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KR20200027894A - 가스 터빈 연소기 - Google Patents

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KR20200027894A
KR20200027894A KR1020190108026A KR20190108026A KR20200027894A KR 20200027894 A KR20200027894 A KR 20200027894A KR 1020190108026 A KR1020190108026 A KR 1020190108026A KR 20190108026 A KR20190108026 A KR 20190108026A KR 20200027894 A KR20200027894 A KR 20200027894A
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도모히로 아사이
미츠히로 가리슈쿠
다츠야 하기타
요시노리 마츠바라
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 수소 함유 연료에 대하여, NOx 배출량을 저감함과 함께, 신뢰성이 향상되어, 안정적인 운용을 실현하는 가스 터빈 연소기를 제공하는 것이다.
본 발명의 가스 터빈 연소기는, 연료와 공기를 연소시키는 연소실과, 연소실의 상류측에 위치하여, 동심원상으로 복수열 및 복수개 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 복수열 및 복수개 배치된 연료 노즐을 갖고, 연료 노즐의 선단부이며, 연료 노즐 내벽에 외주 방향으로 넓어지는 연료 노즐 테이퍼를 갖는다.

Description

가스 터빈 연소기 {GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 가스 터빈 연소기에 관한 것이다
화력 발전 플랜트에서는, 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소(CO2)의 배출량을 삭감하는 수단으로서, 발전 효율을 향상시키는 것이나 화석 연료 이외의 수소 함유 연료를 적극적으로 이용하는 것이 검토되고 있다.
발전 효율의 향상에는 화력 발전 플랜트에 있어서의 가스 터빈 발전 설비의 가스 터빈의 터빈 입구 온도의 고온화가 유효하다.
그러나, 가스 터빈의 터빈 입구 온도의 고온화에 수반하여, 환경 오염 물질인 질소산화물(NOx) 배출량이 증가하기 때문에, 발전 효율의 향상과 함께, NOx 배출량의 저감이 기술 과제로 되어 있고, 터빈 입구 온도의 고온화와 함께, 수소 함유 연료에 대응한 가스 터빈 연소기의 저NOx 연소 방식이 요구되고 있다.
가스 터빈 연소기의 저NOx 연소 방식으로서, 일반적으로 확산 연소 방식과 예혼합 연소 방식이 있다.
확산 연소 방식은, 연료를 가스 터빈 연소기의 연소실에 직접 분사하여, 연소실의 내부에서 연료와 공기를 혼합하는 형식이고, 연소실의 내부에서 연료가 완전 연소되기 위해 필요한 공기의 비율(양론 혼합비)로 혼합된 영역으로부터 화염이 형성된다. 이 때문에, 연소실의 상류로의 화염의 역류나 연료 공급 계통의 내부에 있어서의 자착화의 가능성이 없어, 연소 안정성을 확보할 수 있다. 그러나, 연소실의 내부에서 연료와 공기가 양론 혼합비로 혼합된 영역에 화염이 형성되기 때문에, 국소적으로 고온의 화염이 형성된다. 이 국소적으로 고온의 화염이 형성되는 영역에서는, NOx 배출량이 많아, 질소나 물이나 증기 등의 불활성 매체를 분사하여, NOx 배출량을 삭감할 필요가 있기 때문에, 불활성 매체를 공급하는 보조 기계의 동력이 필요해져, 발전 효율이 저하될 가능성이 있다.
한편, 예혼합 연소 방식은, 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소실에 공급하는 형식이고, 연료를 희박하게 연소시킬 수 있기 때문에, NOx 배출량을 저감할 수 있다. 그러나, 터빈 입구 온도의 고온화에 수반하여, 연소용 공기의 온도가 상승함과 함께, 연료와 공기를 혼합하는 예비 혼합기의 내부에 있어서의 연료의 농도가 높아지기 때문에, 화염의 역류에 의해 가스 터빈 연소기의 구조물이 소손될 가능성이 있어, 신뢰성의 저하가 염려된다.
