KR20060086358A - 가스 터빈 엔진에서의 연소 안정화 장치 - Google Patents

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KR20060086358A
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마이클 콘웰
블라디미르 데. 밀로사블제빅
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델라반 인코포레이티드
데막 델라발 인더스트리얼 터보머시너리 아베
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Abstract

연소 프로세스를 안정시키기 위해, 재순환 영역을 형성하는 퀄 및 중심 블러프 바디 화염 홀더를 사용하는 가스 터빈 연소기용 버너가 개시되어 있다. 버너는, 다른 구성요소들 중에서, 원형의 본체 및 화염 홀더를 포함한다. 상기 화염 홀더는, 연료-공기 혼합 챔버 내에 배치되고, 기저부 및 길다란 블러프 바디를 포함한다. 상기 기저부는, 지지하는 방식으로 상기 버너의 본체와 연결되고, 상기 길다란 블러프 바디는, 상기 내부 혼합 챔버의 하류 방향에 연소 착화 지점이 위치하도록 제어하기 위해, 상기 기저부로부터 내부 혼합 챔버를 지나 축 하류 방향으로 연장되어 있다. 대표적인 일 실시예에 있어서, 버너는, 상기 버너 본체의 하류 방향 말단부에 인접하도록 배치된 퀄 장치를 더 포함한다. 상기 퀄 장치는, 내부 순환 챔버 및 버너 배출구를 정의한다. 상기 내부 재순환 챔버는, 상기 혼합 챔버로부터 연소전 가스들을 수령하고, 안정된 연소에 도움을 주도록 연소 생성 가스들의 일부를 상류 방향으로 재순환하는 데 사용된다.
연소, 가스 터빈, 안정화

Description

가스 터빈 엔진에서의 연소 안정화 장치{DEVICE FOR STABILIZING COMBUSTION IN GAS TURBINE ENGINES}
본 발명은, 가스 터빈용 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 안정된 엔진 연소를 위한 버너에 관한 것이며, 또한, 더욱 상세하게는, 연소 프로세스를 안정시키기 위해 중심 블러프 바디 화염 홀더(central bluff body flame holder) 및 이에 조합된 퀄(quarl) 장치를 사용하는 버너에 관한 것이다.
가스 터빈은, 전력 발전, 군용 및 민간 항공, 파이프라인 전송 및 해상 수송을 포함하는 다양한 응용 분야에 채용되고 있다. 가스 터빈 엔진에 있어서, 연료 및 공기는, 이들이 서로 혼합되고 또한 화염에 의해 착화되어, 이로써 연소를 시작하는 버너 챔버에 제공되고 있다. 몇 가지 주요한 기술적 문제점들은, 가스 터빈 엔진에 있어서의 연소 프로세스와 연관되어 있다. 이러한 문제점들은, 예를 들어, 버너/연소기의 열효율, 연료와 공기의 적절한 혼합, 화염 안정성, 파동 및 잡음의 제거, 및 오염 배출물질, 특히 질소산화물(NOx)의 제어를 포함한다. 화염 안정성이라 함은, 다른 무엇보다도, 파동을 제거하고 잡음을 감소시키기 위해, 버너 내에서 화염의 세기 및 위치를 고정하는 것을 말한다.
가스 터빈 엔진에 있어서의 안정된 연소는, 연소 생성물, 즉, 열 및 자유 라 디칼들의 순환 프로세스를 필요로 하는데, 이들은, 연소 프로세스를 촉진시키기 위해 상류 방향으로 화염 초기 지점으로 다시 수송된다.
현재, 화염 안정성을 향상시켜 연소 프로세스를 안정시키기 위해서는, 연료-공기 혼합물에 와류 공기를 제공하거나, 연료-공기 혼합물에 와류를 발생시킨다는 것이 알려져 있다. 와류에 의해 안정되는 연소 흐름은, 버너의 중심선 주위에 역류를 발생시키는 것에 의해 연소를 조장하는데, 이것은 열 및 자유 라디칼들을 상류 방향으로 연소되지 않은 연료-공기 혼합물로 다시 복귀시킨다.
몬로 등(Monroe et al.)이 발명한 미국등록특허 제5,131,334호, 제5,365,865호, 및 제5,415,114호 각각은, 연료-공기 혼합물에 와류를 발생시키는 화염 안정화 장치를 포함하는 석탄 연소 버너들을 개시하고 있다. 상기에서 개시된 화염 안정화 장치는, 중앙 연료 공급관 상측에 위치하는 링 부재 상에 장착되어 있는 복수의 방사상으로 이격된 베인 소자들을 포함한다. 상기 베인은, 와류 공기를 상기 연료 공급관의 하류 방향 말단에 설치되도록 형성되는 동시에 배향되어 있다.
사무엘슨(Samuelson)이 발명한 미국등록특허 제5,477,685호는, 참조에 의해 그 전체 내용이 본 출원서에 그대로 원용되는데, 가스 터빈 연소기용 와류 안정형 린번(lean burn) 주입기를 개시하고 있다. 도시된 실시예에 있어서, 연료-공기 혼합물은, 복수의 방사상으로 향한 배출구 포트들을 통해, 중앙에 위치한 노즐을 빠져나간다. 공기 와류 생성기 및 퀄 장치는, 재순환 흐름을 조장하기 위한 상기 사무엘슨 주입기의 하류 방향 말단에 부착되어 있다. 상기 노즐로부터 방사상으로 빠져나가는 연료-공기 혼합물은, 상기 공기 와류 생성기에 인한 나선 경로로, 상기 주입기를 관통해 축상으로 이동되는 공기와 만난다. 퀄은, 재순환하는 뜨거운 연소 생성물들의 형상을 강화하고 변형하기 위해 산업용 보일러 및 용광로에 사용되는 장치이다.
