KR20140007763A

KR20140007763A - 가스 터빈용 다중 원추형 예혼합 버너

Info

Publication number: KR20140007763A
Application number: KR1020130080076A
Authority: KR
Inventors: 엔니오 파스퀴알로토; 프랭클린 마리 제닌; 얀 헬라트
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-20
Also published as: RU2013131638A; JP2014016148A; US9441837B2; EP2685163B1; JP5757978B2; CN103542412B; EP2685163A1; RU2561767C2; KR101546217B1; CN103542412A; US20140013759A1

Abstract

본 발명은 가스 터빈용 다중 원추형의 예혼합 버너(10)로서, 중앙 버너축(11) 주위에 배열되고, 하류측 방향으로 개방된 가상 축방향 연장 공통 원추의 부분들인 복수의 셸(16a 내지 16d)을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯(17)이 각각의 쌍의 인접한 셸(16a 내지 16d) 사이에 형성되도록 상기 버너축(11)에 수직으로 변위되는 예혼합 버너(10)에 관한 것이다.
이러한 버너(10)의 화염면은 축방향으로 변하는 원추각을 갖는 가상 공통 원추를 제공함으로써 안정화된다.

Description

가스 터빈용 다중 원추형 예혼합 버너{PREMIX BURNER OF THE MULTI-CONE TYPE FOR A GAS TURBINE}

본 발명은 가스 터빈의 기술에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 가스 터빈용 다중 원추형의 예혼합 버너에 관한 것이다.

과거 20여년 동안, 짧지만 효과적인 예혼합 구역을 갖는 버너(소위 EV 버너: 환경 친화적 V-형 버너)가 매우 낮은 NOx 레벨을 갖고 본 출원인의 다수의 가스 터번에 구현되어 왔다. 이에 추가하여, 예혼합 기술의 3개의 변형예가 성공적으로 개발되어 이들 가스 터빈 엔진에 전개되어 왔는데, 이들은 순차적인 EV 버너 - 제 1 고압 터빈의 배기 가스를 재가열하기 위해 고온 배기 스트림 내로의 천연 가스와 오일의 예혼합을 허용하는 기술, 낮은 NOx 배출물을 갖는 예혼합 화염 내의 합성 가스를 연소하는데 사용되는 MBtu EV 버너, 및 연소에 앞서 액체 연료를 사전 증발하고 예혼합하고 물 주입 없이 매우 낮은 NOx 배출물을 갖고 이를 연소하는 것이 가능한 진보형 EV 버너(AEV)이다.

문헌 EP 0 851 172 A2호는 액체 및/또는 기체 연료를 갖는 연소 챔버를 작동하기 위한 2중 원추 유형의 예시적인 EV 버너를 개시하고 있고, 여기서 이 목적을 위해 요구된 연소 공기는 접선방향 공기 입구 덕트를 통해 버너의 내부 공간 내로 안내된다. 유동의 이 안내는 내부 공간 내에 선회 유동을 야기하고, 이 선회 유동은 버너의 출구에 역류 구역을 포함한다. 거기에 형성되는 화염면(flame front)을 안정시키기 위해, 적어도 하나의 구역이 버너를 형성하는 각각의 부분 본체에 제공되고, 이 구역 내에는 입구 개구가 선회 유동 내로의 보충 공기의 주입을 위해 제공된다. 이 주입에 기인하여, 필름이 부분 본체의 내부벽에 형성되고, 이 필름은 화염이 부분 본체의 내부벽을 따라 버너의 내부 공간 내로 화염 역류 가능하게 되는 것을 방지한다.

문헌 EP 2 423 597 A2호는 하나가 다른 하나 내부에 포개져서 배열되어, 외부로부터의 연소 공기가 이를 통해 예혼합 버너의 원추형 내부 공간 내로 유동하는 공기 입구 덕트를 이들 사이에 형성하는 2개의 부분 원추 셸을 갖는 2중 원추 버너의 형태의 다른 예시적인 EV 버너를 개시하고 있다. 연소 공기의 유동 방향에 횡방향으로 연장하는 주입 개구의 구멍의 선형 열은 공기 입구 덕트의 외부벽 상에 배열되고 이를 통해 기체 연료가 이들에 횡방향으로 지나 유동하는 연소 공기 내로 분사된다.

