(57)【要約】  本発明は、順次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混合器（１１７）と、第２のバーナ（１１３）と、第２の燃焼室（１０２）とを備える、多段燃焼器配列（１０４）に関する。混合器（１１７）は、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希釈ガス（１１０）を混合するために、前記混合器（１１７）の側壁（１１９）から内方へ延びる噴射管（１１４，１１５，１１６）の少なくとも３つのグループを有する。第１のグループの第１の噴射管（１１４）は第１の突入深さ（ｌ１）を有しており、第２のグループの第２の噴射管（１１５）は突入深さ（ｌ２）を有しており、第３のグループの第３の噴射管（１１６）は第３の突入深さ（ｌ３）を有している。開示はさらに、ガスタービン（１００）及びこのような多段燃焼器配列（１０４）を備えるガスタービン（１００）を作動させる方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段燃焼器配列（１０４）であって、順次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混合器（１１７）と、第２のバーナ（１１３）と、第２の燃焼室（１０２）とを備え、前記混合器（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、前記高温ガス流路は、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、多段燃焼器配列（１０４）において、
前記混合器（１１７）は、前記第１の燃焼室（１０１）から出る高温煙道ガスを冷却するために希釈ガスを混合するための前記混合器（１１７）の側壁（１１９）から内方へ延びる噴射管（１１４，１１５，１１６）の少なくとも３つのグループを有し、各グループの前記噴射管（１１４，１１５，１１６）は、前記混合器（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、第１のグループの第１の噴射管（１１４）は第１の突入深さ（ｌ１）を有しており、第２のグループの第２の噴射管（１１５）は第２の突入深さ（ｌ２）を有しており、第３のグループの第３の噴射管（１１６）は第３の突入深さ（ｌ３）を有していることを特徴とする、多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項２】
前記第１の噴射管（１１４）の中心点と、前記第２の噴射管（１１５）の中心点との間の流れ方向の距離（ａ１）は、前記第１の噴射管（１１４）の直径（Ｄ１）の０．１〜２倍である、請求項１記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項３】
前記第２の噴射管（１１５）の中心点と、前記第３の噴射管（１１６）の中心点との間の流れ方向の距離（ａ２）は、前記第２の噴射管（１１５）の直径（Ｄ２）の０．１〜２倍である、請求項１又は２記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項４】
ダクト壁（１１９）は、少なくとも部分的にしみ出し冷却され、各第１の噴射管（１１４）の下流でかつ後続の第３の噴射管（１１６）の配列の上流の第１の領域（１２５）における単位面積当たりのしみ出し冷却孔（１２０）の数は、前記第１の噴射管（１１４）の上流に延びる第２の領域（１２６）における単位面積当たりのしみ出し冷却孔（１２０）の数よりも少なくとも３０％多い、請求項１から３までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項５】
前記第１の領域（１２５）は、台形であり、底辺は、高温ガスの主流れ方向に対して垂直であり、台形の前記第１の領域（１２５）の下流側の底辺は、台形の前記第１の領域（１２５）の上流側の底辺よりも長い、請求項４記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項６】
前記しみ出し冷却孔（１２０）は、０．５〜１．２ｍｍの直径を有し、互いに隣接する前記しみ出し冷却孔（１２０）の間の距離は、前記第１の領域（１２５）においては３〜１０ｍｍであり、前記第２の領域（１２６）においては６〜２０ｍｍである、請求項４又は５記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項７】
前記第１の噴射管（１１４）は、前記第２の噴射管（１１５）の上流でかつ前記第３の噴射管（１１６）の上流に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項８】
前記第３の噴射管（１１６）は、前記第２の噴射管（１１５）の上流でかつ前記第１の噴射管（１１４）の上流に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項９】
前記第１の噴射管の直径（Ｄ１）は、前記第２の噴射管の直径（Ｄ２）よりも大きい、及び／又は前記第２の噴射管の直径（Ｄ２）は、前記第３の噴射管の直径（Ｄ３）よりも大きい、請求項１から８までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項１０】
前記第１の噴射管（１１４）は、前記混合器（１１７）を通流する高温ガスの主流れ方向に対して垂直な１つの平面において前記混合器（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、前記第２の噴射管（１１５）は、前記混合器（１１７）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おいて前記混合器（１１７）の側壁に沿って周方向に分配されて配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項１１】
