KR20220151207A - 버너 집합체, 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

버너 집합체, 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 Download PDF

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신이치 후쿠바
겐지 미야모토
게이스케 미우라
도모히로 아사이
도모 가와카미
겐타 다니구치
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하는 버너 집합체에 있어서, 복수의 버너의 각각은, 연료를 분사하기 위한 적어도 1개의 연료 노즐과, 연료 노즐로부터 분사된 연료와, 공기가 유입되는 혼합 유로를 포함하며, 연료 노즐의 각각은, 혼합 유로의 입구보다 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부를 포함하며, 연료 노즐의 각각은, 돌출부의 측면에 형성된 연료 분사 구멍을 포함하며, 돌출부의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 1 공기 유로 중 적어도 일부가 형성되며, 제 1 공기 유로는, 공기의 흐름방향에 있어서 연료 분사 구멍보다 상류측에서 돌출부의 표면에 형성된 입구와, 돌출부의 측면 또는 혼합 유로의 유로벽에 형성된 출구를 포함하며, 출구 중 적어도 일부는 공기의 흐름방향에 있어서 연료 분사 구멍보다 하류측에 형성된다.

Description

버너 집합체, 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈
본 개시는 버너 집합체 및 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
본원은 2020년 4월 22일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제 2020-076141 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
플래시백의 리스크가 높은 연료(예를 들면, 수소 등)에 대해, 플래시백 내성을 가지면서 저 NOx화를 실현하기 위한 기술로서, 버너 집합체(클러스터 버너)에 의해 다수의 독립된 단소 화염을 형성시키는 기술이 있다.
이 기술에서는, 연료와 공기를 혼합하는 혼합 유로를 복수 배치하고, 연료 혼합의 스케일을 작게 하는 것에 의해, 연료와 공기의 혼합에 선회류를 적극적으로 이용하지 않아도, 높은 혼합 성능을 얻을 수 있다.
특허문헌 1에는, 저 NOx화를 도모하면서 플래시백을 억제하기 위한 버너 집합체가 개시되어 있다. 이 버너 집합체의 각 버너는 연료 노즐과, 연료 및 공기가 유입되는 혼합 유로를 구비하고 있으며, 연료 노즐은, 혼합 유로의 입구보다 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부를 포함한다. 또한, 돌출부의 측면에는 연료 분사 구멍이 형성되어 있으며, 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료가 공기와 함께 혼합 유로의 입구에 유입되고, 연료와 공기가 혼합된다.
특허문헌 1에는, 혼합 유로의 입구보다 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측으로 돌출된 돌출부로부터 연료를 분사하는 것에 의해, 연료와 공기를 효과적으로 혼합하고, 혼합 유로 내에서의 연료 농도의 편향을 억제하여, 저 NOx화를 도모할 수 있는 취지가 기재되어 있다. 또한, 혼합 유로의 입구보다 상류이며, 또한 연료 분사 구멍보다 하류의 위치에 공기가 유입되는 것에 의해, 연료 분사 구멍의 하류측의 유로벽 부근에서 연료가 고 농도화되는 것이 억제되므로, 플래시백을 억제할 수 있는 취지가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2019-168198 호 공보
특허문헌 1에 기재의 버너 집합체는 플래시백을 억제하는 관점에서 더욱 개량의 여지가 있다.
상술의 사정을 감안하여, 본 개시는 플래시백의 억제가 가능한 버너 집합체 및 가스 터빈 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 개시에 따른 버너 집합체는,
연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하는 버너 집합체에 있어서,
상기 복수의 버너의 각각은,
상기 연료를 분사하기 위한 적어도 1개의 연료 노즐과,
상기 적어도 1개의 연료 노즐로부터 분사된 연료와, 공기가 유입되는 혼합 유로를 포함하며,
상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 혼합 유로의 입구보다 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부를 포함하며,
상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 돌출부의 측면에 형성된 적어도 1개의 연료 분사 구멍을 포함하며,
상기 돌출부의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 1 공기 유로 중 적어도 일부가 형성되며,
상기 제 1 공기 유로는,
상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 상류측에서 상기 돌출부의 표면에 형성된 입구와,
상기 돌출부의 측면 또는 상기 혼합 유로의 유로벽에 형성된 출구를 포함하며,
상기 출구 중 적어도 일부는 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 하류측에 형성된다.
본 개시에 의하면, 플래시백의 억제가 가능한 버너 집합체 및 가스 터빈 연소기가 제공된다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 가스 터빈(100)을 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 연소기(4)의 근방을 도시하는 단면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 버너 집합체(32)의 일부를 도시하는 부분 개략 사시도이다.
도 4는 버너 집합체(32)의 일부를 축선(L)을 따라서 공기의 흐름방향의 상류측으로부터 본 개략도(도 2의 A방향으로 본 도면의 일 예)이다.
