CN104612833A - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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吉田正平
宇留野智纪
林明典
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Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器，能够提高燃气轮机燃烧器的内筒的冷却性能和降低NOX排量。燃气轮机燃烧器具备：将燃烧空气和燃料燃烧而生成燃烧气体的圆筒状的内筒；同心圆状地配置于内筒的外侧的外筒；设置于外筒的上游侧端部的端罩；以及由内筒的外周面和外筒的内周面形成的供燃烧用空气流通的环状流道，燃气轮机燃烧器在内筒的外周面与内周面之间的内筒壁的内部上，形成有横剖视为端部配置于上游侧的コ字状的流道，流道具备第一流道和第二流道，该第一流道沿与内筒的轴向平行的方向形成且在一端侧设置有向内筒壁的外侧开口的供给孔，该第二流道的另一端侧与第一流道的另一端侧连通且在其一端侧设置有向内筒壁的内侧开口的喷出孔。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器。
背景技术
近年，在生产用的燃气轮机燃烧器中，寻求环境负荷的降低，因燃烧而产生的氧化氮物(NOX)的排量降低成为重要的课题。NOX排量的降低通过抑制燃气轮机燃烧器内的局部高温区域的产生来实现。具体来说，在燃烧前将燃料与空气混合，并以燃料和空气的混合比比理论混合比低的状态燃烧即可。因此，就NOX排量的降低而言，增加燃烧用空气的量而降低混合比是有效的。
可是，燃气轮机燃烧器一般情况下具备将燃料和空气混合的生成混合气体的混合器以及配置于混合器下游的使混合气体燃烧的内筒。在内筒的内部进行燃烧反应，因此内筒壁曝露在高温的燃烧气体中。因此，在以往的燃气轮机燃烧器中，采用使用燃烧用空气的一部分在内筒壁面上流通膜状的冷却空气的膜冷却构造。
一般情况下，从压缩机向燃烧器供给的压缩空气被分配为内筒壁的冷却空气和燃烧用空气。因此，若增加内筒壁的冷却空气的量则燃烧用空气的量减少而难以降低NOX的排量。因此，公开有如下方法，在内筒壁内形成冷却空气的通道，通过冷却空气经过通道而进行的对流冷却和将流出通道的空气使用于膜冷却，来提高冷却效果并削减冷却空气(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2009-79789号公报
近年，生产用燃气轮机燃烧器为了削减排出的二氧化碳量而期望高效率化。因此，实现燃烧器出口(燃气轮机入口)的燃烧气体温度的高温化，必须提高燃烧器内筒的冷却性能。另外，因为燃烧气体温度的高温化是使NOX排量增加的主要原因，所以为了使燃烧用空气量增大，产生使冷却空气量减少的必要。为解决这些课题而期望进一步提高燃烧器内筒的冷却性能。
发明内容
本发明基于上述情况而完成，其目的在于提供一种燃气轮机燃烧器，能够提高燃气轮机燃烧器的内筒的冷却性能和降低NOX排量。
为了解决上述课题，例如采用权利要求记载的构成。本申请包括多个解决上述课题的机构，如果列举其一例，则提供一种燃气轮机燃烧器，其具备：将燃烧空气和燃料燃烧而生成燃烧气体的圆筒状的内筒；同心圆状地配置于上述内筒的外侧的外筒；设置于上述外筒的上游侧端部的端罩；以及由上述内筒的外周面和上述外筒的内周面形成的供燃烧用空气流通的环状流道，上述燃气轮机燃烧器的特征在于，在上述内筒的外周面与内周面之间的内筒壁的内部形成有横剖视为端部配置于上游侧的コ字状的流道，上述流道具备第一流道和第二流道，该第一流道沿与上述内筒的轴方向平行的方向形成且在一端侧设置有向上述内筒壁的外侧开口的供给孔，该第二流道的一端侧设置有向上述内筒壁的内侧开口的喷出孔且其另一端侧与上述第一流道的另一端侧连通，从上述供给孔流入的燃烧用空气的一部分在上述第一流道朝向与上述燃烧气体的流动方向相同的方向流动，之后折返而在上述第二流道朝向与上述燃烧气体的流动方向相反的方向流动，并从上述喷出孔向上述内筒的内部喷出。
本发明的效果如下。
根据本发明，由于提高了燃气轮机燃烧器的内筒的冷却性能，因此能减少冷却空气量，增加燃烧空气量。其结果，能够提供能使NOX排出量降低的可靠性高的燃气轮机燃烧器。
附图说明
图1是将本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的主要部分侧剖视图与燃气轮机燃烧器设备整体的示意图一并表示的概略构成图。
图2是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的内筒和尾筒的配置构成的概略构成图。
图3是放大表示图2的Z部的内筒和尾筒的纵剖视图。
图4是图2的A-A线的内筒的横剖视图。
