CN102563699A - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够通过抑制在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上产生变形及开裂而提高尾筒空气流套的可靠性，并且实现了尾筒的冷却性能的提高的燃气轮机燃烧器。该燃气轮机燃烧器具有：喷出燃料和空气的混合气的燃料喷嘴；使燃料和空气的混合气在燃烧室中进行燃烧反应的圆筒状的衬里；成为将在上述衬里内产生的燃烧气体导向涡轮机叶片的流道的尾筒；以及包围上述尾筒的外面的尾筒空气流套，在尾筒空气流套上除了成为上述尾筒空气流套的剖面方向的角部的区域以外的区域上设置多个将空气导入尾筒空气流套内部的空气导入孔。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器，涉及实现了将在燃气轮机燃烧器的燃烧室内产生的燃烧气体导入涡轮机叶片的尾筒的可靠性的提高及冷却特性的提高的燃气轮机燃烧器的结构。
背景技术
构成燃气轮机燃烧器的尾筒是将在燃气轮机燃烧器的燃烧室内由燃料和空气的氧化反应产生的高温高压的燃烧气体导入涡轮机叶片的流道。
该燃气轮机燃烧器的尾筒是燃烧室侧的入口部为圆形的形状，涡轮机叶片侧的出口部为扇形的形状的管道，由于1300℃以上的高温燃烧气体以高速在其内部流动，因此需要实施某种冷却，将构成尾筒的部件的温度下降到容许温度以下。
作为冷却燃气轮机燃烧器的尾筒的方法之一，如日本特开2001-289061号公报所公开的那样，利用覆盖筒体(尾筒空气流套)覆盖燃气轮机燃烧器的尾筒所有的面，使从设在尾筒空气流套上的多个空气孔喷出的空气流与尾筒碰撞，从而冷却尾筒的碰撞喷流冷却(冲击冷却)。
另外，作为冷却燃气轮机燃烧器的尾筒的另外一个方法，如日本特公平7-52014号公报所公开的那样，有利用尾筒空气流套覆盖燃气轮机燃烧器的尾筒，尾筒的下游侧进行冲击冷却，尾筒的上游侧进行利用对流冷却孔的对流冷却，并且使冷却空气流经尾筒空气流套的涡轮机侧端部，从而冷却燃气轮机燃烧器的尾筒端部的方法。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2001-289061号公报
专利文献2：日本特公平7-52014号公报
在上述日本特开2001-289061号公报所公开的燃气轮机燃烧器的尾筒的冷却结构中，在包围尾筒的尾筒空气流套所有的面上设置多个空气孔。另外，在上述日本特公平7-52014号公报所记载的燃气轮机燃烧器的尾筒的冷却结构中，在尾筒空气流套的下游部所有的面上设有多个空气孔。
在此，以下对设有空气孔的尾筒空气流套的一般的制造方法进行说明。尾筒空气流套通过在作为原材料的平板上打孔加工多个空气孔后进行冲压折弯成型来制造。
但是，因为尾筒空气流套出口部剖面是扇形状，因此尾筒空气流套出口部的角部折弯为90°以上。因此，在冲压折弯加工时，存在设在尾筒空气流套角部上的空气孔被拉伸而变形之类的问题。并且，在空气孔的变形量大的场合，也有在空气孔的周围产生开裂的可能性。
另外，在燃气轮机运转时，由于尾筒空气流套的外侧比内侧的空气压力大，因此由于该内外压力差，力从外侧向内侧作用在压缩尾筒空气流套的方向。此时，应力尤其集中在尾筒空气流套的角部。因此，若在尾筒空气流套角部设置空气孔，则该尾筒空气流套角部的周围的部件强度下降，由于运转时的应力，存在尾筒空气流套主体变形的可能性。
另外，尾筒利用从尾筒空气流套的空气孔喷射的空气进行碰撞喷流冷却(冲击冷却)，但在尾筒空气流套角部具有空气孔的场合，从角部的空气孔向尾筒喷出的冷却空气沿尾筒角部流向两肋。该空气流被称为横流，导致减弱从与角部邻接的空气孔喷射的喷流与尾筒碰撞的效果，导致冲击冷却性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供燃气轮机燃烧器，它实现了抑制在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上产生变形及开裂的情况而提高尾筒空气流套的可靠性，并且提高了尾筒的冷却特性。
本发明的燃气轮机燃烧器具有：喷出燃料和空气的混合气的燃料喷嘴；使燃料和空气的混合气在燃烧室中进行燃烧反应的圆筒状的衬里；成为将在上述衬里内产生的燃烧气体导向涡轮机叶片的流道的尾筒；以及包围上述尾筒的外面的尾筒空气流套；该燃气轮机燃烧器的特征在于，在尾筒空气流套上除了成为上述尾筒空气流套的剖面方向的角部的区域以外的区域上设置多个将空气导入尾筒空气流套内部的空气导入孔。
