燃燒器、燃氣輪機的製作方法

2023-10-11 08:37:24 2

本發明涉及一種燃燒器以及具備該燃燒器的燃氣輪機。

本申請依據2014年9月25日向日本提出申請的日本專利特願2014-195036號主張優先權，並在此處援用其內容。

背景技術：

燃氣輪機具備：壓縮機，其生成壓縮空氣；燃燒器，其使燃料在壓縮空氣中燃燒生成燃燒氣體；以及渦輪機，其利用燃燒氣體旋轉驅動。燃燒器具有內筒和尾筒，所述內筒供給燃料和空氣，所述尾筒通過從內筒供給的燃料和空氣在內部形成火焰，並生成燃燒氣體。

以往，公知有為了防止尾筒的內壁面因在尾筒中生成的燃燒氣體而損壞，從構成內筒的頂端部的出口外側圓環與尾筒之間的間隙供給氣膜的結構。

在此，在實際構成燃氣輪機時，多採用在沿燃氣輪機的外周配置多個燃燒器，並通過連接管將它們連接的結構。在這樣的燃燒器中，僅在一個燃燒器上設置點火栓後，將被點火的燃燒器內的火焰通過連接管傳遞到其他的燃燒器，從而對所有的燃燒器點火。在將如上所述的連接管設置在燃燒器上的情況下，具體採用在燃燒器的內筒的壁面上設置開口，用連接管連接相鄰的燃燒器開口彼此的結構。進一步，這樣的連接管在需要通過氣膜保護免受熱這一點上，與燃燒器的內筒、尾筒相同。

作為用於通過氣膜保護連接管的技術，公知有例如專利文獻1中記載的技術。在專利文獻1中記載的燃燒器中，通過在連接管(旁路管)的內部設置套管，從而劃分形成流路。通過使空氣在該流路中流通，向旁路管的側壁供給氣膜。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2004-92409號公報

技術實現要素：

發明要解決的問題

然而，在專利文獻1中記載的燃燒器中，由於用於保護旁路管的氣膜，燃燒器內的流路中的壓縮空氣有可能產生亂流。特別是，在連接了旁路管的區域附近，會導致產生氣膜剝離。由此，燃燒器有可能發生損壞。

技術方案

根據本發明的第一方式，燃燒器具有：燃燒器主體，所述燃燒器主體具有：尾筒，其在內側形成流路，以及內筒，其從所述流路的上遊側插入所述尾筒內並將所述燃燒氣體向所述流路內吹出，並且形成將氣膜向與所述尾筒的內周面之間吹出的間隙；連接管，其在比所述間隙的出口靠上遊側，從所述燃燒器主體的外周側連接，並且與所述流路連通；以及導流部，其將從所述連接管的外部導入的壓縮空氣在所述流路內，且在所述連接管與所述燃燒器主體的連接部的下遊側，以在所述燃燒器主體的周向上流速分布均勻的方式吹出。

根據如上所述的結構，由於在連接管與燃燒器主體的連接部的下遊側設置有導流部，因此也能夠向連接管的下遊側的流路引導氣膜。並且，通過導流部引導壓縮空氣，能夠使燃燒器主體的周向的壓縮空氣的流速分布均勻化。

根據本發明的第二方式，在上述第一方式所涉及的燃燒器中，在所述連接部上，可以形成連通該連接部內外的吸氣孔，所述導流部可以是具有在所述連接管的內側從所述吸氣孔向所述流路延伸的導入部和與所述導入部連接，並向所述流路的下遊側延伸的導流主體部的結構。

