KR102290152B1 - 저공해 가스 터빈 연소기를 위한 공기 연료 예혼합기 - Google Patents

저공해 가스 터빈 연소기를 위한 공기 연료 예혼합기 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 엔진에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하기 위한 시스템은, 혼합 덕트, 이 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하는 중심체 연료 분사기, 외측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제1 스월 방향으로 스월을 부여하도록 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러, 및 내측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제2 스월 방향으로 스월을 부여하도록 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러를 포함한다. 상기 시스템은, 상기 내측 환형 스월러와 외측 환형 스월러를 분리시켜 이들 스월러를 통한 공기 스트림의 독립적인 회전을 허용하는 허브, 및 중심체 연료 분사기의 표현 위로 스위핑하는 공기의 흐름을 허용하기 위해 중심체 연료 분사기 주위에 반경방향 외향측에 그리고 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 다수의 중공 경로를 포함한다.

Description

저공해 가스 터빈 연소기를 위한 공기 연료 예혼합기{AIR FUEL PREMIXER FOR LOW EMISSIONS GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 대체로 가스 터빈 엔진의 연소기를 위한 공기 연료 혼합기에 관한 것이며, 구체적으로 가스 터빈 엔진 내에서 연료-공기 혼합물의 점화에 의해 형성되는 NOx를 저감하기 위해 그리고 자동 점화(Auto-Ignition) 및 플래시백(flashback)을 최소화하기 위해 연료와 공기를 균일하게 혼합하는 공기 연료 혼합기에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 터빈 연소기를 위한 공기 연료 혼합기는 가스 연료 및/또는 액체 연료를 혼합 덕트에 제공하여, 균일한 공기/연료 혼합물을 생성하도록 공기와 혼합되게 한다. 각각의 공기 연료 혼합기는 혼합 덕트, 혼합 덕트 내에 위치하는 중심체 연료 분사기, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하는 내측 대항 회전 스월러 및 외측 대항 회전 스월러의 세트(set), 그리고 내측 스월러와 외측 스월러를 분리시켜 이들 스월러를 통한 공기 흐름의 독립적인 회전이 가능하게 하는 허브를 포함한다. 그러나, 내측 스월러를 지나는 공기 흐름은 팽창하고 중심체 주위에 재순환 기포 영역(와류)을 형성한다. 재순환 기포 영역 내로 분사되는 연료는 긴 잔류 시간을 나타내는 경향이 있어 액체 연료가 공기 흐름과 혼합되는 것을 가능하게 하며, 자동 점화를 초래하며, 이에 따라 공기 연료 예혼합기의 구성요소를 손상시킨다. 더욱이, 이러한 이중 연료 혼합기 구성은, 자동 점화 또는 플래시백을 초래하지 않으면서 적은 NOx를 배출시키기 위해 연료-공기 예혼합을 향상시키도록 혼합 덕트에서의 연료 잔류 시간을 적절하게 연장시키는 특징을 포함하지 않는다. 따라서, 혼합 덕트 내에서의 연료 잔류 시간은 적은 NOx 배출을 위한 양호한 연료-공기 예혼합을 위해 연장되어야만 하며, 자동 점화 및/또는 플래시백이 고성능 작동 조건에서 발생하지 않도록 하기 위해 재순환 기포 영역은 제거되어야만 한다.
따라서, 가스 터빈 엔진에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하는 시스템 및 방법으로서, 공기/연료 혼합물의 점화에 의해 형성되는 NOx를 저감시키도록 균일하게 액체 연료 및/또는 가스 연료를 공기와 혼합시키는 것에 대해 지속적으로 역점을 두면서도 자동 점화 및 플래시백의 문제를 더욱 양호하게 해소하는 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명의 예에 따르면, 가스 터빈 엔진 내에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하기 위한 시스템은, 벽에 의해 형성되는 원형 단면을 갖는 혼합 덕트를 포함한다. 이 시스템은 또한, 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하며 상기 혼합 덕트의 총 길이만큼 실질적으로 연장되는 중심체 연료 분사기를 포함한다. 또한, 상기 시스템은, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로서, 외측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제1 스월 방향으로 스월을 유발시키도록 배향되는 다수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 외측 환형 스월러, 그리고 혼합 덕트 상류에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로서, 내측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제1 스월 방향에 대해 반대인 제2 스월 방향으로 스월을 유발시키도록 배향되는 다수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 내측 환형 스월러를 포함한다. 상기 시스템은, 상기 내측 환형 스월러와 외측 환형 스월러를 분리시켜 이들 스월러를 통한 공기 스트림의 독립적인 회전을 허용하는 허브, 그리고 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 있는 다수의 중공 경로를 포함한다. 다수의 중공 경로는, 중심체 연료 분사기 주위에서 어떠한 재순환 영역도 형성되지 못하도록 하기 위해 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑(sweeping)하는 공기의 흐름을 허용하도록 구성된다.
