KR20170106302A - 화염시트 연소기 윤곽형 라이너 - Google Patents

화염시트 연소기 윤곽형 라이너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소기의 입구 단부에서 재순환 구역을 재순환시키기 위한 신규 장치 및 방법을 개시한다. 재순환 구역은 연소 라이너 입구 단부에서 블러프 몸체 효과를 감소시키기 위하여 내벽 두께의 테이퍼링 및 열차단 코팅부의 테이퍼링을 통해서 상기 입구 단부의 기하학적 형태를 변경함으로써 감소된다.

Description

화염시트 연소기 윤곽형 라이너{FLAMESHEET COMBUSTOR CONTOURED LINER}
본 발명은 일반적으로 연료-공기 혼합물을 연소 시스템으로 안내하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 반구형 돔은 연소기 라이너에서의 공기 역학적 악영향을 최소화하면서, 연소 라이너로의 유입구 근위에 위치하여 연료-공기 혼합물을 연소 라이너에 유입되는 연료-공기 혼합물의 속도를 더욱 잘 제어하도록 더욱 효과적인 방식으로 안내한다.
가스 동력 터빈으로부터 오염물 방출량을 감소시키는 시도에서, 정부 기구들은 질소산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO)의 양의 감소를 요구하는 다수의 법령들을 집행하였다. 작은 연소 방출량은 연료 분사기 위치, 공기 유동 비율 및 혼합 효과도에 대해서 특정한 관점에서 더욱 효율적인 연소 프로세스에 기여할 수 있다.
초기 연소 시스템은 연료가 화염 구역 근위에서 확산에 의해서 연료 노즐 외부의 공기와 혼합되는 확산 유형의 노즐을 사용하였다. 확산 유형의 노즐은 경험적으로 연료 및 공기가 적당한 연소기 안정성 및 낮은 연소 동력을 유지하기 위하여 고온에서 혼합없이 화학량론적으로 본질적으로 상호작용시에 연소된다는 사실 때문에 비교적 많은 방출량을 나타낸다.
연료와 공기를 미리 혼합하고 더 낮은 배출량을 얻는 다른 수단은 여러 연소 단계를 활용하여 존재할 수 있다. 연소기에 다중 스테이지의 연소를 제공하기 위해, 고온의 연소 가스를 형성하도록 혼합되고 연소되는 연료 및 공기도 스테이징되어야 한다. 연소 시스템으로 통과하는 연료 및 공기의 양을 제어함으로써 사용가능한 전력 및 방출물을 제어할 수 있다. 연료는 연료 시스템 내의 일련의 밸브 또는 특정 연료 분사기 전용의 연료 회로를 통해 스테이징될 수 있다. 그러나, 공기는 엔진 압축기에 의해 공급되는 주어진 다량의 공기를 스테이징하는 것이 더욱 어려울 수 있다. 실제로, 가스 터빈 연소 시스템에 대한 일반적인 설계 때문에, 도 1에 도시 된 바와 같이, 연소기로의 공기 유동은 전형적으로 연소 라이너 그 자체의 개구의 크기에 의해 제어되므로 쉽게 조절될 수 없다. 종래 기술의 연소 시스템 (100)의 예는 도 1의 단면도에 도시되어 있다. 연소기 시스템(100)은 연소 라이너(104)를 수용하는 유동 슬리브(102)를 포함한다. 연료 분사기(106)는 케이싱(108)에 고정되고 상기 케이싱(108)은 방사상 혼합기(110)를 캡슐화한다. 커버(112) 및 파일럿 노즐 조립체(114)가 케이싱(108)의 전방 부분에 고정된다.
그러나, 연소 이전에 연료와 공기를 미리 혼합하는 것이 배기 가스 방출을 줄이는 것으로 나타났지만, 분사되는 연료-공기 예혼합의 양은 다양한 연소기 변수로 인해 변화하는 경향이 있다. 이와 같이, 연소기 내로 분사되는 연료-공기 예혼합의 양을 제어하는 것과 관련하여 여전히 장애물이 남아있다.
본 발명은 다중 스테이지의 연소 시스템의 연소 라이너 안으로의 연료-공기 혼합물의 분사 이전에 연료-공기 혼합물의 제어를 개선하기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반적인 원통형 유동 슬리브 및 내부에 수용된 일반적인 원통형 연소 라이너를 구비한 가스 터빈 연소기가 제공된다. 상기 가스 터빈 연소기는 또한 한 세트의 주 연료 분사기들 및 연소 라이너의 입구 단부를 둘러싸고 일반적인 반구형 단면을 갖는 연소기 돔 조립체를 포함한다. 돔 조립체는 상기 연소 라이너 내에서 그리고 상기 세트의 주 연료 분사기를 축방향으로 향하여 연장되어, 연료-공기 혼합물이 통과하는 일련의 통로들을 형성하고, 상기 통로들은 상기 연료-공기 예혼합의 유동을 조절하도록 크기설정된다.