상기와 같은 수소 함유 연료에 대응한 가스 터빈 연소기의 경우, 수소는 천연 가스와 비교하여 양론 혼합비에 있어서의 단열 화염 온도가 높기 때문에, 확산 연소 방식에 있어서의 NOx 배출량은 증가한다. 한편, 예혼합 연소 방식에 수소 함유 연료를 사용하면, 수소는 착화 에너지가 작고, 연소 속도가 빠르기 때문에, 예비 혼합기에 화염이 역류하여, 예비 혼합기의 내부에서 자착화될 가능성이 높아진다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해, 일본 특허 공개 제2003-148734호 공보(특허문헌 1)에는 연소실의 상류에 배치된 복수의 연료 노즐과 복수의 공기 구멍을 동축 상에 배치하여, 연료와 공기를 동축류로서 연소실에 공급하는 가스 터빈 연소기가 개시되어 있다. 이 가스 터빈 연소기에서는, 연료와 공기를 분산하여 동축류로서 공급함으로써, 혼합이 급속하게 촉진되어, NOx 배출량을 저감시키는 것을 가능하게 하고 있다. 또한, 혼합 거리를 짧게 할 수 있어, 화염의 역류를 방지하고 있다.
일본 특허 공개 제2003-148734호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 가스 터빈 연소기는, 천연 가스 등의 일반적인 가스 연료에 대하여 NOx 배출량을 저감하는 것이고, 수소 함유 연료에 대하여, NOx 배출량을 저감함과 함께, 가스 터빈 연소기의 안정적인 운용을 실현하는 것은 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 가스 터빈 연소기는, 가스 터빈 연소기의 연소실에서 수소 함유 연료를 연소시킨 경우, 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 가스 터빈 연소기의 연소실에서 형성되는 화염이 가스 터빈 연소기의 구조물에 접근하기 쉬워, 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 특히, 공기 구멍의 내부를 흐르는 공기에 대하여, 연료의 관통력이 높은 경우는, 유로를 따라 흐르는 공기에 연료를 추종할 수 없고, 공기 구멍의 출구부에 있어서 연료의 저유속 영역을 형성하는 경우가 있고, 공기 구멍의 내부로 화염이 역류될 가능성이 있다. 공기 구멍의 내부로 화염이 역류되면, 연료를 분사하는 연료 노즐의 선단부에 화염이 형성되어, 공기 구멍의 내벽이나 연료 노즐을 과열하여, 신뢰성이 저하될 가능성이 있다.
그래서, 본 발명은 수소 함유 연료에 대하여, NOx 배출량을 저감함과 함께, 신뢰성이 향상되어, 안정적인 운용을 실현하는 가스 터빈 연소기를 제공한다.
상기 기술 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 가스 터빈 연소기는, 연료와 공기를 연소시키는 연소실과, 연소실의 상류측에 위치하여, 동심원상으로 복수열 및 복수개 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 복수열 및 복수개 배치된 연료 노즐을 갖고, 연료 노즐의 선단부이며, 연료 노즐 내벽에 외주 방향으로 넓어지는 연료 노즐 테이퍼를 갖는다.
본 발명에 따르면, 수소 함유 연료에 대하여, NOx 배출량을 저감함과 함께, 신뢰성이 향상되어, 안정적인 운용을 실현하는 가스 터빈 연소기를 제공할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는 이하의 실시예의 설명에 의해 명확해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 가스 터빈 연소기의 구조를 도시하는 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 공기 구멍 및 공기 구멍 플레이트의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이다.
도 4는 비교예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 연소기 버너의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 연소기 버너의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여, 중복되는 부분에 대해서는, 그 설명을 생략하는 경우가 있다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 가스 터빈 연소기의 구조를 도시하는 전체 구성도이다.
가스 터빈 플랜트(1)에 있어서는, 압축기(2)에서 압축된 압축 공기(102)는, 디퓨저(9)를 통과하여, 차실(13)로 유입된다. 차실(13)로 유입된 압축 공기(102)는 플로 슬리브(14)를 통과하여, 외통(10)과 라이너(12) 사이로 유입된다. 압축 공기(102)의 일부는 라이너(12)의 냉각 공기(103)로서 연소실(5)로 유입된다.
