KR20230112687A - 예혼합 연소 버너, 연료 분사 장치 및 가스 터빈 - Google Patents

예혼합 연소 버너, 연료 분사 장치 및 가스 터빈 Download PDF

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KR20230112687A
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기요시 후지모토
도모 가와카미
겐지 미야모토
게이스케 미우라
신이치 후쿠바
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

예혼합 연소 버너는, 축선이 뻗는 축선 방향의 제1 측에 입구 개구를 가짐과 함께 축선 방향의 제2 측에 출구 개구를 갖는 외관과, 축선 방향으로 뻗는 통 형상으로 형성되고, 외관의 내측에 간격을 두고 배치되며, 외관과의 사이에 필름 공기가 흐르는 필름 공기 유로를 형성하는 내관과, 외관의 내벽면으로부터 내방을 향하여 뻗어 내관을 지지하는 스트럿을 구비한다. 내관의 제1 측의 단부는, 외관의 상기 입구 개구보다 제2 측에 배치되고, 내관의 제2 측의 단부는, 외관의 출구 개구보다 제1 측에 배치되며, 외관, 스트럿 및 내관에는, 연료를 상기 외관의 외측으로부터 스트럿의 내부를 거쳐 내관의 내측에 분사시키는 연료 분사 유로가 형성되어 있다.

Description

예혼합 연소 버너, 연료 분사 장치 및 가스 터빈
본 개시는, 예(豫)혼합 연소 버너, 연료 분사 장치 및 가스 터빈에 관한 것이다.
본원은, 2021년 2월 19일에 일본에 출원된 특허출원 2021-025565호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
가스 터빈 등의 연소기에 있어서는, 질소 산화물의 배출 저감 등을 위하여, 이른바 예혼합 연소를 행하는 기술이 알려져 있다. 특허문헌 1에는, 수소 등 연소 속도가 높은 고반응성 연료를 이용할 때에 유로 내로의 플래시백을 억제 가능한 가스 터빈용의 예혼합 연소 버너가 기재되어 있다. 이 특허문헌 1의 예혼합 연소 버너는, 관 내 유로의 공기 흐름에 대하여 연료 플리넘으로부터 연료를 유입시켜 혼합시킨 후에, 그 혼합 기체에 교차하도록 공기 플리넘으로부터 공기를 유입시키고 있다.
일본 공개특허공보 2012-57929호
특허문헌 1에 기재되어 있는 예혼합 연소 버너에 있어서 관 내 유로를 흐르는 혼합 기체의 유속은, 관 내 벽면의 근방에서 느려진다. 한편, 특허문헌 1과 같이, 관 내 유로의 공기 흐름에 대하여 교차하도록 연료를 유입시키는 경우, 관 내 벽면의 근방에 있어서의 연료 농도가 높아지는 경우가 있다. 그 때문에, 연료의 연소 속도가 관 내 벽면의 근방에 있어서의 유속을 상회하여, 관 내 유로를 화염이 거슬러 오르는 플래시백이 발생할 가능성이 있다.
본 개시의 목적은, 플래시백의 발생을 억제할 수 있는 예혼합 연소 버너, 연료 분사 장치 및 가스 터빈을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 개시에 관한 예혼합 연소 버너는, 축선이 뻗는 축선 방향의 제1 측에 입구 개구를 가짐과 함께 상기 축선 방향의 제2 측에 출구 개구를 갖는 외관과, 상기 축선 방향으로 뻗는 통 형상으로 형성되고, 상기 외관의 내측에 간격을 두고 배치되며, 상기 외관과의 사이에 필름 공기가 흐르는 필름 공기 유로를 형성하는 내관과, 상기 외관의 내벽면으로부터 내방을 향하여 뻗어 상기 내관을 지지하는 스트럿을 구비하고, 상기 내관의 상기 제1 측의 단부(端部)는, 상기 외관의 상기 입구 개구보다 제2 측에 배치되며, 상기 내관의 상기 제2 측의 단부는, 상기 외관의 상기 출구 개구보다 제1 측에 배치되고, 상기 외관, 상기 스트럿 및 상기 내관에는, 연료를 상기 외관의 외측으로부터 상기 스트럿의 내부를 거쳐 상기 내관의 내측에 분사시키는 연료 분사 유로가 형성되어 있다.
상기 양태에 의하면, 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시형태에 관한 가스 터빈의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 이 발명의 제1 실시형태에 있어서의 연소기의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 제1 실시형태에 관한 예혼합 연소 버너의 단면도이다.
도 4는 도 3의 스트럿의 IV-IV 단면도이다.
도 5는 상기 예혼합 연소 버너를 축선 방향에서 본 도이다.
도 6은 세로축을 내관의 내벽면 및 내관보다 축선 하류 측의 외관의 내벽면에 있어서의 연료 농도, 가로축을 예혼합 연소 버너의 축선 방향 위치로 한 그래프이다.
도 7은 본 개시의 제2 실시형태에 관한 예혼합 연소 버너의 도 3에 상당하는 단면도이다.
도 8은 본 개시의 실시형태의 제1 변형예를 나타내는 예혼합 연소 버너의 단면도이다.
도 9는 본 개시의 실시형태의 제2 변형예를 나타내는 예혼합 연소 버너의 단면도이다.
이하, 본 개시의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.
<제1 실시형태>
《가스 터빈의 구성》
도 1은, 본 개시의 제1 실시형태에 관한 가스 터빈의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈(10)은, 공기(A)를 압축하는 압축기(20)와, 압축기(20)에서 압축된 공기 중에서 연료를 연소시켜 연소 가스(G)를 생성하는 복수의 연소기(40)와, 연소 가스(G)에 의하여 구동되는 터빈(30)을 구비하고 있다.
압축기(20)는, 로터 축선(Lr)을 중심으로 하여 회전하는 압축기 로터(21)와, 압축기 로터(21)를 회전 가능하게 덮는 압축기 케이싱(25)과, 복수의 정익렬(靜翼列)(26)을 갖는다. 또한, 이하에서는, 로터 축선(Lr)이 뻗는 방향을 로터 축선 방향(Da), 이 로터 축선 방향(Da)의 일방 측을 축선 상류 측(Dau), 타방 측을 축선 하류 측(Dad)으로 한다. 또, 이 로터 축선(Lr)을 중심으로 한 둘레 방향을 간단히 둘레 방향(Dc)으로 하고, 로터 축선(Lr)에 대하여 수직인 방향을 직경 방향(Dr)으로 한다. 또한, 직경 방향(Dr)으로 로터 축선(Lr)에 가까워지는 측을 직경 방향 내측(Dri)으로 하고, 그 반대 측을 직경 방향 외측(Dro)으로 한다.
압축기 로터(21)는, 로터 축선(Lr)을 따라 로터 축선 방향(Da)으로 뻗는 로터축(22)과, 이 로터축(22)에 장착되어 있는 복수의 동익렬(動翼列)(23)을 갖는다. 복수의 동익렬(23)은, 로터 축선 방향(Da)으로 나열되어 있다. 각 동익렬(23)은, 모두, 둘레 방향(Dc)으로 나열되어 있는 복수의 동익으로 구성되어 있다. 복수의 동익렬(23)의 각각의 축선 하류 측(Dad)에는, 복수의 정익렬(26) 중 어느 하나의 정익렬(26)이 배치되어 있다. 각 정익렬(26)은, 압축기 케이싱(25)의 내측에 마련되어 있다. 각 정익렬(26)은, 모두, 둘레 방향(Dc)으로 나열되어 있는 복수의 정익으로 구성되어 있다. 로터축(22)의 직경 방향 외측(Dro)과 압축기 케이싱(25)의 직경 방향 내측(Dri)의 사이이며, 로터 축선 방향(Da)으로 정익 및 동익이 배치되어 있는 영역의 환상의 공간은, 공기가 흐르면서 압축되는 공기 압축 유로를 이룬다.
