CN105899879B - 燃料喷射喷嘴、燃料喷射模块以及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

根据本发明的燃料喷射喷嘴（31），具备：将燃料（103）和空气（102）混合而生成混合气的预混合流路（34）、以及位于预混合流路（34）的下游且将混合气喷射至燃烧室(26)的喷射口（33）。喷射口（33）为缝隙状，且形成为宽度小于消焰距离的两倍的结构。

Description

燃料喷射喷嘴、燃料喷射模块以及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃料喷射喷嘴。

背景技术

从保护环境的观点出发，优选减少从燃气轮机排出的氮氧化物（NO_X）。作为减少NO_X排出量的方法之一，存在预先将燃料和空气混合而生成混合气，并将该混合气从燃料喷射喷嘴喷射而燃烧的方法（预混合燃烧方式）。根据该方法，进行控制以使混合气中燃料的比例最低化，从而能够在燃烧室内获得较低且均匀的温度分布，能够抑制燃烧温度的上升。其结果是，能够抑制由燃烧温度的上升引起的NO_X（热力型NO_X）的产生（参见专利文献1）。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2010-216668号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，如果在燃料喷射喷嘴内预先将压缩空气大量混合入燃料，则会发生燃烧室的火焰传播到燃料喷射喷嘴的“回火”，存在燃料喷射喷嘴烧损的担忧。尤其，使用氢气等反应性较高的物质作为燃料的情况下，容易发生回火。

本发明鉴于如上的情况而形成，目的在于提供一种将燃料气体和空气进行预混合后喷射至燃烧室内、且对回火的耐性高的燃料喷射喷嘴。

解决问题的手段：

根据本发明的一个形态的燃料喷射喷嘴，具备：将燃料和空气混合而生成混合气的预混合流路、以及位于所述预混合流路的下游且将所述混合气喷射至燃烧室的喷射口；所述喷射口为缝隙状，且形成为宽度小于消焰距离的两倍的结构。根据该结构，通过采用预混合燃烧方式从而能够减少NO_X的产生量，又，由于喷射口的宽度小于消焰距离的两倍，因此不会发生火焰越过喷射口传播至燃料喷射喷嘴内的情况，不易发生回火。

又，在上述燃料喷射喷嘴中，所述预混合流路形成为越靠近下游侧流路截面积越小的结构亦可。根据该结构，能够使位于预混合流路的下游端部的喷射口的流路截面积变小，因此能够提高燃料喷射喷嘴中燃料的喷射速度，使回火更加不易发生。又，通过使流路截面积变小，可以促进预混合流路内的预混合。由此，能够抑制混合气中的燃料的比例不均，能够进行更加均匀的燃烧。

又，亦可在上述燃料喷射喷嘴中，所述预混合流路具有将所述燃料和空气混合而生成所述燃料的比例为第一燃料比例的混合气的第一混合部，以及将所述第一混合部中生成的混合气和空气混合而生成所述燃料的比例为第二燃料比例的混合气的第二混合部，所述第二燃料比例小于所述第一燃料比例。根据该结构，通过使第一燃料比例提高一定值以上，从而使火焰不易传播至第一混合部。因此，即使发生回火，也能够抑制其影响。

又，在上述燃料喷射喷嘴中，所述第一燃料比例在比可燃范围的上限值低15vol%的值以上亦可。根据该结构，能够实质上抑制回火的影响。

又，亦可在上述燃料喷射喷嘴中，所述预混合流路位于所述第一混合部与第二混合部的边界部分，且具有形成有贯通孔的防焰板，所述贯通孔的直径小于所述消焰距离的两倍。根据该结构，即使火焰传播至燃料喷射喷嘴内，也不会发生火焰越过防焰板传播至第一混合部的情况，能够抑制回火产生的影响。

根据本发明的一个形态的燃料喷射模块，具备多个上述任一种燃料喷射喷嘴，并具备将燃料供给至多个所述燃料喷射喷嘴的燃料供给部；所述燃料供给部形成为在下游侧分支，并将燃料供给至各个所述燃料喷射喷嘴的结构。根据该结构，通过在多个点喷射燃料，以此各燃料喷射位置的火焰变小，其结果是，能够进一步降低发生回火的风险，并且能够使燃烧稳定。

