KR19980018381A - 가스 터빈 연소기용 연료 노즐 조립체 및 액체 연료 분사 방법 - Google Patents

가스 터빈 연소기용 연료 노즐 조립체 및 액체 연료 분사 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 연소기용 액체 연료 분사기 노즐은 액체 연료를 개별 제트로 연소실로 보낸다. 액체 연료 분사기 노즐은 와류(swirl)를 액체 연료에 전달하기 위한 다수의 와류형 슬롯을 포함하는 와류형 파일럿(pilot)으로 종단되는 연료 통로를 포함한다. 와류형 파일럿의 하류에 배치된 스핀 챔버(spin chamber)는 액체 연료를 개별 제트로 방출 오리피스로 전달한다. 개별 연료 스트림은 연료가 적당히 예혼합기 공기 스트림을 통과할 때까지 분무화를 최소화하는 방법으로 집중되며, 이는 공동 원추형 스프레이 패턴 분사 방법과 비교할 때 상향된 효율성, 낮은 배출 가스, 보다 큰 불꽃 안정성 및 개선된 패턴 요소를 가져오는 연소 특성이 얻어진다.

Description

가스 터빈 연소기용 연료 노즐 조립체 및 액체 연료 분사 방법
본 발명은 가스 터빈 엔진에 사용하기 위한 연료 노즐 구조체, 특히 가스 터빈 연소기에 있어서 단일 방출 오리피스로부터 다중 개별 연료 제트를 제공하는 액체 연료 분사기에 관한 것이다.
산업 가스 터빈 응용예로 개발된 종래의 건식 저 NOx 연소기는 미국 특허 제 5,259,184 호에 기술되었으며, 이의 내용은 본원에서 참고로 인용된다. 연소기는 저 터빈 부하의 확산 모드 및 고 터빈 부하의 예혼합된 모드에서 작동하는 단일 스테이지(단일 연소실 또는 점화 영역) 이중 모드(확산과 예혼합된) 연소기이다. 일반적으로, 각 연소기는 다중 연료 노즐을 가지며, 이들 각각은 둘러싸는 전용 예혼합 섹션 또는 튜브를 갖으며, 예혼합 모드에 있어서, 연료는 단일 연소실내에서 연소하기에 앞서 공기와 예혼합된다. 이러한 방법에 있어서, 다중 전용 예혼합 섹션 또는 튜브는 연소에 앞서 연료와 공기를 완전히 예혼합하며, 이는 궁극적으로 저 NOx 수준을 가져온다. 라이너(liner)내에서 갑작스런 팽창에 따른 예혼합기에 존재하는 와류 유동으로부터의 와동 붕괴(vortex breakdown)는 불꽃 안정성을 위한 메카니즘이다.
일반적으로, 각 연료 노즐 조립체는 액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이기 위한 유입구를 갖는 후방 공급 섹션과 전술된 각각의 유체를 각각의 통로로 공급하기 위한 적당한 연결 통로를 갖는 연료 노즐 조립체의 전방 전달 섹션을 포함한다. 예시적인 연료 노즐은 미국 특허 제 5,355,670 호에 기술되었으며, 이의 내용은 또한 본원에서 참고로 인용된다. 종래의 연료 노즐 배치는 액체 연료를 방출 오리피스로 분출하기에 앞서 스핀 챔버내로 연료의 얇은 시트로 합체하도록 액체 연료를 선회시키기 위한 구조체를 포함한다. 이러한 배치가 있지만, 연소하기에 앞서 예혼합기 공기 유동을 액체 연료와 적당히 혼합하는 것은 어렵다. 가늘게 분무된 연료 시트를 주사하는 종래의 해결 방법은 공기 스트림내로 불충분한 연료 침투를 가져온다. 상대적으로 높은 속도/운동량 공기 스트림에 의해 영향 받았을 때 상대적으로 낮은 질량/운동량 연료 비말은 즉시 하류로 전환된다. 이러한 것은 연소기내에 연료 풍부(fuel-rich) 연소 영역을 가져오며, 이는 비최적 배출 수행을 가져온다.
본 발명은 연료 노즐 조립체의 액체 연료 인젝터(injector)에 있어서의 개선과 관련된다. 본 발명에 따른 구조체는 시트로 합체된 후 분사되는 것과 반대로 액체 연료가 개별 제트로 분사되기 위해 연료 노즐의 가장 중앙 통로를 통해 유동하는 것을 가능케 한다. 개별 제트 인젝터 액체 연료 스트림은 연료가 적당히 예혼합기 공기 스트림을 통과할 때까지 분무를 최소화하는 방법으로 집중된다. 공기 유동내에 함유된 에너지는 분무 및 혼합을 수행하도록 이용된다. 공기와 연료사이의 상대적인 시어(sheer) 외력은 분무를 완성하는 메카니즘이다.
