KR101869150B1 - 가스 터빈 연소기 - Google Patents

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아키히토 오리이
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 가스 터빈 연소기는, 공기와 연료를 분출하는 버너와, 상기 버너를 둘러싸도록 설치된 내통과, 상기 내통의 외주측을 둘러싸도록 설치된 외통과, 상기 내통과 외통 사이에 형성된 공기를 공급하는 공기 유로를 구비하고, 상기 내통에 공기 유로를 통해서 공급된 공기를 내통의 외주측으로부터 내통의 내주측으로 도입하는 개구부를 형성하고, 상기 내통의 개구부에 연통하는 상기 공기 유로 내에, 공기의 흐름에 대하여 장해가 되는 장해물을 설치함과 함께, 이 장해물은 공기를 상류측으로부터 하류측으로 유통시키는 복수의 구멍을 갖는 다공판에 의해 형성하고, 상기 장해물은, 이 장해물에 형성한 상기 구멍의 개구 부분의 면적은, 상기 구멍을 제외한 공기의 흐름의 차폐가 되는 차폐 부분의 면적과 상기 구멍의 개구 부분의 면적을 합산한 면적에 대한 상기 구멍의 개구 부분의 면적의 비율인 개구율이, 상기 장해물의 내주측에서는 작아지고, 상기 장해물의 외주측에서는 커지도록 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

가스 터빈 연소기{GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 가스 터빈 연소기에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 연소기의 내부를 흐르는 공기의 치우침을 억제해서 압력 손실을 저하시키는 유로 구조를 갖는 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
가스 터빈 연소기는, 연소 배기 가스 중의 질소산화물(NOx)이나 미연소분의 저감에 의한 높은 환경 성능과 함께, 가스 터빈 연소기 내를 흐르는 공기의 압력 손실을 저감시켜서 발전 효율을 향상시키는 것이 요구된다.
NOx의 저감에 대해서는, 연소 전에 연료와 공기를 미리 혼합시키는 예비 혼합 연소 방식을 가스 터빈 연소기에 적용하는 것이 유효하다. 연료와 공기를 혼합하여, 연료가 적은 희박 상태에서 연소함으로써 화염 온도를 저감시켜서, 고온에서 생성하는 NOx를 억제한다.
이 예비 혼합 연소 방식을 가스 터빈 연소기에 적용할 때는, 연료를 분산 공급함과 함께 공기를 가스 터빈 연소기 내로 균일하게 흘려서 양자를 균등하게 혼합할 필요가 있다. 이로 인해, 가스 터빈 연소기 내에서 공기의 편류를 억제하여, 균일하게 유동시키는 것이 바람직하다.
공기의 편류를 억제하기 위해서는, 가스 터빈에서 공기가 터빈축 방향으로 직선 형상으로 흐르는 것이 바람직하다. 그러나, 압축기로부터 나온 공기를 가스 터빈 연소기, 더욱이 터빈과 직선 형상으로 배치하면, 가스 터빈이 축 방향으로 길어져 버린다.
이로 인해, 가스 터빈에서는, 비특허문헌 1에 나타낸 바와 같이 역류형 가스 터빈의 방식이 많이 사용된다.
이 역류형 가스 터빈에서는, 가스 터빈 연소기를 압축기 외측에 복수개 배치하여, 압축기와 터빈을 가까이 대는 구성으로 함으로써 터빈축 방향의 길이를 축소한다.
이 경우, 압축기로부터 나온 공기는 가스 터빈 연소기의 외주를 따라 가스 터빈 연소기의 테일부로부터 헤드부로 진행하여, 가스 터빈 연소기의 헤드부에서 공기의 흐름 방향을 180도 반전시켜서 가스 터빈 연소기의 내부로 유입된다.
이와 같이 역류형 가스 터빈에서는, 가스 터빈 연소기의 헤드부에서 공기의 흐름 방향이 180도 바뀌는 유로 반전부를 갖는다. 이 가스 터빈 연소기의 유로 반전부는 공기의 흐름 방향이 크게 바뀌는 점에서 압력 손실이 크다. 또한, 유로 반전부에서 공기의 흐름이 반전될 때에 공기가 갖는 관성력에 의해 편류가 발생하기 쉽다.
이들 압력 손실이나 편류를 억제하는 방법으로서, 유로 단면적을 크게 해서 유속을 저하시키거나, 유로에 정류판 등의 저항체를 설치하거나, 또는 흐름을 분할해서 안내하는 안내판을 설치하는 등의 방법이 있다.
예를 들어, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부에서의 공기의 편류를 억제하는 구조 중 하나로서, 일본특허공개 제2007-232348호 공보(특허문헌 1)에는, 압축기 출구로부터의 공기를 가스 터빈 연소기의 헤드부에서 180도 반전시켜서 가스 터빈 연소기로 유도할 때에, 흐름의 편류를 억제하기 위해서, 상기 유로 반전부의 입구에 정류판을 설치하여, 이 유로 반전부에 흐름을 안내하는 안내판을 설치한 기술이 개시되어 있다.
또한, 일본특허공개 제2009-192175호 공보(특허문헌 2)에는, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부의 입구에 유량 조정 수단을 설치하고, 이 유량 조정 수단에 의해 상기 유로 반전부의 내주측의 유량을 외주측의 유량보다 크게 한 기술이 개시되어 있다. 이 특허문헌 2에는, 또한, 유량 조정 수단에 의해 흐름에 혼란을 줌으로써, 상기 유로 반전부에서의 흐름의 편류를 억제하는 기술이 개시되어 있다.
일본특허공개 제2007-232348호 공보 일본특허공개 제2009-192175호 공보
연소 공학 핸드북 232페이지 (사)일본기계학회(1995년 7월)
역류형 가스 터빈 연소기에 있어서, 종래는 유로 반전부에서 발생하는 압력 손실이나 공기의 편류를 억제하기 위해서, 유로 단면적을 크게 해서 유속을 저하시키는 방법이나, 유로에 정류판 등의 저항체를 설치하거나, 또는 흐름을 분할해서 안내하는 안내판을 설치하는 방법이 사용되어 왔다.
유로 단면적을 크게 해서 반전 시의 유속을 저하시키는 방법으로는, 유로 반전부의 상류측으로부터 유로를 확대할 필요가 있어, 가스 터빈 연소기의 구조가 커져 버린다.
한편, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 정류판이나 안내판을 설치함으로써 유로 단면적의 확대를 억제하기는 하지만, 정류판이나 안내판의 설치에 의해 유로가 복잡해진다. 특히, 유로 도중에 삽입하는 구조물은, 가스 터빈의 정지 시와 운전 시에 유로의 온도가 다르기 때문에, 열변형을 고려한 지지가 필요해진다. 이 때문에 지지 방법이 복잡해지고, 구조물의 삽입에 의해 압력 손실도 증가한다는 과제가 있다.
