專利名稱：燃燒器及燃燒器的燃料供給方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒器及燃燒器的燃料供給方法。
技術(shù)背景專利文獻1 (專利文獻1:日本特開2003 - 148734號公報)的燃燒器是配 置了多個將空氣噴流和燃料噴流配置成同軸或者接近同軸的位置并噴出同軸 噴流的空氣孔的結(jié)構(gòu)。該燃燒器是通過使燃料與空氣均等分散后供給到燃燒室 并以短距離將燃料與空氣進行混合，從而防止逆火并可達到低NOx燃燒。另 外，通過對部分空氣孔實施轉(zhuǎn)角，從而在燃燒室內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流，由于在該旋轉(zhuǎn) 流中心部形成循環(huán)區(qū)域或低流速區(qū)域，從而保持火焰。由專利文獻l公示。就專利文獻1的燃燒器而言，存在如下問題，即、如果為了降低NOx而 進一步提高燃料與空氣的混合度，則火焰穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的火焰燃燒速度變慢，有 損于火焰穩(wěn)定性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，在使用了同軸噴流的燃燒器中，即使進一步減少NOx, 也可保持燃燒穩(wěn)、定性。本發(fā)明的特征在于，燃燒器具有燃料與空氣混合燃燒的燃燒室設置在 該燃燒室壁面上并以多列同心圓狀配有將燃料與空氣的同軸噴流噴到所述燃 燒室內(nèi)的多個空氣孔的空氣孔板；以及在向內(nèi)周側(cè)的所述空氣孔列噴出燃料的 該燃料噴孔附近，具有抑制周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第1燃料噴嘴以及具有促進 周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第2燃料噴嘴。根據(jù)本發(fā)明，在使用了同軸噴流的燃燒器中，即使進一步減少N(X，也能 保持火焰穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的實施例1的燃氣輪機燃燒器的圖。 圖2是本發(fā)明的實施例1的噴燒器端面圖。圖3是表示本發(fā)明的實施例1的錐形燃料噴嘴和空氣孔及其位置關(guān)系以及 空氣及燃料噴流流動的側(cè)剖3見圖。圖4是表示本發(fā)明的實施例1的凸緣形燃料噴嘴和空氣孔及其位置關(guān)系以 及空氣及燃料噴流流動的側(cè)剖視圖。圖5是表示本發(fā)明的實施例1的燃料噴嘴和空氣孔以及燃料噴流、低流速 循環(huán)區(qū)域和火焰的關(guān)系的側(cè)剖視圖。圖6是表示燃氣輪—幾燃燒器整體的縱斷側(cè)面的概略圖。圖7是表示燃燒氣體溫度與NOx關(guān)系的圖。圖8是表示作為構(gòu)成本發(fā)明的燃料噴嘴一例的圖。圖9是表示作為構(gòu)成本發(fā)明的燃料噴嘴一例的圖。圖IO是表示作為構(gòu)成本發(fā)明的燃料噴嘴一例的圖。圖11是表示本發(fā)明的實施例2的燃料噴嘴和空氣孔以及燃料噴流、低流 速循環(huán)區(qū)域和形成的火焰的關(guān)系的側(cè)剖視圖。 圖12是本發(fā)明的實施例3的噴燒器端面圖。圖13是表示本發(fā)明的實施例3的燃料噴嘴和空氣孔以及燃料噴流、低流 速循環(huán)區(qū)域和形成的火焰的關(guān)系的側(cè)剖視圖。圖14是作為本發(fā)明的實施例3的一例所表示的噴燒器端面圖。 圖15是本發(fā)明的實施例4的噴燒器端面圖。 圖16是作為本發(fā)明的實施例4的一例所表示的噴燒器端面圖。 圖17是作為本發(fā)明的實施例4的一例所表示的噴燒器端面圖。 圖18是本發(fā)明的實施例5的噴燒器端面圖。圖19是表示本發(fā)明的實施例5的燃料噴嘴和空氣孔及其位置關(guān)系以及空 氣、及燃料噴流流動的側(cè)剖視困。圖20是本發(fā)明的實施例6的噴燒器端面圖。 圖21是本發(fā)明的實施例7的噴燒器端面圖。圖22是表示本發(fā)明的實施例7的燃料噴嘴和空氣孔及其位置關(guān)系以及空 氣及燃料噴流流動的側(cè)剖視圖。圖23是表示本發(fā)明的實施例8的燃料噴嘴和空氣孔及其位置關(guān)系的側(cè)剖 視圖。圖24是表示本發(fā)明的實施例9的燃料噴嘴和空氣及其位置關(guān)系以及燃料 系統(tǒng)的側(cè)剖3見圖。
圖25是實施例1的噴燒器端面圖。
圖26是實施例1的噴燒器端面圖。
圖27是實施例6的噴噴器端面圖。
圖28是實施例6的噴燒器端面圖。 圖中
