(57)【要約】【課題】２段燃焼器配列用のミキサ管を備えた混合セクションに関連した冷却及び混合の向上を提案する。【解決手段】順次に流体流れ接続されて配置された、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に希釈ガスを混合するためのミキサ１１７と、第２のバーナ１１３と、第２の燃焼室１０２とを備える２段燃焼器配列１０４に関する。ミキサ１１７は、希釈ガスを混合して、第１の燃焼室１０１から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、混合器１１７の側壁１１９から内方へ延びる噴射管１１４，１１５を有する。フローガイド１１４，１１５ｂは、希釈ガス１１０を噴射管１１５，１１５ａ内へ案内するために接続ダクト１１１及び／又は噴射管１１５，１１５ａに配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段燃焼器配列（１０４）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（１１２）と、第１の燃焼室（１０１）と、作動中に前記第１の燃焼室（１０１）から出てくる高温ガスに希釈ガスを混合するためのミキサ（１１７）と、第２のバーナ（１１３）と、第２の燃焼室（１０２）とを備え、前記ミキサ（１１７）は、前記第１の燃焼室（１０１）と前記第２のバーナ（１１３）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おり、前記第１の燃焼室（１０１）への接続のために適応された、上流端部における入口と、前記第２のバーナ（１１３）への接続のために適応された、下流端部における出口とを有するダクトを含む、２段燃焼器配列（１０４）において、前記ミキサ（１１７）は、希釈ガス（１１０）を混合して、前記第１の燃焼室（１０１）から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、前記ミキサ（１１７）の側壁（１１９）から内方へ突き出た噴射管（１１５，１１５ａ）の少なくとも１つのグループを有しており、前記噴射管（１１５，１１５ａ）は、前記ミキサ（１１７）の前記側壁（１１９）に沿って周方向に分配されて配置されており、前記側壁（１１９）をダクト壁（１２１）が少なくとも部分的に包囲しており、これにより、希釈ガス（１１０）を前記噴射管（１１５，１１５ａ）へ供給するための接続ダクト（１１１）を形成しており、希釈ガス流（１１０）を前記噴射管（１１５，１１５ａ）内へ案内するために前記接続ダクト（１１１）及び／又は前記噴射管（１１５，１１５ａ）にフローガイド（１１４，１１５ｂ）が配置されていることを特徴とする、２段燃焼配列（１０４）。
【請求項２】
前記フローガイド（１１４，１１５ｂ）は、前記噴射管（１１５ａ）内に配置された、該噴射管（１１５ａ）の突出方向に沿って延びる壁部（１１５ｂ）を含む、請求項１記載の２段燃焼器配列。
【請求項３】
前記壁部（１１５ｂ）は、前記ミキサ（１１７）における高温ガス（１０９）の流れ方向に関して前記噴射管（１１５ａ）の横断面の上流端部から所定の距離（ｘ）に配置されており、前記噴射管（１１５ａ）の直径（Ｄ）に対する前記距離（ｘ）の比は、０．２〜０．５である、請求項２記載の２段燃焼配列。
【請求項４】
前記フローガイド（１１４，１１５ｂ）は、噴射管（１１５，１１５ａ）の入口の上方において前記接続ダクト（１１１）に配置されたデフレクタ（１１４）を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項５】
前記デフレクタ（１１４）は、周方向で前記ミキサ（１１７）の周囲に亘って延びた１つのカラー状のボディを有する、請求項４記載の２段燃焼配列。
【請求項６】
前記接続ダクト（１１１）の横断面の高さ（ｈpl）は、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の直径（Ｄ）の２．５倍以下である、請求項１から５までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項７】
前記デフレクタ（１１４）は、前記ダクト壁（１２１）からミキサ側壁（１１９）へ向かって延びる直線的なフランクを有し、該直線的なフランクと前記ダクト壁（１２１）との間の角度（α）が０°〜９０°である、請求項１から６までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項８】
前記デフレクタ（１１４）の始点は、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の入口の上方に配置されており、かつ前記噴射管（１１５，１１５ａ）の横断面の上流端部に対して第１の変位量（ｗ1）だけ希釈ガス（１１０）の流れ方向へずらされており、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の直径（Ｄ）に対する前記第１の変位量（ｗ1）の比は０．２〜０．６である及び／又は前記デフレクタの下流端部は、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の横断面の下流端部に対して第２の変位量（ｗ2）だけ前記希釈ガス（１１０）の流れ方向にずらされて配置されており、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の直径（Ｄ）に対する前記第２の変位量（ｗ2）の比は、０．１〜０．４５である、請求項４から７までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項９】
