KR20120098619A - 연소 기구를 위한 입구 선혼합기 - Google Patents

Abstract

선혼합기가 연소 기구의 입구 안으로 선혼합된 연료 공기 혼합물을 주입하기 위해 제공된다. 일 실시형태에서, 선혼합기 조립체는, 방사상으로 배향되는 주입 구멍을 갖는 다수의 동심의, 공기 역학적 주입기 링을 포함한다. 주입 구멍은 다수의 상이한 직경을 갖고, 넓은 파워 범위에 걸쳐 양호한 혼합을 용이하게 한다. 형상 및 구멍 크기 때문에, 조립체는 가스 또는 액체 호환 가능하다. 방사상의, 동심의 주입 포메이션은 짧은 주입 경로를 가능하게 한다.

Description

연소 기구를 위한 입구 선혼합기{INLET PREMIXER FOR COMBUSTION APPARATUS}

본 출원은, 전체 기재가 여기서 모든 목적을 위하여 참조되는, 2009년 9월 13일에 출원된, U.S. 가출원 61/241,940 의 35 U.S.C. §119(e) 에 따른 이점을 주장한다.

본 발명은 연소 및 가스 터빈, 특히 건식 저 배출 (dry low emissions) 을 위한 가스 터빈 디자인의 분야이며, 더 특별하게는 극저 연소 배출을 달성하기 위해 공기와 연료를 선혼합 (premixing) 하기 위한 방법 및 기구에 관한 것이다.

선혼합기가 발전기 또는 가스 터빈 엔진에 동력 공급을 위한 연소기와 같은, 에너지 방출/전환 시스템에서 화염 안정성을 향상시키는데 유용할 수 있다. 간결성의 목적을 위해, 이 기재는 전반적으로 "연소기" 라는 용어를 사용하지만, 본 기재는 더 일반적으로는, 작동 조건에 따라, 연소기 또는 연료 개질기 중 하나로서, 뿐만 아니라 전용 연소기 및 개질기 기구로서 작동될 수 있는 에너지 방출/전환 시스템에 관한 것임이 이해되어야 한다. 내용이 달리 명백하게 요구하지 않는다면, "연소기", "개질기" 및 "에너지 방출/전환 시스템" 은 완전히 대체 가능한 것으로 간주되어야 한다.

업계에 현재 이용되는 선혼합기는 General Electric, Pratt & Whitney, Siemens, 등에 의해 이용되는, "허브 (hub) 및 스포크 (spoke)" 형상 유닛을 포함하며, 이는 연소기의 입구에 놓이고, 연료는 허브를 통하여 공급되고 방사상의 스포크의 외부에 주입되며 및/또는 이 유닛은 선회기 베인 (swirler vane) 에 통합된다. 이러한 선혼합기의 스포크는 연소기 입구를 가로지르는 다수의 균일한 크기의 축선방향 구멍을 갖는다. 이러한 선혼합기의 디자인은 특별한 연료 공기 모멘텀 유속비 (fuel-air momentum flux ratio) 를 위해 스포크를 최적화하는 경향이 있다. 따라서, 이러한 선혼합기는 좁은 파워 밴드 (power band) 에서 최고로 작동하고, 전체 엔진 작동 엔벨로프 (operating envelope) 에 걸쳐 가장 균일한 연료 공기 혼합을 제공하지 않는다. 시스템은, 반대로 배출에 영향을 주면서 너무 희박하거나 또는 너무 농후한 연료 공기 구역을 발생할 것이다. 따라서, 에너지 방출/전환 시스템의 작동에서의 추가적인 개선이 더 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐 더 양호하게 수행하기 위해 이러한 시스템과 관련하여 사용되는 선혼합 기구를 재디자인함으로써 가능할 수 있는 것으로 보인다.

"포집된 와류" 연소기 (TVCs, 본 기재에서 이후에 더 상세히 다루어지는 것과 같이) 로서 공지된, 연소 기구의 하나의 부류에서, 공동이 연소 영역에, 희박한 혼합물에 의한 연소를 안정화시키기 위해 예컨대, 와류 및/또는 다른 난류가 형성되는 비유선형 본체 (bluff bodies) 사이 또는 연소기의 벽에 제공된다. 예컨대 Roquemore 등의 U.S. 특허 제 5,857,339 호 참조. 연료 및/또는 공기는 이 영역에 더 큰 혼합을 유도하고 화염 안정성을 촉진시키기 위해, 별개의 주입기를 통하여 포집된 와류 공동 안으로 주입될 수 있다. 별개의 연료 및 공기 주입기는, 예컨대 연소 공동의 벽에 의해 규정되는 포집된 와류 영역의 전방 및 후미 벽 (forward and aft wall) 에 위치될 수 있다. 예컨대, U.S. 특허 제 5,791,148, Burrus 참조.

Haynes 등의, GE Global Research, "Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report", 2006 년 1 월 (DE-FC26-01NT41020), 은 Burrus 에 의해 설명된 연소기와 레이아웃이 유사한 연소기를 설명한다. Haynes 등에 의해 기재된 특정 실시형태에서, 별개의 연료 및 공기 입구에 대한 대안으로서, 미리 실현된 것과 같이, 연료 및 공기는 선혼합될 수 있고 입구 콘을 통하여 및/또는 연소 공동의 전방 또는 후미 벽을 통하여 유입될 수 있다. 선혼합물이 입구 콘 그리고 연소 공동 양 쪽으로 유입되는 실시형태는 고난류 혼합으로 인하여 적층된 이중 와류의 생성을 초래하였다.

다른 TVC 실시형태를 설명하는, Steele, 등의 U.S. 특허 제 7,603,841 호는 입구 선혼합 뿐만 아니라 비유선형 본체에 의해 일부가 규정되는 연소 공동 안으로의 후미 주입기를 갖는 연소기를 기재한다. 이 실시형태에서, 후미 주입기는 난류의 와류 혼합을 유도하기 위해 유입 선혼합물 흐름에 대향하는 방향을 가리킨다.

지금까지, 연료, 공기 및/또는 선혼합된 연료 및 공기를 연소 공동 안으로 주입하는 모든 TVC 디자인은 추가적인 와류의 형성을 야기하기 위해, 또는 그렇지 않으면 와류 공동의 난류 혼합을 증가시키기 위해 난류를 유도하도록 디자인되어왔다. 예컨대, Haynes 등의 도 3 ~ 도 7 은 각각의 TVC 공동의 이중 포집된 와류를 나타낸다. 이러한 공동에서 발생하는 "자연스러운" 흐름은, 선혼합 주입이 없는 공동에서 자연스럽게 발생할 수 있는 유체 흐름을 의미하고, 그렇지 않으면 연소기의 메인 흐름 경로를 통하여 일어나는 흐름은 단일 와류일 수 있다. Haynes 등의 도 3 ~ 도 7 에 나타낸 경우, 나타낸 "이중 와류" 의 제 2 와류는 TVC 공동 안으로의 선혼합물의 주입에 의해 생성되고, 그렇지 않으면 존재하지 않을 것이다. 다른 경우, 예컨대 단지 단일 와류가 제공되는 경우, 나타낸 메인 와류는 그렇지 않으면 존재할 수 있지만, 더욱 더 난류로 만드는, 예컨대 공동의 자연스러운 위치로부터 병진적으로 이동됨으로써 추가된 선혼합물의 영향에 의해 실질적으로 변경되거나, 또는 그렇지 않으면 실질적으로 일그러진다.

Rakhmailov 에 의해 (Rakhmailov '544 발행물), 공통적으로 공개된 U.S. 특허 공보 2008/0092544 A1 은 Rakhmailov 등에 (Rakhmailov '854) 공통적으로 공개된 U.S. 특허 제 7,086,854 호의 기재에 따라 디자인된 연소기와 조합하여 사용되는 선혼합기를 기재한다. Rakhmailov '544 발행물의 선혼합기는 연소기의 입구에서만 사용된다. 이러한 연소기의 입구는 높은 속도의 유체 흐름을 가지며, 따라서 입구 선혼합은 높은 속도 환경에서 완료된다.

