流速分布均匀化装置制造方法

流速分布均匀化装置制造方法
【专利摘要】一种流速分布均匀化装置(10)，其不会导致大型化，能够以小的压力损失使催化燃烧器的入口的速度分布均匀化，具备设置在催化燃烧器(2)的入口室(8)中的整流叶片(12)和整流板(13)。入口室(8)的横断面为圆形，具有流入口(80)和流出口(82)，流入口(80)使燃料气体(G2)从入口室(8)的径向流入，流出口(82)使燃料气体(G2)向轴向流出。整流叶片(12)的顶端边缘(12a)朝向流入口(80)，整流叶片(12)具有整流面(12b)，整流面(12b)从顶端边缘(12q)分成两叉，朝向入口室(8)的圆筒形内壁面延伸，使流入入口室(8)的燃料气体(G2)生成沿圆筒形内壁面朝向流入口(80)的涡流。整流板(13)配置在流出口(82)，具有使燃料气体(G2)通过的多个开口(13a、13b)。
【专利说明】流速分布均匀化装置
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2011年12月28日申请的日本专利申请2011-288019的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种使流入燃气涡轮发动机的催化燃烧器的气体的流速分布均匀化的装置。
【背景技术】
[0004]装载在燃气涡轮发动机中的催化燃烧器相对于现有技术具有如下的优势:在通过催化反应使流入气体燃烧时，几乎不排出Ν0Χ，并且能够氧化因通常不能燃烧而排放至大气的低浓度甲烷；其具有能够应对低公害性和变暖对策等环境问题的优点。另一方面，催化燃烧器具有价格闻、寿命短等缺点。
[0005]尤其是在如燃气涡轮发动机这样的在高压下的催化燃烧中，在催化燃烧器的入口的含有燃料的压缩气体的流速分布偏差大的情况下，在催化剂内部发生温度不均匀，催化剂的寿命变短。因此，催化燃烧器入口的流速分布的均匀化成为重要的设计事项。为了实现所述流速分布的均匀化，已知以下方法:其通过使压缩气体在设置于催化燃烧器的入口附近的具有长直线距离的流路内流动，来实现流速的均匀化。此外，在不使用催化剂的燃气轮机燃烧器中，为了实现流速分布的均匀化，采用在燃烧室的入口附近设置如冲孔金属这样的整流板的方法(参照专利文献I)。
[0006]但是，在设置具有长直线距离的流路的情况下，需要宽阔的配管空间而导致大型化。另一方面，关于使用整流板进行催化燃烧器的流速分布的均匀化并没有实例。此外，在使用整流板的情况下，压力损失变大，并且，如果整流板上游的流速分布发生大的变化，则通过作为固定的节流装置(絞D手段)的整流板不能应对。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本专利公开2009-52768号公报
【发明内容】

[0010](一)要解决的技术问题
[0011]本发明的目的在于提供一种流速分布均匀化装置，其不会导致大型化，能够以小的压力损失使催化燃烧器的入口的速度分布均匀化。(二)技术方案
[0012]为了实现上述目的，本发明的流速分布均匀化装置是使流入催化燃烧器的燃料气体的流速分布均匀化的装置，具备设置在所述催化燃烧器的入口室中的整流叶片和整流板。所述入口室的横断面为圆形，具有流入口和流出口，所述流入口使所述燃料气体从所述入口室的径向流入，所述流出口使所述燃料气体向轴向流出。所述整流叶片的顶端边缘朝向所述流入口，所述整流叶片具有整流面，所述整流面从所述顶端边缘分成两叉，朝向所述入口室的圆筒形内壁面延伸，使流入所述入口室的燃料气体生成沿所述圆筒形内壁面朝向所述流入口的涡流，所述整流板配置在所述流出口，具有使燃料气体通过的多个开口。
