CN106164444A - 燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机 - Google Patents

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Abstract

燃气涡轮机燃烧器中，在壁部(26)上沿燃烧气体流动方向并列设置有多个冷却空气通道(27A)，且冷却空气通道(27A)中，抽气升压空气从燃烧气体流的下游侧向上游侧流动，冷却空气通道(27A)经过通道切换槽部(33)被截断为抽气升压空气入口孔(30a)部侧的上游侧冷却空气通道(27A1)和抽气升压空气出口孔(30b)部侧的下游侧冷却空气通道(27A2)，同时，任一上游侧冷却空气通道中心线(C1)均不与下游侧冷却空气通道中心线(C2)一致。

Description

燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机。
背景技术
燃气涡轮机燃烧器因在其内部流通的燃烧气体会使壁温超过材料的耐久温度，因此具有冷却结构。作为这种燃气涡轮机燃烧器的冷却结构，提出了很多在壁部流通压缩空气和蒸汽等冷却介质进行冷却的方法。
例如，专利文献1中公开的内容就是其中的一个示例。这是闭式空冷循环的冷却结构，如图6A～图6E所示，从燃烧器100的上游侧抽取自图外的压缩机提供的压缩空气，将升压后的抽气升压空气Ab用于冷却壁部(壁面)101后，回收抽气升压空气Ab并与压缩空气的主流一起作为通过燃烧器100使燃料燃烧的燃烧用空气再次利用。
而且，对内部形成的冷却空气通道提供冷却空气来冷却壁面的燃烧器100的壁部101(严格来说是内筒的壁部)分为涡轮机侧的下游壁面区域Da，其将抽气升压空气Ab作为冷却空气，以从燃烧气体流F的下游侧至上游侧的方式使其在冷却空气通道102A内流通来进行冷却；和烧嘴侧的上游壁面区域Ua，其将从流通缸体内部空间的压缩空气的主流中抽取的抽气压缩空气Ac作为冷却空气，通过从冷却空气通道102B内流通至声学衬垫和阻尼器103来进行冷却。
由此，具有闭式空冷循环的冷却结构的燃气涡轮机燃烧器中，可有效利用压缩机提供的压缩空气，燃烧器100的较高温侧的涡轮机侧可使用抽气升压空气Ab进行壁面冷却，较低温的烧嘴侧可使用抽气压缩空气Ac进行壁面冷却。
结果，对燃烧器100的下游壁面区域Da进行冷却的抽气升压空气Ab，和对燃烧器100的上游壁面区域Ua进行冷却的抽气压缩空气Ac均作为燃烧用空气得到有效的再次利用，因此，可认为实现了一种具有闭式空冷循环的冷却结构的燃气涡轮机燃烧器，其可抑制需进行升压的抽气升压空气Ab的使用量并可高效冷却燃烧器100的壁面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-77660号公报
专利文献2：日本专利特开2012-47181号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1公开的闭式空冷循环的冷却结构具有以下缺陷：流通抽气升压空气Ab的冷却空气通道102A中，从抽气升压空气入口孔104a部至抽气升压空气出口孔104b部为止的通道结构(所谓的MT散热片结构)与热负荷无关，均相同，因此，如图7所示，在抽气升压空气出口孔104b部附近，由于变热，冷却空气温度升高，随之金属温度上升且冷却能力下降。
尤其是如图8A～图8C所示，随着冷却空气从冷却空气通道102A的入口(I)→出口(II)流动(参照图8A)，冷却空气温度TC逐渐上升，同时金属温度Tm也逐渐上升，应力σ由于受到声学衬垫和阻尼器103的限制，在出口(II)部局部变大(参照图8B)，在出口(II)部，低循环使用寿命LCF具有局部最弱的危险(参照图8C中使用寿命最弱部的区域E)。
因此，如专利文献1公开的闭式空冷循环的冷却结构中，希望在类似于抽气升压空气出口孔104b附近这样热负荷高使用寿命短的部位应用使金属温度下降的通道结构(所谓的MT散热片结构)。
