KR20140107552A - 유동 트리핑 장치를 갖는 캔 환형 연소 설비 - Google Patents

유동 트리핑 장치를 갖는 캔 환형 연소 설비 Download PDF

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KR20140107552A
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사머 피. 와지프
유르겐 마이즐
베르트람 야누스
안드레아스 코흐
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

가스 터빈 엔진(10)을 위한 캔 환형 연소 설비(12)로서, 이는 헤드 단부(62)에 입구(46)를 갖는 연소기 캔(14); 플레넘(18)으로부터 입구(46)로 압축된 공기의 유동을 전달하기 위해 연소기 캔(14)을 둘러싸는 환형 챔버(30); 압축된 공기의 유동 안으로 연료의 유동을 분사하도록 구성되는 연료 분사기(49); 및 연소기 캔(14)을 둘러싸고 연료 분사기(49)의 하류인 환형 챔버(30)에 배치되는 유동 트리핑 장치(60)를 포함한다.

Description

유동 트리핑 장치를 갖는 캔 환형 연소 설비 {CAN ANNULAR COMBUSTION ARRANGEMENT WITH FLOW TRIPPING DEVICE}
본 출원은 미국 가특허 출원 번호 제 61/578,444 호의 2011년 12월 21일에 출원일자의 이득을 주장하며 이는 인용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 발명은 캔 환형 연소 설비(can annular combustion arrangement)를 갖는 가스 터빈 엔진 내의 연소기 입구를 향하는 압축된 공기 유동을 조작하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연소기 캔을 둘러싸는 환형 유동 챔버 내에 배치되는 유동 트리핑 장치(flow tripping device)에 관한 것이다.
캔 환형 연소 설비들을 갖는 가스 터빈 엔진들은 압축된 공기를 연소 설비로 전달하는 압축기들을 갖는다. 압축된 공기는 디퓨저(diffuser)를 통하여 압축기를 빠져나가고 연소 설비가 압축된 공기를 빼내는 플레넘(plenum)으로 들어간다. 플레넘은 연소 섹션 케이싱에 의해 외측 상에 경계가 정해진다. 복수의 탑 햇(top hat)들 및 포탈(portal)들을 포함하는 탑 햇 설비가 연소 섹션 케이싱의 일부로서 사용될 수 있다. 탑 햇 설비들은 각각의 연소기 캔들의 적어도 부분들을 에워싸는 별개의 방사상으로 연장하는 챔버들을 제공한다. 별개의 연소기 캔들은 터빈 섹션의 터빈 블레이드들의 제 1 열의 직상류에서 최종적으로 종료되는 각각의 그리고 별개의 전이 덕트들을 공급한다. 따라서 각각의 탑 햇 설비는 각각의 연소기 캔 및/또는 전이 덕트에 의해 형성되는 내부 경계에 의해 각각의 환형 챔버의 외부 경계를 형성한다.
통상적인 예비 혼합 캔 환형 연소기에서, 점화 버너(pilot burner)가 연소기 캔 내에 중앙식으로 배치되고 대칭식으로 배치된 복수의 예비 혼합 버너들에 의해 둘러싸인다. 연소기의 구조가 그의 흐름 축선을 중심으로 대칭이지만, 연소기 캔 입구로 들어가는 압축된 공기는 압축기로부터 연소기 입구로의 공기에 의해 취해지는 소용돌이형 경로로 인해 주변에 고르게 분산되지 않을 수 있고, 각각의 예비 혼합 버너에는 동일한 양의 연료가 전달될 수 있지만, 각각의 예비 혼합 버너에는 상이한 양의 압축된 공기가 수용될 수 있다. 결과적으로, 공연비들은 예비 혼합 버너마다 변할 수 있다. 게다가, 각각의 버너에 들어가는 공기는 변화하는 국부적 난류를 가질 수 있다. 또한, 이러한 파라미터들은 동력 출력을 변경함으로써, 및/또는 연소기 캔 입구로 이동하는 공기의 공기 역학에 영향을 미치는, 압축기로 들어가는 공기의 밀도 및 습도를 변하게 하는 주위 기상 조건들을 변경시킴으로써 변경될 수 있다.
이러한 요인들을 수용하기 위하여 연소기 캔 입구로 들어가는 공기를 조정하기 위해 Kajita 등의 U.S. 특허 제 4,129,985 호에 개시된 것과 같은 에어포일(airfoil)들을 사용하는 것과 같은 다양한 접근법들이 취해져 왔다. 하지만, 이러한 접근들 중 어느 것도 문제를 완전하게 해결하는 것처럼 보이지 않았다. 그 결과, 당 업계에는 개선을 위한 여지가 남아있다.
