CN105705866B - 喷嘴、燃烧器以及燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃烧器。该燃烧器具有在前端(35s)的中央形成有喷射燃料的燃料喷射口(41)的喷嘴(35)。在喷嘴(35)的前端(35s)的燃料喷射口(41)的周围，以沿周向隔开间隔的方式形成有多个水喷射口(42)，水喷射口(42)形成为在周向上不均等。

Description

喷嘴、燃烧器以及燃气轮机
技术领域
本发明涉及喷嘴、燃烧器以及燃气轮机。本申请基于2013年11月29日在日本申请的特愿2013-247076号主张优先权，在此援引其内容。
背景技术
作为燃气轮机的燃烧器，具有包括辅助燃料喷嘴与设置于辅助燃料喷嘴的周围的多个主燃料喷嘴的燃烧器。该燃烧器利用由辅助燃料喷嘴形成的扩散火焰来实现主预混合火焰的稳定化。
在专利文献1中公开了如下结构：在辅助燃料喷嘴的周向的一部分设置未设有燃料的喷出孔的区域，使从辅助燃料喷嘴喷出的燃料在周向上不均匀地分布。另外，在专利文献1中公开了如下结构：通过使多个主燃料喷嘴之间的燃料的喷出量不同，由此使从多个主燃料喷嘴向辅助燃料喷嘴的外周侧喷出的燃料在周向上不均匀地分布。
根据上述的结构，使通过燃料燃烧而形成的火焰的长度在周向上不同，使放热率分散，从而抑制燃烧振动。
在专利文献2中公开了如下结构：在多个主燃料喷嘴的各自中，将燃料喷出孔设置于轴向上不同的多个位置。另外，在专利文献2中公开了如下结构：在多个主燃料喷嘴的各自中，将燃料喷出孔设置于轴向上不同的多个位置，进一步使燃料从燃料喷出孔喷出的喷出角度不同。根据上述的结构，在轴向上位置彼此不同的多个燃料喷出孔之间，使从主燃料喷嘴喷出的燃料(预混合气)到达火焰的时间不同，由此抑制燃烧振动。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-294770号公报
专利文献2：日本特开2003-120934号公报
发明要解决的课题
近年来，为了通过降低燃烧器中的火焰温度来抑制NOx(氮氧化物)的排出量，具有向火焰喷水的方式的燃烧器。
在这样的燃烧器中，也要求有效地抑制燃烧振动。
发明内容
本发明提供在向火焰喷水的燃烧器中也能够有效地抑制燃烧振动的喷嘴、燃烧器以及燃气轮机。
用于解决课题的手段
根据本发明的第一方式，喷嘴在前端的中央形成有喷射燃料的燃料喷射口，并且在前端的所述燃料喷射口的周围以沿周向隔开间隔的方式形成有多个水喷射口，所述水喷射口形成为在周向上不均等。
根据这样的结构，相对于利用从燃料喷射口喷射的燃料生成的火焰，从水喷射口喷射的水在周向上不均等地喷射。于是，火焰的轴向位置在周向上变得不一样。于是，通过使该火焰本身或者因该火焰着火的燃料所引起的火焰的轴向位置在周向上不同而使放热率分散，由此能够抑制燃烧振动。
根据本发明的第二方式，在第一方式的所述喷嘴的基础上，也可以是，多个所述水喷射口中的一部分形成为，相对于所述喷嘴的中心轴线朝所述喷嘴的径向倾斜的倾斜角度与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
由此，在周向的一部分区域与除此之外的剩余部分的区域中，从水喷射口喷射的水的喷射角度在喷嘴的径向上不同。由此，能够在周向上不均等地喷水。
根据本发明的第三方式，在第一方式或第二方式的所述喷嘴的基础上，也可以是，多个所述水喷射口中的一部分形成为，相对于所述喷嘴的中心轴线朝所述喷嘴的周向倾斜的倾斜角度与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
由此，在周向上的一部分区域与除此之外的剩余部分的区域中，从水喷射口喷射的水的喷射角度在喷嘴的周向、换句话说水喷射口的位置处的切线方向上不同。由此，能够在周向上不均等地喷水。
根据本发明的第四方式，在第一方式至第三方式中任一方式的所述喷嘴的基础上，也可以是，多个所述水喷射口中的一部分形成为，其开口直径与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
由此，在周向上的一部分区域与除此之外的剩余部分的区域中，从水喷射口喷射的水的喷射量不同。由此，能够在周向上不均等地喷水。