도 5는 도 4에 있어서의 B-B 단면의 구성예를 부분적으로 도시하는 개략도이다.
도 6은 도 4에 도시한 구성에 있어서의 공기의 흐름과 연료 분류의 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 7은 일 비교형태에 따른 버너 집합체(032)의 단면의 일부를 도시하는 개략도이다.
도 8은 도 4에 있어서의 C-C 단면의 구성예를 부분적으로 도시하는 개략적인 사시 단면도이다.
도 9는 일 비교형태에 따른 버너 집합체(032)의 일부를 도시하는 개략적인 사시 단면도이다.
도 10은 상기 실시형태에 따른 버너 집합체(32)에 있어서의 연료 및 공기의 흐름을 도시하는 개략적인 단면 사시도이다.
도 11은 도 4에 있어서의 C-C 단면의 다른 구성예를 부분적으로 도시하는 개략적인 사시 단면도이다.
도 12는 다른 실시형태에 따른 공기 유로(70)의 출구(78)의 형상의 예를 도시하는 도면이다.
도 13은 다른 실시형태에 따른 공기 유로(70)의 형상의 예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 몇 가지 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 발명의 범위를 이것으로 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들면, "어느 방향으로", "어느 방향을 따라서", "평행", "직교", "중심", "동심" 혹은 "동축" 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능을 얻을 수 있는 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, "동일", "동일하다" 및 "균질" 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능을 얻을 수 있는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과를 얻을 수 있는 범위에서, 요철부나 면취부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 "마련하다", "갖추다", "구비하다", "포함하다", 또는, "가진다" 라는 표현은 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 가스 터빈(100)을 도시하는 개략 구성도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 일 실시형태에 따른 가스 터빈(100)은 연소기(4)에 공급되는 산화제로서의 공기를 압축(즉, 압축 공기를 생성)하기 위한 압축기(2)와, 압축 공기 및 연료를 이용하여 연소 가스를 발생시키기 위한 연소기(4)(가스 터빈용 연소기)와, 연소기(4)로부터 배출된 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈(6)을 구비한다. 발전용의 가스 터빈(100)의 경우, 도시하지 않은 발전기가 터빈(6)에 연결되어 있으며, 터빈(6)의 회전 에너지에 의해 발전이 실행된다.
가스 터빈(100)이 구비하는 연소기(4)에서는, 연료와의 공기의 혼합 기체를 연소시키는 것에 의해, 상기의 연소 가스가 발생한다. 연소기(4)에서 연소되는 연료로서는, 수소, 메탄, 경유, 중유, 제트 연료, 천연 가스, 가스화된 석탄 등을 들 수 있으며, 이들 1종 또는 2종 이상을 임의로 조합하여 연소할 수 있다.
압축기(2)는 압축기 차실(10)과, 압축기 차실(10)의 입구측에 마련되며, 공기를 취입하기 위한 공기 취입구(12)와, 압축기 차실(10) 및 터빈 차실(22)을 모두 관통하도록 마련된 로터(8)와, 압축기 차실(10) 내에 배치된 각종 날개를 구비한다. 각종 날개는 공기 취입구(12)측에 마련된 입구 안내 날개(14)와, 압축기 차실(10)측에 고정된 복수의 정익(16)과, 정익(16)에 대해 교대로 배열되도록 로터(8)에 식설된 복수의 동익(18)을 포함한다. 이와 같은 압축기(2)에 있어서, 공기 취입구(12)로부터 취입된 공기는, 복수의 정익(16) 및 복수의 동익(18)을 통과하고 압축되는 것에 의해, 고온·고압의 압축 공기가 된다. 그리고, 고온·고압의 압축 공기는 압축기(2)로부터 후단의 연소기(4)로 이송된다.
연소기(4)는 로터(8)를 중심으로 하여 둘레방향으로 간격을 두고 복수 배치된다. 연소기(4)에는 연료와 압축기(2)에서 생성된 압축 공기가 공급되고, 연료를 연소시키는 것에 의해, 터빈(6)의 작동 유체인 연소 가스가 발생한다. 그리고, 연소 가스는 연소기(4)로부터 후단의 터빈(6)으로 이송된다.
터빈(6)은 터빈 차실(22)과, 터빈 차실(22) 내에 배치된 각종 날개를 구비한다. 각종 날개는 터빈 차실(22)측에 고정된 복수의 정익(24)과, 정익(24)에 대해 교대로 배열되도록 로터(8)에 식설된 복수의 동익(26)을 포함한다. 터빈(6)에 있어서는, 연소 가스가 복수의 정익(24) 및 복수의 동익(26)을 통과하는 것에 의해, 로터(8)가 회전 구동한다. 이에 의해, 로터(8)에 연결된 발전기(도시하지 않음)가 구동된다.
