CN108885003B - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

燃气轮机燃烧器包括：旋流器筒(31)，在燃烧器内筒(11)内配置有多个旋流器筒(31)，旋流器筒(31)向由燃料和燃烧用空气预先混合而成的预混合气(Fp)施加回旋流；以及外侧环(15)，其配置为在多个旋流器筒(31)和燃烧器内筒(11)之间相对于燃烧器内筒(11)具有间隙(41)，该燃烧用空气被从间隙(41)朝向与燃烧器内筒(11)连接的燃烧器尾筒(12)喷射而在该燃烧器尾筒(12)内生成膜状的空气(Af)，外侧环(15)在外侧环(15)的下流端(15d)具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的锥面。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧器。
背景技术
近年来，关于燃气轮机用的燃烧器，以实现NOx的减少等为目的，多采用预混合燃烧方式。在这样的采用了预混合燃烧方式的燃气轮机燃烧器中，除了用于进行预混合燃烧的主燃烧嘴(预混合燃烧嘴)之外，具备用于进行发散燃烧的引燃燃烧嘴。由此，主燃烧嘴能够使用利用引燃燃烧嘴生成的发散火焰作为用于生成预混合火焰的火种，因此，使用该发散火焰使利用该主燃烧嘴生成的预混合气燃烧，从而使预混合燃烧成为可能。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-92286号公报
专利文献2：日本特开2005-315457号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在主燃烧嘴的出口附近，由于预混合气沿着其内周面流动，因而产生因边界层的发展而导致流速降低了的部分，存在如下情况：在该流速降低了的部分产生因预混合气导致的燃料高浓度区域。这样，若在主燃烧嘴的出口附近产生低速且燃料高浓度的区域，则相对于上述那样的区域产生在其下游侧生成的火焰延烧这样的所谓的回烧(回火)。
因此，对能够抑制回烧的产生的燃气轮机燃烧器进行了各种研究(参照专利文献1、2)。例如，如图4所示那样，在燃气轮机燃烧器100中，包括：旋流器筒131，在导锥构件121的径向外侧设有多个涡流轮131，旋流器筒131用于向预混合气Fp施加回旋流；外侧环115，其配置于多个旋流器筒131的径向外侧，并配置为在该外侧环115与燃烧器内筒111之间具有间隙141，将获取到的压缩空气从间隙141内喷射而使膜状的空气Af沿着燃烧器尾筒(或者出口外侧环)112的内周面流动。由此，防止沿着边界层内的低流速区域即燃烧器尾筒112的内周面逆流的(壁面)回烧fb。
然而，在上述的燃气轮机燃烧器100中，如图5所示那样，外侧环115的下游侧端部115a成为台阶，若所述压缩空气以及预混合气Fp沿着外侧环115的外周面115c以及内周面115b沿向下游侧流动，则压缩空气的流动从外侧环115的外周面115c剥离而产生停滞S1，另一方面，预混合气Fp的流动从外侧环115的内周面115b剥离而产生停滞，在该位置产生低流速区域。因此，产生了停滞的区域成为火焰稳定部，有产生回烧的可能性。
根据以上的记载，本发明是为了解决上述的那样的课题而提出的，其目的在于提供一种燃气轮机燃烧器，其能够利用简单的结构抑制在外侧环的下游侧端部产生回烧。
用于解决课题的手段
用于解决上述的课题的第一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述燃气轮机燃烧器包括：
旋流器筒，在燃烧器内筒内配置有多个所述旋流器筒，所述旋流器筒向由燃料和燃烧用空气预先混合而成的预混合气施加回旋流；
外侧环，其配置为在多个所述旋流器筒和所述燃烧器内筒之间相对于该燃烧器内筒而具有间隙，所述燃烧用空气被从所述间隙朝向与该燃烧器内筒连接的燃烧器尾筒喷射而在该燃烧器尾筒内生成膜状的空气，
所述外侧环在所述外侧环的下游端具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的锥面。
用于解决上述的课题的第二发明所涉及的燃气轮机燃烧器是前述的第一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述锥面形成于所述外侧环的内周面侧。
用于解决上述的课题的第三发明所涉及的燃气轮机燃烧器是前述的第一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述锥面形成于所述外侧环的内周面侧以及外周面侧这两者。
