KR102566073B1 - 버너 및 이것을 구비한 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

버너는 연료 플리넘 내를 연장하며, 공기가 내부에 공급되도록 구성된 적어도 1개의 혼합관과, 상기 연료 플리넘에 공급된 연료를 상기 적어도 1개의 혼합관의 내부에 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍을 구비하고, 상기 적어도 1개의 혼합관을 상기 혼합관의 축방향으로부터 보았을 때, 상기 복수의 연료 분사 구멍의 각각의 중심축은, 상기 혼합관의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관의 반경방향에 대해 동일방향으로 경사져 있다.

Description

버너 및 이것을 구비한 연소기 및 가스 터빈
본 개시는 버너 및 이것을 구비한 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈의 연소기 등에 있어서, 연소시에 생성하는 질소산화물(NOx)의 저감을 위해, 연료나 공기 흐름에 선회를 부여하기 위한 스월러를 이용한 예혼합 방식의 버너가 이용되는 일이 있다. 그런데, 이와 같은 스월러를 이용한 버너에서는, 연소 온도가 높은 경우나 연소 속도가 빠른 연료(예를 들면, 수소)를 이용하는 경우 등에, 스월러에 의해 형성되는 와심(渦芯)에 의해 역화가 생기기 쉬워지는 일이 있다. 그래서, 스월러를 이용하지 않고 저 NOx화를 도모하기 위한 버너가 제안되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 가스 터빈의 연소기에 이용되는 연료/공기 혼합 장치(버너)가 개시되어 있다. 이 연료/공기 혼합 장치는 축방향으로 이격되어 마련되는 한쌍의 벽면과, 상기 벽면 사이에 형성되는 연료 플리넘을 포함하는 예혼합 디스크를 포함하며, 상기 예혼합 디스크를 통과하도록 복수의 혼합관이 마련되어 있다. 각 혼합관에는 복수의 관통 구멍이 마련되고, 이 복수의 관통 구멍을 거쳐서 연료 플리넘 내의 연료가 각 혼합관 내에 분사된다. 또한, 혼합관에는 상기 혼합관의 입구로부터 공기가 공급되도록 되어 있으며, 혼합관 내에서 연료와 공기가 혼합되어 예혼합기가 생성되고, 혼합관의 출구로부터 상기 예혼합기가 분사되도록 되어 있다.
일본 특허 공개 제 2010-203758 호 공보
그런데, 특허문헌 1에 기재의 연료/공기 혼합 장치(버너)의 혼합관에 있어서, 연료를 분사하기 위한 복수의 관통 구멍(연료 분사 구멍)이 혼합관의 반경방향을 따라서 연장되도록 마련되어 있으면, 반경방향을 따라서 연료가 분사되게 된다. 그렇게 하면, 복수의 연료 분사 구멍으로부터의 연료끼리가, 혼합관의 축 직교 단면에 있어서의 중앙부(즉, 혼합관의 중심축 근방)에서 충돌하여, 이 영역의 연료 농도가 주위의 영역에 비해 극단적으로 높아지는 경향이 되는 경우가 있다. 이와 같이, 축 직교 단면 내에서 연료 농도의 분포가 불균일하면, 연소 온도가 고온이 되는 영역이 생기기 때문에, NOx 저감을 적절히 도모할 수 없는 경우가 있다.
