KR20060029212A - 질소 산화물을 감소시키기 위한 비촉매 연소기 - Google Patents

질소 산화물을 감소시키기 위한 비촉매 연소기 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 엔진 연소기(26)는 제 1 연소 챔버(28), 혼합기 부재(34), 혼합 챔버(46) 및 제 2 연소 챔버(48)를 포함한다. 제 1 연소 챔버는 연료 산화제 혼합물 유동(22)을 수용하여 부분 산화 혼합물 유동(32)을 배출한다. 혼합기 부재는 다수의 산화제 유체 유동으로 산재되는 부분 산화 혼합물 유동을 분리하기 위한 다수의 유동 채널(36, 38)을 포함한다. 혼합기 부재는 상류부 튜브시트(70) 및 하류부 튜브시트(76)를 지지하는 다수의 튜브(62)를 포함할 수 있다. 혼합기 부재는 산화제 유체 유동을 가열하고 포스트 혼합 챔버의 상류부의 부분 산화 혼합물 유동을 냉각하기 위한 열 교환기로서 기능할 수 있다.

Description

질소 산화물을 감소시키기 위한 비촉매 연소기 {NON-CATALYTIC COMBUSTOR FOR REDUCING NOX EMISSIONS}
본 발명은 가스 터빈용 연소기에 관한 것으로, 특히 NOx 배출을 감소시키기 위한 비 촉매 연소기에 관한 것이다.
연소 공정에서 오염물의 발생을 감소시키기 위한 다양한 연소기 시스템이 가스 터빈 분야에 널리 공개되어 있다. 공지된 바와 같이, 가스 터빈은 압축공기용 압축기, 압축기에 의해 생성된 압축 공기의 존재하에서 연료를 연소시켜 발생하는 고온 가스, 및 축력을 발생시키기 위해 고온 가스를 팽창하기 위한 터빈을 포함한다. 많은 종래의 가스 터빈 엔진에서의 연소 공정은 3,000℉를 초과하는 화염 온도로 화학양론적 상태 또는 그 근처에서의 확산 화염 연소에 의해 좌우된다. 그러나, 이 같은 연소는 통상적으로 높은 수준의 질소산화물(NOx)을 생성한다. 현행 배출 규정은 NOx 배출의 허용가능한 수준을 매우 감소시키는 것이다.
연소 온도를 감소시키기 위한 하나의 방법은 희박하고(lean) 예비혼합된 연료를 연소 스테이지에 제공하는 것이다. 에비혼합 연소 공정에서, 연료 및 공기가 연소기의 예비혼합 섹션에서 예비 혼합된다. 선회(swirling)는 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 제 6,082,111호에 기재된 바와 같이 혼합을 개선시킬 수 있다. 그때 연료 공기 혼합물은 이 혼합물이 연소되는 연소 단계로 도입될 수 있다. 따라서, 국부 연료 공기 비율은 충분히 낮게 유지되어 화염 온도가 상당한 NOx 배출을 발생시키는 온도 아래가 된다. 그러나, 희박하고 예비혼합되는 연소의 어려움은 희박한 화염이 불안정하고 화염을 안정되게 유지하기 위해 부가 단계가 필요할 수 있다는 것이다.
희박한 화염을 안정화하는 하나의 방법은 파일럿 화염(pilot flame)으로서 안정된 고온의 확산 화염을 제공하여 희박한 연료 공기 혼합물을 위한 점화의 일정한 소스를 제공하는 것이다. 연소기로 공급되는 연료 및 공기의 일 부분은 파일럿 화염을 제공하기 위해 보존된다. 그러나, 확산 화염은 NOx의 소스이며 파일럿 화염에 제공된 연료 및 공기를 예비혼합하는 것과 같은 것에 의해 결과적으로 파일럿 화염의 크기가 작아져서 NOx 배출을 감소시킨다. 파일럿 화염 최적화에 부가하여, 연료 및 공기의 혼합 정도는 NOx 오염물의 형성을 최소화할 수 있다. 이러한 접근은 잘 작동시키는 경우 6 내지 9 ppm과 같은 낮은 NOx 수준을 생성할 수 있으며, 희박한 화염의 안정성이 여전히 관련된다.
NOx 배출을 감소시키기 위한 또 다른 방법은 고농도-희석-희박(Rich-Quench-Lean; RQL) 기술을 이용하는 것이며, 이 RQL 기술에서, 고농도 연료 공기 혼합물이 점화되어 희박한 혼합물을 생성하도록 공기의 주입으로 신속하게 희석하기 전에 부분적으로 연소된다. 그러나, 고온 유사 확산 화염 영역을 피하면서 희박한 상태로 전체 혼합물을 신속하게 구동하기 위해 주입된 공기와 부분 연소된 고농도 연료 공기 혼합물을 신속하고 균일하게 혼합하는 것이 어렵다.
