KR100378566B1 - 가스터어빈엔진및그작동방법 - Google Patents

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Abstract

가스 터어빈 엔진은 단일단계 연소기를 형성하는 환형 하우징과 환형 하우징의 연소영역으로 유입시키기 위한 미리 선택된 일정한 연료/공기비의 혼합물을 공급하는 외부의 연료/공기 예비혼합기 시스템을 가진다. 압축공기 도관들은 전체 압축 공기 유동의 일부를 예비혼합기로 돌리고, 나머지를 연소기의 희석영역으로 보내다. 환형 하우징 및 터어빈 덮개의 대류 냉각은 연소영역내의 연료/공기비를 희석함이 없이 압축 공기의 나머지 부분을 이용하여 달성된다. 예비혼합기는 벤츄리를 포함하고, 또한 완전히 예비혼합된 연료/공기 혼합물이 들어가도록 벤츄리 축을 따라 연료를 벤츄리 유입구로 분사하는 연료 노즐을 포함한다. 벤츄리는 벤츄리 유입구와 액체연료의 분무액이 벤츄리 측벽에 닿는 것을 방지하고 액체 연료의 기화를 증대하기 위하여 벤츄리 유입구로부터 이격되어 있는 연료노즐을 둘 다 둘러싸는 천공된 유동평활/예비혼합개시부재를 포함할 수 있다. 기체 연료로 약 5:1에서 7:1사이의 압력비에서, 특히 열회수기를 구비하여, 작동시키면 크게 유리하다.

Description

가스터어빈 엔진 및 그 작동방법
본 발명은저수준의 질소산화물 및 일산화탄소를 발생시키는가스터어빈 엔진 또는 기타열기관에관한 것이다.본 발명은 특히, 연소 전에 연료와 공기를 철저히 예비혼합하며, 바람직하게는 액상의 연료를 완전히 기화시킬 뿐 아니라, 엔진의 모든 작동상태에서 연소영역내의 희박연소를 위하여 거의 일정한 연료/공기비를 제공함으로써 NOx 및 CO 레벨을 현저히 낮출 수 있는 연료 연소시스템을 구비한 가스터어빈 엔진 및 그 작동방법에 관한 것이다.
엔진이나 가스발생기 같은 가스터어빈 장치가 대기로 방출되는 산화질소 배출물의 대부분을 발생시키는 것은 아니지만, 그 배출물을 감소시키면 배출물의 총량이 감소될 것이므로, 많은 나라들은 방출할 수 있는 양을 제한하는 법률을 제정하였다.거의 모든 화학반응들처럼질소산화물을형성하기 위한 공기중에서의 질소와 산소의 반응은 온도가 높을수록 더 빨리 진행된다.형성되는NOx의 양을 제한하기 위한 하나의방법은반응온도를 제한하는 것이다. 가스터어빈장치내에서 생성되는NOx는일반적으로사이클내에서 가장 높은 온도가 존재하는연소과정에서생성된다. 그러므로,생성되는NOx의 양을 제한하는 하나의방법은연소온도를 제한하는 것이다.
"단일단계"연소기(즉, 연료 및 공기가 유입되는연소영역을 하나만 가지는 연소기)및 별도의 연료 및 공기유입수단이 구비된몇 개의연속적으로 연결된연소영역이사용되는파일롯 버너를 포함하는"다단계" 연소기 양쪽 모두에있어서 연소온도를 제한하여 NOx생성을제한하려는 다양한시도가 있었다. 미국특허 제4,994,149호, 제4,297,842호 및 제4,255,927호에는터어빈 배기가스 내의 Nox 농도를 감소시키기 위하여환(環)형 연소기의 연소영역 및 희석영역으로의 압축공기의유동을 제어하는 단일단계가스터어빈 연소기가 개시되어 있다. 이러한 연소기에 있어서는, 혼합되지 않은 연료 및 공기가각각 연소기에들어가게 되므로 결과적으로 혼합 및 연소가 동일한 챔버 내에서 일어난다. 일본 특개소55-45739호 역시 마찬가지이다. 미국특허 제5,069,029호, 제4,898,001호, 제4,829,764호 및제4,766,721호에는2단계 연소기가 개시되어 있으며,독일 실용신안 제99215856.0호 역시 마찬가지이다.하지만 이 경우에도, 연료 및 공기가 적어도 부분적으로는 혼합되지 않은 채 각 단계에 공급되고, 완전한 혼합은 각 연소영역 내에서 일어난다.
연소기에 예비혼합된 연료-공기 유동을공급하기위해 별도의 예비혼합기 챔버를사용하려는 시도 또한있었다. 일본 특개소 제57-41524호에는다단계 캔(can)형 연소기로 흐르는 전체 연료 유동 중 일부만을 다단계로 된 연소 챔버로 유입되기 전에 별도의 혼합 챔버에서 예비혼합하는 듯한 연소기 시스템이 개시되어 있다.미국 특허 제5,016,443호에서는환형 예비혼합기 챔버 내로 연료를 분사하기 위하여 다수의 독립된 연료 노즐이 사용된다.하지만, 다중 연료노즐과 연료분리(split) 장치를 이용하는 상기와 같은 구조는 그 복잡성때문에 높은 초기비용을 요할 뿐 아니라 제어하는데 어려움을 겪을 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 가스터어빈 가스발생기 또는 엔진 모듈의 전체 작동범위에 걸쳐 NOx 및 CO 와 미연 연료, 그리고 연료 부산물을 적게 방출하는, 가스터어빈 가스발생기 및 엔진 모듈에 사용할 연소기 시스템 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 환형 연소기 장치 및 시스템보다 덜 복잡한 장치를제공함으로써, 작동을 용이하게 하고, 장치의 초기비용을 줄이며, 또한 다단계로 된 다수의 독립적인 예비혼합기의 정합(整合)을 하지 않아도 되도록 하여 연료/공기 제어를 충분히 향상시키는 것이다.본 발명은 또한온도기울기를 크게감소시켜 라이너에 균열이 발생할 수 있는 상태를 줄인다.
본 발명의 또다른 목적은 연소기 시스템에사용할 액체 연료에특히 적합한 예비혼합기 장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 또다른 추가적인 목적은 가스터어빈 모듈의 다른 부분들, 특히 터어빈 덮개(shroud)의 냉각에 필요한 것들을일체화할 수 있는 연소기 시스템 및 장치를 제공하는 것이다.
본 명세서에서 구체화되고 대략적으로 설명되는 본 발명에 따르면,가스터어빈 엔진모듈의 연소기에 공급하기 위해 각각의 공급원으로부터 수용한 액체 연료 및 압축 공기를 예비혼합하는 장치는 유입구 및 축을 가지는 벤츄리를 포함하고, 벤츄리 유입구는 압축공기원에연결되어상기 벤츄리 유입구로의 압축공기유로를형성한다. 또한 상기 장치는 연료의 미세한 분사를 벤츄리 유입구 영역으로 전달하도록 위치된 입구를 가지면서 연료원에연결된연료노즐을 포함한다. 노즐 입구는 벤츄리 축을 따라 벤츄리 유입구로부터상류쪽에 종방향으로 이격되어 있다.상기 장치는 또한 벤츄리 유입구 및 연료 노즐 입구를 둘러싸도록 압축공기유로내에위치된천공부재를 포함한다.
개개의 천공부들은 천공부재를 통해 안쪽으로 흐르는 압축공기에 벤츄리 축에 대하여 순수한 반지름방향과 반지름방향 및 축방향이 혼합된 방향 중 선택하여 방향성을 제공하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 개개의천공부의 상단테두리에서의천공부재의 내부 표면상에는 립들이 제공되는 것이 바람직하고, 각각의 립들은 벤츄리 축에대하여 일정한 각도를이루는자유단부를 가진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 터어빈 덮개를 가지는 가스터어빈과 사용하는 연료원과 압축공기원과의 작동을 위한 연소기 시스템은 연소챔버를 형성하는 하우징과, 연료원에연결된예비혼합기 수단과, 연료와 압축공기의 일부를 혼합하여, 그 혼합물을 하우징에 공급하는 압축공기원 및 하우징과, 하우징의 적어도 일부와 터어빈 덮개를 대류 냉각하도록 압축공기의 나머지부분을 향하게 하는 도관수단으로 이루어진다.
바람직하게는, 도관수단은 하우징 부분 및 덮개를 냉각한 후나머지 공기 부분을 희석공기로서 하우징에 공급하도록 하우징에 연결된다.
상술한 본 발명에 대한 기술적 고려는 동역학적인 연소공정을 포함한다. 배기가스 내의 산화질소의 양은 다음식으로 표현된다.
여기서 T는화염온도(절대온도), NOx는 백만분의 1체적부에서 NO2로서 표현되는, 연소 영역에서 나오는 산화질소 농도이고, P는 대기압이다.화염온도는 완전히 예비혼합된 혼합물을 위한 연료/공기비와 연소기 유입구 공기 및 연료온도의 양자의 함수이다. 경험에 의하면, 연소기 내의화염은 순수연료에 대해 약 2550 랜킨 온도(절대온도 1417°) 이상이거나, 질소와 같은 불연성 희석제를 포함하는 연료에 대해 약간 더 높다. 하지만, 이러한 레벨에서,화염은 꺼지게 되고, 일산화탄소가 많아지게 된다.
이러한 오염물질을 타당한 정도의 낮은 레벨로 하기 위하여, 연소기 유입구 온도와 연관해서, 연료/공기비가 약 2800 내지 3000랜킨온도(절대온도 1556 내지 1667°)의화염온도를 발생하도록 설정하는 것이 바람직하다. 식에 따르면 NOx레벨은 희석 공기가 그 레벨을 감소하도록 첨가되기전에 1기압에서0.8과 2.0ppmv(백만분의 1체적부)임을 나타낸다. 또한 경험에 의하면, 이러한 온도에서의 일산화탄소의 레벨은 20ppmv이하이며, 더 높은 압력에서 더 낮아짐을 알 수 있다.
