KR102524162B1 - 연소기 및 이것을 구비한 가스 터빈 - Google Patents

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Abstract

연소기는 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과, 상기 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과, 상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 상기 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고, 상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성된다.

Description

연소기 및 이것을 구비한 가스 터빈
본 개시는 연소기 및 이것을 구비한 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈에 이용되는 연소기에서는, 고온 부품을 확실히 냉각하는 것이 요구된다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 압축기에서 생성된 압축 공기의 일부를 추기하고, 이 추기 공기를 승압한 후, 연소통에 형성된 냉각 공기 통로로 인도하는 것에 의해, 연소통을 추기 공기로 냉각하도록 구성한 연소기가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는 연소통의 냉각을 목적으로 하는 것은 아니지만, 디퓨저 벽에 인접하여 흐르는 공기를 추기하고, 이 추기 공기에 대해 연료를 분사하여 얻어지는 혼합 기체를 연료 노즐보다 하류측에 있어서 연소통에 공급하도록 한 연소기가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2012-77660 호 공보 일본 특허 공개 제 2011-153815 호 공보
그렇지만, 특허문헌 1과 같이, 압축기로부터 공급되는 압축 공기의 일부를 연소통의 냉각을 위해 이용하는 경우, 연소통의 냉각에 이용하는 분만큼 연료 노즐 출구에 공급되는 압축 공기 공급량이 감소하기 때문에, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 연공비(燃空比)가 높아진다. 그 결과, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도가 높아져, 대기 오염 물질인 NOX가 생성될 우려가 있었다.
따라서, 본 발명의 몇 가지의 실시형태는, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제하여, NOX의 생성을 억제하는 것이 가능한 연소기 및 이것을 구비한 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 연소기는,
연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
상기 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과,
상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 상기 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고,
상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성되어 있다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 연소통을 냉각하기 위한 냉매로서, 압축 공기에 연료가 혼합된 혼합 기체가 이용된다. 따라서, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐 출구에 공급되는 연료량, 및 연료 노즐 출구에 있어서의 연공비가 상대적으로 적어진다. 그 결과, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제할 수 있으므로, NOX의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우는, 연료를 포함하지 않는 냉매(압축 공기)의 혼입에 의해 연소 반응의 진행이 방해받아, 연소기로부터 유출되는 연소 가스 중의 CO 농도가 증대해 버릴 가능성이 있다. 이 점, 상기 (1)의 구성에 의하면, 연소통의 내부 유로로부터 연소 공간에 공급되는 혼합 기체가 연료를 포함하므로, 연소 공간 내에 있어서의 연소 반응이 촉진되어, 연소기로부터 유출되는 연소 가스 중의 CO 농도를 저감할 수 있다. 이것은, 미연분인 CO가 발생하기 쉬운 저부하 운전시에 유용하다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 연소기는,
상기 압축 공기가 흐르는 압축 공기 라인과,
상기 압축 공기 라인 상에 마련되며, 상기 압축 공기 라인을 흐르는 상기 압축 공기에 대해 상기 연료를 공급하기 위한 연료 공급부를 구비하고,
상기 혼합 기체 라인은, 상기 연료 공급부로부터 공급된 상기 연료와 상기 압축 공기 라인을 흐르는 상기 압축 공기의 상기 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하도록 구성되어도 좋다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 압축 공기 라인으로부터 공급된 압축 공기에 대해 연료 공급부에 의해 연료가 공급되고, 압축 공기와 연료의 혼합 기체가 생성된다. 이렇게 하여 얻어진 혼합 기체를 연소통의 냉각에 이용하는 것에 의해, 상기 (1)에서 설명한 원리에 근거하여, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제할 수 있으므로, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (2)의 구성에 있어서,
상기 압축 공기 라인은, 상기 연소기를 구비한 가스 터빈의 압축기의 중간단 또는 상기 가스 터빈의 차실 내 공간으로부터 상기 압축 공기를 추기하도록 구성되어도 좋다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 가스 터빈의 압축기에서 생성한 압축 공기를 이용하여, 연소통을 냉각할 수 있다. 또한, 연소통의 냉각에 이용하는 냉매로서, 추기된 압축 공기에 연료를 가한 혼합 기체를 이용하는 것에 의해, 상기 (1)에서 설명한 원리에 근거하여, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제할 수 있으므로, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (2) 또는 (3)의 구성에 있어서,