用于解决上述的课题的第四发明所涉及的燃气轮机燃烧器是前述的第一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述锥面形成于所述外侧环的外周面侧。
用于解决上述的课题的第五的发明所涉及的燃气轮机燃烧器是前述的第一发明至第四发明中的任一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述锥面在沿着所述外侧环的中心轴线切断的剖面中呈曲线形状。
用于解决上述的课题的第六的发明所涉及的燃气轮机燃烧器是前述的第一发明至第四发明中任一发明所涉及的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述锥面相对于径向具有30度～60度的角度。
发明效果
根据本发明，外侧环在所述外侧环的下游端具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的锥面，从而预混合气或者压缩空气沿着外侧环的内周面或者外周面向下游侧顺畅地流动，不会在外侧环的下游侧端部产生预混合气或者压缩空气的流动的剥离，因燃气流动的剥离产生的停滞区域变小。由此，能够利用简易的结构抑制在外侧环的下游侧端部产生回烧。
附图说明
图1是简要示出本发明的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器的内部结构的图。
图2是简要示出本发明的第二实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器的内部结构的图。
图3是简要示出本发明的第三实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器的内部结构的图。
图4是表示现有的燃气轮机燃烧器的一例的简图。
图5是图4的包围线V的放大图。
具体实施方式
基于附图对本发明所涉及的燃气轮机燃烧器的实施方式进行说明，但本发明并不仅限于基于附图进行说明的以下的实施方式。
[第一实施方式]
关于本发明的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器，使用图1进行说明。需要说明的是，在图1中，附图标记C1表示燃烧器内筒的中心轴线。
如图1所示那样，燃气轮机燃烧器1采用预混合燃烧方式，其包括使燃料F和燃烧用的压缩空气A混合的燃烧器内筒11以及连接于该燃烧器内筒11的下游侧端部(后端部)的作为燃烧室的燃烧器尾筒12。而且，在燃烧器内筒11的上游侧端部(前端部)收纳有引燃燃烧嘴13和多个主燃烧嘴(预混合燃烧嘴)14。
引燃燃烧嘴13配置为与燃烧器内筒11同轴，并由导锥构件21、导向喷嘴22、导向旋流器23构成。在导锥构件21内，导向喷嘴22以与该导锥构件21成为同轴的方式插入。在导锥构件21的内周面和导向喷嘴22的外周面之间夹设有导向旋流器23。
在引燃燃烧嘴13的径向外侧，主燃烧嘴14在燃烧器内筒11的周向上以等角度间隔设置，并由旋流器筒31、主喷嘴(预混合喷嘴)33、主旋流器34构成。在旋流器筒31内，以与该旋流器筒31成为同轴的方式插入有主喷嘴33。而且，在旋流器筒31的内周面和主喷嘴33的外周面之间夹设有主旋流器34。旋流器筒31借助基板35被燃烧器内筒11的内周面支承。
上述的燃气轮机燃烧器1还具有外侧环15，该外侧环15在多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11而具有间隙41，且配置为与燃烧器内筒11同轴。外侧环15经由焊接等固定器具被分别设于多个主燃烧嘴14的旋流器筒31的外周面支承。外侧环15在其下游侧具有设于周面(内径部)15b侧且厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的内周面侧锥面15ba。即，外侧环15在外侧环15的下游端15d具有内周面侧锥面15ba。内周面侧锥面15ba的下游侧与外侧环15的下游侧端部15a连接。由此，沿着外侧环15的内周面15b而被向下游侧引导的预混合气Fp利用内周面侧锥面15ba而向下游侧顺畅地高流速流动。
接下来，对燃气轮机燃烧器1运转时各动作进行说明。
在燃气轮机燃烧器1运转时，在高温高压的压缩空气A向燃烧器内筒11的上游侧端部流入之后，被向引燃燃烧嘴13内以及主燃烧嘴14内供给，并且燃料F被向所述的导向喷嘴22内以及主喷嘴33内供给。
在此，在引燃燃烧嘴13内，首先，供给来的压缩空气A利用导向旋流器23回旋，从而与从导向喷嘴22喷射来的燃料F混合。接下来，通过对这样混合后的燃料混合气进行点火，从而在导锥构件21的内部以及下游侧(燃烧器尾筒12的内部)进行发散燃烧。然后，因该发散燃烧而产生的燃烧气体在燃烧器尾筒12的内部被向涡轮侧供给。
