CN106537042B - 燃气涡轮发动机的燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃烧装置，该燃烧装置具备：燃烧筒(13)，其在内侧形成燃烧室(11)；燃料喷射器(15)，其设置于所述燃烧筒的顶部，具有：包含多个燃料喷射用环状部(33)的燃料喷射部件(34)以及包含对燃烧用空气进行引导的多个燃烧空气用环状部(35)的空气引导部件(36)，将所述燃料喷射用环状部与所述燃烧空气用环状部呈同心状交替地配置，向所述燃烧室喷射燃料(F)和空气(A)；补燃喷燃器(10)，其在所述燃烧室的下游区域并配置于所述燃烧筒的周壁，所述燃料喷射用环状部具有在其径向上开口的多个燃料喷射孔(39)，所述燃烧空气用环状部具有在其轴心方向上开口并向从所述燃烧喷射孔喷射的燃料引导空气的多个空气引导槽(41)。

Description

燃气涡轮发动机的燃烧装置
相关申请
本申请要求2014年5月30日申请的日本专利申请2014-113269的优先权，将其全部内容以参考的方式引入，作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种在燃气涡轮发动机中使用的燃烧装置。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，出于对环保的考虑，对于由燃烧排出的废气的组成设定了严格的环境标准，要求减少氮氧化物(以下称为NOx)等有害物质。为此，近年来提出了采用使NOx产生量有效地减少的预混合燃烧方式的燃烧方式，例如将稀薄预混合燃烧方式与扩散燃烧方式组合的复合燃烧方式(专利文献1)。
在采用预混合燃烧方式的情况下，预先将空气与燃料混合，作为使燃料浓度均匀化的稀薄的预混合气进行燃烧，因此不存在火焰温度局部地形成高温的燃烧区域，并且由于燃料的稀薄化，也能够整体性地降低火焰温度，因此能够有效地减少NOx产生量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开平成8-210641号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
另一方面，在预混合燃烧方式中，为了保持基于稀薄的燃料的燃烧，通过在燃烧室内产生强烈的回旋流形成逆流区域来进行火焰稳定，因此容易发生在燃烧室中产生的火焰向预混合通道传播的回火现象。近年来，提出了在燃料中利用氢的燃气涡轮发动机，但是在使用包含氢的反应性高的燃料的燃气涡轮发动机中，尤其容易发生回火现象。
为此，本发明的目的在于，为了解决上述技术问题，提供一种燃气涡轮发动机的燃烧装置，其能够防止局部的高温燃烧，抑制NOx的产生，并且防止回火现象，稳定地保持火焰。
(二)技术方案及有益效果
为了实现上述目的，本发明的燃烧装置具备：燃烧筒，其在内侧形成燃烧室；燃料喷射器，其设置于所述燃烧筒的顶部，具有：包含多个燃料喷射用环状部的燃料喷射部件以及包含对燃烧用空气进行引导的多个燃烧空气用环状部的空气引导部件，将所述燃料喷射用环状部与所述燃烧空气用环状部呈同心状交替地配置，向所述燃烧室喷射燃料和空气；补燃喷燃器，其在所述燃烧室的下游区域，并配置于所述燃烧筒的周壁，所述燃料喷射用环状部具有在其径向上开口的多个燃料喷射孔，所述燃烧空气用环状部具有在其轴心方向上开口并向从所述燃料喷射孔喷射的燃料引导空气的多个空气引导槽。
根据该结构，从形成于燃料喷射部件的许多燃料喷射孔喷射燃料，以多点保持微细的火焰。另外，从燃料喷射孔沿径向喷射的燃料因沿轴心方向流动的空气而方向偏转90°，因此促进在燃料喷射器外的混合。由此，能够防止局部的高温燃烧，实现低NOx燃烧。另外，利用从上游向从燃料喷射孔喷射的燃料供给空气这样的结构，火焰不会进入燃料喷射器的内部，从而可抑制回火现象。
进而，通过在燃烧室的下游区域的进行了燃烧反应的区域设置补燃喷燃器，从而能够实现对负载变动的适应。
因此，在作为燃气涡轮发动机的燃料而使用例如包含氢的反应性高的燃料的情况下，也能够抑制NOx的产生，同时维持极其稳定的燃烧。
在本发明的一个实施方式中，优选地，所述补燃喷燃器构成为：具有对燃料和空气进行混合搅拌的预混合室，将在所述预混合室中生成的预混合气向所述燃烧室内喷射。根据该结构，通过在燃烧室的下游区域的进行了燃烧反应的区域设置预混合式的补燃喷燃器，从而抑制补燃喷燃器中的回火现象的发生，并且实现进一步抑制NOx的产生。
在本发明的一个实施方式中，优选地，还具备空气整流机构，其设置于所述燃料喷射器的上游，对向所述空气引导部件供给的空气进行整流。根据该结构，由于向燃烧喷射部供给均匀的空气流，因此燃烧会进一步均匀化，从而能够抑制NOx产生，并且更加切实地防止回火现象。
在本发明的一个实施方式中，优选地，还具备整流突起部件，其设置于燃烧装置的轴心上，贯通所述燃料喷射器并朝向所述燃烧室突出。根据该结构，由于使由从燃料喷射器的径向内侧部分喷射的燃料与空气形成的火焰稳定化，因此可稳定地保持燃烧。
在本发明的一个实施方式中，优选地，所述整流突起部件包含支承部和从该支承部向所述燃烧室内突出的突出部，并且具有：形成于所述支承部、将空气导入所述整流突起部件内部的冷却空气导入孔；形成于所述突出部、将导入所述整流突起部件内部的空气排出至所述燃烧室的冷却空气排出孔。根据上述结构，能够利用一部分燃烧用空气，通过对流冷却从内方对突出部进行冷却。
