KR20220151688A - 버너 집합체, 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

버너 집합체, 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈 Download PDF

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사토시 다키구치
게이스케 미우라
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겐지 미야모토
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Abstract

연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하는 버너 집합체에 있어서, 복수의 버너의 각각은, 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과, 연료 및 공기가 공급되는 혼합 유로와, 혼합 유로의 유로벽과 연료 노즐을 접속하며, 연료 노즐을 지지하는 지지부를 포함한다.

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 2020-076123 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, 연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하고, 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합 유로의 내부에 혼합 유로의 중심 축선을 따라서 연료 노즐이 마련된 가스 터빈 연소기가 개시되어 있다.
특허문헌 1에 기재의 버너는, 연료 노즐이 혼합 유로의 중심 축선을 따라서 연료를 분사하도록 구성되어 있으며, 연료 노즐의 중심 축선과 혼합 유로의 중심 축선이 일치하기 때문에, 동축형이라 칭해지는 일이 있다. 이와 같은 동축형의 버너의 경우, 혼합 유로의 유로벽으로부터 공기의 흐름과 교차하는 방향으로 연료를 분사하는 크로스 플로우형의 버너보다, 혼합 유로의 벽면 근방의 연료 농도가 높기 때문에, 플래시백(역화)의 리스크를 억제할 수 있다.
일본 특허 공개 제 2007-232234 호 공보
특허문헌 1에 기재의 구성에서는, 혼합 유로의 유로벽과는 독립되어 구성된 헤더에 복수의 연료 노즐이 지지되어 있기 때문에, 혼합 유로를 향하는 공기는, 헤더를 돌아 들어가고 노즐부를 통과하여 혼합 유로에 유입된다.
이 때문에, 복수의 혼합 유로 중 중앙 부근의 혼합 유로에는, 외측의 혼합 유로보다 공기가 유입되기 어려워, 복수의 혼합 유로 사이에서 공기의 유량에 편향이 생기기 쉬우므로, 복수의 혼합 유로 사이에서 연료 농도에도 편향이 생기기 쉽다. 복수의 혼합 유로 사이에서 연료 농도에 편향이 생기면, NOx의 증가 및 플래시백의 리스크도 증대한다.
상술의 사정을 감안하여, 본 개시는 저 NOx화 및 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 연료 노즐과,
상기 연료 및 상기 공기가 공급되는 혼합 유로와,
상기 혼합 유로의 유로벽과 상기 연료 노즐을 접속하며, 상기 연료 노즐을 지지하는 지지부를 포함한다.
본 개시에 의하면, 저 NOx화 및 플래시백의 억제가 가능한 버너 집합체 및 가스 터빈 연소기가 제공된다.
도 1은 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 중심 축선(L)을 따른 단면을 도시하는 개략도이다.
도 4는 버너(42)의 상세 구성의 일 예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 4에 있어서의 A-A 단면(중심 축선(O)에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 4에 있어서의 B-B 단면(직경방향에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 7은 버너(42)의 상세 구성의 다른 일 예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 도 7에 있어서의 C-C 단면(중심 축선(O)에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 7에 있어서의 D-D 단면(직경방향에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 버너(42)의 상세 구성의 다른 일 예를 도시하는 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시하는 버너(42)의 노즐(43) 및 지지부(39)의 개략 사시도이다.
도 12는 버너(42)의 상세 구성의 다른 일 예를 도시하는 단면도이다.
도 13은 버너 집합체(32)의 다른 구성예를 부분적으로 도시하는 모식도이며, 축선(L)방향에 있어서의 상류측으로부터 버너 집합체(32)의 일부를 본 도면이다.
도 14는 도 13에 있어서의 E-E 단면을 부분적으로 도시하는 개략 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 몇 가지의 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 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위하고 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, 연료와 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 발화 장치에 의해 착화되고, 연소통(25)에 화염이 형성되며, 연소 가스를 생성한다.
