CN109416179A - 主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法 - Google Patents

主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种主喷嘴(34)，其是燃烧器的主喷嘴(34)，该主喷嘴(34)在先导喷嘴的外周侧沿周向隔开间隔设置有多个，其中，该主喷嘴(34)具有：主喷嘴主体(36)，其沿着轴线(Ab)延伸；回旋叶片(37)，其从主喷嘴主体(36)的外周面沿轴线(Ab)的径向伸出，使流向轴线方向(Dac)的下游侧的流体绕轴线回旋；以及多个温度传感器(40)，它们设置在主喷嘴主体(36)上，配置在回旋叶片(37)的下游侧，并且配置在回旋叶片(37)的翼腹面(37a)与翼背面(37b)之间的翼中心线的下游侧端部的切线(L)上。

Description

主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法
技术领域
本发明涉及主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法。
本申请针对2016年12月20日在日本申请的日本特愿2016-247156号主张优先权，将其内容引用于此。
背景技术
近年来，在燃气轮机的燃烧器中，广泛使用如下的预混合燃烧方式：在从压缩机送出的压缩空气(燃烧用空气)中预先混合燃料而生成预混合气，使该预混合气燃烧。
作为这种燃烧器，公知具有设置在燃烧器的中心轴线上的先导喷嘴和与先导喷嘴平行配置的多个主喷嘴的燃烧器。
为了提高燃气轮机的效率，需要使涡轮入口温度上升，但是，存在伴随温度上升而NOx呈指数函数增加这样的课题。作为针对NOx的增加的对策，例如，以下的专利文献1所公开的燃烧器具有通过涡流形成均匀混合气而抑制形成局部高温区域的主喷嘴。
该燃烧器的主喷嘴具有沿着主喷嘴的轴线延伸的轴体即主喷嘴主体、以及使从压缩机送入的压缩空气回旋的回旋叶片。
但是，在被施加回旋的预混合气燃烧时，公知常常产生火焰在涡流中心逆流而上的现象(回火)。当产生回火等异常燃烧时，火焰附着于主喷嘴，可能引起热损伤，因此，优选抑制该现象的发生。
为了抑制这种现象，公知有如下技术：在主喷嘴的前端设置热电偶等温度传感器，并根据温度传感器的检测结果来喷射涡轮的机室内的压缩空气等，从而避免主喷嘴的损伤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-336996号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，即使在喷嘴前端设置温度传感器的情况下，有时回火的检测也较慢，优选更加详细的温度监视。
本发明的目的在于，提供能够通过详细的温度监视防止由于回火等异常燃烧使火焰附着于主喷嘴而引起热损伤的主喷嘴、具有该主喷嘴的燃烧器和主喷嘴的制造方法。
用于解决课题的手段
根据本发明的第一方式，主喷嘴是燃烧器的主喷嘴，该主喷嘴在先导喷嘴的外周侧沿周向隔开间隔设置有多个，其中，所述主喷嘴具有：主喷嘴主体，其沿着轴线延伸；回旋叶片，其从所述主喷嘴主体的外周面沿所述轴线的径向伸出，使流向所述轴线方向的下游侧的流体绕所述轴线回旋；以及多个温度传感器，它们设置在所述主喷嘴主体上，配置在所述回旋叶片的下游侧，并且配置在所述回旋叶片的翼腹面与翼背面之间的翼中心线的下游侧端部的切线上。
根据这种结构，通过在主喷嘴主体的外表面上设置多个温度传感器，能够进行主喷嘴主体的详细的温度监视。具体而言，能够通过多个测定点掌握作为面的温度分布。