상기 연료 공급부는,
상기 압축 공기 라인에 있어서의 상기 압축 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측에 위치하는 전연부와,
상기 전연부에 대해 상기 흐름방향에 있어서의 하류측에 위치하는 동시에, 상기 흐름방향의 하류측을 향하여 상기 연료를 분사하기 위한 연료 분사 구멍을 갖는 후연부를 포함하는
익형형상을 갖고 있어도 좋다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 연료 공급부의 후연부의 하류측에 있어서, 연료를 포함하는 압축 공기(연료 함유 공기)의 저유속 영역이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 압축 공기 라인 내에 있어서의 연료 함유 공기로의 착화를 방지할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (2) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 연소기는 상기 압축 공기 라인 상에 마련된 승압 컴프레서를 구비하고 있어도 좋다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 압축 공기 라인에 송급된 공기를 승압할 수 있다. 그 결과, 압력이 낮은 공기가 압축 공기 라인에 송급되어도, 혼합 기체를 연소통의 내부 유로에 공급하는데 적합한 압력까지 압축 공기 라인에 있어서의 공기를 승압할 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (2) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 연소기는 상기 압축 공기 라인 상에 마련되며, 상기 압축 공기를 냉각하기 위한 냉각기를 구비하고 있어도 좋다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 냉각기에 의해, 압축 공기를 냉각할 수 있다. 그 결과, 보다 냉각에 적합한 온도의 압축 공기를 생성할 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 혼합 기체 라인은, 상기 연소기를 구비한 가스 터빈의 익환의 내부를 통과하는 익환 냉각 라인을 포함하고 있어도 좋다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 혼합 기체를 냉매로서 이용하여, 연소통 뿐만 아니라, 가스 터빈의 익환도 냉각할 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (7)에 기재의 구성에 있어서,
상기 혼합 기체 라인은 상기 익환 냉각 라인을 바이패스하는 바이패스 라인을 더 포함하며,
상기 익환 냉각 라인과 상기 바이패스 라인 사이에서, 상기 혼합 기체가 흐르는 유로를 전환 가능하게 구성된 유로 전환 밸브를 더 구비하고 있어도 좋다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 익환 냉각 라인과 바이패스 라인을 전환 가능하다. 그 결과, 예를 들면, 가스 터빈의 운전 상황에 따라서 익환 냉각 라인과 바이패스 라인 중 어느 쪽을 이용할지를 선택하여, 냉매로서의 혼합 기체를 효과적으로 냉각에 이용할 수 있다.
(9) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 혼합 기체 라인 내에 있어서의 상기 연료의 농도는 가연 한계 농도 이하여도 좋다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 연소통의 내측의 연소 공간 이외에서의 혼합 기체의 착화를 방지할 수 있다. 또한, 혼합 기체가 연소 공간 내에 도입되어 연소될 때, 연소 공간으로의 혼합 기체의 공급 위치 근방에서 화염의 국소적 온도가 높아지는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 연소통 내에 있어서의 NOX의 생성을 억제할 수 있다.
(10) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 연소통의 축방향에 있어서, 상기 내부 유로의 상기 출구는 상기 연료 노즐의 하류단보다 하류측에 위치하고 있어도 좋다.
상술한 바와 같이, 연소통의 내부 유로를 통과 후에 연소 공간에 공급되는 혼합 기체에는 연료가 포함된다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 연료를 포함하는 혼합 기체의 연소 공간으로의 공급 위치(즉, 연소통의 내부 유로의 출구 위치)를, 연소통의 축방향에 있어서 연료 노즐의 하류단보다 하류측에 설정했으므로, 혼합 기체에 포함되는 연료가, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 연공비를 높일 수 없게 된다. 그 결과, 상기 (1)에서 설명한 원리에 근거하여, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염의 연소 온도를 낮게 억제할 수 있으므로, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
(11) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서,
상기 내부 유로는 상기 연소통의 축방향으로 연장되는 복수개의 직선 유로를 포함하고 있어도 좋다.
상기 (11)의 구성에 의하면, 복수개의 내부 유로에 냉매로서의 혼합 기체가 흐르는 것에 의해, 보다 효율적으로 연소통을 냉각할 수 있다.
(12) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈은,
상기 압축 공기를 생성하기 위한 압축기와,
상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 연소기와,
상기 연소기로부터의 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈을 구비하고 있다.
