KR101690446B1 - 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

이 연소기는, 연소기 본체의 축선 방향으로 연장되며, 연소실측에 배치되는 분사 구멍(24)으로부터 연료를 분사 가능한 복수의 연료 노즐(20)을 구비한 연소기(4)이다. 이 연소기(4)는, 복수의 연료 노즐(20) 중, 적어도 2개의 연료 노즐(20) 사이에서 연료의 유량 변동의 위상이 일치하지 않도록, 적어도 1개의 연료 노즐(20)의 유로 단면적을 축선 방향으로 부분적으로 변화시키는 위상 조정부(33)를 구비한다.

Description

연소기 및 가스 터빈{COMBUSTOR AND GAS TURBINE}
본 발명은 연소기, 및 연소기를 구비하는 가스 터빈에 관한 것이다. 본원은, 2013년 3월 22일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-59587 호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
일반적인 가스 터빈은, 압축 공기를 생성하는 압축기와, 압축기에서 생성된 압축 공기를 이용하여 연소 가스를 생성하는 연소기와, 연소기에서 생성된 연소 가스에 의해서 회전 구동하는 터빈을 구비하고 있다.
상기 가스 터빈의 연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시킨다. 그러나, 그 때에 큰 연소 진동이 발생하는 경우가 있다. 이 연소 진동은, 연소실의 압력 변동이 연료를 분사하는 메인 노즐 내의 연료 유량을 변동시켜 버리는 것이 하나의 원인이 되어 있다. 메인 노즐 내의 연료 유량이 변동되면, 유량 변동을 따라서 연료를 연소시킬 때의 발열 변동이 된다. 이 발열 변동이 또한 연소기의 압력 변동을 일으켜 버린다.
특허문헌 1에는, 메인 노즐 내의 연료 유량이 연소실 내의 압력 변동에 응답하기 어려운 음향 특성을 실현하기 위해서, 메인 노즐이 분기 접속되는 매니폴드의 상류측의 연료 배관에, 그 유로 단면적을 감소시키는 구멍을 마련하는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2011-137629 호 공보
그런데, 상술한 연소기는, 메인 노즐이 분기되는 전방의 상류측의 연료 배관의 음향 임피던스를 증대시켜 유량 변동의 억제를 도모하고 있다. 그러나, 복수의 메인 노즐이 동일한 음향 특성을 갖고 있는 경우에는, 각 메인 노즐에 있어서 동위상에서 유량 변동이 생겨 버린다. 각 메인 노즐로부터 동위상에서 유량 변동된 연료가 분사되면, 메인 노즐의 주위에 배치된 스윌러 내의 연료/공기비 변동의 진폭이 연소실 내에서 합산되어 버린다. 그 때문에, 연소실 내에 있어서의 연료/공기비 변동의 진폭이 증대되고, 연소실에 큰 발열 변동 및 압력 변동이 생겨, 연소 진동을 충분히 저감할 수 없다고 하는 과제가 있다.
여기서, 메인 노즐에 생기는 유량 변동의 위상을 어긋나게 하기 위해서는, 예를 들면, 각 메인 노즐의 내경을 변화시켜서 음향 특성을 변화시키는 것이 고려된다. 그렇지만, 이러한 경우, 연료 변동의 위상은 어긋나지만, 각 메인 노즐의 압력 손실이 불균일하게 된다. 그 때문에, 각 메인 노즐로부터 공급되는 연료 유량에 편향이 생겨 버린다. 이것에 의해, 연소 영역에 있어서의 연소의 불안정화가 유발되거나, 화염에 핫 스팟이 형성되어, NOx(질소산화물)이 증가되어 버린다.
본 발명은 연소 영역에 공급되는 연료의 유량 변동을 억제하여, 충분한 연소 진동의 저감을 도모하는 것이 가능한 연소기 및 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 제 1 태양에 의하면, 연소기는, 연소기 본체의 축선 방향으로 연장되며, 연소실측에 배치되는 분사 구멍으로부터 연료를 분사 가능한 복수의 연료 노즐을 구비한 연소기이다. 연소기는, 상기 복수의 연료 노즐 중, 적어도 2개의 연료 노즐 사이에서 상기 연료의 유량 변동의 위상이 일치하지 않도록, 적어도 1개의 연료 노즐의 유로 단면적을 상기 축선 방향으로 부분적으로 변화시키는 위상 조정부를 구비한다.
본 발명의 제 2 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 태양의 연소기에 있어서의 복수의 연료 노즐이 각각 상기 위상 조정부를 구비하며, 인접하는 상기 연료 노즐의 상기 위상 조정부가 서로 상기 축선 방향으로 어긋나게 하여 배치되어 있어도 좋다.
본 발명의 제 ３ 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 태양의 연소기에 있어서의 상기 복수의 연료 노즐이 열을 이뤄서 배치되고, 상기 위상 조정부가 상기 복수의 연료 노즐에 대하여 배열 방향으로 하나씩 걸러 마련되어 있어도 좋다.
