燃气轮机燃烧器以及燃气轮机的制作方法

本发明涉及燃气轮机燃烧器以及具备该燃气轮机燃烧器的燃气轮机，该燃气轮机向压缩了的高温、高压的空气供给燃料并使之燃烧，将产生的燃烧气体向涡轮供给而获得旋转动力，该燃气轮机燃烧器用于该燃气轮机。

背景技术：

通常的燃气轮机包括压缩机、燃烧器、以及涡轮。并且，从空气导入口导入的空气被压缩机压缩而成为高温、高压的压缩空气，在燃烧器中，通过向该压缩空气供给燃料并使其燃烧而获得高温、高压的燃烧气体(工作流体)，通过该燃烧气体驱动涡轮，从而驱动与该涡轮连结的发电机。

这样构成的燃气轮机的燃烧器构成为，在外筒的内侧支承有内筒，在该内筒的前端部连结有尾筒从而构成壳体，在内筒设置有先导喷嘴和多个主燃料喷嘴。另外，外筒在内周面设置有多个顶帽喷嘴。因此，在压缩空气的空气流通过空气流路而流入内筒内时，从顶帽喷嘴喷射燃料，空气与燃料的混合气体在内筒内与从主燃料喷嘴喷射的燃料混合，形成预混合气体的回旋流而流入尾筒。另外，燃料混合气体与从先导喷嘴喷射出的燃料混合，被未图示的引燃火焰点火而燃烧，成为燃烧气体而向尾筒内喷出。此时，燃烧气体的一部分在尾筒内伴随着火焰而向周围扩散地喷出，从而使从各主喷嘴流入尾筒内的预混合气体被点火而燃烧。

作为这样的燃气轮机燃烧器，例如有下述专利文献1记载的燃烧器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-233574号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在上述的燃气轮机燃烧器中，在压缩空气流入内筒前，预先向在空气流路中流动的压缩空气混合来自顶帽喷嘴的燃料，从而能够使内筒内的混合气体的燃料与燃烧用空气更加均匀地混合。然而，顶帽喷嘴相对于压缩空气的流动而垂直地突出，因此产生顶帽喷嘴周围的气流的剥离，在下游侧产生压缩空气的流动缓慢的区域。于是，在内筒、尾筒中生成的火焰可能会返火而损伤顶帽喷嘴。

本发明解决上述的课题，其目的在于提供抑制火焰的返火的燃气轮机燃烧器以及燃气轮机。

用于解决课题的方案

用于实现上述目的的本发明的燃气轮机燃烧器具备：燃烧器外筒，其呈筒形状；燃烧器内筒，其配置在所述燃烧器外筒的内侧；第一燃料喷射部，其配置在所述燃烧器内筒的内部；空气流路，其设置在所述燃烧器外筒与燃烧器内筒之间，并使压缩空气流入所述燃烧器内筒内；以及第二燃料喷射部，其配置于所述空气流路，所述燃气轮机燃烧器的特征在于，所述第二燃料喷射部在所述空气流路的下游侧配置在与所述燃烧器内筒连通的弯曲部，且构成为基端部由所述燃烧器外筒的弯曲的内表面支承且前端部向所述燃烧器内筒侧延伸，所述第二燃料喷射部配置为，长度方向的中心线相对于与所述燃烧器外筒的弯曲的内表面的切线正交的垂线而向在所述空气流路中流动的压缩空气的流动方向的下游侧或者上游侧倾斜规定角度。

因此，当压缩空气流入空气流路时，从第二燃料喷射部向该压缩空气喷射燃料而形成混合气体，该混合气体流入燃烧器内筒内，从第一燃料喷射部向该混合气体喷射燃料而形成预混合气体。此时，第二燃料喷射部向空气流路中的压缩空气的流动方向的下游侧或者上游侧倾斜规定角度，因此能够抑制第二燃料喷射部周围的气流的剥离。因此，第二燃料喷射部的下游侧的压缩空气的流动缓慢的区域减少，从而能够抑制火焰的返火。

