KR19980080473A - 테이퍼형 크로스-화이어 관 - Google Patents

Abstract

가스 터빈에 인접 연소기를 결합하는 크로스-화이어 관은 그 자유 단부에 커플링을 갖는 중공형 관체를 구비하며, 상기 중공형 관체는 커플링간의 중간정도에 최대 직경 영역을 갖고 그 자유 단부에 더 작은 직경을 갖게 양 방향으로 테이퍼진 거희 원형인 단면 형상을 가진다. 복수개의 정화 구멍은 최대 직경 영역에 위치된다.

Description

테이퍼형 크로스-화이어 관

본 발명은 가스 터빈 연소기, 보다 상세하게는 여러개의 연소실 또는 통(cans)이 가스 터빈의 축의 중앙선을 중심으로 원으로 배열되어 있는 조립체에 있어서 인접 연소 챔버사이를 연장하는 균일한 형상의 크로스-화이어(cross-fire) 관에 관한 것이다.

양도인에 의해서 제조된 가스 터빈은 10, 14, 및 18개의 연소 챔버 또는 통이 가스 터빈의 축의 중앙선을 중심으로 원으로 배치되어 있는 소위 통을 원으로 배치한(can annular) 장치이다. 연소 통은 인접 통간의 크로스-화이어 관 연결부이외에는 다른 것과 독립되어 있다. 이들 관의 명칭은 그들의 기능 즉, 점화중 하나의 통으로부터 다른 통까의 화염을 교차시키는 기능을 포함하고 있다. 종래의 가스 터빈의 디자인으로는 두 개의 통이 점화 장치(스파크 플러그)와 결합되어 있고, 다른 통은 점화된 인접 통으로 크로스-화이어 관을 통과한 화염에 의해서 점화된다. 또한, 양도인에 의해 제조된 종래의 건조 저 NOx(Dry Low NOx)가스 터빈에서, 크로스-화이어 관은 또한 사전혼합 모드로부터 매우 희박한 모드로 이동하는 동안 점화된 영역으로부터 연소 통의 아직 점화되지 않은 사전혼합 영역까지 화염을 통과시켜야 한다. 사전혼합 모드에서, 크로스-화이어 관에 의해서 연결된 연소기의 영역에는 화염이 없으며 사전혼합된 연료와 공기용가 차지하고 있는 반면에, 매우 희박한 모드(lean-lean mode)에서는 이 동일 영역이 화염이 있다. 크로스-화이어 관의 특별한 기능은 사전혼합 영역의 점화 또는 재점화여부에 상관없이 간단히 화염을 인접 연소 통으로 이동시킨다. 이 프로세스는 일반적으로 몇초내에 발생한다. 가스 터빈 동작시 항상 크로스-화이어 관이 특정 기능을 수행하는 것이 아니다.

크로스-화이버 관이 사용되지 않을 때, 연소에 의한 고온 가스나 또는 불연소 연료의 인접 통으로부터 사전혼합 영역까지의 불필요한 이동을 방지해야 한다. 이 연속적인 크로스-화이어는 연소 하드웨어간의 근소한 크기의 차이와, 각각의 챔버로의 연료의 불균등 분배와, 가스 터빈의 제 1 스테이지 노즐 통로의 면적 변화로부터 야기되는 챔버 대 챔버의 압력 차이에 의한 것이다. 고온 가스 통의 연속 크로스 흐름은 용융점까지 금속을 가열하기 때문에 연소 라이너 또는 크로스-화이어 관을 영구히 손상시킨다. 이 크로스 흐름에 대해 방어하기 위해서 라이너와 크로스-화이어 관에 약간의 냉각을 제공하지만, 이것은 크로스 흐름의 상부에서 방어하기에는 충분히 강성이 아니다. 하나의 통으로부터 다음의 통으로 불연소 연료가 이동하기 때문에 추가의 연료에 의해 연소기 전역에 연료층이 형성되는 상태를 수용 통에 제공한다. 이 추가 연료의 연소에 의해 만들어진 고온 층은 연소 부품의 국부적인 과열 또는 사전혼합 모드에서 화염이 연료층에 의해 상류로 이동하고 역화(flash back event)가 발생되는 상태을 야기한다. 역화는 사전혼합 모드 동작중 사전혼합 모드를 이탈하는 순간적인 전달로 인해 NOx 방출량을 증가시킨다.