본 발명의 예에 따르면, 가스 터빈 엔진 내에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하기 위한 방법은, 혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제1 유동을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로부터 제1 스월 방향으로 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제2 흐름을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로부터 제1 스월 방향에 반대되는 제2 스월 방향으로 지향시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은, 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하는 중심체 연료 분사기로부터 혼합 덕트 내로 연료를 분사하는 단계를 포함한다. 더욱이, 상기 방법은, 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 그리고 중심체 연료 분사기 주위로 반경방향 외향측에 위치하는 복수의 중공 경로로부터 혼합 덕트 내로 중심체 연료 분사기의 표면 위에서 스위핑하는 공기의 흐름을 진행시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 예에 따르면, 가스 터빈 엔진은, 벽에 의해 형성되는 원형 단면을 갖는 혼합 덕트를 포함하는 공기 연료 예혼합기를 포함한다. 공기 연료 예혼합기는, 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하며 상기 혼합 덕트의 총 길이만큼 실질적으로 연장되는 중심체 연료 분사기, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로서, 외측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제1 스월 방향으로 스월을 유발시키도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 외측 환형 스월러, 혼합 덕트 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로서, 내측 환형 스월러를 통해 유동하는 공기에 제1 스월 방향에 반대인 제2 스월 방향으로 스월을 유발시키도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 내측 환형 스월러, 및 상기 내측 환형 스월러와 외측 환형 스월러를 분리시켜 이들 스월러를 통한 공기 스트림의 독립적인 회전을 허용하는 허브를 포함한다. 공기 연료 예혼합기는 또한 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 그리고 중심체 연료 분사기 주위로 반경방향 외향측에 위치하는 다수의 중공 경로를 포함한다. 다수의 중공 경로는, 중심체 연료 분사기 주위에서 어떠한 재순환 영역도 형성되지 못하도록 하기 위해 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑(sweeping)하는 공기의 흐름을 허용하도록 구성된다.
본 발명의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은, 동일한 문자가 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참고하여 후속하는 상세한 설명을 읽으면 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기를 포함하는 단일 환형 연소기 구조의 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 예에 따른, 도 1에 도시된 공기-연료 혼합기 및 연소실 돔 부분의 부분 확대 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 예에 따른, 중심체 연료 분사기(도 1, 도 2에 도시되어 있음) 주위의 혼합 덕트 내에서의 유체의 흐름 속도 프로파일의 비교를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 정면도이다.
도 7은 가스 터빈 엔진 내에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하는 방법의 흐름도(100)이다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소를 도입할 때, 단수 표면 및 표현 “상기”는 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 나타내려는 의도이다. 용어 “포함하는”, “비롯한” 및 “구비하는”은 포괄적인 의미를 나타내려는 의도이며, 나열된 요소 이외에 추가적인 요소가 존재할 수 있음을 나타내려는 의도이다. 작동 파라메타의 임의의 예는, 개시된 예의 다른 파라메타를 배제하는 것이 아니다.
도 1에서는, 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)를 포함하는 가스 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 유형인 단일 환형 연소기 장치(10)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 연소 장치(10)는, 내부에 연소실(16)을 형성하는 중공 본체(14)를 포함한다. 중공 본체(14)는 형태 면에서 대체로 환형이며, 외측 라이너(18), 내측 라이너(20) 및 돔형 단부 또는 돔(22)으로 이루어진다. 중공 본체(14)의 돔형 단부(22)는 스월 컵(24; swirl cup)을 포함하며, 이 스월 컵은 내부에 배치된 공기-연료 혼합기(12)를 구비하여 내부에서의 연료와 공기의 균일한 혼합, 그리고 연소실(16) 내로의 연료/공기 혼합물의 후속 도입을 촉진하고, 이때 연료/공기 혼합물의 점화에 의해 최소한의 오염물 형성이 초래된다. 또한, 그 상류 단부에서 공기-연료 혼합기(12)를 둘러싸는 슈라우드(26; shroud)가 마련된다.
