CN105229379A - 燃气涡轮燃烧器 - Google Patents

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Abstract

在多个由燃料和空气的同轴喷流构成的多孔同轴喷流喷烧器中，在作为喷烧器的燃烧室侧的端面的旋转板(33)，具备多个将燃料和空气的未燃预混合气供给至燃烧室的空气孔，在旋转板所具备的空气孔的下游设置槽(36)。而且，未燃预混合气的一部分在槽中流动，火焰难以附着于旋转板。另外，槽彼此之间的残留部(37)为淬熄距离程度的数毫米宽度，也能够防止对残留部的火焰附着。由此不依靠负载条件就能够兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。

Description

燃气涡轮燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气涡轮燃烧器。
背景技术
对环境保护的限制、社会的要求日益增强，在燃气涡轮中也要求进一步的高效率化、低NOx化。作为使燃气涡轮高效率化的一措施，考虑使涡轮入口的气体温度上升。在这种情况下，担忧伴随着燃气涡轮燃烧器的火焰温度的上升而NOx的排出量增加。
燃气涡轮燃烧器中为了减少NOx排出量，有时采用了将燃料和空气预先混合的混合气供给至燃气涡轮燃烧器并使它们燃烧的燃烧方式即预混合燃烧的燃气涡轮燃烧器。采用了预混合燃烧的燃气涡轮燃烧器具备：具有预先将燃料和空气混合的预混合器的喷烧器；以及位于喷烧器的下游并使与空气混合的燃料燃烧的燃烧室。预混合燃烧使火焰温度均匀化所以对低NOx化有效，然而如果空气温度上升或包含于燃料中的氢含量增加，则燃烧速度增加，因此产生火焰意外地逆流到预混合器的逆火的可能性增加。因此，对兼具NOx排出量的抑制和耐逆火性的燃气涡轮燃烧器的要求提高。
关于兼具NOx排出量的抑制和耐逆火性的燃气涡轮燃烧器，在日本专利第3960166号公报公开了涉及如下燃气涡轮燃烧器的技术，具备将多个燃料喷嘴和多个空气孔同轴地配置的多孔同轴喷烧器，通过该喷烧器将燃料和空气的多个同轴喷流供给至燃烧室并使它们燃烧。该文献所公开的燃气涡轮燃烧器与以往的采用了预混合燃烧的燃气涡轮燃烧器相比，以非常短的距离迅速地混合燃料和空气，所以能够兼得NOx排出量的抑制和耐逆火性。另外，以往，煤气化气体、焦炭炉气体等的氢含量高且燃烧速度快的燃料通过扩散燃烧方式来应对，但也可以对这种燃料应用。
另外，在日本专利第4838107号公报公开了从喷烧器中心以同心圆状多列地配置燃料和空气的多个同轴喷流的构造。该构造中，燃料和空气的多个同轴喷流以同心圆状分组。对应于燃气涡轮的负载的增减，使供给燃料的同轴喷流在径向增减的这种方法被称为燃料分级。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3960166号公报
专利文献2：日本专利第4838107号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在日本专利第4838107号公报公开的喷烧器中，喷烧器的中央形成旋转流来确保燃烧稳定性，喷烧器的外周由于稀薄燃烧而进行低NOx燃烧，所以能够兼得燃烧稳定性和低NOx燃烧。
然而，如果由于燃气涡轮的运转状态的急变等的干扰，而使空气、燃料的流量变动且燃料的流量增加，则假定在喷烧器的外周燃料浓度上升而燃烧速度增加。此时，火焰周期性地反复接近喷烧器、远离喷烧器，变为不稳定燃烧。不稳定燃烧不仅使燃气涡轮的性能降低，还有可能影响构造物。
本发明的目的在于提供能够兼得喷烧器的中央的稳定燃烧和喷烧器的外周的低NOx燃烧的预混合燃烧式的燃气涡轮燃烧器。
用于解决课题的方法
本发明为了实现上述目的，具备：使燃料和空气燃烧来生成燃烧气体的燃烧室；配设有喷出燃料的多个燃料喷嘴的燃料喷头；形成有将从上述多个燃料喷嘴喷射的燃料和空气向上述燃烧室喷出的多个空气孔的空气孔板；以及在上述空气孔板的上述燃烧室侧的面上与上述空气孔连结地设置的槽。
根据本发明，能够兼得喷烧器的中央的稳定燃烧和喷烧器的外周的低NOx燃烧。
附图说明
图1是具备本发明的第一实施方式的燃气涡轮燃烧器2的发电用的燃气涡轮设备1000的整体结构图。
图2是详细地表示构成图1所示的燃气涡轮燃烧器2所具备的喷烧器5的多个燃料喷嘴30、基板32以及旋转板33的配置状况的部分构造图。
图3是图2中的基板32以及旋转板33周边的放大图。
图4是从下游侧观察本发明的第一实施方式的空气孔板的图。
