KR20100018604A - 가스 터빈 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시켜, 예혼합 화염의 보염성을 향상시킬 수 있는 가스 터빈 연소기를 제공하는 것이다. 통형상으로 형성된 연소기 본체의 중심부에 설치되어 파일럿 화염을 형성하는 파일럿 버너(3)와, 파일럿 버너(3)의 외주를 둘러싸도록 복수 배치되어 예혼합 화염을 형성하는 메인 버너(10)를 구비하여 이루어지는 가스 터빈 연소기(1A)가, 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부로서 유로 폐색 부재(20)를 구비하고 있다.

Description

가스 터빈 연소기 {GAS TURBINE COMBUSTOR}

본 발명은 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.

종래, 가스 터빈 연소기(1)에는, 예를 들어 도 12에 도시한 바와 같이, 통형상으로 형성된 연소기 본체(2)의 중심 위치에 파일럿 버너(3)를 배치하여, 그 주위를 둘러싸도록 하여 복수(예를 들어, 8개)의 메인 버너(10)가 원주 방향으로 등피치로 배치된 구성의 것이 있다.

파일럿 버너(3)는 파일럿 노즐(4)과 그 주위에 형성된 파일럿 공기 유로(5)를 구비하고 있다. 파일럿 노즐(4)을 통해 공급된 파일럿 연료는 파일럿 공기 유로(5)로부터 공급되는 파일럿 공기에 의해 연소되어, 보염기(flame stabilizer)(9)의 후방으로 연장되는 파일럿 화염을 형성한다. 또한, 도면 중 부호 6은 파일럿 공기 유로(5) 내에 설치되어 선회류를 형성하는 파일럿 스월러(pilot swirler), 부호 7은 파일럿 공기 유로(5)를 형성하는 통형상 부재(8)의 하류측 단부를 직경 확장한 파일럿 콘이다.

메인 버너(10)는 메인 노즐(11)과 그 주위에 형성된 메인 공기 유로(12)를 구비하고 있다. 메인 노즐(11)로부터 공급된 메인 연료는 메인 공기 유로(12)를 통해 공급된 메인 공기와 예혼합되어 예혼합기로 된다. 이 예혼합기는 보염기(9)의 하류에 있어서 파일럿 화염으로부터의 화염 전파성(flame transfer)에 의해 연소된다. 또한, 도면 중 부호 13은 메인 공기 유로(12)에 설치된 메인 스월러로, 메인 공기를 선회류로 하여 메인 연료와의 예혼합을 촉진하는 것이다.

즉, 상술한 가스 터빈 연소기(1)는 보염성에 지배되는 30 내지 80㎐ 정도의 연소 진동을 방지 또는 억제하기 위해, 파일럿 버너(2)의 확산 연소에 의해 안정된 파일럿 화염(확산 화염)을 형성하고, 이 파일럿 화염이 메인 버너(10)의 예혼합기까지 전파되는 화염 전파성에 의해, 예혼합기를 연소시켜 얻어지는 예혼합 화염을 안정시키도록 구성되어 있다.

그런데, 가스 터빈 연소기의 연소 진동을 방지하는 종래 기술로서는, 2 이상 설치된 예혼합관의 공기 입구에 형성된 스월러 각도를 서로 다르게 하여, 연소실 내의 화염을 길게 하는 것이 제안되어 있다. 이 종래 기술에 따르면, 화염을 길게 함으로써 발열이 분산되므로, 가진력은 작아지게 된다고 되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

또한, 예혼합 연소 영역에 있어서의 예혼합기의 착화 성능을 향상시키기 위해, 파일럿 콘의 선단부 하류측을 향해 공기를 분출하는 공기 분출 수단을 설치하는 동시에, 파일럿 콘의 선단부 하류측에 형성되는 보염 저속 영역 혹은 그 근방으로 연료를 분출하는 연료 분출 수단을 파일럿 콘에 설치한 가스 터빈 연소기가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2003-139326호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2005-114193호 공보

그런데, 상술한 종래의 가스 터빈 연소기(1)에 있어서는, 보염기(9)의 하류에 형성되는 차가운 파일럿 공기층(이하, 「저온 공기층」이라고 부름)이 안정적인 예혼합 화염의 형성을 저해하므로, 연소 진동의 요인이 되는 예혼합 화염의 보염성을 악화시킨다고 하는 문제가 지적되고 있다.

