CN115380189A - 燃气轮机的预混合管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在生成燃烧气体和空气的混合气体时，生成均匀且充分稀释的混合气体的燃气轮机的预混合管结构；在预混合管(1)的圆筒状的壳体部(1a)上形成气孔(1a1、1a2、1a3、1a4)，形成于最上游侧的气孔(1a1)的数量多于其他气孔(1a2、1a3、1a4)的数量；气孔(1a2、1a3、1a4)形成于相互不同的交错的位置；壳体部(1a)的下游侧为与圆锥形壳体部(1c)相连的倾斜管部(1e)，该圆锥形壳体部(1c)以逐步变成小径的方式被缩径，将开口(1d)设置成朝向燃烧器内筒(103b)的中央部，由此向引燃燃料形成的火焰喷射混合气体。

Description

燃气轮机的预混合管结构

技术领域

本发明涉及配置于燃气轮机(gas turbine)的预混合式燃烧器中的预混合管的结构。

背景技术

在空气气氛中喷射燃烧气体的扩散燃烧中，是在燃烧气体和空气未充分混合的情况下，以高浓度的状态进行燃烧，因而燃烧温度变高，从而NOx(氮氧化物)的排出浓度变高。为此，通过向燃烧区喷射水蒸气或水而降低燃烧温度，从而谋求降低NOx浓度。

但是，针对燃料的供给量需要很多水量，从而有可能降低燃气轮机装置的效率。

因此，采用在不喷射水蒸气或水的情况下能够排出低浓度NOx的稀释预混合燃烧。在稀释预混合燃烧中，将燃烧气体和空气进行混合后，向燃烧区供给被稀释为低浓度的混合气体，并进行燃烧。该预混合气的燃烧温度较低，因此，NOx的生成被抑制而排出浓度低的NOx。

为了提高这种稀释预混合燃烧的混合效率，例如，在专利文献1中，作为能够利用稀薄的混合气稳定地进行燃烧，从而能够减少氮氧化物排出的燃气轮机燃烧器的结构，提出了如下结构：在从向套筒(liner)插入规定量而配置的预蒸发预混合管的前端处于规定位置的部位的周围，沿圆周方向开口形成有多个燃烧气体供给孔。

另外，在专利文献2中，提出了如下结构：从预混合管的周壁面的孔流入燃烧器内的空气在燃烧器内形成围绕轴向流(axial flow)的回旋流(swirling flow)，火焰被保持在从燃烧器顶部离开的位置处。

另外，在专利文献3中，公开了如下的燃气轮机燃烧器：在外筒体的内部具有由上部周壁和下部周壁构成的预混合管，该上部周壁具备在燃烧筒和预混合管的上部周壁内的贯通筒状内壁之间的间隙内形成回旋流的孔，在内壁的顶部中央配置有第一压力喷射喷嘴，在下部周壁上以等角度间隔配置有5个第二压力喷射喷嘴。从各第二压力喷射喷嘴朝向中心喷射的燃料，随着从间隙朝向燃烧筒的空气的回旋流，在燃烧器的上部区域沿半径方向大幅分散，通过较长的停留时间早期地蒸发、点火而进行完全燃烧。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本专利，特开平10-160163号公报

专利文献2：日本专利，特开2009-198054号公报

专利文献3：日本专利，特开2012-247135号公报

发明内容

(发明所要解决的课题)

在上述专利文献1～专利文献3公开的燃气轮机燃烧器中，使空气形成回旋流而促进与燃料的混合，并且，防止发生逆火。

但是，这些燃气轮机燃烧器主要是以产生回旋流为目的，是用于促进混合的技术。但是，混合浓度分布的状况不清楚，且是否实现了燃烧气体浓度的均匀化，也是不清楚。因此，有可能是在高浓度的状态下进行燃烧，从而NOx的排出浓度有可能局部变高。

因此，本发明的目的在于提供一种：谋求促进燃烧气体和空气的混合，谋求燃烧气体浓度的均匀化，并且，能够高效地进行稀释预混合燃烧的燃气轮机的预混合管结构。

(用于解决课题的方案)

