KR0149059B1

KR0149059B1 - 가스터빈연소기

Info

Publication number: KR0149059B1
Application number: KR1019940015020A
Authority: KR
Inventors: 타케시 타카하라; 타다시 고바야시; 마사오 이토오
Original assignee: 사또 후미오; 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1998-10-01
Also published as: FR2708338A1; JP3335713B2; KR950001074A; GB2280022B; FR2708338B1; GB2280022A; JPH0719482A; US5450725A; GB9412985D0

Abstract

NO_X의 발생이 많은 확산연소의 비율을 대폭으로 감소시켜서 보다 저NO_X화를 도모하는 동시 에 확산연소비율을 감소시켜도 안정된 연소를 확보할 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는데 있다.

가스터빈 연소기(15)는 연소기라이너(20) 내에 형성되는 연소실(21)을 연소기라이너(20) 두부측의 제1단연소역(26)과 이 연소역(26) 하류측의 제2단연소역(27)으로 구획하고, 상기 제1단연소역(26)에 제1단 연료(A)를 분사하는 제1단연료공급수단(30)과 제2단연소역(27)에 연료 희박상태로 예비 혼합된 제2단연료(C)를 분사시키는 제2단연료공급수단(31)을 각각 구비한 가스터빈 연소기(15)에 있어서, 상기 제1단연료수단(30)은 제1단연료(A)를 공급하는 제1단연료노즐(31)을 확산연소용노즐(35)과 예비 혼합연소용노즐(36)을 조합해서 구성하고, 상기 예비혼합 연소용노즐(36)은 제1단연료(A)와 공기를 예비혼합시키는 예비혼합부를 도중에 구비하고, 이 예비혼합부는 예비혼합류가 축류가 되도록 상류측보다 하류측의 지름을 작게 설정한 것이다.

Description

가스터빈 연소기

제1도는 본 발명에 의한 가스터빈 연소기를 적용한 가스터빈 플랜트를 예시하는 개략단면도.

제2도는 본 발명에 의한 가스터빈 연소기의 일실시예를 나타낸 종단면도.

제3도는 본 발명의 가스터빈 연소기에 장치된 제1단 연료노즐로서의 파이롯연료노즐의 파이롯확산연소용 노즐의 선단부분을 나타낸 상세도.

제4도는 본 발명에 의한 가스터빈 연소기의 각 연료유량과 가스터빈 부하의 관계(연료배분)를 나타낸 도면.

제5도는 본 발명에 의한 가스터빈 연소기의 가스터빈 부하에 대한 NO_X농도를 종래의 가스터빈 연소기의 NO_X농도와 비교한 도면.

제6도는 저 NO_X화 된 종래의 가스터빈 연소기의 일구조예를 나타낸 도면.

제7도는 제6도에 나타낸 가스터빈 연소기에 있어서의 각 연료배분을 나타낸 도면.

제8도는 저 NO_X화 된 종래의 가스터빈 연소기의 다른 구조예를 나타낸 단면도.

제9도는 제8도에 나타낸 종래의 가스터빈 연소기를 변형시킨 구조예를 나타낸 도면.

제10도는 가스터빈 연소기에 있어서의 각 연료 배분을 나타낸 도면.

본 발명은 공기와 연료를 예비 혼합하여 연소시키는 가스터빈 연소기에 관한 것이며, 특히 가스터빈 배기중에 포함되는 NO_X농도를 저감시킨 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

가스터빈 플랜트나 콘바인드사이클 발전 플랜트에는 가스터빈 연소기가 복수대장치되어 있고, 이 가스터빈 연소기로 연소시킨 연소가스를 가스터빈에 안내하여 가스터빈을 구동시키도록 되어 있다. 이 종류의 가스터빈 플랜트에서는 터빈입구온도를 상승시키면 터빈열효율이 향상됨이 알려져 있고, 터빈열효율을 향상시키기 위해서 터빈 입구온도 즉, 가스터빈 연소기의 출구온도의 상승이 도모되고 있다.

가스터빈 연소기는 가스터빈이나 연소기재료의 내열한계에 의해서 연소가스온도가 여러 가지의 제약을 받거나 가스터빈 연소기에 있어서의 NO_X(질소산화물)대책상, 연소가스온도는 제약을 받는다.

가스터빈 연소기의 NO_X발생의 주원인은 가스터빈 연소기내에 있어서의 연소가스의 국소적인 고온화를 들 수 있고, NO_X발생량은 가스터빈 연소기의 연소역의 연소가스온도에 의존한다. NO_X는 가스터빈 연소기 내부에서 연료와 공기가 확산혼합하여 연소하는 중에서 연료와 공기가 당량비 1에 가까운 상태로 단열화재 온도에 가까운 고온으로 확산연소하는 경우에 다량으로 발생한다.

가스터빈 연소기에서 NO_X의 발생을 낮게 억제하는 방법으로써 연료와 공기를 미리 연료희박상태로 혼합하여 연소시키는 희박예비 혼합연소방식이 있다.

희박예비혼합연소방식을 채용한 가스터빈 연소기로 일본실공평 4-43726호 공보에 개시된 것이 있다. 이 가스터빈 연소기는 제6도에 나타낸 것과 같이 메인 연료의 예비혼합화에 더하여 파이롯연료도 일부예비혼합화 함으로써 NOx발생량이 많은 확산연소를 감소시켜 대폭적인 저 NOx를 도모한 것이다.

