专利名称：燃气轮机的燃烧器和燃气轮机的燃烧控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机的燃烧器，和一种燃气轮机的燃烧控制方法，所述燃烧器和燃烧控制方法被设计成能够保证稳定的燃烧和避免出现未燃烧的燃料的情况。
更特别地，当在速度增加状态或在低负荷状态下供给到燃烧器的燃料量很小的操作期间，所述燃烧器和燃烧控制方法设计成提高火焰稳定性能、并避免出现未燃烧的燃料的情况。
背景技术：
在发电等中使用的燃气轮机由作为主要部件的压缩机、燃烧器、和涡轮机组成。燃气轮机常常具有多个燃烧器，并将由压缩机压缩的空气与供给到燃烧器的燃料混合，然后点燃在每一个燃烧器内的混合物以产生高温燃烧气体。此高温燃烧气体供给到涡轮机以可旋转地驱动涡轮机。
下面参照图10描述传统燃气轮机的燃烧器的示例。
如图10中所示，此燃气轮机的多个燃烧器10环形布置在燃烧器外壳11内(图10中只示出了一个燃烧器)。燃烧器外壳11和燃气轮机外壳12充满压缩空气以形成外壳13。
已经由压缩机压缩的空气被引入到此外壳13中。引入的压缩空气通过设置在燃烧器10的上游部分的空气进口14进入燃烧器10的内部。在燃烧器10的内管15的内部，从燃料喷嘴16供给的燃料和压缩空气混合并被燃烧。通过燃烧产生的燃烧气体流过大小头接管(transition pipe)17，并朝向涡轮机室供给以旋转涡轮机转子。
近年来，环境限制愈加严格，并已经做出了各种改进以降低从燃气轮机排出的废气中的NOx(氮氧化物)的浓度。所谓的浓-淡(rich-lean)燃烧过程被认为是试图减少NOx产生的燃气轮机燃烧技术。
利用浓-淡燃烧过程，在第一燃烧区域(在图10中的示例中，内管15的内部空间的中间部分内的区域)内执行在燃料浓状态(即浓状态)下的燃烧，而在第二燃烧区域(在图10中的示例中，内管15的内部空间的周边边缘部分内的区域)内执行在燃料淡状态(即淡状态)下的燃烧。在此情况下，在整个燃烧器内的燃料-空气比(总的燃料-空气比是浓状态和淡状态的平均数)被控制到与燃气轮机的操作状态(负荷)匹配的值。当实施这种浓-淡燃烧时，扩散燃烧(完全缺少与空气的预混合的燃烧)在浓燃烧区域发生，且完全的预混合燃烧在淡燃烧区域内发生。
浓-淡燃烧过程的另一示例公开在未经审查的日本专利公开No.1993-195822中。在此公开中示出的技术以具有多个燃料喷嘴的燃气轮机的燃烧器为基础。燃料喷嘴分成多个组，且供给到每一个组的燃料的流速被单独控制。在低负荷操作状态中，燃料仅供给到一部分组中的燃料喷嘴。通过这种装置，低NOx的预混合燃烧可以在直到通常低负荷范围内执行。在低负荷状态中未燃烧燃料的出现也被防止，且实现了火焰稳定性能的提高。
如通常所知的，燃料-空气比(当量比(equivalence ratio))与产生的NOx的量之间的关系如图11中所示。在大约为1的当量比Φ时，产生大量NOx，而在淡区域(Φ＜1)或浓区域(Φ＞1)内产生的NOx的量很小。因为燃烧是在NOx的产生量很小的淡区域(Φ＜1)内和在NOx的产生量相似地很小的浓区域(Φ＞1)内执行，所以根据浓-淡燃烧过程，产生的NOx的量可以在整体上降低。
未经审查的日本专利公开Nos.1996-261465、1999-14055、和1995-12340是相关技术文献的其它示例。
本发明者发展在1700℃等级处于高压力比(25或更高的压力比)的燃气轮机。在燃气轮机具有这种高压力比的情况下，流进燃烧器内的空气的温度很高(500-600℃)，且从燃烧器供给到涡轮机内的燃烧气体的温度达到1700℃。
在传统燃气轮机的情况下，压力比大约是20-21，且流进燃烧器内的空气的温度大约是450℃，从而从燃烧器供给到涡轮机内的燃烧气体的温度大约是1500℃。
在燃气轮机中，供给到燃烧器的燃料量根据负荷变化。即，如图4(e)中所示，当负荷增加时，供给到燃烧器的燃料量增加。相反，在速度增加状态(从燃气轮机停止到速度增加到旋转速度时的时间段期间)或在低负荷状态供给到燃烧器的燃料量很小。
