KR100231175B1

KR100231175B1 - 가스터빈 플랜트

Info

Publication number: KR100231175B1
Application number: KR1019960059632A
Authority: KR
Inventors: 후꾸오 마에다
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1999-11-15
Also published as: CN1072304C; JP3619599B2; US5802841A; JPH09209778A; CN1157879A; KR970027714A

Abstract

본 발명은 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부를 적어도 압력손실의 상태하에서 효과적으로 냉각하는 가스터빈 플랜트에 관한 것으로 그 구성은 가스터빈 연소기(9)의 케이싱(13)에 수용된 내통부(14)에 냉각통로부(16)을 설치하고, 이 냉각통로부(16)에 설치한 순환로(18)에 상기 케이싱(13)의 기내압력을 밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부(16)로부터의 냉각공기를 순환시키는 균압헤더부(19)와, 이 균압헤더부(16)로부터의 냉각공기를 재냉각하는 열교환기(20)와, 재냉각후의 냉각공기를 압력손실을 보충하여 상기 냉각통로부(16)로 환류시키는 송풍기부(21)를 장비하였다.

Description

가스터빈 플랜트

본 발명은 가스터빈 플랜트에 관한 것이며, 특히 가스터빈 연소기의 내통부를 효과적으로 냉각하는 가스터빈 플랜트에 관한 것이다.

최근의 가스터빈 플랜트는 고효율화가 요구되고 있으며, 이 때문에 가스터빈 연소기에서 생성되는 연소가스온도(가스터빈 입구 연소가스온도)의 고온화가 모색되고 있다.

고온화의 대책으로서는 가스터빈 연소기에 다량의 연료를 투입하든가, 또는 고칼로리 연료를 사용함으로써 소기의 목적을 달성할 수 있는 반면, 연소가스의 고온화에 수반하여 그 배기가스중에 많은 NOx가 함유되어 환경문제를 초래하고 있다.

환경문제 대책으로서 종래의 가스터빈 연소기에서는 2단연소법이라고 하는 연료의 일부를 소위 화종으로 하는 확산연소를 실시하고, 나머지 대부분의 연료를 연료희박상태의 예비혼합연료로서 연소시킴으로써 연소가스온도를 저하시켜 NOx의 저감화를 도모하고 있었다.

또 다른 대책으로서 가스터빈 연소기의 연소가스내에 물 또는 증기를 투입하여, 연소가스온도를 비교적 저온화하여 NOx의 저감화를 도모하는 등의 수단이 강구되고 있었다.

그런데 연소가스의 고온화와 연소 배기가스의 저NOx화라는 상반된 기능을 일거에 충족시키는 상술한 2단연소법을 채용한 가스터빈 연소기라도 하기와 같은 문제점을 가지고 있었다.

NOx는 연소가스온도의 상승과 더불어 급속히 증대하는 성질이 있다. 그 때문에 시의 조례 등에 대응하여 NOx농도를 종래보다 저감하기 위해서는 연소가스온도를 저하시킬 필요가 있다. 이 연소가스온도를 저하시키는 방법중의 하나로 예비혼합연소법이 있다. 또 가스터빈 연소기에서 NOx를 억제할 수 있는 예비혼합연소의 조건은 연소기의 벽면을 냉각하는 필름냉각공기량과 밀접한 관계가 있다.

도14의 종축은 냉각공기 비율이며, 횡축은 가스터빈 입구의 가스온도(연소기출구온도)이다. 파라미터는 예비혼합 연소당량비(이론연공비에 대한 실연공비의 비율)이며, NOx의 발생을 억제하기 위해서는 당량비 0.6 미만의 연소조건을 선정할 필요가 있다. 당량비 0.6을 초과하면 NOx은 급증하는 경향으로 된다.

도14로부터 알 수 있는 바와 같이 가스터빈의 고온화와 더불어 냉각공기 비율은 감소하는 경향으로 되며, 예를 들어 가스터빈 입구온도가 약 1600℃의 경우에는 냉각공기 비율은 제로가 된다. 이 경향은 예비혼합 연소당량비가 적을수록 현저하다. 즉 가스터빈의 고온화와 NOx의 저감화를 실현하는 연소조건의 선정은 연소기의 벽면을 냉각하는 필름냉각공기량의 격감을 의미하고 있어서, 벽면냉각에 대한 문제점이 있었다.

이와 같이 가스터빈의 고효율화를 위하여 가스터빈 연소기에서 생성되는 연소가스온도(연소기 출구온도)를 고온화하면 가스터빈 연소기 자체의 냉각이 필요해지는 한편, 충분한 냉각이 곤란해지는 것을 고려하여 도15에 나타낸 냉각구조가 종래로부터 제안되었다.

이 가스터빈 연소기(1)는 도시하지 않은 압축기와 가스터빈간에 위치하여, 압축기로부터의 고압공기를 연소가스로서 사용하는 것이며, 연소공기에 연료가 투입되어 연소가스를 생성하고, 생성된 연소가스를 가스터빈에 송급하는 것이다.

이 가스터빈 연소기(1)는 도15에 나타낸 바와 같이 케이싱(2)과, 이 케이싱(2)내에 동축으로 수용된 내통부(3)를 갖는다. 케이싱(2)과 내통부(3) 사이에는 플로슬리브(flow sleeve)(4)가 설치되고, 이 플로슬리브(4)에 의해 연소공기통로(5)가 구획되어, 고압공기를 연소공기로서 내통부(3)의 연소노즐(6)로 안내하고, 여기서 연료노즐(6)의 연료와 혼합하여 연소가스가 생성된다.

