JP2001500942A - 圧縮機において二つの流体流を混合する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第１の流体流（１７）と第２の流体流（５）とを混合する方法、並びに第１の流体流（１７）を圧縮する圧縮機（２）用の少なくとも一つの出口ディフューザ（１）を有する混合装置に関する。第１の流体流（１７）は、第２の流体流（５）を導入するための導入口（３）を有する出口ディフューザ（１）を通って流れる。他の実施形態において圧縮機（２）はその導入口（３）を有している。本発明の有利な適用分野は廃熱利用形の定置ガスタービン設備である。本発明は特に燃焼室（７）の密閉外壁（９）を冷却することを可能にし、これによって燃焼室（７）における煙道ガスと冷却空気との混合が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】 圧縮機において二つの流体流を混合する装置 本発明は圧縮機用の少なくとも一つの出口ディフューザを有する混合装置に関 する。圧縮機は出口ディフューザを貫流する第１の流体流を圧縮する。更に本発 明は第２の流体流を第１の流体流に導入する方法に関する。本発明の好ましい適 用分野はガスタービン発電所に存在しているような定置ガスタービン設備での使 用である。以下ガスタービンの例において第２の流体流を第１の流体流に混合す ることの問題点を指摘する。この問題は本発明に基づいて有利に解決される。 大形発電所における重要なパラメータはガスタービン、圧縮機あるいはバーナ のような個々の設備部分の出力である。設備の総合効率はそれらの出力によって 決定的に影響される。ガスタービンの出力並びに廃熱を利用するガスタービン発 電所の効率は何よりも先ずガスタービンのタービン入口温度が高められることに よって増大される。しかしこの増大に対立してガスタービンの燃焼室における燃 焼温度も高められる。これによって熱的窒素酸化物が多く発生される。従ってガ スタービンの開発の目標は、一方ではタービン入口温度を最大にすることおよび 同時に他方では燃焼温度を窒素酸化物の発生を少なくとも法的規制の枠内に納め るように最小にすることにある。今日のガスタービンの場合、燃焼室からの高温 煙道ガスはタービン入口までの途中で燃焼室壁の冷却空気が混合されてタービン 入口温度まで冷却される。これは冷却空気が混入されるために燃焼温度がタービ ン入口温度よりも高くなければならないことを意味する。従って最大燃焼温度の 目標を達成するために燃焼室に冷却空気を混入することを完全に放棄することが 望まれる。その場合、燃焼室内における燃焼温度とタービン入口温度はほぼ同じ となる。 本件出願人が使用しているようなガスタービンにおいて、燃焼室がれんがで内 張りされることによって燃焼室の冷却空気が最少にされることは既に知られてい る。この燃焼室は僅かな冷却作用しか必要としない。しかし燃焼室のれんが間に おける隙間に高温煙道ガスが侵入することを阻止するために或る容積流の冷却空 気が利用される。これによって、高温の攻撃的煙道ガスが燃焼室の外板まで流出 してこれ を壊してしまうことが防止される。 更に確かにその壁は冷却されるが燃焼空間まで完全に閉じているような燃焼室 も知られている。その密閉燃焼室壁は外側から空気シャワーの形で冷却される。 そこで暖まった冷却空気は続いてバーナに流入する。空気シャワーが流れにとっ て必要な圧力降下を利用するために、冷却に使用されない燃焼空気流の圧力がバ ーナの手前でバーナ内に押し寄せる暖まった冷却空気が燃焼室外壁からバーナに 流入するように絞られねばならない。これによりそのような燃焼室の圧力損失は 通常の燃焼室に比べて大きくなる。従って燃焼室の効率悪化はガスタービン設備 の効率にも悪影響を及ぼす。 ガスタービンの燃焼室を蒸気で冷却することも知られている。ガスタービンに 後置接続された蒸気プロセスからその中圧部分において蒸気が取り出され、その 蒸気が燃焼室壁の冷却に利用される。