즉, 도 12에 도시하는 가스 터빈 연소기(1)에 있어서, 파일럿 스월러(6)를 통과한 파일럿 공기는 선회 공기류로 되어, 파일럿 콘(7)의 내면을 따라서 보염기(9)까지 도달한다. 이 선회 공기류는 보염기(9)의 하류에 있어서 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 저온 공기층을 형성한다.

이 저온 공기층은 온도가 낮은 공기층이므로, 파일럿 화염이 예혼합기를 연소시켜 예혼합 화염을 형성하기 위한 화염의 전파를 저하시키게 되고, 이 결과, 예혼합기의 연소는 불안정한 것으로 된다. 따라서, 가스 터빈 연소기(1)에 있어서는, 안정된 예혼합 화염을 형성할 수 없고, 따라서 연소 진동의 원인이 되는 예혼합 화염의 보염성은 악화되게 된다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시켜, 예혼합 화염의 보염성을 향상시킬 수 있는 가스 터빈 연소기를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해, 하기의 수단을 채용하였다.

본 발명에 관한 가스 터빈 연소기는 통형상으로 형성된 연소기 본체의 중심부에 설치되어 파일럿 화염을 형성하는 파일럿 버너와, 상기 파일럿 버너의 외주를 둘러싸도록 복수 배치되어 예혼합 화염을 형성하는 메인 버너를 구비하여 이루어지는 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 파일럿 화염과 상기 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같은 가스 터빈 연소기에 따르면, 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부를 구비하고 있으므로, 저온 공기층을 얇게 하여 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축하여, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성이 향상된다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 공기 유로에 설치된 파일럿 스월러에 대해, 베인간 공기 유로의 1 또는 복수 개소를 막도록 설치된 유로 폐색 부재인 것이 바람직하고, 이에 의해, 유로 폐색 부재의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 콘의 외측 테두리부로부터 후방으로 돌출되는 1 또는 복수매의 판 형상 돌기 부재인 것이 바람직하고, 이에 의해, 판 형상 돌기 부재가 파일럿 공기의 흐름에 소용돌이를 발생시켜, 메인 버너의 예혼합기의 일부를 파일럿 버너 근방으로 끌어들임으로써 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 콘 외측 테두리부의 내주면에 1 또는 복수 개소 형성되며, 후퇴각을 갖는 웨지 형상 볼텍스 제너레이터인것이 바람직하고, 이에 의해, 웨지 형상 볼텍스 제너레이터가 파일럿 공기의 흐름에 소용돌이를 발생시켜, 메인 버너의 예혼합기의 일부를 파일럿 버너 근방으로 끌어들임으로써 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 콘의 내주면에 1 또는 복수개 설치된 대략 3각 기둥 형상의 분류(分流) 부재인 것이 바람직하고, 이에 의해, 분류 부재의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 콘의 출구부에 형성되어, 파일럿 공기의 일부를 상기 메인 버너측으로 분류시키는 바이패스 유로인 것이 바람직하고, 이에 의해, 바이패스 유로의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다. 이 경우의 바이패스 유로는, 파일럿 콘의 둘레 방향에 있어서 전체 둘레 또는 단속적으로 형성하면 좋다. 또한, 여기서 바이패스되는 파일럿 공기의 유량은 메인 버너에 공급되는 메인 공기의 유량과 비교하여 매우 작기 때문에, 예혼합기를 희박하게 하는 악영향은 무시할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 스월러의 출구부에 1 또는 복수개 설치된 대략 3각 기둥 형상의 분류 부재인 것이 바람직하고, 이에 의해, 분류 부재의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 콘을 프레스 가공하여 내벽면에 형성된 1 또는 복수개의 융기부인 것이 바람직하고, 이에 의해, 융기부의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부는 파일럿 공기 유로의 스월러 출구에 부분적으로 설치한 협애부인 것이 바람직하고, 이에 의해, 협애부의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부를 설치함으로써, 저온 공기층을 희박하게 하여 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축하여, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 이 결과, 예혼합기의 연소가 안정되고, 안정된 예혼합 화염이 형성되므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기의 연소 진동을 개선할 수 있다.

