CN105864824A - 燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机，其能相对于注入蒸汽量的变动不进行复杂的控制地实现低NOX化与稳定燃烧的兼具。燃气轮机燃烧器具备：筒状的燃烧器内衬，其具有在燃烧气体下游侧的圆周方向设置的多个稀释孔；燃烧器外壳，其内置燃烧器内衬；筒状的内衬套筒，其配置于燃烧器内衬与燃烧器外壳之间，与燃烧器内衬一起形成压缩空气流动的空气流道，具有多个蒸汽注入孔；以及蒸汽分配机构，其设于内衬套筒的外周侧，接受注入蒸汽且将所接受的蒸汽分配至多个蒸汽注入孔，多个蒸汽注入孔中的至少一部分以与多个稀释孔中的至少一部分对置，与稀释孔对置的蒸汽注入孔以将注入蒸汽向稀释孔喷射的方式形成。

Description

燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机
技术领域
本发明涉及注入蒸汽的燃气轮机燃烧器及具备该燃气轮机燃烧器的蒸汽注入燃气轮机，更详细地说，涉及能适用于能通过使注入蒸汽量可变而改变热(蒸汽)与电力的输出比例的热电可变型热电联供系统的燃气轮机燃烧器及具备该燃气轮机燃烧器的蒸汽注入燃气轮机。
背景技术
热电可变型热电联供系统是通过将由燃气轮机的排热产生的蒸汽(热)的一部分注入燃气轮机燃烧器来实现发电电力的增加及热效率的提高的系统，通过使向燃气轮机燃烧器的注入蒸汽量可变，能改变蒸汽(热)与电力的比例。该系统能根据所要求的热与电力的需要比使热电比变化，因此，作为能量损失小的高效率分散电源而被期待。
在热电可变型热电联供系统的燃气轮机燃烧器那样注入蒸汽的燃气轮机燃烧器中，为了即使在供给大量的蒸汽的情况下也能实现稳定燃烧的维持及氮氧化物(NOX)的减少，具有具备向形成于燃烧器的内筒与外筒之间的环状剖面空气流道内供给蒸汽的多孔式外筒内水蒸气喷射喷嘴、从形成于内筒的稀释空气孔的一部分直接向燃烧器内的稀释区域供给蒸汽的稀释区域水蒸气喷射喷嘴这两种水蒸气喷射喷嘴的燃气轮机燃烧器(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献1：日本实开平4-25967号公报
当使蒸汽与空气(燃烧用空气)混合时，得到从燃烧器排出的NOX减少的效果。但是，在蒸汽相对于空气的混合不均匀的情况下，来自湿度少的区域的NOX产生量变多，存在无法得到期望的NOX的减少效果的可能性。另外，在湿度过剩的区域，除了具有由于灭火等火炎稳定性的下降而导致燃烧效率下降的可能性外，还存在燃烧器内衬、尾筒、涡轮机等高温部件的热应力变大而损坏寿命的可能性。因此，为了实现低NOX化与稳定燃烧的兼具，需要蒸汽相对于空气的均匀的混合。如专利文献1所记载的燃气轮机燃烧器那样，在利用具有沿圆周方向排列的多个孔的外筒内水蒸气喷射喷嘴向环状剖面空气流道供给蒸汽的结构的情况下，能通过调整孔数实现蒸汽与空气的均匀的混合。
另外，即使在注入在燃烧器内流动的空气中的湿度为25vol％以上那样的大量的蒸汽的情况下，也要求低NOX化与稳定燃烧的兼具。因此，考虑了如专利文献1所记载的燃气轮机燃烧器那样，通过将蒸汽的一部分向环状剖面空气流道内喷射，实现低NOX化，并且，通过将剩余的蒸汽直接向燃烧室内喷射，实现灭火的避免(稳定燃烧的维持)的方法。
另外，在如通过改变注入燃烧器的蒸汽量而改变热(空气)与电力的输出比例的热电可变型热电联供系统的燃气轮机燃烧器那样，注入蒸汽量改变的燃气轮机燃烧器中，不论注入蒸汽量多少，均要求低NOX化与稳定燃烧的维持的兼具。在将专利文献1记载的燃气轮机燃烧器应用于热电可变型热电联供系统的情况下，在热需要大且向燃气轮机燃烧器的注入蒸汽量少时，为了实现低NOX化，需要进行使外筒内水蒸气喷射喷嘴的喷射量比稀释区域水蒸气喷射喷嘴的喷射量增加的蒸汽流量控制。相反地，在电力需要大且注入蒸汽量多时，为了实现灭火的避免(稳定燃烧的维持)，需要进行使稀释区域水蒸气喷射喷嘴的喷射量比外筒内水蒸气喷射喷嘴的喷射量增加的蒸汽流量控制。即，考虑需要进行将从外筒内水蒸气喷射喷嘴与稀释区域水蒸气喷射喷嘴这两种喷嘴喷射的蒸汽分为不同的两个系统而分别调节流量那样的复杂的控制的系统。
发明内容
本发明为了消除上述问题点而进行，其目的在于提供能相对于注入蒸汽量的变动，不进行复杂的控制地实现低NOX化与稳定燃烧的兼具的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机。
为了解决上述课题，例如采用保护范围所记载的结构。
本申请包括多个解决上述课题的机构，如列举其一例，则是一种流量可变地注入蒸汽，利用来自压缩机的压缩空气使燃料燃烧而生成燃烧气体的燃气轮机燃烧器，具备在内部形成燃烧室且具有在燃烧气体下游侧的区域中的圆周方向具有间隔地设置的多个稀释孔的筒状的燃烧器内衬、内置上述燃烧器内衬的燃烧器外壳、配置于上述燃烧器内衬与上述燃烧器外壳之间且与上述燃烧器内衬一起形成压缩空气流动的环状的空气流道，具有多个蒸汽注入孔的筒状的内衬套筒、设于上述内衬套筒的外周侧，接受注入的蒸汽且将所接受的蒸汽分配至上述多个蒸汽注入孔的蒸汽分配机构，上述多个蒸汽注入孔中的至少一部分以与上述多个稀释孔中的至少一部分对置的方式配置，与上述稀释孔对置的上述蒸汽注入孔的各个以将所注入的蒸汽向上述对置的稀释孔喷射的方式形成。
本发明的效果如下。
根据本发明，由于所注入的蒸汽从多个蒸汽注入孔向对置的稀释孔喷射至空气流道内的压缩空气流，因此，用于燃烧的与压缩空气混合的蒸汽和流入稀释孔内的蒸汽的比例根据注入蒸汽量适当地变化。即，能相对于注入蒸汽量的变动，不进行复杂的控制地实现低NOX化与稳定燃烧的兼具。