도시된 바와 같이, 공기 연료 혼합기(12)는, 환형 벽(30)에 의해 한정되는 원형 단면을 갖는 혼합 덕트(28), 내측 환형 스월러(32) 및 스월 컵(24) 내에 브레이징되거나 또는 달리 세팅되는 외측 환형 스월러(34)를 포함한다. 혼합 덕트(28)는, 중심체 연료 분사기(44)로부터 분사되는 연료와, 내측 환형 스월러(32) 및 외측 환형 스월러(34)를 통해 유동하는, 압축기(도시되어 있지 않음)로부터의 고압 공기의 균일한 혼합을 허용한다. 내측 환형 스월러(32) 및 외측 환형 스월러(34)는, 이들에 마련되는 공기 흐름에 대한 대항 회전을 촉진하기 위해 각각 (도 2에 도시된) 베인(36 및 38)을 갖도록 구성된다(도 2 참고). 내측 환형 스월러(32)와 외측 환형 스월러(34)를 분리하기 위해 허브(40)가 사용되며, 이 허브는 내측 환형 스월러와 외측 환형 스월러가 동심 환형이 되도록 허용하고 그 상류 단부에 유입되는 공기(42)를 여전히 개별적으로 회전시키도록 허용한다. 또한, 공기 연료 혼합기(12)는, 혼합 덕트(28)의 중심 축선(46)을 따라 위치하며 상기 혼합 덕트(28)의 총 길이만큼 실질적으로 연장되는 중심체 연료 분사기(44)를 포함한다. 일례에 있어서, 중심체 연료 분사기(44)는 연료 공급부(48) 및 퍼지 공기 공급부(50)와 유체 연통한다. 다른 예에 있어서, 압축기로부터의 공기(42)의 일부는 중심체 연료 분사기(44) 내로 공기를 공급하는 데 사용될 수 있다.
공기 연료 혼합기(12)는 또한 내측 환형 스월러(32)의 반경방향 내향측에 그리고 중심체 연료 분사기(44) 주위로 반경방향 외향측에 위치하는 다수의 중공 경로(52)를 포함한다. 다수의 중공 경로(52)는, 중심체 연료 분사기(44) 주위에서 임의의 재순환 영역이 형성되지 못하도록 하기 위해 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑(sweeping)하는 공기의 흐름을 허용하도록 구성된다. 일례에 있어서, 다수의 중공 경로(52)는 다수의 직선형 베인(80)(도 5에 도시되어 있음)에 의해 형성되며, 상기 직선형 베인은 내측 환형 스월러(32)와 중심체 연료 분사기(44) 사이에 배치된다. 다른 예에 있어서, 다수의 중공 경로(52)는 다수의 구멍(90)(도 6에 도시되어 있음)을 포함하며, 상기 구멍은 내측 환형 스월러(32)의 베인(36)(도 2에 도시된 바와 같음)의 반경방향 내측 부분 상에 배치된다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 부분 확대 단면도이다. 중심체 연료 분사기(44)는, 공기 연료 혼합기(12)를 통과하는 길이방향 축선(46)에 대해 실질적으로 평행한 중심체 전방 섹션(54) 및 중심체 연료 분사기(44)의 하류 선단부(58)에 대해 실질적으로 균일하게 수렴하는 중심체 후미 섹션(56)을 갖는다. 중심체 연료 분사기(44)는 바람직하게는 하류 선단부(58)에 이웃한 연소실(14)(도 1에 도시되어 있음) 내로 상대적으로 빠른 축방향 속도의 공기를 허용하기 위해 하류 선단부(58)를 통과하는 통로(60)를 포함한다. 이러한 구성은, 국지적인 연료/공기 비율을 저하시켜 하류 선단부(58)의 하류에서 화염을 밀어내는 것을 돕는다.