본 발명에 따르면, 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시켜, 예혼합 화염의 보염성을 향상시킬 수 있는 가스 터빈 연소기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제1 실시 형태에 대해, 가스 터빈 연소기를 출구측에서 본 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 가스 터빈 연소기의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 가스 터빈 연소기에 대해, 파일럿 공기 영역과 예혼합기 영역의 경계선(L)을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제2 실시 형태에 대해, 가스 터빈 연소기를 출구측에서 본 우측 절반의 구성도이다.
도 5는 도 2에 도시하는 가스 터빈 연소기의 단면도이다.
도 6a는 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제3 실시 형태를 도시하는 도면으로, 가스 터빈 연소기를 출구측에서 본 우측 절반의 구성도이다.
도 6b는 도 6a의 볼텍스 제너레이터를 파일럿 콘의 축 중심측에서 본 도면이다.
도 6c는 도 6b의 볼텍스 제너레이터를 하류측에서 본 도면이다.
도 7a는 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제4 실시 형태를 도시하는 도면으로, 가스 터빈 연소기를 출구측에서 본 우측 절반의 구성도이다.
도 7b는 도 7a의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제5 실시 형태에 대해, 가스 터빈 연소기의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 9a는 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제6 실시 형태를 도시하는 도면으로, 가스 터빈 연소기의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 분류 부재를 파일럿 콘의 축 중심측에서 본 도면이다.
도 10은 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제7 실시 형태에 대해, 가스 터빈 연소기의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 11a는 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 제8 실시 형태를 도시하는 도면으로, 주요부 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 11b는 도 11a의 A 화살표도이다.
도 12는 종래의 가스 터빈 연소기에 대해 구성예를 도시하는 단면도이다.

이하, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기의 일 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

<제1 실시 형태>

도 1 및 도 2에 도시하는 가스 터빈 연소기(1A)는, 통형상으로 형성된 연소기 본체(2)의 중심 위치에 파일럿 버너(3)가 배치되고, 이 파일럿 버너(3)의 주위를 둘러싸도록 하여 복수(예를 들어, 8개)의 메인 버너(10)가 원주 방향으로 등피치로 배치된 구성으로 된다.

파일럿 버너(3)는 파일럿 연료를 공급하는 파일럿 노즐(4)과, 그 주위에 형성되어 파일럿 공기를 공급하는 파일럿 공기 유로(5)를 구비하고 있다. 파일럿 노즐(4)을 통해 공급된 파일럿 연료는 파일럿 공기 유로(5)로부터 공급되는 파일럿 공기에 의해 연소되어, 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이 연소기 축중심으로부터 보염기(9)의 후방으로 연장되는 파일럿 화염을 형성한다.

상술한 파일럿 공기 유로(5)의 내부에는 파일럿 공기의 흐름을 선회류로 하는 파일럿 스월러(6)가 설치되어 있다. 이 파일럿 스월러(6)는 파일럿 공기 유로(5) 내를 둘레 방향으로 분할하는 동시에, 공기류에 선회를 부여하는 형상의 베인(6a)이 등피치로 복수매 배치된 것이다. 또한, 파일럿 공기 유로(5)를 형성하는 통형상 부재(8)에는 하류측 단부를 직경 확장한 파일럿 콘(7)이 설치되어 있다.

메인 버너(10)는 메인 연료를 공급하는 메인 노즐(11)과, 메인 노즐(11)의 주위에 형성되어 메인 공기를 공급하는 메인 공기 유로(12)를 구비하고 있다. 메인 노즐(11)로부터 공급된 메인 연료는 메인 노즐(11)로부터 분사된 후, 메인 공기 유로(12)를 통해 공급된 메인 공기와 예혼합되어 예혼합기로 된다. 이 예혼합기는 보염기(9)의 하류에 있어서 파일럿 화염으로부터의 화염 전파성에 의해 연소된다.

상술한 메인 공기 유로(12)에는 메인 공기의 흐름을 선회류로 하는 메인 스월러(13)가 설치되어 있다. 이 메인 스월러(13)를 통과하여 선회류로 된 메인 공기는 메인 연료와의 예혼합이 촉진된다.

이와 같이, 통형상으로 형성된 연소기 본체(2)의 중심부에 설치되어 파일럿 화염을 형성하는 파일럿 버너(3)와, 상기 파일럿 버너(3)의 외주를 둘러싸도록 복수 배치되어 예혼합 화염을 형성하는 메인 버너(10)를 구비하여 이루어지는 가스 터빈 연소기(1A)에 대해, 본 실시 형태에서는 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부로서, 유로 폐색 부재(20)가 설치되어 있다.

