专利名称：燃烧嘴、燃烧装置及燃烧装置的改造方法
技术领域：
本发明涉及燃烧嘴、燃烧装置及燃烧装置的改造方法，
背景技术：
由于越来越关注能源的问题和环境问题，在长时间内在各领域进行了各种 努力。就燃气轮机而言，也进行了由从燃烧器排出的燃烧气体的高温化得到的
高效率化和对低NOx燃烧的技术开发，实现了显著的进步。然而，与时代所 要求的NOx排出量的降低变得更加严格，进行着进一步的向NOx降低的努力。
在日本特开平9-318061号公报(专利文献l)中，公开了组合了扩散燃 烧嘴和混合燃烧嘴的燃气轮机燃烧器。
就燃气轮机燃烧器而言，通过从扩散燃烧型燃烧器向混合型燃烧器转移， 大幅度地降低了 NOx排出程度。但是，由于燃气轮机需要从起动至额定负载 在较宽的条件进行运转，因此在燃烧器中央部配置有燃烧稳定性高的起动喷 嘴。由于起动喷嘴要以较宽的条件稳定地使火焰燃烧，因此在专利文献l中使 用了扩散燃烧嘴。涉及专利文献1的燃气轮机燃烧器与扩散燃烧型燃烧器比 较，作为燃气轮机整体的NOx排出量被削减得较多。但是，由于起动喷嘴采 用了扩散燃烧方式，因此NOx减少量有限。
为了进一步降低NOx，有必要将起动喷嘴从扩散燃烧嘴换为NOx排出量 少的燃烧嘴，起动喷嘴需要同时具有高燃烧稳定性和低NOx性能。
发明内容
本发明的目的是具备高燃烧稳定性，且减少NOx排出量。 本发明的特征在于，上述空气孔部件的空气孔具有相对燃烧嘴中心轴倾斜 的空气孔中心轴，将第 一燃料喷嘴的前端部做成可抑制在该第 一燃料喷嘴的外 周侧流动的空气流的紊乱的构造，将上述第一燃料喷嘴的前端配置在比上述空 气孔入口靠燃料喷出方向下游侧，将第二燃料喷嘴的前端配置在比上述空气孔 入口靠燃料喷出方向上游侧。本发明具有以下效果。
根据本发明，能够具备高燃烧稳定性，且减少NOx排出量。
图l是本发明的实施例1的燃烧嘴剖视图、主视图及Y-Y剖视图。
图2是本发明的实施例1的第一列空气孔及燃料喷嘴的展开图。
图3是圆筒形状的燃料喷嘴与空气孔的组合的侧视图及流动的模式图。
图4是本发明的实施例1的第一列空气孔及燃料喷嘴的展开图。
图5是本发明的实施例2的燃气轮机燃烧器的概略图。
图6是本发明的实施例2的燃烧嘴主视图。
图7是比较例的燃气轮机燃烧器的侧视图。
图8是本发明的实施例3的燃烧嘴主视图。
图9是本发明的实施例4的燃烧嘴主视图。
图IO是本发明的实施例5的燃烧嘴主视图。
图11是本发明的实施例6的燃烧嘴主视图。
图12是本发明的实施例6的侧断面及火焰的模式图。
图13是本发明的实施例7的燃烧嘴主视图。
图14是本发明的实施例7的燃烧嘴主视图。
图15是本发明的实施例7的燃烧嘴主视图。
图16是本发明的实施例7的燃烧嘴主视图。
图17是本发明的实施例7的燃烧嘴主视图。
图18是本发明的实施例8的燃气轮机燃烧器的侧断面。
图19是本发明的实施例8的主视图。
图20是本发明的实施例9的主视图。
图21是比较例的燃烧嘴主视图。
图22是比较了燃烧特性(NOx、不发火温度)的曲线图。
图23是说明了在实施例2中代替扩散燃烧嘴可采用的比较例的燃烧嘴侧
视图、主视图及Y-Y剖视图。
图中
l-燃烧室，2-外筒，3-燃烧器衬套，4-过渡构件，5-压缩机，
56-汽轮机，7-扩散器，10、 11-压缩空气，12-冷却空气， 13-燃烧空气，14、 15、 16-燃料供给系统，20、 32、 33-燃料喷嘴， 21-火焰稳定器，22-预混合通道，23-循环气流，24-火焰， 25-扩散燃烧嘴，26-扩散火焰，30、 60-燃料箱，31 -空气孔部件， 34、 35、 103-空气孔，43、 44-燃料喷流，45 -空气， 46、 47-下游区域，54-中央线，55-扩散燃烧区域，56-预混合火焰， 57 -中央燃烧嘴，58 -外侧燃烧嘴。
具体实施例方式
以下，说明本发明的实施例。 实施例1
图l表示实施例1的燃烧嘴的侧视图及主视图、Y-Y剖视图。图1 (b) 的燃烧嘴主视图是从燃烧室l观察空气孔部件31的情况的图。图1 (a)的侧 视图是图1 (b)的X-X剖视图。而且，图1 (c)是图1 (b)的Y-Y剖视 图。在本实施例中，所有空气孔具有相对燃烧嘴中心轴倾斜的中心轴。具体来 讲，如图1 (c)所示， 一个个空气孔的流道中心轴向空气孔部件的圆周方向 倾斜。因此，在用X-X断面切断了空气孔部件31的场合，外观上，空气孔 的倾斜如图1 (a)所示。
