(57)【要約】【課題】ガスタービンシステムを提供する。【解決手段】ガスタービンシステム（１０）は、ガスタービンエンジン（１２）によって生成された排気ガス（４６）を処理することができる排気処理システム（１４）を含み、排気処理システム（１４）は、ガスタービンエンジン（１２）のタービン（２２）から排気ガス（４６）を受け取ることができ、かつ、内側環状壁（９８）と外側環状壁（１００）との間に配置された環状通路（１０４）を有する排気ディフューザ（５４）と、排気ディフューザ（５４）内に配置された空気噴射組立体（６８）とを含む。空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の環状通路（１０４）内に配置され、かつ、排気ディフューザ（５４）の第１の混合領域（１１５）に冷却流体（７０）を導くことができる流体噴射孔（１２８）を含む１以上の空気噴射導管（１２０）を含む。【選択図】図１
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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（１２）によって生成された排気ガス（４６）を処理するように構成された排気処理システム（１４）を含むガスタービンシステム（１０）であって、排気処理システム（１４）は、ガスタービンエンジン（１２）のタービン（２２）から排気ガス（４６）を受け取るように構成され、内側環状壁（９８）と外側環状壁（１００）との間に配置された環状通路を有する排気ディフューザ（５４）と、排気ディフューザ（５４）内に配置された空気噴射組立体（６８）とを含み、空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の環状通路内に配置され、排気ディフューザ（５４）の第１の混合領域（１１５）に冷却流体（７０）を導くように構成された流体噴射孔（１２８）を含む１以上の空気噴射導管（１２０）を含む、ガスタービンシステム（１０）。
【請求項２】
排気ディフューザ（５４）は中空支柱（１１２）を含み、１以上の空気噴射導管（１２０）のうちの少なくとも１つは、中空支柱（１１２）に結合される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の中心本体（９６）の下流側端部（１１４）に配置された中央ハブ（１１６）を含み、中心本体（９６）は、内側環状壁（９８）を画成する、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
１以上の空気噴射導管（１２０）は、中央ハブ（１１６）から離れて外側環状壁（１００）に向かって半径方向（８４）に延在する複数の空気噴射導管（１２０）を含み、複数の空気噴射導管（１２０）のうちの空気噴射導管（１２０）は、排気ディフューザ（５４）の中心軸線（９０）の周りで円周方向（８６）に離間して配置される、請求項３に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
中央ハブ（１１６）は、中央ハブ（１１６）の下流側先端部に配置された１以上の空気噴射孔（１２８）を含み、１以上の空気噴射孔（１２８）は、１以上の空気噴射導管（１２０）のうちの少なくとも１つに流体結合される、請求項３に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
中央ハブ（１１６）の直径（１６４）は、排気ディフューザ（５４）の下流側方向（５０）に減少する、請求項３に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
流体噴射孔（１２８）の寸法は、それぞれの空気噴射導管（１２０）の半径方向長さに沿って変化する、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
流体噴射孔（１２８）の各々の中心軸線（９０）は、排気ガスディフューザ（５４）の中心線軸に対して交差するように配向されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
排気ディフューザ（５４）の外側環状壁（１００）に結合された追加の空気噴射組立体（１３４）を含み、追加の空気噴射組立体（１３４）は、排気ディフューザ（５４）の中心軸線（９０）の周りで円周方向（８６）に配置された空気通路を含み、追加の空気噴射組立体（１３４）は、第１の混合領域（１１５）の下流側にある排気ディフューザ（５４）の第２の混合領域（１４０）内へ追加の冷却流体（７０）を導くように構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、タービンシステムに関し、より具体的には、タービンシステムによって生成された排気ガスの流れに冷却空気を噴射するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、通常、圧縮機、燃焼器、及びタービンを有する１以上のガスタービンエンジンを含む。燃焼器は、燃料と圧縮空気との混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを生成するように構成され、次に高温燃焼ガスがタービンのブレードを駆動する。ガスタービンエンジンにより生成された排気ガスは、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）、酸化炭素（ＣＯx）、及び未燃焼炭化水素などの特定の副生成物を含むことがある。一般に、排気ガスを大気中に放出するのに先立って、排気ガス中の副生成物の量を除去又は実質的に減少させることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８５９６０７３号明細書
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求する本発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本発明の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本発明は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、或いは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態では、ガスタービンシステムは、ガスタービンエンジンによって生成された排気ガスを処理することができる排気処理システムを含み、排気処理システムは、ガスタービンエンジンのタービンから排気ガスを受け取ることができ、かつ、内側環状壁と外側環状壁との間に配置された環状通路を有する排気ディフューザと、排気ディフューザ内に配置された空気噴射組立体とを含む。空気噴射組立体は、排気ディフューザの環状通路内に配置され、かつ、排気ディフューザの第１の混合領域に冷却流体を導くことができる流体噴射孔を含む１以上の空気噴射導管を含む。
【０００６】
第２の実施形態では、排気ディフューザは、排気ディフューザの長さの少なくとも一部を延長する中心本体と、中心本体を円周方向に取り囲む外側環状壁とを含む。外側環状壁は、ガスタービンエンジンのタービンから排気ガスを受け取ることができる環状通路を画成する。排気ディフューザはまた、中心本体の下流側の排気ディフューザの領域内に冷却流体を供給することができる空気噴射組立体を含む。
【０００７】
第３の実施形態では、ガスタービンシステムは、排気ディフューザ内に配置された空気噴射組立体を含む。空気噴射組立体は、排気ディフューザの内側環状壁と外側環状壁との間に配置された複数の空気噴射導管を含み、空気噴射組立体は、ガスタービンエンジンで発生した排気ガス流を冷却するために、排気ディフューザに冷却流体を供給することができる。
【０００８】
本発明のこれらの、並びに他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態による、排気ガスを冷却するための空気噴射特徴部を含むガスタービンシステムのブロック図である。
【図２】本開示の実施形態による、空気噴射特徴部を有する図１のガスタービンシステムの排気ディフューザの線２−２に沿った断面図である。
