CN101675227A - 燃气轮机燃烧器的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机燃烧器的冷却结构，追求燃气轮机燃烧器的氮氧化物低量化。燃气轮机燃烧器具有燃烧筒壁面，该燃烧筒壁面在双重壁结构的内部具有冷却空气流动的冷却通路。冷却通路在设于燃烧区域的一侧的主冷却空气供给口上开口。从主冷却空气供给口供给的冷却空气被引导件件向沿着内壁面的方向引导。在壁面的内部的冷却通路中流动的冷却空气在沿着内壁面的薄膜冷却中再利用，所以能够节约冷却空气。因此，能够将从压缩机供给的空气更多作为燃烧用的空气利用，从而能够实现氮氧化物低量化。

Description

燃气轮机燃烧器的冷却结构

本申请主张申请日2007年9月25日、申请号JP2007-247224的日本专利申请的优先权。作为参照，在此引用但不限于该日本专利申请的内容。

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧器的冷却结构。

背景技术

燃气轮机用的燃烧器由于会形成高温，所以要求有效的冷却手段。另外，考虑到对环境的担忧，要求降低氮氧化物的燃烧器。

作为参考技术，在日本专利文献特开2005-315457号公报中公开有燃气轮机燃烧器的冷却机构的一例(特别是参照图3～6)。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够实现氮氧化物低量化的燃气轮机燃烧器。

本发明目的在于提供一种能够有效率地冷却燃气轮机燃烧器的壁面的手段。

本发明一方面的燃气轮机燃烧器具有燃烧筒壁，该燃烧筒壁具有外壁面和面向燃烧区域的内壁面。在内壁面和面之间形成有多个冷却通路。多个冷却通路在内壁面侧分别具有多个主冷却材料供给口。燃气轮机燃烧器还具有将从多个主冷却材料供给口供给的冷却材料在沿着内壁面的方向上引导的引导件。

本发明的一实施例中，引导件将冷却材料向由燃烧筒壁形成的燃烧筒的轴向上的、从设有供给燃料的喷嘴的位置朝向与燃烧筒连接的尾筒的方向即轴向下游侧引导。

本发明的一实施例中，多个主冷却材料供给口朝向燃烧筒的半径方向内侧供给冷却材料。

本发明的一实施例中，多个主冷却材料供给口设置在各个多个冷却通路中的冷却材料的流动的下游端。

本发明的一实施例中的燃气轮机燃烧器还具有将外壁面的外侧的区域的冷却材料供给至形成在内壁面和引导件之间的间隙的多个辅助冷却材料供给口。从多个辅助冷却材料供给口导入的冷却材料被引导件在沿着内壁面的方向上引导。多个主冷却材料供给口和多个辅助冷却材料供给口形成在相对于被引导件引导的冷却材料的流动方向相互错开的位置上。

本发明的一实施例中的燃气轮机燃烧器还具有防止间隙变窄的衬垫。衬垫相对于多个辅助冷却材料供给口，配置在从多个辅助冷却材料供给口供给的所述冷却材料的流动方向的下游侧。多个主冷却材料供给口配置在衬垫的下游侧。

本发明的一实施例中的燃气轮机燃烧器还具有防止间隙变窄的衬垫。衬垫相对于多个主冷却材料供给口，配置在从多个主冷却材料供给口供给的冷却材料的流动方向的下游侧。多个辅助冷却材料供给口配置在衬垫的下游侧。

本发明的一实施例中的燃气轮机燃烧器还具有多个辅助冷却材料供给口开口的内腔。从冷却材料供给口供给的冷却材料经由内腔而供给至间隙。内腔中的冷却材料的流速比间隙中的冷却材料的流速慢。

本发明的一实施例中，燃烧筒壁具有凸起部。凸起部从燃烧区域中的燃料的主流方向观察时，配置在比设定于多个主冷却材料供给口的上游侧的规定位置靠上游侧的位置，且向燃烧区域的相反侧鼓出。在规定位置的附近，在主流方向上引导件基本平坦。内腔形成在由凸起部中的内壁面和引导件夹持的区域。间隙通过由在主流方向上规定位置的下游侧的内壁面和引导件夹持的区域所形成。