NOx 배출을 감소하기 위한 또 다른 방법에서, 촉매 연소가 파일럿 화염을 이용하는 대신 희박한 예비혼합 화염을 안정화하기 위해 이용될 수 있다. 하나의 접근에서, 벌크의 희박한 혼합물이 촉매 연소기 섹션을 통과할 수 있으며 촉매 연소기 섹션에서 촉매 재료(예를 들면, 백금 또는 팔라듐과 같은 귀금속)가 금속 기판에 부착된다. 이러한 희박한 촉매 접근에서, 혼합물은 촉매 섹션으로부터 나가기 전에 부분적으로 변환되어 온도를 상승시켜 촉매 혼합물은 하류부에서 안정되게 연소시킨다. 이러한 접근이 가진 문제점은 희박한 혼합물이 다소 예비 가열되어(NOx 배출을 발생시키는 단계) 촉매에 의해 점화되어야 하고 촉매 반응이 너무 멀리 진행되어 촉매가 손상 온도에 노출된다는 것이다. 또한, 촉매 연소기 섹션은 고가이며 증가되는 서비스 및 교체가 요구된다는 것이다. 잘 설계되는 경우, 이러한 접근은 NOx 수준이 2 내지 4 ppm 만큼 낮게 발생할 수 있지만, 최적 혼합이 요구된다.
NOx 배출을 감소시키는 또 다른 방법은 촉매가 코팅된 튜브 또는 플레이트의 세트 상에 연료의 고농도 반응성 혼합물 및 상대적으로 작은 부분의 공기가 통과하여 고온 연료 가스를 형성하는 것이다. 이같은 시스템은 본 명세서에서 참조되고 본 발명의 양수인에 의해 소유된 미국 특허 제 6,415,608호에 기재되어 있다. 코팅된 튜브 또는 플레이트는 "후방 냉각" 구성에서 튜브 또는 플레이트의 비 촉매 후방 상에 많은 부분의 공기를 통과시킴으로써 연소기에 제공된 남아 있는 많은 부분의 공기에 의해 냉각된다. 이러한 기술은 촉매가 적게 과열되어 연료 공기 혼합물의 예열이 요구되지 않기 때문에 희박한 촉매 방법에 대해 장점을 가진다. 튜브 배출 구성에 의해, 이러한 기술은 하류부의 균일한 연소 영역에서의 많은 부분의 공기와 고온 연료 가스의 예비 혼합을 강화시킨다. 이러한 접근은 잘 설계되는 경우 1 내지 3 ppm 만큼 낮은 NOx 레벨을 발생시킬 수 있다.
낮은 NOx 배출 및 안정된 연소 사태를 제공하기 위해 개선된 연소 기술에 대해 계속되는 요구가 있다.
본 발명의 연소기는 제 1 연료-산화제 혼합물을 수용하여 부분 산화 혼합물을 배출하는 제 1 연소 챔버, 상기 부분 산화 혼합물 및 산화제 유동을 다수의 개별 유동 채널로 수용하며 다수의 출구 단부를 포함하여 상기 산화제를 배출하는 다수의 출구 단부 중에 산재되는 상기 부분 산화 혼합물을 배출하는, 혼합기 부재, 및 상기 혼합기 부재의 하류부의 상기 산화제와 상기 부분 산화 혼합물을 혼합하기 위해 상기 혼합기 부재의 유출 단부와 유체 소통되는 챔버를 포함한다.
연소기는 또한 상기 부분 산화 혼합물을 수용하기 위한 셀, 산화제 유동을 수용하기 위한 다수의 튜브, 및 상기 산화제를 배출하는 다수의 출구 중에 산재되는 상기 부분 산화 혼합물을 배출하는 다수의 유출 단부를 포함하는 열 교환기, 상기 튜브의 하류 단부의 튜브시트, 상기 튜브의 상류 단부의 튜브시트, 상기 혼합기 부재의 하류부에서 상기 부분 산화 혼합물과 상기 산화제를 혼합하기 위해 상기 열 교환기의 유출 단부와 유체 소통되는 혼합 챔버, 및 상기 혼합 챔버의 하류부에서 상기 산화제와 상기 부분 산화 혼합물을 추가로 연소하기 위한 제 2 연소 챔버를 포함한다.
연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법은 부분 산화 혼합물을 생성하도록 제 1 연소 챔버에서 연료-산화제 혼합물을 부분적으로 연소하는 단계, 산화제 유체를 제공하는 단계, 다수의 산화제 유체 유동 중에서 산재되는 다수의 부분 산화 혼합물 유동을 생산하기 위해다수의 유동 채널을 포함하는 혼합기 부재로 상기 부분 산화 혼합물 및 상기 산화제 유체를 전달하는 단계, 상기 혼합기 부재의 하류부의 상기 산화제 유체 유동과 상기 부분 산화 혼합물 유동을 혼합하는 단계, 및 상기 산화제 유체 유동과 상기 부분 산화 혼합물을 추가로 연소하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 장점 및 다른 장점은 도면을 참조하여 후술되는 상세한 설명에 의해 명백하게 된다.
도 1은 개선된 연소기 설계를 가지는 가스 터빈 엔진의 기능도이다.
도 2는 연소기를 통과하는 유동 방향에 대해 수직하게 취한 연소기의 단면도이다.
도 3은 연소기를 통과하는 유동 방향에 대해 수직하게 취한 매니폴드를 포함하는 연소기의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 "4-4" 화살표에 의해 표시된 도 3의 튜브 시트의 매니폴드의 단면도로서, 튜브 시트의 내부의 양상을 보여주는 도면이다.
