CN107975821A - 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，在多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器中，通过有效地冷却空气孔板外周部而可防止空气孔板外周部的涡旋凸缘的变形、损伤，可靠性高。燃气轮机燃烧器具备设置在空气孔板的外周部的涡旋凸缘、设于燃烧器内衬与空气孔板及涡旋凸缘嵌合部分的弹性密封件，弹性密封件具备供导入了空气孔板的外周部与燃烧器内衬的间隙的燃烧用空气的一部分通过的空气孔，涡旋凸缘具备向燃烧室内导入通过了弹性密封件的空气孔的燃烧用空气的一部分的空气孔，燃烧器内衬具有从燃烧器内衬的外部向空气孔板的外周部与燃烧器内衬的间隙导入燃烧用空气的一部分的空气孔，在燃烧器内衬的与空气孔板嵌合侧的端部设置转动导向件。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器的结构，特别涉及适用于多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器且有效的技术。
背景技术
在燃气轮机的高效率化中需要提高燃烧温度，根据燃烧温度的高温化，进行用于构成燃气轮机的高温部件的多种耐热材料、冷却技术的开发。
另外，由于燃烧温度提高，呈指数函数地增加氮氧化物、所谓的热NOx的产生量，谋求其对策。作为实现低NOx化的技术，开发可分散稀薄燃烧的多孔同轴喷嘴燃烧嘴(多嘴燃烧嘴)结构的燃烧器。多组燃烧嘴由设置多个空气孔的空气孔板、与各空气孔同轴配置的燃料喷嘴构成，以孔内数十mm左右的短距离急速混合燃料与作为氧化剂的空气，通过形成稀薄混合燃烧场而降低NOx排放。
作为本技术领域的背景技术，例如有专利文献1那样的技术。在专利文献1中公开了“一种燃气轮机燃烧器，该燃气轮机燃烧器设置有具备燃料喷嘴与空气孔的空气孔板，在燃烧器内衬与空气孔板嵌合的部分上配置密封部件，在具备于空气孔板上的空气孔中的、位于燃料喷嘴的附近的空气孔部分上具备与燃料喷嘴同轴的直管状地形成的直管部，在位于燃烧室附近的空气孔部分上具备相对于燃烧室的轴具有倾斜角的倾斜状地形成的倾斜部，空气孔板具备密封板，该密封板通过形成有直管部的直管空气孔板与形成有倾斜部的倾斜空气孔板的多个部件构成，直管空气孔板的部件的材质通过与倾斜空气孔的部件的材质不同的材质形成而构成。”
现有技术文献
专利文献1：日本特开2013-108423号公报
如上述，在低NOx化中多组燃烧嘴结构有效，但由于在燃烧器内部设置空气孔板，因此需要有效地冷却空气孔板周围的冷却结构。
参照图7A以及图7B，关于多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器的课题进行说明。图7A、图7B都是表示空气孔板外周部的结构的局部剖视图。如图7A所示，为通过向空气孔板6与燃烧器内衬9、内筒短管18的间隙导入燃烧空气45的一部分而冷却空气孔板6的外周部的结构。
可是，燃烧空气45在主喷燃嘴39的上游端为返回气体46，在返回气体部中产生剥离旋涡，空气难以在设置于作为密封部件的弹性密封件12上空气流入孔15中流动，由于不能向设置于空气孔板6的外周部上的涡旋凸缘13的冷却孔14中供给冷却空气，因此不能充分地冷却涡旋凸缘13。其结果，涡旋凸缘13的金属温度上升，如图7B所示，存在导致涡旋凸缘13的变形、破坏等的损伤的可能性。
另外，因燃烧空气的返回气体46的剥离旋涡的影响，空气也难以流入空气孔板6外周侧的空气孔7a，由于相对于空气流量的燃料流量的比例大而使火焰温度升高，存在氮氧化物(NOx)的排出量增加的可能性。而且，如多组燃烧嘴结构那样，在小的空气孔与燃料喷嘴以一对构成的燃烧器中存在该倾向显著的特征。
上述专利文献1是涉及容易地进行形成有多个空气孔的空气孔板的加工并且不会损坏密封板的寿命且保证适当的密封性的密封板(密封部件)的文献，但并未记载在上述那样的空气孔板外周部的金属温度上升的问题、冷却空气的导入。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种在多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器中，通过有效地冷却空气孔板外周部而可防止空气孔板外周部的涡旋凸缘的变形、损伤的可靠性高的燃气轮机燃烧器。