本实施例的燃烧嘴100具备对下游侧的燃料喷嘴分配燃料的燃料箱(燃 料、7夕')30;与燃料箱30连接并对空气孔喷出燃料的多条燃料喷嘴32、 33; 以及设有多个空气孔34、 35的空气孔部件31。空气孔部件31配置在燃烧室1 的上游侧壁面。另外，燃料箱30容纳在圆筒状的燃料箱容纳部70内。而且， 在燃料箱容纳部70内在比燃料箱30靠上游侧设有空气流入孔71。在本实施 例中，作为燃料使用气体燃料。
在空气孔34、 35上相对于燃烧嘴100的中心轴倾斜地设置空气流道中心 轴，从空气流入孔71流入来的空气45通过空气孔34、 35向燃烧室1喷出， 并在燃烧嘴下游形成旋转气流41。在旋转气流41的中心产生循环气流50并 可形成低流速区域，因此能够以低流速区域为起点保持火焰。如燃烧嘴的主视 图所示，在本实施例中，从燃烧嘴面中心以同心圆状配置有两列空气孔。而且， 在图1 (b)的场合，燃烧嘴面中心成为圆形的空气孔部件31上的中心点。流入到燃料箱30的燃料42被分配到多个燃料喷嘴32、 33。燃料喷嘴32 成为与空气孔34成一对的组，燃料喷嘴33成为与空气孔35成一对的组，从 各燃料喷嘴喷出来的燃料喷流通过空气孔流入燃烧室1。另外，在各个组合中 燃料喷嘴的中心轴处于通过空气孔的位于上游侧端面的空气孔入口的中心轴 附近的位置关系。
在这里，在燃料流动方向上游侧的空气孔部件31的面(即，图1的侧视 图中的空气孔部件的左侧面)上设有空气孔入口。而且，将通过形成于空气孔 入口的面的中心点并相对空气孔部件31垂直地形成的轴定义为"空气孔入口 的中心轴"。
如燃烧嘴的主视图所示，与燃料喷嘴33成组的空气孔35仅配置在以同心 圆状有两列的空气孔列中的第一列(51)上，并且与和燃料喷嘴32成组的空 气孔34交替地配置。
图2表示将第一列(51 )的空气孔及燃料喷嘴的一部分沿圆周方向展开的图。
对燃料喷嘴32和空气孔34的组合进行说明。燃料喷嘴32的前端配置在 空气孔34的入口附近。具体来讲，燃料喷嘴32的前端相对空气孔34的入口 (上游侧端面)，位于更上游侧。因此，从燃料喷嘴32喷出来的燃料喷流43 流入空气孔34。在空气孔34的内部，流入到空气孔34的空气45以包围燃料 喷流43的周围的状态流动，燃料喷流43与空气45进行混合的同时向燃烧室 1喷出。在从空气孔34向燃烧室1喷出的时候燃料喷嘴43与空气45的混合 继续进行，因此形成于空气孔34的下游区域46的火焰成为预混合火焰，NOx 的排出量变少。
接着，对燃料喷嘴33和空气孔35的组合进行说明。燃料喷嘴33的前端 配置在空气孔35的入口附近。具体来讲，燃料喷嘴33的前端相对空气孔35 的入口 (上游侧端面)位于下游侧，并插入到空气孔35的内部。由此，设在 空气孔35上游侧的空气孔入口部49的开口面积因燃料喷嘴33而变窄，因此 与流入空气孔34的空气量比较，流入空气孔35的空气量相对减少。
另外，通过将燃料喷嘴33插入实施了旋转角的空气孔内，从燃料喷嘴33 喷出的燃料喷流44与空气孔35的内壁面碰撞，沿着空气孔35的内壁面向下游侧流动。因此，与燃料喷嘴32和空气孔34的组合比较，燃料喷流44和空 气45不混合就向燃烧室1喷出。在燃料喷嘴33的前端部实施了尖细的锥形状， 因此能够抑制在燃料喷嘴33前端部产生的空气45的紊乱，能够抑制燃料喷嘴 44和空气45的混合。
根据图2,期望空气孔的倾斜角至少是从燃料喷嘴33喷出来的燃料能够 与空气孔内壁碰撞程度的角度。这是因为，若空气孔中心轴相对燃烧嘴中心轴 的倾斜角度过小，则从燃料喷嘴33喷出来的燃料不与空气孔内壁碰撞而向燃 烧室1排出。而且，空气孔部件的厚度因与空气孔倾斜角的关系而需要是从燃 料喷嘴33喷出来的燃料能够与空气孔内壁碰撞的厚度。这是因为，若空气孔 部件的厚度过薄，则存在燃料不与空气孔内壁碰撞而向燃烧室l排出的情况。