上述以外的课题、结构及效果通过以下的实施方式的说明变得明确。
附图说明
图1是表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的纵剖视图及具备该燃气轮机燃烧器的热电可变型热电联供系统的系统流程图。
图2是表示图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的没有注入蒸汽的情况的稀释孔附近的动作流体的流动的说明图。
图3是在从燃烧器内衬外周侧观察的状态下表示图2所示的没有注入蒸汽的情况的稀释孔附近的动作流体的流动的说明图。
图4是表示包括图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的注入蒸汽流量比较小的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。
图5是在从燃烧器内衬外周侧观察的状态下表示包括图4所示的注入蒸汽流量比较小的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。
图6是表示包括图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式中的注入蒸汽流量比较大的情况的稀释孔附近的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。
图7是在从燃烧器内衬外周侧观察的状态下表示包括图6所示的注入蒸汽流量比较大的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。
图8是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的一例的概略纵剖视图。
图9是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的其他例的概略纵剖视图。
图10是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第一变形例的一例的概略纵剖视图。
图11是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第一变形例的其他例的概略纵剖视图。
图12是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第二变形例的一例的概略纵剖视图。
图13是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第二变形例的其他例的概略纵剖视图。
图14是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式的一部分的蒸汽流导向件的概略纵剖视图，是表示注入蒸汽的流量比较小的情况的蒸汽流导向件的状态的图。
图15是表示图14所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式的注入蒸汽的流量比较大的情况的蒸汽流导向件的状态的说明图。
图16是表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的变形例的纵剖视图及具备该燃气轮机燃烧器的热电可变型热电联供系统的系统流程图。
图中：1—燃气轮机(蒸汽注入燃气轮机)，2—压缩机，3—燃烧器(燃气轮机燃烧器)，11—燃烧器内衬，12—燃烧器外壳，16—内衬套筒，21—燃烧室，22—稀释孔，23—空气流道，31—蒸汽注入口(蒸汽分配机构)，32—环状空间，33—蒸汽头(蒸汽分配机构)，34—隔壁，35—蒸汽注入孔，40、40A、41、41A、42、42A、43A—蒸汽流导向件，45—直管部，51—流导向套筒(蒸汽流导向移动机构)，52—弹簧(蒸汽流导向件移动机构)，55—歧管(蒸汽分配机构)，55a—蒸汽导入管部，55b—分支管部，101—压缩空气，105—燃烧气体，200—燃料，310—蒸汽(注入蒸汽)。
具体实施方式
下面，使用附图说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的实施方式。
[第一实施方式]
使用图1说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式及具备该燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的热电可变型热电联供系统的结构。
图1是表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的纵剖视图及具备该燃气轮机燃烧器的热电可变型热电联供系统的系统流程图。
在图1中，热电可变型热电联供系统主要由燃气轮机1、由燃气轮机1驱动并发电的发电机70、从燃气轮机1的排热回收热量而产生蒸汽302并将产生的蒸汽302供给至燃气轮机1等的蒸汽供给系统80构成。燃气轮机1具备压缩空气100并生成高压的压缩空气101的压缩机2、通过使从压缩机2导入的压缩空气101与燃料200混合并燃烧而生成燃烧气体105的多个燃烧器3、导入由燃烧器3生成的燃烧气体105的涡轮机4。
接着，使用图1说明本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的详细结构。
