燃烧嘴及燃烧器、以及燃气轮机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在喷嘴的周围的轴向流路上设有旋流桨叶的燃烧嘴、以及具备该燃烧嘴的燃烧器及燃气轮机。
【背景技术】
[0002]通常，用于生成燃烧气体的燃烧器具备将空气等氧化剂、燃料向燃烧空间供给而形成火焰的燃烧嘴。例如燃气轮机的燃烧器具备预混合燃烧嘴。预混合燃烧嘴在喷嘴的外周侧形成有供包括压缩空气及燃料在内的预混合气流动的轴向流路。在此类燃烧嘴中，通常为了促进预混合而大多在轴向流路上设置旋流器。
[0003]然而，已知在燃烧嘴中形成的火焰的位置由火焰的传播速度即燃烧速度与在轴向流路中流动的气体的轴流速度之间的平衡来决定。在适当的燃烧中，在与燃烧嘴隔开规定距离而向下游侧分离的位置处维持火焰。但是，在燃烧嘴具备旋流器的情况下，有时产生火焰向燃烧嘴侧逆流而上的返火(回火)。这是因为，在由旋流器形成的回旋流的漩涡中心侧形成轴流速度比其周围慢的区域，在该区域中，燃烧速度超过轴流速度而导致火焰向燃烧嘴侧过度传播。当频繁产生返火时，导致产生燃烧嘴的烧损等不良状况。
[0004]对此，为了防止返火，例如专利文献I所记载的预混合燃烧嘴在旋流桨叶的内周侧后缘部设置切口部。根据该预混合燃烧嘴，在旋流桨叶的外周侧，沿着弯曲面而形成有回旋空气流，而在旋流桨叶的内周侧，压缩空气通过切口部而流向燃烧嘴的轴向下游侧，因此旋流桨叶的内周侧(回旋流的漩涡中心侧)的轴流速度增大。另外，作为与此相关的技术，在专利文献2中记载有如下所述的烧嘴，该烧嘴具备:分隔半径方向内侧的空气路区域和半径方向外侧的空气路区域的分隔壁；以及在半径方向外侧的空气路区域设置的旋流桨叶。根据该烧嘴，在半径方向内侧的空气路区域中，不对空气赋予回旋而实现内侧的轴流速度的增大。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I:日本特开2007-285572号公报
[0008]专利文献2:日本特开2010-223577号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的课题
[0010]然而，专利文献I所记载的燃烧嘴虽然通过借助切口部使旋流器内周侧的轴流成分增加而在某种程度上能够抑制返火，但实际上，在切口部的尾流之中流动剥离而产生乱流，轴流速度随着时间的变动变大。因此，有时难以稳定地维持足够的轴流速度而引起返火。
[0011 ]具体地说，当因乱流而引起的轴流速度的变动成分为正时，切口部尾流处的轴流速度变大，而当轴流速度的变动成分为负时，切口部尾流处的轴流速度减小。因此，当轴流速度的变动成分变为负时，切口部尾流处的轴流速度瞬间变小，变得容易引起返火。
[0012]专利文献2所记载的烧嘴利用分隔壁将半径方向内侧的空气路区域和半径方向外侧的空气路区域分隔，因此上述空气路区域内的空气或者燃料被相互混合的位置是比分隔壁靠下游侧的位置，有时可能导致混合不充分。
[0013]鉴于上述情况，本发明的至少一实施方式的目的在于，提供一种燃烧嘴及燃烧器，能够良好地维持喷嘴周围的轴向流路中的混合性，并且能够提高旋流器内周侧的返火耐性。
[0014]解决方案
[0015]本发明的至少一实施方式所涉及的燃烧嘴的特征在于，具备:
[0016]喷嘴；以及
[0017]旋流桨叶，其设置在轴向流路上，该轴向流路在所述喷嘴的周围沿着所述喷嘴的轴向延伸，
[0018]所述旋流桨叶包括:
[0019]前端部，其用于使在所述轴向流路中的外周侧的区域流通的气体朝向回旋方向回旋；以及
[0020]根部，其从所述前端部观察而位于所述喷嘴的径向上的内侧，且在后缘侧具有切P,
[0021]所述轴向流路至少在设有所述旋流桨叶的轴向范围内，使所述外周侧的区域与内周侧的区域不分隔而相互连通，
[0022]所述旋流桨叶的所述根部的腹面的下游侧区域被所述切口划定为随着接近所述后缘而朝向与所述回旋方向相反的方向的弯曲面。
[0023]需要说明的是，所述旋流桨叶的所述根部的后缘也可以是，与所述前端部的后缘相比，位于所述轴向的上游侧且所述回旋方向的上游侧。
[0024]根据上述燃烧嘴，在旋流桨叶的前端部，使在轴向流路中的外周侧的区域(以下，称作外周侧流路区域)流通的气体回旋。由此，利用在前端部形成的回旋流，能够促进向轴向流路供给的燃料和气体的预混合。另一方面，旋流桨叶的根部在下游侧形成有切口，利用该切口，在根部的腹面的下游侧区域形成有随着接近后缘而朝向与回旋方向相反的方向的弯曲面。因此，在轴向流路中的内周侧的区域(以下，称作内周侧流路区域)，根据柯安达效应使气体被弯曲面引导而向与回旋方向相反的方向整流。其结果是，在根部的腹面的上游侧区域给予气体的回旋成分在根部的腹面的下游侧区域减弱，内周侧流路区域中的平均轴流速度增大，从而能够提高返火耐性。此外，由于气体沿着根部的腹面的下游侧区域的弯曲面流动，因此能够在切口尾流抑制因流动的剥离而导致的乱流的产生，从而能够防止因由乱流引起的负的变动成分而导致轴流速度变得不稳定。因此，能够抑制内周侧流路区域中的轴流速度的变动，提高返火耐性。
