KR101907722B1 - 가스 터빈의 연소 챔버 내에 연료를 주입하기 위한 방법 및 상기 방법을 구현하기 위한 주입 시스템 - Google Patents

가스 터빈의 연소 챔버 내에 연료를 주입하기 위한 방법 및 상기 방법을 구현하기 위한 주입 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은, 공기/연료 혼합 시스템의 축에 대해 오프-센터링된 축을 따라 연료를 주입하여 이에 따라 연료의 흐름을 완벽히 비대칭이지 않게 유도함으로써, 가스 터빈 내의 연소 불안정성을, 없어지지 않는다면, 감소시키는 데 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 가스 터빈의 연소 챔버(4)를 위한 공기/연료 혼합 시스템은 대칭축(C'C)을 가진 주입 헤드(31)가 제공된 연료 주입기(3) 및 하나 이상의 압축 공기 흡기 선회기(2)를 포함하고, 상기 선회기(2)는 중앙 대칭축(X'X)을 가진다. 각각의 주입기(3)는 가이드 수단(23, 22)을 사용하여 선회기(2) 내에 장착되며 주입 헤드(31)의 대칭축(C'C)이 선회기(2)의 중앙 대칭축(X'X)에 대해 오프-센터링된다.

Description

가스 터빈의 연소 챔버 내에 연료를 주입하기 위한 방법 및 상기 방법을 구현하기 위한 주입 시스템{METHOD FOR INJECTING FUEL INTO A COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE, AND INJECTION SYSTEM FOR IMPLEMENTING SAME}
본 발명은 연소 불안정성을 없애기 위해 또는 적어도 줄이기 위하여 가스 터빈, 가령, 터보샤프트 엔진, 터보젯 엔진 또는 보조 파워 유닛(APU)의 연소 챔버 내에 연료를 주입하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 실행하기에 적합한 주입 시스템에 관한 것이다.
가스 터빈, 가령, 터보샤프트 엔진의 연소 챔버 내에서, 공기/연료 믹서 내에서 공기와 혼합되는 연료를 공급하는 하우징 위에 장착된 주입기는 통상 연소 챔버의 베이스(base) 위에 배열된 선회기(swirler)로 알려져 있다. 공기는 가스 터빈의 압축기의 최종 스테이지(stage)로부터 시작되는데, 공기 일부는 상기 선회기에 의해 연소 챔버 내에 유입된다. 연료는 매니폴드(manifold)의 한 단부에 형성된 오리피스(orifice)에 의해 주입기 내에 유입된다. 공기와 연료는 선회기 내에서 혼합되고 그 뒤 가스를 생성하기 위해 챔버 내에서 연소된다. 상기 가스들의 열에너지는 터빈에 의해 기계적 일(mechanical work)로 변환되거나 및/또는 노즐(nozzle)에 의해 추력(thrust)으로 변환되며, 이에 따라 항공기의 추진(propulsion)을 보장하거나 육상(terrestrial) 또는 해상(marine) 기계장치(installation)를 위한 기계적 파워(mechanical power)를 공급할 수 있게 한다.
터보샤프트 엔진 및 특히 터보샤프트 엔진의 연소 챔버를 설계할 때, 엔진을 최초로 회전시키기 전에 제거될 수 없는 심각한 위험성은 엔진의 작동 범위 내에 챔버 내의 연소 불안정성(combustion instability)이 존재함으로써 발생한다. 상기 불안정성은 챔버 내의 연소의 변동성(fluctuation)이 내부에 위치된 물리적 현상(자연 모드(natural mode)의 음향 진동, 기계적 진동, 연료 공급의 불안정성 등)과 함께 공진될 때(resonate) 발생한다. 그 뒤, 이러한 불안정성은 엔진의 회전 속도에 직접 관련되지 않기 때문에 비동기성(asynchronous)인 것으로 지칭되는 진동을 발생한다. 연소에 관련된 열 발생(heat release)의 변동성과 자연적인 음향 모드 사이의 공진(resonance)이 존재할 때, 이것은 통상 연소 불안정성을 유발하는 열-음향 결합(thermo-acoustic coupling)으로 지칭된다.