l-火然火免室，2 —夕卜筒，3-》然少克器內(nèi)^)"， 10-壓縮才幾，11 —渦輪(夕一匕' 7), 12、 13、 14、 83、 84-燃料供給系統(tǒng)，15、 16、 41-燃料集管；19-空 氣，20-冷卻空氣，21-燃燒空氣，22-旋轉(zhuǎn)流，23-循環(huán)流，24-火焰，25 -火焰基部，26-空氣流，27、 28-燃料流，29、 30-低流速循環(huán)區(qū)域，31 -渦流，40、 42、 43、 44、 45、 46-燃料噴嘴，47、 48-內(nèi)部流路，49、 51、 53、 54、 55-空氣孔，50-空氣孔板，52-虛線，56 -第l列空氣孔，57 -第 2列空氣孔，58-空氣孔直線部，60-曲線圖，61-實線，62-完全混合時的 燃料濃度，70-錐形，71-凸緣，80、 81-部分噴燒器(七夕夕一卜一大)。
具體實施例方式
圖6是燃氣輪機整體的概略圖。
由壓縮機IO壓縮出的空氣19經(jīng)過外筒2與燃燒器內(nèi)襯3之間。該空氣 19的一部分作為燃燒器3的冷卻空氣20流入到燃燒室1。另外，該空氣19 的殘余部分作為燃燒空氣21通過空氣孔49后流入到燃燒室1。
本實施例中，燃料供給系統(tǒng)12及燃料供給系統(tǒng)13由具備控制閥14a的燃 料供給系統(tǒng)14中分割開。另外，燃料供給系統(tǒng)12具備控制閥12a,燃料供給 系統(tǒng)13中具備控制閥13a，可分別進行控制。另外，在其下游處各具備截止 閥12b、 13b。
如圖所示，本實施例的燃燒器中具備多個燃料噴嘴40，該燃料噴嘴40與 將燃料分配給多個燃料噴嘴的燃料集管15、 16連接。燃料集管15從燃料供給 系統(tǒng)12中供給燃料，燃料集管16從燃料供給系統(tǒng)13中供給燃料。由于各燃 料供給系統(tǒng)具備控制閥，所以可以部分地控制多個燃料噴嘴40中的某一部分。
燃料噴嘴40與空氣孔49分別成對。由燃料集管15、 16供給的燃料從燃料噴嘴40向空氣孔49噴出。從空氣孔49噴出來的燃料和空氣流入到燃燒室 且混合后形成均勻穩(wěn)定的火焰。所產(chǎn)生的高溫燃燒氣體提供給渦輪11，作功 后被排出。 實施例1圖l表示燃燒器100的立體圖。在燃燒器100中，燃料噴嘴40與空氣孔 (51、 53、 54)的各個成對，且配置多個該燃料噴嘴及空氣孔。燃燒空氣21 是經(jīng)過燃燒器內(nèi)襯3與外筒2之間流向燃料噴嘴40周圍，并從空氣孔向燃燒 室1噴出?？諝饪装?0上的虛線52內(nèi)的空氣孔(53、 54 )具有噴流在燃燒器 圓周方向進行旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角。而且，從空氣孔(53、 54)噴出來的噴流在噴燒器 下游形成旋轉(zhuǎn)流22。利用在燃燒器軸中心形成的循環(huán)流23可使火焰24保持 穩(wěn)定。該旋轉(zhuǎn)流22是指通過從相對燃燒器的中心軸在圓周方向上的空氣孔 (53、 54)噴出同軸空氣，進而多個同軸噴流連成環(huán)狀形成大的螺旋狀流。 與空氣孔板50的虛線52內(nèi)的空氣孔(53、 54)相對應的燃料噴嘴從燃料 供給系統(tǒng)12經(jīng)過燃料集管15供給燃料。比空氣孔板50的虛線52靠外側(cè)的空 氣孔51從燃料供給系統(tǒng)13經(jīng)過燃料集管16供給燃料。另外，燃料集管15、 16是雙重管結(jié)構(gòu)，因而可以將來自燃料供給系統(tǒng)12和燃料供給系統(tǒng)13的燃 料分開進行供給。圖2表示空氣孔板的放大圖。多個空氣孔相對燃料器100的中心軸在圓周 方向配置從而形成一列。在圖1中，燃燒器中心軸與圓筒狀燃燒器內(nèi)襯3的圓 筒中心軸一致。另夕卜，空氣孔以同心圓狀在半徑方向配置，在圖2中形成三列。 而且，在空氣孔板50的虛線52內(nèi)配置6個空氣孔53、 54。設置在中央部虛 線52內(nèi)側(cè)區(qū)域的空氣孔53、 54相對空氣孔板50具有傾斜角。從空氣孔53、 54噴出的同軸噴流由于相對于燃燒器中心軸在圓周方向噴出，從而在中央部 虛線52的內(nèi)側(cè)區(qū)域可保持穩(wěn)定火焰。另外，設置在中央部虛線52外側(cè)區(qū)域的 空氣孔51相對于空氣孔4反50的燃燒室壁面垂直地形成。本實施例中，與設置在中央部虛線52內(nèi)側(cè)的空氣孔成對的燃料噴嘴由第 1燃料噴嘴群和第2燃料噴嘴群構(gòu)成。與空氣孔53成對的燃料噴嘴形成第1 燃料噴嘴群。與空氣孔54成對的燃料噴嘴形成第2燃料噴嘴群。而且，從第1燃料噴嘴群和第2燃料噴嘴群噴出的燃料，燃料對空氣孔的出口截面的空氣的分散性能不同。圖2中，在空氣孔54的燃料分散性能比在 空氣孔53的燃料分散性要高。再有，所謂燃料分散性能是指，在空氣孔出口 截面中，燃料均勻分散的程度。因此，燃料分散性能越高，在空氣孔的出口截 面的燃料分布越均勻。圖3、圖4表示圖2所示的中央部虛線52內(nèi)燃料噴嘴及空氣孔板的結(jié)構(gòu)。 