在图1中，燃烧器3具备在内部形成燃烧室21的大致圆筒状的燃烧器内衬11、内置燃烧器内衬11的筒状的燃烧器外壳12、封闭燃烧器内衬12的轴向一端侧(在图1中左侧)的开口部的燃烧器罩13、配置于燃烧器内衬11的轴向一端(在图1中为左端)的大致中央部且向燃烧器内衬11内喷射燃料200的燃料喷嘴14、将一端插入燃烧器内衬11的轴向另一端(在图1中右端)且将在燃烧器内衬11内生成的燃烧气体105导向涡轮机4的尾筒15。燃烧器外壳12的另一端侧(在图1中右侧)安装于涡轮机外壳6。在涡轮机外壳6内形成来自压缩机2的压缩空气101流入的空间7。
在燃烧器内衬11与燃烧器外壳12之间配置大致圆筒状的内衬套筒16。内衬套筒16通过凸缘部16a以与燃烧器内衬11大致为同轴的方式与燃烧器外壳12的燃烧器罩13侧端部(图1的左侧端部)连结。在尾筒15的外侧隔着间隔配置筒状的尾筒套筒17。尾筒套筒17将其一端部(图1的左端部)插入内衬套筒16的下游侧端部(图1的右侧端部)。在燃烧器内衬11与内衬套筒16之间以及尾筒15与尾筒套筒17之间形成压缩空气101向燃料喷嘴14侧流动的环状的空气流道23。即，燃烧器内衬11与内衬套筒16一起形成空气流道23，隔开从压缩机2流入的未燃烧的压缩空气101与已经燃烧的燃烧气体105。同样地，尾筒15也与尾筒套筒17一起形成空气流道23，隔开未燃烧的压缩空气101与已经燃烧的燃烧气体105。
在燃烧器内衬11的燃烧气体105下游侧的区域的圆周方向隔着间隔设置多个稀释孔22。稀释孔22将空气流道23内的压缩空气101的一部分作为稀释空气103与燃烧器内衬11内的燃烧气体105混合。在燃料喷嘴14的外周部设置旋转器18。旋转器18对向燃料喷嘴14侧流的压缩空气(燃烧用空气104)施加旋转成分。
在燃烧器外壳12设有从蒸汽供给系统80的后述的蒸汽注入系统84注入蒸汽(注入蒸汽310)的蒸汽注入口31。在燃烧器外壳12的内周面侧设有具有接受来自蒸汽注入口31的蒸汽(注入蒸汽310)的环状空间32的蒸汽头33。蒸汽头33将来自蒸汽注入口31的注入蒸汽310分配至后述的多个蒸汽注入孔35，例如由燃烧器外壳12、内衬套筒16、从燃烧器外壳12的涡轮机外壳6侧端部(燃烧气体105下游侧的端部，图的右侧端部)向内衬套筒16侧突出的环状的隔壁34构成。隔壁34隔开涡轮机外壳6内的空间7与环状空间32。
上述蒸汽注入口31与蒸汽头33构成接受从后述的蒸汽注入系统84注入的蒸汽(注入蒸汽310)，并将所接受的蒸汽分配至多个蒸汽注入孔35的蒸汽分配机构。
在内衬套筒16，沿圆周方向隔着间隔地设有多个蒸汽注入孔35。蒸汽注入孔35将蒸汽头33内的蒸汽喷射到空气流道23内的压缩空气101的流中。多个蒸汽注入孔35中的至少一部分以与燃烧器内衬11的多个稀释孔22中的至少一部分对置的方式配置。即，具有在蒸汽注入孔35的全部与稀释孔22的全部对置的情况(只在蒸汽注入孔35与稀释孔22的孔数相同的情况下)、蒸汽注入孔35的全部与稀释孔22的一部分对置的情况(只在蒸汽注入孔35的孔数比稀释孔22的孔数少的情况下)、蒸汽注入孔35的一部分与稀释孔22的全部对置的情况(只在蒸汽注入孔35的孔数比稀释孔22的孔数多的情况下)、或蒸汽注入孔35的一部分与稀释孔22的一部分对置的情况。与稀释孔22对置的蒸汽注入孔35形成为使注入蒸汽310朝向对置的稀释孔22喷射。该结构例如能通过考虑蒸汽头33的环状空间32的体积等而决定蒸汽注入孔35的孔径实现。另外，该说明书中的对置位置包括即使是从对置位置偏离的位置也能从蒸汽注入孔35向稀释孔22内喷射蒸汽的位置。
在燃烧器3上连接向燃烧器3供给燃料200的燃料系统60。燃料系统60具有燃料流量调整阀61。通过控制燃料流量调整阀61的阀开度而调整燃料流量，调整燃气轮机1的发电输出。
接着，使用图1说明蒸汽供给系统80的结构。
在图1中，蒸汽供给系统80具备对锅炉水300加压并排出高压水301的泵81、通过使从泵81压送的高压水301与燃气轮机1的排热进行热交换而产生蒸汽302的排热回收锅炉82、将由排热回收锅炉82产生的蒸汽302作为流程蒸汽303供给至蒸汽消费设备88的流程蒸汽系统83及将由排热回收锅炉82产生的蒸汽302注入燃烧器3的注入蒸汽系统84。作为蒸汽消费设备88，列举工场等需要热源的设备。
在流程蒸汽系统83的配管上设置控制向蒸汽消费设备88的送气蒸汽流量的工艺蒸汽流量控制阀85。注入蒸汽系统84的配管将一端连接于蒸汽注入口31，另一端从流程蒸汽系统83的配管分支。在注入蒸汽系统84的配管设有能调节向燃烧器3的蒸汽流量的蒸汽流量调整阀86。
这种结构的热电可变型热电联供系统在由排热回收锅炉82产生的蒸汽量超过在蒸汽消费设备88中需要的蒸汽量的情况下，将剩余的蒸汽302向燃烧器3注入而增加发电机70的输出，从而能使热电比可变。
接着，使用图1说明包括本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的注入蒸汽的动作流体的流动。
如图1所示，从压缩机2排出的高压的压缩空气101从涡轮机外壳6内的空间7通过涡轮机4侧(燃烧气体下游侧)的开口部流入尾筒15与尾筒套筒17间的空气流道23。该压缩空气101在朝向燃烧器内衬11侧(燃烧气体上游侧)流动时，从外侧冷却尾筒15。之后，通过燃烧器内衬11与内衬套筒16间的空气流道23向燃料喷嘴14侧流，此时，从外侧冷却燃烧器内衬11。