상기에서 개시된 것과 같이 와류 안정형 연소를 이용하는 기존의 버너들은, 도 1에 도시된 바와 같이 발생되는 중심선 주위에서의 재순환을 허용하는 데 충분한 와류 세기를 가져야만 한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 와류 안정형 연소에 있어서, 연소는, 해당 프로세스에 의해 생성된 열 및 자유 라디칼들이 혼합되고 미반응 연료-공기 혼합물의 연소가 시작되는 상기 재순환 영역 내로 상류 방향으로 다시 수송될 때 안정된다. 안정된 연소는, 이러한 뜨거운 연소 생성물들의 상류 방향으로의 재순환에 크게 종속된다. 나아가, 상기 재순환된 연소 생성물들의 속도가 증가할 때, 상류 방향으로의 뜨겁고 화학적으로 활발한 연소 생성물들의 유량이 증가되고, 연소 프로세스는 작동 조건들의 범위가 넓을수록 더욱 안정화되는 경향이 있다.
와류 세기는, 뜨거운 연소 생성물들의 상기 재순환 영역의 크기, 형상, 및 세기에 크게 영향을 미친다. 상기 와류 세기는, 축상 운동량의 축상 유량에 대한 각 운동량의 축상 유량의 비율로 정의되는 무차원수로 측정된다. 일반적으로, 재순환 영역은, 와류 수가 0.4 미만인 때에는 생성되지 않는다. 상기 와류 수가 증가할 때, 이것은 전방 정체 지점에서의 총 압력이 감소되도록 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전방 정체 지점은, 중심선을 따르는 연소 생성물들의 상류 방향 흐름이 상기 버너로부터의 공기의 하류 방향 축상 흐름과 만나는 지점으로서, 이 지점에서 모든 속도는 0이다. 보통, 대략 0.6 이상인 와류 수는, 상기 전방 정체 지점에서 저압 지역을 생성한다. 이러한 저압 지역은, 버너 내부의 압력이 보다 높은 상기 버너의 하류 방향 말단으로부터, 압력이 감소되는 상기 전방 정체 지점까지 상류 방향으로 연소 생성물들이 흐르도록 한다. 이것이 바로 주 재순환 영역이 형성되는 메커니즘이다(도 1 참조).
와류 수(Sn)의 증가는, 상기 전방 정체 지점에서의 압력을 감소시키고, 상기 중심선 주위의 상류 방향 재순환 속도를 증가시키는 경향이 있다. 이러한 연소 생성물들의 증가된 상류 방향 흐름은, 강한 연소가 촉발되는 상기 전방 정체 지점으로의 뜨거운 가스 및 화학적으로 활성인 종들의 유량을 증가시킨다. 상기 와류 수가 작은 때(예: 0.4 < Sn < 0.6), 상기 전방 정체 지점에서의 압력은, 상기 재순환 영역의 후방 정체 지점에서의 압력보다 약간 낮을 뿐이다. 이로써, 상류 방향으로 수송되는 뜨겁고 화학적으로 활성인 연소 생성물들의 유량은 작고, 연소는 덜 안정적이다. 특히 연소가 희박할 때에는 더욱 그러하다.
상기 와류 수는, 때때로 재순환 영역에 또 다른 영향을 미친다. 예를 들어, Sn의 증가는, 상기 전방 정체 지점에서의 저압을 더 낮추어, 상기 재순환 영역을 더 짧게 하면서, 상기 후방 정체 지점을 상류 방향으로 끌어당긴다. 이에 더하여, Sn이 증가함에 따라 증가되는 원주방향 힘들은, 상기 재순환 영역의 지름 또한 증가시키는 결과를 가져온다.
퀄은, 상기 와류 수의 크기에 상기 재순환 영역의 길이 및 지름이 덜 민감하도록 산업용 보일러 및 용광로들에 사용되는 장치이다. 또한 상기 퀄은, Sn을 증가 시키기 않고서도 상기 재순환 영역의 지름이 퀄의 배출구 지름까지 확장될 수 있도록 허용한다. 나아가, 퀄이 사용될 때, 상기 재순환 영역의 길이는, 상기 와류 수에 덜 민감하고, 상기 퀄 배출구 지름의 대략 2 내지 2.5 배의 길이로 가정한다.
퀄은, 큰 지름의 재순환 영역을 생성하지 않고도 높은 Sn이 사용되도록 허용한다. 그러나, 퀄을 사용하는 버너들에 있어서, 상기 와류 세기가 커질 때, 화염은 상류 방향으로, 즉 버너 내부로 깊이 이동하는 경향을 보여, 버너 구성요소들에 손상을 주게 된다. 또한, 연소가 화학양론적의 희박 측면에 원래부터 존재하고 있다면, 혼합물을 더 많이 생성할수록 화염 속력은 빨라진다. 이러한 화염 속력의 증가는, 상기 화염이 상기 버너의 상류 방향으로 더 이동하도록 한다. 버너의 하드웨어에 손상을 주는 것에 더하여, 버너 내부로의 화염의 제어되지 않은 이동은, 많은 NOx 를 배출시키게 된다.
게다가, 안정성 문제는, 공연비가 변화할 때 확대될 수 있다. 희박 선혼합 연소가 매우 희박해진 경우, 화염 속력은, 이러한 공연비의 변화에 매우 민감해진다. 연속적으로 변하는 화염 속력은 종종 화염 위치를 천이시키는 결과를 가져오는데, 이는 연소 압력에 진동 및 잡음을 발생시키게 된다.