中央部虛線52內(nèi)的空氣孔中的空氣孔53的3個孔與前端作成錐形70的燃料 噴嘴42即第1燃料噴嘴群構(gòu)成一對。其余空氣孔54的3個孔與前端做成凸緣 71的燃料噴嘴43即第2燃料噴嘴群構(gòu)成一對。圖3 (a)是空氣孔53 (第1燃料噴嘴群)的》文大圖。在空氣孔內(nèi)部以在 燃料流外周側(cè)形成空氣流的方式配置燃料噴嘴和空氣孔。從燃料噴嘴42中噴 出來的燃料噴流27會碰撞到空氣孔53壁面上。而且，燃料噴流27會沿著空 氣孔53的壁面向燃燒室1噴出。因而，在空氣孔53中，不會進行燃料噴流 27和空氣流26的混合并從空氣孔噴出。圖3 (a)的曲線圖60表示在空氣孔53的出口截面的燃料濃度分布。橫 向軸表示空氣出口位置，縱向軸則表示燃料濃度。實線61表示燃料噴嘴42 的燃料濃度分布，而虛線62表示燃料與空氣完全混合后的燃料濃度。根據(jù)實 線61所示，在空氣孔出口的截面燃料不會分散，局部存在燃料濃度高的區(qū)域。 因此，以不進行空氣噴流與燃料噴流混合的狀態(tài)向燃燒室l噴出。圖3 (b)表示在(a)的X-X截面(空氣孔的出口部)的燃料分布。圖3 (c)表示(a)的Y-Y截面(燃料噴嘴的燃料噴孔)的燃料分布。剛從燃料噴 嘴的燃料噴孔噴出來的燃料流，其截面積與燃料噴孔截面積大致相同。另外， 由于燃料噴嘴形狀是不阻礙周圍空氣流的形狀，所以，燃料流在穿透空氣流后 沖撞到空氣孔53的側(cè)壁上。即便在空氣孔53出口，由于燃料流沿著空氣孔 53的側(cè)壁偏向流動，因此可以認為，以不會與空氣流混合并維持燃料流的形 狀的狀態(tài)向燃燒室噴出。因而，在空氣孔出口截面的燃料分散性能變低。圖4 (a)是空氣孔54 (第2燃料噴嘴群)的空氣孔放大圖。在燃料噴嘴 43前端(燃料噴孔附近)上安裝了凸緣('J少)71。凸緣71是設置在燃料噴 嘴43圓筒面上的突起物，可使空氣流產(chǎn)生紊流即可。通過該凸緣71，在燃料 噴嘴前端產(chǎn)生空氣流的渦流31。認為通過該渦流31，燃料與空氣被攪拌后會8迅速進行混合。因此，如曲線圖60所示，在空氣孔出口截面的燃料濃度分布 61整體地達到平穩(wěn)且均勻化。
圖4 (b)表示(a)的X-X截面(空氣孔出口部)的燃料分布。圖4 (c) 表示(a)的Y-Y截面(燃料噴嘴的燃料噴孔)的燃料分布。從燃料噴嘴的燃 料噴孔噴出來的燃料流28，通過由凸緣71的作用而產(chǎn)生的渦流31,分散成比 燃料噴孔的截面積大的面積。而且，還在燃料流28在空氣孔54中流動期間， 通過渦流31進行燃料流28與空氣流26的混合。由此，認為在空氣孔54的出 口截面，燃料會均勻地分散，且M性能好。
若比較配置于第1燃料噴嘴42及第2燃料噴嘴43下游側(cè)的空氣孔出口截 面的濃度分布，存在以下關(guān)系。即、由于從第1燃料噴嘴42噴出來的燃料流 以與空氣流的混合不充分的狀態(tài)被排放到燃燒室，因此，位于圖3 (b)的區(qū) 域27中的燃料濃度上升，所形成的火焰燃燒溫度也會上升。與此相對，由于 從第2燃料噴嘴43噴出來的燃料流進行了與空氣流的充分混合后被排放到燃 燒室，因此，位于圖4 (b)的區(qū)域28的燃料濃度低，從而能抑制燃燒溫度上 升。由此，位于空氣孔出口截面的燃料噴流的燃料濃度，燃料分散性能越低則 其燃料濃度就越高，其結(jié)果，可使所形成的火焰溫度上升。
這樣，通過利用燃料噴嘴使燃料分散性能不同，所以，可使從各個燃料噴 嘴噴出來的燃料流的燃料濃度產(chǎn)生差異。另外，由于區(qū)域27的燃料濃度比區(qū) 域28的燃料濃度高，因此，利用第1燃料噴嘴可提高火焰穩(wěn)定性能。
尤其是，利用從燃料分散性能低的燃料噴嘴42噴出來的燃料流，若在空 氣孔出口形成1600。C以上的火焰，則可穩(wěn)定噴燒器火焰，可保持燃燒穩(wěn)定性。
圖5表示將中央部虛線52內(nèi)的空氣孔板向圓周方向展開的展開圖，沿著 圖2的曲線A展開。本實施例中，對中央部虛線52內(nèi)的空氣孔53、 54實施 轉(zhuǎn)角。另外，交替配置前端實施了錐形的燃料噴嘴42 (第1燃料噴嘴群)與 安裝了凸緣的燃料噴嘴43 (第2燃料噴嘴群)。而且，燃料噴嘴42、 43插入 到空氣孔內(nèi)部。
