KR20100069683A - 연료의 2차 분사 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에서, 가스 터빈 엔진용 연소기(28)가 제공되며, 상기 연소기는 연소 유동 스트림(50)을 형성하도록 제 1 연료를 연소시키는 1차 연소실(30) 및 상기 1차 연소실(30)로부터 하류에 위치되는 전환 부품(32)을 포함한다. 상기 전환 부품(32)은 상기 연소 유동 스트림(50)의 내측으로 제 2 연료를 분사하기 위해 상기 전환 부품(32)의 원주 주위에 위치되는 복수의 분사기(66)를 포함한다. 상기 분사기(66)는 상기 전환 부품(32)의 입구(54)에서의 반경 방향 온도 프로파일(64)에 대해 감소된 변동 계수를 가지는 상기 전환 부품(32)의 출구(58)에서의 반경 방향 프로파일(74)을 생성하는데 유효하다. 2차 분사의 온도 프로파일을 제어하기 위한 방법도 제공된다.

Description

연료의 2차 분사 제어 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SECONDARY INJECTION OF FUEL}
본 발명은 2007년 9월 14일자로 출원된 미국 가 출원 번호 60/972,405 및 60/972,395호를 35 USC 119(e)(1)의 조항에 따라 우선권으로 주장한다.
본 발명의 진전은 미국 에너지성에 의해 수여된 계약 번호 DE-FC26-05NT42644에 의해 일부 지원되었다. 따라서, 미국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 가스 터빈 엔진을 작동하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 연료 연소를 위한 더욱 균질한 온도 분포를 제공함으로써, 가스 터빈 엔진 내의 전환 부품(transition piece)으로부터 제 1 터빈 블레이드 세트로 이동하는 배기 가스 중의 NOX, 미연소 탄화수소, 및 일산화 탄소의 양을 감소시키기 위해 연료의 2차 분사를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
공지된 가스 터빈은 압축기부, 연소부와 터빈부를 포함한다. 예를 들어, 종래 기술인 도 1은 축류 시리즈로, 입구(12), 압축기부(14), 연소부(16), 터빈부(18), 파워 터빈부(14) 및 배기부(22)를 포함하는 통상적인 산업용 가스 터빈 엔진(10)을 도시한다. 압축기부(14)는 공통의 샤프트 연결을 통한 터빈부(18)에 의해 구동된다. 연소부(16)는 통상적으로, 원주위에 이격된 복수의 연소기의 원형 어레이(circular array)를 포함한다. 연료 또는 연료 혼합물이 각각의 연소기 내에서 연소되어서, 가스를 터빈부의 터빈 블레이드로 유동시키기 위해 전환 부품을 통해 유동하는 고온의 활성 기류를 생성한다.
가스 터빈에 의해 생성되는 1차적인 공기 오염은 질소 산화물, 일산화탄소 및 미연소 탄화수소이다. 이제까지 수년 동안, 통상적인 연소기는 압축기부(14)로부터의 압축된 공기와 함께 연소실 내측으로 연료를 도입하기 위해 연소기의 정면 단부에 1차 분사 시스템을 포함하고 있었다. 통상적으로, 연료와 공기는 예비 혼합되고 점화기로 도입되어서 연소실의 길이를 따라 전환 부품을 통해 터빈 블레이드의 제 1 열로 이동하는 유동 연소 스트림을 생성한다. 그와 같은 단일점(single site) 분사 시스템에서의 한가지 도전은 연소 온도와 연소기 효율 사이의 밸런스를 항상 달성하는 것이다. 고온은 일반적으로 높은 연소 효율을 제공하지만, 고온은 또한 높은 레벨의 NOX를 생성한다. 게다가, 1차 연료의 연소는 통상적으로, 상대적으로 높은 코어(core) 온도와 낮은 주변 영역을 가지는 연소실과 전환 부품에 온도 프로파일을 갖춘 불꽃을 형성한다. 이와 같은 낮은 주변 영역에서, 연소 효율은 통상적으로, 고온의 중앙 영역의 연소 효율보다 낮다. 고온의 코어 온도는 통상적으로, 내부의 고온으로 인한 증가된 레벨의 NOX를 가진다. 또한, 낮은 주변 영역 내에서는 최적 이하의 연소 온도로 인해 증가된 레벨의 일산화 탄소와 미연소 탄화수소가 발견될 수 있다.
더 최근에, 2차 연료를 연소기 내측으로 도입하는 연소기도 개발되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,047,550호, 6,192,688호, 6,418,725호 및 6,868,676호 모든 특허에 1차 연료 소오스로부터 하류의 2차 공기/연료 혼합물을 연소기의 길이 아래로 이동하는 압축된 공기 스트림으로 도입하기 위한 2차 연료 분사 시스템이 설명되어 있다. 연소 공정의 후발지점에서 연료를 도입하는 것이 전환 부품 내에서의 추가 연료의 짧은 잔류 시간으로 인해 그리고 헤드엔드에 연료를 덜 추가함으로써 낮은 연소 온도를 유지하는 것에 의해 NOX 레벨을 감소시킬 수 있는 듯 보이지만, 연소실과 전환 부품 내에는 여전히 고온 중앙 영역과 저온 주변 영역이 남아 있다. 저온 주변 영역은 감소된 연소 효율과 증가된 레벨의 일산화탄소 및 미연소 탄화 수소를 가진다. 게다가, 저온 주변 영역의 온도를 연소에 최적 온도로 상승시키는 것은 고온 중앙 영역의 온도를 아마 높은 레벨의 NOX를 생성할 것 같은 온도로 상승시킬 것을 필연적으로 요구한다.
본 발명은 도시된 도면을 참조하여 이후의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1은 본 기술분야에 공지된 종래의 연소 시스템의 개략도이며,
도 2는 본 발명의 일면에 따른 다단 축방향 연소 시스템의 횡단면도이며,
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 취한 본 발명의 일면에 따른 매니폴드의 횡단면도이며,
도 4는 전환 부품의 입구에서 통상적인 연소 스트림의 반경 방향 온도 프로파일을 도시하는 그래프이며,
도 5는 중앙 영역과 저온 주변 영역을 도시하는 전환 부품의 입구에서 통상적인 연소 스트림의 횡단면도이며,
도 6은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진의 연소 제어를 위한 개략적인 방법을 도시하는 도면이며,
도 7a은 본 발명의 일면에 따라 2차 연료 연소 이후에 도 4의 반경 방향 온도 프로파일에 대한 변화를 도시하는 그래프이며,
도 7b는 2차 연료의 연소 이후에 연소 스트림의 반경 방향 온도 프로파일을 도시하는 다른 그래프이며,
도 8은 중앙 영역과 다중 저온 주변 영역을 도시하는 전환 영역의 입구에서 통상적인 연소 스트림의 횡단면도이며,
도 9는 본 발명의 일면에 따라 2차 연료의 연소 이후에 도 4의 반경 방향 온도 프로파일의 변화를 도시하는 다른 그래프이며,
도 10은 본 발명에 따라 가스 터빈 엔진의 연소를 제어하기 위한 개략적인 다른 방법을 도시하는 도면이며,
도 11은 중앙 영역과 저온 주변 영역 사이의 반경 방향 온도차를 나타내는 전환 부품의 입구에서 통상적인 연소 스트림의 반경 방향 온도 프로파일을 도시하는 그래프이며,
도 12는 본 발명의 일면에 따라 2차 연료의 연소 이후에 도 11의 반경 방향 온도 프로파일의 변화를 도시하는 그래프이며,
도 13은 본 발명에 따라 단일 구멍 노즐을 갖는 분사기의 횡단면도이며,
도 14는 본 발명에 따라 다중 구멍 노즐을 갖는 분사기의 횡단면도이며,
도 15는 본 발명에 따라 전환 부품의 2차 연료의 연소에 따른 반경 방향으로의 NOX, 일산화탄소, 및 미연소 탄화수소의 예상 레벨을 도시하는 그래프이며,
도 16은 상이한 레벨의 혼합비에 대한 완전 연소 및 축방향 스테이징(staging)의 결과로써 상이한 양의 NOX 배출물을 비교하는 그래프이다.
