KR100766143B1 - 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버(112) 및 연소 챔버(111)의 향상된 복합체(110)로서, 상기 연소 챔버(111)는 근접하여 메인 중앙 화염이 연소하는 절두 원추형 단부(111a)를 구비하고 냉각 공기(120)를 위한 캐비티(115)에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 캐비티(115)는 연소 공기(120a)를 상기 예비 혼합 챔버(112)에 수송하고, 상기 예비 혼합 챔버(112)는 그 입구에 사용되는 연료량에 따라 수축될 수 있는 개구 또는 포트(126)를 구비하고, 그 출구에 상기 연소 챔버(111)를 향해 배향되어 부가적인 화염의 대응하는 세트를 형성하는 원주방향 버너(134) 세트를 구비하며, 가스 연료 공급 수단(125) 및 액체 연료 분사 장치(119)가 상기 예비 혼합 챔버(112)에 제공되고, 일 세트의 액체 연료 분사기(140)가 상기 연소 챔버(111)의 절두 원추형 단부(111a)상에 존재하는, 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체가 제공된다.

Description

예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체{IMPROVED COMBINATION OF A PREMIXING CHAMBER AND A COMBUSTION CHAMBER, WITH LOW EMISSION OF POLLUTANTS, FOR GAS TURBINES RUNNING ON LIQUID AND/OR GAS FUEL}
도 1은 종래 기술에 따른 가스 연료로 작동하는 가스 터빈용 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체의 종방향 부분 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체의 종단면도,
도 3은 도 2의 종단면도의 상세 확대도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 복합체 111 : 연소 챔버
112 : 예비 혼합 챔버 111a : 절두 원추형 단부
115 : 캐비티 119 : 액체 연료 분사 장치
120 : 냉각 공기 120a : 연소 공기
125 : 가스 연료 공급 수단 126 : 개구 또는 포트
134 : 버너 140 : 액체 연료 분사기
본 발명은 오염물질을 적게 방출하고 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈용 예비 혼합 챔버와 연소 챔버의 향상된 복합체에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 가스 터빈은 하나 또는 그 이상의 스테이지를 구비하는 압축기 또는 터빈으로 구성된 기계이며, 이러한 구성요소는 회전 샤프트에 의해 상호 연결되어 있고, 연소 챔버는 압축기와 터빈 사이에 제공된다.
외부 환경으로부터의 공기는 가압을 위해 압축기에 공급된다.
가압된 공기는 수렴부(converging portion)에서 종료되는 덕트를 통과하며, 일 세트의 분사기가 상기 수렴부 내로 연료를 공급하고 공기와 혼합되어 연소를 위한 연료 공기 혼합을 형성한다.
가스의 온도와 엔탈피를 증가시키도록 설계된 연소 공정을 위해 요구되는 연료는 가압식 네트워크로부터 공급되고 하나 또는 그 이상의 분사기에 의해 복합 챔버내로 분사된다.
또한, 혼합 덕트에 근접하여 추진 화염을 발생시키기 위한 평행한 연료 공급 시스템이 화염의 안정 특성을 향상시키기 위해 일반적으로 제공된다.
마지막으로, 고온 고압 가스는 적합한 덕트를 통과하여 터빈의 다양한 스테이지에 도달하고, 가스의 엔탈피는 사용자에게 유용한 기계적 에너지로 전환된다.
가스 터빈용 연소 챔버의 설계에서 우선적으로 고려해야 할 것은 안정성 및 과잉 공기의 제어이며, 연소를 위한 이상적인 조건의 형성 및 오염물 배출의 최소화를 목적으로 한다는 것은 잘 공지되어 있다.
가스 터빈의 연소 챔버의 설계에 영향을 미치는 2차적인 요소는 연소 챔버의 돔에 가능한 인접하여 연소를 발생시키는 경향이다.
특히, 종래 기술은 예비 혼합형, 즉 예비 혼합 챔버가 사용된 것으로서, 연소 챔버로부터 상류에 위치하고 수축부에 의해 연소 챔버로부터 분리된 예비 혼합형의 복합체를 제공한다.
이러한 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버 양자는 이러한 연소 챔버를 빠져나온 연소 생성물의 흐름에 대향하는 방향으로 순환하는 가압된 공기를 포함하는 캐비티에 의해 둘러싸여 있다.
이러한 공기는 예비 혼합 챔버내에서 연료와 혼합될 연소 공기로서 그리고 연소 챔버와 연소 생성물 양자를 냉각시키기 위한 공기로서 사용된다.
또한, 상술한 복합체에서, 예비 혼합 챔버의 외부 표면에 제공된 개구를 통해 캐비티로부터 예비 혼합 챔버로의 연소 공기의 유동은 터빈의 모든 부하 수준에서 낮은 산화 질소 오염물질의 방출을 유지하기 위해 수축될 수 있다.
