KR101586639B1 - 연소실의 작동 방법 및 연소실 - Google Patents

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Abstract

연소실(5)은 연료(F)를 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 연료 공급 덕트(14)와 공기(A)를 상기 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 갖는 상기 몸체(10)를 포함한다. 또한, 상기 연소실은 상기 연료(F)의 특성들에 따라서 상기 몸체(10) 안으로 공급되는 캐리어 공기 질량 유동을 조정하기 위한 조정 시스템(17)을 포함한다.

Description

연소실의 작동 방법 및 연소실{METHOD FOR OPERATING A COMBUSTION CHAMBER AND COMBUSTION CHAMBER}
본 발명은 연소실의 작동 방법 및 연소실에 관한 것이다.
특히, 상기 연소실은 가스 터빈의 연소실이다.
가스 터빈은 압축기, 연소실 및 상기 연소실 내에서 발생된 고온 가스를 팽창시키는 터빈을 포함한다.
또한, 상기 가스 터빈은 상기 터빈의 하류에 있는 제 2 연소실 및 상기 제 2 연소실의 하류에 있는 제 2 터빈을 구비할 수 있다.
상기 연소실 및 상기 제 2 연소실(제공될 때)에는 압축기로부터 공기 및 연료가 공급되고; 상기 연료는 고온 가스를 발생시키기 위하여 연소된다.
상기 연료가 천연 가스일 때, 그 조성 및 특성은 시간에 걸쳐 크게 변화될 수 있다. 예로서, 질소의 양(불활성 성분은 연소 공정에 참여할 수 없기 때문에)은 시간에 걸쳐 크게 변화될 수 있다.
상기 연소실들에 제공된 전체 에너지(즉, 상기 연소실 안으로 주입된 연료의 저칼로리 열량값)는 상기 가스 터빈들의 부하를 한정하고, 상기 가스 터빈이 일정하거나 또는 실질적으로 일정하게 유지될 경우에 연료의 특성이 또한 변화될 때 상기 연소실 안으로 주입된 연료 질량 유동이 크게 변화될 수 있다.
연료가 연소실 안으로 주입될 때, 연료 조성의 변화에 의해서 유발된 연료 질량에서의 이러한 큰 변화는 연소실 안으로의 연료 분사 침투물에서의 변화를 유발하고, 따라서, 불량한 혼합, NOx 방출물과 같은 큰 방출물들 및 효율 감소 등을 유발할 수 있다.
본 발명의 한 형태는 또한 연료 조성물이 변화될 때 정확한 연료 분사 침투를 허용하는 방법 및 가스 터빈을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 또한 연료 조성물이 시간에 걸쳐 변화되는 경우에 또한 정확한 혼합, 감소된 방출물 및 효율적 작동을 허용하는 방법 및 가스 터빈을 제공하는 것을 포함한다.
상기 및 다른 형태들은 첨부된 청구범위에 따른 방법 및 가스 터빈을 제공함으로써 달성된다.
다른 특징 및 장점은 첨부된 도면에서 비제한정 예에 의해서 예시된 방법 및 가스 터빈의 양호한 그러나 비배타적인 실시예의 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1 및 도 2는 가스 터빈들의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 3 및 도 4는 연소실들의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 5는 도 4의 라인 V-V에 따른 단면을 도시한다.
다음 가스 터빈들의 2개의 예들에 대해서 먼저 기술한다.
도 1은 압축기(2), 연소실(3) 및 터빈(4)을 갖는 가스 터빈(1)을 도시한다.
압축기(2)는 상기 연소실(3) 안으로 공급된 공기를 압축하고, 상기 연소실에서 공기는 천연 가스와 같은 연료와 혼합되고; 이 혼합물은 터빈(4) 내에서 팽창하는 고온 가스를 발생시키기 위해 연소된다.
도 2는 가스 터빈(1)이 터빈(4)의 하류에서 제 2 연소실(5) 및 제 2 터빈(6)을 갖는 예를 도시한다.
제 2 연소실(5)에서, 천연 가스와 같은 연료는 상기 터빈(6)에서 팽창되는 고온 가스를 발생시키기 위하여 상기 터빈(4)에서 부분적으로 팽창되는 배기 가스 안으로 주입된다.
연소실(3,5)은 동일 형태 또는 유사한 형태 또는 상이한 형태를 가질 수 있다. 연소실(5)에 대한 하기의 특정 설명이 기술되며, 동일한 고려사항이 연소실(3,5)이 동일 형태 또는 유사한 형태 또는 상이한 형태를 가질 수 있다는 사실과는 독립적으로 연소실(3)에 적용된다.
연소실(5)은 예로서, 직사각형, 정사각형 또는 사다리꼴 덕트(11)를 형성하는 몸체(10)를 포함한다. 또한, 연소실(5)은 천연 가스와 같은 연료를 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 연료 공급 덕트(14)와 공기를 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 구비한다.
캐리어 공기는 연료 분사물을 한정하고 개선된 침투를 위하여 상기 연료 분사물에 모멘텀을 부가하는 공기 질량 유동이다. 이는 또한 너무 빠른 고온 가스 포획 및 자동 점화 지연으로부터 연료를 보호한다.
