KR101597921B1 - 고전압 인가형 가스 터빈 연소기 - Google Patents

고전압 인가형 가스 터빈 연소기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 터빈에 전기장을 인가하여 화염을 형성하는 것에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화염 안정성을 확보하기 위하여 연소실에 전기장을 인가하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기에 관한 것으로, 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410); 상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기(451)가 형성되는 허브(440); 및 상기 방사상 돌기(451)와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 제공한다.

Description

고전압 인가형 가스 터빈 연소기{HIGH VOLTAGE ADOPTIVE GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 가스 터빈에 전기장을 인가하여 화염을 형성하는 것에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화염 안정성을 확보하기 위하여 연소실에 전기장을 인가하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
종래 전력 생산을 위한 발전 분야에서는 발전기를 구동하기 위한 설비로서 가스 터빈 시스템을 사용하고 있으며, 가스 터빈 시스템은 압축기와 연소기를 거쳐 발생한 고온 고압의 연소 가스를 이용하여 터빈을 구동시키는 시스템이며, 증기 터빈 시스템에 비해 가동 시간 및 정지 시간이 짧고, 소형 경량이어서 설치가 용이하다는 장점이 있다.
이러한 가스 터빈에 사용되는 연소기는 연소반응을 이용하여 불꽃을 발생시키는 장치로서, 공기가 공급되는 조건에서 연료에 착화하여 화염을 발생시키는 장치이다. 기존의 연소기는 연료와 공기가 연소실에서 혼합되기 때문에 균일한 혼합이 이루어지지 않아서 연소시 온도가 급격하게 상승하는 영역(hot spot)이 형성되는데, 이러한 영역에서 Thermal NOx가 다량 생성되는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 제안되었다. 도 1은 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 케이싱(20), 연소실(30), 및 버너(40)를 포함한다.
케이싱(20)은 연소실(30)과 버너(40)를 둘러싸고 있으며, 가스 터빈 연소기의 외면을 형성한다. 연소실(30)은 연소 반응이 일어나는 연소 반응 영역(reaction zone)이 형성되는 곳이다. 버너(40)는 연소기에 연료를 공급하는 허브(44), 공기와 연료와의 혼합을 촉진하기 위한 스월러(45), 및 연료와 공기가 연소실에 투입되기 전에 미리 혼합되는 예혼합실(41)을 구비한다.
그러나, 상술한 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 희박 연소로 화염 온도가 내려가기 때문에 고온 영역에서 발생하는 Thermal NOx를 저감하는 장점이 있으나, 화염 강도 감소로 안정성이 약화되는 문제점을 갖는다. 또한, 화염 소염(blow off), 화염 날림(blow out) 현상이 발생하며, 국부적인 불완전 연소와 CO 발생되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1110144호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 희박 예혼합 가스 터빈 연소기에서 화염 안정성을 확보할 수 있는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 제공하는데 있다.
구체적으로, 본 발명은 화염을 버너에 안정적으로 위치시킬 수 있는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 고전압에 의해 유도되는 스트리머 코로나를 공간상에 균일하게 분포시킬 수 있는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410); 상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기(451)가 형성되는 허브(440); 및 상기 방사상 돌기(451)와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 제공한다.
또한, 상기 허브(440)의 상기 하향 끝단은 블러프 바디(bluff body, 452)의 형상으로 형성되고, 상기 방사상 돌기(451)는 상기 블러프 바디(452)의 외연에 형성될 수 있다.
또한, 상기 허브(440)는 연소실 출구(310)에서 하향으로 연장되도록 형성되어 상기 블러프 바디(452)가 연소실(300) 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 방사상 돌기(451)는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 방사성 돌기(451)는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 비대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전압 인가 장치(500)는 상기 허브(440)에 구형파(square wave)의 전압을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 희박 예혼합 가스 터빈 연소기에서 화염 안정성을 확보할 수 있는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기를 구현할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 의하면, 허브의 끝단에 블러프 바디를 형성시킴으로써, 연료와 공기의 혼합기가 고속으로 분출되는 연소실 출구에서 분출 속도를 감속시킬 수 있어 화염을 버너에 안정적으로 위치시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 허브의 끝단의 외연에 형성되는 방사상 돌기에 의해, 고전압에 의해 유도되는 스트리머 코로나가 공간상에 균일하게 분포할 수 있으며, 이를 통해 화염 안정화 효과가 보다 증진될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도.