前記フローガイド（１１４，１１５ｂ）の下流において、前記ミキサ（１１７）の前記側壁（１１９）は、端壁（１２２）によって包囲されており、これにより、前記ミキサ（１１７）の入口セクションを冷却するための環状の端部ダクト（１２５）を形成しており、前記噴射管（１１５，１１５ａ）の直径（Ｄ）に対する前記端部ダクト（１２５）の高さ（ｗ3）の比は、０．０２５〜０．２である、請求項３から８までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項１０】
前記噴射管（１１５，１１５ａ）の外面の少なくとも一部及び／又は前記ミキサ（１１７）の側壁（１１９）の内面の少なくとも一部は、サーマルバリヤコーティング（１２２）で被覆されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の２段燃焼配列。
【請求項１１】
前記噴射管（１１５，１１５ａ）の内面に冷却リブ（１２１）及び／又はピンフィールドが配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の２段燃焼器配列。
【請求項１２】
少なくとも１つの圧縮機（１０３）と、燃焼器と、少なくとも１つのタービン（１０５）とを備えるガスタービンエンジン（１００）において、該ガスタービンエンジンは、請求項１から１１までのいずれか１項記載の２段燃焼器配列（１０４）を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン（１００）。
【請求項１３】
ガスタービン（１００）を運転する方法であって、該ガスタービン（１００）は、少なくとも１つの圧縮機（１０３）と、２段燃焼器配列（１０４）とを備え、該２段燃焼器配列（１０４）は、順次に流体流れ接続されて配置された、第１のバーナ（１１２）と、第１の燃焼室（１０１）と、作動中に前記第１の燃焼室（１０１）から出てくる高温ガスに希釈ガスを混合するためのミキサ（１１７）と、第２のバーナ（１１３）と、第２の燃焼室（１０２）とを備える、２段燃焼器配列（１０４）とを含み、前記ミキサ（１１７）は、前記第１の燃焼室（１０１）と前記第２のバーナ（１１３）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おり、前記第１の燃焼室（１０１）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、前記第２のバーナ（１１３）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み、前記ミキサ（１１７）は、希釈ガス（１１０）を混合して、前記第１の燃焼室（１０１）から出てくる高温の煙道ガスを冷却するために、前記ミキサ（１１７）の側壁（１１９）から内方へ延びる噴射管（１１５，１１５ａ）の少なくとも１つのグループを有し、前記噴射管（１１５，１１５ａ）は、前記ミキサ（１１７）の前記側壁（１１９）に沿って周方向に分配されて配置されており、希釈ガス（１１０）は、前記側壁（１１９）を少なくとも部分的に包囲しているダクト壁（１２１）によって形成された接続ダクト（１１１）を通じて供給される、ガスタービン（１００）を運転する方法において、
前記希釈ガス（１１０）を、前記接続ダクト（１１１）及び／又は前記噴射管（１１５，１１５ａ）に配置されたフローガイド（１１４，１１５ｂ）によって、前記接続ダクト（１１１）から前記噴射管（１１５，１１５ａ）内へ逸らせることを特徴とする、ガスタービン（１００）を運転する方法。
【請求項１４】
前記希釈ガス（１１０）を、前記接続ダクト（１１１）を通じて、第１の流速（ｖ1）で供給し、前記噴射管（１１５，１１５ａ）から第２の流速（ｖ2）でガス流（１０９）へ噴射し、前記第１の流速（ｖ1）に対する前記第２の流速（ｖ2）の比は、２〜１０である、請求項１３記載のガスタービン（１００）を運転する方法。
【請求項１５】
前記希釈ガス（１１０）を、前記接続ダクト（１１１）を通じて第１の流速（ｖ1）で供給し、残りの流れを、前記ミキサ（１１７）の高温ガス（１０９）の入口領域において側壁（１１９）を部分的に包囲する端壁（１２２）によって形成された端部ダクト（１２５）を通じて、第３の流速（ｖ3）で供給し、前記第１の流速（ｖ1）に対する前記第３の流速（ｖ3）の比は、０．３〜３である、請求項１３又は１４記載のガスタービン（１００）を運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器配列内へ希釈ガスを混合するガスタービン用の燃焼器配列に関する。本発明は、加えて、燃焼器配列内へ希釈ガスを混合するガスタービンを運転する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風又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及び燃焼温度で運転されることを意味する。