특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 유량 조정 수단으로 내주측의 유량을 많게 하는 방법, 유로 전체에 혼란을 줌으로써 반전부에서의 흐름의 박리를 억제하는 방법이 제안되어 있지만, 유량의 조정이나, 흐름에 혼란을 줄 때 흐름에 대하여 저항을 줄 필요가 있는 점에서, 유량 조정 수단에 의해 압력 손실이 증가된다는 과제가 있다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부에서의 압력 손실과 흐름의 편류를 억제해서 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하여, NOx를 저감시킨 가스 터빈 연소기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 가스 터빈 연소기는, 공기와 연료를 분출하는 버너와, 상기 버너를 둘러싸도록 설치된 내통과, 상기 내통의 외주측을 둘러싸도록 설치된 외통과, 상기 내통과 외통 사이에 형성된 공기를 공급하는 공기 유로를 구비하고, 상기 내통에 공기 유로를 통해서 공급된 공기를 내통의 외주측으로부터 내통의 내주측으로 도입하는 개구부를 형성하고, 상기 내통의 개구부에 연통하는 상기 공기 유로 내에, 공기의 흐름에 대하여 장해가 되는 장해물을 설치함과 함께, 이 장해물은 공기를 상류측으로부터 하류측으로 유통시키는 복수의 구멍을 갖는 다공판에 의해 형성하고, 상기 장해물은, 이 장해물에 형성한 상기 구멍의 개구 부분의 면적은, 상기 구멍을 제외한 공기의 흐름의 차폐가 되는 차폐 부분의 면적과 상기 구멍의 개구 부분의 면적을 합산한 면적에 대한 상기 구멍의 개구 부분의 면적의 비율인 개구율이, 상기 장해물의 내주측에서는 작아지고, 상기 장해물의 외주측에서는 커지도록 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 가스 터빈 연소기는, 상기한 본 발명의 특징에 있어서, 버너를 구비하여 해당 버너로부터 공기와 연료를 분출하는 연소기의 헤드부와, 상기 연소기 헤드부의 하류측에 설치되어, 연소실의 내부에서 버너로부터 분출한 연료와 공기를 혼합해서 연료를 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소실 부분과, 상기 연소실 부분의 하류측에 설치되어, 연소 가스를 유하시키는 유로로 되는 격벽을 구비하고, 해당 연소실에서 발생한 연소 가스를 상기 격벽으로 형성한 유로를 통해서 유하시키는 연소기 테일부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 가스 터빈 연소기는, 상기한 본 발명의 특징에 있어서, 상기 연소기 헤드부는 공기와 연료를 분출하는 파일럿 버너를 축심측으로 되는 중심부에 더 구비하고, 이 파일럿 버너의 외주측에 복수의 메인 버너를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예인 가스 터빈 연소기는, 유로 반전부의 상류측의 공기 유로에 전술한 특징을 갖는 장해물을 설치함으로써, 하기의 효과가 얻어진다. 우선, 공기 유로의 내주측에서 장해물의 구멍(개구부)을 통과한 후의 공기는, 구멍을 통과한 후에 유로가 확대됨으로써 유속이 저하된다. 또한, 주위의 기체와의 유속차에 의해 혼란이 많아진다. 저유속으로 혼란이 많기 때문에 흐름이 구부러지기 쉬워, 반전부의 내주를 지나서 연소기 내부의 외주측을 흐른다.
한편, 공기 유로의 외주측에서 장해물의 구멍(개구부)을 통과한 후의 공기는, 개구부의 단면적이 내주측에 비해 크고, 차폐되는 단면적이 내주측에 비해 작다. 이로 인해, 구멍(개구부)을 통과한 후의 유로의 확대가 작으므로 유속의 저하도 적다.
또한, 주위의 기체와의 접촉 면적이 적으므로 혼란도 내주측에 비해 작다. 내주측에 비해 고유속으로 혼란이 작기 때문에 관성력에 의해 직진하기 쉽다. 이로 인해, 반전부의 외주를 돌아 연소기 내부의 중심측을 흐른다.
이와 같이 유로 반전부의 상류측의 공기 유로에 본 발명의 장해물을 설치함으로써, 반전부에서는 내주를 지나서 연소기 내부의 내주측을 흐르는 흐름과, 외주를 지나서, 연소기 내부의 중심측을 흐르는 흐름이 형성되어, 반전부나 연소기 내부로 균일하게 흐른다.
반전 부분의 상류에 장해물을 설치하는 것뿐이라는 점에서, 가스 터빈 연소기의 구조는 심플하다. 반전 부분의 상류에 장해물을 설치함으로써 유로 반전부의 상류측의 장해물 부분에서는 압력 손실이 다소 증가하기는 하지만, 유로 반전 부분에서 흐름에 편류가 발생하지 않기 때문에 가스 터빈 연소기 전체에서의 공기의 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 가스 터빈 연소기 내부로 균일하게 공기가 흐름으로써, 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하기 쉬워져, NOx의 저감 등 연소 성능을 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부에서의 압력 손실과 흐름의 편류를 억제해서 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하여, NOx를 저감시킨 가스 터빈 연소기를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기의 단면을 도시하는 모식도.
도 2는 도 1에 도시하는 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기에 있어서, 유로 반전부 근방을 도시하는 부분 확대도.
도 3은 도 2에 도시하는 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기에 있어서, 유로 반전부 상류측의 유로의 일부분을 나타내는 화살표도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기에 있어서, 유로 반전부 근방을 도시하는 부분 확대도.
도 5는 도 4에 도시하는 본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기에 있어서, 유로 반전부 상류측의 유로의 일부분을 나타내는 화살표도.
본 발명의 실시예인 가스 터빈 연소기에 대해서, 도면을 사용해서 이하에 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기에 대해서 도 1 내지 도 6을 사용해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시하는 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서의 공기 유로의 일부분을 확대해서 도시하는 부분 단면도이다.
도 3은 공기 유로에 설치한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기에 있어서의 장해물의 형상을 도시하는 도 2의 A-A 방향의 화살표도이다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)를 구비한 가스 터빈 발전 장치는, 연소용 공기(6)를 거두어들여서 압축하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)에서 압축된 공기(6)와 외부로부터 연료 공급 계통(4)을 통해서 공급된 연료(5)를 혼합해서 상기 연료(5)를 연소하여, 고온 고압의 연소 가스(7)를 발생하는 가스 터빈 연소기(10)와, 상기 가스 터빈 연소기(10)에서 발생한 연소 가스를 도입해서 구동되는 터빈(2)과, 이 터빈(2)의 구동에 의해 회전해서 발전하는 발전기(3)와, 운전 제어기(도시하지 않음)에 의해 가스 터빈 발전 장치를 구성하고 있다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)를 구비한 가스 터빈 발전 장치에 있어서, 연료(5)는 외부로부터 연료 공급 계통(4)을 지나서 가스 터빈 연소기(10)에 공급된다.
공기(6)는 압축기(1)에 의해 가압 압축되어, 연료(5)를 연소시키는 연소용 공기(6)로서 가스 터빈 연소기(10)에 공급된다.