도 3은 도 2에 표시된 "A" 부분의 대칭형 방사상 돌기의 확대도로서, 도 3(a)는 방사상 돌기가 16개인 경우이고, 도 3(b)는 방사상 돌기가 8개인 경우를 도시하는 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도로서, 도 4(a)는 블러프 바디가 연소실 출구와 평행한 경우이고, 도 4(b)는 블러프 바디가 연소실 출구로부터 이격된 경우를 도시하는 개략도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 5(a)는 캔형(can type) 연소기의 개략도이고, 도 5(b)는 대칭형 방사상 돌기의 확대도.
도 6은 본 발명의 일실시예에에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기에서 이용되는 스트리머 코로나를 도시하는 개략도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 7(a)는 멀티 캔형(multi can type) 연소기의 개략도이고, 도 7(b)는 비대칭형 방사상 돌기의 확대도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 8(a)는 환형(annular type) 연소기의 개략도이도, 도 8(b)는 비대칭형 방사상 돌기의 확대도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 고전압 인가형 가스 터빈 연소기의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도이고, 도 3은 도 2에 표시된 "A" 부분의 대칭형 방사상 돌기의 확대도로서, 도 3(a)는 방사상 돌기가 16개인 경우이고, 도 3(b)는 방사상 돌기가 8개인 경우를 도시하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 케이싱(200), 연소실(300), 버너(400), 및 전압 인가 장치(500)를 포함한다.
케이싱(200)은 연소실(300)과 버너(400)를 둘러싸고 있으며, 가스 터빈 연소기의 외면을 형성한다.
연소실(300)은 연소 반응이 일어나는 연소 반응 영역(reaction zone)이 형성되는 곳이며, 연소실(300)의 외면은 라이너(320)로 형성된다.
버너(400)는 예혼합실(410), 스월러(450), 및 허브(440)를 구비하며 외면에 버너 가이드(420)가 형성된다. 예혼합실(410)은 연료가 공기가 연소실에 투입되기 전에 미리 혼합되어 혼합기가 형성되는 곳이다. 스월러(450)는 공기와 연료와의 혼합을 촉진하도록 허브(440)의 외면에 형성되어 하향으로 유동하는 공기를 선회시킨다. 허브(440)는 연소기에 연료를 공급하며, 예혼합실(410) 내부에서 연장되고 하향 끝단의 외연에 방사상 돌기(451)를 구비한다.
도 3을 참조하면, 방사상 돌기(451)는 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 3(a)에서와 같이 방사성 돌기(451)가 허브(440)의 외연을 따라서 16개가 등간격으로 형성되거나, 도 3(b)에서와 같이 8개로 형성될 수도 있다. 방사성 돌기(451)에 대한 보다 상세한 구조에 대해서는 도 5 내지 도 8을 참조하여 후술하기로 한다.
다시 도 2를 참조하면, 전압 인가 장치(500)는 연소실(300)에서 발생하는 화염이 고전압 전기장 하에 노출되도록 하기 위한 것으로, 일 단자는 허브(440)와 전기적으로 연결되고, 타 단자는 접지(ground)되도록 구성된다. 상술한 구성에 의해 전압 인가 장치(500)는 허브(440)와 연소실(300)의 금속부분 혹은 화염 선단 사이에 전기장을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기를 도시하는 개략도로서, 도 4(a)는 블러프 바디가 연소실 출구와 평행한 경우이고, 도 4(b)는 블러프 바디가 연소실 출구로부터 이격된 경우를 도시하는 개략도이다.
도 4(a)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기는 블러프 바디(bluff body, 452)를 구비한다. 블러프 바디(452)는 허브(440)의 하향 끝단에서 형성될 수 있다. 이 때, 블러프 바디(452)와 연소실(300)의 금속부분 사이의 거리(l)는 방전(discharge) 또는 절연 파괴(breakdown)을 방지하기 위해 일정한 간격을 두도록 형성된다.