본 발명의 연소챔버내의 일정한 연료/공기비는 연료 유동에 비례해서 예비혼합기로의 공기 유동을 조절함에 의해얻어진다. 경험상으로는, 연료가액체방울또는 확산가스화염으로서 연소되는 경우, 연소는 화학양론값 근처에서 진행하여, 국부적인 온도는 매우 높고, 그래서 과다한 NOx를 발생하기 때문에, 평균온도를제한하는 것만으로는 불충분하다.가장적은NOx를 발생하기 위해서, 본 발명의 환형연소기는, 액체 연료가 사용되었다면, 연소챔버와 분리된 벤츄리를 포함하는 예비혼합챔버내의 연료 및 연소공기 모두를 철저히 예비혼합하고, 연소에 사용되는 연료 및 공기를 예비혼합하기 전에 기화한다. 가스터어빈 엔진들 중에는 동력레벨에 관계없이 거의 일정한 공기 유동을나타내는 것이 있고(일정 속도에서 주행해야 하는 주로 단일축 직결형 전기 발생기), 자유 터어빈 유닛 및 추진 유닛처럼 동력레벨이 감소될 때 공기유동이 감소하는 것이 있다. 두 가지 형태의 유닛 모두에서일정한 연료/공기비를 유지하기 위하여,공기/연료비를 거의 일정하게 하기 위해 필요한공기량을 제공하는 연료밸브에 결합된 공기밸브를 제공할 필요가 있다.이러한 밸브는 상기 두 가지 형태의 엔진에 있어서 분명해 각각 다를 것이지만, 원리는 동일하다.
하지만, 본 발명의 어떤 측면은 프리-터어빈과 프리-제트 추진 응용장치와 같이 별도의 압축공기밸브에 의한 정밀한 연료/공기비의 제어가 필요없는 응용예에서도 매우 유용하다. 이러한 응용예에 있어서는, 가스 발생기 RPM이 연료의 유동에 의존하기 때문에 압축공기의 전체적인 제어는 어느 정도까지 이루어진다. 그래서, 예비혼합된 연료/공기를 접선방향으로 유입시키고 또한 연료와 예비혼합되지 않은 압축공기유동 부분의 대체로 전부를 대류 냉각에 사용하여 얻게 되는 향상된 연소효율과 구조의 단순함은, 압축공기밸브를 완전히 제거할 수 있거나 또는 압축공기밸브가 포함된 경우에는 밸브를 일정하게 열린 상태로 미리 조정할 수 있는 응용예에 적용가능한 큰 장점이라 하겠다.
본 발명에서는 하나의 연소영역만이 사용되었고, 연료/공기비 및화염온도는 항상 일산화탄소 및 탄화수소를 효율적으로 연소하기에 충분할 정도로 높다. 본 발명은질소산화물을 적게 배출할뿐 아니라, 연소 단계 사이의 전이영역을피함으로써일산화탄소 및 미연 탄화수소도적게 배출한다.본 발명은 하나의 연소영역만을 가지기 때문에, 일차 및 이차 연소영역(다단 연소기)으로 분리하거나, 그러한 분리를 냉각하는 것이 필요없다. 또한, 파일롯화염또는 유사장치를 사용할 필요가 없다. 더구나,제어시스템은정밀해야 하는 하나의 연료제어밸브 및정확성과 누설에 관해서는 보다 너그러운 많아야하나의 압축공기제어밸브를가짐으로써매우 간단하게 된다. 더욱 간단한 것에서는 압축공기제어밸브를 제거한 것도 있다.
이하 상술하는 바와 같은 공기-연료 혼합장치는 그 출구에서 거의균일한연료/공기 중량비를 제공한다. 물론, 벤츄리내의 모든 지점에서 난류화염속도 이상의 축방향 속도를 유지하고, 연료/공기 혼합시스템 내의 재순환에 의해 야기된 플래쉬-백(flash-back)을 방지하는 것이 필요하다. 이러한요구사항이 충족되면, 연료/공기 혼합물이 예비혼합장치를 떠나기 전에는 연소가유지될 수 없다.
본 발명의 다른 목적과 장점들은 이하의 설명에서 부분적으로 개시될 것이고, 부분적으로는 발명의 설명으로부터 자명할 것이며, 또는 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적과 장점들은 첨부된 청구범위에 특정된 수단과 조합에 의하여 실현되고 획득될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
제1A도는본 발명에 따른 연소기시스템(10)을 도시한다. 도시된 바와 같은 연소기시스템(10)은 레이디얼 가스터어빈 엔진모듈(12)과 연관해서 사용된다. 가스터어빈 엔진모듈(12)은 압력 용기(14)를 포함하고, 내부에 축(18)을 중심으로 회전가능한 축(16)이 장착된다. 축(16)의 일단부에는 그 반대측 단부에 장착된 원심압축기(22)를 구동하는 레이디얼 터어빈(20)이 장착된다. 제1A도에 도시된 형태에 있어서, 가스터어빈 엔진모듈(12) 동력은 원심압축기(22)에인접한기계적 결합설비(24)를 통해 전달된다. 하지만, 본 발명의 연소기시스템은예컨대"프리 동력 터어빈"(제5A도), "프리-제트"추진유닛(미도시), 또는 하나 이상의 예비혼합기어셈블리를 포함하는 다른 어떤 터어빈 엔진시스템과도 연관되어 가스발생기내에 이용될 수 있음을 당업자라면 곧 알 수 있을 것이다.또한 본 발명은 레이디얼 가스터어빈 엔진/가스발생기모듈에 사용하는 것으로 제한되는 것은아니며, 적어도가장넓은 범위에서는 축방향 또는 축방향-반지름방향이 혼합된 터어빈엔진/가스발생기 모듈과함께 사용된다.
제1A도를 계속 참조하면, 가스터어빈 엔진모듈(12)은 다음과 같이 작동한다.공기가 화살표(26)에 의해 지시되는 방향으로 원심압축기(22)에 들어가면, 원심가속되어 속도가 증가하며, 그 후 확산기(diffuser)(28)에 들어가 정압이 증가된다. 확산기(28)에서 나오는압축공기는 충진챔버(30)내에모아진다. 그 후,충진챔버(30)에서 나오는압축 공기는 이하에 상술하는 연소기시스템(10)의예비혼합기(60)에의해 연료원(32)으로부터의 연료와 혼합되어연소됨으로써유입구 가이드 베인(34)을 지나 레이디얼 터어빈(20)으로 흐르는 뜨거운 배기 가스를생성하며, 레이디얼 터어빈(20)에서 동력이 추출된다.터어빈(20)으로부터의 배기 가스는 대기 또는 후속의 엔진 모듈로덕트에 의해 전달된다.프리 동력 터어빈 설비의 경우에 있어서는,터어빈(20)에서 나오는가스는 그 이상의 동력 추출을 위해 프리 동력터어빈으로 덕트에 의해 전달될 것이다.
본 발명에 따르면, 연소기 시스템은 연소챔버를형성하는원형 하우징을 포함하고, 하우징은 축을 가지며, 하나의 축방향 챔버 단부에 인접한 적어도 하나의유입포트를가진다. 이러한 하나의 축방향 챔버 단부에 인접한 연소챔버의 일부분은 단일단계 연소영역으로 이루어진다. 배기구는 희석영역을 이루는 다른 축방향 챔버 단부에 인접한 연소챔버의 일부분과 함께, 다른쪽 축방향 챔버단부에 위치된다. 하우징은 또한 희석영역과 유동을 주고받는 희석포트 형태의 통공수단을 가진다.
구체적으로는, 제1A도에 도시된 바와 같이, 연소기 시스템(10)은 환(環)형 연소기라이너하우징(40)을 포함하며, 이 하우징은 환상(環狀)이다. 환형 하우징으로 바람직한 실시예를 예시하였지만, "캔-형태"원형 하우징도 사용될 수 있다. 하우징(40)은 압력 용기(14)내에 포함되고, 가스터어빈 엔진모듈축(18)과 일치하는 축(42)을 형성한다. 하우징(40)은 유입포트(43)를 제외하고는 축방향단부(44)에서 폐쇄되지만, 축방향 단부(46)에서 개방되어, 환형 배기포트(48)를 형성한다. 배기포트(48)는 유입 가이드 베인(34)을 지나 채널(50)을 통해서 레이디얼 터어빈(20)과유동을 주고받는다.
제1A도를 계속 참조하면, 하우징(40)에 의해 형성된환상의 연소챔버(52)는 서로 다른 기능을 하는 두 개의 축방향 섹션으로 이루어진다. 축방향 단부(44)에 인접한 섹션(54)은 희석영역을 이룬다. 하우징(40)내에 제공된 복수의 통공(58a, 58b)은 희석영역(56)으로 개방한다. 희석포트(58a)는하우징 축(42)에 대하여하우징(40)의 외주표면에 형성된 일련의 통공이고, 반면 희석포트(58b)는하우징 축(42)에 대하여하우징(40)의 내주표면에 형성된 일련의 통공이다. 희석포트(58a, 58b)로 이루어진 통공 수단은 이하 상술하는 압축공기도관 수단으로부터 연소챔버(52)의 희석영역(56)으로 압축공기를 유입하기 위해 제공된다. 하지만, 희석 통공은 연소 라이너의 내외벽 모두에 위치될 필요는 없다. 예를 들면, 통공(58b)이 전체 희석유량을 수용하도록 크기가 조절되어 사용된다면 통공(58a)은 제거될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면,압축공기유동의 일부를 연료와 혼합하여 연료/공기혼합물을 공급하고, 그 혼합물을 유입포트를 통해 연소영역으로 전달하도록 원형 하우징의 외측에 설치된 적어도 하나의 연료/공기 예비혼합기가 제공된다.연료/공기 예비혼합기는 압축공기를 수용하는 수단, 연료를 수용하는 수단 및 수용한압축공기의 유동을 평활하게 하고수용한 압축공기와 연료를 혼합하는 챔버수단을 포함한다. 제1A도에 예시된 바와 같이. 연소시스템(10)은 단일 연료/공기 예비혼합기(60)를 더 포함한다. 예비혼합기(60)는 이하에 상술하는 도관수단으로부터의 압축공기를 수용하는 하우징 어셈블리(62)와, 연료유입구(66)를 통해서 연료원(32)으로부터의 연료를 수용하는 단일 연료노즐(64)를 포함한다. 제1A도의 연료 노즐(64)은 액체 연료를 사용하는 것이 특히 유리한"에어-블래스트"형식의 연료노즐로서분사(atomization)에 의하여기화를 향상한다. 하지만, 기체연료를 사용한"에어-블래스트"노즐은 이하에 상술하는 벤츄리 부재로 들어가기 전에 공기와 연료의 초기 혼합을 제공하는데 이점이 있다. 그러므로, 본 발명의 연소 시스템은 액체연료 또는"에어-블래스트"연료노즐을 사용하는 경우로 국한되는 것이 아니며, 기체연료나 와류식 노즐과 같은 다른 형식의 연료 노즐도 사용될 수 있다.
