JP2006125403A - ガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＮＯＸ排出低減と出力上昇とに役立つ水又は水蒸気噴射装置を簡素化し、かつ噴射媒体と燃焼用空気との混合が向上するように構成する。
【解決手段】１つの圧縮機（１）と単数または複数の燃焼室（２）と１つの高圧ガスタービン（３）と１つの出力タービン（２４）とからなるガスタービン設備において、圧縮機（１）によって圧縮された燃焼用空気の流れに水または水蒸気が噴射される。噴射ノズル（２２）は外側にある結合ケーシング（１８）の曲管（２０）に配置されており、この結合ケーシングは圧縮機（１）の出口に結合された半径方向ケーシング部分（１９）と燃焼室（２）の入口に結合された軸線方向ケーシング部分（２１）とからなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、１つの圧縮機と単数または複数の燃焼室と１つの高圧ガスタービンと１つの出力タービンとからなるガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置であって、圧縮機によって圧縮された燃焼用空気の流れに水または水蒸気が噴射されるものに関する。
タービン排気中のＮＯＸ排出を減らすためにガスタービン設備の燃焼室内に水蒸気または水が噴射される。これにより火炎温度が下げられ、それとともに低いＮＯＸ排出が達成される。
さらに、水または水蒸気噴射技術がガスタービンの出力上昇を達成するのに利用される。水または水蒸気添加によって高温ガスの比熱容量が高まり、一層大きなエンタルピ差がタービン内に提供される。水または水蒸気供給によってガスタービン内で質量流量が高まり、これにより、付加的燃料供給時に出力がさらに高まる。出力上昇に伴ってガスタービンの効率が向上する。
燃焼室の燃料ノズルを通して水または水蒸気を直接噴射することが知られている。しかし燃焼室領域の窮屈なスペース事情のゆえに、空気と水蒸気または水との良好で均一な混合用に噴射ノズルを配置することは達成困難である。さらに、噴射された媒体が燃焼室の高温壁に衝突することによって臨界熱応力が生成される危険がある。
特許文献１により圧縮機と燃焼室とガスタービンとからなるガスターボ組立体が公知であり、そこでは有効出力を高めるために燃焼用空気経路中の燃焼室の下流側で第１タービン翼列に水または水蒸気が導入される。
特許文献２により公知のガスタービン設備では、排気経路中のガスタービンの後段に、ガスタービン設備の圧縮機内で圧縮された燃焼用空気を加熱するための熱交換器が設けられている。タービン排気の熱利用を損なうことなく熱交換器の耐久性を高めるために、圧縮された燃焼用空気が熱交換器に流入する前にこの燃焼用空気に水または水蒸気が導入される。
独国特許出願公開第１０２０５９７２号明細書 特開平０５‐３３２１６４号公報
本発明の課題は、ＮＯＸ排出低減と出力上昇とに役立つ、１つの圧縮機と単数または複数の燃焼室と１つの高圧ガスタービンと１つの出力タービンとからなるガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置であって、圧縮機によって圧縮された燃焼用空気の流れに水または水蒸気が噴射されるものを簡素化し、かつ噴射媒体と燃焼用空気との混合が大幅に改善するように構成することである。
この課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る装置は、１つの圧縮機と単数または複数の燃焼室と１つの高圧ガスタービンと１つの出力タービンとからなるガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置であって、圧縮機によって圧縮された燃焼用空気の流れに水または水蒸気が噴射されるものにおいて、外側にある結合ケーシングの曲管に噴射ノズルが配置されており、この結合ケーシングが圧縮機の出口に結合された半径方向ケーシング部分と燃焼室の入口に結合された軸線方向ケーシング部分とからなることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明に係る装置は、請求項１に記載の装置において、
噴射ノズルが、圧縮機から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向とは逆に向けて配置されていることを特徴とするものである。
さらに、請求項３に記載の発明に係る装置は、請求項１に記載の装置において、噴射ノズルが、燃焼室に軸線方向で流入する燃焼用空気の流れ方向に向けて配置されていることを特徴とするものである。
さらにまた、請求項４に記載の発明に係る装置は、請求項１に記載の装置において、噴射ノズルが、圧縮機から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向に対して横向きに、かつ燃焼室に流入する燃焼用空気に対して軸線方向に向けて配置されていることを特徴とするものである。
燃焼室が外部に配置され、圧縮機出口と燃焼室入口との間の結合ケーシングが外側にあるガスタービン設備は、それ自体公知である（例えば機械製造ポケットブック(Taschenbuch fur den Maschinenbau)／Dubbel、第１４版、１９８１年、９３２頁）。本発明においては、それらの配置構成が噴射ノズルを結合ケーシングの曲管内に収容するのに利用される。該結合ケーシングに自由に接近できることは、噴射ノズルの最適配置および自由な形状形成にとってきわめて良好な前提条件を提供する。これにより、装置を簡素化するとともに、水または水蒸気と燃焼用空気との混合状態を大幅に改善させようとする目的は技術的観点からも製造経費の観点からも達成することができる。
本発明の幾つかの実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。