【図３】本開示の実施形態による、空気噴射組立体を含む図２の排気ディフューザの斜視図であり、空気噴射組立体は、排気ディフューザの中空支柱に固定された空気噴射導管を含む。
【図４】本開示の実施形態による、図３の空気噴射組立体の空気噴射導管の一部の実施形態の切り欠き斜視図であり、空気噴射導管は、空気噴射導管の長さに沿って異なる直径を有する空気噴射孔を含む。
【図５】本開示の実施形態による、線５−５に沿った図３の空気噴射組立体の線５−５に沿った空気噴射導管の一部の実施形態の断面図であり、空気噴射導管は、排気ディフューザの軸方向に可変な直径を有する空気噴射孔を含む。
【図６】本開示の実施形態による、図３の空気噴射組立体の線６−６に沿った空気噴射導管の実施形態の断面図であり、空気噴射導管は、排気ガスディフューザの中心線軸に対して異なる角度で配向された空気噴射孔を有する。
【図７】本開示の実施形態による、曲面を有する中央ハブを有するマニホールドを含む図３の空気噴射システムの実施形態の詳細な斜視図である。
【図８】本開示の実施形態による、図３の空気噴射組立体を使用して排気ディフューザ内の排気ガスを冷却する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で、本発明の１以上の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリング又は設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連及び事業関連の制約条件への対応など実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製造、及び製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、単数の表現及び「前記」は１以上の要素があることを意味するものである。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。
【００１２】
本実施形態は、一般的に、ガスタービンシステムで発生した排気ガス（排ガス）を冷却する又は和らげるための技術を対象とする。例えば、ガスタービンシステムでは、１以上のガスタービンエンジンは、燃料／酸化剤混合気を燃焼させて、各々が複数のブレードを有する１以上のタービン段を駆動するための燃焼ガスを生成することができる。燃焼される燃料の種類及び種々の燃焼パラメータなどのいくつかの要因に応じて、燃焼プロセスで生じる燃焼生成物は、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、及び未燃炭化水素を含むことができる。しばしば、ガスタービン発電プラントなどのガスタービンシステムによって放出される排気ガスの組成物は、厳しい規制要件の対象となり得る。非限定的な例として、規制により、システムによって放出される排気ガスのＮＯx濃度が３ｐｐｍなどのしきい値レベルを超えないことを要求され得る。
【００１３】
排気ガス流中のＮＯxの量を除去又は低減するための１つの技術は、選択触媒還元（ＳＣＲ）によるものである。ＳＣＲプロセスでは、アンモニア（ＮＨ3）などの還元剤が排気ガス流中に噴射され、ＮＯxと反応して、触媒（例えば金属酸化物）が存在する場合には、窒素（Ｎ2）と水（Ｈ2Ｏ）が生成される。ＳＣＲプロセスの有効性は、処理される排気ガスの温度少なくとも部分的に依存している。例えば、ＮＯxを除去するためのＳＣＲプロセスは、約５００〜９００°Ｆの温度で特に有効となり得る。このように、排気ガスの温度がＳＣＲの有効温度範囲より高い場合には、ＳＣＲの前に排気ガスを冷却することがＳＣＲプロセス（例えば、ＮＯxの除去）の有効性を増加させるのに有益である。
【００１４】
本実施形態によれば、排気ガスは、ＳＣＲの上流側の排気ガス流中に冷却／緩和流体（例えば、空気）を噴射する冷却システムを用いて冷却することができる。特定のガスタービンシステムは、ガスタービンシステムの排気ディフューザをＳＣＲに結合するガスタービンシステムの遷移部内に冷却システムを含むことができる。冷却システムは、遷移部を通る排気ガス流によって生じる背圧に逆らって遷移部内に冷却流体を吹き付けるために、空気ファンを使用することができる。遷移部内で所望の温度に排気ガスを冷却するために用いられる冷却流体の量は、重荷重ガスタービンの排気ガス容積の約１０％〜約５０％とすることができる。このような大容量は、部分的に、システムに全体にわたる望ましくない圧力降下に部分的に起因して、タービン効率を低下させるおそれがある。
【００１５】
排気ディフューザ内の排気ガスの非効率的な拡散及び／又は遷移部内の排気ガスと冷却流体混合物の短い滞留時間に部分的に起因して、排気ガスと冷却流体は、遷移部内において不均一な混合を有することが認められる。排気ガスと冷却流体の不均一な混合は、排気ガス／冷却流体混合物内にホットスポットを生じさせる場合があり、混合物中のホットスポットは、ＳＣＲの温度範囲を超える温度を有する領域を含む。したがって、ＳＣＲプロセスは、排気ガス中のＮＯxを効果的に除去又は低減することができない。したがって、ＳＣＲの上流側の排気ガス／冷却流体混合物を向上させることが望ましい場合があることが認められる。
【００１６】
以下でさらに詳細に説明するように、本開示の実施形態は、排気ガス流中に冷却空気を噴射するように構成された空気噴射組立体を有する、単純サイクル重荷重ガスタービンシステムなどのガスタービンシステムを含む。以下にさらに説明するように、空気噴射組立体は、タービンの下流側（すなわち、排気ガスの流れに対して）であって、ＳＣＲシステムの上流側に配置することができる。例えば、空気噴射組立体は、ガスタービンエンジンシステムの排気ディフューザ内に配置された空気噴射特徴部を含むことができる。空気噴射特徴部は、複数の空気噴射孔を介して排気ガス流中に冷却流体を噴射する複数の空気噴射導管を有するマニホールドを含むことができる。遷移部ではなく、排気ディフューザ内に空気噴射特徴部を配置することで、ＳＣＲに至る通路内の排気ガスと冷却流体の混合物の滞留時間を増加させることができる。
【００１７】
以上を念頭に置いて、図１は、ガスタービンエンジン１２及び排気処理システム１４を含むガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。特定の実施形態では、ガスタービンシステム１０は、発電システムのすべて又は一部であってもよい。図示する実施形態では、タービンシステム１０は、単純サイクルガスタービンシステムとして示されている。しかし、他の実施形態では、ガスタービンシステム１０は、複合サイクルガスタービンシステムであってもよい。ガスタービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素リッチの合成ガスなどの液体又は気体燃料を燃焼させて、ガスタービンシステム１０の様々な機能を駆動するための高温燃焼ガスを生成することができる。
【００１８】
図１に示すように、ガスタービンエンジン１２は、圧縮機１８、燃焼器部２０、及びタービン２２を含む。タービン２２は、シャフト２４を介して圧縮機１８に駆動結合することができる。作動時には、空気源２６からの空気が、矢印３０で示すように、ガスタービンエンジン１２の吸気口を通ってタービンエンジン１２に流入し、圧縮機１８で加圧される。圧縮機１８は、シャフト２４に結合された複数の圧縮機ブレードを含むことができる。圧縮機ブレードは、１以上の段で存在することができ、シャフト２４の回転は、圧縮機ブレードの回転を引き起こす。この回転は、圧縮機１８内に空気を吸い込み、それを通って、燃焼器部２０に送るための空気を圧縮する。
【００１９】
燃焼器部２０は、１以上の燃焼器を含むことができる。一実施形態では、複数の燃焼器が、シャフト２４の周りにほぼ円形又は環状の構成で複数の円周方向位置に配置されてもよい。圧縮空気３４が圧縮機１８から流出して、燃焼器部２０に流入すると、圧縮空気３４は、燃焼器内で燃焼するために燃料源からの燃料３６と混合され得る。例えば、燃焼器は、燃焼、排出物制御、燃料消費、動力出力などに適した比率で燃焼器内に燃料空気混合気を噴射する１以上の燃料ノズルを含むことができる。空気及び燃料の燃焼は、高温の加圧排気ガス４０を生成し、それは次に、タービン２２内の１以上のタービン段（各々は複数のタービンブレードを有する）を駆動するために利用することができる。作動時には、タービン２２に流入し、そこを通って流れる燃焼ガス（例えば、排気ガス４０）は、タービンブレードに抗して、その間を流れ、これによりタービンブレードを駆動し、したがってシャフト２４を回転させる。シャフト２４は、発電プラント内の発電機などの負荷を駆動するために使用することができる。以上説明したように、シャフト２４の回転は、圧縮機１８内のブレードを引き込んで、吸気口によって受け取られた空気を加圧する。