[0013]根据所述流速分布均匀化装置，从流入口流入催化燃烧器的入口室的燃料气体被引导为，沿着从整流叶片的顶端边缘分成两叉的两侧的整流面流动后，沿着入口室的圆筒形内壁面朝向流入口流动，从而生成涡流。这样，由于通过整流叶片使燃料气体在入口室内搅混地流动，因此流速分布的均匀化得到促进。通过该整流叶片使流速分布预先均匀化的燃料气体被引导为，在沿横截面为圆形的入口室的圆筒形壁面流动的同时，流向改变为直角，通过配置在流出口的整流板的多个开口，由此，使流速分布进一步均匀化。这样，该流速均匀化装置即使在因燃料气体的流量变化等导致流速分布改变的情况下，也能够通过进行由整流叶片和整流板进行的两个阶段的整流的作用，使燃料气体的流速分布有效地均匀化。
[0014]而且，由于所述流速均匀化装置将从流入口朝向径向流入催化燃烧器的入口室的燃料气体的流向改变为直角，引导至流出口，因此与设置长直线距离的流路的情况不同，不会使装置整体大型化。此外，流入催化燃烧器的入口室的燃料气体由整流叶片引导，在回转的同时，流向改变为轴向，引导至轴向的整流板，因此，与现有装置那样，使流入的全部气体与燃烧容器的内壁面直接碰撞，使流向强制性地改变为垂直方向的情况相比，因改变流向导致的燃料气体的压力损失小。
[0015]在本发明中，优选地，所述整流叶片的顶端边缘从径向与所述入口室的轴向上的所述流入口的整体相对。由此，对从流入口向径向流入入口室内的燃料气体被引导为，向分别沿着整流叶片的两个外表面的方向流入。
[0016]在本发明中，所述整流叶片的横断面形状优选为等腰三角形，特别是等腰三角形的顶角优选为10?40°。由此，由于从流入口朝向径向流入入口室的燃料气体被引导为，被两等分后，沿着整流叶片的两个外表面流动，因此能够生成可以促进流速分布均匀化的涡流。
[0017]在本发明中，优选地，所述整流板在离所述流入口远的区域形成有圆形的大径孔，在离所述流入口近的区域形成有直径小于所述大径孔的圆形的小径孔。由此，在从整流叶片送来的燃料气体中，在离流入口远的区域流动的燃料气体强烈碰撞入口室的内壁面，以流速变得较小的状态通过整流板的大径孔，同时，在离流入口近的区域流动的流速较大的燃料气体通过整流板的小径孔，由此使流速降低。由此，将通过整流叶片发挥的整流作用，使流速分布预先均匀化的燃料气体的流速分布进一步均匀化。而且，由于大径孔及小径孔为圆形，因此能够容易地形成。
[0018]在本发明中，优选地，所述入口室的内径是所述流入口的直径的1.5?2.0倍。由此，从流入口流入入口室的燃料气体随着入口室的内径大于流入口的直径而减速后，顺畅地引导向整流叶片。
[0019]在本发明中，优选地，所述入口室形成在所述催化燃烧器的收容有燃烧催化剂的燃烧容器的上游部的内侧。由此，能够将燃烧容器作为流速分布均匀化装置的壳体来共用。
[0020]本发明的流速分布均匀化装置能够适用于燃气涡轮发动机。作为具体实例，能够适用于将低热量燃料气体在压缩机压缩后，使其在催化燃烧器燃烧的贫燃料型的燃气涡轮发动机。例如，在安装在将VAM与CMM混合，作为压缩而成的低热量的燃料气体使用的燃气涡轮发动机的情况下，能够在促进燃料气体的混合的同时，使流速分布均匀化。
[0021]权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，均包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]通过参照附图对以下优选实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
[0023]图1是表示具备本发明的一个实施方式的流速分布均匀化装置的燃气涡轮发动机的简略结构的框图。
[0024]图2是表示同上的燃气涡轮发动机的流速分布均匀化装置的纵剖视图。
[0025]图3是表示同上的流速分布均匀化装置的横剖视图。
[0026]图4是表示同上的流速分布均匀化装置具备的整流板的俯视图。
【具体实施方式】
[0027]下面参照【专利附图】

