KR20150074155A - 희석 가스 혼합기를 가진 연속 연소 - Google Patents

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워 총 히라레스 루이스 타이
미르코 루벤 보티엔
자안 헬라트
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Abstract

본 발명은 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 동안 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합기(117), 제 2 버너(113), 및 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 연속 연소기 장치(104)에 관한 것이다. 상기 혼합기(117)는 저압 강하와 함께 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 연도 가스를 냉각시키도록 상기 희석 가스를 혼합하기 위해 상기 혼합기(117)의 측벽들(116)로부터 내향으로 향하는 복수의 분사관들(114, 115)을 포함한다. 본 개시물은 또한 이러한 연소기 장치(104)를 구비한 가스 터빈(100)을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

희석 가스 혼합기를 가진 연속 연소{SEQUENTIAL COMBUSTION WITH DILUTION GAS MIXER}
본 발명은 연소기 장치 내에서 희석 가스를 혼합하는 가스 터빈용 연속 연소기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연소기 장치 내에서 희석 가스를 혼합하는 가스 터빈을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
바람 또는 태양과 같은 불규칙한 재생 가능 소스들에 의한 증가된 전력 생성 때문에, 기존의 가스 터빈 기반 발전소들은 전력 수요의 균형을 맞추고 또한 그리드(grid)를 안정화시키도록 점점 사용된다. 따라서 개선된 작동 융통성이 요구된다. 이것은 가스 터빈이 종종 기저 부하 디자인 지점보다 낮은 부하로, 즉, 낮은 연소기 입구 및 점화 온도로 작동된다는 것을 암시한다.
동시에, 배출 제한값들 및 전체 배출 허용값들은 점점 더 엄격화되어, 이 값들이 누적 배출 제한값들을 차지함에 따라, 낮은 배출값들에서 작동하고, 부분 하중 작동에서 그리고 과도 상태 동안 낮은 배출물을 유지하는 것이 요구된다.
최신의 연소 시스템들은 예를 들어, 연소기 입구 질량 유동을 조정하거나 또는 다른 버너들, 연료 스테이지들 또는 연소기들 사이의 연료 분할을 제어하여, 작동 상태들에서 특정한 가변성에 대처하도록 디자인된다. 그러나, 이것은 새로운 필요 조건들을 충족시키기엔 불충분하다.
배출물 및 작동적 유연성을 더 감소시키기 위해서, 연속 연소가 DE 10312971 A1호에 제안되었다. 작동 조건들, 특히, 제 1 연소 챔버의 고온 가스 온도에 따라, 제 2 버너(또한 연속 버너로 지칭됨)에 진입되기 전에 고온 가스를 냉각하는 것이 필수적일 수 있다. 이 냉각은 연료 분사 및 제 2 버너 내의 제 1 연소기의 고온 연도 가스와 분사된 연료의 예혼합을 허용하는데 유리할 수 있다.
종래의 냉각 방법들은 주요 고온 가스 유동에서 고압 강하를 초래하거나 또는 측벽들로부터 냉각 매체의 분사를 제안하는 열 교환기 구조를 요구한다. 측벽들로부터의 냉각 매체의 분사를 위해 전체 유동이 어려운 제어된 냉각 및 이러한 연소기 장치로 작동되는 가스 터빈의 효율성에 해로운 고압 강하가 요구된다.
본 개시물의 목적은 제 1 연소 챔버 및 제 2 버너 사이의 희석 가스 혼합을 위해 혼합 부분을 구비한 연속 연소기 장치를 제안하는 것이다. 희석 가스는 제 2 버너에 적절한 입구 유동 조건들을 제공하도록 혼합 부분에서 혼합된다. 특히, 고온 가스가 냉각된다.
높은 입구 온도는 제 2 버너에서 높은 배출물(특히, NOx, CO, 및 미연 탄화수소) 및/또는 플래시백(flashback)을 초래할 수 있다. 플래시백 및 NOx는 연소 동안 국소적 고온 스폿들에서 초래되는 연료 공기 혼합에 대한 감소된 시간 또는 더 용이한 점화(플래시백을 야기)를 야기하고 그 결과 NOx 배출물을 증가시키는, 높은 입구 가스 온도 또는 높은 산소 농도에 기인하는 분사된 연료에 대한 감소된 자기 점화 시간에 의해 유도된다. 저온 구역들은 증가된 자기 점화 시간 때문에, CO 배출물을 야기할 수 있다. 이것은 CO 대 CO2 번아웃(burnout)에 대한 시간 및 또한 CO 대 CO2 번아웃을 늦출 수 있는 감소된 국소적 화염 온도를 감소시킬 수 있다. 최종적으로, 국소적 고온 스폿들은 혼합기의 하류의 특정한 부품들의 과열을 야기할 수 있다.