另外，本发明的燃气轮机燃烧器具有：喷出燃料和空气的混合气的燃料喷嘴；使燃料和空气的混合气在燃烧室中进行燃烧反应的圆筒状的衬里；成为将在上述衬里内产生的燃烧气体导向涡轮机叶片的流道的尾筒；以及包围上述尾筒的外面的尾筒空气流套；该燃气轮机燃烧器的特征在于，在成为上述尾筒空气流套的剖面方向的角部的区域上设置多个第一空气导入孔，在尾筒空气流套的除了成为该尾筒空气流套的上述角部的区域以外的区域上设置多个第二空气导入孔，使设在尾筒空气流套剖面的角部的区域上的上述第一空气导入孔的直径形成得比设在尾筒空气流套的除了成为上述角部的区域以外的区域上的上述第二空气导入孔的直径小。
本发明的效果是，根据本发明，能够提供实现了抑制在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上产生变形及开裂的情况而提高尾筒空气流套的可靠性，并且实现了尾筒的冷却特性的提高的燃气轮机燃烧器。
附图说明
图1是表示应用了本发明的燃气轮机燃烧器的燃气轮机的结构的概略图。
图2是表示作为本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒的结构的局部剖视图。
图3是图2所示的第一实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒的A-A方向剖视图。
图4是表示图2所示的本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套单品的部分图。
图5是表示压力从外侧作用在空心的长方体形状的物体上时的变形的概要的模式图。
图6是表示压力从外侧作用在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上时的变形的概要的模式图。
图7表示作为本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套的形状，是规定了尾筒空气流套外面部的曲率的尾筒空气流套的模式图。
图8表示作为本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套的形状，是规定了尾筒空气流套的横宽尺寸的尾筒空气流套的模式图。
图9表示燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套的局部剖视图，是表示在角部设置空气孔的场合的尾筒外面的空气流的模式图。
图10表示作为本发明的第一实施例及第二实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套的局部剖视图，是表示未在角部设置空气孔的场合的尾筒外面的空气流的模式图。
图11是表示作为本发明的第二实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒的结构的局部剖视图。
图12是图11所示的第二实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒的B-B方向剖视图。
图13是表示图11所示的第二实施例的燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套单品的部分图。
图中：
1-燃气轮机燃烧器，10-尾筒空气流套，11、12-尾筒空气流套角部，13-尾筒空气流套外表面线，20-空气导入孔，21-小径空气导入孔，30-尾筒，40-衬里，50-衬里空气流套，60-燃料喷嘴，70-燃烧室，80-高温燃烧气体流，110-空气压缩机，120-高压空气，130-扩散器，140-轮机室，150-壳体，160-涡轮机，170-发电机，180-燃料系统，L1～L5，X1～X3，W：尾筒空气流套的区域，R1～R3：尾筒空气流套的曲率半径。
具体实施方式
以下根据图对作为本发明的实施例的燃气轮机燃烧器进行说明。
实施例1
使用图1至图4对作为本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器进行说明。
