CN106287815B - 燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，提高预先混合燃烧用燃料喷嘴的耐振动强度，且即使燃料喷嘴在与末端凸缘的焊接部破损喷嘴也不向下游方向飞散，没有燃烧器部件损伤的可能。燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构具备具有扩散用燃料喷嘴的扩散用燃烧嘴、具有预先混合用燃料喷嘴的预先混合用燃烧嘴、机械地接合扩散用燃烧嘴及预先混合用燃烧嘴的末端凸缘、在该末端凸缘固定扩散用燃烧嘴且以覆盖作为预先混合用燃料喷嘴的与末端凸缘的接合部的根部的方式插入配置的扩散用燃烧嘴，预先混合燃料喷嘴的外径以随着向与末端凸缘的接合部变粗的方式在较长方向上变化，并且预先混合用燃料喷嘴的根部的最大径比设于扩散用燃烧嘴支撑部的孔部的内径大。

Description

燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，尤其涉及适于采用在预先混合后将燃料与空气燃烧的预先混合燃烧的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构。

背景技术

从环境保护的观点出发，谋求燃气轮机的废气中更低NOx化。作为燃气轮机燃烧器的燃烧方法，有将燃烧与空气混合后燃烧的预先混合燃烧，这相比较于将燃料直接喷入燃烧室燃烧的扩散燃烧能够大幅度降低NOx。

因此，为了对应近年来的NOx排放规则，采用该预先混合燃烧的燃气轮机增加。

另外，具备形成燃料与空气的同轴喷流的燃料喷嘴与燃料喷嘴头的燃气轮机燃烧器记载于专利文献1中。该专利文献1中记载：为了抑制产生于燃料喷嘴头的热应力而谋求寿命的提高，在燃料喷嘴头上设置配合设置燃料喷嘴的设置孔，在燃料喷嘴头的设置孔内部中燃料喷嘴的外周侧与设置孔的内周侧之间形成空气层的空间部或中空的圆筒形状的绝热层，在燃料喷嘴的后端部设置与燃料喷嘴头的设置孔或使该设置孔开口的燃料喷嘴头的端面配合的配合装置，使燃料喷嘴固定于燃料喷嘴头。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-14297号公报

可是，作为谋求燃气轮机燃烧器的低NOx的方法，有在预先混合后燃烧燃料和空气的预先混合燃烧，这相比较于将燃料直接喷入燃烧室而燃烧的扩散燃烧容易产生燃烧振动，振动应力作用于燃烧喷嘴等的燃烧器部件，有担忧由高周期疲劳而引起的损伤这样的课题。

另外，在专利文献1中关于振动应力作用于燃料喷嘴等的燃烧器部件、对于担忧由高周期疲劳引起的损伤的对策未能全面涉及。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使是采用将燃料与空气预先混合后再进行燃烧的预先混合燃烧的装置，提高预先混合燃烧用的燃料喷嘴的耐振动强度，并且即使燃料喷嘴在与末端凸缘的焊接部破损喷嘴也不会向下游方向飞散、不存在对燃烧器部件施加损伤的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构。

为了实现上述目的，本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的特征为：具备具有将扩散用燃烧用的燃料喷入燃烧室的扩散用燃料喷嘴的扩散用燃烧嘴、具有将预先混合用的燃料喷入预先混合器的预先混合用燃料喷嘴的预先混合用燃烧嘴、机械性地接合上述扩散用燃烧嘴以及上述预先混合用燃烧嘴的末端凸缘、在该末端凸缘固定上述扩散用燃烧嘴并且以覆盖作为上述预先混合用燃料喷嘴的与上述末端凸缘的接合部的根部的方式插入配置扩散用燃烧嘴支撑部，上述预先混合用燃料喷嘴的外径以随着向与上述末端凸缘的接合部靠近而变粗的方式在较长方向上变化，并且，预先混合用燃料喷嘴的根部的最大径比设置于上述扩散用燃烧嘴支撑部的孔部的内径大。