제6도에 나타낸 종래의 가스터빈 연소기는 연소기라이너(1)내가 제1단연소역(2)과 제2단연소역(3)으로 나누어진다. 연소기라이너(1)의 두부에 파이롯연료노즐(4)이 설비되고, 이 연료노즐(4)에서 제1단연소역(2)에 파이롯연료(A)를 공급하고 있다.

또, 연소기라이너(1)의 둘레에는 메인연료노즐(5)이 분출하는 메인연료(C)를 공기와 예비혼합하는 예비혼합닥트(6)가 설비되어 있고, 이 예비 혼합닥트(6)에서 예비 혼합된 메인연료(C)는 제2단연소역(3)에 분사되어서 연소를 행하도록 되어 있다.

한편, 파이롯연료노즐(4)은 중심부에 축방향으로 뻗은 파이롯연료(A)의 연료통로부(4a)가 설비되어 있고, 이 연료통로부(4a)를 둘러싸고 공기통로부(4b)가 설비되어 있다. 공기통로부(4b)의 입구 및 출구(라이너입구)에는 공기흐름을 선회시키는 스와라(7,8)가 설치되었다. 각 스와라(7,8)내 또는 스와라 하류부에 파이롯연료(A)가 분출되는 구조로 되어 있다.

종래의 가스터빈 연소기의 운전은 착화에서 가스터빈 부하가 어느 정도 부분 부하까지는 제7도에 나타낸 것과같이 파이롯연료노즐(4)에서 분출되는 파이롯연료(A)만에 의한 연소운전이 행해진다. 이때 파이롯연료의 연료 유량은 1개의 연료제어변(9)에 의해서 콘트롤되어서 파이롯연료노즐(4)에 공급되고, 이 파이롯연료노즐(4)에서 파이롯확산연료(a)와 파이롯예비혼합연료(b)로 나누어진다.

파이롯확산연료(a)는 스와라(8)에 의해서 확산되어서 제1단연소역(2)에 공급되어서 연소되는 한편, 파이롯예비혼합연료(b)는 공기통로부(4b)에서 공기와 균일하게 혼합된 후에 스와라(8)에서 제1단연소역(2)내로 분사되어서 연소에 제공하도록 되어 있다.

이때 파이롯확산연료(3)와 파이롯예비혼합연료(b)의 연료배분은 각 연료분사구의 면적에 의해서 일의적으로 결정되나, 저NO_X화를 도모하기 위하여 스와라(7,8) 및 공기통로부(4b)의 통로면적은 파이롯예비혼합연료의 연공비(연료의 중량유량/공기의 중량유량)를 충분히 낮게 되도록 비교적 크게 정해진다.

가스터빈이 고분하운전역으로 운전하도록 하려면 제7도에 나타낸 것과같이 연료제어변(9)을 조여 파이롯연료(A)를 감소시키고, 확산연소비율을 적게하는 동시에 연료제어변(10)을 열어 메인연료노즐(5)에 메인연료(C)를 공급한다. 공급된 메인연료(C)는 예비혼합닥트(6)내에서 균일하게 혼합된 후에 연소기라이너(1)내에 분사되어 제2단연소역(3) 에서 연소된다. 예비혼합닥트(6)는 전연료유량의 70∼80%를 점하는 메인연료를 충분히 희박 예비혼합시키는 공기가 흐르게 통로면적이 확보된다.

종래의 가스터빈연소기에서 메인연료에 더하여 파이롯연료(A)의 일부를 희박예비혼합 시키고 있기 때문에 파이롯확산연료(a)의 비율을 적게 할 수 있어서 대폭적인 저NOx화를 도모할 수 있다. 그러나 이 확산연료(a)의 비율은 전술한 바와같이 스와라(7,8)의 공기 통로면적이 비교적 크게 설계되어 있어서 공기유입량이 많기 때문에 연소안정성을 생각하면 전연료유량에 대해서 20% 정도까지만 작게 할 수 있어서, 그 이상 작게하는 것은 곤란하여 저NOx화에도 한계가 있었다.

종래의 가스터빈 연소기의 다른 예로써 일본특개평 4-98014호 공보에 개시된 것이 있다. 이 가스터빈연소기의 예를 제8도 및 제9도에 나타냈다. 이 가스터빈연소기는 제6도에 나타낸 가스터빈연소기와 기본적인 구조를 같게 하고, 연소기라이너(1)내에 형성된 연소실이 제1단연소역(2)과 그 하류측의 제2단연소역(3)으로 나누어진다. 연소기라이너(1)의 둘레에 복수의 예비혼합닥트(예비혼합관)(6)이 설비되고, 이 예비혼합닥트(6)에서 메인연료를 공기와 연료희박상태로 미리 균일하게 예비 혼합한 후에 예비혼합된 메인연료를 제2단연소역(3)에서 분출하여 연소시키도록 되어 있다.

제8도에 나타낸 가스터빈연소기는 파이롯연료노즐(4)이 확산연료노즐만으로 구성되고, 파이롯연료노즐(4)에서 분출되는 파이롯연료(A)는 파이롯연소용스와라(8)에 의해서 선회류로 형성된다. 이 선회류는 파이롯연료노즐(4) 하류측의 환상선회류가이드(11)에 의해서 안내되고, 선회류가이드(11)의 중심부위치에 형성된 제1단연소역(2)에서의 안정연소를 도모하고 있다.

이 안정연소는 NO_X가 많은 파이롯확산연소를 행하는 파이롯연료(A)가 비교적 적을 때에도 얻어지므로 파이롯연료노즐(4)에 의한 확산연료를 적게 하고, NO_X발생이 거의 없는 메인연료노즐(5)에 의한 예비혼합연소를 많게 하는 운전이 가능하게 되어 대폭적인 저NO_X화가 도모된다.

