KR100818820B1

KR100818820B1 - 가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100818820B1
Application number: KR1020030066451A
Authority: KR
Inventors: 한페이; 딩크오스만사임; 모하메드-파키르압둘-아지즈; 김성진
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2008-04-01
Also published as: US20040060298A1; KR20040027401A; JP2004116992A; US6840048B2; CN1320312C; EP1403582A2; CN1497217A

Abstract

통형 연소기(18) 안에서 개별적 연소 가스 스트림(24)이 생성된다. 스트림은 하류 측으로 유동되어 환형 터빈 노즐(26) 안으로 유입된다. 그리고, 원주 방향으로 인접한 연소 가스 스트림의 동적 상호 작용(dynamic interaction)은 노즐과 통 사이에서 축 방향으로 억제된다.

Description

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법 및 장치{DYNAMICALLY UNCOUPLED CAN COMBUSTOR}

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 통형 연소기를 갖는 산업용 발전 가스 터빈 엔진의 개략적 축 방향 단면도,

도 2는 도 1에 도시된 연소기 통중 하나가 하류 측의 환형 터빈 노즐 안으로 연소 가스 스트림을 방출하는 것을 도시하는 개략적 축 방향 단면도,

도 3은 도 1에 도시된 3-3 선을 따라 취한 통형 연소기의 후미를 대면하는 전방의 반경 방향 단면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 1에 도시된 고압 터빈 노즐의 확대된 축 방향 단면도,

도 5는 도 4에 도시된 5-5 선에 따라 취한, 통형 연소기의 출구에서의 터빈 노즐을 도시하는 평 단면도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈 노즐을 도 5와 같이 도시하는 평 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 가스 터빈 엔진 12 : 발전기

14 : 압축기 18 : 연소기

26 : 환형 터빈 노즐 36 : 연소기 통

44 : 전이부 46 : 아치형 출구

48 : 베인 54 : 전연

56 : 후연 58 : 매니폴드

60 : 플리넘 62 : 배플

본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 특히 그 안의 연소기에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진에 있어서는, 공기가 압축기에서 압축되고 연소기에서 연료와 혼합되어 고온의 연소 가스가 생성되는데, 연소 가스는 연소 가스로부터 에너지를 끌어내는 터빈 스테이지를 통과하여 하류 측으로 유동한다. 연소기에 후속되는 고압 터빈이 압축기에 동력을 공급하기 위해 에너지를 끌어낸다. 그리고, 고압 터빈에 후속되는 저압 터빈이 예시적 실시예에서의 발전기와 같은 외부 부하에 동력을 공급하기 위해 추가로 에너지를 끌어낸다.

대형의 산업용 발전 가스 터빈 엔진은 개별적 연소기 통의 열을 갖는 통형 연소기를 포함하는 것이 전형적인데, 각 연소기 통 안에서 개별적으로 생성된 연소 가스는 터빈 로터 블레이드의 제 1 스테이지 안으로 재배향되도록 공통의 고압 터빈 노즐 안에 집합적으로 방출된다. 각 연소기 통은 일반적으로 원통형 형상이며, 유동로를 원 형상으로부터 환형체의 대응하는 아치형 부로 변화시키는 구조의 후미 전이 구역 또는 전이부(transition piece)를 갖는다. 이 방식으로, 통의 열들은 연소 가스를 공통의 터빈 노즐 안에 방출하기 위한 분할된 환형체를 규정하는 공통의 평면에서 원주 방향으로 상호 인접하는 대응하는 아치형 출구를 가진다.

각 연소기 통은 연소 가스가 구속되는 대응하는 연소기 라이너를 가질 수 있으며, 라이너의 상류측 돔 단부에는 다수의 예혼합기(premixer)가 배치되고, 예혼합기 안에서는 연료가 분사되어 공기와 혼합됨으로써 연소용 연료 공기 혼합물을 형성한다. 각 통은 다른 통으로부터 독립적으로 대응하는 연소 가스 스트림을 생성하며, 다수의 스트림은 공통의 터빈 노즐 안에 집합적으로 방출될 것이다.

