燃气轮机的燃烧装置的制作方法

1.本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃气轮机的燃烧装置。


背景技术：

2.在燃气涡轮发动机中，人们提出有采用有效地减少nox的发生量的预先混合燃烧方式的燃烧方式，比如将稀薄预先混合燃烧方式和扩散燃烧方式组合的复合燃烧方式(专利文献1)。
3.另外，在用于燃气涡轮发动机的燃料装置中，人们提出下述的技术，其防止局部的高温燃烧，抑制nox的发生，并且防止回火现象(专利文献2)。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：jp特开平8－210641号公报
7.专利文献2：jp特许第6285081号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的问题
9.在专利文献2中，由于呈同心状交替地配置多个燃料喷射用环状部与多个燃料空气用环状部，通过多个分支燃料供给管将燃料供给母管和各燃料喷射用环状部连接，故燃料装置的结构复杂。另外，在燃料供给母管与其下游侧的各燃料喷射用环状部之间，确保设置多个分支燃料供给管的空间，由此，燃料装置整体的轴心方向的尺寸长。
10.于是，本发明的目的在于提供一种燃气轮机的燃烧装置，其可使结构简化，并且可缩短装置整体的轴心方向的尺寸。
11.用于解决问题的技术方案
12.(技术方案1)
13.本发明的燃气轮机的燃烧装置包括：
14.燃烧筒，该燃烧筒形成燃烧室；
15.燃料喷射器，该燃料喷射器设置于上述燃烧筒的顶部上；
16.接纳室，该接纳室位于上述燃料室的上游侧，接纳上述燃料喷射器；
17.上述燃料喷射器包括：
18.燃料供给管，该燃料供给管贯穿该接纳室，将燃料供给到上述燃料室；
19.导向部件，该导向部件设置于上述燃料供给管的下游部的外侧，使空气通过；
20.在上述燃料供给管的下游部设置燃料喷射孔，该燃料喷射孔对通过上述导向部件的空气喷射燃料，使其与空气混合，上述空气和上述燃料从上述导向部件供给到上述燃料室。
21.按照该方案，燃料供给管贯穿接纳室，将燃料供给到上述燃烧室。在燃料供给管的下游部设置燃料喷射孔，该燃料喷射孔对通过导向部件的空气喷射燃料，将其与空气混合，
空气与燃料从导向部件供给到燃烧室。像这样简化从燃料供给管到导向部件的燃料的供给线路的结构，并且空气和燃料会从导向部件供给到燃料室。由此，与呈同心状交替地设置多个燃料喷射用环状部和多个燃料空气用环状部，并且与必须要求多个分支燃料供给管的已有结构相比较，可减少部件的数量，简化结构。另外，由于不必要求确保设置多个分支燃料供给管的空间等，故与上述已有结构相比较，可缩短装置整体的轴心方向的长度。
22.(技术方案2)
23.在本发明中，也可具有空气导入通路，该空气导入通路形成于上述燃烧筒和覆盖该燃烧筒的外壳之间，将空气导入到上述接纳室中。按照该方案，空气与燃料的流动方向可为逆向的逆流型，由此，可使装置整体在轴心方向更加紧凑。
24.(技术方案3)
25.在具有上述空气导入通路的发明中，最好，在使上述接纳室和上述空气导入通路连通的部位设置空气的整流板。按照该方案，从空气导入通路导入的空气通过整流板，由此，在整流板的下游侧将空气整流为均匀的流体。
26.(技术方案4)
27.在本发明中，还可从上述燃料供给管的轴心方向观看，上述导向部件为圆筒形或多边形，在上述导向部件上形成上述燃料喷射孔所面临的导向槽。按照该方案，在导入导向部件的空气的流速在通过导向槽时加快，其结果是，在空气中顺利地吸出燃料，促进燃料与空气的混合。
28.(技术方案5)
