KR100261498B1 - 가스터빈엔진의연소기 - Google Patents

Abstract

가스 터빈 엔진의 연소기를 개시한다. 본 발명에 따르면, 다수개의 수평홀이 형성된 상부와, 수평부와 상기 수평부로부터 연장된 원추 절두형 중심 부분을 가지는 제 1 스월러, 상기 제 1 스월러의 수평부와 원추 절두형 중심 부분에 대응될 수 있도록 형성된 수평부 및 원추 절두형 중심 부분을 가지고, 상기 제 1 스월러로부터 소정 간격으로 이격되게 설치되는 제 2 스월러, 상기 제 1 스월러의 수평부와 상기 제 2 스월러의 수평부 사이에서 소정 간격을 두어 설치되는 다수개의 베인, 상기 제 2 스월러의 하부에서 수직 하방으로 연장된 라이너 및, 상기 제 1 스월러의 상부 중심에 설치되는 연료 분무용 노즐을 구비하는 가스 터빈 엔진의 연소기가 제공된다. 본 발명에 따른 가스 터어빈 엔진의 연소기는 압축 공기와 연료가 강력한 와류로서 형성되므로 점화 성능이 향상됨과 동시에, 정상 연소시에 안정적인 화염을 형성한다는 장점을 가진다.

Description

가스 터빈 엔진의 연소기{Combustor of gas turbine engine}

본 발명은 가스 터어빈 엔진의 연소기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원추 절두형 스월러를 구비한 가스 터어빈 엔진의 연소기에 관한 것이다.

산업용 가스 터어빈 엔진은 공기를 다단 압축하는 압축기와, 이 압축기로부터 공급되는 고압의 공기에 연료를 노즐로부터 분사하여 점화시킴으로써 고온고압의 가스를 발생하는 연소기와, 연소기에서 발생된 가스를 이용하여 회전력을 얻는 터어빈을 포함한다.

도 1 에는 일반적인 산업용 가스 터어빈 엔진의 연소기에 대한 개략적인 설명도가 도시되어 있다. 이러한 연소기는 산업용 가스 터어빈 엔진의 스크롤 하우징에 설치된다.

도면을 참조하면, 산업용 가스 터어빈 엔진은 스크롤 하우징(미도시)에 설치되는 되는 케이스(11)와, 상기 케이스(11)의 단부에 결합되는 플랜지 부재(12)와, 상기 플랜지 부재(12)에 설치된 스월러(swirler;13)와, 상기 플랜지 부재(12)에 고정되어 상기 스월러(13)의 하부에 위치하는 스태빌라이저(stabilizer;14)와, 상기 케이스(11)의 상부에 설치되며 파일로트 노즐(16)과 메인 노즐(18)이 설치된 캡(17)을 포함한다. 그리고, 상기 스태빌라이저(14)의 둘레에는 플랜지 부재에 지지되며 케이스(11)의 하부로 연장되는 라이너(liner;15)가 마련되어 있다.

도 2에는 도 1에 도시된 스월러(13)와 그 주변부를 확대 도시한 단면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 상기 케이스(11)의 상부에 캡(17)이 결합된다. 케이스(11)와 캡(25)은 연소기내에서 발생하는 고압을 견딜 수 있도록 볼트에 의해 체결된다. 캡(17)의 상단에는 파일로트 노즐(16)과 메인 노즐(18)이 설치된다. 노즐(16,18)은 도시되지 아니한 연료 공급 장치를 통해서 연료를 연소기 안에 분사시키기 위한 것으로서, 정상 운행중에는 메인 노즐(18)로부터 연료가 분사되고, 초기의 시동시에는 파일로트 노즐(18)로부터 연료가 분사된다.

플랜지(23)와 라이너(15)는 케이스(11)의 내부 공간을 내측의 원통형 공간과 외측의 환상형 공간으로 구분한다. 다단 압축기(미도시)를 통해 압축된 공기는 라이너(15)의 외측에 형성된 환상형의 유입로(26)를 통과하여, 플랜지(23)에 형성된 유입구(24)를 통해서 유입된다. 플랜지(23)의 유입구(24)를 통해 유입된 공기는 캡(17)과 플랜지(23)로 형성된 공간 및, 라이너(15)로 형성된 공간을 통과하며, 이때 노즐(16 또는 18)을 통해서 분사된 연료와 혼합된다. 연소기내에는 제 1 스월러(21)와 제 2 스월러(22)가 설치되며, 유입구(24)를 통해 유입된 압축 공기는 상기 스월러(21,22)를 거치면서 와류를 형성하게 된다. 이러한 압축 공기의 와류는 노즐(16,18)로부터 분무되는 연료와 혼합된다. 압축 공기와 혼합된 연료는 도시되지 아니한 이그나이터(igniter)에 의해 점화되어 연속적으로 연소된다.

