KR100266347B1 - 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법 - Google Patents

가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법 Download PDF

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니시무로 타이죠
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Abstract

본 발명은 NOX의 발생 농도가 높은 확산 연소를 매우 적게 하여 예비 혼합화하고, 예비 혼합화에 의한 화염을 확실하게 확보함으로서 가스 터빈의 고출력화에 따른 연소 가스의 고온화에 대해서도 충분히 저 NOX화를 행할 수 있는 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법을 제공한다.
해결수단은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 파일로트 연료 분사부(24)를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33), 확산 연소용 노즐부(32), 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)의 각각으로 형성하고, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 출구측에 예비 혼합 연소실(36)을 구비한 것이다. 또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 운전 방법은 가스 터빈의 부하 차단시, 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 생성되는 예비 혼합 화염만으로 가스 터빈을 구동하는 것이다.

Description

가스 터빈 연소기 및 그 운전방법
본 발명은 연료에 공기를 가한 연료 희박 상태의 예비 혼합 연료를 연소시키는 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 특히 가스 터빈의 배기 가스 중에 포함되는 NOX농도를 효과적으로 저감시키는 가스 터빈 연소기 및 그 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스 터빈 발전 플랜트는 공기 압축기와 가스 터빈의 사이에 가스 터빈 연소기를 복수개 구비하고, 공기 압축기로부터 안내되는 압축공기에 연료를 가하여 가스 터빈 연소기로 연소 가스를 생성하고, 그 연소 가스를 가스 터빈으로 안내하여 팽창 행정을 행하고, 이 팽창행정으로 얻은 회전 토크를 이용하여 발전기를 구동하도록 되어 있다.
그런데 최근의 가스 터빈 발전 플랜트에서는 고연소 효율화와 함께, 고출력화가 요구되고 있고, 이 때문에 가스 터빈 연소기에 의해서 생성되는 연소 가스의 고온화를 도모하여 가스 터빈을 고출력화시키는, 소위 가스 터빈 입구 연소가스 온도의 고온화가 시도되고 있다.
그러나 가스 터빈 입구 연소 가스온도의 고온화에 따라서 가스 터빈 연소기는 여러 가지의 제약을 받고 있고, 그 하나로서 NOX농도에 관한 환경 문제를 들 수 있다.
NOX농도는 연소가스의 고온화에 직접 의존하고, 연소 가스가 고온화되면 될수록 그 발생 농도가 높아진다. 즉 연료와 공기가 혼합하여 연소 가스를 생성할 때 당량비(연료 유량이 공기 유량에 대해서 차지하는 비율)가 1에 가까울수록 연소가스가 고온화하고, 이 고온화에 따른 반응열의 작용에 의해서 공기에 혼합되는 질소가 더 많은 산소와 결합하기 때문에 NOX농도가 높아진다.
가스 터빈의 연소기에서는 NOX의 발생을 감소시키는 방법으로서 연료에 공기를 미리 혼합시켜 연료 희박 상태에서 연소시키는 희박 예비 혼합 연소방식이다. 이 연소 방식은 연표 자체가 이미 희박 상태이기 때문에 연소 가스 생성시에 종래의 확산 연소 방식에 비해서 연소가스의 터빈 온도를 억제할 수 있고, 통상 20% 정도의 NOX저감이 가능하다.
그러나 희박 예비 혼합 연소 방식은 연소 가스의 생성시 당량비의 제어가 어렵고, 도 19에 나타낸 바와같이 당량비가 낮으면 연소 효율이 나빠져 CO, UHC(미연소 탄화수소) 등의 미연소분의 발생이 많아지게 되고, 경우에 따라서는 화염의 소멸현상이 나타난다. 역으로 당량비가 높으면 NOX의 발생량이 급격하게 높아진다. 이 때문에 저 NOX상태를 오래 안정된 상태로 유지할 수 있는 연소 운전 폭이 매우 좁아지게 된다.
최근 희박 예비 혼합 연소 방식을 일보 발전시킨 기술로서 연소실의 두부측에 확산 연소 존(zone)을 형성하고, 이 후류(하류)측에 예비 혼합 연소 존을 형성하고, 확산 연소 존에 연료를 투입하여 확산 연소 가스를 생성시키고, 또 예비 연소 존에 예비 혼합 연료를 투입하여 예비 혼합 연소 가스를 생성시키는 확산·예비 혼합 병용 연소 방식이 많이 제안되고, 그 일례가 일본국 특개평7-19482호 공보에 개시되어 있다.
이 기술은 가스 터빈 구동용의 연소 가스를 생성하는 메인 연료의 예비 혼합화에 더하여, 화염 유지용(보염용)의 파일로트 연료도 일부를 예비 혼합화함으로써 NOX발생량이 많은 확산연소를 감소시켜, 종래보다 낮은 NOX화를 일보 발전시킨 것이다.
이 기술에 의한 가스 터빈 연소기는 도 18에 나타낸 바와 같이 연소기 내통(1)내의 두부에 확산 연소 존(2)을, 이 후류측에 예비 혼합 연소 존(3)을 형성하고, 확산 연소 존(2)에는 파일로트 연료(A)를 투입하는 파일로트 연료 분사부(6)가, 또 예비 혼합 연소 존(3)에는 메인 연료(C)를 투입하는 메인 연료 분사부(16)가 각각 설비되어 있다.
파일로트 연료 분사부(6)는 연소기 내통(1)의 중심 위치에 확산 연소용 노즐부(4)를, 그 외측에 예비 혼합 연소용 노즐부(5)를 각각 구비하고 있다.
확산 연소용 노즐부(4)에는 가스 터빈 저부하시까지 화염을 유지하기 위해서 연료(a1)를 확산 연소 존(2)에 투입하는 제1 확산 연소용 노즐부(7)와, 가스 터빈이 중간 부하로 진입할 때에, 제1 확산 연소용 노즐부(7) 대신에 화염을 유지하기 위해서 연료(a2)를 확산 연소 존(2)에 투입하는 제2 확산 연소용 노즐부(8)가 각각 구획 형성되어 있다. 또 확산 연소용 노즐부(4)에는 제1 및 제2 확산 연소용 노즐부(7, 8)를 동심적으로 포위형성하는 공기 통로부(9)가 설비되고, 이 공기 통로부(9)의 출구단에 스월러(10)를 설치함으로써, 제1 및 제2 확산 연소용 노즐부(7, 8)로부터 분출하는 연료(a1, a2)에 선회류를 공급하고, 확산 연소 존(2)에 순환류를 형성시켜 화염의 유지를 더 한층 확실하게 확보할 수 있도록 되어 있다.
상기 확산 연소용 노즐부(4)의 외측에 설비되어 있는 예비 혼합 확산 연소용 노즐부(5)는 가스 터빈 구동용의 연소 가스로서, 또 보염용의 연소 가스로서 사용되고, 연료(b)를 헤더(11)를 거쳐서 확산 연소 존(2)으로 투입할 때, 스월러(12)에 의해서 공급된 선회공기와 예비 혼합부(13)에서 합류시켜, 연료 희박 상태의 예비 혼합 연료로 하여 확산 연소 존(2)으로 분출시키고, 분출시에 상기 제1 및 제2 확산 연소용 노즐부(7, 8)의 순환류 보다도 큰 순환류가 되도록 되어 있다.