또 상기 내통부(3)에는 돌출편(7)이 연소공기통로(5)측을 향하여 설치되고, 돌출편(7)에 의해 고압공기가 연소공기로서 연소공기통로(5)를 통과할 때, 강제적으로 충돌시켜서 공기의 흐름을 흐트러지게하여 연전달률을 높이고, 열전달률의 증가하에서 연소공기를 고온에 노출되어 있는 내통부(3)의 냉각용으로도 사용하고 있다.

그런데 이와 같은 냉각유로구성의 가스터빈 연소기(1)에서는 연소공기와 냉각공기를 병용하는 고압공기를 냉각성능의 향상을 위해 돌출편(7)에 충돌시키면 그 흐름에 압력손실이 생기고, 또한 내통부(3)의 벽면 통과시에 결과적으로 벽면 마찰계수의 증대에 의해 압력손실이 증가가 되어 가스터빈 플랜트 전체의 열효율을 저하시키는 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 압축기로부터의 한정된 고압공기를 냉각공기로서 유효하게 활용하는 한편, 냉각공기로서 유효하게 활용하는 고압공기의 압력손실을 가능한 한 적게하여 가스터빈 연소기를 효과적으로 냉각하는 가스터빈 플랜트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1도는 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제1실시형태를 나타낸 개략 계통도.

제2도는 본 발명에 관한 냉각통로부의 제1실시예를 나타낸 개략도.

제3도는 본 발명에 관한 트랜지션피스의 제1실시예를 나타낸 개략도.

제4도는 본 발명에 관한 트랜지션피스의 제2실시예를 나타낸 개략도.

제5도는 본 발명에 관한 냉각통로부의 제7실시예를 나타낸 개략도.

제6도은 본 발명에 관한 냉각통로부의 제2실시예를 나타낸 개략도.

제7도는 본 발명에 관한 냉각통로부의 제3실시예를 나타낸 개략도.

제8도는 본 발명에 관한 냉각통로부의 제4실시예를 나타낸 개략도.

제9도는 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제2실시형태를 나타낸 개략 계통도.

제10도는 본 발명에 관한 냉각통로부의 제8실시예의 난류 촉진체를 나타낸 개략도.

제11도는 A-A 화살표 방향으로부터 본 제8실시예의 개략 측면도.

제12도는 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제3실시형태를 나타낸 개략 계통도.

제13도는 함수발생기에 내장된 함수선도를 나타낸 그래프.

제14도는 예비혼합 연료 당량비를 파라미터로하여 냉각공기 비율과 연소가스 온도의 관계를 나타낸 특성선도.

제15도는 종래의 가스터빈 연소기의 구성을 나타낸 개략도.

본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항1에 기재한 바와 같이, 1개의 축에 압축기와 가스터빈을 직결하고, 압축기로부터의 고압공기에 연료를 가해서 연소가스를 생성하는 가스터빈 연소기를 갖추며, 이 가스터빈 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 가스터빈에 송급하여 팽창작용에 의해 동력을 얻는 가스터빈 플랜트에 있어서, 상기 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부와, 이 냉각통로부내의 냉각공기를 순환시키는 순환로를 갖추며, 이 순환로는 상기 가스터빈 연소기의 케이싱내와 압력밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부의 냉각공기를 상기 순환로에 송급하는 균압헤더부와, 이 균압헤더부를 나온 냉각공기를 재냉각시키는 열교환부와, 재냉각후의 냉각공기를 상기 냉각통로부에 환류시키는 송풍기부를 각각 갖춘 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항 3에 기재한 바와 같이 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부에 냉각통로부의 냉각공기와 케이싱의 고압공기를 필름형상으로 안내하는 필름냉각구멍을 뚫은 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항4에 기재한 바와 같이, 균압헤더부는 밀폐실로 구성되며, 이 밀폐실의 한쪽을 가스터빈 연소기의 케이싱에 연결하는 균압배관과, 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부에 연통하는 냉각공기관과, 이 냉각공기관의 냉각공기를 순환로에 송급하는 출구부를 갖춤과 동시에, 상기 밀폐실에 구획실을 형성하는 투구판(透口板)을 각각 형성한 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항7에 기재한 바와같이, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 입구실과 출구실을 각각 갖추며, 이 입구실과 출구실은 분구부(噴口部)를 갖는 칸막이판에 의해 구획하는 한편 입구실과 출구실의 각각에 매니폴드를 각각 갖춘 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항8에 기재한 바와 같이, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 입구실과 출구실을 각각 갖추며, 이 입구실과 출구실은 칸막이판에 의해 구획되는 반전냉각통로에 형성하는 한편, 입구실과 출구실의 각각에 매니폴드를 각각 갖춘 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항 9에 개재한 바와 같이, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 내통부의 벽면에 난류촉진체를 설치한 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항 11에 기재한 바와 같이, 냉각통로부에 설치한 리브 또는 핀을 냉각공기의 흐름에 따라 나무가지형상으로 형성된 주간편과 분지편을 갖는 구성으로 한 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항 12에 기재한 바와 같이, 냉각통로부는 내통부의 신축이동에 응동하도록 신축부재로 구성하며, 그 일단측에 딘퇴자재한 실링을 설치한 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항 13에 기재한 바와 같이, 송풍기부는 균압헤더부와 압력밸런스하도록 밀폐실에 구성하며, 이 밀폐실에 송풍기를 형성한 것이다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 청구항14에 기재한 바와 같이, 1개의 축에 압축기와 가스터빈을 직결하고, 압축기로부터의 고압공기에 연료를 가해서 연소가스를 생성하는 가스터빈 연소기를 갖추며, 이 가스터빈 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 가스터빈에 송급하여 팽창작용에 의해 동력을 얻는 가스터빈 플랜트에 있어서, 상기 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부와, 이 냉각통로부내의 냉각공기를 순환시키는 순환로를 갖추며, 이 순환로는 상기 가스터빈 연소기의 케이싱내와 압력밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부의 냉각공기를 상기 순환로에 송급하는 균압헤더부와, 이 균압헤더부를 나온 냉각공기를 재냉각시키는 열교환부와, 재냉각후의 냉각공기를 상기 냉각통로부에 환류시키는 송풍기부를 각각 갖춘 한편, 상기 케이싱에 압력센서를 설치하여 케이싱내의 압력변동에 의거해서 상기 송풍기부를 작동시키는 함수발생기를 갖춘 것이다.