다른 한편 제9도에 나타낸 가스터빈연소기는 제8도에 나타낸 가스터빈연소기의 파이롯연료노즐(4)을 일부 예비혼합화하여 대폭적인 저NO_X화를 도모한것이다.

이 가스터빈연소기는 파이롯연료노즐(4)에서 분사되는 파이롯연료(A)에 선회류를 부여하는 파이롯연료용스와라(8)의 상류측에 파이롯예비혼합연료노즐(7)을 추가 설비하고, 이 예비혼합연료노즐(7)에서 파이롯예비혼합연료(b)를 분사하고, 공기통로부(12)내에서 연료희박 상태로 혼합하고, 제1단연소역(2)에서 예비 혼합연소시키기 때문에 NO_X의 발생이 적게 되어 있다. 이때에 파이롯확산연료(a)는 제8도에 나타낸 가스터빈연소기에 비해서 적어져 있으므로 저NO_X가 달성된다.

그러나 근년의 가스터빈플랜트에 있어서는 가스터빈의 열효율의 더 한층의 효율화를 도모하기 위해서 가스터빈연소기에서의 연소가스 온도의 고온화가 모색되고, 이 연소가스 온도의 고온화에 수반되어 저NO_X화에의 요구가 보다 높아지고 있다. 저NO_X화의 목표치를 달성하기 위해서는 NO_X발생량이 많은 확산연소를 전연소량에 대해서 수% 정도로 억제하고, 나머지의 전부를 NO_X가 거의 생기지 않는 예비혼합 희박연소시키는 저NO_X의 가스터빈연소기의 개발이 요구되었다. 제6도에 나타낸 종래의 가스터빈연소기에서는 파이롯예비혼합연료(b)를 충분히 연료희박혼합시키기 위해서 비교적 다량의 공기를 파이롯예비연료용스와라(7)및 공기통로부(4b)에 흘리는 설계 구조이기 때문에 파이롯확산연료스와라(8)가 비교적 대형화되어 소형화를 도모하기가 곤란하다. 이 때문에 파이롯확산연료(a)를 전연료유량의 수% 정도로 감소시키면 불완전연소나 실화등의 불안정연소가 생기는 문제가 있었다. 또 하나의 파이롯연료노즐(4)로 연료분사구로 부터의 차압을 충분히 보지한채로 파이롯확산연소를 전연소유량의 30% 정도에서 수% 정도까지 변화시키는 운전은 불가능하였다.

또, 제9도에 나타낸 가스터빈연소기에 관해서도 아주 똑같은 문제로 전연료에 대한 파이롯확산연료(a)를 수% 정도까지 적게 할수 없는 문제가 있다.

또, 제8도에 나타낸 가스터연소기에서는 파이롯연료노즐(4)이 확산연료노즐만의 구성으로 되어 있기 때문에 메인연료(C)에 예비혼합연소를 개시할 수 있는 가스터빈 부하까지는 NO_X의 발생이 많은 파이롯확산연소단독의 운전으로 된다.

이 파이롯확산연소단독의 운전에서는 파이롯연료에 의한 확산연소를 유지하기 위해서 확산연소에 필요한 비교적 많은 공기량을 파이롯연료용스와라(8)에서 유입시키는 설계로 되어 있다. 이 때문에 제8도에 나타낸 가스터빈연소기에 있어서 메인연료(C)가 투입되어서 저NO_X의 예비혼합연소가 개시되는 가스터빈고부하영역에서는 파이롯확산연료비율을 저감시킬 수 없어서 수% 정도로 감소시키면 제6도에 나타낸 가스터빈연소기와 마찬가지로 불완전 연소나 실화등의 불안정 연소는 피할수 없는 문제가 있다.

종래의 가스터빈연소기에서는 전연소유량에 대해서 수%의 파이롯확산연소를 행하기 위한 전용의 공기통로부와 보염기구를 구비하지 않은 결점이 있었다.

본 발명은 상술한 사정을 고려하여 된 것이며, NO_X의 발생이 많은 확산연소비율을 대폭 감소시킴으로써 저NO_X화를 도모하는 동시에 확산연소비율을 감소시켜도 안정된 연소를 확보할 수 있는 가스터빈연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 가스터빈의 정상 부하운전시에 확산연소비율을 전연료유량의 수% 이내로 억제하여 초저NO_X화를 도모하는 동시에 확산연소용노즐의 소형화에 의한 안정연소를 확실하게 할 수 있는 가스터빈연소기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 제1단연료노즐의 예비혼합연소용노즐내를 안내하는 예비혼합류가 축류로 되도록 하여 예비혼합연료가스의 역화방지를 도모할 수 있어 대폭적인 저NO_X화를 도모할 수 있는 가스터빈연소기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 제1단연료노즐의 확산연소용노즐로 형성되는 연료통로부를 제1연료통로부와 제2연료통로부로 독립시켜 형성하고, 각 연료유량에 적합한 연료분사구를 형성함으로써 보다 한층 안정된 연소를 행할수 있는 가스터빈연소기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 제1단연료노즐의 예비혼합연료용노즐로 형성된 예비혼합부에서 예비혼합연료와 공기를 더 한층 균일하게 혼합시켜 저NO_X화를 도모할 수 있는 가스터빈연소기를 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 가스터빈연소기는 상술한 과제를 해결하기 위해서 청구항1 기재와 같이 연소기라이너내에 형성된 연소실을 연소기라이너두부측의 제1단연소역과 이 연소역하류측의 제2단연소역으로 구획하고, 상기 제1단연소역에 제1단연료를 분사하는 제1단연료 공급수단과 제2단연소역에 연료희박 상태로 예비혼합된 제2단연료를 분사시키는 제2단연료공급수단을 각각 구비한 가스터빈연소기에 있어서, 상기 제1단연료공급수단은 제1단연료를 공급하는 제1단연료노즐을 확산연소용노즐과 예비혼합연소용노즐을 조합해서 구성하고, 상기 예비혼합연소용노즐은 제1단연료와 공기를 예비혼합시키는 예비혼합부를 도중에 구비하고, 이 예비혼합부는 예비혼합류가 축류로 되도록 상류측보다 하류측의 직경은 작게 설정한 것이다.

