KR20160098980A

KR20160098980A - 가스 터빈용 연료 분사 장치

Info

Publication number: KR20160098980A
Application number: KR1020160014742A
Authority: KR
Inventors: 양 양; 니콜라스 노이라이; 미카엘 듀싱
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-08-19
Also published as: EP3056819B1; EP3056819A1; US10422283B2; JP2016166726A; CN105864825A; US20160230668A1; CN105864825B

Abstract

가스 터빈용 연료 분사 장치(16)가 개시되며, 상기 연료 분사 장치는 상기 연료 분사 장치의 중심축(23)에 대하여 원주방향(25)으로 서로 인접하게 링으로 배열된 복수의 유선형 몸체들(30)로서, 각각의 유선형 몸체(30)는 후미 에지(34,34A,34B)를 포함하고 적어도 하나의 유선형 몸체(30)는 상기 후미 에지(34,34A,34B) 상에 연료 노즐(32)을 포함하는, 상기 복수의 유선형 몸체들(30)을 포함하고, 상기 복수의 유선형 몸체들(30)은 적어도 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30) 및 제 2 그룹의 유선형 몸체들(B,30)로 분할되고, 상기 제 1 그룹(A)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고 상기 제 2 그룹(B)에 있는 상기 유선형 몸체들(30)과 상이하며, 상기 제 2 그룹(B)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고, 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30)은 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들(30)을 포함한다. 대안으로, 상기 유선형 몸체들은 2개의 인접한 유선형 몸체들의 세트들에서 집단을 이루고, 상기 세트들 중 적어도 하나는 다른 세트들과 상이하다. 대안으로, 상기 유선형 몸체들은 상기 연료 분사 장치가 상기 중심축에 직각인 상기 평면에서 최대 4중 회전 대칭을 갖도록 배열된다. 사용 방법 및 설계 방법도 역시 기술되어 있다.

Description

가스 터빈용 연료 분사 장치{FUEL INJECTION DEVICE FOR A GAS TURBINE}

본원은 가스 터빈용 연료 분사 장치에 관한 것으로서, 특히 연료 분사 장치 내의 유선형 몸체들의 장치들에 관한 것이다.

기존의 가스 터빈용 중심 몸체 버너는 12개의 핑거(finger)들과 각 핑거 상에 2개의 노즐들을 갖는 분사 랜스를 구비한다. EP 2725303호로부터의 예는 중심 몸체(101)를 갖는 재열 버너 장치(100)를 단면도로 도시하는, 도 1에 예시된다. 각각의 유선형 몸체(300)의 선단 에지 영역은 유선형 몸체(300)의 중심면(302)에 대해 프로파일을 가지며, 상기 선단 에지들은 적어도 하나의 로브(303) 또는 적어도 2개의 보완 로브들을 가진다. 로브(303)의 표면 곡률은 동일 방향으로 서로 연계하여 이어진다. 로브(303)를 형성하는 2개의 인접 유선형 몸체(300)의 중심면으로부터의 가로방향 또는 유사 가로방향 편향들은 서로 정렬된다.

도 2는 EP 2725303호로부터의 재열 버너 장치(100)를 단면도로 도시한다. 각각의 유선형 몸체(400)의 선단 에지 영역은 유선형 몸체(400)의 중심면(403)에 대해 프로파일을 가지며, 상기 선단 에지들은 적어도 하나의 로브(401,402) 또는 반대 가로방향(404,405)의 적어도 2개의 보완 로브들을 가진다. 로브(401,402)를 형성하는 2개의 인접 유선형 몸체들(400)의 중심면으로부터의 가로방향 편향은 평면형 선단 에지에서 평향으로의 변이는 매끄럽게 되고, 표면 곡률은 연속 제 1 유도체를 갖는 함수를 나타낸다.

상기 기존의 가스 터빈용 중심 몸체 버너는 방출물 및 OTDF/RTDF(전체 온도 분포 팩터/방사상 온도 분포 팩터)의 관점에서 우수한 성능을 가진다. 그러나, 열음향 맥동 수준은 상기 기존의 중심 몸체 버너들에서 무시할 수 없으며 개선된 디자인이 유리할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 이제 기술되는 첨부된 독립 청구범위에 규정되어 있다. 본 발명의 유리한 형태들은 종속 청구항에 기술된다.