[0025]另外，燃烧嘴的轴向流路至少在设有旋流桨叶的轴向范围内，使外周侧流路区域与内周侧流路区域不分隔而相互连通。由此，促进了在外周侧流路区域流动的气体与在内周侧流路区域流动的气体的混合。因而，向轴向流路供给的燃料的浓度分布在燃烧嘴的径向上被均匀化。
[0026]在几个实施方式中，所述旋流桨叶的所述前端部的腹面具有随着接近后缘而朝向所述回旋方向的弯曲面，
[0027]所述旋流桨叶的腹面在所述前端部的所述弯曲面与所述根部的所述弯曲面之间具有阶梯差。
[0028]根据上述实施方式，在形成于旋流桨叶的腹面的阶梯差中，在沿着前端部的弯曲面的回旋方向的流动与沿着根部的弯曲面的与回旋方向相反的方向的流动之间形成剪切层。而且，在该剪切层产生漩涡，促进了在外周侧流路区域流动的气体与在内周侧流路区域流动的气体的混合。因此，在旋流桨叶上游侧供给燃料的情况下，能够使燃烧嘴的径向上的燃料浓度分布更为均匀。
[0029]在几个实施方式中，所述根部的叶片样式在上游侧区域与所述前端部的叶片样式相比形状一致，所述根部的叶片样式在下游侧区域具有相当于所述切口的部位被从所述前端部的叶片样式切掉的形状。
[0030]由此，在叶片高度的全长范围内，形成叶片样式实际上相同的叶片构件，通过在该叶片构件的根部的下游侧区域设置切口，从而能够容易地制造朝向与回旋方向相反的方向的弯曲面设置在根部上的旋流桨叶。
[0031]在一实施方式中，所述旋流桨叶的所述根部的后缘在所述喷嘴的周向上的位置与所述根部的前缘一致。
[0032]根据上述实施方式，与旋流桨叶的根部的后缘相对于前缘而向回旋方向下游侧偏离的情况相比，利用朝向与回旋方向相反的方向的弯曲使根部的后缘返回至与前缘相同的周向位置，因此能够充分地削弱内周侧流路区域中的流动的回旋成分而可靠地增大平均轴流速度。
[0033]在一实施方式中，所述旋流桨叶的所述根部的叶片样式至少在后缘侧具有相对于穿过所述后缘且与所述轴向平行的直线而线对称的形状。
[0034]由此，能够实现内周侧流路区域中的平均轴流速度的增大，并且能够简化根部的剖面形状，在该情况下，能够提高旋流桨叶的制造性。
[0035]在另一实施方式中，所述旋流桨叶的所述根部的后缘在所述喷嘴的周向上隔着穿过所述前缘且与所述轴向平行的直线而位于与所述前端部的后缘相反的一侧。
[0036]由此，由于根部的后缘位于比前缘靠回旋方向上游侧的位置，因此能够可靠地使内周侧流路区域的流动朝向与回旋方向相反的方向，能够更有效地减少内周侧流路区域中的回旋成分，因而，能够可靠地增大内周侧流路区域的平均轴流速度。
[0037]在几个实施方式中，所述根部的所述弯曲面构成为，使在所述轴向流路的所述内周侧的区域流通的所述气体朝向与所述回旋方向相反的方向回旋。
[0038]由此，在内周侧流路区域中，气体朝向与外周侧流路区域的回旋方向相反的方向回旋，因此能够更有效地削弱内周侧流路区域中的回旋成分。
[0039]在几个实施方式中，由穿过所述根部的所述后缘的腹面的切线和穿过所述根部的所述后缘的背面的切线形成的角的平分线在比所述后缘靠下游侧的位置处，相对于所述轴向而向与所述回旋方向相反的方向倾斜。
[0040]根据上述实施方式，在外周侧流路区域中，气体朝向回旋方向回旋，与此相对地，在内周侧流路区域中，气体朝向与所述回旋方向相反的方向。由此，能够更有效地削弱内周侧流路区域中的回旋成分。
[0041]在几个实施方式中，所述旋流桨叶的前缘至少在前端部侧，以随着在所述喷嘴的径向上接近外侧而朝向所述轴向的上游侧的方式相对于所述径向倾斜。
[0042]由此，气体的流动沿着旋流桨叶的叶片面上的径向的压力梯度而逐渐靠近内周侧流路区域，因此内周侧流路区域中的流量相对增加，其结果是，内周侧流路区域中的平均轴流速度增大。
[0043]在几个实施方式中，所述前端部在所述前端部的下游侧区域具有切口空间形成面，该切口空间形成面相对于由所述切口形成的切口空间而位于所述径向的外侧且面向该切口空间，
[0044]所述切口空间形成面具有越朝向下游而所述切口空间的所述径向上的宽度越宽的形状。
[0045]由此，能够使以外周侧流路区域中的回旋流为主的流动与以通过内周侧流路区域的切口的轴流为主的流动混合的宽度增大，能够使比轴向流路靠下游侧的流速分布均匀化。保火位置处的流速分布越是均匀，火焰面形状越接近平坦，使火焰面朝向上游逆流而上的斜压扭矩(barocI ini c torque)变小。因而，通过使比轴向流路靠下游侧的流速分布均勾化，能够有效地提尚内周侧流路区域中的返火耐性。
[0046]需要说明的是，所述切口空间形成面也可以是以越朝向下游而所述切口空间的所述径向上的宽度越宽的方式相对于所述轴向呈直线状倾斜的平坦面。
[0047]本发明的至少一实施方式所涉