이 유로 폐색 부재(20)는 파일럿 공기 유로(5)에 설치된 파일럿 스월러(6)에 대해, 인접하는 베인(6a) 사이에 형성되는 공기 유로 중, 1 또는 복수 개소를 막도록 설치되어 있다. 도시한 예에서는, 파일럿 스월러(6)를 구성하는 16매의 베인(6a)에 의해 둘레 방향이 16분할된 베인간 공기 유로에 대해, 대략 90도 피치로 4개소의 베인간 공기 유로를 막도록, 4매의 유로 폐색 부재(20)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 가스 터빈 연소기(1A)는 유로 폐색 부재(20)의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하므로, 예혼합기와 파일럿 화염 사이에 형성되는 거리를 단축할 수 있다. 이하, 이를 도 3에 기초하여 구체적으로 설명한다.

도 3에 있어서, 횡축은 가스 터빈 연소기(1)의 예혼합 화염면 위치로, 종이면 우측일수록 반경 방향의 외측으로 된다. 또한, 도 3의 종축은 가스 터빈 연소기(1)의 둘레 방향 각도로, 상술한 4매의 유로 폐색 부재(20)를 90도 피치로 설치한 방향과 일치하고 있다. 이 도면에 따르면, 파선으로 나타내는 파일럿 화염면의 외측에 형성되는 저온 공기층의 파일럿 공기 영역과, 메인 버너(10)로부터 유출된 예혼합기가 존재하는 예혼합기 영역의 경계선(L)은 대략 사인 커브를 그리며 변화되고 있다.

즉, 도 3의 사인 커브(L)에 있어서, 저온 공기층의 두께는 가장 두꺼운 Ta로부터 가장 얇은 Tb까지 사인 커브를 그리며 교대로 변화되고 있다. 이 경우, 저온 공기층이 가장 얇아지는 Tb에 대응하는 둘레 방향 각도는 θ1, θ2의 위치이고, 이 둘레 방향 각도(θ1, θ2)로 되는 위치에 90도 피치로 설치된 유로 폐색 부재(20)가 존재한다. 이와 같이, 유로 폐색 부재(20)의 하류측에서 저온 공기층의 두께가 얇아지는 것은 파일럿 공기 유로(5)를 흐르는 파일럿 공기의 유로가 유로 폐색판(20)에 의해 폐색됨으로써, 온도가 낮은 파일럿 공기의 유량이 감소되기 때문이다.

따라서, 상술한 유로 폐색재(20)를 구비한 가스 터빈 연소기(1A)는 파일럿 화염과 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부를 구비하고 있으므로, 저온 공기층을 얇게 하여 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다. 이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1A)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 실시 형태에서는 90도 피치로 4매의 유로 폐색 부재(20)를 배치한 구성예를 도시하였지만, 일반적으로 8 내지 20매 정도 있는 파일럿 스월러(6)의 베인(6a) 사이 중, 적어도 1개소 또는 복수 개소의 공기 유로를 폐색하면 좋다. 또한, 복수매의 유로 폐색 부재(20)를 설치하는 경우, 둘레 방향으로 등피치로 배치해도 좋지만, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태의 구성은 파일럿 콘(7)을 구비한 통형상 부재(8)의 구조 변경이 불필요하고, 또한 베인(6a) 사이의 일부를 폐색하는 것만으로도 좋으므로, 공작이 간단하고 단순한 구조로 된다.

<제2 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제2 실시 형태를 도 4 및 도 5에 기초하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 있어서, 가스 터빈 연소기(1B)에는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 콘(7)의 외측 테두리부로부터 후방으로 돌출되는 1 또는 복수매의 판 형상 돌기 부재(21)가 설치되어 있다. 도시한 구성에서는, 파일럿 콘(7)의 후단부로부터 후방의 화염 형성 영역으로 돌출되도록, 둘레 방향으로 90도 피치로 배치한 4매의 판 형상 돌기 부재(21)가 설치되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시 형태의 통형상 부재(8)는 후단부에 판 형상 부재(21)를 구비한 파일럿 콘(7)을 채용하고 있다.