연소기 성능에 있어서 중요한 설계 대상에는 연소기의 동적 작동(dynamic operation)이 있다. 연소 가스는 각 통에서 대응하는 정압(static pressure)을 가지며, 다른 동적 모드의 응답과 결합되는 동압 응답도 갖는다. 연소기는 소망하지 않는 공명하는 동적 응답을 최소화하도록 설계되는 것이 전형적인데, 공명하는 동적 응답은 연소기의 피로 손상을 유발할 수 있고 연소기 성능에 악영향을 줄 수 있다.

통형 연소기는 각자가 연소 가스 스트림을 생성하는 독립적이고 개별적인 구 성 요소이기 때문에, 통의 정적 작동 및 동적 작동은 연소기의 출구 단부와 공통의 터빈 노즐의 입구 단부에서 서로 관련된다.

전형적으로, 터빈 노즐 베인의 전연은 연소기 통의 출구 단부로부터 후미로 이격되어 공통의 환형체를 제공하는데, 이 환형체 안에서 처음으로 다수의 가스 스트림이 노즐 안에 방출된다. 이런 방식에서는, 통으로부터 통까지의 어떠한 정압의 차이라도 공통의 환형체에 의해 제거 또는 감소될 수 있어 엔진의 성능이 향상된다.

그러나, 공통의 환형체는 인접한 통과 통 사이의 동적 상호 작용에 적합한 구조여서, 소망하지 않는 모드의 공명을 유발할 수 있다. 좀더 구체적으로, 통형 연소기에 있어서는 2개의 구별되는 타입의 연소 동적 모드가 공지되어 있다. 동적 응답의 푸시-풀 모드에서는 인접한 통에서의 동압이 위상 어긋남(out-of-phase)일 수 있으며, 동적 응답의 푸시-푸시 모드에서는 동압이 동일한 위상을 가지고 있을 수 있다. 이 동적 모드는 특정 주파수에서 발생하는데, 공명 모드의 경우는 동압 진폭이 상승되고, 비공명 모드의 경우는 압력 진폭 또는 영향이 거의 없거나 전혀 없다.

일반적으로, 동적 응답의 푸시-풀 모드는 보다 높은 압력 진폭을 생성하고, 따라서 연소기의 역특성 및 피로 손상을 초래할 수 있다. 대응하여, 동적 응답의 푸시-푸시 모드는 통과 통 사이의 상호 작용을 거의 갖지 않아, 피로 손상을 조장하지도 연소기 성능에 악영향을 끼치지도 않는다.

따라서, 동적 응답의 푸시-풀 모드가 감소 또는 제거되어 연소기 성능이 개선되고 대응하여 피로 손상이 감소된 개선된 통형 연소기를 제공하는 것이 소망된다.

상기 통형 연소기 안에서는 개별적 연소 가스 스트림이 생성된다. 스트림은 하류 측으로 유동되어 환형 터빈 노즐 안에 유입된다. 그리고, 원주 방향으로 인접한 연소 가스 스트림의 동적 상호 작용은 노즐과 통 사이에서 축 방향으로 억제된다

바람직한 예시적 실시예에 따라, 첨부 도면과 관련된 하기의 상세한 설명에서 기타 목적 및 장점과 함께 본 발명이 좀더 구체적으로 설명된다.

도 1에 개략적으로 도시된 것은 예시적 실시예에 있어 발전기(12)를 구동시키도록 형성된 산업용 발전 가스 터빈 엔진(10)이다. 엔진은 공기(16)를 압축하기 위한 구조를 갖는 다중 스테이지 축 방향 압축기(14)를 포함한다.

압축기로부터 하류 측에 배치된 것은 압축기로부터 압축된 공기를 적절히 공급받는 환형의 통형 연소기(18)이다. 대응하는 연료 분사기를 포함하는 종래의 수단(20)이 천연 가스와 같은 연료(22)를 연소기 안으로 분사하기 위해 제공되는데, 연료(22)는 압축 공기와 혼합되어 연소 가스의 스트림(24)을 생성하도록 연소되며, 연소 가스의 스트림(24)은 연소기로부터 환형의 고압 터빈 노즐(26) 안으로 방출된다.