【０００３】
それと同時に、エミッション制限値及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、部分負荷運転時及び移行中においても低いエミッションを保つことが要求される。なぜならば、これらは、累積エミッション限界の原因でもあるからである。
【０００４】
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又は異なるバーナ、燃料段又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。
【０００５】
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ことが必要となる場合がある。この冷却は、燃料噴射、及び第２のバーナの第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。
【０００６】
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、又は側壁からの冷却媒体の噴射を提案している。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、全体の流れの制御された冷却が困難である。
【０００７】
国際公開第２０１４／０６３８３５号を参照すると、２段燃焼器配列は、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たミキサを有する。ミキサは、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、ミキサの側壁から内方へ延びている。
【０００８】
ミキサは、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、ダクトの側壁から内方へ延びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１４／０６３８３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、２段燃焼器配列用のミキサ管を備えた混合セクションに関連した冷却及び混合の向上を提案することである。ミキサ管の冷却及び混合性能は、ミキサ管用のフローガイドの実現によって改善される。これらの特徴は基本的に、ミキサ管内の流体剥離を回避し、周方向混合流れ分布を向上させることを助ける。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示による２段燃焼器配列は、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ための混合装置と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを備え、ミキサは、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おり、第１の燃焼室への接続のために適応された、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れた、下流端部における出口とを有するダクトを含む。
【００１２】
ミキサは、複数の噴射管（噴射パイプとも呼ばれる）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し、第２のバーナへの適切な入口条件を提供するために、ダクトの壁部から内方へ延びている。２段燃焼器配列は、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、ミキサの側壁から内方へ延びた噴射管の少なくとも１つのグループを有する。各グループの噴射管は、ミキサの側壁に沿って周方向に分配されて配置されている。ダクト壁は、ミキサの側壁を少なくとも部分的に包囲しており、これにより、ミキサ側壁を冷却し、かつ希釈ガスを噴射管へ供給するための接続ダクトを形成している。ミキサは、さらに、希釈ガス流を噴射管内へ案内するために、接続ダクト及び／又は噴射管内にフローガイドを有する。
【００１３】
本発明の特徴に関するミキサ概念は、希釈及び冷却空気を第１の燃焼器からの高温ガス流に混合することによって適切な２段バーナ入口分布を生ぜしめるために使用される。概して、ミキサ壁部及びミキサジェットチューブは、対流冷却技術及び／又はしみ出し冷却技術及び／又はインピンジ冷却技術によって冷却される。
【００１４】
補助的なしみ出し冷却技術は、ミキサ壁部の冷却が良好であるだけでなく、再熱燃焼のための適切な入口高温ガス分布を提供するために主高温ガス流との冷却空気の混合をも提供するため、ミキサにおいて適用される。
