CN115899758A - 烧嘴以及燃烧器 - Google Patents

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苅宿充博
百百聪
平田义隆
浅井智广
吉田正平
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Abstract

本发明提供能够使用波纹管来柔软地应对热变形，同时能够抑制波纹管的损伤的烧嘴以及燃烧器。本发明提供一种烧嘴，其是具有外筒以及内筒的双重管构造的烧嘴，其中，所述内筒构成为包括：固定于所述外筒的顶部侧支承部、固定于所述外筒的基部侧支承部、被所述顶部侧支承部支承的主体部、存在于所述主体部与所述基部侧支承部之间的波纹管、以及安装在所述顶部侧支承部与所述基部侧支承部之间的位置的隔壁构件，在所述隔壁构件的外周面与所述外筒的内周面之间，存在比所述波纹管的最外周面与所述外筒的内周面之间的第一间隙小的第二间隙。

Description

烧嘴以及燃烧器
技术领域
本发明涉及在燃气涡轮发动机中使用的烧嘴以及燃烧器。
背景技术
对于在燃气涡轮发动机的燃烧器中使用的烧嘴而言，存在在燃气涡轮发动机的工作中利用波纹管允许向轴向的热变形的烧嘴(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-99107号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在燃气涡轮发动机的工作中，燃气涡轮发动机的机械振动、燃烧器的燃烧振动向烧嘴传递。因此，烧嘴不仅发生热变形，而且还被激振，若使用由较薄的金属板形成的波纹管，则波纹管有可能与周围的构造物发生干涉而损伤。另外，波纹管本身也由于热量而在径向上发生变形。
本发明的目的在于，提供能够使用波纹管来灵活地应对热变形，同时能够抑制波纹管的损伤的烧嘴以及燃烧器。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的，本发明提供一种烧嘴，其是具有外筒以及内筒的双重管构造的烧嘴，其中，所述内筒构成为包括：顶部侧支承部，其固定于所述外筒；基部侧支承部，其固定于所述外筒；主体部，其被所述顶部侧支承部支承；波纹管，其存在于所述主体部与所述基部侧支承部之间；以及隔壁构件，其安装在所述顶部侧支承部与所述基部侧支承部之间的位置，在所述隔壁构件的外周面与所述外筒的内周面之间，存在比所述波纹管的最外周面与所述外筒的内周面之间的第一间隙小的第二间隙。
发明效果
根据本发明，能够使用波纹管来灵活地应对热变形，同时能够抑制波纹管的损伤。
附图说明
图1是应用了本发明的第一实施方式的烧嘴的燃气涡轮设备的一结构例。
图2是示出本发明的第一实施方式的烧嘴的详细构造的剖视图。
图3是将本发明的第一实施方式的烧嘴所具备的内筒抽出示出的剖视图。
图4是图2中的IV部的放大图。
图5是将本发明的第二实施方式的烧嘴的主要部分放大示出的剖视图。
附图标记说明
3…燃烧器、31…先导燃料喷嘴、32…主燃料喷嘴、36…外筒、36h…燃料流路、37…内筒、37a…顶部侧支承部、37b…基部侧支承部、37c…主体部、37d…波纹管、37e…隔壁构件、39…密封构件、G1…第一间隙、G2…第二间隙。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
1.燃气涡轮设备
图1是表示应用了本发明的第一实施方式的烧嘴的燃气涡轮设备的一结构例的图。图1所示的燃气涡轮设备1构成为包括压缩机2、燃烧器3、燃气涡轮4、发电机6以及起动用马达7。压缩机2、燃烧器3以及燃气涡轮4构成驱动发电机6的燃气涡轮发动机。
压缩机2由起动用马达7起动，对从吸气部(未图示)吸入的空气a1进行压缩，生成高压的压缩空气a2并将其向燃烧器3供给。燃烧器3将从压缩机2供给的压缩空气a2与燃料混合并燃烧，生成高温的燃烧气体b1并将其向燃气涡轮4供给。燃气涡轮4由从燃烧器3供给的燃烧气体b1驱动。驱动了燃气涡轮4的燃烧气体b1作为废气b2被从燃气涡轮4排出。发电机6由通过燃气涡轮4得到的旋转动力驱动而进行发电。在本实施方式中，压缩机2、燃气涡轮4以及发电机6由轴29相互连结。
