KR20130075346A - Gas turbine combustor with fuel rate controllability - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A gas turbine combustor capable of controlling a fuel supply amount is provided to supply the same amount of fuel to each of multiple combustor cans by maintaining the same fuel supply differential pressure about the combustor cans, thereby maintaining a temperature of flame in each of the combustor cans to be constant. CONSTITUTION: A gas turbine combustor includes a manifold, multiple combustor cans (120) and multiple variable orifices (130). The manifold includes multiple outlets. The combustor cans formed to combust the fuel are respectively connected to the outlets to receive fuel from the manifold. The variable orifices corresponding to the combustor cans control a fuel supply amount for each of the combustor cans.

Description

연료량 조절이 가능한 가스터빈 연소기{GAS TURBINE COMBUSTOR WITH FUEL RATE CONTROLLABILITY}GAS TURBINE COMBUSTOR WITH FUEL RATE CONTROLLABILITY}

본 발명은 가스터빈에서 연소가스를 생성하도록 연소기에 연료를 공급하는 연소기의 연료공급장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel supply apparatus of a combustor for supplying fuel to a combustor to produce combustion gas in a gas turbine.

연소기는 가스터빈에서, 압축기를 나온 고압공기에 연료를 분사하여 혼합하고, 이것을 연소시켜 가열하는 내연식(內燃式) 가열장치를 의미한다.A combustor means the internal combustion type heating apparatus which injects and mixes fuel in the high pressure air which exited the compressor from a gas turbine, and burns and heats it.

일반적으로 가스터빈 연소기는 복수개의 캔(can) 형태로 구성되며, 연소용 연료는 매니폴드(manifold)에서 각 연소기 캔으로 공급되고, 각 연소기 캔의 연료 분사홀을 통하여 연소기 캔의 내부로 분사된다. 그러나, 연소기는 제작 중 발생하는 공차로 인하여 모든 캔의 연료 분사 홀의 크기가 동일하지 않게 된다. 또한, 매니폴드의 유출구의 크기도 동일하지 않게 된다. 이로 인하여, 같은 압력으로 연료를 공급하여도 모든 캔에 동일한 양의 연료가 분사되지 않게 되며, 나아가 각 연소기 캔별로 연소 가스의 온도 및 진동의 불균일도가 발생할 수 있다. Generally, a gas turbine combustor is composed of a plurality of cans, and combustion fuel is supplied to each combustor can in a manifold, and injected into the combustor can through a fuel injection hole of each combustor can. . However, the combustor does not have the same size of fuel injection holes in all cans due to tolerances occurring during manufacture. In addition, the size of the outlet of the manifold is also not the same. As a result, even if the fuel is supplied at the same pressure, the same amount of fuel is not injected to all the cans, and further, the unevenness of the temperature and vibration of the combustion gas may occur for each combustor can.

이러한 문제점에도 불구하고, 각 연소기 캔마다 공급되는 연료를 동일하게 해주는 메커니즘에 대한 연구가 전무한 실정이다.
Despite these problems, there is no research on the mechanism for equalizing the fuel supplied to each combustor can.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 모든 연소기 캔에 동일한 양의 연료가 공급되는 연료공급장치 및 이를 구비하는 연소기를 제공하기 위한 것이다.The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel supply device and a combustor having the same amount of fuel supplied to all combustor cans.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 가스터빈 연소기는, 복수의 유출구를 구비하는 매니폴드와, 상기 매니폴드로부터 연료를 공급받도록 상기 복수의 유출구와 각각 연결되며 상기 연료가 연소되도록 형성되는 복수의 캔, 및 상기 복수의 캔에 대응하도록 복수로 구비되며 상기 복수의 캔 각각에 대한 연료공급량을 제어하도록 이루어지는 가변 오리피스를 포함한다.In order to achieve the above object of the present invention, a gas turbine combustor according to an embodiment of the present invention, the manifold having a plurality of outlets, and the plurality of outlets so as to receive fuel from the manifold, respectively And a plurality of cans formed to combust the fuel, and a plurality of cans corresponding to the plurality of cans, the variable orifices configured to control a fuel supply amount to each of the plurality of cans.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유출구 및 캔은 연료공급라인에 의하여 서로 연결되며, 상기 오리피스는 상기 연료공급라인에 배치된다.According to an example related to the present invention, the outlet and the can are connected to each other by a fuel supply line, and the orifice is disposed in the fuel supply line.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 연료공급장치는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 캔 또는 연료공급라인으로부터 감지된 온도정보 또는 압력정보나 상기 연료의 속도정보 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 오리피스의 직경을 제어한다. According to another example related to the present invention, the fuel supply device includes a control unit. The controller controls the diameter of the variable orifice using at least one of temperature information or pressure information detected from the can or fuel supply line, or speed information of the fuel.

