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KR101211814B1 - 연소 버너 - Google Patents

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KR101211814B1
KR101211814B1 KR1020107013488A KR20107013488A KR101211814B1 KR 101211814 B1 KR101211814 B1 KR 101211814B1 KR 1020107013488 A KR1020107013488 A KR 1020107013488A KR 20107013488 A KR20107013488 A KR 20107013488A KR 101211814 B1 KR101211814 B1 KR 101211814B1
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KR
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blade
water
combustion burner
injection hole
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고이치 이시자카
사토시 다니무라
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)는, 연료 노즐(110)과, 연료 노즐(110)의 사이에 공기 통로를 형성하는 버너통과, 연료 노즐(110)의 외주면의 둘레 방향을 따라 복수 개소에, 연료 노즐(110)의 축방향을 따르는 상태로 배치되고, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 만곡되어 있는 선회익(스월러베인)(130)과, 연료 노즐(110)에 선회익(130)의 익면을 향해서 액체 연료를 분사하는 액체 연료 분사 구멍(133A)을 갖는 연소 버너이고, 액체 연료(LF)가 충돌하는 선회익(130)의 익복면(132a)의 충돌 부분을 냉각하는 냉각 수단으로서 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)을 갖는다. 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 분사된 물이 익복면(132a)에 수막(15A)을 형성하고, 연소 온도를 저하시켜서, 코킹을 방지한다.

Description

연소 버너{COMBUSTION BURNER}
본 발명은 연료로서 액체 연료만 또는 액체 연료와 가스 연료를 병용하는 가스 터빈의 연소 버너에 관한 것이다.
발전 등에 이용되는 가스 터빈은, 압축기, 연소기, 터빈을 주요 부재로 하여 구성되어 있다. 가스 터빈은 복수의 연소기를 갖고 있는 것이 많고, 가스 터빈의 연소기는 연소기 케이싱에 환형으로 복수개 배치되어 있다. 그리고, 압축기에 의해 압축된 공기와, 연소기에 공급된 연료가 혼합되어 연소된다. 그리고, 각각의 연소기 내에서 연소시켜서 고온의 연소 가스를 발생시킨다. 이 연소에 의해서 생긴 고온의 연소 가스를 터빈으로 공급해서 터빈의 회전 구동을 실시하고 있다.
종래의 가스 터빈의 연소기에 있어서의 연소 버너의 구성의 일례를 도 8에 도시한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 종래의 연소 버너(100A)는, 파일럿 연소 버너(200)의 주위를 둘러싸는 상태로 복수개 배치되어 있다(도 8에서는 1개만 도시함). 파일럿 연소 버너(200)에는 도시하지 않는 파일럿 연소 노즐이 조립되고, 연소 버너(100A)와 파일럿 연소 버너(200)는 가스 터빈 내통의 내부에 배치되어 있다. 이 연소 버너(100A)는 연료 노즐(110)과, 버너통(120)과, 선회익(스월러 베인)(Swirler Vane)(130)을 주요 부재로 하여 구성되어 있다(특허문헌 1, 2).
버너통(120)은 연료 노즐(110)에 대해서 동심 형상으로, 또한 연료 노즐(110)을 둘러싸는 상태로 배치되고, 연료 노즐(110)의 외주면과 버너통(120)의 내주면의 사이에, 링 상태의 공기 통로(111)가 형성되어 있다. 이 공기 통로(111)에는, 그 상류측(도 8 중 좌측)으로부터 하류측(도 8 중 우측)을 향해서, 압축 공기(A)가 유통한다. 또한, 선회익(130)은 연료 노즐(110)의 둘레 방향을 따르는 복수 개소에 배치되고, 연료 노즐(110)의 축방향을 따라 연장 배치되어 있다. 또한, 각 선회익(130)의 외주측 단면(팁)과, 버너통(120)의 내주면과의 사이에는, 클리어런스(간극)(121)가 취해지고, 익복면(翼腹面)으로부터 익배면(翼背面)으로 돌아들어가는 공기의 누설 흐름이 발생한다. 이 누설 흐름과, 압축 공기(A)가 작용해서, 소용돌이 공기 흐름이 발생하고, 이 소용돌이 공기 흐름에 의해, 연료 노즐(110)의 선단부 부근으로부터 날개 표면을 향해 분사되어 증발하는 미립화된 연료(F)와, 압축 공기(A)가 보다 효과적으로 혼합되어서, 연료의 균일화가 촉진된다.
또한, 도 8 중 도면 부호(131)는 클리어런스 설정용 리브이다.
여기서, 가스 터빈의 연료로서는 가스 연료뿐만 아니라 액체 연료도 사용되고 있다. 액체 연료를 사용하는 경우에는, 종래에서는 액체 연료를 액체 연료 분사 구멍으로부터 압축 공기 흐름을 향해서 분사하도록 하고 있다. 이와 같이 하면, 분사된 액체 연료가 압축 공기 흐름에 의해 전단되어서 미립화하여 공기와 혼합된다. 그리고 공기와 혼합된 미립화한 액체 연료가 연소한다.
