KR101985081B1

KR101985081B1 - 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR101985081B1
Application number: KR1020170089659A
Authority: KR
Inventors: 김성현; 김호근; 최채홍
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-05-31
Also published as: US10865991B2; KR20190007953A; US20190017707A1

Abstract

본 발명은 공기와 혼합되는 연료의 압력비를 조절함으로써 연소 불안정을 회피할 수 있는 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 전체 필요한 연료의 유량은 연료 유량 제어밸브(FCV)를 통해 제어하며, 연료노즐(메인노즐)의 연료채널을 2개로 형성함으로써, 필요에 따라 연료의 압력비를 조절할 수 있도록 한다.

Description

연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈 {COMBUSTION APPARATUS AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기와 혼합되는 연료의 압력비를 조절함으로써 연소 불안정을 회피할 수 있는 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

가스 터빈 배기물로부터 나오는 질소 산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO)의 허용 배출양은 환경문제를 고려하여 꾸준히 감소되어 왔다. 높은 효율을 유지하면서 매우 낮은 배기 방출량을 얻는 한 방법은 희박 예비혼합 개념에 기초한 연소 시스템을 사용하는 것이다. 이런 형태의 시스템에서, 연료와 공기는 연소 전에 완전히 혼합(pre-mixed)된다. 혼합은 여러 방법으로 달성될 수 있고, 그 결과 생기는 연료/공기 혼합물의 농도는 충분히 희박하게 되어, 연소 시에 화염 온도는 질소 산화물(NOx) 발생을 최소화시킬 만큼 충분히 낮다. 이 연료/공기 혼합비는 이론 혼합비의 약 1/2이고, 반응이 더이상 스스로 유지되지 않고(희박 한계(weak limit)) 화염이 소멸되는 혼합비보다 단지 약간 크다.

하지만, 이러한 연소 시스템들은 반응 희박 한계 바로 근처에서 작동하기 때문에, 이론 연료/공기 혼합비에서 작동하는 확산 화염(diffusion flame)을 이용하는 종래의 가스 터빈에서는 통상 일어나지 않는 연소 안정성과 관련된 중대한 문제가 있을 수 있다.

이러한 불안정성은 전체적인 연소 시스템의 설계와 관련된 다양한 물리적 기구를 통해 흔히 증폭되는 연소기 내의 변동 압력장에 의해 발생될 수 있다. 만약 동압이 허용치를 초과한다면, 가스 터빈의 작동 및/또는 연소 시스템의 기계적 수명은 심각하게 영향을 받는다.

전형적인 희박 예비 혼합 연소 시스템에는 예비혼합 영역(premixing zone), 화염 홀더와 반응 영역, 제1단 가스 터빈 노즐들, 그리고 연료 및 공기 공급 시스템이 구비되어 있다. 희박 예비혼합 연소 방식에서는, 연료와 공기는 예비혼합 영역에 대해 상이한 동적특성을 가진 공급원들로부터 별도로 공급된다. 반응 영역으로 들어갈 때, 예비혼합 연료/공기 혼합물은 화염 홀더의 분리 영역 내에 유지되는 고온 가스에 의해 점화된다. 연소 후, 생성된 고온 가스는 제1단 터빈 노즐을 통과하여 유동하고, 이 노즐들은 제1단 터빈 블레이드를 통과하는 유동을 가속시킨다.

이때, 공급되는 공기/연료의 압력비가 높으면, 연료와 공기가 섞이면서 소용돌이(Swirl)가 발생하게 되어 연소가 불안정해지며, 이로 인해 국부적으로 열방출량(Heat release)이 다르게 나타남에 따라 연료와 공기의 혼합비의 변동(Fluctuation) 및 소음 등이 발생하게 된다.

또한, 가스 유동 온도는 반응 영역으로 들어가는 연료/공기 혼합비에 의존한다. 혼합비가 반응을 유지시키는 혼합비 이상인 경우에는, 혼합비 변화에 따른 연소 온도의 변화는 거의 선형적이다. 그러나 혼합비가 희박 한계에 가까워지고 상기 희박 한계를 통과함에 따라, 혼합비의 변화에 따른 가스 온도의 변화는 최종적으로 화염이 소멸할 때까지 훨씬 더 커진다.

구체적으로, 기본적인 연소 소음 또는 어떤 종류의 시스템 업셋(upset)으로부터 야기되는 압력 펄스는 시스템을 통해 예비혼합기로 전파된다. 예비 혼합기로 공급되는 연료 및 공기의 양은 예비혼합기 내의 압력에 의존하기 때문에, 이러한 압력 변화, 즉 압력 펄스는 연료 및 공기 질량 유량을 모두 변화시킨다. 연료 및 공기 공급 시스템들의 동적 응답들이 상이하기 때문에, 예비혼합기의 연소/공기 혼합비의 변화가 생긴다.