另外，通过在流体的流速变慢的切线上设置温度传感器，在被施加回旋的预混合气燃烧时，容易检测回火。即，在切线上，流体的流速变慢，因此，回火的可能性较大，但是，通过在该部位设置温度传感器，能够容易地进行回火的检测。
根据本发明的第二方式，提供一种燃烧器，该燃烧器具有先导喷嘴和上述多个主喷嘴。
根据本发明的第三方式，主喷嘴的制造方法使用描绘装置在所述主喷嘴主体直接描绘所述温度传感器。
根据这种结构，能够实现温度传感器的薄型化。由此，能够减少由于温度传感器而引起的流动的紊乱。另外，能够容易地形成多个温度传感器。
发明效果
根据本发明，通过在主喷嘴主体的外表面上设置多个温度传感器，能够进行主喷嘴主体的详细的温度监视。具体而言，能够通过多个测定点掌握作为面的温度分布。
另外，通过在流体的流速变慢的切线上设置温度传感器，在被施加回旋的预混合气燃烧时，容易检测回火。即，在切线上，流体的流速变慢，因此，回火的可能性变大，但是，通过在该部位设置温度传感器，能够容易地进行回火的检测。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃气轮机的示意性整体侧视图。
图2是本发明的实施方式的燃气轮机的燃烧器周边的放大剖视图。
图3是本发明的实施方式的燃烧器的主喷嘴的侧视图。
图4是说明本发明的实施方式的主喷嘴上设置的温度传感器的配置的概略图。
图5是本发明的实施方式的温度传感器的概略图。
具体实施方式
下面，参照附图对具有本发明的实施方式的燃烧器的燃气轮机(旋转机械)进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机1具有对外部气体Ao进行压缩而生成压缩空气A的压缩机2、在压缩空气A中使燃料F燃烧而生成燃烧气体G的多个燃烧器3、以及通过燃烧气体G进行驱动的涡轮4。
压缩机2具有以燃气轮机轴线Ar为中心进行旋转的压缩机转子6、覆盖压缩机转子6而使其能够旋转的压缩机机室7、以及多个压缩机静叶栅8。
需要说明的是，下面，设燃气轮机轴线Ar延伸的方向为燃气轮机轴线方向Da。另外，简单地设以燃气轮机轴线Ar为中心的周向为周向Dc，设与燃气轮机轴线Ar垂直的方向为径向Dr。在径向Dr上，设远离燃气轮机轴线Ar的一侧为径向外侧，设接近燃气轮机轴线Ar的一侧为径向内侧。
压缩机转子6具有沿着燃气轮机轴线Ar在燃气轮机轴线方向Da上延伸的压缩机转子轴9、以及安装在压缩机转子轴9上的多个压缩机动叶栅10。多个压缩机动叶栅10在燃气轮机轴线方向Da上并列。各个压缩机动叶栅10均由在周向Dc上并列的多个动叶构成。在多个压缩机动叶栅10的各下游侧配置有压缩机静叶栅8。各个压缩机静叶栅8均固定在压缩机机室7的内侧。各个压缩机静叶栅8均由在周向Dc上并列的多个静叶构成。
涡轮4具有以燃气轮机轴线Ar为中心进行旋转的涡轮转子11、覆盖涡轮转子11而使其能够旋转的涡轮机室12、以及多个涡轮静叶栅13。涡轮转子11具有沿着燃气轮机轴线Ar在燃气轮机轴线方向Da上延伸的涡轮转子轴14、以及安装在涡轮转子轴14上的多个涡轮动叶栅15。
多个涡轮动叶栅15在燃气轮机轴线方向Da上并列。各个涡轮动叶栅15均由在周向Dc上并列的多个动叶构成。在多个涡轮动叶栅15的各上游侧配置有涡轮静叶栅13。各个涡轮静叶栅13固定在涡轮机室12的内侧。各个涡轮静叶栅13均由在周向Dc上并列的多个涡轮静叶5构成。
燃气轮机1还具有以燃气轮机轴线Ar为中心呈筒状的中间机室16。中间机室16在燃气轮机轴线方向Da上配置在压缩机机室7与涡轮机室12之间。压缩机机室7、中间机室16、涡轮机室12相互连接而构成燃气轮机机室21。压缩机转子6和涡轮转子11位于同一燃气轮机轴线Ar上，相互连接而构成燃气轮机转子20。在燃气轮机转子20上例如连接有发电机GEN的转子。