본 발명의 일면에 따라, 본 발명의 발명자들은 연소기의 효율을 증가시키는 동시에, 배기 가스 중의 NOX, 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 레벨을 감소시키기 위한 신규한 장치 및 방법을 개발했다. 본 발명의 장치 및 방법은 1차 연소실과 전환 부품을 통해 유동하는 압축된 공기 스트림에 제 1 연소를 분사하여 전환 부품의 입구에서 반경 방향의 온도 프로파일을 갖는 연소 스트림을 생성한다. 본 발명의 일면에서, 2차 연료를 전환 부품 내의 연소 스트림으로 차등적으로 분사하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명에 따라서 2차 연료를 전환 부품 내에 분사함으로써, 연소가 균질해지며 연소 스트림의 온도 프로파일이 전환 부품의 단부 이전까지 매끄러워진다. 또한, 전환 부품으로부터의 배기 가스 중에 있는 NOX, 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 레벨이 종래 기술의 연소기에 대해 실질적으로 감소된다. 본 발명의 일면에서, 균질한 온도 프로파일은 연소기의 연소 온도가 저온 주변 영역에서의 온도 증가로 인해 감소될 수 있게 함으로써, NOX를 덜 생성하게 된다. 본 발명의 다른 일면에서, 저온 주변 영역에서의 증가된 온도로 인해, 분사된 2차 연료가 더 효율적으로 연소될 수 있어서 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 레벨을 낮추게 된다.
이제 도면을 참조하면, 도 2는 1차 연소실(30)과 전환 부품(32)를 포함하는 연소부(16)의 연소기(28)를 도시한다. 1차 연소실(30)은 연소기(28)의 정면 단부(34)에 배열되며 1차 연소 영역(36)을 형성한다. 통상적으로, 1차 연소실(30)은 제 1 연소 소오스(40)로부터 1차 연소실(30)로 제 1 연료를 제공하는 하나 이상의 연료 라인(38) 및 압축된 공기 스트림(42)을 형성하도록 공기를 제공하는 압축기부(14)와 같은 하나 이상의 공기 공급원을 포함한다. 일 실시예에서, 연료와 공기는 연료와 공기 공급 라인들에 의해 제공되는 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합기(도시 않음)로 공급될 수 있다. 혼합기는 통로(44)를 통해 이동하는 예비 혼합된 연료 공기 공급물을 제공하도록 공기와 연료를 혼합한다. 다른 실시예에서, 상기 혼합기는 혼합된 연료와 공기가 통로(44)를 통해 이동할 때마다 혼합된 연료와 공기에 환형 모멘텀을 제공하는 와류 날개(46: swirling vane)를 포함한다. 다른 실시예에서, 압축된 공기 스트림(42)은 진입하는 공기에 회전을 부여하도록 연료와 무관하게 와류 날개를 통해 이동하며 그 후에 공기와 연료가 혼합된다. 와류 날개(46)로부터 하류에서, 연료/공기 혼합물이 파일럿 불꽃(48: pilot flame), 및 선택적으로 어떤 2차 점화기의 도움으로 점화되어 연소 스트림(50)을 생성한다. 결과적인 연소 스트림(50)의 적어도 일부분이 실질적으로 연소기(28)의 중앙 축선(52)을 따라 전환 부품(32)의 입구(54)로, 그 후에 전환 부품(32)의 출구로 이동한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 1차 연소실(30)의 하류에 배열되는 것은 내부에 2차 연소 영역(56)을 형성하는 전환 부품(32)이며, 상기 전환 부품은 입구(54), 출구(58), 및 주변 벽(60)을 가진다. 전환 부품(32)의 주변 벽(60)은 산업용 가스 시스템 내의 터빈부(18)의 제 1 터빈 블레이드 열과 터빈 노즐 쪽으로 고온 가스를 지향시키기 위한 어떤 적합한 형상일 수 있다. 일 실시예에서, 전환 부품(32)은 예를 들어, 미국 공개 특허 출원 번호 2003/016776호에 설명되어 있는 바와 같은 비-원통 형상을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 전환 부품(26)은 상대적으로 원형 형상을 가질 수 있으며 전환 부품(32)의 출구(58)는 전환 부품(32)의 입구의 내경보다 작은 내경을 가질 수 있다. 전환 부품(32)은 본 기술분야에 공지된 스프링 클립과 같은 어떤 적합한 구조물에 의해 1차 연소실(30)에 단단히 부착될 수 있다.
종래 기술의 연소실들에 있어서, 연소실의 전환 부품은 산업용 가스 시스템 내의 제 1 터빈 블레이드 열과 터빈 노즐로 간단히 고온 가스를 흐르게 한다. 역으로, 도시한 바와 같이 본 발명에서는 연소기(28)가 제 2 연료를 전환 부품(32)의 2차 연소 영역(56)으로 도입하기 위한 2차 분사 시스템을 갖는 전환 부품(32)을 포함한다. 일 실시예에서, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 2차 분사 시스템은 전환 부품(32)의 주변 벽(60)의 원주 주위에 이격되어 있는 복수의 2차 분사기(66)로 제 2 연료를 공급하는 전환 부품(32) 상의 축방향 위치에 위치된 매니폴드(62)를 포함한다. 대안으로, 연료는 하나 이상의 매니폴드 또는 개개의 연료 분배 라인에 의해 복수의 2차 분사기(66)로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 연료는 2차 연료의 도입 이전에 이후에 설명하는 바와 같은 하나 또는 그보다 많은 추가 성분이나 희석제와 혼합된다. 2차 분사기(66)에 의해 분사되는 2차 연료는 전환 부품(32)을 빠져나가기 이전에 그리고 터빈부(18)의 제 1 터빈 블레이드 열로 진입하기 이전에 2차 분사기(66)가 다가오는 연소 스트림(50)을 관통한다. 중요하게, 일단 제 2 연료가 터빈부(18)의 제 1 터빈 블레이드의 열로 진입하면, 연소 스트림(50)의 가스들이 팽창될 수 있으며 상기 시스템의 온도는 하락한다. 따라서, 그 결과로 NOX 배출물은 연소 스트림이 전환 부품(32)을 빠져 나온 이후에 생성되기가 쉽지 않다.
연소 스트림(50)이 1차 연소 영역(36)을 통해 전환 부품(32)의 입구(54)로 이동하므로, 연소 스트림(50)은 일반적으로 전환 부품(32)의 입구에서 도 4에 도시한 바와 같은 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)을 가진다. 일 실시예에서, 상기 반경 방향 온도 프로파일(64)은 적어도, 연소 스트림(50)의 중앙 영역(68)에 있는 고온 영역 및 상기 중앙 영역(68)으로부터 외측 반경 방향 또는 상기 중앙 영역의 주변부에 위치되는 상대적인 저온 영역(72)을 포함한다. 상대적인 용어 "고온"과 "저온"은 중앙 영역(68)이 보다 큰 최대 온도, 보다 큰 최소 온도, 및/또는 상기 중앙 영역(68)으로부터 외측 반경 방향 또는 상기 중앙 영역의 주변부에 위치되는 영역, 즉 저온 영역(72)의 최대 온도, 최소 온도, 또는 평균 온도보다 큰 평균 온도를 가질 수 있음을 의미한다. 도 5는 동일한 영역들을 가지는 전환 부품(32)의 입구(54)에서의 연소 스트림의 다른 횡단면도이다. 도 4 및 도 5는 각각, 전환 부품(32)의 입구를 가로지르는 연소 스트림(50)의 평균 온도 프로파일을 도시한다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 중앙 영역(68)은 저온 주변 영역(72)보다 높은 평균 온도를 가진다. 이러한 방식으로, 중앙 영역(68)은 통상적으로, 상대적으로 높은 연소 온도로 인해 주변 영역(68)보다 낮은 양은 일산화탄소와 미연소 탄화수소를 가질 것이다. 그러나, 중앙 영역(68)은 증가된 불꽃 온도로 인해 보다 높은 레벨의 NOX 를 가질 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)은 특정 변동 계수(CV: coefficient of variance)를 형성한다. 데이터 세트 즉, 연소 온도용 변동 계수는 상기 데이터, 즉 온도의 평균값 또는 "전개(spreadoutness)"에 대해 데이터가 전개된 정도의 측정값이다. 큰 CV는 평균값 주위로 상당히 전개된 데이터를 나타내는 반면에, 작은 CV는 평균값 주위로 가깝게 수렴된 데이터를 나타낸다. 따라서 일 실시예에서, 평균 온도가 연소 중에 전환 부품(32)의 입구(54)의 횡단면을 가로질러서 결정되는 경우에, CV 또는 데이터의 전개는 공식, CV = σ/μ에 따라 결정될 수 있다.