이러한 새로운 연료/공기 혼합비의 연료 및 공기는 연료가 연소되어 새롭고 상이한 고온 가스 온도를 발생시키는 반응 영역 속으로 들어간다. 또한, 상기 새로운 온도의 연소 가스는 제1단 터빈 노즐 속으로 들어간다. 노즐 배압(back pressure)은 가스 온도에 의존하기 때문에, 배압의 변화가 일어난다.

이 새로운 압력은 예비혼합기로 전파되고 사이클은 반복된다. 따라서, 예비혼합기 내의 평균 연료/공기 혼합비가 희박 한계에 가까워질 때, 연료/공기 혼합비의 작은 변화들은 가스 온도 및 압력에 큰 변동을 초래할 수 있다. 결과적으로 이와 같은 상태에서의 작동은 특히 불안정하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공기와 혼합되는 연료의 압력비를 조절함으로써 연소 불안정을 회피할 수 있는 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명은 전체 필요한 연료의 유량은 연료 유량 제어밸브(FCV)를 통해 제어하며, 연료노즐(메인노즐)의 연료채널을 2개로 형성함으로써, 필요에 따라 연료의 압력비를 조절할 수 있도록 한다.

이와 같이, 각 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하여 공기와 혼합되는 연료의 압력비를 조절함에 따라, 즉 연료의 분사압을 낮춰 연료와 공기의 혼합비의 변동(Fluctuation)을 최소화할 수 있으며, 불안정한 열방출량(Heat release)을 저감시켜 궁극적으로는 연소 불안정을 회피할 수 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 케이싱(casing)과, 상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐과, 상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐과, 상기 파일럿 노즐에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관 및 상기 복수의 메인노즐에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관을 포함하며, 상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하는 연소장치를 제공한다.

이때, 상기 파일럿 연료 공급 배관 및 메인 연료 공급 배관에는 각각 공급되는 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브가 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 메인 연료 공급 배관은, 상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관과, 상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관 및 상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관을 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인 배관으로부터 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관이 분기되는 지점에 설치되어, 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관으로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 3방 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 공기와 혼합되는 연료의 압력비에 따라 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절할 수 있다.

상기 제어부는, 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하면 상기 제1 연료채널로 연료를 모두 분배하며, 공기의 압력보다 연료의 압력이 높거나 연소 불안정이 발생하면 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 연료를 나누어 분배할 수 있다.

상기 제1 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제1 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고, 상기 제2 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제2 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결될 수 있다.

상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 동일하게 형성될 수 있다.

또는, 상기 제1 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 형성되며, 상기 제2 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료가 만나 확산 화염(diffusion flame)이 발생하는 영역으로 분사되는 위치에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기 및 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈을 포함하되, 상기 각 연소기는, 케이싱(casing)과, 상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐 및 상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐을 포함하며, 상기 복수의 연소기의 각 파일럿 노즐이 연결되는 파일럿 매니폴드(manifold)와, 상기 복수의 연소기의 각 메인노즐이 연결되는 메인 매니폴드와, 상기 파일럿 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관 및 상기 메인 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관을 포함하고, 상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하는 가스터빈을 제공한다.

상기 메인 매니폴드는, 상기 각 제1 연료채널과 연결되는 제1 메인 매니폴드 및 상기 각 제2 연료채널과 연결되는 제2 메인 매니폴드를 포함하며, 상기 메인 연료 공급 배관은, 상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관과, 상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관 및 상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관을 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 압축된 공기와 혼합되는 연료의 압력비에 따라 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하면 상기 제1 연료채널로 연료를 모두 분배하며, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 높거나 연소 불안정이 발생하면 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 연료를 나누어 분배할 수 있다.

상기 제1 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제1 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제1 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제1 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제1 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고, 상기 제2 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제2 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제2 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제2 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제2 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결될 수 있다.

상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 동일하게 형성될 수 있다.

또는, 상기 제1 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 형성되며, 상기 제2 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료가 만나 확산 화염(diffusion flame)이 발생하는 영역으로 분사되는 위치에 형성될 수 있다.

본 발명의 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 따르면, 연료노즐의 연료 채널을 2개로 형성함으로써, 각 채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하여 공기와 혼합되는 연료의 압력비를 조절할 수 있다.

이에 따라, 연료의 분사압을 낮춰 연료와 공기의 혼합비의 변동(Fluctuation)을 최소화할 수 있으며, 불안정한 열방출량(Heat release)을 저감시켜 궁극적으로는 연소 불안정을 회피할 수 있다.

또한, 연소 불안정 시 연료의 압력비를 조절하여 높은 압력의 연료에 의해 발생할 수 있는 Acoustic Resonance를 회피할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 가스터빈에서 연소장치 시스템을 도시한 개략도.
도 3은 도 1에서 하나의 연소기를 확대하여 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 A에서 바라본 단면도.
도 5는 도 3에서 하나의 메인노즐을 분리하여 도시한 단면도.
도 6은 도 5의 메인노즐의 제1 작동상태를 도시한 단면도.
도 7은 도 5의 메인노즐의 제2 작동상태를 도시한 단면도.
도 8은 도 5의 메인노즐의 제3 작동상태를 도시한 단면도.

