CN105402771A - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器，其能够在抑制压力损失的增大的同时促进燃烧器衬套的冷却，且结构强度、制造工序的简单性以及长寿命性优异。燃气轮机燃烧器具备燃烧器衬套、在内部具备燃烧器衬套的气流套筒、形成在燃烧器衬套与气流套筒之间且供压缩空气流通的环状流路。气流套筒具备与气流套筒倾斜连接的内径变化部、和与内径变化部连接且沿着压缩空气的流动方向延伸的内径缩小部。燃烧器衬套具备呈环状地设置在燃烧器衬套的外壁上且朝向气流套筒突出的环状突起部。环状突起部设置在燃烧器衬套的外壁的与气流套筒和内径变化部的连接位置对置的位置、或比该位置靠压缩空气的流动方向的上游侧的位置。

Description

燃气轮机燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧器。

背景技术

对燃气轮机等的燃烧器衬套、涡轮叶片、热交换器、翅片、锅炉以及加热炉等设备而言，能够根据对于冷却、加热、以及热交换中的流体与固体之间的传热促进所要求的规格，来考虑各种各样的结构。例如，在发电用燃气轮机等的燃烧器中，要求以不损害燃气轮机效率的程度的较少的压力损失来维持必要的冷却性能，并维持结构强度的可靠性。

并且，从考虑环境问题的观点出发，要求减少在燃烧器内产生的氮氧化物(NOx)的排出量。作为产生NOx的主要原因，可以举出在燃烧时空气中的氧和氮保持为非常高的温度。为了防止这种情况而减少NOx，能够利用使燃料和空气在燃烧前混合而燃烧的予混合燃烧，且在燃料与空气的混合比(燃空比)小于理论混合比的状态下进行燃烧。

鉴于该点的燃气轮机燃烧器的一例记载于专利文献1。在专利文献1中记载了一种燃气轮机燃烧器，其通过在燃烧器衬套的外侧表面上设置板状的纵涡流产生机构和肋状的紊流促进机构，从而以较少的压力损失来提高冷却性能。专利文献1记载的燃气轮机燃烧器具备在轴向上连结多个圆筒件而形成的衬套，该圆筒件通过将大致矩形的板材卷成筒状而形成，衬套的各圆筒件与相邻的圆筒件重叠而相互连结，重叠部分通过焊接而结合。另外，在各圆筒件的一端部(来自压缩机的压缩空气的流动方向的下游侧)，沿着周向配置有多个通过冲压加工等形成的凸部(纵涡流产生器)。该纵涡流产生器产生在传热介质(压缩空气)的流动方向上具有旋转的中心轴的纵涡流，并通过纵涡流来搅拌传热介质的流通路。并且，在燃烧器衬套的外周面上，通过机械加工、焊接或离心铸造法而设有肋(紊流促进体)，所述肋用于破坏在由纵涡流产生器搅拌的传热介质中产生的边界层。

在专利文献2中，作为其他传热结构的例子，记载有一种燃气轮机燃烧器，其为了在衬套外侧形成冷却空气(传热介质)的流通路而设有气流套筒(外筒)，气流套筒的内径沿传热介质的流动方向逐渐缩小。在专利文献2记载的燃气轮机燃烧器中，通过缩小衬套与气流套筒之间的传热介质流通路来增大传热介质的流速，且通过增大衬套面的表面粗糙度来提高热传递率。

在专利文献3中，作为其他传热结构的例子，记载有一种燃气轮机燃烧器，其通过在衬套的外周侧以及气流套筒的内周侧设置引导翅片，从而加快压缩空气(传热介质)的流速实现传热效果的提高。在专利文献3记载的燃气轮机燃烧器中，通过设置引导翅片来减少由燃烧器衬套与气流套筒形成的环状流路的截面积，由此加快流动的传热介质的流速而提高传热效果。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-280154号公报

专利文献2：日本特开平6-221562号公报

专利文献3：日本特开2000-320837号公报

发明所要解决的课题

专利文献1记载的燃气轮机燃烧器与现有的燃气轮机燃烧器相比，虽然冷却性能以及低NOx性优异，但在结构强度、制造工序的简单性以及长寿命性方面存在问题。例如，燃烧器衬套通过将多个圆筒件在轴向上相互结合而形成，但各圆筒件在重叠部分处焊接接合。因此，该焊接部分可能会成为裂纹的产生原因，与不使用焊接的情况(即，由单一的圆筒构件形成衬套的情况)相比，可能会阻碍长期的利用。另外，若焊接部位多则制造工时增加，因此制造成本增加。这一点在利用焊接进行作为紊流促进体的肋的安装的情况下变得更加显著。并且，若利用焊接则各圆筒构件产生热变形，从而向与燃烧器衬套组合的其他圆形的构件(例如，安装有燃料喷嘴/予混合喷嘴的圆板、过渡构件(尾筒))的组装性降低，产生将衬套再次整形为圆形的工序，可能导致燃烧器的制造工序复杂化。另外，形成衬套的各圆筒件的重叠部分成为双层结构而比其他部分厚，从而存在与其他部分相比传热性(冷却性)降低的情况。

