KR20180105680A

KR20180105680A - 연소기, 가스 터빈

Info

Publication number: KR20180105680A
Application number: KR1020187024029A
Authority: KR
Inventors: 겐지 미야모토; 사토시 다키구치; 고이치 니시다; 요시타카 히라타; 쇼헤이 누마타; 게이타 유노키; 야스히로 아키야마; 도모키 우루노
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-09-28
Also published as: WO2017150419A1; US11215364B2; EP3425280A4; US20190056111A1; EP3425280B1; KR102193815B1; JP2017155955A; JP6768306B2; CN108700297B; CN108700297A; EP3425280A1

Abstract

이 연소기(3)는 축선(Ac)방향을 따라서 연장되는 연료 노즐을 보지하는 동시에, 하류측을 향하여 공기가 유통하는 제 1 통체(11)와, 제 1 통체(11)의 하류측에 접속되는 제 2 통체(12)와, 제 1 통체(11)의 외주면의 사이에서, 제 1 통체(11)의 상류단에서 반전시켜 하류측을 향하도록 공기를 도입하는 공기 도입로(C)를 규정하는 내주면을 갖는 외통(10)을 구비하고, 내주면에, 제 1 통체(11)의 상류단측을 향함에 따라 직경방향 내측을 향하여 연장되는 외측 좁아진 면(17)이 형성되어 있다.

Description

연소기, 가스 터빈

본 발명은 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다. 본원은 2016년 2월 29일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제 2016-036997 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 가스 터빈은 고압 공기를 생성하는 압축기와, 고압 공기와 연료를 혼합시키고, 혼합시킨 가스를 연소시키는 것에 의해 고온 고압의 연소 가스를 생성하는 연소기와, 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈을 구비하고 있다.

연소기로서는, 지금까지 여러 가지의 태양의 것이 제창(提唱) 및 실용화되고 있다. 그 일례로서, 하기 특허문헌 1에 기재된 연소기가 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 연소기는 연소 가스가 유통하는 통체(지지 구조)와, 통체의 상류측에 마련된 혼합관과, 연료 분사기와, 차실 내의 고압 공기를 혼합관으로 안내하는 테이퍼형 환상 벽을 구비하고 있다. 테이퍼형 환상 벽은, 통체의 외주측에 마련되는 것에 의해, 상기 통체의 외주면과의 사이에, 고압 공기가 유통하는 내부 통로를 형성하고 있다.

이에 의해, 연료 분사기로부터 공급된 연료와, 내부 통로를 유통하는 고압 공기가 혼합관 내에서 혼합된 후, 통체 내에서의 연소를 거쳐서 연소 가스가 생성된다.

일본 특허 공개 제 2014-173836호 공보

그런데, 상기의 테이퍼형 환상 벽과 통체에 의해 형성된 내부 통로 상에서는, 우선 차실 내의 고압 공기가 하류측(연소 가스가 흐르는 방향에 있어서의 하류측)으로부터 상류측을 향하여 안내된다. 이어서, 고압 공기는 테이퍼형 환상 벽의 내주면을 따라서, 그 흐름방향이 180° 반전된 후, 혼합관에 도입된다.

이와 같이, 상기 특허문헌 1에 기재된 연소기에서는, 고압 공기의 흐름의 반전을 따르므로, 내부 통로 내에서의 고압 공기의 유속 분포가 불균일하게 될 가능성이 있다. 고압 공기의 유속 분포가 균일하지 않은 경우, 하류측의 통체 내에서 마찬가지로 흐름의 불균형을 일으켜서, 결과적으로 NOx의 생성량이 증가되어 버리는 경우가 있다.

본 발명은 고압 공기의 유속 분포를 최적화하는 것에 의해, NOx 생성량이 저감된 연소기를 제공한다.

본 발명의 제 1 태양에 의하면, 연소기는 축선방향을 따라서 연장되는 연료 노즐을 보지하는 동시에, 하류측을 향하여 공기가 유통하는 제 1 통체와, 상기 제 1 통체의 하류측에 접속되는 제 2 통체와, 상기 제 1 통체의 외주면과의 사이에서, 상기 제 1 통체의 상류단에서 반전시켜 상기 하류측을 향하도록 공기를 도입하는 공기 도입로를 규정하는 내주면을 갖는 외통을 구비하고, 상기 내주면에, 상기 제 1 통체의 상류단측을 향함에 따라 직경방향 내측을 향하여 연장되는 외측 좁아진 면(narrowing surface)이 형성되어 있다.