在本发明的一个实施方式中，优选地，所述燃料喷射用环状部形成为中空状，所述燃料喷射用环状部内的中空空间形成了使燃料沿周向流通的环状的燃料流通路径。虽然燃料喷射用环状部的面向燃烧室的部分会暴露于燃烧室内的火焰的高温，但是根据上述结构，在燃料喷射用环状部的内部形成供燃料流动的环状的燃料流通路径，因此，暴露于高温的该部分可被在燃料流通路径中流动的燃料高效地冷却。
在本发明的一个实施方式中，优选地，所述燃料喷射用环状部具有：位于所述燃烧室侧、与所述燃料喷射孔连通的第一燃料流通路径；位于与所述燃烧室相反侧、供给从所述燃料喷射孔喷射的燃料的第二燃料流通路径；以及将所述第二燃料流通路径内的燃料向所述第一燃料流通路径的所述燃烧室侧的壁面喷射的喷射喷嘴。根据上述结构，能够利用燃料，通过冲击(impingement)从内方冷却对燃料喷射用环状部的面向燃烧室的壁进行冷却。
在本发明的一个实施方式中，优选地，具有向所述燃料喷射部件供给燃料的、多管式构造的燃料供给母管，该燃料供给母管具有：向所述多个燃料喷射用环状部的第一环状组供给燃料的第一供给通道；向所述多个燃料喷射用环状部的第二环状组供给燃料的第二供给通道。根据该结构，能够在燃料喷射部件中分为：进行燃料供给的燃料喷射用环状部和不进行燃料供给的燃料喷射用环状部，因此能够实现与从额定负载到部分负载的输出变化相对应的运转(分级燃烧)。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两个结构的任意组合也包含在本发明中。尤其是权利要求书的各权利要求两项以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由随附的权利要求书确定。在附图中，多张附图中相同的附图标记表示相同或相当的部分。
图1是表示适用本发明一个实施方式的燃烧装置的燃气涡轮发动机的概略结构的框图。
图2是表示本发明一个实施方式的燃烧装置的截面图。
图3是表示本发明一个实施方式的燃烧装置的截面图。
图4是表示在图2的燃烧装置中使用的燃料喷射器的主视图。
图5A是放大表示在图2的燃烧装置中使用的燃料喷射器的一部分的主视图。
图5B是表示图5A的燃料喷射器的一个变形例的主视图。
图6A是表示在图2的燃烧装置中使用的空气整流板一例的立体图。
图6B是表示在图2的燃烧装置中使用的空气整流板的另一例的立体图。
图6C是表示在图2的燃烧装置中使用的空气整流板的又一例的立体图。
图6D是表示在图2的燃烧装置中使用的空气整流板的再一例的立体图。
图7A是表示图2的燃烧装置的空气整流机构的一个变形例的立体图。
图7B是表示图2的燃烧装置的空气整流机构的另一变形例的立体图。
图8是表示在图2的燃烧装置中使用的燃料喷射器的纵截面图。
图9是表示在图2的燃烧装置中使用的燃料喷射器的变形例的纵截面图。
图10是表示在图2的燃烧装置中使用的整流突起部件的内部构造的纵截面图。
图11是表示将本发明适用于环(annular)式燃烧装置的一个实施方式的燃烧装置的截面图。
图12是图11的燃烧装置的局部剖切立体图。
图13是表示将本发明适用于环式燃烧装置的另一实施方式的燃烧装置的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但是本发明并不限定于本实施方式。
图1表示适用本发明一个实施方式的燃烧装置的燃气涡轮发动机(以下简称为燃气轮机)GT的概略结构。在燃气轮机GT中，将导入的空气用压缩机1压缩后导向燃烧装置3，将燃料喷射至燃烧装置3内使其与所述空气一起燃烧，利用得到的高温高压的燃烧气体驱动涡轮5。涡轮5经由旋转轴7与压缩机1连结，由涡轮5来驱动压缩机1。利用该燃气轮机GT的输出，驱动航空器的转子或发电机等负载L。在本实施方式中，将氢气用作向燃烧装置3喷射的燃料。在以下的说明中，将燃气轮机GT的轴心方向上的压缩机1侧称为“前侧”，将涡轮5侧称为“后侧”。
图2是表示燃烧装置3的局部剖切立体图。该燃烧装置3是围绕燃气轮机GT的轴心呈环状配置多个的罐型(can type)的燃烧装置。燃烧装置3具备：燃烧筒13，其在内侧形成燃烧室11；燃料喷射器15，其安装于燃烧筒13的顶部13a，向燃烧室11喷射燃料和空气。利用设置于燃烧筒13的火花塞P对从燃料喷射器15喷射的燃料和空气进行点火，从而在燃烧室11内形成火焰。这些燃烧筒13及燃料喷射器15呈同心状地收容在燃烧装置3的外筒即大致圆筒状的壳体H内。在壳体H的前端利用螺栓19固定有端盖17。如图3所示，在端盖17上利用螺栓等连结固定从燃烧筒13起呈筒状延伸的支承筒21，从而将燃烧筒13的顶部13a安装于壳体H。
