CN106524222B - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器，其能缩小供给至各空气孔的空气流量的偏差。本发明的燃气轮机燃烧器(2)具备：内筒(10)；外筒(11)；形成于内筒与外筒之间的环状流道(48)；设于外筒的高压空气(101)的流动方向的下游侧的燃料头(40)；被燃料头支撑的同心圆状的多个燃料喷嘴(91)；设于多个燃料喷嘴的流动方向的下游侧且具有与多个燃料喷嘴对应的多个空气孔(33)的空气孔板(32)；导向部(37)，其具有从空气孔板的外周面比内筒更突出至外周侧的壁部(37A)、向外筒及燃料头形成为凸形状且与空气孔板的最外周的空气孔以弧状连接的曲部；以及形成于空气孔板的外周面与内筒之间的外周流道(94)。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器。
背景技术
近年来，根据相对于环境保全的限制、社会的要求，要求具备压缩机、燃烧器及涡轮等的燃气轮机进一步的高效率化、低NOX化。在这种燃气轮机中，作为实现高效率化的方法，具有使由燃烧器形成的火焰的温度上升而使涡轮入口的燃烧气体的温度上升的方法，但伴随火焰温度的上升，存在NOX的排出量增加的可能性。
作为抑制NOX的排出量的燃烧器，具有采用了预混合燃烧的燃烧器。预混合燃烧是向燃烧室供给预先混合了燃料与空气的混合气并燃烧的燃烧方式。在预混合燃烧中，由于燃料与空气预先混合并向燃烧室供给，因此，形成于燃烧室内的火焰的温度均匀化，抑制燃烧器的NOX的排出量。但是，当空气的温度上升或燃料所含的氢含有量增加时，燃烧速度增加，形成于燃烧室内的火焰向预混合器内逆流。存在产生所谓的回火的可能性。相对于此，提出了抑制NOX的排出量且耐回火性优异的燃烧器。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2014-55697号公报
在专利文献1中，通过使燃烧器的端罩的中心区域向空气孔板侧突出，在端罩的径向外周侧形成凹陷区域，缩小空气孔板的入口侧的径向的压力偏差，缩小向各空气孔供给的空气流量的偏差或燃空比的径向偏差，兼具低NOX燃烧与燃烧器的稳定的运用。
但是，在专利文献1中，当空气的动量小时，则在凹陷区域，空气流容易沉淀，因此，难以缩小向各空气孔供给的空气流量的偏差，难以缩小燃空比的径向偏差。除此之外，专利文献1的上述结构难以制造，制造成本也增加。
发明内容
本发明鉴于上述进行，其目的在于提供能缩小向各空气孔供给的空气流量的偏差的燃气轮机燃烧器。
为了实现上述目的，本发明的燃气轮机燃烧器具备：在内侧形成燃烧室的内筒、以覆盖上述内筒的方式设置的外筒、形成于上述内筒与上述外筒之间且高压空气流动的环状流道、设于上述外筒的上述高压空气的流动方向的下游侧的燃料头、被上述燃料头支撑的同心圆状的多个燃料喷嘴、设于上述多个燃料喷嘴的流动方向的下游侧且具有与上述多个燃料喷嘴对应的多个空气孔的空气孔板、具有从上述空气孔板的外周面比上述内筒更突出至外周侧的壁部、向上述外筒及上述燃料头形成为凸形状且与上述空气孔板的最外周的空气孔以弧状连接的导向部、以及形成于上述空气孔板的外周面与上述内筒之间且向上述燃烧室的上述空气孔板侧的部分的外周部供给上述高压空气的外周流道。
本发明的效果如下。
根据本发明，能提供能缩小向各空气孔供给的空气流量的偏差的燃气轮机燃烧器。
附图说明
图1是表示应用了本发明的第一实施方式的燃烧器的燃气轮机设备的一结构例的图。
图2是表示本发明的第一实施方式的燃烧器的燃烧嘴附近的结构的局部剖视图。
图3是从燃烧气体下游侧观察本发明的第一实施方式的旋转板的图。
图4是本发明的第一实施方式的旋转板的局部放大图，是图3的IV-IV线的向视剖视图。
图5是以图2的虚线包围的区域A的放大图。
图6是示意地表示本发明的第一实施方式的导向部周围的燃料与空气流的图。
图7是表示本发明的第一实施方式的燃烧器的燃料分级的图。
图8是说明向第一列～第八列供给的空气的流量偏差的数值流体解析结果的图。
图9是说明燃料的均匀度与NOX的排出量的关系的图。
图10是示意地表示本发明的第二实施方式的导向部周围的燃料与空气的流的图。
图11是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。
图12是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。
图13是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。
图14是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。
图15是利用图14的箭头XV-XV线的向视剖视图。
图16是表示本发明的第六实施方式的多孔板的变形例的图。
图17是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。
图18是本发明的第八实施方式的燃烧器的剖视图。
图19是从燃烧气体的流动方向的下游侧观察本发明的第八实施方式的燃烧器的空气孔板的图。
图中：1—压缩机，2—燃气轮机燃烧器(燃烧器)，3—涡轮，10—燃烧器内衬(内筒)，11—流动套筒(外筒)，14—弹簧密封件，32—空气孔板，33—空气孔，37—导向部，37A—壁部，37B—曲部，38—导向叶轮，40—燃料头，41—供给流道，43—多孔板(连接部件)，44—流道扩张部，45—曲面部，46—连通孔，47—第二环状流道(环状流道)，48—第一环状流道(环状流道)，50—燃烧室，91—燃料喷嘴，93—延伸部，94—外周流道，101—高压空气，102—燃烧气体，1000—燃气轮机设备。