[발명의 실시형태]

이하, 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제1실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트를 나타낸 개략 계통도이다.

전체를 부호 GP로 나타낸 가스터빈 플랜트는 가스터빈계(GC), 가스터빈 연소기계(CC), 냉각공기순환계(CR), 및 증기사이클계(ST)를 각각 갖는 구성으로 되어 있다.

가스터빈계(GC)는 1개의 축에 압축기(10), 가스터빈(11), 발전기(12)를 꼬챙이 형으로 직결 배치하여 구성되어 있다.

가스터빈 연소기계(CC)는 가스터빈 연소기(9)의 케이싱(13)내에 동축으로 수용된 내통부(14)를 갖추며, 이 내통부(14)의 머리부측에 설치한 연료노즐(15)을 가짐과 동시에, 내통부(14)의 외주측에 따라 설치한 예컨대 슬리브형상의 냉각통로부(16)를 갖는 구성으로 되어 있다. 또 내통부(14)는 연료노즐(15)로부터의 연료와 연소공기를 혼합시켜 연소가스를 생성하는 연소영역(FC)과 이 연소영역(FC)으로부터의 연소가스를 가스터빈(11)에 송급하는 트랜지션피스(17)로 구성되어 있으며, 이들 연소영역(FC) 및 트랜지션피스(17)에 대응하여 냉각통로부(16,16)가 분할 설치되어 있다.

냉각공기순환계(CR)는 가스터빈 연소기계(CC)의 냉각통로(16, 16)에 접속된 순환료(18)를 가지며, 이 순환로(18)에 가스터빈 연소기계(CC)의 케이싱(13)과 압력밸런스시키는 균압헤더부(19)와, 균압헤더부(19)의 냉각공기를 재냉각하는 열교환부(20)와, 이 열교환부(20)에서 재냉각시킬 때 생기는 압력손실분을 보충하여 가스터빈 연소기계(CC)의 냉각통로부(16,16)에 재냉각공기를 환류시키는 송풍기부(21)를 장비한 구성으로 되어 있다.

증기사이클계(ST)는 증기 발생기(22), 증기터빈(23), 복수기(24), 급수펌프(25)를 갖춘 증기터빈 플랜트(43)로 구성되며, 가스터빈계(GC)의 가스터빈(11)의 배열을 열원으로하여 증기발생기(22)에서 증기를 발생시키고, 이 발생 증기를 증기터빈(23)에 송급하여 팽창작용에 의한 동력을 얻으며, 팽창작용후의 증기를 복수기(24)로 냉각하여 복수·급수로서 급수펌프(25)를 지나서 증기발생기(22)로 환류시키도록 되어 있다. 또 급수펌프 출구측의 복수·급수는 공급관(44)을 거쳐서 상기 냉각공기순환계(CR)의 열교환부(20)에 냉각매체로서 안내되고, 여기서 가열되어 승온후, 회수관(45)를 거쳐서 증기발생기(22)로 환류함으로써 가스터빈(11)의 배열을 열회수하도록 되어 있다.

그런데 상기 냉각공기순환계(CR)의 균압헤더부(19)는 밀폐실(19a)로 구성되고, 이 밀폐실(19a)의 한쪽에 가스터빈 연소기계(CC)의 케이싱(11)과 연통하는 균압배관(19b)과, 상기 가스터빈 연소기계(CC)의 내통부(14)에 따라 설치한 냉각통로부(16, 16)에 연통하는 냉각공기관(19c)과, 이 냉각공기관(19c)의 냉각공기를 열교환부(20)에 안내하는 출구부(19d)를 갖는 구성으로 되어 있다. 또 상기 밀폐실(19a)은 투구판(19e)에 의해 구획된 구획실(19f,19g)이 형성되어 있다. 이 구획실(19f, 19g)은 상기 케이싱(13)의 기내압력과 밸런스시키는 것이다.

밀폐실(19a)내의 구획실(19f, 19g)은 가스터빈 플랜트가 정상운전시에 케이싱(13)으로부터 나온 고압공기를 서서히 감압시킴으로써 밀폐실(19a)의 출구부(19b)측에서 냉각공기관(19c)의 냉각공기와 혼합되지 않도록 한 것이다. 그 결과 케이싱(13)내의 압력이 일정하면 케이싱(13)의 고압공기는 균압헤더부(19)의 밀폐실(19a)에 흐르지 않게 되어, 냉각공기관(19c)의 냉각공기만이 순환로(18)를 흐르게 된다.

