CN108700297A - 燃烧器、燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

该燃烧器(3)具备：第一筒体(11)，其保持沿轴线(Ac)方向延伸的燃料喷嘴，并且供空气朝向下游侧流通；第二筒体(12)，其与第一筒体(11)的下游侧连接；以及外筒(10)，其具有在该外筒与第一筒体(11)的外周面之间形成空气导入路径(C)的内周面，该空气导入路径以使空气在第一筒体(11)的上游端反转而朝向下游侧的方式导入该空气，在内周面形成随着趋向第一筒体(11)的上游端侧而向径向内侧延伸的外侧缩径面(17)。

Description

燃烧器、燃气涡轮

技术领域

本发明涉及一种燃烧器以及燃气涡轮。本申请基于2016年2月29日在日本申请的日本特愿2016-036997号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

通常，燃气涡轮具备：生成高压空气的压缩机、使高压空气与燃料混合并使混合后的气体燃烧从而生成高温高压的燃烧气体的燃烧器、以及由燃烧气体驱动而旋转的涡轮。

作为燃烧器，至今为止提出并实际应用了各种形态的燃烧器。作为其中的一例，已知下述专利文献1中记载的燃烧器。专利文献1中记载的燃烧器具备：供燃烧气体流通的筒体(支承结构)、设置于筒体的上游侧的混合管、燃料喷射器、以及将机室内的高压空气导入混合管的锥形环状壁。锥形环状壁设置在筒体的外周侧，从而在该锥形环状壁与所述筒体的外周面之间形成有供高压空气流通的内部通道。

由此，从燃料喷射器供给的燃料与在内部通道流通的高压空气在混合管内混合后，经过筒体内的燃烧而生成燃烧气体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-173836号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在由上述锥形环状壁和筒体形成的内部通道中，首先机室内的高压空从下游侧(燃烧气体的流通方向的下游侧)向上游侧被引导。接下来，高压空气在沿锥形环状壁的内周面使其流通方向反转180°后，被导入混合管。

这样，在上述专利文献1中记载的燃烧器中，伴随着高压空气的气流的反转，内部通道中的高压空气的流速分布有可能变得不均匀。在高压空气的流速分布不均匀的情况下，在下游侧的筒体内也同样会产生气流的不均衡，其结果是，存在NOx的生成量增加的情况。

本发明提供一种通过优化高压空气的流速分布，从而减少NOx生成量的燃烧器。

用于解决课题的手段

根据本发明的第一方式，燃烧器具备：第一筒体，其保持沿轴线方向延伸的燃料喷嘴，并且供空气朝向下游侧流通；第二筒体，其与所述第一筒体的下游侧连接；以及外筒，其具有在该外筒与所述第一筒体的外周面之间形成空气导入路径的内周面，该空气导入路径以使空气在所述第一筒体的上游端反转而朝向所述下游侧的方式导入该空气，在所述内周面形成有随着趋向所述第一筒体的上游端侧而向径向内侧延伸的外侧缩径面。

根据该结构，由于在外筒的内周面形成有外侧缩径面，因此能够使在空气导入路径内沿所述外侧缩径面流通的空气的流速分布均匀。特别是由于外侧缩径面随着趋向第一筒体的上游侧端而向径向内侧延伸，因此在空气在第一筒体的上游端反转时，能够使外周侧的空气的流速大于内周侧的空气的流速。由此，在空气导入路径的出口侧，能够使空气的流速分布均匀。

根据本发明的第二方式，在上述第一方式所涉及的燃烧器中，也可以为，在所述外周面上的、从径向与所述外侧缩径面对置的部分形成有随着趋向所述第一筒体的上游端侧而向径向外侧延伸的内侧缩径面。

根据该结构，在第一筒体的外周面上，在与外侧缩径面对置的部分形成有内侧缩径面，因此在空气在第一筒体的上游端反转时，除了在所述上游端的外周侧之外，在内周侧也能够优化空气的流速。

