CN111279128B - 燃气轮机燃烧器、燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

燃气轮机燃烧器(3)具备：喷嘴(31A)，其形成有沿着轴线(Ac)延伸且前端开口的空气喷出路(F2)、以及沿着轴线延伸且前端开口的燃料供给路(F1)；回旋叶片(S)，其设置于喷嘴(31A)的周围且绕喷嘴的轴线扭转；内筒(32)，其从外周侧包围喷嘴(31A)以及回旋叶片(S)，并且压缩空气在内筒(32)的内侧朝向下游侧流通；外筒(33)，在该外筒(33)与内筒(32)之间划分出反转流路(C)，该反转流路(C)使内筒(32)的外周侧的压缩空气反转并将该压缩空气导入内筒(32)的内侧；以及空气导入管(5)，其一端与比反转流路(C)靠压缩空气的上游侧的空间连接，并且另一端与空气喷出路(F2)连接。

Description

燃气轮机燃烧器、燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器、燃气轮机。
本申请基于2017年10月27日申请的日本特愿2017-208504号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
在燃气轮机中使用的燃烧器主要具备供燃烧气体流通的筒体、在筒体内形成火焰的多个喷嘴、以及设置于喷嘴周围的多个回旋叶片。通过由喷嘴形成的火焰而在筒体内产生高温高压的燃烧气体。然而，在燃烧器的内部，在燃料与空气流通的过程中，存在产生被称为返火的现象的情况。返火是指，火焰向燃烧器内的意料之外的区域传播从而产生异常的燃烧的现象。特别是，已知在通过上述的回旋叶片而形成的回旋流的中心区域(涡芯)中，与其他的区域相比流速、压力较低，因此容易产生返火。为了避免这样的返火，例如在下述专利文献1所记载的装置中，形成从喷嘴的前端向涡芯供给空气的空气流路，从而提高涡芯的流体的流速。从比喷嘴的回旋叶片(压力损失部)靠上游侧的位置将空气导向空气流路。由此，能够避免返火。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-183892号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在上述专利文献1的装置中，向空气流路供给的空气的驱动力仅是回旋叶片的上下游方向上的压力差。因此，存在通过燃气轮机的输出带无法得到足够的压力差的可能性。即，无法向空气流路供给足够量的空气，从而依然存在会产生返火的可能性。
本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供进一步降低产生返火的可能性的燃气轮机燃烧器、燃气轮机。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一方案，燃气轮机燃烧器具备：喷嘴，其形成有沿着轴线延伸且前端开口的空气喷出路、以及沿着所述轴线延伸且前端开口的燃料供给路；回旋叶片，其设置于所述喷嘴的周围且绕所述喷嘴的所述轴线扭转；内筒，其从外周侧包围所述喷嘴以及所述回旋叶片，并且压缩空气在该内筒的内侧朝向下游侧流通；外筒，在该外筒与所述内筒之间划分出反转流路，该反转流路使所述内筒的外周侧的压缩空气反转并将该压缩空气导入所述内筒的内侧；以及空气导入管，其一端与比所述反转流路靠所述压缩空气的上游侧的空间连接，并且另一端与所述空气喷出路连接。
根据该结构，通过空气导入管，将比反转流路靠上游侧的空间的压缩空气导向空气喷出路。在此，由于产生由反转流路以及回旋叶片引起的压力损失，因此内筒的内侧的空间的压力与反转流路上游侧的空间的压力相比充分地变小。即，能够从空气导入管的一端至另一端得到足够的压力差。由此，能够向空气喷出路供给足够量的压缩空气。
根据本发明的第二方案，也可以是，所述空气喷出路的一端在所述喷嘴的前端开口。
根据该结构，空气喷出路的一端在喷嘴的前端开口，因此对在喷嘴的前端附近产生的回旋流的涡芯充分地供给压缩空气。由此，能够提高涡芯处的流体的流速。
