KR20160117283A

KR20160117283A - 연료 분사 장치

Info

Publication number: KR20160117283A
Application number: KR1020160037492A
Authority: KR
Inventors: 카스파르 뢰펠; 양-베린다 양; 아드난 에로그루; 미카엘 토마스 마우레르; 니코 비아기올리; 알렉세이 스티첸코; 세르게이 밀리코브; 이고르 바이부첸코
Original assignee: 안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-10-10
Also published as: CN106438052B; CN106438052A; US10544940B2; JP2016191546A; EP3076080B1; EP3076080A1; US20160290648A1

Abstract

본원의 연료 분사 장치(1)는 본체를 포함하며, 상기 본체는 전연(11) 및 후연(12)을 포함하며 전연으로부터 후연까지 유선방향(3)을 형성한다. 상기 연료 분사 장치의 본체는 부가로 제 1 표면(101) 및 상기 제 1 표면 반대편의 제 2 표면(102)을 포함하고, 상기 표면들의 각각은 전연(11)과 후연(12) 사이에서 연장하며 상기 전연과 상기 후연을 포함하고, 상기 표면들은 전연 및 후연에서 서로 결합한다. 유선 방향으로 보았을 때 후연(12)은 후연 중간 라인(13)을 따라 파형을 이루고, 그리고 후연의 범위를 따라, 상기 중간 라인으로부터 반대편 방향으로 편차나며, 그리고 부가로 후연의 범위를 따라 적어도 하나의 굴곡점(14)을 포함한다. 연료 분사 장치는 부가로 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단 그리고 상기 분사 장치의 외부로 개방되는 제 1 연료 방출 수단(15)과 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트를 포함하며, 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트는 후연에 배치된 제 1 연료 방출 수단에서 종결된다. 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단(15)은 2개의 후연 굴곡점(14) 사이의 후연(12)에 배치된다.

Description

연료 분사 장치{FUEL INJECTOR DEVICE}

본 발명은 청구범위 제 1 항에 기재된 바와 같은 연료 분사 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연소기 및 상술한 타입의 연료 분사 장치를 포함하는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.

연소기에서, 허용 가능한 배기가스 오염 물질의 농도를 달성하기 위해서는, 가장 일반적으로 사용되는 공기와 같은 산화제와 연료의 완전한 혼합이, 연료가 연소되기 전에 필요하다. 예를 들어 EP 0 718 470 B1에 기재된 바와 같은 소위 순차적 연소(sequential combustion)를 하는 가스 터빈에서는, 산화제로서 역할을 하는 선행 터빈으로부터 부분적으로 팽창된, 여전히 산소 농후한 연도 가스(flue gas)가 순차적(subsequent) 연소기에 공급된다. 그런 가스 터빈에서는, 특히 순차적 연소기에서는 연소기로 들어오는 산화제 즉, 부분적으로 팽창된 연도 가스가 연료 자기 점화(self-ignition) 온도를 초과하는 온도를 갖는다. 즉, 연료는 일정한 점화 지연 시간 후에 자발적으로 점화를 할 것이다. 따라서 연료가 점화하기 전에 제한된 시간 내에서 완전하고 균일한 연료/산화제 혼합물을 달성하는 것이 중요하다.

연료/산화제의 혼합을 강화하는 것에 관한 다양한 제안이 제기되어져 있으며, 제안들 중에는 혼합 시간을 길게 하거나 또는 각각 연료가 점화하기 전에 연소기 내에서 연료 분사 위치로부터 하류 거리를 길게 만든 것이 있다. 예를 들어 US 2012/0272659 A1이 공개한 것은 연료 분사 장치가 유체 흐름 방향을 가로지른 파형(undulating shape)을 갖는 에어포일 후연(airfoil trailing edge)을 갖는 실질적으로 에어포일 형상으로 이루어지며, 상기 파형의 공기 역학적 단면은 전연(leading edge)에서 후연까지 유선 방향(streamwise direction)을 형성한 것이다. 후연에서, 주요 유체 흐름 방향을 가로지른 반대(oppsite) 속도 성분을 갖는 유체 흐름들은 만나서 혼합되며, 후연으로부터 와류 전파 하류를 형성하고, 상기 와류는 본질적으로 파형 후연의 굴절점(inflection points)에서 회전 중심을 갖는다. 연료는 본질적으로 상기 굴절점에서 후연에 배치된 연료 방출 수단을 통해 산화제 흐름부 쪽으로 방출되며, 와류로 인해서, 산화제와 철저하게 혼합된다.

본원은 낮은 값에서 버너 압력 강하를 유지하면서 연료/산화제 혼합동작을 더욱 향상시키기 위한 적절한 수단을 제공하는 것이다. 향상된 연료/산화제 혼합동작은 예를 들어 순차적 버너에서 높은 화염 온도를 허용하면서, 예를 들어 증가된 NOx 배출 또는 플래시백 등의 결점이 없는 것이다.

