KR100570588B1 - 자동세척오그멘터연료매니폴드 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드는 중공체와, 중공체 내에 배치된 복수의 연료 밸브 및 세척 포트와, 연료를 중공체 내에 선택적으로 유입시키는 장치를 포함한다. 중공체는 전방 표면 및 후방 표면을 구비한다. 연료를 중공체 내에 선택적으로 유입시키는 장치가 오프 위치에 있는 경우, 중공체를 지나 유동하는 코어 가스가 세척 포트 내로 들어가서 중공체 내부의 잔류 연료 및 연료 잔류물을 제거하여, 중공체를 세척한다.

Description

자동 세척 오그멘터 연료 매니폴드{SELF-CLEANING AUGMENTOR FUEL MANIFOLD}
본 발명은 일반적으로는 오그멘트식(augmented) 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 특히 오그멘트식 가스 터빈 엔진 내에 연료를 분배하기 위한 장치에 관한 것이다.
오그멘터(augmentor) 또는 "재연소 장치(afterburners)"는 가스 터빈 엔진의 추력을 증가시키기 위한 공지의 수단이다. 가스 터빈 엔진 내에 추력은 팬 및 압축기 내의 공기를 압축하고, 연소기 내의 공기에 연료를 첨가하고, 그 혼합물을 점화하여, 최종적으로 노즐을 통해 연소 부산물(이하, 코어 가스로 지칭됨)을 통과시킴으로써 발생된다. 연소기와 노즐 사이에 위치된 터빈은 공기에 부가된 에너지의 일부를 추출하여 팬 및 압축기 스테이지에 동력을 부여한다. 오그멘트식 가스 터빈 엔진에 있어서, 추력은 터빈을 빠져나오는 코어 가스에 연료를 첨가하고 그 혼합물을 점화시킴으로써 발생된다. 오그멘터 연료 펌프는 가압 연료를 오그멘터 연료 제어부에 공급하고, 오그멘터 연료 제어부는 그 뒤 연료를 터빈 후미의 코어 가스 유동 경로 내에 위치된 복수의 스프레이 매니폴드(또는 스프레이 바, 노즐 등)에 분배한다. 코어 가스 유동 경로 내의 스프레이 매니폴드의 위치는 균일한 연료의 분배를 조장한다. 기계적 화염 홀더는 스프레이 매니폴드의 하류 측에 위치되어 화염이 발생되고 유지될 수 있는 곳에 저속 웨이크(wakes)를 생성한다.
터빈을 빠져나가는 고온의 코어 가스는 스프레이 매니폴드에 심각한 열적 환경을 제공한다. 오그멘터 요구가 취소된 후 스프레이 매니폴드에 남아있는 연료는 열적으로 저하되고, 고체, 바니시(varnish) 및 검형(gum like) 물질을 포함할 수 있는 바람직하지 않은 잔류물을 남긴다. 고체 잔류물은 종종 '코크(coke)'로 지칭된다. 잔류 침전물은 스프레이 매니폴드 내의 연료 분사 사이트를 막히게 하고/하거나 스프레이 매니폴드와 연료 제어부를 연결하는 라인을 막히게 할 수 있다. 잔류 침전물을 최소화하기 위해, 스프레이 매니폴드는 통상적으로 오그멘테이션 후에 스프레이 매니폴드 및/또는 스프레이 매니폴드와 연료 제어부를 연결하는 라인 내에 남아있는 연료를 덤핑(dumping)하기 위한 드레인을 구비한다. 덤핑된 연료는 코어 가스 유동 내에서 분무되어(atomize) 배기 가스와 함께 비연소되어 엔진을 빠져나간다. 그러나, 일부 예에 있어서, 덤핑 후에도 연료 잔류물이 스프레이 링 내에 남는다. 고정 잔류 연료는 특히 잔류물을 형성할 수 있다.
따라서, 스프레이 매니폴드 내의 잔류 침전물을 최소화하며 형성된 잔류 침전물을 세척하는 오그멘터 내의 연료 분배 장치가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료 스프레이 매니폴드 내의 잔류 침전물을 최소화하는 오그멘터 내의 연료 분배 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 자동 세척하는 오그멘터 내의 연료 분배 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드는 중공체와, 중공체 내에 배치된 복수의 연료 밸브 및 세척 포트와, 중공체 내로 연료를 선택적으로 유입시키는 수단을 포함한다. 중공체는 전방 표면과 후방 표면을 갖는다. 중공체 내에 연료를 선택적으로 분배하는 수단이 오프 위치에 있는 경우, 중공체를 지나 유동하는 코어 가스가 세척 포트 내로 들어가서 중공체 내부를 세척한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 출구 포트가 중공체 내에 배치된다. 세척 포트 내로 유입되는 코어 가스 유동은 출구 포트를 통해 중공체를 빠져나간다.