2.燃烧器
燃烧器3构成为包括外筒10、内筒12、端盖13、烧嘴8、主燃料系统26以及先导燃料系统27。
2-1.外筒、内筒、端盖
内筒12相对于烧嘴8设置在燃烧气体b1的流动方向上的下游侧。内筒12形成为圆筒状，将在外侧的环状流路24(后述)中流动的压缩空气a2与在内侧的燃烧室5中流动的燃烧气体b1隔开。外筒10形成为圆筒状形成，并以覆盖内筒12的外周的方式设置。在形成在外筒10与内筒12之间的截面呈环状的环状流路24中流动有从压缩机2向燃烧器3供给的压缩空气a2。端盖13设置于烧嘴8的在环状流路24中流动的压缩空气a2的流动方向上的下游侧，将外筒10的一端(在环状流路24中流动的压缩空气a2的流动方向上的下游侧的端部)封堵。
在环状流路24中流动的压缩空气a2从内筒12的外周面侧对内筒12进行对流冷却。另外，在内筒12的壁面设置有多个空气孔25，在环状流路24中流动的压缩空气a2的一部分经由空气孔25作为冷却空气a3向内筒12的内部流入，并沿着内筒12的内壁面形成薄膜冷却膜。并未流入空气孔25而在环状流路24中流动的压缩空气a2作为燃烧空气a4向烧嘴8供给。流入到烧嘴8的燃烧空气a4与从主燃料系统26向烧嘴8供给的燃料一起被向燃烧室5喷射，与燃料混合并燃烧。
2-2.烧嘴
烧嘴8构成为包括配置在内筒12的中心线上的单一的先导烧嘴30(后述)、以及以将该先导烧嘴30包围的方式设置有多个的主烧嘴40。
-先导烧嘴-
先导烧嘴30构成为包括单一的先导燃料喷嘴31、多个主燃料喷嘴32、燃料集管(腔室)33、以及旋流器34。先导烧嘴30被螺栓等固定于端盖13。
先导燃料喷嘴31向燃烧室5供给先导燃料。先导燃料能够使用轻油、灯油、A重油等油燃料、或者天然气、丙烷等气体燃料。先导燃料喷嘴31位于内筒12的中心线上。
主燃料喷嘴32向燃烧室5供给主燃料。主燃料除了能够使用天然气、丙烷以外，还能够使用炼焦炉煤气、炼油厂废气、煤气化气体这样的含有氢、一氧化碳的气体燃料。主燃料喷嘴32以将先导燃料喷嘴31的周围包围的方式设置有多个，并与作为燃料分配器的燃料集管33连接。在旋流器34与主燃料喷嘴32相对应地设置有多个空气孔35。从各主燃料喷嘴32朝向对应的空气孔35喷射主燃料，主燃料与燃烧空气a4一起从各空气孔35向燃烧室5喷出。
之后对先导烧嘴30的详细构造进行说明。
-主烧嘴-
各主烧嘴40构成为包括多个主燃料喷嘴41、燃料集管(腔室)42b、42b以及空气孔板43。
主燃料喷嘴41在各主烧嘴40中呈同心圆状设置有多个。对于同心圆状的主燃料喷嘴41的多个环状列，从内周侧起依次称为第一列、第二列、第三列。
燃料集管42a、42b是燃料分配器，且支承于端盖13。在内周侧的燃料集管42a连接有第一列的各主燃料喷嘴41。在外周侧的燃料集管42b连接有第二列以及第三列的各主燃料喷嘴41。
空气孔板43是具有多个空气孔44的环型的板，且位于主燃料喷嘴41与燃烧室5之间。该空气孔板43在各主烧嘴40中共用，且在构成各主烧嘴40的区域中与主燃料喷嘴41相对应地具有第一列～第三列的多个空气孔44。
2-3.主燃料系统
主燃料系统26构成为包括燃料供给源26a以及燃料配管26b～26e。燃料配管26b具有燃料阻断阀(开闭阀)26f，并且从燃料供给源26a延伸并在燃料阻断阀26f的下游侧分支为燃料配管26c～26e。燃料配管26c与燃料集管33连接。燃料配管26d与燃料集管42a连接。燃料配管26e与燃料集管42b连接。在燃料配管26c设置有燃料流量调节阀26g，在燃料配管26d设置有燃料流量调节阀26h，在燃料配管26e设置有燃料流量调节阀26i。