发明效果

根据本发明，即使是采用将燃料与空气预先混合后再燃烧的预先混合燃烧的装置，提高预先混合燃烧用的燃料喷嘴的耐振动强度的同时，即使燃料喷嘴在于末端凸缘部的焊接部破损喷嘴也不会向下流方向飞散，不存在对燃烧器部件施加损伤的概率。

附图说明

图1是表示采用本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的燃气轮机燃烧器的剖视图。

图2是表示配置图1中的预先混合用燃料喷嘴的预先混合器的局部剖视图。

图3是表示本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的实施例1的局部剖视图。

图4是表示本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的实施例2的局部剖视图。

图5是表示本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的实施例3的局部剖视图。

图6是表示本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的实施例4的局部剖视图。

图7是表示本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的实施例5的局部剖视图。

图8是表示作为由本发明人等得出的实验结果，表示在预先混合用燃料喷嘴的根部设置台阶部的情况下的台阶部的应力集中系数与焊接部的疲劳极限的关系的特性图。

图9是表示配置现有的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构中的预先混合用燃料喷嘴的预先混合器的局部剖视图。

图中：1—预先混合用燃料喷嘴，1a—预先混合用燃料喷嘴的内部孔，2—燃烧空气，3—扩散用燃料喷嘴，4—保炎器，5—预先混合器，6—预先混合用的燃料，7—末端凸缘，7a—末端凸缘的孔，8—燃烧室，10—扩散燃烧用的燃料，11—预先混合用燃烧嘴，12—扩散用燃烧嘴支撑部，12a—扩散用燃烧嘴支撑部的孔部，13—扩散用燃烧嘴，20—预先混合用燃料喷嘴的台阶部，20a—台阶部的并行部(直线部)，20b—台阶部的锥部，21—预先混合用燃料喷嘴的根部，22—预先混合用燃料喷嘴的前端部，50—焊接部，51—裂缝，100—燃气轮机燃烧器。

具体实施方式

以下，基于所图示的实施例说明本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴的结构。

实施例1

图1是表示采用本发明的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构的燃气轮机燃烧器的图。

在该图中，100为燃气轮机燃烧器，8为燃烧室，3为扩散用燃料喷嘴(引燃燃烧嘴)，5为预先混合器，1为预先混合用燃料喷嘴。

燃气轮机燃烧器100具备具有将扩散燃烧用的燃料10向燃烧室8中喷射的扩散用燃料喷嘴3的扩散用燃烧嘴13、具有将预先混合用的燃料6向预先混合器5中喷射的预先混合用燃料喷嘴1的预先混合用燃烧嘴11。即，为在燃烧室8的上游侧中央部配置扩散用燃烧嘴13、在其周围配置多个预先混合器5以及预先混合燃烧用的预先混合用燃料喷嘴1的结构。并且，这些扩散用燃烧嘴13以及预先混合用燃烧嘴11机械化地与末端凸缘7接合。

图2表示配置图1中的预先混合用燃料喷嘴1的预先混合器5，图9表示配置现有技术的预先混合用燃料喷嘴1的预先混合器5。

如该图所示，预先混合器5为具备燃烧空气2流通的气体流路与配置于气体流路内的预先混合用燃料喷嘴1，从预先混合用燃料喷嘴1喷出的预先混合用的燃料6在预先混合器5内与燃烧空气2混合并向燃烧室8供给的结构。

如图2所示，预先混合用的燃料6通过设置于末端凸缘7上的孔7a以及预先混合用燃料喷嘴1的内部孔1a向预先混合器5喷出。另外，预先混合用燃料喷嘴1其根部用末端凸缘7与角壁焊接50而接合(图9也相同)。

预先混合用燃料喷嘴1如上述，配置于位于燃烧室8中央的扩散用燃烧嘴13的周围，为了避免与用于将该扩散用燃烧嘴13与末端凸缘7固定的扩散用燃烧嘴支撑部12的干涉，在其扩散用燃烧嘴支撑部12上设置孔部12a。

