KR102617172B1 - 사전 혼합 연료 분사기 및 가스 터빈 연소기에서의 사용 방법 - Google Patents

사전 혼합 연료 분사기 및 가스 터빈 연소기에서의 사용 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 연소기를 위한 연료 분사기가, 대향하는 단부 벽들 사이에서 연장되는, 측벽 연료 분사 몸체들을 포함한다. 각각의 측벽 연료 분사 몸체는, 연료 충만 공간(fuel plenum)을 한정하며, 그리고 연료 충만 공간과 소통 상태에 놓이는 연료 분사 포트들을 한정하는 외측 표면을 포함한다. 단부 벽들 사이에서 연장되는 하나 이상의 연료 분사 몸체들이, 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 배치된다. 각각의 연료 분사 몸체는, 연료 충만 공간을 한정하며, 그리고 연료 충만 공간과 소통 상태에 놓이는 연료 분사 포트들을 한정하는 외측 표면을 포함한다. 프레임에 결합되는 도관 피팅이, 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결된다. 연료 분사 포트들은, 연료 분사 몸체들과 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 한정되는 공기 유동 경로들과 유동적으로 소통한다. 가스 터빈을 위한 연소기가, 본 발명의 연료 분사기와 함께, 라이너 및 축방향 연료 스테이징 시스템을 포함한다.

Description

사전 혼합 연료 분사기 및 가스 터빈 연소기에서의 사용 방법{PREMIXING FUEL INJECTORS AND METHODS OF USE IN GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 개시는, 개괄적으로 가스 터빈 연소기들을 위한 연료 분사기들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 그러한 연소기들과 연관되는 축방향 연료 스테이징(axial fuel staging: AFS) 시스템과의 동반 사용을 위한 사전 혼합 연료 분사기들에 관한 것이다.
적어도 일부의 공지된 가스 터빈 조립체들이, 전력 생성을 위해 사용된다. 그러한 가스 터빈 조립체들은, 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함한다. 가스(예를 들어, 주변 공기)가, 압축기를 통해 유동하고, 이곳에서 가스는, 하나 이상의 연소기로의 운반 이전에, 압축된다. 각각의 연소기에서, 압축된 공기는, 연료와 혼합되며 그리고 연소 가스들을 생성하기 위해 점화된다. 연소 가스들은, 각각의 연소기로부터 터빈으로 그리고 터빈을 통해, 이송되며, 그로 인해 터빈을 구동하고, 터빈은, 결과적으로, 터빈에 연결되는 전기 발전기에 동력을 공급한다. 터빈은 또한, 공통 샤프트 또는 로터를 통해, 압축기를 구동할 수 있을 것이다.
일부 연소기에서, 연소 가스들의 생성은, 2개의 축 방향으로 이격된 스테이지에서 일어난다. 그러한 연소기들은, 여기에서, 연소기의 헤드 단부 하류의 하나 이상의 연료 분사기로 연료 및 산화제를 운반하는, "축방향 연료 스테이징(AFS)" 시스템을 포함하는 것으로 언급된다. AFS 시스템을 갖는 연소기에서, 연소기의 상류측 단부에서 1차적 연료 노즐이, 연료 및 공기(또는 연료/공기 혼합물)를 축 방향으로 1차적 연소 구역 내로 분사하며, 그리고 1차적 연료 노즐의 하류의 위치에 위치하게 되는 AFS 연료 분사기가, 연료 및 공기(또는 2차적 연료/공기 혼합물)를 1차적 연소 구역의 하류의 2차적 연소 구역 내로 교차-유동으로서 분사한다. 교차-유동은 일반적으로, 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동을 가로지른다.
일부의 경우에, 연료 및 공기를 2차적 연소 구역 내로 혼합물로서 도입하는 것이 바람직하다. 그에 따라, AFS 분사기의 혼합 능력은, 가스 터빈의 전체 작동 효율 및/또는 배기가스에 영향을 미친다.
더불어, 일부의 경우에, AFS 분사기에 의해 도입되는 연료의 유형이, 배기가스-규제 작동을 유지하기 위해, 사전 규정된 범위 내의 열 방출 또는 수정된 웨버 지수(Modified Wobbe Index) 값을 갖는 연료들로 제한되어 왔다. 그에 따라, 용인 불가능한 레벨의 배기가스를 생성하지 않는 가운데 넓은 범위의 열 방출 값을 갖는 연료들을 도입할 수 있는 AFS 분사기가, 또한 바람직하다.
본 개시는, 1차적 연소 구역 유동을 가로지르는 방향으로 연료 및 공기의 혼합물을 연소기 내로 운반하여, 그로 인해 2차적 연소 구역을 생성하도록 하기 위한, AFS 연료 분사기에 관한 것이다. 가스 터빈 연소기를 위한 연료 분사기가, 대향하는 단부 벽들 사이에서 연장되는, 측벽 연료 분사 몸체들을 포함한다. 각각의 측벽 연료 분사 몸체는, 연료 충만 공간(fuel plenum)을 한정하며, 그리고 연료 충만 공간과 소통 상태에 놓이는 연료 분사 포트들을 한정하는 외측 표면을 포함한다. 단부 벽들 사이에서 연장되는 하나 이상의 연료 분사 몸체들이, 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 배치된다. 각각의 연료 분사 몸체는, 연료 충만 공간을 한정하며, 그리고 연료 충만 공간과 소통 상태에 놓이는 연료 분사 포트들을 한정하는 외측 표면을 포함한다. 프레임에 결합되는 도관 피팅(conduit fitting)이, 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결된다. 연료 분사 포트들은, 연료 분사 몸체들과 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 한정되는 공기 유동 경로들과 유동적으로 소통한다. 가스 터빈을 위한 연소기가, 본 발명의 연료 분사기와 함께, 라이너(liner) 및 축방향 연료 스테이징 시스템을 포함한다.
더욱 구체적으로, 연료 분사기는, 대향하여 배치되는 단부 벽들을 구비하는 프레임, 제1 연료 충만 공간을 한정하는 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제1 측벽 연료 분사 몸체 반대편의, 제2 연료 충만 공간을 한정하는 제2 측벽 연료 분사 몸체를 포함한다. 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 제2 측벽 연료 분사 몸체는, 단부 벽들 사이에서 축 방향으로 연장되며, 그리고 단부 벽들과 함께, 공기의 통과를 위한 개구를 한정한다. 제3 연료 분사 몸체가 제3 연료 충만 공간을 한정한다. 제3 연료 분사 몸체는, 단부 벽들 사이에서 축방향으로 연장되며 그리고, 공기 유동 경로들이, 제3 연료 분사 몸체와 각각의 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에, 한정되도록, 제1 측벽 연료 분사 몸체와 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 배치된다. 제1 측벽 연료 분사 몸체는 제1 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 제2 측벽 연료 분사 몸체는 제2 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하며, 제3 연료 분사 몸체는 제3 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함한다. 각각의 복수의 연료 분사 포트들은, 개별적인 연료 충만 공간 및, 공기 유동 경로들 중의 인접한 공기 유동 경로와, 유체 소통 상태에 놓인다. 도관 피팅이, 프레임에 결합되며 그리고, 제1 측벽 연료 분사 몸체, 제2 측벽 연료 분사 몸체, 및 제3 연료 분사 몸체의 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결된다.
하나 이상의 실시예에서, 연료 분사기는, 프레임에 결합되는 장착 플랜지를 더 포함할 수 있을 것이다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 연료 분사기는, 장착 플랜지로부터 프레임 반대편 방향으로 연장되는 배출구 부재를 더 포함할 수 있으며, 배출구 부재는, 공기 유동 경로들과 유체 소통 상태에 놓인다.
