CN104180395A - 再生式燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种再生式燃气轮机燃烧器，其能够减少预热前的压缩空气相对于预热后的压缩空气的泄漏量。该再生式燃气轮机燃烧器在抽气口(13)及注入口(14)之间利用隔壁(15)遮断燃烧器内筒(10)及尾筒(12)与燃烧器外筒(7)之间的压缩空气流道，在由再生器(4)对压缩空气进行预热后，与燃料一起燃烧，具备：密封环(17a-17c)；设在隔壁(15)的内周部且具有保持密封环(17a-17c)的环槽(25a-25c)的支架(16)；以及设在环槽(25a-25c)的内周面与密封环(17a-17c)的外周面之间的间隙(20)。

Description

再生式燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及再生式燃气轮机燃烧器。
背景技术
已知有通过在利用涡轮机的废气预热由压缩机产生的压缩空气后与燃料一起燃烧，减少投入的燃料地提高热效率的燃烧器(以下，称为再生式燃气轮机燃烧器)。在再生式燃气轮机燃烧器中，当预热前的压缩空气流入燃烧室时，燃烧效率下降，因此，利用隔壁遮断燃烧器外筒(箱)与燃烧器内筒(内衬)之间的压缩空气流动的环状流道，隔开预热前的压缩空气与预热后的压缩空气。通常，该隔壁设置在燃烧器外筒的内周面，从燃烧器内筒向将燃烧气体导向涡轮机的尾筒延伸。隔壁与尾筒之间的间隙例如由使用板簧式的密封机构密封(参照专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2006-220350号公报
但是，在使用板簧式的密封机构中，由于燃烧器的组装上的情况，密封效果未必充分，存在无法充分地抑制预热前的压缩空气相对于预热后的压缩空气的泄漏的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供能够减少预热前的压缩空气相对于预热后的压缩空气的泄漏量的再生式燃气轮机燃烧器。
为了实现上述目的，本发明具备在内部形成燃烧室的燃烧器内筒、连接上述燃烧器内筒与涡轮机的尾筒、包围上述燃烧器内筒及尾筒的燃烧器外筒、向上述燃烧室供给燃料的燃烧喷嘴、设在上述燃烧器外筒的抽气口、利用涡轮机的废气对从上述抽气口抽出的压缩空气进行预热的再生器、将利用上述再生器预热的压缩空气注入上述燃烧器外筒的内部的注入口、在上述抽气口及上述注入口之间遮断上述燃烧器内筒及上述尾筒与上述燃烧器外筒之间的压缩空气流道的隔壁、对上述尾筒或上述燃烧器内筒与上述隔壁之间的间隙进行密封的密封机构，上述密封机构具备密封环、设在上述隔壁的内周部且具有保持上述密封环的环槽的支架、以及设在上述环槽的内周面与上述密封环的外周面之间的间隙。
本发明的效果如下。
根据本发明，能够减少预热前的压缩空气相对于预热后的压缩空气的泄漏量。
附图说明
图1是应用了本发明的再生式燃气轮机燃烧器的燃气轮机的侧剖视图。
图2是图1的II部的放大图，是表示本发明的第一实施方式的密封机构的结构的侧剖视图。
图3是图2的密封机构所具备的密封环的结构图。
图4是表示本发明的第二实施方式的密封机构的构造的侧剖视图，是与图2对应的图。
图5是表示一个比较例的燃烧器的隔壁的密封机构的图，是与图2对应的图。
图6是表示另一比较例的燃烧器的隔壁的密封机构的图，是与图2对应的图。
图7是表示其他比较例的燃烧器的组装时的样式的图。
图8是表示其他比较例的燃烧器的组装时的样式的图。
图中：1—压缩机，2—燃烧器，3—涡轮机，4—再生器，5—发电机，6—主体箱，7—燃烧器外筒，7a—内衬收放部，7b—尾筒收放部，8—燃烧器罩，9—燃料喷嘴，10—燃烧器内筒，11—流动导向件，12—尾筒，13—抽气口，14—注入口，15—隔壁，16、16’—支架，17a-17c—密封环，18a、18b—垫片，18a’、18b’—垫片部，19—按压力调整螺栓，20—间隙，21-23—空气流道，24—切缝，25a-25c—环槽，26、26’—支架主体，26a—前壁部，26b—外周壁部，26c—后壁部，27—按压力调整机构，31-33—泄漏分支，101-104—压缩空气，105—燃烧气体，106—涡轮机废气，107—废气，200—燃料。