【附图说明】本发明的优选实施方式。图1是表示具备本发明的一个实施方式的流速分布均匀化装置的燃气涡轮发动机GT的简略结构的框图，在该实施方式中，举例说明使用了如后所述的贫燃料的燃气涡轮发动机GT。该燃气涡轮发动机GT具有压缩机1、含有钼或钯等催化剂的催化燃烧器2及涡轮3。通过该燃气涡轮发动机GT的输出来驱动发电机4。
[0028]作为在所述燃气涡轮发动机GT中使用的低热量的燃料气体，可以使用如下所述的燃料气体。从VAN供给源11供给例如在煤矿产生的VAM(Ventilation Air Methane ;煤矿通风甲烷)，从CMM供给源15供给可燃成分(甲烷)浓度高于所述VAM的CMM (Coal MineMethane ;煤矿甲烷)，将这些燃料浓度不同的VAM和CMM的两种燃料气体在混合器23混合，生成工作气体Gl，将作为低热量气体的该工作气体Gl通过压缩机I的吸气入口供给燃气涡轮发动机GT内。该工作气体Gl具有在压缩机I内不会自然点火的可燃成分浓度。
[0029]工作气体Gl在压缩机I被压缩，该高压的压缩气体G2作为燃料气体输送至催化燃烧器2。该压缩气体G2通过催化燃烧器2的钼或钯等催化剂进行的催化反应而燃烧，将由此产生的高温/高压的燃烧气体G3供给涡轮3，来驱动涡轮3。涡轮3通过旋转轴5与压缩机I连接，通过该涡轮3来驱动压缩机I。
[0030]燃气涡轮发动机GT还具备热交换器6，所述热交换器6利用从涡轮3供给的废气G4，对从压缩机I供给催化燃烧器2的压缩气体G2加热。从热交换器6流出的废气G5通过消声器(没有图示)被消声后，向外部排放。此外，在从VAM供给源11及CMM供给源15向燃气涡轮发动机GT的燃料供给路径上，在适当的位置设置有多个燃料控制阀及甲烷浓度计等，这些燃料控制阀基于甲烷浓度计检测出的燃料浓度值，通过控制器41进行控制，由此，将工作气体Gl控制在产生额定输出所需的燃料浓度，供给压缩机I。
[0031]图1的催化燃烧器2具备本发明的一个实施方式的流速分布均匀化装置。图2及图3分别表示所述流速分布均匀化装置10的纵剖视图及横剖视图。该流速分布均匀化装置10具备图2所示的整流叶片12和其下游的整流板13。催化燃烧器2在燃烧容器18的内部收容有如钼或钯这样的燃烧催化剂14，所述燃烧容器18为在几乎垂直方向具有轴向的有头圆筒状。
[0032]流速分布均匀化装置10配置在燃烧容器18的燃烧催化剂14的收容位置的上游侦牝即燃烧容器18中的燃烧催化剂14的上方位置。即，朝向燃烧催化剂14的入口室8形成在燃烧容器18的上游部的内侧，在该入口室8内配置有所述整流叶片12及整流板13。入口室8的横截面为圆形，在设置在其周壁的上端的略下方的流入口 80上，连接有供给来自热交换器6 (图1)的压缩气体G2的气体供给管19。气体供给管19使压缩气体G2从流入口 80相对于流速分布均匀化装置10，向燃烧容器18的径向，即入口室8的径向流入。
[0033]如图3所示，整流叶片12具有等腰三角形的横断面形状，以该等腰三角形状的顶点朝向与压缩气体G2的流向相反的方向的配置，将整流叶片12固定在与燃烧容器18中的压缩气体(燃料气体)G2的流入口 80相对，即与气体供给管19的出口 19a相对的内壁面上。具有该等腰三角形外形的整流叶片12，其顶角Θ优选设定在10~40°的角度范围，更加优选设定在15~35°的角度范围。在该实施方式中，整流叶片12的顶角Θ设定为
30。。
[0034]这样，形成从形成整流叶片12顶点的顶端边缘12a分支成两叉的整流面12b，该整流面12b向入口室8的圆筒形内壁面延伸，基端部12c与该内壁面连接。整流叶片12除了基端部12c，其大部分为等腰三角形。