29.最好，在上述导向部件为上述圆筒形或多边形的场合，上述燃料喷射孔在相对于上述燃料供给管的径向为0
°
～30
°
的方向开口；
30.上述导向部件的导向槽在相对于上述燃料供给管的轴心方向为0
°
～30
°
的方向开口；
31.从上述导向槽的空气流出的方向按照相对于上述燃料喷射孔成60
°
～90
°
的角度的方式设置。
32.如果相对燃料供给管的径向，燃料喷射孔的开口角度超过30
°
，则燃料喷射孔的加工性降低。另外，如果相对于燃料供给管的轴心方向，导向部件的出口开口角度超过30
°
，则具有燃料和空气没有适当地混合的危险。如果相对于燃料喷射孔，导向槽的空气通路的方向不足60
°
或超过90
°
，则具有妨碍燃料和空气的混合的情况。
33.按照该方案，由于燃料喷射孔在相对于燃料供给管的径向为0
°
～30
°
的方向开口，故容易加工燃料喷射孔，谋求制造成本的减少。由于导向部件的导向槽在相对于燃料供给管的轴心方向为0
°
～30
°
的方向开口，故适当地将空气与燃料混合，将其供给到燃料室。由于来自导向槽的空气流路的方向按照相对于上述燃料喷射孔成60
°
～90
°
的角度的方式设置，故可促进燃料的微粒化，均匀地将空气和燃料混合。
34.(技术方案6)
35.最好，在上述导向部件为上述圆筒形或多边形的场合，在上述导向部件的内侧设置固定的回转叶片，该回转叶片使从上述导向部件和上述燃料供给管之间通过的空气围绕导向部件而回转。按照该方案，通过回转叶片，促进空气与燃料的混合。
36.权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构中的任意组合均包含
在本发明中。特别是，权利要求书中的各项权利要求的两个以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
37.根据参照附图的下面的优选的实施形式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于限制本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图中的同一部件标号表示同一或相应部分。
38.图1为表示采用本发明的第1实施方式的燃烧装置的燃气涡轮发动机的概况结构的方框图；
39.图2为该燃烧装置的剖视图；
40.图3为沿图2中的iii－iii的剖视图；
41.图4为从图2中的iv－iv线方向观看到的主视图；
42.图5为对图3的一部分进行放大而表示的图；
43.图6为对图2的一部分进行放大而表示的图；
44.图7为沿图2中的vii－vii线的剖视图；
45.图8为对本发明的第2实施方式的燃烧装置的一部分进行放大而表示的剖视图；
46.图9为对本发明的第3实施方式的燃烧装置的一部分进行放大而表示的剖视图；
47.图10为从图9的x－x线观看到的后视图；
48.图11为部分地表示该燃烧装置的回转叶片的周向剖视图；
49.图12为从斜上游侧观看到本发明的第4实施方式的燃烧装置的燃料喷射器的立体图；
50.图13为从下游方向观看到该燃料喷射器的后视图；
51.图14为表示该燃料喷射器的配置的后视图；
52.图15为从斜下游侧观看到该燃料喷射器的立体图；
53.图16为该燃料喷射器的纵向剖视图；
54.图17为表示第1实施方式的燃料装置的模拟结果的概况图；
55.图18为表示第3实施方式的燃料装置的模拟结果的概况图；
56.图19为表示第4实施方式的燃料装置的模拟结果的概况图。
具体实施方式
57.下面根据附图，对本发明的实施方式进行说明。
58.[第1实施方式]
[0059]