가스 터빈 연소기(10)에서는 연료(5)를 공기(6)와 혼합해서 연소시켜서 고온 고압의 연소 가스(7)를 발생시킨다. 그리고, 발생한 고온 고압의 연소 가스(7)는, 가스 터빈 연소기(10)로부터 터빈(2)으로 도입되어 해당 터빈(2)을 구동하고, 이 터빈(2)에서 연소 가스(7)가 유지하는 에너지를 회수한다.
그리고, 연소 가스(7)가 유지하는 에너지의 일부는 터빈(2)에 의해 구동되는 압축기(1)의 동력원으로 되고, 또한 연소 가스(7)가 유지하는 에너지의 다른 일부는 상기 터빈(2)에 의해 구동되는 발전기(3)를 회전시켜서 발전에 제공된다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)를 구비한 가스 터빈 발전 장치에서는, 압축기(1)와 터빈(2) 및 발전기(3)를 1개의 축으로 연결한 1축 형식의 가스 터빈 발전 장치를 나타내고 있지만, 본 발명의 실시예인 가스 터빈 연소기(10)는 터빈(2)이 고압 터빈과 저압 터빈으로 분할된 2축 형식의 가스 터빈 발전 장치에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예인 가스 터빈 연소기(10)는 발전기(3) 이외에 동력원으로서 사용하는 경우의 가스 터빈 발전 장치에도 적용할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)를 구비한 가스 터빈 발전 장치에 있어서, 가스 터빈 연소기(10)에 연료(5)를 공급하는 연료 공급 계통(4)의 배관이나 밸브 등의 구성에 따라서는, 연료(5)로서 기체 연료뿐만 아니라 액체 연료로도 사용할 수 있다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)를 구비한 가스 터빈 발전 장치에서는, 연료 공급 계통(4)을 1계통 설치한 경우를 나타내지만, 연료 계통(4)을 복수 계통 설치해서 가스 터빈 연소기(10)에서 복수의 연료종을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 제1 실시예로서 나타낸 가스 터빈 연소기(10)는, 공기가 흐르는 양태로부터 역류형이라고 불린다. 이하, 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)의 구체적인 구성에 대해서 설명한다.
도 1에 도시한 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 가스 터빈 연소기(10)의 구성 부분을, 도 1의 좌측으로부터 연소기 헤드부(10a), 연소실 부분(10b), 연소기 테일부(10c)로 각각 구분해서 설명한다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 본 실시예의 가스 터빈 연소기(10)를 구성하는 연소기 헤드부(10a)의 축심 중심부에는, 파일럿 버너(11)가 배치되고, 이 파일럿 버너(11)의 외주측 주위에 복수의 메인 버너(12)가 배치되어 있다.
상기 파일럿 버너(11)의 중심축 상에는, 그 선단에 연료(5)를 연소실(21)로 분출하는 분출 구멍을 갖는 파일럿 노즐(13)이 설치되어 있다.
또한, 상기 메인 버너(12) 내에는 연료(5)를 분출하는 분출 구멍을 갖는 메인 노즐(14)을 구비하고 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 메인 노즐(14)의 선단은 메인 버너(12)의 내부에 배치되어 있고, 이 메인 버너(12)의 선단의 내부에 연료(5)와 공기(6)가 혼합하는 예비 혼합 노즐(15)이 구비되어 있다.
파일럿 버너(11)와 메인 버너(12)의 외주측 주위에는, 파일럿 버너(11)와 메인 버너(12)를 둘러싸도록 내통(18)이 설치되어 있다.
이 내통(18)의 외주측에는 해당 내통(18)의 외주를 둘러싸도록 외통(19)이 설치되어 있고, 또한 상기 외통(19)의 단부에는 엔드 커버(20)가 설치되어 있어, 이 외통(19)과 엔드 커버(20)에 의해 밀폐된 압력 용기를 구성하고 있다.
그리고 상기 내통(18)의 외주측과 상기 외통(19)의 내주측 사이에, 후술하는 공기가 흐르는 공기 유로(26)와 연통하여, 동일하게 공기가 흐르는 공기 유로(26a)를 형성하고 있다.
본 실시예의 가스 터빈 연소기(10)를 구성하는 연소실 부분(10b)은, 중심부에 상기 파일럿 버너(11) 및 메인 버너(12)로부터 공급되는 연료(5)와 공기(6)를 혼합해서 해당 연료(5)를 연소하여, 고온 고압의 연소 가스(7)를 발생하는 연소실(21)이 구비되어 있고, 상기 연소실(21) 외주에는 라이너(22)를 설치해서 해당 연소실(21)을 구획하고 있다.
상기 라이너(22)의 외주측에는 격벽(23)이 배치되어 있고, 상기 라이너(22)의 외주측과 격벽(23)의 내주측 사이에 상기 공기 유로(26a)와 연통한 공기(6)가 흐르는 공기 유로(26)가 형성되어 있다.
본 실시예의 가스 터빈 연소기(10)를 구성하는 연소기 테일부(10c)는, 격벽(24)으로 구획된 중앙의 공간에 상기 연소실(21)에서 발생한 고온 고압의 연소 가스(7)가 유하하고 있고, 이 연소 가스(7)가 가스 터빈 연소기(10)의 하류측에 설치한 터빈(2)에 공급된다.
상기 격벽(24)의 외주측은 상기 공기 유로(26)에 면하고 있고, 이 공기 유로(26)에 압축기(1)의 출구로부터 공기 유로(25)를 지나서 가스 터빈 연소기(10)에 공급된 공기(6)가 흐르고 있다.
가스 터빈 연소실(10)로 유입되는 공기(6)는, 압축기(1)의 출구로부터 공기 유로(25)를 지나서 상기 가스 터빈 연소기(10)의 연소기 테일부(10c)로부터 연소기 헤드부(10a)를 향해서 가스 터빈 연소기(10)의 외주측의 상기 공기 유로(26) 및 이 공기 유로(26)와 연통한 공기 유로(26a)를 순차적으로 흐른다.
상기 공기 유로(26a)를 흐른 공기(6)는, 가스 터빈 연소기(10)의 연소기 헤드부(10a)에 있어서, 내통(18)의 벽면에 형성된 개구부(27)를 지나서 내통 내부 공간(27a)으로 유입된다.
개구부(27)로 유입되기 전의 공기(6)의 흐름은, 연소기 테일부(10c)로부터 연소기 헤드부(10a)를 향하는 상기 공기 유로(26) 및 공기 유로(26a)를 순차적으로 흐르는 공기(6)의 흐름으로 되지만, 개구부(27)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 유입된 후에는 연소기 헤드부(10a)로부터 연소실 부분(10b) 및 연소기 테일부(10c)를 향하는 흐름으로 된다. 이와 같이 개구부(27)는 유로 반전부로 된다.
