KR101546216B1 - 가스 터빈용 다중 원추형 예혼합 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터빈용 다중 원추형 예혼합 버너(10)로서, 중앙 버너축(11) 주위에 배열되고 하류측 방향으로 개방되어 있는 가상 축방향 연장 공통 원추의 부분들인 복수의 셸(12a 내지 12d)을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯(14)이 각각의 쌍의 인접 셸(12a 내지 12d) 사이에 형성되도록 상기 버너축(11)에 수직으로 변위되는 예혼합 버너(10)에 관한 것이다.
셸과 하류측 혼합 튜브 사이의 불리한 전이편은 상기 셸(12a 내지 12d)을 사전 결정된 반경(R)의 가상 동축 실린더와 교차함으로써 형성된 교차 평면(17)에 의해 셸(12a 내지 12d)의 하류측 단부를 경계 형성함으로써 회피된다.

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(premix; 豫混合) 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 터빈에 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 화염 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 주입된다.

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.

문헌 WO 2009/019113 A2호는 선회 발생기, 혼합기 및 랜스(lance)를 포함하는 버너를 설명하고 있다. 선회 발생기는 버너 내부의 입구측 섹션을 에워싸고 버너의 길이방향 중앙축과 관련하여 접선방향으로 연장하는 적어도 하나의 공기 입구를 갖는다. 선회 발생기는 원추형으로 설계된다. 각각의 공기 입구는 원추의 생성면을 따라 길이방향 슬롯을 형성한다. 복수의 이러한 공기 입구가 바람직하게는 원주 방향으로 분배 방식으로 배열된다. 이 결과, 공기가 버너 내부 내로 접선방향으로 침투할 수 있고, 그 결과 선회가 그에 부여된다. 선회 발생기는 기체 연료가 그를 경유하여 버너 내부로 도입될 수 있는 연료 입구를 또한 갖는다. 연료 입구는 원추형 선회 발생기의 표면 라인을 따라 연장하는 개별 입구 오리피스의 복수의 열을 포함하고, 이 오리피스들을 통해 연료 가스가 버너 내부에 진입할 수 있다. 혼합기는 버너 내부의 출구측 섹션을 에워싸고 연소 챔버의 연소 공간을 향해 개방되어 있는 출구 개구를 갖는다. 혼합기는 관형 전이편을 경유하여 선회 발생기에 연결된 관형 본체를 포함하고 출구 개구를 갖는 출구 플랜지를 구비한다. 출구 플랜지를 경유하여, 버너는 연소 챔버에 연결될 수 있다. 혼합기는 편의상 원통형으로 형성된다.

원리적으로, NOx 형성을 낮추기 위해, 연료 공기 혼합은 화염이 재순환 유동에 의해 안정화되는 연소 챔버에 진입하는 갑작스런 영역 팽창 전에 버너의 출구에 혼합 튜브를 적용함으로써 확장될 수 있다. 현재 EV형 원추형 버너의 공기 슬롯 및 가스 채널은 버너축에 직교하는 교차 평면에 의해 하류측 부분에 제한된다. 따라서, 버너 선회기 출구는 원형이 아니고, 선회기와 원통형 혼합 튜브 사이에 특정 전이편을 필요로 한다. 이 전이편은 재순환 구역에서 유동 분리 및 화염 안정화를 회피하기 위해 복잡한 3D 형상을 적용해야 하기 때문에 화염 역류의 경향이 있다.

따라서, 버너의 하류측 부분에서 연료 공기 혼합을 더 향상시키기 위해 혼합 튜브를 적용할 때, 문제점은 화염 역류를 유도할 수 있는 재순환 구역이 형성되지 않도록 선회기와 혼합 튜브 사이에 전이편을 형성하는 것으로 이루어진다.

본 발명의 목적은 공지의 버너의 결점을 회피하고 화염 역류를 방지하는 능력을 갖는 간단한 디자인을 조합하는 다중 원추형의 예혼합 버너를 제공하는 것이다.

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

본 발명에 따른 가스 터빈용 다중 원추형 예혼합 버너는 중앙 버너축 주위에 배열되고 하류측 방향으로 개방되어 있는 가상 축방향 연장 공통 원추의 부분들인 복수의 셸을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯이 각각의 쌍의 인접 셸 사이에 형성되도록 상기 버너축에 수직으로 변위된다.

셸의 하류측 단부는 상기 셸을 사전 결정된 반경의 가상 동축 실린더와 교차시킴으로써 형성된 교차 평면에 의해 경계 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 각각의 셸은 가스가 예혼합 가스 채널로부터 가스 주입 구멍을 통해 인접 슬롯을 통해 셸의 장치의 내부에 진입하는 공기의 스트림 내로 주입될 수 있도록 각각의 셸의 축방향으로 배향된 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널을 구비하고, 예혼합 가스 채널의 하류측 단부는 상기 예혼합 가스 채널을 상기 사전 결정된 반경의 상기 가상 동축 실린더와 교차시킴으로써 형성된 교차 평면에 의해 경계 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 사전 결정된 반경과 유사한 내경을 갖는 원통형 버너 링이 교차 평면의 영역에서 셸의 장치 및 예혼합 가스 채널들 각각에 부착된다.

구체적으로, 부착된 버너 링을 갖는 상기 예혼합 버너는 축방향으로 슬라이드 가능하도록 동축 버너 슬리브 내에 장착된다.

더 구체적으로, 상기 버너 슬리브는 연소 챔버의 정면 패널 내에 그 하류측 단부가 장착되어 있다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예혼합 버너의 사시도.
도 2는 선회기 장치를 둘러싸고 버너 슬리브 내에 이동 가능하게 장착되는 부가의 버너 링을 갖는 도 1의 예혼합 버너를 도시하는 도면.

