CN105276617B - 燃烧器及燃气轮机设备 - Google Patents

Abstract

提供一种无论使用气体燃料或液体燃料中的哪种燃料都能够以低燃料浓度点火并传播火焰且可靠性高的燃烧器。燃烧器在涡轮(2)的外壳的外周部呈环状地配置有多个，具备：燃烧室(10)，使燃料与空气在该燃烧室(10)中燃烧，生成燃烧气体(12)；扩散燃烧器(14)，其设置在燃烧室(10)的上游侧；多个预混合燃烧器(15)，其设置在扩散燃烧器(14)的周围；以及多个火焰传播管(20)，其将在外壳的周向两侧相邻的燃烧器的燃烧室连通，与在外壳的周向一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管(20b)配置为，在从燃烧室观察时，其中心轴线穿过预混合燃烧器(15w)，与在另一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管(20c)配置为，在从燃烧室观察时，其中心轴线穿过相邻的两个预混合燃烧器(15y、15z)之间。

Description

燃烧器及燃气轮机设备

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧器。

背景技术

在具备多个燃烧器的燃气轮机中，一般来说，燃烧器沿着涡轮转子的周向呈环状配置，相邻的燃烧器之间通过火焰传播管而在空间上连接。在这种燃气轮机燃烧器中，最先对设置有火花塞的燃烧器进行点火，通过在与相邻的未点火的燃烧器之间产生的压力差，使燃烧气体从已点火的燃烧器向未点火的燃烧器流入，从而依次对未点火的燃烧器进行点火。

在使用上述点火方法的燃烧器中，为了降低NO_x排出量，采用预混合燃烧方式的情况增加。作为提高预混合燃烧方式的燃烧器的点火性能的手段，在燃烧器的中央配置扩散燃烧器，在扩散燃烧器的周围配置多个预混合燃烧器，将连接燃烧器之间的火焰传播管配置在预混合燃烧器之间(参照专利文献1等)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-52795号公报

近年来，作为全球变暖的对策，要求扩大燃料选择方面的自由度。另外，还要求NO_x排出量的进一步减少。因此，作为能够应对气体燃料以及液体燃料的任一方且能够减少NO_x排出量的燃烧器，提出了将气体燃料与液体燃料向相同的燃烧器内引导，对其进行切换并使之燃烧的燃烧器(双燃料燃烧低NO_x燃烧器)。

在这种燃烧器中，一般来说，通过提高燃料浓度而增加点火时的能量，由此提高燃烧器的点火性能、火焰传播性能。然而，若提高燃料浓度而增加点火时的能量，则施加于涡轮的翼部的热冲击增大，可能缩短翼部的寿命。另外，虽然存在气体燃料与液体燃料的点火特性(能够点火的燃料与空气的浓度比等)不同的可能性，但无论使用哪种燃料，都需要确保良好的点火性能。

发明内容

发明要解决的课题

本发明是鉴于以上情况而完成的，其目的在于提供一种燃烧器，该燃烧器无论使用气体燃料或液体燃料中的哪种燃料，都能够以较低的燃料浓度进行点火并传播火焰并且可靠性高。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明的燃烧器在涡轮的外壳的外周部呈环状地配置有多个，具备：燃烧室，使燃料与空气在该燃烧室中燃烧，生成燃烧气体；扩散燃烧器，其设置在燃烧室的上游侧；多个预混合燃烧器，其设置在扩散燃烧器的周围；以及多个火焰传播管，其将在外壳的周向两侧相邻的燃烧器的燃烧室连通，与在外壳的周向一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管配置为，在从燃烧室观察时，其中心轴线穿过预混合燃烧器，与在另一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管配置为，在从燃烧室观察时，其中心轴线穿过相邻的两个预混合燃烧器之间。

