KR20030036174A - 에너지 시스템에 사용되는 환상 연소기 - Google Patents

에너지 시스템에 사용되는 환상 연소기 Download PDF

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KR20030036174A
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테쯔제이.마이클
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엘리오트 에너지 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

환상 연소기(10)는 환상 내측 셸(15), 환상 외측 셸(20) 및 상기 내측 셸(15)과 외측 셸(20)을 연결하는 돔형 단부 벽(30)을 구비한다. 상기 돔형 단부 벽(30)과 출구 단부 사이에는 댐(45)이 위치되어 내측 셸(15)과 외측 셸(20) 중의 적어도 하나로부터 반경방향으로 연장되어 상기 연소실(35) 내웁에 축소된 유동 영역 통로를 제공한다.

Description

에너지 시스템에 사용되는 환상 연소기{ANNULAR COMBUSTOR FOR USE WITH AN ENERGY SYSTEM}
연소기는 개념적으로는 간단한 장치이다. 연소기는 연료 및 공기와 같은 산화제가 혼합되고 연소되어 고온 연소 기체를 형성하는 챔버 또는 연소실을 제공한다. 하지만, 효율적인 연소기를 설계하는 것은 실제로는 복잡한 과제이다. 연료로부터 최대의 이용 가능한 에너지를 추출하고 방출을 최소 수준으로 줄이기 위해, 연소기는 연료의 완전 연소가 일어날 수 있는 환경을 제공해야 한다. 연료와 산화제는 철저히 혼합되어야 한다. 연소기에서 연소되는 연료가 프로판 또는 천연 가스와 같은 가스가 아니라 디젤 연료와 같은 액체인 경우, 연소기는 연소가 발생하기 전에 액체를 분무하거나 증발시키기 위한 일정 수단도 역시 제공하여야 한다. 또한 연소기는 연료 및 산화제 혼합기를 점화시키기 위한 수단과 함께 점화에 후속하여 화염을 안정되게 유지하는 수단도 포함해야 한다. 에너지 시스템에 사용되는 PCT/US97/22007호 등에 공개되는 환상 연소기는 본 출원에 일체로 참조된다.
본 발명의 목적은 NOx, CO 및 불연소 탄화수소를 낮추고 효율적인 연료 사용을 야기하는 환상 연소기를 제공하는 것이다.
본 발명은 연소기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 에너지 시스템에 사용되는 환상 연소기에 관한 것이다.
출원 관련 교차 참조물
본 출원은 2000년 5월 1일 출원된 미국 가출원 제60/200,946호의 우선권을 주장한다.
도 1은 본 발명에 따라 이루어진 연소기를 포함하는 압축기/터빈의 횡단면도이고,
도 2는 본 발명에 따라 이루어진 연소기의 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 연소기의 단부도이고,
도 4는 도 2에 도시된 연소기의 측면도이고,
도 5는 도 3에 도시된 둘러싸인 영역의 확대도이고,
도 6은 도 1의 연소기의 변형례의 측면도이고,
도 7은 도 1에 도시된 연소기의 다른 변형례의 측면도이며,
도 8은 도 1에 도시된 댐의 변형례의 측면도이다.
환상 연소기는 내표면과 외표면이 있는 환상 내측 셸, 내표면과 외표면이 있는 동축의 환상 외측 셸, 및 상기 내측 셸과 외측 셸을 연결하는 돔형 단부 벽을 구비한다. 상기 내측 셸, 외측 셸 및 돔형 단부 벽은 상기 외측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에 소정 폭을 갖는 환상 연소실을 형성하며, 상기 연소실은 종축을 따라 연장하고 상기 돔형 단부 벽에 대향된 출구 단부를 구비한다. 상기 돔형 단부 벽과 상기 출구 단부 사이에는 댐이 위치하여 상기 내측 셸 및 상기 외측 셸 중의 적어도 하나로부터 반경방향으로 연장한다. 상기 댐은 상기 연소실 내부의 축소된 유동 영역 통로와 제2 공기를 연소 공정에 공급하는 채널들을 형성한다.
