CN113983493B - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器，其能够有效地冷却尾筒框缘和1级静叶片端壁，并且能够实现低Nox化及燃烧性能提高。该燃气轮机燃烧器，其特征在于，具备：尾筒，其将燃烧气体从燃烧器引导至涡轮；框缘，其设置于所述尾筒的所述涡轮侧的出口部，且与所述涡轮的1级静叶片端壁具有规定的间隙而对置地配置；以及密封部件，其与所述框缘及所述1级静叶片端壁分别嵌合，对供给至所述间隙的冷却空气进行密封，所述框缘具有向所述1级静叶片端壁直接供给冷却空气的冷却孔。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器的结构，特别涉及适用于尾筒的框缘结构而有效的技术。
背景技术
在面向普通的发电设备、机械驱动器的燃气轮机中，从空气压缩机导入的高压空气从扩散器向车室导入，分为作为燃烧器的燃烧用空气而被烧嘴部使用的部分和作为燃烧器以及燃气轮机主体的冷却用而使用的部分而流入。
在燃烧器中通过燃料与空气的混合空气的燃烧而生成的燃烧气体从尾筒(过渡片)被导入到涡轮叶片。在涡轮中通过将导入到涡轮叶片的高温高压的燃烧气体绝热膨胀时产生的工作量转换为轴旋转力，从而从发电机得到输出。
另外，也存在一种机械驱动用途的设备，其利用该轴旋转力，代替发电机而使其他的压缩机旋转，从而将燃气轮机作为流体压缩的动力源来使用。
作为本技术领域的背景技术，例如有专利文献1那样的技术。在专利文献1中公开了“一种燃气轮机的高温部件，其是划定燃烧气体流动的燃烧气体流路的燃气轮机的高温部件，其特征在于，形成有：槽，其从沿着所述燃烧气体流路而与相邻的其他高温部件对置的端面向远离该其他高温部件的方向凹陷，且在该端面的延伸方向上延伸；冷却通路，其在被所述槽与所述燃烧气体流路夹着的区域中，沿所述延伸方向延伸；导入通路，其将所述槽与所述冷却通路连接；以及排出通路，其将所述冷却通路与所述燃烧气体流路连接。”
另外，在专利文献2中公开了“一种燃烧器冷却结构，其特征在于，具备：凸缘，其在燃烧器尾筒的壁部中，设置于作为排出燃烧气体的一侧的后端的所述燃烧器尾筒的外周，并且向所述燃烧器尾筒的外侧突出；尾筒密封件，其具有与该凸缘嵌合的钩形状，且与该凸缘嵌合而固定，并且设置于与所述燃烧器尾筒的后端的端面对置的位置；多个冷却流槽，其在所述燃烧器尾筒的壁部的内部沿所述燃烧器尾筒的轴向延伸地设置，并且至少其一部分贯通至所述燃烧器尾筒的后端的端面，并使冷却介质在其内部流动；以及贯通孔，其设置于所述燃烧器尾筒的后端的端面，并且从贯通至所述燃烧器尾筒的后端形状的所述冷却流槽排出所述冷却介质，从该贯通孔排出的所述冷却介质向所述尾筒密封件吹送。”
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本特开2013-221455号公报
[专利文献2]日本特开2007-120504号公报
发明内容
发明要解决的课题
连接燃烧器的烧嘴和涡轮叶片的尾筒(过渡片)暴露于高温的燃烧气体，因此需要使用压缩机排出空气的一部分进行冷却。通常，采用利用来自冷却孔的空气膜进行保护的膜冷却、利用压缩机排出装置对外面进行冷却，降低内表面温度的对流冷却等结构。
另外，涡轮叶片也同样地暴露于高温的燃烧气体，因此需要通过叶片内部的冷却结构、膜冷却等来降低金属温度。
然而，在燃烧器及涡轮叶片分别使用冷却空气时，燃气轮机的效率降低、燃烧用空气变少，由此，烧嘴部中的局部的燃料与空气的比率(燃料空气比)变高，燃烧气体温度上升，金属温度也变高便成为了课题。局部的燃烧气体温度的上升会导致废气中的NOx(氮氧化物)浓度上升，金属温度的上升会导致高温部件的可靠性以及耐久性的降低。
在上述专利文献1中，压缩空气A虽然与静叶片护罩(内侧护罩45)的角部接触，但从碰撞角度来看难以说是冲击冷却，难以充分冷却静叶片护罩(内侧护罩45)。另外，在框缘和涡轮入口夹设有密封部件，在该密封部件设置有冷却孔。
在上述专利文献2中，例如，如图11(c)所示，虽然考虑了尾筒的主体5和第1级静叶片护罩16的冷却，但通常没有考虑设置于尾筒的出口部的框缘的冷却。
