KR100352805B1

KR100352805B1 - 터빈의 예비혼합 작동모드에서 연료를 단계화시키는 가스 터빈용 연소기 작동방법

Info

Publication number: KR100352805B1
Application number: KR1019950015135A
Authority: KR
Inventors: 와렌제이.믹; 미첼알.코헨
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 2002-12-16
Also published as: US5551228A; EP0686812A1; EP0686812B1; KR960001438A; DE69515931T2; JPH0854119A; JP3703879B2; DE69515931D1

Abstract

예비혼합동작모드에서 터어빈용 연소기 동작 방법은 연소기를 통과하는 비대칭 연료 형태를 제공하기 위해서 환상 대칭 배열의 연료노즐을 통해 연료를 공급하는 단계를 포함한다. 각 노즐은 에어 스월러를 포함하며 연료는 이 스월러의 대향 측면상에 축방향으로 이격위치에서 분사된다. 비대칭 연료 흐름은 확산모드 사이에 변이과정 이전에 확산동작모드 동안에 또한 변이과정 동안에 제공된다. 전 동력 근방에, 연료는 예비혼합동작모드에서 작동하는 연료 노즐사이에 동등하게 공급된다. 비대칭 연료흐름은 연소기를 안정화하고 진폭연소 소음을 방지하고 연료의 축방향 단계화는 예비혼합모드에서 낮은 배기가스 동작을 실행한다.

Description

터빈의 예비혼합 작동모드에서 연료를 단계화시키는 가스 터빈용 연소기 작동방법

본 발명은 기체연료와 액체연료가 공급되는 터빈에 관한 것으로서, 특히 노즐이 예비혼합작동모드에서 작동할 때 터빈에 사용되는 복식 노즐을 구비한 연소기의 작동방법에 관한 것이다.

터빈은 일반적으로 압축기섹션과, 하나 이상의 연소기와, 연료분사 시스템과, 터빈섹션을 포함한다. 통상적으로, 압축기섹션은 유입공기를 가압하고, 가압된 공기는 연소기로 방향을 선회하거나 또는 역류하여, 연소기에서 연소기를 냉각하고 또한 연소공정용 공기를 공급하는데 사용된다. 다수의 연소기 터빈에서, 연소기는 일반적으로 터빈 주위에 환상 배열로 일반적으로 위치되며 변이 덕트는 각 연소기의 출구단부와 터빈섹션의 입구단부를 연결하여 연소과정에서 발생한 고온 생성물을 터빈으로 운반한다.

예를 들면 NOx 와 CO등과 같은 배출가스를 줄이기 위한 계속된 연구 결과로 연소기 설계에 있어서 많은 발전이 있었다. 종래, 이중-스테이지(Dual-stage) 연소기가 설계되었으며, 이에 대해서는 예컨대 미국 특허 4,292,801 호 및 미국 특허 제 4,982,570 호에 개시되어 있다. 또한, 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,259,184 호에는 터빈의 저부하상태의 확산모드와 터빈의 고 부하 상태의 예비혼합모드에서 작동하는 단일-스테이지(single-stage), 즉 하나의 연소 챔버 또는 연소영역, 이중-모드(확산모드와 예비혼합모드) 연소기가 개시되어 있다. 이 연소기에 있어서, 노즐은 연소기의 축을 중심으로 환상 배열되고 각 노즐은 확산연료섹션 또는 확산연료튜브를 포함하여 확산연료가 노즐의 하류 연소영역으로 공급되고 또한 전용 예비혼합섹션 또는 예비혼합튜브를 포함하여 예비혼합모드에서 연료가 단일 연소영역에서 연소하기 이전에 연료가 공기와 예비혼합되도록 한다. 더욱 상세하게는, 상기 특허는, 노즐내에서 연소기 단부덮개조립체와 동심 환상 통로에 원형 배열로 장착된 확산/예비혼합연료노즐이 개시되어 있는 바, 동심의 환상 통로는 연료를 노즐 팁과 팁의 상류 스월러에 공급하기 위해 확산모드와 예비혼합모드의 각 연료흐름을 공급한다.

그러나, 확산모드로부터 예비혼합모드로의 변이 과정 동안에 연소기는 불완전한 경향을 보이며 높은 크기의 연소소음이 발생한다고 알려졌다. 또한, 연소기로의 공기흐름과 연료흐름은 터빈의 작동 사이클에 의해 요구되는 바와 같이 변화하므로, 연소기의 안정성과 소음수준은 상당한 악영향을 받을 수 있다. 불충분한 안정성을 갖는 연소기는 턴다운(turn down)이 제한된다. 허용한계 이상의 소음수준을 갖는 연소기는 그 구조요소의 조기 마모 또는 고 주기 피로균열이 발생한다. 건식 저 NOx 연소기의 설계를 위해서, NOx, CO와 같은 배기가스의 연소 역동성과 연소 안정성은 항공역학적 견지에서 고려하지 않으면 안되는 요소이다. 이러한 독립 요소는 연소과정의 특성에 상당한 영향을 제공한다.