図１に示したガスタービン設備は１つの圧縮機１と単数または複数の外部燃焼室２と１つの高圧ガスタービン３と後続の１つの出力タービン２４とを含む。
ガスタービン設備の圧縮機１はロータ４を有し、このロータがケーシング５内で回転し、ロータの周面には複数列の動翼６が装備されている。各列の動翼６の前に１列の固定静翼７が配置されており、静翼はケーシング５内で固着され、動翼６とともにロータ４とケーシング５との間の環状流路８内に突出している。環状流路８は、最終列の動翼６に続く静翼列の背後で、半径方向羽根車９とそれに続く半径方向ディフューザ１０に移行している。半径方向ディフューザ１０の背後で軸線方向流入流が集合室１１内に方向転換され、この集合室が圧縮機１の出口となる。
高圧ガスタービン３は２つのロータディスクを含むロータ１２からなり、ロータディスクはそれぞれ多数の動翼１３を装備している。高圧ガスタービン３のロータ１２は圧縮機１のロータ４と直接結合されて、ケーシング１４内を回転する。高圧ガスタービン３の各列の動翼１３の前段に１列の固定静翼１５が設けられており、静翼はケーシング１４に固着され、動翼１３とともにロータ１２とケーシング１４との間の環状流路１６内に突出している。
ガスタービン設備の外側ケーシング２５上に外部燃焼室２が配置されている。ガスタービン設備は単に１つの燃焼室２の代わりに２つ以上の燃焼室を装備しておくこともできる。燃焼室２の出口はガス供給管１７を介して高圧ガスタービン３の環状流路１６と結合されている。２つ以上の燃焼室２が設けられている場合、ガス供給管１７は全燃焼室２の高温ガス流を一つにする。
圧縮機１の集合室１１に、外側にある結合ケーシング１８が続いており、この結合ケーシングは圧縮機１と燃焼室２との間の結合を実現し、単数または複数の燃焼室２に圧縮された燃焼用空気を供給する。結合ケーシング１８はＬ形に形成され、ガスタービン設備の軸線に対して半径方向に延びるケーシング部分１９を有する。このケーシング部分は曲管２０を介して、ガスタービン設備の軸線に対して軸線方向に延びるケーシング部分２１に移行している。このケーシング部分２１は単数または複数の燃焼室２の空気入口と連絡している。
結合ケーシング１８の曲管２０に複数の噴射ノズル２２が配置されており、噴射ノズルは曲管２０の壁の穴２３と連絡している。これは従来のノズルである。噴射ノズル２２を通して水または水蒸気は圧縮された燃焼用空気が燃焼室２に流入する前にこの燃焼用空気内に噴射される。
噴射ノズル２２は本発明装置の好ましい第１実施例では曲管２０の頭部領域に配置され、圧縮機１から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向とは逆向きである（図２）。
好ましい第２実施例では噴射ノズル２２が曲管２０の正面壁に配置され、燃焼室２に流入する燃焼用空気に対して軸線方向を向いている（図３）。
さらに、好ましい第３実施例では噴射ノズル２２が曲管２０の側壁で、圧縮機１から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向に対して横方向、かつ燃焼室２に流入する燃焼用空気に対して軸線方向を向いている（図４）。
以上のように、本発明に係るガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置は、タービン排気中のＮＯＸの排出低減とガスタービンの出力上昇に有用であり、燃焼用空気と水蒸気または水との良好かつ均一な混合を実現でき、その混合状態を大幅に改善することが可能となる。
ガスタービン設備の縦断面図である。 本発明の第１実施例の要部の縦断面図である。 本発明の第２実施例の要部の縦断面図である。 本発明の第３実施例の要部の縦断面図である。
符号の説明
１ 圧縮機
２ 外部燃焼室
３ 高圧ガスタービン
４、１２ ロータ
５、１４ ケーシング
６、１３ 動翼
７、１５ 固定静翼
８、１６ 環状流路
９ 半径方向羽根車
１０ 半径方向ディフューザ
１１ 集合室
１７ ガス供給管
１８ 結合ケーシング
１９、２１ ケーシング部分
２０ 曲管
２２ 噴射ノズル
２３ 穴
２４ 出力タービン
２５ 外側ケーシング

Claims (4)

  1. １つの圧縮機（１）と単数または複数の燃焼室（２）と１つの高圧ガスタービン（３）と１つの出力タービン（２４）とからなるガスタービン設備の作動媒体中に水または水蒸気を噴射するための装置であって、圧縮機（１）によって圧縮された燃焼用空気の流れに水または水蒸気が噴射されるものにおいて、外側にある結合ケーシング（１８）の曲管（２０）に噴射ノズル（２２）が配置されており、この結合ケーシング（１８）が圧縮機（１）の出口に結合された半径方向ケーシング部分（１９）と燃焼室（２）の入口に結合された軸線方向ケーシング部分（２１）とからなることを特徴とする装置。
  2. 噴射ノズル（２２）が、圧縮機（１）から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向とは逆に向けて配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 噴射ノズル（２２）が、燃焼室（２）に軸線方向で流入する燃焼用空気の流れ方向に向けて配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
  4. 噴射ノズル（２２）が、圧縮機（１）から半径方向に流出する燃焼用空気の流れ方向に対して横向きに、かつ燃焼室（２）に流入する燃焼用空気に対して軸線方向に向けて配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
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