도 6은 전환 부품(32)을 출구(58) 이전에 있는 전환 부품(32)의 입구에서 연소 스트림(50)의 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)에 대한 변동 계수를 감소시키는데 효과적인 가스 터빈 엔진 내부의 연소를 제어하기 위한 방법(100)의 실시예를 도시한다. 단계(102)에서, 상기 방법은 1차 연소실(30)과 상기 1차 연소실로부터 하류에 위치되는 전환 부품(32)을 제공하는 단계를 포함한다. 단계(104)에서, 제 1 연료는 1차 연소실(30)을 통해 유동하는 압축된 공기 스트림(42)으로 분사된다. 결과적인 압축된 공기 스트림 또는 연소 스트림(50)은 연소 스트림(50)을 가로지르는 전환 부품(32)의 입구에서 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)을 가진다. 제 1 온도 프로파일(64)은 고온 중앙 영역(68) 및 상기 고온 영역(68) 주변의 상대적으로 저온 영역(72)을 가진다. 단계(106)에서, 제 2 연료가 전환 부품(32) 내부의 압축된 공기 스트림(50)의 상대적으로 저온 영역(72) 내측으로 우선적으로 분사된다. 단계(106)에서, 제 2 연료의 연소로 압축된 공기 스트림(연소 스트림(50))의 상대적으로 저온 영역(72)을 우선적으로 가열하며 입구(54)에서의 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)에 비해서 감소된 변동 계수를 가지는 전환 부품(32)의 출구에서 또는 그 이전에서의 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)을 제공하는데 효과적이다.
제 1 온도의 변동 계수의 감소는 도 7a를 참조하여 쉽게 이해될 수 있다. 도 7a는 저온 주변 영역(72) 내에서 제 2 연료의 연소에 의해 도 4의 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)의 반경 방향 온도 프로파일의 변화를 도시한다. 저온 주변 영역(72)에서의 도면 부호 75로 나타낸 온도 증가는 입구(54)에서의 연소실(50)의 반경 방향 온도 프로파일을 변경시킨다. 특히, 저온 주변 영역(72)에 있는 연료의 연료를 연소시킴으로써, 저온 주변 영역(72)의 온도는 연소 스트림의 전체 온도 프로파일을 매끄럽게 하고 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)을 생성하도록 상승된다. 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)은 전환 부품(32)의 출구(58)에서 또는 그 이전에서 전환 부품(32)의 횡단면에서 취한 저온 주변 영역(72) 내에 있는 제 2 연료의 연소 후의 연소 스트림(50)의 반경 방향 온도 프로파일이다. 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)은 저온 주변 영역(72)에서의 온도 상승을 포함한다.
도 7b는 결과적인 제 2 반경방향 온도 프로파일(74)의 형상을 더욱 명확히 도시하는 다른 도면이다. 도시한 바와 같이, 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)의 변동 계수는 도 4에 도시된 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)의 변동 계수보다 작다. 더욱 균질한 온도 프로파일은 전환 부품(32) 내의 전체 연소 온도가 저온 주변 영역(72)의 온도 상승 및 연소 스트림 내의 고온 영역의 제거로 인해 낮아질 수 있게 함으로써 NOX 레벨을 감소시킨다. 또한, 저온 주변 영역(72)내의 온도를 상승시킴으로써, 일산화탄소의 레벨 및 불완전 연소로 인한 미연소 탄화수소의 레벨은 이들 영역 내의 상승된 온도로 인해 감소될 수 있다.
다른 실시예에서, 연소 스트림(50)의 중앙 영역(68)은 중앙 영역(70)을 형성하며 저온 주변 영역(72)은 적어도 제 1 주변 영역(76)과 제 2 주변 영역(78)을 형성한다. 쉬운 참조를 위해, 도 8은 도시된 바와 같이 하나의 내측에 다른 하나가 있는 환형 링으로 보이는 환형 영역의 형태인 중앙 영역(70), 제 1 주변 영역(76), 및 제 2 주변 영역(78)을 갖는 전환 부품(32)의 입구(54)에 대한 횡단면도이다. 그러나, 상기 영역들은 미리 정해지거나 규칙적인 형상을 갖지 않을 수 있으며 본 발명에 따른 연소기와 전환 부품이 각각 최소, 최대 및/또는 평균 온도를 갖는 영역을 형성하는 어떤 수의 주변 영역을 포함할 수 있다고 이해해야 한다. 또한, 인접 영역들이 적어도 약간 정도의 중복을 포함한다고 이해해야 한다. 본 실시예의 설명 목적으로, 연소 스트림(50)은 중앙 영역(70), 제 1 주변 영역(76), 및 제 2 주변 영역(78)을 포함하며, 각각은 인접 영역들과 상이하거나 동일할 수 있는 전환 부품(32) 내의 자신의 최소, 최대, 및/또는 평균 온도를 가진다. 제 1 주변 영역(76)은 중앙 영역(70)으로부터 외측 반경 방향 또는 주변으로 위치되는 반면에, 제 2 주변 영역(78)은 제 1 주변 영역(76)으로부터 외측 반경 방향 또는 주변으로 위치된다.
도 6에 도시한 바와 같은 일 실시예에서, 단계(106)는 선택적으로 연소의 균형을 맞추며 단계(108,110)에 의해 전환 부품(32)의 입구에서 도 4에 본래 도시된 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)을 매끄럽게 한다. 단계(108)는 제 1 양만큼 제 1 주변 영역(76) 내에서 압축된 공기 스트림(연소 스트림(50)의 일부분에 대한 평균 온도를 상승시키는데 효과적인 제 1 양의 제 2 연료를 제 1 주변 영역(76)으로 분사시키는 단계를 포함한다. 단계(110)는 제 1 양과는 다른 제 2 양만큼 제 2 주변 영역(78) 내에서 압축된 공기 스트림(연소 스트림(50)의 일부분에 대한 평균 온도를 상승시키는데 효과적인 제 2 양의 제 2 연료를 제 2 주변 영역(78)으로 분사시키는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로, 도 9에 도시한 바와 같이, 제 2 연료가 제 1 주변 영역(76)과 제 2 주변 영역(78)으로 분사되고, 제 2 연료가 전환 부품(32)의 이전 또는 전환 부품에서 연소될 때, 제 1 온도 프로파일(64)의 변동 계수는 연소의 결과로써 도면 부호(77,79)로 나타낸 바와 같이 제 1 및 제 2 주변 영역(76,78) 내의 평균 온도 또는 최소 온도의 상승으로 인해 감소될 수 있다. 환언하면, 연료의 연소가 더 넓은 영역 위로 확산되고 상대적으로 균질하게 연소될 때, 연료의 연소 온도는 낮아질 수 있다. 본 발명에 따라 전환 부품(32) 내의 제 2 연료의 분사는 인접 영역들 사이의 평균 온도, 최소 온도, 또는 온도차를 감소시키는데 유효하거나 이들이 실질적으로 동일하거나 서로 동일하게 한다.
대체로, 본 발명은 종래 기술의 어떤 다단계 분사 시스템 또는 방법과는 달리 2차적으로 분사된 연료의 분포를 제어하는 것을 목적으로 한다. 전환 부품(32)의 입구(54)에 대한 전환 부품(32)의 출구(58)에서의 제 2 반경 방향 온도 프로파일(74)을 변경하기 위해, 본 발명자들은 제 2 연료가 전환 부품(32)의 아래로 이동하는 연소 스트림(50)을 관통하는 깊이가 1차 연소실(30)로부터 전환 부품(32)을 통해 이동하는 연소 스트림(50)의 내측으로 제 2 연료를 분사시키는 복수의 2차 연료 분사기(66) 중의 어떤 하나로부터 제어될 수 있다는 것에 숙고했다. 본 발명자들은 2차 분사기로부터 분사된 제 2 연료의 관통 깊이를 제어하는 능력이 다양한 방법 및 구성에 의해 제어될 수 있음에 숙고했으며, 이러한 방법 및 구성은 본 발명에서 설명되는 바와 같이, 2차 분사기의 노즐 내의 분사 포트의 수와 각도를 임의로 또는 하나 또는 그보다 많게 변경하는 것과, 2차 분사기의 노즐의 내경을 변경하는 것과, 2차 분사의 각도를 변경하는 것과, 제 2 연료가 분사되는 모멘텀을 변경하는 것과, 그리고 2차 연료에 추가되는 희석제의 양을 변경하는 것들이 포함될 것이다.