图1是表示应用了作为本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器1的燃气轮机装置的结构的概略图。如图1所示，由空气压缩机110压缩并导入的高压空气120经由扩散器130导入轮机室140中，从设于构成燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10上的空气导入孔20流入尾筒30和尾筒空气流套10之间的间隙。
流入尾筒30和尾筒空气流套10之间的高压空气120在流经衬里40和配置在衬里外周的同心圆上的衬里空气流套50之间的间隙后使气流反转，与从燃料喷嘴60喷射的燃料混合并向燃烧室70喷出，在形成于衬里40的内部的上述燃烧室70内燃烧而形成火焰，并成为高温高压的燃烧气体80。
在燃气轮机燃烧器1的燃烧室70内产生的燃烧气体80在尾筒30内流下，并导入涡轮机160。在燃气轮机装置中，通过利用涡轮机160将高温高压的燃烧气体80绝热膨胀时产生的功转换为轴旋转力，从与涡轮机160连接的发电机170得到输出功率。
空气压缩机110和发电机170利用一根轴与涡轮机160连接。但是，也可以做成空气压缩机110、涡轮机160及发电机170由两根轴以上的轴连接的结构。另外，一般在火力发电厂等广泛使用的燃气轮机装置采用多个燃气轮机燃烧器1相对于涡轮机旋转轴呈放射状地排列的结构。
使用图2至图4更详细地对作为本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器1进行说明。
图2至图4所示的本实施例的燃气轮机燃烧器1的结构包括：在内侧形成燃气轮机燃烧器1的燃烧室70的圆筒状的衬里40；在该衬里40的外周侧与该衬里配置在同心圆上的圆筒状的衬里空气流套50；设置在衬里40的下游侧的尾筒30；在与尾筒30之间设置规定的流道间隙地覆盖该尾筒30的尾筒空气流套10；以及设在尾筒空气流套10上的多个空气孔20。
从空气压缩机110排出的空气从设在尾筒空气流套10上的空气孔20导入，通过其喷流与尾筒30碰撞，对暴露于在燃气轮机燃烧器1的燃烧室70内产生的高温的燃烧气体80中的尾筒30的下游部进行冲击冷却。冲击冷却了尾筒30的下游部的空气通过在其后以高速流经尾筒30的周围而对尾筒30的主体部进行对流冷却。
本实施例的燃气轮机燃烧器1的结构的特征在于，如图2至图4所示，设在尾筒空气流套10上的空气孔20设在尾筒空气流套10的除了尾筒空气流套10的角部11、12之外的整个区域上。
图4表示作为本实施例的燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10的单品状态的出口部外观图，表示上述空气孔20在尾筒空气流套10的除了尾筒空气流套10的角部11、12之外的整个区域上设置多个的状态。
然而，在制造燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10的场合，一般地，尾筒空气流套10通过对原材料的平板进行冲压加工而成型来制造，但是，优选在尾筒空气流套10上设置空气孔20时，在原材料平板阶段进行冲孔加工的方式。
作为方法而言，也有在冲压成型了尾筒空气流套10后，进行空气孔20的冲孔加工的方法，但为此需要进行三维动作的冲孔加工机械，由于在用于冲孔加工的位置及角度设定的安排上需要时间，因此不仅加工时间变长，加工成本也增高。另外，在空气孔20的冲孔加工时，也考虑在尾筒空气流套10上设置加固部件等的必要性，以免立体形状的尾筒空气流套10变形。
根据以上理由，为了实现低成本且加工时间的短期化，优选通过在尾筒空气流套10的原材料平板阶段实施空气孔20的冲孔加工后进行冲压成型的方法。
但是，尾筒30及尾筒空气流套10的入口部是圆形状，出口部是扇形状，在出口部的四个角部以接近90度的角度进行折弯加工。在利用冲压使板成型时，由于力在折弯加工部向拉伸原材料板的方向作用，因此在对进行了冲孔加工的平板进行冲压时，存在设在尾筒空气流套10的角部的空气孔20被拉伸而变形的问题。此时，在变形量大的场合，也有在空气孔周围产生开裂的可能性。
另外，在使燃气轮机装置运转时，由于尾筒空气流套10的外侧比内侧的空气压力大，因此由于该内外压力差，力从外侧向内侧作用于压缩尾筒空气流套10的方向上。此时，应力尤其集中在尾筒空气流套10的角部11、12上。
