KR101696645B1 - 연료를 산소 함유 가스의 스트림과 혼합하기 위한 혼합 장치 - Google Patents

연료를 산소 함유 가스의 스트림과 혼합하기 위한 혼합 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축방향 채널, 특히 연속 연소를 갖는 가스 터빈의 제 2 연소기에서 축(16)을 따라 유동하는 산소 함유 가스의 스트림과 연료(13,15)를 혼합하기 위한 혼합 장치에 관한 것이다. 상기 가스의 스트림이 내부 및 외부로 통과하는 적어도 하나의 분사기 링(11)을 갖는 분사기(10)를 포함하는 상기 혼합 장치에 의해서 혼합이 개선되고 혼합 길이는 감소된다.

Description

연료를 산소 함유 가스의 스트림과 혼합하기 위한 혼합 장치{MIXING ARRANGEMENT FOR MIXING A FUEL WITH A STREAM OF OXYGEN CONTAINING GAS}
본 발명은 가스 터빈들의 기술에 관한 것이다. 또한 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 산소 함유 가스의 스트림과 연료를 혼합하기 위한 혼합 장치에 관한 것이다.
연속 연소를 갖는 가스 터빈들은 당기술에 널리 공지되어 있다. 도 4는 연속 연소를 갖는 가스 터빈(25)의 개략도를 도시한다. 도 4의 가스 터빈은 압축기(26), 제 1 연소기(27), 제 1 고압 터빈(28), 제 2 연소기(29) 및 저압 터빈(30)을 포함한다. 제 2 연소기(29)는 연료를 고온 가스 스트림 안으로 분사함으로써 제 1 터빈(28)의 배기 가스를 재열한다. 이는 예를 들어 도 5에 따른 혼합 장치에 의해서 실행되고, 도 5에서 실제 연장되는 연료 랜스(33)는 고온 가스 채널(31)에 배치되어서 하나 이상의 연료들을 축(16)을 따라 흐르는 고온 가스(32) 안으로 분사한다.
이러한 가스 터빈 재열 시스템(연속 연소)은 유형 GT24/GT26의 대형 산업 가스 터빈들의 고온 발화 온도에서 매우 낮은 방출물을 달성하는데 우수한 것으로 입증되었다.
이러한 연소 시스템은 또한 다수의 엄격한 요구조건들 즉, 낮은 압력 강하, 낮은 냉각 공기 연소, 긴 수명, 연료 가요성 등을 충족시킨다.
재열 연소 시스템이 의존하는 핵심 요소들 중 하나는 발화연소 전에 고온 가스 및 연료 사이에 얻어진 혼합 수준이다.
개념들은 매우 우수한 혼합 수준 및 연소 성능들을 제공하는데까지 발전되었다.
그러나, 이들은 높은 운동량속(momentum flux) 비율, 복잡한 기하학적 형태들 또는 연료 분사기 및 고온 가스 경로 사이의 복잡한 밀봉 시스템에 의존한다(예를 들어 문헌 US 5,645,410, WO 2011/037646 A1, US 5,351,474 A, US 6,192,688 B1, WO 2011/054757, WO 2011/054766 또는 EP 2,211,109 A1 참조)
문헌 WO 2011/054757와 문헌 WO 2011/054766에 기재된 다중점 분사 시스템은 전용 와류 발생기들 또는 로브(lobe)들에 의해서 발생된 유체 동력 구조에 의해서 지지되는 다중점 분사 방식을 사용함으로써 최소 압력 강하를 가지고 연료 및 고온 가스를 혼합하는데 효과적인 방식을 제공한다.
본 발명의 목적은 혼합을 개선하고 혼합 길이를 더욱 짧게 하는 연속 연소 적용을 위한 혼합 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적들은 청구항 1에 따른 혼합 장치에 의해서 달성된다.
