TWI644059B - Gas turbine burner - Google Patents

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TWI644059B
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瀧口智志
斉藤圭司郎
宮內宏太郎
西田幸一
赤松真児
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日商三菱重工業股份有限公司
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Abstract

具備：旋流器筒(31)，係在燃燒器內筒(11)內被複數配置，對燃料與燃燒用空氣所被預先混合而成的預混合氣(Fp)賦予旋回流；和外側環(15)，係在複數個旋流器筒(31)與燃燒器內筒(11)之間對燃燒器內筒(11)保有間隙(41)而被配置，從間隙(41)往被連接在燃燒器內筒(11)之燃燒器尾筒(12)進行噴射而將薄膜狀之空氣(Af)生成在該當燃燒器尾筒(12)內；外側環(15)係在外側環(15)的下游端(15d)具有被形成為從上游側往下游側而厚度漸減的推拔面。

Description

燃氣渦輪燃燒器
本發明係有關於燃氣渦輪燃燒器。
近年來，於燃氣渦輪用的燃燒器中，為了降低NOx等目的，而多半採用了預混合燃燒方式。在此種採用了預混合燃燒方式的燃氣渦輪燃燒器中，除了具備進行預混合燃燒的主噴燃器(預混合噴燃器)以外，還具備進行擴散燃燒的前導噴燃器。藉此，由於作為讓主噴燃器生成預混合焰所需之火種係可使用前導噴燃器所生成的擴散焰，因此藉由使用該擴散焰來使該已被主噴燃器所生成的預混合氣進行燃燒，藉此而使預混合燃燒成為可能。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-92286號公報
[專利文獻2]日本特開2005-315457號公報
然而，於主噴燃器的出口附近，由於預混合氣是沿著其內周面而流動，因此會因為交界層的發展而產生流速降低的部分，在該流速降低的部分，有時後會產生因預混合氣所致之燃料高濃度領域。如此，在主噴燃器的出口附近，一旦產生低速、且燃料高濃度之領域，則對於此種領域，在其下游側所被生成的火焰有可能燃移，也就是可能會發生所謂的回焰(逆火)。
因此，可抑制回焰之發生的燃氣渦輪燃燒器，係有種種研討(參照專利文獻1、2)。例如，如圖4所示，在燃氣渦輪燃燒器100中，具備：在前導錐121的徑方向外側被複數設置，對預混合氣Fp賦予旋回流的旋流器筒131；和被配置在複數個旋流器筒131的徑方向外側，與燃燒器內筒111之間保有間隙141而被配置的外側環115；使擷取到的壓縮空氣從間隙141內噴射然後使薄膜狀之空氣Af沿著燃燒器尾筒(或出口外側環)112的內周面而流動。藉此，可防止沿著交界層內的低流速域也就是燃燒器尾筒112的內周面而回溯的(壁面)回焰fb。
然而，在上述的燃氣渦輪燃燒器100中，如圖5所示，外側環115的下游側端部115a係有落差，一旦前記壓縮空氣及預混合氣Fp沿著外側環115的外周面115c及內周面115b而往下游側流動，則壓縮空氣的流動會從外側環115的外周面115c剝離而產生滯留S1，另一方面，預混合氣Fp的流動會從外側環115的內周面115b 剝離而產生滯留，在該地點會發生低流速域。因此，滯留發生領域會變成保焰部，有可能導致發生回焰。
由以上可知，本發明係為了解決如上述之課題而研發，其目的在於提供一種，以簡單的構成，就可抑制外側環的下游側端部發生回焰的燃氣渦輪燃燒器。
解決上述課題的第1發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵為，具備：旋流器筒，係在燃燒器內筒內被複數配置，對燃料與燃燒用空氣所被預先混合而成的預混合氣賦予旋回流；和外側環，係在前記複數個旋流器筒與前記燃燒器內筒之間對該當燃燒器內筒保有間隙而被配置，從前記間隙往被連接在該當燃燒器內筒之燃燒器尾筒進行噴射而將薄膜狀之空氣生成在該當燃燒器尾筒內；前記外側環係在前記外側環的下游端具有被形成為從上游側往下游側而厚度漸減的推拔面。