另一方面，在主燃烧嘴14内，首先，供给来的压缩空气A利用主旋流器34回旋，从而与从主喷嘴33喷射来的燃料F混合，生成预混合气Fp。接下来，回旋后的预混合气Fp被外侧环15和导锥构件21向下游侧引导而被朝向燃烧器尾筒12内供给。此时，沿着外侧环15的内周面15b而被向下游侧引导的预混合气Fp利用内周面侧锥面15ba而向下游侧顺畅地流动。然后，供给到燃烧器尾筒12内的预混合气Fp，被由引燃燃烧嘴13生成的发散火焰燃烧，从而进行预混合燃烧。
此时，在上述那样的燃气轮机燃烧器1运转时，在主燃烧嘴14的周围也被供给压缩空气A，因此该压缩空气A始终经由燃烧器内筒11的内周面11a和外侧环15的外周面15c之间的间隙(空气通路)41而被获取到燃烧器尾筒12内。即，压缩空气A经由间隙41被向燃烧器尾筒12内喷射，从而成为膜状的空气(以下，称为膜空气)Af，该膜空气Af沿着燃烧器尾筒12的内周面朝向其下游侧流动。
因此，根据本实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1，该燃气轮机燃烧器1具有外侧环15，该外侧环15配置为在多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11而具有间隙41，外侧环15从间隙41朝向与燃烧器内筒11连接的燃烧器尾筒12喷射而在燃烧器尾筒12内生成膜空气Af，外侧环15在该外侧环15的下游端15d具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成于内周面15b侧的内周面侧锥面15ba，从而沿着外侧环15的内周面15b而被向下游侧引导的预混合气Fp利用内周面侧锥面15ba而从上游侧朝向下游侧顺畅地高流速流动，在外侧环15的下游侧端部15a产生预混合气Fp的流动的剥离消失，因燃气流动的剥离产生的停滞区域变小。由此，能够利用简单的结构抑制在外侧环15的下游侧端部15a产生回烧。此外，预混合气Fp因膜空气Af混合被促进，因此能够期待低NOx化。因此，燃烧稳定，抑制燃烧效率的降低。
此外，优选的是，内周面侧锥面15ba相对于径向具有30度～60度的范围的角度θ1。这是因为，沿着外侧环15的内周面15b而被向下游侧引导的预混合气Fp更顺畅地向下游侧流动。
[第二实施方式]
关于本发明的第二实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器，使用图2进行说明。
需要说明的是，本实施方式仅变更了外侧环，除此以外，具备与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器相同的构件。在本实施方式中，关于与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器相同的构件，标注相同附图标记并适当地省略其说明。在图2中，仅示出燃气轮机燃烧器的上半部分的内部结构。
本实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1A如图2所示那样，包括与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1同样地收纳在燃烧器内筒11内的引燃燃烧嘴13以及主燃烧嘴14、与燃烧器内筒11连接的燃烧器尾筒12，并且包括外侧环15A，该外侧环15A在主燃烧嘴14的多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11的内周面11a而具有间隙41，并配置为与燃烧器内筒11同轴。需要说明的是，外侧环15A与外侧环15同样地经由焊接等固定器具被分别设于多个主燃烧嘴14的旋流器筒31的外周面支承。
外侧环15A在其下游侧具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca。即，外侧环15A在外侧环15A的下游端15Ad具有内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca。内周面侧锥面15Aba形成于外侧环15A的内周面(内径部)15Ab侧。外周面侧锥面15Aca形成于外侧环15A的外周面(外径部)15Ac侧。内周面侧锥面15Aba成为朝向外周面15Ac侧突出的曲面形状。外周面侧锥面15Aca成为朝向内周面15Ab侧突出的曲面形状。即，内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca在沿着外侧环15A的中心轴线切断的剖面中成为曲线形状。此外，内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca的下游侧与外侧环15A的下游侧端部15Aa连接。由此，沿着外侧环15A的内周面15Ab而被向下游侧引导的预混合气Fp利用内周面侧锥面15Aba而向下游侧顺畅地高流速流动。沿着外侧环15A的外周面15Ac而被向下游侧引导的压缩空气A利用外周面侧锥面15Aca而向下游侧顺畅地高流速流动。