또한, 상기 공기 유로(26) 및 공기 유로(26a)를 순차적으로 흐르는 공기(6)의 일부는 연소기 헤드부(10a)까지는 흐르지 않고, 상기 공기 유로(26) 도중부터 라이너(22) 및 격벽(24)에 형성한 공기 구멍으로부터 상기 연소실(21) 안으로 유입되도록 구성해도 된다(도시하지 않음).
가스 터빈 연소기(10)의 내통(18)의 개구부(27)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 유입된 공기(6)는, 파일럿 버너(11) 및 메인 버너(12)를 거쳐서 내통 내부 공간(27a)의 하류측에 접속하는 연소실 부분(10b)인 상기 연소실(21)로 유입된다.
그리고, 상기 연소실(21)에서 파일럿 노즐(13) 및 메인 노즐(14)로부터 공급되는 연료(5)와 공기(6)를 혼합해서 해당 연료(5)를 연소하고, 고온 고압의 연소 가스(7)를 발생시킨다.
상기 연소실(21)에서 발생한 고온, 고압의 연소 가스(7)는, 연소실 테일부(10c)인 상기 격벽(24)의 내주측을 유하해서 상기 연소실 테일부(10c)의 하류측에 설치된 터빈(2)으로 유입된다.
가스 터빈 연소기(10)에서는, 연소 가스(7) 중의 질소산화물(NOx)이나 일산화탄소(CO), 미연분의 저감이 중요하다. 또한, 공기(6)의 연소기 전후에서의 압력 손실은 가스 터빈의 효율에 영향을 미치므로 저감시킬 것이 요망된다.
상기 연소실(21)에서 연료를 연소 시의 연소 가스(7) 중의 NOx나 CO, 미연분의 저감에서는, 연료(5)와 공기(6)의 혼합이 중요하다. 연료와 공기를 별개로 공급하여 혼합하면서 연소시키는 확산 연소 방법은, 화염이 안정적으로 형성되기 쉽지만, 화염 내에 국소적인 고온부가 형성되기 때문에 NOx가 생성되기 쉽다.
한편, 연료와 공기를 미리 혼합한 다음에 연소시키는 예비 혼합 연소 방법은, 연료가 희박한 조건에서 연소시키면 화염 내의 온도가 균일해지기 때문에 NOx를 저감시킬 수 있지만, 안정 연소하는 범위가 좁다. 이로 인해, 양자를 조합시킨 연소 방법이 일반적이다.
본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 연소기의 중심부에 설치한 파일럿 버너(11)에서 확산 연소시키고 있다. 또한, 파일럿 버너(11)의 외주에 설치한 메인 버너(12)에서는 예비 혼합 연소시키고 있다.
파일럿 버너(11)에서의 확산 연소에 의해 형성하는 화염으로 메인 버너(12)의 화염을 유지함으로써 안정 연소시켜서, CO나 미연분의 생성을 억제한다. 또한, 메인 버너(12)에 투입하는 연료를 증가시킴으로써, 예비 혼합 연소시키는 예비 혼합 연소의 비율을 높여서 NOx의 생성을 억제한다.
상술한 연소 방식에 있어서는, 연료(5)의 배분과 함께 공기(6)를 파일럿 버너(11)와 메인 버너(12)에 적절하게 배분하는 것이 중요하다.
그러나, 공기(6)의 흐름은 연소기 헤드부(10a)에서 공기(6)의 흐름 방향이 반전될 때에 공기(6)의 흐름에 치우침(편류)이 발생하기 쉽고, 이것이 연소 성능의 악화나 압력 손실의 상승을 초래할 가능성이 있었다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 유입된 공기(6)의 흐름의 치우침을 억제하여 압력 손실을 저감시키고 있다.
이하, 도 2 및 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서의 연소기 헤드부(10a) 근방의 부분 확대도를 사용하여, 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 도 2는, 가스 터빈 연소기(10)의 공기 유로(26a)에 장해물(30)을 설치한 구조의 부분 확대도이고, 도 3은, 가스 터빈 연소기(10)의 연소기 헤드부(10a)를 도 2의 화살표 A측에서 본 장해물(30)의 확대도이다.
도 2에 있어서, 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)는, 연소기 헤드부(10a)의 외통(19)과 내통(18) 사이에 형성된 공기 유로(26a)를 유하한 공기(6)는, 내통(18)의 벽면에 형성된 개구부(27)를 지나서 내통 내부 공간(27a)으로 유입되지만, 개구부(27)의 상류측에 연통한 공기 유로(26a)의 내부에는, 해당 공기 유로(26a)를 흐르는 공기(6)에 대하여 장해물이 되는 장해물(30)이 설치되어 있다.
상기 장해물(30)은, 상류측과 하류측에 연통하는 해당 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 다수의 구멍과, 해당 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 다수의 구멍으로 구성된 다공판으로 형성되어 있고, 공기(6)의 흐름에 대하여 내통(18)의 벽면에 형성된 개구부(27)의 상류측에 위치하도록 상기 내통(18)의 외주측의 벽면에 상기 장해물(30)의 내주부(30a)의 단부를 접속시켜서 설치하고 있지만, 상기 외통(19)의 내주측의 벽면과 상기 장해물(30)의 외주부(30)의 단부 사이에는 간극을 형성해서 상기 장해물(30)의 외주부(30b)가 접속하지 않도록 구성하고 있다.
그리고, 공기 유로(26a)를 흐르는 공기(6)는, 해당 공기 유로(26a)에 설치된 장해물(30)인 다공판에 형성된 내주부(30a)의 구멍인 내주측 개구부(31a) 및 외주부(30b)의 구멍인 외주측 개구부(31b)를 각각 지나서 내통(18)에 형성한 개구부(27)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 유입된다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 개구부(27)와 연통한 공기 유로(26a)에 설치된 장해물(30)은, 공기(6)가 통과하는 내주부(30a)에 형성한 구멍의 부분의 단면적을 내주측 개구부(31a), 외주부(30b)에 형성한 구멍의 부분의 단면적을 외주측 개구부(31b)라 하고 있다.
또한, 상기 장해물(30) 중, 도 3에 사선부로 나타나는 공기(6)의 흐름을 방해하는 부분을, 장해물(30)의 내주부(30a)에서는 내주측 개구부(31a)를 제외한 부분을 내주측의 차폐부(32a)라 하고, 장해물(30)의 외주부(30b)에서는 외주측 개구부(31b)를 제외한 부분을 외주측의 차단부(32b)라 하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 점선은 장해물(30)의 내주부(30a)와 외주부(30b)를 구분하는 구분선(33)이다.
그리고, 상기 장해물(30)의 내주부(30a)의 구멍으로서 형성한 내주측 개구부(31a) 및 외주부(30b)의 구멍으로서 형성한 외주측 개구부(31b)의 단면적과, 상기 장해물(30)의 내주측 차폐부(32a) 및 외주측 차폐부(32b)의 단면적을 합산한 단면적에 차지하는 상기 내주측 개구부(31a) 및 외주측 개구부(31b)의 단면적의 비율을 개구율이라 한다.