解決上述課題的第2發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係為前述第1發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵為，前記推拔面係被形成在前記外側環的內周面側。
解決上述課題的第3發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係為前述第1發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵 為，前記推拔面係被形成在前記外側環的內周面側及外周面側之雙方。
解決上述課題的第4發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係為前述第1發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵為，前記推拔面係被形成在前記外側環的外周面側。
解決上述課題的第5發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係為前述第1至第4之任一發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵為，前記推拔面係為，沿著前記外側環的中心軸而切斷之剖面是呈曲線形狀。
解決上述課題的第6發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係為前述第1至第4之任一發明所述之燃氣渦輪燃燒器，其特徵為，前記推拔面係相對於徑方向具有30度~60度之角度。
若依據本發明，則外側環係在前記外側環的下游端具有被形成為從上游側往下游側而厚度漸減的推拔面，因此，預混合氣或壓縮空氣會沿著外側環的內周面或外周面而往下游側平滑地流動，在外側環的下游側端部不會發生預混合氣或壓縮空氣的流動之剝離，可縮小起因於 氣體流動之剝離所產生的滯留領域。藉此，可以簡易的構成，就可抑制外側環的下游側端部發生回焰。
1、1A、1B‧‧‧燃氣渦輪燃燒器
11‧‧‧燃燒器內筒
12‧‧‧燃燒器尾筒
13‧‧‧前導噴燃器
14‧‧‧主噴燃器
15、15A、15B‧‧‧外側環
15a、15Aa、15Ba‧‧‧下游側端部
15b、15Ab、15Bb‧‧‧內周面
15ba、15Aba‧‧‧內周面側推拔面
15c、15Ac、15Bc‧‧‧外周面
15Aca、15Bca‧‧‧外周面側推拔面
15d、15Ad、15Bd‧‧‧下游端
21‧‧‧前導錐
22‧‧‧前導噴嘴
23‧‧‧前導旋流器
31‧‧‧旋流器筒
33‧‧‧主噴嘴
34‧‧‧主旋流器
35‧‧‧基板
41‧‧‧間隙(空氣流通路)
A‧‧‧壓縮空氣
Af‧‧‧薄膜空氣
C1‧‧‧燃燒器內筒的中心軸
C2‧‧‧燃燒器內筒的中心軸
F‧‧‧燃料
Fp‧‧‧預混合氣
θ 1‧‧‧內周面側推拔面之角度
θ 3‧‧‧外周面側推拔面之角度
[圖1]本發明的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器之內部構成的概略性圖示。
[圖2]本發明的第二實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器之內部構成的概略性圖示。
[圖3]本發明的第三實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器之內部構成的概略性圖示。
[圖4]先前的燃氣渦輪燃燒器之一例的概略圖。
[圖5]圖4中的圈線V的放大圖。
雖然根據圖式來說明本發明所述之燃氣渦輪燃燒器的實施形態，但本發明並非限定於根據圖式所說明的以下實施形態。
[第一實施形態]
關於本發明的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器，使用圖1來說明。此外，於圖1中，符號C1係表示燃燒器內筒的中心軸。
