JP7032150B2 - ガスタービンの燃焼室、ガスタービン及びガスタービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載のガスタービンの燃焼室に関する。さらに、本発明は、当該燃焼室を有するガスタービンと、当該ガスタービンの運転方法と、に関する。

ガスタービンは、燃焼室と、燃焼室の下流に配置されたタービンと、を有している。ガスタービンの燃焼室内では、燃料が燃焼し、その際に、高温の排ガスが生じる。この高温の排ガスは、ガスタービンのタービン内で膨張し、その際に、例えば電流を生成するために、発電機を駆動するための原動力の供給に用いられ得るエネルギーが得られる。実践からは、二元燃料ガスタービンとして構成されたガスタービンがすでに知られており、このような二元燃料ガスタービンは、二元燃料燃焼室を含んでおり、当該二元燃料燃焼室内では、気体燃料動作モードにおいて気体燃料が燃焼し、液体燃料動作モードにおいて液体燃料が燃焼する。気体燃料動作モードでは、気体燃料と燃焼空気との混合物が、ディフューザを通じて燃焼室に供給可能である。液体燃料動作モードでは、液体燃料は燃料ランスを通じて、および燃焼空気は旋回体を通じて、ガスタービンの燃焼室に供給可能である。

二元燃料燃焼室として構成されたガスタービンの燃焼室を、特に液体燃料動作モードにおいて、液体燃料がより効果的に燃焼し、窒素酸化物エミッション等の望ましくない排ガスエミッションを減少させるように、さらに改善する必要性が存在する。

この必要性から、本発明の課題は、ガスタービンの新式の燃焼室と、当該燃焼室のガスタービンと、当該ガスタービンの運転方法と、を創出することにある。

本課題は、請求項１に記載のガスタービンの燃焼室によって解決される。本発明によると、燃料ランスは、半径隙間を形成しながら、径方向外側において、隣接するランスキャップによって少なくとも部分的に囲まれており、燃焼空気は、旋回体を迂回し、半径隙間を通って、燃焼室に供給可能である。燃料ランスと隣接するランスキャップとの間に形成された半径隙間を通じて燃焼室に供給可能である燃焼空気を用いて、燃料ランスが冷却され得る。さらに、この空気は、液体燃料動作モードにおいて、燃料ランス付近に形成された液体燃料の噴霧円錐を、外側において少なくとも部分的に囲んでいる。それによって最終的に、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料を、窒素酸化物エミッション等の排ガスエミッションを減少させて、より効果的に燃焼させることが可能である。

本発明のさらなる発展形態によると、旋回体を迂回し、燃料ランスと、隣接するランスキャップと、の間の半径隙間を通って燃焼室に供給可能である燃焼空気流は、旋回体を通って燃焼室に供給可能である燃焼空気流の１％から１０％の間である。半径隙間を通る燃焼空気流が、旋回体を通る燃焼空気流の１％から１０％である場合、一方では液体燃料動作モードにおいて、他方では気体燃料動作モードにおいても、各燃料の、特に窒素酸化物エミッションを減少させた効果的な燃焼が保証され得る。上述したように、液体燃料動作モードでは、燃料ランスが冷却され、さらに、半径隙間を通る空気流が、噴霧円錐を少なくとも部分的に囲み、束ねている。

本発明のさらなる発展形態によると、燃焼室には、気体燃料動作モードにおいても、液体燃料動作モードにおいても、燃焼空気が、燃料ランスと、隣接するランスキャップと、の間の半径隙間を通じて供給可能である。両方の動作モードにおいて、半径隙間を通じて燃焼室に供給可能である燃焼空気によって、各燃料の最適な燃焼が保証され得る。

本発明のさらなる発展形態によると、燃料ランスは、少なくとも１つ、好ましくは２つの噴霧ノズルを有しており、当該噴霧ノズルは、ガスタービンの負荷に応じて作動可能であり、単独及び共同でそれぞれ、６０°の最大噴霧角度を有する噴霧円錐を供給する。このような最大噴霧角度の形成も、液体燃料動作モードにおける、特に窒素酸化物エミッションを減少させた、液体燃料の効果的な燃焼にとって有利である。