상술의 사정을 감안하여, 본 발명의 적어도 일 실시형태는, 연료 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감 가능한 버너 및 이것을 구비한 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 버너는,
연료 플리넘 내를 연장하며, 공기가 내부에 공급되도록 구성된 적어도 1개의 혼합관과,
상기 연료 플리넘에 공급된 연료를, 상기 적어도 1개의 혼합관의 내부에 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍을 구비하고,
상기 적어도 1개의 혼합관을 상기 혼합관의 축방향으로 보았을 때, 상기 복수의 연료 분사 구멍의 각각의 중심축은, 상기 혼합관의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관의 반경방향에 대해 동일방향으로 경사져 있다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 혼합관에 연료를 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍을 둘레방향에 관하여, 반경방향에 대해 동일한 방향으로 경사지도록 마련했으므로, 이들 복수의 연료 분사 구멍으로부터 연료를 분사하면, 분사된 연료는 둘레방향에 관하여 동일방향(즉, 축방향으로 보았을 때, 시계 방향 또는 반시계 방향의 방향)의 선회 성분을 가지게 된다. 이에 의해, 혼합관의 축방향으로 보았을 때에, 복수의 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 거리를 길게 할 수 있어서, 축 직교방향의 단면 내에서 연료와 공기의 혼합에 이용되는 영역의 면적의 비율이 커지기 때문에, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합이 촉진되어, 상기 단면 내에서 연료 농도가 국소적으로 고농도가 되는 것을 억제하고, 연료 농도의 분포를 균일화할 수 있다. 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 (1)의 구성에 의하면, 상술한 바와 같이 연료와 공기의 혼합이 촉진되기 때문에, 연료와 공기의 혼합에 필요로 하는 축방향 거리를 종래에 비해 저감할 수 있기 때문에, 버너를 컴팩트화할 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 복수의 연료 분사 구멍은 상기 적어도 1개의 혼합관에 마련되어 있다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 혼합관 내에 연료를 공급하기 위한 혼합관 자체에 연료 분사 구멍을 마련했으므로, 간소한 구성으로 상기 (1)에서 설명한 바와 같이, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합을 촉진하여, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 버너는,
적어도 부분적으로 상기 혼합관보다 축방향 상류측에 위치하며, 상기 연료 플리넘과 연통하는 상류측 공간을 형성하는 노즐 부재를 더 구비하고,
상기 복수의 연료 분사 구멍은 상기 노즐 부재에 마련되어 있다.
통상, 혼합관보다 상류측의 위치에 있어서의 유로 면적은, 혼합관 내부에 있어서의 유로 면적보다 넓다. 이 점, 상기 (3)의 구성에서는, 적어도 부분적으로 혼합관보다 상류측에 위치하는 노즐 부재를 마련했으므로, 혼합관에 공급되는 공기의 축방향 속도는, 혼합관보다 상류측의 위치(예를 들면, 노즐 부재의 위치)에서 비교적 느리고, 혼합관의 내부에서는 비교적 빨라진다. 이 때문에, 노즐 부재에 마련된 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료는, 혼합관보다 상류측의 위치에서 축방향으로 전진함에 따라서 직경방향으로 축 중심에 가까워지기 쉬워진다. 따라서, 혼합관보다 상류측의 영역으로부터 혼합관의 내부에 유입된 연료는, 혼합관의 벽면으로부터 이격된 영역에 위치하기 쉬워진다. 따라서, 혼합관의 벽면 근방의 연료 농도를 저감하기 쉬워져, 혼합관의 벽면 근방에 있어서의 고연료 농도에 기인하는 역화(逆火)를 효과적으로 억제할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는 상기 (3)의 구성에 있어서,
상기 버너는, 상기 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 구비하고,
상기 노즐 부재는 상기 상류측 플레이트에 지지된다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트를 이용하여 노즐 부재를 지지하도록 했으므로, 간소한 구성이면서, 상기 (3)에서 설명한 바와 같이, 혼합관의 벽면 근방의 연료 농도를 저감하기 쉽게 하여, 혼합관의 벽면 근방에 연료가 존재하는 것에 기인하는 역화를 효과적으로 억제할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3) 또는 (4)의 구성에 있어서,
상기 적어도 1개의 혼합관은 복수의 혼합관을 포함하고,
상기 노즐 부재는, 상기 복수의 혼합관의 내부에 상기 연료를 분사하도록 각각 구성된 복수의 상기 연료 분사 구멍을 포함한다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 1개의 노즐 부재로부터, 복수의 혼합관에 대해 연료를 분사하도록 했으므로, 복수의 혼합관으로의 연료의 공급 효율을 향상시킬 수 있거나, 혹은, 예혼합기의 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 적어도 1개의 혼합관의 축방향의 단면에 있어서, 상기 연료 분사 구멍의 각각의 상기 중심축은 상기 혼합관의 반경방향에 대해 경사져 있다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 연료 분사 구멍을, 혼합관의 반경방향에 대해 경사지도록 마련했으므로, 복수의 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 축방향에 있어서의 거리를 길게 할 수 있다. 따라서, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합을 보다 촉진할 수 있으며, 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 보다 효과적으로 저감할 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 버너는, 상기 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 구비하고,
