阅读说明：本技术 燃气轮机燃烧器 (Gas turbine combustor ) 是由 穐山恭大 上川由贵 浅井智广 苅宿充博 萩田达哉 松原庆典 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供燃气轮机燃烧器,针对含氢燃料降低NOx排出量,并且可靠性提高,实现稳定的应用。本发明的燃气轮机燃烧器具有：使燃料和空气燃烧的燃烧室；位于燃烧室的上游侧,且具有呈同心圆状配置有多列及多个的空气孔的空气孔板；以及配置有多列及多个的燃料喷嘴,在燃料喷嘴的前端部且燃料喷嘴内壁具有向外周方向扩展的燃料喷嘴锥形部。(The invention provides a gas turbine combustor, which reduces NOx discharge amount of hydrogen-containing fuel, improves reliability and realizes stable application. The gas turbine combustor of the present invention includes: a combustion chamber for combusting fuel and air; an air hole plate located on the upstream side of the combustion chamber and having a plurality of rows and a plurality of air holes concentrically arranged; and a plurality of rows and a plurality of fuel nozzles arranged, wherein the fuel nozzle has a fuel nozzle taper portion expanding toward the outer peripheral direction at the front end portion of the fuel nozzle and the inner wall of the fuel nozzle.)

燃气轮机燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧器。

背景技术

在火力发电机组中，作为削减成为全球变暖的原因的二氧化碳(CO₂)的排出量的方案，探讨提高发电效率、积极地利用化石燃料以外的含氢燃料。

对于发电效率的提高，火力发电机组中的燃气轮机发电设备的燃气轮机的涡轮入口温度的高温化是有效的。

但是，随着燃气轮机的涡轮入口温度的高温化，作为环境污染物质的氮氧化物(NOx)排出量增加，因此发电效率的提高并且NOx排出量的降低成为技术课题，寻求涡轮入口温度的高温化并且与含氢燃料对应的燃气轮机燃烧器的低NOx燃烧方式。

作为燃气轮机燃烧器的低NOx燃烧方式，一般具有扩散燃烧方式和预混合燃烧方式。

扩散燃烧方式是将燃料直接喷射至燃气轮机燃烧器的燃烧室，且在燃烧室的内部混合燃料和空气的形式，在燃烧室的内部从混合成燃料完全燃烧所需的空气的比例(化学计量混合比)的区域形成火焰。因此，不存在火焰向燃烧室的上游逆流、燃料供给系统的内部的自点火的可能性，能够确保燃烧稳定性。但是，由于在燃烧室的内部，在燃料和空气混合成化学计量混合比的区域形成火焰，因此局部形成高温的火焰。在该局部性地形成高温的火焰的区域，NOx排出量多，需要喷射氮、水、蒸汽等惰性介质而削减NOx排出量，因此需要供给惰性介质的辅机的动力，存在发电效率降低的可能性。

另一方面，预混合燃烧方式是将燃料和空气预混合后供给至燃烧室的形式，能够使燃料贫燃，因此能够降低NOx排出量。但是，随着涡轮入口温度的高温化，燃烧用空气的温度上升，并且混合燃料和空气的预混合器的内部的燃料的浓度增高，因此存在因火焰逆流而燃气轮机燃烧器的结构物烧损的可能性，可靠性降低。

在上述那样的对应含氢燃料的燃气轮机燃烧器的情况下，相比天然气体，氢的化学计量混合比的绝热火焰温度高，因此扩散燃烧方式下的NOx排出量增加。另一方面，若预混合燃烧方式使用含氢燃料，则由于氢的点火能量小且燃烧速度快，因此火焰向预混合器逆流而在预混合器的内部自点火的可能性变高。

