KR20240000591A - 가스 터빈을 위한 연료 분사기 및 연료 노즐, 및 노즐을 포함하는 가스 터빈 엔진 - Google Patents

Abstract

연료 분사기(19)는 연료 인피드 챔버(fuel infeed chamber)(21) 및 중심본체(31)를 포함하고, 중심본체(31)는 연료 인피드 챔버(21)로부터 중심본체의 원위 단부(37)로 종축을 따라 연장된다. 외부 슬리브(35)는 중심본체를 둘러싸고, 외부 슬리브와 중심본체 사이에 환형 사전혼합 챔버(43)를 형성한다. 중심본체는 외부 슬리브의 원위 단부를 넘어, 환형 사전혼합 챔버 외측으로 돌출하는 원위 팁을 포함한다.

Description

가스 터빈을 위한 연료 분사기 및 연료 노즐, 및 노즐을 포함하는 가스 터빈 엔진

본원에 개시된 주제물은 일반적으로 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 가스 터빈 엔진 연소기를 위한 사전혼합 연료 노즐뿐만 아니라 가스 터빈 엔진 연소기에 관한 것이다.

항공기 및 산업용 적용 둘 모두를 위한 가스 터빈 엔진은, 가스상 또는 액체 형태의 연료가 압축된 공기 스트림과 혼합되고 연소(burn)되어 고온의 가압된 연소 가스의 유동을 발생시키는 적어도 하나의 연소기를 포함한다. 연소 가스는 하나 이상의 터빈 스테이지를 포함하는 터빈에서 팽창되어 기계적 동력을 발생시킨다. 터빈에 의해 생성된 기계적 동력의 일부는 가스 터빈 엔진의 압축기를 구동하고 연소기로의 연소 공기의 연속적인 공급을 지원하기 위해 사용된다. 나머지 이용가능한 동력은 발전기 또는 압축기와 같은 부하를 구동하거나 항공기 추진을 위한 추력을 생성하는 데 사용된다.

연소기는 연소 챔버 및 복수의 연료 노즐을 포함하며, 이는 공기 압축기로부터의 압축된 공기의 스트림 내로 액체 또는 가스상 연료를 도입하고 연소 공기와 연료의 혼합물을 얻는 기능을 갖는다. 시동 시에, 혼합물은 점화되어 연료를 연소시킨다. 연소기에 압축된 공기 및 연료의 공급을 계속함으로써, 연소 프로세스는 압축된 고온 연소 가스의 연속 유동을 생성하여 터빈을 작동시키도록 유지된다.

연소기에서의 화염의 제어는 연료 노즐 설계의 중요한 양태 중 하나이다. 노즐 설계의 목표 중 하나는 질소 산화물(NOx), 일산화탄소 및 미연소 탄화수소와 같은 유해한 방출물의 감소이다. 추가의 관심의 포인트는, 예를 들어, 비대칭 온도 프로파일로 인한, 화염 불안정성(flame instability)의 감소, 음압(acoustic pressure) 역학 또는 진동(즉, 연소 소음)의 감소 및 린 블로우-아웃 위험(lean blow-out risk)의 감소뿐만 아니라, 연소 챔버에서의 핫 스팟의 형성의 감소이다.

이러한 맥락에서 중요한 양태는 화염의 형상 및 공간적 포지션의 안정성이다. 연소기의 작동 동안 화염 형상 및 화염 포지션의 변화는 가스 터빈 엔진의 유해한 방출물에 악영향을 미칠 수 있고, 음압 역학 및 진동을 증가시킬 수 있다.

따라서, 형상 및 포지션의 관점에서 화염 불안정성을 감소시키는 것을 목적으로 하는 개선된 연료 노즐 설계는 본 기술 분야에서 환영받을 것이다.

본원에 개시된 실시예에서, 연료 분사기는 단부 벽을 갖는 연료 인피드 챔버(fuel infeed chamber), 및 중심본체를 포함하고, 중심본체는 단부 벽으로부터 중심본체의 원위 단부로 종축을 따라 연장된다. 외부 슬리브는 중심본체를 둘러싸고, 중심본체의 축을 따라 단부 벽으로부터 연료 인피드 챔버의 반대쪽의, 외부 슬리브의 원위 단부로 연장된다. 따라서, 환형 사전혼합 챔버가 외부 슬리브와 중심본체 사이에 정의된다.

사전혼합 챔버는 외부 슬리브의 원위 단부에 환형 출구를 갖는다. 중심본체는 중심본체의 원위 단부에서 종료되고 연소 챔버 내측에, 외부 슬리브의 원위 단부를 넘어 사전혼합 챔버 외측으로 돌출하는 원위 팁을 포함한다.

본원에 개시된 추가의 실시예에 따르면, 중심본체는 중심본체를 따라 연장되고 중심본체의 원위 팁에서 적어도 하나의 출구 포트에 유체 커플링되는 적어도 하나의 부가적인 유체 도관을 갖는다. 사용시, 연료, 공기 또는 공기/연료 혼합물은 연료 분사기가 위치되는 가스 터빈의 작동 조건에 좌우되며, 부가적인 유체 도관을 통해 중심본체의 원위 팁을 향해 전달될 수 있다.

출구 포트는 중심본체의 축 상에 또는 축외 포지션에 배열될 수 있다. 실시예에서, 하나 초과의 출구 포트가 제공될 수 있다.

추가의 양태에 따르면, 가스 터빈 엔진을 위한 연료 노즐이 본원에 개시되며, 연료 노즐은 상기 설명된 바와 같은 하나 이상의 연료 분사기를 포함한다.

본 개시내용은 또한 가스 터빈 엔진을 위한 연소기 조립체에 관한 것이다. 일 실시예에서, 연소기 조립체는 상류 단부로부터 하류 단부로 연장되는 연소 챔버를 갖는다. 하류 단부는 가스 터빈 엔진의 터빈에 유체 커플링되도록 맞춤화되고, 상류 단부는 가스 터빈 엔진의 공기 압축기에 유체 커플링되도록 추가로 맞춤화된다. 연소기 조립체는 또한 상기 설명된 바와 같은 적어도 하나의 연료 노즐을 갖는다.