在本实施方式中，燃烧装置3构成为空气A与燃烧气体G的流动方向为逆向的逆流型。即，燃烧装置3具有在壳体H与燃烧筒13及支承筒21之间形成的空气导入通道25，该空气导入通道25将经压缩机1(图1)压缩的空气A导向与燃烧室11内的燃烧气体G的流动方向相反的方向。此外，燃烧装置3也可以是空气A与燃烧气体G的流动方向为同向的轴流型。在支承筒21的周壁的前端部沿周向排列设置有多个空气导入孔27。经过空气导入通道25送来的空气A通过空气导入孔27之后被导入在支承筒21的内方形成的空气供给通道29。导入空气供给通道29的空气A向后方即燃料喷射器15的方向输送。另外，在空气供给通道29的中心部设置有沿着燃烧装置3的轴心C延伸的燃料供给母管31。从燃料供给母管31向后述的燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33供给燃料F。对于空气供给通道29及燃料供给母管31的结构将在后面详细叙述。
燃烧装置3具备预混合式的补燃喷燃器10，其在燃烧室11的下游区域，并配置于燃烧筒13的周壁。补燃喷燃器10沿周向等间隔地设置有多个(例如四个)。将从压缩机1(图1)经过空气导入通路25送来的空气A、和从燃料供给系统(补燃用燃料供给路径32)送来的燃料F导入补燃喷燃器10。在本实施方式中，补燃喷燃器10为预混合式，具有用于对空气A和燃料F进行混合搅拌的预混合室10a。如图3所示，在补燃喷燃器10中，空气A被从补燃喷燃器10的侧周面导入预混合室10a，燃料F在从燃料供给系统经由补燃用调节阀72被暂时导入形成于补燃喷燃器10内的燃料室10b之后，从燃料喷射孔10c导入预混合室10a。燃料喷射孔10c可以设置为其顶端向预混合室10a内突出的燃料喷射喷嘴。由此，在补燃喷燃器10的预混合室10a中生成空气A与燃料F的预混合气M。在预混合室10a中生成的预混合气M向燃烧室11的下游区域喷射。
由于补燃喷燃器10在作为主喷燃器的燃料喷射器15的燃烧大致结束并产生了高温的燃烧气体G的状态下进行工作，因此从补燃喷燃器10向燃烧室11的下游区域喷射的预混合气M，会利用高温的燃烧气体G抑制NOx的产生，同时稳定地燃烧。另外，本实施方式中的补燃喷燃器10，不需要用于形成火焰稳定用的逆流区域的回旋流发生机构等(火焰稳定机构)，因此对回火的耐性高。因此，即使是通常难以用作预混合燃烧的氢，也可以用作补燃喷燃器10的燃料，无需担心回火。此外，补燃喷燃器10并不限于预混合式，也可以是扩散燃烧式。
如图4所示，燃料喷射器15具备：具有多个燃料喷射用环状部33的燃料喷射部件34以及具有多个燃烧空气用环状部35的空气引导部件36。在本实施方式中，直径尺寸互不相同的四个燃料喷射用环状部33彼此呈同心状并且与燃烧装置3(图2)呈同心状地配置。另外，直径尺寸互不相同的五个燃烧空气用环状部35彼此呈同心状并且与燃烧装置3(图2)呈同心状地配置。进而，燃料喷射用环状部33与燃烧空气用环状部35使各自的中心轴一致并交替地进行配置。也就是，燃料喷射用环状部33与燃烧空气用环状部35呈同心状交替地配置。另外，在本实施方式中，燃料喷射器15具有四个燃料喷射用环状部33和五个燃烧空气用环状部35，但是对于这些数量可以适当地进行变更，例如也可以是三个燃料喷射用环状部33和四个燃烧空气用环状部35。
在本实施方式中，四个燃料喷射用环状部33及五个燃烧空气用环状部35设置于相同的轴心方向位置(图3)。但是，四个燃料喷射用环状部33及五个燃烧空气用环状部35的轴心方向位置也可以彼此错开。例如，四个燃料喷射用环状部33的轴心方向位置可以依次前后错开地配置，五个燃烧空气用环状部35的轴心方向位置可以与对应的燃料喷射用环状部33的轴心方向位置相配合地依次前后错开地配置。
如图5所示，在燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33，沿周向Q设置有多个在径向R上开口的燃料喷射孔39。从各燃料喷射孔39喷射燃料F。另外，如图8所示，燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33形成为截面外形呈大致矩形，面向燃烧室11的后壁33a以与轴心C方向垂直的方式配置。在图示的例子中，燃料喷射孔39在燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33的外径侧及内径侧上都进行了设置。换言之，燃料喷射孔39在燃料喷射用环状部33的外周壁及内周壁上分别作为沿径向R贯通外周壁及内周壁的贯通孔进行了设置。但是，燃料喷射孔39也可以仅在燃料喷射部件34的外径侧及内径侧中的任意一方上进行设置。另外，燃料喷射孔39也可以相对于径向R向轴心C方向在从-10°到+80°的范围内倾斜。在这里，将燃料喷射孔39相对于径向R向轴心C方向上游侧倾斜时的倾斜角设定为负的倾斜角，将燃料喷射孔39相对于径向R向轴心C方向下游侧倾斜时的倾斜角设定为正的倾斜角。
空气引导部件36向从燃料喷射部件34的燃料喷射孔39喷射的燃料F引导空气A。更具体地，空气引导部件36将空气A从空气供给通道29的上游侧沿轴心C方向导向燃料F。空气引导部件36具有圆环板状的多个燃烧空气用环状部35。燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33与空气引导部件36的燃烧空气用环状部35使各自的中心轴一致并交替地进行配置。如图5所示，在各空气引导部件36的燃烧空气用环状部35，在与燃料喷射部件34的各燃料喷射孔39对应的周向位置，形成有沿径向凹陷的空气引导槽41。即，在图示的例子中，在位于燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33的径向外侧的、空气引导部件36的燃烧空气用环状部35的内径侧，形成有向径向外方凹陷的空气引导槽41，在位于燃料喷射用环状部33的径向内侧的、燃烧空气用环状部35的外径侧，形成有向径向内方凹陷的空气引导槽41。