根据本发明的第三方式，在上述第二方式所涉及的燃烧器中，也可以为，在包含所述轴线的剖视观察时，在将所述轴线与所述外侧缩径面所成的角度设为α，将所述轴线与所述内侧缩径面所成的角度设为β时，α＜β的关系成立。

根据该结构，在外筒的内周面上轴线与外侧缩径面所成的角度α小于在第一筒体的外周面上轴线与内侧缩径面所成的角度β。由此，与在内侧缩径面流通的空气相比，在沿外侧缩径面流通的空气中，朝向上游侧的方向成分较多。即，在空气在第一筒体的上游端反转时，能够使外周侧的空气的流速大于内周侧的空气的流速。

根据本发明的第四方式，在上述第二或第三方式所涉及的燃烧器中，也可以为，所述外侧缩径面的上游侧端部位于比所述内侧缩径面的上游侧端部靠上游侧的位置。

根据该结构，由于外侧缩径面的上游侧端部位于比内侧缩径面的上游侧端部靠上游侧的位置，因此与沿内侧缩径面流通的空气的气流相比，沿外侧缩径面流通的空气的气流更容易到达上游侧。由于由外侧缩径面引导的空气较多地包含朝向轴线的径向内侧的方向成分，因此能够在第一筒体的上游端更加顺利地反转。

根据本发明的第五方式，燃气涡轮具备：生成压缩空气的压缩机；上述第一至第四方式的任一个方式所涉及的燃烧器；以及被由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动而旋转的涡轮。

根据该结构，能够提供一种具备减少了NOx生成量的燃烧器的燃气涡轮。

发明的效果

根据上述燃烧器，通过优选高压空气的流速分布，能够减少NOx生成量。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的燃气涡轮的结构的示意图。

图2是本发明的第一实施方式所涉及的燃烧器的剖视图。

图3为本发明的第一实施方式所涉及的燃烧器的主要部分放大剖视图。

图4为本发明的第二实施方式所涉及的燃烧器的主要部分放大剖视图。

具体实施方式

[第一实施方式]

参照图1至图3对本发明的第一实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式所涉及的燃气涡轮1具备：压缩外部空气从而生成压缩空气的压缩机2、向该压缩空气混合燃料并使其燃烧从而生成高温高压的燃烧气体的燃烧器3、以及被该燃烧气体驱动而旋转的涡轮4。

压缩机2具备：压缩机机室5A、以及在该压缩机机室5A内绕主轴线Am旋转的压缩机转子6A。在压缩机机室5A的内周面上，安装有在主轴线Am的圆周方向上隔开间隔地排列的多个压缩机静叶7A。在压缩机转子6A的外周面上安装有多个压缩机动叶8A。上述多个压缩机静叶7A和压缩机动叶8A彼此以在主轴线Am方向上互相不同的方式排列。

例如在主轴线Am的圆周方向上隔开间隔地安装有多个燃烧器3。向上述多个燃烧器3供给由上述压缩机2生成的压缩空气。在燃烧器3中，通过该压缩空气和燃料混合并燃烧，从而生成高温高压的燃烧气体。

涡轮4具备：涡轮机室5B、以及在该涡轮机室5B内绕主轴线Am旋转的涡轮转子6B。在涡轮机室5B的内周面上，安装有在主轴线Am的圆周方向上隔开间隔地排列的多个涡轮静叶7B。在涡轮转子6B的外周面上安装有多个涡轮动叶8B。上述多个涡轮静叶7B与涡轮动叶8B彼此以在主轴线Am方向上互相不同的方式排列。

涡轮转子6B的一端侧(第一端)与例如随着涡轮转子6B的旋转而发电的发电机(省略图示)连接。另一方面，涡轮转子6B的另一端侧(第二端)在主轴线Am方向上与上述压缩机转子6A连接。即，涡轮转子6B和压缩机转子6A能够绕主轴线Am一体地旋转。