使用图5及图6的模式图对应力集中在尾筒空气流套10的角部11、12上的理由进行说明。如图5所示，一般地，若压力15从周围进行作用，则长方体形状的物体16如线17所示那样变形。此时，因为四个顶点部(角部)的变形量大，因此大的应力施加在角部上。
燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10也相同，如图6所示，若压力15从尾筒空气流套10的外侧施加，则尾筒空气流套10的实线所示的外表面线13如虚线所示的外表面线14那样变形，折弯方向的大的应力施加在尾筒空气流套10的角部11、12上。
因此，在尾筒空气流套10的角部11、12上设置空气孔的场合，角部11、12的周围的部件强度下降，由于以燃气轮机装置运转时的内外压力差为起因的应力，存在尾筒空气流套10主体产生较大地塑性变形的可能性。
因此，在本实施例的燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10中，通过在尾筒空气流套10的除了尾筒空气流套10的角部11、12的区域以外的整个区域配置多个设在尾筒空气流套10上的空气孔20，能够在尾筒空气流套10的制造时避免空气孔20的变形及开裂的产生，另外可防止燃气轮机装置运转时的尾筒空气流套10的变形。
使用图7及图8对设在本实施例的燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10上的空气孔20的设置区域进行说明。图7及图8表示尾筒空气流套10的出口部剖面的外表面线13。
如图7所示，尾筒空气流套10由规定尾筒空气流套10的外形形状的各个曲率半径不同的多个曲率半径的区域形成。在图7所示的尾筒空气流套10中，各曲率半径分别形成为，在成为尾筒空气流套10的上侧的背侧(以下表述为背侧)L1的范围内曲率半径为R1，在成为尾筒空气流套10的下侧的腹侧(以下表述为腹侧)L5的范围内曲率半径为R3，在成为尾筒空气流套10的背侧和侧面之间的背侧角部L2的范围内曲率半径为R2，在成为尾筒空气流套10的腹侧和侧面之间的腹侧角部L4的范围内曲率半径为R2。
作为在本实施例的燃气轮机燃烧器1所示的尾筒空气流套10上设置空气孔20的范围，在由不同值的曲率半径规定尾筒空气流套10的外面部的形状的多个区域中，期望设在成为除了曲率半径的值比其他区域的曲率半径小的值的区域的区域。
使用图7对规定尾筒空气流套10的外面部的形状的不同值的曲率半径进行说明，若比较曲率半径R1、R2、R3，由于R2比R1、R3小，因此在尾筒空气流套10的除了作为R2的区域的L2、L4以外的L1、L3、L5的区域上设置多个空气孔20。
除了利用上述的曲率半径不同的方法以外，如图8所示，也能以尾筒空气流套10的最大横宽W为基准规定空气孔20的设置区域。例如，可以分别在下述区域设置多个空气孔20：在尾筒空气流套10的背侧相对于尾筒空气流套10的最大横宽W为80％以上的区域X1，在尾筒空气流套10的腹侧相对于最大横宽W为60％以上的区域X3，在尾筒空气流套10的两侧的侧面作为直线部的区域X2。
另外，在本实施例的燃气轮机燃烧器1中，不仅可抑制尾筒空气流套10的变形及开裂，也可实现尾筒30的冷却性能的提高。
图9及图10表示本实施例的燃气轮机燃烧器1的尾筒30的外面的空气流的模式图。图9及图10是放大图3所示的尾筒空气流套10的角部11附近的图。
图9是在燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10的角部设置空气孔22的结构。在该结构中，在从设在角部上的空气孔22喷出的空气5与直角形状的尾筒30碰撞后，成为沿尾筒30的表面朝向邻接的喷流2方向的气流，喷流2阻碍与尾筒30的表面碰撞的气流。
在此，由于尾筒30由来自设置多个的空气孔20的空气喷流3进行冲击冷却，因此在空气喷流不与尾筒30的外表面碰撞的场合，冲击冷却性能则恶化。一般将阻碍这种喷流的流动的气流称为横流，成为冲击冷却的性能恶化的一个原因。
因此，在图9所示的尾筒空气流套10的结构中，由于喷流2难以在尾筒30的角部周围与尾筒30的表面碰撞，因此有冲击冷却性能恶化的危险。
因此，在本实施例的燃气轮机燃烧器1的尾筒空气流套10中，如图10所示，由于构成为在尾筒空气流套10的角部不设置空气孔，而在尾筒空气流套10的除了该尾筒空气流套10的角部的区域设置多个空气孔20的结构，因此可避免在尾筒空气流套10的角部周围产生横流，因此，能够抑制尾筒30角部周围的冷却性能的恶化。