또한, 연소 불안정성은 화염이 버너 내부로 이동될 때 발생될 수 있는데, 이는 공연비를 커지게 하여, 상기 화염이 버너 내부로 깊이 이동하도록 한다. 상대적으로 큰 공연비는 보통 상기 와류 세기를 감소시키는 것에 의해 상쇄된다. 그러나, 이것은, 상기 화염의 버너로의 진입 및 진출의 주기적 프로세스로 나타날 것이다. 이러한 일반적인 불안정성 문제는, 매우 큰 고압 펄스 및 NOx 배출물의 증가로 귀 결될 수 있다. 보통 이러한 불안정성은, 일반적으로는 80 내지 150 Hz 사이의 범위에 있는 저주파수 불안정성이다. 압력 펄스의 크기는, 0.1 bar를 초과할 수 있으며, 가스 터빈 엔진을 파괴할 수도 있다. 나아가, 연소가 풍부해지는 불안정성 주기의 일부 동안, 상당량의 NOx가 생성될 수 있다.
상기에서 살핀 바와 같이, 화염 안정성을 향상시키고, 압력 펄스, 잡음 및 NOx 배출물을 감소시킨 향상된 버너에 대한 요구는 존재한다.
본 출원은, 연소 프로세스를 안정시키기 위해 퀄 및 중심 블러프 바디 화염 홀더를 사용하는 가스 터빈 연소기용 버너에 관한 것이다. 상기 버너는, 다른 구성요소들 중에서, 원형의 본체 및 화염 홀더를 포함한다.
상기 버너 본체는, 축상으로 대향하는 상류 방향 및 하류 방향 말단부들을 포함하고, 그 내부에 형성된 적어도 하나의 연료 유입 통로 및 적어도 하나의 공기 유입 통로를 가진다. 연료 및 공기 유입 통로들은, 각각 연료 및 공기를 상기 본체의 하류 방향 말단부 내에 형성되어 있는 혼합 챔버로 공급하는 데 적합하다. 상기 혼합 챔버는, 해당 혼합 챔버로 공급된 연료 및 공기를 선회하고 혼합시키기 위해, 그 내부에 형성되어 있는 복수의 원주상으로 이격된 표면들을 가진다.
상기 화염 홀더는, 상기 혼합 챔버 내에 배치되고, 기저부 및 길다란 블러프 바디를 포함한다. 상기 기저부는, 지지하는 방식으로 상기 버너의 본체와 연결되고, 상기 길다란 블러프 바디는, 상기 내부 혼합 챔버의 하류 방향에 연소 착화 지점이 위치하도록 제어하기 위해, 상기 기저부로부터 내부 혼합 챔버를 지나 축 하류 방향으로 연장되어 있다.
상기 버너는 상기 본체의 하류 방향 말단부에 인접하도록 배치된 퀄 장치를 더 포함한다. 상기 퀄 장치는, 내부 순환 챔버 및 버너 배출구를 정의한다. 상기 내부 재순환 챔버는, 상기 혼합 챔버로부터 연소전 가스들을 수령하고, 안정된 연소에 도움을 주도록 연소 생성 가스들의 일부를 상류 방향으로 재순환하는 데 사용된다.
상기 화염 홀더의 상기 블러프 바디는, 상기 혼합 챔버 내부 중심에 존재하고, 테이퍼진 상류부 및 거의 원통형인 선단부를 가진다. 이상적으로는, 상기 화염 홀더는, 대략 0.6 보다 큰 Sn을 획득하는 데 적합한 축상 길이를 가진다. 와류 수는, 축상 운동량에 대한 접선 방향의 운동량의 비율로서, 버너를 거치는 연소 공기 중 회전하는 공기의 양 대 버너를 빠져나간 연소 공기 중 축상 흐름 상태에 있는 공기의 양을 정의한다. 상기 와류 수의 수학적 정의는, 몬로가 발명한 미국등록특허 제5,365,865호에서 알 수 있으며, 참조에 의해 그 전체 내용이 본 출원서에 그대로 원용된다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 공기 유입 통로는, 거의 방사상 내측 방향으로 형성되어 있고, 상기 연료는, 거의 축방향으로 상기 본체의 상기 혼합 챔버로 유입된다. 이상적으로는, 상기 공기는, 상기 버너를 관통하는 공기에 와류를 부여하는 상기 공기 유입구의 방사상 내측 방향 및 접선 방향으로 유입되는데, 이것은, 대략 0.6 보다 큰 Sn을 획득하는 데 적합하다.
본 발명으로부터 유추되는 다양한 태양들은, 고체 연료 버너 또는 용광로와 같이 적절한 형태의 연소기 또는 버너에 적용될 수 있음을 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
당업자라면 이하에 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은, 종래 기술의 와류 안정형 버너의 단면의 사시도;
도 2는, 블러프 바디 화염 홀더를 포함하는 본 발명의 와류 안정형 버너의 단면의 사시도;
도 3은, 상기 버너 내부의 와류 흐름 및 주 재순환 영역의 상기 전방 정체 지점의 고착 및 상기 중심 블러프 바디 화염 홀더 앞쪽의 화염이 도시되어 있는 도 2의 버너의 단면도;
도 4a는, 중심 블러프 바디 화염 홀더 상에 안정된 화염이 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 버너의 단면도;
도 4b는, 불꽃 역류 위치에 화염이 도시되어 있는 중심 블러프 바디 화염 홀더 없는 종래의 버너의 단면도;
도 4c는, 배출구 가까이 버너의 하류 방향 말단부에 위치하는 화염이 도시되어 있는 도 4b의 버너의 단면도; 및
도 4d는, 버너 배출구 외부에 위치하는 화염이 도시되어 있는 도 4b의 버너의 단면도이다.