图5是图4的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图6是图4的C-C线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图7是构成以往的燃气轮机燃烧器的内筒与尾筒的纵剖视图。
图8是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图。
图9是图8的A-A线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图10是图8的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图11是表示与从构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的内筒的喷出孔到内筒下游端的长度对应的冷却效率的特性图。
图12是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第三实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图。
图13是图12的A-A线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图14是图12的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图15是图12的C-C线的内筒与尾筒的纵剖视图。
图16是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图。
图中：1—压缩机，2—汽轮机，3—燃烧器，4—发电机，5—内筒，6—尾筒，7—外筒，12—压缩空气，13—冷却空气，14—燃烧空气，16—燃烧气体，101—尾筒壁，102—内筒壁，104—供给孔，105—流道，105a—第一流道，105b—第二流道，105c—第三流道，105d—第四流道，107—喷出孔。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的燃气轮机燃烧器的实施方式进行说明。
实施例1
图1是将本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的主要部分侧剖视图与燃气轮机燃烧器设备整体的示意图一并表示的概略构成图。
图1所示的燃气轮机燃烧器设备主要具备：压缩空气而生成高压的压缩空气12的压缩机1；将从自该压缩机1导入的压缩空气12中分配的燃烧用空气14与燃料混合并燃烧而生成燃烧气体16的燃烧器3；导入有由燃烧器3生成的燃烧气体16的汽轮机2；以及通过汽轮机2的驱动而旋转从而产生电力的发电机4。此外，压缩机1、汽轮机2以及发电机4由旋转轴连结。
燃烧器3具备：将燃烧空气14和燃料燃烧而生成燃烧气体16的内筒5；位于内筒5的下游并与汽轮机2和内筒5连接的尾筒6；收纳内筒5和尾筒6的外筒7；设置于外筒7的上游侧端部的端罩8；配置于内筒5的上游侧的扩散燃烧嘴19；以及预混合燃烧嘴20。扩散燃烧嘴19具备燃料喷嘴9，预混合燃烧嘴20具备燃料喷嘴10。
在内筒5与尾筒6的连接部，内筒5的下游侧端部内插于尾筒6的上游侧端部，并通过设置于内筒5的下游侧端部的外周侧的板簧密封部件100保持嵌合状态。
从压缩机1排出的压缩空气12通过由内筒5、尾筒6以及外筒7形成的环状流道，其一部分用作内筒5、尾筒6的冷却空气13，剩下的空气作为燃烧空气14向扩散燃烧嘴19和预混合燃烧嘴20供给。通过使该燃烧空气14与从设置于各燃烧嘴的燃料喷嘴9、10喷射的燃料混合并燃烧，在内筒5内形成扩散火焰17和预混合火焰18。
接下来，使用图2至图6对内筒壁的构造进行说明。图2是表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的内筒和尾筒的配置构成的概略构成图，图3是放大表示图2的Z部的内筒和尾筒的纵剖视图，图4是图2的A-A线的内筒横剖视图，图5是图4的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图，图6是图4的C-C线的内筒与尾筒的纵剖视图。在图2至图6中，与图1所示的符号相同的部分是同一部分，所以省略其详细的说明。
图2所示的Z部是内筒5与尾筒6的连接部，如上所述地设置于内筒5的下游侧端部外周侧的板簧密封部件100保持内筒5与尾筒6的嵌合状态。
图3是内筒5与尾筒6的连接部的放大纵剖视图。在图3中，附图标记101表示尾筒壁，102表示内筒壁，105表示设置于内筒壁102的内部的冷却空气的流道，106表示唇边。
如图4至图6所示，在内筒壁102的内部，横剖视为端部配置于上游侧的形成为“コ”字状的回流形状的冷却空气的流道105在内筒壁102的直径方向上形成有多个。在一个流道105的一方端部上，设置有在图5所示的内筒5的外侧开口的供给孔104，在流道105的另一方端部上，设置有在图6所示的内筒5的内侧开口的喷出孔107。