본 발명의 대안 실시예에서, 가스 터빈 연소기를 위한 돔 조립체가 개시된다. 상기 돔 조립체는 연소기의 축 주위로 연장되는 환형, 반구형 캡, 상기 반구형 캡의 방사상 외부 부분에 고정된 외부 환형벽 및 또한 상기 반구형 캡의 방사상 내부 부분에 고정된 내부 환형벽을 포함한다. 결과적 돔 조립체는 연소 라이너의 입구 부분을 둘러싸도록 크기설정된 일반적인 U형 단면을 가진다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 가스 터빈 연소기를 위한 연료-공기 혼합물의 속도를 제어하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 연소 라이너의 방사상 외향에 위치한 제 1 통로를 통해서 연료-공기 혼합물을 안내하는 단계 그리고 그 다음 제 1 통로로부터 상기 제 1 통로에 인접하게 위치한 제 2 통로를 통해서 상기 연료-공기 혼합물을 안내하는 단계를 포함한다. 연료-공기 혼합물은 그 다음 제 2 통로로부터 그리고 그 다음 반구형 돔 캡에 의해서 형성된 제 4 통로를 통해서 안내됨으로써, 연료-공기 혼합물이 방향을 반전시키도록 유도한다. 상기 연료-공기 혼합물은 그 다음 연소 라이너 내에 위치한 제 3 통로를 통과한다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 두께, 입구 단부, 반대 출구 단부, 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체가 제공되고, 상기 외면이 제 1 외면 및 제 2 외면을 포함하면서 상기 제 1 외면이 상기 제 2 외면의 방사상 외향에 위치하고 제 1 모따기부(first chamfer)가 상기 제 1 외면으로부터 상기 입구 단부로 연장되도록 상기 외면은 상기 입구 단부 근위에 있는 윤곽형 프로파일을 구비한다. 열차단 코팅부가 상기 내면에 도포되고, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 적어도 일부가 제 2 모따기부를 가짐으로써, 코팅부 두께를 상기 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제 1 라이너 두께로부터 테이퍼지고 제 2 라이너 두께를 가지며, 그리고 입구 단부 근위에서 제 1 라이너 두께로부터 제 1 비율로 테이퍼지는 일반적인 환형 몸체를 포함하는 연소 라이너의 입구 부분이 제공된다. 코팅부가 상기 일반적인 환형 몸체의 내벽에 도포되고, 상기 코팅부는 상기 입구 단부에서 제 1 코팅부 두께에서 제 2 코팅부 두께로 테이퍼지고, 상기 코팅부는 제 2 비율로 테이퍼진다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 연소 라이너에서 재순환 구역을 감소시키는 방법이 제공된다. 연소 라이너의 외면을 따른 모따기부, 상기 연소 라이너의 내면에 도포된 코팅부, 및 상기 내면 상에 있는 상기 코팅부의 적어도 일부에 대한 모따기부를 구비한 상기 연소 라이너가 제공된다. 연료 및 공기 혼합물이 연소 라이너의 외면을 따라서 안내되고 상기 혼합물이 적어도 상기 연소 라이너의 모따기 부분들에 인접한 근위부에서 잔류하도록 상기 연료 및 공기 혼합물이 상기 연소 라이너의 입구 단부에 대해서 선회되고 그 다음 상기 연소 라이너 안으로 안내된다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 두께, 입구 단부, 반대 출구 단부, 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체를 포함하는 연소 라이너가 제공되고, 상기 외면이 제 1 반경을 갖는 윤곽형 프로파일을 가진다. 열차단 코팅부가 상기 내면에 도포되고 상기 입구 단부 근위의 코팅부의 일부가 모따기부를 가짐으로써, 코팅부 두께를 상기 연소 라이너의 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 한다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 두께, 입구 단부, 반대 출구 단부, 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체를 포함하는 연소 라이너가 제공되고, 상기 외면은 상기 연소 라이너의 입구 단부를 향하여 모따기된 프로파일을 가진다. 열차단 코팅부가 상기 내면에 도포되고, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 일부가 제 1 반경을 갖는 윤곽형 프로파일을 구비함으로써 코팅부 두께를 연소 라이너의 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 한다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 두께, 입구 단부, 반대 출구 단부, 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체를 포함하는 연소 라이너가 제공되고, 상기 외면은 제 1 반경을 갖는 윤곽형 프로파일을 구비한다. 열차단 코팅부가 상기 내면에 도포되고, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 일부가 제 2 반경을 구비함으로써 코팅부 두께를 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 한다.
본 발명의 추가 장점 및 형태들은 하기 설명에서 부분적으로 기술될 것이고 하기 설명의 검토 시에 당업자에게는 부분적으로 명확해지거나 또는 본 발명의 실행으로부터 학습될 수 있다. 본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세하게 기술된다.
도 1은 종래 기술의 연소 시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 가스 터빈 연소기의 일부의 상세한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 돔 조립체의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 대안 실시예에 따른 돔 조립체의 단면도이다.