첫째로, 다수의 영역 또는 주변 영역으로 2차 연료의 분사를 제어하는 하나의 방법은 2차 연료가 2차 분사기(66) 중에서 선택된 것들로부터 연소 스트림(50)으로 분사되는 모멘텀을 다르게 하는 것이다. 이러한 방식으로, 일 실시예에서 제 2 연료가 연소 스트림(50)의 상대적으로 저온 영역(72)으로 분사되도록 특정 모멘텀 비율로 제 2 연료의 양이 분사될 수 있는데, 이는 저온 주변 영역(72)들 내의 평균 온도, 최소 온도 또는 최대 온도들 중의 어느 하나를 상승시킴으로써 연소 스트림(50)이 전환 부품(32)을 빠져나가기 이전에 전환 부품(32)의 입구(54)에서 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)의 변동 계수를 감소시키는데 유효하다. 다른 실시예에서, 연소 스트림의 온도 프로파일을 특히 매끄럽게 하기 위해, 예를 들어 중앙 영역(70)이 아닌 제 1 주변 영역(76)에서 연소 스트림(50)을 관통하는데 충분한 제 1 모멘텀으로 연료의 양이 2차 분사기(66) 중의 하나 또는 그보다 많은 분사기로부터 분사될 수 있으며, 제 1 주변 영역(76) 또는 중앙 영역(70)이 아닌 제 2 주변 영역(78)을 관통하는데 충분한 제 2 모멘텀으로 다른 양의 제 2 연료가 분사된다.
도 10은 제 2 연료가 분사되는 위치와 모멘텀을 제어함으로써 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진내의 연소를 제어하는 방법의 특정 실시예를 도시한다. 상기 방법(200)은 1차 연소실(30) 및 상기 1차 연소실(30)로부터 하류에 위치되는 전환 부품(32)을 제공하는 단계(202)를 포함한다. 단계(202)에서, 상기 방법은 1차 연소실(30)과 전환 부품(32)을 통해 축 방향으로 제 1 모멘텀을 갖는 연소 스트림(50)을 형성하도록 1차 연소실(30)을 통해 유동하는 압축된 공기 스트림(42)으로 제 1 연료를 분사하는 단계를 더 포함한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 연소 스트림(50)은 제 1 반경 방향 온도차(ΔT1)를 가지며, 상기 온도차는 고온 중앙 영역(68)에서의 최소, 최대 또는 평균 온도와 상기 전환 부품(32)의 입구(54)에 있는 연소 스트림(50)의 저온 주변 영역(72)에서의 최소, 최대 또는 평균 온도 사이의 차이를 나타낸다. 단계(206)에서, 상기 방법은 적어도 약 25의 모멘텀 비율로 상기 전환 부품(32) 내의 연소 스트림(50)의 유동의 축 방향에 대해 수직한 반경 방향으로 제 2 연료를 연소 스트림(50) 내측으로 분사하는 단계를 더 포함한다. 각각의 영역에서의 최대 온도를 나타내는 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 제 2 연료의 연소는 저온 주변 영역(72)에서 제 2 연료의 연소에 의해 전환 부품(32)의 출구(58)에 있는 위치에서 또는 출구 이전의 위치에서 전환 부품(32)을 통해 제 2 연료가 유동하므로 연소 스트림(50)의 반경 방향 온도차(ΔT1,ΔT2 )를 감소시키는데 유효하다.
전환 부품(32)을 통해 이동하는 연소 스트림(50)의 감소된 온도차는 전환 부품(32) 내의 전체 연소 온도가 저온 주변 영역(68) 내의 온도 증가 및 고온 영역의 제거로 인해 하강됨으로써 NOX 레벨을 감소시킬 수 있게 한다. 게다가, 저온 주변 영역(72)의 온도를 상승시킴으로써, 배기 가스의 불완전 연소로 인한 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 레벨이 이들 영역 내의 상승된 온도로 인해 감소될 수 있다.
추가의 특정 실시예에서, 전술한 바와 같이, 고온 중앙 영역(68)은 중앙 구역(70)을 포함하며 상기 저온 주변 영역(72)은 상기 중앙 구역(70)으로부터 외측 주변에 위치되는 제 1 주변 구역(76) 및 제 1 주변 구역(76)으로부터 외측 주변에 위치되는 제 2 주변 구역(78)을 포함한다. 본 실시예에서, 도 10에 도시한 바와 같이 전술한 단계(206)는 이후에 설명되는 단계(208,210)에 의해 선택적으로 수행될 수 있다. 단계(208,210)는 제 2 연료의 관통 깊이의 제어에 의해 제 1 및 제 2 주변 구역(76,78) 내측으로 우선적으로 분사시킴으로써 전환 부품(32) 내에서 연소 스트림(50)의 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)을 매끄럽게 할 수 있게 한다.
단계(208)에서, 특히, 연소 스트림(50)이 전환 부품(32)을 통해 유동할 때 제 1 주변 구역(72) 내의 최소, 최대, 또는 평균 온도를 상승시키는데 유효한 30 내지 50 범위의 모멘텀 비율로 제 1 주변 구역(76) 내에 제 2 연료의 일부분을 분사하는 단계를 필요로 한다. 단계(210)에서, 상기 방법은 연소 스트림(50)이 전환 부품(32)을 통해 유동할 때 제 2 주변 구역(74) 내의 최소, 최대, 또는 평균 온도를 상승시키는데 유효한 25 내지 45 범위의 모멘텀 비율로 제 2 주변 구역(78) 내측으로 제 2 연료의 일부분을 분사하는 단계를 더 포함한다. 도 9에 이미 도시한 바와 같이, 제 1 주변 영역(76) 및 제 2 주변 영역(78)으로의 제 2 연료가 전환 부품(32)의 단부 이전에 또는 단부에서 연소된 때, 제 1 온도 프로파일(64)의 변동 계수는 연소의 결과로써 도면 부호 72로 나타낸 바와 같이 제 1 및 제 2 주변 구역(72,74) 내의 평균 또는 최소 온도의 상승으로 인해 감소될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따라 전환 부품(32) 내에 제 2 연료의 분사는 인접 구역들 사이의 평균, 최소, 또는 최대 온도를 하강시키는데 유효하거나 이들을 실질적으로 동일하거나 서로 동일하게 한다.
2차 분사기(66)는 전환 부품(32)의 출구(58)에서의 제 2 온도 프로파일(74)에, 제 1 반경 방향 온도 프로파일(64)에 대해 (방법(100) 또는 방법(200)에서와 같이)감소된 변동 계수를 제공하거나 상기 전환 부품(32)의 입구(54)에의 연소 스트림을 가로지르는 온도차(ΔT2 )에 대해 상기 연소 스트림(50)을 가로지르는 감소된 온도차(ΔT2 )를 제공하는 어떤 적합한 배열일 수 있다. 일 실시예에서, 2차 분사기(66)는 제 2 연료가 저온 주변 영역(72)의 내측으로만 분사되도록 배열된다. 본 실시예에서, 있다면 최소량의 제 2 연료가 중앙 영역(68) 내측으로 분사된다. 따라서, 제 2 연료의 연소가 발생될 때 연소는 주로 저온 주변 영역(72)에서 발생하여, 저온 주변 영역(72)의 평균 온도, 최소 온도, 또는 최대 온도를 증가시키며 전환 부품(32)의 출구(58) 이전 또는 출구에서 연소 스트림(50)의 온도를 감소시키거나 변동 계수를 감소시킨다. 제 2 연료는 고온 중앙 영역(68) 내측으로 분사되지 않거나 최소화되는 것이 바람직하다고 판단된다. 그러나, 적어도 일부의 제 2 연료가 고온 중앙 영역(68) 내로 분배되어 연소될 수 있다고 이해된다.