[0035]此外，图2所示的整流叶片12的上端与入口室8的上端面、即燃烧容器18的上部的端壁18a的内面相接，设定其长度尺寸b、即沿燃烧容器18的轴向的尺寸b略大于气体供给管19的内径d、即流入口 80的直径d。整流叶片12的上端位于气体供给管19内的通路的上端19b的略上方，但也可以与该上端19b高度相同。整流叶片12的下端位于与气体供给管19内的通路的下端19c相同的高度，或者位于该下端19c的略下方。即，整流叶片12在入口室8的轴向上，从径向与流入口 80的整体相对。
[0036]进而，在整流叶片12上，成为图3所示的向燃烧容器18的两侧的固定部位的基端部12c的附近位置，形成为与燃烧容器18的内壁面平滑相连的喇叭形状(7 > 7 —)。另外，燃烧容器18的内径D设定在气体供给管19的内径d、即流入口 80的直径d的1.5~
2.0倍的范围内。
[0037]另一方面，整流板13安装在入口室8的流出口 82上，位于燃烧容器18的内壁面的燃烧催化剂14的上游侧的入口室8的入口附近位置。如图4所示，该整流板13由配合在燃烧容器18内的冲孔金属构成，所述冲孔金属在圆板上分别贯穿设置多个开口，例如由圆形孔构成的多个大径孔13a及小径孔13b。大径孔13a及小径孔13b均以相同数量和相同配置形成在整流板13的各一半区域。
[0038]具体地，相对于整流板13的与气体供给管19内的压缩气体G2的流向垂直的中心线C，大径孔13a形成在离气体供给管19的出口 19b (流入口 80)远的半圆区域，相对于所述中心线C，小径孔13b形成在离出口 19b (流入口 80)近的半圆区域。设定大径孔13a的孔径为小径孔13b孔径的1.2倍左右。大径孔13a及小径孔13b并不限定为圆形，也可以为椭圆形、长圆形或狭缝形状，但如果是圆形孔，则能够容易地形成。[0039]如图3所示，在该流速分布均匀化装置10中，从气体供给管19流入燃烧容器18内的压缩气体G2，随着燃烧容器18的内径D大于气体供给管19的内径d而减速，同时，由于图2的整流叶片12的长度尺寸b与气体供给管19的出口 19b的整体相对，因此压缩气体G2被引导为，向分别沿着图3所示的等腰三角形的整流叶片12的两个外表面的方向流动。此时，压缩气体G2沿着整流叶片12的两侧的喇叭形状的基端部12c和与其连续的燃烧容器18的内壁面，朝向流入口 80进行回转，同时，如图2所示，向整流板13流动。
[0040]该流速分布均匀化装置10将从气体供给管19沿几乎水平方向流入的压缩气体G2，通过有头圆筒状的燃烧容器18引导向相对于流入方向的直角方向(图中的正下方)。因此，与设置长直线距离的流路的情况不同，不会使装置整体大型化。
[0041]而且，从径向流入入口室8的压缩气体G2，在由整流叶片12引导而进行回转的同时，流向改变为入口室8的轴向，引导至下流侧的燃烧催化剂14。因此，与现有装置那样，使流入的全部气体与燃烧容器的内壁面直接碰撞，使流向强制性地改变为垂直方向的情况相t匕，因改变流向导致的压缩气体G2的压力损失非常小。此外，由于整流叶片12使压缩气体Gl搅混地流动，因此能够使流速分布有效地均匀化后输送至整流板13。
[0042]通过整流叶片12使流速分布预先均匀化的压缩气体G2通过整流板13，由此被进一步均匀化。此时，在离气体供给管19的出口 19a远的区域流动的压缩气体G2a与燃烧容器18的内壁面强烈碰撞，流速变得较小，该压缩气体G2a通过整流板13的大径孔13a。与此相对，在离气体供给管19的出口 19b近的区域流动的流速较大的压缩气体G2b通过整流板13的小径孔13b，由此流速降低。因此，可以使压缩气体G2的流速分布进一步均匀化。这样，流速分布均匀化装置10即使在由于压缩气体G2的流量变化等导致流速分布改变的情况下，也能够通过进行由整流叶片12和整流板13进行的两个阶段的整流的作用，使压缩气体G2的速度分布有效地均匀化后输送至燃烧催化剂14。
[0043]此外，在该流速分布均匀化装置10中，由于入口室8形成在催化燃烧器2的收容有燃烧催化剂14的燃烧容器18的上游部的内侧，因此能够将燃烧容器18作为流速分布均匀化装置10的壳体来共用。因此，装置的结构相应地简单化。