为了实现上述目的，本发明涉及的燃气轮机的预混合管结构具有如下特征。

该燃气轮机在燃烧器内筒的中央部配置有引燃燃料用喷嘴，在该引燃燃料用喷嘴的周围配置有多个主燃料用喷嘴，该预混合管呈筒状，将该主燃料用喷嘴保持在该预混合管的基端部上，从该预混合管的前端部向燃烧器内筒喷射将从该主燃料用喷嘴喷射的主燃料与空气混合而成的混合气体；所述预混合管的周壁上，沿圆周方向排列形成有使内外部连通且引入空气的多个气孔，并且，该气孔沿轴向配置有多列。

从周壁的周围引入预混合用空气，因此，从主燃料用喷嘴喷射的燃烧气体与空气混合后，被向燃烧器内筒喷射。

另外，在上述燃气轮机的预混合管结构中，优选：所述气孔交错式地排列。

通过交错式地配置，在轴向上相邻的气孔的圆周方向的位置是错开的。因此，引入空气的位置不同，在基端部侧、即上游侧，燃烧气体从不存在气孔的位置通过时，燃烧气体无法与空气充分地混合。在该混合不充分的燃烧气体沿轴向流动并从面对下游侧气孔的位置通过时，促进与空气的混合。因此，通过上游侧后未被稀释的燃烧气体在下游侧被稀释，因此，随着沿轴向流动而可靠地被稀释。

另外，在上述燃气轮机的预混合管结构中，优选：基端部侧沿圆周方向配置的所述气孔的数量，多于前端部侧沿圆周方向配置的所述气孔的数量。

关于沿圆周方向配置的气孔的数量，基端部侧(上游侧)的数量多于前端部侧(下游侧)的数量。

在基端部侧供给燃烧气体，因此，最好是供给大量的空气并进行混合，由此，在基端部侧形成较多气孔而能够吸入空气。

另外，在前端部侧，则是对燃烧气体被稀释后的混合气体供给空气，因此，不需要基端部侧程度的大量的空气。因此，使前端部侧的气孔的数量少于基端部侧的气孔的数量。

另外，在上述燃气轮机的预混合管结构中，优选：基端部侧的所述气孔的开口面积大，前端部侧的所述气孔的开口面积小。

通过使基端部侧的气孔的开口面积大，能够吸入大量的空气，从而能够促进燃烧气体的稀释。

另外，在上述燃气轮机的预混合管结构中，优选：关于与筒状的轴垂直的面中的开口面积，前端部侧的开口面积，小于从基端部侧到壳体部的开口面积。

通过使前端部侧的、筒状预混合管的横截面中的开口面积小，能够使从前端部向燃烧器内筒喷射的混合气体的流速变大。因此，能够防止燃烧器内筒内的燃烧发生逆火。

(发明效果)

根据本发明涉及的燃气轮机的预混合管结构，能够高效地使混合气体的浓度降低且均匀化，从而能够抑制燃烧生成的NOx的发生。另外，通过预混合管的侧壁供给空气，因此，与从轴向的基端部侧的开口引入空气的结构相比，能够缩小预混合管和罩盖之间的间隔，从而能够实现燃气轮机的小型化。

附图说明

图1是表示具备本发明第一实施方式涉及的结构的燃气轮机的预混合管的概要的立体图。

图2是图1中所示的燃气轮机的预混合管的主视图。

图3是沿图2中的3-3线切断表示的剖面图。

图4是图1中所示的燃气轮机的预混合管的俯视图。

图5是以垂直于轴的面切断图1中所示的燃气轮机的预混合管而表示的剖面图，其中，(A)是图2中的5A-5A线剖面图，(B)是5B-5B线剖面图，(C)是5C-5C线剖面图，(D)是5D-5D线剖面图。

