CN107110506A - 烧嘴、燃烧器以及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种烧嘴、具有所述烧嘴的燃烧器以及燃气轮机。所述烧嘴能够预先混合烃类第一燃料(例如天然气)、第二燃料(例如氢气)以及燃烧用空气，将浓度稀薄且分布均匀的预混合气体喷射至燃烧器的燃烧室，并且能够抑制NOx的排放量。通过从向预混合流道内突出的各第二燃料喷射喷嘴将氢气喷射至在预混合流道的上游侧从外筒的外缘朝向中心流动的燃烧用空气的气流中，从而没有燃烧用空气的低速流域的影响，生成浓度分布均匀的一次混合气体。之后，通过从第一燃料喷射喷嘴将天然气喷射至一次混合气体，比重大的天然气和一次混合气体被充分搅拌、混合，生成浓度稀薄且分布比一次混合气体均匀的二次混合气体(预混合气体)。通过使该种预混合气体在燃烧室内燃烧，能够抑制燃烧排放气体中的NOx。

Description

烧嘴、燃烧器以及燃气轮机

技术领域

本发明涉及烧嘴、燃烧器以及燃气轮机。

背景技术

近年来，从防止全球变暖以及有效利用资源的观点出发，迫切需要利用燃气轮机的主要燃料天然气，以及从石化工厂等的制造过程中附带产生的副产物氢气。

专利文献1中公开了一种燃气轮机的燃烧器，具有：燃烧筒，其内部形成燃烧室；外壳，其覆盖燃烧筒的外侧，且在该燃烧筒的周围形成压缩机供给的压缩空气(称为燃烧用空气)流道；第一燃料喷嘴(相当于主烧嘴)，其设置于燃料筒的上游侧，且将第一燃料(煤气化气体)喷射至燃烧室；以及多个第二燃料喷嘴(相当于再燃烧烧嘴)，其配置在第一燃料喷嘴的下游侧，且从外壳贯穿燃烧筒的周壁，从燃烧筒的周壁朝向燃烧室内沿径向向内喷射第二燃料(含氢气体)，从而使该第二燃料在燃烧生成气体中扩散并燃烧。

另一方面，作为不使用水或蒸汽来抑制NOx的排放量的方法，稀薄预混合燃烧方法(Dry Low Emission燃烧方法)受到关注。近年来，具有采用这种燃烧方法的燃烧器(DLE燃烧器)的燃气轮机在工厂设施等中应用。

因此，本发明申请人在PCT/JP2014/065657(未公开)中提供一种燃气轮机的燃烧器，所述燃烧器具备再燃烧烧嘴，所述再燃烧烧嘴在DLE燃烧器的燃烧室的下游侧的区域中喷射将燃烧用空气、烃类第一燃料(例如天然气)以及第二燃料(例如氢气)预先混合的稀薄的预混合气体。

该再燃烧烧嘴将从上游侧导入至预混合流道的燃烧用空气和第一、第二燃料在该预混合流道内进行混合，生成预混合气体，然后将该预混合气体从下游侧喷射至燃烧室，并使该预混合气体燃烧，并且具有将第一、第二燃料喷射至预混合室内的第一、第二燃料喷出孔。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-75174号公报

发明内容

发明要解决的问题

在本发明申请人提供的再燃烧烧嘴的结构中，生成由燃烧用空气、第一燃料以及第二燃料组成的预混合气体，对此进行探讨，氢气与天然气相比，比重极小(氢气的比重：0.09kg/m3N，天然气的比重：0.62kg/m3N)，因此从第二燃料喷出孔喷出的氢气自身的穿透力(即，氢气喷出时的动能)很小，在预混合流道内与其他流体的搅拌、混合不充分，难以生成浓度稀薄且分布均匀的预混合气体。即，燃烧时会产生局部的高温区域，导致NOx的排放量增加，具有进一步改善的空间。

因此，本发明的目的在于提供一种烧嘴、具备所述烧嘴的燃烧器以及燃气轮机。所述烧嘴能够预先混合烃类第一燃料(例如天然气)、第二燃料(例如氢气)以及燃烧用空气，将浓度稀薄且分布均匀的预混合气体喷射至燃烧器的燃烧室，并且能够抑制NOx的排放量。

用于解决问题的方案

本发明的烧嘴，其特征在于，将从上游侧导入至预混合流道的燃烧用空气和燃料在所述预混合流道内进行混合，生成预混合气体，然后将所述预混合气体从下游侧喷射至燃烧室，并使所述预混合气体燃烧，所述烧嘴具备：外筒，内部形成有所述预混合流道；第一空气导入部，在所述预混合流道的上游侧从所述外筒的外缘朝向中心供给燃烧用空气；第一燃料导入部，将第一燃料导入至所述预混合流道；以及第二燃料导入部，将比重比所述第一燃料小的第二燃料导入至所述预混合流道，所述第二燃料导入部从所述预混合流道的上游侧端部朝向下游侧向所述预混合流道内突出而形成，且具有多个第二燃料喷射喷嘴，所述第二燃料喷射喷嘴将第二燃料喷射至从所述第一空气导入部导入的压缩空气中，从所述第二燃料喷射喷嘴对所述燃烧用空气喷射所述第二燃料，从而生成一次混合气体，从所述第一燃料导入部对所述一次混合气体导入第一燃料，从而生成二次混合气体。