图5是由图4中的虚线的矩形包围的区域的放大图。
图6是图5中的A－A’截面的立体图。
图7是针对图5中的B－B’截面示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。
图8是本发明的第一实施方式的燃气涡轮设备1000的燃烧器2的运用方法。
图9是从下游侧观察本发明的第二实施方式的空气孔板的图。
图10是由图9中的虚线的矩形包围的区域的放大图。
图11是图10中的A－A’截面的立体图。
图12是针对图10中的B－B’截面示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。
图13是本发明的第二实施方式的变形例的燃气涡轮燃烧器的剖视图。
图14是从下游侧观察本发明的第三实施方式的空气孔板的图。
图15是由图14中的虚线的矩形包围的区域的放大图。
图16是图15中的A－A’截面的立体图。
图17是针对图15中的B－B’截面示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。
图18是本发明的第三实施方式的槽36的放大图。
图19是本发明的第三实施方式的槽36的变形例的放大图。
图20是本发明的第四实施方式的燃气涡轮燃烧器的剖视图。
图21是从下游侧观察本发明的第四实施方式的空气孔板的图。
图22是图20中由点划线的矩形包围的旋转板33的一部分(A部)的放大图。
图23是图21中由点划线的圆包围的主喷烧器42的一组(B部)的放大图。
具体实施方式
以下，使用附图，说明本发明的实施方式。
(1)第一实施方式
首先，使用图1，对具备本发明的第一实施方式的燃气涡轮燃烧器的燃气涡轮设备进行说明。本发明的第一实施方式的燃气涡轮燃烧器具备将燃料和空气混合而喷出至燃烧室并使它们燃烧的多个喷烧器；配设有喷出燃料的多个燃料喷嘴的燃料喷头；形成有将燃料和空气混合并喷出至燃烧室的多个空气孔的空气孔板；以及将燃料喷嘴和空气孔同轴地配设而形成的多个燃料和空气的同轴喷流，上述涡轮燃烧器的特征在于，在空气孔的下游设置供从空气孔向燃烧室供给的未燃预混合气的一部分流动的槽，并且槽间的残留量为数毫米左右。
图1表示具备本发明的第一实施方式的燃气涡轮燃烧器2的发电用的燃气涡轮设备1000的整体结构。图1表示的发电用的燃气涡轮设备1000具备：对吸入空气100加压而生成高压空气101的压缩机1；将由压缩机1中生成的高压空气101和通过燃料系统200供给的燃料混合并使它们燃烧，从而生成高温的燃烧气体102的燃气涡轮燃烧器2；被由燃气涡轮燃烧器2生成的高温的燃烧气体102驱动的涡轮3；以及利用涡轮3的驱动而旋转从而产生电力的发电机20。
压缩机1、涡轮3以及发电机20通过一体的传动轴21而相互连结，驱动涡轮3而得到的驱动力经由传动轴21而传递至压缩机1以及发电机20。
燃气涡轮燃烧器2收纳在燃气涡轮装置的外壳4的内部。另外，在燃气涡轮燃烧器2设置有喷烧器5，在成为该喷烧器5的下游侧的燃气涡轮燃烧器2的内部配设有将从压缩机1供给的高压空气101和由燃气涡轮燃烧器2生成的高温的燃烧气体102分开的大致圆筒状的燃烧器衬套10。
在燃烧器衬套10的外周侧，配设有成为形成使高压空气101从压缩机1向燃气涡轮燃烧器2流下的空气流道的外周壁的气流套筒11，气流套筒11形成为直径比燃烧器衬套10大并与该燃烧器衬套10几乎同心圆的圆筒状。
形成于燃烧器衬套10的内侧的燃烧室50中，从喷烧器5喷出的高压空气101和通过燃料系统200供给的燃料的混合气燃烧。在燃烧器衬套10中距喷烧器5远的一方(高温燃烧气体102的流通方向的下游侧)的端部，安装有用于将在燃烧室50中产生的高温燃烧气体102导入至涡轮3的尾筒内筒12。在尾筒内筒12的外周侧隔着规定的间隔配设有尾筒外筒13。
在燃烧器衬套10中喷烧器5侧(高温燃烧气体102的流通方向的上游侧)的端部安装有与燃烧器衬套10的中心轴配置在同轴上，且构成燃烧室50的喷烧器5侧的壁面的大致圆盘状的板即空气孔板32、33。该空气孔板由基板32和旋转板33构成，在它们上形成有多个空气孔31。旋转板33面向形成于燃烧器衬套10的内侧的燃烧室50地配设。
吸入空气100被压缩机1压缩后成为高压空气101，该高压空气101供给至外壳4内并充满后，流入形成于尾筒内筒12与尾筒外筒13之间的空间，从外壁面对尾筒内筒12进行对流冷却。在尾筒内筒12与尾筒外筒13之间的空间流下的高压空气101进一步通过形成于气流套筒11与燃烧器衬套10之间的环状的流道而朝向燃气涡轮燃烧器2流下，然而在该流下的中途用于设置在燃气涡轮燃烧器2的内部的燃烧器衬套10的对流冷却。