또한, 액체 연료로서는 소위, 기름 연료인 A 중유, 경유, 디메틸에텔 등이 있다.
종래의 연소 버너(100A)에서는, 연료로서 액체 연료를 이용하는 경우, 연료 노즐(110)의 선단부 부근으로부터 액체 연료를 공급하고, 각 선회익(130)에 의해서 공기 통로(111)를 유통하는 압축 공기(A)에 선회력을 부여해서 선회 공기 흐름(a)으로 한다. 그리고, 스월러 공기의 운동량을 이용해서 액체 연료의 미립화를 도모해서, NOX의 저감, 그을음의 억제를 도모하고 있다.
한편, 도 8에 도시하는 것과 같은 종래의 연소 버너(100A)에서는, 액체 연료의 미립화에 한계가 있는 한, 연료 노즐(110) 내의 연료 농도를 균일하게 하는 것이 매우 곤란했다.
그것을 방지하기 위해서, 더욱 미립화의 촉진 및 연료 농도의 균일화를 도모한 연소 버너가 제안되어 있다. 도 9는 종래의 연소 버너의 다른 구성의 일례를 나타내는 개략도이고, 도 10은 종래의 연소 버너의 연료 노즐 부분의 사시도이다. 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 종래의 연소 버너(100B)는, 연료 노즐(110) 표면에 개구된 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 액체 연료(LF)를 공급하고, 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사한 액체 연료(LF)를, 선회익(130)의 익복면(132a)에 분사하고, 액체 연료(LF)는 익복면(132a)에서 확산되어 박막화하고, 박막화한 액체 연료(LF)가 고속의 공기 흐름에 의해 전단되어서 미립화하여 증발되어, 미립화의 촉진 및 연료 농도의 균일화를 도모하고 있다(특허문헌 3).
일본 특허 공개 제 1999-14055 호 공보
일본 특허 공개 제 2004-12039 호 공보
일본 특허 공개 제 2006-336997 호 공보
그렇지만, 종래의 연소 버너(100B)에서는, 액체 연료(LF)의 사용시에는 압축 공기(A)의 온도가 약 450℃로 높고, 압축 공기(A)에 의해 고온으로 데워진 선회익(130)의 익복면(132a)에 액체 연료(LF)가 접촉하면 코킹을 일으킨다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제에 비추어 보아서, 선회익의 익면에 있어서 액체 연료와의 충돌 부분에서의 코킹의 발생을 억제할 수 있는 연소 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 발명은, 연료 노즐과, 상기 연료 노즐을 둘러싸는 상태로 배치되고, 상기 연료 노즐과의 사이에 공기 통로를 형성하는 버너통과, 상기 연료 노즐의 외주면의 둘레 방향을 따르는 복수 개소에, 상기 연료 노즐의 축방향을 따르는 상태로 배치되고, 상기 공기 통로를 상류측으로부터 하류측에 유통하는 공기를 선회시키기 위해서, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 만곡되어 있는 선회익과, 상기 연료 노즐에 마련되고, 상기 선회익의 익면을 향해서 액체 연료를 분사하는 액체 연료 분사 구멍을 갖는 연소 버너이고, 상기 액체 연료가 충돌하는 상기 익면의 충돌 부분을 냉각하는 냉각 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 2 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 냉각 수단이 상기 선회익의 익복면에 마련되고, 가스를 태울 때에는 가스 연료를 분사하는 동시에, 상기 액체 연료의 연소시에는 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 겸용 분사 구멍인 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 3 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 냉각 수단이 상기 연료 노즐의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 상기 액체 연료 분사 구멍과 동렬로 배치되고, 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍인 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 4 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 냉각 수단이 물과 액체 연료를 균일하게 혼합한 혼합 연료를 상기 액체 연료 분사 구멍으로부터 상기 선회익의 익복면을 향해서 분사하는 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 5 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 냉각 수단이 상기 선회익 내부에 형성된 수냉각 유로인 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 6 발명은 제 1 발명에 있어서, 상기 액체 연료 분사 구멍이 상기 선회익의 익복면에 마련되는 동시에, 상기 냉각 수단이 상기 익복면의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 마련되고, 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍인 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
제 7 발명은 제 1 발명 내지 6 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 액체 연료가 상기 선회익의 익복면과 익배면 중 어느 일방 또는 양방을 향해서 액체 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 연소 버너이다.