보다 광범위하게는, 이러한 연소 불안정성은 챔버의 구조, 또는 심지어 엔진의 구조를 잠재적으로 파괴하는 진동을 유발할 수 있어서 엔진의 입증을 저해한다.
명백하게도, 연소 불안정성이 존재할 때, 종래의 해결책은 충격(impact)에 따라 주입 시스템 및/또는 연소 챔버를 재설계하는 공정으로 구성된다. 이 해결책은 비용이 많이 소요되며 개발이 실질적으로 지연되게 하여 결과적으로 엔진 입증이 지연되게 한다.
특허 공보 US 4 831 700호는 주입기의 숄더(shoulder) 위에 장착된 환형 밸브(annular valve)를 포함하는 터빈의 연소 불안정성을 감소시키기 위한 수단에 대해 기술하고 있다. 따라서, 내부 공기 챔버가 생성된다. 밸브는, 연료 출구(fuel outlet)에 가까이 위치된, 주입기의 숄더 내에 형성된 오리피스로부터 연료 흐름을 조절하기 위해 돌출 헤드(head)를 가진다. 이러한 구조는 복잡하고 상기 밸브가 다양하게 개방되는 상태에 좌우되어, 연료 흐름의 펄스(pulse) 또는 간섭(interruption)을 제거할 수 있다. 하지만, 이러한 수단이 연료 흐름의 비정상 상태에 관련된 연소 불안정성을 줄이는 경우, 연소 불안정성의 문제를 해결하지 못한다.
또한, 특허 공보 EP 1 413 830호는, 공기 선회기와 연료 주입기 사이에 위치된, 원추형 단부를 가진 공기 분리기(air divider)에 따른 형상을 기술하고 있다. 상기 분리기는 챔버 내에 2-방향 재순환 영역(recirculation zone)을 형성하기 위하여 공기 흐름을 2개의 동심 흐름(concentric current)으로 분리시킨다. 위에서 제공된 것과 똑같은 이유로 인해, 상기 해결책은 연소 불안정성을 없애지 못한다.
본 발명은 원통 형태로 완벽하게 대칭이지 않은 선회기(swirler) 내에서 연료 흐름을 유발하는 특정 축을 따라 연료를 주입함으로써 연소 불안정성(combustion instability)을 줄이거나 또는 심지어 없애기 위한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 기하학적으로 원통형의 대칭축을 가진 공기/연료 혼합 시스템에 의해 가스 터빈의 연소 챔버 내에 연료를 주입하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서, 연료 주입 공정은 엄격하게 즉 상기 축으로부터 개별적으로 상기 시스템의 중앙 축에 대해 평행한 축을 따라 혼합 시스템 내에서 수행된다. 주입 축은 믹서(mixer)의 축에 대해 오프-센터링된다(off-center). 이러한 상황 하에서는, 연료가 축방향으로 대칭으로 분사되지 않기 때문에, 연소 불꽃(combustion flame)이 더 이상 공진하지 않으며(resonate), 연소 불안정성이 수용할만한 수준으로 줄어들거나 없어진다.
특정 실시예들에 따르면:
- 하우징(housing) 내에 배열된 연소 챔버(combustion chamber)는 상기 하우징에 대해 각도적으로 오프셋배열되며(angularly offset), 상기 연료 주입 공정은 연소 챔버와 결합된 혼합 시스템 및 하우징과 일체형으로 구성된 주입기(injector)에 의해 수행되거나; 및/또는
- 주입기는 혼합 시스템 내에서 오프-센터링되는데: 상기 모드는 특히 혼합 시스템이 연소 챔버 상에서 하나 또는 그 이상의 자유도를 가질 때 구현된다.