发明效果

根据本发明，能够提供无论使用气体燃料或液体燃料中的哪种燃料都能够以较低的燃料浓度点火并传播火焰且可靠性高的燃烧器。

附图说明

图1是从燃烧室侧观察本发明的第一实施方式的燃烧器时的图。

图2是示出应用了本发明的第一实施方式的燃烧器的燃气轮机设备的一结构例的图。

图3是从上游侧观察本发明的第一实施方式的燃烧器时的图。

图4是说明使用气体燃料进行点火时的动作的图。

图5是说明使用液体燃料进行点火时的动作的图。

图6是图2的VI-VI线处的向视剖视图。

图7是从燃烧室侧观察本发明的第二实施方式的燃烧器时的图。

附图标记说明

2：涡轮

3a、3b、3c：燃烧器

12：燃烧气体

10：燃烧室

14：扩散燃烧器

15：预混合燃烧器

20：火焰传播管

具体实施方式

<第一实施方式>

(结构)

1.燃气轮机设备

图2是示出应用了本实施方式的燃气轮机燃烧器(以下称作燃烧器) 的燃气轮机设备的一结构例的图，图3是从上游侧观察本实施方式的燃烧器时的图。如图2所示，燃气轮机设备300具备压缩机1、涡轮2、燃烧器3a、3b、···以及发电机4。需要说明的是，如图3所示，在本实施方式中，十个燃烧器3a、3b、···呈环状地配置在涡轮2的外壳的外周部，但在图2中仅示出燃烧器3a、3b。

压缩机1将经由吸气部(未图示)吸入的空气压缩而生成高压的压缩空气5，供给至燃烧器3a、3b···。燃烧器3a、3b将从压缩机1供给的压缩空气5与从燃料系统100、101、102、103、104(后述)供给的燃料混合并使其燃烧，生成高温的燃烧气体12后供给至涡轮2。涡轮2通过从燃烧器3a、3b···供给的燃烧气体12膨胀而进行驱动。发电机4通过利用涡轮2获得的驱动力而进行旋转，从而产生电力。在本实施方式中，压缩机1、涡轮2以及发电机4通过轴23而相互连结。

2.燃烧器

在本实施方式中，由于十个燃烧器3a、3b、···采用相同的结构，因此，以下对燃烧器3a进行说明。

燃烧器3a具备外筒7、端罩8、内筒9、过渡连接件11、燃烧器25 以及火焰传播管20b、20c(参照图1、3)。内筒9设置在燃烧器25的燃烧气体12的流动方向下游侧。内筒9形成为圆筒状，将从压缩机1供给的压缩空气5与在燃烧器3a中生成的燃烧气体12隔开。在内筒9的外周侧设置有外筒7。内筒7形成为圆筒状，收容内筒9以及燃烧器25等。形成在外筒7与内筒9之间的环状的空间构成供从压缩机1供给至燃烧器3a 的压缩空气5流动的流路。在燃烧器25的燃烧气体12的流动方向上游侧设置有端罩8。端罩8封闭外筒7的一端。在内筒9的内侧形成有燃烧室 10。在燃烧室10中，从压缩机1供给的压缩空气5与从燃料系统100～103供给的燃料的混合气体燃烧，生成燃烧气体12。过渡连接件11具有将在燃烧室10中产生的燃烧气体12向涡轮2引导的功能。在过渡连接件11 的一端插入有内筒9的燃烧气体12的流动方向下游侧，在另一端连接有将燃烧器3a与涡轮2连接的管路。

3.燃烧器

图1是从燃烧室侧观察本实施方式的燃烧器3a、3b···时的图。如图1所示，燃烧器25具备在燃烧室10的上游侧与内筒9的中心轴同轴配置的扩散燃烧器14、以及在扩散燃烧器14的周围配置有多个(在本实施方式中是六个)的预混合燃烧器15。在以下的说明中，从配置有火花塞 18(后述)的预混合燃烧器(图1中在扩散燃烧器14的上侧图示的预混合燃烧器)起沿顺时针方向设为预混合燃烧器15u、15v、15w、15x、15y、 15z。