본 발명에 의하면, 선회익의 익면에 충돌한 액체 연료가 충돌 부분을 냉각하는 냉각 수단을 갖고 있기 때문에, 상기 선회익의 익면에 있어서 액체 연료와의 충돌 부분의 가열을 억제할 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 냉각 수단으로서, 가스를 태울 때에는 가스 연료를 분사하는 동시에, 상기 액체 연료의 연소시에는 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 겸용 분사 구멍을 상기 선회익의 익복면에 마련하고 있기 때문에, 상기 익복면의 날개 표면상에 수막을 형성하고, 상기 액체 연료가 충돌하는 상기 익면의 충돌 부분을 냉각할 수 있다. 이 때문에, 연소 온도를 저하시킬 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있는 동시에, 연소장에 있어서 NOX의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 냉각 수단으로서, 상기 연료 노즐의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 상기 액체 연료 분사 구멍과 동렬로 배치되고, 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍을 마련하고 있기 때문에, 상기 익복면의 상기 날개 표면상에 수막을 형성하고, 상기 액체 연료가 충돌하는 상기 익면의 충돌 부분을 냉각해서, 연소 온도를 낮출 수 있기 때문에, 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 냉각 수단으로서, 물과 액체 연료를 균일하게 혼합한 혼합 연료를 상기 액체 연료 분사 구멍으로부터 상기 선회익의 익복면을 향해서 분사하고, 상기 물이 먼저 증발해서, 연소 온도를 낮출 수 있기 때문에, 상기 선회익의 날개 표면의 온도를 빼앗을 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 냉각 수단으로서, 상기 선회익 내부에 수냉각 유로를 형성하도록 하고 있기 때문에, 상기 선회익의 날개 표면의 온도를 저하시켜서, 상기 액체 연료가 충돌하는 상기 익면의 충돌 부분을 냉각해서, 상기 선회익의 가열을 억제할 수 있기 때문에, 보다 효과적으로 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 상기 액체 연료 분사 구멍을 상기 선회익의 익복면에 마련하고, 냉각 수단으로서, 상기 선회익의 익복면의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 상기 선회익의 상기 익복면을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍을 마련하고 있기 때문에, 상기 익복면의 날개 표면상에 수막을 형성해서, 상기 익복면의 날개 표면의 온도를 저하시킬 수 있기 때문에, 코킹을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 관련되는 연소 버너의 액체 연료(LF)만의 연소시의 경우의 물 분사시의 상태를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 관련되는 연소 버너의 다른 구성을 나타내는 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예 2와 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도,
도 6은 본 발명의 실시예 4에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도,
도 7은 본 발명의 실시예 5와 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도,
도 8은 종래의 가스 터빈의 연소기에 있어서 연소 버너의 구성의 일례를 도시하는 도면,
도 9는 종래의 연소 버너의 다른 구성의 일례를 나타내는 개략도,
도 10은 종래의 연소 버너의 연소 노즐 부분의 사시도.
이하, 이 발명에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예에 있어서의 구성 요소에는 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
(실시예 1)
본 발명에 의한 실시예 1에 관련되는 연소 버너에 대해서, 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 1 중 상기 도 8 내지 도 10에 도시한 연소 버너와 동일 구성 부재에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명은 생략한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)는, 연료 노즐(110)과, 연료 노즐(110)을 둘러싸는 상태로 배치되고, 연료 노즐(110)과의 사이에 공기 통로(111)를 형성하는 버너통(120)과, 연료 노즐(110)의 외주면의 둘레 방향을 따르는 복수 개소에, 연료 노즐(110)의 축방향을 따르는 상태로 배치되고, 공기 통로(111)를 상류측으로부터 하류측으로 유통하는 공기를 선회시키기 위해서, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 만곡하고 있는 선회익(스월러 베인) (130)과, 연료 노즐(110)에 마련되고, 연료 노즐(110)의 선회익(130)의 익면을 향해서 액체 연료(LF)를 분사하는 액체 연료 분사 구멍(133A)을 갖는 연소 버너이며, 액체 연료(LF)가 충돌하는 익면의 충돌 부분을 냉각하는 냉각 수단을 갖는 것이다.
본 실시예의 냉각 수단은, 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련되고, 가스 연료(GF)의 연소시(가스를 태우는 때)에는 가스 연료(GF)를 분사하는 동시에, 액체 연료(LF)의 연소시(기름을 태우는 때)의 경우에는, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하고, 가스 연료 분사용과 물 분사용의 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)이고, 물 분사용의 경우에는 익복면(132a)을 냉각하도록 하고 있다(상세는 후술함).
버너통(120)은 연료 노즐(110)에 대해서 동심 형상이고, 또한 연료 노즐(110)을 둘러싸는 상태로 배치되어 있다. 이 때문에, 연료 노즐(110)의 외주면과 버너통(120)의 내주면과의 사이에, 링 상태의 공기 통로(111)가 형성된다. 이 공기 통로(111)에는 그 상류측(도 1에서는 좌측)으로부터 하류측(도 1에서는 우측)을 향해서, 압축 공기(A)가 유통한다.
선회익(130)은 도 1에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(110)의 둘레 방향을 따라 복수 개소에 배치되고, 연료 노즐(110)의 축방향을 따라 늘어나서 배치되어 있다. 각 선회익(130)은 공기 통로(111)를 유통하는 압축 공기(A)에 선회력을 부여해서, 이 압축 공기(A)를 선회 공기 흐름(a)으로 하는 것이다. 이 때문에, 각 선회익(130)은 압축 공기(A)를 선회시킬 수 있도록, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라 점차 만곡되어 있다(둘레 방향을 따라 경사져 있다).
즉, 각 선회익(130)은,
(1) 압축 공기(A)를 선회시킬 수 있도록, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 만곡되어 있다.