본 발명의 목적은 동등한 전반적인 연소기 연료대 공기 비율; 희석제의 보다 효과적인 사용을 가져오는 동등한 NOx 배출 수준을 위한 낮은 희석제(물) 분사 비율; 오랜 터빈 부품 수명을 가져오는 열이 연소기 중심선에 집중되지 않는 정도의 보다 높은[평평한(flatter)] 배출 온도 프로파일 분포; 및 특히 낮은 연료 유동비로 낮은 배기[그을음(soot)] 형성을 위한 낮은(건식/줄어들지 않은) NOx 배기 가스를 가지는 액체 연료 인젝터 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이러한 및 다른 그리고 이점은 가스 터빈 연소기용 새로운 연료 노즐 조립체를 제공하므로서 이루어진다. 이 연료 노즐 조립체는 액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이기 위한 다수의 유입구를 포함한다. 전방 전달 섹션은 다수의 연결 통로를 통해 액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이며, 액체 연료 및 방출 오리피스를 위한 연료 인젝터 노즐을 포함한다. 연료 인젝터 노즐은 다수의 와류형 슬롯을 포함하는 와류형 파일럿과 와류형 파일럿의 하류에 배치된 스핀 챔버를 포함하며, 상기 스핀 챔버는 개별 제트로 액체 연료를 방출 오리피스로 전달하도록 구성된다. 스핀 챔버의 크기는 액체 연료를 개별 제트로 방출 오리피스로 전달하게 되어있다.
본 발명의 다른 특징에 따라서, 액체 연료를 방출 오리피스로 전달하기 위한 가스 터빈 연소기용 액체 인젝터 노즐이 제공된다. 연료 인젝터 노즐은 다수의 와류형 슬롯을 포함하는 와류형 파일럿과 와류형 파이럿의 하류에 배치된 스핀 챔버를 포함한다. 스핀 챔버는 개별 제트로 액체 연료를 방출 오리피스로 전달하도록 구성된다.
본 발명의 다른 특징에 따라서, 본 발명에 따른 연소실과 연료 인젝터 노즐을 갖는 가스 터빈 연소기내로 액체 연료를 분사하는 방법이 제공된다. 이 방법은 a) 연료를 연료 인젝터 노즐의 연료 통로내로 유동시키는 단계와, b) 연료를 와류형 파일럿으로 선회시키는 단계와, c) 연료를 개별 제트로 연소실내로 분사하는 단계를 포함한다.
단계(c)는 연료가 원추형 시트로 되기 전에 연료를 분사하므로서 바람직하게 실행된다. 단계(c)는 d) 연료를 개별 제트로 전달하기 위해 스핀 챔버를 구성하는 단계에 의해 실행될 수 있다. 이 점에 관해서는, 단계(d)는 연료를 개별 제트로 전달하도록 스핀 챔버의 크기를 결정하므로서 실행될 수 있다.
도 1은 종래의 액체 연료 분사기 노즐의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 액체 연료 분사기 노즐의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료 분사기 노즐의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 노즐의 방출부 또는 전방 단부의 확대된 상세도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
32 : 연료 노즐 조립체
50 : 환형 와류기
52 : 후방 공급 섹션
54 : 전방 전달 섹션
66 : 반경방향 연료 인젝터
104 : 방출 오리피스
108 : 와류형 슬롯
110 : 스핀 챔버
본 발명의 이러한 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참고하고 본 발명의 상세한 설명을 통해 분명해 질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 참조가 자세히 만들어졌으며, 이의 실시예는 첨부된 도면에 도시되었다.
도 1은 종래의 액체 연료 인젝터 노즐에 있어서 액체 연료 스프레이 패턴을 도시한다. 일반적으로, 액체 연료는 액체 연료 인젝터 노즐의 가장 중앙 통로로 유입된다. 액체 연료는 와류형 파일럿을 통과해 오리피스를 통해 분사되기에 앞서 스핀 챔버내에서 연료의 평평한 얇은 시트로 연료를 연합시키도록 스핀 챔버내로 들어간다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 액체 연료 인젝터 노즐은 연료의 원추형 스프레이를 연소실내로 유입한다. 반대로, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 액체 연료 인젝터 노즐은 연료가 시트로 되기전에 액체 연료가 분사되도록 구성되며, 그에 따라 연소실내로 분사에서 개별 제트로 남는다. 개별 제트 인젝터 액체 연료 스트림은 연료가 적당히 예혼합기 공기 스트림을 통과할 때까지 분무를 최소화하는 방법으로 집중된다.