如圖1所示，燃氣渦輪燃燒器1係採用預混 合燃燒方式，具備：使燃料F與燃燒用的壓縮空氣A混合的燃燒器內筒11、和被連接在該燃燒器內筒11之下游側端部(後端部)的，作為燃燒室的燃燒器尾筒12。然後，在燃燒器內筒11的上游側端部(前端部)係收納有前導噴燃器13與複數個主噴燃器(預混合噴燃器)14。
前導噴燃器13，係與燃燒器內筒11被配置在同軸上，是由前導錐21、前導噴嘴22、前導旋流器23所構成。在前導錐21內，係有前導噴嘴22，以與該前導錐21同軸的方式而被插入。在前導錐21的內周面與前導噴嘴22的外周面之間係介隔有前導旋流器23。
主噴燃器14係在前導噴燃器13的徑方向外側，在燃燒器內筒11的周方向以等角度間隔而被設置，是由旋流器筒31、主噴嘴(預混合噴嘴)33、主旋流器34所構成。在旋流器筒31內，係有主噴嘴33，以與該旋流器筒31同軸的方式而被插入。然後，旋流器筒31的內周面與主噴嘴33的外周面之間，係介隔有主旋流器34。旋流器筒31，係隔著基板35，而被支持在燃燒器內筒11的內周面。
上述的燃氣渦輪燃燒器1係還具有：在複數個旋流器筒31與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11保有間隙41而與燃燒器內筒11被配置在同軸上的外側環15。外側環15，係透過熔接等之固定具，而被支持在複數個主噴燃器14上所被分別設置的旋流器筒31的外周面。外側環15，係在其下游側具有：被設在內周面(內徑 部)15b側，從上游側往下游側而厚度漸減的內周面側推拔面15ba。亦即，外側環15，係在外側環15的下游端15d，具有內周面側推拔面15ba。內周面側推拔面15ba的下游側，係與外側環15的下游側端部15a連接。藉此，沿著外側環15的內周面15b而被引導至下游側的預混合氣Fp，係藉由內周面側推拔面15ba而往下游側平滑地以高流速而流動。
接著說明，燃氣渦輪燃燒器1的運轉時的各動作。
在燃氣渦輪燃燒器1的運轉時，高溫、高壓的壓縮空氣A流入至燃燒器內筒11的上游側端部後，被供給至前導噴燃器13內及主噴燃器14內，同時，燃料F係被供給至這些前導噴嘴22內及主噴嘴33內。
此處，在前導噴燃器13內，首先，所被供給的壓縮空氣A，係藉由前導旋流器23而被旋回，藉此而與從前導噴嘴22所被噴射的燃料F混合。接下來，對如此所被混合的燃料混合氣進行點火，而於前導錐21的內部及下游側(燃燒器尾筒12的內部)進行擴散燃燒。然後，藉由該擴散燃燒而產生的燃氣，係在燃燒器尾筒12的內部，被供給至渦輪側。
另一方面，在主噴燃器14內，首先，所被供給的壓縮空氣A，係藉由主旋流器34而被旋回，藉此而與從主噴嘴33所被噴射的燃料F混合，生成預混合氣Fp。接下來，已旋回的預混合氣Fp，係被外側環15與前 導錐21而往下游側引導而被供給至燃燒器尾筒12內。此時，沿著外側環15的內周面15b而被引導至下游側的預混合氣Fp，係藉由內周面側推拔面15ba而往下游側平滑地流動。其後，被供給至燃燒器尾筒12內的預混合氣Fp，係藉由已被前導噴燃器13所生成之擴散焰而被燃燒，進行預混合燃燒。
此時，如上述的燃氣渦輪燃燒器1的運轉時，係在主噴燃器14的周圍也被供給有壓縮空氣A，因此，該壓縮空氣A，係總是隔著燃燒器內筒11的內周面11a與外側環15的外周面15c之間之間隙(空氣通路)41而被擷取至燃燒器尾筒12內。亦即，壓縮空氣A通過間隙41而往燃燒器尾筒12內噴射，藉此而變成薄膜狀之空氣(以下稱為薄膜空氣)Af，該薄膜空氣Af係沿著燃燒器尾筒12的內周面而往其下游側流動。