본 발명의 제 ４ 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서, 상기 위상 조정부를 구비하는 연료 노즐이, 상기 위상 조정부에 의해 생기는 압력 손실의 크기에 따른 크기의 분사 구멍을 갖도록 하여도 좋다.
본 발명의 제 ５ 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 ４ 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서의 위상 조정부가, 인접하는 상기 연료 노즐끼리의 상기 연료의 유량 변동의 위상을 서로 역상으로 하도록 하여도 좋다.
본 발명의 제 6 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 ５ 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서의 위상 조정부가, 상기 유로 단면적을 증가시키는 캐비티부를 구비하여도 좋다.
본 발명의 제 7 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 6 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서의 위상 조정부가, 상기 유로 단면적을 감소시키는 오리피스부라도 좋다.
본 발명의 제 8 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 7 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서의 위상 조정부가, 상기 연료 노즐의 유로 내에 배치되는 다공질 재료라도 좋다.
본 발명의 제 9 태양에 의하면, 연소기는, 상기 제 1 내지 제 8 중 어느 하나의 태양의 연소기에 있어서의 복수의 연료 노즐이 매니폴드로부터 분기 접속되어 있어도 좋다.
본 발명의 제 10 태양에 의하면, 가스 터빈은 상기 제 1 내지 제 9 중 어느 하나의 태양의 연소기를 구비한다.
상술한 연소기에 의하면, 연소 영역에 공급되는 연료의 유량 변동을 억제하며, 충분한 연소 진동의 저감을 도모할 수 있다.
상술한 가스 터빈에 의하면, 연소기에 있어서의 연소 진동을 저감할 수 있기 때문에, 이 연소 진동에 기인하는 부품의 손상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 가스 터빈의 부분 단면도이다.
도 2는 상기 가스 터빈의 연소기의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 상기 연소기의 메인 노즐과, 메인 노즐에 메인 연료를 공급하는 매니폴드 및 연료 배관의 개략 구성도이다.
도 4는 상기 메인 노즐에 있어서의 유량 변동의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 도 3에 상당하는 개략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 도 3에 상당하는 개략 구성도이다.
도 7은 상기 제 3 실시형태의 변형예에 있어서의 도 3에 상당하는 개략 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 도 3에 상당하는 개략 구성도이다.
도 9는 상기 각 실시형태의 변형예에 있어서의 인접하는 메인 노즐에 마련된 각 위상 조정부의 부분 확대도이다.
다음에, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 가스 터빈, 및 연소기를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 이 실시형태의 가스 터빈을 도시하는 부분 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 가스 터빈(1)은, 그 축선(P) 방향의 제 1 단부(e1)로부터 제 2 단부(e2)를 향하여, 공기 취입구(2)와, 압축기(3)와, 연소기(4)와, 터빈(5)을 구비하고 있다.
가스 터빈(1)은, 우선 공기 취입구(2)로부터 취입한 공기를, 압축기(3)에 의해서 압축한다. 이어서, 가스 터빈(1)은, 압축기(3)에 의해 압축된 압축 공기를, 연소기(4)에 의해서 연료와 혼합 연소하여 고온 고압의 연소 가스로 한다. 그 후, 가스 터빈(1)은, 고온 고압의 연소 가스를 터빈(5)에 공급하는 것에 의해, 터빈(5)을 회전시킨다. 이 터빈(5)의 회전력은, 예를 들면 발전기 등에서 전력으로 변환된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 연소기(4)는 연소기 내통(10)과, 연소기 외통(11)을 구비하고 있다. 연소기 내통(10) 및 연소기 외통(11)은 각각 중공 형상으로 형성되어 있다. 연소기 외통(11)은 연소기 내통(10)을 덮도록 배치되어 있다. 연소기 내통(10) 및 연소기 외통(11)의 중심축은 연소기(4)의 축선(O) 상에 배치되어 있다. 축선(O) 방향에 있어서, 연소기 내통(10)의 기부측(지면 좌측)의 직경 방향 외측에, 상기 연소기 외통(11)이 배치되어 있다.
연소기 내통(10)은, 그 내통 본체부(12)의 기부측에 내통 서포트(13)를 구비하고 있다. 내통 서포트(13)는 내통 본체부(12)와, 연소기 외통(11)의 배면 벽(14)의 사이에 배치되어 있다. 내통 본체부(12)는, 내통 서포트(13)를 거쳐서, 배면 벽(14)에 지지되어 있다.
