KR820001469B1 - 가스터빈 엔진용 연소장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가스터빈 엔진용 연소장치

제1도는 본 발명 연소장치의 절단정면도.

제2도는 제1도의 선 II-II를 따라서 본 단면도.

제3도는 제1도의 선 III-III를 따라서 본 단면도.

본 발명은 가스터빈 엔진의 연소실용 연료와 공기 주입장치에 관한 것이며 특히 매연발생을 감소시키고 연료유 노즐면을 탄소 침전물로부터 비교적 깨끗이 유지하기 위한 개량된 공기 흡입 패턴을 갖는 주입장치에 관련된 것이다.

가스터빈 엔진의 연소실에 연료유를 주입시키기 위한 연료 주입기는 일반적으로 기름이 주입되고 공기 주입기에 의해서 둘러쌓인 원뿔형 모양으로 분무되는 중앙 오리피스를 가진 노즐을 포함한다. 그런데 그 공기 주입구는 공기와 연료를 혼합시키고 연료가 첨가된 연고공기와 혼합되고 터빈회전자를 구동시키기 위한 뜨거운 기동성이 있는 가스를 공급하기 위해 연소되는 연소실의 제1연소부로 그것을 운반한다.

그러한 분무와 부수된 연소공기와의 혼합은 충분한 공기가 완전 연소를 위해서 연소부로 주입되지만 연료가 군집된 점에서는 매연 발생의 원인이 되는 불완전 연소된 탄화수소가 생기게 되는 식으로 공기와 연료의 혼합물에서 불균일이 생긴다. 따라서 이러한 매연은 희석된 연소생성물과 제1부의 하향 냉기류를 혼합함으로서 부분적으로 희석될 수 있다. 하지만 더 좋은 수단은 연소부에서 불꽃의 안정도를 유지하면서 공기와 연료를 더 과감하게 혼합함으로서 연료군집점을 제거하는 것이다.

본 연료 노즐에서는 제1연소부로의 공기흐름의 단순한 증가는 불꽃 안정도를 감소시키고 폭발이 일어나는 최소 출구 온도를 증가시킨다. 고로 본 발명의 주요 목적은 연료군집점이 제거되면서 불꽃이 낮은 연료흐름에서 조차 인정하게 되는 그러한 공기와 연료의 혼합 패턴을 특징으로 하는 연료 노즐을 제공하는데 있다.

본 발명은 이런 목적을 지닌 가스 터빈엔진용 연소장치에 관한 것이다. 그 장치는 일반적으로 개구단 연소실을 밀폐시키는 틀을 갖고 있는데, 상기 틀 안으로부터 압축공기를 흡입하여 그 안에서 제1연소를 목적으로 상기 연소실의 상향 개구단으로 흐를 수 있도록 그 연소실이 그 틀에 지지된다. 그리고 상기 장치는 다음과 같은 것.

그 상향 개구단에 접해 있는 상기 연소실로 연료를 유출하기 위하여 상기 틀안 중앙에 장치된 연료노즐 그 사이에 고리모양의 공간을 제공하기 위하여 간격진 상태로 일반적으로 그 방출단에 접해있고 상기 연료 노즐을 둘러싸고 있는 접관이 그 접관(34)의 상기 방사상의 통로(38)로부터 축방향으로 뻗혀있는 다수의 제1통로(38a)를 특징으로 하며, 다수의 각각 방사상 통로(38)를 형성하고, 그리고 선회하는 공기의 축방향 흐름을 상기 틀안으로부터 상기 연소실로 흐르게 하기 위해 그의 축에 대해 경사각으로 분포되어 있는 상기 접관, 그리고 상기 연소실의 입구에서 일반적으로 나선형의 선회를 하고 있는 상기 노즐(12)에 의해 주입된 연료와 상기 공기 흐름을 제한적으로 혼합시키기 위하여 상기 선회하는 축방향 흐름과 같은 회전방향으로 상기 틀안으로부터 상기 연소실로 선회하는 방사상 공기흐름 방향으로 향하게 할 목적으로 다수의 접선방향으로 된 공기통로를 형성하는 상기 제1통로의 방출을 바로 하향시키는 선회장치(46)를 포함한다.

