JP2015036618A - 希釈ガスミキサを備えた２段燃焼 - Google Patents

Abstract

【課題】第１燃焼室と第２燃焼室との間で希釈ガスと第２の燃料とを混合するための手段を有するバーナを備えた２段燃焼器配列を提案する。
【解決手段】流線形本体４２は、少なくとも１つの燃料ノズル４３の上流で第１燃焼器燃焼生成物３７に希釈ガス３２を混合するための希釈ガス開口４４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２段燃焼器配列内へ希釈ガスを混合するガスタービン用の２段燃焼器配列に関する。本発明は、加えて、２段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。

開示の背景
風また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。したがって、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および燃焼温度で運転させられることを意味する。

それと同時に、エミッション制限値およ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動作し、部分負荷運転時および過渡運転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。

従来の燃焼システムは、圧縮機入口における質量流量を調節することによってまたは異なるバーナ、燃料段また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、運転条件の変動に対処するよう設計されている。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。

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（sequential combustion）が独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書に提案されている。運転条件、特に第１燃焼室の高温ガス温度に応じて、高温ガスが第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この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、および第２のバーナの第１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となり得る。

第２燃焼室への入口温度の十分な制御、および第１燃焼器から出たガスとの、第２のバーナにおいて噴射された燃料の十分な混合は、低エミッション値での安定した燃焼のための前提条件である。しかしながら、希釈ガスと燃料とを混合するために高温ガス流路において必要とされる付加的な長さは、ガスタービンのコストを増大させる。加えて、ミキサにおける希釈ガスの混合の後に燃料噴射を行うことによる段階的な冷却は、このような燃焼器配列の全体的な圧力降下の増大につながる恐れがある。

独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書

本開示の課題は、第１燃焼室と第２燃焼室との間で希釈ガスと第２の燃料とを混合するための手段を有するバーナを備えた２段燃焼器配列を提案することである。

本発明の課題は、第１燃焼室と第２燃焼室との間で希釈ガスと第２の燃料とを混合するための手段を有するバーナを備えた２段燃焼器配列を提案することである。このような“希釈バーナ”は、第２燃焼室のための適切な入口流れ条件を提供しなければならない。特に、高温ガスは、所定の高温ガス温度まで冷却される。さらに、速度分布、酸素および燃料含有量は、希釈ガスの適切な混合により、第２燃焼室のために調節する（例えば規定されたプロフィルに制御する）ことができる。

規定された入口温度からのずれは、高いエミッション（例えばＮＯｘ、ＣＯおよび未燃焼炭化水素）および／または希釈バーナにおける逆火を生じ得る。逆火およびＮＯｘは、高い入口ガス温度また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）または燃料・空気混合のための時間の短縮を生じ、その結果、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への燃え尽き（burnout）のための時間を短縮し、低下した局所的火炎温度は、ＣＯからＣＯ₂への燃え尽きをさらに減速させる。最後に、局所的なホットスポットは、ミキサの下流のある領域における過熱につながり得る。

希釈ガスは、例えば、圧縮空気、または空気とガスタービンの煙道ガスとの混合物であってよい。圧縮された煙道ガスを希釈ガスとして使用することもできる。

１つの実施の形態によれば、２段燃焼器配列は、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナと、第１燃焼室と、希釈ガスと第２の燃料とを混合するための希釈バーナと、第２燃焼室とを有する。希釈バーナは、運転中に第１燃焼室から出る第１燃焼器燃焼生成物に希釈ガスおよび第２の燃料を混合するための希釈ガス・燃料混合器を有する。

第１の燃料および第２の燃料は、同じタイプの燃料、例えば両方とも気体燃料または両方とも液体燃料であって、同じ供給源から供給されるか、異なる燃料源から提供される異なる燃料タイプであってよい。

希釈ガス・燃料混合器は、希釈バーナに少なくとも１つの燃料を導入するための少なくとも１つの燃料ノズルを備えた希釈バーナに配置された少なくとも１つの流線形本体を有する。流線形本体は、その長手方向が、希釈バーナにおいて生じる主流れ方向に対して垂直にまたは傾いて延びた、流線形の断面輪郭を有する。少なくとも１つの燃料ノズルの上流において、希釈ガス・燃料混合器の少なくとも１つの流線形本体は、第１燃焼器燃焼生成物に希釈ガスを混合するための希釈ガス開口を有する。

別の実施の形態によれば、希釈ガス開口は、運転中に、希釈ガス開口を通じて混合される希釈ガスの質量流量に対する第１燃焼器燃焼生成物の質量流量比が０．５〜２の範囲となるように寸法決めされている。好適には、希釈ガス開口は、運転中に質量流量比が０．７〜１．５、最も好適には０．９〜１．１の範囲となるように寸法決めされている。