연소기(4)는, 그 축선(O) 상에, 축선(O) 방향으로 연장되는 파일럿 노즐(15)을 또한 구비하고 있다. 파일럿 노즐(15)은, 보염성을 높이기 위해서 파일럿 연료를 분사하여 확산 연소를 실행한다. 이 파일럿 노즐(15)의 선단부(15a)에는, 압축 공기와 혼합된 연료를 분사하기 위한 파일럿 분사구(16)가 형성되어 있다. 이 파일럿 노즐(15)의 선단부(15a)는, 간격을 두고 파일럿 콘(17)에 의해 외측으로부터 덮여 있다. 이 파일럿 콘(17)은, 파일럿 노즐(15)의 외주면과 대향하는 부분에서는 축선(O) 방향으로 굵기가 일정한 관 형상으로 되어 있다. 또한, 파일럿 콘(17)은 파일럿 분사구(16)로부터 축선(O) 방향으로 이격함에 따라 확경되어 있다.
연소기(4)는, 파일럿 노즐(15)의 주위에, 복수(예를 들면, 8개)의 메인 노즐(20)을 또한 구비하고 있다. 복수의 메인 노즐(20)은 축선(O) 방향에 평행하게 연장되어 형성되어 있다. 각 메인 노즐(20)의 축선(O) 방향의 길이는 동일 길이(L1)(도 3 참조)로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은 파일럿 노즐(15)을 둘러싸도록 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 축선(O)을 중심으로 하는 환상으로 배열되어 있다. 각 메인 노즐(20)의 선단부(21)는 서서히 축경된 선단이 가는 형상으로 되어 있다. 이들 선단부(21)의 근방의 노즐 본체부(22)의 주벽(23)에는, 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 분사 구멍(24)이 형성되어 있다. 각 메인 노즐(20)의 노즐 본체부(22)의 내경, 즉 유로 단면적은, 후술하는 위상 조정부(33)가 배치되는 부분을 제외하고, 동일 유로 단면적으로 되어 있다. 메인 노즐(20)은 메인 분사 구멍(24)으로부터 연료를 분사하는 것에 의해 예혼합 연소를 실행한다. 여기서, 메인 노즐(20)의 개수는 짝수라도 좋다.
연소기(4)는 메인 버너(26)를 또한 구비하고 있다. 메인 버너(26)는 메인 노즐(20)의 선단부(21) 측에 배치되어 있다. 이 메인 버너(26)는 선단부(21)에 대하여 직경 방향으로 간격을 두고 외측으로부터 덮도록 형성되어 있다. 메인 버너(26)와 메인 노즐(20)의 사이에는, 압축기(3)로부터 공급되는 압축 공기와, 메인 노즐(20)로부터 분사되는 메인 연료를 혼합하기 위한 메인 스윌러(27)가 배치되어 있다. 도 2에서는, 파일럿 노즐(15)의 주위에 배치되는 파일럿 연료와 압축 공기를 혼합하기 위한 파일럿 스윌러의 도시를 생략하고 있다.
연소기(4)는, 연소기 내통(10)과 연소기 외통(11)의 사이에, 압축기(3)로부터 공급된 압축 공기가 흐르는 공기 유로(28)를 구비하고 있다. 공기 유로(28)는, 축선(O) 방향이며 연소기 외통(11)의 배면 벽(14)과는 반대측에, 펀칭 메탈 등으로 이루어지는 정류판(29)이 장착된 입구(30)에 접속되어 있다. 여기서, 상술한 바와 같이 내통 서포트(13)는, 예를 들면 둘레 방향으로 인접하는 메인 노즐(20) 사이로부터, 연소기 외통(11)의 배면 벽(14)을 향하여 연장되어 있다. 공기 유로(28)에 유입한 압축 공기는, 상기 내통 서포트(13)끼리의 사이로부터 직경 방향 내측, 환언하면 축선(O) 측을 향하여 유입한다. 그러면, 압축 공기는, 공기 유로(28)에 유입하는 압축 공기와는 축선(O) 방향으로 흐름의 방향을 180도 변경하며, 메인 노즐(20) 및 파일럿 노즐(15)을 따라서 각 선단부(21, 15a) 측을 향하여 균일하게 흐른다.
도 3은 상술한 연소기(4)의 메인 노즐(20)과, 메인 노즐(20)에 메인 연료를 공급하는 매니폴드(31) 및 연료 배관(32)의 개략 구성을 도시하고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 연소기(4)는 메인 노즐(20)이 분기 접속되는 매니폴드(31)를 구비하고 있다. 이 매니폴드(31)에는, 연료 배관(32)을 거쳐서 메인 연료가 공급된다. 매니폴드(31)는, 연료 배관(32)으로부터 공급된 메인 연료를, 복수의 메인 노즐(20)에 대하여 균등하게 분배한다. 여기서, 메인 노즐(20)의 내부를 흐르는 메인 연료는, 연소기(4)의 연소실(도시하지 않음)의 내부의 압력 변동을 받아, 그 유량이 주기적으로 변동된다. 그 때문에, 각 메인 노즐(20)로부터의 연료 분사량도 주기적으로 변동되어 버린다.