연소실(5)은 연료의 특성에 따라서 몸체(10) 안으로 공급되는 캐리어 공기 질량 유동을 조정하기 위한 조정 시스템(17)을 추가로 포함한다.
연료 공급 덕트(14) 및 캐리어 공기 공급 덕트(15)는 적어도 하나의 공통 노즐(19)에 연결된다; 다시 말해서, 연료 공급 덕트(14) 및 공기 공급 덕트(15)를 모두 통과하는 유동은 노즐(19)을 통하여 몸체(10) 안으로 주입된다. 대체로, 연료 공급 덕트(14)는 중심부 노즐(19)을 대면하는 개방부(20)를 가지며 공기 공급 덕트(15)는 노즐(19)의 경계부에 대해서 개구(20) 주위에 통로(21)를 가진다.
유리하게 조정 시스템(17)은 양호하게는 가스 터빈의 부하가 실질적으로 일정할 때 공통 노즐(19)을 통하여 주입된 연료 및 캐리어 공기를 실질적으로 일정하게 유지하도록 배열된다.
양호한 실시예에서, 랜스(24)가 제공되고; 랜스(24)는 몸체(10) 안으로 돌출하고 공통 노즐(19)을 가진다. 그러한 하나 이상의 공통 노즐(19)이 제공될 수 있다. 랜스(24)는 연료 공급 덕트(14) 및 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 수용하고 상기 연료 공급 덕트(14) 및 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)는 공통 노즐(19)에 연결된다.
상기 조정 시스템(17)은 연료의 특징적 특성을 측정하기 위한 센서(25), 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)에 연결된 스로틀 밸브(27), 및 상기 센서(25)에 의해서 측정된 상기 특징적 특성에 기초하여 상기 스로틀 밸브(27)를 구동하기 위해 상기 센서(25) 및 상기 스로틀 밸브(27)에 연결된 제어 유닛(28)을 포함한다.
대안으로, 상기 조정 시스템은 개구(20) 및/또는 연료 유동이 변화될 때 공기 유동의 자동 조절을 생성하는 형상 및/또는 치수를 갖는 통로(21)를 포함할 수 있다.
예로서, 상기 개구(20) 및 노즐(19)은 실질적인 중첩 축들(27)을 가질 수 있고, 상기 축들(27)에 직각인 상기 개구(20)의 영역은 동일 축들(27)에 직각인 노즐(19)의 영역보다 작을 수 있다.
상이한 예들에서, 연료의 특성은 질량 유동 및/또는 조성 및/또는 웨버 지수일 수 있다.
상기 가스 터빈의 작동은 기술되고 예시된 것으로부터 명확해지고 실질적으로 다음과 같다.
도 3의 예에 있어서, 천연 가스와 같은 연료는 연료 공급 덕트(14)를 통과하고; 센서(25)는 연료의 필요한 특성을 검출하여 이를 제어 유닛(28)으로 전송한다. 상기 제어 유닛(28)은 상기 센서(25)에 의해서 수용된 신호에 기초하여 스로틀 밸브(27)를 구동한다. 따라서, 상기 스로틀 밸브(27)는 연료 유동에 기초하여 캐리어 공기 유동을 조정한다. 상기 조정은 미리 고정된 기능에 따라서 또는 공기 및 연료를 일정하게 유지하기 위하여 주입된 공기 및 연료의 모멘텀의 조절을 포함한다. 공기 및 연료의 모멘텀은 다음과 같다:
Ma · Va + Mf · Vf
여기서, Ma는 캐리어 공기의 질량 유동이고, Va는 주입시 캐리어 공기 속도이고, Mf 는 연료의 질량 유동이고, Vf는 주입시 연료 속도이다.
도 4 및 도 5의 예에 있어서, 연료(F)는 연료 공급 덕트(14)를 통과하고 캐리어 공기(A)는 공기 공급 덕트(15)를 통과한다. 개구(20), 통로(21) 및 노즐(19)의 형태들로 인하여, 캐리어 공기 유동의 자동 조정이 이루어지고; 사실, 연료의 특성들의 변화는 연료의 질량 유동의 변화를 유발하는데, 이는 에너지(저칼로리 열량값의 관점에서)는 실질적으로 일정한 부하에서 실질적으로 일정하게 유지되며; 대안으로 연료의 질량 유동은 원하는 부하에 따라서 조절될 수 있다. 부호 M은 캐리어 공기(A) 및 연료(F)에 의해서 형성된 혼합물을 표시하고; 이 혼합물은 노즐(19)에서 형성된다.
연료 질량 유동의 변화는 자동 조정이 이루어지도록 통로(21)를 통과하는 공기 유동에 영향을 미친다.
본 발명은 또한 연소실(5)의 작동 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 연료의 특성에 따라서 연소실(5)의 몸체(10) 안으로 공급되는 캐리어 공기 질량 유동을 조정하는 것을 포함한다.
유리하게는, 연료 및 캐리어 공기는 모두 공통 노즐(19)을 통하여 주입된다.
또한, 가스 터빈의 부하가 실질적으로 일정할 때 공통 노즐(19)을 통하여 주입된 연료 및 캐리어 공기의 모멘텀은 실질적으로 일정하게 유지된다.
실제, 사용된 물질 및 치수들은 필요에 따라서 그리고 당기술 상태에 따라서 선택될 수 있다.
1 가스 터빈
2 압축기
3 연소실
4 터빈
5 연소실
6 터빈
10 몸체
11 덕트
14 연료 공급 덕트
15 캐리어 공기 공급 덕트
17 조정 시스템
19 노즐
20 개구
21 통로
24 랜스
25 센서
27 스로틀 밸브
28 제어 유닛
29 축
A 캐리어 공기
F 연료
M 혼합물