터빈(30)은, 압축기(20)의 축선 하류 측(Dad)에 배치되어 있다. 이 터빈(30)은, 로터 축선(Lr)을 중심으로 하여 회전하는 터빈 로터(31)와, 터빈 로터(31)를 회전 가능하게 덮는 터빈 케이싱(35)과, 복수의 정익렬(36)을 갖는다. 터빈 로터(31)는, 로터 축선(Lr)을 따라 로터 축선 방향(Da)으로 뻗는 로터축(32)과, 이 로터축(32)에 장착되어 있는 복수의 동익렬(33)을 갖는다. 복수의 동익렬(33)은, 로터 축선 방향(Da)으로 나열되어 있다. 각 동익렬(33)은, 모두, 둘레 방향(Dc)으로 나열되어 있는 복수의 동익으로 구성되어 있다.
복수의 동익렬(33)의 각각의 축선 상류 측(Dau)에는, 복수의 정익렬(36) 중 어느 하나의 정익렬(36)이 배치되어 있다. 각 정익렬(36)은, 터빈 케이싱(35)의 내측에 마련되어 있다. 각 정익렬(36)은, 모두, 둘레 방향(Dc)으로 나열되어 있는 복수의 정익으로 구성되어 있다. 로터축(32)의 직경 방향 외측(Dro)과 터빈 케이싱(35)의 직경 방향 내측(Dri)의 사이이며, 로터 축선 방향(Da)으로 정익 및 동익이 배치되어 있는 영역의 환상의 공간은, 연소기(40)로부터의 연소 가스(G)가 흐르는 연소 가스 유로를 이룬다.
압축기 로터(21)와 터빈 로터(31)는, 동일 로터 축선(Lr) 상에 위치하고, 서로 접속되어 가스 터빈 로터(11)를 이룬다. 이 가스 터빈 로터(11)에는, 예를 들면, 발전기(GEN)의 로터가 접속되어 있다. 가스 터빈(10)은, 로터 축선(Lr)을 중심으로 하여 통 형상의 중간 케이싱(16)을 더 구비한다.
중간 케이싱(16)은, 로터 축선 방향(Da)으로, 압축기 케이싱(25)과 터빈 케이싱(35)의 사이에 배치되어 있다. 압축기 케이싱(25)과 터빈 케이싱(35)은, 이 중간 케이싱(16)을 개재하여 접속되어 있다. 압축기 케이싱(25)과 중간 케이싱(16)과 터빈 케이싱(35)은, 서로 접속되어 가스 터빈 케이싱(15)을 이룬다. 중간 케이싱(16) 내에는, 압축기(20)로부터의 압축 공기(Acom)가 유입된다. 복수의 연소기(40)는, 이 중간 케이싱(16)에 마련되어 있다.
《연소기의 구성》
도 2는, 이 발명의 제1 실시형태에 있어서의 연소기의 단면도이다. 또한, 도 2에 있어서, 연소기(40) 내부의 상세한 구성에 대하여 도시를 생략하고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 연소기(40)는, 연소통(50)과, 연료 분사 장치(60)를 갖는다.
연소통(50)은, 연료 분사 장치(60)로부터 분사된 혼합 기체(Gm)를 연소(환언하면, 예혼합 연소)시킴으로써 고온·고압의 연소 가스(G)를 생성한다. 연소통(50)은, 또한, 이 생성된 고온 고압의 연소 가스(G)를 터빈(30)의 연소 가스 유로 내에 보낸다. 이 제1 실시형태의 연소통(50)은, 중간 케이싱(16) 내에 배치되어 있다.
연료 분사 장치(60)는, 압축 공기(Acom)와 연료(F)(도 1 참조)를 혼합하여 연소통(50) 내에 혼합 기체(Gm)를 분사한다. 연료 분사 장치(60)는, 복수의 예혼합 연소 버너(61A)와, 케이싱(62)과, 연료 플리넘(63)(후술한다)을 구비하고 있다. 이 제1 실시형태의 연소기(40)의 연료(F)는, 연소 속도가 높은 고반응성 연료인 수소 등을 이용할 수 있다. 또한, 이하에서는, 연소기(40)의 축선(At)이 뻗는 방향을 연소기 축선 방향(Dt)으로 한다. 또한, 연소기(40)에는, 파일럿 버너(도시하지 않음)를 더 구비하고 있어도 된다.
《예혼합 연소 버너의 구성》
도 3은, 본 개시의 제1 실시형태에 관한 예혼합 연소 버너의 단면도이며, 예를 들면, 도 2의 파선으로 둘러싸인 부분의 확대도이다. 도 4는, 도 3의 스트럿의 IV-IV 단면도이다. 도 5는, 도 3의 예혼합 연소 버너의 V-V 단면도이다. 상기 예혼합 연소 버너를 축선 방향에서 본 도이다.
예혼합 연소 버너(61A)는, 압축기(20)로부터 공급되는 압축 공기(Acom)와 연료 라인(45)으로부터 공급되는 연료(F)를 혼합한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 예혼합 연소 버너(61A)는, 외관(64)과, 내관(65)과, 스트럿(66)을 구비하고 있다.
도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 외관(64)은, 연소기 축선 방향(Dt)의 제1 측인 축선 상류 측(Dtu)에 입구 개구(67)를 가짐과 함께, 연소기 축선 방향(Dt)의 제2 측인 축선 하류 측(Dtd)에 출구 개구(68)를 갖고 있다. 이 제1 실시형태의 외관(64)은, 그 내측에 축선(At)과 평행한 중심 축선(O)을 중심으로 하는 원주상의 내부 공간(69)을 형성하고 있다. 이 제1 실시형태에 있어서의 복수의 예혼합 연소 버너(61A)의 외관(64)의 각각의 연소기 축선 방향(Dt)의 길이는, 동일하게 형성되어 있다. 또한, 이들 외관(64)의 연소기 축선 방향(Dt)의 위치는, 각각 동일하게 되어 있다. 또한, 이하에서는, 외관(64)의 내부 공간(69)의 중심 축선(O)이 뻗는 방향을 축선 방향(Do)으로 한다. 또, 축선 방향(Do)의 제1 측을 축선 상류 측(Dou), 제2 측을 축선 하류 측(Dod)으로 한다. 또한, 이 중심 축선(O)을 중심으로 한 둘레 방향을 간단히 둘레 방향(Doc)으로 하고, 중심 축선(O)에 대하여 수직인 방향을 직경 방향(Dor)으로 한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 내관(65)은, 복수의 외관(64)의 각각의 내측에 간격을 두고 배치되어 있다. 내관(65)은, 축선 방향(Do)으로 뻗는 통 형상으로 형성되어 있다. 내관(65)은, 외관(64)과의 사이에 필름 공기(Af)가 흐르는 필름 공기 유로(71)를 형성하고 있다. 이 제1 실시형태에서 예시하는 내관(65)은, 두께 치수가 일정하고 중심 축선(O)을 중심으로 한 원통 형상으로 형성되어 있다. 이로써, 이 제1 실시형태에 있어서의 내관(65)의 외주면(65a)과 외관(64)의 내주면(64a)의 사이에는, 스트럿(66)이 형성되는 개소를 제외하고, 직경 방향(Dor)의 치수가 일정한 필름 공기 유로(71)가 형성되어 있다. 예를 들면, 필름 공기 유로(71)의 직경 방향(Dor)의 치수(S)는, 외관(64)의 내경의 10% 정도로 할 수 있다.