因此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧器，其能够有效地冷却尾筒框缘和1级静叶片端壁，并且能够实现低NOx化以及燃烧性能的提高。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的特征在于，具备：尾筒，其将燃烧气体从燃烧器引导至涡轮；框缘，其设置于所述尾筒的所述涡轮侧的出口部，且与所述涡轮的1级静叶片端壁具有规定的间隙而对置地配置；以及密封部件，其与所述框缘及所述1级静叶片端壁分别嵌合，对供给至所述间隙的冷却空气进行密封，所述框缘具有向所述1级静叶片端壁直接供给冷却空气的冷却孔。
发明的效果
根据本发明，可实现“能够有效地冷却尾筒框缘和1级静叶片端壁，并且能够实现低NOX化以及燃烧性能提高的燃气轮机燃烧器”。
由此，能够提供可靠性及耐久性优异的高性能的燃气轮机燃烧器。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明进行明确。
附图说明
图1是表示普通的燃气轮机的结构例的图。
图2是表示普通的燃烧器的结构例的图。
图3是表示本发明的实施例1所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图4是图3的B部放大图。
图5是表示本发明的实施例2所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图6是图5的C-C’剖视图。
图7是表示本发明的实施例3所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图8是图7的D-D’方向的向视图(透视图)。
图9是表示本发明的实施例4所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图10是图9的E-E’方向向视图(透视图)。
图11是表示本发明的实施例5所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图12是图11的F-F’方向的向视图(透视图)。
图13是表示本发明的实施例6所涉及的尾筒的框缘结构的剖视图。
图14是图13的G-G’方向的向视图(透视图)。
图15是表示现有的尾筒的框缘结构的剖视图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。另外，在各附图中对相同的结构标注了相同的附图标记，对于重复的部分省略了其详细的说明。
[实施例1]
首先，参照图1、图2及图15，对成为本发明的对象的燃气轮机燃烧器和现有的问题点进行说明。图1是表示普通的燃气轮机的结构例的图。图2是表示普通的燃烧器的结构例的图，作为包括尾筒(过渡片)4及框缘6的燃烧器而示出。图15是表示现有的尾筒的框缘结构的剖视图。
如图1所示，燃气轮机大致分为由压缩机1、燃烧器2及涡轮3构成。压缩机1将从大气吸入的空气作为工作流体进行隔热压缩，燃烧器2通过使燃料与从压缩机1供给的压缩空气混合并燃烧而生成高温高压的燃烧气体，在涡轮3中，在从燃烧器2导入的燃烧气体膨胀时产生旋转动力。来自涡轮3的排气被释放到大气中。
如图2所示，在燃烧器2与涡轮3之间设置有从燃烧器2向涡轮3引导燃烧气体的尾筒(过渡片)4(燃烧气体的流动方向5)。在尾筒(过渡片)4的周围设置有未图示的流动套筒。将从压缩机1排出的冷却空气纳入流动套筒与尾筒(过渡片)4之间，冷却空气在形成于流动套筒与尾筒(过渡片)4之间的冷却空气的流路中流动，由此尾筒(过渡片)4被冷却。在尾筒(过渡片)4的涡轮3侧的出口部设置有作为加强部件的框缘6。
如图15所示，现有的框缘6与1级静叶片端壁10(一般也称为“挡环”)具有规定的间隙而对置地配置，框缘6及1级静叶片端壁(挡环)10的各个分别与对向间隙供给的冷却空气进行密封的密封部件11嵌合。
在框缘6设置有纳入在上述的流动套筒与尾筒(过渡片)4之间流动的冷却空气的一部分的冷却孔26、28，冷却空气在冷却孔26、28的内部向流动方向27、29的方向流动，由此框缘6被冷却。