하나 이상의 실시예에서, 측벽 연료 분사 몸체들은 각각, 눈물 방울 형상, 원형 형상, 및 삼각형 형상 중의 하나를 한정하는, 단면 윤곽을 구비할 수 있을 것이다. 단면 윤곽이 눈물 방울 형상으로 한정되는 실시예에서, 눈물 방울은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 공기 유동 경로들 중의 하나에 인접한 제1 외측 표면, 및 제1 외측 표면 반대편의 제2 외측 표면을 구비하는 것으로 특징지어진다. 제1 외측 표면 및 제2 외측 표면은 양자 모두, 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 연장된다. 각각의 측벽 연료 분사 몸체의 제1 외측 표면은, 개별적인 복수의 연료 분사 포트를 한정한다. 적어도 하나의 실시예에서, 연료 분사 포트들은, 단일 열로 배치된다.
하나 이상의 실시예에서, 제1 축이, 제1 측벽 연료 분사 몸체의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 통해 한정되며, 그리고 제2 축이, 제2 측벽 연료 분사 몸체의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 통해 한정된다. 제1 각도가, 제1 축과 연료 분사기의 분사 축 사이에 한정되고, 이는, 제2 축과 분사 축 사이에 한정되는 제2 각도와 동등하다.
하나 이상의 실시예에서, 제3 연료 분사 몸체는, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 및 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하는 것으로 특징지어지는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 갖는다. 외측 표면 쌍 중의 적어도 하나는, 제3 복수의 연료 분사 포트를 한정한다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 외측 표면 쌍의 각 외측 표면은, 개별적인 연료 분사 표면을 한정한다. 제3 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트가, 외측 표면 쌍의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되며, 그리고 제3 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트가, 외측 표면 쌍의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정된다.
하나 이상의 실시예에서, 제4 연료 분사 몸체가, 단부 벽들 사이에 배치되며 그리고, 공기 유동 경로들이, 제1 측벽 연료 분사 몸체, 제3 연료 분사 몸체, 제4 연료 분사 몸체, 및 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 한정되도록, 개구 내부에 위치하게 된다. 제4 연료 분사 몸체는, 도관 피팅과 유체 소통 상태에 놓이는 제4 연료 충만 공간을 한정하며 그리고, 제4 연료 충만 공간과 유체 소통 상태에 놓이는 제4 복수의 연료 분사 포트를 한정하는, 적어도 하나의 외측 표면을 구비한다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 제4 연료 분사 몸체는, 리딩 에지, 트레일링 에지, 및 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하는 것으로 특징지어지는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 갖는다.
제3 연료 분사 몸체 및 제4 연료 분사 몸체 양자 모두를 구비하는 실시예에서, 제3 종방향 축이, 제3 연료 분사 몸체의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 통해 한정되며, 그리고 제4 종방향 축이, 제4 연료 분사 몸체의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 통해 한정된다. 제3 축과 연료 분사기의 분사 축 사이에 한정되는 제3 각도가, 제4 축과 분사 축 사이에 한정되는 제4 각도와 동등하다.
일부 실시예에서, 제3 연료 분사 몸체의 제3 복수의 연료 분사 포트는, 외측 표면 쌍의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되는 제3 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트, 및 외측 표면 쌍의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정되는 제3 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트를 포함한다. 이러한 실시예들에서, 제4 연료 분사 몸체의 제4 복수의 연료 분사 포트는, 외측 표면 쌍의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되는 제4 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트, 및 외측 표면 쌍의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정되는 제4 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트를 포함한다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 축방향 연료 스테이징(AFS) 시스템을 구비하는 가스 터빈을 위한 연소기가, 또한 제공된다. 연소기는, 라이너를 포함하고, 라이너는, 헤드 단부, 후미측 단부, 및 헤드 단부와 후미측 단부 사이에서 라이너를 관통하는 적어도 하나의 개구를 한정한다. 축방향 연료 스테이징(AFS) 시스템은, 연료 분사기 및 연료 공급 라인을 포함한다. 연료 분사기는, 유체 소통이 라이너의 종방향 축에 대해 횡단 방향으로 지향되도록, 라이너 내의 적어도 하나의 개구 중의 개별적인 하나를 통해 유체 소통을 제공하도록 장착된다. 연료 공급 라인은, 연료 분사기에 연결된다. 분사기는, 대향하여 배치되는 단부 벽들을 구비하는 프레임, 제1 연료 충만 공간을 한정하는 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제1 측벽 연료 분사 몸체 반대편의, 제2 연료 충만 공간을 한정하는 제2 측벽 연료 분사 몸체를 포함한다. 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 제2 측벽 연료 분사 몸체는, 단부 벽들 사이에서 축 방향으로 연장되며, 그리고 단부 벽들과 함께, 공기의 통과를 위한 개구를 한정한다. 제3 연료 분사 몸체가 제3 연료 충만 공간을 한정한다. 제3 연료 분사 몸체는, 단부 벽들 사이에서 축방향으로 연장되며 그리고, 공기 유동 경로들이, 제3 연료 분사 몸체와 각각의 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에, 한정되도록, 제1 측벽 연료 분사 몸체와 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 배치된다. 제1 측벽 연료 분사 몸체는 제1 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 제2 측벽 연료 분사 몸체는 제2 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하며, 제3 연료 분사 몸체는 제3 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함한다. 각각의 복수의 연료 분사 포트들은, 개별적인 연료 충만 공간 및, 공기 유동 경로들 중의 인접한 공기 유동 경로와, 유체 소통 상태에 놓인다. 도관 피팅이, 프레임에 결합되며 그리고, 제1 측벽 연료 분사 몸체, 제2 측벽 연료 분사 몸체, 및 제3 연료 분사 몸체의 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결된다. 연료 공급 라인은, 도관 피팅에 연결된다.
연료 분사기의 하나 이상의 특정 실시예의 특징부들이, 이상에 제공된다. 하나 이상의 실시예에서, 연료 분사기는, 연소기의 복수의 연료 분사기 중의 하나이다.
당업자에 해당되는, 본 발명의 최상의 모드를 포함하는, 본 발명의 생성물 및 방법에 대한 완전하고 실시 가능한 개시가, 첨부 도면들을 참조하는, 명세서에 기술된다:
도 1은, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 연료 분사기들을 사용할 수 있는 것으로서, 발전 가스 터빈 조립체의 개략적 도면이고;
도 2는, 본 발명의 연료 분사기를 포함하는, 연소 캔의 개략적 측 단면도이며;
도 3은, 본 개시의 하나의 양태에 따른, 대향하는 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 배치되는 단일 연료 분사 몸체를 구비하는, 연료 분사기의 사시도이고;
도 4는, 도 3의 연료 분사기의 단면도이며;
도 5는, 본 개시의 다른 양태에 따른, 대향하는 측벽 연료 분사 몸체들 사이에 배치되는 한 쌍의 연료 분사 몸체를 구비하는, 연료 분사기의 사시도이고;
도 6은, 도 5의 연료 분사기의 단면도이며;
도 7은, 측벽 연료 분사 몸체들이 원형 단면 형상을 갖는, 도 3의 연료 분사기의 대안적 실시예의 단면도이며; 그리고
도 8은, 측벽 연료 분사 몸체들이 삼각형 단면 형상을 갖는, 도 3의 연료 분사기의 대안적 실시예의 단면도이다.
뒤따르는 상세한 설명은, 예로서 그리고 제한이 아닌 것으로서, 다양한 AFS 연료 분사기들, 그들의 구성 부품들, 및 그를 제조하는 방법들을 예시한다. 설명은, 당업자가 연료 분사기들을 제조하고 사용하는 것을 가능하게 한다. 설명은, 연료 분사기들을 제조하고 사용하는 최상의 모드들인 것으로 현재 믿겨지는 것을 포함하는, 연료 분사기들의 여러 실시예를 제공한다. 예시적인 연료 분사기가, 대형 가스 터빈 조립체의 연소기 내부에 결합되는 것으로, 여기에서 설명된다. 그러나, 여기에서 설명되는 연료 분사기들은, 전력 생성과 상이한 다양한 분야의 넓은 범위의 시스템들에 대한 일반적인 용도를 갖는다는 것이, 예상된다.