한편, 예비 혼합 연소 존(3)에 연료(c)를 투입하는 메인 연료 분사부(16)는 메인 연료 노즐부(14)와 예비 혼합 덕트(duct)(15)로 구성되고, 연료(c)가 헤더(18)를 거쳐서 메인 연료 노즐부(14)로부터 분출할 때, 도시하지 않은 공기 압축기의 압축공기(17)와 예비 혼합 덕트(15)에서 합류시켜 연료 희박 상태의 예비 혼합 연료로 하여 예비 혼합 연소 존(3)으로 분출시키고, 상술한 파일로트 연료 분사부(6)의 연소 가스를 화종(火種)으로 하여 가스 터빈 구동용의 연소 가스를 생성하도록 되어 있다.
상기 파일로트 노즐 연료 분사부(6)로부터 확산 연소 존(2)으로 분사하는 연료와 메인 연료 분사부(16)에서 예비 혼합 연소 존(3)으로 분출하는 연료 각각의 투입 배분 방법은 도 19에 나타낸 바와 같이 기동 운전중의 가스 터빈 부하가 제로가 될 때까지 제1 확산 연소용 노즐부(7)의 연료(a1)가 확산 연소 존(2)으로 투입되고, 가스 터빈이 100% 회전, 무부하 상태시, 제2 확산 연소용 노즐(8)의 연료(a2) 및 예비 혼합 연소용 노즐부(5)의 연료(b)가 동시에 확산 연소 존(2)으로 투입되고, 가스 터빈이 중간 부하 상태로 되면, 제1 확산 연소용 노즐(7)의 연료(a1)의 투입을 정지시키고, 대신에 메인 연료 분사부(16)의 연료(c)가 예비 혼합 연소 존(3)으로 투입되고, 가스 터빈이 부하가 100%일 때, 연료(c)가 전연료 유량에 대해서 70~80%가 되도록 설정되어 있다. 또 이때의 제2 확산 연소용 노즐부(8)의 연료(a2)는 전 연료 유량에 대해서 2~5%로 설정된 소량이고, 화염 유지용으로서 확보된다.
종래의 가스 터빈 연소기는 NOX발생량이 많은 확산 연소에 착안하여 상술한 바와 같이 보염용의 연소가스로서 파일로트 연료 분사부(6)에서 확산 연소 존(2)으로 분출하는 연료의 일부를 예비 혼합화하고, NOX억제에 대처한 것이다.
그러나 최근의 가스 터빈 발전 플랜트에서는 가스 터빈의 현재 이상의 고출력, 고효율화가 요구되고, 가스 터빈 연소기의 연소 가스 온도의 고온화가 모색되고 있고, 연소 가스의 고온화에 따라서 저 NOX화로의 대책이 매우 각별히 요구되고 있다. 가스 터빈의 저부하 운전으로부터 부하 100% 운전에 도달하기까지의 모든 운전 범위에 걸쳐서 법률 규제치보다도 낮은 NOX농도를 유지하기 위해서는 확산 연소시에 발생하는 NOX농도를 더 작게 하는 가스 터빈 연소기의 개발이 요구되고 있다.
그런데 도 18에 나타낸 종래의 가스 터빈 연소기는 파일로트 연료 분사부(6)의 일부를 예비 혼합화하고 있으나, 제1 확산 연소용 노즐부(7) 및 제2 확산 연소용 노즐부(8)의 예비 혼합화로의 개발에 곤란함을 초래하고 있다. 제1 확산 연소용 노즐부(7) 및 제2 확산 연소용 노즐부(8)는 화염용으로서의 연소 가스를 안정적으로 학보하기 위해서 설비한 것으로, 이 부분을 더 예비 혼합하게 되면, 화염이 소멸되는 주요한 요인이 된다. 큰 하나의 연소실에 유량이 적은 확산 연료가 공급될 경우 파일로트 예비 혼합 화염이나 메인 예비 혼합 화염의 예비 혼합 연소 존(3)의 큰 산란에 의해서 확산 연소 존이 산란되고, 화염이 불안정하게 되어 소멸되는 결과를 가져온다.
또 부하 차단시에는 예비 혼합 연료를 차단하고, 그 만큼 작게 압축한 확산 연료를 증가시키도록 제어를 행한다. 그러나 제어 밸브에서 확산 노즐 분사 밸브까지의 배관체적의 관계 등으로부터 즉시 유량이 증가하는 것을 알 수는 없고, 그 사이에 예비 혼합 연료가 적어짐으로써 예비 혼합 화염은 실화되고, 순간적으로 공급되는 공기량이 증가하고, 확산 연소부의 연공비(燃空比)가 하락한다. 동시에 예비 혼합 화염의 실화에 의해서 확산 연소부에도 차가운 가스의 산란이 발생하고, 확산 화염이 소멸된다. 이로부터 저 NOX화를 도모하기 위해서 확산 연료를 적게 하면, 통상 운전시에도 부하 차단시에도 화염이 소멸이 쉽게 발생한다.
또 가스 터빈 연소기는 공기 압축기와 가스 터빈의 사이에 복수개, 예를 들어 8개 설비되어 있으나 이들 복수개 중 1개 또는 2개로 점화기를 구비하고, 점화기를 착화시켜 발생하는 화염이 화염 전파관을 거쳐서 순차적으로 다른 가스 터빈연소기로 전파하도록 되어 있다. 이 경우에 가스 터빈 중심부분에 연소실을 작게 구획하여 나누고, 이부분에 연료를 공급하여 착화시켜도, 화염은 그 중앙부만이 고온화될 뿐이고, 화염 전파관까지는 충분히 이르지 않고, 이 때문에 그 외의 가스 터빈 연소기로의 전파가 지연된다.
본 발명은 이와 같은 사정에 비추어서 된 것으로, NOX의 발생 농도가 높은 확산 연소를 매우 적게 하여 예비 혼합화하고, 예비 혼합화에 의한 화염을 확실히 확보함으로써 가스 터빈의 고출력화에 따른 연소 가스의 고온화에 대해서도 충분히 저 NOX화를 행할 수 있는 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명의 다른 목적은 연료 착화시 화염이 복수개 모든 가스 터빈 연소기로 신속하게 전파할 수 있도록 함과 동시에, 100% 부하시 및 부하 차단시에 있어서 고 NOX농도발생율이 높은 확산 연소가 되지 않고, 예비 혼합 연소만으로 파일로트 연료 분사부로부터 생성되는 화염을 안정적으로 확보할 수 있는 가스 터빈 연소기 및 그 운전방법을 제공함에 있다.
제1도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태를 나타낸 일부 절결 개략 조립 단면도.
제2도는 제1도의 부분 확대도.
제3도는 정격부하시 확산 연료 유량과 화염의 유속 관계로부터 화염의 안정성을 설명하는 그래프.
제4도는 확산 연료용 노즐부의 연료 분사공의 위치와 화염 전파관의 관계로부터 화염의 온도 분포를 설명하는 그래프.
제5도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제2 실시형태를 나타낸 일부 절결개략 조립단면도.
제6도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제3 실시형태를 나타낸 일부 절결 개략 부분 조립 단면도.
