燃料噴射器以及燃氣輪機的制作方法

本發明涉及燃料噴射器以及燃氣輪機。

背景技術：

從保護環境的觀點出發，希望減少從燃氣輪機排出的氮氧化物（NO_X）。作為減少NO_X排出量的方法之一，存在預先將燃料和壓縮空氣充分混合（完全預混合），并將該混合氣從燃料噴射器噴射而使其燃燒的方法。根據該方法，由于燃燒快速進行，因此能夠抑制燃燒溫度的上升，且能夠抑制由燃燒溫度的上升引起的NO_X（熱力型NO_X）的產生（參見專利文獻1）。

現有技術文獻：

專利文獻：

專利文獻1：日本特開2010-216668號公報。

技術實現要素：

發明要解決的問題：

然而，如果在燃料噴射器內將燃料和壓縮空氣進行大量預混合，則會發生燃燒室的火焰傳播到燃料噴射器的“回火”，存在燃料噴射器燒壞的擔憂。尤其，使用氫氣等反應性較高的物質作為燃料的情況，容易發生回火。

本發明鑒于如上的情況而形成，目的在于提供一種能夠抑制NO_X的產生量并且能夠抑制回火的發生的燃料噴射器。

解決問題的手段：

根據本發明的燃料噴射器，具備：向燃燒室開口的圓筒流路，將燃料導入至所述圓筒流路的燃燒室側的燃料導入路，以及在相比所述圓筒流路中燃料被導入的位置靠近上游側的位置將壓縮空氣導入至所述圓筒流路的空氣導入路；所述燃料導入路在橫向剖面觀察時從所述圓筒流路的切線方向導入燃料。

根據該結構，燃料沿圓筒流路的內周面進行旋轉并被噴射至燃燒室，在燃燒室內形成為片狀（螺旋帶狀）。此時，連續的燃料其表面積擴大，從表面到中央的距離變短，因此能夠縮短燃燒反應時間，抑制NO_X的產生量。又，由于壓縮空氣從圓筒流路朝向燃燒室流動，因此能夠抑制圓筒流路的出口附近的燃燒氣體的滯留，實現穩定燃燒。此外，由于沒有在燃料噴射器內將燃料和空氣進行大量預混合，因此能夠抑制回火。

又，在上述燃料噴射器中，所述空氣導入路形成為在所述圓筒流路內使壓縮空氣以和燃料的旋轉方向相同的方向進行旋轉的結構亦可。根據該結構，能夠通過旋轉的壓縮空氣進一步促進燃料的旋轉，更加可靠地使燃料形成為片狀。

又，在上述燃料噴射器中，所述燃料導入路設置為朝向相對于與所述圓筒流路的中心軸垂直的方向往所述燃燒室側傾斜的方向導入燃料亦可。根據該結構，氫氣難以滯留在圓筒流路的出口附近，即使在使用氫氣等反應性較高的氣體的情況下也能夠降低回火風險。

又，根據本發明的其他形態的燃料噴射器，具備：向燃燒室開口的多條圓筒流路，將燃料導入至所述多條圓筒流路各自的燃燒室側的多條燃料導入路，以及在相比所述多條圓筒流路中燃料被導入的位置靠近上游側的位置將壓縮空氣導入至所述多條圓筒流路中每一條的多條空氣導入路；各所述燃料導入路在橫向剖面觀察時從所述圓筒流路的切線方向導入燃料。

根據本發明的燃氣輪機具備上述燃料噴射器中任一種燃料噴射器。

發明效果：

如上所述，上述燃料噴射器，能夠抑制NO_X的產生量并且能夠抑制回火的發生。

附圖說明

圖1是燃氣輪機整體的概略結構圖；

圖2是燃燒器的概略結構圖；

圖3是再熱用燃料噴射器的立體圖；

圖4是再熱用燃料噴射器的縱向剖視圖；

圖5是圖4的A-A向剖視圖，是示出第一燃料導入路的圖；

圖6是圖4的A-A向剖視圖，是示出第二燃料導入路的圖；

圖7是圖4的A-A向剖視圖，是示出第三燃料導入路地圖；

圖8是圖4的B-B向剖視圖；

圖9是圖4的C-C向剖視圖；

圖10是示出燃料導入路與空氣導入路的位置關系的圖。

具體實施方式

以下，參照附圖說明本發明的實施形態。以下，相同或相應的要素在所有附圖中以相同的符號標記，并省略重復的說明。

〈燃氣輪機的結構〉

首先，說明燃氣輪機100的整體結構。圖1是燃氣輪機100的概略結構圖。根據本實施形態的燃氣輪機100是驅動發電機101的發電用燃氣輪機。燃氣輪機100具備：壓縮器10，燃燒器11，燃料供給裝置12，以及渦輪13。