在组装这些时采取将预先混合用燃料喷嘴1焊接于末端凸缘7上之后从预先混合用燃料喷嘴1的前端侧插入设置孔部12a的扩散用燃烧嘴支撑部12的顺序。

可是，在向燃烧室8供给的燃烧空气2与扩散燃烧用的燃料10燃烧时，会产生燃烧振动，预先混合用燃烧嘴11相比较于扩散燃烧更容易产生燃烧振动，并且，发生时的压力变动大，所以存在作用于预先混合用燃料喷嘴1的振动应力大的倾向。振动应力为由于预先混合用燃料喷嘴1的前端部振动，在作为预先混合用燃料喷嘴1的与末端凸缘7接合部的根部、焊接部50上弯曲应力反复并施加负荷的形态。

因此，在图9所示的现有技术中，大的振动应力多次作用于预先混合用燃料喷嘴1时，例如，产生从焊接停止端部的裂缝51，其向内部进展，通过贯穿预先混合用燃料喷嘴1的剖面，可能会产生预先混合用燃料喷嘴1的整体断裂的情况。

另外，在图9所示的现有技术中的预先混合用燃料喷嘴的根部、焊接停止端部产生断裂的情况下，截断的预先混合用燃料喷嘴1通过扩散用燃烧嘴支撑部12的孔部12a向燃烧室8侧飞散，也可能会损伤下游侧的燃烧器部件。

在以下说明防止这样情况的本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例。

图1中表示本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例1。并且，在以后所说明的各实施例中，将预先混合用燃料喷嘴1的外径分为最粗的根部21、与根部21相比较细的直线状的台阶部20以及与台阶部20相同粗的直线状的前端部22的三个区域。

并且，在图3所示的实施例1中，在预先混合用燃料喷嘴1的与末端凸缘7的接合部附近的根部21上设置台阶部20，是相比较于扩散用燃烧嘴支撑部12的内径d1使预先混合用燃料喷嘴1的根部21的外径D1变大的结构。

由此，即使在相比较于其他部耐振动强度容易变低的焊接部50的停止端部中产生裂缝51，在该区域中预先混合用燃料喷嘴1破损，在破损部产生燃料泄漏，可是预先混合用燃料喷嘴1不会通过扩散用燃烧嘴支撑部12a的孔部12a向下游侧飞散，就不存在损伤下游侧的燃烧器部件的问题。另外，由于使预先混合用燃料喷嘴1的根部21的外径D1比现有粗进而弯曲应力变小，所以还能够提高焊接部50的耐振动强度。

而且，在本实施例中，由于将台阶部20与根部21的边界区域形成为圆弧状的平滑的剖面变化，因此该部位的应力集中系数变小，该部位的裂缝发生与预先混合用燃料喷嘴1的破损概率也变小。

通过该实施例中的结构，由于预先混合用燃料喷嘴1的根部21的外径D1比现有的粗，因此预先混合用燃料喷嘴1的耐振动强度提高的同时，由于使预先混合用燃料喷嘴1的根部21的外径D1比扩散用燃烧嘴支撑部12的内径d1大，因此即使预先混合用燃料喷嘴1在与末端凸缘7的焊接部50上破损，预先混合用燃料喷嘴1也不可能向下游方向飞散，不存在对燃烧器部件施加损伤的可能性。

实施例2

图4表示本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例2。

该图所表示的本实施例中，是使预先混合用燃料喷嘴1的台阶部20中的预先混合用燃料喷嘴1的外径的变化在整个其较长方向上为圆弧状的装置。即，由于使预先混合用燃料喷嘴1的台阶部20的形状为圆角状，因此通过使台阶部20圆角状地形成，剖面变化部的应力集中系数变得更小，能够减轻预先混合用燃料喷嘴1的根部21的应力。

即使适用这样的形状，由于预先混合用燃料喷嘴1的根部21的外径比扩散用燃烧嘴支撑部12的内径大，因此即使从焊接部50破损也不存在预先混合用燃料喷嘴1向下游方向飞散的可能性。