如图4所示，在本实施方式中，在两个燃料喷射用环状部33之间配置一个燃烧空气用环状部35，在该燃烧空气用环状部35的外径侧及内径侧双方设置有空气引导槽41。因此，燃料喷射器15具备：具有四个燃料喷射用环状部33的燃料喷射部件34、具有五个燃烧空气用环状部35的空气引导部件36。具体地，设置有：在最外周侧的燃料喷射用环状部33的外周侧配置的燃烧空气用环状部35、在四个燃料喷射用环状部33彼此之间配置的三个燃烧空气用环状部35、以及在最内径侧的燃料喷射用环状部33的内周侧配置的燃烧空气用环状部35。在空气引导部件36中配置于最外周的燃烧空气被环状部35的外周被环状的支承环部件43覆盖。如图2所示，将支承环部件43与燃烧筒13连结，从而将燃料喷射器15支承于燃烧筒13。
如图8、9所示，空气引导部件36配置于比燃料喷射部件34的燃料喷射孔39更靠前侧、即空气A流动方向上的上游侧。这样，以将空气A从上游沿轴心C方向导向从各燃料喷射孔39喷射的燃料F的方式设置空气引导部件36，从而燃料F与空气A彼此以大致垂直的朝向相交，能够在燃料喷射器15外使燃料F与空气A均匀地混合。
此外，如在图5B中作为本实施方式的变形例所示出的那样，也可以在空气引导部件36的各燃烧空气用环状部35设置有多个冷却孔45。多个冷却孔45沿燃烧空气用环状部35的周向等间隔地配置。冷却孔45形成为从前侧向后侧贯通燃烧空气用环状部35的、截面呈大致圆形的贯通孔。在图示的例子中，各冷却孔45在燃烧空气用环状部35内以沿周向倾斜地延伸的方式形成。因此，燃烧空气用环状部35表面上的冷却孔45的开口形状成为在周向上较长的椭圆形状。这样，在将冷却孔45设置于燃烧空气用环状部35的情况下，经空气供给通道29(图3)流过来的空气A在通过冷却孔45之后，向燃烧空气用环状部35的燃烧室侧表面吹出，沿着周向形成空气的膜层，对该表面进行泻流冷却(effusion cooling)。此外，冷却孔45优选沿周向倾斜，但倾斜方向并不限定于此。另外，冷却孔45也并非一定是倾斜的，也可以是与轴心方向平行地延伸的贯通孔。
如图2所示，在空气供给通道29上设置有空气整流板47，该空气整流板47作为空气整流机构，对从空气导入孔27导入空气供给通道29的空气A进行整流，使之成为朝向空气引导部件36的均匀的气流。空气整流板47是圆板状的部件，具有多个沿轴心方向贯通的贯通孔49。空气整流板47具有与图3的支承筒21的内径一致的外径，并且在中心部具有内径与燃料供给母管31的外径一致的嵌合孔51。在本实施方式中，从空气整流板47的嵌合孔51起向轴心C方向前方突出设置有与燃料供给母管31的外周面嵌合的筒状的嵌合部53。空气整流板47经由设置于嵌合部53前端的法兰55与端盖17利用整流板螺栓57连结固定。
在图示的例子中，空气整流板47具有多个相同直径的圆形的贯通孔49。更具体地，该多个贯通孔49配置为，将在空气整流板47的相同的径向位置上沿周向等间隔地排列的环状的贯通孔49的列在径向上等间隔地设置多列的状态。也就是，空气整流板47具有在同一圆周上等间隔地配置的环状的贯通孔49的列，该列使其中心一致地设置有多个。图6A示出了由所述空气整流板47、嵌合部53及法兰55构成的空气整流机构。
但是，空气整流板47上的多个贯通孔49的形状、数量及配置并不限定于图6A的方式，可以适当地进行设定。例如，可以如图6B所示，在空气整流板47的内周缘部及外周缘部，设置由许多相同直径的圆形的贯通孔49构成的列，在内周缘部与外周缘部的中间部设置由直径更大的圆形的贯通孔49构成的列。另外，也可以如图6C所示，在空气整流板47的内周缘部设置由许多相同直径的圆形的贯通孔49构成的列，在其外周侧设置长圆形的贯通孔49的列，该长圆形的贯通孔49的长直径方向与空气整流板47的径向一致。另外，如图6D所示，也可以仅设置其长直径方向与空气整流板47的径向一致的长圆形的贯通孔49的列。
考虑到整流效果与压力损失的平衡，无论空气整流板47上的贯通孔的形状、数量及配置如何设定，所有贯通孔49的总面积相对于空气整流板47的整个表面积的比例(开孔率)均优选在20～50％的范围内，更加优选在30～40％的范围内。
另外，作为对从空气导入孔27导入空气供给通道29的空气A进行整流而使之成为朝向燃料喷射器15的均匀的气流的空气整流机构，也可以如图7A、7B所示那样，设置整流导管61，来取代空气整流板47。图7A示出了整流导管61，其具有：以从空气导入孔27的上游侧起到燃料喷射器15为止朝向下游侧缩径的方式延伸的整流导管61a、以从空气导入孔27的下游侧起到燃料喷射器15为止朝向下游侧扩径的方式延伸的整流导管61b。图7B示出了整流导管61，其具有：以从空气导入孔27的上游侧起到燃料喷射器15为止朝向下游侧缩径的方式延伸的整流导管61a、以从空气导入孔27的中心位置起到燃料喷射器15为止朝向下游侧缩径的方式延伸的整流导管61c、以从空气导入孔27的下游侧起到燃料喷射器15为止朝向下游侧缩径的方式延伸的整流导管61d。通过设置空气整流板47或整流导管61作为空气整流机构，能够向燃料喷射器15供给均匀的空气流，因此能够通过均匀的燃烧来抑制NOx产生，并且切实地防止回火现象。