在1700℃等级并处于很高压力比(25或更高的压力比)的燃气轮机的情况下，燃烧器的能力很高。由此，如果在速度增加状态或低负荷状态供给的燃料量降低，那么燃料气体(燃料和空气的混合物)的浓度太低，这意味着浓度过淡的状态。如果燃料气体浓度过淡，那么火焰保持性能会恶化，且会出现大量的未燃烧燃料，这引起燃烧效率的降低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题特提出本发明。本发明的目的在于提供一种燃气轮机的燃烧器和一种燃气轮机的燃烧控制方法，所述燃烧器和控制方法可以保证稳定的燃烧并避免出现未燃烧的燃料的情况，即使在当前开发中的、处于高压力比的燃气轮机内，所述燃烧器和控制方法也可以实现上述技术效果。
本发明的第一方面是一种燃气轮机的燃烧器，所述燃烧器包括连接在一起的内管和过渡管(或者大小接头管)，其中内部旋流器和外部旋流器布置在内管内以形成内分区流体通道和外分区流体通道，所述内部旋流器包括相对于内管的中心轴线同心设置的圆柱形内部旋流器环、和设置内部旋流器环的外周表面上的多个内部旋流器叶片的，所述外部旋流器包括设置在内部旋流器叶片的外周侧上并相对于内部旋流器环同心设置的圆柱形外部旋流器环、和设置在外部旋流器环的外周表面上的多个外部旋流器叶片，内分区流体通道由内部旋流器环、外部旋流器环、和多个内部旋流器叶片限定，所述外分区流体通道由外部旋流器环、内管、和多个外部旋流器叶片限定，所述内分区流体通道被分成由在圆周方向上顺序布置的多个分区流体通道组成的第一组，和由在圆周方向上顺序布置的多个分区流体通道组成的第二组，
用于将燃料喷射到内分区流体通道内的燃料喷射孔形成在内部旋流器叶片中的每一个的叶片表面内，且用于将燃料喷射到外分区流体通道内的燃料喷射孔形成在外部旋流器叶片中的每一个的叶片表面内，且所述燃烧器进一步包括第一燃料供给装置，所述第一燃料供给装置用于将燃料供给到形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔中的、面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔，第二燃料供给装置，所述第二燃料供给装置用于将燃料供给到形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔中的、面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔，和第三燃料供给装置，所述第三燃料供给装置用于将燃料供给到形成在外部旋流器叶片内的燃料喷射孔。
在根据本发明的燃气轮机的燃烧器中，在所述内环的后缘，用于抑制流体流出的阻塞部件可以设置在所述第一组的分区流体通道与所述第二组的分区流体通道之间的边界部分内；对于形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔，面向第一组的内分区流体通道中的且邻近第二组的分区流体通道的内分区流体通道的燃料喷射孔，可以具有比其它的燃料喷射孔的孔直径大的孔直径；或者所述内部旋流器叶片中的每一个的后缘可以是平坦的，且用于喷射燃料的燃料喷射孔可以形成在所述内部旋流器叶片中的每一个的后缘内。
本发明的第二方面是一种燃气轮机的燃烧控制方法，所述方法应用到燃气轮机的上述燃烧器，并包括以下步骤预设定速度增加状态，并根据负荷增加顺序地预设定低负荷状态、中间负荷状态、高负荷状态、和超高负荷状态；在速度增加状态和低负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态(lean state)；在中间负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态，并且也在中间负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态；在高负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态，同时在高负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态，并且另外在高负荷状态下通过面向外分区流体通道的燃料喷射孔从第三燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态；和在超高负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起浓状态，同时在超高负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起浓状态，并且另外在超高负荷状态下通过面向外分区流体通道的燃料喷射孔从第三燃料供给装置喷射燃料，所述燃料的量引起淡状态。