实施例3

图5表示本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例3。

在该图所示的本实施例中，使预先混合用燃料喷嘴1的台阶部20中的预先混合用燃料喷嘴1的外径的变化在焊接的停止端部之前都为圆弧状(圆角状)的同时，为锥状地形成预先混合用燃料喷嘴1的前端部22的锥部，从而使从预先混合用燃料喷嘴1的前端部22向根部21的外径的较长方向的变化连续。即，预先混合用燃料喷嘴1的外径中根部21形成为直线状，台阶部20形成为圆角状，前端部22形成为锥状。

通过这样的结构，能够得到与实施例1以及2相同的效果是理所应当的，由于减轻预先混合用燃料喷嘴1的前端部22的重量，并且还能够抑制与向预先混合燃烧供给的燃烧空气2的干涉，因此不会由于预先混合用燃料喷嘴1的形状的粗径化而使预先混合燃烧的性能劣化，能够提高其耐振动前度。

换而言之，若使预先混合用燃料喷嘴1的从扩散用燃烧嘴支撑部12至前端侧与燃烧空气2接触的区域的预先混合用燃料喷嘴1的直径变大，则存在对燃烧性能施加燃烧空气2与燃料10的混合性劣化等的恶劣影响的可能性，但即使根侧比预先混合用燃料喷嘴1的扩散用燃烧嘴支撑部12粗也没有影响。

实施例4

图6表示本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例4。

在该图所示的本实施例中，是将实施例3中的台阶部20的圆角形状形成为由并行部(直线部)20a与锥部20b构成的形状的装置。

即使是这样的结构也能够得到与实施例3相同的效果。

实施例5

图7中表示本发明的燃气轮机燃烧器的喷嘴结构的实施例5。

在该图所示的本实施例中，在扩散用燃烧嘴支撑部12上设置形成为与实施例4中的台阶部20相同形状的孔部，从而在用螺栓紧固等将扩散用燃烧嘴支撑部12固定于末端凸缘7侧时，预先混合用燃料喷嘴1与扩散用燃烧嘴支撑部12被加压、密封。

通过采用这样的结构，得到与上述实施例相同的效果是理所当然的，在预先混合用燃料喷嘴1因燃烧振动等振动时，能够得到在预先混合用燃料喷嘴1与扩散用燃烧嘴支撑部12的接触界面产生摩擦等而使振动衰减的效果。

如此，由于使预先混合用燃料喷嘴1与扩散用燃烧嘴支撑部12密合，从而振动衰减的效果不限定于图7中的实施例5，如果为两者密合的形状也能够发挥。

[实验例1]

其次，本发明者等评价涉及本发明的预先混合燃烧用的预先混合用燃料喷嘴1的耐振动强度，由于将其效果与现有技术进行比较，因此以下关于其结果进行记载。

本实施例中的疲劳强度样品为由图9中所表示的现有技术而产生的预先混合用燃料喷嘴1以及由图3中所表示的本发明的实施例1而产生的预先混合用燃料喷嘴1，通过向各自的预先混合用燃料喷嘴1的前端部施加位移的疲劳试验，评价各样品的疲劳极限。预先混合用燃料喷嘴1以及末端凸缘7的材质是SUS304，将预先混合用燃料喷嘴1的根部21与末端凸缘7角焊。

本发明中的实施例1中的样品为预先混合用燃料喷嘴1的台阶部20与根部21的边界部的圆角曲率为R0.5与R2.0两种、其部位的应力集中系数不同。试验温度为400℃下的大气中。

表1表示关于预先混合用燃料喷嘴1的弯曲疲劳强度的本发明的实施例1与现有技术的比较。在此，作为预先混合用燃料喷嘴1的疲劳强度使用用作用于预先混合用燃料喷嘴1的焊接部50上的公称弯曲应力整理的实验结果。