另外，本发明的其他目的在于提供一种在多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器中，通过向空气孔板外周侧的空气孔也充分地供给燃烧空气而提高燃烧特性，从而可降低氮氧化物(NOx)的排出量的燃气轮机燃烧器。
为了解决上述课题，本发明是一种燃气轮机燃烧器，其为同轴喷嘴型，具备构成燃气轮机燃烧器的燃烧室的燃烧器内衬、向上述燃烧室喷出燃料的多个燃料喷嘴、设置于上述多个燃料喷嘴的燃料流动方向的下游侧并具有与上述多个燃料喷嘴对应的多个空气孔的空气孔板，该燃气轮机燃烧器的特征在于，具备在上述空气孔板的外周部以向上述燃烧室侧突出的方式设置的涡旋凸缘、设置于上述燃烧器内衬与上述空气孔板以及上述涡旋凸缘嵌合的部分的弹性密封件，上述弹性密封件具备供向上述空气孔板的外周部与上述燃烧器内衬的间隙导入的燃烧用空气的一部分通过的空气孔，上述涡旋凸缘具有将通过了上述弹性密封件的空气孔的燃烧用空气的一部分导入上述燃烧室内的空气孔，上述燃烧器内衬在与上述弹性密封件的空气孔对置的位置具备从上述燃烧器内衬的外部向上述空气孔板的外周部与上述燃烧器内衬的间隙导入燃烧用空气一部分的空气孔，在上述燃烧器内衬的与上述空气孔板嵌合侧的端部上设置对燃烧用空气的流动进行整流的转动导向件。
本发明的效果如下。
根据本发明，在多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器中，能够实现可防止空气孔板外周部的涡旋凸缘的变形、损伤的可靠性高的燃气轮机燃烧器。
另外，根据本发明，在多组燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧器中，能够实现可进一步降低氮氧化物(NOx)的排出量的燃气轮机燃烧器。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下实施方式的说明能够清楚。
附图说明
图1是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器以及燃气轮机设备的整体结构的大致结构图。
图2是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器的大致结构的局部剖视图。
图3是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器的弹性密封件的大致结构的图。
图4是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器的大致结构的局部剖视图。
图5是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器的大致结构的局部剖视图。
图6是表示涉及本发明的一实施方式的燃气轮机燃烧器的大致结构的局部剖视图。
图7A是表示燃气轮机燃烧器中的课题的图。
图7B是表示燃气轮机燃烧器中的课题的图。
图中：1—压缩机，2—燃气轮机燃烧器，3—燃气轮机，4—发电机，5—燃料喷嘴，6—空气孔板，7、7a—空气孔，8—燃烧室，9—燃烧器内衬，10—燃烧器外筒，11—燃烧器罩，12—弹性密封件，13—涡旋凸缘，14—冷却孔，15—空气流入孔，16—狭缝，17、17a、17b—空气流入孔，18—内筒短管，19—转动导向件，20—转子，39—主喷燃嘴，45—燃烧器空气的流动，46—燃烧空气的返回气体，47—涡旋凸缘冷却空气，101—燃气轮机吸入空气(大气压)，102—压缩空气，103—冷却空气，104—燃烧用空气，105—燃烧气体，106—涡轮机尾气，201—F1燃料供给系统，202—F2燃料供给系统，211—F1燃料切断阀，212—F2燃料切断阀，221—F1燃料流量控制阀，222—F2燃料流量控制阀，231—F1燃料集管，232—F2燃料集管。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施例。并且，在各附图中，相同的结构标注同一符号，重复部分其详细说明省略。
