KR20120019441A

KR20120019441A - 연소기

Info

Publication number: KR20120019441A
Application number: KR1020117026370A
Authority: KR
Inventors: 사또시 다끼구찌; 아쯔시 유아사; 사또시 다니무라
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2012-03-06
Also published as: EP2466205A4; CN102422083A; US20120045725A1; US9863637B2; EP2466205B1; KR101318553B1; EP2466205A1; CN102422083B; WO2011018853A1

Abstract

본 발명의 목적은 컴팩트한 동시에, NOx 저감을 실현하는 연소기를 제공하는 것이다. 연소기(1)의 축심에 설치되어 확산 연소를 행하는 파일럿 노즐(21)과, 파일럿 노즐(21)의 외주측에서 둘레 방향으로 간격을 이격하여 복수 설치되어 예혼합 연소를 행하는 메인 노즐(22)과, 파일럿 노즐(21)과 각 메인 노즐(22)을 둘러싸는 하나의 내통(2a)과, 또한 내통(2a)을 외측으로부터 대략 동축으로 둘러싸고, 그 내주면과 내통의 외주면 사이에 압축 공기 유로(6)가 형성되는 외통을 구비하고, 압축 공기 유로(6)를 흐르는 압축 공기가, 내통(2a)의 단부에서 유동 방향이 대략 반전되어 파일럿 노즐(21)에 도입되는 연소기에 있어서, 압축 공기 유로(6)에는 상기 유로의 연소기(1) 내주측의 유량을, 상기 외주측의 유량보다도 크게 하는 유량 조정부가 설치되어 있다. 유량 조정부로서는 구멍(55, 56)이 형성된 정류판(51)을 들 수 있다.

Description

연소기 {COMBUSTOR}

본 발명은 가스 터빈의 연소기에 관한 것으로서, 특히 그 내부를 흐르는 공기류의 편류 및 흐트러짐을 감소시키는 구조로 되는 연소기에 관한 것이다.

가스 터빈 연소기의 저NOx화 과제에 대해서는, 연료 분포를 컨트롤함으로써 국소적인 고연료 농도를 발생시키지 않는 것이 중요하고, 연료 농도의 균일화가 필요하다. 그러기 위해 연료의 대부분이 통과하는 메인 공기량의 증가와 그 균일화가 중요하다.

종래, 차실로부터의 주류 공기를 180도 회전시켜 메인 예혼합 노즐로 주류 공기를 유도하는 연소기가 개시되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 이와 같은 연소기에서는, 흐름의 박리 등에 수반되는 흐름의 편재를 해소하기 위해, 입구에 정류판을 설치하고, 터닝 개소의 터닝 베인을 2매로 하거나, 연소 혼합 개소로부터 180도 터닝 개소로의 정류 거리를 충분히 길게 가짐으로써 연소 영역에 있어서의 흐름 및 농도의 균일화를 달성하고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2007-232348호 공보

그러나 종래와 같은 구조는, 연소기의 길이의 증가에 수반하여 중량 및 비용의 증가를 초래하고, 또한 터닝부가 복잡화되므로 연소기의 콤팩트화에 유효하지 않다. 한편, 터닝부로부터 연료 혼합 개소까지의 거리를 짧게 하면, 배반사상으로서 공기 분포의 치우침 악화에 수반되는 NOx 발생량이 증가한다고 하는 과제가 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 콤팩트한 동시에, NOx 저감을 실현하는 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태는, 연소기의 축심에 설치되어 확산 연소를 행하는 파일럿 노즐과, 상기 파일럿 노즐의 외주측에서 둘레 방향으로 간격을 이격하여 복수 설치되어 예혼합 연소를 행하는 메인 노즐과, 상기 파일럿 노즐과 상기 각 메인 노즐을 둘러싸는 하나의 내통과, 또한 상기 내통을 외측으로부터 대략 동축으로 둘러싸고, 그 내주면과 상기 내통의 외주면 사이에 압축 공기 유로가 형성되는 외통을 구비하고, 상기 압축 공기 유로를 흐르는 압축 공기가, 상기 내통의 단부에서 유동 방향이 대략 반전되어 상기 파일럿 노즐에 도입되는 연소기에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는, 상기 유로의 연소기 내주측의 유량을, 상기 외주측의 유량보다도 크게 하는 유량 조정부가 설치되어 있는 연소기이다.

정류판에 형성된 구멍이 균일하면, 연소기의 반경 방향으로 분포를 갖지 않는 흐름으로 된다. 이와 같은 상태에서는 유동 방향이 대략 반전될 때에, 유로 반전 개소 하류측의 내측에서 박리 등에 의해 저속 영역이 형성된다. 따라서 연소기 길이가 짧은 구성인 경우, 정류 거리가 짧아져, 내주측의 유량이 저하 경향을 나타낸다.

본 실시 형태의 구성에 따르면, 유량 조정부에 의해, 직경 방향에 있어서의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 반경 방향으로 유속 분포가 주어져, 하류에 있어서의 반경 방향으로의 주류 공기 속도의 균일화가 실현된다.