该压缩空气101中的一部分空气作为冷却空气102从设于燃烧器内衬11的冷却孔(未图示)流入燃烧器内衬11内，并用于膜冷却。其他一部分空气作为稀释空气103从燃烧器内衬11的多个稀释孔22向燃烧器内衬11内流入，与后述的燃烧气体105混合并向尾筒15内流入。
再剩下的空气作为燃烧用空气104从配置于燃料喷嘴14的外周的旋转器18流入燃烧器内衬11内，与从燃料喷嘴14喷出的燃料200一起用于燃烧，成为高温的燃烧气体105。该高温的燃烧气体105进一步与冷却空气102及稀释空气103混合，温度下降，被送至涡轮机4。流入涡轮机4的燃烧气体105对涡轮机4进行旋转驱动而成为低压。在涡轮机4流出的低压的涡轮机废气107由排热回收锅炉82进行热回收后，作为废气108向大气排出。
在排热回收锅炉82中，由涡轮机废气107的热量产生蒸汽302。该蒸汽302的一部分根据需要作为注入蒸汽310经注入蒸汽系统84，利用蒸汽流量调整阀86调整流量并注入燃烧器3。该注入蒸汽310经蒸汽注入口31流入蒸汽头33内，沿环状空间32的圆周方向整个区域流动。在环状空间32中流动的注入蒸汽310从多个蒸汽注入孔35流入燃烧器内衬11与内衬套筒16之间的空气流道23内。因此，即使相对于一个燃烧器外壳12，蒸汽注入口31是一处，也能实现燃烧器3的圆周方向的湿度的均匀化。另外，蒸汽头33利用隔壁34与涡轮机外壳6内的空间7隔开，因此，抑制蒸汽头33内的注入蒸汽310与涡轮机外壳6内的压缩空气101的混合。
接着，使用图2至图7说明包括本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动。
首先，使用图2及图3说明未注入蒸汽的情况的稀释孔附近的动作流体的流动。这相当于在蒸汽消费设备88(参照图1)的蒸汽消费量多，没有蒸汽注入的简单的热电联供系统的情况。另外，当从燃气轮机的视点考虑时，相当于简单的循环。
图2是表示图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的没有注入蒸汽的情况的稀释孔附近的动作流体的流动的说明图，图3是以从燃烧器内衬外周侧观察图2所示的没有蒸汽注入的情况的稀释孔附近的动作流体的流动的说明图。另外，在图2及图3中，与图1所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
如图2及图3所示，压缩空气101从右侧向左侧(从图1所示的尾筒15侧向燃料喷嘴14侧)流向燃烧器内衬11与内衬套筒16之间的空气流道23。该压缩空气101中的一部分空气从燃烧器内衬11的稀释孔22作为稀释空气103流入燃烧器内衬11内，之后与燃烧气体105混合。剩下的空气作为燃烧用空气104向内衬的左侧(图1所示的燃料喷嘴14侧)流。
由此，与通常的简单循环的情况相同，将燃烧用空气104设定为对低NOX必要且充分的流量。另外，通过使对燃烧稳定性带来不良影响的剩余空气不向燃料喷嘴14侧(参照图1)流而成为稀释空气103，能确保燃烧稳定性。另外，通过利用稀释空气103的流动一边搅拌燃烧气体105一边稀释，能使在涡轮机4(参照图1)的入口的温度分布均匀，能确保高温部件的寿命。
接着，使用图4及图5说明包括作为注入蒸汽的流量比较小的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动。这相当于通常的蒸汽注入系统。
图4是表示包括图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式中的注入蒸汽的流量比较小的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图，图5是以从燃烧器内衬外周侧观察的状态表示包括图4所示的注入蒸汽的流量比较小的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。另外，在图4及图5中，与图1至图3所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此省略其详细的说明。
如图4及图5所示，在蒸汽头33的环状空间32中流动的注入蒸汽310从内衬套筒16的蒸汽注入孔35向对置的稀释孔22以与空气流道23内的压缩空气101的流动大致正交的方式喷射。在该情况下，注入蒸汽310的流量少，因此，其喷射流速慢。
因此，所喷射的注入蒸汽310中的大部分蒸汽通过压缩空气101的高速的流动从半径内侧方向(图4的下方向、图5的纸面的正交方向的下方向)向压缩空气101的流动方向(图4及图5的左方向)弯曲，作为低NOX用蒸汽312与燃烧用空气104一起向左侧(图1所示的燃料喷嘴14侧)流。低NOX用蒸汽312与燃烧用空气104向左侧流时，进行混合并成为高湿度空气。通过将该高湿度空气用于燃烧，能得到低NOX化的效果。
另一方面，只有一部分蒸汽贯通压缩空气101的流作为稀释空气311与稀释空气103一起从与蒸汽注入孔35对置的稀释孔22流入燃烧器内衬11内。通过将剩余的蒸汽作为稀释蒸汽311，能确保燃烧稳定性。另外，通过利用稀释蒸汽311的流一边搅拌燃烧气体105一边稀释，能使在涡轮机4(参照图1)的入口的温度分布均匀，能确保高温部件的寿命。
另外，在包括不与稀释孔22对置的蒸汽注入孔35的情况下，从不与稀释孔22对置的蒸汽注入孔35喷射的蒸汽全部作为低NOX用蒸汽312与燃烧用空气104混合。该情况下，例如在需要确保对低NOX化必要的最低限的蒸汽量时使用。