为了解决这样的课题，日本特开2003－148734号公报(专利文献1)公开了一种燃气轮机燃烧器，将配置于燃烧室的上游的多个燃料喷嘴和多个空气孔配置于同轴上，将燃料和空气形成同轴流供给至燃烧室。在该燃气轮机燃烧器中，通过将燃料和空气分散而形成同轴流供给，能够快速地促进混合，降低NOx排出量。另外，能够缩短混合距离，防止火焰的逆流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003－148734号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1记载的燃气轮机燃烧器针对天然气体等一般的气体燃料降低NOx排出量，未公开针对含氢燃料降低NOx排出量，并且实现燃气轮机燃烧器的稳定的应用。

另外，专利文献1记载的燃气轮机燃烧器在使含氢燃料在燃气轮机燃烧器的燃烧室燃烧的情况下，由于氢的燃烧速度快，因此在燃气轮机燃烧器的燃烧室形成的火焰容易接近燃气轮机燃烧器的结构物，存在可靠性降低的可能性。特别地，相对于在空气孔的内部流动的空气，燃料的贯通力高的情况下，燃料无法追随沿流路流动的空气，有时在空气孔的出口部形成燃料的低流速区域，存在火焰向空气孔的内部逆流的可能性。若火焰向空气孔的内部逆流，则有可能在喷射燃料的燃料喷嘴的前端部形成火焰，使空气孔的内壁、燃料喷嘴过热，可靠性降低。

因此，本发明提供一种燃气轮机燃烧器，针对含氢燃料，降低NOx排出量，并且提高可靠性，实现稳定的应用。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的燃气轮机燃烧器具有：使燃料和空气燃烧的燃烧室；位于燃烧室的上游侧，且具有呈同心圆状配置有多列及多个的空气孔的空气孔板；以及配置有多列及多个的燃料喷嘴，在燃料喷嘴的前端部且燃料喷嘴内壁具有向外周方向扩展的燃料喷嘴锥形部。

发明效果

根据本发明，能够提供一种燃气轮机燃烧器，针对含氢燃料，降低NOx排出量，并且提高可靠性，实现稳定的应用。

上述以外的课题、结构以及效果将根据以下的实施例的说明而明了。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器的构造的整体结构图。

图2是本发明的第一实施例的空气孔及空气孔板的主视图。

图3是本发明的第一实施例的空气孔的剖视图。

图4是比较例的空气孔的剖视图。

图5是本发明的第二实施例的空气孔的剖视图。

图6是本发明的第三实施例的空气孔的剖视图。

图7是本发明的第四实施例的燃烧器喷烧器的主视图。

图8是本发明的第四实施例的燃烧器喷烧器的剖视图。

图中：

1—燃气轮机机组，2—压缩机，3—燃气轮机燃烧器，4—燃气轮机，5—燃烧室，7—端罩，8—燃烧器喷烧器，9—扩散器，10—外筒，12—衬套，13—机壳，14—流套，20—空气孔板，21—空气孔，22—燃料喷嘴，23—燃料集管，24—启动用燃料喷嘴，25—板唇，26—弹簧密封，32—中央喷烧器，33—外周喷烧器，40—空气孔中心轴，51—第一列空气孔，52—第二列空气孔，53—第三列空气孔，60—燃料截止阀，61a、62a—燃料压力调整阀，61b、62b—燃料流量调整阀，80—循环流，81—尾流，82—低流速区域，83—火焰，90—空气孔锥形部，91—燃料喷嘴锥形部，92—燃料喷嘴内壁，93—燃料喷嘴外壁，100—燃料，102—压缩空气，103—冷却空气，104—燃烧用空气，105—唇部冷却空气，110—燃焼气体，200、201、202—燃料供给系统，203—中央喷烧器燃料系统，204—外周喷烧器内周燃料系统，205—外周喷烧器外周燃料系统，206—燃气轮机启动用燃料系统。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。此外，对同一结构标注同一符号，对于重复的部分，有时省略其说明。

