KR20000057215A - 연소기 희석 바이패스 시스템 - Google Patents

Abstract

본발명은 밸브와 낮은 압력 강하 연소기 바이패스를 제공한다. 밸브는 사전혼합기에 공기의 공급과 바이패스 덕트로 향한 공기량을 동시적으로 제어한다. 바이패스 덕트로 들어가는 공기는 연소존의 하류의 희석공기로서 가스 유동경로내로 복귀된다. 낮은 동력 설정치에서 밸브는 대부분의 공기를 바이패스 덕트로 향하게하고, 사실상 고정된 면적 희석 포트를 바이패스하며, 그것에 의하여 연소기를 걸친 압력강하는 최적의 수준에서 제어될수 있다.

Description

연소기 희석 바이패스 시스템{COMBUSTOR DILUTION BYPASS SYSTEM}

산업 적용을 위해 사용된 이러한 형태의 가스터빈 엔진은 질소 산화물 배기가스를 감소하도록 설계된 연소기 시스템을 사용할수 있다. 1996, 1, 9에 Mowill에 발행된, Single Stage Premixed Constant Fuel/Air Ratio Combustor로 제목 붙여진 미국 특허 제 5,481,866에 개시된 하나의 연소기 시스템은 연소기의 충분한 이해를 위해 필요한 범위와 관련하여 여기에 구체화 되어 있다. '866특허는 벤츄리형 사전 혼합기로부터 모든 연소 공기를 받아들이는 외부적으로 냉각되는 비구멍 연소기를 갖춘 연소기를 개시한다. 사전혼합기를 통해 연소기에 들어가지 않는 과잉공기는 연소기 라이너(liner)를 외부적으로 냉각시키도록 관연결되고, 궁극적으로 희석 포트를 통하여 연소영역의 하류의 유동경로로 다시 들어간다. 공기밸브는 모든 동력 설정치에서 아산화질소의 방출을 감소하기위해 사전 혼합기에 공급된 공기량을 직접적으로 제어하는데 익숙해져 있다. 공기밸브는 희석 밸브로 통과하는 공기량을 간접적으로 제어하는 효과를 가진다.

문제는 '866특허에서 개시된 형태의 연소기가 비교적 고압축비를 가지는 압축기를 갖춘 엔진과 함께 사용될때 발생한다. 낮은 엔진 동력 설정치에서, 공기를 사전혼합기에 대해 제어하는데 사용되는 밸브는 거의 폐쇄되어 희석 포트를 통하여 대부분의 압축공기를 가압한다. 비록 엔진동력이 감소될지라도, 낮은 동력 또는 아이들(idle)설정치에서 압축기로 펌프주입되는 총공기량은 많게 되어, 감소된 동력에서 희석기류를 증가하게 된다. 하지만, 희석 포트는 낮은 유동, 높은 동력 설정치에서, 적당한 역류 마진(margin)을 제공하는 크기로 되어 있다. 따라서 감소된 동력, 높은 희석 유동 조건에서, 희석 포트는 연소기를 걸친 바람직한 압력강하보다 더 크고 그리고 엔진효율의 손실을 일으키는 희석 기류를 과도하게 제한한다.

하나의 해결은 사전혼합기에 대해 공기를 제어하기 위한 밸브에 더하여 상이한 동력설정치에서 희석 포트의 유동영역을 변화시키기 위한 독립한 장치를 제공하는 것이다. 약점은 이러한 장치가 통상적으로 매우 복잡하여, 연소기 시스템의 총비용을 상당히 증가시키는 것이다.

따라서, 낮은 아산화 질소 배기물 연소기 시스템은 연소용으로 사용되지 않는 과잉공기를 가변의 면적 희석 포트와 연관된 비용및 복잡성이 없이 연소존의 하류의 유동경로내로 되돌려 복귀시키는 단순한 방법을 위해 필요하다.

본 발명은 일반적으로 기류(airflow)를 가스터빈 엔진 또는 다른 열적 장치에 대한 연소 시스템에 대해 제어하는 것과 관련되는 것이다. 보다 상세하게는, 본발명은 연소공기의 상대적인 비율을 연소기의 주요부에 바이패스하는 공기에 대해 선택적으로 제어하기 위한 연소기 희석 바이패스 덕트와 관련하는 하나의 밸브를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명으로 고려된 두개의 희석 바이패스 시스템 형태를 갖춘 낮은 배기 연소기의 사시도를 도시한다.

