CN103988023A - 燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃烧器。该燃烧器具备燃烧器外筒、设于燃烧器外筒内部的筒状的燃烧器内筒、在燃烧器外筒与燃烧器内筒之间划分出的压缩空气流路、以及设于燃烧器内筒内部的多个燃料喷嘴，在压缩空气流路中流动的压缩空气在燃烧器内筒的端部处将流动方向大致反转而导入到多个燃料喷嘴，其中，在压缩空气流路中设有由喷射上游侧燃料的上游侧燃料喷射栓与喷射下游侧燃料的下游侧燃料喷射栓构成的燃料喷射栓，以燃烧器内的压力变动为起因的上游侧燃料的浓度变动在燃烧器的燃烧开始位置处降低下游侧燃料的浓度变动的峰值。

Description

燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机等的燃烧器。
本申请基于在2012年1月5日向日本申请的日本特愿2012-000605号而主张优先权，并在此援引其内容。
背景技术
近年来，在火力发电厂等所使用的工业用燃气轮机中，与高输出化/高效率化一并要求实现低NOX(氮氧化物)化。与此相应地，在构成燃气轮机的燃烧器中，采用了下述那样的低NOX型的燃烧器。
例如，在下述专利文献1中，公开有如下的燃烧器，该燃烧器具备：燃烧器内筒，其与涡轮的燃烧废气入口连接，使供给来的燃料燃烧，并将生成的燃烧废气向涡轮供给；导向喷嘴，其配置在该燃烧器内筒的中心，向燃烧器内筒内喷射燃料而形成扩散火焰；多个主预混合喷嘴，其配置在该导向喷嘴的周围，将压缩空气与燃料的预混合气向燃烧器内筒内喷射，利用扩散火焰进行点火而形成预混合火焰。
即，在基于导向喷嘴的扩散燃烧中，由于燃烧中的局部的空燃比相对增高，因而燃烧稳定性良好，但成为高温燃烧而增大NOX生成量。另一方面，在基于主预混合喷嘴的预混合燃烧中，通过实现均匀的空燃比，能够设为低温燃烧而降低NOX生成量。换句话说，在下述专利文献1的燃烧器中，在形成稳定的扩散火焰的同时，利用该扩散火焰而对预混合气进行点火，从而兼具低NOX化与相对较高的燃烧稳定性。
然而，上述的预混合燃烧方式乍一看有利于低NOX化，但容易产生燃烧振动。燃烧振动是因燃烧在燃烧器内产生的压力变动、与因在喷嘴部处产生的燃料浓度的时间变动而产生的发热变动在燃烧位置处进行同步而发生振荡的现象。燃烧振动使燃烧变得不稳定，由此无法使燃烧器稳定地运转，因此需要极力抑制燃烧振动的产生。
作为抑制该燃烧振动的燃烧器，具有专利文献2所述那样的燃烧器。在该燃烧器中，在将喷射预混合气的主预混合喷嘴例如设置多组之外，将上述多组主预混合喷嘴在轴向上交替配置。另一方面，从主预混合喷嘴喷射出的预混合气伴随有发热变动。多组主预混合喷嘴配置为从各个主预混合喷嘴喷射出的燃料的发热变动抵消彼此的发热变动那样的位置关系。由此，抵消发热变动，降低燃烧振动。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-289441号公报
专利文献2：日本特开2009-281720号公报
发明概要
发明要解决的课题
然而，由于将利用主预混合喷嘴来混合的燃料与空气的比率设定得高于可燃极限，因此在上述专利文献2的燃烧器的情况下，产生返火(逆火)的可能性增高。即，在上述专利文献2所述的燃烧器中，当欲以抵消彼此的发热变动的方式配置主预混合喷嘴时，基于压缩空气的流速以及发热变动的周期而计算出的两个主预混合喷嘴彼此的距离为至少100mm以上。如上所述，供主预混合喷嘴设置的内筒内处于可燃性高的状态，因此难以避免返火。另外，由主预混合喷嘴混合的燃料与空气的预混合气保持有较高的流速，根据设为对象的燃烧振动的频率，需要取得相当大的主预混合喷嘴彼此的间隔。
发明内容
