KR20100048555A - 삼중 스월형 가스터빈 연소기 - Google Patents

삼중 스월형 가스터빈 연소기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최근 신에너지로 각광받는 석탄가스, DME(DiMethyl Ether), 제철소 부생가스 등 다양한 연료를 가스터빈에 사용하기 위한 삼중 스월형 가스터빈 연소기에 관한 것으로서, 3종류의 연료를 동시에 혹은 개별적으로 연소시킬 수 있는 동시에, 저열량 가스(LCV Gas, Low Calorific Value Gas)에서 고열량 가스까지 모든 연료를 다양하게 연소시킬 수 있어 연료유연성(Fuel Flexibility) 향상을 도모할 수 있으며, 특히 삼중으로 구성된 스월 중 두 번째 스월만 반대방향으로 분사되도록 함으로써 연료공기 혼합도 및 난류강도 증가로 인한 연소효율의 증대 및 유해배기가스 저감 그리고, 연소진동 저감의 효과를 기대할 수 있는 삼중 스월형 가스터빈 연소기에 관한 것이다.
가스터빈 연소기, 삼중 스월형, 스월러, 버너 헤드, 연소 라이너

Description

삼중 스월형 가스터빈 연소기{Triple swirl gas turbine combustor}
본 발명은 삼중 스월형 가스터빈 연소기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스터빈의 연소 성능을 증대시키고, 가스터빈의 전체 가동율 및 연료 유연성을 증대시킬 수 있는 삼중 스월형 가스터빈 연소기에 관한 것이다.
최근 에너지 가격의 상승과 지구 온난화의 문제가 심각해짐에 따라 발전설비의 효율 증대 및 신재생에너지의 이용기술 개발의 필요성이 매우 크게 증대되고 있다.
많은 발전기술 중 가스터빈을 이용한 복합 발전기술은 현재 발전시스템 중 가장 효율이 높은 시스템이고, 가스화 시스템과 연결될 경우 바이오 매스, 석탄은 물론, 폐 카펫 등의 쓰레기까지도 가스화하여 발전할 수 있기 때문에 다양한 연료를 높은 효율로 발전시키는데 유용하다.
그러나, 여러 종류의 연료를 가스화하여 생산된 합성가스는 그 성분이 다양하고 대체로 발열량이 낮아 기존의 기술보다 진보된 가스터빈 연소기술이 요구된 다. 즉, 다양한 가스상의 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있는 가스터빈 연소기술이 필요하다.
일반적으로, 가스터빈은 상부측에 다수개의 버너들이 구비된 연소실을 구성하여 고온 고압의 연소 가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관으로서, 가스터빈에 장착되는 가스터빈 연소기는 단일개의 스월러를 가지는 다수개의 연료 노즐이 단일개의 연소기 캔에 장착되고, 상기 연소기 캔은 가스터빈의 로터축의 중심에 다수개를 이루어 장착되어 있다.
그런데, 상기와 같이 스월러가 단일개로 이루어진 가스터빈 연소기는 유동의 난류강도가 약해 화염이 불안정해지기 쉽고, 연료와 공기의 혼합이 충분히 이루어 지지 않아 NOx 발생 및 불완전 연소 등의 문제점이 있어 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 3종류의 연료를 동시에 혹은 개별적으로 연소시킬 수 있는 동시에, 저열량 가스(LCV Gas, Low Calorific Value Gas)에서 고열량 가스까지 모든 연료를 다양하게 연소시킬 수 있어 연료유연성(Fuel Flexibility) 향상을 도모할 수 있으며, 특히 삼중으로 구성된 스월 중 두 번째 스월만 반대방향으로 분사되도록 함으로써 연료공기 혼합도 및 난류강도 증가로 인한 연소효율의 증대 및 유해배기가스 저감 그리고, 연소진동 저감의 효과를 기대할 수 있는 삼중 스월형 가스터빈 연소기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 점화장치가 부착되는 케이스(100)와, 상기 케이스(100)의 일측에 가스터빈 압축기로부터 압축공기를 공급받는 압축공기 유입구(110)를 구비하고 있으며, 점화장치(120)에 의해 점화가 일어나며 복수개의 냉각공기 유입홀(135)이 형성되는 연소 라이너(130)와, 상기 연소 라이너(130)의 상측에 위치한 버너 헤드(140)의 내측에 설치되어 공급되는 압축공기에 와류를 발생시키며 스월베인(210)을 갖는, 동심원 상에 배치된 링 형상으로 이루어진 다수개의 공기 공급용 스월러(200)를 포함하는 버너(300)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 스월러(200)는 그 중심축 방향으로부터 하단부에 형성된 제1스월러(201)와, 상단부에 형성된 제3스월러(203)와, 상기 제1 및 제3스월러(201,203) 사이에 형성된 제2스월러(202)로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 스월베인(210)은 베인 블레이드(211)의 일측에 형성된 연료주입구(212)와, 상기 연료주입구(212)로부터 유입된 연료를 분사시키는 길이방향을 따라 일정 간격을 두고 형성된 연료분사구(213)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기에 의하면, 3종류의 연료를 동시에 혹은 개별적으로 연소시킬 수 있는 동시에, 저열량 가스에서 고열량 가스까지 모든 연료를 다양하게 연소시킬 수 있어 연료유연성 향상을 도모할 수 있으며, 연료공기 혼합도 및 난류강도 증가로 인한 연소효율의 증대 및 유해배기가스 저감 그리고, 연소진동 저감에 대한 효과가 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기의 버너를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기의 스월베인을 나 타내는 도면이다.