또, 상술한 과제를 해결하기 위해서 본 발명에 의한 가스터빈연소기는 청구항1 기재내용에 더하여 청구항2에 기재한 바와같이 상기 제1단연료노즐은 중앙에 확산연소용노즐이 이 확산연소용노즐을 둘러싸고 예비혼합연소용 노즐이 각각 설비된 파이롯연료노즐이고, 또 청구항3에 기재한 바와같이 상기 제1단연료노즐의 확산연소용노즐을 중심부에 축방향으로 뻗는 연료통로부가 이 연료통로부의 외주에 공기 통로부가 각각 형성되고, 공기통로부의 제1단연소역측으로 공기에 선회를 부여하는 스와라와 연료통로부에서의 연료분출구를 설비한 것이고, 또 청구항 4에 기재한 바와같이 상기 제1단연료노즐의 확산연소용노즐에 형성된 연료통로부는 대유량의 제1단연료를 공급하는 제1연료통로부와 전연료유량에 대해서 수% 정도의 소유량의 재1단연료를 공급하는 제2연료통로가 각각 독립적으로 설비된 것이다.

또, 본 발명에 의한 가스터빈 연소기는 상술한 과제를 해결하기 위해서 청구항1 또는 2의 기재내용에 더하여 청구항 5에 기재한 바와같이 상기 제1단연료노즐의 예비혼합연소용 노즐은 확산연소용노즐을 둘러싸고 애뉼러상의 공기통로부를 형성하고, 이 공기통로부는 입구측에 공기를 선회시키는 스와라를 도중에 공기와 연료를 예비혼합시키는 예비혼합부를 설비한 것이고, 또 청구항 6에 기재한 바와 같이 상기 제1단연료노즐의 예비연소용노즐은 애뉴러상공기통로부에 연료를 분사시키는 연료분출구를 스와라의 상류측 및 하류측의 적어도 한쪽에 설비하고, 또 청구항 7에 기재한 바와같이 예비혼합연소용노즐의 연료분출구는 애뉼러상의 공기통로부에 방사상으로 돌출하는 복수의 돌기부에 각각 설비된 것이다.

이 가스터빈연소기는 제1단연료공급수단에 의해서 연소기라이너내의 제1단연소역에 연료를 분사시키는 한편, 제2단연료공급수단에 의해서 연료희박상태로 제2단연소역에 연료를 분사시켜서 연소기라이너내에서 연소시키는 한편, 제1단연료공급수단은 제1단연료노즐을 확산연소용노즐과 예비혼합연소용노즐을 조합해서 구성하고, 확산연소용노즐로 연소효율과 연소안정성이 우수한 확산연소를 실현시키는 동시에 예비혼합연소용노즐로 NO_X가 거의 발생하지 않도록 연료희박상태로 예비혼합하는 예비혼합부를 상류측보다 하류측의 직경을 작게하여 예비혼합가스의 안정연소와 역화방지를 도모할 수 있고, NO_X의 발생이 많은 확산 연소의 비율이 극히 적은 상태로 안정연소를 확보하여 대폭적인 저 NO_X화가 도모되어 확산연소비율을 감소시켜도 안정된 연소를 확보할 수 있다.

가스터빈연소기에 구비되는 제1연료노즐의 확산연소용노즐은 중심부에 연료통로부를 이 통로부둘레에 동심상으로 전연료유량의 수%의 확산연료에 적합한 공기유량을 흘리는 공기통로부를 각각 형성하고, 공기 통로부의 연소기라이너 입구측에 공기가 선회하도록 스와라와 연료분사구를 설비한 구조로 함으로써 연료효율과 연소안정성이 우수한 확산연소를 실현시킬 수 있다.

이때 확산연소용노즐은 연료통로부를 제1연료통로부와 제2연료통로부를 각각 독립시켜서 설비했으므로 제1연료통로부를 가스터빈 저부하시에 비교적 다량의 확산연소용 연료를 흘리는 연료통로에 제2연료통로부를 가스터빈 고부하의 저NO_X운전시에 전연료유량에 대해서 수%의 확산연소용 연료를 흘리는 연료유로로써 형성할 수 있고, 각 연료통로부의 하류측에 각 연료유량에 적합한 개구면적의 연료분사구를 설비함으로써 더 안정된 연소를 얻을수 있고 초저 NO_X화가 도모된다.

또, 확산연소용 노즐의 공기통로부는 전 연료유량의 수%의 확산연료에 대응한 통로면적으로되므로 소형화를 도모할 수 있고, 이 확산 연소용노즐의 소형화에 의한 안정연소를 확실하게 얻을수 있다.