본 발명의 장점은 연료 스프레이 매니폴드 내의 잔류 침전물이 최소화되거나 또는 제거되는 것이다. 고온 코어 가스(538℃(1000℉)이상)가 각 매니폴드 내로 들어가서 매니폴드 내의 잔류 침전물을 산화시킨다. 산화 부산물은 그 뒤 코어 가스 유동과 함께 방출된다. 따라서 잔류 침전물 및 그에 따른 막힘은 최소화되거나 또는 제거된다.
본 발명의 다른 장점은 연료 매니폴드가 자동 세척된다는 것이다. 많은 종래의 오그멘터 연료 매니폴드는 잔류 침전물을 세척하기 위해서 엔진으로부터 제거되어야만 한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 연료 매니폴드는 고온의 코어 가스에 노출될 때 잔류 침전물을 자동적으로 세척하여, 매니폴드의 내구성을 증가시키고 오그멘터와 관련된 유지 비용을 감소시킨다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점이 첨부된 도면에 도시된 양호한 실시예에 대한 상세한 설명의 견지에서 보다 명백하게 될 것이다.
도1을 참조하면, 가스 터빈 엔진(10)은 팬(12), 저압 압축기(14), 고압 압축기(16), 연소기(18), 저압 터빈(20), 고압 터빈(22), 오그멘터(24) 및 노즐(26)을 포함한다. 팬(12)은 노즐(26)의 전방에 있고 노즐(26)은 팬(12)의 후방에 있다. 팬(12)과 저압 압축기(14)는 서로 연결되며 저압 터빈(20)에 의해 구동된다. 고압 압축기(16)는 고압 터빈(22)에 의해 구동된다. 팬(12)에 의해 작동되는 공기는 '코어 가스'로서 저압 압축기(14)로 유입되거나, '통과 공기(bypass air)'로서 엔진 코어 외측의 통로(28)로 유입된다.
도2 내지 도4를 참조하면, 오그멘터(24)는 오그멘터 연료 펌프(30), 오그멘터 연료 제어부(32), 연료 분배 수단(34) 및 화염 홀더(36)를 포함한다. 오그멘터 연료 펌프(30) 및 제어부(32)는 오그멘터(24)에 인접하는 (도시되지 않은) 엔진(10)의 외측 표면에 부착된다. 연료 분배 수단(34)은 코어 가스 유동 경로 내에 배치된 복수의 링형 중공 연료 매니폴드(38)를 포함한다. 본 기술 분야의 숙련자는 링형 매니폴드(38)의 대안으로서 (도시되지 않은) 스프레이 바 등이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 각 링형 매니폴드(38)(도3)는 전방 표면(40), 후방 표면(42), 복수의 연료 밸브(44) 및 세척 포트(46)를 포함한다. 밸브(44)는, 바람직하게는 가변 오리피스형 밸브는 균일한 연료 분배를 제공하도록 원주방향으로 이격되어 있다. 세척 포트(46)는 상대적으로 고압인 코어 가스의 영역(52) 내에 원주방향으로 위치된다. 또한, 다른 실시예에 있어서, 각 매니폴드(38)는 상대적으로 저압인 코어 가스의 영역(48) 내에 원주방향으로 위치된 출구 포트를 더 포함한다. 고압 영역(52)의 코어 가스 압력은 매니폴드(38)에 인접한 평균 코어 가스 압력보다 크다. 저압 영역(48)의 코어 가스 압력은 매니폴드(38)에 인접한 평균 코어 가스 압력보다 작다. 화염 홀더(36)(도2)는 연료 매니폴드(38)의 코어 가스 유동 경로 하류 측에 배치된 공기역학적 블러프 몸체(aerodynamic bluff body)이다. 점화 수단(39)은 통상적으로 화염 홀더(36)의 후미 측에 인접하게 위치된다. 공급 라인(56)(도4)은 오그멘터 연료 펌프(30)를 연료 제어부(32)에 연결하며, 연료 제어부(32)를 링형 매니폴드(38)에 연결한다. 복귀 라인(57)은 매니폴드와 오그멘터 연료 제어부(32) 사이에서 연장한다. 드레인 라인(58)은 오그멘터 연료 제어부(32)로부터 매니폴드(38)에 인접한 코어 가스 유동 경로 안으로 연장하며, 상대적으로 저압인 코어 가스의 영역(48)에서 종단되는 것이 바람직하다. 도4는 설명을 위해 공급 및 복귀 라인(56, 57)을 도시한다. 실제 라인은 적용에 따를 것이다.
장치의 작동에 있어서, 오그멘터 연료 펌프(30)는 오그멘터 연료 제어부(32)에 가압 연료를 선택적으로 제공하고, 연료 제어부(32)는 가압 연료를 링형 매니폴드(38)에 분배한다. 그 후, 연료는 매니폴드(38)를 충전 및 가압하고, 연료 밸브(44)를 통해 코어 가스 내로 방출된다. 코어 가스와 연료의 혼합물은 점화되고 연소는 연료 공급이 종료될 때까지 유지된다. 오그멘테이션 하에서의 매니폴드(38) 내의 연료 압력은 연료 매니폴드(38)에 인접한 코어 가스 압력보다 매우 크다.