또한, 터빈 차실(22)의 하류측에는, 배기 차실(28)을 거쳐서 배기실(30)이 연결된다. 터빈(6)을 구동한 후의 연소 가스는 배기 차실(28) 및 배기실(30)을 거쳐서 외부로 배출된다.
도 2는 연소기(4)의 근방을 도시하는 단면도이다. 연소기(4)는 버너 집합체(32)와, 버너 집합체(32)를 수용하는 바닥부를 갖는 통형상의 케이싱(20)과, 버너 집합체(32)의 하류측에 화염이 형성되는 공간을 형성하는 연소통(25)을 포함한다. 도 2에 있어서 일점쇄선은 케이싱(20), 버너 집합체(32), 및 연소통(25)의 각각에 공통의 중심 축선(L)이다. 연소기(4)의 케이싱(20)의 내부에는 버너 집합체(32)가 배치된다.
도시하는 예시적 실시형태에서는, 버너 집합체(32)는 케이싱(20)의 내부에 배치된 통형상 부재(34)의 내측에 보지되어 있으며, 통형상 부재(34)는 중심 축선(L)의 주위에 간격을 두고 배치된 복수의 지지부(35)를 거쳐서 케이싱(20)에 지지된다. 케이싱(20)과 통형상 부재(34)의 외주면 사이(케이싱(20)과 버너 집합체(32)의 외주면 사이)에는, 차실(40)로부터 유입된 압축 공기가 흐르는 공기 유로(36)가 형성된다.
차실(40)로부터 공기 유로(36)에 유입된 압축 공기는, 버너 집합체(32)와 케이싱(20)의 바닥면(21)의 축방향의 간극(23)을 통하여, 버너 집합체(32)가 구비하는 후술의 복수의 혼합 유로(46)에 연료와 함께 유입된다. 버너 집합체(32)에서 혼합된 연료와 공기는, 도시하지 않은 착화 장치에 의해 착화되어, 연소통(25)에 화염이 형성되어 연소 가스를 생성한다.
도 3은 일 실시형태에 따른 버너 집합체(32(32A))의 일부를 도시하는 부분 개략 사시도이다. 도 4는 버너 집합체(32(32A))의 일부를 축선(L)을 따라서 공기의 흐름방향의 상류측으로부터 본 개략도(도 2의 A방향으로 본 도면의 일 예)이다. 도 5는 도 4에 있어서의 B-B 단면의 일부를 도시하는 개략도이다. 도 6은 도 4에 도시한 구성에 있어서의 공기의 흐름과 연료 분류의 흐름을 도시하는 개략도이다.
예를 들면 도 3 또는 도 4에 도시하는 바와 같이, 버너 집합체(32)는 연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너(42)를 구비한다.
버너(42)의 각각은, 연료를 분사하기 위한 복수의 연료 노즐(43)과, 복수의 연료 노즐(43)로부터 분사된 연료와 차실(40)(도 1 및 도 2 참조)로부터 공급된 압축 공기가 유입되는 혼합 유로(46)를 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 버너(42)의 각각은, 1개의 혼합 유로(46)와, 1개의 혼합 유로(46)의 주위에 배치된 4개의 연료 노즐(43)을 포함하며, 1개의 혼합 유로(46)에는 주위의 4개의 연료 노즐(43)로부터 연료가 분사된다. 환언하면, 1개의 연료 노즐(43)의 주위에는 4개의 혼합 유로(46)가 배치되어 있으며, 1개의 연료 노즐(43)이 4개의 혼합 유로(46)에 연료를 분사한다.
혼합 유로(46)의 각각은 서로 평행하게 연장되는 관통 구멍으로서 구성되어 있으며, 혼합 유로(46)의 각각의 중심 축선(O)은 케이싱(20)의 중심 축선(L)을 따르는 방향으로 연장되어 있다. 도시하는 예시적 형태에서는, 혼합 유로(46)의 각각의 중심 축선(O)과 케이싱(20)의 중심 축선(L)은 평행이다. 이하에서는, 혼합 유로(46)의 중심 축선(O)을 따르는 방향(혼합 유로(46)의 길이방향)을 축선(O)방향이라 기재한다.
혼합 유로(46)를 형성하는 유로벽(55)은, 단면이 원형인 혼합 유로(46)를 내측에 획정하도록 관형상으로 구성되어 있으며, 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합관으로서 기능한다. 또한, 복수의 혼합 유로(46) 중 서로 가장 근접하는 임의의 2개의 혼합 유로(46)에 있어서, 상기 2개의 혼합 유로(46)의 각각을 형성하는 유로벽(55)은, 상기 2개의 혼합 유로(46)를 구획하는 격벽부(58)를 공유하고 있다. 도 4에 도시하는 예시적 형태에서는, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)은 상기 혼합 유로(46)의 주위의 복수의 혼합 유로(46)(도시하는 형태에서는 4개의 혼합 유로(46))의 유로벽(55)의 각각과의 사이에서 격벽부(58)를 공유하고 있다.
