JP7667294B2 - ガスタービンシステムの燃焼安定性を向上させるための水素注入 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２２年２月２３日に出願された米国特許出願第１７／６７８，１３４号に対する優先権を主張し、また、２０２１年２月２５日に出願された米国仮特許出願第６３／１５３，６２０号に対する優先権も主張する。

本発明は、ガスタービンと、ガスタービンシステムの燃焼室用の注入デバイスと、ガスタービンの動作と、ガスタービンシステムと併せて使用される燃焼用の噴射器の動作と、１つ以上のガスタービンシステムを利用するプラントと、それらの製造方法及び使用方法と、に関する。

工業用発電に一般的に使用されるガスタービン装置を、図１に示す。国際公開第ＷＯ２０１９／２２２３３４号から理解できるように、この装置は、従来、圧縮機によって特徴付けられるコールドセクションと、それに続く、燃焼器セクション及びタービンを有する、ホットセクションと、を含み得る。コールドセクションは、多くの場合、燃焼器セクションに高圧空気を送る多段軸流圧縮機に、空気を供給するための吸気口を含む。燃料は、空気流と混合され、燃焼セクションで燃焼されて、タービンに供給される高温高圧ガス流を生成することができる。タービンは、燃焼器セクションの下流にあり、燃焼器セクションから高温燃焼ガスを受け、ガスがタービンを通過するときに、ガスの流れを拡張するように構成され、その流れが、タービンの回転羽根を回転させる。多くの場合、タービンの回転羽根はシャフトに取り付けられており、シャフトを回転させて、二重の機能：（１）圧縮機の駆動を支援して、より多くの圧搾空気を燃焼器セクションに引き込むことと、（２）発電機を回転させて発電することと、を実行する。タービンの作動圧力比は、圧縮機出口の空気の圧力と、圧縮機吸入口の空気の圧力とで定義され、通常は約１８：１未満である。

燃焼器の設計は、製造業者、サイズ、及び用途によって異なるが、多くの、特に多缶型のもの（例を図２に示す）及び環状筒型のもの（例を図３に示す）は、タービンシャフトの周囲に円周方向に配設された円筒管すなわち「缶」の配列を介して、燃焼を実行する。多缶型燃焼器では、各缶の吸気口は、圧縮機の対応する出口ポートに機械的に結合されている。対照的に、環状筒型燃焼器は、典型的には、各缶の吸気口が、圧縮機出口に接続された、共通する単一の環帯に対して開放されるように構成されている。いずれの場合も、燃焼生成物は、遷移ダクトを通して各缶から放出され、次いで、３６０°アーク全体、タービンの第１の段内に分散される。

各缶型燃焼器は、典型的には、缶型燃焼器の入口平面の周囲に環状構成で配設された、１つ以上の空気燃料ノズルによって供給される燃焼室を有する。空気燃料ノズルは、空気及び燃料の混合物を燃焼室内に導入する。多くの場合、空気燃料パイロットバーナは、燃焼器の軸に沿って更に配設される。燃焼安定性を向上させるために用いられる空気燃料パイロットバーナは、予混合設計又はノズル混合（すなわち、拡散又は非予混合）設計のいずれでもよい。予混合ノズルとパイロットバーナとの組み合わせは、しばしばバーナと総称され、各缶型燃焼器は、通常、独自のバーナ又はバーナのグループを含む。

典型的には、予混合ノズルは、対応する気流内に燃料を放出する、燃料噴射器を含む。多くの場合、ノズルは、中央空気燃料パイロットバーナの周りの空気環帯に囲まれた、環状構成で配置された１つ以上の燃料噴射器を含む、環状ノズルとして配置されている。バーナは、燃焼セクションの缶の燃焼室内に噴射された空気及び燃料の混合物を燃焼させ、タービンに供給するための高温ガスの形成を支援する。

環境上の理由から、燃焼器又は燃焼器セクションが希薄燃焼を使用して動作するように、ガスタービンシステムを稼働させることが望ましい。希薄燃焼の使用は、燃焼用に燃焼室に供給された燃料と比較して、燃焼用の過剰空気すなわち過剰酸素が存在する状態を指し得る。希薄燃焼状態で動作することは、亜酸化窒素（ＮＯ_x）の形成を抑えるのに役立ち、その結果、より環境に優しい排気がガスタービンシステムから出力される。しかしながら、希薄燃焼動作は不安定性をもたらす可能性がある。このような不安定性は、連続した燃焼又は燃料の燃焼の均一性が不十分でないために、振動とも呼ばれ得る、燃焼器の圧力振動をもたらす可能性がある。このような不安定性から引き起こされ得る揺動又は振動は、ガスタービンシステムに機械的損傷をもたらす可能性がある。そのような問題は、燃焼不安定性の問題を大幅に軽減するために、希薄燃焼安定性を向上させることによって、より良好に対処できると判断した。燃焼不安定性の低減は、燃焼器の揺動又は振動を大幅に低減し、ガスシステムの部品の寿命を延ばし、ガスタービンシステムの動作性能を向上させることができる。いくつかの実施形態では、水素（Ｈ₂）ガスの流れは、旋回した空気燃料流が、予混合バーナノズルを介して、燃焼室内に供給された場所の下流に形成されている、燃焼室内の空気燃料噴射器（空気燃料バーナとも呼ばれる）の第１の伴流領域内に注入され得る。第１の伴流領域が、水素が燃焼室内に注入される場所と、燃焼室内の第１の伴流領域との間に形成された、二次伴流領域の１つ以上の第２の伴流と相互作用するように、水素を注入することができる。水素の注入により、注入された水素の燃焼を介して、燃焼室で少なくとも１つの第２の伴流を形成することができる。１つ以上の第２の伴流は、水素注入のために、水素注入器と第１の伴流領域との間、及び、水素注入器の出口と、燃料及び空気の混合物の旋回流が出口の放出面を横切る位置との間に、形成され得る。このことは、第１の伴流領域の１つ以上の第１の伴流と、第１の伴流の燃焼ガスと相互作用する水素の燃焼の結果として改善された燃焼安定性を促進することができる、１つ以上の第２の伴流との間の相互作用をもたらし得る。この相互作用は、例えば、１つ以上の第２の伴流で熱及び活性化学種を伝達する燃料の燃焼からの、１つ以上の第１の伴流に活性ガスを含み得る。

高温過剰空気の領域内への水素の注入が、常にではないにしてもしばしば、水素を燃焼させるための水素の急速な点火をもたらす可能性があると判断した。このことは、水素の比較的高い化学反応性、広範囲の可燃性、及び炎温度の上昇によるものであると考えられる。燃焼室内への水素の注入、及びその結果として生じる燃焼が、燃料の燃焼中に燃焼室内で発生し得る燃焼駆動振動を抑制することができる、炎安定化連鎖反応を開始することができると判断した。このことは、水素ガスの注入が、ノズルから出力された旋回した空気燃料混合物に隣接している、燃焼室内の場所で生じる一方でまた、注入された水素が、燃焼室内の伴流領域で、燃焼室内の燃料及び空気と相互作用することができるように、この旋回した空気燃料混合物の出力から分離され、ノズルから出力された空気燃料混合物の出力流の下流に位置決めされている、実施形態に特に適用可能であると判断した。

いくつかの実施形態では、水素は、燃焼室内の予混合火炎ジェットの第１の伴流内に注入されるように、少なくとも１つの開口部（例えば、少なくとも１つのポート、オリフィス、ノズル、又は他の種類の注入出口）を通して、１００ｍ／秒以上の速度で、好ましくは３００ｍ／秒以上の速度で、最も好ましくは水素の局所音速に等しい速度で、燃焼室内に注入され得る。言うまでもなく、他の実施形態は、特定の設計基準のセットを満たすために、異なる出力速度を利用し得る。

注入された水素に高いノズル速度を用いる実施形態は、希薄燃焼を安定させ、燃焼器駆動の揺動又は振動を最小限に抑えるために、特に効果的であり得ると判断した。例えば、各高速水素ジェットの運動エネルギーは、混合を強化することができる局所乱流を生成しながら、速度に比例して局所質量を巻き込むポンプとして機能することができることを見出した。強化された混合は、温度成層を低減することができ、燃焼室内のピーク炎温度を低下させ得、ＮＯ_xの排出を減少させるのに役立ち得る。また、燃焼室内に注入された水素の高速ジェットは、水素燃焼中に放出された熱を、水素注入器出口から離れて対流的に輸送するのに役立ち得、ノズルの過熱を防ぐのに役立ち得るとも判断した。

水素注入装置のいくつかの実施形態では、水素注入器は、水素を燃焼室内に注入するために利用され得る単一の水素出口オリフィスを有する燃焼室と流体連通している、出口を有し得る。他の実施形態では、水素注入器は、複数のジェットの、燃焼室内に水素を注入するための複数の出力オリフィスを利用する、出口を有し得る。これらの水素ジェットは、希薄予混合燃料反応物及び燃焼の高温生成物を水素ジェット内に各々巻き込むことができる、多数の二次ジェット後流を作るために注入される、高速水素ジェットであり得る。形成された水素同伴ガス混合物は、水素の低い点火エネルギーと、巻き込まれた質量において利用可能な過剰酸素と、燃焼生成物の高温とにより、比較的低速の第２の伴流領域内で容易に点火され得ると判断した。多数の二次伴流点火源は、各々が、隣接する水素ジェットへの小規模の「パイロット」火炎として機能することができる小火炎構造の配列を、燃焼室での燃焼中に生成することができる。複数の注入水素ジェットを使用することによる本効果は、隣接する水素ジェット同士の相乗効果を提供し、同じ質量流量の単一の水素ジェットのみを燃焼室内に利用することと比較して、はるかに高いレベルの点火信頼性及び炎安定性を提供することができると判断した。