在本发明中，当在速度增加状态或低负荷状态下供给到燃烧器的总量小时，燃料仅从形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔中的、面向第一组的分区流体通道的燃料喷射孔喷射。由此，在此限制区域中的燃料浓度不至于过低，而是高于可燃界限浓度。因此，即使在速度增加状态或低负荷状态下，也可以抑制未燃烧的燃料的情况，且可以提高火焰保持性能。
而且，用于抑制流体流出的阻塞部件设置在第一组的分区流体通道与第二组的分区流体通道之间的边界部分内。这样，可以进一步提高火焰保持性能，并可以减少在低负荷状态下第一组与第二组之间的未燃烧的燃料的情况。
此外，对于形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔，第一组的内分区流体通道中、邻近第二组的分区流体通道的面向内分区流体通道的燃料喷射孔，具有比其它的燃料喷射孔的孔直径大的孔直径。如此，可以进一步抑制在低负荷状态下未燃烧的燃料的情况。
通过下文中给出的详细描述和仅作为例图并由此不是限制本发明而给出的附图，本发明将会被更加充分地理解，其中图1是显示根据本发明实施例1的燃烧器的纵剖面视图；图2是显示根据实施例1的燃烧器的主视图；图3是显示实施例1中的燃料供给系统的示意图；图4(a)-4(e)是显示实施例1中的燃料控制特性的特性图；图5(a)-5(b)是显示实施例1中的压力特性和温度特性的特性图；图6是显示根据本发明实施例2的燃烧器的主视图；图7是显示根据本发明实施例3的燃烧器的纵剖面视图；图8(a)和8(b)是显示根据实施例3的燃烧器的燃料喷射特性的特性图；图9(a)和9(b)是显示根据本发明实施例4的燃烧器的主要部分的透视图；图10是显示传统燃烧器的结构图；和图11是显示当量比与产生的NOx的量之间的关系的特性图。
具体实施例方式
现在基于下面的实施例详细描述实施本发明的最佳模式。
实施例1下面参照作为纵剖视图的图1和作为主视图的图2，描述根据本发明实施例1的燃气轮机的燃烧器100。根据此实施例1的燃烧器100应用到新开发的、1700℃等级的、处于很高压力比(25或更高的压力比)的燃气轮机。
如图1和2中所示，内管110的后缘通过连接环120连接到过渡管130的前缘。
内部旋流器140和外部旋涡式喷嘴150放置在内管110内。即，在内周边侧上的内部旋流器140和在外周边侧上的外部旋流器150围绕内管110的中心轴线同心设置。内部旋流器140和外部旋流器150构成双旋流器200。
内部旋流器140的旋流器环141是圆柱形状，且相对于内管110的中心轴线同心设置。很多(在本实施例中是16个)旋流器叶片142设置在圆柱形旋流器环141的外周表面上。旋流器叶片142沿旋流器环141的外周表面的圆周方向布置在等距间隔开的位置，且被安装成在旋流器环141的轴向方向上延伸的同时是弯曲的。旋流器叶片142使流过内管110内部(在图1中从左侧流到右侧)的压缩空气旋转以将压缩空气转变成涡旋空气流A11。
外部旋流器150的旋流器环151是圆柱形状，并设置在旋流器叶片142的外周边侧上，且相对于旋流器环141同心设置。很多(在本实施例中是24个)旋流器叶片152设置在圆柱形旋流器环151的外周表面上。旋流器叶片152沿旋流器环151的外周表面的圆周方向布置在等距间隔开的位置，且被安装成在旋流器环151的轴向方向上延伸的同时是弯曲的。旋流器叶片152使流过内管110内部(在图1中从左侧流到右侧)的压缩空气旋转以将压缩空气转变成涡旋空气流A12。
外部旋流器150的旋流器环151，通过在圆周方向上布置在隔开的位置的多个连接部件160，连接并固定到内管110的内周表面上。内部旋流器140的旋流器环141，通过在圆周方向上布置在隔开的位置的多个连接部件161，连接并固定到旋流器环151的内周表面上。
因为上述构造，流体通道R1形成在位于内部的旋流器环141的外周表面与位于外部的旋流器环151的内周表面之间。同时，流体通道R2形成在位于外部的旋流器环151的外周表面与内管110的内周表面之间。