내관(65)의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)는, 외관(64)의 입구 개구(67)보다 축선 하류 측(Dod)에 배치되어 있다. 또, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)는, 외관(64)의 출구 개구(68)보다 축선 상류 측(Dou)에 배치되어 있다. 이 제1 실시형태에서 예시하는 예혼합 연소 버너(61A)는, 축선 방향(Do)에 있어서의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)와 입구 개구(67)의 거리(L1)보다, 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)와 출구 개구(68)의 거리(L2) 쪽이 크게 이루어져 있다.
이 제1 실시형태에 있어서의 내관(65)은, 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에 테이퍼면(72)을 갖고 있다. 이 테이퍼면(72)은, 축선 하류 측(Dod)을 향함에 따라 내관(65)의 직경 방향(Dor) 내측에 형성되는 내측 유로(73)의 유로 단면적을 확대하도록 경사져 있다.
도 3, 도 5에 나타내는 바와 같이, 스트럿(66)은, 외관(64)의 내주면(64a)으로부터 내방을 향하여 뻗어 내관(65)을 지지하고 있다. 바꾸어 말하면, 스트럿(66)은, 필름 공기 유로(71)를 직경 방향(Dor)으로 횡단하도록 마련되며, 외관(64)의 내주면(64a)과 내관(65)의 외주면(65a)을 접속하고 있다. 이 제1 실시형태에 있어서의 스트럿(66)은, 둘레 방향(Doc)으로 간격을 두고 복수 마련되어 있다. 도 5에 있어서는, 둘레 방향(Doc)으로 등간격이 되도록 4개의 스트럿(66)이 배치되어 있는 경우를 예시하고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 스트럿(66)의 단면 형상은, 날개형을 이루고 있다. 보다 구체적으로는, 이 스트럿(66)의 단면 형상은, 둘레 방향(Doc)의 제1 측을 향하는 제1 면(66a)과, 제2 측을 향하는 제2 면(66b)이 대칭으로 형성되고, 둘레 방향(Doc)의 중심선(Lc)과 익현(翼弦)이 일치하는 대칭 날개를 이루고 있다. 그리고, 이 대칭 날개의 중심선(Lc)은, 축선 방향(Do)으로 뻗어 있다. 상기와 같이 스트럿(66)의 단면 형상이 대칭 날개를 이루고 있음으로써, 스트럿(66)에 의하여 필름 공기 유로(71)의 공기 흐름에 선회 성분이 부여되는 것을 억제할 수 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 이 제1 실시형태의 내관(65)의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)는, 스트럿(66)의 가장 축선 상류 측(Dou)의 단부(66c)보다 축선 상류 측(Dou)까지 뻗어 있다. 또, 이 제1 실시형태의 스트럿(66)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(66d)는, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)보다 축선 상류 측(Dou)의 단부(66c)에 가까운 위치에 배치되어 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 연료 플리넘(63)은, 케이싱(62)(도 2 참조) 내이고 또한 외관(64)의 외측에 마련되어 있다. 연료 플리넘(63)에는 연료 라인(45)(도 1 참조)이 접속되어 있고, 이 연료 라인(45)으로부터 연료 플리넘(63)에 연료(F)가 공급된다. 또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료 라인(45)에는, 연료 플리넘(63)으로 공급하는 연료(F)의 유량을 조절하는 연료 유량 조절 밸브(46)가 마련되어 있다. 이 제1 실시형태에 있어서의 연료 플리넘(63)은, 적어도 스트럿(66)의 직경 방향(Dor)의 외측에 형성되어 있다.
외관(64), 스트럿(66) 및 내관(65)에는, 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있다. 연료 분사 유로(74)는, 연료(F)를 외관(64)의 외측으로부터 스트럿(66)의 내부를 거쳐 내관(65)의 내측의 내측 유로(73)에 분사시킨다. 보다 구체적으로는, 이 제1 실시형태의 연료 분사 유로(74)는, 외관(64), 스트럿(66) 및 내관(65)을 직경 방향(Dor)으로 관통하고 있다. 이 연료 분사 유로(74)에 의하여, 외관(64)에 인접하는 연료 플리넘(63)과, 내관(65)의 내측 유로(73)가 연통되고, 연료 분사 유로(74)를 통하여 연료 플리넘(63)의 연료(F)가, 도 3 중에 파선으로 나타내는 바와 같이 내관(65)의 내측 유로(73)에 분사된다. 여기에서, 연료 분사 유로(74)가 직경 방향(Dor)으로 뻗는 경우에 대하여 설명했지만, 연료 분사 유로(74)가 뻗는 방향은 직경 방향(Dor)에 한정되지 않는다. 연료 분사 유로(74)가 뻗는 방향은, 도 3의 단면시에서, 중심 축선(O)과 교차하는 방향이면 된다.
《외관 및 내관의 길이》
도 6은, 세로축을 내관의 내주면 및 내관보다 축선 하류 측의 외관의 내주면에 있어서의 연료 농도, 가로축을 예혼합 연소 버너의 축선 방향 위치로 한 그래프이다.
상기의 예혼합 연소 버너(61A)에는, 축선 상류 측(Dou)으로부터 압축 공기(Acom)가 유입된다. 구체적으로는, 압축 공기(Acom)는, 외관(64)의 입구 개구(67)로부터 유입되어, 내관(65)의 외측에 위치하는 필름 공기 유로(71)와, 내관(65)의 내측에 위치하는 내측 유로(73)로 분류된다. 이때, 압축 공기(Acom)는, 필름 공기 유로(71)와 내측 유로(73)의 유로 단면적의 비율에 따른 유량(체적 유량)으로 각각 분류된다. 필름 공기 유로(71)에 유입된 압축 공기(Acom)의 일부(바꾸어 말하면, 필름 공기(Af))는, 필름 공기 유로(71)를 축선 하류 측(Dod)을 향하여 흐른다. 한편, 내측 유로(73)에 유입된 압축 공기(Acom)의 잔부(바꾸어 말하면, 주류)는, 연료 분사 유로(74)로부터 분사된 연료(F)와 혼합되어 혼합 기체(Gm)가 된다. 이 제1 실시형태에 있어서의 연료(F)의 분사는, 내측 유로(73)의 흐름에 대하여 교차하는 방향으로 분사되는 이른바 크로스 플로가 되어 있다.
