CN105074339A - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃气轮机燃烧器(2)具备：燃烧室(50)，其使燃料与空气燃烧，并生成燃烧气体；多个燃料喷嘴(30)，其配置为同心圆状的多个环状列；第一板(32)，其配设于多个燃料喷嘴(30)的下游侧，具有由分别与多个燃料喷嘴(30)对应的多个空气孔构成的同心圆状的多个空气孔列；第二板(33)，其配设于第一板(32)的下游侧，且具有分别与第一板(32)的多个空气孔列对应的多个空气孔列；以及隔壁部(37)，其在每个空气孔列隔开第一板(32)与第二板(33)之间的空间部(46)。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器。
背景技术
近年来，由于对环境保护的限制、社会的要求，要求具备压缩机、燃烧器及涡轮机等的燃气轮机更高效率化、低NOX化。在这种燃气轮机中，作为实现高效率化的方法，具有由燃烧器使燃气轮机入口的燃烧气体的温度上升的方法，但伴随由燃烧器形成的火焰温度的上升，NOX的排出量有可能增加。
作为抑制NOX的排出量的燃烧器，具有采用了预混合燃烧的燃烧器。预混合燃烧是向燃烧室供给将燃料与空气预先混合的混合气体并使其燃烧的燃烧方式。在这种燃烧器中，设有具备预混合器的燃烧嘴与相对于燃烧嘴配置于混合气体流动方向的下游侧的燃烧室。预混合器是生成混合气体的机器，从该预混合器向燃烧室供给混合气体并在燃烧室内燃烧。在预混合燃烧中，使燃烧与空气预先混合并供给至燃烧室，因此，形成于燃烧室内的火焰的温度均匀化，抑制燃烧器中的NOX的排出量。但是，当空气的温度上升或燃料所含的氢气含有量增加时，燃烧温度增加，因此，形成于燃烧室内的火焰逆流至预混合器。有可能引起所谓的回火。因此，提出了抑制NOX的排出量且耐回火性优异的燃烧器(参照专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4922878号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1公开了下述结构：在多个燃料喷嘴的下游侧配设具备形成有多个第一空气孔的第一多孔板与形成有多个第二空气孔的第二多孔板的空气孔板，使从第一空气孔喷出的混合气体与第二多孔板碰撞，从第二空气孔喷出至燃烧室。但是，在部分负荷运转时，在从一部分燃料喷嘴喷射燃料的情况下，也从不供给燃料的第一空气孔喷出空气，因此，从一部分第一空气孔喷出的混合气体由在第一及第二多孔板之间从其他第一空气孔喷出的空气稀释，从第二空气孔喷出至燃烧室的混合气体的燃空比有可能下降为必要以上。在这样无法高精度地控制流入第二空气孔的混合气体的燃空比的情况下，在从燃气轮机的点火到额定负荷的一连串的运转过程中，难以维持稳定燃烧。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种燃烧器，其能高精度地控制各空气孔的燃空比，在从燃气轮机的点火到额定负荷的一连串的运转过程中实现稳定燃烧，并且抑制NOX的排出量的燃烧器。
用于解决课题的方法
为了实现上述目的，本发明的一方案的燃气轮机燃烧器具备：燃烧室，其使燃料与空气燃烧，并生成燃烧气体；多个燃料喷嘴，其配置为同心圆状的多个环状列；第一板，其配设于多个燃料喷嘴的下游侧，具有由分别与多个燃料喷嘴对应的多个空气孔构成的同心圆状的多个空气孔列；第二板，其具有分别与第一板的多个空气孔列对应的多个空气孔列；以及隔壁部，其在每个空气孔列隔开第一板与第二板之间的空间部。
发明效果
根据本发明，能提供一种燃烧器，其能高精度地控制各空气孔的燃空比，在从燃气轮机的点火到额定负荷的一连串的运转过程中实现稳定燃烧，并且抑制NOX的排出量的燃烧器。
附图说明
图1是具备本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备的整体结构图。
图2是本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器的燃烧嘴附近的局部结构图。
图3是本发明的第一实施方式的旋转板的放大图，是图4的III-III线的向视剖视图。
图4是从下游侧观察本发明的第一实施方式的旋转板的图。
图5是从下游侧观察本发明的第一实施方式的基板的图。
图6是以图5的虚线包围的区域的放大图。
图7是图6的VII-VII线的向视立体图。
图8是示意地表示本发明的第一实施方式的燃烧嘴的燃料与空气的流动的图，是图6的VIII-VIII线的向视剖视图。
图9是表示本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料分级的图。
图10是示意地表示本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。
图11是从下游侧观察本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器的基板的图。
图12是本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器的基板的放大图，是图11的XII-XII线的向视剖视图。
图13是示意地表示本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。
