KR20160030051A - 가스 터빈의 연소기를 위한 희석 가스 또는 공기 혼합기 - Google Patents

가스 터빈의 연소기를 위한 희석 가스 또는 공기 혼합기 Download PDF

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KR20160030051A
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injection
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안드레아 치아니
아드난 에로글루
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 상기 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 혼합기 장치, 제2 버너, 및 제2 연소실을 포함하는 순차식 연소기 장치에 관한 것이다. 혼합기(117)는, 상류 단부에서 상기 제1 연소실에 대한 연결에 적합한 입구 및 하류 단부에서 상기 제2 버너에 대한 연결에 적합한 출구를 갖는 덕트를 포함하는 제2 버너와 상기 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하다. 혼합기는 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록, 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기의 측벽들로부터 내향하는 적어도 한 그룹의 분사 파이프(114, 115, …)들을 포함한다. 분사 파이프들은 상기 혼합기의 측벽을 따라서 원주 방향으로 배열되며, 분사 파이프들은 혼합기(117)의 중심으로 초점이 맞춰지는 원뿔 또는 유사 원뿔 형상을 가진다.

Description

가스 터빈의 연소기를 위한 희석 가스 또는 공기 혼합기{DILUTION GAS OR AIR MIXER FOR A COMBUSTOR OF A GAS TURBINE}
본 발명은 순차적인 연소를 갖는 가스 터빈의 기술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고온 가스 스트림 내로 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 수단을 구비한 순차식 연소기 장치(sequential combustor arrangement)에 관한 것이다. 추가하여, 본 발명은 순차식 연소기에서 고온 가스 스트림 내로 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 수단을 가지는 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 순차식 연소로 가스 터빈의 고온 가스 경로에 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 제2 연소실을 포함하는 순차식 연소기 장치에 관한 것이다.
혼합기는, 제1 연소실에 대한 연결에 적합한 입구를 상류에 가지고 제2 버너에 대한 연결에 적합한 출구를 하류에 갖는 덕트를 포함하는 제2 버너와 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하다.
가스 터빈의 연소기를 위한 예혼합 버너들은 예를 들어 문헌 EP 0 321 809 및 EP 0 704 657에 개시되어 있다.
특히, 상기 예혼합 버너들은 모든 종류의 액체 및/또는 가스 연료로 작동될 수 있다. 그러므로, 상이한 연료로 동시에 또는 순차적으로 버너 또는 연소기를 작동시키는 것이 가능하다.
순차적인 가스 터빈들은 EP 0 620 362 A1 또는 DE 103 12 971 A1에 개시된다.
종래의 추가의 관련 명시는 다음의 문헌에 개시된다.
EP 0 321 809 A1은 접선의 공기 입구 슬롯과 가스 및 액체 연료를 위한 급송 채널들을 형성하는 2개의 중공의 원뿔형 절반 외피로 이루어진 버너에 관한 것이며, 중공의 원뿔형 절반 외피들의 중심축은 상호 편심으로 종방향으로 진행한다. 절반 외피들의 상호 편심의 중심축의 연결선의 중간에 위치된 연료 노즐은 절반 외피들에 의해 형성된 원뿔형 내부 공간 내의 버너 헤드에 배치된다.
EP 0 704 657 A1은, 연소 공기 유동을 위한 EP 0 321 809 A1에 개시된 바와 같은 와류 발생기, 상기 공기 유동 내로 연료를 연료를 분사하기 위한 수단, 및 점화가 발생하는 연소실 내로 연료-공기 혼합물을 도입하기 전에 연료와 연소 공기를 균질하게 혼합하기 위하여 상기 와류 발생기의 하류의 혼합 구역으로 실질적으로 이루어진, 열 발생기를 위한 버너 장치를 개시한다.
가스 터빈 엔진을 참조하여, 작동 프로세스에 대한 융통성이 요구되는 것은 사실이다. 이러한 것은 가스 터빈 엔진이 때때로 기본 부하 설계점보다, 즉 하부 연소기 입구 및 연소 온도에서 낮은 부하로 작동한다는 것을 암시한다.
동시에, 방출 제한값과 전체적인 방출 허용이 보다 엄격하게 되어서, 보다 낮은 방출값으로 작동하고, 부분적인 부하 작동으로 및 일시 동안 낮은 방출을 유지하는 것이 요구된다.
최신의 연소 시스템은 예를 들어 압축기 입구 질량 유량을 조절하는 것에 의해 또는 상이한 버너, 연료 스테이지들 또는 연소기들 중에서 연료 분할을 제어하는 것에 의해 작동 조건에서 특정 가변성에 대처하도록 설계된다. 그러나, 이러한 것은 신규 필요조건에 부합하는데 충분하지 않다.
작동 융통성에 관련있는 방출물을 더욱 감소시키도록, 순차식 연소는 DE 103 12 971 A1에 제안되어 있다. 작동 상태, 특히 제1 연소실의 고온 가스 온도에 의존하여, 고온 가스가 제2 버너(또한 순차 버너로서 지칭됨)로 들어가기 전에 고온 가스를 냉각하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 냉각은 연료 분사 및 제2 버너에 있는 제1 연소기의 고온 연도 가스와 분사된 연료의 예혼합을 가능하게 하는 것이 유익할 수 있다.
종래의 냉각 방법은 주 고온 가스 유동에서 높은 압력 강하로 이어지는 열교환을 요구하거나, 또는 측벽들로부터 냉각 매체의 분사를 제안한다. 측벽으로부터 냉각 매체의 분사를 위하여, 이러한 연소기 장치로 작동되는 가스 터빈의 효율성에 유해한 높은 압력 강하가 요구되며, 전체 유동의 제어된 냉각이 어렵다.
WO 2014/063835 A1을 참조하여, 유체 유동 방향으로 순차적으로 배열되는, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 제2 연소실을 포함하는 순차식 연소기 장치가 개시된다. 혼합기는 상류 단부에서 제1 연소실에 대한 연결에 적합한 입구 및 하류 단부에서 제2 버너에 대한 연결에 적합한 출구를 갖는 덕트를 포함하는 제2 버너와 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하다.
혼합기는 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 가스를 혼합하기 위하여 혼합기의 측벽으로부터 내부를 향하는 다수의 분사 파이프를 포함한다.
추가하여, WO 2014/063835 A1은 적어도 하나의 압축기와, 유체 유동 방향으로 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 및 제2 연소실을 포함하는 연소기 장치를 구비한 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법을 개시한다. 혼합기는 상류 단부에서 제1 연소실에 대한 연결에 적합한 입구 및 하류 단부에서 제2 버너에 대한 연결에 적합한 출구를 갖는 덕트를 포함하는 제2 버너와 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하다. 혼합기는 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록, 희석 가스를 혼합하기 위한 덕트의 측벽들로부터 내향하는 다수의 분사 파이프, 및 터빈을 포함한다. 희석 가스는 혼합기의 단면의 상이한 영역으로 혼합되거나, 또는 희석 가스는 혼합기의 단면의 상이한 영역으로 희석 가스를 도입하기 위하여 분사공 및/또는 제2 분사 파이프와 제1 분사 파이프를 통해 분사된다.