根据本发明的一个形态的燃气轮机，具备上述任一种燃料喷射喷嘴或者上述燃料喷射模块。

发明效果：

如上所述，根据上述燃料喷射喷嘴，即使在燃料喷射喷嘴内将燃料气体和空气进行大量预混合后喷射至燃烧室，也能够抑制回火的发生。

附图说明

图1是燃气轮机的概略结构图；

图2是将燃烧器的端部扩大的剖视图；

图3是图2所示的Ⅲ-Ⅲ向视剖面图；

图4是燃料喷射喷嘴的剖视图；

图5是燃料喷射喷嘴的主视图；

图6是示出混合气的燃料比例与燃烧速度的关系的图；

图7是根据变形例的燃料喷射喷嘴的剖视图；

图8是示出燃料喷射器的混合气喷射方法的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下，相同或对应的部分在所有附图中以相同的符号标记而省略重复的说明。

<燃气轮机的结构>

首先，说明燃气轮机100的整体结构。图1是燃气轮机100的概略结构图。根据本实施形态的燃气轮机100是驱动发电机101的发电用燃气轮机。燃气轮机100具备：压缩器10，燃烧器11，燃料供给装置12以及涡轮13。

燃烧器11中，从压缩器10供给被压缩后的空气102，并从燃料供给装置12供给燃料103。在本实施形态中，使用含有氢气的反应性（燃烧速度）高的燃料103。该含有氢气的燃料103中，除了由炼油厂或石油化学工厂产生的含有氢气的副产气体之外，也含有纯氢气。在燃烧器11内，燃料103和空气102燃烧，由此产生的高温高压的燃烧气体104被供给至涡轮13。涡轮13通过燃烧气体104的能量进行旋转，并通过压缩器10驱动发电机101。

<燃烧器的结构>

接着，说明燃烧器11。图2是将燃烧器11的端部扩大的剖视图。如图2所示，燃烧器11具备：外壳20，燃烧筒21，以及燃料喷射器22。

外壳20是形成燃烧器11外轮廓的构件。外壳20具有圆筒状的外管构件24和设置于外管构件24的一侧（纸面左侧）端部的圆盘状的端盖25。

燃烧筒21收纳于外壳20的内部，燃烧筒21的内部形成有燃烧室26。燃料喷射器22位于燃烧筒21的端部。燃烧筒21和外壳20之间形成有环状的空气流路27，从压缩器10供给的空气102通过该空气流路27，并朝向燃料喷射器22（朝向纸面左侧）流动。另外，本实施形态的燃烧器11是空气102和燃烧气体104逆向流动的回流罐型，但是也可以采用回流罐型以外的结构。

燃料喷射器22形成为能够将通过空气流路27的空气102、以及经由燃料供给部28从燃料供给装置12供给的燃料103取入的结构。然后，燃料喷射器22将取入的空气102和燃料103混合而生成混合气，并将该混合气喷射至燃烧室26。在燃烧室26中，混合气燃烧生成燃烧气体104。生成的燃烧气体104朝向纸面右侧流动，并被供给至涡轮13（参见图1）。在本实施形态中，进行控制以使混合气中燃料103的比例尽可能低，以此能够在燃烧室26内获得较低且均匀的温度分布。其结果是，能够抑制燃烧温度，能够减少 NO_X的产生量。

图3是图2的Ⅲ-Ⅲ向视剖面图。如图3所示，燃料喷射器22具备多个燃料喷射模块30。主视观察时（从燃烧室26观察），各燃料喷射模块30具有六角形形状，且各自具有七个燃料喷射喷嘴31。在本实施形态的燃料喷射器22中，在中央配置有一个燃料喷射模块30，其周围配置有六个燃料喷射模块30，其周围进一步配置有十二个燃料喷射模块30。又，如图2所示，各燃料喷射模块30具有燃料供给部28和多个燃料喷射喷嘴31。燃料供给部28在下游侧分支，并与燃料喷射模块30的各燃料喷射喷嘴31单独连接。根据该结构，从燃料供给装置12供给的燃料103被分配至每个燃料喷射模块30，在各燃料喷射模块30中燃料从燃料供给部28供给至各燃料喷射喷嘴31。

<燃料喷射喷嘴的结构>

接着，详细说明构成燃料喷射模块30的燃料喷射喷嘴31。图4是燃料喷射喷嘴31的剖视图。又，图5是燃料喷射喷嘴31的主视图（从燃烧室26观察的图）。如图4以及图5所示，燃料喷射喷嘴31具备外侧构件51、内侧构件52和中间构件53。

外侧构件51是相当于燃料喷射喷嘴31中半径方向外侧部分的构件，其形成为圆筒状。外侧构件51形成为：在上游侧部分保持相同内径，从上游侧部分朝向轴方向中央附近内径逐渐变小，并且从轴方向中央附近朝向下游侧端部内径逐渐变大。