换句话说，流道105具备：形成在与燃烧器3的轴方向平行的方向上且一端侧设置有供给孔104的第一流道105a；形成在与燃烧器3的轴方向平行的方向上且一端侧设置有喷出孔107的第二流道105b；以及形成为与燃烧器3的圆周方向平行且连通第一流道105a的另一端侧和第二流道105b的另一端侧的第三流道105c。此外，在图6中，X1表示喷出孔107的中心点，X3表示内筒5的下游端，L3表示从喷出孔107的中心点X1到内筒5的下游端X3的距离。
如图5所示，在尾筒6的尾筒壁101的外侧从下游侧向上游侧压送的压缩空气12，作为冷却空气13从在内筒5的外侧开口的供给口104向第一流道105a流入，流至内筒5的下游端，其后，通过第三流道105c折返至第二流道105b，如图6所示地流向上游侧，并从喷出孔107向内筒5的内部喷出。从喷出孔107喷出的冷却空气13通过被唇边106导向而沿内筒壁102的壁面与燃烧气体16向相同方向流动。
接下来，为了与本实施方式比较，使用图7来说明具有未在内筒壁的内部具有流道的内筒5与尾筒6的连接部的燃烧器。图7是构成以往的燃气轮机燃烧器的内筒与尾筒的纵剖视图。在图7中，与图1至图6所示的符号相同符号的部分是同一部分，所以省略其详细的说明。
在图7中，附图标记200表示内筒5的内筒壁，201表示将冷却空气13向内筒5的内部导入的冷却孔。图7所示的现有技术是采用膜空气冷却方式作为内筒壁200的壁面的冷却方法的情况的构造，从冷却孔201流入的冷却空气13通过唇边106在沿内筒壁面的流动方向上形成气流。
在这样地构成的现有技术中，在内筒壁200的外表面上，设置有密封部件100，再有，尾筒壁101覆盖在其外侧。一般情况下，通过流经内筒5和尾筒6的外侧的压缩空气12能够得到对流冷却的效果，但是在被尾筒壁101覆盖的内筒壁200的部位得不到对流冷却的效果。因此，产生仅由膜冷却对内筒壁200的部位进行冷却的需要。
从冷却孔201的中心到内筒壁下游端的距离L一般情况下形成得比较长。另外，内筒壁下游端附近因为被密封部件100和尾筒壁101覆盖外侧所以不能设置冷却孔201。因此，为使到内筒壁200的下游端为止由膜冷却进行充分的冷却，不得不通过增大冷却孔201的直径来增加冷却空气13的量。在这种情况下，因为通过增加冷却空气13的量使得燃烧空气14的量减少，所以产生NOX排量增加的问题。
对于这样的问题，根据本发明的第一实施方式，如图4至图6所示，从供给孔104流入的冷却空气13经过形成于内筒壁102内部的第一流道105a与燃烧气体16的流动方向朝向同方向地流至内筒5的下游端附近，其后，通过第三流道105c折返至第二流道105b而朝向相反方向流动，并从喷出孔107向内筒5的内部喷出。从喷出孔107喷出的冷却空气13通过被唇边106导向而沿着内筒壁102的壁面形成与燃烧气体16相同方向的气流。
根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式，因为燃气轮机燃烧器3的内筒5的冷却性能提高，所以能够减少冷却空气13的量，从而增加燃烧空气14的量。其结果，能够提供可使NOX排量降低的高可靠性的燃气轮机燃烧器。
另外，根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式，冷却空气13通过内筒壁102的内部，因此能够通过对流冷却使冷却性能提高。特别地，内筒壁102的下游端附近，第三流道105c沿内筒5的圆周方向形成，由于冷却空气13朝向圆周方向流动，因此能够在内筒壁102的下游端附近遍及圆周方向地进行冷却。
再有，根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式，从喷出孔107向内筒5的内部喷出的冷却空气13能够活用作膜冷却用空气，所以能够以双重冷却效果来提高内筒5的可靠性。
另外，根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式，因为能够以较少的冷却空气13得到与现有技术同等以上的冷却性能，所以能够增加燃烧空气14的量。由此，能够减少NOX排量并降低燃烧气体16的温度。通过降低燃烧气体16的温度，对内筒5以外的构成部件而言也能够提高可靠性。
此外，在本实施方式中，虽然对流道105形成为横剖视为端部配置于上游侧的“コ”字形状的例子进行了说明，但并不限于此。只要是具备从燃烧器3的上游外侧使冷却空气13流入并经过内筒壁102内部而朝向下游方向的一流道和折返而使冷却空气13朝向上游方向并在其上游端侧设置向内筒5的内侧喷出冷却空气13的喷出孔的另一流道的回流形状，也可以形成为V字状或U字状。
另外，在本实施方式中，虽然对在内筒5的下游端部的内筒壁102的内部设置流道105的例子进行了说明，但当然也能够将本发明适用于内筒5的下游端部以外的部分。
实施例2