도 3은 일 실시형태에 따른 버너 집합체(32)의 중심 축선(L)을 따른 단면을 도시하는 개략도이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 버너 집합체(32)는, 연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너(42)를 구비한다.
복수의 버너(42)의 각각은, 연료를 분사하기 위한 연료 노즐(43)과, 연료 및 공기가 공급되는 혼합 유로(46)와, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)과 연료 노즐(43)을 접속하며, 연료 노즐(43)을 지지하는 복수의 지지부(39)를 포함한다. 복수의 버너(42)의 각각은, 버너 집합체(32)의 외주면을 형성하는 부분을 제외하고, 기본적으로 동일한 구성을 갖기 때문에, 이하에서는, 버너(42)의 각각에 공통의 구성에 대해 설명한다.
도 4는 버너(42)의 상세 구성의 일 예를 도시하는 단면도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(43)은, 관형상으로 형성되어 있으며, 혼합 유로(46)의 중심 축선(O)을 따라서 연장되어 있다. 연료 노즐(43)의 내부에는 중심 축선(O) 상에 연료 유로(45)가 형성되어 있으며, 연료 노즐(43)의 선단에는 연료 유로(45)에 접속되는 연료 분사 구멍(53)이 형성되어 있다. 연료 노즐(43)은 외경 일정부(70) 및 선세부(先細部)(72)를 포함한다. 외경 일정부(70)의 외경(K)은, 중심 축선(O)을 따르는 방향(이하, 간단히 "축선(O)방향"이라 기재함)으로 일정하다. 선세부(72)의 외경(K)은 중심 축선(O)을 따라서 공기의 흐름방향에 있어서의 하류측을 향함에 따라서 작아진다. 이하, 중심 축선(O)을 따른 공기의 흐름방향의 상류측을 간단히 "상류측"이라 기재하고, 중심 축선(O)을 따른 공기의 흐름방향의 하류측을 간단히 "하류측"이라 기재하는 것으로 한다.
혼합 유로(46)는 관형상으로 형성되어 있으며, 중심 축선(O)을 따라서 연장되어 있다. 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 내부에는, 연료 노즐(43)에 연료를 공급하기 위한 연료가 수용되는 연료실(51)이 형성되어 있다. 혼합 유로(46)의 유로벽(55)은 유로 폭 일정부(74, 78) 및 스로틀부(76)를 포함한다. 유로 폭 일정부(74) 및 유로 폭 일정부(78)의 각각의 유로 폭(W)은 축선(O)방향으로 일정하다. 스로틀부(76)의 유로 폭(W)은 하류측을 향함에 따라서 좁아진다. 도시하는 예시적 형태에서는, 상류측으로부터 순서대로 유로 폭 일정부(74), 스로틀부(76), 유로 폭 일정부(78)가 마련되어 있다.
또한, 축선(O)방향에 있어서, 선세부(72)가 마련되는 범위(S1)와, 스로틀부(76)가 마련되는 범위(S2)는 적어도 부분적으로 오버랩되어 있다. 즉, 축선(O)방향에 있어서, 선세부(72)가 존재하는 범위(S1) 중 적어도 일부는, 스로틀부(76)가 마련되는 범위(S2)의 내측에 위치한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 범위(S1)의 전체가 범위(S2)의 내측에 위치하고 있다.
지지부(39)의 내부에는, 연료 노즐(43)에 연료를 공급하기 위한 연료 유로(48)가 형성되어 있다. 연료 유로(48)의 일단은 연료 노즐(43)의 연료 유로(45)에 접속되어 있으며, 연료 유로(48)의 타단은 연료실(51)에 접속되어 있다.
도 5는 도 4에 있어서의 A-A 단면(중심 축선(O)에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 복수의 지지부(39)는, 연료 노즐(43)의 주위에 간격을 두고 마련되어 있으며, 지지부(39)의 각각은 연료 노즐(43)의 직경방향(이하, 간단히 "직경방향"이라 기재함)을 따라서 연장되어 있다. 도시하는 예시적 형태에서는, 복수의 지지부(39)는, 4개의 지지부(39)를 포함한다.