根据本发明的第五方式，在第一方式至第四方式中任一方式的所述喷嘴的基础上，也可以是，多个所述水喷射口中的一部分形成为，所述喷嘴的径向上的位置与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
由此，在周向上的一部分区域与除此之外的剩余部分的区域中，从水喷射口喷射的水到达利用从中央部的燃料喷出口喷出的燃料生成的火焰为止的距离不同。由此，能够在周向上不均等地喷水。
根据本发明的第六方式，在第一方式至第五方式中任一方式的所述喷嘴的基础上，也可以是，多个所述水喷射口中的一部分形成为，所述喷嘴的周向上的设置间隔与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
由此，在周向上的一部分区域与除此之外的剩余部分的区域中，从水喷射口喷射的水的喷射量(喷射密度)不同。由此，能够在周向上不均等地喷水。
根据本发明的第七方式，也可以是，燃烧器具备：喷射燃料的主喷嘴；以及生成用于对从所述主喷嘴喷射的燃料进行点火的火焰的辅助喷嘴，所述辅助喷嘴是第一方式至第六方式中任一方式的喷嘴。
由此，能够使由辅助喷嘴生成的点火用的火焰在周向上不均等。于是，从主喷嘴喷射的燃料所引起的火焰也在周向上变得不均等。
根据本发明的第八方式，第七方式的所述燃烧器也可以构成为，所述辅助喷嘴配置在中央部，在所述辅助喷嘴的外周侧沿周向设置有多个所述主喷嘴。
根据本发明的第九方式，也可以是，燃气轮机具备：第七方式或第八方式的所述燃烧器；以及通过由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动的涡轮主体。
根据这样的燃气轮机，能够抑制燃烧器的火焰所引起的燃烧振动。
发明效果
根据上述喷嘴，在向火焰喷水的燃烧器中，也能够有效地抑制燃烧振动。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的燃气轮机的整体结构的概略图。
图2是示出燃烧器的概略结构的侧剖视图。
图3是示出燃烧器的主要部分的结构的侧剖视图。
图4是示出第一实施方式的燃烧器的前端面的主视图。
图5是示出形成于燃烧器的前端面的燃料喷射口、水喷射口的侧剖视图。
图6是示出使水喷射口在周向上不均等的情况下的、轴向位置与放热率的关系的图。
图7是示出第二实施方式的燃烧器的前端面的主视图。
图8是示出第三实施方式的燃烧器的前端面的主视图。
图9是示出第四实施方式的燃烧器的前端面的主视图。
图10是示出第五实施方式的燃烧器的前端面的主视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照附图对本发明所涉及的第一实施方式的燃烧器3进行说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机1具备将大量的空气送入内部并进行压缩的压缩机2、向利用该压缩机2进行压缩后的压缩空气A混合燃料并使其燃烧的燃烧器3、以及将从燃烧器3导入的燃烧气体G的热能转换为旋转能量的涡轮主体4。
压缩机2以及涡轮主体4分别具备连结为一体旋转的转子5、以及包围转子5的外周侧的定子6。转子5具有旋转轴7以及在轴线方向上隔开间隔固定的多个环状动叶片组8。各个环状动叶片组8构成为在旋转轴7的外周具有沿周向彼此隔开间隔进行固定的多个动叶片。
定子6分别具备外壳9、以及在外壳9内沿轴线方向隔开间隔进行固定的多个环状静叶片组10。环状静叶片组10在各个外壳9内表面具有沿周向彼此隔开间隔进行固定的多个静叶片。
环状静叶片组10分别与多个环状动叶片组8在轴线方向上交替配置。
如图2所示，本实施方式的燃烧器3具备圆筒状的内筒31、以及呈同心圆状设置在内筒31的中心轴方向一端侧的外周侧的外筒32。
外筒32的一端侧32a被堵塞，另一端侧32b在内筒31的外周侧开口。从外筒32的另一端侧32b的内周面与内筒31的外周面之间向燃烧器3内流入的压缩空气A在外筒32的一端侧32a翻转180°，向内筒31的内部供给。
如图2、图3所示，在内筒31的内部设置有设于内筒31的中心部的辅助燃烧器33、以及在辅助燃烧器33的外周侧沿周向隔开间隔地设置多个的主燃烧器34。
辅助燃烧器33具备辅助喷嘴35以及辅助锥形部36。