根据该结构，从各第二燃料喷射喷嘴对在预混合流道的上游侧从外筒的外缘朝向中心流动的燃烧用空气喷射第二燃料，从而生成一次混合气体。此时，第二燃料从第二燃料喷射喷嘴避开在预混合流道的上游侧端部附近生成的压缩空气的低速流域(粘性边界层)喷射至燃烧用空气的气流中，所述第二燃料喷射喷嘴从预混合流道的上游侧端部向预混合流道内突出。因此，即便是例如氢气这样比重小、穿透力低的第二燃料，也不会在上述低速流域滞留，从而生成浓度稀薄且分布均匀的一次混合气体。之后，从第一燃料导入部将第一燃料导入至一次混合气体，从而生成二次混合气体(预混合气体)。此时，由于第一燃料比第二燃料的比重大，因此第一燃料和一次混合气体被充分搅拌、混合，生成浓度稀薄且分布比一次混合气体均匀的二次混合气体。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体供给至燃烧室，能够抑制燃烧排放气体中NOx的量。

所述烧嘴具备的所述第一燃料导入部可以具有第一燃烧喷射喷嘴，其从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，且朝向所述外筒的外缘喷射所述第一燃料。

根据该结构，在预混合流道的上游侧从外筒的外缘流向中心的一次混合气体沿着第一燃烧喷射喷嘴的外周流向预混合流道的下游侧，之后，从第一燃烧喷射喷嘴对一次混合气体喷射第一燃料，从而生成二次混合气体。此时，由于是向与一次混合气体的流向交叉的方向喷射第一燃料，因此促进了第一燃料和一次混合气体的混合，生成了浓度分布均匀的二次混合气体。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体供给至燃烧室，能够抑制燃烧排放气体中的NOx。

所述烧嘴具备整流凸起部，其从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，所述烧嘴具备的所述第一燃料导入部具有多个第一燃料喷射孔，其形成于所述预混合流道的上游侧端部且比所述整流凸起部更靠外缘侧的位置，且向外筒的外缘侧倾斜。

根据该结构，通过对在预混合流道的上游侧从外筒的外缘朝向中心流动的一次混合气体，从向外筒的外缘侧倾斜的第一燃料喷射孔喷射一次混合气体，生成二次混合气体。此时，由于是向与一次混合气体的流向交叉的方向喷射第一燃料，因此促进了预混合流道内的一次混合气体和第一燃料的混合，生成了浓度分布均匀的二次混合气体。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体供给至燃烧室，能够抑制NOx的产生。此外，由于二次混合气体沿着整流凸起部改变方向流向下游侧，不降低速度地喷射至燃烧室，因此能够抑制逆火。

所述烧嘴可以具备整流凸起部，其从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，所述第一燃料导入部可以具备多个第一燃烧喷射喷嘴，其在比所述第一空气导入部更靠下游侧的位置从所述外筒的外缘朝向中心喷射所述第一燃料。

根据该结构，在预混合流道的上游侧从外筒的外缘朝向中心流动的一次混合气体沿着整流凸起部改变方向流向下游侧。之后，从第一燃料喷射孔朝向外筒的中心对一次混合气体喷射第一燃料，从而生成二次混合气体。此时，由于是向与一次混合气体的流向交叉的方向喷射第一燃料，因此促进了预混合流道内的一次混合气体和第一燃料的混合，生成了浓度分布均匀的二次混合气体。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体供给至燃烧室，能够抑制NOx的产生。此外，由于一次混合气体沿着整流凸起部不降低流速地流向下游侧，因此抑制了变向时的流速降低。因此，预混合气体保持着足够的流速喷射至燃烧室，从而能够抑制逆火。

所述烧嘴可以在比所述第一空气导入部更靠下游侧的位置具备第二空气导入部，其将燃烧用空气从所述外筒的外缘导入至预混合流道。此外，所述外筒由分别配置于同轴上的上游侧的第一筒体和下游侧的第二筒体构成，所述第一筒体和所述第二筒体在所述轴的方向上一部分重叠而配置，所述第二空气导入部可以是由所述第一筒体和所述第二筒体限定出的环状间隙，其直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小。在这种情况下，所述第二筒体的内径也可以在其下游侧与所述第一筒体的内径实质上相同。一部分燃烧用空气喷射至第一筒体的外周后，作为二次空气导入第二空气导入部。通过从第二空气导入部导入二次空气，能够抑制边界层的预混合气体的滞留。二次空气从第二空气导入部的上游侧流向下游侧，由此被均匀地整流。通过将二次空气送入至预混合流道，能够更加有效地抑制边界层的混合气体的滞留。另一方面，二次空气流过直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小的环状间隙，由此能够形成气流，该气流将在边界层滞留的预混合气体引向流道中央。此外，使第二筒体的内径在其下游侧与第一筒体的内径实质上相同时，能够平衡在预混合流道流动的预混合气体的流量。