상기 (12)의 구성에 의하면, 상기 (1)에서 설명한 원리에 근거하여, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐 출구 부근에 있어서의 화염의 온도를 낮게 억제할 수 있기 때문에, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 몇 가지의 실시형태에 의하면, 노즐 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제하여, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 터빈을 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연소기를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연소통의 일부를 절취하여 도시하는 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연소통의 냉각 계통의 구성예를 도시하는 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연료 공급부의 개략도로서, 연소통의 냉각 계통에 조립되는 연료 공급부의 사시 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연료 공급부의 개략도로서, 연료 공급부의 단면 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면에 근거하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 범위는 이하 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 터빈(1)을 도시하는 개략 구성도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 일 실시형태에 따른 가스 터빈(1)은 압축 공기(G)를 생성하기 위한 압축기(2)와, 압축 공기(G) 및 연료(F)를 이용하여 연소 가스를 발생시키기 위한 연소기(4)와, 연소 가스에 의해 구동되며 회전하도록 구성된 터빈(6)을 구비하고 있다. 압축기(2)의 회전축과 터빈(6)의 회전축은 서로 연결되어 있으며, 이들 회전축에 의해 도 1에 도시하는 가스 터빈(1)의 로터(8)가 구성된다. 그리고, 연소 가스에 의해 터빈(6)이 구동되면, 터빈(6)의 회동력이 로터(8)를 거쳐서 압축기(2)에 전달되고, 압축기(2)가 구동된다. 발전용의 가스 터빈(1)의 경우, 로터(8)의 터빈(6)측 또는 압축기(2)측에 도시하지 않은 발전기가 연결되고, 터빈(6)의 회전 에너지에 의해 발전이 실행된다.
다음에, 도 1을 이용하여, 일 실시형태에 따른 가스 터빈(1)의 각 부위의 구성에 대해 설명한다.
압축기(2)는 압축기 차실(10)과, 압축기 차실(10)의 입구측에 마련되며, 공기를 취입하기 위한 공기 취입구(12)와, 압축기 차실(10) 내에 배치된 각종 날개를 구비하고 있다. 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 마련된 복수의 동익(18)을 포함한다. 또한, 압축기(2)는 도시하지 않은 추기실 등 다른 구성 요소를 구비하고 있어도 좋다.
이와 같은 압축기(2)에 있어서, 공기 취입구(12)로부터 취입된 공기는, 복수의 정익(16) 및 복수의 동익(18)을 통과하고 압축되어, 고온 고압의 압축 공기(G)가 된다. 이 압축 공기(G)는 압축기(2)로부터 후단의 연소기(4)로 이송된다.
연소기(4)는 케이싱(20) 내에 배치된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연소기(4)는 로터(8)의 중심축 주위에 복수 배치되어 있어도 좋다. 이 연소기(4)에는 연료(F)와, 압축기(2)에서 생성된 압축 공기(G)가 공급되도록 되어 있으며, 공급된 연료(F)를 연소시키는 것에 의해, 터빈(6)의 작동 유체인 연소 가스가 발생한다. 그리고, 발생한 연소 가스는 연소기(4)로부터 후단의 터빈(6)으로 이송된다. 또한, 연소기(4)의 상세한 구성은 후술한다.
터빈(6)은 터빈 차실(22)과, 터빈 차실(22) 내에 배치된 복수의 정익(24) 및 복수의 동익(26)과, 정익(24)을 보지하기 위해 정익(24)의 직경방향 외측에 마련되는 익환(27)을 구비하고 있다. 정익(24)은 익환(27)을 거쳐서 터빈 차실(22)측에 고정되어 있으며, 동익(26)은 정익(24)에 대해 교대로 배열되도록 로터(8)에 마련되어 있다.
상기 터빈(6)은 연소 가스가 복수의 정익(24) 및 복수의 동익(26)을 통과하는 것에 의해 로터(8)가 구동되고 회전하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 로터(8)에 연결된 도시하지 않은 발전기가 구동된다.
터빈 차실(22)의 하류측에는, 배기 차실(28)을 거쳐서 배기실(30)이 연결되어 있다. 이와 같이, 터빈(6)은 상기 터빈(6)을 구동한 후의 연소 가스가, 배기 차실(28) 및 배기실(30)을 거쳐서 외부로 배출되도록 되어 있다.
다음에, 도 2 내지 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 일 실시형태에 따른 연소기(4)의 상세한 구성에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연소기(4)를 도시하는 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연소통(80)의 일부를 절취하여 도시하는 부분 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연소통(80)의 냉각 계통의 구성예를 도시하는 개략도이다. 도 5a는 연소통(80)의 냉각 계통에 조립되는 연료 공급부(350)의 사시 개략도이며, 도 5b는 연료 공급부(350)의 단면 개략도이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 연소기(4)는 적어도 1개의 버너(50, 60)와, 버너(50, 60)의 하류측에 있어서 케이싱(20)에 의해 획정되는 차실 내 공간(40)에 마련된 연소통(연소기 라이너)(80)을 포함한다. 도 2에 도시하는 예시적인 실시형태에서는, 연소기(4)는 파일럿 연소 버너(50)와 복수의 예혼합 연소 버너(60)를 포함한다.
또한, 연소기(4)는 연소 가스를 바이패스 시키기 위한 도시하지 않은 바이패스관 등의 다른 구성 요소를 구비하고 있어도 좋다.
