KR20200026729A

KR20200026729A - 냉각 마이크로채널을 갖는 이중 연료 랜스

Info

Publication number: KR20200026729A
Application number: KR1020190106504A
Authority: KR
Inventors: 테우어 안드레; 비아지올리 니코; 퍼드리자 마리오; 마드휴카르 쿨카르니 로힛
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2020-03-11
Also published as: CN110873337A; EP3771864B1; US11339968B2; JP7446742B2; JP2020034269A; US20200072469A1; EP3771864A1

Abstract

버너용 랜스(100)는 제1 유체 통로(154) 및 복수의 제1 연료 분사 채널(156)을 한정하는 최내부 도관(150) - 각각의 제1 연료 분사 채널(156)은 제1 출구(158)에서 종단됨 -; 최내부 도관(150)을 원주방향으로 둘러싸고 제2 유체 통로(164) 및 복수의 제2 연료 분사 채널(166)을 한정하는 중간 도관(160) - 각각의 제2 연료 분사 채널(166)은 제2 출구(168)에서 종단됨 -; 중간 도관(160)을 원주방향으로 둘러싸는 최외부 도관(170) - 최외부 도관(170)은 제3 유체 통로(174), 최외부 도관(170)을 관통하고 제1 출구(158)를 둘러싸는 복수의 제3 공기 출구(176), 최외부 도관(170)을 관통하고 제2 출구(168)를 둘러싸는 복수의 제4 공기 출구(178), 및 복수의 냉각 마이크로채널(200)을 한정함 - 을 포함하고, 각각의 냉각 마이크로채널(200)은 제3 유체 통로(174)와 유체 연통하는 마이크로채널 입구(202) 및 최외부 도관(170)의 외부 표면 상의 마이크로채널 출구(204)를 포함하고 이들 사이에서 연장된다.

Description

냉각 마이크로채널을 갖는 이중 연료 랜스{DUAL FUEL LANCE WITH COOLING MICROCHANNELS}

본 발명은, 예컨대 액체 연료 또는 가스 연료를 순차적인 연소 가스 터빈의 재가열 버너 내로 분사하는 데 사용될 수 있는, 버너의 랜스(lance)에 관한 것이다. 랜스는 냉각 마이크로채널 및 장타원체(prolate spheroid)를 대체로 닮은 형상을 갖는 팁을 포함한다.

전기 발전을 위해 사용되는 일부 가스 터빈은, 제1 환형 연소기로부터의 연소 생성물이 제2 (재가열) 환형 연소기 내로 도입되기 전에 제1 터빈 섹션을 통과하는 순차적 연소 시스템을 포함한다. 제2 연소기에서, 재가열 버너는 추가의 가스 또는 액체 연료를 환형 연소 챔버 내로 도입하는데, 여기서 가스 또는 액체 연료는 제1 터빈 섹션으로부터 수용된 연소 생성물에 의해 점화된다. 생성된 연소 생성물은 제2 터빈 섹션 내로 지향되는데, 여기서, 생성된 연소 생성물은 발전기에 결합된 샤프트를 중심으로 하는 터빈 블레이드의 회전을 구동시키는 데 사용된다.

연료는 이중 연료 작동을 위해 구성된 랜스(즉, 가스 연료에 대해 그리고 액체 연료에 대해 교대로 작동함)에 의해 제2 연소기의 혼합 챔버 내로 도입된다. 그러한 랜스의 일례가 EROGLU 등의 미국 특허 제8,943,831호에 기재되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 랜스(1)는 액체 연료(5)를 분사하기 위한 제1 분사 통로(4)를 갖는 제1 덕트(3), 및 가스 연료(8)를 분사하기 위한 제2 분사 통로(7)를 갖는 제2 덕트(6)를 한정하는 몸체(2)를 포함한다. 제2 덕트(6)는 제1 덕트(3)를 동축으로 둘러싼다. 몸체(2)는 제2 덕트(6)를 동축으로 둘러싸는 제3 덕트(15)를 추가로 포함한다. 제3 덕트(15)는 공기(18)를 분사하기 위해 제3 및 제4 분사 통로(16, 17)를 포함한다.

제1 분사 통로(4)의 출구(10)는 제2 분사 포트(7)의 출구(11)에 대해 축방향으로 시프트(shift)된다. 제3 분사 통로(16)는 제1 분사 통로(4)의 출구 단부(10)를 동축으로 둘러싸고, 제4 분사 통로(17)는 제2 분사 통로(7)의 출구(11)를 동축으로 둘러싼다. 제3 분사 통로(16)는 제3 덕트(15)의 벽 내의 구멍에 의해 한정되고, 그에 따라서 각각의 제1 분사 통로(4)의 출구(10) 둘레에 갭을 한정한다.