이와 유사하게, 본 발명은 연소 챔버를 보호하기 위한 하우징이 제공된 터빈 연소 챔버의 공기/연료 혼합 시스템에 관한 것으로서, 상기 혼합 시스템은 위에서 언급한 방법을 실행하기에 적합하다. 상기 혼합 시스템은 자체적인 대칭축을 가진 주입 헤드(injection head)가 제공된 연료 주입기 및 하나 이상의 압축 공기 흡기(intake) 선회기를 포함하며, 상기 선회기는 중앙 대칭축을 가진다. 각각의 주입기는 가이드 수단(guide means), 특히, 선회기와 일체형으로 구성된 보유 링(retaining ring) 내에 장착된 플랜지구성 페룰(flanged ferrule)의 도움으로 선회기 내에 장착되며, 주입 헤드의 대칭축은 선회기의 중앙 대칭축에 대해 오프-센터링된다.
특정 실시예들에 따르면:
- 선회기가 챔버와 일체형으로 구성되게 하고 주입기가 하우징과 일체형으로 구성되게 하는 수단 및 하우징 위에 챔버를 오프-센터링 고정하기 위한 수단은 챔버를 하우징에 대해 각도적으로 오프셋할 수 있고(angularly offsetting) 주입기는 선회기에 대해 축방향으로 오프셋되며;
- 각각의 주입기는 선회기의 주 축(principal axis)에 대해 오프-센터링된 축을 가진 중앙의 연료 순환 채널(fuel circulation channel)을 가진 주입 헤드와 대칭의 주 축을 가지고;
- 주입 헤드, 바람직하게는 원추형(frustoconical)의 주입 헤드는 주입기의 메인 바디(main body)에 대해 오프-센터링되어 장착될 수 있고, 헤드의 채널의 축은 주입 헤드의 대칭축이다.
본 발명의 그 밖의 특징들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 하기 상세하게 기술된 실시예를 읽음으로써 보다 자명해 질 것이다:
- 도 1은 평행축을 가지며 선회기의 축에 대해 오프셋배열된 주입기를 가진 본 발명에 따른 혼합 시스템의 제 1 실시예의 단면도;
- 도 2는 도 1에 따라 오프셋배열된 축을 구현하기 위하여, 하우징에 의해 보호되고 상기 하우징으로부터 챔버를 각도적으로 오프셋배열시킬 수 있는 하우징 위에 편심 고정시키기 위한 수단을 가지는 연소 챔버를 개략적으로 도시한 도면;
- 도 3a 및 3b는 편심 연료 주입기의 또 다른 예를 도시한 단면도 및 투시도로서, 이들은 각각 선회기 내부에 있고 본 시스템의 외부에 배열된다.
용어 "상류(upstream)" 및 "하류(downstream)" 또는 이들의 균등예들은 축(C'C)에 따라 주입기 내의 연료 흐름에 대한 한 요소의 부분들을 나타낸다.
도 1의 단면도를 보면, 본 발명에 따른 믹서(2)의 한 실시예가 통상, 공기 입구 셀(21) 및 보유 링(22)이 제공된 선회기(swirler)로서 지칭된다. 상기 링으로 인해, 연료 주입기(3)용 플랜지(23a)를 가진 가이드 페룰(23)을 수용하는 것이 가능하다. 선회기(2)는 불꽃 관(flame tube)(5)을 통해 연소 챔버(4)와 일체형으로 구성된다. 주입기(3)는 연소 챔버(4)를 둘러싸는 하우징(6) 위에 고정된다.