내관(65)의 내주면(65b)의 근방, 및 외관(64)의 내주면(64a)의 근방에는, 각 내주면(64a, 65b)에 접촉함으로써 유속이 저하되어 혼합 기체(Gm)의 연소 속도(바꾸어 말하면, 화염의 반응 속도)를 하회하는 유속의 흐름이 발생하는 경우가 있다. 여기에서, 연소 속도를 하회하는 유속이란, 예를 들면, 가연 유체의 흐름이었을 경우에, 흐름의 상류 측에 화염이 거슬러 올라 버리는 유속을 의미한다. 이하, 각 내주면(64a, 65b)에 접촉함으로써 유속이 저하되어 혼합 기체(Gm)의 연소 속도를 하회하는 유속의 흐름을, 간단히 내주면(64a)에 접하는 흐름, 또는, 내주면(65b)에 접하는 흐름이라고 칭한다.
이와 같은 예혼합 연소 버너(61A)에 있어서 분사된 연료(F)는, 축선 하류 측(Dod)을 향할수록, 압축 공기(Acom)와의 혼합이 진행되어, 도 6에 나타내는 바와 같이, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가 서서히 상승한다. 이 제1 실시형태의 내관(65)의 축선 방향(Do)의 길이는, 이 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가, 기류 중에서 화염이 유지될 가능성이 없는 충분히 낮은 농도(이하, 기준 농도라고 칭하며, 도 6 중, 일점 쇄선으로 나타낸다) 이하가 되도록 형성되어 있다.
내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)(도 6 중, 내관 출구)로부터 축선 하류 측(Dod)으로 흘러나온 혼합 기체(Gm)는, 외관(64)의 내측의 유로(내부 공간(69))를 축선 하류 측(Dod)을 향하여 흐른다. 여기에서, 내관(65)의 단부(65d)로부터 흘러나온 직후의 혼합 기체(Gm)의 주위에는, 필름 공기 유로(71)로부터 흘러나온 필름 공기(Af)가 흐르고 있다. 그리고, 필름 공기(Af)는, 축선 방향(Do)으로 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)로부터, 외관(64)의 출구 개구(68)(도 6 중, 외관 출구)를 향함에 따라, 혼합 기체(Gm)와 혼합되어, 그 연료 농도가 서서히 상승한다. 즉, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)(도 6 중, 내관 출구)의 위치로부터 축선 하류 측(Dod)을 향하여 서서히 상승한다. 이 제1 실시형태의 외관(64)의 축선 방향(Do)의 길이는, 이 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되도록 형성되어 있다.
《작용 효과》
상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)는, 축선 상류 측(Dou)에 입구 개구(67)를 가짐과 함께 축선 하류 측(Dod)에 출구 개구(68)를 갖는 외관(64)과, 축선 방향(Do)으로 뻗는 통 형상으로 형성되고 외관(64)의 내측에 간격을 두고 배치되며 외관(64)과의 사이에 필름 공기(Af)가 흐르는 필름 공기 유로(71)를 형성하는 내관(65)과, 외관(64)의 내주면(64a)으로부터 내방을 향하여 뻗어 내관(65)을 지지하는 스트럿(66)을 구비하고 있다. 그리고, 내관(65)의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)는, 외관(64)의 입구 개구(67)보다 축선 하류 측(Dod)에 배치되고, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)는, 외관(64)의 출구 개구(68)보다 축선 상류 측(Dou)에 배치되어 있다. 또한, 외관(64), 스트럿(66) 및 내관(65)에는, 연료(F)를 외관(64)의 외측으로부터 스트럿(66)의 내부를 거쳐 내관(65)의 내측에 분사시키는 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있다.
이와 같은 구성을 구비하는 예혼합 연소 버너(61A)에 의하면, 외관(64)의 내측에 내관(65)을 배치하여 필름 공기 유로(71)를 형성하고 있음으로써, 내관(65)보다 축선 하류 측(Dod)에 있어서의 외관(64)의 내주면(64a)을 따라 필름 공기(Af)를 흘릴 수 있다. 이로써, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 상승하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 유속이 연소 속도를 하회하는 경우이더라도, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 예혼합 연소 버너(61A)에 의하면, 내관(65)의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)가, 외관(64)의 입구 개구(67)보다 축선 하류 측(Dod)에 배치되어 있기 때문에, 외관(64)의 입구 개구(67)로부터 유입된 압축 공기(Acom)의 흐름을 저해하지 않고, 압축 공기(Acom)를 필름 공기 유로(71)와 내측 유로(73)로 안정적으로 분류시킬 수 있다. 또, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)는, 외관(64)의 출구 개구(68)보다 축선 상류 측(Dou)에 배치되어 있기 때문에, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 예혼합 연소 버너(61A)에 의하면, 연료 분사 유로(74)가 외관(64), 스트럿(66) 및 내관(65)의 각 내부에 형성되어 있기 때문에, 외관(64)의 외측의 연료 플리넘(63) 등에 공급된 연료(F)를, 내관(65)의 내주면(65b)으로부터 내측 유로(73)를 향하여 크로스 플로가 되도록 분사시킬 수 있다. 따라서, 연료 분사 유로(74)를 유도하기 위한 전용 배관을 형성하지 않고, 내관(65)을 지지하는 스트럿(66)의 내부를 유효하게 이용하여 연료 분사 유로(74)를 형성할 수 있다.
상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)의 외관(64)은, 입구 개구(67)로부터 필름 공기 유로(71)를 거쳐 출구 개구(68)에 도달하는 흐름 중, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하의 연료 농도가 되는 길이로 형성되어 있다.
따라서, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되어, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름이 연소하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 외관(64)의 내주면(64a)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
또, 상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)의 내관(65)은, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)로부터 유출되는 흐름 중, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되는 길이로 형성되어 있다.
따라서, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되어, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름이 연소하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 내관(65)의 내주면(65b)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)의 스트럿(66)은, 단면 날개 형상을 이루고 있다.
따라서, 필름 공기 유로(71)에 있어서 축선 방향(Do)으로 흐르는 필름 공기(Af)의 유로 저항을 저감시킬 수 있기 때문에, 필름 공기(Af)의 유속 저하를 억제할 수 있다.
또, 상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)는, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에, 축선 하류 측(Dod)을 향함에 따라 내측 유로(73)의 유로 단면적이 확대되도록 경사진 테이퍼면(72)을 구비하고 있다.
따라서, 내관(65)의 작성 상 편의에 따라 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에 테이퍼면(72)을 마련할 필요가 발생한 경우에, 필름 공기 유로(71)의 유로 단면적이 확대되어 필름 공기(Af)가 정압 회복하여 유속 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)는, 연료(F)로서 수소 가스를 포함하고 있다.
상기 예혼합 연소 버너(61A)에 의하면, 이와 같이 수소 가스를 포함하며, 연소 속도가 높은 고반응성 연료를 이용하고 있는 경우에 있어서도, 유효하게 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 이 제1 실시형태의 연료 분사 장치(60)는, 복수의 예혼합 연소 버너(61A)와, 예혼합 연소 버너(61A)를 지지하는 케이싱(62)과, 케이싱(62) 내이고 또한 외관(64)의 외측에 마련된 연료 플리넘(63)을 구비하고 있다.
상기 연료 분사 장치(60)에 의하면, 상기 예혼합 연소 버너(61A)를 구비함으로써 플래시백에 의한 손상의 발생을 억제할 수 있다.
또, 이 제1 실시형태의 가스 터빈(10)은, 압축 공기(Acom)를 생성하는 압축기(20)와, 상기 연료 분사 장치(60), 및 이 연료 분사 장치(60)로부터 분사된 혼합 기체(Gm)를 연소시킴으로써 연소 가스(G)를 생성하는 연소통(50)을 갖는 연소기(40)와, 연소기(40)에서 생성된 연소 가스(G)에 의하여 구동되는 터빈(30)을 구비하고 있다.
