燃料喷射器以及燃气轮机的制作方法

本发明涉及燃料喷射器以及燃气轮机。

背景技术：

从保护环境的观点出发，希望减少从燃气轮机排出的氮氧化物（NO_X）。作为减少NO_X排出量的方法之一，存在预先将燃料和压缩空气充分混合（完全预混合），并将该混合气从燃料喷射器喷射而使其燃烧的方法。根据该方法，由于燃烧快速进行，因此能够抑制燃烧温度的上升，且能够抑制由燃烧温度的上升引起的NO_X（热力型NO_X）的产生（参见专利文献1）。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2010-216668号公报。

技术实现要素：

发明要解决的问题：

然而，如果在燃料喷射器内将燃料和压缩空气进行大量预混合，则会发生燃烧室的火焰传播到燃料喷射器的“回火”，存在燃料喷射器烧坏的担忧。尤其，使用氢气等反应性较高的物质作为燃料的情况，容易发生回火。

本发明鉴于如上的情况而形成，目的在于提供一种能够抑制NO_X的产生量并且能够抑制回火的发生的燃料喷射器。

解决问题的手段：

根据本发明的燃料喷射器，具备：向燃烧室开口的圆筒流路，将燃料导入至所述圆筒流路的燃烧室侧的燃料导入路，以及在相比所述圆筒流路中燃料被导入的位置靠近上游侧的位置将压缩空气导入至所述圆筒流路的空气导入路；所述燃料导入路在横向剖面观察时从所述圆筒流路的切线方向导入燃料。

根据该结构，燃料沿圆筒流路的内周面进行旋转并被喷射至燃烧室，在燃烧室内形成为片状（螺旋带状）。此时，连续的燃料其表面积扩大，从表面到中央的距离变短，因此能够缩短燃烧反应时间，抑制NO_X的产生量。又，由于压缩空气从圆筒流路朝向燃烧室流动，因此能够抑制圆筒流路的出口附近的燃烧气体的滞留，实现稳定燃烧。此外，由于没有在燃料喷射器内将燃料和空气进行大量预混合，因此能够抑制回火。

又，在上述燃料喷射器中，所述空气导入路形成为在所述圆筒流路内使压缩空气以和燃料的旋转方向相同的方向进行旋转的结构亦可。根据该结构，能够通过旋转的压缩空气进一步促进燃料的旋转，更加可靠地使燃料形成为片状。

又，在上述燃料喷射器中，所述燃料导入路设置为朝向相对于与所述圆筒流路的中心轴垂直的方向往所述燃烧室侧倾斜的方向导入燃料亦可。根据该结构，氢气难以滞留在圆筒流路的出口附近，即使在使用氢气等反应性较高的气体的情况下也能够降低回火风险。

又，根据本发明的其他形态的燃料喷射器，具备：向燃烧室开口的多条圆筒流路，将燃料导入至所述多条圆筒流路各自的燃烧室侧的多条燃料导入路，以及在相比所述多条圆筒流路中燃料被导入的位置靠近上游侧的位置将压缩空气导入至所述多条圆筒流路中每一条的多条空气导入路；各所述燃料导入路在横向剖面观察时从所述圆筒流路的切线方向导入燃料。

根据本发明的燃气轮机具备上述燃料喷射器中任一种燃料喷射器。

发明效果：

如上所述，上述燃料喷射器，能够抑制NO_X的产生量并且能够抑制回火的发生。

附图说明

图1是燃气轮机整体的概略结构图；

图2是燃烧器的概略结构图；

图3是再热用燃料喷射器的立体图；

图4是再热用燃料喷射器的纵向剖视图；

图5是图4的A-A向剖视图，是示出第一燃料导入路的图；

图6是图4的A-A向剖视图，是示出第二燃料导入路的图；

图7是图4的A-A向剖视图，是示出第三燃料导入路地图；

图8是图4的B-B向剖视图；

图9是图4的C-C向剖视图；

图10是示出燃料导入路与空气导入路的位置关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下，相同或相应的要素在所有附图中以相同的符号标记，并省略重复的说明。

〈燃气轮机的结构〉

首先，说明燃气轮机100的整体结构。图1是燃气轮机100的概略结构图。根据本实施形态的燃气轮机100是驱动发电机101的发电用燃气轮机。燃气轮机100具备：压缩器10，燃烧器11，燃料供给装置12，以及涡轮13。