因此，若依據本實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1，具備：在複數個旋流器筒31與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11保有間隙41而被配置，從間隙41往被連接在燃燒器內筒11之燃燒器尾筒12進行噴射而將薄膜空氣Af生成在燃燒器尾筒12內的外側環15；外側環15係在該當外側環15的下游端15d具有從上游側往下游側而厚度漸減地被形成在內周面15b側的內周面側推拔面15ba，因此，沿著外側環15的內周面15b而被引導至下游側的預混合氣Fp，係藉由內周面側推拔面15ba而從上游側往下游側平滑地以高流速而流動，在外側環15的下 游側端部15a不會發生預混合氣Fp的流動之剝離，可縮小起因於氣體流動之剝離所產生的滯留領域。藉此，以簡單的構成，就可抑制外側環15的下游側端部15a發生回焰。又，預混合氣Fp係藉由薄膜空氣Af而被促進混合，因此可期待低NOx化。因此，燃燒穩定，可抑制燃燒效率的降低。
又，內周面側推拔面15ba，係相對於徑方向具有30度~60度之範圍的角度θ 1，較為理想。這是為了使沿著外側環15的內周面15b而被引導至下游側的預混合氣Fp能更加平滑地往下游側流動。
[第二實施形態]
關於本發明的第二實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器，使用圖2來說明。
此外，本實施形態，係只變更外側環，除此以外，係具備和上述的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器相同的構件。在本實施形態中，與上述的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器相同構件係標示同一符號並適宜省略其說明。圖2中係僅圖示了，燃氣渦輪燃燒器的上半部的內部結構。
本實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1A，係如圖2所示，和上述第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1同樣地，具備：被收容在燃燒器內筒11內的前導噴燃器13及主噴燃器14、和被連接在燃燒器內筒11的燃燒器尾 筒12，同時，具備：在主噴燃器14的複數個旋流器筒31與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11的內周面11a保有間隙41而與燃燒器內筒11被配置在同軸上的外側環15A。此外，外側環15A，係和外側環15同樣地，透過熔接等之固定具，而被支持在複數個主噴燃器14上所被分別設置的旋流器筒31的外周面。
外側環15A係在其下游側，具有從上游側往下游側而厚度漸減地而被形成的內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔面15Aca。亦即，外側環15A，係在外側環15A的下游端15Ad，具有內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔面15Aca。內周面側推拔面15Aba，係被形成在外側環15A的內周面(內徑部)15Ab側。外周面側推拔面15Aca，係被形成在外側環15A的外周面(外徑部)15Ac側。內周面側推拔面15Aba，係呈現朝外周面15Ac側突出的曲面形狀。外周面側推拔面15Aca，係呈現朝內周面15Ab側突出的曲面形狀。亦即，內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔面15Aca係為，沿著外側環15A的中心軸而切斷之剖面是呈曲線形狀。又，內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔面15Aca的下游側，係與外側環15A的下游側端部15Aa連接。藉此，沿著外側環15A的內周面15Ab而被引導至下游側的預混合氣Fp，係藉由內周面側推拔面15Aba而往下游側平滑地以高流速而流動。沿著外側環15A的外周面15Ac而被引導至下游側的壓縮空氣A，係藉由外周面側推拔面15Aca而往下游側平滑地 以高流速而流動。
