KR20030053436A - 화염 튜브 - Google Patents

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KR20030053436A
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누보 피그노네 홀딩 에스피에이
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Abstract

오염물 방출이 적은 가스 터빈의 연소 챔버(110)를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"(112)는 절두 원추형 단부(120)에 의해서 사전 혼합 챔버(114)의 출구에 연결된 원통형 구조를 포함하는 형태이며, 사전 혼합 챔버(114)는 화염 튜브(112)와 연소 챔버(110)의 외벽 사이에 위치된 캐비티(116)에 의해 안내된 공기가 제공되고, 이러한 공기는 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 순환하며, 화염 튜브(112)의 제 1 원통형 영역(122)은 환형 챔버(138)를 형성하는 원통형 케이싱(136)에 의해 둘러싸여 있다.

Description

화염 튜브{IMPROVED FLAME TUBE OR LINER FOR A COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE WITH LOW EMISSION OF POLLUTANTS}
본 발명은 오염물 저 방출 가스 터빈의 연소 챔버용 화염 튜브 또는 "라이너"에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 가스 터빈은 하나 또는 그 이상의 스테이지를 구비하는 압축기 또는 터빈으로 구성된 기계이며, 이러한 구성요소는 회전 샤프트에 의해 상호 연결되어 있고, 연소 챔버는 압축기와 터빈 사이에 제공된다.
외부 환경으로부터의 공기는 압축기에 공급되어 압축된다.
압축된 공기는 취합부(converging portion)내에서 종료되는 덕트를 통과하며, 상기 취합부내로의 일 세트의 주입기가 연료를 공급하고 공기와 혼합되어 연소를 위한 연료 공기 혼합을 형성한다.
따라서, 연소를 위해 요구되는 연료는 하나 또는 그 이상의 주입기를 통해 연소 챔버내로 주입되고, 가압식 네트워크로부터 가압되며, 연소 공정은 가스의 온도 및 엔탈피를 증가시키도록 설계되어 있다.
또한, 혼합 덕트에 인접하여 추진 화염을 발생시키기 위한 평행한 연료 공급 시스템이 화염의 안정 특성을 향상시키기 위해 제공된다.
최종적으로, 고온 고압 가스는 가스의 엔탈피를 사용자에게 유용한 기계적 에너지로 전환시키는 터빈의 다양한 스테이지에 도달하기 위해 적합한 덕트를 통과한다.
가스 터빈용 연소 챔버의 설계에서 우선적으로 고려해야 할 것은 안정성 및 과잉 공기의 제어이며, 연소를 위한 이상적인 조건의 형성을 목적으로 한다는 것은 잘 공지되어 있다.
가스 터빈의 연소 챔버의 설계에 영향을 미치는 2차적 요소는 연소 챔버의 돔에 가능한 인접하여 연소를 일으키는 경향이다.
특히, 종래 기술은 연소 챔버내의 화염 튜브 또는 "라이너"의 사용을 제공하며, 이것은 2개의 주요 기능을 갖는다.
첫째로, 화염은 튜브내에 수용되며, 따라서 과열을 회피하기 위해서 연소 챔버의 외벽과 접촉하는 것을 방지한다.
둘째로, 튜브는 연소 생성물의 흐름을 감속 및 산란시켜 화염의 소멸을 방지한다.
또한, 연소 챔버는 그로부터 상류의 사전 혼합 챔버를 구비하는 것은 매우 일반적이며, 사전 연소 챔버에서 연소 챔버의 벽을 냉각시키기 위해 미리 사용되었던 공기가 연료와 혼합된다.
화염 튜브 둘레에 캐비티를 형성하는 것이 편리하다.
이러한 캐비티는 연소 챔버에서 내보내는 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 순환하는 가압된 공기를 운송한다.
전술한 바와 같이, 이러한 공기는 사전 혼합 챔버에서 연료와 혼합된 연소 공기로서 그리고 연소 챔버와 연소 생성물 양자의 냉각을 위한 냉각 공기로서 사용된다.
터빈 부하의 모든 수준에서 산화 질소의 낮은 오염물 방출을 달성하기 위해서, 연소 공기는 사전 혼합 챔버의 외측 표면의 구멍을 통해 화염 외측 캐비티로부터 사전 혼합 챔버로 통과하고 수축될 수 있다.