본 발명의 일면에 따라서, 본 발명자들은 2차 분사기(66)의 노즐의 구조 변화에 의해 2차 연료가 이동하는 연소 스트림(50)의 내측으로 분사되는 모멘텀과 깊이에 대한 제어가 가능함을 발견했다. 일 실시예에서, 도 3에 도시한 바와 같이, 전환 부품(32) 상의 매니폴드 내에 위치되는 2차 분사기(66)는 복수의 제 1 분사기(80) 및 전환 부품(32)의 주변부 주위에 원주 방향으로 이격되는 복수의 2차 분사기(82)를 포함한다. 본 실시예에서, 복수의 제 1 분사기(76)는 제 1 주변 구역(76) 내측으로 제 1 양의 제 2 연료의 반경 방향 스트림을 분사하는데 유효하며 복수의 제 2 분사기(82)는 제 2 주변 구역(78) 내측으로 제 2 양의 제 2 연료를 균질하게 분포시키는데 유효하다. 그와 같이, 제 1 및 제 2 분사기는 연소 스트림(50) 내측으로 제 2 연료의 차등 분사 깊이를 생성하는데 유효하다.
연소 스트림(50) 내측으로 이러한 차등 분사 깊이를 달성하기 위해, 도 13에 도시한 바와 같이, 제 1 분사기(80)는 예정된 직경의 단일 분사 구멍(86)을 갖는 노즐(84)을 포함한다. 단일 구멍의 반경 방향 분사는 일반적으로 다중 구멍의 균질한 분산보다 더 큰 분사 깊이를 갖는 분사 스트림을 제공할 것이다. 또한, 단일 분사 구멍(86)을 제공함으로써, 제 1 분사기(80)가 또한, 전환 부품(32)의 중앙 및 중앙 영역(68) 쪽으로 더 반경 방향으로 2차 연료의 일부를 분사시킬 수 있다. (전술한 바와 같은 분사 모멘텀, 희석제의 추가 등을 포함하는)변수들은 제 1 분사기(78)에 의해 분사되는 제 2 연료가 제 1 주변 구역(76)으로의 연소 스트림(50)을 관통하도록 선택될 수 있다. 또한 바람직하게, 분사 연료는 제 1 주변 구역(76)으로 관통하나 중앙 영역(68)을 실질적으로 관통하지 않는다.
유사하게, 도 14에 도시한 바와 같이, 제 2 분사기(82)는 물질이 반경 방향으로 분사될 수 있게 하는 중앙 구멍(90) 및 상기 중앙 구멍(90)에 대해 각을 이루어 제 2 연료의 다른 부분이 전환 부품(32)의 외측 주변 벽(60) 쪽에서 더 많이 연소될 수 있게 하는 두 개 또는 그보다 많은 분사 구멍(92)을 갖는 노즐(88)을 포함한다. 이러한 효과는 중앙 구멍(90) 및 두 개 또는 그보다 많은 분사 구멍(92)이 단일의 반경 방향 분사 구멍, 즉 90,92를 통한 분사에 비해서 제 2 연료의 분사에 대한 더 많은 스프레이 효과를 생성함으로써, 제 1 분사기(80)로부터의 분사 스트림과 동일한 정도로 이동하는 연소 스트림을 관통하지 못하기 때문에 일어난다. 이러한 방식으로, 제 1 분사기(80)로부터 분사되는 연료는 연소 스트림(50)의 중앙 영역(68)에 더 가까운 연소 스트림(50)을 관통할 것이다. 역으로, 제 2 분사기(82)로부터 분사되는 2차 연료는 제 1 분사기(80)보다 더 적은 정도로 연소 스트림(50)을 관통할 것이지만 그럼에도 연소 스트림(50)을 관통할 것이다. 제 1 분사기(80) 및 제 2 분사기(82)는 전환 부품(323)의 중앙 영역(68)으로부터 외측 주변쪽으로 적어도 두 개의 상이한 구역 내측으로 2차 연료를 집합적으로 분사한다. 이러한 방식으로, 중앙 영역(68)으로부터 외측 반경 방향 또는 주변 쪽으로 배열되는 적어도 두 개의 구역 내의 평균 온도, 최초 온도, 및/또는 최대 온도는 상승될 수 있다. 일 실시예에서, 분사 구멍(92)은 중앙 구멍(90)으로부터 약 15도 내지 45도, 바람직하게 도시한 바와 같이 약 30도의 각을 이룬다.
다른 실시예에서, 제 1 분사기(80)의 노즐(84) 및 제 2 분사기(82)의 노즐(88)이 전환 부품(32)의 2차 연소구역(56)으로 삽입되는 범위는 제 2 연료가 제 1 분사기(80) 및 제 2 분사기(82)에 분사되는 깊이를 제어하기 위해 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 분사기(80,82)의 노즐(84,88)은 각각, 길이가 유사하거나 동일하다. 다른 실시예에서, 제 1 분사기(80)의 노즐(84) 및 제 2 분사기(82)의 노즐(88)은 2차 연료의 일부분을 상이한 주변 영역으로 분사하는데 더욱 큰 도움을 주기 위해 길이가 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 분사기(80) 및 제 2 분사기(82)는 매니폴드(62) 주위의 원주변에 이격된다. 그러나, 제 1 분사기(80)의 노즐(84)은 제 2 분사기(82)의 노즐(88)의 길이보다 긴 길이이다. 이러한 방식으로, 보다 긴 노즐(84)이 노즐(88)보다 전환 부품(32)을 통해 이동하는 연소 스트림(50)의 내측으로 더욱 멀리 연장하며, 전술한 바와 같은 반경 방향 분사의 결과로써 본 발명에서 설명하는 바와 같이 제 2 연료를 제 1 주변 구역(78) 내측으로 분사시킬 수 있다. 역으로, 다중 분사 구멍 구성과 결합된 제 2 분사기(82)의 상당히 짧은 노즐(88)은 제 1 분사기(80)와 동일한 범위로 연소 스트림을 관통하지 못하는 다수의 스프레이형 패턴을 제공하며, 그에 따라 노즐(88)로부터 분사된 연료는 제 1 주변 구역(76) 또는 중앙 구역(70)의 내측으로 우선적으로 관통하지 못하고 제 2 주변 구역의 내측으로 관통한다.
본 발명의 발명자들은 제 1 분사기(80)가 약 28 내지 38 mm 범위, 바람직하게 약 34 mm의 길이를 가질 때, 전환 부품(32)을 통해 이동하는 연소 스트림(50) 내측으로의 최적 혼합, 최적 잔류 시간, 및 상이한 정도의 분사 관통이 달성될 수 있음을 발견했다. 또한, 본 발명자들은 제 2 분사기(82)가 약 16 내지 28 mm 범위, 바람직하게 약 24 mm의 길이를 가질 때, 제 1 분사기(80)로부터 이동하는 연소 스트림(50)의 내측으로의 최적 혼합, 최적 잔류 시간, 및 상이한 정도의 분사 관통이 달성될 수 있음을 발견했다.
또한, 제 1 및 제 2 분사기(80,82) 각각의 수는 개선된 혼합과 비용 사이에서 조절될 수 있다고 생각된다. 집단적으로, 어느 한 형태(제 1 또는 제 2)의 더 많은 분사기가 전환 부품(32)의 중앙 축선 아래로 이미 이동한 고온 가스와 연료의 더 양호한 혼합을 허용한다. 그러나, 추가의 분사기들은 연소실과 매니폴드에 대한 추가의 제조 및 사용 비용을 초래할 수 있다. 혼합과 비용 사이의 균형을 맞춘 하나의 특정 실시예에서, 전술한 실시예의 어느 실시예에서 2차 분사기(66)의 적어도 1/3 내지 1/2가 제 1 분사기(80)이다. 예를 들어, 도 3의 실시예에서 8 개의 (긴 노즐)제 1 분사기(80)와 16 개의 (짧은 노즐)분사기(82)가 있다. 제 1 및 제 2 분사기(80,82)의 각각의 노즐(84,88)은 연소 스트림(50)으로 연장하는 단부의 외측 표면 상에 세라믹 열 배리어 코팅(TBC)으로 피복될 수 있으며 물질 한계점 미만으로 온도를 유지하기 위한 연료 희석 유동에 의해 내부로 냉각될 수 있다.