또 가스터빈(11)이 부하변동하고, 이에 수반해서 케이싱(13)내의 압력이 변동하면 고압공기는 균압배관(19b)을 거쳐서 케이싱(13)과 균압헤더부(19)의 밀폐실(19a)간의 출입을 반복하게 된다. 따라서 이 균압배관(19b)은 케이싱(13)내의 압력과 균압헤더부(19)의 밀폐실(19a)내의 압력을 자동적으로 밸런스시키는 기능을 갖는다.

이와 같이 케이싱(13)과 균압헤더부(19)의 밀폐실(19a)를 자동적으로 압력밸런스시킴으로써, 냉각통로부(16, 16)의 내압강도설계가 편하게 되고, 신뢰성이 향상된다. 또 후술하는 바와 같이 송풍기(21b)의 동력저감에 기여한다.

한편, 냉각공기순환계(CR)의 순환로(18)에 장비된 송풍기부(21)는 송풍기(21b)를 수용하는 밀폐실(21a)로 구성되어 있다. 이 밀폐실(21a)은 균압헤더부(19)의 기내압력과 밸런스시키기 위해 설치한 것이다. 송풍기(21b)를 대기개방상태로 설치해 두면 송풍기(21b)는 냉각통로부(16, 16)에 냉각공기를 환류시킬 때 승압에 필요한 많은 동력을 필요로 하나, 밀폐실(21a)이 균압헤더부(19)와 압력적으로 밸런스한 상태로 되어 있으면, 냉각공기를 냉각통로부(16, 16)에 송급할 때 냉각공기의 압력손실분만을 보충하면 된다. 따라서 밀폐실(21b)은 냉각공기를 냉각통로부(16, 16)로 환류시킬 때, 냉각공기의 압력손실분에 상당한 만큼의 소비동력이면 되므로 동력소비의 삭감에 기여한다.

다음에 상기 구성에 의거한 작용을 설명한다.

가스터빈계(GC)의 압축기(10)는 가스터빈(11)의 회전토크에 의해 대기를 흡입하여 고압화하고, 고압공기를 연소공기로서 가스터빈 연소기(9)의 케이싱(13)에 송급한다.

케이싱(13)에 송급되는 연소공기인 고압공기는 연료노즐(15)의 연료와 혼합하여 연소영역(FC)에서 연소가스를 생성한다. 이 연소가스는 연소영역(FC)으로부터 트랜지션피스(17)를 지나 작동가스로서 가스터빈(11)에 송급되어, 여기서 팽창작용에 의해 회전토크를 얻고, 회전토크에 의해 발전기(12)를 회전하여 전기출력을 얻는다.

또 케이싱(13)에 송급된 연소공기인 고압공기의 일부는 냉각공기순환계(CR)의 균압배관(19b)을 지나 균압헤더부(19)의 구획실(19f)에 안내되어, 여기서 케이싱(13)의 기내압력과 밴런스시키도록 되어 있다. 즉 구획실(19f)에 안내된 고압공기는 여기서 일단 밀폐되어 케이싱(13)의 기내압력과 밸런스켜 두고, 고압공기의 일부를 투구판(19e)으로 형성된 각 실에서 감압시킨 후에 최종적으로 구획실(19g)로 배리어가 되어 균압헤더부(19)의 출구부(19d)로 흐르는 일이 없도록 억제된다.

그러나 기동시와 같이 케이싱(13)의 기내압력과 구획실(19f, 19g)의 실내압력간의 압력차가 극히 클 경우에는 고압공기는 최종의 구획실(19g)을 지나서 유출하여, 가스터빈 연소기계(cc)의 냉각통로부(16, 16)에 대한 냉각공기로서 사용하게 된다. 그리고 가스터빈 연소기(9)가 정상운전이 되면, 케이싱(13)의 기내압력과 각 구획실(19f, 19g)의 실내압력이 압력밸런스되어 있으므로 고압공기는 구획실(19g)에만 밀폐되나, 부하변화와 같이 운전이 변화하면 거꾸로 각 구획실(19f, 19g)의 고압공기가 메이싱(13)으로 복귀하기 때문에, 케이싱(13)과 균압헤더부(19)는 항상 압력밸런스가 유지된다.

균압헤더부(19)의 출구부(19d)를 나온 냉각공기는 순환로(18)로부터 열교환부(20)로 안내되고, 여기서 증기사이클계(ST)의 복수·급수와 열교환하여 재냉각되어 송풍기부(21)의 밀폐실(21a)로 이송된다. 이 경우에 열교환기부(20)에서 재냉각되는 냉각공기의 총열량중에는 냉각통로(16, 16)를 통과할 때 흡수한 열 이외에 송풍기(21b)의 소비동력(송풍기(21b)의 기계적 열손실)이 포함되어 있으므로, 그 열량은 비교적 높다. 이 비교적 열량이 높은 냉각공기를 열교환하는 증기사이클계(ST)의 복수·급수는 그 열량의 많은 부분을 흡수할 수가 있다. 따라서 냉각공기의 비교적 높은 열량을 흡수하는 증기사이클계(ST)의 복수·급수는 흡수열량분만 승온하므로, 증기사이클계(ST)에 투압하는 연료가 절약되기 때문에 플랜트 전체의 열효율을 향상시킬 수가 있다.

송풍기부(21)의 밀폐실(21a)은 균압헤더부(19)와 압력밸런스시키도록 되어 있다. 이 때문에 송풍기(21b)는 재냉각후의 냉각공기를 가스터빈 연소기계(CC)의 냉각통로부(16, 16)에 공급할 때 그 압력손실분만 보충하면 된다.