수축은 연소 공기와 연료의 비율이 최적화된 값에서 일정하게 유지되는 방식으로 사용된 연료량의 함수로서 적용된다.
종래 기술에서, 화염 튜브는 챔버의 실제 연소 또는 메인 화염 영역내의 사전 혼합 챔버에 연결된 절두 원투형 단부의 출구에 위치된다.
예를 들면 축방향 압축기에 의해 가압되고 연소 챔버에서 빠져나온 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 순환하는 냉각 공기는 화염 튜브와 연소 챔버의 외벽 사이를 유동한다.
화염 튜브는 사전 혼합 챔버의 절두 원추형 단부에 의해 연결되고, 2개의 별개의 영역을 기본적으로 함유하는 원형 구조를 갖는다.
메인 화염 둘레에 위치된 제 1 영역은 구멍이 없는 원통형 케이싱을 포함하며, 보다 길다란 제 2 영역은 그를 통해 상기 영역의 벽에 평행한 방향으로 공기의 통과를 안내하기 위한 일 세트의 구멍, 홀 및 채널을 구비한다.
또한, 공기 진입을 위한 다수의 작은 구멍을 구비하는 외부 표면을 갖는 캐비티는 절두 원추형 단부 둘레에 형성된다.
따라서, 이러한 홀을 통과하는 가압된 공기는 제 1 영역의 외부 표면을 향해 배향된 다수의 공기 드래프트를 형성하며, 따라서 대류에 의한 냉각을 기본적으로 제공한다.
구멍이 없는 제 1 영역에서, 이것은 진입 공기가 오염물 방출 문제를 야기시키는 불완전 연소를 일으키는 것을 방지한다.
그러나, 제 2 영역에서 불완전 연소상의 냉각 공기의 효과는 보다 덜 현저하며, 따라서 벽은 벽의 내부를 지나 통과하여 벽을 냉각시키는 공기 유동을 발생시키는 다수의 구멍을 구비한다.
따라서, 본 발명의 목적은 제 1 영역에서 그 냉각 능력이 증가하는 방식으로 전술된 화염 튜브를 향상시키는 것이다.
오염물 방출을 최소로 감소시키는 주요 목적과 더불어 이러한 특성을 향상시키는 것이 특히 소망되지만, 바로 다음에 설명되는 것과 같은 충분한 연소를 위한 다른 필요 조건에 직면한다.
따라서, 본 발명의 다른 목적은 오염물 방출이 적으면서 양호한 화염 안정성 또한 제공하는, 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 오염물 방출이 적으면서 높은 연소 효율을 보장하는, 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 오염물 방출이 적으면서 고온에 노출된 구성요소의 평균 수명이 증가될 수 있게 하는, 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염튜브 또는 "라이너"를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 부가적인 목적은 오염물 방출이 적으면서 특히 신뢰할 수 있고 단순하며, 기능적이고 비교적 낮은 생산 및 보수 비용이 드는, 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"를 제공하는 것이다.
이러한 또는 다른 본 발명의 목적은 청구항 1에 설명된 바와 같은 오염물 방출이 적은 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 연소 튜브 또는 "라이너"를 제조함으로써 달성된다.
다른 특성은 청구항 1에 이어 청구범위에 설명되어 있다.
유리하게, 본 발명에 따른 오염 물질을 적게 배출하는 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"는 종래 기술에서 공지된 그리고 따라서 이미 설치된 연소 챔버에서 용이하게 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 오염 물질을 적게 배출하는 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"는 첨부된 도면을 참조하여 제한적인 의도 없이 예시적인 방법으로 제공된 다음의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"의 종방향 부분 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"의 종방향 부분 단면도,
도 3은 도 2의 상세한 종방향 확대 부분 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 110 : 연소 챔버12, 112 : 화염 튜브 또는 "라이너"
14, 114 : 사전 혼합 챔버16, 116 : 캐비티
22, 122 : 제 1 원통형 영역24, 124 : 케이싱
26, 126 : 제 2 원통형 영역28, 128 : 구멍
34, 42, 134, 142 : 홀136 : 원통형 케이싱
138 : 환형 챔버144 : 분리기 요소
도 1을 참조하면, 참조부호(10)로 전체적으로 표시된 가스 터빈의 연소 챔버가 도시되고, 종래 기술에 따른 화염 튜브 또는 "라이너"(12)는 챔버 내부에 위치되어 있다.