오그멘터 요구가 종료되면[즉, 연료 펌프(30)가 오프 위치로 절환되면], 매니폴드(38)로의 연료 유동이 중단되고, 그 후 연료 밸브(44)는 즉시 또는 곧바로 폐쇄된다. 이 때, 오그멘터 연료 제어부(32)와, 공급 및 복귀 라인(56, 57)과, 매니폴드(38)는 오그멘터 연료 펌프(30)에 의해 설정된 압력 또는 그에 가까운 압력의 연료로 충전된다. 대략 동시에, 오그멘터 연료 제어부(32) 내에 배치된 (도시되지 않은) 드레인 밸브가 개방되고 가압 연료가 복귀 라인(57) 및 드레인 라인(58)을 통해 연료 제어부(32), 공급 라인(56) 및 매니폴드(38)를 빠져나가도록 한다. 매니폴드(38)로부터 연료를 유동시키는 압력차는 연료가 방출됨에 따라 소산된다. 내부 매니폴드(38) 압력이 충분히 강하되면, 고온의 코어 가스는 각 매니폴드(38)의 세척 포트(46)로 유입되기 시작하며, 이에 따라 매니폴드(38) 내의 온도 및 압력을 증가시킨다. 이러한 압력 증가는 매니폴드(38) 및 라인(56, 57)으로부터, 최종적으로는 드레인 라인(58)으로부터 잔류 연료를 제거하는 것을 돕는다. 매니폴드로부터의 연료 제거는 열적으로 저하되고 잔류물로 변할 수도 있는 연료의 양을 최소화한다. 온도의 증가는 잔류물이 무엇이든 간에 가스 형태로 산화시키도록 유발하며, 그 뒤 이러한 가스 형태는 연료 밸브(44) 외측으로 흘러나오거나(weep out) 드레인 라인(58)을 통과한다. 또한, 출구 포트(50)를 갖는 실시예에서는, 세척 포트(46)를 거쳐 각각의 매니폴드(38) 내로 유입되는 코어 가스는 출구 포트(50)를 통해 방출될 수 있다. 출구 포트(50)를 상대적으로 저압인 코어 가스의 영역(48)에 위치시키는 것은 세척 공정을 촉진한다. 코어 가스 내의 압력 구배는 적용에 따라 변할 것이며, 실험적으로 결정될 수 있다.
본 발명이 상세한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자들은 청구된 발명의 사상 및 범주로부터 일탈됨 없이 다양한 변경 및 변형이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 세척 포트(46)를 통해 각각의 중공 매니폴드(38) 내로 유입되는 코어 가스가 매니폴드(38) 내의 잔류 연료 및 연료 잔류물을 최소화하거나 또는 제거한다. 따라서, 매니폴드(38)는 자동 세척된다.
도1은 오그멘트식 가스 터빈 엔진의 도식도.
도2는 가스 터빈 엔진 오그멘터의 부분 도식도.
도3은 세척 포트 및 출구 포트를 도시하는 연료 스프레이 매니폴드의 도식적 단면도.
도4는 복수의 연료 매니폴드를 갖는 오그멘터의 도식도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 가스 터빈 엔진 24 : 오그멘터
30 : 오그멘터 연료 펌프 32 : 오그멘터 연료 제어부
34 : 연료 분배 수단 38 : 연료 매니폴드
44 : 연료 밸브 46 : 세척 포트
56 : 공급 라인 57 : 복귀 라인
58 : 드레인 라인

Claims (5)

  1. 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 중공체와,
    상기 중공체 내에 배치된 복수의 연료 밸브와,
    상기 중공체 내에 배치된 세척 포트와,
    상기 중공체 내로 연료를 선택적으로 유입시키는 수단으로서, 오프 위치에 있을 때 연료가 상기 중공체 내에 유입되지 않게 하는 수단을 포함하며,
    연료를 상기 중공체 내에 선택적으로 유입시키는 상기 수단이 상기 오프 위치에 있을 때, 상기 중공체를 지나 유동된 코어 가스가 상기 세척 포트로 유입되고 상기 중공체를 세척하는 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중공체로 유입되는 상기 코어 가스는 상기 연료 밸브를 거쳐 상기 중공체로부터 흘러나오는 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중공체 내에 배치된 출구 포트를 더 포함하는 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 세척 포트는 상기 중공체를 지나 유동하는 코어 가스의 제1 영역과 일치하도록 원주방향으로 위치되며, 상기 코어 가스는 상기 제1 영역에서 제1 압력을 가지며, 상기 출구 포트는 상기 중공체를 지나 유동하는 코어 가스의 제2 영역과 일치하도록 원주방향으로 위치되며, 상기 코어 가스는 상기 제2 영역에서 제2 압력을 가지며,
    상기 제1 압력은 상기 제2 압력보다 큰 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세척 포트는 상기 중공체를 지나 유동하는 코어 가스의 영역과 일치하도록 원주방향으로 위치되며, 중공체를 지나 유동하는 코어 가스는 코어 가스의 평균 압력보다 큰 압력을 갖는 가스 터빈 오그멘터 연료 매니폴드.
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