이하, 본 발명의 연소장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 8을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈을 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 가스터빈에서 연소장치 시스템을 도시한 개략도, 도 3은 도 1에서 하나의 연소기를 확대하여 도시한 단면도, 도 4는 도 3의 A에서 바라본 단면도, 도 5는 도 3에서 하나의 메인노즐을 분리하여 도시한 단면도, 도 6은 도 5의 메인노즐의 제1 작동상태를 도시한 단면도, 도 7은 도 5의 메인노즐의 제2 작동상태를 도시한 단면도 및 도 8은 도 5의 메인노즐의 제3 작동상태를 도시한 단면도이다.

우선, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈(1)에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈(1)은 크게 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(10) 및 상기 연소기(10)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(30)을 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 가스터빈(1)은 하우징(2)을 구비하고 있고, 공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(2)의 상류 측에는 압축기(20)가 위치하고, 하류 측에는 터빈(30)이 배치된다. 그리고 상기 압축기(20)와 상기 터빈(30)의 사이에는 터빈(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(20)로 전달하기 위한 토크 전달 부재로서의 회전력 전달부(40)가 배치되어 있다.

또한, 상기 하우징(2)의 후측에는 상기 터빈(30)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(50)가 구비되어 있으며, 상기 디퓨저(50)의 앞쪽으로는 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(10)가 배치된다.

상기 압축기(20)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(22)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)들은 타이로드(60)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

상기 타이로드(60)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(22)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 상기 압축기 로터 디스크(22) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 회전력 전달부(40) 내에서 고정된다.

상기 타이로드(60)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대략 중앙을 상기 타이로드(60)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대향하는 면이 상기 타이로드(60)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 로터 디스크(22)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(24)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 블레이드(24)는 루트부(26)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(22)에 체결된다.

상기 루트부(26)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.

또한, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)의 사이에는 상기 하우징(2)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 압축기 로터 디스크(22)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 상기 압축기 로터 디스크(22)의 압축기 블레이드(24)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 압축기 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.

이와 같이, 상기 압축기(20)를 통해 외기가 내부로 흡입되어 다수개의 상기 압축기 블레이드(24)와 베인을 통과하며 다단으로 압축이 이루어진 후에, 상기 연소기(10)를 경유하여 터빈(30)으로 공급될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기(20)에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기(10) 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

다음으로, 상기 연소기(10)에 관하여 살펴보면, 상기 연소기(10)에서는 상기 압축기(20)로부터 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소장치 시스템을 구성하는 상기 연소기(10)는 캔(can) 타입으로 이루어져 다수개의 연소기(10)가 상기 가스터빈(1)의 둘레방향을 따라 설치된다. 상기 연소기(10)는 연료분사노즐을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 상기 연소기(10)와 터빈(30)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료분사노즐에 의해 분사되는 연료가 상기 압축기(20)의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 라이너의 전단에는 연료분사노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합될 수 있다.

한편, 상기 라이너의 후단에는 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈(30) 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 상기 압축기(20)로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

도 3에는 이러한 연소기(10)의 구성을 간략하게 도시하였으며, 이는 아래에서 더 자세히 설명하도록 한다.

한편, 상기 다수의 연소기(10)에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상기 터빈(30)으로 공급되며, 공급된 연소가스는 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 회전 토크를 야기하게 된다. 이렇게 얻어진 회전 토크는 상기의 회전력 전달부(40)를 거쳐 상기 압축기(20)로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈(30)은 기본적으로는 상기 압축기(20)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(30)에도 상기 압축기의 압축기 로터 디스크(22)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(32)가 구비된다. 또한, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 외주면에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(34)를 포함한다. 이때, 상기 터빈 블레이드(34)는 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(32)에 결합될 수 있다.

아울러, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 터빈 블레이드(34)의 사이에도 복수의 베인(미도시)이 구비되어, 상기 터빈 블레이드(34)를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 상기 압축기(20)에서 압축되고, 상기 연소기(10)에서 연소된 후, 상기 터빈(30)으로 보내져 터빈을 구동하고, 상기 디퓨저(50)를 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소장치는 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.

아래에서는, 본 발명의 연소장치가 적용된 가스터빈(1)의 연소장치 시스템에 관하여, 도 2 내지 8을 참고하여 상세히 살펴보도록 한다.