여기에서 사용되는 바와 같은, 용어들 "제1", "제2", 및 "제3"은, 하나의 구성요소를 다른 것과 구별하기 위해 교환 가능하게 사용되며 그리고 개별적인 구성요소들의 위치 또는 중요성을 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 용어들 "상류" 및 "하류"는, 유동 경로 내에서 유체 유동에 대한 상대적인 방향을 지시한다. 예를 들어, "상류"는, 그로부터 유체가 유동하는 방향을 지시하며, 그리고 "하류"는, 그를 향해 유체가 유동하는 방향을 지시한다.
여기에서 사용되는 바와 같은, 용어 "반경(또는 그의 임의의 변형형)"은, 임의의 적당한 형상(예를 들어, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 등)의 중심으로부터 외향으로 연장되는 치수를 지칭하며, 그리고 원형 형상의 중심으로부터 외향으로 연장되는 치수로 제한되지 않는다. 유사하게, 여기에서 사용되는 바와 같은, 용어 "원주(또는 그의 임의의 변형형)"은, 임의의 적당한 형상(예를 들어, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 등)의 중심 둘레로 연장되는 치수를 지칭하며, 그리고 원형 형상의 중심 둘레로 연장되는 치수로 제한되지 않는다.
도 1은, 본 개시의 다양한 실시예를 통합할 수 있는 예시적인 가스 터빈(1000)의 기능적 블록도를 제공한다. 도시된 바와 같이, 가스 터빈(1000)은 일반적으로, 가스 터빈(1000)에 들어가는 작동 유체(예를 들어, 공기)(14)를 정화하고 달리 조화시키기 위한, 일련의 필터들, 냉각 코일들, 수분 분리기들, 및/또는 다른 장치들을 포함할 수 있는, 유입구 섹션(12)을 포함한다. 작동 유체(14)는, 압축기 섹션으로 유동하고, 이곳에서 압축기(16)가, 압축된 작동 유체(18)를 생성하기 위해 작동 유체(14)에 운동 에너지를 점진적으로 부과한다.
압축된 작동 유체(18)는, 하나 이상의 연소기(24) 내부에 연소 가능 혼합물을 형성하기 위해, 기체 연료 공급 시스템으로부터의 기체 연료(20) 및/또는 액체 연료 공급 시스템으로부터의 액체 연료(21)와 혼합된다. 연소 가능 혼합물은, 높은 온도, 압력 및 속력을 갖는 연소 가스들(26)을 생성하기 위해 연소된다. 연소 가스들(26)은, 일(work)을 생성하기 위해 터빈 섹션의 터빈(28)을 통해 유동한다. 예를 들어, 터빈(28)은, 샤프트(30)에 연결될 수 있으며, 따라서 터빈(28)의 회전은, 압축된 작동 유체(18)를 생성하기 위해 압축기(16)를 구동한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 샤프트(30)는, 터빈(28)을, 전기를 생성하기 위한 발전기(32)에 연결할 수 있을 것이다. 터빈(28)으로부터의 배기 가스(34)는, 터빈으로부터 하류측의 배기 스택에 터빈(28)을 연결하는, 배기 섹션(미도시)을 통해 유동한다. 배기 섹션은, 예를 들어, 외부 환경으로 방출되기 이전에 배기 가스를 정화하고 배기 가스(34)로부터 부가적인 열을 추출하기 위한, 열 회수 증기 발생기(미도시)를 포함할 수 있을 것이다.
연소기들(24)은, 당해 기술분야에 공지된 임의의 유형의 연소기일 수 있으며, 그리고 본 발명은, 청구항들에서 구체적으로 언급되지 않는 한, 임의의 특정 연소기 설계로 제한되지 않는다. 예를 들어, 연소기(24)는, 캔(can) 유형(때때로 캔-환형 유형으로 지칭됨)의 연소기일 수 있을 것이다.
도 2는, 대형 가스 터빈을 위한 캔-환형 연소 시스템에 포함될 수 있는 것으로서, 연소 캔(24)의 개략적 도면이다. 캔-환형 연소 시스템에서, (예를 들어, 8, 10, 12, 14, 16개, 또는 더 많은) 복수의 연소 캔(24)이, 압축기를 터빈에 연결하는 로터 둘레에 환형 배열로 배치된다. 터빈은, 전력을 생성하기 위한 발전기에 (예를 들어, 로터에 의해) 작동적으로 연결될 수 있을 것이다.
도 2에서, 연소 캔(24)은, 연소 가스들(26)을 수용하며 그리고 터빈으로 이송하는, 라이너(42)를 포함한다. 라이너(42)는, 많은 통상적인 연소 시스템들에서와 같이, 원통형 라이너 부분 및, 원통형 라이너 부분으로부터 분리되는 테이퍼형 전이 부분을 구비할 수 있을 것이다. 대안적으로, 라이너(42)는, 원통형 부분과 테이퍼형 부분이 서로 함께 통합되는, 일체화된 몸체(또는 "단일체") 구조를 구비할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 명세서에서의 라이너(42)에 대한 임의의 논의는, 별개의 라이너 및 전이 부재(transition piece)를 구비하는 통상적인 연소 시스템들 및 단일체 라이너를 구비하는 연소 시스템들 양자 모두를 포괄하는 것으로 의도된다. 더불어, 본 개시는, 전이 부재 및 터빈의 제1 스테이지 노즐이, 단일 유닛으로 통합되는, 때때로 "전이 노즐(transition nozzle)" 또는 "통합된 출구 부재(integrated exit piece)"로 지칭되는, 그러한 연소 시스템들에 동등하게 적용 가능하다.
라이너(42)는, 외측 슬리브(44)에 의해 둘러싸이고, 외측 슬리브는, 라이너(42)와 외측 슬리브(44) 사이에 환형 공간(132)을 한정하도록, 라이너(42)의 외향으로 반경 방향으로 이격된다. 외측 슬리브(44)는, 많은 통상적인 연소 시스템들에서와 같이, 전방측 단부에 유동 슬리브 부분을 그리고 후미측 단부에 충돌 슬리브 부분을 포함할 수 있을 것이다. 대안적으로, 외측 슬리브(44)는, 유동 슬리브 부분과 충돌 슬리브 부분이 축 방향으로 서로 함께 통합되는, 일체화된 몸체(또는 "단일체 슬리브") 구조를 구비할 수 있을 것이다. 상기와 같이, 본 명세서에서의 외측 슬리브(44)에 대한 임의의 논의는, 별개의 유동 슬리브 및 충돌 슬리브를 구비하는 통상적인 연소 시스템들 및 단일체 슬리브형 외측 슬리브를 구비하는 연소 시스템들 양자 모두를 포괄하는 것으로 의도된다.
연소 캔(24)의 헤드 단부 부분(120)이, 하나 이상의 연료 노즐(122)을 포함한다. 연료 노즐들(122)은, 상류측(또는 유입구측) 단부에 연료 유입구(124)를 구비한다. 연료 유입구들(124)은, 연소 캔(24)의 전방측 단부에서 단부 커버(126)를 관통하여 형성될 수 있을 것이다. 연료 노즐들(122)의 하류측(또는 배출구측) 단부들은, 연소기 캡(128)을 통해 연장된다.