본 개시물에 따른 연속 연소기 장치는 제 1 버너, 제 1 연소 챔버, 작동 동안 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합 장치, 제 2 버너, 및 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된 제 2 연소 챔버를 포함하고, 상기 혼합기는 제 1 연소 챔버 및 제 2 버너 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 안내하도록 구성되고 제 1 연소 챔버와의 연결을 위해 구성된 상류 단부에서 입구 및 제 2 버너와의 연결을 위해 구성된 하류 단부에서 출구를 갖는 덕트를 포함한다.
국소적 높은 산소 농도는 국소적 고온, 예를 들어, 혼합에 대한 시간을 감소시키는 빠른 반응, 높은 연소 온도, 증가된 NOx 배출물 및 가능하게는 플래시백과 유사한 효과를 가질 수 있다. 국소적 낮은 산소 농도는 국소적 저온, 예를 들어, 증가된 CO 및 UHC(미연소 탄화수소) 배출물을 초래하는 느린 반응과 유사한 효과를 가질 수 있다.
빠르거나 느린 국소적 입구 속도는 제 2 버너 및 뒤이어 제 2 연소 챔버에서 증가 또는 감소된 체류 시간을 초래할 수 있고, 이는 비균질 자기 점화 시간과 같은 부정적 효과를 갖고, 예를 들어, 제 2 버너에서 감소된 체류 시간은 불완전한 혼합 및 높은 NOx를 초래할 수 있다. 제 2 연소기에서 감소된 체류 시간은 증가된 CO 배출물을 초래하는 불완전 연소를 야기할 수 있다. 제 2 버너에서 감소된 유동 속도는 이른 점화 및 플래시 백을 야기할 수 있다.
공기 역학 시점으로부터 추가의 중요한 필요 조건들은 고온 가스 경로에서의 압력 감소의 최소화 및 희석 가스 공급이다. 둘 다는 이러한 연소기 장치로 작동하는 가스 터빈의 성능에 영향을 줄 수 있다.
제 1 실시예에 따르면, 혼합기는 제 2 버너에 적절한 입구 조건들을 제공하기 위해 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 가스를 혼합하기 위해 덕트의 벽들로부터 내향으로 향하는, 복수의 분사관들을 포함한다.
이 관들의 직경, 길이 및 수는 희석 가스와 고온 가스 유동을 혼합하도록 디자인되어 요구되는 국소적 질량 유동 및 온도 강하가 저압력 강하에 의해 성취된다. 일반적으로 분사관들은 혼합 전에 희석 가스 압력의 전체 압력의 0.4% 내지 2%의 압력 강하에 의해 희석 가스의 혼합을 허용한다. 분사기 관들의 입구에서 저압력 강하에서, 혼합 전의 희석 가스 압력의 전체 압력의 0.2% 내지 1%의 압력 강하가 충분할 수 있다. 입구 압력 강하를 감소시키기 위해, 둥근 관 입구들이 사용될 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 상기 연소기 장치는 상기 측벽에 대해 수직인 고온 가스 유동부 내에 제 1 침투 깊이를 갖는 제 1 분사관들 및 측벽에 대해 수직인 제 2 침투 깊이를 갖는 제 2 분사관들을 포함한다. 제 2 분사관들의 침투 깊이는 제 1 분사관들의 침투 깊이보다 작을 수 있다.
측벽들에 대해 수직으로 배열된 관들에 대해, 고온 가스 경로 내로 연장하는 관들의 깊이는 침투 깊이와 동일하다.
추가의 실시예에 따르면, 제 1 분사관의 침투 깊이 대 제 2 분사관의 침투 깊이의 비는 2 초과이다. 또 다른 실시예에서, 제 1 분사관의 침투 깊이 대 제 2 분사관의 침투 깊이의 비는 3 초과이다.
또 다른 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 분사관 사이의 길이를 갖는 적어도 하나의 제 3 분사관이 혼합기 내에 배열된다. 예를 들어, 제 3 분사관들은 제 1 분사관들의 상류 또는 하류에 배열될 수 있고 제 1 분사관의 60% 내지 80%의 길이를 갖는다.
하나의 실시예에 따르면, 혼합기 내의 제 1 분사관들의 위치에서 유동 경로의 단면의 동등한 직경 대 제 1 분사관들의 침투 깊이의 비는 2.5 내지 8의 범위 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 혼합기 내의 제 1 분사관들의 위치에서 유동 경로의 단면의 동등한 직경 대 제 1 분사관들의 침투 깊이의 비는 3 내지 6의 범위 내에 있다. 캔 구조인 혼합기들에 대해, 동등한 직경은 유동 덕트의 영역과 동일한 단면적을 제공하는 원형 덕트 또는 관의 직경이다. 환형 구조인 혼합기들에 대해, 동등한 직경은 환형 덕트의 높이(즉, 외경 빼기 내경)이다.