위에 설명된 바와 같은 연소기는 점화 성능과 연소 성능을 동시에 만족시킬 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 제 1 스월러(21)는 확산형으로 제작되어 있어서 연료의 분무각이 매우 커지며, 따라서 분무각이 라이너(15) 까지 도달되어 점화 성능이 향상되나, 연소 성능은 떨어지는 것으로 알려져 있다. 이처럼 점화 성능과 연소 성능을 동시에 만족시킨다는 것은 매우 어려운 일이다. 이는 점화 성능과 연소 성능에 영향을 미치는 인자가 스월컵의 형상 및 배치, 그리고 스월컵에 대한 냉각 기능에 달려있다는 것이 공지되어 있으면서도, 그것을 최적의 상태로 조합한다는 것이 매우 곤란하기 때문이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 개선된 성능을 가지는 가스 터빈 엔진의 연소기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 원추 절두형 스월러를 가지는 가스 터빈 엔진의 연소기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스월러의 형상과 배치가 최적화된 가스 터빈 엔진의 연소기를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 가스 터빈 엔진 연소기에 대한 개략적인 설명도.

도 2는 도 2의 일부분에 대한 확대 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진 연소기에 대한 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 연소기의 베인에 대한 평면도.

도 5는 스월러의 팁을 도시하는 확대 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11. 케이스 12. 플렌지

13. 스월러 16.18. 노즐

17. 캡 21. 제 1 스월러

22. 제 2 스월러 25. 캡

31. 제 1 스월러 상부 32. 노즐

33. 중심홀 34. 환형홀

35. 수평홀 36. 제 1 스월러

37. 수평부 38. 제 2 스월러

39. 수평부 40. 라이너

42. 수직홀 43. 경사홀

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 다수개의 수평홀이 형성된 상부와, 수평부와 상기 수평부로부터 연장된 원추 절두형 중심 부분을 가지는 제 1 스월러, 상기 제 1 스월러의 수평부와 원추 절두형 중심 부분에 대응될 수 있도록 형성된 수평부 및 원추 절두형 중심 부분을 가지고, 상기 제 1 스월러로부터 소정 간격으로 이격되게 설치되는 제 2 스월러, 상기 제 1 스월러의 수평부와 상기 제 2 스월러의 수평부 사이에서 소정 간격을 두어 설치되는 다수개의 베인, 상기 제 2 스월러의 하부에서 수직 하방으로 연장된 라이너 및, 상기 제 1 스월러의 상부 중심에 설치되는 연료 분무용 노즐을 구비하는 가스 터빈 엔진의 연소기가 제공된다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제 1 스월러와 상기 제 2 스월러의 하단부는 예각의 팁으로 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 베인 사이의 간격을 통해서 압축 공기 유입 통로가 형성되며, 상기 베인 사이의 압축 공기 유입 통로는 상기 제 1 스월러의 중심 부분과 상기 제 2 스월러의 중심 부분 사이에 형성된 공간과 연결된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 라이너의 상부에는 경사홀이 형성되며, 상기 경사홀을 통해 유입된 공기는 상기 제 2 스월러의 중심 부분 외표면을 따라서 유동한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 경사홀을 통해 유입된 공기를 안내할 수 있도록, 상기 제 2 스월러의 중심 부분 외표면과 평행하게 설치된 경사 가이드를 구비한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 라이너의 상부에는 수직홀이 형성되며, 상기 수직홀을 통해 유입된 공기는 라이너의 내표면을 따라 유동한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 수직홀을 통해 유입된 공기를 안내할 수 있도록, 상기 라이너의 내측면과 평행하게 설치된 수직 가이드를 구비한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 노즐에는 중심부에 형성된 중심홀과, 상기 중심홀의 둘레에 환형으로 형성된 환형홀이 구비된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 스월러에 형성된 수평홀과, 상기 베인 사이에 형성된 간격의 방향은 그것을 통해 유입되는 압축 공기의 유동이 내부에서 회전 운동을 일으킬 수 있도록 연소기의 반경 방향에 대하여 소정의 각도로 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 노즐로부터 분무되는 연료와 상기 수평홀로부터 유입되는 압축 공기의 혼합기는 상기 제 1 스월러의 중심 부분 내표면상에서 연료 필름을 형성하고, 상기 제 1 스월러를 통과한 혼합기의 일부는 다시 상기 제 2 스월러의 중심 부분 내표면상에서 다시 연료 필름을 형성한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3에는 본 발명에 따른 가스 터빈 연소기에 구비된 스월러 조립체 및, 그에 설치된 노즐에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 3을 도 2에 비교해보면, 도 2에 도시된 캡(17), 케이스(11) 및, 플렌지(23)가 생략되어 있음을 알 수 있다. 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 도 2에 도시된 바로부터 본 발명의 연소기에 적용될 수 있는 캡, 케이스 및, 플렌지에 대한 다양한 설계가 가능하다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