연소 캔(24)의 헤드 단부 부분(120)은, 압축기 방출 케이스(140)에 물리적으로 결합되며 그리고 유동적으로 연결되는, 전방측 케이스(130)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 압축기 방출 케이스(140)는, 압축기(16)(도 1에 도시됨)의 배출구에 유동적으로 연결되며, 그리고 연소 캔(24)의 적어도 일부분을 둘러싸는 가압 공기 충만 공간(142)을 한정한다. 공기(18)가, 연소 캔(24)의 후미측 단부(118) 근처의 외측 슬리브(44) 내의 구멍들을 통해, 압축기 방출 케이스(140)로부터 환형 공간(132) 내로 유동한다. 환형 공간(132)이 헤드 단부 부분(120)에 유동적으로 연결되기 때문에, 공기 유동(18)은, 상류의 연소 캔(24)의 후미측 단부(118) 근처로부터 헤드 단부 부분(120)으로 이동하고, 이곳에서 공기 유동(18)은, 방향을 반전시키며 그리고 연료 노즐들(122)로 진입한다.
연료 노즐들(122)은, 1차적 연료/공기 혼합물(46)로서, 연료 및 공기를, 라이너(42)의 전방측 단부의 1차적 연소 구역(50) 내로 도입하고, 이곳에서 연료 및 공기가 연소된다. 하나의 실시예에서, 연료 및 공기는, 연료 노즐들(122) 내부에서 (예를 들어, 사전 혼합 연료 노즐에서) 혼합된다. 다른 실시예에서, 연료 및 공기는, 1차적 연소 구역(50) 내로 별개로 도입될 수 있으며 그리고, (예를 들어, 확산 노즐과 더불어 발생할 수 있는 것처럼) 1차적 연소 구역(50) 내부에서 혼합될 수 있을 것이다. "제1 연료/공기 혼합물"에 대해 본 명세서에서 이루어지는 참조는, 어느 것이나 연료 노즐들(122)에 의해 생성될 수 있는 것인, 사전 혼합 연료/공기 혼합물 및 확산-유형 연료/공기 혼합물 양자 모두를 설명하는 것으로 해석되어야 한다.
1차적 연소 구역(50)으로부터의 연소 가스들은, 하류의 연소 캔(24)의 후미측 단부(118)를 향해 이동한다. 하나 이상의 연료 분사기(100)가, 2차적 연료/공기 혼합물(56)로서, 연료 및 공기를, 2차적 연소 구역(60) 내로 도입하고, 이곳에서, 연료 및 공기는, 조합된 연소 가스 생성물 흐름(26)을 형성하기 위해 1차적 구역 연소 가스들에 의해 점화된다. 축방향으로 분리된 연소 구역들을 구비하는 그러한 연소 시스템은, "축방향 연료 스테이징(AFS)" 시스템(200)으로 설명되며, 그리고 하류측 분사기들(100)은, 본 명세서에서 "AFS 분사기들"로 지칭될 수 있을 것이다.
도시된 실시예에서, 각각의 AFS 분사기(100)를 위한 연료가, 연료 유입구(154)를 통해, 연소 캔(24)의 헤드 단부로부터 공급된다. 각각의 연료 유입구(154)는, 개별적인 AFS 분사기(100)에 연결되는, 연료 공급 라인(104)에 연결된다. 압축기 방출 케이스(140)를 통해 연장되는 반경 방향으로 배향된 연료 공급 라인들로부터 또는 링형 매니폴드로부터 연료를 공급하는 것을 포함하는, AFS 분사기들(100)로 연료를 운반하는 다른 방법들이, 사용될 수 있다는 것을, 이해해야 한다.
도 2는, AFS 분사기들(100)이 연소 캔(24)의 종방향 중심선(70)에 대해 각도(?: theta)를 갖도록 배향될 수 있다는 것을, 추가로 도시한다. 도시된 실시예에서, 분사기(100)의 리딩 에지 부분(말하자면, 헤드 단부에 가장 가깝게 위치하게 되는 분사기(100)의 부분)은, 연소 캔(24)의 중심선(70)으로부터 멀어지게 배향되는 가운데, 분사기(100)의 트레일링 에지 부분은, 연소 캔(24)의 중심선(70)을 향해 배향된다. 분사기(100)의 종방향 축(75)과 중심선(70) 사이에 한정되는 각도(?)는, 0 도 내지 ±45 도 사이, 0 도 내지 ±30 도 사이, 0 도 내지 ±20 도 사이, 또는 0 도 내지 ±10 도 사이, 또는 이들 사이의 임의의 중간 값일 수 있을 것이다.
도 2는, 연소기의 중심선(종방향 축)(70)에 대해 양의 각도의 분사기(100)의 배향을 도시한다. 다른 실시예(별도로 도시되지 않음)에서, 리딩 에지 부분이 중심선(70)에 인접하며 그리고 트레일링 에지 부분이 중심선(70)에 대해 떨어지도록, 중심선(70)에 대해 음의 각도로 분사기(100)를 배향시키는 것이, 바람직할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 연소 캔(24)을 위한 모든 분사기들(100)이, 0도가 아닌 각도로 배치되는 경우, 동일한 각도로 배향된다(말하자면, 모두 동일한 양의 각도로 배향되거나, 또는 모두 동일한 음의 각도로 배향된다).
분사기들(100)은, 제2 연료/공기 혼합물(56)을 연소 라이너(42) 내로, 중심선(70) 및/또는 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동을 가로지르는 방향으로, 분사하여, 그로 인해 2차적 연소 구역(60)을 형성하도록 한다. 1차적 연소 구역 및 2차적 연소 구역으로부터의 조합된 고온 가스들(26)은, 하류로 연소 캔(24)의 후미측 단부(118)를 통해 그리고 터빈 섹션(28)(도 1) 내로 이동하며, 이곳에서 연소 가스들(26)은, 터빈(28)을 구동하기 위해 팽창된다.
특히, 가스 터빈(1000)의 작동 효율을 향상시키도록 그리고 배기가스를 감소시키도록, 제2 연료/공기 혼합물(56)을 형성하기 위해 연료와 압축 가스를 완전히 혼합하는 것이 분사기(100)에 대해 바람직하다. 그에 따라, 이하에 설명되는 분사기 실시예들은, 개선된 혼합을 가능하게 한다. 부가적으로, 연료 분사기들(100)은, 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 많은 수의 연료 분사 포트들을 구비하기 때문에, 넓은 범위의 열 방출 값들을 갖는 연료들을 도입하기 위한 능력이, 증가하게 되어, 가스 터빈 운영자를 위한 더 큰 연료 유연성을 제공하도록 한다.
도 3 및 도 4는, 개별적으로, 이상에 설명된 AFS 시스템(200)에서의 사용을 위한 예시적인 연료 분사기(100)의, 사시도 및 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 연료 분사기(100)는, 한 쌍의 대향하여 배치되는 단부 벽(328)을 구비하는 프레임(304)을 포함한다. 적어도 하나의 연료 분사 몸체(340)가, 프레임(304)의 측면들을 한정하는, 한 쌍의 측벽 연료 분사 몸체(360) 사이에 배치된다. 연료 분사 몸체(340) 및 측벽 연료 분사 몸체들(360)은, 본 명세서에서 추가로 논의된다. 적어도 하나의 실시예에서, 연료 분사기(100)는, 프레임(304)에 결합되는, 장착 플랜지(302) 및 배출구 부재(310)를 더 포함한다.
배출구 부재(310)는, 연소 캔(24)의 종방향 축(70)(LCOMB, 도 2 도시됨)에 대한 반경 방향 치수 "R"을 나타내는, 분사 축(312)(도 4에 도시됨)을 한정한다. 연료 분사기(100)는 추가로, 분사 축(312)에 대략 수직인 종방향 치수(축(LINJ)으로 나타남) 및, 종방향 축(LINJ) 둘레로 연장되는 원주 방향 치수 "C"를 구비한다.