이러한 장치로 연소공기의 증가된 부분은 제1연소역 안에 있어서의 연료와 공기 혼합의 불균일을 제거하기 위해서 조절된 흐름 패턴으로 분무된 연료와 직각적으로 그리고 강력하게 혼합시키기 위해 노즐면에 인접해 있는 연소기로 들어갈 수 있다. 이 연소공기의 일부는 또한 노즐면을 냉각시키고 탄소침전물 증가를 비교적 없애기 위해서 연료유 노즐의 면을 가로질러 흐르는 방향으로 향하게 할 수 있다. 또한 연료가스를 연소기 안으로 교대로 주입하기 위해 연료 노즐을 둘러싸고 있는 다수의 유입구 이러한 유입구를 통해서 들어가는 방향은 노즐면에서 연소공기가 들어가는 방향과 같고 그렇게 함으로써 가스나 기름의 연소 특성이 바꾸어 지지 않는다. 그러나, 액체연료를 연소할 때 불꽃 안정도를 가지고 매연 방출을 좀더 감소시키고자 한다면 그 장치의 다른쪽 공기통로를 통해 주입된 연소공기와 일치되는 패턴으로 연료노즐의 바로 근방에 있는 연소기 안으로 첨가된 연소공기를 주입시키기 위해서 그러한 연료가스 유입구위치를 교대로 이용할 수 있다는 것이 예상될 수 있다.

본 발명의 장치는 미합중국 특허 제3826080호에 기술되고 도시된 가스터빈 엔진용 연료유 주입노즐을 포함하고, 상기 특허에서 가스터빈 엔진의 연료실안의 연료유 노즐을 본 발명에 참조하기 충분하리만큼 잘 기술되어 있다.

제1도를 참조하면 본 발명의 연소장치(10)은 전술한 특허에 기술되고 도시된 것 같은 연료유노즐(12)를 포함한다. 노즐(12)는 연료 노즐 받침판(13)의 한부분에서 지지되고 이것은 차례로 노즐을 감싸는 연료가스 다지접관(manifold collar)(14)에 부착된다.

접관(14)는 연소실의 일부분 또는 터빈의 틀을 형성할 수 있는 연소기 표면판 (18)에 부착된다. 개구단 실린더 연소기 목(20)은 밀봉되어 한끝에서 표면과(18)에 부착되어 있고 간격을 두고 노즐(12)의 연료 주입단(12a)을 둘러쌓는다. 목의 반대편 끝은 틀내에 있는 방울 지지하기 위해 연소실(26)에 입구를 만드는 환상형 플랜지 (24)로 신축자재로 끼워넣을 수 있게 부착되어 있다. 목(20)의 실린더 벽에 다수의 큰 구멍(30)이 제공되어 있어 연소기 쉘(shell)에 있는 압축공기를 목(20)의 내부로 유입시키고, 연소실의 상향 개구단으로 연속적으로 들어가게 한다.

연료가스 다기관(14)는 노즐(12)의 연료주입단(12a)에 인접한 접관(34)을 통해서 방사상으로 연장된 공기 오리피스(38)과 캐비티(33)으로 통하며 축방향으로 향한 연료가스 오리피스(36)이 교대로 형성된 축방향 나선형 접관(34)내의 캐비티( 33)을 통하여 유체를 전달하는 환상 분배통로(32)로 통하는 연료가스 입구(15)를 포함한다. 구멍(38)도 또한 하향 방향으로 공기를 유도하기 위해 일반적으로 축방향으로 향하여 앞쪽으로 면하고 있는 개구(38a)를 형성한다.

접관(34)는 그의 내부벽(34a)와 연료유 노즐(12)와의 사이에 환상공간( 40)을 형성하며 또한 일반적으로 평면인 노즐 표면의 상부에서 약간 떨어져 그 위로 부분적으로 연장된 반경방향의 환상 립(42)를 형성한다.

그래서 공기 오리피스(38)은 연소기 목내에 있는 공간으로부터 접관(34)를 통해서 립(42)에 의한 방향으로 노즐면을 향하여 공기를 공급하며 또한 가스와 공기 오리피스(36)과 (38a)의 각각의 교대 배열로 나선형 접관의 전면을 통하여 공기를 방출한다.