Rakhmailov '544 발행물에 설명된 디자인은 입구 선혼합기를 Rakhmailov '854 에 설명된 재순환 와류 연소기에 추가하지만, 이 기재는 연료, 공기 및/또는 선혼합된 연료 및 공기를 직접적으로 와류 공동 안으로 주입하기 위한 어떠한 조건을 포함하고 있지 않다. 사실, Rakhmailov '854 는 재순환 와류 공동의 뜨거운 재순환 가스 안으로 연료를 들어가게 하는 것으로부터 벗어나 명백하게 교시하고 있으며, Rakhmailov '854 의 디자인 목적과 대조적으로, 난류의 기계적 혼합이 전체 재순환 속도를 줄일 수 있고, 불균일한 연료 분산을 초래하고, 재순환 흐름이 입구 흐름과 합쳐질 때 온도를 줄인다고 할 수 있다.

Roquemore 등, Burris, Haynes 등, Steele 등, Rakhmailov '854, 및 Rakhmailov '544 발행물의 전체의 각각의 기재는 모든 목적을 위해, 각각 여기서 이들 전체가 참조로 통합된다.

다수의 측면에서 종래기술에 대하여 개선하는 것이 바람직하다. 첫 째로, 선혼합기가 더 넓은 범위의 작동 조건에 더 적응 가능하게 함으로써 어떠한 타입의 연소기에 대한 입구 선혼합기를 개선하는 것이 바람직할 수 있다. 둘 째로, 보통의 와류 흐름에 지장을 주기 보다 향상시키기 위해 연소기의 와류 영역에서 선혼합을 위해 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 셋 째로, 입구 및 와류 선혼합기를 유리하게는 서로 조합하여 사용하기 위한 방법을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 목적은 연소기에 사용하기 위한 우수한 연료 공기 선혼합 기구 및 방법을 제공하는 것이다.

이러한 선혼합기 기구의 바람직한 속성은 이하를 포함한다 :

ㆍ선혼합기는 연소기 입구의 단면적에 걸쳐 균일한 연료 분산을 제공해야 한다.

ㆍ선혼합기는 엔진 작동 조건의 넓은 범위에 걸쳐 균일한 연료 공기 혼합물을 제공해야 한다.

ㆍ선혼합기는 짧은 선혼합 길이를 제공해야 한다.

ㆍ선혼합기는 가스 터빈에 사용되는 모든 가스 및 액체 연료를 포함하는, 넓은 범위의 연료와 호환 가능해야 한다.

ㆍ선혼합기는 낮은 배출 발생을 제공해야 한다.

ㆍ선혼합기, 또는 별개의 선혼합기는 TVC 가 디자인되는 흐름 패턴과 일치하며, 낮은 난류 패턴을 포함하고, 이들이 이용되는 TVC 의 포집된 와류 공동에서 연소를 안정화하는데 적합해야 한다.

ㆍ시스템의 작동 범위에 걸쳐 최고의 작동을 제공하기 위해 디자인에 이용되는 어떠한 다수의 선혼합기의 작동을 상호조정하는 것이 가능해야 한다.

ㆍ제공되는 선혼합기 시스템 및 방법은 넓은 범위의 분야에 응용 가능해야 한다.

일 실시형태에서, 이러한 목적은 허브, 다수의 방사상의 스포크, 및 스포크에 부착되고, 다수의 방사상으로 배향된 주입 구멍을 갖는, 다수의 동심의 공기 역학 주입기 링을 포함하는 입구 선혼합기 조립체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 주입 구멍은 다수의 상이한 직경을 가지며, 이는 넓은 파워 범위에 걸쳐 좋은 혼합을 가능하게 한다. 형상 및 구멍 크기 때문에, 조립체는 가스 및 액체 호환 가능하다. 방사상의, 동심의 주입 포메이션은, 단면적에 걸친 많은 수의 연료 주입 구역 때문에, 짧은 주입 경로를 가능하게 한다.

제 2 양태에서, 포집된 와류 반응기 디자인과 관련한 사용을 위해, 시스템이 디자인되는 공동의 흐름 패턴과 호환 가능한 방식으로 포집된 와류 공동 안으로 선혼합된 연료 및 공기를 직접 주입하는 다른 선혼합기 실시형태가 제공될 수 있다. 재순환 와류 디자인과 관련하여 사용될 때, 이 선혼합기는 선혼합된 연료 및 공기가 매끄럽고, 연속적인 방식으로 및/또는 환상면 (toroid) 의 연소를 보강하기 위해 와류 흐름에 접선으로 합쳐지도록 구성될 수 있다. 다른 디자인에서, 선혼합물은 유입의 영역의 국부적 와류 흐름과 일치하는 하나 이상의 방향으로 하나 이상의 TVC 위치에서 유입될 수 있다.

작동 동안 연료 스테이징을 위하여, 서로와 관련하여 사용되기 위해 상기 설명된 2 개의 실시형태 및 서로와 상호조정되어 조절되는 이들의 설정에 대하여 또한 방법이 제공될 수 있다. 극저 배출 결과가 이러한 방식으로 달성되어왔다.

다른 실시형태에서, 대안적인 연소 공동 레이아웃이 입구 선혼합기를 포함하는 포집된 와류 (TVC) 연소 기구의 연료 스테이징을 실행하기 위해, 연료 공기 혼합물을 연소 기구의 입구 및 하나 이상의 와류 선혼합기 안으로 주입하기 위해, 연료 공기 혼합물을 하나 이상의 포집된 와류 공동의 각각 내의 재순환 와류 안으로 주입하기 위해 제공된다. 다수의 선혼합기-공급 TVC 공동은, 예컨대 축선방향으로, 방사상으로, 둘레적으로, 내부적으로 또는 이러한 구성의 조합으로 레이아웃될 수 있다. 이러한 레이아웃은 연료 스테이징 방법과 관련하여 사용될 수 있고 이에 의해 각각의 와류 선혼합기 및 입구를 통하여 유입되는 혼합물의 상대 비율은 작동 조건의 함수로서 변할 수 있다.

본 발명에 따른 연소 기구 및 방법은 지상의 발전으로 제한되지 않으면서, 상업적인 젯 비행기 엔진, 비행기를 위한 보조 동력 유닛 (APUs), 가스화 복합 발전 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 플랜트, 및 열병합 발전 (Combined Heat and Power, CHP) 또는 병합 플랜트 (cogeneration plants) 를 포함하는 모든 가스 터빈 분야에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 양태 및 이점은 첨부된 도면, 및 이후의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.

본 발명 및 그의 더 완벽한 이해를 위해, 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타내는 첨부된 도면과 관련하여 행해진 이후의 설명이 참조된다.

도 1 은 본 발명의 특정 실시형태에 따른 2 개의 상이한 선혼합기 장치를 통합하는 캔-환형 연소기의 입구 측으로부터 출구 측의 사시 단면도이다.
도 2a 는 도 1 에 나타낸 입구 선혼합기의 단면도를 나타내는 도면이고, 도 2b 는 이러한 선혼합기를 포함하는 스포크 및 링 요소의 상세 단면도를 나타내는 도면이다.
도 3 은 도 2a 및 도 2b 에 나타낸 입구 선혼합기의 추가적인 단면도이며, 또한 주입기 링의 연료 주입 오리피스의 배치를 나타내는 도면이다.
도 4 는 도 1 에 나타낸 와류 선혼합기의 환상면의 외측으로부터의 부분 절단 (cutaway) 사시도이다.
도 5 는 포집된 와류 공동에 직선으로 둘러싸인 (rectlinear) 벽을 갖는 TVC 와 조합하여 사용되는 와류 선혼합기의 대안적인 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 6 의 (a) ~ (c) 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 스테이징 계획의 실시예를 나타내는 도면이고, 도 6 의 (d) ~ (e) 는 화염 온도 대 엔진 파워의 대응하는 그래프를 나타내는 도면이다.
도 7a ~ 도 7d 는 개별적으로 제어 가능한 입구 및 와류 선혼합기와 관련하여 사용될 수 있는 다수의 TVC 공동을 통합하는 다양한 연소기 레이아웃을 나타내는 도면이다.