本発明に係るガスタービンは請求項７に規定されており、本発明に係るガスタービンの運転方法は請求項８に規定されている。

本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明するが、それに限定されるものではない。示されているのは、以下の図である。

本発明に係るガスタービンの燃焼室の一部を、極めて概略的に示した図である。

本発明は、ガスタービンの燃焼室、当該燃焼室を有するガスタービン、及び当該ガスタービンを運転するための方法に関する。

図１は、燃焼室１の領域におけるガスタービンの一部を概略的に示している。燃焼室１は、壁２によって区切られており、燃焼室１内では燃料が燃焼する。燃焼室１における燃料の燃焼の際に発生する排ガスは、ガスタービンの図示されていないタービンに供給可能であり、それによって、タービン内で排ガスが膨張し、その際にエネルギーが得られる。

燃焼室１は、二元燃料燃焼室として構成されており、二元燃料燃焼室は、一方では気体燃料動作モードにおいて、他方では液体燃料動作モードにおいて動作し得る。燃焼室１の気体燃料動作モードでは、燃焼室１内で気体燃料が燃焼し、気体燃料と燃焼空気との混合物は、燃焼室１、図１では燃焼室１の混合室９に、旋回体３を通じて供給される。旋回体３は、好ましくは径方向の旋回体として構成されており、燃焼室１の混合室９に流入する、燃焼空気と気体燃料との混合物の明確な渦を発生させる。気体燃料と燃焼空気との混合物は、気体燃料動作モードにおいて、図示されていない電気点火装置を用いて点火される。

燃焼室１の液体燃料動作モードでは、燃焼室１において、液体燃料が燃焼し、液体燃料は、燃焼室１、図１では燃焼室１の混合室９に、燃料ランス４を用いて供給される。燃料ランス４は、混合室９のほぼ中央に位置しており、液体燃料を噴霧し、噴霧円錐又は噴射円錐８を形成しながら、軸方向において液体燃料を燃焼室１の混合室９に噴射する。液体燃料動作モードでは、液体燃料の燃焼に必要な燃焼空気は、やはり混合室９の旋回体３を通じて、やはり明確な旋回流を形成しながら供給される。液体燃料動作モードでも、必要に応じて、図示されていない電気点火装置が使用可能である。

取り付け壁１２に受容された燃料ランス４と、同じく取り付け壁１２に受容され、径方向外側において燃料ランス４に接続しており、燃料ランス４を径方向外側において少なくとも部分的に囲んでいる、隣接するランスキャップ５と、の間には、半径間隙６が形成されており、半径間隙６を通って、付加的に、燃焼空気が燃焼室１、すなわち混合室９に、旋回体３を迂回して供給され得る。

液体燃料動作モードにおける燃焼室１を示す図１では、燃料ランス４によって形成された、噴霧された液体燃料の噴霧円錐８が示されている。燃焼室１の混合室９に旋回体３を通じて供給される燃焼空気は、図１では矢印１３で示されている。旋回体３を迂回し、燃料ランス４と、隣接するランスキャップ５と、の間の半径間隙６を通って混合室９に供給され得る燃焼空気は、図１では矢印１４で示されている。

好ましい実施形態では、径方向外側で燃料ランス４に隣接し、燃料ランス４と共に半径間隙６を画定しているランスキャップ５は、スリーブとして構成されており、当該スリーブは、ウェブを介して燃料ランス４に接続されている。取り付け壁１２自体が、径方向外側で燃料ランス４に隣接し、燃料ランス４と共に半径間隙６を画定するランスキャップ５を供給することも可能である。

旋回体３を迂回して、燃料ランス４と、隣接するランスキャップ５と、の間の半径間隙６を通って、燃焼室１、図１では混合室９に供給され得る燃焼空気１４は、旋回体３を通じて燃焼室１、図１では混合室９に供給され得る燃焼空気の１％から１０％である。

半径間隙６又は局所的なボアを通じて誘導される空気流１４は、一方では燃料ランス４を冷却し、他方では液体燃料動作モードにおいて、少なくとも部分的に外側で、液体燃料の噴霧円錐８を囲んでおり、噴霧円錐８を束ねている。

