CN111630321B - 燃烧器装置 - Google Patents

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Abstract

在向燃烧区域(R)供给燃料气体(F)与助燃气体(A)的混合气(MG)的燃烧器装置(1)中，设置有：混合通道(9)，其从下游端部向燃烧区域(R)喷射混合气(MG)；燃料气体喷射喷嘴(15)，其向所述混合通道(9)朝向燃烧区域(R)喷射燃料气体；以及助燃气体供给旋流器(23)，其从径向外侧向所述混合通道(9)喷射助燃气体，即以在剖视观察下，沿着所述燃料气体喷射喷嘴(15)的燃料喷射孔(19)的切线(T)方向，使助燃气体的至少一部分与从所述燃料气体喷射喷嘴(15)喷射的燃料气体直接碰撞的方式喷射助燃气体。

Description

燃烧器装置
相关申请
本申请主张2017年11月8日提出的日本专利申请2017-215851的优先权，并通过参照将其整体引用作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种燃烧器装置，其使例如氢气那样的燃料气体与其它种类的气体混合并燃烧。
背景技术
近年来，为了抑制导致地球温室效应等环境问题的二氧化碳排放，提出了在燃料中使用氢气的燃烧器装置的技术，以实现所谓的低碳社会(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2012/0258409号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，在使燃烧速度快的燃料燃烧的情况下，容易产生氮氧化合物NOx。另外，在使燃烧速度快的燃料燃烧的情况下，容易发生在燃烧室中产生的火焰返回到燃烧器侧的逆火现象。作为这样的燃料，例如可以举出氢气、或者含有高浓度的氢的气体等。
为了解决这些问题，考虑使用所谓的浮焰。浮焰是指在从燃料的喷射部向下游侧远离的位置形成火焰的基部的火焰。已知，通过从扩散火焰的状态起使燃料的流速上升，从而向浮焰的状态转变。关于浮焰，通过在从燃料的喷射部到火焰的基部的空间中进行燃料与空气的混合，从而降低NOx，并且通过使火焰浮起而抑制逆火的发生。而且，就现有结构的燃烧器而言，难以稳定地形成并维持浮焰，因此难以用于运转条件未必恒定的燃气轮机、锅炉等实际的设备中。
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种能够稳定地形成浮焰的燃烧器装置。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的燃烧器装置向燃烧区域供给燃料气体与助燃气体的混合气，该燃烧器装置具备：
混合通道，其从下游端部向燃烧区域喷射混合气；
燃料气体喷射喷嘴，其向所述混合通道朝向燃烧区域喷射燃料气体；以及
助燃气体供给旋流器，其从径向外侧向所述混合通道喷射助燃气体，即以在与该燃烧器装置的轴心正交的剖视观察下，沿着所述燃料气体喷射喷嘴的燃料喷射孔的切线方向，使助燃气体的至少一部分与从所述燃料气体喷射喷嘴喷射的燃料气体直接碰撞的方式喷射助燃气体。
根据该结构，通过直接向从燃料气体喷射喷嘴喷射的燃料气体喷射助燃气体，从而使从燃料气体的喷射部分到燃烧区域的空间不稳定化，容易形成浮焰，并且在燃料气体喷射口附近促进混合。此外，由助燃气体供给旋流器形成的回转流会在混合通道的出口附近形成围绕燃烧器轴心的再循环区域，从而稳定地保持浮焰。
在本发明的一个实施方式的燃烧器装置中，可以是，所述助燃气体供给旋流器的各助燃气体流路的宽度从该助燃气体供给旋流器的入口朝向出口逐渐变窄。根据该结构，由于从助燃气体供给旋流器喷射高速的助燃气体流，因此能够更有效地使从燃料气体的喷射部分到燃烧区域的空间不稳定化，能够更加容易地形成浮焰。
在本发明的一个实施方式的燃烧器装置中，可以设定为，形成于所述混合通道的下游端部的混合气喷射口的直径比所述助燃气体供给旋流器的出口的直径小。根据该结构，使燃料气体与助燃气体的混合气的流速在混合气喷射口变大，从而不易在该部分形成火焰，因此更容易形成浮焰。另外，由此能够增大燃料气体与助燃气体的混合距离。