이 구성에 의하면, 외통의 내주면에 외측 좁아진 면이 형성되어 있으므로, 공기 도입로 내를 상기 외측 좁아진 면을 따라 유통하는 공기의 유속 분포를 균일하게 할 수 있다. 특히, 외측 좁아진 면은, 제 1 통체의 상류측단을 향함에 따라 직경방향 내측을 향하여 연장되므로, 공기가 제 1 통체의 상류단에서 반전될 때에, 외주측에 있어서의 공기의 유속을 내주측의 공기의 유속에 비하여 크게 할 수 있다. 이에 의해, 공기 도입로의 출구측에서 공기의 유속 분포를 균일화할 수 있다.

본 발명의 제 2 태양에 의하면, 상기 제 1 태양에 따른 연소기에 있어서, 상기 외주면 상에 있어서, 상기 외측 좁아진 면에 대하여 직경방향으로부터 대향하는 부분에는 상기 제 1 통체의 상류단측을 향함에 따라 직경방향 외측을 향하여 연장되는 내측 좁아진 면이 형성되어 있어도 좋다.

이 구성에 의하면, 제 1 통체의 외주면 상에서, 외측 좁아진 면과 대향하는 부분에 내측 좁아진 면이 형성되어 있으므로, 공기가 제 1 통체의 상류단에서 반전될 때에, 상기 상류단의 외주측에 부가하여 내주측에서도 공기의 유속을 최적화할 수 있다.

본 발명의 제 3 태양에 의하면, 상기 제 2 태양에 따른 연소기에 있어서, 상기 축선을 포함하는 단면에서 바라볼 때, 상기 축선과 상기 외측 좁아진 면이 이루는 각도를 α로 하고, 상기 축선과 상기 내측 좁아진 면이 이루는 각도를 β로 했을 때, α＜β의 관계가 성립하도록 구성되어도 좋다.

이 구성에 의하면, 외통의 내주면 상에 있어서, 축선과 외측 좁아진 면이 이루는 각도(α)는 제 1 통체의 외주면 상에 있어서, 축선과 내측 좁아진 면이 이루는 각도(β)보다 작다. 이에 의해, 외측 좁아진 면을 따라서 유통하는 공기에서는, 내측 좁아진 면을 따라서 유통하는 공기에 비하여, 상류측을 향하는 방향 성분이 많아진다. 즉, 공기가 제 1 통체의 상류단에서 반전될 때에, 외주측에 있어서의 공기의 유속을 내주측의 공기의 유속에 비하여 크게 할 수 있다.

본 발명의 제 4 태양에 의하면, 상기 제 2 또는 제 3 태양에 따른 연소기에 있어서, 상기 외측 좁아진 면의 상류측 단부는 상기 내측 좁아진 면의 상류측 단부보다 상류측에 위치하고 있어도 좋다.

이 구성에 의하면, 외측 좁아진 면의 상류측 단부가 내측 좁아진 면의 상류측 단부보다 상류측에 위치하고 있으므로, 외측 좁아진 면을 따라서 유통하는 공기의 흐름이, 내측 좁아진 면을 따라서 유통하는 공기의 흐름에 비하여, 보다 상류측에 도달하기 쉬워진다. 외측 좁아진 면에 의해 안내된 공기는 축선의 직경방향 내측을 향하는 방향 성분을 많이 포함하므로, 제 1 통체의 상류단에서 더욱 원활히 반전될 수 있다.

본 발명의 제 5 태양에 의하면, 가스 터빈은 압축 공기를 생성하는 압축기와, 상기 제 1 내지 제 4 태양 중 어느 하나의 태양에 따른 연소기와, 상기 연소기에 의해 생성된 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈을 구비한다.

이 구성에 의하면, NOx 생성량이 저감된 연소기를 구비하는 가스 터빈을 제공할 수 있다.

상기 연소기에 의하면, 고압 공기의 유속 분포를 최적화하는 것에 의해, NOx 생성량이 저감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈의 구성을 도시하는 모식도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연소기의 단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연소기의 요부 확대 단면도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연소기의 요부 확대 단면도.