연료/공기 예비혼합기(60)는 연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(62)내에 배설된 벤츄리 유입구(70)와 유입포트(43)에 연결된 벤츄리 출구(72)를 가지는 벤츄리(68) 형태의 혼합챔버수단을 더 포함한다. 일반적으로, 벤츄리 출구(72)는 이하의 이유 때문에유입포트(43)에서 분출(flush)을 끝내야 하며, 연소영역(54)으로 뚜렷하게 돌출해서는 안 된다.벤츄리(68)는 유동축(74)을 형성하고, 연료 노즐(64)은대체로 축(74)을 따라 연료분사를벤츄리 유입구(70)로 전달하도록 위치된다. 벤츄리(68)의 횡단면 유동 면적 및 치수는 화살표(76)로 나타낸 바와 같이, 벤츄리 챔버내에서 연료 및 압축공기를 활발히 완전하게혼합하고, 이로써얻어진 혼합물의 유동을 벤츄리 축(74)을 따라 연소영역으로향하게 하도록선택된다. 벤츄리 출구(72)의 유동 면적은 혼합물의 최소속도(즉, 공전하는 동안)가 연료/공기 혼합물의화염전파속도보다 더 크도록 선택되어야 한다.개략적으로 도시된 화염홀더(holder) 수단(78)은 연소영역(54)에서 연소의 안정성을 향상시키기 위하여 벤츄리 출구(72) 부근에 제공될 수 있다.
벤츄리내의 높은 혼합도(및 액체 연료의 기화)가벤츄리 출구에서는 저속을 제공하고 연소영역(54)을 형성하는 환형챔버에서는 안정된 연소를 제공하기 때문에, 화염 홀더(78)과 같은 수단은 필요하지 않을 수도 있다는 것이 알려졌다.이를 적용함에 있어서,화염홀더 수단(78)과 같은 내부 구조적 부속물 또는 벤츄리 출구(72)와 같은예비혼합기(60)의 요소가연소 영역(54)에실질적으로 존재하지 않는것은 비교적 "청정" 연소영역,즉 산산조각나거나 연결이 끊어져 하류로 떠내려가 터어빈에 손상 또는 치명적인 파손을 유발할 수 있는 물체가 없는 연소영역을 조성한다.그래서, 본 발명 연소기의 극히 청정하고 단순한 구조는 더욱 명확한 이점이 있다.
제1B도에 잘 도시된 바와 같이, 혼합 벤츄리(68)는벤츄리 축(74)이 하우징축(42)에 대해 대체로 접선방향으로 놓여져, 유입되는 연료/공기 혼합물이 연소영역(54)내에서 축(42)을 중심으로 소용돌이치도록 설치된다. 아래에서 자세히 설명할 바람직한 예비혼합기 구조를 사용하여, 단일 연료 노즐에 의해 연료가 공급되는단일 연료/공기 예비혼합기만을 사용해도 연소챔버(52)에 연료/공기 혼합물을 적절히 공급할 수 있음이 알려졌다.하지만, 본 발명은 다중 연료/공기 예비혼합기의 사용가능성,특히 연소챔버(52)의 반지름방향 "두께"가 축(42)으로부터 측정된 연소챔버(52)의 외경에 비하여 작은 상황을 충분히 고려하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소기 시스템은원통형 라이너 하우징 상에서 벤츄리의 유동축과의 교차점에 인접한 위치에 설치된점화기를 포함한다. 제1B도에 있어서, 점화기(79)는 유동축(74)과 하우징(40)의 교차점 근처에위치하고, 연소영역(54) 안으로 짧은 거리만큼만 연장된다.그래서 점화기(79)는 연소를 시작하기 위해 예비혼합기(60)로부터 방사되는 연료/공기 혼합물을가로채도록위치되는 것이 이상적이다. 연소가 시작되면, 연소영역(54)내의 소용돌이치는뜨거운 연소가스는 연료/공기 혼합물을자동점화하고, 아마도 전기적인 장치일점화기(79)는 꺼지게 된다.
본 발명에 따르면, 압축공기유동의 일부를 예비혼합기의 압축공기수용수단으로 전달하고, 희석공기를 희석영역에 공급하는 동시에 라이너를 냉각하는 통공수단으로압축공기유동의 나머지 부분을전달하는 연료/공기 예비혼합기와압축기 출구를상호연결하는 압축공기 도관수단이제공된다. 제1A도의 실시예에 도시된 바와 같이, 압축공기 도관수단(80)은 압력하우징(14)과 하우징(40) 사이에설치된 대체로 환형의통로(82)를 포함한다. 통로(82)는 압축공기 수용 충진챔버(30)와환형 충진챔버(84)사이에 뻗어서 터어빈 배기섹션에 인접한 압력용기(14)의일부분을 이룬다.연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(62)는 이미 설명한 바와 같이,궁극적으로 벤츄리 유입구(70)와 연통하도록 하기 위해충진챔버(84)로부터의 압축공기를 수용하도록 연결된다. 도시된 충진챔버(84)는 원형 단면을 가지지만, 본 발명의 요지내에서 다른 형태도 가능한 것임은 물론이다.
제1A도로부터 알 수 있는 바와 같이, 통로(82)는 내부에 흐르는 압축공기가 하우징(40), 특히 가장 연소온도가 높은 연소영역(54)을 바로 둘러싸는 하우징 부분(86)을 냉각하도록구성된다.하우징 부분(86)은 필름-냉각이 필요없이 대류 냉각만으로 구성된다. 즉, 하우징 부분(86)에 있어서, 하우징(40)은통로(84)내에 흐르는 압축공기를 연소영역(54)내에서 연소되는 연료/공기 혼합물로부터밀봉하도록 작용한다. 이러한 구조는 연소영역(54)내 혼합물의연료/공기비를 제어할 수 있도록 하며, 소망하는희박한연료/공기비를 가지는 "단일단계 연소기"로서 작동할 수 있도록 한다.이러한 작동은 NOx의 레벨과미연 연료 및 연료 부산물의레벨을 낮게 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명 연소기 시스템의 특징 구조는 종래의 연소기 시스템의 상태에 비해 NOx레벨을 극히 낮게 한다.
통로(82)는대류냉각을 제공하고또한 압축공기를 희석포트(58a, 58b)로 공급하도록 연소챔버(52)를 덮어버린다. 통로(82)는 또한 터어빈(20), 특히 제1A도에 도시된 바와 같은 터어빈 덮개에 인접한 압력용기(14)의 일부를 냉각하는 압축공기유동에유로를 터주는채널(82a)을 포함한다. 터어빈 유입 가이드 베인(34)은 필름 냉각된 유입 가이드 베인이고, 통로(82 또는 82a)로부터 공급된다. 또한 압축공기 도관수단(80)은 압축공기 수용 충진챔버(30)와에어-블래스트연료 노즐(64)을 상호 연결하는 별도의 통로(88)를 포함하며, 이때 노즐은 액체 연료로 작동하는 노즐이 사용된다.
제1A도와 연관한 이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 압축공기 도관수단(80)은 압축공기 유동의 일부를 연료/공기 예비혼합기(60)로 돌리고, 압축공기유동의 나머지 부분을 희석포트(58a, 58b)로 돌리도록 작용한다. 연료/공기 예비혼합기 또는 희석포트들의 어느 쪽으로도 돌려지지 않은 압축공기,즉유입 가이드 베인(34)을 냉각하도록 사용된 공기는 매우적어서 어떤 경우에도연소 영역내의 연료/공기비를 교란하지 않고 단지 터어빈(20)에 들어가기 전에 배기 가스를 조금더 희석할 뿐이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밸브 수단은 압축공기유로내에배설되어 예비혼합기에 대한 압축공기 유량을 결정한다. 압축공기밸브 수단은 압축기의 속도면에서 중요한 것이며, 압축공기의 체적유량은 제1A도에 적용된 바와 같이 연료유량과는 독립적이다. 제1A도를 계속해서 참고하면, 밸브(90)는 연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(62)내에 위치되어 충진챔버(84)로부터 벤츄리 유입구(70)까지의 압축공기유량을 결정한다. 밸브(90)는 연속으로 조정 가능하며, 그 밸브의 구조는 본 발명의 연료/공기 예비혼합기의 하나의 바람직한 구조의 설명과 관련하여 이하에서 상술한다. 밸브개방량이 변하면, 예비혼합기가 받는 압력이 변하여서, 희석영역으로의 공기 질량 유동이 증가 또는 감소한다. 그래서, 공기유동의 변화와 분할이 연소기 외측에 적절히 발생한다.
제2도는 다른 형태의 압축공기 도관수단을 가지는 연소기 시스템(110)을 개시한다. 제1A도의 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에는 동일번호를 부여하고100번대를 부가하였다. 제2도의 압축공기 도관수단(180)에 있어서, 분배도관(181)은 압축공기 수집충진챔버(130)와 하우징(140)을 둘러싸는 환형통로(182)사이에 제공되고, 연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(162)는 통로(182)의 상류의 분배도관(181)에 직접 연결된다. 밸브(190)는 연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(162)와 분배도관(181) 사이의 연결에 배설되어 공기 유동의 일부를 연료/공기 예비혼합기(160)로 흐르게 하고, 나머지는 분배도관부(181a)를 통해 통로(182)로 흐르도록 확실하게 나눈다. 예비혼합기로 흐르는 모든 압축공기가 연소챔버(52)를 형성하는 라이너 하우징 부분(86)의 적어도 일부를 냉각하는데 우선 사용되는 제1A도의 실시예와 비교하면, 연료/공기 예비혼합기(160)로 흐르는 압축공기의 어느 부분도 연소영역(152)을 형성하는 하우징(140)의 부분(186)을 냉각하는데 사용되는 것은 없다. 하지만, 제2도의 실시예는 희석포트(158a, 158b)로 흐르는 압축공기 견인력에 대한 연료/공기 예비혼합기로 흐르는 압축공기 견인력을 직접 제어한다. 그럼에도 제1도에 도시된 형태는 여러부분, 기본적으로는 연료/공기 예비혼합기의 어셈블리의 구조가 간단하기 때문에 바람직하며, 이때 밸브는 상술한 바와 같이 연료/공기 예비혼합기 하우징과 직접 합체된다.
또한, 본 발명에 따라 제공된 연료도관수단은 연료공급 및 예비혼합기 연료수용 수단을 상호 연결하며, 연료도관수단은 예비혼합기 연료수용수단과 함께 예비혼합기에 대한 모든 연료를 위한유료를설정한다. 연료밸브수단은연료 유로내에배설되어 내부의 연료유량을 결정한다. 다시 제1A도를 참조하면, 연료 유입구(66)의 라인이 연료원(32)과 연료노즐(64)을 서로 연결한다. 연료노즐(64)의 바로 상류의 연료유입구(66)의 라인에 배설된 연료밸브(92)는 특히 상술한 바와 같이 액체 연료의 사용에 적합한 "에어-블래스트"형태의 연료노즐이다.