燃烧器3通过对由压缩机2压缩后的压缩空气A供给燃料F，生成高温高压的燃烧气体G。多个燃烧器3在周向Dc上相互隔开间隔固定在中间机室16上。
如图2所示，燃烧器3具有一起喷射压缩空气A和燃料F的燃料喷射器26、从外周侧包围燃料喷射器26的内筒17、以及与内筒17的下游侧连接且进一步向下游侧延伸的尾筒18(燃烧器用尾筒)。尾筒18将高温高压的燃烧气体G送到涡轮机室12内的燃烧气体通路22。
燃料喷射器26具有配置在燃烧器轴线Ac上的先导燃烧嘴27、在以燃烧器轴线Ac为中心的周向(以下称为燃烧器周向Dcc。)上等间隔地配置的多个主燃烧嘴28、筒状的燃烧嘴保持筒29、安装在中间机室16上的燃烧器顶部法兰30、以及固定在燃烧器顶部法兰30上的喷嘴基台31。需要说明的是，下面，设燃烧器轴线Ac延伸的方向为燃烧器轴线方向Dac。
先导燃烧嘴27具有在燃烧器轴线方向Dac上延伸的先导喷嘴33。先导喷嘴33的基端固定在喷嘴基台31上。主燃烧嘴28具有在燃烧器轴线方向Dac上延伸的主喷嘴34。主喷嘴34的基端固定在喷嘴基台31上。
燃烧嘴保持筒29覆盖先导燃烧嘴27和多个主燃烧嘴28的外周侧。燃烧嘴保持筒29固定在喷嘴基台31上。
燃烧器顶部法兰30从喷嘴基台31向相对于燃烧器轴线Ac放射的放射方向伸出。燃烧器顶部法兰30绕燃烧器轴线Ac构成环状。
在中间机室16的外周侧，在中间机室16中沿着外周面的区域，虽然没有图示，但是，设置有向多个燃烧器3供给燃料F的多个燃料配管、向燃气轮机1中与高温的燃烧气体G接触的高温部件供给冷却介质的多个冷却介质配管等。
如图3所示，主燃烧嘴28具有主喷嘴34以及覆盖主喷嘴34的外周的主燃烧嘴筒35。主喷嘴34具有沿着与燃烧器轴线Ac(参照图2)平行的燃烧嘴轴线Ab(轴线)延伸的轴体即主喷嘴主体36、以燃烧嘴轴线Ab为中心使压缩空气A回旋的多个回旋叶片37、以及设置在主喷嘴主体36上的多个温度传感器40。
主燃烧嘴筒35相对于主喷嘴34呈同心状、且以围绕主喷嘴34的状态进行配置。主喷嘴主体36的外周面与主燃烧嘴筒35的内周面之间形成有环状的空气通路45。在空气通路45中，压缩空气A从上游侧(图3中左侧)朝向下游侧(图3中右侧)流通。
主喷嘴34的各个回旋叶片37从主喷嘴主体36的外周面向径向外侧伸出。回旋叶片37形成为使向下游侧流通的预混合气绕燃烧嘴轴线Ab回旋。
主喷嘴主体36具有设置在下游侧的尖形的前端部46。前端部46随着朝向下游侧而逐渐变细。换言之，前端部46形成为随着朝向下游侧的前端而变得尖细的锥状。
在各个回旋叶片37上形成有用于喷射燃料(气体燃料)的多个燃料喷射孔38。在主喷嘴主体36的内部形成有向回旋叶片37的燃料喷射孔38供给燃料的燃料流路(未图示)。
在各个回旋叶片37的外周侧端面(末端)与主燃烧嘴筒35的内周面之间设置有空隙47(间隙)。
回旋叶片37的翼腹面37a为正压，翼背面37b为负压，在翼背面37b与翼腹面37a之间存在压力差。因此，产生通过空隙47而从翼腹面37a进入翼背面37b的压缩空气A的泄流。压缩空气A的泄流和在空气通路45内在燃烧嘴轴线Ab方向上流通的压缩空气A进行作用，产生空气涡流。通过空气涡流，从燃料喷射孔38喷射并进行蒸发而微粒化的燃料和压缩空气A更加有效地混合，促进预混合气的均匀化。
温度传感器40是使两种金属线的前端彼此接触而构成回路，通过接合点(测定点)产生的热电动势来测定温度差的热电偶。