공지의 AEV 버너 디자인 개념에서, 전이편이 혼합 튜브의 원통형 단면에 선회기 출구에서 낫형(sickle shaped) 단면을 적용하기 위해 요구된다(예를 들어, 상기 인용된 문헌 WO 2009/019113 A2호 참조). 이 전이편은 유동 분리 및 결과적인 화염 역류를 회피하기 위해 신중한 공기 역학적 레이아웃을 필요로 한다.

본 발명은 전이편의 요구를 회피한다. 원추 셸의 하류측 단부는 이들 원추 셸이 추출 가능 버너의 일체형 부분인 버너 링의 원통형 형상으로 절단되도록 형성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예는 해결책의 기본 원리를 도시한다.

도 1의 예혼합 버너(10)는 중앙 버너축(11)을 따라 연장한다. 이 예혼합 버너는 하류측 방향으로 개방되어 있는(도면에서 좌측으로부터 우측으로 연장함) 가상 원추의 부분들인 4개의 동일한 셸(12a 내지 12d)을 포함한다. 셸은 각각의 쌍의 인접한 셸 사이에 접선방향 슬롯(14)을 형성하기 위해 버너축에 수직인 상기 가상 원추 내의 이들의 원래 위치로부터 변위된다. 이들 슬롯(14)을 통해, 공기가 선회 방식으로 원추형 셸 장치의 내부에 진입한다. 각각의 슬롯(14)에서, 인접 셸의 축방향 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널(13a 내지 13c)이 구멍(도시 생략)을 통해 기체 연료를 진입 공기 스트림 내에 분사하도록 제공된다.

이제, 버너 셸(12a 내지 12d)은 연장되어, 후속의 혼합 튜브의 원통형 형상에 적용되는 사전 결정된 반경(R)(도 1에 점선으로 도시됨)을 갖는 가상 동축 실린더와 일반적으로 교차되어, 이에 의해 특정 전이편의 요구를 회피한다. 이 교차에 의해, 셸(12a 내지 12d)의 하류측 단부 및 예혼합 가스 채널(13a 내지 13c)의 하류측 단부는 원통형 교차 평면(16, 17)에 의해 경계 형성되고, 이는 셸(12a 내지 12d)의 하류측 단부를 고정하기 위해 원통형 버너 링(18)을 셸 장치(도 2) 상에서 슬라이드하는 것을 가능하게 한다.

부착된 버너 링(18)을 갖는 예혼합 버너(10)는 이어서 연소 챔버(21)의 정면 패널(20)에 그 하류측 단부가 장착되어 있는 본질적으로 원통형 동축 버너 슬리브(19) 내에 도입될 수 있다. 부착된 버너 링(18)을 갖는 예혼합 버너(10)는 연소 챔버(21) 또는 병렬로 작동하는 다른 버너에 대해 이를 조정하기 위해 축방향으로 이동될 수 있다(도 2의 이중 화살표 참조). 더욱이, 밀봉 수단이 버너 링(18)과 버너 슬리브(19) 사이에 제공될 뿐만 아니라, 버너 링(18)과 버너 슬리브(19) 사이의 간극 내에 퍼지 공기를 도입하기 위한 구멍이 제공된다.

10: 예혼합 버너 11: 버너축
12a 내지 12d: 셸(원추형) 13a 내지 13c: 예혼합 가스 채널
14: 슬롯 15: 버너 랜스
16, 17: 교차 평면 18: 버너 링
19: 버너 슬리브 20: 정면 패널

Claims (5)

1. 가스 터빈용 다중 원추형 예혼합(premix; 豫混合) 버너(10)로서, 중앙 버너축(11) 주위에 배열되고 하류측 방향으로 개방되어 있는 가상 축방향 연장 공통 원추의 부분들인 복수의 셸들(shells)(12a 내지 12d)을 포함하고, 상기 부분들은 접선방향 슬롯(14)이 각각의 쌍의 인접 셸들(12a 내지 12d) 사이에 형성되도록 상기 버너축(11)에 수직으로 변위되는 예혼합 버너(10)에 있어서,
   상기 셸들(12a 내지 12d)의 하류측 단부들은 상기 셸들(12a 내지 12d)을 사전 결정된 반경(R)의 가상 동축 실린더와 교차시킴으로써 형성된 교차 평면들(17)에 의해 경계 형성되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 셸들(12a 내지 12d)은, 가스가 예혼합 가스 채널(13a 내지 13c)로부터 가스 주입 구멍들을 통해 상기 인접 슬롯(14)을 통해 셸들(12a 내지 12d)의 장치의 내부에 진입하는 공기의 스트림 내로 주입될 수 있도록, 각각의 셸의 축방향으로 배향된 에지를 따라 연장하는 예혼합 가스 채널(13a 내지 13c)을 구비하고, 상기 예혼합 가스 채널들(13a 내지 13c)의 하류측 단부들은 상기 예혼합 가스 채널들(13a 내지 13c)을 상기 사전 결정된 반경(R)의 상기 가상 동축 실린더와 교차시킴으로써 형성된 교차 평면들(16)에 의해 경계 형성되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 사전 결정된 반경(R)과 유사한 내경을 갖는 원통형 버너 링(18)이 상기 교차 평면들(16, 17)의 영역에서 셸들(12a 내지 12d)의 장치 및 예혼합 가스 채널들 각각에 부착되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 부착된 버너 링을 갖는 상기 예혼합 버너(10)는 축방향으로 슬라이드 가능하도록 동축 버너 슬리브(19) 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 버너 슬리브(19)는 연소 챔버(21)의 정면 패널(20) 내에 그 하류측 단부가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 예혼합 버너.

Images