因此，若依據本實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1A，則具備：在複數個旋流器筒31與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11保有間隙41而被配置，從間隙41往被連接在燃燒器內筒11之燃燒器尾筒12進行噴射而將薄膜空氣Af生成在燃燒器尾筒12內的外側環15A；外側環15A係在該當外側環15A的下游端15Ad具有從上游側往下游側而厚度漸減地分別被形成在內周面15Ab側及外周面15Ac側的內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔面15Aca，因此，沿著外側環15A的內周面15Ab而被引導至下游側的預混合氣Fp，係藉由內周面側推拔面15Aba而從上游側往下游側平滑地以高流速而流動，另一方面，沿著外側環15A的外周面15Ac而被引導至下游側的壓縮空氣A，係藉由外周面側推拔面15Aca而從上游側往下游側平滑地以高流速而流動。藉此，在外側環15A的下游側端部15Aa不會發生預混合氣Fp的流動之剝離與壓縮空氣A的流動之剝離，可縮小起因於氣體流動之剝離所產生的滯留領域。其結果為，以簡單的構成，就可抑制外側環15A的下游側端部15Aa發生回焰。預混合氣Fp係藉由薄膜空氣Af而被促進混合，因此可期待低NOx化。再者，沒有預混合氣Fp的朝外流動，因此在燃燒器尾筒12的內壁中預混合氣Fp難以流動，也可期待抑制發生在壁面交界層的回焰。因此，燃燒穩定，可抑制燃燒效率的降低。
又，內周面側推拔面15Aba及外周面側推拔 面15Aca係為沿著外側環15A的中心軸而切斷之剖面是呈曲線形狀，因此相較於這些地點沿著外側環15A的中心軸而切斷之剖面是呈直線的情況，預混合氣Fp及壓縮空氣A會更為平滑地流動。藉此，起因於氣體流動之剝離而在外側環15A的下游側端部15Aa所發生的滯留領域，係相較於推拔面是沿著外側環15A的中心軸而切斷之剖面是呈直線時，會變得較小。其結果為，以簡單的構成，就可更為抑制外側環15A的下游側端部15Aa發生回焰。因此，燃燒會更穩定，可更為抑制燃燒效率的降低。
[第三實施形態]
關於本發明的第三實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器，使用圖3來說明。
此外，本實施形態，係只變更外側環，除此以外，係具備和上述的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器相同的構件。在本實施形態中，與上述的第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器相同構件係標示同一符號並適宜省略其說明。圖3中係僅圖示了，燃氣渦輪燃燒器的上半部的內部結構。
本實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1B，係如圖3所示，和上述第一實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1同樣地，具備：被收容在燃燒器內筒11內的前導噴燃器13及主噴燃器14、和被連接在燃燒器內筒11的燃燒器尾筒12，同時，具備：在主噴燃器14的複數個旋流器筒31 與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11的內周面11a保有間隙41而與燃燒器內筒11被配置在同軸上的外側環15B。此外，外側環15B，係和外側環15同樣地，透過熔接等之固定具，而被支持在複數個主噴燃器14上所被分別設置的旋流器筒31的外周面。
外側環15B係在其下游側，具有從上游側往下游側而厚度漸減地而被形成的外周面側推拔面15Bca。亦即，外側環15B，係在外側環15B的下游端15Bd，具有外周側推拔面15Bca。外周面側推拔面15Bca，係被形成在外側環15B的外周面(外徑部)15Bc側。又，外周面側推拔面15Bca的下游側，係與外側環15B的下游側端部15Ba連接。藉此，沿著外側環15B的外周面15Bc而被引導至下游側的壓縮空氣A，係藉由外周面側推拔面15Bca而往下游側平滑地以高流速而流動。此外，沿著外側環15B的內周面15Bb而被引導至下游側的預混合氣Fp，係直接被供給至燃燒器尾筒12內。