도 1에는 여과된 주변 공기의 유동을 수용하여 압축 공기(16)의 유동을 생성하기 위한 압축기(12)를 가지는 가스 터빈 엔진(10)이 도시되어 있다. 압축 공기 (16)는 연소기(26)로 유입되기 위해 각각 연료 혼합 유동(21) 및 산화제 유동(24)으로 분리된다. 연료 혼합 유동(21)은 연료 소스(18)에 의해 제공되고 예를 들면 천연 가스 또는 연료 오일과 같은 가연성 연료(20)의 유동과 혼합되어 연소기(26)의 제 1 연소 챔버(28)로 유입전에 연료-과잉 연료-산화제 혼합물 유동(22)을 형성한다. 제 1 연소 챔버(28)에서, 연료-산화제 혼합물 유동(22)은 점화기(30)에 의해 점화되어 부분 산화 혼합물 유동(32)을 형성한다. 제 1 연소 챔버(28)로부터, 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)의 부분 산화 혼합물 유동 채널(36)로 지향된다. 산화제 유동(24)은 혼합기 부재(34)의 산화제 유동 채널(38)로 지향되어 각각의 유동(24, 32)이 각각의 유동 채널(36, 38)을 통하여 이동할 때 혼합기 부재(34)는 혼합기 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분리한다. 유용하게는, 유동(24, 32)이 출구(44)로부터 배출될 때 유동(24, 32)을 산재(interspersing)시키는 것과 같이 혼합기 부재(34)는 혼합기 부재(34)의 출구(44)에서 각각의 유동의 개선된 혼합을 제공한다.
본 발명의 일 양상에서, 혼합기 부재(34)는 부분 산화 혼합물 유동(32)에서의 산화에 의해 발생된 열의 일부를 흡수함으로써 산화제 유동(24)의 가열을 증진시키기 위한 열 교환기로서 구성된다. 예를 들면, 각각의 유동(24, 32)은 유동 방향을 따라 충분한 길이를 가져 혼합기 부재(34)를 통하여 유동하는 동안 산화제 유동(24)의 온도가 최소 100℉ 만큼 증가한다. 일 실시예에서, 혼합기 부재는 부분 산화 혼합물 유동(32) 및 산화제 유동(24)의 각각의 온도가 평형이 되도록 구성되어, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재(34)로부터 나올 때 각각의 유동(24, 32)이 대략 동일한 온도를 가진다.
다른 양상에서, 혼합기 부재(34)는 산화제 유동(24)과 부분 산화 혼합물 유동(32) 사이의 열 교환의 양을 제어하도록 구성된다. 예를 들면, 유동 방향을 따라 혼합기 부재(34)에서의 각각의 유동(24, 32) 길이는 혼합기 부재(34)를 통하여 유동하는 동안 혼합기 유동(24)의 온도가 최대 100℉ 만큼만 증가하도록 제한된다.
본 발명의 추가 양상에서, 혼합기 부재(34)는 유체 유동을 포함하는 튜브를 포함할 수 있다. 산화제 유동(24)은 튜브의 내부내에서 이동하도록 지향될 수 있으며, 부분 산화 혼합물 유동(32)은 튜브의 외부 둘레를 이동하도록 지향될 수 있다. 예를 들면, 혼합기 부재(34)는 셀(shell)내에 수용되는 다수의 튜브를 가지는 튜브/셀 열 교환기로서 구성될 수 있으며, 상기 튜브는 셀 내에 산재하는 방식으로 배치되어 튜브 내의 유체 유동과 튜브의 외부 둘레를 유동하도록 지향되는 셀에서의 상이한 유체 유동 사이의 열 교환을 증진시킨다. 예를 들면, 산화제 유동(24)은 튜브의 내부 내에서 유동하도록 지향될 수 있으며, 부분 산화 혼합물 유동(32)은 셀 내부 및 튜브의 외부 둘레를 유동하도록 지향될 수 있다. 또한, 각각의 유동(24, 32)를 분리하는 플레이트와 같이, 산화제 유동(24)과 부분 산화 혼합 유동(32)을 분리하기 위하여 다른 방법이 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 배플(40)은 하나 또는 두 개의 유동(24, 32) 내에 배치될 수 있어 유동이 혼합기 부재(34)를 통하여 균등하게 분배되는 것을 보장한다. 본 발명의 다른 양상에서, 튜브시트와 같은 혼합기 부재 리테이너(42)가 출구(44)에서 개선된 혼합을 제공하기 위해 혼합기 부재(34)의 출구(44)에 위치될 수 있다.
유동(24, 32)이 출구(44)에서 혼합기 부재(34)로부터 나온 후, 유동(24, 32)은 혼합 챔버(46)에서 혼합되어 고온 연소 가스 혼합물(47)을 발생시킨다. 혼합 챔버(46)에서, 유동(24, 32)의 산재 혼합이 주요 공정이며 유동(24, 32)의 연소가 발생할 수 있다. 그때 고온 연소 가스 혼합물(47)은 제 2 연소 챔버(48)내로 통과하여 고온 연소 가스(49)를 발생한다. 제 2 연소 챔버(48)에서, 주요 공정은 고온 연소 가스 혼합물(47)의 연소이며 유동의 소정의 혼합이 계속될 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합 챔버(46) 및 제 2 연소 챔버(48)는 단일 챔버로 조합될 수 있다. 본 발명의 하나의 양상에서, 단일 챔버는 혼합 영역 및 연소 영역을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 2 연소 챔버(48)가 점화기를 포함할 수 있다.