接着，使用图6及图7说明包括注入蒸汽的流量比较大的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动。这相当于在热电变化幅度大的蒸汽注入系统中，电力的要求比热量大的情况。
图6是表示图1所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式的包括注入蒸汽的流量比较大的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图，图7是从燃烧器内衬外周侧观察包括图6所示的注入蒸汽的流量比较大的情况的稀释孔附近的注入蒸汽的动作流体的流动的说明图。另外，在图6及图7中，与图1至图5所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
如图6及图7所示，环状空间32的注入蒸汽310与注入蒸汽的流量比较小的情况(参照图4及图5)相同，从蒸汽注入孔35向稀释孔22以与空气流道23内的压缩空气101的流动大致正交的方式喷射。
在该情况下，由于注入蒸汽310的流量多且喷射流速快，因此，与注入蒸汽是小流量的情况相比，贯通压缩空气101的流的注入蒸汽310的力大，大部分的注入蒸汽310流入稀释孔22内成为稀释蒸汽311。另一方面，只有注入蒸汽310的一部分被周围的压缩空气101的流拉拽而作为低NOX用蒸汽312与燃烧用空气104混合，并用于燃烧。因此，能维持利用蒸汽的湿度的低NOX化的效果。另外，通过使剩余的蒸汽为稀释空气311，能确保燃烧稳定性。另外，通过利用稀释蒸汽311的流一边搅拌燃烧气体105一边稀释，能确保高温部件的寿命。
另外，通过大量的注入蒸汽310向稀释孔22内流，与注入蒸汽的流量比较小的情况相比，稀释空气103的流量减少，燃烧用空气104的流量增加稀释空气103的流量减少的量。因此，即使注入蒸汽量增加，也能抑制燃烧用空气104中的湿度增加，防止由高湿度引起的不稳定燃烧的发生。
这样，在来自注入蒸汽系统84的注入蒸汽量少且从蒸汽注入孔35喷射的蒸汽流速小的情况下，注入蒸汽310通过空气流道23内的压缩空气101的流动而弯曲，与燃烧用空气104混合的比例变大。相反地，在来自注入蒸汽系统84的注入蒸汽量多且从蒸汽注入孔35喷射的蒸汽流速大的情况下，注入蒸汽310贯通压缩空气101的流且流入稀释孔22的比例变大。因此，在热电可变型的燃气轮机1中，即使蒸汽注入量较大地变化的情况下，也能自动且适当地保持燃烧用空气104中的湿度，其结果，能维持低NOX与稳定燃烧。
如上所述，根据本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第一实施方式，由于所注入的蒸汽(注入蒸汽310)从多个蒸汽注入孔35向对置的稀释孔22喷射至空气流道23内的压缩空气101的流，因此，与用于燃烧的压缩空气101混合的蒸汽(低NOX用蒸汽312)和流入稀释孔22内的蒸汽(稀释蒸汽311)的比例根据注入蒸汽量适当地变化。即，能相对于注入蒸汽量的变动，不进行复杂的控制地实现低NOX化与稳定燃烧双方。
另外，根据本实施方式，作为向多个蒸汽注入孔35分配蒸汽的蒸汽分配机构的结构，由于在燃烧器外壳12内设置蒸汽头33，因此，能利用燃烧器外壳12内的空间实现燃烧器3的圆周方向的湿度的均匀化。
另外，根据本实施方式，作为蒸汽头33的结构的一部分，使用燃烧器外壳12与内衬套筒16，因此，能以简单的结构实现燃烧器3的圆周方向的湿度的均匀化。
[第二实施方式]
接着，使用图8至图13说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式。
首先，使用图8及图9说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一例及其他例。
图8是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的一例的概略纵剖视图，图9是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的其他例的概略纵剖视图。另外，在图8及图9中，与图1至图7所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
图8所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一例除了第一实施方式的结构，还在内衬套筒16的蒸汽注入孔35的部分设置将蒸汽头33的环状空间32内的蒸汽导向空气流道23内的筒状的蒸汽流导向件40。
具体地说，蒸汽流导向件40形成为大致轴对称，配置为其轴线L通过稀释孔22内、优选通过稀释孔22的中心C。即，该结构旨在从蒸汽流导向件40喷出的蒸汽朝向对置的稀释孔22，与空气流道23内的压缩空气101的流动大致正交。另外，蒸汽流导向件40以其整体位于环状空间32内的方式固定于蒸汽注入孔35。另外，蒸汽流导向件40例如形成为漏斗型，其流道截面积以其蒸汽入口侧(图8的上侧)比蒸汽出口侧(图8的下侧)大的方式设定。由此，在蒸汽注入孔35的入口的注入蒸汽310的流动的阻力减小，能够以比第一实施方式的情况(参照图4及图6)小的压力损失向压缩空气101的流中喷射注入蒸汽310。
另外，相对于第二实施方式的一例将蒸汽流导向件40形成为漏斗型，图9所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的其他例将蒸汽流导向件40A形成为空心的圆锥台状。第二实施方式的其他例子也能得到与第二实施方式的一例相同的效果。另外，空心的圆锥台状的蒸汽流导向件40A的制作比图8所示的漏斗型的蒸汽流导向件40的制作容易。