根据本发明的第三方案，也可以是，所述燃气轮机燃烧器具有整流板，该整流板设置于比所述反转流路靠上游侧的位置，对所述压缩空气的流动进行整流，并且产生压力损失。
根据该结构，通过由于整流板而产生的压力损失，能够进一步增大内筒内侧的空间与反转流路上游侧的空间之间的压力差。由此，能够进一步提高从空气喷出路喷出的空气的流速。
根据本发明的第四方案，也可以是，所述燃气轮机燃烧器具有多个所述喷嘴，所述空气导入管具有一端与所述上游侧的空间连接的主导入管、以及一端与所述主导入管连接且另一端朝向所述多个喷嘴分支的歧管部。
根据该结构，能够将从主导入管引导来的压缩空气通过歧管部而向多个喷嘴供给。即，无需针对各喷嘴设置主导入管，因此能够将应对外筒实施的加工、修理的规模抑制得较小。因此，能够实现工期的短期化、成本削减。
根据本发明的第五方案，也可以是，燃气轮机具备压缩机，其对外部空气进行压缩以生成压缩空气；方案1至5中任一项所述的燃气轮机燃烧器，其使所述压缩空气与燃料燃烧以生成燃烧气体；以及涡轮，其由所述燃烧气体驱动。
根据该结构，产生燃烧器中的返火的可能性得到降低，从而能够提供能够更稳定地运转的燃气轮机。
发明效果
根据本发明，能够提供进一步降低产生返火的可能性的燃气轮机燃烧器、燃气轮机。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的燃气轮机的结构的示意图。
图2是本发明的第一实施方式的燃烧器的主要部分放大剖视图。
图3是本发明的第二实施方式的燃烧器的主要部分放大剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式中的燃气轮机1具备生成压缩空气的压缩机2、使压缩空气A与燃料F混合并燃烧从而生成燃烧气体的燃烧器3(燃气轮机燃烧器3)、以及由燃烧气体驱动的涡轮4。
压缩机2具有沿主轴线Am延伸的压缩机转子21、以及从外周侧覆盖压缩机转子21的压缩机外壳22。压缩机转子21被支承为能够绕主轴线Am旋转。在压缩机转子21的外周面设置有沿主轴线Am方向隔开间隔地排列的多个压缩机动叶列23。各压缩机动叶列23具有沿主轴线Am的周向隔开间隔地排列的多个压缩机动叶24。
压缩机外壳22呈以主轴线Am为中心的筒状。在压缩机外壳22的内周面设置有以与上述的压缩机动叶列23在主轴线Am方向上相互错开的方式排列的多个压缩机静叶列25。各压缩机静叶列25具有在压缩机外壳22的内周面上沿主轴线Am的周向隔开间隔地排列的多个压缩机静叶26。
燃烧器3设置于压缩机外壳22与后述的涡轮外壳42之间。燃烧器3与压缩机外壳22的内部连通。由此，由压缩机2生成的压缩空气被导向燃烧器3的内部。在燃烧器3内，通过该压缩空气与燃料的混合燃烧而生成高温高压的燃烧气体，其详情后述。
涡轮4具有沿主轴线Am延伸的涡轮转子41、以及从外周侧覆盖涡轮转子41的涡轮外壳42。在涡轮转子41的外周面设置有沿主轴线Am方向隔开间隔地排列的多个涡轮动叶列43。各涡轮动叶列43具有沿主轴线Am的周向隔开间隔地排列的多个涡轮动叶44。
涡轮外壳42呈以主轴线Am为中心的筒状。在涡轮外壳42的内周面设置有以与上述的涡轮动叶列43在主轴线Am方向上相互错开的方式排列的多个涡轮静叶列45。各涡轮静叶列45具有在涡轮外壳42的内周面上沿主轴线Am的周向隔开间隔地排列的多个涡轮静叶46。
压缩机转子21与涡轮转子41在主轴线Am上连结为一体，从而形成燃气轮机转子91。同样地，压缩机外壳22与涡轮外壳42在主轴线Am方向上连结为一体，从而形成燃气轮机外壳92。燃气轮机转子91在燃气轮机外壳92的内部(机室V)绕主轴线Am一体地旋转。作为一例，在燃气轮机转子91的一端连结有随着燃气轮机转子91的旋转而发电的发电机G。
接下来，对与燃烧器3的第一实施方式相关的详细的结构进行说明。如图1所示，本实施方式中的燃烧器3呈以沿与主轴线Am交叉的方向延伸的燃烧器轴线Ac(轴线)为中心的筒状。并且如图2所示，该燃烧器3具备喷射燃料的燃料喷嘴31、收容燃料喷嘴31的筒状的内筒32、与内筒32的上游侧连结的外筒33、以及与内筒32的下游侧连结的尾筒34。
