KR100247098B1 - 다중노즐 연소기용 연소라이너캡 조립체 - Google Patents

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KR100247098B1
KR100247098B1 KR1019930001911A KR930001911A KR100247098B1 KR 100247098 B1 KR100247098 B1 KR 100247098B1 KR 1019930001911 A KR1019930001911 A KR 1019930001911A KR 930001911 A KR930001911 A KR 930001911A KR 100247098 B1 KR100247098 B1 KR 100247098B1
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데이비드오.피츠
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

가스터어빈의 복식 노즐 연소기에 사용되는 모듈 연소 라이너 캡 조립체(42)는 전후방 단부를 갖는 원통형의 제 1슬리이브(46)과; 다수의 대응한 연료 노즐(32)를 수용하기 위한 다수의 제 1 개구부(52)를 제공하고, 슬리이브(46)의 후방단부에 고정된 후방판(48)과; 후방판(48)에 있는 다수의 제 1개구부와 일직선상을 이루는 다수의 제 2개구부(80)를 제공하며, 상기 슬리이브(46)의 전방단부에 고정된 전방판 소조립체(68)과; 이것의 후방 단부에서 다수의 제 1개구부(52)의 대응개구와, 이것의 전방단부에서 다수의 제 2개구부(80)의 대응개구 내에서 지지되고, 후방판(48)과 전방판 소조립체(68)사이의 슬리이브(46)내에서 축방향으로 각각 연장하며, 전후방 단부를 갖는 다수의 개방단 예비혼합관(96)을 포함한다.

Description

다중 노즐 연소기용 연소 라이너 캡 조립체
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 가스 터어빈 연소기의 부분 단면도.
제2도는 제1도에 도시한 연소기내에 결합되는 연소기 라이너 캡 조립체의 부분 단면도.
제2a도는 제2도에 도시한 연소기 라이너 캡 조립체 구조의 상세 확대도.
제2b도는 제2도에 도시한 연소기 라이너 캡 조립체의 다른 구조의 상세 확대도.
제3도는 제2도에 도시한 연소 라이너 캡 조립체의 후방 단면도.
제4도는 제1도의 연소기 라이너 캡 조립체의 전방 단면도.
제5도는 제2도에 도시한 연소 라이너 캡 조립체내에 결합되는 지지 스트럿 소조립체와 충돌판 소조립체의 측단면도.
제6도는 제5도에 도시한 충돌판 소조립체의 부분 전단면도.
제7도는 제2도에 도시한 연소 라이너 캡 조립체에 결합되는 차폐판과 예비혼합 관의 측단면도.
제8도는 제7도에 도시한 예비혼합 관의 전단면도.
제9도는 제1도에 도시한 연소 라이너 캡 조립체의 부분 측단면도.
제10도는 제1도에 도시한 연소 라이너 캡 조립체내에 결합되는 장착 플랜지 소조립체와 외부 슬리이브의 측단면도.
제10a도는 제10도에 도시한 장착 플랜지 소조립체와 외부 슬리이브 구조의 상세 확대도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 : 압축기 14 : 연소기
32 : 연료 노즐 38 : 연소 라이너
42 : 연소 라이너 캡 조립체 46 : 제1 슬리이브
48 : 후판 52 : 제1 구멍
68 : 충돌판 소조립체 70 : 충돌판
72 : 냉각 구멍 80 : 제2 구멍
86 : 환상 링 88 : 중심 컵
96 : 예비혼합 관 102 : 차폐판
본 발명은 가스 및 액체 연료 터어빈에 관한 것으로, 특히 동력 발생 플랜트에 사용되는 산업용 가스 터어빈의 연소기에 관한 것이다.
일반적으로 가스 터어빈은 압축기와, 하나 이상의 연소기와, 연료 분사 시스템, 그리고 터어빈을 포함한다. 통상적으로, 압축기는 흡입 공기를 압축하고, 압축된 공기는 연소기를 향해 직접 또는 역으로 흘러 연소기를 냉각하고 연소 공정에 공기를 공급하는데 사용된다. 다중 연소기 터어빈에서 상기 연소기는 가스 터어빈 둘레에 배치되고, 전이 도관(transition duct)은 연소 공정의 고온 생성물을 터어빈으로 이송하기 위해 각 연소기의 출구 단부를 터어빈의 입구 단부에 연결한다.