图3表示燃料喷嘴33的形状做成在前端未施加锥形的圆筒形状的情况下 的与空气孔35的配置关系图及流动的模式图。在燃料喷嘴33的形状为直至前 端笔直的圓筒形状的场合，由于在燃料喷嘴前端空气45的流动以阶梯状变化 而产生涡流75,产生强烈的紊乱。由于该涡流75燃料喷流44和空气45被搅 拌并混合。因此，在图3的结构中，虽然能够减少流入空气孔的空气流入量， 但是由于在空气孔内燃料和空气的混合继续下去，因此形成于空气孔35的下 游区域47的火焰成为预混合火焰。对此，通过在燃料喷嘴33的前端设置尖细 锥形，从而减少燃料喷嘴前端部的空气流的紊乱，并且能够在空气孔35的下 游区域47形成燃料稳定性高的扩散火焰。
在此图21表示从燃烧室观察比较例的空气孔部件的图。图22表示如图 21所示在配置了多个空气孔103和在该空气孔的上游侧配置了燃料喷嘴的燃 烧嘴中，由燃料喷嘴的不同所致的燃烧特性的不同。另外，就图21所示的从 燃烧嘴面中心第一列51的空气孔6个孔而言具有相对燃烧嘴中心轴倾斜的空 气孔中心轴。图22的横轴为燃烧气体温度，纵轴为NOx排出量。而且，图中 的空白标记为不发火点(失火点)。
图中的曲线101表示如图2的燃料喷嘴33那样将燃料喷嘴的前端形状全 部做成尖细锥形，且插入到空气孔内部的燃烧嘴的燃烧特性。同样，图中的曲 线102表示如图3的燃料喷嘴33那样将燃料喷嘴前端的形状全部做成圓筒形， 且在空气孔内部插入了前端的燃烧嘴的燃烧特性。如比较这两个曲线可知，曲线101在燃烧气体温度整个范围内NOx的值更高，燃烧气体温度为IOO'C以 上并延伸直至较低的区域。从图22可知，将燃料喷嘴前端做成锥形的燃烧嘴， 虽然NOx稍微变高但是能够保持火焰直至低的燃烧气体温度，并且可提高燃 烧稳定性。
即，比起在设有倾斜角的空气孔中组合圆筒形的燃料喷嘴，与在前端施加 了尖细锥形的燃料喷嘴组合更能抑制燃料与空气的混合。因此，由于燃料和空 气的混合以不充分的状态向燃烧室喷出，所以在形成火焰基部的燃烧嘴中央第 一列51的空气孔的孔出口存在燃料浓的区域，可形成扩散燃烧区域。
如上所述，从空气孔35喷出的燃料喷流44和空气45几乎不混合就喷出， 而且空气量也变少，因此在空气孔35的下游区域47形成扩散火焰，能够非常 稳定地燃烧，在较宽的运转条件下稳定地保持火焰。
如图1的燃烧嘴主视图及图2所示，燃料喷嘴32与空气孔34的组以及燃 料喷嘴33与空气孔35的组在圆周上交替配置。因此，如图2所示，在下游区 域46、 47分别交替连接地形成预混合火焰和扩散火焰。扩散燃烧区域由于稳 定性高，因此能够以宽泛的条件稳定地继续燃烧。另外，预混合区域由于从扩 散燃烧区域接受热、化学活性种的供给，因此即便在燃烧温度低的条件下也能 稳定地燃烧。
而且，由于第一列空气孔相对燃烧嘴中心轴具有倾斜角，因此从第一列空 气孔喷出来的燃料喷流和空气流一边以圆锥状扩展一边向燃烧室喷出。因此， 从第二列(52)空气孔34喷出的预混合气体也在从同样地形成于燃烧嘴中央 部的火焰接受热、化学活性种的供给的同时进行预混合燃烧。即，以形成于空 气孔35的下游区域47的扩散燃烧区域为基点形成倒圓锥形的非常稳定的火 焰，而且作为火焰整体预混合燃烧区域占大多数，因此能够将NOx的排出量 抑制得较低。
另外，也可以在第一列空气孔仅使用燃料喷嘴32,在第二列空气孔组合 使用燃料喷嘴32及燃料喷嘴33。在该场合，由于在燃烧嘴形成的倒圆锥形火 焰中局部形成扩散燃烧区域，因此认为具有作为火焰整体的燃烧稳定性。
图1及图2所示的燃料喷嘴32的形状与燃料喷嘴33不同，在前端未设置 锥形而做成圆筒形状。但是，燃料喷嘴32的形状并不局限于该形状。而且，由于不设置锥形等能减少制作工时，因此能够抑制制作成本。作为其他形状，
可举出如图4那样在燃料喷嘴32的前端也施加锥形的情况。在该场合，即使 将燃料喷嘴32的前端靠近空气孔34的入口也不会较大地阻碍空气流入进来的 流动，可充分地将开口部48的面积维持得较宽，因此能够确保比流入到与燃 料喷嘴33成为一组的空气孔35中的空气充分多的空气量。其结果，能够使在 空气孔34和空气孔35分别流入的空气量具有相对大的差异。因此，在空气孔 34的下游区域46形成预混合火焰，与此相对，可以在空气孔35的下游区域 47形成稳定的扩散火焰。因而，利用扩散火焰能够提高燃烧稳定性。而且， 由于还形成预混合火焰，能够同时实现燃烧稳定性和低NOx。