또, 제1단연료공급수단의 예비혼합연소용노즐에 있어서 연료분출부를 애뉼러상의 공기통로부에 대해서 방사방향으로 돌기상으로 형성하고, 이 돌기부의 축방향위치에 복수의 연료분출구를 설비하여 연료를 분산시켜 분사함으로써 더한층 균일한 혼합을 얻을수 있어서 저NO_X화를 도모할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명에 의한 가스터빈연소기의 일실시예에 대해서 첨부도면을 참조하여 설명하겠다.

제1도는 본 발명에 의한 가스터빈연소기(15)를 채용한 가스터빈플랜트(16)의 개략도이다. 이 가스터빈플랜트(16)는 가스터빈(17)과 동축에 콤프레서(18)를 설비한 예를 대표적으로 나타내고 있다. 이 가스터빈플랜트(16)는 콤프레서(18)의 구동으로 토출된 압축공기를 가스터빈연소기(15)에 안내하고, 이 가스터빈연소기(15)의 연소기라이너(20)내에 형성되는 연소실(21)에서 연료와 함께 연소시키고, 그 연소가스를 트랜지션피스(22)를 거쳐서 가스터빈(17)에 안내하고, 이 가스터빈(17)을 구동시켜서 작업을 하고, 가스터빈(17)에 연결된 발전기(도시 않음)를 회전구동시키도록 되어있다. 가스터번연소기(15)는 콤프레서(18)와 가스터빈의 중간에 있어서 둘레방향으로 복수대 설치된다. 가스터빈연소기(15)는 제2도에 나타낸 것과같이 연소기외통(23)내에 연소기라이너(20)가 내통으로써 수납된다. 연소기라이너(20)내에는 연소실(21)이 형성되고, 외통(23)과 내통(20)과의 사이에 환상(슬립상)의 압축공기의 유로(24)가 형성된다. 이 공기유로(24)를 통해서 콤프레서(15)로 부터의 토출공기가 안내된다. 연소기라이너(20)내에 형성되는 연소실(21)은 연소기라이너(20)의 두부측에 형성되는 제1단연소역(26)과 이 연소역하류측에 형성된 제2단연소역(27)으로 구획된다.

또, 연소기라이너(20)의 두부측에는 제1단연소역(26)에 제1단연료로서의 파이롯연료를 분사시키는 제1단연료공급수단(30)이 설비되고, 이 제1단연료공급수단(30)은 제1단연소역(26)에 파이롯연료(A)를 공급하는 제1단연료노즐로서의 파이롯연료노즐(31)이 설치되고, 이 파이롯연료노즐(31)의 외측에 제2단연소역(27)에 제2단연료로서의 메인연료를 공급하는 제2단연료공급수단(32)이 설비된다. 제2단연료공급수단(32)은 파이롯연료노즐(31) 외주측에 설치된 복수개의 제2단연료노즐로서의 메인연료노즐(33)을 형성한다. 파이롯연료노즐(31)과 메인연료노즐(33)은 연소기외통(23)의 개구부를 덮는 헤드플레이트(34)에 설비된다. 파이롯연료노즐(31)은 중앙측의 파이롯확산연소용노즐(35)과 주변측의 파이롯예비혼합연소용노즐(36)로 구성되고, 연소기라이너(20)내의 제1연소역(26)에 연료를 분사시키도록 되어있다.

파이롯확산연소용노즐(35)의 연료통로부(37)는 동심상의 2중구조로 형성되고, 중심측에 파이롯제1확산연료(a₁)을 안내하는 파이롯확산연료 제1통로부(38)가 이 제1통로부(38)를 둘러싸고 파이롯제2확산연료(a₂)를 흘리는 파이롯확산연료제2통로부(39)가 각각 설비된다.

파이롯확산연소용노즐(35)에는 또, 파이롯확산연료제2통로부(39)를 둘러싸고 애뉼러상(슬립)상의 파이롯확산연소용공기통로부(40)가 구성된다. 이 공기통로부(40)는 전연료유량에 대해서 수% 정도 예를들면 2% ∼ 4%의 확산연료에 적합한 공기유량을 흘리는 유로구조로 형성된다. 이 확산연료용 공기통로부(40)의 선단(연소기라이너(20) 입구측)에는 제3도에 나타낸 것과같이 파이롯확산연소용스와라(41)와 서로 독립한 파이롯확산연료 제1 및 제2분사구(43,44)가 설비된다. 파이롯확산연료 제1분사구(43)와 제2분사구(44)는 파이롯확산연소용스와라(41)의 선회날개(도시 않음)사이에 개구하는 한편, 선회날개는 파이롯확산연소용공기통로부(40)의 출구측에 둘레방향으로 연하여 복수매, 예를들면 12매 설비된다.

한편, 파이롯연료노즐(31)의 파이롯예비혼합연소용노즐(36)은 파이롯확산연소용노즐(35)를 둘러싼 구조로 되어 있다. 파이롯예비혼합연소용노즐(36)은 파이롯확산연소용공기통로부(40)의 외측에 동심원상으로 형성된 파이롯예비혼합연소용 공기통로부(45)를 갖고, 이 공기통로부(45)는 애뉼러상(슬립상)통로로 되어 있다. 파이롯예비혼합연소용공기통로부(45)의 입구부에는 파이롯예비연소용스와라(46)가 애뉼러상의 공기통로부(45)의 스와라(46)의 하류측(또는 상류측)에는 파이롯예비혼합연소용노즐(47)이 방사상으로 돌출설비된다.

이 파이롯예비혼합연료노즐(47)에는 파이롯예비혼합연료(b)가 파이롯예비혼합헤더(48)를 거쳐서 예비혼합연료통로(49)에서 공급된다.