전술한 미국 특허 제 5,259,184호는 확산모드로부터 예비혼합모드로의 연료 전달이 동시에 실행되는 연소기의 설계를 개시한다. 즉, 연료는 모든 확산노즐로부터 동시에 모든 예비혼합노즐까지 전달된다. 이것을 실행하기 위해서, 연료전달은 연료를 확산 공급매니폴드로부터 예비혼합 공급매니폴드까지 재배향함으로써 간단히 이루어진다. 연료노즐 단부 덮개는 연료를 다섯개의 에비혼합노즐중 네개의 노즐의 내부 매니폴드로 공급하는 연료공급플랜지와, 다섯번째 예비혼합노즐의 내부매니폴드로 공급하는 연료공급플랜지를 갖도록 내부로 매니폴드되어 있으며, 매니폴드 구조는 예비혼합모드에서 작동하는 동안 제너레타 트립 경우(a generator trip event)에 대응하도록 제공되어 있다. 모든 예비혼합노즐은 동일 양의 연료가 연소기내로 흐르도록 설계되어 있다. 이치럼, 단일-스테이지형 연소기를 사용할 때, 특히 확산모드로부터 예비혼합모드로의 변이과정 동안에 연소 안정성과 연소 역동성은 특정한 장애를 유발하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 출원과 동일자로 제출된 미국 특허 제 5,491,970 호에는 예비혼합모드의 정상상태 작동 뿐만 아니라 확산모드로부터 예비혼합모드로의 변이과정 동안 연료 공급이 단계화되어 있다. 즉, 노즐을 통과하는 연료흐름의 제어는 확산작동모드로부터 예비혼합작동모드로의 변이과정동안과 예비혼합작동모드의 부분 동안에 연소기를 통과하는 비대칭 연료흐름을 제공하도록 변화한다. 상기 발명에 있어서, 변이 시작단계에서 다섯개의 예비혼합노즐중 하나는 예비혼합연료를 단일 연소영역까지 유동시키도록 작동하는 반면, 나머지 네개의 노즐은 계속해서 확산모드에서 작동한다. 이처럼, 다섯번째 노즐을 통해 연소영역에 공급된 연료의 전체 비는 확산 노즐의 특정한 하나에 의해 공급되는 연료의 비보다 크며, 따라서, 연소기에 걸쳐 비대칭형 연료부하를 제공한다. 고 부하에서는 확산 매니플드로부터의 연료 공급이 중단되고 예비혼합 매니폴드로부터 나머지 네개의 예비혼합노즐로 연료가 공급된다. 이러한 변이과정 동안에, 다섯번째 노즐은 또한 나머지 네개의 예비혼합노즐중 어느 하나보다 농후한 연료/공기 비를 구성한다. 따라서, 다섯번째 노즐은 농후하고 안정된 공연비에서 작동하여 나머지 네개의 노즐을 안정화 한다. 완전 부하상태에서, 예비혼합작동모드의 여러 노즐로 분할된 연료는 똑같다. 이처럼, 완전부하 이하의 변이과정 동안과 예비혼합작동 동안 노즐에 불균일하게 연료를 공급함으로써, 심각한 연소 역동성, 즉 높은 소음과 공명이 연소기를 통과하는 연료의 불균형에 의해 방지된다.

그러나, 연소기에 걸친 노즐간의 연료/공기 비를 다양하게 변화시킴으로써, NOx 와 CO 등의 배기가스가 증가한다는 것을 또한 알게 되었다. 연소기의 축 주위로 환상으로 배열된 노즐에서, 모든 예비혼합노즐에 같거나, 거의 같은 앙의 연료가 공급되며, 각 노즐이 즉 전체 총 노즐 수애 대한 하나의 노즐의 비에 대응하는 연료의 비를 가질 때, 최저 배기가스 레벨이 얻어졌다. 연소기에 걸친 노즐의 불균일한 연료공급으로 달성된 동압(dynamic pressure) 레벨의 감소는 각종 부품의 부하범위에 대한 NOx 및/또는 CO 배기가스의 증가에 의해서 상쇄됨을 알 수 있었다. 이처럼, 연소기에 걸친 노즐의 비대칭 연료공급은 낮은 동압 수준을 발생하지만, 예비혼합작동모드에서 배기가스가 증가된다.