예를 들면 도 5에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(43)의 각각은, 혼합 유로(46)의 입구(48)보다 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부(50)를 포함한다. 또한, 연료 노즐(43)의 각각은, 연료 노즐(43)의 내부에 형성된 연료 유로(45)와, 돌출부(50)의 측면(44)에 형성된 복수의 연료 분사 구멍(53)을 포함한다. 연료 분사 구멍(53)은 연료 유로(45)로부터 공급된 연료를 혼합 유로(46)에 분사한다. 도 4에 도시하는 예시적 형태에서는, 돌출부(50)의 측면(44)에는, 상기 돌출부(50)의 주위의 4개의 혼합 유로(46)에 대응하는 위치에 4개의 연료 분사 구멍(53)이 형성되어 있다.
예를 들면 도 5에 도시하는 바와 같이, 돌출부(50)의 정상면(54)(축선(O)방향에 있어서의 돌출부(50)의 단부면, 즉 돌출부(50)의 선단)은 볼록 곡면(56)을 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 돌출부(50)의 정상면(54)의 전체가 매끄럽게 만곡된 볼록 곡면(56)에 의해 구성되어 있다. 돌출부(50)의 정상면(54)은, 예를 들면 유선형으로 형성되어 있어도 좋다.
예를 들면 도 5에 도시하는 바와 같이, 돌출부(50)의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 공기 유로(70)가 형성되어 있다. 공기 유로(70)는 공기의 흐름방향에 있어서 연료 분사 구멍(53)보다 상류측에서 돌출부(50)의 표면(74)에 형성된 입구(72)를 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 공기 유로(70)의 입구(72)는 돌출부(50)의 정상점(76)에 형성되어 있다.
또한, 공기 유로(70)는, 공기의 흐름방향에 있어서 연료 분사 구멍(53)보다 하류측에서 돌출부(50)의 측면(44) 또는 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 벽면(63)에 형성된 출구(78)를 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 공기 유로(70)의 출구(78)는, 연료 분사 구멍(53)의 하류측에 있어서 연료 분사 구멍(53)의 주위에 원호형상으로 형성되어 있다.
여기에서, 상기 공기 유로(70)를 마련하는 것에 의한 효과를, 도 7에 도시하는 비교 형태(공기 유로(70)가 마련되어 있지 않은 형태)와 대비시켜 설명한다.
도 7에 도시하는 비교 형태에서는, 연료 분사 구멍(053)으로부터 분사된 연료 분류와 혼합 유로(046)의 벽면(063) 사이에, 유속이 낮아 연료 농도가 높은 영역이 형성되기 쉽다. 플래시백 등에 의해, 이 영역에 무언가의 가연원이 도달하면, 혼합 유로(046)의 내부에 화염이 계속 보지되어, 버너(042)에 소손(燒損)이 생길 우려가 있다.
이에 대해, 도 6에 도시하는 바와 같이, 상기 버너 집합체(32)에서는, 상기 공기 유로(70)를 마련한 것에 의해, 연료 분사 구멍(53)보다 하류측에 적어도 일부가 형성된 출구(78)로부터, 연료 분사 구멍(53)으로부터 분사된 연료 분류와 혼합 유로(46)의 유로벽(55) 사이에 공기를 공급할 수 있다. 이 때문에, 공기 유로(70)의 출구(78)로부터 혼합 유로(46)에 공급된 공기가 혼합 유로(46)의 유로벽(55)을 덮는 필름 공기로서 기능하여, 유로벽(55)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 플래시백을 억제하여, 혼합 유로(46)의 내부에 화염이 보지되는 보염의 리스크를 저감하고, 버너(42)의 소손을 억제할 수 있다. 또한, 공기 유로(70)의 입구(72)가 돌출부(50)의 정상면(54)에 형성되기 때문에, 돌출부(50)의 정상면(54) 부근의 공기의 정체 영역으로부터 공기 유로(70)에 공기를 효과적으로 취입할 수 있다.
다음에, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 구성의 일 예에 대해 설명한다. 도 8은 도 4에 있어서의 C-C 단면의 구성예를 부분적으로 도시하는 개략적인 사시 단면도이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 유로벽(55)의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 공기 유로(80)가 형성된다. 공기 유로(80)는 유로벽(55) 중 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부면(59)에 형성된 입구(82)를 포함한다. 또한, 공기 유로(80)는 유로벽(55)의 벽면(63)에 형성된 출구(84)를 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 공기 유로(80)의 출구(84)는, 혼합 유로(46)의 중심 축선(O)을 따르는 방향에 있어서 혼합 유로(46)의 중앙 위치(M)보다 하류측에 위치하고 있으며, 유로벽(55)의 벽면(63)에 중심 축선(O)의 주위에 환상으로 개구되어 있다. 또한, 출구(84)의 위치는 버너(42)마다 상이하여도 좋다.