如上所述，就錐形燃料噴嘴42而言，不會進行燃料流與空氣流的混合， 燃料流與空氣流噴到燃燒室。因此，在與第1燃料噴嘴群成對的空氣孔出口， 局部存在燃料濃度高的區(qū)域。另外，在空氣孔出口附近形成低流速循環(huán)區(qū)域29。在局部燃料濃度較高的區(qū)域，由于與低流速循環(huán)區(qū)域29鄰接，因此，低 流速循環(huán)區(qū)域29可得到較多的燃料。而且，認為低流速循環(huán)區(qū)域29構(gòu)成為火 焰基部25,可穩(wěn)定地保持火焰。尤其是，由于在火焰基部25未進行空氣與燃 料的混合，所以處于接近擴散燃燒的狀態(tài)，燃燒穩(wěn)定性良好。另外，就擴散燃燒而言，排出較多的NOx。但是，由于第l燃料噴嘴群供 給燃料的空氣孔要比第2燃料噴嘴群供給燃料的空氣孔供給較多的空氣，所以 可得到降低由火焰基部25產(chǎn)生的N(X的效果。再有，比火焰基部25靠下游 側(cè)形成的火焰24由于燃料與空氣進行著混合，所以形成了稀薄的預混合燃燒。 由此，火焰基礎(chǔ)部25所產(chǎn)生的NOx排放量可抑制到最低限度。另一方面，就由凸緣形燃料噴嘴43構(gòu)成的第2燃料噴嘴群而言，在空氣 孔出口截面的燃料分散度高。因此，已充分混合后的燃料和空氣從空氣孔噴出。 所以，形成于空氣孔出口形成的循環(huán)流30未得到較多的燃料。另外，由于燃 料與空氣均勻地混合，所以火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?。由此，在具有?燃料噴嘴群 的空氣孔54出口不會形成火焰基部25，可抑制NOx的產(chǎn)生。如此地，通過交替配置第1燃料噴嘴群與第2燃料噴嘴群，由第1燃料噴 嘴群所形成的穩(wěn)定火焰將熱或活性化學種提供給由第2燃料噴嘴群形成的火 焰。由此，輔助從第2燃料噴嘴群噴出來的稀薄的預混合氣的燃燒，在下游一 側(cè)形成一個集中的火焰24，所以可穩(wěn)定燃燒。還有，由于從第2燃料噴嘴群 及空氣孔噴出來的燃料與空氣到達火焰24還有距離，所以，燃料與空氣進一 步混合，可減少NOx排放量。如上所述，在中央部虛線52內(nèi)側(cè)，通過限定擴散燃燒的火焰基部的產(chǎn)生 數(shù)量，擴散燃燒與混合燃燒互補熱量，從而可保持火焰燃燒穩(wěn)定性的同時削減 NOx排放量。另外，對于一個噴燒器噴嘴來說，若燃料分散性能低的燃料噴嘴至少有1 根，則與全部燃料噴嘴中燃料分散性能高的情況相比，可提高火焰燃燒穩(wěn)定性。以下，在第1燃料噴嘴群與第2燃料噴嘴群中，比較流入空氣孔中的空氣 量。燃料噴嘴42前端具有錐形70，形成阻礙空氣流26流動的形狀。另一方 面，由于燃料噴嘴43的凸緣71以堵住空氣孔入口的方式設置，所以阻礙空氣 流26流入空氣孔中。由此，與第2燃料噴嘴群相比，第l燃料噴嘴群一方空氣容易流入空氣孔中。因此，如果所供給的燃料流量相同，則第1燃料群一方， 的燃(料)空(氣)比低。另外，燃(料)空(氣)比按以下公式進行定義。 燃(料)空(氣)比=燃料量/空氣量 (公式1 )
如上所述，錐形燃料噴嘴(第1燃料噴嘴群)與凸緣形燃料噴嘴(第2燃 料噴嘴群)相比，燃料分散性能低，容易產(chǎn)生NOx。但是，由于第l燃料噴嘴 群與第2燃料噴嘴群相比，燃(料)空(氣)比要低，所以可對火焰基部25 提供較多的空氣。因此，能抑制從第1燃料噴嘴群產(chǎn)生的NOx排放量。
圖7表示在大氣壓下的燃燒實驗結(jié)果。橫軸是燃燒氣體溫度，縱軸是NOx 排放量?？v軸的NOx排放量是換算成相當15%02、實機壓力條件(15ata)的 值。實線是采用了本發(fā)明的燃料噴嘴的配置，構(gòu)成為第l列(中央虛線內(nèi)側(cè)) 是交替配置凸緣形燃料噴嘴與錐形燃料噴嘴，第2、 3列的所有燃料噴嘴是凸 緣形。虛線是在1~3列中對所有燃料噴嘴都采用了凸緣形燃料噴嘴。本實驗中， 改變供給第1列燃料噴嘴的燃料與供給第2、 3列燃料的分配后進行實驗，圖 7的結(jié)果是其代表例。
在燃料分配發(fā)生變化時，則如圖7所示，NOx相對燃料溫度的排放量發(fā)生 變化。但是，在某個一定的燃燒溫度以下的不起火界限(1)， NOx排放量為大 致相同值。另外，在不起火界限(2), NOx較高的理由是，為了降低NOx而減 少第l列的燃料分配，燃料流量變得極少，導致燃燒穩(wěn)定性大幅下降。
在全部采用凸緣形燃料噴嘴情況下(虛線)，在不起火界限(1)的NOx 排放量是約7ppm。如本發(fā)明所示，在第l列燃料噴嘴中，交替配置凸緣形燃 料噴嘴與錐形燃料噴嘴的情況(實線)，在不起火界限(1)的NOx排放量可 下降到4ppm。
通常，NOx排放量與燃燒穩(wěn)定性存在相互均衡關(guān)系(卜l^一卜'才:7)。如 果對于某個燃燒溫度的NOx排放量較少，則燃燒穩(wěn)定性就會下降。因此，在 不起火點的燃燒溫度上升時，在不起火界限的NOx排放量有界限。但是，本 發(fā)明達成了燃燒穩(wěn)定性與低NOx燃燒的雙方的結(jié)果是即使更低的NOx排出量 也可防止燃燒穩(wěn)定性的下降，并可以保持火焰。
再有，中央部虛線52內(nèi)的空氣孔還可以配置在橢圓上。
另外，如圖25、 26所示，由于擴大火焰穩(wěn)定區(qū)域提高火焰穩(wěn)定性，所以加大中央部虛線52的半徑，希望將第1列空氣孔的配置向外周一側(cè)擴展。這 種情況，通過將第1列的空氣孔數(shù)量增加到8個、IO個并增加旋轉(zhuǎn)流，從而 穩(wěn)定、強化旋轉(zhuǎn)流，穩(wěn)定火焰。但是，第1列的空氣孔個數(shù)不受此限制。