상기 적어도 1개의 혼합관은, 상기 상류측 플레이트 및 상기 하류측 플레이트를 관통하도록 마련된다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 적어도 1개의 혼합관을 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 관통하도록 마련했으므로, 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 이용하여 혼합관을 지지한 간소한 구성으로 상기 (1)에서 설명한 바와 같이, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합이 촉진되고, 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 적어도 1개의 혼합관은 복수의 혼합관을 포함하고,
상기 복수의 혼합관이 1개의 상기 연료 플리넘 내를 연장하도록 마련된다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트로 구획되는 연료 플리넘에 대해 복수의 혼합관을 마련했으므로, 한정된 공간에 다수의 혼합관을 마련할 수 있으므로, 버너의 컴팩트화가 가능하며, 혹은, 버너에 있어서의 예혼합기의 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
(9) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 연소기는,
상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 버너와,
상기 버너의 하류측에 마련된 연소통을 구비한다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 혼합관에 연료를 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍을 둘레방향에 관하여, 반경방향에 대해 동일한 방향으로 경사지도록 마련했으므로, 이들 복수의 연료 분사 구멍으로부터 연료를 분사하면, 분사된 연료는 둘레방향에 관하여 동일방향(즉, 축방향으로부터 보았을 때, 시계 방향 또는 반시계 방향의 방향)의 선회 성분을 가지게 된다. 이에 의해, 혼합관의 축방향으로 보았을 때에, 복수의 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 거리를 길게 할 수 있어서, 축 직교방향의 단면 내에서 혼합에 이용되는 면적의 비율이 커지기 때문에, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합이 촉진되어, 상기 단면 내에서 국소적으로 고농도가 되는 것을 억제하여 농도 분포를 균일화할 수 있다. 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 (9)의 구성에 의하면, 상술한 바와 같이 연료와 공기의 혼합이 촉진되기 때문에, 연료와 공기의 혼합에 필요로 하는 축방향 거리를 종래에 비해 저감할 수 있기 때문에, 버너를 컴팩트화할 수 있다.
(10) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈은, 상기 (9)에 기재의 연소기를 구비한다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 혼합관에 연료를 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍을 둘레방향에 관하여, 반경방향에 대해 동일한 방향으로 경사지도록 마련했으므로, 이들 복수의 연료 분사 구멍으로부터 연료를 분사하면, 분사된 연료는 둘레방향에 관하여 동일방향(즉, 축방향으로 보았을 때에, 시계 방향 또는 반시계 방향의 방향)의 선회 성분을 가지게 된다. 이에 의해, 혼합관의 축방향으로 보았을 때에, 복수의 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 거리를 길게 할 수 있어서, 축 직교방향의 단면 내에서 혼합에 이용되는 면적의 비율이 커지기 때문에, 혼합관 내에서의 연료와 공기의 혼합이 촉진되어, 상기 단면 내에서 국소적으로 고농도가 되는 것을 억제하고 농도 분포를 균일화할 수 있다. 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 (10)의 구성에 의하면, 상술한 바와 같이, 연료와 공기의 혼합이 촉진되기 때문에, 연료와 공기의 혼합에 필요로 하는 축방향 거리를 종래에 비해 저감할 수 있기 때문에, 버너를 컴팩트화할 수 있다.
　본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 연료 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감 가능한 버너 및 이것을 구비한 연소기 및 가스 터빈이 제공된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 개략 구성도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 연소기를 도시하는 개략 단면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 연소기의 버너 출구 근방을 하류측으로부터 본 개략적인 사시도이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 버너의 축방향을 따른 부분적인 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 버너의 혼합관의 축 직교방향에 있어서의 단면도이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 버너의 축방향을 따른 부분적인 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시하는 버너의 혼합관의 축 직교방향에 있어서의 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시하는 버너의 입구 근방을 상류측으로부터 본 개략적인 사시도이다.
도 9는 혼합관 내에 있어서의 축방향 위치와, 그 축방향 위치에 있어서의 축 직교 단면 내에서의 연료 농도의 최대값의 관계의 일 예를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시형태에 대해 설명한다. 다만, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것으로 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
우선, 몇 가지의 실시형태에 따른 버너 및 연소기의 적용처의 일 예인 가스 터빈에 대해, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 개략 구성도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈(100)은 압축 공기를 생성하기 위한 압축기(2)와, 압축 공기 및 연료를 이용하여 연소 가스를 발생시키기 위한 연소기(4)와, 연소 가스에 의해 회전 구동되도록 구성된 터빈(6)을 구비한다. 발전용의 가스 터빈(100)인 경우, 터빈(6)에는 도시하지 않은 발전기가 연결된다.