Claims (12)

  1. 연료(F)를 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 연료 공급 덕트(14)와 공기(A)를 상기 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 갖는 상기 몸체(10)를 포함하는 연소실(5)로서,
    상기 연료(F)의 특성들에 따라서 상기 몸체(10) 안으로 공급되는 캐리어 공기 질량 유동을 조정하기 위한 조정 시스템(17)을 포함하며,
    상기 연료 공급 덕트(14) 및 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)는 상기 연료(F) 및 상기 캐리어 공기(A)를 모두 주입하기 위한 적어도 하나의 공통 노즐(19)에 연결되며,
    상기 조정 시스템(17)은 상기 적어도 하나의 공통 노즐(19)을 통하여 주입된 상기 연료(F) 및 상기 캐리어 공기(A)의 모멘텀(momentum)을 일정하게 유지하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 연소실.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체(10) 안으로 돌출되는 랜스(lance;24)를 포함하고,
    상기 랜스(24)는 상기 적어도 하나의 공통 노즐(19)을 구비하고,
    상기 랜스(24)는 상기 연료 공급 덕트(14) 및 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 수용하고,
    상기 연료 공급 덕트(14) 및 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)는 상기 공통 노즐(19)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연소실.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료의 특성은 상기 질량 유동, 조성 및 웨버 지수(wobbe index) 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 연소실.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 시스템(17)은 상기 연료(F)의 특징적 특성을 측정하기 위한 센서(25),
    상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)에 연결된 스로틀 밸브(27), 및
    상기 센서(25)에 의해서 측정된 상기 특징적 특성에 기초하여 상기 스로틀 밸브(27)를 구동하기 위해 상기 센서(25) 및 상기 스로틀 밸브(27)에 연결된 제어 유닛(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소실이 압축기(2), 제 1 연소실(3), 제 1 터빈(4)을 포함하는 가스 터빈의 일부인 것을 특징으로 하는 연소실.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 터빈(4)의 하류에서, 상기 가스 터빈(1)은 상기 터빈(4)으로부터 배기 가스들이 공급되는 제 2 연소실(5)과 제 2 터빈(6)을 포함하고, 상기 연소실(5)은 상기 제 1 연소실(3) 또는 상기 제 2 연소실, 또는 상기 제 1 연소실 및 상기 제 2 연소실(5) 모두인 것을 특징으로 하는 연소실.
  9. 연료(F)를 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 연료 공급 덕트(14)와 공기(A)를 상기 몸체(10) 안으로 공급하기 위한 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 갖는 상기 몸체(10)를 포함하는 연소실(5)의 작동 방법으로서,
    상기 연료(F)의 특성들에 따라서 상기 몸체(10) 안으로 공급되는 캐리어 공기 질량 유동을 조정하며,
    상기 연료 공급 덕트(14) 및 상기 캐리어 공기 공급 덕트(15)를 적어도 하나의 공통 노즐(19)에 연결하고,
    상기 적어도 하나의 공통 노즐(19)을 통해서 주입된 상기 연료(F) 및 상기 캐리어 공기(A)의 모멘텀을 실질적으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 연소실(5)의 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 적어도 하나의 공통 노즐(19)을 통해서 상기 연료(F) 및 상기 캐리어 공기(A)를 모두 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실(5)의 작동 방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료(F)의 특성은 상기 질량 유동, 조성 및 웨버 지수 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 연소실(5)의 작동 방법.
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