另外，如图3所示，在燃烧装置3中设置有位于其轴心C上、贯通燃料喷射器15并朝向燃烧室11突出的整流突起部件63。整流突起部件63位于空气供给通道29内，由具有圆筒形状的支承部63a、和位于燃烧室11内的突出部63b构成。在图示的例子中，整流突起部件63安装于燃料喷射器15，但是也可以安装于燃料供给母管31。不论哪种情况，整流突起部件63的支承部63a的前端(燃料供给母管31侧的端部)都位于比燃料喷射器15更靠上游。突出部63b的顶端部形成为大致半球状。虽然也可以省略整流突起部件63，但是通过设置整流突起部件63，能够在燃烧室11内的轴心C位置附近稳定地保持由从位于燃料喷射器15的径向内侧的燃料喷射用环状部33喷射的燃料、和从燃烧空气用环状部35供给的空气形成的火焰。
此外，构成燃料喷射器15的燃料喷射部件34、空气引导部件36、支承环部件43及整流突起部件63既可以一体地形成，也可以分别独立地形成，进而例如将销沿径向插入贯通，从而彼此进行连接。
接着，对燃烧装置3中的向燃料喷射部件34供给燃料的燃料供给构造进行说明。本实施方式的燃烧装置3具有能够向燃料喷射部件34的各燃料喷射用环状部33独立地供给燃料F的多个燃料供给路径。具体地，燃料供给母管31与各燃料喷射用环状部33由彼此独立地分支的多个分支燃料供给管66连接起来。燃料供给母管31具有使多个(在图示的例子中为两个)圆筒管即内侧的第一燃料供给管64与在其外侧配置的第二燃料供给管65呈同心状重叠的多管式构造(双重管构造)。第一燃料供给管64的内方空间形成第一燃料供给路径67，第一燃料供给管64与第二燃料供给管65之间的空间形成了第二燃料供给路径69。从外部导入燃料供给母管31内的各燃料供给路径67、69中的燃料F，通过在各分支燃料供给管66内形成的燃料供给路径之后向各燃料喷射用环状部33供给。在本实施方式中，通过了第一燃料供给路径67的燃料F经由与第一燃料供给管64连接的两个分支燃料供给管66，向多个燃料喷射用环状部33中的配置于内径侧的两个燃料喷射用环状部33(以下称为“第一环状部组”)供给，通过了第二燃料供给路径69的燃料F经由与第二燃料供给管65连接的两个分支燃料供给管66，向多个燃料喷射用环状部33中的配置于外径侧的两个燃料喷射用环状部33(以下称为“第二环状部组”)供给。在第一燃料供给路径67的、延伸设置于壳体H外部的上游部67a和第二燃料供给路径69的、延伸设置于壳体H外部的上游部69a上，分别设置有能够调节燃料流量的调节阀71。通过对各燃料供给路径67、69的调节阀71的开度进行调节，能够对向燃料喷射用环状部33的各环状部组供给的燃料F的流量独立地进行控制。
此外，构成被分别独立地供给燃料F的单位即环状部组的燃料喷射用环状部33的数量并不限定于上述例子。例如，可以是一个燃料喷射用环状部33分别构成一个环状部组(构成总共四个环状部组)，也可以是由内径侧的两个燃料喷射用环状部33构成一个环状部组、外径侧的两个燃料喷射用环状部33分别构成一个环状部组(构成总共三个环状部组)。与所构成的环状部组的数量对应地，设定燃料供给路径的数量及调节阀的数量。
通过采用这样的燃料供给构造，能够与燃气轮机GT的负载对应地，独立地对向燃料喷射部件34的各燃料喷射用环状部33供给的燃料供给量进行控制。也就是，能够在燃料喷射部件34中分为：进行燃料供给的燃料喷射用环状部33和不进行燃料供给的燃料喷射用环状部33，因此能够实现与从额定负载到部分负载的输出变化相对应的运转(分级燃烧)。与从全部的燃料喷射用环状部33平均地改变燃料供给量相比，在如本实施方式这样燃料喷射部件34的许多燃料喷射孔39使燃料F分散进行喷射的情况下，通过选择进行工作的燃料喷射用环状部33和不工作的燃料喷射用环状部33来适应负载变动，对于实现稳定且低NOx燃烧是更加有效的。在本实施方式中，从一个燃料供给源(未图示)分支出多个燃料供给路径67、69，利用在各燃料供给路径67、69上设置的调节阀71独立地控制燃料供给量，但是也可以构成为从多个燃料供给源独立地向各燃料供给路径67、68供给燃料F。
此外，与燃料喷射部件34的各燃料喷射用环状部33连接的分支燃料供给管66的数量，可以根据各燃料喷射用环状部33的燃料喷射量适当地进行设定。例如优选地，减少与配置于内径侧的燃料喷射用环状部33连接的分支燃料供给管66的数量，增加与配置于外径侧的燃料喷射用环状部33连接的分支燃料供给管66的数量。在将多个分支燃料供给管66与一个燃料喷射用环状部33连接的情况下，该燃料喷射用环状部33上的连接位置优选在周向上等间隔。
另外，燃料供给母管31的多管式构造只要能够利用多个管形成彼此独立的多个燃料供给路径即可，并不限于图3的例子。例如，也可以是在一个大直径的母管中平行地延伸设置多个比母管直径更小的相同直径的燃料供给管而成的多管式构造。但是，如本实施方式这样使燃料供给母管31成为将具有互不相同的直径的多个燃料供给管呈同心状重叠的多管式构造，并使最内径侧的燃料供给管的内方空间及各管之间的空间成为燃料供给路径的情况下，则容易进行如下设定：即增大向需要相对大量的燃料的外径侧的燃料喷射用环状部33进行供给的外径侧的燃料供给路径(在图3的例子中为第二燃料供给路径69)的流路面积，并减小向需要相对少量的燃料的内径侧的燃料喷射用环状部33进行供给的内径侧的燃料供给路径(在图3的例子中为第一燃料供给路径67)的流路面积。