(제 1 실시형태)

본 발명의 제 1 실시형태에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 가스 터빈(1)은 외기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기(2)와, 이 압축 공기에 연료를 혼합하고 연소시켜, 고온 고압의 연소 가스를 생성하는 연소기(3)와, 이 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈(4)을 구비하고 있다.

압축기(2)는 압축기 차실(5A)과, 이 압축기 차실(5A) 내에서 주축선(Am)을 중심으로 회전하는 압축기 로터(6A)를 구비하고 있다. 압축기 차실(5A)의 내주면 상에는, 주축선(Am)의 둘레방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 압축기 정익(7A)이 장착되어 있다. 압축기 로터(6A)의 외주면 상에는, 복수의 압축기 동익(8A)이 장착되어 있다. 이들 복수의 압축기 정익(7A)과 압축기 동익(8A)끼리는, 주축선(Am)방향으로 엇갈리도록 배열되어 있다.

연소기(3)는 예를 들면, 주축선(Am)의 둘레방향으로 간격을 두고 복수가 장착되어 있다. 이들 복수의 연소기(3)에는, 상기의 압축기(2)에서 생성된 압축 공기가 공급된다. 연소기(3) 내에서, 이 압축 공기와 연료가 혼합 및 연소되는 것에 의해, 고온 고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈(4)은 터빈 차실(5B)과, 이 터빈 차실(5B) 내에서 주축선(Am)을 중심으로 회전하는 터빈 로터(6B)를 구비하고 있다. 터빈 차실(5B)의 내주면 상에는, 주축선(Am)의 둘레방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 터빈 정익(7B)이 장착되어 있다. 터빈 로터(6B)의 외주면 상에는, 복수의 터빈 동익(8B)이 장착되어 있다. 이들 복수의 터빈 정익(7B)과 터빈 동익(8B)끼리는, 주축선(Am)방향으로 엇갈리도록 배열되어 있다.

터빈 로터(6B)의 일단측(제 1 단)은 예를 들면, 터빈 로터(6B)의 회전을 따라서 발전하는 발전기(도시 생략)와 접속되어 있다. 한편, 터빈 로터(6B)의 타단측(제 2 단)은 상기의 압축기 로터(6A)에 대하여 주축선(Am)방향으로 접속되어 있다. 즉, 터빈 로터(6B)와 압축기 로터(6A)는, 주축선(Am)을 중심으로 일체로 회전 가능하게 되어 있다.

이어서, 연소기(3)의 구성에 대해 도 2, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는, 연소기(3)를 자신의 중심 축선(Ac)(축선)에 교차하는 방향에서 바라본 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 연소기(3)는 터빈 차실(5B)에 형성된 연소기 삽입구(9)를 통하여, 터빈 차실(5B) 내에 삽입되어 있다. 보다 상세하게는, 이 연소기(3)는 터빈 차실(5B) 내의 압축 공기를 연소기(3) 내로 안내하는 외통(10)과, 압축 공기와 연료를 혼합 및 연소시켜 연소 가스를 공급하는 스월러 지지통(11)(제 1 통체)과, 이 연소 가스를 터빈 로터(6B)의 터빈 동익(8B)으로 이송하는 연소통(12)(제 2 통체)을 구비하고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 연소기(3)의 중심 축선(Ac)을 따라, 스월러 지지통(11)이 위치하는 측을 상류측이라 부르고, 연소통(12)이 위치하는 측을 하류측이라 부른다.

외통(10)은 후술하는 연료 노즐(13)을 지지하는 동시에, 연소기 삽입구(9)를 외측으로부터 폐색하도록 장착된 대략 통형상의 부재이다. 본 실시형태에 따른 외통(10)은 외통 본체(10A)와, 노즐대(14)를 구비하고 있다. 외통 본체(10A)는, 중심 축선(Ac)을 중심으로 하는 원반형상을 이루고 있다. 외통 본체(10A)의 하류측의 면 상에 있어서의 외주측의 영역에는, 연소기 삽입구(9)의 내주측에 끼워맞추어지는 끼워맞춤 볼록부(15)가 형성되어 있다. 또한, 외통 본체(10A)의 중심점을 포함하는 중앙부의 영역에는, 노즐대(14)를 지지하는 지지 개구(16)가 형성되어 있다. 또한, 외통(10)은 일례로서, 톱 해트(top hat) 등으로 불리는 경우가 있다.