여기에서, 상기 공기 유로(80)를 마련하는 것에 의한 효과를, 도 9에 도시하는 비교 형태(공기 유로(80)가 마련되어 있지 않은 형태)와 대비시켜 설명한다. 도 9는 일 비교형태에 따른 버너 집합체(032)의 일부를 도시하는 개략적인 사시 단면도이다. 도 10은 상기 실시형태에 따른 버너 집합체(32)에 있어서의 연료 및 공기의 흐름을 도시하는 개략적인 단면 사시도이다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 연료 분사 구멍(053)으로부터 분사된 연료는, 혼합 유로(046)에 있어서, 하류측을 향함에 따라서 확산되기 때문에, 저 NOx화를 위해 연료와 공기를 혼합하는 거리가 길면, 연료 분사 구멍(053)의 하류측에서 혼합 유로(046)의 벽면(063)의 근방에 연료 농도가 높은 영역이 생기기 쉽다. 또한, 혼합 유로(046)가 길면 벽면(063) 상에 경계층이 발달하기 쉬워, 벽면(063)의 근방에 유속이 낮은 영역이 생기기 쉽다. 연료 농도가 높고 유속이 낮은 영역이 생기면, 플래시백이 발생하기 쉬워진다.
이에 대해, 도 10에 도시하는 바와 같이, 버너 집합체(32)에서는, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 내부에 마련된 공기 유로(80)를 통한 공기는, 유로벽(55)의 벽면(63)에 개구되는 출구(84)로부터 혼합 유로(46)에 공급된다. 이 때문에, 공기 유로(80)의 출구(84)의 하류측에 있어서, 혼합 유로(46)의 벽면(63)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 이에 의해, 플래시백의 리스크를 저감하고, 버너(42)의 소손을 억제할 수 있다.
또한, 공기 유로(80)의 출구(84)는, 혼합 유로(46)의 축선(O)방향에 있어서 혼합 유로(46)의 중앙 위치(M)(도 8 참조)보다 하류측에 위치하고 있기 때문에, 혼합 유로(46)의 출구측에서 벽면(63)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있어서, 플래시백의 리스크를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 공기 유로(80)의 입구(82)는, 유로벽(55) 중 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부면(59)에 개구되어 있기 때문에, 상기 단부면(59)의 근방에 생기기 쉬운 정체 영역의 공기를 취입하여 플래시백의 리스크를 효과적으로 저감할 수 있다.
다음에, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 구성의 다른 일 예에 대해 설명한다. 도 11은 도 4에 있어서의 C-C 단면의 다른 구성예를 부분적으로 도시하는 개략적인 사시 단면도이다.
도 11에 도시하는 실시형태에 있어서도, 유로벽(55)의 내부에는 공기를 흘리기 위한 공기 유로(80)가 형성되지만, 공기 유로(80)의 구체적인 구성이 도 8 등에 도시하는 공기 유로(80)와는 상이하다. 공기 유로(80)에는, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)을 냉각하기 위한 냉각용 공기가 도시하지 않은 냉각용 공기 공급원으로부터 공급된다. 또한, 공기 유로(80)의 출구(84)는 혼합 유로(46)의 출구부(86)에 있어서의 유로벽(55)의 벽면(63)에 형성되어 있으며, 공기 유로(80)의 출구(84)로부터 혼합 유로(46)에 냉각용 공기가 공급된다.
도 11에 도시하는 예시적 형태에서는, 공기 유로(80)는, 일단부면(88)에 공기 유로(80)로서 기능하는 홈(89)이 형성된 홈 형성 부재(90)와, 홈 형성 부재(90)와 대향하여 배치되며 홈(89)에 대한 덮개로서 기능하는 덮개 부재(92)를 포함하며, 덮개 부재(92)가 플레이트형상으로 구성되어 있다.
또한, 공기 유로(80)는 혼합 유로(46)의 출구부(86)에 있어서의 벽면(63)에 형성된 복수의 출구(84)를 포함하며, 복수의 출구(84)는 혼합 유로(46)의 중심 축선(O)의 주위에 간격을 두고 형성되어 있다.