이와 같은 판 형상 돌기 부재(21)를 설치함으로써, 파일럿 공기 유로(5)를 통해 유출되는 파일럿 공기의 흐름은 판 형상 돌기 부재(21)의 후류측에 소용돌이(도면 중 화살표 W 참조)를 발생시킬 수 있다. 이와 같은 소용돌이가 발생하면, 메인 버너(10)의 예혼합기는 소용돌이의 흐름에 의해 일부가 파일럿 버너(3) 근방으로 끌어들여진다. 즉, 보염기(9)의 후방에 설치된 화염 형성 영역에서는 예혼합기의 일부가 파일럿 화염측으로 근접하게 되므로, 전체적으로는 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1A)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 본 실시 형태에서는 90도 피치로 4매의 판 형상 돌기 부재(21)를 설치하고 있지만, 적어도 1매 또는 복수매의 판 형상 돌기 부재(21)를 설치하면 좋다. 이때, 판 형상 돌기 부재(21)의 배치는 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

<제3 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제3 실시 형태를 도 6a 내지 도 6c에 기초하여 설명한다. 여기서 사용하는 도 6a의 가스 터빈 연소기(1C)는 외주측의 메인 버너를 생략하고, 파일럿 버너만을 도시하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 콘(7)의 외측 테두리부로 되는 위치의 내주면에, 1 또는 복수 개소 형성되며, 후퇴각을 갖는 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)가 설치되어 있다. 도시한 구성에서는, 파일럿 콘(7)의 외측 테두리부 내주면에, 둘레 방향으로 90도 피치로 배치한 4개의 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)가 설치되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시 형태의 통형상 부재(8)는 외측 테두리부 내주면에 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)를 구비한 파일럿 콘(7)을 채용하고 있다.

여기서, 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)의 구성을 상세하게 설명한다.

웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)는, 도 6b에 도시한 바와 같이 흐름 방향과 교차하는 치수(폭)에 대해, 상류측의 폭(a)이 하류측의 폭(b)보다 넓은 후퇴각을 갖고 있다. 또한, 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)는, 도 6c에 도시한 바와 같이 흐름 방향의 높이 치수(h)에 대해서는, 파일럿 콘(7)의 외측 테두리부 내주면과 동일(h ＝ 0)해지는 상류측으로부터 하류측으로 증가하는 웨지 형상으로 되어 있다.

이와 같은 구성으로 해도, 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)가 파일럿 공기의 흐름에 소용돌이를 발생시키므로, 메인 버너(10)의 예혼합기는 일부가 파일럿 버너 근방으로 끌어들여진다. 즉, 보염기(9)의 후방에 형성된 화염 형성 영역에서는 예혼합기의 일부가 파일럿 화염측으로 근접하게 되므로, 전체적으로는 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1C)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 본 실시 형태에서는 90도 피치로 4개의 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)를 설치하고 있지만, 적어도 1개 또는 복수개의 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)를 설치하면 좋다. 이때, 웨지 형상 볼텍스 제너레이터(22)의 배치는 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

<제4 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제4 실시 형태를 도 7a 및 도 7b에 기초하여 설명한다. 여기서 사용하는 도 7a의 가스 터빈 연소기(1D)는 외주측의 메인 버너를 생략하고, 파일럿 버너만을 도시하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 콘(7) 내주면에 1 또는 복수개 설치된 대략 3각 기둥 형상의 분류 부재(23)가 설치되어 있다. 이 분류 부재(23)는 3각 기둥의 선단 코너부가 상류측에 위치하여, 하류측으로 서서히 폭을 넓히도록 설치되어 있다.

이와 같은 구성으로 하면, 분류 부재(23)의 하류에는 저온 공기층이 얇은 영역이 형성되므로, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1D)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 본 실시 형태에서는 90도 피치로 4개의 분류 부재(23)를 설치하고 있지만, 적어도 1개 또는 복수개의 분류 부재(23)를 설치하면 좋다. 이때, 분류 부재(23)의 배치는 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

<제5 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제5 실시 형태를 도 8에 기초하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 있어서, 가스 터빈 연소기(1E)는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 콘(7) 출구부에 형성되어, 파일럿 공기의 일부를 메인 버너(10)측으로 분류시키는 바이패스 유로(24)를 구비하고 있다. 이 바이패스 유로(24)는, 예를 들어 대략 L자 형상 단면 부재(25)를 파일럿 콘(7)의 출구부에 설치함으로써 형성되지만, 파일럿 공기의 일부를 적극적으로 메인 버너(10)측으로 유도하는 것이면 특별히 한정되지 않는다.