상기 형태에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는, 상기 유로를 차단하여 상기 유량 조정부로서의 정류판이 설치되고, 상기 정류판에는 상기 정류판을 사이에 두고 유로의 상류측과 하류측을 연통하는 구멍이 복수 형성되고, 내주측의 구멍의 직경이 외주측의 구멍의 직경보다도 크게 되어 있는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 정류판에 대공과 소공이 혼성된 배치로 함으로써, 국소적인 속도의 불균일이 발생하여, 대공의 하류측에서 흐트러짐이 증가한다. 그 결과, 운동량 교환이 활발화되어, 유로 반전 시의 박리 경향도 억제된다. 특히, 연소기 내주측에 위치하는 상기 구멍의 직경을, 상기 외주측에 위치하는 구멍의 직경보다도 크게 구성함으로써, 직경 방향에 있어서의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다.

상기 형태에 있어서, 상기 정류판은 상기 유로가 대략 반전되는 위치 중심보다도 상류측에, 상기 내주측의 구멍의 직경의 15배 이하의 거리를 둔 위치에 설치되어 있는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍의 직경을 B로 한 경우에, 정류판을 통과한 분류의 코어 부분, 즉 분류가 외기의 영향에 의해 유속이 저하되지 않는 영역이 잔존하는 거리는, 2차원 분류에서는 정류판으로부터 하류측으로 6B, 2차원 분류에서는 정류판으로부터 하류측으로 10B 정도이다. 따라서 정류판을, 유로가 대략 반전되는 위치 중심보다도 상류측에, 내주측의 구멍의 직경의 15배 이하의 거리를 둔 위치에 설치함으로써, 분류의 코안다 효과를 기대할 수 있어, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 내통의 단부에는, 상기 유로의 하류측에 따라서 반경 방향 외측으로 점차 팽출하는 팽출부가 설치되고, 상기 내주측의 구멍이, 상기 팽출부의 반경 방향 외측의 단부면보다도 반경 방향 내측에 형성되어 있는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍을 팽출부의 반경 방향 외측의 단부면보다도 반경 방향 내측에 형성함으로써, 내주측의 구멍으로부터의 분류를 팽출부에 압박하여, 내통과의 접촉면을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 분류의 코안다 효과를 향상시켜, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 내주측의 구멍의 직경이, 상기 팽출부의 팽출 높이 이상의 크기로 형성되어 있는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍의 직경을, 팽출부의 팽출 높이 이상의 크기로 형성함으로써, 내주측의 구멍으로부터의 분류를 팽출부에 압박하여, 내통과의 접촉면을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 분류의 코안다 효과를 향상시켜, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 인접하는 상기 내주측의 구멍의 중심 간의 거리가, 상기 내주측의 구멍의 직경의 1.5배 이상으로 되어 있는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍의 직경을 B로 한 경우에, 인접하는 내주측의 구멍의 중심 간의 거리를 1.5B 이상으로 함으로써, 인접하는 구멍으로부터의 분류끼리의 간섭을 저감하고, 분류의 코안다 효과를 유지할 수 있어, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다. 또한, 분류의 강한 전단력을 발생시켜, 직경 방향에 있어서의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다.

상기 형태에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는, 상기 유로를 차단하여 상기 유량 조정부로서의 정류판이 설치되고, 상기 정류판의 내주측에는, 상기 정류판의 상류측과 하류측을 연통하는 슬릿이 형성되어 있는 것으로 해도 된다.

속도 결손이 발생하는 정류판에 슬릿이 형성되어 있음으로써, 유량이 증가하여, 직경 방향에 있어서의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다. 또한, 이와 같은 슬릿에 의해 국소적인 속도의 불균일을 발생시켜, 하류측에서 흐트러짐이 증가한다. 이 결과, 운동량 교환이 활발화되어, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향도 억제된다.

상기 내통을 상기 외통에 지지하는 서포트 리브가 설치되고, 상기 정류판에는, 상기 서포트 리브의 근방에 상기 정류판의 상류측과 하류측을 연통하는 슬릿이 형성되어 있는 것으로 해도 된다. 특히, 정류판의 내주측뿐만 아니라, 외주측이나 서포트 리브의 좌우에 슬릿을 형성해도 된다. 구체적으로 이들 중 어느 개소에 슬릿을 형성할지는, 압축 공기의 흐름에 따라 적절하게 설정해도 된다.

상기 형태에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는, 상기 유로가 대략 반전하는 위치에 톱 햇 노즐이 설치된 것으로 해도 된다.

보다 구체적으로는, 톱 햇 노즐의 설치 각도, 즉 턴 각도는 주류 공기의 유로 방향에 대해 수직인 방향을 기준으로서, 주류 공기의 하류측으로 0도 이상 90도 미만이다. 종래 기술에 있어서는, 유로가 반전된 개소의 하류측에서, 박리 등에 의해 저속 영역을 형성한다. 따라서 연소기 길이가 짧은 구성인 경우, 정류 거리가 짧아져, 내주측의 유량이 저하 경향을 나타낸다. 본 구성에 있어서는, 유로가 대략 반전하는 위치에 설치된 톱 햇 노즐에 의해 압축 공기가 혼합되어, 흐름의 박리가 억제된다. 즉, 톱 햇 노즐 하류에 발생하는 소용돌이에 의해 운동량 교환을 활발화시킴으로써, 유로가 반전될 때에 내주측에 발생하는 박리 영역을 억제하는 효과가 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는, 반전하는 유로 내의 유체를 가이드하는 터닝 베인이 상기 내통 단부 테두리에 대향하여 설치되고, 상기 터닝 베인의 배면측에 유체의 흐름을 교반하는 교반기가 설치되어 있는 것으로 해도 된다.