【００２０】
タービン２２を通って流れる排気ガス４０は、排気ガス流４６としてタービン下流側端部４２から出ることができる。排気ガス流４６は、排気処理システム１４に向かって下流側方向５０に流れる続けることができる。例えば、タービン下流側端部４２は、排気ガス流４６中のＮＯx、ＳＯx、ＣＯxなどの特定の燃焼生成物のレベルを低減するように構成された排気処理システム１４に流体結合することができる。より具体的には、図示する実施形態では、排気ガス流４６は、タービン下流側端部４２を出て、排気ディフューザ５４に流入する。上述したように、排気ディフューザ５４は、排気ガス流４６と冷却空気との混合を容易にするように構成された特定の空気噴射特徴部を含む。
【００２１】
排気ディフューザ５４に続いて、排気ガス流４６は、排気ディフューザ５４を排気ダクト５８に結合する遷移部５６に流入することができる。排気ダクト５８は、排気ガス流４６からＮＯxを除去するためのＳＣＲプロセスを行うように構成されたＳＣＲシステム６０を含む。例えば、還元剤６２（例えば、アンモニア（ＮＨ3））は、噴射システム６４を介して排気ガスダクト５８に噴射され、ＮＯxと反応して窒素（Ｎ2）と水（Ｈ2Ｏ）を生成する。理解されるように、このＳＣＲプロセスの有効性は、処理される排気ガスの温度少なくとも部分的に依存している。例えば、ＮＯxを除去するためのＳＣＲプロセスは、約５００〜９００°Ｆの温度で特に有効となり得る。しかし、特定の実施形態では、タービン２２を出て、排気処理システム１４に入る排気ガス流４６は、約１０００〜１５００°Ｆ、又は、より具体的には１１００〜１２００°Ｆの温度を有する場合がある。したがって、ＮＯx除去に対するＳＣＲプロセスの有効性を高めるために、排気処理システム１４は、排気ガス流４６中に冷却流体（例えば、空気）を噴射し、それによりＳＣＲシステム６０におけるＳＣＲプロセスに先立って排気ガス流４６を冷却することができる噴射組立体６８を有する空気噴射システム６６を含むことができる。空気噴射システム６６はまた、空気供給源６９（空気源２６と同一又は異なっていてもよい）、１以上の送風機７１、及び流量制御部７３（例えば、バルブ、ポンプ、センサなど）を含むことができる。有効温度は、排気ガス流４６から除去される元素及び／又はＳＣＲプロセスで用いられる触媒に応じて変えることができることを理解されたい。
【００２２】
図１に示すように、空気噴射組立体６８は、排気ディフューザ５４内に配置することができる。排気ディフューザ５４内に空気噴射組立体６８を配置することにより、排気処理システム１４内の排気ガス流４６と冷却流体（例えば、冷却空気７０）との混合物の滞留時間を増加させることができる。したがって、遷移部内で冷却流体を噴射する場合と比較して、排気ガス流４６と冷却空気７０とをより長い期間混合することができ、それにより排気ガスをより効率的に冷却することができる。図２及び図３を参照して以下でさらに詳細に説明するように、空気噴射組立体６８は、排気ディフューザ５４の中心本体に結合されたマニホールドを含むことができる。マニホールドは、排気ガス流４６と混合するために、１以上の空気源２６によって供給される冷却空気７０を排気ディフューザ５４内に噴射する複数の噴射空気孔を含むことができる。例えば、一実施形態では、空気源２６は、１以上の送風機、圧縮機（例えば、圧縮機１８）、熱交換器、又はこれらの組合せを含むことができる。特定の実施形態では、空気３０の一部は、矢印７２で示すように、圧縮機１８をバイパスして、空気噴射組立体６８に導かれてもよい。他の実施形態では、圧縮機１８からの圧縮機吐出空気は、空気噴射組立体６８に導かれてもよい。
【００２３】
「冷却」という用語は、冷却空気７０を記載するために使用される場合には、冷却空気７０がタービン２２から出る排気ガス流４６に対してより冷たいことを意味するために本明細書において用いられる。例えば、空気源２６によって供給された冷却空気７０は、周囲空気であってもよいし、また熱交換器又は他のタイプの好適な冷却機構を用いて冷却してもよい。空気噴射組立体６８はまた、冷却空気７０の流れを調節する１以上のバルブを含むことができる。例として、一実施形態では、タービン２２から出力された排気ガス流４６は、約１０００ポンド／秒の第１の流量で排気ディフューザ５４に流入することができ、冷却空気７０は、少なくとも第１の流量と排気ガス流４６の温度と冷却空気７０の温度とに依存する第２の流量で排気ディフューザ５４に（空気噴射組立体６８を介して）噴射することができる。例えば、第２の流量は、第１の流量の１％〜７５％、例えば５０％などにすることができる。しかし、排気ガス流４６の流量及び冷却空気７０の流量は、いくつかの要因に基づいて変えることができることを理解されたい。
【００２４】
冷却空気７０は、排気ガス流４６と混合され、上述したように、ＳＣＲプロセスに適した温度を有することができる冷却された排気ガス流７４を生成する。以下でさらに説明するように、排気ディフューザ５４内に空気噴射組立体６８を配置することによって均一な混合を提供し、したがって、ＳＣＲ６０の上流側で冷却された排気ガス７４の均一な温度及び速度分布を得ることができる。さらに、空気噴射組立体６８の構成は、以下で詳細に説明するように、排気ディフューザ５４内の構造部品（例えば、支柱、中心本体）から生じ得る大きな伴流と逆流領域を低減することによって、排気ディフューザ５４の性能を向上させることができる。排気ディフューザ５４内の伴流と逆流領域を低減することにより、排気ガス流７４は、望ましい速度分布を達成することができ、そのようにして、排気ディフューザ５４内に空気噴射組立体を含まないガスタービンシステムと比較して、ガスタービンシステム１０の圧力回復と動力出力を向上させることができる。
【００２５】
冷却された排気ガス７４は、遷移部５６を通って排気ダクト５８内へ下流側に（方向５０に）流れ続けることができ、そこで、冷却された排気ガス７４は、上述したように、冷却された排気流７４からＮＯｘを除去するように処理されて、処理された排気ガス７８を生成する。特定の実施形態では、処理された排気ガス７８は、排気ダクト５８の下流側にあって、それに結合された排気筒８０を介して大気中に放出され得る。排気筒８０は、いくつかの実施形態では、消音器又はマフラを含むことができる。他の実施形態では、処理された排気ガス７８は、ガスタービンシステム１０内の他のプロセスに導かれてもよい。非限定的な例として、排気処理システム１４は、空気噴射組立体６８及びＳＣＲシステム６０を利用して、処理された排気ガス７８中のＮＯxの組成を約３ｐｐｍ以下とすることができる。
【００２６】
ガスタービンシステム１０はまた、ガスタービンシステム１０の動作を制御するコントローラ７９（例えば、電子及び／又はプロセッサベースのコントローラ）を含むことができる。コントローラ７９は、センサ、制御バルブ、及びポンプ、或いはシステム１０全体の他の流量調整特徴部と電気的に通信することにより、空気噴射システム６６、ＳＣＲ６０、及び／又は噴射システム６４の動作を独立に制御することができる。特定の実施形態では、コントローラ７９はまた、ガスタービンエンジン１２（例えば、圧縮機１８、燃焼器２０、及び／又はタービン２２）の動作を制御することができる。コントローラ７９は、分散制御システム（ＤＣＳ）又は完全にもしくは部分的に自動化された任意のコンピュータベースのワークステーションを含むことができる。例えば、コントローラ７９は、汎用プロセッサ又は特定用途向けプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ８１）を用いる任意の装置であってもよく、これらの両方は、一般的に、とりわけ、冷却パラメータ（例えば、冷却空気温度及び流量）、ＳＣＲパラメータなどの命令を格納するためのメモリ回路（例えば、メモリ８３）を含むことができる。プロセッサは、１以上の処理装置を含むことができ、メモリ回路は、図８の動作を実行するために、及び本明細書に記載した動作を制御するためにプロセッサによって実行可能な命令を集合的に格納する１以上の有形の非一時的な機械可読媒体を含むことができる。