또한, 환상 연소기는 내표면과 외표면이 있는 환상 내측 셸, 내표면과 외표면이 있는 동축의 환상 외측 셸, 및 상기 내측 셸과 외측 셸을 연결하는 돔형 단부벽을 구비하며, 상기 내측 셸, 외측 셸 및 돔형 단부 벽은 상기 외측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에 소정 폭을 갖는 연소실을 형성하며, 상기 연소실은 종축을 따라 연장하고 상기 돔형 단부 벽에 대향된 출구 단부를 구비한다. 상기 돔형 단부 벽과 상기 출구 단부 사이에는 댐이 위치하고 상기 내측 셸 및 외측 셸 중의 적어도 하나로부터 반경방향으로 연장하며, 상기 댐은 상기 연소실 내부에 축소된 유동 영역을 형성한다. 상기 연소실은 상기 연소기의 상기 돔형 단부 벽과 댐 사이에 상기 연소실의 영역에 의해 형성되는 제1 구역, 상기 댐에 인접한 연소실의 영역에 의해 형성되는 제2 구역, 및 상기 댐과 출구 단부 사이에 상기 연소실의 영역에 의해 형성되는 희석 구역을 구비한다. 상기 연소실은 연료와 공기 또는 산소를 제1 구역 안으로 제공하는 수단, 상기 제1 구역 내에 제공되는 점화수단, 상기 제2 구역 내에 형송되는 복수의 공기 또는 산소 통로, 및 상기 희석 구역 내에 제공되는 복수의 공기 또는 산소 통로를 구비한다.
도 1은 압축기/터빈 장치(100)에 연결된 본 발명에 따른 환상 연소기(10)를 나타낸다. 압축기/터빈 장치(100)는 압축기 블레이드(102), 디퓨저(103), 터빈 블레이드 노즐 베인(104) 및 종축(X)을 중심으로 회전하는 회전 구동 샤프트(도시 생략) 둘레에 위치한 터빈 블레이드(105)를 포함한다. 도 2에 더 도시된 연소기(10)는 내표면(17)과 외표면(19)이 있는 환상 내측 셸(15)을 구비한다. 상기 연소기(10)는 내표면(22)과 외표면(24)이 있는 동축의 환상 외측 셸(20)을 더 구비한다. 돔형 단부 벽(30)이 내측 셸(15)과 외측 셸(20)을 연결하며, 상기 내측 셸(15), 외측 셸(20) 및 돔형 단부 벽(30)은 환상 연소실(35)을 형성하며, 상기 환상 연소실(35)의 연소실 폭(W)은 내측 셸(15)의 외표면(19)과 외측 셸(20)의 내표면(22) 사이의 간격이다. 연소실(35)은 종축(X)을 따라 연장되며 돔형 단부 벽(30)에 대향된 출구 단부(40)가 있다. 돔형 단부 벽(30)과 출구 단부(40) 사이에 위치되는 댐(45)이 내측 셸(15)로부터 반경방향 외측으로 연장되어 연소실(35) 내부에 축소된 유동 영역 통로(50)를 형성한다.
상기 댐(45)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 내측 셸(15)로부터 반경방향 외측으로 연장되거나, 다른 방법으로는 외측 셸(20)로부터 반경방향 내측으로 연장되거나, 또 다른 방법으로는 내측 셸(15)로부터 반경방향 외측으로 연장되면서 외측 셸(20)로부터 반경방향 내측으로 연장될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 압축기/터빈 장치(100) 내부에는 환상 하우징 벽(108)이 제공되어 압축기 블레이드(102)에 인접 위치한 공기 흡입 통로(110)를 형성한다. 내측 하우징 벽(114)이 연소기(10)의 출구 단부(40)에 인접하게 위치되어 연소실(35)을 둘러싼다. 연소실(35), 공기 통로(118) 및 터빈 블레이드(105)는 서로 유체 연통된다. 전방 하우징 벽(114)의 말단(120)과 연소기(10)의 외측 셸(20)에 의해 환상 냉각 영역(119)이 형성된다. 환상 냉각 영역(119)은 터빈 노즐 베인(104)과 터빈 블레이드(105) 쪽으로 더 많은 희석 공기를 허용한다.