(2) 축방향[연료 노즐(110)의 길이 방향]에 관해서는, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 만곡이 커지고 있다
(3) 선회익(130)의 후연에서는, 직경 방향[연료 노즐(110)의 반경 방향(방사 방향)]에 관해서, 내주측으로부터 외주측을 향함에 따라서 만곡이 커지고 있다.
각 선회익(130)의 외주측 단면(팁)과, 버너통(120)의 내주면과의 사이에는, 클리어런스(간극)(121)가 취해져 있다. 선회익(130)의 익복면(132a)(도 2 참조)은 정압이고, 익배면(132b)(도 2 참조)은 부압으로, 익배면(132b)과 익복면(132a)과의 사이에 압력 차이가 있다. 이 때문에, 클리어런스(121)를 통해서, 익복면(132a)으로부터 익배면(132b)으로 돌아 들어가는, 공기의 누설 흐름이 발생한다. 이 누설 흐름과, 공기 통로(111) 내를 축방향으로 유통하는 압축 공기(A)가 작용해서, 소용돌이 공기 흐름이 발생한다. 이 소용돌이 공기 흐름에 의해, 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 익복면(132a)을 향해서 분사되어서 증발해 미립화한 연료와 공기가 보다 효과적으로 혼합되어서, 가스 연료(GF)의 균일화가 촉진된다.
또한, 각 선회익(130)의 외주측 단면(팁)의 전연측에는, 클리어런스 설정용 리브(131)가 고정되어 있다. 각 클리어런스 설정용 리브(131)는, 선회익(130)이 구비된 연료 노즐(110)을 버너통(120)의 내부에 조립했을 때에, 버너통(120)의 내주면에 긴밀히 접촉하는 높이(직경 방향 길이)로 되어 있다.
이 때문에, 각 선회익(130)과 버너통(120)의 사이에 형성되는 각 클리어런스(121)의 길이(직경 방향 길이)는 균등하게 된다. 또한, 선회익(130)이 구비된 연료 노즐(110)을 버너통(120)의 내부에 조립할 때의 조립 부착 작업이 용이하게 된다.
연료 노즐(110)에는, 익복면(132a)을 향해서 연료를 분사해서 내뿜는 복수의 액체 연료 분사 구멍(133A)이 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 액체 연료 분사 구멍(133A)이 연료 노즐(110)에 마련되어 있다. 액체 연료 분사 구멍(133A)의 배치 위치는, 연료 노즐(110)의 외주 중 각 선회익(130)의 각 익복면(132a)에 가까운 위치이다.
또한, 연료 노즐(110)의 내부에는 액체 연료 공급 라인(L11)이 형성되어 있고, 액체 연료 탱크(12)로부터 이 액체 연료 공급 라인(L11)을 거쳐서 각 액체 연료 분사 구멍(133A)에 액체 연료(LF)가 공급된다. 이 때, 공급된 액체 연료(LF)의 양은 밸브(V11)로 조정된다.
본 실시예에서는, 각 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사된 액체 연료(LF)가 각 선회익(130)의 익복면(132a)에 분무되도록, 액체 연료 분사 구멍(133A)의 위치 및 방향을 설정하고 있다. 익복면(132a)은 내주측으로부터 외주 측을 향함에 따라서(방사 방향을 향함에 따라서), 만곡이 커지고 있기 때문에, 각 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 반경 방향(방사 방향)으로 액체 연료(LF)를 분사하는 것만으로, 익복면(132a)에 액체 연료(LF)가 분무되고, 익복면(132a)에서 액체 연료(LF)가 확산되어 박막화한다.
익복면(132a)으로 확산되어 박막화한 액체 연료(LF)는 고온이고, 또한 고속류로 되어 있어서 압축 공기(A)[또는 선회 공기 흐름(a)]에 접촉하여 증발한다. 즉, 익복면(132a)측에서의 기류 경계층의 급격한 속도 구배에 의한 전단력에 의해, 익복면(132a)에 박막화해서 확산된 액체 연료(LF)가 박리·증발된다.
또한, 박막화한 액체 연료(LF)는, 상술한 것과 같이 증발되지만, 증발하지 않은 액체 연료(LF)는, 익복면(132a)에서 확산되어 익전연으로부터 익후연을 향해 이동해 나간다. 그리고, 익후연에 도달한 박막화한 액체 연료(LF)는, 고속의 압축 공기(A)[선회 공기 흐름(a)]에 의해 익후연으로부터 박리되어 미립화해 간다. 이 때, 박막화한 액체 연료(LF)의 유막 두께는 매우 얇기 때문에, 미립화한 액체 연료(LF)의 입경은 매우 작아져서, 미세 입경으로 되어 있는 액체 연료(LF)는, 선회 공기 흐름(a)(소용돌이 공기 흐름을 포함함)와 혼합되는 것에 의해 증발이 촉진된다.