另外，在形成于气流套筒11与燃烧器衬套10之间的环状的流道流下的高压空气101的一部分从设置在燃烧器衬套10的壁面的多个冷却孔向燃烧器衬套10的内部流入并用于该燃烧器衬套10的薄膜冷却。而且，在环状的流道流下但没有用于燃烧器衬套10的薄膜冷却的剩余的高压空气101从设置于燃气涡轮燃烧器2的喷烧器5所具备的多个空气孔31作为燃烧空气供给至燃烧器衬套10。
喷烧器5从具备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、以及具备F4燃料流量调节阀214的F4燃料系统204这四个燃料系统接受燃料的供给。图1所示的例中，该四个燃料系统201、202、203、204从具备燃料遮断阀(开闭阀)210的燃料系统200分别分支。
来自四个燃料系统201、202、203、204的燃料被导入根据离燃烧器衬套10的中心轴的径向距离被划分为四个的喷头40，从该喷头40经由燃料喷嘴30喷射。
通过F1燃料系统201供给至喷烧器5的F1燃料的流量利用F1燃料流量调节阀211来调节。通过F2燃料系统202供给至喷烧器5的F2燃料的流量利用F2燃料流量调节阀212来调节。通过F3燃料系统203供给至喷烧器5的F3燃料的流量利用燃料流量调节阀213来调节。通过F4燃料系统204供给至喷烧器5的F4燃料的流量利用燃料流量调节阀214来调节。利用燃料流量调节阀211～214，分别调节F1燃料～F4燃料的燃料流量，从而控制燃气涡轮设备1000的发电量。
接下来，对燃气涡轮燃烧器2的详细的结构进行说明。图2是详细的表示结构图1所示的燃气涡轮燃烧器2所具备的喷烧器5的多个燃料喷嘴30、基板32以及旋转板33的配置状况的部分构造图，是后述的图4的A－A’剖视图。图3是图2中的基板32以及旋转板33周边的放大图。
在图2所示的喷烧器5，相对于燃料喷头40安装有多个燃料喷嘴30。多个燃料喷嘴30沿着中心相同且半径不同的多个圆周配置。这里沿着半径不同的八个圆周配置，如果在径向观察则排列有八列的环状的燃料喷嘴群(参照后面的图4)。在各燃料喷嘴30的轴向的燃料喷出侧(燃料喷出方向的下游侧)分别配置有一个空气孔31。即，一个空气孔31对应一个燃料喷嘴30来配置。如果这样地配置一个燃料喷嘴30和一个空气孔31，则如图2中的放大图所示，能够将从燃料喷嘴30喷出的燃料(燃料喷流)34和通过空气孔31的空气(空气喷流)35作为同轴喷流向燃烧室50内喷出。
各空气孔31相对于形成空气孔板的两张大致圆盘状的板(基板32和旋转板33)，对应各燃料喷嘴30的位置地设置。图示的例子中，基板32上的空气孔31形成为成为端面的两个圆与母线正交的直圆柱状，旋转板33上的空气孔31形成为成为端面的两个圆不与母线正交的斜圆柱状。
基板32和旋转板33经由支撑件15安装于燃料喷头40。图2所示的支撑件15成为将平板弯曲加工的形状。若这样形成支撑件15，则利用弯曲构造能够吸收周向的热伸展，能够提高构造可靠性。
基板32的直圆柱状的空气孔31与对应的燃料喷嘴30配置在同轴上。旋转板33的斜圆柱状的空气孔31是具有旋转角的旋转空气孔，其一方的端部(端面)与基板32的空气孔31的燃烧室50侧的端部(端面)连结。旋转板33的空气孔31的另一方的端部(燃烧室50侧的端面)相对于旋转板33的空气孔31的一方的端部，向配置多个空气孔31的圆周的切线方向偏离。
如图3所示，将形成于旋转板33的空气孔31的两端的圆的中心相连而得到的该空气孔31的中心轴以与燃料喷嘴30的中心轴、基板32的空气孔31的中心轴或者燃烧器衬套10的中心轴的方向呈规定的角度α°的方式倾斜地形成于旋转板33(此外，此处的“呈规定的角度”是指空气孔31的中心轴和其他的中心轴(燃料喷嘴30的中心轴、基板32的空气孔31的中心轴、或者燃烧器衬套10的中心轴)不平行。)。角度α规定从空气孔31的空气的喷出方向。这样将旋转板33的空气孔31形成为具有角度α°的斜管(斜圆柱)，从而对通过旋转板33的空气孔31的流体赋予旋转成分，通过由此产生的循环流而使火焰稳定化。各空气孔31的角度α°在各列中设定为最佳的值。
此外，这里，将燃料喷嘴30和基板32的空气孔31配置在同轴上，然而两者的中心轴没有必要完全一致，只要能够形成燃料与空气的喷流则两者的中心轴也可以偏离。
通过上述的同轴喷流构造，通过形成在燃气涡轮燃烧器2的气流套筒11和燃烧器衬套10之间的环状的流道而供给至该燃气涡轮燃烧器2的高压空气101的一部分首先成为图2所示的空气喷流35而供给至形成于基板32的空气孔31，在该基板32的空气孔31流下并被形成于旋转板33的空气孔31赋予旋转从而被供给至燃烧室50。