도 2는 상이한 시각으로부터 도 1의 연소기를 도시한다.

도 3은 A-A선을 따라 도 2의 희석 바이패스 시스템의 하나와 연소기를 통하는 단면도를 도시한다.

도 4는 도 3의 일부분의 확대된 부분 단면도를 도시한다.

도 5는 본발명으로 고려된 밸브의 사시도를 도시한다.

도 6은 본발명으로 고려된 밸브의 부분 절단 사시도를 도시한다.

도 7은 본발명으로 고려된 밸브의 다른 하나의 부분 절단 사시도를 도시한다.

도 8은 본발명으로 심사숙고된 밸브의 제 3의 부분 절단 사시도를 도시한다.

도 9는 도 1의 연소기의 횡단면도를 도시한다.

도 10은 희석 바이패스 시스템과 연소기의 일부분의 사시도를 도시한다.

도 11은 연소기 희석 바이패스 시스템의 개략도를 도시한다.

상기를 고려할때, 본 발명의 목적은 연소용으로 사용되지 않는 과잉공기를 가변의 면적 희석 포트와 연관된 비용및 복잡성이 없이 연소존의 하류의 유동경로내로 되돌려 복귀시키는 단순한 방법을 위해 낮은 아산화 질소의 배기물을 위해 설계된 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 낮은 압력 강하 연소기 바이패스 덕트와 밸브를 제공하므로 이러한 목적들을 달성한다. 밸브는 사전 혼합기에 공기를 혼합하는것과 넓은 바이패스 덕트내로 향한 공기량을 동시적으로 제어한다. 바이패스 덕트로 들어가는 공기는 제 1연소존(zone)의 하류의 희석 공기로서 가스 유동경로내로 복귀된다. 낮은 동력 설정치에서 밸브는 대부분의 공기를 바이패스 덕트로 향하게 하여, 사실상 희석 유동을 고정 면적 희석 포트를 통하여 제공되는 것에 추가한다. 그것에 의해 연소기를 걸치는 압력 강하는 최적의 수준에서 제어될수 있다.

본 발명의 상기것들과 다른 목적, 특징및 장점은 특히 수반되는 도면과 관련하여 읽을때 그 뒤에오는 본발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백하게 되거나 설명된다.

도 1과 관련하여 주제 발명인 바이패스 시스템은 일반적으로 숫자 10으로 표시된다. 바이패스 시스템(10)은 연소기 바이패스(13)에 연결된 밸브(12)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 두개의 바이패스 시스템(10)은 연소기의 양측면에 180도 이격되어 각각 하나씩 사용된다. 여기에 상이한 수 또는 상이한 바이패스 시스템의 배열은 특별한 엔진및 응용에 바람직하게 의존할수 있다.

도 2내지 도 4와 관련하여, 밸브(12)는 흡입구(16)와 두개의 배출구(18, 20)를 형성하는 원통형의 하우징(14)을 포함한다. 흡입구(16)는 흡입덕트(17)와 연결된다. 흡입구(16)는 흡입덕트(17)에 연결되어 연소기 벽(61)에 의해 형성되는 연소 챔버(60)를 둘러싸고 있는 연소기 플리넘(plenum)으로부터 압축공기를 받는다. 배출구(18)는 사전혼합기 덕트(22)와 연결되어 연료와 공기의 혼합물을 접선방향으로 연소 챔버(60)로 주입하는 사전혼합기 인젝터(64)를 인도한다. 인젝터(64)는 공기 블라스트 연료 노즐(66), 벤츄리(70), 사전혼합 챔버(68)및 점화기(72)를 갖추고 있다. 작업중에, 공기 블라스트 노즐은 연료-공기 혼합물을 사전혼합 챔버(68)로 주입한다. 사전혼합 챔버에서 부가적인 공기는 사전혼합기 덕트(22)를 통하여 부가된다. 되도록이면 낮은 아산화 질소를 유지하기 위해 벤츄리를 나오는 연료 공기 혼합물은 가능하다면 연료가 적어야 한다. 점화기(72)는 엔진 시동시 이러한 저연료의 혼합물을 점화하여 연소 챔버(60)로 유동하는 고온 가스를 만든다. 배출구(20)는 바이패스 덕트(24)와 연결된다. 밸브(12)는 기류의 상대적인 비율을 사전혼합기 덕트(22)및 바이패스 덕트(24)에 대해 선택적으로 제어하기 위해 초승달 모양의 회전가능한 밸브 로터(26)를 포함한다.