연소 튜브(12)로부터 상류에는 화염 튜브(12)와 연소 챔버(10)의 외벽(18)사이에 위치된 캐비티(16)에 의해 안내된 연소 공기가 제공된 사전 혼합 챔버(14)가 있다.
화염 튜브(12)는 상기 연소 챔버(10)의 실제 연소 영역 또는 메인 화염 영역내의 사전 혼합 챔버(14)에 연결된 절두 원추형 단부(20)의 출구에 위치되어 있다.
도면에 도시되지 않은 축방향 연소기에 의해 가압된 냉각 공기는 연소 챔버(10)에서 빠져나온 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 화염 튜브(12)와 연소 챔버(10)의 외벽(18) 사이를 유동한다.
화염 튜브(12)는 2개의 개별 영역을 기본적으로 포함하는 원통형 구조를 갖는다.
메인 화염 둘레에 위치된 제 1 원통형 영역(22)은 구멍이 없는 원통형 케이싱(24)을 포함하지만, 보다 길다란 제 2 원통형 영역(26)은 일 세트의 구멍 또는 홀(28)을 구비한다.
또한, 공기의 진입을 위한 다수의 작은 홀을 구비하는 외부 표면(32)을 갖는 캐비티(30)는 절두 원추형 단부(20) 둘레에 형성된다.
따라서, 이러한 홀을 통과하는 가압된 공기는 절두 원추형 단부(20)를 향해 배향된 다수의 공기 드래프트를 형성하며, 따라서 대류에 의한 냉각을 기본적으로 제공한다.
한편 제 2 영역(26)에서, 벽의 내측에 인접하고 구멍(28)을 통과하는 공기 통로에 의해 발생된 공기의 층에 의해 기본적으로 냉각이 일어난다.
도 2 및 도 3은 참조부호(10)로 전체적으로 표시되고 본 발명에 따른 화염튜브 또는 "라이너"(112)가 위치되는, 가스 터빈의 연소 챔버를 도시하며, 종래 기술에 대한 도 1에 도시된 것과 동일한 및/또는 상당하는 구성요소는 각 경우에서 100이 증가된 동일한 참조부호를 갖는다.
도시된 실시예에서, 사전 혼합 챔버(114)는 화염 튜브(112)로부터 상류에 제공되고, 화염 튜브(112)와 연소 챔버(110)의 외벽(118) 사이에 위치된 캐비티(116)에 의해 안내된 연소 공기가 제공된다.
화염 튜브(112)는 연소 챔버(110)의 실제 연소 영역 또는 메인 화염 영역내의 사전 혼합 챔버(114)와 연결된 절두 원추형 단부(120)의 출구에 위치된다.
도면에 도시되지 않은 축방향 압축기에 의해 가압되고 연소 챔버(110)를 빠져나온 연소 생성물의 유동에 대향하는 방향으로 순환하는 냉각 공기는 화염 튜브(112)와 연소 챔버(110)의 외벽(118) 사이를 유동한다.
화염 튜브(112)는 2개의 개별 영역을 기본적으로 포함하는 원통형 구조를 갖는다.
제 1 원통형 영역(122)은 메인 화염 둘레에 위치되고 구멍이 없는 원통형 케이싱을 포함하지만, 보다 길다란 그리고 종래 기술의 것과 유사한 제 2 원통형 영역(126)은 일 연소 생성물을 안내하고 일 세트의 구멍 또는 홀(128)을 구비한다.
제 1 원통형 영역(122)은 예를 들면 정방형 망상 구조의 노드에 위치되고, 절두 원투형 단부(120)에 근접한 영역에 형성된 일 세트의 구멍 또는 홀(134)을 구비한다.
이러한 영역(122)은 영역(122)을 둘러싸는 원통형 케이싱(136)에 의해 둘러싸여 환형 챔버(138)의 공간을 빠져나온다.