중심체 연료 분사기(44)는 또한 중심체 후미 섹션(56)의 바로 상류에 위치 설정되는 다수의 연료 오리피스(62)를 포함하며, 이로부터 연료는 또한 혼합 덕트(28)(도 1에 도시되어 있음) 내로 분사될 수 있다. 일례에 있어서, 다수의 연료 오리피스(62)는 바람직하게는 중심체 전방 섹션(54)의 상류에 위치 설정된다. 혼합 덕트(28)(도 1에 도시된 바와 같음)에서 상류에 있는 다수의 연료 오리피스(62)를 통한 연료의 분사는, 연료 공기 혼합물의 잔류 시간의 증가를 유발할 수 있고, 이는 NOx 배출물 저감을 위해 필요한 연료 및 공기의 충분한 혼합을 유도한다.
또한, 다수의 연료 오리피스(62)는 중심체 전방 섹션(54) 주위에 둘레방향으로 간격을 두고 있으며, 다수의 연료 오리피스(62)의 개수 및 크기는 이들 오리피스에 공급되는 연료의 양, 연료의 압력, 및 스월러(32, 34)의 개수와 구체적인 구성에 따라 좌우되는 한편, 4 개 내지 12 개의 오리피스가 적절하게 작동하는 것을 확인하였다. 연료는 중심체 연료 분사기(44)의 상류 부분 내에서 연료 통로(64)를 통해 다수의 연료 오리피스(62)에 공급된다. 연료 통로(64)는 다시, 예컨대 중심체 연료 분사기(44)의 상류 부분에 유입되는 연료 노즐에 의해 연료 공급부(48) 및 제어 메커니즘과 유체 연통된다. 가스 연료 및 액체 연료가 연료 공기 혼합기(12) 내에서 분사되도록 되어 있으면, 가스 연료는 바람직하게는 외측 스월러(34)에 있는 통로를 통해 분사되며 액체 연료는 다수의 연료 오리피스(62)를 통해 분사된다는 것을 이해할 것이다.
더욱이, 연료 통로(64)는 또한 공기 공급부(51)와 연관되며, 이에 따라 공기는 차폐층으로서 작용하면서 다수의 연료 오리피스(62) 각각의 주위에서 개구(65)(도 4에 도시되어 있음)를 통해 유동하게 되어, 연료가 중심체 재순환 기포 영역으로 유입되지 못하도록 하고 중심체 연료 분사기(44)의 표면 상에 머물지 못하도록 한다. 액체 연료가 연료 통로(64) 내로 분사되지 않을 때, 공기 또는 가스 연료가 액체 연료를 대체하기 위해 내부에 분사된다. 도시된 바와 같이, 공기 연료 혼합기(12)는 또한 중심체 연료 분사기(44) 주위에서 완전히 또는 부분적으로 임의의 재순환 영역이 형성되지 못하도록 하기 위해 중심체 연료 분사기(44)의 표면 위로 스위핑하는 공기의 흐름을 제공하기 위한 중공 경로(52)를 포함한다.
도 3은, 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향으로 외향측에 위치하는 다수의 중공 경로를 갖는 본 발명과 다수의 중공 경로가 없는 연료 공기 혼합기 사이에서 혼합 덕트 내의 스월러 출구에서의 유체의 축방향 흐름 속도 프로파일의 비교를 나타내는 그래프(70)를 도시한 것이다. 주요한 차이는 본 발명의 예에 따른 중심체 연료 분사기(44) 표면(도 1, 도 2에 도시되어 있음) 주위에서 나타난다. 그래프(70)는 혼합 덕트에서의 유체의 축방향 속도를 X 축에 나타내고 있다. 내측 환형 스월러 및 외측 환형 스월러의 무차원 반경 높이는 Y 축에 도시되어 있으며, Y 축의 0은 중심체 표면을 의미한다. 연료 공기 혼합기 내에 중공 경로(52)(도 1, 도 2에 도시된 바와 같음)가 없으면, 재순환 영역이 형성되며, 이로 인해 중심체 연료 분사기(44) 주위로 유동하는 유체의 음(-)의 속도 프로파일(72)이 존재하는 반면, 혼합 덕트(28)에서의 유체의 흐름 속도 프로파일(74)은 양(+)의 흐름 속도(혼합 덕트의 하류로 흐름)를 명확하게 나타낸다. 이는, 중심체 연료 분사기(44)의 표면 위로 스위핑 공기의 흐름을 제공하여 중심체 연료 분사기(44) 주위에서 완전히 어떠한 재순환 기포 영역도 형성되지 못하도록 하는 중공 경로(52)가 공기 연료 혼합기(12) 내에 존재함에 따른 것이다.