根据该结构，抑制了外筒的内表面附近的低速流域的产生，能够抑制逆火。

所述第一燃料可以是天然气或液化天然气，所述第二燃料可以是氢气或含氢气体。

此外，本发明的燃烧器为燃气轮机的燃烧器，其特征在于，具备：燃烧筒，形成使燃料燃烧的燃烧室；预混合燃烧方式的主烧嘴，设置于所述燃烧筒的上游侧；以及再燃烧烧嘴，贯穿所述燃烧筒的下游侧的周壁部而设置，所述再燃烧烧嘴为上述任一项所述的烧嘴。

根据该结构，能够提供一种具有再燃烧烧嘴的燃烧器，所述再燃烧烧嘴能够将浓度分布均匀的预混合气体喷射至燃烧室，并能够抑制NOx的排放量。

进一步地，本发明的燃气轮机的特征在于，具备上述燃烧器。

根据该结构，能够提供一种具备燃烧器的燃气轮机，所述燃烧器能够抑制NOx的排放量。

发明效果

根据本发明，能够提供一种烧嘴、具备所述烧嘴的燃烧器以及燃气轮机。所述烧嘴通过预先混合第一燃料(例如天然气)、第二燃料(例如氢气)以及燃烧用空气，然后将浓度分布均匀的预混合气体喷射至燃烧室，能够抑制NOx的排放量。

附图说明

图1是表示根据本发明的实施方式的燃气轮机的结构示意图。

图2是根据本发明的实施方式的燃烧器的纵向剖视图。

图3是根据本发明的第一实施方式的再燃烧烧嘴的纵向剖视图。

图4是从图3的A-A方向观察的预混合流道的横向剖视图。

图5是表示第一实施方式的变形示例的图。

图6是根据本发明的第二实施方式的再燃烧烧嘴的纵向剖视图。

图7是根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第一示例的纵向剖视图。

图8是根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第二示例的纵向剖视图。

图9是根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第三示例的纵向剖视图。

图10是根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第四示例的纵向剖视图。

图11是根据本发明的第四实施方式的再燃烧烧嘴的纵向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对根据本发明的实施方式的烧嘴、燃烧器以及燃气轮机进行说明。其中，以下说明仅为本发明的一个实施方式，并非用于限制本发明的技术范围、本发明的应用或用途。

第一实施方式

图1示出了燃气轮机的简要结构和功能。在该燃气轮机1中，压缩机2吸收大气生成压缩空气200。压缩空气200在燃烧器3中与燃料一起燃烧，生成高温高压的燃烧生成气体(以下称为“燃烧排放气体300”)。燃烧排放气体300被供给至涡轮4，用于使转子5旋转。转子5的旋转传递给压缩机2，用于生成压缩空气200(以下称为“燃烧用空气200”)，另一方面，转子5的旋转例如传递给发电机6用于发电。

图2示出了燃烧器3。在本实施方式中，燃烧器3是逆流罐式燃烧器，在其内部，从压缩机(参照图1)供给的压缩空气200的流向(图1的从上向下的方向)与燃烧排放气体300的流向(图1的从下向上的方向)相对。燃烧器的机型可以是圆周上具有多个燃料喷射阀的环形。

燃烧器3具备以同心状配置于中心轴302上的燃烧筒34和外壳35。燃烧筒34的顶部安装有烧嘴单元30，燃烧筒34的内部形成有燃烧室33，燃烧从烧嘴单元30喷射出的燃料等。燃烧筒34被筒状的外壳35包围，在燃烧筒34和外壳35之间形成有环状的燃烧用空气通道37，供压缩机供给的燃烧用空气200流动。外壳35和燃烧筒34在比烧嘴单元30更靠下游侧的位置支撑多个再燃烧烧嘴36。

在本实施方式中，烧嘴单元30沿着中心轴302设置，具备预混合式的主烧嘴31和扩散燃烧式引燃烧嘴32，预混合式的主烧嘴31将燃料和燃烧用空气200混合而生成的预混合气体喷射至燃烧室33内，扩散燃烧式引燃烧嘴32将燃料直接喷射至燃烧室33内。主烧嘴31以同心状设置于引燃烧嘴32的周围。主烧嘴31和引燃烧嘴32通过管道304与第一燃料供给源305(天然气供给源)连通。