하나의 실시예에 따르면, 제 2 분사관의 길이 대 제 2 분사관의 직경의 비는 1/4보다 작다. 이 실시예에서, 희석 가스는 최소 압력 손실과 함께 측벽들에 가깝게 혼합될 수 있다. 이 짧은 관은 측벽들의 경계층을 넘어서 혼합된 희석 가스의 관통 및 주요 유동으로의 혼합을 허용한다.
추가의 실시예에 따르면, 혼합기는 제 1 분사관들 및 측벽을 따라 배열된 분사 구멍들을 포함한다. 제 1 분사관들은 고온 가스 유동 경로의 중앙 구역을 향해 희석 가스를 혼합하도록 배열되고 분사 구멍들은 고온 가스 유동 경로의 벽 구역들 내로 희석 가스를 혼합하도록 배열된다.
고온 가스 유동 경로에서 압력 강하를 최소화하기 위해, 제 1 분사관들과 가깝게 제 2 분사관들 또는 분사 구멍들을 배열하는 것이 유리할 수 있다. 제 1 분사관과 가까운 제 2 분사관들 또는 분사 구멍들로부터 분사된 희석 가스는 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 특히, 제 2 분사관들 또는 분사 구멍들은 제 1 분사관들의 하류에 배열될 수 있고, 그 역도 가능하며, 즉, 제 1 분사관들 또는 구멍들은 제 2 분사관들 또는 분사 구멍들의 하류에 배열될 수 있다. 제 2 분사관이 제 1 분사관의 하류에 배열된다면, 제 1 분사관들의 웨이크(wake)를 보상할 수 있고 따라서 제 1 분사관들에 기인한 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 제 2 분사관이 제 1 분사관의 상류에 배열된다면, 제 1 분사관의 부근에서 유동 속도는 제 2 분사관의 웨이크 및 제 2 분사관의 분사된 희석 공기 때문에 감소되고 따라서 또한 압력 강하를 감소시킨다.
추가의 실시예에 따르면, 고온 가스의 유동 방향에서 제 1 분사관 및 제 2 분사관, 각각 분사 구멍들 사이의 거리는, 제 1 분사관의 직경의 3배 미만, 바람직하게 제 1 분사관들의 직경의 2.5배 미만이다. 단거리는 혼합기의 전체 길이를 감소시키고 웨이크로의 효과적인 분사를 허용한다.
하나의 실시예에 따르면, 하나의 길이의 관들, 예를 들어, 제 1 분사관들은 혼합기를 통해 유동하는 고온 가스의 주요 유동 방향에 대해 수직인 하나의 면에서 혼합기의 벽을 따라 원주 방향으로 분포되어 배열된다.
추가의 실시예에 따르면, 관들은 혼합기의 벽을 따라 원주 방향으로 분포되어 배열되고 혼합기를 통해 유동하는 고온 가스의 주요 유동 방향에 대해 수직인 면에 대해 스태거링(staggered)된다. 스태거(stagger)는 고온 가스 유동 경로 내로 연장하는 관들의 방해를 감소시킨다. 혼합기 길이를 짧게 유지하도록, 스태거는 관 직경의 1/2 미만일 수 있다. 방해를 효과적으로 감소시키도록, 스태거는 바람직하게 관 직경의 10% 초과, 더 바람직하게는 관 직경의 25% 초과여야 한다.
혼합기의 관들은 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스에 노출된다. 관들은 본질적으로 관들을 통해 유동하는 희석 가스에 의해 냉각된다. 그러나, 관들의 수명을 증가시키기 위해서, 관들의 온도를 감소시키는 추가의 조치가 적용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 관의 내측 상의 열전달 계수가 증가된다. 증가된 열전달에 대해 냉각 리브들(rib) 및/또는 핀 필드는 분사관들의 내면 상에 배열될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 관의 외면은 열 장벽 코팅(TBC)으로 코팅된다. 추가의 실시예에서, 열 장벽 코팅은 관의 앞 가장자리 상에 적용된다. 예를 들어, 이것은 앞 가장자리로부터 +/-45°의 구역일 수 있다. TBC와 결합하여 또는 TBC에 대한 대안으로서, 확산 냉각 구멍들은 관 상에 적용될 수 있어, 희석 가스의 일부가 냉각 구멍들을 통해 배출되고 이에 따라 관 벽들의 열 부하를 감소시킨다. 바람직하게 확산 냉각 구멍들은 관의 측면의 하류 상에 배열된다. 희석 가스는 고온 가스의 전체 압력에 대해 저압차로 분사될 수 있다. 따라서 앞 가장자리에서의 분사는 불가능할 수도 있다. 게다가, 하류 측면의 확산 냉각에 의해, 혼합기 압력 강하의 관 웨이크의 부정적인 효과가 적어도 부분적으로 경감될 수 있다.
