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KR101324142B1 - 다중 스테이지 축방향 연소 시스템 - Google Patents

다중 스테이지 축방향 연소 시스템 Download PDF

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KR101324142B1
KR101324142B1 KR1020107008118A KR20107008118A KR101324142B1 KR 101324142 B1 KR101324142 B1 KR 101324142B1 KR 1020107008118 A KR1020107008118 A KR 1020107008118A KR 20107008118 A KR20107008118 A KR 20107008118A KR 101324142 B1 KR101324142 B1 KR 101324142B1
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KR
South Korea
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combustion
stage
stages
fuel
air
Prior art date
Application number
KR1020107008118A
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English (en)
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KR20100061536A (ko
Inventor
웨이동 카이
Original Assignee
지멘스 에너지, 인코포레이티드
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion

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Abstract

가스 터빈 연소 시스템으로서, 중심축(44)을 갖는 연소 챔버(16), 실질적으로 상기 중심축을 따라 연료, 공기 및 이들의 혼합물을 주입하기 위해 연소 챔버(16)의 전방 단부(32)에 위치되는 1차 연소 스테이지(28), 상기 연소 챔버(16의 길이를 따라 유동에 연속으로 이격된 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D)를 포함하며, 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D)는 각각 상기 중심축(44)을 향하여 연료, 공기 및 이들의 혼합물을 주입하기 위한 복수의 원주방향으로 이격된 2차 인젝터(48)를 포함하며, 상기 연소 챔버(16)의 내경은 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 1 연소 스테이지로부터 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 2 연소 스테이지로 감소하는 가스 터빈 연소 시스템이 제공된다.

Description

다중 스테이지 축방향 연소 시스템{A MULTI-STAGE AXIAL COMBUSTION SYSTEM}
본 출원은 35 USC 119(e)(1) 하에, 본 명세서에서 참조되는 2007년9월 14일 제출된 미합중국 가출원 60/972,400의 우선권을 주장한다.
본 발명은 가스 터빈 연소 시스템, 보다 상세하게는 NOx 방출물이 상당히 낮은 고효율 연소 프로세스를 제공하는 다중 스테이지 축방향 연소 시스템에 관한 것이다.
가스 터빈 연소 시스템 내의 연료의 연소에 의해 발생되는 배기 가스 내의 질소 산화물(NOx) 방출물의 농도는 이 분야의 오래 계속되는 관심사이다. 일반적으로, 방출 레벨 요구조건은 산업용 가스 배출에 대한 NOx에 대해 25 ppm 미만이다. 질소 산화물(NOx)은 질소 이산화물(NO2) 및 산화 질소(NO)와 같은 다양한 질소 화합물을 포함한다. 이들 화합물은 해로운 미립자 물질, 스모그(지면 수준의 오존) 및 산성비의 형성 중심 역할을 한다. 또한, 이들 화합물은 수질을 떨어뜨리고 해양 생물을 해치는 산소 감소를 또한 초래하는 부영양화(연안 어귀의 영양분의 축적)에 기여한다. NOx 방출물은 또한 국립 공원 및 자연 보호 구역 내의 공기 오염을 심화시키는데 기여한다. 결과적으로, NOx 방출물이 낮은 가스 터빈 연소 시스템이 가장 중요하다.
가스 연소 시스템에서 NOx 방출물을 감소시키기 위한 주요 방법은 플레임 온도를 낮춤으로써 연소 반응 온도를 낮추는 것이다. 예를 들면, U.S.특허 제6,418,725호에서 개시되는 바와 같이, NOx 방출물을 감소시키기 위한 통상적인 한가지 방법은 연소 중에 플레임 온도를 낮추기 위해 고온 연소 영역으로 증기 또는 물을 주입하는 것이다. 이 방법의 단점은 물의 주입으로부터 야기되는 증가된 연소 진동으로 인한 감소된 연소기 수명 및 대량의 물 또는 증기에 대한 요구조건을 포함하는 점이다. 또한, 감소하는 플레임 온도는, 플레임 온도를 낮추는 것이 실질적으로 연소 효율을 감소시키는 것으로 잘 알려져 있는 바와 같이, 연소 시스템의 효율의 상당한 저하를 초래한다. 따라서, 연소 효율을 위해 비교적 높은 플레임 온도를 유지할 수 있으며 NOx 방출물을 낮게 유지할 수 있는 연소 시스템이 요구된다.