在本实施方式中，主烧嘴31具有沿着中心轴302以同心状设置的外筒310和内筒312。在本实施方式中，如图所示，内筒312兼作后述引燃烧嘴32的燃烧用空气喷射筒322b。外筒310和内筒312之间的环状空间用作对燃料和燃烧用空气进行混合的预混合流道314。预混合流道314的一端开口于燃烧室33，另一端通过多个空气导入口315朝向径向外侧开口于燃烧用空气流道37。空气导入口315的径向外侧设有喷出第一燃料的多个主燃料喷嘴316。虽未图示，但多个空气导入口315和与其对应的多个主燃料喷嘴316优选以中心轴302为中心沿周向等间隔设置。虽未图示，但各主燃料喷嘴316在与空气导入口315相对的部位上形成有多个朝向空气导入口315喷出第一燃料的燃料喷射孔(未图示)，并且通过包括流量调节阀的管道304a与第一燃料供给源305(天然气供给源)连接，正常运行时，使流量调节阀处于打开状态，由此从第一燃料供给源305供给的燃料与从燃烧用空气流道37供给的燃烧用空气一同从空气导入口315供给至预混合流道314，并在该预混通道314中进行混合，然后预混合气体被喷射至燃烧室33。在本实施方式中，空气导入口315设有多个涡流器叶片(旋流器)317，其赋予流入预混合流道314的燃烧用空气旋转力，从而促进与第一燃料的预混合。

此外，引燃烧嘴32具备沿着中心轴302延伸的燃料喷射筒322a和以同心状外装于该燃料喷射筒322a的燃烧用空气喷射筒322b。形成于燃料喷射筒322a内的燃料喷射道(未图示)通过包括流量调节阀的管道304b与第一燃料供给源305(天然气供给源)连接。启动时，使流量调节阀处于打开状态，由此从第一燃料供给源供给的天然气被喷射至燃烧室内。燃料喷射筒322a与燃烧用空气喷射筒322b之间形成有环状空气流道324，其一端与燃烧用空气流道37连接，另一端与燃烧室连接，从压缩机供给的压缩空气被喷射至燃烧室内。

再燃烧烧嘴36沿着包含于中心轴302的正交平面上且沿周向等间隔设置的四个轴心360，分别安装于外壳35和燃烧筒34上。后面将会详细说明，再燃烧烧嘴36构成为，通过包括流量调节阀的管道与第一燃料供给源(天然气供给源)305和第二燃料供给源(氢气供给源)307连接，高负荷运行时，通过使流量调节阀处于打开状态，能够将第一燃料和第二燃料与从燃烧用空气流道37吸入的燃烧用空气进行混合而生成预混合气体，并将该预混合气体喷射至燃烧室内。上述第一燃料是指包含60体积％以上的烃、且氢气为10体积％以下的气体，或包含60体积％以上的烃的液体。上述第二燃料是指包含50体积％以上的氢的气体。此外，在本实施方式中，例举了天然气作为第一燃料的一个示例，例举了氢气作为第二燃料的一个示例。

下面参照图2对具备上述结构的燃烧器3的作用进行说明。如图2所示，燃气轮机(未图示)启动时，流量调节阀变为打开状态，从主燃料供给源供给至引燃烧嘴32的天然气被喷射至燃烧室。然后，与从环状空气流道324喷射至燃烧室33的燃烧用空气在燃烧室33内扩散混合，由未图示的点火源点火，通过扩散燃烧形成引燃火焰。

燃气轮机转换为正常工作时，从主烧嘴31的预混合流道314喷射出的预混合气体在燃烧室33内由引燃火焰点燃，在燃烧室33的上游侧的一次燃烧区域S1进行燃烧。通过使稀薄的预混合气体燃烧，降低了燃烧室33内的燃烧火炎温度，抑制了主烧嘴的燃烧排放气体中的NOx量。

要求进行高负荷燃烧以提高涡轮机的输出时，在再燃烧烧嘴36中生成的天然气、氢气以及燃烧用空气200的预混合气体被导入燃烧室33内，在比一次燃烧区域S1更靠下游侧的二次燃烧区域S2中，与主烧嘴31的燃烧排放气体混合并燃烧。通过使稀薄的预混合气体燃烧，抑制了燃烧排放气体中的NOx含量。

下面结合附图对根据本发明的实施方式的再燃烧烧嘴进行说明。

图3示出了根据本发明的第一实施方式的再燃烧烧嘴36。图3示出了与图2对应的截面，图4示出了沿图3的沿A-A线的截面。此外，在以下有关再燃烧烧嘴36的结构、作用的说明中，关于再燃烧烧嘴36内的流体的流向采用术语“上游侧”或“下游侧”。

如图3所示，再燃烧烧嘴36具备外筒364，该外筒364具有多个结构件，例如，在相对于燃烧器3的中心轴302的放射方向的轴心360上，从外侧朝向内侧依次设置的头部块361、第一筒部362以及第二筒部363。头部块361嵌入并固定在形成于外壳35上的安装孔352内，第一筒部362的凸缘部365通过多个连接片366固定于头部块361上，第二筒部363嵌入并固定在形成于燃烧筒34上的贯穿孔340内。头部块361、第一筒部362以及第二筒部363所围成的内部空间形成用于混合燃料和燃烧用空气200的预混合流道367。