우선, 도 3 및 4를 참고하면, 상기 가스터빈(1)의 각 연소기(10)는 케이싱(casing; 100)과, 상기 케이싱(100)의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐(200) 및 상기 파일럿 노즐(200)의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐(300)을 포함하고 있다. 상기 복수의 메인노즐(300)은 서로 일정한 이격 간격과 각도를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 케이싱(100)은 상기에서 살펴본 바와 같이 캔형(can type) 또는 환상형(annular type) 또는 캔-환상형(can-annular type)으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 케이싱(100)은 라이너 및 트랜지션 피스로 이루어지는 연소기(10)의 외형을 크게 통칭하는 것이라고 볼 수 있다.

상기 케이싱(100)의 중앙에 배치되는 상기 파일럿 노즐(200)은 화염 유지를 위해 연료를 충분히 공급하기 위한 노즐로, 본 실시 예에서는 하나의 연료채널을 갖도록 형성되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 추후 설명할 상기 메인노즐(300)과 같이 2개의 서로 다른 연료채널을 갖도록 형성될 수도 있다.

상기 복수의 메인노즐(300)은 상기 파일럿 노즐(200)의 주변에 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성되는 것으로, 본 실시 예에서는 상기 파일럿 노즐(200)의 주변에 총 5개의 메인노즐(301, 302, 303, 304, 305)이 형성되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 메인노즐의 개수는 다양하게 형성될 수 있다.

이때, 상기 각 메인노즐(300; 301, 302, 303, 304, 305)은 서로 마주보며 나란하게 형성되는 제1 연료채널(320; 321, 322, 323, 324, 325) 및 제2 연료채널(340; 341, 342, 343, 344, 345)을 포함한다.

참고로, 상기 연소기(10)에는 연소기 캡(120)이 연소실에 인접하게 설치될 수 있으며, 도 3의 A에서 상기 연소기 캡(120)을 바라보면 도 4에 도시된 바와 같이 상기 파일럿 노즐(200)과 복수의 메인노즐(300)의 배치형태를 볼 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참고하여 살펴보면, 중앙에는 상기 파일럿 노즐(200)이 배치되며, 주변에 둘레를 따라 5개의 메인노즐(301, 302, 303, 304, 305)이 배치되고 있다.

이때, 상기 각 메인노즐(300)은 연료가 공급되기 위한 서로 다른 2개의 연료채널, 즉 제1 연료채널(320)과 제2 연료채널(340)을 포함하되, 상기 총 5개의 제1 연료채널(320)과 5개의 제2 연료채널(340)은 각각 제1 연결배관유닛(330) 및 제2 연결배관유닛(350)에 의해 서로 연결되고 있다.

구체적으로, 상기 제1 메인노즐(301)의 제1 연료채널(321)과 이와 인접하는 상기 제2 메인노즐(302)의 제1 연료채널(322)이 연결배관(331)에 의해 연결되고, 상기 제2 메인노즐(302)의 제1 연료채널(322)이 상기 제3 메인노즐(303)의 제1 연료채널(323)과 연결배관(332)에 의해 연결되며, 마찬가지로 상기 제3 메인노즐(303)의 제1 연료채널(323)과 제4 메인노즐(304)의 제1 연료채널(324) 및 상기 제4 메인노즐(304)의 제1 연료채널(324)과 제5 메인노즐(305)의 제1 연료채널(325)이 각각 연결배관(333, 334)에 의해 연결되고 있다.

본 실시 예에서는 상기 제1 메인노즐(301)의 제1 연료채널(321)과 제5 메인노즐(305)의 제1 연료채널(325)이 연결되지 않고 있으나, 연료의 원활한 유동을 위해 추가로 연결되어도 무관하다.

이에 따라, 연료를 상기 제1 메인노즐(301)의 제1 연료채널(321)에만 공급하여도 상기 제1 연결배관유닛(330)을 통해 상기 제2 내지 제5 메인노즐(302, 303, 304, 305)의 제1 연료채널(322, 323, 324, 325)까지 연료가 모두 공급될 수 있으므로, 각 메인노즐의 제1 연료채널에 각각 연료를 공급하기 위한 배관을 설치하는 것보다 구조가 간단해진다.

하지만, 상기 제1 연결배관유닛(330)에 의해 각 제1 연료채널이 연결되지 않을 경우에는 각 메인노즐의 제1 연료채널에 연료를 공급하기 위한 배관을 각각 따로 형성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기 각 메인노즐의 제2 연료채널(341, 342, 343, 344, 345)도 상기 제1 연료채널의 연결구조와 동일하게 상기 제2 연결배관유닛(350)의 각 연결배관(351, 352, 353, 354)에 의해 차례로 연결되고 있다.

다음으로는, 도 5를 참고하여 상기 메인노즐(300)을 연소기(10)의 길이방향을 따라 자세히 살펴보도록 한다. 도 5에서는 상기 제1 메인노즐(301)을 기준으로 도시하였다.

