６，２１７，２１８で示されている。各区画は、各セパレータ２１２〜２１４を横切る圧力降下により、異なる圧力Ｐcompを有する。
【００７２】
図５は、図４における構成にほぼ対応するが、重ね合わされた空気プレナム２０８が利用可能であり、この重ね合わされた空気プレナム２０８から区画２０９〜２１１が個々に適用される、という相違点を有する。各区画は、各セパレータ２１２〜２１４を横切る圧力降下により、異なる圧力Ｐcompを有する。加えて、第２の希釈空気流２１５が、個々に区画２０９〜２１１に適用され、異なる希釈空気管２１６，２１７，２１８における個々の圧力Ｐcompの改良をもたらす。個々の圧力およびそれらの作動に関する説明について、図３が参照される。
【００７３】
図６は、一連の噴射管２２４，２２５が半径方向に取り付けられかつ別のプレナムによって希釈空気流２２０が供給される本発明の好適な実施の形態の基礎を示している。図面では、第１の燃焼器によって発生された高温ガス流は、半径方向に配置された長い噴射管２２４と、それらの間に配置された短い噴射管２２５との間を通って流れる。長い噴射管および短い噴射管の双方は、混合器２２２の中央に向かって半径方向に方向付けられており、長い噴射管２２４は、ほぼ前記混合器の中心まで延びている。混合器の周方向での噴射管２２４，２２５の配置は、均一に提供されているが、不均一な分布も可能である。各噴射管２２４，２２５には、流れた希釈空気２２１を高温ガス流１０９（図４参照）内へ噴射するために使用される多数の噴射孔２２３も設けられている。この混合器２２２の重要な特徴は、噴射管２２４，２２５のそれぞれの半径方向延在に沿ったこのような噴射孔２２３の良好な分布を反映しており、これにより、希釈空気２２０は予め分配され、従って、著しくより短い混合時間および長さを必要とする。要するに、円錐形またはその他のジオメトリを特徴とする噴射管は、横断面全体をカバーするように配置されており、希釈空気は、紙面に対して直交方向の高温ガス流内へ噴射される。
【００７４】
図７は、一連の噴射管２２４が半径方向に取り付けられかつ別のプレナムによって希釈空気流２２０（図６参照）が供給される本発明の別の好適な実施の形態の基礎を示している。図面では、第１の燃焼器によって発生された高温ガス流は、均一な長さを有する半径方向に配置された長い噴射管２２４の間を通って流れる。したがって、噴射管２２４は、図示したように、混合器２２２の中央に向かって半径方向に方向付けられており、ほぼ混合器の中心まで延びている。混合器の周方向での噴射管２２４の配置は、均一に提供されているが、不均一な分布も可能である。各噴射管２２４には、流れた希釈空気２２１を高温ガス流１０９（図４参照）内へ噴射するために使用される多数の噴射孔２２３も設けられている。この混合器２２２の重要な特徴は、噴射管２２４のそれぞれの半径方向延在に沿ったこのような噴射孔２２３の良好な分布を反映しており、これにより、希釈空気流２２０（図６参照）は予め分配され、したがって、著しくより短い混合時間および長さを必要とする。要するに、円錐形またはその他のジオメトリを特徴とする噴射管は、横断面全体をカバーするように配置されており、希釈空気は、紙面に対して直交方向の高温ガス流内へ噴射される。全ての噴射管は同じ長さを有する。
【００７５】
加えて、全ての説明した利点は、明記した実施の形態、方法または組合せだけに限定されるのではなく、開示の範囲から逸脱することなく、その他の代替態様においてまたは単独で使用することもできる。例えば前述のガスタービンエンジンの個々のバーナまたはバーナの複数のグループを作動停止させるために、その他の可能性が選択的に考えられる。さらに、希釈空気、または一般的に希釈媒体は、対応する混合器内へ混合する前に冷却空気冷却器において再冷却することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１００  ガスタービン
１０１  第１の燃焼室
１０２  第２の燃焼室
１０３  圧縮機
１０４  燃焼器配列
１０５  タービン
１０６  シャフト
１０７  排ガス
１０８  圧縮空気
１０９  高温ガス流、通路
１１０  希釈空気
１１１  接続ダクト
１１２  第１のバーナ
１１３  第２のバーナ
１１４ａ  噴射管、希釈空気管
１１４ｂ  噴射管、希釈空気管
１１４ｃ  噴射管、希釈空気管
１１５  混合器配列
２００  混合器配列
２０１  セパレータ（バッフル）
２０２  セパレータ（バッフル）
２０３  セパレータ（バッフル）
２０４  混合器空気プレナム
２０５  区画
２０６  区画
２０７  区画
２０８  重ね合わされた空気希釈プレナム
２０９  セパレータ
２１０  セパレータ
２１１  セパレータ
２１２  区画
２１３  区画
２１４  区画
２１５  第２の希釈空気流
２１６  噴射管、希釈空気管
２１７  噴射管、希釈空気管
２１８  噴射管、希釈空気管
２２０  希釈空気流
２２１  高温ガス流内への希釈空気
２２２  混合器配列
２２３  噴射孔
２２４  噴射管
２２５  噴射管
Ｌａ〜ｃ  様々な噴射管の高さ
Ｈ  環状の希釈空気プレナムの高さ
Ｐch  出口管の圧力
Ｐplemum，Ｐplenum-1，Ｐplenum-2  プレナムの圧力
Ｐcomp-1，Ｐcomp-2，Ｐcomp-3  区画の圧力
【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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【外国語明細書】
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