根据图1～图7对本发明的第1实施方式的燃烧装置进行说明。
[0060]
像图1所示的那样，燃气涡轮发动机1包括：压缩机2、燃烧装置3与涡轮机5，该涡轮机5经由旋转轴4，连接于压缩机2上。在后面，将燃气涡轮发动机简称为燃气轮机1。
[0061]
在燃气轮机1中，通过压缩机2对已导入的空气进行压缩，将其导向燃烧装置3，将燃料喷射到燃料装置3的内部，将其与上述空气一起进行燃烧，通过已获得的高温高压的燃烧气体，驱动涡轮机5。通过该涡轮机5的驱动来驱动压缩机2。通过燃气轮机1的输出来驱动比如飞机的转子或发电机等的负荷6。喷射到燃料装置3的内部的燃料采用比如氢气。在下
面的说明中，将燃气轮机1的轴心方向的压缩机2侧称为“前侧”，将涡轮机5侧称为“后侧”。
[0062]
围绕燃气轮机1的旋转轴心而设置多个燃烧装置3，像图2所示的那样，支承于燃气轮机1(图1)的主外壳mh上。燃烧装置3包括：外壳7、燃烧筒8、燃料喷射器9与接纳该燃料喷射9的接纳室10。这些燃烧装置3的结构部件由比如轻质的具有耐热性的金属等构成。
[0063]
<外壳7>
[0064]
外壳7为构成该燃料装置3的外筒的基本圆筒状的部件，该外壳7接纳燃烧筒8。在外壳7的纵向中间附近处安装火花塞p，该火花塞p的前端部插入燃烧筒8的内部的燃料室8a中。在外壳7中，通过多个螺栓15而固定封闭该外壳7的前端的端罩14。在外壳7的内部的前端部，以与外壳7同心的形状设置圆筒状的接纳室10。接纳室10位于燃料室8a的上游侧。燃烧筒8按照从接纳室10呈圆筒状延伸的方式设置，该燃烧筒8和接纳室10呈同心状设置于外壳7中。
[0065]
<燃烧筒8>
[0066]
像图2所示的那样，在于内侧处形成上述燃料室8a的燃烧筒8与覆盖它的外壳7之间，形成空气导入通路16。空气导入通路16将通过压缩机2(图1)压缩的空气a导入到接纳室10中。燃料装置3作为空气a和燃料f的流动方向为逆向的逆流型而构成。在喷射到燃料室8a中的燃料f与空气a中，通过借助火花塞p点火，在燃烧室8a的内部会形成火焰。
[0067]
<燃料喷射器9>
[0068]
像图2所示的那样，接纳室10按照位于燃料室8a的上游侧的方式，接纳多个燃料喷射器9。这些燃料喷射器9设置于燃烧筒8的顶部，对燃料室8a喷射燃料f。各燃料喷射器9包括：带底筒状的燃料供给管11，该燃料供给管11贯穿接纳室10，将燃料f供给到燃料室8a；筒状的导向部件12，该导向部件12设置于燃料供给管11的下游端部的外侧。导向部件12从燃料供给管11的轴心c2方向观看呈圆筒状。燃料供给管11和导向部件12是同心的，通过连接壁13而连接。设置将接纳室10和燃料室8a隔开的隔板17，在隔板17上，按照贯穿它的方式安装多个导向部件12。以与燃料供给管11和导向部件12与连接壁13焊接的方式，还将导向部件12和隔板17连接。
[0069]
像图6所示的那样，在燃料供给管11的周壁上的连接壁13的稍下游侧设置燃料喷射孔18。多个燃料喷射孔18等间隔地设置于燃料供给管11的周壁上。向从燃料喷射孔18喷射的燃料f，从上游供给空气a。像图5所示的那样，在连接壁13上，形成使空气通过的多个导向槽20。多个导向槽20在周向等间隔地设置。燃料喷射孔18面临各导向槽20的下游侧。导向部件12由圆筒状的导向管12a构成，在导向管12a的内侧，形成燃料喷射孔18所面临的导向槽20。
[0070]
像图3所示的那样，燃烧喷射器9在接纳室10的内部，于纵横向基本等间隔地设置。像图6所示的那样，从燃料供给管11的多个燃料喷射孔18向导向部件12的内侧喷射燃料f，在从上游通过导向槽20供给的空气a中，混合从燃料喷射孔18喷射的燃料f。本例子的燃料喷射孔18沿相对于燃料供给管11的径向r1成0