오일연료를 사용하는 건조 저 NOx 연소기를 사전혼합 모드에서 동작시키기 위한 세부 요건(specific)은 오일이 크로스-화이어 관속으로 흡입되지 않게 하는 것이다. 구조적인 차단이 제공되지 않으면, 크로스-화이어 관의 단부가 연료 노즐에 인접하여 위치되어 크로스-화이어링 점화하기 때문에 문제가 야기될 가능성이 높다. 충분한 시간과, 가스터빈 동작에 통상 사용되는 2등급 연료인 오일이 주어지면, 약 400℉ 내지 500℉ 이상의 온도에서 자동 점화될 것이다. 기선(baseline) 동작 온도는 600℉이상이다. 오일이 크로스-화이어 관속에 아직 남아 있으면, 고온 가스의 교차 흐름에 의한 자동 점화 또는 연소시까지 존재할 것이다.

본 발명 이전의 크로스-화이어 관의 구성은 제 1 상태의 문제, 즉, 고온 가스 및/또는 불연소 연료의 크로스 흐름이 발생하도록 설계되었다. 그러나, 공기 정화 흐름의 컴퓨터 유체역할(CFO) 모델화에 의하면 관 전역에 크로스 흐름의 효과적이지 차단을 나타내지 못한다. 종래의 실시예에서, 정화 흐름은 4개가 등간격으로, 떨어져 있는 각 단부의 관 또는 관벽속으로 천공된 대향 구멍속으로 도입된다. 정화 흐름 도입관에 의한 공기 분사류는 관의 축 중앙선에 합착되어, 정화 공기가 양 종방향으로 향하게 한다. 크로스 흐름에 대한 대부분의 저항이 관 중앙선을 따라 발생하고 관벽을 향해 감소한다. 이러한 패턴의 정화 공기 흐름이면, 고온 가스 또는 불연소 연료 통은 공기 제트 자체의 연장선에서 이탈된 영역을 통해 관벽을 따라 공기 정화 제트를 우회시킨다. 그러므로, 냉각 흐름이 관이 양단에 있을 지라도, 챔버 대 챔버의 압력 차이에 의한 한 챔버로부터 다음 챔버로의 연속적인 가스 흐름이 있는 곳에 흐름 상태가 존재한다.

본 발명의 주 목적은,

1. 크로스-화이어 관에 의해 연결된 연소 챔버 사이의 고온 연소 가스 또는 불연소 연료의 연속적인 크로스 흐름에 대해 개선된 저항의 제공하고,

2. 연료 오일의 크로스-화이어 관 통로의 흡입 제거하고,

3. 기계의 점화중 크로스-화이어 관에 의해 한 챔버로부터 연장된 다른 챔버로 연소 화염을 이동시키는 수단의 제공하고,

4. GE Dry Low NOx 1등급 연소 시스템에 있어서 사전혼합 동작 모드으로부터 매우 희박한 동작 모드까지의 정상적인 기계적 이동중, 크로스-화이어 관에의해 연장된 일 챔버로부터 다른 챔버까지의 연소 화염의 이동 수단을 제공하고

5. GE Dry Low NOx 1등급 연소 시스템의 연소기의 사전혼합 영역에 자동 점화 또는 연소화염의 역화 발생시 크로스-화이어 관에 의해 연장된 일 챔버로부터 다른 챔버로 연소 화염을 이동시키는 수단의 제공하는 것이다.

본 발명의 고유의 특징은 관 중간부에 정화 공기의 도입, 관의 중간부로부터 관의 양 단부를 향해 좁아지는 테이퍼를 포함하는 관의 재설계에 관한 것이다. 좁아지는 테이퍼는 특히 관의 외부 단부 근처의 영역에서 정화 공기 흐름을 가속시키고 관벽에 대해 가압시켜 정화 공기가 관의 양단부의 전단면에 대해 충전되게 한다. 그러므로, 효과적으로 오일 흡입을 제거하고 챔버 대 챔버의 크로스 흐름을 방지하는 균일한, 고속의 흐름이 관 단부에 야기된다.

그러므로, 더 넓은 관점에서, 본 발명은 인접 연소기를 가스 터빈에 연결하는 크로스-화이어 관에 관한 것으로, 상기 크로스-화이어 관은 대향하는 자유 단부를 갖는 중공형 관체를 포함하며, 상기 중공형 관체는 관의 중앙 단부에서 최대 직경을 갖는 실질적으로 원형인 단면을 가지며 그 자유 단부로 직경이 점점 작아지게 대향 방향으로 테이퍼진다.