본 발명의 제 1 형태에 따라서, 가스 터빈용 연료 분사 장치가 제공되며, 상기 연료 분사 장치는 상기 연료 분사 장치의 중심축에 대하여 원주방향으로 서로 인접하게 링으로 배열된 복수의 유선형 몸체들로서, 각각의 유선형 몸체는 후미 에지를 포함하고 적어도 하나의 유선형 몸체는 상기 후미 에지 상에 연료 노즐을 포함하는, 상기 복수의 유선형 몸체들을 포함하고, 상기 복수의 유선형 몸체들은 적어도 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A) 및 제 2 그룹의 유선형 몸체들(B)로 분할되고, 상기 제 1 그룹(A)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들은 동일하고 상기 제 2 그룹에 있는 상기 유선형 몸체들(B)과 상이하며, 상기 제 2 그룹(B)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들은 동일하고, 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A)은 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들을 포함하고, 그리고/또는 상기 유선형 몸체들은 2개의 인접한 유선형 몸체들의 세트들에서 집단을 이루고, 상기 세트들 중 적어도 하나는 다른 세트들과 상이하며, 그리고/또는 상기 유선형 몸체들은 상기 연료 분사 장치가 상기 중심축에 직각인 상기 평면에서 최대 4중 회전 대칭을 갖도록 배열된다. 상술한 본 발명은 회전 모드가 임의의 주어진 댐퍼(예를 들어, 헬름홀츠 댐퍼)를 회피하기 위하여, 한 위치에 로킹되고 버너의 원주방향 주위에서 단순하게 이동할 수 없을 때 회전 열음향 모드를 완충할 수 있다. 이와 조합하여, 동일 로브 방향으로 지향되는 로브들의 그룹들을 제공하면, 조합된 와류들에 의해서 혼합작용을 제공할 수 있다. 이는 맥동 문제들의 해결을 간단하게 수행하면서 대규모의 혼합작용을 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 연료 분사 장치는 중심축에 직각인 평면에서 최대 3중, 2중 또는 단일체의 회전 대칭을 가진다. 일 실시예에서, 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 수의 유선형 몸체들을 각각 가진다. 일 실시예에서, 제 2 그룹은 원주방향으로 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들을 포함한다. 일 실시예에서, 모든 상기 유선형 몸체들은 상기 중심축으로부터 동일한 방사상 거리에 있다. 일 실시예에서, 제 1 그룹은 상기 제 1 그룹은 적어도 2개의 섹터들(a)로 분할되고 상기 제 2 그룹은 적어도 2개의 섹터들(b)로 분할되며, 상기 섹터들(a) 및 상기 섹터들(b)은 상기 링 주위에서 구성 abab로 배열된다.

일 실시예에서, 상기 유선형 몸체들의 적어도 절반은 중심축에 대하여 상이한 유선형 몸체의 반대편에 있다. 다른 실시예에서, 상기 유선형 몸체들의 적어도 2/3는 중심축에 대하여 상이한 유선형 몸체의 반대편에 있다. 또다른 실시예에서, 모든 상기 유선형 몸체들은 중심축에 대하여 상이한 유선형 몸체의 반대편에 있다. 이들 형태들은 시스템의 열음향 거동을 개선시키는 것을 보조할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 복수의 유선형 몸체들은 제 3 그룹의 유선형 몸체들(C,30)을 추가로 포함하고, 상기 제 3 그룹(C)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고 상기 제 1 그룹(A) 및 상기 제 2 그룹(B)에 있는 상기 유선형 몸체들(30)과 상이하다.

일 실시예에서, 상기 제 1 그룹의 상기 후미 에지들은 로브들로 배열되고 로브 조합체를 가지며, 상기 제 2 그룹의 상기 후미 에지들은 로브들로 배열되고 하기 로브 조합체들 중 하나 즉, 즉, 하나 이상의 완전 로브들 및 최대 2개의 절반 로브들(도 6a, 도 6b) 또는 2개의 절반 로브들(도 7a, 도 7b)을 가진다. 단일 노즐 디자인(예를 들어 도 7a, 도 7b에 있는 것)은 채널 높이(중심 몸체와 외벽 사이의 간극)를 낮추기 위해 적당할 것이다. 다른 로브 형상에서는, 유선형 몸체 허브/루트 인근에 전단층이 있다. 따라서, 상기 층에서 유동들이 분리된다.

일 실시예에서, 제 1 그룹의 유선형 몸체들은 우측 방향 로브 구조체를 가지며, 제 2 그룹의 유선형 몸체들은 좌측 방향의 로브 구조체를 가진다. 일 실시예에서, 상기 제 1 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 로브 조합체를 가지며, 상기 제 2 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 상기 제 1 그룹과 동일한 로브 조합체이다.

일 실시예에서, 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며, 그리고 상기 제 1 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐은 상기 제 2 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐과 상이한 크기를 가진다. 다른 실시예에서, 상기 제 1 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐은 동일 크기이고, 상기 제 2 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐은 동일 크기이고, 상기 노즐 크기는 상기 제 2 그룹과 비교되는 제 1 그룹에서 상이하다.

본 발명의 제 2 형태에 따라서, 상술한 연료 분사 장치를 포함하는 가스 터빈이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 가스 터빈은 원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키도록 배열된 상기 연료 분사 장치의 하류에 있는 적어도 하나의 댐퍼를 추가로 포함한다.