본 발명은 도면을 고려하여 하기의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1은 기술상 공지되어 있는 통상적인 연소 시스템의 개략도이고;
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 다중 스테이지 축방향 연소기 시스템의 횡단면도이며;
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 도 2의 복수의 2차 연소 스테이지의 다른 횡단면도이며;
도 4는 본 발명의 일 양태에 따라 연소 챔버의 둘레 주위에 원주 방향으로 이격되어 있는 복수의 인젝터를 갖는, 도 2의 다중 스테이지 축방향 연소 시스템의 축방향 스테이지의 횡단면도이며;
도 5는 본 발명에 따른 사전 혼합되는 버너의 횡단면도이며;
도 6은 본 발명에 따른 확산 버너의 횡단면도이며;
도 7은 최대 연소(full burn combustion)와 완전 혼합 및 불완전 혼합 축방향 스테이징의 결과로서 NOx 방출물의 상이한 양을 비교하는 그래프이며;
도 8은 상이한 체류 시간동안 최대 연소 및 축방향 스테이징의 결과로서 NOx 방출물의 상이한 양을 비교하는 그래프이다.
본 발명의 발명자는 연소 챔버의 전방 단부의 1차 연소 스테이지, 및 연소 챔버의 길이를 따라 유동에 연속으로 이격되어 있는 복수의 2차 연소 스테이지를 가지며, 이때 연소 챔버의 내경이 복수의 2차 연소 스테이지 중 적어도 제 1 연소 스테이지로부터 복수의 2차 연소 스테이지 중 적어도 제 2 연소 스테이지로 감소하는, 다중 스테이지 축방향 시스템을 개발하였다. 유리하게, 본 발명의 신규한 다중 스테이지 축방향 연소 시스템은 균일한 연소, 높은 수준의 혼합, 감소된 체류 시간 및 높은 플레임 온도를 제공하며, 그에 따라 종래 기술의 연소 시스템보다 NOx 방출물이 상당히 낮은 고효율 연소 프로세스를 초래한다.
도 1은 축방향 유동에 연속으로 유입구(12), 압축기 섹션(14), 연소 챔버(16), 터빈 섹션(18), 파워 터빈 섹션(20) 및 배기 장치(22)를 포함하는 통상의 산업용 가스 터빈 엔진(10)을 도시한다. 터빈 섹션(20)은 하나 또는 그보다 많은 샤프트(미도시)를 통해 압축기 섹션(14)을 구동시키도록 배치된다. 통상적으로, 파워 터빈 섹션(20)은 샤프트(26)를 통해 전기 발생기(24)를 구동시키도록 배치된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연소 챔버(16)는 1차 연소 스테이지(28) 및 2차 연소 스테이지(30A-D)를 포함한다. 1차 연소 스테이지(28)는 연소 챔버(16)의 전방 단부(32)에 배치되고, 1차 연소 구역(34)을 형성한다. 1차 연소 스테이지(28)는 통상적으로 연료원(19)으로부터 1차 연소 스테이지(28)로 연료를 제공하는 하나 이상의 연료 공급 라인(17)과, 압축기 섹션(14)과 같은 공기 공급원으로부터 공기를 제공하는 하나 이상의 공기 공급 라인(15)을 포함한다. 연료와 공기는 연료 및 공기 공급 라인들에 의해 제공되는 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합기로 공급될 수 있다. 혼합기는 통로(36)를 통해 이동하는 사전 혼합된 연료 공기 공급을 제공할 수 있도록 공기와 연료를 혼합한다. 일 실시예에서, 혼합기는 통로(36)를 통해 이동할 때 혼합된 연료와 공기에 환상 운동량(annular momentum)을 제공하는 스월링 베인(38)이다. 1차 연소 스테이지(28) 내의 통로(36)로부터의 하류에는 1차 연소 스테이지(28)의 실질적으로 원뿔형인 부분(40)이 있다. 연료/공기 혼합물이 원뿔형인 부분(40)으로 이동할 때, 연료/공기 혼합물은 파일럿 플레임(42) 및 선택적으로 하나 또는 그보다 많은 마이크로 버너의 도움으로 점화된다. 결과적인 플레임의 적어도 일부는 연소 챔버(16)의 중심축(44)을 따라 이동한다. 원뿔형인 부분(40) 및 스월링 베인(38)으로부터의 연료/공기 혼합물의 스월링 유동은 파일럿 플레임(42)을 안정화시키는 것을 돕도록 결합한다.