根據如上所述的結構，能夠從設置在連接管上的吸氣孔導入外部的壓縮空氣，並使其向連接管的下遊側的流路吹出。由此，能夠使燃燒器主體的周向的壓縮空氣的流速分布均勻化。

並且，根據本發明的第三方式，在上述第二方式所涉及的燃燒器中，所述導流主體部可以形成為隨著朝向所述流路的下遊側，周向的尺寸逐漸擴大。

根據如上所述的結構，能夠在連接管的下遊側的較廣的範圍內供給作為氣膜的壓縮空氣。

並且，根據本發明的第四方式，燃氣輪機具備：生成所述壓縮空氣的壓縮機；上述任意一種方式所涉及的所述燃燒器；以及利用所述燃燒器生成的燃燒氣體驅動的渦輪機。

根據如上所述的結構，能夠提供一種具備耐久性較高的燃燒器的燃氣輪機。

發明效果

根據上述的燃燒器和燃氣輪機，能夠有效地降低燃燒器發生損壞的可能性。

附圖說明

圖1為本發明的實施方式所涉及的燃氣輪機的概略圖。

圖2為本發明的實施方式所涉及的燃燒器的從與軸線垂直的方向觀察的截面概略圖。

圖3為本發明的實施方式所涉及的燃燒器的主要部分截面圖。

圖4為從連接孔的軸線方向觀察本發明的實施方式所涉及的燃燒器的連接部的截面概略圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本發明的第一實施方式進行詳細說明。

如圖1所示，本實施方式所涉及的燃氣輪機1具有：壓縮機2，其將大量的空氣導入內部進行壓縮；燃燒器3，其將燃料混合在該壓縮機2壓縮的壓縮空氣A中並使其燃燒；以及渦輪機4，其將從燃燒器3導入的燃燒氣體G的熱能轉換為旋轉能。

壓縮機2和渦輪機4具備以彼此一體旋轉的方式連接的轉子5和包圍轉子5的外周側的定子6。轉子5具有旋轉軸7和在軸線O方向上隔開間隔固定的多個環狀動葉組8。各個環狀動葉組8在旋轉軸7的外周上具有沿周向彼此隔開間隔固定的多個動葉。

定子6分別具有殼體9和在殼體9內在軸線O方向上隔開間隔固定的多個環狀靜葉組10。環狀靜葉組10在各個殼體9的內表面上具有沿周向彼此隔開間隔固定的多個靜葉。

環狀靜葉組10與環狀動葉組8在軸線O方向上交互配置。

如圖2所示，燃燒器3具有：燃料供給器11，其噴射來自壓縮機2的壓縮空氣A和燃料；內筒20，其供給來自燃料供給器11的壓縮空氣A和燃料；以及尾筒30，其利用從內筒20吹出的壓縮空氣A和燃料生成燃燒氣體G，並將生成的燃燒氣體G輸送到渦輪機4。燃燒器3的內筒20和尾筒30均配置在渦輪機4的機室內。並且，這些內筒20和尾筒30形成燃燒器主體3X。

另外，在本實施方式中，多個燃燒器3沿燃氣輪機1的殼體9的外周配置。這些多個燃燒器通過連接部C連接在一起。在這樣的燃燒器3中，例如僅對一個燃燒器設置點火栓之後，將被點火的燃燒器內的火焰通過連接部C傳遞給其他的燃燒器，從而對所有的燃燒器點火。

內筒20具有配置在內筒20的一側且形成為圓筒狀的內筒主體部39和配置在內筒20的另一側的圓環狀的出口外側圓環50。在內筒20的一側的端部，設置有燃料供給器11，在另一側的端部形成有開口25。該出口外側圓環50形成內筒20的頂端。

另外，在以下說明中，將內筒主體部39的一側的端部定義為基端部21，將另一側的端部定義為頂端部22，將基端部21側定義為上遊側，將頂端部22側定義為下遊側。並且，將沿內筒20的軸線O的方向定義為軸線方向，將沿以軸線O為中心的圓周的方向定義為周向，將沿該圓周的直徑的方向定義為徑向。