本发明是考虑上述情况而完成的，其目的在于提供一种通过抑制燃烧振动的产生而能够扩大燃气轮机的运转限度(能够安全运转范围)的燃烧器。
解决方案
为了实现上述的目的，本发明提供有以下的机构。
根据本发明的第一技术方案，燃烧器具备：燃烧器外筒；筒状的燃烧器内筒，其设于所述燃烧器外筒内部；压缩空气流路，其在所述燃烧器外筒的内周面与所述燃烧器内筒的外周面之间划分出；多个燃料喷嘴，它们设于所述燃烧器内筒内部，与所述燃烧器内筒的中心轴大致平行地延伸，从它们中至少一个燃料喷嘴喷射预混合燃烧用的燃料，在所述压缩空气流路中流动的压缩空气在所述燃烧器内筒的端部处将流动方向大致反转而导入到所述多个燃料喷嘴，在所述压缩空气流路中设有由喷射上游侧燃料的上游侧燃料喷射栓(peg)与喷射下游侧燃料的下游侧燃料喷射栓构成的燃料喷射栓，以燃烧器内的压力变动为起因的上游侧燃料的浓度变动在燃烧器的燃烧开始位置处降低所述下游侧燃料的浓度变动的峰值。
根据上述结构，以下游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置中的发热变动被以上游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置中的发热变动抵消，因此能够抑制燃烧振动的产生。由此，能够扩大具备该燃烧器的燃气轮机的运转限度。
另外，根据本发明的第二技术方案，在本发明的第一技术方案的燃烧器的基础上，优选的是，所述上游侧燃料喷射栓与所述下游侧燃料喷射栓之间的距离设定为，到达所述下游侧燃料喷射栓的位置处的所述上游侧燃料的浓度变动的相位与所述下游侧燃料的浓度变动的相位成为相反相位。
根据上述结构，能够基于浓度变动的相位而决定上游侧燃料喷射栓的位置，因此能够更严密地实施燃烧振动的产生的抑制。
另外，根据本发明的第三技术方案，在本发明的第一技术方案或者第二技术方案的燃烧器的基础上，优选的是，由所述燃料喷射栓混合的燃料与空气的比率设定得比可燃极限低。
根据上述结构，在更可靠地防止返火(逆火)的产生之外，能够抑制燃烧振动。
另外，根据本发明的第四技术方案，在本发明的第一技术方案至第三技术方案中的任一个技术方案的燃烧器的基础上，优选的是，所述多个燃料喷嘴由导向喷嘴和预混合喷嘴构成，所述导向喷嘴设于所述内筒内部的中心轴上，所述预混合喷嘴与所述导向喷嘴大致平行地延伸，且在所述燃烧器内筒内部以中心角度相等的间隔设置。
另外，根据本发明的第五技术方案，在本发明的第一技术方案至第三技术方案中的任一个技术方案的燃烧器的基础上，也可以使所述多个燃料喷嘴中的至少一个燃料喷嘴具备预混合燃烧用的燃料喷射孔与扩散燃烧用的燃料喷射孔这两者。
发明效果
根据上述的燃烧器，以下游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置处的发热变动被以上游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置处的发热变动抵消，因此能够抑制燃烧振动的产生。由此，能够扩大具备该燃烧器的燃气轮机的运转限度。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃气轮机的概要整体结构的图，是燃气轮机的半剖视图。
图2是本发明的实施方式的燃烧器的剖视图。
图3是图2的局部放大图。
图4是表示第一燃料喷射栓以及第二燃料喷射栓的发热变动与燃烧器的压力变动的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机具备：压缩机51，其压缩外部空气而生成压缩空气；多个燃烧器1，它们将来自燃料供给源的燃料与压缩空气混合并使其燃烧，生成燃烧废气；涡轮52，其利用燃烧废气而驱动。