수축은 사용된 연료량의 함수로서 적용되며, 연소 공기와 연료 상수 사이의 비율은 최적값에서 유지된다.
화염이 임의의 경우에서 소화되거나 불안정하게 되지 않도록 하기 위해서, 환형의 일 세트의 홀이 연료의 부가적인 분사를 위해 제공되고, 따라서 수축부의 바로 하류인 연소 영역은 연료가 풍부해진다.
종래 기술에 있어서, 하나 또는 그 이상의 분사기가 사용되어 액체 연료가 변형된 가스 연료로서 또는 보충하는 방식으로 사용될 수 있으며, 이러한 분사기는 연료 공기 혼합의 결핍 원인이 되는 화염 확산을 발생시켜 높은 농도의 오염물질 방출을 야기한다.
현재에는, 가스 및/또는 액체 연료에서 동일하게 잘 작동하는 가스 터빈에 대한 시장의 수요가 증가하고 있다.
오염물질 방출 최소화의 주요 목적에 대한 편견을 주지 않으면서, 만족스러운 연소를 위한 다른 요구를 충족시키기도 하는 이러한 유연성이 제공되어야만 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 단점을 극복하는 것이며, 특히 오염물질의 낮은 방출을 보장하는 액체 및/또는 기체 연료에서 작동하는 가스 터빈을 위한 예비 혼합 챔버와 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 양호한 화염 안전성을 제공하고 연소 챔버내에서의 압력 변동을 감소시키는 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 연소 효율을 제공하는 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은 고온에 노출되는 구성요소의 평균 수명을 증가시킬 수 있는 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 부가적인 목적은 특히 신뢰할 수 있고, 단순하고 기능적이며, 그 제작 및 보수 비용이 비교적 낮은 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 목적은 청구항 1에 개시된 바와 같은 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공함으로써 달성된다.
다른 특징은 청구항 1에 이어서 청구범위에 개시되어 있다.
유리하게, 본 발명에 따른 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체가 이미 설치된 종래 기술에 따른 연소 챔버와 적절히 용이하게 교체 가능하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체의 특성 및 장점은 본원에 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 방법으로 제한적이지 않게 다음의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 가스로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버(12)와 연소 챔버(11)의 복합체(10)가 도시되어 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 연소 챔버(11)는 그 바로 하류에 실질적인 연소 영역(14), 즉 챔버(11)의 주요 화염 영역이 있는 수축부(13)에 의해 예비 혼합 챔버(12)에 연결된 절두 원추형 단부(11a)를 구비한다.
또한, 전체 조립체는 도면에 도시되지 않은 축방향 압축기에 의해 가압되고, 화살표(16) 방향, 즉 연소 챔버(11)를 빠져나온 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 순환하는 냉각 공기(20)를 위한 캐비티(15)에 의해 둘러싸인다.
또한, 예비 혼합 챔버(12)에는 덕트(24) 및 반경방향 관통 튜브(25) 세트에 의해 연료 가스가 제공되며, 연소 공기(20a)는 예비 혼합 챔버(12)의 케이싱(27)에 제공된 일 세트의 개구(26)를 통해 캐비티(15)로부터 예비 혼합 챔버(12)로 수송된다.
이러한 개구(26)는 케이싱(27)상에서 회전 가능한 드럼내의 대응 개구와 상호 작용한다. 드럼(도시되지 않음)은 사용된 연료량에 대응하는 개구(26)의 면적을 감소시키는 방식으로 회전된다.
베인(33)은 또한 예비 혼합 챔버(12)에 그리고 수축부(13)에 근접하여 제공되어, 상기 베인(33)을 통과하는 유동이 특정 방향으로 이동하도록 보장함으로써 메인 화염의 안전성을 증진시킨다.
최종적으로, 원주방향의 평행한 버너(34) 세트는 수축부(13)의 바로 하류인 연소 영역(14)에 중앙 메인 화염과 동심을 이루는 대응하는 환상의 부가적인 화염 세트를 형성하도록 수축부(13)의 외측에 끼워맞춤된다.
버너(34)에는 환형 챔버(35) 및 덕트(36)를 통과하는 부가적인 연료와 그리고 또한 연소 공기가 제공된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버(112) 및 연소 챔버(111)의 향상된 복합체[전체적으로 참조부호(110)로 표시]를 도시하며, 도 1에 도시된 것과 동일한 및/또는 동등한 구성요소는 100만큼 증가된 동일한 참조부호를 갖는 종래 기술을 참조한다.
도시된 예에 있어서, 연소 챔버(111)는 예비 혼합 챔버(112)에 연결된 절두 원추형 단부(111a)를 구비한다.