또한, 연소기 조립체를 포함하는 가스 터빈 엔진이 본원에 개시된다.

본 설명 및 첨부된 청구항에서, 용어 "상류" 및 "하류"는 달리 특정되지 않는 한 공기, 연료 또는 공기-연료 혼합물의 방향을 지칭한다.

이제 첨부 도면에 대한 참조가 간략하게 이루어진다.
도 1은 산업적 적용을 포함하는, 다양한 유용한 적용예에 사용하기 위해 맞춤화된 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 가스 터빈 엔진을 위한, 복수의 연료 노즐 및 환형 연소 챔버를 갖는 연소기의 개략적인 섹션이다.
도 3은 연료 노즐의 축각도에 따른 부등각도(axonometric view)이다.
도 4는 도 3의 연료 노즐의 단면도이다.
도 5는 추가의 실시예에서의 연료 노즐의 정면도이다.
도 6은 도 5의 라인 VI-VI에 따른 단면도이다.
도 7은 추가의 실시예에서의 연료 노즐의 정면도이다.
도 8은 추가의 실시예의 도 6과 유사한 단면도이다.
도 9는 다른 추가의 실시예에서의 중심본체의 원위 단부의 확대 상세도이다.
도 10 및 도 11은 다른 추가의 실시예에서의 연료 노즐의 단면도이다.
도 12는 다른 추가의 실시예에서의 연료 노즐의 정면도이다.
도 13은 도 12의 라인 XIII-XIII에 따른 단면도이다.

가스 터빈 엔진을 위한 연소기에서 화염 형상 및 화염 포지션 안정성을 개선하기 위해, 연료 인피드 챔버 및 중심본체를 갖는 새로운 연료 분사기가 제공되고, 중심본체는 연료 인피드 챔버에 인접한, 중심본체의 근위 단부로부터 중심본체의 원위 단부로 종축을 따라 연장된다. 원위 단부는 연료-공기 혼합물의 유동 방향에 대해 근위 단부의 하류에 배열된다. 외부 슬리브는 중심본체 주위로 연장된다. 외부 슬리브는 연료 인피드 챔버로부터 연소 챔버를 향해 연장되고, 연료 인피드 챔버의 반대쪽의, 환형 에지에서 종료된다. 외부 슬리브는 중심본체와 외부 슬리브 사이에 형성되는, 또한 사전혼합기로 지칭되는, 환형 사전혼합 챔버의 내측에 공기를 공급하기 위한 측면 장치를 포함한다. 중심본체는 환형 사전혼합 챔버에 연료를 공급하기 위한 포트를 포함한다.

작동시, 환형 사전혼합 챔버 또는 사전혼합기에서 공기 및 연료가 사전혼합되고, 환형 사전혼합 챔버를 빠져나가는 연료-공기 혼합물은 연소되고, 연소 챔버의 내부(interior)를 향해 연장되는 화염을 형성한다. 화염의 안정성을 개선하기 위해, 이의 형상뿐만 아니라 포지션 둘 모두와 관련하여, 즉 (하나 이상의 새로운 연료 분사기를 포함하는) 연료 노즐에 대해 화염이 위치되는 지점과 관련하여, 중심본체는 외부 슬리브의 원위 단부를 넘어 환형 사전혼합 챔버 외측으로 돌출하는 원위 팁을 포함한다. 사전혼합 챔버 또는 사전혼합기를 넘어 돌출하는 원위 팁은 볼록한 외부 표면을 가질 수 있다. 실시예에서, 원위 팁은 중심본체와 동축인 선회 표면을 갖는다. 예를 들어, 원위 팁은 돔 형상, 구형-컵(spherical-cup) 형상, 반구형(hemispherical) 형상, 첨두아치형(ogival) 형상 등을 가질 수 있다. 일반적으로, 원위 팁은 공기역학적 형상을 갖는다. 유리하게는, 사전혼합 챔버를 넘어 돌출하는 원위 팁은 만곡된 표면을 갖는 사전혼합 챔버의 내측의 중심본체의 부분에 연결된다.

본 발명의 실시예는 최종 사용 적용에 관계없이, 모든 타입의 가스 터빈 엔진에 적합하다. 본원에 개시된 연료 분사기는 항공 전용(aeroderivative) 가스 터빈뿐만 아니라 산업용, 중장비 가스 터빈에 사용될 수 있다. 다음의 설명에서는 기계식 구동부(mechanical drive)를 위한 가스 터빈이 참조되지만, 본 개시내용의 연료 분사기는 공기추진 뿐만 아니라 발전(electric generation)을 위한 가스 터빈에 또한 사용될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

다음의 설명에서 환형 연소 챔버를 포함하는 연소기가 구체적으로 참조되지만, 본 설명의 특징을 포함하는 연료 분사기 및 연료 노즐은 예를 들어 캔형(can) 연소 챔버 또는 튜보 환형 연소 챔버를 포함하는 다른 종류의 연소기에서 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

지금부터 도면을 참조하면, 도 1은 예를 들어 부하(3)를 구동하기 위한, 예로써 그리고 비제한적으로 산업용 또는 발전(power generation) 적용을 포함하는 다양한 적용에서 사용하도록 구성된 가스 터빈 엔진(1)의 개략도를 도시한다. 부하(3)는 압축기 또는 압축기 트레인, 예를 들어 일 예에서 액화 천연 가스의 제조를 위한 플랜트에서 사용될 수 있는 타입의 냉매 압축기, 또는 다른 예에서 가스 파이프라인에서의 가스 압축기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진이 발전 목적으로 사용되는 경우, 부하는 발전기일 수 있다.

가스 터빈 엔진(1)은 공기 압축기(5), 연소기(7) 및 터빈 섹션(9)을 포함한다. 단지 예로써, 도 1에서 터빈 섹션(9)은 고압 터빈(9A) 및 저압 터빈(9B)을 포함한다. 실시예에서, 고압 터빈(9A)은 공기 압축기(5)를 회전 구동하기 위해 공기 압축기(5)에 기계적으로 커플링된다. 저압 터빈(9B)은 부하(3)에 구동식으로 커플링되고 부하(3)를 구동하기 위한 동력을 제공한다.