その蒸気は燃焼室壁の冷却で暖まった後で 再び中圧蒸気タービンに導入される。このようにして冷却される燃焼室は完全に 密閉された燃焼室壁を有している。もっともこの場合、後置接続された蒸気プロ セスを運転せずにガスタービンだけを運転することはできない。またガス・蒸気 タービン発電所を始動する場合にまず蒸気が補助ボイラで発生されねばならない 。これは総合設備を一層高価なものにする。 本発明の課題は、密閉燃焼室壁を冷却するために使用される少なくとも冷却材 を、バーナに直接に導入されることなしに、ガスタービンプロセス自体において 再使用できるようにすることにある。 この課題は本発明に基づいて、請求項１の特徴部分を有する混合装置、請求項 ２の特徴部分を有する混合装置、並びに請求項１４の特徴部分を有する流体流の 導入方法によって解決される。有利な実施態様は各従属請求項に記載されている 。 本発明は圧縮機用の少なくとも一つの出口ディフューザを備えた混合装置に関 する。圧縮機は出口ディフューザを貫流する第１の流体流を圧縮する。出口ディ フューザは第２の流体流をこの中に流入するための導入口を有している。この混 合装置は、第１の流体流に、出口ディフューザに後続する設備部分にまだ流入す る前でも第２の流体流を導入し混合することを可能にする。これは二つの流体流 が混合することおよび後続の設備部分までに合成流体流が均質にされることを可 能にする。 これは、後続の設備部分、例えばガスタービン燃焼室が均質にされて流入する流 体に基づいて窒素酸化物の減少のような所望の目標を達成するという利点を有す る。 本発明の有利な実施態様はガスタービン設備の圧縮機に接続されている出口デ ィフューザにおける混合装置である。圧縮機は第１の流体流を圧縮し、この第１ の流体流はその後この圧縮機の出口ディフューザに流入する。出口ディフューザ 及び／又は圧縮機は圧縮機の翼列に隣接して、出口ディフューザないし翼列に間 接的にあるいは直接開口している第２の流体流を導入するための配管を有してい る。第２の流体流は出口ディフューザの出口におけるより低い全圧を有している 。第２の流体流の第１の流体流への導入は、出口ディフューザないし翼列の横断 面開口を通って貫流する圧縮された第１の流体流が第２の流体流を出口ディフュ ーザないし翼列の中に引き入れるように行われる。第２の流体流がノズル装置を 通して導入されることが有利である。これによって流体流は大きな速度となり、 その横断面開口およびその下流で第１の流体流と良好に混合させられる。 本発明は、出口ディフューザを備えた圧縮機が接続されているガスタービンの 燃焼室を冷却するために、燃焼室の少なくとも一部を第２の流体流で冷却した後 この第２の流体流の少なくとも一部が出口ディフューザ及び／又は圧縮機の翼列 の１つに導かれることを可能にする。この出口ディフューザへの導入は第２の流 体流の冷却および配管における流れ損失が僅かであるときに有利に利用される。 圧力降下が出口ディフューザに第２の流体流をエネルギ的に良好に導入できるよ りも大き過ぎるとき、圧縮機の翼列の一つに第２の流体流を混入することが特に 有利である。従って第２の流体流を案内する配管は構造的に自由に設計できる。 特にこのようにしてガスタービンの密閉燃焼室壁は外側から任意に冷却される。 従って燃焼室内における煙道ガスに冷却空気を混入する必要はなくなる。冷却用 に第２の流体流として圧縮機からの空気の部分流が取り出される。これは空気シ ャワーの形で密閉燃焼室壁に吹きつけられ、その外側を通過して流れる。圧縮機 からの空気の部分流はただ空気シャワーの形でないしはただ表面流として燃焼室 壁に送られこれを洗流する。本発明の他の実施態様は、完全密閉燃焼室外壁の代 わりにこの燃焼室外壁が予め定められた個所で第２の流体流の一部が通過できる ことを提案する。この予め定められた個所は流入する冷却空気あるいは水蒸気の ような別の冷却材が燃焼に有 利に影響を与えるように燃焼室に配置されている。このようにして燃焼室を一次 領域および二次領域のように異なった領域に分けている場合、温度低下ないし再 燃焼が助長される。 