以下使用附图对本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式进行说明。图8是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图，图9是图8的A-A线的内筒与尾筒的纵剖视图，图10是图8的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图，图11是表示与从构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的内筒的喷出孔到内筒下游端的长度对应的冷却效率的特性图。在图8至图11中，与图1至图7所示的符号相同的部分是同一部分，所以省略其详细的说明。
图8至图10所示的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式虽然由大致与第一实施方式相同的机器构成，但是以下的构成不同。在本实施方式中，如图8至图10所示，虽然在内筒壁102上构成有与第一实施方式相同的冷却空气的流道105，但不同点在于，在一个流道105中，在将从在一端侧设置供给孔104的第一流道105a的供给孔104的中心点到内筒5的下游端的长度记为L1、将从在一端侧设置喷出孔107的第二流道105b的喷出孔107的中心点X2到内筒5的下游端X3的长度记为L2时，以L1>L2的方式形成各流道。
使用图11对这样地构成的本实施方式的冷却效果进行说明。在图11中，横轴表示从喷出孔107的中心点到内筒5的下游端X3的距离L，X1表示图6所示的第一实施方式的喷出孔107的中心点。另外，X2表示图10所示的第二实施方式的喷出孔107的中心点，X3表示图6以及图10所示的内筒5的下游端。另外，竖轴表示冷却效率。因此，特性线(a)表示第一实施方式的冷却效率的特性，特性线(b)表示本实施方式的冷却效率的特性。
在此，冷却效率η由下式(1)表示。
η＝(Tg-Tm)/(Tg-Ta)   (1)
在此，Tg表示燃烧气体温度，Tm表示壁面温度，Ta表示冷却空气温度。
一般情况下，冷却效率η表示在冷却空气的流量、温度恒定的情况下，若距喷出孔107的中心点的距离L较长，则越变长越下降的趋势。若比较第一实施方式的特性线(a)和本实施方式的特性线(b)，则因为本实施方式的从喷出孔107的中心点X2到内筒壁102的下游端位置X3的距离L2比第一实施方式的距离L3短，所以就内筒壁102的下游端位置X3的膜冷却效率而言，本实施方式的效率η2比第一实施方式的效率η3高。
由此，在本实施方式中，相比于第一实施方式，在内筒壁102的下游端的冷却强化方面具有效果。其结果，能够提供可靠性更高的燃烧器内筒。
根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式，能够得到与第一实施方式相同的效果。
另外，根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式，因为能够提高内筒壁102的下游端位置的冷却效率，所以能够提高可靠性较高的燃烧器内筒。
实施例3
以下，使用附图对本发明的燃气轮机燃烧器的第三实施方式进行说明。图12是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第三实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图，图13是图12的A-A线的内筒与尾筒的纵剖视图，图14是图12的B-B线的内筒与尾筒的纵剖视图，图15是图12的C-C线的内筒与尾筒的纵剖视图。在图12至图15中，与图1至图11所示的符号相同的部分是同一部分，所以省略其详细的说明。
图12至图15所示的本发明的燃气轮机燃烧器的第三实施方式虽然由大致与第一实施方式以及第二实施方式相同的机器构成，但是以下的构成不同。在本实施方式中，如图12至图15所示，虽然在内筒壁102上构成有与第二实施方式相同的冷却空气的流道105，但不同点在于，在一个流道105中，在喷出孔107侧的第二流道105b的上游侧端部设置有沿内筒壁102的直径方向延伸的第四流道105d，以及在该第四流道105d的两端部分别设置有喷出孔107。
沿内筒壁102的轴方向延伸的第一流道105a与第二流道105b的直径方向之间配置有一喷出孔107，沿内筒壁102的轴方向延伸的第二流道105b与邻接的其他的流道105的第一流道105a的直径方向之间配置有其他的喷出孔107。
根据这样地构成的本实施方式，由图13和图14所示的第一流道105a和第二流道105b通过在内部流有冷却空气13来得到对流冷却的效果。再有，由于从由图12和图15所示的第四流道105d的两端部的喷出孔107喷出的冷却空气13在沿内筒5的轴方向延伸的流道105间成为膜冷却空气并沿内筒壁102的内周流动，因此能够以对流冷却和膜冷却这两种效果遍及内筒壁102的圆周方向全周地进行冷却。其结果，因为内筒壁102的圆周方向上的壁面温度的分布变小，所以能够提供可靠性更高的燃烧器内筒。