따라서, 도 1의 예시적인 가스 터빈 엔진은 2축 터빈이다. 그러나, 본 개시내용의 연료 분사기는 예를 들어 단일-축 가스 터빈, 또는 3개의 축을 갖는 가스 터빈과 같은 다른 종류의 가스 터빈에도 유리하게 사용될 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 연소기(7)는, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 환형 연소 챔버(11)를 포함한다. 연소 챔버(11)는 외부 라이너(13) 및 내부 라이너(15)를 포함한다. 외부 라이너(13) 및 내부 라이너(15)는 서로 동축이고 가스 터빈 엔진(3)의 회전 축(A-A)에 동축이다. 연소 챔버(11)는 공기 압축기(5)로부터 터빈 섹션(9)으로 상류-하류 방향으로 연장된다. 연소기(7)의 상류 영역에는 복수의 연료 노즐(17)이 배열된다. 상기 연료 노즐(17) 중 하나는 도 3에 사시도로 도시되고, 도 4에는 회전 축(A-A)를 포함하는 반경방향 평면에 따른 단면도로 도시된다.

각각의 연료 노즐(17)은 일반적으로 도 3 및 도 4에 가장 잘 도시되고 이후에 더 상세히 개시되는 바와 같이, 복수의 연료 분사기(19)를 포함한다. 구체적으로, 도시된 실시예에서, 각각의 연료 노즐은 4개의 연료 분사기를 포함한다. 도 4에는 2개의 연료 분사기가 단면도(cross-sectional view)로 도시된다. 연료 노즐(17)당 연료 분사기(19)의 수는 단지 예일 뿐이다. 또한, 동일한 연소기는 예를 들어 상이한 형상 및 치수 및 가능하게는 가변적인 개수의 연료 분사기를 갖는 상이한 연료 노즐을 포함할 수 있다.

각각의 연료 분사기(19)는 연소 챔버(11)를 향하는(facing), 즉 연소 챔버(11) 및 터빈 섹션(9)을 향해 배향된 단부 벽(23)을 포함하는 연료 인피드 챔버(21)를 포함한다. 연료 노즐(17)에 속하는 연료 분사기(19)의 연료 인피드 챔버(21)는 연료 인피드 플리넘(plenum)(25)을 형성하도록 조합될 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 연료 인피드 챔버(21)는 단일 연료 분사기(19)에 유체 커플링된 개별 연료 인피드 플리넘(25)을 형성할 수 있다.

연료 인피드 플리넘(25)은 연료 분사기 구조체(27)(도 3)에 포함된 연료 공급 덕트와 유체 연통하며, 여기서부터 액체 또는 가스상 연료는 연료 인피드 플리넘(25)으로 그리고 그로부터 연료 분사기(19)로 전달된다.

각각의 연료 분사기(19)는 중심본체(31)를 추가로 포함하고, 중심본체(31)는 종축(B-B)을 따라, 단부 벽(23)에서의, 근위 단부 또는 상류 단부로부터, 터빈 섹션(9) 및 연소 챔버(11)의 내부를 향하는, 중심본체(31)의 원위 단부 또는 하류 단부(33)를 향해 연장된다.

각각의 연료 분사기(19)는 외부 슬리브(35)를 추가로 포함한다. 외부 슬리브(35)는 각각의 중심본체(31)에 동축일 수 있다. 다른 실시예에서, 중심본체(31) 및 외부 슬리브(35)는 서로 비동축일 있다.

각각의 외부 슬리브(35)는 연료 인피드 챔버(21)의 단부 벽(23)에서의 근위 단부로부터 원위 단부(37)까지 연장된다. 동일한 연료 노즐(17)에 속하는 외부 슬리브(35)는 공통의 전방 벽(36)에 커플링된다.

도 4에 도시된 실시예에서, 연료 노즐(17)의 중심본체(31) 및 외부 슬리브(35)는 모두 서로 평행하다.

각각의 외부 슬리브(35)는 중심본체(31)와 외부 슬리브(35) 사이에 형성된, 환형 사전혼합 챔버(43) 또는 사전혼합기를 통해 연장되고 이와 유체 연통하는 복수의 공기 입구 포트(41)를 포함한다. 환형 사전혼합 챔버(43)는 연료 인피드 챔버(21)의 단부 벽(23)에서의 바닥 및 외부 슬리브(35)의 원위 단부(37)에 의해 둘러싸인 환형 출구(45)를 갖는다.

외부 슬리브(35) 및 중심본체(31)가 도 4에 도시된 바와 같이 동축인 경우, 환형 사전혼합 챔버(43) 및 이의 출구(45)는 예시된 실시예에 도시된 바와 같이 일정한 반경방향 치수를 갖는다. 그러나, 상기 언급된 바와 같이, 본 발명은 이에 구속되지 않는다. 도시된 일부 실시예에서, 중심본체(31) 및 외부 슬리브(35)는 비-동축일 수 있다. 극단적인 경우에는, 중심본체(31) 및 외부 슬리브(35)는 서로 접촉할 수 있다. 환형 사전혼합 챔버(43) 및 환형 출구(45)는 그러한 경우에 일정하지 않은 반경방향 치수를 가질 것이고, 환형 사전혼합 챔버 및/또는 환형 출구(45)의 반경방향 치수가 0이 되는 접촉 구역에서와 같이, 중심본체(31) 및 외부 슬리브(35)가 서로 접촉하는 경우, 단면을 따라 심지어 단절부(interruption)를 가질 수 있다. 본 설명 및 첨부된 청구항에서, 용어 "환형"은 환형 사전혼합 챔버(43) 및/또는 환형 출구(45)가 중심본체의 축 주위에서 변하고 축(B-B) 주위의 하나 이상의 위치에서 0이 될 수 있는 반경방향 치수를 갖는 구성을 또한 포함한다.