외통(10)과 라이너(12) 사이를 통과한 압축 공기(102)는, 스프링 시일(26)을 통과하여, 플레이트 립(25)의 외주측을 흐르는 립 냉각 공기(105)와, 공기 구멍 플레이트(20)에 설치된 공기 구멍(21)에 유입되고, 연소실(5)에 분출되는 연소용 공기(104)에 분배된다.
연소용 공기(104)는 연료 노즐(22)로부터 분출되는 연료(본 실시예에서는 수소를 포함하는 연료이고, 소위 수소 함유 연료임)와 혼합되고, 연소용 공기(104)와 연료의 혼합물이 연소되어, 연소실(5)에 화염(83)을 형성한다.
가스 터빈 플랜트(1)는 가스 터빈 연소기(이하, 연소기라고 칭함)(3)에서 연료를 연소하여, 발생한 고온 고압의 연소 가스(110)을 터빈(4)에 유입하고, 터빈(4)을 회전 구동시켜, 터빈(4)의 회전 동력을 전력으로서 인출한다.
연료 노즐(22)로 연료를 공급하는 연료 공급 계통(201) 및 연료 공급 계통(202)은 연료 차단 밸브(60)를 구비한 연료 공급 계통(200)으로부터 분기되어 있다.
또한, 연료 공급 계통(201) 및 연료 공급 계통(202)은 각각 연료 압력 조정 밸브(61a) 및 연료 압력 조정 밸브(62a)를 구비하고 있고, 개별로 제어할 수 있다. 또한, 그 하류에는 각각 연료 유량 조정 밸브(61b) 및 연료 유량 조정 밸브(62b)를 구비하고 있다.
연소기(3)는 복수개의 연료 노즐(22)을 구비하고 있고, 각각 연료 노즐(22)은 연료를 분배하는 연료 헤더(23)에 접속된다. 연료 헤더(23)는 엔드 커버(7)의 내부에 설치되어 있고, 연료 헤더(23)에는 연료 공급 계통(201) 및 연료 공급 계통(202)으로부터 연료가 공급된다. 또한, 본 실시예에서는, 연료를 2계통으로 분배했지만, 그 이상의 계통으로 분배해도 된다.
이와 같이 연료 공급 계통을 복수로 분배하면, 계통수의 증가에 의해 운전의 자유도를 확대할 수 있다. 또한, 연소기(3)는 연료로서, 코크스로 가스, 제유소 오프 가스, 석탄 가스화 가스 등의 수소 함유 연료가 사용되고, 또한 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas: LNG)를 비롯한 많은 가스를 연료로서 적용할 수 있다. 본 실시예에서 사용하는 연료는 수소를 포함하는 연료이고, 소위 수소 함유 연료이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 공기 구멍 및 공기 구멍 플레이트의 정면도이다.
복수의 공기 구멍(21)이, 공기 구멍 플레이트(20)의 중심축 주위로 동심원상으로 배치되고, 본 실시예에서는, 3열(1열째 공기 구멍(51), 2열째 공기 구멍(52), 3열째 공기 구멍(53))로 배치되어 있다. 각 공기 구멍(21)의 공기 구멍 중심축(40)은 각 열의 피치 원주 방향으로 경사져 있고, 분출되는 연소용 공기(104)에 공기 구멍 플레이트(20)의 중심축 주위로 선회가 걸리도록 선회각이 부여되어 있다.
즉, 공기 구멍 플레이트(20)는 연소실(5)의 상류측에 위치하고, 동심원상으로 복수열(본 실시예에서는, 3열) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째는 6개, 2열째 12개, 3열째 18개)가 배치된 공기 구멍(21)을 갖는다.
공기 구멍 플레이트(20)는 라이너(12)와 동축으로 되어 있기 때문에, 연소용 공기(104)에 선회를 부여함으로써, 연소실(5)의 중심축 주위로 선회가 작용하여, 순환류(80)가 형성되어, 화염(83)을 안정화할 수 있다(도 1 참조).
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이고, 공기 구멍 플레이트(20)의 확대도이다.