파이롯예비혼합연소용노즐(36)의 공기통로(45)는 도중(스왈라(46)의 하류측)이 공기와 파이롯예비혼합부로 연료를 혼합하는 예비혼합부로써 형성되고, 이 예비혼합부는 상류측에서 하류측의 연소기라이너 입구측의 직경이 좁아져 소직경화되어 예비혼합류는 축류로 되도록 구성된다.

또, 파이롯연소용노즐(31)의 파이롯확산연소용노즐(35)의 노즐선단부에는 제3도에 나타낸 것과같이 냉각용에어헤더(50)가 형성되고, 이 에어헤더(50)에서 연소기라이너(20)내에 복수의 임핀지구멍(소공)(51)이 뚫려있고, 파이롯확산연소용노즐(35)의 라이너측단면을 냉각시키고 있다. 에어헤더(50)에는 파이롯확산연소용노즐(35)의 공기통로부(40)가 파이롯확산연료 제1 및 제2분사구(43,44)를 우회하여 뻗는 에어공급구멍(도시 않음)을 거쳐서 연통되어 있다.

파일롯연료노즐(31)에 형성되는 공기통로부(40,45)에는 연통구를 거쳐서 공기유로(24)에 연통되어 있고, 콤프레서에서 토출된 압축 공기가 연통구를 거쳐서 각 공기통로부(40,45)로 달아나도록 되어 있다.

다른 한편 연소라이너(20)의 외주에는 예비혼합수단을 구성하는 복수의 예비혼합닥트 또는 예비혼합관(55)이 메인연료노즐(33)에 대향해서 설치되고, 제2단연료공급수단(32)이 구성된다. 예비혼합닥트(55)의 입구에는 제2단연료노즐로서의 메인연료노즐(33)이 있고, 메인연료노즐(33)에서 분사되는 메인연료(C)와 공기유로(24)를 통해서 보내진 압축공기(d)를 예비혼합닥트(55)내에서 균일하게 예비혼합시키고, 닥트출구에서 제2단연소역(27)내에 분사시키도록 되어 있다. 닥트출구에는 예비혼합닥트(55)의 긴쪽 방향에 연하여 복수의 연료분사구(56)가 개구하고 있다.

다음에 가스터빈연소기(15)의 작용을 설명하겠다.

가스터빈연소기(15)의 운전은 가스터빈(17)의 운전에 따라서 제어되고, 가스터빈(17)이 착화된 후에 가스터빈이 100%, 회전수 0% 부하까지는 제1단 연료노즐로서의 파일롯연료노즐(31)의 파일롯확산연료 제1통로부(38)에만 파일롯 제1확산연료(a₁)이 공급된다.

파일롯확산연료제1통로부(a₁)은 비교적 큰 개구면적을 갖는 파일롯확산연료 제1분사구(43)에서 비교적 다량의 파일롯제1확산연료(a₁)이 분출된다. 분사된 파일롯제1확산연료(a₁)은 확산연료용 스왈라(41)에서 선회하여 분출되는 연소공기와 반응하여 확산연소를 행하여 제1단연소역(26)내에서 안정연소된다.

가스터빈부하가 0% 부하에서 상승함에 수반되어 제4도에 나타낸 것과같이 토탈(전) 연료유량이 증가되므로, 파일롯제1확산연료(a₁)에 더해서 파일롯제2확산연료(a₂) 및 파일롯예비혼합연료(b)를 투입한다. 파일롯 제2확산연료(a₂)는 터빈고부하운전역에 있어서 초저NO_X연소운전을 행할때의 안정된 화종으로 되므로, 가스터빈(17)의 전운전부역에 걸쳐서 실선(F)로 나타낸 전연료유량의 수%가 항상 투입된다.

한편, 파이롯예비혼합연료(b)는 연료와 공기의 비인 연공비가 예비혼합연료의 연료희박측에서 가연범위로 보지되도록 연료유량이 결정된다. 토탈연료유량(F)에서 파일롯 제2확산연료 (a₂)와 파일롯예비혼합유량(b)을 차감하고 나머지가 파일롯 제1확산연료 (a₁)로서 투입된다.

파일롯예비혼합연소용노즐(47) 애뉼러상공기 통기통로부(45)에 대해서 방사상(반경방향)으로 돌출하여 형성되고, 상기 예비혼합연료노즐(47)의 축방향으로 복수의 연료분사구가 설비되어 있으므로, 파일롯예비혼합연소용노즐(36)의 예비혼합부내에서 극히 균일한 연료희박예비혼합가스(연료)를 얻을수 있다.

따라서 연소기라이너(20)의 제1단연소역(26) 내에서 연소하여도 NOx는 거의 발생하지 않는다. 파일롯예비혼합연소용노즐(36)의 예비혼합부의 하류측(연소기라이너 입구측)의 지름을 상류측의 지름보다 작게 함으로써 예비혼합가스의 유속이 증가되어 역화방지를 도모할 수 있다.

또, 파일롯예비혼합연소용스왈라(46)의 선회각을 예를들면 30°와 같이 적절하게 설정함으로써 연소기라이너(20)내에 분사된 파일롯예비혼합연료(b)는 부호 e로 나타낸 것과 같이 안정화염을 형성하고 있는 파일롯확산연료(a₁,a₂)의 흐름 f를 에워싸는 것처럼 흘릴수 있고, 연소효율이 높고, 또 안정된 예비혼합연소를 얻을수 있다.

