特許 6321282 ガスタービンのための流体発振器を有するバーナー及び少なくとも１つの当該バーナーを有するガスタービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6321282

(24)【登録日】2018年4月13日

(45)【発行日】2018年5月9日

(54)【発明の名称】ガスタービンのための流体発振器を有するバーナー及び少なくとも１つの当該バーナーを有するガスタービン

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/28 20060101AFI20180423BHJP

   F23R 3/30 20060101ALI20180423BHJP

   F23R 3/14 20060101ALI20180423BHJP

   F23D 11/38 20060101ALI20180423BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/28 B

   F23R3/30

   F23R3/28 D

   F23R3/14

   F23R3/28 A

   F23D11/38 K

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-504403(P2017-504403)

(86)(22)【出願日】2015年9月7日

(65)【公表番号】特表2017-527765(P2017-527765A)

(43)【公表日】2017年9月21日

(86)【国際出願番号】EP2015070355

(87)【国際公開番号】WO2016037966

(87)【国際公開日】20160317

【審査請求日】2017年2月22日

(31)【優先権主張番号】102014218288.3

(32)【優先日】2014年9月12日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】508008865

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス・ベトヒャー

(72)【発明者】

【氏名】オルガ・ダイス

(72)【発明者】

【氏名】トーマス・グリーブ

(72)【発明者】

【氏名】マティーアス・ハーゼ

(72)【発明者】

【氏名】ヴェルナー・クレブス

(72)【発明者】

【氏名】パトリック・ラップ

(72)【発明者】

【氏名】セバスティアン・プファドラー

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル・フォクトマン

【審査官】 高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１４５０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４８７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００２３４９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５４５６５９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１９３２４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｄ １１／３８

Ｆ２３Ｒ ３／１４

Ｆ２３Ｒ ３／２８

Ｆ２３Ｒ ３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央のバーナー軸と、前記バーナー軸を少なくとも部分的に包囲する予混合流路（６０、６８、９２）と、を有するバーナー（５６、６４、８４）であって、前記予混合流路は、径方向外側に向かって壁（７０）によって区切られ、動作中に圧縮空気によって貫流可能であり、燃料と空気との予混合に用いられ、前記予混合流路には、バーナーランス（５８、７２、９４）又はバーナーハブと、複数の燃料インジェクタ（７９、７９ａ、７９ｂ、９８、１００）と、が配置されており、前記燃料インジェクタは、前記バーナーランス又は前記バーナーハブから、前記壁（７０）の方向に延在しており、少なくとも部分的に前記バーナーランス又は前記バーナーハブによって包囲された燃料供給装置（７３）と流体的に接続された燃料ノズル（８０、８０ａ、８０ｂ）を有しているバーナーにおいて、
前記燃料供給装置（７３）は、相互作用チャンバ（２６）を有する少なくとも１つの流体発振器（２４ａ、２４ｂ、８５）を含んでおり、前記相互作用チャンバの入口（２８）は、前記燃料供給装置の燃料導管（８２）に接続されており、前記相互作用チャンバの第１の排出導管（８６）は、少なくとも第１の燃料ノズル（８０ａ）まで延在し、第２の排出導管（８８）は、少なくとも第２の燃料ノズル（８０ｂ）まで延在しており、前記流体発振器は、前記排出導管（８６、８８）毎に、フィードバック導管（３８、３８ａ、３８ｂ）を含んでおり、前記フィードバック導管は、その一方の端部で、少なくとも１つの燃料ノズルの下流の領域において、それぞれの排出導管内に合流し、他方の端部で、前記相互作用チャンバ（２６）の入口領域（３０）に合流していることを特徴とするバーナー（５６、６４、８４）。

【請求項2】

前記第１の排出導管（８６）が、第１の燃料ノズル群（８０ａ）まで延在し、前記第２の排出導管（８８）が、第２の燃料ノズル群（８０ｂ）まで延在しており、前記フィードバック導管（３８ａ、３８ｂ）はそれぞれ、各燃料ノズル群（８０、８０ａ、８０ｂ）の下流の領域において、各排出導管に合流していることを特徴とする、請求項１に記載のバーナー（５６、６４、８４）。

【請求項3】

前記フィードバック導管（３８ａ、３８ｂ）が、少なくとも１つの燃料ノズル（８０ａ、８０ｂ）の下流で、前記排出導管（８６、８８）に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバーナー。

【請求項4】

少なくとも第１の燃料ノズル及び少なくとも第２の燃料ノズルが、異なる燃料インジェクタ（７９ａ、７９ｂ）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のバーナー。

【請求項5】

両方の燃料インジェクタ（７９ａ、７９ｂ）が、ほぼ向かい合って、前記バーナーランス（７２）に配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のバーナー。

【請求項6】

前記バーナーが、このように前記流体発振器と接続された、２つ以上の燃料ノズル群（８０ａ、８０ｂ）を、異なる燃料インジェクタ（７９ａ、７９ｂ）内に含んでいることを特徴とする、請求項４又は５に記載のバーナー。