공기 압축기(5)에 의해 전달되는 압축된 공기(도 2의 화살표 A 참조)는 공기 입구 포트(41)를 통해 각각의 환형 사전혼합 챔버(43)로 진입하고, 설명될 중심본체(31)에 제공된 연료 분사 포트를 통해 전달된 연료와 사전혼합되어 공기-연료 혼합물을 생성한다.

각각의 중심본체(31)의 원위 단부(33)는 환형 사전혼합 챔버(43)의 환형 출구(45)를 넘어 연소 챔버(11)에서 돌출하는 원위 팁(47)을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 원위 팁(47)은 예를 들어, 대략 반구형, 또는 돔 형상, 또는 구형 컵 형상 또는 첨두아치형 형상의 볼록한 외부 표면을 갖는다.

보다 일반적으로, 각각의 중심본체(31)의 원위 팁(47)은 예컨대, 공기/연료 혼합물이 재순환 구역(음의 또는 낮은 축방향 속도)을 형성하는 것을 방지하도록 형상화된 부분을 갖는 사전혼합 챔버(43)의 환형 출구(45)를 넘어 돌출한다.

일부 실시예에서, 중심본체(31)의 원위 팁(47)은 환형 사전혼합 챔버(43)의 환형 출구(45)로부터 연소 챔버(11)를 향해 테이퍼링되고, 첨단(cusp), 또는 라운딩된 또는 편평화된 정점에서 종료될 수 있다. 연소 챔버(11)에서 환형 사전혼합 챔버(43)의 환형 출구(45)로부터 돌출하는 원위 팁(47)의 테이퍼링 표면은, 예를 들어 화염이 중심본체(31)에 앵커링되거나 부착되는 것을 방지하기 위해, 벽으로부터의 가스 분리 및 가스 재순환을 회피하도록 형상화된다.

일부 실시예에서, 원위 팁(47)은 중심본체(31)의 축(B-B) 주위를 회전하는 모선(generatrix)에 의해 생성되는 선회 표면으로서 정의될 수 있는 외부의 볼록한 표면을 가질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 모선은 주어진 경로를 따라 이동될 때, 표면을 생성하는 곡선이다. 모선의 모션을 지향하는 경로를 준선(directix)이라 한다. 보다 구체적으로, 본원에 개시된 실시예에서, 외부의 볼록한 표면이 선회 표면이라면, 준선은 원주방향 라인이다. 다른 실시예에서, 준선은 타원형 라인일 수 있다.

일부 실시예에서, 각각의 중심본체(31)는 사전혼합 챔버(43) 외측으로 돌출하는 중심본체의 원위 팁(37)에 연결되는, 사전혼합 챔버(43) 내측에 수용되는 메인 본체 부분을 포함하고, 메인 본체는 일정한 또는 가변적인 단면을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 첨부된 도면에 예시된 바와 같이, 각각의 중심본체(31)는 제1 근위 부분(31A) 및 제2 원위 부분(31B)으로 이루어진 메인 본체 부분을 포함한다. 제1 부분(31A)은 연료 인피드 챔버(21)의 단부 벽(23)에 근접하고, 중심본체(31)의 원위 단부(33)를 향해 연장된다. 제2 부분(31B)은 제1 부분(31A)과 원위 팁(47)의 중간에 위치된다. 제1 부분(31A)은 원형 또는 타원형 단면을 갖는, 실질적으로 원통형 형상을 가질 수 있다. 제2 부분(31B)은 원형 또는 타원형 단면 및 제1 부분(31A)으로부터 중심본체(31)의 원위 팁(47)을 향해 증가하는 횡방향 치수(원형 단면의 경우에 직경)를 갖는 테이퍼링 형상, 즉 실질적으로 절두된 원추형 형상을 가질 수 있다. 환형 사전혼합 챔버(43)는 결과적으로 제1 부분을 따라 일정한 환형 단면, 및 환형 출구(45)를 향해 점진적으로 감소하는 단면적을 갖는, 테이퍼링 환형 단면, 즉 수렴(converging) 단면을 갖는다.

도 4의 단면도로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 중심본체(31)의 원위 팁(47)을 정의하는 모선은 사전혼합 챔버(43) 내측에 위치되는, 중심본체의 메인 부분(31A, 31B)으로부터 사전혼합 챔버(43) 외측으로 돌출하는 중심본체(31)의 원위 팁(47)으로 평활한 전이 존을 형성한다. 전이 존에서의 날카로운 에지가 회피되고, 중심본체(31)의 원위 팁(47)의 공기역학적 형상이 얻어진다. 따라서, 재순환이 없는 공기/연료 혼합물 유동의 평활도(Smoothness)가 개선된다.

본 발명에서 이해되는 바와 같이, 평활한 전이 존은 날카로운 에지 또는 코너가 없는 존일 수 있다. 따라서, 전이 존을 정의하는 구역에서, 중심본체의 외부 표면을 형성하는 모선은 연속적인 도함수(continuous derivative)를 갖는 곡선이다.

전이 존은 중심본체의 원위 단부(33)까지, 즉 중심본체의 가장 하류 단부까지 연장될 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 중심본체의 원위 팁은 첨단에서, 또는 평면 또는 편평한 표면에서 종료될 수 있다. 상기 첨단 또는 단부 평면 또는 편평한 표면에서, 프로파일을 나타내는 곡선의 도함수는 불연속성을 가질 수 있다.

일반적으로, 평활한 전이 존은 또한 테이퍼링 원위 팁(47)의 적어도 일부 및 바람직하게는 원위 팁(47)의 테이퍼링 부분 전체를 포함한다.

일반적으로, 환형 사전혼합 챔버(43)는 수렴 형상을 갖는, 즉 근위-원위 방향으로, 즉 공기/연료 혼합물의 유동 방향으로 중심본체(31)의 원위 팁(47)을 향해 감소하는 단면적을 갖는, 이의 출구(45)에서 종료되는 원위 부분을 갖는다. 첨부된 도면에 도시된 실시예에서, 사전혼합 챔버의 수렴 형상은 이의 하류 단부(33)에 인접한 중심본체(31)의 원추형 표면을 통해 얻어진다. 공기-연료 혼합물은 환형 출구에 도달할 때까지 환형 사전혼합 챔버(43)를 따라 근위-원위 방향으로 이동할 때 가속된다.