터닝 베인은 그 역할로서, 박리없이 흐름을 바꿈으로써 압력 손실을 저감시키고 있다. 이와 같이 매끄러운 흐름은 이상적이지만, 흐트러짐의 발생이 작으므로 연료를 혼합하는 힘은 작다. 이로 인해, 종래의 연소기에 있어서는, 연료 혼합 개소 하류에서 국소적으로 연료 농도가 높아지는 경향이 있어, NOx 농도가 높아지는 경우가 있었다. 특히, 터닝 베인의 배면측은 흐름이 완만하게 박리없이 바뀐다고 생각되므로, 터닝 베인의 배측에 비해 흐트러짐이 작고, 그 하류측에서는 연료 혼합하는 힘이 약하다. 본 구성에 따르면, 터닝 베인의 배면측에 교반기가 설치되어 있음으로써, 그 하류측에서의 연료 혼합이 촉진되어, 연료 농도가 균일화된다.

상기 형태에 있어서, 상기 터닝 베인의 하류측 선단부에, 상기 터닝 베인의 배면측과 배측을 연통하는 슬릿이 형성되어 있는 것으로 해도 된다.

터닝 베인 배측은 원심력에 의해 외주측으로 향하여 흐르는 경향이 있으므로, 슬릿을 형성함으로써, 터닝 베인 내주측으로부터 외주측으로 향하는 흐름이 발생한다. 그 결과, 터닝 베인 배면측에서의 혼합이 촉진되어, 연료 농도가 균일화된다.

본 발명에 따르면, 압축 공기의 박리 억제와 연료 농도의 균일화에 의해, 연소기의 축 방향 길이를 콤팩트하게 하면서, NOx의 저감을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연소기의 축을 따른 평면에 있어서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 180도 터닝부 근방을 도시한 부분 확대도이다.
도 3a는 도 1의 연소기의 정류판을 도시하고 있고, 축 방향으로부터 본 도면이다.
도 3b는 도 1의 연소기의 정류판을 도시하고 있고, 도 1의 부분 확대도이다.
도 4는 도 3a의 정류판을 사용한 경우의 주류 공기의 흐름을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연소기에 사용되는 정류판의 부분 평면도이다.
도 6은 도 3a의 정류판을 사용한 경우의 주류 공기의 흐름을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 연소기에 사용되는 톱 햇 노즐 근방을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 연소기에 사용되는 교반기 근방을 도시한 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 연소기에 사용되는 터닝 베인을 도시한 종단면도이다.
도 9b는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 연소기에 사용되는 터닝 베인을 도시한 횡단면도이다.

〔제1 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 제1 실시 형태에 관한 연소기를 도 1을 사용하여 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 연소기(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 그 축심을 따라 설치되는 동시에 확산 연소를 행하는 파일럿 노즐(21)과, 파일럿 노즐(21)의 외주측의 둘레 방향으로 등간격으로 되도록 복수 배치되는 동시에 예혼합 연소를 행하는 메인 노즐(22)과, 파일럿 노즐(21)의 선단측을 덮도록 설치되는 파일럿 콘(23)과, 메인 노즐(22)의 선단측을 덮도록 설치되는 메인 버너(24)와, 파일럿 노즐(21)의 외벽과 파일럿 콘(23)의 내벽 사이에 설치되는 파일럿 스월러(25)와, 메인 노즐(22)의 외벽과 메인 버너(24)의 내벽 사이에 설치되는 메인 스월러(26)를 구비한다.

그리고 이 도 1에 도시하는 연소기는, 파일럿 노즐(21)과 대략 동축인 동시에 상기 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(22)을 전체적으로 덮도록 형성되는 내통(2a)과, 내통(2a)에 끼워 맞추어지는 동시에 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(22)에 의한 연소 가스를 도시하지 않은 터빈측으로 유도하는 미통(2b)과, 내통(2a)과 대략 동축이며 동일 내통(2a)을 외측으로부터 대략 동축으로 둘러싸는 외통(2c)과, 외통(2c)의 하류를 폐쇄하는 배면벽(2d)을 구비한다.

내통(2a)과 외통(2c)에 의해, 이들 사이에 압축 공기 유로(6)가 형성된다. 내통(2a)은 내통(2a)의 단부에서 내통(2a)의 내측으로 돌아 들어가도록 압축 공기 유로(6)의 유로 방향을 대략 반전시키는, 180도 터닝부(팽출부)(8)를 구비하고 있다. 180도 터닝부(8)의 직경 방향 외측 벽부는 직경 방향 외측으로 팽출되어 있는 동시에, 내통(2a)의 단부 테두리에 상당하는 부위가, 도 1에 도시한 바와 같이 축심을 포함하는 평면에 있어서의 단면에 있어서 내통(2a)의 외주면과 내주면을 연결하는 매끄러운 곡선으로 되어 있다. 보다 상세하게는, 도 2에 도시한 바와 같이, 상류측 선단으로부터 하류측을 향하여 외통(2c)의 내벽과의 거리가 가까워지는 테이퍼 형상부(53a)와, 테이퍼 형상부의 하류측에 있어서 외통(2c)의 내벽과의 거리가 일정해지는 평탄 부분(53b)과, 하류측 선단에 있어서 대략 반원 형상의 단면으로 되는 반원 형상 부분(53c)을 구비한다. 그리고 테이퍼 형상부(53a)의 상류측의 기울기가 시작되는 부분과, 테이퍼 형상부(53a)와 평탄 부분(53b)의 접속 부분을, 매끄러운 라운딩을 띤 형상으로 한다.