【請求項7】

異なる燃料インジェクタ（７９ａ、７９ｂ）が、一周するように前記バーナーランス（７２）に配置されており、付属する前記排出導管（８６、８８）が、一周するように前記相互作用チャンバ（２６）に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のバーナー。

【請求項8】

少なくとも１つの燃料インジェクタ（７９）が、基部（７１）を含んでおり、前記基部には、前記燃料インジェクタによって囲まれた前記燃料ノズル（８０）が配置されており、前記基部は、旋回発生器（７４）の旋回ブレード（７６）であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のバーナー。

【請求項9】

前記相互作用チャンバが、その一方の端部に前記入口（２８）を含み、反対側の端部に出口領域（３２）を含んでおり、前記チャンバの前記入口から出口（３４、３６）を含む前記出口領域（３２）まで延在する側壁又は側壁領域（４０）によって区切られており、少なくとも２つの、向かい合って配置された側壁又は側壁領域（４０）は、少なくとも前記入口領域（３０）で、前記出口領域の方向において分岐していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のバーナー。

【請求項10】

少なくとも２つの、向かい合って配置された側壁領域（４０）が、前記相互作用チャンバの前記入口領域で、前記出口領域への方向において、前記相互作用チャンバの前記入口のフロー流入方向に対して７．５°よりも大きい角度で分岐していることを特徴とする、請求項９に記載のバーナー。

【請求項11】

前記相互作用チャンバが、ほぼ回転対称に構成されており、前記相互作用チャンバ（２６）は、少なくとも前記入口領域において拡大し、前記出口領域への方向において、ディフューザ状となっていることを特徴とする、請求項９または１０に記載のバーナー。

【請求項12】

複数のバーナーを有するバーナーアセンブリ（４８）であって、メインバーナー（６４）が、１つ又は複数の互いに対して同心に配置された円に配置されているバーナーアセンブリにおいて、
少なくとも１つのバーナー（５６、６４）が、請求項１から１１のいずれか一項に従って構成されていることを特徴とするバーナーアセンブリ（４８）。

【請求項13】

ガスタービン（１）のための燃焼室（１０）において、
前記燃焼室が、請求項１から１１のいずれか一項に記載のバーナー（１１、４８、５６、６４）を少なくとも１つ含んでいることを特徴とする燃焼室（１０）。

【請求項14】

少なくとも１つの燃焼室を有するガスタービンにおいて、
前記燃焼室が請求項１３に従って構成されていることを特徴とするガスタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中央のバーナー軸と、当該バーナー軸を少なくとも部分的に包囲する予混合流路と、を有するガスタービンのためのバーナーに関する。従って、予混合流路は、流路の横断面領域を有しており、当該横断面領域は、バーナー軸の周囲に延在している。中央バーナー軸は、数学的に無限の長さの線である。流路の横断面領域は、例えば環状であるか、又は、全円としてバーナー軸の周囲に配置され得る。言い換えると、予混合流路は、バーナー軸に対して同軸に（同じ回転軸）延在し得る。環又は全円の直径は、バーナー軸の部分に沿って変化し得る。特に、予混合流路を、少なくとも部分的に、環状空間流路（横断面が環状）として構成することが可能であり、当該環状空間流路は、横断面において全円として構成されている予混合流路部分に移行できる。

【背景技術】

【0002】

予混合流路は、径方向外側に向かって、壁によって区切られている。動作中、予混合流路は、圧縮空気によって貫流可能である。予混合流路は、燃料と空気との予混合に用いられ、予混合流路には、バーナーランス又はバーナーハブと複数の燃料インジェクタとが配置されている。バーナーランス／バーナーハブから壁の方向に延在する燃料インジェクタは、少なくとも部分的にバーナーランス／バーナーハブによって包囲された燃料供給装置と流体的に接続されており、燃料ノズルを有している。燃料インジェクタは、例えば、気体状燃料のための燃料ノズルも、燃料油による運転のための燃料ノズルも含み得る。同じことが、燃料ノズルを有さない代替的な構造のバーナーランス／バーナーハブにも当てはまる。

【0003】

バーナーランスは、本発明の範囲内において、バーナーハブとも称される可能性がある。

【0004】

バーナーランスは、予混合流路の中央に配置され得る。バーナーランスは、上流から、予混合流路内に突出し得るので、当該流路は、部分的にのみ、径方向内側に向かって、バーナーランスによって区切られる。この場合、予混合流路は、例えば、バーナーランスの下流に、全円形の横断面領域を有し得る。しかしまた、バーナーランスは、予混合流路のほぼ出口まで延在することも可能である。

【0005】

代替的に、予混合流路は、径方向内側に向かって、少なくとも部分的に、当該流路の中央に配置された、ほぼ円錐台の側面状の表面を有するバーナーハブによって区切られることも可能であり、当該バーナーハブは、予混合流路を、上流から、ハブの端部領域まで、径方向内側に向かって区切っている。予混合流路は、ハブの下流で、横断面が全円形状である予混合領域に移行する。従って、ハブに沿って、予混合流路は、環状の流路横断面領域を有しており、その直径は、流れの方向において減少し得る。特に、バーナーハブ内には、さらなる予混合流路か、又は、例えば中央のパイロットバーナーを配置しても良い。