具体实施方式
下面，使用附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
1.燃气轮机
图1是应用了本发明的再生式燃气轮机燃烧器的燃气轮机的侧剖视图。
该图所示的燃气轮机具备压缩机1、燃烧器2及涡轮机3。在该燃气轮机中，利用压缩机1压缩空气100而产生压缩空气101，在燃烧器2中与压缩空气103一起燃烧燃料200，利用来自燃烧器2的燃烧气体105驱动涡轮机3。压缩机1及涡轮机3与发电机5连结在同轴上，通过涡轮机3的输出，发电机5旋转而得到电力。在图1中，将发电机5连结在压缩机1侧，但也存在连结在涡轮机3侧的场合。
2.燃烧器
燃烧器2是在对来自压缩机1的压缩空气102进行预热后与燃料一起燃烧的再生式燃气轮机燃烧器，在图1中仅图示一个，但在燃气轮机的主体箱6的外周部沿周向设有多个(是多缸式燃烧器)。各燃烧器2具备燃烧器内筒(燃烧器内衬)10、尾筒(接触套筒)12、燃烧器外筒(燃烧器箱)7、隔壁15、抽气口13、再热器4、注入口14及燃料喷嘴9。
燃烧器内筒10是在内部形成燃烧室的圆筒状的部件，起到隔开高温的压缩空气103(后述)与燃烧气体105的作用。
尾筒12连接燃烧器内筒10与涡轮机3，起到将燃烧气体105导向涡轮机3的气体分支的作用。尾筒12是截面积向涡轮机3变小的圆筒状的部件。
燃烧器外筒7是包围燃烧器内筒10及尾筒12的圆筒状的部件，具备覆盖燃烧器内筒10的外周部的内衬收放部7a、及覆盖尾筒12的外周部的尾筒收放部7b。尾筒收放部7b的一端与上述主体箱6连结，内衬收放部7a的一端连结在尾筒收放部7b的另一端。尾筒收放部7b与邻接的燃烧器2一体地成形，通常采用能够一分为二为燃气轮机的上半侧与下半侧的结构。一方的内衬收放部7a的另一端由燃烧器罩8堵塞。
燃烧喷嘴9向燃烧器内筒10内的燃烧室喷射燃料，以燃烧喷射孔面向燃烧室的上游侧端部的方式安装在燃烧器罩8上。在此所说的上游表示燃烧气体105的流动方向的上游。在以下的说明中未特别地说明地称为上游、下游的场合，指燃烧气体105的流动方向的上游、下游。
上述抽气口13在燃烧器外筒7的尾筒收放部7b上各设置一个。注入口14在燃烧器外筒7的内衬收放部7a上各设置一个。抽气口13及注入口14连接在再生器4上，通过抽气口13，向再生器4供给从尾筒收放部7b抽出的压缩空气102。将涡轮机3的废气导向再生器4，通过与废气的热交换预热(加热)的压缩空气103通过注入口14注入内衬收放部7a。
隔壁15是在抽气口13及注入口14之间的位置遮断燃烧器内筒10及尾筒12与燃烧器外筒(内衬收容部7a及尾筒收放部7b)之间的圆筒状的压缩空气流道21的板状的环。利用该隔壁15，压缩空气流道21被隔开为通过抽气口13连接在再生器4上的空气流道22、以及通过注入口14连接在再生器4上的空气流道23这两个流道。换言之，利用隔壁15隔开由再生器4预热前的压缩空气102与预热后的压缩空气103。隔壁15自身将外周部固定在燃烧器外筒7上，由密封机构(后述)密封内周部与对置部件(在本例子中为尾筒12)之间的间隙。隔壁15位于内衬收放部7a与尾筒收放部7b的边界部，在安装在内衬收放部7a的状态下，与内衬收放部7a一起组装在尾筒收放部7b上。另外，也可以考虑使隔壁15与内衬收放部7a一体地成形。再生器4也可以为在各燃烧器2中分别具备的结构，但也能够为以多个或全部燃烧器2共用的结构。
另外，在燃烧器外筒7的内衬收放部7a与燃烧器内筒10之间设有用于控制压缩空气103的流动的圆筒状的流动导向件11。该流动导向件11是与燃烧器内筒10同心状的部件，安装在内衬收放部7a，直径比燃烧器内筒10大，比燃烧器外筒7(内衬收放部7a)小。流动导向件11的上游侧的一端与燃烧器罩8接触，并由燃烧器罩8堵塞，下游侧的另一端开口。由此，从再生器4注入的压缩空气103沿燃烧器内筒10的外周面从下游侧向上游侧(与燃烧气体105的流动反向)流动。以燃烧器内筒10的下游侧为开口部的方式安装在燃烧器外筒7上。
