KR100684958B1 - Fuel injector having swirler - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 인젝터에 있어서, 연료를 분출하는 노즐 오리피스를 구비한 인젝터 바디와; 상기 인젝터 바디의 하단에 장착되며 상기 노즐 오리피스 주위에 슈라우드 에어를 공급하는 슈라우드와; 상기 인젝터 바디와 슈라우드 사이에 형성한 유로와; 상기 유로상에 설치되며 유로를 통과하는 슈라우드 에어에 스월 성분을 제공하는 이너 스월러를 포함함을 특징으로 하는 스월러를 구비한 연료 인젝터를 제공한다.
A fuel injector comprising: an injector body having a nozzle orifice for ejecting fuel; A shroud mounted at a lower end of the injector body and supplying shroud air around the nozzle orifice; A flow path formed between the injector body and the shroud; Provided is a fuel injector with a swirler installed on the flow path and including an inner swirler for providing a swirl component to the shroud air passing through the flow path.

이너 스월러, 인젝터 바디, 슈라우드Inner swirler, injector body, shroud

Description

스월러를 구비한 연료 인젝터{FUEL INJECTOR HAVING SWIRLER} Fuel injector with swirler {FUEL INJECTOR HAVING SWIRLER}             

도 1은 종래의 실시예에 따른 연료 인젝터를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing a fuel injector according to a conventional embodiment,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터의 분리 사시도,2 is an exploded perspective view of a fuel injector with a swirler according to a preferred embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터를 나타낸 내부 구성도.
Figure 3 is an internal configuration showing a fuel injector with a swirler according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

200 : 연료 인젝터 210 : 인젝터 바디200: fuel injector 210: injector body

220 : 노즐 오리피스 230 : 이너 스월러220: nozzle orifice 230: inner swirler

240 : 슈라우드
240: shroud

본 발명은 가스 터어빈 엔진(Gas turbine engine)에 관한 것으로서, 특히 연 료를 무화시켜 연소기 내로 공급하는 연료 인젝터(fuel injector)에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine engine, and more particularly to a fuel injector for atomizing fuel and feeding it into a combustor.

통상적으로, 항공기용 혹은 산업용으로 활용되는 가스 터어빈 엔진은 공기를 다단 압축하는 압축기(compressor)와, 상기 압축기로부터 공급되는 고압의 공기에 연료를 분사하여 연소시키는 연소기(combustor) 및 상기 연소기로부터 발생하는 고온 고압의 연소 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 터어빈(turbine)을 포함하여 구성한다.Typically, a gas turbine engine utilized for aircraft or industrial use includes a compressor for compressing air in multiple stages, a combustor for injecting fuel into the high pressure air supplied from the compressor, and a combustor generated from the combustor. It is configured to include a turbine (turbine) for generating power using the combustion gas of high temperature and high pressure.

상기 연소기로 유입되는 공기는 압축기에 의해 다단 압축되어 고온 고압의 상태를 유지하며, 상기 연소기로 분사되는 연료는 무화 과정을 통해 고온 고압의 공기와 혼합되어 연소된다. 이때, 상기 연료와 공기의 혼합비 및 연료의 무화 효율은 엔진의 연소 효율, 균일한 출구 온도 분포 및 균일한 벽면 온도를 결정짓는 요소로써, 가스 터어빈 엔진의 열효율 및 배기 가스에 의한 공기 오염에 결정적인 영향을 미친다.The air flowing into the combustor is compressed in multiple stages by a compressor to maintain a high temperature and high pressure, and the fuel injected into the combustor is mixed with the high temperature and high pressure air through the atomization process and combusted. In this case, the mixing ratio of the fuel and air and the atomization efficiency of the fuel are factors that determine the combustion efficiency of the engine, the uniform outlet temperature distribution and the uniform wall temperature, and have a decisive effect on the thermal efficiency of the gas turbine engine and air pollution by the exhaust gas. Crazy

특히, 상기 연료 인젝터는 연료 공급 장치로부터 공급된 연료를 연소기 안에 분사시키는 것으로서, 주로 초기 시동시 연료가 분사되는 파일럿 노즐(pilot nozzle)과 정상 운행시 연료가 분사되는 메인 노즐(main nozzle)로 구성된다.In particular, the fuel injector injects fuel supplied from the fuel supply device into the combustor, and is mainly composed of a pilot nozzle for injecting fuel at initial startup and a main nozzle for injecting fuel during normal operation. do.