이와 같은 가스 터빈(10)에 의하면, 연소기(40)의 손상 발생을 억제하여, 가스 터빈(10)의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
<제2 실시형태>
다음으로, 본 개시의 제2 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다. 이하에 설명하는 제2 실시형태에 있어서는, 상술한 제1 실시형태와 예혼합 연소 버너의 구성만이 상이하다. 그 때문에, 제1 실시형태와 동일 부분에 동일 부호를 붙여 설명함과 함께, 중복 설명을 생략한다(후술하는 제1 변형예 및 제2 변형예도 동일).
《예혼합 연소 버너의 구성》
도 7은, 본 개시의 제2 실시형태에 관한 예혼합 연소 버너의 도 3에 상당하는 단면도이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 제2 실시형태의 예혼합 연소 버너(61B)는, 압축기(20)로부터 공급되는 압축 공기(Acom)와 연료 라인(45)으로부터 공급되는 연료(F)를 혼합한다. 예혼합 연소 버너(61B)는, 외관(64B)과, 내관(65B)과, 스트럿(66)을 구비하고 있다.
이 제2 실시형태의 외관(64B)은, 제1 실시형태와 동일하게, 축선 상류 측(Dou)에 입구 개구(67)를 가짐과 함께, 축선 하류 측(Dod)에 출구 개구(68)를 갖고 있다. 외관(64B)은, 외관 본체(81)와, 출구 단면 축소부(82)와, 출구 단부(83)를 구비하고 있다. 본 실시형태의 외관 본체(81)는, 내측에 축선(At)과 평행한 중심 축선(O)을 중심으로 하는 원주상의 내부 공간(84)을 형성하고 있다. 또한, 외관 본체(81)의 내부 공간(84)의 단면 형상은 원형에 한정되지 않는다.
출구 단면 축소부(82)는, 외관 본체(81)의 축선 하류 측(Dod)에 형성되어 있다. 출구 단면 축소부(82)는, 출구 개구(68)를 향하여 외관(64B)의 내부 공간(69)의 단면적(바꾸어 말하면, 유로 단면적)을 점차 감소시키고 있다. 이 제2 실시형태의 출구 단면 축소부(82)는, 가장 축선 하류 측(Dod)에 있어서 내관(65B)의 내경(r1)과 동등한 내경(r2)까지 일정한 경사 각도로 외관(64B)의 유로 단면적을 축소시키고 있다.
출구 단부(83)는, 출구 단면 축소부(82)의 축선 하류 측(Dod)에 형성되어 있다. 출구 단부(83)는, 출구 단면 축소부(82)와 출구 개구(68)를 연결하고 있고, 축선 방향(Do)의 전역에 있어서 일정한 유로 단면적이 되도록 형성되어 있다. 이 제2 실시형태에 있어서의 출구 단부(83)의 유로 단면적(바꾸어 말하면, 내경)은, 내관(65B)의 내측 유로(73)의 유로 단면적(바꾸어 말하면, 내경)과 동등하게 되어 있다.
내관(65B)은, 제1 실시형태와 동일하게, 외관(64B)의 내측에 간격을 두고 배치되어 있다. 내관(65B)은, 축선 방향(Do)으로 뻗는 통 형상으로 형성되고, 외관(64B)과의 사이에 필름 공기(Af)가 흐르는 필름 공기 유로(71)를 형성하고 있다. 내관(65B)의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)는, 외관(64B)의 입구 개구(67)보다 축선 하류 측(Dod)에 배치되어 있다. 또, 내관(65B)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)는, 외관(64B)의 출구 개구(68)보다 축선 상류 측(Dou)에 배치되어 있다. 이 제2 실시형태에서는, 제1 실시형태와 동일하게, 축선 방향(Do)에 있어서의 축선 상류 측(Dou)의 단부(65c)와 입구 개구(67)의 거리보다, 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)와 출구 개구(68)의 거리 쪽이 크게 이루어져 있다.
이 제2 실시형태에 있어서의 내관(65B)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)는, 출구 단면 축소부(82)의 축선 상류 측(Dou)의 일부와, 축선 방향(Do)으로 겹치도록 형성되어 있다. 내관(65B)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에는, 출구 단면 축소부(82)의 내벽면(82a)과 평행이 되도록 모따기부(85)가 형성되어 있다. 이 모따기부(85)가 형성되어 있음으로써, 내관(65B)의 단부(65d)의 근방에 있어서도 필름 공기 유로(71)의 유로 단면적(바꾸어 말하면, 직경 방향(Dor)의 치수(S))이 일정하게 유지되어 있다.
《작용 효과》
상술한 제2 실시형태의 예혼합 연소 버너(61B)의 외관(64B)은, 출구 개구(68)를 향하여 유로 단면적을 점차 감소시키는 출구 단면 축소부(82)를 구비하고 있다.
이와 같은 예혼합 연소 버너(61B)에 의하면, 상술한 제1 실시형태의 작용 효과에 더하여, 출구 단면 축소부(82)에 의하여 외관(64B)의 유로 단면적을 점차 감소시킬 수 있기 때문에, 내관(65B)의 내측 유로(73)로부터 유출된 주류 및 필름 공기(Af)가 감속하는 것을 억제할 수 있다. 또, 내측 유로(73)의 유로 단면적과, 출구 단부(83)의 유로 단면적이 동일하기 때문에, 주류가 감속되지 않는다. 그 때문에, 내관(65B)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에 형성되는 단차에 의하여 발생하는 소용돌이의 발달을 억제할 수 있다.
<실시형태의 제1 변형예>
다음으로, 본 개시의 실시형태에 있어서의 제1 변형예를 도면에 근거하여 설명한다.
상술한 제1, 제2 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A, 61B)에서는, 수소를 포함하는 1종류의 연료(F)를 연료 분사 유로(74)로부터 분사시켜 혼합하는 구성에 대하여 설명했다. 그러나, 예혼합 연소 버너(61C)는, 연소 속도가 상이한 2종류 이상의 연료를, 압축 공기(Acom)와 예혼합 가능하게 구성해도 된다. 도 8은, 본 개시의 실시형태의 제1 변형예에 있어서의 예혼합 연소 버너의 단면도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 제1 변형예에 있어서의 예혼합 연소 버너(61C)는, 상술한 제1 실시형태의 예혼합 연소 버너(61A)의 구성에 더하여, 수소를 포함하는 고반응성 연료인 연료(F)의 연소 속도보다 낮은 연소 속도의 연료(이하, 간단히 저반응성 연료(F2)라고 칭한다)를 분사 가능하게 구성되어 있다. 이 제1 변형예의 예혼합 연소 버너(61C)는, 연료(F)와 저반응성 연료(F2)를 선택적으로 분사하는 구성이지만, 연료(F)와 저반응성 연료(F2)를 동시에 분사해도 된다. 저반응성 연료(F2)로서는, 예를 들면, 메테인을 포함하는 연료를 예시할 수 있다.
이 제1 변형예의 연료 분사 장치(60)는, 외관(64)과 케이싱(62)의 사이에, 연료(F)를 저류하는 제1 연료 플리넘(63A)과, 저반응성 연료(F2)를 저류하는 제2 연료 플리넘(63B)을 구비하고 있다.