具体实施方式
<第一实施方式>
(结构)
1.燃气轮机设备
图1是表示应用本实施方式的燃气轮机燃烧器(以下称为燃烧器)的燃气轮机设备的一结构例的图。如图1所示，本实施方式的燃气轮机设备1000具备压缩机1、燃烧器2、涡轮3及发电机30。
压缩机1由涡轮3旋转驱动，压缩通过吸气部(未图示)吸入的空气(吸入空气)100而生成高压空气(燃烧空气)101，并向燃烧器2供给。燃烧器2使从压缩机1供给的高压空气101与从燃料系统200(后述)供给的燃料混合并燃烧，生成高温的燃烧气体102并向涡轮3供给。涡轮3通过从燃烧器2供给的燃烧气体102膨胀而被旋转驱动。发电机30与涡轮3同轴地连结，将涡轮3的旋转动力变换为电力。另外，在本实施方式中，压缩机1、涡轮3及发电机30由轴31相互连结。
2.燃烧器
燃烧器2安装于燃气轮机的外壳4。燃烧器2具备燃烧嘴5、燃烧器内衬(以下称为内筒)、流动套筒(以下称为外筒)11、尾筒内筒12、尾筒外筒13、燃烧系统200及燃料头40。
内筒10设于燃烧嘴5的燃烧气体102的流动方向的下游侧。以下，将燃烧气体102的流动方向的“上游”、“下游”称为“燃烧气体上游”、“燃烧气体下游”。内筒10形成为圆筒状，分隔从压缩机1供给的高压空气101与由燃烧器2生成的燃烧气体102。外筒11形成为圆筒状，在内筒10的外周侧以覆盖内筒10的方式设置。形成于内筒10与外筒11之间的环状的空间构成从压缩机1向燃烧器2供给的高压空气101流动的环状流道(第一环状流道)48。在第一环状流道48流动的高压空气101从内筒10的外壁面侧对内筒10进行对流冷却。在内筒10的壁面形成多个孔(未图示)。在第一环状流道48流动的高压空气101的一部分从形成于内筒10的壁面的多个孔向内筒10的内部流入，用于内筒10的内周面的膜冷却。在第一环状流道48流动的高压空气101中的未用于内筒10的膜冷却的部分在第一环状流道48中流动并到达燃烧嘴5。到达了燃烧嘴5的高压空气101从燃料系统200通过燃料头40向燃烧嘴5供给，并且向燃烧室50内喷射、燃烧。
在内筒10的内侧形成燃烧室50。在燃烧室50，从压缩机1供给的高压空气101与从燃料系统200供给的燃料的混合气体燃烧，生成燃烧气体102。内筒10的远离燃烧嘴5的一侧(燃烧气体下游侧)被插入尾筒内筒12的一端。尾筒内筒12的另一端与连接燃烧器2和涡轮3的管道(未图示)连接。尾筒内筒12具有将在燃烧室50产生的燃烧气体102导向涡轮3的功能。在尾筒内筒12的外周侧设置覆盖尾筒内筒12的圆筒状的尾筒外筒13。外筒11的距燃烧嘴5远的一侧被插入尾筒外筒13的一端。尾筒外筒13的另一端向外壳4内开口。形成于尾筒内筒12与尾筒外筒13之间的环状的空间构成将从压缩机1向燃烧器2供给的高压空气101导向第一环状流道48的环状流道(第二环状流道)47。在第二环状流道47流动的高压空气101从尾筒内筒12的外壁面侧对尾筒内筒12进行对流冷却。
燃料系统200具备共通燃料系统20与第一～第四燃料系统20A～20D。共通燃料系统20与燃料供给源(未图示)连接。在共通燃料系统20设置燃料遮断阀(开闭阀)21。在第一～第四燃料系统20A～20D分别设有第一～第四燃料流量调节阀21A～21D。在本实施方式中，第一～第四燃料系统20A～20D从共通燃料系统20并列地分支。另外，从共通燃料系统20分支的燃料系统的数量未限定于四个。
在第一～第四燃料系统20A～20D中流动的燃料向根据距内筒10的中心轴的径向距离划分的燃料头40供给。燃料头40设于在外筒11的第一循环流道48中流动的高压空气101的流方向的下游侧。以下，将在第一环状流道48中流动的高压空气101的流方向的“上游”、“下游”称为“空气上游”、“空气下游”。燃料头40封闭外筒11的一端(空气下游侧的端部)。在本实施方式中，燃料头40从内筒10的中心轴向径向外侧，依次划分为第一头部40A、第二头部40B、第三头部40C及第四头部40D。在第一～第四头部40A～40D分别连接第一～第四燃料系统20A～20D。通过第一～第四燃料系统20A～20D供给至第一～第四头部40A～40D的燃料从燃料喷嘴91(后述)的前端喷射并供给至燃烧嘴5。另外，燃料头40的划分数未限定于四个。
通过第一燃料系统20A供给至第一头部40A的燃料(以下称为F1燃料)的流量由第一燃料流量调节阀21A调节。同样地，通过第二、第三、第四燃料系统20B、20C、20D供给至第二、第三、第四头部40B、40C、40D的燃料(以下称为燃料F2、F3、F4)的流量由第二、第三、第四燃料流量调节阀21B、21C、21D分别调节。在本实施方式中，通过由第一～第四燃料流量调节阀21A～21D分别调节F1～F4燃料的流量，控制燃气轮机设备1000的发电量。
3.燃烧嘴
图2是表示本实施方式的燃烧器的燃烧嘴附近的结构的局部剖视图。如图2所示，燃烧嘴5划分为以内筒10的中心轴(未图示)为中心的同心圆状的多个(在本实施方式中为八个)环状列，将这些多个环状列从内周侧向外周侧适当称为第一列、第二列、…、第八列。
如图2所示，在本实施方式中，多个环状列中、构成最内侧的区域的四列(第一～第四列)构成第一燃烧嘴部5A，第五列构成第二燃烧嘴部5B，第六列构成第三燃烧嘴部5C，外周侧的两列(第七、八列)构成第四燃烧嘴部5D。向第一～第四燃烧嘴部5A～5D通过上述的第一～第四头部40A～40D供给F1～F4燃料。向第一～第四燃烧嘴部5A～5D供给的F1～F4燃料流入燃料喷嘴91，并向燃烧室50喷射。在本实施方式中，通过分别调节从第一～第四燃料系统20A～20D向第一～第四燃烧嘴部5A～5D供给的F1～F4燃料的流量，能进行后述的燃料分级。燃烧嘴5具备多个燃料喷嘴91和空气孔板32。