파일럿 연소 버너(50)는 메인 버너로서의 상기 예혼합 연소 버너(60)에 점화 내지 착화하기 위한 도화선(불씨) 버너로서, 연료 포트(52)에 연결된 연료 노즐(54)과, 상기 연료 노즐(54)의 하류측에 배치된 파일럿 콘(pilot cone)(56)을 포함한다.
예혼합 연소 버너(60)는 파일럿 연소 버너(50)의 주위에 복수개 마련된다. 각각의 예혼합 연소 버너(60)는, 연료 포트(62)에 연결된 메인 노즐(64)(연료 노즐)을 포함한다.
연소통(80)은 내통(46A)과, 상기 내통(46A)의 선단부에 끼워맞추는 미통(트랜지션 피스)(46B)을 포함한다. 연소통(80)의 내부에서 있어서, 상기 연소통(80)을 구성하는 통형상 벽의 내주면으로 둘러싸인 중공부에는 연소 공간(82)이 형성된다.
상기 구성을 갖는 연소기(4)에 있어서, 압축기(2)에서 생성된 압축 공기(G)는 차실 입구(42)로부터 차실 내 공간(40) 내에 공급되고, 또한, 차실 내 공간(40)으로부터 예혼합 연소 버너(60)로 인도된다. 이 예혼합 연소 버너(60)에 인도된 압축 공기(G)와, 연료 포트(62)로부터 공급된 연료(F)가 예혼합 연소 버너 내에서 미리 혼합된 후, 예혼합기로서 메인 노즐(64)로부터 연소통(80) 내에 분사된다.
또한, 차실 내 공간(40)으로부터 예혼합 연소 버너(60)를 거치지 않고 연소통(80) 내로 인도된 압축 공기(G)와, 연료 포트(52)로부터 공급되고 연료 노즐(54)로부터 분사된 연료(F)가 연소통(80) 내에서 혼합되어 혼합 기체가 되며, 상기 혼합 기체의 연소에 의해 소위 파일럿 화염이 형성된다. 이 때, 파일럿 연소 버너(50)에 의해 형성되는 화염(파일럿 화염)에 의해, 상술한 예혼합 연소 버너(60)로부터의 예혼합기가 착화되고 연소통(80) 내부의 연소 공간(82)에서 안정적으로 연소되어, 연소 가스가 발생한다.
연소 공간(82)에서 생성된 연소 가스는, 연소통(80) 내를 통하여, 연소 가스 흐름의 하류측에 배치된 터빈(6)에 공급된다.
또한, 연료 포트(52) 및 연료 포트(62)로부터 공급되는 연료(F)는, 기체여도 액체여도 좋으며, 그 종류도 특별히 한정되지 않는다. 또한, 연료 포트(52)에 공급되는 연료(F)와 연료 포트(62)에 공급되는 연료(F)를 상이한 종류의 연료(F)로 하여도 좋다. 예를 들면, 연료 포트(52)에 오일 연료가 공급되고, 연료 포트(62)에 천연 가스 등의 가스 연료가 공급되어도 좋다.
상기 구성의 연소기(4)에 있어서, 연소통(80)은 가스 터빈(1)의 운전 중에 고온이 된다. 이 때문에, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 연소통(80)은 상기 연소통(80)을 냉각하기 위한 내부 유로(100)를 갖고 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(100)의 입구에는, 후술하는 혼합 기체 라인(200)이 접속된다. 이에 의해, 연료(F)와 압축 공기(G)의 혼합 기체(H)가, 혼합 기체 라인(200)으로부터 내부 유로(100)에 공급된다. 한편, 도 2 내지 도 3에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(100)의 출구(102)는, 연소통(80)의 내측의 연소 공간(82)에 연통하고 있다. 이 때문에, 내부 유로(100)를 흘러 연소통(80)을 냉각한 후의 혼합 기체(H)는 연소 공간(82)에 유입된다.