实施例1
参照图1至图3，关于实施例1的燃气轮机燃烧器进行说明。图1概念性地表示本实施例的燃气轮机燃烧器以及具备该燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备的整体结构。图2是表示图1中的燃气轮机燃烧器的空气孔板外周部的结构的局部剖视图。另外，图3是表示图2的弹性密封件12的结构的俯视图。
如图1所示，燃气轮机设备由压缩空气101并形成高压的压缩空气(燃烧用空气)102的压缩机1、将从该压缩机1导入的压缩空气102与燃料(201、202)混合并生成燃烧气体105的燃气轮机燃烧器2、导入在该燃气轮机燃烧器2中生成的燃烧气体105而被驱动的燃气轮机3、通过该燃气轮机3的旋转被驱动而发电的发电机4构成。
并且，以压缩机1与燃气轮机3以及发电机4通过转子20相互连结、通过燃气轮机3的旋转驱动压缩机1并且驱动连结于压缩机1的发电机4的方式构成。
在图1中，表示压缩机1与燃气轮机3以及发电机4通过转子20而相互连结的单轴型燃气轮机，但即使是压缩机与燃气轮机的一部分通过转子连结、燃气轮机的另一部分与发电机用其他转子连结的所谓双轴型燃气轮机，本发明也可适用。
燃气轮机燃烧器2由喷射燃料(201、202)的多个燃料喷嘴5、具备多个与各燃料喷嘴对置且供燃烧用空气104通过的空气孔7的大致圆盘状的空气孔板6、配置于空气孔板6的下游且外周并形成使从空气孔7流出的燃料与空气的混合气燃烧的燃烧室8的大致圆筒状的燃烧器内衬9、将这些结构部件收纳于内部的大致圆筒状的燃烧器外筒10、在配置于燃烧器外筒的端部且安装燃料喷嘴5的同时成为燃料的供给流路的大致圆盘状的燃烧器罩11构成。空气孔板6具备设置于多个燃料喷嘴5的燃料流动方向的下游侧并与多个燃料喷嘴5对置地形成的多个空气孔7。
用压缩机1压缩的压缩空气102流入燃气轮机燃烧器2，在燃烧器外筒10与燃烧器内衬9之间流动。该压缩空气102的一部分作为燃烧器内衬9的冷却空气103流入燃烧室8。另外，该空气的剩余作为燃烧用空气104通过设置于空气孔板6的空气孔7，流入燃气轮机燃烧器2的燃烧室8内。
在本实施例的燃气轮机燃烧器2中，配置燃料供给系统201以及燃料供给系统202，在这些燃料供给系统201以及燃料供给系统202中分别设置切断阀211、212、流量控制阀221、222，以能够分别控制向设置多个的燃料喷嘴5供给的燃料流量的方式构成。另外，这些燃料喷嘴5连接于向各个燃料喷嘴5分配燃料的燃料集管231、232。
在本实施例的燃气轮机燃烧器2中，燃料集管231位于燃烧器轴中心，构成大致圆盘状的空间。另外，燃料集管232位于燃料集管231的周围，构成大致环状的空间。
从各个燃料供给系统201、202分别向这些燃料集管231、232供给燃料。由这样的结构设置多个的燃料喷嘴5能分组为双系统的燃料系统(连接于燃料集管231的F1组以及连接于燃料集管232的F2组)，能够总括地控制分组的燃料系统的燃料的供给量。
在空气孔板6的外周部，以向燃烧室8侧突出的方式设置涡旋凸缘(Swirlerlip)13。在空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙设置弹性密封件12。弹性密封件12是为了抑制大量的空气从由燃料喷嘴5以及空气孔板6构成的燃烧嘴与燃烧器内衬9的间隙向燃烧室8内泄露而设置的密封部件。
在图2中表示空气孔板6的外周部以及燃烧器内衬9的端部中更详细的结构。本实施例的燃气轮机燃烧器如图2所示，除了从主喷燃嘴39的上游端侧导入燃烧空气45的返回气体46的一部分，还能通过设置于燃烧器内衬9的端部的空气流入孔17向空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙中导入冷却空气47。并且，在图2中表示在燃烧器内衬9的端部上设置用于加强的内筒短管18，在该内筒短管18上设置空气流入孔17的示例。
图3是弹性密封件12的俯视图。在弹性密封件12上，在与燃烧器内衬9端部的空气流入口17对应的位置上设置空气流入口15，从燃烧器内衬9端部的空气流入口17导入的冷却空气通过弹性密封件12的空气流入口15向涡旋凸缘13导入，通过设置于涡旋凸缘13上的冷却孔14向燃烧器8内导入，从而冷却涡旋凸缘13。