도 1은 종래의 실시예에 따른 연료 인젝터를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 실시예에 따른 연료 인젝터(100)는 인젝터 바디(110), 노즐 오리피스(120), 스월링 챔버(130), 스프링(140), 필터링 메쉬(150), 커버(160), 록킹 와셔(170), 와셔(180) 및 슈라우드(190)를 포함한다.1 is a cross-sectional view showing a fuel injector according to a conventional embodiment. As shown in FIG. 1, a fuel injector 100 according to a conventional embodiment includes an injector body 110, a nozzle orifice 120, a swirling chamber 130, a spring 140, a filtering mesh 150, and a cover. 160, locking washer 170, washer 180, and shroud 190.

상기 연료 인젝터(100)의 작동을 살펴보면, 연료의 무화 성능을 향상시키기 위해 연료 펌프를 이용하여 연료를 고압으로 가압한 후 노즐 오리피스(120)를 통해 분출하며, 이와 동시에 상기 연료 인젝터(100) 주위에는 슈라우드 에어(shroud air)를 공급함으로써 연료의 연소에 의해 발생한 카본(carbon)이 연료 인젝터(100)의 팁(tip)에 적치되는 것을 막는다.Looking at the operation of the fuel injector 100, in order to improve the atomization performance of the fuel to pressurize the fuel to a high pressure by using a fuel pump and ejected through the nozzle orifice 120, at the same time around the fuel injector 100 By supplying shroud air to the carbon (carbon) generated by the combustion of the fuel (carbon) is prevented from being deposited on the tip of the fuel injector (100).

그러나, 종래의 실시예에 따른 연료 인젝터는 연료의 분무각이 작아 연료의 무화 효율이 낮을 뿐만 아니라 연소기 내에 국부적인 고온 영역이 생겨 연료 인젝터가 과열되는 현상이 발생하므로, 연료의 분무각을 넓히기 위한 연료 인젝터 구조가 요구되어 왔다.
However, the fuel injector according to the conventional embodiment has a low atomization efficiency of the fuel and a low atomization efficiency of the fuel, as well as a local high temperature region in the combustor occurs, the fuel injector is overheated, so as to widen the spray angle of the fuel Fuel injector structures have been required.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 연료의 무화 효율을 향상시키고, 연소기 내에 국부적으로 고온 영역이 발생하는 것을 억제하기 위한 스월러를 구비한 연료 인젝터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel injector having a swirler for improving the atomization efficiency of fuel and suppressing the occurrence of a high temperature region locally in the combustor.

또한, 본 발명의 목적은 연료 인젝터의 분무각을 확대시켜 연소기 출구 온도의 분포를 균일하게 하고, 그에 따라 연소기의 연소 효율을 높이기 위한 스월러를 구비한 연료 인젝터를 제공하는데 있다.It is also an object of the present invention to provide a fuel injector with a swirler for increasing the spray angle of the fuel injector to make the distribution of the combustor outlet temperature uniform, thereby increasing the combustion efficiency of the combustor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 인젝터에 있어서, 연료를 분출하는 노즐 오리피스를 구비한 인젝터 바디와; 상기 인젝터 바디의 하단에 장착되며 상기 노즐 오리피스 주위에 슈라우드 에어를 공급하는 슈라우드와; 상기 인젝터 바디와 슈라우드 사이에 형성한 유로와; 상기 유로상에 설치되며 유로를 통 과하는 슈라우드 에어에 스월 성분을 제공하는 이너 스월러를 포함함을 특징으로 하는 스월러를 구비한 연료 인젝터를 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel injector, comprising: an injector body having a nozzle orifice for ejecting fuel; A shroud mounted at a lower end of the injector body and supplying shroud air around the nozzle orifice; A flow path formed between the injector body and the shroud; Provided is a fuel injector with a swirler is installed on the flow path and comprises an inner swirler for providing a swirl component to the shroud air passing through the flow path.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터의 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터를 나타낸 내부 구성도이다.Figure 2 is an exploded perspective view of a fuel injector with a swirler according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 3 is an internal configuration showing a fuel injector with a swirler according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터(200)는 크게 인젝터 바디(210), 노즐 오리피스(220), 이너 스월러(inner swirler, 230) 및 슈라우드(240)를 포함한다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the fuel injector 200 having the swirler according to the preferred embodiment of the present invention has an injector body 210, a nozzle orifice 220, and an inner swirler 230. ) And shroud 240.