一般来说，在具备扩散燃烧器与预混合燃烧器的燃烧器中，为了应对大范围的运转条件，设置多个燃料系统，根据运转负荷控制进行燃烧的燃烧器的数量。如图2所示，在本实施方式中，作为气体燃料系统，在扩散燃烧器14上连接有扩散系统100，在六个预混合燃烧器15u～15z中的预混合燃烧器15u、15w、15y上连接有预混合系统101，在预混合燃烧器15v、 15x、15z上连接有预混合系统102(图2中预混合燃烧器15v、15w、15y、 15z未图示)。另外，作为液体燃料系统，在扩散燃烧器14上连接有扩散系统103，在六个预混合燃烧器15上连接有预混合系统104。作为气体燃料系统的扩散系统100以及预混合系统101、102与具备燃料箱、气化器等的气体燃料供给设备105连接，向各自对应的燃烧器供给气体燃料。作为液体燃料系统的扩散系统103以及预混合系统104与具备燃料箱、升压装置等的液体燃料供给设备106连接，向各自对应的燃烧器供给液体燃料。

在扩散系统100中设置有调节向扩散燃烧器14供给的气体燃料的流量的气体燃料流量调节阀108，在预混合系统101、102中设置有调节向预混合燃烧器15u～15z供给的气体燃料的流量的气体燃料流量调节阀107、 109。

在扩散系统103中设置有调节向扩散燃烧器14供给液体燃料的液体燃料的流量的液体燃料流量调节阀110，在预混合系统104中设置有调节向预混合燃烧器15u～15z供给的液体燃料的流量的液体燃料流量调节阀 111。

如图1所示，燃烧器3a具备一个火花塞18。配置火花塞18的位置不限定，在本实施方式中，将火花塞18配置为，从燃烧室10观察时其前端位于预混合燃烧器15u的出口附近。需要说明的是，在图1中，例示了仅燃烧器3a具备一个火花塞18的情况，但也可以如图3所示，在十个燃烧器3a、3b···中的两个燃烧器上分别设置火花塞18。另外，也可以在十个燃烧器3a、3b···中的一个燃烧器上设置两个火花塞18。

4.火焰传播管

如图3所示，火焰传播管20b连接燃烧器3a与燃烧器3b，火焰传播管20c连接燃烧器3a与燃烧器3c。燃烧器3a、3b···中的相邻的燃烧器的燃烧室通过共用的火焰传播管20而相互在空间上连通。以下，对火焰传播管20b、20c进行说明。

图6是图2的VI-VI线处的向视剖视图。在图6中，省略火花塞18 的图示。如图6所示，与相对于燃烧器3a在涡轮2的外壳的周向一侧相邻的燃烧器3b的燃烧室连通的火焰传播管20b配置为，在从燃烧室10观察时，其中心轴线的延长线穿过配置于火焰传播管20b的入口侧的预混合燃烧器15w(与预混合燃烧器15w(优选与其燃烧室)重叠)。与相对于燃烧器3a在涡轮2的外壳的周向另一侧相邻的燃烧器3c的燃烧室连通的火焰传播管20c配置为，在从燃烧室10观察时，其中心轴线的延长线穿过配置在火焰传播管20c的入口侧的相邻的两个预混合燃烧器15y、15z 间。

对火焰传播管20b、20c与预混合燃烧器15u～15z的配置关系进行详细说明。在图6中，将穿过燃烧器3a的轴中心A与预混合燃烧器15w的轴中心B的直线设为直线L0，将穿过燃烧器3a的轴中心A且与预混合燃烧器15w的内壁面相切的两条直线分别设为直线L1、L2。此时，火焰传播管20b配置为，其中心轴线位于从与直线L1重叠的位置到与直线L2重叠的位置的范围内。在本实施方式中，以火焰传播管20b的中心轴线与直线L0所成的角度α为0度的位置、即火焰传播管20b的中心轴线与直线 L0一致的位置作为基准(α＝0度)，角度α的范围例如是±15度。

另一方面，将连结预混合燃烧器15y的轴中心F与预混合燃烧器15z 的轴中心G的线段设为线段L3，将穿过燃烧器3a的轴中心A和线段L3 的中点E的直线设为直线L4，将穿过燃烧器3a的轴中心A且与预混合燃烧器15y、15z的外壁面相切的两条直线分别设为直线L5、L6。此时，火焰传播管20c配置为，其中心轴线位于从与直线L5重叠的位置到与直线 L6重叠的位置的范围内。在本实施方式中，以火焰传播管20c的中心轴线与直线L4所成的角度β为0度的位置、即火焰传播管20c的中心轴线与直线L4一致的位置作为基准(β＝0度)，角度β的范围例如是±15度。