在本发明的燃气轮机燃烧器中，其特征在于，所述第二燃料喷射部配置为，长度方向的中心线相对于所述垂线而向在所述空气流路中流动的压缩空气的流动方向的下游侧在10度至30度的范围内倾斜。

因此，第二燃料喷射部向压缩空气的流动方向的下游侧在10度～30度的范围内倾斜，从而第二燃料喷射部不易成为压缩空气的流动的阻力，能够减少第二燃料喷射部的下游侧的压缩空气的流动缓慢的区域。

在本发明的燃气轮机燃烧器中，其特征在于，构成所述空气流路的所述燃烧器外筒的内表面部具有：沿着所述燃烧器外筒的轴向的第一直线部、沿着与所述燃烧器外筒的轴向正交的方向的第二直线部、以及将所述第一直线部与所述第二直线部连接的弯曲部，所述第二燃料喷射部的基端部被支承为比所述第一直线部以及所述第二直线部延长的交点靠在所述空气流路中流动的压缩空气的流动方向的下游侧。

因此，能够进一步抑制火焰的返火，并且通过改变燃料喷射位置，能够改善燃烧性。

在本发明的燃气轮机燃烧器中，其特征在于，所述第二燃料喷射部呈圆柱形状，并且前端部呈球面形状。

因此，通过将第二燃料喷射部设为圆柱形状并将前端部设为球面形状，能够抑制由第二燃料喷射部引起的压缩空气的剥离从而减少第二燃料喷射部尾流的低速区域。

另外，本发明的燃气轮机的特征在于，具备：压缩机，其对空气进行压缩；燃烧器，其使所述压缩机压缩后的压缩空气与燃料混合并燃烧；以及涡轮，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体而获得旋转动力，使用所述燃气轮机燃烧器作为所述燃烧器。

因此，在燃烧器中，将在燃烧器外筒与燃烧器内筒之间的空气流路配置的第二燃料喷射部配置为，向压缩空气的流动方向的下游侧或者上游侧倾斜规定角度，能够抑制第二燃料喷射部周围的气流的剥离。因此，第二燃料喷射部的下游侧的压缩空气的流动缓慢的区域减少，从而能够抑制火焰的返火。

发明效果

根据本发明的燃气轮机燃烧器以及燃气轮机，将在燃烧器外筒与燃烧器内筒之间的空气流路配置的第二燃料喷射部配置为在压缩空气的流动方向的下游侧或者上游侧倾斜规定角度，因此能够减少第二燃料喷射部的下游侧的压缩空气的流动缓慢的区域，从而抑制火焰的返火。

附图说明

图1是示出本实施方式的燃气轮机燃烧器的桩的安装状态的图7的I-I剖视图。

图2是用于对桩的安装角度进行说明的概要图。

图3是示出本实施方式的桩的变形实施方式的剖视图。

图4是示出本实施方式的燃气轮机的概要结构图。

图5是示出燃气轮机燃烧器的概要图。

图6是示出燃气轮机燃烧器的主要部分的概要图。

图7是图6的VII-VII剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的燃气轮机燃烧器以及燃气轮机的优选实施方式详细地进行说明。需要说明的是，并不通过该实施方式来限定本发明，另外，在具有多个实施方式的情况下，也包括将各实施方式组合而构成的方式。

图4是示出本实施方式的燃气轮机的概要结构图。

在本实施方式中，如图4所示，燃气轮机10包括压缩机11、燃烧器12以及涡轮13。该燃气轮机10在同轴上连结有未图示的发电机，能够进行发电。

压缩机11具有导入空气的空气导入口20，在压缩机机室21内配设有入口引导叶片(IGV：Inlet Guide Vane)22，并且多个静叶23与动叶24在前后方向(后述的转子32的轴向)上交替配设，在其外侧设置有抽气室25。燃烧器12向被压缩机11压缩后的压缩空气供给燃料并进行点火，从而能够燃烧。在涡轮13的涡轮机室26内，多个静叶27与动叶28在前后方向(后述的转子32的轴向)上交替配设。在该涡轮机室26的下游侧，隔着排气机室29而配设有排气室30，排气室30具有与涡轮13连续的排气扩散器31。