본 개시물의 목적들 중 하나는 고온 가스 유동 경로에서 저압 강하로 희석 가스의 혼합을 허용하는 혼합기를 제공하는 것이다. 압력 강하를 감소시키기 위해서 느린 유동 속도가 유리하다. 하나의 실시예에 따르면, 연소기 장치의 혼합기는 고온 가스의 유동 속도를 감소시키도록 희석 가스 혼합의 상류에서 확산기 부분을 포함한다. 대안적으로 또한 혼합기는 희석 가스의 혼합에 기인하여 체적 유동이 증가함에 따라 유동 영역을 증가시키도록 희석 가스 혼합 구역에서 확산기 부분을 포함한다. 유동 영역의 증가는 축 방향 유동 속도를 일정하게 유지하도록 체적 유동과 동일한 속도를 가질 수 있다. 추가의 실시예에서 유동 영역의 증가가 선택되어 평균 축 방향 속도의 증가가 혼합 위치 상류의 축 방향 속도의 20% 내에 있게 된다.
추가의 실시예에서, 분사관들은 고온 가스의 유동 방향에 대해 90° 미만의 각으로 경사져서 관들을 떠나는 희석 가스는 분사의 위치에서 고온 가스 유동 방향으로 유동 성분을 갖는다.
바람직하게 분사관들은 비스듬히 경사져서 관들을 떠나는 희석 가스의 축 방향 성분이 분사의 위치에서 고온 가스 유동의 축 방향 유동 속도와 같거나 또는 +/-50% 이내에 있다.
연소기 장치 외에, 이러한 연소기 장치를 포함하는 가스 터빈이 본 개시물의 주제이다. 이러한 가스 터빈은 적어도 하나의 압축기와, 제 1 버너, 제 1 연소 챔버, 작동 동안 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합 장치, 제 2 버너, 및 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된 제 2 연소 챔버를 구비한 연소기 장치를 포함하고, 상기 혼합기는 상기 제 1 연소 챔버 및 상기 제 2 버너 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로 및 터빈에서 연소 가스를 안내하도록 구성되고 상기 제 1 연소 챔버와의 연결을 위해 구성된 상류 단부에서 입구 및 상기 제 2 버너와의 연결을 위해 구성된 하류 단부에서 출구를 갖는 덕트를 포함한다. 혼합기는 희석 가스가 고온 가스를 냉각하기 위해 작동 동안 혼합되도록 배열된다.
가스 터빈 외에, 이러한 가스 터빈을 작동시키는 방법이 본 개시물의 주제이다. 희석 가스는 고온 가스가 냉각되도록 혼합기에서 고온 가스와 혼합될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 희석 가스는 혼합기의 단면의 다른 구역들에 희석 가스를 유입하도록 다른 길이들을 갖는 분사관들 및/또는 구멍들을 통해 분사된다. 하나의 실시예에서, 제 1 분사관들은 고온 가스 유동 경로의 중앙 구역을 향해 희석 가스를 혼합하도록 배열되고 제 2 분사관들 또는 분사 구멍들은 고온 가스 유동 경로의 벽 구역들 내로 희석 가스를 혼합하도록 배열된다.
유출물 냉각은 연소기 벽들 및/또는 혼합 부분의 측벽들을 냉각시키도록 사용될 수도 있다.
희석 공기의 하류에서 희석 공기 및 고온 가스 사이의 분사 혼합은 유동 경로의 축소에 의해 향상될 수 있다.
연속 연소를 참조하면, 연소기들의 결합이 다음과 같이 배치될 수 있다:
제 1 및 제 2 연소기들 둘 다 연속 캔-캔 구조로 구성된다.
제 1 연소기는 환형 연소 챔버로 구성되고 제 2 연소기는 캔 구조로 구성된다.
제 1 연소기는 캔 구조로 구성되고 제 2 연소기는 환형 연소 챔버로 구성된다.
제 1 및 제 2 연소기들 둘 다 환형 연소 챔버들로 구성된다.
발명, 발명의 성질뿐만 아니라 발명의 이점들이 첨부된 도면들의 도움으로 아래에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 희석 가스를 혼합하는 혼합기를 가진 연속 연소를 사용하는 일반적인 가스 터빈을 도시한 도면들.
도 2a는 제 1 및 제 2 분사관들을 가진 혼합기를 도시한 도면.
도 2b는 제 1 분사관들 및 분사 구멍들을 가진 혼합기를 도시한 도면.
도 2c는 제 1 분사관들 및 분사 구멍들 및 분기 혼합기 측벽들을 갖는 혼합기를 도시한 도면.