터빈 노즐은 연소 가스를 하나 또는 그 이상의 스테이지 혹은 열로 배치된 고압 터빈 로터 블레이드(28) 안으로 향하게 하는데, 고압 터빈 로터 블레이드(28)는 그 사이로 연장되는 대응하는 구동 샤프트(30)를 통해 압축기(14)의 로터 블레이드를 회전시키기 위해 연소 가스로부터 에너지를 끌어낸다. 도 1에 도시된 예시적 실시예에서는 대응하는 제 2 및 제 3 스테이지 터빈 노즐과 함께 고압 터빈 안에 3열의 고압 로터 블레이드가 있다.

다중 스테이지 저압 터빈(32)이 고압 터빈으로부터 하류 측에 배치되어 다른 구동 샤프트(34)와 결합되며, 이 구동 샤프트(34)는 이어서 발전기에 결합되어 발전기에 회전력을 제공한다.

그러나, 통형 연소기(18) 및 협동하는 제 1 스테이지 터빈 노즐(26)의 독창적인 구조와 달리, 도 1에 도시된 엔진은 발전기를 구동하기 위한 기능 및 구조에 있어 통상적일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 연소기의 예시적 연소기 통(36)을 축 방향 단면에서 도시한다. 종래의 것인 연소기 통은 환형 연소기 라이너(38)를 포함하는데, 이 환형 연소기 라이너(38)는 예를 들어 5개인 다수의 예혼합기(premixer)(40)가 위치되는 상류측 돔 단부를 갖는다. 각 예혼합기는 대응하는 연료 분사기를 갖는데, 이 연료 분사기는 예를 들어 천연 가스를 예혼합기 안에 분사하여 압축 공기(16) 일부와 혼합시키기 위한 것이다. 이 혼합물은 연소기 라이너 내부에서 연소 가스 스트림(24)을 생성하도록 적절히 연소된다.

연소기 라이너를 둘러싸는 것은 라이너 둘레에 환형 매니폴드를 규정하는 환형 슈라우드 또는 케이싱(42)인데, 라이너 자체의 냉각 및 예혼합기에 대한 공기 공급을 위해 압축 공기(16)가 통상적인 방식으로 이를 관통해 흐른다.

도 1에 도시된 전체 연소기(18)는 환형이고, 일반적으로 엔진의 길이 방향 또는 축 방향 중심선 축을 따라 대칭적이며, 도 2에서 축 방향 단면에 도시되고 도 3에서 후미에서 바라본 전방에 도시된 것과 실질적으로 동일한 연소기 통(36)의 열을 포함한다. 각 연소기 라이너(38)는 일반적으로 원통 형상이거나 반경 방향 단면에서 원형 형상이기 때문에, 각 연소기 통(36)은, 도 3에 가장 잘 도시된, 대응하는 아치형 출구(46)에서 종결하는 일체적인 전이부(transition piece)(44)를 더 포함한다. 대응하는 연소기 통으로부터의 전이부 출구(46)는 연소기의 주변을 따라 서로 인접함으로써, 개별적 연소 가스 스트림(24)을 도 2에 도시된 공통의 제 1 스테이지 터빈 노즐(26) 안으로 집합적으로 방출하기 위한, 분할된 환형체를 규정한다.

통형 연소기(18) 및 그것의 터빈 노즐(26)과의 협동부를 포함하는 전술된 바와 같은 엔진은 구조 및 기능에 있어 통상적이다. 종래 기술 부분에서 언급된 바와 같이, 각 연소기는 자체의 대응하는 정압 및 동압 능력을 갖는 연소 가스의 스트림을 생성할 수 있다. 또한, 다중 연소기 통이 공통의 터빈 노즐(26)에서 서로 인접하기 때문에, 인접한 통의 동적 상호 작용은 전술된 상호 작용의 푸시-푸시(push-push) 및 푸시-풀(push-pull) 동적 모드에 종속된다.

본 발명에 따르면, 도 1에 도시된 엔진은 통형 연소기(18) 안의 인접한 통과 통 사이의 동압 상호 작용을 제거 또는 억제하도록 적절히 변경되는데, 이는 특히 푸시-풀 위상 어긋남(out-of-phase)의 동적 상호 작용 모드를 억제하기 위함이다. 따라서, 연소기 성능이 개선되는 반면, 이에 의한 피로 손상은 제거 또는 감소될 수 있다.

처음에 도 2에서 도시된 바와 같이, 연소기 통의 열에서의 각 통에는 연료(22) 및 압축 공기(16)가 적절히 공급되어 각각의 연소 가스 스트림(24)이 병렬로 생성된다. 다중 스트림은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 공통의 축 방향 평면에 위치된 대응 전이부(44)의 아치형 출구(46)를 통해 방출된다.