另外，在本实施例中，由从燃烧面中心第一列的空气孔能充分得到火焰的 稳定性，因此当需要在外侧较大地扩展火焰时，在外周侧(第二列)的空气孔 列52设置倾斜角也可以。
实施例2
表示作为燃烧装置的起动喷嘴应用本发明的燃烧嘴构造的实施例。在本实 施例中，作为燃烧装置的一例对预混合型燃气轮机燃烧嘴进行说明。图5表示 汽轮机整体的概略。图6表示燃烧嘴主视图。
从压缩机5送来的压缩空气10从扩散器7向燃烧器流入，并通过外筒2 和燃烧器衬套3之间。该压缩空气11的一部分作为燃烧器村套3的冷却空气 12流入燃烧室1。而且，该压缩空气11的剩余部分作为燃烧空气13、 45分别 通过预混合通道22和空气孔部件31流入燃烧室1。燃料和空气在燃烧室1的 内部混合燃烧，生成燃烧气体。燃烧气体从燃烧器衬套3排出，供给汽轮机6。
在本实施例中，燃料供给系统15及燃料供给系统16从具备控制阀14a的 燃料供给系统14分割开。而且，燃料供给系统15具备控制阀15a,燃料供给 系统16具备控制阀16a，能分别进行控制。在控制阀的下游分别具备关闭阀 15b、 16b。在燃料供给系统15上连接对起动喷嘴供给燃料的燃料箱30，在燃 料供给系统16上连接预混合燃烧嘴的燃料喷嘴20。
如图5、图6所示，在本实施例的燃烧器中，在中央部(起动喷嘴)配置 本发明的燃烧嘴，在其周围配置环状的预混合燃烧嘴。从燃烧室1看到的起动 喷嘴和预混合燃烧嘴的直径约为220mm。中央部的燃烧嘴与实施例1同样，具备燃烧箱30和与其连接的多个燃料喷嘴32、 33及开有多个空气孔的空气孔 部件31。空气孔部件31位于燃烧室1的上游侧壁面。空气孔以同心圆状配置 成两列，第一列(51)交替配置了空气孔34和空气孔35。与图2同样，空气 孔34与燃料喷嘴32成为一组，燃料喷嘴32的前端位于比空气孔34的入口(上 游侧端面)还靠上游侧。空气孔35与在前端施加了锥形的燃料喷嘴33成为一 组，该燃料喷嘴33的前端插入至比空气孔35的入口还靠下游侧。
配置于外周部的预混合燃烧嘴配置有燃料喷嘴20、预混合通道22,而且 在出口配置有火焰稳定器21。在该预混合燃烧嘴中，从燃料喷嘴20喷出来的 燃料在预混合通道22内与燃烧空气13混合，并成为预混合气体向燃烧室1 喷出。由于在燃烧嘴出口配置有将预混合通道22的流道沿半径方向分成两个 的火焰稳定器21,因此就在火焰稳定器21的下游形成循环气流23，在此火焰 被保持。
在这里，图7表示作为比较例使用了与图5不同的起动喷嘴的情况的预混 合型燃气轮机燃烧器。在比较例的预混合型燃气轮机燃烧器中，在燃烧器中央 部作为起动喷嘴配置有扩散燃烧嘴25，在燃烧室1形成扩散火焰26。由扩散 火焰26产生的热及化学活性种向外周部传递，从而能够辅助形成于火焰稳定 器21下游的火焰的稳定燃烧。但是，为了保持作为起动喷嘴的功能，形成于 起动喷嘴的火焰需要一定的大小。因此，在燃烧器整体中扩散燃烧占一定比率， 降低燃烧器整体的NOx排出量有限度。
于是，代替扩散燃烧嘴25，考虑转换为图23所示的由多个空气孔34和 燃料喷嘴32构成的燃烧嘴。图23的燃烧嘴具备具有多个空气孔34的空气孔 部件31、和从空气孔部件31的上游侧对各个空气孔34喷出燃料的燃料喷嘴 32,在燃料喷嘴32的中心轴上配置空气孔34的入口中心。但是，在图23的 燃烧嘴中，在燃料喷嘴32的前端未设有能抑制空气流紊乱的构造的锥形形状。 另外，所有的空气孔34相对燃烧嘴中心轴具有旋转角。而且，在比空气孔34 的入口靠上游侧配置所有燃料喷嘴32的前端。因此，认为从燃料喷嘴32喷出 来的燃料在空气孔34的内部向燃料流的外周侧形成环状的空气流，燃料和空 气的预混合继续下去。因而，在空气孔34的出口不存在燃料局部变浓的区域， 火焰整体成为预混合燃烧。因此，由起动喷嘴进行的NOx排出量能够降低。但是，由于作为起动喷嘴所需的燃烧稳定性不充分，因此要运用于宽泛的运转 条件，可靠性受到很大损失。
对此在图5中，由于将本发明的燃烧嘴作为起动喷嘴设置，因此形成于燃 烧嘴下游的火焰24成为以限定的扩散燃烧区域为基点被保持火焰的预混合火
