KR20000017406A - 연소기 조립체 및 이를 구비하는 산업용 터빈 엔진 - Google Patents

Abstract

연소기 조립체(14)는 다수의 원주방향으로 배열된 연료 노즐(50)을 가지며, 이 연료 노즐(50)은 연소실(26)에 연통된 제 1 단부(64)와 단부커버(62)에 부착된 제 2 단부(60)를 구비한다. 다수의 연료 노즐(50)은 그들 사이에 중앙 영역(52)을 형성한다. 배플(100)은 중앙 영역(52)내에 위치된다. 배플(100)은 단부커버(62)에 인접한 상류 기부(upstream base portion)(110)와 이 상류 기부(110)의 폭보다 작은 폭을 갖는 경사진 하류부(112)를 가져서 재순환 유동(68)에서 하류 유동(70)으로의 전이가 중앙 영역(52)내에서의 역화(flashback)의 발생을 최소화한다.

Description

연소기 조립체 및 이를 구비하는 산업용 터빈 엔진{COMBUSTOR BAFFLE}

본 발명은 일반적으로 발전 연소기, 특히 연소기 배플에 관한 것이다.

산업용 발전 가스 터빈 엔진은 연료와 혼합되며 연소 가스를 발생시키기 위해 연소기내에서 점화되는 공기를 압축하기 위한 압축기를 구비한다. 연소 가스는 예를 들면 압축기에 동력을 공급하기 위해 샤프트를 구동하기 위한 에너지를 뽑아내고, 발전기에 동력을 공급하기 위해 출력을 생성하는 터빈으로 유동한다. 일반적으로, 터빈은 예를 들면 실용 그리드(utility grid)에 전력이 발생하도록 발전기에 동력을 공급하기 위해 비교적 높은 기본 하중으로 장시간 동안 작동한다. 따라서, 연소 가스로부터의 배기 가스 방출은 중요하며 제한된다.

가스 터빈 연소기는 NOx(산화 질소)와 같은 배기 가스를 감소시키기 위해 희박 사전혼합된 연소(lean premixed combustion)를 사용하는 것이 개발되었다. 이러한 연소기는 단일 연소실에 부착된 다수의 버너를 포함한다. 각각의 버너는 중앙 허브를 포함하는 중심방향에 위치된 연료 노즐을 구비한 유동 튜브를 가지며, 중앙 허브는 연료 인젝터 및 선회 날개(swirl vanes)를 지지한다. 작동중, 연료는 연료 인젝터를 통해 분사되어 유동 튜브내의 선회 공기와 혼합되며, 버너의 출구에서 불꽃이 형성된다. 연소 불꽃은 중앙 허브 뒤쪽의 블러프 몸체(bluff body) 재순환 및 와류가 포함된 재순환의 조합에 의해 안정화 된다. 희박 화학량론에 의해, 희박 사전혼합된 연소는 낮은 불꽃 온도에서 얻어지며 따라서 낮은 NOx 배기를 생성한다.

그러나, 이러한 사전혼합된 시스템은 통상 "역화(flashback)"라 불리우는 예상치 못한 현상에 영향을 받기 쉽다. 역화는 연료중 불순물의 점화 또는 불꽃이 전이상(transition phase)에 있을 때 모드 전환중 점화를 포함한 다수의 경우에 의해 발생한다. 역화가 발생할 때, 불꽃은 이를 수용하도록 설계되지 않은 연소실의 영역 또는 공간내로 유입한다. 역화가 중요한 영역은 단부커버에 대해 연료 노즐 사이의 위쪽 영역이다. 이러한 영역에서의 재순환하는 공기 유동 패턴 및 연료의 존재 가능성은 역화에 영향을 주기 쉽다. 이러한 영역에서의 역화는 연소 제어의 손실을 가져올 수 있으며 연료 노즐과 같은 연소기 부품의 가열 및 용융을 추가적으로 발생시키며, 예를 들면, 이 연료 노즐과 같은 연소기 부품은 과도한 가열에 견딜 수 있도록 설계되어 있지 않다.

또한, 향상된 열역학적 효율을 갖는 터빈에 대한 계속된 요구는 높은 터빈 입구 온도를 가져왔다. 높은 터빈 입구 온도는 압축기 방출 온도 및 압력비에 있어서 대응하는 증가를 가져온다. 이러한 조건의 조합은 연료의 자동 점화를 발생시킨다.

따라서, 본 기술분야에 있어서 역화의 가능성을 줄이기 위해 단부커버 영역내의 향상된 재순환에 대한 필요가 있다.