另外，专利文献2中公开了一种燃气涡轮机燃烧器中的通道结构(所谓的MT散热片结构)，该燃气涡轮机燃烧器中具有：入口集管器，其设在以内部形成燃烧气体流的方式形成筒状的内筒壁部的燃烧气体下游侧；冷却通道，其连接至该入口集管器，并沿所述壁部内的燃烧气体的流动方向并列设置多个；冷却空气出口部，其连接至该冷却通道，设在所述壁部的燃烧气体上游侧，其中所述通道结构形成为，冷却通道的通道截面积朝向冷却空气的流动方向逐渐减小，或者，各冷却通道的通道截面积大致相同，但冷却空气下游侧的设置数量少于冷却空气上游侧。
由此，流经冷却通道内的冷却空气的流速朝向下游侧增大，热传导率增大，可沿燃烧气体的流动方向抑制燃气涡轮机燃烧器壁部的部分温度上升。也就是说，随着冷却空气流向下游侧，其与燃烧气体进行热交换，温度出现上升，因此与燃烧气体的温度差变小、冷却效率降低，但通过增大冷却空气的流速使热传导率增大，从而可弥补冷却空气温度上升造成的缺陷。
因此，可知这种冷却结构也可有效地适用于所述的闭式空冷循环的冷却结构并消除所述缺陷。
本发明鉴于上述情况而研究完成，目的在于提供一种燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机燃烧器具有冷却结构，其通过冷却介质通道的结构变更可实现冷却能力的最佳化。
技术方案
为实现上述目的，本发明所涉及的燃气涡轮机燃烧器具有：
冷却介质入口部，其设在以内部形成燃烧气体流的方式形成筒状的壁部的燃烧气体下游侧；
冷却介质通道，其连接至该冷却介质入口部，在所述壁部内沿燃烧气体的流动方向并列设置多个；
冷却介质出口部，其连接至该冷却介质通道，设在所述壁部的燃烧气体上游侧，
所述燃气涡轮机燃烧器的特征在于，
所述冷却介质通道经过通道切换槽部被截断为冷却介质入口部侧的上游侧冷却介质通道和冷却介质出口部侧的下游侧冷却介质通道，
同时，所述任一上游侧冷却介质通道中心线均不与下游侧冷却介质通道中心线一致。
此外，
所述燃气涡轮机燃烧器的特征在于，所述上游侧冷却介质通道中心线和下游侧冷却介质通道中心线的各间距一定。
此外，
所述燃气涡轮机燃烧器的特征在于，所述上游侧冷却介质通道和下游侧冷却介质通道以相同的通道宽度被截断，下游侧冷却介质通道中心线与互为比邻的上游侧冷却介质通道中心线的中线一致。
为实现上述目的，本发明所涉及的燃气涡轮机的特征在于，
具备上述任一项所述的燃气涡轮机燃烧器；
向所述燃烧器提供压缩空气的压缩机；
通过所述燃烧器的燃烧气体旋转的涡轮机。
有益效果
根据本发明所涉及的燃气涡轮机燃烧器，可最大限度的发挥通道切换槽部的冷却介质的碰撞和剥离，并有效提升热传导率，实现冷却能力的最佳化，因此，通过较少的冷却介质流量或压力损失即可实现冷却，可预期提高循环性能。
根据本发明所涉及的燃气涡轮机，通过具备所述燃气涡轮机燃烧器，可提高燃烧温度并增高涡轮机入口温度，并可提供高效率的燃气涡轮机。
附图说明
图1A是表示本发明一实施例的燃烧器的闭式空冷循环的冷却结构的示意图。
图1B同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图1A的b部放大图)。
图1C同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图1A的c部放大图)。
图1D同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图1C的d向视图)。
图1E同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图1D的e-e向视截面图)。
图2A同为表示通道切换槽部的说明图。
图2B同为表示通道切换槽部的作用效果(热传导率)的图表。
图2C同为表示通道切换槽部的作用效果(冷却能力)的图表。
图3A同为流通抽气升压空气的冷却空气通道的截面图。
图3B同为流通抽气升压空气的冷却空气通道的截面图。
图4同为表示具备具有闭式空冷循环的冷却结构的燃烧器的燃气涡轮机的构成示例的说明图。
图5同为表示具有闭式空冷循环的冷却结构的燃烧器的结构的说明图。
图6A是现有燃烧器的闭式空冷循环的冷却结构的示意图。
图6B同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图6A的b部放大图)。
图6C同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图6A的c部放大图)。