본 발명에 의하면, 연소기를 통과하는 연료의 비대칭 단계화 뿐만 아니라, 또한 연료는 단계화되어 배기가스 성능에 역효과를 주지 많고 화염 안정성의 감소에 의해 연소기의 작동범위를 감소시키지 않고 낮은 동압 수준을 달성한다. 이것을 달성하기 위해서, 본 명세서에 설명된 비대칭형 연료공급이 유지된다. 또한, 전체 연료의 일부는 예비혼합작동모드 동안에 스월러의 상류 위치에서 노즐의 일부 또는 전부에 공급된다. 이러한 연료의 재분배는 연소기를 통해 전체연료흐름을 변화시키지 않고 실행된다. 예를 들면, 축방향 상류 연료분사는 스월러의 상류 측에서 각노즐로부터 연장하는 다수개의 반경방향 페그(peg)를 구비하여 행해질 수도 있다. 변형예로서, 연료는 노즐단부 덮개로부터 전방 케이싱 플리넘내로 연장하는 페그로부터 또는 케이싱 외벽을 통해 공급된 페그로부터 분사될 수 있다.

상류 연료의 양은 전체 연료에 대해서 고정되거나 다양한 비로 변화될 수도 있다. 상류 연료가 별개의 매니폴드를 통해 공급됨으로써, 전체 연료에 대한 그 비는 별도의 제어밸브를 사용하여 변화될 수도 있다. 이것이 네개의 예비혼합노즐 및/또는 하나의 예비혼합노즐과 공통 매니폴드를 공유한다면, 이것의 연료흐름은 이들 매니폴드내의 연료흐름의 일정한 비로 고정될 수 있다. 이 비는 공통 매니폴드상의 하류 연료분사페그에 대해 상류 연료분사페그의 적절한 유효면적을 셋팅함으로써 고정된다. 두가지 옵션은 네개의 예비혼합노즐과 하나의 예비혼합노즐 사이에서 분할되는 전체 연료의 독립된 제어를 가능하게 한다. 또한, 상류 연료는 다섯개의 노즐 전부에 고르게 공급되거나 하나의 예비혼합노즐과 네개의 예비혼합노즐 사이에서 불균일하게 분할될 수도 있다. 양 경우에 있어서, 하나의 예비혼합노즐과 네개의 예비혼합노즐 사이의 전체 연료의 분할은 하류 페그를 통해 공급되는 연료의 분할을 동시에 조절함으로써 별도로 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에서 연료를 연소기내로 유동시키는 단계와, 예비혼합작동모드동안에, 하류 연소영역으로의 연료흐름을 가변적으로 제어하여 연소기에 걸친 비대칭 연료흐름을 제공하는 단계를 포함하는 가스 터빈용 연소기의 작동방법을 제공한다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 예비혼합작동모드에서 가스터빈용 연소기 작동방법으로서, 상기 연소기는 그 주위에 환상으로 배열된 다수개의 연료노즐과 연소기를 통과하는 공기를 선회시키는 각 노즐 주위의 스월러를 갖는, 방법에 있어서, 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에 있는 노즐의 하류 연소영역내로 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에서 스월러의 축방향 반대측으로부터 연료를 유동시키는 단계와, 연소영역까지 상기 연소기에 걸친 비대칭 연료 흐름을 제공하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 예비혼합모드에서 다수개의 노즐을 갖는 가스 터빈용 연소기를 작동시키는 방법에 있어서, 연료를 적어도 다수개의 노즐중 특정한 노즐을 통해 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에서 연소기내로 유동시키는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 배기가스에 역효과를 주지 않고 터빈의 광범위한 부하 범위에 걸친 예비혼합작동모드의 조용하고 안정된 작동을 위해 연료를 연소기의 연료노즐까지 단계화하는 방법을 터빈용 연소기에 제공하는데 있다.

제 1 도를 참조하면, 가스 터빈(10)은 압축기(12)(일부분만 도시함)와, 다수개의 연소기(14)(한개만 도시함)와, 싱글 블레이드(16)로 도시된 터빈을 포함한다. 비록 상세하게 도시하지는 않았지만, 터빈은 공통 축을 따라 압축기(12)에 구동적으로 연결되어 있다. 압축기(12)는 유입공기를 압축하고, 압축된 공기는 그 뒤 연소기(14)에 역방향으로 공급되어 연소기를 냉각하고 공기를 연소과정에 공급하는데 사용된다.

전술된 바와 같이, 가스 터빈은 그 원주 주위에 위치한 다수개의 연소기(14)를 포함한다. 이중벽 변이 덕트(18)가 각 연소기의 출구단부와 터빈의 입구단부를 연결하여 연소기의 고온 생성물을 터빈으로 운반한다. 점화는 통상적인 방법으로 횡단 연관(cross fire tube)(22)(하나만 도시함)과 함께 스파크 플러그(20)에 의해 각종 연소기(14)에서 실행된다.