연소기 조립체는 다수의 원주방향으로 배치된 연료 노즐을 가지며, 이 연료 노즐은 연소실에 연통된 제 1 단부와 단부커버에 부착된 제 2 단부를 구비한다. 다수의 연료 노즐은 그들 사이에 중앙 영역을 형성한다. 배플은 중앙 영역내에 위치된다. 배플은 단부커버에 인접한 상류 기부와 이 상류 기부의 폭보다 작은 폭을 갖는 경사진 하류부를 가져서 재순환 유동에서 하류 유동으로의 전이가 중앙 영역내에서의 역화의 발생을 최소화한다.

도 1은 종래의 산업용 터빈 엔진의 개략도,

도 2는 예시적인 연소기 노즐 장치의 일 단부의 개략적인 평면도,

도 3은 예시적인 연소기 노즐 장치가 제거된 부품의 개략적인 측면도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기 노즐 장치가 제거된 부품의 개략적인 측면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기 배플의 개략적인 측단면도,

도 6은 도 4의 연소기 노즐 장치의 일 단부의 개략적인 평면도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기 배플의 개략적인 측단면도,

도 8은 배플이 없는 중앙 영역 내측에 속도 크기에 따른 속도 벡터의 예시적인 패턴이 도시된 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배플을 구비한 중앙 영역 내측에 속도 크기에 따른 속도 벡터의 예시적인 패턴이 도시된 도면,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 배플을 구비한 중앙 영역 내측에 속도 크기에 따른 속도 벡터의 예시적인 패턴이 도시된 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 산업용 터빈 엔진 14 : 연소기 조립체

50 : 연료 노즐 52 : 중앙 영역

54 : 노즐의 외부 62 : 단부커버

68 : 재순환 공기 100 : 배플

본 발명은 칼라로 채색된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 칼라 도면을 갖는 본 특허 출원서의 사본은 필요시 필요한 비용을 지불하면 미국 특허 상표청으로부터 입수가능하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 산업용 터빈 엔진(10)은 연소기 조립체(14)와 연통하는 직렬식으로 배치된 압축기(12)와 단단 터빈(single-stage turbine) 또는 다단 터빈(multi-stage turbine)(16)을 구비한다. 터빈(16)은 구동 샤프트(18)에 의해 압축기(12)에 연결되며, 구동 샤프트(18)의 일부는 전력을 발생시키기 위한 발전기(도시되지 않음)에 동력을 공급하도록 연장한다. 작동중, 압축기(12)는 압축된 공기(20)를 연소기 조립체(14)내로 분사하며, 그 내에서 압축된 공기(20)는 연료(22)와 혼합되고 연소실(26)내에 연소 가스(24)가 발생하도록 점화되며, 이로부터 압축기(12)에 동력을 공급하기 위해 구동 샤프트(18)를 회전시키는 것 뿐만 아니라 발전기 또는 다른 외부 부하를 구동시키기 위한 출력을 발생시키기 위한 에너지가 터빈(16)에 의해 얻어진다.

도 2의 개략적인 평면도에 도시된 바와 같이, 각각의 연소기 조립체(14)는 다수의, 예를 들면 5개의 동심방향으로 및 원주방향으로 배치된 상류 노즐(50)을 구비한다. 각각의 노즐(50)은 한쌍의 원주방향으로 배치된 인접한 노즐(50)에 연결되어 원주방향으로 인접하는 노즐(50)의 동심 노즐 배치를 형성한다. 노즐(50)의 동심 배치는 그들 사이에 중앙 영역(52)을 형성한다. 각 노즐(50)의 외부(54)는 중앙 영역(52)의 외부 끝단을 형성한다. 일 실시예에 있어서, 각 노즐(50)의 외부(54)는 아치형이며, 그에 따라 중앙 영역(52)으로 별 모양(star-shaped)의 외부 끝단 기하 형상을 형성한다.

각각의 노즐(50)은 단부커버(62)에 연결된 제 1 단부(60)와 연소기 조립체(14)(도 1)에 연결된 제 2 단부(64)를 구비하여, 도 3에 도시된 바와 같이 사전혼합된 연료(22)와 공기(20)를 연소실(26)내로 공급하여 그내에서 연소하도록 한다. 일반적으로 단부 플레이트(66)는 노즐(50)의 인접 제 2 단부(64)에 배치되어 각각의 원주방향으로 인접하는 노즐(50)을 서로 연결하며 중앙 영역(52)내에서 제 2 단부(64)를 벗어나는 연료 공기 혼합물의 원치않는 역류를 방지한다. 따라서, 중앙 영역(52)은 일반적으로 단부커버(62), 노즐(50)의 인접하는 외부(54) 및 단부 플레이트(66)에 의해 형성된 챔버이다.