가스 터어빈의 배기 가스에 있는 질소 산화물(NOx)의 양을 감소시키기 위해 윌키스(Wilkes)와 힐트(Hilt)는 본 발명의 양수인에게 1981.10.6에 허여된 미합중국 특허 제4,292,801호에 기재된 이단계 이중 방식(dual stage, dual mode) 연소기를 발명했다. 상기 특허에는, 통상의 작동 부하 조건에서 상류측 또는 1차 연소실이 혼합실로 작용하도록 하고, 하류측 또는 2차 연소실에서 실제의 연소가 일어나도록 연소기 내에 2개의 연소실을 설치하면 종래의 일단 단일 연료 노즐 연소기에 비해 배기 질소 산화물(NOx)의 양을 상당량 감소시킬 수 있다는 것이 개시 되어 있다. 이러한 통상의 작동 상태에서, 1차 연소실에서 화염이 발생하지 않아 그 결과 질소 산화물(NOx)의 생성이 감소되고, 2차 또는 중심 노즐은 2차 연소기에서의 연소를 발생시키는 화염원을 제공한다. 특허 허여된 상기 발명의 특이한 구성은 1차 연소실로 방출하고 각각의 연소기 내에 환상으로 배열된 1차 노즐과, 2차 연소실로 방출하는 중심의 2차 노즐을 구비한다. 이러한 노즐들은 각각의 노즐이 연료 노즐 방출 오리피스에 공기를 제공하는 공기 선회기(air swirler)에 의해 방출 단부가 둘러싸인 축방향 연료 이송 파이프를 구비하고 있다는 점에서 확산 노즐이라 할 수 있다.
미합중국 특허 제4,982,570호에는 중심에 위치한 2차 노즐로서 결합된 확산/예비혼합 노즐을 이용하는 이단계 이중 방식 연소기가 개시되어 있다. 작동시 비교적 소량의 연료를 사용하여 확산 파일럿(diffusion pilot)을 유지하는 반면에, 노즐의 예비혼합부는 1차 연소실로 향하는 상류측의 1차 노즐로부터 공급되는 주연료를 점화시키기 위한 추가 연료를 공급한다.
연속적인 개발로, 이전에는 확산 및 예비혼합 노즐 오리피스의 하류측에서(2차 화염 영역에서의 경계부에서) 2차 연소실 내에 배치된 2차 노즐 공기 선회기가 연소기에서 화염과의 어떤 직접적인 접촉을 피하기 위해 예비혼합 노즐 오리피스의 상류측의 위치로 이동되었고, 이러한 개발은 미합중국 특허 출원 제07/618,246호에 개시되어 있다.
종래의 다중 노즐 캡 조립체(multi-nozzle cap assembly)는 집중된 노동과 가공이 소요되는 판금 용접에 의한 제조를 이용한다. 이러한 캡 조립체가 일단 조립되면 수리 또는 재가공하기가 어려우며, 손상될 경우 수리 또는 재가공하는 것은 경제적으로 불합리하여 캡은 폐기된다.
본 발명은 동시 계속 출원 S.N.(대리인 서류 839-130)에 기재된 산업용 가스 터어빈 용도로 개발된 신규한 건식 저함량의 질소 산화물(NOx) 연소기에 관한 것이다. 상기 연소기는 저 터어빈 부하에서는 확산 방식으로 고 터어빈 부하에서는 예비혼합 방식으로 작동하는 일단계(단일 연소 영역) 이중 방식(확산과 예비혼합) 연소기이다. 일반적으로, 각각의 연소기는 미합중국 특허 출원 제 07/618,246호에 기재된 것과 같은 확산/예비혼합 2차 노즐과 유사한 다중 연료 노즐을 구비한다. 즉, 각각의 노즐은 예비혼합 방식에 있어서 연료가 단일 연소실에서 연소되기 이전에 공기와 예비혼합되도록 둘러싸인 전용 예비혼합 영역 또는 관을 구비한다. 이러한 방법으로 둘러싸인 전용 예비혼합 영역 또는 관은 연소전에 연료와 공기를 완전히 예비혼합하여 저함량의 질소 산화물(NOx) 함량이 낮아지게 된다.
특히, 각각의 연소기는 종축을 갖는 통상 원통형의 케이싱과, 서로 고정되는 전후방 영역을 갖는 연소기 케이싱, 그리고 터어빈 케이싱에 전체가 고정되는 연소 케이싱을 구비한다. 각각의 연소기는 또한 내부 흐름 슬리이브와 흐름 슬리이브내에 동심적으로 배열된 연소 라이너(combustion liner)를 구비한다. 흐름 슬리이브와 연소 라이너는 모두 이들의 전방 또는 하류측 단부에 있는 이중벽 전이 도관과, 이들의 후방 단부에 있는 슬리이브 캡 조립체(연소기의 후방 또는 상류부내에 위치) 사이로 연장한다. 상기 흐름 슬리이브는 연소기 케이싱에 직접 부착되나, 라이너는 연소기 케이싱에 고정되는 라이너 캡 조립체를 수용한다. 전이 도관의 외벽과 흐름 슬리이브의 적어도 일부에는 이들의 각 표면위에 공기 공급 구멍이 제공되어 압축기의 공기가 연소 라이너와 흐름 슬리이브 사이의 방사상 공간으로 들어갈 수 있고, 연소실의 후방부 또는 상류부를 향해 역전되어 흐를 수 있게 되는데, 상기 연소실의 후방부 또는 상류부에서는 공기 흐름 방향이 다시 역전되어 연소기의 후방부로 그리고 연소 영역을 향해 흐르게 된다.