燃烧器11中，从压缩器10供给压缩空气102，并从燃料供给装置12供给燃料103。在本实施形态中，假定使用反应性较高的氢气作为燃料103，但是燃料103也可以是天然气或液化氢气等。在燃烧器11内，燃料103和压缩空气102燃烧，由此产生的高温高压的燃烧气体104被供给至涡轮13。涡轮13通过燃烧气体104的能量进行旋转，并通过压缩器10驱动发电机101。

〈燃烧器的结构〉

接着，说明燃烧器11。图2是燃烧器11的概略剖视图。根据本实施形态的燃烧器11，是压缩空气102和燃烧气体104逆向流动的回流式罐型，具备：外壳20，燃烧筒21，主燃料喷射器22，以及再热用燃料喷射器23。另外，燃烧器11也可以采用回流式罐型以外的结构。

外壳20是形成燃烧器11的外轮廓的构件。外壳20具有圆筒状的外管构件24和设置于外管构件24的一侧（纸面左侧）端部的圆盘状的端盖25。

燃烧筒21容纳于外壳20的内部，燃烧筒21的内部形成有燃烧室26。在燃烧室26中，燃料103和压缩空气102燃烧而生成燃烧气体104。生成的燃烧气体104朝向纸面右侧流动，并被供给至涡轮13（参见图1）。燃烧筒21和外壳20之间形成有环状的空气流路27，从压缩器10供给的压缩空气102通过该空气流路27，并朝向主燃料喷射器22（朝向纸面左侧）流动。

主燃料喷射器22安装于外壳20的端盖25，并设置为在轴方向上贯通空气流路27。主燃料喷射器22形成为能够将通过空气流路27的压缩空气102取入的结构。然后，将从燃料供给装置12供给的燃料103和取入的压缩空气102同时喷射至燃烧室26。在图2中仅示出一个主燃料喷射器22，但是设置多个主燃料喷射器22亦可。又，与主燃料喷射器22分开地设置喷射少量燃料的先导燃料喷射器亦可。

再热用燃料喷射器23安装于外壳20的外管构件24，并设直为在半径方向上贯通空气流路27。再热用燃料喷射器23形成为能够将通过空气流路27的压缩空气102的一部分取入的结构。然后，将从燃料供给装置12供给的燃料和取入的压缩空气102同时喷射至燃烧室26。另外，在本实施形态中，多个再热用燃料喷射器23在燃烧器11的周方向上等间隔（例如，每隔90度）配置。

〈燃料喷射器的结构〉

接着，详细说明再热用燃料喷射器23的结构。根据本实施形态的再热用燃料喷射器23是将燃料103形成为片状而进行喷射的方式（以下，称为“片喷射方式”）的燃料喷射器。以下，说明再热用燃料喷射器23为片喷射方式的情况，但是主燃料喷射器22以及再热用燃料喷射器23这两者为片喷射方式亦可，仅主燃料喷射器22为片喷射方式亦可。

图3是再热用燃料喷射器23的立体图，图4是再热用燃料喷射器23的纵向剖视图。如图3所示，再热用燃料喷射器23由位于基端侧（图3的纸面右上侧）的第一圆柱部30和位于梢端侧（图3的左下侧）且直径大于第一圆柱部30的第二圆柱部31构成。

如图4所示，再热用燃料喷射器23具备：在再热用燃料喷射器23的轴方向上延伸的多条圆筒流路32，燃料流路33，多条燃料导入路34，以及多条空气导入路35。

圆筒流路32是使燃料103和压缩空气102边旋转边导入燃烧室26的流路。圆筒流路32向燃烧室26开口。如图3所示，多条圆筒流路32中，6条内侧圆筒流路32A在绕再热用燃料喷射器23其中心轴的周方向上排列配置，12条外侧圆筒流路32B在内侧圆筒流路32A的外侧、在绕中心轴的周方向上排列配置。

又，如图4所示，内侧圆筒流路32A形成于第一圆柱部30至第二圆柱部31，另一方面，外侧圆筒流路32B仅形成于第二圆柱部31。另外，在本实施形态中，各圆筒流路32以相互平行的形式形成，但是各圆筒流路32并非一定相互平行地形成亦可。例如，仅内侧圆筒流路32A以在轴方向上延伸的形式形成，而外侧圆筒流路32B以相对轴方向倾斜并向半径方向外侧延伸的形式形成亦可。