몇몇의 스트림(24)은 도 2에 도시된 바와 같이 집합적으로 하류로 유동되어 공통의 환형 터빈 노즐(26) 안으로 유입된다. 터빈 노즐은 일 실시예에서는 구조에 있어 통상적인데, 내측 및 외측 밴드(50, 52) 사이에 반경 방향으로 고정 장착된 다수의 스테이터 베인(48)을 포함한다. 베인의 각각은 이를 통해 냉각 공기가 유동하도록 속이 빈 것이 바람직하며, 상류측 전연(54)과 하류측 후연(56)을 포함하는데, 이 에지들 사이로 베인의 압력 면(pressure side) 및 부압 면(suction side)이 연장된다.

다수의 연소기 통이 각각의 가스 스트림을 공통 터빈 노즐(26) 안에 집합적으로 방출하기 때문에, 원주 방향으로 인접한 스트림의 동적 상호 작용이 다중의 통 및 공통의 단일 노즐(26) 사이에서 축 방향으로 편리하게 억제될 수 있다.

연료와 공기의 혼합물의 연소에 의해, 대응하는 연소 가스 스트림(24)내에는 스트림에서의 주기적 압력 진동에 의해 대표되는 동압과, 정압의 양자 모두가 생성된다. 주기적 압력 진동은 주파수 특성적이며, 그 크기에 있어서는 비공명 주파수 에 대한 영(zero)으로부터 공명 주파수에 대한 상승된 압력 진폭까지 변화한다.

이하에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같이, 통으로부터 방출되는 스트림의 위상 어긋남의 동적 상호 작용을 억제함으로써 인접한 가스 스트림(24)의 동적 상호 작용이 바람직하게 억제되는데, 이 위상 어긋남의 동적 상호 작용은 푸시-풀 동적 모드에 해당한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스테이터 베인(48)은 바람직하게는 연소기 통(36)으로부터 하류 측으로 이격되어 환형 매니폴드 또는 환형체(58)를 규정하는데, 이것은 전이부 출구(46)와 베인 전연(54) 사이에 축 방향으로 배치된다. 매니폴드는 엔진의 중심선 축 둘레에서 원주 방향으로 연속적이며, 공통의 환형체를 제공하는데, 이 환형체 안으로 모든 연소기 통으로부터의 모든 연소 가스 스트림(24)이 집합적으로 방출될 수 있다.

공통의 매니폴드 안에서의 다중 스트림 방출은 엔진 성능을 개선하기 위해 인접한 통과 통 사이에서 정압의 균형을 맞추는 데 효과적이다. 그러나, 공통의 매니폴드(58) 역시 연소기 통들 사이의 동적 상호 작용을 유발하는 구조를 제공한다.

통형 연소기에서의 이러한 동적 상호 작용은 본 발명의 일 실시예에 따라 연소기 통(36)을 홀수 개로 하여 연소기를 작동시키는 것에 의해 제거 또는 억제될 수 있다.

예를 들어, 본 출원인에 의해 제조된 발전 가스 터빈 엔진은 엔진 모델에 따라 6 개, 14 개 및 18 개와 같이 연소기 통의 총 개수를 짝수 개로 하는 통형 연소기를 포함한다. 짝수 개의 연소기 통은 연소기 성능의 원주 대칭을 유지하기 위해 종래부터 사용되어 왔다.

연소기 통의 총 개수를 짝수 개로 하여 엔진에 사용하는 대신, 통과 통 사이의 동적 모드 상호 작용을 억제하기 위해 통의 총 개수를 홀수로 하여 사용할 수 있다. 홀수 개로 사용할 때의 통의 개수는 대응하는 짝수 개의 통의 총 개수와 비교하여 단지 1개만 작거나 클 것이다. 바꿔 말하면, 비교의 목적으로 한 모델에서는 13개 또는 15개의 통이, 다른 모델에서는 17개 또는 19개의 통이, 그리고 제 3의 모델에서는 5개 또는 7개의 통이 사용될 수 있다.