另外，在形成于基板32的空气孔31内燃料和空气未混合，因此不会发生燃料的自起火，基板32以及旋转板33不会融损，所以能够实现可靠性高的燃气涡轮燃烧器2。另外，通过形成多个这种较小的同轴喷流，燃料和空气的界面增加而促进混合，所以能够抑制燃气涡轮燃烧器2的燃烧时NOx的产生量。
图4是从下游侧观察本实施方式的空气孔板(基板32以及旋转板33)的图。本实施方式的燃气涡轮燃烧器2中，多个空气孔31(以及，未图示的与空气孔31成对的燃料喷嘴30)从圆盘状的空气孔板的径向的内侧遍及外侧，环状的空气孔列同心状地配置为八列。以下，有时将包含于该八个空气孔列的各空气孔列从内侧朝向外侧称为第一列、第二列、…、第八列，并将各空气列区别开来进行说明。
本实施方式中，形成燃气涡轮燃烧器2的燃烧部的喷烧器被分为四组。中心侧的四列(第一列～第四列)形成第一组的燃烧部(F1喷烧器)，第五列形成第二组的燃烧部(F2喷烧器)，第六列形成第三组的燃烧部(F3喷烧器)，外周侧的两列(第七列以及第八列)形成第四组的燃烧部(F4喷烧器)。
如图1所示，从具备流量控制阀211的燃料系统201向F1喷烧器供给燃料，从具备流量控制阀212的燃料系统202向F2喷烧器供给燃料，从具备流量控制阀213的燃料系统203向F3喷烧器供给燃料，从具备流量控制阀214的燃料系统204向F4喷烧器供给燃料。
通过这样的燃料系统201～204的分组构造，能够实现相对于燃气涡轮的燃料流量变化使供给燃料的燃料喷嘴30的根数阶段性地变化的燃料分级，能够实现确保燃气涡轮部分负载运转时的燃烧稳定性和低NOx化。
F1喷烧器中，相邻的两个空气孔31形成的间隙的距离(孔间距离)被设定为比淬熄距离大的值，由此使火焰附着于该间隙从而强化火焰的稳定性。
另一方面，在F2喷烧器、F3喷烧器以及F4喷烧器中，为了从部分负载条件到额定负载条件中进行低NOx燃烧，重要的是不使火焰附着于相邻的2个空气孔31形成的间隙，而是使火焰从旋转板33向下游浮出。另外，流道从空气孔31向燃烧室50急速扩大时，燃料喷流34和空气喷流35的同轴喷流中燃料和空气的混合迅速地进行。因此，若在从旋转板33向下游分离的位置形成火焰，则燃料和空气充分混合的预混合气燃烧，因此能够实现低NOx燃烧。
因此，在本实施方式中，相对于构成F2喷烧器、F3喷烧器以及F4喷烧器的第五列到第八列的空气孔组，在旋转板33中燃烧室侧50的面上设置与空气孔31连结的槽36。以下，将旋转板33上没有F1喷烧器的槽36的区域称为“第一区域”，将旋转板33上的设置有F2喷烧器、F3喷烧器以及F4喷烧器的槽36的区域称为“第二区域”。也就是说，第一区域是距旋转板33的中心径向距离不足规定值的区域，第二区域是距旋转板33的中心径向距离在该规定值以上的区域。
槽36被设置为位于来自旋转板33的空气孔31的空气的喷出方向的下游侧。本实施方式的槽36配合圆周状地排列的空气孔列的排列方向而在旋转板33上设置为环状，在旋转板33上，设置有四个中心相同且半径不同的圆周形状的槽36。此外，来自旋转板33的空气孔31的空气的喷出方向对应于旋转板33的空气孔31的中心轴(与燃料喷嘴30的中心轴呈角度α)的方向，在槽36和空气孔31的配置关系中，以将旋转板33的空气孔31的中心轴相对于旋转板33垂直投影而得到的直线的方向(本实施方式的情况下各空气孔列的圆周的切线方向)为基准设置槽36即可。因此，在本实施方式中，配合空气孔31的排列方向来设置环状的槽36。
图5是由图4中的虚线的矩形包围的区域的放大图，图6是图5中的A－A’截面的立体图。如这些图所示，槽36的宽度W36(板32、33的径向的槽36的大小)是与空气孔31的孔径同等的尺寸。另外，板32、33的径向上相邻的两个槽36形成的间隙(以下，有时将该间隙称为“残留部”)37的宽度W37(板32、33的径向上的残留部37的大小)设定为淬熄距离以下的尺寸，例如设定为数毫米左右。另外，以残留部37为基准的槽36的深度D36(板32、33的轴向上的槽36的大小)为与残留部37的宽度同等的尺寸，例如设定为数毫米左右。