图14是示意地表示本发明的第四实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。
图15是示意地表示本发明的第五实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。
图16是本发明的第六实施方式的燃气轮机燃烧器的剖视图。
图17是从下游侧观察本发明的第六实施方式的燃气轮机燃烧器的空气孔板的图，是图16的XVII-XVII线的向视剖视图。
图18是以图16的单点划线包围的旋转板的一部分(A部)的放大图。
图19是以图17的单点划线包围的主燃烧嘴的一组(B部)的放大图。
具体实施方式
<第一实施方式>
(结构)
1.燃气轮机设备
首先，参照附图对具备本实施方式的燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备进行说明。
图1是具备本实施方式的燃气轮机燃烧器2的发电用燃气轮机设备1000的整体结构图。如图1所示，燃气轮机设备1000具备燃气轮机及发电机20。燃气轮机具备压缩机1、燃气轮机燃烧器2及涡轮机3。
压缩机1对通过吸气部(未图示)吸入的吸入空气100加压而生成高压空气101，并供给至燃气轮机燃烧器2。燃气轮机燃烧器2使从压缩机1供给的高压空气101与通过燃料系统200(后述)供给的燃料混合并燃烧，产生高温的燃烧气体102并供给至涡轮机3。涡轮机3通过从燃气轮机燃烧器2供给的燃烧气体102膨胀而驱动。发电机20通过由涡轮机3得到的驱动力旋转而产生电力。在本实施方式中，压缩机1、涡轮机3及发电机20由一体的轴21相互连结，由涡轮机3的驱动得到的驱动力通过轴21传递至压缩机1及发电机20。
2.燃气轮机燃烧器
燃气轮机燃烧器2具备燃烧嘴5、燃烧器内衬10、套筒11、尾筒内筒12、尾筒外筒13、燃料系统201～204及头40。燃气轮机燃烧器2收纳在燃气轮机装置的箱4的内部。在燃气轮机燃烧器2上设置燃烧嘴5，在该燃烧嘴5的燃烧气体102的流动方向的下游侧且燃气轮机燃烧器2的内部配设隔开从压缩机1供给的高压空气101与由燃气轮机燃烧器2生成的燃烧气体102的圆筒状的燃烧器内衬10。
在燃烧器内衬10的外周侧设有覆盖燃烧器内衬10的圆筒状的套筒11。形成于燃烧器内衬10与套筒11之间的环状空间构成从压缩机1供给至燃气轮机燃烧器2的高压空气101流动的流道48。
在形成于燃烧器内衬10的内侧的燃烧室50，燃烧从燃烧嘴5喷出的高压空气101与通过燃料系统200供给的燃料的混合气体。燃烧器内衬10的远离燃烧嘴5的一侧(燃烧气体102的流动方向的下游侧)插入尾筒内筒12的一端。尾筒内筒12将在燃烧室50中产生的燃烧气体102导入涡轮机3。尾筒内筒12的另一端与连接燃气轮机燃烧器2和涡轮机3的管道连接。在尾筒内筒12的外周侧设有覆盖尾筒内筒12的圆筒状的尾筒外筒13。套筒11的远离燃烧嘴5的一侧(燃烧气体102的流动方向的下游侧)插入尾筒外筒13的一端。尾筒外筒13在与尾筒内筒12之间构成环状的空间，其另一端向箱4内开口。尾筒内筒12与尾筒外筒13之间的空间构成从尾筒外筒13的另一端流入的高压空气101流动的流道47。
流入形成于尾筒内筒12与尾筒外筒13之间的流道47的高压空气101从尾筒内筒12的外壁面侧对尾筒内筒12进行对流冷却。另外，在流道47流动并流入形成于套筒11与燃烧器内衬10之间的环状的流道48的高压空气101用于设置在燃气轮机燃烧器2的内部的燃烧器内衬10的对流冷却。
在形成于套筒11与燃烧器内衬10之间的环状的流道48中流动的高压空气101的一部分从设于燃烧器内衬10的壁面的多个冷却孔(未图示)向燃烧器内衬10的内部流入，用于燃烧器内衬10的膜冷却。并且，未用于燃烧器内衬10的膜冷却的剩下的高压空气101在环状的流道48流动，并从设于燃气轮机燃烧器2的燃烧嘴5所具备的多个空气孔31作为燃烧空气供给至燃烧器内衬10内。之后，燃烧空气经过多个空气孔31从设于燃气轮机燃烧器2的燃烧嘴5喷出。
从四个燃料系统201～204向燃烧嘴5供给燃料。F1～F4燃料系统201～204分别具备F1～F4燃料流量调节阀211～214。在本实施方式中，燃料系统201～204从具备燃料断开阀(开闭阀)210的燃料系统200分别分支。另外，从燃料系统200分支的燃料系统的数量未限定于四个。
在燃料系统201～204中流动的燃料向根据距燃烧器内衬10的中心轴的径向距离划分的头40供给。在本实施方式中，头40被划分为第一头51、第二头52、第三头53及第四头54。并且，F1燃料系统201与第一头51连接，F2燃料系统202与第二头52连接，F3燃料系统203与第三头53连接，F4燃料系统204与第四头54连接。在各燃料系统中流动且供给至头40的燃料从支撑于头40的燃料喷嘴30的前端喷射而供给至燃烧嘴5。另外，头40的划分数量未限定于四个。
通过F1燃料系统201供给至燃烧嘴5的F1燃料的流量由F燃料流量调节阀211调节。通过F2燃料系统202供给至燃烧嘴5的F2燃料的流量由F2燃料流量调节阀212调节.通过F3燃料系统203供给至燃烧嘴5的F3燃料的流量由F3燃料流量调节阀213调节。通过F4燃料系统204供给至燃烧嘴5的F4燃料的流量由燃料流量调节阀214调节。在本实施方式中，通过由燃料流量调节阀211～214分别调节F1燃料、F2燃料、F3燃料及F4燃料的流量，控制燃气轮机设备1000的发电量。