根据本发明，提供能够实现氮氧化物低量化的燃气轮机燃烧器。

另外，根据本发明，提供有效率地冷却燃气轮机燃烧器的壁面的手段。

附图说明

图1表示燃气轮机的燃烧器。

图2是燃烧筒的附近从侧面看的剖面图。

图3A是燃烧筒的附近从与中心轴垂直的方向看的剖面图。

图3B是图3A的局部放大图。

图4A和图4B分别是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图和俯视图。

图5A和图5B分别是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图和俯视图。

图6A和图6B分别是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图和俯视图。

图7A和图7B分别是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图和俯视图。

图8A和图8B分别是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图和俯视图。

图9是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图。

图10是表示设置有主喷嘴的附近的壁面的剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图说明用于实施本发明的优选实施方式。

(实施方式1)

图1表示燃气轮机的燃烧器1。燃烧器1设置在由相对于地面固定的车室壁形成的车室4的内部。燃烧器1具有在内部形成燃烧区域的燃烧筒2和与燃烧筒2的下游侧(靠近涡轮侧)连接的尾筒3。

图2表示燃烧器1的燃烧筒2的附近的剖面图。燃烧筒2的内部的空间为燃烧区域8。在燃烧筒2的上游侧连接大致圆筒形的喷嘴保持筒13，在喷嘴保持筒13的中心轴(与在连接燃烧筒2的上游侧和下游侧的方向上延长的中心轴19一致)上设置引航喷嘴12。在距离中心轴19规定的半径上围绕引航喷嘴12而设置多个主喷嘴14。

图3A表示图2以及后述的图4A的B-B剖面。图3B表示燃烧筒2的壁面附近的放大图。

图4A、图4B表示设置有燃烧筒2的主喷嘴14的附近的壁面。图4A为剖面图。在作为面对壁面的燃烧区域8的一侧的内壁面23和作为面对车室的一侧的外壁面20之间设置作为冷却材料作用的空气所流通的多个冷却通路22。即、壁面具有在内部设置有冷却通路22的双重壁结构。图4B是表示从与壁面垂直的方向看的冷却通路22的配置的俯视图。多个冷却通路22配置成在与燃烧器的燃烧废气的主流方向平行的方向、即与中心轴19大致平行的方向上延伸。各个多个冷却通路22在规定位置与向车室4侧开口的冷却材料导入口21连接。各个多个冷却通路22的一端在设于内壁面23的冷却材料供给口24上开口。冷却材料供给口24与后述的辅助冷却材料供给口对比时，也称之为主冷却材料供给口。冷却材料供给口24的位置为冷却材料导入口21的在可燃气体的主流方向的上游侧、靠近主喷嘴14的位置。换个看法，冷却通路22中的冷却材料的流向为从冷却材料导入口21朝向冷却材料供给口24的方向，所以冷却材料供给口24在冷却通路22中的冷却材料的流向的下游端附近向间隙26开口。

冷却材料供给口24的燃烧区域8侧隔着间隙26被引导件25覆盖。引导件25为相对于燃烧筒2的壁面固定的部件。引导件25如图3B所示，以中心轴19为中心配置在沿着外壁面20的内侧的位置(典型地、以中心轴19为中心的圆周上的位置)。由引导件25封闭间隙26的上游侧。间隙26的下游侧开放，在靠近内壁面23的位置与燃烧区域8连通。该引导件25用于将冷却材料向下游侧引导。详细地、引导件25大致从作为旋转对象的燃烧筒2的中心轴向看，向从设有供给燃料的喷嘴的位置朝向尾筒的方向即轴向下游侧引导冷却材料。

引导件25和内壁面23的间隙的高度设为Δ。冷却材料供给口24是直径为d的圆形。从冷却材料供给口24的下游侧的端部到引导件25的下游侧的端部的与中心轴19平行的方向上的长度为D。为了形成良好的薄膜空气，优选满足Δ＜d，D＞d。