본원의 다른 양태에서는 제조 비용 및 복잡성이 고려된다.

또 다른 양태에서, 본원의 제안된 장치는 분사 위치가 연료의 각 유형에 맞게 최적화될 수 있는 이중 연료 연소기용의 우수한 혼합 품질을 제공하는 것이다.

이는 청구범위 제 1 항에 기재된 주제에 의해 달성된다.

또한 명백한 언급 여부와 관계 없이 게시된 주제에 대한 부가적인 효과 및 장점은 아래에 기재한 게시 내용으로부터 분명하게 나타날 것이다.

본원의 연료 분사 장치는 본체를 포함하며, 상기 본체는 전연 및 후연을 포함하며 전연으로부터 후연까지 유선 방향을 형성하고, 상기 본체는 부가로 제 1 표면 및 상기 제 1 표면 반대편의 제 2 표면을 포함하고, 상기 표면들의 각각은 전연과 후연 사이에서 연장하며 상기 전연과 후연을 포함하고, 상기 표면들은 전연 및 후연에서 서로 결합한다. 유선 방향에 대해 평행한 방향으로 보았을 때 후연은, 후연 중간 라인을 따라 파형을 이루고, 후연의 범위를 따라, 상기 중간 라인으로부터 반대방향으로 편차나며 그리고 부가로 후연의 범위를 따라 적어도 하나의 굴곡점을 포함한다. 즉, 후연은 주요 유체 흐름 방향을 가로지른 파형 방식으로 연장되며, 상기 주요 유체 흐름 방향은 전연에서 후연으로 향하는 방향이다. 다르게 표현하면, 후연은 주요 유체 흐름 방향을 가로지른 평면에서 다른 반대편 방향으로 만곡된다. 연료 분사 장치는 부가로 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단 및 상기 분사 장치의 외부로 개방되는 제 1 연료 방출 수단과 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트를 포함하며, 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트는 후연에 배치된 제 1 연료 방출 수단에서 종결된다. 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단은 2개의 후연 굴곡점 사이의 후연에 배치된다.

상기 후연이 유선 방향으로 만곡되거나 파형을 이루어서, 분사 장치 본체의 유선 범위는 다른 분사 장치의 길이방향 단면 섹션에서 변하며, 상기 길이방향 단면 섹션은 본체의 유선 방향을 따라 절취한 섹션이다.

연료 분사 장치의 본체는 특히 공기 역학적인 길이방향 단면 섹션을 가질 수 있다. 하류로, 유선 방향을 따라, 본체는 유선 방향으로 보았을 때 파형의 진폭이 전연으로부터 증가하거나 또는 후연을 향한 방향으로 전연 하류 위치로부터 증가하는 증가형 파형을 형성한다. 특정 실시예에서는 본체가 전연에서 파형을 이루지 않는다. 전연은 본질적으로 막대 형상의 연료 분사 장치가 제공되도록 직선적이거나, 또는 일 방향으로만 만곡될 수 있으며, 특히 원형 또는 일부 원형의 형상을 나타낼 수 있다. 다음, 연료 분사 장치는 캔 형상, 부분 원통 형상, 절두 원추 형상 또는 부분 절두 원추 형상을 가정할 수 있다. 일례의 막대 형상의 연료 분사 장치의 본체가 US 2012/0272659 A1에 기재되어 있으며, 이와 관련한 기술내용은 참고 문헌으로 본원에 포함되었다.

연료 방출 수단이 후연을 따라서 매우 균등하게 연료를 전달하면서, 소규모 와류가 분사된 연료 빔 사이에서 발생되는 것이 발견되었다. 그 결과로, 놀랍게도, 연료/산화제 혼합은 연료가 분사 장치의 형상 또는 그 파형에 의해 발생된 와류 쪽으로 분사되지 않거나 또는 배타적으로 분사되지 않더라도 향상되었으며, 상기 와류는 적어도 본질적으로 후연 굴곡점에 위치하는 것이 발견되었다.