(动作)

参照图4～图5对本实施方式的燃烧器的点火动作进行说明。图4是说明使用气体燃料进行点火时的动作的图，图5是说明使用液体燃料进行点火时的动作的图。

·使用气体燃料进行点火的情况

如图4所示，在本实施方式中，在点火时，向燃烧器3a的扩散燃烧器 14以及六个预混合燃烧器15u～15z中的包括与火焰传播管20b的入口对应地配置的预混合燃烧器15w在内的三个预混合燃烧器15u、15w、15y 供给气体燃料。在该状态下，当使设置于燃烧器3a的火花塞18点火时，在扩散燃烧器14以及三个预混合燃烧器15u、15w、15y的出口附近形成火焰21、22，产生燃烧气体12(参照图2)，燃烧器3a点火。当燃烧器 3a点火时，在燃烧器3a与未点火状态的燃烧器3b、3c之间产生压力差。此时，预混合燃烧器15w配置为相对于火焰传播管20b更靠近其他燃烧器 (在预混合燃烧器15w与火焰传播管20b之间不存在其他燃烧器)，此外，火焰传播管20b配置为，在从燃烧室10观察时，其中心轴线的延长线穿过预混合燃烧器15w。因此，在预混合燃烧器15w的出口附近形成的火焰 22朝向燃烧器3b在火焰传播管20b中传播，因火焰22而产生的燃烧气体 200容易朝向燃烧器3b流动。当燃烧气体200向火焰传播管20b流入时，从燃烧器3b的预混合燃烧器以及扩散燃烧器喷出的混合气体因燃烧气体 200的热能而燃烧形成火焰，由此燃烧器3b点火。以下，通过相同的动作对未点火的燃烧器依次点火，全部燃烧器点火。

·使用液体燃料进行点火的情况

如图5所示，在本实施方式中，在点火时，仅向扩散燃烧器14供给液体燃料。在使用液体燃料进行点火的情况下，与气体燃料相同，也优选分散地向预混合燃烧器供给燃料，但若使液体燃料分散至多个燃料喷嘴，则燃料的供给压力降低，存在液体燃料的微粒化特性恶化导致点火性能受损的可能性，因此在本实施方式中，仅向扩散燃烧器14供给液体燃料。在该状态下，当使设置于燃烧器3a的火花塞18点火时，在扩散燃烧器14 的出口附近形成火焰21，产生燃烧气体12(参照图2)，由此燃烧器3a点火。当燃烧器3a点火时，在燃烧器3a与未点火状态的燃烧器3b、3c之间产生压力差。此时，虽从预混合燃烧器15u～15z喷出空气，但火焰传播管20c配置为，在从燃烧室10观察时，其中心轴线的延长线穿过配置在火焰传播管20c的入口侧的相邻的两个预混合燃烧器15y、15z之间，在火焰传播管20c的中心轴线上，在扩散燃烧器14与火焰传播管20c之间不存在其他燃烧器。因此，在扩散燃烧器14的出口附近形成的火焰21朝向燃烧器3c在火焰传播管20c中传播，因火焰21而产生的燃烧气体200 容易朝向燃烧器3c流动。当燃烧气体200向火焰传播管20c流入时，从燃烧器3c的扩散燃烧器14c喷出的混合气体因燃烧气体200的热能而燃烧形成火焰，由此燃烧器3c点火。以下，通过相同的动作依次对未点火的燃烧器进行点火，全部燃烧器点火。

需要说明的是，对于燃烧器3c，由于在火焰传播管20c的出口附近配置有预混合燃烧器15t，因此，担心因从预混合燃烧器15t喷出的空气而阻碍燃烧气体200对从扩散燃烧器14c喷出的混合气体点火。然而，由于形成混合气体的液体燃料的比重比空气的比重大，液体燃料的液滴所具有的动能比空气大很多，因此，从扩散燃烧器14c供给的液体燃料能够到达火焰传播管20c的出口附近，与使用气体燃料的情况相比，点火性能不会降低。