燃气轮机的运转中，从压缩机向车室4供给压缩空气。压缩空气的一部分供给用于燃烧区域8中的燃料的燃烧。压缩空气的另一部分通过压力差而从冷却材料导入口21导入冷却通路22。燃烧壁由于与燃烧区域8相接，所以形成高温。空气作为冷却材料在冷却通路22中流通，从而燃烧壁被冷却。在冷却通路22中通过的空气从冷却材料供给口24向间隙26供给。冷却材料供给口24中的空气的流动方向为以中心轴19为中心的圆筒形的以其中心轴作为法线的剖面的半径方向内侧。供给间隙26的空气被引导件25在沿着内壁面23的方向上引导。通过该空气对内壁面23进行薄膜冷却。

通过这样的结构，将用于在冷却通路22中通过而冷却壁面的内部使用的空气回收，也用于薄膜冷却。通过有效率地利用冷却用的空气，能够节约冷却用的空气，相应地将其作为燃烧用的空气利用。通过增加燃烧用的空气，能够抑制氮氧化物的生成。

薄膜空气，为了防止作为燃烧器1的燃料使用燃气(gas)的燃气燃尽时的回火，或者防止作为燃料使用油的油燃尽时的油燃料滞留在壁面上的状况，需要确保规定的流量。薄膜冷却所需的空气比冷却通路22的壁面冷却的必要最小限的冷却空气多的情况下，能够向冷却通路22流入比必要最小限多的冷却空气，能够进一步提高燃烧器的可靠性。这种情况下，燃烧用的空气也不减少。

另外，在壁面冷却中使用的过程中，空气的温度上升，密度减少。因此，与从车室将相同量的空气直接供给薄膜冷却的情况相比，即使薄膜冷却的冷却材料供给口24的面积相同，也能够使薄膜流速快，增大薄膜的动压。当薄膜动压大时，则能够特别防止内壁面23上的油滞留。

图4A、图4B所示的冷却材料导入口21、冷却通路22、冷却材料供给口24以及引导件25的冷却结构无论设置在燃烧筒的哪个壁面上都是有效的。特别是，靠近主喷嘴的区域的壁面为高温，所以若设置在靠近主喷嘴的位置、即靠近燃烧区域8的上游端的位置上是有效的。

(实施方式2)

实施方式2的燃气轮机燃烧器与实施方式1相比，设置有燃烧筒2的主喷嘴14的附近的壁面的结构不同。该结构示于图5A、图5B。图5A为剖面图。本实施方式的冷却结构除了设置有与实施方式1同样的冷却材料导入口21、冷却通路22、冷却材料供给口24以及引导件25，还设置有辅助冷却材料供给口28。辅助冷却材料供给口28将车室4的内部的压缩空气直接供给至由引导件25形成的间隙26。

图5B是表示从与壁面垂直的方向看的冷却通路22的配置的俯视图。辅助冷却材料供给口28在冷却材料供给口24的上游侧向间隙26开口。冷却材料供给口24和辅助冷却材料供给口28在与冷却空气的主流方向、即与中心轴19平行的、从设有主喷嘴14、引航喷嘴12的上游侧朝向连接有尾筒3的下游的方向(或由引导件25引导的冷却材料的流动方向)垂直的方向上配置在错开每半个节距的位置上。图5B的例子中，多个冷却材料供给口24和多个辅助冷却材料供给口28交替配置在燃烧筒的周方向上。

燃气轮机的运转中，车室的压缩空气经由冷却材料导入口21、冷却通路22、冷却材料供给口24而导入燃烧筒2的内部，由引导件25向沿着下游侧的内壁面23的区域供给。由该空气形成的薄膜因冷却通路22的节距而形成斑状的分布。通过辅助冷却材料供给口28对从冷却材料供给口24供给的薄膜空气的密度薄的区域供给辅助薄膜空气，能够使薄膜出口的速度斑纹(速度斑)均匀化。由于能够形成均匀的薄膜，所以能够实现高的薄膜效率，能够防止回火或油滞留。