【００２７】
本開示の特定の実施形態は、一般的に排気ガス流４６からのＮＯxの処理及び除去を対象としているが、他の実施形態は、一酸化炭素及び／又は未燃炭化水素などの他の燃焼副生成物の除去を可能にすることができる。したがって、供給される触媒は、排気ガス流４６から除去される組成物に応じて変えることができる。さらに、本明細書で開示される実施形態は、１つのＳＣＲシステム６０の使用に限定されるものではなく、さらに複数のＳＣＲシステム６０を含むことができることを理解されたい。さらに、システム１０はまた、排気筒８０から出て行く処理された排気ガス７８の組成を連続的に監視する連続排出物監視（ＣＥＭ）システムを含むことができる。ＣＥＭシステムが、処理された排気ガス７８の組成物が１以上の規制要件に適合していないことを検出すると、ＣＥＭシステムは、ガスタービンエンジン１２の制御システム（例えば、コントローラ７９）に通知を提供し、次に制御システムは、燃焼パラメータを調整し、冷却空気７０の流量を調整し、ＳＣＲシステム６０の動作を調整するなどの一定の是正処置をとることができる。追加的又は代替的に、ガスタービンシステム１０の制御システム（例えば、コントローラ７９）は、システム１０によって生成される処理された排気ガス７８が所定の要件内である組成物を有するようになるまで、システム１０のオペレータに対して動作パラメータを調整し、サービスを行い、或いはシステム１０の操作を中止するように通知するなどの機能を実行することができる。いくつかの実施形態では、ＣＥＭシステムはまた、温度、冷却空気７０の流量、ＳＣＲシステム６０に噴射されるＮＨ3の量を調整することなどの、排気処理システム１４に具体的に関連する是正措置を実行することができる。
【００２８】
ここで図２を参照すると、一実施形態による排気ディフューザ５４の断面図が示されている。説明を容易にするために、排気ディフューザ５４（及びガスタービンエンジン１２）の様々な態様は、ディフューザ５４の軸方向又は軸線８２、半径方向又は軸線８４、及び円周方向又は軸線８６を参照して説明することができる。例えば、軸線８２は長手方向中心線９０又は縦方向に対応し、軸線８４は長手方向中心線９０に対して直交する方向、すなわち半径方向に対応し、軸線８６は軸方向軸線８２（例えば、長手方向中心線９０）を中心とする円周方向に対応する。排気ディフューザ５４のディフューザ上流側端部９２は、排気ガス流４６を受け取るように排気ディフューザ５４をタービン２２に流体結合する環状開口部９４を含むことができる。排気ディフューザ５４は、中心線９０に沿って排気ディフューザ５４の長さ９７の少なくとも一部を延長する中心本体９６を含む。中心本体９６は、排気ディフューザ５４の環状内壁９８を画成する。特定の実施形態では、内側環状壁９８は、ガスタービンエンジン１２の回転する部品を囲むことができる。例えば、内側環状壁９８は、シャフト２４の少なくとも一部を囲むことができる。
【００２９】
排気ディフューザ５４はまた、内側環状壁９８から半径方向８４に分離され、中心軸線９０の周りで円周方向８６に配置された外側環状壁１００を含む。外側環状壁１００は、環状壁９８、１００の間の排気ディフューザ５４を通る流体流路１０４を画成するように内側環状壁９８をほぼ取り囲む。排気ディフューザ５４は、外側環状壁１００が中心線９０に沿って移動する円周方向８６に寸法が大きくなるようにテーパを設けてもよい。流体流路１０４内の複数の支柱１０６は、内側環状壁９８と外側環状壁１００との間で半径方向８４に延在する。複数の支柱１０６ａ、１０６ｂは、軸方向軸線８２の周りに円周方向８６に離間して配置され、排気ガス流４６が、複数の支柱１０６の間を流れ、流体流路１０４を通って、排気ディフューザ５４の下流側端部１０８に向かって流れることができる。排気ディフューザ５４は、１〜２０、例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれ以上の任意の数の支柱１０６を含んでもよい。支柱１０６は、環状開口部９４に隣接して配置され、排気ディフューザ５４を通る排気ガス流４６の流れを妨害するおそれのある抗力を最小にすることができる。しかし、複数の支柱１０６は、中心本体９６に沿った任意の軸方向及び円周方向位置に配置することができる。一実施形態では、複数の支柱１０６は、支柱１０６ａで示すように、中実の中心を有してもよい。別の実施形態では、複数の支柱１０６は、支柱１０６ｂで示すように、中空の中心を有してもよい。しかし、特定の実施形態では、複数の支柱１０６は、中実中心の支柱１０６ａと中空中心の支柱１０６ｂとの組合せを含んでもよい。以下でさらに詳細に説明するように、支柱１０６ｂの中空中心は、冷却空気７０を排気ディフューザ５４内に噴射するための流路を提供することができる。
【００３０】
支柱１０６に加えて、排気ディフューザ５４はまた、環状開口部９４に対向する中心本体の下流側端部１１４に隣接して複数の中空支柱１１２を含むことができる。複数の中空支柱１１２は、環状壁９８、１００の間で半径方向８４に延在し、排気ディフューザ５４の中心軸線９０の周りに円周方向８６に離間して配置される。複数の中空支柱１１２は、個々の流体流路１０４へのアクセスを提供することができる（例えば、保守及び／又は修理のために）。複数の支柱１０６と複数の中空支柱１１２の両方は、排気ディフューザ５４の内側環状壁９８と外側環状壁１００との間に構造的支持を提供することができる。以下でさらに詳細に説明するように、中空支柱１１２などの中空支柱は、排気ディフューザ５４の性能を低下させるおそれがある大きな伴流領域を生じさせる場合がある。例えば、大きい伴流と逆流領域は、排気ディフューザ５４から出る排気ガスの動力出力を減少させて、システム１０を通して望ましくない圧力回復及び全圧力損失をまねく場合がある。しかし、空気噴射組立体６８を排気ディフューザ５４に一体化することにより、空気噴射組立体を含んでいない排気ディフューザと比較して、排気ディフューザ５４の性能を向上させることができることを理解されたい。
【００３１】
空気噴射組立体６８は、中心本体の下流側端部１１４に固定的に又は着脱自在に結合することができる。空気噴射組立体６８は、排気ディフューザ５４内の第１の混合領域１１５に冷却空気７０を供給することができる。第１の混合領域１１５にある間に、排気ガス流４６は、冷却空気７０（例えば、緩和空気）で希釈されて、排気ガス流４６の温度を低下させることができる。図示する実施形態では、空気噴射組立体６８は、中心本体の下流側端部１１４に結合されたハブ１１６を含む。図示する実施形態では、ハブ１１６は、半円形状を有する。しかし、他の実施形態では、ハブ１１６は、円錐形状や他の任意の適切な形状を有してもよい。ハブ１１６は、ハブ１１６から離れて外側環状壁１００へ向かって半径方向８４に延在する空気噴射導管１２０を含む。空気噴射導管１２０は、中心本体９６に沿った異なる軸方向位置及び円周方向位置において、軸方向軸線８２の周りに円周方向８６に離間して配置することができる。特定の実施形態では、各空気噴射導管１２０は、それぞれの中空支柱１１２と位置合わせする（例えば、円周方向に）ことができる。中空支柱１１２は、構造的支持を提供し、空気噴射組立体６８（例えば、空気噴射導管１２０を介して）を排気ディフューザ５４に固定することができる。
【００３２】
空気噴射導管１２０の導管端部１２４の少なくとも一部は、排気ディフューザ５４の外側環状壁１００を超えて延在する。導管端部１２４は、空気源２６に結合され、排気ガス流４６と混合するために第１の混合領域１１５に冷却空気７０を提供するように構成される。例えば、図示する実施形態では、空気噴射導管１２０の各々の下流側に面する表面１２６（例えば、下流側方向５０に面する）は、空気噴射孔１２８の配列を含むことができる。空気噴射導管１２０は、下流側に面する表面１２６に沿った任意の適切なパターン（例えば、列、千鳥状など）に分散される任意の数の空気噴射孔１２８を含むことができる。例えば、空気噴射導管１２０は、１〜１００個の空気噴射孔１２８を含むことができる。例えば、空気噴射導管１２０は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、３０、５０、６０、７０、８０個、又はそれ以上の空気噴射孔１２８を含むことができる。しかし、任意の適切な数の噴射孔１２８を使用することができる。以下でさらに詳細に説明するように、空気噴射孔１２８は、軸方向軸線８２に対して同じ又は異なる角度（例えば、直角又は１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、もしくは８０度の鋭角）で配向することができる。特定の実施形態では、空気噴射孔１２８のいくつかは、隣接する空気噴射孔１２８の形状及び／又は直径と異なる形状及び／又は直径を有することができる。空気噴射孔１２８の向き及び幾何学的形状は、冷却された排気ガス７４の所望の温度分布が得られるように、冷却空気７０が所望の速度で第１の混合領域１１５に流入し、ある量の渦流を実現するなどして、排気ガス流４６との均一な混合を促進することを可能にする。