第２の流体流全部が燃焼室の外壁の洗流後に出口ディフューザ及び／又は圧縮 機の翼列に導かれることのほかに、本発明は、第２の流体流の少なくとも一部が 蒸気動力プロセスの蒸気動力回路から取り出され、続いて冷却後に出口ディフュ ーザ及び／又は圧縮機の翼列に同様に導かれることを可能にする。第２の流体流 としての蒸気の使用は、第１の流体流との混合後の均質な混合気をバーナに導入 することを可能にし、これは特に燃焼室の一次領域における温度を、温度条件に 基づく窒素酸化物の形成を著しく抑えるように減少させる。 以下図に示した有利な実施例を参照して本発明の他の利点、特徴および特性を 詳細に説明する。図示の本発明に基づく装置の特徴を有利に組み合わせることに よって目的に適った実施形態が得られる。 図１は冷却形燃焼室外壁とこれに続き冷却材を出口ディフューザに導入する導 入口とを備えたガスタービン設備の一部を、 図２はガスタービンの最初のタービン翼列の冷却材を圧縮機の翼列に導入する 導入口とを備えたガスタービン設備の別の部分を、 図３は例えば出口ディフューザにおけるノズル状に形成された導入口の拡大断 面図、 図４は出口ディフューザ及び／又は圧縮機の翼列に供給される種々の流体流の 組合わせを示す。 図１は圧縮機２、燃焼室７および本来のタービン８を備えたガスタービンの一 部を示している。圧縮機２に出口ディフューザ１が配置されている。出口ディフ ューザ１にこの中に開口している導入口３が存在している。この導入口３に第２ の流体流５が配管４を介して導入される。この流体流５は出口ディフューザ１の 横断面開口Ａ_A内において圧縮機２によって圧縮された第１の流体流１７と混合 される。しかし配管４に沿って生ずる圧力降下に応じて、第２の流体流５を圧縮 機２の翼列６の１つに導入するような構造的形態にすることもできる。図１に詳 細に示されていないタービン８から第２の流体流５が圧縮機２に戻されるそのよ うな構造的形態 は後述する。図１において燃焼室７の外壁９は第２の流体流５でシャワー状に洗 流される。これは矢印で示されている。第２の流体流５は外壁９を洗流した後で 再び全部配管４の中に流入する。第２の流体流５は本来の冷却作用の前に第１の 流体流１７から分岐して得られ、その第１の流体流１７の残留流２２はガスター ビンバーナ２１に導入される。 図１に示されている本発明の形態は、ガスタービン設備の燃焼室７に冷却空気 が混入することが防止されるほかに、次の利点を有する。 − 第１の流体流１７のガスタービンバーナ２１に導入される残留流２２を、燃 焼器７の外壁９に対する空気シャワーの圧力損失を発生するために絞る必要がな い。 第２の流体流が圧縮機から流出する第１の流体流１７に比べて少ないので、暖ま った第２の流体流５の混入による出口ディフューザ１の追加的圧力損失は僅かで ある。 − 暖まった冷却空気は第２の流体流５としてガスタービンバーナ２１の手前で 混入される。従って、これは第１の流体流１７としての圧縮機からの空気と均質 に混合される。これによってバーナ２１に導入される給気２２内における高温の 流れ束が回避される。このようにしてバーナの窒素酸化物の発生が減少する。 図２は本発明の別の利用形態を示している。第２の流体流５はタービン８の第 １のタービン翼列を冷却するために利用される。そのタービン翼１４は中空に形 成され、第２の流体流１５は第１の流体流１７から分岐され、導入口を通ってタ ービン翼１４に導入される。冷却材排出管としての配管４は構造的に、流れ損失 に基づく圧力降下が僅かであるように設計されている。この配管４は第２の流体 流５を第１の流体流１７に混入するためのガスタービン設備の構想的に新たな形 態が既存の設計に容易に適合されるように設計されている。図１における燃焼室 ７の外壁９を冷却する場合に比べて圧力損失が幾分高いことにより、図２におい て第２の流体流は圧縮機２の翼列６の横断面開口Ａ_Sに導入口３を通して導入さ れる。