压缩空气A通过空气流入管162供给到内管110的内部空间。压缩空气A从图1中的左侧朝向右侧流动(从空气流入管162的放置位置朝向过渡管130流动)，然后在内管110内以如此方式流动，即被分成流过流体通道R1的压缩空气A1和流过流体通道R2的压缩空气A2。
流过流体通道R1的压缩空气A1被旋流器叶片142旋转，从而转变成涡旋空气流A11，并从内部旋流器140的后缘吹出。
流过流体通道R2的压缩空气A2被旋流器叶片152旋转，从而转变成涡旋空气流A12，并从外部旋流器150的后缘吹出。
形成在内部旋流器环141的外周表面与外部旋流器环151的内周表面之间的流体通道R1被沿着圆周方向在多个位置处的旋流器叶片142分割。由此被分割开的单独的流体通道被表示为分区流体通道R1-1至R1-8和R1-9至R1-16。
在本实施例中，在圆周方向上顺序布置的分区流体通道R1-1至R1-8被称为第一组的分区流体通道，而在圆周方向上顺序布置的分区流体通道R1-9至R1-16被称为第二组的分区流体通道。
这些流体通道也可以分成由在圆周方向上顺序布置的分区流体通道组成的3组或更多组。
形成在外部旋流器环151的外周表面与内管110的内周表面之间的流体通道R2被沿着圆周方向在多个位置处的旋流器叶片152分割。由此被分割开的单独的流体通道被表示为分区流体通道R2-1至R2-24。
对于内部旋流器140的旋流器环141上的各叶片的叶片表面(叶片腹侧表面和叶片背侧表面)，面向第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的那些叶片表面具有形成在其内的喷射燃料的第一组的燃料喷射孔171(见图1)。燃料喷射孔171将燃料喷向(或吹向)流过第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的涡旋空气流A11。
对于内部旋流器140的旋流器环141上的各叶片的叶片表面(叶片的腹侧表面和叶片背侧表面)，面向第二组的分区流体通道R1-9至R1-16的叶片表面具有形成在其内的喷射燃料的第二组的燃料喷射孔172(见图1)。燃料喷射孔172将燃料喷向(或吹向)流过第二组的分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11。
而且，对于外部旋流器150的旋流器环151上的各叶片的叶片表面(叶片的腹侧表面和叶片背侧表面)，面向分区流体通道R2-1至R2-24的叶片表面具有形成在其内的喷射燃料的第三组的燃料喷射孔173(见图1)。燃料喷射孔173将燃料喷向(或吹向)流过分区流体通道R2-1至R2-24的涡旋空气流A12。
第一组的燃料喷射孔171通过燃料供给管道L1供给有燃料。第二组的燃料喷射孔172通过燃料供给管道L2供给有燃料。第三组的燃料喷射孔173通过燃料供给管道L3供给有燃料。
配备有截流阀和流量控制阀的流量控制部分181置入燃料供给管道L1内。配备有截流阀和流量控制阀的流量控制部分182置入燃料供给管道L2内。配备有截流阀和流量控制阀的流量控制部分182置入燃料供给管道L3内。
流量控制部分181、182、183的打开和关闭以及打开调节通过控制装置(没有示出)执行。
图3示意地示出了燃料供给系统。在图3中，标号184表示燃料源，且燃料从燃料源184压力供给。
接下来将解释具有上述特征的燃烧器100的燃烧控制方法。
首先描述与燃烧控制方法有关的特性图。
在本实施例的各种特性中，低负荷指0％-大约20％的负荷，中间负荷指大约20％-大约50％的负荷，高负荷指大约50％-大约80％的负荷，且超高负荷指大约80％-大约100％的负荷。
图4(a)是显示配备有燃烧器100的燃气轮机的旋转速度与配备有燃烧器100的燃气轮机上的负荷之间的关系的特性图表。在本实施例中燃气轮机3600的额定旋转速度是3600rpm。
图4(b)是显示负荷与通过燃烧器100的燃料供给管道L1供给并通过第一组的燃料喷射孔171喷射的燃料量之间的关系的特性图表。
图4(c)是显示负荷与通过燃烧器100的燃料供给管道L2供给并通过第二组的燃料喷射孔172喷射的燃料量之间的关系的特性图表。