【００１５】
したがって、本発明の焦点とされる課題は、第１の燃焼室と第２のバーナとの間の希釈ガス混合のための混合セクションを備える、２段燃焼器配列を提案することである。第２のバーナのための適切な流入条件を提供するために、希釈ガスが混合セクションにおいて混合される。特に、高温ガスは、所定の温度分布まで冷却される。
【００１６】
発明に関する付加的な発見：
高い局所的な入口温度の結果、大量のエミッション（特にＮＯｘ、ＣＯ及び未燃焼炭化水素）及び／又は第２のバーナにおける逆火が生じ得る。逆火及びＮＯｘは、高い入口ガス温度又は高い酸素濃度により、噴射された燃料のための自己点火時間が短縮されることにより誘発され、これは、より早い点火（逆火につながる）又は燃料・空気混合のための時間の短縮を生じ、燃焼中に局所的なホットスポットを生じ、結果的にＮＯｘエミッションの増大につながる。低温領域は、自己点火時間が長くなることにより、ＣＯエミッションを生じ得る。これは、ＣＯからＣＯ2への燃焼のための時間を短縮し、低下した局所的火炎温度は、さらにＣＯからＣＯ2への燃焼を減速させる。最後に、局所的なホットスポットは、ミキサの下流の部分における過熱につながり得る。
【００１７】
さらに、ガスタービン効率及び性能を高めるために、再熱バーナを循環する高温ガスの温度を高めるべきである。このような温度上昇により、ミキサに関する全てのパラメータの間で、デリケートな平衡状態が生じる。
【００１８】
空力的観点からの別の重要な要求は、高温ガス経路及び希釈ガス供給における最小限の圧力損失である。両者は、このような２段燃焼器配列により作動するガスタービンの性能に影響を与える可能性がある。希釈ガスの圧力損失は、接続ダクトに配置されたフローガイドによって減じることができる。
【００１９】
通常、しかしながらいかなる限定もなく、噴射管は、混合前の希釈ガス圧力の合計圧力の０．４％〜２％の圧力降下で希釈ガスの混合を可能にする。例えばフローガイドを用いることによる、噴射管の入口における小さな圧力降下により、混合前の希釈ガス圧力の合計圧力の０．２％〜１％の圧力降下で十分であり得る。
【００２０】
１つの実施の形態によるミキサのフローガイドは、噴射管内に配置されかつ噴射管の突出方向に沿って延びる壁部を有する。
【００２１】
壁部は、ミキサにおける高温ガス流に関して噴射管の横断面の上流端部から間隔を置いて配置されている。別の実施の形態によれば、噴射管の直径に対するこの間隔の比は、０．２〜０．５である。
【００２２】
２段燃焼配列の別の実施の形態によれば、フローガイドは、噴射管の入口の上方において接続ダクトに配置されたデフレクタを含む。
【００２３】
さらに別の実施の形態によれば、デフレクタは、周方向でミキサの周囲に亘って延びた１つのカラー状のボディを含む。
【００２４】
ミキサは、好適には、接続ダクトが環状流れセクションを有するように配置されており、環状流れセクションの高さは、接続ダクトのダクト壁の直径と、ミキサの側壁の直径との差である。
【００２５】
デフレクタの半径方向高さ（ｈde）に関するデフレクタの寸法は、接続ダクトの流れ横断面（ｈpl）に依存する。
【００２６】
半径方向デフレクタ高さ（ｈde）は、プレナム高さ（ｈpl）から接続ダクトの残りの流れ横断面の高さ（ｗ3）を引いたものに等しい。接続ダクトの流れ横断面（ｈpl）の高さは、対応するバーナの下流の第１の燃焼器の高温ガス流内へ延びる噴射管の直径（Ｄ）の≦２．５倍に相当する。高温ガス流内への管の長さ（Ｌ）は、噴射された希釈ガスと、第１の燃焼室から出てくる高温ガスとの良好な混合が保証されるように選択される。
【００２７】
１つの実施の形態によれば、デフレクタは、ダクト壁からミキサ壁まで延びる直線的なフランクを有する。直線的なフランクとダクト壁との間の角度は、０°〜９０°、好適には１０°〜７０°、より好適には２５°〜６０°であってよい。
【００２８】
流れの逸れを最適化し、希釈ガスの圧力損失を最小限に減じるために、デフレクタ、例えば直線的なフランクの始点は、噴射管の入口の上方に配置されており、かつミキサにおける高温ガスの流れ方向で、さらに別の実施の形態における噴射管の横断面の上流端部に関して第１の変位量だけずらされている。噴射管の直径に対する第１の変位量の比は、０．２〜０．６である。これに代えて又は組み合わせて、デフレクタ、例えば直線的なフランクの下流端部は、噴射管の下流に配置されており、希釈ガスの流れ方向で、噴射管の横断面の下流端部よりも第２の変位量だけずらされている。噴射管の直径に対する第２の変位量の比は、０．１〜０．４５である。
【００２９】
別の実施の形態によれば、２段燃焼配列は、ミキサの入口セクション、すなわち高温ガスがミキサに流入するミキサのセクションを冷却するための環状端部ダクトを形成する、フローガイドの（接続ダクトにおいて流れる冷却／希釈ガスに関して）下流のミキサセクションの側壁を包囲する端壁を有する。希釈ガス噴射を最適化するために、噴射管の直径（Ｄ）に対する端部ダクトの高さの比は、０．０２５〜０．２である。
【００３０】