본 발명은 이하를 나타내는 도면들의 관점에서의 이후의 설명에서 설명된다.
도 1 은 유동 트리핑 장치를 갖는 가스 터빈 엔진의 예시적인 실시예의 부분 횡단면도이다.
도 2 는 도 1 의 라인 2-2 를 따른 횡단면이다.
도 3 내지 도 5 는 다양한 대안적인 실시예들에서 도 2 의 라인 3-3 을 따라 볼 수 있는 대안적인 횡단면들이다.
도 6 은 도 1 의 대안적인 예시적인 실시예의 라인 2-2 를 따른 횡단면이다.
본 발명자들은 가스 터빈 엔진에 사용될 수 있는 것과 같은 캔 환형 연소기의 해로운 방출물들을 감소시키는 신규한 방식을 발견하였다. 발명자들은 연소기 캔 및/또는 전이부를 둘러싸는 환형 챔버 내에 놓이는 아치 형상의, 주변으로 연장하는 유동 트리핑 장치가 연소기 입구를 가로지르는 기류를 정상화시킬 것이며, 그에 의해 연소 화염을 더 균일하게 하고 연소를 안정화시키기 위해 요구되는 점화 버너 화염의 양을 감소시키며, 이는 결국 감소된 방출물들을 초래하는 것을 발견하였다.
도 1 은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진(10)의 예시적인 실시예의 부분 횡단면도이며 이 가스 터빈 엔진은 연소기 캔(14) 및 전이 덕트(16)를 포함하는 캔 환형 가스 연소 설비(12)를 갖는다. 전이 덕트(16)의 적어도 일부는 연소 섹션 케이싱(20) 내에 형성되는 플레넘(18) 내에 배치된다. 개별적인 연소기 캔(14)들은 연소 섹션 케이싱(20)의 환형 부분(22)을 통하여 연장하고 각각의 연소기 캔(14)은 개별적인 포탈(26) 및 연관된 탑 햇(28)을 포함하는 탑 햇 설비(24)에 의해 둘러싸인다. 탑 햇 설비(24)는 연소기 캔(14)의 적어도 일부를 둘러싸고 환형 챔버(30)를 형성하며, 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25)은 환형 챔버(30)의 외부 경계(32)를 형성하고, 연소기 캔(14)의 외부 표면(34)은 환형 챔버의 내부 경계(36)를 형성한다. 환형 챔버(30)의 횡단면은 완벽하게 원형의 내부 및 외부 경계들을 가질 필요는 없으며; 환형 챔버의 횡단면의 단지 일반적인 형상이 일반적으로 환형일 필요가 있다. 또한 환형 챔버의 횡단면은 압축된 공기의 유동 방향을 따라 직경을 변경시킬 수 있다.
가스 터빈 엔진(10)은 가스 터빈 엔진 길이방향 축선(50)에 대한 축방향(42)으로 압축된 공기를 전달하는 축방향 압축기(40)를 포함한다. 디퓨저(44)가 축방향으로 유동하는 압축된 공기를 수용하고, 이 압축된 공기를 산란시키며(diffuse) 이를 플레넘(18)으로 전달한다. 디퓨저를 빠져나가는 공기는 연소 프로세스에 사용되기 직전에 연소기 캔 입구(46)에 최종적으로 들어가야만 한다. 하지만, 연소기 캔 입구(46)는 가스 터빈 엔진 길이방향 축선(50)에 대하여 디퓨저 출구(48)의 방사상으로 외부 방향 그리고 후방 방향(압축기에 더 가까움)이다. 결과적으로, 플레넘(18) 내에서 공기는 가스 터빈 엔진 길이방향 축선(50)으로부터 방사상으로 외부 방향으로 그리고 그 후 이 축선에 대하여 후방 방향으로 이동하도록 회전되어야만 한다. 압축된 공기는 환형 챔버(30)로의 그의 진로에서 작용하기 이전에 전이 덕트(16)와 같은 공기 역학 장애물들 주위를 또한 이동해야만 한다. 환형 챔버(30) 내에는 다른 공기 역학 장애물들이 존재한다. 예시적인 실시예에서, 예컨대 연소 설비(12)는 환형 챔버(30) 내에 배치된 연료 분사기(49)를 포함할 수 있다. 연료 분사기(49)는 연소기 캔 입구(46)로 들어가는 예비 혼합된 연료 및 공기 혼합물을 제공하기 위해 압축된 기류 안으로 연료를 분사한다. 다양한 다른 구조적(즉, 파이핑, 스트럿들 등) 공기 역학 장애물들이 또한 존재할 가능성이 있다.