통과 통 사이의 동적 모드 상호 작용의 억제를 입증하고자, 종래의 짝수 개의 통과 대조적으로 홀수 개의 통을 간편하게 사용하는 것이 분석되어 왔다. 동적 상호 작용의 소망하지 않는 푸시-풀 모드는 모든 2개의 인접한 통과 통 사이에서 교호하는 양과 음의 위상 관계로서 특징지을 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 동적 모드는 사인 곡선의 파형의 대응하는 주기적 압력 진동을 갖는 주파수 특성적이다. 파형의 고점(peak)은 양 또는 플러스(+) 값으로 간주되며, 저점(trough) 또는 골(valley)은 대응하는 마이너스(-) 값으로 간주된다.

인접하는 연소기 통이 푸시-풀 모드에서 동적으로 상호 작용할 때, 하나의 통에서의 플러스 값은 인접한 통에서의 마이너스 값과 동일 주파수에서 위상이 같다.

통상의 짝수 통형 연소기에 대한 실험에 의한 테스트 데이터를 통해, 동적 상호 작용이 제 1 주파수 근처에서는 푸시-풀 모드이고, 상호 작용의 후속 공명 모 드가 보다 높은 제 2 주파수에서는 푸시-푸시 모드임을 알 수 있다. 압력 진동의 진폭은 주파수 모드의 증가에 따라 실질적으로 감소한다.

짝수 통형 연소기의 분석적 시뮬레이션을 통해, 동적 상호 작용의 2개의 예시적 모드가 예측된다. 그리고, 대응하는 홀수식 통형 연소기의 분석적 시뮬레이션을 통해, 제 1 주파수에서의 상호 작용의 푸시-풀 모드가 실질적으로는 제거되도록 억제됨이 확인된다.

푸시-풀 동적 상호 작용에는 통으로부터 통까지의 위상 어긋남의 일치(out of phase correspondence)가 필요하기 때문에, 위상 어긋남의 상호 작용의 연속성을 방지하도록 통형 연소기의 형상을 변경함으로써 푸시-풀 동적 상호 작용 모드가 제거 또는 억제될 수 있다.

분석에 의하면, 위상 어긋남의 상호 작용에는 연소기의 주변을 따라 교호하는 양과 음의 위상 관계가 필요하고, 이것은 짝수 개 연소기 통의 사용에 의해 구조적으로 허용된다. 연소기 통의 개수를 가장 가까운 홀수로 간편하게 변경함으로써, 통과 통 사이에서 교호하는 양과 음의 위상 상호 작용의 원주 방향 연속성을 제거할 수 있다. 홀수 개의 통의 경우, 2개의 인접한 통은 나머지 다른 통들 사이에서의 기하학적 교호 위상에도 불구하고 반드시 위상이 같아야 한다. 교호하는 위상의 원주 방향 연속성을 중단시킴으로써, 분석 데이터에 의해 입증된 바와 같이 동적 상호 작용의 푸시-풀 모드가 효과적으로 억제 또는 제거될 수 있다.

도 3은 홀수 연소기 통의 사용을 제외한다면 통상적일, 도 1에 도시된 통형 연소기의 일 실시예를 도시하는데, 15개의 통이 도시되어 있다. 도 2는, 전체 연 소기 안에 총 5, 7, 13, 15, 17 또는 19 개의 통이 있도록 통을 하나 많거나 하나 적게 갖는, 종래의 6개식, 14개식 및 18개식 통형 연소기의 홀수식 통형 연소기 변형예의 대안적 구조를 개략적으로 도시한다.

주어진 가스 터빈 엔진 크기에 대해 연소기 통의 개수를 감소시키려면 동일한 양의 일을 산출하기 위해 상응하도록 통의 크기를 증가시켜야 할 것이다. 그리고, 통의 개수를 증가시키려면 엔진으로부터 동일한 일을 산출하기 위해 상응하도록 통의 크기를 감소시켜야 할 것이다.

앞서 언급된 바와 같이, 홀수식 통형 연소기는 도 2에 도시된 통상의 제 1 스테이지 터빈 노즐(26)과 협동할 수 있는데, 제 1 스테이지 터빈 노즐(26)에서는 다수의 연소 가스 스트림이 공통의 환형 매니폴드(58) 안으로 집합적으로 방출된다. 공통의 매니폴드는 다중의 통들 사이에서 정압 균형을 보장하는데, 이때 푸시-풀 모드의 동적 상호 작용은 홀수 개의 연소기 통에 의해 억제된다. 홀수 개의 통은 따라서 효과적으로 상호간의 동적 결합이 해제되어, 작용의 푸시-풀 모드를 엔진 디자인에 대한 최소의 변경만으로 억제시킨다.