【００３３】
空気噴射孔１２８に加えて、ハブ１１６は、１以上の中央空気噴射孔１３０などの中央空気噴射孔を含んでもよい。中央空気噴射孔１３０は、図２に示すように、１以上の空気噴射導管１２０から冷却空気７０を受け取ることができる。しかし、他の実施形態では、ハブ１１６は、空気源２６からの冷却空気７０を直接受け取ってもよい（例えば、専用の導管を介して）。
【００３４】
特定の実施形態では、外側環状壁１００は、中心本体９６の下流側で冷却空気７０の噴射を可能にする機能を含むことができる。図２に示すように、排気ディフューザ５４は、排気ディフューザ５４の外側環状壁１００に沿って中心軸線９０の周りで円周方向８６に配列された追加の空気噴射組立体１３４を含むことができる。空気噴射導管１２０と同様に、追加の空気噴射組立体１３４は、空気源２６から冷却空気７０を受け取り、排気ディフューザ５４の第２の混合領域１４０に噴射する空気導管１３６を含む。例えば、図示する空気導管１３６は、空気導管１３６に沿って中心軸線９０の周りで円周方向８６に離間して配置された空気噴射孔１３８を含む。空気噴射孔１２８と同様に、空気噴射孔１３８は、軸方向軸線８２に対して同じ又は異なる角度（例えば、直角又は１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、もしくは８０度の鋭角）で配向することができる。空気噴射孔１３８の幾何学的形状及び大きさは、空気導管１３６に沿って円周方向軸線８６の周りで同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００３５】
混合領域１１５、１４０は、排気ディフューザ５４の長さ９７の一部を延長する。例えば、第１の混合領域１１５は、空気噴射組立体６８、１３４の間の寸法１４２を延長し、第２の混合領域１４０は、追加の空気噴射組立体１３４とディフューザ下流側端部１０８との間の寸法１４６を延長する。各寸法１４２、１４６は、排気ディフューザ５４の長さ９７の約５％〜５０％とすることができる。特定の実施形態では、寸法１４２、１４６は、同じであってもよい。他の実施形態では、寸法１４２、１４６は、異なっていてもよい。空気噴射組立体６８、１３４は、それぞれの混合領域１１５、１４０に冷却空気７０を同時に又は順番に噴射することができる。例えば、空気噴射組立体１３４は、空気噴射組立体６８が冷却空気７０を第１の混合領域に噴射した後の任意の時点で冷却空気７０を噴射することができ、逆もまた同様である。他の実施形態では、ただ１つの空気噴射組立体６８、１３４を用いてもよい。
【００３６】
さらに、冷却空気７０の少なくとも一部は、中空支柱１１２の下流側の排気ディフューザ５４内に噴射されてもよい。例えば、上述したように、中空の中央支柱１０６ｂは、冷却空気７０を受け取って、冷却空気７０を排気ディフューザ５４内に噴射するように構成することができる。中空支柱１１２の下流側で冷却空気７０を噴射することは、排気ディフューザ５４内における排気ガスと冷却空気との混合物の滞留時間をさらに増加させる。さらに、冷却空気７０は、排気ディフューザ５４（例えば、壁９８、１００と、中空支柱１１２など）を冷却することができる。冷却空気７０で排気ディフューザ５４を冷却することで、タービン２２から出てくる排気ガス流４６の高温に部分的に起因する、排気ディフューザ５４の劣化を軽減することができる。したがって、排気ディフューザ５４の寿命全体を延ばすことができる。また、排気ディフューザ５４は、冷却空気で冷却されるように構成されていない排気ディフューザに用いられる合金材料（例えば、３４７ステンレス鋼）と比較して、より安価な低温合金材料から製造することができる。例を挙げると、排気ディフューザ５４は、３２１Ｈ、３２１、３１６、３０４、ステンレス鋼又は他の適切な材料から製造することができる。
【００３７】
上述したように、空気噴射組立体６８、１３４を介して混合領域１１５、１４０の一方又は両方に冷却空気７０をそれぞれ噴射することによって、排気ガス流４６と冷却空気７０との混合物は、排気ディフューザ５４の下流側（例えば、遷移部５６）に冷却空気を噴射するシステムと比較して、排気処理システム１４内により長い滞留時間を有することができると認識される。例えば、冷却空気が遷移部（例えば、遷移部５６）に噴射される既存のシステムとは異なり、混合物は、混合領域１１５、１４０及び遷移部５６を通って流れる際に混合し冷却し続けることができる。排気処理システム１４内の排気ガス流４６と冷却空気７０との混合物のより長い滞留時間は、熱混合（例えば、冷却空気７０と排気ガス流４６との混合）を増加させ、冷却された排気ガス流７４中の均一な温度分布を促進することができる。
【００３８】
さらに、冷却空気７０を排気ディフューザ５４内に噴射するのに用いることができる冷却ファンのサイズは、例えば、遷移部５６内に冷却空気を噴射するのに用いられる冷却ファンのサイズに比べて小さくすることができ、これは排気ガス流４６と冷却空気７０との混合物のより長い滞留時間に起因している。排気ディフューザ５４内に噴射される冷却空気７０は、排気処理システム１４内の排気ガス流４６と冷却空気７０との混合物のより長い滞留時間の結果として、遷移部５６内に噴射される冷却空気と比較してより高い温度にすることができる。このように、遷移部５６内に噴射される冷却空気と比べて、排気ディフューザ５４内に噴射される冷却空気７０を冷却するためにはより低いエネルギーが要求されるので、より小さい冷却ファンを使用することができる。
【００３９】
排気ディフューザ５４の構成は、図３を参照してさらに理解することができ、図３は、中心本体９６と中空支柱１１２に結合された空気噴射組立体６８を有する排気ディフューザ５４の一部の斜視図である。図示する実施形態では、空気噴射導管１２０は、軸方向軸線９０の周りで異なる円周方向位置において円周方向８６に離間して配置される。空気噴射組立体６８は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０もしくはそれ以上の空気噴射導管１２０及び空気噴射孔１２８を含むことができる。上述したように、空気噴射導管１２０は、排気ディフューザ５４の内側環状壁９８と外側環状壁１００との間に延在し、空気源２６を空気噴射孔１２８に流体結合する。空気噴射孔１２８は、排気ガス流４６と混合するために第１の混合領域１１５内に冷却空気７０の流れを供給する。図示する実施形態では、空気噴射導管１２０及び中空支柱１１２は、円周方向８６に中空支柱１１２と位置合わせされ、空気噴射導管１２０は、軸方向軸線９０と交差する半径方向軸線８４に沿ってほぼ配向されるようになっている。これによって、排気ガス流４６と冷却空気７０との均一な混合を促進するための望ましい流動特性を可能にすることができる。
【００４０】
空気噴射組立体６８は、排気ディフューザ５４に固定的に又は着脱可能に取り付けることができる。例えば、一実施形態では、ハブ１１６及び／又は空気噴射導管１２０は、排気ディフューザ５４の中心本体９６及び中空支柱１１２にそれぞれ溶接することができる。他の実施形態では、ハブ１１６及び／又は空気噴射導管１２０は、ハブ１１６及び空気噴射導管１２０を中心本体９６及び中空支柱１１２に結合して固定するのを容易にする１以上の結合特徴部を含むことができる。例えば、ハブ１１６は、ハブ１１６及び／又は空気噴射導管１２０の外面に１以上のフランジ１５０を含むことができる。フランジ１５０は、中心本体９６及び／又は中空支柱１１２の相補的な結合特徴部（例えば、フランジ、開口部）と位置合わせすることができる。ハブ１１６は、底端部１５２の周囲（例えば、中心本体の下流側端部１１４に隣接する端部）に沿って円周方向８６に離間して配置された２つ以上のフランジ１５０を有することができる。フランジ１５０は、例えば、ネジ、ボルト、スナップ、又は任意の他の適切な固定具により、中心本体９６上の相補的な結合特徴部に固定することができる。この結合機構は、空気噴射組立体６８を用いて既存の排気ディフューザを改造することを容易にすることができる。