因此，若依據本實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1B，則具備：在複數個旋流器筒31與燃燒器內筒11之間對燃燒器內筒11保有間隙41而被配置，從間隙41往被連接在燃燒器內筒11之燃燒器尾筒12進行噴射而將薄膜空氣Af生成在燃燒器尾筒12內的外側環15B；外側環15B係在該當外側環15B的下游端15Bd具有從上游側往下游側而厚度漸減地被形成在外周面15Bc側的外周面側推拔面15Bca，因此，沿著外側環15B的外周面15Bc 而被引導至下游側的壓縮空氣A，係藉由外周面側推拔面15Bca而從上游側往下游側平滑地以高流速而流動。藉此，在外側環15B的下游側端部15Ba不會發生壓縮空氣A的流動之剝離，可縮小起因於氣體流動之剝離所產生的滯留領域。其結果為，以簡單的構成，就可抑制外側環15B的下游側端部15Ba發生回焰。沒有預混合氣Fp的朝外流動，在燃燒器尾筒12的內壁中流動的係為燃料混合較少之薄膜空氣Af，因此也可期待抑制發生在壁面交界層的回焰。因此，燃燒穩定，可抑制燃燒效率的降低。
又，外周面側推拔面15Bca，係相對於徑方向具有30度~60度之範圍的角度θ 3，較為理想。這是為了使沿著外側環15B的外周面15Bc而被引導至下游側的壓縮空氣A能更加平滑地往下游側流動。
[其他實施形態]
亦可將上述的燃氣渦輪燃燒器1A適用於上述的第一、第三實施形態所述之燃氣渦輪燃燒器1、1B而將內周面側推拔面或外周面側推拔面或其雙方設成曲面形狀的燃氣渦輪燃燒器。即使是如此的燃氣渦輪燃燒器，也可達成和上述的燃氣渦輪燃燒器1A相同的作用效果。
亦可將上述的燃氣渦輪燃燒器1、1B加以組合，成為內周面側推拔面及外周面側推拔面是具備分別被形成在內周面及外周面的外側環的燃氣渦輪燃燒器。即使是如此的燃氣渦輪燃燒器，也可達成和上述的燃氣渦輪燃 燒器1、1B相同的作用效果。
亦可將上述的燃氣渦輪燃燒器1、1A、1B，適用於具備下游側端部是比前導錐的下游側端部還往氣體的流通方向下游側延展之形狀的外側環的燃氣渦輪燃燒器。即使是如此的燃氣渦輪燃燒器，也可達成和上述的燃氣渦輪燃燒器1、1A、1B相同的作用效果。
亦可將上述的燃氣渦輪燃燒器1、1A、1B適用於，在複數個主噴燃器14的旋流器筒31之每一者分別設置有延長管的燃氣渦輪燃燒器、或在外側環與燃燒器內筒(燃燒器尾筒)之間配置有出口外側環的燃氣渦輪燃燒器。即使是如此的燃氣渦輪燃燒器，也可達成和上述的燃氣渦輪燃燒器1、1A、1B相同的作用效果。
[產業上之利用可能性]
本發明所述之燃氣渦輪燃燒器，係以簡單的構成，就可抑制外側環的下游側端部發生回焰，因此在產業上可以極為有益地利用。

Claims (6)

  1. 一種燃氣渦輪燃燒器，其特徵為：具備：旋流器筒，係在燃燒器內筒內被複數配置，對燃料與燃燒用空氣所被預先混合而成的預混合氣賦予旋回流；和外側環，係在前記複數個旋流器筒與前記燃燒器內筒之間對該當燃燒器內筒保有間隙而被配置，從前記間隙往被連接在該當燃燒器內筒之燃燒器尾筒進行噴射而將薄膜狀之空氣生成在該當燃燒器尾筒內；和前導錐，係配置在前記外側環內，前記外側環係在前記外側環的下游端具有被形成為從上游側往下游側而厚度漸減的推拔面，前記前導錐之下游側端部的位置與前記外側環之下游側端部的位置，是在軸方向上對齊。
  2. 如請求項1所記載之燃氣渦輪燃燒器，其中，前記推拔面係被形成在前記外側環的內周面側。
  3. 如請求項1所記載之燃氣渦輪燃燒器，其中，前記推拔面係被形成在前記外側環的內周面側及外周面側之雙方。
  4. 如請求項1所記載之燃氣渦輪燃燒器，其中，前記推拔面係被形成在前記外側環的外周面側。
  5. 如請求項1至請求項4之任一項所記載之燃氣渦輪燃燒器，其中，前記推拔面，沿著前記外側環的中心軸而切斷之剖面是呈曲線形狀。
  6. 如請求項1至請求項4之任一項所記載之燃氣渦輪燃燒器，其中，前記推拔面係相對於徑方向具有30度~60度之角度。
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