메인 노즐(20)은 각각 위상 조정부(33)를 구비하고 있다. 이들 위상 조정부(33)는, 각 메인 노즐(20)의 내부에 생기는 메인 연료의 유량 변동의 위상(이하, 단순히 "유량 변동의 위상"이라 칭함)이, 인접하는 메인 노즐(20)끼리 일치하지 않도록 각 메인 노즐(20)의 음향 특성을 어긋나게 하기 위해서 마련되어 있다. 이 실시형태에 있어서의 위상 조정부(33)는 메인 노즐(20)의 유로 단면적을 축선(O) 방향(도 3 중, 화살표의 방향)에서 부분적으로 증가시키는 캐비티부로 이루어진다.
여기서, 메인 노즐(20)은, 위상 조정부(33)에 의해서, 그 유로 단면적이 축선(O) 방향으로 부분적으로 증가되면, 유로 단면적이 증가되어 있지 않은 메인 노즐(20)에 대하여, 그 음향 특성이 변화한다. 환언하면, 위상 조정부(33)를 마련하는 것에 의해서 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다. 예를 들면, 캐비티부로 이루어지는 위상 조정부(33)의 형상이 동일한 경우, 위상 조정부(33)의 축선(O) 방향에 있어서의 배치에 따라서, 메인 노즐(20)의 음향 특성이 변화되어 유량 변동의 위상이 변화된다.
이 실시형태에 있어서의 각 메인 노즐(20)은, 축선(O) 방향에 있어서의 위상 조정부(33)의 위치가, 그 근방에 배치되는 메인 노즐(20)의 위상 조정부(33)의 위치와 일치하지 않게 되어 있다. 보다 구체적으로는, 인접하는 메인 노즐(20)에 마련되는 위상 조정부(33)끼리는, 반드시 축선(O) 방향으로 어긋나게 하여 배치되어 있다.
각 위상 조정부(33)는 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상이 서로 역상이 되도록 배치되어 있다. 즉, 도 4에 도시하는 바와 같이, 메인 노즐(20)의 유량 변동은 배열 방향으로 교대로 피크(도 4 중, 「＋」로 나타냄)와 보텀(도 4 중 「-」로 나타냄)이 나타나도록 되어 있다. 또한, 서로 위상이 역상이 되는 위상 조정부(33)의 배치 관계는, 메인 노즐(20)의 배관 직경, 두께 등 여러 가지 조건에 의해서 변화된다. 그 때문에, 여러 가지 조건에 있어서의 메인 노즐(20)의 음향 특성을 시뮬레이션 등에 의해 구하는 것에 의해, 서로 위상이 역상이 되는 배치 관계를 구할 수 있다.
따라서, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)에 의하면, 위상 조정부(33)에 의해서 메인 노즐(20)의 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있기 때문에, 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상이 일치하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 복수의 메인 노즐(20)의 유량 변동이 합산되는 연소실에 있어서의 연료/공기비의 변동의 진폭을 저감하여, 연소 진동을 충분히 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 위상 조정부(33)가 각 메인 노즐(20)에 마련되어 있는 것에 의해, 각 메인 노즐(20)의 내부에서 생기는 압력 손실이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 위상 조정부(33)가 축선(O) 방향으로 부분적으로 형성되어 있는 것에 의해, 메인 노즐(20)의 주위에 형성되는 공기 유로에의 영향을 최소한으로 할 수 있다.
또한, 위상 조정부(33)의 축선(O) 방향의 배치에 따라 각 메인 노즐(20)의 음향 특성을 변화시킬 수 있기 때문에, 용이하게 각 메인 노즐(20)에 생기는 유량 변동의 위상을 조정할 수 있다.
또한, 인접하는 메인 노즐(20)에 생기는 서로의 유량 변동의 위상을 역상으로 하는 것에 의해, 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동이 서로의 유량 변동을 없애도록 작용한다. 그 때문에, 연소실에 있어서의 연료/공기비의 변동의 진폭을 억제하여, 더욱 연소 진동의 저감을 도모할 수 있다.
특히, 매니폴드(31)에 대하여 복수의 메인 노즐(20)이 분기 접속되어 있는 경우에, 매니폴드(31)보다 연소실측의 각 메인 노즐(20) 내에 있어서, 연소실의 압력 변동에 따라서 발생하는 유량 변동의 영향이 연소실에서의 연소에 이르는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 연소기(4)를 구비하는 가스 터빈(1)에 의하면, 연소실에 공급되는 연료의 변동을 저감하여, 연소기(4)의 연소 진동을 억제할 수 있다. 그 때문에, 연소 진동에 기인하는 부품 손상 등을 억제할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 연소기(4)에 대해 도 5에 기초하여 설명한다. 이 제 2 실시형태의 연소기(4)는, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)의 위상 조정부(33)를, 캐비티부가 아닌 오리피스부로 한 것이다. 그 때문에, 제 2 실시형태에서는, 상술한 제 1 실시형태와 동일 부분에 동일 도면부호를 부여하여 설명한다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 연소기(4)는, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)와 마찬가지로, 복수의 메인 노즐(20)을 구비하고 있다. 복수의 메인 노즐(20)은 축선(O) 방향으로 평행하게 연장되어 형성되어 있다. 복수의 메인 노즐(20)의 축선(O) 방향에 있어서의 길이는 동일 길이(L1)로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 축선(O)을 중심으로 하는 환상으로 배열되어 있다. 각 메인 노즐(20)은 서서히 축경되는 선단이 가는 선단부(21)를 구비하고 있다. 이들 선단부(21)의 근방의 노즐 본체부(22)의 주벽에는, 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 분사 구멍(24)이 형성되어 있다. 각 노즐 본체부(22)의 유로 단면적은, 위상 조정부(133)를 제외하고, 동일 유로 단면적으로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은, 축선(O) 방향으로 부분적으로 유로 단면적을 변화시키는 위상 조정부(133)를 구비하고 있다.