상기 제1 메인노즐(301)은 노즐의 길이방향을 따라 양측에 서로 마주보며 나란하게 뻗어나가는 제1 연료채널(321) 및 제2 연료채널(341)을 포함하고 있으며, 이에 따라 상기 제1 연료채널(321) 및 제2 연료채널(341) 중 적어도 하나의 채널을 통해 연료를 공급할 수 있다.

이와 같이, 하나의 연료채널을 통해 연료가 공급되도록 하거나, 두 개의 연료채널을 통해 모두 연료가 공급되도록 하여 연료가 공급되는 면적을 조절함에 따라 공급되는 연료의 분사압력을 조절할 수 있으며, 이에 관하여는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.

또한, 상기 제1 연료채널(321)과 제2 연료채널(341)을 통해 공급된 연료가 노즐을 통해 분사되는 위치는 동일하게 형성될 수도 있으며, 다르게 형성될 수도 있다.

본 실시 예에서는 연료가 분사되기 위한 분사부가 2개로 이루어지고 있으며, 구체적으로, 노즐의 중간부에 위치하여 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사하기 위한 제1 분사부(361)와, 노즐의 끝단(tip)에 위치하여 상기 압축된 공기와 연료가 만나는 면에서 확산 화염(diffusion flame)이 나타나는 영역으로 분사하기 위한 제2 분사부(381)가 형성되고 있다.

이때, 상기 제1 연료채널(321) 및 제2 연료채널(341) 중 적어도 하나의 채널을 통해 공급되는 연료는 상기 노즐의 작동상태에 따라 상기 제1 분사부(361)를 통해서만 분사될 수도 있으며, 또는 상기 제1 분사부(361)와 제2 분사부(381) 모두를 통해 서로 다른 위치에서 분사될 수도 있다.

구체적으로, 도 6 내지 8을 참고하여 노즐의 작동상태를 살펴보도록 한다. 우선, 도 6에는 노즐의 제1 작동상태가 도시되어 있으며, 연료가 상기 제1 연료채널(321)만을 통해 공급되는 경우, 상기 제1 분사부(361)를 통해 예비 혼합 영역으로 연료가 분사되고 있다.

또한, 도 7의 제2 작동상태를 살펴보면, 연료가 상기 제1 연료채널(321)과 제2 연료채널(341)로 분배되어 공급되고 있으며, 노즐의 중간부에서 만나 상기 제1 분사부(361)를 통해 모두 예비 혼합 영역으로 분사되고 있다.

마지막으로, 도 8의 제3 작동상태를 살펴보면, 연료가 상기 제1 연료채널(321)과 제2 연료채널(341)로 분배되어 공급되고 있으며, 상기 제1 연료채널(321)을 통해 공급되는 연료는 상기 제1 분사부(361)를 통해 예비 혼합 영역으로 분사되나, 상기 제2 연료채널(341)을 통해 공급되는 연료는 노즐의 끝단(tip)까지 유동되어 상기 제2 분사부(381)를 통해 확산 화염이 나타나는 영역으로 분사되고 있다.

이와 같이, 확산 화염이 나타나면 연소 온도가 올라가며, 연소 불안정성의 위험은 줄어드는 장점이 있다. 하지만, 확산 화염은 NOx의 배출량을 증가시킬 수 있으므로, 상기의 제3 작동상태와 같이 일부의 연료는 예비 혼합 영역으로 분사하되 일부의 연료만 확산 화염을 위해 공급함으로써, 연소 불안정성은 줄이면서도 연소 성능을 개선할 수 있다.

마지막으로, 도 2를 참고하여 상기 복수의 연소기(10)에 연료가 공급되는 구조와 작동 시스템을 자세히 살펴보도록 한다.

도 2에서는 상기 복수의 연소기(10)가 3개로 이루어지고 있는 것으로 도시하였으나, 연소기의 개수는 다양하게 형성될 수 있다.

상기 복수의 연소기(10)의 각 파일럿 노즐(200)은 파일럿 매니폴드(400)에 모두 연결되고 있으며, 상기 파일럿 매니폴드(400)에는 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관(700)이 연결된다.

구체적으로, 상기 파일럿 매니폴드(400)에서 분기되는 각 파일럿 분기배관(402, 404, 406)에 의해 각 연소기의 파일럿 노즐(200)이 연결되고 있으며, 상기 파일럿 매니폴드(400)의 전단에 상기 파일럿 연료 공급 배관(700)이 연결되어 상기 파일럿 매니폴드(400)로 연료를 공급함에 따라 각 파일럿 분기배관(402, 404, 406)을 통해 3개의 연소기의 각 파일럿 노즐(200)로 연료가 공급될 수 있다.

이때, 상기 파일럿 연료 공급 배관(700)에는 상기 각 파일럿 노즐(200)로 공급되는 전체 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브(702)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 복수의 연소기(10)의 각 메인노즐(300)은 메인 매니폴드(500)에 모두 연결되고 있으며, 상기 메인 매니폴드(500)에는 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관(600)이 연결된다.