用图7说明本实施方式中的燃料和空气的流动。图7是针对图5中的B－B’截面，示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。如该图所示，从燃料喷头40向燃料喷嘴30供给的燃料从燃料喷嘴30的喷出孔喷射并作为燃料喷流34向空气孔31流下。从压缩机1供给的压缩空气101对尾筒内筒12和燃烧器衬套10进行对流冷却后，成为空气喷流35而向空气孔31流下。基板32的空气孔31是直管(直圆柱)，其下游的旋转板33的空气孔31是斜管(斜圆柱)。在该空气孔31的内部进行燃料喷流34和空气喷流35的混合，因此在旋转板33的空气孔31的出口附近，燃料和空气混合而成为未燃预混合气。此外，如上所述，在流道从空气孔31向燃烧室50急速扩大时，燃料和空气的混合迅速地进行，因此在空气孔31的出口附近，严格来说燃料和空气不完全混合。然而，为了方便，这里将空气孔31的出口附近的燃料与空气的混合气称为未燃预混合气。
被旋转板33的空气孔31被赋予旋转的未燃预混合气作为未燃预混合气主流38向燃烧室50流动并燃烧。此时，未燃预混合气被赋予旋转，因此作为未燃预混合气的一部分的未燃预混合气副流39因旋转成分的动量而沿着槽36流下。流向槽36的未燃预混合气副流39沿着形成为圆周状的槽36在圆周方向上流动，所以防止火焰附着于在包含于相同的空气孔列且在圆周方向相邻的两个空气孔31之间。
另外，淬熄距离是指火焰能够稳定地存在的界限的尺寸，其距离根据温度，压力等的环境条件而变化，然而一般来说其尺寸为2～3毫米。因此，如果如上所述将残留部37的宽度设定为数毫米，则成为与一般的淬熄距离相同程度的尺寸，因此能够容易地抑制向残留部37的火焰附着。因此，在旋转板33的空气孔31的下游、具备槽36和残留部37的F2～F4喷烧器中，防止向旋转板33的火附着。
这样，在位于喷烧器5的中央的F1喷烧器中，火焰附着于旋转板33而确保燃烧稳定性。再有，F1喷烧器将为了完成燃烧而向F2喷烧器～F4喷烧器传递充分的量的燃烧热。而且，位于喷烧器5的外周的F2～F4喷烧器中，通过槽36的作用来抑制对旋转板33的火焰的附着，所以能够进行低NOx燃烧。
图8是表示作为本实施方式的燃气涡轮设备1000的燃烧器2的运用方法的径向的燃料分级，横轴为时间轴，纵轴为燃料流量。如该图所示，首先，燃气涡轮的点火时，对F1～F3喷烧器(第一列～第六列)供给燃料并燃烧，不对F4喷烧器(第七列、第八列)供给燃料。
点火后，切换为F1喷烧器(第一列～第四列)的单独燃烧，使涡轮3升速直到达到额定转速无负载状态(FSNL：FullSpeedNoLoad)为止。若使涡轮3升速到额定转速，则开始发电并增加负载。按照负载的增加，以燃气涡轮燃烧器2的喷烧器5的燃料空气比成为稳定燃烧范围的方式，增加向F1、F2、F3、F4喷烧器依次地供给燃料的燃料系统。由此，能够在向全部的喷烧器(F1～F4喷烧器)供给燃料的燃烧状态下成为额定转速额定负载(FSNL：FullSpeedNoLoad)。
如上所述，根据本实施方式，在喷烧器的中央火焰附着于旋转板33所以能够确保燃烧稳定性，在喷烧器的外周火焰不会附着于旋转板33所以能够进行低NOx燃烧。即，根据本实施方式，能够兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。
(2)第二实施方式
接下来，对本发明的第二实施方式的燃气涡轮燃烧器进行说明。本实施方式的燃气涡轮以及燃气涡轮燃烧器与图1～图8所示的第一实施方式共用基本的结构。因此，省略两者共用的结构以及作用的说明，以下主要说明不同的部分。另外，本实施方式的燃烧器2的运用方法与使用图8说明的第一实施方式几乎相同，所以省略说明。
图9是从下游侧观察本发明的第二实施方式的空气孔板(基板32以及旋转板33)的图。本实施方式与第一实施方式不同点在于，设置有槽36的F2喷烧器，F3喷烧器以及F4喷烧器(第二区域)的旋转板33的空气孔31的孔径比没有槽36的F1喷烧器(第一区域)的空气孔31的孔径大。此外，在图示的例子中，F2喷烧器～F4喷烧器(第二区域)的空气孔31的孔径为F1喷烧器(第一区域)的约1.2倍。另外，只要是能够相邻的空气孔31中孔彼此不干涉地设置于旋转板33的孔径，越是大径越能期待效果，即使是1.2倍以上的大径也没问题。
图10是由图9中的虚线的矩形包围的区域的放大图，图11是图10中的A－A’截面的立体图。从该图可知，通过减小残留部37的宽度W37来确保槽36的宽度W36，使旋转板33的空气孔31的孔径大径化。以残留部37为基准的槽36的轴向的深度D36与第一实施方式相同地设定为数毫米。
用图12来说明本实施方式的燃料和空气的流动。图12是针对图10中的B－B’截面，示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。将该图与图7比较可知，本实施方式的基板32的空气孔31与第一实施方式的形状相同，然而本实施方式的旋转板33的空气孔31比第一实施方式的孔径大。