문헌 DE 195 45 310 A1호는 외부 및 내부 원추 케이싱을 갖는 중공 원주로 이루어지는 다른 예혼합 버너를 개시한다. 적어도 2개의 입구 덕트는 내부 원추 케이싱에 접선으로 연장하고, 직선형 원추 케이싱 라인을 따라 위치된다. 형성된 부분 셸의 부분 원추축은 동일한 원추축 상에 놓인다. 예혼합 버너는 연소 공기를 선회하게 하기 위해 입구 덕트를 포함하는 적어도 2개, 예를 들어 4개의 부분으로 분할된다. 연료 노즐이 액체 연료를 분사하기 위해 원추팁에 위치된다.

직선형 원추를 갖는 현재 EV 및 AEV 버너에 대한 주요 설계 파라미터는 출구 직경, 슬롯폭 및 원추각이다. 이들 파라미터는 소정의 관류 용량 및 압력 손실에 대해 와류 붕괴가 버너 출구 부근에서 발생하도록 선택된다. 제약은 선회 강도가 버너축 부근에 와류 붕괴를 위한 임계 선회 강도에 도달할 때까지 축을 따라 선형으로 증가하는 것이다. 이는 이들 파라미터에 의해 버너 강도 및 버너 포락선이 예비 설정되는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 공지의 예혼합 버너의 결점을 회피하고 중앙 재순환 기포의 높은 안정성 및 따라서 화염면의 감소된 축방향 진동을 갖는 다중 원추 유형의 예혼합 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기다란 랜스(lance)와 같은 험준한 본체 없이 안정한 연소를 성취하는 가능성을 제공하는 예혼합 버너를 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적은 청구항 1에 따른 예혼합 버너에 의해 얻어진다.

본 발명에 따른 예혼합 버너는 중앙 버너축 주위에 배열되고, 하류측 방향으로 개방된 가상 축방향 연장 공통 원추의 부분들인 복수의 셸을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯이 각각의 쌍의 인접한 셸 사이에 형성되도록 상기 버너축에 수직으로 변위된다.

상기 가상 공통 원추는 축방향으로 변하는 원추각을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가상 공통 원추의 원추각은 하류측 방향으로 증가한다.

구체적으로, 가상 공통 원추의 원추각의 편차가 중심 버너축 주위로 상기 공통 원추를 비틀리게 함으로써 발생된다.

더 구체적으로, 비틀린 공통 원추의 표면 영역은 중앙 버너축 주위로 자오선을 회전시킴으로써 생성되고, 자오선의 일 단부는 사전 결정된 비틀림각만큼 다른 단부에 대해 중앙 버너축 주위로 회전되고, 셸은 각각의 자오선을 따라 상기 가상 공통 원추를 절단함으로써 생성된다.

특히, 비틀림각은 30°이상이다.

구체적으로, 비틀림각은 60°이상이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공통 원추는 4개의 동일한 부분 또는 셸로 세분된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각각의 셸은 가스가 상기 예혼합 가스 채널로부터 가스 주입 구멍을 통해 인접 슬롯을 통해 셸의 장치의 내부에 진입하는 공기의 스트림 내로 주입될 수 있도록 각각의 셸의 축방향 배향된 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널을 구비한다.

구체적으로, 상기 예혼합 가스 채널은 원통형 형상을 각각 갖는다.

본 발명이 이제 첨부 도면을 참조하여 상이한 실시예에 의해 더 철저하게 설명된다.

도 1은 60°의 비틀림각을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 예혼합 버너용 가상 원추를 생성하기 위한 기본 기하학적 요소를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 요소에 의해 생성된 벨형 가상 원추를 도시하는 도면.
도 3은 이후에 버너축에 수직으로 변위되는 4개의 개별 셸로의 도 2의 가상 원추의 붕괴를 도시하는 도면.
도 4는 각각의 버너 랜스를 갖는 도 3에 따른 실제 셸의 실제 조합을 도시하는 도면.
도 5는 각각의 셸간 슬롯에 배열된 예혼합 가스 채널을 갖는 도 4의 버너 구성을 도시하는 도면.
도 6은 3개의 상이한 비틀림각, 즉 0°(A), 30°(B) 및 60°(C)에 대한 버너 구성을 비교표의 형태로 도시하는 도면.