도 6은 도 4에 있어서의 B-B 단면(직경방향에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 지지부(39) 중 상류측의 면(50)은, 매끄럽게 만곡된 볼록 곡면(52)을 포함한다. 도시하는 예시적 형태에서는, 지지부(39)에 있어서의 직경방향에 직교하는 단면에 있어서, 지지부(39)는 유선형으로 구성되어 있다. 또한, 지지부(39)의 내부에 형성된 연료 유로(48)의 유로 단면은, 원형형상을 갖고 있다. 다른 실시형태에서는, 지지부(39)에 있어서의 직경방향에 직교하는 단면에 있어서, 지지부(39)는 예를 들면 원형으로 구성되어 있어도 좋다.
이상에 나타낸 구성에 의하면, 도 4 등에 도시한 바와 같이, 버너(42)의 각각에 있어서, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 벽면(63)에 접속된 지지부(39)에 연료 노즐(43)이 지지되어 있기 때문에, 혼합 유로(46)의 상류측에 혼합 유로(46)의 유로벽(55)과는 독립되어 구성된 특허문헌 1에 기재와 같은 대형 헤더를 마련할 필요가 없다. 이 때문에, 헤더에 기인하는 복수의 혼합 유로 사이에서의 공기의 유량의 편향을 없애, 복수의 혼합 유로(46) 사이에서의 연료 농도의 편향을 작게 할 수 있다. 따라서, 저 NOx화 및 플래시백의 억제가 가능해진다.
또한, 축선(O)방향에 있어서, 선세부(72)가 마련되는 범위(S1)와, 스로틀부(76)가 마련되는 범위(S2)는, 적어도 부분적으로 오버랩되어 있기 때문에, 연료 노즐(43)의 선세부(72)에 기인하여 혼합 유로(46)의 유로 단면적이 축선(O)방향으로 변화하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 선세부(72)에 기인하여 혼합 유로(46)에 있어서의 공기의 유속이 저하하는 것을 억제하고, 혼합 유로(46) 내의 공기의 유속을 일정에 가깝게 할 수 있다. 따라서, 플래시백을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 공기의 흐름방향에 있어서의 지지부(39)의 상류측의 면(50)이 볼록 곡면(52)을 포함하기 때문에, 지지부(39)의 유로 저항의 증대를 억제하고, 혼합 유로(46)에 있어서의 공기의 유속의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, 플래시백을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 7은 버너(42)의 상세 구성이 다른 일 예를 도시하는 단면도이다. 도 8은 도 7에 있어서의 C-C 단면(중심 축선(O)에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다. 도 9는 도 7에 있어서의 D-D 단면(직경방향에 직교하는 단면)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 7 내지 도 9에 도시하는 버너(42)에 있어서, 도 4 등에 도시한 버너(42)의 각 구성과 공통의 부호는, 특기하지 않는 한, 도 4 등에 도시한 버너(42)의 각 구성과 마찬가지의 구성을 나타내는 것으로 하고, 설명을 생략한다.
도 7 내지 도 9에 도시하는 버너(42)는, 지지부(39)의 수 및 지지부(39)의 형상이 도 4 내지 도 6에 도시한 버너(42)와는 상이하다.
도 7 내지 도 9에 도시하는 버너(42)는, 연료 노즐(43)의 주위에 간격을 두고 마련된 복수의 지지부(39)로서, 6개의 지지부(39)를 포함한다. 또한, 지지부(39)의 각각은, 공통의 선회방향의 공기 흐름을 형성하도록 구성된 선회 날개(56)에 의해 구성되어 있다. 선회 날개(56)의 외면(57)은, 압력면(57a) 및 부압면(57b)을 포함한다. 지지부(39)의 내부에 형성되는 연료 유로(48)의 유로 단면은 오벌형상을 갖고 있다.