연료는 연료 공급 수단 및 연료 분사 장치의 내부에 배치된 연료 공급 덕트를 통해 연료 방출 수단에 제공될 필요가 있다. 명백히, 이런 사실은 연료 분사 장치의 복잡한 내부 구조를 초래한다. 공급 덕트에 대한 가능한 기하학적 형상은 지금까지 크게 제약되어 있다. 이런 사실은 분사 장치에 적당한 냉각을 제공할 필요가 있고, 따라서 내부 냉각 채널을 배치하는 것이 고려되는 경우에 매우 주목을 받는다. 연료 운반 유체용 공급 및 방출 수단이 제공될 수 있다. 또한, 이중 연료 성능이 연구되는 경우, 다중 연료 공급 및 방출 시스템이 제공될 필요가 있다. 칩 제거 도구가 접근할 수 없는 내부 공동이 제공될 필요가 있다. 따라서, US 2012/0272659 A1에 게시된 바와 같은 연료 방출 수단은 다수의 개별 부품들을 조립해야 하는 것이다. 그러나, 이 조립 단계는 비용이 많이 들고, 시간을 소비하며, 연료 분사 장치의 가능한 복잡성에 실질적인 제약을 준다. 또한, 예를 들어 1000℃ 에 가깝거나 또는 초과하는 온도에서 고 부하를 견딜 필요가 있을 다수의 용접 밀봉이 필요한 요소가 발생하는 것을 고려할 필요도 있다.

본 발명의 일 양태에 따라서 이음부 없는 일체식 단일체 장치(a seamless, monolithic one-piece device)로서 연료 분사 장치를 제공한다. 이런 장치는 예를 들어, 추가적 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속 분말은 용융되어, 고형물체가 되도록 특정 위치에서 재응고될 수 있다. 그런 추가적 제조 방법의 공정은, 선택적 레이저 용융 또는 선택적 전자 빔 용융을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다.

특정 실시예에서, 본 발명에 따른 연료 분사 장치는 다수의 제 1 연료 방출 수단, 즉 적어도 2개의 연료 방출 수단이 2개의 후연 굴곡점 사이의 후연에 배치되는 특징이 있다. 물론, 상기 다수의 제 1 연료 방출 수단은 2개 이상의 제 1 연료 방출 수단을 포함할 수 있는 데, 예를 들면 4개 이상, 5개 이상, 또는 10개 이상의 제 1 연료 방출 수단이 2개의 후연 굴곡점 사이에 배치될 수 있다. 연료 분사 장치의 다른 특정 실시예에서, 제 1 연료 방출 수단은 연료 방출 방향을 형성할 수 있으며, 분사 장치의 본체는 상기 제 1 연료 방출 수단의 위치에서 로컬(local) 후연 흐름 방향을 형성할 수 있으며, 상기 연료 분사 장치는, 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단용으로, 연료 방출 방향이 로컬 후연 흐름 방향과 다른 방향인 특징적인 것이다. 당업계의 기술자는 연료 방출 방향이 연료 방출 수단의 기하학적 형상 및 배치에 의해 제공되는 것을 이해한다. 예를 들어 연료 방출 수단으로 제공된 원통형 보어의 경우에서는, 연료 방출 방향이 적어도 본질적으로 보어의 축과 동일하다. 또한, 후연 흐름 방향이 후연에 연료 분사 장치의 본체의 기하학적 형상에 의해 분명하게 형성된 방향으로 용이하게 이해하고, 예를 들어 후연에 에어포일 골격 라인과 적어도 본질적으로 동일한 것으로 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 로컬 후연 흐름 방향은 파형 후연 범위를 따라서 특정 지점에서 후연의 기하학적 형상에 의해 제공된다.

적어도 2개의 제 1 연료 방출 수단이 다른 연료 방출 방향을 형성하고 및/또는 지역적 후연 흐름 방향과 상이한 각도를 갖는 연료 방출 방향을 형성하는 실시예를 고려할 수 있다. 모든 제 1 연료 방출 수단이 적어도 본질적으로 로컬 후연 흐름 방향과 일렬로 있는 연료 방출 방향을 형성하는 다른 실시예를 고려할 수 있다.

다수의 연료 방출 수단을 제공하는 데에서는 다수의 소규모 와류가 상술한 바와 같이 더욱 향상된 혼합이 일어나게 한다. 또한, 일정한 각도가 특정 위치에서 방출된 연료 빔의 방향과 후연 흐름 방향 사이에 제공되면, 연료와 산화제 사이에 추가적인 전단력이 생성되며, 그것은 연료/산화제의 혼합을 더욱 강화시키는 역할을 한다.