도 5는 가스 터빈 연소기로 진입하는 연료-공기 혼합물을 조절하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 연소 라이너의 일부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 라이너의 일부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 대안 실시예에 따른 연소 라이너의 일부의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 대안 실시예에 따른 연소 라이너의 일부의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 라이너의 일부의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 라이너 안으로 연료 및 공기 혼합물을 안내하기 위한 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
예를 들어, 본원은 미국 특허 제 6,935,116, 6,986,254, 7,137,256, 7,237,384, 7,308,793, 7,513,115, 및 7,677,025의 요지를 합체한다.
본 발명은 연소 시스템 안으로 분사되는 연료-공기 혼합물의 속도를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 즉, 소정 유효 유동 면적은 연료-공기 혼합물이 통과하는 공지된 유효 유동 면적의 환형을 형성하는 2개의 동축방향 구조체들을 통해서 유지된다.
본 발명은 도 2 내지 도 8에 대해서 하기에 기술될 것이다. 본 발명이 속한 가스 터빈 연소 시스템(200)의 일 실시예는 도 2에 도시된다. 연소 시스템(200)은 다중 스테이지의 연소 시스템의 예이고 길이방향 축 A-A 주위로 연장되고 일반적인 원통형이고 동축방향 연소 라이너(204)의 외면을 따라서 소정량의 압축기 공기를 안내하기 위한 일반적인 원통형 유동 슬리브(202)를 포함한다. 연소 라이너(204)는 입구 단부(206) 및 반대 출구 단부(208)를 가진다. 연소 시스템(200)은 또한 연소 라이너(204)의 방사상 외향에 그리고 유동 슬리브(202)의 상류 단부 근위에 위치하는 한 세트의 주 연료 분사기(210)를 포함한다. 상기 세트의 주 연료 분사기(210)는 연소 시스템(200)에 대해서 연료-공기 혼합물을 제공하기 위하여 통과하는 공기 스트림 안으로 제어된 양의 연료를 안내한다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 대해서, 주 연료 분사기(210)는 연소 라이너(204)의 방사상 외향에 그리고 연소 라이너(204) 주위에 환형 배열로 분산되어 위치한다. 주 연료 분사기(210)들은 2개의 스테이지들로 분할되고 제 1 스테이지는 연소 라이너(204) 주위로 대략 120도 연장되고 제 2 스테이지는 잔여 환형 부분으로 연장되거나 또는 연소 라이너(204) 주위로 대략 240도 연장된다. 주 연료 분사기(210)의 제 1 스테이지는 주요 1 화염을 발생시키는데 사용되고 주 연료 분사기(210)의 제 2 스테이지는 주요 2 화염을 발생시킨다.
연소 시스템(200)은 또한 연소기 돔 조립체(212)를 포함하고, 상기 연소기 돔 조립체는 도 2 및 도 3에 도시되고 연소 라이너(204)의 입구 단부(206)를 둘러싼다. 구체적으로, 돔 조립체(212)는 외부 환형벽(214)을 가지며, 상기 외부 환형벽은 상기 세트의 주 연료 분사기(210) 근위로부터 연소 라이너(204)의 입구 단부(206)의 전방에 거리를 두고 배치된 일반적인 반구형 캡(216)으로 연장된다. 돔 조립체(212)는 반구형 캡(216)을 통해서 선회하고 돔 조립체 내벽(218)을 통해서 연소 라이너(204) 안으로 일정 거리만큼 연장된다.
연소 라이너(204)와 연계되는 연소기 돔 조립체(212)의 기하학적 형태의 결과로 인하여, 연소기 돔 조립체(212) 및 연소 라이너(204) 사이에는 일련의 통로들이 형성된다. 외부 환형벽(214) 및 연소 라이너(204) 사이에는 제 1 통로(220)가 형성된다. 도 3에 있어서, 제 1 통로(220)는 크기에 있어서 상기 세트의 주 연료 분사기(210) 근위의 제 1 방사상 높이(H1)로부터 제 2 통로(222)의 작은 높은(H2)로 테이퍼진다. 제 1 통로(220)는 적절한 플래쉬백 마진(flashback margin)을 제공하기 위하여 유동을 위치(H2)에서 목표 임계 속도로 가속화하도록 일정각도로 테이퍼진다. 즉, 연료-공기 혼합물의 속도가 충분히 높을 때, 연소 시스템에서 플래쉬백이 나타나고, 제 2 통로를 통과하는 연료-공기 혼합물의 속도는 화염이 상기 영역에서 유지되는 것을 방지한다.
제 2 통로(222)는 연소 라이너의 입구 단부(206) 근위에서, 연소 라이너(204) 및 외부 환형벽(214)의 원통형 부분 사이에 형성되고 제 1 통로(220)와 유체 교통한다. 제 2 통로(222)는 2개의 원통형 부분들 사이에 형성되고 외부 환형벽(214)의 내면과 연소 라이너(204)의 외면 사이에서 측정된 제 2 방사상 높이(H2)를 가진다. 연소기 돔 조립체(212)는 또한 내벽(218) 및 연소 라이너(204) 사이에 위치하고 또한 원통형인 제 3 통로(224)를 포함한다. 제 3 통로는 제 3 방사상 높이(H3)를 가지며 제 2 통로와 같이 2개의 원통형 벽들-연소 라이너(204) 및 돔 조립체 내벽(218)에 의해서 형성된다.