图6D同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图6C的d向视图)。
图6E同为表示闭式空冷循环的冷却结构的壁部的说明图(图6D的e-e向视截面图)。
图7同为冷却能力的图表。
图8A同为说明闭式空冷循环的缺陷的尾筒的结构示意图。
图8B同为说明闭式空冷循环的缺陷的应力-金属温度-冷却空气温度的关系图。
图8C同为说明闭式空冷循环的缺陷的低循环使用寿命-应力-金属温度的关系图。
具体实施方式
下面，通过实施例，使用附图对本发明所涉及的燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机进行详细说明。
实施例
图1A～图1E是表示本发明一实施例的燃烧器的闭式空冷循环的冷却结构的说明图，图2A～图2C同为表示通道切换槽部的结构和作用效果的说明图，图3A和图3B同为流通抽气升压空气的冷却空气通道的截面图，图4同为表示具备具有闭式空冷循环的冷却结构的燃烧器的燃气涡轮机的构成示例的说明图，图5同为表示具有闭式空冷循环的冷却结构的燃烧器的结构的说明图。
如图4所示，燃气涡轮机GT由压缩机10、燃烧器11和涡轮机12构成，该涡轮机12连接有发电机Ge。
压缩机10将从空气中吸入的空气In加以压缩。该压缩空气的主流通过压缩空气供给通道13提供至燃烧器11。燃烧器11使用压缩机10压缩的压缩空气使燃料Fu燃烧，生成高温高压的燃烧气体。该燃烧气体将提供至涡轮机12。涡轮机12在涡轮机缸体内交替配置有多个静叶和动叶。该涡轮机12中，燃烧气体通过静叶和动叶之间进行流通，从而使安装有动叶的转子旋转，充电机Ge产生驱动力，废气Ex从涡轮机12中排出。
上述燃气涡轮机GT中设有升压装置14，其抽取通过压缩机10压缩的部分压缩空气，并通过压缩空气升压为较高的压力。该升压装置14设在从压缩空气供给通道13的中途分支并抽取部分压缩空气的分支通道15上，通过电动马达M驱动。
通过升压装置14升压的抽气升压空气经由升压空气通道16提供至燃烧器11，作为燃烧器11的壁面冷却用冷却空气使用。这样，用于燃烧器11的壁面冷却的抽气升压空气通过返回通道17返回至压缩空气供给通道13，与在压缩空气供给通道13中流通的压缩空气的主流合流后，作为通过燃烧器11使燃料Fu燃烧的燃烧用空气再次利用。
如此，上述燃气涡轮机GT具有回收式空气冷却结构即闭式空冷循环的冷却结构，其从燃烧器11的上游侧抽取自压缩机10提供的压缩空气，将升压后的抽气升压空气用作燃烧器壁面的冷却空气后，回收该抽气升压空气并与压缩空气的主流一起作为通过燃烧器11使燃料燃烧的燃烧用空气再次利用。
燃烧器11形成为大致圆柱形状，例如，如图5所示，收纳设置在燃气涡轮机GT的缸体(壳体)18内形成的缸体内部空间19中，围绕转子的外周并沿圆周方向设置有多个。
该燃烧器11具有内筒20、尾筒21、声学衬垫和阻尼器22，在内筒20的内部配置有燃烧烧嘴23。燃烧烧嘴23具有配置在中央部的引燃烧嘴24，和以在引燃烧嘴24的周围围绕的方式配置的多个主烧嘴25。另外，设置有燃烧器11的缸体18的缸体内部空间19中导入并充满有通过压缩机10压缩的压缩空气。
缸体内部空间19中导入的压缩空气从燃烧器11的上游部(燃烧烧嘴23侧)流入内筒20的内部，与燃烧烧嘴23提供的燃料混合后燃烧。利用该燃烧生成的高温高压的燃烧气体通过尾筒21提供至下游侧的涡轮机12。
这种燃气涡轮机GT的燃烧器11中，如图1A～图1E所示，对内部形成的冷却空气通道提供冷却空气来冷却壁面的尾筒21的壁部26分为涡轮机侧的下游壁面区域Da，其将抽气升压空气Ab作为冷却空气(冷却介质)，以从燃烧气体流F的下游侧至上游侧的方式使其在冷却空气通道(冷却介质通道)27A内流通来进行冷却；和烧嘴侧的上游壁面区域Ua，其将从流通缸体内部空间19的压缩空气的主流中抽取的抽气压缩空气Ac作为冷却空气，通过从冷却空气通道27B内流通至声学衬垫和阻尼器22来进行冷却。
附图示例中，形成下游壁面区域Da的尾筒21的壁部26为将内壁26a和外壁26b进行铜焊后接合的双重壁结构，例如，在具有厚度的外壁26b侧形成的燃烧器11的轴向(长度方向)的凹槽通过与内壁26a接合，构成所述冷却空气通道27A。该冷却空气通道27A在燃烧器11的圆周方向以多个相邻连接的方式并列设置。