도면을 참조하면, 스월러 조립체는 수평홀(35)이 형성되어 있으며 상부 부분(31)을 형성하는 제 1 스월러(36)와, 상기 제 1 스월러(36)의 하부에 설치되는 제 2 스월러(38)를 구비한다. 상기 제 1 스월러(36)의 상부에는 노즐(32)이 설치되며, 상기 제 2 스월러(38)의 하부에는 라이너(40)의 상단부가 설치된다.

제 1 스월러(36)는 중심 부분이 절두 원추형으로서 컵과 같은 형상을 가지며, 상부 부분(31)과, 수평 방향으로 연장된 수평부(37)가 일체로 형성된다. 상부 부분(31)에는 수평 홀(35)이 다수개 형성되며, 이러한 수평 홀(35)을 통해서 압축 공기가 스월러의 내측으로 유입된다. 수평 홀(35)은 상부 부분(31)의 원주면 외측으로부터 내측에 이르기까지 수평으로 형성되며, 반경 방향에 대하여 소정의 경사를 가지고 형성된다. 수평 홀(35)로부터 유입되는 압축 공기는 스월러 내부에서 원의 형상으로 회전 하는 공기 유동을 일으킴으로써, 노즐(32)로부터 그에 분무된 연료와 혼합되어 와류를 발생시킨다.

스월러 조립체의 상부 부분(31)에는 노즐(32)이 설치된다. 노즐(32)은 소위 듀플렉스(duplex) 형태의 노즐이 사용될 수 있으며, 이것은 중심부에 형성된 중심홀(33)과, 상기 중심홀(33)의 외측에 형성된 환형 홀(34)을 구비한다. 중심 홀(33)로부터는 파일롯 연료 유동이 발생하고, 환형 홀(34)로부터는 메인 연료 유동이 발생된다. 위에서 설명된 바와 같이, 파일롯 연료 유동은 연소기의 점화시에 작동하고, 메인 연료 유동은 연소기의 정상 운전시에 작동하게 된다.

제 1 스월러(36)의 수평부(37) 하부에는 베인(49)이 설치된다. 베인(49)은 이후에 보다 상세히 설명되는 바로서, 제 1 스월러 수평부(37)와 제 2 스월러 수평부(39) 사이에 다수개가 지지되며, 베인(39)들 사이에는 압축 공기 유동로가 형성된다.

도 4에는 도 2에 도시된 베인을 나타내는 평면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 제 1 스월러(36)의 수평부(37)의 상부 표면에는 다수의 베인(49)이 배치된다. 베인(49)들 사이에는 압축 공기 유동로가 형성됨으로써, 그를 통해 유입되는 공기는 스월러의 내측(I)에서 와류를 형성하게 된다. 베인(49) 사이에 형성되는 통로의 방향은 반경 방향에 대하여 소정의 경사를 가지고 형성된다.

다시 도 3을 참조하면, 베인(49)의 하부에는 제 2 스월러(38)가 설치된다. 제 2 스월러(38)는 절두 원추형으로서 컵의 형상을 가지는 중심 부분과, 수평부(39)를 가진다. 제 2 스월러(38)의 절두 원추형 중심 부분은 제 1 스월러(36)의 절두 원추형 중심 부분과 평행하게 배열되며, 따라서 그 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 베인(49)에 의해 형성되는 압축 공기 유동로는 상기 스월러(36,38)들의 사이에 형성된 간격과 상호 연결됨으로써, 베인(49) 사이를 통과하는 압축 공기가 스월러의 내부로 유입될 수 있다. 이처럼 베인(49)을 통해 유입되는 공기는 제 1 스월러(36)의 외측면과 제 2 스월러(38)의 내측면을 냉각하는 기능을 가지며, 또한 스월러의 내측에서는 연료와 혼합되어 와류를 형성하는 기능을 가진다.