또한, 도 3에 점선의 구분선(33)으로 구분한 바와 같이, 상기 장해물(30)을, 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a) 및 내주측의 차폐부(32a)와, 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b) 및 외주측의 차폐부(32b)로 구분하고 있다.
본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 개구부(27)와 연통한 공기 유로(26a)에 설치된 장해물(30)은, 내주부(30a)에서 개구율이 작아지게, 외주부(30b)에서 개구율이 커지게 구성되어 있다.
즉, 장해물(30)은 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)가 작고, 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)가 크다.
본 발명의 제1 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)와 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)의 내주부(30a)에 개구율이 작은 내주측 개구부(31a) 및 장해물(30)의 외주부(30b)에 개구율이 큰 외주측 개구부(31b)를 갖는 구성을 채용함으로써, 공기 흐름(34, 35)의 편류를 억제하도록 구성하고 있다.
구체적으로는, 도 2에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 개구부(27)와 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a) 및 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)의 구성을 변경함으로써, 공기 유로(26a)의 내주측을 흐르는 공기의 흐름(34)의 유속을 저하시키도록 구성하고 있다.
한편, 내통 내부 공간(27a)에 연통하는 공기 유로(26a)의 외주측을 흐르는 공기의 흐름(35)의 유속은 증가하도록 구성하고 있다. 즉, 공기 유로(26a)에, 장해물(30)의 내주부(30a)에는 개구율이 작은 내주측 개구부(31a) 및 장해물(30)의 외주부(30b)에는 개구율이 큰 외주측 개구부(31b)를 갖는 상기한 구성의 장해물(30)을 설치하고 있다.
상기 장해물(30)을 상기 구성으로 함으로써, 상기 장해물(30)의 하류측에서 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)를 거쳐서 공기 유로(26a)의 내주측을 흐르는 공기의 흐름(34)과, 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)를 거쳐서 공기 유로(26a)의 외주측을 흐르는 공기의 흐름(35)에 유속의 차를 형성시켜서, 공기 유로(26a)를 유하한 공기를, 상기 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)를 지나는 공기의 흐름(34)과, 상기 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)를 지나는 공기의 흐름(35)을, 실질적으로 균일한 흐름으로 해서, 내통(18)에 형성한 개구부(27)로부터 내통(18)의 내부에 형성한 내통 내부 공간(27a)으로 유입시키도록 형성한 것이다.
이하에, 상기 장해물(30)의 구조와, 이 장해물(30)의 하류에서의 공기의 흐름(34)과 공기의 흐름(35)에 대해서 설명한다.
도 2에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)의 내주부(30a)는, 이 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)의 단면적과, 내주측 개구부(31a)와 내주측의 차폐부(32a)의 단면적의 비율인 장해물(30)의 내주부(30a)에서의 개구율이 작아지도록 형성되어 있다.
이로 인해, 장해물(30)의 하류측으로 되는 공기 유로(26a)에서는 해당 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)를 지나간 공기의 흐름(34)은, 차폐부(32a)의 하류측의 흐름의 정체부와의 유속차에 의해 혼란이 발생하여, 정체부에 상기 공기의 흐름(34)의 흐름이 퍼지므로, 이 공기의 흐름(34)의 유속은 저하된다.
상기 장해물(30)의 내주부(30a)에서의 개구율이 작기 때문에, 상기 장해물(30)의 내주부(30a)의 하류측에서는 공기의 흐름(34)의 유속의 저하가, 상기 장해물(30)의 외주부(30b)의 하류측에서의 공기의 흐름(35)의 유속 저하에 비해서 크다.
또한, 장해물(30)의 내주부(30a)에서의 개구율이 작기 때문에, 상기 장해물(30)의 내주부(30a)의 하류측에서는 공기의 흐름(34)의 유량도 적다. 이로 인해, 장해물(30)의 내주부(30a)의 하류측에서는 공기의 흐름(34)의 관성력이 약해진다.
공기의 흐름(34)의 관성력이 약하기 때문에, 공기의 흐름(34)의 유동 방향은 바뀌기 쉬우며, 상기 공기의 흐름(34)은, 장해물(30)을 통해서 공기 유로(26a)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 유입될 때에 내통(18) 선단에 가까운 위치에서 반전하는 공기의 흐름(34)으로 되어, 내통(18) 내에서는 내통(18)의 외주측의 메인 버너(12)측으로 공기의 흐름(34)이 흐르게 된다.
한편, 장해물(30)의 외주부(30b)에서는, 해당 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)의 단면적과, 외주측 개구부(31b)의 단면적과 외주측의 차폐부(32b)의 단면적을 합산한 단면적에 차지하는 비율인 개구율이 커진다.
이로 인해, 장해물(30)의 외주부(30b)의 하류측에서는 외주측 개구부(31b)를 지나간 공기의 흐름(35)은, 외주측의 차폐부(32b)의 하류측의 흐름의 정체부와의 유속차에 의해 혼란이 내주측에 비해 작다.
또한, 외주측의 차폐부(32b)의 단면적이 작기 때문에, 장해물(30)의 외주부(30b)를 흐르는 공기의 흐름(35)의 유속의 저하가 장해물(30)의 내주부(30a)를 흐르는 공기의 흐름(34)의 유속의 저하에 비해 작다.
또한, 개구율이 크기 때문에, 장해물(30)의 외주부(30b)를 흐르는 공기의 흐름(35)의 유량도 많다. 이로 인해, 장해물(30)의 외주부(30b)는 장해물(30)의 내주부(30a)에 비해 관성력이 높기 때문에, 장해물(30)의 외주부(30b)를 흐르는 공기의 흐름(35)의 흐름의 방향은 바뀌기 어려워, 공기의 흐름이 장해부(30)를 통해서 공기 유로(26a)로부터 내통 내부 공간(27a)으로 들어갈 때에, 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부(10a)로부터 가까운 위치에서 공기의 흐름 방향이 반전되는 공기의 흐름(35)으로 되어, 내통 내부 공간(27a)에서 중심축의 파일럿 버너(12)측으로 흐르는 방향의 공기의 흐름(35)으로 된다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 장해물(30)을 설치하고, 이 장해물(30)의 내주부(30a)의 개구율을 외주부(30b)의 개구율보다 작아지도록 구성함으로써, 공기의 흐름이 반전되는 부분인 개구부(27)에서 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부(10a)의 엔드 커버(20)보다 이격된 위치로부터 엔드 커버(20)에 가까운 위치에 이르기까지, 공기의 흐름(34) 및 공기의 흐름(35)이 각각 반전하는 균일한 흐름을 실질적으로 형성할 수 있다.
이 결과, 내통 내부 공간(27a)에서는, 공기의 흐름(34) 및 공기의 흐름(35)이 한 곳으로 치우치지 않고 실질적으로 균일한 흐름을 형성하므로, 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 내통 내부 공간(27a)의 하류측의 가스 터빈 연소기(10)의 내통(18) 내에 공기의 흐름(34) 및 공기의 흐름(35)이 일정하게 유입되도록 구성함으로써, 파일럿 버너(11)나 메인 버너(12)에 균등하게 공기가 배분된다.