接着，对面向燃烧室11、暴露于燃烧室11的高温的部件即燃料喷射部件34及整流突起部件63的内部冷却构造、或隔热构造进行说明。
关于燃料喷射部件34，如上述那样，燃料喷射部件34的面向燃烧室11的后壁33a与轴心C方向垂直地设置。如图8所示，空气引导部件36将从上游侧供给的空气A沿轴心C方向导向从燃料喷射部件34的燃料喷射孔39喷射的燃料F。燃料喷射用环状部33形成中空状，该中空空间在燃料喷射用环状部33内形成了使燃料F沿周向流通的环状的燃料流通路径73。也就是，燃料喷射部件34的后壁33a与环状的燃料流通路径73的内壁的一部分是相同的壁，燃烧室侧的璧面成为后壁面33ab、燃料流通路径侧的壁面成为内壁面33aa。
分支燃料供给管66以从燃料喷射部件34的前壁(空气供给通道29侧的壁)33b侧向环状的燃料流通路径73a供给燃料F的方式进行连接。在燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33的内部形成有在燃烧装置3的轴心C方向上划分的两个环状的燃料流通路径73a、73b。即，在燃料喷射用环状部33的内部形成有：位于后侧(燃烧室11侧)并向燃料喷射孔39供给燃料F的下游侧燃料流通路径73b(第一燃料流通路径)；位于前侧(空气供给通道29侧)并被直接供给燃料F的上游侧燃料流通路径73a(第二燃料流通路径)。
在划分上游侧燃料流通路径73a和下游侧燃料流通路径73b的环状的第一划分壁77上，沿周向排列设置有多个将燃料从上游侧燃料流通路径73a导向下游侧燃料流通路径73b的贯通孔。该贯通孔使两个燃料流通路径73a、73b连通，作为将燃料F从上游侧燃料流通路径73a向下游侧燃料流通路径73b输送的输送孔79发挥作用。从分支燃料供给管66导入上游侧燃料流通路径73a的燃料F，一边在上游侧燃料流通路径73a内沿周向流动，一边通过输送孔79之后依次流入下游侧燃料流通路径73b内。从输送孔79流入下游侧燃料流通路径73b的燃料F，与后壁33a的内壁面33aa发生碰撞，一边在下游侧燃料流通路径73b内沿周向流动，一边导向燃料喷射孔39。这样，通过将燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33内部在燃烧装置3的轴心C方向上划分为上游侧燃料流通路径73a和下游侧燃料流通路径73b，能够将燃料F以沿周向均匀地分布的状态向燃料喷射孔39供给。
另外，由于流入下游侧燃料流通路径73b的燃料F与后壁33a的内壁面33aa发生碰撞，燃料F会对后壁33a进行冲击冷却。在图示的例子中，在第一划分壁77上将向后方突出的喷嘴壁81在周向上延伸设置，在该喷嘴壁81内沿周向设置有多个输送孔79。喷嘴壁81形成将上游侧燃料流通路径部73a内的燃料F向下游侧燃料流通路径部73b的燃烧室11侧的壁面即背面33aa喷射的喷射喷嘴。也就是，燃料喷射用环状部33具有：位于燃烧室11侧并与燃料喷射孔39连通的下游侧燃料流通路径73b、位于与燃烧室11相反侧并供给从燃料喷射孔39喷射的燃料F的上游侧燃料流通路径73a、将上游侧燃料流通路径73a内的燃料F向下游侧燃料流通路径73b的燃烧室11侧的内壁面33aa喷射的喷射喷嘴。由此，将燃料F向下游侧燃料流通路径73b的燃烧室11侧的内壁面33aa喷射，内壁面33aa通过冲击冷却得以冷却，即利用燃料F极为有效地对后壁33a进行冷却。此外，喷射喷嘴也不是必须具有喷嘴壁81，也可以是形成于第一划分壁77内的节流喷嘴。进而，通过在从后壁33a的内壁面33aa起到燃料喷射孔39为止的流通路径的中途，在后壁33a的内壁面33aa上突出设置沿周向延伸的突壁83，其中，后壁33a的内壁面33aa被从输送孔79喷射燃料F，从而能够进一步提高由燃料F在下游侧燃料流通路径73b内流动而产生的对流冷却的效果。
另外，作为在燃料喷射部件34的燃料喷射用环状部33内设置的燃料流通路径73的形状，也可以如图9所示的变形例那样仅设置一个燃料流通路径73。在此情况下，能够利用燃料F通过对流冷却从内方对燃料喷射用环状部33的面向燃烧室11的后壁33a(内壁面33aa侧)进行冷却。
另外，也可以在将燃料F从燃料流通路径73导向燃料喷射孔39的途中设置第二划分壁87，以使从各分支燃料供给管66供给的燃料F在燃料流通路径73内大致均匀地流动，能够充分地发挥对流冷却的效果。也就是，环状的燃料流通路径73可以被外周侧划分壁87a和内周侧划分壁87b分割为三个环状的空间。
进而，还可以在后壁33a的后壁面33ab设置挡热板85。作为形成挡热板85的材质，例如可以使用作为具有耐腐蚀性及耐热性的合金的Hastelloy-X(HaynesInternational.Inc.：注册商标)、HA188(Haynes International.Inc.：注册商标)、或者是这些与陶瓷涂层的组合等。另外，在图8所示的实施例中也可以选择性地组合挡热板85。