제7도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제8도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제2 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제9도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제3 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제10도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제4 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제11도는 부하와 예비 혼합 기체의 당량비 및 미연소 연료 농도의 관계를 나타낸 그래프.
제12도는 부하와 예비 혼합 기체의 당량비, 확산 연료의 당량비, 미연소 연료 농도 및 NOX농도의 관계를 나타낸 그래프.
제13도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제4 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제14도는 제13도의 A-A선 화살표 방향에서 본 정면도.
제15도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제5 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제16도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제6 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도.
제17도는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 운전 방법에서의 연료의 투입 분배를 설명하는 도면.
제18도는 종래의 가스 터빈 연소기의 실시형태를 나타낸 일부 절결 개략 조립 단면도.
제19도는 당량비와 NOX농도 및 CO 농도의 관계를 나타낸 그래프.
제20도는 종래의 가스 터빈 연소기의 연료 투입 분배를 설명하는 도면.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 1에 기재한 바와 같이, 연소기 내통 내에 형성하는 연소실의 두부측에 파일로트 연료 분사부를 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 파일로트 연료 분사부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각의 형성하고, 상기 연소실의 두부측의 중앙부에 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부를, 이 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부를, 이 확산 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부를 각각 설치하고, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 상기 연소실과 연통하는 예비 혼합 연소실을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 2에 기재한 바와 같이, 연소기 내통에 형성되는 연소실의 두부측에 파일로트 연료 분사부를 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 파일로트 연료 분사부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성하고, 상기 연소실의 두부측의 중앙부에 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부를, 이 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부를, 이 확산 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부를 각각 설치하고, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 상기 연소실과 연통하는 예비 혼합 연소실을 구비함과 동시에, 상기 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 메인 예비 혼합용 연료 분사부를 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 3에 기재한 바와 같이, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성하는 한편, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 예비 혼합 연소실을 구비한 파일로트 연료 분사부은, 연소실의 두부측에 적어도 2이상 설치한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 4에 기재한 바와 같이, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 구비한 예비 혼합 연소실은 요(凹)상 또는 원추상의 형상으로 형성한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 5에 기재한 바와 같이, 예비 혼합 연소실은 스텝상의 노치를 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 6에 기재한 바와 같이, 예비 혼합 연소실은 압축 공기 통로와 연통하는 분출공을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 7에 기재한 바와 같이, 예비 혼합 연소실은 벽면부를 세라믹 및 세라믹 섬유강화 복합재 중 어느 하나로 제작한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 8에 기재한 바와 같이, 예비 혼합 연소실은 벽면부에 일체 형성하는 돌출편을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 9에 기재한 바와 같이, 예비 혼합 연소실은 촉매 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 10에 기재한 바와 같이, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부는 연소실내에 설치하는 화염 전파관을 향하는 방향으로 연료 분사공을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 11에 기재한 바와 같이, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 통로에 수용하는 제1 연료 노즐을 축방향으로 진퇴 자재하게 이동시키는 구동장치를 구비한 것이다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 상술한 목적을 달성하기 위해서 청구항 13에 기재한 바와 같이, 가스 터빈의 정격부하 운전중에, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 제2 예비 혼합 연소용 노즐부 및 메인 연료용 노즐부 중 적어도 하나 이상으로부터 생성하는 예비 혼합 화염에 의해서 가스 터빈을 구동하는 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서, 가스 터빈의 부하 차단시, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부로부터 생성되는 예비 화염만으로 가스 터빈을 구동시킨 후에, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부로부터 생성되는 화염을 가하여 가스 터빈을 재기동시키는 것이다.
[발명의 실시형태]
이하, 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법의 일 실시형태에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태를 나타낸 일부 절단 개략 조립 단면도이다.
전체를 부호 20으로 나타낸 가스 터빈 연소기에서는 연소기 외통(21)에 의해서 포위 형성되는 연소기 내통(22)을 구비한 다중통 구조로 되어 있다.
연소기 내통(22)은 측방향으로 뻗어 있고, 내부를 통상의 연소실(23)로 형성하고, 그 두부측에 파일로트 연료 분사부(24)를, 또 그 하류측에 가스 터빈 날개(25)에 연통하는 연소기 후미통(26)을 각각 구비하고 있다.
연소기 내통(22) 및 연소기 후미통(26)은 외측이 프로 슬리브(27)로 포위 형성되어 있고, 이 프로 슬리브(27)에 의해서 공기 통로(28)를 형성한다.
공기 통로(28)는 프로 슬리브(27)에 뚫어 설치한 공기구멍(29)을 거쳐서 공기 압축기(30)로부터의 압축공기(30a)를 안내하고, 그 일부에서 연소기 내통(22) 및 연소기 후미통(26)의 표면을 냉각하고, 다른 일부에서 연소 가스(31)의 온도를 희석하고, 그 남은 것을 파일로트 연료 분사부(24)로 안내하도록 되어 있다.
파일로트 연료분사부(24)는 케이싱(35)에 수용되고, 연소실(23)의 두부측까지 축방향으로 뻗어 있다. 또 파일로트 연료분사부(24)는 케이싱(35)의 중앙에 설치하는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)와 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)를 동심적으로 포위형성하는 확산 연소용 노즐부(32)와, 확산 연소용 노즐부(32)를 동심적으로 포위형성하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)를 각각 구비하고, 확산 연소용 노즐부(32)를 흐르는 연료(a)를 제외하고, 남은 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)의 각각을 흐르는 연료(b, c)에 미리 압축 공기(30a)를 가하여 예비 혼합화하는 구성으로 되어 있다.
또 확산 연소용 노즐부(32) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)에 의해서 동심적으로 포위형성되는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)는 출구측을 요(凹)상으로 형성하는 혼합 연소실(36)을 구비하고 있다.
이와 같은 구성을 구비한 파일로트 연료 분사부(24)에 있어서, 확산 연소용 노즐부(32)는 연료(a)에 의해서 확산 화염(31a)을 생성할 때 그 연료(a)를 연소실(23)의 횡단면 방향으로 확산시키도록 구성되어 있다. 이 때문에 확산 화염(31a)은 연료(a)의 착화시 복수개의 가스 터빈 연소기를 서로 연결하는 화염 전파관(60)에 도달하고, 다른 가스 터빈 연소기에 확산 화염(31a)를 전파시킨다. 이 연료(a)는 가스 터빈의 부하 상승 도중에 서서히 유량을 적게 하고, 최종적으로 제로로 되어 있다.
또 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 분출하는 연료(b)는 압축공기 (30a)를 가하여 예비혼합화하고, 예비혼합실(36)에서 순환류를 따른 제1 예비 혼합 화염(31b)을 생성한다. 또 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로부터 분출하는 연료(c)는 압축공기(30a)를 가하여 예비혼합화하고, 연소실(23)에서 확산화염(31a)을 종화로 제2 예비 혼합 화염(31c)을 생성한다.