在本发明的一个实施方式的燃烧器装置中，可以是，具备多个由所述混合通道、燃料气体喷射喷嘴以及助燃气体供给旋流器构成的燃烧器主体单元BU，向该燃烧器装置内导入助燃气体的助燃气体导入口配置于比各燃烧器主体单元BU的所述助燃气体供给旋流器的入口更靠燃料气体的喷射方向的上游侧。根据该结构，与助燃气体导入口设置在与旋流器的入口相同的轴心方向位置的情况不同，来自助燃气体导入口的助燃气体不是直接流入与助燃气体导入口对置的旋流器入口部分，而是在向后方移动的过程中分散，因此向各助燃气体供给旋流器均匀地供给。
在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。
附图说明
通过参考附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。附图的各图中的相同附图标记表示相同或相当的部分。
图1是表示本发明第一实施方式的燃烧器装置的纵向剖视图。
图2是表示图1的燃烧器装置中采用的助燃气体供给旋流器的俯视图。
图3是将图1的燃烧器装置的一部分放大表示的纵向剖视图。
图4是表示本发明第二实施方式的燃烧器装置的纵向剖视图。
图5是沿着图4的V-V线的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1示出了本发明的一个实施方式的燃烧器装置1。该图所示的燃烧器装置1是向燃烧区域R供给燃料气体与助燃气体的混合气MG的装置。燃烧器装置1例如用作燃气轮机、锅炉等动力装置的加热装置。
燃料气体例如是燃烧速度快、可燃浓度范围大的燃料，在本实施方式中，作为燃料气体而使用含氢气体、例如氢气。另外，在本实施方式中，作为助燃气体而使用空气A。作为助燃气体，除了空气之外，也可以使用例如调整了空气中的氧浓度的气体、废气等。在以下的说明中，将燃料气体作为“燃料F”、并将助燃气体作为“空气A”来进行说明。
燃烧器装置1作为整体形成为大致圆筒形状。在图示的例子中，由面向燃烧区域R的大致呈圆板状的燃烧器壁3、和有底圆筒状的燃烧器筒5形成了燃烧器装置1的壳体7。燃烧器壁3例如通过未图示的螺栓与燃烧器筒5的开口部连结。燃烧器装置1具有使燃料F与空气A混合的混合通道9。可从形成于混合通道9的下游端部的混合气喷射口11向燃烧区域R喷射混合气MG。混合通道9及混合气喷射口11与燃烧器装置1呈同心状配置。在图示的例子中，在壳体7的燃烧器壁3的中心部形成有轴心方向的贯穿孔即混合气喷射孔13。混合气喷射孔13的下游端开口形成混合气喷射口11。此外，在以下的说明中，有时将燃烧器装置1的轴心C1方向的燃烧区域R侧(即混合气MG流动的下游侧)简称为“后方”，将其相反侧(即混合气MG流动的上游侧)简称为“前方”。
燃烧器装置1还具备：向混合通道9喷射燃料F的燃料喷射喷嘴(燃料气体喷射喷嘴)15以及向混合通道9供给空气A的空气供给路径(助燃气体供给路径)17。在燃料喷射喷嘴15上形成有喷射燃料F的燃料喷射孔19。燃料喷射孔19沿着燃烧器装置1的轴心C1延伸。即构成为，燃料喷射喷嘴15向混合通道9沿着轴心C1朝向燃烧区域R喷射燃料F。
更具体而言，构成为，空气供给路径17从混合通道9的上游部的径向外侧向混合通道9供给空气A。在图示的例子中，空气供给路径17形成为壳体7的燃烧器筒5的内侧的空间。在壳体7的燃烧器筒5的周壁形成有多个空气导入口21。可经由空气导入口21向空气供给路径17导入外部的空气A。在空气供给路径17的出口部设置有空气供给旋流器(助燃气体供给旋流器)23。可经由空气供给旋流器23将空气A作为绕轴心C1的回转流向混合通道9供给。如图2所示，空气供给旋流器23具有沿着相对于轴心C1偏心的方向延伸的、在周向上等间隔地配置的多个(在本例中是四个)流路(以下称为“旋流器流路”)25。
另外，在本例中，如图1所示，空气供给旋流器23具有：圆环板状的基部23a以及突出设置于基部23a上的多个流路壁23b。在圆环板状的基部23a的中心部形成的嵌合孔27与燃料喷射喷嘴15的下游端部的外周面嵌合。如图2所示，在相邻的流路壁23b、23b之间形成有上述各旋流器流路25。在图示的例子中，形成各旋流器流路25的沿着偏心方向延伸的两个流路壁23b、23b的壁面23ba、23ba都形成为平面状(即在与燃烧器装置1的轴心C1正交的剖视观察下为直线状)。
在本实施方式中，更具体而言，空气供给旋流器23构成为在与燃烧器装置1的轴心C1正交的剖视观察下沿着燃料喷射孔19的切线T方向喷射空气A。在此，本说明书中的“构成为在与燃烧器装置的轴心正交的剖视观察下沿着燃料喷射孔的切线方向喷射空气”是指：空气供给旋流器23形成为如下位置和形状，即，与形成各旋流器流路25的沿着偏心方向延伸的两个流路壁23b、23b的壁面23ba、23ba中的与空气A的回转方向S的前侧的壁面23b平行的燃料喷射孔19的切线T在上述剖视观察下通过该旋流器流路25的出口(以下称为“旋流器出口”)25a。