이와 같이, 180도 터닝부(8)가 구성됨으로써, 180도 터닝부(8)의 외벽이 하류측을 향하여 외통(2c)의 내주면에 근접하도록 구성되므로, 외통(2c)의 내주면과 180도 터닝부(8)의 외주면 사이에 구성되는 압축 공기의 유로 단면적이 하류를 향하여, 완만하게 좁혀진다. 이에 의해, 압축 공기의 흐름을 좁혀, 180도 터닝부(8)의 하류측에서의 흐름에 대해 연소기의 둘레 방향의 균일성을 부여하게 된다.

또한, 배면벽(2d)은 도 1의 단면도에 도시한 바와 같이, 180도 터닝부(8)보다도 외주측이 곡면으로 구성되는 원호 형상 부분으로 되는 동시에, 180도 터닝부(8)보다 내주측이 평탄하게 되는 평탄 부분으로 됨으로써, 그 내벽면이 유발 형상의 오목 곡면으로 된다. 이때, 원호 형상 부분의 곡률은, 180도 터닝부(8)의 반원 형상 부분(53c)의 외주면측에 따른 곡률로 되어, 배면벽(2d)의 원호 형상 부분의 내벽면과 180도 터닝부(8)의 반원 형상 부분(53c)의 외벽면의 거리가 일정하게 된다. 또한, 배면벽(2d)에 있어서의 원호 형상 부분과 평탄 부분의 접속 부분이, 180도 터닝부(8)에 있어서의 반원 형상 부분(53c)의 하류측 선단으로부터의 축 방향의 연장선상에 형성된다.

이와 같이, 배면벽(2d)을 구성함으로써, 배면벽(2d)의 원호 형상 부분의 내벽면과 180도 터닝부(8)의 반원 형상 부분(53c)의 외벽면에 있어서의 단면적을, 외통(2c)의 내벽과 180도 터닝부(8)의 평탄 부분(53b)에 있어서의 단면적과 동일한 면적으로, 일정하게 할 수 있다. 이에 의해, 180도 터닝부(8)의 외벽과 외통(2c)의 내벽 사이를 흐르는 압축 공기를, 180도 터닝부(8)의 내측으로 원활하게 유도시킬 수 있다.

압축 공기 유로(6)의 입구 근방 내부에는, 정류판(유량 조정부)(51)이 설치되어 있다. 정류판(51)은 압축 공기 유로(6) 내에 있어서 외통(2c)의 상류측을 덮는 링 형상의 부재이며, 상기 정류판(51)을 사이에 두고 압축 공기 유로(6)의 상류측과 하류측을 연통하는 구멍이 다수 형성된 다공판이다. 정류판(51)의 하류측에 인접하여, 정류판(51)을 고정하는 복수의 리브(52)가 둘레 방향으로 등간격으로 설치되어 있다. 이 리브(52)가 내통(2a)의 외벽면과 외통(2c)의 내벽면에 접속됨으로써, 외통(2c)의 내측에 내통(2a)이 고정된다. 도 3a의 정면도에 도시한 바와 같이, 리브(52)는 내통(2a)의 외벽과 외통(2c)의 내벽에 양단부가 접하도록, 연소기의 축에 대해 방사상으로 설치된다. 또한, 리브(52)는 복수 설치되고, 이 복수의 리브(52)가 연소기의 둘레 방향에 대해 등간격으로 되도록 배치되는 동시에 외통(2c)에 접속됨으로써, 내통(2a)을 지지한다.

리브(52)는 도 3b의 단면도에 도시한 바와 같이, 정류판(51)의 외주측에 접속되는 고정용 부재(52a)와, 고정용 부재(52a)로부터 내통(2a)으로 돌출되도록 형성되어 내통(2a)과 접하는 판형상 부재(52b)를 구비한다. 그리고 고정용 부재(52a)는, 정류판(51)의 상류측 및 하류측 각각에 돌출된, 단면이 반원 형상의 기둥 형상의 구조로 되고, 볼트(52c)가 삽입되어 관통한 나사 구멍을 내부에 구비한다. 이 고정용 부재(52a)의 상류측은, 볼트(52c)의 헤드 부분이 묻히는 오목부(52d)가 형성되고, 볼트(52c)가 삽입된 후, 이 오목부(52d)를 금속 부품으로 매립함으로써 평탄한 단부면을 형성한다.