이하는 본 발명이 어떻게 유리하게 실행될 수 있는지의 도시적 실시예를 제공하기 위해 선택되는 본 발명의 특정 실시형태의 상세한 설명이다. 본 발명의 범위는 설명된 구체적인 실시형태로 제한되지 않으며, 첨부된 도면에 묘사된 또는 발명의 개요 또는 요약에 설명된 또는 언급된 어떠한 구체적인 실행, 구성, 실시형태 또는 특징에 의해 제한되지도 않는다. 게다가, 본 기재는 각각 다수의 단계를 포함하는 많은 수의 방법을 설명하는 것을 알아야 한다. 본 기술된 설명에 포함된 어떠한 것도, 나타낸 청구항 언어에 의해 구체화된 것 외에, 이러한 방법의 단계의 어떠한 필요한 순서를 따라야 하는 것으로 이해되어서는 않된다.

본 기재는 어떠한 가스 터빈 연소기 또는 반응 챔버에 응용 가능하다. 본 기재의 특정 양태는 가스 또는 가스 기반 (gas-borne) 액체 연료 및 산화제 (공기) 를 위한 입구를 갖는 에너지 방출/전환 시스템에 관한 것이다. 다른 양태는 에너지 방출/전환 시스템이, 이후에 다루어지는 TVC 특성을 갖는 것에 관한 것이다.

다양한 에너지 방출/전환 기구 가운데 연소기 및 반응 챔버는 어떠한 양태에서 실질적으로 정상 상태 와류 순환을 갖고, 적어도 연소기 입구로부터 출구로의 직접 흐름 경로에 부분적으로 떨어져서 위치된다. 본 기재가 응용 가능한 장비의 하나의 부류를 나타내기 위해 여기서 사용되는, "포집된 와류 연소기" (TVC) 라는 용어는 이러한 특징을 갖는 에너지 방출/전환 시스템 (연소기 및/또는 개질기 양측 모두) 의 가장 일반적인 기준으로서 사용될 것이며, 와류를 갖는 연소기의 내부 부분은 "포집된 와류 반응 공동" 으로 나타내어질 것이다. 포집된 와류 공동은 하나의 와류 흐름, 이중 와류 흐름, 또는 다수의 와류 흐름을 가질 수 있다. 포집된 와류 공동은 연속적인 곡선의 벽을 가질 수 있거나, 또는 직선으로 둘러싸인 또는 다른 형상의 벽을 가질 수 있거나, 또는 비유선형 본체 사이에 형성될 수 있거나, 또는 벽과 비유선형 본체의 조합일 수 있다. 연소기 또는 반응 챔버가 다수의 포집된 와류 공동을 가질 수 있다. Roquemore, 등, Burrus, Haynes 등, 및 Steele 등에 따른 TVC 실시형태의 실시예는 이전에 논의되었다. Rakhmailov '854 에 기재된 에너지 방출/전환 시스템은, 이러한 TVCs 와 재료가 상이하지만, 본 기재에 이용되는 용어의 목적을 위한 TVC 로 또한 고려되어야 한다.

반응기 디자인에 따라, TVCs 에 대하여 추가적인 고려가 있을 수 있다. 와류는 연소기의 화염 안정성을 유지하는 것을 돕도록 종종 디자인된다. 몇몇 디자인은 또한 균일한 혼합을 달성하는 것을 돕기 위해 낮은 난류 특징을 사용하는 것에 의지하고, 이는 희박한 혼합물이 비교적 낮은 연소 온도에서 연소되는 것을 가능하게 하고, 그 결과 배출을 개선시킨다. 실제로, 에너지 방출/전환 시스템의 작동은, 실제 유체가 실제 기계 표면을 따라 고속으로 동역학적으로 이동하고 실시간으로 서로와 화학적으로 반응할 때 불가피하게 초래하는 것과 같은, 예컨대 연료 흐름 또는 압축기 흐름의 불연속, 작은 표면 불연속, 또는 연속적이고 층 흐름으로부터의 작은 편차로부터 초래되는 통계학적 이례의 결과로서, 변동 및 변화를 겪을 수 있다. 이러한 변동 및 불연속은 화염 불안정을 이따금 유도할 수 있다. 연소 (또는 개질) 에 앞선 철저한 연료 및 공기 혼합은 이러한 디자인, 뿐만 아니라 난류가 허용되거나 또는 연료 공기 혼합물의 유입 이후 촉진될 수 있는 다른 디자인의 배출 성능 및 안정성을 개선하는데 사용될 수 있다.

TVC 디자인에서, 메인 입구 상류의 선혼합기는 연료 및 공기를 혼합하는 것을 돕기 위해 이용되어왔다. 하지만, 실험은 이러한 입구 선혼합기 디자인의 성능의 개선에 대하여 상당한 여지가 있는 것을 나타내었다.

특정 TVC 디자인에서, 연료, 공기 및/또는 선혼합된 연료 및 공기는 전체 연소기 작동을 안정화시키기 위해 연소 와류 안으로 직접 주입되어왔다. 예컨대, 와류 선혼합기, 또는 연료 및/또는 공기의 별개의 주입을 사용하는 것, 하나 이상의 추가적인 와류 (더 적은 또는 단지 하나의 와류가 그렇지 않으면 존재) 를 유도하는 것, 더 많은 혼합 난류를 생성하는 것 그리고 TVC 와류 공동의 유체의 잔류 시간을 증가시키는 것이 특정한 이러한 디자인의 목적이었다. 하지만, 이전에 실행된 것과 같은, 연료, 공기 및/또는 선혼합된 연료 및 공기가 자연스러운 와류 흐름에 지장을 주며 주입되는, 이러한 직접 연료 또는 혼합물 주입은 불규칙한 혼합 및 과열점 (hot spot) 을 유도하고 배출 제어를 위한 차선 (suboptimal) 이 될 수 있다.

따라서, 이 분야에서 이미 실행된 것들을 넘어 선혼합의 추가적 및 상이한 모드가, TVC (낮은 난류 TVC 포함) 및 비-TVC 디자인 양 쪽을 위해 유리할 수 있다. 하지만, 선혼합기를 성공적으로 사용하기 위해 극복되어야만 하는 특정한 문제가 있다.

에너지 방출/전환 시스템이 통상적으로 압축기로부터, 압축된 상태의 연소 공기를 공급한다. 압축기 출력을 특징으로 하는 비교적 높은 압력 및 온도 하의 선혼합된 연료 및 공기는 매우 폭발적인 경향이 있다. 이러한 폭발을 피하기 위해, 이러한 환경에서의 선혼합이 연소 챔버 안으로의 유입에 앞서 선혼합된 혼합물의 잔류 시간을 줄이는 방식으로 수행될 수 있다. 이는 선혼합 기구가 바람직하게는 연소기 입구에 실현 가능한 한 가까워야 하며 (짧은 선혼합 길이), 동시에 바람직한 레벨의 선혼합 (작은 선혼합 규모를 갖음으로써 부분적으로 달성 가능) 을 위해 적절한 잔류 시간을 제공하는 것을 의미한다. 따라서, 신속하고 균일한 선혼합을 달성하기 위한 형상이 바람직하다.

또한, 선혼합기는 바람직하게는 시스템 디자인의 잔여부와 호환 가능해야 한다. 예컨대, 낮은 난류 시스템에서, 선혼합기는 전체 시스템 디자인과 일치하는 큰 규모의 난류를 유입하거나 이에 좌우되서는 안된다. 다른 TVC 디자인에서, 선혼합기는 바람직한 공동 흐름 필드에 일치하는 방식으로 혼합물을 유입해야 한다.

현재 다루고 있는 관찰 및 전술한 원리에 의해, 2 개의 상호 보완적인 선혼합기 디자인이 개발되어 왔다. 도 1 은 본 발명의 특정 실시형태에 따른 이러한 2 개의 상이한 선혼합기 장치 (21 및 31) 의 실시예를 통합하는 연소기의 입구 측으로부터 출구 측으로의 사시 단면도이다.