랜스가 제1 연소기 및 제1 터빈 섹션을 통과하는 연소 생성물의 고온 가스 유동 경로 내에 배치되기 때문에, 손상을 방지하고 사용 수명을 연장시키기 위해 랜스를 냉각시키는 것이 필요하다. EROGLU 특허에서, 제3 덕트(15)를 통과하는 공기(18)는 랜스를 대류로 냉각시키기 위해 사용된다. 그러나, 그러한 냉각 공기(18)는 필요한 냉각을 달성하기에 충분히 낮은 온도 및 충분히 높은 압력이어야만 한다. 냉각 공기(18)에서 필요한 압력 및 온도를 달성하는 것은 가스 터빈의 전체 작동 효율을 바람직하지 않게 감소시키는 기생 부하(parasitic load)인 압축기(또는 부스터 압축기) 및/또는 열 교환기의 사용을 필요로 할 수 있다.

따라서, 랜스의 원하는 이중 연료 기능을 유지하고 더 낮은 압력 및/또는 더 높은 온도의 공기를 사용하여 랜스를 냉각시켜 그에 의해 터빈 효율을 개선시키도록 구성되는 2차 버너용 랜스를 제공하는 것이 유용할 것이다.

버너용 랜스는 제1 유체 통로 및 복수의 제1 연료 분사 채널을 한정하는 최내부 도관 - 각각의 제1 연료 분사 채널은 제1 출구에서 종단됨 -; 최내부 도관을 원주방향으로 둘러싸고 제2 유체 통로 및 복수의 제2 연료 분사 채널을 한정하는 중간 도관 - 각각의 제2 연료 분사 채널은 제2 출구에서 종단됨 -; 중간 도관을 원주방향으로 둘러싸는 최외부 도관 - 최외부 도관은 제3 유체 통로, 최외부 도관을 관통하고 제1 출구를 둘러싸는 복수의 제3 공기 출구, 최외부 도관을 관통하고 제2 출구를 둘러싸는 복수의 제4 공기 출구, 및 복수의 냉각 마이크로채널을 한정함 - 을 포함하고, 각각의 냉각 마이크로채널은 제3 유체 통로와 유체 연통하는 마이크로채널 입구 및 최외부 도관의 외부 표면 상의 마이크로채널 출구를 포함하고 이들 사이에서 연장된다.

당업자에게 제공되는 본 명세서는 본 시스템 및 방법 - 이를 이용한 최상의 모드를 포함함 - 의 완전하고 가능한 개시 내용을 설명한다. 본 명세서는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 가스 터빈 연소기를 위한 종래의 버너 랜스의 측단면도이다.
도 2는 도 1의 버너 랜스의 팁의 측단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 가스 터빈 연소기의 버너 랜스의 측면도이다.
도 4는 도 3의 버너 랜스의 팁의 측단면도이다.
도 5는 냉각 마이크로채널의 제1 세트에 대한 입구 포트의 발췌부(call-out)를 갖는 도 3의 버너 랜스의 측단면도이다.
도 6은 버너 랜스 내에 배치된 냉각 마이크로채널을 도시하는, 도 3의 버너 랜스의 측면도이다.
도 7은 버너 랜스의 상류 표면을 따라 배치된 냉각 마이크로채널을 도시하는, 도 3의 버너 랜스의 일부분의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 태양에 따른, 본 발명의 버너 랜스의 상류 표면 둘레에 제1 방향으로 배치될 때의 제1 냉각 마이크로채널의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 태양에 따른, 본 발명의 버너 랜스의 상류 표면 둘레에 제2 방향으로 배치될 때의 제2 냉각 마이크로채널의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 태양에 따른, 버너 랜스의 상류 표면을 따라 배치될 때의, 도 7에 도시된 제1 냉각 마이크로채널의 측면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 태양에 따른, 버너 랜스의 저부 표면을 따라 배치될 때의 제2 냉각 마이크로채널의 측면도이다.
도 12는 팁을 따라 배치된 냉각 마이크로채널을 도시하는, 도 3의 버너 랜스의 팁 부분의 측면 사시도이다.
도 13은 본 발명의 다른 태양에 따른, 본 발명의 버너 랜스의 팁의 저부 표면을 따라 배치될 때의, 도 12의 냉각 마이크로채널들 중 하나의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 태양에 따른, 본 발명의 버너 랜스의 발코니(balcony)를 따라 배치될 때의 제6 냉각 마이크로채널의 측면도이다.
도 15는 원주방향으로 이격된 보유 특징부를 도시하는, 종축을 따라 취해진, 본 발명의 버너 랜스의 팁의 단면도이다.
도 16은 도 15의 보유 특징부의 측면 사시도이다.