본 발명에 따르면, 연소기 시스템은 압축공기 밸브수단과 연료밸브 수단에 연결된 콘트롤러 수단을 포함하며, 예비혼합기에 전달되는압축공기의 일부분과 연료각각의유량을 제어함으로써,미리 선택된 희박한 연료/공기비의 혼합물을 유입포트를 통하여 연소영역에 공급한다. 제1A도에 도시된 바와 같이, 기계적 또는 전기적인 콘트롤러(94)(예컨대, 마이크로 프로세서)는 압축공기 밸브(90)와 상호 연결되어 벤츄리 유입구(70)로 직접 흐르는 압축공기의유량을 제어한다. "에어-블래스트" 노즐이 이용된 경우 연료/공기 예비혼합기(60)로 흐르는전체압축공기의 일부(일반적으로는 5% 이하)는도관수단(88)을 통하여 이동할 수 있는 반면, 밸브에 의한 나머지 95% 이상의 압축공기 유동의 제어는 전반적인 연료/공기비를적절한 수준으로 제어할 것으로 예상된다. 더욱이,이후의 예시에 나타낸 바와 같이 천연가스와 같은 기체 연료를 이용하는 상황에 대비하여, 연료/공기 예비혼합기로의 모든 압축공기 유동이 압축공기 유동밸브의 제어하에 있도록도관수단(88)을 제거할 수 있다.
제1A도에 도시된 바와 같이, 콘트롤러(94)는 연료 밸브(92)에 연결되어 연료노즐(64)로의 연료유동을 측정한다. 당업자라면, 연료/공기 예비혼합기(60)로의 연료 유동과 압축공기 유동의 양자를 콘트롤러(94)로 제어하며 가연 혼합물의 질량유동이 부하의 함수로서 변하도록 가스터어빈 엔진의 전체 작동범위에 걸쳐 단일의 미리 선택된연료/공기비의 혼합물을 얻을 수 있음을 알 것이다. 이와 달리,콘트롤러(94)가 일련의미리 선택된 연료/공기비의 혼합물을 부하의 함수로서 제공하도록설정할 수 있다. 당업자라면, 본 명세서의 개시에 의거 특정용도에 맞는 적절한 콘트롤러를 선택할 수 있음은 물론이다.
작동에 있어서, 제1A도 및 제1B도를 참조하면, 압축공기 수용수단인 충진챔버(30)로부터나온 압축공기는 통로(82)를 통해 하우징(40)의 외부 표면의 전 표면에 걸쳐 보내져하우징(40), 특히 연소영역(54)을 둘러싸는 부분(86)을 냉각한다. 통로(82)내에 흐르는 압축공기의 일부는 충진챔버(84)에 들어가서, 콘트롤러(94)를 통해 압축공기 밸브(90)에 의해 제어되는 바와 같이, 연료/공기 예비혼합기 하우징 어셈블리(62)와 충진챔버(84) 사이의 상호 연결을 통해 연료/공기 예비혼합기(60)로 흐른다. 벤츄리(68)에 있어서, 압축공기 부분은 연료노즐(64)로부터의 연료와 혼합되고, 노즐(64)이 "에어-블래스트"형태 노즐이라면, 가능한 한 적은 부분의 압축공기와 혼합되어, 유입포트(43)를 통해 벤츄리 축(74)을 따라 연소챔버(52)의 연소영역(54)으로 분사된다.
제1B도에도시된 바와 같이,벤츄리 축(74)을 하우징의 축(42)에 대하여 접선방향으로 위치시킴으로써 연소영역(54) 내에 와류와 연소가 제공된다.벤츄리 축(74)이 향하는 방향은 유입 가이드 베인에 공기 역학적 무부하를 제공하기 위하여 터어빈의 회전 방향에 대해 특정 각도방향(시계 또는 반시계방향)으로 주어지도록 선택된다. 제1A 및 제1B도에 도시된 바와 같이, 연료/공기 혼합기가 1B방향으로 보았을 때 연소영역(54)내의 시계방향 와류 연소를 달성하도록 들어가기 때문에, 터어빈(20)의 회전방향 또한 시계방향이 된다. 연소영역(54)에서의 연료/공기 혼합물의 연소 후, 뜨거운 배기가스는,희석포트(58a, 58b)로부터의 희석공기가 일을 생성하는 팽창을 위해 유입 가이드 베인(34)을 지나 채널(50)을 경유해서 터어빈(20)으로 배관되기 전에 배기가스의 평균온도를 감소시키는 희석영역(56)으로 전달된다.
상술한 바와 같이, 연소챔버 외측의 연료/공기 예비혼합기 내의 연료와 공기의 완전한 혼합-액체연료가 사용되는 경우 연료의 완전한 기화를 포함하여-을 통해 본 발명에 따른 연소 시스템(10)에 의해 제공되는 연소의 제어는, 연소챔버로 전달되는 혼합물의 연료/공기비의 제어와 함께, NOx레벨과 미연 연료 및 연료 부산물의 레벨을 현저한 감소시킨다.더욱이,연료를 연소시키거나 또는 터어빈 상류쪽의 배기가스를 희석시키기 위하여 압축공기유동을 전량 사용함으로써 연소기의 최고온도가 상당히 감소되고, 이는 종래의 연소기 설계와 비교하여 연소기 라이너의 수명을 연장시키는 결과가 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 연료/공기 예비혼합기는 압축공기 수용수단과, 공기유동평활수단을구비한 압축공기 수용수단에연결되는유입구를 가지는 벤츄리와, 연료의 분사를대체로 벤츄리 축을 따라서벤츄리 유입구로 전달하도록 위치된 출구를 구비한 노즐을 포함하는 연료수용수단과, 압축공기 수용수단과결부되어 벤츄리 유입구로 가는 압축공기의 유량을 결정하는 밸브수단을 포함한다. 제3A도에 도시된 바와 같이, 연료/공기 예비혼합기(260)는 하우징 어셈블리(262)의 형태인 공기수용수단을 포함한다. 제1A도 및 제1B도의 실시예 구성과 유사한 기능을 가지는 구성에는 동일한 번호를 부여하되 200번대를 부가하였다. 하우징 어셈블리(262)는 하우징(300)과, 가스터어빈 엔진모듈(212)의 압력용기(214)에 하우징(300)을장착하기 위한하우징 지지대(302)를 포함한다. 하우징 지지대(302)는 중공(中空)이며, 하우징(300) 및 거기에 포함된 구성 부품을 지지함과 동시에, 충진챔버(284)로부터 하우징(300)으로 압축공기를흐르게 하는 작용을 한다. 제3A도에 도시된 구성에 있어서, 냉각덮개부재(303)는 연소챔버 라이너 하우징(240)과 압력용기(214) 사이에 위치되어 연소영역(254)의 경계를형성하는하우징(240)의 일부분(286)에 적어도 인접하게유로(282)를 형성한다. 덮개부재(303)는또한, 압력용기(214)와 함께, 상기 압축공기 일부분을 모아 궁극적으로 하우징 지지대(302)를 통해 하우징(300)으로 전달하기 위한 충진챔버(284)를 형성한다.
제3A도를 계속 참고하면, 연료/공기 예비혼합기 하우징(300)은분할판(308)에 의해 각각 상류 및 하류 구획실(304, 306)로 나누어진다.분할판(308)에는 통공(310)이 제공되며, 나비형 밸브판(290)이 통공(310)내에서의 회전을 위해 장착된다. 제3A도의 실시예에 있어서, 통공(310)내의 밸브판(290)의 방향은 제어아암(312)(제3B도 참조)을통하여 제어되어, 선택된 정도만큼 차단을 행하고 그에 따라 압력을 하강시킨다.제3B도 및 제3C도에 도시된 밸브판(290)의 방향에 있어서,밸브판(290)이 분할판(308)에 수직방향일 때 최소량의 차단이 일어나며, 이것은 제3C도에 도시된 각눈금판(314)의 "0" 설정에 대응한다. 눈금판(314) 상의 두 "9" 위치 중 하나에 대응하는 제어로드(312)의 위치에서 통공(310)을 통하여 흐르는 압축공기의 일부분에 최대량의 차단과 압력강하가 발생한다. 당업자라면, 차단의 정도와 그에 따른 상하류 구획실(304, 306) 사이의 압축공기 유동의 제어는제어로드(312)의 각(角) 방향을 "0" 및 "9"의 위치 사이에서 변화시켜 변경할 수 있고, 이로써 이제 더 상세하게 설명될 연료/공기 예비혼합기(260)가 균형이 맞도록 압축공기의 유량을 제어하게 됨을 알 것이다.
분할판(308)은 벤츄리(268)의유입구(270)가 장착되는통공(316)을 추가로 포함한다. 벤츄리 유입구(270)는분할판(308)의 상부 평탄면과 벤츄리 유입구(270)의 내부 표면 사이에 원활한 전이가 있도록분할판(308)에 장착된다. 벤츄리(268)는 상류 하우징 구획실(304), 하우징 지지대(302)를통과하여 연장되어, 압력 용기(214), 연소챔버 라이너(303)를지나서, 유입포트(243)의 위치에서 하우징(240)에연결된다. 제1A도의 실시예에서 설명한 바와 같이, 벤츄리(268) 내의 연료/공기 혼합물의 유동방향에 대체로 대응하는 벤츄리축(274)은 환형 연소챔버 하우징(240)의 축(미도시)에 대하여 대체로 접선 입장 방향을 제공하도록 방향이 정해진다.
제3A도를 계속 참조하면, 연료 노즐(264)은 벤츄리 축(274)을 따라 벤츄리 유입구(270)로 분사연료를 전달하도록 위치된 연료노즐 출구(318)와 함께 하류 구획실(306)내에 장착된다. 연료노즐(264)은 출구(318)를 통해 연료분사를 방출하기 전에 연료포트(324)를 통해 들어가는 연료가 소용돌이 치도록압축공기의 일부를 보내는포트(320) 및 와류베인(322)을 이용하는 "와류"분사식이다. 또한 제3A도에 도시된천공된 유동평활부재(326)는벤츄리 내의 "화염 억제"로 귀결될 수 있는벤츄리 내의 불규칙한 속도 및박리를 피하기 위하여하류 구획실(306) 내에 위치되고 연료노즐출구(318) 및 벤츄리 유입구(270)를 둘러싼다. 그 자체에 의해 약간의압력 강하가 유도되지만,천공부재(326)는 벤츄리 유입구(270)의 립에서박리를 일으키지 않고하류구획식(306)로부터 연료노즐(264)을 지나 벤츄리 유입구(270)로 흐르는압축공기유동의 안정성을 증가시키는 것이 알려져 있다.