够减少NOx的排出量。而且，与如图23那样将所有燃料喷嘴32比空气孔入 口配置在上游侧的情况相比，火焰基部由扩散燃烧区域稳定地保持，因此能够 提高燃烧稳定性。
另外，由于从空气孔部件31的燃烧嘴面中心第一列的空气孔相对燃烧面 中心轴具有旋转角，所以从起动喷嘴喷出来的火焰成为倒圆锥形的稳定的火 焰。因此，可对从预混合燃烧嘴喷出来的循环气流23供给热及化学活性种， 可稳定地保持由预混合燃烧嘴进行的火焰。
比较，不会较大地损害燃烧稳定性，在与扩散燃烧嘴同样地宽泛的运转条件下， 可运用燃气轮机燃烧器。而且，与将扩散燃烧嘴作为控制燃烧器使用的预混合 型燃烧器比较，可减少NOx排出量。
而且，在已有的预混合型燃气轮机燃烧器中，通过将扩散燃烧嘴改造为本 实施例的燃烧嘴，在对应于宽泛的运转条件的情况下仍能减少NOx排出量。
实施例3
近年来，因能源的枯竭问题，对燃气轮机要求针对宽泛的燃料的通用性。 就含氢多的燃料而言燃烧速度变快，另一方面，就含氮量多的燃料而言火焰温 度降低燃烧速度也变慢。这样，由于燃烧特性因燃料组成而较大地变化，因此 需要按照燃料组成来调整空气孔的配置和个数等。而且，根据使用燃气轮机的 地域，所要求的NOx排出量和运用范围的大小等不同，对此也需要灵活应对。 于是，通过在实施例1中改变燃料喷嘴23与空气孔34的组以及燃料喷嘴33 与空气孔35的组上的排列变化，可进行NOx排出量和燃烧稳定性的调整。
图8表示实施例3的燃烧嘴主视图。在本实施例中，排列成两列同心圆状 的空气孔全部施加旋转角，将配置在第一列(51)的6个空气孔中的空气孔 35配置在两个对角上，剩余部分作为空气孔34。空气孔与燃料喷嘴的配置关系与上述图2相同。即、就空气孔34而言，燃料喷嘴32的前端配置在比空气 孔入口靠上游侧。而且，就空气孔35而言，燃料喷嘴33的前端(锥形形状) 配置在比空气孔入口靠下游侧。
在本实施例中，与实施例l比较，空气孔35的数量减少了一个。因此， 在火焰全体所占的扩散燃烧区域减少，能够减少NOx的排出量。只是，在火 焰基部中对燃烧稳定性有很大帮助的扩散燃烧区域减少，各个区域分离。若由 两个空气孔35形成的各个扩散燃烧区域过于分离，则有可能在作为保持火焰 的基部的燃烧嘴中心区域产生不供给充分的热的化学活性种的区域。因此，认 为燃烧稳定性比实施例1差，而能进一步减少NOx排出量。
实施例4
图9表示本实施例中的燃烧嘴主视图。在本实施例中对所有的空气孔施加 了旋转角。在本实施例中，在内周第一列(51)的空气孔全部配置了与燃烧喷 嘴33成为一组的空气孔35。该燃烧喷嘴33的前端插入比空气孔入口靠下游 侧。因此，在燃烧嘴下游形成倒圓锥形的火焰，作为保持火焰的基点的区域全 部成为扩散燃烧并连接，因此与实施例比较燃烧稳定性被强化。由此，能够扩 展燃气轮机负载运转的运用范围。而且，对于氮量多的反应性低的燃料也能稳 定地保持火焰。只是，与图1比较扩散燃烧区域增加，因此若是相同燃料则 NOx排出量增加。
另外，作为本实施例的变形例，还考虑对第二列(52)的空气孔不施加旋 转角的情况。在该场合，第二列(52)的空气孔可以相对空气孔部件31垂直 地立起钻头进行开孔，因此使加工费便宜。而且，形成于燃烧嘴下游的旋转气 流变小，但若是单独使用本燃烧嘴的情况则没问题。另外，即使是将本燃烧嘴 作为起动喷嘴使用的场合只要与周围的燃烧嘴的距离邻接，从由本燃烧嘴形成 的火焰将热及化学活性种充分地供给直至周围的燃烧嘴，能够充分地发挥作为 起动喷嘴的功能。
另外，在第二列的空气孔不设置旋转角而做成相对空气孔部件31垂直的 流道的结构在其他实施例中也是有效的。 实施例5
图IO表示本实施例的燃烧嘴主视图。本实施例的空气孔全部相对燃烧嘴中心轴施加了旋转角，第一列(51)空气孔和第二列(52)空气孔均交替配置 空气孔34和空气孔35。即与实施例l同样，空气孔34与燃料喷嘴32成为一 组，燃料喷嘴32的前端位于比空气孔34的入口 (上游侧端面)靠上游侧。另 外，空气孔35与燃料喷嘴33成为一组，燃料喷嘴33的前端插入比空气孔35 的入口靠下游侧。在本实施例中，空气孔34和空气孔35数量相同，预混合燃 烧区域和扩散燃烧区域的大小大致相同，因此对于扩散燃烧嘴的NOx减少效 果稍微减少一些，另一方面，与上述实施例比较燃烧稳定性提高。因此，即使 是含氮多之类的低卡路里燃料或燃烧速度慢的燃料也能维持火焰稳定性，因此 本实施例很有效。 实施例6