特に、希釈ガス開口は、運転中に第１燃焼器から出る第１燃焼器燃焼生成物の主流れ方向に対して平行に方向付けられている。特に、希釈ガス開口は、希釈ガス開口の位置において主流に対して平行に希釈ガスを放出するように方向付けられている。

別の実施の形態によれば、希釈ガス開口の流過面積に対する、希釈ガス開口の位置における第１燃焼器燃焼生成物のための流過面積の比は、１〜１０の範囲である。好適には、流過領域の比は、２〜７の範囲、最も好適には４〜６の範囲である。

２段燃焼器配列の別の実施の形態によれば、希釈ガス・燃料混合器は、第１燃焼器燃焼生成物に希釈ガスを混合するための少なくとも２つの希釈ガス開口を有する。第１燃焼器燃焼生成物に希釈ガスを混合するための少なくとも２つの希釈ガス開口は、スロットとして形成されており、スロットは、希釈ガス・燃料混合器の流線形本体の側面から、第１燃焼器燃焼生成物の流過面積に向かって、すなわち流線形本体の長手方向延在方向に対して垂直方向に延びている。

特に、スロットの高さは、希釈バーナに進入する第１燃焼器燃焼生成物の温度分布および／または速度分布に関して決定することができる。特に、スロット高さは基本的に、スロットの対応する位置における高温ガスと、希釈ガスの温度との温度差に比例することができる。スロットを通じて混合される希釈ガスはスロット高さに比例するので、希釈ガスの冷却効果はスロット高さに比例し、第１燃焼室の出口における不均一な温度分布は、適合した高さ分布、例えば高温の領域における大きな高さのスロットと、低温領域における小さな高さのスロットとによって、平衡させることができる。

これに代えて、スロットの高さは、流線形本体の長手方向での位置に関して決定することができる。

高さ分布は、スロットの一方の端部から他方の端部まで高さが増大するように単純な一次関数であることができる。希釈バーナまたは燃焼室における壁冷却により温度が既に低下させられているので、希釈バーナの側壁の近くでは、あらゆる曲線であることができるまたはスロットの端部に向かって減じられた高さを有することができる。

別の実施の形態によれば、流線形本体の少なくとも１つの側面に渦発生器が配置されている。

渦発生器は、例えば、渦発生器の上流の側面に対して収束した三角形の側面と、流線形本体の中心平面に対してほぼ垂直な２つの側面とを備えた、三角形であってよい。２つの側の面は、渦発生器の後縁において収束している。この後縁は、通常、対応する燃料ノズルのすぐ上流にある。

さらに別の実施の形態によれば、流線形本体の後縁には、流線形本体の中心平面に関して横方向反対向きに少なくとも２つの張出部が設けられている。

希釈ガス開口の位置において、（希釈ガス開口の位置における主流の流れ方向に対して垂直な）流線形本体の断面の幅は、希釈バーナにおける流過領域を増大するように減じられている。希釈ガス開口の下流の流線形バーナの最大断面積に対する、希釈ガス開口の断面積の合計の比は、例えば、０．１〜２またはそれ以上のオーダであることができる。１つの実施の形態によれば、この比は、０．５〜１．５の範囲である。

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たガスタービン、およびこのような２段燃焼器配列を備えたガスタービンを運転する方法が、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１つの圧縮機と、２段燃焼器配列と、タービンとを有し、２段燃焼器配列は、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナと、第１燃焼室と、希釈ガス・燃料混合器を備えた希釈バーナと、第２燃焼室とを有する。

１つの実施の形態によれば、このようなガスタービンを運転する方法は、以下のステップ、すなわち、
圧縮機において入口ガスを圧縮し、第１のバーナにおいて第１の燃料を混合するステップと、
第１燃焼器において、圧縮された入口ガスおよび燃料の生じた混合物を燃焼させて第１燃焼器燃焼生成物を生ぜしめるステップと、
希釈ガス・燃料混合器によって第１燃焼器燃焼生成物に希釈ガスおよび第２の燃料を混合するステップと、
第１燃焼器燃焼生成物と、第２の燃料と、希釈ガスとの混合物を第２燃焼室において燃焼させて第２燃焼器燃焼生成物を生ぜしめるステップと、
第２燃焼室燃焼生成物とも呼ばれる高温ガスをタービンにおいて膨張させるステップとを含む。

第１燃焼器燃焼生成物と、第２の燃料と、希釈ガスとの混合物を第２燃焼室において燃焼させて第２燃焼室において第２燃焼器燃焼生成物を生ぜしめる前に、第１燃焼器燃焼生成物と、第２の燃料と、希釈ガスとが、希釈ガス・燃料混合器において少なくとも部分的に混合される。