터빈(50)은 고온 연소 가스(49)를 수용하고 연소 가스는 터빈에서 기계적 축력을 끌어내기 위해 팽창된다. 일 실시예에서, 공통 샤프트(52)는 튜브(50)와 압축기(12) 뿐만 아니라 발전기(도시안됨)와 상호 연결되어 각각 주변 공기(14)를 압축하고 전력을 발생시키기 위한 기계적 축력을 제공하도록 한다. 팽창된 연소 가스(54)는 분위기로 직접 배출될 수 있거나 부가 열 회수 시스템(도시안됨)을 통하여 루팅될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 안정화와 하나의 양상에서 과잉 균일 냉각 후 혼합물을 희박하게 하기 위한, 벌크(bulk) 압축 공기와 같은, 산화제와 부분 연소 과잉 혼합물의 개선된 혼합으로 과잉 균일 예비혼합 플레임의 후속적인 냉각의 조합에 의해 종래의 촉매 또는 RQL 연소 기술에 대해 개선된 성능을 제공한다. 따라서, 연소기(26)는 NOx 배출을 감소시키기 위한 촉매를 이용 하는 것이 요구되며, 변환 효율이 보다 우수하고 더 안정된 하류부 연소를 위한 증가된 제품 가스 온도를 허용하는 것이 촉매 기술을 이용하여 가능하다. 또한, 연소기(26)의 혼합기 부재(34)는 산화제와 부분 산화 혼합물의 혼합을 개선하고 통상적인 RQL 기술과 관련된 고온, 유사 확산 영역 화염을 회피하도록 한다.
일 실시예에서, 압축기(12)에 의해 제공된 압축 공기(16)의 12 내지 18% 용적 만큼 분리되어 연료(20)와 혼합되어 연료-산화제 혼합물 유동(22)을 생성하며, 이때 이 연료-산화제 혼합물 유동은 제 1 연소 챔버(28)로 지향된다. 본 발명의 하나의 양상에서, 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 연료 대 공기 비율은 약 3 내지 3.5의 등가비(equivalence ratio)를 가진다. 연료-산화제 혼합물 유동(22)은 연소 챔버(28)에서 부분적으로 연소되어(예를 들면, 점화기(30)를 이용하여 혼합물을 점화함으로써), 1500 내지 1800 ℉의 단열 화염 온도 또는 그 근처에서 연료-산화제 혼합물을 생성하여 약 40%의 가용 탄소를 일산화탄소(CO)로 변환한다. 결과적으로 부분 산화 혼합물 유동(32)은 그리고나서 혼합기 부재(34)의 부분 산화 혼합물 유동 채널(36)로 배출된다. 남아있는 압축 공기(16)(82 내지 88% 용적)는 혼합기 부재(34)의 산화제 유동 채널(38)로 지향된다. 혼합기 부재(34)는 각각의 유동(24, 32)이 각각의 유동 채널(36, 38)을 통하여 이동할 때 산화제 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분리한다. 본 발명의 하나의 양상에서, 유동(24, 32)들 사이의 열 교환은 혼합기 부재(34) 내에서 증진되어 산화제 유동(24)이 연소 챔버(28) 내의 부분 산화 혼합물 유동(32)으로부터 열을 흡수한다. 따라서, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재(34)로부터 나와 혼합 챔버(46)에서 혼합될 때, 부분 연소 유동(32)의 온도가 약 1100 ℉로 냉각된다. 유용하게는, 가스(47)가 혼합 챔버(46)로부터 나와 연소 챔버(48)에서 연소될 때 고온 연소 가스 혼합물(47)의 연료 변환은 약 75 내지 90 % 이다. 결과적으로, 부분 산화 혼합물 유동(32)을 냉각하기 위해 열 교환을 증진함으로써, 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 고온 부분 연소가 제 1 연소 챔버(28)에서 유지될 수 있어, 결과적으로 고온의, 더 안정되게 연소하는 고온 연소 가스 혼합물(47)이 된다. 또한, 제 1 연소 챔버(28)의 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 고온 부분 연소는 주로 CO(40% 가용 탄소가 CO로 변환) 및 H2(CO의 몰 당 약 2몰 H2)를 포함하는 연소물을 발생시키며 이는 더 안정되게 연소하여 고온 연소 가스(49)를 생성한다.