【实施例1】

图1是表示本发明的第一实施例的燃气轮机燃烧器的构造的整体结构图。

在燃气轮机机组1，被压缩机2压缩了的压缩空气102通过扩散器9流向机壳13。流入到机壳13的压缩空气102通过流套14向外筒10与衬套12之间流入。压缩空气102的一部分作为衬套12的冷却空气103向燃烧室5流入。

通过了外筒10与衬套12之间的压缩空气102被分配成：通过弹簧密封26，在板唇25的外周侧流动的唇部冷却空气105；以及流入设置于空气孔板20的空气孔21，向燃烧室5喷出的燃烧用空气104。

燃烧用空气104与从燃料喷嘴22喷出的燃料(本实施例中为含有氢的燃料，所谓的含氢燃料)混合，燃烧用空气104与燃料的混合物燃烧而在燃烧室5形成火焰83。

燃气轮机机组1在燃气轮机燃烧器(以下，称为燃烧器)3燃烧燃料，将产生的高温高压的燃烧气体110流入涡轮4，使涡轮4旋转驱动，将涡轮4的旋转动力作为电力而取出。

向燃料喷嘴22供给燃料的燃料供给系统201及燃料供给系统202从具备燃料截止阀60的燃料供给系统200分支。

另外，燃料供给系统201及燃料供给系统202分别具备燃料压力调整阀61a及燃料压力调整阀62a，且能够独立控制。另外，在其下游分别具备燃料流量调整阀61b及燃料流量调整阀62b。

燃烧器3具备多个燃料喷嘴22，各个燃料喷嘴22连接于分配燃料的燃料集管23。燃料集管23设于端罩7的内部，从燃料供给系统201及燃料供给系统202向燃料集管23供给燃料。此外，在本实施例中，将燃料分配至两个系统，但也可以分配至两个以上的系统。

若这样将燃料供给系统分配成多个，则由于系统数的增加，能够增大运转的自由度。此外，燃烧器3使用焦炉煤气、炼油厂废气、煤气化气等含氢燃料作为燃料，另外，也能够应用以液化天然气体(Liquefied Natural Gas：LNG)为代表的多个气体作为燃料。本实施例使用的燃料是含有氢的燃料，是所谓的含氢燃料。

图2是本发明的第一实施例的空气孔及空气孔板的主视图。

多个空气孔21绕空气孔板20的中心轴呈同心圆状配置，本实施例中，配置有三列(第一列空气孔51、第二列空气孔52、第三列空气孔53)。各空气孔21的空气孔中心轴40在各列的节距圆周方向上倾斜，对喷出的燃烧用空气104以绕空气孔板20的中心轴回旋的方式被赋予回旋角。

也就是，空气孔板20位于燃烧室5的上游侧，且具有呈同心圆状配置有多列(本实施例中，三列)及多个(本实施例中，第一列为6个，第二列为12个，第三列为18个)的空气孔21。

空气孔板20与衬套12同轴，因此通过对燃烧用空气104赋予回旋，回旋绕燃烧室5的中心轴进行作用，形成循环流80，能够使火焰83安定化(参照图1)。

图3是本发明的第一实施例的空气孔的剖视图，是空气孔板20的放大图。

空气孔21在空气孔21的入口部侧形成空气孔锥形部90，缩小空气孔21的孔径。于是，使空气孔21的出口部的孔径D2为通过空气孔锥形部90缩小后的孔径D1以下(优选为更小)。

另外，在燃料喷嘴22的前端部，在燃料喷嘴内壁92形成有燃料喷嘴锥形部91，燃料喷嘴22的前端部从内侧朝向外侧扩大燃料的流路。也就是，在燃料喷嘴22的前端部，在燃料喷嘴内壁92具有向外周方向扩展的燃料喷嘴锥形部91。此外，该燃料喷嘴锥形部91的前端部优选具有锐角形状。另外，该燃料喷嘴锥形部91的角度优选为25°～45°左右。