(效果)

(1)点火特性的提高

本实施方式的燃烧器3a具备火焰传播管20b，该火焰传播管20b配置为与和燃烧器3a相邻的燃烧器3b连接，在从燃烧室10观察时，其中心轴线穿过燃烧器3a的预混合燃烧器15w。因此，例如在使用气体燃料的情况下，如上所述，通过向预混合燃烧器15w供给燃料，能够容易地使在预混合燃烧器15w的出口附近形成的火焰22向燃烧器3b传播，能够促进燃烧气体200向燃烧器3b流入。此外，在燃烧器3b中，由于能够向火焰传播管20b的出口附近喷出混合气体，因此能够通过经由火焰传播管20b 向燃烧器3b流入的燃烧气体200容易地对燃烧器3b进行点火。因此，能够提高燃烧器的点火性能。

另外，本实施方式的燃烧器3a具备火焰传播管20c，该火焰传播管20c 与和燃烧器3a相邻的燃烧器3c连接，在从燃烧室10观察时，其中心轴线穿过燃烧器3a的相邻的两个预混合燃烧器15y、15z之间。因此，例如在使用液体燃料的情况下，如上所述，通过仅向扩散燃烧器14供给燃料，能够使在扩散燃烧器14的出口附近产生的火焰21容易地向燃烧器3c传播，能够促进燃烧气体200向燃烧器3c流入。

由此，本实施方式的燃烧器3a、3b···在使用气体燃料或液体燃料的任一方的情况下、或者使用气体燃料以及液体燃料两方的情况下的点火性能均提高，能够以低燃料浓度进行点火并传播火焰并且可靠性高。另外，由于能够通过点火性能的提高来降低燃料浓度，因此能够抑制施加于涡轮的翼部的热冲击，能够确保翼部的寿命。

(2)设计自由度的确保

在本实施方式的燃烧器3a中，不必一定将火焰传播管20b配置为其中心轴线与直线L0重叠，将火焰传播管20c配置为其中心轴线穿过线段L3 的中点，只要将火焰传播管20b配置为其中心轴线位于从与直线L1重叠的位置到与直线L2重叠的位置的范围内，将火焰传播管20c配置为其中心轴线位于从与直线L5重叠的位置到与直线L6重叠的位置的范围内即可。即便这样配置火焰传播管20b、20c，在使用气体燃料或液体燃料的任一方的情况下、或者使用气体燃料以及液体燃料双方的情况下，也能够有效地使燃烧气体向燃烧器3b、3c流入。因此，例如对于燃烧器的个数、预混合燃烧器的个数的变化存在灵活性，能够确保足够的设计自由度。

<第二实施方式>

图7是从燃烧室侧观察本实施方式的燃烧器时的图。如图7所示，在本实施方式中，在燃烧器3a上设置有火花塞(第一火花塞)18a，在燃烧器3b上设置有火花塞(第二火花塞)18b。

火花塞18a配置为，在从燃烧室10观察时，其前端19a位于预混合燃烧器15u上。火花塞18b配置为，在从燃烧室10观察时，其前端19b位于预混合燃烧器15r与预混合燃烧器15s之间。其他结构与第一实施方式相同。

在使用气体燃料进行点火的情况下，与第一实施方式相同，向燃烧器 3a的扩散燃烧器14以及三个预混合燃烧器15u、15w、15y供给气体燃料。在本实施方式中，由于在从燃烧室10观察时，火花塞18a的前端19a配置在预混合燃烧器15u上，因此当使火花塞18a点火时，燃烧器3a顺利地点火。在燃烧器3a点火后，通过与第一实施方式相同的动作对全部燃烧器进行点火。

在使用液体燃料进行点火的情况下，与第一实施方式相同，向燃烧器 3b的扩散燃烧器14供给液体燃料。在本实施方式中，由于在从燃烧室10 观察时，火花塞18b的前端19b配置在预混合燃烧器15r与预混合燃烧器 15s之间，因此，从扩散燃烧器14喷出的混合气体在从预混合燃烧器15r 与预混合燃烧器15s喷出的空气流之间通过，到达火花塞18b的前端19b，当使火花塞18b点火时，燃烧器3b顺利地点火。在燃烧器3b点火之后，通过与第一实施方式相同的动作对全部燃烧器进行点火。