축방향 채널, 특히 연속 연소를 갖는 가스 터빈의 제 2 연소기에서 축을 따라 유동하는 산소 함유 가스의 스트림과 연료를 혼합하기 위한 혼합 장치는 상기 혼합 장치가 상기 가스의 스트림이 내부 및 외부로 통과하는 적어도 하나의 분사기 링을 갖는 분사기를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 상기 축에 대해서 원형이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 상기 축방향으로 공력 프로파일(aerodynamical profile)을 갖는다.
특히, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 상기 축과 정렬된 대칭 평면을 구비한 대칭 날개부의 공력 프로파일을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 다른 유체들의 복수의 스트림들을 분사하도록 설계된다.
특히, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 액체 연료의 스트림, 특히 오일, 공기의 스트림 및 연료 가스의 스트림을 분사하도록 설계된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 원주방향으로 분배되는 복수의 직렬 노즐들을 구비하고, 그 분사 방향은 상기 축과 정렬된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 적어도 하나의 분사기 링은 원주방향으로 분배되는 복수의 직렬 노즐들을 구비하고, 그 분사 방향은 상기 가스의 스트림에 대해서 직교류 배향된다.
양호하게는, 와류 발생기들이 상기 적어도 하나의 분사기 링에 제공된다.
특히, 상기 와류 발생기들은 상기 와류 발생기들이 각각 상기 분사 노즐들 중 하나에 대응하도록. 상기 적어도 하나의 분사기 링에 원주방향으로 분배된다.
더욱 구체적으로, 상기 와류 발생기들은 상기 적어도 하나의 분사기 링의 내부 및 외부에서 교대로 배열된다.
대안으로, 로브들이 이웃 직렬 분사 노즐들 사이에 제공된다.
특히, 상기 로브들은 상기 적어도 하나의 분사기 링의 내부 및 외부로 교대로 연장된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 복수의 분사기 링이 다중 링 구성으로 제공된다.
구체적으로, 상기 분사기 링들은 다른 크기를 가지며 동일 평면에 배열된다.
대안으로, 상기 분사기 링들은 다른 크기를 가지며 다른 축방향 위치들에 배열된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다른 실시예들에 의해서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라서 액체 연료, 차폐 공기 및 연료 가스를 분사하도록 설계되는 원형 분사기의 축방향 도면을 도시한다.
도 2는 대칭 공력 프로파일과 유사한 도 1의 분사기 링의 단면도를 도시한다.
도 3은 직렬 및 직교류 배열 및 관련 와류 발생기 및 로브들의 도 3의 다른 실시예들(a), (b) 및 (c)을 도시한다.
도 4는 연속 연소를 갖는 가스 터빈의 단순화된 도면을 도시한다.
도 5는 종래 기술에 따른 재열 시스템을 위한 혼합 장치를 도시한다.
본 발명에서 시스템이 제안되며, 이 시스템에서 신규한 연료 분사기는 높은 운동량속 비율의 필요성 없이 우수한 연료/공기 혼합을 제공하고, 원통형 버너를 설치한다. 이러한 구성은 환형 연소 시스템(GT24/GT26 가스 터빈에 있음) 뿐 아니라 캔 연소기 구성에 대해서도 적합할 수 있다.
본 발명은 또한 축대칭 방식으로 구성되고, 원통형 버너를 설치하여 더욱 균질한 연료 분배를 허용하는, 전용 와류 발생기들 또는 로브들을 갖는 다중점 분사에 관한 것이다.
문헌 EP 2 211 109에 기재된 시스템과 비교되는 그러한 구성의 핵심 장점들은 WO 2011/054757 및 WO 2011/054766에 기재된 연료 분사기들의 강한 직렬 구성요소로 인하여 운동량속 비율과는 독립적이다.
연료 및 공기의 혼합을 개선하기 위하여 다음과 같은 방식이 제안된다:
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서 단일 "링" 혼합기의 일반적인 장치를 도시한다.