공기 입구 셀(21)들은 혼합 시스템(1)과 선회기(2)의 축(X'X)에 따라 동축으로 구성되는 환형 부분(2a) 내에 형성되고 제 2 환형 부분(2b) 위에 형성된다. 제 1 부분(2a)은 선회기(2) 내에서 벤츄리 벽(20a)을 형성하고 제 2 부분(2b)은 또 다른 벤츄리 벽(20b)을 형성한다. 제 1 벤츄리 벽(20a)은 셀(21)로부터 시작된(originating) 공기 흐름(F1)이 순환되는 벤츄리간 공간(E1)을 형성할 수 있도록 제 2 벤츄리 벽(20b)을 관통한다. 이 공기 흐름은 출구에서 제 1 벤츄리 벽(20a)에 의해 경계가 정해진 내부 벤츄리 공간(E2)에 의해 형성된 공기/연료 혼합 원뿔(C2)을 둘러싸는 공기 원뿔(air cone)(C1)을 형성한다.
상기 공간(E2)에서, 셀(21)로부터 나온 내부 공기 흐름(F2)은 주입기(3)에 의해 공급된 연료와 혼합된다. 보다 구체적으로는, 공기 선회기는 내부 벤츄리(E2) 내에서 공기층을 형성하는데 이 공기층들은 연소 챔버(4)의 입구에서 중첩된다(overlap). 각각의 층에서, 공기 입자는 주입기(3)에 의해 분사된 연료 입자들과 일정하게 유체 내에 혼합되어, 잘 형성된 공기/연료 혼합물을 형성한다.
내부 공기 흐름(F1 및 F2)은, 가능한 가장 효율적인 공기/연료 혼합물 및/또는 연료를 분사하여 연소 챔버의 성능 요구조건(performance requirement)에 일치시키도록, 독립적으로, 똑같은 방향 또는 반대 방향으로 선회하거나 혹은 선회하지 않는 흐름을 가지는 것이 바람직하다.
예시된 실시예에서, 연료 주입기(3)는 원추형 주입 헤드(31)를 가진 원통형의 메인 바디(30)를 가진다. 주입기의 대칭축과 통합된(merged) 축(X'X)을 가진 연료 공급관(32)이 주입 헤드(31)와 원통형의 바디(30)를 통과한다. 상기 실시예에서, 주입 헤드(31)는 주입기 바디(30)의 연료 공급관(32)의 연장선에 있는 주입 몰딩 채널(36)을 형성한다.
주입기는 가이드 페룰(23)에 의해 선회기(2) 내에 장착되며, 상기 가이드 페룰의 플랜지(23a)가 제 1 환형 부분(2a)의 하류 벽(P2)과 보유 링(22) 사이에 형성된 반경방향 홈(24) 내에 삽입된다. 보유 링(22)은 홈(24)의 베이스(4a)를 형성하기 위하여 벽(P2)에 가령 예를 들어 납땜된다(brazed).
플랜지(23a)는 홈(24)에서 축방향으로 대칭이 되지 않도록 위치되며, 고온으로 사용될 때에는, 홈(24a 및 24b)의 점유되지 않은 부분들은 똑같은 깊이로 구성되지 않고, 주입기(3) 자체는 선회기(2)에 대해 축방향으로 대칭으로 위치되지 않는다. 연료 흐름은 축방향으로 완벽하게 대칭적이지 않는데, 그 이유는 주입기(3)와 선회기(2)의 각각의 축(C'C 및 X'X)이 통합되지 않아서 평행한 상태로 유지되기 때문이다. 따라서, 예시된 실시예에서 약 1mm의 공간(△C)을 가진다. 이 공간은 엔진의 수치에 따라 결정된다.
이 상태 하에서, 연료가 축방향으로 대칭으로 분사되지 않으면, 연소 불꽃(combustion flame)은 공진되지 않으며(not resonate), 연소 불안정성이 제거되거나 수용할만한 수준으로 줄어든다.