본 발명의 제 3 형태에 따라서, 상술한 가스 터빈용 연료 분사 장치의 작동 방법이 제공되고, 상기 방법은 적어도 하나의 연료 노즐을 통해서 연료를 분사하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며, 그리고 연료는 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나의 연료 노즐과 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나의 연료 노즐을 통해서 다른 비율로 분사된다. 다른 실시예에서, 연료는 제 1 그룹의 모든 적어도 하나의 노즐들을 통해서 동일 비율로 분사되고, 연료는 제 2 그룹의 모든 적어도 하나의 노즐들을 통해서 동일 비율로 분사되며, 상기 분사 비율은 제 2 그룹과 비교되는 제 1 그룹에서 상이하다.

본 발명의 제 4 형태에 따라서, 가스 터빈 연소기의 설계 방법이 제공되고, 이 방법은 상술한 연료 분사 장치를 제조하는 단계, 상기 연료 분사 장치를 가스 터빈에 설치하는 단계, 원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키기 위해 상기 가스 터빈 연소기에 댐퍼들을 부가하기 위한 장소를 확인하기 위하여 상기 가스 터빈을 모니터하는 단계, 그리고 원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키기 위해 상기 가스 터빈 연소기에 적어도 하나의 댐퍼를 부가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예는 단지 예를 통해서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술의 재열 버너 장치의 원주방향 단면도이다.
도 2는 다른 종래 기술의 재열 버너 장치의 원주방향 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 버너 장치의 길이방향 단면도이다.
도 4는 도 3의 단면 A-A에 따른 도면을 도시한다.
도 5는 유선형 몸체의 사시도를 도시한다.
도 6a는 유선형 몸체의 유형의 원주방향 단면도를 도시한다.
도 6b는 유선형 몸체의 유형의 원주방향 단면도를 도시한다.
도 7a는 유선형 몸체의 대안 유형의 원주방향 단면도를 도시한다.
도 7b는 유선형 몸체의 대안 유형의 원주방향 단면도를 도시한다.
도 8은 스테이지형 로브들의 위치를 도시하는 버너 장치의 길이방향 단면도를 도시한다.
도 9는 대안 실시예에 있는 도 3의 단면 A-A에 따른 도면을 도시한다.
도 10은 다른 대안 실시예에 있는 도 3의 단면 A-A에 따른 도면을 도시한다.
도 11은 제 4 대안 실시예에 있는 도 3의 단면 A-A에 따른 도면을 도시한다.

도 3은 버너(10)를 따른 길이방향 단면도를 도시한다. 버너(10)는 외벽(12), 중심 몸체(14) 및 연료 분사 장치(16)를 포함한다. 유체 유동 방향(20)도 역시 도시되어 있다. 도 3은 연료 분사 장치(16)의 위치를 도시하지만, 연료 분사 장치(16)의 임의의 형태들은 도시하지 않는다. 연소기는 버너(10)의 유체 유동 방향의 하류에 있고 연소 챔버벽(22)의 일부도 역시 보여진다. 버너의 중심축(23)도 역시 도시된다.

본 발명을 도시하기 위하여, 도 4는 연료 분사 장치(16)를 향하여 상류 방향으로 볼 때 A-A에 따른 버너(10)의 단면을 도시한다. 연료 분사 장치(16)의 상세사항은 도시되지 않았고, 연료 분사 장치는 복수의(이 경우에 12개)의 세그먼트들(24)로 분할되고, 각각의 세그먼트는 A 또는 B로 표시된다. 세그먼트들은 버너(10)의 원주 주위의 링에 배열되고 원주방향(25)으로 서로 인접한 세그먼트들은 모두 중심축에 직각인 동일 평면에 배열된다.

각각의 세그먼트에서, 도 5의 하기에 기술된 유선형 몸체(30)가 배치된다. 세그먼트 A는 한 유형의 유선형 몸체(30)를 수용하고 세그먼트 B는 제 2 유형의 유선형 몸체(30)를 수용한다. 용이한 판독을 위하여, 세그먼트 A,B는 이하 간단하게 유선형 몸체 A,B로 기술된다.

유선형 몸체(30)는 도 5에 도시된다. 유선형 몸체(30)는 연료 노즐(32), 유선형 몸체 후미 에지(34) 및 유선형 몸체 선단 에지(36)를 포함한다.

유선형 몸체 후미 에지(34)는 사인형 패턴을 기술하고 있다. 상기 유선형 몸체 후미 에지는 로브들로 분할되고, 각각의 로브는 사인파의 전체 주기의 절반이다. 도 5의 유선형 몸체에 대해서, 로브는 2개의 연료 노즐들(32) 사이의 유선형 몸체 후미 에지(34)의 일부이다(로브는 일반적으로 연료 노즐들의 위치와 무관하게 로브 상 즉, 도 6a에 도시된 유선형 몸체 중심선(35) 상의 상기 지점에서 개시되고 종결되는 것으로 고려된다). 유선형 몸체 후미 에지(34)는 다수의 로브들을 포함하고; 이 경우, 유선형 몸체의 후미 에지는 하나의 전체 로브 및 2개의 절반 로브들을 포함한다.