水素注入装置と、少なくとも１つのそのような装置を有するガスタービンシステムと、少なくとも１つの水素注入装置を有するガスタービンシステム用の燃焼器と、それらの製造方法及び使用方法との実施形態は、特定の設計及び性能基準のセットを満たすために提供され得る。第１の態様では、ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入するための水素注入装置は、燃焼室と流体連通している出口を有する外側導管を含み得る。外側導管は、燃料及び空気の混合物が、外側導管の出口を介して、燃焼室内に通過可能であるように構成され得る。水素注入装置はまた、外側導管に隣接して位置決めされた内側水素注入導管も含み得る。外側導管は、外側導管の出口が、燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口の外周にあるように位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、注入装置は、内側導管及び外側導管のみを含んでもよい。他の実施形態では、内側導管と外側導管との間に位置決めされた、１つ以上の中間環状導管（例えば、内側導管と外側導管との間に位置決めされた、注水導管及び／又はパージ空気導管など）が存在してもよい。内側水素注入導管は、少なくとも１つの水素ジェットが、内側水素注入導管の出口を介して、燃焼室内に注入可能であるように構成され得る。

第２の態様では、内側水素注入導管の出口は、少なくとも１つの水素ジェットを、内側水素注入導管の出口の下流にあり、かつ、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る、燃焼室内の位置の上流にある、燃焼室内の第１の伴流領域内に出力するように位置決めされ得る。燃料及び空気の混合物による放出領域の横断は、この放出領域を通過すること、放出領域に入ること、及び／又は放出領域に沿って移動することを含み得ることを理解されたい。燃料及び空気の混合物が放出領域を横切る位置は、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る、燃焼室内の場所又は領域であり得る。内側水素注入導管は、二次伴流領域が、第１の伴流領域に隣接する少なくとも１つの水素ジェットによって形成されるか、又は、少なくとも１つの水素ジェットが第１の伴流領域に入るときに形成されるように、位置決めされ得、構成され得る。

第３の態様では、外側導管は、空気及び燃料の混合物を外側導管の出口から出力するための旋回流を生成するための、少なくとも１つの旋回翼を含み得る。

第４の態様では、二次伴流領域は、混合物の燃料が燃焼室内で燃焼している間、内側水素注入導管の出口と、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、内側水素注入導管の出口を横切る、燃焼室内の位置と、の間に位置し得る。

第５の態様では、内側水素注入導管の出口は、単一のオリフィスであり、内側水素注入導管は、単一のオリフィスの上流に少なくとも１つのキャビティを有する。少なくとも１つのキャビティは、深さ、キャビティ長、及び内側水素注入導管の出口からの、キャビティの下流端の距離である、キャビティ後縁距離を有し得る。第６の態様では、キャビティ深さは、内側水素注入導管の出口のオリフィスの半径以上であり得、また、内側水素注入導管の出口のオリフィスの直径以下であり得る。キャビティ長は、長さの深さに対する比が１～４となるような値であり得、キャビティ後縁距離は、キャビティ後縁距離の直径に対する比が５以下となるような値であり得る。第７の態様では、キャビティの寸法は、第６の態様のパラメータとは異なり得る。

第８の態様では、内側水素注入導管の出口は、燃焼室内に水素を注入するために、少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するための少なくとも１つの中央オリフィスと、燃焼室内に水素を注入するために、複数の非中央水素ジェットを形成するための複数の外側オリフィスと、を有するノズルを含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の中央ジェットは、軸方向に流れるように出力され得、非中央水素ジェットは、それらが非軸方向に流れるように出力され得る。第９の態様では、外側オリフィスは、非中央水素ジェットの各々が、少なくとも１つの中央水素ジェットの流れ方向に対してある角度で流れる流れ方向に出力され、角度が０°を超え、かつ９０°未満であるか、又は１５°を超え、かつ６０°未満であるように構成され得る。更に第１０の態様では、本角度に対する他の範囲を利用することができる。第１１の態様では、少なくとも１つの中央オリフィスが、少なくとも１つの中央水素ジェットが少なくとも１００ｍ／秒の速度を有するように、少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するように構成され得、外側オリフィスが、少なくとも１００ｍ／秒である速度を有するように、非中央水素ジェットを形成するように構成されている。

第１２の態様では、内側水素注入導管の出口は、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する水素ジェットとして水素を注入するように構成された単一のオリフィスであり得る。

第１３の態様では、第１の態様は、第２の態様、第３の態様、第４の態様、第５の態様、第６の態様、第７の態様、８の態様、第９の態様、第１０の態様、第１１の態様、及び／又は第１２の態様に含まれる特徴の組み合わせと、組み合わせることができることを理解されたい。例えば、第１３の態様のいくつかのバージョンでは、第１の態様、第２の態様、第３の態様、及び第４の態様の組み合わせを提供することができる。第１２の態様の別のバージョンでは、第１の態様から第６の態様の組み合わせを利用することができる。第１３の態様の更に別のバージョンでは、第１の態様から第４の態様、並びに第８の態様及び第９の態様、並びに第１１の態様を利用することができる。第１３の態様の更に別のバージョンでは、第１の態様から第６の態様及び第１１の態様を利用することができる。

第１４の態様では、加熱ガスをタービンに供給するように構成された燃焼器と、燃焼器に接続された水素注入装置と、を含む、ガスタービンシステムを提供することができる。水素注入装置は、上記で論じられた、第１の態様から第１３の態様までのいずれかの水素注入装置であり得る。

第１の態様から第１４の態様までのいくつかの実施形態では、水素注入装置は、燃焼器用のバーナとして構成され得るか、又はそのようなバーナに組み込まれ得る。

第１５の態様では、燃料及び空気の混合物を、燃焼室と流体連通している外側導管の出口を介して、燃焼室内に出力すること、少なくとも１つの中央水素ジェットを、燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口を介して、燃焼室内に注入することと、を含み得る、ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法が提供される。外側導管は、外側導管の出口が、内側水素注入導管の出口の外周にあるように位置決めされ得る。

第１６の態様では、本方法は、少なくとも１つの中央水素ジェットが、内側水素注入導管の出口の下流にあり、かつ、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る、燃焼室内の位置の上流にある、燃焼室内の二次伴流領域内に注入されるように利用され得る。放出領域の横断は、放出領域を通過すること、放出領域に入ること、及び／又は放出領域に沿って移動することを含み得る。本態様の少なくともいくつかのバージョンでは、少なくとも１つの中央水素ジェットを、少なくとも１００ｍ／秒の速度で注入することができる。

第１７の態様では、本方法はまた、外側導管の出口から空気及び燃料の混合物を出力する前に、空気及び燃料の混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成することも含み得る。そのような態様では、又は第１５の態様及び／又は第１６の態様と併せて、二次伴流領域は、混合物の燃料が燃焼室内で燃焼している間、内側水素注入導管の出口と、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、内側水素注入導管の出口を横切る、燃焼室内の位置と、の間にあり得る。

第１８の態様では、内側水素注入導管の出口が、単一のオリフィスであり、内側水素注入導管が、単一のオリフィスの上流に少なくとも１つのキャビティを有するように、第１５の態様、第１６の態様、又は第１７の態様の方法を用いることができる。そのような態様では、少なくとも１つのキャビティは、深さ、キャビティ長、及び内側水素注入導管の出口からの、キャビティの下流端の距離である、キャビティ後縁距離を有し得る。キャビティ深さは、内側水素注入導管の出口のオリフィスの半径以上であり得、また、内側水素注入導管の出口のオリフィスの直径以下であり得、キャビティ長は、長さの深さに対する比が１～４となるような値であり得、キャビティ後縁距離は、キャビティ後縁距離の直径に対する比が５以下となるような値であり得る。言うまでもなく、第１９の態様における少なくとも１つのキャビティは、同様に、これらのパラメータと異なる、キャビティ長、深さ、及び後縁距離パラメータについての他のパラメータを有するように構成され得る。

第２０の態様では、内側水素注入導管の出口が、燃焼室内に水素を注入するために、少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するための少なくとも１つの中央オリフィスと、燃焼室内に水素を注入するために、複数の非中央水素ジェットを形成するための複数の外側オリフィスと、を有するノズルを含む状況で、本方法の実施形態を用いることができる。そのような態様では、本方法はまた、ノズルの外側オリフィスを介して、非中央水素ジェットを燃焼室内に注入することも含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の中央水素ジェットは軸方向に流れることができ、非中央水素ジェットは非軸方向に流れる。非中央ジェットの注入は、それらが、内側水素注入導管の出口の下流にあり、かつ、外側導管の出口から出力された燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る、燃焼室内の領域の上流にある、燃焼室内の二次伴流領域内に注入されるように実行され得る。燃料及び空気の混合物による放出領域の横断は、本放出領域を通過すること、放出領域に入ること、及び／又は放出領域に沿って移動することを含み得る。第２１の態様では、外側オリフィスは、非中央水素ジェットの各々が、少なくとも１つの中央水素ジェットの流れ方向に対してある角度で流れる流れ方向に出力されるように構成され得る。この角度は、角度が０°を超え、かつ９０°未満であるか、１５°を超え、かつ６０°未満であるか、又は特定の設計基準のセットを満たすための別の範囲内であり得る。第２２の態様では、少なくとも１つの中央水素ジェットは、少なくとも１００ｍ／秒の速度で注入され得、非中央水素ジェットの各々は、少なくとも１００ｍ／秒の速度で注入され得る。

ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法の実施形態の更に第２３の態様では、第１５の態様は、第１６の態様から第２１の態様の任意の組み合わせと組み合わせることができる。例えば、本方法は、第１５の態様、第１６の態様、第１７の態様、及び第１８の態様を利用することができる。別の例として、本方法は、第１５の態様、第１６の態様、第１７の態様、第２０の態様、第２１の態様、及び第２２の態様を利用することができる。いくつかの実施形態では、本方法の第１５の態様から第２２の態様まで、燃焼器のバーナは、空気及び燃料の混合物が燃焼室に供給されるために通過可能である、外側導管を含み得る。