상술한 바와 같이, 재순환 공기(68)는 일반적으로 중앙 영역(52) 내에서 발견된다. 재순환 공기(68)와 결합된 중앙 영역(52)내의 연료의 존재는 역화가 발생할 최적의 영역을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 배플(100)은 중앙 영역(58)내에 배치되어 그내의 공기 재순환을 최소화한다. 일 실시예에 있어서, 배플(100)은 패스너(102)에 의해 단부커버(62)에 고정되고, 단부커버(62)내에 위치된 보어(104)와 나사식으로 맞물린다. 일 실시예에 있어서, 패스너(102)는 5/8"×2.5"의 감소된 섕크 UNC 볼트이다. 변형 실시예에 있어서, 배플(100)은 단부커버(62)와 일체형이며 제조 공정동안 적당한 치수로 가공된다.

배플(100)은 단부커버(62)에 인접한 상류 기부(110)와 이의 폭보다 작은 폭을 갖는 경사진 하류부(112)로 이루어져 있다(도 5에 자세히 도시됨). 일 실시예에 있어서, 배플(100)은 하스텔로이 X(Hastelloy X)로 제조된다.

배플(100)은 재순환하는 공기 유동(68)(도 3)이 재순환하지 않는 유동(70)(도 4)으로 전이하도록 한다. 따라서, 재순환하지 않는 유동(70)은 연료와 공기를 하류로부터 연소실(26)(도 1)로 이동시켜 중앙 영역(52)(도 4)내의 역화의 발생을 최소화하고 제거하기까지 한다.

상류 기부(110)는 노즐(50)(도 4)의 각각의 외부 사이에 짝지어 지도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 기부(110)의 높이(h)는 약 0.25 인치 내지 약 1.125 인치 사이의 범위이다(도 5). 일 실시예에 있어서, 배플(100)은 약 1.5 인치 내지 약 2.5 인치 사이인 높이(h')를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 경사진 하류부(112)는 상류부에서 약 3.0 인치 내지 약 4.0 인치 사이의 폭(w)에서부터 하류부에서 약 0.75 인치 내지 약 1.30 인치 사이의 폭(w')으로 좁아져 원추형 외관을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 경사진 상류부(112)는 기준선(124)에 대해 약 35°내지 약 55°사이의 범위이나, 일반적으로 45°의 각도(α)로 보다 넓은 하류 기부(110)로부터 좁아진다. 일반적으로, 기준선(124)은 단부커버(62)에 수직으로 경사져있다.

일 실시예에 있어서, 5개의 노즐은 5개 정점의 별 모양(five-pointed star) 형상을 갖는 중앙 영역(52)을 형성한다. 따라서, 본 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이 배플(100)은 5개의 노즐 각각과 균일하게 접할 수 있도록 일반적으로 별 모양 형상을 갖는다.

도 7에 도시된 다른 실시예(200)에 있어서, 경사진 상류부(112)는 보다 넓은 기부로부터 보다 좁은 하류부로 좁아져 준원추형(quasi-conical) 형상을 형성한다. 외면은 약 1.25 인치 내지 약 1.375 인치 사이의 축방향 길이(도 7에서, h'-h) 및 약 2.2 인치의 곡률 반경을 갖는 호(arc)로 형성된다. 이 배플 설계는 형상면에서 보다 공기역학적이며 유동에 적은 방해(또는 저항)을 제공하도록 유체 유동에 보다 순응적이다. 따라서 이러한 배플 설계는 낮은 압력 강하 요구치를 갖도록 요구된다. 낮은 압력 강하는 낮은 펌프 비용의 장점을 제공한다.

도 8에는 중앙 영역내에 배플이 없을 때 속도 크기에 따른 속도 벡터의 예시적인 패턴이 도시되어 있다. 중앙 영역의 단부 플레이트 가까이에서의 큰 재순환 영역이 도시되어 있다. 이러한 재순환 영역은 역화 및 불꽃 홀딩의 잠재적인 광경이다. 또한, 비교적 약한 재순환 영역이 데드 영역(dead region)내 노즐의 축방향 하류에 존재한다. 단부커버 가까이의 비교적 강한 재순환 영역은 연료와 직면하여 역화를 위한 위치를 제공하며 중앙 영역내의 불꽃 홀딩을 피하기 위해 제거되어야 한다. 중앙 영역내의 연료의 존재는 보다 낳은 연소 및 불꽃 안정성을 제공하기 위해 의도에 의해 계획적으로 될 수 있거나 또는 연료 누출에 기인해 우연하게 될 수 있다.