燃烧用空气104流入空气孔21的入口部，在燃料喷嘴外壁93的周围呈环状流动。从燃料喷嘴22喷出的燃料100在呈环状流动的燃烧用空气104的中心流动，在燃烧室5形成同轴喷流。

也就是，燃料喷嘴22与空气孔21同轴配置，且配置多列(本实施例中，三列)及多个(本实施例中，第一列为6个，第二列为12个，第三列为18个)。此外，燃料喷嘴22与空气孔21同轴配置，由此燃烧用空气104和燃料更容易混合。

而且，空气孔21具有倾斜流路，空气孔21的出口部的流路为相对于入口部的流路具有角度θ的倾斜流路，燃料100与燃烧用空气104的同轴喷流不会脱离空气孔中心轴40，而是沿空气孔21的倾斜流路流动，从空气孔21的出口部向燃烧室5喷出。在燃烧室5中，从空气孔21喷出的燃料100与燃烧用空气104的同轴喷流进行燃烧反应，在空气孔板20的下游形成火焰83(未图示)。

另外，在燃料喷嘴22的前端部的下游形成有尾流81，燃料100和燃烧用空气104的一部分成为混合气体而循环。

图4是比较例的空气孔的剖视图，是空气孔板20的放大图。

图4所示的比较例与图3所示的实施例的不同点在于，在空气孔21的入口部未形成空气孔锥形部90，孔径未缩小；以及在燃料喷嘴22的前端部的燃料喷嘴内壁92未形成燃料喷嘴锥形部91，燃料喷嘴22的前端部未从内侧朝向外侧扩大燃料的流路。

在本比较例中，在相对于在空气孔21流动的燃烧用空气104，燃料100的贯通力高的情况下，燃料100不能追随在空气孔21的倾斜流路流动的燃烧用空气104，从空气孔中心轴40脱离而喷出，在空气孔21的出口部形成低流速区域82。

在低流速区域82中，燃料100与燃烧用空气104的混合气体低速流动，因此可能形成火焰。特别是在燃烧器3使用含氢燃料的情况下，氢的点火所需的最小点火能量低，容易点火。而且，可燃范围大，燃烧速度快，因此在燃烧室5形成的火焰83容积接近空气孔板20，并且在低流速区域82形成火焰的可能性高。

若在低流速区域82形成火焰，则火焰沿燃料100与燃烧用空气104的边界向燃料喷嘴22接近，即使在尾流81，也可能形成火焰，存在燃料喷嘴22、空气孔21的内壁过热，燃烧器3的可靠性降低的可能性。

另一方面，在图3所示的实施例中，在空气孔21的入口部形成空气孔锥形部90，将孔径缩小。而且使空气孔21的出口部的孔径D2为通过空气孔锥形部90缩小后的孔径D1以下(优选更小)。由此，在空气孔21流动的燃烧用空气104的流速增加。

通过燃料用空气104的流速增加，能够降低燃料100的贯通力相对于燃烧用空气104的贯通力的比例，因此能够防止形成低流速区域82。进一步地，通过缩小空气孔21的孔径，能够增加向燃烧室5喷出的燃料100与燃烧用空气104的混合气体的流速，因此能够使在燃烧室5形成的火焰83远离空气孔板20。

进一步地，在图3所示的实施例中，在燃料喷嘴22的前端部的燃料喷嘴内壁92形成燃料喷嘴锥形部91，在燃料喷嘴22的前端部从内侧向外侧扩大燃料的流路。也就是，在燃料喷嘴22的前端部的燃料喷嘴内壁92形成有向外周方向扩展的燃料喷嘴锥形部91。由此，缩小了供尾流81形成的区域。

通过缩小供尾流81形成的区域，即使在火焰83侵入空气孔21的情况下，也能够降低在尾流81形成火焰的可能性。

另外，如图3所示的实施例那样，形成燃料喷嘴锥形部91，扩大燃料喷出孔的面积(优选将其形状锐角化)，由此能够降低从燃料喷嘴22喷出的燃料100的流速，能够降低燃料100的贯通力，因此能够防止低流速区域82的形成。