다른 관점에서, 본 발명은 인접 연소기를 가스 터빈에 결합하는 크로스-화이어 관에 관한 것으로, 크로스-화이어 관은 그 양 자유 단부를 갖는 중공형 관체를 포함하며, 상기 중공형 관체는 관체의 중간 단면에서 최대 직경을 갖는 실질적으로 원형인 단면을 가지며 그 중간 단면에 배치된 복수개의 정화 구멍을 더 포함한다.

본 발명의 다른 목적과 장점은 이하의 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.

도 1은 종래의 크로스-화이어 관 장치의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른, 인접 연소 라이너 사이에 장착된 크로스-화이어 관의 부분 측면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 관체 32 : 암형부재

34 : 수형부재 36 : 팽창 직경부

48 : 공기 정화 구멍 50 : 압축기 방출 케이싱

우선 도 1을 참조하면, 종래의 장치에 따른 크로스-화이어 관(10)은 실질적으로 원통형의 수형부재(12)와 실직적으로 원통형의 암형부재(14)를 구비하며, 암형부재는 수형부재(12)의 자유단부(18)를 수용하기 적합한 확장단부를 망원경구조로 가지며, 임의의 적절한 수단에 의해서 확장단부에 고정된다. 크로스-화이어 관의 내부는 거의 균일한 직경의 내벽(20, 20')을 특징으로 한다. 복수개의 공기 정화 구멍(22, 24)이 수형부재(12)와 암형부재(14)의 각각에서 각각의 연소 통 라이너(26, 28)에 인접한 영역에 천공되어 있다. 이 종래의 크로스-화이어 관에 따른 문제는 전술하였으며 여기에서 반복하지 않는다.

이제 도 2를 보면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 크로스-화이어 관은 암형부재(32)와 수형부재(34)를 갖는 관체(30)를 구비한다. 암형부재(32)는 관체의 중앙 단면에 수형부재(34)의 대응 단부(38)를 수용하기에 적합하도록 일 단부에 팽창 직경부(36)를 가진다. 관 직경이 가장 큰 망원경구조의 결합영역에서, 수형부재의 내측 직경은 약 2 인치이다. 관의 중앙 단면의 커플링영역의 양측상에 크로스-화이어 관 단면의 직경은 커플링(44, 46)(이 커플링은 본 발명의 부분을 형성하지 않는다)을 각각 거쳐 인접 연소기 통(40, 42)에 결합되는 대향 단부가 1인치가 되게 점점 작아지는 테이퍼형이다. 관의 전체 길이는 약 15인치이다. 암/수 인터페이스의 형태, 즉 직경은 변경되며 중앙 단면에서 다소 비대칭이며, 아래에 주어진 이유에서 관의 효과를 충분히 발휘하지 못한다.

테이퍼의 각도와 균일성은 더 중요한 요인이지만, 본 명세서의 특정 크기는 예시적인 것이며, 필수적으로 요구되는 것은 아니라고 이해될 것이다.

크로스-화이어 관 조립체의 수형부재(34)는 관의 길이방향의 중간지점 근처의 관벽을 통해 천공된 특정 직경(0.29인치)의 복수개의 등간격으로 이격된 공기 정화 구멍(예시적인 실시예에서 6개)(48)을 가진다. 정화 구멍의 직경은 각각의 가스 터빈 실시예에 의존한다. 따라서 테이퍼형 크로스-화이어 장치의 중요한 크기상의 특징은 관의 중앙 부분의 공기 정화 구멍의 위치와, 중앙 단면으로부터 관 단부까지의 테이퍼의 각도이다.