상기 온도정보는 상기 복수의 캔의 화염 온도 및 연소가스의 온도 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 압력정보는 상기 연료공급라인에서 상기 오리피스를 지난 부분의 압력 또는 상기 캔의 내부 압력을 포함하고, 상기 연료의 속도정보는 상기 연료공급라인에서 상기 연료의 유속을 포함할 수 있다.The temperature information includes at least one of a flame temperature of the plurality of cans and a temperature of a combustion gas, and the pressure information includes a pressure of a portion past the orifice in the fuel supply line or an internal pressure of the can. Speed information of the fuel may include the flow rate of the fuel in the fuel supply line.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 연소기는, 복수의 연소기 캔에 대하여, 동일한 연료공급 차압을 유지할 수 있도록 하여, 각 캔에 공급되는 연료량을 일전하게 유지한다. 이를 통하여, 각 캔 내부의 화염의 온도가 일정하게 유지될 수 있으며, 나아가 오염물질의 저감 및 연소 진동의 제어가 가능하게 된다.
The combustor which concerns on this invention comprised as mentioned above can maintain the same fuel supply differential pressure with respect to a plurality of combustor cans, and maintains the quantity of fuel supplied to each can completely. Through this, the temperature of the flame inside each can can be kept constant, and furthermore, it is possible to reduce the pollutants and control the combustion vibration.

도 1은 본 발명의 가스터빈 연소기를 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 연료공급라인의 확대도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명과 관련한 오리피스의 동작도.1 is a conceptual diagram showing a gas turbine combustor of the present invention.
2 is an enlarged view of the fuel supply line of FIG.
3A and 3B show an operation of an orifice in accordance with the present invention.

이하, 본 발명에 관련된 가스터빈 연소기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the gas turbine combustor which concerns on this invention is demonstrated in detail with reference to drawings. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

도 1은 본 발명의 가스터빈 연소기를 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a gas turbine combustor of the present invention.

도시에 의하면, 가스터빈 연소기(100)는 매니폴드(110) 및 복수의 캔(120)을 포함한다. According to the illustration, the gas turbine combustor 100 includes a manifold 110 and a plurality of cans 120.

매니폴드(manifold, 110)는 내부에 배관의 역할을 하는 통로가 형성되어 있고, 외부에 다수의 기기(機器) 접속구(接續口)를 갖춘 다기관(多岐管)으로서, 본 발명에서는 연소기로 흡기(吸氣)를 인도하기 위해 사용된다. 보다 구체적으로, 상기 매니폴드는 하나의 유입구(111)와 복수의 유출구(112)를 구비하며, 각 유출구(112)는 상기 복수의 캔(120)에 각각 연결된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 유입구(111)는 복수로 형성될 수 있다.Manifold (110) is a manifold having a passage that serves as a pipe inside, and has a plurality of device connection ports on the outside, in the present invention, the manifold (110) I) used to guide; More specifically, the manifold has one inlet 111 and a plurality of outlets 112, each outlet 112 is connected to the plurality of cans 120, respectively. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and for example, the inlet 111 may be formed in plural.

본 도면에서는 이중으로 된 원통 사이의 환상(環狀) 부분에 연료 분사 벨브를 배치한 형식의 환상 연소기를 예시하며, 매니폴드(manifold, 110)는 상기 연소기를 감싸도록 환형으로 이루어진다.This figure illustrates an annular combustor of the type in which a fuel injection valve is arranged in an annular portion between the double cylinders, and a manifold 110 is formed in an annular shape to surround the combustor.