연료 방출 수단, 또는 상기 방출 수단의 방출 개구는 다양한 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 그 예를 들면 한정적이지 않은 기재로, 둥근 형상, 원형, 타원형, 다각형 형상, 또는 슬롯 형상이 있고, 그리고 특히 후연 범위를 따라 길이방향으로 연장하는 슬롯을 가질 수 있다. 슬롯은 또한 둥근 좁은 측면을 갖는 타원형을 생각할 수도 있다. 슬롯은 또한 곡선진 종축을 가질 수도 있다. 일반적으로, 연료 방출 수단 방출 개구가 100% 이상으로 수직 방향으로 치수를 초과하는 한 방향으로 치수를 갖는 기하형상은 슬롯을 고려할 수 있다. 한 방향으로의 상기 치수는 다른 수직하는 방향으로 200% 이상 또는 250% 이상 그리고 특별하게는 300% 이상으로 치수를 초과할 수도 있다. 슬롯 형상의 연료 방출 개구는 방출된 연료 빔의 확장된 표면을 초래할 것이며, 따라서 혼합을 강화하는 역할을 할 수 있을 것이다. 하나의 연료 분사 장치에서는 다수의 연료 방출 수단이 조합될 수 있음을 예측할 수 있을 것이다. 또한, 연료 방출 개구의 기하학적 형상은 유동장(flow field)에 영향을 받고 혼합 효율 및 위치에 따른 영향을 받을 것이며, 따라서 당업계의 기술자는 방출 수단의 기하학적 형상을 적절히 선택하는 그러한 매개변수를 조정할 수 있을 것임도 예측할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본원에 기술된 바와 같은 연료 분사 장치의 특징은 적어도 하나의 제 2 내부 연료 공급 수단 및 연료 분사 장치의 파형 후연에 제공되며 연료 분사 장치의 외부로 개방되는 적어도 하나의 제 2 연료 방출 수단, 그리고 제 2 연료 공급 수단과 제 2 연료 방출 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 제 2 연료 방출 덕트를 포함하는 것이다. 특정 실시예에서, 제 1 연료 방출 수단의 수는 2 연료 방출 수단의 수보다 크다. 다른 특정 실시예에서, 상기 제 2 연료 방출 수단 및/또는 다수의 제 2 연료 방출 수단은 후연의 굴곡점에 배치된다. 특히, 다수의 제 2 연료 방출 수단의 각각의 제 2 연료 방출 수단은 후연의 굴곡점에 배치될 수 있고, 및/또는 제 2 연료 방출 수단은 각각의 후연 굴곡점에 제공될 수 있다.

적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단, 그리고 특히 다수의 제 1 연료 방출 수단이 기체 연료의 방출용으로 배치되어 구성될 수 있다. 적어도 하나의 제 2 연료 방출 수단, 그리고 특히 다수의 제 2 연료 방출 수단은, 액체 연료의 방출용으로 제공될 수 있으며, 특히 액체 연료 노즐일 수 있다. 제 1 및 제 2 연료 방출 수단이 제공된 경우, 연료 분사 장치는 이중 연료 작동용으로 적당하며, 상기 이중 연료 작동은 예를 들면, 천연가스와 연료 오일인, 기체와 액체 연료를 선택적으로 및/또는 동시에 작동하는 것이다.

후연의 굴곡점에 액체 연료 방출 수단을 제공하고, 즉 강한 세기의 대규모 와류에 액체 연료를 방출하고, 상기 굴곡점 사이에 기체 연료 방출 수단을 제공하고, 즉 약한 세기의 소규모 와류 영역으로 기체 연료를 방출하여, 밀도가 더 높고 무거운 액체 연료의 혼합이 더 강렬한 와류의 지원을 받아 혼합되는 반면에, 더 가벼운 연료는 약한 세기의 와류에 의해 혼합되어서, 이중 연료의 성능을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이런 동작은 완전한 혼합물에 도달할 때까지 시간 또는 각각의 하류 거리를 조정하는 역할을 할 수 있다. 그러나, 본 실시예는 필수적인 것은 아니다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 운반 유체 방출 수단은 연료 방출 수단에 인접하여 위치하며 및/또는 방출된 연료에 대한 운반 유체의 흐름을 제공하도록 연료 방출 수단을 둘러싸고 있다. 운반 유체는 높은 온도에서 존재하는 산화제로부터 연료를 격리하는 차폐 효과를 제공하여, 연료의 조기 자발적 점화를 방지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 이런 양태에 따른 연료 분사 장치의 특징은 적어도 하나의 내부 운반 유체 공급 수단 및 적어도 하나의 운반 유체 방출 수단과 운반 유체 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 운반 유체 방출 덕트를 포함한 것이다. 적어도 하나의 운반 유체 방출 수단은 제 1 또는 제 2 연료 방출 수단에 인접하여 제공된다. 운반 유체 방출 수단은 제 1 또는 제 2 연료 방출 수단을 둘러싸는 환형 개구일 수 있다. 특정 실시예에서는 2개 이상의, 특히 적어도 2개의 운반 유체 방출 수단이 연료 방출 수단에 인접하여 배치되며, 특히 상기 연료 방출 수단의 반대편 측에 배치되어서, 차폐 효과를 향상한다.

운반 유체 방출 수단은 예들 들어 환형상으로 연료 방출 수단을 둘러싸지만, 슬롯 형상일 수도 있으며, 형성된 슬롯은 연료 방출 수단과 관련하여 상술한 바와 같은 것으로 이해 한다.