도 4는 연소기 통의 푸시-풀 동적 상호 작용을 억제하기 위한 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 연소기 통의 개수는 디자인 변경이 필요 없도록 종래의 실시에서처럼 짝수일 수 있다. 인접한 연소 가스 스트림(24)의 원주 방향 직교류(crossflow)를 노즐 베인(48)과 통 사이에서 적절히 차단함으로써, 짝수 개의 통의 동적 상호 작용이 억제된다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 베인(48)은 원주 방향으로 연장되는 플리넘(plenum)(60)을 규정하도록 통의 출구 단부로부터 하류 측으로 이격된다. 도 4에 도시된 터빈 노즐은 참조 부호(26B)로 지정되는데, 도 2에 도시된 실질적으로 동일한 터빈 노즐(26)의 변형예이다.

도 4 및 도 5에 도시된 터빈 노즐의 이 실시예에서, 플리넘(60)은, 인접한 전이부품(44)로부터 베인(48)의 대응하는 전연(54)까지 축 방향을 따라 하류 측으로 연장되는 대응하는 무공의(imperforate) 배플(62)에 의해, 원주 방향으로 분할된다. 배플(62)은 터빈 노즐의 내측 및 외측 밴드(50, 52)와 함께 일체로 형성될 수 있으며, 인접하는 전이부(44) 사이의 원주 방향 연결부에 대응하여 정렬된다. 터빈 노즐이 전형적으로는 전이부의 개수보다 많은 베인을 포함하기 때문에 베인보다는 배플이 더 적게 존재하며, 이때 인접하는 전이부의 출구에서의 연결부에만 배플이 제공되는데, 이는 다른 경우라면 그 사이에서 개방되었을 유동 영역을 실질적으로 차단하고, 인접하는 연소기 통과 연소기 통 사이의 동적 결합 및 원주 방향 직교류를 방지하기 위함이다.

이런 식으로, 연소기 통과 연소기 통 사이의 직교류가 전이부의 출구로부터 베인의 대응하는 전연까지의 분할된 플리넘(60) 안에서 차단될 수 있다.

본 실시예의 추가 분석을 통해서, 통 출구 사이의 원주 방향으로 개방된 영역의 양이 감소됨에 따라 푸시-풀 동적 상호 작용 모드가 억제됨을 알 수 있다. 배플(62)은 인접하는 연소기 통과 연소기 통 사이의, 다른 경우라면 개방될 영역의 일부 또는 실질적으로 전부를 차단하여, 대응하는 베인 사이에 직접적으로 위치된 연소 가스 스트림을 각 연소기 통의 하류 측을 향하게 하는 구조 및 크기를 가질 수 있다.

도 5에 도시된 예시적 실시예에 있어, 배플(62)은 축 방향 및 반경 방향으로 직선형이며, 각 베인의 대응하는 전연과 접한다. 베인이 일반적으로 오목한 압력 면 및 일반적으로 볼록한 부압 면을 포함하는 공기 역학적 프로파일을 갖는 반면에, 배플(62)은 통 출구 사이의 개방 영역을 차단하기 위해 단순히 직선형일 수 있다.

도 6은 참조 부호(62B)로 지정되는 배플의 대안적인 실시예를 도시하는데, 이 배플(62B)은 축 방향으로 아치형이며 반경 방향으로 직선형이다. 본 실시예에서, 아치형 배플(62B)은, 대응하는 베인의 전연의 바로 후미에서의 오목 면에 적절히 조화되는 오목 면과, 대응하는 베인의 볼록 면에 전반적으로 조화되는 볼록 면을 갖는다.