여기에서, 연소통(80)을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기(G) 뿐인 경우는, 연소통(80)에 공급되는 연료(F)의 전량이 연료 노즐(54) 출구 및 메인 노즐(64) 출구에 공급되기 때문에, 연소통(80) 냉각용의 냉매로서, 압축 공기(G)에 연료(F)(전량 중 일부)를 혼합한 혼합 기체(H)를 이용하는 경우에 비해, 연료 노즐(54) 출구 및 메인 노즐(64) 출구에 공급되는 연료(F)의 양, 및 연료 노즐(54) 출구 및 메인 노즐(64) 출구에 있어서의 연공비가 상대적으로 높아진다. 이 점, 상기 구성과 같이, 연소통(80)을 냉각하기 위한 냉매로서, 압축 공기(G)에 연료(F)가 혼합된 혼합 기체(H)가 이용되는 것에 의해, 연소통(80)을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기(G) 뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐(54) 출구 및 메인 노즐(64) 출구에 공급되는 연료(F)의 양, 및 연료 노즐(54) 출구 및 메인 노즐(64) 출구에 있어서의 연공비(여기에서는 압축 공기(G)에 대한 연료(F)의 비율)가 상대적으로 적어진다. 그 결과, 연료 노즐(54)의 출구 부근 및 메인 노즐(64)의 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승이 억제된다. 연료 등을 연소시키는 과정에서 발생하는 NOx는, 연소 온도가 고온이 될수록 발생량이 많아지는 것이 알려져 있다. 따라서, 상기와 같이 연료 노즐(54)의 출구 부근 및 메인 노즐(64)의 출구 부근에 있어서의 화염 온도의 상승을 억제하는 것에 의해, NOX의 발생을 억제할 수 있는 것이다.
또한, 혼합 기체 라인(200)으로부터 내부 유로(100)에 공급되는 혼합 기체(H)는 임의의 연료(F)와, 압축기(2)에서 생성된 차실 내 공간(40)에 있어서의 압축 공기(G)의 혼합 기체여도 좋다. 혼합 기체(H)에 포함되는 연료(F)는, 적어도 한 개의 버너(50, 60)에 공급되는 연료(F)와 동일하여도 좋으며, 상이하여도 좋다. 또한, 혼합 기체(H)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(100)에 있어서, 연소 공간(82) 내에 있어서의 연소 가스의 흐름방향과는 반대방향으로 흘러도 좋다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(100)의 출구(102)는 복수 개소 마련되어 있어도 좋다. 또한, 내부 유로(100)의 출구(102)가 복수 마련되는 경우, 연소통(80)의 축방향에 있어서 서로 상이한 위치에 마련되어도 좋다.
내부 유로(100)의 구체적 구성은 특별히 한정되지 않지만, 내부 유로(100)는 예를 들면, 연소통(80)을 구성하는 통형상벽의 내부에 형성되는 직선 유로(100a)를 포함하고 있어도 좋다.
도 3에 도시하는 예시적인 실시형태에서는, 내부 유로(100)는 연소통(80)의 내주면과 외주면 사이에 존재하는 상기 통형상벽의 내부에 있어서 둘레방향으로 배열된 복수의 직선 유로(100a)를 포함한다. 각각의 직선 유로(100a)는, 연소통(80)의 축방향으로 연장되어 있다.
복수의 직선 유로(100a)는, 둘레방향으로 균등 피치로 마련되어 있어도 좋다. 복수의 내부 유로(100)(직선 유로(100a))가 마련되는 것에 의해, 내부 유로(100)를 흐르는 냉매(혼합 기체(H))와 연소통(80)이 접하는 면적이 확대되어, 보다 효율적으로 연소통(80)을 냉각할 수 있다.
또한, 직선 유로(100a)의 축방향에 있어서의 길이는 특별히 한정되지 않으며, 축방향에 있어서 동일한 길이여도 좋으며, 도 3에 도시하는 바와 같이, 서로 길이가 상이한 복수종의 직선 유로(100a)가 마련되어 있어도 좋다. 도 3에 도시하는 예에서는, 유로 길이가 긴 직선 유로(100a)의 출구(102)가, 연소통(80)의 축방향에 있어서, 유로 길이가 짧은 직선 유로(100a)의 출구(102)보다 상류측에 위치하고 있다. 이와 같이, 내부 유로(100)의 출구(102)를, 축방향에 있어서 복수 개소에 분산 배치하는 경우, 혼합 기체(H)에 포함되는 연료(F)가 연소되는 위치가 축방향에 있어서 분산되게 된다. 이에 의해, 연소 공간(82) 내에서의 발열량 분포가 축방향에 있어서 균일화되어, 연소기(4)의 연소 진동을 억제할 수 있다.
또한, 연소통(80)의 축방향에 있어서, 상술한 내부 유로(100)의 출구(102)는, 연료 노즐(54)의 하류단(55)보다 연소 가스 흐름의 하류측에 위치한다.