燃料喷嘴31将从燃料供给源供给的燃料朝向内筒32的内部喷射。如图2所示，燃料喷嘴31具有用于形成预混合燃烧火焰的第一喷嘴31A(喷嘴)、以及用于对从第一喷嘴31A喷射的燃料进行点火的第二喷嘴31B。第二喷嘴31B沿着燃烧器轴线Ac设置有一个。第一喷嘴31A沿燃烧器轴线Ac的周向隔开间隔地排列有多个。
第二喷嘴31B形成扩散燃烧火焰，从而对从第一喷嘴31A喷射的预混合气体进行点火。随着第一喷嘴31A的预混合燃烧火焰的形成，在内筒32以及尾筒34内生成高温高压的燃烧气体。
内筒32从燃烧器轴线Ac的外周侧包围上述的燃料喷嘴31(第一喷嘴31A、第二喷嘴31B)。具体而言，燃料喷嘴31设置于内筒32内部的燃烧器轴线Ac方向一侧的区域。内筒32呈以燃烧器轴线Ac为中心的圆管状。将内筒32的上游侧端部设为与其他部分相比厚度(燃烧器轴线Ac的径向上的尺寸)设定得较厚的厚壁部T。厚壁部T与后述的外筒33隔开间隙地对置。
外筒33是以封堵形成于机室V的燃烧器插通孔H的方式设置的有底筒状的构件。外筒33具有大致筒状的外筒主体33A、以及支承上述的第二喷嘴31B及第一喷嘴31A的喷嘴台33B。
外筒主体33A的内周面中的包括燃烧器轴线Ac方向一侧的端部在内的部分以从燃烧器轴线Ac方向一侧至另一侧而从径向内侧趋向外侧的方式呈曲面状弯曲。该部分与上述的内筒32的厚壁部T对置，从而划分出反转流路C。机室V内的压缩空气流入反转流路C。压缩空气在通过反转流路C时改变朝向，从燃烧器轴线Ac方向一侧朝向另一侧流入内筒32的内部。需要说明的是，在以下的说明中，将压缩空气流来的一侧称为上游侧，将压缩空气流去的一侧称为下游侧。在比反转流路C靠上游侧(机室V侧)的部分设置有整流板B。整流板B具有彼此隔开间隔地排列的多个板材，其详情后述。整流板B对压缩空气的流动进行整流，并且使得从上游侧至下游侧产生压力损失。即，在整流板B的下游侧即反转流路C内，与整流板B的上游侧即机室V内相比，压力变低。
外筒主体33A的外周面35(相对于燃烧器轴线Ac而朝向径向外侧的面)与上述的燃烧器插通孔H的内周面H1隔着在针对燃烧器轴线Ac而言的径向上扩展的间隙Vc对置。间隙Vc是由燃烧器插通孔H的内周面H1、外筒主体33A的外周面35、以及外筒主体33A的朝向下游侧的面(下游面36)形成的空间。即，间隙Vc呈以燃烧器轴线Ac为中心的圆环状。间隙Vc与上述的机室V连通。因此，间隙Vc内的压力与机室V内的压力相同。换言之，间隙Vc内的压缩空气的压力比反转流路C内的压缩空气的压力高。即，在压缩空气的流动方向上，间隙Vc与机室V同样地成为比反转流路C靠上游侧的部分。
喷嘴台33B是以燃烧器轴线Ac为中心且形成为大致圆盘状的构件。在包括喷嘴台33B的中心点在内的区域插通有一个第二喷嘴31B。并且，在第二喷嘴31B的外周侧，沿燃烧器轴线Ac的周向彼此隔开间隔地排列有多个第一喷嘴31A。第一喷嘴31A呈大致管状，在该第一喷嘴31A的内部形成有燃料供给路F1以及空气喷出路F2。在第一喷嘴31A的周围设置有多个回旋叶片S。各回旋叶片S随着从燃烧器轴线Ac方向一侧趋向另一侧而绕第一喷嘴31A的中心轴线扭转。需要说明的是，第一喷嘴31A的中心轴线是与燃烧器轴线Ac平行地延伸的轴线。由此，对通过了回旋叶片S的周围的流体附加回旋流成分。
上述的燃料供给路F1的前端在各回旋叶片S的表面开口。即，通过燃料供给路F1所供给的燃料在回旋叶片S的表面上与压缩空气混合。通过该混合气体进行燃烧，从而在第一喷嘴31A的下游侧形成上述的预混合燃烧火焰。
空气喷出路F2的前端(一端)在第一喷嘴31A的前端(下游侧的端部)开口。在空气喷出路F2的另一端链接有空气导入管5。空气导入管5是将上述的间隙Vc与空气喷出路F2连接的管。空气导入管5从间隙Vc朝向外筒33的外侧延伸，并以贯穿喷嘴台33B的方式与空气喷出路F2连接。在本实施方式中，与各第一喷嘴31A分别连接有这样的空气导入管5。即，从间隙Vc延伸的多个空气导入管5分别与各第一喷嘴31A连接。