비록 분사 축(312)이 도 3 및 도 4에 도시되는 예시적인 실시예에서 대략 선형이지만, 분사 축(312)은, 다른 실시예에서 비-선형일 수 있을 것이다. 예를 들어, 배출구 부재(310)는, 다른 실시예에서(미도시) 아치 형상을 가질 수 있을 것이다.
배출구 부재(310)는, 세장형 슬롯으로 설명될 수 있는, 형상을 구비한다. 세장형 슬롯 형상은, 헤드 단부(120)로 이동하는 유동에 대해, 라이너(42)와 외측 슬리브(44) 사이의 환형 공간(132) 내에서, 적은 차단을 생성하여, 그로 인해 라이너(42)의 내구성을 개선시킨다. 부가적으로, 배출구 부재(310)의 슬롯 형상은, 2차적 연료/공기 혼합물(56)의, 1차적 연소 구역(50)으로부터의 연소 생성물과의 혼합을 개선하여, 그로 인해 배기가스를 감소시킨다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 장착 플랜지(302), 프레임(304), 및 배출구 부재(310)는, (말하자면, 용접 또는 다른 이음 방법 없이, 서로 일체형으로 형성되는) 단일체 구조로 제조될 수 있을 것이다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 플랜지(302)는, 프레임(304) 및/또는 배출구(310)와 일체형으로 형성되지 않을 수 있을 것이다(예를 들어, 플랜지(302)는, 적당한 체결구를 사용하여, 프레임(304) 및/또는 배출구(310)에 결합될 수 있을 것이다). 더불어, 프레임(304) 및 배출구(310)는, 아마도 상호잠금 스터브(interlocking stub) 플랜지-대-플랜지 연결(별도로 도시되지 않음)을 사용하여, 플랜지(302)에 별개로 결합되는, 일체화된 단일체 유닛으로 제조될 수 있을 것이다.
대략 평면형인 플랜지(302)는, 각각 연료 분사기(100)를 외측 슬리브(44)에 결합하기 위한 체결구(미도시)를 수용하도록 크기 결정되는, 복수의 구멍(306)을 한정한다. 연료 분사기(100)는, 분사기(100)가 본 명세서에 설명되는 방식으로 기능하도록, 프레임(304) 또는 배출구 부재(310)가 라이너(42)에 결합되는 것을 가능하게 하는, 플랜지(302)(예를 들어, 장착 보스) 대신에 또는 플랜지(302)(예를 들어, 장착 보스)와 조합으로, 임의의 적당한 구조를 구비할 수 있을 것이다.
프레임(304)은, 연료 분사기(100)의 유입구 부분을 한정한다. 프레임(304)은, 한 쌍의 대향하여 배치되는 단부 벽(328) 및, 단부 벽들(328) 사이에서 연장되는 측벽 연료 분사 몸체들(360)에 의해 한정되는, 한 쌍의 대향하여 배치되는 측면을 구비한다. 측벽 연료 분사 몸체들(360)은, 단부 벽들(328)보다 더 길고, 그에 따라 축 방향으로 대략 직사각형 윤곽을 갖는 프레임(304)을 제공하도록 한다. 프레임(304)은, 플랜지(302)에 인접한 제1 단부(318)("기단부") 및 플랜지(302)에서 떨어진 제2 단부(320)("말단부")를 구비한다.
배출구 부재(310)는, 프레임(304) 반대편 측에서 플랜지(302)로부터 (연소기(24)의 종방향 축에 대해) 반경 방향 내향으로 연장된다. 배출구 부재(310)는, 균일한, 또는 실질적으로 균일한, 반경 방향 및 축 방향으로의 단면적을 한정한다. 배출구 부재(310)는, 프레임(304)과 라이너(42)의 내부공간 사이에 유체 소통을 제공하며, 그리고 2차적 연소 구역(60) 내로 분사 축(312)을 따라 제2 연료/공기 혼합물(56)을 운반한다. 배출구 부재(310)는, 연료 분사기(100)가 설치될 때, 플랜지(302)에 인접한 제1 단부(322) 및 플랜지(302)에서 떨어진 (그리고 라이너(42)에 인접한) 제2 단부(324)를 구비한다. 더불어, 연료 분사기(100)가 설치될 때, 배출구 부재(310)는, 플랜지(302)가 (도 2에 도시된 바와 같이) 외측 슬리브(44)의 외측 표면 상에 위치하게 되도록, 라이너(42)와 외측 슬리브(44) 사이의 환형 공간(132) 내부에 위치하게 된다.
그에 따라, 프레임(304)은, 제1 방향으로 플랜지(302)로부터 반경 방향 외향으로 연장되며, 그리고 배출구 부재(310)는, 제1 방향 반대편의 제2 방향으로 플랜지(302)로부터 반경 방향 내향으로 연장된다. 플랜지(302)는, 프레임(304)의 둘레에서 원주 방향으로 연장된다(말하자면, 외접함). 프레임(304) 및 배출구 부재(310)는, 분사 축(312) 둘레에서 원주 방향으로 연장되며 그리고, 플랜지(302)를 통해 서로 유동 소통 상태에 놓인다.
비록 본 명세서에서 설명되는 실시예들이, 플랜지(302)가 프레임(304)과 배출구 부재(310) 사이의 중앙에 위치하게 되는 것으로, 제시하지만, 플랜지(302)가 어떤 다른 위치에 또는 어떤 다른 적당한 배향으로 위치하게 될 수 있다는 것이, 이해되어야 한다. 예를 들어, 프레임(304) 및 배출구 부재(310)는, 플랜지(302)로부터 대략 반대 방향들로 연장되지 않을 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 단부 벽들(328)은 또한, 플랜지(302)에 대해 각도를 갖도록 배향될 수 있을 것이다. 단부 벽들(328)은, 대략 선형의 단면 윤곽을 구비한다. 다른 실시예에서, 단부 벽들(328)은, 프레임(304)이 말단부(320)와 기단부(318) 사이에서 적어도 부분적으로 수렴될(즉, 좁아질) 수 있도록 하는, 임의의 적당한 단면 윤곽(들)을 구비할 수 있다. 대안적으로, 단부 벽들(328)은 각각, 분사 축(312)에 실질적으로 평행하게 배향되는, 실질적으로 선형의 단면 윤곽을 구비할 수 있을 것이다.
예시적인 실시예에서, 연료 분사기(100)는, 연료 분사 몸체(340) 및 측벽 연료 분사 몸체들(360)에 연료를 공급하는, 도관 피팅(332)을 더 포함한다. 도관 피팅(332)은, 도관 피팅(332)이 분사기(100)의 종방향 축(LINJ)을 따라 대략 외향으로 연장되도록, 프레임(304)의 단부 벽들(328) 중의 하나와 일체형으로 형성된다. 도관 피팅(332)은, 연료 공급 라인(104)에 연결되며 그리고 그로부터 연료를 수용한다. 도관 피팅(332)은, 임의의 적당한 크기 및 형상을 구비할 수 있으며 그리고, 도관 피팅(332)이 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는, 프레임(304)의 임의의 적당한 부분(들)과 일체형으로 형성되거나, 또는 프레임(304)의 임의의 적당한 부분(들)에 결합될 수 있을 것이다.
연료 분사 몸체(340)는, 도관 피팅(332)이 그를 통해 돌출하는 것인, 단부 벽(328)과 일체형으로 형성되는 제1 단부(336), 및 연료 분사기(100)의 반대편 단부에서 단부 벽(328)과 일체형으로 형성되는 제2 단부(338)를 구비한다. 단부 벽들(328) 사이에서 프레임(304)을 대략 선형으로 가로질러 연장되는, 연료 분사 몸체(340)는, 도관 피팅(332)과 유체 소통 상태에 놓이는 내부 연료 충만 공간(350)을 한정한다. 다른 실시예에서, 연료 분사 몸체(340)는, 연료 분사 몸체(340)가 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는, 프레임(304)의 임의의 적당한 부분들로부터 프레임(304)의 전부 또는 일부분을 가로질러 연장될 수 있을 것이다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 연료 분사 몸체(340)는, 대향하여 배치되는 단부 벽들(328) 사이에 아치 형상을 한정할 수 있을 것이다.