内侧构件52，以和外侧构件51之间产生间隙的形式，配置于外侧构件51的内部。内侧构件52与外侧构件51有相同的轴方向尺寸，又，内侧构件52除上游侧部分以外具有大致实心筒状的形状。内侧构件52形成为：在上游侧部分保持相同外径，从上游侧部分朝向轴方向中央附近外径逐渐变小，并且从轴方向中央附近朝向下游侧端部外径逐渐变大。又，内侧构件52的上游侧部分形成为圆筒状，内部形成有燃料取入部54。

中间构件53具有圆筒状的形状，配置于外侧构件51和内侧构件52之间所形成的缝隙中相比外侧构件51和内侧构件52的轴方向中央附近更靠近上游侧的部分。中间构件53形成为：厚度固定，上游侧部分保持相同外径，从轴方向中央附近朝向下游侧端部外径逐渐变小。

内侧构件52和中间构件53之间形成有环状的第一混合部35；在外侧构件51和内侧构件52之间且相比轴方向中央附近更靠近下游侧的部分，形成有环状的第二混合部36。另外，第二混合部36形成为越靠近下游流路截面越小的结构。由该第一混合部35和第二混合部36构成预混合流路34。又，外侧构件51和内侧构件52之间的下游侧端部形成有环状的喷射口33。此外，外侧构件51和中间构件53之间形成有环状的空气供给流路41。如下所述详细说明上述各流路。

喷射口33位于预混合流路34的下游，是将混合气喷射至燃烧室26的部分。如图5所示，喷射口33形成为圆环状，且形成为缝隙状。而且，喷射口33形成为其宽度（相对于缝隙延伸的方向垂直的方向的尺寸）为消焰距离以上且小于消焰距离的两倍的结构。该“消焰距离”是指火焰能接近金属构件的最小距离。当火焰比消焰距离更靠近金属构件时，热被金属构件吸收而燃烧无法维持，造成消焰。

消焰距离包括平板消焰距离和圆管消焰距离。“平板消焰距离”是指两片平板间的消焰距离，“圆管消焰距离”是指圆管内的消焰距离。平板消焰距离大致等于圆管消焰距离的0.7倍。除了包含燃料成分、周围压力以及周围温度在内的使用条件之外，消焰距离还根据燃料吹出口的几何形状而有所不同。另外，常温·大气压下氢气的平板消焰距离被认为在0.6mm左右。因此，在使用氢气作为燃料103的情况下，以上述例子来说，喷射口33形成为其宽度为0.6mm以上且小于1.2mm的结构。

本实施形态的燃料喷射喷嘴31为金属制，如上所述，喷射口33的宽度小于消焰距离的两倍。因此，即将侵入喷射口33的火焰与隔着喷射口33对置的金属制的两部分中至少一方的距离小于消焰距离。其结果是，即将侵入喷射口33的火焰发生消焰，不会发生火焰传播至燃料喷射喷嘴31内的情况，不会发生回火。

另外，如果喷射口33的宽度变小，则由于混合气的流路截面积变小而使得混合气的喷射速度上升。该喷射速度的上升也对防止回火有效。与此相对，在如本实施形态那样使用含有氢气的燃料103的情况下，由于燃料103的燃烧速度比使用天然气的情况快，因此不管混合气的喷射速度有多快，火焰也不易到达远处，燃烧也不易变得不稳定。

又，本实施形态的喷射口33形成为圆环状，但是只要是缝隙状的形状就也可以是其他形状。例如，也可以是使直线交叉而得到的形状，也可以是使多根直线平行排列而得到的形状，也可以是将圆和直线合起来得到的形状。另外，虽然喷射口33可以由多个贯通孔形成，然而形成为等同于使贯通孔连续的缝隙状更不会使喷射口33的面积（即混合气的流路截面积）变得过小，从而能够进行稳定的燃烧。

接着，说明预混合流路34。预混合流路34是将燃料103和空气102混合而生成混合气的流路。如图4所示，预混合流路34形成为圆筒状，并具有第一混合部35和第二混合部36。在本实施形态中，在混合燃料103和空气102时，在第一混合部35进行第一次混合，在第二混合部36进行第二次混合。即，在本实施形态中，分两阶段进行燃料103和空气102的混合。