【００４１】
特定の実施形態では、ハブ１１６及び／又は空気噴射導管１２０は、中心本体９６及び中空支柱１１２と連結する突出部及び／又は凹部をそれぞれ含むことができる。例えば、ハブ１１６は、中心本体９６の下流側端面の突出部及び／又は凹部と相補的な突出部及び／又は凹部を底端部１５２の表面に含むことができる。突出部及び／又は凹部は、中心本体９６の下流側端面の相補的な突出部／凹部に結合して（例えば、締まりばめ又は他の結合機構を介して）、ハブ１１６と中心本体９６を固定することができる。結合特徴部は、空気噴射組立体６８が排気ディフューザ５４に着脱可能に結合することを可能にすることができる。空気噴射組立体６８を排気ディフューザ５４に着脱可能に結合することにより、空気噴射組立体６８は、システム保守（例えばクリーニング）やシステム部品の交換時に除去することができる。したがって、システム１０に関連する機器及び保守コストを低減することができる。
【００４２】
上述したように、ハブ１１６は、空気噴射導管１２０上の空気噴射孔１２８を介して冷却空気７０を第１の混合領域１１５内に噴射する。図４は、空気噴射導管１２０の長さ１５６の少なくとも一部に沿って半径方向８４に離間して配置された空気噴射孔１２８を有する空気噴射導管１２０の一部の斜視図を示している。図示する実施形態では、空気噴射孔１２８は、半径方向８４に沿って１列に配列されているが、空気噴射孔１２８は、半径方向８４に沿って複数の列又は他の任意の適切なパターンで配列することができる。各列の空気噴射孔１２８が隣接する列の空気噴射孔１２８に対して整列されるか又はオフセットされるように、列が配置されてもよい。さらに、空気導管１３６の空気噴射孔１３８はまた、空気噴射孔１２８と同様に配列されてもよい。図示する実施形態では、空気噴射孔１２８は、円形形状を有する。しかし、空気噴射孔１２８は、正方形、菱形、楕円形、スロット状、矩形状であってもよいし、或いは他の適切なタイプの幾何学的構成で構成することもできる。
【００４３】
空気噴射導管１２０に沿って空気噴射孔１２８の直径１５８（又は他の寸法）は、可変であってもよい。例えば、一実施形態では、直径１５８は、隣接する空気噴射孔１２８の対応する直径１５８（又は他の対応する寸法）に対して減少することができる。すなわち、内側環状壁９８（例えば、中心本体９６）に隣接する空気噴射孔１２８の第１のものは、外側環状壁１００に隣接する空気噴射孔１２８の第２のものの対応する直径１５８と比較して、より大きな直径１５８を有することができる。非限定的な例として、内側環状壁９８に隣接する空気噴射孔１２８の直径１５８は、外側環状壁１００に隣接する空気噴射孔１２８の直径１５８よりも１〜５倍大きくてもよい。別の実施形態では、空気噴射孔１２８の直径１５８は、内側環状壁９８から離れて半径方向８４に増加してもよい。他の実施形態では、直径１５８は、空気噴射導管１２０の長さ１５６に沿って半径方向８４に大きなものから小さなものへ交互にすることができる。追加の空気噴射組立体１３４の空気噴射孔１３８も、同様の構成を有することができる。空気噴射孔１２８の直径１５８は、排気ディフューザ５４内に噴射される冷却空気７０の速度に関連付けることができる。空気噴射孔１２８の直径１５８を変化させることにより、冷却流体７０は、様々な速度で第１の混合領域１１５内に噴射され得る。冷却空気７０と排気ガス流４６の可変速度（例えば、排気ガス流４６は、排気ディフューザ５４内の拡散に部分的に起因する可変速度を有する場合がある）は、乱流を促進させ、排気ガス流４６及び冷却空気７０の混合及び流れ分布を改善することができる。したがって、冷却された排気ガス流７４は、より均一な温度分布（例えば、軸方向位置における混合物の断面積に基づいて）を有することができる。例として、空気噴射孔１２８の直径１５８は、約２インチ〜約７インチとすることができる。
【００４４】
特定の実施形態では、空気噴射孔１２８はまた、軸方向８２に可変の直径を有することができる。例えば、図５は、軸方向８２に可変な直径１５８を有する１以上の空気噴射孔１２８を有する空気噴射導管１２０の一部の断面図である。図示する実施形態では、空気噴射孔１２８の直径１５８は、下流側に面する表面１２６に向かって軸方向８２に増加する。他の実施形態では、直径１５８は、下流側に面する表面１２６から離れて軸方向８２に増加してもよい。軸方向８２に直径１５８を変化させることによって、冷却空気７０は、排気ガス流４６と冷却空気７０との均一な混合を達成するのに適切な速度及び流れ分布で排気ディフューザ５４に入ることができる。さらに、冷却空気７０の改善された流れ分布は、ガスタービンシステム１０内の背圧を低減し、排気ディフューザ５４の性能を向上させることができる。
【００４５】
特定の実施形態では、空気噴射孔１２８は、軸方向８２に対してある角度で配向することができる。図６は、空気噴射導管１２０の実施形態の一部の断面図である。上述したように、空気噴射孔１２８は、冷却空気７０を第１の混合領域１１５に導く。例えば、冷却空気７０は、排気ディフューザ５４の内側環状壁９８に向かって半径方向８４に空気噴射導管１２０を通って流れることができる。図６の空気噴射孔１２８は、冷却空気７０の流れ方向を空気噴射組立体６８の下流側の第１の混合領域１１５に向かって半径方向８４から軸方向８２に変化させる。このような実施形態では、追加の空気噴射組立体１３４も同様にして冷却空気７０を第２の混合領域１４０に導くことができる。
【００４６】
図６に示すように、空気噴射孔１２８は、排気ディフューザ５４の軸方向軸線８２に対して（例えば、直角又は１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、もしくは８０度の鋭角で）傾いている。空気噴射孔１２８の角度は、第１の混合領域１１５内で軸方向８２に対する冷却空気７０の方向を変化させることができる。図示する実施形態では、各空気噴射孔１２８は、隣接する空気噴射孔１２８に対して異なる角度を有しているが、空気噴射孔１２８の角度は、所与の用途における排気ガス流４６の特定の特性に応じて変化してもよい。例えば、空気噴射孔１２８の角度は、空気噴射孔１２８の大きさ及び形状と共に、ＳＣＲシステム６０によるＳＣＲ処理の前に、冷却された排気ガス流７４のほぼ均一な混合、均一な温度及び／又は速度分布、並びに改善された流れ分布を提供するように選択することができる。
【００４７】
排気ガス流４６の冷却を改善することに加えて、空気噴射組立体６８を排気ディフューザ５４内に配置することはまた、空気噴射組立体６８を含まない排気ディフューザと比較して、排気ディフューザ５４の性能を向上させることができる。例えば、排気ディフューザの中心本体９６及び中空支柱１１２は、一般に、中心本体９６の尖っていない端部（例えば、中心本体の下流側端部１１４）及び中空支柱１１２の円筒形状に部分的に起因して、排気ディフューザを通る排気ガス流４６の流れに大きな伴流領域を形成することが現在理解されている。したがって、中心本体の下流側端部１１４及び中空支柱１１２は、中心本体９６の下流側に逆流領域を形成することができ、それは下流側方向５０に実質的に対向する方向の排気ガス流４６の流れを可能にすることによって、排気ディフューザ性能を低下させる場合がある。これは、排気ディフューザ５４内の意図しない圧力損失をまねく。その結果、少なくとも排気ガス流が排気ディフューザを出るまでに排気ガス流の流れのエネルギーが減少するように、排気ガス流４６の圧力が低下する。排気ガス流の圧力及び流れのエネルギーの減少は、排気ディフューザ内の排気ガスの拡散の効果を減少させ得る。排気ディフューザ内の排気ガスの無効な拡散は、システム１０の圧力回復の低下及び排気ディフューザの下流側の冷却空気と排気ガス流との不均一な混合をまねくおそれがある。しかし、空気噴射組立体６８を中心本体の下流側端部１１４に配置することによって、尖っていない中心本体の下流側端部１１４により生じる大きな伴流領域及び逆流領域を低減することができる。
【００４８】