확산 화염(31a), 제1 예비 혼합 화염(31b), 제2 예비 혼합 화염(31c)은 합류후 가스 터빈 구동용의 연소 가스(31)로서 연소기 후미통(26)을 거쳐서 가스 터빈 날개(25)로 안내된다. 또 가스 터빈의 부하상승 과정에 있어서, 확산 연소용 노즐부 (32)로부터 분출하는 연료(a)는 그 중도에서 공급을 중단하고, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로부터 분출하는 연료(b, c)에 의해서 종화로서의 제1 예비 혼합 화염(31b), 제2 예비 혼합 화염(31c) 및 가스 터빈 구동용으로서의 연소 가스(31)가 공급된다.
도 2는 도 1에 나타낸 바와 같은 파일로트 연료 분사부(24)의 부분확대도이다. 이 도 2를 사용하여 파일로트 연료 분사부(24)의 구성을 상세히 설명한다.
파일로트 연료 분사부(24)는 각각 별개의 확산 연소용 노즐부(32), 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33), 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34), 예비 혼합 연소실(36)을 하나로 모은 것이다.
파일로트 연료 분사부(24)의 축심으로부터 가장 외측에 설치하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)는 제2 연료 노즐(49), 스월러(48), 제2 예비 혼합용 예비 혼합공기 통로(47)을 각각 구비하는 구성으로 되어 있다. 또 제2 예비 혼합용 예비 혼합공기 통로(47)는 스월러(48)로부터 제2 예비 혼합 출구(50)에 이르기까지의 개구 면적을 서서히 작게 하는 쓰로틀 통로로 형성하고 있다. 이 때문에 제2 연료 노즐(49)로부터 분출하는 연료(c)는 분출시에 압축공기(30)가 가해져도 제2 예비혼합공기로 되고, 또 스월러(48)에 의해서 선회류가 부여되고, 제2 예비 혼합용 예비혼합 공기 통로(47의 제2 예비 혼합 출구부(50)를 통과할 때, 가장 유속이 빠른 상태에서 제2 예비 혼합 화염(31c)으로서 연소실(23)로 분출하므로 역류하지 않는 안정된 연소 가스를 생성할 수 있도록 되어 있다.
또 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)에 의해서 동심적으로 포위형성되는 확산 연소용 노즐부(32)는 축방향으로 뻗어 있는 확산연소용 연료통로(38)를 구비함과 동시에, 그 출구에 연소실(23)의 횡단방향을 향해서 방사상으로 뚫어 설치된 연료분사공 (39)을 구비하고 있다. 이 때문에 연료 분사공(30)으로부터 분출하는 연료(a)는 연소실(23)의 횡단 방향으로 확산 방사할 때에, 점화기(도시하지 않음)에 의해서 확산 화염(31a)을 생성하고, 확산 화염(31a)을 화염 전파관(60)에 도달하도록 다른 가스 터빈 연소기로의 종화(種火)로서 사용하도록 되어 있다.
한편 파일로트 연료 분사부(24)의 중앙부에 설치되는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)는 축방향으로 뻗어 있는 제1 예비 혼합용 연료 통로(40)를 구비한 제1 연료 노즐(43)로 구성되어 있다. 이 제1 연료 노즐(43)의 외측에는 동심적으로 포위형성하는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)가 설비되고, 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)에 스월러(42)가 설치되어 있다. 또 제1 연료 노즐(43)의 도중에는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)를 향해서 횡단적으로 돌출되는 예비 혼합연료 분사구(44)를 구비하고 있다. 또 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구측은 확산 연소용 노즐부(32) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)에 의해서 포위형성되는 요상의 예비 혼합 연소실(36)을 구비하고, 제1 예비 혼합용 연료 통로(40)로부터 예비 혼합 연료 분사부(44)를 거쳐서 분출하는 연료(b)에 스월러(42)에 의해서 선회류가 부여된 압축공기(30a)를 가하여 예비 혼합화하고, 이 예비 혼합 기체를 예비 혼합 연소실(36)로 안내하여 제1 예비 혼합화염(31b)을 생성하도록 되어 있다.
제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)는, 예비 혼합 연료 분사부(44)로 부터 예비 혼합 연소실(36)에 이르기까지 개구면적을 서서히 적게 하는 쓰로틀 통로로 형성하고 있고, 연료(b)의 유속이 100m/s~120m/s가 되도록 되어 있다. 이 때문에 예비 혼합 연소실(36)에서 생성되는 제1 예비 혼합 화염(31b)는 난류 화염 전파속도의 2~3배의 유속으로 되어 있으므로 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)로 역류하지 않는다.
한편, 예비 혼합 연료실(36)은 확산 연소용 노즐부(32) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로 둘러싸여지는 요상으로 형성되고, 연소실(23)의 직경보다도 대폭 작게 되어 있으므로, 연소실(23)의 연소 가스 흐름이나 압축공기 흐름의 큰 산란에 영향을 받는다. 따라서 예비 혼합 연소실(36)에서 생성되는 제1 예비 혼합화염(31b)의 안정성은 연료(b)자체의 희석 정도와 유속에만 의존할 뿐, 외란에는 전혀 영향을 받지 않는다.
또 예비 혼합 연소실(36)은 그 체적이 연소실(23)의 그것에 비하여 대폭 작게 되어 있으므로 연소실의 단위 체적당, 단위 시간당 연소하는 연료(b)의 비율(연소 부하율)은 크게 되어 있다. 이 때문에 제1 예비 혼합 화염(31b)은 그 안정성을 확실하게 확보할 수 있으므로, 100% 부하 운전중, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)의 동시 병용의 예비 혼합 연소를 행해도, 종화로서의 상태를 유지할 수 있다.
도 3은 정격부하시 확산 연료의 유무가 화염의 안정에 어떠한 영향을 미치는 지를 나타낸 특성선도이다. 이 도 3 중에 있어서, 실선은 본 실시형태에 의한 예비 혼합 연소실(36)의 화염의 안정성의 유무를, 또 파선은 도 17에서 나타낸 종래의 가스 터빈 연소기(예비 혼합 연소실을 구비하지 않음)의 화염이 안정성의 유무를 각각 나타내고 있다.
일반적으로 가스 터빈 플랜트에서의 연소 가스 유속은 각 부하에 대해서 일의적으로 정하고, 동일한 부하로 연소 가스 유속이 변화하는 것은 아니나, 정격 부하의 상태에서 가스 터빈 연소기의 전압 손실을 고의적으로 변화시킨 경우 구체적으로 본 실시형태와 같은 예비 혼합 연소실(36)을 설비한 경우 확산 연료에 대한 화염의 안정성이 문제가 된다.
즉 도 18에 나타낸 종래의 가스 터빈 연소기에서는 확산 연료 유량(A)시 정격 부하 운전시의 연소 가스 속도(a1)이고, 또 부하 차단시의 연소 가스 유속(a2)이고, 동시에 화염의 정성은 확보되어 있다.
그러나 확산 연료 유량(B)으로 시프트시키면, 정격부하 운전시의 연소 가스유속(b1)으로 되어도 화염의 안정성은 확보할 수 있으나, 부하 차단이 되면 연소 가스 유속(b2)으로 되고 화염가스 불안정 영역으로 들어간다.
또 확산 연료 유량 제로 즉 D의 위치에 있어서의 정격 부하 운전 및 부하 차단시의 각 연소 가스 유속(d1, d2)은 동시에 파선을 오버하기 때문에 화염이 불안정하게 되어, 소화될 우려가 있다.