이때, 상기 각 메인노즐(300)은 서로 다른 제1 연료채널(320)과 제2 연료채널(340)을 포함하므로, 상기 메인 매니폴드(500)는, 상기 각 제1 연료채널(320)과 연결되는 제1 메인 매니폴드(520) 및 상기 각 제2 연료채널(340)과 연결되는 제2 메인 매니폴드(540)를 포함한다.

이에 따라, 상기 제1 메인 매니폴드(520)에서 분기되는 각 제1 메인 분기배관(522, 524, 526)에 의해 각 연소기의 제1 연료채널(320)이 연결되며, 상기 제2 메인 매니폴드(540)에서 분기되는 각 제2 메인 분기배관(542, 544, 546)에 의해 각 연소기의 제2 연료채널(340)이 연결된다.

또한, 상기 메인 연료 공급 배관(600)은 메인 배관(620)과, 상기 메인 배관(620)으로부터 분기되며 상기 제1 메인 매니폴드(520)로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관(640) 및 상기 메인 배관(620)으로부터 분기되며 상기 제2 메인 매니폴드(540)로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관(660)을 포함한다.

이때, 상기 메인 연료 공급 배관(600), 구체적으로 상기 메인 배관(620)에는 상기 각 메인노즐(300), 즉 상기 제1 연료채널(320) 및 제2 연료채널(340)로 공급되는 전체 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브(622)가 설치될 수 있다.

이에 따라, 상기 메인 배관(620)을 통해 상기 제1 연료 공급 배관(640)으로 공급되는 연료는 상기 제1 메인 매니폴드(520)로 공급되어 각 제1 메인 분기배관(522, 524, 526)을 통해 3개의 연소기의 각 제1 연료채널(320)로 공급될 수 있다. 이때, 상기 각 제1 메인 분기배관(522, 524, 526)은 각 연소기의 복수의 메인노즐 중 하나의 제1 연료채널(320)을 연결하기 위해 각 연소기당 하나씩 뻗어나가며, 상기에서 살펴본 바와 같이 각 연소기에서 복수의 메인노즐의 제1 연료채널(321, 322, 323, 324, 325)은 제1 연결배관유닛(330)을 통해 모두 연결되어 있기 때문에 하나의 제1 연료채널에만 연료를 공급하더라도 모든 제1 연료채널에 연료가 공급될 수 있다. 본 실시 예에서는, 상기 각 제1 메인 분기배관(522, 524, 526)이 도 4에 도시된 바와 같이 각 연소기의 제1 메인노즐(301)의 제1 연료채널(321)에 연결된다.

또한, 상기 메인 배관(620)을 통해 상기 제2 연료 공급 배관(660)으로 공급되는 연료는 상기 제2 메인 매니폴드(540)로 공급되어 각 제2 메인 분기배관(542, 544, 546)을 통해 3개의 연소기의 각 제2 연료채널(340)로 공급될 수 있다. 이때, 상기 각 제2 메인 분기배관(542, 544, 546)은 각 연소기의 복수의 메인노즐 중 하나의 제2 연료채널(340)을 연결하기 위해 각 연소기당 하나씩 뻗어나가며, 상기에서 살펴본 바와 같이 각 연소기에서 복수의 메인노즐의 제2 연료채널(341, 342, 343, 344, 345)은 제2 연결배관유닛(350)을 통해 모두 연결되어 있기 때문에 하나의 제2 연료채널에만 연료를 공급하더라도 모든 제2 연료채널에 연료가 공급될 수 있다. 본 실시 예에서는, 상기 각 제2 메인 분기배관(542, 544, 546)이 도 4에 도시된 바와 같이 각 연소기의 제1 메인노즐(301)의 제2 연료채널(341)에 연결된다.

또한, 상기 메인 배관(620)으로부터 상기 제1 연료 공급 배관(640) 및 제2 연료 공급 배관(660)이 분기되는 지점에는, 상기 제1 연료 공급 배관(640) 및 제2 연료 공급 배관(660)으로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 3방 밸브(680)가 설치될 수 있다.

이와 같이, 3방 밸브(680)가 설치됨에 따라 상기 메인 배관(620)으로 공급되는 연료가 상기 제1 연료 공급 배관(640)과 제2 연료 공급 배관(660) 중 어느 하나로 공급되거나 또는 일정 분배비로 나뉘어 공급되도록 할 수 있으며, 이에 따라 각 연소기의 제1 연료채널(320)과 제2 연료채널(340)로 공급되는 연료의 유량을 조절할 수 있다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 연료 공급 배관(640)과 제2 연료 공급 배관(660) 상에 각각 2-way 밸브가 설치될 수도 있다.