燃料流路33是用于将从燃料供给装置12（参见图1）供给的燃料103分支并供给至多条燃料导入路34的流路。如图4所示，燃料流路33位于再热用燃料喷射器23的中心轴上并在轴方向上延伸。如图4所示，燃料流路33的内周面上，在三个不同的轴方向位置上，分别在周方向上等间隔地形成有6个燃料排出口36。这些各燃料排出口36分别与燃料导入路34连接。因此，燃料流路33内的燃料103通过燃料排出口36流至燃料导入路34。另外，在本实施形态中，只形成一条燃料流路33，但是形成多条燃料流路33亦可。

燃料导入路34是将燃料103导入至各圆筒流路32的流路。以下，从燃料导入路34中离燃烧室26远的燃料排出口36所连接的燃料导入路开始，依次称为“第一燃料导入路34A”、“第二燃料导入路34B”、“第三燃料导入路34C”。图5～图7是图4的A-A向剖视图，分别示出第一燃料导入路34A、第二燃料导入路34B、第三燃料导入路34C。

如图5所示，第一燃料导入路34A从燃料流路33朝向12条外侧圆筒流路32B中的6条外侧圆筒流路32B延伸。然后，第一燃料导入路34A的下游端部分，以剖面观察时在圆筒流路32的切线方向上延伸的形式，与外侧圆筒流路32B连接。另外，第一燃料导入路34A的下游端部分相对于再热用燃料喷射器23的半径方向大致平行地延伸。

如图6所示，第二燃料导入路34B从燃料流路33朝向12条外侧圆筒流路32B中未与第一燃料导入路34A连接的其余6条外侧圆筒流路32B延伸。在本实施形态中，与第一燃料导入路34A连接的外侧圆筒流路32B，以及与第二燃料导入路34B连接的外侧圆筒流路32B在再热用燃料喷射器23的周方向上交替配置。又，第二燃料导入路34B的下游端部分，以剖面观察时在外侧圆筒流路32B的切线方向上延伸的形式，与外侧圆筒流路32B连接。然而，第二燃料导入路34B的下游端部分不同于第一燃料导入路34A的下游端部分，在相对于再热用燃料喷射器23的半径方向倾斜的方向上延伸。

如图7所示，第三燃料导入路34C从燃料流路33朝向6条内侧圆筒流路32A延伸。然后，第三燃料导入路34C的下游端部分，以剖面观察时在外侧圆筒流路32B的切线方向上延伸的形式，与内侧圆筒流路32A连接。又，第一燃料导入路34A、第二燃料导入路34B以及第三燃料导入路34C的下游部分（燃料导入口40）位于圆筒流路32的燃烧室26侧。这里所说的“圆筒流路32的燃烧室26侧”，可以是在轴方向上将圆筒流路32进行三等分后的区域中最靠近燃烧室26的区域，也可以是在轴方向上将圆筒流路32进行二等分后的区域中最靠近燃烧室26的区域。

如上所述，各燃料导入路34的下游段部分，均以剖面观察时在圆筒流路32的切线方向上延伸的形式，与圆筒流路32连接。因此，与圆筒流路32的中心轴垂直地进行剖面观察（横向剖面观察）时，燃料103从圆筒流路32的切线方向导入至圆筒流路32。由此，导入至圆筒流路32的燃料103沿圆筒流路32的内周面进行旋转（在图5～图7中为顺时针旋转）之后会被喷射到燃烧室26。这样，燃料103沿圆筒流路32的内周面进行旋转，以此燃料103形成为片状。

又，如图4所示，第一燃料导入路34A具有在轴方向上延伸的第一纵向流路部37，第二燃料导入路34B具有比第一纵向流路部37短且在轴方向上延伸的第二纵向流路部38。相对于此，第三燃料导入路34C不具有在轴方向上延伸的流路部。通过像这样构成各燃料导入路34，以此形成以下结构：在所有圆筒流路32中，导入燃料103的燃料导入口40离圆筒流路32的出口的距离基本相同。

空气导入路35是将压缩空气102导入至各圆筒流路32的流路。如图3所示，第一圆柱部30上形成有内侧圆筒流路32A用的空气取入口41A，第二圆柱部31A、B上形成有外侧圆筒流路32B用的空气取入口41B。任一空气取入口41A、41B均在轴方向上延伸而形成为缝隙状。如图4所示，空气导入路35将形成于第一圆柱部30 的空气取入口41A与内侧圆筒流路32A连接，并且将形成于第二圆柱部31的空气取入口41B与外侧圆筒流路32B连接。由此，能够将再热用燃料喷射器23外部的压缩空气102导入至各圆筒流路32。