第一混合部35相当于预混合流路34的上游部分。第一混合部35将燃料103和空气102混合而生成燃料比例较高的（燃料浓的）混合气。燃料喷射喷嘴31的喷射口33相反侧的面（图4中纸面左侧的面）上形成有与燃料供给部28（参见图2）连接的燃料取入口37，以及包围该燃料取入口37的环状的第一空气取入口38。从燃料取入口37取入的燃料103通过燃料取入部54和燃料供给流路40被供给至第一混合部35，同时从第一空气取入口38取入的空气102也被供给至第一混合部35。然后，被供给至第一混合部35的燃料103和空气102在第一混合部35内进行混合并朝向第二混合部36流动。

第二混合部36相当于预混合流路34的下游部分。第二混合部36将生成于第一混合部35的混合气与空气102混合而生成燃料比例较低（燃料稀的）的混合气。燃料喷射喷嘴31的喷射口33相反侧的面上形成有包围第一空气取入口38的环状的第二空气取入口39。混合气从第一混合部35被供给至第二混合部36，同时从第二空气取入口39取入的空气102通过空气供给流路41被供给至第二混合部36。然后，被供给至第二混合部36的混合气和空气102在第二混合部36内进行混合并朝向喷射口33流动。

在此，图6是示出在燃料103为氢气的情况下混合气的燃料比例（相对于混合气整体的燃料的体积比例；vol%）与燃烧速度（cm/s）的关系的图。在图6中，横轴为燃料比例，纵轴为燃烧速度。另外，图6示出了燃料103为氢气的情况，但即使是燃料103为氢气以外的情况也有相同的倾向。在此，存在能够使混合气燃烧的燃料比例范围（一般称为“可燃范围（或者燃烧范围）”），该可燃范围根据燃料103的成分而确定。燃料103为氢气的情况，可燃范围的下限值为4vol%，上限值为75vol%。此外，如图6所示，燃料103为氢气的情况，燃料比例约为40vol%时燃烧速度达到峰值。

在本实施形态中，第一混合部35中生成的混合气的燃料比例（以下称为“第一燃料比例”）设定为比可燃范围的上限值更高。如果燃料103为氢气，如前所述，由于可燃范围的上限值为75vol%，因此第一燃料比例设定为高于75vol%。根据该结构，即使火焰侵入燃料喷射喷嘴31内，也不会发生该火焰传播到第一混合部35的情况，从而能够可靠地防止回火。然而，第一燃料比例设定为比可燃的上限值低15vol%的值以上亦可。以上述例子来说，设定为比可燃范围的上限值75vol%低15vol%的60vol%以上亦可。如果像这样进行设定，则能够实质上避免回火。

又，第二混合部36中生成的混合气的燃料比例（以下称为“第二燃料比例”）设定为可燃范围的下限值以上且燃烧速度达到峰值的燃料比例以下。然而，考虑到NO_X的产生量，优选第二燃料比例的上限值较低。如上所述，燃料103为氢气的情况，可燃范围的下限值为4vol%，燃烧速度达到峰值则约为40vol%。因此，如果是燃料103为氢气的情况，虽然根据发动机的运转情况会有所不同，但是例如将第二燃料比例设定为4～15vol%。这样，通过使第二燃料比例、即被喷射至燃烧室26的混合气的燃料比例较低且均匀，以此能够抑制燃烧温度，能够减少NO_X的产生量。

又，作为针对回火的对策，除上述以外，如图7所述，在第一混合部35和第二混合部36的边界部分设置防焰板42亦可。该防焰板42上形成有多个贯通孔43，各贯通孔43形成为直径为圆管消焰距离以上且圆管消焰距离的两倍以下的结构。通过设置这样的防焰板42，以此混合气通过贯通孔43但火焰不会越过防焰板42传播至第一混合部35。因此，与图4所示的情况相比，能够可靠地减少回火的影响。

<燃料的喷射方法>

接着，说明燃料喷射器22的燃料103喷射方法。在本实施形态中，根据燃气轮机100的运转状况而变更喷射燃料103（混合气）的燃料喷射模块30（燃料喷射喷嘴31）的数量。如前所述，在本实施形态中，能够将燃料103供给至每个燃料喷射模块30，因此能够变更喷射燃料103的燃料喷射模块30的数量（燃料喷射喷嘴31的数量）。图8是与图3对应的图，虚线所画的燃料喷射模块30表示不喷射燃料103，实线所画的燃料喷射模块30表示喷射燃料103。