3-1.燃料喷嘴
如图2所示，多个燃料喷嘴91被燃料头40支撑。多个燃料喷嘴91的前端形成为圆筒状，将从燃料系统200(参照图1)供给的燃料向空气孔板32喷射。多个燃料喷嘴91以同心圆状配置为第一～第八列，遍及各列的整周设置(配置为环状)。
3-2.空气孔板
如图2所示，空气孔板32配置于多个燃料喷嘴91的燃料的流方向的下游侧。以下，将燃料的流方向的“上游”、“下游”称为“燃料上游”、“燃料下游”。空气孔板32具有与多个燃料喷嘴91对应的同心圆状的多个空气孔33(33A、33B)。空气孔板32通过支撑件15安装于燃料头40。在空气孔板32与燃料头40之间形成供给流道41。在本实施方式中，支撑件15通过对平板进行弯曲加工而形成。若将支撑件15形成为这种形状，则能利用该弯曲结构吸收空气孔板32的圆周方向的热伸长，能提高燃烧嘴5的可靠性。形成于空气孔板32的外周面与内筒10之间的环状的空间构成将在第一环状流道48中流动的高压空气101的一部分向燃烧室50的外周部供给的外周流道94。空气孔板32如上所述通过支撑件15安装于燃料头40，并且通过弹簧密封件14保持于内筒10的内侧。弹簧密封件14设于空气孔板32的外周面与内筒10之间。在弹簧密封件14上形成切口(未图示)，构成为具有伸缩性。另外，在弹簧密封件14形成在外周流道94流动的高压空气101能流通的孔部(未图示)。空气孔板32具备基板32A、旋转板32B及导向部37。
基板
基板32A是与内筒10同轴的圆盘状的板，在多个燃料喷嘴91的燃料下游侧从多个燃料喷嘴91的前端离开地配置。即，在本实施方式中，燃料喷嘴91未插入形成于基板32A的空气孔33A(后述)。下面，将空气孔33A的燃料上游侧的开口部称为“第一入口”，将燃料下游侧的开口部称为“第一出口”。
在基板32A上形成分别与多个燃料喷嘴91对应的多个空气孔33A。即，多个空气孔33A以同心圆状配置为第一～第八列，遍及各列的整周设置，一个空气孔33A在一个燃料喷嘴91的燃料下游侧与该燃料喷嘴91对应地配置。通过这样使燃料喷嘴91与空气孔33A对应(对置)地配置，如图2的放大图所示，从燃料喷嘴91喷射的燃料(以下称为燃料喷流)34的周围能作为由通过空气孔33A的空气(以下称为空气喷流)35覆盖的同轴喷流通过基板32A。在本实施方式中，空气孔33A形成为构成第一入口及第一出口的两个圆与母线正交的正圆柱状，与对应的燃料喷嘴91配置在同轴上。
旋转板
旋转板32B是与内筒10同轴的圆盘状的板，在基板32A的燃料下游侧与基板32A密合地配置。旋转板32B具备延伸部93。延伸部93从旋转板32B的径向外周侧的燃烧室50侧的壁面向燃烧气体下游侧延伸地设置。延伸部93为了通过弹簧密封件14将空气孔板32相对于内筒10可靠地保持，确保空气孔板32的燃料的流方向的厚度。在延伸部93形成贯通孔92。贯通孔92使延伸部93在空气孔板32的径向贯通，作为外周流道94的出口起作用。即，在外周流道94流动的高压空气101通过贯通孔92流入燃烧室50。
图3是从燃烧气体下游侧观察本实施方式的旋转板的图。如图3所示，在旋转板32B形成多个空气孔33B。多个空气孔33B与形成于基板32A的多个空气孔33A分别对应，一个空气孔33B与一个空气孔33A连通。即，多个空气孔33B以同心圆状配置为第一～第八列，遍及各列的整周设置。另外，在本实施方式中，多个空气孔33B与多个空气孔33A设置相同数量。
图4是本实施方式的旋转板的局部放大图，是图3的IV-IV线的向视剖视图。如图4所示，空气孔33B形成为构成燃料上游侧及下游侧的开口部的两个椭圆与母线未正交的斜圆柱状。下面，将空气孔33B的燃料上游侧的开口部称为“第二入口”，将燃料下游侧的开口部称为“第二出口”。空气孔33B是具有旋转角的旋转空气孔，第二出口相对于第二入口在圆周方向上偏离。具体地说，以通过连结第二入口及第二出口的中心而得到的空气孔33B的中心轴Y相对于空气孔33A的中心轴X在圆周方向上呈预定的角度α°的方式相对于旋转板32B在圆周方向上倾斜。另外，在本说明书中，预定的角度α°是决定从第二出口喷射的空气及燃料的方向(喷射方向)的参数，在每个环状列设定为最适的值。
当形成于燃烧嘴5中在圆周方向上邻接的两个空气孔间的间隙(孔间距离)设定得比消炎距离大，则通过火焰靠近旋转板32B强化火焰的稳定性。另一方面，当孔间距离设定为消炎距离以下时，则从旋转板32B离开地形成火焰。在第二出口附近，通过流道从空气孔33B向燃烧室50急剧扩大，从而燃料喷流34与空气喷流35的混合急剧地进行。因此，通过在从旋转板32B向下游离开的位置形成火焰，燃料与空气充分地混合了的预混合气到达火焰并燃烧，能实现低NOX燃烧。即，能通过分别将各环状列的孔间距离调整为最适的值，实现稳定燃烧与低NOX燃烧的双方。
导向部
图5是以图2的虚线包围的区域A的放大图。图5将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。
如图5所示，导向部37在基板32A的外周面的空气下游侧(后端侧)从内筒10的空气下游侧的端部离开地设置。导向部37具备壁部37A及曲部37B。
壁部37A以从空气孔板32的基板32A的外周面比内筒10更突出至外周侧(外筒11侧)的方式设置。因此，在燃烧嘴5的轴向剖面中，导向部37的最靠近导向部37的外筒11的部分(以下记载为“顶部”)的外径比内筒10的外径大。另外，空气孔板32的径向的导向部37的顶部距内筒10的距离期望为外筒11与内筒10的距离的大约1/5以上且1/2以下。这是因为，当使导向部37的顶部距内筒10的距离小于外筒11与内筒10的距离的大约1/5时，难以在壁部37A的附近产生沉淀区域(后述)。另一方面，导向部37的顶部距内筒10的距离越长则供给至基板32A的空气孔33A的空气流量的偏差的降低效果越大，但当使导向部37的顶部距内筒10的距离比外筒11与内筒10的距离的大约1/2大，则导向部37的顶部与外筒11的距离短且第一环状流道48窄，因此，在通过导向部37的顶部与外筒11之间时，高压空气101的流速增加而使全压损失变大，燃气轮机效率下降。
