燃料喷嘴及燃气轮机燃烧器的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机燃烧器使用的燃料喷嘴的构造，尤其涉及有效应用于引燃喷嘴的技术。


背景技术：

2.燃气轮机使用的燃料的种类各种各样，根据燃料卡路里和燃烧速度选定使用的燃烧器。对于卡路里低的燃料，使用扩散燃烧器，对于卡路里高的燃料，使用预混合燃烧器。与扩散燃烧相比，预混合燃烧能够降低火焰温度，因此没有水或蒸汽的喷雾，且能够降低nox，广泛应用于当前燃气轮机。
3.在用于发电的燃气轮机中，主要将天然气作为燃料，大多天然气焚烧预混合燃烧器具备引燃喷嘴和主喷嘴，通过由引燃喷嘴形成的火焰实现了主预混合火焰的稳定化。
4.作为本技术领域的背景技术，例如具有专利文献1那样的技术。在专利文献1中公开了“一种燃气轮机的引燃燃烧嘴，其配置于燃气轮机的燃烧器的轴心而成，且具备：引燃燃烧喷嘴，其沿着轴向在内部独立地形成有多个预混合燃烧用的燃料流路和多个扩散燃烧用的燃料流路；引燃烧嘴筒，其相对于该引燃燃烧喷嘴呈同心状且其上游侧的端部以围绕上述引燃燃烧喷嘴的下游侧的端部的状态配置；以及多张回旋叶片，其以放射状配置于上述引燃燃烧喷嘴的下游侧的端部，对通过形成于上述引燃燃烧喷嘴的下游侧的端部与上述烧嘴筒的上游侧的端部之间的环状的空气通路的压缩空气赋予回旋力而使该压缩空气成为回旋气流”。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2010-249449号公报


技术实现要素：

8.发明所要解决的课题
9.如上所述地，大多天然气焚烧预混合燃烧器具备一根引燃喷嘴和八根主喷嘴，燃料系统由主系统和引燃系统这两个系统构成。引燃比率(引燃燃料流量/整体燃料流量)在点火时最多，随着负荷上升而降低，且在额定负荷下使引燃比率最低，抑制nox的排出量。
10.另外，在燃料中的甲烷浓度发生了变化的情况下，燃烧性变化，因此需要通过空气旁通阀的调节来调整燃烧区域的燃空比，或者使引燃比率变化，调整成稳定的燃烧状态。
11.然而，在燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴中，燃烧空气与燃料的温度差引起的热应力的产生常常成为问题。当产生过大的热应力时，低循环疲劳寿命不足，在运用上产生限制。特别是在如上述的天然气焚烧预混合燃烧器那样具备多个燃料系统的燃料喷嘴中，存在以下情况：根据运转状态导通燃料及燃烧空气(吹扫空气)等温度不同的流体，由此导致热应力增大。在燃料喷嘴产生的热应力导致燃料喷嘴的可靠性及耐久性的降低。
12.根据上述专利文献1，能够降低因压缩空气流动而产生的振动，并且能够防止启动
时的吹灭，但对于上述那样的因燃料以及燃烧空气(吹扫空气)等温度不同的流体的导通而产生的燃料喷嘴的热应力，没有进行任何考虑。
13.因此，本发明的目的在于提供一种在具备多个燃料系统的燃料喷嘴中因导通的燃料及燃烧空气的温度差而产生的热应力少的燃料喷嘴及使用了该燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器。
14.用于解决课题的方案
15.为了解决上述课题，本发明为一种燃料喷嘴，其具备多个流路，该燃料喷嘴的特征在于，具有：第一流路，其导通燃料或燃烧空气；以及第二流路，其导通燃料或燃烧空气，且与上述第一流路不同，上述燃料喷嘴的构成部件中的至少配置有上述第一流路和上述第二流路的部位由一体的部件构成。
16.另外，本发明为一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，具有：燃烧器衬管，其构成使燃料与燃烧空气的混合气燃烧的燃烧室；尾筒，其将燃烧气体从上述燃烧室引导至涡轮机；引燃喷嘴，其向上述燃烧室供给燃料和燃烧空气；以及主喷嘴，其在上述引燃喷嘴的周围配置有多个，且向上述燃烧室供给燃料和燃烧空气，上述引燃喷嘴具有：第一流路，其导通燃料或燃烧空气；以及第二流路，其导通燃料或燃烧空气，且与上述第一流路不同，上述引燃喷嘴的构成部件中的至少配置有上述第一流路和上述第二流路的部位由一体的部件构成。