공기 흡입 통로(110)로 진입하는 공기는 연소기(10)의 외측 표면을 따라 통로(118)를 통해 유도되고, 다수의 통로(125, 128, 130) 및 연소기의 벽을 통해 연장된 개구(80)를 통해 연소실(35) 안으로 유입되며, 또한 통로(118)의 단부(120)에 있는 연소실(35)로 유입된다. 복수의 연료/공기 혼합용 튜브(132)가 연소기(10)의 벽을 따라 연장하여 연소실(35)의 제1 구역(55)에 연료를 운반한다. 관 형태인 연료/공기 혼합용 튜브(132)는 연소기(10)의 제1 구역(55) 안으로 액체 또는 가스 연료와 압축 공기 또는 산소를 각지게 유도하도록 구성된다. 점화기(140)가 연소기(10)를 지나 연소실(35) 안으로 지나가며, 연소실(35)에서 점화기(140)는 연소가 자체적으로 지속될 때까지 제1 구역(55) 내부에서 공기-연료 혼합기를 점화할 수 있다.
도 1 및 2에 유의하면, 연소실(35)은 제1 구역(55), 제2 구역(65) 및 희석구역(75)을 구비한다. 제1 구역(55)은 돔형 단부 벽(30)과 댐(45) 사이의 연소실(35)의 내부 영역이다. 제2 구역(65)은 대체로 댐(45) 주변인 연소실(35)의 내부 영역이다. 희석 구역(75)은 댐(45)과 출구 단부(40) 사이의 연소실(35)의 내부 영역이다.
전술한 바와 같이, 도 2에 도시된 댐(45)은 내측 셸(15)로부터 외측으로 연장된다. 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 통로(150)를 형성하도록 외측 셸(20)로부터 반경방향 내측으로 제2 댐(145)을 연장하여 댐(45)을 보충할 수 있다. 이와 달리 도 7에 도시된 것과 같이, 외측 셸(20)로부터 반경방향 내측으로 연장된 댐(145)이 연소기(10) 내부의 유일한 댐이 되도록 댐(45)을 완전히 제거할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 댐(45)은 두 개의 별개 부분으로 이루어지며, 출구 측면(47)으로부터 댐(45)의 원주 가장자리(48)로 연장된 제1 부분(46)이 제2 부분(49)에 인접하게 위치되어 있다. 댐 부분(46, 49)은 서로 용접되거나 공통의 고정 플레이트에 의해 서로에 대해 견고하게 고정될 수 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 댐(45)은 내측 셸(15)의 내표면(17)과 내측 셸(15)의 외표면(19) 사이에 유체 연통이 가능하도록 댐(45)을 관통해 연장된 복수의 개구(80)를 구비한다. 이들 개구(80)는 댐(45)을 통해 반경방향으로 연장될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 댐(45)은 개구(80)가 연소기(10)의 출구 단부(40)를 향해 연장되도록 종축(X)에 대해 각이질 수 있는 원주면(82)을 가진다. 이들원주면(82)은 종축(X)에 대해 0 내지 80도 사이의 각도(A)를 가짐으로써 개구(80)로부터의 유체를 연소기(10)의 출구 단부(40)를 향해 유도할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반경방향으로 연장된 개구(80)들은 이격되고 댐(45)의 전방 측면(85)에 중단된 패턴을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 댐(45)은 도 6에 도시된 제2 댐(145)에 의해 보충될 수 있다. 이러한 상황에서는 단일의 댐(45)에 대해 논의된 동일한 요소가 또한 실행될 수 있다. 전술한 방법에 다른 방법을 추가하여, 댐(145)만이 잔존하도록 댐(45)을 제거하고, 유사한 요소를 단일 댐(145)에 추가할 수 있다.
댐(45, 145)은 연소실 폭(W)의 1/2보다 작은 거리만큼 각각의 내측 셸(15) 또는 외측 셸(20)로부터 반경방향으로 연장될 수 있다. 바람직하게는, 댐들은 연소실 폭(W)의 대략 1/3의 거리만큼 연장한다. 각각의 내측 셸(15) 및 외측 셸(20)로부터 연장되는 하나의 댐의 거리에 있어서, 각각의 댐은 연소실 폭(W)의 대략 1/3의 거리만큼 반경방향으로 연장할 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 댐(45)은 자신이 연장되어 나오는 내측 셸(15)의 구성 부분일 수 있다. 실제로, 내측 셸(15)은 댐(45)의 형태를 구체화하도록 형성되므로, 댐은 본질상 중공형이며, 개구는 댐(45)의 원주면(82)에만 형성된다.