尾筒30與內筒20相同，為形成為筒狀的構件。尾筒30的內部從一側貫通至另一側，一側的端部被設為開口35。開口35的內徑比內筒20的頂端部22的外徑以及出口外側圓環50的外徑大。另外，以下將尾筒30的上遊側的端部設為基端部31。在該尾筒30的基端部31內，插入有內筒主體部39的頂端部22和出口外側圓環50。尾筒30的下遊側的端部與渦輪機4的燃燒通道連接。

燃料供給器11固定在殼體9上。內筒20的基端部21受到該燃料供給器11支撐。並且，內筒主體部39的頂端部22與尾筒30的基端部31一起受到設置在殼體9上的圖中未示出的支撐部件支撐。

燃料供給器11具有引燃燒嘴12P和多個主燒嘴12M。引燃燒嘴12P沿燃燒器3的軸線O設置。引燃燒嘴12P從引燃噴嘴13P噴射供給的燃料。通過對從該引燃噴嘴13P噴射的燃料點火而形成火焰。

並且，雖省略了詳細的圖示，但在引燃燒嘴12P上，設置有引燃錐閥。引燃錐閥為包圍引燃噴嘴13P的外周側的筒狀的構件。引燃錐閥是為了通過限制火焰的擴散範圍、方向而提高保焰性所設置的。

並且，在內筒20的內側，設置有多個主燒嘴12M。更詳細而言，多個主燒嘴12M在引燃燒嘴12P的外周側沿周向等間隔配置。各個主燒嘴12M沿內筒20的軸線O延伸。即，各個主燒嘴12M形成為與上述引燃燒嘴12P平行。

主燒嘴12M的頂端部設置有主噴嘴13M。從圖中未示出的燃料噴嘴向這樣形成的主燒嘴12M噴射燃料。被噴射的燃料與內筒20內的壓縮空氣A混合，生成預混合氣體。該預混合氣體被在上述引燃燒嘴12P中形成的火焰點火，在尾筒30內通過預混合擴散燃燒生成火焰。被燃燒的預混合氣體作為燃燒氣體G向後續的渦輪機4流動。

在此，本實施方式所涉及的燃氣輪機1具備沿其殼體9的外周隔開間隔配置的多個燃燒器3。這些多個燃燒器3通過連接部C彼此連接。即，在一個燃燒器3中生成的火焰通過連接部C傳遞到相鄰的其他燃燒器3。由此，火焰被傳遞到沿周向配置的所有的燃燒器3，向渦輪機4供給具有同樣溫度分布的燃燒氣體G。

如圖3所示，連接部C具有作為連接相鄰的兩個燃燒器3、3彼此的配管構件的連接管C1和將連接管C1相對於燃燒器3固定的固定部C2。

連接管C1具有與設置在燃燒器3的尾筒30的外壁上的連接孔C3大致相同的內徑。在連接管C1的內部，形成有用於將在燃燒器3中形成的火焰傳遞到其他燃燒器3的流路。連接孔C3是以從尾筒30的外周面30b向燃燒器3的徑向外側凸出的方式形成的管狀的構件。並且，連接孔C3以相對於軸線O傾斜固定角度的方式安裝於尾筒30。

通過將連接管C1的端部與該連接孔C3連接，燃燒器3、3彼此連接在一起。並且，連接管C1和連接孔C3通過固定部C2無法脫落地固定。關於該固定部C2的形式並未進行詳細圖示，但可以想到例如將分別設置在連接管C1和連接孔C3上的凸緣部通過螺絲或螺栓固定連接等。另外，在固定部C2上，可以設置用於抑制在內部流通的燃燒氣體G洩漏的密封構件等。並且，連接孔C3與尾筒30的內周面30a連接的部分因具有角部而形成邊界部C5。

而且，在連接部C上，設置有用於從外部導入壓縮空氣A的吸氣孔32。吸氣孔32為設置在連接部C的連接孔C3的壁面上，並且連通連接部C的內外的貫穿孔。具體而言，吸氣孔32設置在連接孔C3的下遊側的壁面上。