曲部37B朝向外筒11及燃料头40形成为凸形状，在空气孔板32的剖视中，与基板32A的径向最外周的空气孔33A以弧状连接。另外，在本实施方式中，曲部37B从壁部37A连接至空气孔板32的径向最外周的空气孔33(具体地说，基板32A的径向最外周的空气孔33A)。即，曲部37B形成为具有从壁部37A顺畅地连接至基板32A的径向最外周侧的空气孔33A的曲率。因此，导向部37的空气下游侧的端部(导向部37的最靠近燃料头40的部分)位于比第一入口靠燃料头40侧。
(动作)
图6是示意地表示本实施方式的导向部周围的燃料与空气的流的图。
如图6所示，未用于内筒10的膜空气的高压空气101沿第一环状流道48向燃料头40流。该高压空气101从第一环状流道48流入供给流道41，作为空气喷流35向基板32A的多个空气孔33A供给。在此，从第一环状流道48向供给流道41流入的高压空气101中、在曲部37B的表面的附近流的高压空气101(以下称为附近空气104)沿曲部37B的表面转向，导向基板32A的径向外侧、尤其最外周的空气孔33A。此时，沿第一环状流道48向燃料头40流的高压空气101中、沿内筒10的一部分的流与导向部37的壁部37A碰撞。由此，在壁部37A的附近产生沉淀区域。相对于第一环状流道48，燃烧室50是低压(即相对于外周流道94的入口侧，出口侧为低压)，因此，在壁部37A的附近产生的沉淀区域的高压空气101利用第一环状流道48与燃烧室50的压力差流入外周流道94，与在第一环状流道48中流的高压空气101的流方向反向地(例如180°)流。下面，将流入外周流道94的高压空气101称为辅助空气105。辅助空气105通过弹簧密封件14的孔部，通过形成于旋转板32B的延伸部93的贯通孔92向径向内喷射至燃烧室50。
另一方面，从燃料系统200通过燃料头40供给至燃料喷嘴91的燃料从燃料喷嘴91的前端的喷射口喷射，作为燃料喷流34流入空气孔33A。流入空气孔33A的燃料喷流34与空气喷流35急速地混合且通过空气孔33A，作为混合气体流入形成于旋转板32B的空气孔33B。如上所述，空气孔33B形成为相对于空气孔33A沿圆周方向以预定的角度α°倾斜的管道(斜圆柱管道)状，因此，在沿空气孔33B流的混合气上附加旋转方向的力成分并形成循环流。空气孔33B向燃烧室50开口，因此，混合气的流道急剧扩大，在第二出口附近进一步促进混合。从空气孔33B喷出的燃料喷流34与空气喷流35的混合气作为预混合气体36喷出至燃烧室50并燃烧。
图7是表示本实施方式的燃烧器的燃料分级的图。在图7中，横轴表示经过时间，纵轴表示燃料流量。
如图7所示，在燃气轮机点火时，从燃料系统200通过第一～第三燃料系统20A～20C向第一～第三燃烧嘴部5A～5C供给F1～F3燃料。即，从设于燃烧嘴5的第一列～第六列的燃料喷嘴91喷射燃料。另一方面，由于未向第四燃烧嘴部5D供给F4燃料，因此，未从设于燃烧嘴5的第七列及第八列的燃料喷嘴91喷射燃料。
燃气轮机点火后，切换为只向第一燃烧嘴部5A供给F1燃料(即，只从第一列～第四列喷射燃料)的单独燃烧，使涡轮3升速直至额定转数无负荷状态(FSNL:Full Speed NoLoad)。在该期间，不向第二～第四燃烧嘴部5B～5D供给燃料(即不从第二列～第四列喷射燃料)。
若涡轮3升速至额定转数则开始发电，增加燃气轮机负荷。根据该燃气轮机负荷的增加，以燃烧嘴5的燃空比成为稳定燃烧范围的方式，按照第二燃烧嘴部5B、第三燃烧嘴部5C及第四燃烧嘴部5D的顺序追加供给F2燃料、F3燃料及F4燃料，使燃料的供给范围按照燃烧嘴5的第五列、第六列及第七列及第八列阶段性地扩大。燃气轮机负荷向第一～第四燃烧嘴部5A～5D的全部供给燃料，在从第一列～第八列的全部喷射燃料的燃烧状态下到达额定转数额定负荷(FSFL:Full Speed Full Load)。
(效果)
(1)图8是表示说明供给至第一列～第八列的空气的流量偏差的数值流体解析结果的图。纵轴表示流量偏差，横轴表示环状列(在本实施方式中，第一～第八列)。在图8中，虚线表示现有结构的燃烧器，实线表示本实施方式的燃烧器2。
在本实施方式的燃烧器2中，使导向部37的曲部37B向外筒11及燃料头40为凸形状，形成为与基板32A的径向最外周的空气孔33A以弧状连接。因此，抑制在曲部37B的表面的附近流动的高压空气101(附近空气104)从曲部37B的表面离开，能使附近空气104向基板32A的径向外侧、尤其最外周的空气孔33A供给。因此，如图8所示，减少第一～第八列间的空气流量的不均匀，在第一～第八列的全部列中，与现有结构的燃烧器相比，能减小空气的流量偏差。除此之外，通过使曲部37B向外筒11为凸形状，能在导向部37的空气上游侧使高压空气101恢复静压。因此，能更减小供给至基板32A的空气孔33A的高压空气101在燃烧嘴5的圆周方向的流量偏差。
图9是说明燃料的均等度与NOX的排出量的关系的图。横轴表示燃料的均等度，纵轴表示NOX的排出量。在图9中，虚线表示现有结构的燃烧器，实线表示本实施方式的燃烧器。另外，在本说明书中，“燃料的均等度”指表示每一个燃料喷嘴的燃料流量的各环状列(在本实施方式中，第一～第八列)之间的不均的程度的指标。具体地说，将每一个燃料喷嘴的燃料流量的各环状列间的不均大的状态称为均等度低(不均等)，将不均小(例如在全部的环状列，燃料流量相等)的状态称为均等度高(均等)。一般来说，当燃料的均等度低时，对稳定燃烧有利，但NOX的排出量增加。相反，当燃料的均等度高，则NOX的排出量减少，但燃烧不稳定化。