另外，再燃烧烧嘴36具备：将第一燃烧供给源供给的天然气导入预混合流道367的第一燃料导入部368；将第二燃烧供给源供给的氢气导入预混合流道367的第二燃料导入部369；以及将燃烧用空气200从燃烧用空气流道37导入预混合流道367的第一空气导入部370。

第一空气导入部370形成为，利用第一筒部362的凸缘部365、头部块361以及连接它们的多个连接片366所围成的多个间隙空间(空气导入口)，能够将在燃烧用空气流道37流动的一部分压缩空气200(燃烧用空气200)从第一空气导入部370导入至预混合流道367。导入预混合流道367的燃烧用空气200从外筒364的外缘(径向外侧)朝向中心(径向内侧)流动。各连接片366在与外筒364同心的圆周上每隔45度等间隔地设置，且设置于与后述第二燃料喷射喷嘴384间隔开的周向位置上，在与各第二燃料喷射喷嘴384对应的周向位置上设置有各空气导入口。

第一燃料导入部368具有：从头部块361内的上游侧沿着轴心360向下游侧延伸的第一燃料供给道380；以及从头部块361的下游侧壁面沿着轴心360向预混合流道367内突出的有底的筒状的第一燃料喷射喷嘴381。

第一燃料供给道380的上游侧通过包括流量调节阀的管道306与第一燃烧供给源连通，该第一燃料供给道380的下游侧通过径向贯穿第一燃料喷射喷嘴381的周壁所形成的多个第一燃料喷射孔382与预混合流道367连通。此外，各第一燃料喷射孔382沿周向及轴向等间隔地设置。沿周向每隔90度设置一个。通过这样的结构，从第一燃烧供给源供给的天然气经由第一燃料供给道380和第一燃料喷射喷嘴381喷射至预混合流道367内。

第二燃料导入部369具有：从头部块361内的上游侧向下游侧延伸的第二燃料供给道383；以及从头部块361的下游侧壁面向预混合流道367内突出的多个筒状的第二燃料喷射喷嘴384。第二燃料供给道383的上游侧通过包括流量控制阀的管道308与第二燃烧供给源连接。在第二燃料供给道383的下游侧形成有包围第一燃料供给道380且以与外筒364同心状的方式延伸的环状流道385。环状流道385的下游侧通过各第二燃料喷射喷嘴384的内部空间与预混合流道367连通。各第二燃料喷射喷嘴384在与外筒364同心的圆周上每隔45度等间隔地设置，且与外筒平行地延伸。通过这样的结构，从第二燃烧供给源供给的氢气经由第二燃料供给道383和第二燃料喷射喷嘴384喷射至预混合流道367内。

接着，下面参照图2、图3和图4，对包括上述结构的再燃烧烧嘴36的作用进行说明。从第一空气导入部370导入至预混合流道367内的燃烧用空气200在预混合流道367的上游侧从外筒364的外缘朝向中心流动。之后，各第二燃料喷射喷嘴384对该燃烧用空气200喷射氢气，从而生成一次混合气体。此时，氢气从各第二燃料喷射喷嘴384避开预混合流道367的上游侧端部附近(头部块361的下游侧壁面附近)产生的低速流域(粘性边界层)喷射至燃烧用空气200的气流中，所述各第二燃料喷射喷嘴384从预混合流道367的上游侧端部(头部块361的下游侧壁面)向预混合流道367内突出。因此，即便是比重小、穿透力低的氢气，也不会在上述低速流域滞留，从而生成浓度稀薄且分布均匀的一次混合气体。之后，一次混合气体沿着第一燃料喷射喷嘴381的外周改变方向流向预混合流道367的下游侧，通过与从第一燃料喷射喷嘴381喷射出的天然气混合，生成二次混合气体。

此时，由于天然气比氢气的比重大，因此天然气和一次混合气体被充分搅拌、混合，生成浓度稀薄且分布比一次混合气体均匀的二次混合气体。此外，由于第一燃料(天然气)是从第一燃料喷射喷嘴381向与一次混合气体的流向交叉的方向喷射的，因此促进了第一燃料和一次混合气体的混合，二次混合气体的浓度分布变得均匀。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体700(二次混合气体)供给至燃烧室33的比一次燃烧区域S1更靠下游侧的二次燃烧区域S2，能够抑制燃烧排放气体中的NOx含量。

根据上述第一实施方式的再燃烧烧嘴能够进行多种变化。例如，如图5所示，可以是如下结构，从形成于第二燃料喷射喷嘴384周壁的第二燃料喷射孔386对燃烧用空气200的气流向与该气流相反的方向喷射氢气。根据这种结构，通过从第二燃料喷射孔386喷射出的氢气与燃烧用空气200相撞，提高了氢气的分散效果。结果，促进了氢气和燃烧用空气200的混合，能够生成更加均匀的一次混合气体。在这个变形示例中，第二燃料喷出孔386的数量可以是一个，如图5所示，通过将第二燃料喷射孔386的数量设为多个，有望进一步提高氢气的分散效果，促进氢气和燃烧用空气的混合。