이와 같은 구성의 가스 터빈 연소기(1E)로 하면, 파일럿 공기의 일부가 바이패스 유로(24)를 통해 메인 버너(10)측으로 분류되므로, 파일럿 화염의 주위에 형성되는 저온 공기층은 파일럿 공기의 분류에 의한 감소분만큼 얇아진다. 이로 인해, 바이패스 유로(24)의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성하여, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다. 이 경우의 바이패스 유로(24)는 파일럿 콘(7)의 둘레 방향에 있어서 전체 둘레 또는 단속적으로 형성하면 좋다. 또한, 바이패스 유로(24)를 둘레 방향으로 단속적으로 형성하는 경우에는, 바이패스 유로(24)의 배치를 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

또한, 여기서 바이패스되는 파일럿 공기의 유량은 메인 버너(10)에 공급되는 메인 공기의 유량과 비교하면 매우 작은 것이므로, 메인 버너(10)측의 예혼합기를 희박하게 하는 악영향은 무시할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1E)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

<제6 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제6 실시 형태를 도 9a 및 도 9b에 기초하여 설명한다. 여기서 사용하는 도 9a의 가스 터빈 연소기(1F)는 외주측의 메인 버너를 생략하고, 파일럿 버너만을 도시하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는 화염 전파성 개선부로서, 대략 3각 기둥 형상의 분류 부재(26)가 파일럿 스월러(6)의 출구부에 1 또는 복수개 설치되어 있다. 이 분류 부재(26)는 3각 기둥의 선단 코너부가 상류측에 위치하여, 하류측으로 서서히 폭을 넓히도록 설치되어 있다.

이와 같은 구성으로 하면, 분류 부재(26)의 하류에는 저온 공기층이 얇은 영역이 형성되므로, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1D)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 본 실시 형태에서는 90도 피치로 4개의 분류 부재(26)를 설치하고 있지만, 적어도 1개 또는 복수개의 분류 부재(26)를 설치하면 좋다. 이때, 분류 부재(26)의 배치는 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

<제7 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제7 실시 형태를 도 10에 기초하여 설명한다. 여기서 사용하는 도 10의 가스 터빈 연소기(1G)는 외주측의 메인 버너를 생략하고, 파일럿 버너만을 도시하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 콘(7)을 프레스 가공하여 내벽면에 형성된 1 또는 복수개의 융기부(27)가 설치되어 있다. 이 융기부(27)는 파일럿 콘(7)의 외측으로부터 부분적인 프레스 가공을 실시하여, 내주면을 내측으로 융기시킨 것이므로, 저비용의 구조로 된다.

이와 같은 구성으로 하면, 상술한 분류 부재(23, 26) 등과 마찬가지로, 융기부(27)의 하류에는 저온 공기층이 얇은 영역이 형성되므로, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1G)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 도시한 본 실시 형태에서는, 90도 피치로 4개의 융기부(27)를 설치하고 있지만, 적어도 1개 또는 복수개의 융기부(27)를 설치하면 된다. 이때, 융기부(27)의 배치는 둘레 방향으로 등피치로 할 필요는 없고, 연소 진동 대책으로서는, 비대칭으로 되도록 부등피치로 하는 것이 바람직하다.

<제8 실시 형태>

계속해서, 본 발명에 관한 가스 터빈 연소기에 대해, 제8 실시 형태를 도 11a 및 도 11b에 기초하여 설명한다. 여기서 사용하는 도 11a의 가스 터빈 연소기(1H)는 외주측의 메인 버너를 생략하고, 파일럿 버너만을 도시하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 상술한 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는 화염 전파성 개선부로서, 파일럿 공기 유로(5)의 스월러 출구에 부분적인 협애부(28)가 설치되어 있다. 이 협애부(28)는 후류측으로 직경 확장되는 파일럿 노즐(5)의 후단부 콘부(5a)를 부분적으로 연장함으로써 형성되어 있다.