第２４の態様では、本方法は、燃料ステージングと併せて用いることができる。例えば、本方法の第２４の態様では、燃料の第２の部分は、外側導管の出口の下流の燃焼室に供給され、一方、燃料の第１の部分は、空気と混合するために外側導管に供給され、空気及び燃料の混合物を形成し、混合物を外側導管の出口から出力する。第１の部分及び第２の部分の流量は、燃焼室内に所望のレベルの燃焼を提供するために、ガスタービンシステムの動作中に変化され得る。燃料ステージングの使用と併せて、少なくとも１つの中央水素ジェットの注入を実行して、希薄燃焼動作を提供するのを支援するために、燃焼器内の燃料の燃焼に対する当量比を制御又は低下させることができる。例えば、少なくとも１つの中央水素ジェットを注入して、単一性の当量比以下で、二次伴流中の燃焼生成物、並びに燃料及び空気の混合物と混合することができる。そのような態様のいくつかの実施形態では、水素の注入は、当量比が次式と等しくなるように、水素の燃料流量に対する比が提供されるように、実行され得、
式中、ｍ，Ｈ２，ｃｅｎｔｒａｌ，ｍａｘは、最大許容中央水素注入質量流量であり、ｍ，Ｆｕｅｌは、バーナの燃料流量であり、ｍ，ｒｅｃｉｒｃは、バーナの第１の伴流領域における、質量流量再循環（すなわち、逆流）率であり、ｍ，ｔｏｔａｌは、バーナ総流量であり、Φは、バーナ当量比であり、バーナの外側導管の出口を通して燃焼室内に注入された、空気及び燃料のみに占める当量比である。再循環ガス流量（ｍ，ｒｅｃｉｒｃ）は、（パブリックドメインで入手可能な）経験的相関によって、又は計算流体力学モデリングを介して推定され得る、メイン予混合バーナの渦数及び平均軸注入速度の関数であり得る。本態様の実施形態では、外側導管及び／又は内側水素注入導管は、燃焼器のバーナの一部分であり得る。

本方法の第２４の態様の更に他の実施形態では、水素の注入は、水素なしで達成可能な当量比の下限に対する、燃焼器全体の当量比を低下させるために、広範囲のタービン負荷軽減を促進するのを支援するために、及び／又は、ＣＯの排出を増加させることなく、燃焼器のＮＯ_x排出を低下させるために実施され得る。そのような態様では、水素の注入は、ガスタービンシステムの燃焼器の動作が、ガスタービンシステム及び／又は燃焼器の動作を制御するための以下の関係により制約されるように、制御され得る。
式中、
ｍＨ２，ｔｏｔａｌは、水素総注入流量であり、
βｐｒｉｍは、燃料の空気燃料モル化学量論係数であり（例えば、燃料としてのメタンの場合、βｐｒｉｍは９．５２と同じであり得る）、
βＨ２は、水素の空気燃料モル化学量論係数であり、
Ｍａｉｒは、空気の分子量であり、
ＭＨ２は、水素の分子量であり、
Ｍｐｒｉｍは、燃料の分子量であり、
ＰＦＲ０は、水素注入前の燃料対空気質量流量比であり、
ＰＦＲ１は、水素注入中の燃料対空気質量流量比である。

本態様の実施形態では、外側導管及び／又は内側水素注入導管は、燃焼器のバーナの一部分であり得る。

第２５の態様では、本方法は、水素の注入により、燃焼器で生じる燃料の燃焼の当量比が、希薄燃焼を提供し得る事前に選択された所望の範囲内の値まで低下するように、水素の注入を介して、燃焼器全体の当量比を低下させるために利用され得る。そのような態様のいくつかの実施形態では、水素の注入は、当量比が次式と等しくなるように、水素の燃料流量に対する比が提供されるように、実行され得、
式中、ｍ，Ｈ２，ｃｅｎｔｒａｌ，ｍａｘは、最大許容中央水素注入質量流量であり、ｍ，Ｆｕｅｌは、バーナの燃料流量であり、ｍ，ｒｅｃｉｒｃは、バーナの第１の伴流領域における、質量流量再循環（すなわち、逆流）率であり、ｍ，ｔｏｔａｌは、バーナ総流量であり、Φは、バーナ当量比であり、外側導管の出口を通して燃焼室内に注入された、空気及び燃料のみに占める当量比であり得る。再循環ガス流量（ｍ，ｒｅｃｉｒｃ）は、（パブリックドメインで入手可能な）経験的相関によって、又は計算流体力学モデリングを介して推定され得る、メイン予混合バーナの渦数及び平均軸注入速度の関数であり得る。本態様の実施形態では、外側導管及び／又は内側水素注入導管は、燃焼器のバーナの一部分であり得る。

第２６の態様では、ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法は、燃料及び空気の混合物を、燃焼室と流体連通している外側導管の出口を介して、燃焼室内に出力すること、少なくとも１つの水素ジェットを、燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口を介して、燃焼室内に注入することと、を含み得る。外側導管は、外側導管の出口が、内側水素注入導管の出口の外周にあるように位置決めされ得る。

本方法はまた、外側導管の出口から空気及び燃料の混合物を出力する前に、空気及び燃料の混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成すること、及び、燃焼室内の旋回流を、旋回流内の燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る位置に移すことなどの、他のステップも含み得る。少なくとも１つの水素ジェットは、内側水素注入導管の出口の下流にあり、かつ、旋回流内の燃料及び空気の混合物が、燃焼室内の内側水素注入導管の出口の放出領域を横切る、燃焼室内の位置の上流にある、燃焼室内の二次伴流領域内に注入され得る。二次伴流領域は、内側水素注入導管の出口と放出領域との間にあり得る。二次伴流領域は、燃料が燃焼室内で燃焼するときに、空気及び燃料の混合物の旋回流によって生成された第１の伴流領域内の少なくとも１つの第１の伴流と相互作用する、少なくとも１つの第２の伴流を有し得る。例えば、少なくとも１つの第１の伴流における燃料の燃焼からの活性ガスが、少なくとも１つの第２の伴流で、熱及び活性化学種を伝達し得る。

また、ガスタービンシステムの実施形態及び燃焼器の実施形態は、ガスタービンシステム又は燃焼器がそのような方法を実行できるように、第１５の態様から第２６の態様を含み得る方法の実施形態のいずれかを利用するように構成され得ることも理解されたい。そのような実施形態はまた、第１の態様から第１４の態様を組み込こんでいる水素注入装置も利用することができる。燃焼器のバーナは、水素注入装置を含み得ることを理解されたい。更に、第１５の態様から第２６の態様のいずれかを利用する本方法の任意の実施形態は、第１の態様から第１４の態様を組み込こんでいる、少なくとも１つの水素注入装置を利用することができることを理解されたい。

ガスタービンと、ガスタービンシステムの燃焼室用の注入デバイスと、ガスタービンの動作と、ガスタービンシステムと併せて使用される燃焼用の噴射器の動作と、１つ以上のガスタービンシステムを利用するプラントと、それらの製造方法及び使用方法と、の他の詳細、目的、及び利点は、
それらの特定の例示的な実施形態の以下の説明が進むにつれて明らかになるであろう。

ガスタービンと、ガスタービンシステムの燃焼室用の注入デバイスと、ガスタービンの動作と、ガスタービンシステムと併せて使用される燃焼用の噴射器の動作と、１つ以上のガスタービンシステムを利用するプラントと、それらの製造方法及び使用方法と、の例示的な実施形態が、本明細書に含まれる図面に示される。図面で使用される同一の参照符号は、同一の構成要素を識別し得ることを理解されたい。

工業用発電に利用され得る、従来のガスタービン装置の側断面図である。 図１に示されたガスタービン装置の、多缶燃焼器セクションの正面斜視図である。 図１に示されたガスタービン装置の、環状筒燃焼器セクションの正面斜視図である。燃焼器セクションの一部分は、セクションの特定の内部構成要素をよりよく図解するために、切り取られている。 ガスタービンシステムの燃焼セクションに含められる水素注入装置の、第１の例示的な実施形態の概略図である。 ガスタービンシステムの燃焼セクションに含められる水素注入装置の、第１の例示的な実施形態の概略図である。図５は図４と同様であるが、燃焼器に燃料を供給するための、並びに、空気及び燃料の混合物がバーナ４を介して燃焼室２ａに出力される前に、空気及び燃料を予混合するために、燃料の一部分を空気と混合するための、ガスタービンシステムに含まれ得る例示的な燃料供給システムを更に例示している。 図４～図５に示された水素注入装置の第１の例示的な実施形態の断片的な概略図であり、水素注入装置の水素流注入器の特定の態様を例示するために拡大されている。 空気燃料混合物が、水素注入装置の第１の例示的な実施形態で利用され得る燃焼室２ａに供給されると同時に、燃焼室２ａ内に水素を注入するための、第１の例示的な注入器出口装置の端面図である。 空気燃料混合物が、水素注入装置の第１の例示的な実施形態で利用され得る燃焼室２ａに供給されると同時に、燃焼室２ａ内に水素を注入するための、第２の例示的な注入器出口装置の端面図である。 空気燃料混合物が、水素注入装置の第１の例示的な実施形態で利用され得る燃焼室２ａに供給されると同時に、燃焼室２ａ内に水素を注入するための、第３の例示的な注入器出口装置の端面図である。 空気燃料混合物が、水素注入装置の第１の例示的な実施形態で利用され得る燃焼室２ａに供給されると同時に、燃焼室２ａ内に水素を注入するための、第４の例示的な注入器出口装置の端面図である。 図４～図６に示された水素注入装置の第１の例示的な実施形態に含まれ得る、燃焼室２ａ内に水素を注入するための例示的な注入器出口構成の斜視端面図である。 図１１に示された例示的な注入器出口構成の、図１１の線Ａ－Ａによる断面図である。 図４及び図５に示された、燃焼室２ａ内に形成された例示的な二次伴流ゾーンの拡大概略図であって、外側導管５の出口５ｂから出力された空気及び燃料の混合物が、燃焼室２ａ内の内側水素注入導管７の出口７ｂの放出領域１４を横切る、放出領域１４内の位置に隣接するこの領域で、注入された水素が燃焼すると、この二次伴流領域１１を通過することができる水素ジェット１３の例示的な点火を、よりよく図解するための拡大概略図である。 空気及び燃料の混合物が内側水素注入導管７の出口７ｂの放出領域１４内に横切るときに、水素が燃焼し、かつ、外側導管の出口５ｂから出力されたこの混合物が燃料燃焼すると、水素ジェット１３の例示的な点火が、二次伴流領域１１を通過することができ、第１の伴流領域１２ｂの少なくとも１つの第１の伴流１２ｃと相互作用することができる、例示的なプロセスを示す概略フローチャートである。