3.密封机构
图2是图1的II部的放大图，是表示本发明的第一实施方式的密封机构的构造的侧剖视图，图3是图2的密封机构所具备的密封环的结构图。对于已经说明的部件，在这些图中标注与已说明的图相同的符号，并省略说明。
图2及图3所示的密封机构具备密封环17a-17c及支架16。该密封机构在燃气轮机运转时，容许向上游侧较大地热延伸的尾筒12相对于隔壁15的移动。
密封环17a-17c与尾筒的外周面接触，在周向具有一处切缝24(参照图3)。在本实施方式中，示例将三个密封环17a-17c在尾筒的轴向(燃烧气体的流动方向)上排列地设置的场合。这三个密封环17a-17c如图3所示，在使邻接的密封环彼此的切缝24的位置在周向上错开的状态下安装在支架16上。切缝24的错开量未必限定，但期望在轴向上邻接的密封环彼此其切缝24的位置错开180度。另外，密封环17a-17c的截面的与尾筒12接触的前端部的两角为倒角，在组装时，尾筒12的前端部难以钩挂。
支架16具备支架主体26、垫片18a、18b及按压力调整机构27。支架主体26是设在隔壁15的内周部的截面是L字型的环状部件，具备截面沿尾筒12的径向延伸的前壁部26a、以及从前壁部26a的外周部向下游侧延伸的外周壁部26b。按压力调整机构27具备通过焊接等固定在支架主体26的外周壁部26b的下游侧端部的托架28、螺纹结合在托架28上的按压力调整螺栓19、以及按压密封环17c的按压环29。按压力调整螺栓19沿尾筒12的轴向延伸。垫片18a、18b是环状的部件，介于在尾筒12的轴线方向邻接的密封环间(密封环17a、17b间、及密封环17b、17c间)。在将垫片18a、18b夹在密封环17a-17c中，使按压环29与密封环17c抵接的状态下，通过拧入按压力调整螺栓19，将密封环17a-17c及垫片18a、18b夹入按压板29与前壁部26之间。密封环17a-17c及垫片18a、18b对前壁部26a的按压力通过使按压调整螺栓19旋转来调整。
此时，在支架主体26的前壁部26a及垫片18a之间、垫片18a、18b之间、垫片18b及按压环29之间确定分别保持密封环17a-17c的环槽25a-25c。密封环17a-17c的外径设定为比支架主体26的外周壁部26b的内径小，在环槽25a-25c的内周面、即外周壁部26b的内周面与密封环17a-17c的外周面之间分别确保间隙20。另外，外周壁部26b从隔壁15向下游侧(抽气口13侧)突出，主要由外周面承受压缩空气101的压力。外周壁部26b的外周面起到作为受压面的作用。
另外，燃烧器内筒10的下游侧端部(出口)的直径比尾筒12的上游侧端部(入口)小，在组装时，燃烧器内筒10的下游侧端部被插入尾筒12的上游侧端部。此时，在燃烧器内筒10的外周面的下游侧端部设有板簧30，利用板簧30密封燃烧器内筒10与尾筒12之间的间隙。
4.动作
对作为燃气轮机的动作介质的空气的流动进行说明。首先，大气100被压缩机1压缩而成为高压的压缩空气101，该高压空气101通过抽气口13被从尾筒收放部7b抽出。被抽出的压缩空气102在再生器4中通过与涡轮机3的废气106的热交换而被加热，成为高温的压缩空气103，并通过注入口14注入内衬收放部7a内。高温的压缩空气103充满内衬收放部7a内，通过流动导向件11与燃烧器内筒10之间的大致环状流道，沿燃烧器内筒10的轴向从下游侧流向上游侧。
在流动导向件11与燃烧器内筒10之间的大致环状流道中流动的高温的压缩空气103的一部分104从设在燃烧器内筒10的周胴部的冷却孔流入燃烧室，用于燃烧器内筒10的膜冷却。剩下的高温空气103从设在燃烧器内筒10的燃烧孔或设在燃料喷嘴9的空气孔流入燃烧室，与从燃料喷嘴9喷出的燃料200一起燃烧。这样在燃烧室中产生的燃烧气体105通过尾筒12送到涡轮机3，对涡轮机3施加旋转动力。并且，对涡轮机3施加了旋转动力的低压的废气106导向再生器4，在再生器4中被热回收的废气107被排出。
5.比较例
图5是表示一比较例的燃烧器的隔壁的密封机构的图，是与图2对应的图。