본 발명의 범위 내에서 생각할 수 있는 실시예는, 운반 유체 방출 수단이 제 2 연료 방출 수단에 인접하여, 특히 둘러싸고 배치되며, 제 1 연료 방출 수단과 인접하여 배치되지 않는 것이며, 다른 실시예에서는 운반 유체 방출 수단이 제 1 연료 방출 수단에 인접하여, 특히 제 1 연료 방출 수단을 둘러싸고 배치되며, 제 2 연료 방출 수단에 인접하여 배치되지 않는 것이다. 마찬가지로, 본 발명의 범위 내에서 생각할 수 있는 실시예는, 운반 유체 방출 수단이 제 2 연료 방출 수단에 인접하여, 특히 둘러싸고 배치되며, 제 1 연료 방출 수단과 인접하여, 특히 둘러싸고 배치되는 것이다.

특정 실시예에서는 전술한 바와 같은 연료 분사 장치에 이음부가 없다. 즉, 다수 부품으로부터 조립되지 않는, 일체식 단일체 요소이다.

또한, 본 발명의 다른 양태에서, 연료 분사 장치는 추가적 제조 공정에 의해, 특히 선택적 레이저 용융 공정 및/또는 선택적 전자 빔 용융 공정 중 하나에 의해 제조된다. 이것은 특히 상술한 바와 같은 이음부 없는 일체식 단일체 연료 분사 장치를 얻는 데 매우 적합하다.

또한, 본원은 본 발명에 따른 연료 분사 장치를 포함하는 연소기, 특히 가스 터빈 연소기를 제공하는 것이다.

또한 상술한 종류의 연소기를 포함하는 본 발명의 가스 터빈은, 특히 가스 터빈이 순차적 연소 가스 터빈 엔진이며, 특히 연소기가 예를 들어 EP 0 718 470 에 게시된 바와 같이 터빈에서 부분적으로 팽창된 연도 가스가 공급되는 순차적 연소기이며, 상기 문헌의 각 게시 내용은 본원에 참고로 포함되었다.

상술된 특징 및 실시예들은 서로 조합될 수 있는 것이다. 또한, 다른 실시예가 당업자에게 분명하고 명백하게 나타낸 본원의 청구 범위의 정신 내에서 고려될 수 있을 것이다.

본 발명을 다음과 같이 첨부된 도면에 도시된 선택된 예시적인 실시예에 의하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사기 수단의 측면도 및 사시도이다.
도 2는 연료 분사기에 대한 유체 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 상류 방향으로의 후연을 나타낸 도면이다.
도 4는 제 1 및 제 2 연료 방출 수단을 포함하는 후연의 일부분을 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 제 1 및 제 2 연료 방출 수단을 가진 본원에 기술된 장치의 후연을 나타낸 도면이다.
도 6은 후연 영역의 길이방향 단면도이다.
도 7은 연료 방출 수단에 인접하여 배치된 운반 공기 방출 수단을 가진 연료 방출 수단의 실시예이다.
도 8은 상술한 바와 같은 연료 분사 수단을 포함하는 연소실이다.
도면은 개략적으로 도시했으며, 설명을 하는 데 필요하지 않은 세부 사항에 대해서는 이해 및 묘사의 용이성을 위해 생략했다. 또한, 도면은 단지 선택된 예시적인 실시예들 만을 도시했으며, 도시되지 않은 실시예들은 본원의 청구범위의 범위 내에서 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 예시적인 실시예를 나타낸 일반적인 도면이다. 도면의 우측 부분은 사시도이고, 도면의 좌측 부분은 측면도이다. 측면도에서 보았을 때, 연료 분사 장치(1)는 일반적으로 에어포일을 닮은, 길이방향 단면으로, 공기 역학적 형상을 갖는 본체를 포함한다. 연료 분사 장치는 전연(11)과 후연(12)을 포함하고, 화살표(3)로 묘사된 전연에서 후연까지 유선 방향을 갖는다. 연료 분사 장치의 본체는 제 1 표면(101)과 상기 제 1 표면 반대편의 제 2 표면(102)을 포함하고, 각각의 표면은 전연과 후연 사이에서 연장되며 전연과 후연을 포함하고, 상기 표면들은 서로 전연과 후연에서 결합한다. 이들 표면들은 또한 도면에 묘사된 상태로 상부 면(101)과 하부 면(102)으로 지칭될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 에어포일 형상의 길이방향 단면 프로필은 일 길이방향 단면 섹션으로부터 연료 분사 장치의 본체를 가로지른 인접한 길이방향 단면 섹션으로 변경되며, 유선 방향으로 또는 각각 유선 방향에 대하여 보았을 때, 또는 본체 유선 방향(3)으로 주어진 바와 같이 주요 흐름 방향을 가로질러 보았을 때, 파형 후연(12)을 초래한다. 후연(12)은 후연 중간 라인(13)을 따라 파형을 이루고, 그 범위를 따라 상기 중간 라인으로부터 반대편 방향으로 편차난다. 후연(12)의 곡률은 그 범위를 따라, 즉 좌측 만곡 섹션이 우측 만곡 섹션과 교호하면서 변한다. 따라서 그 범위를 따라 다수의 굴곡점(14)을 포함하며, 참조용으로 제공된 실시예에서, 상기 굴곡점은 후연 중간 라인(13) 상에 위치한다. 도면에 나타내지 않은 연료 공급 수단이 상기 연료 분사 장치의 본체 내부에 제공된다. 다수의 연료 방출 수단(15)은 연료 방출 개구의 존재를 배제하지 않은, 굴곡점 사이의 위치에서 후연를 따라 제공되며, 상기 연료 공급 수단과 유체 연통하게 있다.