또한, 외통(2c)은 도 3b의 단면도에 도시한 바와 같이, 그 내벽에 리브(52)의 고정용 부재(52a)와 접속하는, 축 방향으로 대략 기둥 형상으로 되는 리브 접속용 부재(52e)를 구비한다. 이 리브 접속용 부재(52e)는, 볼트(52c)가 삽입되는 나사 구멍을 구비한다. 이에 의해, 고정용 부재(52a)의 나사 구멍을 관통하는 볼트(52c)가 리브 접속용 부재(52e)의 나사 구멍에 삽입되고, 고정용 부재(52a)가 리브 접속용 부재(52e)에 고정됨으로써, 정류판(51) 및 리브(52)가 외통(2c)에 고정된다. 또한, 하류 측단부면을 대략 1／4 구 형상의 곡면으로 함으로써, 압축 공기의 흐름에 흐트러짐을 가능한 한 부여하지 않도록 할 수 있다.

이와 같이, 외통(2c)에 고정된 리브(52)를 방사상으로 설치함으로써, 내통(2a)을 리브(52)에 의해, 둘레 방향으로 눌러 고정시킬 수 있다. 이에 의해, 메인 노즐(22)의 하류측 선단을, 내통(2a)에 접속된 메인 버너(24)에 있어서의 메인 스월러(26)에 의해 지지할 수 있다. 따라서 상술한 배면벽(2d), 180도 터닝부(8) 및, 후술하는 터닝 베인(54)의 구성에 의해 내통(2a)을 흐르는 압축 공기를 균일화시킴으로써, 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(22)의 축 방향의 길이를 짧게 할 수 있는 것으로부터, 메인 노즐(22)의 하류측을 지지하는 파일럿 노즐(21)에 접속된 지주가 불필요해진다. 또한, 압축 공기가 균일한 흐름으로 되므로, 종래에 비해, 정류판(51)에 의한 저항을 작게 할 수 있어, 정류판(51)에 있어서의 압력 손실을 억제할 수 있다.

메인 노즐(22)의 사이를 덮도록 내통(2a)의 상류측 단부 근방에 링 형상의 터닝 베인(54)이 설치되어 있다. 터닝 베인(54)은 내통(2a)의 내부에 있어 180도 터닝부(8) 근방에 위치하여 배치되고, 상류측으로부터 하류측을 향하여, 메인 노즐(22)보다도 직경 방향 외측으로부터 메인 노즐(22)의 축 위치까지 굴곡한 1매의 판으로 형성된다. 그리고 터닝 베인(54)의 곡률이, 180도 터닝부(8)의 반원 형상 부분(53c)의 내벽면과 동등해지도록 형성된다. 또한, 이 터닝 베인(54)은 메인 노즐(22) 측면을 접속하는 원호 형상의 판으로 된다. 이와 같이 구성되는 터닝 베인(54)에 의해, 180도 터닝부(8) 및 배면벽(2d)을 따라 180도 회전된 압축 공기가, 파일럿 콘(23) 및 메인 버너(24)로 유도된다.

이 배면벽(2d), 180도 터닝부(8) 및 터닝 베인(54) 각각이, 상술한 바와 같이 구성됨으로써, 외통(2c)과 180도 터닝부(8) 사이로 유입되는 압축 공기가, 180도 터닝부(8)의 테이퍼 형상부(53a)에서 정류된 후, 180도 터닝부(8)에서 180도 회전된다. 그리고 터닝 베인(54)에 의해 정류되어, 파일럿 콘(23) 및 메인 버너(24)로 유도된다.

다음에, 본 실시 형태에 있어서의 특징적인 구성인, 정류판(51)에 대해 설명한다. 도 3a의 외통(2c)의 하류측으로부터 본 정면도에 도시한 바와 같이, 정류판(51)은 내통(2a)의 외벽과 외통(2c)의 내벽 사이의 압축 공기 유로(6) 입구를 덮는 링 형상의 구성으로 되는 동시에, 축 방향으로 관통하여 다수의 구멍이 형성되어 있다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 내주측의 구멍(55)의 직경은, 외주측에 형성된 구멍(56)의 직경보다도 크다. 즉, 내주측의 주류 공기 유량이 외주측보다도 커지도록 구성되어 있다.

도 4에, 본 실시 형태에 관한 정류판(51)을 사용한 경우의 주류 공기의 흐름을 도시하였다. 종래와 같이 정류판에 형성된 구멍이 균일하면, 연소기(1)의 반경 방향으로 분포를 갖지 않는 흐름으로 된다. 이와 같은 상태에서 180도 터닝부(8)를 돈 흐름은, 도 4의 부호 100으로 나타낸 바와 같이, 박리 등에 의해 저속 영역을 형성한다. 따라서 연소기 길이가 짧은 구성인 경우, 정류 거리가 짧아져, 내주측의 유량이 저하 경향을 나타낸다.

본 실시 형태에 관한 정류판(51)에서는, 내주측에 직경이 대공(55)이 형성되어 있음으로써, 내주측의 유량이 증가하여, 직경 방향에 있어서의 유량이 균일화된다. 즉, 본 실시 형태의 정류판(51)은 유량 조정부로서 작용한다.

또한, 대공과 소공이 혼성된 배치로 함으로써, 국소적인 속도의 불균일이 발생하여, 대공의 하류측에서 흐트러짐이 증가한다. 그 결과, 운동량 교환이 활발화되어, 180도 터닝부(8)에 있어서의 박리 경향도 억제된다.