从燃料供给源26a通过燃料配管26b、26c供给到燃料集管33的主燃料从燃料集管33被分配到各主燃料喷嘴32，并从各主燃料喷嘴32向燃烧室5喷出。同样地，从燃料供给源26a通过燃料配管26b、26d、26e供给到燃料集管42a、42b的主燃料从燃料集管42a、42b被分配到各主燃料喷嘴41，并从各主燃料喷嘴41向燃烧室5喷出。经由燃料配管26d的主燃料的流量由燃料流量调节阀26g调节。经由燃料配管26d的主燃料的流量由燃料流量调节阀26h调节。经由燃料配管26e的主燃料的流量由燃料流量调节阀26i调节。通过该燃料流量的调节来控制燃气涡轮设备1的发电量。
2-4.先导燃料系统
先导燃料系统27构成为包括燃料供给源27a以及燃料配管27b。燃料配管27b具有燃料阻断阀(开闭阀)27c以及燃料流量调节阀27d，并将燃料供给源27a与先导燃料喷嘴31连接。燃料供给源27a的先导燃料经由燃料配管27b被向先导燃料喷嘴31供给，并从先导燃料喷嘴31向燃烧室5喷出。先导燃料的流量由燃料流量调节阀27d调节。
3.先导烧嘴
图2是示出先导烧嘴30的详细构造的剖视图，图3是将先导烧嘴30的内筒抽出示出的剖视图，图4是图2中的IV部的放大图。在图3～图5中，为了附图的简洁性而省略前述的先导燃料喷嘴31的图示。
如这些图所示，先导烧嘴30除了具有已说明的构成要素以外，还具有外筒36以及内筒37，该先导烧嘴30是由外筒36以及内筒37构成的双重管构造。
-外筒-
外筒36是先导烧嘴30的外廓(主体(body))，构成为包括主体36a、凸缘36b以及燃料口36c。
外筒36的主体36a形成为圆筒状，在内部具有收容内筒37的圆柱状的空间36d。在该空间36d中，从燃料口36c起在燃烧室5侧，内筒37的外侧的区域构成前述的燃料集管33。也就是说，燃料集管33是形成在外筒36与内筒37之间的环状的空间。另外，空间36d中的夹着燃料口36c而与燃烧室5相反的一侧的区域构成波纹管室38(后述)。
凸缘36b是外筒36的一部分，且是从圆筒状的主体36a的外周面向半径方向上的外侧突出的圆板状的部分。换言之，成为主体36a与凸缘36b正交且主体36a贯穿圆板状的凸缘36b的中央的结构。使外筒36穿过端盖13(图1)，利用螺栓等将凸缘36b固定于端盖13，由此支承先导烧嘴30。外筒36的主体36a是跨越凸缘36b而延伸的长条物，贯穿端盖13并延伸至向燃烧室5喷射燃料的位置(即燃烧室5的附近)。
燃料口36c构成为包括从凸缘36b的外周面向半径方向上的外侧延伸的配管部36c1、以及设置于配管部36c1的端部的凸缘部36c2。配管部36c1是直管状的部位，且在内部供与燃料集管33连接的燃料流路36h通过。燃料流路36h从径向外侧与燃料集管33连接。但是，配管部36c1也可以构成为L字管状。在该情况下，通过将配管部36c1与凸缘36b的外周面连接，燃料流路36h也从径向上的外侧与燃料集管33连接。
-内筒-
内筒37构成为包括顶部侧支承部37a、基部侧支承部37b、主体部37c、波纹管37d以及隔壁构件37e。该内筒37也与外筒36的主体36a同样为长条物，且该内筒37比外筒36的主体36a小径。另外，顶部侧支承部37a、基部侧支承部37b、主体部37c、波纹管37d以及隔壁构件37e是均在同轴上相互连结的环状或圆筒状的构件，在设计上，中心线一致。需要说明的是，隔壁构件的形状并不限定于圆形，也可以是矩形形状。
顶部侧支承部37a设置在内筒37的顶部侧(在将先导烧嘴30安装于端盖13的状态下接近燃烧室5的一侧，以下相同)的部分，并固定于外筒36。在本实施方式中，将与主体部37c形成为一体且从主体部37c的外周面向半径方向上的外侧突出的圆板状的构件作为顶部侧支承部37a进行例示。但是，顶部侧支承部37a的结构能够适当进行变更，也能够采用主体部37c以外的环状的板材作为顶部侧支承部37a。另外，顶部侧支承部37a以没有间隙的方式存在于内筒37的主体部37c的外周面与外筒36的主体36a的内周面之间，兼具将空间36d的顶部侧的端部即燃料集管33的顶部侧的端部封堵的端盖的作用。前述的各主燃料喷嘴32以将内筒37的主体部37c的周围包围的方式配置为环状，且支承于顶部侧支承部37a并与燃料集管33连接。