이 결과, 파일럿 버너(11)나 메인 버너(12)에서의 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하기 쉬워져, NOx의 저감과 압력 손실의 저감을 양립시킬 수 있다.
본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)은 내주부(30a)의 개구율을 외주부(30b)의 개구율보다 작게 하는 것을 특징으로 한다.
도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)의 다공판에 형성된 구멍으로서, 해당 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)의 형상을 원형으로, 장해물(30)의 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)를 직사각형으로 형성한 경우를 나타내지만, 다공판인 상기 장해물(30)의 내주부(30a)에 형성한 내주측 개구부(31a)의 형상 및 외주부(30b)에 형성한 외주측 개구부(31b)의 형상은 원형이나 직사각형에 한하지 않고, 타원이나 다각형으로 형성해도 상관없다.
또한, 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(30)의 내주부(30a)의 내주측 개구부(31a)의 구멍의 형상을, 이 구멍의 주위 경계면이 원형의 구멍에 비해서 큰 형상, 예를 들어 별모양의 형상으로 하면, 내주측 개구부(31a)를 통과한 후의 공기의 흐름(34)의 혼란이 강해져서, 공기의 흐름(34)의 흐름의 감속을 더욱 진행시키는 것이 가능하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부에서의 압력 손실과 흐름의 편류를 억제해서 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하여, NOx를 저감시킨 가스 터빈 연소기를 실현할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 대해서 도 4 및 도 5를 사용해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 공기 유로(26)의 일부분을 확대해서 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)의 형상을 도시하는 도 4의 A-A 방향의 화살표도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 기본적인 구성은, 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)와 실질적으로 동일하므로 설명을 생략한다.
본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)와 다른 점은, 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부(10a)의 외통(19)과 내통(18) 사이의 공기 유로(26)에 설치한 장해물(50)의 형상에 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)는, 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부(10a)에서, 개구부(27)와 연통하는 상기 공기 유로(26a)의 내부에 장해물(50)이 설치되어 있다.
상기 장해물(50)은 상류측과 하류측을 연통하는 다수의 구멍인 내주측 개구부(51)로 구성된 다공판이며, 공기(6)의 흐름에 있어서 내통(18)의 벽면에 형성된 개구부(27)의 상류측으로 되는 상기 내통(18)의 외주면에 설치되어 있다.
그리고, 공기 유로(26a)를 흐르는 공기는 다공판으로 형성된 상기 장해물(50)에 형성된 다수의 구멍인 내주측 개구부(51)를 지나서 유하하고, 내통(18)의 벽면에 형성된 개구부(27)를 지나서 내통(18)의 내측에 형성된 내통 내부 공간(27a)으로 유입된다.
또한, 공기 유로(26a)에 설치한 상기 장해물(50)은, 공기 유로(26a)의 내주측에만 설치되어 있다.
본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)를 흐르는 공기는 그 일부가 장해물(50)을 구성하는 다공판에 형성한 내주측 개구부(51)를 지나고, 그 외에는 장해물(50)의 외주측으로 되는 장해물이 없는 공기 유로(26a)의 공간부를 지나서 흐른다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 장해물(50)의 선단에는 공기의 흐름 방향과 평행하게 하류측으로 연장하는 안내판(57)을 설치해도 된다.
본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 상기 장해물(50) 중, 공기가 통과하는 구멍을 내주측 개구부(51)라 하고, 상기 장해물(50) 중, 공기 유로(26a)의 내주측의 공기가 통과하는 구멍인 내주측 개구부(51)가 없어 공기의 흐름을 방해하는 부분을 내주측의 차폐부(52)라 하고 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 상기 장해물(50)의 내주측 개구부(51)의 단면적과 내주측의 차폐부(52)의 단면적을 합산한 단면적에 대하여 내주측 개구부(51)의 단면적 비율을 개구율이라 한다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)은, 공기 유로(26a)의 내주측에만 설치되어 있다.
이로 인해, 본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50) 중, 장해물(50)이 존재하는 유로 부분은 개구율이 1 미만이고, 장해물(50)이 존재하지 않는 해당 장해물(50)의 외주측의 유로 부분은 개구율이 1로 된다.
본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 상기 장해물(50)은 내통(18)의 외면에만 설치되어 있기 때문에, 상기 장해물(50)은 내통(18)과 외통(19)의 열 신장차의 영향을 받지 않는다.
이하에, 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서의 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)의 구조와, 상기 장해물(50)의 구조물의 하류에서의 공기의 흐름에 대해서 설명한다.
도 4에 도시한 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에 있어서, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)은, 내주측 개구부(51)의 단면적과, 내주측 개구부(51)의 단면적과 내주측의 차폐부(52)의 단면적을 합산한 단면적에 대한 비율인 개구율이 작다.
이로 인해, 장해물(50)의 하류측에서는 내주측 개구부(51)를 지나간 공기의 흐름(54)은, 장해물(50)의 내주측 차폐부(52)의 하류측의 흐름의 정체부와의 유속차에 의해 혼란이 발생하여, 정체부에 흐름이 퍼지므로 공기의 흐름(54)의 유속은 저하된다.
장해물(50)의 내주측은 개구율이 작기 때문에, 장해물(50)의 내주측의 하류측에서는 유속의 저하가 장해물(50)의 외주측의 하류측에 비해 크다. 또한, 장해물(50)의 개구율이 작기 때문에 유량도 적다.
이로 인해, 장해물(50)의 내주측의 하류에서는 공기의 관성력이 약해진다. 관성력이 약하기 때문에 흐름의 방향은 바뀌기 쉬워, 개구부(27)로 들어갈 때에 내통(18) 선단에 가까운 위치에서 공기의 흐름(54)의 방향이 반전되는 공기의 흐름으로 된다.
즉, 개구부(51)를 지나간 공기의 흐름(54)은, 내통(18) 선단에 가까운 위치를 지나서, 외주측의 메인 버너(12)측으로 공기가 흐른다.
한편, 장해물(50)의 외주측은, 장해물이 형성되지 않으므로 개구율은 1로 크다. 이로 인해, 장해물(50)의 외주측을 지나간 공기의 흐름(55)은, 혼란이 내주측의 공기의 흐름(54)에 비해 작고, 유속의 저하도 내주측의 흐름(54)에 비해 작다.
이로 인해, 장해물(50)의 외주측은 장해물(50)의 내주측에 비해 관성력이 높아져서, 공기의 흐름의 방향은 바뀌기 어려우며, 개구부(27)로 들어갈 때에 연소기의 헤드부로부터 가까운 위치에서 공기가 흐르는 방향이 반전되는 공기의 흐름(55)으로 되어, 내통(18) 내에서 중심축의 파일럿 버너(12)측으로 공기가 흐른다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)을 내주측에만 설치하고, 장해물(50)의 내주측의 개구율을 장해물(50)의 외주측의 개구율보다 작게 함으로써, 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)이 공기가 흐르는 방향을 반전시키는 부분인 개구부(27)에서, 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부로부터 이격된 위치로부터 가까운 위치까지 공기가 흐르는 방향이 반전되는 흐름을 형성할 수 있다.