1차 연소 스테이지(28)의 하류에는 복수의 2차 연소 스테이지, 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같은 4개의 2차 연소 스테이지(30A-D)가 배치된다. 본 발명에서는 임의의 개수의 2차 연소 스테이지(30A-D)가 제공될 수 있다. 더 많은 개수의 스테이지는 향상된 역학, 보다 안정적인 플레임 및 연소 시스템에 대한 보다 우수한 혼합을 제공할 것으로 생각된다. 그러나 스테이지의 개수는 다른 상쇄 고려 사항(countervailing considerations), 즉 하나에 추가의 스테이지들을 조립하는 비용과 균형이 맞추어져야 한다. 둘 또는 그보다 많은 2차 스테이지를 갖는 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 본 발명의 이점들을 제공할 것으로 이해된다.
도 2에 또한 도시된 바와 같이, 2차 연소 챔버(30A-D)는 연소 챔버(16)의 길이를 따라 유동에 연속으로 이격되어 있다. 각각의 2차 연소 스테이지는 대응하는 2차 연소 구역(46A-D)을 형성한다. 또한, 2차 연소 챔버(30A-D)는 각각 연료, 공기 또는 이들의 혼합물을 중심축(44)을 향해 주입하기 위한 복수의 원주 방향을 이격된 인젝터를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 2차 연소 스테이지, 즉 2차 연소 스테이지(30A) 내에서, 2차 연소 구역(46A-D) 중 대응하는 하나의 구역으로 2차 연료/공기 혼합물을 제공하기 위해, 복수의 2차 인젝터(48)가 연소 구역(46A-D)의 원주 둘레에 방사상으로 배열된다. 2차 인젝터는 원하는 바에 따라 서로로부터 이격될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 인젝터는 서로로부터 등거리로 이격된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예를 들면 각각의 2차 연소 스테이지(30), 즉 스테이지(30A) 내에는 연소 구역(46A-D)의 원주 둘레에 동일하게 방사상으로 이격되어 있는 6개의 인젝터(48)가 존재한다.
일 실시예에서, 2차 인젝터의 절반 이상(majority)은 중심축을 향해 서로 실질적으로 동일한 각도로 물질을 주입하도록 정렬된다. 이에 따라, 연료/공기 혼합물이 2차 연소 챔버(30A-D) 각각의 중심을 향해 2차 연소 챔버(30A-D) 각각의 주위 벽들로부터 지향될 때, 연소 챔버(16)의 중심축(44)을 따라 높은 레벨의 혼합이 제공된다. 대안적으로, 2차 인젝터(48) 중 하나 이상은 2차 인젝터(48) 중 다른 하나로부터 중심축(44)을 향해 상이한 각도로 물질을 주입하도록 정렬될 수 있다. 통상적으로, 인젝터(48)는 원주 방향으로 효율적인 혼합을 제공하도록, 연소 챔버(16)를 통해 연료/공기의 유동에 횡방향인 평면을 따라 동일한 축방향으로 정렬된다.
통상적으로, 각각의 2차 인젝터에는 도 2에 도시된 바와 같은 각각의 2차 인젝터(48)에 2차 연료(54) 및 2차 공기(56)를 공급하도록, 적합한 2차 공기 및/또는 연료 공급원에 의해 하나 또는 그보다 많은 라인들에 의해, 연료, 공기 또는 혼합되지 않거나 사전 혼합된 이들의 혼합물이 공급된다. 일 실시예에서, 연료, 공기 또는 혼합되지 않거나 사전 혼합된 이들의 혼합물은 매니폴드에 의해 2차 인젝터로 전달될 수 있다. 또한, 보충적인 2차 공기는 연소 프로세스를 위해 추가로 2차 공기를 제공하도록 임의의 2차 연소 스테이지 내에서 모든 2차 연소 스테이지로 공급될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들면 보충적인 2차 공기(60)는 2차 스테이지(30B)의 단부에서 2차 스테이지(30B)의 2차 연소 구역(46B)으로 공급된다. 보충적인 2차 공기(60)는 2차 스테이지(30B)의 인젝터(48)로부터 주입되는 연료 및/또는 공기와 혼합될 수 있으며, 특히 연소 챔버(16)의 외부 또는 라이너를 냉각시키는 작용을 할 수 있다. 2차 공기 및/또는 연료원은 1차 연소 구역으로 공기 및/또는 연료를 제공하는 동일한 공기 및/또는 연료원일 수 있거나, 그로부터 부분적으로 또는 전체적으로 독립적일 수 있다.