混合のために、希釈バーナに配置された少なくとも１つの流線形本体を有する希釈ガス・燃料混合器によって第２の燃料が希釈バーナに導入される。流線形本体から少なくとも１つの燃料ノズルを通じて第２の燃料を噴射することができる。少なくとも１つの流線形本体は、その長手方向が、希釈バーナにおいて生じる主流れ方向に対して垂直にまたは傾いて延びる、流線形の断面輪郭を有する。少なくとも１つの流線形本体から希釈ガスが少なくとも１つの希釈ガス開口を通じて、少なくとも１つの燃料ノズルの上流の第１燃焼器燃焼生成物に混合される。

特に、希釈ガス開口を通じて混合される希釈ガスの質量流量に対する、希釈バーナに進入する第１燃焼器燃焼生成物の質量流量の質量流量比は、０．５〜２の範囲である。好適には、比は、０．７〜１．５の範囲、最も好適には比は０．９〜１．１の範囲である。

別の実施の形態によれば、希釈ガスは、噴射箇所において、第１燃焼器燃焼生成物の主流れ方向の流れ方向に対して２０°の最大逸脱範囲の方向で、希釈ガス開口を通じて希釈ガスバーナ内へ噴射される。理想的には、希釈ガスは、第１燃焼器燃焼生成物の主流の流れ方向に対して平行に希釈ガス開口を通じて希釈ガスバーナ内へ噴射される。

方法の別の実施の形態によれば、希釈ガスは、噴射箇所において第１燃焼器燃焼生成物の平均流速と同じ平均速度で、または噴射箇所において第１燃焼器燃焼生成物の平均流速に対して３０％の最大逸脱範囲で、希釈ガス開口を通じて希釈ガスバーナ内へ噴射される。

流れ方向と同じ流れ方向および／または同じ速度で、もしくは第１燃焼器の燃焼生成物の流れと同じ流速での希釈ガスの噴射は、希釈ガスの噴射時の圧力損失を減じる。

このような構成において、希釈ガスおよび第１燃焼器の燃焼生成物は、流線形本体に沿って互いに平行に流れることができる。希釈ガスを混合するための開口の下流において、燃料を実用上希釈ガス内へ噴射することができ、全ての３つの流体、すなわち第１燃焼器の燃焼生成物と、希釈ガスと、燃料とを１つのステップにおいて混合することができる。これらの３つの流体の十分な混合のために、流線形本体の少なくとも１つの側面に渦発生器を配置することができる。これに代えて、流線形本体の後縁に、流線形本体の中心平面に関して横方向反対向きに少なくとも２つの張出部を設けることができる。

方法の別の実施の形態によれば、希釈ガスは、スロットとして形成された少なくとも２つの希釈ガス開口を通じて第１燃焼器燃焼生成物に混合される。これらの各スロットは、希釈ガス・燃料混合器の流線形本体の側面から第１燃焼器燃焼生成物の流過面積に向かって（すなわち流線形本体の側面に対して垂直に）延びている。

流線形本体の長手方向での、噴射された希釈ガスの質量流量分布は、希釈バーナに進入する第１燃焼器燃焼生成物の温度分布および／または速度分布に関して決定される。通常、より低い温度の領域よりも、より高い温度の領域により多くの希釈ガスが噴射される。

これに代えてまたは組み合わせて、流線形本体の長手方向での、噴射された希釈ガスの質量流量分布は、流線形本体の長手方向に沿った位置に関して決定される。

流線形本体の冷却が要求される場合がある。特に、希釈ガス開口の位置の上流において、流線形本体は第１燃焼器の高温燃焼生成物に曝される。１つの実施の形態によれば、流線形本体の外面を冷却するために冷却ガスが使用される。通常、流線形本体から加えられる流体のほとんどは、希釈ガスである。特に、冷却ガスに対する希釈ガスの比は、２よりも大きく、好適にはその比は５よりも大きい、または２０または５０までである。冷却ガスおよび希釈ガスは、同じ組成を有していてよく、同じ供給源から供給されてよい。

局所的な高い酸素濃度は、局所的な高温と同じ効果を有する恐れがあり、例えば、速い反応につながり、その結果、自己点火が生じる前の、混合のために利用できる時間を短縮すること、高い燃焼温度、ＮＯｘエミッションの増大、および場合によっては逆火につながる。局所的な低い酸素濃度は、局所的な低温と同じ効果を有する恐れがあり、例えば、遅い反応、その結果、ＣＯおよびＵＨＣ（未燃焼炭化水素）エミッションの増大につながる。したがって、希釈ガスの混合は、希釈バーナから出るガスの酸素濃度を調節するために分配することができる。

希釈ガス・燃料混合器は、ダンパと組み合わせることができるまたは欧州特許出願公開第１２１８９６８５号明細書に記載されているような減衰体積へのコネクタとして組み合わせることもできる。前記欧州特許出願公開は、ここで引用したことにより本明細書に組み込まれる。

ガスタービンは、煙道ガス再循環システムを有することができ、この煙道ガス再循環システムにおいて、タービンから出た煙道ガスの一部は、ガスタービンの圧縮機入口ガスに混合される。