예혼합 연소 버너(61C)는, 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 형성된 복수의 스트럿(66)을 구비하고 있다. 이 제1 변형예에 있어서의 예혼합 연소 버너(61C)는, 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 배치된 제1 스트럿(66A)과 제2 스트럿(66B)을 구비하고 있다. 또, 이 제1 변형예에 있어서는, 제1 스트럿(66A)은, 둘레 방향(Doc)으로 간격을 두고 복수 마련되어 있다. 동일하게, 제2 스트럿(66B)은, 둘레 방향(Doc)으로 간격을 두고 복수 마련되어 있다. 또한, 둘레 방향(Doc)에 있어서의 제1 스트럿(66A)의 위치와 제2 스트럿(66B)의 위치는, 서로 동일해지도록 해도 된다.
외관(64)과 스트럿(66)과 내관(65)에는, 외관(64)의 외측으로부터 스트럿(66)의 내부를 거쳐 내관(65)의 내측에 연료 분사시키는 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있다. 이 제1 변형예에서는, 외관(64)과 제1 스트럿(66A)과 내관(65)에 제1 연료 분사 유로(74A)가 형성되고, 외관(64)과 제2 스트럿(66B)과 내관(65)에 제2 연료 분사 유로(74B)가 형성되어 있다. 제1 연료 분사 유로(74A)는, 제1 연료 플리넘(63A)과 내관(65)의 내측 유로(73)를 연통시키고, 제2 연료 분사 유로(74B)는, 제2 연료 플리넘(63B)과 내관(65)의 내측 유로(73)를 연통시키고 있다.
상기 제1 변형예에 있어서의 예혼합 연소 버너(61C)에 의하면, 제1 연료 분사 유로(74A)보다 축선 상류 측(Dou)에 제2 연료 분사 유로(74B)가 형성되어 있기 때문에, 저반응성 연료(F2)를 이용할 때에, 연료(F)보다 축선 상류 측으로부터 분사하여 압축 공기(Acom)와 혼합시킬 수 있다. 따라서, 제2 연료 분사 유로(74B)부터 출구 개구(68)까지의 거리를 길게 할 수 있기 때문에, 플래시백을 억제하면서, 압축 공기(Acom)와 저반응성 연료(F2)의 혼합 촉진을 도모하여, 발생하는 질소 산화물의 양을 저감시키는 것이 가능해진다.
<실시형태의 제2 변형예>
도 9는, 본 개시의 실시형태의 제2 변형예에 있어서의 예혼합 연소 버너의 단면도이다.
상기의 제1 변형예에서는, 제2 연료 분사 유로(74B)가 저반응성 연료(F2)를 내관(65)의 내측 유로(73)에 분사하는 경우에 대하여 설명했다. 그러나, 제2 연료 분사 유로(74B)가 형성되는 위치는, 제1 변형예의 위치에 한정되지 않는다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 내관(65)보다 축선 상류 측(Dou)의 외관(64)에, 저반응성 연료(F2)를 분사하는 제2 연료 분사 유로(74C)를 형성해도 된다. 이 제2 연료 분사 유로(74C)는, 내관(65)보다 축선 상류 측(Dou)의 외관(64)의 내부 공간(69)에 저반응성 연료(F2)를 분사한다. 이 제2 변형예의 제2 연료 분사 유로(74C)는, 중심 축선(O)을 향하여 직경 방향(Dor)의 외측으로부터 내측을 향하여 저반응성 연료(F2)를 분사하고 있기 때문에, 분사된 저반응성 연료(F2)의 대부분은, 내관(65)의 내측 유로(73)에 유입되어 압축 공기(Acom)와 혼합된다. 즉, 필름 공기 유로(71)에 유입되는 필름 공기(Af)에는, 저반응성 연료(F2)가 거의 포함되지 않는다.
따라서, 제2 변형예의 예혼합 연소 버너(61D)에 의하면, 상기 제1 변형예와 동일하게, 제1 연료 분사 유로(74A)보다 축선 상류 측(Dou)에 제2 연료 분사 유로(74C)가 형성되어 있기 때문에, 저반응성 연료(F2)를 이용할 때에, 연료(F)보다 축선 상류 측(Dou)으로부터 분사하여 압축 공기(Acom)와 혼합시킬 수 있다. 그리고, 제2 연료 분사 유로(74C)부터 출구 개구(68)까지의 거리를 길게 할 수 있기 때문에, 플래시백을 억제하면서, 압축 공기(Acom)와 저반응성 연료(F2)의 혼합 촉진을 도모하여, 질소 산화물을 저감시키는 것이 가능해진다.
<다른 실시형태>
이상, 본 개시의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명했지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 개시의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.
예를 들면, 상술한 실시형태인 제1, 제2 실시형태 및 제1, 제2 변형예에서는, 모든 스트럿(66)의 내부에, 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있었지만, 연료 분사 유로(74)를 형성하지 않는 스트럿(66)을 구비하고 있어도 된다. 또, 스트럿(66)의 수량은, 상술한 실시형태의 수량에 한정되지 않는다.
상기의 실시형태에 관한 연료 분사 장치(60)는, 외관(64)의 내주면(64a)이 단면 원형으로 형성되고, 내관(65)이 원통 형상으로 형성되어 있는 경우에 대하여 설명했지만, 외관(64) 및 내관(65)의 형상은, 상기 형상에 한정되지 않는다. 예를 들면, 외관(64)의 내주면(64a)을 단면 다각 형상으로 형성함과 함께, 내관(65)을 단면 다각형의 통 형상으로 형성해도 된다.
또, 제1 실시형태 및 제1, 제2 변형예에서는, 내관(65)의 축선 하류 측(Dod)의 단부(65d)에 테이퍼면(72)이 형성되어 있는 경우를 예시했지만, 테이퍼면(72)을 생략해도 된다.
또한, 상술한 제1 변형예 및 제2 변형예의 구성에는, 제2 실시형태와 같이 출구 단면 축소부(82)를 마련하도록 해도 된다. 또한, 상술한 제1 변형예 및 제2 변형예에 있어서, 2종류의 연소 속도가 상이한 연료를 이용하는 경우를 예시했지만, 연소 속도가 상이한 3종류 이상의 연료를 분사하는 3종류 이상의 연료 분사 유로를 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 마련하도록 해도 된다. 이 경우, 연소 속도가 낮은 연료일수록, 축선 상류 측(Dou)으로부터 분사시키면 된다.
또, 상기의 실시형태에서는, 가스 터빈(10)의 연소기(40)에 이용되는 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 대하여 설명했지만, 본 개시의 예혼합 연소 버너는, 가스 터빈 이외의 연소기에도 적용 가능하다.
<부기(付記)>
상기 실시형태의 일부 또는 전부는, 이하의 부기와 같이 기재될 수도 있지만, 이하에 한정되지는 않는다.