燃燒器11中，從壓縮器10供給壓縮空氣102，并從燃料供給裝置12供給燃料103。在本實施形態中，假定使用反應性較高的氫氣作為燃料103，但是燃料103也可以是天然氣或液化氫氣等。在燃燒器11內，燃料103和壓縮空氣102燃燒，由此產生的高溫高壓的燃燒氣體104被供給至渦輪13。渦輪13通過燃燒氣體104的能量進行旋轉，并通過壓縮器10驅動發電機101。

〈燃燒器的結構〉

接著，說明燃燒器11。圖2是燃燒器11的概略剖視圖。根據本實施形態的燃燒器11，是壓縮空氣102和燃燒氣體104逆向流動的回流式罐型，具備：外殼20，燃燒筒21，主燃料噴射器22，以及再熱用燃料噴射器23。另外，燃燒器11也可以采用回流式罐型以外的結構。

外殼20是形成燃燒器11的外輪廓的構件。外殼20具有圓筒狀的外管構件24和設置于外管構件24的一側（紙面左側）端部的圓盤狀的端蓋25。

燃燒筒21容納于外殼20的內部，燃燒筒21的內部形成有燃燒室26。在燃燒室26中，燃料103和壓縮空氣102燃燒而生成燃燒氣體104。生成的燃燒氣體104朝向紙面右側流動，并被供給至渦輪13（參見圖1）。燃燒筒21和外殼20之間形成有環狀的空氣流路27，從壓縮器10供給的壓縮空氣102通過該空氣流路27，并朝向主燃料噴射器22（朝向紙面左側）流動。

主燃料噴射器22安裝于外殼20的端蓋25，并設置為在軸方向上貫通空氣流路27。主燃料噴射器22形成為能夠將通過空氣流路27的壓縮空氣102取入的結構。然后，將從燃料供給裝置12供給的燃料103和取入的壓縮空氣102同時噴射至燃燒室26。在圖2中僅示出一個主燃料噴射器22，但是設置多個主燃料噴射器22亦可。又，與主燃料噴射器22分開地設置噴射少量燃料的先導燃料噴射器亦可。

再熱用燃料噴射器23安裝于外殼20的外管構件24，并設直為在半徑方向上貫通空氣流路27。再熱用燃料噴射器23形成為能夠將通過空氣流路27的壓縮空氣102的一部分取入的結構。然后，將從燃料供給裝置12供給的燃料和取入的壓縮空氣102同時噴射至燃燒室26。另外，在本實施形態中，多個再熱用燃料噴射器23在燃燒器11的周方向上等間隔（例如，每隔90度）配置。

〈燃料噴射器的結構〉

接著，詳細說明再熱用燃料噴射器23的結構。根據本實施形態的再熱用燃料噴射器23是將燃料103形成為片狀而進行噴射的方式（以下，稱為“片噴射方式”）的燃料噴射器。以下，說明再熱用燃料噴射器23為片噴射方式的情況，但是主燃料噴射器22以及再熱用燃料噴射器23這兩者為片噴射方式亦可，僅主燃料噴射器22為片噴射方式亦可。

圖3是再熱用燃料噴射器23的立體圖，圖4是再熱用燃料噴射器23的縱向剖視圖。如圖3所示，再熱用燃料噴射器23由位于基端側（圖3的紙面右上側）的第一圓柱部30和位于梢端側（圖3的左下側）且直徑大于第一圓柱部30的第二圓柱部31構成。

如圖4所示，再熱用燃料噴射器23具備：在再熱用燃料噴射器23的軸方向上延伸的多條圓筒流路32，燃料流路33，多條燃料導入路34，以及多條空氣導入路35。

圓筒流路32是使燃料103和壓縮空氣102邊旋轉邊導入燃燒室26的流路。圓筒流路32向燃燒室26開口。如圖3所示，多條圓筒流路32中，6條內側圓筒流路32A在繞再熱用燃料噴射器23其中心軸的周方向上排列配置，12條外側圓筒流路32B在內側圓筒流路32A的外側、在繞中心軸的周方向上排列配置。

又，如圖4所示，內側圓筒流路32A形成于第一圓柱部30至第二圓柱部31，另一方面，外側圓筒流路32B僅形成于第二圓柱部31。另外，在本實施形態中，各圓筒流路32以相互平行的形式形成，但是各圓筒流路32并非一定相互平行地形成亦可。例如，僅內側圓筒流路32A以在軸方向上延伸的形式形成，而外側圓筒流路32B以相對軸方向傾斜并向半徑方向外側延伸的形式形成亦可。