복수의 캔(120)은 원주상에 기설정된 간격으로 이격 배치되어, 연소기 내부로 연료를 분사하며 이를 통하여 상기 연료를 연소시키도록 형성된다. 또한, 상기 복수의 캔(120)은 상기 매니폴드로부터 연료를 공급받도록 상기 복수의 유출구와 각각 연결된다.The plurality of cans 120 may be spaced apart at predetermined intervals on the circumference to inject fuel into the combustor and thereby burn the fuel. In addition, the plurality of cans 120 are respectively connected to the plurality of outlets so as to receive fuel from the manifold.

상기 구조에 의하면, 제조공차 등에 의하여 각 연소기 캔(120)들에서 연료공급 차압이 서로 다르게 되며, 이로부터 각 캔(120) 별로 연소 가스의 온도가 달라지는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 메커니즘이 구현되며, 이하 이러한 메커니즘에 대하여 보다 상세하게 설명한다.According to the above structure, the fuel supply differential pressure in the combustor cans 120 is different from each other due to manufacturing tolerances, and thus, a problem in which the temperature of the combustion gas varies for each can 120 may occur. The present invention implements a mechanism that can solve this problem, which will be described in more detail below.

도 2는 도 1의 연료공급라인의 확대도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명과 관련한 오리피스의 동작도이다.Figure 2 is an enlarged view of the fuel supply line of Figure 1, Figures 3a and 3b is an operation of the orifice in accordance with the present invention.

도 2를 참조하면, 가스터빈 연소기(100)는 가변 오리피스(130) 및 제어부(미도시)를 구비한다.Referring to FIG. 2, the gas turbine combustor 100 includes a variable orifice 130 and a controller (not shown).

가변 오리피스(130)는 복수의 캔(120)에 대응하도록 복수로 구비되며, 상기 복수의 캔(120) 각각에 대한 연료공급량을 제어하도록 이루어진다. 보다 구체적으로 매니폴더(110)의 유출구(112)와 캔(120)은 연료공급라인(113)에 의하여 서로 연결되며, 상기 오리피스(130)는 상기 연료공급라인(113)에 배치된다.The variable orifices 130 are provided in plural to correspond to the plurality of cans 120, and are configured to control a fuel supply amount to each of the plurality of cans 120. More specifically, the outlet 112 and the can 120 of the manifold 110 are connected to each other by the fuel supply line 113, the orifice 130 is disposed in the fuel supply line 113.

제어부는 상기 캔(120) 또는 연료공급라인(113)으로부터 감지된 온도정보 또는 압력정보나 상기 연료의 속도정보 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 오리피스(130)의 직경을 제어하도록 이루어진다.The controller is configured to control the diameter of the variable orifice 130 using at least one of temperature information or pressure information detected from the can 120 or the fuel supply line 113 or the speed information of the fuel.

보다 구체적으로, 상기 온도정보는 상기 복수의 캔(120)의 화염 온도 및 연소가스의 온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이를 위하여 온도센서가 복수의 캔(120)에 각각 장착될 수 있다. 예를 들어, 연소가스의 온도가 높은 캔(121)에서는 오리피스(131)의 직경을 작게(도 3a 참조) 하고, 연소가스의 온도가 낮은 캔(122)에서는 오리피스(132)의 직경을 크게(도 3a 참조) 조절한다. 이 경우에, 연소가스의 기준온도는 기설정되거나, 각 캔들의 피드백받은 연소가스 온도의 평균값이 될 수 있다.More specifically, the temperature information may include at least one of the flame temperature of the plurality of cans 120 and the temperature of the combustion gas. To this end, a temperature sensor may be mounted on each of the plurality of cans 120. For example, in the can 121 with a high combustion gas temperature, the diameter of the orifice 131 is reduced (see FIG. 3A), and in the can 122 with a low combustion gas temperature, the diameter of the orifice 132 is increased ( 3a). In this case, the reference temperature of the combustion gas may be preset or an average value of the feedback temperature of the combustion gas of each can.

다른 예로서, 상기 압력정보는 상기 연료공급라인에서 상기 오리피스를 지난 부분의 압력 또는 상기 캔의 내부 압력을 포함하고, 이를 측정하기 위하여 압력센서가 상기 연료공급라인이나 캔에 장착될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 연료의 속도정보는 상기 연료공급라인에서 상기 연료의 유속이 될 수 있다.As another example, the pressure information may include a pressure of the portion past the orifice in the fuel supply line or an internal pressure of the can, and a pressure sensor may be mounted on the fuel supply line or the can to measure the pressure information. As another example, the speed information of the fuel may be a flow rate of the fuel in the fuel supply line.