因此，在本实施例中，能够防止在空气孔板20的下游形成的火焰83侵入空气孔21的内部，并且能够使火焰83远离空气孔板20，因此能够提高燃烧器3的可靠性。

此外，即使在空气孔21未设置倾斜流路的情况下，通过在燃料喷嘴22的前端部设置燃料喷嘴锥形部91，也能够缩小供尾流81形成的区域，能够降低在尾流81形成火焰的可能性。

【实施例2】

图5是本发明的第二实施例的空气孔的剖视图，是空气孔板20的放大图。

图5所示的实施例与图3所示的实施例的不同点在于，将空气孔锥形部90从空气孔21的入口部分离预定的距离(距离L)而设置。

通过将本实施例的空气孔锥形部90设置于燃料喷嘴22的前端部的设置位置，除了与实施例1同样的作用效果，还能够将流入到空气孔21的燃烧用空气104在燃料喷嘴22的前端部加速，能够使燃烧用空气104的流动朝向燃料喷嘴22，能够使燃烧用空气104的流动转向。朝向燃料喷嘴22的燃烧用空气104的流动作用于在燃料喷嘴22的前端部形成的尾流81，能够缩小供尾流81形成的区域，即使在火焰接近尾流81的情况下，燃烧用空气104作为剪断流发挥作用，能够防止尾流81处的火焰形成。

此外，本实施例的空气孔锥形部90优选设置于相对于燃料喷嘴22***空气孔21的***量Ln，成为L<Ln的位置。也就是，本实施例的空气孔锥形部90从空气孔21的入口部分离距离L而设置，设置于比***空气孔21的燃料喷嘴22的前端部(***量Ln)靠上游侧。

【实施例3】

图6是本发明的第三实施例的空气孔的剖视图，是空气孔板20的放大图。

图6所示的实施例与图5所示的实施例的不同点在于，在燃料喷嘴22的前端部，在燃料喷嘴内壁92和燃料喷嘴外壁93双方设置燃料喷嘴锥形部91。

也就是，在燃料喷嘴22的前端部的燃料喷嘴内壁92具有朝向外周方向的燃料喷嘴锥形部91，而且在燃料喷嘴22的前端部的燃料喷嘴外壁93具有朝向内周方向的燃料喷嘴锥形部91。此外，优选的是，燃料喷嘴锥形部91的前端部具有锐角形状。

在燃料喷嘴22的前端部，在燃料喷嘴外壁93也设置燃料喷嘴锥形部91，由此除了与实施例2相同的作用效果，还能够缩小燃料喷嘴22的外径，能够扩大由空气孔21的内壁和燃料喷嘴外壁93形成的环状流路的流路面积，能够增加燃烧用空气104的流量。

另外，燃料喷嘴外壁93的前端部为朝向空气孔中心轴40的形状(向内侧的锥形形状)，因此，能够通过空气孔锥形部90将朝向燃料喷嘴22的燃烧用空气104的流动直接引导至尾流81。

此外，作为参考例，在仅在燃料喷嘴外壁93设置有燃料喷嘴锥形部91的情况下(未图示)，也不会使燃料100的流速减小，也能够将朝向燃料喷嘴22的燃烧用空气104的流动直接引导至尾流81。

【实施例4】

图7是本发明的第四实施例的燃烧器喷烧器的主视图，是从燃烧室5侧观察空气孔板20的主视图。

本实施例记载的燃烧器3为了对应更大的发电输出和更多样的应用形式，将由三列空气孔21和燃料喷嘴22(未图示)构成的燃烧器喷烧器(以下，称为喷烧器)8在中央配置一个，在其周围配置六个。