接下来，参照图2、图3对燃烧器3的结构进行说明。图2是从与燃烧器3自身的中心轴线Ac(轴线)交叉的方向观察该燃烧器3时的剖视图。如图2所示，燃烧器3通过形成于涡轮机室5B的燃烧器插入口9，插入涡轮机室5B内。更详细而言，该燃烧器3具备：将涡轮机室5B内的压缩空气引导至燃烧器3的外筒10；使压缩空气和燃料混合并燃烧从而供给燃烧气体的旋流器支承筒11(第一筒体)；以及将该燃烧气体送至涡轮转子6B的涡轮动叶8B的燃烧筒12(第二筒体)。需要说明的是，在以下的说明中，沿燃烧器3的中心轴线Ac，将旋流器支承筒11所在的一侧称为上游侧，将燃烧筒12所在的一侧称为下游侧。

外筒10为对后文所述的燃料喷嘴13进行支承、并且以从外侧堵塞燃烧器插入口9的方式安装的大致筒状的构件。本实施方式所涉及的外筒10具备外筒主体10A以及喷嘴台14。外筒主体10A呈以中心轴线Ac为中心的圆盘状。外筒主体10A的下游侧的表面上的外周侧的区域形成有嵌合于燃烧器插入口9的内周侧的嵌合凸部15。并且，在外筒主体10A的包括中心点的中央部的区域形成有支承喷嘴台14的支承开口16。需要说明的是，作为一例，有时将外筒10称为顶帽等。

嵌合凸部15的外周面具有与燃烧器插入口9的内周面相同或略小的径向尺寸。由此，嵌合凸部15的外周面与燃烧器插入口9的内周面无间隙地嵌合。嵌合凸部15的内周面在中心轴线Ac的径向上隔开间隙地与旋流器支承筒11的外周面11S对置。该间隙作为用于导入涡轮机室5B内的压缩空气的空气导入路径C而使用。更详细而言，在嵌合凸部15的内周面上，从下游侧朝向旋流器支承筒11的上游端侧依次形成有外侧缩径面17、平行面18、以及反转面19。

如图3所示，从包含中心轴线Ac的剖视观察时，外侧缩径面17以相对于中心轴线Ac倾斜角度α的方式延伸。更详细而言，外侧缩径面17沿嵌合凸部15的内周面随着从下游侧趋向上游侧而朝向中心轴线Ac的径向内侧延伸。

并且，外侧缩径面17的上游侧端部与平行面18连接。平行面18相对于中心轴线Ac平行地延伸。平行面18的上游侧端部与反转面19连接。

反转面19是与平行面18的上游侧端部连接的曲面。更详细而言，在包含中心轴线Ac的剖视观察时，反转面19呈以旋流器支承筒11的上游端为中心的1/4圆弧。反转面19的上游侧端部(即，中心轴线Ac的径向内侧的端部)与上述支承开口16的内周面连接。

在该反转面19安装有用于向空气导入路径C内喷射燃料的顶帽喷嘴(以下，称为桩20)。具体而言，桩20呈从反转面19的内周面上朝向中心轴线Ac向45°方向延伸的棒状。详细情况虽未图示，但是该桩20与燃料供给源连接。该燃料在空气导入路径C内与压缩空气混合。

如图2所示，喷嘴台14为支承燃料喷嘴13的构件。需要说明的是，在本实施方式中，燃料喷嘴13包含第一喷嘴13P以及第二喷嘴13M这两种。更具体而言，如图2所示，喷嘴台14呈被外筒主体10A的支承开口16从外周侧支承的圆环状。喷嘴台14的包括中心点的区域插穿有第一喷嘴13P。

第一喷嘴13P呈沿中心轴线Ac延伸的圆柱状，其内部从上游侧至下游侧则中空。第一喷嘴13P的上游侧连接有燃料供给源，从上游侧供给至第一喷嘴13P内的燃料朝向下游侧流动后，从设置于下游侧前端的第一喷嘴主体13A向旋流器支承筒11的内部喷射。需要说明的是，在第一喷嘴主体13A的外周侧安装有第一锥体13C。第一锥体13C为随着从中心轴线Ac的上游侧趋向下游侧而逐渐扩径的漏斗状的构件。