도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)와 평행하게 형성되어 연소실(300)로 통하는 면적을 일정부분 폐쇄한다. 즉, 가림판 형태의 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)를 통해 고속으로 분출되는 혼합기의 분출 속도를 국부적으로 감속시켜 화염을 안정화시킬 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 블러프 바디(452)는 연소실 출구(310)에서 하향으로, 즉 연소실(300) 방향으로 일정한 거리(h)만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이 때, 블러프 바디(452)와 연소실(300)의 금속부분 사이의 거리(l)는 도 4(a)에 도시된 구성에 비하여 더욱 연장될 수 있다. 따라서, 연소실(300) 내에 형성되는 전기장에 대한 방전 또는 절연 파괴를 방지하는데 더욱 효과적이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 5(a)는 캔형(can type) 연소기의 개략도이고, 도 5(b)는 대칭형 방사상 돌기의 확대도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일실시예에에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기에서 이용되는 스트리머 코로나를 도시하는 개략도이다.
도 5(a)를 참조하면, 캔형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 캔형으로 형성된다. 횡단면도에서 알 수 있듯이, 캔형 연소기에서는 단일 버너(single burner)가 이용되기 때문에, 화염(330)은 연소실의 라이너(320)의 안쪽에서 공간적으로 균일한 분포, 즉 대칭 구조를 가진다. 도 5(b)를 참조하면, 도 5(a)의 가스 터빈 연소기의 버너 가이드(420) 안쪽의 허브(440)에 대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 이와 같이, 캔형 연소기에서 특정 방향으로 화염 강도가 약한 부분을 특정할 수 없는 경우에는 방사상 돌기를 대칭적으로 구성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 허브(440)로부터 화염이 떨어져 유동 중에 안정되는 부상 화염의 경우, 화염(330)의 밑면이 전하를 띄고 있어, 가상의 전극(virtual electrode)으로 취급될 수 있다. 이와 같은 경우, 전압 인가 장치(500, 도 5(a) 참조)에 의한 허브(440)와 부상 화염(300)의 밑면 사이의 전기장의 세기가 충분히 크다면, 허브(440)의 끝단과 화염(330)의 밑면 사이에 코로나 방전현상이 일어나게 된다.
허브(440)와 화염(330)의 밑면 사이에 발생되는 스트리머 코로나(340)는 지속적인 화염의 점화원이 되는 동시에 화염을 보염(holding or anchoring)하는 특성을 가지므로, 화염의 안정화 특성은 더욱 좋아지게 된다. 특히, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 방사성 돌기(451)는 주변에 강한 전기장을 형성하기 때문에 상술한 스트리머 코로나(340)가 양호하게 형성되도록 유도해주며, 더불어 상기 돌기의 위치와 개수를 조정하면 스트리머 생성 위치와 개수를 제어할 수 있다. 따라서 위와 같은 특성을 이용하면 다양한 형상의 연소기와 화염 형상에 대하여 맞춤형 돌기 설계가 가능해진다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 7(a)는 멀티 캔형(multi can type) 연소기의 개략도이고, 도 7(b)는 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 7(a)를 참조하면, 멀티 캔형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 캔형으로 형성되고, 허브(440)를 포함하는 버너 가이드(420)가 복수 개가 구비된다. 멀티 캔형 연소기에서는 복수 개의 버너(multi burner)가 이용되기 때문에, 상호 작용에 의하여 화염의 불균일성이 발생한다. 구체적으로, 도 7(b)를 참조하면, 중앙 버너에 부착된 화염은 주변으로 열 손실이 다른 버너에 비해 작기 때문에 상대적으로 안정적임에 비해, 외곽 버너들의 경우 중심부 방향과 라이너(320) 벽면 방향의 열손실 정도에 차이가 생긴다. 따라서, 상대적으로 열손실이 큰 라이너(320) 벽면 쪽으로 화염 강도가 감소할 우려가 있다.
도 7(b)을 참조하면, 도 7(a)의 가스 터빈 연소기의 버너 가이드(420) 안쪽의 허브(440)에 비대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 열 전달은 온도 구배에 의해 발생하므로 화염간의 온도차는 화염(330)과 라이너(320)의 벽면의 온도차보다 매우 작다. 따라서, 멀티 캔형 연소기에서 화염 강도가 상대적으로 약한 방향을 특정할 수 있는 경우에는 방사상 돌기(451)를 비대칭적으로 구성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 희박 예혼합 가스 터빈 연소기가 상용 연소기에 적용되는 것을 도시하는 개략도로서, 도 8(a)는 환형(annular type) 연소기의 개략도이도, 도 8(b)는 비대칭형 방사상 돌기의 확대도이다.
도 8(a)를 참조하면, 환형 연소기에서 케이싱(200)과 라이너(320)가 모두 환형으로 형성되고, 허브(440)를 포함하는 버너 가이드(420)가 복수 개가 구비된다. 멀티 캔형 연소기에서와 마찬가지로, 환형 연소기는 복수 개의 버너(multi burner)가 이용되기 때문에, 상호 작용에 의하여 화염의 불균일성이 발생한다. 즉, 반경 방향으로는 열손실이 크지만, 원주 방향으로는 열손실이 작다.
도 8(b)을 참조하면, 도 8(a)의 가스 터빈 연소기의 허브(440)에 비대칭형 방사상 돌기(451)가 적용된 것을 알 수 있다. 즉, 방사상 돌기(451)를 반경 방향으로 치우치게 비대칭적으로 배치할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연소기 200: 케이싱
300: 연소실 310: 연소실 출구
320: 라이너 330: 화염
340: 스트리머 코로나 400: 버너
410: 예혼합실 420: 버너 가이드
440: 허브 450: 스월러
451: 방사상 돌기 452: 블러프 바디
500: 전압 인가 장치