이제, 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 참조할 것이며, 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 상세한 설명은 도면 내의 특징부를 지칭하기 위해 숫자 및 문자 표시를 사용한다. 도면 및 설명 내의 동일하거나 유사한 표시가 본 발명의 동일한 또는 유사한 부분을 지칭하는 데 사용되었다.

이중 연료 기능 및 마이크로채널 냉각을 갖는 본 발명의 버너 랜스 및 그의 특징부를 명확하게 설명하기 위하여, 본 발명의 범주 내의 관련 기계 구성요소를 지칭하고 설명하는 데 소정 용어가 사용될 것이다. 가능한 최대로, 통상의 산업 용어가 사용될 것이고 용어의 허용된 의미와 일치하는 방식으로 채용될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 그러한 용어에는 본 출원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범주와 일치하는 넓은 해석이 주어져야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이한 또는 중복되는 용어를 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 단일 부품인 것으로 본 명세서에 설명될 수 있는 것은 다른 문맥에서 다수의 구성요소들로 이루어진 것으로 포함할 수 있고 참조될 수 있다. 대안적으로, 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 본 명세서에서 설명될 수 있는 것이 다른 곳에서는 단일 일체형 부품으로 지칭될 수 있다.

더욱이, 몇몇 설명 용어들이 이하에서 설명되는 바와 같이 본 명세서에서 규칙적으로 사용될 수 있다. 용어 "제1", "제2", 및 "제3"은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 상호교환가능하게 사용될 수 있으며, 개별 구성요소의 위치 또는 중요성을 나타내려는 의도는 아니다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "하류" 및 "상류"는 터빈 엔진을 통과하는 작업 유체와 같은 유체의 유동에 대한 방향을 나타내는 용어이다. 용어 "하류"는 유체의 유동의 방향에 대응하고, 용어 "상류"는 유동에 반대되는 방향(즉, 유체가 그로부터 유동하는 방향)을 지칭한다. 용어 "내부"는 구성요소의 종축 또는 중심에 근접한 구성요소를 설명하는 데 사용되는 반면, 용어 "외부"는 구성요소의 종축 또는 중심에 대해 원위에 있는 구성요소를 설명하는데 사용된다.

상이한 반경방향, 축방향 및/또는 원주방향 위치에 있는 부품들을 설명하는 것이 종종 요구된다. 도 3에 도시된 바와 같이, "A" 축은 축방향 배향을 나타낸다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "축방향" 및/또는 "축방향으로"는 (도 3에 도시된 바와 같이) 유체 입구의 중심선을 통해 부품의 길이를 따라 연장되는, 축(A)을 따르는 물체의 상대 위치/방향을 지칭한다. 본 명세서에 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "반경방향" 및/또는 "반경방향으로"는 단 하나의 위치에서 축(A)과 교차하는, 축 "R"을 따르는 물체의 상대 위치 또는 방향을 지칭한다. 일부 실시예에서, 축(R)은 축(A)에 실질적으로 수직이다. 마지막으로, 용어 "원주방향"은 축(A)을 중심으로 하는 이동 또는 위치(예를 들어, 축 "C")를 지칭한다. 용어 "원주방향"은 각각의 물체의 중심(예를 들어, 회전자 또는 부품의 종축) 둘레로 연장되는 치수를 지칭할 수 있다.

본 명세서에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징부, 완전체(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 완전체, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것을 추가로 이해할 것이다.

각각의 예는 제한이 아닌 설명으로서 제공된다. 실제로, 변형예 및 변경예가 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 설명된 특징부는 다른 실시예에 대해 사용되어 또 다른 실시예를 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 있는 것과 같은 그러한 변형예 및 변경예를 포괄하는 것으로 의도된다.

본 발명의 예시적인 실시예가 대체적으로 예시의 목적을 위해 지상의 발전용(land based power generating) 가스 터빈을 위한 터빈 노즐의 제조와 관련하여 설명될 것이지만, 당업자는 본 발명의 실시예가 터보기계 내의 다른 위치에 적용될 수 있고 청구범위에 구체적으로 언급되지 않는 한 지상의 발전용 가스 터빈을 위한 터빈 구성요소로 제한되지 않는다는 것을 용이하게 이해할 것이다.