接下来，对本实施方式中的燃气轮机1、以及燃烧器3的动作进行说明。在运转燃气轮机1时，首先通过外部的驱动源来驱动压缩机转子21(燃气轮机转子91)旋转。随着压缩机转子21的旋转，外部的空气依次被压缩，从而生成压缩空气。该压缩空气通过压缩机外壳22内的空间而被供给至燃烧器3内。在燃烧器3内，从燃料喷嘴31供给的燃料与该压缩空气混合并燃烧，从而生成高温高压的燃烧气体。燃烧气体通过涡轮外壳42内部的空间而被供给至涡轮4。在涡轮4内，燃烧气体依次与涡轮动叶44、以及涡轮静叶46发生碰撞，从而对涡轮转子41(燃气轮机转子91)施加旋转驱动力。该旋转能量被利用于与轴端连结的发电机G的驱动。
接下来，对燃烧器3的详细的动作进行说明。由压缩机2生成的压缩空气从机室V内经由整流板B、以及反转流路C而被供给至内筒32内。需要说明的是，在通过整流板B、以及反转流路C时，压缩空气产生压力损失。导入至内筒32内的压缩空气与从第一喷嘴31A喷射的燃料混合，从而形成预混合气体。通过从第二喷嘴31B喷射的扩散燃烧火焰对该预混合气体进行点火，从而形成预混合燃烧火焰。该预混合燃烧火焰在内筒32内从上游侧朝向下游侧延伸，并且形成高温高压的燃烧气体。燃烧气体在尾筒34内从燃烧器轴线Ac方向一侧朝向另一侧流动，随后被导入上述的涡轮外壳42内以驱动涡轮4。
在此，在第一喷嘴31A的周围设置有回旋叶片S，因此上述的预混合燃烧火焰含有回旋流成分。即，该预混合燃烧火焰从燃烧器轴线Ac方向一侧朝向另一侧一边以第一喷嘴31A为中心回旋一边传播。因此，在第一喷嘴31A前端的燃烧器轴线Ac方向另一侧形成有回旋流的涡芯。已知在涡芯处，与其他的区域相比流速、压力变低，因此容易产生返火。返火是指，火焰向滞留于燃烧器3内的意料之外的区域的燃料传播从而产生异常的燃烧的现象。
为了避免这样的返火，在本实施方式中，在第一喷嘴31A形成有上述的空气喷出路F2。经由空气导入管5将机室V(间隙Vc)内的压缩空气供给至空气喷出路F2。空气喷出路F2的前端在第一喷嘴31A的下游侧端部开口，因此朝向涡芯供给高压的压缩空气。由此，能够提高涡芯处的流体的流速、以及压力。
以上，如所说明那样，在本实施方式中的燃烧器3中，通过空气导入管5将比反转流路C靠上游侧的空间(间隙Vc)的压缩空气导向空气喷出路F2。在此，由于产生由反转流路C以及回旋叶片S引起的压力损失，因此内筒32的内侧的空间的压力与间隙Vc的压力相比充分地变小。即，能够从空气导入管5的一端至另一端得到足够的压力差。由此，能够向空气喷出路F2供给足够量的压缩空气。
并且，根据上述的结构，空气喷出路F2的一端在喷嘴的前端开口，因此对在喷嘴的前端附近产生的回旋流的涡芯充分地供给压缩空气。由此，能够提高涡芯处的流体的流速。
此外，根据上述的结构，通过由于整流板B而产生的压力损失，能够进一步增大内筒32内侧的空间与比反转流路C靠上游侧的空间即间隙Vc之间的压力差。由此，能够进一步提高从空气喷出路F2喷出的空气的流速。
接下来，参照图3对燃烧器3的第二实施方式进行说明。需要说明的是，对与上述第一实施方式相同的结构标注相同的附图标记，并省略详细的说明。如图3所示，在本实施方式中，空气导入管5具有主导入管51、以及与主导入管51连接的歧管部52。主导入管51的一端与上述的间隙Vc连接。主导入管51的另一端与歧管部52连接。歧管部52使通过主导入管51而被引导的压缩空气朝向多个第一喷嘴31A分支。即，在歧管部52形成有仅一个流入口52A、以及与流入口52A分别连通的多个排出口52B。排出口52B的个数与燃烧器3中的第一喷嘴31A的个数相同。在各排出口52B连接有形成于第一喷嘴31A的空气喷出路F2。
根据上述的结构，空气导入管5具有主导入管51、以及歧管部52。由此，能够将通过主导入管51而从间隙Vc被引导的压缩空气通过歧管部52而向多个第一喷嘴31A分散地供给。即，无需针对各第一喷嘴31A设置主导入管51，因此能够将应对外筒33实施的加工、修理的规模抑制得较小。因此，能够实现工期的短期化、成本削减。