这样的结构特别适合用于从冷却通路22作为薄膜空气回收的冷却空气的量比作为薄膜空气必要的量少的情况。作为薄膜追加的空气是薄膜中必要的空气，多余量的空气是不必要的。薄膜空气的一部分回收在燃烧器壁的冷却中使用后的空气而再利用，所以能够节约冷却用的空气。因此，能够确保燃烧用的空气，实现氮氧化物低量化。

图6A、图6B表示实施方式2的变形例。在该例中，在冷却材料供给口24a的下游侧设置辅助冷却材料供给口28a的方面与图5A、图5B不同。由这样的结构也能够得到同样的效果。

(实施方式3)

实施方式3的燃气轮机燃烧器与实施方式2相比，不同的是，在燃烧筒2的壁面和引导件25之间设置有衬垫部件。该结构示于图7A、图7B。图7A为剖面图。图7B为俯视图。在引导件25和与引导件25相对的内壁面23之间设置有衬垫29。图7B所示的衬垫29具有在上游侧有头部、下游侧有尾部的泪滴形状的剖面。通过衬垫29能够将引导件25相对于内壁面23保持在规定距离。

冷却材料供给口24配置在衬垫29的下游侧。辅助冷却材料供给口28配置在衬垫29的上游侧。在此，上游、下游均是以沿着从辅助冷却材料供给口28供给的冷却材料的间隙26中的主流方向来定义。衬垫29和冷却材料供给口24在相对于从辅助冷却材料供给口28供给的冷却空气的流动方向垂直的方向上，配置在与辅助冷却材料供给口28错开半节距的位置上。

燃气轮机运转中，由衬垫29确保间隙25的槽高度一定。车室的压缩空气从辅助冷却材料导入口21供给至间隙26。被供给的空气由引导件25在沿着内壁面23的区域引导。由辅助冷却材料导入口21形成的辅助薄膜空气在衬垫29的下游侧流量少。由从冷却材料导入口24供给的、由引导件25改变朝向而形成的薄膜空气相对于衬垫29的下游侧的区域供给。通过这样的结构，即使设置有确保间隙26的槽高度一定的衬垫29的情况下，也能够形成均匀的薄膜空气。

作为本实施方式的变形例，对调配置冷却材料导入口24和辅助冷却材料导入口28的位置，能够得到同样的效果。形成在图6A、图6B的冷却材料导入口24a和辅助冷却材料导入口28a之间配置衬垫29的结构。图8A表示该剖面图，图8B表示该俯视图。这种情况下，衬垫29相对于形成于其上游侧的冷却材料导入口24a，在与从冷却材料导入口24a导入的、由引导件25向下游侧引导的空气的流动方向垂直的方向看，配置在错开半节距的位置上。

衬垫29为了确保间隙26的槽高度一定，衬垫29优选配置在靠近间隙26的下游侧的一端的位置上。因此，优选辅助冷却材料导入口28(实施方式3的情况)或冷却材料导入口24(实施方式3的变形例)中的任一个配置在衬垫29的上游侧。

(实施方式4)

实施方式4的燃气轮机燃烧器与实施方式2相比，不同的是，具有用于降低从车室直接供给的辅助冷却材料的流速的内腔。图9表示该结构的剖面图。燃烧筒2的壁面具有凸起部31。凸起部31从冷却空气或燃料的主流方向上看形成在规定位置的上游侧。在凸起部31上，燃烧筒2向燃烧区域8的相反侧、即车室4侧鼓出。引导件25在其规定位置的附近，相对于规定位置在上游侧和下游侧通过，在主流方向上是大致平坦的。鼓出的区域的内壁面23和引导件25之间的区域形成内腔30。与内腔30的间隙26的流动方向垂直的剖面积比间隙26大。