17.发明效果
18.根据本发明，能够实现在具备多个燃料系统的燃料喷嘴中因导通的燃料及燃烧空气的温度差而引起的热应力少的燃料喷嘴及使用了该燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器。
19.由此，能够提供可靠性及耐久性优异的高性能的燃气轮机燃烧器。
20.上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而变得明确。
附图说明
21.图1是表示通常的燃气轮机的结构例的图。
22.图2是表示通常的燃烧器的结构例的图。
23.图3是表示本发明的实施例1的燃料喷嘴的构造的剖视图。
24.图4a是图3的a-a’剖视图。
25.图4b是图3的b-b’剖视图。
26.图5是表示现有的燃料喷嘴的构造的剖视图。
27.图6a是图5的c-c’剖视图。
28.图6b是图5的d-d’剖视图。
29.图中：
30.1—压缩机，2—燃烧器，3—涡轮机，4—燃烧器衬管，5—尾筒(过渡段)，6—主喷嘴，7—引燃喷嘴，8—燃烧气体的流向，9、10、11—喷嘴构成部件，12—接合部，13—流路a，14—流路b，15—燃烧室。
具体实施方式
31.以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。此外，在各图中对相同的结构标注相同的符号，对重复的部分省略其详细的说明。
32.实施例1
33.首先，参照图1、图2以及图5～图6b，对成为本发明的对象的燃气轮机燃烧器和现有的问题点进行说明。图1是表示通常的燃气轮机的结构例的图。图2是表示通常的燃烧器的结构例的图，示出为包括构成燃烧室15的燃烧器衬管4及尾筒(过渡段)5的燃烧器。图5是表示现有的引燃喷嘴7的构造的剖视图，图6a、图6b分别表示图5的c-c’截面、d-d’截面。
34.如图1所示，燃气轮机大致分成由压缩机1、燃烧器2以及涡轮机3构成。压缩机1将从大气吸入的空气作为工作流体隔热压缩，燃烧器2通过使燃料与从压缩机1供给来的压缩空气混合并燃烧而生成高温高压的燃烧气体，在涡轮机3中，在从燃烧器2导入的燃烧气体膨胀时产生旋转动力。来自涡轮机3的排气放出到大气中。
35.如图2所示，燃烧器2具备：构成使燃料与燃烧空气的混合气燃烧的燃烧室15的燃烧器衬管4；将燃烧气体从燃烧室15引导至涡轮机3的(燃烧气体的流向8)尾筒(过渡段)5；以及向燃烧室15供给燃料和燃烧空气的主喷嘴6及引燃喷嘴7。如上所述，主喷嘴6在一根引燃喷嘴7的周围配置有多个(例如八根)。
36.如图5所示，利用接合部12将通过基于钻头等的孔加工预先形成有流路a13、流路b14的喷嘴构成部件9、10、11互相接合，从而构成了现有的引燃喷嘴7。喷嘴构成部件9、10、11的接合例如使用了基于钎焊的焊接。
37.一般而言，在燃气轮机的额定负荷时，向流路a13导通温度相对较高的吹扫空气(燃烧空气)，向流路b14导通温度相对较低的天然气等燃料。因此，由于引燃喷嘴7的主要是径向的温度差、以及由此引起的径向、轴向的热膨胀差，产生热应力。一般而言，在焊接部，由于因未熔敷部等导致的形状的不连续性而容易助长热应力，另外，在焊接部中，疲劳强度比母材低。
38.根据以上情况，在现有的引燃喷嘴7中，特别是配置有流路a13和流路b14双方的部位的接合部12由于在流路a13和流路b14分别导通的燃料或燃烧空气的温度差而成为强度的瓶颈，由于低循环疲劳而使运用受到限制。
39.另外，如图6a所示，在现有的引燃喷嘴7的根部，流路a13和流路b14双方在引燃喷嘴7的周向上配置成环状(环形：annular)，因此，引燃喷嘴7成为在径向上被流路a13以及流路b14热分割的构造。因此，进一步助长因在流路a13和流路b14分别导通的燃料或燃烧空气的温度差而导致的对引燃喷嘴7的热应力。