辅助喷嘴35从外筒32的一端侧32a沿着内筒31的中心轴线O设置。辅助喷嘴35将从外筒32的一端侧32a经由未图示的燃料供给路径而供给的燃料从前端部35a喷射，对该燃料进行点火，由此生成火焰。
辅助锥形部36呈筒状，设置在辅助喷嘴35的前端部35a的外周侧。辅助锥形部36具有从辅助喷嘴35的前端部35a附近朝向火焰的生成方向而其内径逐渐扩大的圆锥部36c，限制火焰的扩散范围、方向，提高保焰性。
主燃烧器34具备主喷嘴37以及旋流器38。在辅助锥形部36的外周侧设置有筒状的外周锥形部39。主喷嘴37在外周锥形部39的外周面与内筒31的内周面之间的区域中，沿周向隔开间隔地设置有多个。各个主喷嘴37从外筒32的一端侧32a与内筒31的中心轴线O平行地设置。
旋流器38设置在各主喷嘴37的前端部。在旋流器38的空气流上游侧，从未图示的燃料喷嘴向主喷嘴37的外周面侧喷出燃料(主燃料)。然后，该燃料通过旋流器38的动作而在主燃烧器34中与内筒31内的压缩空气A混合，生成预混合气。
本实施方式的辅助喷嘴35为了降低火焰的温度进而减少Nox而向火焰喷水。以下，对辅助喷嘴35的结构进行详细叙述。
如图4、图5所示，辅助喷嘴35在前端面(前端)35s的中央具有喷射燃料的燃料喷射口41。从未图示的燃料供给源通过在辅助喷嘴35内形成的燃料流路向燃料喷射口41供给燃料。
在辅助喷嘴35的前端面35s的燃料喷射口41的周围，沿周向隔开间隔地形成有多个水喷射口42。从未图示的水供给源通过在辅助喷嘴35内形成的水流路向水喷射口42供给水。各个水喷射口42形成为相对于辅助喷嘴35的中心轴线O朝向辅助喷嘴径向内周侧以及周向倾斜。由此，从各个水喷射口42喷射出的水以包络线与从位于上述的多个水喷射口42的内周侧的燃料喷射口41喷出的燃料所引起的火焰F1的外缘部重叠的方式被喷吹。
上述的多个水喷射口42在周向上不均等地形成。
在本实施方式中，多个水喷射口42中的周向上的一部分区域的水喷射口42A形成为，相对于辅助喷嘴35的中心轴线O的、辅助喷嘴35朝径向内周侧倾斜的倾斜角度θ1与位于剩余的其它区域中的水喷射口42B的倾斜角度θ2不同。例如，一部分的水喷射口42A的倾斜角度θ1形成为比剩余的其它水喷射口42B(水喷射口的剩余部分)的倾斜角度θ2小。
由此，在位于周向的一部分区域的水喷射口42A处，从各水喷射口42朝向辅助喷嘴35的内周侧喷射的水比除此之外的水喷射口42B朝向外周侧喷射。因而，相对于利用从中央的燃料喷射口41喷射的燃料生成的火焰F1，从辅助喷嘴35的多个水喷射口42喷射的水在周向上不均等地喷射。水喷射口42朝向径向内周侧的倾斜角度越小，从水喷射口42喷射的水越是在水从水喷射口42喷射的喷射方向下游侧的较远位置到达火焰F1的外缘部。由此，火焰F1的轴向位置在周向上变得不均匀。
于是，因轴向位置在周向上不同的火焰F1而使从主燃烧器34喷出的燃料着火的位置、换句话说主火焰的生成位置在周向上在沿着中心轴线O方向上不同。水的喷射角度的倾斜角度θ1越小，从主燃烧器34喷出的燃料所引起的主火焰的生成位置越是沿中心轴线O方向移向火焰生成方向下游侧。
如此一来，在燃烧器3中生成的主火焰在中心轴线O方向上的位置在周向上不同。于是，如图6所示，燃烧器3内的放热率的分散的幅度沿中心轴线O方向扩展。
因而，能够抑制基于火焰F1、主火焰的一个振动模式所引发的励振力。其结果是，能够有效地抑制燃烧振动。
需要说明的是，在所述第一实施方式中，通过使辅助喷嘴35的径向上的水喷射口42的倾斜角度不同，由此使多个水喷射口42在周向上不均等，但不限于此。以下，示出使多个水喷射口42在周向上不均等地形成的多个实施方式。需要说明的是，在以下所示的各实施方式中，燃气轮机1、燃烧器3的整体结构与所述第一实施方式共用。因此，在以下说明中，对与所述第一实施方式共用的结构在附图中标注相同的附图标记并省略其说明，以辅助喷嘴35中的水喷射口42的结构为中心进行说明。
(第二实施方式)
如图7所示，在本实施方式的燃烧器3的辅助喷嘴35中，在燃料喷射口41的周围沿周向隔开间隔地形成的多个水喷射口42中的、周向上的一部分区域的水喷射口42C的倾斜角度形成为与水喷射口42D的倾斜角度不同。换句话说，水喷射口42C相对于辅助喷嘴35的中心轴线O向辅助喷嘴35的周向(设置有水喷射口42C的位置处的切线方向)倾斜的倾斜角度形成为与位于剩余的其它区域的水喷射口42D的倾斜角度不同。例如，一部分的水喷射口42C的倾斜角度形成为比剩余的其它的水喷射口42D的倾斜角度大。