내부 형상이 축선 대칭인, 도 1 의 연소기는 "캔" 디자인 (때때로 "캔-환형" 으로 나타내지만, "완전한 환형" 디자인과 구분됨) 이며, 다수의 이러한 "캔" 은, 도 1 에 부분적으로 나타낸 것과 같이 원형 형상으로 구성될 수 있으며, 이들의 출구는 공통적으로 대형 터빈 주위로 배향된다. 이러한 구성은 동력 발전 응용을 위한 큰 규모의 가스 터빈에 동력을 공급하는데 공통적으로 사용되며, 예컨대 터빈의 섀프트는 대형 발전기를 구동한다. 도 1 및 도 4 는 캔 디자인에 초점을 맞추고 있으며, 당업자는 이러한 디자인의 원리는 "완전한 환형" 연소기 디자인에 즉시 적응될 수 있다는 것을 인지할 것이며, 단일, 환형 연소기가 예컨대 터빈의 환형 유체 입구와 짝을 이루도록 디자인된다. 완전한 환형 디자인은, 예컨대 상업적인 젯 비행기 엔진 및 보조 동력 유닛 (APUs), 게다가 큰 규모의 발전 터빈에 사용될 수 있다. 모든 이러한 형상, 및 이들이 지지하는 응용은 본 발명의 범위 내에 있다.

도 1 에 나타낸 실시형태의 캔 연소기는 입구 (6), 출구 (5), 및 중단 지점 (14) 을 갖는 재순환 구역 (7) 을 갖는다. 3 차원에서, 재순환 구역 (7) 은 입구 (6) 로부터 출구 (5) 까지의 메인 흐름의 축선을 중심으로 환상면 구조를 형성하고, 이 안에 와류 (22) 가 연소 작동 동안 재순환될 것이며, 연소 가스의 일부는 지점 (14) 에서 중단되고, 입구 (6) 에서 다시 합쳐지기 위해 환상면 (7) 을 중심으로 곡선의 벽 (23) 내에서 이를 따라 재순환된다. 압축된 연소 공기는 입구 (6) 의 상류인, 압축기 입구 (10) 에서 유입된다. 입구 선혼합기 (21) 는 압축기 입구 (10) 와 연소기 입구 (6) 사이에 위치된다. 이 실시형태에서, 일반적으로 원뿔형 비유선형 본체 (3 및 4) 가 선혼합된 혼합물이 선혼합기 (21) 를 빠져나가는 것을 가속하기 위해 노즐을 제공하기 위하여 선혼합기 (21) 와 연소기 입구 (6) 사이에 제공된다. (하지만, 환형 디자인에서, 비유선형 본체는 대신에, 도시된 것과 같이 콘 형 구조를 형성하는 대신, 전체 환형 연소기 입구 주위에 환형으로 뻗어있는 (테이퍼진 링과 같은) "2D" 요소일 수 있다.

이 실시형태의 다른 특징에서, 비유선형 본체 (3, 4) 는, 3 차원에서 입구 영역 (6) 의 중심에 원형 벽을 형성하는 판 (11) 에서 끝나고; 비유선형 본체 (3, 4) 는 입구 영역 (6) 내에 둘레적으로 구성되는 방사상의 스포크 (17) 에 의해 지지되고; 구멍 (16) 은 벽 냉각 (분출, 충돌 분출 등) 의 목적을 위해 판 (11) 에 제공되며; 연소기의 상류는 압력 포트 (12) 이며; 장착 지점 (15) 은 환상면의 벽의 점화기 (도시되지 않음) 를 위해 제공된다. 또한 이 실시형태 (즉, 캔 연소기) 에서, 연소기는 일반적으로 캔 형상의 엔클로져 (41) 내에 수납된다.

도시된 실시형태에서, 제 2 선혼합기 (31) (와류 선혼합기) 가 또한 제공된다. 제 2 선혼합기는 재순환 공간 (7) 안으로 주입하지만, 종래기술에서 실현되는 선혼합된 연료 및 공기의 주입과는 그의 접근이 상이하다. 종래 기술의 와류 선혼합기에서, 선혼합된 연료 및 공기는 하나 이상의 추가적인 및 전체적으로 새로운 와류를 생성하기 위해, 또는 자연스럽게 존재하는 와류의 흐름 필드를 실질적으로 분열시키도록 계산된 방식으로 TVC 공동 안으로 유입되었다. 도시된 실시형태에서, 선혼합된 연료 및 공기의 와류 영역 안으로의 주입은 공동의 자연스러운 와류 흐름을 향상시키기 위해 디자인되고, 예컨대 공동의 자연스러운 재순환 흐름과 공동의 방향으로 그리고 접선 방향으로, 외부 벽을 따라 공동 안으로 유입된다. 따라서, 분열 또는 현저하게 추가되는 난류 없이, 와류 흐름을 향상시킨다.

도 1 은 제 위치의 선혼합기 (21) 및 선혼합기 (31) 를 묘사하고 있지만, 본 기재에서 이후에 논의되는 것과 같이 양 쪽의 선혼합기를 갖는 것이 유리한 작동 모드가 있지만, 선혼합기 (21 또는 31) 중 하나가 제공되고 다른 하나는 제거될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

일 실시형태에서, 와류 선혼합기 (31) 는 다수의 연료 주입기를 포함하며, 선혼합 혼합물을 환상면 (7) 의 유체의 자연스러운 재순환 흐름과 공동의 방향으로 주입하기 위해, 이 연료 주입기 각각은, 환상면 (7) 의 상사점 부근이고 따라서 대략 이에 접선인 연소기 출구의 방향에 대하여 접선으로 배향된 환상면 (7) 의 외부 벽의 주변 주위에 구성된다. 단지 하나의 이러한 주입기가 도 1 의 단면도에 나타나 있지만, 주입기 구조는 환상면 (7) 의 주변 주위에 나란하게 유사한 주입기에 의해 복제될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

2 개의 선혼합기 시스템이 이제 더 상세하게 설명될 것이다.

입구 선혼합기

도 2a, 도 2b 및 도 3 은 입구 선혼합기 (21) 를 더 상세하게 나타내는 도면이다. 선혼합기 (21) 가 반영된 실시형태에서, 연료 (가스 또는 액체 연료일 수 있음) 는 연료 입구 (13) 에서 중앙 허브 (1) 안으로 유입되고 4 개의 방사상의 스포크 (19 등) 를 통하여 연료 스포크에 장착되는 4 개의 동심의 링 (2A, 2B 등) 안으로 들어간다. 연료는 축선방향으로부터 0 ~ 90 도의 각도로 주입되지만 (포지티브 또는 네거티브 중 하나 (즉, 특정한 링의 쌍에 따라서, 축선을 향하여 또는 멀어져서)), 하지만 어떠한 경우에도 각도의 절대값은 축선 방향으로부터 인접한 링 (2A, 2B 등) 사이에 형성되는 환형 통로 안으로, 압축기로부터의 높은 속도의 공기 안으로 0 ~ 90 도이고, 더 바람직하게는 30 ~ 90 도이다.

동심 링 (2A, 2B 등) 및 스포크 (19) 는 도 2b 에 나타낸 것과 같이 공기 역학적인 형상을 갖는다. 링의 개수는 2 ~ 약 5 개여야 하고, 바람직하게는 50 % 미만의 또는 더 바람직하게는 40 % 미만의 흐름 차단을 제공해야 한다. 링 (2A, 2B 등) 의 연료 오리피스 (구멍) (201, 202 등) 는 엔진 작동 엔벨로프에 걸쳐 가장 철저하게 혼합된 (최소 불혼합도 레벨) 혼합물을 제공하기 위해 유입 공기 안으로 적절한 연료 침투를 제공하도록 선택된다. 그러므로, 이들은 로드 곡선의 다양한 지점을 목표로 하도록 상이한 크기/직경일 것이다.

대안적인 실시형태에서, 연료는 허브 (211) 보다는, 링 구조의 외측 직경 (212) 으로부터 스포크에 공급될 수 있다.