본 실시예에서 다섯개인 복수의 확산/예비혼합 연료 노즐은 연소기 케이싱의 종축에 대하여 원형 배열로 배치되고, 이러한 노즐은 연소기의 후방 단부를 차단하는 연소기 단부 커버 조립체에 장착된다. 연소기의 내부에서 연료 노즐은 연소 라이너 캡 조립체, 특히, 대응하는 예비혼합 관으로 연장한다. 각 노즐의 전방 또는 방출 단부는 연소 라이너에 있는 연소 영역으로 개방되는 예비혼합 관의 하류 단부에 비교적 밀접한 대응 예비혼합 관 내에서 종결한다. 공기 선회기는 동시 계속 출원 S.N.(대리인 서류 839-130)에 상세히 기재된 것처럼 압축 공기를 예비혼합 연료와 혼합시키기 위한 각각의 예비혼합 관으로 선회 유입시키기 위해 예비혼합 관의 후방 또는 상류 단부에서 관련 예비혼합 관과 각 노즐 사이에 방사상으로 위치된다.
각각의 연료 노즐에는 예비혼합 가스 연료, 확산 가스 연료, 연소 공기, (임의의)물, 그리고 액체 연료를 연소 영역으로 유입시키기 위한 복수의 동심 통로(concentric passage)가 제공된다. 상기 노즐 구조는 원래 본 발명의 일부를 형성하지 않는다. 상기 가스와 액체 연료, 연소 공기 및 물은 당업자라면 잘 이해할 수 있는 적절한 공급관, 매니폴드 및 관련 조절기에 의해 연소기로 공급된다.
상술한 동시 계속 출원 S.N.(대리인 서류 839-130)에 기재된 신규한 저함량의 건식 질소 산화물(NOx) 연소기는 제조 공차의 누적으로 인한 간섭을 방지하기 위해 라이너 캡 조립체와 연료 노즐 사이의 "플로우트(float)"와, 라이너 캡 조립체와 라이너 조립체 사이의 컴플라이언스(compliance)와, 마모 및 진동을 줄이기 위해 연소 케이스에 라이너 캡 조립체를 견고히 부착하는 것과, 손상된 부품의 경제적인 보수 또는 교체와, 라이너 캡 조립체를 제조하기 위한 모든 기계적인 제작요구량에 일치하는 저함량의 건식 질소 산화물(NOx) 연소기의 방출 성능의 유지 또는 개선을 필요로 한다.
상기 문제를 해결하기 위해 본 발명은 전체의 캡 조립체에 최소한의 충격을 가하는 부품으로 제조되기 위하여 설계를 빨리 변경할 수 있고, 최초에 조립하는 동안의 제조 실수 또는 사용중의 손상으로 인해 캡 조립체를 경제적으로 보수할 수 있는 모듈형 구조 기술을 이용한다. 또한, 본 발명에 따른 캡 조립체는 제조 사이클 시간 및 비용을 추가로 감소시키는 소형의 특수 성형 공구를 필요로 한다. 따라서, 본 발명은 연소 라이너 캡 조립체 및 관련 예비혼합 관의 구조와, 연소 라이너 캡 조립체가 연소기 내에서 지지되는 방식에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연소 라이너 캡 조립체는 거의 원통형의 제1 슬리이브를 포함하는데, 이 슬리이브에 후판(rear plate)이 고정된다. 상기 후판은 통상 원형이고 슬리이브의 후방 주변 연부에 용접된다. 상기 후판에는 또한 후술하는 것처럼 각각의 연료 노즐 조립체에 대하여 1개씩, 복수의 비교적 큰 구멍들(양호한 실시예에서는 5개)이 형성된다.
각 연료 노즐 구멍에는 후판의 후방으로 연장하는 부동 노즐 칼라(floating nozzle collar)가 끼워진다. 조립체는 후판에 대해 노즐 칼라를 유지하도록 형성되고 배치되지만, 라이너 캡 조립체에 대한 연료 노즐의 어떤 경미한 불일치(또는 공차 누적)를 수용하도록 칼라를 자유 부동 상태에서 방사상 조절할 수 있게 형성되고 배치된다.
제1 원통형 슬리이브 전방 또는 하류측 단부는 자유로운 환상의(annular)연부에서 종결한다. 상기 슬리이브의 전방 연부에 의해 형성된 구멍은 복수의 냉각 구멍이 있는 전방벽 또는 충돌판과, 후방으로 연장하는 외부 원통형 확장부를 포함하는 충돌판 소조립체(subassembly)를 수용한다. 상기 충돌판에는 또한 후판 구멍과 축방향으로 정렬되는 복수의(즉 5개) 구멍이 형성된다. 각각의 충돌판 구멍은 또한 충돌판에 용접된 내부의 축방향(후방)으로 연장하는 링에 의해 형성되며, 충돌판 조립체의 외부 원통형 확장부는 제1 슬리이브의 전방 단부에 수용되고 리벳 고정된다.