도시된 바와 같이, 크로스-화이어 조립체는 압축기 방출 케이싱을 외장하는 원통형 관인 압력 용기에 의해서 둘러싸여 있다. 다른 실시예에 있어서, 크로스-화이어 관은 압축기 방출 케이싱안에 장착될 것이다. 공기는 압축기 방출 케이싱(50) 또는 연소 흐름관과 라이너로 전개되는 둥근 테안으로부터 크로스-화이어 관의 공기 정화 구멍(48)까지 이송된다. 공기 정화 구멍(48)을 통해 유동할 때, 형성되는 공기 분사류는 종래의 크로스-화이어 관 장치의 유동특성과 유사하게 양 길이방향(도 2에 흐름을 화살표로 표시)으로 합착하고 선회한다. 그러나, 본 발명에 있어서, 관의 양 단부를 향해 외부로 가압될 때, 테이퍼형 절반부(32, 34)는 정화 공기 흐름을 가속시키고 관벽을 향해 이동시킨다. 관의 단부에서, 공기 정화 흐름은 직경이 일정한(원통형) 관에서 처럼 분포가 균일하게 되며 더 고속으로 된다. 이 흐름 특성은 오일이 관으로 도입되는 것을 방지하는데 필요한 공기의 운동량을 발생시킨다. 또한, 이 특성은 고온 가스와 불연소 연료의 연속적인 교차 흐름의 차단면에서 이전의 관 형상보다 더 효과적이다. 흐름이 흐름 경로(양 방향에서)의 최종 절반부에 대략 도달할 때까지 관벽을 충분히 공기 흐름이 덮지 않기 때문에, 중간부의 구조적 불연속성은 관의 작동을 방해하지 않는다.

요약컨데, 본 발명의 고유의 특징은 (1) 관의 중앙 단면에 정화 공기를 허용하는 단계와, (2)인접한 연소 라이너에 결합하는 관의 단부를 좁히기 위해서 양방향의 외향으로 관의 거희 중앙 단면으로부터 내부 단면을 테이퍼링하는 단계이다. 따라서, 본 발명은 고온 연소 가스 또는 불연소 연료를 크로스-화이어 관에 의해서 연장된 일 연소 챔버로부터 다른 연소 챔버까지 크로스 흐름을 더 효과적으로 방지하고, GE Dry Low NOx 1등급 연소기에서 사전혼합된 오일의 동작중 오일 연료가 크로스-화이어 관속으로 흡입되는 것을 효과적으로 막아주도록, 크로스-화이어 관을 공기로 정화하는 새로운 기술을 제공한다.

본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예를 현재 고려한 것과 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되는 것이 아니라, 그와 반대로 첨부된 청구범위의 정신과 요지를 포함하는 다양한 변형예와 등가의 구조체를 포함하는 것으로 의도된다고 생각되어야 한다.

본 발명은 가스 터빈에 인접 연소기를 결합하는 크로스-화이어 관은 그 자유 단부에 커플링을 갖는 중공형 관체를 구비하며, 상기 중공형 관체는 커플링간의 중간정도에 최대 직경 영역을 갖고 그 자유 단부에 더 작은 직경을 갖게 양 방향으로 테이퍼진 거희 원형인 단면 형상을 가진다. 복수개의 정화 구멍은 최대 직경 영역에 위치된다.연소에 의한 고온 가스나 또는 불연소 연료의 인접 통으로부터 사전혼합 영역까지의 불필요한 이동을 방지해야 한다.

Claims (10)

1. 가스 터빈에서 인접 연소기를 결합하는 크로스-화이어관에 있어서,

   상기 크로스-화이어 관은 대향하는 자유 단부를 갖는 중공형 과체를 포함하며, 상기 중공형 관체는 관의 중앙 단면을 최대 직경으로 하고 대향하는 방향으로 상기 자유 단부에서 더 작은 직경이 되게 테이퍼링되는 실질적으로 원형인 단면을 가지는 크로스-화이어 관.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 중앙 단면에 배치된 복수개의 정화 공기구를 포함하는 크로스-화이어 관.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 복수개의 정화 공기구는 상기 중앙 단면에 대하여 등간격으로 이격된 6개의 구멍을 포함하는 크로스-화이어 관.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 중공형 관체는 상기 중앙 단면에 결합된 두 개의 단면으로 형성되어 있는 크로스-화이어 관.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 2개의 단면은 수형부재와 암형부재를 구비하며, 상기 수형부재는 상기 중앙 단부에서 상기 암형부재내에 망원경구조로 결합되는 크로스-화이어 관.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 공기 정화 구멍은 상기 수형부재에, 상기 수형부재의 모서리에 축방향으로 인접하여 제공되어 있는 크로스-화이어 관.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 최대 직경은 약 2 인치인 크로스-화이어 관.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 관체의 대향 단부가 약 1 인치로서 최소 직경인 크로스-화이어 관.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 관체의 대향 단부가 약 1 인치로서 최소 직경인 크로스-화이어 관.
10. 제 8 항에 있어서,

    각각의 정화 구멍은 약 0.29 인치의 직경을 가지는 크로스-화이어 관.