연료 분사 장치의 본체(1) 주위의 흐름 상태는 분사 장치의 본체 표면을 개략적으로 나타낸 도 2를 통해 상세히 설명된다. 유입 흐름은 전연(11)에 대하여 흐르며, '50'에 묘사된 흐름 프로필을 형성한다. 다양한 가로방향 단면 섹션(110)에서, 연료 분사 장치의 본체는 전연(11)으로부터 후연(12)을 향해 성장하는 파형 진폭(amplitude of undulation)을 갖는 파형을 형성한다. 따라서, 분사 장치의 본체의 표면(101, 102)은 각각 후연을 향한 방향으로 증가하는 깊이 또는 높이를 갖는 플루트(flute)와 릿지(ridge)를 포함한다. 전체 흐름은 플루트를 통해 각각의 흐름(51)으로 분리된다. 후연에서, 유선 방향(3)을 가로지른 반대 속도 성분을 가진 2개의 흐름은 만나서 와류(52)를 형성하며, 적어도 대략적으로 후연의 굴곡점에서 회전 중심을 갖는다.

도 3은 후연(12) 쪽으로 보고 나타낸 도면이며, 도면에서는 유선 방향으로 또는 각각 유선 방향에 대하여, 즉, 후연쪽으로 상류 흐름을 나타내었다. 분사 장치의 본체 주위의 주요 흐름은 도 3의 좌측에서 화살표(54)로 묘사되었다. 도면의 좌측에 도시된 바와 같이, 다수의 연료 방출 수단(15)이 후연의 굴곡점(14) 사이에 배치된다. 연료 방출 수단을 통해 연료가 배출될 때, 나오는 연료 빔(emerging fuel beams)은 부분적으로 분사 장치의 본체의 다른 측면 상의 흐름과 합해지는 것을 막으면서, 연료 방출 수단 사이의 유체 흐름의 합류가 소규모 와류(53)를 형성하게 한다. 이들 와류는 빠르고 효과적으로 제 1 연료 배출 방출 수단(15)에서 방출된 연료를 혼합시킨다. 우측 도면에 대비된 바와 같이, 당업계에 공개되었고 또한 게시된 장치에서도 제공된 바와 같은 상태가 나타나며, 대규모 와류(52)는 적어도 본질적으로 후연 굴곡점에서 회전 중심을 갖고 나타난다. 도 3의 우측에 도시된 예에서, 제 2 연료 방출 수단(16)은 와류(52)의 중심으로 연료를 방출하도록, 굴곡점(14)의 위치에서 후연 상에 배치된다. 후술되는 바와 같이, 연료 방출 수단의 작용 및 배치 모두가 효과적으로 갖추어질 수 있다.

도 4는 일 실시예의 일 부분을 나타낸 도면이며, 도면에서는 다수의 제 1 연료 방출 수단(15)이 파형 후연(12)에 제공되었다. 분명한 사실로, 오직 하나의 굴곡점 만을 도면에서 볼 수 있더라도, 제 1 연료 방출 수단(15)은 후연의 굴곡점 사이에 배치된 것이다. 제 2 연료 방출 수단(16)은 상기 굴곡점에 위치한다. 연료 방출 수단(15, 16)은 운반 유체 방출 수단(19)에 의해 둘러싸여 진다. 또한, 후연 냉각 공기 방출 개구(28)는 후연에 제공되며, 표면에 가까운 연료 분사 장치의 본체 내에서 운용하는 근방의 벽 냉각 채널로부터 냉각 공기를 방출하는 역할을 한다. 제 1 연료 방출 수단(15)은 제 2 연료 방출 수단(16)보다 많다. 도 5에 도시된 바와 같이 제 2 연료 방출 수단(16)은 후연(12)의 각각의 굴곡점에 제공될 수 있고, 반면에 다수의 제 1 연료 방출 수단(15)은 굴곡점 사이의 후연(12)에 배치될 수 있다. 특히, 제 1 연료 방출 수단(15)은 기체 연료의 방출용으로 구성되어 배치될 수 있고, 반면에 제 2 연료 방출 수단(16)은 액체 연료의 방출용으로 배치되어 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 액체 연료는 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이 대규모 와류 쪽으로 방출되며, 반면에 기체 연료는 소규모 와류 쪽으로 방출된다. 명백히, 본 실시예는 특히 이중 연료 용도에 매우 적합하며, 기체 연료 및 액체 연료는 연료 분사 수단으로부터 선택적으로 또는 동시적으로 방출된다.