別の実施の形態によれば、２段燃焼器配列は、少なくとも１つのデフレクタを備えた複数の連続して配置された噴射管を備えたミキサを含むことができ、前記デフレクタは、カスケード原理に基づいて、噴射管の間又は希釈ガス流に沿って最後の噴射管の下流に配置されており、各デフレクタのために、希釈ガスを混合して、第１の燃焼室から出てくる高温煙道ガスを冷却するために、対応する噴射管が上流に配置されている。
【００３１】
連続配列により、各グループの噴射管は、ミキサの側壁に沿って周方向に分配されて配置されており、第１のグループの第１の噴射管は高温ガス流路内への第１の突入深さを有しており、第２のグループの第２の噴射管は突入深さを有しており、第３のグループの第３の噴射管は第３の突入深さを有している。
【００３２】
このような実施の形態では、しかしながら排他的にではなく、デフレクタ又はデフレクションガイドは、ミキサの周方向に配置された１つのスリーブ状ボディから成ってもよい。
【００３３】
２段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、ミキサ壁部は、少なくとも部分的にしみ出し冷却される。希釈ガスの混合により、ミキサにおける高温ガスの平均温度は、噴射管の下流において低下させられる。通常、減じられた冷却要求及びより少ないしみ出し冷却が予想される。しかしながら、局所的に増大した乱流により、噴射管の下流における側壁における熱負荷が増大する恐れがある。
【００３４】
したがって、第１の噴射管の下流の第１のしみ出し冷却される領域において、１つの配列として又はデフレクタガイドに関連して、及び後続の噴射管の配列の上流において、単位面積当たりのしみ出し冷却穴の数を増加することができる。
【００３５】
好適にはデフレクションガイドに関連した最後の噴射管の下流において、高温ガス温度は、しみ出し冷却が不要である又はその他の冷却法が適用されるレベルまで低下させることができる。これにより、しみ出し冷却を有さない後続の領域を、ミキサの出口に向かって配置することができる。
【００３６】
別の実施の形態によれば、第１のしみ出し冷却される領域は、台形である。底辺は、高温ガスの主流れ方向に対して垂直である。台形の第１の領域の下流底辺は、台形の第１の領域の上流底辺よりも長い。
【００３７】
台形の第１の領域の上流底辺の長さは、例えば、第１の噴射管の直径の１〜２倍のオーダであることができる。
【００３８】
第１の領域は、例えば、二等辺台形の形状を有する。
【００３９】
別の実施の形態では、しみ出し冷却穴は、０．５〜１．２ｍｍの直径を有する。さらに、隣接するしみ出し冷却穴の間の距離は、第１の領域においては３〜１０ｍｍであり、第２の領域においては６〜２０ｍｍである。
【００４０】
２段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、第１の噴射管は、このような配列が設けられている場合、デフレクションガイドを備える又は備えない別の噴射管の上流に配置されている。
【００４１】
このような配列は、例えば１つの管として、又はデフレクションガイドを備えた管として、又は希釈ガス流を分割するための壁部を備えた管として、又は流体剥離を防止するための壁部を備えた管として、異なる設計の噴射管によって噴射された希釈ガスの間の最小限の干渉で、ミキサの複数の異なる領域への希釈ガスの噴射を可能にする。
【００４２】
さらに、対応するデフレクションガイドを備えた複数の噴射管を有する配列の場合、第１の噴射管は第２の噴射管の下流に配置することができる。より短い噴射管がより長い噴射管の上流にあるような配列では、短い噴射管によって噴射された希釈ガスは、後続のより長い噴射管の熱負荷を低減する。特に長い噴射管が、上流の噴射管の希釈ガスの流路にある場合、長い噴射管は、低温シャワー効果により冷却される。
【００４３】
２段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、デフレクションガイドに関連した第１の噴射管の直径は、第２の噴射管の直径よりも大きい。さらに、組み合わせて又は代替的に、第２の噴射管の直径は、第３の噴射管の直径よりも大きくてよい。
【００４４】
噴射管が、異なる機能を備えた壁部を有するならば、同じ設計を提供することもできる。
【００４５】
ミキサの噴射管及びデフレクションガイドは、第１の燃焼室から出てくる高温ガスに曝される。管及びデフレクションガイドは、本来、管を通流する希釈ガスによって冷却される。しかしながら、管及びデフレクションガイドの寿命を延ばすために、管及びデフレクションガイドの温度を低下させるための付加的な手段を提供することができる。
【００４６】
したがって、２段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、噴射管及びデフレクションガイドの外面の少なくとも一部は、サーマルバリヤコーティングで被覆されている。さらに、ミキサの側壁の内面の少なくとも一部は、壁の冷却要求を減じ、これにより、ミキサから出てくる高温ガス流における低温の周辺領域を回避するために、サーマルバリヤコーティングで被覆することができる。
【００４７】