如图9所示，随着燃料的均等度变高，NOX的排出量下降，但在现有结构的燃烧器中，当燃料的均等度变高至图9中的P点(均等度A)，反而燃烧开始不稳定化。这假想第一～第八列的空气流量大致均匀地设定了各列的燃料流量，但是，在现有结构的燃烧器中，如图8所示，在负责稳定燃烧的第一～第四列中，空气流量变高，局部燃空比比假想的值变低。因此，在现有结构的燃烧器中，难以使燃料的均等度为均等度A以上。除此之外，在现有结构的燃烧器中，如图8所示，在负责低NOX燃烧的外周侧的第七列及第八列(尤其第八列)，空气流量变低，局部燃空比比假想的值变高，因此，难以实现NOX的排出量的减少。
相对于此，在本实施方式的燃烧器2中，如图8所示，能够在第一～第八列的全部的列，比现有结构的燃烧器减小空气的流量偏差。因此，即使在假想第一列～第八列的空气流量大致均匀地设定各列的燃料流量，使燃料的均等度为均等度A以上的情况下，也能维持稳定燃烧，且能在外周侧的列(第五～第八列)实现低NOX燃烧，因此，与现有结构的燃烧器相比，能减少NOX的排出量。
另外，在本实施方式中，使壁部37A以从空气孔板32的外周面比内筒10更突出至外周侧的方式设置，使高压空气101的一部分与壁部37A碰撞，通过形成于空气孔板32的外周面与内筒10之间的外周流道94供给至燃烧室50的空气孔板32侧的外周部。因此，能更维持燃烧嘴5的稳定燃烧。除此之外，由于高压空气101比燃烧气体102低温，因此，能从外周面侧冷却空气孔板32。
(2)第一、二环状流道48、47是扁平型的圆管流道，因此，从第一环状流道48流入外周流道94的高压空气101(辅助空气105)一般在燃烧嘴5的圆周方向具有若干的流量偏差。相对于此，在本实施方式中，通过如上所述使高压空气101与壁部37A碰撞，能使高压空气101恢复静压。因此，能使辅助空气105在燃烧嘴5的圆周方向的流量均匀化，能减小辅助空气105在燃烧嘴5的圆周方向的流量的偏差地供给至燃烧室50。因此，能进一步维持燃烧嘴5的稳定燃烧。
(3)在本实施方式中，在设于空气孔板32的外周面与内筒10之间的弹簧密封件14上形成辅助空气105能流通的孔部。因此，能将空气孔板32保持在内筒10的内侧，且将在外周流道94流动的高压空气101导向贯通孔92。
(4)在本实施方式中，设置从空气孔板32的燃烧室50侧的壁面延伸至燃烧气体102的流方向的下游侧的延伸部93。因此，能在与内筒10之间确保用于按压弹簧支撑件14的行程，能更可靠地相对于内筒10保持空气孔板32。
(5)在本实施方式中，由于使燃料喷流34与空气喷流35的同轴喷流从形成于空气孔板32的多个空气孔33向燃烧室50喷出，因此，燃料与空气的界面增加，进一步促进燃料与空气的混合。由此，能在燃烧室50的燃烧时减少NOX的排出量。
(6)在本实施方式中，与燃料喷嘴91对应地形成多个空气孔33A。因此，难以在形成于空气孔板32与燃料头40之间的空间(供给流道41)连续地形成可燃范围的未燃混合气体。因此，能够避免火焰在该空间逆流而使空气孔板32熔损，能提高燃烧器2的可靠性。
(7)在本实施方式中，由于空气孔33B相对于空气孔33A在圆周方向以角度α°倾斜，在空气孔33B中流动的流体伴随旋转成分从空气孔33B喷射。因此，能够在燃烧嘴5的下游侧形成循环流，能形成更稳定的火焰。
(8)在本实施方式中，能将燃料头40划分为第一～第四头部40A～40D，分别控制(调节)从燃料系统200供给至第一～第四燃烧嘴部5A～5D的F1～F4燃料。因此，能进行根据在燃气轮机的各运转过程中要求的燃料流量阶段性地使供给燃料的燃料喷嘴91的个数变化的燃料分级。因此，能实现燃气轮机局部负荷运转时的稳定燃烧且抑制NOX的排出量。
<第二实施方式>
(结构)
图10是示意地表示本实施方式的导向部周围的燃料与空气的流的图。图10将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图10中，对与上述第一实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式的燃烧器在第一环状流道48具备流道扩张部44这一点与第一实施方式的燃烧器2不同。其他结构与第一实施方式的燃烧器2相同。
如图10所示，在本实施方式中，外筒11的从隔着第一环状流道48与空气孔板32的延伸部93的燃烧气体下游侧的端部对置的位置到与导向部37的顶部对置的位置的部分朝向空气下游侧向径向外侧倾斜，形成流道扩张部44。以下将外筒11的上述部分称为倾斜部11A。倾斜部11A是在空气孔板32的剖视中坡度缓的直线状的倾斜面，以从空气孔板32的中心轴到倾斜部11A的距离向空气下游侧增加的方式形成。因此，在流道扩张部44中，第一环状流道48的流道面积随着向空气下游侧增加。在本实施方式中，在使倾斜部11A的空气上游侧的外筒11与内筒10之间的第一环状流道48的流道面积为A1、使导向部37的顶部的第一环状流道48的流道面积为A2时，以满足A1≤A2的方式形成流道扩张部44。另外，只要以满足A1≤A2的方式形成流道扩张部，则倾斜部11A未限定于上述部分。
(效果)
在本实施方式中，除了与第一实施方式相同的效果，还得到以下的效果。
在第一实施方式中，由于使外筒11形成为沿高压空气101的流方向延伸的正圆柱状，另外，导向部37的顶部的外径比内筒10的外径大，因此，A2比A1小(A2<A1)。因此，在通过导向部37的顶部时，高压空气101的流速增加，全压损失会增加。