様々な冷却技術が冷却ゾーンにおいて使用されてもよい。例えば、しみ出し冷却、インピンジメント冷却、対流冷却、または冷却方法の組合せを用いることができる。

２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：
−両方の、すなわち第１および第２燃焼器は、連続した缶型−缶型構成として形成されている。
−第１燃焼器は環状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。
−両方の、すなわち第１および第２燃焼器は、環状燃焼室として構成されている。

様々なバーナタイプを用いることができる。第１燃焼器用に、例えば欧州特許第０３２１８０９号明細書から公知のいわゆるＥＶバーナ、または例えば独国特許第１９５４７９１３号明細書から公知のＡＥＶバーナを例えば使用することができる。引用したことにより本明細書に組み込まれる欧州特許出願第１２１８９３８８．７号明細書に記載されているような旋回室を有するＢＥＶバーナを使用することができる。缶型構成では、缶型燃焼器ごとに１つまたは複数のバーナ配列を使用することができる。さらに、引用したことにより本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００４／０２１１１８６号明細書に記載されているような火炎シート燃焼器を第１燃焼器として使用することができる。

開示、その性質及びその利点は、添付の概略的な図面を用いて以下でより詳細に説明される。

第１のバーナと、第１燃焼室と、希釈ガスを混合するためのミキサと、第２のバーナと、第２燃焼室とを有する２段燃焼配列を備えたガスタービンを示す図である。 第１のバーナと、第１燃焼室と、希釈バーナと、第２燃焼室とを有する、環状構成の２段燃焼配列を備えたガスタービンを示す図である。 第１のバーナと、第１燃焼室の向流冷却と、第１燃焼室と、希釈バーナと、第２燃焼室とを有する、環状構成の２段燃焼配列を備えたガスタービンを示す図である。 第１のバーナと、第１燃焼室と、希釈バーナと、第２燃焼室とを有する、缶型構成の２段燃焼配列を備えたガスタービンを示す図である。 渦発生器と、キャリヤガス噴射とを有する希釈ガス・燃料混合器を備えた希釈バーナを示す図である。 希釈ガス・燃料混合器および薄い後縁を備えた希釈バーナを示す図である。 流線形本体の両側に希釈ガスを混合するためのスロットを備えた希釈ガス・燃料混合器を示す図である。 渦発生器と、流線形本体のそれぞれの側における２つの軸方向で段付けされたガス開口と、キャリヤガス噴射とを有する希釈ガス・燃料混合器を備えた希釈バーナを示す図である。 渦発生器と、後縁からの冷却ガス噴射と、キャリヤガス噴射とを有する希釈ガス・燃料混合器の斜視図を示している。 渦発生器のための張出部と、キャリヤガス噴射とを有する希釈ガス・燃料混合器の斜視図を示している。

図１は、２段燃焼器配列４を備えるガスタービン１を示している。ガスタービン１は、圧縮機３と、２段燃焼器配列４と、タービン５とを有する。

２段燃焼器配列４は、第１のバーナ１０と、第１燃焼室１１と、作動中に第１燃焼室１１から出てくる高温ガスに希釈ガス３２を混合するためのミキサ１２とを有する。ミキサ１２の下流において、２段燃焼器配列４は、さらに、第２のバーナ１３と、第２燃焼室１４とを有する。第１のバーナ１０、第１燃焼室１１、ミキサ１２、第２のバーナ１３および第２燃焼室１４は、流体流れ接続されて順に配置されている。２段燃焼器配列４は、燃焼器ケーシング３１に収容されている。圧縮機３から出た圧縮ガス８は、圧縮機から出たガスの動的圧力を少なくとも部分的に回収するためにディフューザ３０を通過する。

２段燃焼器配列４はさらに、第１の冷却チャネル１５を備える第１燃焼室冷却ゾーンを有する。第１の冷却チャネル１５は、第１燃焼室壁部２４と、第１燃焼室壁部２４を包囲する第１のジャケット２０とによって画成されている。２段燃焼器配列は、第２の冷却チャネル１６を備えたミキサ冷却ゾーンを有しており、第２の冷却チャネル１６は、ミキサ壁部２５と、ミキサ壁部２５を包囲する第２のジャケット２１とによって画成されている。２段燃焼器配列は、第３の冷却チャネルを備えた第２のバーナ冷却ゾーンを有しており、第３の冷却チャネルは、第２のバーナ壁部２６と、第２のバーナ壁部２６を包囲した第３のジャケット２２とによって画成されている。２段燃焼器配列は、第４の冷却チャネル１８を備えた第２燃焼室冷却ゾーンをも有しており、第４の冷却チャネル１８は、第２燃焼室壁部２７と、第２燃焼室壁部２７を包囲した第４のジャケット２３とによって画成されている。