图4(d)是显示负荷与通过燃烧器100的燃料供给管道L3供给并通过第三组的燃料喷射孔173喷射的燃料量之间的关系的特性图表。
图4(e)是显示负荷与通过燃料供给管道L1、L2和L3供给到燃烧器100的燃料总量之间的关系的特性图表。如图4(e)中所示，燃料总量随负荷增加而线性增加。图4(e)中所示的燃料总量是图4(b)-4(d)中示出的第一组至第三组的燃料量的总和。
图5(a)是显示负荷与设置有燃烧器100的燃气轮机的外壳内部的压力之间的关系的特性图表。涡轮机的外壳内部的压力几乎随负荷增加而线性增加。
图5(b)是显示负荷与燃烧器的出口温度之间的关系的特性图表。当负荷为大约80％时，从燃烧器100排出的燃烧气体的温度是1500℃。当负荷是100％时，从燃烧器100排出的燃烧气体的温度是1700℃。
接下来描述从速度增加状态到超高负荷状态的范围的各状态的燃烧控制方法。
如图4(a)-4(e)中所示，在从速度增加状态到低负荷状态的时间段期间，通过在流量控制部分181内进行流量调节，与负荷相匹配的燃料通过燃料供给管道L1被供给到第一组的燃料喷射孔171，且此燃料通过第一组的燃料喷射孔171喷射。
此时，流量控制部分182和183关闭以限制通过第二组和第三组的燃料喷射孔172和173喷射燃料。
由此，燃料仅被喷射进入已经通过第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的涡旋空气流A11。结果，已经通过第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的涡旋空气流A11和喷射的燃料混合形成燃料气体，然后燃料气体被燃烧。
通过混合已经通过第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的涡旋空气流A11和喷射的燃料形成的燃料气体是淡的，但是在浓度上高于可燃界限浓度(或“着火界限浓度”)。附带地，可燃界限浓度(或“着火界限浓度”)指在其之下燃烧(或点燃)就不可能的限制浓度(淡浓度)。
如上所述，在速度增加状态和低负荷状态中，喷射的燃料总量很小，但是此燃料仅喷射入已经通过第一组的分区流体通道R1-1至R1-8的涡旋空气流A11。由此，所得到的燃料气体是淡的，但是具有高于可燃界限浓度的浓度。结果，可以保证火焰保持性能，且未燃烧燃料的出现显著降低。
即使在其中供给到燃烧器100的燃料总量很小的速度增加状态和低负荷状态中，通过这样将燃料被喷射的区域限制到内部流体通道R1的一部分(即分区流体通道R1-1至R1-8)，也变得可以保证火焰保持性能并抑制出现未燃烧的燃料的情况。这是本实施例的技术要点中的一个。
假定在速度增加状态和低负荷状态中，燃料被喷射到内部流体通道R1中的所有分区流体通道(即，不仅第一组的分区流体通道R1-1至R1-8，而且第二组的分区流体通道R1-9至R1-16)。在此情况下，最后得到的燃料气体的浓度低于可燃界限浓度。结果，可能发生振荡燃烧，或可能产生未燃烧燃料。
在中间负荷状态中，在流量控制部分181和流量控制部分182内进行流量调整，藉此与负荷匹配的燃料通过燃料供给管道L1和燃料供给管道L2供给到第一组的燃料喷射孔171和第二组的燃料喷射孔172，且此燃料喷射通过第一组的燃料喷射孔171和第二组的燃料喷射孔172。
此时，流量控制部分183关闭以限制通过第三组的燃料喷射孔173喷射燃料。
由此，燃料被喷射入已经流过第一组的和第二组的分区流体通道R1-1至R1-8和分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11。结果，已经流过分区流体通道R1-1至R1-8和分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11与喷射的燃料混合以形成燃料气体，然后燃料气体被燃烧。
通过混合已经流过分区流体通道R1-1至R1-8和分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11和喷射的燃料形成的燃料气体是淡的，但是在浓度上高于可燃界限浓度(或“着火界限浓度”)。由此，可以进行良好的燃烧。