상술한 바와 같이, 제 1 통로(220)는 본질상 일반적인 원통형인 제 2 통로(222)로 테이퍼진다. 제 2 방사상 높이(H2)는 연료-공기 혼합물이 통과해야 하는 제한 영역으로서 작용한다. 방사상 높이(H2)는 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 원통형(즉, 테이퍼지지 않은) 표면들에 의해서 제어되기 때문에 그 기하학적 형태로 인하여 부분적으로 일치하게 조절되고 유지된다. 즉, 제한 유동 영역으로서 원통형 표면을 사용함으써, 테이퍼진 표면과 비교할 때 원통형 표면의 가공 오차의 제어와 더욱 정확한 가공 기술이 이루어질 수 있기 때문에, 우수한 치수 제어가 제공된다. 예를 들어, 표준 가공 능력 내에서 원통형 표면의 오차를 +/- 0.001 내로 유지하는 것이 양호하다.
제 2 통로(222) 및 제 3 통로(224)의 원통형 기하학적 형태를 사용하면, 유효 유동 영역을 제어하고 조절하는 더욱 효과적인 방식을 제공할 수 있고 상기 유효 유동 영역을 제어하면, 연료-공기 혼합물이 소정의 공지된 속도에서 유지될 수 있다. 혼합물의 속도를 조절할 수 있음으로써, 상기 속도는 화염의 플래쉬백이 돔 조립체(212)에서 발생하지 않는 것을 보장할 수 있을 만큼 충분히 큰 속도로 유지될 수 있다.
도 2 내지 도 4b에 도시된 상기 중요 통로 기하학적 형태들을 나타내는 하나의 방식은 제 3 통로 높이(H3)에 대한 제 2 통로 높이(H2)의 선회 반경비 즉, 연소 입구 영역의 높이에 대한 최소 높이를 통해서 나타내는 것이다. 예를 들어, 본원에 도시된 본 발명의 실시예에서, H2/H3의 비는 대략 0.32이다. 이러한 형태비는 라이너에 인접하게 잔류하는 재순환 및 안정성이 포함된 와류의 크기를 제어하고, 이는 전체적인 연소기 안정성을 나타낸다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 대해서, 상기 기하학적 형태를 사용하면, 제 2 통로 내의 연료-공기 혼합물의 속도가 초당 대략 40 내지 80 미터의 범위 내에서 유지될 수 있게 한다. 그러나, 상기 비율은 원하는 통로 높이, 연료-공기 혼합물 질량 유량 및 연소기 속도에 따라서 변화될 수 있다. 개시된 연소 시스템에 대해서, H2/H3의 비율은 대략 0.1 내지 대략 0.5의 범위에 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예에 대해서, 제 1 방사상 높이(H1)는 대략 15 mm 내지 대략 50mm이고, 제 2 방사상 높이(H2)는 대략 10mm 내지 대략 45mm이고, 제 3 방사상 높이(H3)는 대략 30mm 내지 대략 100mm이다.
상술한 바와 같이, 연소 시스템은 또한 제 4 높이(H4)를 갖는 제 4 통로(226)를 포함하고, 제 4 통로(226)는 반구형 캡(216) 및 연소 라이너의 입구 단부(206) 사이에 위치한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 4 통로(226)는 반구형 캡(216) 내에 배치되고 라이너의 입구 단부(206)로부터 반구형 캡(216)의 교차 위치까지 거리를 따라 측정된 제 4 높이를 가진다. 이와 같이, 제 4 높이(H4)는 제 2 방사상 높이(H2)보다 크지만, 제 4 높이(H4)는 제 3 방사상 높이(H3)보다 작다. 제 2, 제 3 및 제 4 통로들의 이러한 상대 높이 구성으로 인하여, 부착되지 않고 분리된 연료 혼합물이 플래쉬백의 경우에 화염을 지지하기 위한 가능한 상태로 제공될 수 있기 때문에, 연료-공기 혼합물 속도가 연료-공기 혼합물이 돔 조립체(212)의 표면에 부착 상태로 잔류하도록 충분히 빠른 것을 보장하는 방식으로 모두 연료-공기 혼합물이 (H2에서) 제어될 수 있게 하고, (H4에서) 반구형 캡(216)을 통해서 선회할 수 있게 하며, (H3에서) 연소 라이너(204)로 진입할 수 있게 한다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 통로(220)의 높이는 결과적으로 적어도 부분적으로 외부 환형벽(214)의 형상으로 테이퍼진다. 더욱 구체적으로, 제 1 통로(220)는 상기 세트의 주 연료 분사기(210)에 인접한 영역에서 최대 높이를 가지며 제 2 통로에 인접한 영역에서 최소 높이를 가진다. 상술한 통로 기하학적 형태를 갖는 돔 캡 조립체(212)의 대안 실시예는 도 4a 및 도 4b에 더욱 상세하게 도시된다.