따라서, 익복면(132a)에 액체 연료(LF)를 분사하는 것에 의해, 액체 연료(LF)를 미립화 및 증발을 촉진시켜, 가스화시킬 수 있어서, 미세 입경이 되어 증발한 액체 연료(LF)가 공기와 혼합되어 연소한다. 이 때문에, 양호한 연소를 실행할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 겸용 분사 구멍 (11-1 내지 11-3)이, 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련되어 있다. 그리고, 가스를 태우는 때에는, 가스 연료(GF)를 분사하는 동시에, 액체 연료(LF)의 연소시(기름을 태울 때)에는, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하도록 하고 있다.
이 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)에는, 가스를 태울 때에는, 가스 연료 탱크(13)로부터 가스 연료 공급 라인(L21 내지 L23)을 거쳐서 가스 연료(GF)가 공급되고, 공급된 가스 연료(GF)가 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 분사된다. 공급된 가스 연료(GF)의 양은 밸브(V21 내지 V23)로 조정된다.
따라서, 가스를 태울 때에, 이 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 가스 연료(GF)를 분사하는 동시에, 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 익복면(132a)을 향해서 액체 연료(LF)를 분사시키는 것으로, 가스 연료(GF)와 액체 연료(LF)를 동시에 연소시키는 듀얼 연소 가스 터빈으로 할 수 있다.
또한, 액체 연료(LF)만의 연소시에는, 물탱크(14)로부터 물 공급 라인(L31 내지 L33)을 거쳐서 물(W)이 공급되고, 공급된 물(W)이 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 분사된다. 공급된 물(W)의 양은 밸브(V31 내지 V33)로 조정된다.
여기서, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 관련되는 연소 버너의 액체 연료(LF)만의 연소 시의 경우의 물 분사 시의 상태를 나타내는 사시도를 도시한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 액체 연료(LF)의 연소시에는, 물탱크(14)로부터 물 공급 라인(L31 내지 L33)을 거쳐서 공급된 물(W)이 선회익(130)의 익복면(132a)의 표면상에 수막(15A)을 형성한다.
겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 분사되고, 수막(15A)을 형성한 물(W)과 각 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사된 액체 연료(LF)는 혼합되어 익단으로부터 미립화되고, 이 미립화된 혼합 연료(18A)가 공기 통로(111)의 하류측으로 비산한다.
따라서, 기름을 태울시에는, 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 물(W)을 공급하고, 수막(15A)을 날개 표면상에 형성하는 것으로, 액체 연료(LF)가 충돌하는 익복면(132a)의 충돌 부분을 냉각할 수 있기 때문에, 코킹을 막을 수 있다.
또한, 물(W)을 공급하는 물 공급 구멍으로서 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)을 사용함으로써, 연료 노즐(110)의 내부의 유로 형상의 복잡화를 막을 수 있다.
또한, 기존 설비의 연소 버너에 있어서, 가스 연료 분사 구멍을 이용해서, 물 공급 라인을 추가하는 간이한 변경을 실시하는 것 만으로, 물(W)을 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 분사할 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 공급되는 물(W)에 의해서, 연소 온도를 낮출 수 있기 때문에, 연소장에 있어 NOX 저감의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 도시하지 않는 파일럿 노즐로 고부하까지 부하 상승시킨 후, 파일럿비를 낮추는 액체 연료(LF)와 물(W)을 투입하도록 하고 있다. 이것은, 액체 연료(LF)를 분사할 때에 물(W)을 넣으면 물(W)의 양이 상대적으로 많아지기 때문에, 어느 정도 부하가 상승하고 나서 물(W)을 투입할 필요가 있기 때문이다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 도시하지 않은 파일럿 노즐로 고부하까지 부하 상승시킨 후, 물(W)을 단속적으로 공급하도록 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 파일럿 노즐로 고부하까지 부하 상승하기 전부터 물(W)을 연속적으로 공급해서, 액체 연료(LF)와 혼합하도록 해도 괜찮다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 가스 연료 탱크(13)로부터 가스 연료(GF)를 공급하는 가스 연료 공급 라인(L21 내지 L23)과, 물탱크(14)로부터 물(W)을 공급하는 물 공급 라인(L31 내지 L33)을 별개로 함으로써, 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 가스 연료(GF) 또는 물(W)을 투입하도록 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가스 연료 공급 라인(L21 내지 L23)과 물 공급 라인(L31 내지 L33)을 도중에 연결해서, 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)으로부터 가스 연료(GF), 물(W) 중 어느 쪽을 투입하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 있어서는, 액체 연료 분사 구멍(133A)은 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 액체 연료(LF)를 분사하도록 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 액체 연료 분사 구멍(133A)은 선회익(130)의 익배면(132b)을 향해서 액체 연료(LF)를 분사하도록 해도 괜찮다. 또한, 액체 연료 분사 구멍(133A)은 선회익(130)의 익복면(132a) 및 익배면(132b)을 향해서 액체 연료(LF)를 분사하도록 해도 괜찮다.