이러한 예비 혼합 챔버(112)는 연소 챔버(111)를 향해 좁은 폭을 갖는 원통형 또는 절두 원추형으로 약간 테이퍼진 중앙 구조체(118)를 포함하며, 이러한 구조체는 연소 챔버(111)와 동축을 갖고 내부에 예를 들어 환형 구조체의 형태로 축방향으로 위치 결정된 액체 연료 분사 장치(119)를 구비한다.
중앙 구조체(118)는 연소 챔버(111)의 절두 원추형 단부(111a)로의 연결된 하류이며, 동시에 예비 혼합 챔버(112)의 축에 실질적으로 수직하게 그리고 따라서 중앙 구조체를 둘러싸는 환상 챔버(137)에 대해 반경방향으로 연장하는 연결부(138)에 의해 상류에 결합된다.
환형 챔버(137)의 단부는 환형 챔버(137)가 연결부(138)에 결합된 것에 대향하여, 예를 들어 축방향 연장부를 구비하는 직사각형의 원주방향 개구 또는 포트(126) 세트를 구비하며, 12개의 개구가 존재하고 외주부 둘레에 동일 간격으로 이격되어 있다.
이러한 개구(126)는 개구(126)가 위치된 환형 챔버(137)의 부분상에서 회전 가능한 드럼(139)의 대응 개구와 상호 작용한다.
연소 챔버(111)는 축방향 압축기(도시되지 않음)에 의해 가압되고 화살표(116)방향, 즉 연소 챔버(111)를 빠져나온 연소 생성물의 유동에 대해 대향하는 방향으로 순환하는 냉각 공기(120)용 캐비티(115)에 의해 둘러싸인다.
연소 공기(120a)는 캐비티(115)로부터 환형 챔버(137)의 개구(126)로 수송된다.
또한, 예비 혼합 챔버(112)에는, 예컨대 예비 혼합 챔버(112)의 축에 평행한 축을 구비하고 연결부(138)에 위치되는 측방향으로 관통된 튜브(125)와 같은 원주방향의 공급 수단 세트를 통해 가스 연료가 공급된다.
예비 혼합 챔버(112)의 중앙 구조체(118)로부터의 하류에는 축이 예비 혼합 챔버(112)의 축과 평행하고 연소 챔버(111)를 향해 배향되는 상태로, 원주방향의 버너(134) 세트가 끼워 맞춤된다.
버너(134)에는 환형 챔버(135)와 덕트(136)를 통해 부가적인 가스가 공급된 다.
최종적으로, 예를 들어 4개의 외주부 둘레에 동일한 간격으로 이격된 그리고 추가적인 액체 연료가 공급되는 일 세트의 분사기(140)가 절두 원추형 단부(111a)상에 제공되고 연소 챔버(111)의 내부를 향해 배향된다.
본 발명에 따른 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버(112) 및 연소 챔버(111)의 향상된 복합체(110)는 도면을 참조로 하여 전술된 것으로부터 명확하며 다음과 같이 간결해진다.
냉각 공기(120)는 축방향 압축기(도시되지 않음)에 의해 가압되며, 연소 챔버(111)를 냉각한다.
냉각 공기(120)가 연소 챔버(111)를 냉각함에 따라서, 공기(120)는 가압되고 개구(126)를 통해 예비 혼합 챔버(112)의 환형 챔버(137)로 진입함으로써 연소 공기(120a)로서 작용한다.
그 후, 드럼(139)은 사용된 연료량에 따라 개구(126)의 면적을 감소시키도록 회전된다.
연결부(138)를 통과하는 동안에 이러한 공기(120a)에 가스 연료가 부가된다.
분사 장치(119)가 액체 연료를 공급함으로써 중앙 주요 연소 화염을 형성한다.
원주방향의 버너(134) 세트는 절두 원추형 단부(111a)로부터 바로 하류인 연소 챔버(111)내에서 중앙 주요 화염과 동심을 이루는 대응하는 환형의 부가적인 파일럿 화염(pilot flame) 세트를 형성한다.
최종적으로, 상기 분사기(140) 세트는 연소 공정을 더 안정화시키기 위한 목적에 의해서 부가적인 액체 연료를 공급한다.
전술한 설명은 본 발명의 목적인 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체의 특성을 명확하게 나타내고, 대응하는 장점으로서, 가스 연료 및 액체 연료 양자에 의한 오염물질의 감소된 방출 수준과, 연소 챔버내의 감소된 압력 변동 및 양호한 화염 안정성과, 높은 연소 효율과, 고온에 노출된 구성요소의 증가된 평균 수명과, 단순하고 신뢰성 있는 작동과, 종래 기술에 비해 상대적으로 낮은 제조 및 보수 비용과, 종래 기술에서 공지된 연소 챔버와의 양호한 교환성으로 인해 이미 설치되고 수리될 가스 터빈에 적절하고 용이하게 적용 가능한 상기 교환성을 포함하는 대응하는 장점을 또한 명확하게 한다.