작동 중에, 압축기(도시되어 있지 않음)로부터의 압축 공기는 연료 공기 혼합기(12)의 상류 단부에 분사되며, 여기서 내측 스월러(32) 및 외측 스월러(34)를 통과하고 혼합 덕트(28)에 유입된다. 연료는, 중심체에 있는 연료 오리피스(62)로부터 스월러(32 및 34)를 빠져 나가는 공기 흐름 스트림[이는 혼합 덕트(28)의 가운데 영역에서의 강력한 전단층 그리고 혼합 덕트 벽 및 중심체 연료 분사기(44)를 따르는 경계층을 각각 포함함] 내로 분사된다. 혼합 덕트(28)의 하류 단부에서, 예혼합된 연료/공기 흐름은, 내측 라이너(20) 및 외측 라이너(18)(도 1에 도시되어 있음)에 의해 경계지어지는 연소실(16)의 혼합 영역 내로 공급된다. 예혼합된 연료/공기 흐름은, 이제 연소실(16) 내에서 재순환하는 고온 기연 가스와 혼합된다(도 1에 도시되어 있음). 일례에 있어서, 다수의 연료 오리피스(62)의 각도는, 연료 제트가 전단층 내로 운반되는 것을 용이하게 하는 내측 스월링 공기 흐름 각도로 정렬되며, 이에 따라 NOx 배출의 저감을 위한 연료-공기 혼합을 촉진한다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 중심체 연료 분사기(44)는 다수의 연료 오리피스(62)를 포함한다. 다수의 연료 오리피스(62)는 각각, 전단층으로서 역할을 하는, 다수의 연료 오리피스(62) 각각의 주위에 있는 개구(65)(도 4에 도시되어 있음)를 포함하여, 연료가 중심체 재순환 기포 영역에 유입되지 못하도록 하고 중심체 연료 분사기(44)의 표면 상에 머물지 못하도록 한다. 이는, 혼합 덕트(28) 내에서의 가능한 화염 유지(flame-holding) 및 자동 점화를 방지한다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 정면도이다. 도시된 바와 같이, 공기 연료 혼합기(12)는, 내측 스월러(32)와 중심체 연료 분사기(44) 사이에서 둘레방향으로 배치되는 다수의 직선형 베인(80)에 의해 형성되는 다수의 중공 경로(52)를 포함한다.
도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 공기-연료 혼합기(12)의 정면도이다. 도시된 바와 같이, 공기 연료 혼합기(12)는, 내측 환형 스월러(32)의 베인(36)의 반경방향 내측 부분 상에 둘레방향으로 배치되는 다수의 구멍인 다수의 중공 경로(90)를 포함한다.
논의된 바와 같이, 다수의 직선형 베인(80)(도 5에 도시되어 있음)에 의해 형성되는 다수의 중공 경로(52) 및 다수의 구멍(90)(도 6 참고) 양자 모두는, 중심체 연료 분사기(44) 주위에서 완전히 또는 부분적으로 어떠한 재순환 기포 영역도 형성되지 않도록 하기 위해 중심체 연료 분사기(44)의 표면 위로 스위핑하는 공기의 흐름을 제공한다.