이와 같이 도 18에 나타낸 종래의 가스 터빈 연소기에서는 정격 부하 운전 및 부하 차단을 전체적으로 감안하여 확산 연료 유량(A) 때만이 화염의 안정서을 확보할 수 있다.
이에 대해서 본 실시형태에 의한 가스 터빈 연소기에서는 예비 혼합 연소실(36)을 설비함으로써 정격 부하 운전 및 부하 차단에 있어서의 각 연소 가스 유속(d1, d2)이 실선보다 하회하고 있고, 화염의 안정성이 확보되어 있다.
이와 같이 확산 연료가 적어도 화염의 안정성을 확보할 수 있는 것은 예비 혼합 연소실(36)이 연소실(23)의 연소 가스(31)나 압축공기(30a)의 흐름의 산란에 영향을 주지 않도록 파일로트 연료 분사부(24)의 중앙부에 위치에 요상으로 형성함도 고려된다.
도 4는 본 실시형태에 의한 확산 연소용 노즐부(32)의 연료 분사공(39)을 가스 터빈 연소기의 중심위치(0)로부터 위치(B1, B2)에 설치한 경우의 화염의 온도분포(B)와 도 18에 나타낸 종래의 제1 확산 연소용 노즐부(7)의 연료 분사공(39)을 가스 터빈 연소기의 중심위치(0)로부터 위치(A1, A2)에 설치한 경우의 화염의 온도 분포(A)를 비교한 온도 분포 특성도이다.
종래의 화염의 온도 분포(A)는 도 4의 파선으로 나타낸 바와 같이 가스 터빈 연소기의 중심 위치(0)의 주변에서 온도가 피크치가 되고, 화염전파관 입구의 연소실 벽면에 이르면 화염 전파 하한 온도치 부근이어서 불안정한 상태이다.
이것에 대해서 본 실시형태에 의한 온도분포는 도 4의 실선으로 나타낸 바와 같이 위치(B1, B2)의 외측에서 온도 피크치가 되고, 화염 전파관 입구의 연소실 벽면에서도 화염 전파 하한 온도치를 상회하고 있다.
이와 같이 본 실시형태는 확산 연소용 노즐부(32)의 연료분사공(39)을 가스 터빈 연소기의 중심위치(0)로부터 벗어난 위치(B)에 설치하고, 또 연료분사공(39)을 연소실(23)의 벽면을 향하게 하는 방향에 설비되어 있으므로, 다른 가스 터빈 연소기로의 화염전파를 확실하게 행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제2 실시형태를 나타낸 일부 절결 개략 조립 단면도이다. 또 제1 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 다른 구성 부분에 대해서만 설명한다.
본 실시형태는 가스 터빈 연소기(20)의 고온화에 수반하여 파일로트 연료 분사부(24)의 외측에 메인 예비 혼합용 연료분사부(51)를 설비한 것이다.
메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)는 메인 연료용 노즐부(52)와 예비 혼합덕트(53)를 구비하고, 메인 연료용 노즐부(52)로부터 분출하는 연료(d)에 압축공기(30a)를 가하고 예비 혼합 덕트(53)내에서 연료(d)를 연료 희박 상태의 연료 예비 혼합화하는 구성으로 되어 있다.
예비 혼합 덕트(53)는 그 하류측에 복수개의 메인 예비 혼합 연료 출구부(54)를 구비하고, 이들 복수개의 메인 예비 혼합 연료 출구부(54)에 의해서 예비혼합 연료로 된 연료(d)를 상기 파일로트 연료 분사부(24)의 확산 연소용 노즐부(32), 제1 예비혼합 연소용 노즐부(33), 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)의 각각에서 생성되는 확산 화염(31a), 제1 예비 혼합 화염(31b), 제2 예비 혼합 화염(31c)의 후류측으로 분출시켜 이들의 화염(31a, 31b, 31c)를 종화로 하여 가스 터빈 구동용의 연소 가스(31)로서의 제3 예비 혼합 화염(31d)을 생성하도록 되어 있다.
이와 같이 본 실시형태는 파일로트 연료 분사부(24)에 의해서 생성되는 가스 터빈 구동용의 연소 가스(31)로서의 각 화염(31a, 31b, 31c)에 메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)에 의해서 생성되는 가스 터빈 구동용의 연소 가스(31)의 제3 예비 혼합 화염(31d)을 가함으로써 가스 터빈 연소기(20)의 고온화에 따른 가스 터빈의 고출력화를 달성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제3 실시형태를 나타낸 일부 절단 개략 부분 조립 단면도이다.
본 실시형태는 제1 실시형태 또는 제2 실시형태에 있어서, 연소기 내통(22)내에 형성하는 연소실(23)의 두부측의 파일로트 연료 분사부(24)를 복수개로 한 것이다. 또 제1 실시형태 또는 제2 실시형태에 있어서의 구성 부품과 동일 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
확산 연소용 노즐부(32), 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33), 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)의 각각을 구비한 파일로트 연료 분사부(24)를 복수개로 하는 실시형태에서는 각 노즐부의 중가분 만큼 확산 화염(31a). 제1 예비 혼합 화염(31b). 제2 예비혼합 화염(31c)의 온도 분포가 고르게 되어, 열적 안정성이 증가한다.
따라서 본 실시형태에서는 각 화염(31a, 31b, 31c)의 생성시에 발생하는 연소진동을 더 한층 낮게 억제할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제1 실시형태를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 예비 혼합 연소실(36)에 압축공기 통로(62)와 연통시키는 분출공(62a)을 설비함과 동시에, 예비 혼합 연소실(36)의 출구에 노치(45)를 형성한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
예비 혼합 연소실(36)은 연소실(23)에 비해서 용적이 작기 때문에 단위 시간당, 단위 체적당의 연소 부하율이 높아지게 되어 있다. 이 때문에 가스 터빈이 정격 운정으로 들어가면, 예비 혼합 연소실(36)은 제1 예비 혼합 화염(31b)에 의해서 가혹한 상태에 노출되어 있어, 압축공기 통로(62)를 형성하는 벽면이 소손될 우려가 있다.
또 예비 혼합실(36)에서 생성되는 제1 예비 혼합 화염(31b)는 가스 터빈의 회전 상승(승속)과 동시에 그 유속이 증가한다. 이때 제1 예비 혼합 화염(31)은 유속의 증가에 따라 예비 혼합 연소실(36)로부터 연소실(23)로 또 역으로 연소실(23)로부터 예비 혼합 연소실(36)로 이동하는 경우가 있다. 이 때문에 예비 혼합 연소실(36)은 제1 예비 혼합 화염(31b)의 출입에 의해서 연소 진동을 유발할 우려가 있다.
여기서 본 실시예는 예비 혼합 연소실(36)을 포위형성하는 압축공기 통로(62)의 벽면에 분출공(62a)을 설비하고, 그 벽면을 냉각함과 동시에 예비 혼합 연소실(36)의 출구로 스텝상의 노치(45)를 형성하고, 여기서 발생하는 작은 소용돌이(46)의 부착력을 이용하여 제1 예비 혼합 화염(31b)의 펄럭임 이동을 방지하는 것이다.