设置于该框缘6的冷却孔26、28以对框缘6进行冷却为目的，被加工成从尾筒4(框缘6)的外周侧朝向内周侧的气体通道面(燃烧气体的流动面)。
但另一方面，1级静叶片端壁10的冷却通过设置于1级静叶片端壁10的冷却狭缝(未图示)等实现金属温度的降低，也需要向该冷却狭缝供给冷却空气，从而导致燃气轮机整体的效率降低。
接着，参照图3及图4，对本发明的实施例1的尾筒的框缘结构进行说明。图3是图2的A部放大图，是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图。图4是图3的B部放大图。
如图3及图4所示，本实施例的燃气轮机燃烧器具备：尾筒4，其将燃烧气体从燃烧器2引导至涡轮3；框缘6，其设置于尾筒4的涡轮3侧的出口部，且与涡轮3的1级静叶片端壁10具有规定的间隙而对置地配置；以及密封部件11，其与框缘6及1级静叶片端壁10分别嵌合，对供给至间隙的冷却空气进行密封。
在框缘6上设有以贯通1级静叶片端壁10的内部的方式直接供给冷却空气的冷却孔12，冷却空气在冷却孔12的内部向流动方向13的方向流动，由此，框缘6从内部被冷却，并且1级静叶片端壁10被冷却。
本实施例的燃气轮机燃烧器如以上那样构成，能够有效地冷却框缘6和1级静叶片端壁10双方，并且减少在高温部件的冷却中使用的冷却空气，抑制因燃烧用空气变少而引起的局部的燃烧气体温度的上升。由此，实现燃气轮机的可靠性以及耐久性的提高、实现低NOX化、燃烧性能的提高。
另外，如图4所示，冷却孔12优选相对于框缘6的内周面具有规定的倾斜角度地设置，以直接向1级静叶片端壁10的内周侧的倾斜部供给冷却空气。这是因为，1级静叶片端壁10的内周侧的倾斜部被薄壁化，容易因高温的燃烧气体而产生高温氧化减壁、以及热应力引起的裂纹等。另外，不仅能够得到膜冷却，还能够得到冲击冷却的效果，能够提高冷却效率。
[实施例2]
参照图5及图6，对本发明的实施例2中的尾筒的框缘结构进行说明。图5是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图，分别表示尾筒4的背侧和腹侧。图6是表示图5的C-C’截面的大致一半的剖视图。
如图5所示，本实施例的燃气轮机燃烧器构成为，设置于位于尾筒4的背侧的框缘6的冷却孔12相对于框缘6的内周面的倾斜角度与设置于位于尾筒4的腹侧的框缘6的冷却孔12相对于框缘6的内周面的倾斜角度不同。
这样，通过改变尾筒4的背侧和腹侧的各自的冷却孔12相对于框缘6的内周面的倾斜角度，能够在尾筒4的背侧和腹侧直接向1级静叶片端壁10各自期望的部位、例如容易成为高温的部位直接供给冷却空气。
另外，也可以构成为，设置于位于尾筒4的背侧的框缘6的冷却孔12直接向1级静叶片端壁10的内周侧的倾斜部供给冷却空气，设置于位于尾筒4的腹侧的框缘6的冷却孔12直接向1级静叶片端壁10的内周侧的前端部供给冷却空气。
另外，如图6所示，设置于位于尾筒4的背侧的框缘6的冷却孔12优选设置为，在与框缘6的燃烧气体的流动方向5垂直的方向上，框缘6的中央部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)小于框缘6的周边部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)。
同样地，设置于位于尾筒4的腹侧的框缘6的冷却孔12优选设置为，在与框缘6的燃烧气体的流动方向5垂直的方向上，框缘6的中央部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)小于框缘6的周边部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)。
一般而言，由于框缘6的中央部附近的温度比周边部附近的温度高，因此通过使中央部附近的冷却孔12的相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)比周边部附近小，从而向中央部附近供给的冷却空气增加，能够有效地冷却框缘6的中央部附近及对置的1级静叶片端壁10。