이상에 언급된 바와 같이, 연료 분사 몸체(340)는, 내부 충만 공간(350)을 한정하며 그리고 프레임(304)의 단부 벽들(328) 사이에서 연장되는, 중공 구조를 형성하는 복수의 표면을 구비한다. 종방향 축(LINJ)에 수직 방향으로 취해진 단면에서 볼 때, (본 실시예에서) 연료 분사 몸체(340)는 대략, 만곡된 리딩 에지(342), 대향하여 배치되는 트레일링 에지(344), 및 리딩 에지(342)로부터 트레일링 에지(344)까지 연장되는 한 쌍의 대향하는 연료 분사 표면(346, 348)을 갖는, 반전된 눈물 방울의 형상을 구비한다. 연료 분사 몸체(340)는, 리딩 에지(342)가 플랜지(302)에서 떨어지게 놓이며 그리고 트레일링 에지(344)가 플랜지(302)에 인접하게 배치되도록, 배향된다.
각각의 연료 분사 표면(346, 348)은, 개별적인 측벽 연료 분사 몸체(360)를 지향하고, 그에 따라, 트레일링 에지(344)의 하류에서 그리고 배출구 부재(310)의 상류 또는 내부에서 서로 교차하는, 한 쌍의 유동 경로(352)를 한정한다. 유동 경로들(352)은, 프레임(304)의 말단부(320)로부터 프레임(304)의 기단부(318)까지 일정한 치수들의 것일 수 있으며, 또는 유동 경로들(352)은, 말단부(320)로부터 기단부(318)로 수렴하여, 그로 인해 유동을 가속하도록 할 수 있을 것이다.
각각의 연료 분사 표면(346, 348)은, 내부 충만 공간(350)과 유동 경로들(352) 사이에 유체 소통을 제공하는, 복수의 연료 분사 포트(354)를 구비한다. 연료 분사 포트들(354)은, 예를 들어, 연료 분사 몸체(340)가 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는데 적당한, 임의의 방식[예를 들어, 포트들(354)을 갖는 하나 이상의 열이 균등하게 또는 불균등하게 이격됨]으로, 연료 분사 표면들(346, 348)의 길이를 따라, 이격된다(도 3 참조).
각각의 측벽 연료 분사 몸체(360)는, 도관 피팅(332)이 그를 통해 돌출하는 것인, 단부 벽(328)과 일체형으로 형성되는 제1 단부(366), 및 연료 분사기(100)의 반대편 단부에서 단부 벽(328)과 일체형으로 형성되는 제2 단부(368)를 구비한다. 단부 벽들(328) 사이에서 프레임(304)을 대략 선형으로 가로질러 연장되는, 각각의 측벽 연료 분사 몸체(360)는, 도관 피팅(332)과 유체 소통 상태에 놓이는 내부 연료 충만 공간(370)을 한정한다. 다른 실시예에서, 측벽 연료 분사 몸체(360)는, 대향하여 배치되는 단부 벽들(328) 사이에 아치(또는 비-선형) 형상을 한정할 수 있을 것이다.
각각의 측벽 연료 분사 몸체(360)는, 내부 충만 공간(370)을 한정하며 그리고 프레임(304)의 단부 벽들(328) 사이에서 연장되는, 중공 구조를 형성하는 복수의 표면을 구비한다. 종방향 축(LINJ)에 수직 방향으로 취해진 단면에서 볼 때, (본 실시예에서) 측벽 연료 분사 몸체들(360)은 대략, 만곡된 리딩 에지(362), 대향하여 배치되는 트레일링 에지(364), 및 리딩 에지(362)로부터 트레일링 에지(364)까지 연장되는 한 쌍의 대향하는 표면(366, 368)을 갖는, 반전된 눈물 방울들의 형상을 구비한다. 연료 분사 몸체(360)는, 리딩 에지(362)가 플랜지(302)에서 떨어지게 놓이며 그리고 트레일링 에지(364)가 플랜지(302)에 인접하게 배치되도록, 배향된다.
연료 분사 몸체(340)를 지향하는 표면(366)은, 복수의 연료 분사 포트(374)를 구비하는, 연료 분사 표면을 한정한다. 연료 분사 포트들(374)은, 내부 충만 공간(370)과 유동 경로들(352) 사이에 유체 소통을 제공한다. 연료 분사 포트들(374)은, 예를 들어, 측벽 연료 분사 몸체(360)가 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는데 적당한, 임의의 방식[예를 들어, 포트들(374)을 갖는 하나 이상의 열이 균등하게 또는 불균등하게 이격됨]으로, 연료 분사 표면(366)의 길이를 따라, 이격된다. 플랜지(302)에 인접한 표면(368)은, 연료 분사 포트들을 구비하지 않는 중실 표면을 한정한다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임(304)의 측벽 연료 분사 몸체들(360)은 각각, 플랜지(302)에 대해 각도(380)로 그리고 분사 축(312)에 대해 각도(382)로 배향된다. 예시적인 도시된 실시예에서, 각도(380) 및 각도(382)는, 서로 상보적이다(말하자면, 합계 90도임). 각도(380)는, 측벽 연료 분사 몸체(360)의 리딩 에지(362) 및 트레일링 에지(364)를 통해 한정되는 종방향 축(375)과, 플랜지(302)[또는, 일부의 경우에, 플랜지에 평행한 가상의 선] 사이에 한정된다. 각도(382)는, 측벽 연료 분사 몸체(360)의 종방향 축(375)과 연료 분사기(100)의 분사 축(312) 사이에 한정된다.
특히, 연료 분사기(100)는, 적당한 개수의 유동 경로들(352)을 한정하는, 임의의 적당한 배향으로 프레임(304)을 가로질러 연장되는, 하나 초과의 연료 분사 몸체(340)를 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서, 연료 분사기(400)가, 3개의 이격된 유동 경로(352)가 프레임(304) 내부에 한정되도록, 이상에 논의되는 한 쌍의 측벽 연료 분사 몸체(360) 사이에 배치되는, 한 쌍의 인접한 연료 분사 몸체(340a, 340b)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 유동 경로들(352)은, 동등하게 이격되고, 그 결과 연료 분사 몸체들(340)은, 분사 축(312)에 대해 동일한 각도(즉, 각도(390))로 배향되며, 그리고 측벽 연료 분사 몸체들(360)은, 분사 축(312)에 대해 동일한 각도(즉, 각도(382))로 배향된다. 각도(390)는, 연료 분사 몸체(340a 또는 340b)의 리딩 에지(342) 및 트레일링 에지(344)를 통해 연장되는 종방향 축(345)과, 연료 분사기(400)의 분사 축(312) 사이에 한정된다.
각각의 연료 분사 몸체(340a, 340b)는, 연료 분사 포트들(354)이 각각의 연료 분사 몸체(340a, 340b) 내부에 한정되는 개별적인 충만 공간(350a, 350b)과 유체 소통 상태에 놓이도록, 이상에 설명된 바와 같이, 적어도 하나의 연료 분사 표면(346 또는 348) 상에 복수의 연료 분사 포트(354)를 구비한다. 결과적으로, 충만 공간들(350a, 350b)은, 연료 공급 라인(104)으로부터 연료를 수용하는, 도관 피팅(332)과 유체 소통 상태에 놓인다. 측벽 연료 분사 몸체들(360)은, 이상에 설명된 바와 같이, 구성된다.