각 연소기(14)는, 개방된 전단부에서 터빈 케이싱(26)에 보울트(28)로 고정된 거의 원통형 연소 케이싱(24)을 포함한다. 연소 케이싱의 후단부는 단부 덮개 조립체(30)로 밀폐되며, 이 단부 덮개 조립체는 이후에 상세히 기술하는 바와 같이 기체연료, 액체연료, 공기 및 물(필요시)을 연소기로 공급하기 위한 통상적인 공급 튜브 매니폴드 및 조합 밸브등을 포함한다, 이 단부 덮개 조립체(30)는 연소기(제 5 도 참조)의 종방향 축을 중심으로 원형으로 대칭되게 배열된 다수개(예를 들면 다섯개)의 연료 노즐 조립체(32)(간편성 및 명료성을 위해 하나만 도시함)를 수용한다.

연소기 케이싱(24)내에는 이것과 거의 동심원 관계로 원통형 흐름 슬리브 (34)가 장착되어 전단부에서 이중벽 변이 덕트(18)의 외벽(36)과 연결된다. 흐름 슬리브(34)의 후단부는, 연소기 케이싱(24)의 전후방 단면이 접합되는 맞댐이음부 (butt joint)(37)에서, 반경방향 플랜지(35)에 의해 연소기 케이싱(24)과 연결된다.

흐름 슬리브(34)내에는 그 전단부가 이중벽 변이 덕트(18)의 내벽(40)과 연결된 연소 라이너(38)가 동심되게 배열된다. 연소 라이너(38)의 후단부는 연소 라이터 캡 조립체(42)로 지지되며, 이 캡조립체는 연소기 케이싱내에서 다수개의 지주(struts)(39)와 관련된 장착 플랜지 조립체(41)(제 5 도에 가장 잘 도시함)에 의해 지지된다. 연소 케이싱(24)이 [볼트(28)에 의해] 터빈 케이싱에 볼트 체결된 위치의 전방으로 연장하는 흐름 슬리브(34)의 부분 뿐만 아니라, 이중벽 변이 덕트 (18)의 외벽(36)은 각 원주 표면상에 개구(44)의 배열이 형성되어 공기를 압축기 (12)로부터 이 개구(44)를 통해 흐름 슬리브(34)와 라이너(38) 사이의 환상공간내로 연소기의 상류 또는 후방 단부를 향해 역방향으로 흐르도록 한다(제 1도에 도시된 화살표에 의해 흐름방향이 표시됨).

연소 라이너 캡 조립체(42)는 각 연료 노즐 조립체(32)에 하나씩 다수개의 예비혼합 튜브(46)를 지지한다. 특히, 각 예비혼합 튜브(46)는 전후 단부가 연소 라이너 캡 조립체(42)내에서 정면판과 배면판(47, 49)에 의해 각각 지지되며, 이들 각 판은 개방된 단부형 예비혼합 튜브(46)와 정렬하는 개구를 구비하고 있다. 이러한 구조는 제 5 도에 가장 잘 도시되어 있고, 개구(43)는 정면판(47)에 도시되어 있다. 정면판(47)(냉각 개구의 어레이를 구비하는 충돌판)은 차폐판(45)에 의해 연소기 화염의 열 방사를 차폐할 수도 있다.

배면판(49)은 후방으로 연장하는 다수개의 플로팅 칼라(48)(각각의 예비혼합튜브(46)에 하나씩 배면판의 개구와 거의 정렬되도록 배열됨)를 장착하며, 각 플로팅 칼라는 노즐 조립체(32)의 반경방향의 최외측 튜브를 에워싸는 에어스월러(50)를 지지한다. 이 구조는 라이너(38)와 흐름 슬리브(34) 사이의 환상공간내의 공기 흐름이 공기가 [단부 캡 조립체(30)와 슬리브 캡 조립체(44)사이의] 연소기의 후단부에서 다시 역방향으로 가압되어 예비혼합 튜브(46)의 하류, 즉 라이너(38)내의연소영역으로 유입하기 전에 스월러(50)와 예비혼합튜브(46)를 통해 흐르도록 구성된다.

제 2 도, 제 3 도 및 제 4 도를 참조하면, 각 연료 노즐 조립체(32)는 액체연료, 분무공기, 확산 기체연료 및 예비혼합 기체연료를 수용하는 입구와, 후술하는 바와 같이, 상기 각 유체를 연료 노즐 조립체의 전방 공급섹션(54)내의 각 통로로 공급하는 적절한 연결 통로로 구성된 후방 공급섹션(52)을 포함한다.