3.燃烧嘴
接着，对燃烧嘴5的详细结构进行说明。图2是本实施方式的燃气轮机燃烧器2的燃烧嘴5附近的局部结构图。如图2所示，燃烧嘴5具备多个燃料喷嘴30、基板(第一板)32、旋转板(第二板)33及隔壁部37。
下面，对燃烧嘴5的各结构进行说明。另外，在本实施方式中，将配置为同心圆状的多个空气孔列从内侧向外侧适当称为第一列、第二列、…、第八列。
燃料喷嘴
如图2所示，多个燃料喷嘴30喷出从燃料系统200供给的燃料，被燃料头40支撑。这些多个燃料喷嘴30配置为同心圆状的多个(在本实施方式中为八个)环状列。在各环状列中，沿整周形成燃料喷嘴30。
基板
图5是从下游侧观察本实施方式的基板32的图。如图2及图5所示，基板32是与燃烧器内衬10的中心轴同轴的圆盘状板，配设于多个燃料喷嘴30的燃料的流动方向的下游侧。在基板32上形成有由分别与多个燃料喷嘴30对应的多个空气孔31A构成的同心圆状的多个(在本实施方式中为八列)空气孔列。即，一个空气孔31A在一个燃料喷嘴30的轴向的燃料喷出侧(燃料的喷出方向的下游侧)与该燃料喷嘴30对应地配置。当这样使一个燃料喷嘴30与一个空气孔31A对应地配置时，如图2的放大图所示，作为从燃料喷嘴30喷出的燃料(燃料喷流)34的周围由通过空气孔31的空气(空气喷流)35覆盖的同轴喷流通过基板32。这些多个空气孔31A在整个环状的各空气孔列的整周形成。在本实施方式中，空气孔31A形成为构成端面的两个圆与母线正交的长圆柱状，与对应的燃料喷嘴30配置在同轴上。燃料喷嘴30未插入空气孔31A，空气孔31A的燃料的流动方向的上游侧的端面(以下适当记载为入口)与燃料喷嘴30的燃料的流动方向的下游侧的端部离开。
旋转板
如图2所示，旋转板33以与基板32对置的方式配设于基板32的燃料的流动方向的下游侧。在该旋转板33上形成由分别与基板32的多个空气孔列(在本实施方式中为八列)对应的多个空气孔31B构成的同心圆状的多个空气孔列。这些多个空气孔31B在环状的各空气孔列的整周形成。在本实施方式中，空气孔31B设置与基板32的空气孔31A相同个数。
图3是本实施方式的旋转板33的放大图，是图4的III-III线的向视剖视图。图4是从下游侧观察本实施方式的旋转板33的图。
如图3所示，空气孔31B形成为构成端面的两个椭圆与母线不正交的斜圆柱状。该空气孔31B是具有旋转角的旋转空气孔，混合气体的流动方向的下游侧的端部(下面适当记载为出口)相对于上游侧的端部(以下适当称为入口)在圆周方向上偏离。具体地说，通过连结空气孔31B的两端的圆的中心而得到的空气孔31B的中心轴以与燃料喷嘴30的中心轴、空气孔31A的中心轴、或燃烧器内衬10的中心轴呈规定的角度α°的方式相对于旋转板33在圆周方向上倾斜。即，空气孔31B相对于旋转板33在圆周方向上以规定的角度α°倾斜。另外，在本实施方式中，“呈规定的角度”指空气孔31B的中心轴与其他中心轴(燃料喷嘴30的中心轴、空气孔31A的中心轴或燃烧器内衬10的中心轴)可以平行，也可以不是直角。角度α°是规定从空气孔31B的空气的喷出方向的要素，在每个空气孔31B的空气孔列设定为最适的值。
如图2所示，基板32及旋转板33通过支撑件15安装于燃料头40。另外，基板32及旋转板33通过弹簧密封件14保持在燃烧器内衬10的内部。在本实施方式中，支撑件15形成为使平板弯曲的形状。当将支撑件15形成为这种形状时，能通过该弯曲结构吸收圆周方向的热伸长，能提高燃烧嘴5的可靠性。
如图4所示，形成燃气轮机燃烧器2的燃烧部的燃烧嘴5被划分为多个区域。在本实施方式中，这些多个区域中、构成最内侧区域的四列(第一列～第四列)形成第一组的燃烧部(F1燃烧嘴)5A，第五列形成第二组的燃烧部(F2燃烧嘴)5B，第六列形成第三组的燃烧部(F3燃烧嘴)5C，外周侧的两列(第七列及第八列)形成第四组的燃烧部(F4燃烧嘴)5D。在F1燃烧嘴5A～F4燃烧嘴5D上，分别通过上述的第一～第四头51～54连接F1～F4燃料系统201～204。通过为这样将燃料系统200分支为燃料系统201～204的组分结构，能进行根据在燃气轮机中所要求的燃料流量的变化使供给燃料的燃料喷嘴30的个数阶段性地变化的燃料分级。
在F1燃烧嘴5A中，由于形成于在圆周方向上邻接的两个空气孔31B间的间隙(孔间距离)设定为比消焰距离大，因此，通过火焰靠近旋转板33，强化火焰的稳定性。另一方面，在F2燃烧嘴5B、F3燃烧嘴5C及F4燃烧嘴5D中，形成于在圆周方向上邻接的两个空气孔31B之间的间隙(孔间距离)设定为消焰距离以下，从旋转板33离开地形成火焰。在流道从空气孔31B到燃烧室50急剧扩大时，燃料喷流34与空气喷流35的混合急速前进。在从旋转板33向下游离开的位置形成火焰时，燃料与空气充分混合的状态的预混合气体到达火焰并燃烧，因此，能实现低NOX燃烧。
隔壁部
如上所述，第一燃烧部F1具有强化稳定燃烧的功能，第二燃烧部F2、第三燃烧部F3及第四燃烧部F4具有实现低NOX燃烧的功能，第一燃烧部F1与第二～第四燃烧部F2～F4的功能不同。为了兼具稳定燃烧的强化与低NOX燃烧的实现，需要一边精度良好地控制供给至各燃烧部的燃料流量一边促进燃料与空气的混合。因此，在本实施方式中，在基板32上设置在每个基板32及旋转板33的空气孔列隔开形成于基板32与旋转板33之间的空间部46的隔壁部37。