또 가스터빈부하가 상승하면 연소기라이너(20)의 연소실(21)내에서의 가스온도가 제2단연료인 예비연소용메인연료(C)를 다량으로 투입하여도 CO등의 미연소가스는 거의 발생하지 않는 온도에 도달한다.

이 가스터빈부하의 시점에서 제4도에 파선(g)으로 나타낸 것과같이 메인연료(C)를 투입하고 반대로 파일롯제1확산연료(a₁)을 줄여 공급을 정지시킨다. 이때 파일롯제2확산연료(a₂)는 전연료유량의 수%, 바람직하기로는 2 ∼ 4% 정도, 파일롯예비혼합연료(b)는 연공비가 예비혼합가스연료의 가연범위내에서 가장 연료희박으로 되도록 투입된다.

메인연료(C)는 예비혼합닥트(55)내의 예비혼합메인연료가스(C)의 연공비가 상기 파일롯예비 혼합연료가스(b)와 동레벨이 되도록 투입한다. 메인연료(C)는 전연료유량(F)의 70% ∼ 80% 정도 투입할 수 있도록 설정되어 있다.

또, 이 가스터빈연소기(15)는 파일롯예비혼합노즐(31)의 파일롯확산연소용노즐(35)의 공기통로부(40)에 파일롯확산연소용스왈라(41)를 설정하고, 이 스왈라(41)는 전연료유량(F)의 수%에 적합한 공기량이 되도록 통로면적이 설계할수 있기 때문에 미소량의 파일롯제2확산연료(a₂)에서의 운전시에도 극히 안정된 순환류(f)를 제1단연소역(26)에 형성할 수 있고, 블로우나 꺼짐 등이 생기지 않아서 안정연소가 확보된다.

또, 파일롯제2확산연료분사구(44)가 파일롯제1확산연료분사구(43)에서 독립해서 설비되어 있으므로, 연료분사구전후의 연료차압을 필요한 충분한 값으로 설계할 수 있다. 이 때문에 연소진동이 발생하지 않는 이점이 있다. 한편 파일롯예비혼합연소용노즐(36)은 전술과 같이 파이롯예비혼합연료순환류(e)가 파일롯확산연료순환환류(f)를 에워싸도록 형성되는 구조로 되어 있으므로, 희박한 예비혼합파일롯연료가스(b)로서는 충분한 연소를 얻을수 있고, 또한 NO_X가 거의 발생하지 않는다.

또, 메인연료(c)의 예비혼합가스다트(55)에서 라이너축 중심 방향으로 또한 파일롯제2확산연료(a₂)및 파일롯예비혼합연료(b)가 연소하는 안정된 착화원인 제1단연소역(26)의 직후의 제2단연소역(27)에 분사되므로, 고효율로 안정연소된다. 이 때 메인예비혼합연료(c)의 연소에서는 거의 NO_X는 발생하지 않는다. 결국 NO_X는 전연료유량(F)의 수퍼센트의 확산연소에서 발생할 뿐이므로 가스터빈연소기(15) 전체로서는 NO_X의 발생이 극히 적은 초저 NO_X운전이 가능하다.

이 메인연료(c)투입직후의 가스터빈 부하에서 100%의 터빈부하까지의 사이는 가스터빈연소기(15)출구의 연소가스온도가 거의 일정하게 보지된다. 즉 토탈연료(F)와 토탈공기량의 비가 항상 일정된 운전으로 된다. 따라서 제4도에 나타낸 것과같이 토탈연료에 대한 파일롯제2확산연료(a₂) 파일롯예비혼합연료(b) 및 메인연료유량(C)의 비율을 거의 일정하게 보지한 안정운전을 할 수 있고, 넓은 가스터빈부하역에 걸쳐서 초저 NOx화를 달성할 수 있다.

제5도는 가스터빈연소기(15)의 운전으로 발생하는 NO_X특성을 저NO_X화 된 종래의 가스터빈연소기의 NO_X특성과 비교한 실험데이타이고, 이 데이타에서 가스터빈연소기(15)는 종래의 저NO_X가스터빈연소기에 비해서 NO_X치가 1/2 ∼ 1/3로 감소되는 것을 알수 있다.

이 가스터빈연소기(15)에 있어서, NO_X치가 피크치 h를 취할때, 예를들면 20% ∼ 20수%의 터빈부하일때, 예비혼합메인연료(C)의 투입이 개시되고, 예를들면 30% 정도의 가스터빈부하시에 NO_X치가 최소로 된다. 이때, 파일롯제1확산연료(a₁)의 공급이 정지된다.

또 본 발명에 의한 가스터빈연소기에 있어서는 연소성능이 가장 우수한 기본적인 구성예를 일실시예로 나타냈으나, 여러가지의 변형을 생각할 수 있다.