涡轮52具备外壳53、在该外壳53内旋转的涡轮转子54。该涡轮转子54例如与通过该涡轮转子54的旋转来发电的发电机(未图示)连接。多个燃烧器1以涡轮转子54的旋转轴线S为中心、沿周向彼此隔着等间隔地固定于外壳53。
如图2以及图3所示，本实施方式的燃烧器1具有：燃烧器外筒2；设于燃烧器外筒2的内部的筒状的燃烧器内筒3；与燃烧器内筒3连接的燃烧筒4；设置在燃烧器内筒3的中心轴上的导向喷嘴5；以及配置在导向喷嘴5的周围的多个主预混合喷嘴6。本实施方式的燃料喷嘴由导向喷嘴5与主预混合喷嘴6构成。
燃烧器外筒2收容有燃烧器内筒3，使得该燃烧器内筒3与燃烧器外筒2成为同轴，并且在燃烧器外筒2与燃烧器内筒3之间划分出作为压缩空气(燃烧用空气)的流路的压缩空气流路7。即，压缩空气流路7划分于燃烧器外筒2的内周面与燃烧器内筒3的外周面之间。另外，燃烧器内筒3的一端侧固定于支柱9，并且另一端与燃烧筒4连结。
在导向喷嘴5的周围配置有导向旋流叶片10。在导向喷嘴5的前端部形成有用于喷出燃料的燃料喷射孔11。
导向喷嘴5的前端部形成导向扩散火焰，将从主预混合喷嘴6喷出的混合气向燃烧筒4输送，与导向扩散火焰接触而形成主火焰进行燃烧。将燃烧后的燃烧废气导入涡轮。
在燃烧器外筒2设有用于供给由压缩机压缩后的空气的空气吸入部12。压缩空气流路7与空气吸入部12的下游连接。另外，在燃烧器内筒3的连接有燃烧筒4的一侧的相反侧的端部附近设有用于将从压缩空气流路7流入的空气的流动方向大致弯曲180°的气流导入部13，在气流导入部13具备剖面呈半圆状的方向转换构件14。
在主预混合喷嘴6中设有用于供给燃料的主燃料棒16。在主预混合喷嘴6的内部具备预混合旋流叶片17，该预混合旋流叶片17用于产生使主预混合喷嘴6中流动的气流绕主燃料棒16回旋的回旋流。另外，在预混合旋流叶片17的下游侧设有从主燃料棒16向径向外侧延伸的主燃料喷射孔18。
需要说明的是，在主预混合喷嘴6中，也可以代替设于主燃料棒16的主燃料喷射孔18而构成为：在预混合旋流叶片17的内部形成燃料通路，从预混合旋流叶片17的表面喷射燃料。
导向喷嘴5与主预混合喷嘴6的主燃料棒16贯穿燃烧器1的燃烧器外筒2的端部，燃料从燃烧器1的外部供给。
在压缩空气流路7中，具有从燃烧器外筒2朝向径向内侧延伸且以中心角度相等的间隔配置多个(例如16个)的第一燃料喷射栓19、以及在第一燃料喷射栓19的气流流动方向的下游侧从燃烧器外筒2朝向径向内侧延伸且以中心角度变得相等的间隔配置多个(例如16个)的第二燃料喷射栓20。第一燃料喷射栓19以及第二喷射栓20具备用于喷射燃料的多个燃料喷射孔21。
第一燃料喷射栓19与第二燃料喷射栓20也被称作顶帽喷嘴，配置在燃料喷嘴的更靠上游侧的位置。另外，由第一燃料喷射栓19以及第二燃料喷射栓20产生的混合气设定为低于可燃极限浓度(或者点火极限浓度)。可燃极限浓度是指浓度低于该可燃极限浓度时无法燃烧(或者点火)的极限的可燃气体的浓度。
以下，将从第一燃料喷射栓19供给的燃料称为第一燃料F1，将从第二燃料喷射栓20供给的燃料称为第二燃料F2。
从第一燃料喷射栓19以及第二燃料喷射栓20喷射出恒定量的燃料。另一方面，在燃烧器1内将其内部整体保持压力变动，第一燃料F1以及第二燃料F2作为以恒定的周期变动浓度的燃料浓度波而在压缩空气流路7中流动。燃料的浓度变动的频率由压力变动的频率来决定。
如上所述，第一燃料F1以及第二燃料F2的浓度周期性变动，从而在火焰位置P处产生发热变动。
第一燃料喷射栓19与第二燃料喷射栓20之间的距离L通过以下方式来确定。即，距离L设定为，从第一燃料喷射栓19喷射出的第一燃料F1到达第二燃料喷射栓20的位置处的第一燃料F1的燃料浓度波的相位与第二燃料F2的燃料浓度波的相位成为相反相位、即偏移180°相位。以下，将该相位的偏移、即从喷嘴喷射出的燃料在时间上输送而到达的情况下的相位的滞后称为相位滞后。