충돌판에 있는 중심 구멍에는 후방으로 연장하는 원통형의 내부 링이 고정되어 중심 컵을 수용한다. 중심 컵은 충돌판과 같이 복수의 냉각 구멍을 구비하며, 본 발명의 실시예에서는, 2차 중심체가 없는 연료 노즐을 사용할 때, 충돌판의 중심 구멍을 "막기 위해" 사용된다.
각 한쌍의 정렬된 후판과 충돌판 구멍들은 상기 판들 사이에서 거의 수직으로 연장하는 예비혼합 관을 수용한다. 상기 예비혼합 관은 고체의 개방단 실린더이며, 예비혼합 관의 후방 연부는 후판의 카운터보어(counterbore)내에 끼워진다. 예비혼합 관의 전방 연부는 충돌판 조립체의 내부링 내에 포개지는 식으로 넣어진다(telescoped). 각 예비혼합 관의 전방 연부에는 방사상으로 방위된 웨지형 차폐판(wedge-shaped shield plate)이 제공될 수 있다. 다섯 개의 예비혼합 관의 차폐판은 조합하여 연소기 화염의 열복사로부터 실질적으로 충돌판 전체를 차폐한다. 예비혼합 관의 전방 단부를 충돌판 조립체에 용접 또는 다른 고정을 하지 않았으므로, 보수 및/또는 교체하기 위해 캡 조립체의 잔존부를 제거(또는 손상)하지 않고 예비혼합 관 전체(다섯개의 예비혼합 관, 후판 및 부동칼라)를 제거할 수 있다.
후방으로 연장하는 충돌판의 내부 링에 대하여 끼워진 환상의 중심 링과, 예비혼합 관 사이에서 제1 슬리이브의 내면에 고정된 외부의 환상 링으로 연장하고 방사상으로 정향된 다섯 개의 스포우크(spoke) 또는 스트럿(strut)을 포함하는 내부 스트럿 소조립체를 제공함으로써 예비혼합 관 소조립체를 추가적으로 지지하게 된다.
본 발명에 따른 다중 노즐 라이너 캡 조립체는 다음의 방법으로 연소기 케이싱 내에 고정된다. 상기 연소기 케이싱은 환상의 인접 플랜지에서 볼트에 의해 종래의 방법으로 함께 연결된 전후방 영역을 갖는다. 각각의 플랜지에는 대향하는 환상의 오목부(recess)가 제공된다. 전방 영역 플랜지 오목부는 흐름 슬리이브의 후방 방사상 플랜지를 수용하고, 후방 영역 플랜지 오목부는 라이너 캡을 장착한 플랜지 소조립체의 환상의 방사상 플랜지를 수용한다.
상기 라이너 캡을 장착한 플랜지 소조립체는 상기 환상의 방사상 플랜지의 후방으로 연장하는 제2 원통형 슬리이브 부분을 포함한다. 상기 제1 및 제2 슬리이브는 동심적인 관계로 서로 방사상 이격되며, 제2 슬리이브는 제1 및 제2 슬리이브 사이에 고정되어 원주방향으로 이격된 복수의 스트럿에 의해 제1 슬리이브에 고정되어, 압축 공기가 예비혼합 가스 연료를 혼합하기 위해 방향이 역전되어 예비혼합 관 소조립체로 흘러들어가기 전에 캡 조립체를 지나 흐를 수 있게 된다.
상기 제2 슬리이브는 연소기 케이싱의 전후방 영역 사이에 삽입된 방사상의 장착 플랜지를 합체한다. 상기 환상의 장착 플랜지의 방사상 내부는 장착 플랜지의 전방으로 연장하는 복수의(실시예에서는 3개) 연소 라이너 스톱(stop)을 지지한다. 이러한 스톱은 후술하는 바와 같이 연소 라이너가 연소열에 의해 후방으로 팽창하는 것을 방지한다.
본 발명은 전후방 단부를 갖는 거의 원통형의 제1 슬리이브와, 상기 슬리이브의 후방 단부에 고정되고 대응하는 수의 연료 노즐을 수용하는 복수의 제1 구멍들이 제공되는 후판과, 상기 슬리이브의 전방 단부에 고정되고 상기 후판에 있는 복수의 제1 구멍들과 거의 정렬되는 복수의 제2 구멍들이 제공되는 전판(forward plate) 조립체와, 전후방 단부를 구비하며 상기 후판과 전판 조립체 사이에서 슬리이브 내부를 축방향으로 연장하고, 각각은 그 후방 단부에서는 복수의 제1 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되고 그 전방 단부에서는 복수의 제2 구멍들중 대응하는 하나의 구멍 내에서 각각 지지되는 복수의 개방단 예비혼합 관을 포함하는 가스 터어빈의 다중 노즐 연소기용 연소 라이너 캡 조립체이다.