본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기는 도 1에 도시된 바와 같이, 점화장치가 부착되는 케이스(100)와, 상기 케이스(100)의 일측에 가스터빈 압축기로부터 압축공기를 공급받는 압축공기 유입구(110)를 구비하고 있으며, 점화장치(120)에 의해 점화가 일어나며 복수개의 냉각공기 유입홀(135)이 형성되는 연소 라이너(130)와, 상기 연소 라이너(130)의 상측에 위치한 버너 헤드(140)의 내측에 설치되어 공급되는 압축공기에 와류를 발생시키는 공기 공급용 스월러(200)를 포함하는 버너(300)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 압축공기 유입구(110)로 유입된 압축공기가 유입되어 버너 헤드(140)측에는 연소용 공기를 공급하게 되고, 이와 동시에 연소 라이너(130)측에는 냉각공기를 공급하게 되는 바, 상기 연소 라이너(130)의 냉각공기 유입홀(135)을 통해 연소 라이너(130) 내측으로 흡입되어 연소 라이너(130)에 대한 냉각을 수행하게 된다.
이는 고온의 연소가스에 의한 연소 라이너(130)의 손상을 방지할 수 있어 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 버너 헤드(140)측으로 공급된 압축공기는 삼중의 동심원형 스월러(200)를 거쳐 연소기 측으로 분사된다.
각각의 스월러(200)에 장착된 스월 베인(210)은 도 3에 도시된 바와 같이, 베인 블레이드(211)의 일측에 형성되어 있는 연료주입구(212)를 통해 스월베인(210) 내부로 연료가 공급되어 연료분사구(213)를 통해 연료를 분사하게 된다.
이때, 상기 연료분사구(213)는 스월베인(210)의 길이방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되어 있으며, 연료분사구(213)가 스월베인(210)의 외측으로 갈수록 그 홀이 확대되는 형상으로 되어 있다.
이때, 상기 연료분사구(213)의 홀이 외측으로 갈수록 큰 이유는 후술하는 스월러(200) 중, 외측의 제3스월러(203)에 발열량이 낮은 연료를 다량으로 공급해야 하는 경우, 연료분사구(213)의 홀이 큰쪽이 연소하는데 유리하기 때문이다.
즉, 삼중 스월형 가스터빈 연소기를 운전 시, 화염의 안정성을 높이기 위해 크기가 가장 작은 제1스월러(201)를 사용하는 경우, 그 연료는 주로 중유나, 천연가스 등 발열량이 높고, 연소성이 좋은 연료를 사용하는 것이 바람직하며, 이에 반해 크기가 가장 큰 제3스월러(203)를 사용시에는 주로 석탄가스나 제철소 부생가스 등 발열량이 낮은 연료를 공급하여 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 삼중으로 구성된 스월러(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙으로부터 차례대로 링 형상의 제1스월러(201), 제2스월러(202), 제3스월러(203), 그리고 버너 헤드(140)가 동심원 상에 구성되며, 각각의 스월러(200)에 동일하거나 서로 다른 종류의 연료를 동시에 혹은 개별적으로 공급시킬 수 있는 동시에, 저열량 가스(LCV Gas, Low Calorific Value Gas)에서 고열량 가스까지 모든 연료를 다양하게 공급시킬 수 있어 연료유연성(Fuel Flexibility) 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 상기 스월러(200)의 중심축 방향으로부터 제1스월러(201)가 하단부에, 제3스월러(203)가 상단부에 위치하고, 제2스월러(202)가 그 중간부에 위치하는 바, 상기 제3스월러(203)가 연소실의 화염으로부터 가장 멀리 위치하게 된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 버너(300)의 상부면은 중심방향으로 하방 경사지게 형성되어 있다.
반면에, 상기 버너(300)의 하부면은 중심방향으로 상방 경사지게 형성되어 상기 제1스월러(201)의 유로 간격이 가장 짧게 형성되어 있다.
이와 같이, 각각의 스월러(200) 사이의 공간, 즉 스월러(200)의 하단부에 위치한 유로 간격은 중심에서 외측으로 갈수록 커지도록 형성된 콘형(Cone-type)으로 이루어져 공기의 유동이 활발하게 이루어질 수 있도록 하는 기능을 하게 된다.
한편, 상기 스월러(200) 중, 제1스월러(201)의 중심부에는 리프트 오프 공기구(220)가 형성되어 있어 이 홀을 통해 공급되는 리프트 오프(Lift-off)공기가 화염이 중심부에만 붙어있지 않도록 조절하는 역할을 하게 된다.
또한, 상기 버너 헤드(140)의 안쪽면에는 덤프면 냉각공기 분사구(230)를 통해 덤프면 냉각공기가 공급되어 연소 화염을 안정화시켜주고, 화염의 고온부 생성을 방지하는 역할을 하게 된다.
또한, 상기 스월베인(210)은 제1스월러(201)과 제3스월러(203)에서 서로 동일방향으로 회전하고, 제2스월러(202)에서는 상기 제1스월러(201)과 제3스월러(203)와 반대방향으로 회전하도록 형성되어지되, 버너(300)의 하방에서 바라보았을 때 제1스월러(201)에서는 시계방향으로 회전하고, 제2스월러(202)에서는 반시계방향, 제3스월러(203)에서는 시계방향으로 회전하도록 형성되어 있다.
이는 연료공기 혼합도 및 난류강도 증가로 인한 연소효율의 증대 및 유해배 기가스 저감 그리고, 연소진동 저감의 효과를 기대할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기의 버너를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 삼중 스월형 가스터빈 연소기의 스월베인을 나타내는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 케이스 110 : 압축공기 유입구
120 : 점화장치 130 : 연소 라이너
135 : 냉각공기 유입홀 140 : 버너 헤드
200 : 스월러 210 : 스월베인
220 : 리프트 오프 공기구 230 : 덤프면 냉각공기 분사구
300 : 버너