도 9에는 중앙 영역내에 배플(100)을 구비할 때 속도 크기에 따른 속도 베터의 예시적인 패턴이 도시되어 있다. 중앙 영역내 단부커버 가까이의 강한 재순환 영역(도 8에 도시됨)이 도 9에서는 제거되었다. 따라서, 배플(100)은 역화가 중앙 영역내에 발생하도록 하는 불꽃 홀딩에 대한 잠재적인 광경을 제거한다. 그러나 이러한 구성은 데드 영역내의 하류에서 "약한" 재순환이 있음을 보여준다.

도 10에는 중앙 영역내에 다른 배플 디자인(200)을 구비할 때 속도 크기에 따른 속도 베터의 예시적인 패턴이 도시되어 있다. 중앙 영역내 단부커버 가까이의 강한 재순환 영역(도 8에 도시됨)이 도 10에서도 제거되었다. 따라서, 이러한 디자인은 역화가 중앙 영역내에 발생하도록 하는 불꽃 홀딩에 대한 잠재적인 광경을 또한 제거한다. 또한, 이러한 배플 디자인은 "약한" 하류 재순환을 제거하기도 한다.

본 발명의 특정 특징이 도시되고 상술되었지만, 본 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 많은 변형 및 변화가 가해질 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 범위내에서 각종 변형 및 변화를 커버 함을 알 수 있다.

본 발명은 배기 가스를 감소시키고, 역화의 발생을 최소화 또는 제거하며, 압력 강하를 낮춰 펌프 비용을 줄이며, 향상된 열역학적 효율을 갖도록 한다.

Claims (12)

1. 연소기 조립체(14)에 있어서,

   다수의 원주방향으로 배열된 연료 노즐(50)로서, 연소실(26)에 연결된 제 1 단부(64)와 단부커버(62)에 부착된 제 2 단부(60)를 가지며, 상기 다수의 연료 노즐(50)은 그들 사이에 중앙 영역(52)을 형성하는, 상기 다수의 연료 노즐(50)과,

   상기 중앙 영역(52)내에 위치된 배플(100)로서, 단부커버(62)에 인접한 상류 기부(110)와 상기 상류 기부(110)의 폭보다 작은 폭을 갖는 경사진 하류부(112)를 가져서 재순환 유동(68)에서 하류 유동(70)으로의 전이가 상기 중앙 영역(52)내에서의 역화의 발생을 최소화 하는, 상기 배플(100)을 포함하는

   연소기 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수의 연료 노즐(50)의 개수는 5개인

   연소기 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 배플(100)은 패스너(102)에 의해 상기 단부커버(62)에 연결되고, 상기 단부커버(62)내에 위치된 보어(104)와 나사식으로 맞물리는

   연소기 조립체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 배플(100)은 하스텔로이 X(Hastelloy X)로 제조되는

   연소기 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 배플(100)의 상기 상류 기부(110)는 상기 다수의 노즐(50)의 각각의 외면(54)과 짝지어 지도록 구성되는

   연소기 조립체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 배플(100)의 상기 기부(110)는 0.25 인치 내지 1.125 인치 사이의 높이를 갖는

   연소기 조립체.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사진 하류부(112)는 약 1.25 인치 내지 약 1.375 인치 사이의 축방향 길이 및 약 2.2 인치의 곡률 반경을 갖는 호로 형성되는

   연소기 조립체.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 기부(110)는 상기 5개의 연료 노즐(50)의 개별 외면(54)과 짝짖기식으로 배치되도록 일반적으로 별 모양의 구조로 구성되는

   연소기 조립체.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사진 하류부(112)는 원추형 형상인

   연소기 조립체.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 배플(100)은 약 1.5 인치 내지 약 2.5 인치 사이의 높이를 갖는

    연소기 조립체.
11. 연소기 조립체(14)를 갖는 산업용 터빈 엔진(10)에 있어서,

    다수의 원주방향으로 배열된 연료 노즐(50)로서, 연소실(26)에 연결된 제 1 단부(64)와 단부커버(62)에 부착된 제 2 단부(60)를 가지며, 연료 노즐사이에 중앙 영역(52)을 형성하는, 상기 다수의 연료 노즐(50)과,

    상기 중앙 영역(52)내에 위치된 배플(100)로서, 상기 단부커버(62)에 인접한 상류 기부(110)와 상기 상류 기부(110)의 폭보다 작은 폭을 갖는 경사진 하류부(112)를 가져서 재순환 유동(68)에서 하류 유동(70)으로의 전이가 상기 중앙 영역(52)내에서의 역화의 발생을 최소화 하는, 상기 배플(100)을 포함하는

    연소기 조립체를 구비하는 산업용 터빈 엔진.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 배플(100)의 상기 기부(110)는 상기 다수의 노즐(50)의 개개의 외면(54)과 짝지어 지도록 구성되는

    연소기 조립체를 구비하는 산업용 터빈 엔진.