此外，下游壁面区域Da中，从尾筒21的后端部附近导入的抽气升压空气Ab流经冷却空气通道27A，从声学衬垫和阻尼器22的涡轮机12侧端部附近向缸体内部空间19内流出。具体而言，抽气升压空气Ab通过升压空气通道16被导入尾筒21的后端部附近设置的歧管29内。在歧管29的内侧，作为向壁部26内流通抽气升压空气Ab的冷却空气通道27A的入口开口，在各通道设有抽气升压空气入口孔(冷却介质入口部)30a。
而且，作为冷却空气通道27A的出口开口的抽气升压空气出口孔(冷却介质出口部)30b在声学衬垫和阻尼器22的靠涡轮机12侧、声学衬垫和阻尼器22的涡轮机12侧端部附近开口。因此，歧管29内，从抽气升压空气入口孔30a流入的抽气升压空气Ab在冷却空气通道27A中流向声学衬垫和阻尼器22侧来冷却壁部26，温度上升的抽气升压空气Ab从抽气升压空气出口孔30b向缸体内部空间19内流出。流出至缸体内部空间19内的高温抽气升压空气Ab通过与充满缸体内部空间19内的压缩空气合流，作为燃烧用空气再次利用。
上游壁面区域Ua中，通过从声学衬垫和阻尼器22的涡轮机12侧端部附近及燃烧器23侧端部附近抽取缸体内部空间19内的压缩空气，该抽气压缩空气Ac流经冷却空气通道27B并流出至声学衬垫和阻尼器22的衬垫部内。也就是说，抽气压缩空气Ac流经冷却空气通道27B并在声学衬垫和阻尼器22的周围区域冷却壁部26后温度上升，在流出至声学衬垫和阻尼器22的衬垫部内后，流出至燃烧器11的燃烧室32内用于燃烧。
而且，本实施例中，如图2A所示，在所述应力集中部位即使用寿命最弱部的区域E中，具有相同的通道宽度、流通抽气升压空气并沿圆周方向以一定间距设置的所有冷却空气通道27A经过环状的通道(间距)切换槽部(也称为合流集管器)33被截断为上游侧冷却空气通道(上游侧冷却介质通道)27A1和下游侧冷却空气通道(下游侧冷却介质通道)27A2，同时，相对于上游侧冷却空气通道27A1的MT散热片的通道中心线C1，下游侧冷却空气通道27A2的MT散热片的通道中心线C2例如仅向燃烧器11的圆周方向移动半个间距(P/2)。换而言之，下游侧冷却空气通道27A2的通道中心线C2与相互邻接的上游侧冷却空气通道27A1的通道中心线C1的中线一致。如此，在通道切换槽部33进行通道切换。通过该通道切换，冷却空气与MT散热片的入口侧端部34碰撞。
而且，在下游侧冷却空气通道27A2的MT散热片的入口侧端部34设有利边34a，使下游侧冷却空气通道27A2的入口部处，抽气升压空气能够积极剥离(参照图中符号35所示的区域)。
由于该构成，在下游壁面区域Da中，通过冷却空气的碰撞和剥离，使用抽气升压空气进行壁面冷却，在上游壁面区域Ua中，使用抽气压缩空气进行壁面冷却，因此，在较高温的燃烧器11的尾筒21的涡轮机12侧(下游壁面区域Da)，可使用处于较低温状态的抽气升压空气进行壁面冷却，在较低温的燃烧器11的尾筒21的燃烧器23侧(上游壁面区域Ua)，可使用抽气压缩空气进行壁面冷却。
因此，用于燃烧器11的壁面冷却的冷却空气可将抽气升压空气和抽气压缩空气均作为燃烧用空气进行再次利用，从而，在高效进行燃烧器11的壁面冷却的同时，也可减少伴随燃烧产生的氮氧化物。
而且，本实施例中，如上所述，所有冷却空气通道27A经过通道切换槽部33被截断为上游侧冷却空气通道27A1和下游侧冷却空气通道27A2，同时，相对于上游侧冷却空气通道27A1的通道中心线C1，下游侧冷却空气通道27A2的通道中心线C2例如仅向燃烧器11的圆周方向移动(偏离)半个间距(P/2)。
因此，通过相对于上游侧冷却空气通道27A1的下游侧冷却空气通道27A2的通道切换，可有效发挥在MT散热片的入口侧端部34进行的碰撞和剥离所带来的冷却效果。关于剥离，可尽量削薄下游侧冷却空气通道27A2的入口部的抽气升压空气的边界层。另外，即使仅设置通道切换槽部(此时，称为合流集管器更为恰当)33，不进行下游侧冷却空气通道27A2的通道切换，在下游侧冷却空气通道27A2的入口部，也可削薄抽气升压空气的边界层，这是不言而喻的。
而且，本实施例中，在下游侧冷却空气通道27A2的MT散热片的入口侧端部34设有利边34a，因此，在下游侧冷却空气通道27A2的入口部，可积极产生抽气升压空气的剥离现象。