이러한 구성에 의하면, 복수의 선회 날개(56)가 스월러로서 기능하여, 혼합 유로(46)를 통하는 공기에 선회를 부여할 수 있다. 이에 의해, 혼합 유로(46)에 있어서의 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
도 10은 버너(42)의 상세 구성의 다른 일 예를 도시하는 단면도이다. 도 11은, 도 10에 도시하는 버너(42)의 노즐(43) 및 지지부(39)의 개략 사시도이다.
도 10에 도시하는 버너(42)에 있어서, 도 4 내지 도 6에 도시한 버너(42)의 각 구성과 공통의 부호는, 특기하지 않는 한 도 3 내지 도 6에 도시한 버너의 각 구성과 동일한 구성을 도시한 것으로 하고, 설명을 생략한다.
도 10에 도시하는 버너(42)는, 지지부(39)의 형상이 도 4 내지 도 6에 도시한 버너(42)와는 상이하다.
도 10 및 도 11에 도시하는 버너(42)에서는, 지지부(39) 중 하류측의 면(60)은 제 1 면(62), 단차면(64), 제 2 면(66)을 포함한다. 제 1 면(62)은 축선(O)방향에 있어서, 제 2 면(66)보다 상류측에 위치한다. 제 1 면(62)은, 축선(O)방향과 교차(도시하는 형태에서는 직교)하도록 형성되어 있으며, 혼합 유로(46)의 벽면(63)과 단차면(64)을 접속한다. 단차면(64)은 직경방향과 교차(도시하는 형태에서는 직교)하도록 형성되어 있으며, 제 1 면(62)과 제 2 면(66)을 접속한다. 제 2 면(66)은 축선(O)방향과 교차(도시하는 형태에서는 직교)하도록 형성되어 있으며, 단차면(64)과 노즐(43)의 외주면(68)을 접속한다. 도시하는 형태에서는, 지지부(39)는 직경방향에 직교하는 단면에 있어서, 사각형 또는 대략 사각형으로 형성되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 도 10에 도시하는 바와 같이, 혼합 유로(46)에 있어서 단차면(64)의 하류측에 세로 소용돌이가 형성되기 때문에, 세로 소용돌이에 의해 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
또한, 도 10에 도시하는 구성에서는, 제 1 면(62)이 제 2 면(66)보다 상류측에 위치하는 구성을 예시했지만, 예를 들면 도 12에 도시하는 바와 같이, 제 1 면(62)은 제 2 면(66)의 하류측에 위치하여도 좋다. 이러한 구성에 의해서도, 혼합 유로(46)에 있어서, 단차면(64)의 하류측에 세로 소용돌이가 형성되기 때문에, 세로 소용돌이에 의해 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
도 13은 버너 집합체(32)의 다른 구성예를 부분적으로 도시하는 모식도이며, 축선(L)방향에 있어서의 상류측으로부터 버너 집합체(32)의 일부를 본 도면이다. 도 14는 도 13에 있어서의 E-E 단면을 부분적으로 도시하는 개략 단면도이다.
도 13에 도시하는 버너 집합체(32)에 있어서, 도 3 내지 도 6에 도시한 버너 집합체(32)의 각 구성과 공통의 부호는, 특기하지 않는 한 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같은 버너 집합체(32)의 각 구성과 동일한 구성을 도시하는 것으로 하고, 설명을 생략한다.
도 13 및 도 14에 도시하는 버너 집합체(32)에서는, 버너(42)가 구비하는 지지부(39)의 위치 및 형상이 도 4 등에 도시하는 구성과는 상이하다.
도 13 및 도 14에 도시하는 구성에서는, 연료 노즐(43)을 지지하는 복수의 지지부(39)의 각각은, 혼합 유로(46)보다 상류측에 마련된다. 지지부(39)의 일단은, 혼합 유로(46)의 유로벽(55) 중 상류측의 단부인 상류측 단부(80)에 접속되어 있으며, 지지부(39)의 타단은, 연료 노즐(43) 중 상류측의 단부인 상류측 단부(82)에 접속되어 있다. 또한, 연료 노즐(43)의 상류측 단부(82)는, 혼합 유로(46)의 외부에 위치하며, 지지부(39)는, 연료 노즐(43)측을 향함에 따라서 연료 노즐(43)의 연료 분사 구멍(53)으로부터 축선(O)방향으로 이격되도록 연장된다.