"링" 시스템의 기본 원리는 3개의 다른 유체 스트림들 즉, 액체 연료(13)(예를 들어, 오일), 연료 가스(15) 및 차폐 공기(14)를 분사할 수 있는, [예를 들어 EP 0 620 362 A1에 기재된 GT24/GT26 가스 터빈들의 널리 공지된 SEV 랜스와 유사한] 분사기 링(11)을 포함하는 원형 분사기(10)의 기본 원리이다. 3개의 유체들은 유체 공급 장치(12)에 있는 동심 덕트 장치에 의해서 분사기 링(11)에 공급된다.
축방향[축(16)]에서, 분사기 링(11)은 문헌 WO 2011/054757 및 WO 2011/054766에 기재된 것과 유사한 디자인을 가지며, 대칭 날개부(도 2)와 유사한 공력 프로파일을 구비하고, 상기 분사기 링은 랜스 내부에서 압력 강하와 효과적인 대류 냉각을 허용한다. 도 2는 주요 고온 가스 유동 방향(17)과 정렬된 공력 프로파일을 나타내는 그러한 구성의 개략도를 도시한다.
이러한 분사기 링(18)의 3개의 실시예들은 도 3에서 단순한 방식으로 고려되고 제시된다[각각의 3개의 실시예들에서, 각자의 분사 노즐 및 와류 발생기 구성은 링의 전체 원주를 따라 연장되고, 도 3에서 단지 예시적인 단면은 단순성을 위해서 도시된 것이다].
제 1 실시예(도 3a)에서, 분사기 링(18a)의 내부 및 외부에 있는 와류 발생기들(20a,20b)은 직렬 분사부와 결합된다. 분사기 노즐(19)은 주요 고온 가스 유동[축(16)]과 정렬된다. 혼합은 전용 VGs(20a 및 20b)에 의해서 강화되어서 연료 분배를 돕는 수직 구조를 생성한다. 직렬 분사의 장점은 저렴한 제조비용, 성능에대한 운동량속(flux) 비율의 작은 충격, 큰 플래시백 마진(flashback margin)/연료 가요성이다.
제 2 실시예(도 3b)에서, 와류 발생기들(22a,22b)은 경사 분사부와 결합된다: 경사 분사 노즐(21a,21b)은 직교류 장치에서 경사지므로, 연료는 이전 실시예와 유사한 VGs(22a,22b)에 의해서 생성된 수직 구조들 안으로 더욱 잘 침투할 수 있다. 이는 낮은 NOx 방출물들을 위해 더욱 양호한 혼합을 제공할 수 있다.
제 3 실시예(도 3c)는 분사 노즐(23)에 의해서 직렬 분사부와 조합된 로브(24a,24b)와 관련된다: 로브형 구조들은 연료 및 공기의 혼합을 최적화하는데 필요한 속도 범위(velocity field)를 생성한다. 로브들은 작은 압력 강하를 갖는 유사한 혼합 수준들을 달성할 수 있다. 이들은 WO 2011/054757 및 WO 2011/054766로부터 얻을 수 있으며 이들 특허 출원서들에 기재된 모든 변형 형태를 포함한다.
큰 둥근 윤곽부를 위하여, 다중 링 블렌더(blender)[예를 들어, (축(16)과 직각인) 동일 평면에 있는 다른 크기(반경 등)의 여러 분사기 링들 또는 축(16)에 따른 다른 축방향 위치들에 있는 다른 크기들의 여러 링들]를 예상할 수 있다
큰 원통형 버너들 또는 캔들을 위하여, 다중 링 구성, 예를 들어 동일 축방향 평면에 있는 다른 크기의 여러 링들 또는 다른 축방향 위치들에 있는 다른 크기들의 여러 링들을 예상할 수 있다.