도 2d는 제 1 및 제 2 분사관들 및 압축기 플레넘으로부터의 직접적인 희석 가스 공급부를 갖는 혼합기를 도시한 도면.
도 3은 고온 가스 유동 방향으로 경사진 제 1 및 제 2 분사관들의 벽 부분을 도시한 도면.
도 4는 스태거링된 제 1 및 제 2 분사관들을 가진 혼합기 측벽의 부분을 도시한 도면.
도 5는 내측벽 및 외측벽 상에 배열된 제 1 및 제 2 분사관들을 가진 환형 구조의 혼합기의 부분을 도시한 도면.
도 6은 원통형 벽 상에 배열된 제 1 및 제 2 분사관들을 가진 캔 구조의 혼합기의 부분을 도시한 도면.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명에 따른 연속 연소기 장치(104)를 갖는 가스 터빈(100)을 도시한다. 가스 터빈은 압축기(103), 연소기 장치(104) 및, 터빈(105)을 포함한다. 연소기 장치(104)는 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 및 작동 동안 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합기(117)를 포함한다. 혼합기(117)의 하류에서, 연소기 장치(104)는 추가로 제 2 버너(113), 및 제 2 연소 챔버(102)를 포함한다. 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 혼합기(117), 제 2 버너(113) 및 제 2 연소 챔버(102)는 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된다. 연료는 제 1 연료 분사부(123)를 통해 제 1 버너(112)에 유입될 수 있고, 압축기(103)에서 압축되는 압축 공기와 혼합될 수 있고, 제 1 연소 챔버(101)에서 연소될 수 있다. 희석 가스는 차후의 혼합기(117)에서 혼합된다. 추가의 연료는 제 2 연료 분사부(124)를 통해 제 2 버너에 유입될 수 있고, 혼합기(117)를 떠나는 고온 가스와 혼합될 수 있고, 제 2 연소 챔버(102)에서 연소될 수 있다. 제 2 연소 챔버(102)를 떠나는 고온 가스는 차후의 터빈(105)에서 팽창되고, 작업을 실행한다. 터빈(105) 및 압축기(103)는 샤프트(106) 상에 배열된다.
터빈(105)을 떠나는 배기 가스(107)의 여열은 스팀 생성을 위해 열 회수 스팀 생성기 또는 보일러(도시되지 않음)에서 또한 사용될 수 있다.
여기에 도시된 예에서, 압축기 배출 가스는 희석 가스로서 혼합된다. 일반적으로 압축기 배출 가스는 압축된 외기이다. 연도 가스 재순환부(도시되지 않음)를 가진 가스 터빈들에 대해, 압축기 배출 가스는 외기 및 재순환된 연도 가스의 혼합물이다.
일반적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(100)의 샤프트(106)에 연결되는 발전기(도시되지 않음)를 포함한다.
혼합기(117)의 다른 예시적인 실시예들은 도 1a 내지 도 1d의 확대한 부분으로서 도 2a 내지 도 2d에 도시된다. 도 2a는 길이(L)를 갖는 제 1 분사관들(114) 및 제 1 분사관들(114)의 하류에 배열된 길이(l)를 갖는 제 2 분사관들(115)을 포함하는 혼합기의 제 1 예를 도시한다. 이 예에서 압축기 플레넘으로부터의 압축 가스는 희석 가스(110)로서 연결 덕트(111)에 연소기 라이너를 따라 안내된다. 연결 덕트(111)로부터 희석 가스(110)는 제 1 분사관들(114) 및 제 2 분사관들(115)을 통해 혼합기 내로 분사된다. 혼합기(117)는 높이(H)를 갖는 단면을 갖는다.
환형 단면을 갖는 혼합기가 배열될 수 있다. 환형 혼합기에 대해, 높이(H)는 환형 유동 부분의 외벽 및 환형 유동 부분의 내벽의 직경 사이의 차이이다. 원통형 단면(캔과 같은 혼합기 장치)을 갖는 혼합기에 대해 높이(H)는 단면의 직경이다. 분사된 희석 가스(110)와 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스의 양호한 혼합이 보장되도록, 제 1 분사관들(114)의 높이(L) 및 제 2 분사관들(115)의 높이(l)가 선택된다.
도 2b는 분사 구멍들(118) 및 길이(L)를 갖는 제 1 분사관들(114)을 포함하는 혼합기(117)의 예를 도시한다. 도 2a의 제 2 분사관들(115)은 분사 구멍들(118)로 대체된다. 분사 구멍들의 사용은 혼합기(117) 내의 고온 가스 유동의 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 높이(H)가 분사 구멍들(118) 및 길이(L)를 갖는 제 1 분사관들(114)을 통해 희석 가스의 혼합과 함께 양호한 혼합을 하는데 충분히 작다면 사용될 수 있다.