끼워맞춤 볼록부(15)의 외주면은, 연소기 삽입구(9)의 내주면과 동일하거나 약간 작은 직경 치수를 갖고 있다. 이에 의해, 끼워맞춤 볼록부(15)의 외주면은, 연소기 삽입구(9)의 내주면에 대하여 간극 없이 끼워맞추어진다. 끼워맞춤 볼록부(15)의 내주면은, 스월러 지지통(11)의 외주면(11S)에 대하여 중심 축선(Ac)의 직경방향으로 간극을 두고 대향하고 있다. 이 간극은, 터빈 차실(5B) 내의 압축 공기를 도입하기 위한 공기 도입로(C)로서 이용된다. 보다 상세하게는, 끼워맞춤 볼록부(15)의 내주면 상에는, 하류측으로부터 스월러 지지통(11)의 상류단측을 향하여 순차적으로, 외측 좁아진 면(17)과, 평행면(18)과, 반전면(19)이 형성되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 외측 좁아진 면(17)은 중심 축선(Ac)을 포함하는 단면에서 바라볼 때, 중심 축선(Ac)에 대하여 각도(α)만큼 경사져서 연장되어 있다. 보다 상세하게는, 외측 좁아진 면(17)은 끼워맞춤 볼록부(15)의 내주면을 따라서 하류측으로부터 상류측을 향함에 따라, 중심 축선(Ac)의 직경방향 내측을 향하여 연장되어 있다.

또한, 외측 좁아진 면(17)의 상류측 단부는, 평행면(18)에 접속되어 있다. 평행면(18)은 중심 축선(Ac)에 대하여 평행하게 연장되어 있다. 평행면(18)의 상류측 단부는 반전면(19)에 접속되어 있다.

반전면(19)은 평행면(18)의 상류측 단부에 접속된 곡면이다. 보다 상세하게는, 반전면(19)은 중심 축선(Ac)을 포함하는 단면에서 바라볼 때, 스월러 지지통(11)의 상류단을 중심으로 하는 1/4 원호를 이루고 있다. 반전면(19)의 상류측 단부[즉, 중심 축선(Ac)의 직경방향 내측의 단부]는, 상기의 지지 개구(16)의 내주면과 접속되어 있다.

이 반전면(19)에는, 공기 도입로(C) 내에 연료를 분사하는 톱 해트 노즐[이하, 페그(peg)(20)라 부름]이 장착되어 있다. 구체적으로는, 페그(20)는 반전면(19)의 내주면 상으로부터, 중심 축선(Ac)을 향하여 45°의 방향으로 연장되는 봉 형상을 이루고 있다. 상세하게는 도시하지 않지만, 이 페그(20)는 연료 공급원에 접속되어 있다. 이 연료는 공기 도입로(C) 내에서 압축 공기와 혼합된다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 노즐대(14)는 연료 노즐(13)을 지지하는 부재이다. 또한, 본 실시형태에서는, 연료 노즐(13)은, 제 1 노즐(13P), 및 제 2 노즐(13M)의 2종류를 포함하고 있다. 보다 구체적으로는 도 2에 도시하는 바와 같이, 노즐대(14)는 외통 본체(10A)의 지지 개구(16)에 의해 외주측으로부터 지지되는 원환상을 이루고 있다. 노즐대(14)의 중심점을 포함하는 영역에는, 제 1 노즐(13P)이 관통 삽입되어 있다.

제 1 노즐(13P)은, 중심 축선(Ac)을 따라서 연장되는 원주형상을 이루고 있으며, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서 그 내부는 중공(中空)으로 되어 있다. 제 1 노즐(13P)의 상류측에는 연료 공급원이 접속되어 있으며, 상류측으로부터 제 1 노즐(13P) 내에 공급된 연료는, 하류측을 향하여 흐른 후, 하류측 선단에 마련된 제 1 노즐 본체(13A)로부터 스월러 지지통(11)의 내부를 향하여 분사된다. 또한, 제 1 노즐 본체(13A)의 외주측에는, 제 1 콘(13C)이 장착되어 있다. 제 1 콘(13C)은, 중심 축선(Ac)의 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 확경되는 깔때기 형상의 부재이다.