종래의 RCL 타입의 연소기에서 부분 연소 온도가 증가함으로써 촉매가 너무 빨리 연소하거나 촉매를 파괴시키지만, 본 발명은 고온 부분 연소 온도가 이용되는 것을 허용한다. 따라서, 또 다른 실시예에서, 제 1 연소 챔버(28)에서 높은 제 1 단열 화염 온도 조차 개선된 효율 및 감소된 NOx 배출을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 압축기(12)에 의해 제공된 압축 공기의 약 20% 용적이 분리되어 연료(20)와 혼합될 수 있어 더 희박한 연료-산화제 혼합물 유동(22)을 생성할 수 있다. 연소 챔버(28)에 제공된 결과적인 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 연료 대 공기 비율은 약 2.1의 등가비를 가진다. 연료-산화제 혼합물 유동(22)은 연소 챔버(28)에서 부분적으로 연소되어(예를 들면, 점화기(30)를 이용하여 혼합물을 점화함으로써) 2580 내지 2650 ℉의 단열 화염 온도를 생성하고 그때 약 80%의 가용 탄 소가 CO로 변환된다. 결과적으로 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)의 부분 산화 혼합물 유동 채널(36)로 배출된다. 남아있는 압축 공기(16)(80% 용적)는 혼합기 부재(34)의 산화제 유동 채널(38)로 지향되어 혼합기 부재(34)는 각각의 유동(24, 32)이 각각의 유동 채널(36, 38)을 통하여 이동할 때 산화제 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분리한다. 본 발명의 일 양상에서, 유동들(24, 32) 사이의 열 교환은 혼합기 부재(34)에 의해 증진되어 산화제 유동(24)이 연소 챔버(28)에서의 부분 산화 혼합물 유동(32)의 부분 연소에 의해 발생된 열의 일부를 흡수한다. 따라서, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재로부터 나가서 혼합되어 혼합 챔버(46)에서 고온 연소 가스(47)를 형성할 때, 결과적으로 고온 연소 가스(47)의 온도가 약 1300 ℉가 된다. 유용하게는, 가스(47)가 혼합 챔버(46)로부터 나가서 제 2 연소 챔버(48)에서 연소될 때 고온 연소 가스(47)의 연료 변환은 약 100%가 된다. 제 1 연소 챔버(28)에서 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 고온 부분 연소는 더욱 안정되게 연소되어 고온 연소 가스(49)를 형성하는 주로 CO(80% 가용 탄소가 CO 변환) 및 H2(CO의 몰 당 약 1.5 몰 H2)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 압축기(12)에 의해 제공된 압축 공기(16)의 약 26% 체적이 분리된 다음 연료(20)와 혼합되어 연료-산화제 혼합물 유동(22)을 형성한다. 연소 챔버(28)로 제공되는 연료-산화제 혼합물 유동(22)의 연료 대 공기 비율은 약 1.7의 등가비를 가진다. 연료-산화제 혼합물 유동(22)은 연소 챔버(28)에서 부분적으로 연소되어 약 3000 ℉의 단열 화염 온도를 생성하여 약 80%의 가용 탄소가 CO로 변환된다. 그리고나서 결과적으로 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)의 부분 산화 혼합물 유동 채널(36)로 배출된다. 소정의 NOx 전구체가 약 3000℉의 연소 온도로 형성되지만, NOx 전구체의 형성은 혼합기 부재(34) 내에서 제 1 연소 챔버(28)를 포함하는 것과 같이, 열 교환 영역과 일치하는 열 방출 영역을 형성함으로써 실질적으로 감소될 수 있다. 예를 들면, 점화기(30)는 혼합기 부재(34)의 상류 단부 근처에 제공된다. 또한, 블러프 바디(bluff body)가 혼합기 부재(34)의 부분 산화 혼합물 유동 채널(36) 내에 위치되어 부분 산화 혼합물 유동(32)의 혼합을 증진한다. 또 다른 양상에서, 고리형 주입기 장치가 혼합기 부재(34) 둘레에 결합될 수 있어 부분 산화 혼합물 유동(32)의 적어도 일 부분이 혼합기 부재(34) 내에서 화염 안정화 및 혼합을 증진하기 위해 분포된 위치에 있는 혼합기 부재(34)로 지향된다.
남아 있는 압축 공기(16)(74% 용적)는 혼합기 부재(34)의 산화제 유동 채널(38)로 지향되어 각각의 유동(24, 32)이 각각의 유동 채널(36, 38)을 통하여 이동할 때 산화제 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분리한다. 본 발명의 하나의 양상에서, 유동(24, 32) 사이의 열 교환은 혼합기 부재(34)에 의해 증진되어 산화제 유동(24)은 연소 챔버(28)의 부분 산화 혼합물 유동(32)의 부분 연소에 의해 생성된 열의 일 부분을 흡수한다. 따라서, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 유동으로부터 나와서 혼합되어 혼합 챔버(46)에서 고온 연소 가스 혼합물(47)을 형성할 때, 가스(28)의 온도는 약 1500 ℉가 된다. 유용하게는, 가스(47)가 혼합기 챔버(46)로부터 나가서 제 2 연소 챔버(48)에서 연소될 때 고온 연소 가스 혼합물 (47)의 연료 변환은 약 100%가 된다. 제 1 연소 챔버(28)의 연료 산화제 혼합물 유동(22)의 고온 부분 연소는 고온 연소 가스(49)를 안정되게 생성하는 주로 CO(80% 가용 탄소의 CO 변환) 및 H2(CO의 몰 당 약 1.1 몰 H2)를 포함하는 연소물을 생성한다.
이용된 유입 공기의 특정 퍼센티지 및 상기 실시예에서 인용된 결과적인 등등 비율은 오직 일 예로서 의도된 것임에 주목하여야 한다. 본 발명에서 이용된 연료-산화제 혼합의 등가비는 약 1.7 내지 3.5의 범위를 가질 수 있으며, 제 1 연소 챔버(28)로 지향되는 압축 공기(16)의 용적 퍼센티지는 약 12% 내지 26%의 범위를 가질 수 있다. 또한, 약 0.4 내지 0.55의 전체 등가비(연소기로 공급된 연료(20) 및 연소기로 공급된 총 압축 공기(16)의 양, 용적을 기초로 하여)가 이용될 수 있다.