도 7은 가스 터빈 엔진 내에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하는 방법의 흐름도(100)이다. 단계 102에서, 상기 방법은 혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제1 흐름을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로부터 제1 스월 방향으로 지향시키는 단계를 포함한다. 단계 104에서, 상기 방법은 혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제2 흐름을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로부터 제1 스월 방향에 반대되는 제2 스월 방향으로 지향시키는 단계를 포함한다. 단계 106에서, 상기 방법은, 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하는 중심체 연료 분사기로부터 혼합 덕트 내로 연료를 분사하는 단계를 포함한다. 혼합 덕트 내로의 연료의 분사는, 중심체 연료 분사기에 배치된 다수의 오리피스로부터 이루어진다. 다수의 오리피스는 각각, 내측 환형 스월러 및 외측 환형 스월러로부터의 공기 흐름의 전단층 내로의 연료 침투를 가능하게 하기 위해 내측 환형 스월러의 내측 스월 베인 각도와 정렬되는 분사 각도를 포함한다. 마지막으로, 단계 108에서, 상기 방법은, 중심체 연료 분사기 주위에서 재순환 영역의 형성을 방지하기 위해 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 다수의 중공 경로로부터 혼합 덕트 내로 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑하는 공기의 흐름을 통과시키는 단계를 포함한다. 일례에 있어서, 다수의 중공 경로는 내측 환형 스월러와 중심체 연료 분사기 사이에 배치되는 다수의 직선형 베인에 의해 형성된다. 다른 예에 있어서, 다수의 중공 경로는 내측 환형 스월러의 베인의 반경방향 내측 부분 상에 배치되는 다수의 구멍을 포함한다.
유리하게는, 본 발명은 혼합 덕트 내에서의 충분한 연료 공기 혼합을 보장하며, 이에 따라 NOx 배출을 저감시킨다. 또한, 본 발명은, 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 다수의 중공 경로로부터 스위핑하는 공기의 흐름으로 인해 중심체 연료 분사기 주위에서 재순환 기포 영역의 형성을 방지한다. 재순환 기포 영역을 없앰으로써, 중심체 연료 분사기 상의 연료 오리피스는 보다 양호한 연료 공기 혼합을 위해 상류에 위치하게 된다. 이는, 연료 공기 혼합기 내부에서의 연료의 잔류 시간을 연장시키며, 이에 따라 재순환 영역에서의 연료의 체류를 초래하지 않으면서 그리고 자동 점화를 방지하면서 양호한 연료 공기 예혼합이 달성될 수 있다. 다수의 중공 경로는, 양(+)의 축방향 속도를 증가시키고 이에 따라 재순환 영역을 없앰으로써 중심체 부근 영역에서 축방향 속도 프로파일을 조율한다.
더욱이, 당업자는 다양한 예로부터의 다양한 특징의 상호 교환 가능성을 인식하게 될 것이다. 마찬가지로, 설명된 다양한 방법 및 특징뿐만 아니라 각각의 방법 및 특징에 대해 알려진 다른 등가물은 본 개시내용의 원리에 따라 추가적인 시스템 및 기법을 구축하기 위해 당업자에 의해 혼용 및 매칭될 수 있다. 물론, 앞서 설명한 모든 대상물 또는 장점이 임의의 구체적인 예에 따라 달성될 수 있어야 할 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예컨대, 당업자는, 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 기법이 여기서 교시 또는 제안될 수 있는 바와 같은 다른 대상 또는 장점을 반드시 달성하지는 않으면서 본 명세서에 교시된 바와 같은 한 가지 장점 또는 장점들의 그룹을 달성 혹은 개선하는 방식으로 구체화될 수 있거나 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 단지 특정한 특징만이 본 명세서에 예시 및 설명되었지만, 당업자에게는 다수의 변형 및 변경이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 청구된 발명의 진정한 사상 내에 속하는 바와 같은 모든 변형 및 변경을 포괄하도록 의도된다는 것을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 가스 터빈 엔진에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하기 위한 시스템으로서,
    벽에 의해 형성되는 원형 단면을 갖는 혼합 덕트;
    상기 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하며 상기 혼합 덕트의 총 길이만큼 연장되는 중심체 연료 분사기;
    상기 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러(swirler)로서, 외측 환형 스월러를 통해 흐르는 공기에 제1 스월 방향으로 스월을 부여하도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 외측 환형 스월러;
    상기 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로서, 내측 환형 스월러를 통해 흐르는 공기에 상기 제1 스월 방향에 반대되는 제2 스월 방향으로 스월을 부여하도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 내측 환형 스월러;
    상기 내측 환형 스월러와 상기 외측 환형 스월러를 분리하여 이들 스월러를 통과하는 공기 스트림의 독립적인 회전을 허용하는 허브;
    상기 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 상기 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 복수의 중공 경로
    를 포함하며, 상기 복수의 중공 경로는 상기 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑(sweeping)하는 공기의 흐름을 허용하도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심체 연료 분사기와 유체 연통하는 연료 공급부
    를 더 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러와 중심체 연료 분사기 사이에 배치되는 복수의 직선형 베인에 의해 형성되는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러의 베인의 반경방향 내측 부분 상에 배치되는 복수의 구멍을 포함하는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 혼합 덕트는, 중심체 연료 분사기로부터의 연료와, 내측 환형 스월러 및 외측 환형 스월러를 통해 유동하는, 압축기로부터의 고압 공기의 균일한 혼합을 허용하는 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중심체 연료 분사기는 상기 혼합 덕트 내로 연료를 분사하기 위해 내부에 복수의 오리피스를 포함하는 것인 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 오리피스는 각각, 내측 환형 스월러 및 외측 환형 스월러로부터의 공기 흐름의 전단층 내로의 연료 침투를 가능하게 하기 위해 내측 환형 스월러의 내측 스월 베인 각도와 정렬되는 분사 각도를 포함하는 것인 시스템.