在这样地构成的空气孔31的内部，与第一实施方式相同，燃料喷流34和空气喷流35混合而成为未燃预混合气，该未燃预混合气在旋转板33被赋予旋转，并被供给至燃烧室50。然而，在本实施方式中，通过将旋转板33的空气孔31的孔径大径化，从而与第一实施方式相比能够使未燃预混合气副流39向较宽的槽36流动，因此能够在旋转板33的较广的区域防止火焰附着。另外，若槽36的宽度W36变宽，则残留部37的宽度与第一实施方式相比必然变小，因此残留部37的宽度与淬熄距离程度相同或者其以下，与第一实施方式相比能够进一步地防止向残留部37的火焰附着。
因此，即使像本实施方式那样设置槽36，在喷烧器的中央火焰附着于旋转板33所以能够确保燃烧稳定性，在喷烧器的外周火焰不会附着于旋转板33所以能够进行低NOx燃烧，所以兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。
图13是本发明的第二实施方式的变形例的燃气涡轮燃烧器的剖视图。该图相当于将该变形例的燃气涡轮燃烧器以与图12相同的截面切断的图，在该截面示意性地表示燃料和空气的流动。
图13所示的燃气涡轮燃烧器中的旋转板33的空气孔31设置为其孔径朝向空气孔出口逐渐扩大。若这样地设置空气孔31，则在设置与基板32的空气孔31与设置于旋转板33的空气孔31的连接部上不产生图12所示那样的高度差，所以能够避免由于因流道的急速扩大而引起的旋涡的产生等导致在空气孔31的内部流动变得不稳定。另外，流道的急速扩大成为使压力损失增加的重要因素，但通过像变形例那样做成流道面积平滑地扩大的流道则能够减少通过空气孔31时产生的压力损失，有助于燃气涡轮的效率提高。
此外，对于空气孔31的孔径，在本实施方式中与基板32的空气孔31的孔径相比，旋转板33的空气孔31的孔径为大径，但即使是基板32的孔径是与旋转板33是相同的大径，也能够同样地期待火焰附着抑制效果。
(3)第三实施方式
接下来，对本发明的第三实施方式的燃气涡轮燃烧器进行说明。本实施方式的燃气涡轮以及燃气涡轮燃烧器也与图1～图8所示的第一实施方式共用基本的结构，因此以下主要说明不同的部分。此外，本实施方式的燃气涡轮设备的燃烧器的运用方法也与本发明的第一实施方式几乎相同，因此省略说明。
图14是从下游侧观察本发明的第三实施方式的空气孔板(基板32以及旋转板33)的图。
与之前的两个实施方式的不同点在于，本实施方式中设置在F2喷烧器、F3喷烧器以及F4喷烧器的槽36不是像之前的两个实施方式那样在底部具备圆周状地排列的多个空气孔31的环状的槽，而是针对每一个空气孔31设置一个的独立的槽。
本实施方式的多个槽36分别连结于一个空气孔31的出口，从其连结部沿着该空气孔31的空气喷出方向在旋转板33上延伸地设置规定的距离。此外，不言而喻，槽36的延伸配置距离不足到圆周方向上位于空气流通方向的下游侧的其他的空气孔31为止的距离。
图15是由图14中的虚线的矩形包围的区域的放大图，图16是图15中的A－A’截面的立体图。如这些图所示，本实施方式的槽36在旋转板33上延伸的方向相当于将规定来自空气孔31的空气的喷出方向的中心轴相对于旋转板33垂直投影而得到的直线(例如，图15中的箭头L36)的方向，在图示的例子中，与包含各空气孔31的空气孔列形成的圆周的切线方向一致。即，本实施方式的槽36向包含各空气孔31的空气孔列所形成的圆周的、该空气孔31的位置的切线方向延伸。在各槽36的空气喷出方向的下游侧设置有朝向空气喷出方向的下游侧槽36的深度逐渐变浅的倾斜部61。
用图17来说明本实施方式的燃料和空气的流动。图17是针对图15中的B－B’截面，示意性地表示燃料和空气的流动的剖视图。在本实施方式的空气孔31的内部，如图所示，与第一以及第二实施方式相同地燃料喷流34和空气喷流35混合而成为未燃预混合气，该未燃预混合气在旋转板33被赋予旋转，并被供给至燃烧室50。而且，未燃预混合气被分为沿着空气孔31的中心轴向喷出的未燃预混合气主流38和沿着槽36的表面流动的未燃预混合气副流39。
未燃预混合气主流38直接被供给至燃烧室50。另一方面，未燃预混合气副流39沿着与空气孔31的出口连接的槽36流动后，被供给至燃烧室50。若从燃烧器衬套10的轴向观察，则槽36的延伸配置方向与空气孔31的旋转方向(中心轴的方向)一致，因此与将槽36设置在圆周方向(环状)的第一以及第二实施方式相比能够高效地利用未燃预混合气副流39的动量，能够使未燃预混合气副流39遍及槽36内的全部区域内容易地流动。因此，能够有效地防止对旋转板33的火焰附着。另外，各个槽36独立，因此能够防止槽36中与从相邻的空气孔31供给的未燃预混合气副流39的干涉。