상기 인젝터 바디(210)는 인젝터를 구성하는 내부 부품을 보호하는 골격이다. 상기 인젝터 바디(210)는 연소기 상부에 설치된 캡에 나사 등의 체결품으로 고정된다. 또한, 상기 인젝터 바디(210)와 슈라우드(240) 사이에는 슈라우드 에어가 통과하는 유로(212)가 형성된다.The injector body 210 is a skeleton for protecting the internal components constituting the injector. The injector body 210 is fixed with a fastener such as a screw to the cap installed on the upper combustor. In addition, a flow path 212 through which shroud air passes is formed between the injector body 210 and the shroud 240.

상기 노즐 오리피스(220)는 연료 펌프로부터 가압되어 공급된 연료를 연소기 내로 분출한다. 상기 노즐 오리피스(220)는 인젝터 바디(210)의 하단에 설치되며, 슈라우드(240)의 분사홀(242)을 통해 연료를 분사한다.The nozzle orifice 220 ejects the fuel supplied by pressurization from the fuel pump into the combustor. The nozzle orifice 220 is installed at the lower end of the injector body 210 and injects fuel through the injection hole 242 of the shroud 240.

상기 이너 스월러(230)는 인젝터 바디(210)와 슈라우드(240) 사이에 형성한 유로(212) 상에 설치된다. 상기 이너 스월러(230)는 유로(212)를 통과하는 슈라우드 에어에 스월 속도 성분을 제공한다. 상기 이너 스월러(230)는 인젝터 바디(210)의 원주 방향에 걸쳐 형성한 다수개의 스월 가이드(swirl guide, 232)와, 상기 스월 가이드(232) 사이에 형성한 스월 그루브(swirl groove, 234)로 이루어진다. 상기 스월 가이드(232) 및 스월 그루브(234)는 인젝터 바디(210)의 축방향에 대해 각각 미리 설정된 각도만큼 경사지게 형성한다. 상기 스월 가이드(232) 및 스월 그루브(234)의 경사 각도는 노즐 오리피스(220)의 분사능 등 연료 인젝터(200)의 자체 특성과, 스월 가이드(232) 및 스월 그루브(234)의 길이 등을 고려하여 결정한다. The inner swirler 230 is installed on a flow path 212 formed between the injector body 210 and the shroud 240. The inner swirler 230 provides a swirl velocity component to the shroud air passing through the flow path 212. The inner swirler 230 includes a plurality of swirl guides 232 formed over the circumferential direction of the injector body 210, and a swirl groove 234 formed between the swirl guides 232. Is made of. The swirl guide 232 and the swirl groove 234 are each formed to be inclined by a predetermined angle with respect to the axial direction of the injector body 210. The inclination angles of the swirl guide 232 and the swirl groove 234 may be used to determine the characteristics of the fuel injector 200, such as the injection ability of the nozzle orifice 220, and the length of the swirl guide 232 and the swirl groove 234. Decide by considering.

상기 슈라우드(240)는 인젝터 바디(210)의 하단에 장착되며, 상기 노즐 오리피스(220) 주위에 슈라우드 에어를 공급한다. 상기 슈라우드(240)는 하단 일측에 연료가 분사되는 분사홀(242)을 가진다.The shroud 240 is mounted to the lower end of the injector body 210 and supplies shroud air around the nozzle orifice 220. The shroud 240 has an injection hole 242 in which fuel is injected to one side of the lower end.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터의 연료 분사 과정을 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, look at the fuel injection process of the fuel injector with a swirler according to an embodiment of the present invention.