半径間隙６を通じて、燃焼空気流１４は、液体燃料動作モードにおいて燃焼室１、図１では燃焼室１の混合室９に供給され得るだけではなく、気体燃料動作モードにおいても供給可能であり、気体燃料動作モードでは、燃料ランス４は作動していないので、気体燃料動作モードでは、燃料ランス４を通じて燃料が燃焼室１に導入されることはない。

気体燃料動作モードでは、ガスと燃焼空気との混合物が、旋回体３を通るように誘導される。同様に、気体燃料動作モードでは、燃焼空気が、環状間隙６を通るように誘導される。環状間隙６を通るように誘導された燃焼空気流１４は、いわゆるプレナム１０の領域において、旋回体１３の上流で分岐する。図１は、空気導管１１を示しており、空気導管１１を通じて、プレナム１０から空気が分岐し得る。空気導管１１を通じてプレナム１０から分岐した燃焼空気１４は、壁１２によって形成された空気室７に供給され、その結果、空気室７から出発して、燃料ランス４と、隣接するランスキャップ５と、の間に形成された半径間隙６を通って、燃焼室１の混合室９に導入され得る。

燃料ランス４は、少なくとも１つ又は２つの噴霧ノズル１５、１６を有している。両方の噴霧ノズル１５、１６を同時に、又は部分的に重なって利用することが可能であるが、他方では、これらの噴霧ノズル１５、１６の内の１つのみをそれぞれ用いることも可能である。

液体燃料動作モードにおいて、液体燃料を噴霧し、燃焼室１に導入するために、いくつの噴霧ノズル１５、１６が用いられるかとは無関係に、液体燃料の噴霧円錐８の最大噴霧角度αは、最大で６０°である。

燃焼室１が、液体燃料動作モードにおいて、作動した燃料ランス４と共に動作する場合、アイドリングにおいても、限界値よりも低いガスタービンの負荷においても、第１の噴霧ノズル１５を作動するように規定されている。ガスタービンの負荷が限界値よりも高い場合、好ましくは第２の噴霧ノズル１６も作動される。従って、噴霧ノズル１５、１６は、ガスタービンの負荷に応じて起動又は作動可能である。

上述したように、燃料ランス４は、好ましくは混合室９又は燃焼室１に対して中央に位置付けられており、液体燃料動作モードにおいて、液体燃料を混合室９及び燃焼室１に噴霧するが、その際に、噴霧角度が最大で６０°である噴霧円錐８が形成される。

少なくとも液体燃料動作モードにおいて、好ましくは気体燃料動作モードにおいても、混合室９の燃焼空気の一部が旋回体３を迂回し、半径間隙６を通って供給され、燃料ランス４と、隣接するランスキャップ、特に燃料ランス４を径方向外側で少なくとも部分的に囲むスリーブと、の間に半径間隙６が形成されている。この、半径間隙６を通るように誘導される空気流１４によって、一方では燃料ランス４が冷却され、他方では、液体燃料動作モードにおいて、噴霧円錐８が束ねられる。気体燃料動作モードでは、半径間隙６を通るように誘導される空気流１４によって、同様に、今や気体状である燃料の燃焼にも、ポジティブな影響が与えられ得る。

液体燃料動作モードにおいて、半径間隙６を通るように誘導される空気流が、噴霧円錐８を誘導する、又は束ねる、もしくは外側において囲むことによって、噴霧された液体燃料が、燃焼室１の壁２、特に実際の燃焼室１と混合室９との間に延在する壁２の予混合室２ａを湿らせることが防止される。それによって、燃焼室１の壁２の予混合室２ａを、損傷から守ることができる。

１ 燃焼室
２ 壁
２ａ 予混合室
３ 旋回体
４ 燃料ランス
５ ランスキャップ
６ 半径隙間
７ 空気空間
８ 噴霧円錐
９ 混合室
１０ 空気空間／プレナム
１１ 空気導管
１２ 壁
１３ 燃焼空気流
１４ 燃焼空気流
１５ 噴霧ノズル
１６ 噴霧ノズル