도 5는 원추 형상을 갖고, 축(11)에 수직으로 변위되고, 축(11)에 대해 90°회전 대칭으로 배열되는 4개의 셸(16a 내지 16d)에 의해 하류측 방향으로 이어지는 버너 랜스(18)를 갖는 중앙 버너축(11)을 따라 연장하는 선회기 장치를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 예혼합 버너(10)의 구성을 도시한다. 각각의 쌍의 인접한 셸 사이에는 슬롯(17)이 제공되고, 이 슬롯을 통해 공기가 셸 장치의 내부에 진입할 수 있다. 각각의 셸의 종방향 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널(19a 내지 19c)이 일련의 구멍(도시 생략)을 통해 슬롯(17)에 진입하는 공기 스트림으로 기체 연료를 배출하여, 이에 의해 공기와 연료의 예혼합을 개시한다.

고도의 축방향 접근 유동에 기인하는 공기 유동의 입사각을 향상시키기 위해, 본 발명은 버너 자오면 내에 형성되지 않았지만 버너 자오면에 대해 경사지는 직선형 예혼합 가스 채널(19a 내지 19c)을 이용한다.

직선형 가스 채널(19a 내지 19d)을 경사지게 함으로써, EV형 버너 셸의 모든 표면 라인은 비틀려서, 원래 원추 형상으로부터 벨형 형상을 향해 일탈한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 이 비틀림은 이하와 같이 설명될 수 있다. 셸(16a 내지 16d)의 형상을 생성하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같은 기하학적 형상으로 시작하고, 여기서 버너 헤드(12)(버너의 상류측 단부)는 소직경을 갖고 버너축(11)에 수직으로 동축으로 배향되어 있는 제 1 원에 의해 표현된다. 버너 출구(13)(버너의 하류측 단부)는 대직경을 갖고 버너축(11)에 수직으로 동축으로 배향되어 있는 제 2 원에 의해 표현된다. 예시적인 자오선(20)은 하류측 단부에 대해 비틀림각(14)만큼 버너축(11) 주위로 상류측 단부가 비틀리지 않는다. 비틀림각(14)은 이 예에서 60°이다.

이제, 비틀린 자오선(20)은 비틀리고 따라서 벨형(도 2)인 가상 원추(15)를 생성하도록 버너축(11) 주위로 회전된다.

도 2의 가상 원추(15)는 이어서 90°의 단차(도 3)로 버너축(11) 주위로 분포된 4개의 슬롯(17)을 개방하기 위해 버너축에 수직으로 각각 변위된 4개의 개별 셸(16a 내지 16d)로 세분된다.

도 4는 이제 특정 두께를 갖고 축(11)으로부터 특정 반경으로 절단되어 있는 4개의 셸(16a 내지 16d)을 재차 도시한다. 또한, 버너의 헤드 및 연료 랜스(18)의 최종 부분이 도 4에 도시되어 있다.

도 5는 4개의 원통형 예혼합 가스 채널(19a 내지 19c)이 부착되어 있는 4개의 셸(16a 내지 16d)로 이루어진 버너 선회기를 도시한다. 셸(16a 내지 16d) 및 가스 채널(19a 내지 19c)의 모두는 버너축(11)으로부터 특정 반경으로 절단된다. 가스 채널(19a 내지 19c)은 경사진 자오선을 따라 배향되고 종방향 슬롯(17)을 통해 진입하는 가스와 공기의 양호한 예혼합을 성취하기 위해 파이프를 따라 다수의 가스 주입 구멍을 포함한다.

버너 셸(16a 내지 16d)의 벨 형상은 버너의 하류측 부분에서보다 버너의 상류측 부분에서 더 작은 원추각을 갖는다. 이는 버너축(11)을 따른 버너 선회수를 변경하는 것을 허용하기 때문에, 중요한 혁신적인 특징이다. 더 작은 원추각은 상류측 버너부에서 더 낮은 선회수를 유도하고, 반면에 하류측의 더 큰 원추각은 거기에 더 높은 선회수를 생성한다.