接着，使用图10及图11说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的第一变形例的一例及其他例。
图10是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第一变形例的一例的概略纵剖视图，图11是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第一变形例的其他例子的概略纵剖视图。另外，在图10及图11中，与图1至图9所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
图10及图11所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的第一变形例的一例及其他例的蒸汽流导向件41、41A分别还在第二实施方式的一例及其他例(参照图8及图9)的蒸汽流导向件40、40A的形状部分的下游侧具备直管部45。即，蒸汽流导向件41、41A的蒸汽出口侧端部为直管部45。
具体地说，第一变形例的一例的蒸汽流导向件41由固定于蒸汽注入孔35的直管部45和一体形成于直管部45的漏斗部46构成。另一方面，第一变形例的其他例子的蒸汽流导向件41A由固定于蒸汽注入孔35的直管部45和一体形成于直管部45的圆锥台部47、从圆锥台部47的上游端的周边向外侧鼓出的凸缘部48构成。
该蒸汽流导向件41、41A能得到与第二实施方式的一例及其他例相同的效果。
另外，通过蒸汽流导向件41、41A的直管部45，所喷射的注入蒸汽310的流动方向容易朝向与压缩空气101的流动正交的方向，能将更多的蒸汽注入稀释孔22内。该结构的蒸汽流导向件最适于蒸汽注入量多的蒸汽注入系统。
接着，使用图12及图13说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的第二变形例的一例及其他例。
图12是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第二变形例的一例的概略纵剖视图，图13是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的一部分的蒸汽流导向件的第二变形例的其他例子的概略纵剖视图。另外，在图12及图13中，与图1至图11所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
图12及图13所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式的第二变形例的一例及其他例的蒸汽流导向件42、42A分别将第二实施方式的第一变形例的一例及其他例的蒸汽流导向件41、41A的蒸汽出口侧端部(直管部45的前端部)配置在比内衬套筒16更靠近燃烧器内衬11侧(图的下侧)。即，蒸汽流导向件42、42A以其直管部45的前端部位于空气流道23内、剩下的部分位于蒸汽头33的环状空间32的方式固定于蒸汽注入孔35。
由此，蒸汽流导向件42、42A的蒸汽出口与稀释孔22的距离比第一变形例的一例及其他例的情况小，能够将更多的注入蒸汽310注入稀释孔22内。本结构的蒸汽流导向件最适于蒸汽注入量多的蒸汽注入系统。
另外，在蒸汽流导向件42、42A的轴长与第一变形例的一例及其他例相同的情况下，蒸汽流导向件42、42A的蒸汽入口与燃烧器外壳12的距离比第一变形例的一例及其他例的情况大。因此，在蒸汽注入孔35的入口的注入蒸汽310的流动的阻力减小，其结果，能以比第一变形例的一例及其他例的情况小的压力损失将注入蒸汽310向压缩空气101的流喷射。
另外，通过蒸汽流导向件42、42A具备直管部45，能得到与第一变形例的一例及其他例相同的效果。
另外，蒸汽流导向件42、42A以从蒸汽流导向件42、42A喷出的注入蒸汽310的流被周围的压缩空气101的流拉拽，作为低NOX用蒸汽312与燃烧用空气混合并用于燃烧的程度，并以其蒸汽出口从稀释孔22离开的方式配置。因此，能维持利用蒸汽的湿度的NOX的减少效果。
根据上述本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第二实施方式，能得到与上述第一实施方式相同的效果。
另外，根据本实施方式，由于将形成为大致轴对称的蒸汽流导向件40、40A、41、41A、42、42A以其轴线L通过对置的稀释孔22内的方式配置，因此，与上述第一实施方式相比，容易使所喷射的注入蒸汽310的方向朝向稀释孔22，能使所喷射的注入蒸汽310可靠地与压缩空气101的流大致正交。
另外，根据本实施方式，由于在蒸汽注入孔35设置蒸汽入口侧的流道截面积比蒸汽出口侧的流道截面积大的蒸汽流导向件40、40A、41、41A、42、42A，因此，能够以比第一实施方式的情况小的压力损失将注入蒸汽310向空气流道23内喷出。
[第三实施方式]
接着，使用图14及图15说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式。