일 실시예에서, 2차 인젝터(48)의 적어도 일부는 2차 연소 구역(46A-D) 중 대응하는 연소 구역으로 버너(50)에 의한 주입 이전에, 각각의 버너(50)로 공급되는 연료 및 공기의 약간의 사전 혼합을 제공하도록, 도 5에 도시된 유형의 스월 베인(52)을 포함하는 사전 혼합 버너(50)이다. 도 5의 실시예에서, 2차 공기(54)는, 2차 연료(56)가 사전 혼합 버너(50)의 축방향 길이 및 공기 유동에 수직한 방향으로 도입되는 동안, 사전 혼합 버너(50)의 축방향 길이를 따라 도입된다.
대안적으로, 공기 및 연료는 임의의 적합한 각도로 각각의 사전 혼합 버너로 공급될 수 있다. 사전 혼합 버너는 연소 챔버(16)로 주입하기 전에 연료에 대한 높은 수준의 혼합을 제공하지만, 연소 챔버(16)의 중심축(44)을 따라 유동하는 플레임을 불안정화시키는 경향이 있다. 사전 혼합 버너가 제공될 때, 각각의 2차 스테이지는 각각의 2차 연소 구역으로 혼합된 연료/공기 공급원을 제공하기 위해 6개 또는 그보다 많은 사전 혼합 버너를 포함할 수 있는 것으로 생각된다.
다른 실시예에서, 2차 인젝터(48)의 적어도 일부는 도 6에 도시된 유형의 확산 버너(58)이며, 이때 2차 연료(56)는 2차 공기(54)의 상부의 평행한 흐름과 하부의 평행한 흐름 사이에서 각각의 확산 버너(58)의 중심축(62)을 따라 도입된다. 확산 버너는 일반적으로 사전 혼합 버너의 혼합 레벨을 제공하지 않지만, 확산 버너는 전체 연소 시스템을 위한 더 우수한 역학을 제공한다. 확산 버너가 제공될 때, 각각의 2차 스테이지는 각각의 2차 연소 구역으로 사전 혼합된 연료/공기 공급원을 제공하기 위해 6개 또는 그보다 많은 확산 버너를 포함할 수 있는 것으로 생각된다.
본 발명에서, 발명자는 의외로 예를 들면 U.S.특허 제6,418,725호에서 설명된 바와 같은 축방향 스테이지 디자인이 단독으로 NOx 방출물을 감소시키고 비교적 높은 효율의 연소를 유지시키는 문제를 충분히 해결하지 못할 것임을 발견하였다. 발명자는 다중 스테이지 축방향 시스템의 각각의 축방향 스테이지에서 적합한 연료/공기 혼합이 존재하여야 하며, 그렇지 않을 경우 발생된 NOx의 양은 축방향 스테이징을 갖지 않는 헤드 단부 시스템(head end system)에서의 표준 최대 연소에 의해 발생된 NOx보다 실제적으로 더 클 수 있음을 발견하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들면 연소 챔버의 헤드 단부에서의 최대 연소에 비해, 축방향 스테이지에서 완전히 혼합된 연료/공기는 NOx 방출물을 감소시킬 것이다. 그러나 도 7에 또한 도시된 바와 같이, 공기/연료 혼합이 각각의 축방향 스테이지에서 불완전한 경우, 부족한 연료와 공기의 혼합으로 인해 연소로 인해 발생된 NOx의 양은 헤드 단부에서 최대 연소의 경우보다 실제적으로 더 클 수 있다. 따라서, 본 발명은 다중 스테이지 축방향 연소 시스템의 각각의 스테이지에서 연료와 공기의 최적의 혼합뿐 아니라, 연소 챔버 내의 연료/공기 혼합물의 감소된 체류 시간 및 균일한 연소를 보장하는 다중 스테이지 축방향 연소 시스템을 제공한다.