바람직하게는, 구멍 (201 및 202) 은 교차 흐름 압축기 공기 안으로, 대부분 방사상의 방향으로 연료를 주입하도록 배향된다. 이 실시형태에서, 제조의 용이를 위해, 구멍은 축선 방향에 대하여 대략 ±70 도로 배향된다. 하지만, 이 각도는 중대한 것이 아니다. 일반적으로, 각도의 범위는 약 ±0 도 ~ 약 ±90 도; 바람직하게는 약 ±60 ~ 약 ±90 도; 더 바람직하게는 약 ±90 도일 수 있다.

구멍 크기는 불균일하며, 상이한 크기의 구멍이 상이한 파워 범위, 즉 상이한 연료 공기 모멘텀 유속비 레벨에서 더 나은 성능을 위해 제공된다. 다양한 구멍 크기는 콜드 플로우 혼합 실험 (cold flow mixing experiment), CFD 또는 경험적 상관성, 또는 이들의 조합을 통하여 판정될 수 있다. 구멍의 전체 개수는 종래의 선혼합기의 대응하는 개수보다 더 클 수 있다.

하나의 형상에서, 구멍 크기는 낮은, 중간의 그리고 높은 파워 밴드에서 각각 최상의 혼합물을 주는데 적합한, 3 개의 상이한 크기의 다수의 구멍을 제공하도록 선택된다. 예컨대, 작은 구멍은 최적의 낮은 파워 작동 (0 ~ 30 % 엔진 로드) 을 위한 크기를 가질 수 있고; 중간 구멍은 최적의 중간 파워 작동 (0 ~ 70 % 엔진 로드) 을 위한 ; 그리고 큰 구멍은 최적의 높은 파워 작동 (70 ~ 100 % 엔진 로드) 을 위한 크기를 가질 수 있으며, 전체 파워 범위에 걸쳐 가장 균일한 혼합을 제공하기 위해 조합되어 사용된다. 바람직하게는, 각각의 구멍은, 2 개의 링에 의해 규정되는 환형 통로에 걸쳐, 2 개의 인접한 링에, 상이한 크기의 구멍과 쌍을 이룬다. 각각의 상기 언급된 구멍 직경 (더 많은 개수일 수 있지만, 본 실시예에서 3 개의 상이한 직경) 은 선혼합 입구의 단면적 내에 가장 균일한 혼합물을 보장하기 위해 둘레적으로 대략 균일하게 분산될 수 있다.

대표적인 구멍 레이아웃이 도 3 에 나타나 있다. 각도 (χ1 및 χ2)(도면에 도시되지 않음) 는 방사상의 각도 구멍 오프셋이다. 이하의 표는, 하나의 가능한 실시예로서, 도시된 실시형태의 8 개의 열의 구멍에 대하여, 하나의 사분원 (quadrant) 을 위한 구멍 레이아웃을 나타낸다 :

이러한 특징의 조합은 엔진 작동 범위에 걸쳐 줄어든 혼합 길이 및 규모, 혼합도 균일성의 더 넓은 엔벨로프를 제공하고, 가스 및 액체 연료 호환 가능하다.

종래 기술의 연료 공기 혼합기는 또한 이전에 논의된 것과 같이 어떠한 허브-및-스포크 디자인을 포함한다. 하지만, 이 혼합기는 동심 링으로부터 연료를 주입하거나 다수의 상이한 주입 구멍 크기를 제공하지 않고, 이 혼합기는 어떠한 주어진 엔진 로드 지점에서도 동일한 등급의 혼합 균일성을 달성하거나 및/또는 나타내지 않는다. 종래 기술 선혼합 계획은 본 발명의 저배출 성능을 달성하지 못할 것이다.

상기 설명된 입구 선혼합기는 (a) 불균일한 구멍 크기, (b) 다수의 구멍, 및 (c) 더 작은/더 짧은 혼합 규모에 의해 달성되는 더 높은 레벨의 혼합도 레벨에 의해, NOX, CO, UHC 등에 대하여 극저 연소 배기 레벨 그리고 편평한 혼합도 프로파일을 달성한다. 이는 더 큰 엔진 작동 엔벨로프에 걸쳐 그리고 전체적으로 더 양호한 혼합 균일성을 제공한다. 여기서 설명된 접근은 어떠한 엔진 연료 일정 (즉, 엔진의 작동 엔벨로프에 걸쳐 어떻게 연료가 계량되는지에 대하여 : 연료 대 엔진 로드) 에 맞춰질 수 있고 가스 또는 액체 연료가 호환 가능하다. 이는 발전으로 제한하지 않으면서, 항공용 메인 추진 젯 엔진 (터보 팬, 터보 젯, 램젯 등 포함) 및 APUs 를 포함하는 모든 응용을 위한, 액체 및/또는 가스 연료를 사용하는 연소기에 적합할 수 있다.

몇몇의 일반적 가스 터빈 엔진 작동 로드 지점에서의 몇 개월의 연소 시험이, 여기서 설명된 다른 구성 요소와 관련하여, 이 선혼합기가 극저 배출 결과 (NOX, CO, UHC < 3 ppm 15 % O₂ 동시) 를 제공할 수 있는 것을 나타내었다.

와류 선혼합기

일 실시형태에서, 도 1 및 도 4 에 와류 선혼합기 (31) 에 의해 도시된 것과 같이, 연료 및 공기는 환상면/공동 흐름 안으로의 주입에 앞서 선혼합된다. 주입기는 작은 혼합 규모, 다수의 주입 구역, 및 짧은 요구되는 선혼합 길이를 제공한다. 연료 및 공기는 선혼합되거나, 또는 환상면 안으로의 주입에 앞서 부분적으로 선혼합된다. 선혼합의 이차적인 주입은 환상면/공동 흐름의 일반적인 안정성을 돕는다.

도 1 에 나타낸 실시형태에서, 환상면 (7) 의 자연스러운 흐름, 즉 예컨대 연소기의 메인 흐름 경로를 통하는 유체 흐름 (입구 (6) 로부터 출구 (5) 로의) 의 결과로서, 선혼합 주입 없이 존재할 수 있는 흐름은 출구에 가까운 중단 지점 (14) 으로부터, 환상면 (7) 의 재순환 공간의 곡선으로 이루어진 벽을 따라 순환하고, 연소기의 입구 (6) 에 가까운 지점으로 돌아오도록 순환하는 단일 와류 (22) 일 수 있다. 이러한 실시형태에서, 와류 공동 (7) 은, 단일 와류를 수용하지만, 비교적 크고, 공동 내의 연소를 위한 잔류 시간을 연장시킨다. 종래 기술로부터 시작하여, 선혼합기 (31) 는 선혼합된 연료 및 공기를 벽 (23) 에 대하여 접선인 재순환 구역 (포집된 와류 공동) (7) 안으로 직접적으로 주입하고, 따라서 공동 내의 자연스러운 와류 흐름 (22) 과 정렬되어, 와류 (22) 의 자연스러운 흐름 패턴에 최소한의 분열을 주면서 그리고 실질적으로 추가된 난류 없이 선혼합물을 유입시킨다.

도 4 에 나타낸 것과 같이, 와류 선혼합기 (31) 는, 일 실시형태에서 관형 연료 입구 (39) 에 의해 공급되는 별개의 연료 매니폴드 (99) 를 공기 출입 포트 (8) 에 매우 가까이에 가지며, 이는 공동 내로의 주입에 앞서 연료를 포트 (8) 를 통한 유입 공기 흐름에 들어가게 한다. 나타낸 실시형태에서, 연료 매니폴드 (99) 는 환상면 (7) 을 둘러싸지만, 단지 단일 연료 입구 (39) 만이 있다 (하지만 입구는 다른 방사상의 위치에 복제될 수 있다). 또한, 이 실시형태에서, 연료 매니폴드 (99) 는 단일 공급 튜브 구성의 연료 압력에서의 둘레적 비 균일성을 줄이기 위해, 서브 매니폴드 (43) 안으로의 연료를 계량하기 위해 구멍 (42 등) 을 갖는 원형 확산판 (DP) (38) 에 의해 나누어진다. 서브 매니폴드 (43) 로부터 흐르는 연료는, 연료 오리피스 (구멍) (100) 등을 통하여 유입 공기 흐름 (8 로부터) 에 들어가고, 유입 공기와 혼합되고 구멍 (24) 을 통하여 환상면 (7) 으로 들어간다. 선혼합의 방식은 중요하지 않지만 현재의 실시형태에서는 교차 흐름에서 간단한 젯일 것이다. 응용은 어떠한 유체 연료 타입 - 액체, 가스, 낮은 BTU, ("합성") 가스 포화된 수소 등일 수 있다.