空间部46介于基板32与旋转板33之间(例如参照图2)。该空间部46的外周由燃烧嘴隔壁49覆盖。形成于基板32的空气孔31A的混合气体的流动方向的下游侧的端部(以下适当记载为出口)和空气孔31B的入口与空间部46连通。即，空气孔31A与空气孔31B通过空间部46连接。另外，只有从空气孔31A喷出的燃料喷流34与空气喷流35的混合气体流入由燃烧嘴隔壁49覆盖的空间部46，二次燃料或二次空气等不会流入。
如图5所示，隔壁部37在每个由多个空气孔31A构成的多个空气孔列设置为同心圆状(在本实施方式中设有七个隔壁部37)。隔壁部37从基板32向旋转板33延伸，与旋转板33的对置面抵接(参照图2)。通过这些隔壁部37，空间部46被隔为环状的多个内部流道36(在本实施方式中，隔为八个内部流道36)。这些多个内部流道36形成为同心圆状。
图6是由图5的虚线包围的区域的放大图，图7是图6的VII-VII线的向视立体图。如图6及图7所示，内部流道36的宽度W36(基板32的径向的内部流道36的尺寸)设定为空气孔31A的孔径以上的尺寸。另外，以隔壁部37与旋转板33接触的面为基准的内部流道36的深度D36(基板32的轴向的槽36的尺寸)设定为与空气孔31A的孔径相同的尺寸。其中，当使空气孔31A(一个)的截面积为S31时，内部流道36的宽度W36及深度D36期望以满足式(1)的方式设定。
S31≤W36×D36…(1)
该式(1)表示内部流道36的截面积是空气孔31A的截面积以上。
当与式(1)相反地为S31＞W36×D36时，内部流道36的流速增加，因此，促进燃料与空气的混合，但有可能压力损失增加，燃气轮机1000的效率下降。
另一方面，当将内部流道36的宽度W36及内部流道36的深度D36设定为比空气孔31A的孔径大时，在内部流道36局部地产生非定常涡或沉淀，有可能损坏燃烧器的可靠性。因此，内部流道36的宽度W36及深度D36期望以满足式(2)的方式设定。
2×S31＞W36×D36…(2)
(动作)
接着，参照附图说明本实施方式的燃气轮机燃烧器2的燃烧动作。
图8是示意地表示本实施方式的燃烧嘴5的燃料与空气的流动的图，是图6的VIII-VIII线的向视剖视图。如图2及图8所示，通过流道47、48导至燃烧室50的高压空气101作为空气喷流35流入形成于空气孔板39的基板32的空气孔31A。另一方面，从燃料系统200通过燃料头40供给至燃料喷嘴30的燃料从燃料喷嘴30的喷出孔喷出，作为燃料喷流34流入空气孔31A。流入空气孔31A的燃料喷流34以被空气喷流35覆盖周围的状态从空气孔31A流下到空间部46的内部流道36并充满内部流道36。由于该燃料喷流34与空气喷流35的混合气体喷流的混合程度低，因此，中心的燃料浓度高，外周的燃料浓度低。燃料喷流34的温度与空气喷流35相比低，为数百℃，因此，从空气孔31A喷出的混合气体喷流中心的温度低，外周的温度高。流入内部流道36的混合气体喷流的流道急剧扩大，在内部流道36的入口(空气孔31A的出口)附近促进混合(一次混合)。由该一次混合生成的燃料喷流34与空气喷流35的混合气体(一次混合气体)从内部流道36流入形成于旋转板33的空气孔31B。流入空气孔31B的一次混合气体的流道急剧缩小，在空气孔31B的入口(内部流道36的出口)附近进一步促进混合(二次混合)。由该二次混合生成的燃料喷流34与空气喷流35的混合气体(二次混合气体)在空气孔31B中流动。空气孔31B形成为以角度α°倾斜的管道(斜圆柱管道)状，因此，对在空气孔31B中流动的二次混合气体赋予旋转方向的力成分而形成循环流。空气孔31B的出口向燃烧室50开口，因此，二次混合气体的流道急剧扩大，在空气孔31B的出口附近进一步促进混合(三次混合)。由三次混合生成的燃料喷流34与空气喷流35的混合气体(三次混合气体)一边旋转一边作为预混合气体38向燃烧室50喷出并燃烧。
图9是表示本实施方式的燃气轮机燃烧器2的燃料分级的图。在图9中，横轴表示经过时间，纵轴表示燃料流量。
如图9所示，在燃气轮机点火时，从燃料系统200向F1燃烧嘴5A、F2燃烧嘴5B及F3燃烧嘴5C供给燃料。另一方面，未向F4燃烧嘴5D供给燃料。
在燃气轮机点火后，切换为F1燃烧嘴5A的单独燃烧，使涡轮机3升速至到达额定转数无负荷状态(FSNL：FullSpeedNoLoad)。在这期间，从燃料系统200只向F1燃烧嘴5A供给燃料，未向F2燃烧嘴5B、F3燃烧嘴5C及F4燃烧嘴5D供给燃料。
涡轮机3若升速到额定转数，则开始发电而使负荷增加。根据该负荷的增加，以燃气轮机燃烧器2的燃烧嘴5的燃空比为稳定燃烧范围的方式依次向F2燃烧嘴5B、F3燃烧嘴5C及F4燃烧嘴5D供给燃料，阶段性地扩大燃料的供给范围。以向F1燃烧嘴5A～F4燃烧嘴5D的全部供给燃料的燃烧状态成为额定转数额定负荷(FSNL：FullSpeedFullLoad)。
(效果)
(1)在本实施方式中，在每个基板32及旋转板33的空气孔列以隔壁部37隔开基板32与旋转板33间的空间部46。因此，即使在燃烧嘴5的局部负荷运转时从一部分的燃料喷嘴30喷射燃料的情况下，也能从一部分的空气孔31A喷出的混合气体在基板32与旋转板33之间不由从其他空气孔列的空气孔31A喷出的空气稀释地将从空气孔31B喷出至燃烧室50的预混合气体38的燃空比抑制得必要低。另外，由于能够使从空气孔31B喷出至燃烧室50的预混合气体38的流量及燃空比在属于同列的空气孔31B之间相等，因此，能减小燃烧嘴5的流量与燃空比的圆周方向偏差。因此，能高精度地控制从各空气孔31B喷出的预混合气体38的燃空比，能在从燃气轮机的点火到额定负荷的一连串的运转过程实现稳定燃烧，且抑制NOX的排出量。