본 출원의 버너의 이러한 특징 및 다른 특징들은, 이하의 바람직한 실시예들 의 상세한 설명으로부터 당업자에게는 더 자명해질 것이다.
본 발명의 유사한 구조적 측면들을 식별하는 비슷한 참조 번호들이 기재되어 있는 도면들을 참조하면, 도 2에는, 가스 터빈 연소기용 버너(100)가 도시되어 있다. 버너(100)는, 연소 프로세스를 안정시키기 위해, 중심 블러프 바디 화염 홀더(20) 및 퀄 장치(80)를 사용한다. 상기 버너(100)는, 다른 구성요소들 중에서, 원통형 본체(50), 화염 홀더(20) 및 퀄 장치(80)를 포함한다. 상기 본체(50) 및 상기 화염 홀더(20)는, 종래 방식으로 서로 부착되거나, 끼워맞춤 또는 기계적 연동에 의해 고정되어 있을 수 있다.
상기 버너 본체(50)는, 축상으로 대향하는 상류 방향 및 하류 방향 말단부들(52),(54) 각각을 포함한다. 축상으로 배치된 복수의 연료 유입 통로(56) 및 방사상으로 배치된 복수의 공기 유입 통로(58)는, 본체(50) 내에 형성되어 있다. 상기 연료 유입 통로(56) 및 공기 유입 통로(58)의 위치, 갯수, 및 방향은, 본 출원에서 설명의 목적으로 도시한 구성 및 개시로부터 유추할 수 있는 측면들을 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형가능하다는 것은, 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
상기 연료 및 공기 유입 통로(56) 및(58)는, 각각 연료 및 공기를 상기 본체(50)의 하류 방향 말단부(54) 내에 형성되어 있는 혼합 챔버(60)로 공급하는 데 적합하다. 상기 혼합 챔버(60)는, 해당 혼합 챔버(60)로 공급된 연료 및 공기에 와류 운동을 부여하고 혼합시키기 위해, 그 내부에 형성되어 있는 복수의 원주상으로 이 격된 표면들(62) 또는 베인을 가진다.
상기 화염 홀더(20)는, 상기 혼합 챔버(60) 내부에 배치되고, 기저부(22) 및 길다란 블러프 바디(24)를 포함한다. 상기 기저부(22)는, 지지하는 방식으로 상기 버너(100)의 상기 본체(50)와 연결되고, 상기 길다란 블러프 바디(24)는, 상기 내부 혼합 챔버(60)의 하류 방향에 연소 착화 지점 또는 전방 정체 지점(75)(도 3 참조)이 위치하도록 제어하기 위해, 상기 기저부(22)로부터 내부 혼합 챔버(60)를 지나 축상의 하류 방향으로 연장되어 있다. 상기 길다란 블러프 바디(24)는, 버너(100) 내부의 난류 크기를 정의하기 위해, 그 외측 표면에 형성된 축상으로 연장된 복수의 홈들(27)을 가진다.
퀄 장치(80)는, 상기 버너 본체(50)의 상기 하류 방향 말단부(54)에 인접하게 배치된다. 상기 퀄 장치(80)는, 내부 재순환 챔버(82) 및 버너 배출구(84)를 정의한다. 내부 표면(82a)에 의해 정의되는 상기 내부 재순환 챔버(82)는, 상기 혼합 챔버(60)로부터 연소전 가스들을 수령하고, 안정된 연소에 도움을 주도록 연소 생성 가스들의 일부를 상류 방향으로 재순환하는 데 적합하다. 개시된 일 실시예에 있어서, 내부 재순환 챔버(82)는, 고전적인 벤튜리관 형상으로 형상지어져 있다. 그러나, 상기 혼합 챔버와 상기 재순환 챔버의 압력 변화를 분리할 수 있다면 어떠한 모양이라도 본 발명에 의해 예측될 수 있다.
상기 화염 홀더(20)의 상기 블러프 바디부(24)는, 상기 혼합 챔버(60) 내부 중심에 존재하고, 테이퍼상 상류부(26) 및 방사상으로 확대되는 머리부를 갖는 하류의 목부(28)를 가진다. 상기 목부의 형상은, 연소 생성물의 재순환 및 화염 안정 성을 더욱 향상시키기 위해 변형될 수 있다. 상기 화염 홀더(20)의 길이는, 대략 0.6 보다 크지만 대략 2.0 보다는 크지 않은 와류 수를 가지고, 주 재순환을 고착시키도록 선택된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 와류 수는, 버너를 거치는 연소 공기의 회전 양에 대하여, 버너를 빠져나가 축상 흐름 상태에 있는 연소 공기의 양의 비율로 정의된다.
버너(100)는, 주기적 연소 프로세스가 더욱 안정적이도록 만드는 데 적합하고, 희박 선혼합 연소를 사용하는 가스 터빈 엔진의 화염이 외측으로 이동하거나, 불안정한 연소로부터 야기된 압력 펄스를 생성하려는 경향을 크게 감소시키는 데 적합하다. 상기 중심 바디 화염 홀더(20) 및 상기 퀄(80)은, 2개의 주요한 효과들을 가져온다. 1) 연소가 시작되는 지점을, 공간상 고정시킨다, 및 2) 보다 높은 와류 속도는, 상기 버너(100)의 상기 혼합 챔버(50) 내로의 불꽃 역류 연소 없이도 획득될 수 있다. 상기 블러프 바디 화염 홀더(20)를 사용하는 화염의 중심축 상에의 고착은, 상기 공연비의 자연적인 요동 및 상기 화염 위치의 변화 없이 발생하는 와류 속도에 있어서의 변동을 허용한다. 불꽃 역류를 발생시키지 않고 와류 세기를 증가시키는 능력 및 연소 착화 지점을 고정시키는 것, 이 양자는 모두 연소 프로세스를 보다 더 안정적으로 만들어 준다. 그러므로, 퀄(80) 및 블러프 바디 화염 홀더(20)의 사용은, 종래의 버너들과 비교했을 때, 근본적으로 와류 안정형 연소의 안정성을 변화시킨다.