도 5에 있어서, 가스 터빈 연소기에 대한 연료-공기 혼합물의 속도를 제어하는 방법(500)이 개시된다. 방법(500)은 연소 라이너의 방사상 외향에 위치하는 제 1 통로를 통해서 연료-공기 혼합물을 안내하는 단계(502)를 포함한다. 그 다음, 단계(504)에서, 연료-공기 혼합물은 제 1 통로로부터 그리고 또한 연소 라이너의 방사상 외향에 위치하는 제 2 통로 안으로 안내된다. 단계(506)에서, 연료-공기 혼합물은 제 2 통로로부터 그리고 반구형 돔 캡(216)에 의해서 형성된 제 4 통로 안으로 안내된다. 결과적으로, 연료-공기 혼합물은 연소 라이너 안으로 안내될 그 유동 방향을 반전시킨다. 그 다음, 단계(508)에서, 연료-공기 혼합물은 연료-공기 혼합물이 연소 라이너 안으로 하류를 통과하도록 연소 라이너 내에 위치한 제 3 통로를 통해서 안내된다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 가스 터빈 엔진은 통상적으로 복수의 연소기들을 통합한다. 일반적으로, 설명을 목적으로, 가스 터빈 엔진은 본원에 개시된 것과 같이 저방출 연소기를 포함하고 가스 터빈 엔진에 관하여 캔-환형 구성으로 배열된다. 한 유형의 가스 터빈 엔진(예를 들어, 헤비 듀티 가스 터빈 엔진)은 통상적으로 6개 내지 8개의 개별 연소기들을 갖지만, 이에 국한되지 않으며, 각각의 연소기는 상술한 구성요소들이 각각 설치되어 있다. 따라서, 가스 터빈 엔진의 유형에 기초하는, 가스 터빈 엔진을 작동시키기 위해 사용된 여러개의 상이한 연료 회로들이 제공될 수 있다. 도 2 및 도 3에 개시된 연소 시스템(200)은 엔진의 부하에 기초하는 연료 분사의 4개의 스테이지들을 포함하는 다중 스테이지의 예혼합 연소 시스템이다. 그러나, 특정 연료 회로 및 관련 제어 기구는 더 적은 또는 추가의 연료 회로들을 포함하도록 변형될 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
이제 도 6 내지 도 11에 있어서, 연소 라이너 입구 영역의 형태에 관한 추가 상세사항이 도시되고 기술된다. 먼저 도 6에 있어서, 종래 기술의 연소 라이너의 입구 단부의 상세 도면이 도시된다. 더욱 구체적으로, 연소 라이너(600)는 두께(604) 및 일반적 환형 몸체(602)의 내면(608)을 따라 도포된 열차단 코팅부(606)를 갖는 일반적인 환형 몸체(602)를 가진다. 연소 라이너(600)는 입구 단부(610)를 가진다. 이러한 종래 실시예에 있어서, 열차단 코팅부(606)는 입구 단부(610)까지 연장되고 함께 무딘 면(612)을 형성한다. 즉, 종래 기술의 실시예에 대한, 입구 단부(610)는 연소 라이너(600)에 대해서 사용된 시트 금속 두께에 따라서 0.090 인치 이상의 조합 두께(금속 + 열차단 코팅부)를 가진다. 이러한 연소 라이너(600)가 도 2 내지 도 5의 연소 시스템과 연계하여 사용될 때, 연소 라이너(600) 및 그 입구 단부(610)는 연료 및 공기의 유동이 입구 단부(610)를 따라서 그리고 주위로 통과할 때 바람직하지 않은 결과를 산출할 수 있는 블러프 몸체(bluff body)를 형성한다. 더욱 구체적으로, 연료 및 공기의 유동이 입구 단부(610) 주위를 통과할 때, 연료 및 공기 혼합물은 블러프 몸체의 기하학적 형태로 인하여 연소 라이너(600)로 진입할 때 분리되는 경향이 있다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 이러한 유동 분리는 입구 단부(610)에서 또는 인근에서 화염을 고정하는 것을 보조할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 결과는 연소 라이너(600)의 입구 단부(610)가 이러한 재순환 영역에 형성된 화염에 의해서 침식되게 해서, 결과적으로 연소 라이너를 조기에 수리하거나 또는 교체하게 한다.
종래 기술의 연소 라이너의 입구 단부(610)에 대한 개선 사항은 도 7에 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전방 영역(704)을 향하여 변화되는 두께(T)를 갖는 일반적인 환형 몸체(702)를 구비하는 연소 라이너(700)가 제공된다. 연소 라이너(700)는 또한 입구 단부(706) 및 반대 출구 단부(미도시)를 가진다. 일반적인 환형 몸체(702)는 또한 내면(708) 및 반대 외면을 가지며 상기 반대 외면은 제 1 외면(710) 및 제 2 외면(712)을 포함하는 입구 단부(706) 근위의 윤곽형 프로파일을 구비하고 상기 제 1 외면(710)은 제 2 외면(712)의 방사상 외향에 위치한다.