압축기(2)는 압축기 차실(10)측에 고정된 복수의 정익(16)과, 정익(16)에 대해 교대로 배열되도록 로터(8)에 식설(植設)된 복수의 동익(18)을 포함한다.
압축기(2)에는, 공기 취입구(12)로부터 취입된 공기가 이송되도록 되어 있으며, 이 공기는, 복수의 정익(16) 및 복수의 동익(18)을 통과하고 압축되는 것에 의해, 고온 고압의 압축 공기가 된다.
연소기(4)에는, 연료와, 압축기(2)에서 생성된 압축 공기가 공급되도록 되어 있으며, 상기 연소기(4)에 있어서 연료가 연소되며, 터빈(6)의 작동 유체인 연소 가스가 생성된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈(100)은 케이싱(20) 내에 로터(8)를 중심으로 하여 둘레방향을 따라서 복수 배치된 연소기(4)를 갖는다.
터빈(6)은 터빈 차실(22)에 의해 형성되는 연소 가스 통로에 마련되는 복수의 정익(24) 및 동익(26)을 포함한다. 터빈(6)의 정익(24) 및 동익(26)은, 연소 가스의 흐름에 관하여 연소기(4)의 하류측에 마련되어 있다.
정익(24)은 터빈 차실(22)측에 고정되어 있으며, 로터(8)의 둘레방향을 따라서 배열되는 복수의 정익(24)이 정익열을 구성하고 있다. 또한, 동익(26)은 로터(8)에 식설되어 있으며, 로터(8)의 둘레방향을 따라서 배열되는 복수의 동익(26)이 동익열을 구성하고 있다. 정익열과 동익열은 로터(8)의 축방향에 있어서 교대로 배열되어 있다.
터빈(6)에서는, 연소 가스 통로에 유입된 연소기(4)로부터의 연소 가스가 복수의 정익(24) 및 복수의 동익(26)을 통과하는 것에 의해, 로터(8)가 회전 구동되며, 이에 의해, 로터(8)에 연결된 발전기가 구동되어 전력이 생성되도록 되어 있다. 터빈(6)을 구동한 후의 연소 가스는, 배기실(30)을 거쳐서 외부로 배출된다.
도 2는 일 실시형태에 따른 가스 터빈(100)의 연소기(4)를 도시하는 개략 단면도이다. 도 3은 연소기(4)의 버너(50) 출구 근방을 하류측으로부터 본 개략적인 사시도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 연소기(4)는 연료를 연소시키기 위한 버너(50)와, 버너(50)의 하류측(즉, 버너(50)보다 터빈(6)에 가까운 측)에 마련된 연소통(46)을 구비하고 있다.
버너(50)는 축방향(버너(50)의 축선(L)의 방향)을 따라서 마련되는 통 부재(105)와, 축방향에 있어서 이격되어 마련되는 상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)와, 통 부재(105)의 내측에서 상류측 플레이트(111)와 하류측 플레이트(113) 사이에 형성되는 공간인 연료 플리넘(122)을 통과하도록 마련되는 혼합관(131)을 구비하고 있다. 도시하는 예에서는, 복수의 혼합관(131)이 연료 플리넘(122)을 통과하도록 마련되어 있다.
상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)는, 축방향에 직교하는 면을 따라서 마련되어 있으며, 예를 들면, 원판형상의 형상을 갖고 있어도 좋다. 통 부재(105)는 상기 통 부재(105)의 주위에 마련되는 지지 부재(106)에 의해 케이싱(20)에 지지되어 있다. 혼합관(131)의 각각은, 상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)를 관통하도록 축방향을 따라서 연장되어 있으며, 상류측단에 위치하는 유입구(142)와, 하류측단에 위치하는 혼합기 분사 구멍(141)을 갖고 있다(도 3 참조). 즉, 상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)에는, 혼합관(131)이 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있다.
연료 플리넘(122)에는, 연료 포트(52)로부터의 연료가 연료 통로(도시하지 않음)를 거쳐서 공급되도록 되어 있으며, 공급된 연료는 연료 플리넘(122) 내에 저류되도록 되어 있다.