도 6은 후연에 연료 분사 장치의 길이방향 단면도이다. 연료 분사 장치(1)의 내측에 제 1 연료 방출 수단(15)이 형성되며, 그 하류 단부에 연료 방출 수단(15)을 형성하며, 그 상류 단부에서 연료 공급 수단(도시되지 않음)에 연결된다. 상기 연료 공급 수단에 공급되는 연료는 다수의 연료 방출 덕트(17) 및 대응 연료 방출 수단(15)을 통해 연료 빔(18)으로 연료 분사 장치의 외부로 방출된다.

도 7은 제 1 연료 방출 수단(15)의 교호적인 배치 및 기하학적 형상을 나타낸다. 연료 방출 수단(15)은 본 실시예에서 슬롯 형태의 후연(12) 상에 배치된다. 운반 유체 방출 수단(19)은 각각의 연료 방출 수단의 길이방향 측면을 따라 그리고 연료 방출 수단의 반대편 측에 각각의 연료 방출 수단(15)에 인접하여 배치된다. 상기 수단으로부터 방출된 운반 유체는 고온 기체에 대해 연료 방출 수단(15)에서 방출된 연료를 보호하는 데 적합하고, 따라서 연료의 자기(self)-점화를 추가로 지연시킬 수 있다. 연료 방출 수단(15)과 운반 유체 방출 수단(19)의 다양한 예시적 배치가 도 7의 우측에 도시되었다.

도 8은 예를 들어 EP 0 718 470 B1에 게시된 바와 같이, 연소실 특히, 순차적 연소용 연소실(2)에 상술한 바와 같은 연료 분사 장치를 적용한 것을 나타낸 도면이다. 상류 단부(21)는 당업계에서 공지된 방법으로 선행 터빈 스테이지의 배기 흐름부에 연결되며 통상적으로 상기 터빈으로부터 여전히 산소 농후한 연도 가스를 수용하고, 상기 가스는 순차적 연소 스테이지(subsequent combustion stage)용 산화제로서 사용될 수 있다. 연소실(2) 내로 유입되는 가스는 통상적으로 수백도에서 1000℃ 에 가까운 온도 범위, 심지어는 1000℃를 초과하는 온도 범위에 있다. 따라서 이런 고온 가스로 가득찬 접촉부로 이동하는 연료는 짧은 점화 지연 시간 후 자발적인 점화를 할 것이다. 상류 터빈에서 나타나는 고 난류의 흐름을 고르게 하기에 적당한 흐름 조절 요소(22)가 흐름 통로에 배치된다. 연료 분사 장치(1)는 흐름 통로가 좁은 곳인 연소실의 위치에 배치된다. 상류 단부(21)에 연소실(2) 내로 도입되는 고온 가스 또는 고온 산화제의 흐름은 연료 분사 장치의 전연(11) 주위를 흐르며, 파형 후연(12)에서 상술한 바와 같이 와류를 형성한다. 연료는 후연(12)에서 방출되어, 좁은 섹션(24)에 형성된 연소실의 혼합 영역(23)에 산화제와 함께 유입된다. 후연(12) 하류에 형성된 와류 내로의 연료 방출로 인해서, 연료는 고온 산화제와 강렬하게 혼합된다. 좁은 또는 병목 섹션(24)은 흐름을 가속시켜서, 혼합 영역(23)으로의 화염의 역화를 방지한다. 또한, 좁은 섹션(24)으로 인하여, 혼합 영역(23)에서의 연료/산화제 혼합물의 체류 시간이 단축된다. 이것은, 차례로, 혼합 영역 내에서의 연료의 자발적인 자기-점화를 방지하기에 적당하다. 본원에 기술된 바와 같이, 연료 분사 장치를 적용하여 달성되는 강렬한 연료/산화제의 혼합으로 인하여, 연료 및 산화제가 가로방향 단면 점프(25)에 도달하여, 연료/산화제 혼합물이 연소되는 실제 연소 영역(26)에 유입하면 완전히 혼합된다.