이와 같이 하여 송풍기(21b)로부터 송급되는 냉각공기는 냉각통로부(16, 16)를 유통하는 사이에 내통부(14)의 연소영역(FC)벽, 트랜지션피스(17)를 냉각하고, 냉각후에 순환로(18)를 지나서 균압헤더부(19)의 냉각공기관(19c)으로 복귀되며, 이후에는 상술한 과정을 밟아 내통부(14)의 냉각을 연속적으로 반복하게 되어 있다.

따라서 본 발명에 의한 가스터빈 플랜트에서는 가스터빈 연소기계(CC)의 케이싱(13)과 냉각공기순환계(CR)의 균압헤더부(19)를 서로 압력밸런스시키는 구성으로 되어 있으므로, 가스터빈 연소기(9)의 냉각통로부(16, 16)의 냉각공기를 순환시킬 때, 극히 적은 동력으로 순환시킬 수가 있다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 가스터빈 연소기계(CC)의 냉각통로(16)를 순환하는 냉각공기는 가스터빈계(GC)의 고압공기의 흐름과는 별도의 루프로 송풍기(21b)에 의해 송기순환되고 있다. 즉 이 순환하기 위한 냉각공기의 압력손실(송풍기(21b)의 구동동력)은 가스터빈계(GC)의 압축기(10)로부터 토출되는 고압공기의 압력손실과는 관계가 없도록 되어 있다. 따라서 도15에 나타낸 종래의 실시예의 경우와는 달리 가스터빈 연소기(9)의 내통부(14)를 냉각하는 냉각공기의 압력손실이 극히 적으므로, 가스터빈 연소기(9)의 전압력손실을 필요 최소한으로 할 수 있어서, 가스터빈 플랜트의 열효율 향상에도 공헌할 수 있다.

도2는 본 발명에 관한 내통부(14)에 설치된 냉각통로부(16)중에서 연소영역(FC)에 따르는 연소영역 냉각통로부(16a)를 충돌냉각(impinge cooling)하기 위한 제1실시예를 나타낸 개략도이다.

내통부(14)에는 연소가스를 생성하는 연소영역(FC)이 형성되어 있다. 이 연소영역(FC)에서는 연료노즐(15)의 연료에 선회기(swirler)(15b)의 선회공기가 가해져서 1차연소가 이루어지고, 또한 예비혼합노즐(15a)의 희박연료가 가해져서 2차연소가 이루어져서, 그 결과 연소가스가 생성되고 있다.

연소영역(FC)의 외벽측에는, 예를 들어 슬리브형상의 연소영역 냉각통로부(16a)가 설치되어 있다. 이 연소영역 냉각통로부(16a)는 고리형상 또는 슬리브형상의 입구실(16b) 및 출구실(16c)를 각각 갖추고 있으며, 다공형상(多孔形狀) 또는 펀칭형상의 분구부(16d)를 갖는 칸막이판(16e)에 의해 외주측의 입구실(16b), 내주측의 출구실(16d)을 구획한다. 또 입구실(16b)에는 입구매니폴드(16f)가, 출구실(16c)에 출구매니폴드(16g)가 각각 설치되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 연소영역 냉각통로부(16a)는 입구매니폴드(16f)에서 냉각공기의 압력이 균질화되고, 또한 분구부(16d)에 의해 연소영역(FC)의 변면을 향해 냉각공기를 분류충돌시키며, 분류충돌후에 출구실(16c)로부터 출구매니폴드(16g)를 지나 재차 압력의 균질화를 도모하고 있다.

따라서 냉각통로(16a)는 냉각공기의 압력균질화 되어 뷴류충돌에 의한 충돌냉각이 이루지므로 연소영역(FC)의 벽은 전역에 걸쳐서 균일하게 냉각할 수가 있다.

도6, 도7 및 도8은 냉각통로부(16)중에서 연소영역 냉각통로부(16a)의 제2실시예, 제3실시예 및 제4실시예의 각각을 나타낸 개략도이다.

각 실시예는 상술한 충돌냉각(도2)과는 달리 대류냉각을 가능케 한 점을 공통으로 하는 것이다. 즉 도6, 도7 및 도8은 다 같이 연소영역 냉각통로부(16a)에, 예를 들어 리브 또는 핀 등의 난류촉진체(27)를 설치한 것이다. 이 난류촉진체(27)에 의해 냉각공기의 흐름이 흐트러져서 열전달률이 향상한다. 따라서 열전달률이 향상된 냉각공기로 연소영역(FC)의 벽면을 냉각하므로 냉각성능이 종래 이상으로 높아진다.

또 도6은 내통부(14)에 필름냉각구멍(42)을 뚫어, 내통부(14)의 일부를 필름냉각이 가능하게 한 것이다. 내통부(14)에는 연소영역 냉각통로부(16a)를 제외한 영역에 화염전파관, 화염검지기, 트랜지션피스의 접속구조물(다 같이 도시하지 않음)이 부착되어 있다. 이 때문에 이들 부착영역은 고온연소가스에 노출되어 가혹한 상태로 됨에도 불구하고 냉각하기가 어렵다.