另外，转子(旋转轴)32以贯通压缩机11、燃烧器12、涡轮13、排气室30的中心部的方式设置。转子32的压缩机11侧的端部被轴承部33支承为旋转自如，另一方面，排气室30侧的端部被轴承部34支承为旋转自如。并且，该转子32在压缩机11中将装配有各动叶24的盘层叠多个并固定，在涡轮13中将装配有各动叶28的盘层叠多个并固定，且在排气室30侧的端部连结有未图示的发电机的驱动轴。

而且，在该燃气轮机10中，压缩机11的压缩机机室21由腿部35支承，涡轮13的涡轮机室26由腿部36支承，排气室30由腿部37支承。

因而，从压缩机11的空气导入口20导入的空气通过入口引导叶片22、以及多个静叶23和动叶24而被压缩，从而成为高温、高压的压缩空气。在燃烧器12中，向该压缩空气供给规定的燃料并使其燃烧。然后，由该燃烧器12生成的工作流体即高温、高压的燃烧气体通过构成涡轮13的多个静叶27和动叶28而驱动转子32旋转，从而驱动与该转子32连结的发电机。另一方面，驱动涡轮后的燃烧气体作为废气而向大气放出。

在此，对本实施方式的燃烧器(燃气轮机燃烧器)详细地进行说明。

图5是示出燃气轮机燃烧器的概要图，图6是示出燃气轮机燃烧器的主要部分的概要图，图7是图6的VII-VII剖视图。

如图5所示，在燃烧器12中，燃烧器外筒41在内部隔开规定间隔地支承有燃烧器内筒42，在该燃烧器内筒42的前端部连结有燃烧器尾筒43从而构成燃烧器壳体。燃烧器内筒42配置有位于内部的中心的先导燃烧嘴44，并且在燃烧器内筒42的内周面沿着周向以包围先导燃烧嘴44的方式配置有多个主燃烧嘴45。另外，燃烧器尾筒43与旁通管46连结，在该旁通管46上设有旁通阀47。

详细地进行说明，如图6所示，在燃烧器外筒41的基端部安装有燃烧器内筒42的基端部，在两者之间形成有空气流路51。并且，燃烧器内筒42配置有位于内部的中心的先导燃烧嘴44，在该先导燃烧嘴44的周围配置有多个主燃烧嘴45。先导燃烧嘴44包括由燃烧器内筒42支承的先导锥体52、在先导锥体52的内部配置的先导喷嘴(第一燃料喷射部)53、以及在先导喷嘴53的外周部配置的回旋叶片(旋流叶片)54。另外，各主燃烧嘴45包括嘴筒55、在嘴筒55的内部配置的主喷嘴1(第一燃料喷射部)56、以及在主喷嘴56的外周部设置的回旋叶片(旋流叶片)57。

在燃烧器外筒41与燃烧器内筒42之间设置有呈环状的空气流路51，在该空气流路51设置有多个桩(燃料喷射部)58。如图7所示，该多个桩58的基端部固定于燃烧器外筒41，前端部朝向燃烧器内筒42侧延伸。而且，多个桩58在燃烧器外筒41的周向上以规定间隔配置。

另外，如图6所示，燃烧器外筒41设置有先导燃料口61、主燃料口62以及顶帽燃料口63，先导燃料口61、主燃料口62以及顶帽燃料口63分别与先导喷嘴53、各主喷嘴56以及各桩58连接。而且，未图示的先导燃料线路与先导燃料口61连结，未图示的主燃烧线路与各主燃料口62连结，未图示的顶帽燃烧线路与各顶帽燃料口63连结。