如图10所示，整流突起部件63作为整体形成中空状。整流突起部件63的支承部63a由有底的圆筒状部件构成，在其前端(上游端)的周壁上设置有作为径向的贯通孔的冷却空气导入孔91。冷却空气导入孔91沿着支承部63a前端的周壁的周向等间隔地形成有多个。整流突起部件63的突出部63b具有由朝向燃烧室侧(图10的右侧)缩径的圆顶(dome)形状的内侧壁93和外侧壁95构成的双重壁构造。此外，突出部63b可以不是圆顶形状，也可以是圆柱形状。另外，突出部63b可以不是双重壁构造，也可以是仅有外壁的单壁构造。在突出部63b的内侧壁93的周壁上设置有作为径向的贯通孔的第一冷却空气喷射孔97。第一冷却空气喷射孔97在内侧壁93的周壁的周向及轴心方向上等间隔地形成有多个。进而，在突出部63b的外侧壁95的周壁上设置有多个相对于径向朝后方倾斜地延伸的贯通孔即第二冷却空气喷射孔98。多个第二冷却空气喷射孔98在外侧壁95的周壁的周向及轴心方向上等间隔地配置。
在突出部63b的外侧壁95的顶端部中央设置有作为轴心方向的贯通孔的冷却空气排出孔99。也就是，整流突起部件63具有：形成于其支承部63a的前端并将比燃料喷射器15位于更上游的空气A导入其内部的冷却空气导入孔91、形成于其突出部63b并将导入其内部的空气A向燃烧室11排出的冷却空气排出孔99。
由支承部63a和突出部63b的内侧壁93形成的内方空间S、与由突出部63b的内侧壁93和外侧壁95形成的间隙G仅经由内侧壁93的第一冷却空气喷射孔97连通。在图示的例子中，在支承部63a的开口缘部突出设置有嵌合突壁63aa，内侧壁93的开口缘部93a与该嵌合突壁63aa的内周侧嵌合，外侧壁95的开口缘部95a与嵌合突壁63aa的外周侧嵌合。由此，将支承部63a与突出部63b连接。
在突出部63b是仅有外壁的单壁构造的情况下，空气供给通道29的空气A的一部分从冷却空气导入孔91流入整流突起部件63的内方空间S中，一边作为冷却介质从内方对面向燃烧室11的突出部63b进行基于对流的冷却，一边从冷却空气排出孔99向燃烧室11排出。进而，在突出部63b是由内侧壁93和外侧壁95构成的双重壁构造的情况下，从冷却空气导入孔91流入整流突起部件63的内方空间S中的空气A的一部分，作为冷却介质从内侧壁93的第一冷却空气喷出孔97沿径向喷射。该空气A与外侧壁95的内周面发生碰撞，沿着该内周面通过内侧壁93与外侧壁95之间的间隙G即冷却通道，进而从冷却空气排出孔99向燃烧室11排出。这样，由于空气A与外侧壁95的内周面发生碰撞，沿着内周面流动，从而从内部对外侧壁95进行冲击冷却。另外，流入内侧壁93与外侧壁95之间的间隙G中的空气A的一部分，通过外侧壁95的第二冷却空气喷射孔98进而向燃烧室11排出。从第二冷却空气喷射孔98吹出的空气A，会在外侧壁95的表面形成空气的膜层，从外部对外侧壁95进行泻流冷却。这样，能够防止整流突起部件63的烧损。此外，也可以省略第二冷却空气喷射孔98。
进而，外侧壁95的外周面可以利用绝热材料100进行涂覆。作为绝热材料100，可以使用陶瓷、作为具有耐腐蚀性及耐热性的合金的Hastelloy-X(HaynesInternational.Inc.：注册商标)、HA188(Haynes International.Inc.：注册商标)等。通过利用绝热材料100实施涂覆，能够更加切实地防止整流突起部件63的烧损。
如上所述，根据本实施方式的图2所示的燃气轮机的燃烧装置3，燃料喷射器15具备具有多个燃料喷射用环状部33的燃料喷射部件34，燃料喷射用环状部33在其外周面具有许多燃料喷射孔39，因此能够从燃料喷射器15的整个面均匀地喷射燃料F。由此，能够以多点在燃料喷射器15的整个面上保持微细的火焰。由此，能够防止发生局部的高温燃烧，实现低NOx燃烧。另外，通过从上游向从燃料喷射孔39喷射的燃料F供给空气A这样的结构，能够避免火焰进入燃料喷射器15内部，从而抑制回火现象。
进而，燃烧装置3具备预混合式的补燃喷燃器10，其在燃烧室11的下游区域，配置于燃烧筒13的周壁。补燃喷燃器10在主喷燃器即燃料喷射器15的燃烧大致结束并产生了高温的燃烧气体G的状态下进行工作，因此从补燃喷燃器10向燃烧室11的下游区域喷射的预混合气M，会利用高温的燃烧气体G抑制NOx的产生，同时稳定地燃烧。另外，本实施方式中的补燃喷燃器10，不需要用于形成火焰稳定用的逆流区域的回旋流发生机构等(火焰稳定机构)，因此对回火的耐性高。因此，在作为燃气轮机GT的燃料使用包含氢的反应性高的燃料的情况下，也能够抑制NOx的产生，同时维持极其稳定的燃烧。
此外，在本实施方式的燃烧装置3中使用的燃料F并不限定于氢气，例如既可以是液态的氢，也可以是氢气与其它燃料气体(天然气、CO等)的混合燃料，进一步地，还可以是不含氢的其它燃料气体(天然气、CO等)。另外，虽然在本实施方式中以罐型的燃烧装置3为例进行了说明，但是对于环型的燃烧装置也能够适用上述结构。