본 실시예는 케이싱(13)의 고압공기(41)를 냉각용으로하여 필름냉각구멍(42)으로부터 내통부(14)의 벽면에 따라 흐르게 함으로써 상기 구조물도 더불어 양호하게 냉각할 수가 있으며, 그 강도의 유지를 도모할 수가 있다. 또 연소영역 냉각통로부(16a)의 일부에도 필름냉각구멍(42)을 뚫음으로써, 연소영역 냉각통로부(16a)의 단부영역 벽면에 따라 냉각공기(40)를 흐르게 할 수 있으므로 냉각효과가 더욱 증가한다. 특히 냉각공기(40)가 부족할 경우에 효과적인 냉각을 할 수가 있다.

도8은 내통부(14)의 외주부에 따르는 연소영역 냉각통로부(16a)에 입구실(16b), 출구실(16c)의 각각을 구획하는 칸막이판(16h)을 설치한 반전냉각통로 구조로 한 것이다. 또 입구실(16b)에 입구매니폴드(16f)가, 출구실(16c)에 출구매니폴드(16g)가 각각 설치된다.

도8에 나타낸 실시예에서는 연소영역 냉각통로부(16a)를 반전냉각통로의 구조로하여 냉각공기를 사행(蛇行)으로 흘리므로, 사행으로 흐르는 냉각공기의 펄스를 완화시킬 수가 있다. 또 연소영역 냉각통로부(16a)를 반전냉각통로의 구조로 하기 때문에 입구실(16b)의 입구매니폴드(16f)와 출구실(16c)의 출구매니폴드(16g)가 서로 접근하여 설치·조립공사를 용이하게 실시할 수가 있다. 또한 본 실시예의 가스터빈 연소기(9)는 복수의 관, 예를 들어 18관이 설치되어 있으므로, 연소영역 냉각통로부(16a)를 반전냉각통로의 구조로 함으로써 복수의 입구실(16b)에 대해 하나로 종합한 입구매니폴드(16f)로 할 수 있으며, 또 복수의 출구실(16c)에 대해 하나의 종합한 출구매니폴드(16g)로 할 수가 있다. 따라서 설치·조립공사의 간소화를 도모할 수가 있다.

도3 및 도4는 도1에 나타난 내통부(14)중의 트랜지션피스(17)중에서 트랜지션피스 냉각통로부(28)를 설치한 제1실시예 및 제2실시예의 각각을 나타낸 개략도이다.

본 실시예는 트랜지션피스(17)의 냉각성능을 향상시키기 위해 충돌냉각방식, 대류냉각방식을 채용한 것이다.

즉 도3은 충돌냉각을 채용한 것이며, 도4는 대류냉각을 채용한 것으로서, 다 같이 고온연소가스에 노출되어 있는 트랜지션피스(17)의 냉각 향상을 도모한 것이다.

도3에 대해 구체적으로 설명하면, 트랜지션피스(17)의 외주측에는, 예를 들어 슬리브형상의 트랜지션피스 냉각통로부(28)가 설치되어 있다. 이 트랜지션피스 냉각통로부(28)는 고리형상 또는 슬리브형상의 입구실(28a) 및 출구실(28b)이 각각 구비 되어 있으며, 다공형상 또는 펀치형상의 분구부(28c)를 갖는 칸막이판(28d)에 의해 외주측의 입구실(28a), 내주측의 출구실(28b)을 구획한다. 또 입구실(28a)에는 입구매니폴드(28d)가, 출구실(28b)에는 출구매니폴드(28e)가 각각 설치되어 있다.

이와 같은 구성에 의해 충돌냉각에 수반하는 냉각성능을 향상시킬 수가 있으면, 또 입구매니폴드(28d), 출구매니폴드(28e)에 의해 냉각공기의 압력 균질화를 도모할 수가 있다.

도4는 대류냉각에 의해 트랜지션피스(17)의 냉각성능 향상을 도모한 것으로서, 트랜지션피스 냉각통로부(28)내에 난류촉진체(29)를 설치하여 냉각공기의 열전달계수를 높인 것이다.

도5는 냉각통로부(16)중에서 연소영역 냉각통로부(16a)의 제7실시예를 나타낸 개략도이다.

내통부(14)는 연소영역(FC)의 고온연소가스의 열을 정면으로 받아서 신축이동하는 수가 있다. 이 때문에 연소영역 냉각통로부(16a)는 내통부(14)에 대응하도록 신축부재로 제작되어, 입구단(29)의 냉각공기가 난류촉진체(27)를 지나서 출구단(30)을 향하는 사이의 신축부재의 이동에 추종할 수 있도록 링홀더(31)에 장착한 실링(32)을 설치한 것이다.

이와 같은 구성에 의하여 연소영역 냉각통로부(16a)는 진퇴자재하게 이동할 수 있으며, 내통부(14)와의 온도차에 의한 과도한 열응력의 발생을 회피할 수 있으므로, 재료강도면에서 안전성을 보증할 수가 있다.

도10 및 도11은 냉각통로부(16)에 설치된 난류촉진체(27)로서 리브 또는 핀이 적용된 제8실시예를 나타낸 개략도이다.

난류촉진체(27)인 리브 또는 핀은 도시한 실선 화살표로 나타낸 냉각공기의 흐름에 따르는 나무가지형상으로 형성되어 주간편(27a)과 분지편(27b)을 갖는 구성으로 되어 있다.

이와 같은 구성의 난류촉진체(27)인 리브 또는 핀에서는 냉각공기가 주간편(27a)이나 분지편(27b)에 충돌을 반복하면서 흐르므로, 열전달률이 종래 이상으로 높아지기 때문에 냉각성능을 향상시킬 수가 있다.

도9는 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제2실시형태를 나타낸 개략 계통도이다.