１つの実施の形態では、管及びデフレクションガイドの内側における熱伝達率が高められている。熱伝達の増強のために、噴射管及びデフレクションガイドの内面に冷却リブ及び／又はピンフィールドを配置することができる。
【００４８】
別の実施の形態では、管から出てくる希釈ガスが噴射位置において高温ガス流の方向の流れ成分を有するように、デフレクションガイドに関連した噴射管は、高温ガスの流れ方向に対して９０°未満の角度で傾斜させられている。
【００４９】
管から出てくる希釈ガスの軸方向成分が、噴射位置において高温ガス流の軸方向の流速と等しいか又は±５０％以内であるように、噴射管を所定の角度で傾斜させることができる。
【００５０】
２段燃焼器配列の他に、このような２段燃焼器配列を備えるガスタービンは、本開示の主体である。このようなガスタービンは、次々に流体流れ接続されて配置された、少なくとも圧縮機と、２段燃焼器配列とを備え、燃焼器配列は、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ための混合装置と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを備え、ミキサは、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おり、高温ガス流路は、第１の燃焼室への接続のために適応された、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れた、下流端部における出口とを有するダクトを含み、さらに少なくとも１つのタービンを備える。
【００５１】
ガスタービンの他に、このようなガスタービンを運転する方法は、本開示の主体である。高温ガスが冷却されるように、ミキサにおいて希釈ガスを高温ガスに混合することができる。１つの実施の形態によれば、希釈ガスは、様々な噴射管を介してミキサの横断面の様々な領域へ混合される。
【００５２】
１つの実施の形態では、第１の噴射管は、希釈ガスを高温ガス流路の中央領域に向かって混合するように配置されている。
【００５３】
ガスタービンを運転する方法の別の実施の形態によれば、希釈ガスは、接続ダクトを通じて第１の流速で供給され、噴射管から第２の流速でガス流へ噴射される。第１の流速に対する第２の流速の比は、２〜１０であってよい。特に、この比は、大きな圧力損失を回避するために３〜８であってもよい。
【００５４】
方法のさらに別の実施の形態では、希釈ガスは、接続ダクトを通じて第１の流速で供給され、残りの流れは、ミキサの高温ガス入口において側壁を部分的に包囲している端壁によって形成された端部ダクトを通じて、第３の流速で供給される。第１の流速に対する第３の流速の比は、０．３〜３であってよい。
【００５５】
燃焼器壁及び／又は混合セクションの側壁を冷却するために、しみ出し冷却が用いられてもよい。
【００５６】
第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、缶型−缶型燃焼器構造で配置されてよく、すなわち、第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、缶型燃焼室である。
【００５７】
第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、缶型−環状燃焼器構造で配置されてよく、すなわち、第１の燃焼室は環状燃焼室として配置されており、第２の燃焼室は缶型燃焼室として配置されている。
【００５８】
第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、環状−缶型燃焼器構造で配置されてよく、すなわち、第１の燃焼室は缶型燃焼室として配置されており、第２の燃焼室は環状燃焼室として配置されている。
【００５９】
第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、環状−環状燃焼器構造で配置されてよく、すなわち、第１の燃焼室及び第２の燃焼室は、環状燃焼室である。
【００６０】
開示、その性質及びその利点は、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】希釈ガスを混合するためのミキサを備える、２段燃焼を用いる一般的なガスタービンを示している。
【図２】フローガイドに関連した噴射管を備えたミキサを備える２段燃焼器配列を示している。
【図３】希釈ガスを噴射管内へ供給するための接続ダクトに配置されたデフレクタの一例をより詳細に示している。
【図４】希釈ガスを噴射管内へ供給するための接続ダクトに配置されたデフレクタの別の例をより詳細に示しており、噴射管は、流れを噴射管内へ案内するための壁を有する。
【図５】しみ出し冷却を備えた環状構造におけるミキサのセクションを示している。
【発明を実施するための形態】