또한, 혼합관(131)의 내부에는 공기가 공급되도록 되어 있다. 보다 구체적으로는, 케이싱(20)의 내부에서 버너(50)의 상류측(즉, 버너(50)를 사이에 두고 연소통(46)과는 반대측)에 공기실(121)이 형성되어 있으며, 상기 공기실(121)에는 차실(40)로부터 공기 유로(110)를 거쳐서 공기(압축 공기)가 유입되어 충만하게 되어 있다. 그리고, 공기실(121) 내의 공기가 유입구(142)를 거쳐서 혼합관(131)의 내부에 공급되도록 되어 있다.
혼합관(131)의 내부에서는, 연료 플리넘(122)으로부터 혼합관(131)에 공급되는 연료와, 유입구(142)를 거쳐서 혼합관(131)에 공급되는 공기가, 하류측을 향하여(즉, 연소통(46)측을 향하여) 흐르면서 혼합되어, 예혼합기가 생성된다. 또한, 연료 플리넘(122)으로부터의 연료는, 후술하는 연료 분사 구멍(133)으로부터 혼합관(131) 내에 분사된다. 혼합관(131) 내에서 생성된 예혼합기는, 혼합관(131)의 하류측단에 마련된 혼합기 분사 구멍(141)으로부터 연소통(46)에 의해 형성되는 연소실(124)에 분사되고, 도시하지 않은 불씨에 의해 발화되어 연소하도록 되어 있다.
이하, 몇 가지의 실시형태에 따른 버너(50)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 이하에 설명하는 버너(50)는 예를 들면, 상술한 가스 터빈(100) 및 연소기(4)에 적용된다.
도 4 및 도 6은 각각, 일 실시형태에 따른 버너(50)의 축방향을 따른 부분적인 단면도이다. 도 5 및 도 7은 각각, 도 4 및 도 6에 도시하는 버너(50)의 혼합관(131)의 축 직교방향에 있어서의 단면도이며, 도 8은 도 6에 도시하는 버너(50)의 입구 근방을 상류측에서 본 개략적인 사시도이다.
이미 설명한 바와 같이, 버너(50)는 연료 플리넘(122) 내를 연장하며, 공기가 내부에 공급되도록 구성된 적어도 1개의 혼합관(131)을 갖는다. 또한, 도 4 및 도 6에 도시하는 예시적인 실시형태에 있어서, 버너(50)는 복수의 혼합관(131)을 갖고 있다. 혼합관(131)의 각각은 연료 플리넘(122)을 구획하는 상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)를 관통하도록 마련되며, 이들 상류측 플레이트(111) 및 하류측 플레이트(113)에 지지되어 있다.
도 4 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 버너(50)는 또한, 연료 플리넘(122)에 공급된 연료를 혼합관(131)의 내부에 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍(133(133A, 133B))을 구비하고 있다. 그리고, 혼합관(131)을 상기 혼합관(131)의 축방향으로부터 보았을 때, 복수의 연료 분사 구멍(133)의 각각의 중심축(O)은 혼합관(131)의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관(131)의 반경방향에 대해 동일방향으로 경사져 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 4 및 도 5에 도시하는 예시적인 실시형태에서는, 복수의 연료 분사 구멍(133A)은, 혼합관(131)을 형성하는 관벽(131a)에 마련된 관통 구멍이며, 1개의 혼합관(131)에 대해, 복수의 연료 분사 구멍(133A)이 둘레방향으로 이격되어 배열되어 있다. 본 실시형태에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 혼합관(131)의 중심축(O) 주위로 약 90도씩 이격되어, 4개의 연료 분사 구멍(133A)이 마련되어 있다.
또한, 도 6 내지 도 8에 도시하는 예시적인 실시형태에서는, 버너(50)는 연료 플리넘(122)과 연통하는 상류측 공간(136)을 형성하는 노즐 부재(132)를 더 구비하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 노즐 부재(132)는 연료 플리넘(122)을 형성하는 상류측 플레이트(111)에 마련된 구멍에 부분적으로 삽입되는 통부(132a)와, 통부(132a)의 상류단의 개구단을 폐색하는 바닥부(132b)를 포함한다. 즉, 노즐 부재(132)는 상류측 플레이트(111)에 지지되어 있는 동시에, 부분적으로 혼합관(131)보다 축방향 상류측에 위치하고 있다. 또한, 노즐 부재(132)의 내부에는 혼합관(131)보다 상류측에 위치하는 상류측 공간(136)이 형성되어 있다.