또한, 크로스 플로 분사 시스템(cross-flow injection system)과 관련하는 WO 2014/063835 A1에 따른 해결 수단은 또한 간단한 기하학적 형태와 저렴한 비용을 제공한다. 그러나, 이러한 해결 수단은 더욱 긴 혼합 길이를 필요로 하며, 엔진 부하와 관련된, 제1 연소기의 고온 가스 온도와 희석 공기 온도에서의 변화에 훨씬 더 민감하다.
본 발명의 목적은 고온 가스 스트림 내로 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 수단을 구비한 순차식 연소기 장치와, 순차식 연소기에서 고온 가스 스트림 내로 희석 가스 또는 공기를 혼합하기 위한 수단을 가지는 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
제1 양태에 따라서, 본 발명은 바람직하게 CPSC(일정 압력 순차식 연소기, Constant Pressure Sequential Combustor)에 능동적으로 연결된, 바람직하게 순차식 버너를 위한 적어도 하나의 혼합기 장치에 의한 혼합 섹션과 관련하여 냉각 향상에 관한 것이다.
순차식 버너 성능(NOx, CO, OTDF, FBM = 플래쉬백 마진(Flashback Margin))은 버너 입구 온도 프로파일 및 그 평균 온도에 매우 민감하다. 이러한 필요조건에 부합하도록, 제1 스테이지 연소기는 고온 가스를 발생시키도록 사용되며, 고온 가스는 냉각 매체, 즉 희석 가스 또는 공기를 분사하는 것에 의해 보다 낮은 온도 레벨로 냉각되어야 한다. 이러한 혼합 공정은 최상의 온도 분산을 달성하는데 있어서 중요하다. 그러나, 혼합 시간 및 혼합 길이에서 기존의 강한 제한을 취해야만 한다. 추가로, 열음향(thermo-acoustic) 거동, 즉 맥동이 혼합기에 의해 강하게 영향받을 수 있다.
본 발명에 따른 순차식 연소기 장치는, 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합 디바이스, 즉, 혼합기, 제2 버너, 및 제2 연소실을 포함하며, 상기 혼합기는, 제1 연소실에 대한 연결에 적합한 입구를 상류에 가지고 제2 버너에 대한 연결에 적합한 출구를 하류에 갖는 덕트를 포함하는 제2 버너와 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하다.
기본적으로 CPSC 개념은, 고온 가스 발생기, 일련의 파이프들을 구비한 혼합기, 순차식 버너 및 순차식 라이너로 이루어진다. 본 발명의 특징과 관련하여 혼합기 개념은 제1 연소기(HG)로부터의 고온 가스 유동과 희석 공기 및 냉각 공기를 혼합하는 것에 의해 적절한 순차식 버너 입구 프로파일을 생성하도록 사용된다. 일반적으로, 혼합기 벽과 혼합기 제트 튜브들은 대류 냉각 기술 및/또는 확산 냉각 기술 및/또는 충돌 냉각 기술로 냉각된다.
확산 냉각 기술은, 혼합기의 양호한 냉각이 요구될 뿐만 아니라 동시에 재열 연소를 위한 적절한 입구 고온 가스 프로파일을 전달하도록 주 고온 가스 유동과 관련하여 냉각 공기의 혼합을 제공하는 것이 필요하기 때문에, 혼합기에 적용된다.
따라서, 본 발명의 집중적인 목적은 제1 연소실와 제2 버너 사이에 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합 섹션을 구비한 순차식 버너 연소기 장치를 위한 혼합기를 제안하는 것이다.
희석 매체, 바람직하게 희석 공기는 제2 버너를 위한 적절한 입구 유동 상태를 제공하도록 혼합기의 혼합 섹션에서 혼합된다. 특히, 고온 가스는 사전 결정된 온도 프로파일로 냉각된다.
냉각 및 혼합에 관련한 혼합기 튜브(장치)의 성능은, 방사상으로 장착되고 희석 공기가 외부 플레넘(outer plenum)에 의해 공급되는 일련의 분사 파이프 또는 다른 유사한 구성요소, 예를 들어 혼합 튜브의 실시에 의해 개선된다. 이러한 특징은 본질적으로 상기된 구성요소들 내에서 유동 분리를 피하고 원주 방향 혼합 품질을 개선하는 것을 돕는다.
그러므로, 본 발명의 순차식 연소기는 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합기 장치, 제2 버너, 및 제2 연소실을 포함한다. 혼합기는 제1 연소실 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하며, 제2 버너는 상류에서 제1 연소실에 연결하는데 적합한 입구와 하류에서 제2 버너에 연결하는데 적합한 출구를 가지는 덕트를 포함한다. 혼합기는 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 공기를 혼합하기 위하여 혼합기의 측벽들로부터 내향하는 적어도 한 그룹의 파이프들을 포함한다. 분사 파이프들은 혼합기의 측벽을 따라서 원주 방향으로 분포되고, 혼합기의 중심을 향해 감소하는 원뿔 또는 유사 원뿔 형상(quasi-conical shape)을 가진다.
추가적으로, 반원뿔 형상의 분사 파이프들은 방사상 또는 유사 방사상(quasi-radial) 연장부를 따라서 개별 감소 단면적을 구비한 다수의 접합 튜브들로 이루어진다. 그런 다음, 분사 파이프들은, 고온 가스 유동 내로 분사된 희석 공기로 규칙적 또는 불규칙인 간격으로 혼합기의 전체 단면적을 커버하도록 배열되며, 분사 파이프들은 그 돌출 깊이를 따라서, 고온 가스 유동 내로 희석 공기를 직교 또는 유사 직교하여(quasi-orthogonally) 분사하도록 사용되는 다수의 분사공들을 포함한다. 또한, 분사 파이프들은 각각의 돌출 깊이를 따라서 균일 또는 불균일한 원뿔형 경사도를 가진다. 더욱이, 분사 파이프들은 고온 가스 유동 방향으로 경사질 수 있다.
혼합기는 고온 가스 유동 방향으로 동일, 유사 또는 상이한 돌출 깊이를 갖는 적어도 일렬의 분사 파이프들을 포함하고, 혼합기는 동일, 유사, 또는 상이한 돌출 깊이와 함께 고온 가스 유동 방향으로 다수 열의 분사 파이프들을 포함한다.
제1 열의 분사 파이프들의 돌출 깊이는 제2 열의 돌출 깊이보다 혼합기의 중심에 근접하고, 그런 다음 제2 열의 돌출 깊이는 제3 열의 돌출 깊이보다 혼합기의 중심에 근접하거나 또는 더 멀고, 개별 열의 분사 파이프들은 혼합기의 중심을 향해 연장하고, 방사 방향으로 서로 반대로 배열된다.