도 5에는 도 3에 도시된 스월러(36,38)들의 하단부의 형상이 확대된 상태로 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 스월러(36,38)의 하단부는 예리한 팁(57)을 형성한다. 이처럼 예리하게 형성된 팁(57)은 스월러(36,38)의 내측면을 따라 낙하하는 연료 유동이 그 아래에서 보다 효율적으로 확산될 수 있게 한다. 이에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명될 것이다.

다시 도 3을 참조하면, 제 2 스월러(38)의 수평부(39)의 하부에는 라이너 상부(41)가 설치된다. 라이너 상부(41)로부터 라이너(40)가 하향으로 연장되도록 설치될 수 있다. 도시되지 아니한 라이너(40)의 다른 부분은 예를 들면 도 1 에 도시된 라이너(15)와 같은 형태이거나 그로부터 변형된 것일 수 있다.

라이너 상부(41)에는 수직홀(42)과 경사홀(43)이 형성되어 있다. 수직홀(42)은 라이너(40)의 내측면을 따라 유동하는 압축 공기층을 형성하기 위한 것으로서, 이러한 압축 공기층은 라이너(40)를 냉각시킬 수 있다. 수직홀(42)을 통해 유입되는 압축 공기를 라이너(40)의 내측면을 따라 안내할 수 있도록, 상기 라이너(40)와 평행하게 수직 가이드(50)가 설치되며, 수직 가이드(50)와 라이너(40)의 사이에 수직홀(42)의 출구가 형성된다.

경사홀(43)은 제 2 스월러(38)의 절두 원추형 중심부에 근접한 부분에 경사지게 형성된다. 경사홀(43)을 통해 유입되는 압축 공기는 제 2 스월러(38)의 중심부 외표면을 따라 유동할 수 있다. 경사홀(43) 및 경사 가이드(51)의 경사도는 제 2 스월러(38)의 절두 원추형 중심부의 경사도와 같게 형성되는 것이 바람직스럽다. 경사홀(43)을 통해 유입되는 압축 공기층은 제 2 스월러(38)의 중심부를 냉각시키는 기능을 가진다.

이하 본 발명에 따른 연소기의 작용을 개략적으로 설명하기로 한다.

노즐(32)로부터 분무되는 연료는 도면 번호 45 및 46 으로 지시된 바와 같은 연료 유동을 형성한다. 연료 유동(45,46)은 수평 홀(35)을 통해 유입되는 압축 공기에 의해 와류를 형성하면서 회전하기 시작한다.

노즐(32)의 중심홀(33)로부터 분무되는 연료는 도면 번호 45 로 지시된 바와 같은 중심부의 원추형 유동을 형성하며, 이러한 원추형 유동은 외주면의 일부가 제 1 스월러(36)의 중심부 하단에 접촉하고, 원추형 유동의 중심부는 제 1 스월러(36)에 형성된 중심 통로를 통해 제 2 스월러(38)의 중심부를 향하게 된다. 또한 환형 홀(34)을 통해 분무된 연료 유동(46)은 대부분이 제 1 스월러(36)의 내측면에 접촉하게 된다.

제 1 스월러(36)의 내표면에 접촉한 연료 유동은 연료 필름(47)을 형성한다. 연료 필름(47)은 제 1 스월러(36)의 중심 부분 내표면을 따라 유동하여, 도 5를 참고하여 설명된 바와 같이 팁(57)으로부터 낙하하게 된다. 팁(57)으로부터 낙하하는 연료 유동은, 제 1 스월러(36)의 중심 통로를 통해 유입되는 연료 및 압축 공기의 혼합기 압력과, 베인(49) 사이를 통해 유입되는 압축 공기의 압력중 해당 성분에 의해 도면 번호 52로 표시된 바와 같은 혼합기 유동을 형성한다.

제 1 스월러(36)의 중심부 통로를 통해 하강하는 연료와 압축 공기의 혼합기는 와류를 형성하면서 제 2 스월러(38)의 중심부 측으로 유입된다. 이때, 베인(49)을 통해 유입되는 압축 공기는 연료 필름(47)의 확산에 작용할뿐만 아니라, 제 2 스월러(38)의 중심부 내측으로 유입된 연료와 공기로 형성된 혼합기 와류에도 작용한다. 결과적으로, 제 2 스월러(38)의 중심부 통로를 통해 하강하는 연료와 압축 공기의 혼합기 와류를 더욱 강화시키게 된다.