상기 화염 홀더(20)는, 물리적으로, 상기 화염이 상기 혼합 챔버(50) 내로 상기 버너(100)의 중심선 위로 불꽃 역류를 방지한다. 상기 혼합 챔버(50) 내로 상 기 버너(100)의 중심선 위로 불꽃 역류를 방지하는 것에 의해, 상기 연료/공기 혼합물은, 보다 큰 접선 방향의 와류 성분을 가질 수 있다. 불꽃 역류 없이 와류 세기를 증가시키는 것은, 상기 퀄이 뜨거운 가스의 상류 방향으로의 재순환을 강화시키는 데 보다 효율적이도록 만들어 주어, 전체 연소 프로세스가 보다 안정적이도록 해 준다. 상류 방향으로 재순환된 열의 양의 증가는, 보다 희박한 연료-공기 혼합물의 안정된 연소를 허용한다. 이것은, 적은 엔진 배출물을 유지하는 동시에, 엔진 작동에 있어서 보다 큰 유연성 및 견고함을 제공한다.
퀄 장치(80)는, 단지 와류 수의 영향에 의한 결과로 생성된 것보다 작은 재순환 영역을 생성하는 데 사용된다. 상기 퀄 장치(80)는, 상기 재순환 영역의 작은 지름 및 짧은 길이를 유지하는 한편, 큰 와류 수를 허용한다. 큰 와류 수는, 상기 전방 및 후방 정체 지점들 사이의 압력 간에 커다란 차이를 가져온다. 이러한 높은 압력 변화는, 상기 중심선 주위에서 연소가 시작되는 상기 전방 정체 지역으로의 흐름을 생성하기 위해, 뜨겁고 화학적으로 활성인 연소 생성물들의 큰 유량 및 큰 속도로 귀결된다. 연소가 시작되는 지점에서 뜨겁고 화학적으로 활성인 연소 생성물들의 큰 유량은, 희박한 연료 및 공기 혼합물의 안정된 연소를 허용한다. 희박한 연료 및 공기 혼합물의 안정된 연소는, 가스 터빈 엔진에 있어서 적은 산화 질소, NO 및 NO2 배출물들을 생성하는 데 있어서 중요하다.
상기 재순환 영역을 작게 유지하는 것은, 상기 뜨거운 연소 가스들의 화학적 활성을 보존하는 데 도움을 주고, 또한 낮은 NOx(NO 및 NO2) 엔진들에 있어서, 1700K 이하에서 종종 일어나는 것과 같이, 특히 낮은 연소 온도에서, 보다 빠르고 안정된 연소 착화를 허용한다. 연소의 화학적 반응 생성물의 재순환에 있어서의 낮은 체류 시간은, 연소 압력들이 상승하고 연소 온도들이 감소함에 따라, 더욱 더 중요해지고 있다. 고압에서 화학적 반응 종들은, 빠른 연소를 착화하는 데 유용한 자유 라디칼들로 알려져 있기도 한데, 이들은, 고압의 영향 하에서 빠르게 평형 수준까지 완화된다. 상기 평형 수준 이상에 있는 자유 라디칼들의 수명은, 압력이 증가됨에 따라 짧아지게 된다. 자유 라디칼의 이러한 높은 비평형 수준들의 효과적 사용은, 자유 라디칼들의 평형 수준들이 저온에서는 낮기 때문에, 낮은 NOx 엔진에서와 같이 연소 온도가 낮을 때, 더욱 더 중요해지고 있다.
도 3을 참조하면, 연소 프로세스를 유지하도록 연소 생성물들의 상류 방향으로의 재순환이 도시되어 있는 와류 안정형 버너(100)의 단면이 도시되어 있다. 버너(100)의 상류 방향 및 하류 방향 말단부들은, 각각 참조 기호 "U" 및 "D"에 의해 식별된다. 본 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 연소 생성물들의 흐름은, 개별적인 영역들, 즉, 주 재순환 영역(90) 및 외측 재순환 영역(92)으로 분리되어 있다.
상기에서 언급한 대로, 연소 생성물들을 상류 방향으로 이동시키도록 상기 연료-공기 혼합물을 선회시키는 프로세스는, 연소를 안정시키기 위해 일반적으로 사용된다. 개시된 버너(100)에 있어서, 상기 블러프 바디 화염 홀더(20)는, 주 재순환 영역(90) 내의 고정된 위치에 고착된다. 선혼합 흐름의 화염 앞쪽 또는 연소 착화 지점(94)은, 열 및 자유 라디칼들이 미반응된 선혼합 연료 및 공기와 혼합되고 연소가 시작되는 상기 주 재순환 영역(90)의 외측 표면을 따라 발생한다. 화염 은, 상기 화염 홀더(20)의 말단에서 시작하고, 하류 방향으로 원뿔 형태로 연장한다.