또한, 상기 제1 연료채널(320) 및 제2 연료채널(340)로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 제어부(800)를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예에서 상기 제어부(800)는 상기 3방 밸브(680)에 연결되어 3방 밸브를 제어함에 따라 상기 제1 연료 공급 배관(640) 및 제2 연료 공급 배관(660)으로 분배되는 연료의 유량을 조절하게 된다.

상기 제어부(800)는, 상기 압축된 공기와 혼합되는 연료의 압력비에 따라 상기 제1 연료채널(320) 및 제2 연료채널(340)로 분배되는 연료의 유량을 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부(800)는, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하면 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1 연료채널(320)로 연료를 모두 분배하며, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 높거나 연소 불안정이 발생하면 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 제1 연료채널(320) 및 제2 연료채널(340)로 연료를 나누어 분배할 수 있다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제어부는 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하더라도 연소 불안정이 발생하면 제1 및 제2 연료채널의 분배비를 조절하여 불안정을 회피할 수도 있다.

이와 같이, 상기 제어부(800)는 연료가 노즐을 통과하여 공기와 혼합되기 전 연료의 분사압력을 결정하여 제어할 수도 있으며, 분사압력의 특성에 따라 연소 불안정을 유발시킬 수 있는 공기/연료 혼합비의 변동을 조정하기 위해 제어할 수도 있다.

구체적으로, 연료의 분사압력이 공기에 비해 너무 높으면 공기와 섞이면서 소용돌이(swirl)가 발생하여 연소가 불안정해지며, 국부적으로 열방출량(Heat release)이 다르게 나타나 Acoustic resonance가 발생할 위험이 있으므로, 상기 제어부(800)는 상기 메인 배관(620)에서 공급되는 연료가 상기 제1 연료 공급 배관(640) 및 제2 연료 공급 배관(660)으로 나뉘어, 즉 상기 제1 연료채널(320)과 제2 연료채널(340)로 나뉘어 공급되도록 제어함으로써, 전체 공급되는 연료량은 동일하더라도 면적이 커져 연료의 분사압력이 작아지도록 한다.

이와 같이, 연료의 분사압을 낮춰 연료와 공기의 혼합비의 변동을 최소화함에 따라 연소 불안정을 회피할 수 있도록 한다.

또한, 1개의 연료채널만 사용하면 Choking 노즐로 사용 가능하며, 2개의 연료채널을 모두 사용하면 Soft 노즐로도 사용 가능하다.

더욱이, 상기 파일럿 연료 공급 배관(700)과 메인 연료 공급 배관(600)의 전단에는 차단 밸브(shutoff valve; 102)가 설치되어 전체 연소장치의 연료의 공급 및 차단을 결정할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1: 가스터빈 2: 하우징
10: 연소기 20: 압축기
22: 압축기 로터 디스크 24: 압축기 블레이드
26: 루트부 30: 터빈
32: 터빈 로터 디스크 34: 터빈 블레이드
40: 회전력 전달부 50: 디퓨저
60: 타이로드
100: 케이싱 102: 차단 밸브(shutoff valve)
120: 연소기 캡 200: 파일럿 노즐
300: 복수의 메인노즐 320: 제1 연료채널
330: 제1 연결배관유닛 340: 제2 연료채널
350: 제2 연결배관유닛 361: 제1 분사부
381: 제2 분사부 400: 파일럿 매니폴드
402, 404, 406: 파일럿 분기배관 500: 메인 매니폴드
520: 제1 메인 매니폴드 522, 524, 526: 제1 메인 분기배관
540: 제2 메인 매니폴드 542, 544, 546: 제2 메인 분기배관
600: 메인 연료 공급 배관 620: 메인 배관
622: 연료 유량 제어밸브 640: 제1 연료 공급 배관
660: 제2 연료 공급 배관 680: 3방 밸브
700: 파일럿 연료 공급 배관 702: 연료 유량 제어밸브
800: 제어부