因此，根据本实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1A，该燃气轮机燃烧器1A包括外侧环15A，该外侧环15A配置为在多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11而具有间隙41，外侧环15从间隙41朝向与燃烧器内筒11连接的燃烧器尾筒12喷射而在燃烧器尾筒12内生成膜空气Af，外侧环15A在该外侧环15A的下游端15Ad具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式分别形成于内周面15Ab侧以及外周面15Ac侧的内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca，从而沿着外侧环15A的内周面15Ab而被向下游侧引导的预混合气Fp利用内周面侧锥面15Aba而从上游侧朝向下游侧顺畅地高流速流动，另一方面，沿着外侧环15A的外周面15Ac而被向下游侧引导的压缩空气A利用外周面侧锥面15Aca而从上游侧朝向下游侧顺畅地高流速流动。由此，在外侧环15A的下游侧端部15Aa产生预混合气Fp的流动的剥离和压缩空气A的流动的剥离消失，因燃气流动的剥离产生的停滞区域变小。其结果是，利用简单的结构抑制在外侧环15A的下游侧端部15Aa产生回烧。预混合气Fp因膜空气Af混合被促进，因此能够期待低NOx化。而且，预混合气Fp没有向外的流动，因此预混合器Fp难以向燃烧器尾筒12的内壁流动，能够期待抑制在壁面边界层产生回烧。因此，燃烧稳定，抑制燃烧效率的降低。
此外，内周面侧锥面15Aba以及外周面侧锥面15Aca在沿着外侧环15A的中心轴线切断的剖面中成为曲线形状，因此与这些位置在沿着外侧环15A的中心轴线切断的剖面中为直线的情况相比，预混合气Fp以及压缩空气A更顺畅地流动。由此，因燃气流动的剥离在外侧环15A的下游侧端部15Aa产生的停滞区域与锥面在沿着外侧环15A的中心轴线切断的剖面中为直线的情况相比变得更小。其结果是，利用简单的结构抑制在外侧环15A的下游侧端部15Aa产生回烧。因此，燃烧更加稳定，进一步抑制燃烧效率的降低。
[第三实施方式]
关于本发明的第三实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器，使用图3进行说明。
需要说明的是，本实施方式仅变更了外侧环，除此以外，具备与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器相同的构件。在本实施方式中，关于与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器相同的构件，标注相同附图标记并适当地省略其说明。在图3中，仅示出燃气轮机燃烧器的上半部分的内部结构。
本实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1B如图3所示那样，包括与上述的第一实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1同样地收纳在燃烧器内筒11内的引燃燃烧嘴13以及主燃烧嘴14、与燃烧器内筒11连接的燃烧器尾筒12，并且包括外侧环15B，该外侧环15B在主燃烧嘴14的多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11的内周面11a而具有间隙41，并配置为与燃烧器内筒11同轴。需要说明的是，外侧环15B与外侧环15同样地经由焊接等固定器具被分别设于多个主燃烧嘴14的旋流器筒31的外周面支承。
外侧环15B在其下游侧具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的外周面侧锥面15Bca。即，外侧环15B在外侧环15B的下游端15Bd具有外周侧锥面15Bca。外周面侧锥面15Bca形成于外侧环15B的外周面(外径部)15Bc侧。此外，外周面侧锥面15Bca的下游侧与外侧环15B的下游侧端部15Ba连接。由此，沿着外侧环15B的外周面15Bc而被向下游侧引导的压缩空气A利用外周面侧锥面15Bca而向下游侧顺畅地高流速流动。需要说明的是，沿着外侧环15B的内周面15Bb而被向下游侧引导的预混合气Fp被保持原样地向燃烧器尾筒12内供给。