이와 같이, 본 실시 형태의 연소기에 따르면, 반경 방향으로 유속 분포가 주어지고, 또한 흐트러짐의 촉진에 의한 박리 억제가 행해진다. 그 결과, 180도 터닝부(8)의 하류(메인 예혼합 노즐의 상류)에 있어서의 반경 방향으로의 주류 공기의 속도의 균일화와 혼합성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해 NOx 저감을 행할 수 있다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 정류판(51)을 압축 공기 유로(6)가 대략 반전되는 위치 중심, 즉 반원 형상 부분(53)의 중심보다도, 상류측에 거리(L)를 둔 위치에 설치하는 것으로 해도 된다. 여기서, 이 거리(L)는 내주측의 구멍(55)(대공)의 직경을 B로 한 경우에, 예를 들어 5B 이상, 또한 15B 이하의 거리이다.

정류판(51)을 통과한 분류의 코어 부분, 즉 분류가 외기의 영향에 의해 유속이 저하되지 않은 영역이 잔존하는 거리는, 2차원 분류에서는 정류판(51)으로부터 하류측에 6B, 3차원 분류에서는 정류판(51)으로부터 하류측에 10B 정도이다. 따라서 정류판(51)을, 압축 공기 유로(6)가 대략 반전되는 위치 중심보다도 상류측에, 전술한 거리(L)를 둔 위치에 설치함으로써, 분류의 코안다 효과를 기대할 수 있어, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, 내주측의 구멍(55)(대공)의 적어도 일부를, 180도 터닝부(8)의 반경 방향 외측의 단부면[평탄 부분(53b)의 단부면]보다도 반경 방향 내측에 설치하는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍(55)을, 평탄 부분(53b)의 단부면보다도 반경 방향 내측에 설치함으로써, 내주측의 구멍(55)으로부터의 분류를 180도 터닝부(8)에 압박하여, 내통(2a)과의 접촉면을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 분류의 코안다 효과를 향상시켜, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, 내주측의 구멍(55)(대공)의 직경 B를, 180도 터닝부(8)의 팽출 높이 H 이상의 크기로 형성하는 것으로 해도 된다.

내주측의 구멍(55)의 직경 B를, 180도 터닝부(8)의 팽출 높이 H 이상의 크기로 형성함으로써, 내주측의 구멍(55)으로부터의 분류를 180도 터닝부(8)에 압박하여, 내통(2a)과의 접촉면을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 분류의 코안다 효과를 향상시켜, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다.

또한, 도 3a에 도시한 바와 같이, 인접하는 내주측의 구멍(55)(대공)의 중심간의 거리(C)를, 내주측의 구멍(55)의 직경 B의 1.5배 이상으로 해도 된다.

인접하는 내주측의 구멍(55)의 중심간의 거리(C)를 1.5B 이상, 즉 인접하는 내주측의 구멍(55)의 간극을 0.5B 이상으로 함으로써, 인접하는 구멍(55)으로부터의 분류끼리의 간섭을 저감시켜, 분류의 코안다 효과를 유지할 수 있어, 유로 반전 개소 하류측에 있어서의 박리 경향을 억제할 수 있다. 또한, 분류의 강한 전단력을 발생시켜, 직경 방향에 있어서의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 정류판(51)의 내주측의 구멍 직경을 외주측의 구멍 직경보다도 크게 구성하였지만, 내주측 대신에, 또는 내주측과 함께 외주측을 대경으로 해도 된다. 또한, 정류판(51)의 판 두께를 변경함으로써 압력 손실 조절을 행해도 된다.

〔제2 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전체 구성은 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

도 5에 본 실시 형태에 관한 정류판(152)의 부분 정면도를 도시하였다. 본 실시 형태의 정류판(152)은 환 형상으로, 외주연을 따라 외통(2c)과의 사이의 갭으로서 외측 슬릿(153)이 형성되고, 또한 내주연을 따라 내통(2a)과의 사이의 갭으로서의 내측 슬릿(154)이 형성되어 있다. 외측 슬릿(153) 및 내측 슬릿(154)은, 정류판(152)을 유로의 축 방향으로 관통하는 유로이다. 또한, 리브(52)의 좌우에 위치하여, 리브 근방 슬릿(155)이 각각 형성되어 있다. 리브 근방 슬릿(155)은, 정류판(152)을 유로의 축 방향으로 관통하는 유로이고, 직경 방향 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있다.

도 6에 본 실시 형태에 관한 정류판(152)을 사용한 경우의 주류 공기의 흐름을 도시하였다. 종래와 같이 정류판(152)에 형성된 구멍이 균일하면, 벽면 근방의 저속 영역이나 리브(52)와 같은 구조체 하류에 형성되는 속도 결손 영역에 대한 운동량 공급은 충분하지 않다. 이로 인해, 이와 같이 벽면 근방이나 리브(52)의 근방에 속도 결손을 갖는 상태에서 180도 터닝부(8)를 돈 흐름은, 흐름이 불균일해져 연료의 농담을 유발하여 연소 안정성, 배기 가스 특성을 악화시킨다.