접선방향 선회기(46)은 축방향 선회기 접관(34)의 전면에 부착되어 있고, 고리의 외곽으로부터 축방향 선회기의 전면으로 열린 공기 오리피스(38a)의 인접한 곳까지 확장되어 있고 여러개의 원주방향으로 간격 지워지고 일반적으로 접선방향으로 향한 핀(52)에 의해 연결된 한쌍의 축방향으로 반대로 된 환상의 고리(48,50)을 포함한다. 인접한 핀들 사이의 통로는 연소기 목(20)내에 있는 공간으로부터 노즐면의 아래까지 공기를 전달한다.

한쌍의 동심의 원추형 챠폐장치(56, 58)은 고리(50)으로부터 연소기의 원추형부(60)에 일반적으로 평행하게 연소실(26)으로 확장되어 있다. 다른 원추형 차폐장치(59)는 이 차폐장치(59)와 원추부(60)사이의 환상공간을 형성하기 위하여 목(20)에 부착되어 있다. 외부 차폐장치(56)의 상향단에 있는 일련의 작은 구멍(62)은 하향 차폐장치(59)의 하향표면부에 얇은 냉각공기를 제공하기 위해 내부(58)와 외부(56) 차폐장치 사이의 공간으로 목(20)내에 있는 조절된 공기의 양을 흐르도록 한다. 원추형부(60)은 연소기(26)의 내부표면을 따라서 얇은 냉각공기를 제공하기 위해 공간(61)로 조절된 공기외양을 흐르도록 하는 일련의 작은 구멍(64)를 갖는다.

이제 제2도를 보면 축방향 선회기 접관(34)의 부분도는 축방향으로 방향지워진 공기통로(38a)와 연료가스 구멍(36)을 둘다 각을 가진 축방향 흐름을 각각의 유체흐름에 분배하기 위해 축에 대해서 각을 갖고 놓여있다는 것을 예시하기 위한 것이다. 이러한 각은 축에 대해서 45도 정도이고 나선상으로 제한된 흐름 통로가 된다.

이 제3도를 보면 거기에서도 접선방향 선회기(46)의 핀(52)가 포함되어 있어서 인접핀 사이의 채널을 통해서 들어가는 공기는 방사상이 아니고 방사상 방향에 대해서 45도 정도이다는 것을 알 수 있다.

축방향 선회기(46)에 의해 공기로 전달된 회전하는 흐름은 축방향 선회기( 35)에 의해 전달된 나선형 흐름에 보조적 즉 상호회전 방향이다. 그래서 선회기를 통해 들어간 연소공기는 연소실의 제1연소부에 연료의 이동중에 연소공기와 연료와의 제한된 충분한 혼합을 제공하기 위하여 연료유 노즐의 원추형 방출을 차단하는 유효운동을 한다.

그래서 활발한 나선상 구조로 연료와 연소 공기의 증가된 양과의 제한된 혼합에 의해서, 연소부내에 연료 군집점이 존재하지 않고 선회기에서 나온 공기의 경사진 유압이 이 부분에서 혼합기체의 재순환을 제공한다는 점에서 불꽃이 안정하다는 것이 확실하게 된다.

그래서 동작중에 연소기를 통해 들어온 공기흐름의 약 15-20%가 연소기 목(20)내의 개구(30)을 통하여 연소기의 상향단으로 들어가며, 그 나머지 공기는 부가적인 제1연소공기 즉 하향슬로트를 통하여 들어가는 얇은층의 냉각공기 및 이 분야에서 잘 알려진 변이영역 가까이로 또는 그 안으로 흐르는 제2 또는 프로파일링 (profiling) 공기로서 들어가기 될 것이 예상된다.

연소기 목으로 들어가는 공기중에 약 25%가 축방향 선회기 공기통로(38)로 들어와 이 공기의 대부분이 축방향 나선형으로 공기 오리피스(38a)를 통해서 나가게 되는 것이 예상된다.

그러나 충분한 양이 연소실로 흘러내려가기 전에 노즐을 비교적 탄소의 침전이 없고 냉각된 상태로 유지하기 위해서 립(42)에 의한 방향대로 연료유 노즐면(12)을 횡단하여 연속적으로 흐른다.