도 4 에 다수의 구멍 (24) 에 의해 나타낸 것과 같이, 요소 (8, 100 및 24) 는 환상면 (7) 의 주변 주위에 둘레적으로 복제되고, 연료 매니폴드 (99) 는 모든 선혼합기 입구를 공통적으로 공급하는 원통형 구조를 형성한다. 이 실시형태에서, 재순환 와류 흐름은 출구 (5) 로부터 입구 (6) 로 이며, 유입 선혼합물은 낮은 난류로, 재순환 와류 흐름과 동일한 방향으로 및 이에 대략 접선인, 매끄러운 출입을 초래하기 위해 디자인되는 방식으로 환상면 (7) 안으로 배향된다. 일 실시형태에서, 환상면 (7) 의 외부 벽의 환형상부 주변 주위에 균일하게 이격된, 대략 100 개 이상의 이러한 구멍 (24 등) 이 있을 수 있고, 이들 각각은 인치의 몇분의 1 의 직경을 갖고, 환상면 (7) 의 극도의 외부 둘레의 지점 바로 이전에 접선으로 배향된다. 예컨대, 일 실시형태에서, 환상면 (7) 의 외부 벽의 환형상부 주변 주위에 구성되는 대략 100 개 이상의 주입기 포트가 있을 수 있고, 이들 각각은 약 0.1 인치 ~ 약 0.2 인치의 직경을 갖는다. 일반적으로 균일하고 연속적인 선혼합 유입을 위해 다수의 주입기 포트를 갖고, 그리고 포트의 개수가 더 많을 수록, 포트 직경은 더 작은 (와류 컨테이너의 전체 치수에 대한 규모와 같은) 것이 바람직하며, 어떠한 특별한 크기의 규모에서의 더 많은 개수 및 더 작은 포트 사이즈는 작은 포트 직경에 의해 마찰이 증가하는 것과 같이 유체 흐름 고려 사항에 의해 제한된다. 이러한 방식으로, 유입 혼합물은 매끄럽게 들어가고, 와류 (22) 를 위한 경계 층을 형성한다.

와류 선혼합기 (31) 를 통하여 환상면 안으로 들어가는 선혼합 차지는 환상면 흐름을 강화/보장하고 또한 메인 흐름을 더 안정화시키기 위해 라디칼 (radical) 의 높은 연소 강도 풀 (high combustion intensity pool) 을 제공한다.

선혼합기 (31) 는 환상면 (7) 의 주변 주위에 어느 곳에도 위치될 수 있지만, 재순환이 출구로부터 입구 방향으로 이동하는 단일 와류일 때, 바람직하게는 도 4 에 나타낸 사분원이고, 더 바람직하게는 더 긴 잔류 시간을 위해 이 도면의 지점 (A) 에 가까운 입구 (즉, 중단 지점 (14) 에 더 가까움) 이다.

도 1 및 도 4 에 나타낸 선혼합기-TVC 조합은 어떻게 본 발명의 실시형태가 캔 연소기에 통합될 수 있는지를 반영한다. 큰 규모의 발전 응용에서, 다수의 이러한 연소기는 가스 터빈 안으로 배출하기 위해 일반적으로 원형 구성으로 사용될 수 있고, 그 후 전기 발전기에 결합된다.

공기 출입 포트 (8) 는 나타낸 캔 형상에서 환형 형상으로 또한 적응될 수 있다. 환형 형상의 포트의 구성은 도 4 에 나타낸 것과 위상적으로 (topologically) 유사하고, 환형 연소기의 주변 주위에 끼워지는 치수를 가질 수 있다. 환형 연소기가 큰 규모의 발전을 위한 가스 터빈에 또한 부착될 수 있다. 게다가, 본 발명의 환형 적응은, 예컨대 항공용 (터보 팬, 터보 젯, 램젯 등 포함) 메인 추진 젯 엔진 응용, 또는 APU 로서 사용하기 위한 더 작은 가스 터빈/전기 발전기에 응용될 수 있다. 다른 응용은 가스화 복합 발전 (IGCC) 플랜트, 및 열병합 발전 (CHP) 또는 병합 플랜트의 연소 터빈을 포함한다.

여기 설명된 와류 혼합기는 도 1 및 도 4 에 나타낸 것과 같이 곡선의 벽을 갖는 TVC 디자인으로 제한되지 않는다. 예컨대, 도 5 에 나타낸 것과 같이, 와류 선혼합기는 직사각형 벽 (534 등) 을 갖는 TVC 공동이 사용될 수 있다. 도 5 에 나타낸 것과 같이 연소기 (501) 내의 TVC 공동 (532) 은 3 개의 변이 대략 직사각형인 주위 벽 형상을 갖는다. (이 실시형태에서, TVC 공동 (531) 은 본질적으로는 TVC 공동 (532) 의 거울 상이고 유사하게 설정된다.) TVC 공동 (532) 은 화살표 (533) 에 의해 대략 나타낸 단일 와류가 연소기 (501) 를 통하여 메인 흐름 (534) 에 의해 그 안에 수립되도록 형상을 갖고 치수를 갖는다. 선혼합된 연료 및 공기는, 예컨대 화살표 (510 및 509) 에 대응하는 하나 또는 양 쪽의 위치에서 TVC 공동의 자연스러운 와류 흐름을 향상시키는 방식으로 유입될 수 있다. 화살표 (510) 의 경우, 선혼합물 주입은 와류 (533) 에 대략 접선이고 실질적으로 와류 (533) 에 인접한 벽 (534) 을 따라 들어간다. 화살표 (510) 와 연관되어 사용되는 또는 사용되지 않는 추가적인 선혼합기를 나타내는, 화살표 (509) 의 경우, 주입은 다시 와류 (533) 에 대략 접선이고, 또한 유입 흐름 (535) 이 와류 (533) 의 흐름과 합쳐지는 방향으로 실질적으로 정렬된다.

도 5 에 나타낸 TVC 디자인이 3 차원 직사각형 구조로 사용될 수 있고 (즉, 도 5 의 페이지 위 및 아래로 뻗어있음), 도 5 는 단면을 나타낸다. 대안적으로, 이러한 공동을 갖는 TVC 디자인은 환형 연소 챔버를 형성하기 위해 환 형상으로 3 차원적인 "끝 부분이 둥근 (wrap around)" 것일 수 있고, "상부" 및 "하부" 환상면 와류 공동은 직선의 벽을 가지며, 다시 단면은 도 5 에 묘사된 상부 및 하부 공동 영역 (531 및 532) 에 대응한다. 직사각형 디자인은 캔 연소기로서 사용될 수 있고, 환형 디자인은 환형 연소기로서 사용될 수 있고, 각각 도 1 및 도 4 의 실시형태에 대하여 설명된 것과 유사하게 응용에서 사용된다.

연료 스테이징

이전에 언급된 것과 같이, 선혼합기 (21 및 31) 는 독립적으로 기능할 수 있지만, 여기 설명된, 2 개의 선혼합기 (21 및 31) 의 조합, 또는 다른 타입의 직접 와류 주입 및 입구의 조합이 어떠한 TVC 응용의 연료 스테이징 계획에 사용될 수 있다.