적어도 하나의 분사 파이프 그룹은 혼합기의 측벽을 따라서 원주 방향으로 분포되고, 혼합기를 통해 유동하는 고온 가스의 주 유동 방향에 대해 법선인 평면에 대하여 엇갈림(stagger) 디자인을 가지며, 엇갈림은 분사 파이프들의 지름의 0.1 내지 3.5 배이다.
분사 파이프들의 외부면의 적어도 일부 및/또는 혼합기의 측벽의 내부면의 적어도 일부는 TBC로 코팅되고, 분사 파이프들은 분사 파이프들의 내부면 상에 배열된 냉각 리브 및/또는 핀 필드(pin field)가 장비된다.
끝으로, 본 발명은, 적어도 하나의 압축기와, 유체 유동 방향으로 순차적으로 배열된, 제1 버너, 제1 연소실, 작동 동안 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합기 장치, 제2 버너, 및 제2 연소실을 포함하는 순차식 연소기 장치를 포함하는 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 혼합기는 제1 연소실과 제2 버너 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하고, 제2 버너는 상류에서 제1 연소실에 연결하는데 적합한 입구와 하류에서 제2 버너에 연결하는데 적합한 출구를 가지는 덕트를 포함한다. 혼합기는 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합기의 측벽들로부터 내향하는 적어도 한 그룹의 분사 파이프들을 포함하고, 분사 파이프들은 혼합기의 측벽을 따라서 원주 방향으로 배열되고, 분사 파이프들은 혼합기의 중심을 향하여 감소하는 원뿔 또는 유사 원뿔 형상을 가진다.
추가의 바람직한 실시예에 따라서, 혼합기 장치는 다수의 분사 파이프들을 포함하며, 분사 파이프들은 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스에 희석 공기를 혼합하고 제2 연소기를 위한 적절한 입구 조건을 제공하도록 고온 연도 가스를 냉각하기 위하여 덕트의 벽으로부터 내향하여 원주 방향으로 향한다.
각 분사 파이프는 또한 상기된 고온 가스 유동 내로 희석 가스 또는 공기를 분사하도록 사용되는, 방사 및 원주 방향으로 다수의 분사공들이 구비된다.
이러한 분사 파이프들의 지름, 길이, 기하학적 디자인 및 수는 필요한 국부적인 질량 유량과 온도 강하가 낮은 압력 강하로 달성되도록 고온 가스 유동 내로 희석 공기를 들여보내도록 설계된다.
전형적으로, 분사 파이프들은 혼합 전에 희석 공기 압력의 전체 압력의 바람직하게 0.4% 내지 2%의 압력 강하로 희석 공기의 혼합을 가능하게 한다. 분사 파이프들의 입구에서 낮은 압력 강하로, 혼합 전에 희석 공기 압력의 전체 압력의 바람직하게 0.2% 내지 1%의 압력 강하가 충분할 수 있다. 입구 압력 강하를 감소시키도록, 둥근 파이프 입구, 계단 단면 파이프, 원뿔형 또는 테이퍼진 파이프들 등이 사용될 수 있다.
상기 선택된 분사 파이프들의 조합이 제공될 수 있다. 더욱이, 측벽에 대하여 고온 가스 유동으로 상이한 돌출 깊이를 구비한 분사 파이프들을 갖는 혼합기 장치가 제공될 수 있다.
예를 들어, 고온 가스 유동에서 제1 분사 파이프 배열의 돌출 깊이는 제1 분사 파이프 배열의 침입 깊이보다 크다. 경사 완화(grading)는 다음의 분사 파이프 배열들을 또한 수집할 수 있으며, 비율은 작동 상태에 적합하다.
또한, 혼합기의 내벽을 따라서 원주 방향으로 분포된 큰 단면의 대량의 절대적 원통형 분사 파이프들은 고온 가스 단면적의 많은 부분을 막을 것이며, 이에 의해 높은 압력 강하를 생성한다. 예를 들어, 원뿔형으로 감소하는 분사 파이프들로, 차단 면적은 상당히 감소될 수 있다.
분사 파이프들의 원뿔 각도는, 분사 파이프들 내부에서 희석 공기 속도의 속도가 이러한 희석 공기의 부분이 분사됨에도 불구하고 일정하거나 또는 유사 일정하게 유지되도록 선택되어야 한다.
본 발명에 관계된 추가의 연구 결과들은 다음의 양태에 관련한다:
높은 국부적인 입구 온도는 제2 연소기에서 고 방출물(특히 NOx, CO, 및 미연소 탄화수소) 및/또는 플래쉬백 마진을 유발할 수 있다. 플래쉬백 마진 및 NOx는 높은 입구 가스 온도 또는 높은 산소 농도로 인하여 분사된 연료에 대한 감소된 자체 점화 시간에 의해 유도되며, 이러한 것은 조기 점화(플래쉬백 마진으로 이어지는) 또는 연료 공기 혼합을 위한 감소된 시간을 유발하고, 연소 동안 국부적인 과열점(hot spot)들을 초래하며, 그 결과 NOx 방출을 증가시킨다.
저온 영역은 증가된 자체 점화 시간으로 인하여 CO 방출을 유발한다. 이러한 것은 CO2 연료 소진을 위하여 CO를 위한 시간을 감소킬 수 있으며, 감소된 국부적인 화염 온도는 CO2 연료 소진을 위하여 CO를 더욱 느리게 할 수 있다. 끝으로, 국부적인 과열점들은 혼합기의 하류의 특정 부분의 과열로 이어질 수 있다.
국부적인 고 산소 농도는 국부적인 고온과 유사한 효과, 예를 들어 혼합을 위한 시간을 감소시키는 보다 빠른 반응, 고온 연소, 증가된 NOx 방출 및 가능하게 플래쉬백 마진을 가질 수 있다. 이론적으로, 국부적인 낮은 산소 농도는 국부적인 저온과 유사한 효과, 예를 들어 증가된 CO 및 UHC(미연소 탄화수소) 방출로 이어지는 느린 반응, 그러나 실제는: 낮은 O2→높은 공연비→높은 T→ 높은 반응 속도를 가질 수 있다.
높거나 또는 낮은 국부적인 입구 속도는 제2 버너와 후속의 제2 연소실에시 증가되거나 또는 감소된 잔류 시간으로 이어지고, 이는 균질이 아닌 자체 점화 시간과 유사한 부정적인 효과, 예를 들어 제2 버너에서 감소된 잔류 시간은 불완전한 혼합 및 높은 NOx로 이어질 수 있다. 제2 연소기에서 감소된 잔류 시간은 불완전한 연소로 이어지고, 증가된 CO 방출을 초래할 수 있다. 제2 버너에서 감소된 유동 속도는 조기 점화 및 플래쉬백을 유도할 수 있다.
또한, 공기 역학적 관점으로부터 중요한 필요조건은 고온 가스 유동 및 희석 공기 공급에서 최소화된 압력 손실이다. 둘 모두는 이러한 순차식 연소기 장치로 작동하는 가스 터빈의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
재열 버너의 혼합 구역을 통과하는 동안 유동 내로 전단 응력을 관리하도록, 혼합 구역의 대응 유동 채널은 연속적으로 변하는 형상과 함께 유동 방향으로 상이한 단면적을 제공하고 및/또는 비원형의 단면적을 제공한다.