이제 도면을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 랜스(100)를 도시한다. 랜스(100)는 종축(101)을 갖는 몸체(102), 상류 (입구) 부분(110), 및 팁 부분(130)을 포함하는 하류 부분(120)을 포함한다. 대체로 수평이고 종축을 횡단하는 발코니(106)와 입구 부분(110) 사이에서 아치형 상부 부분(104)이 연장된다. 지지 브레이스(brace)(108)가 입구 부분(110)을 아치형 상부 부분(104)의 반대편인 발코니(106)에 연결한다. 중간 부분(140)이 발코니(106)와 하류 부분(120) 사이에서 축방향으로 연장된다. 하류 부분(120)은, 랜스 팁(126)에서 결합되는 상부 만곡 표면(122) 및 하부 만곡 표면(124)을 갖는, 장타원체의 일반적인 형상(즉, 럭비 볼(rugby ball) 또는 아메리칸 풋볼(American football)의 형상)을 갖는다.

(도 1에 도시된 바와 같은) 원통형 표면을 갖는 종래의 랜스와 달리, 본 발명의 랜스(100)의 하류 부분은 하부 만곡 표면(124)을 갖는다. 상부 만곡 표면(122) 및 하부 만곡 표면(124)은 하류 부분(120) 및 팁 부분(130) 내의 그리고 그 둘레의 냉각 공기 유동을 개선하고, 랜스(100) 둘레에서 연소 생성물의 유동을 촉진하고, 팁 부분(130) 내로의 고온 연소 가스의 유입을 방지한다.

팁 부분(130)의 내부가 도 4에 도시되어 있다. 최내부 도관(150)은 팁 부분(130)의 축방향 중심선(131)에 대해 예각으로 배치되는 액체 연료 분사 채널(156)로의 액체 연료(5)(또는 액체 연료/물 에멀젼)의 전달을 위한 통로(154)를 한정한다. 각각의 액체 연료 분사 채널(156)은 통로(154)로부터 그의 출구(158)까지 약간의 테이퍼를 포함할 수 있으며, 이 경우에 액체 연료(5)는 액체 연료(5)가 출구(158)를 통해 분사됨에 따라 가속될 것이다. 출구(158)는 팁 부분(130)의 표면(127)과 동일 평면 상에 있거나 표면(127)의 약간 내측에 있다. 표면(127)은 랜스(100)의 하류 부분(120)의 상부 만곡 표면(122) 또는 하부 만곡 표면(124)의 일부분이다.

중간 도관(160)은 최내부 도관(150)을 원주방향으로 둘러싸고, 축방향 중심선(131)에 대해 대략 90도(± 10도)의 각으로 배치되는 출구를 갖는 가스 연료 분사 채널(166)로의 가스 연료(8)의 전달을 위한 통로(164)를 한정한다. 가스 연료 분사 채널(166)은 형상이 대체로 절두 원추형이며, 도시된 실시예에서, 출구 축(화살표(8)로 표현됨)에 대해 비대칭이다. 가스 연료 분사 채널(166)의 출구(168)는 액체 연료 분사 채널(156)의 출구(158)보다 단면적이 더 크다. 출구(168)는 팁 부분(130)의 표면(127)의 약간 내측에 있다.

최외부 도관(170)이 중간 도관(160)을 원주방향으로 둘러싸고 랜스(100)의 몸체(102)를 한정한다. 최외부 도관(170)은 랜스 팁(126)을 통한 그리고 연소 구역(25) 내로의 유체 연통을 제공하는 제1 세트의 공기 출구(176) 및 제2 세트의 공기 출구(178)로의 압축 냉각 공기(18)의 전달을 위한 통로(174)를 한정한다. 압축 냉각 공기(18)가 최외부 도관(170)을 통해 전달됨에 따라, 몸체(102)(하류 부분(120) 및 팁 부분(130)을 포함함)는 대류로 냉각된다.

제1 세트의 공기 출구(176)는 액체 연료 출구(158) 둘레에 배치되고 액체 연료 채널(156)을 냉각시키는 것을 돕고, 그에 의해 코킹(coking)을 방지한다. 더욱이, 공기 출구(176)는 액체 연료(5)가 분사됨에 따라 액체 연료(5)를 무화(atomization)시키는 것을 도울 수 있다. 제2 세트의 공기 출구는 가스 연료 출구(168) 둘레에 배치되고, 가스 연료(8)가 연소 구역(25) 내로 도입됨에 따라 가스 연료(8)와 혼합되는 공기(18)를 제공한다. 그러한 혼합은 아산화질소(NOx)의 방출을 감소시키는 것을 돕는다.

동심 도관(150, 160, 170)은 도 5에 전체적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 입구 부분(110)은 몸체(102)의 종축(101)을 중심으로 배치된 3개의 동축 도관 입구(152, 162, 172)를 한정한다. 각각의 도관(150, 160, 170)은 종축(101)에 평행한 입구(152, 162, 172); 각각의 입구(152, 162, 172)와 연통하는 상류 아치형 부분; 상류 아치형 부분과 연통하는 몸체(102)의 중간 부분(140) 내의 수직 배향 통로; 및 종축(101)을 횡단하는 배향으로 배치되고 수직 배향 통로와 연통하는 하류 부분을 갖는다.