향상된 혼합 및 균일한 연소를 이루기 위해, 도 2의 연소 챔버(16)의 도시로부터 볼 수 있는 바와 같이, 연소 챔버(16)의 내경은 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 1 연소 스테이지로부터 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 2 연소 스테이지로 감소한다. 일 실시예에서, 내경을 감소시킴으로써, 최대 내경은 2차 스테이지 중 적어도 제 1 스테이지와 2차 스테이지 중 적어도 제 2 스테이지 내에서 감소됨을 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 2차 연소 스테이지(30A-D)는 연소 챔버(14)의 길이를 따라 축방향 유동 연속으로 최대 내경(D1-D4)이 연속적으로 감소한다. 2차 연소 스테이지(30A-D)의 내경(D1-D4) 값들은 통상적으로 도 3에 도시된 바와 같은 각각의 2차 연소 스테이지의 전방 단부에서 또는 이에 인접하는 것과 같은, 연소 스테이지의 최대 내경이 발견될 수 있는 위치에서 측정되는 것으로 생각된다. 도 3의 실시예에서, 2차 연소 스테이지(30A)는 스테이지(30B(D2), 30C(D3), 30D(D4))가 따르는 최대 내경(D1)을 갖는다. 대안적으로, 임의의 인접하는 2차 연소 스테이지는 실질적으로 유사하거나 동일한 최대 내경을 가질 수 있으며, 적어도 하나의 하류의 2차 연소 스테이지는 (지배를 받는(subject) 연소스테이지가 연소 챔버(16) 내의 마지막 연소 스테이지가 아니면) 더 작은 최대 내경을 가질 것이다. 일 실시예에서 각각의 2차 스테이지(30A-D)의 전체적인 영역은 2차 연소 스테이지(30A-D)를 도시하는 점선에 의해 도 3에 도시된다.
전술된 실시예에서, 복수의 2차 연소 스테이지는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 연소 챔버(14) 내에 실질적으로 원뿔형인 2차 연소 구역(66)을 집합적으로 형성한다. 이에 따라, 연료 및 공기가 연소 챔버(16)의 중심으로 주입될 때, 주입된 연료와 공기가 연소 챔버(16)의 전방 단부(32)로부터 가스 터빈 엔진(10)의 터빈 섹션(18) 앞의 연소 챔버(16)의 대향 단부(70)로 적절히 혼합될 가능성이 더 높다.
또한, 전술된 실시예에서, 실질적으로 원뿔형인 2차 연소 구역(66)의 형상의 결과로서, 연소 챔버(16)의 2차 연소 스테이지(30A-D)의 복수의 인젝터(48)로부터 주입된 연료, 공기 또는 이들의 혼합물은 증가하는 속도로 점점 더 작은 횡단면적으로 들어간다. 이에 따라, 휘핑 또는 스월링 효과(whipping or swirling effect)는 연소 챔버(16)의 전방 단부(32)로부터 대향 단부(70)로 연소 챔버(16)의 중심축(44)을 따라 이동하는 연료/공기 혼합물 및 플레임으로 인해 점점 증가하여 생성된다. 따라서, 연소 챔버의 중심축을 따라 연소된 공기 및 연료의 속도는 또한 복수의 2차 연소 스테이지 중 제 1 연소 스테이지로부터 복수의 2차 연소 스테이지 중 적어도 제 2 연소 스테이지로 증가하며, 이에 따라 축방향 스테이징 단독으로 보다 2차 연소 스테이지 내에 주입된 연료/공기 혼합물의 보다 우수한 혼합을 제공한다.
연소 챔버의 2차 연소 스테이지의 복수의 인젝터로부터 주입된 연료/공기 혼합물은 점점 증가하는 속도로 더 작은 영역으로 들어가는 반면, 다중 스테이지 축방향 디자인은 또한 주입된 연료/공기가 각각의 2차 연소 구역의 전체 영역에 걸쳐서 넓고 균일하게 분배되게 한다. 이에 따라, 연소 프로세스의 플레임 안정성 및 역학이 향상된다. 또한, 더 높은 플레임 온도는 연소 프로세스를 위한 연소 시스템에서 가능하다. 이는 알려진 종래 기술의 프로세스보다 NOx 산출물이 최소인 더 높은 연소 효율을 초래한다. 예를 들면, 연소 챔버의 터빈 섹션에 대한 유입구 온도는 통상적으로 1400 내지 1500℃의 범위 이내이다. 본 발명에서, 약 1700℃ 이상의 온도는 연료와 공기의 혼합의 범위 및 연료와 공기의 균일한 분배로 인해 2차 연소 구역 및 터빈 섹션에 대한 유입구에 도달될 수 있다.