并且，喷嘴台14的外周侧的区域(即，比第一喷嘴13P靠外周侧的区域)在中心轴线Ac的圆周方向上隔开间隔地安装有多个第二喷嘴13M。这些第二喷嘴13M沿中心轴线Ac互相平行地延伸。与第一喷嘴13P同样地，在第二喷嘴13M的内部也流通有从燃料供给源供给的燃料。从上游侧供给的燃料通过形成于下游侧的喷射口(未图示)被供给至旋流器支承筒11内部。

旋流器支承筒11呈沿中心轴线Ac延伸的圆筒状。上述燃烧筒12经由连接构件21与旋流器支承筒11的下游侧的端部连接。旋流器支承筒11具有比燃烧筒12的内径小的外径，从而插穿于燃烧筒12的内周侧。连接构件21由沿中心轴线Ac的周向延伸的圆环状的弹性构件构成。在上述喷嘴台14安装于燃烧器插入口9的状态下，燃料喷嘴13(第一喷嘴13P、第二喷嘴13M)的前端部均被保持在旋流器支承筒11的内侧。

并且，如图3所示，在旋流器支承筒11的包括上游侧端部的部分设置有向径向外侧鼓起的鼓出部22。鼓出部22的厚度尺寸(中心轴线Ac的径向上的尺寸)设定为比鼓出部22以外的部分中的旋流器支承筒11的厚度尺寸大。在包含中心轴线Ac的剖视观察时，鼓出部22的上游侧的端面呈半圆弧状的剖面。

在旋流器支承筒11的外周面11S上(鼓出部22的外周面22S上)的、从径向与上述外侧缩径面17对置的部分形成有内侧缩径面23。在包含中心轴线Ac的剖视观察时，内侧缩径面23以相对于中心轴线Ac倾斜角度β的方式延伸。更详细而言，内侧缩径面23沿旋流器支承筒11的外周面11S随着从下游侧趋向上游侧而向径向外侧延伸。

并且，在本实施方式中，在上述外侧缩径面17相对于中心轴线Ac(平行面18)所成的角度α的值与内侧缩径面23相对于旋流器支承筒11的外周面11S所成的角度β的值之间满足α＜β的关系。

此外，如图3所示，外侧缩径面17的上游侧端部位于比内侧缩径面23的上游侧端部靠上游侧的位置。

如上述那样，由外筒10的内周面和旋流器支承筒11的外周面11S形成空气导入路径C。在空气导入路径C的包括下游侧端部的部分(即，由外侧缩径面17和内侧缩径面23形成的流通路径)中，随着从下游侧趋向上游侧而径向尺寸缩小。

接下来，参照图1对本实施方式所涉及的燃气涡轮1的动作进行说明。

在使燃气涡轮1运转时，首先利用外部的动力源驱动压缩机2。通过驱动压缩机2，外部空气被导入压缩机2内部，在该外部空气在压缩机动叶8A与压缩机静叶7A之间流通的过程中依次被压缩而生成高压的压缩空气。

由压缩机2生成的压缩空气经过涡轮机室5B被导入燃烧器3内部。详细情况后文叙述，在燃烧器3中，由上述燃料喷嘴13供给的燃料与压缩空气混合后燃烧，从而生成高温高压的燃烧气体。

由燃烧器3生成的燃烧气体被供给至后续的涡轮4。在涡轮4内，燃烧气体与涡轮动叶8B发生碰撞，从而对涡轮转子6B施加旋转力。由此，涡轮转子6B进行旋转。由于涡轮转子6B如上述那样与压缩机转子6A一体地连接，因此伴随着涡轮转子6B的旋转，压缩机转子6A也被驱动而旋转。即，在稳态运转状态下，基于压缩机2的压缩空气的生成和涡轮4的旋转形成连续的循环。

接下来，参照图2和图3对燃烧器3中的压缩空气的动作进行说明。如图2所示，由压缩机2生成的压缩空气首先流入涡轮机室5B内。在此，由于燃烧器3内部与涡轮机室5B内相比压力相对较低，因此，压缩空气自然地被导入燃烧器3内。