而且，如图6所示，更优选将框缘6的中央部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)设为3.1以下，将框缘6的周边部附近的冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)设为4.0以下。通过这样构成，在框缘6的周边部附近，来自相邻的冷却孔12的喷出空气能够形成冷却膜而可靠地冷却1级静叶片端壁10，并且能够增加向中央部附近供给的冷却空气从而有效地冷却中央部附近。
通过将冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)设为4.0以下，来自相邻的冷却孔的喷出空气在周向上无中断地形成冷却膜，由此能够可靠地冷却1级静叶片端壁10。
如以上说明的那样，根据1级静叶片端壁10的必要冷却空气量，在多个范围分别设定冷却孔径D和配置间距P，能够使冷却空气的分配量达到最小限度。
另外，冷却孔12相对于孔径的配置间距的比(配置间距P/孔径D)无需固定，也可以根据燃烧气体温度的周向分布等以不同的P/D或冷却孔径进行配置，由此进一步削减冷却空气量。
[实施例3]
参照图7和图8，对本发明的实施例3中的尾筒的框缘结构进行说明。图7是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图。图8是图7的D-D’方向的向视图(透视图)。
在本实施例的燃气轮机燃烧器中，如图7所示，冷却孔在框缘6的径向上，在距框缘6的内周面的高度不同的位置分割成多个而设置为冷却孔14、16。尾筒和1级静叶片端壁有时会产生部件的制作公差、组装造成的微小的组装偏差，因此，在发生偏移时也能够利用各个燃烧器罐向目标位置供给冷却空气。
另外，如图8所示，设置在距框缘6的内周面的高度不同的位置的多个冷却孔14、16以在框缘6的周向上相邻的冷却孔彼此的高度不同的方式配置。
本实施例的燃气轮机燃烧器如以上那样构成，能够将1级静叶片端壁10的与框缘6对置的面遍及整周地均匀地冷却。
[实施例4]
参照图9和图10，对本发明的实施例4中的尾筒的框缘结构进行说明。图9是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图。图10是图9的E-E’方向的向视图(透视图)。
在本实施例的燃气轮机燃烧器中，如图9所示，冷却孔被分割成相对于框缘6的内周面的倾斜角度相互不同的多个冷却孔18、20。
另外，如图10所示，相对于框缘6的内周面的倾斜角度互不相同的多个冷却孔18、20在框缘6的周向上以相邻的冷却孔彼此的倾斜角度不同的方式配置。
本实施例的燃气轮机燃烧器如以上那样构成，能够将1级静叶片端壁10的与框缘6对置的面遍及整周地均匀地冷却。
[实施例5]
参照图11及图12，对本发明的实施例5中的尾筒的框缘结构进行说明。图11是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图。图12是图11的F-F’方向的向视图(透视图)。
在本实施例的燃气轮机燃烧器中，如图11所示，在框缘6的周向上具有规定的角度(倾斜地)分割成多个而设置。在框缘的金属温度高成为问题的情况下，与和燃烧器轴向平行的冷却孔规格相比，能够在不增加冷却空气量的前提下降低框缘金属温度。
[实施例6]
参照图13及图14，对本发明的实施例6中的尾筒的框缘结构进行说明。图13是表示本实施例的尾筒的框缘结构的剖视图。图14是图13的G-G’方向的向视图(透视图)。
在本实施例的燃气轮机燃烧器中，如图13所示，冷却孔构成为：在框缘6的径向上具有以第一角度(规定的角度)将框缘6的外周面与内周面连通的第一冷却孔24、以及在框缘6的轴向上以第二角度(与第一角度不同的角度)将与第一冷却孔24分别不同的框缘6的外周面和内周面连通的第二冷却孔12。
另外，如图14所示，第一冷却孔24和第二冷却孔12在框缘6的周向上交替配置。
此外，本发明并不限于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地进行了说明的例子，不一定限于具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，也能够在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除以及置换。