专利文献2记载的燃气轮机燃烧器与专利文献1记载的燃气轮机燃烧器相比，衬套的结构简单，因此制造工序的简单性以及长寿命性优异，但由于仅通过传热介质的流速以及衬套面的表面粗糙度的增大来促进传热，因此存在为了得到大的传热促进效果(冷却效果)而压力损失变大这一课题。另外，冷却空气的流路朝向喷烧器侧而逐渐变窄，因此喷烧器的附近的冷却效果最大，在燃烧器衬套的高温部位于远离喷烧器的位置处的情况下，还存在不能对高温部进行充分地冷却的课题。

专利文献3记载的燃气轮机燃烧器在气流套筒的内周侧设置引导翅片，因此简单性以及长寿命性优异，但由于仅通过传热介质的流速的增大来促进传热(冷却)，因此与专利文献2记载的燃气轮机燃烧器同样地，存在为了得到大的传热促进效果而压力损失变大这一课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧器，该燃气轮机燃烧器能够在抑制压力损失的增大的同时促进燃烧器衬套的冷却，并且结构强度、制造工序的简单性以及长寿命性优异。

用于解决课题的方案

本发明的燃气轮机燃烧器具有如下特征。燃气轮机燃烧器具备：作为内筒的燃烧器衬套；作为外筒的气流套筒，其在内部具备所述燃烧器衬套；以及环状流路，其形成在所述燃烧器衬套与所述气流套筒之间，且供压缩空气流通。所述气流套筒具备狭窄部，所述狭窄部设置在所述气流套筒的内壁上，且朝向所述燃烧器衬套突出。所述燃烧器衬套具备环状突起部，所述环状突起部呈环状地设置在所述燃烧器衬套的外壁上，且朝向所述气流套筒突出。所述狭窄部具备内径变化部和内径缩小部，所述内径变化部是以随着沿所述压缩空气的流动方向前进而逐渐接近所述燃烧器衬套的方式与所述气流套筒倾斜地连接的面，所述内径缩小部是设置在比所述内径变化部靠所述压缩空气的流动方向的下游侧、与所述内径变化部连接且沿着所述压缩空气的流动方向延伸的面。所述环状突起部设置在所述燃烧器衬套的外壁的与所述气流套筒和所述内径变化部的连接位置对置的位置处、或比该位置靠所述压缩空气的流动方向的上游侧的位置处。

发明效果

本发明的燃气轮机燃烧器能够在抑制压力损失的增大的同时促进燃烧器衬套的冷却，并且结构强度、制造工序的简单性以及长寿命性优异。

附图说明

图1是本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的剖视图，是示出燃气轮机设备的概略结构的图。

图2是本发明的实施例1的燃气轮机燃烧器的剖视图。

图3A是示意性地示出燃烧器衬套具备环状突起部的燃气轮机燃烧器中的环状流路的一部分的图。

图3B是示意性地示出燃烧器衬套具备环状突起部且气流套筒具备内径变化部和内径缩小部的燃气轮机燃烧器中的环状流路的一部分的图。

图4是示意性地示出本发明的实施例2的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图5是示意性地示出本发明的实施例3的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图6是示意性地示出本发明的实施例4的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图7是示意性地示出本发明的实施例5的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图8是示意性地示出本发明的实施例6的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图9是示意性地示出本发明的实施例7的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图10是示意性地示出本发明的实施例8的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图。

图11A是示意性地示出本发明的实施例9的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。

图11B是示意性地示出本发明的实施例9的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套和气流套筒构成的环状流路的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴正交的剖视图。

附图标记说明：

1…压缩机；2…压缩空气；2b、2c…流速矢量；3…燃气轮机；4…燃烧气体；5…燃烧室；6…燃气轮机燃烧器；7…发电机；8…燃烧器衬套；9…过渡构件；10…气流套筒；10a…狭窄部；10b…内径缩小部；10c…内径变化部；10d…下游侧内径变化部；10e…内径变化部的与内径缩小部的连接部；10f…内径变化部的与气流套筒的连接部；11…环状流路；12…板；13…喷烧器；20、20b、20c…环状突起部；21…上游侧剥离涡流；22a、22b…下游侧剥离涡流；23…厚壁部；30…紊流促进体；40、40a、40b…纵涡流产生器；41…纵涡流。

具体实施方式

如以下说明那样，本发明的实施例的燃气轮机燃烧器通过强制对流来促进构件(燃烧器衬套)与流体(传热介质)之间的传热，即，使传热介质沿着构件的表面流动，在构件与传热介质之间进行热授受，促进构件的冷却。

作为利用燃气轮机的火力发电的效率提高中的课题，有燃烧气体温度的高温化，伴随于此需要进行燃烧器衬套的冷却强化。同时，燃气轮机燃烧器的压力损失的增大成为使燃气轮机的效率降低的主要原因，因此需要避免这种情况。在此之中，在碰撞喷流冷却(冲击冷却)中为了实现冷却强化而增加喷流速度成为增大压力损失大的主要原因。另外，在翅片冷却中，有压力损失随着翅片数的增加而变大的倾向。另一方面，对由肋产生的紊流促进而言，虽然压力损失增加少，但即使缩窄肋间隔也不能实现大幅度的冷却性能提高，因此增加肋所带来的冷却促进存在极限。