또한, 노즐대(14)에 있어서의 외주측의 영역[즉, 제 1 노즐(13P)보다 외주측의 영역]에는, 중심 축선(Ac)의 둘레방향으로 간격을 두고 복수의 제 2 노즐(13M)이 장착되어 있다. 이들 제 2 노즐(13M)은 중심 축선(Ac)을 따라서 서로 평행하게 연장되어 있다. 제 1 노즐(13P)과 마찬가지로, 제 2 노즐(13M)의 내부에도 연료 공급원으로부터 공급된 연료가 흐른다. 상류측으로부터 공급된 연료는, 하류측에 형성된 분사구(도시되지 않음)를 통하여 스월러 지지통(11) 내부에 공급된다.

스월러 지지통(11)은, 중심 축선(Ac)을 따라서 연장되는 원통형상을 이루고 있다. 스월러 지지통(11)의 하류측의 단부에는, 상기의 연소통(12)이 접속 부재(21)를 거쳐서 접속되어 있다. 스월러 지지통(11)은 연소통(12)의 내경보다 작은 외경을 갖는 것에 의해, 연소통(12)의 내주측에 관통 삽입되어 있다. 접속 부재(21)는, 중심 축선(Ac)의 둘레방향으로 연장되는 원환상의 탄성 부재에 의해 구성되어 있다. 상기의 노즐대(14)가 연소기 삽입구(9)에 장착된 상태에 있어서, 연료 노즐(13)[제 1 노즐(13P), 제 2 노즐(13M)]의 선단부는, 모두 스월러 지지통(11)의 내측에서 보지된다.

또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 스월러 지지통(11)의 상류측 단부를 포함하는 부분에는, 직경방향 외측을 향하여 부풀어 오른 팽출부(22)가 마련되어 있다. 팽출부(22)의 두께 치수[중심 축선(Ac)의 직경방향에 있어서의 치수]는, 팽출부(22) 이외의 부분에 있어서의 스월러 지지통(11)의 두께 치수보다 크게 설정되어 있다. 팽출부(22)의 상류측의 단부면은, 중심 축선(Ac)을 포함하는 단면에서 바라볼 때 반원호형의 단면을 이루고 있다.

스월러 지지통(11)의 외주면(11S) 상[팽출부(22)의 외주면(22S) 상]에 있어서, 상술의 외측 좁아진 면(17)에 직경방향으로부터 대향하는 부분에는, 내측 좁아진 면(23)이 형성되어 있다. 내측 좁아진 면(23)은, 중심 축선(Ac)을 포함하는 단면에서 바라볼 때, 중심 축선(Ac)에 대하여 각도(β)만큼 경사져서 연장되어 있다. 보다 상세하게는, 내측 좁아진 면(23)은, 스월러 지지통(11)의 외주면(11S)을 따라서 하류측으로부터 상류측을 향함에 따라 직경방향 외측을 향하여 연장되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 상기의 외측 좁아진 면(17)이 중심 축선(Ac)[평행면(18)]에 대하여 이루는 각도(α)의 값과, 내측 좁아진 면(23)이 스월러 지지통(11)의 외주면(11S)이 이루는 각도(β)의 값 사이에는, α＜β의 관계가 성립하고 있다.

게다가, 도 3에 도시하는 바와 같이, 외측 좁아진 면(17)의 상류측 단부는, 내측 좁아진 면(23)의 상류측 단부보다 상류측에 위치하고 있다.

이상과 같이 하여, 외통(10)의 내주면과 스월러 지지통(11)의 외주면(11S)에 의해 공기 도입로(C)가 형성된다. 공기 도입로(C)의 하류측 단부를 포함하는 부분[즉, 외측 좁아진 면(17)과 내측 좁아진 면(23)에 의해 형성되는 유로]에서는, 하류측으로부터 상류측을 향함에 따라 점차 직경방향의 치수가 축소되어 있다.

이어서, 본 실시형태에 따른 가스 터빈(1)의 동작에 대해, 도 1을 참조하여 설명한다.

가스 터빈(1)을 운전할 때에는, 우선 압축기(2)를 외부의 동력원에 의해 구동한다. 압축기(2)가 구동하는 것에 의해, 외부의 공기가 압축기(2) 내부에 취입되고, 압축기 동익(8A)과 압축기 정익(7A) 사이를 유통하는 동안 순차 압축되어 고압의 압축 공기가 생성된다.