연료 노즐 조립체의 전방 공급섹션(54)은 일련의 동심 튜브(56, 58)로 구성되어 있다. 이 동심 튜브(56, 58)는 도관(64)에 의해 예비혼합기체통로(60)와 연결된 입구(62)로부터 예비혼합 기체연료를 수용하는 예비혼합기체통로(60)를 구비한다. 또한 예비혼합 기체통로(60)는 다수개(예컨대 열한개)의 반경방향 연료 인젝터(페그)(66)와 연통하며, 각 연료 인젝터는 기체연료를 예비혼합 튜브(46)내에 위치한 예비혼합영역(69)으로 배기하는 다수개의 연료분사포트 또는 연료분사 구멍(68)을 구비한다. 분사된 연료는, 압축기(12)로부터 역방향으로 유동하며 반경방향 연료 인젝터(66)의 상부에서 연료노즐 조립체를 에워싸는 에어 스월러(50)에 의해 소용돌이 치는 공기와 혼합한다.

예비혼합 통로(60)는 연료노즐조립체의 전단부 또는 배기 단부에서 O링(72)으로 밀봉되어, 예비혼합연료가 반경방향 연료인젝터(66)를 경유해서만 배출될 수 있다.

이 예비혼합통로(60)에 인접한 통로(74)는 동심 통로(58, 76) 사이에 형성되고, 확산기체를 연료 노즐 조립체(32)의 최전방 단부의 오리피스(78)를 경유하여연소기의 연소영역(70)으로 공급한다, 노즐의 최전방 단부 또는 배기단부는 예비혼합튜브(46)내에 위치되지만, 예비혼합튜브의 전방 단부와 상대적으로 인접한다. 확산기체통로(74)는 확산 기체를 입구(80)로부터 도관(82)을 경유한 후 수용한다.

제 3 통로(84)가 동심 튜브(76, 86) 사이에 형성되어 오리피스(88)를 통해 분무공기를 연소기의 연소영역(70)으로 공급하며, 여기서 분무공기는 오리피스(78)를 빠져나오는 확산 연료와 혼합된다. 분무공기는 입구(90)로부터 도관(92)을 경유하여 통로(84)에 공급된다.

또한 연료노즐조립체(32)는 당업자라면 이해할 수 있는 방법으로 NOx의 배출을 감소시키기 위해 물을 연소영역에 (선택적으로) 공급하는 추가 통로(94)를 구비한다. 물 통로(94)는 튜브(86)와 인접한 동심 튜브(96) 사이에 형성되어 있다. 물은 분무공기 오리피스(88)의 반경방향 내측으로 오리피스(98)를 통하여 노즐에서 배출된다.

연료 인젝터 노즐을 형성하는 일련의 동심 튜브의 최내측 튜브(96)는 그 자체가 액체 연료용 중앙 통로(100)를 형성하여 액체연료가 입구(102)를 통해 통로로 유입한다. 이 액체연료는 노즐의 중앙에 있는 배기 오리피스(104)를 통해 노즐에서 배출된다. 액체연료는 백업 시스템(a back-up system)으로 제공되며, 터빈이 정상 기체연료모드에 있는 동안 중앙통로(100)는 압축기 배기공기에 의해 세정된다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.

이제 제 1 도 및 제 2 도를 참조하면, 본 발명에 의하면 각 노즐에 대한 스월러(50)의 상류에 원주방향으로 이력되고 반경방향으로 연장하는 다수개의 연료인젝터 페그(105)가 제공된다. 제 2 도에 도시하는 바와 같이, 연료 인젝터 페그(105)은 각 노즐의 외측튜브(56) 주위의 매니폴드(106)와 연통하도록 놓인다. 따라서, 예비혼합 연료는 압축기로부터의 역방향 공기흐름내로의 분사를 위해 매니폴드(106)에 공급되어 스월러를 통해 하류 인젝터(66)를 지나 공기와 함께 유동한다. 예비혼합 연료의 분사를 위한 두개의 축방향 위치, 즉 상류 스월러(50)의 상류와 하류가 존재한다.