본 발명에 따른 혼합기 장치는 예를 들어 분사 파이프 내부에 있는 유동 분리 구성요소를 사용하여 내장 수단(built-in means)에 의한 희석 공기 유동의 일부의 규칙적인 방출을 위한 변류기(deflector) 또는 다른 수단을 포함한다. 파이프들은 희석 공기의 개별적인 부분이 공급될 수 있다.
다양한 분사 파이프들은 희석 공기의 동일, 유사 또는 상이한 질량 유량이 또한 공급될 수 있다.
변류기와 플레넘 벽 사이의 용적(VD)은 댐퍼를 설치하도록 사용될 수 있다.
혼합기 장치는 바람직하게 환형 유동 섹션이 배열되는데 반하여, 환형 유동 섹션의 높이는 환형 유동 섹션의 환형 벽의 지름과 환형 유동 섹션의 내벽의 차이이다.
이러한 방사상 높이에 대하여 변류기의 지름은 연결 덕트의 유동 단면에 의존한다.
혼합기 장치의 다른 실시예에 따라서, 분사 파이프는 분사 파이프의 전체 종방항을 따라서 바람직하게 배열된 벽을 포함하고, 이 벽은 파이프의 단면 중심의 외부 또는 유사 외부에 배치된다. 이러한 배열은 단일 분사 파이프와 관련하여 또는 상기된 변류 가이드(deflection guide)와 관련하여 제공될 수 있다.
추가의 실시예에 따라서, 순차식 연소기 장치는 적어도 하나의 변류기를 구비한 다수의 순차 배치 분사 파이프들을 구비한 혼합기 장치를 포함하고, 변류기는 분사 파이프들에 대해 중간에 배치되거나 또는 케스케이드 원리(cascade principle)에 따라서 희석 공기 유동을 따라서 마지막 분사 튜브의 하류에 배치되며, 각 변류기에 대하여, 대응 분사 파이프들은 제1 연소실을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 공기를 혼합하기 위해 상류에 배열된다.
순차적인 배열로, 각 그룹의 분사 파이프들은 바람직하게 혼합기 장치의 측벽을 따라서 원주 방향으로 분포되어 배열되며, 제1 그룹의 분사 파이프들은 고온 가스 유동 경로 내로 제1 돌출 깊이를 갖고, 제2 그룹의 분사 파이프들은 동일 또는 감소된 돌출 깊이를 가지며; 이러한 것은 다음의 분사 파이프들 그룹에 적용한다.
이러한 실시예에서, 전적으로는 아니지만, 변류기 또는 변류 가이드가 혼합기 장치의 원주 방향으로 배열되는 단일 플랜지형 보디로 이루어지는 것이 제공될 수 있다.
측벽에 법선으로 배열된 분사 파이프들에 대하여, 고온 가스 경로 내로 연장하는 분사 파이프들의 길이는 돌출 깊이와 동일하다.
또한, 상기된 벽은 중심에서 벗어나 배열될 수 있거나 또는 추가의 수단이 보충될 수 있으며, 희석 공기 유동의 하류에 배치된 형성 공간은 분사 파이프를 따르는 공기 유동으로부터 분리되어 유지된다.
순차식 연소기 장치의 한 실시예에 따라서, 덕트 벽은 적어도 부분적으로 분산 냉각된다(effusion cooled). 희석 공기의 혼합으로 인하여, 혼합기에서 고온 가스의 평균 온도는 분사 파이프들의 하류에서 감소된다. 전형적으로, 감소된 냉각 요구 및 보다 적은 확산 냉각이 예상된다. 그러나, 국부적으로 증가된 난류로 인하여, 분사 파이프의 하류에서 측벽의 열 부하는 증가될 수 있다.
그러므로, 제1 분산 냉각 영역은 제1 분사 파이프들의 하류에서 및 후속의 분사 파이프들의 어레이의 상류에 위치되고, 단위 면적당 분산 냉각공의 수는 증가될 수 있다.
분사 파이프의 하류에, 바람직하게 변류 가이드와 관련하여, 고온 가스 온도는 분산 냉각이 요구되지 않는 레벨로 감소될 수 있으며, 이에 의해, 다른 냉각 방법이 적용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따라서, 제1 분산 냉각 영역은 그 베이스가 고온 가스의 주 유동 방향에 법선인 사다리꼴 형상을 가지며, 사다리꼴 제1 영역의 하류 베이스는 사다리꼴 제1 영역의 상류 베이스보다 길다.
추가의 실시예에서, 분산 냉각공들은 0.5 내지 1.2 ㎜ 범위의 지름을 가진다. 또한, 이웃하는 분산 냉각공들 사이의 거리는 제1 영역에서 3 내지 10 ㎜의 범위에 있고, 제2 영역에서 6 내지 20 ㎜의 범위에 있다.
혼합기 장치의 한 실시예에 따라서, 제1 분사 파이프들은 이러한 장치가 제공될 때 변류 가이드로 또는 변류 가이드 없이 추가의 분사 파이프들의 상류에 배열된다.
이러한 배열은 예를 들어 단일 파이프 또는 변류 가이드를 구비한 파이프, 또는 희석 공기 유동을 분할하는 벽을 구비한 파이프, 또는 유동 분리를 방지하는 벽을 구비한 파이프와 관련하여, 상이하게 설계된 분사 파이프들에 의해 분사된 희석 공기 사이의 최소 간섭으로 혼합기 장치의 상이한 영역으로 희석 공기의 분사를 허용한다.
또한, 상기 장치가 대응하는 변류 가이드를 구비한 다수의 분사 파이프들을 포함할 때, 제1 그룹의 분사 파이프들은 제2 그룹의 분사 파이프들의 하류에 배열될 수 있다. 보다 짧은 분사 파이프들이 보다 긴 분사 파이프들의 상류에 있는 배열을 참조하여, 짧은 분사 파이프들에 의해 분사된 희석 공기는 후속의 보다 긴 주입 튜브에 대한 열 부하를 감소시킨다.
혼합기 장치의 한 실시예에 따라서, 변류 가이드와 관련하여 제1 그룹의 분사 파이프들의 지름은 제2 그룹의 분사 파이프들의 지름보다 크다. 또한, 제2 그룹의 분사 파이프들의 지름은 제3 그룹의 분사 파이프들의 지름보다 클 수 있다.
분사 파이프들이 상이한 기능을 갖는 벽을 가지면 동일한 디자인이 또한 제공될 수 있다.
또 다른 실시예를 참조하여, 혼합기 장치 내의 제1 분사 파이프들은 혼합기를 통해 유동하는 고온 가스의 주 유동 방향에 대해 법선이거나 또는 비스듬한 평면에서 혼합기의 측벽을 따라서 원주 방향으로 배열 분포되며; 이러한 것은 또한 후속 그룹의 분사 파이프들에 적용한다.