본 실시 형태에 있어서는, 속도 결손이 발생하는 정류판(152)의 내주측, 외주측 및 리브(52)의 근방에 슬릿이 형성되어 있음으로써, 유량이 증가하여, 상기한 문제점이 해소된다. 또한, 이와 같은 슬릿에 의해 국소적인 속도의 불균일을 발생시켜, 하류측에서 흐트러짐이 증가한다. 이 결과, 운동량 교환이 활발화하여, 180도 터닝부(8)에 있어서의 박리 경향도 억제된다.

이와 같이, 본 실시 형태의 연소기에 따르면, 본 실시 형태에 관한 정류판(152)에서는, 슬릿이 형성됨으로써, 정류판(152)에 있어서의 벽면 근방, 서포트 근방에 발생하는 속도 결손의 해소가 실현되고, 그 결과 180도 터닝부의 하류(메인 예혼합 노즐의 상류)에 있어서의 주류 공기의 속도의 균일화와 혼합성의 향상을 실현할 수 있다.

또한, 특히 정류판의 내주측에만 내측 슬릿(154)을 형성해도 된다. 구체적으로 이들 중 어느 개소에 슬릿을 형성할지는, 압축 공기의 흐름에 따라 적절하게 설정해도 된다.

〔제3 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전체 구성은 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 톱 햇 노즐(160)이 180도 터닝부의 도중에 설치되어 있다. 톱 햇 노즐(160)은 NOx 저감을 도모하는 것 등을 목적으로 하여 톱 햇 연료 가스와 압축 공기를, 메인 노즐(22)의 경우보다도 더 상류측에서 혼합한 후에 연소시키는 예혼합 연소용의 연료 노즐이고, 메인 노즐(22)보다도 더 외주측에 복수개 설치되어 있다.

180도 터닝부(8)의 내주부는, 도 7에 도시한 바와 같이 연소기의 축을 따른 단면 형상에 있어서 부분적으로 원형 형상을 갖고, 유로를 원활하게 180도 방향 전환시키고 있다. 톱 햇 노즐(160)은 본 실시 형태에 있어서는 직경 10㎜의 원통으로, 반원 형상 부분(53c)의 원형 형상의 직경 방향을 따라 설치되고, 톱 햇 노즐(160)의 내측(토출측) 단부와 턴 내주부 사이에는 간극(161)이 형성되어 있다.

노즐 설치 위치는, 후술하는 박리 포인트보다도 상류측일 필요가 있고, 180도 터닝부(8)에 대한 설치 각도, 즉 턴 각도는 주류 공기의 유로 방향에 대해 수직인 방향을 기준으로서, 주류 공기의 하류측에 θ(0도 이상 90도 미만)이다. 간극(161)의 치수는, 톱 햇 노즐의 굵기 Dp의 0.5 내지 2.0배 정도이다.

종래 기술에 있어서, 톱 햇 노즐은 정류판과 180도 터닝부(8)의 중간 영역에 설치되어 있었다. 종래 기술에 있어서, 180도 터닝부(8)를 돈 흐름은, 도 7의 부호 100으로 나타낸 바와 같이, 박리 등에 의해 저속 영역을 형성한다. 따라서 연소기 길이가 짧은 구성인 경우, 정류 거리가 짧아져, 내주측의 유량이 저하 경향을 나타낸다.

본 실시 형태에 있어서는, 톱 햇 노즐(160)에 의한 혼합 효과에 의해, 흐름의 박리가 억제된다. 즉, 톱 햇 노즐(160) 하류에 발생하는 소용돌이에 의해 운동량 교환을 활발화시킴으로써, 크게 방향을 바꾸는 180도 터닝부(8)의 턴 내주부에 발생하는 박리 영역을 억제하는 효과가 있다. 또한, 톱 햇 노즐(160)과 턴 내주부의 간극(161)을 상술한 범위에서 적절하게 확보함으로써, 간극으로부터의 흐트러짐이 턴 내주부 하류에 발생하는 박리 영역을 보다 효과적으로 억제한다. 또한, 톱 햇 노즐(160)을 180도 터닝부(8)의 도중에 설치함으로써, 정류판과 180도 터닝부(8의 거리를 짧게 할 수 있고, 톱 햇 노즐(160)과 180도 터닝부(8)의 기능 일체화에 의한 연소기의 소형화가 가능해진다.

〔제4 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전체 구성은 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 터닝 베인(54)에는, 그 배면측[즉, 180도 방향 전환하는 압축 공기 유로(6)의 직경 방향 외측]에, 직경 방향 내측으로 돌출되는 핀 형상의 교반기(170)가 설치되어 있다. 교반기(170)는 둘레 방향을 따라 복수개 대략 균등하게 분산되어 설치되어 있다.

터닝 베인(54)은 그 역할로서, 박리없이 흐름을 바꿈으로써 압력 손실을 저감시키고 있다. 이와 같이 매끄러운 흐름은 이상적이지만, 흐트러짐의 발생이 작으므로 연료를 혼합하는 힘은 작다. 이로 인해, 종래의 연소기에 있어서는, 연료 혼합 개소 하류에서 국소적으로 연료 농도가 높아지는 경향이 있어, NOx 농도가 높아지는 경우가 있었다. 특히, 터닝 베인(54)의 배면측은 흐름이 완만하게 박리없이 바뀐다고 생각되므로, 터닝 베인(54)의 배측에 비해 흐트러짐이 작아, 그 하류측에서는 연료 혼합하는 힘이 약하다.