燃料流路33是用于將從燃料供給裝置12（參見圖1）供給的燃料103分支并供給至多條燃料導入路34的流路。如圖4所示，燃料流路33位于再熱用燃料噴射器23的中心軸上并在軸方向上延伸。如圖4所示，燃料流路33的內周面上，在三個不同的軸方向位置上，分別在周方向上等間隔地形成有6個燃料排出口36。這些各燃料排出口36分別與燃料導入路34連接。因此，燃料流路33內的燃料103通過燃料排出口36流至燃料導入路34。另外，在本實施形態中，只形成一條燃料流路33，但是形成多條燃料流路33亦可。

燃料導入路34是將燃料103導入至各圓筒流路32的流路。以下，從燃料導入路34中離燃燒室26遠的燃料排出口36所連接的燃料導入路開始，依次稱為“第一燃料導入路34A”、“第二燃料導入路34B”、“第三燃料導入路34C”。圖5～圖7是圖4的A-A向剖視圖，分別示出第一燃料導入路34A、第二燃料導入路34B、第三燃料導入路34C。

如圖5所示，第一燃料導入路34A從燃料流路33朝向12條外側圓筒流路32B中的6條外側圓筒流路32B延伸。然后，第一燃料導入路34A的下游端部分，以剖面觀察時在圓筒流路32的切線方向上延伸的形式，與外側圓筒流路32B連接。另外，第一燃料導入路34A的下游端部分相對于再熱用燃料噴射器23的半徑方向大致平行地延伸。

如圖6所示，第二燃料導入路34B從燃料流路33朝向12條外側圓筒流路32B中未與第一燃料導入路34A連接的其余6條外側圓筒流路32B延伸。在本實施形態中，與第一燃料導入路34A連接的外側圓筒流路32B，以及與第二燃料導入路34B連接的外側圓筒流路32B在再熱用燃料噴射器23的周方向上交替配置。又，第二燃料導入路34B的下游端部分，以剖面觀察時在外側圓筒流路32B的切線方向上延伸的形式，與外側圓筒流路32B連接。然而，第二燃料導入路34B的下游端部分不同于第一燃料導入路34A的下游端部分，在相對于再熱用燃料噴射器23的半徑方向傾斜的方向上延伸。

如圖7所示，第三燃料導入路34C從燃料流路33朝向6條內側圓筒流路32A延伸。然后，第三燃料導入路34C的下游端部分，以剖面觀察時在外側圓筒流路32B的切線方向上延伸的形式，與內側圓筒流路32A連接。又，第一燃料導入路34A、第二燃料導入路34B以及第三燃料導入路34C的下游部分（燃料導入口40）位于圓筒流路32的燃燒室26側。這里所說的“圓筒流路32的燃燒室26側”，可以是在軸方向上將圓筒流路32進行三等分后的區域中最靠近燃燒室26的區域，也可以是在軸方向上將圓筒流路32進行二等分后的區域中最靠近燃燒室26的區域。

如上所述，各燃料導入路34的下游段部分，均以剖面觀察時在圓筒流路32的切線方向上延伸的形式，與圓筒流路32連接。因此，與圓筒流路32的中心軸垂直地進行剖面觀察（橫向剖面觀察）時，燃料103從圓筒流路32的切線方向導入至圓筒流路32。由此，導入至圓筒流路32的燃料103沿圓筒流路32的內周面進行旋轉（在圖5～圖7中為順時針旋轉）之后會被噴射到燃燒室26。這樣，燃料103沿圓筒流路32的內周面進行旋轉，以此燃料103形成為片狀。

又，如圖4所示，第一燃料導入路34A具有在軸方向上延伸的第一縱向流路部37，第二燃料導入路34B具有比第一縱向流路部37短且在軸方向上延伸的第二縱向流路部38。相對于此，第三燃料導入路34C不具有在軸方向上延伸的流路部。通過像這樣構成各燃料導入路34，以此形成以下結構：在所有圓筒流路32中，導入燃料103的燃料導入口40離圓筒流路32的出口的距離基本相同。

空氣導入路35是將壓縮空氣102導入至各圓筒流路32的流路。如圖3所示，第一圓柱部30上形成有內側圓筒流路32A用的空氣取入口41A，第二圓柱部31A、B上形成有外側圓筒流路32B用的空氣取入口41B。任一空氣取入口41A、41B均在軸方向上延伸而形成為縫隙狀。如圖4所示，空氣導入路35將形成于第一圓柱部30 的空氣取入口41A與內側圓筒流路32A連接，并且將形成于第二圓柱部31的空氣取入口41B與外側圓筒流路32B連接。由此，能夠將再熱用燃料噴射器23外部的壓縮空氣102導入至各圓筒流路32。