이러한 실시예는 혼합기의 원주 방향으로 배열된 단일 플랜지형 보디로 이루어진 변류 가이드와 관련하여 제공될 수 있다.
혼합기 장치의 분사 파이프(들)와 변류 가이드(이용 가능하면)는 제1 연소실을 떠나는 고온 가스에 노출된다. 분사 파이프(들)와 변류 가이드는 본질적으로 분사 파이프들을 통해 유동하는 희석 공기에 의해 냉각된다. 그러나, 분사 파이프(들)와 변류 가이드의 수명을 증가시키도록, 이것들의 열 노출을 감소시키도록 추가의 조치가 적용될 수 있다.
그러므로, 혼합기 장치의 한 실시예에 따라서, 분사 파이프(들)와 변류 가이드의 외부면의 적어도 일부는 TBC로 코팅될 수 있다. 추가적으로, 혼합기의 측벽의 적어도 일부는, 벽의 냉각 요건들을 감소시키고, 이에 의해, 혼합기를 떠나는 고온 가스 유동에서의 차가운 주변 영역을 피하도록 TBC로 코팅될 수 있다.
한 실시예에서, 파이프(들)와 변류 가이드의 내부에서의 열전달계수는 증가된다. 증가된 열전달을 위하여, 냉각 리브들 및/또는 핀 필드는 분사 파이프(들)와 변류 가이드의 내부면 상에 배열될 수 있다.
추가의 실시예에서, 변류 가이드와 관련하여 분사 파이프들은, 파이프들을 떠나는 희석 공기가 분사 위치에서 고온 가스 유동의 방향으로 유동 성분을 가지도록, 고온 가스의 유동 방향에 대해 90°미만의 각도로 경사진다.
분사 파이프들은 파이프들을 떠나는 희석 공기의 축방향 성분이 분사의 위치에서 고온 가스 유동의 축방향 유동 속도와 같거나, 또는 +/- 50% 이내이도록 일정 각도로 경사진다.
분사 파이프들의 수는 예를 들어, 2그룹에서 이웃하는 분사 파이프들의 배출 개구들 사이의 거리가 유사하도록 선택될 수 있다. 이러한 맥락에서 유사성은, 큰 침투 깊이를 갖는 그룹에 관련한 배출 개구들 사이의 거리가 보다 작은 침투 깊이를 갖는 그룹에 대하여 거리의 1 내지 3배 거리에 일치한다는 것을 의미할 수 있다. 배출 개구들 사이의 거리는 분사 파이프들의 배출 개구들과 함께 증가될 수 있다.
부가하여, 이러한 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법은 본 발명의 요지이다. 희석 공기는 일관된 냉각 공정을 유발하는 방식으로 혼합기에서 고온 가스에 혼합될 수 있다. 한 실시예에 따라서, 희석 공기는 다양한 분사 파이프들을 통해 혼합기의 상이한 영역 내로 혼합된다.
한 실시예에서, 제1 그룹의 분사 파이프들은 고온 가스 유동 경로의 중앙 영역을 향해 희석 공기를 들여보내도록 배열된다.
분산 냉각은 연소기 벽들 및/또는 혼합 섹션의 측벽들을 냉각하도록 사용될 수 있다.
희석 공기 분사의 하류에서, 희석 공기와 고온 가스 사이의 혼합은 유동 경로의 수축에 의해 향상될 수 있다.
순차식 연소를 참조하여, 연소기들의 조합은 다음과 같이 배치될 수 있다:
제1 및 제2 연소실들은 캔-캔-연소기 아키텍처(can-can-combustor architecture)로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 연소실과 제2 연소실은 캔형 연소실(can-combustion chamber)들로서 설계된다.
제1 및 제2 연소실들은 캔-환형-연소기 아키텍처(can-annular-combustor architecture)로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 연소실은 환형 연소실로서 배열되고, 제2 연소실은 캔형 연소실로서 배열된다.
제1 및 제2 연소실들은 환형-캔-연소기 아키텍처로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 연소실은 캔형 연소실로서 배열되고, 제2 연소실은 환형 연소실로서 배열된다.
제1 및 제2 연소실들은 환형-환형-연소기 아키텍처로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 연소실와 제2 연소실은 환형 연소실로서 배열된다.
따라서, 제2 연소실의 버너 시스템이 사전 규정된 입구 온도와 입구 속도 프로파일을 요구하기 때문에, 혼합기의 혼합 품질은 중요하다.
본 발명의 주요 이점을 다음과 같다:
1. 보다 짧은 혼합 시간 및 혼합 길이를 요구하는 보다 효율적인 혼합, 즉 보다 양호한 혼합 및 성능, 보다 짧은 혼합기 장치.
2. 보다 안정한 혼합기 배출 프로파일, 즉 보다 적은 열 음향 문제(맥동).
3. 균일한 분사 속도, 즉 낮은 압력 강하로 보다 양호한 혼합, 즉 보다 양호한 성능.
4. 가변 튜브 지름을 통한 스트로우홀 불안정성(Strouhal instability)의 제거, 즉 보다 안정한 연소(보다 적은 맥동, BC 변화에 대한 보다 적은 민감성).
본 발명, 그 특성뿐만 아니라 그 이점은 첨부 도면의 도움으로 다음에 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 희석 공기를 혼합하기 위한 혼합기 장치를 구비한 순차식 연소를 사용하는 일반적인 가스 터빈을 도시한 도면;
도 2는 제1 및 제2 분사 파이프들을 구비한 혼합기 장치를 도시한 도면;
도 3은 고온 가스 유동의 방향으로 경사진 제1 및 제2 분사 파이프들을 구비한 혼합기의 벽 섹션을 도시한 도면;
도 4는 엇갈린 제1 및 제2 분사 파이프들을 구비한 혼합기 측벽의 섹션을 도시한 도면;
도 5는 원주 방향으로 장착되고 방사 방향으로 연장하는 일련의 분사 파이프들을 포함하는 혼합기의 단면도;
도 6은 혼합기의 추가의 단면도;
도 7은 서로 엇갈린 다수 열의 원뿔형 분사 파이프들을 구비한 혼합기의 종방향 단면도;
도 8a는 원뿔형 분사 파이프를 도시한 도면;
도 8b는 원뿔 형상을 시뮬레이션하도록 서로 용접된 다수의 분사 파이프들의 배열을 도시한 도면;
도 9a는 개방 단부를 구비한 원뿔형 분사 파이프를 도시한 도면;
도 9b는 개방 단부를 구비한 원뿔 형상을 시뮬레이션하도록 서로 용접된 다수의 분사 파이프들의 배열을 도시한 도면;
도 10은 고온 가스 분사에 대한 완화(mitigation)를 구비하는 분사 파이프들의 분사공들을 도시한 도면;
도 11은 고온 가스 분사에 대한 완화 및 대류로 냉각된 선단 가장자리를 구비하는 분사 파이프들의 분사공들을 도시한 도면.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 순차식 연소기 장치(104)를 구비한 가스 터빈(100)을 도시하다. 이는 압축기(103), 연소기 장치(104), 및 터빈(105)을 포함한다. 연소기 장치(104)는 제1 버너(112), 제1 연소실(101), 및 작동 동안 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 가스에 희석 공기(110)를 혼합하기 위한 혼합기 장치(117)를 포함한다.