在本发明中，考虑到以上的情况，提供一种燃气轮机燃烧器，该燃气轮机燃烧器能够在抑制压力损失的增大的同时促进燃烧器衬套的冷却，并且结构强度、制造工序的简单性以及长寿命性优异，且产品可靠性提高。

本发明的燃气轮机燃烧器具备燃烧器衬套、在内部具有燃烧器衬套的气流套筒、以及形成在燃烧器衬套与气流套筒之间且供压缩空气(传热介质)流通的环状流路。气流套筒具备使气流套筒的内径以缩小的方式变化的内径变化部。燃烧器衬套具备环状的突起部，所述环状的突起部朝向气流套筒突出，且设置在压缩空气的流动的方向由于内径变化部而变化的位置处、或比该位置靠压缩空气的流动方向的上游侧的位置处。

本发明的燃气轮机燃烧器由于在气流套筒中具备内径变化部，因此能够改变传热介质的流动的方向而使速度增加，且由于在燃烧器衬套中具备环状突起部，因此能够促进热传递效果，从而能够以简单的结构和小的压力损失来促进燃烧器衬套的对流冷却(对流传热带来的冷却)，并且能够提高产品可靠性。另外，通过调节内径变化部和环状突起部的设置形状、设置位置，能够集中地冷却燃烧器衬套的高温部，将燃烧器衬套的温度抑制为一定值以下。另外，由于能够减少向燃烧器衬套安装的部件数量而减少焊接部位的数量，因此能够实现燃烧器衬套的可靠性提高、和随之带来的长寿命化。另外，由于焊接部位的数量的减少，也能够抑制燃烧器衬套的变形。此外，当使环状突起部的高度(突出长度)为一定值以上时，能够提高燃烧器衬套的压曲强度，有助于产品可靠性的提高。

以下，利用附图对本发明的实施例的燃气轮机燃烧器进行说明。需要说明的是，在用于说明本发明的实施例的附图中，有时对相同的要素标注相同的附图标记，对这些要素省略重复的说明。另外，在以下的说明中，也将“燃气轮机燃烧器”、“燃烧器衬套”以及“燃气轮机”分别称为“燃烧器”、“衬套”以及“涡轮”。

图1是本发明的实施例的燃气轮机燃烧器的剖视图，也示出具备燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备(燃气轮机发电设备)的概略结构。燃气轮机设备具备压缩机1、燃气轮机燃烧器6、燃气轮机3以及发电机7。

压缩机1压缩空气，生成高压的燃烧用空气(压缩空气2)。燃气轮机燃烧器6(燃烧器6)使燃料与从压缩机1导入的压缩空气2混合并燃烧，生成高温的燃烧气体4。燃气轮机3(涡轮3)通过燃烧器6生成的燃烧气体4的能量而得到轴驱动力。发电机7由涡轮3驱动，从而进行发电。需要说明的是，压缩机1、涡轮3以及发电机7的旋转轴相互机械地连结。

燃烧器6具备气流套筒(外筒)10、燃烧器衬套(内筒)8、燃烧室5、过渡构件(尾筒)9、环状流路11、板12以及多个喷烧器13。

气流套筒10为在内部具备燃烧器衬套8和过渡构件9的圆筒形状的结构体，对向燃烧器6供给的压缩空气2的流速、偏流进行调节。燃烧器衬套8(衬套8)为圆筒形状的结构体，与气流套筒10隔开间隔而设置在气流套筒10的内侧。燃烧室5形成在衬套8的内部。过渡构件9为筒状的结构体，与气流套筒10隔开间隔而设置在气流套筒10的内侧，并与衬套8的涡轮3侧的开口部连接，将在燃烧室5中生成的燃烧气体4向涡轮3引导。环状流路11形成在过渡构件9与气流套筒10之间、以及衬套8与气流套筒10之间，供从压缩机1向燃烧室5供给的压缩空气2流通。压缩空气2还发挥冷却衬套8的传热介质的作用。过渡构件9在衬套8的压缩空气2的流动方向的上游侧与衬套8连接。

板12呈大致圆板状，一端面面向燃烧室5，全面地堵塞衬套8的燃烧气体4的流动方向的上游侧端部，且以与衬套8的中心轴大致正交的方式设置在气流套筒10上。多个喷烧器13配置在板12上。

在以下叙述的实施例中，省略对涡轮3的整体结构、包含燃料喷嘴的燃烧器6的详细作用的说明。关于这些，例如参照专利文献1。

【实施例1】

图2是本发明的实施例1的燃气轮机燃烧器6的剖视图。燃烧器衬套8与气流套筒10形成大致同轴状的双层圆筒结构。气流套筒10的直径比燃烧器衬套8的直径大，在气流套筒10与燃烧器衬套8之间形成有环状流路11。作为传热介质的压缩空气2在环状流路11中流动。

气流套筒10具备狭窄部10a，所述狭窄部10a设置在气流套筒10的内壁上，朝向燃烧器衬套8突出且使气流套筒10的内径以缩小的方式变化。狭窄部10a是缩窄环状流路11的结构体，具备内径变化部10c和内径缩小部10b。内径变化部10c是以随着沿压缩空气2的流动方向前进而逐渐接近燃烧器衬套8的方式与气流套筒10倾斜地连接的面。内径缩小部10b是设置在比内径变化部10c靠压缩空气2的流动方向的下游侧、与内径变化部10c连接且沿着压缩空气2的流动方向而延伸的面。以下，将气流套筒10与内径变化部10c连接的位置称为连接位置A，并将内径变化部10c与内径缩小部10b连接的位置称为连接位置B。