공기 구멍(21)은 공기 구멍(21)의 입구부측에 공기 구멍 테이퍼(90)를 형성하여, 공기 구멍(21)의 구멍 직경을 축소하고 있다. 그리고, 공기 구멍(21)의 출구부의 구멍 직경 D2를, 공기 구멍 테이퍼(90)로 축소한 구멍 직경 D1 이하(바람직하게는, 더 작게)로 하고 있다.
또한, 연료 노즐(22)의 선단부에 있어서, 연료 노즐 내벽(92)에 연료 노즐 테이퍼(91)가 형성되고, 연료 노즐(22)의 선단부가, 내측으로부터 외측을 향해, 연료의 유로가 확대된다. 즉, 연료 노즐(22)의 선단부에 있어서, 연료 노즐 내벽(92)에 외주 방향으로 넓어지는 연료 노즐 테이퍼(91)를 갖는다. 또한, 이 연료 노즐 테이퍼(91)의 선단부는, 바람직하게는 예각 형상을 갖는다. 또한, 이 연료 노즐 테이퍼(91)의 각도는 25° 내지 45° 정도인 것이 바람직하다.
연소용 공기(104)는 공기 구멍(21)의 입구부에 유입되어, 연료 노즐 외벽(93)의 주위를 환상으로 흐른다. 연료 노즐(22)로부터 분출되는 연료(100)는 환상으로 흐르는 연소용 공기(104)의 중심을 흘러, 연소실(5)에 동축 분류를 형성한다.
즉, 연료 노즐(22)은 공기 구멍(21)과 동축에 배치되고, 복수열(본 실시예에서는, 3열) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째는 6개, 2열째 12개, 3열째 18개) 배치된다. 또한, 연료 노즐(22)이 공기 구멍(21)과 동축에 배치됨으로써, 연소용 공기(104)와 연료가 더 혼합되기 쉬워진다.
그리고, 공기 구멍(21)은 경사 유로를 갖고, 공기 구멍(21)의 출구부의 유로는 입구부의 유로에 대하여 각도 θ를 갖는 경사 유로로 되어 있고, 연료(100)와 연소용 공기(104)의 동축 분류는 공기 구멍 중심축(40)으로부터 벗어나지 않고, 공기 구멍(21)의 경사 유로를 따라 흘러, 공기 구멍(21)의 출구부로부터 연소실(5)로 분출된다. 연소실(5)에서는, 공기 구멍(21)으로부터 분출된 연료(100)와 연소용 공기(104)의 동축 분류가 연소 반응하고 있고, 공기 구멍 플레이트(20)의 하류에서 화염(83)(도시하지 않음)이 형성된다.
또한, 연료 노즐(22)의 선단부의 하류에서는 후류(81)가 형성되어 있고, 연료(100)와 연소용 공기(104)의 일부가 혼합 기체로 되어 순환하고 있다.
도 4는 비교예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이고, 공기 구멍 플레이트(20)의 확대도이다.
도 4에 도시하는 비교예는, 도 3에 도시하는 실시예와 비교하여, 공기 구멍(21)의 입구부에 공기 구멍 테이퍼(90)가 형성되지 않고, 구멍 직경이 축소되어 있지 않은 점, 및 연료 노즐(22)의 선단부의 연료 노즐 내벽(92)에, 연료 노즐 테이퍼(91)가 형성되지 않고, 연료 노즐(22)의 선단부가, 내측으로부터 외측을 향하고, 연료의 유로가 확대되어 있지 않은 점이 다르다.
본 비교예에서는, 공기 구멍(21)을 흐르는 연소용 공기(104)에 대하여, 연료(100)의 관통력이 높은 경우는, 연료(100)가 공기 구멍(21)의 경사 유로를 흐르는 연소용 공기(104)에 추종할 수 없고, 공기 구멍 중심축(40)으로부터 벗어나서 분출되고, 공기 구멍(21)의 출구부에 있어서 저유속 영역(82)을 형성한다.