配管４並びに導入口３による圧力損失が小さいとき、第２の流体流５は出 口ディフューザ１でも混入できる。配管４と導入口３との間に空間２３が存在し ている。これは第２の流体流５が円周方向に一様に分配されて導入口３を介して 第１の流体流１７に混入されるように形成されている。 図３は第２の流体流５の第１の流体流１７への導入口の構造的形態を示してい る。配管４はここでは出口ディフューザ１に直接固定されている。図示された混 合装置の運転中においで配管４内の全圧は配管４が直接開口している出口ディフ ューザ１の横断面開口における静圧と同じであり、従って出口ディフューザ１の その横断面開口における全圧より幾分小さい。ノズル１０は種々に形成できる。 或る実施形態においてノズル開口は出口ディフューザ１の外壁の円周方向部分に 沿って延びている。これによって第２の流体流５の通路状のノズル導入口が生ず る。別の実施形態において個々のノズル１０が出口ディフューザ１の周囲ないし 圧縮機２の翼列６の周囲にわたって設けられる。 図４は圧縮機２ないし出口ディフューザ１に導入される異なった第２の流体流 ５の組み合わせを示している。タービン８に蒸気動力プロセス１９が後置接続さ れている。これはタービン８の後でもなお煙道ガス１５内に存在する廃熱を利用 する。燃焼室７の外壁９に対する冷却材として使用される第２の流体流５として の圧縮機２からの空気流は導入管２５を通してその中の弁１２を介して出口ディ フューザ１及び／又は付随的に破線で示されているように圧縮機２に導入される 。制御器あるいは調整器１６によって導入管２０および導入管２５における開口 断面積が、ガスタービン設備の運転状態および特に燃焼室の内部における所望の 燃焼状態に応じて第１の流体流１７への第２の流体流５の柔軟な混入が行われる ように変更される。更に図示されている導入管２６は第２の流体流５をまずガス タービンに導き、そこでこれは一つあるいは複数のタービン翼列を冷却する。続 いてこの第２の流体流５はその後で出口ディフューザ１ないし圧縮機２において 第１の流体流１７に混入するために弁１２を通って導かれる。適当な第２の流体 流５を出口ディフューザ１ないし圧縮機２に導入する別の方式は導入管２７によ って実施される。ここで例示しているように、蒸気タービン２８から部分蒸気流 が取り出され、制御器あるいは調整器１３によって必要に応じて継続して導かれ る。 第１の流体流１７に混入される図４に示されている種々の流れは本発明の広い 使用分野を示している。しかし本発明に基づく混合装置の利用はガスタービン設 備に限定されない。かかる混合装置は二つの流体流が別の設備部分に流入する前 にその二つの流体流が互いに均質に混合されねばならない場所に随所に適用でき る。更 に本発明は、煙道ガスへの冷却空気の混入を減少させる場合のように設備構造部 品の出力、この場合にはガスタービン出力を高めること且つこれによって設備効 率を向上することを可能にする。本発明の別の利点は冷却回路あるいは別の流体 回路においていわば失われた圧力が回収されることにある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の流体流（１７）を圧縮する圧縮機（２）用の少なくとも一つの出口デ ィフューザ（１）を備え、第１の流体流（１７）が出口ディフューザ（１）を通 って流れる混合装置において、出口ディフューザ（１）が第２の流体流（５）を この出口ディフューザ（１）に流入させるための導入口（３）を有していること を特徴とする混合装置。 ２．第１の流体流（１７）を圧縮する圧縮機（２）を備えたガスタービン設備が 接続されている第１の流体流（１７）用の混合装置において、圧縮機（２）がそ れに接続された出口ディフューザ（１）を有し、この出口ディフューザ（１）及 び／又は圧縮機（２）の翼列（６）に、第２の流体流（５）を導入するための配 管（４）が間接的にあるいは直接開口していることを特徴とする混合装置。 ３．