  8. 가스 터빈 엔진에서의 연소에 앞서 연료와 공기를 예혼합하기 위한 방법으로서,
    혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제1 흐름을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로부터 제1 스월 방향으로 지향시키는 단계;
    상기 혼합 덕트 내로의 압축 공기의 제2 흐름을, 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로부터 상기 제1 스월 방향에 반대되는 제2 스월 방향으로 지향시키는 단계;
    상기 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하는 중심체 연료 분사기로부터 혼합 덕트 내로 연료를 분사하는 단계;
    상기 중심체 연료 분사기 주위에서 재순환 영역의 형성을 방지하기 위해, 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 복수의 중공 경로로부터 상기 혼합 덕트 내로 상기 중심체 연료 분사기의 표면 위에서 스위핑하는 공기의 흐름을 통과시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중심체 연료 분사기에 배치되는 복수의 오리피스로부터 상기 혼합 덕트 내로 연료를 분사하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 오리피스는 각각, 내측 환형 스월러 및 외측 환형 스월러로부터의 공기 흐름의 전단층 내로의 연료 침투를 가능하게 하기 위해 내측 환형 스월러의 내측 스월 베인 각도와 정렬되는 분사 각도를 포함하는 것인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러와 중심체 연료 분사기 사이에 배치되는 복수의 직선형 베인에 의해 형성되는 것인 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러의 베인의 반경방향 내측 부분 상에 배치되는 복수의 구멍을 포함하는 것인 방법.
  13. 공기 연료 예혼합기를 포함하는 가스 터빈으로서,
    상기 공기 연료 예혼합기는,
    벽에 의해 형성되는 원형 단면을 갖는 혼합 덕트;
    상기 혼합 덕트의 중심 축선을 따라 위치하며 상기 혼합 덕트의 총 길이만큼 연장되는 중심체 연료 분사기;
    상기 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 외측 환형 스월러로서, 외측 환형 스월러를 통해 흐르는 공기에 제1 스월 방향으로 스월을 부여하도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 외측 환형 스월러;
    상기 혼합 덕트의 상류 단부에 이웃하게 위치하는 내측 환형 스월러로서, 내측 환형 스월러를 통해 흐르는 공기에 상기 제1 스월 방향에 반대되는 제2 스월 방향으로 스월을 부여하도록 배향되는 복수의 둘레방향 이격 베인을 포함하는 내측 환형 스월러;
    상기 내측 환형 스월러와 상기 외측 환형 스월러를 분리하여 이들 스월러를 통과하는 공기 스트림의 독립적인 회전을 허용하는 허브;
    상기 중심체 연료 분사기 주위에서 반경방향 외향측에 그리고 상기 내측 환형 스월러의 반경방향 내향측에 위치하는 복수의 중공 경로
    를 포함하며, 상기 복수의 중공 경로는 중심체 연료 분사기의 표면 위로 스위핑하는 공기의 흐름을 허용하도록 구성되는 것인 가스 터빈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러와 중심체 연료 분사기 사이에 배치되는 복수의 직선형 베인에 의해 형성되는 것인 가스 터빈.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복수의 중공 경로는 내측 환형 스월러의 베인의 반경방향 내측 부분 상에 배치되는 복수의 구멍을 포함하는 것인 가스 터빈.
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