另外，在燃氣輪機的發(fā)電負載低、燃燒器整體的燃(料)空(氣)比低的 運轉(zhuǎn)條件下，火焰基部25為保持火焰整體，需要供給充分的燃料。如圖l所 示，由于燃料供給系統(tǒng)分成兩個，所以，即使在燃燒器整體的燃(料)空(氣) 比低的條件下，也可將從燃料供給系統(tǒng)12向與中央部虛線52內(nèi)空氣孔成對的 燃料噴嘴供給的燃料維持為固定量，這樣，在較廣的運轉(zhuǎn)條件下能穩(wěn)定地保持 火焰。
另外，根據(jù)運轉(zhuǎn)條件，從配置于中央部虛線52內(nèi)側(cè)區(qū)域中的一個空氣孔 噴出的噴流的燃(料)空(氣)比存在比從配置于中央部虛線52外側(cè)區(qū)域中 的一個空氣孔噴出的噴流的燃(料)空(氣)比要高的情況。不過，由于燃燒 器整體的燃(料)空(氣)比(較)低，因此，NOx排放量不會變多。這種使 用方法在其他實施例中也有效。
實施例2
表示在空氣孔出口截面的燃料分散性能低的燃料噴嘴的實施例。如圖8 所示，就外徑較細且前端未加工的直管形狀燃料噴嘴46而言，燃料噴嘴46 的壁厚較薄。而且，燃料噴嘴前端不會產(chǎn)生較大的紊流，所以燃料與空氣的分 散性能會降低。因此，如曲線圖60所示，在空氣孔出口局部存在燃料濃度較 高的區(qū)域。另外，與向比中央虛線配置于外側(cè)區(qū)域中的空氣孔內(nèi)供給燃料的燃 料噴嘴相比直徑做窄，因此空氣更多地流入到空氣孔內(nèi)。
其次表示在空氣孔出口截面的燃料分散性能較高的燃料噴嘴的其它實施 例。圖9和圖IO是燃料噴嘴及空氣孔的擴展圖。
圖9中，燃料噴嘴44前端部進行了傾斜擴大。與凸緣形燃料噴嘴43相同， 燃料噴嘴44前端部形成一個大的渦流31。利用渦流31生成的紊流進行燃料 與空氣的混合，從而使空氣孔出口的燃料濃度平均化。
圖IO表示的是與圖9的燃料噴嘴相比，外徑粗且前端未進行加工的直管 形狀燃料噴嘴45。由于燃料噴嘴45的壁較厚，所以，在圖IO所示的燃料噴 嘴前端形成大的渦流31,燃料與空氣的混合變得良好。如曲線圖60所示，在空氣孔出口截面，燃料濃度達到平均化。圖11表示中央部虛線52內(nèi)的空氣孔板向圓周方向展開的圖。在本實施例 中，在中央部虛線52內(nèi)，6根燃料噴嘴中的3根是外徑細且前端為做加工的 直管形狀燃料噴嘴46，其余的3根燃料噴嘴是外徑粗且前端未作加工的直管 形狀燃料噴嘴45，將這些交替配置。具有燃料噴嘴46的第l燃料噴嘴群，由于燃料與空氣的混合不佳，局部 存在燃料較濃的區(qū)域。另外，未進行與空氣的混合的燃料噴流27由于與空氣 出口周圍的低流速循環(huán)區(qū)域29鄰接，所以以低流速循環(huán)區(qū)域29為基點穩(wěn)定保 持火焰。而且，由于與其他燃料噴嘴相比空氣容易流入，所以在火焰基部25 下游，進行空氣與燃料的混合，構(gòu)成稀薄的預混合燃燒。另一方面，在具有燃料噴嘴45的第2燃料噴嘴群中，由于在空氣孔中進 行燃料與空氣的混合，所以在空氣孔出口附近的低流速循環(huán)區(qū)域30內(nèi)不形成 火焰基部25。利用由第1燃料噴嘴群形成的穩(wěn)定火焰，進行混合后的燃料與 空氣的預混合氣體形成混合燃燒，有望降低NOx。本實施例也能達到以下目的，即，組合利用火焰基部25得到的穩(wěn)定燃燒 與稀薄的預混合燃燒從而形成一個火焰24,從而同時達到火焰穩(wěn)定化和低NOx 燃燒。實施例3本實施例與實施例1相反，空氣孔板的半徑加大，在半徑方向配置了 4 列空氣孔。圖12僅表示作為燃燒器的噴燒器端面的空氣孔板50。中央部虛線52內(nèi)的空氣孔53與錐形燃料噴嘴42形成一組，作為錐形燃 料噴嘴42的第1燃料噴嘴群的燃料分散性能低。因此，在空氣孔出口局部存 在燃料濃度高的區(qū)域。另外，中央部虛線52內(nèi)的空氣孔54與凸緣形燃料噴嘴 43形成一組，作為凸緣形燃料噴嘴43的第2燃料噴嘴群的燃料分散性能高。 因此，在空氣孔出口的燃料濃度分布被平均化。根據(jù)本實施例，在通過力n大燃燒器本身從而空氣孔板變大的情況下，為了 更穩(wěn)定地形成大的旋轉(zhuǎn)流，還將中央部虛線52內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域沿直徑方向擴大， 增加空氣孔數(shù)量。這時，因擴散地燃燒，削減較多地排放NOx的火焰基部個 數(shù)，因此，最好是把屬于第1燃料噴嘴群的燃料噴嘴每隔兩個進行配置。13圖13表示將中央部虛線52內(nèi)的空氣孔板向圓周方向展開的圖，沿著圖 12的B-B曲線展開。從第2燃料噴嘴群噴出來的燃料，由相鄰的第2燃料噴 嘴群形成的穩(wěn)定火焰可進行穩(wěn)定的燃燒。另外，不是以每隔一個或每隔兩個那 樣地有規(guī)則地進行配置，也可以不規(guī)則地進行配置。