방향 변경들 및 공기 역학 장애물들의 결과로서, 환형 챔버(30)의 주변에 걸쳐 존재하는 균일한 유동 대신, 유동은 유량, 난류, 공기 밀도, 그리고 공기와 연료 분사기(49)로부터의 연료의 혼합 정도는 좀더 변할 가능성이 있다. 예컨대, 디퓨저 출구(48)를 빠져나가는 공기의 모멘텀(momentum)은 환형 챔버(30)의 대량 유동 영역(52)에서 유동하는 더 많은 공기 질량을 초래할 가능성이 있지만, 소량 유동 영역(54)은 소량의 질량 유동을 볼 가능성이 있다. 이러한 패턴은 연소기 캔 입구(46)까지 모든 진로에서 계속될 수 있다. 결과적으로, 대량 유동 영역(52)에 가까운 버너(56)들은 소량 유동 영역(54)에 가까운 버너(56)들보다 더 많은 양의 공기 질량을 수용하고, 그리하여 전달할 가능성이 있다. 주변에 배치된 버너(56)들이 동일한 양의 연료를 제공하지만 상이한 양의 공기를 전달한다면, 연료/공기 혼합물은 버너들 사이에서 변할 것이며, 하류 연소 구역 내의 연소 화염은 균일하지 않을 것이며, 대신 예컨대 더 많은 공기를 전달하는 버너들의 하류에서는 화염은 더 희박해질 것이며, 더 적은 공기를 전달하는 버너들의 하류에서는 화염은 더 풍부해질 것이다. 화염이 희박한 섹션들은 덜 안정적이고, 그리하여 점화 버너(58)로부터의 더 안정화시키는 도움이 요구된다. 점화 버너는 단지 연소기 캔으로 가는 전체 연료의 낮은 퍼센티지만을 사용하는 반면, 방출물들의 최대 대략 30 내지 70 % 는 점화 버너와 연관된다. 본 발명은 이러한 비대칭을 감소시키고, 결과적으로 방출물들의 감소가 가능하다.
이러한 개선은 환형 챔버(30) 내에 배치되는 유동 트리핑 장치(60)에 의해 달성된다. 제한을 의미하지 않는 하나의 예시적인 실시예에서, 유동 트리핑 장치(60)는 환형일 수 있고 연소기 바스켓 헤드 단부(62) 또는 연소기 바스켓 하류 단부(64)에 연결될 수 있다. 대안적인 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치는 헤드 단부(62)를 하류 단부(64)에 연결하는 플랜지일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치(60)는 환형 챔버(30)의 길이부를 따라 어느 곳에도 위치될 수 있다.
유동 트리핑 장치(60)는 기류에 대한 장애물의 역할을 하고 그 자체로 압축된 기류 내에서 어떠한 압력 손실을 발생한다. 종래 기술의 가스 터빈 엔진들은 통상적으로 가능하다면 언제든지 이러한 압력 손실들을 피하기 위해 디자인되는데, 이는 압력 손실들이 엔진의 전체 효율에 부정적으로 영향을 미치기 때문이다. 본 발명자들은 결과적인 압력 손실에도 불구하고, 유동 트리핑 장치(60)를 이러한 위치에 의도적으로 그리고 혁신적으로 위치시켰으며, 해로운 방출물들의 결과적인 감소(하나의 예시적인 실시예에서 10 내지 20%)가 압력 손실의 적은 증가보다 상업적으로 더 가치가 있는 것을 발견하였다.
유동 트리핑 장치(60)는 환형 챔버를 압축된 공기가 통과하여 흐를 수 있는 갭(70)으로 좁아지게 한다. 이는 도 1 의 예시적인 실시예에서 볼 수 있으며, 갭(70)의 축방향 연장부(72)는 어떠한 공기 역학적인 두드러진 구조물에 의해 방해받지 않는다. 구체적으로는, 예시적인 실시예에서, 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25)은 유동 트리핑 장치(60)와 연소기 캔 입구(46) 사이에서 하류 방향으로 내부 방향으로 테이퍼지지 않는다. 하지만, 도 1 의 예시적인 실시예에서, 내부 경계(36)는 축방향 연장부(72)의 영역 안으로 돌출하지 않으면서 입구(46)에서 직경이 증가한다.