(2)在本实施方式中，将在空间部46由隔壁部37划分而形成的内部流道36的截面积设定为基板32的空气孔31A的截面积以上。因此，能抑制内部流道36的混合气体喷流的流速的增加，抑制由压力损失的增加引起的燃气轮机1000的效率的下降。
(3)在本实施方式中，成为将燃料系统200分支为燃料系统201～204，能分别控制F1～F4燃烧嘴5A～5D的群分结构，因此，能进行根据由燃气轮机所要求的燃料流量的变化使供给燃料的燃料喷嘴300的个数阶段性地变化的燃料分级。因此，能实现燃气轮机局部负荷运转时的稳定燃烧，且抑制NOX的排出量。
(4)在本实施方式中，在F1燃烧嘴5A中，将在圆周方向上邻接的两个空气孔31B间的距离设定得比消焰距离大。因此，火焰靠近旋转板33，能够进一步强化,火焰的稳定性。
(5)在本实施方式中，由于燃料与空气阶段性地混合，因此，能抑制燃料与空气在空气孔31A内完全混合，抑制空气孔31A内的燃料的自燃。因此，能抑制基板32及旋转板33的熔损，提高燃气轮机燃烧器2的可靠性。
另外，在本实施方式中，多个燃料喷嘴30的燃料的流动方向的下游侧的端部从空气孔31A的入口离开。因此，例如与将燃料喷嘴30的前端插入空气孔31A的结构相比，能抑制空气孔31A内的燃料的流速的增加，抑制由压力损失的增加引起的燃气轮机1000的效率的下降。
另外，在本实施方式中，由于燃料喷流34与空气喷流35以同轴喷流向燃烧器50喷出，因此，燃料与空气的界面增加，进一步促进燃料与空气的混合。因此，能在燃烧室50中的燃烧时抑制NOX的产生量。
另外，在本实施方式中，由于空气孔31B以角度α°在圆周方向上倾斜，因此，在空气孔31B中流动的流体一边形成循环流一边从空气孔31B喷射。因此，能形成更稳定的火焰。
(6)根据本实施方式，在基板32的下游侧配设具有分别与基板32的多个空气孔列分别对应的多个空气孔列的旋转板33，具有设有在每个空气孔列隔开基板32与旋转板33间的空间部46的隔壁部37的简单的结构。因此，能改造现有的燃气轮机燃烧器而简单地制造。例如，相对于具备使燃料与空气燃烧而生成燃烧气体的燃烧室、配置为同心圆状的多个环状列的多个燃料喷嘴及配设于多个燃料喷嘴的下游侧且具有由分别与多个燃料喷嘴对应的多个空气孔构成的同心圆状的多个空气孔列的基板的现有的燃气轮机燃烧器，通过在基板的下游侧配设旋转板33，在基板与旋转板33之间的空间部设置隔壁部37，能相对于现有的燃气轮机燃烧器容易地适用。
<第二实施方式>
图10是示意地表示本实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。在图10中，对与上述第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
(结构)
本实施方式的旋转板33的空气孔31B的结构与第一实施方式不同。在以下，对空气孔31B的结构进行说明。
在第一实施方式中，图示了空气孔31B设在与空气孔31A在圆周方向上对应的位置的例子，但如图10所示，在本实施方式中，与空间部46连通的旋转板33的空气孔31B的入口和与空间部46连通的空气孔31A的出口在圆周方向上偏离。即，空气孔31B的中心轴与旋转板33的燃料喷嘴30侧的端面的交点(空气孔31B的入口的中心)从空气孔31A的中心轴上在圆周方向上离开。并且，旋转板33的壁面位于空气孔31A的中心轴上。其他结构与第一实施方式相同。
(动作)
如图10所示，从燃料喷嘴30喷出的燃料喷流34与空气喷流35与第一实施方式相同，在内部流道36内成为一次混合气体。该一次混合气体与位于空气孔31A的中心轴上的旋转板33的壁面碰撞，沿内部流道36在圆周方向上流动。之后，该一次混合气体流入空气孔31B，与第一实施方式相同，作为预混合气体38供给至燃烧室50并燃烧。
(效果)
在本实施方式中，除了由第一实施方式得到的各效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，空气孔31A的出口与空气孔31B的入口在圆周方向上偏离，旋转板33的壁面位于空气孔31A的中心轴上。因此，从空气孔31A喷出的中心的温度低的混合气体喷流与该壁面碰撞。因此，冷却由来自燃烧室50的火焰的喷射加热的旋转板33，能实现旋转板33的长寿命化。另外，由于引起流入内部流道36的混合气体喷流向圆周方向(一方向)的流动，因此，与第一实施方式相比，能较长地确保混合气体喷流在内部流道36内流动的距离(以下称为混合距离)。因此，能进一步促进在内部流道36内的燃料与空气的混合，抑制NOX的排出量。
<第三实施方式>
图11是从下游侧观察本实施方式的燃气轮机燃烧器的基板的图。图12是本实施方式的燃气轮机燃烧器的基板的放大图，是图11的XII-XII线的向视剖视图。图13是示意地表示本实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。在图11至图13中，对与第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
(结构)
本实施方式与上述各实施方式的不同点是空气孔31A的结构。