前記第３の噴射管（１１５）は、前記混合器（１１７）の前記側壁（１１９）に沿って周方向に分配されており、かつ前記混合器（１１７）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ずらされており、ずれ量は、前記第３の噴射管の直径（Ｄ３）の０．１〜３．５倍である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項１２】
前記噴射管（１１４，１１５，１１６）の外面の少なくとも一部及び／又は前記混合器（１１７）の前記側壁（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１１までのいずれか１項記載の多段燃焼配列（１０４）。
【請求項１３】
前記噴射管（１１４，１１５，１１６）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１２までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）。
【請求項１４】
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（１００）において、該ガスタービンは、請求項１から１３までのいずれか１項記載の多段燃焼器配列（１０４）を備えることを特徴とする、ガスタービン（１００）。
【請求項１５】
ガスタービン（１００）を作動させる方法であって、前記ガスタービンは、少なくとも圧縮機（１０３）と、多段燃焼器配列（１０４）とを備え、該多段燃焼器配列（１０４）は、順次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混合器（１１７）と、第２のバーナ（１１３）と、第２の燃焼室（１０２）とを備え、前記混合器（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、前記高温ガス流路は、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み、前記混合器（１１７）は、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希釈ガス（１１０）を混合するために、前記混合器（１１７）の側壁（１１９）から内方へ延びる噴射管（１１４，１１５，１１６）の少なくとも３つのグループを有し、各グループの前記噴射管（１１４，１１５，１１６）は、前記混合器（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、第１のグループの第１の噴射管（１１４）は第１の突入深さ（ｌ１）を有しており、第２のグループの第２の噴射管（１１５）は第２の突入深さ（ｌ２）を有しており、第３のグループの第３の噴射管（１１６）は第３の突入深さ（ｌ３）を有している、ガスタービン（１００）を作動させる方法において、
前記希釈ガス（１１０）を、第１、第２及び第３の噴射管（１１４，１１５，１１６）を介して前記混合器（１１７）の横断面の様々な領域へ混合させることを特徴とする、ガスタービン（１００）を作動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、多段燃焼器配列内へ希釈ガスを混合するガスタービンのための多段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。
【０００２】
開示の背景
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、改良された運転自由度が要求されている。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過渡期の間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、例えば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】
エミッション及び運転自由度をさらに減じるために、多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り得る。この冷却は、燃料噴射、及び第２のバーナにおける第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によって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】
開示の概要
本開示の課題は、第１の燃焼室と第２のバーナとの間に希釈ガス混合のための混合セクションを備える多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。
【０００８】
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エミッションを増加させる。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おそれがある。最後に、局所的なホットスポットは、混合器の下流のある部分における過熱につながり得る。
【０００９】
開示による多段燃焼器配列は、順次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器と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを含み、混合器は、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む。
【００１０】
局所的な高い酸素濃度は、局所的な高温と同じ効果、例えば、混合のための時間を短縮する急速な反応、高い燃焼温度、ＮＯｘエミッションの増大及び場合によっては逆火を生じる可能性がある。局所的な低い酸素濃度は、局所的な低温と同じ効果、例えば、ＣＯ及びＵＨＣ（未燃焼炭化水素）エミッションの増大につながる遅い反応を生じる可能性がある。