도 2는 연소(26)를 통한 유동(24, 32)의 방향에 대해 수직하게 취한 도 1의 연소기의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 연소기(26)는 제 1 연소 챔버(28), 혼합기 부재(34) 및 제 2 연소 챔버(48)를 포함한다. 가연 연료(20)의 유동은 연료 매니폴드(58)의 연료 입구(56)에서 연소기(26)로 도입된다. 연료 혼합 산화제 유동(21)은 연료 예비혼합 챔버(60)로 도입되어 연료 혼합 산화제 유동(21)과 가연 연료(20)의 유동과의 예비혼합을 허용하여 연료 산화제 혼합물 유동(22)을 생성한다. 연료 산화제 혼합물 유동(22)은 제 1 연소 챔버(28)에서 수용되고, 제 1 연소 챔버에서 연료 산화제 혼합물 유동(22)은 부분 산화 혼합물 유동(32)으로 부분 연 소된다. 예를 들면, 산화제 혼합물 유동(22)은 제 1 연소 챔버(28)에 위치된 점화기(30)에 의해 점화되어 연소를 시작한다. 본 발명의 일 양상에서, 제 1 연소 챔버(28)는 상류 단부에서 연소기(26) 둘레에 고리형으로 연장된다. 그리고나서 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)로 배출된다. 혼합기 유동(24)은 혼합기 부재(34)로 지향되어 혼합기 부재(34)는 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재(34)를 통하여 이동할 때 산화제 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분리한다.
본 발명의 일 양상에서, 혼합기 부재(34)는 튜브/셀 열 교환기로서 형성될 수 있으며, 여기서, 튜브(62)는 산화제 유동(24)을 위한 유동 채널(38)을 형성하여 부분 산화 혼합물 유동(32)으로부터 산화제 유동(24)을 분리한다. 혼합기 부재(34)를 형성하는 연소기(26) 부분의 측벽(64)은 열 교환기의 셀을 형성하고 혼합기 부재(34)에 있는 튜브(62) 둘레의 부분 산화 혼합물 유동(32)을 지향하여 열 교환기를 증진한다. 따라서, 산화제 유동(24)은 튜브 입구(66)로 지향되고, 제 1 연소 챔버(28)로부터 배출된 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)의 입구 단부(68)로 지향된다. 또 다른 양상에서, 튜브(62) 및 부분 산화 혼합물 유동(32)이 통과하도록 허용되는 배플판(40)은 부분 산화 혼합물 유동 입구(68) 근처에 제공될 수 있어 혼합기 부재(34)에 있는 모든 튜브(62) 둘레에 부분 산화 혼합물 유동(32)을 분배한다. 예를 들면, 배플 플레이트(40)는 튜브(66)의 통과를 허용하기 위한 튜브 통로(41) 및 2차원적 방식으로 부분 산화 혼합물 유동(32)이 균등하게 분배되도록 위치 및 크기가 설정되는 유동 통로(39)를 가질 수 있다. 또 다른 양상에서, 상류 튜브시트(70)는 튜브 입구(66) 근처의 튜브(62)를 지지하도록 제공될 수 있다.
산화제 유동(24)은 튜브(62) 내부로 이동하고, 부분 산화 혼합물 유동(32)은 튜브(62)의 외부 둘레를 이동하여, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재(34)를 통과할 때 산화제 유동(24)을 가열한다. 본 발명의 또 다른 양상에서, 튜브(62)의 길이는 각각의 유동(24, 32)들 사이의 열 교환이 최소가 되도록 제한될 수 있다. 결과적으로, 제한된 길이 구성에서 혼합기 부재(34)의 제 1 기능은 혼합기 부재(34)의 하류부의 유동(24, 32)의 개선된 혼합을 증진하는 것이다.
혼합기 부재(34)의 하류 단부에서, 튜브 출구(72)는 부분 산화 혼합물 유동 출구(74) 중에서 산재되어 혼합기 부재(34)로부터 나가는 각각의 유동(26, 32)의 본배된 혼합을 증진한다. 예를 들면, 하류 튜브시트(76)는 튜브 출구(72) 근처에 튜브(62)를 지지하도록 제공될 수 있으며, 각각의 유동(26, 32)이 산재되는 방식으로 통과하도록 하여, 유동(26, 32)의 분배된 혼합이 강화된다. 따라서, 산재된 유동(26, 32)은 혼합기 부재(34)로부터 혼합기 챔버(46)로 배출되어 잘 혼합된 고온 연소 가스 혼합물(47)을 형성하며, 이는 하류의 터빈(50)으로 도입하기 위한 고온 연소 가스(49)를 생성하도록 제 2 연소 챔버(49)에서 추가로 연소될 수 있다.
도 2는 상기 공정 개념의 일 예이다. 이와 달리, 튜브의 내부상의 반응성 혼합물 및 외부 상의 냉각제를 가지거나 반응성 혼합물 및 냉각 공기를 교대로 포함하는 직각 채널을 분리하기 위한 평판을 이용하는 것은 본 발명으로부터 이탈함이 없이 본 기술분야의 기술자에게 명백하다.
도 3은 연소기(26)를 통한 유동(24, 32)의 방향에 대해 수직하게 취한, 매니폴드(78)를 포함하는 연소기(26)의 단면도이다. 연소기(26)는 제 1 연소 챔버(28), 매니폴드(78), 혼합기 부재(34), 및 제 2 연소 챔버(48)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 연소 챔버는 연소기(26)의 바디(80)로 연장한다. 가연 연료(20)의 유동은 연료 매니폴드(58)의 연료 입구(56)에서 연소기(26)로 도입된다. 그리고나서 연료 혼합 연소기 유동(21)은 연료 예비혼합 챔버(60)로 지향되어 연료 혼합 산화제 유동(21)과 가연 연료(20)의 유동의 예비 혼합을 허용하여 연료 산화제 혼합물 유동(22)을 생성한다. 연료 산화제 혼합물 유동(22)은 제 1 연소 챔버(28)에 수용되고 여기에서 연료 산화제 혼합물 유동(22)은 부분 산화 혼합물 유동(32)으로 연소된다. 예를 들면, 산화제 혼합물 유동(22)은 제 1 연소 챔버(28)에 위치되는 점화기(30)에 의해 점화되어 연료 산화제 혼합물 유동(22)이 부분적으로 연소된다. 다른 양상에서, 제 1 연소 챔버(28)는 혼합물을 점화하기 위한 점화기(30) 근처와 같은 점화기 영역으로 고온 연소물을 회수하도록 제 1 연소 챔버(28) 내에 재순환 영역을 제공하는 것과 같이, 연소를 안정화하기 위한 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 연소 챔버(28)에 적절하게 위치되는 베인 또는 제 1 연소 챔버(28)에 포함되는 스텝 팽창 피쳐(step expansion feature)와 같은, 선회 구조물(swirling structure)은 화염 안정성을 개선하기 위해 결합될 수 있다.