지지부(39)의 각각은, 지지부(39)에 있어서의 직경방향에 직교하는 단면에 있어서, 예를 들면 원형형상을 갖고 있어도 좋으며, 예를 들면 도 6에 도시한 바와 같이 유선형으로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 지지부(39)의 각각은, 도 9에 도시한 바와 같이 공통의 선회방향의 공기 흐름을 형성하도록 구성된 선회 날개(56)에 의해 구성되어 있어도 좋다.
또한, 도 14에 도시하는 구성에서는, 내부에 연료 유로(48)가 형성된 지지부(39)에 부가하여, 내부에 연료 유로가 마련되어 있지 않은 지지부(84)가 혼합 유로(46)의 내부에 마련되어 있다. 지지부(84)는, 지지부(39)보다 하류측이며, 또한, 혼합 유로(46)의 내부에서 연료 노즐(43)의 주위에 간격을 두고 마련되어 있다. 지지부(84)는, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)의 벽면(63)과 연료 노즐(43)을 접속하며, 연료 노즐(43)을 지지하고 있다.
지지부(84)는 지지부(84)에 있어서의 직경방향에 직교하는 단면에 있어서, 예를 들면 원형형상을 갖고 있어도 좋으며, 유선형으로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 지지부(84)의 각각은, 공통의 선회방향의 공기 흐름을 형성하도록 구성된 선회 날개(85)에 의해 구성되어 있어도 좋다. 복수의 선회 날개(85)가 스월러로서 기능하는 것에 의해, 혼합 유로(46)를 통하는 공기에 선회를 부여할 수 있다. 이에 의해, 혼합 유로(46)에 있어서의 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시하는 구성에 있어서도, 버너(42)의 각각에 있어서 혼합 유로(46)의 유로벽(55)에 접속된 지지부(39)에 연료 노즐(43)이 지지되어 있기 때문에, 혼합 유로(46)의 상류측에 혼합 유로(46)의 유로벽(55)과는 독립되어 구성된 특허문헌 1에 기재와 같은 대형 헤더를 마련할 필요가 없다. 이 때문에, 헤더에 기인하는 복수의 혼합 유로 사이에서의 공기의 유량의 편향을 없애, 복수의 혼합 유로(46) 사이에서의 연료 농도의 편향을 작게 할 수 있다. 따라서, 저 NOx화 및 플래시백의 억제가 가능해진다.
또한, 도 4 등에 도시한 바와 같이, 연료 유로(48)를 내부에 갖는 지지부(39)를 혼합 유로(46)의 내부에 배치하면, 혼합 유로(46)의 유로 면적이 작아져, 압력 손실이 증대한다. 이 점, 도 13 및 도 14에 도시하는 구성에서는, 연료 유로(48)를 내부에 갖는 지지부(39)가 혼합 유로(46)의 외부에 마련되어 있기 때문에, 혼합 유로(46)의 유로 면적의 감소를 억제하여, 압력 손실의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 내부에 연료 유로를 갖지 않는 지지부(84)를 혼합 유로(46)에 마련하여도, 내부에 연료 유로를 갖는 지지부(39)를 혼합 유로(46)에 마련하는 경우보다, 혼합 유로(46)의 유로 면적의 감소를 억제할 수 있으므로, 압력 손실의 증대를 억제하면서 버너(42)의 강성을 확보할 수 있다.
본 개시는 상술한 실시형태로 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들면, 상술한 몇 가지의 실시형태에서는, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)이 스로틀부(76)를 포함하는 경우를 예시했지만, 혼합 유로(46)의 유로벽(55)은 스로틀부(76)를 포함하고 있지 않아도 좋다. 예를 들면, 혼합 유로(46)의 유로 폭은 혼합 유로(46)의 입구로부터 출구까지 축선(O)방향으로 일정하여도 좋다.