목(20)으로 들어가는 공기의 약 60%는 거기서 효과적인 혼합을 목적으로 연료유 노즐의 원뿔형 분무출력을 강력하게 차단하는 연소공기의 대부분을 안쪽으로 제한된 접선방향의 나선방향으로 흐르게 하기 위해 접선방향 선회기(46)의 통로로 유입된다는 것을 기대할 수 있다. 나머지 공기 즉 약 15%는 하향 차단장치(59)의 벽을 냉각시키기 위해 그것을 유도하는 내부 차단장치(56)와 외부 차단장치(62) 사이로 흐르기 위해 구멍(62)로 들어갈 것이 예상된다. 구멍(64)를 통해서 슬로트(61)로 들어가는 공기는 냉각기의 내부표면을 냉각시키기 위해 냉각기안으로 냉각기류를 제공한다. 그러나 얇은층 냉각공기의 제1목적이 인접부품을 냉각시키는 것이다 할지라도 이 공기중의 적어도 약간은 유입영역의 하향으로 연소기로 들어가는 다른 공기와 함께 부가적인 연소공기를 제공하는 것이 당연하다.

연료가스 구멍(36)을 통해서 공급된대로 연료가스가 연소할 때 위에서 서술한 방법으로 연소공기의 유입은 어떠한 방법으로든지 그러한 가스의 연소를 방해하지 않는다는 것 즉 불꽃특성을 변화시키지 않는다는 것을 이해할 것이다. 또 연료유를 점화하는 동안 만약 더 많은 공기가 연료유와 혼합되기 위해서 제1영역으로 유입될 필요가 있다면, 연료가스 구멍은, 연료유의 더 많은 공기혼합을 목적으로 연소기 목으로 들어가는 공기에 전달되어 같은 축방향 나선형으로 나가기 되는 공기를 전달하기 위해 틀내에까지 유입구(15)를 통해서 흐름 통로를 제공함에 의한 것과 같이, 연소기 공기흐름원에 연결될 수 있다.

그래서 매연이 될 수 있는 연료 군집점을 감소시키기 위한 공기형태 속으로 끌어들일 연료유와 공기사이에 효율적인 제한된 혼합을 야기시키는 형태로 가스터빈 연소기의 제1영역으로 연소공기를 유도하는 연소장치가 제공되어 있다. 또 일부분의 공기는 연료노즐의 표면을 비교적 탄소침전물이 없도록 유지하고 그것을 비교적 냉각된 상태로 유지하기 위해 연료노즐면을 지나 흐르도록 유도된다.

또 그 장치는 이중 연료능력을 가진 노즐에 적합하며 또한 연료와의 혼합공기는 증가시켜 연료유분무노즐의 매연발생 특성을 감소시키기 위해서, 혼합공기에 적합하고 또 거기에 보충하는 방식으로 제1연소 영역속으로 더 많은 공기를 유입시키는데에 일반적으로 가스연료와 관련된 그러한 흡입구가 이용될 수 있게 한다.

Claims (1)

1. 제1연소를 목적으로 틀안에서부터 연소실의 상향개구단으로 압축공기를 흐를 수 있도록 틀에 지지되고 일반적인 개구단을 지닌 연소실을 밀폐시키는 틀을 구비한 가스터빈 엔진용 연소장치에 있어서, 상향 개구단가까이의 연소실로 연료를 유출시키기 위하여 틀안 중앙에 설치된 연료노즐과 그 사이에 환상공간을 제공하는 간격진 상태로 일반적으로 유출단 가까이의 연료노즐을 둘러싸고 있으며, 다수의 각각 방사상으로 향한 통로를 형성하고 있으며, 그 방사상 통로(38)로부터 축방향으로 연장되며 틀안에서부터 연소실 속으로 선회하는 축방향 공기를 흐르게 하기 위하여 축에 대하여 경사지게 배치된 다수의 제1통로(38a)를 특징으로 하는 접관과, 상기 노즐( 12)에 의해서 연소실 입구로 일반적인 나선형 선회를 하며 유입된 연료와의 공기흐름의 제한된 혼합을 제공하기 위하여 선회하는 축방향 흐름의 회전방향으로 선회하는 방사상 공기 흐름을 틀안에서부터 연소실속으로 향하게 할 목적으로 다수의 접선방향의 공기통로를 형성하는 상기 제1통로에서의 유출을 바로 하향시키는 선회장치 (46)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소장치.

Images