第二实施方式

接着，下面对根据本发明的第二实施方式的再燃烧烧嘴进行说明。图6示出根据本发明的第二实施方式的再燃烧烧嘴36。其中，本实施方式的再燃烧烧嘴36的基本结构与利用图3说明的第一实施方式的再燃烧烧嘴36相同，故相同的结构部分标注相同的附图标记，省略说明。

根据本实施方式的再燃烧烧嘴36与利用图3说明的第一实施方式的再燃烧烧嘴36的不同点有如下两点：在头部块361的下游侧壁面上形成与外筒364为同轴状且向预混合流道367内延伸的倒圆锥状的整流凸起部390；以及以从多个第一燃料喷射孔391喷射天然气的方式构成第一燃料导入部368，该多个第一燃料喷射孔391包围整流凸起部390。各第一燃料喷射孔391的上游侧与第一燃料供给道380连通，该第一燃料喷射孔391的下游侧与预混合流道367连通。各第一燃料喷射孔391位于与外筒364同心的圆周上，且在与第二燃料喷射喷嘴384、第一空气导入部370对应的周向位置上等间隔地设置。各第一燃料喷射孔391位于比第二燃料喷射喷嘴384更靠外筒364的中心侧的位置，且从上游侧朝向下游侧向外筒364的外缘侧(径向外侧)倾斜。

对包括上述结构的再燃烧烧嘴36的作用进行说明。对在预混合流道367的上游侧从外筒364的外缘朝向中心流动的一次混合气体，从形成于头部块361的下游侧壁面(预混合流道367的上游侧端部)的多个第一燃料喷射孔391喷射第一燃料(天然气)，从而生成二次混合气体。此时，由于第一燃料向与一次混合气体的气流交叉的方向喷射，因此促进了预混合流道367内的一次混合气体和第一燃料的混合，生成了浓度均匀的二次混合气体(预混合气体)。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体700(二次混合气体)供给至燃烧室33的比一次燃烧区域S1更靠下游侧的二次燃烧区域S2，能够抑制燃烧排放气体中的NOx含量。此外，由于二次混合气体沿着整流凸起部390不降低流速地流向下游侧，并喷射至燃烧室33，因此能够抑制二次混合气体流速降低导致的逆火。

此外，本实施方式虽然采用了倒圆锥状的整流凸起部390，但整流凸起部390的形状不限于倒圆锥状。只要具有能够将一次混合气体从基端侧引向末端侧的外周形状即可。即，只要是截面积从基端侧向末端侧越来越小的形状即可，例如可以是部分球面状。

第三实施方式

接着，对根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴进行说明。图7～图10示出了根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴36的变化。其中，本实施方式的再燃烧烧嘴36的结构，除了在比第一燃料导入部368更靠下游侧的位置具有将燃烧用空气200导入预混合流道367内的第二空气导入部393这点外，其他与利用图3说明的第一实施方式的再燃烧烧嘴36相同，故相同的结构部分标注相同的附图标记，省略说明。

图7示出了根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第一示例。第一示例的第二空气导入部393为第一筒部362(第一筒体)和第二筒部363(第二筒体)之间形成的间隙。如图7所示，在燃烧用空气流道37流动的燃烧用空气200分配给从第一空气导入部370流入的一次空气201和从第二空气导入部393流入的二次空气202，导入预混合流道367内。

通过从第二空气导入部393流入预混合流道367内的二次空气202，抑制了第二筒部363的内壁面附近的低速流域的产生。由此，能够防止在燃烧室33中形成的燃烧火炎向第二筒部363的内壁面附近移动的逆火。

图8示出了根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第二示例。第二示例的再燃烧烧嘴36具有如下结构，具备直径比第一筒部362大的第二筒部363A，且使第二筒部363A的上游侧端部和第一筒部362的下游侧端部在外筒的轴向上重叠。第二示例的第二空气导入部393为第一筒部362的外周面和第二筒部363A的内周面之间形成的环状间隙。从第二空气导入部393导入至预混合流道367内的二次空气202通过从环状间隙的上游侧流向下游侧而被整流，集中流向二次混合气体700的浓度高的第二筒部363A的内壁面附近，比第一示例的效果好。