케이싱(136)은 제 1 원통형 영역(122)에 케이싱(136)을 연결시키고 환형 챔버(138)를 둘러싸는 그 양단부에 환형 결합부(140)를 구비한다.
예를 들면, 원통형 영역(122)의 홀(134)의 것과 동일한 정방형 망상 구조의 노드에 위치된 일 세트의 구멍 또는 홀(142)은 케이싱(136)내에 형성된다.
편리하게, 케이싱(136)내의 이러한 홀(142)은 원통형 영역(122)내의 홀(13)보다 작고, 홀(134)에 대해 엇갈려 있다.
또한, 제 1 원통형 영역(122)은 구멍이 없는 부분을 구비하고, 이러한 부분은 절두 원추형 단부(120)에 대항하는 영역내에 위치된다.
환형의 분리기 요소(144)는 홀(134)을 구비하는 영역(122)의 부분과 구멍이 없는 부분 사이의 환형 챔버(138)에 제공된다.
분리기 요소(144)는 분리기 요소(144)에 의해 형성된 챔버의 2개의 부분을 연결시키기 위한 적어도 하나의 갭(146)을 구비한다.
이러한 분리기 요소(144)는 연소기 챔버(110)의 절두 원추형 단부(120)를 향해 경사진 제 1 원통형 영역(122) 형상의 구간상에 용접에 의해 편리하게 형성된다.
최종적으로, 그 크기가 예를 들어 케이싱(136)내의 홀(142) 보다 매우 큰 원주방향의 일 세트의 작은 홀(148)이 환형 결합부(140)의 근접한 구멍이 없는 원통형 영역(122)의 부분에 형성된다.
본 발명에 따른 적은 오염물을 방출하는 가스 터빈의 연소 챔버(110)를 위한향상된 화염 튜브 또는 "라이너"(112)의 작동은 도면을 참조하여 상기 제공된 설명에 의해 보다 명확해졌으며, 이후 다음과 같이 요약된다.
냉각 공기는 도면에 도시되지 않은 축방향 압축기에 의해 가압되고 화염 튜브(112)를 냉각한다.
화염 튜브(112)를 냉각함에 따라서, 공기는 가열되고, 그 후 사전 혼합 챔버(114)에 진입함에 따라서 연소 공기로서 작용한다.
제 2 원통형 영역(126)에서, 냉각은 벽의 내측에 인접하고 종래 기술에서와 같이 구멍(128)을 통과하는 공기의 통로에 의해 발생되는 공기의 층에 의해 기본적으로 제공된다.
그러나, 제 1 원통형 영역(122)에서, 냉각은 "충돌 냉각"으로 공지된 것에 의해서 제공되고, 종래 기술에서와 같이 대류에 의해서만 단독으로 제공되지 않는다.
충돌 냉각은 표면상의 유체의 충돌에 의해 발생되는 열 전달 메커니즘이다.
이러한 경우에서, 케이싱(136)내의 홀(142)을 통과하는 가압 공기는 원통형 영역(122)을 향해 배향된 대응하는 수의 공기 드래프트를 형성한다.
드래프트의 감속과 압력 강하의 결과로서, 충돌 영역 둘레에 매우 얇은 유체 역학적 및 열 경계 층이 형성된다.
결과적으로, 극도로 높은 열교환 효율이 이러한 영역에서 얻어지고, 따라서 열은 이러한 지점에서 매우 용이하게 전달된다.
구멍(134)이 제공된 환형 챔버(138)의 부분은 음향학적인 댐퍼로서 작용하여화염 튜브(112)내의 압력 변동 발생과 조우한다.
일 세트의 홀(148)은 화염 튜브(112)내로의 공기의 진입이 불연소와 그에 따른 오염물의 방출 문제를 일으키지 않는 영역내에 제공된다.
유사하게, 구멍(13)은 상기 오염물 문제를 방지하기 위하여 최소의 공기 진입만을 허용해야 한다.