表1

表1中，由现有技术而产生的预先混合用燃料喷嘴的疲劳强度约为85MPa。该结果预先混合用燃料喷嘴1的外形为φ10与φ14为几乎相同的结果。

相对于此，由本发明的实施例1而产生的结果，预先混合用燃料喷嘴1的台阶部20的圆角曲率为R2圆滑的结构能够得到与实施例1几乎相同的结果，但圆角曲率为R0.5锐角的结构疲劳强度稍低为65MPa。其原因为，圆角曲率为锐角而应力集中大的部位不为焊接部50，而是在角部破损。

使用于该预先混合用燃料喷嘴1的SUS304的疲劳极限为约200MPa，这是因为，设置比作为焊接部50的疲劳极限的85MPa大的应力作用的台阶部20时，由于相比较于焊接部50台阶部20的疲劳强度低。即，在预先混合用燃料喷嘴1的根部21上设置台阶部20的情况下，其应力集中系数需要比作为焊接部50与母材的疲劳强度的比例的2.35小。

在上述实施例中，在使预先混合用燃料喷嘴1的外形形状变化而产生不连续的部位的情况下，优选使其应力集中系数至少为2.35以下。

即，图8中表示在预先混合用燃料喷嘴1的根部21设置台阶部20情况下的台阶部20的应力集中系数与焊接部50的疲劳极限的关系，如该图所示，即使疲劳极限从作为SUS304的疲劳极限200MPa下降，如果与作为焊接部50的疲劳强度的85MPa的交点的应力集中系数为2.35以下，则疲劳强度能较高地保持是清晰的，理解为优选应力集中系数为2.35以下。

并且，本发明不限定于上述实施例，含有多种变形例。例如，上述实施例为了容易理解地说明本发明而详细地说明，未必限定于具备所有结构的发明。另外，可以将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构。另外，关于各实施例结构的一部分可进行其他结构的追加·删除·置换。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

具备：具有将扩散燃烧用的燃料喷入燃烧室的扩散用燃料喷嘴的扩散用燃烧嘴；具有将预先混合用的燃料喷入预先混合器中的预先混合用燃料喷嘴的预先混合用燃烧嘴；机械性地接合上述扩散用燃烧嘴以及上述预先混合用燃烧嘴的末端凸缘；在该末端凸缘上固定上述扩散用燃烧嘴，并且，以覆盖作为上述预先混合用燃料喷嘴的与上述末端凸缘的接合部的根部的方式插入配置的扩散用燃烧嘴支撑部，

上述接合部设置于上述末端凸缘的上述燃烧室侧的面，

上述预先混合用燃料喷嘴的外径以在上述接合部与上述预先混合用燃料喷嘴的前端部之间随着朝向上述接合部而变粗的方式在较长方向上变化，并且，预先混合用燃料喷嘴的根部的最大径比设置于上述扩散用燃烧嘴支撑部上的孔部的内径大。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述预先混合用燃料喷嘴的根部与上述末端凸缘角焊接。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述预先混合用燃料喷嘴的外径由最粗的上述根部、比该根部细的台阶部以及与该台阶部相同粗细或比该台阶部细的前端部构成。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述根部与台阶部位于设置于上述扩散用燃烧嘴支撑部的孔部内部。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述根部与台阶部的边界区域形成为圆弧状。

6.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述台阶部形成为圆角状。

7.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

就上述预先混合用燃料喷嘴的外径而言，上述根部形成为直线状，上述台阶部形成为圆角状，上述前端部形成为锥状。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述台阶部的圆角形状由直线部和锥部构成。

9.根据权利要求5～8任一项所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

设置于上述扩散用燃烧嘴支撑部的孔部的内径形状与上述预先混合用燃料喷嘴的外径形状相同地形成，并且，设置于上述扩散用燃烧嘴支撑部的孔部与上述预先混合用燃料喷嘴密合。

10.根据权利要求5～8任一项所述的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴结构，其特征在于，

上述预先混合用燃料喷嘴的外径在较长方向上不连续变化的部位的应力集中系数为2.35以下。