ガスタービン用の少なくとも一つの燃焼室（７）と、第１の流体流を圧縮す る圧縮機（２）とを備え、燃焼室（７）が少なくともその外壁（９）に対する冷 却装置を有し、圧縮機（２）が出口ディフューザ（１）を有している請求項１又 は２記載の混合装置において、配管（４）が燃焼室（７）に隣接し、配管（４） が第１の流体流（７）から分岐され燃焼室（７）の外壁（９）を通った第２の流 体流（５）を出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６）の１ つに導くことを特徴とする混合装置。 ４．配管（４）が冷却すべき構造部品に対する冷却材としての第２の流体流（５ ）をその冷却作用後に出口ディフューザ（１）及び／又は翼列（６）に導く冷却 材排出管であることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の混合装置。 ５．混合装置の運転中に配管（４）内の全圧が、配管（４）が直接あるいは間接 的に開口している出口ディフューザ（１）及び／又は翼列（６）の横断面開口（ Ａ_S、Ａ_A）における全圧より低いことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記 載の混 合装置。 ６．出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）がその翼列（６）及び／又 は配管（４）の隣にノズル（１０）を有している請求項１ないし５の１つに記載 の混合装置。 ７．配管（４、２５）が，少なくとも一部で燃焼室（７）の外壁（９）に隣接し ている冷却材導入管であり、第２の流体流が冷却材として外壁（９）の少なくと も一部をシャワー状に洗流するように形成されていることを特徴とする請求項１ ないし６の１つに記載の混合装置。 ８．配管（４、２６）がガスタービンのタービン翼（１４）からの第２の流体流 を出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６）に導くことを特 徴とする請求項１ないし７の１つに記載の混合装置。 ９．第２の流体流（５）が、横断面開口（Ａ_S、Ａ_A）を通過する圧縮された第１ の流体流（１７）が第２の流体流（５）を出口ディフューザ（１）及び／又は翼 列（６）の中に引き入れるように第２の流体流（５）が導入される出口ディフュ ーザ（１）あるいは翼列（６）の横断面開口（Ａ_S、Ａ_A）におけるより低い圧力 を有している出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６）に第 ２の流体流（５）を導入する方法。 １０．第２の流体流（５）がノズル装置（１０）を通って導かれることを特徴と する請求項９記載の方法。 １１．出口ディフューザ（１）を有する圧縮機（２）が接続されているガスター ビン（８）の燃焼室（７）を冷却する方法において、燃焼室（７）の少なくとも 一部を第２の流体流（５）で冷却した後、この第２の流体流（５）の少なくとも 一部が出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６）に導かれる ことを特 徴とする請求項９又は１０記載の方法。 １２．燃焼室（７）の外壁（９）が第２の流体流（５）で洗流されることを特徴 とする請求項９ないし１１の１つに記載の方法。 １３．第２の流体流の一部が燃焼室（７）の冷却材として燃焼室（７）の外壁（ ９）を通った後で燃焼室の内部空問に流入することを特徴とする請求項９ないし １２の１つに記載の方法。 １４．第２の流体流（５）全部が燃焼室（７）の外壁（９）の洗流後に出口ディ フューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６）に導かれることを特徴とす る請求項９ないし１３の１つに記載の方法。 １５．第２の流体流の少なくとも一部が蒸気動力プロセス（１９）の蒸気動力回 路から取り出され、出口ディフューザ（１）及び／又は圧縮機（２）の翼列（６ ）に導かれることを特徴とする請求項９ないし１４の１つに記載の方法。