최종적으로, 이러한 방식으로 설계된 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체는 본 발명의 범위내에서 수많은 방법으로 변경 및 변화될 수 있다는 것은 명확하다.
부가적으로, 모든 구성요소는 기술적으로 동등한 요소로 교체될 수 있다.
실질적으로, 사용된 재료 뿐만 아니라 형상 및 치수가 기술적 요구에 따라 변화될 수 있다.
따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 제한된다.
본 발명에 따르면, 액체 및/또는 가스 연료로 작동하며, 양호한 화염 안전성을 제공하고 연소 챔버내에서의 압력 변동을 감소시키는, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 향상된 복합체를 제공하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 액체 및/또는 가스 연료로 작동하는 가스 터빈을 위한, 오염물질을 적게 방출하는 예비 혼합 챔버(112) 및 연소 챔버(111)의 복합체(110)에 있어서,
    상기 연소 챔버(111)는 메인 중앙 화염이 연소하는 근방에 절두 원추형 단부(111a)를 구비하고 연소 생성물의 흐름에 대해 반대방향으로 순환하는 냉각 공기(120)를 위한 캐비티(115)에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 캐비티(115)는 연소 공기(120a)를 상기 예비 혼합 챔버(112)로 반송하여 상기 예비 혼합 챔버 내에서 상기 연소 공기를 상기 액체 및/또는 가스 연료와 혼합시키며, 상기 예비 혼합 챔버(112)는 개구 또는 포트(126)를 입구에 구비하고, 원주방향 버너(134) 세트를 출구에 구비하며, 상기 개구 또는 포트(126)는 사용되는 연료량에 따라 수축될 수 있고, 상기 원주방향 버너(134) 세트는 상기 연소 챔버(111)를 향해 배향되어 상기 메인 중앙 화염과 동심을 이루는 대응하는 세트의 부가적인 화염을 형성하며,
    가스 연료 공급 수단(125) 및 액체 연료 분사 장치(119)가 상기 예비 혼합 챔버(112)에 제공되고, 일 세트의 액체 연료 분사기(140)가 상기 연소 챔버(111)의 절두 원추형 단부(111a)상에 존재하며, 상기 분사기는 상기 연소 챔버(111)의 내부를 향해 배향되어 있는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 혼합 챔버(112)는 상기 연소 챔버(111)를 향해 좁아지는 원통형이거나 또는 절두 원추형으로 약간 테이퍼진 중앙 구조체(118)를 포함하며, 상기 구조체는 상기 연소 챔버(111)의 축과 일치하는 축을 구비하고, 내부에 축방향으로 위치 결정된 상기 액체 연료 분사 장치(119)를 구비하는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중앙 구조체(118)의 하류측은 상기 연소 챔버(111)의 절두 원추형 단부(111a)에 연결되고, 상류측은 상기 예비 혼합 챔버(112)의 축에 실질적으로 수직하게 그리고 따라서 상기 중앙 구조체(118)를 둘러싸는 환형 챔버(137)에 반경방향으로 연장하는 연결부(138)에 의해 연결되는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공급 수단은 상기 예비 혼합 챔버(112)의 축과 평행한 축을 갖고 상기 연결부(138)에 위치한 측방향으로 관통된 튜브(125)를 포함하는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너(134)는 상기 예비 혼합 챔버(112)의 축에 평행한 축을 구비하는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너(134)에는 환상 챔버(135) 및 덕트(136)를 통해 부가적인 가스 연료가 공급되고, 또한 연소 공기가 공급되는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 연료 분사기(140)의 개수는 4개이고, 상기 액체 연료 분사기는 원주 둘레에 동일한 간격으로 위치 결정되는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 원주방향의 개구(126) 세트는 상기 환형 챔버(137)에 있어서 상기 환형 챔버(137)와 상기 연결부(138)간의 접속부에 대향하는 단부에 형성되는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개구는 직사각형이고, 상기 예비 혼합 챔버(112)의 축을 따라 연장하며 원주 둘레에 동일한 간격으로 이격되고, 상기 개구의 개수는 12개인
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 개구(126)는 상기 예비 혼합 챔버(112)의 상기 개구(126)가 위치되어 있는 상기 환형 챔버(137)의 부분상에서 회전 가능한 드럼(139)의 대응하는 개구와 상호 작용하는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    축방향 압축기에 의해 가압된 상기 냉각 공기(120)가 상기 캐비티(115)를 통해 유동하는
    예비 혼합 챔버 및 연소 챔버의 복합체.
  12. 삭제
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