이 실시형태에 있어서의 위상 조정부(133)는 축선(O) 방향에 대하여 부분적으로 유로 단면적을 감소시키는 오리피스부로 이루어진다. 이들 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)를 마련하는 것에 의해, 상술한 제 1 실시형태의 위상 조정부(33)의 경우와 마찬가지로, 위상 조정부(133)를 마련하지 않은 메인 노즐(20)에 대하여 음향 특성을 변화시켜 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다. 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)의 형상이 동일한 경우, 위상 조정부(133)의 축선(O) 방향에 있어서의 배치에 따라서, 메인 노즐(20)의 음향 특성이 변화된다. 그 때문에, 위상 조정부(133)의 축선(O) 방향에 있어서의 배치를 변화시키는 것에 의해, 유량 변동의 위상을 변화시킬 수 있다.
이 실시형태에 있어서의 각 메인 노즐(20)이 구비하는 위상 조정부(133)는, 제 1 실시형태의 위상 조정부(33)와 마찬가지로, 인접하는 메인 노즐(20)끼리 축선(O) 방향에 있어서의 위치가 일치하지 않도록 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 서로의 유량 변동의 위상이 역상이 되도록 배치되어 있다.
각 메인 노즐(20)은, 위상 조정부(133)에 의해 증가하는 압력 손실의 크기에 따른 크기의 메인 분사 구멍(24)을 갖고 있다. 즉, 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)에 의해 증가하는 압력 손실분만큼, 메인 분사 구멍(24)이 크게 형성되어 있다. 이것에 의해, 메인 노즐(20) 전체의 압력 손실은, 위상 조정부(133)를 마련하고 있지 않은 경우의 메인 노즐(20)의 전체의 압력 손실과 동등하게 되어 있다.
따라서, 상술한 제 2 실시형태의 연소기(4)에 의하면, 축선(O) 방향에 대하여 부분적으로 유로 단면적을 감소시키기 때문에, 각 메인 노즐(20)에 생기는 압력 손실의 증가를 최소한으로 하면서, 연료 노즐 내에서 생기는 연료의 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다. 그 결과, 메인 노즐(20) 내부의 유량 변동에 따른 연소 진동을 충분히 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 위상 조정부(133)를 메인 노즐(20)의 주벽(23)보다 외측으로 돌출시키지 않고 메인 노즐(20) 내에서 발생하는 연료의 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다. 그 때문에, 예를 들면 메인 노즐(20)의 주위에 있어서의 부품 등의 배치 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한, 위상 조정부(133)에 의해 증가하는 압력 손실분을 메인 분사 구멍(24)의 크기를 조정하는 것에 의해 보충하고 있다. 그 때문에, 메인 연료를 공급하는 압력을 증가시킬 필요가 없어서, 용이하게 연소 진동의 저감을 도모할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 연소기(4)에 대해 도면에 기초하여 설명한다. 이 제 3 실시형태의 연소기(4)는, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)에 대해서, 열을 이뤄서 배치된 복수의 메인 노즐(20)에 배열 방향으로 하나씩 걸러 위상 조정부(33)가 마련되는 점에서만 상이하다. 그 때문에, 동일 부분에 동일 도면부호를 부여하여 설명한다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 연소기(4)는, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)와 마찬가지로, 복수의 메인 노즐(20)을 구비하고 있다. 복수의 메인 노즐(20)은 축선(O) 방향(도 6 중, 화살표로 나타냄)으로 평행하게 연장되어 형성되어 있다. 복수의 메인 노즐(20)의 축선(O) 방향에 있어서의 길이는 동일 길이(L1)로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 축선(O)을 중심으로 하는 환상으로 배열되어 있다. 각 메인 노즐(20)은 서서히 축경되는 선단이 가는 선단부(21)를 구비하고 있다. 이들 선단부(21)의 근방의 노즐 본체부(22)의 주벽(23)에는, 메인 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 분사 구멍(24)이 형성되어 있다. 각 노즐 본체부(22)의 유로 단면적은, 위상 조정부(33)가 배치된 개소를 제외하고, 동일 유로 단면적으로 되어 있다.