図４～図１４を参照すると、水素注入装置１は、多缶型又は環状筒型の燃焼セクション装置（例が、図２及び図３に示されている）を利用する、図１に示されたタービンシステムなどの、ガスタービンシステムに含まれ得る。他の実施形態では、水素注入装置１は、異なる種類の燃焼器セクションを利用する、タービンシステム内に含まれ得る。水素注入装置１を含めることは、既存のガスタービンシステムの改造動作の一部として提供され得るか、又は、工業用発電所又は他の種類のプラントに設置される、そのようなシステム用の新しいガスタービンシステム又は燃焼器の新設計に組み込まれ得る。

図４及び図５から最もよく見られるように、水素注入装置１は、空気及び燃料の混合物３ａ（空気燃料混合物とも呼ばれ得る）の流れを、燃焼器の燃焼室２ａに供給するように構成された、外側導管５を含む注入器アセンブリを含み得る。燃焼室２ａは、ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼ライナ２によって画定され得る。燃焼室２ａは、ガスタービンシステムのタービンに出力するための高温ガスを生成するために、燃料の燃焼が発生し得る、燃焼空間を提供する。燃焼室２ａ内の燃料の燃焼のために、燃料及び空気の出力混合物が、事前に選択された燃焼室の放出経路に沿って流れるように燃焼室２ａ内に注入される空気燃料混合物の旋回出力流１２を含むように、燃焼室２ａ内に出力される燃料混合物３ａの旋回流を促進するために、少なくとも１つの旋回翼３を外側導管５に位置決めすることができる。

１つ以上の旋回翼３は、燃料と混合される前に空気を旋回させるために、水素注入装置１の外側導管５に位置決めされ得る。図５から最もよく理解できるように、燃料は、旋回翼３の下流で、かつ、燃料及び空気の混合物３ａが燃焼室２ａに供給される外側導管出口５ｂの上流の、外側導管５内の空気に供給され得る。形成されている外側導管５内の燃料及び空気の混合物３ａは、空気及び燃料が、燃焼室内での燃料の燃焼のために燃焼室内に出力される前に混合されるため、「空気燃料予混合物」の流れとみなすことができる（例えば、予混合は、旋回翼３と、空気及び燃料の旋回混合物が燃焼室２ａ内に供給される外側導管５の出口との間の、外側導管内で行われる）。

水素の流れは、水素注入流として内部に注入するための燃焼室２ａ内に出力するために、内側水素注入導管７を通過させることができる。水素注入流は、少なくとも１つの水素ジェット１３（例えば、単一のジェット１３又は複数のジェット１３）として、内側水素注入導管７の出口７ｂで出力され得る。いくつかの実施形態では、内側水素注入導管７の出口７ｂは、単一の出力オリフィスを有するノズル、又は複数の出力オリフィスを有するノズルとして構成され得る。内側水素注入導管７の出口７ｂは、外側導管５の出口５ｂが、内側水素注入導管７の出口７ｂの外周にあることができるように、外側導管５の出口５ｂに対して内側に位置決めされ得る。例えば、外側導管５の出口５ｂは、内側水素注入導管７の出口７ｂの全周を囲むことができ、内側水素注入導管７は、その出口７ｂが、内側水素注入導管７の出口７ｂの外周に位置決めされている外側導管の出口５ｂに対して内側の場所に位置決めされるように、配置され得る。実施形態は、内側水素注入導管７及び外側導管５の出口用の任意の数の配置を利用することができる。

いくつかの実施形態では、内側水素注入導管７の出口７ｂは、中央領域に、又は、外側導管５の環状形状の出口５ｂの環状開口部の中心に位置し得る。外側導管５の出口５ｂの環状形状の開口部は、スロット状形状、十字形状、「ｘ」状形状、「Ｙ」状形状、「Ｔ」状形状、「Ｗ」状形状、「Ｚ」状形状、「Ｎ」状形状、「Ｍ」状形状、「Ｆ」状形状、「Ｅ」状形状、「Ｄ」状形状、「Ｃ」状、「Ｕ」状形状、「Ｖ」状形状、円形形状、楕円形状、多角形状、又は別の種類の形状であり得る。内側水素注入導管の出口７ｂは、外側導管５の出口５ｂの環状形状の開口部の形状に一致し、かつ、外側導管５の出口５ｂの環状開口部内に位置決めされている形状を有する、中央オリフィスを含み得る。

いくつかの構成では、内側水素注入導管７と外側導管５との間に配置された１つ以上の他の導管が存在することができる。例えば、環状形状の注水導管（図示せず）は、内側水素注入導管７と外側導管５との間に位置決めされ得る。別の例として、環状形状のパージ空気導管は、内側水素注入導管７と外側導管５との間に位置決めされ得る。更に別の例として、環状形状の注水導管（図示せず）、及び環状形状のパージ空気導管は、内側水素注入導管７と外側導管５との間に位置決めされ得る。

ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室２ａと流体連通しているように構成されている、外側導管５の出口５ｂ及び内側水素導管７の出口７ｂの異なる例示的な出口構成は、図７～図１０から理解することができる。これらの異なる構成は、例えば、スロット型（図７）、十字型（図８）、ジッパ型（図９）、又は環状型（図１０）の設計を含み得る。更に他の出口構成は、図６及び図１１～図１３、並びに本明細書で論じられる他の例から理解することができる。

例えば、図６～図１０から理解することができるように、内側水素注入導管７の出口７ｂは、均一な円形又は他の形状の単一のオリフィス出口であり得る。内側水素注入導管は、内側水素注入導管７内の出口７ｂの上流に位置決めされている、少なくとも１つの中間キャビティ７ａを含み得る。各キャビティ７ａは、キャビティ上の水素の流れが、水素流の乱流のレベルを高めるように作用する、キャビティ内の周期的な二次流れを励起するように、出口７ｂに向かって内側水素射出導管７を通過する際の、水素注入流の速度を調整するように位置決めされ得る。このキャビティ励起及び水素ジェット乱流の増加は、水素ジェットが燃焼室２ａ内に放出される際に、周囲とともに水素ジェットのジェット拡散及び運動量輸送速度を高めるのに有効であることを見出した。

各キャビティ７ａは、（そのようなキャビティ７ａを有さない、又は複数のそのようなキャビティ７ａを有さない円形ノズルと比較して）内側水素注入導管の出口７ｂを介して燃焼室内に注入された、１つ以上の水素ジェット１３のジェット伴流質量及び運動量輸送を拡大するのを支援するように、位置決めされ得る。内側水素注入導管７に画定されている各キャビティ７ａは、キャビティ深さｄ、キャビティ長Ｌ、及び、キャビティ７ａの下流端と出口７ｂとの間の距離である、キャビティ後縁距離Ｘを含み得る。出口７ｂは、形状が円形であり得、燃焼室２ａ内に直接供給されるために水素が通過する円形オリフィスの直径である、直径Ｄを有し得る。

図６から最もよく理解できるように、各キャビティ７ａは、特定の深さｄ及び長さＬを有するように構成され得、また、内側水素注入導管７の出口７ｂから特定のキャビティ後縁距離Ｘを有するように位置決めされ得る。キャビティ深さｄは、好ましくは、出口７ｂの円形オリフィスの直径Ｄ未満である。いくつかの実施形態では、キャビティ深さｄは、出口７ｂのオリフィスの半径以上であり得、また、出口７ｂのオリフィスの直径Ｄ以下であり得る（例えば、Ｄ／２≦ｄ≦Ｄ）。キャビティ長Ｌは、長さＬの深さｄに対する比が１～４（例えば、１≦Ｌ／ｄ≦４）となるような長さＬが値となるように選択され得る。キャビティ後縁距離Ｘは、出口７ｂの直径Ｄに対するキャビティ後縁距離Ｘの比が５以下（例えば、ｘ／Ｄ≦５）であるように選択され得る。キャビティ寸法仕様を利用する実施形態は、多くの場合、特に（しかし排他的ではない）内側水素注入導管７の均一なサイズの単一オリフィス出口７ｂと併せて利用される場合、燃焼室２ａ内の水素注入に望ましい改善された伴流質量及び運動量輸送を提供することができると判断した。出口７ｂからの出力された水素は、事前に選択された注入流量で出力することができる、水素ガスの水素ジェット１３として出力され得る。水素ジェット１３の速度は、１００ｍ／秒以上、３００ｍ／秒以上、又は、水素ガス出口７ｂを画定する注入器オリフィスを通る水素の局所音速以下の流速であり得る。

内側水素注入導管７の出口７ｂはまた、水素ガスジェット１３を燃焼室２ａ内に注入するための、間隔をあけた複数のオリフィスを有するように構成することもできる。注入される水素ガスの各ジェット１３は、比較的高速で出力される水素ガスの流れであり得ることを理解されたい。これらの実施形態のいくつかでは、各ジェットの速度は、１００ｍ／秒以上、３００ｍ／秒以上、又は、出口７ｂを画定するノズルの注入器オリフィスを通る水素の局所音速以下の流速であり得る。