버너(100)는, 상기 공연비에 커다란 변화가 발생한 때조차도, 화염 위치가 상기 화염 홀더(20)의 선단(24)에 고정되도록 유지한다. 희박 선혼합 연소가 매우 희박해질 경우, 화염 속력은 상기 공연비에 매우 민감해진다. 화염 속력에 있어서의 이러한 변화는 종종 화염 위치의 천이로 나타나는데, 이것은, 연소 압력 진동으로 귀결될 수 있다. 상기 화염을 중심 블러프 바디 화염 홀더(20)에 고착시켜 화염이 이동하지 못하게 하는 것에 의해, 압력 진동 또한 방지될 수 있다.
도 4a는, 화염 홀더(20)에 고착된 원뿔 화염(98)이 도시된 버너(100)의 단면도를 제공한다. 도 4b 내지 도 4d에는, 중심 바디 화염 홀더가 포함되지 않은 버너(200)가 도시되어 있다. 버너(200)에 있어서, 와류 세기가 커지거나 또는 선혼합된 공연비가 풍부해질 때, 화염(298)은 도 4b에 도시된 바와 같이 버너 내부로 깊이 이동하려는 경향을 보인다. 연소가 화학양론적의 희박 측면에 존재하고 있다면, 혼합물이 풍부할수록 화염 속력은 빨라진다. 증가된 화염 속력은, 상기 화염이 상기 버너의 상류 방향으로 더 이동하도록 해 준다. 와류 세기의 증가 또한 상기 화염이 상기 버너의 상류 방향으로 더 이동하도록 하는 동일한 경향을 생성할 것이다. 일반적으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 화염(298)을 버너 혼합 영역(260)으로 이동시키는 것은 바람직하지 않다. 버너(200) 내로의 화염의 제어되지 않은 깊숙한 이동은, 하드웨어에 손상을 주고 또한 많은 NOx 를 배출시키게 된다. 중심 블러프 바디 화염 홀더(20)의 퀄 변형된 버너로의 부착은, 상기 주 재순환 영역(90)의 상 기 전방 정체 지점(96)을 상기 주 재순환 영역(90) 및 화염이 상기 혼합 챔버(60)로 이동하지 못하도록 하는 상기 화염 홀더(20)의 말단에 고착시킨다. 상기 중심 블러프 바디 화염 홀더는, 그렇지 않으면 상기 전방 정체 지점(96)을 상기 버너(100) 내부로 또는 상기 배출구(84) 측으로, 또는 아예 상기 버너(100)의 외부로 추진할 수 있는 와류 세기들에 대하여, 상기 전방 정체 지점(96)(도 3 참조)을 상기 화염 홀더(20)의 말단에 고착시킨다. 상기 중심 블러프 바디 화염 홀더(20)는, 상기 와류 세기들이 변함에 따라 연속적으로 이동하는 대신, 상기 전방 정체 지점(96) 및 화염(198)을 하나의 고정된 위치에 고착시킨다.
상기 중심 블러프 바디 화염 홀더(20)에 대한 최적 위치는, 상기 와류 수가 동일하게 증가 또는 감소할 수 있고, 상기 전방 정체 지점(96) 및 화염(198)이 상기 화염 홀더(20)에 부착된 채 체재하는 지점이다. 만약 상기 와류 세기가 연속적으로 감소된다면, 상기 화염(198)은, 마지막으로 상기 화염이 상기 화염 홀더로 점프하여 상당 거리의 하류 방향 또는 상기 버너 배출구(84)의 외부를 안정시킬 때까지 상기 화염 홀더에 부착된 채 체재할 것이다. 동일한 최적 와류 수 및 중심 블러프 바디 화염 홀더 위치로부터 시작하면, 상기 와류 세기의 증가는, 일부 임계 와류 세기에서, 상기 주 재순환 영역 내부로 상기 화염 홀더(20)의 상기 말단이 진입하여 상류 방향으로 상기 화염 위치가 점프할 때까지, 상기 화염 위치에 영향을 주지 않을 것이다. 작동 조건들이 와류 세기 및 공연비의 합리적인 범위 내에 체재하는 한, 상기 화염 위치는, 엔진 조건들이 변화할 때조차도 고정된 채 체재할 것이다. 이러한 범위들은, 매우 넓은 것으로 보여지고 있고, 이것은 버너(100)의 긍 정적인 특성이다.
화염 위치의 이동은, 매우 희박하게 작동되는 연소 시스템에 있어서는 상당한 문제점이다. 도 4c 및 도 4d에 도시된 상기 화염(198)은, 가장 희박한 공연비 및/또는 가장 작은 와류 세기에서 생성된다. 연소가 매우 희박해질 경우, 와류 안정형 연소는 매우 불안정해질 수 있다. 그러나, NOx 배출물을 감소시키는 데 가장 성공적인 방법은, 연소를 매우 희박하게 하여, 상기 화염의 온도를 2원자 질소 및 산소(N2 및 O2)가 해리되어 NO 및 NO2로 재결합되는 온도 이하로 감소시키는 것이다. 연료 및 공기 혼합물이 연소되기 전에, 거의 2배의 공기량이 연료와 혼합될 때, 잉여 공기는, 연소 프로세스에 의해 가열된 비활성 물질처럼 행동한다. 상기 연소 프로세스에 의해 방출되는 에너지의 양은, 연소 프로세스에 충분하거나 또는 많은 양의 공기가 제공되는 한, 단지 연료 연소량에 의해 결정된다. 연소에 필요한 양 이상의 공기는, 연소 프로세스에 의해 방출되는 에너지의 양에 영향을 미치지는 않지만, 방출되는 에너지가 일정한 한편, 연료 및 공기의 결합된 질량이 증가하기 때문에, 화염 온도 및 연소 생성물들의 온도는 감소된다. 화염 온도의 이러한 감소는, NOx(NO 및 NO2) 형성을 감소시킨다. 이것은, 가상의 모든 적은(all-low) NOx 배출물 가스 터빈 엔진이 현재에 기초하고 있는 원리이다.