환상으로 열을 이뤄서 배치된 복수의 메인 노즐(20)은, 그 배열 방향으로 하나씩 걸러 위상 조정부(33)를 구비하고 있다. 이 실시형태에 있어서의 위상 조정부(33)는 메인 노즐(20)의 유로 단면적을 축선(O) 방향으로 부분적으로 확대시키는 캐비티부로 이루어진다. 여기서, 위상 조정부(33)를 구비하는 메인 노즐(20)의 유량 변동의 위상은, 위상 조정부(33)를 구비하고 있지 않은 메인 노즐(20)의 유량 변동의 위상과 어긋나 있다. 위상 조정부(33)는 인접하는 메인 노즐(20)의 유량 변동의 위상끼리가 서로 역상이 되는 축선(O) 방향의 소정 위치에 배치되어 있다. 복수의 메인 노즐(20)에 마련된 각 위상 조정부(33)는 축선(O) 방향과 동일한 위치에 배치되어 있다.
위상 조정부(33)를 갖는 메인 노즐(20)은, 위상 조정부(33)를 마련하는 것에 의해 변화되는 압력 손실의 크기에 따른 크기의 메인 분사 구멍(24)을 갖고 있다. 즉, 위상 조정부(33)를 갖는 메인 노즐(20)의 전체의 압력 손실이, 위상 조정부(33)를 갖고 있지 않은 메인 노즐(20)의 전체의 압력 손실과 동등하게 되도록, 메인 분사 구멍(24)의 크기가 조정되어 있다.
따라서, 상술한 제 3 실시형태의 연소기(4)에 의하면, 제 1 실시형태의 연소기(4)와 마찬가지로, 연소 진동을 저감할 수 있다. 또한, 축선(O) 방향으로 위상 조정부(33)를 동일한 위치에 배치할 수 있으므로, 위상 조정부(33)의 유무의 차이만큼 2종류의 메인 노즐(20)을 준비하면 좋다. 이들 2종류의 메인 노즐(20)을 교대로 배치하면 되기 때문에, 조립 작업이 복잡화되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 조립 작업자의 부담 경감을 도모할 수 있다.
상술한 제 3 실시형태에 있어서는, 캐비티부로 이루어지는 위상 조정부(33)를 구비하는 경우에 대해 설명했지만, 예를 들면, 이 때 3 실시형태의 변형예로서 도 7에 도시하는 바와 같이, 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)로 치환하여도 좋다.
다음에, 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 연소기(4)에 대해 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이 제 4 실시형태의 연소기(4)는 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)와, 위상 조정부의 구성이 상이하기만 할 뿐이다. 그 때문에, 동일 부분에 동일 도면부호를 부여하여 설명한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 연소기(4)는, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)와 마찬가지로, 복수의 메인 노즐(20)을 구비하고 있다. 복수의 메인 노즐(20)은 축선(O) 방향(도 8 중, 화살표로 나타냄)으로 평행하게 연장되어 형성되어 있다. 복수의 메인 노즐(20)의 축선(O) 방향에 있어서의 길이는 동일 길이(L1)로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 축선(O)을 중심으로 하는 환상으로 배열되어 있다. 각 메인 노즐(20)은 서서히 축경되는 선단이 가는 선단부(21)를 구비하고 있다. 이들 선단부(21)의 근방의 노즐 본체부(22)의 주벽(23)에는, 메인 연료를 분사하기 위한 복수의 메인 분사 구멍(24)이 형성되어 있다. 각 메인 노즐(20)의 유로 단면적은 동일 유로 단면적으로 되어 있다. 이들 메인 노즐(20)은 축선(O) 방향으로 부분적으로 유로 단면적을 변화시키는 위상 조정부(233)를 구비하고 있다.
이 실시형태에 있어서의 위상 조정부(233)는, 축선(O) 방향에 대해 부분적으로 유로 단면적을 감소시키는 발포 금속 등의 다공질 재료로 이루어진다. 여기서, 위상 조정부(233)는 메인 노즐(20)의 유로 내에 채우는 것에 의해 배치되어 있다. 상기 다공질 재료로 이루어지는 위상 조정부(233)는 내부에 형성된 기공이 연결되어 있다. 메인 연료는, 이들 기공의 내부를 통과 가능하게 되어 있다. 즉, 메인 노즐(20)의 유로 단면적은 위상 조정부(233)에 의해 감소되어 있다.
상술한 제 1 실시형태의 위상 조정부(33)와 마찬가지로, 상기 위상 조정부(233)를 구비하는 메인 노즐(20)은, 위상 조정부(233)를 구비하고 있지 않은 메인 노즐(20)에 대하여, 그 음향 특성이 변화되어 유량 변동의 위상이 어긋나 있다. 위상 조정부(233)의 형상이 동일한 경우, 위상 조정부(233)의 축선(O) 방향에 있어서의 배치에 따라서, 메인 노즐(20)의 음향 특성이 변화된다. 여기서, 상기 위상 조정부(33)의 형상으로서는, 위상 조정부(233) 전체에 대한 기공의 점유하는 비율이나, 축선(O) 방향의 길이 등이 있다. 그 때문에, 인접하는 메인 노즐(20)에 있어서의 위상 조정부(233)의 축선(O) 방향에 있어서의 배치를 변화시키는 것에 의해, 인접하는 메인 노즐(20) 내에서 생기는 유량 변동의 위상을 변화시키는 것이 가능하게 되어 있다.