따라서, 본 발명은 노동 집중이 필요없고 최소한의 공구가 요구되는 간단한 소조립체이기 때문에, 제조 사이클 시간이 단축되고 제조 비용을 낮출 수 있으며, 조립/분해가 경제적이고 쉬운 연소 라이닝 캡 조립체를 제공한다. 이하 첨부한 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 후술한다.
제1도는 압축기(12)(부분적으로 도시함)와, 복수의 연소기(14)(하나만 도시함), 그리고 단일의 블레이드(blade)(16)로 나타낸 터어빈을 포함하는 가스 터어빈(10)을 도시한다. 자세히 도시하지는 않았지만, 터어빈은 공통축을 따라 압축기(12)에 구동 연결된다. 압축기(12)는 흡입 공기를 압축하고, 압축된 공기는 연소기(14)로 역류되어 연소기를 냉각하고 연소 과정에 공기를 제공하는데 사용된다.
상술한 바와 같이, 가스 터어빈은 가스 터어빈의 주변에 위치한 복수의 연소기(14)를 포함한다. 이중 벽의 전이 도관(18)은 고온의 연소 생성물을 터어빈에 이송하기 위하여 각각의 연소기의 출구 단부를 터어빈의 입구 단부에 연결한다.
점화는 통상의 방법으로 횡단 불꽃관(cross fire tube)(22)(하나만 도시함)과 함께 점화 플러그(20)에 의해 여러 연소기(14)에서 달성된다.
각각의 연소기(14)는 볼트(28)에 의해 전방 개방 단부에서 터어빈 케이싱(26)에 고정되는 거의 원통형의 연소 케이싱(24)를 포함한다. 연소 케이싱의 후방 단부는 연소기에 가스, 액체 연료 및 공기(필요하면 물 등)를 공급하기 위해 종래의 공급관, 매니폴드 및 관련 밸브 등을 포함할 수 있는 단부 커버 조립체(30)에 의해 폐쇄된다. 상기 단부 커버 조립체(30)은 연소기의 종축에 대하여 원형 배열로 배치된(제5도 참조) 복수의(예컨대, 다섯 개) 연료 노즐 조립체(32)(편의상 하나만 도시함)를 수용한다.
연소기 케이싱(24)내에는 전방 단부가 이중벽의 전이 도관(18)의 외벽에 연결되는 원통형 흐름 슬리이브(34)가 거의 동심적으로 장착된다. 상기 흐름 슬리이브(34)의 후방 단부는, 연소기 케이싱(24)의 전방부 및 후방부가 연결되는 맞대기 이음부(butt joint)(37)에서 방사상 플랜지(35)에 의해 연소기 케이싱(24)에 연결된다.
흐름 슬리이브(34)내에는 전방 단부가 전이 도관(18)의 내벽(40)에 연결되는 연소 라이너(38)가 동심적으로 배치된다. 상기 연소 라이너의 후방 단부는 후술하는 바와 같이, 연소 라이너 캡 조립체(42)에 의해 지지되고, 동일한 맞대기 이음부(37)에서 연소기 케이싱에 고정된다. 전이 도관(18)의 외벽(36)의 원주면 및 연소 케이싱(24)이 터어빈 케이싱에 (볼트(28)에 의해) 고정되는 곳에서 전방으로 연장하는 흐름 슬리이브(34) 일부의 원주면에는 구멍(44)의 배열이 형성되어 공기가 구멍(44)을 통해 압축기(12)로부터 연소기의 상류측 또는 후방 단부를 향해 흐름 슬리이브(34)와 라이너(36) 사이의 환형(방사상) 공간으로 역류할 수 있게 된다(제 1도에서 흐름을 나타내는 화살표로 표시한 바와 같다).
본 발명에 따른 연소 라이너 캡 조립체(42)는 이하에서 상세히 설명한다.
제2도를 보면, 연소 라이너 캡 조립체(42)는 후판(48)이 고정되는 거의 원통형의 제1 슬리이브(46)를 구비하며, 상기 슬리이브에는 압축기 공기가 후술하는 바와 같이 라이너 캡 조립체로 흐를 수 있도록 해주는 원주상 이격된 냉각 구멍(43)이 제공된다. 상기 판(48)은 원형이고, 슬리이브(46)의 원주 연부에 용접되며, 판의 전방에는 슬리이브(46)의 후방 연부와 체결되도록 구성된 쇼울더(shoulder)(50)가 형성된다. 상기 판에는 또한 각각의 연료 노즐 조립체당 1개씩 복수의 노즐 구멍(52)(본 발명의 실시예에서는 다섯개)이 형성된다.