압축기(2)에서 생성된 압축 공기는, 터빈 차실(5B)을 거쳐서 연소기(3) 내부에 취입된다. 상세하게는 후술하지만, 연소기(3)에서는, 상기의 연료 노즐(13)에 의해 공급된 연료와 압축 공기가 혼합된 후 연소되어, 고온 고압의 연소 가스가 생성된다.

연소기(3)에서 생성된 연소 가스는, 후속의 터빈(4)에 공급된다. 터빈(4) 내에서는, 연소 가스가 터빈 동익(8B)에 충돌하는 것에 의해, 터빈 로터(6B)에 회전력을 부여한다. 이에 의해, 터빈 로터(6B)가 회전한다. 터빈 로터(6B)는 상술한 바와 같이 압축기 로터(6A)에 일체로 접속되어 있으므로, 터빈 로터(6B)의 회전에 따라 압축기 로터(6A)도 회전 구동된다. 즉, 정상 운전 상태에서는, 압축기(2)에 의한 압축 공기의 생성과, 터빈(4)의 회전이 연속적인 사이클을 형성한다.

다음에, 연소기(3)에 있어서의 압축 공기의 거동에 대해, 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 압축기(2)에서 생성된 압축 공기는, 우선 터빈 차실(5B) 내에 유입된다. 여기서, 연소기(3) 내부는, 터빈 차실(5B) 내에 비하여 상대적으로 저압이 되어 있으므로, 압축 공기는 자연스럽게 연소기(3) 내에 취입된다.

보다 구체적으로는, 터빈 차실(5B) 내의 압축 공기는, 상술의 공기 도입로(C)를 통하여 스월러 지지통(11) 내부에 유입된다. 스월러 지지통(11) 내부에서는, 압축 공기는 제 2 노즐(13M)을 외측으로부터 둘러싸도록 하여 상류측으로부터 하류측을 흐른다. 여기서, 제 2 노즐(13M)의 하류측 단부로부터는 상술한 바와 같이 연료가 분사되어 있다. 이에 의해, 제 2 노즐(13M)의 하류측의 영역에서는, 연료와 압축 공기가 혼합된 예혼합 가스가 생성된다.

제 1 노즐(13P)의 선단에서는 연료만이 분사된다. 이 연료에 대하여, 도시되지 않은 착화 장치에 의해 착화되는 것에 의해, 확산 연소에 의한 파일럿 화염이 형성된다. 파일럿 화염이 상기의 예혼합 가스에 전파되는 것에 의해, 제 2 노즐(13M)의 하류측에서는 예혼합 화염이 형성되는 동시에, 상술의 연소 가스가 생성된다.

그런데, 도 3에 도시하는 바와 같이, 압축 공기는, 외통(10)과 스월러 지지통(11)에 의해 규정되는 공기 도입로(C)에 의해 연소기(3) 내부로 안내된다. 상술한 바와 같이, 공기 도입로(C)의 단부는 하류측을 향하여 개구되어 있다. 압축 공기는, 이 개구로부터 터빈 차실(5B) 내로부터 공기 도입로(C) 내에 유입된 후, 상기의 반전면(19)에 의한 180°의 반전을 거쳐서 방향을 바꾸고, 스월러 지지통(11)의 내부에서 상류측으로부터 하류측을 향하여 유통한다.

여기서, 공기 도입로(C) 내에서는, 상기와 같은 흐름방향의 반전을 수반하므로, 반전면(19)의 외주측[즉, 팽출부(22)보다 반전면(19)에 근접하는 측]과, 내주측[팽출부(22)측]은, 압축 공기의 유속이 상이하다. 이러한 유속 분포의 불균형으로부터, 공기 도입로(C)의 하류측, 즉, 스월러 지지통(11)의 상류측에서는, 공기 유량에 편향이 생길 가능성이 있다. 이러한 공기 유량의 편향이 생겨버린 경우, 연소 가스의 농도 분포에도 편향이 생기는 경우가 있다. 이에 의해, NOx의 생성량이 규정보다 커져 버릴 가능성도 있다.