이와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10A)에 의하면, 액체 연료(LF)만을 이용한 연소시에는, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하는 동시에, 가스를 태울 때에 가스 연료(GF)를 분사하고, 물 분사용과 가스 연료 분사용과 겸용으로 이용되는 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)을 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련하고 있다. 이 때문에, 선회익(130)의 익복면(132a)의 날개 표면상에 수막(15A)을 형성하고, 액체 연료(LF)가 충돌하는 익복면(132a)의 충돌 부분을 냉각함으로써, 익복면(132a)의 액체 연료(LF)와의 충돌 부분의 가열을 억제할 수 있다. 이 때문에, 연소 온도를 저하시킬 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있는 동시에, 연소장에 있어 NOX의 저감을 도모할 수 있다.
(실시예 2)
본 발명에 의한 실시예 2와 관련되는 연소 버너에 대해서, 도 4를 참조해서 설명한다.
본 실시예에 관련되는 연소 버너는, 상기 도 1에 도시한 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 구성과 대략 마찬가지이기 때문에, 상기 도 1에 도시한 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)와 동일 구성에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서는 연소 노즐(110)과 선회익(130)의 부분만을 도시하고, 그 외의 부분은 생략한다. 이하, 다른 실시예에 있어서도 마찬가지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2와 관련되는 연소 버너의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10B)는, 도 1에 도시하는 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련하고 있던 겸용 분사 구멍(11-11 내지 11-13)을 연료 노즐(110)에 액체 연료 분사 구멍(133A)과 축방향을 따라서 동렬로 배치한 것이다.
즉, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10B)는, 냉각 수단으로서, 연료 노즐(110)에 액체 연료 분사 구멍(133A)의 상류측에 액체 연료 분사 구멍(133A)과 축방향에 따라서 동렬로 배치하고, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하는 물 분사 구멍(16A)을 독립해서 마련한 것이다.
또한, 도 4는 물 분사시의 상태를 도시하는 도면이다.
물 분사 구멍(16A)은, 연료 노즐(110)에 액체 연료 분사 구멍(133A)의 상류측에 액체 연료 분사 구멍(133A)과 동렬로 배치하고, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하도록 하고 있다. 물 분사 구멍(16A)으로부터, 액체 연료(LF)가 선회익(130)의 익복면(132a)의 날개 표면에 해당되는 위치를 향해서 물(W)이 분사되어서, 선회익(130)의 익복면(132a)의 표면상에 수막(15B)을 형성한다. 그리고, 물 분사 구멍(16A)으로부터 분사되고, 수막(15B)을 형성한 물(W)과 각 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사된 액체 연료(LF)와는 혼합해서 익단으로부터 미립화되고, 이 미립화된 혼합 연료(18B)가 도 1에 도시하는 공기 통로(111)의 하류측으로 비산한다.
따라서, 물 분사 구멍(16A)으로부터 물(W)을 공급하고, 수막(15B)을 익복면(132a)의 날개 표면상에 형성함으로써, 액체 연료(LF)가 충돌하는 익복면(132a)의 충돌 부분을 냉각해서, 날개 표면의 온도를 저하시킬 수 있다. 이 때문에, 연소 온도를 저하시킬 수 있어서 코킹을 막을 수 있다.
(실시예 3)
본 발명에 의한 실시예 3에 관련되는 연소 버너에 대해서, 도 5를 참조해서 설명한다.
본 실시예에 관련되는 연소 버너는, 상기 도 1에 나타낸 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 구성과 대략 마찬가지이기 때문에, 상기 도 1에 나타낸 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)와 동일 구성에는 동일 부호를 붙여서 중복한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서는, 연소 노즐(110)과 선회익(130)의 부분만을 도시하고, 그 외의 부분은 생략한다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)는, 도 1에 나타내는 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련하고 있는 겸용 분사 구멍(11-11 내지 11-3)과 액체 연료 분사 구멍(133A)을 함께 한 것이다.
즉, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)는 냉각 수단으로서, 물(W)과 액체 연료(LF)를 균일하게 혼합한 혼합 연료(MF)를 액체 연료 분사 구멍(133B)으로부터 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 분사하도록 한 것이다.
본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)에 있어서는, 연료 노즐(110)에 스태틱 믹서(17)를 마련하고, 균일하게 물(W)과 액체 연료(LF)를 혼합하도록 하고 있다. 스태틱 믹서(17)에 의해 균일하게 혼합된 물(W)과 액체 연료(LF)의 혼합 연료(MF)를 액체 연료 분사 구멍(133B)으로부터 분출하도록 하고 있다.
또한, 종래의 연소 버너에서는, 스태틱 믹서(17) 등을 이용해 물(W)과 액체 연료(LF)를 혼합할 때, 연료 노즐(110)의 더욱 상류측에서 혼합하도록 하고 있었다. 그 때문에, 연료 노즐(110)내를 통과하고 있는 사이에, 물(W)과 액체 연료(LF)가 분리되는 경우가 생기고 있었다.