另外，為了實現(xiàn)局部火焰穩(wěn)定性，考慮如圖14所示，使混合性能低的第 l燃料噴嘴相鄰地配置。但是，如果增加第l燃料噴嘴個數(shù)，則NOx的排放量 增加。相反，有一點要注意，即，若第l燃料噴嘴極少，則無法充分地將熱或 活性化學種供給由第2燃料噴嘴噴出的燃料。
另外，通過不必較大地改變噴燒器結(jié)構(gòu)而僅改變配置于中央部虛線內(nèi)的燃 料噴嘴形狀，從而可微調(diào)整擴散燃燒的火焰基部25的個數(shù)和位置。在將本發(fā) 明的燃燒器用于燃氣輪機的情況下，不僅是天然氣，還有要將二曱醚和氫加以 混合的混合氣體等的非常容易燃燒的氣體、或者熱量低的氣體作為燃料利用的 需求。因此，需要使這些燃料穩(wěn)定地、且以低NOx進行燃燒。根據(jù)氣體組成， 所形成的火焰特性會產(chǎn)生很大變化。由此，不必改變噴燒器結(jié)構(gòu)而只改變中央 部虛線內(nèi)的燃料噴嘴形狀就能強化燃燒穩(wěn)定性、反之可實現(xiàn)低NOx化，還能 容易地適應多種燃料。
另外，在使用像氬這種反應性豐富且燃燒速度快的燃料時，除了可以調(diào)整 火焰基部25的個數(shù)之外，還能改善第1燃料噴嘴群的燃料分散性能。如果是 反應性豐富且燃燒速度快的燃津牛，可以降低燃料與空氣的分散性能，也可不必 進行擴散燃燒。如果只保留一部分燃料濃度高的區(qū)域，則形成火焰基部25， 所以可確保所需的燃燒速度。因此，可確保為穩(wěn)定地保持火焰整體所需的火焰 基部25，可進一步實現(xiàn)降低NOx。
如此地，在本發(fā)明中，對于各種燃料而言，通過局部改變?nèi)剂蠂娮煨螤睿?調(diào)整形成火焰基部的燃料噴嘴的分散性能，從而可以調(diào)整火焰基部的強度(大 小)，也能對應多種多樣燃料。
實施例4
圖15表示實施例4的空氣孔板。本實施例與實施例3不同之處是，把中 央部虛線52內(nèi)的空氣孔在半徑方向增加到兩列，以強化旋轉(zhuǎn)流。本實施例中， 空氣孔53與錐形燃料噴嘴42成為一組，作為錐形燃料噴嘴42的第1燃料噴嘴群的燃料分散性能低。另外，中央部虛線52內(nèi)的空氣孔54與凸緣形燃料噴 嘴43成為一組，作為凸緣形燃料噴嘴43的第2燃料噴嘴群的燃料分散性能高。 第1列空氣孔56、第2列空氣孔57與第1燃料噴嘴群和第2燃料噴嘴群交替 配置在空氣孔上游位置。本實施例中，擴散燃燒的火焰基部25的個數(shù)較多，對NOx排放量不利。 但是，在有必要加大空氣孔板的半徑形成更大的火焰的場合，可提高火焰穩(wěn)定 區(qū)域中的燃燒穩(wěn)定性。另外，如果空氣孔板半徑變大，火焰基部25以外的燃 燒量增加，則從火焰基部25產(chǎn)生的NOx排放量相對減少。因此，作為整體的 NOx的排放量會抑制得更低。另外，如圖16所示，在第2列的空氣孔57中，也可以將燃料分散性能低 的第1燃料噴嘴群每隔兩個進行配置。通過減少擴散燃燒的火焰基部25,從 而實現(xiàn)進一步降低NOx。另外，由于還從第1列的火焰基部25供給熱或活性 化學種，所以即使減少第2列火焰基部25的個數(shù)也能穩(wěn)定燃燒。另外，如圖17所示，可以將第1列的空氣孔56作為燃料分散性能均高的 第2燃料噴嘴群。從第1列空氣孔56噴出的燃料由作為設在第2列的第1燃 料噴嘴群得到的火焰基部25傳送熱或活性化學種，可穩(wěn)定地燃燒。與圖16 相比，由于擴散燃燒的火焰基部25較少，所以有利于低NOx燃燒。另外，與 圖16相比，由于火焰基部位于第2列，容易對從第3列至第5列的空氣孔噴 出的燃料供給熱或活性化學種，所以提高火焰整體的穩(wěn)定性。實施例5本實施例與實施例l相比，不同之處是，不僅是在配置于中央部虛線52 內(nèi)側(cè)的空氣孔上，中央部虛線52外側(cè)的空氣孔也使用燃料分散性能低的第1 燃料噴嘴群。圖18是本實施例的空氣孔板的放大圖。圖19是空氣孔55的擴大圖。空 氣孔55不具有轉(zhuǎn)角，并與在前端施有錐形70的燃料噴嘴42成為一對。另外， 將空氣孔55與燃料噴嘴42的中心軸錯開，并在空氣孔55中不插入燃料噴嘴 42前端。在圖19所示的第1燃料噴嘴群中，在燃料噴嘴42前端不產(chǎn)生紊流。另外， 燃料噴流相對空氣流發(fā)生偏置，因此，不會充分進行燃料與空氣的混合。由此，如曲線圖60所示，在空氣孔出口局部留有燃料濃度高的區(qū)域，在空氣孔出口 截面的燃料分散性能低。另外，由于與空氣孔出口的低流速循環(huán)區(qū)域29相鄰， 所以燃料被該低流速循環(huán)區(qū)域29得到，以低流速循環(huán)區(qū)域29為起點形成火焰。根據(jù)本實施例，通過在中央部虛線52外側(cè)區(qū)域配置燃料分散性能低的燃 料噴嘴，從而由于增加了穩(wěn)定燃燒的火焰基部25,因此可提高火焰燃燒穩(wěn)定性。實施例6圖20表示實施例6的噴燒器面。