图6是图1中所示的燃气轮机的预混合管的壳体部的展开图。

图7是具备本发明第二实施方式涉及的结构的燃气轮机的预混合管的立体图。

图8是图7中所示的燃气轮机的预混合管的主视图。

图9是沿图7中的9-9线切断表示的剖面图。

图10是具备本发明涉及的结构的燃气轮机的预混合管中的空气引入状态的说明图，且是以沿轴的面切断表示的剖面图。

图11是对安装了具备本发明涉及的结构的预混合管的燃气轮机进行说明的概略剖面图。

图12是表示沿轴向引入空气的结构的预混合管的图，且是相当于图10的剖面图。

具体实施方式

根据图示的优选实施方式，对本发明涉及的燃气轮机(gas turbine)的预混合管结构具体地进行说明。

首先，参照图11对安装了具备本发明涉及的结构的预混合管的燃气轮机的一实施例的概要进行说明。

在燃气轮机100中，从空气吸入口101吸入的空气通过进口导流叶片(inlet guidevane)101a后被供给至气体压缩机102并被压缩，该压缩空气被引导至燃烧器103。该燃烧器103形成为燃烧器外筒103a和燃烧器内筒103b的双层结构，压缩空气被引导至燃烧器内筒103b的外侧。

在燃烧器103的燃烧器内筒103b的上部，沿以燃烧器内筒103b的轴为中心的圆周安装有适当个数的预混合管1。预混合管1的下部与燃烧器内筒103b的内部连通，且预混合管1的上部配置有供给主燃料的主燃料用喷嘴110，由此，向燃烧器内筒103b的内部喷射主燃料。

另外，在燃烧器内筒103b的中央上部配置有引燃燃料用喷嘴111，由此，向燃烧器内筒103b内部喷射引燃燃料(pilot fuel)。通过未图示的点火装置，被喷射的引燃燃料被点火。

被引导至燃烧器内筒103b外侧的压缩空气被引导至预混合管1，与主燃料的燃烧气体混合而生成混合气体，该混合气体从预混合管1的下部被向燃烧器内筒103b的内部喷射而促进燃烧，从而生成高温高压的工作气体。

燃烧器103内生成的工作气体被引导至涡轮(turbine)104，使涡轮叶片旋转从而使主轴105旋转。通过主轴105的旋转，使气体压缩机102旋转，并且能够获得所希望的输出旋转。利用于涡轮104的旋转的工作气体成为废气，并被从排气管道106排出。

图1～图6中示出具备本发明第一实施方式涉及的结构的预混合管1。该预混合管1构成为：圆筒形的壳体部1a的上部中的除中央部之外的部分被底板1b封闭，在该底板1b的中央部上，经由密封件(seal)11a而安装有用于保持主燃料用喷嘴110的喷嘴支承管11。需要说明的是，预混合管1的喷嘴支承管11侧成为主燃料流动的上游侧。

另外，在壳体部1a的下部、即主燃料流动的下游侧连接有筒状的圆锥形壳体部1c，该筒状的圆锥形壳体部1c形成为：逐步地缩径而其下部侧成为小径。另外，与该圆锥形壳体部1c相连地形成有倾斜管部1e，该倾斜管部1e构成为：使其开口1d朝向相对于壳体部1a的轴C方向偏离的方向。另外，如图2中所示，该开口1d形成为圆形。

在预混合管1的壳体部1a上，形成有适当数量的气孔1a1、1a2、1a3、1a4。关于该气孔1a1、1a2、1a3、1a4，如图6的展开图中所示，在预混合管1的上游侧沿圆周方向形成的气孔1a1的数量，多于在预混合管1的下游侧沿圆周方向形成的气孔1a2～1a4的数量。在本实施方式中，示出的是沿轴C方向并设有4列的气孔1a1、1a2、1a3、1a4的例子，其中，最上游侧的气孔1a1为16个，配置于其他位置处的气孔1a2、1a3、1a4各为8个。