이것에 대해, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)는, 액체 연료 분사 구멍(133B)의 바로 옆에서 스태틱 믹서(17)에 의해 물(W)과 액체 연료(LF)를 혼합하도록 하고 있기 때문에, 물(W)과 액체 연료(LF)가 분리되는 일 없이, 액체 연료 분사 구멍(133B)으로부터 혼합 연료(MF)를 분출시킬 수 있다. 그리고, 각 액체 연료 분사 구멍(133B)으로부터 분사된 혼합 연료(MF)는 익단으로부터 미립화되고, 이 미립화된 혼합 연료(18C)가 도 1에 나타내는 공기 통로(111)의 하류측으로 비산한다.
또한, 액체 연료(LF)를 공급하는 도 1에 도시하는 것과 같은 액체 연료 공급 라인(L31)상에서 물(W)을 액체 연료(LF) 중에 첨가하도록 한다. 물(W)의 비점은 기름 등의 액체 연료(LF)보다 낮기 때문에, 물(W)이 먼저 증발하고, 연소 온도가 낮아짐으로써, 선회익(130)의 날개 표면의 온도를 빼앗을 수 있어서, 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)에 있어서는, 도 1에 도시하는 것과 같은 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)와 같은 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)을 마련할 필요는 없고, 액체 연료 분사 구멍(133B)만으로부터 물(W)을 분출하도록 하고 있기 때문에, 연료 노즐(110), 또는 선회익(130)에 마련하는 분사 구멍의 수를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10C)에 있어서는, 물(W)과 액체 연료(LF)를 스태틱 믹서(17)에 의해 균일하게 혼합하도록 하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 물(W)과 액체 연료(LF)를 균일하게 혼합할 수 있는 것이면 좋다.
(실시예 4)
본 발명에 의한 실시예 4에 관련되는 연소 버너에 대해서, 도 6을 참조해서 설명한다.
본 실시예에 관련되는 연소 버너는, 상기 도 1에 나타낸 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 구성과 대략 마찬가지이기 때문에, 상기 도 1에 나타낸 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)와 동일 구성에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서는, 연소 노즐(110)과 선회익(130)의 부분만을 도시하고, 그 외의 부분은 생략한다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10D)는, 도 1에 나타내는 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 연료 노즐(110)에 마련하고 있는 액체 연료 분사 구멍(133A)을 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련하도록 한 것이다.
즉, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10D)는, 액체 연료 분사 구멍(133C-1 내지 133C-3)을 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련되는 동시에, 냉각 수단으로서, 선회익(130)의 익복면(132a)의 액체 연료 분사 구멍(133C-1 내지 133C-3)의 상류측(도 6중 좌측)에, 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분사하는 물 분사 구멍(16B-1 내지 16B-3)을 마련한 것이다.
또한, 도 6은 물 분사시의 상태를 나타내는 도면이다.
선회익(130)의 익복면(132a)의 상류측에 마련한 물 분사 구멍(16B-1 내지 16B-3)으로부터 선회익(130)의 익복면(132a)을 향해서 물(W)을 분출하고, 선회익(130)의 익복면(132a)의 표면상에 수막(15C)을 형성해서, 선회익(130)의 날개 표면 온도를 저감한다. 그리고, 물 분사 구멍(16B-1 내지 16B-3)보다 하류측에 마련한 액체 연료 분사 구멍(133C-1 내지 133C-3)으로부터 액체 연료(LF)를 분사하도록 하고 있다. 그리고, 물 분사 구멍(16B-1 내지 16B-3)으로부터 분사되고, 수막(15C)을 형성한 물(W)과 각 액체 연료 분사 구멍(133C-1 내지 133C-3)으로부터 분사된 액체 연료(LF)와는 혼합되어 익단으로부터 미립화되고,이 미립화된 혼합 연료(18d)가 도 1에 나타내는 공기 통로(111)의 하류측으로 비산한다.
따라서, 액체 연료 분사 구멍(133C-1 내지 133C-3)보다 상류측에 마련한 물 분사 구멍(16B-1 내지 16B-3)으로부터 물(W)을 공급하고, 선회익(130)의 날개 표면상에 수막(15C)을 형성함으로써, 선회익(130)의 익복면(132a)의 날개 표면의 온도를 저하시킬 수 있기 때문에, 코킹의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 코킹이 생기기 어려운 선회익(130)의 날개 표면으로부터 액체 연료(LF)를 분사하는 것에 의해 농도 분포의 미세 조정을 실시할 수 있다.
(실시예 5)
본 발명에 의한 실시예 5와 관련되는 연소 버너에 대해서, 도 7을 참조해서 설명한다.
본 실시예에 관련되는 연소 버너는, 상기 도 1에 도시한 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 구성과 대략 마찬가지이기 때문에, 상기 도 1에 도시한 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)와 동일 구성에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서는 연소 노즐(110)과 선회익(130)의 부분만을 도시하고, 그 외의 부분은 생략한다.
도 7은 본 발명의 실시예 5와 관련되는 연소 버너의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10e)는, 도 1에 도시하는 실시예 1에 관련되는 연소 버너(10A)의 선회익(130)의 익복면(132a)에 마련한 겸용 분사 구멍(11-1 내지 11-3)에 대신해서, 선회익(130) 내부에 수냉각 유로(21)를 형성한 것이다.