本实施例记载的燃烧器在设置于中央的喷烧器8的中心部具有启动用燃料喷嘴24，设置于中央的喷烧器8为中央喷烧器32，配置于其周围的喷烧器8为外周喷烧器33。

即，本实施例记载的燃烧器具备配置于燃烧器3的中心的一个中央喷烧器32和位于中央喷烧器32的外侧的六个外周喷烧器33。各空气孔21的中心轴在各列的节距圆周方向上倾斜，通过了空气孔21的流动在空气孔21的下游呈螺旋状回旋，形成回旋流。

中央喷烧器32及外周喷烧器33连接于三个燃料系统，分别能够独立地控制燃料流量。本实施例中，外周喷烧器33的个数为六个，但优选相对于中央喷烧器32呈同心圆状设置外周喷烧器33，其个数优选为三个以上。通过按照喷烧器8分割燃料系统，能够根据燃气轮机机组的运转状态控制每个喷烧器8的燃料分配。

本实施例记载的燃烧器3具有中央喷烧器32和外周喷烧器33。

中央喷烧器32在中央配置一个，且具有：空气孔板，其具有呈同心圆状配置有多列(本实施例中，三列。在中央为启动用燃料喷嘴24。)及多个(在本实施例中，第一列，中央的启动用燃料喷嘴24，第二列8个，第三列12个)的空气孔；以及燃料喷嘴，其与空气孔同轴地配置有多列(本实施例中，三列。中央为启动用燃料喷嘴24。)以及多个(在本实施例中，第一列在中央为启动用燃料喷嘴24，第二列8个、第三列12个)。

外周喷烧器33在中央喷烧器32的周围呈同心圆状配置多个(本实施例中，六个)，且分别具有：空气孔板，其具有呈同心圆状配置有多列(本实施例中，三列)以及多个(本实施例中，第一列4个，第二列8个，第三列12个)的空气孔；以及燃料喷嘴，其与空气孔同轴地配置有多列(本实施例中，三列)以及多个(本实施例中，第一列4个，第二列8个，第三列12个)。

图8是本发明的第四实施例的燃烧器喷烧器的剖视图，是燃烧器的轴向剖视图。

在本实施例中，配置多个空气孔板20来构成一个空气孔板20。

在中央喷烧器32连接有中央喷烧器燃料系统203和燃气轮机启动用燃料系统206，主要使用于燃气轮机的启动运转，并且在负载运转时，为了确保燃烧器整体的燃烧稳定性而应用。此外，在本实施例中，向气体涡轮启动用燃料系统206供给的燃料为以轻油、重油为代表的液体燃料。

另一方面，在外周喷烧器33连接有外周喷烧器内周燃料系统204和外周喷烧器外周燃料系统205。配置于外周喷烧器33的第一列(内侧)同心圆上的同轴喷流组形成火焰的起点，因此尤其关系到燃烧稳定性。因此，如本实施例这样，独立控制向外周喷烧器33的第一列(内侧)供给的燃料流量，由此使火焰的起点稳固，能够对于更大的负载范围维持稳定的燃烧。

本实施例中，具有设置于具备一个中央喷烧器32和六个外周喷烧器33的空气孔板20的空气孔21及燃料喷嘴22，中央喷烧器32和外周喷烧器33分别可得到与实施例1同样的作用效果。

此外，本实施例中，对中央喷烧器32和外周喷烧器33全部的空气孔21和燃料喷嘴22应用了实施例1，但若对空气孔21和燃料喷嘴22的一组以上应用实施例1，则对于该应用部位，能够防止形成于出口部的火焰83接近空气孔21、火焰83侵入空气孔21的内部。

另外，本实施例中对空气孔21及燃料喷嘴22应用了实施例1的构造，但在应用实施例2、实施例3的构造的情况下，也能够起到各个实施例的作用效果。

此外，本发明不限于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而说明的例子，并非限定于必须具备说明的全部的结构。