또한, 상술한 선세부(72)를 마련하는 실시형태에서는, 축선(O)방향에 있어서, 선세부(72)가 존재하는 범위(S1)가, 스로틀부(76)가 존재하는 범위(S2)의 내측에 위치하는 구성을 예시했지만, 선세부(72)가 존재하는 범위(S1)의 일부는, 스로틀부(76)가 존재하는 범위(S2)의 외측에 위치하여도 좋다.
또한, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각은 서로 동일한 구성이어도 좋으며, 서로 상이한 구성이어도 좋다. 예를 들면, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각이 도 4 등을 이용하여 설명한 버너(42)여도 좋으며, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각이 도 7 등을 이용하여 설명한 버너(42)여도 좋다. 또한, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각이 도 10 등을 이용하여 설명한 버너(42)여도 좋으며, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각이 도 12 등을 이용하여 설명한 버너(42)여도 좋으며, 버너 집합체(32)가 구비하는 복수의 버너(42)의 각각이 도 14 등을 이용하여 설명한 버너(42)여도 좋다. 또한, 버너 집합체(32)는, 이들의 서로 상이한 구성을 갖는 복수의 버너(42)를 조합하여 구비하고 있어도 좋다.
상기 각 실시형태에 기재의 내용은, 예를 들면 이하와 같이 파악된다.
(1) 본 개시에 따른 버너 집합체는,
연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너(예를 들면, 상술의 버너(42))를 구비하는 버너 집합체(예를 들면, 상술의 버너 집합체(32))에 있어서,
상기 복수의 버너의 각각은,
상기 연료를 분사하기 위한 연료 노즐(예를 들면, 상술의 연료 노즐(43))과,
상기 연료 및 상기 공기가 공급되는 혼합 유로(예를 들면, 상술의 혼합 유로(46))와,
상기 혼합 유로의 유로벽(예를 들면, 상술의 유로벽(55))과 상기 연료 노즐을 접속하며, 상기 연료 노즐을 지지하는 지지부(예를 들면, 상술의 지지부(39))를 포함한다.
상기 (1)에 기재된 버너 집합체에 의하면, 버너의 각각에 있어서 혼합 유로의 유로벽에 접속된 지지부에 연료 노즐이 지지되어 있기 때문에, 혼합 유로의 상류측에 혼합 유로의 유로벽과는 독립되어 마련된 특허문헌 1에 기재와 같은 대형 헤더를 마련할 필요가 없다. 이 때문에, 헤더에 기인하는 복수의 혼합 유로 사이에서의 공기의 유량의 편향을 없애, 복수의 혼합 유로 사이에서의 연료 농도의 편향을 작게 할 수 있다. 따라서, 저 NOx화 및 플래시백의 억제가 가능해진다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 연료 노즐은 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 하류측을 향함에 따라서 외경이 작아지는 선세부(예를 들면, 상술의 선세부(72))를 포함하며,
상기 혼합 유로는 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 하류측에 향함에 따라서 유로 폭이 좁아지는 스로틀부(예를 들면, 상술의 스로틀부(76))를 포함하며,
상기 혼합 유로의 축선방향에 있어서, 상기 테이퍼부가 마련되는 범위(예를 들면, 상술의 범위(S1))와, 상기 스로틀부가 마련되는 범위(예를 들면, 상술의 범위(S2))는 적어도 부분적으로 오버랩되어 있다.
상기 (2)에 기재된 버너 집합체에 의하면, 연료 노즐의 선세부에 기인하여 혼합 유로의 유로 단면적이 혼합 유로의 축선방향으로 변화하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 선세부에 기인하여 혼합 유로에 있어서의 공기의 유속이 저하하는 것을 억제하여, 혼합 유로 내의 공기의 유속을 일정에 가깝게 할 수 있다. 따라서, 플래시백을 효과적으로 억제할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 지지부의 내부에는, 상기 연료를 상기 연료 노즐에 공급하기 위한 연료 유로(예를 들면, 상술의 연료 유로(48))가 형성된다.