이 실시형태에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 복수의 연료 분사 구멍(133B)은 노즐 부재(132)를 형성하는 통부(132a)에 마련된 관통 구멍이다. 또한, 노즐 부재(132)에는 상기 노즐 부재(132)의 둘레방향으로 이격되어 배열되어 있다. 보다 구체적으로는, 1개의 노즐 부재(132)에는 상기 노즐 부재(132)의 중심축(Q) 주위로 약 90도씩 이격되어 4개의 연료 분사 구멍(133B)이 마련되어 있다.
또한, 이 실시형태에서는, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 축방향으로부터 보았을 때, 1개의 혼합관(131)을 둘러싸도록, 복수의 노즐 부재(132)가 마련되어 있다. 보다 구체적으로는, 1개의 혼합관(131)의 주위에 상기 혼합관(131)의 중심축(O) 주위로 약 90도씩 이격되어, 4개의 노즐 부재(132)가 마련되어 있다.
또한, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 축방향으로부터 보았을 때, 1개의 노즐 부재(132)를 둘러싸도록, 복수의 혼합관(131)이 마련되어 있다. 보다 구체적으로는, 1개의 노즐 부재(132)의 주위에 상기 노즐 부재(132)의 중심축(Q) 주위로 약 90도씩 이격되어, 4개의 혼합관(131)이 마련되어 있다. 즉, 축방향으로부터 보았을 때, 복수의 혼합관(131)과, 복수의 노즐 부재(132)가 지그재그 형상으로 배열되어 있다.
그리고, 노즐 부재(132)의 각각은, 상기 노즐 부재(132)의 주위에 마련된 복수의 혼합관(131)의 내부에, 연료 분사 구멍(133B)으로부터 연료를 분사하도록 각각 구성되어 있다.
이들 실시형태에 있어서, 축방향으로 보았을 때, 1개의 혼합관(131)의 주위에 마련되는 복수의 연료 분사 구멍(133(133A, 133B))은, 상기 혼합관(131)의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관(131)의 반경방향에 대해 동일방향으로 경사져 있다. 즉, 도 5 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 혼합관(131)의 주위에 마련되는 복수의 연료 분사 구멍(133(133A, 133B))의 각각의 중심축(P)은 혼합관(131)의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관(131)의 반경방향에 대해 동일방향으로 각각, θ1, θ2, θ3, θ4만큼 경사져 있다(단, θ1 내지 θ4는 0도보다 크다). 전형적으로는 각도(θ1 내지 θ4)는 대략 동일하다.
상술한 구성의 버너(50)에 의하면, 혼합관(131)에 연료를 분사하기 위한 복수의 연료 분사 구멍(133(133A, 133B))을 둘레방향에 관하여, 반경방향에 대해 동일한 방향으로 경사지도록 마련했으므로, 이들 복수의 연료 분사 구멍(133)으로부터 연료를 분사하면, 분사된 연료는 둘레방향에 관하여 동일방향(도 5 및 도 7에 있어서의 반시계 방향의 방향)의 선회 성분을 가지게 된다. 이에 의해, 혼합관(131)의 축방향으로 보았을 때에, 복수의 연료 분사 구멍(133)으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 거리를 길게 할 수 있어서, 축 직교방향의 단면 내에서 연료와 공기의 혼합에 이용되는 영역의 면적의 비율이 커지기 때문에, 혼합관(131) 내에서의 연료와 공기의 혼합이 촉진되고, 상기 단면 내에서 국소적으로 고농도가 되는 것을 억제하여 연료 농도의 분포를 균일화할 수 있다. 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
여기에서, 도 9는 혼합관(131) 내에 있어서의 축방향 위치(횡축)와. 그 축방향 위치에 있어서의 축 직교 단면 내에서의 연료 농도의 최대값(단면 내 최고 농도; 종축)의 관계의 일 예를 나타내는 그래프이다. 그래프 중의 곡선(250)은 축방향으로부터 보아, 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)이 반경방향에 대해 경사져 있지 않는 경우(즉, 중심축(P)의 반경방향에 대한 경사각(θ)(도 5, 도 7 참조)이 0도인 경우)의 것을 나타내며, 곡선(252)은 축방향으로부터 보아 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)이 반경방향에 대해 경사져 있는 경우(즉, 상술의 경사각(θ)이 0도보다 큰 경우)의 것을 나타낸다. 도 9의 그래프에서는, 곡선(250)에 비해, 곡선(252)은 보다 상류측에 있어서 상술의 단면 내 최고 농도가 낮게 되어 있으며, 즉, 보다 상류측에서 연료 농도 분포가 균일하게 되어 있으며, 혼합 상태가 양호한 것을 나타낸다.