즉, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10e)는, 냉각 수단으로서, 선회익 내부 에 형성된 수냉각 유로를 마련한 것이다.
또한, 도 7은 물 분사 시의 상태를 나타내는 도면이다.
선회익(130) 내부에 수냉각 유로(21)를 형성하고, 선회익(130) 내부를 흐르는 물(W)에 의해 선회익(130) 내부를 냉각하도록 하고 있다. 또한, 수냉각 유로(21)에 공급되는 물(W)은 도 1에 나타내는 물 급송 라인(L31)을 거쳐서 급송된다. 그리고, 수냉각 유로(21)에서 사용된 냉각 후의 물(W)은 선회익(130)의 익단으로부터 공기 통로(111) 중으로 분무되어, 미립화되고 있다.
또한, 연료 노즐(110)에 마련한 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사된 액체 연료(LF)는 미립화된다. 그리고, 이 미립화한 물(W)과 각 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사되어 미립화된 액체 연료(LF)와는 익단에 있어서 혼합해서 미립화되고, 이 미립화된 혼합 연료(18E)가 도 1에 나타내는 공기 통로(111)의 하류측으로 비산한다.
따라서, 본 실시예에 관련되는 연소 버너(10E)를 이용하면, 선회익(130) 내부에 수냉각 유로(21)를 마련하고, 선회익(130) 내부로부터 선회익(130)을 냉각하는 것에 의해, 선회익(130)의 날개 표면의 온도를 저하시켜서, 액체 연료(LF)가 충돌하는 익복면(132a)의 충돌 부분을 냉각하여, 선회익(130)의 가열을 억제할 수 있다. 이것에 의해 연소 온도를 저하시킬 수 있기 때문에, 보다 효과적으로 코킹을 방지할 수 있다.
또한, 수냉각 유로(21)로 사용되어 익단으로부터 비산해서 미립화한 물(W)과, 액체 연료 분사 구멍(133A)으로부터 분사되어 미립화한 액체 연료(LF)를 하류 영역에서 흐름의 스월에 의해 혼합을 촉진할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명과 관련되는 연소 버너는, 액체 연료가 충돌하는 선회익의 익면의 충돌 부분을 냉각해서, 충돌 부분의 가열을 억제할 수 있기 때문에, 코킹의 발생의 억제를 도모한 가스 터빈의 연소 버너에 이용하는데 적합하다.
10A~10E : 연소 버너 11-1~11-3 : 겸용 분사 구멍
12 : 액체 연료 탱크 13 : 가스 연료 탱크
14 : 물탱크 15A~15C : 수막
16A, 16B-1~16B-3 : 물 분사 구멍 17 : 스태틱 믹서
18A~18E : 미립화한 혼합 연료 21 : 수냉각 유로
110 : 연료 노즐 111 : 공기 통로
120 : 버너통 121 : 클리어런스
130 : 선회익 131 : 클리어런스 설정용 리브
132a : 익복면 132b : 익배면
200 : 파일럿 연소 버너 A : 압축 공기
a : 선회 공기 흐름 W : 물
GF : 가스 연료 LF : 액체 연료
MF : 혼합 연료 L11 : 액체 연료 공급 라인
L21~L23 : 가스 연료 공급 라인 L31~L33 : 물 공급 라인
V11,V21~V23, V31~V33 : 밸브
133A, 133B, 133C-1~133C-3 : 액체 연료 분사 구멍

Claims (7)

  1. 연료 노즐과,
    상기 연료 노즐을 둘러싸는 상태로 배치되고, 상기 연료 노즐과의 사이에 공기 통로를 형성하는 버너통과,
    상기 연료 노즐의 외주면의 둘레 방향을 따라 복수 개소에, 상기 연료 노즐의 축방향을 따르는 상태로 배치되고, 상기 공기 통로를 상류측으로부터 하류측으로 유통하는 공기를 선회시키기 위해서, 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 만곡되어 있는 선회익과,
    상기 연료 노즐에 마련되고, 상기 선회익의 익면을 향해서 액체 연료를 분사하는 액체 연료 분사 구멍을 갖는 연소 버너에 있어서,
    상기 액체 연료가 충돌하는 상기 익면의 충돌 부분을 냉각하는 냉각 수단을 갖는 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수단이 상기 연료 노즐의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 상기 액체 연료 분사 구멍과 동렬(同列)로 배치되고, 상기 선회익의 익복면(翼腹面)을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍인 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수단이 물과 액체 연료를 균일하게 혼합한 혼합 연료를 상기 액체 연료 분사 구멍으로부터 상기 선회익의 익복면을 향해서 분사하는 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수단이 상기 선회익 내부에 형성된 수냉각 유로인 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 연료 분사 구멍이 상기 선회익의 익복면에 마련되는 동시에,
    상기 냉각 수단이 상기 익복면의 상기 액체 연료 분사 구멍의 상류측에 마련되고, 상기 선회익의 익복면을 향해서 물을 분사하는 물 분사 구멍인 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 연료 분사 구멍이 상기 선회익의 익복면과 익배면(翼背面) 중 어느 일방 또는 양방을 향해서 액체 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
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