并且，涡旋凸缘13的冷却孔14如图2所示，优选以向燃烧室8的下游侧导入冷却空气47的方式而倾斜设置。
另外，在弹性密封件12上也设置狭缝16，冷却空气也从狭缝16向涡旋凸缘13侧导入。并且，弹性密封件12的空气流入孔15设置于该狭缝16的端部上，是“设置于缝隙终端部的孔”的意思，也称为停止孔。
如以上说明，根据本实施例的燃气轮机燃烧器，除了从主喷燃嘴39的上游端侧向空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙导入燃烧空气45的返回气体46的一部分，由于还从设置于燃烧器内衬9的端部上的空气流入孔17也能取得燃烧气体45的一部分，因此能够充分地冷却涡旋凸缘13，并且也能够冷却位于涡旋凸缘13下游的内衬9。由此，可防止由金属温度上升而引起的涡旋凸缘、内衬的变形、损伤，能够提高燃气轮机燃烧器的可靠性。
另外，由于从设置于涡旋凸缘13的冷却孔14向燃烧器8内导入的空气量也会增加，因此能够补充从空气孔板6的外周侧的空气孔7a导入的空气量的不足部分，使相对于燃料流量的空气流量稳定而抑制火焰温度的上升，可降低氮氧化物(NOx)的排出量。
并且，设置于燃烧器内衬9端部上的空气流入口17的大小(开口面积)、燃烧器内衬9的轴向以及圆周方向上的空气流入口17的数量、配置间隔优选基于燃气轮机燃烧器的燃烧特性评价而确定最适当的大小(开口面积)、数量、配置间隔。
同样，涡旋凸缘13的冷却孔14的大小(开口面积)、涡旋凸缘13的轴向以及圆周方向上的数量、配置间隔也优选基于燃气轮机燃烧器的燃烧特性评价而确定。
同样，弹性密封件12的空气流入孔15的大小(开口面积)、弹性密封件12的轴向以及圆周方向上的数量、配置间隔也优选基于燃气轮机燃烧器的燃烧特性评价而确定。
实施例2
参照图4，关于实施例2的燃气轮机燃烧器进行说明。图4是表示本实施例的燃气轮机燃烧器的空气孔板外周部的结构的局部剖视图，是与实施例1的图2对应的图。
本实施例的燃气轮机燃烧器在燃烧空气45的流动方向(即，燃气轮机燃烧器的轴向)上设置多个燃烧器内衬9端部的空气流入孔17、在此设置两个空气流入孔17a、17b的方面上与实施例1的燃气轮机燃烧器不同。其他结构与实施例1的燃气轮机燃烧器相同。
如图2以及图4所示，燃烧空气45由于沿燃烧器内衬9的侧面流动，因此通过相对于燃烧空气45的流动方向(燃气轮机燃烧器的轴向)设置多个空气流入孔，能够更有效地向空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙导入冷却空气。
,实施例3
参照图5，关于实施例3的燃气轮机燃烧器进行说明。图5是表示本实施例的燃气轮机燃烧器的空气孔板外周部的结构的局部剖视图，是与实施例1的图2对应的图。
本实施例的燃气轮机燃烧器在燃烧器内衬9端部上设置对燃烧空气45的流动进行整流的转动导向件19的方面上，与实施例1的燃气轮机燃烧器不同。其他结构与实施例1的燃气轮机燃烧器相同。
如图5所示，转动导向件19以其表面相对于沿燃烧器内衬9的侧面的方向(即，燃烧空气45的流动方向)具备角度θ的倾斜的方式设置。如此，通过设置具有角度θ的倾斜的转动导向件19，在转动导向件19的倾斜部，燃烧空气45被向从空气孔板6脱离的方向(空气孔板6的径向外侧方向)诱导，在主喷燃嘴39的上流端侧、即空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙部分的入口附近、空气孔7a的入口附近，由于通过转动导向件19的整流作用而抑制剥离涡旋的形成，因此能导入更多的冷却空气。
另外，通过转动导向件19的表面的倾斜也能够增加从空气流入孔17导入的燃烧空气45的流量。
其结果，向涡旋凸缘13侧导入的冷却空气47的流量增加，可更有效地冷却涡旋凸缘13与位于其下游的内衬9。另外，由于从涡旋凸缘13的冷却孔14以及空气孔7a向燃烧室8内导入的燃烧空气的流量也增加，因此可降低氮氧化物(NOx)的排出量。
并且，转动导向件19的大小(设置范围)、倾斜角度θ的值优选基于燃气轮机燃烧器的燃烧特性评价而确定。
实施例4
参照图6，关于实施例4的燃气轮机燃烧器进行说明。图6是表示本实施例的燃气轮机燃烧器的空气孔板外周部结构的局部剖视图，是与实施例3的图5对应的图。