在高负荷状态中，在流量控制部分181、流量控制部分182、并进而在流量控制部分183内进行流量调整，藉此与负荷匹配的燃料通过三个燃料供给管道L1-L3供给到第一组的燃料喷射孔171、第二组的燃料喷射孔172和另外第三组的燃料喷射孔173，且此燃料通过第一至第三组的燃料喷射孔171、172和173喷射。
由此，燃料不仅喷射到已经流过第一组和第二组的分区流体通道R1-1至R1-8和分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11内，而且喷射到已经流过第三组的分区流体通道R2-1至R2-24的涡旋空气流A12内。结果，已经通过分区流体通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的涡旋空气流A11、A12，和喷射的燃料混合以形成燃料气体，然后燃料气体被燃烧。
通过混合已经通过分区流体通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的涡旋空气流A11、A12，和喷射的燃料而形成的燃料气体是淡的，但是在浓度上高于可燃界限浓度(或“点燃极限浓度”)。由此，可以执行满意的燃烧。
如图5(a)、5(b)中所示，在超高负荷状态，外壳内的压力很高，且燃烧器的出口温度超过1500℃。在此超高负荷状态，在流量控制部分181、流量控制部分182、并进而在流量控制部分183内进行流量调整，藉此与负荷匹配的燃料通过三个燃料供给管道L1-L3供给到第一组的燃料喷射孔171、第二组的燃料喷射孔172和另外第三组的燃料喷射孔173，且此燃料通过第一至第三组的燃料喷射孔171、172和173喷射。
由此，燃料不仅喷射到已经流过第一组和第二组的分区流体通道R1-1至R1-8和分区流体通道R1-9至R1-16的涡旋空气流A11内，而且喷射到已经流过第三组的分区流体通道R2-1至R2-24的涡旋空气流A12内。结果，已经通过分区流体通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的涡旋空气流A11、A12，和喷射的燃料混合以形成燃料气体，然后燃料气体被燃烧。
而且，通过流量控制部分181-183做出流量调整，藉此喷射的燃料量被调整成从在内周边侧上的分区流体通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16排出燃料气体表现为浓度高，而从在外周边侧上的分区流体通道R2-1至R2-24排出的燃料气体表现为淡的。
结果，在内周边侧(中间侧)上发生浓燃烧，而在外周边侧上发生淡燃烧，这意味着可以执行浓-淡燃烧。因此，可以保证火焰稳定性能，且实现NOx的减少。
实施例2下面参照作为主视图的图6描述根据本发明实施例2的燃气轮机的燃烧器100A。
在实施例2的燃烧器100A中，用于降低分区流体通道R1-8和分区流体通道R1-16的流动面积的阻塞部件H设置在分区流体通道R1-8和R1-16的后缘。
换言之，在内管110的后缘，用于抑制流体流出的阻塞部件H设置在第一组的分区流体通道R1-1至R1-8与第二组的分区流体通道R1-9至R1-16之间的边界部分处。
由此，从第一组的分区流体通道R1-1至R1-7排出的涡旋空气流A11和从第二组的分区流体通道R1-9至R1-15排出的涡旋空气流A12，因为阻塞部件H的存在没有在内管110的后缘附近混合，而是当它们与内管110的后端离开一定距离时才混合。
其它部分和燃烧控制方法的特征与实施例1中的相应部分和燃烧控制方法相同。
根据此实施例2，在速度增加状态和低负荷状态，从第一组的分区流体通道R1-1至R1-7排出的燃料气体，和从第二组的分区流体通道R1-9至R1-15排出的涡旋空气流，因为存在阻塞部件H而没有在内管110的后端附近混合。由此，从第一组的分区流体通道R1-1至R1-7排出的燃料气体没有被从第二组的分区流体通道R1-9至R1-15排出的涡旋空气流稀释，而是可以在等于或高于可燃界限浓度的浓度被燃烧。
因此，可以更加有效地避免出现未燃烧的燃料的情况。
此外，在阻塞部件H后端的附近，空气的流动速度很低以致空气旋转。由此，下面的效果显现出来在此位置保持火焰，并且导致提高的火焰保持性能。