연소기 장치(104)는 혼합기(117)의 하류에서 제2 버너(113), 및 제2 연소실(102)을 추가로 포함한다. 제1 버너(112), 제1 연소실(101), 혼합기(117), 제2 버너(113) 및 제2 연소실(102)은 유체 유동 방향으로 순차적으로 배열된다. 연료는 제1연료 분사(123)를 통해 제1 버너(112) 내로 도입될 수 있으며, 압축기(103)에서 압축된 압축 공기와 혼합되고, 제1 연소실(101)에서 연소된다.
희석 공기(110)(도 2 참조)는 후속의 혼합기(117) 내로 도입된다. 추가의 연료는 제2 연료 분사(124)를 통해 제2 버너 내로 도입될 수 있으며, 혼합기(117)를 떠나는 고온 가스와 혼합되고, 제2 연소실(102)에서 연소된다. 제2 연소실(102)을 떠나는 고온 가스는 후속의 터빈(105)에서 팽창되고, 작업을 수행한다. 터빈(105)과 압축기(103)는 샤프트(106) 상에 배열된다.
터빈(105)을 떠나는 배기 가스(107)의 나머지 열은 증기 발생을 위하여 열 회수 증기 발생기 또는 보일러(도시되지 않음)에서 추가로 사용될 수 있다.
도시된 예에서, 압축기 배출 가스는 희석 공기(110)로서 혼합된다. 전형적으로, 압축기 배출 가스는 압축된 주위 공기이다. 연도 가스 재순환(도시되지 않음)을 갖는 가스 터빈에 대하여, 압축기 배출 가스는 주위 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합물이다.
전형적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(100)의 샤프트(106)에 결합되는 발전기(도시되지 않음)를 포함한다.
혼합기(117)의 상이한 예시적인 실시예들은, WO 2014/063835 A1의 도 1a 내지 도 1d의 확대 단면도로서 도 2a 내지 도 2d에 도시되며, 상기된 도면들은 본 설명의 통합 부분을 형성한다.
도 2는 제2 분사 파이프(115)들의 상류에 배열된 제1 분사 파이프(114)를 포함하는 혼합기를 구비한 제1 예를 도시한다. 여기에서 길이(L)를 갖는 2개의 분사 파이프 그룹이 도시된다.
이 예에서, 압축기 플레넘으로부터 압축 가스는 희석 공기(110)로서 연결 덕트(111) 내의 연소기 라이너를 따라서 가이드된다. 연결 덕트(111)로부터, 희석 공기(110)는 제1 분사 파이프(114) 및 제2 분사 파이프(115)들을 통해 혼합기 내로 분사된다. 혼합기(117)는 높이(H)를 구비한 단면을 가진다. 혼합기는 환형 단면으로 배열될 수 있다. 환형의 혼합기를 위하여, 높이(H)는 환형 유동 섹션의 외벽의 지름과 환형 유동 섹션의 내벽 사이의 차이로부터 초래된다. 원통형 단면을 가진 혼합기(117)를 위하여, 높이(H)는 단면의 지름이다. 제1 분사 파이프(114) 및 제2 분사 파이프(115)들의 길이(L)는 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 가스와 분사된 희석 공기(110)의 양호한 혼합이 보장되는 방식으로 한정된다.
도 2는 분사 파이프(114, 115)들 내로 희석 공기 구멍(118)들을 포함하는 혼합기(117)를 도시한다. 희석 공기 구멍(118)들의 사용은 혼합기(117)에서 고온 가스 유동의 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 이는 높이(H)가 길이(L)를 가진 제1 분사 파이프(114)와 희석 공기 구멍 분사(118)를 통해 희석 공기(110)의 혼합과 양호한 혼합을 허용하기에 충분히 작으면 사용될 수 있다.
고온 가스 유동에서 압력 손실을 감소시키도록, 혼합기는 희석 공기가 혼합되는 혼합기의 영역에 분기 측벽(116)들이 배열된다. 분기 측벽(116)들로 인하여, 혼합기의 단면은 디퓨저(diffusor)에 따라서 증가될 수 있다.
이러한 것은 단면을 증가시키고, 제1 분사 파이프(114)와 제2 분사 파이프(115)들에 의해 유발된 유속을 감소시키고 압력 강하의 감소를 이끈다. 또한, 이러한 조치는 고온 가스 유동(109) 내로의 희석 공기(110)의 분사에 의해 유도된 압력 강하를 감소시킨다.
추가의 실시예는 압축기 플레넘(압축기(103)의 하류)으로부터 제1 분사 파이프(114) 및 제2 분사 파이프(115)들로 희석 공기(110)를 직접 분사하는 것으로 이루어진다. 제1 분사 파이프(114) 및 제2 분사 파이프(115)들은 압축기 플레넘으로 연장하고, 그러므로 고압 및 저온을 가진 희석 공기(110)(희석 가스로서 사용하기 전에 연소기의 냉각으로 인한 온도 픽업없이)가 이용 가능하다(WO 2014/063835, 도 2d 참조).
도 3은 경사진 제1 및 제2 분사 파이프(115a, 115b)들의 벽 섹션을 도시한다. 제1 및 제2 분사 파이프(115a, 115b)들은 제1 및 제2 분사 파이프(115a, 115b)들의 압력 강하를 감소시키기 위하여 고온 가스 유동의 방향으로 경사진다. 바람직하게, 경사는 파이프들을 떠나는 희석 공기가 분사 위치에서 고온 가스 유동의 방향으로 축방향 유동 성분(vd,ax)을 가지는 각도를 가지며, 이는 고온 가스(109)의 유동 속도(v)와 동일하다.
희석 공기(110)는 희석 공기의 속도(vd)로 분사 파이프(114, 115)를 떠난다. 이러한 것은 고온 가스 유동의 방향으로 희석 공기의 축방향 속도(vd,ax)를 갖는 성분 및 고온 가스 유동에 대해 법선인 희석 공기의 속도(vd,n)를 가지는, 고온 가스 유동에 대해 법선인 유동 성분을 가진다. 고온 가스 유동에 대해 법선인 희석 공기의 속도(vd)는 고온 가스 유동 내로 희석 공기의 침투 및 고온 가스 유동과 혼합을 촉진한다.
도 3의 예에 따라서, 단열 코팅(TBC, thermal barrier coating)(119)은 분사 파이프들의 온도를 감소시키도록 분사 파이프(114, 115)들의 상류측에 적용된다. TBC 코팅은 예를 들어 전체 분사 파이프(114, 115)들의 상류 절반 또는 주위의 섹션에 적용될 수 있다. 추가하여, 냉각공(120)들은 하류측에서 적용된다. 분사 파이프 벽을 냉각하는 것 외에, 분사공(120)들 내로 축출된 냉각 공기는 분사 파이프(114, 115)들의 통과 자취(wake) 내로 분사되고, 이에 의해 고온 가스 유동에서의 압력 강하를 감소시킨다.