环状流路11随着沿着压缩空气2的流动方向从连接位置A朝向连接位置B而逐渐变窄。从而，压缩空气2在被狭窄部10a缩窄的环状流路11中(内径变化部10c与燃烧器衬套8之间、以及内径缩小部10b与燃烧器衬套8之间)流动。

需要说明的是，如图2所示，狭窄部10a也能够具备下游侧内径变化部10d。下游侧内径变化部10d是如下这样的面：在压缩空气2的流动方向的下游侧与内径缩小部10b连接，以随着沿压缩空气2的流动方向前进而逐渐远离燃烧器衬套8的方式与气流套筒10倾斜地连接，并使气流套筒10的内径以从内径缩小部10b起逐渐扩大的方式变化。若设置有下游侧内径变化部10d，则能够得到进一步抑制压力损失的增大的效果。

燃烧器衬套8在燃烧器衬套8的外壁上具备朝向气流套筒10突出的环状的构件即环状突起部20。环状突起部20设置在与气流套筒10和内径变化部10c的连接位置A对置的位置处、即环状流路11由于内径变化部10c而变窄从而压缩空气2的流动的方向发生变化的位置处、或者比该位置靠压缩空气2的流动方向的上游侧的位置处。环状突起部20呈环状地设置在燃烧器衬套8的外壁上，除了具有用于保持燃烧器衬套8的形状的作为加固件的功能，如后述那样，还具有抑制燃气轮机燃烧器6的压力损失的增大的功能、和促进燃烧器衬套8的冷却的功能。

环状突起部20设置在以下叙述的衬套8的高温部的附近、或者比该高温部靠压缩空气2的流动方向的上游侧的位置。该高温部的位置、衬套8的壁面的温度成为最大的部分的位置由燃烧器6的结构决定，能够通过燃烧试验、模拟而预先求出。

气流套筒10与内径变化部10c的连接位置A能够基于环状突起部20的位置而确定。如上述那样，环状突起部20设置在与连接位置A对置的位置处、或者比该位置靠压缩空气2的流动方向的上游侧的位置，因此连接位置A设置在与环状突起部20对置的气流套筒10的位置处、或者比该位置靠压缩空气2的流动方向的下游侧的位置。若以这样的位置关系配置连接位置A和环状突起部20，则能够得到抑制压力损失的增大的效果。

一般而言，在自压缩机1供给的压缩空气2在形成于气流套筒10与衬套8之间的环状流路11中流动的结构的燃气轮机燃烧器中，压缩空气2首先在环状流路11中流动，通过对流传热来冷却衬套8。然后，压缩空气2在喷烧器13中与燃料混合，成为高温的燃烧气体4并在燃烧室5中流动。此时，燃烧气体4通过对流传热来加热衬套8。燃烧气体4由于燃料与压缩空气2的反应速度、燃烧室5内的流速分布等影响而在燃烧室5内具有温度分布。因此，衬套8的加热量产生分布，衬套8中产生温度分布。其结果是，在衬套8中产生壁面的温度比衬套8的其他壁面的温度高的高温部。另一方面，衬套8根据使用的金属材料的耐热性能而存在运用时的最高温度的限制，因此需要对高温部进行有效地冷却。

另外，一般而言，在压缩空气2在环状流路11中流动的结构的燃气轮机燃烧器中，在压缩空气2从环状流路11向喷烧器13、燃烧室5以及过渡构件9流动时，除了压缩空气2与流路的壁面的摩擦阻力以外，还由于流路的扩大、缩小以及曲折等而产生的流动的剥离涡流而产生压力损失。因此，在为了提高燃气轮机3的效率而降低压力损失时，需要尽可能减少剥离涡流的产生。

在本实施例的燃气轮机燃烧器6中，通过上述的狭窄部10a(内径缩小部10b和内径变化部10c)和环状突起部20，能够有效地冷却衬套8的高温部并且能够减少剥离涡流的产生，因此能够促进衬套8的冷却，并能够抑制压力损失的增大。

图3A、图3B是对本实施例的燃气轮机燃烧器6中的促进燃烧器衬套8的冷却的原理进行说明的图，是与燃气轮机燃烧器6的中心轴平行的剖视图。图3A、图3B是示意性地示出燃气轮机燃烧器6中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图。压缩空气2在环状流路11中沿着燃烧器衬套8和气流套筒10的壁面流动。利用图3A、图3B对本实施例的燃气轮机燃烧器6的促进衬套8的冷却的原理进行说明。

图3A是示意性地示出燃烧器衬套8具备环状突起部20的燃气轮机燃烧器中的环状流路11的一部分的图。图3A所示的燃气轮机燃烧器的气流套筒10不具备内径变化部10c和内径缩小部10b。

如图3A所示，当压缩空气2在环状流路11中流动时，在环状突起部20的上游侧产生上游侧剥离涡流21，在下游侧产生下游侧剥离涡流22a。上游侧剥离涡流21被压缩空气2的流动挤压而较小，然而下游侧剥离涡流22a被压缩空气2的流动拉长而变大。对于下游侧剥离涡流22a的压缩空气2的流动方向的长度而言，代表性地为环状突起部20的高度的约6～8倍。