40.另外，如图6b所示，在现有的引燃喷嘴7的前端附近，流路b14在引燃喷嘴7的周向上分割成多个而配置，但流路a13与根部同样地，在引燃喷嘴7的周向上配置成环状(环形)，引燃喷嘴7成为在径向上被流路a13热分割的构造。
41.接着，参照图3～图4b，对本发明的实施例1的燃料喷嘴进行说明。图3是表示本实施例的引燃喷嘴7的构造的剖视图，图4a、图4b分别表示图3的a-a’截面、b-b’截面。
42.如图3所示，本实施例的引燃喷嘴7具有导通燃料或燃烧空气的流路a13(第一流路)和导通燃料或燃烧空气，且与流路a13(第一流路)不同的流路b14(第二流路)，引燃喷嘴7的喷嘴构成部件9、10中的至少配置有流路a13(第一流路)和流路b14(第二流路)双方的部位由没有接合部12的一体的喷嘴构成部件10构成。
43.如图3所示，通过由没有接合部12的一体的喷嘴构成部件10构成配置有流路a13(第一流路)和流路b14(第二流路)双方的部位，能够防止如上述的因在流路a13和流路b14
分别导通的燃料或燃烧空气的温度差而使接合部12成为强度的瓶颈，能够提高引燃喷嘴7的可靠性和耐久性。
44.另外，如图4a以及图4b所示，本实施例的引燃喷嘴7中，流路a13(第一流路)以及流路b14(第二流路)在引燃喷嘴7的周向上均分割成多个而配置。
45.如图4a以及图4b所示，通过将流路a13(第一流路)和流路b14(第二流路)双方在引燃喷嘴7的周向上分割成多个配置，能够防止引燃喷嘴7在径向上被流路a13(第一流路)以及流路b14(第二流路)热学上完全分割。由此，能够缓和因在流路a13和流路b14分别导通的燃料或燃烧空气的温度差而引起的对引燃喷嘴7的热应力。
46.例如，即使在使流路a13(第一流路)导通燃烧空气且使流路b14(第二流路)导通比燃烧空气温度低的燃料的情况下，也能够缓和因燃料及燃烧空气的温度差而引起的对引燃喷嘴7的热应力，因此除了因由没有接合部12的一体的喷嘴构成部件10构成而带来的效果，还能够进一步提高引燃喷嘴7的可靠性及耐久性。
47.另外，如图3所示，引燃喷嘴7的前端附近的喷嘴构成部件9仅配置有流路a13(第一流路)以及流路b14(第二流路)中的流路a13(第一流路)，仅配置有流路a13(第一流路)的喷嘴构成部件9与配置有流路a13(第一流路)和流路b14(第二流路)双方的喷嘴构成部件10例如通过基于钎焊的焊接或热等静压加压(hip：hot isostatic pressing)法接合。
48.如图3所示，通过构成为限定于仅形成有流路a13(第一流路)及流路b14(第二流路)中的一方的流路a13(第一流路)的区域配置接合部12，能够防止因在流路导通的燃料或燃烧空气的温度差而引起的对引燃喷嘴7的热应力的产生，能够确保接合部12的接合可靠性。
49.此外，喷嘴构成部件9与喷嘴构成部件10的接合部12的接合优选使用上述的热等静压加压(hip：hot isostatic pressing)法。通过使用热等静压加压(hip)法，能够极力消除未熔敷部，因此能够抑制因接合部12中的形状的不连续性而引起的热应力。
50.如以上所说明地，根据本发明，能够实现因导通的燃料以及燃烧空气的温度差而引起的热应力小的燃料喷嘴以及使用了该燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器，能够提高燃气轮机燃烧器的可靠性以及耐久性。
51.此外，本发明并不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地说明的例子，并非限定于必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其它实施例的结构，另外，也能够在某实施例的结构中添加其它实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。