연소 라이너(700)의 전방 영역(704)은 또한 제 1 외면(710)으로부터 입구 단부(706)를 향하여 연장됨으로써, 전방 영역(704)에서 연소 라이너(700)의 두께를 감소시키는 제 1 모따기부(714)를 가진다. 도 7에 도시된 실시예에 대해서, 제 1 모따기부(714)는 대략 5 내지 75 도의 각도로 배향되고 입구 단부(706)에서 연소 라이너(700)의 두께를 대략 0.1 내지 0.25 인치에서 대략 0.005 내지 0.1 인치로 감소시킨다. 모따기 각도, 결과적 두께 및 연소 라이너의 두께에 대한 변화 비율은 단지 예시적이고 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 연소 라이너의 두께, 모따기 각도 및 입구 단부(706)를 향하는 두께 변화 비율은 가변적이다. 그러나, 제 1 비율에서 제 1 모따기부(714)를 통하여 두께 변화를 테이퍼링함으로써, 일반적인 환형 몸체(702)의 외면을 따라 통과하는 더욱 많은 연료 및 공기의 유동이 종래 기술의 디자인과는 반대로 환형 몸체(702)로 부착 상태로 잔류한다.
연소 라이너(700)는 또한 일반적인 환형 몸체(702)의 내면(708)에 도포된 코팅부(716)를 포함한다. 연소 라이너(700)에 대해서 사용된 이러한 하나의 코팅부는 열차단 코팅부이다. 내면(708)에 도포된 열차단 코팅부(716)는 본드 코팅부(718) 및 세라믹 상단 코팅부(720)를 포함한다. 예를 들어, 본드 코팅부(718)는 대략 0.001 내지 0.010 인치의 두께로 도포되고, 세라믹 상단 코팅부(720)는 본드 코팅부(718) 위로 대략 0.010 내지 0.200 인치의 두께로 코팅될 수 있다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 열차단 코팅부는 상술한 표준 상업용 코팅부이거나 또는 조밀한 수직 크랙의 코팅부와 같은 더욱 진보한 열차단 코팅부일 수 있다. 도 7에 볼 수 있는 바와 같이, 입구 단부(706) 근위의 코팅부의 부분은 5 내지 75도의 각도로 배향된 제 2 모따기부(722)를 통해서 테이퍼지고, 이는 제 2 비율에서 입구 단부(706)를 항하여 코팅부 두께를 테이퍼지게 한다. 제 2 모따기부(722)는 사전 도포된 코팅부를 그라인딩과 같은 가공 프로세스를 통해서 형성되거나 또는 본드 코팅부 및 열차단 코팅부의 층들을 테이퍼링하는 결과로서 형성될 수 있다.
그러므로, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 모따기부(714) 및 제 2 모따기부(722)는 입구 단부(706)에서 감소된 블러프 몸체 영역(724)를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서, 감소된 블러프 몸체 영역(724)은 대락 0.020 인치의 두께를 가진다. 그러나, 다른 감소된 블러프 몸체 영역(724)는 연소 라이너(700)의 원하는 구성에 따라서 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 블러프 몸체 영역은 재순환 구역을 생성한다. 그러나, 본 발명의 모따기 각도(714,722)는 연료 및 공기의 유동이 입구 단부(706)를 향하여 통과할 때 분리되는 경향을 감소시키기 위해 이러한 영역의 크기를 감소시킨다.
그러나, 감소된 블러프 몸체 영역(724)이 본 발명에 의해서 형성된 상태에서, 일반적인 환형 몸체(702)의 외부 영역을 따라 통과하는 연료 및 공기 유동은 테이퍼진 표면(714,722)을 따라서 잔류함으로써, 종래 기술의 블러프 몸체의 악영향을 감소시킨다.
본 발명의 대안 실시예에서, 입구 단부(706)의 모따기부는 대신에 도 8 내지 도 10에 도시된 라이너 입구 단부의 둥근 블러프 몸체 영역을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 연소 라이너(800)는 입구 단부(806)를 가지며 도 7에 도시된 모따기 각도(714,722) 대신에, 연소 라이너(800)는 입구 단부(806)에서 하나 이상의 반경들을 가진다. 즉, 연소 라이너(800)는 입구 단부(806) 및 출구 단부(미도시)를 갖는 일반적인 환형 몸체(802)를 포함한다. 환형 몸체(802)는 내면(808) 및 외면(810)을 가진다. 본 실시예에서, 내면(808)은 이 위에 도포된 열차단 코팅부(820)를 가진다. 그러나, 도 7의 실시예와는 다르게, 본 실시예는 라이너 입구에서 연소 라이너(800) 안으로 형성된 하나 이상의 반경들을 포함한다. 더욱 구체적으로, 도 8에서, 하나 이상의 반경들은 입구 단부(806) 근위의 외면(810)에 관하여 일반적인 환형 몸체(802)에 대한 반경(R)을 포함한다. 반경(R)은 다양한 팩터들에 따라서 변화될 수 있다. 반경(R)은 도 7의 실시예의 테이퍼형 면(714)의 길이와 일반적으로 동등하게 연장되는 거리만큼 연장되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 반경(R)은 테이퍼형 면(714)의 동일한 일반적 영역을 커버한다. 그러나, 반경은 테이퍼형 면(714)의 영역과 유사한 장점을 제공하지만, 테이퍼형 면(714)와 같이 유리하지 않다. 반경(R)은 곡면의 결과와 같이 공기 유동의 분리 위험성을 증가시킨다. 또한, 이러한 반경은 영역에서 임의의 화염 유지에 부정적인 영향을 미친다.