由此，在位于周向的一部分区域的水喷射口42C处，从水喷射口42喷射的水比除此之外的水喷射口42D进一步朝向火焰F1的生成方向上游侧进行喷射。
因此，如图3所示，相对于利用从中央的燃料喷射口41喷射的燃料生成的火焰F1，从水喷射口42朝向火焰F1的外周侧喷射的水在周向上不均等地喷射。于是，火焰F1的轴向位置在周向上变得不一样。
由此，火焰F1向从主燃烧器34喷出的燃料传播，燃料着火的位置在沿着中心轴线O的方向上不同。于是，如图6所示，在燃烧器3内，基于主火焰的放热率在周向上沿着中心轴线O方向分散。
其结果是，能够抑制基于火焰F1、主火焰的一个振动模式所引起的励振力。其结果是，能够有效地抑制燃烧振动。
(第三实施方式)
如图8所示，在本实施方式的燃烧器3的辅助喷嘴35中，在燃料喷射口41的周围沿周向隔开间隔地形成的多个水喷射口42中的、周向上的一部分区域的水喷射口42E的开口径D1形成为与剩余的其它的区域中的水喷射口42F的开口径D2不同。例如，一部分水喷射口42E的开口径D1形成为比剩余的其它的水喷射口42F的开口径D2大。
由此，在位于周向上的一部分区域的水喷射口42E处，与除此之外的水喷射口42F相比，从水喷射口42喷射的水的喷射量增多。
因而，如图3所示，相对于利用从中央的燃料喷射口41喷射的燃料生成的火焰F1，从水喷射口42朝向火焰F1的外周侧喷射的水在周向上不均等地喷射。于是，火焰F1的轴向位置在周向上变得不一样。
由此，火焰F1向从主燃烧器34喷出的燃料传播，燃料着火的位置在沿着中心轴线O的方向上不同。于是，如图6所示，在燃烧器3内，基于主火焰的放热率在周向上沿中心轴线O方向分散。
其结果是，能够抑制基于火焰F1、主火焰的一个振动模式所引起的励振力。其结果是，能够有效地抑制燃烧振动。
(第四实施方式)
如图9所示，在本实施方式的燃烧器3的辅助喷嘴35中，在燃料喷射口41的周围沿周向隔开间隔地形成的多个水喷射口42中的、周向上的一部分区域的水喷射口42G的开口形成为与水喷射口42H的开口不同。换句话说，水喷射口42G的开口在辅助喷嘴35的径向上的位置形成为与位于剩余的其它区域中的水喷射口42H的开口不同。例如，一部分水喷射口42G的开口配置在比剩余的其它的水喷射口42H的开口靠辅助喷嘴35的径向外周侧的位置。
由此，在位于周向上的一部分区域的水喷射口42G处，从水喷射口42喷射的水与除此之外的水喷射口42H相比在火焰F1的生成方向下游侧到达火焰F1的外缘部。
因而，如图3所示，相对于利用从中央的燃料喷射口41喷射的燃料生成的火焰F1，从水喷射口42朝向火焰F1的外周侧喷射的水在周向上不均等地喷射。于是，火焰F1的轴向位置在周向上变得不一样。
由此，火焰F1向从主燃烧器34喷出的燃料传播，燃料着火的位置在沿着中心轴线O的方向上不同。于是，如图6所示，在燃烧器3内，基于主火焰的放热率在周向上沿中心轴线O方向分散。
其结果是，能够抑制基于火焰F1、主火焰的一个振动模式所引起的励振力。其结果是，能够有效地抑制燃烧振动。
(第五实施方式)
如图10所示，在本实施方式的燃烧器3的辅助喷嘴35中，在燃料喷射口41的周围沿周向隔开间隔地形成的多个水喷射口42中的、周向上的一部分区域的水喷射口42J的设置间隔形成为与水喷射口42K的设置间隔不同。换句话说，辅助喷嘴35的周向上的水喷射口42J的设置间隔形成为与位于剩余的其它区域中的水喷射口42K的设置间隔不同。例如，一部分区域的水喷射口42J的周向上的设置间隔P1形成为比剩余的其它的区域中的水喷射口42K的设置间隔P2小。
由此，在位于周向上的一部分区域的水喷射口42J处，与除此之外的水喷射口42K相比，从水喷射口42喷射的水的喷射量(喷射密度)增大。
因而，如图3所示，相对于利用从中央的燃料喷射口41喷射的燃料生成的火焰F1，从水喷射口42朝向火焰F1的外周侧喷射的水在周向上不均等地喷射。于是，火焰F1的轴向位置在周向上变得不一样。
由此，火焰F1向从主燃烧器34喷出的燃料传播，燃料着火的位置在沿着中心轴线O的方向上不同。于是，如图6所示，在燃烧器3内，基于主火焰的放热率在周向上沿中心轴线O方向分散。