图14及图15是构成本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式的一部分的蒸汽流导向件的概略纵剖视图，图14是表示注入蒸汽的流量比较小的情况的蒸汽流导向件的状态的说明图，图15是表示蒸汽注入量为比较大的流量的情况的蒸汽流导向件的状态的说明图。另外，在图14及图15中，与图1至图13所示的符号相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
第二实施方式的第一及第二变形例的其他例子将蒸汽流导向件41A、42A固定在内衬套筒16的蒸汽注入孔35(参照图11及图13)。相对于此，图14所示的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式使蒸汽流导向件43A根据注入蒸汽量的多少能沿其轴线方向移动地设置。
具体地说，在内衬套筒16的外周面以与蒸汽注入孔35同轴的方式固定大致圆筒状的流导向套筒51。在流导向套筒51内能沿轴线方向(图14的上下方向)移动地收纳蒸汽流导向件43A。蒸汽流导向件43A以直管部45(蒸汽出口侧)的外径比蒸汽注入孔35的孔径小且凸缘部48(蒸汽入口侧)的外径比蒸汽注入孔35的孔径大的方式形成。蒸汽流导向件43A的凸缘部48(蒸汽入口侧)与流导向套筒51的间隙C1的面积以比蒸汽流导向件43A的直管部45(蒸汽出口侧)与蒸汽注入孔35的开口边缘的间隙C2的面积小的方式设定。通过流导向套筒51与蒸汽流导向件43A、内衬套筒16，形成具有间隙C1及间隙C2的环状的空间53。在流导向套筒51内的空间53收纳弹簧52。弹簧52的一端侧与凸缘部48抵接，并且，另一端侧与内衬套筒16的外周面抵接。即，通过该弹簧52，蒸汽流导向件43A被内衬套筒16支撑。
上述流导向套筒52与弹簧52构成使蒸汽流导向件43A相对于稀释孔22根据注入蒸汽量的增加而接近，并且，根据注入蒸汽量的减少而离开的蒸汽流导向移动机构。
接着，使用图14及图15说明本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式的注入蒸汽量不同的情况的蒸汽流导向件的状态。
如图14所示，蒸汽头33的环状空间32内的注入蒸汽310的大部分通过蒸汽流导向件43A内向压缩空气101的流中喷出。另一方面，一部分的少量的注入蒸汽310按照顺序通过间隙C1及间隙C2并向压缩空气101的流中喷出。此时，由流导向套筒51、蒸汽流导向件43A与内衬套筒16划分的空间53(配置弹簧52的空间)的压力由于间隙C2比间隙C1大，因此，与压缩空气101流动的空气流道23内的压力大致相等。
在注入蒸汽的流量比较小的情况下，蒸汽头33的环状空间32内的压力与空间53的压力相比，在一部分的注入蒸汽310从狭窄的间隙C1流入时产生的压力损失量大。因此，蒸汽流导向件43A由于该压力差被按压至稀释孔22侧(图14的下侧)，在由该压力差产生的力与弹簧52的弹性力平衡的位置被保持。
相对于此，在注入蒸汽的流量比较大的情况下，从间隙C1流入的注入蒸汽310的压力损失增加注入蒸汽量增加的量，因此，环状空间32的压力比注入蒸汽的流量比较小的情况大。因此，如图15所示，将蒸汽流导向件43A向稀释孔22侧(图15的下侧)按的力比注入蒸汽的流量比较小的情况大，蒸汽流导向件43A在比注入蒸汽的流量小的情况更接近稀释孔22侧(图15的下侧)的位置被保持。因此，蒸汽流导向件43A的蒸汽出口与稀释孔22的距离小，在注入蒸汽的流量比较大的情况下，能使比注入蒸汽的流量比较小的情况多的蒸汽流入稀释孔22内。
这样，在注入蒸汽的流量比较小的情况下，蒸汽流导向件43A的出口与稀释孔22的距离比注入蒸汽的流量比较大的情况相对大，并且，注入蒸汽31的流速也小。因此，注入蒸汽310的大部分作为低NOX用蒸汽312与燃烧空气混合，用于燃烧。其结果，发挥利用蒸汽的湿度的NOX的减少效果。
另一方面，在注入蒸汽的流量比较大的情况下，蒸汽流导向件43A的出口与稀释孔22的距离比注入蒸汽的流量比较小的情况小，并且，注入蒸汽310的流速也大。因此，由于比流量比较小的情况多的注入蒸汽310贯通压缩空气101的流而流入稀释孔22内，因此，能将剩余的注入蒸汽310用作稀释蒸汽311。即，能确保燃烧稳定性。
另外，为了得到上述效果，不需要进行将低NOX用蒸汽与稀释蒸汽分为不同的两个系统，在各系统上分别设置流量调节阀而调节蒸汽流量那样的复杂的控制。
根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器及蒸汽注入燃气轮机的第三实施方式，能使蒸汽流导向件43A相对于燃烧器内衬11的稀释孔22根据注入蒸汽量的多少向接近或离开的方向移动，因此，与将上述第二实施方式的蒸汽流导向件固定在蒸汽注入孔35的情况相比，能可靠地实现相对于注入蒸汽量的变动的低NOX化与稳定燃烧的兼具。
另外，根据本实施方式，利用流导向套筒51与弹簧52进行根据注入蒸汽量的蒸汽流导向件43A的移动，因此，能不进行复杂的控制地以简单的结构实现相对于注入蒸汽量的变动的低NOX化与稳定燃烧的兼具。
[其他实施方式]
另外，在上述的第一至第三实施方式中，以热电可变型热电联供系统的燃烧器3为例进行表示，但也能应用于热电可变型热电联供系统以外的蒸汽注入量可变的燃气轮机燃烧器。
另外，在上述第一实施方式中，作为使蒸汽在圆周方向上均匀地分配的蒸汽分配机构，表示由燃烧器外壳12、内衬套筒16与隔壁34构成的蒸汽头33的例子，但作为蒸汽分配机构，如图16所示，也能使用与蒸汽注入孔35连接的蒸汽歧管55。