제4도는 제3A-3C도의 연료/공기 예비혼합기의충분히 고려된 상업적 실시예를 나타내는데, 이 실시예에는 전체적으로 360번을 부여하였다. 제1A, 제1B도의 실시예의 구성과 동일하거나 유사한 기능을 가지는 구성에는 동일 번호를 부여하되, 300번대를 부가하였다. 연료/공기 예비혼합기(360)는분할판(408)의표면보다 위쪽으로 약간 더 연장된유입구(370)를 가지는 벤츄리(368)를 포함한다. 또한, 연료노즐 출구(418)는 벤츄리 유입구(370)안으로 연장된다. 당업자라면 벤츄리(368)와 연관된 연료노즐(364)(뿐만 아니라 제3A-3C도에 도시된실시예에서의노즐(264) 및 벤츄리(268))의 최적성능은 응용예에 따라 달라지며, 연료노즐출구(418)의 위치를 벤츄리 유입구(370) 부근에서 벤츄리축(374)을 따라 조절함으로써 최적의 위치를 결정할 수 있음을 알 것이다. 하지만,천공스크린 부재(426)가 제4도실시예에 대해서도 유동 안정성을 제공할 것으로 기대된다. 마지막으로, 제4도의 실시예는연료/공기 예비혼합기의 구조에 있어서제3A도에 도시된 구조에 비해보다 심사숙고된 개량사항-예컨대 종모양의 일체형 하우징(400)의 사용-을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 어떤 측면은 프리 동력 터어빈 또는 프리 제트 추진 유닛과 연관해서 사용되는 가스터어빈 가스발생기 모듈과 같은 응용에 유리하며, 이러한 가스발생기 모듈은 제1A도 및 제2도에 도시된 실시예와 대비해서 압축공기유동밸브의 사용 및 그것에 결부되는 콘트롤러 기능을 요하지 않는다. 제5A도는 본 발명에따른 엔진시스템(500)을 개략적으로 도시한다. 엔진시스템(500)은 가스터어빈 가스발생기 모듈(512)을 포함하고, 뒤에서 보다 상세히 검토될 연소기 시스템(510)과 프리 동력 터어빈 모듈(513)도 포함하여 구성된다. 프리 터어빈 모듈(513)은 축 터어빈으로 도시된프리 터어빈(513a)을 포함하는데, 응용에 따라 순수한 레이디얼 또는 축-레이디얼 혼합 터어빈으로 할 수도 있다. 축(16)에 연결된 기어(24)로부터 동력이 추출되는 제1A도의 엔진 시스템실시예와 비교하여, 제5A도의실시예에서는 프리 터어빈 축(513b)과 결부된 기어를 통해 엔진시스템(500)으로 부터 동력이 취해진다. 가스발생기 모듈의 축(518)과 동축으로도시되었지만, 프리 동력 터어빈(513)의 회전축(513c)은 전체 시스템(500)의 요구사항에 맞도록각을 두어 배치할 수 있다.
아래에서는 제1A도의 실시예에서와 같은 구성에는 동일번호를 부여하되, 500번대를 부가하였다.
본 발명에 따른 가스터어빈 가스발생기 모듈(512)은 기계적으로 독립한 스풀, 즉 압력 하우징(514)내측에 축(516)의 회전에 따라 같이 회전하도록장착된 원심압축기(522) 및 레이디얼 터어빈(520)을 포함한다. 그래서 축(516)은, 가스발생기(512) 및 프리 터어빈 모듈(513)이 가스 유동 사이클내에서 상호 연결되긴 하지만, 프리 터어빈 축(513b)에대하여 독립적으로 회전할 수 있다. 또한 모듈(512)은, 압력 하우징(514)내에포함되고벤츄리 축(574)을 따라 유입포트(543)를 통해 외부 예비혼합기(560)로부터오는예비혼합된 공기/연료를 수용하는 연소기 라이너 하우징(540)을 구비한 연소기 시스템(510)을 포함한다. 벤츄리 축(574)은 환형 연소기 라이너 하우징(540)의 축(542)에 대해 접선방향으로놓여져효율적인 와류 연소를 제공하고 또한 제1A도 실시예에서 상술한 바와 같이 유입 가이드베인(534)의 부하를 부분적으로 덜어준다. 제5B도 참조.
제5B도는또한 점화기(579)의 현재로서 바람직한 위치, 즉 라이너 하우징(540)상의 벤츄리 축(574)과의 교차점에 인접한 위치를 도시한다. 실험에 따르면예비혼합기 내에서 벤츄리 같은 비교적 차가운 환경에 점화기를 위치시켜 점화기의 수명을 연장하고, 게다가 라이너 하우징(540) 내의 천공부의 수를 감소시키는 것이 가능하다. 제5B에 도시된위치 또한환형 챔버 내의 연료/공기 혼합물의 낮은 속도 때문에 소화를 확실하게 한다.
제5A 및 제5B도의 실시예에 있어서,하우징 라이너(540)는 압력 하우징(514)과 함께압축기충진챔버(530)에서 나오는압축공기 유동을 위한 통로를 형성한다.이 엔진 실시예에는 또한, 하우징 라이너(540)와 압력 하우징(514)의 인접한 원주부분 사이에, 양자 모두로부터 반지름방향으로 이격되어 배치되는 환형 냉각 덮개(583)가 포함된다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이,냉각 덮개(583)는 하우징 라이너(540)와 함께라이너(540)에 의해 구획되는 연소기 챔버를대류냉각하는 통로(582)의 일부분을형성한다. 한편,냉각 덮개(583)는 압력 하우징(514)과 함께 아바축공기유동 중연료와 혼합하기 위해 예비혼합기(560)로보내진 부분을 모으기위한 환형 충진 챔버(584)를 형성한다.제5A도의 실시예에 있어서도, 제1A도의 실시예에서와 같이, 압축공기의 일부가 대류냉각을 제공한 후 압축기 출구로부터이어지는 통로에서 취해지고, 그 후연료와 혼합하기 위해 예비혼합기로보내지지만, 제5A도의 구성은 제1A도의 환형충진챔버(84)보다 구조적으로 더간단하게 만들 수 있다. 더욱이, 냉각 덮개(583)는압력 하우징(514)의 인접한 부분에 대하여 비교적 뜨거운 라이너 하우징(540)으로부터의 복사를 차폐시켜, 저렴한 재료를 사용할 수 있게 하고 압력 하우징의 사용 수명을 증가시킨다.
통로(582)내의 압축공기유동의나머지는희석통공(558b)을 통해보내진다.제1A도 실시예에서의 포트(58a)에 대응하는 희석포트는 없지만, 희석포트(558b)는원주상에 두 개의 독립된 포트세트(558b 1 , 558b 2 )를포함한다.분할기(559)와 크기가 조절된 포트(558b 1 , 558b 2 )에 의해, 포트(558b2)를 통해 흐르는 희석공기는 우선 통로(582a)를통과하여터어빈 덮개(557)를 지나흐르게 된다. 당업자라면,희석공기를 적절하게 분포시켜 소망하는 터어빈 덮개의 냉각을 이룰 수 있도록, 필요한 크기조절분석을 행할 수 있을 것이다. 필름 냉각의 제거는 연소영역(554)에서의연료/공기비를 제어할 수 있도록 하며, 이는 상술한 바와 같이 본 발명의 현저한 이점 중의 하나이다.
또한 제5A도는이미 설명한 이유 때문에"에어-블래스트"형태 액체 연료 노즐이 사용되는 경우에 필요한, 압축기 출구 충진챔버(530)로부터 예비혼합기(560)로 유도하는 도관(588)을 점선으로 도시하고 있다.제5A도에는 명확하게 하기 위하여 압축기 출구 충진챔버(530)를 축방향으로 경사지게 관통하는 것으로 도시하였지만, 도관(588)으로 가는 유입구는 전체 동적 수두를 획득하기 위해 압축기 출구의 축방향 평면에 접선방향으로 있다. 당업자라면 본 명세서에서의 설명으로부터적절한 유입구의 구성을설계할 수 있음을 물론이다.
압축공이 중에서 에어-블래스트식 액체 연료 노즐의 효율을 향상시키거나 가스 연료/공기의혼합을 더욱 개선하기 위하여, 그리고 어쩌면유입 가이드 베인의냉각을 위해 요구될일부를 제외하고는, 모든 압축공기는 연료와 혼합하거나 희석하는데 사용되기 전에 라이너 하우징(540)의 적어도 일부를 대류냉각하는데 사용된다. 이러한 구조는 압축공기의 대류냉각 성능을 최적화한다. 도시하지는 않았지만 본 발명은, 연료와 혼합하는데 사용되는 압축공기유동 부분이 대류냉각에 우선적으로 사용되지않는 제2도실시예에 대응하는 가스발생기의 다른 실시예를 포함하는 것으로 의도되었다. 이러한 시스템의 단순화된 구조는 냉각성능의 감소보다중요할 수도 있으므로 응용분야에 따라서는 필요할 수도 있다.
제5A도에 도시된 바와 같이, 공기는 통로(582)로부터 환형 충진챔버(584)를 통해 배향되어 예비혼합기(560)내의 연료와 직접 혼합된다. 제5A도는 밸브가 선택사양임을 나타내도록 점선으로 압축공기 밸브(590)를 도시하였다.밸브(590)는 아래와 같은 이유 때문에, 작동하는 동안 연료/공기비를 "정제 조율"하는데 사용되거나, 작동을 위해고정된 크기의 개구부로 미리 설정되거나, 완전히 제거될 수 있다. 엔진 시스템(500)에 있어서, 압축기(522)의 속도 및 그에 따른 압축공기의 유속은작동범위에걸쳐서 연료 유동에본질적으로비례한다. 그러므로,공기/연료비를 미리 선택된 희박한 값으로 하는 개략적인 제어는자동으로 달성된다. 연료 밸브(592)를 통해연료원(532)으로부터 연료노즐(546)로 가는연료 유동을 제어하도록 작용하는 콘트롤러(594)의 기능은 동력 요구에 응답하는 종래의스로틀밸브와유사해진다.