상기 판(48)에 있는 각각의 연료 노즐 구멍(52)에는 상기 판(48)의 후방으로 연장하는 부동 칼라(54)가 끼워진다. 제2도와 제2a도에 잘 도시된 바와 같이 상기 판(48)에 형성된 각각의 노즐 구멍은 관련 칼라(54)의 전방 외주 연부상에 형성된 방사상 플랜지(58)를 느슨하게 수용하도록 구성된 홈이진 쇼울더(56)에 의해 둘러싸인다. 일단 적절하게 위치하게 되면, 복수의 탭(60)(본 발명의 실시예에서는 세개)이 방사상의 칼라 플랜지(58)에 중첩되도록 상기 판(48)의 후방 연부에(그 외주에 등간격으로) 고정되어, 칼라(54)를 적소에 유지하나 관련 연료 노즐(32)(그리고 관련 선회기(33))의 미세한 불일치 및/또는 여러 연소기 구성품 사이의 허용공차 누적을 수용하도록 미세한 방사상 조정이 가능하다. 제3도에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각 부동 칼라(54)의 최후방 연부(62)에는 반경이 확대된 부분이 형성되고 그 확대된 부분은 두 곳(64)에서 평탄하게 되며, 이 평탄하게 된 곳에서 칼라(54)는 인접하는 유사한 칼라와 접촉한다. 부동 칼라(54)는 칼라와 연료 노즐 사이에서 마모가 발생될 경우 필요에 따라 제거되고 교체될 수 있다.
제1 원통형 슬리이브(46)의 전방 또는 하류측 단부는 자유로운 환상의 연부(66)에서 종결한다(제2b도에 도시함). 슬리이브(46)의 전방 연부(66)에 의해 형성된 구멍은 충돌판 소조립체(68)를 수용한다. 제2도와 제2b도 외에 제5도와 제6도에 가장 잘 도시한 바와 같이, 상기 소조립체(68)는 복수의 냉각 구멍(72)이 제공되는 전방 벽 또는 충돌판(70)과, 제2도에 도면 부호(78)로 도시한 것과 같이 슬리이브(46)에 전단핀으로 리벳 고정된 후방으로 연장하는 원통형의 외부 확장부(74)(또한 "제3 슬리이브"로 칭함)를 포함한다. 상기 충돌판(70)에는 또한 후판(48)의 노즐 구멍(52)과 축방향으로 정렬되는 복수의(즉, 다섯개) 노즐 구멍(80)이 형성된다.
충돌판(70)의 중심 구멍(84)에는 후방으로 연장하는 환상의 링(또는 "제4 슬리이브")(86)이 용접되어 중심 컵(88)을 수용한다. 상기 컵(88)은 충돌판(70)과 같이 전면(前面)(92)상에 복수의 냉각 구멍(90)을 구비하며, 본 발명의 실시예처럼 중심체가 없는 연료 노즐이 사용될 때 충돌판(70)의 중심을 "막는데" 사용된다. 상기 중심컵(88)에는 링(86) 내부에 포개지는 식으로(telescopically) 수용되고, 예컨대 용접 또는 다른 적절한 수단으로 고정되는 "측벽"(94)이 제공된다.
축방향으로 정렬된 각 한 쌍의 후판 노즐 구멍(52)과, 충돌판 노즐 구멍(80)은 예비혼합 관(96)을 수용한다. 각각의 예비혼합 관(96)은 고체의 개방단 실린더이고, 관의 후방 연부는 후판(48)에 있는 카운터보어(98)내에 끼워진다(제2a도 참조). 예비혼합 관(96)의 전방 연부(100)는 충돌판 소조립체(68)의 내부링(82)내에 포개지는 식으로 넣어지고, 충돌판(70) 이상으로(즉, 하류 또는 전방) 축방향 연장한다(제2b도 참조). 충돌판에 있는 각각의 구멍과 예비혼합 관의 외경 사이의 작은 환상 간극은 예비혼합 컵을 안정시키고, 제어되지 않은 공기가 연소라이너 속으로 흐르는 것을 방지한다. 예비혼합 관(96)의 전방 단부는 충돌판 조립체(68)에 고정되지 않으나, 이로 인해 수선 및/또는 교체하기 위해 라이너 캡 조립체의 잔존부를 제거(또는 손상)하지 않고 예비혼합 관 소조립체 전체(다섯개의 예비혼합 관(96)과, 후판(48) 및 부동칼라(54)로 구성된다)를 제거하는 것을 용이하게 해준다.