지금부터 도 3 내지 도 6에 도시된 단일 분사 몸체 실시예 및 이중 분사 몸체 실시예 양자 모두를 참조하면, 연소 캔(24)의 특정 작동 도중에, 압축된 가스는, 프레임(340) 내로 그리고 유동 경로들(352)을 통해 유동한다. 동시에, 연료가, 연료 공급 라인(104)을 통해 그리고 도관 피팅(332)을 통해, 하나 이상의 연료 분사 몸체(340)(또는 340a, 340b)의 내부 충만 공간(들)(350)(또는350a, 350b)으로 이송된다. 연료는, 충만 공간(350)으로부터, 각각의 연료 분사 몸체(340)의 연료 분사 표면들(346 및/또는 348) 상의 연료 분사 포트들(354)을 통해 그리고, 연료가 압축된 공기와 혼합되는 곳인, 유동 경로들(352) 내로, 통과한다. 연료 분사 포트들(354)은, 분사 표면(346 또는 348)에 수직일 수 있으며, 또는 연료 분사 포트들(354)은, 연료 분사 표면(346, 348)에 대해 경사질 수 있을 것이다. 연료 및 압축된 공기는, 제2 연료/공기 혼합물(56)을 형성하고, 이는, (도 2에 도시된 바와 같이) 배출구 부재(310)를 통해 2차적 연소 구역(60) 내로 분사된다.
도 7 및 도 8은, 연료 분사기 내부에서의 측벽 연료 분사 몸체들(360)의 대안적인 구성들을 설명한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 분사기(500)는, 원형 단면 윤곽을 갖는, 한 쌍의 측벽 연료 분사 몸체(460)를 포함한다. 측벽 연료 분사 몸체들(460)은, 개별적인 연료 충만 공간(470)을 한정한다. 하나 이상의 연료 분사 포트(474)가, 연료가 연료 분사 포트들(474)을 통해 유동 경로들(352) 내로 분사되도록, 측벽 연료 분사 몸체들(460)을 통해 한정된다. 이상에 설명된 바와 같이, 연료는 또한, 연료 분사 몸체(340)에 의해 한정되는 연료 충만 공간(350)으로부터, 연료 분사 포트들(354)을 통해, 분사된다.
도 8은, 삼각형 단면 윤곽을 갖는, 한 쌍의 측벽 연료 분사 몸체(560)를 포함하는, 연료 분사기(600)를 도시한다. 측벽 연료 분사 몸체들(560)은, 개별적인 연료 충만 공간(570)을 한정한다. 하나 이상의 연료 분사 포트(574)가, 연료가 연료 분사 포트들(574)을 통해 유동 경로들(352) 내로 분사되도록, 측벽 연료 분사 몸체들(560)을 통해 한정된다. 이상에 설명된 바와 같이, 연료는 또한, 연료 분사 몸체(340)에 의해 한정되는 연료 충만 공간(350)으로부터, 연료 분사 포트들(354)을 통해, 분사된다.
도 7 및 도 8이 측벽 연료 분사 몸체들(460, 560) 사이에 배치되는 단일 연료 분사 몸체(340)를 구비하는 구성을 도시하지만, 2개 이상의 연료 분사 몸체(340)가 대신 사용될 수 있다는 것이, 이해되어야 한다.
본 명세서에 설명되는 본 발명의 연료 분사기들은, 배기가스를 감소시키기 위해 연소기 내에서 연료와 압축 가스의 향상된 혼합을 가능하게 한다. 본 발명의 연료 분사기들 및 AFS 시스템들은, 그에 따라, 예를 들어, 가스 터빈 조립체 내의 연소기와 같은, 연소기의 전체 작동 효율을 개선하는 것을 가능하게 한다. 이는, 예를 들어, 가스 터빈 조립체 내의 연소기와 같은, 연소기를 작동시키는 것과 연관되는 비용을 감소시키며, 그리고 출력을 증가시킨다.
연료 분사기들의 예시적인 실시예들 및 그를 사용하는 방법들이, 이상에 상세하게 설명된다. 여기에서 설명되는 방법들 및 시스템들은, 여기에서 설명되는 특정 실시예들에 국한되지 않는 대신, 방법들 및 시스템들의 구성요소들이, 여기에서 설명되는 다른 구성요소들과 독립적으로 그리고 분리되어 활용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 방법들 및 시스템들은, 여기에서 설명되는 바와 같은, 터빈 조립체들과 함께 실시하도록 제한되지 않는 다른 적용들을 구비할 수 있을 것이다. 대신에, 여기에서 설명되는 방법들 및 시스템들은, 다양한 다른 산업들과 함께 실시되고 활용될 수 있다.
기술적 진보들이 다양한 특정 실시예들의 관점에서 설명되었지만, 당업자는, 기술적 진보들이 청구항들의 사상 및 범위 이내에서 수정을 동반하여 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 연료 분사기로서:
    대향하여 배치되는 단부 벽들을 구비하는 프레임, 제1 연료 충만 공간을 한정하는 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제1 측벽 연료 분사 몸체 반대편의, 제2 연료 충만 공간을 한정하는 제2 측벽 연료 분사 몸체로서, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는, 상기 단부 벽들 사이에 축방향으로 연장되며, 그리고 단부 벽들과 함께, 공기의 통과를 위한 개구를 한정하는 것인, 프레임, 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제2 측벽 연료 분사 몸체;
    제3 연료 충만 공간을 한정하는 제3 연료 분사 몸체로서, 상기 단부 벽들 사이에서 축방향으로 연장되며 그리고, 공기 유동 경로들이, 상기 제3 연료 분사 몸체와 각각의 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에, 한정되도록, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체와 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 배치되는 것인, 제3 연료 분사 몸체; 및
    상기 프레임에 결합되며 그리고, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체, 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체, 및 상기 제3 연료 분사 몸체의 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결되는, 도관 피팅
    을 포함하고,
    상기 제1 측벽 연료 분사 몸체는 제1 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는 제2 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하며, 상기 제3 연료 분사 몸체는 제3 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 각각의 복수의 연료 분사 포트들은, 개별적인 상기 연료 충만 공간 및, 상기 공기 유동 경로들 중의 인접한 공기 유동 경로와, 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 연료 분사기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프레임에 결합되는 장착 플랜지를 포함하는 것인, 연료 분사기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 장착 플랜지로부터 상기 프레임 반대편의 방향으로 연장되는 배출구 부재로서, 상기 공기 유동 경로들과 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 배출구 부재를 포함하며; 그리고 상기 배출구 부재는, 세장형 슬롯의 형상을 구비하는 것인, 연료 분사기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는 각각, 눈물 방울 형상, 원형 형상, 및 삼각형 형상 중의 하나를 한정하는, 단면 윤곽을 구비하는 것인, 연료 분사기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는 각각, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하며, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 상기 유동 경로들 중의 하나에 인접한 제1 외측 표면, 및 상기 제1 외측 표면 반대편의 제2 외측 표면을 구비하고, 상기 제1 외측 표면 및 상기 제2 외측 표면은, 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되며; 그리고 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체의 상기 제1 외측 표면은, 제1 복수의 연료 분사 포트를 한정하며, 그리고 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체의 상기 제1 외측 표면은, 제2 복수의 연료 분사 포트를 한정하는 것인, 연료 분사기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 측벽 연료 분사 몸체의 상기 제1 외측 표면을 통해 한정되는 상기 복수의 연료 분사 포트는, 단일 열로 배열되는 것인, 연료 분사기.