예를들면 파일롯확산연료 제1 및 제2통로부의 위치를 바꾸거나 파일롯예비혼합연료노즐을 파일롯예비혼합연소용 스왈라의 상류측에 배치하거나 파일롯예비혼합연료의 노즐을 돌기형상으로 형성할 필요가 없고, 파일롯예비혼합연소용공기통로부의 내벽면 또는 외벽면 기타에서 파일롯예비혼합연료를 상기 공기통로부에 분사시키도록 하여도 좋고, 또 파일롯확산연료통로부가 제1연료통로와 제2연료통로로 분할하지 않고, 일체로 하나의 연결통로구조로 하여도 좋다. 이상 기술한 바와같이 본 발명에 의한 가스터빈연소기는 제1연료공급수단에 의해서 연소기라이너내의 제1단연소역에 연료를 분사시키는 한편, 제2단연료공급수단에 의해서 연료희박상태로 제2단연소역에 연료를 분사시켜서 연소기라이너내에서 연소시키는 한편 제1단연료공급수단은 제1단연료노즐을 확산연소용노즐과 예비혼합용노즐을 조합하여 구성하고, 확산연소용노즐로 연소효율과 연소안정성이 우수한 확산연소를 실현시키는 동시에 예비혼합연소용노즐로 NO_X가 거의 발생하지 않도록 연료희박상태로 예비혼합하는 예비혼합부를 상류측보다 하류측의 지름을 작게하여 예비혼합가스의 안정연소와 역화방지를 도모할 수 있고, NO_X의 발생의 많은 확산연소의 비율이 극히 적은 상태로 안정연소를 확보하여 대폭적인 저 NO_X화가 도모되어 안정연소를 확보하면서 확산연소비율을 감소시킬 수 있다.

가스터빈연소기에 구비되는 제1단연료노즐의 확산연소용노즐은 중심부에 연소통로부를 이 통로부 둘레에 동심상으로 전연료유량의 수%의 확산연료에 적합한 공기유량을 흘리는 공기통로부를 각각 형성하고, 공기통로부의 연소기라이너 입구측의 공기가 선회되도록 스왈라와 연료분사구를 설비한 구조로 함으로써 연료효율과 연료안정성이 우수한 확산연소를 실현시킬 수 있다.

그때 확산연소용노즐은 연료통로부를 제1연료통로부와 제2연료통로부에 각각 독립시켜서 설비했으므로, 제1연료통로부를 가스터빈 저부하시에 비교적 다량의 확산연료용 연료를 흘리는 연료통로에 제2연료통로부를 가스터빈 고부하의 저NO_X운전시에 저연료유량에 대해서 수%의 확산연소용 연료를 흘리는 연료유로로서 형성할 수 있고, 각 연료통로부의 하류측에

각 연료유량에 적합한 개구면적의 연료분사구를 설비함으로써 더 한층 안정된 연소를 얻을수 있어서 초저 NO_X화를 도모할 수 있다. 또 확산연소용노즐의 공기통로부는 전연료유량의 수%의 확산연료에 대응한 통로면적으로 되므로 소형화가 도모되어 이 확산연소용노즐의 소형화에 의한 안정연소를 확실하게 얻을수 있다.

또 제1단 연료공급수단의 예비혼합연소용노즐에 있어서 연료분출부를 애뉼러상의 공기통로부에 대해서 방사방향으로 돌기상으로 형성하고, 이 돌기부의 축방향위치에 복수의 연료분출구를 설비하여 연료를 분산하여 분사함으로써 보다 더 균일한 혼합을 얻을 수 있어서 저 NO_X화를 도모할 수 있다.

Claims

연소기라이너내에 형성되는 연소실을 연소기라이너 두부측의 제1단연소역과 이 연소역 하류측의 제2단연소역으로 구획하고, 상기 제1단연소역에 제1단연료를 분사하는 제1단연료 공급수단과 제2단연소역에 연료희박상태로 예비혼합된 제2단연료를 분사시키는 제2단연료 공급수단을 각각 구비한 가스터빈연소기에 있어서 상기 제1단연료 공급수단은 제1단연료를 공급하는 제1단연료노즐을 확산연소용노즐과 예비혼합연소용노즐을 조합해서 구성하고, 상기 예비혼합연소용노즐을 제1단연료와 공기를 예비혼합시키는 예비혼합부를 도중에 구비하고, 이 예비혼합부는 예비혼합류가 축류로 되도록 상류측 보다 하류측의 지름을 작게 설정한 것을 특징으로 하는 가스터빈연소기.
제1항에 있어서, 상기 제1단연료노즐은 중앙에 확산연소용노즐이 이 확산연소용노즐을 둘러싸고, 예비혼합연소용 노즐이 각각 설비된 파일롯연료노즐인 가스터빈연소기.
제1 또는 제2항에 있어서, 상기 제1단연료노즐의 확산연소용노즐은 중심부에 축방향으로 뻗는 연료통로부가 이 연료통로부의 외주에 공기통로부가 각각 형성되고, 공기통로부의 제1단연소역측에 공기에 선회를 부여하는 스왈라와 연료통로부로 부터의 분사출구를 설비한 가스터빈연소기.
제3항에 있어서 상기 제1단연료노즐의 확산연소용노즐에 형성되는 연료통로부는 대유량의 제1단연료를 공급가능한 제1연료통로부와 전연료유량에 대해서 수% 정도의 소유량의 제1단연료를 공급가능한 제2연료통로부가 각각 독립적으로 설비된 가스터빈연소기.
제1또는 제2항에 있어서, 상기 제1단연료노즐의 예비혼합연소용노즐은 확산연소용노즐을 둘러싸고 애뉼러상의 공기통로부를 형성하고, 이 공기통로부는 입구측에 공기를 선회시키는 스왈라를 도중에 공기와 연료를 예비혼합시키는 예비혼합부를 설비한 가스터빈연소기.
제5항에 있어서, 상기 제1단연료노즐의 예비혼합연소용 노즐은 애뉼러상공기 통로부에 연료를 분출시키는 연료분출구를 스왈라의 상류측 및 하류측의 적어도 한쪽에 설비한 가스터빈연소기.
제6항에 있어서, 예비혼합연소용노즐용 노즐의 연료분출구는 애뉼러상의 공기통로부에 방사상으로 돌출하는 복수의 돌기부를 각각 설비한 가스터빈연소기.