以下，说明距离L的计算方法。
若将浓度变动(燃料浓度波)的频率设为f(角频率ω)、将从第一燃料喷射栓19喷射出的第一燃料F1到达至第二燃料喷射栓20的时间设为Δτ，则相位滞后d能够通过以下的数式(1)来计算。
d＝ωΔτ…(1)
由于角频率ω＝2πf，因此，若将压缩空气的速度设为v，则能够将上述数式(1)像以下的数式(2)那样变形。
d＝ωΔτ＝2πf×L/v…(2)
即，距离L能够通过以下的数式(3)来计算。
L＝d×v/2πf…(3)
在此，例如，若设为压缩空气的速度v＝50(m/s)、频率f＝100Hz，则相位滞后为180°的距离L能够计算为250mm。该距离L短于压缩空气流路7的长度、即作为能够设置的情况能够采用该距离L。
需要说明的是，在第一燃料喷射栓19以及第二燃料喷射栓20中能够形成多个燃料喷射孔21(例如为6处)。
接下来，对如此构成的本实施方式的燃烧器1的作用进行说明。
由压缩机51压缩的高温高压的压缩空气的空气流向燃烧器1的空气吸入部12供给。接下来，该压缩空气向压缩空气流路7导入。通过从第一燃料喷射栓19向流入到压缩空气流路7的压缩空气喷射第一燃料F1，从而形成非常稀薄的压缩空气与燃料的第一混合气。之后，第一混合气流入压缩空气流路7的更靠下游侧的位置，并且在第二燃料喷射栓20处进一步喷射燃料而成为第二混合气。
第二混合气沿着气流导入部13所具备的方向转换构件14而弯曲流动方向，并流入到燃烧器内筒3。向燃烧器内筒3流入的第二混合气大多流入主预混合喷嘴6，剩余的第二混合气的一部分流入导向喷嘴5的周围。
流入导向喷嘴5的周围的第二混合气通过导向旋流叶片10。第二混合气之后与从燃料喷射孔11喷射出的燃料一并在燃烧筒4内燃烧，并形成导向火焰。
第二混合气沿着主燃料棒16流动，并且在主预混合喷嘴6处与主燃料混合，形成第三混合气(预混合气)。预混合气通过预混合旋流叶片17而成为螺旋状的气流，以使燃料与空气变得均匀的方式进行搅拌。从主预混合喷嘴6向燃烧筒4流入的预混合气与导向扩散火焰接触，从而形成主火焰。
在此，对火焰位置P中的燃烧器1的压力变动与第一燃料F1以及第二燃料F2的发热变动进行说明。
如图4所示，火焰位置P中的第一燃料F1的发热变动与第二燃料F2的发热变动皆通过以压力变动为起因的恒定的周期进行振动。在此，例如第一燃料F1的振动与压力变动重合。
另一方面，利用第一燃料喷射栓19与第二燃料喷射栓20的距离L，将第二燃料F2与第一燃料F1设为相反相位，从而火焰位置P中的各个发热振动成为相反相位、即偏移大约180°相位。
根据上述实施方式，通过在燃烧器外筒2与燃烧器内筒3之间划分出的压缩空气流路7上设置的第一燃料喷射栓19与第二燃料喷射栓20来喷射燃料而生成有第二混合气之后，利用主预混合喷嘴6进行燃料混合而生成预混合气。由此，抑制来自导向喷嘴5的导向燃料的喷射量，能够避免扩散火焰的局部高温火焰，并且维持火焰稳定性。
另外，在火焰位置P处，通过将第二燃料F2与第一燃料F1设为相反相位，基于第一燃料F1的发热振动与基于第二燃料F2的发热振动相抵消，因此能够抑制燃烧振动。
另外，在压缩空气流路7中，由各燃料喷射栓19、20混合的燃料与空气的比率设定得比可燃极限低，因此在更可靠地防止返火(逆火)的产生之外，能够抑制燃烧振动。
需要说明的是，在导向喷嘴5中，也可以成为设置预混合燃烧用的燃料系统、利用预混合燃烧来形成导向火焰的结构。在这种情况下，根据燃气轮机的输出，能够实现仅通过扩散燃烧而形成导向火焰的运转、仅通过预混合燃烧而形成导向火焰的运转以及同时采用扩散燃烧与预混合燃烧的运转。因此，在燃气轮机的高负载区域中，降低导向火焰中的扩散燃烧的比例并增加导向火焰中的预混合燃烧的比例，从而能够进一步降低NOX。另外，若导向火焰仅由预混合燃烧来形成，则尤其能够降低NOX。