선회기가 챔버 베이스와 일체형으로 구성되는 경우, 하우징(6) 위에서 공칭적으로 나란하게 정렬된 기준 위치에 대해 챔버(4)를 편심 오프셋(eccentric offset) 고정시킴으로써, 상기와 같이 축방향으로 대칭이지 않게 장착될 수 있다. 도 2의 투시도에서 개략적으로 예시된 장착 예에서, 하우징(6) 위에 챔버(4)를 고정하기 위해 편심 클립(10)이 사용된다. 상기 편심 클립(10)으로 인해, 챔버는 각도적으로 대략 10분의 수 °의 오프셋각(△A) 만큼 오프셋될 수 있는데, 정확한 값은 공칭 기준 위치에 대한 엔진의 수치들에 따른다.
이러한 변위(displacement)는 하우징(6)과 일체형으로 구성된 주입기(3) 및 챔버(4)와 일체형으로 구성된 선회기(2)의 동등한 오프셋을 포함한다. 이에 따라 주입기(3)의 연료 흐름 축(X'X)은 도 1에 따른 선회기(2)의 축(X'X)에 대한 공간(△C)을 포함한다(exhibit).
도 3a 및 3b에 예시된 또 다른 실시예에서, 주입기(3)의 메인 바디(30)에 대해 주입 헤드(31)가 오프-센터링 배치됨으로써(off-center position), 선회기(2) 내에서 주입기(3)가 축방향이 아닌 방향으로 대칭으로 장착될 수 있다.
이 해결책은 선회기가 연소 챔버와 직접 일체형으로 구성되지 않을 때 특히 잘 적용된다. 특히, 주입기와 선회기 사이에서 자유도를 보장하는 가이드 페룰(23)이 챔버(4)와 선회기(2) 사이의 경계면(interface) 위에서 오프셋된 경우, 선회기(2)의 축(X'X)과 연료 주입기(3)의 축(C'C)의 상대 위치는 선회기(2)와 일체형으로 구성된 가이드 페룰(23)의 축의 위치에 의해 결정된다.
도 3a를 보면, 상기 도면은 장착 너트(35)와 바디(30)에 대해 주입 헤드(31)의 오프-센터링 배치된 위치가 예시된 또 다른 실시예를 도시한다. 헤드(31)를 통과하는 연료 흐름 채널(36)의 축(C'C)은 선회기(2)의 축(X'X)과 통합된 주입기 바디(30)의 연료 공급관(32)의 축에 대해 오프셋되고 상기 연료 공급관의 축에 대해 평행한 것으로 보인다.
따라서, 축은 주입기 바디(30)에 대해 주입 헤드(31)의 위치에 의해 변위(displacement)되고, 가이드 플랜지(23a)는 반경방향 홈(24) 내의 중심에 위치된다(centered).
도 3b의 투시도는 바디(30) 위의 헤드의 장착 너트(35) 위에 주입 헤드(31)가 비대칭적으로 결합된 것을 도시한다. 바디(30)는 내부 나사(internal screwing)에 의해 상부에 너트(35)가 꼭 맞는 원형 플랜지(37)에서 끝을 이룬다(terminate). 이와 유사하게, 도 3은 연료 공급관(32)의 축(C'C)과 주입 헤드(31)의 채널(36)의 축(T'T)의 변위각(△C)을 보여준다.
본 발명은 본 명세서에 기술되고 도시된 실시예들에만 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 타입의 선회기, 가령, 예컨대, 반대 방향으로 회전하는 셀(cell)의 몇몇 링들이 있는 선회기, 또는 피라미드 형태의 헤드 또는 오목 프로파일을 가진 주입기를 사용하는 것도 가능하다. 물론, 본 발명은 단일-벤츄리 선회기(mono-venturi swirler) 즉 공기 흐름(F1)과 연관된 제 2 벤츄리(20b)가 제공되지 않은 선회기에도 적용된다.