지금까지 전술한 노즐의 작동을 요약하면, 확산기체연료는 입구(80), 도관(82) 및 오리피스(78)를 통해 연소영역(70)으로의 방출을 위한 통로(74)로 공급되며, 이 확산 기체 연료는 연소영역에서 분무공기와 혼합하며, 스파크플러그 (20)에 의해 점화되어 확산작동모드 동안에 라이너(38)내의 연소영역(70)에서 연소된다. 고 부하에서, 예비혼합기체연료는 입구(62)와 도관(64)을 경유하여 통로(60)에 공급되어 반경방향 하류 인젝터(66)의 오리피스(68)를 통해 배기된다. 예비혼합연료는 공기와 혼합하여, 스월러(50)에 의해 예비혼합 튜브(46)내로 유입되고, 이 혼합물은 확산작동모드로부터의 기존재하는 화염에 의해 라이너(38)의 연소영역 (70)에서 연소된다. 에비혼합작동 동안에, 확산통로(74)로 공급되는 연료는 차단되지만, 이 작동 동안에, 예비혼합연료는 매니폴드(106)에 공급되어 스월러(50) 상류의 반경방향으로 돌출하는 페그(105)를 통해 유동된다. 이처럼, 반경방향 페그 (105)를 통한 압축기로부터의 공기 스트림내로의 연료 흐름은 스월러(50)를 통과하고 페그(66)를 통해 공기 스트림내로 분사된 예비혼합연료와 혼합된다. 따라서, 인젝터 페그(66, 105)는 연소기내로의 연료 흐름을 다른 축방향 위치로 단계화한다.

전술한 바와 같이, 불안정성과 높은 크기의 연소 소음에 대한 특정 경향이 예비혼합작동모드 동안에 나타난다. 본 발명은 이후에 기술하는 방법과 같이 연료노즐로의 연료를 단계화하여, 이런 경향을 줄이거나 최소화하여, 종래에 가능하다고 여겨졌던 것보다 터빈의 광범위한 부하에 걸쳐 배기가스에 악영향을 주지 않고 예비혼합모드에서의 작동을 가능하게 한다.

이제 제 6 도를 참조하면, 확산연료를 여러 노즐(32)의 확산연료입구통로 (80)로 공급하는 확산연료 매니폴드(110)가 개략적으로 도시되어 있다. 밸브(112)가 매니폴드(110)내에 위치되어 매니폴드(110)로부터 노즐로의 연료공급을 개방 및 차단한다. 또한, 밸브(114)는 하나 이상의 확산연료 노즐로의 확산연료 라인내에 배치될 수도 있다. 또한, 제 6 도에는 예비혼합연료를 특정노즐에 공급하는 제 1 하류 예비혼합 매니폴드(116)와 예비혼합연료를 나머지 하나 이상의 노즐에 공급하는 제 2 하류 예비혼합 매니폴드(118)가 도시되어 있나. 제 1 및 제 2 하류 예비혼합 매니폴드는 각각 밸브(120, 122)를 갖고 또한 이 밸브는 접속된 노즐에 연료를 공급하거나 또는 공급하지 않기 위해 개방위치와 차단위치 사이에서 이동가능하다. 개개의 밸브는 소망하는 바에 따라 별개 공급 라인내에 위치될 수 있고, 매니폴드 밸브 및 연료 공급라인내에 배치된 임의의 밸브는 통상의 방법으로 작동된다는 것을 알 것이다. 제 1 상류 예비혼합 연료 매니폴드(130)는 예비혼합 연료를 네개의 노즐 각각에 이들 노즐 주위의 매니폴드(106)를 경유하여 공급하도록 제공되어 있다. 제 1 상류 예비혼합 매니폴드(130)는 밸브의 제어에 의해 매니폴드(130)로부터 노즐로의 연료 공급을 개방 및 차단한다. 제 2 상류 예비혼합 연료 매니폴드(134)는 예비혼합 연료를 다섯번째 예비혼합노즐로 그 노즐 주위의 매니폴드(106)를 경유하여 공급하도록 제공되어 있다. 밸브(136)가 매니폴드(134)에 위치되어 매니폴드(134)로부터 다섯번째 노즐로의 연료의 공급을 개방 및 차단한다.

연소기의 작동 동안에 연료를 단계화시키기 위해서, 시동시, 밸브(112)가 개방되어 확산연료를 매니폴드(110)로부터 각각의 노즐(32)로 또는 보다 적은 수의 노즐로, 예컨대 밸브(114)를 차단하거나 또는 하나 이상의 노즐로의 확산연료공급라인을 완전히 제거함으로써, 공급한다. 터빈 연소기가 작동되어 확산연료가 모든 노즐 또는 그보다 적은 수의 노즐에 공급되면, 부하가 터빈에 가해진다. 일 바람직한 작동의 형태에 있어서, 확산연료는 도시하는 바와 같이 다섯개의 노즐중 네개의 노즐로만 공급되고, 제 5 노즐은 확산연료매니폴드로부터 완전히 분리되며 시동 동안에 공기만을 제 5 노즐로 공급한다. 부하가 인가될 때, 예를 들면 전 출력의 30 내지 50 %의 범위내에서, 연소기는 확산작동모드작동에서 예비혼합작동모드로 전환되며, 이에 관해서는 미국 특허 제 5,491,970 호에 기술되어 있다.