도 11에 도시하는 구성에 있어서도, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 내부에 마련된 공기 유로(80)를 통한 공기는 유로벽(55)의 벽면(63)에 개구되는 출구(84)로부터 혼합 유로(46)에 공급된다. 이 때문에, 공기 유로(80)의 출구(84)의 하류측에 있어서, 혼합 유로(46)의 벽면(63)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 이에 의해, 플래시백의 리스크를 저감하여, 버너(42)의 소손을 억제할 수 있다. 또한, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)을 냉각하기 위한 냉각용 공기를 활용하는 것에 의해, 공기 유로(80)의 구성을 간소화하면서 플래시백의 리스크를 저감할 수 있다. 또한, 홈 형성 부재(90)와 덮개 부재(92)를 별도의 부재로서 구성하는 것에 의해, 홈 형성 부재(90)의 홈(89)을 형성하는 가공을 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 홈 형성 부재(90)와 덮개 부재(92)는, 예를 들면 3D 프린터에 의해 전체가 하나의 부품으로서 일체적으로 조형되어도 좋다.
본 개시는 상술한 실시형태로 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들면, 도 8 등에 도시한 실시형태에서는, 복수의 연료 노즐(43)과 복수의 혼합 유로(46)를 형성하는 유로벽(55)이 전체가 하나의 부품으로서 분리 불능으로 일체적으로 구성된 버너 집합체(32)를 예시했지만, 연료 노즐의 각각 및 혼합 유로의 각각이 하나의 부품으로서 구성되어 있어도 좋으며, 복수의 연료 노즐과 복수의 혼합 유로가 임의의 수의 부품으로 구성되어 있어도 좋다.
또한, 도 5 등에 도시한 구성에서는, 공기 유로(70)의 출구(78)가 연료 분사 구멍(53)의 하류측에 형성되어 있었지만, 예를 들면 도 12에 도시하는 바와 같이, 공기 유로(70)의 출구(78)는 연료 분사 구멍(53)의 하류측 및 상류측의 양쪽에 걸쳐서 형성되어 있어도 좋다. 즉, 공기 유로(70)의 출구(78) 중 적어도 일부가 공기의 흐름방향에 있어서 연료 분사 구멍(53)보다 하류측에 형성되어 있으면 좋다. 이에 의해, 연료 분사 구멍(53)으로부터 분사된 연료 분류와 혼합 유로(46)의 유로벽(55) 사이에 공기를 공급할 수 있어서, 공기 유로(70)의 출구(78)로부터 혼합 유로(46)에 공급된 공기가 혼합 유로(46)의 유로벽(55)을 덮는 필름 공기로서 기능하여, 유로벽(55)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 혼합 유로(46)의 내부에 화염이 보지되는 리스크를 저감하여, 버너(42)의 소손을 억제할 수 있다. 공기 유로(70)의 출구(78)는, 예를 들면 도 12에 도시하는 바와 같이, 연료 분사 구멍(53)의 주위를 일주하는 원을 따라서 형성되어 있어도 좋다.
또한, 예를 들면 도 13에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(43)의 돌출부(50)의 내부에는 공동(94)이 형성되어 있어도 좋다. 공동(94)은 공기 유로(70)의 일부로서 구성되어 있으며, 공기 유로(70) 중 공기의 흐름방향에 있어서, 공동(94)의 하류측의 부분(70a)보다 유로 단면적이 크게 되어 있다. 또한, 공동(94)과 공기 유로(70)의 상기 부분(70a)이 접속하는 영역에, 공기의 흐름방향에 있어서 하류측을 향함에 따라서 유로 단면적이 작아지는 축소부(96)를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 연료 노즐(43)의 연료 유로(45)의 용적을 과도하게 크게 하는 일이 없이, 공기 유로(70)를 거쳐서 공기를 원활하게 출구(78)에 인도할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 연료 분사 구멍(53)의 근방에 마련된 출구(78)를 공기 유로(70)가 갖는 구성을 예시했지만, 공기 유로(70)는 혼합 유로(46)의 출구측에 출구(78)를 갖고 있어도 좋다. 이 경우, 공기 유로(70)의 일부가 돌출부(50)의 내부에 형성되며, 공기 유로(70)의 잔부(殘部)는 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 내부에 형성된다. 이에 의해, 혼합 유로(46)의 출구측에서 벽면(63)의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있으며, 플래시백의 리스크를 저감할 수 있다. 즉, 돌출부(50)의 내부에는, 공기 유로(70) 중 적어도 일부가 형성되어 있으면 좋다.
또한, 공기 유로(80)의 입구(82)는 돌출부(50)의 표면에 마련되어 있어도 좋다. 이 경우, 공기 유로(80)의 일부가 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 내부에 형성되며, 공기 유로(80)의 잔부는 돌출부(50)의 내부에 마련된다.
상기 각 실시형태에 기재의 내용은, 예를 들면 이하와 같이 파악된다.