Claims (9)

1. 燃焼空気の存在下で燃料を燃焼させるためのガスタービンの燃焼室（１）であって、前記燃焼室（１）は、二元燃料燃焼室として構成されており、前記燃焼室には、気体燃料動作モードでは、気体燃料と燃焼空気との混合物が、旋回体（３）を通じて供給可能であり、液体燃料動作モードでは、燃料ランス（４）を通じて液体燃料が、および前記旋回体（３）を通じて燃焼空気が、供給可能である燃焼室（１）において、
   前記燃料ランス（４）は、半径方向の間隙（６）を介して、自身の径方向外側に設けられたランスキャップ（５）によって、少なくとも部分的に囲まれており、前記燃焼室（１）には、前記半径方向の間隙（６）を通じて、前記旋回体（３）を迂回し、燃焼空気を供給でき、
   前記燃焼室に、前記旋回体（３）を迂回し、前記燃料ランス（４）と前記ランスキャップ（５）との間の前記半径方向の間隙（６）を通じて供給され得る燃焼空気流が、前記燃焼室に前記旋回体（３）を通じて供給され得る燃焼空気流の１％から１０％の間であることを特徴とする燃焼室（１）。
2. 前記燃焼室には、前記気体燃料動作モードでも、前記液体燃料動作モードでも、燃焼空気が、前記燃料ランス（４）と、隣接する前記ランスキャップ（５）と、の間の前記半径方向の間隙（６）を通じて供給され得ることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記燃料ランス（４）が、少なくとも２つの噴霧ノズル（１５、１６）を有しており、前記噴霧ノズルは、前記ガスタービンの負荷に応じて作動可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃焼室。
4. 前記燃料ランス（４）が、少なくとも２つの噴霧ノズル（１５、１６）を有しており、前記噴霧ノズルは、単独で及び共同でそれぞれ、６０°の最大噴霧角度を有する噴霧円錐（８）を供給す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燃焼室。
5. 前記燃料ランス（４）が取り付けられる取り付け壁（１２）には、前記ランスキャップ（５）の前記燃焼室（１）から離れた基端側に、前記燃料ランス（４）の一部の周囲を囲んで半径方向に膨出した空気室（７）が形成され、前記旋回体（３）を迂回した燃焼空気は、該空気室（７）を介して前記半径方向の間隙（６）を通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燃焼室。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の、燃焼空気の存在下で燃料を燃焼させるための燃焼室（１）と、
   燃焼の際に生じる排ガスを膨張させるためのタービンと、
   を有するガスタービン。
7. 請求項６に記載のガスタービンを運転するための方法において、
   燃焼室（１）には、気体燃料動作モードにおいて、気体燃料と燃焼空気との混合物が、旋回体（３）を通じて供給され、
   前記燃焼室（１）には、液体燃料動作モードにおいて、燃料ランス（４）を通じて液体燃料が、および前記旋回体（３）を通じて燃焼空気が、供給され、
   前記燃焼室（１）には、前記気体燃料動作モード及び前記液体燃料動作モードにおいて、前記燃焼空気の一部が、前記旋回体（３）を迂回して、前記燃料ランス（４）と、隣接するランスキャップ（５）と、の間の半径方向の間隙（６）を通じて付加的に供給され、
   前記燃焼室に、前記旋回体（３）を迂回し、前記燃料ランス（４）と前記ランスキャップ（５）との間の前記半径方向の間隙（６）を通じて供給され得る燃焼空気流が、前記燃焼室に前記旋回体（３）を通じて供給され得る燃焼空気流の１％から１０％の間であることを特徴とする方法。
8. 前記気体燃料動作モードでは、前記燃料ランス（４）は作動していないことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記液体燃料動作モードにおいて、前記液体燃料が、前記燃料ランス（４）を通じて前記燃焼室に供給され、それによって、アイドリングにおいて、及び限界値よりも低い負荷において、第１の噴霧ノズルが作動し、限界値よりも高い負荷において、第２の噴霧ノズルが作動することを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。

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