또한, 각 위상 조정부(233)는 인접하는 메인 노즐(20) 내부의 유량 변동의 위상이 서로 역상이 되도록 축선(O) 방향으로 어긋나게 하여 배치되어 있다.
또한, 상기 메인 노즐(20)은, 제 2 실시형태의 메인 분사 구멍(24)과 마찬가지로, 위상 조정부(233)에 의해 증가하는 압력 손실에 따른 크기의 메인 분사 구멍(24)을 구비하고 있다. 이것에 의해, 위상 조정부(233)를 마련하는 것에 의해 메인 노즐(20) 전체의 압력 손실이 증가하지 않도록 되어 있다.
따라서, 상술한 제 4 실시형태의 연소기(4)에 의하면, 메인 노즐(20)에 다공질 재료로 이루어지는 위상 조정부(233)를 마련하는 것에 의해, 메인 노즐(20)의 내부에 있어서의 음향 임피던스를 증가시킬 수 있다. 그 때문에, 상술한 각 실시형태와 마찬가지로 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상을 어긋나게 하여 연소실의 연료/공기비의 진폭을 저감시킬 수 있다. 또한, 음향 임피던스가 증가되므로, 메인 노즐(20) 내의 유량 변동의 진폭 자체를 저감할 수 있다.
본 발명은 상술한 각 실시형태의 구성에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 설계 변경 가능하다.
예를 들면, 상술한 제 1 실시형태의 연소기(4)에 있어서, 위상 조정부(33)를 마련하는 것에 의한 압력 손실의 변화분만큼 메인 분사 구멍(24)의 크기를 조정하도록 하여도 좋다.
또한, 제 2 실시형태의 연소기(4)에 있어서는, 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)의 압력 손실에 따라서 메인 분사 구멍(24)의 크기를 조정하는 경우에 대해 설명했다. 그러나, 메인 분사 구멍(24)의 크기를 조정하지 않고, 연료를 공급하는 압력을 증가시키도록 하여도 좋다.
또한, 상술한 각 실시형태의 인접하는 메인 노즐(20)에 있어서는, 축선(O) 방향에 있어서의 위상 조정부(33, 133, 233)의 배치를 어긋나게 함으로써, 연료 변동의 위상을 어긋나게 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 캐비티부, 오리피스부, 및 다공질 재료의 축선(O) 방향의 길이나, 캐비티부, 오리피스부에 있어서의 직경 방향의 크기, 다공질 재료에 있어서의 기공의 비율 등을 변화시켜서, 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상을 어긋나게 하도록 하여도 좋다.
또한, 상술한 각 실시형태에 있어서는, 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상이 역상이 되도록 구성했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 각 메인 노즐(20)의 유량 변동의 위상이 조금이라도 어긋나 있으면, 이들 위상이 일치하고 있는 경우와 비교하여 연소실에 있어서의 연료/공기비의 변동의 진폭을 저감하는 효과가 얻어진다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 배열된 복수의 메인 노즐(20)의 전체에 위상 조정부(33)를 마련하는 경우를 설명했다. 제 3 실시형태에서는, 하나씩 걸러 위상 조정부(33)를 마련하는 경우를 설명했다. 그러나, 복수의 메인 노즐(20) 중, 적어도 1개의 메인 노즐(20)에 위상 조정부(33)를 마련하고, 적어도 2개의 메인 노즐(20)에 생기는 유량 변동의 위상을 어긋나게 하도록 하면 좋다. 이 경우, 적어도 2개의 메인 노즐(20) 내에 생기는 유량 변동의 위상 차이분만큼, 연소실에 있어서의 연료/공기비의 변동의 진폭을 저감하는 효과가 얻어진다.
또한, 상술한 제 3 실시형태의 연소기(4)에 있어서는, 복수의 메인 노즐(20)에 마련된 각 위상 조정부(33)가, 축선(O) 방향으로 동일한 위치에 배치되는 경우에 대해 설명했다. 그러나, 인접하는 메인 노즐(20)끼리의 유량 변동의 위상은 역상이 되거나, 또는 단순히 어긋나는 배치이면 좋고, 축선(O) 방향에 있어서의 위치는 상이해도 좋다.
또한, 메인 노즐(20)끼리 메인 연료의 유량 변동의 위상을 어긋나게 하는 경우를 일 예로 설명했다. 그러나, 파일럿 노즐(15)과 메인 노즐(20)과의 유량 변동의 위상이 일치해 버리는 경우 등에는, 파일럿 노즐(15)과 메인 노즐(20) 중 적어도 한쪽에 위상 조정부(33(133, 233))를 마련하여도 좋다. 이것에 의해, 파일럿 노즐(15)과 메인 노즐(20)에 있어서의 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다.