유동 트리핑 장치(60)는 아치형 형상이고 주변으로 연장한다. 이 유동 트리핑 장치는 연소기 캔(14)의 외부 표면(34) 상에 배치될 수 있고 연소기 캔 길이방향 축선(74)에 대하여 방사상으로 외부 방향으로 연장할 수 있다. 대안적으로는, 이 유동 트리핑 장치는 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25) 상에 배치될 수 있고 연소기 캔 길이방향 축선(74)에 대하여 방사상으로 내부 방향으로 연장할 수 있고, 그 자체는 이러한 표면들에 일치할 것이다.
예시적인 실시예에서, 유동 트리핑 장치는 헬름홀츠 공진기(Helmholz reaonator)(도시되지 않음)들을 위한 개구들 및/또는 냉각 개구들과 같은, 연소기 캔(14) 내의 임의의 다른 개구들의 압축된 공기의 흐름 내의 하류, 및 연소기 캔 입구(46)의 상류인 환형 챔버(30) 내에 배치될 수 있다. 연료 분사기(49)를 갖는 예시적인 실시예들에서, 유동 트리핑 장치는 그의 하류에 또한 위치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치(60)는 연소기 캔의 출구보다 입구에 더 근접하여 배치될 수 있다. 또한, 다중 유동 트리핑 장치들이 사용될 때, 유동 트리핑 장치들은 연소기 캔 길이방향 축선(74)에 대하여 상이한 위치들에 있을 수 있다. 예컨대, 예시적인 실시예에서 제 2 유동 트리핑 장치(78)는 연소기 캔 길이방향 축선(74)에 대하여 뿐만 아니라 환형 챔버(30) 내의 압축된 공기의 유동에 대하여 더 상류에 배치될 수 있다. 이 장치는 대량 유동 영역(52) 내에 또한 배치될 수 있고, 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25)으로부터 연장할 수 있다.
해로운 배출물들에서의 개선을 야기하는 정확한 메커니즘은 완전히 이해되지 않으며, 발명자들은 특별한 이론에 의해 구속되는 것을 원하지 않는다. 하지만, 유동 트리핑 장치(60)가 사용될 때, 연소 화염은 더 안정적이고, 따라서 점화 화염으로부터 요구되는 도움의 양은 감소하고, 그리하여 방출물들은 감소한다. 고려되는 하나의 이론은 유동 트리핑 장치(60)가 연소기의 중심으로 그리고 따라서 점화 버너로 더 많은 예비 혼합된 연료/공기를 배향할 수 있고, 이는 화염의 안정성을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이는 몇몇의 가능한 요인들 중 임의의 요인의 결과일 수 있다. 제 1 요인은 공기를 방사상으로 외부 방향으로 강제하여 공기가 선회 영역에 도달할 때 연소기 캔의 중심을 향하여 더 많이 호를 그릴 수 있게 되는, 유동 트리핑 장치(60)에 의해 생성된 와류들일 수 있다. 제 2 요인은 연소기의 표면으로의 압축된 기류의 밀착의 감소의 결과일 수 있다. 이러한 밀착은 난류에서보다 층류에서 더 크고, 난류의 증가에 의해, 유동은 "달라붙지(stick)" 않아서 가능한 한 많은 표면은 이 유동이 선회 영역에 도달할 때 이 유동이 들어오기 위해 선회하기 전에 연소기 캔 입구를 지나 더 멀리 이동하는 것을 가능하게 하고, 연소기 캔의 내부 표면에 점착시키는 것에 대한 감소된 요구와 함께 이러한 추가의 거리는 선회 유동이 점화 버너를 향해 방사상으로 내부 방향으로 더 이동하는 것을 허용하기에 충분할 수 있다. 압축된 공기가 연소기 캔 입구를 "오버슈팅(overshooting)"하는데 기여할 수 있는 제 3 요인은 유동 트리핑 장치(60)와 대향 표면(25) 사이의 벤츄리(venturi)를 통과할 때의 압축된 공기에 부여되는 증가된 모멘텀이며, 이는 압축된 공기를 가속한다. 환형 챔버 내에 C-스테이지 연료 분사기를 포함하는 연소 설비의 경우에, C-스테이지 연료와 공기의 예비 혼합이 매우 철저하고, 이러한 완전히 예비 혼합된 연료/공기 혼합물을 점화 버너들 자체의 덜 완전하게 예비 혼합된 연료/공기 혼합물에 부가하는 것은 방출물 감소에 기여할 수 있다는 것이 또한 이론화된다.