본 실시형태는 냉각공기순환계(CR)의 열교환부(20)의 냉각매체(CW)로서, 예를 들어, 해수, 연료, 기타의 플랜트 냉각수 등을 사용한 점에서, 제1실시형태인 증기사이클계(ST)의 복수·급수를 사용한 것과는 다르다. 본 실시형태도 열회수하는 점에서 유효하다. 그리고 다른 구성은 제1실시형태와 같으므로, 그 설명을 생략한다.

도12는 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트의 제3실시형태를 나타낸 개략 계통도이다.

본 실시형태는 냉각공기순환계(CR)의 송풍기부(21)에 수용된 송풍기를 자동으로 작동시키도록 한 것이다.

구체적으로 설명하면 가스터빈 연소기계(CC)의 케이싱(13)에는 기내압력의 변동을 검출하는 압력센서(33)가 설치되어 있다. 이 압력센서(33)는 기내압력이 변동했을 경우에 검출신호를 함수발생기(34)에 보내고, 그 검출신호에 대응한 신호가 선출되어, 작동신호로서 송풍기(21b)를 작동시키도록 되어 있다. 따라서 예컨대 케이싱(13)의 기내압력이 부하변동 등에 의해 변동했을 경우에는, 그 변화신호를 압력센서(33)로 검출하여, 검출신호를 함수발생기(34)에 의해 송풍기(21b)의 작동신호로서 선출하기 때문에, 기내압력의 변동에 대응하여 송풍기(21b)를 신속히 작동시킬 수가 있어서, 내통부(14)의 냉각을 시간적으로 알맞게 효과적으로 실시할 수가 있다.

도13은 함수발생기(34)에 내장된 함수선도를 나타낸 그래프이다. 횡축은 압력센서(33)의 검출신호이며, 종축은 송풍기(21b)의 작동신호인 축동력신호이다.

송풍기(21b)에 의해 송급, 순환되는 냉각공기의 체적유량은 모든 운전조건하에서 충분한 벽면냉각을 하므로, 냉각통로(16, 16)의 냉각공기 유속이 거의 일정한 조건이 되도록 송급된다. 냉각공기 유속이 일정한 경우에는 송풍기(21b)로부터 송급되는 냉각공기의 중량유량은 냉각통로(16, 16)내의 압력에 비례하여 증감한다.

또 송풍기(21b)의 구동동력은 중량유량에 비례한다. 즉 벽면냉각을 위해서는 냉각통로(16, 16)의 기내압력에 비례한 송풍기축동력이 필요하다.

도13에 나타낸 바와 같이 기내압력(횡축)에 비례한 축동력신호(종축)를 작동신호로서 사용함으로써 모든 운전조건에 대응하여 충분한 냉각조건이 확립될 뿐 아니라, 운전조건(냉각통로(16, 16)의 기내압력)에 대응한 필요 최소한의 송풍기(21b) 동력에 의한 적정한 운전이 가능해진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부에 냉각통로부를 설치하고, 이 냉각통로부에 설치한 순환로에 상기 케이싱의 기내압력과 밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부의 냉각공기를 순환시키는 균압헤더부와, 이 균압헤더부의 냉각공기를 재냉각시키는 열교환부와, 재냉각후의 냉각공기의 압력손실분을 보충하여 상기 냉각통로부에 환류시키는 송풍기부를 장비하였으므로, 냉각공기의 압력손실이 적은 상태하에서 비교적 적은 냉각 공기량으로 내통부를 양호하게 냉각할 수가 있다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 균압헤더부를 밀폐실에 구성하고, 이 밀폐실을 가스터빈 연소기의 케이싱에 연통하는 균압배관과, 냉각통로부에 연통하는 냉각공기관과, 냉각공기관의 냉각공기를 순환로에 송급하는 출구부를 각각 갖춤과 동시에, 상기 밀폐실에 구획실을 형성하는 투구판을 설치하고 있으므로, 상기 케이싱과 구획실은 압력밸런스된다. 그 결과 냉각통로부로부터의 냉각공기는 안정한 압력상태하에서 순환로를 순환할 수가 있다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 순환로에 열교환부를 설치하여 냉각매체와 열교환시키므로, 냉각공기의 열을 다른 플랜트로 효과적으로 회수할 수가 있다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부에 필름냉각구멍을 뚫었으므로, 복잡한 구조 때문에 냉각이 고루 이루어지지 않은 영역이 있더라도 비교적 용이하게 냉각공기를 흐르게 할 수가 있으므로, 내통부의 강도 유지를 도모할 수가 있다. 또 본 발명의 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부를 입구실과 출구실로 구성하고, 입구실과 출구실을 분구부를 갖는 칸막이판에 의해 구획하는 한편, 입구실, 출구실에 각각 별도로 매니폴드를 설치하고 있으므로 냉각통로부를 열전달률이 높은 충돌냉각으로 냉각할 수 있고, 또 매니폴드에 의해 냉각공기를 균압으로 분배할 수가 있다.

또 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부를 반전냉각통로의 구조로 하였으므로, 입구실과 출구실의 각각이 서로 접근할 수가 있다. 이 때문에 입구실, 출구실의 각각에 설치된 각 매니폴드를 하나로 종합하여 동시에 조립·설치공사 할 수가 있으므로 작업의 간소화를 도모할 수가 있다.

또한 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부에 난류촉진체를 설치하고 있으므로, 효과적인 대류냉각을 할 수가 있다.