燃焼室２ａ内に注入するための複数の水素ガスジェット１３を提供するためのノズル構成を有する出口７ｂは、複数の注入ゾーンを有するように構成され得る。注入ゾーンは、バーナ４の軸に平行な方向（例えば、燃料、空気、及び水素の流れが、燃焼室２ａ内に注入されるために、外側導管５及び内側水素注入導管７を通過する軸流方向）に向けられている少なくとも１つの中央水素注入ジェット１３ａを有する、第１の中央注入ゾーンを含み得る。いくつかの実施形態では、第１のゾーンは、単一の中央オリフィス２１のみを有し得る。しかしながら、他の実施形態は、複数の中央水素注入ジェット１３ａの第１のゾーンを提供するための、間隔をあけた複数の中央オリフィス２１を含み得ると考えられる。

出口７ｂを画定するノズルのための水素ガス注入ゾーンはまた、第２のゾーンも含み得る。第２のゾーンは、少なくとも１つの中央水素注入ジェット１３ａが燃焼室２ａ内に出力される、少なくとも１つの第１のゾーンの中央オリフィス２１を囲んでいる外周に沿って配置された、複数の第２のゾーンの注入オリフィス２３が存在するように構成され得る。第２のゾーンの注入オリフィス２３は、非中央水素ジェット１３ｂが、中央水素ジェット１３ａの流れ方向に対して、０°よりも大きく９０°未満の角度θで流れる流れ方向に出力されるように、非中央水素ジェットの各々が、バーナ４の軸に対して０°よりも大きく９０°未満の角度θ（例えば、非軸流方向）、及び／又は中央水素注入ジェット１３ａの流れ方向に対して非ゼロの角度で出力されるように、非中央水素ジェット１３ｂを出力するように位置決めされ得る。第２のゾーンの外側オリフィス２３は、非中央水素ジェット１３ｂが出力される角度θが、０°よりも大きく９０°未満の範囲であり得るように、又は、より好ましくは、１５°以上６０°以下の範囲であり得るように配置され得る。言うまでもなく、第２のゾーンの外側オリフィス２３は、非中央水素ジェット１３ｂが出力される角度θが、例えば、１０°以上７０°以下の範囲、５°以上８０°以下の範囲、又は、特定の設計基準のセット、及びガスタービンシステムの特定の動作用に特定の燃焼室２ａに存在し得る特定の伴流流動力学をよりよく満たすことができるいくつかの他の範囲などの、異なる範囲内にあり得るように配置及び構成され得る。

いくつかの実施形態では、１つ以上の第１のゾーンの中央オリフィス２１は、１つ以上の水素ジェット１３ａが全て軸方向に流れるようにそれらを放出し得、第２のゾーンの外側オリフィス２３は、非中央水素ジェット１３ｂが全て非軸方向に流れるように、それらを放出し得る。他の実施形態では、少なくとも１つの第１のゾーンの中央オリフィス２１及び第２のゾーンの外側オリフィス２３は、少なくとも１つの水素ジェット１３ａが軸方向に流れることができ、非中央水素ジェット１３ｂの少なくとも一部が、それらが１つ以上の非軸方向に流れるように出力することができるように、配置及び構成され得る。

間隔をあけた第２のゾーンの周辺注入オリフィス２３は、全周が、間隔をあけた第２のゾーンの注入オリフィス２３（例は、図１１から最もよく見られる）によって囲まれるか、又は、少なくとも１つの第１のゾーンの中央オリフィス２１の外周の少なくとも一部分が、第２のゾーンの注入オリフィス２３によって囲まれるように、これら一連のオリフィスが、少なくとも１つの第１のゾーンの中央オリフィス２１の外周に延在するように、位置決めされ得る。更に他の実施形態では、内側水素注入導管７の出口７ｂは、中央水素注入ジェット１３ａも、出口７ｂに画定される任意の第１のゾーンの中央ゾーンオリフィス２１も存在しないように、外側注入オリフィス２３のみを含むように構成され得る。

内側水素注入導管７の出口７ｂは、出力流１２が、燃焼室２ａ内の内側水素側水素注入導管７の出口７ｂの放出領域１４を、出口７ｂから下流に離間した場所で横切るときに、１つ以上の水素ジェット１３が、外側導管５の出口５ｂから出力された空気及び燃料の混合物の旋回出力流１２によって生成された、支配的な流れ場１２ａと相互作用するように構成されている。例えば、支配的な流れ場１２ａは、燃焼室２ａ内にある、出口７ｂ出口７ｂから下流に離間した、放出領域１４内の位置で、燃焼室２ａ内で旋回し、内側水素注入導管７ａの出口７ｂを横切り、かつその前を通過する、燃料及び空気の混合物の旋回流から生成され得る。放出領域１４内のこの位置は、燃焼室２ａ内の場所、又は燃焼室２ａ内の領域であり得る。流体の第１の伴流領域１２ｂは、出力流１２が放出領域１４を横切るときに、燃焼室２ａ内において、内側水素注入導管７の放出領域１４に隣接して、及び／又は放出領域１４内で燃料が燃焼するときに、空気及び燃料の混合物のこの旋回流によって生成される、少なくとも１つの第１の伴流１２ｃを有し得る。

内側水素注入導管７の出口７ｂを介して燃焼室２ａ内に注入された水素は、空気及び燃料と、並びに、内側水素注入導管７の放出領域１４に隣接する第１の伴流領域１２ｂ内の支配的な流れ場１２ａで発生する燃料の燃焼によって形成された、流体の第１の伴流１２ｃの結果として、燃焼室２ａ内における、内側水素注入導管７の放出領域１４内に向けられ得る燃料の燃焼からの燃焼生成物（例えば、ＣＯ２、ＣＯ、水蒸気など）と混合することができる。水素は、空気と混合するときに燃焼することができ、空気燃料混合物の支配的な流れ場１２ａが、燃焼室２ａ内の内側水素注入導管７の放出領域１４を横切る場所と、内側水素注入導管７の出口７ｂとの間の、内側水素注入導管７の放出領域１４内で、二次伴流領域１１を生成することができる。

図１３及び図１４から最もよく見られるように、１つ以上の水素ジェット１３内の水素の燃焼は、放出領域１４内の隣接する水素ジェットの二次伴流１１ａ間の流体連通及び化学的連通を介して形成する、小火炎構造の配列１１ｂを生成することができる。二次伴流１１ａは、第２の伴流とも呼ばれ得る。

二次伴流１１ａは、燃焼室２ａ内の、第１の伴流領域１２ｂと、内側水素導管の出口７ｂとの間に形成され得、また、空気及び燃料の混合物の旋回出力流１２内の燃料及び空気の混合物が、燃焼室２ａ内の内側水素注入導管７の出口７ｂの放出領域１３を横切る位置と、内側水素注入導管７の出口７ｂとの間にも形成され得る。

小火炎構造１１ｂは、二次ジェット後流１１ａの流れで小火炎構造１１ｂを形成するために、希薄予混合空気天然ガス反応物及び燃焼高温生成物を、燃焼室２ａ内の水素の燃焼のために、各々水素ジェット１３に巻き込むことができる、多数の二次ジェット後流１１ａを作ることができる、比較的高いノズル速度の水素ジェット１３によって提供され得る。これらの小火炎構造１１ｂは、火炎構造を形成するために、水素の燃焼による、空気及び燃料の改善された混合を提供するのを支援することができ、また、水素の燃焼と組み合わせて、水素ジェットの速度によって提供された運動量の輸送による、燃焼からの熱をバーナ４から離れて輸送するのを支援することができる。第２の伴流領域１１内の水素の燃焼は、燃焼室内で燃焼する燃料からの燃焼不安定性を緩和又は回避するために、空気及び燃料の混合が減少するゾーンを回避するのを支援することができる。

例えば、燃焼室２ａ内に位置する第２の伴流領域１１内の水素燃焼の相互作用は、バーナ４の炎安定性、及び燃焼室２ａ内の燃焼安定性を改善するのを支援することができる。例えば、１つ以上の中央水素注入ジェット１３ａは、バーナ４の１つ以上の旋回翼３を介して生成された、バーナ４の外側導管５の出口５ｂから出力された空気及び燃料の混合物の旋回出力流１２によって生成された逆流場の流線とは反対の流れ方向に出力され得、燃焼室２ａ内のこの第１の伴流領域と相互作用することができる。注入された水素と空気燃料混合物の旋回流との間の、このような流れ相互作用の詳細な性質は、水素ジェット１３の相対運動量及びジェットバーナ軸に沿った再循環流に依存し得る。しかしながら、高せん断速度、高い乱流強度、及び対向流の存在は、空気及び燃料の混合物が外側導管の出口５ｂを介して燃焼空間内に入る際の、メインバーナからの空気及び燃料の旋回流と同様に、存在する場合、次いで、第１の伴流の再循環流を通って周辺水素ジェットへ流体的に伝達される燃焼の結果として、存続可能なエネルギー及び化学ラジカル種を提供する混合及び後続の燃焼を起こすことができる、効率的方法を提供することができると判断した。

外側注入器オリフィス２３を介して燃焼室２ａ内に導入された水素は、そのような効果を更に高め、希薄燃焼安定性の更なる改善を提供するのを支援することができる。外側導管５の出口５ｂから放出する空気燃料混合物のトロイダル再循環渦と旋回流１２との間のせん断層に公称平行である流れ方向に出力され得る、発散非中央水素ジェット１３ｂは、水素の存在、並びに、中央水素ジェット１３ａの反応ゾーンから対流された熱及びラジカルの存在により反応速度が増大する、多数の拡散火炎を生成することができる。水素の燃焼、並びに空気及び燃料の混合物の旋回流１２との相互作用は、空気燃料混合物が、混合物内の燃料に対して過剰な酸素を有する希薄混合物であるとき、燃焼室２ａの燃焼空間内の燃焼安定性を改善するのを支援することができる（例えば、混合物内には、流れ内の燃料を完全に燃焼させるために必要とされるものよりも多くの酸素が存在する）。