예를 들면, 연료 노즐(54)의 하류단(55)보다 하류측의 연소통(80)의 원통 부분(도 2에 도시하는 예에서는, 연소통(80) 중, 미통(46B)의 하류측의 비원통 부분을 제외한 부위)의 전체 길이를 L로 했을 때, 연료 노즐(54)의 하류단(55)과 내부 유로(100)의 출구(102)(출구(102)가 복수 존재하는 경우에는, 연소 가스 흐름의 가장 상류측에 위치하는 출구(102)) 사이의 연소통(80)의 축방향에 있어서의 거리 d는 d≥0.2×L을 만족하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 냉매가 압축 공기(G)와 연료(F)를 포함하는 혼합 기체(H)인 경우, 연소 공간(82)으로의 혼합 기체(H)의 유출 위치(즉, 연소통(80)의 내부 유로(100)의 출구(102) 위치)를, 연소통(80)의 축방향에 있어서 연료 노즐(54)의 하류단(55)보다 하류측에 설정했으므로, 혼합 기체(H)에 포함되는 연료(F)가, 연료 노즐(54)의 출구 부근에 있어서의 연공비를 높일 수 없게 된다. 그 결과, 연소통을 냉각하기 위한 냉매가 압축 공기뿐인 경우와 비교하여, 연료 노즐(54)의 출구 부근에 있어서의 화염의 연소 온도를 저하시킬 수 있으므로, NOX의 생성을 억제할 수 있다.
상기 구성의 내부 유로(100)의 입구에는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 연료(F)와 압축 공기(G)의 혼합 기체(H)를 내부 유로(100)로 인도하기 위한 혼합 기체 라인(200)이 접속된다.
상술한 혼합 기체 라인(200)은 도 4에 도시하는 바와 같이, 터빈(6)의 익환(27)의 내부를 통과하는 익환 냉각 라인(210)을 포함하고 있어도 좋다. 이 경우, 냉매로서의 혼합 기체(H)는 최초로 익환 냉각 라인(210)을 통하여 익환(27)을 냉각하고, 다음에 내부 유로(100)를 통하여 연소통(80)을 냉각하고, 마지막에 내부 유로(100)의 출구(102)로부터 연소통(80)의 연소 공간(82)에 유입된다. 상기 구성에 의하면, 혼합 기체(H)를 연소통(80)의 냉각에 부가하여, 가스 터빈(1)의 익환(27)의 냉각에도 이용할 수 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 일 실시형태에 따른 혼합 기체 라인(200)은, 상술한 익환 냉각 라인(210)에 부가하여, 익환 냉각 라인(210)을 바이패스하는 바이패스 라인(220)을 더 포함하고 있어도 좋다. 또한, 익환 냉각 라인(210)과 바이패스 라인(220) 사이에서, 혼합 기체(H)가 흐르는 유로를 전환할 수 있도록 구성된 유로 전환 밸브(230)를 더 구비하고 있어도 좋다.
상기 유로 전환 밸브(230)에 의해, 예를 들면 가스 터빈(1)의 운전 상황에 따라서 익환 냉각 라인(210)과 바이패스 라인(220) 중 어느 쪽을 이용할 지를 선택하여, 냉매로서의 혼합 기체(H)를 효과적으로 냉각에 이용할 수 있다.
예를 들면 가스 터빈(1)의 기동시는, 익환(27)이 고온이 되어 있지 않다. 따라서, 바이패스 라인(220)을 선택하여, 혼합 기체(H)를 연소통(80)의 냉각에만 이용할 수 있다. 한편, 가스 터빈(1)의 정격 부하시에는, 기동시에 비해 익환(27)도 고온이 된다. 따라서, 익환 냉각 라인(210)을 선택하여, 혼합 기체(H)를 연소통(80)의 냉각 및 익환(27)의 냉각에 이용할 수 있다.
도 4에 도시하는 일 실시형태에 따른 연소기(4)는, 압축 공기(G)를 혼합 기체 라인(200)으로 인도하는 압축 공기 라인(300)과, 압축 공기 라인(300) 상에 마련되며, 압축 공기(G)에 대해 연료(F)를 공급하기 위한 연료 공급부(350)를 더 포함하고 있어도 좋다. 연료 공급부(350)로부터 공급된 연료(F)와 압축 공기 라인(300)을 흐르는 압축 공기(G)는, 혼합 기체(H)로서 혼합 기체 라인(200)에 유입된다.
또한, 압축 공기(G)를 인도하는 압축 공기 라인(300)은, 여러 가지의 장소로부터 압축 공기(G)를 추기할 수 있도록 구성되어도 좋다.
예를 들면, 도 1에 도시하는 압축기(2)의 중간단으로부터 압축 공기(G)를 추기하여도 좋고, 도 2에 도시하는 차실 내 공간(40)으로부터 압축 공기(G)를 추기하여도 좋다.