이 결과, 개구부(27)에서는, 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)이 한 곳으로 치우치지 않고 일정한 흐름을 형성하여, 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 개구부(27)의 하류측의 가스 터빈 연소기(10)의 내통(18) 내의 내통 내부 공간(27a)에, 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)이 일정하게 유입됨으로써, 파일럿 버너(11)나 메인 버너(12)에 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)을 균등하게 배분시킨다.
이 결과, 파일럿 버너(11)나 메인 버너(12)에서의 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하기 쉬워져서, NOx의 저감과 연소기의 구조의 간소화나 압력 손실의 저감을 양립시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 가스 터빈 연소기(10)의 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)의 외주측의 단부면으로 되는 선단에, 공기 유로(26a)의 길이 방향에 대하여 평행하게 신장하는 안내판(57)을 설치하고 있다.
이 장해물(50)의 외주측의 단부면으로 되는 선단에 상기 안내판(57)을 설치함으로써, 내통 내부 공간(27a)에 연통하는 공기 유로(26a)의 내주측을 흐르는 공기의 흐름(54)과, 공기 유로(26a)의 외주측을 흐르는 공기의 흐름(55)을 분리할 수 있다.
공기 유로(26a)의 내주측을 흐르는 공기의 흐름(54)과, 공기 유로(26a)의 외주측을 흐르는 공기의 흐름(55)을, 이 공기 유로(26a) 내에 설치한 상기 장해물(50)의 외주측의 단부면으로 되는 선단에 설치한 안내판(57)에 의해 분리함으로써, 상기 장해물(50)을 통해서 상기 공기 유로(26a)로부터 개구부(27)로 유입된 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)은 한 곳으로 치우치지 않고, 공기의 흐름(54)과 공기의 흐름(55)이 일정한 흐름을 형성하여, 압력 손실을 더 저감시킬 수 있다.
또한, 장해물(50)의 외주측의 단부면으로 되는 선단에 설치한 상기 안내판(57)은 공기의 흐름 방향과 평행해지도록 상기 장해물(50)에 설치하고 있으므로, 안내판(57)의 설치에 의한 압력 손실은 작다.
여기서, 가스 터빈 연소기(10)의 구조는 동일하며, 공기 유로(26a)에 장해물(50)을 설치한 경우를 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10), 장해물(50)을 떼어낸 경우를 비교예의 가스 터빈 연소기라 하여, 본 발명의 제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 공기 유로(26a)에 상기 장해물(50)을 설치한 것에 의한 압력 손실의 저하를 검산하였다.
비교예의 가스 터빈 연소기에서는, 압력 손실이 약 6.0%인 데 반해, 본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 공기 유로(26a)에 장해물(50)을 설치함으로써 압력 손실은 약 0.3% 저하된다.
제2 실시예인 가스 터빈 연소기(10)의 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 장해물(50)을 설치하면, 공기 유로(26a)에 저항체가 증가하므로 압력 손실은 증가하지만, 한편, 상술한 바와 같이 공기가 흐르는 방향이 반전되는 부분인 개구부(27)에서 공기의 흐름(54) 및 공기의 흐름(55)의 양쪽을 모두 가스 터빈 연소기(10)의 헤드부(10a)의 엔드 커버(20)에 가까운 위치로부터 엔드 커버(20)로부터 이격된 위치에 이르기까지 공기의 흐름(54) 및 공기의 흐름(55)의 양쪽이 한 곳으로 치우치지 않고 일정한 흐름을 형성하므로, 개구부(27)에서의 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
양쪽의 효과를 합산하면, 개구부(27)에서의 압력 손실의 저감 효과가 커지는 점에서, 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는 압력 손실이 저하된 것이라 생각한다.
또한, 도 5에서는 가스 터빈 연소기(10)의 개구부(27)에 연통하는 공기 유로(26a)에 설치한 장해물(50)의 구멍인 내주측 개구부(51)의 형상을 원형으로 한 경우를 나타내지만, 내주측 개구부(51)의 형상은 원형 또는 직사각형에 한하지 않고, 타원이나 다각형이어도 상관없다. 또한, 내주측 개구부(51)의 구멍 형상을 주위 경계면이 큰 형상, 예를 들어 별모양으로 하면, 구멍을 통과 후의 공기의 혼란이 강해져서, 흐름의 감속이 진행된다.
또한, 전술한 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 연소기(10)나, 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 파일럿 버너(11)와 메인 버너(12)를 조합한 가스 터빈 연소기(10)를 예로 들어 설명했지만, 역류형 가스 터빈의 연소기에 대해서도 본 발명의 가스 터빈 연소기(10)의 구성을 적용할 수 있다.
이들 경우에도, 공기의 압력 손실의 저감이나 공기를 가스 터빈 연소기 내에 균등하게 배분하는 것에 의한 연소 성능의 개선은, 본 발명의 제1 실시예나 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에 나타내는 바와 같다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에, 개구부(27)나 내통 내부 공간(27a), 공기 유로(26a)에 공기의 흐름을 안내하는 안내판을 설치해도 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 상기한 각 실시예의 가스 터빈 연소기(10)에서는, 개구부(27)에 연통하고, 해당 개구부(27)의 상류측으로 되는 공기 유로(26a) 내에, 상기한 구성의 장해물(30 또는 50)을 설치함으로써, 하기 효과가 얻어진다.
우선, 공기 유로(26a)의 내주측에서 장해물(30)의 구멍(개구부)을 통과한 후의 공기는, 구멍을 통과한 후에 유로가 확대됨으로써 유속이 저하된다. 또한, 주위의 기체와의 유속차에 의해 혼란이 많아진다. 저유속으로 혼란이 많기 때문에 흐름이 바뀌기 쉬워, 개구부(27)의 내주를 지나서 연소기 내부의 외주측을 흐르게 된다.
한편, 공기 유로(26a)의 외주측에서 장해물(30)의 구멍(개구부)을 통과한 후의 공기는, 개구부의 단면적이 내주측에 비해 크고, 구멍이 차폐되는 단면적이 내주측에 비해 작다. 이로 인해, 장해물(30)의 구멍(개구부)을 통과한 후의 공기가 흐르는 유로의 확대가 작으므로, 유속의 저하도 적다.
또한, 주위의 기체와의 접촉 면적이 적으므로 혼란도 내주측에 비해 작다. 내주측에 비해 고유속으로 혼란이 작기 때문에, 관성력에 의해 직진하기 쉽다. 이로 인해, 내통 내부 공간(27a)의 외주를 돌아 연소기 내부의 중심측을 흐르게 된다.