另外，在本实施方式中，对如下结构进行了说明：在燃烧器内筒3的中心轴上具备导向喷嘴5，且具备与导向喷嘴5大致平行地延伸、在燃烧器内筒3的内部以中心角度相等的间隔设置的主预混合喷嘴6，但也能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行变更。例如，只要是在燃烧器内筒的内部具备喷射预混合燃料的燃料喷嘴的燃烧器，便能够适用本发明。例如，也可以构成为，燃烧器具备多个燃料棒，各个燃料棒具备能够同时采用预混合燃烧与扩散燃烧的燃料喷射孔这两者，能够切换预混合燃烧与扩散燃烧。或者，也可以构成为，将预混合燃烧用的燃料棒与扩散燃烧用的燃料棒独立设置，形成由多个喷嘴棒构成的喷嘴组。
工业实用性
根据上述的燃烧器，以下游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置处的发热变动被以上游侧燃料的浓度变动为起因的火焰位置处的发热变动抵消，因此能够抑制燃烧振动的产生。由此，能够扩大具备该燃烧器的燃气轮机的运转限度。
附图标记说明如下：
1…燃烧器
2…燃烧器外筒
3…燃烧器内筒
5…导向喷嘴
6…主预混合喷嘴
7…压缩空气流路
19…第一燃料喷射栓(上游侧燃料喷射栓)
20…第二燃料喷射栓(下游侧燃料喷射栓)
F1…第一燃料(上游侧燃料)
F2…第二燃料(下游侧燃料)
P…火焰位置(燃烧开始位置)
L…距离

Claims (5)

1.一种燃烧器，其中，
所述燃烧器具备：
燃烧器外筒；
筒状的燃烧器内筒，其设于所述燃烧器外筒内部；
压缩空气流路，其在所述燃烧器外筒的内周面与所述燃烧器内筒的外周面之间划分出；
多个燃料喷嘴，它们设于所述燃烧器内筒内部，与所述燃烧器内筒的中心轴大致平行地延伸，从它们中的至少一个燃料喷嘴喷射预混合燃烧用的燃料，
在所述压缩空气流路中流动的压缩空气在所述燃烧器内筒的端部处将流动方向大致反转而导入到所述多个燃料喷嘴，
在所述压缩空气流路中设有由喷射上游侧燃料的上游侧燃料喷射栓与喷射下游侧燃料的下游侧燃料喷射栓构成的燃料喷射栓，
以燃烧器内的压力变动为起因的上游侧燃料的浓度变动在燃烧器的燃烧开始位置处降低所述下游侧燃料的浓度变动的峰值。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，
所述上游侧燃料喷射栓与所述下游侧燃料喷射栓之间的距离设定为，
到达所述下游侧燃料喷射栓的位置处的所述上游侧燃料的浓度变动的相位与所述下游侧燃料的浓度变动的相位成为相反相位。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其中，
由所述燃料喷射栓混合的可燃气体的浓度设定得比可燃极限浓度低。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其中，
所述多个燃料喷嘴由导向喷嘴和预混合喷嘴构成，所述导向喷嘴设于所述内筒内部的中心轴上，所述预混合喷嘴与所述导向喷嘴大致平行地延伸，且在所述燃烧器内筒内部以中心角度相等的间隔设置。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其中，
所述多个燃料喷嘴中的至少一个燃料喷嘴具备预混合燃烧用的燃料喷射孔与扩散燃烧用的燃料喷射孔这两者。
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