예비혼합모드에서 일단 작동이 실행되면, 제 1 하류 예비혼합 매니폴드(116)로부터 제 1 상류 예비혼합 매니폴드(130)로, 그리고 제 2 하류예비혼합 매니폴드 (118)로부터 제 1 상류 예비혼합 매니폴드(134)로의 일부 연료의 조절은 각각의 밸브(120, 132)를 적절히 위치시킴으로써 시작된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 상류 예비혼합 매니폴드(134, 134)는 각각, 다섯개의 노즐(32) 전부에 대칭적으로 또한 통시에 공급하는 한 개의 예비혼합 매니폴드에 결합되어 있다.

게다가, 거의 전체 부하에서, 즉 90%에서, 예비혼합노즐 사이에서 분할된 연료는 예비혼합노즐로의 연료 유동량을 거의 같게 제공하도록 조절되지만, 상류예비혼합 인젝터(105)를 통과하는 연료흐름의 비는 하류 인젝터(66)를 통과하는 전체 연료흐름의 비보다도 휠씬 작다. 이처럼, 연소기에 걸쳐 분할되는 연료를 변화시킴으로써 낮은 NOx와 CO 배기가스 성능을 위해 설계된 예비혼합 노즐을 사용할 수 있으며, 이것은 바람직한 안정성과 연소 연동 특성을 나타낸다.

전술한 작동에 있어서, 상류 인젝터로의 연료 공급은 축방향으로 이격된 인젝터의 각 세트에 대해 유사한 시스템을 사용함으로써 하류 인젝터로 연료의 공급을 추적한다. 명백히, 네개의 상류 예비혼합노즐과 하나의 상류 예비혼합노즐에 대한 공통 매니폴드가 사용될 수 있으며, 이것에 의해 연료흐름은 하류 매니폴드로의 연료 유동량에 대해 고정된 비율로 될 수 있다. 이러한 비는 밸브에 의해 연료흐름을 변화시키는 대신에, 이 비는 공통 매니폴드상의 하류 연료분사페그에 대한 상류 연료분사페그의 적절한 유효 면적을 설정함으로써 고정된다. 분리형 상류 연료매니폴드로 구성된 전술한 구조에 있어서, 전체연료에 대한 상류 연료의 비를 고정시키거나 변화할 수도 있다. 변형예로서, 상류연료는 다섯개의 노즐 모두에 균일하게 공급될 수 있거나 하나의 예비혼합노즐과 네개의 예비혼합노즐 사이에서 불균일하게 분할될 수도 있다. 양 경우에 있어서, 하나의 노즐과 네개의 노즐 사이의 전체 연료의 분할은 하류 페그를 통해 공급되는 연료의 분할을 동시에 조절함으로써 별개로 제어될 수 있다. 다른 변형예에 있어서, 상류 예비혼합연료는 하나의 매니폴드를 통해 다섯개의 노즐 모두에 균일하게 분배될 수 있다. 이처럼, 하나의 매니폴드는 각 노즐을 에워싸는 매니폴드(106)로 연료를 공급하며 전체 연료에 대한 상류연료의 비가 변화되도록 연료공급을 독립적으로 제어할 수도 있다. 이처럼, 상류 연료흐름이 증가함에 따라, 하나의 노즐과 네개의 노즐로의 하류 연료 유통량은 다시 하나의 예비혼합노즐과 네개의 예비혼합노즐 사이에서 분할된 일정한 연료를 유지하기 위해 균일한 비율로 나뉘어질 수 있다.

작동 이론에 의해 한정하려고 하는 것은 아니지만, 연료의 축방향 단계화의 이면에 있는 이론에 대한 논의는 배기가스에 악영향을 주지 않고 동압 레벨을 감소시키는 것을 설명하는데 도움을 준다. 일단 연소기가 낮은 배기가스 모드에 있고, 예비혼합작동모드의 모든 연료는 인젝터에 의해 공통 축방향 평면에서 공급된다고 가정하면, 동압 진동(oscillations)은 화염영역으로부터 상류로 이동한다. 이러한 음향 진동이 한 축방향 위치에서 제 1 연료 분사 페그의 평면을 횡단할 때, 연료와 공기 흐름을 조절하는 펄스를 생성하고, 화염영역의 하류에 교란을 생성한다. 특히, 제 1 연료 분사 페그에서 요동(perturbation)은 하류로 전달되어 이것은 화염영역내에 높거나 낮은 연료/공기 요동의 파장을 생성할 수 있다. 하류 연료 분사 평면의 상류에 예비혼합연료 분사를 위한 추가의 축방향평면을 제공함으로써, 압력 진동은 압력 진동 파장 사이의 간섭에 의해 감쇠된다.