在该图所示的结构中，在隔壁115的内周部设有托架116，托架116与尾筒112之间的间隙由板簧117密封。板簧117的下游侧的部分安装在托架116侧，上游侧的部分被弹力按压在尾筒112的外周面。
但是，板簧117的下游侧的压缩空气比上游侧的压缩空气的压力高，因此，压力差在克服板簧117的弹力的方向上进行作用。因此，由于压力差，板簧117离开尾筒112，(参照该图中的虚线)，压缩空气会泄漏。
图6是表示其他比较例的燃烧器的隔壁的密封机构的图，是与图2对应的图。
在该图所示的结构中，板簧117将上游侧的部分安装在托架116侧，下游侧的部分利用弹力被按压在尾筒112的外周面。在该场合，与图5所示的比较例不同，在涡轮机运转中，前后压力差作用在将板簧117向尾筒112按压的方向。
但是，在组装燃烧器时，如图7所示，相对于与尾筒收放部一起组装在主体箱侧的尾筒112，插入组装在内衬收放部的燃烧器内筒110。在该场合，必须在板簧117与燃烧器内筒110之间插入尾筒112。然而，在图6的结构的场合，在组装之前，板簧117在缩小与燃烧器内筒110之间的间隙的方向变宽，并且，板簧117的前端与尾筒112对置，因此，板簧117的前端与尾筒112的端面抵接而难以组装。并且，在组装时如图8所示，如果在板簧117的前端钩挂在尾筒112的端面的状态下继续燃烧器内筒110的插入作业，则板簧117会受损。
6.效果
相对于此，在本实施方式的密封机构中，在组装前，密封环17a-17c不会在缩小与燃烧器内筒10之间的间隙的方向突出，在组装时，例如密封环17a-17c难以钩挂在尾筒12上而使密封环17a-17c损伤。另外，也不会产生由与板簧不同地承受压力差，密封环17a-17c弹性地变形引起的压缩空气的泄漏分支31扩大。此时，通过在密封环17a-17c的外周侧设置间隙20，容许密封环17a-17c追随运转中的尾筒12向径向的热变形(膨胀)，沿间隙20变形。当然，液容许尾筒12向轴向的热伸长。因此，能够减少预热前的低温的压缩空气102相对于预热后的高温的压缩空气103的泄漏量，能有助于再生式燃气轮机燃烧器的燃烧效率的提高。
另外，在本实施方式的场合，由于在密封环17a-17c上具有切缝24，因此，密封环17a-17c容易追随运转中的尾筒12向径向的热变形而变宽，能够通过尾筒12的热伸长而灵活地对应。在本实施方式中，在密封环17a-17c上分别设置成为漏电分支的切缝24，但通过排列多个(三个)密封环17a-17c，以密封环17a-17c的切缝24的位置从轴向观察不会重合的方式进行努力，能够抑制通过切缝24的压缩空气101的泄漏。
在此，作为本密封机构的压缩空气101的泄漏分支，除了密封环17a-17c的内周侧(密封环17a-17c与尾筒12之间)的泄漏分支31外，考虑密封环17a-17c的外周侧的泄漏分支32。由于压缩空气101比压缩空气102气压高，因此，对泄漏分支31，通过将密封环17a-17c向尾筒12按压，能进一步提高密封效果。相对于此，在本实施方式中，由于为支架16的外周壁部26b在比密封环17a-17c靠径向外侧的位置沿朝向径向内侧的方向受到压缩空气101的压力的结构，因此，能够有效地使密封环17a-17c的按压力相对于尾筒12起作用。
另一方面，支架16的前壁部26a与密封环17a之间的泄漏分支33的间隙对通过泄漏分支32的泄漏量有较大影响。相对于此，在本实施方式中，通过利用按压力调整螺栓19将密封环17a-17c及垫片18a、18b向支架16按压，能减小前壁部26a与密封环17a之间的间隙，抑制通过泄漏分支33的泄漏量。
(第二实施方式)
图4是表示本发明的第二实施方式的密封机构的构造的侧剖视图，是与图2对应的图。对已经说明的部件在该图中标注与已经说明的附图相同的符号，并省略说明。
如该图所示，本实施方式的密封机构与第一实施方式的密封机构的不同点在于，保持密封环17a-17c的支架16’的支架主体26’与垫片部18a’、18b’一体地形成。支架主体26’、垫片部18a’、18b’分别与第一实施方式的支架主体26、垫片18a、18b对应。在支架主体26’上没有按压力调整机构27(参照图2)，在包括尾筒12的中心轴的截面(图4所示)中观察形成为梳齿状，在前壁部26a、垫片部18a’、18b’、及后壁部26c之间形成环槽25a-25c。其他结构与第一实施方式相同。