또한, 연료가 1차 연소 구역(34)의 하류로 주입되기 때문에, 각각의 2차 연소 구역(46A-D)으로 주입되는 연료/공기 혼합물의 체류 시간은 비교적 짧다. 또한, 2차 연소 스테이지(30A-D)가 전술된 바와 같이 연소 챔버(16)의 축방향 유동을 따라 직경이 감소하기 때문에, 2차 연소 스테이지(30A-D)로부터 나중에 주입되는 유동의 체류 시간은 훨씬 더 감소된 체류 시간을 가지며, 또한 완전히 혼합되고 연소 챔버(16) 내에서 균일하게 분배되어 NOx 방출물이 적은 효율적이고 안정된 연소를 생성한다. 일 실시예에서, 1차 연소 스테이지 및 2차 연소 스테이지로부터 주입된 전체 연료의 약 10 중량% 내지 약 30 중량%는 2차 연소 스테이지에 주입되며, 일 실시예에서, 연소 챔버(16)로 주입되는 전체 연료의 약 20 중량%는 복수의 2차 연소 변화(changes)로부터 주입된다. 다시 말해, 일 실시예에서, 연소 챔버(16)로 주입되는 전체 연료의 약 70% 내지 90%, 약 80%는 1차 연소 구역(34)으로 주입된다. 2차 연소 구역(46A-D)으로 주입되는 연료/공기 혼합물의 연료/공기비는 연료/공기 혼합물의 우수한 혼합을 얻을 수 있는 것으로 결정될 때까지, 제 1 연소 구역(34)으로 주입되는 연료/공기 혼합물과 동일하거나, 실질적으로 유사하거나, 상이할 수 있다.
또한, 연소기 내의 2차 연소 스테이지의 배치의 위치가 중요하다. 도 8에 도시된 바와 같이, 헤드 단부 연소 내의 최대 연소는 7ms, 9ms 및 11ms에서 축방향 스테이징과 비교되었다. 축방향 스테이지 주입으로 인해, 연료의 효과적인 체류 시간이 감소될 것이며 더 낮은 NOx 방출물을 일으킬 것이다. 도 8에서 밀리초의 시간에 대한 관계는 연소 챔버의 헤드 단부로부터 제 1 축방향 스테이지의 위치로 1차 연료의 이동 시간을 지시하는 것을 의미한다. 따라서, 더 나중의 연료/공기 혼합물이 2차 연소 스테이지 중 하나로 주입되면, 제 1의 2차 연소 스테이지가 연소 챔버 내에 위치되는 지점에 대한 하류의 길이가 더 길어진다. 발명자는 연소 챔버의 길이를 더 따라 2차 연소 스테이지를 제공함으로써 더 낮은 NOx 방출물을 초래할 수 있다. 이론에 의해 구속되도록 하고자 하지 않지만, 연소 챔버의 길이를 더 따르는 2차 연소 스테이지의 제공은 더 낮은 NOx 방출물을 초래하는데, 이는 NOx 방출물이 발달되는데 상당한 시간이 걸리지 않도록 연료/공기 혼합물이 연소 챔버의 단부에 가능한 가까이에서 최대 연소되기 때문이다. 도 8에 의해 도시된 바와 같이, 헤드 단부에서의 최대 연소는 7, 9 및 11ms에서의 (완전 혼합되는) 축방향 스테이징이 계속되는 최대량의 NOx 방출물을 산출한다. 따라서, 연료/공기가 2차 연소 구역 내의 연소 챔버 아래로 더 멀리 주입될 때, 결과적으로 NOx 방출물이 더 낮아진다.