상기 (3)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 지지부와는 별도로 연료 공급로를 마련하는 경우와 비교하여, 지지부의 내부에 연료 공급로를 마련하는 것에 의해, 버너 집합체의 구성을 간소화할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 지지부는 상기 혼합 유로의 내부에 마련된다.
상기 (4)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 복수의 혼합 유로 사이에서의 연료 농도의 편향을 효과적으로 작게 할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 버너 집합체에 있어서,
상기 지지부는 상기 공기의 흐름방향(예를 들면, 상술의 축선(O)을 따른 공기의 흐름방향)에 있어서 상기 혼합 유로보다 상류측에 마련된다.
상기 (5)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 연료 유로를 갖는 지지부가 혼합 유로의 외부에 마련되어 있기 때문에, 연료 유로를 갖는 지지부를 혼합 유로의 내부에 마련하는 경우와 비교하여, 혼합 유로의 유로 면적의 감소를 억제하고, 압력 손실의 증대를 억제할 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (5)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 연료 노즐 중 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부(예를 들면, 상술의 단부(82))는 상기 혼합 유로의 외부에 위치하며,
상기 지지부는, 상기 연료 노즐측을 향함에 따라서 상기 연료 노즐의 연료 분사 구멍(예를 들면, 상술의 연료 분사 구멍(53))으로부터 상기 혼합 유로의 축선방향으로 이격되도록 연장된다.
상기 (6)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 혼합 유로의 입구의 면적을 확보하면서 지지부를 혼합 유로의 외부에 마련할 수 있기 때문에, 혼합 유로의 압력 손실의 증대를 효과적으로 억제할 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 지지부 중 상기 공기의 흐름방향의 상류측의 면은 볼록 곡면(예를 들면, 상술의 볼록 곡면(52))을 포함한다.
상기 (7)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 지지부의 유로 저항의 증대를 억제하고, 혼합 유로에 있어서의 공기의 유속의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, 플래시백을 효과적으로 억제할 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 지지부 중 상기 공기의 흐름방향의 하류측의 면은 단차면(예를 들면, 상술의 단차면(64))을 포함한다.
상기 (8)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 혼합 유로에 있어서 단차면의 하류측에 세로 소용돌이가 형성되기 때문에, 세로 소용돌이에 의해 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
(9) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 버너의 각각은 상기 지지부를 복수 포함하며,
상기 복수의 지지부는 상기 연료 노즐의 주위에 간격을 두고 마련된다.
상기 (9)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 복수의 혼합 유로 사이에서의 연료 농도의 편향을 작게 하면서, 버너의 강성을 확보할 수 있다.
(10) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (9)에 기재의 버너 집합체에 있어서,
상기 복수의 지지부의 각각은 공통의 선회방향의 공기 흐름을 형성하도록 구성된 선회 날개(예를 들면, 상술의 선회 날개(56))이다.
상기 (10)에 기재의 버너 집합체에 의하면, 복수의 선회 날개가 스월러로서 기능하여, 혼합 유로를 통하는 공기에 선회를 부여할 수 있다. 이에 의해, 혼합 유로에 있어서의 공기와 연료의 혼합이 촉진되어, 더욱 저 NOx화를 기대할 수 있다.
(11) 본 개시에 따른 가스 터빈 연소기는,
상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나의 기재의 버너 집합체와,
상기 버너 집합체의 하류측에 화염이 형성되는 공간을 형성하는 연소통(예를 들면, 상술의 연소통(25))을 구비한다.
상기 (11)에 기재의 가스 터빈 연소기에 의하면, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재의 버너 집합체를 구비하기 때문에, 저 NOx화 및 플래시백의 억제가 가능해져, 환경 성능이 뛰어난 연소기를 안정적으로 사용할 수 있다.