대안으로, 그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 연소 라이너(800)에 대한 하나 이상의 반경(R)은 입구 단부(806)에서 내면(808)에 도포된 열차단 코팅부(820)를 따라 형성될 수 있다. 열차단 코팅부(820)의 반경(R)은 코팅부 두께에 따라서 변화될 수 있다. 도 8의 실시예와 같이, 열차단 코팅부에 대한 반경(R)은 또한 입구 단부(806)에서 화염 유지에 부정적으로 영향을 미친다.
그 다음, 도 10에 있어서, 하나 이상의 반경(R)은 제 1 반경(R1) 및 제 2 반경(R2)을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일반적인 환형 몸체(802)는 일반적으로 열차단 코팅부(820)의 제 2 반경(R2)보다 큰 제 1 반경(R1)을 가진다. 이와 같이, 입구 단부(806)에서 Rl 및 R2의 조합은 연소 라이너에 대한 입구에서 주먹코(bullnose)와 비교되는 형상을 형성한다.
도 8 내지 도 10에 개시된 구성은 라이너의 구조 통합성을 위해 필요한 연소 라이너의 무딘 전방 에지를 제공한다. 그러나, 전방 에지 두께를 감소시키면, 화염 유지의 경향을 감소시킴으로써 연소 라이너 입구 단부(806)의 조기 열적 마모를 방지한다. 반경(R,R1 및/또는 R2)은 양호하게는 라이너 및/또는 열차단 코팅부에 대한 그라인딩 프로세스에 의해서 형성된다.
이제 도 11에 있어서, 가스 터빈 연소기에서 재순환 구역을 감소시키는 방법(1100)이 개시된다. 더욱 구체적으로, 단계(1102)에서, 연소 라이너의 외면을 따른 모따기부, 연소 라이너의 내면에 도포된 코팅부 및 내면 상의 코팅부에 대한 모따기부를 갖는 연소 라이너가 제공된다. 그 다음, 단계(1104)에서, 연료 및 공기 혼합물은 연소 라이너의 외면을 따라 안내된다. 연료 및 공기 혼합물은 그 다음 단계(1106)에서 연소 라이너의 입구 단부 주위로 선회하여, 상기 혼합물이 연소 라이너의 모따기 부분에 적어도 인접 근위에서 잔류한다. 그 다음, 단계(1108)에서, 연료 및 공기 혼합물은 연소 라이너 안으로 안내되고, 상기 연소 라이너에서 혼합물은 가스 터빈 엔진에 동력을 공급하기 위해 점화된다.
본 발명은 양호한 실시예로서 공지된 것으로 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 국한되지 않고, 반대로 하기 청구범위의 범주 내에서 다양한 변형 및 동등 배열을 포괄하도록 의되된 것임을 이해해야 한다. 본 발명은 제한적이라기 보다 예시적으로 의도된 특정 실시예에 대해서 기술되었다.
하기 설명으로부터, 본 발명은 본질적으로 시스템 및 방법에 명백한 다른 장점들과 함께 상술한 모든 목적 및 결말에 도달하도록 양호하게 구성된다는 것을 알 수 있다. 임의의 형태 및 하위 조합들이 활용될 수 있고 다른 형태 및 하위 조합들을 참조하지 않고 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이는 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (21)

  1. 연소 라이너에 있어서,
    두께, 입구 단부 및 반대 출구 단부를 구비하고 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체로서, 상기 외면이 제 1 외면 및 제 2 외면을 포함하면서 상기 제 1 외면이 상기 제 2 외면의 방사상 외향에 위치하고 제 1 모따기부(first chamfer)가 상기 제 1 외면으로부터 상기 입구 단부로 연장되도록 상기 외면은 상기 입구 단부 근위에 있는 윤곽형 프로파일을 구비한, 상기 일반적인 환형 몸체; 및
    상기 내면에 도포된 코팅부로서, 상기 코팅부는 본드 코팅부 및 세라믹 상단 코팅부를 포함하며, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 적어도 일부가 제 2 모따기부를 가짐으로써, 코팅부 두께를 상기 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 하는, 상기 코팅부를 포함하는 연소 라이너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 외면의 두께는 상기 제 2 외면의 두께보다 큰, 연소 라이너.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모따기부 및 상기 제 2 모따기부는 상기 입구 단부에서 감소된 블러프 몸체 영역(bluff body region)을 형성하는, 연소 라이너.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입구 단부에 있는 상기 블러프 몸체는 상기 연소 라이너의 입구 단부 근위에서 재순환 구역을 제공하는, 연소 라이너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모따기부는 상기 입구 단부를 향하여 이동하는 공기 유동의 분리 위험성을 감소시키도록 배향된 모따기 각도를 갖는, 연소 라이너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 라이너의 내면에 도포된 코팅부는 조밀한 수직 크랙의 미세구조체를 갖는, 연소 라이너.