与此相对，从对流传热带来的燃烧器衬套8的冷却的观点出发，剥离涡流区域为滞留区域，因此流速几乎为0，几乎没有压缩空气2带来的冷却效果。然而，在剥离涡流的终点C(再附着点C)处，如压缩空气2的流速矢量2b所示，燃烧器衬套8的壁面附近的边界层的厚度几乎成为0，因此冷却效果变得非常大。因此，作为整体，通过具有环状突起部20，从而与没有环状突起部20的平滑流路相比热传递率得到提高，但与剥离涡流的大小相应地压力损失增大。

图3B是示意性地示出燃烧器衬套8具备环状突起部20且气流套筒10具备内径变化部10c和内径缩小部10b的燃气轮机燃烧器6的环状流路11的一部分的图。当压缩空气2在环状流路11中流动时，如图3B所示，如利用图3A说明那样，在环状突起部20的上游侧产生上游侧剥离涡流21，在下游侧产生下游侧剥离涡流22b。

但是，下游侧剥离涡流22b与图3A所示的下游侧剥离涡流22a相比，压缩空气2的流动方向的长度缩小。这是因为，压缩空气2的流速矢量2c的方向(即压缩空气2的流动的方向)由于内径变化部10c而向朝向衬套8的方向弯曲，因此下游侧剥离涡流22b的外侧的流动的方向也向朝向衬套8的方向弯曲。此时，由于环状流路11变窄，因此压缩空气2的流速变大，从而改变下游侧剥离涡流22b的外侧的流动的方向的效果也变大。

由此，从对流传热带来的燃烧器衬套8的冷却的观点出发，冷却效果小的剥离涡流区域变小，剥离涡流的终点C(再附着点C)处的冷却效果也随着压缩空气2的流速的增加带来的对流冷却的促进效果而变得非常大。燃烧器衬套8由金属材料构成，热传导率大，因此产生下游侧剥离涡流22b的区域内的衬套8的温度降低。此外，若通过机械加工等来形成环状突起部20而使之与燃烧器衬套8成为一体结构，则由于翅片效果，产生上游侧剥离涡流21的区域内的衬套8的温度也降低。

因此，为了高效地进行对流传热带来的燃烧器衬套8的冷却，需要在上述的衬套8的高温部(优选为衬套8的壁面的温度最大的部分)的位置处或该位置的压缩空气2的流动方向的上游侧配置下游侧剥离涡流22b的再附着点C、或压缩空气2的流速增加的位置。因此，环状突起部20优选配置在衬套8的高温部(优选为衬套8的壁面的温度最大的部分)的位置处或该位置的压缩空气2的流动方向的上游侧的位置处。并且，气流套筒10与内径变化部10c的连接位置A优选设置在与环状突起部20的位置对置的气流套筒10的位置处、或比该位置靠压缩空气2的流动方向的下游侧。

另一方面，由于气流套筒10的内径变化部10c的压缩空气2的流动方向的上游侧和下游侧处的剥离涡流的产生、和内径缩小部10b处的压缩空气2的流速的增加引起的摩擦损失的增加，从而与图3A示出的结构相比，图3B示出的结构的压力损失增大。然而，由于下游侧剥离涡流22b的长度缩小，因此通过使内径变化部10c成为能够抑制剥离涡流的产生那样的结构，从而能够抑制压力损失的增大。具体而言，如在其他实施例中叙述那样，通过将内径变化部10c的与气流套筒10的连接部的形状、内径变化部10c的与内径缩小部10b的连接部的形状设为平滑的曲线状，或者将内径变化部10c与气流套筒10的内壁所成的角度α设定为适当的值，从而能够尽可能地抑制内径变化部10c引起的剥离涡流的产生。

另外，从结构强度的观点出发，环状突起部20的高度(突出长度)由于压曲强度变大而优选为较大。考虑到下游侧剥离涡流22b带来的对流冷却的促进效果和压力损失的增大的抑制效果的环状突起部20的优选高度能够由以下那样求得。当将与内径变化部10c和内径缩小部10b的连接位置B对置的衬套8的位置设为位置D，将压缩空气2的流动方向的下游侧的环状突起部20的前端部的位置设为位置E，将内径变化部10c与气流套筒10的内壁所成的角度(劣角的角度)为α时，优选为，以连结衬套8的位置D与环状突起部20的位置E而得到的直线与衬套8的外壁所成的角度β(劣角的角度)为角度α以下的方式确定环状突起部20的高度。更优选为，以角度β与角度α相等或角度β稍小于角度α的方式确定环状突起部20的高度。

气流套筒10的狭窄部10a(即内径变化部10c和内径缩小部10b)的朝向燃烧器衬套8的突出长度能够根据环状突起部20的高度而任意地确定，没有特别限制。

【实施例2】

图4是示意性地示出本发明的实施例2的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在实施例的涡轮燃烧器中，套筒10的内径变化部10c与气流套筒10和径缩小部10b平滑地连接。即，内径变化部10c的与气流套筒10的连接部10f、和内径变化部10c的与内径缩小部10b的连接部10e呈平滑的曲线状。优选为，连接部10f和连接部10e的形状为流线形。若连接部10f和连接部10e为流线形，则能够有效地抑制内径变化部10c引起的剥离涡流的产生。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，通过这样的结构，在压缩空气2沿着内径变化部10c流动时，能够将产生剥离涡流的情况抑制为最小程度，从而能够抑制内径变化部10c引起的压力损失的增大。