图9示出了根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第三示例。第三示例的再燃烧烧嘴36具有提高通过预混合流道367喷出至燃烧室33的预混合气体700的流速的结构。这种结构的第二空气导入部393为由第一筒部362和第二筒部363限定出的环状间隙，其直径朝向再燃烧烧嘴36的下游侧逐渐缩小。具体地，第三示例的再燃烧烧嘴36的第二筒部363A的第二空气导入部393的内周面363B的直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小。此外，第一筒部362的下游侧端部的外周面的与内周面363B相对的部位上形成有直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小的圆锥形部394。在第三示例中，第二筒部363的内径在其下游侧可以与第一筒部362的内径实质上相同。其中，第三示例的再燃烧烧嘴36除了具有上述结构这一点之外，其他与图8所示的第二示例的再燃烧烧嘴36相同，因此相同的结构部分标注相同的附图标记，省略说明。具有上述结构的第三示例的再燃烧烧嘴36具有以下的作用、效果。即，部分压缩空气200喷射至第一筒部362的外周后，作为二次空气202导入至第二空气导入部393。通过从第二空气导入部393导入二次空气202，能够抑制边界层的预混合气体700的滞留。二次空气202通过从第二空气导入部393的上游侧流向下游侧而被均匀地整流。通过将二次空气202送入预混合流道367，能够更加有效地抑制边界层的预混合气体700的滞留。另一方面，二次空气202通过流过直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小的环状间隙(锥形部394)，能够形成气流，将在边界层滞留的预混合气体700引向流道中央(第二筒部363A的径向内侧)。此外，使第二筒部363的内径在其下游侧与第一筒部362的内径实质上相同时，能够平衡在预混合流道367流动的预混合气体700的流量。其结果是，能够进一步地抑制第二筒部363A的内壁面附近的低速流域的发生，有效防止在燃烧室33中形成的燃烧火炎向第二筒部363A的内壁面附近移动的逆火。

图10示出了根据本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴的第四示例。第四示例的再燃烧烧嘴36具有如下结构，具备直径比第一筒部362更大的第二筒部363A，且将第二筒部363A的上游侧端部固定在第一筒部362的凸缘部365上。第三示例的第二空气导入部393为形成于第二筒部363A的周壁部上的多个流入口。该第四示例的再燃烧烧嘴36也能够具有与第二示例相同的效果。

通过发明人的实验证实了，在根据上述本发明的第三实施方式的再燃烧烧嘴中，从第一空气导入部370流入的一次空气201和从第二空气导入部393流入的二次空气202的比率通常可以设为1：1，但如果考虑降低NOx，则可以增加一次空气201的比率，如果考虑防止逆火，则可以增加二次空气202的比率。

第四实施方式

接着，对根据本发明的第四实施方式的再燃烧烧嘴进行说明。图11示出根据本发明的第四实施方式的再燃烧烧嘴36。其中，在本实施方式的再燃烧烧嘴36中，与利用图3说明的第一实施方式以及利用图6说明的第二实施方式中的再燃烧烧嘴36相同的结构部分标注相同的附图标记，省略说明。

如图11所示，根据本实施方式的再燃烧烧嘴36与利用图3说明的第一实施方式的再燃烧烧嘴36的不同点为，以从多个第一燃料喷射孔395喷射天然气的方式构成第一燃料导入部368，该多个第一燃料喷射孔395沿周向等间隔地设置在第一筒部362上；在头部块361的下游侧壁面上形成与第二实施方式相同的整流凸起部390；以及沿着轴心360形成第二燃料供给道383这三点。

如图11所示，第一燃料导入部368包括：圆柱状通道部396，形成于头部块361的上游侧；第一环状通道部397，形成于头部块361的下游侧；分支通道部398，其形成于比第一环状通道部397更靠下游侧的位置，且从头部块361的下游侧贯穿连接片366延伸至第一筒部362；以及第二环状通道部399，其形成于第一筒部362的凸缘部365，且使各分支通道398汇流。第一环状通道部397以包围第二燃料供给道383且与外筒364同心状的方式设置。分支通道部398具有两个分支通道，且以贯穿在周向上相对的两个连接片366的方式构成。第二环状通道部399以与外筒3 6同心状的方式设置。如图所示，在第一筒部362的内表面上沿周向等间隔地形成有多个第一燃料喷射孔395。各第一燃料喷射孔395向径向外侧延伸，且与第二环状通道部399连通。

如图所示，第二燃料供给道383沿着轴心360从上游侧向下游侧延伸，上游侧通过具有流量控制阀308的管道与第二燃烧供给源连接，下游侧通过集管部385A与第二燃料喷射喷嘴384连接。

此外，本实施方式中的再燃烧烧嘴36也可以采用第三实施方式的再燃烧烧嘴36的第一示例～第四示例中说明的、将二次空气202导入至预混合流道367内的结构。

接着，下面参照图11对包括上述结构的再燃烧烧嘴36的作用进行说明。

在预混合流道367的上游侧从外筒364的外缘朝向中心流动的一次混合气体沿着整流凸起部390不降低流速地流向下游侧，然后作为与第一燃料混合的预混合气体700(二次混合气体)喷射至燃烧室33，因此能够抑制预混合气体的流速降低导致的逆火。此时，由于第一燃料(天然气)比第二燃料(氢气)的比重大，因此第一燃料与一次混合气体通过第一燃料被充分搅拌、混合，从而生成浓度稀薄且分布比一次混合气体均匀的预混合气体700。此外，由于第一燃料向与一次混合气体的流向交叉的方向喷射，因此促进了第一燃料和一次混合气体的混合，浓度分布变得均匀。其结果是，浓度稀薄且分布均匀的预混合气体700喷射至燃烧室33的比一次燃烧区域S1更靠下游侧的二次燃烧区域S2，能够抑制燃烧排放气体中的NOx。