圧縮ガス８は、（高温ガス流れ方向に関して）上流端部において冷却ガス３３として第１の冷却チャネル１２に供給され、第１燃焼室１１における高温ガス流の主流れ方向に対して平行な第１の冷却チャネル１５を流過する。第１の冷却チャネル１５を通過した後、冷却ガス３３は、ミキサを冷却するために第２の冷却チャネルに進入する。ミキサを少なくとも部分的に冷却した後、冷却ガス３３は、希釈ガス入口１９に供給され、ミキサ１２において希釈ガス３２として高温ガスに混合される。

圧縮ガス８は、（高温ガス流れ方向に関して）下流端部において冷却ガス３３として第４の冷却チャネル１８にも供給され、第２燃焼室１４における高温ガス流の主流れ方向に対して向流で流れる。第４の冷却チャネル１８を通過した後、冷却ガス３３は、（高温ガス流れ方向に関して）下流端部において第３の冷却チャネル１７に進入し、第２のバーナ１３における高温ガス流の主流れ方向に対して向流で流れる。第２燃焼室壁部２７および第２のバーナ壁部２６を冷却した後、冷却ガス３３は第２のバーナ１３に供給される。冷却ガス３３は、例えば、冷却ガス、例えばフィルム冷却ガスまたは拡散冷却として第２のバーナ１３に供給することができる。冷却ガス３３の一部は、第２燃焼室壁部２７の冷却の間に第２燃焼室１４における高温ガス９に既に供給することができる（図示せず）。

第１の燃料２８を、第１の燃料噴射によって第１のバーナ１０へ導入し、圧縮機３において圧縮された圧縮ガス８と混合し、第１燃焼室１１において燃焼させることができる。希釈ガス３２は、後続のミキサ１２において混合される。第２の燃料２９を、第２の燃料インジェクタ５１によって第２のバーナ１３へ導入し、ミキサ１２から出た高温ガスと混合し、第２燃焼室１４において燃焼させることができる。第２燃焼室１４から出た高温ガスは、後続のタービン５において膨張させられ、仕事を行う。タービン５および圧縮機３はシャフト２に配置されている。

タービン５から出た排ガス７の残りの熱はさらに、蒸気発生のための排熱回収蒸気発生器もしくはボイラ（図示せず）において利用することができる。

ここに示された例においては、圧縮ガス８は希釈ガス３２として混合される。通常、圧縮機ガス８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。

通常、ガスタービンシステムは、ガスタービン１のシャフト２に連結された発電機（図示せず）を含む。ガスタービン１はさらに、タービン５用の冷却システムを有するが、この冷却システムも、発明の主体ではないので示されていない。

希釈バーナを備える２段燃焼器配列の様々な典型的な実施の形態が図２〜図４に示されている。希釈バーナの様々な典型的な実施の形態の詳細が図５〜図１０に示されている。

図２の実施の形態は、ミキサ１２および第２のバーナ１３が希釈バーナ３５に置き換えられているという点において図１の燃焼器配列と異なる。特に、別個のミキサ１２および第２の燃料インジェクタ５１を１つの構成部材によって置き換えることができる。希釈バーナ３５は、高温ガス通路を画成する希釈バーナ壁部３６と、希釈バーナ３５の高温ガス通路に配置された希釈ガス・燃料混合器３４とを有する。高温の第１燃焼器燃焼生成物３７は、事前の冷却を一切行うことなく希釈バーナ３５へ直接に進入する。第２の燃料２９および希釈ガス３２は、希釈ガス・燃料混合器３４を介して供給される。図示した例においては、希釈ガス３２は、希釈バーナ３５を包囲した第３の冷却チャネル１７から希釈ガス供給部４６を通じて希釈ガス・燃料混合器３４へ供給される。

希釈ガス３２は、例えば圧縮機ディフューザ３０からまたは第１の冷却チャネル１５から直接に供給されるなど、他の供給源から供給することもできる。

図１のバーナ配列のように、圧縮ガス８は、（高温ガス流れ方向に関して）下流端部において冷却ガス３３として第４の冷却チャネル１８に供給され、第２燃焼室１４における高温ガス流の主流れ方向に対して向流で流れる。第４の冷却チャネル１８を通過した後、冷却ガス３３は、（高温ガス流れ方向に関して）下流端部において第３の冷却チャネル１７に進入し、希釈バーナ３５における高温ガス流の主流れ方向に対して向流で流れる。第２燃焼室壁部２７を冷却した後、冷却ガス３３は希釈バーナ３５に供給される。最後に、希釈バーナ壁部３６を冷却した後、冷却ガスは希釈ガス３２として使用される。

図３の実施の形態は図２に基づく。この例においては、希釈バーナと、第１のバーナ１０の冷却方式とが変更されている。冷却ガス３３は、向流配列において第１燃焼室１１を冷却する。第１燃焼室１１を冷却した後、冷却ガス３３はバーナフードに進入し、このバーナフードは冷却ガス３３を第１のバーナ１０へ案内する。