도 3은 본 발명에 따른 액체 연료 인젝터 노즐을 포함하는 연료 노즐 조립체의 단면도이다. 연료 노즐 조립체(32)는 액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이기 위한 유입구를 갖는 후방 공급 섹션(52)과 전술된 각각의 유체를 각각의 통로로 공급하기 위한 적당한 연결 통로를 갖는 연료 노즐 조립체의 전방 전달 섹션(54)을 포함한다.
연료 노즐 조립체의 전방 전달 섹션(54)은 일련의 동심 튜브를 포함한다. 2개의 반경방향의 가장 바깥쪽의 동심 튜브(56, 58)는 예혼합 가스 통로(60)를 제공하며, 상기 예혼합 가스 통로(60)는 도관(64)에 의해 통로(60)에 연결된 유입구(62)로부터 예혼합 가스 연료를 받아들인다. 또한, 예혼합 가스 통로(60)는 다수(예를 들면, 11개임)의 반경방향 연료 인젝터(66)와 연통하며, 이들 각각은 가스 연료를 예혼합 튜브(도시되지 않음)내에 위치설정된 예혼합 영역내로 방출하기 위한 다수의 연료 분사 포트 또는 구멍(68)이 제공된다. 분사된 연료는 압축기로부터 역류되고 반경방향 인젝터(66)의 연료 노즐 조립체 상류를 둘러싸는 환형 와류기(50)에 의해 소용돌이치는 공기와 혼합된다.
예혼합 통로(60)는 연료 노즐 조립체의 전방 또는 방출 단부에 O형 링에 의해 밀폐되며, 따라서 예혼합 연료는 반경방향 연료 인젝터(66)를 통해 빠져나갈 수 있다.
다음에 인접한 통로(74)는 동심 튜브(58, 76)사이에 형성되었으며 연료 노즐 조립체(32)의 가장 전방 단부의 오리피스를 통해 확산 가스를 연소기의 연소 영역으로 공급한다. 노즐의 가장 전방 또는 방출 단부는 연소기 예혼합 튜브내에 위치설정되지만, 전방 단부에 비교적 근접한다. 확산 가스 통로(74)는 도관(82)을 통해 유입구(80)로부터 확산 가스를 받아들인다.
제 3 통로(84)는 동심 튜브(76, 86)사이에 규정되며 오리피스를 통해 공기를 연소 영역으로 공급하며 그런 후 공기는 연소 영역에서 통로(74)와 연통하는 오리피스를 빠져나온 확산 연료와 혼합한다. 분무 공기는 유입구(90)로부터 도관(92)을 통해 통로(84)로 공급된다.
또한, 연료 노즐 조립체(32)는 종래기술에 숙련된 사람들에게 공지된 방법으로 NOx 감소를 가져오도록 물을 연소 영역에 (선택적으로)공급하기 위한 통로(94)가 더 제공된다. 물 통로(94)는 튜브(86)와 인접한 동심 튜브(96)사이에서 규정된다. 물은 오리피스를 통해 분무 공기 오리피스의 반경방향 내측으로 노즐을 빠져나간다.
연료 인젝터 노즐을 형성하는 일련의 동심 튜브의 가장 내측의 튜브(96) 자체는 유입구(102)에 의해 통로로 들어가는 액체 연료용 중앙 통로(100)를 형성한다. 액체 연료는 노즐의 중앙에 있는 방출 오리피스(104)에 의해 노즐을 빠져나간다.
도 4를 참조하면, 연료 중앙 통로(100)는 다수의 접선방향으로 배향된 와류형 슬롯(108)을 포함하는 와류형 파일럿(106)에서 종단된다. 와류형 파일럿(106)내의 와류형 슬롯(108)은 선회 운동을 액체 연료에 전해준다. 와류형 액체 연료는 스핀 챔버(110)로 들어가며, 스핀 챔버(110)는 연료가 시트로 되기전에 방출 오리피스(104) 밖으로 진행하도록 구성되며, 그에 따라 방출점에서 개별 제트로 남는다. 바람직한 실시예에 있어서, 스핀 챔버(110)는 와류하는 액체가 시트로 되기에 불충분한 공간을 갖도록 크기가 감소된다. 즉, 종래의 스핀 챔버는 연료가 시트로 되도록 약 0.095″의 깊이를 필요로 하며; 반면에 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 스핀 챔버는 약 0.040″의 깊이가 제공되며, 이는 연료가 개별 제트로 방출되도록 하는 것을 가능케 한다.