【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。ガスタービンは、圧縮機１０３と、２段燃焼器配列１０４と、タービン１０５とを有する。２段燃焼器配列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に希釈ガスを混合するためのミキサ１１７とを有する（図２参照）。ミキサ１１７の下流において、２段燃焼器配列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、ミキサ１１７、第２のバーナ１１３及び第２の燃焼室１０２は、順次、流体流れ接続して配置されている。燃料を、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。希釈ガスは、後続のミキサ１１７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、ミキサ１１７から出た高温ガスと混合し、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及び圧縮機１０３はシャフト１０６に配置されている。
【００６３】
タービン１０５から出た排ガス１０７の残りの熱はさらに、蒸気を発生するために、排熱回収蒸気発生器又はボイラ（図示せず）において利用することができる。
【００６４】
ここに示された例においては、圧縮排出ガスは希釈ガスとして混合される。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。
【００６５】
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。
【００６６】
図２は、図１の拡大されたセクションとしてミキサ１１７の典型的な実施の形態を示している。この例では、圧縮機プレナム（図１を参照すると、圧縮機１０３の下流に設けられている）からの圧縮ガス１０８は、燃焼器ライナに沿って、接続ダクト１１１内を、希釈ガス１１０として案内される。接続ダクト１１１から、希釈ガス１１０は、デフレクタ又はデフレクションガイド１１４と関連した噴射管１１５によってミキサ１１７内へ噴射される。ミキサ１１７は、流れ条件に適応させられた高さを備える横断面を有する。
【００６７】
ミキサ１１７は、環状の横断面を有するように配置することができる。環状のミキサの場合、高さは、環状通流部のダクト壁１２１の直径と、環状通流部の側壁１１９の直径との差である。円筒状の横断面を有するミキサ又はミキサ配列の場合、高さは、横断面の直径である。噴射管１１５の長さＬは、噴射された希釈ガス１１０と、第１の燃焼室１０１（図１参照）から出てくる高温ガスとの良好な混合が保証されるように選択される。
【００６８】
デフレクタ１１４は、ミキサの周方向に配置された１つのカラー状ボディから成り、デフレクタ１１４は、希釈ガス１１０の流れ方向に対して９０°未満の角度で傾斜させられている。
【００６９】
デフレクタとプレナム壁部との間の体積１１８は、燃焼脈動を減衰させるダンパとして機能することができる。減衰のために、体積１１８は、ネック（図示せず）によって、ミキサ１１７又は第１の燃焼室１０１における高温ガス流１０９に接続することができる。ダンパの共振周波数に応じて、体積１１８を複数のより小さな体積に分割することができる。
【００７０】
図３は、図２の領域ＩＩＩ，ＩＶのデフレクタ１１４をより詳細に示している。直線的なフランクを備えるデフレクタ１１４は、噴射管１１５の入口の上方に配置されている。デフレクタ１１４は、ダクト壁１２１から延びており、デフレクタの始点は、希釈ガス１１０の流れ方向で、噴射管１１５の横断面の上流端部から第１の変位量ｗ1だけずらされている。デフレクタの直線的なフランクは、噴射管１１５の横断面の下流端部を超えて延びており、希釈ガス１１０の流れ方向で、噴射管１１５の横断面の下流端部から第２の変位量ｗ2だけずらされている。デフレクタ１１４の下流において、ミキサ１１７の側壁１１９は、端壁１２２によって包囲されており、ミキサ１１７の入口セクションを冷却するための環状端部ダクト１２５を形成している。
【００７１】
接続ダクト１１１の半径方向高さｈplに対するデフレクタ１１４の高さｈdeの寸法は、接続ダクトの流れ横断面積に依存する。
【００７２】
図４は、図３に基づく。加えて、図４の例では、ミキサ１１７の噴射管１１５ａは、噴射管１１５ａの長手方向全体に沿って配置された壁部１１５ｂを有する。この壁部は、噴射管１１５ａの横断面の中央の外側又はほぼ外側に配置されている。この配列は、１つの噴射管に関連して設けられるか又は上述のデフレクタ１１４に関連して影響してよい。したがって、壁部１１５ｂは、噴射管１１５ａを２つのセクションに分割している。これは、噴射管１１５ａ内の流体剥離を回避する。ミキサにおける高温ガス流に関する噴射管の上流端部における噴射管１１５ａの内面までの壁部１１５ｂの距離ｘは、ｘ＝０．１Ｄ〜０．５Ｄの値を有する（Ｄ＝噴射管の直径）。壁部１１５ｂを備えた噴射管１１５ａの横断面Ａ−Ａは、図４ａに示されている。この例では、噴射管１１５は円形の横断面を有しており、壁部１１５ｂは、噴射管１１５ａの円形の壁部との直線の第１の交差箇所から、噴射管１１５ａの円形の壁部との直線の第２の交差箇所まで延びる平面である。壁部１１５ｂの平面は、接続ダクト１１１における希釈ガス１１０の流れ方向に対して垂直である。噴射管は、例えばだ円形又は滴形などの非円形の横断面を有することもできるか、又は高温ガス流における圧力降下を低減する又は高温ガス流を案内するために空力的輪郭を有することもできる。噴射管１１５ａ内に延びる壁部１１５ｂは、平坦な壁部に限定されるわけではなく、例えば、湾曲した又は円弧状の横断面を有することもできる。