[0044]另外，在本实施方式中，对将混合VAM和CMM并压缩而成的压缩气体G2用作燃气涡轮发动机GT的低热量气体的情况进行了说明，但本发明也能够适用于将天然气或灯油作为燃料的燃气涡轮发动机。此外，除燃气涡轮发动机以外，也能够作为使气体通路内的流速分布均匀化的装置利用。
[0045]如上所述，参照附图对优选实施方式进行了说明，但对于本领域技术人员，阅读本说明书后，在显而易见的范围内容易想到各种变更及修改。因此，这些变更及修改也可解释为权利要求书所确定的本发明范围内的内容。
[0046]附图标记说明
[0047]2 催化燃烧器
[0048]8 入口室
[0049]10流速分布均匀化装置
[0050]12 整流叶片
[0051]12a顶端边缘
[0052]12b整流面[0053]13整流板
[0054]13a大径孔(开口)
[0055]13b小径孔(开口)
[0056]14燃烧催化剂
[0057]18燃烧容器
[0058]19气体供给管
[0059]G2、G2a、G2b压缩气体(燃料气体)
[0060]GT燃气涡轮发动机
[0061]D 入口室的内径
[0062]d 流入口的直径
【权利要求】
1.一种流速分布均匀化装置，其是使流入催化燃烧器的燃料气体的流速分布均匀化的装置， 具有设置在所述催化燃烧器的入口室中的整流叶片和整流板； 所述入口室的横断面为圆形，具有流入口和流出口，所述流入口使所述燃料气体从所述入口室的径向流入，所述流出口使所述燃料气体向轴向流出； 所述整流叶片的顶端边缘朝向所述流入口，所述整流叶片具有整流面，所述整流面从所述顶端边缘分成两叉，朝向所述入口室的圆筒形内壁面延伸，使流入所述入口室的燃料气体生成沿所述圆筒形内壁面朝向所述流入口的涡流； 所述整流板配置在所述流出口，具有使燃料气体通过的多个开口。
2.根据权利要求1所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述整流叶片的顶端边缘从径向与所述入口室的轴向上的所述流入口的整体相对。
3.根据权利要求1或2所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述整流叶片的横断面形状为等腰三角形。
4.根据权利要求3所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述等腰三角形的顶角为10~40°。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述整流板在离所述流入口远的 区域形成有圆形的大径孔，在离所述流入口近的区域形成有直径小于所述大径孔的圆形的小径孔。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述入口室的内径是所述流入口的直径的1.5~2.0倍。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述入口室形成在所述催化燃烧器的收容有燃烧催化剂的燃烧容器的上游部的内侧。
8.根据权利要求1~7中任意一项所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，其安装在燃气涡轮发动机中。
9.根据权利要求8所述的流速分布均匀化装置，其特征在于，所述燃气涡轮发动机是将低热量燃料气体在压缩机压缩后，使其在所述催化燃烧器燃烧的贫燃料型。
【文档编号】F23D14/18GK104024738SQ201280064270
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】堂浦康司, 绪方正裕, 棚木航介 申请人:川崎重工业株式会社