이는 이하의 결과를 갖는다.

이에 대조적으로, 본 발명은 축을 따른 선회 강도의 안정적으로 증가하는 구배를 갖는다. 이는 와류 붕괴를 위한 임계 선회 강도가 직선형 원추를 갖는 EV 및 AEV 버너에 비교하여 더 강한 선회 강도 구배를 갖고 성취된다는 것을 의미하고, 이는 더 강한 공기 역학적 유지력에 기인하여 축방향 와류 붕괴 위치의 더 양호한 고정을 의미한다. 직선형 원추를 갖는 현재 디자인에 비교할 때 소정의 관류 용량 및 압력 손실에 대해 더 짧은 버너 레이아웃을 이 디자인에 의해 성취하는 것이 또한 가능하다.

더욱이, 기다란 랜스와 같은 험준한 본체 없이 안정한 연소를 성취하는 가능성은 버너 헤드에서 매우 상류측의 건식 오일을 주입하게 하고 따라서 점호되는 중앙 재순환 구역에 진입할 때까지 버너축을 따라 연료 오일이 증발하기 위해 충분한 시간을 갖게 한다.

도 1 내지 도 5의 예는 60°의 가상 원추의 비틀림각을 갖는 셸 구성을 도시한다. 그러나, 다른 비틀림각이 사용될 수 있다. 도 6은 3개의 상이한 비틀림각, 즉 0°(A), 30°(B) 및 60°(C)에 대한 버너 구성 및 그 유도를 비교표의 형태로 도시한다. 증가하는 비틀림각(14)에 의해, 원추각(15)의 벨 형상은 더욱 더 현저해지게 된다는 것을 쉽게 알 수 있다.

10: 예혼합 버너 11: 축
12: 버너 헤드 13: 버너 출구
14: 비틀림각 15: 가상 원추(비틀림형, 벨형)
16a 내지 16d: 셸(가상 원추의 부분) 17: 슬롯
18: 버너 랜스 19a 내지 19d: 예혼합 가스 채널
20: 자오선

Claims

가스 터빈용 다중 원추형의 예혼합 버너(10)로서, 중앙 버너축(11) 주위에 배열되고, 하류측 방향으로 개방된 가상 축방향 연장 공통 원추(15)의 부분들인 복수의 셸들(16a 내지 16d)을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯(17)이 각각의 쌍의 인접한 셸들(16a 내지 16d) 사이에 형성되도록 상기 버너축(11)에 수직으로 변위되는 예혼합 버너(10)에 있어서,
상기 가상 공통 원추(15)는 축방향으로 변하는 원추각을 갖는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 가상 공통 원추(15)의 원추각은 상기 하류측 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 2 항에 있어서, 상기 가상 공통 원추(15)의 원추각의 편차가 상기 중심 버너축(11) 주위로 상기 공통 원추(15)를 비틀리게 함으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 비틀린 공통 원추(15)의 표면 영역은 상기 중앙 버너축(11) 주위로 자오선(20)을 회전시킴으로써 생성되고, 상기 자오선의 일 단부는 사전 결정된 비틀림각(14)만큼 다른 단부에 대해 상기 중앙 버너축(11) 주위로 회전되고, 상기 셸들(16a 내지 16d)은 각각의 자오선(20)을 따라 상기 가상 공통 원추(15)를 절단함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 4 항에 있어서, 상기 비틀림각(14)은 30°이상인 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 5 항에 있어서, 상기 비틀림각(14)은 60°이상인 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공통 원추(15)는 4개의 동일한 부분들 또는 셸들(16a 내지 16d)로 세분되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셸들(16a 내지 16d)의 각각은, 가스가 예혼합 가스 채널(19a 내지 19d)로부터 가스 주입 구멍들을 통해 인접 슬롯(17)을 통해 셸들(16a 내지 16d)의 장치의 내부에 진입하는 공기의 스트림 내로 주입될 수 있도록, 각각의 셸의 축방향 배향된 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널(19a 내지 19d)을 구비하는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
제 8 항에 있어서, 상기 예혼합 가스 채널들(19a 내지 19d)은 각각 원통형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.