本實施例是將實施例1的噴燒器作為一 個部分噴燒器(七夕夕一^一, ) 80,排列多個構(gòu)成一個燃燒噴嘴。在各噴燒 器中，中央部虛線52內(nèi)的空氣孔53、 54形成轉(zhuǎn)角，交替配置第l燃料噴嘴群 與第2燃料噴嘴群。由此，在各個部分燃燒噴嘴80上分別形成火焰。通過改 變由部分噴燒器80形成的火焰?zhèn)€數(shù)，可容易進行對應燃燒負載的控制。圖27表示，在7個部分噴燒器中，將外周6個部分噴燒器81中的中央第 1列全部作為第2燃料噴嘴群(燃料噴嘴是凸緣形噴嘴)。如圖7所示，若在1 個部分噴燒器中僅配置燃料分散性能高的燃料噴嘴(第2燃料噴嘴群)，則不 起火界限內(nèi)的NOx排放量比本發(fā)明高。因此，如本實施例所示做成多排列， 則中央部分噴燒器80向周圍的部分噴燒器81供給熱及活性化學種。因此，與 部分噴燒器81單獨燃燒的情況相比，提高燃燒穩(wěn)定性。這樣，與圖20相比維 持燃燒穩(wěn)定性，而且，僅以外周的部分噴燒器全部采用第2燃料噴嘴群可進一 步實現(xiàn)低NOx化。另外，圖27所示的噴燒器直徑是220mm。并且， 一個部分 噴燒器直徑大約70mm。圖28表示，在中央部分噴燒器80,擴大包圍第1列空氣孔的面積。這樣 一來，通過擴大設在中央部分噴燒器80中央部的燃燒穩(wěn)定區(qū)域從而提高中央 部分燃燒噴嘴自身的燃燒穩(wěn)定性。另外，由于增加從中央扇形噴燒器供給周圍 部分噴燒器的熱及活性化學種，所以可提高噴燒器整體的燃燒穩(wěn)定性。實施例7圖21是噴燒器端面圖。本實施例中，使空氣孔53 (第l燃料噴嘴群)直 徑與其他空氣孔直徑小。另外，還減小燃料噴嘴42的內(nèi)部流路47的直徑。圖 22表示配置于中央部虛線52內(nèi)的空氣孔板在圓周方向上的展開圖(沿著圖21 的C曲線展開的圖)。由于空氣孔53的直徑與其他空氣孔小，所以能減少流入空氣孔53內(nèi)空氣 流26的數(shù)量。另外，通過使燃料噴嘴42內(nèi)部流路47的直徑比燃料噴嘴43 內(nèi)部流路48的直徑小，從而使1根燃料噴嘴42供給空氣孔53的燃料量比其 他燃料噴嘴43供給空氣孔的燃料流量少。
這時，由于流入空氣孔53的空氣量和從燃料噴嘴42噴出的燃流量比其他 空氣孔、燃料噴嘴少，所以火焰基部25的燃燒量比火焰24的燃燒量小。而且， 可將燃燒器整體的NOx排放量抑制得較低。另外，由于沒有改變火焰基部25 的個數(shù)，所以對燃燒穩(wěn)定性有較大損失。本實施例與其他實施例同樣有效。
使供給燃料分散性能低的、且在空氣出口局部濃度高的第1燃料噴嘴群的 每1根的燃料流量比供給燃料分散性能高的、且在空氣出口燃料濃度被平均化 的第2燃料噴嘴群的每1根的燃料流量少的方法，在其他實施例中也有效。通 過減少供給形成火焰基部的第l燃料噴嘴群的燃料流量，縮小火焰基部，從而 可進一步實現(xiàn)NOx的降低。
在本實施例中，通過使在中央部虛線52內(nèi)形成火焰基部25的空氣孔53 的直徑比其他燃料噴嘴的空氣孔直徑小，從而減少流入空氣孔53的空氣量。 但是，即使加粗與空氣孔53組合的燃料噴嘴也能獲得同樣效果。而且，為了 在前端不形成空氣循環(huán)流，有必要在燃料噴嘴前端設置錐形。
實施例8
本實施例與實施例1相比不同之處是，分兩個系統(tǒng)控制供給中央部虛線內(nèi) 燃料噴嘴的燃料。如圖23所示，第1燃料噴嘴群的燃料噴嘴42由燃料供給系 統(tǒng)83供給燃料，第2燃料噴嘴群的燃料噴嘴43由燃料供給系統(tǒng)84供給燃料。 各燃料系統(tǒng)具備流量調(diào)節(jié)閥85、 86，可分別控制燃料流量。
根據(jù)本結(jié)構(gòu)，在從起動至額定負載條件的廣泛運轉(zhuǎn)條件中，可總能形成最 適宜燃燒量的火焰基部25。額定負載條件的火焰基部25,作為所需最小限度 的燃燒量，可將由火焰基部25產(chǎn)生的NOx排放量抑制到最小限度。
另一方面，在燃氣輪機發(fā)電負載少且燃燒器之燃(料)空(氣)比較低條 件下的火焰基部25，為維持火焰24要增加燃燒量。因此，使用對空氣孔內(nèi)空 氣從第1燃料噴嘴群噴出的燃料量比從第2燃料噴嘴群噴出的燃料量大的方 法。根據(jù)所述使用，可使燃氣輪機的運用負載范圍擴大。另外，在燃氣輪機發(fā)電負載低的條件下，由于火焰整體的燃(料)空(氣)較低，所以能抑制NOx 排放量。
實施例9
圖24表示本實施例的燃料噴嘴和空氣孔的放大圖。本實施例與實施例1 相比，設有空氣孔直線部58，加長為混合燃料與空氣的預混合距離。另外， 還加長在前端設有錐形的燃料噴嘴42,并將前端部延伸到空氣孔53的傾斜部。 另一方面，設有凸緣的燃料噴嘴43的燃料噴孔配置在空氣孔的直線部58的入 口內(nèi)。圖24中，第1燃^H"噴嘴群相當于燃料噴嘴42，第2燃料噴嘴群相當于 燃料噴嘴43。根據(jù)這樣的構(gòu)成，第1燃料噴嘴群的燃料不與空氣混合并從空 氣孔出口噴出。因此局部留有燃料濃度高的區(qū)域。