図４の実施の形態は図２に基づく。この例においては、希釈バーナと冷却方式とは変更されていないが、第１のバーナ１０としての火炎シートバーナを備えた、缶型構成における２段燃焼配列が示されている。缶型構成における複数の２段燃焼配列は、ガスタービンの軸線（図示せず）を中心とするある半径において周方向に間隔を置いて配置されている。

図５は、希釈バーナ３５の２つの側壁３６の間に配置された希釈ガス・燃料混合器３４を備えた希釈バーナ３５の断面図を示している。この例においては、希釈ガス・燃料混合器３４は、前縁区域４７および後縁区域４８を備えた流線形本体４２と、流線形本体４２の側壁に取り付けられた渦発生器４１とを有している。前縁区域４７と後縁区域４８との間には、希釈ガス開口４４が、希釈ガス３２を主流と同じ方向に噴射するために、第１燃焼器燃焼生成物３７の流れの下流方向を向いて配置されている。希釈ガス開口４４の位置において、流線形本体の横断面の幅は減じられており、これにより、希釈バーナにおける流過面積を希釈ガス開口４４の流過面積Ａ_dだけ増大させている。希釈ガス開口４４の上流では、希釈バーナの流過面積は、第１の燃焼生成物のための流過面積Ａ_cに等しい。

前縁区域４７を冷却するために、冷却穴を通じて冷却ガス４５を噴射することができる。通常、前縁区域４７のためにフィルム冷却を提供することができる。

燃料３８，３９を噴射するための燃料噴射ノズル４３に気体燃料３８および液体燃料３９を供給するために、流線形本体４２にダクトが設けられている。図示した例においては、流線形本体４２の後縁にノズル４３が配置されている。加えて、燃料ノズル４３に隣接した開口からキャリヤガス４０を噴射することができる。

混合を高めるために、流線形本体４２の側部から渦発生器４１が延びている。

図６の例は、図５に基づく。図６の例は、後縁において冷却空気またはキャリヤ空気が噴射されないという点で図４の例とは異なる。空気噴射を行わないので、後縁区域４８、特に後縁をより薄く設計することができ、これにより、損失を低減する。

加えて、希釈バーナ３５の下流に配置された第２燃焼室１４が図６に示されている。この例においては、流路の横断面は、火炎安定化のために希釈バーナ３５に向かって増大している。

図７は、矩形の流過横断面を備えた希釈バーナ３５の実施の形態を示している。このような希釈バーナは、ガスタービンの軸線から離れる方向を指す半径方向ｒを備えて、軸線を中心として周方向に配置することができる。通常、流線形本体４２の長手方向は、ガスタービンに取り付けられているときに半径方向ｒに対して平行である。横断面は、希釈バーナ３５の下流端部から見たところが示されている。この例の希釈ガス・燃料混合器３４は、気体または液体燃料３８，３９を噴射するための燃料ノズル４３を１つだけ有している。後縁区域４８は、ノズル４３の両側において延びている。後縁区域４８の両側に希釈ガス開口４４が配置されている。希釈ガス開口４４は、半径方向ｒに延びたスロットの形状を有する。スロットの高さｈは、内側スロット高さｈ_iから外側スロット高さｈ_oまで線形に増大している。スロット高さは、前縁区域４７の下流端部によって決定されている。

図８は、図５と同様の希釈バーナ３５の２つの側壁３６の間に配置された希釈ガス・燃料混合器３４を備えた希釈バーナ３５の断面図を示している。この例においては、希釈ガス・燃料混合器３４は、軸方向で段付けされた配列のガス開口４４ａおよび４４ｂを有しており、希釈ガス開口は、希釈ガス３２を主流と同じ方向に噴射するために、第１燃焼器燃焼生成物３７の流れの下流方向を向いている。

図９は、渦発生器を有する希釈ガス・燃料混合器３４の斜視図を示している。これは、図５に示された実施の形態と同じものである。しかしながら、この例においては、燃料３８，３９は、後縁４８に配置された円形もしくは環状の燃料ノズル４３から噴射される。加えて、冷却ガス４５は、流線形本体４２の後縁４８に沿って延びるスロットから噴射される。燃料ノズル４３を取り囲んで同軸に配置された環状の開口を通じてキャリヤガス４０を噴射することができる。希釈ガス３２および第１燃焼器燃焼生成物３７との燃料３８，３９の混合を高めるために、流線形本体４２の側壁４９において、燃料ノズル４３の上流に渦発生器４１が配置されている。示されたこの例においては、希釈バーナ壁部３６の一部分が示されている。通常、希釈ガス・燃料混合器３４の流線形本体４２は、希釈バーナ壁部３６に対して垂直に、希釈バーナの流路内へ延びている。