【００１１】
高い又は低い局所的入口速度は、第２のバーナ及び後続の第２の燃焼室における滞留時間の延長又は短縮につながる可能性があり、これは、不均一な自己点火時間と同様の望ましくない効果を生じ、例えば、第２のバーナにおける滞留時間の短縮は、不完全混合及び高いＮＯｘにつながる可能性がある。第２の燃焼器における滞留時間の短縮は、不完全燃焼につながる可能性があり、その結果、ＣＯエミッションを増大させる。第２のバーナにおける流速の低下は、早期点火及び逆火につながる可能性がある。
【００１２】
空力的観点からの別の重要な要求は、高温ガス経路における最小限の圧力損失及び希釈ガス供給である。両者は、このような多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。
【００１３】
混合器は、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、第１の燃焼室から出てくる高温の煙道ガスを冷却して第２のバーナへの適切な入口条件を提供するために、希釈ガスを混合するためにダクトの壁部から内方へ延びている。
【００１４】
所要の局所的質量流量及び温度低下が小さな圧力降下で達成されるように、これらの管の直径、長さ及び数は、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。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。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。
【００１５】
１つの実施の形態によれば、多段燃焼器配列は、噴射管の少なくとも３つのグループを有し、噴射管は、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、希釈ガスを混合するために混合器の側壁から内方へ延びている。各グループの噴射管は、混合器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。
【００１６】
側壁に対して垂直に配置された管の場合、高温ガス通路内へ延びる管の長さは、突入深さと等しい。
【００１７】
多段燃焼器配列の別の実施の形態によれば、第１の噴射管の中心点と、第２の噴射管の中心点との間の流れ方向の距離は、第１の噴射管の直径の０．１〜２倍である。
【００１８】
さらに別の実施の形態によれば、第２の噴射管の中心点と、第３の噴射管の中心点との間の流れ方向の距離は、第２の噴射管の直径の０．１〜２倍である。
【００１９】
通常、２つの隣接するグループの噴射管は、互いのすぐ下流に配置されているのではなく、周方向にずらされて配置されており、これにより、噴射管の直径よりも小さな軸方向の距離が可能である。
【００２０】
多段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、ダクト壁部は、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、混合器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。従って、各第１の噴射管の下流でかつ後続の第３の噴射管の配列の上流における第１のしみ出し冷却される領域において、単位面積当たりのしみ出し冷却孔の数を増大することができる。例えば、第１の噴射管の上流に延びる第２の領域における単位面積当たりのしみ出し冷却孔の数よりも少なくとも３０％多い。通常、第２の領域は、第１の噴射管の上流に、第１の噴射管の直径の１〜３倍だけ延びている。
【００２１】
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第３の領域を、混合器の出口よりに配置することができる。
【００２２】
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の領域の下流側の底辺は、台形の第１の領域の上流側の底辺よりも長い。
【００２３】
台形の第１の領域の上流側の底辺の長さは、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。
【００２４】
第１の領域は、例えば、二等辺台形の形状を有する。
【００２５】
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孔の間の距離は、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。
【００２６】
多段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、第１の噴射管は、第２の噴射管の上流で、かつ第３の噴射管の上流に配置されている。さらに、第３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。
【００２７】
このような配列により、様々な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、混合器の様々な領域への希釈ガスの噴射が可能になる。
【００２８】
多段燃焼器配列の代替的な実施の形態によれば、第３の噴射管は、第２の噴射管の上流で、かつ第１の噴射管の上流に配置されている。さらに、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、まず、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。
【００２９】
多段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、第１の噴射管の直径は、第２の噴射管の直径よりも大きい。さらに、これと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。