参照附图对本发明的各实施方式进行了说明。需要说明的是，只要不脱离本发明的主旨，则能够对上述的结构实施各种变更、修改。例如，在上述实施方式中，对将空气喷出路F2仅设置于第一喷嘴31A的结构进行了说明。然而，也可以将空气喷出路F2设置于第二喷嘴31B。在该情况下，与第一喷嘴31A同样地，也可以通过形成贯穿第二喷嘴31B的内部且在第二喷嘴31B的下游侧端部开口的流路来得到空气喷出路F2。另外，也可以仅在第二喷嘴31B形成空气喷出路F2。
并且，在上述的各实施方式中，对将回旋叶片S安装于第一喷嘴31A的结构进行了说明。然而，回旋叶片S的形态并不限定于上述实施方式，也能够采用将回旋叶片S安装于覆盖第一喷嘴31A的内筒32的内周面的结构。
工业实用性
根据该燃气轮机燃烧器，通过空气导入管将比反转流路靠上游侧的空间的压缩空气导向空气喷出路。在此，由于产生由反转流路以及回旋叶片引起的压力损失，因此内筒的内侧的空间的压力与反转流路上游侧的空间的压力相比充分地变小。即，能够从空气导入管的一端至另一端得到足够的压力差。由此，能够向空气喷出路供给足够量的压缩空气。
附图标记说明：
1...燃气轮机；
2...压缩机；
3...燃烧器；
4...涡轮；
5...空气导入管；
21...压缩机转子；
22...压缩机外壳；
23...压缩机动叶列；
24...压缩机动叶；
25...压缩机静叶列；
26...压缩机静叶；
31...燃料喷嘴；
31A...第一喷嘴；
31B...第二喷嘴；
32...内筒；
33...外筒；
33A...外筒主体；
33B...喷嘴台；
34...尾筒；
35...外周面；
36...下游面；
41...涡轮转子；
42...涡轮外壳；
43...涡轮动叶列；
44...涡轮动叶；
45...涡轮静叶列；
46...涡轮静叶；
51...主导入管；
52...歧管部；
52A...流入口；
52B...排出口；
91...燃气轮机转子；
92...燃气轮机外壳；
Am...主轴线；
Ac..，燃烧器轴线；
B...整流板；
C...反转流路；
F1...燃料供给路；
F2...空气喷出路；
G...发电机；
H...燃烧器插通孔；
H1...内周面；
S...回旋叶片；
T...厚壁部；
V...机室；
Vc...间隙。

Claims (4)

1.一种燃气轮机燃烧器，其中，
所述燃气轮机燃烧器具备：
喷嘴，其形成有沿着轴线延伸且前端开口的空气喷出路、以及沿着所述轴线延伸且前端开口的燃料供给路；
回旋叶片，其设置于所述喷嘴的周围且绕所述喷嘴的所述轴线扭转；
内筒，其从外周侧包围所述喷嘴以及所述回旋叶片，并且压缩空气在该内筒的内侧朝向下游侧流通；
外筒，在该外筒与所述内筒之间划分出反转流路，该反转流路使所述内筒的外周侧的压缩空气反转并将该压缩空气导入所述内筒的内侧，并且，在该外筒与燃气轮机外壳之间划分出间隙，该间隙与机室连通且呈以燃烧器轴线为中心的圆环状；
空气导入管，其一端与比所述反转流路靠所述压缩空气的上游侧的空间连接，并且另一端与所述空气喷出路连接；以及
整流板，该整流板设置于比所述反转流路靠上游侧的位置，对所述压缩空气的流动进行整流，并且产生压力损失，
与所述空气导入管的所述一端连接的所述空间是位于所述整流板的上游侧的所述间隙。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其中，
所述空气喷出路的一端在所述喷嘴的前端开口。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其中，
所述燃气轮机燃烧器具有多个所述喷嘴，
所述空气导入管具有一端与所述上游侧的空间连接的主导入管、以及一端与所述主导入管连接且另一端朝向所述多个喷嘴分支的歧管部。
4.一种燃气轮机，其中，
所述燃气轮机具备：
压缩机，其对外部空气进行压缩以生成压缩空气；
权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机燃烧器，其使所述压缩空气与燃料燃烧以生成燃烧气体；以及
涡轮，其由所述燃烧气体驱动。
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