更具体而言，涡轮机室5B内的压缩空气通过上述空气导入路径C流入旋流器支承筒11内部。在旋流器支承筒11内部，压缩空气以从外侧包围第二喷嘴13M的方式从上游侧向下游侧流通。在此，从第二喷嘴13M的下游侧端部如上述那样喷射燃料。由此，在第二喷嘴13M的下游侧的区域，生成燃料和压缩空气混合而成的预混合气体。

从第一喷嘴13P的前端仅喷射燃料。通过利用未图示的点火装置对该燃料进行点火，从而形成基于扩散燃烧的先导火焰。先导火焰向上述预混合气体传播，从而在第二喷嘴13M的下游侧形成预混合火焰，并且生成上述燃烧气体。

然后，如图3所示，压缩空气被由外筒10和旋流器支承筒11形成的空气导入路径C导入燃烧器3内部。如上述那样，空气导入路径C的端部向下游侧开口。压缩空气通过该开口从涡轮机室5B内流入空气导入路径C内后，经过基于上述反转面19的180°反转而改变朝向，在旋流器支承筒11的内部从上游侧向下游侧流通。

在此，在空气导入路径C内，由于伴随有上述那样的流动方向的反转，因此在反转面19的外周侧(即，比鼓出部22更接近反转面19的一侧)和内周侧(鼓出部22侧)，压缩空气的流速不同。由于这样的流速分布的不均衡，在空气导入路径C的下游侧，即，旋流器支承筒11的上游侧，空气流量可能会产生偏置。在产生了这样的空气流量的偏置的情况下，有时燃烧气体的浓度分布也产生偏置。由此，也有可能导致NOx的生成量大于规定。

然而，在本实施方式所涉及的燃烧器3中，由于在外筒10的内周面形成有外侧缩径面17，因此能够使在空气导入路径C内沿外侧缩径面17流通的空气的流速分布均匀。特别是由于外侧缩径面17随着趋向旋流器支承筒11的上游侧端而向径向内侧延伸，因此在空气在旋流器支承筒11的上游端反转时，能够使外周侧的空气的流速大于内周侧的空气的流速。由此，在空气导入路径C的出口侧，能够使空气的流速分布均匀。

并且，根据上述结构，在旋流器支承筒11的外周面上，在与外侧缩径面17对置的部分形成有内侧缩径面23，因此在空气在旋流器支承筒11的上游端反转时，除了在上游端的外周侧之外，还能够在内周侧优选空气的流速。

此外，根据上述结构，在外筒10的内周面上中心轴线Ac与外侧缩径面17所成的角度α比在旋流器支承筒11的外周面上中心轴线Ac与内侧缩径面23所成的角度β小。由此，与沿内侧缩径面23流通的空气相比，在沿外侧缩径面17流通的空气中朝向上游侧的方向成分更多。由此，在空气在旋流器支承筒11的上游端时，能够使外周侧的空气的流速大于内周侧的空气的流速。

此外，根据上述结构，由于外侧缩径面17的上游侧端部位于比内侧缩径面23的上游侧端部靠上游侧的位置，因此沿外侧缩径面17流通的空气的气流比沿内侧缩径面23流通的空气的气流更容易到达上游侧。由外侧缩径面17引导的空气含有更多的从中心轴线Ac的径向外侧朝向内侧的方向成分，因此在旋流器支承筒11的上游端能够更加顺利反转。综上所述，在本实施方式所涉及的燃烧器3中，优选压缩空气的流速分布，从而燃烧气体的浓度分布适当，因此能够减少NOx生成量。

[第二实施方式]

接下来，参照图4对本发明的第二实施方式进行说明。需要说明的是，对于与上述第一实施方式同样的结构标注相同的附图标记，并省略详细的说明。如图4所示，在本实施方式中，与第一实施方式不同之处在于，在旋流器支承筒11的上游侧端部未形成有鼓出部22。即，在本实施方式中，旋流器支承筒11的外周面11S从上游侧至下游侧具有相同的外径尺寸。需要说明的是，旋流器支承筒11的上游侧的端面与上述第一实施方式同样地具有半圆弧状的剖面形状。