另外，位于分区流体通道R1-1与分区流体通道R1-16之间的旋流器叶片142的叶片厚度，和位于分区流体通道R1-8与分区流体通道R1-9之间的旋流器叶片142的叶片厚度可以被增加，藉此加厚的旋流器叶片142可以允许起阻塞部件的作用。
实施例3下面将参照作为纵剖面图的图7描述根据本发明实施例3的燃气轮机的燃烧器100B。此实施例3具有与实施例1中基本结构相同的基本结构，并使用与实施例1中的燃烧控制方法相同的燃烧控制方法。
在实施例3中，对于第一组的燃料喷射孔171，面向分区流体通道R1-1和分区流体通道R1-8的燃料喷射孔171具有更大的孔直径。即，面向在第一组的分区流体通道R1-1至R1-8中的、邻近第二组的分区流体通道R1-9至R1-16的分区流体通道R1-1和R1-8的燃料喷射孔171具有更大的孔直径。
因此，在第一组中，从分区流体通道R1-1至R1-8离开的燃料气体的浓度高于从分区流体通道R1-2至R1-7离开的燃料气体的浓度。
结果，即使已经从分区流体通道R1-1和分区流体通道R1-8排出的相对高浓度的燃料气体，和已经从第二组的分区流体通道R1-9至R1-16排出的涡旋空气流在速度增加状态或低负荷状态下混合，所述如此混合的燃料气体也可以维持在等于或高于可燃界限浓度的浓度。由此，可以执行满意的燃烧，且没有未燃烧燃料的出现。
图8(a)中的用实线表示的特性，代表实施例3中相对于圆周方向在第一组的分区流体通道R1-1至R1-8与第二组的分区流体通道R1-9至R1-16之间的边界位置处，和相对于空气的流动方向直接在内管110下面的位置(即，上游位置α)处的燃料气体浓度。图中阴影线的面积代表出现的未燃烧燃料的量。
图8(a)中的用虚线表示的特性，代表实施例3中相对于圆周方向在第一组的分区流体通道R1-1至R1-8与第二组的分区流体通道R1-9至R1-16之间的边界位置处，和相对于空气的流动方向从内管110离开的位置(即，下游位置β)处的燃料气体浓度。图中阴影线的面积代表出现的未燃烧燃料的量。
附带地，图8(b)显示了在所有燃料喷射孔171的孔直径都相等的情况下的相似的特性。
图8(a)和图8(b)之间的比较显示，在实施例3中可以更加有效地降低出现的未充分燃烧的燃料的量。
实施例4在上述实施例1-实施例3中，如图9(a)中所示，内部旋流器140的旋流器叶片142具有叶片厚度朝向呈现出渐尖形状的后缘部分逐渐减小的形状，尽管这并没有得到清楚地描述。在实施例4中，如图9(b)中所示，内部旋流器140的旋流器叶片142具有平的后缘。
此外，用于仅在速度增加状态和低负荷状态下喷射燃料的燃料喷射孔171a设置在旋流器叶片142a的平坦的后缘处。燃料喷射孔171a通过燃料供给管道L1供给有燃料。
在实施例4中，在速度增加状态和低负荷状态下通过燃料喷射孔171a喷射燃料。此以高浓度喷射的燃料被燃烧以形成接近燃烧器100后缘的喷射火焰。由此，可以更加有效地抑制在速度增加状态和低负荷状态下由于燃料淡引起的不令人满意的火焰稳定或未燃烧燃料的增加。
而且，旋流器叶片142a的后缘部分是平坦的。由此，直接在此后缘部分的下游区域变成低流速区域，从而产生提高用于喷射火焰的火焰保持性能的效果。
本发明由此得到描述，明显的是，本发明可以各种方式改变。这些改变不认为是偏离了本发明的精神和保护范围，且对于本领域普通技术人员而言显而易见的所有这些修改将包括在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种燃气轮机的燃烧器，所述燃烧器包括连接在一起的内管和过渡管，其中内部旋流器和外部旋流器布置在内管内以形成内分区流体通道和外分区流体通道，所述内部旋流器包括相对于内管的中心轴线同心设置的圆柱形内部旋流器环、和设置在内部旋流器环的外周表面上的多个内部旋流器叶片，所述外部旋流器包括设置在内部旋流器叶片的外周侧上并相对于内部旋流器环同心设置的圆柱形外部旋流器环、和设置在外部旋流器环的外周表面上的多个外部旋流器叶片，内分区流体通道由内部旋流器环、外部旋流器环、和多个内部旋流器叶片限定，所述外分区流体通道由外部旋流器环、内管、和多个外部旋流器叶片限定，所述内分区流体通道被分成由在圆周方向上顺序布置的多个分区流体通道组成的第一组，和由在圆周方向上顺序布置的多个分区流体通道组成的第二组，用于将燃料喷射到内分区流体通道内的燃料喷射孔形成在内部旋流器叶