따라서 본 실시예에 의하면, 예비 혼합 연소실(36)에 압축공기 통로(62)와 연통시키는 분출공(62a)를 설비하고 예비 혼합 연소실(36)을 형성하는 벽면을 압축 공기(30a)에 의해서 냉각하므로, 제1 예비 혼합 화염(31b)에 의해서 벽면 소손을 방지할 수 있다.
또 본 실시예에 의하면 예비 혼합 연소실(36)의 출구의 노치(45)를 형성하고, 노치(45)에서 발생하는 소용돌이(46)의 부착력을 이용하여 제1 예비 혼합 화염(31b)의 펄럭임 이동을 방지하므로 예비 혼합 연소실(36) 내의 제1 예비 혼합 화염(31b)에 의한 진동 발생을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제2 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 예비 혼합 연소실(36)을 연소실(23)을 향해서 확개 시킨 원추형으로 형성한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
본 실시예에 의하면 선회 연소 가스류(67)는 압축공기(30a)가 변동해도 원추형상의 벽면을 따라서 원활하게 흐르기 때문에, 중앙부의 제1 예비 혼합 화염(31b)의 역류영역의 크기를 일정하게 할 수 있다.
또 연소실(23) 내의 연소 가스가 변동하고 제1 예비 혼합 화염(31b)의 역류 영역의 압력이 상승하고, 이에 의해서 선회 연소 가스류(67)에 외측으로 퍼지는 외력이 작용하여도 원추형상에 의해서 선회 연소가스류(67)는 거의 영향을 받지 않고, 제1 예비 혼합 화염(31b)의 역류영역은 위치가 약간 후류로 이동하거나 거의 변화하지 않는다.
역으로 제1 예비 혼합 화염(31b)의 역류 영역의 압력이 저하하여 선회 연소 가스류(67)에 내측으로 인입하는 힘이 작용해도, 선회 연소 가스류(67)는 벽면에 부착하여 흐르기 때문에 간단하게 박리되지 않고 제1 예비 혼합 화염(31b)의 역류 영역은 거의 변화하지 않는다.
이 때문에 안정하게 연소를 계속할 수 있고, 연소 진동 등의 발생을 억제할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제3 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구에 스텝상의 노치(63)를 형성한 것이다. 또 각 실시형태의 구성과 동일 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
가스 터빈 승온에 따라서 제1 예비 혼합용 예비 혼합 기체 통로(41)를 통과하는 연료(b)는 그 유속을 증가하고 예비 혼합 연소실(36)에서 생성되는 제1 예비 혼합 화염(31b)도 유속을 증가시켜 연소실(23)로 분출한다. 이 경우에 연료(b)가 제1 예비 혼합 화염(31b)으로 생성되는 과정에 있어서, 제1 예비 혼합 화염(31b)은 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구의 벽면에 대해서 부착된다든지 분질된다든지 하여 그 흐름이 산란되어 연소 진동의 발생원인이 된다.
여기서 본 실시예는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구에 노치 (63)를 형성하고, 여기서 작은 소용돌이(64)를 발생시켜 소용돌이(64)의 부착력을 이용하여 제1 예비 혼합 화염(31b)의 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구의 벽면에 대한 부착·이탈의 거동을 방지한 것이다.
따라서 본 실시예에 의하면, 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구에 스텝상의 노치(63)를 형성하고, 노치(63)에서 발생하는 소용돌이(64)의 부착력을 이용하여 제1 예비 혼합 화염(31b)의 펄럼임 이동을 방지하므로 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구에서의 제1 예비 혼합 화염(31b)에 의한 진동발생을 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제4 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 예비 혼합 연소실(36)을 형성하는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
일반적으로 가스 터빈 연소기의 연료 희박 상태의 예비 혼합화에 사용되는 압축공기(30a)는 공기 압축기로부터 공급되고 있으나, 그 유량에는 한계가 있다. 더구나 공기 압축기로부터 공급되는 압축공기(30a)가 연료의 예비 혼합화 외에 연소기 내통(22), 연소기 후미통(26), 가스 터빈 날개(25) 등의 구성 부품에 냉각 공기용으로서 공급되는 것을 고려하면, 연소기 내통의 냉각용으로 공급되는 유량을 매우 적게 하는 것이 바람직하다. 그 만큼 연료의 예비 혼합화에 공급되는 유량을 많게 하여, 더 연료 희박한 상태로서 운전하는 것이 가능하게 된다. 또 냉각 공기를 내통으로 분출시키고, 내통 벽면 금속을 냉각하는 방법에서는 내통 벽면의 온도가 저하함과 동시에 냉각 공기에 의해서 미연소 예비 혼합 기체는 더 희박하게 되어, 반응되지 않고 그대로 미연소분으로서 배출한다.
이와 같은 점을 고려하여 본 실시예에서는 예비 혼합 연소실(36)을 형성하는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하여 벽면부(65)를 고온화시켜 벽면부(65)의 고온화에 의해서 연료 미연소 상태를 더 한층 적게 한 것이다. 즉 본 실시예에서는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하여 고온화시킴으로써 도 11에 나타낸 바와 같이 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 예비 혼합 연소실(36)로 분출하는 예비 혼합기체의 미연소 연료 발생한도 당량비를 종래의 일점 쇄선으로 나타낸 한도 당량비보다 2점쇄선으로 나타낸 한도 당량비로 저하시킬 수 있었다. 또 이 미연소 연료 발생한도 당량비의 저하에 따라서 가스 터빈 기동 운전중에 있어서의 미연소 연료 발생 범위(A)는 종래의 미연소 연료 발생범위(B)에 비해서 적게 할 수 있었다. 또 미연소 연료 발생 한도 당량비의 저하에 따라서 미연소 연료 농도도 파선으로 나타낸 종래의 것에 비해서 실선으로 나타낸 바와 같이 적게 할 수 있었다.
따라서 본 실시형태에서는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하고, 고온화시킴으로써 벽면부(65)를 따라서 흐르는 예비 혼합 기체의 미연소 연료의 발생을 적게 하고, 이 부분의 냉각에 사용하고 있는 압축공기(30a)를 예비 혼합용으로 사용함으로써 더 낮은 NOX화를 도모할 수 있다.
또 본 실시예에서는 미연소 연료 발생 한도 당량비를 종래 보다도 낮게 할 수 있으므로 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 예비 혼합 연소실(36)로 분출하는 연료(b)의 분출개시 시간을 빠르게 하여, 그 만큼 확산 연소용 노즐부(32)에서 연소실 (23)로 분출하는 연료(a)의 유량을 종래보다도 적게 할 수 있도록 된다. 즉 종래 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 분출하는 연료(b)는 도 12에 나타낸 바와 같이 가스 터빈의 기동 운전중, 시간(t1)에서 개시시켰으나 예비 혼합 연소실(36)을 형성하는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하고, 고온화시킴으로써 벽면부(65)를 따라 흐르는 예비 혼합 기체의 미연소 연료의 발생이 적어지게 되므로 그 시간(t1)에서 시간(t2)으로 신속하게 할 수 있도록 되어 있다. 그 결과 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)를 동심적으로 포위 형성하는 확산 연소용 노즐부(33)로부터 분출하는 연료(a)는 도 12의 파선으로 나타낸 종래의 유량보다도 실선으로 나타낸 유량으로 적게 할 수 있고, 또 미연소 연료 농도의 피크치도 파선으로 나타낸 시간보다도 실선으로 나타낸 시간으로 빠르게 할 수 있고, 또 NOX농도 피크치도 파선으로 나타낸 값보다도 실선으로 나타낸 값으로 낮게 억제할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하고 고온화시킴으로써, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 예비 혼합 연소실(36)로 분출하는 연료(b)의 분출 개시시간을 종래보다 빠르게 하고, 확산 연소용 노즐부(32)로부터 연소실(23)로 분출하는 연료(a)를 적게 했으므로 기동 운전시에도 NOX농도를 종래보다도 낮게 억제할 수 있다.