예비혼합기(560)는 엔진시스템(500)의작동범위에걸쳐서요구되는 모든 연료/공기 혼합물을 연소영역(554)으로 보내지만, 시동 및 공전 상태를 위한 더 농후한 혼합물을 제공하기 위해제5B도에 도시된 시스템(596)과 같은 보조 연료 공급 시스템이사용될 수 있다. 시스템(596)은 연료원(532)(제5A도 참조)으로부터연료가 공급되는종래의 연료 분사노즐(597)을 포함하고, 상기 보조 연료의 유량은 콘트롤러(594)에 의해 밸브(598)를 통하여제어된다. 개시된 실시예에 있어서, 분사노즐(597)은 벤츄리 유출구(572)에 인접한 라이너 하우징(540)을 관통하도록 위치되어 반지름방향으로 설치된다. 하지만, 노즐(597)은 벤츄리(568)를 통해 들어가는 연료/공기 혼합물과의 혼합을 향상하도록 벤츄리(568)(도시하지 않음)에대하여대향된 접선 방향으로 위치된다. 물론 분사 노즐(597)의 다른 위치, 구조 및 배향이 가능하며, 이는본 명세서상의 일반적인 기술의 범주에 속하는 것으로 보인다.
제6A-6C도는 본 발명에 따른 가스터어빈 모듈용 가스 연소기 시스템에사용할 수 있는또 다른 예비혼합기 구조를 도시한다. 제6A도는 엔진 시스템(500)에 적합한 "무밸브"식 예비혼합기(660a)를 도시하며, 이 예비혼합기(660a)는 하우징(662a)과, 주위 요동 베인(665a)을 가지는 연료노즐(663a)과,벤츄리 축(674a)과 함께 연소기 축(미도시)에 접선방향으로배향된 벤츄리(668a)를 포함한다. 또한,천공된 유동원활부재(667a)는 제3A도의 "밸브 부착" 실시예에서 설명한 바와 같은 이유 때문에 노즐(663a)과 벤츄리(668a) 입구를 둘러싼다. 예비혼합기(660a)는 전기도입선(671a)을 통해 동력원(미도시)에 연결되고,벤츄리(668a)의 목 부분을 둘러싸는 전기저항 히터 자켓(669a)과 같은 가열수단을 더 포함한다. 액체 연료를사용하면 시동시에, 연료의 막이 벤츄리 내부 표면상에 모이게 된다. 히터 자켓(669a)은 이러한 연료막의 기화를 증가시키며, 예비혼합기내에서의 연료 및 공기의 전체 혼합을 촉진시킨다. 작동하는 동안, 충진챔버(684a)로부터 벤츄리(668a)의 외부 표면을 지나 흐르는 압축공기 부분의 온도는 액체 막을 기화하는데 충분한 열을 제공하거나 액체 연료 막의 형성을 방지하여, 가열 자켓(669a)의 활성화를 지속하는 것을 불필요하게 한다.
제6B도 및 제6C도는 벤츄리 길이의 증가없이 예비 혼합기내에서 혼합을 증가시킬 수 있는 예비혼합기의 형상을 나타내고있는데, 이러한 형상은 액체 연료 사용시에 유리하다. 제6B도 및 제6C도에 계통적으로 나타낸 바와 같이, 노즐 출구는 벤츄리축의 방향을 따라서 벤츄리 유입구에서부터유동평활부재의전체 축 길이까지 이격될 수 있다. 이러한 배열로 인해,개개의액체 연료 입자가 유입되는 공기와 혼합하여증발할 수 있는더 많은 기회가 제공된다.
중요하게는, 제6B도 및 제6C도에 나타낸 바와 같은 형상으로 인해,유동평활부재가 벤츄리의 내부 표면에 대한 액체 연료 입자의 충돌을 극소화시키는 작용을 부가적으로 제공할 수 있으며, 이러한 작용이 없으면 이들 입자들은 유착하여 벤츄리내에서 불필요한 연료 분출 및 계속적인 화염을 야기시킨다. 무화 분무 노즐 및 "에어-블래스트"노즐과 같은 전형적인 연료 노즐은 내부 벤츄리 표면에 도달할 수 있는 연료 방울에반지름 바깥쪽 방향속도 성분을 제공한다. 제6B도 및 제6C도의실시예에서, 개개의천공부들은 노즐로부터 발산된 연료입자의반지름 바깥쪽 방향이동에 대향되는 경향이 있는 연소 공기의 스트림에반지름 안쪽 방향속도 성분을 부여한다. 연소 공기의반지름 안쪽 방향 유동의 효과는 제6C도에유선(675c)으로 나타낸 바와 같이,벤츄리의 유동 단면에 걸쳐 양호한 분산을 제공하면서 작은 연료 방울들의 방향을 주로 축방향으로 점진적으로 전환시켜야 한다. 연소 공기와 액체 연료 입자간의 반지름방향 향류 유동으로 인해 예상되는 추가의 이점은 연료입자에 대한 공기의 전단 작용으로 인한 증가된 혼합이다.
유동평활부재의 모양 및개개의 천공부들의 형상(단면 모양, 크기, 배향, 분포도 등)들은 더욱 더 완전한 기화 및 액체 연료 유동의 감소를 촉진시키는 예비혼합기의 능력을 증가시키도록 개조될 수 있다. 이를 위해,천공부, 특히 연료 노즐출구 바로 밑에 있는천공부들의 최소한 일부분은 반지름 방향의 또는 반지름 방향과 축방향이 혼합된 연소 공기 유동을 제공하는 형상을 가져야 한다. 이러한천공부들은 축선 속도(선회) 성분을 공기 스트림에 부여하는 형상을 갖지 않는 것이 바람직하다. 이러한 선회 공기 스트림에 의해 연료 입자에 대한 원심력은 작은 연료방울 충돌 및 스트리밍을 증가시킬 수 있다. 그러나, 사용된 연료 노즐이 작은 연료 방울에 대한 선회 분무 패턴을 일으키는 형태로 되어 있다면, 반대 방향의 선회를 유도하는천공부 형상들을 제공할 수도 있다. 이러한 특정 경우에 있어서, 연료 분무의 선회 방향과 관련하여 무분별한 선회 방향(예를 들어, 연료 분무가 시계 방향이라면 시계반대방향이거나 또는 시계반대반향이라면 시계방향이라거나)은 혼합 및 기화를 촉진시킬 수 있다.
도면과 관련하여, 제6B도는 "에어-블래스트" 연료 노즐(663b), 벤츄리(668b)및평활부재(667b)를 갖는 예비혼합기(660b)를 나타내고 있다. 일반적으로, 부재(667b)는 원형천공부(673b)가 반지름 방향으로 배향되어 있는 직각 원통형체의 형상을 갖는다. 제6B도에도시된 특정 실시예에서 천공(673b)들은 전형적으로 0.5 내지 3mm의 직경을 가지며, 부재(667b)의 기계적 일체성을 제공하기에 최소한 충분한 일정한 피치상에 배열되어 있지만, 본문에 주어진 바와 같이당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 특정 용도에 따라서천공부의크기와 분포의 기타 조합을 이용할 수도 있다. 또한, 비교적 작은 방울 크기를 제공하기 위하여 "에어-블래스트" 노즐(663b) 대신에 다른 연료 노즐 형태를 사용할 수도 있다. 제6B도에 나타낸 바와 같이, 노즐 출구(677b)는 유입 공기가 연료 노즐을 축방향으로 회전시켜 혼합 및 기화를 증가시킬 수 있도록 벤츄리 축(674b)을 따라서 벤츄리입구(670b)로부터이격되어 있다.
또한, 제6C도에 나타낸 예비혼합기(660c)는 출구(677c)가 벤츄리 축(674c)을 따라서 벤츄리(668c)의 입구(670c)로부터 이격되어 있는 "에어-블래스트"형 연료 노즐(663c)을 갖는다. 제6C도의 평활부재(667c)는 연료 노즐 출구(677c)를 에워싸고 있는 환형 유로(685c)를형성하는감소된 개방 직경 단부(683c)를 갖는돔(dome)형상으로 되어 있다. 환형 통로(685c)는 일부의 연소 공기가유동평활부재(667c)를우회하여 노즐 출구(677c)를 대체로 축방향으로지나서 공기유동의 환형 커튼을 일으킬 수 있게 한다.
개별적인천공부(673c)는 일반적으로 초승달 모양으로 되어 있으며, 반지름 방향으로 내부에 각이 져 있다.유동평활부재(667c)는 개별적인천공부들의 상부가장자리에 인접하여 내부 표면상에 형성되고 벤츄리축에 대해 약 45° 로 경사져 있는 림 부재(681c)를 포함한다.유동평활부재의 내면에 도달한작은 연료 방울들은 립(681c)에서 흘러 떨어지고벤츄리 입구에 도달하기 전에천공부들을 통과한 공기 유동에 같이 끌려가는경향이 있다.
또한, 벤츄리(668b, 668c)와 각각 결합된 점화기(687b, 687c)는 제6B도 및 제6C도의 예비혼합기실시예에 나타나 있다.특히 제6C도를 참조하면, 점화기(687c)는 하우징(662c)에 장착되어 있고스로트(throat)하부의 벤츄리(668c)의 벽을꿰뚫는다. 벤츄리(668c)에서의 평균속도는화염의 지속을 방지하도록 되어있지만, 점화기(678c)는와류의형성을 최소화하기 위하여 벤츄리의내벽에서 대체로 분출 프로파일(flush profile)을 이루도록 설정된다.점화후에, 연료/공기 덩어리는 안정적으로 화염이 유지될 연소챔버로 이동해야 한다.
제6B도 및 제6C도에 나타낸 예비혼합기실시예는 압축 공기 밸브를 포함하며, 이것은 제1A도, 제7도 및 제8도에 나타낸 형태의 가스터어빈 모듈에 사용하는 것이 유리하다. 또한, 제6B도 및 제6C도의 예비혼합기의 형상은 제6A도의 예비혼합기실시예와 관련하여 이미 설명한 이유 때문에, 예비설정 밸브 개구를 갖거나 또는 상기 밸브가 없는("밸브가 없는" 디자인에서) 제5A도의 모듈에 사용할 수도 있다.
제7도는 본 발명의 연소기, 즉 본문에 참고로 인용되어 있는 본 출원인의 이전의 미합중국 특허 제5,081,832호에 기술된 바와 같은 가스터어빈 엔진시스템에 유익하게 사용할 수 있는 또 다른엔진의 실시예를계통적으로 나타내고 있다. 제7도의실시예에있어서, 엔진 시스템(700)은 고압 스풀(spool)(711) 및 기계적으로 별개인 저압 스풀(709)을 포함한다. 저압 스풀(709)은 저압 터어빈(703)에 의해 축(702)을 통해 구동되는 저압 압축기(701)를 포함한다.저압 압축기(701)에서 나오는 압축공기는 확산기(704)를 통과하여 고압 압축기(722)로 들어가서 추가적으로 압축된다. 저압 스풀(711)의 요소로서 고압 압축기(722)는 축(716)을 경유하여 고압 터어빈(720)에 의해 구동된다. 고압 터어빈(720)으로부터 배출된 가스들은 확산기(705)에서 확산된 다음, 저압 터어빈(703)에서 팽창된다. 미합중국 특허 제5,081,832호에서 더욱 충분히 설명된 바와 같이,순동력(net power)은고압 스풀(711)의 축(716)에 연결된 기어(724)를 경유하여 엔진 시스템(700)으로부터 취한다. 저압 스풀(709)은 고압스풀(711)에 예비 압축된 공기를 공급하고 가능하다면 엔진지지 시스템(예를 들면, 윤활유)을 구동시키는데 주로 사용한다.