因此，根据本实施方式，在喷烧器5的中央使火焰附着于旋转板来确保燃烧稳定性，在喷烧器5的外周使火焰不附着于旋转板来进行低NOx燃烧，能够兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。
图18是本实施方式的槽36的放大图，图19是本实施方式的槽36的变形例的放大图。如图18所示，本实施方式的槽36的宽度D36(参照图16)以与空气孔31的孔径同等的尺寸保持恒定，但也可以如图19所示，采用朝向槽36A中的空气喷出方向的下游侧使该槽36A的宽度W36A逐渐扩大，并一边使未燃预混合气副流39的宽度增大一边流向燃烧室50的构造。若形成图19那样的槽36A，则与槽的宽度恒定的情况相比较能够使未燃预混合气副流39在广泛的区域流动，因此容易广泛地抑制对旋转板33的火焰的附着。另外，由于旋转板33的残留部37变小，因此也能够防止对残留部37的火焰附着。
此外，上述的各实施方式中，举例说明了相对于旋转板33(空气孔板)的中心将多个燃料喷嘴以及空气孔以同心状配置多个(八列)而构成的燃烧器，然而本发明也能够应用于相对于旋转板33上的多个点将多个燃料喷嘴以及空气孔以同心状配置而构成的燃烧器(多重喷射式的燃烧器)。用图20至图23来说明该情况的一个例子作为第四实施方式。
(4)第四实施方式
本实施方式的燃气涡轮以及燃气涡轮燃烧器也与第一实施方式共用基本的结构，因此这里主要说明不同的部分。
图20是本发明的第四实施方式的燃气涡轮燃烧器的剖视图，是相当于第一实施方式的图2的图。图21是从下游侧观察本发明的第四实施方式的空气孔板的图，是相当于第一实施方式的图4的图。
这些图所示的燃气涡轮燃烧器具备多个以同心圆状分别配置多列(三列)的燃料喷嘴30以及空气孔31而构成的一组喷烧器41、42。具体来说，在第一列配置六个，第二列配置十二个，第三列配置十八个燃料喷嘴30以及空气孔31来构成一组喷烧器。而且，在燃气涡轮燃烧器2的轴中心，作为先导喷烧器41配设一组该喷烧器，在其周围作为主喷烧器42配设六组该喷烧器，为由共七组的喷烧器构成的多重喷烧器构造。
在本实施方式的喷烧器中，通过具备燃料遮断阀210的燃料系统200来供给燃料，配设有从燃料系统200分支的具备F1燃料流量调节阀211的F1燃料系统201、从燃料系统200分支的具备F2燃料流量调节阀212的F2燃料系统202、从燃料系统200分支的具备F3燃料流量调节阀213的F3燃料系统203、从燃料系统200分支的具备F4燃料流量调节阀214的F4燃料系统204这四个燃料系统。
通过F1燃料系统201供给的F1燃料的流量利用F1燃料流量调节阀211来调节，供给至作为先导喷烧器41的F1喷烧器43。通过F2燃料系统202供给的F2燃料的流量利用F2燃料流量调节阀212来调节，供给至主喷烧器42中两组喷烧器的第一列的F2喷烧器44。通过F3燃料系统203供给至喷烧器5的F3燃料的流量利用燃料流量调节阀213来调节，供给至主喷烧器42中四组喷烧器的第一列的F3喷烧器45。通过F4燃料系统204供给至喷烧器5的F4燃料的流量利用燃料流量调节阀214来调节，供给至主喷烧器42的全组喷烧器的第二、三列的F4喷烧器45。
与第一实施方式相同，通过从燃料系统201～204的四个系统供给燃料的构造，能够实现相对于燃气涡轮的燃料流量变化使供给燃料的燃料喷嘴的根数阶段性地变化的燃料分级，能够实现燃气涡轮部分负载运转时的燃烧稳定性的确保和低NOx化。
再有，在旋转板33中，对各个喷烧器的第一列、第二列、第三列的空气孔31赋予旋转成分。因此，如图20所示，在各喷烧器中形成旋转流60。根据该旋转流60，在各喷烧器形成循环流61，形成火焰面62从而进行稳定燃烧。
图22是图20中由点划线的矩形包围的旋转板33的一部分(A部)的放大图，图23是图21中由点划线的圆包围的主喷烧器42的一组(B部)的放大图。多重喷烧器构造中，在各喷烧器的第一列使火焰附着于旋转板33来确保燃烧稳定性，在第二列和第三列使火焰不附着于旋转板33来进行低NOx燃烧。在本实施方式中，在各喷烧器的第二列和第三列设置了槽36。此外，如图22所示，各空气孔31与之前的各实施方式相同地由具有旋转角的旋转空气孔构成。