Claims (8)

  1. 연소실(300)의 상향 끝단에 배치되는 예혼합실(410);
    상기 예혼합실(410) 내부에서 연장되며, 하향 끝단의 외연에 원주방향으로 다수 개의 방사상 돌기(451)가 형성되는 허브(440); 및
    상기 방사상 돌기(451)와 상기 연소실(300) 내면 사이에 전기장을 형성하기 위해 상기 허브(440)에 전기적으로 연결되는 전압 인가 장치(500)를 포함하며,
    상기 허브(440)의 상기 하향 끝단은 블러프 바디(bluff body, 452)의 형상으로 이루어지되,
    상기 블러프 바디(452)는 상기 허브(440)의 끝단에서 상방으로 돌출되어 연소실 출구(310)를 통해 고속으로 분출되는 혼합기의 분출 속도를 국부적으로 감소시키도록 형성되며,
    상기 방사상 돌기(451)는 상기 블러프 바디(452)의 외연에 형성되어 상기 방사상 돌기 주변에 전기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 허브(440)는 연소실 출구(310)에서 하향으로 연장되도록 형성되어 상기 블러프 바디(452)가 연소실(300) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사상 돌기(451)는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방사상 돌기(451)는 상기 허브(440)의 단면을 기준으로 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 인가 장치(500)는 상기 허브(440)에 구형파(square wave)의 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 고전압 인가형 가스 터빈 연소기.
  7. 삭제
  8. 삭제
KR1020140195457A 2014-12-31 2014-12-31 고전압 인가형 가스 터빈 연소기 KR101597921B1 (ko)

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JP2003279042A (ja) * 2002-03-22 2003-10-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのガス混合機構
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KR101110144B1 (ko) 2011-06-28 2012-02-20 한국기계연구원 녹스 저감을 위한 이중 혼합구조를 갖는 예혼합형 가스터빈 연소기

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