본 명세서에 기재된 다중 축방향 스테이지 연소 시스템은 기술상 공지되어 있는 바와 같이 캔 또는 환형 연소 챔버로 구성될 수 있다. 통상적으로, 캔 연소 챔버를 갖는 연소 시스템은 통상적으로 연소 챔버의 단부와 터빈 섹션 사이에 전이부를 또한 포함한다. 따라서, 원할 경우 복수의 2차 연소 챔버의 적어도 일부는 이러한 캔 연소 시스템의 전이부 내에 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 통상적으로 환형 연소 챔버는 전이부 요소를 포함하지 않는다. 따라서, 본 명세서에 기재된 1차 연소 스테이지 및 2차 연소 스테이지는 통상적으로 환형 연소 챔버 내에 위치된다. 캔 연소 챔버가 제공되는 경우, 일반적으로 각각의 2차 연소 스테이지는 연소 챔버의 둘레 주위에 원주 방향으로 이격되어 있는 8개 또는 그보다 더 많은 인젝터를 포함한다. 역으로, 환형 연소 챔버가 제공되는 경우, 일반적으로 각각의 2차 연소 스테이지는 연소 챔버의 둘레 주위에 원주 방향으로 이격된 24 또는 그보다 많은 인젝터를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예들은 예로서만 제공됨이 명백할 것이다. 다수의 변형예, 변형 및 대체예가 본 명세서의 발명으로부터 벗어나지 않고 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 제한되어야 한다.
10: 가스 터빈 엔진 12: 유입구
14: 압축기 섹션 15: 공기 공급 라인
16: 연소 챔버 17: 연료 공급 라인
18: 터빈 섹션 19: 연료원
20: 파워 터빈 섹션 24: 전기 발생기
26: 샤프트 30A-D: 2차 연소 스테이지
32: 전방 단부 36: 통로
38: 스월링 베인 42: 파일럿 플레임
44: 중심축 46A-D: 2차 연소 구역
48: 2차 인젝터 52: 스월 베인
54: 2차 연료 56: 2차 공기
58: 확산 버너

Claims (10)

  1. 가스 터빈 연소 시스템으로서:
    중심축(44)을 갖는 연소 챔버(16);
    주입된 연료(17, 19)를 연소시키기 위한 연소 챔버(16)의 전방 단부(32)에 위치되는 1차 연소 스테이지(28);
    상기 연소 챔버(16)의 길이를 따라 유동에 연속으로(in flow series) 이격되는 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D);를 포함하며,
    상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D)는 각각 연료(56), 공기(54) 또는 이들의 혼합물을 중심축(44)을 향해 주입하기 위한 복수의 원주방향으로 이격된 2차 인젝터(48)를 포함하며,
    상기 연소 챔버(16)의 내경(D1-D4)은 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 1 연소 스테이지(30A-C)로부터 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 2 연소 스테이지(30B-D)로 가면서 감소하는
    가스 터빈 연소 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D)는 상기 연소 챔버(16) 내에 실질적으로 원뿔 형상인 2차 연소 구역(66)을 형성하는
    가스 터빈 연소 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 연소 스테이지(28)는:
    하나 이상의 연료 공급 라인(17) 및 제 1 공기 공급원(14, 15);
    상기 하나 이상의 연료 공급 라인(17) 및 상기 제 1 공기 공급원(14, 15)에 의해 제공된 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합기(38); 및
    상기 혼합기(38)로부터 하류에 배치되는 실질적으로 원뿔형인 부분(40);을 포함하는
    가스 터빈 연소 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 스테이지(30A-D) 중 하나 이상의 2차 스테이지에서 복수의 2차 인젝터(48)는 각각 상기 중심축(44)을 향해 실질적으로 동일한 각도로 물질을 주입하도록 정렬되는
    가스 터빈 연소 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 스테이지(30A-D) 중 하나 이상의 2차 스테이지가 갖는 복수의 2차 인젝터(48) 중 하나 이상은 상기 하나의 2차 스테이지(30A-D)에서 복수의 2차 인젝터(48) 중 다른 하나로부터 상기 중심축(44)을 향해 상이한 각도로 물질을 주입하도록 정렬되는
    가스 터빈 연소 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D)는 각각:
    하나 이상의 2차 연료 공급 라인(56) 및 2차 공기 공급원(54); 및
    상기 복수의 2차 인젝터(48)의 각각의 내부에 배치되는 상기 하나 이상의 2차 연료 공급 라인(56) 및 2차 공기 공급원(54)에 의해 공급되는 연료와 공기를 혼합하기 위한 사전 혼합 버너(50) 또는 확산 버너(58);를 포함하는
    가스 터빈 연소 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(16)의 중심축(44)을 따라 연소된 공기와 연료의 속도는 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 제 1 연소 스테이지(30A-C)로부터 상기 복수의 2차 연소 스테이지(30A-D) 중 적어도 제 2 연소 스테이지(30B-D)로 가면서 증가하는
    가스 터빈 연소 시스템.
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