배플(62, 62B)의 구조 또는 형상은, 터빈 노즐의 유체 역학적 성능을 최대화하면서, 통 출구 사이의 직교류 개방 영역을 차단하도록 소망하는 바대로 최적화될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 노즐 베인(48)은 모든 통상적인 구조를 가질 수 있으나, 전형적으로는 인접한 베인의 부압 면상의 대응 지점에 수직으로 연장되는 한 베인의 후연과 상기 대응 지점 사이에서 최소 유동 영역인 협로(throat)(64)를 규정한다. 작동중에, 연소 가스는 협로에서 쵸크 유동(choked flow)을 경험하고, 따라서 배플은 노즐 협로로부터의 상류 측에서 연소기 통의 동적 결합을 해제시켜 푸시-풀 동적 상호 작용 모드를 억제하는 데 효과적이다.

마찬가지로, 전술된 홀수 개의 연소기 통의 성능은, 통을 간단히 홀수 개로 사용하는 것에 의해 소망하지 않는 푸시-풀 동적 상호 작용 모드의 생성이 억제되도록, 노즐 협로로부터의 상류 측에서 서로 관련된다.

위에 기재된 실시예의 특별한 장점은, 푸시-풀 동적 모드를 억제시키고 사용 수명 및 성능의 양자 모두를 개선시키도록 홀수 개의 연소기 또는 배플된 터빈 노즐이 기존의 발전 터빈 안에 용이하게 개장될 수 있다는 것이다. 위에 기재된 기본 실시예의 동적 시뮬레이션을 통해 푸시-풀 동적 상호 작용 모드의 억제가 입증된다. 그리고, 실시예는 성능의 최적화를 위해 추가적으로 개선될 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예 및 바람직하다고 간주되는 것들이 본 명세서에 기재되고 있으나, 당업자라면 본 명세서의 지식으로부터 본 발명의 다른 변형예를 명확히 알 수 있을 것이고, 따라서 그러한 모든 변형예는 본 발명의 참뜻 및 견지 안에 들어오는 한 첨부된 청구항에 의해 보장되는 것이 소망된다.

본 발명에 의하면, 가스 터빈 연소기에 있어 푸시-풀 동적 모드를 억제시키고 사용 수명 및 성능의 양자 모두를 개선시키는 방법 및 장치가 제공된다.

Claims

가스 터빈 연소기(18)의 동적 상호 작용을 억제하는 방법에 있어서,

연소기 통(36)의 열에 연료(22) 및 공기(16)를 공급하여 그 안에 연소 가스의 각 스트림(24)을 생성하는 단계로서, 상기 연소기 통의 각각은 상기 스트림을 공통의 평면내에 방출하기 위한 아치형 출구(46)에서 종결하는 전이부(44)를 갖는, 상기 연소 가스의 스트림 생성 단계와,

내측 및 외측 밴드(50, 52) 사이에 반경 방향으로 장착된 다수의 베인(48)을 갖는 환형의 터빈 노즐(26) 안에서 하류측으로 상기 스트림(24)을 유도하는 단계로서, 상기 베인의 각각은 상류측 전연(54) 및 하류측 후연을 갖는, 상기 스트림의 유도 단계와,

상기 연소 가스의 원주 방향으로 인접한 스트림의 동적 상호 작용을 상기 연소기 통(36) 및 상기 터빈 노즐(26) 사이에서 축 방향으로 억제하는 단계를 포함하는

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 연소기 통(36)의 각각은 상기 스트림(24) 안에서 주기적 압력 진동을 생성하도록 작동되고,

상기 스트림(24)의 동적 상호 작용은 상기 연소기 통으로부터 방출된 상기 스트림의 위상 어긋남(out-of-phase)의 동적 상호 작용의 억제에 의해 억제되는

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 동적 상호 작용은 상기 연소기(18)를 홀수 개의 상기 연소기 통(36)으로 작동시킴으로써 억제되고,

상기 연소기 통의 개수가 14개, 16개 또는 18개보다 단 1개가 많거나 적은

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 베인(48)은 상기 연소기 통(36)으로부터 하류 측으로 이격되어, 상기 전이부의 출구(46)와 상기 베인의 전연(54) 사이에 축 방향으로 환형 매니폴드(58)를 규정하고,

상기 스트림(24)은 인접한 통과 통 사이에서 정압의 균형을 맞추기 위해 상기 연소기 통(36)으로부터 공통으로 상기 매니폴드(58) 안으로 방출되는

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 동적 상호 작용은 상기 연소기 통(36)과 상기 베인(48) 사이의 인접한 스트림(24)의 원주 방향 직교류(crossflow)를 차단함으로써 억제되는