이와 같이, 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)이 반경방향에 대해 경사진 상술의 실시형태에서는, 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)이 반경방향에 대해 경사져 있지 않는 경우에 비해, 연료와 공기의 혼합이 촉진되기 때문에, 연료와 공기의 혼합에 필요로 하는 축방향 거리를 저감할 수 있다. 따라서, 혼합관(131)의 길이를 짧게 설정할 수 있으며, 이 때문에 버너(50)를 컴팩트화할 수 있다. 이에 의해, 혼합관(131)이나 통 부재(105)의 축방향 길이를 짧게 할 수 있기 때문에, 버너(50)의 제작 비용을 저감할 수 있다. 또한, 혼합관(131)이나 통 부재(105)가 단축되기 때문에, 이들 부재에서 생길 수 있는 불안정 진동의 주파수 대역이 보다 한정적이 되므로, 연소 진동의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 연료 분사 구멍(133)의 각각의 중심축(P)의 혼합관(131)의 반경방향에 대한 경사 각도(θ)는 15도 이상 55도 이하여도 좋다.
상술한 바와 같이, 도 6 내지 도 8에 도시하는 예시적인 실시형태에서는, 적어도 부분적으로 혼합관(131)보다 상류측에 위치하는 노즐 부재(132)에 연료 분사 구멍(133B)을 마련하고 있다. 그리고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 노즐 부재(132)는 혼합관(131)에 대해 직경방향 외측에 위치하고 있으므로, 혼합관(131)보다 상류측의 위치(노즐 부재(132)가 마련되어 있는 축방향 위치)에 있어서의 영역(R1)의 유로 면적은, 혼합관(131) 내부에 있어서의 유로 면적보다 넓다.
따라서, 도 6 내지 도 8에 도시하는 실시형태에서는, 혼합관(131)에 공급되는 공기의 축방향 속도는, 혼합관(131)보다 상류측의 위치(영역(R1))에서 비교적 느리고, 혼합관(131)의 내부에서는 비교적 빨라진다. 이 때문에, 노즐 부재(132)에 마련된 연료 분사 구멍(133B)으로부터 분사된 연료는, 혼합관(131)보다 상류측의 위치(영역(R1))에서, 축방향으로 전진함에 따라서, 직경방향으로 혼합관(131)의 중심축(O)에 가까워지기 쉬워진다. 따라서, 혼합관(131)보다 상류측의 영역으로부터 혼합관(131)의 내부에 유입된 연료는, 혼합관(131)의 벽면(131b)(관벽(131a)의 내주면)으로부터 이격된 영역에 위치하기 쉬워진다. 따라서, 혼합관(131)의 벽면 근방의 연료 농도를 저감하기 쉬워져, 혼합관(131)의 벽면 근방의 연료 농도가 높은 것에 기인하는 역화를 효과적으로 억제할 수 있다.
몇 가지의 실시형태에서는, 예를 들면, 도 6에 도시하는 바와 같이, 혼합관(131)의 축방향의 단면에서, 연료 분사 구멍(133B)의 각각의 중심축(P)은 혼합관(131)의 반경방향에 대해 경사져 있다. 즉, 도 6에 도시하는 예에서는, 연료 분사 구멍(133B)의 각각의 중심축(P)은 혼합관(131)의 반경방향에 대한 각도(φ)가 0도보다 크다.