另外，在燃燒器3上，設置有導流部40，其用於將經由連接孔C3從外部導入的壓縮空氣A向內筒20的內部的連接部C的下遊側吹出。導流部40設置在與上述間隙S1的出口，即相當於邊界部C5的位置大致相同的位置。

更詳細而言，如圖3所示，導流部40具有：導入部41，其從遠離軸線O側包圍吸氣孔32，並向尾筒30內的流路延伸；以及導流主體部42，其從導入部41的軸線O側的端部沿流路的延伸方向延伸。導入部41和導流主體部42通過連接部40C彼此連接。連接部40C也可以為了不妨礙流體的動作而平滑彎曲。並且，本實施方式所涉及的導流部40的表面平滑地形成。

導流部40的導入部41與連接孔C3的內周面C4以通過間隙S2彼此隔開的方式配置。同樣，導流主體部42與尾筒30的內周面30a以通過間隙S2彼此隔開的方式配置。

並且，導入部41以與連接孔C3的內周面C4的形狀對應的方式形成。在本實施方式中，由於從連接孔C3的軸線方向觀察的截面形狀形成為圓形，因此導入部41具有沿該圓形截面的圓弧狀的截面。

並且，如圖4所示，導流主體部42從連接孔C3向流路的下遊側呈大致扇形形狀延伸。具體而言，導流主體部42具有：與導入部41的截面所形成的圓弧大致同心形成的外側端緣43和連接外側端緣43的兩端與導入部41的一對側端緣44、44。即，形成為隨著從導入部41向下遊側，導流主體部42的周向的尺寸逐漸擴大。

下面，對本實施方式所涉及的燃氣輪機1的動作進行說明。在燃氣輪機1中，在壓縮機2中被壓縮的壓縮空氣A通過被尾筒30的外周面30b以及內筒20的外周面20b與殼體9的內周面包圍的流路14(參照圖2)，在反轉部15被反轉後，流入內筒20。

因引燃燃料或主燃料的燃燒而生成的燃燒氣體G從尾筒30送出到渦輪機側氣體流路(圖中未示出)的內部。進入渦輪機側氣體流路內的燃燒氣體G如前所述，旋轉驅動轉子5。

另一方面，如圖3所示，壓縮空氣A也被導入到尾筒30與內筒20之間的間隙S1中。並且，被導入的壓縮空氣A從尾筒30與出口外側圓環50之間的間隙S1沿尾筒30的內周面30a吹出。

向尾筒30的內部吹出的壓縮空氣A的一部分在尾筒30的內周面30a上形成較薄的膜(氣膜的層)。該壓縮空氣A的膜將尾筒30的內周面30a氣膜冷卻。由此，從內筒20的開口25供給的燃料和壓縮空氣A保護尾筒30免受因火焰產生的輻射熱。另外，不用來進行氣膜冷卻的壓縮空氣A的幾乎大部分作為燃燒用的空氣使用。

在此，參照圖3和圖4對連接部C附近的壓縮空氣A的動作進行說明。當在內筒20和尾筒30之間的間隙S1內部流通的壓縮空氣A到達連接部C時，通過形成於尾筒30的內周面30a與連接部C的邊界部C5的角部，產生亂流。由於產生亂流，導致壓縮空氣A從尾筒30的內周面30a剝離。因此，壓縮空氣A變為難以到達連接孔C3的下遊側的狀態。

另一方面，本實施方式所涉及的燃燒器3具備如上所述設置在連接部C3的壁面上的吸氣孔32和從吸氣孔32的附近向尾筒30內的流路延伸的導流部40。從吸氣孔32供給與壓縮空氣A具有同等壓力的補充空氣A2。該補充空氣A2在導流部40與連接孔C3、以及與尾筒30的內周面30a之間形成的間隙S2的內部流通。