°
的方向，即径向r1而开口。但是，燃料喷射孔18的开口角度不限于上述0
°
。另外，本例子的导向部件12按照空气流出的方向相对于燃料喷射孔18成90
°
的角度的方式设置。
[0071]
像图2所示的那样，在各燃料供给管11中，上游部支承于端罩14上，下游部经由导向部件12和连接壁13支承于隔板17上。这些燃料供给管11按照各轴心c2方向与接纳室10的
轴心c1方向平行，相互以规定间隔而间隔开的方式设置。
[0072]
另外，在本例子中，像图4所示的那样，针对邻接的已确定的三个燃料供给管11的每组，从外部供给燃料f。各燃料供给管11的组按照相应的上游部通过连通路21连通，并且上述连通路21与从端罩14突出的燃料供给口22连通的方式构成。从各燃料供给开口22供给燃料f。
[0073]
<整流板23>
[0074]
像图2所示的那样，在使接纳室10和空气导入通路16连通的部位设置空气的整流板23。整流板23呈与燃烧筒8的轴心c1方向同心的圆筒状而形成。在该整流板23的周壁上，像图7所示的那样，开设在径向贯通的多个贯通孔23a。这些贯通孔23a在圆周方向和轴向以规定间隔并列。像图2所示的那样，从空气导入通路16导入的空气a通过整流板23的多个贯通孔23a(图7)，由此，在整流板23的下游侧，将空气a整流为均匀的流。
[0075]
<作用效果>
[0076]
按照以上说明的燃气轮机1的燃料装置3，图2的多个燃料供给管11以规定间隔间隔开地设置，并且在各燃料供给管11的下游部上设置圆周方向的多个燃料喷射孔18。由此，从燃烧喷射器9，在燃料室8a的全部区域均匀喷射燃料f。由此，在燃烧喷射器9的全面上，在多点保持细微的火焰。于是，防止局部的高温燃烧的发生，可抑制nox的发生。另外，由于向从燃料喷射孔18喷射的燃料f，从上游供给空气a，故火焰不进入燃烧喷射器9的内部，由此抑制回火现象。
[0077]
燃料供给管11贯穿接纳室10，对燃料室8a供给燃料f。在燃料供给管11的下游部设置燃料喷射孔18，该燃料喷射孔18对导向部件12的内侧喷射燃料f，使其与空气a混合，空气a和燃料f从导向部件12供给到燃料室8a。像这样，简化从燃料供给管11到导向部件12的燃料f的供给线路的结构，而且空气a和燃料f会从导向部件12供给到燃料室8a。由此，与呈同心状交替地设置多个燃料喷射用环状部和多个燃料空气用环状部，并且必须要求多个分支燃料供给管的已有结构(专利文献2)相比较，可减少部件数量，简化结构。另外，由于必须要求确保设置多个分支燃料供给管的空间等，故与上述已有结构相比较，可缩短装置整体的轴向方向的尺寸。
[0078]
由于在燃烧筒8和外壳7之间形成将空气a导入到接纳室10中的空气导入通路16，故空气a和燃料f的流动方向可为逆向的逆流型，由此，可在装置整体的轴心方向进一步紧凑。
[0079]
由于在导向部件12的内侧形成燃料喷射孔18面临的导向槽20，故导入到导向部件12的内侧的空气a的流速在通过导向槽20时加速，其结果是，顺利地在空气a中吸出燃料f，促进空气a和燃料f的混合。
[0080]
由于燃料喷射孔18在相对于燃料供给管11的径向r1为0
°
的方向开口，故可容易加工燃料喷射孔18，谋求制造成本的降低。由于导向部件12在相对于燃料供给管11的轴心c2为0
°
的方向开口，故导向部件12的通路，即空气流出的方向相对于燃料喷射孔18形成90
°
的角度，故以空气a横切燃料f的方式促进空气a和燃料f的混合。
[0081]
<其它的实施方式>
[0082]