如图11及图12所示，在本实施方式中，通过连结基板33的空气孔31A的两端的圆的中心而得到的空气孔31A的中心轴以与燃料喷嘴30的中心轴或燃烧器内衬10的中心轴的方向呈规定角度β°的方式相对于基板32的圆周方向倾斜。即，空气板31A相对于基板32以规定的角度β°倾斜地设置。另外，在本实施方式中，“呈规定的角度”是指空气孔31A的中心轴与其他中心轴(燃料喷嘴30的中心轴或燃烧器内衬10的中心轴)不平行。角度β°是规定从空气孔31A向内部流道36喷出的空气的喷出方向的要素，在每个空气孔31A的空气孔列设定为最适的值。空气孔31A形成为以角度β°倾斜的管道(斜圆柱管道)。旋转板33的壁面位于空气孔31A的中心轴上等其他结构与第二实施方式相同。
(动作)
如图13所示，从燃料喷嘴30喷出的燃料喷流34和空气喷流35与第一实施方式相同，在内部流道36内成为一次混合气体，与位于空气孔31A的中心轴上的旋转板33的壁面碰撞。在本实施方式中，空气孔板31A相对于基板32斜着形成，因此，该一次混合气体与旋转板33的壁面碰撞而在内部流道36内沿圆周方向的一方向整齐地流动，流入空气孔31B。之后，与第一实施方式相同，作为预混合气体38供给至燃烧室50并燃烧。
(效果)
在本实施方式中，除了由上述各实施方式得到的各效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，由于形成于基板32的空气孔31A向燃料喷嘴30或燃烧器内衬10的轴向在基板32的圆周方向倾斜，因此，对在空气孔31A中流动的混合气体喷流积极地赋予旋转方向的力成分。因此，内部流道36内的一次混合气体与旋转板33的壁面碰撞且在内部流道36的圆周方向的一方向整齐地流动。其结果，抑制在内部流道36内的一次混合气体上产生局部的涡旋或沉淀，减少在内部流道36内流动时产生的压力损失且促进燃料与空气的混合。
<第四实施方式>
图14是示意地表示本实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。在图14中，对与上述第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
(结构)
本实施方式与上述各实施方式的不同点是在旋转板33的空气孔31B上设有节流件这一点。
如图14所示，在本实施方式中，在形成于旋转板33的空气孔31B的入口侧(燃料喷嘴30侧)设有台阶状的节流件39A。该节流件39A以空气孔31B的孔径在空气孔31B的入口侧变小的方式形成。其结果，例如与第三实施方式相比，空气孔31B的入口面积变小。另外，即使在本实施方式中，空气孔31B的中心轴与旋转板33的燃料喷嘴30侧的端面的交点也从空气孔31A的中心轴上在圆周方向上离开，旋转板33的壁面位于空气孔31A的中心轴上。其他结构与第二实施方式相同。
(动作)
如图14所示，从燃料喷嘴30喷出的燃料喷流34和空气喷流35与第一实施方式相同，在内部流道36内成为一次混合气体。该一次混合气体与第二实施方式相同，在内部流道36沿圆周方向流动且且与位于空气孔31A的中心轴上的旋转板33的壁面碰撞。在本实施方式中，在空气孔31B的入口侧设有节流件39A，空气孔31B的燃料喷嘴30侧的孔径窄，因此，在内部流道36沿圆周方向流动的一次混合气体在从内部流道36流入旋转板33的空气孔31B时，与第一实施方式相比，相对于同列的空气孔31B均匀地分配。之后，该一次混合气体流入空气孔31B，与第一实施方式相同，作为预混合气体38供给至燃烧室50并燃烧。
(效果)
在本实施方式中，除了得到由上述各实施方式得到的各效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，在空气孔31B的入口侧设有节流件39A，空气孔31B的孔径窄。因此，能进一步抑制从空气孔31B向燃烧室50喷射的预混合气体38的流量在每个空气孔列的圆周方向偏差。另外，由于节流件39A的下游侧流道急剧扩大，因此，能进一步促进燃料与空气的混合。
<第五实施方式>
图15是示意地表示本实施方式的燃气轮机燃烧器的燃料与空气的流动的剖视图。在图15中，对与上述第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
(结构)
本实施方式表示在旋转板33的空气孔31B上设置节流件的其他结构例。
如图15所示，在本实施方式中，在形成于旋转板33的空气孔31B的入口侧(燃料喷嘴30侧)设有其孔径从空气孔31B的出口侧(燃烧室侧50)向入口侧逐渐缩小的倾斜状的节流件39B。节流件39B以空气孔31B的孔径在燃料喷嘴30侧为最小的方式形成。其结果，例如与第三实施方式相比，空气孔31B的入口面积变小。另外，即使本实施方式中，空气孔31B的中心轴与旋转板33的燃料喷嘴30侧的端面的交点从空气孔31A的中心轴上在圆周方向上离开，旋转板33的壁面位于空气孔31A的中心轴上。其他结构与第二实施方式相同。
(动作)
如图15所示，从燃料喷嘴30喷出的燃料喷流34和空气喷流35与第一实施方式相同，在内部流道36内成为一次混合气体。该一次混合气体与第二实施方式相同，在内部流道36沿圆周方向流动且与位于空气孔31A的中心轴上的旋转板33的壁面碰撞。即使本实施方式中，也在空气孔31B的入口侧设有节流件39B，因此，与第四实施方式相同，在内部流道36沿圆周方向流动的一次混合气体与第一实施方式相比，也相对于同列的空气孔31B均匀地分配。之后，该一次混合气体流入空气孔31B，与第一实施方式相同，作为预混合气体38供给至燃烧室50并燃烧。