其结果是，通过简单变更通道结构，即可最大限度地发挥通道切换槽部33的碰撞和剥离，有效提高冷却侧的热传导率(参照图2B)。因此，实现了冷却能力的最佳化，通过较少的抽气升压空气流量或压力损失即可进行冷却，可预期提高闭式空冷循环的性能(参照图2C)。
此外，本实施例中，如图3A和图3B所示，相对于上游侧冷却空气通道27A1(参照图3B)，使下游侧冷却空气通道27A2(参照图3A)的通道宽度从W1变为W2，宽度变窄，同时，也可将通道高度由H1变为H2，使高度变低，从而将下游侧冷却空气通道27A2的有效通道截面积设定为比上游侧冷却空气通道27A1的有效通道截面积小。
由此，除了通过所述通道切换进行碰撞和剥离所带来的冷却效果外，也可通过下游侧冷却空气通道27A2的抽气升压空气的流速增大获得提高热传导率的效果。
此外，本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明主旨的范围内，当然也可相对于上游侧冷却空气通道27A1减少下游侧冷却空气通道27A2的通道数量，或变更通道中心线C2的间距等。而且，本发明并不限定于闭式空冷循环的冷却结构，也可适用其他的冷却结构。
工业上的可利用性
本发明所涉及的燃气涡轮机燃烧器和具备该燃烧器的燃气涡轮机可实现高效的燃气涡轮机，因此，可适用于火力发电机组等。
符号说明
10 压缩机
11 燃烧器
12 涡轮机
13 压缩空气供给通道
14 升压装置
15 分支通道
16 升压空气通道
17 返回通道
18 缸体(壳体)
19 缸体内部空间
20 内筒
21 尾筒
22 声学衬垫和阻尼器
23 燃烧烧嘴
24 引燃烧嘴
25 主烧嘴
26 壁部
26a 内壁
26b 外壁
27A 流通抽气升压空气的冷却空气通道
27A1 上游侧冷却空气通道(冷却介质通道)
27A2 下游侧冷却空气通道(冷却介质通道)
27B 流通抽气压缩空气的冷却空气通道
30a 抽气升压空气入口孔(冷却介质入口部)
30b 抽气升压空气出口孔(冷却介质出口部)
32 燃烧室
33 通道(间距)切换槽部(合流集管器)
34 MT散热片的入口侧端部
34a 利边
35 剥离区域
GT 燃气涡轮机
Ge 发电机
Fu 燃料
In 空气
Ex 废气
F 燃烧气体流
Ua 上游壁面区域
Da 下游壁面区域
Ab 抽气升压空气
Ac 抽气压缩空气
E 使用寿命最弱部的区域
C1上游侧冷却空气通道的MT散热片的通道中心线
C2下游侧冷却空气通道的MT散热片的通道中心线
P间距(流通抽气升压空气的冷却空气通道的MT散热片的通道中心线间的间隔)
W上游侧冷却空气通道和下游侧冷却空气通道的通道宽度
H1上游侧冷却空气通道的通道高度
H2下游侧冷却空气通道的通道高度

Claims (4)

1.一种燃气涡轮机燃烧器，具有：
冷却介质入口部，其设在以内部形成燃烧气体流的方式形成筒状的壁部的燃烧气体下游侧；
冷却介质通道，其连接至所述冷却介质入口部，在所述壁部内沿燃烧气体的流动方向并列设置多个；
冷却介质出口部，其连接至所述冷却介质通道，设在所述壁部的燃烧气体上游侧，
所述燃气涡轮机燃烧器的特征在于，所述冷却介质通道经过通道切换槽部被截断为冷却介质入口部侧的上游侧冷却介质通道和冷却介质出口部侧的下游侧冷却介质通道，
同时，所述任一上游侧冷却介质通道中心线均不与下游侧冷却介质通道中心线一致。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机燃烧器，其特征在于，所述上游侧冷却介质通道中心线和下游侧冷却介质通道中心线的各间距一定。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机燃烧器，其特征在于，所述上游侧冷却介质通道和下游侧冷却介质通道以相同的通道宽度被截断，下游侧冷却介质通道中心线与互为比邻的上游侧冷却介质通道中心线的中线一致。
4.一种燃气涡轮机，其特征在于，
具有：所述权利要求1～3中任一项所述的燃气涡轮机燃烧器；
向所述燃烧器提供压缩空气的压缩机；
通过所述燃烧器的燃烧气体旋转的涡轮机。
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