Claims (8)

  1. 점화장치가 부착되는 케이스(100)와, 상기 케이스(100)의 일측에 가스터빈 압축기로부터 압축공기를 공급받는 압축공기 유입구(110)를 구비하고 있으며, 점화장치(120)에 의해 점화가 일어나며 복수개의 냉각공기 유입홀(135)이 형성되는 연소 라이너(130)와, 상기 연소 라이너(130)의 상측에 위치한 버너 헤드(140)의 내측에 설치되어 공급되는 압축공기에 와류를 발생시키며 스월베인(210)을 갖는, 동심원 상에 배치된 링 형상으로 이루어진 다수개의 공기 공급용 스월러(200)를 포함하는 버너(300)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스월러(200)는 그 중심축 방향으로부터 하단부에 형성된 제1스월러(201)와, 상단부에 형성된 제3스월러(203)와, 상기 제1 및 제3스월러(201,203) 사이에 형성된 제2스월러(202)로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스월러(200)는 그 하단부에 위치한 유로 간격이 중심에서 외측으로 갈수록 확대되는 콘형으로 형성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스월베인(210)은 베인 블레이드(211)의 일측에 형성된 연료주입구(212)와, 상기 연료주입구(212)로부터 유입된 연료를 분사시키는 길이방향을 따라 일정 간격을 두고 형성된 연료분사구(213)를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 스월베인(210)은 제1스월러(201)과 제3스월러(203)에서 서로 동일방향으로 회전하고, 제2스월러(202)에서는 상기 제1스월러(201)과 제3스월러(203)와 반대방향으로 회전하도록 형성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료분사구(213)는 상기 스월베인(210)의 외측으로 갈수록 그 홀이 확대되는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1스월러(201)는 그 중심부에 화염이 중심부에만 붙어있지 않도록 하는 리프트 오프(Lift-off)공기가 유입되도록 리프트 오프 공기구(220)가 형성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버너 헤드(140)는 안쪽면에 덤프면 냉각공기가 공급 가능하도록 덤프면 냉각공기 분사구(230)가 형성된 것을 특징으로 하는 삼중 스월형 가스터빈 연소기.
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