根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第三实施方式，能够以对流冷却和膜冷却两种效果遍及内筒壁102的圆周方向全周地进行冷却。其结果，因为内筒壁102的圆周方向上的壁面温度的分布变小，所以能够提供可靠性更高的燃烧器内筒。
实施例4
以下使用附图对本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式进行说明。图16是表示设置于构成本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式的、内筒与尾筒的连接部的流道的横剖视图。在图16中，与图1至图15所示的符号相同的部分是同一部分，所以省略其详细的说明。
图16所示的本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式虽然由大致与第一实施方式相同的机器构成，但是以下的构成不同。在本实施方式中，如图16所示，虽然在内筒壁102上构成有与第一实施方式相同的冷却空气的流道105，但不同点在于，第一流道105a和第二流道105b相对于内筒5的轴线L向直径方向倾斜α°而成。
根据这样地构成的本实施方式，因为流道105相对于内筒5的轴线L向直径方向倾斜而成，所以能够以在流道105内流动的冷却空气13的对流冷却的效果遍及内筒壁102的圆周方向全周地进行冷却。其结果，内筒壁102的圆周方向上的壁面温度的分布能够降低，所以能够提供可靠性更高的燃烧器内筒。
根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式，能够得到与第一实施方式相同的效果。
另外，根据上述本发明的燃气轮机燃烧器的第四实施方式，因为能够遍及内筒壁102的圆周方向全周地进行冷却，所以内筒壁102的圆周方向上的壁面温度的分布能够降低。其结果，能够提供可靠性更高的燃烧器内筒。
另外，本发明并不限于上述第一至第四实施方式，还包含种种变形例，上述实施方式是为了使本发明易于理解而进行的详细说明，并未限定于必须具备所说明的全部构成。例如，能够将某一实施方式的构成的一部分替换为其他实施方式的构成，另外还能够在某一实施方式的构成上追加其他实施方式的构成。另外，还能够对各实施方式的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、替换。

Claims (6)

1.一种燃气轮机燃烧器，其具备：将燃烧空气和燃料燃烧而生成燃烧气体的圆筒状的内筒；同心圆状地配置于上述内筒的外侧的外筒；设置于上述外筒的上游侧端部的端罩；以及由上述内筒的外周面和上述外筒的内周面形成的供燃烧用空气流通的环状流道，上述燃气轮机燃烧器的特征在于，
在上述内筒的外周面与内周面之间的内筒壁的内部上，形成有横剖视为端部配置于上游侧的コ字状的流道，
上述流道具备第一流道和第二流道，该第一流道沿与上述内筒的轴方向平行的方向形成且在一端侧设置有向上述内筒壁的外侧开口的供给孔，该第二流道的一端侧设置有向上述内筒壁的内侧开口的喷出孔且其另一端侧与上述第一流道的另一端侧连通，
从上述供给孔流入的燃烧用空气的一部分在上述第一流道朝向与上述燃烧气体的流动方向相同的方向流动，之后折返而在上述第二流道朝向与上述燃烧气体的流动方向相反的方向流动，并从上述喷出孔向上述内筒的内部喷出。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
构成上述流道的上述第一流道的长度形成得比上述第二流道的长度长。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在从上述供给孔流入的燃烧用空气的一部分朝向与上述燃烧气体的流动方向相同方向流动的上述第一流道和折返并朝向与上述燃烧气体的流动方向相反方向流动的上述第二流道的上述内筒的径向之间形成上述喷出孔。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述第一流道以及上述第二流道在相对于上述内筒的轴向斜向倾斜的方向上形成。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在上述内筒壁内的圆周方向上形成多个由具备上述第一流道和上述第二流道的流道形成的供上述燃烧用空气的一部分流通的流道构造。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备配置于上述内筒的下游侧且上述内筒的下游端以内插的方式嵌合的尾筒，
在内插于上述尾筒的上述内筒的下游端的壁内，形成由具备上述第一流道和上述第二流道的流道形成的供上述燃烧用空气的一部分流通的流道构造。
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