구체적으로 설명하면, 후단부 콘부(5a)의 후단부를 단속적으로 후방으로 연장한 설부(tongue part)(5b)를 둘레 방향으로 교대로 설치함으로써, 파일럿 공기 유로(5)의 스월러 출구부에는 통상의 유로 치수 S를 Sa까지 좁힌 협애부(28)가 형성되어 있다.

이와 같은 협애부(28)를 형성함으로써, 협애부(28)의 하류에 저온 공기층이 얇은 영역을 형성할 수 있으므로, 예혼합기와 파일럿 화염의 거리를 단축할 수 있다.

이 결과, 파일럿 화염이 저온 공기층으로부터 받는 영향을 저감시킬 수 있으므로, 파일럿 화염으로부터 예혼합기로의 화염 전파성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 예혼합기의 연소가 안정됨으로써, 안정된 예혼합 화염의 형성이 가능해지므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기(1H)의 연소 진동을 개선할 수 있다.

그런데, 상술한 본 실시 형태에서는 설부(5b)가 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐서 등피치로 설치되어 있지만, 이 설부(5b)는 둘레 방향의 일부에 설치해도 좋고, 혹은 둘레 방향으로 부등피치로 설치해도 좋다.

상술한 가스 터빈 연소기(1A 내지 1H)에 따르면, 파일럿 버너(2)의 확산 연소에 의해 안정된 파일럿 화염(확산 화염)을 형성하고, 이 파일럿 화염이 메인 버너(10)의 예혼합기까지 전파되는 화염 전파성의 향상에 의해, 예혼합기를 연소시켜 얻어지는 예혼합 화염도 안정된 것으로 된다. 즉, 예혼합기의 연소가 안정되고, 안정된 예혼합 화염이 형성되므로, 예혼합 화염의 보염성에 지배되는 가스 터빈 연소기의 연소 진동을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 각 실시 형태의 구성을 적절하게 조합하여 채용하는 등, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.

1A 내지 1H : 가스 터빈 연소기
2 : 연소기 본체
3 : 파일럿 버너
4 : 파일럿 노즐
5 : 파일럿 공기 유로
6 : 파일럿 스월러
7 : 파일럿 콘
8 : 통형상 부재
9 : 보염기
10 : 메인 버너
11 : 메인 노즐
12 : 메인 공기 유로
13 : 메인 스월러
20 : 유로 폐색 부재(화염 전파성 개선부)
21 : 판 형상 돌기 부재(화염 전파성 개선부)
22 : 볼텍스 제너레이터(화염 전파성 개선부)
23, 26 : 분류 부재(화염 전파성 개선부)
24 : 바이패스 유로(화염 전파성 개선부)
27 : 융기부(화염 전파성 개선부)
28 : 협애부(화염 전파성 개선부)

Claims (9)

1. 통형상으로 형성된 연소기 본체의 중심부에 설치되어 파일럿 화염을 형성하는 파일럿 버너와, 상기 파일럿 버너의 외주를 둘러싸도록 복수 배치되어 예혼합 화염을 형성하는 메인 버너를 구비하여 이루어지는 가스 터빈 연소기에 있어서,
   상기 파일럿 화염과 상기 예혼합 화염 사이에 형성되는 파일럿 공기의 저온 공기층을 저감시키는 화염 전파성 개선부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
2. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 공기 유로에 설치된 파일럿 스월러에 대해, 베인간 공기 유로의 1 또는 복수 개소를 막도록 설치된 유로 폐색 부재인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
3. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 콘의 외측 테두리부로부터 후방으로 돌출되는 1 또는 복수매의 판 형상 돌기 부재인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
4. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 콘 외측 테두리부의 내주면에 1 또는 복수 개소 형성되며, 후퇴각을 갖는 웨지 형상 볼텍스 제너레이터인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
5. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 콘의 내주면에 1 또는 복수개 설치된 대략 3각 기둥 형상의 분류 부재인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
6. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 콘의 출구부에 형성되고, 파일럿 공기의 일부를 상기 메인 버너측으로 분류시키는 바이패스 유로인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
7. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 스월러의 출구부에 1 또는 복수개 설치된 대략 3각 기둥 형상의 분류 부재인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
8. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 콘을 프레스 가공하여 내벽면에 형성된 1 또는 복수개의 융기부인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
9. 제1항에 있어서, 상기 화염 전파성 개선부가, 파일럿 공기 유로의 스월러 출구에 부분적으로 설치한 협애부인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.

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