因此，当高温、高压的压缩空气的空气流流入空气流路51时，从各桩58向该压缩空气喷射燃料F而形成混合气体，使该混合气体流入燃烧器内筒42内。流入燃烧器内筒42的混合气体与从主燃烧嘴45喷射的燃料F混合，成为预混合气体的回旋流。另外，混合空气与从先导燃烧嘴44喷射出的燃料F混合，通过未图示的引燃火焰而被点火进行燃烧，成为燃烧气体并向燃烧器尾筒42内喷出。此时，燃烧气体的一部分以伴随着火焰向周围扩散的方式向燃烧器内筒42内喷出，从而对从各主燃烧嘴45流入燃烧器内筒42内的预混合气体进行点火而使其燃烧。即，通过从先导燃烧嘴44喷射出的先导燃料的发散火焰的作用下，能够进行用于进行来自主燃烧嘴45的稀薄预混合燃料的稳定燃烧的保焰。

以下，对桩58详细地进行说明。图1是示出本实施方式的燃气轮机燃烧器的桩的安装状态的图7的I-I剖视图，图2是用于桩的安装角度进行说明的概要图。

如图1所示，桩58在空气流路51的下游侧配置在与燃烧器内筒42连通弯曲部，且构成为基端部由燃烧器外筒41的弯曲的内表面支承且前端部向燃烧器内筒42侧延伸。桩58呈圆柱形状，在内部形成有未图示的燃料通路，该燃料通路的一端部与来自顶帽燃料口63的供给孔63a连通，另一端部与在桩58的外部开口的多个喷射孔58a连通。

如图2所示，构成空气流路51的燃烧器外筒41的内表面部具有：沿着燃烧器外筒41的轴向的第一直线部41a、沿着与燃烧器外筒41的轴向正交的方向(燃烧器外筒41的径向)的第二直线部41c、以及将第一直线部41a与第二直线部41c连接的弯曲部41b。即，第一直线部41a的延长线与第二直线部41c的延长线在各自的长度L1、L2的位置处以直角(90度)交叉。桩58的基端部固定于弯曲部41b，即，固定于沿着第一直线部41a的长度L1与沿着第二直线部41c的长度L2的范围。

桩58配置为，长度方向的中心线O相对于与燃烧器外筒41的弯曲部41b的内表面的切线T正交的垂线P而向在空气流路51中流动的压缩空气A的流动方向的下游侧倾斜规定角度θ。该倾斜角度θ优选为10度～40度的范围，30度左右最佳。

另外，桩58的基端部被支承为比第一直线部41a以及第二直线部41c延长的交点靠在空气流路51中流动的压缩空气A的流动方向的下游侧。

需要说明的是，桩58不限于上述的形状。图3是示出本实施方式的桩的变形实施方式的剖视图。

如图3所示，桩71配置于构成空气流路51的燃烧器外筒41的弯曲部41b，向燃烧器内筒42侧延伸。桩71呈圆柱形状，在内部形成有未图示的燃料通路，该燃料通路的一端部与来自顶帽燃料口63的供给孔63a连通，另一端部与在桩71的外部开口的多个喷射孔71a连通。另外，桩71在前端部形成有呈球面形状的球面部71b。

另外，桩58、71不限于上述的形状，也可以呈多棱柱形状、椭圆柱形状、或者前端变细或前端变粗的形状、带有台阶的形状等。另外，桩58、71配置为，长度方向的中心线O相对于垂线P而向压缩空气A的流动方向的下游侧倾斜，但也可以配置为，长度方向的中心线O相对于垂线P而向压缩空气A的流动方向的上游侧倾斜。

因此，当压缩空气A流入空气流路51时，从桩58、71向该压缩空气A喷射燃料F而形成混合气体，该混合气体流入燃烧器内筒42内，从先导喷嘴53、主喷嘴56向该混合气体喷射燃料F而进行混合。此时，桩58、71向空气流路51中的压缩空气A的流动方向的下游侧倾斜，因此能够抑制第二燃料喷射部周围的气流的剥离。于是，桩58、71的下游侧的压缩空气A的流动缓慢的区域减少，来自燃烧器内筒42的火焰的返火得到抑制。