밸브의 유동 분배 또는 나눔 기능은 도 3및 도 4와 관련하여 가장 잘 가시화 될수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 밸브 로터(26)가 유휴(idle)위치에 있을때, (파선), 대부분의 기류는 바이패스 덕트(24)로 향하고, 매우 적은 기류가 사전혼합기 덕트(22)로 향한다. 반대로, 최고 동력 조건에서, (실선), 대부분의 기류는 사전혼합기 덕트(22)로 향하고, 매우 작은 기류가 바이패스 덕트(24)로 향한다. 도 3은 중간의 동력 설정치를 도시하는데 여기에서 밸브 플레이트(26)는 사전혼합기 덕트와 바이패스 덕트사이의 유동을 공평하게 나누도록 위치된다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 초승달 모양의 회전가능한 밸브 로터(26)는 흡입구(16)로부터 원활하고 효과적인 공기 유동경로를 배출구(18, 20)의 어느 하나에, 보다 상세하게는 유휴및 최고 동력 조건에 제공한다.

도 5내지 도 8과 관련하여, 밸브(12)는 배출구(20)에 대체가능하게 장착된 교환 가능한 바이패스구멍 플레이트(30)를 더 포함한다. 연소기를 걸치는 압력강하를 일정하게 유지하기 위해 그리고 사전혼합기 인젝터(64)에 정확한 공기 유동량을 보장하기 위해 사전혼합기 덕트(22)및 바이패스 덕트(24)에 공급되는 공기 비율을 계획하거나 제어하는 것이 필요하다. 바이패스 오리피스 플레이트(30)는 본목적을 위해 가변가능한 폭 오리피스(32)을 포함한다. 오리피스(32)를 형상화 하므로서, 사전혼합기 포트에 대해 바이패스 포트의 유동 면적의 비율은 제어 될수 있으며, 그것에 의해 각각에 공급되는 공기비율을 제어할수 있다. 도 6내지 도 8은 오리피스 플레이트(30)를 세개의 동력 설정치에 대해 여러가지 정도로 노출하는 밸브 로터(26)를 도시한다. 도 6은 오리피스 플레이트가 덮여있는 최고의 동력 상태를 도시한다. 도 7은 오리피스 플레이트가 반쯤 개방되어 있는 50 퍼센트 동력 상태를 도시한다. 마지막으로, 도 8은 오리피스 플레이트가 완전이 개방되어 있는 차단 동력 상태로 되어 사전혼합기 인젝터(64)로의 유동이 없는 것을 도시한다. 오리피스 플레이트(32)의 크기와 모양은, 특별한 엔진 설계 또는 설치을 위해, 당해분야의 사람들에게 익숙한 방법으로 선택되며, 또한 바람직한 압력강하는 낮은 동력조건에서 변화한다.

도 9와 관련하여, 압축기(70)로부터 압축된 공기는 연소기 플리넘(19)으로 들어간다. 앞에서 기재된 바와 같이 이러한 공기의 일부는 플리넘(19)으로부터 바이패스(13)를 통하여 유동한다. 바이패스(13)는 바이패스 덕트(24)로부터 공기를 받아들이는 환상의 바이패스 다기관(28)을 포함한다. 복수의 튜브(34)는 뻗어서 바이패스 다기관(28)을 연소기 챔버(60)의 희석존(36)에 연결한다. 더불어 밸브(12), 바이패스 덕트(24), 바이패스 다기관(28)및 튜브(34)는 압축공기를 직접적으로 압축기 출구로부터 희석존(36)으로 보내기 위해 최소의 압력강하를 가지는 분명한 유동경로를 제공하며 일반적으로 동일한 위치에서 터빈(72)의 바로 하류에 희석포트(40)를 가진다. 바이패스된 공기와 독립하여, 희석포트(40)는 역시 플리넘(19)으로부터 공기를 받는다.