도 2c는 길이(L)를 갖는 제 1 분사관들(114) 및 제 1 분사관들(114)의 하류에 배열된 길이(l)를 갖는 제 2 분사관들(115)을 포함하는 혼합기의 또 다른 예를 도시한다. 고온 가스 유동에서의 압력 손실을 감소시키기 위해서, 희석 가스가 혼합되는 혼합기의 구역 내에 분기 측벽들(116)을 갖는 혼합기가 배열된다. 분기 측벽들(116) 때문에, 혼합기의 단면은 확산기에서처럼 증가한다. 이 단면의 증가는 유동 속도의 감소 및 제 1 분사관들(114) 및 제 2 분사관들(115)에 의해 야기된 압력 강하의 감소를 야기한다. 또한 고온 가스 유동 내로의 희석 가스의 분사에 의해 유도된 압력 강하를 감소시킨다.
도 2d는 도 2a의 예에 기초한 예를 도시한다. 이 예에서, 희석 가스(110)는 압축기 플레넘(압축기(103)의 하류에 있음)으로부터 제 1 분사관들(114) 및 제 2 분사관들(115)에 직접 공급된다. 제 1 분사관들(114) 및 제 2 분사관들(115)은 압축기 플레넘 내로 연장하고 따라서 고압 및 저온(희석 가스로서 사용되기 전에 연소기의 냉각에 기인한 온도 픽업 없이)의 희석 가스(110)가 이용 가능하다.
도 3은 경사진 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)을 갖는 혼합기(117)의 벽 부분을 도시한다. 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)은 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)의 압력 강하를 감소시키도록 고온 가스 유동 방향으로 경사진다. 바람직하게 관들을 떠나는 희석 가스가 고온 가스의 유동 속도(vhot)와 동일한, 분사 위치에서 고온 가스 유동 방향으로의 축 방향 유동 성분(vd , ax)을 갖도록, 경사각으로 경사진다. 희석 가스는 희석 가스의 속도(vd)로 분사관(114, 115)을 떠난다. 이것은 희석 가스의 축 방향 속도(vd , ax)로 고온 가스 유동 방향으로의 성분 및 고온 가스 유동에 대해 수직인 희석 가스의 속도(vd ,n)를 갖는 고온 가스 유동에 대해 수직인 유동 성분을 갖는다. 고온 가스 유동에 대해 수직인 희석 가스의 속도(vd ,n)는 고온 가스 유동 내로의 희석 가스의 관통 및 고온 가스 유동과의 혼합을 용이하게 한다.
도 3의 예에서, 열 장벽 코팅(TBC)(119)은 그 온도를 감소시키도록 분사관들(114, 115)의 상류 측면에 적용된다. TBC는 예를 들어, 상류 절반의 일부분 또는 전체 분사관(114, 115) 상에 적용될 수 있다. 또한, 냉각 구멍들(120)이 하류 측면 상에 적용된다. 관 벽을 냉각시키는 것 외에, 냉각 구멍들(120)로부터 분사된 냉각 공기는 분사관들(114, 115)의 웨이크 내로 분사되고 이에 의해 고온 가스 유동에서의 압력 강하가 감소된다.
도 4는 직경(D)을 갖는 스태거링된 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)을 구비한 혼합기(117)의 측벽(116)의 컷아웃 부분의 상면도를 도시한다. 제 1 분사관들은 고온 가스의 유동 방향에 대해 수직인 면(A'), 면(A)에 각각 배열된다. 제 1 분사관들은 스태거에 의해 스태거링되고, 즉, 면(A)은 면(A')에 대해 유동 방향으로 소정 거리에 배열된다. 스태거 때문에, 2개의 인접한 제 1 분사관들(114) 사이의 자유 거리(f')는 스태거링되지 않은 2개의 인접한 분사관들 사이의 자유 거리(f)와 비교할 때 증가된다.
제 1 및 제 2 분사관들(114, 115) 사이에 거리를 갖는 제 1 분사관들(114)의 하류에 동일한 스태거(s)를 가진 제 2 분사관들(115)이 배열된다. 도시된 예에서 제 2 분사관들(115)의 직경(d)은 제 1 분사관들(114)의 직경(D)과 동일하다.
도 5는 환형 구조인 혼합기(117)의 부분의 예를 도시한다. 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)은 중간에 환형 고온 가스 유동 경로를 원주 방향으로 갖고서 배열되는 내측벽 및 외측벽(116) 상에 배열된다. 고온 가스는 고온 가스의 속도(vhot)로 혼합기(117) 내로 유동한다. 결과로 초래된 가스는 혼합 가스의 속도(vmix)로 혼합기(117)를 떠난다.