到此为止的实施例中的燃烧嘴用呈同心圆状的两列的空气孔构成。但是， 根据应用燃烧嘴的对象所消耗的燃料和进行供给的空气量有很大不同。例如， 在燃气轮机燃烧器中，在发电输出功率变大的同时所供给的空气量、燃料流量 均增加。因此，需要加大燃烧器整体，燃烧嘴也需要增加尺寸。但是，若在保 持空气孔数量的状态下扩大空气孔直径，则使燃料和空气预混合的空气孔容积 变大，混合性能恶化而有可能增加NOx排出量。于是，对实施例1而言，应 对空气量、燃料流量增加的场合，并不是类似地扩大燃烧嘴，而是增加燃料喷 嘴及空气孔的列比较有效。
需要根据燃料种类加大形成于起动喷嘴的火焰的大小，使燃烧器整体的火焰的 燃烧稳定性提高。因此，增加燃料喷嘴及空气孔的列是比较有效的。
图11表示本实施例的燃烧嘴主视图。本实施例相对于实施例1，空气孔 列从2列增加到3列。如前所述，本实施例在与实施例l相比需要将更多的空 气及燃料向燃烧室供给的场合或者需要形成更大的火焰的场合比较有效。根据 进行供给的空气、燃料流量及形成的火焰的大小也可从3列增加到4歹寸、5歹'J。
在本实施例中，燃料喷嘴33与空气孔35的组在全部排列中只有第一列 (51)的三个。燃料喷嘴33的前端插入比空气孔35的入口还靠下游侧，从空 气孔35喷出的燃料和空气几乎不混合就向燃烧室喷出。因此，从空气孔35 喷出来的燃料被扩散燃烧所消耗。但是，扩散燃烧区域相对火焰整体的比例比实施例1小，因此从燃烧器整体排出的NOx排出量^皮抑制得较低。
在这里，图12表示由本实施例的燃烧嘴所形成的火焰的模式图。图12 是通过图11的中央线54的剖面。在图11中，对所有空气孔施加的旋转角。 但是，在用作为中央线54的剖视图的图12观察时，外观上的空气孔相对空气 孔部件垂直地构成。
如实施例l所表示的那样，在本实施例中，也在空气孔35的下游部形成 扩散燃烧区域55。周围的预混合气体在从该扩散燃烧区域55接受热及化学活 性种的供给的同时向下游后方的外周侧扩展并形成预混合火焰56。图中的第 一列(51)空气孔34与燃料喷嘴32成为一组，燃料喷嘴32的前端配置在比 空气孔入口靠下游侧。因此，从空气孔34喷出预混合气体。而且，空气孔34 在圆周方向与扩散燃烧区域相邻，因此能够对预混合气体供给充分的热，在第 一列空气孔的出口附近稳定地保持预混合火焰。另外，由于第一列空气孔相对 燃烧嘴中心轴施加了旋转角，因此在向外周侧扩展的同时向下游形成预混合火 焰56。由于在成为保持倒圆锥形的预混合火焰56的基点的根部产生扩散燃烧 区域55并稳定地维持火焰，所以即使同心圆状的空气孔列从2列增加到3列 却不增加扩散燃烧区域55，也不会损害燃烧稳定性并能使火焰整体稳定燃烧。
另外，与实施例l同样，若对第二列空气孔列52、第三列空气孔列53施 加倾斜角，则能得到比本实施例的效果更好的燃烧稳定性。
实施例7
如实施例6所示的那样，通过使火焰基部的一部分作为扩散燃烧能够使火 焰整体稳定地燃烧。但是，在将本发明作为起动喷嘴的场合，要求能在宽泛的 运转条件下稳定地燃烧，担负着向邻接的周围的预混合燃烧嘴供热并使预混合 燃烧嘴着火以及补充燃烧稳定性的任务。因此，有时要求更好的燃烧稳定性。 另外，在低卡路里且燃烧速度慢的燃料的场合，预混合火焰在中途熄灭，存在 燃料并未完全发生反应就排出未燃烧碳氢化合物和一氧化碳的危险。于是，以 下说明进一步强化了燃烧稳定性的实施例。
就图13的实施例而言，第一列(51)空气孔全部与燃料喷嘴33成为一组， 在第一列(51)空气孔出口沿圆周方向形成扩散燃烧区域。通过形成为倒圆锥 形的火焰基部的全部区域成为扩散燃烧，能够提高燃烧稳定性。在作为燃气轮机燃烧器的起动喷嘴的场合，通过提高燃烧稳定性，可扩大燃气轮机负载运转 的运用范围。