另外，在尾筒30的角部，由于利用从设在角部两肋的空气孔20流入的大量的高速空气进行对流冷却，因此尾筒30部件不会变成高温。
另外，通过在尾筒空气流套10的角部不设置空气孔，而在尾筒空气流套10的角部以外的整个区域设置多个空气孔20，由于能在尾筒空气流套10的角部以外分配多股冷却空气，因此提高了尾筒30整体的冷却性能。
根据本实施例，能够实现抑制在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上产生变形及开裂而提高尾筒空气流套的可靠性，并且实现了尾筒的冷却特性提高的燃气轮机燃烧器。
实施例2
接着，使用图11至图13对作为本发明的第二实施例的燃气轮机燃烧器1进行说明。作为本发明的第二实施例的燃气轮机燃烧器1与图1至图4所示的第一实施例的燃气轮机燃烧器1基本结构相同，因此省略两者共同的结构的说明，对不同的部分进行说明。
如图11至图13所示，在本实施例的燃气轮机燃烧器1中，在尾筒空气流套10的角部11、12上设置直径比该角部11、12以外的其他区域的空气孔20小的空气孔21。
图13表示在尾筒空气流套10的角部11设置直径比该角部11以外的其他区域的空气孔20小的空气孔21的尾筒空气流套10的单品状态的出口部外观图。
图11至图13所示的本实施例的燃气轮机燃烧器1是应用于由于燃烧气体温度的上升等而需要进一步提高尾筒30的角部的冷却性能的场合的方法。
若在尾筒空气流套10的角部11、12上设置空气孔，则有空气孔在冲压折弯加工时的变形、及由燃气轮机运转时的部件强度下降导致尾筒空气流套10变形的可能性，但通过使空气孔21的直径比其他空气孔20小，则尽可能减少上述变形。
根据本实施例，能够实现抑制在燃气轮机燃烧器的尾筒空气流套上产生变形及开裂而提高尾筒空气流套的可靠性，并且实现了尾筒的冷却特性的提高的燃气轮机燃烧器。
本发明可应用于在燃烧器的尾筒上具备尾筒空气流套的燃气轮机燃烧器。

Claims (4)

1.一种燃气轮机燃烧器，具有：喷出燃料和空气的混合气的燃料喷嘴；使燃料和空气的混合气在燃烧室中进行燃烧反应的圆筒状的衬里；成为将在上述衬里内产生的燃烧气体导向涡轮机叶片的流道的尾筒；以及包围上述尾筒的外面的尾筒空气流套，该燃气轮机燃烧器的特征在于，
在尾筒空气流套上除了成为上述尾筒空气流套的剖面方向的角部的区域以外的区域上设置多个将空气导入尾筒空气流套内部的空气导入孔。
2.一种燃气轮机燃烧器，具有：喷出燃料和空气的混合气的燃料喷嘴；使燃料和空气的混合气在燃烧室中进行燃烧反应的圆筒状的衬里；成为将在上述衬里内产生的燃烧气体导向涡轮机叶片的流道的尾筒；以及包围上述尾筒的外面的尾筒空气流套，该燃气轮机燃烧器的特征在于，
在成为上述尾筒空气流套的剖面方向的角部的区域上设置多个第一空气导入孔，在尾筒空气流套的除了成为该尾筒空气流套的上述角部的区域以外的区域上设置多个第二空气导入孔，
使设在尾筒空气流套剖面的角部的区域上的上述第一空气导入孔的直径形成得比设在尾筒空气流套的除了成为上述角部的区域以外的区域上的上述第二空气导入孔的直径小。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所谓尾筒空气流套剖面的角部是指，在利用多个曲率半径的区域对上述尾筒空气流套的外表面部规定该尾筒空气流套的外表面部的形状的曲率半径的区域中，分别规定尾筒空气流套的外表面部的形状的上述各曲率半径的值为比分别规定尾筒空气流套的外表面部的背侧及腹侧的形状的曲率关系的值小的值的曲率半径的区域。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所谓尾筒空气流套的设有上述空气导入孔的、除了成为上述角部的区域以外的区域是指下述各个区域：以尾筒空气流套的最大横宽(W)为基准，在上述尾筒空气流套的背侧相对于尾筒空气流套(10)的最大横宽(W)为80％以上的区域(X1)，在尾筒空气流套的腹侧相对于最大横宽(W)为60％以上的区域(X3)，在尾筒空气流套的两侧的侧面的直线部的区域(X2)；在这些区域(X1)、区域(X2)、及区域(X3)中分别设有上述空气导入孔。
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