像这样，在本实施方式的燃气轮机燃烧器中设置有燃烧器外筒41、燃烧器内筒42、在燃烧器内筒42的内部配置的先导喷嘴53及主喷嘴56、设置在燃烧器外筒41与燃烧器内筒42之间的空气流路51、以及配置于空气流路51的桩58、71，桩58、71在空气流路51的下游侧配置在与燃烧器内筒42连通的弯曲部41b，且构成为基端部由该弯曲部41b的内表面支承且前端部向燃烧器内筒42侧延伸，且配置为长度方向的中心线O相对于与燃烧器外筒41的弯曲面的切线T正交的垂线P而向在空气流路51中流动的压缩空气A的流动方向的下游侧(或者上游侧)倾斜规定角度θ。

因此，能够抑制桩58、71周围的气流的剥离，该桩58、71的下游侧的压缩空气A的流动缓慢的区域减少，从而能够抑制火焰的返火。

在本实施方式的燃气轮机燃烧器中，将桩58、71配置为，向压缩空气A的流动方向的下游侧在10度至30度的范围内倾斜。因此，桩58、71不易成为压缩空气A的流动的阻力，能够减少桩58、71的下游侧的压缩空气A的流动缓慢的区域。

在本实施方式的燃气轮机燃烧器中，构成空气流路51的燃烧器外筒41的内表面部具有：沿着燃烧器外筒41的轴向的第一直线部41a、沿着与燃烧器外筒41的轴向正交的方向的第二直线部41c、以及将第一直线部41a与第二直线部41c连接的弯曲部41b，将桩58、71的基端部支承在比第一直线部41a以及第二直线部41c延长的交点靠在空气流路51中流动的压缩空气A的流动方向的下游侧的位置。因此，能够进一步抑制火焰的返火。另外，通过改变燃料喷射位置，还能够改善燃烧性。

在本实施方式的燃气轮机燃烧器中，将桩71设为圆柱形状且在前端部设置有球面部71b。因此，桩71不易成为压缩空气A的流动的阻力，另外，能够抑制由桩71引起的压缩空气A的剥离从而减少第二燃料喷射部尾流的低速区域。

另外，本实施方式的燃气轮机具备：对空气进行压缩的压缩机11、使压缩机11压缩后的压缩空气A与燃料F混合并燃烧的燃烧器12、以及通过燃烧器12生成的燃烧气体而获得旋转动力的涡轮13，在燃烧器12中，在空气流路51的弯曲部41b设置有桩58、71，并使桩58、71向在空气流路51中流动的压缩空气A的流动方向的下游侧(或者上游侧)倾斜规定角度θ。

因此，在燃烧器12中，能够抑制桩58、71周围的气流的剥离，环绕该桩58、71的压缩空气量减少，从而桩58、71的下游侧的压缩空气A的流动缓慢的区域减少。因此，能够抑制火焰的返火。

需要说明的是，在上述的本实施方式中，将桩58、71在空气流路51的下游侧配置在与燃烧器内筒42连通的弯曲部41b，但也可以不仅配置于该弯曲部41b，还配置于各直线部41a、41b。

附图标记说明

10 燃气轮机；11 压缩机；12 燃烧器；13 涡轮；41 燃烧器外筒；41a 第一直线部；41b 弯曲部；41c 第二直线部；42 燃烧器内筒；43 燃烧器尾筒；44 先导燃烧嘴；45 主燃烧嘴；51 空气流路；53 先导喷嘴(第一燃料喷射部)；56 主喷嘴(第一燃料喷射部)；58、71 桩(第二燃料喷射部)；58a、71a 喷射孔；71b 球面部；A 压缩空气；F 燃料；L1、L2 长度；O 中心线；P 垂线；T 切线；θ 倾斜角度。