在下面的说明中，在仅仅对结构的一部分进行说明的场合，结构的其它部分与在先描述的方式相同。
[0083]
[第2实施方式]
[0084]
也可像图8所示的那样，在导向槽20的上游侧开设燃料喷射孔18。本例子的燃料喷射孔18相对燃料供给管11的径向r1，以在下游侧确定的角度α而倾斜，实现开口。上述角度α在0～30
°
( 30
°
)的范围内。针对该角度α，将燃料喷射孔18伴随朝向径向外方而向轴心方向下游侧倾斜的场合的燃料喷射孔18的倾斜角设为“正”的倾斜角。
[0085]
导向部件12的导向槽20在相对于燃料供给管11的轴心c2确定的角度β的方向开口。上述角度β在0～30
°
( 30
°
)的范围内。关于该角度β，导向槽20伴随朝向上游侧的进行，在径向外方倾斜的场合的倾斜角为“正”的倾斜角。
[0086]
导向部件12的导向槽20的通路方向相对于燃料喷射孔18而成已确定的角度γ。上述角度γ在60
°
～90
°
的范围内。
[0087]
角度α、β、γ分别为通过设计等而任意地确定的角度，比如通过借助试验和模拟中的任意一者或两者等而求出适合的角度的方式确定。
[0088]
由于燃料喷射孔18在相对于燃料供给管11的径向r1为0
°
～30
°
的方向开口，故可容易加工燃料喷射孔18，谋求制造成本的降低。由于导向部件12的导向槽20在相对于燃料供给管11的轴向c2为0
°
～30
°
的方向开口，故空气a和燃料f适当地混合，供给到燃料室8a。由于导向部件12的通路方向按照相对于上述燃料喷射孔18成60
°
～90
°
的角度的方式设置，故可顺利地喷射燃料f，均匀地将空气a和燃料f混合。
[0089]
在于导向槽20的下游侧设置燃料喷射孔18的结构(参照图6)中，最好，角度α在0
°
～30
°
的范围内，角度β在0
°
～30
°
的范围内，角度γ在60
°
～90
°
的范围内。
[0090]
[第3实施方式]
[0091]
<回转叶片>
[0092]
像图9和图10所示的那样，在导向部件12的内侧设置固定的回转叶片24，该回转叶片24使通过连接壁13和燃料供给管11之间的空气a围绕导向管12回转。在回转叶片24中，在内外圈之间固定倾斜的多个叶片26(图11)，其一般称为旋流器。叶片26像图11(沿图9中的xi－xi线的剖视图)所示的那样，相对于导向部件12(图10)的轴心c2，以倾斜角度δ倾斜。该倾斜角度δ在15
°
～45
°
的范围内，最好在20
°
～40
°
的范围内。
[0093]
按照该方案，通过回转叶片24，促进空气a和燃料f的混合，在燃料室8a的内部形成回转涡，获得稳定的火焰。但是，如果叶片26的倾斜角度δ超过45
°
，则具有回转过强，空气a和燃料f的混合气体向下游的行进速度降低，产生逆化现象的可能性。
[0094]
[第4实施方式]
[0095]
<蜂窝燃烧器>
[0096]
图12～图15表示本实施方式的燃料喷射器9。在图12中，本例子的导向部件12b包括导向壁27以及与该导向壁27外周面接合的外周突部28，该导向壁27从燃料供给管11的轴心c2方向观看呈六边形。像图13那样，外周突部28从正面看，呈六棱支架状。像图14所示的那样，在径向邻接的多个外周突部28的外侧缘部之间没有间隙的情况下相互接合，由此，多个燃料喷射器9呈蜂窝状设置。位于图13的最外径侧的外周突部28与隔板17接合。上述各接合通过比如焊接而达成。
[0097]
像图12所示的那样，燃料供给管11包括圆筒状的燃料供给管本体11a与带底六棱筒状的箱29，该带底六棱筒状的箱29与燃料供给管本体11a的下游侧端部连接。像图16所示
的那样，箱29与燃料供给管本体11a连通，并且与燃料供给管本体11a同心。该箱29和上述导向壁27同心，通过连接壁13连接。