图16是表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的变形例的纵剖视图及具备该燃气轮机燃烧器的热电可变型热电联供系统的系统流程图。另外，在图16中，与图1至图15所示的部件相同符号的部件是相同部分，因此，省略其详细的说明。
蒸汽歧管55由从蒸汽注入系统84注入注入蒸汽310的蒸汽导入管部55a、从蒸汽导入管部55a分支并分别与各蒸汽注入孔35连接的多个分支管部55b构成。分支管部55b以其轴线X通过对置的稀释孔22内的方式设置。由此，从分支管部55喷射的注入蒸汽310的流动方向朝向对置的稀释孔22，与空气流道23内的压缩空气101的流动方向大致正交。通过该蒸汽歧管55，能将来自蒸汽注入系统84的注入蒸汽310均匀地分配到在圆周方向上设置的各稀释孔22。因此，能得到与上述第一实施方式相同的效果。
另外，在上述第三实施方式中，表示使用了形成为圆锥台状的蒸汽流导向件43A的例子，但也能使用形成为漏斗型的蒸汽流导向件。
另外，本发明并未限定于上述第一至第三实施方式，包括多种变形例。上述实施方式为了使本发明容易明白而详细地进行了说明，但未限定于必须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，并且，也能在某实施方式的结构上添加其他实施方式。另外，也能对各实施方式的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。

Claims (11)

1.一种燃气轮机燃烧器，其流量可变地注入蒸汽，利用来自压缩机的压缩空气使燃料燃烧而生成燃烧气体，该燃气轮机燃烧器的特征在于，
具备：
筒状的燃烧器内衬，其在内部形成燃烧室，具有在燃烧气体下游侧的区域中的圆周方向隔着间隔地设置的多个稀释孔；
燃烧器外壳，其内置上述燃烧器内衬；
筒状的内衬套筒，其配置于上述燃烧器内衬与上述燃烧器外壳之间，与上述燃烧器内衬一起形成压缩空气流动的环状的空气流道，具有多个蒸汽注入孔；以及
蒸汽分配机构，其设于上述内衬套筒的外周侧，接受注入的蒸汽且将所接受的蒸汽分配至上述多个蒸汽注入孔，
上述多个蒸汽注入孔中的至少一部分以与上述多个稀释孔中的至少一部分分别对置的方式配置，
与上述稀释孔对置的上述蒸汽注入孔的各个以将所注入的蒸汽向对置的上述稀释孔喷射的方式形成。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽分配机构具备：
蒸汽注入口，其设于上述燃烧器外壳，并注入蒸汽；以及
蒸汽头，其在上述燃烧器外壳的内周侧具有接受来自上述蒸汽注入口的蒸汽的环状空间，将来自上述蒸汽注入口的蒸汽分配至上述多个蒸汽注入口。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽头包括：
上述燃烧器外壳；
具有上述多个蒸汽注入孔的上述内衬套筒；以及
隔壁，其从上述燃烧器外壳的燃烧气体下游侧端部向上述内衬套筒侧突出，与上述燃烧器外壳、上述内衬套筒一起形成上述环状空间。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
还具备轴对称的蒸汽流导向件，其配置于上述内衬套筒中的与上述稀释孔对置的上述蒸汽注入孔的部分，将上述蒸汽头内的蒸汽引导至上述空气流道内，
上述蒸汽流导向件以其轴线通过上述稀释孔的方式配置，
就上述蒸汽流导向件的流道截面积而言，蒸汽入口侧比蒸汽出口侧大。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽流导向件的蒸汽出口侧端部是直管部。
6.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽流导向件以其整体位于上述蒸汽头内的方式固定于上述蒸汽注入孔。
7.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽流导向件以其蒸汽出口侧前端部位于上述空气流道内、剩下的部分位于上述蒸汽头内的方式固定于上述蒸汽注入孔。
8.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽流导向件以能沿其轴线方向移动的方式配置，
还具备蒸汽流导向件移动机构，其使上述蒸汽流导向件相对于上述稀释孔根据所注入的蒸汽量的增加而接近，且根据所注入的蒸汽量的减少而离开。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽流导向件移动机构具备：
筒状的流导向套筒，其能移动地收纳上述蒸汽流导向件，并固定于上述内衬套筒的外周面；以及
弹簧，其收纳于上述流导向套筒内，一端侧与上述蒸汽流导向件抵接，并且另一端侧与上述内衬套筒的外周面抵接，
上述蒸汽流导向件的蒸汽入口侧与上述流导向套筒的间隙比上述蒸汽流导向件的蒸汽出口侧与上述蒸汽注入孔的开口边缘的间隙小。
10.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述蒸汽分配机构是歧管，该歧管具备注入蒸汽的蒸汽导入管部以及多个分支管部，该多个分支管部从上述蒸汽导入管部分支，分别连接于上述多个蒸汽注入孔的各个，
上述多个分支管部中的、连接于与上述稀释孔对置的上述蒸汽注入孔的分支管部的各个以其轴线通过与上述蒸汽注入孔对置的上述稀释孔的方式配置。
11.一种蒸汽注入燃气轮机，其特征在于，
具备权利要求1所述的燃气轮机燃烧器。
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