본 기술분야의 당업자에 의해 이해될 수 있듯이, 제 1 및 제 2 분사기(80,82)가 연료를 연소 스트림(50)으로 관통하는 깊이는 노즐(84,88)의 직경을 변경함으로써 제어될 수 있다. 통상적으로, 노즐 직경을 증가시킴으로써, 제 2 연료는 전환 부품(32)의 내측으로 더 높은 모멘텀으로 분사될 수 있다. 그러나, 연료 노즐의 모멘텀과 직경은 얼마나 많은 양을 분사할 것인가 하고 노즐을 빠져나오는 속도 사이에서 조절될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 제 1 분사기(80)의 노즐(84)의 단일 방사상 분사 구멍(86)은 약 3 내지 6 mm 범위, 바람직하게 약 5.4 mm의 내경을 가진다. 대응되게, 일 실시예에서 제 2 분사기(82)의 노즐(88)의 중앙 구멍(90)은 약 1.5 mm 내지 약 3.0 mm 범위, 바람직하게 약 2.4 mm의 내경을 가지는 반면에, 두 개의 각진 구멍은 약 2.0 mm 내지 3.5 mm 범위, 바람직하게 약 2.8 mm의 내경을 가진다.
따라서, 제 1 분사기(80)가 제 2 분사기(82)보다 전환 부품(32)의 중앙 영역(68) 쪽으로 더 멀리 제 2 연료를 바람직하게 분사하지만, 제 1 분사기(80)의 단일 중앙 분사 구멍(86)을 통해 분사되는 2차 연료의 양이 통상적으로 제 2 분사기(82)의 중앙 구멍(90)을 통해 분사될 2차 연료의 양보다 크기 때문에 제 1 분사기(80)의 단일 중앙 분사 구멍(80)의 내경은 제 2 분사기(82)의 중앙 구멍(90)보다 클 수 있다. 이는 제 2 연료의 유동이 제 2 분사기(82)의 경우에서처럼 제 1 분사기(80) 내의 두 또는 그보다 많은 구멍으로 분할되지 않는다는 사실에 기인할 수 있다.
2차 분사기(66)가 제 2 연료를 전환 부품(32)을 통해 이동하는 연소 스트림(50)의 내측으로 분사하는 관통 깊이도 분사될 제 2 연료의 양을 변경시킴으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 희석제가 제 1 및 제 2 분사기(80,82)로부터 전환 부품(30)의 내측으로 분사되는 제 2 연료에 추가될 수 있다. 상기 희석제는 질소, 스팀, 또는 어떤 다른 적합한 물질와 같은 불활성 가스일 수 있으며, 바람직하게 공기는 아니다. 희석제를 첨가하는 것은 연료의 점화(자동 점화)를 실질적으로 지연시키도록 반응 속도를 변경시킬 수 있으며 분사된 제 2 연료 스트림에 보다 큰 모멘텀을 제공함으로써 연소 스트림(50)으로 더 깊이 관통할 수 있게 한다. 따라서, 일 실시예에서 첨가된 희석제의 양은 전술한 어느 하나의 실시예에서처럼 상이한 정도로 연소 스트림(50)을 통과시킴으로써 2차 연료를 연소 스트림(50)의 상이한 영역 또는 구역으로 분사시키도록 제 1 및 제 2 분사기(80,82)로부터 분사되는 제 2 연료에 대해 전략적으로 변경될 수 있다. 유리하게, 질량비로 희석제 대 연료가 2 : 1 내지 약 4 : 1의 비율이 전환 부품(32) 내에서 최소 NOX 배출량을 갖는 최적 연료 연소를 제공한다. 희석제가 스팀일 때, 희석제 대 연료의 비율은 질량비로 약 4 : 1일 수 있다.
전술한 공기 이외의 희석제를 2차 연료에 추가하는 것은 본 발명의 또 다른 장점이다. 통상적으로, 공기는 연료와 혼합되어 연소실로 분사된다. 특히, 1차 분사 지점으로부터 하류에서의 축 방향 분사와 관련된 하나의 문제점은 해당 분사기 내측으로 다시 분사될 물질의 점화와 화염 역류(flashback)이다. 일반적으로, 이러한 현상은 연료가 분사될 연소 스트림의 온도, 및 연료와 공기 혼합물의 신속 점화로 인한 것이다. 일면에서, 본 발명은 공기의 부재시, 2차 분사기, 즉 2차 분사기(66)로부터 2차 연료의 도입에 의해 화염 역류를 제거할 수 있다. 대신에, 상당한 양의 희석제가 질소, 스팀, 또는 어떤 다른 적합한 물질와 같은 불활성 가스일 수 있는, 전술한 바와 같이 제 2 연료에 추가될 수 있다.
특정 실시예에서, 어떤 2차 분사기(66)로부터 분사되는 제 2 연료는 최소량의 추가 공기 또는 희석제를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 대신에, 제 2 연료를 필수적으로 구성하는 물질이 2차 분사기(66) 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 분사된다. 일 실시예에서, 제 2 연료는 희석제에 의해 첨가된 양만큼 결핍되어 있으므로, 제 2 연료를 필수적으로 구성하는 물질은 전환 부품(32) 내측으로 고속/고 모멘텀 제트로서 분사된다. 일 실시예에서, 예를 들어 제 1 및/또는 제 2 분사기(80,82)의 노즐(84,88)의 분사 구멍(86,90,92)은 매우 높은, 즉 50 보다 큰 모멘텀을 갖는 분사 스트림을 제공하기 위해 상당히 작은 횡단면의 내경을 더 포함할 수 있다. 희석제가 없는 연료를 제 1 및 제 2 분사기가 분사하는 모멘텀은 전술한 바와 같이 저온 냉각 영역들 내측으로 연료를 도입하도록 변경될 수 있다고 생각된다. 이러한 방식으로, (희석제가 없는)제 2 연료는 연소 스트림의 입구에서 취한 제 1 반경 방향 온도의 변동 계수를 감소시키거나 전환 부품의 입구에서 취한 반경 방향 온도차를 감소시키기 위해 전술한 바와 같은 전환 부품 내의 두 개 또는 그 이상의 영역 또는 구역 내측으로 상이하게 분사될 수 있다.
또한, 2차 분사기(66)가 2차 연료를 이동하는 연소 스트림(50) 내측으로 분사하는 관통 모멘텀과 깊이도 제 2 연료를 분사하는 압력을 변경함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 제 2 연료를 분사하는 압력은 연료 및/또는 희석제를 2차 분사기(66)로 공급하는 압력을 증가시킴으로써, 그리고 전술한 바와 같이 분사기의 노즐(84,88)의 내경을 변경시킴으로써, 또는 본 기술 분야에 공지된 어떤 다른 적합한 방법에 의해 증가 또는 감소될 수 있다.
이상적으로, 전술한 실시예에서 본 발명자들은 제 2 연료의 연소가 가능하다면 전환 부품(32)의 하류 단부에 가깝게 완료되도록 2차 분사를 중심으로 하여 변수들을 제어하는 것이 특히 바람직하다는 것을 인식했다. 게다가, 본 발명자들은 NOX, CO, 및 미연소 탄화 수소 배출물이 최소로 수집되는 지점에서 연소가 완료되게 하는 것이 바람직하다는 것을 인식했다. 도 15에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 모델링으로부터 NOX, 및 CO 배출물의 예상 농도가 전환 부품의 길이를 따른 축 방향 위치의 백분율로 전환 부품(32) 상의 축 방향 위치에 대해 그려져 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 2차 연료의 연소물은 전환 부품의 축 방향 길이를 따른 지점에서 분사되어서 그 2차 연료의 연소가 전환 부품(32)의 출구(58) 단부 지점 또는 그 이전 지점에서 완료되며 그러한 연소 결과로써의 NOX, 미연소 탄화수소 및 일산화 탄소의 레벨이 최소치 또는 최소치 근처에 있게 된다.