附图标记说明：

1 燃气轮机

2 压缩机

3 燃烧器

4 涡轮

5 转子

6 发电机

31 主烧嘴

32 引燃烧嘴

33 燃烧室

34 燃烧筒

36 再燃烧烧嘴(燃料喷射装置)

37 燃烧用空气流道(空气流道)

200 压缩空气(燃烧用空气)

300 燃烧排放气体

360 轴心

361 头部块

362 第一筒部

363 第二筒部

364 外筒

366 连接片

367 预混合流道

368 第一燃料导入部

369 第二燃料导入部

370 第一空气导入部

380 第一燃料供给道

381 第一燃料喷射喷嘴

382 第一燃料喷射孔

383 第二燃料供给道

384 第二燃料喷射喷嘴

390 整流凸起部

393 第二空气导入部

700 预混合气体

Claims (9)

1.一种烧嘴，其特征在于，将从上游侧导入至预混合流道的燃烧用空气和燃料在所述预混合流道内进行混合，生成预混合气体，从下游侧将所述预混合气体喷射至燃烧室，并使所述预混合气体燃烧，

所述烧嘴具备：

外筒，在内部形成有所述预混合流道；

第一空气导入部，在所述预混合流道的上游侧从所述外筒的外缘朝向中心供给燃烧用空气；

第一燃料导入部，将第一燃料导入至所述预混合流道；以及

第二燃料导入部，将比重比所述第一燃料小的第二燃料导入至所述预混合流道，

所述第二燃料导入部从所述预混合流道的上游侧端部朝向下游侧向所述预混合流道内突出而形成，

所述第二燃料导入部具有多个第二燃料喷射喷嘴，所述第二燃料喷射喷嘴将第二燃料喷射至从所述第一空气导入部导入的压缩空气中，

从所述第二燃料喷射喷嘴对所述燃烧用空气喷射所述第二燃料，从而生成一次混合气体，

从所述第一燃料导入部对所述一次混合气体导入所述第一燃料，从而生成二次混合气体。

2.根据权利要求1所述的烧嘴，其特征在于，

所述第一燃料导入部具有第一燃料喷射喷嘴，所述第一燃料喷射喷嘴从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，且朝向所述外筒的外缘喷射所述第一燃料。

3.根据权利要求1所述的烧嘴，其特征在于，

所述烧嘴具备整流凸起部，所述整流凸起部从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，

所述第一燃料导入部形成于所述预混合流道的上游侧端部且比所述整流突起部更靠外缘侧的位置，

所述第一燃料导入部具有多个第一燃料喷射孔，所述第一燃料喷射孔向朝所述预混合流道的外缘侧倾斜的方向喷射所述第一燃料。

4.根据权利要求1所述的烧嘴，其特征在于，

所述烧嘴具备整流凸起部，所述整流凸起部从所述预混合流道的上游侧端部以与所述外筒同心状的方式向所述预混合流道内突出，

所述第一燃料导入部在比所述第一空气导入部更靠下游侧的位置具备多个第一燃料喷射喷嘴，所述第一燃料喷射喷嘴从所述外筒的外缘朝向中心喷射第一燃料。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的烧嘴，其特征在于，

在比所述第一空气导入部更靠下游侧的位置具备第二空气导入部，所述第二空气导入部将空气从所述外筒的外缘导入至所述预混合流道。

6.根据权利要求5所述的烧嘴，其特征在于，

所述外筒由分别设置于同轴上的上游侧的第一筒体和下游侧的第二筒体构成，

所述第一筒体和所述第二筒体在所述轴的方向上一部分重叠设置，

所述第二空气导入部是由所述第一筒体和所述第二筒体限定出的环状间隙，所述环状间隙的直径从上游侧朝向下游侧逐渐缩小。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的烧嘴，其特征在于，

所述第一燃料为天然气或液化天然气，所述第二燃料为氢气或含氢气体。

8.一种燃气轮机的燃烧器，其特征在于，具备：

燃烧筒，形成使燃料燃烧的燃烧室；

预混合式的主烧嘴，设置于所述燃烧筒的上游侧；以及

再燃烧烧嘴，贯穿所述燃烧筒的下游侧的周壁部而配置，

所述再燃烧烧嘴为权利要求1～7中任一项所述的烧嘴。

9.一种燃气轮机，其特征在于，具备权利要求8所述的燃烧器。