다른 이론은 유동 트리핑 장치(60)가 쵸크 포인트(choke point) 따위를 제공할 수 있고, 환형 챔버(30)의 주변을 주위로 더 균일한 유동의 재분산을 초래한다는 것이다. 이는 결국 연소 캔 입구 안으로의 (주변에서)더 균일한 유동을 생성하고, 이는 각각의 예비 혼합 버너들에 더 균일한 유동을 제공하며, 점화 버너 안으로 더 균일한 유동, 및 따라서 더 균일한 화염을 제공한다. 화염 안정성이 예비 혼합된 공기-연료 혼합물의 대부분의 희박 부분에 의해 제한되기 때문에, 더 균일한 화염을 갖는 것은 전체 혼합물이 안정성 제한 내에서 다소 더 희박하게 되는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 더 낮은 배출물들을 초래한다.
다른 이론은 환형 챔버(30) 내에 링과 같은 C-스테이지 연료 분사기를 포함하는 연소 설비들을 위하여, 유동 트리핑 장치(60)는 입구(46)의 압축된 공기 유동 상류에서 연료를 더 균일하게 혼합할 수 있다는 것이다. 몇몇의 이러한 이론들이 옳을 수 있고/있거나 또 다른 현상이 작용하는 것으로 생각된다.
정확한 기본적인 메커니즘과 관계없이, 유동 트리핑 장치(60)에 의해 가능하게 된 더 안정적인 화염은 점화 버너로부터 더 적은 도움을 요구하고, 따라서 점화 버너의 역할은 감소될 수 있고, 따라서 버너의 전체 방출물들은 감소될 수 있다. 이러한 모든 것은 지금까지 바람직하지 않은 것으로 여겨져 온 환형 챔버(30) 내의 압축된 공기의 유동 내의 압력 강하를 유발하는 장치를 사용하여 달성된다. 따라서, 개시된 것과 같은 유동 트리핑 장치(60)를 사용하는 것은 반직관적이다.
도 2 는 도 1 의 라인 2-2 을 따른 횡단면을 도시한다. 환형 챔버(30)는 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25) 및 연소기 캔(14)의 외부 표면(34)에 의해 형성되는 것으로 나타날 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 도시된 유동 트리핑 장치(60)는 완전히 환형이고, 유동 트리핑 장치(60)와 탑 햇 설비(24)의 내부 표면(25) 사이의 갭(70)을 남겨 놓는다. 하나의 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치는 환형 챔버(30)를 형성하는 다른 표면으로의 진로의 20 % 이상의 유동 내에 장착되는 표면으로부터 연장할 수 있다. 이는 도 2 의 예시적인 실시예에서 볼 수 있으며, 유동 트리핑 장치(60)는 방사상으로 외부 방향으로 연장하며, 대안적으로는 제 2 유동 트리핑 장치(78)는 방사상으로 내부 방향으로 연장한다. 대안적인 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치는 환형 챔버(30)를 형성하는 다른 표면으로의 진로의 30 % 이상에 장착되는 표면으로부터 연장할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치는 환형 챔버(30)를 형성하는 다른 표면으로의 진료의 절반 이상에 장착되는 표면으로부터 연장할 수 있다.
유동 트리핑 장치가 링 형상이고 유동 트리핑 장치가 방사상으로 외부 방향으로 연장하도록 유동 트리핑 장치(60)와 같이 장착되는 예시적인 실시예를 위해서, 유동 트리핑 장치(60)가 환형 챔버의 높이의 20 % 의 높이를 가질 때(즉, 방사상으로 내부 표면으로부터 외측으로 진로의 20 % 만큼 연장할 때), 유동 트리핑 장치는 환형 챔버를 유동 트리핑 장치(60)를 제외한 환형 챔버(30)의 횡단면적의 대략 85 % 를 초과하지 않는 횡단면적을 갖는 갭(70)으로 감소시킬 것이다. 유동 트리핑 장치(60)가 링 형상이고, 방사상으로 외부 방향으로 연장하며, 환형 챔버의 높이의 30 % 의 높이를 갖는 예시적인 실시예를 위하여, 유동 트리핑 장치는 환형 챔버를 유동 트리핑 장치(60)를 제외한 환형 챔버(30)의 횡단면적의 77 % 를 초과하지 않는 횡단면적을 갖는 갭(70)으로 감소시킬 것이다. 유동 트리핑 장치가 방사상으로 외부 방향으로 연장하고, 링 형상이며, 환형 챔버의 높이의 50 % 의 높이를 갖는 예시적인 실시예를 위하여, 유동 트리핑 장치는 환형 챔버를 유동 트리핑 장치(60)를 제외한 환형 챔버(30)의 횡단면적의 58 % 를 초과하지 않는 갭(70)으로 감소시킬 것이다. 주어진 퍼센티지들은 단지 예들이며 제한을 의미하지 않는다. 연소기 입구(46)로의 유동을 적절하게 조정하기에 효과적인 한 임의의 퍼센티지가 사용될 수 있다. 유동 트리핑 장치가 방사상으로 내부 방향으로 연장하는 예시적인 실시예들에서, 남아있는 갭의 면적은 방사상으로 외부 방향으로 연장하는 유동 트리핑 장치들을 위해 상기 주어진 것들보다 약간 더 작을 것이며 이는 방사상으로 내부 방향으로 연장하는 유동 트리핑 장치에 의해 점유되는 갭(70)의 면적이 더 클 것이기 때문이다.