도 8은 댐(45)의 다른 실시예를 나타낸다. 댐(45)을 통과하는 유체가 연소기(10)의 출구 단부(40) 쪽으로 구부러지도록 디플렉터(155)가 댐(45)의 외주 가장자리(48)를 따라 위치된다. 이때, 개구(80)는 출구 단부(40)에 대향된 댐(45)의벽에 위치한다. 디플렉터는 원활하고 중단되지 않은 제2 공기 흐름이 제1 연료/공기 혼합기와 혼합되고 출구 단부(40)를 향하도록 하여 제2 공기가 제1 구역 안으로 전혀 유도되지 않도록 하며, 또한 제2 공기의 통과 흐름을 충돌형 냉각 방식으로 수용하는 표면을 제공한다.
원주를 따라 이격된 홈부(145)가 출구 벽을 수용하도록 외측 셸의 출구 단부(40) 둘레에 제공되어 연소생성물을 연소기로부터 예컨대 터빈 블레이드 쪽으로 흐르게 한다.
운전 중에, 예컨대 45psig의 압축 공기 또는 산소가 압축기를 통해 제공되어 연소기(10)의 외표면을 둘러싼다. 연료는 연료분사기에 의해 각이진 연료/공기 예비혼합 튜브(132)(도 5 참조)의 각각의 내표면 쪽으로 흐르게 된다. 또한 압축 공기 및/또는 산소는 각이진 연료/공기 예비혼합 튜브(132) 안으로 흘러 농후 연료를 공기 혼합기에 형성한다. 각이진 튜브(132)는 원주방향 소용돌이 작용을 일으킨다. 연료/공기 혼합기는 튜브(132)를 빠져나와 소정 각도(B)로 제1 섹션 안으로 들어간다. 바람직하게는, 각도(B)는 연료/공기 또는 산소 혼합기를 직접 또는 접선방향으로 셸의 내표면에 대해 흐르게 할 만큼 크지는 않다. 바람직하게는, 농후 연료 혼합기를 형성하기에만 충분한 공기 또는 산소를 제공한다. 이러한 농후 연료 혼합기는 점화기(140)에 의해 점화된다. 연소가 발생하면 연소생성물(POC)이 부분 연소를 통해 형성된다. 이어서 POC 및 다른 물질은 제2 구역(65) 내의 댐(45) 쪽으로 흐른다. 추가의 압축 공기 및/또는 산소는 통로(128)를 통해 반경방향으로 흘러 희박 혼합기를 형성한다. 또한, 연소실(45)의 유동 영역이 제2 구역(65) 내에서 감소되므로, 혼합기의 속도는 제1 구역(55) 내의 속도보다 증가한다. 제2 구역(65) 내의 결과적인 혼합기는 희박 혼합기이다. 추가의 연소가 발생하고 혼합기와 POC가 희석 구역(75) 쪽으로 이동한다. 희석 공기가 통로(125, 130)에서 희석 구역 안으로 추가되어 요구되는 터빈 입구 온도 및 원하는 저화염 패턴 인자를 제공한다. 이어서 POC는 희석 구역(75)을 빠져나가 터빈 노즐 베인(104)을 거쳐 터빈 블레이드(105)를 향해 흐른다.
전술한 설명으로부터 본 발명과 그에 따라 의도된 다수의 장점이 이해될 것이다. 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고도 구성 및 그 부분의 배치 형태가 다수 변경될 수 있음이 명백하다. 한편 본 명세서에서 전술한 형태는 구체적인 장점을 갖지만 바람직하거나 전형적인 실시예일 뿐이다.