(1) 본 개시에 따른 버너 집합체(예를 들면, 상술의 버너 집합체(32))는,
연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너(예를 들면 상술의 복수의 버너(42))를 구비하는 버너 집합체에 있어서,
상기 복수의 버너의 각각은,
상기 연료를 분사하기 위한 적어도 1개의 연료 노즐(예를 들면 상술의 연료 노즐(43))과,
상기 적어도 1개의 연료 노즐로부터 분사된 연료와, 공기가 유입되는 혼합 유로(예를 들면 상술의 혼합 유로(46))를 포함하며,
상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 혼합 유로의 입구(예를 들면 상술의 입구(48))보다 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부(예를 들면 상술의 돌출부(50))를 포함하며,
상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 돌출부의 측면(예를 들면 상술의 측면(44))에 형성된 적어도 1개의 연료 분사 구멍(예를 들면 상술의 연료 분사 구멍(53))을 포함하며,
상기 돌출부의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 1 공기 유로(예를 들면 상술의 공기 유로(70)) 중 적어도 일부가 형성되며,
상기 제 1 공기 유로는,
상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 상류측에서 상기 돌출부의 표면에 형성된 입구(예를 들면 상술의 입구(72))와,
상기 돌출부의 측면 또는 상기 혼합 유로의 유로벽(예를 들면 상술의 유로벽(55))에 형성된 출구(예를 들면 상술의 출구(78))를 포함하며,
상기 출구 중 적어도 일부는 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 하류측에 형성된다.
상기 (1)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 연료 분사 구멍보다 상류측에 형성된 입구로부터 제 1 공기 유로에 공기를 취입할 수 있다. 그리고, 연료 분사 구멍보다 하류측에 적어도 일부가 형성된 출구로부터, 연료 분사 구멍으로부터 분사된 연료 분류와 혼합 유로의 유로벽 사이에 공기를 공급할 수 있다. 이 때문에, 제 1 공기 유로의 출구로부터 혼합 유로에 공급된 공기가 혼합 유로의 유로벽을 덮는 필름 공기로서 기능하여, 유로벽의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 플래시백을 억제하고 혼합 유로의 내부에 화염이 보지되는 보염의 리스크를 저감하여, 버너의 소손을 억제할 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 제 1 공기 유로의 상기 입구는 상기 돌출부의 정상면(예를 들면 상술의 정상면(54))에 형성된다.
상기 (2)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 돌출부의 정상면 부근의 공기의 정체 영역으로부터 제 1 공기 유로에 공기를 효과적으로 수중에 취입할 수 있기 때문에, 상기 (1)에 기재의 효과를 높일 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 혼합 유로의 유로벽의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 2 공기 유로(예를 들면 상술의 공기 유로(80))가 적어도 일부가 형성되며,
상기 제 2 공기 유로는 상기 유로벽의 벽면(예를 들면 상술의 벽면(63))에 형성된 출구(예를 들면 상술의 출구(84))를 포함한다.
상기 (3)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 혼합 유로의 유로벽의 내부에 마련된 제 2 공기 유로를 통한 공기는 유로벽의 벽면에 개구되는 출구로부터 혼합 유로에 공급된다. 이 때문에, 제 2 공기 유로의 출구의 하류측에 있어서, 혼합 유로의 벽면의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있다. 이에 의해, 플래시백의 리스크를 저감하여, 버너의 소손을 억제할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 제 2 공기 유로의 상기 출구는 상기 혼합 유로의 길이방향에 있어서 상기 혼합 유로의 중앙 위치(예를 들면 상술의 중앙 위치(M))보다 하류측에 위치한다.
상기 (4)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 혼합 유로의 출구측에서 유로벽의 벽면의 근방의 연료 농도를 저하시킬 수 있어서, 플래시백의 리스크를 효과적으로 저감할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3) 또는 (4)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 제 2 공기 유로는 상기 유로벽 중 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부면(예를 들면 상술의 단부면(59))에 형성된 입구를 포함한다.
상기 (5)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 유로벽의 상류측의 단부면의 근방에 생기기 쉬운 정체 영역의 공기를 취입하여 플래시백의 리스크를 효과적으로 저감할 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3) 또는 (4)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 제 2 공기 유로에는, 상기 혼합 유로의 유로벽을 냉각하기 위한 냉각용 공기가 공급되고,
상기 제 2 공기 유로의 상기 출구는 상기 혼합 유로의 출구부(예를 들면 상술의 출구부(86))에 있어서의 상기 유로벽의 벽면에 형성된다.
상기 (6)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 혼합 유로의 유로벽을 냉각하기 위한 냉각용 공기를 활용하는 것에 의해, 제 2 공기 유로의 구성을 간소화하면서 플래시백의 리스크를 저감할 수 있다.
(7) 본 개시에 따른 가스 터빈 연소기(예를 들면 상술의 연소기(4))는,
상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재의 버너 집합체와,
상기 버너 집합체의 하류측에 화염이 형성되는 공간을 형성하는 연소통(예를 들면 상술의 연소통(25))을 구비한다.