【００３０】
多段燃焼器配列のさらに別の実施の形態では、第１の噴射管は、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１つの平面において混合器の側壁に沿って周方向に分配されて配置されており、第２の噴射管は、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おいて混合器の側壁に沿って周方向に分配されて配置されている。
【００３１】
さらに、１つの実施例では、第２の噴射管の数は、第１の噴射管の数と等しくてよい。第２の噴射管は、第１の噴射管の下流又は上流に配置することができ、半径方向で、第２の噴射管は、２つの第１の噴射管の間の中間に配置されている。
【００３２】
別の実施の形態では、第３の噴射管は、混合器の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ずらされて配置されている。噴射管のずれは、噴射管による流れの妨害を減じる。ずれは、例えば、第３の噴射管の直径の０．１〜３．５倍の範囲であることができる。
【００３３】
混合器の管は、第１の燃焼室から出てくる高温ガスに曝される。管は、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、管の寿命を延ばすために、管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。
【００３４】
したがって、多段燃焼器配列の１つの実施の形態によれば、噴射管の外面の少なくとも一部は、ＴＢＣで被覆されている。さらに、混合器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、混合器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、ＴＢＣで被覆することができる。
【００３５】
１つの実施の形態では、管の内側における熱伝達率が高められている。熱伝達の増大のために、噴射管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。
【００３６】
別の実施の形態によれば、混合器は、さらに、側壁に沿って配置された噴射孔を有する。第１、第２及び第３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おり、噴射孔は、希釈ガスを高温ガス流路の壁領域へ混合するように配置されている。
【００３７】
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、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。
【００３８】
管から出てくる希釈ガスの軸方向成分が、噴射位置における高温ガス流の軸方向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。
【００３９】
多段燃焼器配列の他に、このような多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、少なくとも圧縮機と、多段燃焼器配列とを備え、燃焼器配列は、順次流体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器と、第２のバーナと、第２の燃焼室とを備え、混合器は、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。混合器は、噴射管の少なくとも３つのグループを有し、噴射管は、作動中に第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、希釈ガスを混合するために混合器の側壁から内方へ延びている。各グループの噴射管は、混合器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の噴射管は第２の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。混合器は、高温ガスを冷却するために作動中に希釈ガスが混合されるように配置されている。
【００４０】
小さな突入深さを有する１つのグループにおける噴射管の数は、大きな突入深さを有する１つのグループにおける噴射管の数よりも大きくてよく、例えば、第２の突入深さが第３の突入深さよりも大きい場合には、第３の噴射管の数は第２の噴射管の数よりも大きくてよい。噴射管の数は、例えば、２つのグループにおける隣接する噴射管の出口開口の間の距離が同じになるように選択することができる。この文脈で「同じ」とは、より大きな突入深さを有するグループの出口開口の間の距離が、より小さな突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、噴射管の出口直径とともに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。
【００４１】
ガスタービンの他に、このようなガスタービンを作動させる方法は、本開示の主体である。高温ガスが冷却されるように、混合器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、第１、第２及び第３の噴射管を介して混合器の横断面の様々な領域へ混合される。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
希釈空気噴射の下流において、希釈空気と高温ガスとの混合を、流路の狭窄によって高めることができる。
【００４５】
多段燃焼に関して、燃焼器の組合せを以下のように配置することができる：
・両方とも、第１及び第２燃焼器は、多段缶型−缶型構成として構成されている。
・第１燃焼器は、環状の燃焼室として構成されており、第２燃焼器は、缶型構成として構成されている。