본 실시 형태에서는, 터닝 베인(54)의 배면측에 핀 형상의 교반기(170)가 설치되어 있음으로써, 그 하류측에서의 연료 혼합이 촉진되어, 연료 농도가 균일화된다. 그 결과, NOx의 저감을 실현할 수 있다.

〔제5 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 제5 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전체 구성은 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태는, 상기 제4 실시 형태와 마찬가지로, 터닝 베인 배면측에 있어서의 흐트러짐을 증가시킴으로써, 터닝 베인 배면측의 흐름에 대해 연료 혼합을 촉진시키는 것이다.

즉, 도 9a, 도 9b에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 터닝 베인(171)의 하류측 단부에는, 유로 방향을 따라 절결부(슬릿)(172)가 형성되어 있다. 절결부(172)는 터닝 베인(171)의 배측과 배면측을 연통시키는 것으로, 터닝 베인(171)의 둘레 방향을 따라 간격을 이격하여 복수 설치되어 있다. 터닝 베인(171)의 다른 구성은 상기 제1 실시 형태의 터닝 베인(54)과 마찬가지로, 설명을 생략한다.

터닝 베인(171) 배측은 원심력에 의해 외주측을 향하여 흐르는 경향이 있으므로, 절결부(172)를 형성함으로써, 터닝 베인 내주측으로부터 외주측을 향하는 흐름이 발생한다. 그 결과, 도 9a, 도 9b에 화살표로 나타낸 흐름과 같이, 터닝 베인 배면측에서의 혼합이 촉진되어, 연료 농도가 균일화된다. 그 결과, NOx의 저감을 실현할 수 있다.

1 : 연소기
2a : 내통
2c : 외통
6 : 압축 공기 유로
8 : 180도 터닝부(팽출부)
51 : 정류판(유량 조정부)
52 : 리브
54 : 터닝 베인
55 : 구멍
56 : 구멍
152 : 정류판
153 : 외측 슬릿
154 : 내측 슬릿
155 : 리브 근방 슬릿
160 : 톱 햇 노즐
170 : 교반기
171 : 터닝 베인
172 : 절결부(슬릿)

Claims

연소기의 축심에 설치되어 확산 연소를 행하는 파일럿 노즐과, 상기 파일럿 노즐의 외주측에서 둘레 방향으로 간격을 두고 복수 설치되어 예혼합 연소를 행하는 메인 노즐과, 상기 파일럿 노즐과 각 상기 메인 노즐을 둘러싸는 하나의 내통과, 또한 상기 내통을 외측으로부터 대략 동축으로 둘러싸고, 그 내주면과 상기 내통의 외주면 사이에 압축 공기 유로가 형성되는 외통을 구비하고, 상기 압축 공기 유로를 흐르는 압축 공기가, 상기 내통의 단부에서 유동 방향이 대략 반전되어 상기 파일럿 노즐에 도입되는 연소기에 있어서,
상기 압축 공기 유로에는, 내주측의 유량을 외주측의 유량보다도 크게 하는 유량 조정부가 설치되어 있는, 연소기.
제1항에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는 상기 유로를 차단하여 상기 유량 조정부로서의 정류판이 설치되고,
상기 정류판에는 상기 정류판을 사이에 두고 통로의 상류측과 하류측을 연통하는 구멍이 복수 형성되고, 내주측의 구멍의 직경이, 외주측의 구멍의 직경보다도 크게 되어 있는, 연소기.
제2항에 있어서, 상기 정류판은 상기 유로가 대략 반전되는 위치 중심보다도 상류측에, 상기 내주측의 구멍의 직경의 15배 이하의 거리를 둔 위치에 설치되어 있는, 연소기.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 내통의 단부에는 상기 유로의 하류측에 따라서 반경 방향 외측으로 점차 팽출하는 팽출부가 설치되고,
상기 내주측의 구멍이, 상기 팽출부의 반경 방향 외측의 단부면보다도 반경 방향 내측에 형성되어 있는, 연소기.
제4항에 있어서, 상기 내주측의 구멍의 직경이 상기 팽출부의 팽출 높이 이상의 크기로 형성되어 있는, 연소기.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 인접하는 상기 내주측의 구멍의 중심간의 거리가, 상기 내주측의 구멍의 직경의 1.5배 이상으로 되어 있는, 연소기.
제1항에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는 상기 유로를 차단하여 상기 유량 조정부로서의 정류판이 설치되고,
상기 정류판의 내주측에는 상기 정류판의 상류측과 하류측을 연통하는 슬릿이 형성되어 있는, 연소기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는 상기 유로가 대략 반전하는 위치에 톱 햇 노즐이 설치된, 연소기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 공기 유로에는 반전하는 유로 내의 유체를 가이드하는 터닝 베인이 상기 내통 단부 테두리에 대향하여 설치되고,
상기 터닝 베인의 배면측에 유체의 흐름을 교반하는 교반기가 설치되어 있는, 연소기.
제9항에 있어서, 상기 터닝 베인의 하류측 선단부에 상기 터닝 베인의 배면측과 배측을 연통하는 슬릿이 형성되어 있는, 연소기.