도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 사시도에서 보여지는 유선현 몸체들을 도시한다. 도 6a는 우측 방향 로브 구조체를 갖는 우측 방향 유선형 몸체를 도시하고, 상기 로브는 버너(10)의 원주 주위에서 시계방향을 지시한다. 도 6b는 좌측 방향 로브 구조체를 갖는 좌측 방향 유선형 몸체를 도시하고, 상기 로브는 버너(10)의 원주 주위에서 반시계방향을 지시한다.

도 4에 있어서, 각각의 유선형 몸체 A[각각의 세그먼트 A]는 도 6a에 도시된 우측 방향 유선형 몸체를 수용하고, 각각의 유선형 몸체 B[각각의 세그먼트 B]는 도 6b에 도시된 좌측 방향 유선형 몸체를 도시한다.

도 7a 및 도 7b는 유선형 몸체 후미 에지(34)의 구조체를 위한 상이한 선택사항을 도시한다. 각각의 상기 도면들에서, 유선형 몸체 후미 에지는 도 3의 A-A 사시도에 도시된다. 도 7a는 우측 방향 유선형 몸체를 도시하고, 도 7b는 좌측 방향 유선형 몸체를 도시한다.

도 7a 및 도 7b에서, 유선형 몸체(30)의 단일 노즐 디자인은 외벽(12) 및 중심 몸체(14) 사이에 도시된다. 연료 노즐(32)은 후미 에지(34)에 도시된다. 도 4를 기술할 때 주어진 규정으로부터 추론할 때, 도 7a 및 도 7b에 있는 후미 에지(34)는 2개의 절반 로브들을 포함한다.

스테이지형 로브를 갖는 유선형 몸체들이 또한 사용되고, 각각의 유선형 몸체의 후미 에지는 도 8에 도시된 바와 같이, 2개의 부분들로 분할되고, 한 부분은 다른 부분의 하류에 있다. 유선형 몸체는 2개의 부분들로 분할되어, 결과적으로 2개의 후미 에지 부분들(34A,34B)이 얻어진다. 이와 별개로, 유선형 몸체는 예를 들어, 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 같을 수 있다.

도 4는 유선형 몸체(A,B)의 하나의 가능한 구성을 도시하고, 도 9, 도 10 및 도 11은 대안 구성의 예들을 도시한다. 가장 기본 구성은 ab[섹터(a) 다음에는 섹터(b)가 따라서 버너 주위의 유선형 몸체들의 전체 링을 완성한다]이고, 다수의 유선형 몸체(A)이 이에서 다수의 유선형 몸체(B)가 따른다. 도 9 및 도 11은 이러한 예를 도시하고, 도 9는 대칭 예[유선형 몸체(A)의 수는 유선형 몸체(B)와 동일하다]를 도시하고 도 11은 비대칭 예를 도시한다[다른 수의 유선형 몸체들(A,B)].

다른 가능한 구성은 abab[유선형 몸체들의 완전 링을 이루는 섹터(a,b,a,b)]이고, 2 그룹의 유선형 몸체들(A)은 2 그룹의 유선형 몸체들(B)과 교차한다. 도 4 및 도 10은 이러한 구성의 예들을 도시한다. 이러한 패턴은 ababab, abababab 등으로 연장될 수 있다. 각각의 문자 a,b는 적어도 하나의 유선형 몸체를 포함하는 섹터를 지시하고; 즉, 섹터는 한 세트의 하나 이상의 동일한 유선형 몸체들이다. 다양한 다른 패턴들이 구체적으로 도시된 것을 넘어서 가능하고, 그리고 12개의 유선형 몸체들을 사용하는, 하나의 극단 예는 AAAAAAAAAAAB 또는 AAAAAAAAAABB를 갖는 ab일 수 있고 그리고 다른 예는 ABABABABABBB 또는 ABABABABAABB를 갖는 ababababab일 수 있다.

상술한 설명에서, 본 발명의 하나의 특정 예는 명확성을 위해 기술되고, 즉 도 4는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 로브들과 조합된다. 도 6a 및 도 6b의 유선형 몸체들 대신에, 도 7a 및 도 7b의 유선형 몸체들 또는 스테이지형 로브들과 같은 다른 유형의 로브들이 사용될 수 있다.