마찬가지로, 유동 트리핑 장치가 환형 챔버(30)의 주변의 단지 부분에 대하여, 예컨대 주변의 90 도, 또는 1/4 에 대하여서만, 그 후 유동 트리핑 장치가 배치되는 환형 챔버의 부분(즉, 유동 트리핑 장치(60)의 단부들에 의해 범위가 정해지는 부분)에 대하여서 주변으로 연장하는 예시적인 실시예에서, 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 이러한 부분을 유동 트리핑 장치(60)를 제외한 환형 챔버(30)의 퍼센티지인 갭(70)으로 감소시킬 것이다. 유동 트리핑 장치(60)는 상이한 주변 위치들에서 상이한 양들 만큼 방사상으로 연장할 수 있다. 예컨대, 링 형상의 실시예에서 유동 트리핑 장치(60)는 방사상으로 더 연장할 수 있고, 대량 유동 영역(52)에서 더 작은 갭(70)을 초래한다. 대량 유동 영역(52)으로부터 멀리 있는 주변 위치들에서 유동 트리핑 장치(60)는 덜 연장할 수 있다. 이러한 방식으로 다양한 레벨들의 유동 트리핑 및 제한이 단일 유동 트리핑 장치(60)에 의해 상이한 주변 위치들에서 달성될 수 있다.
유동 트리핑 장치(60)는 도 3 내지 도 5 에 나타낸 것과 같이 라인 3-3 을 따라 다양한 횡단면 형상들을 가질 수 있다. 예컨대, 유동 트리핑 장치(60)가 플랜지일 때, 횡단면 형상은 도 3 에 도시된 것과 유사할 수 있다. 횡단면 형상은 둥글수 있거나, 유동 트리핑 장치 베이스(76)가 환형 챔버(30)를 형성하는 표면(25, 34)들 중 하나에 고착될 수 있도록, 도 4 의 유동 트리핑 장치(66)의 예시적인 실시예에 도시된 것과 같이 반원형일 수 있다. 도 5 에 도시된 다른 예시적인 실시예에서 유동 트리핑 장치(68)는 날개(vane)의 형상과 같은 더 공기 역학적 형상을 취할 수 있다. 특별한 실시예에서 유동 트리핑 장치(68)는 유동 트리핑 장치(68)의 연소기 입구 측 상에 꼬리형 에지(trailing edge)(79)를 갖는 도 5 에 도시된 것과 같은 물방울(teardrop)의 형태일 수도 있다. 도 5 의 예시적인 실시예에서 꼬리형 에지(79)는 오목할 수 있지만, 다른 예시적인 실시예들에서 꼬리형 에지(79)는 볼록하거나, 편평하거나 또는 공기 역학 날개 형상을 형성하기 위해 요구되는 임의의 조합의 형상들을 포함할 수 있다. 장방형 횡단면적을 갖는 유동 트리핑 장치(60)의 유동에 걸친 유동 트리핑 장치(60)의 존재로부터 초래되는 유동 내의 감소된 압력 강하를 초래할 임의의 이러한 공기 역학 형상은 본 발명의 범주 내에서 고려된다.