本实施例的燃气轮机燃烧器在燃烧器内衬9端部上设置对燃烧空气45的流动进行整流的转动导向件19的方面上，与实施例3的燃气轮机燃烧器相同，但在燃烧空气45的流动方向(即，燃气轮机燃烧器的轴向)上设置多个燃烧器内衬9端部的空气流入孔17、在此设置两个空气流入孔17a、17b的方面上，与实施例3的燃气轮机燃烧器不同。其他结构与实施例3的燃气轮机燃烧器相同。
通过设置多个空气流入孔，除了与实施例3相同的转动导向件19的效果，还与实施例2相同能够更好地向空气孔板6的外周部以及涡旋凸缘13与燃烧器内衬9的间隙导入冷却空气。
根据以上所说明的各实施例的燃气轮机燃烧器，能够有效地冷却空气孔板外周部与位于下游的内衬9，可防止空气孔板外周部的涡旋凸缘、内衬9的变形、损伤，提高燃气轮机燃烧器的可靠性。另外，也能够向空气孔板外周部的空气孔充足地供给燃烧空气，能够提高燃烧特性、降低氮氧化物(NOx)的排出量。
并且，本发明并不限定于上述实施例，含有多种变形例。例如，上述实施例是为了容易理解本发明而详细地说明的内容，未必限定于具备所说明的全部结构的装置。另外，可将某实施例结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，也可在某实施例的结构上追加其他实施例的结构。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 (9)

1.一种燃气轮机燃烧器，其具备：构成燃气轮机燃烧器的燃烧室的燃烧器内衬；向上述燃烧室喷出燃料的多个燃料喷嘴；以及空气孔板，其设置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，该燃气轮机燃烧器的特征在于，
具备：
涡旋凸缘，其以向上述燃烧室侧突出的方式设置在上述空气孔板的外周部上；以及
弹性密封件，其设置于上述燃烧器内衬与上述空气孔板以及上述涡旋凸缘嵌合的部分，
上述弹性密封件具有空气孔，该空气孔供导入了上述空气孔板的外周部与上述燃烧器内衬的间隙的燃烧用空气的一部分通过，
上述涡旋凸缘具有空气孔，该空气孔向上述燃烧室内导入通过了上述弹性密封件的空气孔的燃烧用空气的一部分，
上述燃烧器内衬在与上述弹性密封件的空气孔对置的位置具有空气孔，该空气孔从上述燃烧器内衬的外部向上述空气孔板的外周部与上述燃烧器内衬的间隙导入燃烧用空气的一部分，
在上述燃烧器内衬的与上述空气孔板嵌合的一侧的端部设置对燃烧用空气的流动进行整流的转动导向件。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述转动导向件设置为，以沿上述燃烧器内衬的侧面流动的燃烧用空气被向上述空气孔板的径向外侧引导的方式具有倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述燃烧器内衬的空气孔在上述燃烧器内衬的轴向上设置多个。
4.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述燃烧器内衬的空气孔在上述燃烧器内衬的圆周方向上设置多个。
5.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述弹性密封件的空气孔在上述弹性密封件的轴向上设置多个。
6.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述弹性密封件的空气孔在上述弹性密封件的圆周方向上设置多个。
7.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述涡旋凸缘的空气孔在上述涡旋凸缘的轴向上设置多个。
8.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述涡旋凸缘的空气孔在上述涡旋凸缘的圆周方向上设置多个。
9.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述涡旋凸缘的空气孔设置为，以向上述燃烧室的下流侧导入燃烧用空气的一部分的方式倾斜。
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