이와 유사하게, 가령 예를 들어 도 2 및 도 3a/3b의 실시예들을 조합함으로써, 주입 헤드를 오프-센터링하고 가이드 페룰을 축방향으로 대칭이지 않게 배치하는 것을 조합할 수도 있다. 게다가, 또 다른 실시예에 따르면, 사용 시에, 페룰(23)이 링의 중심에 배열되고 따라서 선회기의 축에 대해 축방향으로 대칭이지 않도록, 납땜에 의해 링(22)을 편심적으로 고정하는 것도 가능하다. 게다가, 선회기는 연소 챔버의 벽 위에 고정될 수는 없지만 가령 예컨대 하우징 위에는 고정될 수 있다. 또한, 선회기 내의 주입기의 가이드 수단(guide means)은 임의의 공지 수단, 가령, 예컨대, 조절식 베어링, 소켓, 스페이서 등에 의해 형성될 수 있다.

Claims (7)

  1. 가스 터빈의 연소 챔버(4) 내에서, 중앙의 기하학적 대칭축(X'X)을 가진 공기/연료 혼합 시스템(1)에 의해 연료를 주입하기 위한 방법으로서, 연료 주입 공정은 혼합 시스템(1)의 대칭축(X'X)에 대해 평행하고 상기 축(X'X)으로부터 떨어져 있는 축(C'C)에 따라 상기 혼합 시스템(1) 내에서 수행되는, 연료 주입 방법에 있어서,
    하우징(6) 내에 배열된 연소 챔버(4)는 하우징(6)에 대해 각도적으로 오프셋배열되며(△A), 상기 연료 주입 공정은 연소 챔버(4)와 일체형으로 구성된 혼합 시스템(1) 및 하우징(6)과 일체형으로 구성된 주입기(3)에 의해 수행되는 연료 주입 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주입은, 상기 혼합 시스템이 연소 챔버 위에서 하나 이상의 자유도를 가질 때, 혼합 시스템(1) 내에서 오프-센터링(△C) 되는 것을 특징으로 하는 연료 주입 방법.
  3. 제1항에 따른 주입 방법을 실행할 수 있으며, 연소 챔버를 보호하기 위한 하우징이 제공된 가스 터빈의 연소 챔버의 공기/연료 혼합 시스템으로서, 상기 혼합 시스템은 개별 대칭축(T'T)을 가진 주입 헤드(31)가 제공된 연료 주입기(3) 및 하나 이상의 압축 공기 흡기 선회기(2)를 포함하며, 상기 선회기(2)는 중앙 대칭축(X'X)을 가지고, 각각의 주입기(3)는 가이드 수단(23, 22)의 도움으로 선회기(2) 내에 장착되며 주입 헤드(31)의 대칭축(T'T)은 선회기(2)의 중앙 대칭축(X'X)에 대해 오프-센터링되는, 공기/연료 혼합 시스템에 있어서,
    하우징(6) 위에 챔버(4)를 오프-센터링 고정하기 위한 수단(10)은 챔버(4)를 하우징(6)에 대해 각도적으로 오프셋할 수 있고(△A) 주입기(3)는 선회기(2)에 대해 축방향으로 오프셋되는(△C) 공기/연료 혼합 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    가이드 수단은 선회기(2)와 일체형으로 구성된 보유 링(22) 내에 장착된 플랜지(23a)가 있는 페룰(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기/연료 혼합 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    수단(5, 39)은 선회기가 챔버(4)와 일체형으로 구성되게 하고 주입기(3)가 하우징(6)과 일체형으로 구성되게 하는 것을 특징으로 하는 공기/연료 혼합 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 각각의 주입기(3)는 대칭의 주 축을 가지며, 각각의 주입기(3)는 주입 시스템(1)의 주 축(X'X)에 대해 오프-센터링된 축(T'T)을 가진 중앙의 연료 순환 채널(36)을 가진 주입 헤드(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기/연료 혼합 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    주입 헤드(31)는 주입기의 메인 바디(30)에 대해 오프-센터링되어 장착되고, 헤드의 채널(36)의 축(T'T)은 주입 헤드(31)의 대칭축인 것을 특징으로 하는 공기/연료 혼합 시스템.
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