또한, 위상 조정부(33(133, 233))의 유무와, 위상 조정부(33(133, 233))의 축선(O) 방향에 있어서의 배치에 의해서, 메인 노즐(20) 내의 유량 변동의 위상을 변화시키는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 캐비티부로 이루어지는 위상 조정부(33), 구멍부로 이루어지는 위상 조정부(133), 및 다공질 재료로 이루어지는 위상 조정부(233)를 메인 노즐(20)에 장착했을 때의 각 음향 특성은 각각 상이하다. 그 때문에, 위상 조정부의 종류를 변화시켜 유량 변동의 위상을 어긋나게 하도록 하여도 좋다. 예를 들면, 도 9에 도시하는 바와 같이, 인접하는 메인 노즐(20) 중, 한쪽의 메인 노즐(20)에 캐비티부로 이루어지는 위상 조정부(33)를 마련하고, 다른쪽의 메인 노즐(20)에 오리피스부로 이루어지는 위상 조정부(133)를 마련하는 등에 의해 유량 변동의 위상을 어긋나게 할 수 있다. 또한, 종류가 다른 위상 조정부(33, 133, 233)를 축선(O) 방향으로 어긋나게 하여 배치하거나, 메인 노즐(20)의 배열 방향으로 하나씩 걸러 배치하여도 좋다.
본 발명은 연소기 본체의 축선 방향으로 연장되며, 연소실측에 배치되는 분사 구멍으로부터 연료를 분사 가능한 복수의 연료 노즐을 구비한 연소기, 및 연소기를 구비하는 가스 터빈에 관한 것이다. 본 발명의 연소기, 및 가스 터빈에 의하면, 연소기에 있어서의 연소 진동을 저감할 수 있기 때문에, 이 연소 진동에 기인하는 부품의 손상을 억제할 수 있다.
1 : 가스 터빈 2 : 공기 취입구
3 : 압축기 4 : 연소기
5 : 터빈 10 : 연소기 내통
11 : 연소기 외통 12 : 내통 본체부
13 : 내통 서포트 14 : 배면 벽
15 : 파일럿 노즐(연료 노즐) 16 : 분사구
17 : 파일럿 콘 20 : 메인 노즐(연료 노즐)
21 : 선단부 22 : 노즐 본체부
23 : 주벽 24 : 메인 분사 구멍
26 : 메인 버너 27 : 메인 스윌러
28 : 공기 유로 29 : 정류판
31 : 매니폴드 32 : 연료 배관
33 : 위상 조정부 133 : 위상 조정부
233 : 위상 조정부 O : 축선
P : 축선

Claims (10)

  1. 연소기 본체의 축선 방향으로 연장되며, 연소실측에 배치되는 분사 구멍으로부터 연료를 분사 가능한 복수의 연료 노즐을 구비한 연소기에 있어서,
    상기 복수의 연료 노즐 중, 적어도 2개의 연료 노즐 사이에서 상기 연료의 유량 변동의 위상이 일치하지 않도록, 적어도 1개의 연료 노즐의 유로 단면적을 상기 축선 방향으로 부분적으로 변화시키는 위상 조정부를 구비하고,
    상기 위상 조정부를 구비하는 상기 연료 노즐은 상기 위상 조정부에 의해 생기는 압력 손실의 크기에 따른 크기의 분사 구멍을 가지며,
    상기 위상 조정부를 구비하는 상기 연료 노즐의 상기 분사 구멍의 크기는, 상기 위상 조정부를 구비하지 않은 경우의 상기 연료 노즐의 전체 압력 손실과, 상기 위상 조정부를 구비하는 상기 연료 노즐의 전체 압력 손실이 동등하게 되는 크기로 형성되어 있는
    연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 노즐은 각각 상기 위상 조정부를 구비하며,
    인접하는 상기 연료 노즐의 상기 위상 조정부는 서로 상기 축선 방향으로 어긋나게 하여 배치되는
    연소기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 노즐은 열을 이뤄서 배치되고,
    상기 위상 조정부는 상기 복수의 연료 노즐에 대하여 배열 방향으로 하나씩 걸러 마련되는
    연소기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 조정부는, 인접하는 상기 연료 노즐끼리의 상기 연료의 유량 변동의 위상을 서로 역상으로 하는
    연소기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 조정부는 상기 유로 단면적을 증가시키는 캐비티부를 구비하는
    연소기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 조정부는 상기 유로 단면적을 감소시키는 오리피스부를 구비하는
    연소기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 조정부는 상기 연료 노즐의 유로 내에 다공질 재료를 구비하는
    연소기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 노즐은 매니폴드로부터 분기 접속되는
    연소기.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 연소기를 구비하는
    가스 터빈.
KR1020157025378A 2013-03-22 2014-02-14 연소기 및 가스 터빈 KR101690446B1 (ko)

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