그렇지만, 본 실시형태에 따른 연소기(3)에서는, 외통(10)의 내주면에 외측 좁아진 면(17)이 형성되어 있으므로, 공기 도입로(C) 내를 외측 좁아진 면(17)을 따라서 유통하는 공기의 유속 분포를 균일하게 할 수 있다. 특히, 외측 좁아진 면(17)은, 스월러 지지통(11)의 상류측단을 향함에 따라 직경방향 내측을 향하여 연장되므로, 공기가 스월러 지지통(11)의 상류단에서 반전될 때에, 외주측에 있어서의 공기의 유속을 내주측의 공기의 유속에 비하여 크게 할 수 있다. 이에 의해, 공기 도입로(C)의 출구측에서, 공기의 유속 분포를 균일화할 수 있다.

또한, 상술의 구성에 의하면, 스월러 지지통(11)의 외주면 상에서, 외측 좁아진 면(17)과 대향하는 부분에 내측 좁아진 면(23)이 형성되어 있으므로, 공기가 스월러 지지통(11)의 상류단에서 반전될 때에, 상류단의 외주측에 부가하여 내주측에서도 공기의 유속을 최적화할 수 있다.

게다가, 상술의 구성에 의하면, 외통(10)의 내주면 상에서, 중심 축선(Ac)과 외측 좁아진 면(17)이 이루는 각도(α)는, 스월러 지지통(11)의 외주면 상에 있어서, 중심 축선(Ac)과 내측 좁아진 면(23)이 이루는 각도(β)보다 작다. 이에 의해, 외측 좁아진 면(17)을 따라서 유통하는 공기에서는, 내측 좁아진 면(23)을 따라서 유통하는 공기에 비하여, 상류측을 향하는 방향 성분이 많아진다. 이에 의해, 공기가 스월러 지지통(11)의 상류단에서 반전될 때에, 외주측에 있어서의 공기의 유속을 내주측의 공기의 유속에 비하여 크게 할 수 있다.

또한, 상술의 구성에 의하면, 외측 좁아진 면(17)의 상류측 단부가, 내측 좁아진 면(23)의 상류측 단부보다 상류측에 위치하고 있으므로, 외측 좁아진 면(17)을 따라서 유통하는 공기의 흐름이, 내측 좁아진 면(23)을 따라서 유통하는 공기의 흐름에 비하여, 보다 상류측에 도달하기 쉬워진다. 외측 좁아진 면(17)에 의해 안내된 공기는, 중심 축선(Ac)의 직경방향 외측으로부터 내측을 향하는 방향 성분을 많이 포함하므로, 스월러 지지통(11)의 상류단에서 더욱 원활히 반전될 수 있다. 이상에 의해, 본 실시형태에 따른 연소기(3)에서는, 압축 공기의 유속 분포가 최적화되므로, 연소 가스의 농도 분포가 적절해지기 때문에, NOx 생성량을 저감할 수 있다.

(제 2 실시형태)

다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 4를 참조하여 설명한다. 또한, 상기 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여한 후에, 상세한 설명을 생략한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 스월러 지지통(11)의 상류측 단부에, 팽출부(22)가 형성되어 있지 않은 점에서 제 1 실시형태와 상이하다. 즉, 본 실시형태에서는, 스월러 지지통(11)의 외주면(11S)은, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서 동일한 외경 치수를 갖고 있다. 또한, 스월러 지지통(11)의 상류측의 단부면은, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 반원호 형상의 단면 형상을 갖고 있다.

이상과 같은 구성에 의해서도, 상기 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 특히, 내측 좁아진 면(23)이 형성되어 있지 않으므로, 직경방향 내측으로부터 직경방향 외측을 향하는 흐름방향 성분이 감소한다. 한편, 외측 좁아진 면(17)을 따라서 안내된 흐름 중에서는, 직경방향 외측으로부터 내측을 향하는 성분[즉, 반전면(19)을 따르는 성분]이 증가하므로, 압축 공기를 보다 원활히 반전시킬 수 있다. 이에 의해, 공기 도입로(C)의 출구측에 있어서의 압축 공기의 유속 분포를 더욱 적절화할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명했다. 또한, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 상기의 구성에 대하여 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.