도 11은 두개의 바이패스 시스템(10)이 어떻게 작동되는지를 개괄적으로 도시한다. 최고 동력 조건에서, 바이패스(13)의 경로가 닫혀져서, 대부분의 공기가 연소기 챔버(60)를 통하여 사전혼합기(64)로 강제적으로 밀어내게 된다. 그다음에 임의의 과잉공기는 희석존(36)의 둘레에 희석 포트(40)를 통하여 가스 유동경로로 다시 들어가는 간접적인 원인이 된다. 희석 포트(40)은 이러한 최고 동력 설정치에서 효과적인 유동을 제공하기 위한 치수로 만들어져서, 연소기를 걸치는 바람직한 압력강하를 산출한다. 이러한 조건에서, 바이패스는 필수적으로 이용되지 않는다.

동력이 최고로부터 감소됨에따라, 밸브(12)는 사전혼합기 인젝터를 인도하는 포트(18)를 폐쇄하도록 회전된다. 비록 엔진 동력이 유휴(idle)상태에서 감소될지라도, 압축기로 펌프 공급되는 총 기류량은 감소되지 않는다. 따라서 유휴 동력에서, 과잉공기량,즉 사전혼합기 인젝터로 향하지 않는 공기는 상당히 증가한다. 바이패스(13)가 없다면, 모든 과잉공기는 희석포트(40)를 통하여 향해져서 연소기를 걸친 바람직한 압력강하 보다 더 크게된다. 하지만 바이패스 덕트를 통하여 선택적인 경로를 동시적으로 개방하므로, 3방향 밸브는 낮은 동력 과잉공기의 큰 유동을 허용하여 지나치게 제한적인 희석 포트를 통하여 유동함이 없이 희석존(36)에 도달한다. 오히려, 유동은 적당한 양이 희석 포트(40)를 통하여 유동하는 상태로 나누어지고, 대부분의 과잉공기는 바이패스를 통하여 흐른다. 바이패스 오리피스 플레이트(30)의 사용을 통하여, 공기 관통 포트(40)로의, 바이패스 공기의 적당한 분배가 달성되어서 연소기 압력 강하가 모든 작동조건에 대해서 일정하게 유지되고 또는 낮은 동력 설정치에서 원할때 조절될수 있다.

상기 기재된 밀봉 장치의 여러가지 변경과 교체는 당해 기술분야의 사람들에게 명백할 것이다. 따라서, 앞에 있는 본발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 사실상 예시적인 것으로 고려되어져야 하고 본발명의 정신및 범위를 제한하지 말아야 한다.

Claims (17)

1. 가스터빈 엔진에 있어서,

   가압공기를 제공하는 압축기;

   고온가스 팽창용 터빈;

   상기 압축기와 상기 터빈사이에 배치 되어 있고,

   연소기 벽(wall)으로 구획형성된 연소 챔버;

   상기 연소기 벽을 둘러싸고 그리고 상기 압축기로부터 상기 가압공기를 수용하는 플리넘;

   연료및 공기혼합물을 상기 연소 챔버로 주입하기 위한 인젝터;

   상기 고온 가스를 형성하도록 상기 연료및 공기혼합물을 점화하기 위한 점화기;

   상기 터빈의 바로 하류에 있고, 적어도 하나의 희석구멍을 통하여 상기 플리넘내의 공기의 일부분을 수용하는 희석존을 포함하고 있는 연소기;및

   상기 플리넘내에 있는 상기공기의 나머지 부분을 상기 인젝터와 상기 희석존으로 유동을 제어하기 위한 바이패스 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 시스템은:

   상기 플리넘으로부터 뻗어 있는 제 1 도관;

   상기 제 1도관과 상기 인젝터와 유체 연통되어 있는 제 2도관;