제 1 연소 챔버(28)로부터, 부분 산화 혼합물 유동(32)은 혼합기 부재(34)로 배출된다. 산화제 유동(24)은 혼합기 부재(34)로 매니폴드(78)에 의해 지향될 수 있어, 각각의 유동(24, 32)이 혼합기 부재(34)를 통하여 이동할 때, 혼합기 부재 (34)가 혼합기 유동(24)으로부터 부분 산화 혼합물 유동(32)과 분리된다.
일 실시예에서, 혼합기 부재(34)는 산화제 유동 채널(38)을 형성하는 다수의 튜브(62)를 포함하여 산화제 유동(24)을 한정하여 부분 산화 혼합물 유동(32)으로부터 산화제 유동(24)을 분리한다. 본 발명의 하나의 양상에서, 매니폴드(78)는 튜브(62) 중에서 산화제 유동(24)을 분배한다. 매니폴드(78)는 산화제 유동(24)이 제 1 연소 챔버(28)를 통과하기 위한 상류 단부에 긴 부분(82), 및 매니폴드(78)와 유체 소통되는 튜브의 각각의 튜브 입구(66)를 장착하고 튜브 입구(66)로 긴 부분(82)의 산화제 유동(24)을 지향시키기 위해, 하류 단부에 분배부(84)를 포함할 수 있다. 매니폴드(78)는 혼합기 부재(34)의 상류 단부를 형성하여 혼합기 부재(34)로 매니폴드(78)의 외부 둘레에 부분 산화 혼합물 유동(32)의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 단면으로 도시된 바와 같이, 매니폴드(78)의 분배부(84)는 분리하여 각각의 튜브 입구(66)로 산화제 유동(24)을 지향시키기 위한 다수의 아암(86)을 포함할 수 있으며, 여기서 아암(86)들 사이의 공간은 부분 산화 혼합물 유동(32)이 분배부(84) 둘레를 통과하여 혼합기 부재(34)로 통과하도록 허용한다. 대체적으로 직사각형 형상이 도 4에 도시되어 있지만, 산화제 유동(24)이 각각의 튜브(66)로 지향되어 부분 산화 혼합물 유동(32)이 매니폴드(78) 둘레를 지나 혼합기 챔버(34)를 통과하도록 허용하는, 소정의 수의 형상이 연소기의 내부 형상과 일치하도록 본 기술분야의 기술자에 의해 이용될 수 있다.
부분 산화 혼합물 유동(32)이 제 1 연소 챔버(28)로부터 혼합기 부재(34)로 유입된 후, 혼합기 부재(34)를 형성하는 연소기(26) 부분의 측벽(64)은 부분 산화 혼합물 유동(32)이 튜브(62) 둘레로 유동하도록 한정한다. 일 실시예에서, 튜브(62)의 길이는 각각의 유동(24, 32)들 사이의 열 교환이 최소가 되도록 제한될 수 있다. 결과적으로, 제한된 길이 구성에서의 혼합기 부재(34)의 제 1 기능은 혼합기 부재(34)의 하류부의 유동(24, 32)의 개선된 혼합을 증진하는 것이다.
혼합기 부재(34)의 하류 단부에서, 튜브 출구(72)는 혼합기 부재(34)로부터 나가는 각각의 유동(24, 32)의 산재된 혼합을 증진하도록 부분 산화 혼합물 유동 출구(74) 중에 산재된다. 예를 들면, 하류부의 튜브시트(76)는 튜브 출구(72) 근처의 튜브(62)를 지지하기 위해 제공될 수 있어 각각의 유동(24, 32)이 산재 방식으로 통과하도록 하여 유동(24, 32)의 분배된 혼합이 강화된다. 따라서, 산재된 유동(24, 32)은 혼합기 부재(34)로부터 혼합(46)으로 배출되어 잘 혼합된 가연 가스 혼합물(47)을 형성하여, 하류부의 터빈(50)으로 도입하기 위한 고온 연소 가스(49)를 생성하도록 제 2 연소 챔버(48)에서 추가로 연소될 수 있다.