根据上述结构，在本实施方式中，由于燃烧器3a、3b···具备火焰传播管20，因此也能够得到与第一实施方式相同的效果。此外，在本实施方式中还得到以下效果。

在本实施方式中，将设置于燃烧器3a的火花塞18a配置为，在从燃烧室10观察时，其前端19a位于预混合燃烧器15u上，将设置于燃烧器3b 的火花塞18b配置为，在从燃烧室10观察时，其前端19b位于预混合燃烧器15r与预混合燃烧器15s之间。因此，例如，如上所述，在向预混合燃烧器15w供给气体燃料的情况下，通过利用火花塞18a进行点火，能够进一步提高点火性能，在向扩散燃烧器14供给液体燃料的情况下，通过利用火花塞18b进行点火，能够进一步提高点火性能。因此，在使用气体燃料或液体燃料的任一方情况下、或者使用气体燃料以及液体燃料双方的情况下，均能够进一步提高点火性能，可靠性高。

<其他>

本发明不限定于上述的各实施方式，包括各种变形例。例如，上述的实施方式是为了使本发明容易理解而详细说明的，不限定为必需具备所说明的全部结构。例如，能够将某实施方式的结构的一部分替换为其他实施方式的结构，另外，也能够在某实施方式的结构上追加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，也能够进行其他结构的追加、省略以及替换。

在各实施方式中，列举在扩散燃烧器14的周围配置有六个预混合燃烧器15的情况为例进行了说明。然而，本发明的本质上的效果是提供一种无论使用气体燃料或液体燃料中的哪种燃料都能够以低燃料浓度进行点火并传播火焰的可靠性高的燃烧器，只要能够得到该本质上的效果，则不限定预混合燃烧器15的个数。例如，也可以在扩散燃烧器14的周围配置六个以上预混合燃烧器15。

另外，在各实施方式中，列举在涡轮2的外壳的外周部呈环状地配置有十个燃烧器3a、3b、···的情况为例进行了说明。然而，只要能够得到本发明的上述本质上的效果，则不限定燃烧器的个数。例如，也可以在涡轮2的外壳的外周部配置十个以上的燃烧器。

Claims (4)

1.一种燃烧器，其在涡轮的外壳的外周部呈环状地配置有多个，所述燃烧器的特征在于，

具备：

燃烧室，使燃料与空气在该燃烧室中燃烧，生成燃烧气体；

扩散燃烧器，其设置在所述燃烧室的上游侧；

液体燃料系统，其向所述扩散燃烧器供给液体燃料；

多个预混合燃烧器，其设置在所述扩散燃烧器的周围；

多个火焰传播管，其将在所述外壳的周向两侧相邻的燃烧器的燃烧室连通；以及

气体燃料系统，其向设置在所述火焰传播管的中心轴线上的所述预混合燃烧器以及所述扩散燃烧器供给气体燃料，

与在所述外壳的周向一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管配置为，在从所述燃烧室观察时，其中心轴线穿过所述预混合燃烧器，与在另一侧相邻的燃烧器连接的火焰传播管配置为，在从所述燃烧室观察时，其中心轴线穿过相邻的两个所述预混合燃烧器之间，在使用所述气体燃料进行点火时，通过所述气体燃料系统供给所述气体燃料，在使用液体燃料进行点火时，通过所述液体燃料系统供给所述液体燃料。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，

具备：

第一火花塞，其配置为，在从所述燃烧室观察时，该第一火花塞的前端位于所述预混合燃烧器上；以及

第二火花塞，其配置为，在从所述燃烧室观察时，该第二火花塞的前端位于所述预混合燃烧器之间。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，

所述预混合燃烧器在所述扩散燃烧器的外周配置有六个。

4.一种燃气轮机设备，其特征在于，

具备：

权利要求1所述的燃烧器；

压缩机，其向所述燃烧器供给压缩空气；以及

涡轮，其利用从所述燃烧器供给的燃烧气体进行驱动。