図１０は、希釈ガス・燃料混合器３４の別の実施の形態の斜視図を示している。この実施の形態においては、流線形本体から渦発生器は延びていない。その代わりに、流線形本体は、渦発生のために、流線形本体４２の中心平面５２に関して横方向反対向きに張出部５０を有している。

全ての図示された配列のために、缶型構成または環状構成、または両者のあらゆる組合せが可能である。缶型構成および環状構成のためにＥＶ、ＡＥＶまたはＢＥＶバーナを使用することができる。

ミキサ１２の混合の質は安定したクリーンな燃焼のために決定的である。なぜならば、第２燃焼室１４のバーナシステムは、規定された入口条件を要求するからである。

全ての説明した利点は、明記した組合せ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または単独で使用することもできる。例えば部分負荷運転において個々のバーナまた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、冷却ガスおよび希釈ガスは、冷却ガスもしくは希釈ガスとしての使用の前に冷却ガスクーラにおいて再冷却することができる。

１ ガスタービン
２ シャフト
３ 圧縮機
４ ２段燃焼器配列
５ タービン
６ 圧縮ガス
７ 排ガス
８ 圧縮ガス
９ 燃焼生成物
１０ 第１のバーナ
１１ 第１燃焼室
１２ ミキサ
１３ 第２のバーナ
１４ 第２燃焼室
１５ 第１の冷却チャネル
１６ 第２の冷却チャネル
１７ 第３の冷却チャネル
１８ 第４の冷却チャネル
１９ 希釈ガス入口
２０ 第１燃焼室ジャケット
２１ 第２のジャケット
２２ 第３のジャケット
２３ 第４のジャケット
２４ 第１燃焼室壁部
２５ ミキサ壁部
２６ 第２のバーナ壁部
２７ 第２燃焼室壁部
２８ 第１の燃料噴射
２９ 第２の燃料噴射
３０ 圧縮機ディフューザ
３１ 燃焼器ケーシング
３２ 希釈ガス
３３ 冷却ガス
３４ 希釈ガス・燃料混合器
３５ 希釈バーナ
３６ 希釈バーナ壁部
３７ 第１燃焼器燃焼生成物
３８ 気体燃料
３９ 液体燃料
４０ キャリヤガス
４１ 渦発生器
４２ 流線形本体
４３ 燃料ノズル
４４ 希釈ガス開口
４４ａ／ｂ 軸方向に段付けされた希釈ガス開口
４５ 冷却ガス
４６ 希釈ガス供給部
４７ 前縁区域
４８ 後縁
４９ 側壁
５０ 張出部
５１ 第２の燃料インジェクタ
５２ 中心平面
Ａ_c 第１燃焼器燃焼生成物のための流過面積
Ａ_d 希釈ガス開口の流過面積
ｈ スロット高さ
ｈ_i 内側スロット高さ
ｈ_o 外側スロット高さ
ｒ 半径方向

Claims (15)