하기에 논의되는 바와 같이, 마이크로채널의 복잡한 패턴을 갖는 본 발명의 랜스(100)의 고유의 기하학적 형상은 적층 제조 공정에 의해 효율적으로 생성될 수 있다. 그러한 경우에, 가스 연료 도관(160)의 수직 배향 통로에는 제조를 용이하게 하기 위해 리브(rib)(165)들의 적층 배열체가 제공될 수 있다.

적층 제조 공정은 재료 층들을 순차적으로 그리고 반복적으로 침착 및 결합함으로써 랜스(100) 및 그의 냉각 특징부를 형성하기 위한 임의의 제조 방법을 포함한다. 적합한 제조 방법은 직접 금속 레이저 용융(Direct Metal Laser Melting, DMLM), 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS), 레이저 설계 그물망 형상화(Laser Engineered Net Shaping), 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS), 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM), 전자빔 용융(Electron Beam Melting, EBM), 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM), 또는 이들의 조합으로서 당업자에게 공지된 공정을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

일 실시예에서, 적층 제조 공정은 DMLM 공정을 포함한다. DMLM 공정은 미리선택된 두께 및 미리선택된 형상을 갖는 초기 분말 층을 형성하도록 금속 합금 분말을 제공 및 침착하는 단계를 포함한다. 집속 에너지원(즉, 레이저 또는 전자 빔)이 초기 분말 층에 지향되어 금속 합금 분말을 용융시키고 초기 분말 층을 랜스(100)의 일부분 또는 그의 냉각 특징부(예를 들어, 마이크로채널(200)) 중 하나로 변형시킨다.

다음으로, 추가 금속 합금 분말이 랜스(100)의 일부분 위에서 층들로 순차적으로 침착되어 원하는 기하학적 형상을 달성하는 데 필요한 미리선택된 두께 및 형상을 갖는 추가 층을 형성한다. 금속 합금 분말의 각각의 추가 층을 침착한 후, DMLM 공정은 추가 층을 집속 에너지원으로 용융시켜 조합된 두께를 증가시키고 랜스(100)의 적어도 일부를 형성하는 단계를 포함한다. 이어서, 순차적으로 금속 합금 분말의 추가 층을 침착시키는 단계 및 추가 층을 용융시키는 단계가 반복되어 최종 또는 거의 최종 형상의 랜스(100)를 형성할 수 있다.

대부분의 공기(18)가 최외부 도관(170)을 통해 유동하여 팁 부분(130)을 통해 연료(5 또는 8)와 함께 도입되어 몸체(102)를 대류로 냉각시키고 연료와 혼합하는 동안, 비교적 작은 비율의 공기(18)가, 전술된 DMLM 공정 동안 형성될 수 있는 바와 같은, 냉각 마이크로채널(예컨대, 200)의 작은 공기 입구(예컨대, 202) 내로 방향전환된다. 마이크로채널을 통해 유동하는 공기는 유입 고온 연소 가스로부터의 노출로 인해 고온에 달리 노출되는 임계 영역에서 랜스(100)의 외부 표면을 따라 냉각 필름을 생성한다. 이러한 영역에 마이크로채널을 전략적으로 배치함으로써, 마이크로채널의 개수 및 냉각 공기의 부피가 유리하게 감소될 수 있다. 더 짧은 마이크로채널(예를 들어, 약 1인치의 길이를 갖는 채널)이 더 높은 온도 영역에서 사용될 수 있는 반면, 더 긴 마이크로채널(예를 들어, 약 2.5 내지 3인치의 길이를 갖는 채널)은 다른 영역에 사용될 수 있다.

제1 세트의 이러한 냉각 마이크로채널(200)이 발코니(106)의 하류에 있는 랜스(100)의 중간 부분(140) 내에 배치된다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일부 공기 입구(202)는, 횡방향으로 연장되고 랜스(100)의 제1 측부 둘레를 감싸고 공기 출구(204)(도 3에서 볼 수 있음)에서 종단되는 마이크로채널(200a) 내로 공기를 지향시킨다. 일부 공기 입구(202)는, 횡방향으로 연장되고 랜스(100)의 제2 (반대편) 측부 둘레를 감싸고 반대편 측부 상의 공기 출구(도시되지 않음)에서 종단되는 마이크로채널(200b) 내로 공기를 지향시킨다. 공기 입구(202) 및 그의 대응하는 마이크로채널(200)은 냉각되는 표면적을 최대화하도록 교대로 배열된다.