在第一实施方式中，示例了为使垫片18a、18b与支架主体26为不同部件的结构，但在省略由按压力调整机构27(参照图2)产生的密封环17a-17c的按压力调整机构27的场合，如本实施方式那样，可以为使垫片部18a’、18b’与支架主体26为一体的结构。即使在本实施方式的结构中，也能得到与第一实施方式实质相同的效果。另外，省略了按压力调整机构27，但通过使垫片部18a’、18b’与支架主体26’为一体，难以产生通过密封环17a-17c的外周侧的泄漏分支的泄漏。
(其他)
在图2或图4中，列举了利用本发明的密封机构密封隔壁15与尾筒12之间的间隙的场合进行说明，但也考虑例如密封隔壁15与燃烧器内筒10之间的间隙的结构。在该场合，能提高将燃烧器内筒10插入尾筒12时的作业性。另外，示例了隔壁15安装在内衬收放部7a的结构进行说明，但也考虑例如利用内衬收放部7a与尾筒收放部7b夹持的结构、或安装在尾筒收放部7b上的结构等。
另外，示例了密封环17a-17c具有切缝24的结构进行了说明，但即使没有切缝24，在由于材质、尺寸(厚度或直径等)、截面形状等，密封环17a-17c追随尾筒12的膨胀灵活地变形的场合，能省略密封环17a-17c的切缝24。
示例了设置三个密封环17a-17c的场合进行了说明，但密封环可以是两个以下或四个以上。一般通过增加密封环数，期待提高密封效果。
另外，以将具备本发明的密封机构的再生式燃气轮机燃烧器应用于发电用燃气轮机的场合为例进行了说明，但也具有例如作为负荷设备，代替发电机5，连接泵等的场合。

Claims (7)

1.一种再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，具备：
在内部形成燃烧室的燃烧器内筒；
连接上述燃烧器内筒与涡轮机的尾筒；
包围上述燃烧器内筒及尾筒的燃烧器外筒；
向上述燃烧室供给燃料的燃烧喷嘴；
设在上述燃烧器外筒的抽气口；
利用涡轮机的废气对从上述抽气口抽出的压缩空气进行预热的再生器；
将利用上述再生器预热的压缩空气注入上述燃烧器外筒的内部的注入口；
在上述抽气口及上述注入口之间遮断上述燃烧器内筒及上述尾筒与上述燃烧器外筒之间的压缩空气流道的隔壁；以及
对上述尾筒或上述燃烧器内筒与上述隔壁之间的间隙进行密封的密封机构，
上述密封机构具备：
密封环；
设在上述隔壁的内周部且具有保持上述密封环的环槽的支架；以及
设在上述环槽的内周面与上述密封环的外周面之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述支架具备从上述隔壁向上述抽气口侧突出的作为受压面的外周面。
3.根据权利要求1所述的再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述密封环与上述尾筒的外周面接触，并在周向具有一处切缝。
4.根据权利要求3所述的再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述密封环在上述尾筒的轴向设有多个，使邻接的密封环彼此的切缝的位置错开。
5.根据权利要求4所述的再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述支架具备：
支架主体；
设于邻接的密封环之间，确定上述环槽的垫片；以及
调整上述密封环及上述垫片对上述支架主体的按压力的按压力调整机构。
6.根据权利要求1～4任一项所述的再生式燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述支架一体地形成安装在上述隔壁的支架主体与隔开多个环槽的垫片部。
7.一种燃气轮机，其特征在于，具备：
权利要求1所述的再生式燃气轮机燃烧器；
向上述再生式燃气轮机燃烧器供给压缩空气的压缩机；以及
由来自上述再生式燃气轮机燃烧器的燃烧气体驱动的涡轮机。
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