도면 번호 52 로 표시된 유동은 다시 제 2 스월러(38)의 중심 부분 내표면에 연료 필름(48)을 형성한다. 이러한 연료 필름(48)은 제 2 스월러(38)의 중심 부분 내표면을 따라 낙하하여, 그 팁으로부터 낙하하게 된다.

제 2 스월러(38)의 팁으로부터 낙하하는 연료와 압축 공기의 혼합기는 도면 번호 53 과 도면 번호 54로 표시된 바와 같이 넓은 범위에 걸쳐 강력한 와류 유동으로서 확산하게 된다. 이것은 제 2 스월러(38)의 중심부 통로를 통과하는 연료와 압축 공기의 혼합기 압력과, 경사홀(43)을 통해 유입되어 제 2 스월러(38)의 외표면을 따라 유동하는 압축 공기의 작용에 의한 것이다. 도면 번호 53으로 표시된 유동은 주로 제 2 스월러(38)의 중심부 통로를 통과하는 연료와 압축 공기의 혼합기 유동을 나타내며, 도면 번호 54 로 표시된 유동은 주로 연료 필름(48)이 확산됨으로써 형성되는 유동을 표시한다. 이들은 모두 강력한 회전력을 가지는 와류 유동으로 형성됨으로써, 라이너(40)의 반경 방향에서 상대적으로 이격된 상태로 설치되는 점화 플러그(미도시)까지 연료와 압축 공기의 혼합기가 용이하게 도달할 수 있게 한다. 즉, 점화 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

또한, 스월러의 중심에 형성되는 연료와 압축 공기의 혼합기는 강력한 와류를 형성함으로써, 안정된 화염을 형성할 수 있게 한다. 더욱이, 각각의 압축 공기 홀을 통해 유입되는 압축 공기는 연료를 와류로 만들뿐만 아니라 각 구성 요소에 대한 냉각 기능까지 병행하고 있으므로, 연소기의 온도를 적절하게 유지하고, 그에 따라 연소기의 내구성도 증진시킬 수 있다.

본 발명에 따른 가스 터어빈 엔진의 연소기는 압축 공기와 연료가 강력한 와류로서 형성되므로 점화 성능이 향상됨과 동시에, 정상 연소시에 안정적인 화염을 형성한다는 장점을 가진다. 또한 연소기의 주요 구성 요소에 대한 적절한 냉각 작용이 병행됨으로써, 연소기의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점을 가진다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 다수개의 수평홀이 형성된 상부와, 수평부와 상기 수평부로부터 연장된 원추 절두형 중심 부분을 가지는 제 1 스월러,

   상기 제 1 스월러의 수평부와 원추 절두형 중심 부분에 대응될 수 있도록 형성된 수평부 및 원추 절두형 중심 부분을 가지고, 상기 제 1 스월러로부터 소정 간격으로 이격되게 설치되는 제 2 스월러,

   상기 제 1 스월러의 수평부와 상기 제 2 스월러의 수평부 사이에서 소정 간격을 두어 설치되는 다수개의 베인,

   상기 제 2 스월러의 하부에서 수직 하방으로 연장된 라이너 및,

   상기 제 1 스월러의 상부 중심에 설치되는 연료 분무용 노즐을 구비하는 가스 터빈 엔진의 연소기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스월러와 상기 제 2 스월러의 하단부는 예각의 팁으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진의 연소기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 베인 사이의 간격을 통해서 압축 공기 유입 통로가 형성되며, 상기 베인 사이의 압축 공기 유입 통로는 상기 제 1 스월러의 중심 부분과 상기 제 2 스월러의 중심 부분 사이에 형성된 공간과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진의 연소기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 라이너의 상부에 형성된 경사홀을 통해 유입된 공기를 안내할 수 있도록, 상기 제 2 스월러의 중심 부분 외표면과 평행하게 설치된 경사 가이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진의 연소기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 라이너의 상부에 형성된 수직홀을 통해 유입된 공기를 안내할 수 있도록, 상기 라이너의 내측면과 평행하게 설치된 수직 가이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진의 연소기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐에는 중심부에 형성된 중심홀과, 상기 중심홀의 둘레에 환형으로 형성된 환형홀이 구비된 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진의 연소기.

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