단 하나의 환형 측벽(116)으로부터 분사관들을 통한 혼합이 또한 예를 들어, 외측벽(도시되지 않음)으로부터 실현 가능하다. 이것은 분사관들로의 희석 가스의 공급을 용이하게 할 수 있다.
도 6은 캔 구조인 혼합기의 부분의 예를 도시한다. 도 6은 원통형 측벽(116)의 컷아웃을 도시한다. 제 1 및 제 2 분사관들(114, 115)은 원통형 벽(116) 상에 배열된다. 제 2 분사관들(115)은 고온 가스 유동 속도(vhot)의 방향으로 제 1 분사관들(114)의 하류에 배열된다. 제 1 및 제 2 분사관(114, 115)의 입구는 분사관(114, 115)을 진입하는 희석 가스의 압력 손실을 감소시키도록 둥글다. 제 2 분사관(115)은 둥근 입구의 반경의 약 2배인 길이를 갖는다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 캔-캔 구조로 배열될 수 있고, 즉, 제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 캔 연소 챔버이다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 캔-환형 구조로 배열될 수 있고, 즉, 제 1 연소 챔버(101)는 환형 연소 챔버로 배열되고 제 2 연소 챔버(102)는 캔 연소 챔버로 배열된다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 환형-캔 구조로 배열될 수 있고, 즉, 제 1 연소 챔버(101)는 캔 연소 챔버로 배열되고 제 2 연소 챔버(102)는 환형 연소 챔버로 배열된다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 환형-환형 구조로 배열될 수 있고, 즉, 제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 환형 연소 챔버들이다.
혼합기(117)의 혼합 질은 제 2 연소 챔버(102)의 버너 시스템이 규정된 입구 온도 및 입구 속도 프로파일을 요구하기 때문에 중요하다.
설명된 모든 이점들은 명시된 조합들로만 한정되지 않지만 또한 본 개시물의 범위로부터 벗어나지 않고서 다른 조합들 또는 단독으로 사용될 수 있다. 다른 가능성들이 선택적으로 예를 들어, 개별 버너들 또는 버너들의 그룹들을 비활성화시키기 위해 고려 가능하다. 또한, 희석 가스는 혼합기(117) 내의 혼합 전에 냉각 공기 냉각기에서 재냉각될 수 있다. 또한, 분사관들 또는 분사 구멍들의 배열이 반전될 수 있고, 즉, 짧은 제 2 분사관들 또는 구멍들이 긴 제 1 분사관들의 상류에 배열될 수 있다. 또한, 추가의 관 길이 및 관 직경 조합들로 추가의 관 유형들이 있을 수 있다.
100: 가스 터빈
101: 제 1 연소기
102: 제 2 연소기
103: 압축기
104: 연소기 장치
105: 터빈
106: 샤프트
107: 배기 가스
108: 압축 공기
109: 연소 생성물
110: 희석 가스
111: 연결 덕트
112: 제 1 버너
113: 제 2 버너
114: 제 1 분사관
115: 제 2 분사관
116: 측벽
117: 혼합기
118: 분사 구멍
119: TBC
120: 냉각 구멍들
123: 제 1 연료 분사부
124: 제 2 연료 분사부
a: 거리
A, A': 고온 가스 유동 방향에 대해 수직인 면
f, f': 자유 거리
L: 제 1 분사관의 길이
l: 제 2 분사관의 길이
D: 제 1 분사관의 직경
D: 제 2 분사관의 직경
H: 고온 가스 유동 경로의 높이 또는 동등한 직경
s: 스태거
vhot: 고온 가스의 속도
vd: 희석 가스의 속도
vd , ax: 희석 가스의 축 방향 속도
vd ,n: 고온 가스 유동에 대해 수직인 희석 가스의 속도
vmix: 고온 가스 유동 및 희석 가스의 혼합물의 속도

Claims (15)

  1. 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 동안 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합기(117), 제 2 버너(113), 및 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 연속 연소기 장치(104)로서, 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101) 및 상기 제 2 버너(113) 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 안내하도록 구성되고 상기 제 1 연소 챔버(101)와의 연결을 위해 구성된 상류 단부에서 입구 및 상기 제 2 버너(113)와의 연결을 위해 구성된 하류 단부에서 출구를 갖는 덕트를 포함하는, 상기 연속 연소기 장치에 있어서,
    상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 연도 가스를 냉각시키도록 상기 희석 가스를 혼합하기 위해 상기 혼합기(117)의 측벽들(116)로부터 내향으로 향하는 복수의 분사관들(114, 115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 장치는 상기 측벽(116)에 대해 수직인 상기 고온 가스 유동부 내에 제 1 침투 깊이(L)를 갖는 제 1 분사관들(114) 및 상기 측벽(116)에 대해 수직인 상기 고온 가스 유동부 내에 제 2 침투 깊이(l)를 갖는 제 2 분사관들(115)을 포함하며, 상기 제 2 침투 깊이(l)는 상기 제 1 침투 깊이(L)보다 작은 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 분사관(114)의 상기 침투 깊이(L) 대 상기 제 2 분사관(115)의 상기 침투 깊이(l)의 비는 2 초과 및/또는 3 초과인 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기(117) 