图5和图6中示出这些气孔1a1、1a2、1a3、1a4的位置关系。

图5中(A)是沿图2中的5A-5A线，以垂直于轴C的面切断的剖面图，该部分中配置有16个气孔1a1。

另外，图5中(B)是在配置于气孔1a1的最近下游侧的气孔1a2的部分处，沿图2中的5B-5B线切断的剖面图，该部分中配置有8个气孔1a2。该8个气孔1a2配置在：相对于16个气孔1a1，每隔一个气孔1a1，在轴C方向上与气孔1a1重叠的位置处。

另外，配置于气孔1a2的最近下游侧的气孔1a3为8个，并且，如图5中(B)和图5中(C)所示，8个气孔1a3配置在：相对于气孔1a2的位置，在圆周方向上以22.5°的角度偏移的位置处。

然后，最下游侧的气孔1a4沿圆周方向配置有8个，并且，如图5中(B)和图5中(D)所示，这些气孔1a4在轴C方向上配置在与气孔1a2相同的位置处。

另外，关于气孔1a2、1a3、1a4，也可以构成为：通过分别配置在以各15°的角度偏移的位置处，从而使这些所有气孔1a2、1a3、1a4分别配置在沿轴C的方向上相互偏离的位置处。

进一步地，也可以使气孔1a1、1a2、1a3、1a4的直径分别不同。该情况下，优选配置于上游侧的气孔1a1的直径较大。另外，也可以构成为朝向下游侧逐步形成为小径，还可以构成为使气孔1a2、1a3、1a4的直径相等。

然后，如图11中所示，该预混合管1配置为使开口1d朝向燃烧器内筒103b的中央部。因此，向引燃燃料被点火而形成的火焰喷射混合气体。

接下来，以下对具备该第一实施方式涉及的结构的预混合管1的作用进行说明。

在该第一实施方式涉及的预混合管1中，对于从主燃料用喷嘴110喷射的主燃料的燃料气体，从形成于壳体部1a的气孔1a1、1a2、1a3、1a4引入压缩空气而将燃烧气体进行稀释，在预混合管1的内部被混合而生成混合气体。燃烧气体的刚通过主燃料用喷嘴110被喷射之后的浓度最高。在该预混合管1中，位于最上游侧的气孔1a1的数量多于下游侧的气孔1a2、1a3、1a4的数量，因此，从最上游侧的气孔1a1引入大量的空气。由此，促进浓度高的燃烧气体被稀释。

另外，气孔1a2、1a3、1a4是错开圆周方向的位置而配置，因此，对于从未面对气孔1a2的位置通过的燃烧气体，不易引入空气，其中，该未面对气孔1a2的位置是指：圆周方向上相邻的气孔1a2彼此的中间位置所面对的位置。但是，由于配置于该气孔1a2下游侧的气孔1a3配置在相对于气孔1a2偏移的位置处，因此，从未形成气孔1a2的部分通过的燃烧气体，通过从气孔1a3引入的空气而被稀释。由此，被供给的燃烧气体整体与空气均匀地混合，被稀释至所希望的状态之后利用于燃烧，从而生成高温高压的工作气体。

另外，在预混合管1的下游部形成有直径比壳体部1a小的开口1d，因此，从开口1d喷射出的混合气体的流速变大。因此，是向引燃燃料的火焰高度地进行喷射，由此，着火的燃烧气体的火焰不会发生逆火。

然后，驱动了涡轮104的工作气体从排气管道106排出。由于在预混合管1内被混合稀释后的混合气体的燃烧气体浓度低，因此，被排出废气的NOx排出量少。

图7～图9中示出具备第二实施方式涉及的结构的预混合管2。对于本实施方式涉及的预混合管2的部位且与图1～图6中所示的第一实施方式涉及的预混合管1相同的部位，标注了相同的符号。

在该预混合管2的壳体部2a的上部设有作为与壳体部2a独立的构件的盖体2b，在该盖体2b的中央部上，经由密封件11a安装有喷嘴支承管11。

在壳体部2a的下部连接有连接壳体部2c，该连接壳体部2c构成为：其上游侧的上端部形成为与壳体部2a相连的圆形，且朝向下游侧逐步缩颈，并且，下游侧的下端部形成为方形。