상기에서 언급한 바와 같이, 상기 중심 블러프 바디 화염 홀더(20)를 상기 버너(100)에 부착하는 것은, 상기 혼합 챔버(50)로의 불꽃 역류 없이 상기 와류 세기를 증가시키는 것을 허용한다. 상기 와류 세기를 증가시키는 능력은, 뜨거운 연 소 생성물들의 상류 방향으로의 역류를 증가시킨다. 상기 뜨거운 연소 생성물들의 증가된 흐름은, 더 많은 열 및 자유 라디칼들을 제공하는데, 이것은, 연소가 더 견고하고 불안정성에 덜 영향받도록 해 준다.
상기 화염의 앞부분이 상기 버너의 외부에서 시작되면, 상기 버너는, 상기 버너에 대한 고정된 압력 하강을 위한 최대 공기 흐름 속도를 가지게 될 것이다. 어떠한 요동이 상기 화염을 상기 버너 내부로 점프하도록 허용한다면, 상기 버너를 관통하는 공기의 질량 흐름 속도는 감소할 것이다. 왜냐하면, 연소 프로세스로부터의 열은, 공기가 상기 버너의 배출구를 통하는 부피 흐름 속도의 증가를 확대하도록 하기 때문이다. 이러한 증가는, 상기 버너를 통하는 공기의 질량 흐름 속도의 감소를 가져오는, 고정된 압력 하강을 위한 부피 흐름 속도이다. 대부분의 가스 터빈 엔진에 대하여, 6 내지 100개의 버너들은, 엔진의 출력 등급에 따라, 사용된다. 모든 버너들이 그러한 것은 아니지만, 만약 화염이 다른 버너들로 점프되면, 내부에 화염을 가지는 버너들은 연소가 풍부하게 될 것이다. 이것은, 동일한 연료가 공통 연료 매니폴드를 통해 균등하게 모든 버너들에 공급되기 때문이다. 이와 같이 내부에 화염을 갖는 버너들은, 공기의 질량 흐름 속도가 상기 버너 배출구 내부의 연소의 결과로서 상기 증가된 부피 흐름 속도로 인해 감소되므로, 더욱 풍부해진다. 보다 풍부한 연소의 이러한 결과는, 연소가 처음에 희박한 때, 화염 속력을 증가시킨다. 화염 속도의 증가는 상기 버너 내로의 화염의 이동을 허용한다. 이것은, 부피 공기 흐름 속도를 증가시키고, 연소를 도리어 풍부하게 만드는 한편, 공기의 질량 흐름 속도를 감소시킨다. 일단 내부로 진입하면, 화염은 버너 내부에 일부만 체재하고, 버너들의 나머지는 외부에 체재하는 것이 가능하다. 이것이 발생한 때, 많은 NOx가 발생하고, 보다 풍부한 버너에 대응하는 터빈 유입구에 진입할 때 열점이 발생한다.
버너 내부의 연소 프로세스는 또한 와류 특성에 영향을 주는데, 이것은, 상기 화염을 상기 버너 내부로 끌어당기는 이전 프로세스의 역으로 인도될 수 있다. 화염이 상기 버너 내부로 끌어당겨질 때, 공기의 질량 흐름 속도는 감소한다. 상기 와류 생성기를 관통하는 공기의 밀도는, 와류 세기의 감소 및 낮은 속도의 변화를 발생하지 않는다. 와류 세기의 감소는, 상기 주 재순환의 상기 전방 정체 지점이 하류 방향으로 이동하도록 하는 경향이 있다. 연소 프로세스 자체는, 또한 상기 와류 세기를 감소시킬 것이다. 왜냐하면, 연소 프로세스가 모든 방향에서 균일한 흐름으로 연장되기 때문이다.
불안정성은, 공연비가 풍부해질 수 있도록 화염이 상기 버너 내부로 이동할 때 발생할 수 있는데, 이것은 상기 화염이 상기 버너 내로 깊이 이동하도록 해 준다. 보다 큰 화염 속력을 생성하는 보다 풍부한 공연비의 상쇄는, 와류 세기의 감소이다. 이것은, 상기 화염이 상기 버너로의 진입 및 진출 이동하는 주기 프로세스로 귀결된다. 이러한 일반적인 불안정성은, 매우 큰 고압 펄스 및 NOx 배출물들의 증가로 귀결될 수 있다. 이러한 불안정성은, 일반적으로 80 내지 150 Hz의 일반적인 저 주파수 불안정성이다. 상기 압력 펄스의 크기는, 0.1 bar 압력 진동을 초과할 수 있으며, 가스 터빈 엔진을 파괴할 수 있다. 연소가 풍부한 주기의 일부 동안, 상당량의 NOx가 생성될 수 있다. 퀄 기반 버너에 적용되는 중심 블러프 바디 화염 홀더에 대한 본 발명은, 화염의 위치를 와류 세기 및 공연비에 덜 민감하도록 해 주어, 화염 홀더의 말단 중 고정된 위치에서 안정된 화염이 허용된다.
본 발명은, 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 발명의 사상 또는 권리범위를 벗어나지 않으면서 본 발명으로부터 다양한 변형 및/또는 변경이 유추될 수 있음을 당업자라면 용이하게 이해할 것이다.