此外，形成各旋流器流路25的沿着偏心方向延伸的两个流路壁23b、23b的壁面23ba、23ba不限于图示那样的平面状，例如也可以形成为曲面状。在回转方向S的前侧的壁面23ba形成为曲面状的情况下，将与该壁面23ba的下游侧半部分的任意的一点平行的燃料喷射孔19的切线T作为上述“与壁面平行的燃料喷射孔的切线”。
本实施方式的空气供给旋流器23通过具有上述的结构而构成为，从各旋流器流路25喷射的空气A的至少一部分与从燃料喷射孔19喷射的燃料F直接碰撞。
另外，在图示的例子中，空气供给旋流器23的各旋流器流路25的宽度从旋流器流路25的入口(以下称为“旋流器入口”)25b朝向旋流器出口25a逐渐变窄。
如图3所示，在本实施方式中，形成于混合通道9的下游端部的混合气喷射口11的直径Dm比旋流器出口25a的直径Ds小。更具体而言，在图示的例子中，在空气供给旋流器23的后方抵接有燃烧器壁3，该燃烧器壁3形成有混合气喷射孔13。因而，下游部分(在本例中为混合气喷射孔13)的直径从混合通道9的上游部分起呈阶梯状变小，下游部分的下游端部即混合气喷射口11的直径Dm也比旋流器出口25a的直径Ds小。此外，从旋流器出口25a到混合气喷射口11的形状不限于图示的例子，例如也可以形成为，混合通道9的下游部分的流路直径朝向混合气喷射口11呈锥状变小。
根据以上说明的本实施方式的图1的燃烧器装置1，来自空气供给旋流器23的空气A(助燃气体)直接向从燃料喷射喷嘴15喷射的燃料F(燃料气体)喷射，从而使从燃料F的喷射部分到燃烧区域R的空间(通常成为火焰的基部的部分)不稳定化，容易在燃烧区域R形成浮焰LF，并且在燃料喷射孔19附近促进混合。此外，由空气供给旋流器23形成的回转流会在混合通道9的出口附近形成围绕燃烧器轴心C1的再循环区域，从而稳定地保持浮焰LF。
在本实施方式中，特别地如图2所示，空气供给旋流器23的各旋流器流路25的宽度从空气供给旋流器23的入口25b朝向出口25a逐渐变窄，因而可从空气供给旋流器23喷射高速的空气(助燃气体)流，因此能够更有效地使从燃料F的喷射部分到燃烧区域R的空间不稳定化，能够更加稳定地维持浮焰LF。另外，空气供给旋流器23的各旋流器流路25还可以与图示的例子不同地构成为，从旋流器入口25b朝向旋流器出口25a具有均一的宽度。
而且，在本实施方式中，特别地如图3所示，形成于混合通道9的下游端部的混合气喷射口11的直径Dm比旋流器出口25a的直径Ds小，从而使燃料F(燃料气体)与空气A(助燃气体)的混合气MG的流速在混合气喷射口11变大。由此，不易在混合气喷射口11附近的部分形成火焰，因此更容易形成浮焰LF。另外，由于燃料F与空气A的混合距离变长而促进混合，因此可抑制产生局部的高温区域，降低NOx产生量。而且，混合气喷射口11的直径Dm与旋流器出口25a的直径Ds也可以相同。
接着，对图4所示的本发明第二实施方式的燃烧器装置1进行说明。本实施方式的燃烧器装置1与第一实施方式不同，在一个圆筒状的壳体7内具备多个(在本例中是七个)具有混合通道9、燃料喷射喷嘴15以及空气供给旋流器23的燃烧器主体单元BU。构成燃烧器主体单元BU的混合通道9、燃料喷射喷嘴15(燃料气体喷射喷嘴)以及空气供给旋流器23(助燃气体供给旋流器)的结构与第一实施方式相同，因此省略详细的说明。
在图示的例子中，多个燃烧器主体单元BU在壳体7的内部设置为圆筒状的壳体7的轴心C2与各燃烧器主体单元BU的轴心(燃料喷射喷嘴15的轴心)C3平行的朝向。
更具体而言，壳体7的内部空间被圆板状的隔壁31划分为下游侧(燃烧区域R侧)的空气导入室33和上游侧的燃料导入室35。多个燃烧器主体单元BU配置于空气导入室33内。可经由在壳体7的底壁的中心部形成的燃料导入孔37从外部向燃料导入室35导入燃料F。在隔壁31的与各燃料喷射喷嘴15的燃料喷射孔19对应的位置形成有燃料供给孔39。向燃料导入室35导入的燃料F可经由各燃料供给孔39向燃料喷射孔19供给。这样，来自外部的燃料F先向共用的燃料导入室35导入，之后再向多个燃料喷射孔19供给，从而使向各燃料喷射孔19供给的燃料F均匀化。