도 13은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제4 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예에서는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 예비 혼합 연소실(36)을 형성하는 벽면부(65)를 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작함과 동시에 벽면부(65)에 돌출편(65a)을 일체 성형한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
벽면부(65)에 일체 형성하는 돌출편(65a)은 도 14에 나타낸 바와 같이 벽면부 (65)의 둘레방향을 따라 환상으로 배열하고, 벽면부(65)의 축방향을 따라서 뻗어 있다.
이와 같이 본 실시예는 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재의 벽면부(65)에 돌출편(65a)을 일체 형성함으로써 전열 면적을 증가시키는 한편, 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)로부터 예비 혼합 연소실(36)로 분출하는 예비 혼합 기체의 흐름에 산란이 부여되어 연소 반응을 효과적으로 촉진시킨 것이다.
따라서 본 실시예에서는 전열 면적의 증가에 의해서 벽면부(65)를 더 한층 고온화할 수 있고, 또 돌출편(65a)에 의해서 예비 혼합 기체의 흐름에 산란을 부여하여 연소 반응을 촉진시키도록 했으므로 예비 혼합기체의 미연소 연료의 생성을 더 한층 낮게 할 수 있다.
도 15는 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제5 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예에서는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 제1 연료 노즐(44)을 축방향으로 자유롭게 진퇴 이동할 수 있도록, 예를 들어 모터, 유압기구, 수동핸들 등의 구동 장치(66)를 구비한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
본 실시예는 제1 연료 노즐(43)에 구동 장치(66)를 구비하고, 구동장치의 구동력에 의해서 제1 연료 노즐(43)을 축방향으로 진퇴시키고, 예비 혼합 연소실(36)의 체적을 넓고 좁게 자유로이 조정할 수 있는 것이다.
제1 연료 노즐(43)의 제1 예비 혼합용 예비 혼합용 연료 통로(40)로부터 예비 혼합 연료 분사부(44)를 거쳐서 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)로 분출하는 연료(b)는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)에서 압축공기(30a)가 가해저 예비 혼합화하고, 예비 혼합 기체로서 에비 혼합 연소실(36)에서 제1 예비 혼합 화염 (31b)을 생성한다. 이 경우에 연료(b)는 기동시, 부분 부하시, 정격 부하시에서 그 유량이 변화하고 있고, 유량 증감 변화의 과도시 제1 예비 혼합 화염(31b)의 생성시, 연소 진동을 발생시키는 것이다. 이 연소 진동의 주파수는 연소실의 공기, 주진동 주파수와 관계가 있는 경우가 많고, 이 때문에 연소실의 공기 주진동 주파수를 변경함으로써, 연소 진동을 억제함이 알려져 있다.
여기서 본 실시예는 연료(b)의 유량증감 변화시 구동장치(66)의 구동력에 의해서 제1 연료 노즐(43)을 축방향으로 진퇴시켜 예비 혼합 연소실(36)의 체적의 넓히고, 좁히는 조정을 행하여 제1 예비 혼합 화염(31b)을 안정 연소화시키는 것이다.
따라서 본 실시예에서는 예비 혼합 연소실(36)의 체적을 넓히고 좁히는 조정이 가능하도록 했으므로 연소 진동의 발생을 억제할 수 있다.
도 16은 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서의 제6 실시예를 나타낸 부분적인 개략 단면도이다.
본 실시예는 제1 실시형태, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)의 제1 예비 혼합용 예비 혼합 공기 통로(41)의 출구 측에 촉매 (61)를 설치한 것이다. 또 각 실시형태의 구성 부품과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
본 실시예에서는 제1 예비 혼합용 공기 통로(41)의 출구측에 촉매(61)를 설치했으므로 제1 예비 혼합 화염(31b)를 생성할 때 연료(b)에 준해서 예비 혼합 기체의 가연 한계치 및 CO가 발생하지 않는 한계치를 내릴 수 있는 동시에 NOX농도의 발생을 낮게 억제할 수 있다.
다음에 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 대해서 설명한다.
가스 터빈 연소기(20)는 운전 상태에 따라서 공급되는 연료를 콘트롤한다.
연료 착화로부터 가스 터빈 초기 부하까지의 가스 터빈 기동 운전에 있어서, 가스 터빈 연소기(20)는 도 17에 나타낸 바와 같이 우선 확산 연소용 노즐부(32)의 확산 연소용 연료 통로(38)에만 연료(a)를 공급하고, 확산 화염(31a)을 생성한다.
확산 화염(31a)이 안정화되면, 가스 터빈 연소기(20)는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)에 있어서의 제1 연료 노즐(43)이 제1 예비 혼합용 연료 통로(40)에 연료(b)를 공급하여, 제1 예비 혼합 화염(31b)을 생성한다. 또 연료(b)의 투입과 동시에 연료(a)가 압축된다.
다음에 가스 터빈이 초기 부하로부터 중간 부하 운전으로 들어가면, 가스 터빈 연소기(20)는 확산 연소용 노즐부(32)로의 연료(a)의 공급을 중단하고, 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로의 연료(c)를 공급하고, 제2 예비 혼합 화염(31c)을 생성한다.
또 가스 터빈의 부하가 상승하면 가스 터빈 연소기(20)는 메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)로 연료(d)를 공급하고, 제3 예비 혼합 화염(31d)을 생성한다.
이와 같은 가스 터빈 연소기(20)의 운전 방법은 제1 예비 혼합 연소용 노즐부(33)로부터 생성되는 제1 예비 혼합화염(31b). 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로 부터 생성되는 제2 예비 혼합화염(31c) 및 메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)로부터 생성되는 제3 예비 혼합 화염(31d)의 합계량을 연료 가스(31)로서 가스 터빈을 구동하고, 가스 터빈을 정격 부하에 이르도록 하고 있다. 또 메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)를 구비하지 않은 가스 터빈 연소기(20)에 있어서는 제1 예비 혼합 화염(31b) 및 제2 예비 혼합 화염(31c)에 의해서 가스 터빈을 정격부하에 도달하게 한다.
가스 터빈의 정격부하 운전중, 예를 들어 전력 계통에 사고가 발생하여, 부하 차단 지령이 있으면, 가스 터빈은 무부하 운전으로 들어간다. 그러나 부하차단 지령의 과도시에 관성력에 의해서 가스 터빈은 정격 회전을 오버한다. 이 때문에 가스 터빈 연소기(20)는 정격 부하시에 공급하고 있는 연료 유량을 최저 10%까지 가압하도록 되어 있다. 이 경우에 가스 터빈 연소기(20)는 각 노즐부로의 연료 배분을 도 17에 나타낸 바와 같이 메인 예비 혼합용 연료 분사부(51)로의 연료(d) 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부(34)로의 연료(c)의 각각이 공급을 중단하고, 제1 예비 혼합 연소용 노부(33)로의 연료(b)의 공급을 계속하고, 제1 예비 혼합 화염(31b)을 확보하는 제어가 행해진다.