【实施例3】

图5是示意性地示出本发明的实施例3的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，燃烧器衬套8在外壁上具备环状突起部20b。环状突起部20b的压缩空气2的流动方向的上游侧的面为曲面。优选为，环状突起部20b的该曲面的形状为流线形。另外，优选为，该曲面的与燃烧器衬套8的外壁的连接部呈平滑的曲线状，与燃烧器衬套8的外壁平滑地连接。更优选为，该连接部的形状为流线形。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，通过这样的结构，在压缩空气2沿着环状突起部20b流动时，能够将产生上游侧剥离涡流21的情况抑制为最小程度，从而能够抑制环状突起部20b引起的压力损失的增大。

【实施例4】

图6是示意性地示出本发明的实施例4的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，燃烧器衬套8在外壁上具备环状突起部20c。环状突起部20c的压缩空气2的流动方向的下游侧的面为曲面。优选为，环状突起部20c的该曲面的形状为流线形。另外，优选为，该曲面的与燃烧器衬套8的外壁的连接部呈平滑的曲线状，与燃烧器衬套8的外壁平滑地连接。更优选为，该连接部的形状为流线形。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，通过这样的结构，能够抑制压缩空气2沿着环状突起部20c流动时产生的下游侧剥离涡流22b引起的压力损失的增大，并且能够通过下游侧剥离涡流22b的再附着来充分地发挥对流传热带来的促进冷却的效果。因此，在本实施例的燃气轮机燃烧器中，能够有效地同时实现燃烧器衬套的冷却的促进和压力损失的增大的抑制。

需要说明的是，与实施例3同样地，环状突起部20c的压缩空气2的流动方向的上游侧的面也可以为曲面。即，环状突起部20c的压缩空气2的流动方向的上游侧与下游侧的面的任一方均可以为曲面。若采用这样的结构，则能够更有效地同时实现燃烧器衬套的冷却的促进和压力损失的增大的抑制。

【实施例5】

图7是示意性地示出本发明的实施例5的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，燃烧器衬套8不具备实施例1的燃气轮机燃烧器所具有的环状突起部20，取而代之具备厚壁部23。厚壁部23的压缩空气2的流动方向的下游侧的位置与上述的实施例示出的环状突起部20的压缩空气2的流动方向的下游侧的位置相同。厚壁部23的压缩空气2的流动方向的上游侧的位置是燃烧器衬套8与过渡构件9的连接部。即，厚壁部23是环状突起部20朝向压缩空气2的流动方向的上游侧延伸至燃烧器衬套8与过渡构件9的连接部。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，通过这样的结构，能够减小压缩空气2沿着厚壁部23流动时产生的下游侧剥离涡流22b的滞留区域，并且能够通过下游侧剥离涡流22b的再附着来充分地发挥对流传热带来的促进冷却的效果。因此，在本实施例的燃气轮机燃烧器中，能够有效地同时实现燃烧器衬套的冷却的促进和压力损失的增大的抑制。并且，能够通过厚壁部23提高燃烧器衬套8的压曲强度，从而能够增加燃气轮机燃烧器的结构强度。

需要说明的是，厚壁部23也可以与实施例4示出的环状突起部20c同样地，压缩空气2的流动方向下游侧的与燃烧器衬套8的外壁的连接部呈平滑的曲线状，与燃烧器衬套8的外壁平滑地连接。若采用这样的结构，能够更有效地同时实现燃烧器衬套的冷却的促进和压力损失的增大的抑制。

【实施例6】

图8是示意性地示出本发明的实施例6的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例中，对在燃气轮机燃烧器中，内径变化部10c与气流套筒10的内壁所成的角度α(劣角的角度)的优选角度进行说明。如以下说明那样，角度α优选为7度以上。

由环状突起部20产生的下游侧剥离涡流22b在压缩空气2的流动方向上的代表性的长度为环状突起部20的高度的约6～8倍。当将下游侧剥离涡流22b的在压缩空气2的流动方向上的长度设为环状突起部20的高度的8倍时，环状突起部20与下游侧剥离涡流22b的再附着点C之间的距离为环状突起部20的高度的8倍，因此连结环状突起部20的前端部的位置E与再附着点C而得到的直线相对于衬套8的外壁的角度γ(劣角的角度)为arctan(1/8)，即约7度。

因此，当角度α为角度γ以上、即7度以上时，通过内径变化部10c，能够有效地使压缩空气2的下游侧剥离涡流22b的外侧的流动的方向向朝向衬套8的方向弯曲，从而能够有效地缩短下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向上的长度。其结果是，能够减小下游侧剥离涡流22b的滞留区域，通过下游侧剥离涡流22b的再附着来提高对流传热带来的促进冷却的效果。

另外，当将下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向的长度设为环状突起部20的高度的6倍时，角度γ为arctan(1/6)、即约9度。因此，即使将角度α设为9度以上，也能够得到上述的效果。