상기 (7)에 기재의 가스 터빈 연소기에 의하면, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재의 버너 집합체를 구비하기 때문에, 플래시백의 리스크를 저감하여, 버너의 소손을 억제할 수 있으며, 연소기를 안정적으로 사용할 수 있다.
(8) 본 개시에 따른 가스 터빈(예를 들면 상술의 가스 터빈(100))은,
압축기(예를 들면 상술의 압축기(2))와,
상기 압축기에 의해 압축한 공기와 연료가 공급되며, 상기 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키도록 구성된 가스 터빈 연소기(예를 들면 상술의 연소기(4))와,
상기 가스 터빈 연소기에서 발생한 상기 연소 가스에 의해 구동하는 터빈(예를 들면 상술의 터빈(6))을 구비하고,
상기 가스 터빈 연소기는 상기 (7)에 기재의 가스 터빈 연소기이다.
상기 (8)에 기재의 가스 터빈에 의하면, 상기 (7)에 기재의 가스 터빈 연소기를 구비하기 때문에, 플래시백의 리스크를 저감하여 버너의 소손을 억제하고, 가스 터빈을 안정적으로 운전할 수 있다.
2: 압축기
4: 연소기
6: 터빈
8: 로터
10: 압축기 차실
12, 48, 72, 82: 입구
14: 입구 안내 날개
16, 24: 정익
18, 26: 동익
20: 케이싱
22: 터빈 차실
25: 연소통
28: 배기 차실
30: 배기실
32: 버너 집합체
34: 통형상 부재
35: 지지부
36: 공기 유로
40: 차실
42: 버너
43: 연료 노즐
44: 측면
45: 연료 유로
46: 혼합 유로
50: 돌출부
53: 연료 분사 구멍
54: 정상면
55: 유로벽
56: 볼록 곡면
58: 격벽부
59: 단부면
63: 벽면
70: 공기 유로(제 1 공기 유로)
74: 표면
76: 정상점
78: 출구
80: 공기 유로(제 2 공기 유로)
84: 출구
86: 출구부
88: 일단부면
89: 홈
90: 홈 형성 부재
92: 덮개 부재
100: 가스 터빈

Claims (8)

  1. 연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하는 버너 집합체에 있어서,
    상기 복수의 버너의 각각은,
    상기 연료를 분사하기 위한 적어도 1개의 연료 노즐과,
    상기 적어도 1개의 연료 노즐로부터 분사된 연료와, 공기가 유입되는 혼합 유로를 포함하며,
    상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 혼합 유로의 입구보다 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상류측으로 돌출되는 돌출부를 포함하며,
    상기 적어도 1개의 연료 노즐의 각각은, 상기 돌출부의 측면에 형성된 적어도 1개의 연료 분사 구멍을 포함하며,
    상기 돌출부의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 1 공기 유로 중 적어도 일부가 형성되며,
    상기 제 1 공기 유로는,
    상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 상류측에서 상기 돌출부의 표면에 형성된 입구와,
    상기 돌출부의 측면 또는 상기 혼합 유로의 유로벽에 형성된 출구를 포함하며,
    상기 출구 중 적어도 일부는 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 연료 분사 구멍보다 하류측에 형성된
    버너 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공기 유로의 상기 입구는 상기 돌출부의 정상면에 형성된
    버너 집합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 혼합 유로의 유로벽의 내부에는, 공기를 흘리기 위한 제 2 공기 유로 중 적어도 일부가 형성되며,
    상기 제 2 공기 유로는 상기 유로벽의 벽면에 형성된 출구를 포함하는
    버너 집합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 공기 유로의 상기 출구는 상기 혼합 유로의 길이방향에 있어서 상기 혼합 유로의 중앙 위치보다 하류측에 위치하는
    버너 집합체.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 공기 유로는 상기 유로벽 중 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부면에 형성된 입구를 포함하는
    버너 집합체.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 공기 유로에는, 상기 혼합 유로의 유로벽을 냉각하기 위한 냉각용 공기가 공급되며,
    상기 제 2 공기 유로의 상기 출구는 상기 혼합 유로의 출구부에 있어서의 상기 유로벽의 벽면에 형성되는
    버너 집합체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 버너 집합체와,
    상기 버너 집합체의 하류측에 화염이 형성되는 공간을 형성하는 연소통을 구비하는
    가스 터빈 연소기.
  8. 압축기와,
    상기 압축기에 의해 압축된 공기와 연료가 공급되며, 상기 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키도록 구성된 가스 터빈 연소기와,
    상기 가스 터빈 연소기에서 발생한 상기 연소 가스에 의해 구동하는 터빈을 구비하고,
    상기 가스 터빈 연소기는 제 7 항에 기재된 가스 터빈 연소기인
    가스 터빈.
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