도 8 및 도 9는 수직 배향 중간 부분(140)의 상류 표면(142) 주위에 횡방향으로 연장되는 마이크로채널(200a, 200b)을 도시한다. 도 8에서, 마이크로채널(200a)은 상류 표면(142) 주위에서 제1 방향으로 횡방향으로 연장되어, 공기 입구(202)가 제1 측부의 내부 표면 상에 배치되고 공기 출구(204)가 제2 (반대편) 측부의 외부 표면 상에 배치되게 한다. 도 9에서, 마이크로채널(200b)은 상류 표면(142) 주위에서 제2 방향으로 횡방향으로 연장되어, 공기 입구(202)가 제2 측부의 내부 표면 상에 배치되고 공기 출구(204)가 제1 측부의 외부 표면 상에 배치되게 한다. 반대 방향으로 냉각 유동을 제공하는 것은 영역이 적절하게 냉각되는 것을 보장하는 데 도움을 준다.

도 5 내지 도 7 및 도 10은 최하류 마이크로채널(200)에 근접하게 입구(212)를 갖는 제2 세트의 냉각 마이크로채널(210)을 도시한다. 마이크로채널(210)은 중간 부분(140)과 하류 부분(120) 사이의 조인트(145)를 향해 또는 그를 지나서 대체로 축 방향으로 연장된다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 공기 입구(212)들이 동일한 평면 내에 배치될 수 있는 반면, 공기 출구들(214, 216)은 상이한 평면 내에 배치될 수 있다. 공기 출구(214)는 조인트(145)에 근접하게 평면 내에 배치되고, 공기 출구(216)는 몸체(102)의 코너의 냉각을 보장하기 위해 조인트(145)의 하류에 배치된다. 더 긴 마이크로채널(210)(즉, 공기 출구(216)를 갖는 것)은, 제1 터빈 섹션으로부터의 연소 가스의 유입 유동에 노출되는, 몸체(102)의 수직 배향 섹션(140)의 상류 표면(142)에 가장 가깝다. 출구(214, 216)는 도 3에서 볼 수 있다.

도 6 및 도 7은 또한 제2 세트의 마이크로채널(210)들의 공기 출구(214)들 사이에 또는 공기 출구(216)들을 갖는 마이크로채널(210)들 사이에 교대하는 배열로 배치된 공기 입구(222)들을 갖는 제3 세트의 마이크로채널(220)들을 도시한다. 공기 입구(222)가 몸체(102)의 내향 표면 상에 배치되는 반면, 공기 출구(214, 216)는 몸체(102)의 외부 표면 상에 배치되는 것이 인식되어야 한다. 공기 입구(222)는 동일한 대체적인 평면 내에서 조인트(145)에 근접하게 배치된다. 마이크로채널(220)은 조인트(145) 및 몸체(102)의 코너 둘레의 냉각 유동을 최적화하기 위해 상이한 길이를 가질 수 있고, 그에 따라서 공기 출구(224)가 상이한 평면 내에 있게 한다. 출구(224)는 도 3에서 볼 수 있다.

도 5, 도 6 및 도 11은 랜스(100)의 하류 부분(120)의 하부 만곡 표면(124)을 따라 연장되는 제4 세트의 냉각 마이크로채널(230)을 도시한다. 각각의 마이크로채널(230)은 하부 만곡 표면(124)의 내부 표면 상의 공기 입구(232)와 하부 만곡 표면(124)의 외부 표면 상의 공기 출구(234) 사이에서 연장된다. 하나의 그러한 마이크로채널(230)의 출구(234)는 도 3에서 볼 수 있다.

도 5, 도 6, 도 12, 및 도 13은 랜스(100)의 팁 부분(130)에 배치된 제5 세트의 냉각 마이크로채널(240)을 도시한다. 일 실시예에서, 냉각 마이크로채널(240)은 팁 부분(130)의 내부 표면 상에 배치된 공기 입구(242)로부터 팁 부분(130)의 외부 표면 상의 공기 출구(244)로 연장된다(도 5에 도시된 바와 같음).

도 5, 도 6 및 도 14는 랜스(100)의 발코니(106) 내에 배치되는 제6 세트의 냉각 마이크로채널(250)을 도시한다. 이러한 마이크로채널 각각은 상부 표면(106a) 내의 공기 입구(252) 및 하부 표면(106b) 내의 공기 출구(254)를 포함하고 이들 사이에서 대체로 횡방향으로 연장된다. 마이크로채널(250)은 더 높은 온도에 노출되는 하부 표면(106b)의 표면 근처 냉각을 달성하기 위해 하부 표면(106b)에 근접하게 위치된다.