(效果)
在本实施方式中，除了由上述各实施方式得到的各效果之外，得到以下的效果。
在本实施方式中，在形成于旋转板33的空气孔31B的入口侧(燃料喷嘴30侧)设有其孔径从空气孔31B的出口侧(燃烧室侧50)向入口侧逐渐缩小的倾斜状的节流件39B。空气孔31B是锥形状，没有台阶，因此，与第四实施方式相比，能在从内部流道36流入空气孔31B时抑制由流道的急剧扩大引起的压力损失的增加，能提高燃气轮机1000的效率。
<第六实施方式>
图16是本实施方式的燃气轮机燃烧器的剖视图。图17是从下游侧观察本实施方式的燃气轮机燃烧器的空气孔板的图，是图16的XVII-XVIIX线的向视剖视图。在图16及图17中，对与上述第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
在本实施方式中，对相对于将同心圆状地配置由多个燃料喷嘴与空气孔构成的空气孔列的燃烧嘴在燃气轮机燃烧器的燃烧部配置多个所谓的复合喷射式燃气轮机燃烧器应用本发明的场合进行说明。另外，在本实施方式中，将配置为同心圆状的多个空气孔列从内侧向外侧适当称为第一列、第二列及第三列。
如图16及图17所示，本实施方式的燃气轮机燃烧器2具备由多个燃料喷嘴30与多个空气孔31A及空气孔31B构成的多个空气孔列配置为同心圆状的多个燃烧嘴(在本实施方式中，形成三列燃料喷嘴30及空气孔列)。在各燃烧嘴上配置有第一列六个、第二列十二个、第三列十八个燃料喷嘴30与由空气孔31A及空气孔31B构成的空气孔列。
在燃气轮机燃烧器2的燃烧部的中心，与燃气轮机燃烧器2同轴地配设一个燃烧嘴(先导燃烧嘴)41，在先导燃烧嘴41的周围配设六个燃烧嘴(主燃烧嘴)42。即，在本实施方式中，燃气轮机燃烧器2由具备七个燃烧嘴的复合燃烧嘴结构构成。在这七个燃烧嘴41、42中，共用基板32与旋转板33。即，在燃烧嘴41、42的旋转板33上设有上述各实施方式的空气孔31A、31B及隔壁部37等。
图18是由图16的单点划线包围的旋转板33(A部)的局部放大图。图19是由图17的单点划线包围的主燃烧嘴42(B部)的放大图。如图18及图19所示，隔壁部37以每一列均隔开由多个空气孔31A及空气孔31B构成的多个空气孔列的方式以同心圆状设有多个(在本实施方式中，在各燃烧嘴41、42分别设有两个隔壁部37)。利用该隔壁部37，旋转板33的空间部46被隔为将从空气孔31A喷出的混合气体向圆周方向引导的多个内部流道36(在本实施方式中，在各燃烧嘴41、42中分别隔为三个内部流道36)。该多个内部流道36与隔壁部37对应地形成为同心圆状。另外，如图18所示，即使在本实施方式中，空气孔31B也由具有旋转角的旋转空气孔构成。
如图16所示，在本实施方式中，从具备燃料断开阀210的燃料系统200通过头40向先导燃烧嘴41及主燃烧嘴42供给燃料。燃料系统200分支为具备F1燃料流量调节阀211的F1燃料系统201、具备F2燃料流量调节阀212的F2燃料系统202、具备F3燃料流量调节阀213的F3燃料系统203及具备F4燃料流量调节阀214的F4燃料系统204这四个燃料系统。
如图16及图17所示，在作为先导燃烧嘴41的F1燃烧嘴43上连接F1燃料系统201，供给至F1燃烧嘴43的F1燃料的流量F1由燃料流量调节阀211调节。六个主燃烧嘴42中的、两个主燃烧嘴42的构成第一列的F2燃烧嘴42连接有F2燃料系统202，供给至F2燃烧嘴44的F2燃料的流量由F2燃料流量调节阀212调节。六个主燃烧嘴42中的、其他四个主燃烧嘴42的构成第一列的F3燃烧嘴45上连接F3燃料系统203，供给至F3燃烧嘴45的F3燃料的流量由燃料流量调节阀213调节。六个主燃烧嘴42的构成第二、三列的F4燃烧嘴46上连接F4燃料系统204，供给至F4燃烧嘴46的F4燃料的流量由燃料流量调节阀214调节。
另外，在本实施方式中，在先导燃烧嘴41及主燃烧嘴42的全部的燃烧嘴上设有隔壁部37，但只要只在有以高精度进行燃料与空气的混合的需求的燃烧嘴上设置隔壁部37即可。例如，可以不在先导燃烧嘴41上设置隔壁部37，只在主燃烧嘴41上设置隔壁部37。
对本实施方式的燃气轮机燃烧器2的动作进行说明。
即使在本实施方式中，也与第一实施方式相同，从燃料喷嘴30喷射的燃料喷流34和流入燃气轮机燃烧器2的空气喷流35流入各燃烧嘴的空气孔31A，在内部流道36及空气孔31B中按该顺序流动。之后，如图16所示，一边形成旋转流60一边从各燃烧嘴的空气孔31B喷出，并作为预混合气体38供给至燃烧室50。此时，预混合气体38一边形成旋转流60一边从各燃烧嘴的空气孔31B喷出。以该循环流60，在各燃烧嘴中形成循环流61，在燃烧室50中形成火焰面62。另外，如在第一实施方式中说明那样，在起动时执行分级，燃料的喷射范围阶段性地扩大。
如上所述，在复合喷射式燃气轮机燃烧器方面也没问题，能应用本发明。
<其他>
本发明未限定于上述各实施方式，包括多种变形例。例如，上述实施方式是为了使本发明容易明白而详细地说明，未限定于具备说明的全部的结构。例如，能将某实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，或能在某实施方式的结构上追加其他实施方式的结构。另外，对各实施方式的结构的一部分，也能进行其他结构的追加、删除及置换。