・第１燃焼器は缶型構成として構成されており、第２燃焼器は、環状燃焼室として構成されている。
・両方とも、第１及び第２燃焼器は、環状燃焼室として構成されている。
【００４６】
図面の簡単な説明
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】
【００４７】
【図１ａ】希釈ガスを混合するための混合器を備える、多段燃焼を用いる一般的なガスタービンを示している。
【図１ｂ】第１、第２及び第３の噴射管を備えた混合器を備える多段燃焼器配列を示している。
【図２ａ】希釈ガスを混合するための混合器を備える、多段燃焼を用いる一般的なガスタービンを示している。
【図２ｂ】第１、第２及び第３の噴射管を備えた混合器を備える多段燃焼器配列を示している。
【図３】第１、第２及び第３の噴射管を備える混合器セクションを示している。
【図４】第１、第２及び第３の噴射管を備える混合器セクションを示している。
【図５】拡散冷却を備えた環状構造における混合器のセクションを示している。
【図６】噴射管を示している。
【００４８】
開示の実施の形態
図１ａ及び図２ａは、開示による多段燃焼器配列１０４を備えるガスタービン１００を示している。ガスタービンは、圧縮機１０３と、多段燃焼器配列１０４と、タービン１０５とを有する。多段燃焼器配列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３２を混合するための混合器１１７とを有する。混合器１１７の下流において、多段燃焼器配列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、混合器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、後続の混合器１１７において混合される。付加的な燃料を、第２の燃料噴射１２４によって第２のバーナへ導入し、混合器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。
【００４９】
タービン１０５から出た排ガス１０７の残りの熱はさらに、排熱回収ボイラ又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。
【００５０】
ここに示された例においては、圧縮機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。
【００５１】
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。
【００５２】
混合器１１７の２つの異なる典型的な実施の形態が、図１ａ及び図２ａの拡大断面図として図１ｂ及び図２ｂに示されている。図１ｂは、第１の噴射管の長さｌ１を備える第１の噴射管１１４と、第２の噴射管の長さｌ２を備える第２の噴射管１１５と、第３の噴射管の長さｌ３を備える第３の噴射管１１６とを有する混合器の第１の例を示している。第２の噴射管１１５は、第１の噴射管１１４の下流に配置されており、第３の噴射管１１６は、第２の噴射管１１５の下流に配置されている。噴射管の長さは、流れ方向に減少している。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、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、第１の噴射管１１４、第２の噴射管１１５及び第３の噴射管１１６を通じて混合器内へ噴射される。混合器１１７は、高さを備える横断面を有する。
【００５３】
混合器は、環状の横断面を有するように配置することができる。環状の混合器の場合、高さは、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混合器（缶型混合器配列）の場合、高さは、横断面の直径である。第１、第２及び第３の噴射管１１４，１１５，１１６の長さｌ１，ｌ２及びｌ３は、噴射された希釈ガス１１０と、第１の燃焼室１０１から出てくる高温ガスとの十分な混合が保証されるように選択される。
【００５４】
図２ｂは、図１ｂの例に基づく例を示している。この例では、希釈ガス１１０は、（圧縮機１０３の下流の）圧縮機プレナムから直接に第１の噴射管１１４、第２の噴射管１１５及び第３の噴射管１１６へ供給されている。第１の噴射管１１４及び第２の噴射管１１５は、圧縮機プレナム内へ延びており、これにより、より高圧で、かつより低温の希釈ガス１１０（希釈ガスとしての使用前に燃焼器の冷却による温度ピックアップは存在しない）が利用可能である。
【００５５】
図３は、図１ｂ及び図２ｂの混合器１１７の一例を詳細に示している。この例では、第１の噴射管１１４は、第２の噴射管の直径Ｄ２よりも大きな直径Ｄ１を有する。さらに、第２の噴射管１１５は、第３の噴射管の直径Ｄ３よりも大きな直径Ｄ２を有する。第２の噴射管１１５は、高温ガス１２７の主流れ方向で第１の噴射管１１４から流れ方向の距離ａ１だけ下流に配置されている。第３の噴射管１１６は、第２の噴射管１１５から流れ方向の距離ａ２だけ下流に配置されている。
【００５６】
図４は、混合器１１７の別の例を示している。この例では、第２の噴射管１１５は、短い第３の噴射管１１６の下流に配置されている。長い第１の噴射管１１４は、第２の噴射管１１５の下流に配置されている。第３の噴射管１１６から噴射された希釈ガス１１０は、第１及び／又は第２の噴射管１１４，１１５を少なくとも部分的に冷却する。第２の噴射管１１５から噴射された希釈ガス１１０は、第１の噴射管１１４を少なくとも部分的に冷却する。
【００５７】
図５は、缶型構造の混合器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の切取り図を示している。第１、第２及び第３の噴射管１１４，１１５，１１６は、円筒状の側壁１１９に配置されている。第２の噴射管１１５は、高温ガスの主流れ方向１２７で第１の噴射管１１４の下流に配置されている。第３の噴射管１１６のずらされた配列が、第２の噴射管１１５の下流に配置されている。互いに隣接する第３の噴射管１１６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１２７でずれ量ｓだけずらされている。