제2b도 및 제4,7,8도를 보면, 복수의 웨지형 차폐판(102)이 예비혼합 관(96)의 각 전방 연부(100)에 고정될 수 있다. 포괄적으로, 차폐판(102)은 받아들일 수 있는 제한범위내에서 라이너 캡 조립체의 온도를 유지하기 위하여 연소기 화염의 열복사에 대하여 충돌판(70)을 보호한다. 이러한 점에서, 상기 차폐판은 충돌판(70)의 냉각 구멍(72)을 통해 흐르는 공기에 의해 냉각된다. 차폐판은 어떤 적절한 수단으로 예비혼합 컵에 고정되나, 예비혼합 관 소조립체의 용이한 제거 특징을 유지하기 위해 차폐판(102)은 예비혼합 관(96)으로부터 이격되어야 한다. 그러나, 라이너 조립체의 모듈형 구조에 대해 어떤 장애가 생기지 않도록 차폐판을 선택적으로 사용한다. 차폐판을 사용할 경우, 크기와 형태는 캡 조립체의 각각의 용도에 대한 열응력 분석과 시험으로 결정된다. 차폐판을 사용함으로써 생기는 또 다른 장점은 연소기의 화염을 안정화시키는 것을 도와주는 블러프 보디(bluff body) 효과를 발생시키는 역할을 한다는 것이다.
환상의 판 스프링(104)은 슬리이브(46)의 전방부 주위에 고정되고, 라이너 캡 조립체(42)가 라이너의 후방 단부내에 삽입될 때 연소 라이너(38)의 내면과 맞물리도록 구성된다.
예비혼합 컵과 충돌판 소조립체를 추가적으로 지지하기 위하여, 내부링(106)과, 외부링(108) 및 이들 사이로 연장하는 복수의 방사상 스포우크 또는 스트럿(110)을 포함하는 지지 스트럿 소조립체가 제공된다. 상기 내부링(106)은 충돌판 소조립체(68)의 환상의 링(또는 제4 슬리이브)(86) 주위에 고정되며, 상기 외부링(108)은 충돌판 소조립체의 원통형 외부 확장부(또는 제3 슬리이브)(74)의 내면에 고정된다.
본 발명에 따른 다중 노즐 라이너 캡 조립체(42)는 환상의 장착 플랜지 링(114)의 후방으로 연장하고 슬리이브(46)로부터 방사상 이격된 원통형 링부(또한 "제2 슬리이브"라 칭함)(112)를 포함하는 장착 플랜지 소조립체에 의해 연소기 케이싱내에 고정된다. 상기 원통형 링은 슬리이브(46)와 원통형 링브(112) 양쪽에 용접되고 원주상으로 이격된 복수의 스트럿(116)에 의해 슬리이브에 고정된다.
제1도를 보면, 플랜지(114)는 흐름 슬리이브 플랜지(35)에 인접하여 이음부(37)에서 연소기 케이싱 플랜지 사이에 끼워진다.
제10도와 제10a도를 보면, 장착 플랜지 링(114)의 내면에는 복수의(실시예에서는 3개) 연소 라이너 스톱(118)이 제공되는데, 이 연소 라이너 스톱(118)은 플랜지 링의 전방으로 연장하고 관련 연소 라이너(38)의 단부와 결합하여 라이너가 연소열에 의해 후방으로 팽창하는 것을 방지한다. 따라서, 상기 라이너(38)는 전이 도관 벽(40)으로 전방 팽창하도록 강제되어 연소기의 어떤 구성 요소가 손상되는 것을 피할 수 있다.
본 발명에 대한 이상의 설명으로부터 본 발명은 종래의 연소 캡 조립체보다 다음과 같은 장점을 갖는다는 것이 명백하다. (1) 쉽게 제거할 수 있고, 보수 및/또는 교체할 수 있는 캡 조립체를 사용함으로써 손상된 캡 조립체를 경제적으로 보수 또는 재가공 할 수 있다. (2) 노동 집중이 없고 최소한의 공구가 요구되는 간단한 소조립체를 사용함으로써 제조 사이클 시간이 단축되고 제조비용을 낮출 수 있다. (3) 상기 설명한 구조는 허용 가능한 검사 및 수리 간격을 만족한다. (4) 기본적인 라이너 캡 조립체 구조의 변화없이 예견되거나 예측하지 않은 설계 업그레이드가 가능하다.
이상은 특정 실시예에 대해서만 설명한 것으로 첨부한 특허청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경 및 수정을 할 수 있다.