저유속 영역(82)에서는, 연료(100)와 연소용 공기(104)의 혼합 기체가 저속으로 흐르기 때문에, 화염을 형성할 가능성이 있다. 특히, 수소 함유 연료를 연소기(3)에 사용하는 경우, 수소는 착화에 필요한 최소 착화 에너지가 낮아, 착화하기 쉽다. 그리고, 가연 범위가 넓고, 연소 속도가 높기 때문에, 연소실(5)에서 형성되는 화염(83)이 공기 구멍 플레이트(20)에 접근하기 쉬움과 함께, 저유속 영역(82)에서 화염을 형성할 가능성이 높다.
저유속 영역(82)에 있어서 화염이 형성되면, 연료(100)와 연소용 공기(104)의 경계를 따라, 화염이 연료 노즐(22)로 접근하여, 후류(81)에 있어서도 화염이 형성될 가능성이 있고, 연료 노즐(22)이나 공기 구멍(21)의 내벽이 과열되어, 연소기(3)의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다.
한편, 도 3에 도시하는 실시예에서는, 공기 구멍(21)의 입구부에 공기 구멍 테이퍼(90)를 형성하여, 구멍 직경을 축소하고 있다. 그리고, 공기 구멍(21)의 출구부의 구멍 직경 D2를, 공기 구멍 테이퍼(90)로 축소한 구멍 직경 D1 이하로(바람직하게는, 더 작게) 하고 있다. 이에 의해, 공기 구멍(21)을 흐르는 연소용 공기(104)의 유속이 증가하고 있다.
연료용 공기(104)의 유속이 증가함으로써, 연소용 공기(104)의 관통력에 대한 연료(100)의 관통력의 비율을 저감할 수 있기 때문에, 저유속 영역(82)의 형성을 방지할 수 있다. 또한, 공기 구멍(21)의 구멍 직경을 축소함으로써, 연소실(5)로 분출되는 연료(100)와 연소용 공기(104)의 혼합 기체의 유속도 증가시킬 수 있기 때문에, 연소실(5)에서 형성되는 화염(83)을, 공기 구멍 플레이트(20)로부터 멀어지게 할 수 있다.
또한, 도 3에 도시하는 실시예에서는, 연료 노즐(22)의 선단부의 연료 노즐 내벽(92)에, 연료 노즐 테이퍼(91)가 형성되고, 연료 노즐(22)의 선단부에 있어서, 내측으로부터 외측을 향해, 연료의 유로가 확대된다. 즉, 연료 노즐(22)의 선단부의 연료 노즐 내벽(92)에, 외주 방향으로 넓어지는 연료 노즐 테이퍼(91)가 형성된다. 이에 의해, 후류(81)가 형성되는 영역을 축소하고 있다.
후류(81)가 형성되는 영역을 축소함으로써, 화염(83)이 공기 구멍(21)에 침입한 경우라도, 후류(81)로 화염이 형성될 가능성을 저감할 수 있다.
또한, 도 3에 도시하는 실시예와 같이, 연료 노즐 테이퍼(91)를 형성하고, 연료 분출 구멍의 면적을 확대함으로써(바람직하게는, 그 형상을 예각화함으로써), 연료 노즐(22)로부터 분출되는 연료(100)의 유속을 저하시킬 수 있고, 연료(100)의 관통력을 저감할 수 있기 때문에, 저유속 영역(82)의 형성을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 공기 구멍 플레이트(20)의 하류에서 형성되는 화염(83)이, 공기 구멍(21)의 내부로 침입하는 것을 방지할 수 있음과 함께, 화염(83)을 공기 구멍 플레이트(20)로부터 멀어지게 할 수 있기 때문에 연소기(3)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기 구멍(21)에 경사 유로를 설치하고 있지 않은 경우에 있어서도, 연료 노즐(22)의 선단부에 연료 노즐 테이퍼(91)를 설치함으로써, 후류(81)가 형성되는 영역을 축소할 수 있고, 후류(81)에 화염이 형성될 가능성을 저감할 수 있다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이고, 공기 구멍 플레이트(20)의 확대도이다.
도 5에 도시하는 실시예는, 도 3에 도시하는 실시예와 비교하여, 공기 구멍 테이퍼(90)를 공기 구멍(21)의 입구부로부터 소정의 거리(거리 L)를 이격하여 설치한 점이 다르다.