입구 선혼합기 (21) 와 비교하여 와류 선혼합기 (31) 를 통한 연료 흡기의 증가는 엔진 턴다운 (turndown) 및 부분 파워 응용 동안 작동을 더 안정적이게 할 수 있다. 비교적 동일한 양의 공기를 양 쪽의 선혼합기 (31 및 21) 에 추가하는 것은 우수한 턴다운 성능을 허락한다. 이는 엔진 의존적일 수 있으며 이러한 부분은 변할 수 있다. 하지만, 통상적으로 선혼합기 (31) 를 통하는 공기가 일반적으로 선혼합기 (21) 를 통하는 공기보다 더 적거나, 또는 20 ~ 40 % 더 좁아야 한다.

더 일반적으로, 본 발명에서 일 실시형태에 의해 나타낸 것과 같이, 연료 스테이징은 좁은 밴드의 화염 온도를 유지하기 위해 연소기의 복수의 및 별개의 위치에서의 연료 주입을 수반하여, NOX/CO/UHC 배출은 목표 비율 미만이다. 엔진이 스풀 업 (spool up) 될 때, 연료는 화염 온도 (

) 가 그의 NOX 한계에 도달할 때까지 와류 선혼합기 (31) 의 구멍 (100) 을 통하여 초기에는 단독으로 주입된다. 도 6 의 (a) ~ 도 6 의 (d) 참조. 중간 파워 밴드 (도 6 의 (b)) 에서, 작동은 연료 공급이 주로 입구 선혼합기 (21) 를 통하도록 스위치된다. 높은 파워 범위 (도 6 의 (c)) 에서, 연료는 입구 선혼합기 (21) 와 와류 선혼합기 (31) 양 쪽을 통하여 주입된다. 이러한 방식으로 별개의 구역의 연료 공급은, 화염 온도 요구사항의 관점에서 요구되는 것과 같이, 규정된 제한 내로 NOX 및 CO 를 유지하면서 파워 곡선의 "워킹" 업 ("walking" up) 을 허락한다. 도 6 의 (e) 참조.

게다가, 연소기는 다수의 TVC 공동을 갖도록 디자인될 수 있고, 각각은 별개의 선혼합기 입구이다. 각각의 TVC 공동 안으로의 주입은, 최종 제어를 제공하기 위해, 그리고 단일 공동에서의 더 큰 연료 변화에 의지하는 것보다, 공동의 순서를 통하여 연료 공급의 증가 변화를 가능하게 하는 것에 의한 턴다운 동안 온도 균일성을 개선하기 위해, 서로에 대하여 그리고 입구 선혼합에 대하여 변할 수 있다.

도 1 및 도 4 의 실시형태의 참조에 의해, 바람직하게는, 와류 선혼합기 (31) 는 작동 동안 완전히 꺼지지 않는다. 그 보다는, 와류 선혼합기 (31) 를 적어도 최소한으로 켜지도록 유지하면서, 하나의 선혼합기로부터 다음의 선혼합기로 연료의 비율을 조정하는 것이 바람직하다.

다른 실시형태가 다수의 TVC 공동과 연관될 수 있다. 예컨대, 도 7a 에 나타낸 것과 같은 실시형태는 축선방향으로, 위치된 2 개의 TVC 공동인, 선혼합기 입구 (742 및 743) 와 대응하는, 상류 TVC 공동 (702) 및 하류 TVC 공동 (703), 뿐만 아니라 입구 선혼합기 (791) 를 포함한다.

다수의 선혼합기 공급 TVC 공동은 서로에 대하여 방사상으로 위치된 TVC 공동을 포함할 수 있다. 이러한 구성의 일 실시예는 도 7b 에 나타나 있고, 이는 방사상으로 구성된 공동 (712 및 713), 및 대응하는 선혼합기 입구 (752 및 753), 뿐만 아니라 입구 선혼합기 (792) 를 나타낸다.

도 7a 및 도 7b 에 도시된 것과 같은, 복수의 공동 구성의 각각의 TVC 공동은 나타낸 것과 같이 그 자체의 와류 선혼합기 입구를 가질 수 있고 (또는 대안적으로, 별개의 연료 및/또는 공기 입구), 다른 공동 및/또는 메인 입구와 독립적으로 연료 공급될 수 있다. 이러한 구성은 많은 수의 연료 공기 구역을 제공하고 따라서 더 많은 수의 연소 영역에 걸쳐 연료 공급 변화를 분산시킴으로써 더 양호한 턴다운 성능을 제공할 수 있다.

다른 실시형태에서, TVC 공동은 도 7c 및 도 7d 에 나타낸 것과 같이, 연소기의 내측에 단독으로 위치될 수 있다. 이러한 공동은, 예컨대 도 7c 의 공동 (722 및 723) 과 같이, 곡선으로 되어 있고 축선방향으로 스테이지되어 있을 수 있고, 선혼합기 입구 (762 및 763) (뿐만 아니라 입구 선혼합기 (793)) 와 대응하고, 도 7d 의 공동 (732 및 733) 과 같이 직선으로 되어 있고 축선방향으로 스테이지되어 있고 선혼합기 입구 (772 및 773) (뿐만 아니라 입구 선혼합기 (794)) 와 대응하거나, 또는 공동 형상, 위치 및 구성의 다른 조합일 수 있다.

바람직하게는, 축선방향으로 구성된 복수의 공동 TVC 실시형태에서, 가장 상류 공동 (최소인), 예컨대 도 7a 의 공동 (702) 은 비록 변할 수 있는 레벨이더라도, 작동 동안 연속적으로 연료 공급될 것이다. 방사상의 형상에서, 바람직하게는 반경의 가장 큰 공동 (최소인), 예컨대 도 7b 의 공동 (712) 은 변할 수 있는 레벨에서, 다시 작동 동안 연속적으로 연료 공급될 것이다.

상기 언급된 것과 같이, 상기 설명된 작동 방식은 본 기재에서 구체적으로 묘사되거나 설명된 입구 및 와류 선혼합기로 제한되지 않는다. 여기서 나타낸 "연료 스테이징" 의 작동의 원리는 여기서 구체적으로 교시된 선혼합기 디자인을 특별히 참조하여 주로 설명되지만, 입구 선혼합기 및 직접 와류 선혼합기의 조합을 제공하는 TVC 는 이 방법으로부터 잠재적으로는 유용할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.

독립적으로 연료 공급될 수 있는, 입구 선혼합기와 하나 이상의 와류 선혼합기의 조합은 극저 배출 성능을 위해 이전에 이용 가능한 것보다 더 양호한 최적화를 제공한다. 각각의 선혼합기는 바람직하게는 줄어든 혼합 길이 및/또는 규모를 제공하고, 엔진 작동 엔벨로프에 걸쳐 더 넓은 범위의 혼합도 균일성을 초래하고, 따라서 우수한 배출 성능을 초래하며, 이들은 복수의 연료 호환 가능하며 (가스 또는 액체), 어떠한 엔진 연료 일정에도 맞춰질 수 있으며 실제로 연료 스테이징 응용에 최적이다.

예컨대, 도 7a 에 나타낸 것과 같은 축선방향 복수 공동 레이아웃에서, 연소기를 턴업 및 턴다운하기 위한 하나의 연료 스테이징 계획은 0 ~ 33 % 파워로 제 1 환상면 선혼합기 입구 (742) 를 통하여 연료 공급하고, 선혼합기 (742) 를 중단하고 33 ~ 66 % 파워의 범위에 걸쳐 메인 입구 선혼합기 (791) 를 통하여 주로 연료 공급하고, 그 후 66 ~ 100 % 파워의 범위에 대하여 모든 3 개의 선혼합기 (791, 742 및 743) 를 통하여 실질적인 흐름을 사용하는 것과 연관될 수 있다. 유사하게 뿐만 아니라 변화된 계획은 도 1, 도 4, 도 6 의 (a) ~ 도 6 의 (c), 도 7a ~ 도 7d 에 묘사된 어떠한 레이아웃, 및 다른 형상을 위해 고안될 수 있다. 어떠한 실시형태에서, 각각의 선혼합기를 위한 연료 제어는 수동적으로 작동될 수 있고; 다른 실시형태에서, 제어는 파워, 온도, NOX 또는 CO 농도, 시간 등과 같은 입력을 기본으로 하여 컴퓨터화될 수 있거나 또는 수동 보조 장치 (manual override) 에 의해 컴퓨터화될 수 있다.