相对于此，在本实施方式中，由于以A2为A1以上(A1≤A2)的方式形成流道扩张部44，因此，能抑制通过导向部37的顶部时的高压空气101的流速的增加，抑制全压损失的增加。
<第三实施方式>
(结构)
图11是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。图11将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图11中，对与上述第二实施方式相同的部分标注相同的符号，并适当省略说明。
本实施方式的燃烧器在外筒11具备曲面部45这方面与第二实施方式的燃烧器不同。其他结构与第二实施方式的燃烧器相同。
如图11所示，曲面部45是根据导向部37的曲部37B弯曲为凹形状的曲面，从流道扩张部44到燃料头40以弧状连接。即，曲面部45由从流道扩张部44顺滑地连接至燃料头40的曲面形成。另外，在本实施方式中，示例了外筒11具备曲面部45的结构，但也可以为燃料头40具备曲面部45的结构。
(效果)
在本实施方式中，除了与第二实施方式相同的效果，还得到以下的效果。
在本实施方式中，具备从流道扩张部44以弧状连接至燃料头40的凹形状的曲面部45。因此，利用曲面部45对流经曲面部45的表面的附近的高压空气101的流进行导向而顺畅地转向，能够流入供给流道41。因此，能使从第一环状流道48流入供给流道41的高压空气101的径向的速度分布均匀化，能进一步抑制全压损失。
<第四实施方式>
(结构)
图12是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。图12将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图12中，对与上述第三实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式的燃烧器在导向部37还具备锥部37C这一点与第三实施方式的燃烧器不同。其他结构与第三实施方式的燃烧器相同。
如图12所示，锥部37C介于壁部37A与曲部37B之间，壁部37A及曲部37B相对于锥部37C顺滑地连接。由此，从壁部37A顺畅地连接至曲部37B。即，在本实施方式中，曲部37B以从锥部37C连接至基板32A的径向最外周的空气孔33A的方式形成。锥部37C在燃烧嘴5的轴向剖面中相对于空气孔板32的中心轴向空气下游侧朝向径向外侧倾斜。因此，锥部37C距空气孔板32的中心轴的距离向空气下游侧增加。
(效果)
如本实施方式那样，即使在导向部37的壁部37A与曲部37B之间设置锥部37C，也能得到与第三实施方式相同的效果。
除此之外，通过在导向部37的壁部37A与曲部37B之间设置上倾的锥部37C，能从壁部37A至曲部37B对高压空气101缓慢地进行导向。因此，能抑制导向部37附近的高压空气101的流速的增加，进一步抑制全压损失的增加。
<第五实施方式>
(结构)
图13是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。图13将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图13中，对与上述第三实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式在还具备导向叶轮38这一点与第三实施方式不同。其他结构与第三实施方式相同。
如图13所示，导向叶轮38设于第一环状流道48的导向部37与燃料头40之间。导向叶轮38以后缘部38B相对于前缘部38A位于空气孔板32的径向内侧且最外周的空气孔侧的方式配置。另外，导向叶轮38使腹侧面(正压面、即凹陷为凹状的面)朝向空气孔板32侧，使背侧面(负压面、即以凸状鼓出的面)朝向燃料头40侧。腹侧面大致沿曲部37B弯曲。另外，在本实施方式中，从燃烧嘴5的轴向观察，使导向叶轮38构成为与燃烧嘴5同轴的环状，但也可以为将多个导向叶轮配置为环状的结构。另外，在本实施方式中，导向叶轮38以燃烧嘴5的轴向的导向叶轮38和导向部37的空气下游侧的端部的距离与导向叶轮38和燃料头40的距离为相同程度的方式设置，但导向部37的空气下游侧的端部与燃料头40之间的导向叶轮38的位置未限定。
(效果)
在本实施方式中，除了与第三实施方式相同的效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，由于在第一环状流道48的导向部37与燃料头40之间设置导向叶轮38，因此，能将沿导向叶轮38的内周侧(腹侧)流的内周侧叶轮空气106A引导至基板32A的径向外侧、尤其最外周侧的空气孔33A，并且将沿外周侧(背侧)流的外周侧叶轮空气106B引导至燃烧嘴5的径向内侧。因此，能进一步减小供给至空气孔33A的空气流量的偏差，能实现稳定燃烧的维持及NOX的排出量的减少。
<第六实施方式>
(结构)
图14是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。图14将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图14中，对与上述第一实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式在代替支撑件15具备多孔板(连接部件)43这一点与第一实施方式不同。其他结构与第一实施方式相同。
多孔板43是与内筒10同轴的短管形状的部件，以划分第一环状流道48与供给流道41的方式设置。多孔板43连接导向部37的空气下游侧的端部与燃料头40。即，在本实施方式中，空气孔板32通过多孔板43安装于燃料头40。