본 실시예에 있어서의 공기 구멍 테이퍼(90)를, 연료 노즐(22)의 선단부의 설치 위치에 설치함으로써, 실시예 1과 동일한 작용 효과에 더하여, 공기 구멍(21)에 유입된 연소용 공기(104)를 연료 노즐(22)의 선단부에서 가속할 수 있고, 연소용 공기(104)의 흐름을 연료 노즐(22)을 향하게 할 수 있어, 연소용 공기(104)의 흐름을 전향할 수 있다. 연료 노즐(22)을 향하는 연소용 공기(104)의 흐름은, 연료 노즐(22)의 선단부에서 형성되는 후류(81)에 작용하여, 후류(81)가 형성되는 영역을 축소할 수 있고, 후류(81)에 화염이 접근한 경우에 있어서도, 연소용 공기(104)가 전단 흐름으로서 작용하여, 후류(81)에 있어서의 화염이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서의 공기 구멍 테이퍼(90)는 연료 노즐(22)이 공기 구멍(21)에 삽입되는 삽입량 Ln에 대하여, L<Ln으로 되는 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에 있어서의 공기 구멍 테이퍼(90)는 공기 구멍(21)의 입구부로부터 거리 L을 이격하여 설치되고, 공기 구멍(21)에 삽입되어 있는 연료 노즐(22)의 선단부(삽입량 Ln)보다 상류측에 설치된다.
[실시예 3]
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 공기 구멍의 단면도이도, 공기 구멍 플레이트(20)의 확대도이다.
도 6에 도시하는 실시예는, 도 5에 도시하는 실시예와 비교하여, 연료 노즐(22)의 선단부에 있어서, 연료 노즐 내벽(92)과 연료 노즐 외벽(93)의 양쪽에 연료 노즐 테이퍼(91)가 설치되는 점이 다르다.
즉, 연료 노즐(22)의 선단부의 연료 노즐 내벽(92)에 외주 방향을 향하는 연료 노즐 테이퍼(91)를 갖고, 또한, 연료 노즐(22)의 선단부의 연료 노즐 외벽(93)에 내주 방향을 향하는 연료 노즐 테이퍼(91)를 갖는다. 또한, 바람직하게는 연료 노즐 테이퍼(91)의 선단부는 예각 형상을 갖는다.
연료 노즐(22)의 선단부에 있어서, 연료 노즐 외벽(93)에도 연료 노즐 테이퍼(91)를 설치함으로써, 실시예 2와 동일한 작용 효과에 더하여, 연료 노즐(22)의 외경을 축소할 수 있고, 공기 구멍(21)의 내벽과 연료 노즐 외벽(93)으로 형성되는 환상 유로의 유로 면적을 확대할 수 있어, 연소용 공기(104)의 유량을 증가시킬 수 있다.
또한, 연료 노즐 외벽(93)의 선단부가 공기 구멍 중심축(40)을 향하는 형상(내측으로의 테이퍼 형상)으로 되기 때문에, 공기 구멍 테이퍼(90)에 의해 연료 노즐(22)을 향하는 연소용 공기(104)의 흐름을, 직접 후류(81)로 안내할 수 있다.
또한, 참고예로서, 연료 노즐 외벽(93)에만 연료 노즐 테이퍼(91)를 설치한 경우(도시하지 않음)에 있어서도, 연료(100)의 유속을 감소시키지 않고, 연료 노즐(22)을 향하는 연소용 공기(104)의 흐름을, 직접 후류(81)로 안내할 수 있다.
[실시예 4]
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 연소기 버너의 정면도이고, 공기 구멍 플레이트(20)를 연소실(5)측으로부터 본 정면도이다.
본 실시예에 기재하는 연소기(3)는 더 큰 발전 출력과 더 다양한 운용 형태에 대응하기 위해, 3열의 공기 구멍(21)과 연료 노즐(22)(도시없음)로 이루어지는 연소기 버너(이하, 버너라고 칭함)(8)를, 중앙에 1개, 그 주위에 6개 배치한다.