在間隙S2的內部流通的補充空氣A2被導流部40的導入部41和導流主體部42引導，向尾筒30的下遊側吹出。向尾筒30的下遊側吹出的補充空氣A2與作為上述氣膜的壓縮空氣A相同，沿尾筒30的內周面30a流通。即，通過對比連接部C靠下遊側的尾筒30的內周面30a進行氣膜冷卻，保護尾筒30免受火焰的輻射熱等。

並且，如上所述，導流主體部42從連接孔C3向下遊側擴展成扇形形狀。由此，被導流部40引導的補充空氣A2沿該導流主體部42的形狀以從連接孔C3向下遊側擴展的方式吹出。

如上所述，由於導流部40被設置於連接管C1與燃燒器主體3X(內筒20、尾筒30)的連接部C上，因此也能夠向連接管C1的下遊側的尾筒30內的流路引導氣膜(補充空氣A2)。因此，能夠降低尾筒30的內周面30a發生損壞的可能性。

並且，根據如上所述的結構，也能夠從設置在連接部C上的吸氣孔32導入外部的壓縮空氣A(補充空氣A2)，並使其向連接管C1的下遊側的流路吹出。由此，能夠使燃燒器主體3X的周向的壓縮空氣A的流速分布均勻化。因此，能夠進一步降低尾筒30的內周面30a發生損壞的可能性。

並且，根據如上所述的結構，通過將導流部40的導流主體部42形成為扇形，能夠在尾筒30內的流路中在連接管C1的下遊側的較廣的範圍內供給作為氣膜的補充空氣A2。因此，能夠更有效地降低尾筒30的內周面30a發生損壞的可能性。

以上，參照附圖詳述了本發明的實施方式，但具體的結構並不限於該實施方式，也包括不脫離本發明的主旨的範圍內的設計變更等。

例如，在上述實施方式中，吸氣孔32的開口形狀並無特別限定。然而，也可以是例如圓形截面或橢圓形截面、或者多邊形截面等的任意一種。

另外，在上述實施方式中，為平滑地形成導流部40的表面的結構。然而，為了進一步有效地利用導流部40對補充空氣A2的流動進行整流，可以採用在導流部40的表面設置沿流動方向延伸的凹槽狀的狹縫的結構(圖中未示出)。相反，也可以在導流部40的表面上設置沿流動方向呈線狀延伸的凸部。

根據這種結構，由於能夠將補充空氣A2的流動積極地進行整流，因此能夠使尾筒30內的流路的補充空氣A2的流動更加均勻化。

而且，在上述實施方式中，僅對將導流部40應用於燃燒器3的連接部C的例子進行了說明。然而，導流部40的適用對象並不限定於此，可以是例如點火栓或各種測定裝置等，只要是需要相對於燃燒器3(燃燒器主體3X)，從與其軸線O交叉的方向插入，在燃燒器3的流路內設置一部分露出的裝置，則任意一種形式均能夠應用導流部40。

工業上的可利用性

根據上述的燃燒器和燃氣輪機，能夠有效地降低燃燒器發生損壞的可能性。

符號說明

1 燃氣輪機

2 壓縮機

3 燃燒器

4 渦輪機

5 轉子

6 定子

7 旋轉軸

8 環狀動葉組

9 殼體

10 環狀靜葉組

11 燃料供給器

12P：引燃燒嘴

12M 主燒嘴

13P 引燃噴嘴

13M 主噴嘴

20 內筒

20a 內周面

20b 外周面

21 基端部

22 頂端部

25 開口

30 尾筒

30a 內周面

30b 外周面

31 基端部

32 吸氣孔

35 開口

39 內筒主體部

40 導流部

50 出口外側圓環

A 壓縮空氣

A2 補充空氣

C 連接部

C1 連接管

C2 固定部

C3 連接孔

C4 內周面

C5 邊界部

G 燃燒氣體

S1 間隙

S2 間隙