변형 실시예에 있어서, 스핀 챔버는 개별 연료 제트를 만들기 위한 제트 오리피스로 구성될 수 있다. 물론, 본 기술분야에 숙련된 사람들은 개별 연료 제트를 만들기 위한 변형적인 구성을 생각할 수 있으며, 본 발명은 도시되고 상술된 구조체에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 액체 연료 인젝터 노즐은 예혼합형 연소기내에 우수한 액체 연료대 공기 혼합을 제공하며, 확산형 연소기와 비교해 우수한 방출 성능을 제공한다. 동일한 유동비 원추형 스프레이 이상으로 개별 연료 제트의 운동량이 크므로서 예혼합기 공기 스트림 유동을 깊게 관통하여 우수한 혼합을 가능케한다.
비록 본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 연관되어 상술되지만, 본 발명은 상술된 실시예에 국한되는 것은 아니며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에 포함된 다양한 변형 및 동등한 배치를 포함하도록 의도된다.
본 발명에 따른 개별 연료 스트림은 연료가 적당히 예혼합기 공기 스트림을 통과할 때까지 분무화를 최소화하는 방법으로 집중되며, 이는 공동 원추형 스프레이 패턴 분사 방법과 비교할 때 상향된 효율성, 낮은 배출 가스, 보다 큰 불꽃 안정성 및 개선된 패턴 요소를 가져오는 연소 특성이 얻어진다.

Claims (8)

  1. 가스 터빈 연소기용 연료 노즐 조립체로서,
    액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이기 위한 다수의 유입구와,
    다수의 연결 통로를 통해 액체 연료, 분무 공기, 확산 가스 연료 및 예혼합 가스 연료를 받아들이는 전방 전달 섹션을 포함하며,
    상기 전방 전달 섹션은 액체 연료 및 방출 오리피스를 위한 연료 인젝터 노즐을 포함하며,
    상기 연료 인젝터 노즐은 다수의 와류형 슬롯을 포함하는 와류형 파일럿과, 상기 와류형 파일럿의 하류에 배치된 스핀 챔버를 포함하며, 상기 스핀 챔버는 개별 제트로 상기 액체 연료를 상기 방출 오리피스로 전달하도록 구성된 연료 노즐 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스핀 챔버의 크기는 상기 액체 연료를 개별 제트로 상기 방출 오리피스로 전달하게 되어 있는 연료 노즐 조립체.
  3. 액체 연료를 방출 오리피스로 전달하기 위한 가스 터빈 연소기용 연료 인젝터 노즐로서,
    다수의 와류형 슬롯을 포함하는 와류형 파일럿과,
    상기 와류형 파일럿의 하류에 배치된 스핀 챔버를 포함하며, 상기 스핀 챔버는 개별 제트로 상기 액체 연료를 상기 방출 오리피스로 전달하도록 구성된 연료 노즐 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스핀 챔버의 크기는 상기 액체 연료를 개별 제트로 상기 방출 오리피스로 전달하게 되어 있는 연료 노즐 조립체.
  5. 연소실과, 다수의 와류형 슬롯을 가지는 와류형 파일럿 및 이 와류형 스핀 챔버를 포함하는 연료 인젝터 노즐을 가진 가스 터빈 연소기내로 액체 연료를 분사하는 방법으로서,
    a) 상기 연료를 상기 연료 인젝터 노즐의 연료 통로내로 유동시키는 단계와,
    b) 상기 연료를 상기 와류형 파일럿으로 선회시키는 단계와,
    c) 상기 연료를 개별 제트로 상기 연소실내로 분사하는 단계를 포함하는 액체 연료 분사 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계(c)는 연료가 원추형 시트로 되기 전에 연료를 분사하므로서 실행되는 액체 연료 분사 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계(c)는 d) 상기 연료를 개별 제트로 전달하기 위해 상기 스핀 챔버를 구성하는 단계에 의해 실행되는 액체 연료 분사 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계(d)는 상기 연료를 개별 제트로 전달하도록 상기 스핀 챔버의 크기를 결정하므로서 실행되는 액체 연료 분사 방법.
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