可经由在壳体7的周壁的下游侧部形成的空气导入口21从外部向空气导入室33导入空气A。如图5所示，空气导入口21在周向上等间隔地设置有多个(在本例中为六个)。在图示的例子中，在空气导入室33的中心部配置有一个燃烧器主体单元BU，并在其周围沿着周向等间隔地排列有多个(在本例中为六个)燃烧器主体单元BU。在这些沿周向排列的燃烧器主体单元BU的、与相邻的燃烧器主体单元BU之间的中央相当于的周向位置形成有各空气导入口21。而且，空气导入口21的数量及周向的配置结构不限于该例。
另外，如图4所示，各空气导入口21配置于比各燃烧器主体单元BU的旋流器入口25b更靠燃料F的喷射方向(在图示的例子中是燃烧器装置1的轴心方向)的上游侧。通过这样配置空气导入口21，从而与空气导入口21设置在与旋流器入口25b相同的轴心方向位置的情况不同，来自空气导入口21的空气A不是直接流入与空气导入口21对置的旋流器入口25b部分，而是在向后方移动的过程中分散，因此向各空气供给旋流器23均匀地供给。
更具体而言，在图示的例子中，空气供给旋流器23的圆环板状的基部23a与在燃料喷射喷嘴15的下游端部的外周面形成的嵌合部15a嵌合，各空气导入口21形成于与比燃料喷射喷嘴15的嵌合部15a靠向前方的部分相当的轴心C2方向位置。通过这样配置空气导入口21，使得从空气导入口21导入的空气A先与燃料喷射喷嘴15碰撞，之后向后方流动而向旋流器入口21导入，因此在该过程中可促进来自空气导入口21的空气A的分散，并极为均匀地向各空气供给旋流器23供给。
此外，在图1所示的第一实施方式中，各空气导入口21也配置于比旋流器入口25b更靠燃料F的喷射方向的上游侧，并由此而均匀地向多个旋流器入口25b供给空气A。而且，由于在如第二实施方式那样在共用的空气导入室33内设置有多个燃烧器主体单元BU(多个空气供给旋流器23)的情况下，更容易产生空气A的流动的偏斜，因此通过将空气导入口21配置于比旋流器入口25b更靠上游侧，从而能够获得更加显著的上述效果。
如上所述，参照附图对优选的实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种追加、变更或者删除。因而，这样的结构也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1-燃烧器装置；9-混合通道；15-燃料喷射喷嘴(燃料气体喷射喷嘴)；21-空气导入口(助燃气体导入口)；23-空气供给旋流器(助燃气体供给旋流器)；25-旋流器流路；25a-旋流器出口；25b-旋流器入口；A-空气(助燃气体)；BU-燃烧器主体单元；F-燃料(燃料气体)；MG-混合气；R-燃烧区域。

Claims (3)

1.一种燃烧器装置，其向燃烧区域供给燃料气体与助燃气体的混合气，
所述燃烧器装置具备：
混合通道，其从下游端部向燃烧区域喷射混合气；
燃料气体喷射喷嘴，其向所述混合通道朝向燃烧区域喷射燃料气体；以及
助燃气体供给旋流器，其从径向外侧向所述混合通道喷射助燃气体，具有：圆环板状的基部以及突出设置于所述基部上的多个流路壁，在所述圆环板状的基部的中心部形成的嵌合孔与所述燃料气体喷射喷嘴的下游端部的外周面嵌合，在相邻的所述流路壁之间形成有多个旋流器流路，以在与该燃烧器装置的轴心正交的剖视观察下，与形成各所述旋流器流路的沿着偏心方向延伸的两个所述流路壁的壁面中的与所述助燃气体的回转方向的前侧的所述壁面平行的所述燃料气体喷射喷嘴的切线通过该旋流器流路的出口，使助燃气体的至少一部分与从所述燃料气体喷射喷嘴喷射的燃料气体直接碰撞的方式喷射助燃气体，
所述助燃气体供给旋流器的各流路的宽度从该助燃气体供给旋流器的入口朝向出口逐渐变窄。
2.根据权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于，
形成于所述混合通道的下游端部的混合气喷射口的直径比所述助燃气体供给旋流器的出口的直径小。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器装置，其特征在于，
具备多个由所述混合通道、燃料气体喷射喷嘴以及助燃气体供给旋流器构成的燃烧器主体单元，
向该燃烧器装置内导入助燃气体的助燃气体导入口配置于比各燃烧器主体单元的所述助燃气体供给旋流器的所述入口更靠燃料气体的喷射方向的上游侧。
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