(1) 제1 양태에 의하면, 예혼합 연소 버너(61A~61D)는, 축선(O)이 뻗는 축선 방향(Do)의 제1 측에 입구 개구(67)를 가짐과 함께 상기 축선 방향(Do)의 제2 측에 출구 개구(68)를 갖는 외관(64, 64B)과, 상기 축선 방향(Do)으로 뻗는 통 형상으로 형성되고, 상기 외관(64, 64B)의 내측에 간격을 두고 배치되며, 상기 외관(64, 64B)과의 사이에 필름 공기(Af)가 흐르는 필름 공기 유로(71)를 형성하는 내관(65, 65B)과, 상기 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)으로부터 내방을 향하여 뻗어 상기 내관(65, 65B)을 지지하는 스트럿(66)을 구비하고, 상기 내관(65, 65B)의 상기 제1 측의 단부는, 상기 외관(64, 64B)의 상기 입구 개구(67)보다 제2 측에 배치되며, 상기 내관(65, 65B)의 상기 제2 측의 단부는, 상기 외관(64, 64B)의 상기 출구 개구(68)보다 제1 측에 배치되고, 상기 외관(64, 64B), 상기 스트럿(66) 및 상기 내관(65, 65B)에는, 연료를 상기 외관(64, 64B)의 외측으로부터 상기 스트럿(66)의 내부를 거쳐 상기 내관(65, 65B)의 내측에 분사시키는 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있다.
제1 양태의 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 의하면, 외관(64, 64B)의 내측에 내관(65, 65B)을 배치하여 필름 공기 유로(71)를 형성하고 있음으로써, 내관(65, 65B)보다 축선 방향(Do)의 제2 측에 있어서의 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)을 따라 필름 공기(Af)를 흘릴 수 있다. 이로써, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 상승하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름의 유속이 연소 속도를 하회하는 경우이더라도, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제1 양태의 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 의하면, 내관(65, 65B)의 축선 방향(Do)의 제1 측(Dou)의 단부(65c)가, 외관(64, 64B)의 입구 개구(67)보다 축선 방향(Do)의 제2 측(Dod)에 배치되어 있기 때문에, 외관(64, 64B)의 입구 개구(67)로부터 유입된 압축 공기(Acom)의 흐름을 저해하지 않고, 압축 공기(Acom)를 필름 공기 유로(71)와 내측 유로(73)로 안정적으로 분류시킬 수 있다. 또, 내관(65, 65B)의 축선 방향(Do)의 제2 측(Dod)의 단부(65d)는, 외관(64, 64B)의 출구 개구(68)보다 축선 방향(Do)의 제1 측(Dou)에 배치되어 있기 때문에, 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제1 양태의 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 의하면, 연료 분사 유로(74)가 외관(64, 64B), 스트럿(66) 및 내관(65, 65B)의 각 내부에 형성되어 있기 때문에, 외관(64, 64B)의 외측의 연료 플리넘(63) 등에 공급된 연료(F)를, 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)으로부터 내부 유로를 향하여 크로스 플로가 되도록 분사시킬 수 있다. 따라서, 연료 분사 유로(74)를 유도하기 위한 전용 배관을 형성하지 않고, 내관(65, 65B)을 지지하는 스트럿(66)의 내부를 유효하게 이용하여 연료 분사 유로(74)를 형성할 수 있다.
(2) 제2 양태에 의하면, 제1 양태에 관한 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 있어서, 상기 외관(64, 64B)은, 상기 입구 개구(67)로부터 상기 필름 공기 유로(71)를 거쳐 상기 출구 개구(68)에 도달하는 흐름 중, 상기 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기류 중에서 화염이 유지될 가능성이 없는 기준 농도 이하의 연료 농도가 되는 길이로 형성되어 있는 것이어도 된다.
이와 같이 구성함으로써, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되어, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름에 화염이 도달하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 외관(64, 64B)의 내벽면(64a)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
(3) 제3 양태에 의하면, 제2 양태에 관한 예혼합 연소 버너(61A~61D)에 있어서, 상기 내관(65, 65B)은, 상기 내관(65, 65B)의 제2 측(Dod)의 단부(65d)로부터 유출되는 흐름 중, 상기 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기류 중에서 화염이 유지될 가능성이 없는 기준 농도 이하가 되는 길이로 형성되어 있는 것이어도 된다.
이와 같이 구성함으로써, 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)에 접하는 흐름의 연료 농도가 기준 농도 이하가 되어, 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)에 접하는 흐름에 화염이 도달하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 내관(65, 65B)의 내벽면(65b)에 접하는 흐름을 화염이 거슬러 오르는 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
(4) 제4 양태에 의하면, 제1 내지 제3 양태 중 어느 하나의 양태에 관한 예혼합 연소 버너(61A~61D)의 상기 스트럿(66)은, 단면 날개 형상을 이룬다.
이와 같이 구성함으로써, 필름 공기 유로(71)에 있어서 축선 방향(Do)으로 흐르는 필름 공기(Af)의 유로 저항을 저감시킬 수 있기 때문에, 필름 공기(Af)의 유속 저하를 억제할 수 있다.
(5) 제5 양태에 의하면, 제1 내지 제4 양태 중 어느 하나의 양태에 관한 예혼합 연소 버너(61A, 61C, 61D)는, 상기 내관(65)의 상기 제2 측(Dod)의 단부(65d)에, 상기 제2 측(Dod)을 향함에 따라 상기 내관(65)의 내측 유로(73)의 유로 단면적이 확대되도록 경사진 테이퍼면(72)을 구비한다.
이와 같은 테이퍼면(72)을 마련함으로써, 예를 들면, 내관(65)의 작성 상 편의에 따라 축선 방향(Do)의 제2 측(Dod)의 단부(65d)에 테이퍼면(72)을 마련할 필요가 발생한 경우에, 필름 공기 유로(71)의 유로 단면적이 확대되어 필름 공기(Af)가 정압 회복하여 유속 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(6) 제6 양태에 의하면, 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나의 양태의 예혼합 연소 버너(61A~61D)의 상기 연료(F)는, 수소 가스를 포함한다.
이와 같이 수소 가스를 포함하며, 연소 속도가 높은 고반응성 연료를 이용하고 있는 경우이더라도, 유효하게 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
(7) 제7 양태에 의하면, 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나의 양태의 예혼합 연소 버너(61B)의 상기 외관(64B)은, 상기 출구 개구(68)를 향하여 유로 단면적을 점차 감소시키는 출구 단면 축소부(82)를 구비한다.
이와 같이 구성함으로써, 출구 단면 축소부(82)에 의하여 외관(64B)의 유로 단면적을 점차 감소시킬 수 있기 때문에, 내관(65B)의 내측 유로(73)로부터 유출된 주류 및 필름 공기(Af)가 감속하는 것을 억제할 수 있다. 또, 내측 유로(73)의 유로 단면적과, 출구 단부(83)의 유로 단면적이 동일하기 때문에, 주류가 감속되지 않는다. 그 때문에, 내관(65B)의 축선 방향(Do)의 제2 측(Dod)의 단부(65d)에 형성되는 단차에 의하여 발생하는 소용돌이의 발달을 억제할 수 있다.
(8) 제8 양태에 의하면, 제1 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태의 예혼합 연소 버너(61C)는, 상기 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 형성된 복수의 상기 스트럿(66)(66A, 66B)을 구비하고, 상기 외관(64)과, 상기 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 배치된 복수의 스트럿(66)과, 상기 내관(65)에는, 상기 축선 방향(Do)으로 간격을 두고 형성된 복수의 상기 연료 분사 유로(74)(74A, 74B)가 마련되며, 상기 축선 방향(Do)의 제1 측에 배치된 상기 연료 분사 유로(74)일수록, 연소 속도가 낮은 다른 연료(F2)를 분사한다.