図１４は、外側導管５及び内側水素注入導管７を有する例示的なバーナ４の動作から生じ得る、例示的な相互作用プロセスにおける、注入された水素と、バーナ４からの燃料及び空気の出力混合物との間の相互作用を更に例示している。二次伴流領域１１は、例示的なプロセスの第１のステップＳ１で、二次伴流領域１１内に１つ以上の小さな再循環ゾーンを作成することができる、各水素出力オリフィスに隣接する少なくとも１つの二次伴流１１ａを含み得る。二次伴流領域１１で形成された火炎、又は火炎構造１１ｂは、例示的なプロセスの第２のステップＳ２で、局所水素ジェット１３、及び隣接する二次伴流１１ａに熱及び活性化学種（例えば、ラジカル）を伝達し得る。点火されたジェット１３は、例示的なプロセスの第３のステップＳ３で、外側導管５の出口５ｂから出力され、内側水素注入導管７の出口７ｂの放出領域１４を通過するとき、燃焼室２ａで燃焼する燃料から形成された、より大きな少なくとも１つの第１の伴流１２ｃに、熱及び活性化学種を伝達することができる。燃料の燃焼からの第１の伴流１２ｃの高温の活性ガスは、例示的なプロセスの第４のステップＳ４で、バーナ４を出る出力流に熱及び活性化学種を伝達することができる。第１の伴流１２ｃと、二次伴流領域１１の第２の伴流１１ａとの間の相互作用は、例示的なプロセスの第５のステップＳ５で、第１の伴流１２ｃの燃焼ガスと相互作用する水素の燃焼の結果として改善された燃焼安定性を促進することができる。この相互作用は、例えば、１つ以上の第２の伴流１１ａで熱及び活性化学種を伝達する燃料の燃焼からの、１つ以上の第１の伴流１２ｃに活性ガスを含み得る。

水素注入装置１の実施形態によって提供され得る、改善された燃焼安定性及びガスタービンシステム性能は、いくつかの要因によるものであると考えられる。例えば、比較的高速の各水素ジェット１３の運動エネルギーは、混合を強化する局所乱流を燃焼室２ａ内に生成しながら、速度に比例して局所質量を巻き込むことができるポンプとして機能することができると考えられる。強化された混合は、温度成層を低減するのに役立ち得、ピーク炎温度を低下させ得、それによって、ＮＯ_xの排出を低減させることができる。別の例として、高速の水素注入ジェット１３は、水素の燃焼中に放出された熱が、ノズルから離れて輸送されるように、この熱を対流的に輸送するのに役立ち得、ノズルの過熱を防止することができると考えられる。

複数の水素ジェット１３を利用する水素注入装置１の実施形態は、各々が希薄予混合空気天然ガス反応物及び燃焼高温生成物を水素ジェットに巻き込むことができる、多数の二次ジェット後流１１ａを作るために、比較的高いノズル速度の水素ジェットを提供し得る。水素の低い点火エネルギーと、巻き込まれた質量において利用可能な過剰酸素と、燃焼生成物の高温とにより、水素同伴ガス混合物は、燃焼室２ａ内の比較的低速の二次伴流領域１１内で容易に点火される。この二次伴流領域１１は、この領域が、内側水素注入導管７の出口７ｂと、外側導管の出口５ｂから出力された旋回流１２が通過する、出口から軸方向に離間した、焼室内の領域との間にあるように、外側導管５の出口５ｂから出力された空気燃料混合物の旋回流１２が、燃焼室内に注入されたときに、燃焼室内を通過し得る場所の上流に位置するバーナ４の出口付近の領域であり得る。

複数の注入水素ジェット１３（例えば、第１のゾーンのオリフィス２１及び第２のゾーンのオリフィス２３などを介して注入された水素）によって提供され得る多数の二次伴流点火源は、各々が、隣接する水素ジェット１３への小規模の「パイロット」火炎として機能する燃焼室２ａ内の小火炎構造の配列を、二次伴流領域１１で生成することができる。このことは、複数の水素ジェット１３からの流量の累計と同じ質量流量の単一の水素ジェット１３の使用と比較して、予想外にはるかに高いレベルの炎安定性を提供することができる、隣接する水素ジェット１３同士の相乗効果を提供することができると判断した。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの中央水素注入ジェット１３ａが、燃焼室２ａ内のバーナ伴流で作成された混合物が化学量論的又は希薄のままの動作モードであり得る、単一性の当量比以下で、バーナ４の伴流で再循環ガスと混合することができるように、この中央ジェットによって提供され得る、水素の中央（軸方向）注入を出力することができる。化学量論量を超えて注入された水素は、バーナ伴流の外側で他のガスと混合すると、その効果で希釈され得る、過剰反応物の構成要素となり得る。数学的に表現すると、燃料流量に対する水素の比が単位元よりもはるかに小さいと仮定すると、この比は次式と等しくなることを示すことができる。
式中、ｍ，Ｈ２，ｃｅｎｔｒａｌ，ｍａｘは、最大許容中央水素注入質量流量であり、ｍ，Ｆｕｅｌは、バーナの燃料流量であり、ｍ，ｒｅｃｉｒｃは、バーナの第１の伴流領域における、質量流量再循環（すなわち、逆流）率であり、ｍ，ｔｏｔａｌは、バーナ総流量であり、Φは、バーナを通して注入された、空気及び燃料のみに占める当量比である。再循環ガス流量（ｍ，ｒｅｃｉｒｃ）は、（パブリックドメインで入手可能な）経験的相関によって、又は計算流体力学モデリングを介して推定され得る、メイン予混合バーナの渦数及び平均軸注入速度の関数であり得ることを理解されたい。

燃料がメタン（ＣＨ₄）である実施形態の場合、変数ｍ，Ｆｕｅｌは、外側導管５の出口５ｂを介して燃焼室２ａ内に注入されるメタンの質量流量である。言うまでもなく、燃料は、代替的に、プロパン、液化石油ガス、燃料油、Ｎｏ．２燃料油、灯油、又は別の種類の燃料（例えば、炭素など）又は別の種類の好適な燃料から作られた合成ガスであり得るため、この燃料流量値は、燃焼室２ａで利用される燃料の種類によって異なり得る。

水素注入装置１の実施形態は、一次燃料（例えば、天然ガス、プロパン、液化石油ガス、Ｎｏ．２燃料油、灯油、他の燃料から作られた合成ガスなど）との水素の共燃焼を提供するために、ガスタービンシステムでの利用のために構成され得る。水素注入装置１は、ガスタービンシステムの異なる種類の動作を促進にするために利用され得る。例えば、本装置は、ガスタービンシステムの動作中に利用される、燃焼器全体の化学量論比を低下させるのを支援するために利用され得る。別の例として、水素注入装置１は、増加した燃焼器軸方向燃料ステージングを促進するために利用され得る。

例えば、水素注入装置１は、（一次燃料が、外側導管５を介して燃焼室内に出力された燃料及び空気の混合物に含まれる燃料であり得る、水素流量、一次燃料流量、及び空気流量に基づいた）水素注入なしで達成可能な当量比の下限に対する、燃焼器全体の当量比を低下させるための水素を使用するために用いることができる。このことは、酸素の割合を増加させ、燃焼室２ａの燃焼空間内で発生する燃焼のより低い当量比を提供するために、利用可能な酸素に対する燃料の比を相殺する注入水素によって発生し得る。ガスタービンシステムのそのような運用戦略の目的は、広範囲のタービン負荷軽減を促進すること、及び／又は、一酸化炭素（ＣＯ）排出を増加させることなく、燃焼器のＮＯ_x排出を低下させることのいずれかであり得る。この運用ケースの反応物流量の関係は次式と等しくなることを示すことができる。
式中、
ｍＨ２，ｔｏｔａｌは、水素総注入流量であり、
βｐｒｉｍは、一次燃料の空気燃料モル化学量論係数であり（注記：一次燃料としてのメタンの場合、βｐｒｉｍは９．５２と同じであり得る）、
βＨ２は、水素の空気燃料モル化学量論係数であって、２．３８に等しく、
Ｍａｉｒは、空気の分子量であり、
ＭＨ２は、水素の分子量であり、
Ｍｐｒｉｍは、一次燃料の分子量であり、
ＰＦＲ０は、水素注入前の一次燃料対空気質量流量比であり、
ＰＦＲ１は、水素注入中の一次燃料対空気質量流量比である。

水素の注入は、ガスタービンシステムの燃焼器のうちの１つ以上（又は、ガスタービンシステムの燃焼器の全て）の動作が、ガスタービンシステム及び／又は燃焼器の動作を制御するための上記の関係により制約されるように、制御され得る。
水素注入はまた、（又は代替的に）、水素注入装置１の例示的な実施形態を介して、ガスタービンシステムのガスタービン燃焼器内のＮＯ_x低減目的のための、燃料又は空気のより大きな規模のステージングを促進するために用いることができる。例えば、燃料多段燃焼で、燃料はバーナ４の出口を離れて、燃焼器の下流の場所に導入され得る。図５は、燃焼器用の燃料供給システムの少なくとも１つの制御バルブ３０が、燃料供給の一部分が、外側導管の出口５ｂから出力されるための空気との予混合のために外側導管５に流れることを可能にするように構成され得、一方、燃料の別の部分は、燃焼室２ａ内のバーナ４の下流に供給されるためにルーティングされ得るような構成を最もよく例示し得る。そのような状況では、燃焼器のメインバーナ４は、燃料ステージングなしで用いられるものよりも低い当量比で稼働することができる。燃料ステージングの程度は、多くの場合、メインバーナ４の希薄燃焼安定性限界によって制限される。水素注入装置１の実施形態を介して水素注入を利用することによって、軸方向多段型燃料の割合を増加させることによって、より大幅なＮＯ_x削減を促進することができる、バーナの希薄燃焼の安全動作限界を広げることができる。