본 실시예에 기재하는 연소기는 중앙에 설치한 버너(8)의 중심부에 기동용 연료 노즐(24)을 갖고, 중앙에 설치된 버너(8)가 중앙 버너(32)이고, 그 주위에 배치된 버너(8)가 외주 버너(33)이다.
즉, 본 실시예에 기재하는 연소기는 연소기(3)의 중심에 위치하는 1개의 중앙 버너(32)와 중앙 버너(32)의 외측에 위치하는 6개의 외주 버너(33)를 구비한다. 각 공기 구멍(21)의 중심축은 각 열의 피치 원주 방향으로 경사지고, 공기 구멍(21)을 통과한 흐름은 공기 구멍(21)의 하류에서 나선상으로 선회하여, 선회류가 형성된다.
중앙 버너(32) 및 외주 버너(33)는 3개의 연료 계통에 접속되어 있고, 각각 독립적으로 연료 유량을 제어할 수 있도록 되어 있다. 본 실시예에서는, 외주 버너(33)의 개수가 6개이지만, 중앙 버너(32)에 대하여 동심원상으로 외주 버너(33)가 설치되는 것이 바람직하고, 그 개수는 3개 이상인 것이 바람직하다. 연료 계통을 버너(8)마다 분할함으로써, 가스 터빈 플랜트의 운전 상태에 따라, 버너(8)마다의 연료 배분을 제어할 수 있다.
본 실시예에 기재하는 연소기(3)는 중앙 버너(32)와 외주 버너(33)를 갖는다.
중앙 버너(32)는 중앙에 하나 배치되고, 동심원상으로 복수열(본 실시예에서는, 3열. 중앙에는 기동용 연료 노즐(24).) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째, 중앙에는 기동용 연료 노즐(24), 2열째 8개, 3열째 12개) 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 공기 구멍과 동축에 복수열(본 실시예에서는, 3열. 중앙에는 기동용 연료 노즐(24).) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째, 중앙에는 기동용 연료 노즐(24), 2열째 8개, 3열째 12개) 배치된 연료 노즐을 갖는다.
외주 버너(33)는, 각각이, 중앙 버너(32)의 주위에 동심원상으로 복수(본 실시예에서는 6개) 배치되고, 동심원상으로 복수열(본 실시예에서는, 3열) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째 4개, 2열째 8개, 3열째 12개) 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 공기 구멍과 동축에 복수열(본 실시예에서는, 3열) 및 복수개(본 실시예에서는, 1열째 4개, 2열째 8개, 3열째 12개) 배치된 연료 노즐을 갖는다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 연소기 버너의 단면도이고, 연소기의 축방향 단면도이다.
본 실시예에서는 복수개의 공기 구멍 플레이트(20)를 배치하고, 하나의 공기 구멍 플레이트(20)를 구성하고 있다.
중앙 버너(32)에는 중앙 버너 연료 계통(203)과 가스 터빈 기동용 연료 계통(206)이 접속되어 있고, 주로, 가스 터빈의 기동 운전에 사용됨과 함께, 부하 운전 시에는 연소기의 전체의 연소 안정성을 확보하기 위해 운용된다. 또한, 본 실시예에서는, 가스 터빈 기동용 연료 계통(206)에 공급하는 연료는 경유나 중유를 비롯한 액체 연료이다.
한편, 외주 버너(33)에는 외주 버너 내주 연료 계통(204)과 외주 버너 외주 연료 계통(205)이 접속되어 있다. 외주 버너(33)의 1열째(내측) 동심원 상에 배치된 동축 분류군은 화염의 기점을 형성하므로, 특히 연소 안정성에 관계된다. 그래서, 본 실시예와 같이, 외주 버너(33)의 1열째(내측)에 공급하는 연료 유량을 독립적으로 제어함으로써, 화염의 기점을 강고하게 하여, 더 넓은 부하 범위에 대하여 안정된 연소를 유지할 수 있다.