또한, 도 4에 도시하는 실시형태와 같이, 연소기(4)는 압축 공기 라인(300) 상에 마련된 냉각기(302)와, 압축 공기 라인(300) 상에 마련된 승압 컴프레서(304)를 구비하여도 좋다. 도 4에 도시하는 예시적인 연소기(4)에서는, 압축 공기(G)의 흐름방향에 있어서의 냉각기(302)의 하류측에, 승압 컴프레서(304)가 마련되어 있다. 상기 연소기(4)에 있어서, 냉각기(302)에 의해, 냉각에 적합한 온도의 압축 공기(G)를 생성할 수 있다. 또한, 외기 등의 압력이 낮은 공기가 압축 공기 라인(300)에 송급되어도, 승압 컴프레서(304)에 의해, 연소통(80)의 내부 유로(100)에 공급하는데 적합한 압력까지 압축 공기 라인(300)에 있어서의 공기를 승압할 수 있다.
상술한 압축 공기 라인(300)과, 냉각기(302)와, 승압 컴프레서(304)와, 연료 공급부(350)는, 케이싱(20) 외부에 마련되어 있어도 좋다. 이 구성에 의하면, 연료(F)를 포함한 압축 공기(G)는 케이싱(20) 외부의 압축 공기 라인(300)으로부터, 케이싱(20) 내의 혼합 기체 라인(200)으로 인도된다.
한편, 연료 공급부(350)는 케이싱(20) 내의 혼합 기체 라인(200)에 마련되어 있어도 좋다. 예를 들면, 혼합 기체 라인(200) 중 익환 냉각 라인(210)보다 하류측에 연료 공급부(350)가 마련되어 있어도 좋다. 이 경우, 익환(27)을 냉각한 후의 압축 공기(G)에 연료(F)가 공급된다.
도 5a는 연료 공급부(350)의 사시 개략도이며, 도 5b는 연료 공급부(350)의 단면 개략도이다.
지금까지, 연소기(4)의 전체 구성에 대해 설명했다.
이하, 도 5a 및 도 5b를 이용하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연소기(4)에 있어서의 연료 공급부(350)의 구성에 대해 설명한다.
압축 공기(G)에 대해 연료(F)를 공급하는 연료 공급부(350)는, 도 5a 및 도 5b에 도시하는 바와 같이, 압축 공기 라인(300)에 있어서의 압축 공기(G)의 흐름방향에 있어서의 상류측에 위치하는 전연부(352)와, 전연부(352)에 대해 흐름방향에 있어서의 하류측에 위치하는 동시에, 흐름방향의 하류측을 향하여 연료(F)를 분사하기 위한 연료 분사 구멍(360)을 갖는 후연부(354)를 포함하는 익형형상을 갖고 있어도 좋다. 이와 같은 연료 공급부(350)는, 전연부(352)와 후연부(354)를 연결하는 코드에 대해 한쪽의 면과 다른쪽의 면이 비대칭이어도 좋으며 대칭이어도 좋다. 즉, 연료 공급부(350)는 압축 공기(G)의 흐름방향에 있어서 적어도 연료 분사 구멍(360)보다 후류측에 소용돌이를 발생시키지 않는 유선형, 즉, 흐름 내에 놓여졌을 때에 주위에 소용돌이를 발생하지 않고, 흐름으로부터 받는 저항이 가장 작아지는 곡선(혹은 곡면)으로 구성되는 형태여도 좋다. 구체적으로는, 연료 공급부(350)는, 압축 공기(G)의 흐름방향을 따른 단면이 가늘고 기다랗고(혹은, 얇고) 선단이 둥글며, 후단이 흐름의 하류를 향하여 날카롭고 뾰족해지는 뾰족한 형상을 갖고 있어도 좋다. 연료 공급부(350)를 상기 구성으로 하는 것에 의해, 연료 공급부(350)의 후연부(354)의 하류측에 있어서, 연료(F)를 포함하는 압축 공기(G)(연료 함유 공기)의 저유속 영역이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 압축 공기 라인(300) 내에 있어서의 연료 함유 공기로의 착화 또는 보염을 방지할 수 있다.
또한, 연료 공급부(350) 내부에는, 연료(F)를 흘리기 위한 연료 유로(356)가 마련되어 있어도 좋다. 또한, 연료(F)는 외부 연료 유로(358)로부터 연료 유로(356)에 공급되고, 연료 분사 구멍(360)으로부터 분사되도록 구성되어 있어도 좋다. 또한, 외부 연료 유로(358) 위에는, 연료(F)의 공급량을 조정하는 연료 조정 밸브(359)가 마련되어 있어도 좋다.