유사 배열에서, 도 9, 도 10 및 도 11의 대안 구성들은 예로서 도 6a 및 도 6b를 사용하여 기술되고, 그리고 다시 도 6a 및 도 6b의 유선형 몸체들을 대신하여, 도 7a 및 도 7b의 유선형 몸체들 또는 다른 유형의 로브들이 사용될 수 있다.

이러한 방식까지 확장하면, 유선형 몸체(A)에 대해서 도 6a에 도시된 것과 같은 우측 방향 유선형 몸체를 사용하고 유선형 몸체(B)에 대해서 좌측 방향 유선형 몸체(도 6b)를 사용할 필요가 없다(즉, 동일 로브 조합의 2개의 로브들을 사용할 필요가 없고; 로브 조합은 상이한 배향으로 인하여 상이한 유사 구조체의 로브들이다). 대신에, 임의의 우측 방향 유선형 몸체(예를 들어, 도 6a)는 임의의 좌측 방향 유선형 몸체(예를 들어, 도 7b)와 함께 사용될 수 있고, 유선형 몸체(A)가 유선형 몸체(B)와 상이하다면, 사실 일반적으로 2개의 상이한 유형의 유선형 몸체들의 임의의 조합이 사용될 수 있다.

또한, 2개 초과의 상이한 유형의 유선형 몸체들을 가질 수 있다. 예로서, 4개의 상이한 유형의 유선형 몸체들(A,B,C,D)은 구성 AAABBBCCCDDD에서 유선형 몸체들을 갖는 abcd와 같은 여러 패턴에서 사용될 수 있다.

다수의 로브들의 경우에 있어서, 그 다음 유선형 몸체들은 버너의 중심축에 최근접한 전체 로브가 버너의 원주 주위에서 시계 방향을 지시할 때 우측 방향으로 지정되고, 버너의 중심축에 최근접한 전체 로브가 버너의 원주 주위에서 반시계 방향을 지시할 때 좌측 방향으로 지정될 수 있다.

회전 모드들을 억제하는 것을 보조할 수 있는 다른 팩터는 유선형 몸체 패턴에서 비대칭 요소이다. 본원에 기술된 유선형 몸체 패턴들은 일반적으로 연료 분사 장치(및 버너의)의 길이방향 축 주위에서 다중 회전 대칭을 갖지 않는다. 도 1에서 종래 기술의 예들[12중 대칭 또는 12도 대칭 즉, 30°의 임의의 정수배 만큼 회전] 및 도 2[6중 대칭 즉, 60°의 임의의 정수배 만큼 회전]는 적어도 6중 대칭을 가진다. 대조적으로, 본 발명에 따른 연료 분사 장치[특히 12개 도는 더욱 적은 수의 유선형 몸체들을 가짐]는 일반적으로 4중 대칭을 가지며 대부분 단지 3중 이하의 대칭을 가진다. 예시하기 위하여, 도 4의 예는 단지 360°의 임의의 정수배 만큼의 단일 회전 대칭을 가지며, 도 9는 또한 단일 회전 대칭을 가지며, 도 10은 120°의 임의의 정수배 만큼의 3중 회전 대칭을 가지며, 도 11은 다시 단일 회전 대칭을 가진다. 예들은 또한 AAABBBAAABBB 및 ABCDEFABCDEF와 같은 2중 대칭[180°의 임의의 정수배 만큼 회전]으로 존재하고, ABCABCABCABC와 같은 4중 회전 대칭으로 존재한다.

회전 모드들을 감소시키는 것을 보조할 수 있는 다른 팩터는 상이한 유선형 몸체들 반대편에 있는[버너의 길이방향 축에 직각인 평면에 있는] 연료 분사 장치의 반대측들 상에 있는 유선형 몸체들의 수와 연계된다. 도 9에서, 예를 들어, 모든 유선형 몸체들(A)은 유선형 몸체(B) 반대편이고, 도 11에서 유선형 몸체들의 2/3은 상이한 유선형 몸체의 반대편에 있다[모든 유선형 몸체들(A) 및 그 반대 4개의 유선형(B)]. 다른 예들은 ABCBCACABCAB 및 ABCDABCDABCD를 포함하고, 여기서 모든 유선형 몸체들은 상이한 유선형 몸체와 반대편에 있다.