若像本实施方式一样设置槽36，则在槽36流动从空气孔31供给的燃料和空气的未燃预混合气的一部分(未燃预混合气副流)，所以能够防止火焰附着于第二列的空气孔间以及第三列的空气孔间。再有，将槽36的宽度设在空气孔31的直径以上且将残留部37的宽度设为淬熄距离以下，从而能够防止火焰附着于残留部37。这样，多重喷烧器构造的各喷烧器中，能够兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。因此，根据本实施方式，在各喷烧器的第一列中使火焰附着于旋转板而能够确保燃烧稳定性，在各喷烧器的第二列和第三列不使火焰附着于旋转板而进行低NOx燃烧，从而能够兼得稳定燃烧和低NOx燃烧。
此外，在本实施方式中，先导喷烧器41和主喷烧器42的全部的喷烧器中的第二列和第三列配设了槽36，但能够省略先导喷烧器41的第二列和第三列的槽36。如果省略先导喷烧器41中的第二列和第三列的槽36，则能够进一步强化燃烧稳定性。
另外，本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离其要旨的范围内还包含各种变形例。例如，本发明并不限定于具备在上述的实施方式中说明的全部的结构，也包含删除其构成的一部分的结构。另外，也可以将某实施方式的结构的一部分在其它的实施方式的结构追加或者置换。
符号的说明
1—压缩机，2—燃气涡轮燃烧器，3—涡轮，4—外壳，5—喷烧器，10—燃烧器衬套，11—气流套筒，12—燃烧器尾筒内筒，13—尾筒外筒，14—弹簧密封件，15—支撑件，20—发电机，21—传动轴，30—燃料喷嘴，31—空气孔，32—基板，33—旋转板，34—燃料喷流，35—空气喷流，36—槽，37—残留部，38—未燃预混合气主流，39—未燃预混合气副流，40—燃料喷头，50—燃烧室，100—吸入空气，101—高压空气，102—高温燃烧气体，103—排气，200—燃料系统，201—F1燃料系统，202—F2燃料系统，203—F3燃料系统，204—F4燃料系统，210—燃料遮断阀，211—F1燃料流量调节阀，212—F2燃料流量调节阀，213—F3燃料流量调节阀，214—F4燃料流量调节阀，1000—燃气涡轮设备。

Claims (7)

1.一种燃气涡轮燃烧器，其特征在于，具备：
使燃料和空气燃烧来生成燃烧气体的燃烧室；
配设有喷出燃料的多个燃料喷嘴的燃料喷头；
形成有将从上述多个燃料喷嘴喷射的燃料和空气向上述燃烧室喷出的多个空气孔的空气孔板；以及
在上述空气孔板的上述燃烧室侧的面上与上述空气孔连结地设置的槽。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
上述空气孔以其中心轴与燃烧器衬套的轴向呈规定的角度的方式倾斜地形成于上述空气板，
上述槽设置为位于来自上述空气孔的空气的喷出方向的下游侧。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
上述槽在上述空气孔板上设置有多个，
该多个槽中相邻的两个槽所形成的间隙的尺寸设定在淬熄距离以下。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
上述多个槽是中心相同且半径不同的圆周形状的多个槽，
上述多个槽中径向上相邻的两个槽的间隙尺寸设定在淬熄距离以下。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
在距上述空气孔板的中心的径向距离不足规定值的第一区域中，没有设置上述槽，包含于该第一区域的上述多个空气孔的上述燃烧室侧的开口端位于上述空气孔板上，
在距上述空气孔板的中心的径向距离在规定值以上的第二区域中，设置有上述槽，包含于该第二区域的上述多个空气孔的上述燃烧室侧的开口端位于上述槽的底部，
包含于上述第二区域的上述多个空气孔的孔径比包含于上述第一区域的上述多个空气孔的孔径大。
6.根据权利要求2述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
上述槽是相对于包含于上述多个空气孔的每一个空气孔各设置一个的多个槽。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气涡轮燃烧器，其特征在于，
在上述多个燃料喷嘴的各自的轴向的下游侧各配置有一个上述空气孔，
从上述燃料喷嘴喷出的燃料与通过上述空气孔的空气形成同轴喷流。
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