然后，在该连接壳体部2c下端部上连接有与连接壳体部2c相连且呈方形的倾斜管部2e的上端部，该倾斜管部2e的下端部构成为：使其开口2d朝向相对于轴C方向偏离的方向。即，如图8中所示，开口2d形成为方形。

在预混合管2的壳体部2a上，与第一实施方式涉及的预混合管1的壳体部1a同样地，设有适当数量的气孔2a1、2a2、2a3、2a4。关于这些气孔2a1、2a2、2a3、2a4，与预混合管1的壳体部1a上形成的气孔1a1、1a2、1a3、1a4相同数量的气孔配置在相同的位置处。因此，壳体部2a上形成的气孔2a1、2a2、2a3、2a4的剖面形状形成为：与表示第一实施方式涉及的预混合管1的壳体部1a剖面的图5中(A)～图5中(D)相同的剖面形状。

关于该预混合管2，也是与预混合管1同样地，如图11中所示，将开口2d配置为朝向燃烧器内筒103b的中央部，由此，向引燃燃料被点火形成的火焰喷射混合气体。而且，开口2d的开口面积小于壳体部2a的横截面积，因此，混合气体的流速变大，从而防止逆火。

在以上所说明的预混合管1、2中，如图10所示，从壳体部1a、2a的侧面供给用于稀释的空气。

另一方面，图12中示出从预混合管4的上部开口4a引入空气的结构。在该预混合管4中，形成为从上方引入空气的结构，因此，必须使燃气轮机100的罩盖112和预混合管4的上部开口4a之间的距离较大。

相对于此，在具备本申请发明涉及的结构的预混合管1、2中，是从侧面引入空气，因此，如图10中所示，能够使预混合刮管1、2的上部和罩盖112之间的距离变小。

由此，能够降低燃气轮机100的高度，从而实现燃气轮机100的小型化。

根据本发明涉及的燃气轮机的预混合管结构，能够容易地将燃烧气体均匀地稀释至所希望的浓度，因此，能够降低废气中的NOx浓度。

(符号说明)

1 预混合管

1a 壳体部

1b 底板

1c 圆锥形壳体部

1d 开口

1e 倾斜管部

1a1、1a2、1a3、1a4 气孔

11 喷嘴支承管

11a 密封件

2 预混合管

2a 壳体部

2b 盖体

2c 连接壳体部

2d 开口

2e 倾斜管部

2a1、2a2、2a3、2a4 气孔

100 燃气轮机

101 空气吸入口

101a 进口导流叶片

102 气体压缩机

103 燃烧器

103a 燃烧器外筒

103b 燃烧器内筒

104 涡轮

105 主轴

106 排气管道

110 主燃料用喷嘴

111 引燃燃料用喷嘴

C 轴

Claims (5)

1.一种燃气轮机的预混合管结构，该燃气轮机在燃烧器内筒的中央部配置有引燃燃料用喷嘴，在该引燃燃料用喷嘴的周围配置有多个主燃料用喷嘴，该预混合管呈筒状，将该主燃料用喷嘴保持在该预混合管的基端部上，从该预混合管的前端部向燃烧器内筒喷射将从该主燃料用喷嘴喷射的主燃料与空气混合而成的混合气体，

所述预混合管结构的特征在于，

所述预混合管的周壁上，沿圆周方向排列形成有使内外部连通且引入空气的多个气孔，并且，该气孔沿轴向配置有多列。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的预混合管结构，其特征在于，

所述气孔交错式地排列。

3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机的预混合管结构，其特征在于，

基端部侧沿圆周方向配置的所述气孔的数量，多于前端部侧沿圆周方向配置的所述气孔的数量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机的预混合管结构，其特征在于，

基端部侧的所述气孔的开口面积大，前端部侧的所述气孔的开口面积小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃气轮机的预混合管结构，其特征在于，

关于与筒状的轴垂直的面中的开口面积，前端部侧的开口面积，小于从基端部侧到壳体部的开口面积。

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