例えば、図７に示すように、ハブ１１６のハブの直径１６４は、下流側方向５０に中心軸線９０に沿って徐々に減少する。減少するハブの直径１６４は、ハブ表面１７０の曲率１６８（例えば、凹面）を形成する。ハブ表面１７０の曲率１６８は、排気ディフューザ５４内の排気ガス流４６の流動力学を改良することができる。例えば、曲率１６８は、大きな伴流と逆流領域を生じる排気ガス流４６の流れ剥離を最小にすることができる。したがって、排気ディフューザ５４は、排気ガス流４６の圧力を用いて、排気処理システム１４を通る排気ガス流４６をより効率的に流すことができる。実際、排気ディフューザ５４内に空気噴射組立体６８を含まないシステムと比較して、システム１０にかかる高い圧力回復及びより望ましい圧力降下を達成することができる。これによって、混合物のより望ましい流れ分布を得ることができる。これにより、冷却された排気ガス７４は、ＳＣＲシステム６０によるＮＯxの効率的な除去又は低減のために望ましい温度分布を有することができる。
【００４９】
ハブ１１６の先端部１７４に配置された中央空気噴射孔１３０はまた、排気ガス流４６と冷却空気７０との混合物に対して追加の冷却空気７０を噴射することにより冷却を容易にすることができる。図示する実施形態では、先端部１７４は、単一の空気噴射孔１３０を含むが、先端部１７４は、ハブ１１６に沿った任意の円周方向及び軸方向位置において円周方向８６に離間して配置された複数の空気噴射孔１３０を含むことができる。冷却空気７０を排気ディフューザ５４内に噴射する際に形成され得る乱流に部分的に起因して、空気噴射孔１３０は、排気ガス流４６の均一な混合及び冷却をさらに促進させることができる。
【００５０】
上述した様々な実施形態によれば、ガスタービンシステム１０は、他のシステムよりもより効率的に動作することができ、より低い排出物を生成することができる。図８は、このような実施形態による、ガスタービンシステム（例えば、上述したガスタービンシステム１０）が排気ディフューザ（例えば、排気ディフューザ５４）内の排気ガス流（例えば、排気ガス流４６）を冷却することができる方法２００のフローチャートを示す。方法２００は、図１を参照して上述したように、ガスタービンエンジン１２の燃焼器２０に燃料３６及び圧縮空気３４を供給するステップ（ブロック２０４）と、燃料３６及び圧縮空気３４を燃焼させて排気ガス流４６を生成するステップ（ブロック２０６）とを含む。
【００５１】
排気ガス流４６は、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）、酸化炭素（ＣＯx）、及び未燃炭化水素などの、低減又は除去する（例えば、特定の排出レベルを達成するために）必要があり得る燃焼副生成物を含む場合がある。したがって、排気ガス流４６は、排気処理システム１４の処理を行って、これらの副生成物を除去することができる。排気ガスの処理プロセスは、ＳＣＲシステム６０内の触媒の存在下で排気ガス流４６を還元剤６２と反応させるステップを含むことができる。触媒の効率は、タービン２２から出る排気ガス流４６の温度上昇によって影響され得る。したがって、排気ガス流４６は、ＳＣＲシステム６０で処理が施される前に冷却することができる。したがって、方法２００はまた、排気ガス流４６をタービン２２から排気ディフューザに導くステップ（ブロック２１０）と、排気ディフューザ５４で排気ガス流４６を冷却して、冷却された排気ガス７４を生成するステップ（ブロック２１２）とを含む。例えば、空気噴射組立体６８、１３４は、冷却空気７０を排気ガスディフューザ５４の混合領域１１５、１４０内に噴射することができる。冷却流体７０は、排気ガス流４６と混合し、それによって、排気ガス流４６が排気ディフューザ５４の混合領域１１５、１４０通り、続いて遷移部５６を通って流れる際に排気ガス流４６を冷却する。排気ディフューザ５４で排気ガス流４６の冷却処理を開始することによって、排気処理システム１４内の排気ガスと冷却流体との混合物の滞留時間を長くすることができる。このようにして、冷却された排気ガス７４は、均一な温度分布を有することができる。さらに、上述したように、空気噴射組立体６８、１３４を排気ディフューザ５４内に配置することにより、排気ディフューザに空気噴射組立体を含まないシステムと比べて、システム１０にかかるより高い圧力回復及びより低い総圧力低下に部分的に起因して、ディフューザ性能を向上させることができる。
【００５２】
方法２００は、冷却された排気ガス流７４をＳＣＲシステム６０に導いて、燃料３６の燃焼中に生成された窒素含有副生成物を除去するステップ（ブロック２１６）と、冷却された排気ガス７４から燃焼副生成物を除去するステップ（ブロック２１８）とをさらに含む。上述したように、排気ガス流４６中のＮＯxを窒素（Ｎ2）と水（Ｈ2Ｏ）に還元するために用いる触媒の効率は、ＳＣＲプロセス時の排気ガス流４６の温度によって影響され得る。排気ディフューザ（例えば、排気ディフューザ５４）の下流側で冷却された排気ガス流は、冷却された空気と適切に混合されない場合があり、排気ガス流の非効率的な冷却が生じるおそれがある。また、冷却された排気ガス流７４の均一な温度分布は、ＳＣＲプロセスの効率を向上させることができ、ＮＯx排出量を約３ｐｐｍ以下のレベルに減少させることができる。
【００５３】
上述したように、本明細書に記載した様々な技術は、排気ガス流の温度及び／又は速度分布の均一性を向上させるために、排気ガス流中に冷却空気の噴射を可能にすることができると共に、排気ガス流を冷却して、選択的触媒還元プロセスの効果を向上させることができる。例えば、開示された技術は、排気ガスディフューザ内に１以上の空気噴射組立体を配置することを含む。１以上の空気噴射組立体は、排気ガスディフューザの中心本体に隣接して配置することができる。排気ディフューザの中心本体に隣接する１以上の空気噴射組立体を配置することによって、圧力回復を向上させ、かつ、中心本体の尖っていない下流側端部及び排気ディフューザに付随する中空支柱により形成された逆流領域により生じ得るシステムの全圧力損失を減少させることができる。さらに、本明細書で開示する技術は、排気ガス流と冷却空気の均一な混合を可能にするために、排気ガス流の流れ分布及び／又は速度を改善する、一定又は可変の空気噴射孔の直径、孔の間隔、孔の形状の任意の組合せ、或いはこれらの任意の組合せをカバーすることができる。さらに、排気ディフューザ内の排気ガス流に冷却空気を加えることで、排気ガス流と冷却空気との混合物の滞留時間を増加させることができる。したがって、排気ガス流及び冷却空気は混合するための時間をより多く有することができ、それによって、排気ディフューザの下流側で冷却空気を加えるシステムと比較して温度均一性を向上させることができる。また、空気噴射組立体６８、１３４の開示する方法と構成は、特定の実施形態の例にすぎないことが意図されており、いかなる形であれ限定するものと解釈するべきではない。
【００５４】
本明細書は、本発明の実施形態を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製造し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１２）によって生成された排気ガス（４６）を処理するように構成された排気処理システム（１４）を含むガスタービンシステム（１０）であって、排気処理システム（１４）は、ガスタービンエンジン（１２）のタービン（２２）から排気ガス（４６）を受け取るように構成され、内側環状壁（９８）と外側環状壁（１００）との間に配置された環状通路を有する排気ディフューザ（５４）と、排気ディフューザ（５４）内に配置された空気噴射組立体（６８）とを含み、空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の環状通路内に配置され、排気ディフューザ（５４）の第１の混合領域（１１５）に冷却流体（７０）を導くように構成された流体噴射孔（１２８）を含む１以上の空気噴射導管（１２０）を含む、ガスタービンシステム（１０）。
［実施態様２］
排気ディフューザ（５４）は中空支柱（１１２）を含み、１以上の空気噴射導管（１２０）のうちの少なくとも１つは、中空支柱（１１２）に結合される、実施態様１に記載のシステム（１０）。
［実施態様３］
空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の中心本体（９６）の下流側端部（１１４）に配置された中央ハブ（１１６）を含み、中心本体（９６）は、内側環状壁（９８）を画成する、実施態様１に記載のシステム（１０）。
［実施態様４］