  7. 제 5항에 있어서,
    제1 축이, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체의 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지를 통해 한정되고, 제2 축이, 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체의 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지를 통해 한정되며; 그리고 상기 제1 축과 상기 연료 분사기의 분사 축 사이에 한정되는 제1 각도가, 상기 제2 축과 상기 분사 축 사이에 한정되는 제2 각도와 동등한 것인, 연료 분사기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 연료 분사 몸체는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하고, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하고, 상기 한 쌍의 외측 표면 중 적어도 하나는, 상기 제3 복수의 연료 분사 포트를 한정하는 것인, 연료 분사기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 외측 표면의 각 외측 표면은, 개별적인 연료 분사 표면을 한정하며; 그리고 상기 제3 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트가, 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되고, 상기 제3 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트가, 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정되는 것인, 연료 분사기.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 단부 벽들 사이에 배치되는 제4 연료 분사 몸체로서, 유동 경로들이, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체, 상기 제3 연료 분사 몸체, 상기 제4 연료 분사 몸체, 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 한정되도록, 상기 개구 내부에 위치하게 되는 것인, 제4 연료 분사 몸체를 더 포함하며; 그리고 상기 제4 연료 분사 몸체는, 상기 도관 피팅과 유체 소통 상태에 놓이는 제4 연료 충만 공간을 한정하며 그리고, 상기 제4 연료 충만 공간과 유체 소통 상태에 놓이는 제4 복수의 연료 분사 포트를 한정하는, 적어도 하나의 외측 표면을 구비하는 것인, 연료 분사기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제4 연료 분사 몸체는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하고, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 및 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하는 것인, 연료 분사기.
  12. 제 11항에 있어서,
    제3 축이, 상기 제3 연료 분사 몸체의 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지를 통해 한정되고, 제4 축이, 상기 제4 연료 분사 몸체의 상기 리딩 에지 및 상기 트레일링 에지를 통해 한정되며; 그리고 상기 제3 축과 상기 연료 분사기의 분사 축 사이에 한정되는 제3 각도가, 상기 제4 축과 상기 분사 축 사이에 한정되는 제4 각도와 동등한 것인, 연료 분사기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제3 연료 분사 몸체의 상기 제3 복수의 연료 분사 포트는, 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되는 상기 제3 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트, 및 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정되는 상기 제3 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트를 포함하며; 그리고
    상기 제4 연료 분사 몸체의 상기 제4 복수의 연료 분사 포트는, 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제1 연료 분사 표면을 통해 한정되는 상기 제4 복수의 연료 분사 포트의 제1 하위세트, 및 상기 한 쌍의 외측 표면 중의 제2 연료 분사 표면을 통해 한정되는 상기 제4 복수의 연료 분사 포트의 제2 하위세트를 포함하는 것인, 연료 분사기.
  14. 가스 터빈을 위한 연소기로서:
    연소 챔버를 한정하는 라이너로서, 헤드 단부, 후미측 단부, 및 상기 헤드 단부와 상기 후미측 단부 사이에서 라이너를 관통하는 적어도 하나의 개구를 한정하는 것인, 라이너; 및
    축방향 연료 스테이징(AFS) 시스템으로서:
    연료 분사기로서, 상기 연료 분사기는, 상기 라이너 내의 상기 적어도 하나의 개구 중의 개별적인 하나를 통해 유체 소통을 제공하도록 장착되고, 유체 소통은, 상기 라이너의 종방향 축에 대해 횡단 방향으로 지향되는 것인, 연료 분사기; 및
    상기 연료 분사기에 연결되는 연료 공급 라인
    을 포함하는 것인, 축방향 연료 스테이징(AFS) 시스템
    을 포함하고;
    상기 분사기는:
    대향하여 배치되는 단부 벽들을 구비하는 프레임, 제1 연료 충만 공간을 한정하는 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제1 측벽 연료 분사 몸체 반대편의, 제2 연료 충만 공간을 한정하는 제2 측벽 연료 분사 몸체로서, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는, 상기 단부 벽들 사이에 축방향으로 연장되며, 그리고 단부 벽들과 함께, 공기의 통과를 위한 개구를 한정하는 것인, 프레임, 제1 측벽 연료 분사 몸체, 및 제2 측벽 연료 분사 몸체;
    제3 연료 충만 공간을 한정하는 제3 연료 분사 몸체로서, 상기 단부 벽들 사이에서 축방향으로 연장되며 그리고, 공기 유동 경로들이, 상기 제3 연료 분사 몸체와 각각의 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에, 한정되도록, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체와 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 배치되는 것인, 제3 연료 분사 몸체; 및
    상기 프레임에 결합되며 그리고, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체, 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체, 및 상기 제3 연료 분사 몸체의 개별적인 연료 충만 공간들에 유동적으로 연결되는, 도관 피팅으로서; 상기 연료 공급 라인이, 상기 도관 피팅에 연결되는 것인, 도관 피팅
    을 포함하고,
    상기 제1 측벽 연료 분사 몸체는 제1 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는 제2 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하며, 상기 제3 연료 분사 몸체는 제3 복수의 연료 분사 포트를 구비하는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고, 각각의 복수의 연료 분사 포트들은, 개별적인 상기 연료 충만 공간 및, 상기 공기 유동 경로들 중의 인접한 공기 유동 경로와, 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 연소기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 연료 분사기는, 상기 프레임에 결합되는 장착 플랜지 및, 상기 장착 플랜지로부터 상기 프레임 반대편의 방향으로 연장되는 배출구 부재로서, 상기 공기 유동 경로들과 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 배출구 부재를 더 포함하며; 그리고 상기 배출구 부재는, 세장형 슬롯의 형상을 구비하는 것인, 연소기.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 연료 분사기의 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체는 각각, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하며, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 상기 공기 유동 경로들 중의 하나에 인접한 제1 외측 표면, 및 상기 제1 외측 표면 반대편의 제2 외측 표면을 구비하고, 상기 제1 외측 표면 및 상기 제2 외측 표면은, 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되며; 그리고 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 각각의 상기 제1 외측 표면은, 개별적인 제1 복수의 연료 분사 포트 및 제2 복수의 연료 분사 포트를 한정하는 것인, 연소기.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 연료 분사기의 상기 제3 연료 분사 몸체는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하고, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하고, 상기 한 쌍의 외측 표면 중 적어도 하나는, 상기 제3 복수의 연료 분사 포트를 한정하는 것인, 연소기.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 연료 분사기는, 상기 단부 벽들 사이에 배치되는 제4 연료 분사 몸체로서, 공기 유동 경로들이, 상기 제1 측벽 연료 분사 몸체, 상기 제3 연료 분사 몸체, 상기 제4 연료 분사 몸체, 및 상기 제2 측벽 연료 분사 몸체 사이에 한정되도록, 상기 개구 내부에 위치하게 되는 것인, 제4 연료 분사 몸체를 포함하고; 상기 제4 연료 분사 몸체는, 제4 연료 충만 공간을 한정하며 그리고, 상기 제4 연료 충만 공간과 유체 소통 상태에 놓이는 제4 복수의 연료 분사 포트를 한정하는, 적어도 하나의 외측 표면을 구비하며; 그리고 상기 제4 연료 충만 공간은, 상기 도관 피팅과 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 연소기.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 연료 분사기의 상기 제4 연료 분사 몸체는, 눈물 방울 형상을 한정하는 단면 윤곽을 구비하고, 눈물 방울 형상은, 리딩 에지, 리딩 에지 반대편의 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장되는 한 쌍의 외측 표면을 구비하며; 그리고, 상기 제3 연료 분사 몸체 및 상기 제4 연료 분사 몸체는, 상기 연료 분사기의 분사 축에 대해 동등한 각도로 배치되는 것인, 연소기.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 AFS 시스템의 상기 연료 분사기는, 복수의 연료 분사기 중의 하나이며; 그리고 상기 헤드 단부는, 적어도 하나의 연료 노즐을 포함하는 것인, 연소기.
KR1020180097364A 2017-09-01 2018-08-21 사전 혼합 연료 분사기 및 가스 터빈 연소기에서의 사용 방법 KR102617172B1 (ko)

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