【0006】

予混合流路は、本発明の範囲内において、予混合管とも称される可能性がある。燃料インジェクタを通じて、燃料が予混合流路内に噴射され、当該燃料は、下流に配置された予混合流路の出口まで、予混合流路を貫流する圧縮空気フローと混合され得るので、予混合バーナーは、その出口において、燃焼室に排出するための燃料／空気混合物を供給する。付加的に、直接バーナーランス上に配置された燃料ノズルを通じて、燃料を噴射することも可能である。

【0007】

同属のバーナーによって、可能な限り有害物質の少ない燃焼と、燃焼の際の熱音響的不安定性の回避とを得られるよう試みられる。特に、予混合バーナーは、動作中に排出する有害物質は確かに少ないが、圧力変動は生じやすい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、冒頭に挙げた種類のガスタービンのためのバーナーであって、バーナーの動作中における有害物質の排出量の減少、又は、圧力変動の減少を可能にしたバーナーを記載することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によると、冒頭に挙げた種類のバーナーにおいて、本課題は、燃料供給装置が、相互作用チャンバを有する少なくとも１つの流体発振器を含んでいることによって解決され、相互作用チャンバの入口は、燃料供給装置の燃料導管に接続されており、相互作用チャンバの第１の排出導管は、少なくとも第１の燃料ノズルまで延在し、第２の排出導管は、少なくとも第２の燃料ノズルまで延在しており、流体発振器は、排出導管毎に、フィードバック導管を含んでおり、フィードバック導管は、その一方の端部で、少なくとも１つの燃料ノズルの下流の領域において各排出導管に合流し、他方の端部で、相互作用チャンバの入口領域に合流している。

【0010】

例えば、少なくとも第１の燃料ノズル及び少なくとも第２の燃料ノズル、又は、第１の燃料ノズル群及び第２の燃料ノズル群が、共通の燃料インジェクタに配置され、予混合流路における燃料の可能な限り均一な分散のために、径方向に分散して配置され得る。例えば、少なくとも第１の燃料ノズルは、吸込み側にも、少なくとも第２の燃料ノズルは、旋回ブレード状に構成された燃料インジェクタの圧力側にも配置され得る。第１の燃料ノズル群及び第２の燃料ノズル群は、例えば、異なる燃料インジェクタにも配置され得る。例えば、ほぼ向かい合って燃料ランスに配置された燃料インジェクタ内に配置され得る。

【0011】

流体発振器は、高価な弁を用いずにすむ流体制御要素として長らく知られてきた。例えば、流体発振器は、空気を支持面の境界層に供給し、境界層の分離を回避するために用いられる。

【0012】

流体発振器は、その入口に接しており、圧力下にある流体フローによって動作する。この流体フローは、相互作用チャンバ内で振動させられるので、当該チャンバの少なくとも１つの出口には、交互に、流出する噴流が衝突する。従って、流体発振器の排出導管からは、脈動する流体フローが流出し、排出導管は、交互に流体を排出する。先行技術からは、フィードバック導管を有する流体発振器が知られており、当該フィードバック導管は、相互作用チャンバ内の振動を安定化するために、相互作用チャンバの出口領域を、相互作用チャンバの入口領域と接続している。先行技術に係るフィードバック導管は、その一方の端部で、それぞれ相互作用チャンバの出口近くで相互作用チャンバに合流し、その他方の端部で、当該出口の上流において、相互作用チャンバの入口近くで相互作用チャンバに合流する。それぞれの出口には、振動している間に、流体フローが衝突し、それによって、フィードバック導管の端部において圧力が上昇し、当該圧力は、当該導管を通じて、入口領域にさらに伝えられ、フローが相互作用チャンバの側壁にまさに接する領域まで伝えられる。それによって、振動するフローは、側壁から分離する傾向を有する。これは、振動を安定化させる、相互作用チャンバの出口領域と入口領域との間の圧力条件のフィードバックにつながる。

【0013】

本発明では、先行技術のようにフィードバック導管を相互作用チャンバの出口領域に合流させるのではなく、それぞれの排出導管に、少なくとも１つの燃料ノズル又は燃料ノズル群の下流の領域において合流させることが提案されており、当該排出導管は、少なくとも１つの燃料ノズル又は燃料ノズル群まで延在している。本発明によると、それによって、燃料ノズルのすぐ上流の予混合領域における予混合流路内の圧力条件を、フィードバック信号に取り込むことが可能になる。排出導管は、燃料ノズル又は燃料ノズル群の下流において、フィードバック導管が合流する末端部を有し得る。