Claims (27)

  1. 전후방 단부를 갖는 거의 원통형의 제1 슬리이브와, 상기 슬리이브의 후방 단부에 고정되고, 대응하는 수의 연료 노즐을 수용하는 복수의 제1 구멍들이 제공되는 후판(rear plate)과, 상기 슬리이브의 전방 단부에 고정되고, 상기 후판의 제1의 복수의 구멍들과 거의 정렬되는 복수의 제2 구멍들이 제공되는 전판 소조립체(forward plate subassembly)와, 전후방 단부를 구비하며, 상기 후판과 전판 조립체 사이에서 상기 슬리이브 내부를 축방향으로 연장하며, 각각은 그 후방 단부에서는 상기 복수의 제1 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되고, 그 전방 단부에서는 상기 복수의 제2 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되는 복수의 개방단 예비혼합 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터어빈의 다중 노즐 연소기용 연소 라이너 캡 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 예비혼합 관의 상기 전방 단부는 상기 복수의 제2 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되지만 그 구멍에 고정되지 않는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 예비혼합 관의 상기 후방 단부는 상기 복수의 제1 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되고 고정되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 예비혼합 관의 상기 전방 단부는 상기 복수의 제2 구멍들 중 대응하는 하나의 구멍 내에서 지지되지만 그 구멍에 고정되지 않는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 노즐 칼라가 상기 후판의 후방으로 연장하고, 각각의 노즐 칼라는 상기 복수의 제1 구멍들의 각각의 구멍과 정렬되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 노즐 칼라 각각은 상기 후판에 대해 이동할 수 있도록 상기 후판에 장착되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 노즐 칼라 각각은 상기 후판에 고정된 복수의 유지 탭에 의해 상기 판에 장착되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 거의 원통형의 제1 슬리이브는 상기 제1 및 제2 슬리이브 사이에서 원형 배열로 배치된 복수의 스트럿 구성요소에 의해 제2의 거의 원통형의 방사상 외부 슬리이브에 고정되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 슬리이브는 상기 연소기내에 상기 라이너 캡 조립체를 고정하는 방사상 장착 플랜지가 제공된 환상의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전판 소조립체는 상기 복수의 제2 구멍들 외에 중심 구멍이 형성된 충돌판과, 충돌판의 거의 전체에 걸쳐 배열된 복수의 냉각재 구멍들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 충돌판은 상기 충돌판에 고정되고 충돌판으로부터 후방으로 연장하는 제3의 거의 원통형의 슬리이브를 포함하고, 상기 제3의 슬리이브는 상기 제1 슬리이브 내에 포개지는 식으로 수용되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 충돌판은 상기 중심 구멍에 고정되고 중심 구멍의 후방으로 연장하는 제4 슬리이브와 상기 제4 슬리이브 내에 고정되는 중심 컵을 포함하고, 상기 중심 컵은 복수의 냉각 구멍이 형성된 전면(前面)을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 충돌판은 거의 그 전표면에 걸쳐서 복수의 차폐판에 의해 차폐되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 예비혼합 관은 상기 예비혼합 관의 전방 연부에 고정된 상기 복수의 차폐판 중 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 슬리이브는 그 원주면 둘레에 이격된 복수의 냉각 구멍들을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 슬리이브의 전방 단부에 인접하는 상기 제1 슬리이브의 외면에 지지되고, 연소 라이너와 결합하도록 구성된 환상의 밀봉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 슬리이브는 연소기 내에 상기 라이너 캡 조립체를 고정하는 방사상 장착 플랜지가 제공된 환상의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 환상의 링은 복수의 연소 라이너 스톱을 장착하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  19. 제12항에 있어서, 상기 제3 및 제4 슬리이브 사이로 연장하는 보강 스트럿 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  20. 전후방 단부를 갖는 거의 원통형의 제1 슬리이브와, 상기 제1 슬리이브의 후방 단부에 고정되고, 복수의 노즐 수용 구멍들을 구비하는 후판과, 전방 단부와 상기 후판에 고정되는 후방 단부를 갖는 복수의 예비혼합 관을 포함하는 모듈형 예비혼합 소조립체와, 상기 제1 슬리이브의 상기 전방 단부 내에 고정되고, 상기 예비혼합 관의 각 전방 단부를 수용하는 복수의 구멍들을 갖는 충돌판을 구비하는 모듈형 충돌판 소조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터어빈의 다중 노즐 연소기용 연소 라이너 캡 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 원통형의 제1 슬리이브의 방사상 외측으로 이격된 원통형의 제2 슬리이브와, 상기 제1 및 제2 슬리이브에 고정되고 이들 사이로 연장하는 복수의 스트럿과, 인접한 연소기 케이싱 플랜지 사이의 오목부 내에 수용되도록 구성된 방사상 장착 플랜지를 포함하는 라이너 장착 소조립체를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  22. 제20항에 있어서, 상기 예비혼합 관의 전방 단부는 각각의 정렬된 충돌판 구멍내에 수용되나 이 구멍에 고정되지 않는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  23. 제20항에 있어서, 복수의 노즐 칼라가 상기 후판의 후방으로 연장하고 각각의 노즐 칼라는 상기 후판 노즐 구멍들의 각각의 구멍과 정렬되는 것을 특징으로 하는 연소 라이터 캡 조립체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 복수의 노즐 칼라 각각은 상기 후판에 대해 이동할 수 있도록 상기 후판에 장착되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 노즐 칼라 각각은 상기 후판에 고정된 복수의 유지 탭에 의해 상기 판에 장착되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  26. 제20항에 있어서, 상기 충돌판은 중심 컵이 끼워지는 중심 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
  27. 제20항에 있어서, 상기 충돌판에는 복수의 냉각 구멍들이 제공되는 것을 특징으로 하는 연소 라이너 캡 조립체.
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