燃气轮机100启动的时候，如图8的（a）中所示，从一个燃料喷射模块30喷射燃料103。在本实施形态中，仅从位于中央的燃料喷射模块30喷射燃料103，但是仅从位于中央以外部分的燃料喷射模块30喷射燃料103亦可。例如，仅从最靠近点火栓的燃料喷射模块30喷射燃料亦可。

燃气轮机100启动之后，直至燃气轮机100达到恒定旋转数为止，如图8的（b）中所示，从位于中央的燃料喷射模块30以及包围它的燃料喷射模块30喷射燃料103。即，随着燃料喷射器22的（燃料喷射喷嘴31整体的）燃料喷射量的增加，增加喷射燃料103的燃料喷射模块30的数量。

燃气轮机100达到恒定旋转数后，根据燃气轮机100的负荷而变更喷射燃料103的燃料喷射模块30的数量。即，随着燃气轮机100的负荷变大，按照图8 的（c）、（d）所示的顺序，增加喷射燃料103的燃料喷射模块30。另外，喷射燃料103的燃料喷射模块30的数量可以是一个一个地增加，也可以是多个多个地增加。

如上所述，根据本实施形态，即使燃料喷射喷嘴31整体的燃料喷射量变化较大，由于根据该变化而喷射燃料103的燃料喷射喷嘴31的数量也改变，因此各个燃料喷射喷嘴31的燃料喷射量变化不大。因此，在各燃料喷射喷嘴31中，可以将第一混合部35和第二混合部36中生成的混合气的燃料比例保持为上述第一燃料比例和第二燃料比例。

以上是本实施形态的说明。另外，以上，说明了将燃料喷射器22（燃料喷射喷嘴31）设置于燃烧筒21端部的情况，但是也可以设置于燃烧筒21的其他位置。例如，将一个燃料喷射模块30设置于燃烧筒21的轴方向这样附近，使用该燃料喷射模块30作为所谓的再热燃烧器（reheat burner ）亦可。

又，以上，说明了将燃料喷射喷嘴31（燃料喷射模块30）使用于燃气轮机100的情况，但是上述燃料喷射喷嘴31（燃料喷射模块30）不限于使用于燃气轮机，也可以使用于锅炉或吸收式冷冻机等。又，以上，说明了燃料103中含有氢气的情况，但是上述燃料喷射喷嘴31可以用于不含氢气的燃料。

工业应用性：

根据本发明的燃料喷射喷嘴，能够抑制NO_X的产生量并且能够抑制回火的发生。因此，在燃料喷射喷嘴的技术领域有益。

符号说明：

26 燃烧室；

30 燃料喷射模块；

31 燃料喷射喷嘴；

33 喷射口；

34 预混合流路；

35 第一混合部；

36 第二混合部；

42 防焰板；

43 贯通孔；

100 燃气轮机；

102 空气；

103 燃料。

Claims (6)

1.一种燃料喷射喷嘴，具备：

将燃料和空气混合而生成混合气并形成为圆筒状的预混合流路、

位于所述预混合流路的下游且将所述混合气喷射至燃烧室的喷射口、

形成于所述预混合流路的径向内侧的燃料取入部、以及

形成于所述预混合流路的径向外侧的圆筒状的空气供给流路；

所述预混合流路具有：

将从形成于上游侧端部的第一空气取入口取入的空气和从形成于所述燃料取入部的上游侧端部的燃料取入口取入的燃料混合，而生成燃料的比例为第一燃料比例的混合气的第一混合部；以及

位于所述第一混合部的下游，将所述第一混合部中生成的混合气和从形成于所述空气供给流路的上游侧端部的第二空气取入口取入的空气混合，而生成燃料的比例为小于所述第一燃料比例的第二燃料比例的混合气的第二混合部；

所述喷射口为缝隙状，且形成为宽度小于消焰距离的两倍的结构。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述预混合流路形成为越靠近下游侧流路截面积越小的结构。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述第一燃料比例在比可燃范围的上限值低15vol%的值以上。

4.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述预混合流路位于所述第一混合部与第二混合部的边界部分，且具有形成有贯通孔的防焰板，

所述贯通孔的直径小于所述消焰距离的两倍。

5.一种燃料喷射模块，具备多个权利要求1至4中任一项所述的燃料喷射喷嘴，

并具备将燃料供给至多个所述燃料喷射喷嘴的燃料供给部；

所述燃料供给部形成为在下游侧分支，并将燃料供给至各个所述燃料喷射喷嘴的结构。

6.一种具备权利要求1至4中任一项所述的燃料喷射喷嘴或者权利要求5所述的燃料喷射模块的燃气轮机。