在各实施方式中，对同轴地配置燃料喷嘴30与空气孔31A的场合进行说明。但是，只要能形成燃料与空气的同轴喷流，则燃料喷嘴30与空气孔31A的中心轴不需要完全一致，只要燃料喷嘴30朝向对应的空气孔31A即可。
另外，在各实施方式中，对燃料喷嘴30、空气孔31A及空气孔31B沿各环状列的整周形成的场合进行说明。但是，本发明的本质效果是高精度地控制各空气孔的燃空比，在从燃气轮机的点火到额定负荷的一连串的运转过程中，实现稳定燃烧，并且抑制NOX的排出量，只要能得到该本质的效果，未必需要燃料喷嘴30、空气孔31A及空气孔31B沿各环状列的整周形成。例如，在外周侧的环状列，也存在在环状列的一部分配置燃料喷嘴30、空气孔31A及空气孔31B的场合。
另外，在上述第一～第五实施方式中，对在基板32及旋转板33上形成八列空气孔列的场合进行说明。但是，只要得到上述的本发明的本质效果，则不需要使形成于基板32及旋转板33的空气孔列的数量为八列。例如，形成于基板32及旋转板33的空气孔列可以是七列以下或九列以上。
另外，在各实施方式中，对在基板32上设有隔壁部37的场合进行说明。但是，只要得到上述的本发明的本质效果，则不需要在基板32上设置隔壁部37。例如，可以在旋转板33上设置隔壁部37。另外，隔壁部37也可以与基板32、旋转板33均独立。
另外，在各实施方式中，对使基板32的空气孔31A与旋转板33的空气孔31B为相同数量的场合进行说明。但是，只要得到上述的本发明的本质效果，则不需要使空气孔31A与空气孔31B为相同数量。例如，可以相对于空气孔31A使空气孔31B的数量多，也可以相对于空气孔31A使空气孔31B的数量少。
另外，在各实施方式中，对燃料喷嘴30的端部从基板32的空气孔31A的入口离开的场合进行说明。但是，只要得到上述本发明的本质的效果，则不需要燃料喷嘴30的端部从空气孔31A的入口离开。例如，可以将燃料喷嘴30的前端插入空气孔31A。在该情况下，由于空气喷流35的流速会由于空气孔31A的入口面积的减少而增加，因此，进一步促进从燃料喷嘴30喷出的燃料与空气的混合。
另外，在各实施方式中，说明了将燃料喷嘴30的前端形成为简单的圆筒状的场合。但是，只要得到上述的本发明的本质的效果，则可以在各燃料喷嘴30的前端设置突起物而在喷出的燃料上产生涡流，进一步促进燃料与空气的混合。另外，可以使各燃料喷嘴30的燃料喷出孔的数量为多个而提高燃料的分散，进一步促进燃料与空气的混合。
符号说明
2—燃气轮机燃烧器，30—燃料喷嘴，32—基板(第一板)，33—旋转板(第二板)，37—隔壁部，46—空间部，50—燃烧室。

Claims (9)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备：
燃烧室，其使燃料与空气燃烧，并生成燃烧气体；
多个燃料喷嘴，其配置为同心圆状的多个环状列；
第一板，其配设于上述多个燃料喷嘴的下游侧，具有由分别与上述多个燃料喷嘴对应的多个空气孔构成的同心圆状的多个空气孔列；
第二板，其配设于上述第一板的下游侧，且具有分别与上述第一板的多个空气孔列对应的多个空气孔列；以及
隔壁部，其在每个上述空气孔列隔开上述第一板与上述第二板之间的空间部。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述第一板的空气孔的出口和上述第二板的空气孔的入口的位置在圆周方向上偏离。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述第一板的上述空气孔向燃烧器内衬的轴向在上述第一板的圆周方向上倾斜。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在上述空间部中由上述隔壁部划分而形成的流道的截面积是上述第一板的上述空气孔的截面积以上。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备：
多个燃料头，其分别连接于沿径向划分上述燃料喷嘴的多个环状列的多个区域；以及
多个燃料系统，其分别连接于上述多个燃料头。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在上述多个区域中的、最内侧的区域，在上述第二板的圆周方向上邻接的两个空气孔间的距离设定为比消焰距离大。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在上述第二板的空气孔中设有节流件。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备：
压缩机，其生成向上述燃气轮机燃烧器供给的压缩空气；以及
涡轮机，其由来自上述燃气轮机燃烧器的燃烧气体驱动。
9.一种燃气轮机燃烧器的改造方法，该燃气轮机燃烧器具备：燃烧室，其使燃料与空气燃烧，并生成燃烧气体；多个燃料喷嘴，其配置为同心圆状的多个环状列；以及第一板，其配设于上述多个燃料喷嘴的下游侧，具有由分别与上述多个燃料喷嘴对应的多个空气孔构成的同心圆状的多个空气孔列，
该燃气轮机燃烧器的改造方法的特征在于，
追加第二板和隔壁部，
上述第二板配设于上述第一板的下游侧，具有分别与上述第一板的多个空气孔列对应的多个空气孔列，
上述隔壁部在每个上述空气孔列隔开上述第一板与第二板之间的空间部。
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