예를 들면, 상기의 각 실시형태에서는, 외측 좁아진 면(17)과 평행면(18)의 접속 부분, 및 내측 좁아진 면(23)과 팽출부(22)의 접속 부분이 모두 코너부를 갖고 있는 예에 대하여 설명했다. 그렇지만, 이들 접속 부분의 구성은 상기 실시형태에 의해서는 한정되지 않으며, 이들 접속 부분이 연속하는 곡면을 이루고 있어도 좋다. 구체적으로는, 외측 좁아진 면(17)으로부터 평행면(18)을 향함에 따라, 또는 내측 좁아진 면(23)으로부터 팽출부(22)를 향함에 따라, 완만하게 만곡되도록 구성되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 코너부가 형성되어 있는 경우에 비하여, 흐름의 정체나 박리가 생길 가능성을 더욱 저감할 수 있으므로, 공기 도입로(C) 내에 있어서의 압축 공기의 유속 분포를 더욱 적절화할 수 있다.

또한, 상기의 각 실시형태에서는, 외측 좁아진 면(17)과 반전면(19)의 사이에, 평행면(18)이 형성되어 있는 예에 대하여 설명했다. 그렇지만, 외측 좁아진 면(17)의 상류측 단부에, 반전면(19)이 직접 접속된 구성을 취하는 것도 가능하다. 환언하면, 외통(10)의 내주면에, 평행면(18)이 형성되어 있지 않은 구성을 취하여도 좋다. 이러한 구성에 의해, 상술한 작용 효과를 동일하게 얻을 수 있다.

이 연소기에 의하면, 고압 공기의 유속 분포를 최적화하는 것에 의해, NOx 생성량을 저감할 수 있다.

1 : 가스 터빈 2 : 압축기
3 : 연소기 4 : 터빈
5A : 압축기 차실 5B : 터빈 차실
6A : 압축기 로터 6B : 터빈 로터
7A : 압축기 정익 7B : 터빈 정익
8A : 압축기 동익 8B : 터빈 동익
9 : 연소기 삽입구 10 : 외통
10A : 외통 본체 11 : 스월러 지지통(제 1 통체)
11S : 스월러 지지통의 외주면 12 : 연소통(제 2 통체)
13 : 연료 노즐 13A : 제 1 노즐 본체
13C : 제 1 콘 13M : 제 2 노즐
13P : 제 1 노즐 14 : 노즐대
15 : 끼워맞춤 볼록부 16 : 지지 개구
17 : 외측 좁아진 면 18 : 평행면
19 : 반전면 20 : 페그
21 : 접속 부재 22 : 팽출부
22S : 팽출부의 외주면 23 : 내측 좁아진 면
Ac : 중심 축선 Am : 주축선
C : 공기 도입로

Claims

축선방향을 따라서 연장되는 연료 노즐을 보지하는 동시에, 하류측을 향하여 공기가 유통하는 제 1 통체와,
상기 제 1 통체의 하류측에 접속되는 제 2 통체와,
상기 제 1 통체의 외주면과의 사이에서, 상기 제 1 통체의 상류단에서 반전시켜 상기 하류측을 향하도록 공기를 도입하는 공기 도입로를 규정하는 내주면을 갖는 외통을 구비하고,
상기 내주면에, 상기 제 1 통체의 상류단측을 향함에 따라 직경방향 내측을 향하여 연장되는 외측 좁아진 면이 형성되어 있는
연소기.
청구항 1에 있어서,
외주면 상에 있어서, 상기 외측 좁아진 면에 대하여 직경방향으로부터 대향하는 부분에는, 상기 제 1 통체의 상류단측을 향함에 따라 직경방향 외측을 향하여 연장되는 내측 좁아진 면이 형성되어 있는
연소기.
청구항 2에 있어서,
상기 축선을 포함하는 단면에서 바라볼 때, 상기 축선과 상기 외측 좁아진 면이 이루는 각도를 α로 하고,
상기 축선과 상기 내측 좁아진 면이 이루는 각도를 β로 했을 때, α＜β의 관계가 성립하는
연소기.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 외측 좁아진 면의 상류측 단부는, 상기 내측 좁아진 면의 상류측 단부보다 상류측에 위치하고 있는
연소기.
압축 공기를 생성하는 압축기와,
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 연소기와,
상기 연소기에 의해 생성된 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈을 구비하는
가스 터빈.