공기/연료 혼합물의 속도가 갑자기 감소하는, 환형 출구(45)를 통해 환형 사전혼합 챔버(43)에 형성된 밀접하게 사전혼합된 공기/연료 혼합물이 유동할 때, 원위 팁(47)의 공기역학적 형상은 연소 챔버에서 올바른 화염 형상 및 화염 포지션을 보장한다.

다른 실시예에서, 중심본체(31)의 외부 표면의 원통형 형상을 외부 슬리브(35)의 원위 부분의 원추형 내부 표면과 조합함으로써 사전혼합 챔버의 수렴(convergent) 원위 부분이 얻어질 수 있다. 외부 슬리브(35)의 내부 표면의 원위 부분은, 이러한 경우에, 근위-원위 방향으로 이동하는 점진적으로 감소하는 내경을 가질 것이다.

사전혼합 챔버(43)의 테이퍼링, 즉 수렴 단부 부분이 또한 중심본체의 원추형 원위 부분 및 외부 슬리브(35)의 내부 표면의 원추형 원위 부분의 조합으로 얻어질 수 있다.

환형 사전혼합 챔버(43)에 연료를 공급하기 위해, 연료 덕트가 중심본체(31) 내측에 제공된다. 일부 실시예에서, 중심본체(31)는 축방향으로 연장되는 외부 튜브형 벽(51) 및 축방향으로 연장되는 내부 튜브형 벽(53)을 포함한다. 축방향으로 연장되는 외부 튜브형 벽(51) 및 축방향으로 연장되는 내부 튜브형 벽(53)은 그 사이에 환형 갭(52)을 형성한다. 보다 구체적으로, 축방향으로 연장되는 외부 튜브형 벽(51) 및 축방향으로 연장되는 내부 튜브형 벽(53)은 연료 인피드 챔버(21)의 단부 벽(23)으로부터 각각의 중심본체(31)의 원위 팁(47)을 향해 연장된다. 외부 튜브형 벽(51)은 원위 팁(47)과 일체형이고, 이의 외부 표면은 중심본체(31)의 원위 팁(47)의 볼록한 표면과 병합된다. 내부 튜브형 벽(53)은 중심본체(31)의 원위 팁(47)의 내부 표면으로부터 소정 거리에서 종료된다.

따라서, 연료 도관은 중심본체(31) 내측에 형성되며, 이는 제1 방향으로 연료 인피드 챔버(21)로부터 내부 튜브형 벽(53)의 축방향 공동(56)을 따라 중심본체(31)의 원위 단부(33)를 향해, 그리고 제2 반대 방향으로 내부 튜브형 벽(53)과 외부 튜브형 벽(51) 사이에 형성된 환형 갭(52)을 따라 중심본체(31)의 원위 단부(33)로부터 연료 인피드 챔버(21)를 향해 연장된다. 적어도 하나, 및 바람직하게는 복수의 연료 분사 포트(57)가 중심본체(31)의 원위 단부(33)의 반대쪽의 환형 갭(52)의 단부에 인접하게, 외부 튜브형 벽(51)을 통해 연장된다. 따라서, 연료는 연료 인피드 챔버(21)로부터 축방향 공동(56), 환형 갭(52) 및 연료 분사 포트(57)를 통해, 환형 사전혼합 챔버(43) 내로 전달된다.

환형 사전혼합 챔버(43)에서, 연료는 가스 터빈 엔진(1)의 공기 압축기(5)에 의해 공급되고 공기 입구 포트(41)를 통해 유동하는 압축된 공기와 혼합된다. 환형 사전혼합 챔버(43)에 형성된 밀접하게 사전혼합된 연료-공기 혼합물은 환형 출구(45)를 통해 유동한다. 일단 혼합물이 점화되면, 화염이 각각의 연료 분사기(19)의 원위 단부(33)의 하류에 형성되고 환형 사전혼합 챔버(43)를 통해 연속적으로 공급되는 사전혼합된 공기 및 연료에 의해 지속된다.

중심본체(31)의 원위 팁(47)의 상기 설명된 향상된 형상 및 기하학적 구조에 의해, 화염이 연소기 및 가스 터빈 엔진(1)의 가변적인 작동 조건 하에서도 이의 형상 및 포지션 둘 모두에 관하여 안정적이라는 것이 발견되었다. 이는 유해한 방출물의 감소, 더 규칙적인 열 부하, 연소 소음 및 진동의 감소 및 일반적으로 연소 조건의 더 효율적인 제어를 초래한다.

구체적으로, 사전혼합 챔버(43) 내측의 메인 본체 부분으로부터 사전혼합 챔버 외측의 원위 팁(47)으로의 평활한 전이 존을 갖는 중심본체(31), 특히 이의 원위 팁(47)의 향상된 형상은 중심본체의 공기역학적 형상을 초래한다. 개선된 공기역학적 형상은 공기/연료 혼합물의 보다 균일한 유동, 더 높은 속도 및 유동 재순환의 부재를 제공하며, 따라서 화염이 중심본체 또는 외부 슬리브(35)의 원위 단부(37)에 앵커링될 위험을 회피한다. 화염 안정성이 개선되고 연료 노즐의 금속 파트로의 화염의 앵커링으로 인한 연료 노즐에 대한 열 손상의 위험이 크게 방지된다.

도 5 및 도 6은 본 개시내용에 따른 연료 노즐(17)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 4에 이미 예시된 파트, 요소 및 구성요소를 지칭하는데 동일한 도면 번호가 사용된다. 도 4의 실시예와 도 5 및 도 6의 실시예의 주요 차이점은 중심본체(31)의 내부 및 연료 전달 경로에 관한 것이다. 도 5 및 도 6의 실시예에서, 각각의 중심본체(31)는 중심본체(31)의 근위 단부 부근에, 바람직하게는 공기 입구 포트(41)가 위치설정되는 구역에 배열된 복수의 연료 분사 포트(57)를 포함한다. 연료 분사 포트(57)는 중심본체(31)의 내부와 환형 사전혼합 챔버(43) 사이에 유체 연결을 제공한다. 중심본체(31)의 내부에는 내부 튜브형 벽(53)이 없고, 단순히 연료 인피드 챔버(21)의 연장부를 형성한다.