本明細書に明示的に示され議論される実施形態に対する修正は、特定の設計目的のセット又は特定の設計基準のセットを満たすために行うことができることを理解されたい。例えば、水素注入装置１の実施形態は、事前に選択された流量、又は事前に選択された水素注入流量範囲内の流量で、１つ以上の水素ガスジェットを燃焼室内に注入するための、単一の出力オリフィス又は複数の出力オリフィスを利用することができる。いくつかの実施形態では、そのような範囲は、１００ｍ／秒未満又は３００ｍ／秒未満であり得る。更に他の実施形態では、そのような範囲は、１００ｍ／秒を超えるか、又は３００ｍ／秒を超え得る。

別の例として、内側水素注入導管７及び外側導管５のサイズ及び形状は、特定のガスタービンシステムの動作性能向けの特定の設計基準のセットを満たすために、任意の種類の好適なサイズ及び形状であり得る。例えば、いくつかの実施形態はかなり大きくてもよく、一方、他の実施形態は、それが用いられる燃焼器のサイズ、及び燃焼器の動作要件を考慮するために、より小さくてもよい。

更に別の例として、水素注入装置１の実施形態は、１００％の水素ガスであるか、又は別の組成（例えば、８０体積％超の水素ガス及び２０体積％未満の他のガスなど）である、１つ以上の水素ジェット１３を注入するように構成され得る。水素ガスジェット１３に含まれ得る他のガス元素は、例えば、窒素又は二酸化炭素を含み得る。注入された水素ジェット１３は、少なくとも９９体積％の水素、少なくとも９５体積％の水素、少なくとも９０体積％の水素、少なくとも７５体積％の水素、又は少なくとも５０体積％の水素である、水素の組成物を含み得ることを理解されたい。水素注入装置の特定の実施形態で利用される水素ジェット流量の特定の組成は、注入される水素の供給源、及びガスタービンシステムの他の動作又は設計基準に依存し得る。

ガスタービンシステム、及び、システムに組み込まれ得る水素注入装置１は、動作を監視及び制御するように位置決め及び構成されたプロセス制御要素（例えば、温度センサ及び圧力センサ、流量センサ、プロセッサを含む少なくとも１つのワークステーションを有する自動プロセス制御システム、非一時的メモリ、並びに、システムのワークステーション及び／又は別のコンピュータデバイスで稼働され得る自動プロセス制御システム用のユーザインタフェースを提供するための、センサ素子、バルブ及びコントローラと通信するための少なくとも１つのトランシーバなど）を含むように構成され得る。

別の例として、個別に又は一実施形態の一部として、記載された特定の特徴は、他の個別に記載された特徴、又は他の実施形態の一部と組み合わせることができると考えられる。したがって、本明細書に記載される様々な実施形態の要素及び行為を組み合わせて、更なる実施形態を提供することができる。したがって、水素注入装置の特定の例示的な実施形態、燃焼器内の水素注入用の装置、ガスタービンシステム用の燃焼器、ガスタービンシステム、並びにそれらの製造方法及び使用方法が示され、上述されているが、本発明はそれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内で、様々に別様に具現化及び実施され得ることを明確に理解されたい。
本発明の実施形態としては、以下の実施形態を挙げることができる。
（付記１）
ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入するための水素注入装置であって、前記水素注入装置は、
前記燃焼室と流体連通している出口を有する外側導管であって、燃料及び空気の混合物が、前記外側導管の前記出口を介して、前記燃焼室内に通過可能であるように構成された、外側導管と、
前記外側導管に隣接して位置決めされた内側水素注入導管であって、前記外側導管が、前記外側導管の前記出口が、前記燃焼室と流体連通している前記内側水素注入導管の出口の外周にあるように位置決めされ、前記内側水素注入導管が、少なくとも１つの水素ジェットが、前記内側水素注入導管の前記出口を介して、前記燃焼室内に注入可能であるように構成された、内側水素注入導管と、を備える、水素注入装置。
（付記２）
前記内側水素注入導管の前記出口が、前記内側水素注入導管の前記出口の下流にあり、かつ、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る、前記燃焼室内の位置の上流にある、前記燃焼室内の第１の伴流領域に向かって、前記少なくとも１つの水素ジェットを出力するように位置決めされ、前記内側水素注入導管が、二次伴流領域が、前記第１の伴流領域に隣接する前記少なくとも１つの水素ジェットによって形成されるか、又は、前記少なくとも１つの水素ジェットが前記第１の伴流領域に入るときに形成されるように、位置決めされ、構成されている、付記１に記載の水素注入装置。
（付記３）
外側導管が、空気及び燃料の前記混合物を前記外側導管の前記出口から出力するための旋回流を生成するための、少なくとも１つの旋回翼を有し、
前記二次伴流領域が、前記混合物の前記燃料が前記燃焼室内で燃焼している間、前記内側水素注入導管の前記出口と、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口を横切る、前記燃焼室内の前記位置と、の間にある、付記２に記載の水素注入装置。
（付記４）
前記内側水素注入導管の前記出口が、単一のオリフィスであり、前記内側水素注入導管が、前記単一のオリフィスの上流に少なくとも１つのキャビティを有する、付記１に記載の水素注入装置。
（付記５）
前記少なくとも１つのキャビティが、深さ、キャビティ長、及び前記内側水素注入導管の前記出口からの、前記キャビティの下流端の距離である、キャビティ後縁距離を有し、
前記キャビティ深さが、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの半径以上であり、また、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの直径以下であり、
前記キャビティ長が、前記長さの前記深さに対する比が１～４となるような値であり、
前記キャビティ後縁距離が、前記キャビティ後縁距離の前記直径に対する比が５以下となるような値である、付記４に記載の水素注入装置。
（付記６）
前記内側水素注入導管の前記出口が、前記燃焼室内に水素を注入するために、少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するための少なくとも１つの中央オリフィスと、前記燃焼室内に水素を注入するために、複数の非中央水素ジェットを形成するための複数の外側オリフィスと、を有するノズルを含む、付記１に記載の水素注入装置。
（付記７）
前記外側オリフィスが、前記非中央水素ジェットの各々が、前記少なくとも１つの中央水素ジェットの流れ方向に対してある角度で流れる流れ方向に出力され、前記角度が０°を超え、かつ９０°未満であるか、又は１５°を超え、かつ６０°未満であるように構成されている、付記６に記載の水素注入装置。
（付記８）
前記少なくとも１つの中央オリフィスが、前記少なくとも１つの中央水素ジェットが少なくとも１００ｍ／秒の速度を有するように、前記少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するように構成され、前記外側オリフィスが、少なくとも１００ｍ／秒である速度を有するように、前記非中央水素ジェットを形成するように構成されている、付記６に記載の水素注入装置。
（付記９）
前記内側水素注入導管の前記出口が、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する水素ジェットとして前記水素を注入するように構成された単一のオリフィスである、付記１に記載の水素注入装置。
（付記１０）
ガスタービンシステムであって、
加熱ガスをタービンに供給するように構成された燃焼器と、
前記燃焼器に接続された水素注入装置であって、付記１に記載の水素注入装置である、水素注入装置と、を備える、ガスタービンシステム。
（付記１１）
ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法であって、前記方法は、
燃料及び空気の混合物を、前記燃焼室と流体連通している外側導管の出口を介して、前記燃焼室内に出力すること、
少なくとも１つの水素ジェットを、前記燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口を介して、前記燃焼室内に注入すること、を含み、
前記外側導管は、前記外側導管の前記出口が、前記内側水素注入導管の前記出口の外周にあるように位置決めされている、方法。
（付記１２）
前記少なくとも１つの水素ジェットが、前記内側水素注入導管の前記出口の下流にあり、かつ、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記燃焼室内の前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る、前記燃焼室内の位置の上流にある、前記燃焼室内の二次伴流領域内に注入される、付記１１に記載の方法。
（付記１３）
前記外側導管の前記出口から空気及び燃料の前記混合物を出力する前に、空気及び燃料の前記混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成することを含み、
前記二次伴流領域が、前記混合物の前記燃料が前記燃焼室内で燃焼している間、前記内側水素注入導管の前記出口と、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口を横切る、前記燃焼室内の前記位置と、の間にある、付記１２に記載の方法。
（付記１４）
前記内側水素注入導管の前記出口が、単一のオリフィスであり、前記内側水素注入導管が、前記単一のオリフィスの上流に少なくとも１つのキャビティを有する、付記１１に記載の方法。
（付記１５）
前記少なくとも１つのキャビティが、深さ、キャビティ長、及び前記内側水素注入導管の前記出口からの、前記キャビティの下流端の距離である、キャビティ後縁距離を有し、
前記キャビティ深さが、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの半径以上であり、また、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの直径以下であり、
前記キャビティ長が、前記長さの前記深さに対する比が１～４となるような値であり、
前記キャビティ後縁距離が、前記キャビティ後縁距離の前記直径に対する比が５以下となるような値である、付記１４に記載の方法。
（付記１６）
前記少なくとも１つの水素ジェットが、少なくとも１つの中央水素ジェットであり、前記内側水素注入導管の前記出口が、前記燃焼室内に水素を注入するために、前記少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するための少なくとも１つの中央オリフィスと、前記燃焼室内に水素を注入するために、複数の非中央水素ジェットを形成するための複数の外側オリフィスと、を有するノズルを含み、前記方法がまた、
前記ノズルの前記外側オリフィスを介して、前記非中央水素ジェットを前記燃焼室内に注入することも含む、付記１１に記載の方法。
（付記１７）
前記外側オリフィスが、前記非中央水素ジェットの各々が、前記少なくとも１つの中央水素ジェットの流れ方向に対してある角度で流れる流れ方向に出力され、前記角度が０°を超え、かつ９０°未満であるか、又は１５°を超え、かつ６０°未満であるように構成されている、付記１６に記載の方法。
（付記１８）
前記少なくとも１つの中央水素ジェットが、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有し、前記非中央水素ジェットの各々が、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する、付記１６に記載の方法。
（付記１９）
前記少なくとも１つの水素ジェットが、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する、付記１１に記載の方法。
（付記２０）
前記燃焼器のバーナが前記外側導管を含み、前記内側水素注入導管の前記出口を介して、前記少なくとも１つの水素ジェットを前記燃焼室内に注入することが、前記燃焼器の当量比が次式と等しくなるように、水素の燃料流量に対する比が提供されるように、前記ガスタービンの動作を制御するために実行され、
式中、
ｍ，Ｈ２，ｃｅｎｔｒａｌ，ｍａｘは、最大許容中央水素注入質量流量であり、
ｍ，Ｆｕｅｌは、前記バーナ用の前記燃料の燃料流量であり、
ｍ，ｒｅｃｉｒｃは、前記バーナの第１の伴流領域における、質量流量再循環率であり、
ｍ，ｔｏｔａｌは、バーナ総流量であり、
Φは、前記外側導管の前記出口を通して注入された前記空気及び前記燃料のみに占める当量比である、付記１１に記載の方法。
（付記２１）
前記燃焼器のバーナが前記外側導管を含み、前記内側水素注入導管の前記出口を介して、前記少なくとも１つの水素ジェットを前記燃焼室内に注入することが、前記ガスタービンの前記燃焼器の動作が次式により制約されるように、前記ガスタービンの動作を制御するために実行され、
式中、
ｍＨ２，ｔｏｔａｌは、水素総注入流量であり、
βｐｒｉｍは、前記燃料の空気燃料モル化学量論係数であり、
βＨ２は、水素の空気燃料モル化学量論係数であり、
Ｍａｉｒは、空気の分子量であり、
ＭＨ２は、水素の分子量であり、
Ｍｐｒｉｍは、前記燃料の分子量であり、
ＰＦＲ０は、水素注入前の燃料対空気質量流量比であり、
ＰＦＲ１は、水素注入中の燃料対空気質量流量比である、付記１１に記載の方法。
（付記２２）
前記外側導管の前記出口から空気及び燃料の前記混合物を出力する前に、空気及び燃料の前記混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成することと、
前記燃焼室内の前記旋回流を、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記燃焼室内の前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る位置に移すことと、を含み、
前記少なくとも１つの水素ジェットが、前記内側水素注入導管の前記出口の下流にあり、かつ、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る、前記燃焼室内の前記位置の上流にある、前記燃焼室内の二次伴流領域内に注入され、
前記二次伴流領域が、前記内側水素注入導管の前記出口と、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の前記放出領域を横切る、前記燃焼室内の前記位置と、の間にあり、前記二次伴流領域が、前記燃料が前記燃焼室内で燃焼するときに、空気及び燃料の前記混合物の前記旋回流によって生成された第１の伴流領域内の少なくとも１つの第１の伴流と相互作用する、少なくとも１つの第２の伴流を有する、付記１１に記載の方法。
（付記２３）
前記少なくとも１つの第１の伴流における燃料の燃焼からの活性ガスが、前記少なくとも１つの第２の伴流で、熱及び活性化学種を伝達する、付記２２に記載の方法。