특히, 도 15에 예시적으로 도시한 바와 같이 NOX, 및 CO의 양은 전환 부품(32)의 축 방향 길이의 약 25% 내지 75% 범위에서 최소이다. 미연소 탄화 수소의 배출물의 농도가 전환 부품을 따라 도시된 CO 배출물의 양과 유사하거나 흡사하리라 예상됨에 주목해야 한다. 따라서, 본 발명자들은 연소 스트림(50)이 전환 부품(32)의 축 방향 길이의 25% 내지 75% 범위에 도시된 배출물 프로파일을 가지도록 2차 연료가 분사되는 경우에 특히 유리하다는 것에 주목했다. 이를 달성하기 위해, 2차 분사기(66)는 2차 연소가 도시된 소정의 배출물 프로파일(예를 들어, 도 15의 25% 내지 75% 범위에 도시된 배출물 프로파일)을 갖는 동시에 전환 부품(32)의 출구(58) 단부 이전에서 완료되도록, 전환 부품(32)의 축 방향 길이를 따른 지점에 위치될 수 있다. 그러므로, 일 실시예에서 2차 분사기들은 전환 부품의 축 방향 길이의 적어도 약 0 내지 75% 범위의 지점에 위치된다. 다른 실시예에서, 2차 분사기들은 전환 부품의 축 방향 길이의 적어도 약 25% 내지 75% 범위의 지점에 위치된다.
도 15에 도시된 그래프는 2차 연소 배출물 세트에 대한 단지 예시적인 것이며 상이한 연소 시스템이 상이한 배출물 프로파일을 가질 수 있다고 생각된다. 그러나, 본 발명자들은 2차 분사기(또는 어떤 2차 분사 시스템)가, 가장 적은 양의 NOX, CO 및 미연소 탄화 수소 배출물을 생성하도록 분사되는 2차 연료가 전환 부품의 단부에서 또는 전환 부품 근처의 지점에서 연료를 완료하는 지점에서 전환 부품의 축 방향 길이를 따라 위치되어야 유리하다는 것을 인식했다.
일 실시예에서, 목표 거리는 전환 부품의 축 방향 길이의 50% 이내이다. 이러한 목표 거리 내에서, NOX, CO 및 미연소 탄화 수소 배출물의 양도 유사하게 최소일 것이다. 다른 실시예에서, 목표 거리는 전환 부품의 축 방향 길이의 20% 이내이며, 또 다른 실시예에서 목표 거리는 전환 부품의 축 방향 길이의 10% 이내이다. 전환 부품의 단부 조금 이전에서 연소를 완료하는 것이 가장 바람직하지만, 작동 중에 연료의 반복된 2차 분사의 연소를 완료하는데 필요한 시간에서의 약간의 편차를 허용해야 한다. 너무 일찍 연소를 완료하지 않는 것이 중요한 만큼, NOX, CO 및 미연소 탄화 수소 레벨이 급속히 증가할 수 있기 때문에 2차 연료가 전환 부품(32) 내에서 연소를 충분히 완료하지 않도록 2차 연료를 분사하지 않는 것도 동등하게 중요하다. 따라서, 전환 부품의 20 또는 10% 이내의 목표 거리 내에서 연소를 완료하도록 2차 연소 시스템을 설계하는 것에 의해 약간의 변동성을 허용하는 동시에, 전환 부품의 출구 단부에서 또는 출구 단부 근처에서 연료가 완료될 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따라서, 본 발명자들은 또한 예를 들어, 미국 특허 제 6,418,725호에 설명되어 있는 바와 같이 2차 연료 하류에서 분사하는 축 방향 스테이지 설계만으로는 상당히 높은 연소 효율을 유지하면서 NOX 배출량을 감소시키는 문제를 충분히 해결할 수 없다는 것도 놀랍게 발견했다. 다단계 축 방향 시스템의 각각의 축 방향 스테이지에서는 적절한 연료/공기 혼합이 이루어져야 하며, 그렇지 않으면 발생되는 NOX의 양은 축 방향 스테이징을 갖지 않는 헤드엔드(head end) 시스템 내에서 표준 완전 연소에 의해 생성되는 NOX 보다 실제로 더 많을 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시한 바와 같이, 연소실의 헤드엔드 내에서의 완전 연소에 비해서, (완전 혼합으로)연소실과 전환 부품(32)을 통과하는 거리의 75%에서 20% 연료의 축 방향 스테이징으로 NOX 배출물을 감소시킬 것이다. 그러나, 도 16에 도시한 바와 같이, 공기/연료 혼합이 각각의 축 방향 스테이지에서 완전하지 못하면, 연료와 공기의 불충분한 혼합으로 인해 연소로 발생되는 NOX의 양은 헤드엔드 케이스 내에서 완전 연소되는 것보다 실제로 더 많을 수 있다. 혼합은 얼마나 많은 나머지 공기가 축방향 연료와 혼합되는가로 정의될 수 있다. 일반적으로, 더 많은 공기는 더 적은 NOX 배출물을 초래한다. 알 수 있는 바와 같이, 80%, 70%, 및 60%의 과잉 공기를 사용하는 축 방향 스테이징은 헤드엔드 케이스보다 실제로 더 많은 NOX을 생성한다. 따라서, 본 발명의 일면에 있어서 본 발명은 연료의 최적 혼합뿐만 아니라, 연료의 2차 분사로 인한 연소 스트림의 온도 프로파일을 선택적으로 매끄럽게 할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
분사된 연료 혼합물의 최적 혼합 시간을 설정하는데 기여할 수 있는 다수의 인자들이 있다. 1차적으로 균형을 잡아야할 사항은 NOX 배출물의 양이 커지지 않도록 잔류 시간을 최소화하고 제 2 연료를 혼합하는데 충분한 시간을 제공하는 것으로 이루어진다. 이러한 두 가지 경쟁적인 고려 사항의 균형에 도달하기 위해, 고려해야 할 요인에는 분사기 노즐의 수, 전환 부품(32) 내의 분사기의 축 방향 위치, 분사된 연료의 양, 연료에 추가되는 희석제의 양, 분사된 1차 연료의 양에 대한 2차 분사된 연료의 양, 연료 노즐의 내경, 분사기의 노즐이 유동 내측으로 삽입되는 정도, 및 각각의 노즐 출구에서의 2차 연료 혼합의 모멘트가 포함된다.
연료의 양은 2차 혼합물이 상당한 NOX 배출물을 생성함이 없이 연소되도록 2차 연료의 최적 혼합 및 잔류 시간을 설정하는데 특별한 고려 사항이다. 본 발명자들은 2차 분사기(66)에 의해 전환 부품(32) 내측으로 전체 연료의 약 10 내지 약 30% 범위, 일 실시예에서 약 20%의 분사가 제 2 연료의 최적 혼합 및 잔류 시간을 제공하는데 충분하다는 것을 발견했다. 전체 연료는 연소실과 전환 부품의 내측으로 집합적으로 분사되는 연료의 양을 나타낸다. 이러한 방식으로, 충분하지만 과도한 양이 아닌 제 2 연료가 연소 스트림(50)의 고온 가스와 혼합하며 실질적으로, 전술한 바와 같이 전환 부품(32)의 출구(58)에서 또는 출구 근처에서 연소됨으로써 NOX, 일산화 탄소 및 미연소 탄화 수소 배출물을 최소화한다.
본 발명의 다수의 실시예들이 본 발명에서 도시하고 설명되었지만, 그와 같은 실시예들은 단지 예로서 제공된 것이 분명하다. 다수의 변형예, 변경예 및 대체예예들이 전술한 본 발명으로부터 벗어남이 없이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 사상과 범주에 의해서만 한정된다고 이해해야 한다.