제7도에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진 시스템(700)은 고압 압축기(722)로부터 압축된 공기의 일부로 연료를 연소시킴으로써 고온 연소 가스를 고압 터어빈(720)에 제공하는 연소기 시스템(710)을 포함한다. 중요하게, 연소기 시스템(710)은 라이너 하우징(740)에 의해형성되는환형 연소 영역(754)에 접선 방향으로 충분히 예비혼합된 연료/공기를 공급하기 위하여 연료 노즐(764)(이것은 점선으로 나타낸 접선 방향의 유입구를가지는도관(788)을 경유하여 압축기(722)로부터 직접 압축된 공기를 수용하는 "에어-블래스트"형일 수 있다) 및 벤츄리(768)를 포함하는 외부 예비혼합기(760)를 사용한다.냉각 덮개(783)는 라이너 하우징(740)과 함께대류성 냉각 통로(782)의 일부를형성하는 반면에, 냉각 덮개(783)와 압력 하우징(714)의 원주상 인접한 부분은 함께압축된 공기의 일부를 예비혼합기(760)로 향하게 하도록 환형충진챔버(784)를형성한다. 그 나머지의 압축된 공기 유동은 제5A도에 나타낸 것과 유사한 형상 및 구조를 사용하여 부가적인 대류 냉각 및 최종적인 희석을 위해 사용한다.
그러나, 제7도에 나타난 엔진 시스템 형상은 본질적으로 일정한 고압 스풀 축속도로동력을생성시킬 의도로 만든 것이다. 제1A도의실시예와같이,총 압축공기유량은제5A도의실시예에서가스발생기 모듈(512)의 방식으로 변화된 연료 유동에맞추어 자동적으로 조절되지못할 것이다. 그 결과, 연소기 시스템(710)은미리 선택된희박한 연료/공기비를 성취하기 위하여 연료 밸브(792)를 또한 제어하는 제어기(794)의 제어하에 예비혼합기(760)와 일체로 된 압축공기 밸브(790)를특히포함한다. 도시되어 있지는 않지만, 제7도의실시예는라이너 장착 점화기, 보조 연료 분무 시스템,다단계로 된희석포트 등을 비롯하여 기타실시예들과관련하여 기술된 부재들을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다.
제8도는 본 발명에 따라서 제조된 가스터어빈 엔진모듈에 대한 또 다른 연소기 시스템을 나타내고 있다. 제1A도, 제5A도 및 제7도에 나타낸 연소기 시스템과 유사하게 연소기 시스템(810)은 단일단계연소영역(854) 및 터어빈 유입구 노즐(850)의 바로 위에 있는 희석 포트(858b)에 인접한 희석영역(856)을 갖는 환형 연소기 하우징(840)을 포함한다. 또한, 시스템(810)은 하우징(840)을 에워싸고 있는충진챔버(884)에서 나오는 압축공기의 소정량 일부가벤츄리(868)에 의해 연료와 혼합되고 유입포트(843)를 통해 벤츄리(868)로부터 연소영역(854)으로 들어가는외부 예비혼합기를 포함한다. 또한, 제1A도, 제5A도 및 제7조의실시예에서와같이, 본질적으로압축공기의 나머지부분은 연소기 하우징의 추가적인 냉각을 제공하도록보내진후, 희석 포트(제8도의 포트(858b))를 경유하여 희석영역으로 들어간다.
제1A도, 제5A도, 및 제7도의 구조에 있어서, 나머지부분의 유동은희석포트근처에서 분리되는데, 일부분은 터어빈 덮개의 냉각을 위해보내지고(예를 들면, 제1A도의 채널(82a)을 통해) 다른 부분은 희석포트로 직접흐른다(예를 들면, 제1A도의 채널(82a)을따라서). 비교시, 시스템(810)에서 압축된 공기의 나머지 전체 부분은 포트(858b)를 통해 희석영역에 들어가기 전에 채널(882a)을 경유하여 터어빈 덮개(857)를 냉각시키도록보내지고하우징(840)의 연소체적은 제5도의실시예에서하우징(540)의 체적에 비례하여 증가된다. 이러한 방식에 있어서,압축 공기의 나머지 부분은연소기 라이너와 반지름 방향의 터어빈 덮개 모두를 냉각하므로 연소기 시스템에 의해 제공된 통상적인 기능과 덮개 냉각 기능을 일체화시킨다. 제8도의 형상은 덜 복잡하므로, 보다 적은 비용으로 터어빈 덮개(857)과 터어빈(820)간의 틈새의 적절한 제어를 제공할 수 있다.
상기 언급한 본 발명의 특히 유리한실시예는제9도에 나타나 있다. 제9도에 나타난 가스 터어빈 엔진(910)은 연소영역(954)과 희석영역(956)을 갖는 환형의 단일단계연소실(952) 및이와 결부되고연소영역(954)에 예비혼합된 연료/공기 혼합물을 공급하기 위한 외부에장착된 예비혼합기(960)를포함한다. 또한, 제9도에 나타난 가스터어빈 엔진(910)은 본 발명의실시예에서는단일단계원심압축기(922)인압축 수단을 포함하며, 이 압축 수단은 먼저 압축된 공기의 일부를 도관(982)을 경유하여 예비혼합기(960)에 공급하고, 통로(982a)를 경유하여 적당히 연소실을 대류 냉각시킨 후 상기 나머지 부분을 포트(958b)를 통해 연소실의 희석 영역(956)에 공급하는 작용을 한다. 예비혼합기(960)는 벤츄리(968)와, 먼저압축공기 유동의 처음 일부분을실질적으로 결정하기 위하여액츄에이터(912)에 의해 이동가능한분할판(908)내에 있는 공기 밸브(도시되어 있지 않음)를 포함한다. 또한, 예비혼합기(960)는 벤츄리 유입구(970) 및 "에어-블래스트" 형태의 연료 노즐(964)을 에워싸고 있는천공된 스크린 형태의유동평활부재(926)를 포함한다. 도관(988)은 "에어-블래스트"노즐(964)의 작동을 위해 소량(약 5%)의 압축된 공기만을 지닌다. 제9도에 나타낸 가스터어빈 엔진은 추가로 출력 장치(924)를 경유하여 일을 발생시키기 위하여 연소실(952)로부터 수용된 고온 연소 가스를 팽창시키는 단일단계의 레이디얼 유입 터어빈(920)을 포함한다.
중요하게, 제9도에 나타낸실시예에 있어서, 단일단계원심 압축기(922)는 약 5.1 내지 약 7:1 의압력비로작동하여 원심 분리시키는 작용을 하며,연료원(932)으로부터 공급된 연료는 천연 가스이다. 통상적으로, 열효율을 증가시키기 위해서는높은 압력비를사용하며, 약 14:1 의압력비가보편적이다. 그러나, 외부 예비혼합기(960)의 원심력과 함께 천연 가스 연료를 사용할 때, 상기 언급한 범위의 적당한압력비로인해, 통상 상업적으로 이용가능한 압력 수준의 범위를 넘어 천연 가스를압축시키기 위한 부가적인 장치 없이 또는 최소한의 추가 압축만으로 작동시킬수 있다. 이러한 본 발명의 특징들은 연료 가스의 고압 압축 장치를제공하는드는많은 비용 및 에너지 손실을 감소시키며, 이로 인해전체적인 동력발생 시스템의 비용이감소하게 된다.
또한, 상기 언급한 범위의압력비는단일단계의 레이디얼 유입 터어빈에 이상적인 효율을 제공한다. 특히, 약 5:1 내지 약 7:1 의압력비작동 범위는 단일 레이디얼 유입 터어빈단계만을 사용하여 연소 기체를 완전히 팽창시킬 수 있다. 직접적인 결과로서, 레이디얼 터어빈(920)과 원심 압축기(922)를 모두 엔진의 냉각부분에서 베어링에 의해 회전가능하게 지지된 축(916)의 단부에 장착시키기 위해서는 간단한 "오버행(overhang)"구조를 사용할 수 있으며, 이는 믿을만한 신뢰성 및 상당한 제작 비용의 감소를 제공한다.
최종적으로, 제9도에 나타낸실시예와관련하여, 상기 언급한 적당한압력비의직접적인 결과로서,터어빈에서 나오는 팽창 연소 가스로부터 이끌어낸 열가(heat value)를사용하여 압축 공기 유동를예열시키기위해서열회수기(recuperator)를사용할 수 있다. 제9도에 있어서,열회수기(905)는충진챔버(930) 및 통로(982)에 연결된매니폴드(907)와 터어빈 배기 확산기(911) 사이에 연결되도록 도시되어 있다.링 시일(913)은 통로(982)로부터충진챔버(930)를 분리시킨다.당업자라면 알 수 있는 바와 같이,충진챔버(930)로부터의 압축된 공기는열회수기(905) 내에서 가열된 다음, 통로(982)로 회수된다. 그 결과얻어지는약 40%까지의 엔진의 열효율의 증가는 연료 소모가 많은 용도나 또는 고객이 다양한 공정 목적으로 간단한 저비용의 엔진으로부터 배기열을 필요로 하지 않는 용도에 상업적으로 매우 중요하다.
제9도에 나타낸실시예는천연 가스와 같은 기체연료와 함께 사용하려는의도로 만든 것이지만,당업자라면, 상기 기술 내용으로부터 적당한 연료 노즐을 사용함으로써 엔진을 액체 연료를 사용하기에 적합하게 개조할 수 있으며, 이는 본 발명에 따라서 제조된 가스터어빈 엔진의 다양성을 나타내는 것이다.특별한 구조의예비 혼합기를 갖는 독특한초저 배기가스연소기로 인해, 본 발명의 엔진은전체동력범위에걸쳐 방출량을 15% 산소에서 10ppmv 이하로 유지시키면서 액체 및 기체 연료 둘 다에 대해 작동할 수 있다.