另一方面，第2燃料噴嘴群中，將從燃料噴嘴43噴出來的燃料與空氣混 合的預混合距離取得比第l燃料噴嘴群長。因此，在第2燃料噴嘴群，在空氣 孔出口截面的燃料分散性能高。其結(jié)果，維持火焰24的燃燒穩(wěn)定性，且可進 一步實現(xiàn)降低NOx排放量。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器，其特征在于，具有燃料與空氣混合燃燒的燃燒室；設置在該燃燒室壁面上并以多列同心圓狀配有將燃料與空氣的同軸噴流噴到所述燃燒室內(nèi)的多個空氣孔的空氣孔板；以及在向內(nèi)周側(cè)的所述空氣孔列噴出燃料的該燃料噴孔附近，具有抑制周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第1燃料噴嘴以及具有促進周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第2燃料噴嘴。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述第l燃料噴嘴供給 燃料的空氣孔直徑比所述第2燃料噴嘴供給燃料的空氣孔直徑要小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，在所述空氣孔中插入所 述燃料噴嘴前端進行配置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，在所述第l燃料噴嘴前 端設有錐形，在所述第2燃料噴嘴前端設有凸緣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述第2燃料噴嘴前端 部具有傾斜擴大的形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述空氣孔板由相對該 空氣孔板向所述空氣孔付與傾斜角的內(nèi)側(cè)區(qū)域、和垂直于該空氣孔板設有所述 空氣的外側(cè)區(qū)域構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒器，其特征在于，設置在所述內(nèi)側(cè)區(qū)域內(nèi) 的所述第1燃料噴嘴相對于所述第2燃料噴嘴每隔1個或每隔2個并排配置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒器，其特征在于，設置在所述外側(cè)區(qū)域內(nèi) 的空氣孔以及向該空氣孔供給燃料的燃料噴嘴以該燃料噴嘴和該空氣的中心 軸錯開的方式進行配置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，通過使所述燃料噴嘴的 前端形狀不同，從而調(diào)整所述第1燃料噴嘴群與第2燃料噴嘴群的分散性能。
10. —種燃燒器的供給方法，其特征在于，具有在燃料噴流外周側(cè)形成了空氣流的同軸噴流在設于空氣孔板內(nèi)部的空氣孔中流動的第1工序；在互鄰的兩個所述空氣孔出口產(chǎn)生燃料濃度的濃淡的第2工序；以及相對于所述空氣孔板的燃燒室壁面在圓周方向具有傾斜角的多個同軸噴 流向所述燃燒室內(nèi)噴出的第3工序。
11. 一種燃燒器，其特征在于，具有使燃料與空氣燃燒的燃燒室；在該燃燒室上游側(cè)壁面并沿半徑方向具有多列燃料流與空氣流的同軸噴 流向下游側(cè)的所述燃燒室內(nèi)噴出的多個空氣孔的空氣孔板；以及在該空氣孔板的上游側(cè)與所述空氣孔成對配置并在規(guī)定的空氣孔行列中 燃料相對空氣的分敉性能不同的兩個燃料噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃燒器及燃燒器的燃料供給方法。本發(fā)明的目的在于，在使用了同軸噴流的燃燒器中，即使進一步減少NO_x，也可維持燃燒穩(wěn)定性。本發(fā)明的燃燒器特征在于，具有燃料與空氣混合燃燒的燃燒室；設置在該燃燒室壁面上并以多列同心圓狀配有將燃料與空氣的同軸噴流噴到所述燃燒室內(nèi)的多個空氣孔的空氣孔板；以及在向內(nèi)周側(cè)的所述空氣孔列噴出燃料的該燃料噴孔附近，具有抑制周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第1燃料噴嘴以及具有促進周圍空氣流紊流結(jié)構(gòu)的第2燃料噴嘴。根據(jù)本發(fā)明，在使用了同軸噴流的燃燒器中，即使進一步減少NO_x，也可保持燃燒穩(wěn)定性。
文檔編號F23R3/00GK101294714SQ20081009237
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者三浦圭佑, 井上洋, 小山一仁, 齋藤武雄 申請人:株式會社日立制作所