더 고온의 외부 도관 내에 배치된 저온 연료 도관을 갖는 많은 연료 랜스에서, 구성요소들 사이의 열 차이는 랜스의 유효 수명을 단축시키는 마모로 이어질 수 있다. 본 발명의 랜스(100)에서, 자동-중심설정 고정 시스템(300)이 중간 도관(160)의 외부 표면과 최외부 도관(170)의 내부 표면 사이의 통로(174) 내에 배치된다. 랜스(100)의 종축(101)을 따라 위치되는 고정 시스템(300)은 하류 부분(120) 및 팁 부분(130)의 종축(131)을 따르는 도관(160, 170)의 이동을 허용한다. 하류 부분(120)의 반경 방향을 따르는 (그리고, 그에 따라 랜스(100)의 종축(101)을 따르는) 이동은 방지된다.

고정 시스템(300)은 후크 형상 요소(302, 304, 306, 308) 및 T 형상 페그(peg)(310)를 포함한다. 후크 형상 요소(302, 304, 306, 308)는 최외부 도관(170)으로부터 반경방향 내향으로 연장되고, 쌍(302/304, 306/308)으로 배열된다. 후크 형상 요소들(302, 304)은 서로 축방향으로 이격되고, 후크 형상 요소들(306, 308)은 서로 축방향으로 이격된다. 후크 형상 요소(302, 304)는 후크 형상 요소(306, 308)로부터 원주방향으로 이격되어, 요소(302)가 요소(306)의 반대편에 있고 요소(304)가 요소(308)의 반대편에 있게 한다. 각각의 T 형상 페그(310)의 길이는 후크 형상 요소(302, 304, 및 306, 308)의 간격에 걸쳐 있다.

고정 시스템(300)이 4세트의 후크 형상 요소(302 내지 308) 및 T 형상 페그(310)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 세트의 개수는 가변할 수 있다.

냉각 마이크로채널을 갖는 본 발명의 이중 연료 랜스의 예시적인 실시예가 위에 상세히 설명되어 있다. 본 명세서에서 설명되는 구성요소는 본 명세서에서 설명되는 특정 실시예로 제한되지 않고, 오히려 본 방법 및 구성요소의 태양이 본 명세서에서 설명되는 다른 구성요소와 독립적으로 그리고 개별적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 구성요소는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 발전용 가스 터빈용 환형 연소기와의 실시로 제한되지 않는 다른 응용예를 가질 수 있다. 오히려, 본 명세서에서 설명되는 구성요소들은 다양한 다른 산업에서 구현 및 활용될 수 있다.

기술적 발전이 다양한 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 당업자는 기술적 발전이 청구범위의 사상 및 범주 내에서의 변형으로 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims

버너용 랜스(lance)로서,
제1 유체 통로 및 복수의 제1 연료 분사 채널을 한정하는 최내부 도관 - 각각의 제1 연료 분사 채널은 제1 출구에서 종단됨 -;
상기 최내부 도관을 원주방향으로 둘러싸고 제2 유체 통로 및 복수의 제2 연료 분사 채널을 한정하는 중간 도관 - 각각의 제2 연료 분사 채널은 제2 출구에서 종단됨 -;
상기 중간 도관을 원주방향으로 둘러싸는 최외부 도관 - 상기 최외부 도관은 제3 유체 통로, 상기 최외부 도관을 관통하고 상기 제1 출구를 둘러싸는 복수의 제3 공기 출구, 상기 최외부 도관을 관통하고 상기 제2 출구를 둘러싸는 복수의 제4 공기 출구, 및 작동 동안 고온이 되기 쉬운 영역 내에 배치되는 복수의 냉각 마이크로채널을 한정함 - 을 포함하고,
각각의 냉각 마이크로채널은 상기 제3 유체 통로와 유체 연통하는 마이크로채널 입구 및 상기 최외부 도관의 외부 표면 상의 마이크로채널 출구를 포함하고 이들 사이에서 연장되어 상기 외부 표면을 따라 냉각 필름을 생성하고;
상기 최내부 도관, 상기 중간 도관, 및 상기 최외부 도관은 상기 랜스의 종축과 동축인 각각의 도관 입구를 갖고;
상기 최내부 도관, 상기 중간 도관, 및 상기 최외부 도관은 상기 랜스의 종축에 수직인 팁 부분에서 종단되는, 랜스.
제1항에 있어서, 상기 복수의 냉각 마이크로채널은 상기 최외부 도관의 팁 부분에 배치된 제1 세트의 냉각 마이크로채널을 포함하고,
상기 제1 세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 랜스의 종축의 하류에 원주방향 어레이로 배치되고,
상기 제1 세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 출구는 상기 팁 부분의 랜스 팁에 근접하게 배치되는, 랜스.
제1항에 있어서, 상기 최내부 도관, 상기 중간 도관, 및 상기 최외부 도관의 각각은 상기 각각의 도관 입구에 유체 연결되는 상류 아치형 부분; 상기 상류 아치형 부분에 유체 연결되고 상기 종축에 평행한 수직 배향 부분; 및 상기 수직 배향 부분에 유체 연결되고 상기 종축을 횡단하는 하류 부분을 포함하고, 상기 하류 부분은 상기 팁 부분, 상부 만곡 표면, 및 하부 만곡 표면을 포함하고;
상기 상부 만곡 표면 및 상기 하부 만곡 표면은 서로를 향해 만곡되고 랜스 팁에서 결합되는, 랜스.
제3항에 있어서, 상기 복수의 냉각 마이크로채널은 상기 최외부 도관의 수직 배향 부분 내에 배치된 제2 세트의 냉각 마이크로채널을 포함하고; 상기 제2 세트의 냉각 마이크로채널은 상기 수직 배향 부분의 상류 표면을 가로질러 횡방향으로 배향되는, 랜스.
제4항에 있어서, 상기 제2 세트의 냉각 마이크로채널 중 제1 서브세트의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 최외부 도관의 상류 표면의 제1 측부 상에 배치되고, 상기 제2 세트의 냉각 마이크로채널의 제1 서브세트의 각각의 마이크로채널 출구는 상기 최외부 도관의 상류 표면의 제2 측부 상에 배치되고;
제2 서브세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 최외부 도관의 상류 표면의 제2 측부 상에 배치되고, 상기 제2 세트의 냉각 마이크로채널의 제2 서브세트의 각각의 마이크로채널 출구는 상기 최외부 도관의 상류 표면의 제1 측부 상에 배치되는, 랜스.
제5항에 있어서, 상기 제1 서브세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 제2 세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 출구와 교대로 배열되고, 상기 제1 서브세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 출구는 상기 제2 서브세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 출구와 교대로 배열되는, 랜스.
제3항에 있어서, 상기 복수의 냉각 마이크로채널은 상기 종축에 대체로 평행한 방향으로 연장되는 제3 세트의 냉각 마이크로채널을 포함하고;
상기 제3 세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 수직 배향 부분 내의 공통 평면 내에 배치되고;
상기 제3 세트의 냉각 마이크로채널 중 제1 서브세트의 각각의 마이크로채널 출구는 상기 최외부 도관의 수직 배향 부분과 하류 부분 사이의 조인트의 상류에 배치되고;
상기 제3 세트의 냉각 마이크로채널 중 제2 서브세트의 각각의 출구는 상기 조인트의 하류에 배치되는, 랜스.
제7항에 있어서, 상기 복수의 냉각 마이크로채널은 상기 수직 배향 부분과 상기 하류 부분 사이의 조인트에 근접하게 상기 하류 부분 내에 배치되는 제4 세트의 냉각 마이크로채널을 포함하고,
상기 제4 세트의 냉각 마이크로채널의 각각의 마이크로채널 입구는 상기 제3 세트의 냉각 마이크로채널의 제1 서브세트의 각각의 마이크로채널 출구와 교대하는 배열로 배치되는, 랜스.
제3항에 있어서, 상기 상류 아치형 부분의 상류 단부에 결합되는 지지 아암, 및 상기 최외부 도관의 수직 배향 부분으로부터 상기 지지 아암으로 연장되는 발코니(balcony)를 추가로 포함하고,
적어도 하나의 냉각 마이크로채널은 상기 발코니의 상부 표면보다 상기 발코니의 하부 표면에 더 가까이 근접하게 상기 발코니를 통해 대체로 횡방향으로 연장되고, 상기 적어도 하나의 냉각 마이크로채널은 상기 발코니의 상부 표면을 따르는 마이크로채널 입구 및 상기 발코니의 하부 표면을 따르는 마이크로채널 출구를 갖는, 랜스.
제3항에 있어서, 상기 하류 부분 내에 배치된 고정 시스템을 추가로 포함하고,
상기 고정 시스템은 상기 최외부 도관으로부터 반경방향 내향으로 연장되는 후크 형상 요소들의 원주방향으로 이격된 세트들, 및 상기 중간 도관으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 대응하는 T 형상 페그(peg)들을 포함하고, 각각의 T 형상 페그는 후크 형상 요소의 각각의 세트 내에 배치되고;
후크 형상 요소의 각각의 세트는 서로 반대편에 있는 쌍들로서 배열된 4개의 후크 형상 요소를 포함하는, 랜스.