상기 설명은 본 발명의 목적이 오염물을 적게 방출하는 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"의 특성을 분명하게 나타내고, 또한 향상된 냉각 능력과, 연소 챔버내의 감소된 압력 변동 및 양호한 화염 안전성과, 높은 연소 효율과, 고온에 노출된 구성요소의 증가된 평균 수명과, 간단하고 신뢰성 있는 사용과, 종래 기술에 비해 낮은 생산 및 보수 비용과, 종래 기술에서 공지된 연소 챔버의 화염 튜브와의 우수한 상호 교환성의 결과로서 미리 설치된 가스 터빈에 용이하게 끼워넣을 수 있어 등급을 향상시키는 것을 포함하는 대응하는 장점을 명확히 한다.
변경 및 변형이 될 수 있는 방식으로 설계된 오염물을 적게 방출하는 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"가 모두 본 발명에 범위내에 포함된다는 것은 명백하다.
또한, 모든 구성요소는 기술적으로 동등한 요소로 교체될 수 있다.
실제로, 형상 및 치수 뿐만 아니라 사용된 재료도 때때로 발생할 수 있는 기술적 요구에 따라 변형될 수 있다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 제한된다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈의 연소 챔버를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"를 제공하여 오염 물질을 적게 배출하는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 오염물 방출이 적은 가스 터빈의 연소 챔버(110)를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"(112)로서, 절두 원추형 단부(120)에 의해 사전 혼합 챔버(114)의 출구에 연결된 원통형 구조를 포함하는 형태이고, 상기 사전 혼합 챔버(114)는 상기 화염 튜브(112)와 상기 연소 챔버(110)의 외벽(118) 사이에 위치된 캐비티(116)에 의해 안내된 공기가 공급되며, 상기 공기는 연소 생성물의 유동에 대향 방향으로 순환하는, 상기 화염 튜브(112)에 있어서,
    상기 화염 튜브(112)의 제 1 원통형 영역(122)은 환형 챔버(138)를 형성하는 원통형 케이싱(136)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    일 세트의 구멍(134)은 상기 제 1 원통형 영역(122)의 원통형 부분내에 존재하는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 영역(122)의 상기 구멍(134)은 정방형 망상 구조의 노드에 위치되고 상기 절두 원추형 단부(120)에 인접하는 부분에 형성되는 것을 특징으로하는
    화염 튜브.
  4. 제 1 항에 따르면,
    상기 원통형 케이싱(136)은 상기 제 1 원통형 영역(122)에 상기 케이싱(136)을 연결시키고 상기 환형 챔버(138)를 둘러싸는 양 단부에 환형 결합부(140)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    일 세트의 구멍(142)은 상기 케이싱(136)에 형성되는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구멍(142)은 상기 정방형 망상 구조의 노드상에 위치된 홀인 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  7. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 케이싱(136)내의 상기 홀(142)의 상기 망상 구조는 상기 제 1 원통형영역(122)의 상기 홀(134)의 상기 망상 구조와 동일한 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 케이싱(136)내의 상기 홀(142)은 상기 제 1 원통형 영역(122)내의 상기 홀(134)보다 작으며 상기 홀(134)에 대해 엇갈려 배치된 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 영역(122)은 구멍을 갖지 않는 원통형 부분을 구비하고, 이러한 부분은 상기 절두 원추형 단부(120)에 대향하는 부분내에 위치된 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  10. 제 9 항에 있어서,
    환형의 상기 환형 챔버(138) 분리기 요소(144)는 구멍(134)을 갖는 상기 원통형 영역(122)의 부분과 구멍을 갖지 않는 상기 부분 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분리기 요소(144)는 적어도 하나의 오리피스(146)를 구비하여 상기 분리기 요소(144)에 의해 규정된 챔버(138)의 2개의 부분을 연결하는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    원주방향의 일 세트의 작은 홀(148)은 상기 환형 결합부(140)에 근접하여 구멍이 없는 상기 원통형 영역(122)의 상기 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 원통형 영역(122)보다 길다란 그리고 일 세트의 구멍(128)을 갖는 제 2 원통형 영역(126)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    화염 튜브.
  14. 제 1 항에 있어서,
    축방향 압축기에 의해 가압된 공기는 상기 캐비티(116)를 통해 통과하는
    화염 튜브.
  15. 오염물 방출이 적은 가스 터빈의 연소 챔버(110)를 위한 향상된 화염 튜브 또는 "라이너"(112)에 있어서,
    기본적으로 특정 목적을 위해 설명 및 도시된 바와 같은
    화염 튜브.
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