(9) 제9 양태에 의하면, 제1 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태의 예혼합 연소 버너(61D)에 있어서, 상기 내관(65)보다 상기 축선 방향(Do)의 제1 측(Dou)의 상기 외관(64)에는, 상기 연료(F)보다 연소 속도가 낮은 다른 연료(F2)를 상기 외관(64)의 내측에 분사시키는 제2 연료 분사 유로(74C)가 형성되어 있다.
제8 양태 및 제9 양태에 의하면, 연료 분사 유로(74)보다 축선 방향(Do)의 제1 측에도 연료 분사 유로(74)가 형성되어 있음으로써, 연소 속도가 낮은 다른 연료(F2)를 이용할 때에, 다른 연료(F2)를 보다 제1 측(Dou)으로부터 분사하여 압축 공기(Acom)와 혼합시킬 수 있다. 따라서, 다른 연료(F2)를 분사하는 연료 분사 유로(74)부터 출구 개구(68)까지의 거리를 길게 할 수 있기 때문에, 플래시백을 억제하면서, 압축 공기(Acom)와 다른 연료(F2)의 혼합 촉진을 도모하여, 발생하는 질소 산화물의 양을 저감시키는 것이 가능해진다.
(10) 제10 양태에 의하면, 연료 분사 장치(60)는, 복수의 상기 예혼합 연소 버너(61A~61D)와, 복수의 상기 예혼합 연소 버너(61A~61D)를 지지하는 케이싱(62)과, 상기 케이싱(62) 내이고 또한 상기 외관(64)의 외측에 마련된 연료 플리넘(63)을 구비한다.
상기와 같은 예혼합 연소 버너(61A~61D)를 구비함으로써 플래시백을 억제할 수 있기 때문에, 연료 분사 장치(60)에 있어서의 손상의 발생을 억제할 수 있다.
(11) 제11 양태에 의하면, 가스 터빈(10)은, 압축 공기를 생성하는 압축기(20)와, 제10 양태에 관한 연료 분사 장치(60), 및 상기 연료 분사 장치(60)로부터 분사된 혼합 기체(Gm)를 연소시킴으로써 연소 가스(G)를 생성하는 연소통(50)을 갖는 연소기(40)와, 상기 연소기(40)에서 생성된 연소 가스(G)에 의하여 구동되는 터빈(30)을 구비한다.
상기와 같은 연료 분사 장치(60)를 가스 터빈(10)이 구비함으로써, 가스 터빈(10)의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
상기 양태에 의하면, 플래시백의 발생을 억제할 수 있다.
10…가스 터빈
11…가스 터빈 로터
15…가스 터빈 케이싱
16…중간 케이싱
20…압축기
21…압축기 로터
22…로터축
23…동익렬
25…압축기 케이싱
26…정익렬
30…터빈
31…터빈 로터
32…로터축
33…동익렬
35…터빈 케이싱
36…정익렬
40…연소기
50…연소통
60…연료 분사 장치
61A, 61B, 61C, 61D…예혼합 연소 버너
62…케이싱
63…연료 플리넘
63A…제1 연료 플리넘
63B…제2 연료 플리넘
64, 64B…외관
64a…내주면
65, 65B…내관
65a…외주면
65b…내주면
65c…단부
65d…단부
66…스트럿
66A…제1 스트럿
66B…제2 스트럿
66a…제1 면
66b…제2 면
67…입구 개구
68…출구 개구
69…내부 공간
71…필름 공기 유로
72…테이퍼면
73…내측 유로
74…연료 분사 유로
74A…제1 연료 분사 유로
74B, 74C…제2 연료 분사 유로
81…외관 본체
82…출구 단면 축소부
83…출구 단부
84…내부 공간
85…모따기부

Claims (11)

  1. 축선이 뻗는 축선 방향의 제1 측에 입구 개구를 가짐과 함께 상기 축선 방향의 제2 측에 출구 개구를 갖는 외관과,
    상기 축선 방향으로 뻗는 통 형상으로 형성되고, 상기 외관의 내측에 간격을 두고 배치되며, 상기 외관과의 사이에 필름 공기가 흐르는 필름 공기 유로를 형성하는 내관과,
    상기 외관의 내벽면으로부터 내방을 향하여 뻗어 상기 내관을 지지하는 스트럿을 구비하고,
    상기 내관의 상기 제1 측의 단부는, 상기 외관의 상기 입구 개구보다 제2 측에 배치되며,
    상기 내관의 상기 제2 측의 단부는, 상기 외관의 상기 출구 개구보다 제1 측에 배치되고,
    상기 외관, 상기 스트럿 및 상기 내관에는, 연료를 상기 외관의 외측으로부터 상기 스트럿의 내부를 거쳐 상기 내관의 내측에 분사시키는 연료 분사 유로가 형성되어 있는 예혼합 연소 버너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외관은, 상기 입구 개구로부터 상기 필름 공기 유로를 거쳐 상기 출구 개구에 도달하는 흐름 중, 상기 외관의 내벽면에 접하는 흐름의 연료 농도가 기류 중에서 화염이 유지될 가능성이 없는 기준 농도 이하의 연료 농도가 되는 길이로 형성되어 있는 예혼합 연소 버너.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 내관은, 상기 내관의 제2 측의 단부로부터 유출되는 흐름 중, 상기 내관의 내벽면에 접하는 흐름의 연료 농도가 기류 중에서 화염이 유지될 가능성이 없는 기준 농도 이하가 되는 길이로 형성되어 있는 예혼합 연소 버너.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트럿은, 단면 날개 형상을 이루는 예혼합 연소 버너.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내관의 상기 제2 측의 단부에, 상기 제2 측을 향함에 따라 상기 내관의 유로 단면적이 확대되도록 경사진 테이퍼면을 구비하는 예혼합 연소 버너.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료는, 수소 가스를 포함하는 예혼합 연소 버너.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외관은, 상기 출구 개구를 향하여 유로 단면적을 점차 감소시키는 출구 단면 축소부를 구비하는 예혼합 연소 버너.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축선 방향으로 간격을 두고 형성된 복수의 상기 스트럿을 구비하고,
    상기 외관과, 상기 축선 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 스트럿과, 상기 내관에는, 상기 축선 방향으로 간격을 두고 형성된 복수의 상기 연료 분사 유로가 마련되며,
    상기 축선 방향의 제1 측에 배치된 상기 연료 분사 유로일수록, 연소 속도가 낮은 다른 연료를 분사하는 예혼합 연소 버너.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내관보다 상기 축선 방향의 제1 측의 상기 외관에는, 상기 연료보다 연소 속도가 낮은 다른 연료를 상기 외관의 내측에 분사시키는 제2 연료 분사 유로가 형성되어 있는 예혼합 연소 버너.
  10. 복수의 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 예혼합 연소 버너와,
    복수의 상기 예혼합 연소 버너를 지지하는 케이싱과,
    상기 케이싱 내이고 또한 상기 외관의 외측에 마련된 연료 플리넘을 구비하는 연료 분사 장치.
  11. 압축 공기를 생성하는 압축기와,
    청구항 10에 기재된 연료 분사 장치, 및 상기 연료 분사 장치로부터 분사된 혼합 기체를 연소시킴으로써 연소 가스를 생성하는 연소통을 갖는 연소기와,
    상기 연소기에서 생성된 연소 가스에 의하여 구동되는 터빈을 구비하는 가스 터빈.
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