회전 모드들을 억제하는 것을 보조할 수 있는 다른 팩터는 유선형 몸체들의 반복 세트들 사이의 차이이다. 즉, 유선형 몸체들은 동일한 수의 유선형 몸체들을 갖는 적어도 2 세트들로 분할(집단화 또는 그룹화)되고, 적어도 2 세트들의 적어도 2개는 서로 상이하다. 예를 들어, 2의 세트들과 12개 유선형 몸체들에서, 6 세트들중 적어도 하나는 다른 것들과 상이해야 한다(즉, 적어도 2개의 상이한 세트들이 있어야 한다). 특정 예로서, ABABABABABBB는 2 세트들, AB 및 BB을 가지며, AB,AB,AB,AB,AB,BB로 집단화된다. 이는 임의의 수 또는 세트들의 장치에 대한 경우이어야 한다 - 일반적으로 많은 상이한 분할들이 가능하지만, 분할과 무관하게 항상 적어도 2개의 상이한 유형의 세트들이 있다. 예 ABABABABABBB에서, 패턴은 또한 상이한 지점에서 (BA,BA,BA,BA,BB,BA로) 분할될 수 있거나 또는 상이한 수의 세트들 ABA,BAB,ABA,BBB 또는 ABAB,ABAB,ABBB 또는 ABABAB,ABABBB를 가진다. 분할과는 무관하게, 항상 적어도 2개의 상이한 유형들의 세트들이 있다. 다른 예로서, AAAABBBBBBBB는 또한 항상 적어도 2개의 상이한 세트들 AA 및 BB를 가진다. 상이한 유형의 세트들의 수는 AA,AA,BB,BB,BB,BB보다 AA,AB,BB,BB,BB,BA로 분할되면, 분할에 따라서, 예를 들어 2개 대신에 4개로 변화될 수 있다.

다른 더욱 일반적인 해석에서, 세트들중 적어도 하나는 다른 것과 상이해야 하고 각각의 세트는 정확하게 2개의 유선형 몸체들을 가져야 한다. 이는 본 발명 내에서 적합한 광범위한 선택사항의 수를 제공한다. 예를 들어, ABBAABBAABBA는 2개의 세트들로 분할될 때 2개의 상이한 유형의 세트들을 제공하고, 이는 세트 ABBA 3배 즉, ABBA,ABBA,ABBA로 분할되기 때문에, 4개의 적어도 2개의 상이한 세트들을 제공하지 않는다. ABCDABCDABCD와 같은 예는 또한 2개의 세트들을 갖지만 4개의 세트들을 갖지 않는 2개의 상이한 세트를 제공한다.

회전 모드들을 억제하기 위하여 모든 상기 상이한 팩터들[서로 인접한 2개 이상의 동일한 유선형 몸체들, 유선형 몸체 패턴에서 비대칭 요소들, 연료 분사 장치의 반대편 측부 상의 상이한 유선형 몸체들, 적어도 2개의 상이한 유형들의 세트의 2개 이상의 유선형 몸체들]을 갖는 것이 필요하지 않다.

상술한 연료 분사 장치의 작동 방법에서, 연료는 유선형 몸체들의 후미 에지에 있는 연료 노즐들을 통해서 분사된다. 연료는 그 다음 통상적으로 하류에서 혼합되고 그 다음 점화된다. 중심 몸체 버너에 있는 화염 전방은 예를 들어 일반적으로 균일한 온도 분포를 갖는 균일한 형성을 도시한다. 연료는 일반적으로 유동 내에서 균일하게 분배되고 로브 허브(중심 몸체) 인근에서 하나의 전단층이 있다. 이는 중심 몸체의 반경으로 인한 것이고, 통상적으로 대규모의 혼합 와류를 발생시키기에 충분하게 강하지 않다. 내부 전단층은 낮은 연료 질량 분율을 나타낸다. 전단층은 2개의 반대 회전 유동 방향으로 분리된다. 이는 정상파(standing wave)가 2개의 반대 회전 모드들(원주방향 열음향 모드들)에 의해서 변조된다는 것을 나타낸다. 연료는 제 1 그룹의 연료 노즐 또는 노즐들과 제 2 그룹의 연료 노즐 또는 노즐들을 통해서 상이한 비율로 분사될 수 있다. 연료 유동들에서의 차이는 예를 들어, 상이한 크기 노즐들 및/또는 상이한 연료 압력에 의해서 이루어진다.

진동 및 맥동을 감소시키기기 위하여 상기 회전 모드들을 완충할 수 있는 것이 유리하다. 가스 터빈 연소기의 설계 방법에 있어서, 상술한 연료 분사 장치가 먼저 제조된다. 연료 분사 장치는 그 다음 가스 터빈에 설치되고, 가스 터빈은 모드 성질을 확인하기 위하여 감시된다. 일단 모드들이 특성화되면, 하나 이상의 댐퍼들은 가스 터빈에 부가되어서 모드들에 의해서 유발된 진동 및 맥동을 감소시킨다.

비록 중심 몸체(14)를 갖는 버너(10)가 제공되지만, 본 발명은 중심 몸체가 없는 버너에도 제공될 수 있다. 예들에서 도시된 버너는 (버너의 길이방향 축에 대해서) 원형 길이방향 단면을 가지며, 직사각형과 같은 다른 형상도 가능하고, 이 경우에 유선형 몸체들의 링은 직사각형 또는 실질적인 직사각형일 수 있다.