Claims (17)

  1. 가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법으로서,
    1차 연소실과 상기 1차 연소실로부터 하류에 위치되는 전환 부품을 제공하는 단계와,
    상기 1차 연소실을 통해 유동하는 압축 공기 스트림의 내측으로 제 1 연료를 분사하는 단계, 및
    상기 전환 부품 내에 있는 상기 압축 공기 스트림의 상대적으로 저온 부분의 내측으로 우선적으로 제 2 연료를 분사하는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 연료의 연소로 상기 전환 부품의 입구에서 압축 공기 스트림을 횡단하는 제 1 반경 방향 온도 프로파일을 형성하며,
    상기 제 2 연료의 연소로 상기 압축 공기 스트림의 상대적으로 저온 부분을 우선적으로 가열하며 상기 전환 부품의 입구에서의 상기 제 1 반경 방향 온도 프로파일과 관련된 감소된 변동 계수를 가지는 상기 전환 부품의 출구에서의 제 2 반경 방향 온도 프로파일을 제공하는데 유효한,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전환 부품은 적어도, 중앙 구역, 상기 중앙 구역으로부터 외측 주변부에 위치되는 제 1 구역, 및 상기 제 1 구역으로부터 외측 주변부에 위치되는 제 2 구역을 포함하며,
    상기 제 2 연료를 분사하는 단계는,
    제 1 양만큼 상기 제 1 구역에 있는 상기 압축된 공기 스트림의 일부의 평균 온도를 증가시키는데 유효한 제 1 양의 상기 제 2 연료를 상기 제 1 구역으로 분사하는 단계, 및
    상기 제 1 양과 상이한 제 2 양만큼 상기 제 2 구역에 있는 상기 압축된 공기 스트림의 일부의 평균 온도를 증가시키는데 유효한 제 2 양의 상기 제 2 연료를 상기 제 2 구역으로 분사하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 연료를 상기 제 1 구역 및 제 2 구역으로 분사하는 단계는 상기 전환 부품의 주변부 주위에 위치된 복수의 제 1 분사기 및 복수의 제 2 분사기로부터의 제 2 연료를 반경 방향으로 분사함으로써 수행되며, 상기 복수의 제 1 분사기는 상기 제 1 양의 제 2 연료를 상기 제 1 구역으로 분사하는데 유효하며, 상기 복수의 제 2 분사기는 상기 제 2 양의 제 2 연료를 상기 제 2 구역으로 분사하는데 유효한,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 분사기는 상기 제 1 양의 제 2 연료의 반경 방향 스트림을 상기 제 1 구역으로 분사하는데 유효하며, 상기 복수의 제 2 분사기는 상기 제 2 양의 제 2 연료의 균질한 분산을 상기 제 2 구역으로 분사시키는데 유효한,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 분사기는 상기 제 1 양의 제 2 연료가 반경 방향으로 분사될 수 있게 하는 중앙 구멍을 갖는 노즐을 포함하며, 상기 복수의 제 2 분사기는 상기 제 2 양의 제 2 연료의 제 1 부분이 반경 방향으로 분사될 수 있게 하는 중앙 구멍을 갖는 노즐을 포함하며, 상기 제 2 양의 제 2 연료의 추가 부분들이 각을 이루어 분사될 수 있게 하는 복수의 분사 구멍이 상기 중앙 구멍에 대해 각을 이루고 있는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 분사기의 노즐은 제 1 길이의 노즐을 포함하며, 상기 복수의 제 2 분사기의 노즐은 상기 제 1 길이보다 짧은 제 2 길이의 노즐을 포함하는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 연료를 분사하는 단계 이전에, 스팀, 질소, 이산화탄소 및 불활성 가스로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 희석제 또는 희석제의 조합물과 상기 연료를 혼합하는 단계를 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  8. 가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법으로서,
    1차 연소실과 상기 1차 연소실로부터 하류에 위치되는 전환 부품을 제공하는 단계와,
    상기 1차 연소실과 상기 전환 부품을 통과하는 축 방향으로의 제 1 모멘텀을 가지며 상기 전환 부품의 입구에서 유동하는 연소 스트림의 저온 주변 영역에서의 평균 온도와 고온 중앙 영역에서의 평균 온도 사이의 반경 방향 온도차를 가지는 연소 스트림을 생성하도록 상기 1차 연소실을 통해 유동하는 공기 스트림의 내측으로 제 1 연료를 분사하는 단계, 및
    25 내지 50의 모멘텀 비율로 상기 전환 부품 내부의 축 방향에 수직한 반경 방향으로 상기 연소 스트림의 내측으로 제 2 연료를 분사하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 연료의 연소는 상기 전환 부품을 통해 유동할 때 상기 연소 스트림의 반경 방향 온도차를 감소시키는데 유효한,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 저온 주변 영역은 상기 중앙 영역으로부터 외측 주변부의 원주위에 위치되는 제 1 구역 및 상기 제 1 구역으로부터 외측 주변부에 위치되는 제 2 구역을 포함하며,
    상기 제 2 연료를 분사하는 단계는,
    상기 연소 스트림이 상기 전환 부품을 통해 유동할 때 상기 제 1 구역의 평균 온도를 증가시키는데 유효한 30 내지 50 범위의 모멘텀 비율로 상기 제 1 환형 구역 내에 상기 제 2 연료의 일부분을 분사하는 단계, 및
    상기 연소 스트림이 상기 전환 부품을 통해 유동할 때 상기 제 2 구역의 평균 온도를 증가시키는데 유효한 25 내지 45 범위의 모멘텀 비율로 상기 제 2 환형 구역 내에 상기 제 2 연료의 일부분을 분사하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 연료는 연료를 필수 구성으로 포함하며, 상기 분사 단계는 약 50 이상의 모멘텀 비율로 수행되는,
    가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법.
  11. 가스 터빈 엔진용 연소기로서,
    연소 유동 스트림을 형성하도록 제 1 연료를 연소시키는 1차 연소실, 및
    상기 1차 연소실로부터 하류에 위치되는 전환 부품을 포함하며,
    상기 전환 부품은 상기 연소 유동 스트림의 내측으로 제 2 연료를 분사하기 위해 상기 전환 부품의 원주 주위에 위치되는 복수의 분사기를 포함하며,
    상기 분사기는 상기 전환 부품의 입구에서의 반경 방향 온도 프로파일에 대해 감소된 변동 계수를 가지는 상기 전환 부품의 출구에서의 반경 방향 프로파일을 생성하는데 유효한,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 분사기는 상기 전환 부품을 따라 축 방향 위치에 위치되며 상기 전환 부품의 하류 단부의 목표 거리 이내에서 상기 연소 유동 스트림 내의 제 2 연료의 완전 연소를 보장하는데 유효한,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 목표 거리는 상기 전환 부품의 축 방향 길이의 0 내지 20%인,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 목표 거리는 상기 전환 부품의 축 방향 길이의 10% 미만인,
    가스 터빈 엔진용 연소기.
  15. 가스 터빈 엔진용 전환 부품으로서,
    전환 부품의 입구 단부와, 상기 전환 부품의 입구 단부로부터 상기 전환 부품의 축방향 길이를 따른 0 내지 75%의 지점 사이에 위치되는 복수의 연료 분사기를 포함하며,
    상기 분사기는 상기 전환 부품을 통해 유동할 때 상기 연소 스트림의 고온 중앙 영역의 평균 온도와 상기 연소 스트림의 저온 주변 영역의 평균 온도 사이의 반경 방향 온도차를 감소시키는데 유효한,
    가스 터빈 엔진용 전환 부품.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 분사기는 상기 전환 부품의 축 방향 길이를 따른 25 내지 75%의 지점에 위치되는,
    가스 터빈 엔진용 전환 부품.
  17. 가스 터빈 연소 시스템용 연소기로서,
    연소 스트림을 생성하기 위해 제 1 연료를 연소시키도록 구성되는 1차 연소실과,
    상기 1차 연소실로부터 상기 연소 스트림을 수용하고 제 2 연료를 연소시키는 전환 부품을 포함하며,
    상기 전환 부품은 중앙 영역, 상기 중앙 영역으로부터 외측 주변부에 위치되는 제 1 구역, 상기 제 1 구역으로부터 외측 주변부에 위치되는 제 2 구역 및 상기 제 2 연료를 분사하기 위해 상기 전환 부품의 주변부 주위에 위치되는 복수의 분사기를 포함하며,
    상기 복수의 분사기는 복수의 제 1 분사기 및 복수의 제 2 분사기를 포함하며,
    상기 제 1 분사기는 상기 제 1 구역의 내측으로 상기 제 2 연료의 반경 방향 스트림을 분사시키는데 유효하며, 상기 제 2 분사기는 상기 제 2 구역의 내측으로 상기 제 2 연료의 균질한 분산을 분사시키는데 유효한,
    가스 터빈 연소 시스템용 연소기.
KR1020107008146A 2007-09-14 2008-09-08 가스 터빈 엔진 내의 연소를 제어하는 방법 및 가스 터빈 연소 시스템용 연소기 KR101523938B1 (ko)

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