各个温度传感器40具有测定温度的部位即测定点41、第一金属线部42和第二金属线部43(参照图5)。测定点41是第一金属线部42与第二金属线部43的接合点。
这里，发明者们发现，在主喷嘴主体36上，在回旋叶片37的翼腹面37a与翼背面37b(参照图4)之间的翼中心线M的延长线上，流体的流速变慢。
如图4所示，多个测定点41配置在回旋叶片37的下游侧，并且配置在回旋叶片37的翼腹面37a与翼背面37b之间的翼中心线M的下游侧端部M1的切线L上。多个测定点41在切线L上在燃烧器轴线方向Dac上隔开间隔进行设置。切线L是在主喷嘴主体36的外表面上在燃烧器轴线方向Dac上延伸的假想线。切线L以燃烧嘴轴线Ab为中心形成为螺旋状。切线L的条数与回旋叶片37的数量对应。
优选测定点41在燃烧器轴线方向Dac上的间隔设为与以燃烧嘴轴线Ab为中心的周向上相邻的切线L彼此的间隔相同的程度。由此，周向上相邻的测定点41彼此的间隔和燃烧器轴线方向Dac上相邻的测定点41彼此的间隔成为相同程度。由此，测定点41均等地配置在主喷嘴主体36的外表面上。
接着，对温度传感器40进行详细说明。
如图5所示，温度传感器40的多个测定点41沿着切线L配置。第一金属线部42在切线L上延伸。第二金属线部43从各个测定点41起在与切线L交叉的方向上延伸后，沿着切线L延伸。即，在多个温度传感器40中，相对于多个测定点41，第一金属线部42是共通的。
第一金属线部42和第二金属线部43的线宽例如可以设为250μm。另外，第一金属线部42和第二金属线部43的厚度例如可以设为25μm。
作为构成第一金属线部42和第二金属线部43的金属，优选使用适合于高温测定的铂或铂铑合金。
多个温度传感器40与未图示的测定器连接。使用者能够借助测定器掌握由多个温度传感器40测定的主喷嘴主体36的金属温度。
接着，对主喷嘴34的制造方法进行说明。
本实施方式的主喷嘴34的制造方法具有制造主喷嘴主体36的主喷嘴主体制造工序、以及形成温度传感器40的温度传感器形成工序。
在温度传感器形成工序中，可以使用直接描绘第一金属线部42和第二金属线部43的描绘装置来形成温度传感器40。描绘装置可以采用能够连续配置线状金属的装置，例如焊接机器人、金属用3D(三维)打印机。还可以采用LMD(激光金属沉积、Laser MetalDeposition、以下称为LMD。)装置等焊接装置。
在温度传感器形成工序中，在主喷嘴主体36上直接描绘构成温度传感器40的第一金属线部42和第二金属线部43。
接着，对本实施方式的燃气轮机1的动作和作用进行说明。
压缩机2吸入外部气体Ao并对其进行压缩。由压缩机2压缩后的空气被引导至燃烧器3的主燃烧嘴28和先导燃烧嘴27内。从燃料供给源向主燃烧嘴28和先导燃烧嘴27供给燃料。主燃烧嘴28向尾筒18内喷出对燃料和空气进行预混合后的预混合气体。预混合气体在尾筒18内进行预混合燃烧。另外，先导燃烧嘴27向尾筒18内分别喷出燃料和空气。该燃料在尾筒18内进行扩散燃烧或预混合燃烧。尾筒18内的燃料的燃烧而产生的高温高压的燃烧气体G被引导至涡轮4的燃烧气体通路22内，使涡轮转子11旋转。
由压缩机2压缩后的压缩空气A从其上游端导入主燃烧嘴筒35内。主燃烧嘴筒35内的多个回旋叶片37使压缩空气A以燃烧嘴轴线Ab为中心回旋。从多个回旋叶片37的燃料喷射孔38向主燃烧嘴筒35内喷射燃料。
从回旋叶片37喷射的燃料和回旋并流向下游侧的压缩空气A在主燃烧嘴筒35内进行预混合后，作为预混合气从主燃烧嘴筒35的下游端向尾筒18内喷出。
利用通过多个回旋叶片37形成的涡流，促进从多个回旋叶片37的燃料喷射孔38向主燃烧嘴筒35内喷射的燃料与压缩空气A的混合。另外，预混合气从主燃烧嘴筒35回旋并向尾筒18内喷出，由此，通过该预混合气的燃烧而形成的预混合火焰的保焰效果提高。