예 시
본 발명의 환형 연소기 시스템의 성능을 측정하기 위하여, 제3A도 내지 제3C도에 나타낸 바와 같은 연료/공기 예비혼합기를 갖는 환형 연소기를, 공기 및 기체연료(천연 가스)의 외부공급원을사용하여 대기압 하에서 시험하였다. 표 1은 상기 시험에서 사용된 장치의 중요한 치수값을 나타낸다.
표 1
시험을 공전 하중 및최대하중에 상응하는 유동 조건으로 수행했다. 예비 설정된 연료/공기 비율을 성취하기 위한유량은,제어기 부재를 사용할 수도 있었지만, 제어기 부재가 아닌 압축 공기 밸브(290) 및 연료 밸브(미도시)를 수동으로 설정하여 설정하였다. 표 2는 연료와 압축공기의유량및 기타 중요한 파라메타뿐만 아니라, 시험에 의해 측정된 NOx 수준 및 대략적인 CO 방출 수준을 나타낸다.
표 2
위 수치들은 현저히 낮은 NOx 방출레벨을 나타내며 이는, 설사고압작동으로 맞추어져 있다 하더라도, 예비혼합기를 사용하는 종래의 가스터어빈 엔진모듈 연소기 시스템의대표적인 수치보다 한참 아래일 것이다. 지 레오나르드(G. Leonard)등이 디젤과 가스터어빈 월드와이드의 1993년판 22 및 24페이지에 게재된 "Development of Aero Derivative Gas Turbine DLE Combustion System"를 참고할 수 있다.
본 발명에 따른 환형 연소기 시스템과 연료/공기 예비혼합기 장치 및 그 장치의 작동방법에 대한 이상의 상세한 설명에 의하여, 당업자라면 발명의 요지를 벗어남이 없이 변형을 가할 수 있으므로, 본 발명은 이상의 예시적으로 설명된 실시예로 한정되는 것은 아니며, 오히려 본 발명은 수록한 청구범위 및 그균등물에의해 결정된다.
제1A도는 본 발명에 따른 연소기시스템의 일 실시예를이용하는 가스터어빈 엔진모듈의 개략 횡단면도이고,
제1B도는 제1A도의1B방향에서 본제1A도에 도시된 장치의 개략 단부도이고,
제2도는 제1A도에 도시된연소기 시스템의 다른 실시예가구비된 가스터어빈 엔진모듈의 개략횡단면도이고,
제3A-3C도는 제1A도에 도시된 장치의 바람직한 연료/공기 예비혼합기부분의 시제(試製) 실시예의상세 횡단면도이고,
제4도는 제3A-3C도에 도시된 연료/공기 예비혼합기의상업적 실시예의상세횡단면도이고,
제5A도는발명에 따른 연소기 시스템을 이용하는 다른 가스터어빈 엔진모듈의 개략 횡단면도이고,
제5B도는 제5A도의 5B방향에서 본 제5A도에 도시된 장치의 개략 단부도이고,
제6A-6C도는 본 발명에 따른 가스터어빈엔진모듈들에 사용하기 위한다른 예비혼합기구조들의개략 횡단면도이며,
제7도, 제8도 및 제9도는 본 발명에 따른 연소기시스템들을사용하는또다른가스터어빈엔진모듈들의개략 횡단면도이다.
* 도면의 주요부에 대한 부호의 설명 *
10: 연소기 시스템 12: 레이디얼 가스터어빈 엔진모듈
14: 압력 하우징 20: 레이디얼 터어빈
22: 원심 압축기 30: 충진 챔버
34: 유입구 가이드 베인 40: 환(環)형 연소기라이너하우징
50: 채널 52: 연소 챔버
58a, 58b: 통공 60: 예비혼합기
62: 하우징 어셈블리 66: 연료 유입구
68: 벤츄리 78:화염홀더수단
79: 점화기 80: 압축공기 도관수단
84: 환형 충진챔버 90: 밸브
94: 콘트롤러

Claims (20)

  1. 단일단계 연소챔버와;
    벤츄리, 연료공급원에 연결된 연료노즐, 그리고 공기밸브를 포함하며, 예비혼합된 연료/공기 혼합물을 상기 연소챔버에 공급할 수 있도록 상기 연소챔버 외부에 위치하는 예비혼합기와;
    약 5:1에서 7:1 사이의 압축비를 가지며, 압출된 공기 유동의 처음 일부분을 연소공기로서 상기 예비혼합기에 공급하고 상기 연소공기의 나머지 부분을 희석공기로서 상기 연소챔버에 공급하도록 도관수단에 의하여 연결되는 단일단계 압축기 수단; 및
    상기 연소챔버로부터 연소가스를 수용하도록 연결되어, 상기 연소 가스를 사실상 완전히 팽창시켜 일을 생성하는 단일단계 레이디얼 유입 터어빈을 구비한 고효율, 저배기가스 가스터어빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일단계 압축기 수단과 상기 단일단계 레이디얼 유입 터어빈은 오버행 구조를 사용하여 공통의 축상에 함께 장착되고, 상기 축은 엔진의 냉각 부분에서 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 열효율을 높이기 위하여 상기 레이디얼 터어빈에서 나오는뜨거운 팽창연소가스를 이용하여 상기 압축기 수단에서 나오는 압축공기를 가열하도록 연결된 열회수기를 더 포함하는 가스터어빈 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 연료는 천연가스와 같은 기체 연료인 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 벤츄리는 유입구와 축을 가지며, 상기 벤츄리 유입구는 상기 압축수단에 연결되어 상기 벤츄리 유입구로의 압축공기 유로를 형성하고, 상기 유로의 상기 유입구의 바로 상류쪽 일부분은 유입구 영역을 포함하며,
    상기 연료 노즐은 상기 벤츄리 유입구 영역으로 연료를 전달할 수 있도록 위치된 출구를 가지며, 상기 노즐 출구는 상기 벤츄리 축을 따라 상기 벤츄리 유입구로 부터 이격되어 있고,
    상기 예비혼합기는 상기 벤츄리 유입구와 상기 연료 노즐 출구를 포함하여 상기 벤츄리 유입구 영역을 둘러싸는 천공부재를 더 구비한 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료는 액체이고, 연료 노즐로부터 분사되어 전달되며,
    상기 천공부재의 개개의 천공부가 상기 천공부재를 통하여 안쪽으로 흐르는압축공기에 상기 벤츄리 축에 대하여 반지름 방향과 축방향을 혼합하여 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개개의 천공부는 단면이 대체로 반원형이며,
    상기 천공부재의 내부 표면상에서 적어도 하나의 상기 개개의 천공부의 위쪽 테두리 부분에 립이 제공되며, 상기 립은 상기 벤츄리 축에 대하여 일정한 각도를 이루는 자유단부를 가지는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  8. 제5항에 있어서, 상기 천공부재는, 상기 압축공기 유동의 일부분이 상기 천공부를 우회하도록 하는 환형 통로를 제공하도록, 상기 노즐 출구를 둘러싸고 또한 상기 노즐 출구로부터 반지름방향으로 이격된 폭이 좁아지는 단부를 가지는 돔(dome) 형상인 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  9. 제5항에 있어서, 상기 연료는 액체 연료이고, 상기 엔진은 엔진시동시에 벤츄리를 가열하기 위한 가열부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  10. 제1항에 있어서, 상기 예비혼합기내에 위치하는 점화기를 더 포함하는 가스터어빈 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 상기 예비혼합기는 연료/공기 혼합물을 위한 유동축을 가지고,
    상기 연소챔버는 하우징을 포함하며,
    상기 엔진은 상기 하우징 상에서 상기 유동축의 연장과의 교차점에 인접한 위치에 위치하는 점화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐은 "에어-블래스트"식 연료노즐이고,
    상기 도관수단은 상기 압축기 수단과 상기 연료 노즐을 직접 연결하는 별도의 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진.
  13. 연료유동 공급수단과 연소영역 및 희석영역을 형성하는 하우징을 가지는 연소챔버를 구비하고, 또한 단일단계 공기압축기수단과 단일단계 레이디얼 터어빈, 그리고 상기 터어빈과 상기 공기압축기수단을 연결하는 축수단을 구비한 형식의 가스터어빈 엔진에 있어서,
    약 5:1 과 7:1 사이의 압력비로 압축기수단을 작동하는 단계;
    상기 하우징의 외부에서 예비혼합기를 사용하여 전체연료유동과 압축공기유동의 처음 일부분을 균질하게 예비혼합하여 이로써 발생하는 연료/공기 혼합물을 연소영역으로 흘려보내는 단계;
    상기 압축공기유동의 나머지 부분을 희석영역으로 들여보내는 단계; 및
    연료유량과 상기 압축공기유동의 처음 일부분을 소망동력레벨에 따라 제어하여 상기 가스터어빈의 대체로 전체작동범위에 걸쳐 대체로 일정한 연료/공기비와 화염온도가 유지되도록 하는 단계를 포함하는, 효율은 높고 NOx와 미연 연료와 연료 부산물은 적게 생성하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연소챔버는 라이너를 가지고,
    상기 터어빈은 덮개를 가지며,
    상기 압축공기의 상기 나머지 부분이 희석공기로서 들여보내지기 전에 상기 압축공기의 상기 나머지 부분을 이용하여 상기 연소챔버 라이너와 상기 터어빈 덮개를 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 압축공기의 처음 일부분이 공기밸브를 포함하는 수단에 의하여 직접 제어되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 레이디얼 터어빈에서 나오는 뜨거운 팽창연소가스를 이용하여 열회수기에서 상기 압축기수단에서 나오는 압축공기를 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 예비혼합기는 벤츄리와 연료노즐을 포함하며,
    상기 균질하게 혼합하는 단계는 상기 벤츄리의 축을 따라 상기 벤츄리 유입구로부터 이격된 위치에 위치하는 상기 연료 노즐로부터 상기 벤츄리 유입구를 향하여 액체 연료를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 벤츄리는 내부 표면을 가지며,
    상기 벤츄리축에 대하여 반지름방향 및 축방향의 양방향으로 압축공기의 상기 처음 일부분을 향하게 하여 상기 액체 연료의 분무액을 상기 벤츄리 내부 표면으로부터 멀어지도록 편향시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 가스터어빈 엔진의 작동초기에 상기 예비혼합기에서 상기 연료/공기 혼합물을 점화하고, 그 후 상기 점화된 혼합물이 안정된 연소가 일어나는 상기 연소영역으로 흘러들어가는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 터어빈은 덮개를 포함하며,
    상기 압축공기유동의 상기 대체로 나머지 부분은 상기 희석영역으로 들여보내지기 전에 상기 터어빈 덮개를 냉각시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 작동방법.
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