此外，如圖4所示，空氣導入路35位于相比燃料導入路34（燃料導入口40）更靠近上游側的位置。由此，在圓筒流路32中，相比燃料103，壓縮空氣102被導入至更靠近上游側的位置。因此，燃料103以向壓縮空氣102擠出的形式與壓縮空氣102一起被噴射至燃燒室26。

圖8是圖4的B-B向剖視圖，圖9是圖4的C-C向剖視圖。如圖8以及圖9所示，任一空氣導入路35，均以剖面觀察時在圓筒流路32的切線方向上延伸的形式，與圓筒流路32連接。因此，與圓筒流路32的中心軸垂直地進行剖面觀察（橫向剖面觀察）時，空氣導入路35能夠將壓縮空氣102從圓筒流路32的切線方向導入至圓筒流路32。由此，導入至圓筒流路32的壓縮空氣102會沿圓筒流路32的內周面進行旋轉（在圖8和圖9中為順時針旋轉）并被噴射至燃燒室26。

在此，圖10是示出從燃燒室26 側觀察的燃料導入路34與空氣導入路35的位置關系的圖。在圖10中，燃料導入路34與圓筒流路32的紙面右側連接，空氣導入路35與圓筒流路32的紙面下側連接。然后，燃料103從紙面下方導入至圓筒流路32的紙面右側，并沿圓筒流路32的內周面進行逆時針旋轉。另一方面，壓縮空氣102從紙面左方導入至圓筒流路32的紙面下側，并沿圓筒流路32的內周面進行逆時針旋轉。由此，在本實施形態中，使壓縮空氣102以和燃料103的旋轉方向相同的方向進行旋轉。因此，例如與壓縮空氣102在軸方向上以直線形式流動的情況相比，在本實施形態中燃料103更容易進行旋轉，因此燃料103更容易形成為片狀。

另外，各空氣導入路35在相對于各圓筒流路32的中心軸垂直的方向上延伸。與燃料103的情況不同，即使旋轉的壓縮空氣102和導入的壓縮空氣102進行干涉，對燃料103形成為片狀的影響也很小。

以上是本實施形態的說明。如上所述，在本實施形態中，由于燃料103形成為片狀，因此燃料103的表面到燃料103的中心的距離較短，燃料103的燃燒反應時間較短。其結果是，能夠抑制NO_X的產生。

又，以上，空氣導入路35以橫向剖面觀察時在圓筒流路32的切線方向上延伸的形式與圓筒流路32連接，以此形成為在圓筒流路32內使壓縮空氣102以和燃料103的旋轉方向相同的方向進行旋轉的結構，但是空氣導入路35不限于這樣的結構。例如，空氣導入路35具有位于圓筒流路32外周的離心式噴嘴（旋轉引導翼；swirler），以此形成為在圓筒流路32內使壓縮空氣102以和燃料103的旋轉方向相同的方向進行旋轉的結構亦可。

又，以上，說明了燃料噴射器23具備多條圓筒流路32、多條燃料導入路34以及多條空氣導入路35的情況，但是燃料噴射器23不具備多條這些組件亦可。例如，燃料噴射器23是具備一條圓筒流路32、一條燃料導入路34以及一條空氣導入路35的結構亦可。

又，以上，說明了圓筒流路32、燃料流路33以及燃料導入路34形成于第一圓筒部30和第二圓筒部31的情況，但是各流路32～34并非一定形成于同一構件亦可。例如，各流路32～34通過各自獨立的管構件形成，將它們連接而構成燃料噴射器23亦可。

又，以上，說明了將燃料噴射器23用于燃氣輪機100的情況，但是不限于燃氣輪機，也可以用于鍋爐或吸收式冷凍機等。

工業應用性：根據本發明的燃料噴射器，能夠抑制NO_X的產生量并且能夠抑制回火的發生。因此，在燃料噴射器的技術領域有益。

符號說明：

22 主燃料噴射器；

23 再熱用燃料噴射器；

26 燃燒室；

32 圓筒流路；

32A 內側圓筒流路；

32B 外側圓筒流路；

34 燃料導入路；

34A 第一燃料導入路；

34B 第二燃料導入路；

34C 第二燃料導入路；

35 空氣導入路；

40 燃料導入口；

100 燃氣輪機；

102 壓縮空氣；

103 燃料。