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 베인(48)은 원주 방향으로 연장되는 플리넘(60)을 규정하도록 상기 연소기 통(36)으로부터 하류 측으로 이격되고,

상기 인접한 스트림의 직교류는 인접한 전이부(44)와 상기 베인(48)의 대응하는 전연(54) 사이의 상기 플리넘 안에서 차단되는

가스 터빈 연소기의 동적 상호 작용 억제 방법.
내부에 연소 가스의 각 스트림(24)을 생성하기 위한 연소기 통(36)의 열을 구비하는 연소기(18)로서, 상기 연소기 통의 각각은 상기 스트림을 공통의 평면내에 방출하기 위한 아치형 출구(46)에서 종결하는 전이부(44)를 갖는, 상기 연소기(18)와,

상기 연소 가스를 생성하기 위해 상기 연소기 통(36)에 연료(22) 및 공기(16)를 공급하기 위한 수단(14, 20)과,

상기 연소기 통(36)으로부터 상기 스트림(24)을 받기 위해 상기 연소기 통(36)과 유체 연통하여 배치된 환형 터빈 노즐(26)로서, 내측 및 외측 밴드(50, 52) 사이에 반경 방향으로 장착되는 다수의 베인(48)을 구비하고, 상기 베인의 각각은 상류측 전연(54)과 하류측 후연을 갖는, 상기 환형 터빈 노즐(26)과,

상기 연소 가스의 원주 방향으로 인접한 스트림(24)의 동적 상호 작용을 상기 연소기 통(36)과 상기 노즐(26) 사이에서 축 방향으로 억제하기 위한 수단을 포함하는

장치.
제 7 항에 있어서,

상기 베인(48)은 원주 방향으로 연장되는 플리넘(60)을 규정하도록 상기 연소기 통(36)으로부터 하류 측으로 이격되고,

상기 플리넘 안에서 상기 인접한 스트림의 원주 방향 직교류를 차단하기 위해, 인접한 전이부(44)로부터 상기 베인(48)의 대응하는 전연(54)까지 축 방향을 따라 하류 측으로 연장되는 대응하는 배플(62)에 의해, 상기 플리넘이 원주 방향으로 분할되는

장치.
가스 터빈 연소기(18)에 있어서,

상기 연소기는 내부에 연소 가스의 각 스트림(24)을 생성하기 위한 연소기 통(36)의 열을 포함하고, 상기 연소기 통의 각각은 상기 스트림을 공통의 평면내에 방출하기 위한 아치형 출구(46)에서 종결하는 전이부(44)를 가지며,

상기 연소기는 상기 연소 가스의 원주 방향으로 인접한 스트림(24)의 동적 상호 작용을 상기 연소기 통(36)과 상기 노즐 사이에서 축 방향으로 억제하기 위한 수단을 포함하고, 상기 억제 수단은 14개, 16개 또는 18개보다 단 1개가 많거나 적은 홀수 개의 상기 연소기 통(36)을 구비하는

가스 터빈 연소기.
내부에 연소 가스의 각 스트림(24)을 생성하기 위한 연소기 통(36)의 열을 구비하는 연소기(18)로서, 상기 연소기 통의 각각은 상기 스트림을 공통의 평면내에 방출하기 위한 아치형 출구(46)에서 종결하는 전이부(44)를 갖는, 상기 연소기(18)와,

상기 연소기 통(36)으로부터 상기 스트림(24)을 받기 위해 상기 연소기 통(36)과 유체 연통하여 배치된 환형 터빈 노즐(26)로서, 내측 및 외측 밴드(50, 52) 사이에 반경 방향으로 장착되는 다수의 베인(48)을 구비하고, 상기 베인의 각각은 상류측 전연(54)과 하류측 후연을 갖는, 상기 환형 터빈 노즐(26)을 포함하며,

상기 베인(48)은 상기 연소기 통으로부터 하류 측으로 이격되어 원주 방향으로 연장된 플리넘(60)을 규정하고, 상기 원주방향으로 연장된 플리넘(60)은 인접한 전이부로부터 상기 베인의 대응하는 전연까지 축 방향을 따라 하류 측으로 연장되는 대응하는 배플(62)에 의해 원주 방향으로 분할되는

장치.