와류 수는, 축상 운동량에 대한 접선 방향의 운동량의 비율로서, 버너를 거치는 연소 공기 중 회전하는 공기의 양 대 버너를 빠져나간 연소 공기 중 축상 흐름 상태에 있는 공기의 양을 정의한다.

Claims (20)

  1. 가스 터빈 연소기용 버너에 있어서,
    a) 축상으로 대향하는 상류 방향 및 하류 방향 말단부들을 포함하는 원통형 본체로서, 각각 연료 및 공기를 상기 본체의 하류 방향 말단부 내에 형성되어 있는 혼합 챔버로 공급하는 데 적합하며 그 내부에 형성된, 적어도 하나의 연료 유입 통로 및 적어도 하나의 공기 유입 통로를 가지며, 상기 혼합 챔버는, 해당 혼합 챔버로 공급된 연료 및 공기를 선회 및 혼합시키도록 구성되어 있는, 원통형 본체; 및
    b) 상기 혼합 챔버 내에 배치되고, 상기 버너의 본체와 연결되어 있는 기저부(base portion) 및 상기 내부 혼합 챔버의 하류 방향에 연소 착화 지점이 위치하도록 제어하기 위해, 상기 기저부로부터 내부 혼합 챔버를 지나 축상으로 하류 방향으로 연장되어 있는 길다란 블러프 바디(bluff body)를 포함하는 화염 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버너 본체의 하류 방향 말단부에 인접하도록 배치된 퀄(quarl) 장치를 더 포함하고, 상기 퀄 장치는, 내부 재순환 챔버 및 버너 배출구를 정의하고, 상기 내부 재순환 챔버는, 상기 혼합 챔버로부터 연소전 가스들을 수령하고, 안정된 연소에 도움을 주도록 연소 생성 가스들의 일부를 상류 방향으로 재순환하는 데 적합한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는 상기 혼합 챔버 내부에서 축상으로 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는, 테이퍼진 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는, 방사상으로 확장된 선단부를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화염 홀더는, 축방향의 길이를 가지는데, 대략 0.6 보다 큰 와류 수를 획득하는 데 적합한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 유입 통로는 실질적으로 방사상으로 내측 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료는, 실질적으로 축방향으로 상기 본체의 상기 혼합 챔버로 진입하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버너의 상기 본체 내에 형성된 상기 적어도 하나의 연료 유입 통로는, 연료에 각 운동량을 부여하기 위한 나선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는, 그 외측 표면 상에 형성되어 있는 축상으로 연장된 복수의 홈들을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  11. 가스 터빈 연소기용 버너에 있어서,
    a) 축상으로 대향하는 상류 방향 및 하류 방향 말단부들을 포함하는 원통형 본체로서, 각각 연료 및 공기를 상기 본체의 하류 방향 말단부 내에 형성되어 있는 혼합 챔버로 공급하는 데 적합하며, 그 내부에 형성된 적어도 하나의 연료 유입 통로 및 적어도 하나의 공기 유입 통로를 가지며, 상기 혼합 챔버는, 해당 혼합 챔버로 공급된 연료 및 공기를 선회 및 혼합시키도록 구성되어 있는 원통형 본체;
    b) 상기 혼합 챔버 내에 배치되고, 상기 버너의 본체와 연결되어 있는 기저부 및 상기 내부 혼합 챔버의 하류 방향에 연소 착화 지점이 위치하도록 제어하기 위해, 상기 기저부로부터 내부 혼합 챔버를 지나 축 하류 방향으로 연장되어 있는 길다란 블러프 바디를 포함하는 화염 홀더; 및
    c) 상기 버너 본체의 하류 방향 말단부에 인접하도록 배치된 퀄 장치로서, 내부 재순환 챔버 및 버너 배출구를 정의하고, 상기 내부 재순환 챔버는, 상기 혼합 챔버로부터 연소전 가스들을 수령하고, 안정된 연소에 도움을 주도록 연소 생성 가스들의 일부를 상류 방향으로 재순환하는 데 적합한 퀄 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 상기 블러프 바디는, 상기 혼합 챔버 내부에서 축상으로 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는 테이퍼진 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는 방사상으로 확장된 선단부를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 화염 홀더는, 축방향의 길이를 가지는데, 대략 0.6 내지 대략 2.0 사이의 범위에 있는 와류 수를 가지고 주 재순환에 고착하는 데 적합한 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 유입 통로는, 실질적으로 방사상으로 내측 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 연료는, 실질적으로 축방향으로 상기 본체의 상기 혼합 챔버로 진입하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 버너의 상기 본체 내에 형성된 상기 적어도 하나의 연료 유입 통로는, 연료에 각 운동량을 부여하기 위한 나선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 화염 홀더의 블러프 바디는, 그 외측 표면 상에 형성되어 있는 축상으로 연장된 복수의 홈들을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
  20. 가스 터빈 연소기용 버너에 있어서,
    a) 축상으로 대향하는 상류 방향 및 하류 방향 말단부들을 포함하는 원통형 본체로서, 각각 연료 및 공기를 상기 본체의 하류 방향 말단부 내에 형성되어 있는 혼합 챔버로 공급하는 데 적합하며, 그 내부에 형성된 적어도 하나의 연료 유입 통로 및 적어도 하나의 공기 유입 통로를 가지며, 상기 혼합 챔버는, 해당 혼합 챔버로 공급된 연료 및 공기를 선회 및 혼합시키도록 구성된 원통형 본체; 및
    b) 상기 혼합 챔버 내에 배치되고, 상기 내부 혼합 챔버의 하류 방향에 연소 착화 지점이 위치하도록 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기용 버너.
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