상기 이너 스월러(230)를 통과하는 슈라우드 에어는 도 3의 화살표로 나타낸 바와 같이 각각 경사진 스월 그루브(234)를 통과하면서 강력한 스월 속도 성분을 가지게 된다. 이어, 스월 속도 성분을 가진 슈라우드 에어는 슈라우드를 빠져 나가 노즐 오리피스(220)에서 분사된 연료 스프레이와 상호 작용을 일으켜 연료의 분무각(β)을 확대시킨다. The shroud air passing through the inner swirler 230 has a strong swirl velocity component as it passes through the inclined swirl groove 234, respectively, as indicated by the arrows in FIG. The shroud air with swirl rate component then exits the shroud and interacts with the fuel spray injected from the nozzle orifice 220 to enlarge the spray angle β of the fuel.                     

이와 같이 연료의 분무각(β)이 확대됨으로써 연소기 내에 국부적으로 고온 영역이 발생하지 않게 되고, 그와 동시에 연료의 무화에 도움을 주어 연료 무화 효율을 높인다. 또한, 상기 이너 스월러(230)를 통과한 슈라우드 에어는 간접적인 대류 열전달에 의해 연료 인젝터(200)의 과열을 방지한다.
In this way, the spray angle β of the fuel is enlarged so that a high temperature region does not occur locally in the combustor, and at the same time, it helps to atomize the fuel and increases the fuel atomization efficiency. In addition, the shroud air passing through the inner swirler 230 prevents overheating of the fuel injector 200 by indirect convective heat transfer.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터는 슈라우드 에어에 스월 속도 성분을 강제적으로 부여함으로써 연료의 무화 효율이 향상되고, 연소기 내에 국부적인 고온 영역이 발생되는 것을 억제하여 연소기 출구 온도의 분포를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.As described above, the fuel injector having the swirler according to the embodiment of the present invention improves the atomization efficiency of the fuel by forcibly applying the swirl velocity component to the shroud air, thereby suppressing the occurrence of a local high temperature region in the combustor. There is an effect that the distribution of the combustor outlet temperature can be made uniform.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스월러를 구비한 연료 인젝터는 연료 인젝터의 팁에 카본이 적치되는 것을 막아 연료 인젝터의 특성 저하를 방지함으로써 사용 수명을 연장하는 효과가 있다.In addition, the fuel injector with a swirler according to the embodiment of the present invention has the effect of preventing the carbon deposited on the tip of the fuel injector to prevent deterioration of the characteristics of the fuel injector, thereby extending the service life.

Claims (3)

연료 인젝터에 있어서,In the fuel injector, 연료를 분출하는 노즐 오리피스를 구비한 인젝터 바디와;An injector body having a nozzle orifice for ejecting fuel; 상기 인젝터 바디의 하단에 장착되며 상기 노즐 오리피스 주위에 슈라우드 에어를 공급하는 슈라우드와;A shroud mounted at a lower end of the injector body and supplying shroud air around the nozzle orifice; 상기 인젝터 바디와 슈라우드 사이에 형성한 유로와;A flow path formed between the injector body and the shroud; 상기 유로상에 설치되며 유로를 통과하는 슈라우드 에어에 스월 성분을 제공하는 이너 스월러를 포함함을 특징으로 하는 스월러를 구비한 연료 인젝터.And an inner swirler installed on the flow path and providing a swirl component to the shroud air passing through the flow path. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이너 스월러는 인젝터 바디의 원주 방향에 걸쳐 형성한 다수개의 스월 가이드와, 상기 스월 가이드 사이에 형성한 스월 그루브로 이루어짐을 특징으로 하는 스월러를 구비한 연료 인젝터.The inner swirler is a fuel injector with a swirler, characterized in that it consists of a plurality of swirl guides formed over the circumferential direction of the injector body, and swirl grooves formed between the swirl guides. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 스월 가이드 및 스월 그루브는 인젝터 바디의 축방향에 대해 각각 미리 설정된 각도만큼 경사지게 형성함을 특징으로 하는 스월러를 구비한 연료 인젝터.And the swirl guide and the swirl groove are inclined by a predetermined angle with respect to the axial direction of the injector body, respectively.
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