需要说明的是，越是增大内径变化部10c与气流套筒10的内壁所成的角度α，则缩短下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向上的长度的效果越大，但内径变化部10c引起的压力损失变大。因此，优选将角度α调节为能够根据燃气轮机燃烧器而同时实现燃烧器衬套的冷却和压力损失的增大的抑制那样的角度。

【实施例7】

图9是示意性地示出本发明的实施例7的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例中，对在燃气轮机燃烧器中，气流套筒10的内径变化部10c与内径缩小部10b的连接位置B的优选位置进行说明。

连接位置B优选为在压缩空气2的流动方向上与下游侧剥离涡流22b的再附着点C相同的位置、或比再附着点C靠下游侧的位置。在环状突起部20的压缩空气2的流动方向的下游侧，当将环状突起部20与衬套8的外壁的连接位置设为连接位置F，将连结环状突起部20的前端部的位置E与下游侧剥离涡流22b的再附着点C而得到的直线相对于衬套8的外壁的角度(劣角的角度)设为γ，将环状突起部20的高度(突出长度)设为h时，用h/tan(γ)来表示位置F与再附着点C之间的距离。因此，优选为，连接位置B在压缩空气2的流动方向上，位于距连接位置F离开h/tan(γ)以上的距离的下游侧的位置。即，优选为，连接位置B在压缩空气2的流动方向上，位于距环状突起部20的下游侧与衬套8的外壁的连接位置F离开h/tan(7)以上的距离的下游侧的位置。

需要说明的是，下游侧剥离涡流22b的再附着点C的位置例如能够按照以下的方法求出。对衬套8的外壁的热传递率而言，不存在下游侧剥离涡流22b的部分比存在下游侧剥离涡流22b的部分大。即，衬套8的外壁面的温度在再附着点C的位置处急剧地变化。于是，使用热电偶等温度测量装置来测量衬套8的外壁面的温度，求出该温度急剧下降的位置(或者该温度成为极小的位置)，将求出的位置作为再附着点C的位置。另外，也可以按照实机对雷诺数进行可视化试验，通过粒子图像流速测定法(PIV、particleimagevelocimetry)等来使流速矢量可视化，从而求出再附着点C的位置。

当将连接位置B配置在上述那样的位置时，通过内径变化部10c，能够有效地使压缩空气2的下游侧剥离涡流22b的外侧的流动的方向向朝向衬套8的方向弯曲，从而能够有效地缩短下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向上的长度。其结果是，能够减小下游侧剥离涡流22b的滞留区域，通过下游侧剥离涡流22b的再附着来提高对流传热带来的促进冷却的效果。

需要说明的是，若使连接位置B在压缩空气2的流动方向上距环状突起部20过远，则通过内径变化部10c来缩短下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向上的长度的效果减弱。于是，优选为，考虑气流套筒10与内径变化部10c的连接位置A、和实施例6示出的角度α的优选值来设定连接位置B。

【实施例8】

图10是示意性地示出本发明的实施例8的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图，是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，燃烧器衬套8在环状突起部20的压缩空气2的流动方向的下游侧具备多个紊流促进体30。紊流促进体30是设置在燃烧器衬套8的外壁上且朝向气流套筒10突出的肋。紊流促进体30的高度(突出长度)比环状突起部20的高度小，为环状流路11的宽度(燃烧器衬套8与气流套筒10之间的距离)的1/20～1/50。紊流促进体30的相互的间隔在紊流促进体30的高度的10倍左右为最佳。另外，若通过机械加工等来形成紊流促进体30而使之与燃烧器衬套8成一体结构，则翅片效果带来的传热得到促进，有助于衬套8的冷却。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，在压缩空气2的流动方向上，在比由环状突起部20产生的下游侧剥离涡流22b的再附着点C靠下游侧，在被下游侧剥离涡流22b的再附着破坏的边界层再形成之前，通过利用紊流促进体30重复涡流的剥离和再附着，能够促进对流传热带来的燃烧器衬套8的冷却。另外，若紊流促进体30与燃烧器衬套8为一体结构，则即使在存在下游侧剥离涡流22b的区域，也能够通过紊流促进体30带来的翅片效果而增大传热面积，从而促进燃烧器衬套8的冷却。

【实施例9】

利用图11A和图11B对本发明的实施例9的燃气轮机燃烧器进行说明。图11A和图11B是示意性地示出本发明的实施例9的燃气轮机燃烧器中的由燃烧器衬套8和气流套筒10构成的环状流路11的一部分的图。图11A是与燃气轮机燃烧器的中心轴平行的剖视图。图11B是与燃气轮机燃烧器的中心轴正交的剖视图，是从压缩空气2的流动方向的上游侧对内径变化部10c和环状突起部20进行观察时的图。以下，对其与实施例1的燃气轮机燃烧器不同的点进行说明。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，气流套筒10在压缩空气2的流动方向上，在比内径变化部10c和环状突起部20相比上游侧处具备多个纵涡流产生器40。纵涡流产生器40设置在气流套筒10的内壁上，朝向燃烧器衬套8突出，例如通过焊接或点焊固定在气流套筒10的内壁的表面上。通过纵涡流产生器40产生在压缩空气2的流动方向上具有旋转的中心轴的纵涡流41。