또한, 몇 가지의 실시형태에서는, 혼합 기체 라인(200) 내에 있어서의 연료(F)의 농도는 가연 한계 농도 이하여도 좋다. 연료(F)의 농도를 조정하기 위해, 예를 들면, 상기 연료 조정 밸브(359)에 있어서 연료(F)의 공급량을 조정하여도 좋다. 연료(F)의 농도를 가연 한계 농도 이하로 하는 것에 의해, 연소통(80)의 내측의 연소 공간(82) 이외에서 혼합 기체(H)가 착화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 혼합 기체(H)가 연소 공간(82) 내에 도입되고 연소될 때, 연소 공간(82)으로의 혼합 기체(H)의 공급 위치 근방에 있어서 국소적으로 화염 온도가 높아지는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 연소통(80) 내에 있어서의 NOX의 생성을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기의 형태로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 범위에서의 여러 가지의 변경이 가능하다.
1: 가스 터빈 2: 압축기
4: 연소기 6: 터빈
27: 익환 40: 차실 내 공간
54: 연료 노즐 80: 연소통
100: 내부 유로 102: 출구
200: 혼합 기체 라인 210: 익환 냉각 라인
220: 바이패스 라인 230: 유로 전환 밸브
300: 압축 공기 라인 302: 냉각기
304: 승압 컴프레서 350: 연료 공급부
352: 전연부 354: 후연부
F: 연료 G: 압축 공기

Claims (13)

  1. 연료 포트로부터 공급되는 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
    상기 연료 노즐로부터 분사된 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과,
    상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 상기 연료 포트와는 별도의 외부 연료 유로로부터 공급되는 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고,
    상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성된 것을 특징으로 하는
    연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축 공기가 흐르는 압축 공기 라인과,
    상기 압축 공기 라인 상에 마련되며, 상기 압축 공기 라인을 흐르는 상기 압축 공기에 대해 상기 외부 연료 유로로부터의 연료를 공급하기 위한 연료 공급부를 구비하고,
    상기 혼합 기체 라인은, 상기 연료 공급부로부터 공급된 상기 연료와 상기 압축 공기 라인을 흐르는 상기 압축 공기의 상기 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하도록 구성된 것을 특징으로 하는
    연소기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 공기 라인은, 상기 연소기를 구비한 가스 터빈의 압축기의 중간단 또는 상기 가스 터빈의 차실 내 공간으로부터 상기 압축 공기를 추기하도록 구성된 것을 특징으로 하는
    연소기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 압축 공기 라인에 있어서의 상기 압축 공기의 흐름방향에 있어서의 상류측에 위치하는 전연부와,
    상기 전연부에 대해 상기 흐름방향에 있어서의 하류측에 위치하는 동시에, 상기 흐름방향의 하류측을 향하여 상기 외부 연료 유로로부터의 연료를 분사하기 위한 연료 분사 구멍을 갖는 후연부를 포함하는
    익형형상을 갖는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 공기 라인 상에 마련된 승압 컴프레서를 구비하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 공기 라인 상에 마련되며, 상기 압축 공기를 냉각하기 위한 냉각기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  7. 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
    상기 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과,
    상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고,
    상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성되는 연소기로서,
    상기 혼합 기체 라인은 상기 연소기를 구비한 가스 터빈의 익환의 내부를 통과하는 익환 냉각 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합 기체 라인은 상기 익환 냉각 라인을 바이패스하는 바이패스 라인을 더 포함하며,
    상기 익환 냉각 라인과 상기 바이패스 라인 사이에서, 상기 혼합 기체가 흐르는 유로를 전환 가능하게 구성된 유로 전환 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  9. 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
    상기 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과,
    상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고,
    상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성되며,
    상기 혼합 기체 라인 내에 있어서의 연료의 농도는 가연 한계 농도 이하인 것을 특징으로 하는
    연소기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소통의 축방향에 있어서, 상기 내부 유로의 상기 출구는 상기 연료 노즐의 하류단보다 하류측에 위치하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 유로는 상기 연소통의 축방향으로 연장되는 복수개의 직선 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연소기.
  12. 상기 압축 공기를 생성하기 위한 압축기와,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 연소기와,
    상기 연소기로부터의 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈.
  13. 연료를 분사하기 위한 연료 노즐과,
    상기 연료를 연소시키기 위한 연소 공간을 둘러싸는 동시에, 상기 연소 공간에 연통하는 출구를 갖는 내부 유로를 갖는 연소통과,
    상기 연소통의 상기 내부 유로의 입구에 접속되며, 연료와 압축 공기의 혼합 기체를 상기 내부 유로로 인도하기 위한 혼합 기체 라인을 구비하고,
    상기 내부 유로는, 상기 혼합 기체가 상기 내부 유로 내에서 상기 연소 공간 내에 있어서의 연소 가스의 흐름방향과는 반대방향으로 흐르게끔, 상기 혼합 기체를 인도하도록 구성되며,
    상기 연소통은 상기 내부 유로를 흐르는 상기 혼합 기체에 의해 냉각되도록 구성된 것을 특징으로 하는
    연소기.
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