Claims

케이싱(casing);
상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐;
상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐;
상기 파일럿 노즐에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관; 및
상기 복수의 메인노즐에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관;을 포함하며,
상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하고,
상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 제어부;를 더 포함하며,
상기 제어부는, 공기와 혼합되는 연료의 압력비에 따라 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 파일럿 연료 공급 배관 및 메인 연료 공급 배관에는 각각 공급되는 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
케이싱(casing);
상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐;
상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐;
상기 파일럿 노즐에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관; 및
상기 복수의 메인노즐에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관;을 포함하며,
상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하고,
상기 파일럿 연료 공급 배관 및 메인 연료 공급 배관에는 각각 공급되는 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브가 설치되며,
상기 메인 연료 공급 배관은,
상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관;
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관; 및
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관;을 포함하고,
상기 제1 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제1 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고,
상기 제2 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제2 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제2항에 있어서,
상기 메인 연료 공급 배관은,
상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관;
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관; 및
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 연료채널로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제4항에 있어서,
상기 메인 배관으로부터 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관이 분기되는 지점에 설치되어, 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관으로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 3방 밸브;
를 더 포함하는 연소장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하면 상기 제1 연료채널로 연료를 모두 분배하며, 공기의 압력보다 연료의 압력이 높거나 연소 불안정이 발생하면 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 연료를 나누어 분배하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제1 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고,
상기 제2 연료 공급 배관은 상기 복수의 메인노즐의 제2 연료채널 중 하나에만 연결되어 연료를 공급하며, 상기 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 형성되며, 상기 제2 연료채널의 연료분사 위치는 공기와 연료가 만나 확산 화염(diffusion flame)이 발생하는 영역으로 분사되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기; 및
상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;을 포함하되,
상기 각 연소기는,
케이싱(casing);
상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐; 및
상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐;을 포함하며,
상기 복수의 연소기의 각 파일럿 노즐이 연결되는 파일럿 매니폴드(manifold);
상기 복수의 연소기의 각 메인노즐이 연결되는 메인 매니폴드(manifold);
상기 파일럿 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관; 및
상기 메인 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관;을 포함하고,
상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하며,
상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 제어부;를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 압축된 공기와 혼합되는 연료의 압력비에 따라 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 분배되는 연료의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제11항에 있어서,
상기 파일럿 연료 공급 배관 및 메인 연료 공급 배관에는 각각 공급되는 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기; 및
상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;을 포함하되,
상기 각 연소기는,
케이싱(casing);
상기 케이싱의 중앙에 설치되는 파일럿 노즐; 및
상기 파일럿 노즐의 원주방향을 따라 설치되는 복수의 메인노즐;을 포함하며,
상기 복수의 연소기의 각 파일럿 노즐이 연결되는 파일럿 매니폴드(manifold);
상기 복수의 연소기의 각 메인노즐이 연결되는 메인 매니폴드(manifold);
상기 파일럿 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 파일럿 연료 공급 배관; 및
상기 메인 매니폴드에 연료를 공급하기 위한 메인 연료 공급 배관;을 포함하고,
상기 각 메인노즐은 나란하게 형성되는 제1 연료채널 및 제2 연료채널을 포함하며,
상기 파일럿 연료 공급 배관 및 메인 연료 공급 배관에는 각각 공급되는 연료의 유량을 제어하기 위한 연료 유량 제어밸브가 설치되고,
상기 메인 매니폴드는,
상기 각 제1 연료채널과 연결되는 제1 메인 매니폴드; 및
상기 각 제2 연료채널과 연결되는 제2 메인 매니폴드;를 포함하며,
상기 메인 연료 공급 배관은,
상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관;
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관; 및
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관;을 포함하고,
상기 제1 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제1 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제1 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제1 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제1 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고,
상기 제2 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제2 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제2 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제2 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제2 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제12항에 있어서,
상기 메인 매니폴드는,
상기 각 제1 연료채널과 연결되는 제1 메인 매니폴드; 및
상기 각 제2 연료채널과 연결되는 제2 메인 매니폴드;를 포함하며,
상기 메인 연료 공급 배관은,
상기 연료 유량 제어밸브가 설치되는 메인 배관;
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제1 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제1 연료 공급 배관; 및
상기 메인 배관으로부터 분기되며 상기 제2 메인 매니폴드로 연료를 공급하기 위한 제2 연료 공급 배관;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제14항에 있어서,
상기 메인 배관으로부터 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관이 분기되는 지점에 설치되어, 상기 제1 연료 공급 배관 및 제2 연료 공급 배관으로 분배되는 연료의 유량을 조절하기 위한 3방 밸브;
를 더 포함하는 가스터빈.
삭제
제11항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 낮거나 동일하면 상기 제1 연료채널로 연료를 모두 분배하며, 상기 압축된 공기의 압력보다 연료의 압력이 높거나 연소 불안정이 발생하면 상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널로 연료를 나누어 분배하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제14항에 있어서,
상기 제1 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제1 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제1 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제1 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제1 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제1 연료채널은 인접하는 제1 연료채널을 연결하는 제1 연결배관유닛에 의해 모두 연결되고,
상기 제2 메인 매니폴드로부터 각 연소기의 제2 연료채널을 연결하기 위해 복수의 제2 메인 분기배관이 뻗어나가되, 각 연소기마다 하나의 제2 연료채널을 연결하기 위해 하나의 제2 메인 분기배관이 연결되며, 각 연소기의 각 제2 연료채널은 인접하는 제2 연료채널을 연결하는 제2 연결배관유닛에 의해 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제11항에 있어서,
상기 제1 연료채널 및 제2 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제11항에 있어서,
상기 제1 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료의 예비 혼합(pre-mixed)을 위한 혼합 영역으로 분사되는 위치에 형성되며, 상기 제2 연료채널의 연료분사 위치는 상기 압축된 공기와 연료가 만나 확산 화염(diffusion flame)이 발생하는 영역으로 분사되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.