图15是利用图14的箭头XV-XV线的向视剖视图。在本实施方式中，如图15所示，在多孔板43上沿轴向及圆周方向设置多列圆形状的连通孔46，形成多个。连通孔46连通第一环状流道48与供给流道41，流经第一环状流道48的高压空气101通过连通孔46流入供给流道41。另外，如图14所示，多孔板43以连通孔46位于导向部37的空气下游侧的端部的附近的方式设置，因此，沿导向部37的曲部37B的表面的高压空气101(附近空气104)通过该连通孔46流入供给流道41。
(效果)
在本实施方式中，除了与第一实施方式相同的效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，由于以将形成多个连通孔46的多孔板43划分为第一环状流道48与供给流道41的方式设置，因此，流经第一环状流道48的高压空气101由多个连通孔46整流并流入供给流道41。因此，能够有效地利用基板32A的径向外侧、尤其最外周侧的空气孔33A引导附近空气104。另外，能进一步减小从第一环状流道48流入供给流道41的高压空气101在燃烧嘴5的圆周方向的流量的偏差，因此能提高燃烧稳定性，进一步减少NOX排出量。
(变形例)
图16是表示第六实施方式的多孔板的变形例的图。可以代替上述的多孔板43，设置图16所示那样的、窗型支撑件(连接部件)51。如图16所示，在窗型支撑件51上沿圆周方向形成多个四边形状的窗部52。在本变形例中，窗部52沿轴向配置一列，开口面积形成为比连通孔46大。
即使在代替多孔板43设置窗型支撑件51的情况下，流经第一环状流道48的高压空气101也被整流，因此，得到与第六实施方式相同的效果。除此之外，由于窗部52的开口面积形成得比连通孔46大，因此，能进一步减小窗型支撑件51的空气上游侧与下游侧的压力差，能抑制全压损失。
<第七实施方式>
图17是示意地表示导向部周围的燃料与空气的流的图。图17将空气上游侧作为纸面上侧，将空气下游侧作为纸面下侧。在图17中，对与上述第六实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式设置多孔板43的位置与第六实施方式不同。其他结构与第六实施方式相同。
如图17所示，在本实施方式中，外筒11具备第一外筒11B及第二外筒11C。第一外筒11B以空气下游侧的端部隔着第一环状流道48与导向部37的顶部对置的方式设置。第二外筒11C以空气上游侧的端部与第一外筒11B的空气下游侧的端部连接，空气上游侧的端部与燃料头40连接的方式设置。在第一外筒11B的空气下游侧的端部与第二外筒11C的空气上游侧的端部之间形成空间部11D。
多孔板43的下端部(靠近空气孔板32的一侧的端部)与导向部37的顶部连接，上端部(远离空气孔板32的一侧的端部)插入空间部11D。在本实施方式中，多孔板43是与内筒10同轴的圆盘状的板，连接导向部37的顶部与外筒11。即，空气孔板32通过多孔板43安装于外筒11。在本实施方式中，多孔板43构成为与燃烧嘴5同轴的环形的圆盘形状。
如本实施方式那样，即使在以连接导向部37的顶部与外筒11的方式设置多孔板43的情况下，也能得到与第六实施方式相同的效果。另外，即使本实施方式，也能代替多孔板43，应用上述的窗型支撑件51。在该情况下，得到与上述变形例相同的效果。
<第八实施方式>
(结构)
图18是本实施方式的燃烧器的剖视图，图19是从燃烧气体的流方向的下游侧观察本实施方式的燃烧器的空气孔板的图。在图18、19中，对与上述第一实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式的燃烧器201是在燃烧部配置多个通过以同心圆状配置多个燃料喷嘴与空气孔而构成的燃烧嘴的所谓的复合喷射式燃气轮机燃烧器。
如图18、19所示，燃烧器201具备在燃烧部的中心与燃烧器201同轴地配设的一个燃烧嘴(先导燃烧嘴)49和配置于先导燃烧嘴49的周围的六个燃烧嘴(主燃烧嘴42)。即，在本实施方式中，燃烧器201由具备七个燃烧嘴的复合燃烧嘴结构构成。先导燃烧嘴49及主燃烧嘴42共用空气孔板32。另外，在本实施方式中，先导燃烧嘴49及主燃烧嘴42划分为同心圆状的多个(在本实施方式中为三个)环状列，将这些多个环状列从内周侧向外周侧适当称为第一列、第二列、第三列。
先导燃烧嘴49具备以同心圆状配置为第一～第三列的多个燃料喷嘴91、形成与多个燃料喷嘴91对应的多个空气孔33(33A、33B)的空气孔板32的一部分。主燃烧嘴42具备以同心圆状配置为第一～第三列的多个燃料喷嘴91和形成与多个燃料喷嘴91对应的多个空气孔33(33A、33B)的空气孔板32的其他一部分。
第一燃料系统20A与构成先导燃烧嘴49的第一列～第三列的第一燃烧嘴部50A连接，第二燃料系统20B与构成六个主燃烧嘴42中的两个主燃烧嘴42的第一列的第二燃烧嘴部50B连接，第三燃料系统20C与构成六个主燃烧嘴42中的其他四个主燃烧嘴42的第一列的第三燃烧嘴部50C连接，第四燃料系统20D与构成六个主燃烧嘴42的第二列及第三列的第四燃烧嘴部50D连接。
即使在本实施方式中，也与第一实施方式相同，未用于内筒10的膜空气的高压空气101从第一环状流道48流入供给流道41，作为空气喷流35导向基板32A的空气孔33A。并且，从燃料喷嘴91喷射的燃料与空气喷流35混合并从空气孔33B作为预混合气体喷出，在先导燃烧嘴49及主燃烧嘴42的下游侧分别形成旋转流60。利用该旋转流60产生循环流61，形成火焰面62。另外，即使在本实施方式中，也与第一实施方式相同，能通过分别调节供给至第一～第四燃烧嘴部50A～50D的燃料进行燃料分级。
(效果)