   상기 제 1도관과 상기 희석존과 유체 연통되어 있는 제 3도관;및

   상기 플리넘으로부터 상기 사전혼합기 노즐까지의 유동을 하게 하는 상기 제 1, 제 2및 제 3도관과 상기 희석존사이에 배치된 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 밸브는:

   상기 제 1도관에 연결된 제 1포트를 가지는 하우징,

   상기 제 2도관에 연결된 제 2포트와 상기 제 3도관에 연결된 제 3포트,및

   상기 하우징에 회전식으로 장착된 밸브 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브 로터가 초승달 모양인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브는 상기 제 3포트에 장착된 교환가능한 오리피스 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3도관과 유체연통되어 있는 환형의 바이패스 다기관및 상기 바이패스 다기관으로부터 상기 희석존까지 뻗어있는 복수의 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 인젝터가 사전혼합기 인젝터인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 사전혼합기 인젝터가 공기 블라스트 연료 노즐, 벤츄리및 사전혼합 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
9. 제어가능한 압력강하를 갖춘 연소 시스템에 있어서,

   연소기 벽으로 구획 형성되고 입구및 출구를 가지는 연소 챔버;

   상기 연소기 벽에 대해서 원주상으로 배치되고 가압공기를 수용하는 플리넘;

   상기 플리넘과 유체 연통하는 인젝터,및 공기및 연료가 상기 인젝터내에서 혼합되고 상기 혼합물이 상기 입구를 통하여 상기 연소 챔버내로 주입되는 연료원;

   고온 가스를 형성하도록 상기 공기및 연료 혼합물을 점화하기 위한 점화기;

   상기 출구의 바로 상류에 있고, 상기 연소기벽에 있는 적어도 하나의 희석구멍을 통하는 상기 플리넘에 있는 공기의 일부분을 수용하는 희석존;

   상기 플리넘으로부터 상기 인젝터로 유동하는 공기의 일부분을 상기 희석존으로 전환시키고, 전환된 공기의 크기가 가변되어서 상기 연소 시스템에 걸쳐 바람직한 압력강하를 얻는 조절가능한 바이패스 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 바이패스 시스템 수단은 상기 플리넘과 상기 인젝터와 상기 희석존사이에 배치된 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 밸브는 초승달 모양인 밸브 로터를 가지는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 바이패스 수단은:

    상기 플리넘과 상기 밸브사이에 뻗어있는 제 1도관;

    상기 밸브와 상기 인젝터사이에 뻗어있는 제 2도관;및

    상기 밸브로부터 상기 희석존까지 뻗어있는 제 3도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 밸브와 상기 제 3도관사이에 배치된 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하느 연소 시스템.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 제 3도관과 유체연통되는 환형의 바이패스 다기관및 상기 바이패스 다기관으로부터 상기 희석존까지 뻗어있는 복수의 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
15. 엔진의 동력수준이 변화함에따라 가스 터빈 엔진의 터빈과 압축기사이에 배치된 연소기를 걸쳐 압력강하를 제어하기 위한 방법에 있어서,

    제 1동력 수준에서 상기 엔진을 작동시키는 단계;

    플리넘에서 상기 압축기로부터 가압공기를 수집하는 단계;

    상기 연소기의 벽에 있는 희석 구멍을 통하여 상기 공기의 제 1부분을 상기 터빈의 상류의 희석존내로 유동하게 하는 단계;

    상기공기의 제 2부분을 인젝터로 흐르게하는 단계;

    상기 인젝터의 연료로 상기 공기의 제 2부분을 혼합하고 그리고 상기 희석존의 상류의 상기 연소기에 고온 가스를 형성하도록 혼합물을 점화하는 단계;

    상기 인젝터 주위의 상기 공기의 제 2부분의 일부분을 상기 희석존 부근의 상기 연소기로 전환시키는 단계;

    상기 연소기를 걸쳐 제 1의 바람직한 압력강하를 달성하도록 상기 전환부분의 크기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    제 2동력 수준에서 상기엔진을 작동 시키는 단계;및

    상기 연소기를 걸쳐 제 2의 바람직한 압력강하를 달성하도록 상기 전환된 부분의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2의 바람직한 압력강하가 상기 제 1의 바람직한 압력강하와 같은 것을 특징으로 하는 방법.