상기에 개요를 나타낸 연료 스테이징 접근은 도 1 및 도 4 와 관련하여 논의된 구조적 특징을 갖는 선혼합기를 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 예컨대, Haynes 등은 메인 연소기 입구 및 TVC 공동 양 쪽을 위해 종래의 선혼합기를 이용한다. 그럼에도 불구하고, 상기에 설명된 것과 유사한 기술은 하나의 선혼합기로부터 다른 선혼합기로의 연료 및 공기 흐름을 조정하기 위한 이러한 연소기에 의해, 또는 다양한 파워 밴드에 가장 잘 맞는 작동으로서, 선혼합기의 조합에 의해 실행될 수 있다.

유사하게, 상기 설명된 것과 같은 연료 스테이징의 유용성은, 큰 화염 파워 발전, 메인 추진 젯 엔진 (터보 팬, 터보 젯, 램젯 등을 포함) 및 APUs 를 포함하는 항공 응용, 뿐만 아니라 가스화 복합 발전 (IGCC) 플랜트, 및 열병합 발전 (CHP) 또는 병합 플랜트의 연소 터빈을 포함하는 가변 파워 출력을 요구하는 모든 타입의 가스 터빈 응용으로 확장된다.

따라서 본 발명은 상기 언급된 목적을 충족하고, 종래 기술을 넘어, 효용도 및 사용의 용이함에 대하여 많은 수의 이점을 제공하는 것이 명백하다. 본 발명은 상세하게 설명되었지만, 다양한 변화, 교체, 및 대안이 당업자에 의해 즉시 확인 가능하며 청구항에 의해 규정된 본 발명의 원리 및 내용을 벗어나지 않으면서 여기서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (21)

1. 에너지 방출/전환 시스템의 메인 유체 흐름 경로의 입구의 상류에 사용하기 위한 그리고 상기 에너지 방출/전환 시스템의 열 방출 구역과 별개의 연료/공기 선혼합기로서,
   (a) 상기 흐름 경로 내에 축선방향으로 정렬된, 상기 입구의 상류에 위치된 다수의 동심의, 동일 평면의, 공기 역학적 형상을 갖는 링 요소를 포함하며, 각각의 상기 링 요소는 연료를 위한 내부 통로를 갖고, 각각의 상기 링 요소는 또한 다수의 연료 주입 오리피스를 포함하고 이에 의해 연료는 상기 내부 통로로부터 상기 링에 가까운 입구 유체 흐름 안으로 흐를 수 있고, 상기 링 요소의 각각의 쌍은 그 사이에 환형 통로를 규정하고; 상기 링은 더 적합하게 되고, 이에 의해
   (i) 상기 연료 주입 오리피스는 축선방향으로부터 약 0 ~ 약 90 도의 절대값을 갖는 각도로 연료를 주입하도록 배향되고;
   (ii) 상기 다수의 연료 주입 오리피스는 불균일한 직경을 갖고, 상기 직경은 상이한 크기이며, 각각의 상기 크기는 특정 범위의 연료 공기 모멘텀 유속비를 제공하도록 선택되고; 및
   (b) 상기 링 요소와 동일 평면이고 상기 링 요소와 상호 연결되는 다수의 방사상으로 구성된, 공기 역학적 형상을 갖는 스포크 요소를 포함하며, 적어도 하나의 상기 스포크 요소는 연료를 위한 내부 통로를 갖고, 상기 스포크 요소 내의 상기 내부 통로는 스포크 요소가 부착되는 링 요소의 상기 내부 통로와 유체 연통하고, 상기 링 및 상기 스포크로 규정되는 연결된 내부 통로는 또한 연료 소스와 유체 연통하는 연료/공기 선혼합기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각도의 절대값은 축선방향으로부터 약 30 ~ 약 60 도인 연료/공기 선혼합기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 각도의 절대값은 축선방향으로부터 약 60 ~ 약 90 도인 연료/공기 선혼합기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각도의 절대값은 상기 축선방향으로부터 약 70 도인 연료/공기 선혼합기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 각도의 절대값은 상기 축선방향으로부터 약 90 도인 연료/공기 선혼합기.
6. 제 1 항에 있어서, 약 2 ~ 약 5 개의 상기 링을 포함하는 연료/공기 선혼합기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 링의 치수 및 개수는 50 % 이하의 상기 입구의 흐름 차단을 제공하도록 선택되는 선혼합기.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 링의 치수 및 개수는 40 % 이하의 상기 입구의 흐름 차단을 제공하도록 선택되는 연료/공기 선혼합기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 소스와의 유체 연통은 상기 동심 링의 가장 외측의 링의 내부 통로를 통하여 상기 선혼합기에 들어가는 연료/공기 선혼합기.
10. 제 1 항에 있어서, 캔 연소기에 사용하기 위해, 상기 입구의 단면의 중앙에 대략적으로 위치되는 허브 요소를 더 포함하고, 상기 허브 요소는 상기 스포크 요소에 연결되고 연료를 위해 안에 내부 통로를 갖는 상기 적어도 하나의 스포크 요소와 유체 연통하는 내부 통로를 안에 갖는 연료/공기 선혼합기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 연료 소스와의 유체 연통은 상기 허브의 내부 통로를 통하여 상기 선혼합기에 들어가는 연료/공기 선혼합기.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 오리피스는 낮은 연료 공기 모멘텀 유속비를 위한 크기를 갖는 더 작은 직경의 오리피스의 세트 및 더 높은 연료 공기 모멘텀 유속비를 위한 크기를 갖는 더 큰 직경의 오리피스의 적어도 하나의 세트를 포함하는 연료/공기 선혼합기.
13. 제 2 항에 있어서, 상기 링 요소의 인접한 쌍의 오리피스는 서로를 향하는 연료/공기 선혼합기.
14. 제 12 항에 있어서, 각각의 상기 오리피스의 세트는 상기 링 요소 주위에 둘레적으로 대략 균일하게 이격되는 연료/공기 선혼합기.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 오리피스는 낮은 연료 공기 모멘텀 유속비를 위한 크기를 갖는 더 작은 직경의 오리피스의 세트 및 더 높은 연료 공기 모멘텀 유속비를 위한 크기를 갖는 더 큰 직경의 오리피스의 적어도 하나의 세트를 포함하고, 상기 링 요소의 인접한 쌍에서 서로를 향하는 오리피스는 상이한 직경인 연료/공기 선혼합기.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 오리피스는 낮은 파워 작동에 적합한 더 작은 오리피스의 하나의 세트, 중간 파워 작동에 적합한 오리피스의 하나의 세트 및 높은 파워 작동에 적합한 오리피스의 하나의 세트를 포함하는 연료/공기 선혼합기.
17. 제 1 항에 따른 에너지 방출/전환 시스템 및 선혼합기를 포함하는 조립체로서, 가스 터빈을 더 포함하고, 상기 조립체는 전력 발전에 적합한 조립체.
18. 제 1 항에 따른 에너지 방출/전환 시스템 및 선혼합기를 포함하는 조립체로서, 가스 터빈을 더 포함하고, 상기 조립체는 항공용 추진 젯 엔진으로서 사용하는데 적합한 조립체.
19. 제 1 항에 따른 에너지 방출/전환 시스템 및 선혼합기를 포함하는 조립체로서, 가스 터빈을 더 포함하고, 상기 조립체는 보조 전력 발전 유닛으로서 적합한 조립체.
20. 제 1 항에 따른 에너지 방출/전환 시스템 및 선혼합기를 포함하는 조립체로서, 가스 터빈을 더 포함하고, 상기 조립체는 열병합 플랜트를 위한 연소 터빈으로서 적합한 조립체.
21. 제 1 항에 따른 에너지 방출/전환 시스템 및 선혼합기를 포함하는 조립체로서, 가스 터빈을 더 포함하고, 상기 조립체는 가스화 복합 발전 플랜트를 위한 연소 터빈으로서 적합한 조립체.
    

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