因此，根据本实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1B，该燃气轮机燃烧器1B包括外侧环15B，该外侧环15B在多个旋流器筒31和燃烧器内筒11之间相对于燃烧器内筒11而具有间隙41，外侧环15从间隙41朝向与燃烧器内筒11连接的燃烧器尾筒12喷射而在燃烧器尾筒12内生成膜空气Af，外侧环15B在该外侧环15B的下游端15Bd具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成于外周面15Bc侧的外周面侧锥面15Bca，从而沿着外侧环15B的外周面15Bc而被向下游侧引导的压缩空气A利用外周面侧锥面15Bca而从上游侧朝向下游侧顺畅地高流速流动。由此，在外侧环15B的下游侧端部15Ba产生压缩空气A的流动的剥离消失，因燃气流动的剥离产生的停滞区域变小。其结果是，利用简单的结构抑制在外侧环15B的下游侧端部15Ba产生回烧。预混合气Fp没有向外的流动，燃料的混合较少的膜空气Af向燃烧器尾筒12的内壁流动，因此能够期待抑制在壁面边界层产生回烧。因此，燃烧稳定，抑制燃烧效率的降低。
此外，优选的是，外周面侧锥面15Bca相对于径向具有30度～60度的范围的角度θ3。这是因为，沿着外侧环15B的外周面15Bc而被向下游侧引导的压缩空气A更顺畅地向下游侧流动。
[其他实施方式]
还能够将上述的燃气轮机燃烧器1A用于上述的第一实施方式、第三实施方式所涉及的燃气轮机燃烧器1、1B，设为将内周面侧锥面或者外周面侧锥面或者这两者设为曲面形状的燃气轮机燃烧器。即使是这样的燃气轮机燃烧器，也起到与上述的燃气轮机燃烧器1A同样的作用效果。
还能够将上述的燃气轮机燃烧器1、1B组合，设为具有在内周面以及外周面分别形成内周面侧锥面以及外周面侧锥面的外侧环的燃气轮机燃烧器。即使是这样的燃气轮机燃烧器，也起到与上述的燃气轮机燃烧器1、1B同样的作用效果。
还能够将上述的燃气轮机燃烧器1、1A、1B用于具有如下形状的外侧环的燃气轮机燃烧器，该形状为其下游侧端部向比导锥构件的下游侧靠燃气的流通方向下游侧延伸的形状。即使是这样的燃气轮机燃烧器，也起到与上述的燃气轮机燃烧器1、1A、1B同样的作用效果。
还能够将上述的燃气轮机燃烧器1、1A、1B用于在多个主燃烧嘴14各自的旋流器筒31的设有延长管的燃气轮机燃烧器、在外侧环和燃烧器内筒(燃烧器尾筒)之间配置有出口外侧环的燃气轮机燃烧器。即使是这样的燃气轮机燃烧器，也起到与上述的燃气轮机燃烧器1、1A、1B同样的作用效果。
工业实用性
本发明所涉及的燃气轮机燃烧器能够利用简单的结构抑制在外侧环的下游侧端部产生回烧，因此能够在工业上极为有益地进行利用。
附图标记说明：
1、1A、1B 燃气轮机燃烧器；
11 燃烧器内筒；
12 燃烧器尾筒；
13 引燃燃烧嘴；
14 主燃烧嘴；
15、15A、15B 外侧环；
15a、15Aa、15Ba 下游侧端部；
15b、15Ab、15Bb 内周面；
15ba、15Aba 内周面侧锥面；
15c、15Ac、15Bc 外周面；
15Aca、15Bca 外周面侧锥面；
15d、15Ad、15Bd 下游端；
21 导锥构件；
22 导向喷嘴；
23 导向旋流器；
31 旋流器筒；
33 主喷嘴；
34 主旋流器；
35 基板；
41 间隙(空气流通路)；
A 压缩空气；
Af 膜空气；
C1 燃烧器内筒的中心轴线；
C2 燃烧器内筒的中心轴线；
F 燃料；
Fp 预混合气；
θ1 内周面侧锥面的角度；
θ3 外周面侧锥面的角度。

Claims (1)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述燃气轮机燃烧器具备：
旋流器筒，其在燃烧器内筒内配置有多个，且向由燃料和燃烧用空气预先混合而成的预混合气施加回旋流；以及
外侧环，其配置为在所述燃烧器内筒与多个所述旋流器筒之间相对于该燃烧器内筒而具有间隙，所述燃烧用空气被从所述间隙朝向与该燃烧器内筒连接的燃烧器尾筒喷射而在该燃烧器尾筒内生成膜状的空气，
所述外侧环在所述外侧环的下游端具有以厚度从上游侧朝向下游侧逐渐减小的方式形成的锥面，
所述锥面形成于所述外侧环的内周面侧及外周面侧的至少任一方，
所述外侧环的内周面侧的锥面成为朝向所述外侧环的外周面侧突出的曲面形状，
所述外侧环的外周面侧的锥面成为朝向所述外侧环的内周面侧突出的曲面形状。
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