도 5 및 도 6의 실시예에서 각각의 중심본체(31)는 이전에 언급된 바와 같이 각각의 외부 슬리브(35)와 동축이지만, 다른 구성에서 상이한 비-동축 배열이 제공될 수 있다. 도 7은 추가의 실시예의 도 5와 유사한 정면도를 예시하며, 여기서 각각의 중심본체(31)는 대응하는 외부 슬리브(35)에 대해 비-동축이다. 비-동축 배열로 인해, 환형 사전혼합 챔버(43)는 중심본체(31)의 축(B-B) 주위에 가변적인 반경방향 치수를 갖는다.

도 7의 실시예에서, 각각의 중심본체(31)는 32에서 외부 슬리브(35)의 내부 표면과 접촉하고, 따라서 환형 사전혼합 챔버(43)는 32에서 0과 동일한 최소 반경방향 치수를 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 비-동축 배열은 중심본체(31)가 외부 슬리브(35)의 내부 표면과 터치하지 않게 될 수 있다.

지금까지 개시된 실시예에서, 연료 분사기(19)는 서로 평행하며, 즉, 중심본체(31)의 축(B-B) 및 외부 슬리브(35)의 축은 모두 서로 평행하다. 다른 실시예에서, 적어도 2개의 연료 분사기(19)는 서로 비-평행일 수 있다. 도 8은 연료 분사기(19)를 포함하는 연료 노즐(17)의 도 7과 유사한 단면도를 예시하며, 이는 그 축(B-B)이 연소 챔버(11)에 위치된 지점을 향해 수렴하도록 수렴 구성으로 배열된다. 4개의 연료 분사기(19) 모두는 연료 노즐(17)의 중심 축(C-C)을 향해 수렴할 수 있다. 대안적으로, 2쌍의 연료 분사기(19)의 축(B-B)은 2개의 평행한 평면 상에 수렴 구성으로 배열될 수 있다.

도 7의 비-동축 배열 및 도 8의 비-평행 배열은 서로 조합될 수 있다.

지금까지 설명된 실시예에서, 원위 팁(47)은 테이퍼링 형상을 구비한, 즉 근위로부터 원위로 이동함에 따라 감소하는 단면을 구비한 완전히 볼록한 형상을 갖는다. 다른 실시예에서, 원위 팁(47)의 외부 표면은 완전히 볼록하지 않을 수 있다. 예를 들어, 원위 팁(47)은, 중심본체(31)의 원위 팁(47)의, 정점, 즉 가장 하류 지점을 향해 연장되는 유동 안내 채널을 정의하는, 중심본체(31)의 축(B-B)을 포함하는 평면을 따라 연장되는 홈을 갖는, 볼록한 외부 표면을 가질 수 있다.

홈이 파진(grooved) 외부 표면을 갖는 원위 팁의 예시적인 실시예가 도 9에 도시된다. 도 9의 중심본체(31)는 이전에 설명된 실시예 중 어느 하나에서 사용될 수 있다. 중심본체(31)의 원위 팁의 외부 표면을 따르는 홈 또는 채널은 61로 라벨링된다. 도 9의 예시적인 실시예에서, 홈(61)은 원위 팁(47)의 가장 큰 원주를 따라 위치설정된 제1 단부(61A)로부터 원위 팁(47)의 정점(V)에 위치설정된 제2 단부(61B)까지 연장된다. 다른 실시예는 더 짧은 홈을 포함할 수 있다.

도 9의 실시예에서, 원위 팁(47)은 여전히 광범위하게 볼록하고 중심본체(31)의 근위 단부를 향하는 더 큰 섹션으로부터 원위 팁(47)의 정점(V)에서의 더 좁은 섹션으로 테이퍼링된다.

본 개시내용에 따른 연료 분사기 및 연료 노즐의 추가의 실시예가 도 10에 도시된다. 도 1 내지 도 9에서 사용된 것과 동일한 도면 번호는 동일하거나 유사한 파트 또는 구성요소를 지칭하며, 이는 다시 설명되지 않을 것이다.

화염의 제어를 추가로 향상시키기 위해, 도 10의 실시예에 따르면, 연료 분사 포트(57)에서 종료되는 연료 덕트 외에, 중심본체(31)는 추가로 중심본체(31)를 따라 연장되고 중심본체(31)의 원위 팁 또는 하류 단부(33)에서 하나 이상의 출구 포트에서 종료되는 부가적인 유체 도관을 특징으로 한다. 도 10의 실시예에서, 부가적인 유체 도관은 71로 라벨링되고, 출구 포트는 73으로 라벨링된다.

도 10의 실시예에서, 부가적인 유체 도관(71)은 돔 형상의 원위 팁(47)의 상단에 위치설정된 단일 출구 포트(73)를 갖는다. 도시되지 않은 추가의 실시예에서, 부가적인 유체 도관(71)은 바람직하게는 중심본체(31)의 축(B-B) 주위의 축 대칭 포지션에서 배열되는, 복수의 출구 포트(73)에 유체 커플링될 수 있다. 도시되지 않은 다른 추가의 실시예에서, 하나 초과의 부가적인 유체 도관(71)이 중심본체(31) 내에 제공될 수 있고, 각각의 도관은 하나 이상의 출구 포트에 유체 커플링된다.

출구 포트(73)는 원형일 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 포트가 중심본체(31)의 축(B-B) 주위에 배열되는 경우, 출구 포트(73)는, 예를 들어 중심본체(31)의 축(B-B) 주위에 접선 방향으로 세장형 형상을 가질 수 있거나, 그것은 종방향으로 세장형일 수 있다.