此外，如图4所示，空气导入路35位于相比燃料导入路34（燃料导入口40）更靠近上游侧的位置。由此，在圆筒流路32中，相比燃料103，压缩空气102被导入至更靠近上游侧的位置。因此，燃料103以向压缩空气102挤出的形式与压缩空气102一起被喷射至燃烧室26。

图8是图4的B-B向剖视图，图9是图4的C-C向剖视图。如图8以及图9所示，任一空气导入路35，均以剖面观察时在圆筒流路32的切线方向上延伸的形式，与圆筒流路32连接。因此，与圆筒流路32的中心轴垂直地进行剖面观察（横向剖面观察）时，空气导入路35能够将压缩空气102从圆筒流路32的切线方向导入至圆筒流路32。由此，导入至圆筒流路32的压缩空气102会沿圆筒流路32的内周面进行旋转（在图8和图9中为顺时针旋转）并被喷射至燃烧室26。

在此，图10是示出从燃烧室26 侧观察的燃料导入路34与空气导入路35的位置关系的图。在图10中，燃料导入路34与圆筒流路32的纸面右侧连接，空气导入路35与圆筒流路32的纸面下侧连接。然后，燃料103从纸面下方导入至圆筒流路32的纸面右侧，并沿圆筒流路32的内周面进行逆时针旋转。另一方面，压缩空气102从纸面左方导入至圆筒流路32的纸面下侧，并沿圆筒流路32的内周面进行逆时针旋转。由此，在本实施形态中，使压缩空气102以和燃料103的旋转方向相同的方向进行旋转。因此，例如与压缩空气102在轴方向上以直线形式流动的情况相比，在本实施形态中燃料103更容易进行旋转，因此燃料103更容易形成为片状。

另外，各空气导入路35在相对于各圆筒流路32的中心轴垂直的方向上延伸。与燃料103的情况不同，即使旋转的压缩空气102和导入的压缩空气102进行干涉，对燃料103形成为片状的影响也很小。

以上是本实施形态的说明。如上所述，在本实施形态中，由于燃料103形成为片状，因此燃料103的表面到燃料103的中心的距离较短，燃料103的燃烧反应时间较短。其结果是，能够抑制NO_X的产生。

又，以上，空气导入路35以横向剖面观察时在圆筒流路32的切线方向上延伸的形式与圆筒流路32连接，以此形成为在圆筒流路32内使压缩空气102以和燃料103的旋转方向相同的方向进行旋转的结构，但是空气导入路35不限于这样的结构。例如，空气导入路35具有位于圆筒流路32外周的离心式喷嘴（旋转引导翼；swirler），以此形成为在圆筒流路32内使压缩空气102以和燃料103的旋转方向相同的方向进行旋转的结构亦可。

又，以上，说明了燃料喷射器23具备多条圆筒流路32、多条燃料导入路34以及多条空气导入路35的情况，但是燃料喷射器23不具备多条这些组件亦可。例如，燃料喷射器23是具备一条圆筒流路32、一条燃料导入路34以及一条空气导入路35的结构亦可。

又，以上，说明了圆筒流路32、燃料流路33以及燃料导入路34形成于第一圆筒部30和第二圆筒部31的情况，但是各流路32～34并非一定形成于同一构件亦可。例如，各流路32～34通过各自独立的管构件形成，将它们连接而构成燃料喷射器23亦可。

又，以上，说明了将燃料喷射器23用于燃气轮机100的情况，但是不限于燃气轮机，也可以用于锅炉或吸收式冷冻机等。

工业应用性：根据本发明的燃料喷射器，能够抑制NO_X的产生量并且能够抑制回火的发生。因此，在燃料喷射器的技术领域有益。

符号说明：

22 主燃料喷射器；

23 再热用燃料喷射器；

26 燃烧室；

32 圆筒流路；

32A 内侧圆筒流路；

32B 外侧圆筒流路；

34 燃料导入路；

34A 第一燃料导入路；

34B 第二燃料导入路；

34C 第二燃料导入路；

35 空气导入路；

40 燃料导入口；

100 燃气轮机；

102 压缩空气；

103 燃料。