如本实施方式那样，即使复合喷射式燃气轮机燃烧器的情况下，也能得到与第一实施方式相同的效果。具体地说，在第一实施方式中，能将流经曲部37B的表面附近的高压空气101(附近空气104)导向基板32A的径向外侧、尤其最外周的空气孔33，但在本实施方式中，能将附近空气104导向配置于主燃烧嘴42的最外周列(第三列)的多个空气孔33中的导向部37侧、尤其最靠近导向部37的空气孔。因此，能向先导燃烧嘴49及主燃烧嘴42的空气孔33均匀地供给高压空气101。因此，能够减小供给至先导燃烧嘴49及主燃烧嘴42的空气孔33的高压空气101在燃烧嘴5的圆周方向的流量偏差，实现稳定燃烧与低NOX燃烧双方。
<其他>
本发明未限定于上述各实施方式，包括多种变形例。例如，上述各实施方式是为了使本发明容易明白而详细地进行说明，未必包括说明的全部的结构。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，另外，也能在某实施方式的结构上追加其他实施方式的结构。
在上述各实施方式中，说明了在各环状列的整周形成空气孔板32的空气孔33的情况。但是，本发明的本质的效果是提供能缩小供给至各空气孔的空气流量的偏差，只要能实现该本质效果，则不需要沿各环状列的整周形成空气孔33。例如，也具有在外周侧的环状列，在环状列的一部分形成空气孔33的情况。
另外，在上述的第一～第四实施方式中，说明了在基板32A及旋转板32B上以同心圆状沿第一～第八列形成多个空气孔33A、33B的情况。但是，只要能得到上述的本发明的本质效果，则不需要使形成于基板32A及旋转板32B的空气孔列的数量为八列。例如，可以使形成于基板32A及旋转板32B的空气孔列的数量为七列以下或九列以上。
另外，在上述各实施方式中，说明了燃料喷嘴91的前端从基板32A的空气孔33A的第一入口离开的结构。但是，只要能得到上述的本发明的本质的效果，则不需要为该结构。例如，可以将燃料喷嘴91的前端插入空气孔33内。在该情况下，由于空气孔33A的第一入口的面积减少，因此，空气喷流35的流速增加，进一步促进从燃料喷嘴91喷射的燃料与空气的混合。
另外，在上述各实施方式中，说明了使燃料喷嘴91的前端为简单的圆筒状的情况，但只要能得到上述的本发明的本质的效果，则不需要为圆筒状。例如，可以在燃料喷嘴91的前端设置向径向突出的突起物。由此，能在从燃料喷嘴91喷出的燃料上产生涡流，进一步促进燃料与空气的混合。另外，可以在燃料喷嘴91的前端形成多个燃料喷出孔。由此，能提高燃料的初期分散，进一步促进燃料与空气的混合。
另外，在上述各实施方式中，说明了导向部37的曲部37B与基板32A的径向最外周的空气孔33A连接的结构，但在曲部37B与基板32A的径向最外侧的空气孔33A之间形成间隙。即，即使曲部37B与基板32A的径向最外周的空气孔33A离开，也能将高压空气101(附近空气104)导向基板32A的径向最外周的空气孔33A。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备：
在内侧形成燃烧室的内筒；
以覆盖上述内筒的方式设置的外筒；
形成于上述内筒与上述外筒之间且高压空气流动的环状流道；
设于上述外筒的上述高压空气的流动方向的下游侧的燃料头；
被上述燃料头支撑的同心圆状的多个燃料喷嘴；
设于上述多个燃料喷嘴的燃料的流动方向的下游侧且具有与上述多个燃料喷嘴对应的多个空气孔的空气孔板；
导向部，其具有壁部和曲部，该壁部从上述空气孔板的外周面比上述内筒更突出至外周侧，该曲部向上述外筒及上述燃料头形成为凸形状且与上述空气孔板的最外周的空气孔以弧状连接；
形成于上述空气孔板的外周面与上述内筒之间且向上述燃烧室的上述空气孔板侧的部分的外周部供给上述高压空气的外周流道；以及
设于上述空气孔板的外周面与上述内筒之间的弹簧密封件，
上述空气孔板通过上述弹簧密封件保持于上述内筒的内侧。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在上述弹簧密封件上形成上述高压空气能流通的孔部。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述空气孔板在外周部具备从上述燃烧室侧的壁面向燃烧气体的流动方向的下游侧延伸的延伸部，
上述外周流道的出口与上述延伸部贯通地形成。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述环状流道具备流道面积随着向上述高压空气的流动方向的下游侧而增加的流道扩张部。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述外筒或上述燃料头具备沿上述曲部弯曲的曲面部。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
还具备设于上述环状流道的上述导向部与上述燃料头之间的导向叶轮，
上述导向叶轮以后缘部相对于前缘部位于上述空气孔板的径向内侧且上述最外周的空气孔侧的方式设置。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备：
形成于上述空气孔板与上述燃料头之间的供给流道；以及
划分上述环状流道与上述供给流道的环状的连接部件，
上述连接部件具备连通上述环状流道与上述供给流道的连通孔。
8.一种燃气轮机设备，其特征在于，
具备：
压缩空气的压缩机；
使从上述压缩机供给的高压空气与燃料混合并燃烧的权利要求1所述的燃气轮机燃烧器；以及
由从上述燃气轮机燃烧器供给的燃烧气体旋转驱动的涡轮。
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