从冷却材料供给口24供给的空气、从辅助冷却材料供给口28供给的空气，都由车室4和燃烧区域8的压力差供给。从冷却材料供给口24供给的空气由于在冷却通路22中通过，吹出的流速变慢。另一方面，从辅助冷却材料供给口28供给的空气由于直接从车室4供给，所以流速快。结果，作为薄膜供给的空气能够形成速度斑纹。通过设置内腔30，能够使从辅助冷却材料供给口28供给的空气的速度衰减，形成均匀的薄膜。

图10表示实施方式4的变形例。在燃烧筒2的壁面和引导件25之间，设置与实施方式3同样的衬垫29。衬垫29设置在内腔30的下游的、间隙26的宽度变窄的区域中、冷却材料供给口24的上游侧。衬垫29相对于冷却材料供给口24，在与冷却空气的流动垂直的方向上设置在错开半节距的位置。

Claims (9)

1、一种燃气轮机燃烧器，其具有燃烧筒壁，

所述燃烧筒壁具有外壁面和面向燃烧区域的内壁面，

在所述内壁面和外壁面之间形成有多个冷却通路，

所述多个冷却通路在所述内壁面侧分别具有多个主冷却材料供给口，

所述燃气轮机燃烧器还具有引导件，该引导件将从所述多个主冷却材料供给口供给的冷却材料在沿着所述内壁面的方向上引导。

2、如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述引导件将所述冷却材料向由所述燃烧筒壁形成的燃烧筒的轴向上的、从设有供给燃料的喷嘴的位置朝向与所述燃烧筒连接的尾筒的方向即轴向下游侧引导。

3、如权利要求2所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述多个主冷却材料供给口朝向所述燃烧筒的半径方向内侧供给所述冷却材料。

4、如权利要求1～3中任一项所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述多个主冷却材料供给口设置在各个所述多个冷却通路中的所述冷却材料的流动的下游端。

5、如权利要求1～4中任一项所述的燃气轮机燃烧器，其中，

还具有将所述外壁面的外侧的区域的所述冷却材料供给至形成在所述内壁面和所述引导件之间的间隙的多个辅助冷却材料供给口，

从所述多个辅助冷却材料供给口导入的所述冷却材料被所述引导件在沿着所述内壁面的方向上引导，

所述多个主冷却材料供给口和所述多个辅助冷却材料供给口形成在相对于被所述引导件引导的所述冷却材料的流动方向相互错开的位置上。

6、如权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其中，

还具有防止所述间隙变窄的衬垫，

所述衬垫相对于所述多个辅助冷却材料供给口，配置在从所述多个辅助冷却材料供给口供给的所述冷却材料的流动方向的下游侧，

所述多个主冷却材料供给口配置在所述衬垫的所述下游侧。

7、如权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其中，

还具有防止所述间隙变窄的衬垫，

所述衬垫相对于所述多个主冷却材料供给口，配置在从所述多个主冷却材料供给口供给的所述冷却材料的流动方向的下游侧，

所述多个辅助冷却材料供给口配置在所述衬垫的所述下游侧。

8、如权利要求5或6所述的燃气轮机燃烧器，其中，

还具有所述多个辅助冷却材料供给口开口的内腔，

从所述冷却材料供给口供给的所述冷却材料经由所述内腔而供给至所述间隙，

所述内腔中的所述冷却材料的流速比所述间隙中的所述冷却材料的流速慢。

9、如权利要求8所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述燃烧筒壁具有凸起部，

所述凸起部从所述燃烧区域中的燃料的主流方向观察时，配置在比设定于所述多个主冷却材料供给口的上游侧的规定位置靠上游侧的位置，且向所述燃烧区域的相反侧鼓出，

在所述规定位置的附近，在所述主流方向上所述引导件基本平坦，

所述内腔形成在由所述凸起部中的所述内壁面和所述引导件夹持的区域，

所述间隙通过由在所述主流方向上所述规定位置的下游侧的所述内壁面和所述引导件夹持的区域所形成。

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