전력 계통이 복귀하여 가스 터빈에 재기동이 개시되면, 가스 터빈 연소기(20)는 지금까지 계속 확보할 수 있는 제1 예비 혼합 화염(31b)에 순차 확산 연소용 노즐부 (32)에 연료(a)를 공급하여 생성하는 확산 화염(31a), 제2 예비 혼합 연소용 노즐부 (34)에 연료(c)를 공급하여 생성하는 제2 예비 혼합 화염(31c)을 가하여 가스 터빈 부하를 발생시키도록 되어 있다.
이와 같이 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 운전 방법은 부하 차단 지령에 의해서 가스 터빈을 무부하 운전상태로 되어 있어도 항상 제1 예비 혼합 화염(31b)를 계속 확보할 수 있으므로 가스 터빈의 재기동 운전시간을 짧게 하여 종래보다 신속하게 정격부하로 상승시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 연소실의 두부측에 설치한 파일로트 연료 분사부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성함과 동시에, 연소실의 두부측의 중앙부에 제1 예비 혼합 연소용 노즐부를, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위 형성하는 확산 연소용 노즐부를, 확산 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위 형성하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부를 각각 설치하는 한편, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 요상의 예비 혼합 연소실을 형성함으로써, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부로부터 생성되는 제1 예비 혼합 화염의 연소를 안정화시켜 NOX농도를 낮게 억제할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 확산 연소용 노즐부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 설비했으므로, 확산 연소용 노즐부에서 생성되는 확산 화염을 화염 전파관을 거쳐서 다른 가스 터빈 연소기로 화염 전파하는 경우에 신속하고 확실히 행할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 파일로트 연료 분사부에 메인 예비 혼합용 연료 분사부를 조합시켜 화염으로서 연소 가스의 고온화를 도모하고 있으므로 가스 터빈의 고출력화를 도모할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 파일로트 연료 분사부에 연소실의 두부측에 복수개 설치함으로써, 연소실내의 화염으로서 연소가스의 온도분포가 균일화되고, 연소 진동의 발생을 억제할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 형성하는 예비 혼합 연소실에 노치를 형성하고, 노치에 의해서 발생하는 소용돌이의 부착력을 이용하여 연소 진동의 발생을 억제했으므로 안정된 예비 혼합 화염을 확보할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 형성하는 예비 혼합 연소실에 원추상으로 형성하고, 예비 혼합 연소실에서 생성되는 예비 혼합 화염의 압력 회복을 도모함으로써 예비 혼합 화염의 펄럭임 이동을 확실하게 방지할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 형성하는 예비 혼합 연소실의 측면에 분출공을 설비하고, 압축공기 통로로 부터의 압축공기에 의해서 벽면을 냉각시킴으로써 예비 혼합 화염에 의한 벽면 소손을 방지할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 형성하는 예비 혼합 연소실의 벽면을 세라믹 또는 세라믹 섬유강화 복합재로 제작하여, 고온화에 대처시킴으로써 미연소 연료의 발생을 적게할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 제1 연료 노즐에 구동장치를 설비하고, 구동장치의 구동력에 의해서 제1 연료 노즐을 축방향으로 진퇴 자재하게 이동시켜 운전상태에 대응시켜 예비 혼합 연소실의 체적을 조정할 수 있도록 했으므로, 운전 변화시의 연료의 증감 변화에 준해서 발생하는 연료 진동을 억제할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기는 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 형성하는 예비 혼합 연소실을 설치함으로써 예비 혼합 기체의 가연한계치 및 CO가 발생하지 않는 한계치를 내릴 수 있고, NOX농도 발생의 저하를 억제할 수 있다.
또 본 발명에 의한 가스 터빈 연소기의 운전 방법은 가스 터빈의 부하 차단시에도 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 예비 혼합 연소실로부터 생성되는 예비 혼합 화염을 계속 확보할 수 있으므로, 가스 터빈의 재기동 시간을 짧게 하여 종래보다 빨리 정격 부하 운전을 행할 수 있다.

Claims (13)

  1. 연소기 내통에 형성되는 연소실의 두부측에 파일로트 연료 분사부를 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 파일로트 연료 분사부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성하고, 상기 연소실의 두부측의 중앙부에 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부를, 이 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부를, 이 확산 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부를 각각 설치하고, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 상기 연소실과 연통하는 예비 혼합 연소실을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  2. 연소기 내통 내에 형성되는 연소실의 두부측에 파일로트 연료 분사부를 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 파일로트 연료 분사부를 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성하고, 상기 연소실의 두부측의 중앙부에 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부를, 이 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부를, 이 확산 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 제2 예비 혼합 연소용 노즐부를 각각 설치하고, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 상기 연소실과 연통하는 예비 혼합 연소실을 구비함과 동시에, 상기 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 메인 예비 혼합용 연료 분사부를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부의 각각으로 형성하는 한편, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 예비 혼합 연소실을 구비한 파일로트 연료 분사부는, 연소실의 두부측에 적어도 2이상 설치한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 출구측에 구비한 예비 혼합 연소실은 요(凹)상과 원추상 중 어느 하나의 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  5. 제4항에 있어서, 예비 혼합 연소실은 스텝상의 노치를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  6. 제4항에 있어서, 예비 혼합 연소실은 압축 공기 통로와 연통하는 분출공을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  7. 제4항에 있어서, 예비 혼합 연소실은 벽면부를 세라믹 및 세라믹 섬유강화 복합재중 어느 하나로 제작한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  8. 제7항에 있어서, 예비 혼합 연소실은 벽면부에 일체 형성하는 돌출편을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  9. 제4항에 있어서, 예비 혼합 연소실은 촉매를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부의 외측에 동심적으로 포위하는 확산 연소용 노즐부는 연소실내에 설치하는 화염 전파관을 향하는 방향으로 연료 분사공을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부는 제1 예비 혼합용 예비 혼합 통로에 수용하는 제1 연료 노즐을 축방향으로 진퇴 자재하게 이동시키는 구동장치를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  12. 제11항에 있어서, 구동장치는 모터, 수동 핸들 및 유압기구 중 어느 하나를 선택적으로 사용한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  13. 가스 터빈의 정격부하 운전중에, 제1 예비 혼합 연소용 노즐부, 제2 예비 혼합 연소용 노즐부 및 메인 연료용 노즐부 중 적어도 하나 이상으로부터 생성되는 예비 혼합 화염에 의해서 가스 터빈을 구동하는 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서, 가스 터빈의 부하 차단시, 상기 제1 예비 혼합 연소용 노즐부로부터 생성되는 예비 화염만으로 가스 터빈을 구동시킨 후에, 확산 연소용 노즐부 및 제2 예비 혼합 연소용 노즐부로부터 생성되는 화염을 가하여 가스 터빈을 재기동시키는 것을 특징으로 가스 터빈 연소기의 운전 방법.
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