就图14的实施例而言，对于图ll在第二列(52)的空气孔也每隔一个配 置有与燃料喷嘴33成为一组的空气孔35。另外，图15进一步在第三列(53) 空气孔也每隔两个配置有与燃料喷嘴33成为一组的空气孔35。通过做成这种 结构，在形成于燃烧嘴的火焰的外侧也能形成扩散燃烧区域，对火焰外周侧也 能充分地供给热及化学活性种，因此对于卡路里低的难以燃烧的燃料也能够抑 制未燃烧碳氢化合物和一氧化碳的产生。只是，若扩散燃烧区域增加则NOx 的排出量也增加，因此最好燃料喷嘴33和空气孔35的组尽可能少。
另外，图14在第二列(52)每隔一个配置有燃料喷嘴33和空气孔35的 组，就图15而言在第二列(52)每隔一个配置有燃料喷嘴33和空气孔35的 组，并且在第三列(53)每隔两个配置有燃料喷嘴33和空气孔35的组。通过 按照所使用的燃料及运转条件来调整燃料喷嘴33和空气孔35的组数，可以在 满足针对所需的燃烧稳定性的性能的情况下使排出的NOx的排出量最少。
为了对应供给的空气、燃料流量的增加，在此前的实施例中表示了增加燃 料喷嘴及空气孔列的燃烧嘴。作为其他对策可举出将第一列(51)的空气孔的 数量从6个增加到8个、IO个的情况。与此对应，第二列(52)及其他列也 增加数量，能够增大燃烧嘴的向半径方向的尺寸。
图16表示将第一列(51 )的空气孔设置8个的情况。与燃料喷嘴33成为 一组的空气孔35在第一列(51)的空气孔列中每隔一个配置。这样改变整个 一列的空气孔数在空气孔的列数为2列的燃烧嘴中也是有效的。
图17是空气孔列为2列的情况，是第一列(51)的空气孔数为8个的情 况。在增加一个空气孔列时则燃烧嘴自身变得过大的场合，可增加每一列的个 数来进行调整。而且，由于若增加第一列(51)的空气孔数则第一列整体向外 侧扩展，所以形成于燃烧嘴中心部下游的循环气流区域也变大，还得到稳定性 提高的效果。
实施例8
图18、图19表示实施例8。图18是燃气轮机燃烧器的侧剖视图，图19 是燃烧嘴的主碎见图。本实施例对于在燃烧室上游侧配置多个具备空气孔部件的燃烧嘴的燃气轮机燃烧器而言，将本发明应用于中央燃烧嘴57。在外周侧配 置6个由燃料箱60、燃料喷嘴61、空气孔62构成的外侧燃烧嘴58,分别控 制对各个燃烧嘴供给的燃料。输送到各个燃料箱60的燃料分别分配到与燃料 箱60连接的多个燃料喷嘴61,并在从燃料喷嘴61喷出之后，通过空气孔62 向燃烧室l喷出。
在外侧燃烧嘴58中，所有燃料喷嘴的前端比空气孔入口配置在上游侧。 因此，在空气孔内向燃料流的外周侧形成空气流，进行燃料与空气的预混合。 此时，由于空气孔内的容量比燃烧室1小因而能够以短距离充分使其混合，在 外侧燃烧嘴58的下游形成预混合火焰27。
如实施例2说明的那样，就燃气轮机而言需要从起动至额定负载条件在宽 泛的条件下进行运转。尤其是，在起动条件和燃料系统转换后的条件下，燃烧 嘴局部的燃空比变低，因此火焰的燃烧稳定性非常重要。于是，通过将在中央 配置的燃烧嘴采用本发明的燃烧嘴从而提高中央燃烧嘴的燃烧稳定性，在从起 动到燃气轮机转速增加的条件下可得到高的可靠性。在形成于外侧燃烧嘴58 的下游侧的预混合火焰27中，也从形成于中央燃烧嘴57的下游侧的稳定的火 焰24接受热及化学活性种，因此燃烧稳定性提高。只是，由于从中央燃烧嘴 57排出的NOx增加，因此最好是尽可能减少燃料喷嘴33和空气孔35的组的 数量，以减少形成于中央燃烧嘴57的扩散燃烧区域的范围。
实施例9
图20表示实施例9。实施例9相对实施例8，外侧燃烧嘴58也转换为本 发明的燃烧嘴57。在本实施例中，由于在形成于各个燃烧嘴的火焰存在扩散 燃烧区域而增加NOx的排出量，但是各个燃烧嘴所形成的火焰的燃烧稳定性 提高。因此，在将例如如低卡路里燃料那样燃烧速度慢且非常难以燃烧的燃料 作为燃气轮机的燃料使用的场合，在具有多个的燃烧嘴所形成的各个火焰基部 形成扩散燃烧区域，可稳定地保持火焰并以高可靠性地运用。而且，也能同时 实现燃气轮才几负载运转的运用范围的扩大。
1权利要求
1. 一种燃烧嘴，具备在生成燃烧气体的燃烧室的燃烧气体流动方向上游侧以同心圆状将多个空气孔配置成多列的空气孔部件；和从该空气孔部件的燃料喷出方向上游侧对各个上述空气孔喷出燃料的燃料喷嘴，在上述燃料喷嘴的中心轴上配置了上述空气孔的入口中心，其特征在于，上述空气孔部件的空气孔具有相对燃烧嘴中心轴倾斜的空气孔中心轴，将第一燃料喷嘴的前端部做成可抑制在该第一燃料喷嘴的外周侧流动的空气流的紊乱的构造，将上述第一燃料喷嘴的前端配置在比上述空气孔入口靠燃料喷出方向下游侧，将第二燃料喷嘴的前端配置在比上述空气孔入口靠燃料喷出方向上游侧。