이와 같이, 내통(18)의 내부에 형성한 개구부(27)에 연통하고, 해당 개구부(27)의 상류측으로 되는 공기 유로(26a)에 장해물(30 또는 50)을 설치함으로써, 내통 내부 공간(27a)에서는 그 내주측을 지나서 연소기 내부의 내주측을 흐르는 흐름과, 그 외주측을 지나서, 연소기 내부의 축심으로 되는 중심측을 흐르는 흐름이 형성되어, 개구부(27)나 연소기(10)의 내부에 공기의 흐름을 균일하게 흘릴 수 있다.
개구부(27)의 상류로 되는 공기 유로(26a)에 장해물(30 또는 50)을 설치하는 것뿐이라는 점에서, 가스 터빈 연소기(10)의 구조는 심플하다. 개구부(27)의 상류에 장해물을 설치함으로써 개구부(27)의 상류측의 장해물(30 또는 50)에서는 압력 손실이 다소 증가하기는 하지만, 개구부(27)에서 공기의 흐름에 편류가 발생하는 것이 억제되는 점에서, 가스 터빈 연소기 전체에서의 공기의 흐름의 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 가스 터빈 연소기(10)의 내부로 균일하게 공기가 흐름으로써, 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하기 쉬워져, NOx의 저감 등 연소 성능을 개선할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 의하면, 가스 터빈 연소기의 유로 반전부에서의 압력 손실과 흐름의 편류를 억제해서 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하여, NOx를 저감시킨 가스 터빈 연소기를 실현할 수 있다.
1 : 압축기
2 : 터빈
3 : 발전기
4 : 연료 공급 계통
5 : 연료
6 : 공기
7 : 연소 배기 가스
10 : 가스 터빈 연소기
10a : 연소기 헤드부
10b : 연소실 부분
10c : 연소기 테일부
11 : 파일럿 버너
12 : 메인 버너
13 : 파일럿 노즐
14 : 메인 노즐
15 : 예비 혼합 노즐
18 : 내통
19 : 외통
20 : 엔드 커버
21 : 연소실
22 : 라이너
23, 24 : 격벽
26, 26a : 공기 유로
27 : 개구부
27a : 내통 내부 공간
30 : 장해물
30a : 내주부
30b : 외주부
31a : 내주측 개구부
31b : 외주측 개구부
32a : 내주측의 차단부
32b : 외주측의 차폐부
33 : 내외주의 구분선
34, 35 : 공기의 흐름
50 : 장해물
51 : 내주측 개구부
52 : 내주측의 차폐부
54, 55 : 공기의 흐름
57 : 안내판

Claims (6)

  1. 공기와 연료를 분출하는 버너와,
    상기 버너를 둘러싸도록 설치된 내통과,
    상기 내통의 외주측을 둘러싸도록 설치된 외통과,
    상기 내통과 외통 사이에 형성된 공기를 공급하는 공기 유로를 구비하고,
    상기 내통에 공기 유로를 통해서 공급된 공기를 내통의 외주측으로부터 내통의 내주측으로 도입하는 개구부를 형성하고,
    상기 내통의 개구부에 연통하는 상기 공기 유로 내에, 공기의 흐름에 대하여 장해가 되는 장해물을 설치함과 함께, 이 장해물은 공기를 상류측으로부터 하류측으로 유통시키는 복수의 구멍을 갖는 다공판에 의해 형성하고,
    상기 장해물은, 이 장해물에 형성한 상기 구멍의 개구 부분의 면적은, 상기 구멍을 제외한 공기의 흐름의 차폐가 되는 차폐 부분의 면적과 상기 구멍의 개구 부분의 면적을 합산한 면적에 대한 상기 구멍의 개구 부분의 면적의 비율인 개구율이, 상기 장해물의 내주측에서는 작아지고, 상기 장해물의 외주측에서는 커지도록 형성하고,
    상기 장해물에 형성된 구멍은 해당 장해물의 내주측에서 구멍의 개구부 단면적에 대한 구멍의 주위부 길이가 길게, 해당 장해물의 외주측에서 구멍의 개구부 단면적에 대한 구멍의 주위부 길이가 짧게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    버너를 구비하여 해당 버너로부터 공기와 연료를 분출하는 연소기의 헤드부와,
    상기 연소기 헤드부의 하류측에 설치되어, 연소실의 내부에서 버너로부터 분출한 연료와 공기를 혼합해서 연료를 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소실 부분과,
    상기 연소실 부분의 하류측에 설치되어, 연소 가스를 유하시키는 유로로 되는 격벽을 구비하고, 해당 연소실에서 발생한 연소 가스를 상기 격벽으로 형성한 유로를 통해서 유하시키는 연소기 테일부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  3. 제1항에 있어서,
    버너를 구비하여 해당 버너로부터 공기와 연료를 분출하는 연소기의 헤드부를 구비하고,
    상기 연소기 헤드부는 공기와 연료를 분출하는 파일럿 버너를 축심측으로 되는 중심부에 구비하고, 이 파일럿 버너의 외주측에 복수의 메인 버너를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  4. 삭제
  5. 공기와 연료를 분출하는 버너와,
    상기 버너를 둘러싸도록 설치된 내통과,
    상기 내통의 외주측을 둘러싸도록 설치된 외통과,
    상기 내통과 외통 사이에 형성된 공기를 공급하는 공기 유로를 구비하고,
    상기 내통에 공기 유로를 통해서 공급된 공기를 내통의 외주측으로부터 내통의 내주측으로 도입하는 개구부를 형성하고,
    상기 내통의 개구부에 연통하는 상기 공기 유로 내에, 공기의 흐름에 대하여 장해가 되는 장해물을 설치함과 함께, 이 장해물은 공기를 상류측으로부터 하류측으로 유통시키는 복수의 구멍을 갖는 다공판에 의해 형성하고,
    상기 장해물은, 이 장해물에 형성한 상기 구멍의 개구 부분의 면적은, 상기 구멍을 제외한 공기의 흐름의 차폐가 되는 차폐 부분의 면적과 상기 구멍의 개구 부분의 면적을 합산한 면적에 대한 상기 구멍의 개구 부분의 면적의 비율인 개구율이, 상기 장해물의 내주측에서는 작아지고, 상기 장해물의 외주측에서는 커지도록 형성하고,
    상기 공기 유로 내에 설치한 상기 장해물은, 상기 공기 유로 내의 내주측에만 설치해서 상기 공기 유로 내의 외주측은 공기의 흐름에 대하여 장해가 되지 않도록 하고 있고,
    상기 장해물의 외주측의 단부면에, 상기 공기 유로의 길이 방향에 대하여 평행하게 신장되는 안내판을 더 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장해물의 내주측의 단부면을 연소기의 상기 내통의 외주측에 접속시켜서 설치하고, 상기 장해물의 외주측의 단부면은 상기 외통의 내주측 사이에 간극을 형성하도록 상기 장해물을 설치한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
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