도 4는 지름(D)을 가지는 엇갈린 제1 및 제2 분사 파이프(114, 115)들을 구비한 혼합기(117)의 측벽(116)의 절단 섹션의 평면도를 도시한다. 제1 분사 파이프들은 고온 가스의 유동 방향에 법선인 평면(A)과 평면(A')에 각각 배열된다.
제1 분사 파이프들은 엇갈림(s)에 만큼 엇갈리고, 즉, 평면(A)은 평면(A')에 대해 유동 방향으로 거리(s)에 배열된다. 엇갈림으로 인하여, 2개의 인접한 제1 분사 파이프(114)들 사이의 자유 거리(f)는 엇갈리지 않은 2개의 인접한 분사 파이프들 사이의 자유 거리(f)에 비해 증가된다.
제2 분사 파이프(115)들은 제1 및 제2 분사 파이프(114, 115)들 사이의 거리(a)에 의해 제1 분사 파이프(114)의 하류에서 동일한 엇갈림(s)으로 배열된다. 도시된 이 예에서, 제2 분사 파이프(115)들의 지름(d)은 제1 분사 파이프(114)의 지름(D)과 동일하다.
도 5는 일련의 분사 파이프(114, 115)들이 방사상으로 장착되고 다른 플레넘에 의해 희석 공기(110)가 공급되는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다. 도면에서, 제1 연소기에 의해 발생된 고온 가스 유동은 방사상으로 배치된 긴 분사 파이프(114)를 통하여, 그리고 중간에 배치된 짧은 분사 파이프(114a)를 통하여 유동한다.
길고 짧은 분사 파이프들은 모두 혼합기(117)의 중심을 향하여 방사상으로 지향되며, 긴 분사 파이프(114)는 혼합기의 대략 중심으로 연장한다. 혼합기의 원주 방향으로 분사 파이프(114, 114a)들의 배치는 균일하게 제공되고, 불균일한 분포가 또한 가능하다. 분사 파이프(114, 114a)들은 고온 가스 유동(109) 내로 유동된 희석 공기(110a)를 분사하도록 사용되는 다수의 분사공(120)들이 장비된다. 이러한 혼합기(117)의 중요한 특징은 분사 파이프(114, 114a)의 각각의 방사상 연장부를 따라서 이러한 분사공(120)들의 양호한 분포를 반영하여서, 희석 공기(110)는 사전 분포되고, 그러므로 훨씬 짧은 혼합 시간과 길이를 요구한다. 요약하여, 원뿔 또는 다른 기하학적 형태를 특징으로 하는 분사 파이프들은 고온 가스 유동 내로 직교 또는 유사 직교하여 분사되는 희석 공기로 전체 단면적을 커버하도록 배열된다.
도 6은 일련의 분사 파이프(114)가 방사상으로 장착되고 희석 공기(110)가 다른 플레넘에 의해 공급되는 본 발명의 추가의 바람직한 실시예의 베이스라인을 도시한다. 도면에서, 제1 연소기에 의해 발생된 고온 가스 유동은 방사상으로 배치된 균일한 길이를 가지는 긴 분사 파이프(114)를 통해 유동한다. 따라서, 도시된 바와 같이, 분사 파이프(114)는 혼합기(117)이 중심을 향해 방사상으로 지향되고, 이것들은 대략 혼합기(117)의 중심까지 연장한다. 혼합기의 원주 방향으로 분사 파이프(114)의 배치는 균일하게 제공되며, 불균일한 분포가 또한 가능하다. 분사 파이프(114)는 또한 고온 가스 유동(109) 내로 희석 공기(110a)를 분사하도록 사용되는 많은 수의 분사공(120)들이 또한 장비된다. 이러한 혼합기(117)의 중요 특징은 분사 파이프(114)의 각각의 방사상 연장부를 따라서 이러한 분사공(120)들의 양호한 분포를 반영하여서, 희석 공기(110)는 사전 분포되고, 그러므로 훨씬 짧은 혼합 시간과 길이를 요구한다. 요약하여, 원뿔 또는 다른 기하학적 형태를 특징으로 하는 분사 파이프들은 고온 가스 유동 내로 직교 또는 유사 직교하여 분사되는 희석 공기로 전체 단면적을 커버하도록 배열된다. 모든 분사 파이프들은 동일한 길이를 가진다.
도 7은 고온 가스 유동(입구(109), 혼합기 출구(109a))을 따라서 배치된 분사 파이프(114)의 열들을 도시한다. 도시된 분사 파이프들은 혼합기의 대략 중심으로 연장하고 서로 방사 방향으로 반대로 배열된다.
도 8a는 단일의 원불형 분사 파이프(114)를 도시하고, 도 8b는 원뿔 형상을 시뮬레이션하도록 서로 용접된 다수의 튜브로 구성된 또 다른 분사 파이프(114b)를 도시한다. 분사될 많은 양의 희석 공기(110)가 주어지면, 영구적인 원통형 분사 파이프들은 가스 터빈 엔진에 대해 많은 결점을 가진 높은 압력 강하를 생성하는 단면적을 통하여 고온 가스 유동의 많은 부분을 명확하게 차단하게 된다. 동시에, 분사 파이프들에서의 속도는 희석 공기가 분사되는 동안 감소된다.
본 발명에서 이러한 목적을 위하여, 원뿔형 또는 유사 원뿔형 분사 파이프(114, 114b)들이 이러한 두 문제를 해결하도록 고려된다. 원뿔형 또는 유사 원뿔형 분사 파이프들로, 차단 면적은 상당히 감소될 수 있다. 각각의 분사 파이프의 종방향으로의 원뿔 또는 단면 단계적 변화는 분사 파이프들 내부의 희석 공기 속도가 최소의 변화 내에서 일정하게 또는 유사 일정하게 유지되도록 선택되어야 한다. 요약하여, 영구적인 원뿔형 분사 파이프들(도 8a 참조) 대신 다른 실시예에서, 그 단면적에서 불연속 변화를 갖는 분사 파이프들은 보다 용이하고 보다 저렴한 제조를 목적으로 제안된다(도 8b 참조).
도 9a 및 도 9b는 단부에 구멍을 가지는 것 외에 도 8a 및 도 8b에 도시된 것과 동일한 분사 파이프(114, 114b)를 도시하며, 구멍으로부터 희석 공기(110b)의 일부가 고온 유동 가스로 유동한다.
도 10 및 도 11은 희석 공기의 분사공들에 관하여 2개의 상이한 해결 수단을 도시한다. 도 10에 따른 분사 파이프(114)는 분사공(120)들을 구비한 필수적인 커버를 가지지만, 도 11에 따른 분사 파이프들은 단지 분사공들이 부분적으로 장비되며; 대응하는 해결 수단은 고온 가스 분사에 대한 목적으로 하는 완화에 관련된다.