상술한 예들에서, 12개의 세그먼트들(24)[및 그에 따른 12개의 유선형 몸체들(30)]이 제공되지만, 다른 수의 유선형 몸체들도 가능하다.

제한된 수의 유선형 몸체 유형들은 본 적용에서 기술되고; 본 발명은 또한 유선형 몸체의 다른 디자인들과 함께 작용할 수 있다.

하나 이상의 연료 노즐들(32)은 상술한 각각의 유선형 몸체들에 제공되고, 임의의 실시예에서 모든 유선형 몸체는 적어도 하나의 연료 노즐을 가진다. 그러나, 모든 유선형 몸체가 연료 노즐을 갖는 것이 필수사항은 아니다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 모든 다른 유선형 몸체는 연료 노즐을 가진다. 유선형 몸체에서의 노즐의 위치와 노즐의 수는 또한 융통성이 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에서, 대안으로 외벽(12)과 중심 몸체(14) 사이의 중간에 있는 후미 에지 상의 지점과 같이, 현재 도시된 2개의 노즐들의 위치에 또는 다른 위치에, 단지 하나의 노즐이 제공될 수 있다. 연료 노즐은 제 1 그룹의 유선형 몸체들에서 하나의 크기이고 제 2 그룹의 유선형 몸체들에서는 상이한 크기이다. 이는 제 2 그룹과 비교되는 제 1 그룹의 유선형 몸체들로부터 상이한 연료 유동을 허용할 수 있다.

유선형 몸체 후미 에지(34)는 사인파 패턴 대신에 다양한 패턴을 기술할 수 있다.

유선형 몸체 후미 에지(34)는 다양한 수의 로브들을 가지며, 상술한 예들에 국한되지 않는다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 디자인은 2개의 전체 로브로 확장될 수 있고 도 6a 및 도 6b에 있는 디자인의 2개의 절반 로브들 또는 하나 또는 양자 모두의 절반 로브들은 제거될 수 있다.

도 8에서, 스테이지형 유선형 몸체는 후미 에지(34B)의 상류에 있고 연료 분사 장치 중심축에 더욱 인접한 후미 에지(34A)와 함께 도시되며, 후미 에지(34A)는 또한 후미 에지(34B)의 하류에 있다. 유선형 몸체의 2개의 부분들은 완전히 분리 도시되고 연료 분사 장치 중심축 방향으로 이격되고 축방향으로 중첩되지만, 이들은 결합되거나 또는 분리될 수 있고 중심축 방향 및 축방향 모두에서 중첩될 수 있다. 본원에 기술된 스테이지형 유선형 몸체는 2개의 스테이지를 가지며, 다른 실시예들은 3개 이상의 스테이지를 가진다.

기술된 실시예들에 대한 다양한 변형이 하기 청구범위에 규정된 본 발명의 범주 내에서 당업자에게 가능하고 예시될 수 있다.

10: 버너 36:유선형 몸체 선단 에지
12: 외벽
14: 중심 몸체 100: 재열 버너 장치
16: 연료 분사 장치 101: 중심 몸체
20: 유체 유동 방향 300: 유선형 몸체
22: 연소 챔버 외벽 301: 로브
302: 중심면
23: 버너 중심축 303: 로브
24: 세그먼트 400: 유선형 몸체
25: 원주방향 401: 로브
30: 유선형 몸체 402: 로브
32: 연료 노즐 403: 중심면
34,34a,34b: 유선형 후미 에지
404: 가로 방향 405: 가로 방향
35: 유선형 몸체 중심선
OTDF 전체 온도 분포 팩터
RTDF 방사상 온도 분포 팩터