(12) 본 개시에 따른 가스 터빈(예를 들면, 상술의 가스 터빈(100))은,
압축기(예를 들면, 상술의 압축기(2))와,
상기 압축기에 의해 압축된 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 (11)에 기재의 가스 터빈 연소기이다.
상기 (12)에 기재의 가스 터빈에 의하면, 상기 (11)에 기재의 가스 터빈 연소기를 구비하기 때문에, 환경 성능이 뛰어난 가스 터빈을 안정적으로 운전할 수 있다.
2: 압축기 4: 연소기
6: 터빈 8: 로터
10: 압축기 차실 12: 입구
14: 입구 안내 날개 16, 24: 정익
18, 26: 동익 20: 케이싱
21: 바닥면 22: 터빈 차실
23: 간극 25: 연소통
28: 배기 차실 30: 배기실
32: 버너 집합체 34: 통형상 부재
35, 39, 84: 지지부 36: 공기 유로
40: 차실 42: 버너
43: 연료 노즐 45, 48: 연료 유로
46: 혼합 유로 50, 60: 면
51: 연료실 52: 볼록 곡면
53: 연료 분사 구멍 55: 유로벽
56: 선회 날개 57: 외면
57a: 압력면 57b: 부압면
62: 제 1 면 63: 벽면
64: 단차면 66: 제 2 면
68: 외주면 70: 외경 일정부
72: 선세부 74, 78: 유로 폭 일정부
76: 스로틀부 80, 82: 상류측 단부
100: 가스 터빈

Claims (12)

  1. 연료 및 공기를 혼합하기 위한 복수의 버너를 구비하는 버너 집합체에 있어서,
    상기 복수의 버너의 각각은,
    상기 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
    상기 연료 및 상기 공기가 공급되는 혼합 유로와,
    상기 혼합 유로의 유로벽과 상기 연료 노즐을 접속하며, 상기 연료 노즐을 지지하는 지지부를 포함하는
    버너 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 노즐은 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 하류측을 향함에 따라서 외경이 작아지는 선세부(先細部)를 포함하며,
    상기 혼합 유로는 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 하류측을 향함에 따라서 유로 폭이 좁아지는 스로틀부를 포함하며,
    상기 혼합 유로의 축선방향에 있어서, 상기 테이퍼부가 마련되는 범위와, 상기 스로틀부가 마련되는 범위는 적어도 부분적으로 오버랩되어 있는
    버너 집합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지지부의 내부에는, 상기 연료를 상기 연료 노즐에 공급하기 위한 연료 유로가 형성된
    버너 집합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 혼합 유로의 내부에 마련된
    버너 집합체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 공기의 흐름방향에 있어서 상기 혼합 유로보다 상류측에 마련된
    버너 집합체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 노즐 중 상기 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측의 단부는 상기 혼합 유로의 외부에 위치하며,
    상기 지지부는 상기 연료 노즐측을 향함에 따라서 상기 연료 노즐의 연료 분사 구멍으로부터 상기 혼합 유로의 축선방향으로 이격되도록 연장되는
    버너 집합체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부 중 상기 공기의 흐름방향의 상류측의 면은 볼록 곡면을 포함하는
    버너 집합체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부 중 상기 공기의 흐름방향의 하류측의 면은 단차면을 포함하는
    버너 집합체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너의 각각은 상기 지지부를 복수 포함하며,
    상기 복수의 지지부는 상기 연료 노즐의 주위에 간격을 두고 마련된
    버너 집합체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 지지부의 각각은 공통의 선회방향의 공기 흐름을 형성하도록 구성된 선회 날개인
    버너 집합체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 버너 집합체와,
    상기 버너 집합체의 하류측에 화염이 형성되는 공간을 형성하는 연소통을 구비하는
    가스 터빈 연소기.
  12. 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 11 항에 기재된 가스 터빈 연소기인
    가스 터빈.
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