【００５８】
噴射管１１４，１１５，１１６への入口は、噴射管１１４，１１５，１１６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。
【００５９】
混合器の側壁１１９は拡散冷却される。拡散冷却孔１２０は、側壁１１９の大きな面積に亘って分配されている。各第１の噴射管１１４の下流には、台形の第１の領域１２５が設けられている。壁部が均一に冷却される第２の領域１２６は、第１の噴射管１１４の上流に延びている。第１の領域１２５は、第２の領域１２６と比べてより高い密度の拡散冷却穴１２０を有する。第１の領域１２５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１１４の中央から両方向に、高温ガスの主流れ方向１２７に対して垂直な方向に延びている。台形の脚は、通常、高温ガスの主流れ方向１２７に対して約３０°〜４５°の角度を有する。この例では、第１の領域１２５は、高温ガス１２７の主流れ方向で、後続の第３の噴射管１１６の上流側まで延びている。
【００６０】
第３の噴射管１１６の下流において、高温ガス温度は、拡散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。しみ出し冷却を備えない第３の領域１２８が、混合器１１７の出口よりに配置されて示されている。
【００６１】
側壁１１９の内面は、サーマルバリヤコーティング１２２によって保護されている。加えて、第１の噴射管１１４の外面は、サーマルバリヤコーティング１２２によって保護されている。
【００６２】
図６は、側壁１１９に取り付けられた噴射管１１４，１１５，１１６を示している。噴射管１１４，１１５，１１６の外面は、高温ガス流への熱伝達を減じるためにサーマルバリヤコーティング１２２で被覆されている。噴射管１１４，１１５，１１６のより強い冷却のために熱伝達を高めるため、噴射管１１４，１１５，１１６の内面にリブ１２１が設けられている。
【００６３】
第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、燃焼器缶型−缶型構造に配置することができる。すなわち、第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、缶型燃焼室である。
【００６４】
第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、燃焼器缶型−環状構造に配置することができる。すなわち、第１の燃焼室１０１は環状燃焼室として配置されており、第２の燃焼室１０２は缶型燃焼室として配置されている。
【００６５】
第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、燃焼器環状−缶型構造に配置することができる。すなわち、第１の燃焼室１０１は缶型燃焼室として配置されており、第２の燃焼室１０２は環状燃焼室として配置されている。
【００６６】
第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、燃焼器環状−環状構造に配置することができる。すなわち、第１の燃焼室１０１及び第２の燃焼室１０２は、環状燃焼室である。
【００６７】
混合器１１７の混合の質は、重要である。なぜならば、第２の燃焼室１０２のバーナシステムは、規定された入口温度及び入口速度分布を要求するからである。
【００６８】
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、冷却ガス及び希釈ガスは、混合器１１７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。さらに、噴射管又は噴射孔の配置を逆転することができ、すなわち、短い第２の噴射管又は孔を、長い第１の噴射管の上流に配置することができる。さらに、別の管長さ及び管直径の組合せで付加的な管タイプを設けることもできる。
【符号の説明】
【００６９】
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  多段燃焼器配列
１０５  タービン
１０６  シャフト
１０７  排ガス
１０８  圧縮空気
１０９  燃焼生成物
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  第１の噴射管
１１５  第２の噴射管
１１６  第３の噴射管
１１７  混合器
１１８  噴射孔
１１９  側壁
１２０  しみ出し冷却孔
１２１  リブ
１２２  サーマルバリヤコーティング
１２３  第１の燃料噴射
１２４  第２の燃料噴射
１２５  第１の領域
１２６  第２の領域
１２７  高温ガスの主流れ方向
１２８  第３の領域
ａ１  流れ方向の距離
ａ２  流れ方向の距離
ｌ１  第１の噴射管の長さ
ｌ２  第２の噴射管の長さ
ｌ３  第３の噴射管の長さ
Ｄ１  第１の噴射管の直径
Ｄ２  第２の噴射管の直径
Ｄ３  第３の噴射管の直径
ｓ  ずれ量
【図１ａ−１ｂ】
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【図２ａ−２ｂ】
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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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【国際調査報告】
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