[0098]
在箱29的周壁的连接壁13的稍下游侧设置燃料喷射孔18。像图15所示的那样，在箱29的周壁上，多个燃料喷射孔18以规定间隔设置。燃料喷射孔18面临形成在连接壁13上的各导向槽20的下游侧。像图16所示的那样，本例子的燃料喷射孔18在分别与箱29的六棱筒的各外周壁面正交的方向开口。导向壁27与燃料供给管本体11a的轴心c2平行地延伸。
[0099]
像以上描述的那样，由于多个燃料喷射器9呈蜂窝状紧密地设置，故与其它的实施方式相比较，可设置多个燃料喷射器9，可使空气a和燃料f的混合均匀。由于燃料喷射孔18在分别与箱29的六棱筒的各外周壁面相正交的方向开口，故可容易进行燃料喷射孔18的加工，谋求制造成本的降低。由于导向壁27与燃料供给管本体11a的轴心c2平行而延伸，故导向壁27的通路方向，即空气流出方向相对燃料喷射孔18成90
°
的角度。由此，以空气a横切燃料f的方式，促进空气a和燃料f的混合。此外，实现与前述的实施方式相同的作用效果。另外，导向壁27不限于六边形，也可为三角形以上的多边形。
[0100]
<计算流体力学模拟结果>
[0101]
图17表示第1实施方式(图2～图7)的燃料装置的模拟结果。其中，在图17的模拟中，作为导向管12a的下游侧端部的突出部12aa(通过图6中的2点点划线表示)在燃料供给管11的下游侧端的下游侧而稍稍延伸。按照该模拟结果，在燃烧室8a的内部，在产生于燃料供给管11的下游侧的低压区域8aa产生涡v1，但是，借助通过导向槽20的空气a，抑制涡v1的径向的膨胀，促进低压区域8aa的内部燃料f与空气a的混合。另外，确保在突出部12aa的下游侧的低压区域8ab中产生的逆流涡v2的尺寸，也促进低压区域8ab的内部的混合。由此，促进燃料其它的均质化，火焰稳定。
[0102]
按照图18所示的第3实施方式(图9～图11)的燃料装置的模拟结果，由于通过回转叶片24，在燃料供给管11的下游侧形成回旋涡rv，混合气体在径向扩展，故形成逆流区域。由此，获得在下游延伸的稳定的火焰31。
[0103]
按照图19所示的第4实施方式(图12～图16)的蜂窝燃烧器型的燃料装置的模拟结果，在燃料室8a的内部，在箱29的下游侧产生逆流涡v3，其结果是，谋求燃料气体的均质化，火焰稳定。
[0104]
在本发明中，在小型的燃料装置3的场合，燃料供给管11也可为1个。
[0105]
用于燃料装置3的燃料f不限于氢气。燃料f也可为比如氢气和其它的燃料气体(天然气、co等)的混合燃料、或包括氢的其它的燃料气体(天然气、co等)。
[0106]
如上所述，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行了描述，但是在不脱离本发明的实质的范围内，可进行各种的追加、变更或删除。于是，这样的方案也包括在本发明的范围内。
[0107]
标号的说明：
[0108]
标号1表示燃气轮机；
[0109]
标号3表示燃烧装置；
[0110]
标号7表示外壳；
[0111]
标号8表示燃烧筒；
[0112]
标号8a表示燃烧室；
[0113]
标号9表示燃烧喷射器；
[0114]
标号10表示接纳室；
[0115]
标号11表示燃料供给管；
[0116]
标号12、12b表示导向部件；
[0117]
标号16表示空气导入通路；
[0118]
标号18表示燃料喷射孔；
[0119]
标号20表示导向槽；
[0120]
标号23表示整流板；
[0121]
标号24表示回转叶片；
[0122]
符号a表示空气；
[0123]
符号f表示燃料。