如图11B所示，多个纵涡流产生器40与相邻的纵涡流产生器40成对，一对纵涡流产生器40(40a、40b)以相互接近的方式朝向燃烧器衬套8突出。即，一对纵涡流产生器40(40a、40b)具有产生的纵涡流41的旋转方向互为反向那样的角度，并设置在气流套筒10上。

当像这样将成对的纵涡流产生器40设置在气流套筒10上，使产生的相邻的纵涡流41的旋转方向互为反向时，相邻的纵涡流41彼此相互作用，因此能够高效地形成并保持纵涡流41。因此，能够以少量的压力损失进行充分的冷却，从而能够在提高产品可靠性的同时抑制压力损失的增大。

为了提高设置在燃烧器衬套8上的环状突起部20来缩减环状流路11，由纵涡流产生器40生成的纵涡流41缩小涡流的半径并强化涡旋度，并且通过内径变化部10c而使行进方向以朝向燃烧器衬套8的方式弯曲。由此，在接近燃烧器衬套8的壁面的区域内，在环状流路11内进行搅拌，能够在抑制压力损失的上升的同时促进燃烧器衬套8的壁面的传热。另外，能够有效地缩短由环状突起部20产生的下游侧剥离涡流22b的压缩空气2的流动方向上的长度，能够通过下游侧剥离涡流22b的再附着来增大对流传热带来的促进冷却的效果。

需要说明的是，通过将纵涡流产生器40的高度(突出长度)增大至使纵涡流41到达燃烧器衬套8的外壁的程度，能够得到在整个环状流路11内进行搅拌的效果和对燃烧器衬套8侧的温度边界层进行搅拌的效果，能够进一步促进燃烧器衬套8的外壁面的传热，因此能够更有效地促进燃烧器衬套8的冷却。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，具备：

作为内筒的燃烧器衬套；

作为外筒的气流套筒，其在内部具备所述燃烧器衬套；以及

环状流路，其形成在所述燃烧器衬套与所述气流套筒之间，且供压缩空气流通，

所述气流套筒具备狭窄部，所述狭窄部设置在所述气流套筒的内壁上，且朝向所述燃烧器衬套突出，

所述燃烧器衬套具备环状突起部，所述环状突起部呈环状地设置在所述燃烧器衬套的外壁上，且朝向所述气流套筒突出，

所述狭窄部具备内径变化部和内径缩小部，

所述内径变化部是以随着沿所述压缩空气的流动方向前进而逐渐接近所述燃烧器衬套的方式与所述气流套筒倾斜地连接的面，

所述内径缩小部是设置在比所述内径变化部靠所述压缩空气的流动方向的下游侧、与所述内径变化部连接且沿着所述压缩空气的流动方向而延伸的面，

所述环状突起部设置在所述燃烧器衬套的外壁的与所述气流套筒和所述内径变化部的连接位置对置的位置处、或比该位置靠所述压缩空气的流动方向的上游侧的位置处。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述内径变化部的与所述气流套筒的连接部和所述内径变化部的与所述内径缩小部的连接部呈曲线状。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述环状突起部的所述压缩空气的流动方向的上游侧的面为曲面。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述环状突起部的所述压缩空气的流动方向的下游侧的面为曲面。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述燃气轮机燃烧器还具备过渡构件，所述过渡构件设置在所述气流套筒的内侧，且在所述燃烧器衬套的所述压缩空气的流动方向的上游侧与所述燃烧器衬套连接，

所述环状突起部延伸至所述燃烧器衬套与所述过渡构件的连接部。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述内径变化部与所述气流套筒所成的角度为7度以上。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

当将与所述内径变化部和所述内径缩小部的连接位置对置的所述燃烧器衬套的位置设为位置D，

将所述压缩空气的流动方向的下游侧的所述环状突起部的前端部的位置为位置E时，

所述环状突起部的朝向所述气流套筒的突出长度为如下的长度：连结所述位置D与所述位置E而得到的直线相对于所述燃烧器衬套的角度为所述内径变化部与所述气流套筒所成的角度以下。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

当将所述环状突起部的朝向所述气流套筒的突出长度设为h，

将所述压缩空气的流动方向的下游侧的所述环状突起部的前端部的位置设为位置E，

将连结所述位置E与由所述环状突起部产生的下游侧剥离涡流的再附着点C而得到的直线相对于所述燃烧器衬套的角度为角度γ时，

所述内径变化部与所述内径缩小部的连接位置是距所述下游侧的所述环状突起部与所述燃烧器衬套的连接位置离开h/tan(γ)以上的距离的所述下游侧的位置。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述燃烧器衬套还具备多个紊流促进体，多个所述紊流促进体设置在所述燃烧器衬套的外壁上，且朝向所述气流套筒突出，

所述紊流促进体设置在所述环状突起部的所述压缩空气的流动方向的下游侧，且所述紊流促进体的朝向所述气流套筒的突出长度比所述环状突起部的朝向所述气流套筒的突出长度小。

10.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，

所述气流套筒还具备多个纵涡流产生器，多个所述纵涡流产生器设置在所述气流套筒的内壁上，且朝向所述燃烧器衬套突出，产生在所述压缩空气的流动方向上具有旋转的中心轴的纵涡流，

多个所述纵涡流产生器在所述压缩空气的流动方向上，设置在比所述内径变化部和所述环状突起部靠上游侧的位置。