내의 상기 제 1 분사관들(114)의 위치에서 유동 경로의 단면의 동등한 직경 대 상기 제 1 분사관들(114)의 길이의 비는 2.5 내지 8 의 범위 및/또는 3 내지 6의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 분사관(115)의 길이 대 상기 제 2 분사관(115)의 직경(d)의 비는 1/4 미만인 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기(117)는 상기 측벽(116) 상에 제 1 분사관들(114) 및 분사 구멍들(118)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 분사관들(115) 또는 분사 구멍들(118)은 상기 제 1 분사관(114)의 웨이크(wake)를 보상하도록 제 1 분사관들(114)의 하류에 배열되고 그리고/또는 상기 제 2 분사관들(115) 또는 분사 구멍들(118)은 상기 제 1 분사관(114) 전에 상기 고온 가스의 상기 축 방향 유동 속도를 감소시키도록 제 1 분사관들(114)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 방향에서 제 1 분사관(114) 및 제 2 분사관(115) 사이의 거리(a)는 상기 제 1 분사관(114)의 직경(D)의 3배 미만이고 그리고/또는 상기 제 2 분사관(115)의 직경(d)의 2.5배 미만인 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 길이(L, l)의 상기 분사관들(114, 115)은 상기 혼합기(117)를 통해 유동하는 상기 고온 가스의 주요 유동 방향에 대해 수직인 하나의 면에서 상기 혼합기(117)의 상기 측벽을 따라 원주 방향으로 분포되어 배열되거나, 또는 상기 분사관들(114, 115)은 상기 혼합기(117)의 상기 측벽(116)을 따라 분포되어 원주 방향으로 배열되고 그리고 상기 분사관들(114, 115)에 기인한 유동 차단을 감소시키도록 상기 혼합기(117)를 통해 유동하는 상기 고온 가스의 주요 유동 방향에 대해 수직인 면에 대해 스태거링(staggered)되고, 상기 스태거(stagger)는 상기 관 직경(d, D)의 절반 미만인 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 리브들(rib) 및/또는 핀 필드가 상기 분사관(114, 115)의 내면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사관(114, 115)의 외면은 TBC(119)로 코팅되고, 그리고/또는 확산 냉각 구멍들(120)이 상기 분사관(114, 115)의 하류 측면 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기(117)는 상기 고온 가스(Vhot)의 유동 속도를 감소시키도록 희석 공기 혼합의 상류에 확산기 부분을 포함하고, 그리고/또는 상기 혼합기(117)는 평균 축류 속도 상수를 유지하고 그리고/또는 평균 축 방향 속도에 혼합 위치 상류의 축 방향 속도의 20%를 더하여 증가시키도록, 희석 공기의 혼합에 기인한 체적 유동 증가와 동일한 비로 유동 영역을 증가시키기 위해 상기 희석 공기 혼합 구역 내에 확산기 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사관들(114, 115)은 상기 고온 가스의 상기 유동 방향에 대해 90°미만의 각으로 경사져서 상기 분사관들(114, 115)을 떠나는 상기 희석 가스는 분사의 위치에서 상기 고온 가스 유동 방향으로 유동 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 연소기 장치(104).
  14. 적어도 하나의 압축기(103)와, 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 동안 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스와 희석 가스를 혼합하는 혼합기(117), 제 2 버너(113), 및 유체 유동 연결부에서 연속으로 배열된 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 연소기 장치(104)를 구비한 가스 터빈(100)을 작동시키는 방법으로서, 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101) 및 상기 제 2 버너(113) 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 안내하도록 구성되고 상기 제 1 연소 챔버(101)와의 연결을 위해 구성된 상류 단부에서 입구 및 상기 제 2 버너(113)와의 연결을 위해 구성된 하류 단부에서 출구를 갖는 덕트를 포함하는, 상기 가스 터빈(100)을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101) 및 터빈(105)을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각시키도록 상기 희석 가스를 혼합하기 위해 상기 덕트의 상기 측벽들(116)로부터 내향으로 향하는 복수의 분사관들(114, 115)을 포함하고,
    상기 희석 가스(110)는 상기 혼합기(117)의 단면의 다른 구역들에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 희석 가스는 상기 혼합기(117)의 상기 단면의 다른 구역들 내로 희석 가스를 유입시키도록 분사 구멍들(118) 및/또는 제 2 분사관들(115) 및 제 1 분사관들(114)을 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
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