Claims (12)

1. ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法であって、前記方法は、
   燃料及び空気の混合物を、前記燃焼室と流体連通している外側導管の出口を介して、前記燃焼室内に出力すること、
   少なくとも１つの水素ジェットを、前記燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口を介して、前記燃焼室内に注入すること、を含み、
   前記外側導管は、前記外側導管の前記出口が、前記内側水素注入導管の前記出口の外周にあるように位置決めされていて、
   前記燃焼器のバーナが前記外側導管を含み、前記内側水素注入導管の前記出口を介して、前記少なくとも１つの水素ジェットを前記燃焼室内に注入することが、前記燃焼器の当量比が次式と等しくなるように、水素の燃料流量に対する比が提供されるように、前記ガスタービンの動作を制御するために実行され、
   式中、
   ｍ，Ｈ２，ｃｅｎｔｒａｌ，ｍａｘは、最大許容中央水素注入質量流量（質量／時間）であり、
   ｍ，Ｆｕｅｌは、前記バーナ用の前記燃料の燃料流量（質量／時間）であり、
   ｍ，ｒｅｃｉｒｃは、前記バーナの第１の伴流領域における、再循環ガス流量（質量／時間）であり、
   ｍ，ｔｏｔａｌは、バーナ総流量（質量／時間）であり、
   Φは、前記外側導管の前記出口を通して注入された前記空気及び前記燃料のみに占める当量比（無次元）である、方法。
2. ガスタービンシステムの燃焼器の燃焼室内に水素を注入する方法であって、前記方法は、
   燃料及び空気の混合物を、前記燃焼室と流体連通している外側導管の出口を介して、前記燃焼室内に出力すること、
   少なくとも１つの水素ジェットを、前記燃焼室と流体連通している内側水素注入導管の出口を介して、前記燃焼室内に注入すること、を含み、
   前記外側導管は、前記外側導管の前記出口が、前記内側水素注入導管の前記出口の外周にあるように位置決めされていて、
   前記燃焼器のバーナが前記外側導管を含み、前記内側水素注入導管の前記出口を介して、前記少なくとも１つの水素ジェットを前記燃焼室内に注入することが、前記ガスタービンの前記燃焼器の動作が次式により制約されるように、前記ガスタービンの動作を制御するために実行され、
   式中、
   ｍＨ２，ｔｏｔａｌは、水素総注入流量（質量／時間）であり、
   βｐｒｉｍは、前記燃料の空気燃料モル化学量論係数（無次元）であり、
   βＨ２は、水素の空気燃料モル化学量論係数（無次元）であり、
   ｍ，ａｉｒは、一定の値である前記燃焼室内に注入される空気の質量流量（質量／時間）であり、
   ＭＨ２は、水素の分子量（質量）であり、
   Ｍｐｒｉｍは、前記燃料の分子量（質量）であり、
   ＰＦＲ０は、水素注入前の燃料対空気質量流量比（無次元）であり、
   ＰＦＲ１は、水素注入中の燃料対空気質量流量比（無次元）である、方法。
3. 前記少なくとも１つの水素ジェットが、
   前記内側水素注入導管の前記出口の下流にあり、
   かつ、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記燃焼室内の前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る位置である、前記燃焼室内の位置の上流にある、
   前記燃焼室内の二次伴流領域内に注入される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記外側導管の前記出口から空気及び燃料の前記混合物を出力する前に、空気及び燃料の前記混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成することを含み、
   前記二次伴流領域が、前記混合物の前記燃料が前記燃焼室内で燃焼している間、前記内側水素注入導管の前記出口と、前記外側導管の前記出口から出力された燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る、前記燃焼室内の前記位置と、の間にある、請求項３に記載の方法。
5. 前記内側水素注入導管の前記出口が、単一のオリフィスであり、前記内側水素注入導管が、前記単一のオリフィスの上流に少なくとも１つのキャビティを有する、請求項１又は２に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのキャビティが、深さ、キャビティ長、及び前記内側水素注入導管の前記出口からの、前記キャビティの下流端の距離である、キャビティ後縁距離を有し、
   前記キャビティ深さが、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの半径以上であり、また、前記内側水素注入導管の前記出口の前記オリフィスの直径以下であり、
   前記キャビティ長が、前記長さの前記深さに対する比が１～４となるような値であり、
   前記キャビティ後縁距離が、前記キャビティ後縁距離の前記直径に対する比が５以下となるような値である、請求項５に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの水素ジェットが、少なくとも１つの中央水素ジェットであり、前記内側水素注入導管の前記出口が、前記燃焼室内に水素を注入するために、前記少なくとも１つの中央水素ジェットを形成するための少なくとも１つの中央オリフィスと、前記燃焼室内に水素を注入するために、複数の非中央水素ジェットを形成するための複数の外側オリフィスと、を有するノズルを含み、前記方法がまた、
   前記ノズルの前記外側オリフィスを介して、前記非中央水素ジェットを前記燃焼室内に注入することも含む、請求項１又は２に記載の方法。
8. 前記外側オリフィスが、前記非中央水素ジェットの各々が、前記少なくとも１つの中央水素ジェットの流れ方向に対してある角度で流れる流れ方向に出力され、前記角度が０°を超え、かつ９０°未満であるか、又は１５°を超え、かつ６０°未満であるように構成されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの中央水素ジェットが、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有し、前記非中央水素ジェットの各々が、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する、請求項７に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの水素ジェットが、少なくとも１００ｍ／秒の速度を有する、請求項１又は２に記載の方法。
11. 前記外側導管の前記出口から空気及び燃料の前記混合物を出力する前に、空気及び燃料の前記混合物用の旋回流を生成するために、少なくとも１つの旋回翼を介して、空気の渦を生成することと、
    前記燃焼室内の前記旋回流を、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記燃焼室内の前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る位置に移すことと、を含み、
    前記少なくとも１つの水素ジェットが、
    前記内側水素注入導管の前記出口の下流にあり、
    かつ、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の放出領域を横切る、前記燃焼室内の前記位置の上流にある、
    前記燃焼室内の二次伴流領域内に注入され、
    前記二次伴流領域が、前記内側水素注入導管の前記出口と、前記旋回流内の燃料及び空気の前記混合物が、前記内側水素注入導管の前記出口の前記放出領域を横切る、前記燃焼室内の前記位置と、の間にあり、前記二次伴流領域が、前記燃料が前記燃焼室内で燃焼するときに、空気及び燃料の前記混合物の前記旋回流によって生成された第１の伴流領域内の少なくとも１つの第１の伴流と相互作用する、少なくとも１つの第２の伴流を有する、請求項１又は２に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの第１の伴流における燃料の燃焼からの活性ガスが、前記少なくとも１つの第２の伴流で、熱及び活性化学種を伝達する、請求項１１に記載の方法。

Images