100 가스 터빈
101 제1 연소실
102 제2 연소실
103 압축기
104 순차식 연소기 장치
105 터빈
106 샤프트
107 배기 가스
108 압축 공기
109 연소 부산물, 고온 가스 유동
110 희석 매체, 즉 가스 또는 공기
111 연결 덕트
112 제1 버너
113 제2 버너
114 원뿔형 분사 파이프(긴)
114a 원뿔형 분사 파이프(짧은)
114b 다수의 상이한 튜브들로 구성된 분사 파이프
115 제2 열의 원뿔형 분사 파이프
115a 경사 분사 파이프
115b 경사 분사 파이프
116 잔류 유동 단면
117 혼합기
118 희석 공기 구멍
119 분사 파이프의 측벽
120 분사공
A, A' 고온 가스 유동 방향(f)에 법선인 평면, f 자유 거리
L 제1 분사 파이프의 길이
D 제1 분사 파이프의 지름
d 제2 분사 파이프의 지름
H 고온 가스 유동 경로의 높이 또는 등가의 지름 s 엇갈림
s 엇갈림
Vhot 고온 가스의 속도
Vd 희석 가스 또는 공기의 속도
Vd,ax 희석 가스 또는 공기의 축방향 속도
Vd,n 고온 가스 유동에 법선인 희석 가스 또는 공기의 속도
Vmix V고온 가스 유동 및 희석 가스 또는 공기의 혼합물의 속도

Claims (16)

  1. 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된, 제1 버너(112), 제1 연소실(101), 작동 동안 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 가스에 희석 가스 또는 공기(110)를 혼합하기 위한 혼합기 장치(117), 제2 버너(113), 및 제2 연소실(102)을 포함하는 순차식 연소기 장치(104)로서, 혼합기(117)는, 상류 단부에서 상기 제1 연소실(101)에 대한 연결에 적합한 입구 및 하류 단부에서 상기 제2 버너(113)에 대한 연결에 적합한 출구를 갖는 덕트를 포함하는 상기 제2 버너(113)와 상기 제1 연소실(101) 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로(109)에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하고, 상기 혼합기(117)는 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록 희석 가스 또는 공기(110)를 혼합하기 위한, 상기 혼합기(117)의 측벽(119)들로부터 내향하는 적어도 한 그룹의 분사 파이프(114, 115, …)들을 포함하고, 상기 분사 파이프(114, 115, …)들은 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라서 원주 방향으로 배열되며, 상기 분사 파이프(114, 115, …)들은 상기 혼합기(117)의 중심을 향해 감소하는 원뿔 또는 유사 원뿔 형상을 가지는, 순차식 연소기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유사 원뿔 형상의 분사 파이프들은 그 방사상 또는 유사 방사상(quasi-radial) 길이를 따라서 감소하는 단면적을 구비한 다수의 접합 튜브들로 이루어진 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분사 파이프(114, 115, …)들은 고온 가스 유동(109) 내로 분사되는 희석 가스 또는 공기(110)로 규칙적 또는 불규칙적 간격으로 상기 혼합기(117)의 전체 단면적을 커버하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 파이프(114, 115, …)들은 그 돌출 깊이를 따라서 다수의 분사공(120)들을 포함하고, 상기 분사공(120)들은 고온 가스 유동(109) 내로 직교 또는 유사 직교하여 희석 가스 또는 공기(110a)를 분사하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 파이프(114a, 114b)들은 그 단부에 구멍을 가지며, 상기 희석 가스 또는 공기(110b)의 일부는 상기 구멍으로부터 고온 가스 유동 내로 빠져나가는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기(117)는 고온 가스 유동의 방향으로, 동일, 유사 또는 상이한 돌출 깊이를 가지는 적어도 일렬의 분사 파이프(114, 115, …)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기(117)는 고온 가스 유동의 방향으로, 동일, 유사 또는 상이한 돌출 깊이를 가지는 다수 열의 분사 파이프(114, 115, …)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 분사 파이프(114, 115, …)들은 각각의 돌출 깊이를 따라서 균일 또는 불균일한 원뿔형 경사도를 가지는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열의 분사 파이프(114, 115, …)들의 돌출 깊이는 제2 열의 돌출 깊이보다 상기 혼합기(117)의 중심에 근접하고, 상기 제2 열의 돌출 깊이는 제3 열의 돌출 깊이보다 상기 혼합기(117)의 중심에 더 근접하거나 또는 더 먼 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 열의 분사 파이프들은 상기 혼합기(117)의 중심을 향해 연장하고, 서로 방사 방향으로 반대로 배열되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 파이프(115a, 115b)들은 고온 가스 유동의 방향으로 경사지는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측벽(119)은 분산 냉각(effusion cooling)에 의해 적어도 부분적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분사 파이프 그룹(114, 115)은 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라서 원주 방향으로 분포되고, 상기 혼합기(117)를 통해 유동하는 고온 가스의 주 유동 방향에 대해 법선인 평면에 대해 엇갈린 디자인(staggered design)을 가지며, 상기 엇갈림은 상기 분사 파이프들의 지름의 0.1 내지 3.5배인 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 파이프(114, 115, …)들의 외부면의 적어도 일부 및/또는 상기 혼합기(117)의 측벽(119)의 내부면의 적어도 일부는 TBC로 코팅되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 냉각 리브들 및/또는 냉각 핀들이 상기 분사 파이프(114, 115, …)들의 내부면에 배열되는 것을 특징으로 하는 순차식 연소기 장치.
  16. 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된, 제1 버너(112), 제1 연소실(101), 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 가스에 희석 가스 또는 공기(110)를 혼합하기 위한 혼합기 장치(117), 제2 버너(113), 및 제2 연소실(102)을 포함하는 순차식 연소기 장치(104), 적어도 하나의 압축기(103)를 포함하는 가스 터빈(100)을 작동시키기 위한 방법으로서, 혼합기(117)는, 상류 단부에서 상기 제1 연소실(101)에 대한 연결에 적합한 입구 및 하류 단부에서 상기 제2 버너(113)에 대한 연결에 적합한 출구를 갖는 덕트를 포함하는 상기 제2 버너(113)와 상기 제1 연소실(101) 사이에서 연장하는 고온 가스 유동 경로(109)에서 연소 가스를 가이드하는데 적합하고, 상기 혼합기(117)는 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 연도 가스를 냉각하도록, 희석 가스 또는 공기(110)를 혼합하기 위한, 상기 혼합기(117)의 측벽(119)들로부터 방사상으로 내향하는 적어도 한 그룹의 분사 파이프(114, 115, …)들을 포함하고, 상기 분사 파이프들은 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라서 원주 방향으로 배열되며, 상기 분사 파이프들은 상기 혼합기(117)의 중심을 향해 감소하는 원뿔 또는 유사 원뿔 형상을 가지는, 가스 터빈 작동 방법.
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