일부 실시예에서, 부가적인 유체 도관(71)은 75로 개략적으로 도시된 유체의 공급원, 또는 75 및 77로 도시된 2개의 유체의 공급원과 커플링된다. 일부의 현재 바람직한 실시예에서, 유체 공급원(75)은 연소 공기의 공급원일 수 있다. 다른 실시예에서, 유체 공급원(75)은 연료의 공급원일 수 있다. 2개의 유체 공급원(75, 77)이 제공되는 경우, 하나의 유체 공급원은 공기 유체 공급원일 수 있고, 다른 하나는 연료 공급원일 수 있다.

제어 밸브(79, 81)는 하나 이상의 부가적인 유체 도관(71)을 향해 그리고 이를 통한 유체 유동을 제어하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나의 밸브(79)는 공급원(75)으로부터 하나 이상의 출구 포트(73)를 향해 부가적인 연소 공기의 유동을 제어하기 위해 제공될 수 있다. 밸브(81)는 공급원(77)으로부터 하나 이상의 출구 포트(73)를 향해 부가적인 연료의 유동을 제어하도록 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 2개 이상의 부가적인 유체 도관(71)이 중심본체(31)에 제공된다면, 그 중 적어도 하나는 연소 공기의 공급원과 유체 커플링되고 다른 하나는 연료의 공급원과 유체 커플링될 수 있다.

부가적인 유체 도관(들)을 통해, 부가적인 연소 공기, 부가적인 연료, 또는 공기 및 연료의 혼합물이 화염의 형상을 제어하는 부가적인 수단을 제공하는, 중심본체(31)의 원위 팁에 전달될 수 있다. 부가적인 연소 공기 및/또는 연료는, 연소 프로세스의 최적의 제어를 제공하고, 화염의 형상 및 포지션 안정성을 향상시키고, 화염이 중심본체(31)의 원위 팁, 즉 버너에 부착되는 것을 방지하기 위해 연소기(7)의 작동 조건에 좌우되는 중심본체(31)의 원위 팁으로 전달될 수 있다.

또한, 부가적인 유체 도관(들)은 저속 영역에서의 화염의 점화를 방지하고 음향 상호작용(acoustic interaction)의 위험을 감소시킨다. 향상된 열음향 응답 및 감소된 방출물뿐만 아니라 버너의 내구성 및 벽 팁 온도의 더 양호한 제어가 달성된다.

복수의 연료 분사기를 포함하는 연료 노즐의 추가의 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 도 11에서 동일한 도면 번호는 이전의 도 1 내지 도 10과 관련하여 이미 설명된 동일하거나 동등한 구성요소를 지칭하고, 이는 다시 상세하게 설명되지 않을 것이다. 도 11의 실시예에서, 각각의 중심본체(31)는 내부 격벽(101)을 갖고, 이는 각각의 연료 인피드 챔버(21)의 연장부로 이루어지는 제1 내부 용적(32A) 및 격벽(101)으로부터 원위 팁으로 연장되는 제2 내부 용적(32B) 내로, 중심본체(31) 내측의 중공 공간을 분할한다. 하나 이상의 연료 분사 포트(57)가 제1 내부 용적(32A)으로부터 환형 사전혼합 챔버(43)로 연장되어, 연료 인피드 챔버(21)로부터 환형 사전혼합 챔버(43)를 향해 연료의 유동을 전달하며, 환형 사전혼합 챔버에서 연료는 외부 슬리브(35)의 대략 원통형 벽에 제공된 공기 입구 포트(41)를 통해 유동하는 공기와 혼합된다.

도 11에는 단지 하나의 연료 분사 포트(57)가 도시되지만, 바람직하게는 중심본체(31)의 축(B-B) 주위에 원주방향으로 배열되는, 2개 이상의 연료 분사 포트(57)가 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

제2 내부 용적(32B)은 적어도 하나의 부가적인 유체 도관(71)과 유체 연통한다. 원위 팁(47)의 최외부 단부에서의 출구 포트(73)는 제2 내부 용적(32B)과 연소 챔버(11) 사이에 유체 연통을 제공한다.

도 10과 관련하여 상기 언급된 바와 같이, 부가적인 유체 도관(71)은 부가적인 공기 유동, 또는 부가적인 연료 유동, 또는 부가적인 조합된 연료 및 공기 유동을 원위 팁(47)을 향해 그리고 중심본체(31)의 출구 포트(73)를 통해 전달할 수 있다.

복수의 연료 분사기를 포함하는 연료 노즐의 다른 추가의 실시예가 도 12 및 도 13에 도시된다. 동일한 도면 번호는 이전에 설명된 도면에 도시된 동일한 요소를 지칭하기 위해 사용되며, 이는 다시 설명되지 않을 것이다. 도 12 및 도 13의 실시예는 주로 복수의 출구 포트(73)가 중심본체(31)의 원위 팁(47)에 제공된다는 점에서 도 11의 실시예와 상이하다. 보다 구체적으로, 중심 출구 포트(73A)는 중심본체(31)의 축 상에서, 원위 팁(47)의 중심 상에 위치된다. 부가적인 출구 포트(73B)의 제1 세트는 중심본체(31)의 축 상에 센터링된 제1 원주를 따라 분포된다. 부가적인 출구 포트(73C)의 제2 세트는 중심본체(31)의 축 상에 센터링된 제2 원주를 따라 분포된다. 포트(73A, 73B, 73C)는 동일한 단면을 가질 수 있고, 예를 들어 원형일 수 있다. 다른 실시예에서, 포트는 가변적인 치수 및/또는 형상의 단면을 가질 수 있다. 포트의 포지션 및 상기 포트의 원형 배열의 수는 또한 설계 옵션에 따라 달라질 수 있다.