도 3은 공정 개념의 일 예이다. 이와 달리, 튜브의 내부에 반응성 혼합물 및 외부에 냉각제를 가지거나 반응성 혼합물 및 냉각 공기를 교대로 함유하는 직각 채널을 분리하도록 평판을 이용하는 것이 본 발명으로부터 이탈함이 없이 본 기술분야의 기술자에게 명백하다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에서 도시되어 설명되었지만, 이같은 실시예가 예시적으로만 제공되었다는 것이 명백하다. 다양한 변형, 변하 및 치환이 본 발명으로부터 이탈함이 없이 본 기술분야의 기술자에 의해 발생될 수 있다. 예를 들면, 연소기(26)는 연소기(26)의 캔 고리 형상의 중앙 파일럿(central pilot)과 같은, 제 2 연소 챔버 근처에 위치되는 시동 파일럿(start up pilot)을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범위에 의해 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (24)

  1. 제 1 연료-산화제 혼합물을 수용하여 부분 산화 혼합물을 배출하는 제 1 연소 챔버,
    상기 부분 산화 혼합물 및 산화제 유동을 다수의 개별 유동 채널로 수용하며 다수의 출구 단부를 포함하여 상기 산화제를 배출하는 다수의 출구 단부 중에 산재되는 상기 부분 산화 혼합물을 배출하는, 혼합기 부재, 및
    상기 혼합기 부재의 하류부의 상기 산화제와 상기 부분 산화 혼합물을 혼합하기 위해 상기 혼합기 부재의 유출 단부와 유체 소통되는 챔버를 포함하는,
    연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부분 산화 혼합물과 상기 챔버의 하류부의 상기 산화제를 추가로 연소하기 위한 제 2 연소 챔버를 더 포함하는,
    연소기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재가 열 교환기를 포함하는,
    연소기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재가 튜브/셀 열 교환기를 포함하는,
    연소기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재 유동 채널은 유동 방향을 따라 상기 산화제의 온도가 상기 혼합기 부재에 걸쳐 최소 100 ℉ 만큼 증가되기에 충분한 각각의 길이를 가지는,
    연소기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재 유동 채널은 유동 방향을 따라 상기 산화제의 온도가 상기 혼합기 부재에 걸쳐 최대 100 ℉ 만큼 증가되도록 하는 각각의 길이를 가지는,
    연소기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재가 다수의 튜브를 포함하는,
    연소기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재는 상기 챔버로 상기 부분 산화 혼합물 및 상기 산화제의 통과를 허용하기 위해 상기 튜브의 하류 단부에 튜브시트를 더 포함하는,
    연소기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 튜브시트는 상기 튜브의 상류 단부에 더 포함하는,
    연소기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버에 위치하는 점화기를 더 포함하는,
    연소기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재는 제 1 연소 챔버 출구 근처의 상기 혼합기 부재의 각각의 출구 단부의 상류부에 배치되고 상기 부분 산화 혼합물 및 상기 산화제가 통과하도록 구성되는 배플판을 더 포함하는,
    연소기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 부재는 다수의 산화제 유체 유동으로 상기 산화제를 분리하는 매니폴드를 더 포함하는,
    연소기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연료-산화제 혼합물은 약 1 내지 3.5의 등가비를 가지는,
    연소기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 부분 산화 혼합물은 상기 제 1 연소 챔버에서 약 1500 ℉ 내지 3000 ℉의 단열 화염 온도를 가지는,
    연소기.
  15. 제 1 항의 연소기를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  16. 제 1 연료 산화제 혼합물을 수용하여 부분 산화 혼합물을 배출하는 제 1 연소 챔버,
    상기 부분 산화 혼합물을 수용하기 위한 셀, 산화제 유동을 수용하기 위한 다수의 튜브, 및 상기 산화제를 배출하는 다수의 출구 단부 중에 산재되는 상기 부분 산화 혼합물을 배출하는 다수의 유출 단부를 포함하는 열 교환기,
    상기 혼합기 부재의 하류부에서 상기 부분 산화 혼합물과 상기 산화제를 혼 합하기 위해 상기 열 교환기의 유출 단부와 유체 소통되는 혼합 챔버, 및
    상기 혼합 챔버의 하류부에서 상기 산화제와 상기 부분 산화 혼합물을 추가로 연소하기 위한 제 2 연소 챔버를 포함하는,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 튜브의 하류 단부에 튜브시트를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 튜브의 상류 단부에 튜브 시트를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  19. 제 16 항에 있어서,
    제 1 연소 챔버 출구 단부 근처에 상기 열 교환기의 각각의 유출 단부의 상류부에 배치되는 배플판을 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  20. 부분 산화 혼합물을 생성하도록 제 1 연소 챔버에서 연료-산화제 혼합물을 부분적으로 연소하는 단계,
    산화제 유체를 제공하는 단계,
    다수의 산화제 유체 유동 중에서 산재되는 다수의 부분 산화 혼합물 유동을 생산하기 위해 다수의 유동 채널을 포함하는 혼합기 부재로 상기 부분 산화 혼합물 및 상기 산화제 유체를 전달하는 단계,
    상기 혼합기 부재의 하류부의 상기 산화제 유체 유동과 상기 부분 산화 혼합물 유동을 혼합하는 단계, 및
    상기 산화제 유체 유동과 상기 부분 산화 혼합물을 추가로 연소하는 단계를 포함하는,
    연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    열 교환기로서 상기 혼합기 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    튜브/셀 열 교환기로서 상기 혼합기 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 산화제 유체 유동의 온도가 상기 혼합기 부재에 걸쳐 최소 100 ℉ 만큼 증가되도록 유동 방향을 따라 충분한 길이를 가지는 혼합기 부재를 제공되는 단계를 더 포함하는,
    연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 산화제 유체 유동의 온도가 상기 혼합기 부재에 걸쳐 최대 100 ℉ 만큼 증가되도록 유동 방향을 따라 상기 혼합기 부재의 길이를 제한하는 단계를 더 포함하는,
    연료-산화제 혼합물을 연소시키는 방법.
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