基部侧支承部37b设置在内筒37的基部侧(在将先导烧嘴30安装于端盖13的状态下远离燃烧室5的一侧，以下相同)的部分，并固定于外筒36。在本实施方式中，例示出将独立的环状的构件作为基部侧支承部37b装配于波纹管37d的基部侧的端部的结构。但是，基部侧支承部37b的结构能够适当进行变更，也能够采用例如基部侧支承部37b与波纹管37d形成为一体的结构。另外，基部侧支承部37b以没有间隙的方式存在于内筒37(波纹管37d)的外周面与外筒36(主体36a)的内周面之间。仅通过基于该基部侧支承部37b以及顶部侧支承部37a的两处，内筒37支承于外筒36。基部侧支承部37b与顶部侧支承部37a的间隔较长，例如超过300mm。
主体部37c是内侧供先导燃料喷嘴31(图1)穿过的圆筒状的构件。顶部侧支承部37a位于主体部37c中的靠近前端的位置，主体部37c借助该顶部侧支承部37a支承于外筒36。在该主体部37c的顶部侧的端部设置有前述的旋流器34。
波纹管37d与主体部37c的基部侧的端部连结，且收容于波纹管室38并存在于主体部37c与基部侧支承部37b之间。波纹管37d的基部侧端部借助基部侧支承部37b而被外筒36约束。波纹管37d是以较薄的金属板构成为蛇腹状的部件，从动于以顶部侧支承部37a为起点的主体部37c向轴向的热变形而伸缩，发挥吸收主体部37c向轴向的热变形的作用。波纹管37d的最大外径(蛇腹形状的最外周面的外径)比内筒37的主体部37c的外径大，与主体部37c的外周面相比，波纹管37d的最外周面与外筒36的空间36d的内壁面之间的面间的距离较短。
隔壁构件37e安装于主体部37c的波纹管侧的部分，且配置在顶部侧支承部37a与基部侧支承部37b之间。在本实施方式中，隔壁构件37e位于内筒37的主体部37c与波纹管37d的对置部，并嵌合于主体部37c的基部侧端部和波纹管37d的顶部侧端部。隔壁构件37e的外径比主体部37c的外径、波纹管37d的外径(最大外径)大。另外，该隔壁构件37e存在于向燃料集管33开口的燃料流路36h的出口36i与波纹管37d之间，将燃料集管33与波纹管室38分隔。
但是，在隔壁构件37e的外周面和与该外周面相面对的外筒36的主体36a的内周面(波纹管室38或燃料集管33的内壁面)之间存在较小的间隙G2(图4)。该间隙G2比波纹管37d的最外周面和与该最外周面相面对的外筒36的内周面(即波纹管室38的内壁面)之间的间隙G1(图4)小，例如为0.5mm～1mm左右。在隔壁构件37e和与该隔壁构件37e的内周面接触的构造物(主体部37c或波纹管37d)之间不存在间隙。从允许波纹管37d相对于外筒36的向径向的一定的热伸长差的观点、以及抑制先导燃烧嘴30的激振时的波纹管37d与波纹管室38的内壁的干涉的观点出发，设定间隙G2。
4.效果
(1)先导烧嘴30为具有外筒36以及内筒37的双重管构造，仅通过顶部侧支承部37a和基部侧支承部37b这两处，长条的内筒37支承于外筒36。例如在起动时在被燃烧空气a4加热了的状态下供给低温的燃料时等，外筒36与内筒37之间的伸长差根据状况而发生变化。外筒36与内筒37的伸长差主要在轴向上产生，能够利用波纹管37d灵活地吸收该轴向上的伸长差。
此外，在燃气涡轮发动机的工作中，先导烧嘴30由于机械振动、燃烧振动而被激振，在内筒37产生以顶部侧支承部37a以及基部侧支承部37b为振幅的波节的振动。关于内筒37的主体部37c，在与外筒36(主体36a)的内壁面之间存在燃料集管33，由于具有相应的空间，因此原则上不与外筒36的内壁面发生干涉。但是，关于内筒37的波纹管37d，与外筒36的内壁面(波纹管室38的内壁面)之间的空间比燃料集管33小，当内筒37的振幅变大时，有可能与外筒36的内壁面发生干涉。特别是，由于波纹管37d由较薄的金属板构成，因此不优选与其他构造物的干涉。