예시적인 실시예는 위에 개시되어 있으며, 첨부된 도면에 예시되어 있다. 다음의 청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 본원에 구체적으로 개시된 다양한 변경, 생략 및 추가가 이에 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (22)

1. 가스 터빈 엔진을 위한 연료 분사기로서, 상기 연료 분사기는:
   단부 벽을 포함하는 연료 인피드 챔버(fuel infeed chamber);
   중심본체로서, 상기 단부 벽으로부터 상기 중심본체의 원위 단부로 종축을 따라 연장되는, 중심본체;
   외부 슬리브로서, 상기 중심본체를 둘러싸고 상기 중심본체의 축을 따라 상기 단부 벽으로부터 상기 연료 인피드 챔버의 반대쪽의, 상기 외부 슬리브의 원위 단부로 연장되는, 외부 슬리브;
   상기 외부 슬리브와 상기 중심본체 사이의 환형 사전혼합 챔버로서; 상기 환형 사전혼합 챔버는 상기 외부 슬리브의 상기 원위 단부에 환형 출구를 갖는, 환형 사전혼합 챔버;
   상기 외부 슬리브를 통해 연장되고 상기 환형 사전혼합 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 공기 입구 포트; 및
   상기 연료 인피드 챔버와, 그리고 상기 환형 사전혼합 챔버와 유체 연통하는, 상기 중심본체에서의 연료 도관을 포함하고;
   상기 중심본체는 상기 외부 슬리브의 상기 원위 단부를 넘어, 상기 환형 사전혼합 챔버 외측으로 돌출하는 원위 팁을 포함하고; 상기 원위 팁은 테이퍼링 형상을 갖는 볼록한 외부 표면을 갖는, 연료 분사기.
2. 제1항에 있어서, 상기 원위 팁의 상기 볼록한 외부 표면은 상기 중심본체와 동축인 선회 표면인, 연료 분사기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원위 팁은 돔 형상, 구형-컵(spherical-cup) 형상, 반구형(hemispherical) 형상 및 첨두아치형(ogival) 형상 중 어느 하나를 갖는, 연료 분사기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전혼합 챔버는 상기 사전혼합 챔버의 상기 환형 출구까지 상기 근위-원위 방향으로 테이퍼링되는 단면적을 갖는 수렴(convergent) 원위 부분을 갖는, 연료 분사기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체는 상기 중심본체의 상기 원위 팁에서 종료되고 상기 중심본체의 상기 원위 팁을 향해 증가하는 단면을 갖는 원추형 형상을 갖는 원위 부분을 갖는, 연료 분사기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체는 상기 사전혼합 챔버의 내측에 메인 부분을 갖고, 상기 메인 부분 및 상기 원위 팁은 상기 중심본체의 상기 원위 단부를 향해 테이퍼링되는 평활한(smooth) 전이 존에 의해 연결되는, 연료 분사기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체는 상기 사전혼합 챔버의 내측에 메인 부분을 갖고; 상기 메인 부분은 상기 중심본체의 상기 원위 단부를 향해 테이퍼링되는 전이 존을 따라 상기 원위 팁에 연결되고; 상기 전이 존은 연속적인 도함수(continuous derivative)를 갖는 모선(generatrix)에 의해 생성된 표면에 의해 형성되는, 연료 분사기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체는: 상기 연료 인피드 챔버의 상기 단부 벽에 근접하고 상기 중심본체의 상기 원위 팁을 향해 연장되는 제1 부분; 및 상기 제1 부분과 상기 원위 팁의 중간에, 제2 부분을 포함하고; 상기 제1 부분은 원형 단면을 갖는 원통형 형상을 갖고; 상기 제2 부분은 원형 단면 및 상기 제1 부분으로부터 상기 원위 팁으로 증가하는 직경을 갖는 테이퍼링 형상을 갖는, 연료 분사기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체 및 상기 외부 슬리브는 동축인, 연료 분사기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체 및 상기 외부 슬리브는 비-동축이고, 상기 환형 사전혼합 챔버는 상기 중심본체의 상기 종축 주위에서 변하는 반경방향 치수를 갖는, 연료 분사기.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체는 상기 중심본체를 따라 연장되고 상기 중심본체의 상기 원위 팁에서 적어도 하나의 출구 포트에 유체 커플링되는 적어도 하나의 부가적인 유체 도관을 포함하는, 연료 분사기.
12. 제11항에 있어서, 상기 부가적인 유체 도관은: 연소 공기; 연료; 공기/연료 혼합물 중 적어도 하나를 상기 적어도 하나의 출구 포트에 전달하도록 맞춤화되는, 연료 분사기.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구 포트는 상기 중심본체의 상기 종축 상에 위치설정되는, 연료 분사기.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부가적인 유체 도관과 유체 커플링되고, 바람직하게는 상기 중심본체의 축 주위에서 원형 배열에 따라 분배되는 복수의 출구 포트를 포함하는, 연료 분사기.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심본체를 따라 연장되고 상기 중심본체의 상기 원위 단부에서 적어도 추가의 출구 포트에 유체 커플링되는 추가의 부가적인 유체 도관을 포함하고; 상기 추가의 부가적인 유체 도관은 상기 추가의 출구 포트로 연료를 전달하도록 맞춤화되는, 연료 분사기.
16. 가스 터빈 엔진을 위한 연료 노즐로서, 상기 연료 노즐은 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 연료 분사기를 포함하는, 연료 노즐.
17. 제16항에 있어서, 상기 연료 노즐은 복수의 연료 분사기를 포함하는, 연료 노즐.
18. 제17항에 있어서, 전방 벽을 추가로 포함하고, 상기 연료 분사기의 상기 외부 슬리브는 상기 전방 벽에 연결되는, 연료 노즐.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 연료 분사기는 서로 평행한, 연료 노즐.
20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 연료 분사기 중 적어도 2개는 수렴(converging) 축을 갖는, 연료 노즐.
21. 가스 터빈 엔진을 위한 연소기 조립체로서, 상기 연소기 조립체는:
    상류 단부로부터 하류 단부로 연장되는 연소 챔버로서, 상기 하류 단부는 상기 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션에 유체 커플링되도록 맞춤화되고, 상기 상류 단부는 상기 가스 터빈 엔진의 공기 압축기에 유체 커플링되도록 맞춤화되는, 상기 연소 챔버;
    제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연료 노즐; 및
    상기 연료 노즐의 상기 연료 분사기에 유체 커플링된 연료 전달 덕트를 포함하는, 연소기 조립체.
22. 제21항의 연소기 조립체를 포함하는 가스 터빈 엔진.