１以上の空気噴射導管（１２０）は、中央ハブ（１１６）から離れて外側環状壁（１００）に向かって半径方向（８４）に延在する複数の空気噴射導管（１２０）を含み、複数の空気噴射導管（１２０）のうちの空気噴射導管（１２０）は、排気ディフューザ（５４）の中心軸線（９０）の周りで円周方向（８６）に離間して配置される、実施態様３に記載のシステム（１０）。
［実施態様５］
中央ハブ（１１６）は、中央ハブ（１１６）の下流側先端部に配置された１以上の空気噴射孔（１２８）を含み、１以上の空気噴射孔（１２８）は、１以上の空気噴射導管（１２０）のうちの少なくとも１つに流体結合される、実施態様３に記載のシステム（１０）。
［実施態様６］
中央ハブ（１１６）の直径（１６４）は、排気ディフューザ（５４）の下流側方向（５０）に減少する、実施態様３に記載のシステム（１０）。
［実施態様７］
流体噴射孔（１２８）の寸法は、それぞれの空気噴射導管（１２０）の半径方向長さに沿って変化する、実施態様１に記載のシステム（１０）。
［実施態様８］
流体噴射孔（１２８）の各々の中心軸線（９０）は、排気ガスディフューザ（５４）の中心線軸に対して交差するように配向されている、実施態様１に記載のシステム（１０）。
［実施態様９］
排気ディフューザ（５４）の外側環状壁（１００）に結合された追加の空気噴射組立体（１３４）を含み、追加の空気噴射組立体（１３４）は、排気ディフューザ（５４）の中心軸線（９０）の周りで円周方向（８６）に配置された空気通路を含み、追加の空気噴射組立体（１３４）は、第１の混合領域（１１５）の下流側にある排気ディフューザ（５４）の第２の混合領域（１４０）内へ追加の冷却流体（７０）を導くように構成される、実施態様１に記載のシステム（１０）。
［実施態様１０］
排気ディフューザ（５４）の長さの少なくとも一部を延長する中心本体（９６）と、中心本体（９６）を円周方向（８６）に取り囲む外側環状壁（１００）であって、ガスタービンエンジン（１２）のタービン（２２）から排気ガス（４６）を受け取るように構成された環状通路を画成する外側環状壁（１００）と、中心本体（９６）の下流側の排気ディフューザ（５４）の領域内に冷却流体（７０）を供給するように構成された空気噴射組立体（６８）と、
を含む、排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１１］
空気噴射組立体（６８）は、中心本体（９６）の下流側に面する表面（１２６）に結合された中央ハブ（１１６）を含み、中央ハブ（１１６）の直径（１６４）は、中央ハブ（１１６）が凹面を有するように、排気ディフューザ（５４）の外側環状壁（１００）から離れて下流側方向（５０）に減少する、実施態様１０に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１２］
中央ハブ（１１６）から離れて排気ディフューザ（５４）の外側環状壁（１００）に向かって半径方向（８４）に延在し、中央ハブ（１１６）の周りで円周方向（８６）に離間して配置された空気噴射導管（１２０）を含む、実施態様１１に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１３］
空気噴射導管（１２０）は、排気ディフューザ（５４）の中心本体（９６）と外側環状壁（１００）との間に配置された中空支柱（１１２）に結合される、実施態様１２に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１４］
空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の中空支柱（１１２）と位置合わせされた空気噴射導管（１２０）を含む、実施態様１０に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１５］
空気噴射組立体は、１以上の空気噴射導管（１２０）に沿って配置された複数の空気噴射孔（１２８）を含み、複数の空気噴射孔（１２８）は、排気ディフューザ（５４）の領域内に冷却流体（７０）を導くように構成される、実施態様１０に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１６］
複数の空気噴射孔（１２８）のうちの１つの空気噴射孔（１２８）の直径は、複数の空気噴射孔（１２８）のうちの隣接する空気噴射孔（１２８）の直径とは異なる、実施態様１５に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１７］
空気噴射組立体（６８）の上流側に配置された中空支柱（１１２）を含み、中空支柱（１１２）は、排気ディフューザ（５４）の外側環状壁（１００）と中心本体（９６）との間の環状通路内に冷却流体（７０）の少なくとも一部を噴射するように構成される、実施態様１０に記載の排気ディフューザ（５４）。
［実施態様１８］
排気ディフューザ（５４）内に配置された空気噴射組立体（６８）を含み、空気噴射組立体（６８）は、排気ディフューザ（５４）の内側環状壁（９８）と外側環状壁（１００）との間に配置された複数の空気噴射導管（１２０）を含み、空気噴射組立体（６８）は、ガスタービンエンジン（１２）で発生した排気ガス流（４６）を冷却するために、排気ディフューザ（５４）に冷却流体（７０）を供給するように構成される、ガスタービンシステム（１０）。
［実施態様１９］
複数の空気噴射導管（１２０）は、空気噴射組立体（６８）の中央ハブ（１１６）から離れて外側環状壁（１００）に向かって半径方向（８４）に延在し、複数の空気噴射導管（１２０）は、下流側に面する表面（１２６）上に配置された空気噴射孔（１２８）を含む、実施態様１８に記載のシステム（１０）。
［実施態様２０］
中央ハブ（１１６）は、排気ガスディフューザ（５４）の中心本体（９６）の下流側端部（１１４）に結合され、中央ハブ（１１６）の直径（１６４）は、中央ハブ（１１６）が凹状の外面を有するように、下流側端部（１１４）から離れる方向に減少する、実施態様１９に記載のシステム（１０）。
【符号の説明】
【００５５】
１０  ガスタービンシステム
１２  ガスタービンエンジン
１４  排気処理システム
１８  圧縮機
２０  燃焼器部、燃焼器
２２  タービン
２４  シャフト
２６  空気源
３０  矢印
３４  圧縮空気
３６  燃料
４０  加圧排気ガス
４２  タービン下流側端部
４６  排気ガス流
５０  下流側方向
５４  排気ディフューザ、排気ガスディフューザ
５６  遷移部
５８  排気ダクト、排気ガスダクト
６０  ＳＣＲ、ＳＣＲシステム
６２  還元剤
６４  噴射システム
６６  空気噴射システム
６８  空気噴射組立体
７０  冷却空気、冷却流体
７２  矢印
７３  流量制御部
７４  冷却された排気ガス、冷却された排気ガス流、冷却された排気流
７８  処理された排気ガス
７９  コントローラ
８０  排気筒
８１  マイクロプロセッサ
８２  軸方向、軸方向軸線
８３  メモリ
８４  半径方向、半径方向軸線
８６  円周方向、円周方向軸線
９０  長手方向中心線、軸方向軸線、中心線、中心軸線
９２  ディフューザ上流側端部
９４  環状開口部
９６  中心本体
９７  長さ
９８  内側環状壁、環状内壁
１００  外側環状壁
１０４  流体流路
１０６  支柱
１０８  下流側端部
１１２  中空支柱
１１４  中心本体の下流側端部
１１５  第１の混合領域
１１６  ハブ
１２０  空気噴射導管
１２４  導管端部
１２６  下流側に面する表面
１２８  空気噴射孔
１３０  追加の空気噴射孔、中央空気噴射孔
１３４  追加の空気噴射組立体
１３６  空気導管
１３８  空気噴射孔
１４０  第２の混合領域
１４２  寸法
１４６  寸法
１５０  フランジ
１５２  底端部
１５６  長さ
１５８  直径
１６４  ハブの直径
１６８  曲率
１７２  ハブ表面
１７０  ハブ表面
１７４  先端部
２００  方法
２０４  ブロック
２０６  ブロック
２１０  ブロック
２１２  ブロック
２１６  ブロック
２１８  ブロック
【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】
2017160904.tif 000008
【図７】
2017160904.tif 000009
【図８】
2017160904.tif 000010
【外国語明細書】
2017160904000001.pdf