도 6 은 몇몇의 유동 트리핑 장치(60)들이 사용되는 대안적인 예시적인 실시예의 도 1 의 라인 2-2 에서의 횡단면이고, 장치들 각각은 주변 방향으로 기다랗고, 각각은 환형 챔버(30)의 전체 주변보다 적게 걸쳐있지만, 연소기의 주변의 개별적인 버너들의 부분과 연관된 양 이상이다. 예컨대, 주변에 배치된 8 개의 버너들이 있다면, 각각은 연소기 캔(14)의 주변의 대략 45 도로 주변에 걸쳐있을 것이다. 마찬가지로 그 후, 유동 트리핑 장치(60)는 대략 45 도로 걸쳐있을 수 있다. 개별적인 버너와 연관된 양으로 걸쳐지는 것은 각각의 특별한 버너를 위한 유동을 조절하는데 특히 유용할 수 있다. 예컨대, 제 1 유동 트리핑 장치(80)가 대량 유동 영역(52)으로부터의 압축된 공기의 비교적 대량 유동을 수용하는 대량 유동 버너로부터의 압축된 공기의 유동 내의 상류인 대량 유동 영역(52) 내에 배치될 수 있다. 이러한 위치 지정은 대량 유동 영역(52) 내의 유동을 방해할 수 있으며, 이는 소량 유동 영역(54) 및 대량 유동 버너에 인접한 버너들에 유동을 주변에 재배분하는데 사용될 수 있다. 8 개 초과의 버너들이 있는 대안적인 예시적인 실시예에서, 유동 트리핑 장치(60)는 45 도 미만에 걸쳐있도록 구성될 수 있다. 예컨대, 12 개의 버너들이 있다면 유동 트리핑 장치는 주변의 1/12, 또는 30 도에 걸쳐있을 수 있다. 8 개보다 더 적은 버너들이 또 다른 대안적인 예시적인 실시예에서, 유동 트리핑 장치(60)는 45 도를 초과하여 걸쳐있도록 구성될 수 있다. 예컨대, 6 개의 버너들이 있다면, 유동 트리핑 장치(60)는 주변의 1/6, 또는 60 도에 걸쳐있을 수 있다. 결과적으로, 제 1 유동 트리핑 장치(80)는 연소기 캔 내의 버너들의 개수로 나눈 360 도로부터 최대 360 도까지 임의의 수의 각도에 걸쳐있을 수 있다.
제 1 유동 트리핑 장치(80)의 단부(82)들은 방사상으로 및/또는 주변으로 둥글 수 있다. 대안적으로는, 제 2 유동 트리핑 장치(84)에서, 단부들은 직선일 수 있다. 유동 트리핑 장치들의 코너(86)들은 날카롭거나 또는 둥글 수 있다. 제 1 및 제 2 유동 트리핑 장치(80, 82)들 양자는 비교적 작은 갭(70')들을 남긴다. 제 3 유동 트리핑 장치(88)는 더욱 큰 갭(70")을 남길 수 있으며, 제 1 유동 트리핑 장치(80)보다 더 짧은, 그리고 제 2 유동 트리핑 장치(84)보다 더 긴 주변 거리에 걸쳐있을 수 있다. 주변 위치들의 임의의 모음에서와 같이, 그리고 횡단면 형상들(즉, 물방울, 원형 등)의 임의의 조합에서, 횡단면 높이들 및 주변 길이들의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 각각의 유동 트리핑 장치(80, 84, 88)들은 연소기 캔 길이방향 축선(74)에 대하여 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 예컨대, 예시적인 실시예에서 제 1 유동 트리핑 장치(80)는 제 2 유동 트리핑 장치(84) 및/또는 제 3 유동 트리핑 장치(88)보다 압축된 공기의 유동에 대하여 더 상류일 수 있다(즉, 페이지(page)의 밖). 압축된 공기의 유동의 이러한 진로는 주변으로 가이드될 수 있지만 다중 장치들에 의해서, 각각은 요구되는 넷 효과(net effect)를 제공하기 위해 그 자체의 역할을 수행한다. 이러한 방식으로 환형 챔버 내의 유동은 주변 주위에 더 균등하게 분산될 수 있어서 예비 혼합 버너(56)들은 동일한 유동들에 접근하고, 또한 점화 버너(58) 내에서 유동은 주변에서 더 균일한 것을 볼 수 있다.
주변 단부(82)들이 있는 비-링 형상의 예시적인 실시예들에서, 공기의 일부가 단부들을 지나면서 주변으로 이동할 것이지만, 제 1 단부를 지나갈 때 주변 움직임은 제 1 방향일 것이고, 제 2 단부를 지나갈 때 주변 움직임은 대향하는 제 2 방향일 것이며, 이는 단지 구체적으로 부여된 소용돌이에 대향하는 것과 같은 유동 트리핑 장치(60)의 존재의 결과인 것이 기대된다.
도 6 의 예시적인 실시예에서, 환형 챔버(30)는 3 개의 별도의 횡단면 부분(90, 92, 94)들을 갖는 것을 볼 수 있다. 각각의 횡단면 부분(90, 92, 94)은 각각의 유동 트리핑 장치(80, 84, 88)들의 단부(82)들에 의해 범위가 정해진다. 예시적인 실시예에서, 이러한 횡단면 부분(90, 92, 94)들 내에서 유동 트리핑 장치(80, 84, 88)들은 장치의 단지 상류에서 환형 챔버의 횡단면적의 45 % 이상을 점유한다. 유동 트리핑 장치는 거의 환형 챔버(30)에 걸친 전체 거리에 걸쳐있는 지점으로 연장하지만, 어떠한 종류의 갭(70', 70")이 항상 존재한다.