根据上述实施方式，通过在主喷嘴主体36的外表面上设置多个温度传感器40，能够进行主喷嘴主体36的详细的温度监视。具体而言，能够通过多个测定点41掌握作为面的温度分布。
另外，通过在流体的流速变慢的切线L上设置测定点41，在被施加回旋的预混合气燃烧时，容易检测回火。即，在切线L上，流体的流速变慢，因此，回火的可能性较大，但是，通过设为在该部位设置测定点41的温度传感器40，能够容易地进行回火的检测。
另外，不是在主喷嘴主体36的前端，而是在主喷嘴主体36的外表面上配置多个测定点41，由此，与以往相比，能够使回火的检测高速化。
另外，通过使用描绘装置在主喷嘴主体36直接描绘温度传感器40，能够实现温度传感器40的薄型化。由此，能够减少由于温度传感器而引起的流动的紊乱。另外，能够容易地形成多个温度传感器40。另外，能够使构成温度传感器40的第一金属线部42和第二金属线部43的宽度变细。
另外，相对于多个测定点41，设第一金属线部42是共通的，由此，能够减少温度传感器40所需要的空间。
以上参照附图详细叙述了本发明的实施方式，但是，具体结构不限于该实施方式，还包含不脱离本发明主旨的范围内的设计变更等。
需要说明的是，在上述实施方式中，采用热电偶作为温度传感器40，但是不限于此，只要能够配置在主喷嘴主体36的表面上即可，可以是公知的任意结构。
产业上的可利用性
根据本发明，通过在主喷嘴主体的外表面上设置多个温度传感器，能够进行主喷嘴主体的详细的温度监视。具体而言，能够通过多个测定点掌握作为面的温度分布。
另外，通过在流体的流速变慢的切线上设置温度传感器，在被施加回旋的预混合气燃烧时，容易检测回火。即，在切线上，流体的流速变慢，因此，回火的可能性较大，但是，通过在该部位设置温度传感器，能够容易地进行回火的检测。
符号的说明
1 燃气轮机
2 压缩机
3 燃烧器
4 涡轮
6 压缩机转子
9 压缩机转子轴
11 涡轮转子
14 涡轮转子轴
17 内筒
18 尾筒
20 燃气轮机转子
21 燃气轮机机室
26 燃料喷射器
27 先导燃烧嘴
28 主燃烧嘴
33 先导喷嘴
34 主喷嘴
35 主燃烧嘴筒
36 主喷嘴主体
37 回旋叶片
37a 翼腹面
37b 翼背面
38 燃料喷射孔
40 温度传感器
41 测定点
42 第一金属线部
43 第二金属线部
A 压缩空气
Ab 燃烧嘴轴线(轴线)
Ac 燃烧器轴线
Ar 燃气轮机轴线
Da 燃气轮机轴线方向
Dac 燃烧器轴线方向(轴线方向)
Dc 周向
Dcc 燃烧器周向
Dr 径向
G 燃烧气体
M 翼中心线
M1 下游侧端部
L 切线。

Claims (3)

1.一种主喷嘴，其是燃烧器的主喷嘴，该主喷嘴在先导喷嘴的外周侧沿周向隔开间隔设置有多个，其中，
所述主喷嘴具有：
主喷嘴主体，其沿着轴线延伸；
回旋叶片，其从所述主喷嘴主体的外周面沿所述轴线的径向伸出，使流向所述轴线方向的下游侧的流体绕所述轴线回旋；以及
多个温度传感器，它们设置在所述主喷嘴主体上，配置在所述回旋叶片的下游侧，并且配置在所述回旋叶片的翼腹面与翼背面之间的翼中心线的下游侧端部的切线上。
2.一种燃烧器，其中，
所述燃烧器具有：
先导喷嘴；以及
权利要求1所述的主喷嘴，其在所述先导喷嘴的外周侧沿周向隔开间隔设置有多个。
3.一种主喷嘴的制造方法，其是权利要求1所述的主喷嘴的制造方法，其中，
所述主喷嘴的制造方法使用描绘装置在所述主喷嘴主体直接描绘所述温度传感器。
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