通过上述那样的结构，也能够获得与上述第一实施方式相同的作用效果。特别是由于未形成有内侧缩径面23，因此从径向内侧朝向径向外侧的流动方向成分减少。另一方面，在沿外侧缩径面17而被引导的气流中，由于从径向外侧朝向内侧的成分(即，沿反转面19的成分)增加，因此能够使压缩空气更加顺利反转。由此，能够进一步优选空气导入路径C的出口侧的压缩空气的流速分布。

以上，参照附图对本发明的实施方式进行了说明。需要说明的是，能够在不脱离本发明的主旨的范围内对上述结构进行各种变更。

例如，在上述的各实施方式中，对外侧缩径面17与平行面18的连接部分、以及内侧缩径面23与鼓出部22的连接部分均具有角部的例子进行了说明。然而，上述连接部分的结构并不仅限于上述实施方式，上述连接部分也可以呈连续的曲面。具体而言，可以构成为，随着从外侧缩径面17趋向平行面18、或者随着从内侧缩径面23朝向鼓出部22而缓慢地弯曲。根据这样的结构，与形成有角部的情况相比，能够进一步降低产生气流停滞、剥离的可能性，因此，能够进一步优化空气导入路径C内的压缩空气的流速分布。

并且，在上述各实施方式中，对在外侧缩径面17与反转面19之间形成有平行面18的例子进行了说明。然而，也可以采用将反转面19直接连接于外侧缩径面17的上游侧端部的结构。换言之，也可以采用在外筒10的内周面未形成平行面18的结构。通过这样的结构同样也能够获得上述的作用效果。

产业上的可利用性

根据该燃烧器，通过优化高压空气的流速分布，能够减少NOx生成量。

标号说明

1 燃气涡轮；

2 压缩机；

3 燃烧器；

4 涡轮；

5A 压缩机机室；

5B 涡轮机室；

6A 压缩机转子；

6B 涡轮转子；

7A 压缩机静叶；

7B 涡轮静叶；

8A 压缩机动叶；

8B 涡轮动叶；

9 燃烧器插入口；

10 外筒；

10A 外筒主体；

11 旋流器支承筒(第一筒体)；

11S 旋流器支承筒的外周面；

12 燃烧筒(第二筒体)；

13 燃料喷嘴；

13A 第一喷嘴主体；

13C 第一锥体；

13M 第二喷嘴；

13P 第一喷嘴；

14 喷嘴台；

15 嵌合凸部；

16 支承开口；

17 外侧缩径面；

18 平行面；

19 反转面；

20 桩；

21 连接构件；

22 鼓出部；

22S 鼓出部的外周面；

23 内侧缩径面；

Ac 中心轴线；

Am 主轴线；

C 空气导入路径。

Claims (5)

1.一种燃烧器，具备：

第一筒体，其保持沿轴线方向延伸的燃料喷嘴，并且供空气朝向下游侧流通；

第二筒体，其与所述第一筒体的下游侧连接；以及

外筒，其具有内周面，在该内周面与所述第一筒体的外周面之间形成空气导入路径的内周面，该空气导入路径以使空气在所述第一筒体的上游端反转而朝向所述下游侧的方式导入该空气，

在所述内周面形成有随着趋向所述第一筒体的上游端侧而向径向内侧延伸的外侧缩径面。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，

在所述外周面上的、从径向与所述外侧缩径面对置的部分形成有随着趋向所述第一筒体的上游端侧而向径向外侧延伸的内侧缩径面。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，

在包含所述轴线的剖视观察时，在将所述轴线与所述外侧缩径面所成的角度设为α，将所述轴线与所述内侧缩径面所成的角度设为β时，α＜β的关系成立。

4.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其中，

所述外侧缩径面的上游侧端部位于比所述内侧缩径面的上游侧端部靠上游侧的位置。

5.一种燃气涡轮，具备：

生成压缩空气的压缩机；

权利要求1至4的任一项所述的燃烧器；以及

被由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动而旋转的涡轮。