  7. 연소 라이너의 입구 부분에 있어서,
    제 1 라이너 두께로부터 테이퍼지고 제 2 라이너 두께를 가지며, 입구 단부 근위에서 제 1 라이너 두께로부터 제 1 비율로 테이퍼지는 일반적인 환형 몸체; 및
    상기 일반적인 환형 몸체의 내벽에 도포된 코팅부로서, 상기 코팅부의 적어도 일부가 상기 입구 단부에서 제 1 코팅부 두께에서 제 2 코팅부 두께로 테이퍼지고, 제 2 비율로 테이퍼지는 상기 코팅부를 포함하는, 연소 라이너의 입구 부분.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 입구 단부는 대략 0.005 내지 0.100 인치의 두께를 갖는, 연소 라이너의 입구 부분.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 연소 라이너의 두께는 대략 5 내지 75도의 각도로 테이퍼지는, 연소 라이너의 입구 부분.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 코팅부의 두께는 대략 5 내지 75도의 각도로 테이퍼지는, 연소 라이너의 입구 부분.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 코팅부는 조밀한 수직 크랙의 미세구조체를 갖는, 연소 라이너의 입구 부분.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅부 두께는 대략 0.010 인치 내지 0.200 인치인, 연소 라이너의 입구 부분.
  13. 연소 라이너에서 재순환 구역을 감소시키는 방법에 있어서,
    연소 라이너의 외면을 따른 모따기부, 상기 연소 라이너의 내면에 도포된 코팅부, 및 상기 내면 상에 있는 상기 코팅부의 적어도 일부에 대한 모따기부를 구비한 상기 연소 라이너를 제공하는 단계; 상기 연소 라이너의 외면을 따라서 연료 및 공기 혼합물을 안내하는 단계; 상기 연료 및 공기 혼합물이 적어도 상기 연소 라이너의 모따기 부분들에 인접한 근위부에서 잔류하도록 상기 연료 및 공기 혼합물을 상기 연소 라이너의 입구 단부에 대해서 선회시키는 단계; 그리고 상기 혼합물을 상기 연소 라이너로 안내하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 입구 단부는 상기 연소 라이너 및 상기 코팅부의 두께와 비교되는 감소된 두께를 갖는 블러프 몸체를 형성하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 블러프 몸체는 대략 0.005 내지 0.050 인치의 두께를 갖는, 방법.
  16. 연소 라이너에 있어서,
    두께, 입구 단부 및 반대 출구 단부를 구비하고 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체로서, 상기 외면이 제 1 반경에 따라서 윤곽형성되는, 상기 일반적인 환형 몸체; 및
    상기 내면에 도포된 코팅부로서, 본드 코팅부 및 세라믹 상단 코팅부를 포함하고, 상기 코팅부의 적어도 일부가 제 2 반경에 따라서 윤곽형성되어, 상기 제 1 반경이 상기 입구 단부에서 상기 제 2 반경 내에 합체되는 상기 코팅부를 포함하는, 연소 라이너.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 반경은 상기 제 2 반경에 대해서 접선방향인, 연소 라이너.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 반경은 상기 제 2 반경보다 큰, 연소 라이너.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 반경은 상기 제 1 반경보다 큰, 연소 라이너.
  20. 연소 라이너에 있어서,
    두께, 입구 단부 및 반대 출구 단부를 구비하고 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체로서, 상기 외면이 제 1 외면 및 제 2 외면을 포함하면서 상기 제 1 외면이 상기 제 2 외면의 방사상 외향에 위치하고 제 1 모따기부가 상기 제 1 외면으로부터 상기 입구 단부로 연장되도록 상기 외면은 상기 입구 단부 근위에 있는 윤곽형 프로파일을 구비한, 상기 일반적인 환형 몸체; 및
    상기 내면에 도포된 코팅부로서, 본드 코팅부 및 세라믹 상단 코팅부를 포함하며, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 적어도 일부가 상기 입구 단부에서 일정 반경을 갖는 상기 코팅부를 포함하는, 연소 라이너.
  21. 연소 라이너에 있어서,
    두께, 입구 단부 및 반대 출구 단부를 구비하고 내면 및 반대 외면을 갖는 일반적인 환형 몸체로서, 상기 외면이 반경에 따라 윤곽형성되는, 상기 일반적인 환형 몸체; 및
    상기 내면에 도포된 코팅부로서, 본드 코팅부 및 세라믹 상단 코팅부를 포함하며, 상기 입구 단부 근위의 상기 코팅부의 적어도 일부가 모따기부를 가짐으로써, 코팅부 두께를 상기 입구 단부를 향하여 테이퍼지게 하는, 상기 코팅부를 포함하는 연소 라이너.
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