片中的每一个的叶片表面内，且用于将燃料喷射到外分区流体通道内的燃料喷射孔形成在外部旋流器叶片中的每一个的叶片表面内，且所述燃烧器进一步包括第一燃料供给装置，所述第一燃料供给装置用于将燃料供给到形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔中的、面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔，第二燃料供给装置，所述第二燃料供给装置用于将燃料供给到形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔中的、面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔，和第三燃料供给装置，所述第三燃料供给装置用于将燃料供给到形成在外部旋流器叶片内的燃料喷射孔。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其中在所述内环的后缘，用于抑制流体流出的阻塞部件设置在所述第一组的分区流体通道与所述第二组的分区流体通道之间的边界部分内。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧器，其中对于形成在内部旋流器叶片内的燃料喷射孔，面对第一组的内分区流体通道中的且邻近第二组的分区流体通道的内分区流体通道的燃料喷射孔，具有比其它的燃料喷射孔的孔直径大的孔直径。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃气轮机的燃烧器，其中所述内部旋流器叶片中的每一个的后缘是平坦的，且用于喷射燃料的燃料喷射孔形成在所述内部旋流器叶片中的每一个的后缘内。
5.一种燃气轮机的燃烧控制方法，所述方法应用到根据权利要求1-3中任一项所述的燃气轮机的燃烧器，并包括以下步骤预设定速度增加状态，并根据负荷增加顺序地预设定低负荷状态、中间负荷状态、高负荷状态、和超高负荷状态；在速度增加状态和低负荷状态下，通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料；在中间负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料，并且也在中间负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料；在高负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料，同时在高负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料，并且另外在高负荷状态下通过面向外分区流体通道的燃料喷射孔从第三燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料；和在超高负荷状态下通过面向第一组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第一燃料供给装置喷射产生浓状态的量的燃料浓，同时在超高负荷状态下通过面向第二组的内分区流体通道的燃料喷射孔从第二燃料供给装置喷射产生浓状态的量的燃料浓，并且另外在超高负荷状态下通过面向外分区流体通道的燃料喷射孔从第三燃料供给装置喷射产生淡状态的量的燃料。
全文摘要
在一种燃烧器中，第一组的分区流体通道和第二组的分区流体通道存在于内周边侧上，且分区流体通道也存在于外周边侧上，且涡旋空气流从分区流体通道喷出。当在速度增加状态或在低负荷状态下供给到燃烧器的燃料总量很小时，燃料仅喷射到第一组的分区流体通道内。因为燃料喷射区域限于内部周边侧上的位置，特别是特定的位置，所以包括燃料和空气的混合物的燃料气体是淡的，但是即使当燃料总量很小时也高于可燃界限浓度。
文档编号F23R3/02GK101046297SQ20061015678
公开日2007年10月3日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年3月30日
发明者齐藤圭司郎, 谷村聪, 汤浅厚志, 斋藤敏彦 申请人:三菱重工业株式会社