符号说明
1…压缩机
2…燃烧器
3…涡轮
4…尾筒(过渡片)
5…燃烧气体的流动方向
6…框缘
7…框缘支承件
8…壳体
9…固定部件
10…1级静叶片端壁(挡环)
11…密封部件
12，14，16，18，20，22，24，26，28…冷却孔
13，15，17，19，21，23，25，27，29…冷却空气的流动方向

Claims (11)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，具备：
尾筒，其将燃烧气体从燃烧器引导至涡轮；
框缘，其设置于所述尾筒的所述涡轮侧的出口部，且与所述涡轮的1级静叶片端壁具有规定的间隙而对置地配置；以及
密封部件，其与所述框缘及所述1级静叶片端壁分别嵌合，对供给至所述间隙的冷却空气进行密封，
所述框缘具有向所述1级静叶片端壁直接供给冷却空气的冷却孔，
所述冷却孔具有：第一冷却孔，其设置于位于所述尾筒的背侧的框缘，向与对置于所述1级静叶片端壁的内周侧的所述冷却孔的冷却空气的吹出口的前端面相连的倾斜部直接供给冷却空气，通过膜冷却及冲击冷却对该倾斜部进行冷却，
第二冷却孔，其设置于位于所述尾筒的腹侧的框缘，向所述1级静叶片端壁的内周侧的前端面直接供给冷却空气，
所述第一冷却孔相对于所述框缘的内周面的倾斜角度与所述第二冷却孔相对于所述框缘的内周面的倾斜角度不同。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔，在与所述框缘的所述燃烧气体的流动方向垂直的方向上，所述框缘的中央部的所述第一冷却孔相对于孔径的配置间距的比小于所述框缘的周边部的所述第一冷却孔相对于孔径的配置间距的比。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第二冷却孔，在与所述框缘的所述燃烧气体的流动方向垂直的方向上，所述框缘的中央部的所述第二冷却孔相对于孔径的配置间距的比小于所述框缘的周边部的所述第二冷却孔相对于孔径的配置间距的比。
4.根据权利要求2或3所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述框缘的中央部的所述第一冷却孔以及所述第二冷却孔相对于孔径的配置间距的比为3.1以下，所述框缘的周边部的所述第一冷却孔以及所述第二冷却孔相对于孔径的配置间距的比为4.0以下。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔在所述框缘的径向上，在距所述框缘的内周面的高度不同的位置分割成多个而设置。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔在所述框缘的周向上相邻的冷却孔彼此的高度不同。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔分割成相对于所述框缘的内周面的倾斜角度互不相同的多个冷却孔而设置。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔在所述框缘的周向上相邻的冷却孔彼此的倾斜角度不同。
9.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔在所述框缘的周向上具有规定的角度地分割成多个而设置。
10.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述冷却孔具有第三冷却孔，其在所述框缘的径向上以与所述第一冷却孔不同的角度连通所述框缘的外周面和内周面，在所述框缘的轴向上，连通与所述第一冷却孔分别不同的所述框缘的外周面和内周面。
11.根据权利要求10所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
所述第一冷却孔和所述第三冷却孔在所述框缘的周向上交替配置。
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