Claims

가스 터빈용 연료 분사 장치(16)에 있어서,
상기 연료 분사 장치의 중심축(23)에 대하여 원주방향(25)으로 서로 인접하게 링으로 배열된 복수의 유선형 몸체들(30)로서, 각각의 유선형 몸체(30)는 후미 에지(34,34A,34B)를 포함하고 적어도 하나의 유선형 몸체(30)는 상기 후미 에지(34,34A,34B) 상에 연료 노즐(32)을 포함하는, 상기 복수의 유선형 몸체들(30)을 포함하고,
상기 복수의 유선형 몸체들(30)은 적어도 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30) 및 제 2 그룹의 유선형 몸체들(B,30)로 분할되고,
상기 제 1 그룹(A)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고 상기 제 2 그룹(B)에 있는 상기 유선형 몸체들(30)과 상이하며, 상기 제 2 그룹(B)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고,
상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30)은 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들(30)을 포함하고, 그리고/또는
상기 유선형 몸체들은 2개의 인접한 유선형 몸체들의 세트들에서 집단을 이루고, 상기 세트들 중 적어도 하나는 다른 세트들과 상이하며, 그리고/또는
상기 유선형 몸체들은 상기 연료 분사 장치가 상기 중심축에 직각인 상기 평면에서 최대 4중 회전 대칭을 갖도록 배열되는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그룹 및 상기 제 2 그룹은 각각 동일한 수의 유선형 몸체들(30)을 갖는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 그룹은 상기 원주방향(25)으로 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들(30)을 포함하거나 또는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 상기 중심축(23)으로부터 동일한 방사상 거리에 있는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유선형 몸체들의 적어도 절반부는 상기 중심축에 대한 상이한 유선형 몸체 반대편인, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹은 적어도 2개의 섹터들(a)로 분할되고 상기 제 2 그룹은 적어도 2개의 섹터들(b)로 분할되며, 상기 섹터들(a) 및 상기 섹터들(b)은 상기 링 주위에서 구성 abab로 배열되는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유선형 몸체들은 제 3 그룹의 유선형 몸체들(C,30)을 추가로 포함하고, 상기 제 3 그룹(C)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고 상기 제 1 그룹(A) 및 상기 제 2 그룹(B)에 있는 상기 유선형 몸체들(30)과 상이한, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 로브 조합체를 가지며, 상기 제 2 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 상기 제 1 그룹과 동일한 로브 조합체인, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 하기 로브 조합체들 중 하나를 가지며, 상기 제 2 그룹의 상기 후미 에지들(34,34A,34B)은 로브들로 배열되고 하기 로브 조합체들 중 하나를 갖는, 즉,
a. 하나 이상의 완전 로브들 및 최대 2개의 절반 로브들(도 6a, 도 6b)
b. 2개의 절반 로브들(도 7a, 도 7b) 또는
c. 적어도 하나의 스테이지형 로브 중 하나를 갖는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들(30)은 우측 방향의 로브 구조체를 가지며, 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들(30)은 좌측 방향의 로브 구조체를 갖는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며, 그리고 상기 제 1 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐은 상기 제 2 그룹의 적어도 하나의 연료 노즐과 상이한 크기를 갖는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16).
제 1 항 내지 제 10 중 어느 한 항의 연료 분사 장치(16)를 포함하는 가스 터빈.
제 11 항에 있어서,
원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키도록 배열된 상기 연료 분사 장치의 하류에 있는 적어도 하나의 댐퍼를 추가로 포함하는, 가스 터빈.
가스 터빈용 연료 분사 장치(16)의 작동 방법에 있어서,
상기 연료 분사 장치(16)는 상기 연료 분사 장치의 중심축(23)에 대하여 원주방향(25)으로 서로 인접하게 링으로 배열된 복수의 유선형 몸체들(30)로서, 각각의 유선형 몸체(30)는 후미 에지(34,34A,34B)를 포함하고 적어도 하나의 유선형 몸체(30)는 상기 후미 에지(34,34A,34B) 상에 연료 노즐(32)을 포함하는, 상기 복수의 유선형 몸체들(30)을 포함하고, 상기 복수의 유선형 몸체들(30)은 적어도 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30) 및 제 2 그룹의 유선형 몸체들(B,30)로 분할되고, 상기 제 1 그룹(A)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고 상기 제 2 그룹(B)에 있는 상기 유선형 몸체들(30)과 상이하며, 상기 제 2 그룹(B)에 있는 모든 상기 유선형 몸체들(30)은 동일하고, 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들(A,30)은 서로 인접한 적어도 2개의 유선형 몸체들(30)을 포함하고, 그리고/또는 상기 유선형 몸체들은 2개의 인접한 유선형 몸체들의 세트들에서 집단을 이루고, 상기 세트들 중 적어도 하나는 다른 세트들과 상이하며, 그리고/또는 상기 유선형 몸체들은 상기 연료 분사 장치가 상기 중심축에 직각인 상기 평면에서 최대 4중 회전 대칭을 갖도록 배열되고, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 연료 노즐(32)을 통해서 연료를 분사하는 단계를 포함하는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16)의 작동 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 연료 노즐을 가지며, 그리고 연료는 상기 제 1 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나의 연료 노즐과 상기 제 2 그룹의 유선형 몸체들 중 적어도 하나의 연료 노즐을 통해서 다른 비율로 분사되는, 가스 터빈용 연료 분사 장치(16)의 작동 방법.
가스 터빈 연소기의 설계 방법에 있어서,
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 장치(16)를 제조하는 단계,
상기 연료 분사 장치(16)를 가스 터빈에 설치하는 단계,
원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키기 위해 상기 가스 터빈 연소기에 댐퍼들을 부가하기 위한 장소를 확인하기 위하여 상기 가스 터빈을 모니터하는 단계, 그리고
원주방향의 열음향 모드들에 의해서 발생된 진동들 및/또는 맥동들을 감소시키기 위해 상기 가스 터빈 연소기에 적어도 하나의 댐퍼를 부가하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 연소기의 설계 방법.