본 실시예에서는, 하나의 중앙 버너(32)와 6개의 외주 버너(33)를 구비하는 공기 구멍 플레이트(20)에 설치된 공기 구멍(21) 및 연료 노즐(22)을 갖고, 중앙 버너(32)와 외주 버너(33)는 각각 실시예 1과 동일한 작용 효과가 얻어진다.
또한, 본 실시예에서는, 중앙 버너(32)와 외주 버너(33)의 모든 공기 구멍(21)과 연료 노즐(22)에, 실시예 1을 적용했지만, 공기 구멍(21)과 연료 노즐(22)의 1조 이상에 실시예 1을 적용하면, 그 적용 개소에 대하여, 공기 구멍(21)의 출구부에 형성되는 화염(83)의 접근이나 공기 구멍(21)의 내부로의 화염(83)의 침입을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 공기 구멍(21) 및 연료 노즐(22)에 실시예 1의 구조를 적용하고 있지만, 실시예 2, 실시예 3의 구조를 적용한 경우에 있어서도 각각의 실시예의 작용 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.
1 : 가스 터빈 플랜트
2 : 압축기
3 : 가스 터빈 연소기
4 : 가스 터빈
5 : 연소실
7 : 엔드 커버
8 : 연소기 버너
9 : 디퓨저
10 : 외통
12 : 라이너
13 : 차실
14 : 플로 슬리브
20 : 공기 구멍 플레이트
21 : 공기 구멍
22 : 연료 노즐
23 : 연료 헤더
24 : 기동용 연료 노즐
25 : 플레이트 립
26 : 스프링 시일
32 : 중앙 버너
33 : 외주 버너
40 : 공기 구멍 중심축
51 : 1열째 공기 구멍
52 : 2열째 공기 구멍
53 : 3열째 공기 구멍
60 : 연료 차단 밸브
61a, 62a : 연료 압력 조정 밸브
61b, 62b : 연료 유량 조정 밸브
80 : 순환류
81 : 후류
82 : 저유속 영역
83 : 화염
90 : 공기 구멍 테이퍼
91 : 연료 노즐 테이퍼
92 : 연료 노즐 내벽
93 : 연료 노즐 외벽
100 : 연료
102 : 압축 공기
103 : 냉각 공기
104 : 연소용 공기
105 : 립 냉각 공기
110 : 연소 가스
200, 201, 202 : 연료 공급 계통
203 : 중앙 버너 연료 계통
204 : 외주 버너 내주 연료 계통
205 : 외주 버너 외주 연료 계통
206 : 가스 터빈 기동용 연료 계통

Claims (9)

  1. 연료와 공기를 연소시키는 연소실과,
    상기 연소실의 상류측에 위치하여, 동심원상으로 복수열 및 복수개 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와,
    상기 공기 구멍과 동축에, 복수열 및 복수개 배치된 연료 노즐을 갖고,
    상기 연료 노즐의 선단부이며, 연료 노즐 내벽에 외주 방향으로 넓어지는 연료 노즐 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 구멍의 입구부측에, 상기 공기 구멍의 구멍 직경을 축소하는 공기 구멍 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공기 구멍의 출구부의 구멍 직경이, 상기 공기 구멍 테이퍼로 축소된 상기 공기 구멍의 구멍 직경 이하인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공기 구멍이, 경사 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 공기 구멍 테이퍼가, 상기 공기 구멍의 입구부로부터 소정의 거리를 이격하여 설치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 노즐의 선단부이며, 연료 노즐 외벽에 내주 방향을 향하는 연료 노즐 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료가, 수소를 포함하는 연료인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연료 노즐이, 상기 공기 구멍과 동축에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  9. 제1항에 있어서, 동심원상으로 복수열 및 복수개 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 상기 공기 구멍과 동축에 복수열 및 복수개 배치된 연료 노즐을 갖는 하나의 중앙 버너와,
    상기 중앙 버너의 주위에 동심원상으로, 동심원상으로 복수열 및 복수개 배치된 공기 구멍을 갖는 공기 구멍 플레이트와, 상기 공기 구멍과 동축에 복수열 및 복수개 배치된 연료 노즐을 갖는 복수의 외주 버너를
    갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
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