【0014】

予混合流路内の、燃料ノズル群の領域における静圧が比較的高い場合、排出導管を通る燃料はより少なくなり、排出導管内の動圧はより低くなる。それによって、本発明に基づいてフィードバック導管を構成する際に、フィードバック信号が少なくなり、燃料は、排出導管内を、予混合流路内の排出導管の燃料ノズル上流における逆の圧力条件の場合よりも長く流れる。予混合流路内の燃料ノズル群の領域における静圧が比較的低い場合、相互作用チャンバの付属する出口の衝突の際、より多くの燃料が、付属する排出導管を通って流れ、排出導管内の動圧はより高くなる。付属のフィードバック導管は、排出導管の少なくとも１つの燃料ノズルの下流で排出導管に合流しているので、排出導管の端部領域に合流するフィードバック導管における圧力はより高くなり、付随する燃料噴流は、相互作用チャンバの入口領域の側壁からより速く分離し、最も近い出口に燃料を衝突させる。従って、相互作用チャンバ内の燃料噴流の振動は、排出導管により長く燃料を衝突させ、その少なくとも１つの燃料ノズルは、予混合流路の、より高い圧力が支配的である領域に合流する。それによって、一般的に比較的少ない燃料が、より高い流路圧力の領域に合流している燃料ノズルから流出する、又は、より多くの燃料が、圧力の低い領域内に噴射されるという効果が補償される。この補償によって、本発明では、予混合流路においてより均一な燃料濃度が得られる。従って、少なくとも２つの、流体発振器に接続された燃料ノズル群又は燃料ノズルを通じた燃料の噴射は、付加的な制御装置を必要とせずとも、独力で調整される。結果として生じる、予混合流路における燃料濃度のより均一な分散によって、有害物質の排出量が削減される。時間的かつ場所的に変動する燃料の噴射によって、さらに、燃料ノズル群によって排出される燃料と、脇を通過して流れる圧縮空気との良好な混合がもたらされる。本発明によると、流体発振器によって変動する燃料の噴射に基づいて、バーナーの滞留時間プロフィールの広がりももたらされ、それによって、バーナーと炎との相互作用が減少し、熱音響振動が引き起こされることが減少する。

【0015】

熱音響振動及び滞留時間という概念を説明するために、燃焼室内で、音響振動と熱放出における変動との相互作用が生じ得ることに注意すべきである。これらは、いわゆるガスタービンの固有モードに一致する振動数に関する場合、互いに増大し得る。これらの固有モードは、ガスタービンそれぞれの大きさ及び様式に依存する。このような熱音響振動は、ガスタービンの運転の際に、部材を著しく損傷し、設備の運転停止を強いる可能性がある。

【0016】

熱音響振動を引き起こさないようにするために、バーナーの、動作中に生じる滞留時間プロフィールは、可能な限り広くて良く、当該滞留時間は、燃料ノズルから排出された流体が炎に至るまでに要する時間である。

【0017】

流体発振器によって燃料を供給されるバーナーの燃料ノズル又は燃料ノズル群は、時間的にも場所的にも脈動する燃料噴流ゆえに、ノズルの出口において条件付で、通過して流れる圧縮空気内の燃料濃度プロフィールの変動を有しており、それによって再び、熱音響的安定性が、バーナーの拡大した滞留時間プロフィールに基づいて、例えば従来の圧力旋回ノズル又はフルジェットノズルを有するバーナーと比較して、改善される。燃料の脈動的な噴射の振動数は、例えば、相互作用チャンバの大きさによって調整され得る。バーナーは、複数の流体発振器を含んでいて良く、これらの流体発振器は、それぞれ少なくとも２つの排出導管に、それぞれ少なくとも１つの燃料ノズル又は燃料ノズル群を用いて、燃料を供給する。

【0018】

構造が異なる様々なタイプの流体発振器が知られている。本発明は、これらの流体発振器の特別なタイプに限定されるものではない。これら全てのタイプは、圧力下にある流体噴流が入口を通って流入する相互作用チャンバを有しているという点で共通である。当該噴流は、相互作用チャンバの様々な側壁又は側壁領域に周期的に接するので、当該噴流とチャンバの側壁との相互作用について言及することが可能であり、当該噴流の振動が引き起こされるので、当該噴流は、周期的に異なる経路で、チャンバを通過して流れ、従って、出口領域において周期的に、相互作用チャンバの様々な出口を通って当該相互作用チャンバを離れるか、又は、様々な方向において、相互作用チャンバの中央の出口を離れる。従って、当該噴流は、少なくとも２つの向かい合う側壁領域に、周期的に接するか、又は、フローの滞留によって、再び分離する。

【0019】

流体発振器の機能の仕方は先行技術であるので、ここでは、流体発振器について短く説明するにとどめる。加えて、図面には、いくつかのタイプの流体発振器が示されている。本発明は、用いられる流体発振器のタイプには左右されない。本発明は、好ましくは、相互作用チャンバの入口領域で分岐する側壁に基づいて、流入する噴流の振動を引き起こす流体発振器から出発している。特に、本発明は、好ましくは、相互作用チャンバのほぼ回転対称な構成から出発しており、当該構成は、チャンバの一方の端部で、回転軸の周囲に配置され、少なくとも１つの出口を有する出口領域に向かい合って配置された入口を有している。振動を引き起こすために、この種類の相互作用チャンバの場合、相互作用チャンバは、少なくともチャンバの入口領域において、出口領域への方向においてディフューザ状に拡張する。フィードバック導管の機能の仕方については、すでに上述した。