본 발명은 현재로서 가장 실제적이고 양호한 실시예의 간주되는 것과 관련해서 기술하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이에 반해, 첨부된 청구범위의 사상과 범주에 포함된 각종 변형과 균등한 구성을 커버하도록 의도된 것임을 이해할 것이다.

제 1 도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈의 하나의 연소기를 절단한 단면도.

제 2 도는 본 발명의 연료 분사 노즐의 단면도.

제 3 도는 노즐의 전방 단부의 확대 입면도.

제 4 도는 노즐의 정면도.

제 5 도는 연소 라이너 캡 조립체의 정면도.

제 6 도는 예비혼합 공급매니폴드와 확산연료 공급매니폴드를 구비한 노즐 구조의 개략도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 터빈 12 : 압축기 14 : 연소기

16 : 블레이드 18 : 이중벽 변이덕트 24 : 연소 케이싱

34 : 원통형 흐름 슬리브 47 : 정면판 49 : 배면판

Claims

가스 터빈용 연소기 작동방법에 있어서,

예비혼합작동모드 동안에 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에서 상기 연소기내로 연료를 유동시키는 단계와,

상기 연소기에 걸친 비대칭 연료흐름을 제공하도록 하류 연소영역으로의 연료 흐름을 가변적으로 제어하는 단계를 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 1 항에 있어서,

확산작동모드 동안에 상기 비대칭 연료흐름을 제공하는 단계를 추가로 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 1 항에 있어서,

확산작동흐름모드와 예비혼합작동모드 사이의 변이과정 동안에 상기 비대칭연료흐름을 제공하는 단계를 추가로 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
가스 터빈용 연소기 작동 방법으로서, 상기 연소기는 그 축을 중심으로 환상으로 배열된 다수개의 연료노즐과 연소기를 통과하는 공기를 선회시키기 위한 스월러를 각 노즐 주위에 구비하는 방법에 있어서,

예비혼합작동모드 동안에 상기 노즐의 하류에서 상기 스월러의 축방항 양측으로부터 연소영역으로 연료를 유동시키는 단계와,

상기 연소기에 걸쳐 상기 연소영역에 비대칭 연료흐름을 제공하는 단계를 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 4 항에 있어서,

확산작동모드 동안과 상기 확산작동모드와 예비혼합모드사이의 변이과정 동안, 비대칭 연료흐름을 제공하는 단계를 추가로 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
4항에 있어서,

(i) 확산작동모드와 예비혼합작동모드 사이의 변이과정과 (ii) 이 예비혼합작동모드 동안, 비대칭 연료흐름을 제공하는 단계를 추가로 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
다수의 노즐을 갖는 가스 터빈용 연소기 작동 방법에 있어서,

확산작동모드에서 작동하는 상기 다수개의 노즐중 적어도 특정의 노즐을 통해 상기 노즐의 하류에 있는 단일 연소영역으로 연료를 유동시키는 단계와;

확산작동모드로부터 예비혼합작동모드로의 변이과정 동안에, 예비혼합작동모드에서 작동하는 상기 다수개의 노즐중 적어도 하나의 노즐을 통해 연료를 연소영역으로 유동시키며 상기 특정 노즐을 확산작동모드에서 작동하도록 유지하는 단계와;

상기 예비혼합작동모드 동안에 상기 연소기를 따라 축방향으로 이격된 위치에서 연소기내로 연료를 유동시키는 단계를 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 7 항에 있어서,

상기 노즐은 상기 연소기의 축을 중심으로 환상으로 배열되고, 상기 노즐을 통해 연소기에 걸쳐 상기 노즐의 하류의 연소영역으로 비대칭 연료흐름을 제공하도록 연료흐름을 가변적으로 제어하는 단계와,

상기 연소기를 통해 흐르는 공기를 선회시키기 위해 연소영역의 하류에 스월러를 제공하는 단계와,

상기 스월러의 상류와 하류의 축방향 위치에서 각각 상기 연소기내로 연료를 분사시키는 단계를 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 7 항에 있어서,

상기 변이과정 이후에, 상기 예비혼합모드에서 모든 노즐을 작동시키는 단계를 포함하는 가스 터빈용 연소기 작동방법.
제 7 항에 있어서,

상기 노즐은 상기 연소기의 축을 중심으로 환상으로 배열되고, 상기 변이과정 이후에, 상기 예비혼합모드에서 모든 노즐을 작동시키는 단계와;

상기 예비혼합모드에서 모든 노즐을 작동시키는 동안에 연소기에 걸쳐 비대칭 연료흐름을 제공하도록 상기 모든 노즐을 통한 연료흐릅을 가변적으로 제어하는 단계를 포함하는

가스 터빈용 연소기 작동방법.