이와 같이, 각 연소기 캔으로 분사되는 연료의 양을 온도정보, 압력정보나 속도정보를 이용하여 도출함에 따라, 제어부는 이를 근거로 오리피스(130)의 직경을 작게하거나, 오리피스(130)의 직경을 크게하도록 상기 오리피스를 제어한다.As described above, as the amount of fuel injected into each combustor can is derived using temperature information, pressure information, or speed information, the controller reduces the diameter of the orifice 130 or adjusts the diameter of the orifice 130 based on this. The orifice is controlled to make it larger.

상기 메커니즘에 의하면, 연소기 내의 모든 캔의 연료공급라인에서 연료공급차압을 동일하게 유지할 수 있게 되며, 이를 통하여 캔 내부의 화염의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.According to the mechanism, it is possible to maintain the fuel supply differential pressure in the fuel supply line of all cans in the combustor, thereby maintaining a constant temperature of the flame inside the can.

다만, 본 발명은 반드시 상기 메커니즘에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제어부의 구성이 없는 경우도 가능하다. 즉, 실험 등을 통하여 복수의 연소기 캔에 대응하는 각 오리피스의 직경을 결정하고, 결정된 크기에 따라 오리피스의 개도를 고정하는 방법도 가능하다. 이러한 경우에는 별도의 센서가 필요없는 장점이 있다.However, the present invention is not necessarily limited to the above mechanism. For example, the case where there is no structure of a control part is possible. That is, a method of determining the diameter of each orifice corresponding to the plurality of combustor cans through experiments and fixing the opening degree of the orifice according to the determined size is also possible. In this case, there is no need for a separate sensor.

상기와 같은 가스터빈 연소기는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The gas turbine combustor as described above is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments may be configured by selectively combining all or some of the embodiments so that various modifications can be made.

Claims (4)

복수의 유출구를 구비하는 매니폴드;
상기 매니폴드로부터 연료를 공급받도록 상기 복수의 유출구와 각각 연결되며, 상기 연료가 연소되도록 형성되는 복수의 캔; 및
상기 복수의 캔에 대응하도록 복수로 구비되며, 상기 복수의 캔 각각에 대한 연료공급량을 제어하도록 이루어지는 가변 오리피스를 포함하는 가스터빈 연소기.A manifold having a plurality of outlets;
A plurality of cans respectively connected to the plurality of outlets to receive fuel from the manifold and configured to combust the fuel; And
A gas turbine combustor, comprising a plurality of variable orifices provided to correspond to the plurality of cans, and configured to control a fuel supply amount to each of the plurality of cans. 제1항에 있어서,
상기 유출구 및 캔은 연료공급라인에 의하여 서로 연결되며, 상기 오리피스는 상기 연료공급라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 연료공급장치.The method of claim 1,
The outlet and the can is connected to each other by a fuel supply line, the orifice is a fuel supply device of a gas turbine combustor, characterized in that disposed in the fuel supply line. 제2항에 있어서,
상기 캔 또는 연료공급라인으로부터 감지된 온도정보 또는 압력정보나 상기 연료의 속도정보 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 오리피스의 직경을 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스터빈 연소기의 연료공급장치.The method of claim 2,
And a control unit for controlling the diameter of the variable orifice using at least one of temperature information or pressure information detected from the can or fuel supply line, or speed information of the fuel. 제3항에 있어서,
상기 온도정보는 상기 복수의 캔의 화염 온도 및 연소가스의 온도 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 압력정보는 상기 연료공급라인에서 상기 오리피스를 지난 부분의 압력 또는 상기 캔의 내부 압력을 포함하고,
상기 연료의 속도정보는 상기 연료공급라인에서 상기 연료의 유속을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 연료공급장치.The method of claim 3,
The temperature information includes at least one of the flame temperature of the plurality of cans and the temperature of the combustion gas,
The pressure information includes the pressure of the portion past the orifice in the fuel supply line or the internal pressure of the can,
And the speed information of the fuel includes a flow rate of the fuel in the fuel supply line.
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