1. ２段燃焼器配列（４）であって、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナ（１０）と、第１燃焼室（１１）と、運転中に前記第１燃焼室（１１）から出てくる第１燃焼器燃焼生成物（３７）に希釈ガス・燃料混合器（３４）を介して希釈ガス（３２）と第２の燃料（２９）とを混合するための希釈バーナ（３５）と、第２燃焼室（１４）とを備え、前記希釈ガス・燃料混合器（３４）は、少なくとも１つの流線形本体（４２）を有しており、該流線形本体（４２）は、少なくとも１つの燃料ノズル（４３）を通じて少なくとも１つの第２の燃料（２９）を前記希釈バーナ（３５）内へ導入するために前記希釈バーナ（３５）に配置されており、流線形の断面輪郭を有しており、かつ前記希釈バーナ（３５）において生じる主流れ方向に対して垂直なまたは傾斜した長手方向を備えて延びている、２段燃焼器配列（４）において、
   前記流線形本体（４２）は、前記少なくとも１つの燃料ノズル（４３）の上流で前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）に前記希釈ガス（３２）を混合するための希釈ガス開口（４４）を有することを特徴とする、２段燃焼器配列（４）。
2. 前記希釈ガス開口（４４）は、作動中に、前記希釈ガス開口（４４）を通じて混合される希釈ガスの質量流量に対する前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の質量流量の比が０．５〜２の範囲、好適には０．７〜１．５の範囲、最も好適には０．９〜１．１の範囲であるように寸法決めされている、請求項１記載の２段燃焼器配列（４）。
3. 前記希釈ガス開口（４４）は、第１燃焼器（１１）から出てくる前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の主流れ方向に対して平行に方向付けられている、請求項１記載の２段燃焼器配列（４）。
4. 前記希釈ガス開口の流過面積（Ａ_d）に対する前記第１燃焼器燃焼生成物のための流過面積（Ａ_c）の比は、１〜１０の範囲、好適には前記比は２〜７の範囲であり、最も好適には前記比は４〜６の範囲である、請求項１記載の２段燃焼器配列（４）。
5. 前記希釈ガス・燃料混合器（３４）は、前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）に前記希釈ガス（３２）を混合するための少なくとも２つの希釈ガス開口（４４）を有しており、前記流線形本体（４２）は、２つの側面（３３）を有しており、前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）に前記希釈ガス（３２）を混合するための前記希釈ガス開口（４４）は、前記側面から前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の流過面積に向かって延びるスロット（４４）として形成されている、請求項１記載の２段燃焼器配列（４）。
6. 前記スロット（４４）の高さ（ｈ）は、前記希釈バーナ（３５）に進入する前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の温度分布および／または速度分布に関して決定される、請求項５記載の２段燃焼配列（４）。
7. 前記スロット（４４）の高さ（ｈ）は、前記本体（４２）の長手方向での位置に関して決定される、請求項５記載の２段燃焼器配列（４）。
8. 前記流線形本体（４２）の少なくとも一方の側面（３３）に渦発生器（４１）が配置されているまたは前記流線形本体（４２）の中心平面に関して後縁（４８）に横方向反対向きに少なくとも２つの張出部（５０）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の２段燃焼器配列（４）。
9. 少なくとも１つの圧縮機（３）と、２段燃焼器配列（４）と、タービン（５）とを備えたガスタービン（１）を運転する方法であって、前記２段燃焼器配列（４）は、流体流れ接続されて順に配置された、第１のバーナ（１０）と、第１燃焼室（１１）と、希釈ガス・燃料混合器（３４）を備えた希釈バーナ（３５）と、第２燃焼室（１４）とを有し、前記方法は、
   前記圧縮機（３）において入口ガスを圧縮するステップと、
   前記第１のバーナ（１０）において第１の燃料（２８）を混合するステップと、
   混合物を前記第１燃焼器（１１）において燃焼させて第１燃焼器燃焼生成物（３７）を生ぜしめるステップと、
   前記希釈ガス・燃料混合器（３４）によって希釈ガス（３２）および第２の燃料（２９）を前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）に混合するステップと、
   前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）と、前記第２の燃料（２９）と、前記希釈ガス（３２）との混合物を前記第２燃焼室（１４）において燃焼させて第２燃焼器燃焼生成物を生ぜしめるステップと、
   第２燃焼室燃焼生成物を前記タービン（５）において膨張させるステップと、を含み、
   少なくとも１つの流線形本体（４２）を有する希釈ガス・燃料混合器（３４）によって前記第２の燃料（２９）を前記希釈バーナ（３５）内へ導入し、前記流線形本体（４２）は、前記第２の燃料（２９）を導入するための少なくとも１つの燃料ノズル（４３）を備えた希釈バーナ（３５）に配置されており、かつ流線形断面輪郭を有しており、かつその長手方向が、前記希釈バーナ（３５）において生じる主流れ方向に対して垂直になるようにまたは傾くように延びている、方法において、
   前記希釈ガス（３２）を前記少なくとも１つの燃料ノズル（４３）の上流で少なくとも１つの希釈ガス開口（４４）を介して前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）内へ混合することを特徴とする、ガスタービン（１）を運転する方法。
10. 前記希釈ガス開口（４４）を通じて混合される希釈ガスの質量流量に対する、前記希釈バーナ（３５）に進入する前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の質量流量の質量流量比は、０．５〜２の範囲であり、好適には、前記質量流量比は、０．７〜１．５の範囲、最も好適には０．９〜１．１の範囲である、請求項９記載の方法。
11. 前記希釈ガス（３２）を、噴射箇所において、前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の主流れ方向に対して平行な方向にまたは前記主流れ方向に対する２０°の最大逸脱範囲で、前記希釈ガス開口（４４）を通じて前記希釈ガスバーナ（３５）内へ噴射する、請求項９記載の方法。
12. 前記希釈ガス（３２）を、噴射箇所において、前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の主流れ方向の平均流速に関して、同じ平均速度で、または平均流速における３０％の最大逸脱範囲で、前記希釈ガス開口（４４）を通じて前記希釈ガスバーナ（３５）内へ噴射する、請求項９記載の方法。
13. 希釈ガス・燃料混合器（３４）の前記流線形本体（４２）の側面から前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の流過面積に向かって延びるスロット（４４）として形成された少なくとも２つの希釈ガス開口（４４）を通じて、前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）内へ前記希釈ガス（３２）を混合する、請求項９記載の方法。
14. 前記流線形本体（４２）の長手方向での、噴射された希釈ガス（３２）の質量流量分布を、希釈バーナ（３５）に進入する前記第１燃焼器燃焼生成物（３７）の温度分布および／または速度分布に関して決定する、請求項９記載の方法。
15. 前記流線形本体（４２）の長手方向での、噴射された希釈ガス（３２）の質量流量分布を、前記流線形本体（４２）の長手方向に沿った位置に関して決定する、請求項９記載の方法。

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