Claims (24)

  1. 환상 연소기에 있어서,
    a) 내표면과 외표면이 있는 환상 내측 셸;
    b) 내표면과 외표면이 있는 동축의 환상 외측 셸;
    c) 상기 내측 셸과 외측 셸을 연결하는 돔형 단부 벽으로서, 상기 내측 셸 및 상기 외측 셸과 함께 상기 외측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에 소정 폭을 갖는 환상 연소실을 형성하며, 상기 연소실은 종축을 따라 연장되고 상기 돔형 단부 벽에 대향된 출구 단부를 갖는, 상기 돔형 단부 벽; 및
    d) 상기 돔형 단부 벽과 출구 단부 사이에 위치되고 상기 내측 셸 및 상기 외측 셸 중의 적어도 하나로부터 반경방향으로 연장되며 상기 연소실 내부에 축소된 유동 영역 통로를 형성하는 댐을 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 댐은 상기 내측 셸로부터 반경방향 외측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 댐은 상기 내측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에서 유체가 연통될 수 있도록 상기 댐을 통해 연장되는 복수의 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 개구는 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 댐은 상기 개구들이 상기 연소기의 출구 단부 쪽으로 연장되는 개구들을 제공하도록 상기 종축에 대해 각이진 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 댐의 원주 가장자리를 따라 위치되고 유체를 상기 연소기의 상기 출구 단부 쪽으로 흐르게 하도록 각이진 디플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  7. 제3항에 있어서, 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장된 상기 개구들은 상기 댐의 표면에서 중단된 패턴을 제공하도록 이격되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 댐은 상기 외측 셸로부터 반경방향 내측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 댐은 상기 내측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에서 유체가 연통될 수 있도록 상기 댐을 통해 연장되는 복수의 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 개구들은 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 댐은 상기 개구들이 상기 연소기의 출구 단부 쪽으로 연장되도록 상기 종축에 대해 각이진 내면을 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 댐의 원주 가장자리를 따라 위치되고 유체를 상기 연소기의 상기 출구 단부 쪽으로 흐르게 하도록 각이진 디플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  13. 제9항에 있어서, 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장된 상기 개구들은 상기 댐의 표면에서 중단된 패턴을 제공하도록 이격되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 내측 셸로부터 반경방향 외측으로 제1 댐이 돌출되고, 상기 외측 셸로부터 반경방향 내측으로 제2 댐이 돌출되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 댐은 상기 내측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에서 유체가 연통될 수 있도록 상기 댐을 통해 연장되는 복수의 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 개구는 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 댐은 상기 개구들이 상기 연소기의 출구 단부 쪽으로 연장되는 개구들을 제공하도록 상기 종축에 대해 각이진 내면을 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  18. 제9항에 있어서, 상기 댐의 원주 가장자리를 따라 위치되고 유체를 상기 연소기의 상기 출구 단부 쪽으로 흐르게 하도록 각이진 디플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  19. 제15항에 있어서, 상기 댐을 통해 반경방향으로 연장된 상기 개구들은 상기 댐의 표면에서 중단된 패턴을 제공하도록 이격되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  20. 제1항에 있어서, 상기 댐은 상기 종축을 중심으로 연장되는 것을 특징으로하는 환상 연소기.
  21. 제1항에 있어서, 상기 댐은 상기 내측 셸 및 상기 외측 셸 중의 어느 하나로부터 연소실 폭의 1/2보다 작은 거리로 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 댐은 상기 챔버 폭의 대략 1/3의 거리로 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  23. 제1항에 있어서, 각각의 댐은 자신이 연장되는 상기 셸의 구성 부분인 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
  24. 환상 연소기에 있어서,
    a) 내표면과 외표면이 있는 환상 내측 셸;
    b) 내표면과 외표면이 있는 동축의 환상 외측 셸;
    c) 상기 내측 셸과 외측 셸을 연결하는 돔형 단부 벽으로서, 상기 내측 셸및 상기 외측 셸과 함께 상기 외측 셸의 내표면과 상기 내측 셸의 외표면 사이에 소정 폭을 갖는 환상 연소실을 형성하며, 상기 연소실은 종축을 따라 연장되고 상기 돔형 단부 벽에 대향된 출구 단부를 갖는, 상기 돔형 단부 벽; 및
    d) 상기 돔형 단부 벽과 출구 단부 사이에 위치되고, 상기 내측 셸 및 상기 외측 셸 중의 적어도 하나로부터 반경방향으로 연장되며, 상기 연소실 내부에 축소된 유동 영역 통로를 형성하는 댐으로서, e) 상기 연소실은
    (ⅰ) 상기 돔형 단부 벽과 상기 댐 사이에 상기 연소실의 영역에 의해 형성되는 제1 구역,
    (ⅱ) 상기 댐에 인접한 상기 연소실의 영역에 의해 형성되는 제2 구역, 및
    (ⅲ) 상기 댐과 상기 출구 단부 사이에 상기 연소실의 영역에 의해 형성되는 제3 구역을 포함하는, 상기 댐;
    f) 연료와 공기 또는 산소를 상기 제1 구역으로 제공하는 수단;
    g) 상기 제1 구역 내에 제공되는 점화수단;
    h) 상기 제2 구역 내에 형성되는 복수의 공기 또는 산소 통로; 및
    i) 희석 구역 내에 제공되는 복수의 공기 또는 산소 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 연소기.
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