在图11、12中示出了将本发明适用于顺流式的环型燃烧装置的实施方式，在图13中示出了将本发明适用于逆流式的环型燃烧装置的实施方式。这些实施方式的燃烧装置3与图2的实施方式的共同点在于，具有：燃烧筒13，其在内侧形成燃烧室11；燃料喷射器15，设置于燃烧筒13的顶部，其具有：包含多个燃料喷射用环状部33的燃料喷射部件34及包含对燃烧用空气进行引导的多个燃烧空气用环状部35的空气引导部件36，将燃料喷射用环状部33与燃烧空气用环状部35呈同心状交替地配置，向燃烧室11喷射燃料和空气；补燃喷燃器10，其在燃烧室11的下游区域并配置于燃烧筒13的周壁。如结合图5对上述实施方式进行说明的那样，燃料喷射用环状部33具有在其径向R上开口的多个燃料喷射孔39，燃烧空气用环状部35具有在其轴心方向上开口并向从燃料喷射孔39喷射的燃料F引导空气A的多个空气引导槽41。
在图11所示的顺流式环型的燃烧装置3中，燃烧筒13由筒状的内壁101和在内壁101的外侧与内壁呈同心状配置的外壁103构成，内壁101与外壁103之间的空间形成了环状的燃烧室11。经压缩机1(图1)压缩的空气A从前方经由扩散器105导入环状的燃烧器壳体H内，进而向燃料喷射器15供给。燃料喷射器15的前方被作为空气整流机构的空气整流罩(cowl)107覆盖。如图12所示，空气整流罩107是具有向前方鼓出的截面形状的环状部件，形成有使空气A通过的许多孔
在图13所示的逆流式环型的燃烧装置3中，燃烧筒13也是由筒状的内壁101和在内壁101的外侧与内壁呈同心状配置的外壁103构成，内壁101与外壁103之间的空间形成了环状的燃烧室11。经压缩机1(图1)压缩的空气A从后方通过在壳体H与燃烧筒13之间形成的空气导入通道25之后向燃料喷射器15供给。燃料喷射器15的前方被作为空气整流机构的空气整流罩107覆盖。空气整流罩107与图12所示的例子同样地，是具有向前方鼓出的截面形状的环状部件，形成有使空气通过的许多孔。
虽然是如以上这样参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明主旨的范围内能够进行各种添加、变更或删除。因此，这样的实施方式也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
3 燃烧装置
10 补燃喷燃器
11 燃烧室
13 燃烧筒
15 燃料喷射器
33 燃料喷射用环状部
34 燃料喷射部件
35 燃烧空气用环状部
36 空气引导部件
39 燃料喷射孔
41 空气引导槽
A 空气
C 燃烧装置轴心
F 燃料

Claims (8)

1.一种燃烧装置，其具备：
燃烧筒，其在内侧形成燃烧室；
燃料喷射器，其设置于所述燃烧筒的顶部，具有：包含多个燃料喷射用环状部的燃料喷射部件以及包含对燃烧用空气进行引导的多个燃烧空气用环状部的空气引导部件，将所述燃料喷射用环状部与所述燃烧空气用环状部呈同心状交替地配置，向所述燃烧室喷射燃料和空气；
补燃喷燃器，其在所述燃烧室的下游区域并配置于所述燃烧筒的周壁，
所述燃料喷射用环状部具有在其径向上开口的多个燃料喷射孔，
所述燃烧空气用环状部具有在其轴心方向上开口并向从所述燃料喷射孔喷射的燃料引导空气的多个空气引导槽，
所述空气引导部件配置于比所述燃料喷射孔更靠空气流动方向上的上游侧。
2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述补燃喷燃器具有对燃料和空气进行混合搅拌的预混合室，将在所述预混合室中生成的预混合气向所述燃烧室内喷射。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，还具备空气整流机构，其设置于所述燃料喷射器的上游，对向所述空气引导部件供给的空气进行整流。
4.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，还具备整流突起部件，其设置于燃烧装置的轴心上，贯通所述燃料喷射器并朝向所述燃烧室突出。
5.根据权利要求4所述的燃烧装置，其特征在于，所述整流突起部件包含支承部和从该支承部向所述燃烧室内突出的突出部，并且具有：形成于所述支承部、将空气导入所述整流突起部件内部的冷却空气导入孔；形成于所述突出部、将导入所述整流突起部件内部的空气排出至所述燃烧室的冷却空气排出孔。
6.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，
所述燃料喷射用环状部形成为中空状，
所述燃料喷射用环状部内的中空空间形成了使燃料沿周向流通的环状的燃料流通路径。
7.根据权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃料喷射用环状部具有：位于所述燃烧室侧、与所述燃料喷射孔连通的第一燃料流通路径；位于与所述燃烧室相反侧、供给从所述燃料喷射孔喷射的燃料的第二燃料流通路径；以及将所述第二燃料流通路径内的燃料向所述第一燃料流通路径的所述燃烧室侧的壁面喷射的喷射喷嘴。
8.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，
具有向所述燃料喷射部件供给燃料的、多管式构造的燃料供给母管，
该燃料供给母管具有：向所述多个燃料喷射用环状部的第一环状组供给燃料的第一供给通道；向所述多个燃料喷射用环状部的第二环状组供给燃料的第二供给通道。
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