【0020】

本発明の有利な態様は、以下の説明及び下位請求項に記載され、その特徴は、個別に、又は、任意の組み合わせにおいて用いられ得る。

【0021】

有利には、第１の排出導管が、第１の燃料ノズル群まで延在し、第２の排出導管が、第２の燃料ノズル群まで延在しており、フィードバック導管はそれぞれ、各燃料ノズル群の下流の領域において、排出導管に合流していると規定され得る。

【0022】

第１の燃料ノズル群及び第２の燃料ノズル群、又は、第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルは、例えば、共通の燃料インジェクタ内に配置され得る。当該燃料インジェクタは、例えば旋回発生器の旋回ブレードであり得る。ブレードの吸込み側でも圧力側でも、予混合流路内では異なる圧力が支配的であるので、第１の燃料ノズル又は第１の燃料ノズル群が旋回ブレードの吸込み側に、第２の燃料ノズル又は第２の燃料ノズル群が圧力側に配置され得る。本発明によると、それによって、ほぼ同じ量の燃料を、ブレードの両側に噴射することができる。

【0023】

フィードバック導管が、少なくとも１つの燃料ノズルの下流において、排出導管に接続されていることも有利であると見なされ得る。

【0024】

その際、当該排出管と当該フィードバック導管とは、異なる直径を有し得る。

【0025】

少なくとも第１の燃料ノズル及び少なくとも第２の燃料ノズルが、異なる燃料インジェクタ内に配置されていることも有利であると見なされ得る。

【0026】

特に、両方の燃料インジェクタが、ほぼ向かい合って、バーナーランスに配置されていることは有利であると見なされ得る。

【0027】

従って、予混合流路内の燃料濃度は、少なくとも両方の向かい合う領域において、当該領域において圧力条件が異なるにも関わらず、互いに順応する。

【0028】

少なくとも２つの燃料ノズル又は少なくとも２つの燃料ノズル群は、共通の燃料インジェクタ内に配置されており、その予混合流路における径方向配置の点で異なっているので、燃料濃度が、径方向で、予混合流路のバーナーランスの近くの領域及びバーナーランスから遠くの領域における異なる圧力条件にも関わらず、均一化されることも、有利であると見なされ得る。流体発振器は、バーナーハブ内に、又は、燃料インジェクタ内にも配置され得る。

【0029】

有利には、さらに、バーナーが、２つ以上の、このように流体発振器に接続された燃料ノズル群を、異なる燃料インジェクタ内に含んでいることが規定され得る。

【0030】

それによって、予混合流路内の、様々な燃料インジェクタの下流において、燃料濃度を均一化することが可能になる。

【0031】

本発明のさらなる有利な態様は、様々な燃料インジェクタが、一周するようにバーナーランス上に配置されており、付属する排出導管が、一周するように相互作用チャンバ上に配置されていることを規定し得る。

【0032】

少なくとも１つの燃料インジェクタは、燃料インジェクタによって囲まれた燃料ノズルが配置された基部を含んでおり、当該基部は、特に旋回発生器の旋回ブレードであることも有利であると見なされ得る。

【0033】

有利には、さらに、相互作用チャンバは、その一方の端部に入口を有し、反対側の端部に出口領域を有しており、当該チャンバの入口から出口を含む出口領域まで延在する側壁又は側壁領域によって区切られており、少なくとも２つの向かい合って配置された側壁又は側壁領域は、少なくとも入口領域で、出口への方向において分岐していることが規定され得る。

【0034】

本発明の当該態様によると、圧力下で相互作用チャンバに入口を通過して流入する燃料噴流の振動は、噴流を分岐構造を有する側壁領域に交互に接触させることによって引き起こされる。本発明に係る相互作用チャンバにおける振動の発生は、入口領域において、分岐する側壁／側壁領域によって引き起こされるフローの滞留に基づいている。

【0035】

少なくとも２つの向かい合って配置された側壁が、相互作用チャンバの入口領域で、出口方向において、相互作用チャンバの入口のフロー流入方向に対して７．５°よりも大きい角度で分岐していることも有利であると見なされ得る。

【0036】

振動を引き起こすために適している相互作用チャンバの開放角は、先行技術から知られている。フローの流入方向に対して少なくとも７．５°の角度が、特に有利であると明らかになっている。

【0037】

有利には、相互作用チャンバは、ほぼ回転対称に構成されており、相互作用チャンバは、少なくとも入口領域において、出口方向へディフューザ状に広がっていることが規定され得る。

【0038】

流体発振器の回転対称な構造によって、相互作用チャンバの出口領域を始点とする排出導管の全周に燃料を噴射することが可能になる。

【0039】

流体発振器は、例えば、バーナーランスの中央に配置され、回転して、バーナーランス上に配置された燃料インジェクタの全周に燃料を供給することが可能であり、それぞれ、流体発振器の少なくとも１つの排出導管は、燃料インジェクタの各燃料ノズル群まで延在している。一周する燃料インジェクタは、共に２つの燃料段を含み得る。各段に、適した流体発振器を設けることが可能である。