이 경우, 복수의 연료 분사 구멍(133B)으로부터 분사된 연료가 서로 충돌할 때까지의 축방향에 있어서의 거리를 길게 할 수 있다. 따라서, 혼합관(131) 내에서의 연료와 공기의 혼합을 보다 촉진할 수 있으며, 이에 의해, 연료의 연소시에 생기는 NOx를 보다 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 몇 가지의 실시형태에서는, 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이, 혼합관(131)의 축방향을 포함하는 단면에 있어서, 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)은 혼합관(131)의 중심축(O)에 대해 직교하는 방향을 따라서 연장되어 있어도 좋다. 즉, 혼합관(131)의 축방향의 단면에 있어서, 연료 분사 구멍(133)의 중심축(P)은 혼합관(131)의 반경방향에 대해 경사져 있지 않아도 좋다.
또한, 몇 가지의 실시형태에서는, 버너(50)를 구성하는 혼합관(131) 중 몇 가지는, 혼합관(13)의 축방향으로부터 보았을 때, 상기 중심축이 반경방향을 따라서 연장되는 연료 분사 구멍을 갖고 있어도 좋다. 즉, 혼합관(131)의 축방향으로부터 보았을 때, 상기 연료 분사 구멍의 중심축은, 혼합관(131)의 둘레방향에 관하여, 혼합관(131)의 반경방향에 대해 경사져 있지 않아도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 더한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
본 명세서에 있어서, "어느 방향으로", "어느 방향을 따라서", " 평행", "직교", "중심", "동심" 혹은 "동축" 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, "동일", "동일하다" 및 "균질" 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 면취부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 하나의 구성 요소를 "구비한다", "포함한다", 또는, "갖는다"라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
2: 압축기 4: 연소기
6: 터빈 8: 로터
10: 압축기 차실 12: 공기 취입구
16: 정익 18: 동익
20: 케이싱 22: 터빈 차실
24: 정익 26: 동익
30: 배기실 40: 차실
46: 연소통 50: 버너
52: 연료 포트 100: 가스 터빈
105: 통 부재 106: 지지 부재
110: 공기 유로 111: 상류측 플레이트
113: 하류측 플레이트 121: 공기실
122: 연료 플리넘 124: 연소실
131: 혼합관 131a　관벽
131b　벽면 132: 노즐 부재
132a　통부 132b　바닥부
133, 133A, 133B　연료 분사 구멍 136: 상류측 공간
141: 혼합기 분사 구멍 142: 유입구
L: 축선 O: 중심축
P: 중심축 R1: 영역

Claims (10)

  1. 연료 플리넘 내를 연장하며, 공기가 내부에 공급되도록 구성된 적어도 1개의 혼합관과,
    적어도 부분적으로 상기 혼합관보다 축방향 상류측에 위치하며, 상기 연료 플리넘과 연통하는 상류측 공간을 형성하는 노즐 부재와,
    상기 연료 플리넘에 공급된 연료를, 상기 적어도 1개의 혼합관의 내부에 분사하기 위해 상기 노즐 부재에 마련된 복수의 연료 분사 구멍을 구비하고,
    상기 적어도 1개의 혼합관을 상기 혼합관의 축방향으로부터 보았을 때, 상기 복수의 연료 분사 구멍의 각각의 중심축은, 상기 혼합관의 둘레방향에 관하여, 상기 혼합관의 반경방향에 대해 동일방향으로 경사져 있는
    버너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 구비하고,
    상기 노즐 부재는 상기 상류측 플레이트에 지지된
    버너.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 혼합관은 복수의 혼합관을 구비하며,
    상기 노즐 부재는, 상기 복수의 혼합관의 내부에 상기 연료를 분사하도록 각각 구성된 복수의 상기 연료 분사 구멍을 포함하는
    버너.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 혼합관의 축방향의 단면에 있어서, 상기 연료 분사 구멍의 각각의 상기 중심축은 상기 혼합관의 반경방향에 대해 경사져 있는
    버너.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 플리넘을 구획하는 상류측 플레이트 및 하류측 플레이트를 구비하고,
    상기 적어도 1개의 혼합관은 상기 상류측 플레이트 및 상기 하류측 플레이트를 관통하도록 마련된
    버너.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 혼합관은 복수의 혼합관을 포함하며,
    상기 복수의 혼합관이 1개의 상기 연료 플리넘 내를 연장하도록 마련된
    버너.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 기재된 버너와,
    상기 버너의 하류측에 마련된 연소통을 구비하는
    연소기.
  10. 제 9 항에 기재된 연소기를 구비하는
    가스 터빈.
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