2. —种燃烧嘴，具备在生成燃烧气体的燃烧室的燃烧气体流动方向上 游侧的壁面上将多个空气孔以同心圓状设置多列的空气孔部件；与上述空气孔 一对一地配置并从该空气孔部件的燃料喷出方向上游侧对上述空气孔喷出燃 料的多个燃料喷嘴；对该燃料喷嘴分配燃料的燃料箱；以及在内部容纳该燃料 箱，并在上述燃料箱的燃料喷出方向上游侧具备空气流入孔的燃料箱容纳部， 在上述燃料喷嘴的中心轴上配置了上述空气孔的入口中心，其特征在于，上述空气孔部件的从燃烧嘴面中心第一列的上述空气孔具有相对燃烧嘴 中心轴倾斜的空气孔中心轴，在从上述空气流入孔流入来的空气所流入的上述空气孔的入口附近配置 上述燃料喷嘴的前端，将第一燃料喷嘴的前端部做成尖细的锥形形状，在上述第一列空气孔内插 入该第一燃料喷嘴的前端，并且，将第二燃料喷嘴的前端配置在比上述第一列空气孔入口靠上游侧。
3. —种燃烧装置，具备配置在燃烧器村套的燃烧气体流动方向上游侧的 起动喷嘴、和位于该起动喷嘴外周侧的环状的预混合燃烧嘴，上述起动喷嘴具 备将多个空气孔以同心圆状配置成多列的空气孔部件、和^Mv该空气孔部件的燃 料喷出方向上游侧对各个上述空气孔喷出燃料的燃料喷嘴，在上述燃料喷嘴的 中心轴上配置了上述空气孔的入口中心，其特征在于，上述空气孔部件的从燃烧嘴面中心第一列的上述空气孔具有相对燃烧嘴中心轴倾斜的空气孔中心轴，将第一燃料喷嘴的前端部做成尖细的锥形形状，在比上述第一列空气孔入 口靠下游侧配置该第一燃料喷嘴的前端，并且，将第二燃料喷嘴的前端配置在比上述第一列空气孔入口靠上游侧。
4. 根据权利要求3所述的燃烧装置，其特征在于，在上述预混合燃烧嘴上配置有将燃料和空气进行混合的预混合通道， 在该预混合通道的出口配置火焰稳定器。
5. 根据权利要求2所述的燃烧嘴，其特征在于，将上述第一列的上述第一燃料喷嘴及上述第二燃料喷嘴沿圆周方向交替 配置。
6. 根据权利要求2所述的燃烧嘴，其特征在于，在从燃烧嘴面中心第一列和第二列的空气孔，沿圆周方向交替配置了上述 第 一燃料喷嘴及上述第二燃料喷嘴。
7. 根据权利要求1所述的燃烧嘴，其特征在于， 配置多个上述燃烧嘴构成一个燃烧装置。
8. —种燃烧装置的改造方法，该燃烧装置具备形成使燃料和空气燃烧 的燃烧室的燃烧器衬套；配置在该燃烧器衬套的燃烧气体流动方向上游侧的扩 散燃烧方式的起动喷嘴；以及位于该起动喷嘴外周侧的环状的预混合燃烧嘴， 其特征在于，更换为如下结构的起动喷嘴，即、具备空气孔部件，该空气孔部件具备 具有相对燃烧嘴中心轴倾斜的中心轴的多个空气孔、和燃料喷嘴，该燃料喷嘴 从该空气孔部件的燃料流动方向上游侧对各个上述空气孔喷出燃料，在上述燃 料喷嘴的中心轴上配置上述空气孔的入口中心，将上述燃料喷嘴的前端部做成 可抑制在该燃料喷嘴的外周侧流动的空气流的紊乱的构造，在比具有4t转角的 空气孔入口靠下游侧配置该第一燃料喷嘴的前端，将第二燃料喷嘴的前端配置 在比空气孔入口靠上游侧。
9. 根据权利要求8所述的燃烧装置的改造方法，其特征在于， 更换为将上述第一燃料喷嘴及上述第二燃料喷嘴沿圆周方向交替配置的起动喷嘴。
全文摘要
本发明涉及燃烧嘴、燃烧装置及燃烧装置的改造方法，目的是具备高燃烧稳定性，且减少NOx排出量。为解决上述课题，本发明的燃烧嘴的特征在于，上述空气孔部件的空气孔具有相对于燃烧嘴中心轴倾斜的空气孔中心轴，将第一燃料喷嘴的前端部做成可抑制在该第一燃料喷嘴的外周侧流动的空气流紊乱的构造，将上述第一燃料喷嘴的前端配置在比上述空气孔入口靠燃料喷出方向下游侧，将第二燃料喷嘴的前端配置在比上述空气孔入口靠燃料喷出方向上游侧。根据本发明，能够具备高燃烧稳定性，且能减少NOx排出量。
文档编号F23R3/04GK101446419SQ20081017947
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月29日
发明者三浦圭佑, 井上洋, 小山一仁, 斋藤武雄, 百百聪 申请人:株式会社日立制作所