또한 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부에 난류촉진체로서 나무가지형상으로 형성된 주간편과 분지편을 갖는 구성으로 하였으므로, 냉각공기가 보다 많이 사행하여 열전달률을 종래 이상으로 향상시킬 수가 있다.

또한 본 발명의 가스터빈 플랜트에서는 냉각통로부를 내통부의 온도차에 의한 신축이동에 응동하도록 하고 있으므로, 열에 의한 과도한 응력의 발생을 회피할 수가 있다.

또한 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 송풍기부를 밀폐실로하여 균압헤더부와 압력밸런스시키고 있으므로, 밀폐실에 수용되어 있는 송풍기는 적은 동력으로 냉각공기를 냉각통로부로 환류시킬 수가 있다.

또한 본 발명에 관한 가스터빈 플랜트에서는 가스터빈 연소기의 케이싱 기내압력을 검출하고, 기내압력의 변화에 의거해서 송풍기부의 송풍기를 작동시키는 함수발생기를 설치하고 있으므로, 송풍기를 자동운전시킬 수가 있다.

Claims

1개의 축에 압축기와 가스터빈을 직결하고, 압축기로부터의 고압공기에 연료를 가해서 연소가스를 생성하는 가스터빈 연소기를 갖추며, 이 가스터빈 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 가스터빈에 송급하여 팽창작용에 의해 동력을 얻는 가스터빈 플랜트에 있어서, 상기 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부와, 이 냉각통로부내의 냉각공기를 순환시키는 순환로를 갖추며, 이 순환로는 상기 가스터빈 연소기의 케이싱내와 압력밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부의 냉각공기를 상기 순환로에 송급하는 균압헤더부와, 이 균압헤더부를 나온 냉각공기의 재냉각시키는 열교환부와, 재냉각후의 냉각공기를 상기 냉각통로부에 환류시키는 송풍기부를 각각 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항에 있어서, 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부의 외주측에 따라 설치된 냉각통로부는 상기 내통부 및 트랜지션피스의 적어도 한쪽에 설치된 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항 또는 제2항에 있어서, 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부에 냉각통로부의 냉각공기와 케이싱의 고압공기를 필름형상으로 안내하는 필름냉각구멍을 뚫은 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항에 있어서, 균압헤더부는 밀폐실로 구성되고, 이 밀폐실의 한쪽을 가스터빈 연소기의 케이싱에 연통하는 균압배관과, 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부에 연통하는 냉각공기관과, 이 냉각공기관의 냉각공기를 순환로에 송급하는 출구부를 갖춤과 동시에, 상기 밀폐실에 구획실을 형성하는 투구판을 각각 설치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항에 있어서, 열교환부에 공급되는 냉각매체는 증기터빈 플랜트의 복수·급수, 해수, 연료, 기타의 플랜트로부터의 냉각수중의 어느 일종인 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제5항에 있어서, 열교환부는 냉각매체로서의 복수·급수를 증기터빈 플랜트로부터 안내되는 공급관과, 상기 냉각매체로서의 복수·급수를 가온하여 상기 증기터빈 플랜트에 되돌리는 회수관을 각각 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항 또는 제2항에 있어서, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 입구실과 출구실을 각각 갖추고, 이 입구실과 출구실은 분구부를 갖는 칸막이판에 의해 구획되는 한편, 입구실과 출구실의 각각에 매니폴드를 각각 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항 또는 제2항에 있어서, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 입구실과 출구실을 각각 갖추고, 이 입구실과 출구실은 칸막이판에 의해 구획되는 반전냉각통로에 형성하는 한편, 입구실과 출구실의 각각에 매니폴드를 각각 설치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항 또는 제2항에 있어서, 내통부의 외주측에 따르는 냉각통로부는 내통부의 벽면에 난류촉진체를 설치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제9항에 있어서, 난류촉진체는 리브 또는 핀 중 어느 하나를 선택하여 사용한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제10항에 있어서, 냉각통로부에 설치한 리브 또는 핀은 냉각공기의 흐름에 따라 나무형상으로 형성된 주간편과 분지편을 갖는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각통로부는 내통부의 신축이동에 응동하도록 신축부재로 구성되고, 그 일단측에 진퇴자재한 실링을 설치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

제1항에 있어서, 송풍기부는 균압헤더부와 압력밸런스하도록 밀폐실에 구성되며, 이 밀폐실에 송풍기를 수용한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.

1개의 축에 압축기와 가스터빈을 직결하고, 압축기로부터의 고압공기에 연료를 가해서 연소가스를 생성하는 가스터빈 연소기를 갖추며, 이 가스터빈 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 가스터빈에 송급하여 팽창작용에 의해 동력을 얻는 가스터빈 플랜트에 있어서, 상기 가스터빈 연소기의 케이싱에 수용된 내통부의 외주측에 따라 설치한 냉각통로부와, 이 냉각통로부의 냉각공기를 순환시키는 순환로를 갖추고, 이 순환로는 상기 가스터빈 연소기의 케이싱내와 압력밸런스시키는 한편, 상기 냉각통로부의 냉각공기를 상기 순환로에 송급하는 균압헤더부와, 이 균압헤더부를 나온 냉각공기를 재냉각시키는 열교환부와, 재냉각후의 냉각공기를 상기 냉각통로부에 환류시키는 송풍기부를 각각 갖춘 한편 상기 케이싱에 압력센서를 설치하고 케이싱내의 압력변동에 의거해서 상기 송풍기부를 작동시키는 함수발생기를 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 플랜트.