본 발명의 장점들은 다음과 같다:
● 더욱 양호한 혼합 ⇒ 방출물들의 감소;
● 짧은 혼합 길이 ⇒ 컴팩트한 디자인;
● 가능한 연료 분사부의 축방향 스테이징(staging) ⇒ 다른 시간 지연으로 인한 연소 역동성의 방지
● 원통형 버너 또는 캔을 설치;
● 노즐들 또는 링들을 부가함으로써, 다른 버너 또는 캔 크기들에 가능한 쉽게 적응됨.
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10,18 원형 분사기
11 분사기 링
12 유체 공급 장치
13 액체 연료
14 차폐 공기
15 연료 가스
16 축
17 주요 유동 방향(축방향)
18a-18c 분사기 링
19,23 직렬 분사 노즐
20a,20b 와류 발생기
21a,21b 경사 분사 노즐
22a,22b 와류 발생기
24a,24b 로브
25 (연속 연소를 갖는) 가스 터빈
26 압축기
27,29 연소기
28,30 터빈
31 고온 가스 채널
32 고온 가스
33 연료 랜스

Claims (16)

  1. 연속 연소를 갖는 가스 터빈(25)의 제 2 연소기(29)에서 축방향 채널(31) 내의 축(16)을 따라 유동하는 산소 함유 가스(32)의 스트림과 연료(13,15)를 혼합하기 위한 혼합 장치로서,
    상기 혼합 장치는 상기 산소 함유 가스(32)의 스트림이 내부 및 외부로 통과하는 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)을 갖는 분사기(10,18)를 포함하고,
    복수의 분사기 링(11;18a-18c)은 다중 링 구성으로 제공되며,
    상기 분사기 링들은 다른 크기를 가지고 다른 축방향 위치에 배열되고,
    와류 발생기들(20a,20b;22a,22b)이 상기 적어도 하나의 분사기 링(18a,18b)에 원주를 따라 제공되고,
    와류 발생기(20a,20b)는 직렬 분사부와 결합되되, 상기 직렬 분사부는 상기 적어도 하나의 분사기 링(18a,18c)에 원주방향으로 분배되고 상기 축(16)과 정렬되는 분사방향을 가지는 복수의 직렬 분사 노즐들(19)을 구비하거나, 또는
    와류 발생기(22a,22b)는 경사 분사부와 결합되되, 상기 경사 분사부는 상기 적어도 하나의 분사기 링(18b)에 원주방향으로 분배되고 상기 산소 함유 가스(32)의 스트림에 대해서 직교류 배향되는 분사 방향을 가지는 복수의 경사 분사 노즐들(21a,21b)을 구비하거나, 또는
    와류 발생기(20a,20b)는 직렬 분사부와 결합되되, 상기 직렬 분사부는 상기 적어도 하나의 분사기 링(18a,18c)에 원주방향으로 분배되고 상기 축(16)과 정렬되는 분사방향을 가지는 복수의 직렬 분사 노즐들(23)을 구비하고, 또한 로브들(lobes;24a,24b)이 이웃 직렬 분사 노즐들(23) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)은 상기 축(16)에 대해서 원형인 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)은 상기 축방향으로 공력 프로파일(aerodynamical profile)을 갖는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)은 상기 축(16)과 정렬된 대칭 평면을 구비한 대칭 날개부의 공력 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)은 다른 유체들의 복수의 스트림들을 분사하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분사기 링(11;18a-18c)은 액체 연료(13)의 스트림, 공기(14)의 스트림 및 연료 가스(15)의 스트림을 분사하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류 발생기들(20a,20b;22a,22b)은, 상기 와류 발생기들(20a,20b;22a,22b)이 각각 상기 분사 노즐들(19;21a,21b;23) 중 하나에 대응하도록 상기 적어도 하나의 분사기 링(18a,18b)에 원주방향으로 분배되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 와류 발생기들(20a,20b;22a,22b)은 상기 적어도 하나의 분사기 링(18a,18b)의 내부 및 외부에서 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 로브들(24a,24b)은 상기 적어도 하나의 분사기 링의 내부 및 외부로 교대로 연장되는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.

  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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