其结果是，能够抑制基于火焰F1、主火焰的一个振动模式所引起的励振力。其结果是，能够有效地抑制燃烧振动。
(其它实施方式)
需要说明的是，本发明不限于参照附图进行说明的上述各实施方式，在其技术范围内考虑各种变形例。
例如，在上述实施方式中，作为多个水喷射口42在周向上不均等地形成的例子，分成周向上的一部分区域的水喷射口42A、42C、42E、42G、42J与周向上的剩余的其它区域的水喷射口42B、42D、42F、42H、42K，但不限于此。也可以在周向上分成更多的区间，不均等地形成水喷射口42。
此外，将多个水喷射口42的倾斜角度、开口直径、径向位置、设置间隔通过周向上的一部分区域与剩余的其它区域来形成为两个阶段，但也可以形成为三个阶段以上。
在此基础上，还能够适当地组合所述第一～第五实施方式来构成。
另外，在上述实施方式中，在辅助喷嘴35处与燃料喷射口41一并形成有多个水喷射口42，但也可以与辅助喷嘴35独立地在其外周侧设置水喷射口42。
此外，在上述实施方式中，燃烧器3采用在中央部具有辅助喷嘴35且在外周侧具有多个主喷嘴37的结构，但只要在构成燃烧器3的喷嘴的至少一个中应用本发明的结构，燃烧器3可以采用任意结构。
除此之外，只要不脱离本发明的主旨，也能够取舍选择在上述实施方式中列举的结构或适当地变更为其它结构。
工业实用性
根据该喷嘴，在向火焰喷水的燃烧器中也能够有效地抑制燃烧振动。
附图标记说明
1 燃气轮机
3 燃烧器
4 涡轮主体
31 内筒
32 外筒
33 辅助燃烧器
34 主燃烧器
35 辅助喷嘴(喷嘴)
35s 前端面(前端)
37 主喷嘴
41 燃料喷射口
42 水喷射口
42A、42C、42E、42G、42J 水喷射口
42B、42D、42F、42H、42K 水喷射口
F1 火焰

Claims (8)

1.一种喷嘴，其中，
所述喷嘴在前端的中央形成有喷射燃料的燃料喷射口，并且在所述前端的所述燃料喷射口的周围以沿周向隔开间隔的方式在所述周向上排成一列地形成有多个水喷射口，
在所述周向上的一部分区域中彼此相邻的多个所述水喷射口形成为，其开口直径与所述周向上的一部分区域以外的所述周向上的剩余部分的区域的多个所述水喷射口不同。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，
多个所述水喷射口中的一部分形成为，相对于所述喷嘴的中心轴线朝所述喷嘴的径向倾斜的倾斜角度与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
3.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，
多个所述水喷射口中的一部分形成为，相对于所述喷嘴的中心轴线朝所述喷嘴的周向倾斜的倾斜角度与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
4.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，
多个所述水喷射口中的一部分形成为，所述喷嘴的径向上的位置与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
5.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，
多个所述水喷射口中的一部分形成为，所述喷嘴的周向上的设置间隔与多个所述水喷射口的剩余部分不同。
6.一种燃烧器，其中，
所述燃烧器具备：
喷射燃料的主喷嘴；以及
生成用于对从所述主喷嘴喷射的燃料进行点火的火焰的辅助喷嘴，
所述辅助喷嘴是权利要求1所述的喷嘴。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其中，
所述辅助喷嘴配置在中央部，
在所述辅助喷嘴的外周侧沿周向设置有多个所述主喷嘴。
8.一种燃气轮机，其中，
所述燃气轮机具备：
权利要求6或7所述的燃烧器；以及
通过由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动的涡轮主体。
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