【0040】

本発明のさらなる課題は、複数のバーナーを有するバーナーアセンブリについて記載することにあり、当該バーナーアセンブリでは、メインバーナーが、１つ又は複数の、互いに対して同心に配置された円に配置されており、それによって、バーナーアセンブリの動作中に、有害物質の排出量を減少させること、又は、圧力の変動を減少させることが可能になる。

【0041】

このために、少なくとも１つのバーナーが、請求項１から１１のいずれか一項に従って構成されている。

【0042】

当該バーナーは、例えば、バーナーアセンブリの中央に配置されたパイロットバーナーであり得る。さらなる実施例によると、付加的又は代替的に、バーナーアセンブリのメインバーナーも、請求項１から１１のいずれか一項に従って構成され得る。

【0043】

本発明に係るバーナー又は本発明に係るバーナーアセンブリは、特に安定した燃焼を、特に部分負荷運転においても可能にする。

【0044】

本発明のさらなる課題は、動作中に、有害物質の排出量の減少と、燃焼室内の圧力変動の減少とを可能にするような、ガスタービンのための燃焼室及びガスタービンについて記載することにある。

【0045】

このために、燃焼室は、請求項１から１２のいずれか一項に記載のバーナーを少なくとも１つ含み、ガスタービンは、請求項１３に記載の燃焼室を少なくとも１つ含んでいる。

【0046】

本発明のさらなる適切な態様及び利点は、図面を用いた、本発明の実施例の説明の対象であり、同じ参照符号は、同じ機能の部材を示している。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】先行技術に係るガスタービンを縦断面で概略的に示した図である。

【図2】先行技術に係る２つのタイプの流体発振器を縦断面で概略的に示した図である。

【図3】先行技術に係る２つのタイプの流体発振器を縦断面で概略的に示した図である。

【図4】先行技術に係る燃焼室１０の一部を縦断面で概略的に示した図である。

【図5】図４に示されたバーナーアセンブリのメインバーナーを縦断面で概略的に示した図である。

【図6】本発明の第１の実施例に基づく本発明に係るバーナーを縦断面で概略的に示した図である。

【図7】本発明の第２の実施例に基づく本発明に係るバーナーを縦断面で概略的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0048】

図１は、先行技術に係るガスタービン１の断面を、概略的に単純化した描写で示している。ガスタービン１は、その内部に、回転軸２の周囲に回転可能に支承された、シャフト４を備えたロータ３を有しており、当該ロータは、タービンロータとも称される。ロータ３に沿って、吸気ハウジング６と、圧縮機８と、バーナー１１を有するバーナーアセンブリ及びバーナーのための燃料供給系（図示略）及びハウジング１２をそれぞれ含む燃焼室１０を複数有している燃焼系９と、タービン１４と、排気ハウジング１５と、が連続して配置されている。燃焼室１０は、例えば環状燃焼室であり得る。しかしまた、ガスタービンは、例えばタービンの入口に環状に配置された管状燃焼室を含む可能性もある。

【0049】

燃焼系９は、例えば環状の高温ガス導管と連通している。そこでは、複数の前後に接続されたタービン段がタービン１４を形成している。各タービン段は、ブレードリングから形成されている。作動媒体の流れる方向に見て、高温導管内では、ガイドベーン１７から形成された列に、ローターブレード１８から形成された列が続いている。その際、ガイドベーン１７は、ステータ１９の内側ハウジングに固定されているが、列のローターブレード１８は、例えばタービンディスクを用いてロータ３に取り付けられている。ロータ３には、例えば発電機が連結されている（図示略）。

【0050】

ガスタービンの運転中、圧縮機８によって、吸気ハウジング６を通って、空気が吸い込まれ、圧縮される。圧縮機８のタービン側端部に供給される圧縮空気Ｌ“は、バーナープレナム７に沿って、燃焼系９まで導かれ、バーナーアセンブリの領域において、バーナー１１内に誘導され、当該バーナー内で燃料と混合され、及び／又は、バーナー１１の出口領域において燃料が加えられる。その際、燃料供給系は、バーナーに燃料を供給する。当該混合物又は圧縮空気及び燃料は、バーナー１１から燃焼室１０に導入され、燃焼し、高温の作動ガスフローを、燃焼室の燃焼室ハウジング１２内部の燃焼領域において形成する。当該燃焼領域から、作動ガスフローは、高温ガス導管に沿って、ガイドベーン１７及びローターブレード１８の脇を通過する。ローターブレード１８では、作動ガスフローが、インパルスを伝達するように膨張するので、ローターブレード１８はロータ３を駆動し、ロータ３は自身に連結された発電機（図示略）を駆動する。

【0051】

図２は、先行技術に係る第１のタイプの流体発振器を縦断面で示している。

【0052】

発振器２４ａは、入口２８及び入口領域３０と、その反対側に配置された、第１の出口３４及び第２の出口３６を有する出口領域３２とを有する相互作用チャンバ２６を含んでいる。出口毎に、比較的薄肉のフィードバック導管３８が配置されており、当該フィードバック導管は、入口領域を出口領域と接続している。