본 발명을 예시적인 실시예를 통해 설명했지만, 그 설명이 본원의 청구범위의 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본원의 청구범위는 본원에 명시적으로 도시하지 않고 게시하지 않은 실시예를 포함하며, 본원의 청구범위의 정신을 벗어나지 않고 본원에 교시된 기술내용으로부터 이루어지는 변경 및 개조의 실시예를 포함한다.

1 연료 분사 장치
2 연소실
3 유선 방향
11 전연
12 후연
13 후연 중간 라인
14 굴곡점
15 제 1 연료 방출 수단
16 제 2 연료 방출 수단
17 제 1 연료 방출 덕트
18 연료 빔
19 운반 유체 방출 수단
21 연소실 상류 단부
22 흐름 조절 요소
23 혼합 영역
24 좁은 섹션
25 가로방향 단면 점프
26 반응 영역
28 냉각 공기 방출 개구
50 유체 흐름 프로필
51 유체 흐름
52 대규모 와류
53 소규모 와류
54 주요 흐름
101 제 1 면, 상부면
102 제 2 면, 하부면
110 분사 장치의 본체의 단면

Claims

본체를 포함하는 연료 분사 장치(1)로서, 상기 본체는 전연(11) 및 후연(12)을 포함하며 상기 전연으로부터 상기 후연까지 유선 방향(3)을 형성하고, 상기 연료 분사 장치의 본체는 제 1 표면(101) 및 상기 제 1 표면 반대편의 제 2 표면(102)을 부가로 포함하고, 상기 표면들의 각각은 상기 전연(11)과 상기 후연(12) 사이에서 연장하며 상기 전연 및 상기 후연을 포함하고, 상기 표면들은 상기 전연 및 상기 후연에서 서로 결합하고,
상기 후연(12)은 상기 유선 방향으로 보았을 때 후연 중간 라인(13)을 따라 파형을 이루고 그리고 상기 후연의 범위를 따라 상기 중간 라인으로부터 반대편 방향들로 편차나며 그리고 후연의 범위를 따라 적어도 하나의 굴곡점(14)을 부가로 포함하고,
상기 연료 분사 장치는 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단 그리고 상기 분사 장치의 외부로 개방되는 제 1 연료 방출 수단(15)과 적어도 하나의 제 1 내부 연료 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트(17)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제 1 연료 방출 덕트는 상기 후연에 배치된 제 1 연료 방출 수단에서 종결되는, 상기 연료 분사 장치(1)에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단(15)은 2개의 후연 굴곡점들(14) 사이의 후연(12)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 복수 제 1 연료 방출 수단(15)은 2개의 후연 굴곡점들(14) 사이의 후연(12)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단(15)은 슬롯 형상이고, 특히 상기 후연(12)의 범위를 따라 연장되는 길이방향 범위의 슬롯을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 장치는 적어도 하나의 제 2 내부 연료 공급 수단 그리고 상기 후연에 제공되며 상기 연료 분사 장치의 외부로 개방되는 적어도 하나의 제 2 연료 방출 수단(16)과 상기 제 2 내부 연료 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 제 2 연료 방출 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1 연료 방출 수단(15)의 수는 상기 제 2 연료 방출 수단(16)의 수보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 연료 방출 수단(16) 및/또는 다수의 제 2 연료 방출 수단은 상기 후연(12)의 굴곡점들(14)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 1 연료 방출 수단(15)은 기체 연료의 방출용으로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 2 연료 방출 수단(16)은 액체 연료의 방출용으로 배치되어 구성되며, 특히 액체 연료 노즐들인 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 장치는 적어도 하나의 내부 운반 유체 공급 수단 그리고 상기 분사 장치의 외부로 개방되는 적어도 하나의 운반 유체 방출 수단(19)과 상기 운반 유체 공급 수단을 유체 흐름 가능하게 연결하는 적어도 하나의 운반 유체 방출 덕트를 포함하며,
상기 적어도 하나의 운반 유체 방출 수단(19)은 유체 방출 수단(15, 16)에 인접하게 제공되며, 특히 상기 연료 방출 수단을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 운반 유체 방출 수단(19)은 연료 방출 수단(15, 16)에 인접하여 배치되며, 특히 상기 연료 방출 수단의 반대편 측부들에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 운반 유체 방출 수단은 슬롯 형상인 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 장치(1)는 이음부가 없는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 장치는 추가적 제조 공정에 의해, 특히 선택적 레이저 용융 공정 및/또는 선택적 전자 빔 용융 공정 중 하나에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 장치(1)를 포함하는 연소기(2), 특히 가스 터빈 연소기.
제 14 항에 따른 연소기를 포함하는 가스 터빈으로서, 특히 상기 가스 터빈은 순차적 연소 가스 터빈 엔진이며, 보다 특히 연소기는 터빈에서 부분적으로 팽창된 연도 가스가 공급되는 순차적 연소기(2)인 가스 터빈.