因此，在本实施方式中，在顶部侧支承部37a与基部侧支承部37b之间，在内筒37的主体部37c安装有隔壁构件37e。在隔壁构件37e的外周面与外筒36的内周面之间存在前述的间隙G2，通过该间隙G2允许一定量的波纹管37d与外筒36向径向的热伸长差，从而能够保护波纹管37d。此外，该间隙G2以比波纹管37d的最外周面与外筒36的内周面之间的间隙G1小的范围内适当地设定。由此，在顶部侧支承部37a与基部侧支承部37b之间，隔壁构件37e与外筒36的内周面发生干涉，隔壁构件37e发挥抑制内筒37的振幅的止动件的作用。由此，能够有效地抑制波纹管37d向径向的移动，从而也能够抑制波纹管37d与外筒36的干涉。通过将隔壁构件37e配置在波纹管37d的附近，能够有效地对波纹管37d进行减振。
如上所述，根据本实施方式的先导烧嘴30，能够使用波纹管37d来灵活地应对热变形，同时也能够有效地抑制波纹管37d的损伤。
(2)在本实施方式的情况下，构成为将隔壁构件37e配置在向燃料集管33开口的燃料流路36h的出口36i与波纹管37d之间，从而利用隔壁构件37e划分燃料集管33和波纹管室38。由此，波纹管37d成为障碍物并发挥减振器的作用，能够抑制从燃料流路36h向燃料集管33供给的燃料猛烈地流入波纹管室38的情况。即使异物与向燃料集管33供给的燃料相伴地进入先导烧嘴30，也能够抑制该异物进入波纹管室38而与波纹管37d发生干涉的情况，从而能够保护波纹管37d免受与燃料相伴的异物的影响。另外，能够抑制波纹管37d暴露在低温的燃料的流动中的情况，从而能够抑制波纹管37d与周围的构造物的伸长差，这一点也是优点。
(第二实施方式)
图5是将本发明的第二实施方式的先导烧嘴的主要部分放大示出的剖视图。该图对应于第一实施方式的图4。在图5中，对与第一实施方式相同或对应的要素标注与第一实施方式相同的附图标记并适当地省略说明。
本实施方式与第一实施方式不同的点在于，具备将隔壁构件37e的外周面与外筒36的内周面之间的间隙G2密封的密封构件39。密封构件是与间隙G2的形状相对应的环状的构件，期望使用弹性材料以允许波纹管37d与外筒36的向径向的相对伸长差的变化。在设置密封构件39的情况下，间隙G2能够相对于第一实施方式设定得较大。关于其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。
根据本实施方式，除了与第一实施方式相同的效果以外，通过利用密封构件39将燃料集管33与波纹管室38之间隔开，能够将向燃料集管33供给的燃料向波纹管室38的流动密封。由此，能够更有效地抑制与向燃料集管33供给的燃料相伴的异物与波纹管37d发生干涉的情况。另外，能够抑制燃料进入波纹管室38，从而抑制燃料在波纹管室38中的滞留。

Claims (4)

1.一种烧嘴，其是具有外筒以及内筒的双重管构造的烧嘴，
所述烧嘴的特征在于，
所述内筒构成为包括：
顶部侧支承部，其固定于所述外筒；
基部侧支承部，其固定于所述外筒；
主体部，其被所述顶部侧支承部支承；
波纹管，其存在于所述主体部与所述基部侧支承部之间；以及
隔壁构件，其安装在所述顶部侧支承部与所述基部侧支承部之间的位置，
在所述隔壁构件的外周面与所述外筒的内周面之间，存在比所述波纹管的最外周面与所述外筒的内周面之间的第一间隙小的第二间隙。
2.根据权利要求1所述的烧嘴，其特征在于，
所述烧嘴具备：
燃料集管，其形成在所述外筒与所述内筒之间；
多个主燃料喷嘴，它们与所述燃料集管连接；
先导燃料喷嘴，其穿过所述内筒的内侧；以及
燃料流路，其与所述燃料集管连接，
在向所述燃料集管开口的所述燃料流路的出口与所述波纹管之间存在所述隔壁构件。
3.根据权利要求1所述的烧嘴，其特征在于，
所述烧嘴具备将所述隔壁构件的外周面与所述外筒的内周面之间的所述第二间隙密封的密封构件。
4.一种燃烧器，其中，
所述燃烧器具备权利要求1所述的烧嘴。
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