【0053】

側壁領域４０は、出口の方向に分岐しているので、相互作用チャンバ２６は、三角形の縦断面を有している。発振器２４ａは、回転対称には構成されておらず、図の水平面に対して垂直な一定の縦断面を有している。

【0054】

図３は、先行技術に係る第２のタイプの流体発振器２４ｂを縦断面で示している。発振器２４ｂも同様に、回転対称には構成されておらず、図の水平面に対して垂直な一定の縦断面を有している。入口２８は、相互作用チャンバ２６内の中心で、案内手段４２の内部に配置されているので、圧力下で流入する噴流は、向かい側の側壁４４に正面から向かうことになる。当該噴流は、案内手段の左側及び右側へ交互に、出口領域３２の方向に流れ、その際、交互に出口３４及び３６に流体を衝突させるので、当該噴流は、交互に、一方の出口と他方の出口とを通って、チャンバから、相互作用チャンバ２６の大きさによって決定される振動数で流出する。

【0055】

図４は、燃焼室の上端部にバーナーアセンブリ４８を有する、先行技術に係る燃焼室１０の一部を概略的に示している。燃焼室は、燃焼領域を含む炎管５０と、当該炎管に接続する移行部５２と、を有する燃焼室壁を含んでおり、当該移行部は、ガスタービンのタービン入口まで延在している。動作中に生じる熱音響振動の減衰のために、炎の高さで、共振器５４が燃焼室壁に配置されている。バーナーアセンブリ４８は、中央のパイロットバーナーランス５８とパイロットバーナー予混合流路６０とを有する中央のパイロットバーナー５６を含んでいる。パイロットバーナー５６は、流れる方向において円錐形に拡大するパイロットコーン６２を含んでいる。中央のパイロットバーナーの周りに、円形に、メインバーナー６４が配置されている。メインバーナー６４はそれぞれ、バーナー軸６６と、当該バーナー軸に対して同心に配置された予混合流路６８とを有しており、予混合流路６８は、径方向外側に向かって、壁７０によって区切られており、動作中には圧縮空気Ｌ“によって貫流可能であり、燃料及び空気Ｌ“の予混合に用いられ、予混合流路６８内には、中央のバーナーランス７２と、複数の燃料インジェクタとが配置されており、当該燃料インジェクタは、バーナーランスから壁７０の方向に延在しており、バーナーランス７２に囲まれた燃料供給装置と流体的に接続されており、燃料ノズルを有している。当該燃料インジェクタは、旋回発生器７４の旋回ブレードとして構成されており、燃料ノズルは、当該旋回ブレードに配置されている。

【0056】

図５は、図４のバーナーアセンブリのメインバーナー６４を、縦断面で概略的に示している。バーナー６４は、中央のバーナー軸６６と、当該バーナー軸を少なくとも部分的に包囲する予混合流路６８と、を有しており、当該予混合流路は、径方向外側に向かって、壁７０によって区切られており、動作中には圧縮空気Ｌ”によって貫流可能であり、燃料及び空気の予混合に用いられる。予混合流路６８には、中央のバーナーランス７２と複数の燃料インジェクタ７９とが配置されている。燃料インジェクタ７９はそれぞれ、予混合流路に配置された基部７１を含んでおり、当該基部は、旋回発生器７４の旋回ブレード７６として構成されている。燃料インジェクタ７９は、燃料ノズル８０を含んでおり、当該燃料ノズルは、旋回ブレード７６の表面で、予混合流路６８に開口している。燃料ノズル８０は、燃料の供給のために、燃料供給装置７３と流体的に接続されている。燃料供給装置７３は、バーナーランス内に延在する燃料導管８２と、旋回ブレード７６内でそれぞれの燃料ノズル８０まで延在する燃料供給管７８とを含んでいる。

【0057】

図６は、本発明の第１の実施例に係るバーナー８４を概略的に縦断面で示している。図５に示された、先行技術に係るバーナー６４とは異なり、燃料供給装置７３は、相互作用チャンバ２６を有する少なくとも１つの流体発振器８５を備えており、相互作用チャンバの入口２８は、燃料供給装置７３の燃料導管８２に接続されている。相互作用チャンバ２６は、入口２８を有する入口領域３０の反対側に、２つの出口３４及び３６を有する出口領域３２を有している。第１の排出導管８６は、出口３４から、第１の燃料インジェクタ７９ａ内の第１の燃料ノズル群８０ａまで延在している。第２の排出導管８８は、出口３６から、向かい側に配置された燃料インジェクタ７９ｂ内の第２の燃料ノズル群８０ｂまで延在しており、流体発振器８５は、排出導管毎に、フィードバック導管３８ａ、３８ｂを含んでおり、フィードバック導管３８ａ、３８ｂは、その一方の端部で、それぞれの排出導管８６、８８に、当該排出導管によって囲まれた燃料ノズル８０ａ、８０ｂの下流で合流しており、他方の端部で、相互作用チャンバ２６の入口領域３０に合流している。