【００７３】
図５は、缶型燃焼器構造におけるミキサ１１７のセクションの一例を示している。図５は、円筒状の側壁１１９の断片を示している。噴射管１１５は、高温ガスの主流れ方向１０９に関して、円筒形側壁１１９にグループごとに配置されている。周方向で隣接する噴射管１１５は、高温ガス流れ方向に対して垂直な平面に関して、高温ガスの主流れ方向１０９で所定の寸法だけ交互にずらされており、そのずれの寸法は、噴射管の直径の０．１〜３．５倍である。高温ガスの主流れ方向１０９に沿った、噴射管の連続して配置されたグループの配列を提供することができる。
【００７４】
噴射管１１５への入口は、噴射管１１５に進入する希釈ガスの圧力損失を減じるように丸みづけられている（図２〜図４参照）。
【００７５】
ミキサの側壁１１９はしみ出し冷却される。しみ出し冷却穴１２７は、側壁１１９の大きな領域に亘って分配されている。（流れ方向で）各第１の噴射管１１５の下流には、台形の第１の領域１３０が設けられている。壁部の均一に冷却される第２の領域１２６は、噴射管１１５の第１のグループの上流に延びている。第１の領域１３０は、第２の領域１２６よりも、しみ出し冷却穴１２７のより高い密度を有する。第１の領域１３０は、二等辺台形の形状を有する。短い方の底辺は、第１の噴射管１１５の中央から、高温ガスの主流れ方向１０９に対して垂直な両方向に延びている。台形の斜辺は、通常、高温ガスの主流れ方向１０９に対して約３０°〜４５°の角度を有する。この例では、第１の領域１３０は、高温ガス１０９の主流れ方向で、後続の噴射管１１５の上流側まで延びている。
【００７６】
最後の噴射管１１５の下流において、高温ガス温度は、しみ出し冷却が不要である又はその他の冷却法が適用されるレベルまで低下させることができる。しみ出し冷却を行わない第３の領域１３１が、ミキサ１１７の出口側に配置されて示されている。
【００７７】
しみ出し冷却穴１２７は、０．５〜１．２ｍｍの直径を有することができ、隣接するしみ出し冷却穴１２７の間の距離は、第１の領域１３０においては３〜１０ｍｍ、第２の領域１２６においては６〜２０ｍｍであってよい。
【００７８】
側壁１１９の内面は、サーマルバリヤコーティング１２８によって保護されている。加えて、噴射管１１５の外面は、サーマルバリヤコーティング１２８によって保護されている。
【００７９】
熱伝達を高め、噴射管１１５の冷却を高めるために、噴射管１１５の内面にリブ１２０が設けられている。
【００８０】
全ての説明した利点は、明記した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、その他の組合せにおいて又は単独で使用することもできる。例えば個々のバーナ又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、希釈ガスは、ミキサにおける混合の前に冷却空気クーラにおいて再冷却することができる。フローガイド１１４，１１５ｂのさらに異なる組合せが可能であり、例えば、フローガイドとしての壁部１１５ｂを備えた噴射管のグループの後に、（すなわち接続ダクト１１１における希釈ガス１１０の方向で）噴射管入口の上方において接続ダクト１１１に配置されたデフレクタ１１４を備えた噴射管１１５のグループを配置することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１００  ガスタービン
１０１  第１の燃焼器
１０２  第２の燃焼器
１０３  圧縮機
１０４  ２段燃焼器配列
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
１１０  希釈ガス
１１１  接続ダクト
１１２  第１のバーナ
１１３  第２のバーナ
１１４  デフレクタ
１１５  噴射管
１１５ａ  噴射管
１１５ｂ  壁部
１１６  残留流れ横断面
１１７  ミキサ
１１８  体積
１１９  側壁
１２０  リブ
１２１  ダクト壁
１２２  端壁
１２３  第１の燃料噴射
１２４  第２の燃料噴射
１２５  端部ダクト
１２６  第２の領域
１２７  しみ出し冷却穴
１２８  サーマルバリヤコーティング
１３０  第１の領域
１３１  第３の領域
Ｄ  噴射管の直径
Ｌ  噴射管の長さ
ｈde  デフレクタの半径方向高さ
ｈpl  接続ダクトの流れ横断面
ｗ1  第１の変位量
ｗ2  第２の変位量
ｗ3  端部ダクトの高さ
ｖ1  第１の流速
ｖ2  第２の流速
ｖ3  第３の流速
ｓ  ずれ
ｘ  距離
【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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【外国語明細書】
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