전술한 내용에 비추어 보면 발명자들은 제작하기에 비싸지 않고, 유지하기 위한 비용들이 사실상 없으며, 넓은 범위의 디자인 유연성을 제공하지만, 반면 최대 16 % 만큼 해로운 방출물들을 감소시키는 매우 간단한 유동 트리핑 장치를 개발한 것이 분명하다. 따라서, 이는 당업계에서의 개선을 의미한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예로서 제공된 것이 자명할 것이다. 수많은 변형들, 변경들 및 대체들이 본원의 본 발명으로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (19)

  1. 가스 터빈 엔진을 위한 캔 환형 연소 설비(can annular combustion arrangement)로서,
    연소기 캔;
    플레넘(plenum)으로부터 연소기 캔의 입구로 압축된 공기의 유동을 전달하기 위해 연소기 캔을 둘러싸는 환형 챔버;
    압축된 공기의 유동 안으로 연료의 유동을 분사하도록 구성되는 연료 분사기; 및
    상기 연소기 캔을 둘러싸고 연료 분사기의 하류인 환형 챔버 내에 배치되는 링 형상의 유동 트리핑 장치를 포함하는,
    캔 환형 연소 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 방사상으로 내부 방향 경계를 형성하는 제 1 표면에 고착되고, 상기 유동 트리핑 장치는 제 1 표면과 환형 챔버의 방사상으로 외부 방향 경계를 형성하는 제 2 표면 사이에 환형 갭을 형성하는,
    캔 환형 연소 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 방사상으로 외부 방향 경계를 형성하는 제 2 표면에 고착되고, 상기 유동 트리핑 장치는 제 2 표면과 환형 챔버의 방사상으로 내부 경계를 형성하는 제 1 표면 사이에 환형 갭을 형성하는,
    캔 환형 연소 설비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 높이의 20 % 이상을 점유하는,
    캔 환형 연소 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치의 높이는 주변에서 변하는,
    캔 환형 연소 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 횡단면적의 15 % 이상을 점유하는,
    캔 환형 연소 설비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 연소기 캔의 헤드 단부 섹션을 연소기 캔의 고물 섹션(aft section)에 접합하는 플랜지를 포함하는,
    캔 환형 연소 설비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 유동 트리핑 장치의 연소기 입구 측 상에 꼬리형 에지를 갖는 물방울 형상을 포함하는,
    캔 환형 연소 설비.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 날개 형상의 횡단면을 포함하는,
    캔 환형 연소 설비.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 압축된 공기의 유동에 제공되는 곡선 리딩 에지(curved leading edge)를 포함하는,
    캔 환형 연소 설비.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 연소기 캔의 출구보다 입구에 더 근접하여 배치되는,
    캔 환형 연소 설비.
  12. 연소기 캔을 포함하는 캔 환형 연소 조립체;
    상기 연소기 캔의 외부 표면을 둘러싸고 그에 의해 부분적으로 형성되는 환형 챔버; 및
    상기 환형 챔버 내에 배치되고 환형 챔버의 주변의 퍼센티지에 걸쳐 주변으로 연장하는 아치형상의 유동 트리핑 장치로서, 이 퍼센티지는 360 도를 연소기 캔의 버너들의 수로 나눈 몫 이상과 동일한 유동 트리핑 장치를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버 내에 연료/공기 혼합물을 생성하도록 구성되는 연료 분사기의 하류에 배치되는,
    가스 터빈 엔진.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 압축된 공기의 비교적 더 큰 질량 유동의 영역 내의 환형 챔버의 측 상에 배치되는,
    가스 터빈 엔진.
  15. 제 12 항에 있어서,
    360 도 미만으로 연장하는 유동 트리핑 장치를 포함하는 환형 챔버의 부분에서, 상기 유동 트리핑 장치는 환형 챔버의 부분의 15 % 이상을 점유하는,
    가스 터빈 엔진.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 날개 형상 횡단면을 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 환형 챔버 내의 상이한 위치들에 배치되는 복수의 유동 트리핑 장치들을 더 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치들은 연소기 캔의 길이방향 축선에 대하여 상이한 축방향 위치들에 배치되는,
    가스 터빈 엔진.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 트리핑 장치는 압축된 공기가 유동하는 갭을 형성하고, 연소기 캔 길이방향 축선에 평행한 갭의 축방향 연장부의 적어도 부분은 환형 갭과 연소기 캔 입구 사이에서 방해받지 않는,
    가스 터빈 엔진.
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