【0058】

流体発振器８５の入口２８には、バーナーの動作中、燃料導管８２を用いて、圧力が加えられた燃料フローが供給されるので、相互作用チャンバ２６内の燃料フローは、入口領域３０内の分岐する側壁ゆえに、チャンバの側壁に振動しながら接触し、それによって、出口３４及び３６に、交互に燃料を供給する。燃料は、排出導管８６、８８を通って、それぞれの燃料ノズル群まで流れるので、当該燃料ノズル群から、脈動する燃料フローが、予混合流路６８に噴射される。当該燃料ノズルは、例えばフルジェットノズル又は圧力旋回ノズルであり得る。フィードバック導管３８ａは、燃料ノズル８０ａの下流で、排出導管８６に接続されており、当該排出導管の端部で支配的な圧力を、相互作用チャンバの入口領域３０にフィードバックする。その際、排出導管の端部で支配的な圧力は、燃料ノズル８０ａのわずかに上流の予混合流路における圧力に影響を受けるので、当該領域の圧力が高い場合、燃料の供給は、圧力が比較的低い場合よりもゆっくりと、第２の燃料ノズル群８０ｂに切り替わる。従って、燃料ノズル群は、比較的長い時間に亘り、脇を通過する圧縮空気フローに燃料を噴射し、当該燃料ノズル群の上流では、予混合流路内の圧力がより高いので、バーナーの出口では、バーナーランス７２の両側で圧力条件が異なる場合でも、均一な燃料濃度が生じる。これは、圧力変動の発生に抵抗し、有害物質の発生を減少させる。

【0059】

図７は、本発明の第２の実施例に係るバーナー９０を概略的に示している。バーナー９０は、中央のバーナー軸６６と、バーナー軸６６に対して同心に延在する環状空間状の、外側に向かって壁７０によって区切られている予混合流路９２と、中央に配置されたバーナーハブ９４と、を有している。予混合流路９２には、斜格子９６が配置されており、当該斜格子は、予混合流路を流れる圧縮空気Ｌ”に旋回を生じさせる。当該斜格子は、ハブの周囲を囲むように配置された複数の燃料インジェクタ９８から構成されており、その予混合流路内に配置された基部は、通過する圧縮空気Ｌ”に、流路の周方向を指す速度成分を加える。バーナーハブ９４内には、少なくとも１つの燃料導管８２が延在しており、当該燃料導管は、バーナーハブのコーン内に一周するように構成され、燃料インジェクタ９８の燃料ノズル８０、８０ａ、８０ｂを通じて、燃料を供給され得る。実施例によると、少なくとも１つの燃料インジェクタ１００内に、流体発振器の少なくとも２つの排出導管が延在している（図示略）。当該流体発振器は、流体的に、燃料導管８２と、少なくとも第１の燃料ノズル群及び第２の燃料ノズル群との間に配置されており、当該燃料ノズル群には、燃料インジェクタ１００内で、流体発振器の第１の排出導管及び第２の排出導管（図示せず）を通じて燃料が供給される。第１の燃料ノズル群は、８０ａで示されており、ハブ側で燃料インジェクタ上に配置されており、第２の燃料ノズル群は、８０ｂで示されており、燃料インジェクタから径方向外側に向かって、燃料を予混合流路に噴射する。当該実施例は、予混合流路の外側又はハブ側領域における流速又は圧力条件が異なる場合でも、径方向において均一な燃料濃度を、予混合流路の出口において維持することを可能にする。

【符号の説明】

【0060】

１ ガスタービン
２ 回転軸
３ ロータ
４ シャフト
６ 吸気ハウジング
７ バーナープレナム
８ 圧縮機
９ 燃焼系
１０ 燃焼室
１１ バーナー
１２ 燃焼室ハウジング
１４ タービン
１５ 排気ハウジング
１７ ガイドベーン
１８ ローターブレード
１９ ステータ
２４ａ 流体発振器
２４ｂ 流体発振器
２６ 相互作用チャンバ
２８ 入口
３０ 入口領域
３２ 出口領域
３４ 第１の出口
３６ 第２の出口
３８、３８ａ、３８ｂ フィードバック導管
４０ 側壁領域
４２ 案内手段
４４ 側壁
４８ バーナーアセンブリ
５０ 炎管
５２ 移行部
５４ 共振器
５６ パイロットバーナー
５８ パイロットバーナーランス
６０ パイロットバーナー予混合流路
６２ パイロットコーン
６４ メインバーナー
６６ バーナー軸
６８ 予混合流路
７０ 壁
７１ 基部
７２ バーナーランス
７３ 燃料供給装置
７４ 旋回発生器
７６ 旋回ブレード
７８ 燃料供給管
７９ 燃料インジェクタ
７９ａ 燃料インジェクタ
７９ｂ 燃料インジェクタ
８０ 燃料ノズル
８０ａ 第１の燃料ノズル群
８０ｂ 第２の燃料ノズル群
８２ 燃料導管
８４ バーナー
８５ 流体発振器
８６ 第１の排出導管
８８ 第２の排出導管
９０ バーナー
９２ 予混合流路
９４ バーナーハブ
９６ 斜格子
９８ 燃料インジェクタ
１００ 燃料インジェクタ
Ｌ“ 圧縮空気

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】