KR101165604B1 - 가스터빈 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 연소기에 관한 것으로서, 일측에 연료가 분사되는 연료분사노즐이 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이싱; 케이싱의 내부에 케이싱과 동축적으로 배치되되 케이싱과의 사이에 연소용 공기의 공기유동공간을 형성하며, 내부에서 연료와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너; 및 케이싱과 라이너 사이의 공기유동공간에 마련되어 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부를 포함한다. 이에 의해, 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기(combustion air)의 유동을 균일하게 유도하여 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있다.

Description

가스터빈 연소기{Gas turbine combustor}

본 발명은, 가스터빈 연소기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기(combustion air)의 유동을 균일하게 유도하여 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있는 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

가스터빈(gas turbine)은 고온/고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다. 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있다.

가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어, 여기서 연료를 분산해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온/고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25% 내지 30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기, 프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.

한편, 가스터빈 연소기는 가스터빈에서, 압축기를 나온 고압공기에 연료를 분사하여 혼합하고, 이것을 연소시켜 가열하는 내연식 가열장치이다.

정치용(定置用) 가스터빈의 연소기에서 노즐로부터 분사된 연료분무는 노즐 주변의 선회기를 거쳐 유입하는 선회 공기류와 혼합되어 연소된다. 이어서 연소가스는 혼합실에서 라이너의 공기구멍으로 들어오는 2차 공기에 의해 희박해져서, 터빈의 허용 가스온도(650~950 ℃)까지 냉각된 후 터빈으로 보내진다. 형식으로는 공기가 라이너의 주위를 역류하는 형식이 많다.

제트기관의 연소기도 정치용의 것과 큰 차이는 없으나, 특히 흐름손실이 적은 것으로서 직류형이 전적으로 사용되며, 독립된 통형 연소기를 원주에 배치한 것이나 고리 모양을 한 것, 혹은 고리 모양의 내부에 독립된 통형 연소기를 배치한 환상통형의 것 등이 개시되고 있는데, 일반적으로는 환상통형 연소기가 널리 사용되고 있다.

이러한 가스터빈 연소기는 연료를 완전히 연소시킬 것, 압력손실이 적을 것, 연소용 공기의 넓은 혼합비 범위에 걸쳐 항상 안정된 연소를 할 것 등의 다양한 조건이 요구되며, 최근에는 매연이나 유독가스(이산화황, 질소산화물 등)에 대한 배기가스 규제가 엄격해지고 있으므로 이에 대한 고려도 해야 한다.

따라서 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기(combustion air)의 유동을 균일하게 유도할 경우, 상기 조건들을 만족시킬 수 있을 것이라 예상되므로 이에 대한 지속적인 연구 개발이 요구된다.

본 발명의 목적은, 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기(combustion air)의 유동을 균일하게 유도하여 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 일측에 연료가 분사되는 연료분사노즐이 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 상기 케이싱과 동축적으로 배치되되 상기 케이싱과의 사이에 상기 연소용 공기의 공기유동공간을 형성하며, 내부에서 상기 연료와 상기 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너; 및 상기 케이싱과 상기 라이너 사이의 공기유동공간에 마련되어 상기 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부를 포함하는 가스터빈 연소기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 케이싱은 상기 연료분사노즐이 결합되는 제1 케이싱부분; 및 상기 제1 케이싱부분과 플랜지(flange) 결합되는 제2 케이싱부분을 포함할 수 있으며, 상기 공기유동 균일 유도부는 상기 제1 및 제2 케이싱부분 사이 영역에 배치될 수 있다.

상기 공기유동 균일 유도부는, 상기 케이싱의 길이 방향에 교차되는 방향을 따라 상기 케이싱의 내부에 마련되는 격판부재; 및 상기 격판부재의 판면에 형성되는 다수의 공기유동홀을 포함할 수 있다.

상기 격판부재의 중앙 영역에는 상기 라이너가 통과되는 라이너 통과공이 더 형성될 수 있으며, 상기 다수의 공기유동홀은 상기 라이너 통과공을 축심으로 하여 원주 방향을 따라 다수 개 배치될 수 있다.

상기 다수의 공기유동홀은 상기 격판부재의 원주 방향을 따라 상호간 등각도 간격을 가지고 규칙적으로 배열될 수 있다.

상기 격판부재는 상기 공기유입부 쪽을 향해 평면 렌즈(lens) 형상을 가질 수 있다.

상기 공기유동홀의 직경은 35mm 초과, 95mm 이하일 수 있다.

상기 공기유동홀의 개수는 8개 이상일 수 있다.

상기 연료분사노즐은, 액체 연료가 주입되는 액체 주입부; 상기 액체 주입부로 주입된 액체 연료를 분사 영역으로 분사시키는 분사부; 상기 액체 주입부를 둘러싼 형태로 형성되며, 가스 연료가 주입되는 가스 주입부; 및 상기 연료분사노즐과 동축적으로 배치되고, 상기 가스 주입부로 주입된 가스 연료를 상기 분사 영역으로 이동시키는 다수의 가스 유동홀들을 포함하는 가스이동경로;를 포함할 수 있다.

상기 연료분사노즐은, 상기 가스이동경로의 일부에 둘러싸인 형태로 형성되며, 상기 공기유동공간을 통해 유입되는 연소용 공기가 상기 분사 영역으로 이동되는 통로를 제공하는 공기 유입홀;을 더 포함할 수 있다.

상기 분사부는 다수의 노즐들을 이용하여 상기 액체 연료를 상기 분사 영역으로 분사시키며, 상기 분사 영역과 상기 라이너가 연결되는 위치에서 상기 액체 연료, 상기 가스 연료 및 상기 연소용 공기는 점화될 수 있다.

본 발명에 따르면, 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기(combustion air)의 유동을 균일하게 유도하여 연소용 공기의 균일도를 향상시킴으로써 가스터빈 연소기의 연료/공기 혼합가스를 완전히 연소시킬 수 있을 뿐만 아니라 압력손실을 감소시킬 수 있고, 나아가 연소용 공기의 넓은 혼합비 범위에 걸쳐 항상 안정된 연소를 이끌어낼 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 개략적인 측면 구조도,
도 2는 도 1의 A 영역의 확대 분해 사시도,
도 3은 공기유동 균일 유도부의 정면 구조도,
도 4는 공기유동홀의 직경에 따른 속도분포 유동 해석 그래프,
도 5는 도 1의 연료분사노즐의 단면을 개략적으로 도시한 단면 구조도,
도 6a는 도 5의 연료분사노즐을 A-A' 방향으로 절단한 경우의 단면 구조도,
도 6b는 도 5의 연료분사노즐을 A-A' 방향으로 절단한 경우의 단면 구조도이되, 공기 유입홀(56)이 한 개 마련된 경우의 단면 구조도,
도 7은 도 1의 연료분사노즐의 실제 내부 사진,
도 8은 도 1의 연료분사노즐 중 분사부의 단면 구조도,
도 9는 도 5의 연료분사노즐의 일 실시예를 설명하기 위한 단면 구조도,
도 10은 연료분사노즐을 사용함으로써 감소되는 소음의 일 예를 보여주는 도면, 그리고
도 11의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 유속 분포 결과를 보여주는 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 개략적인 측면 구조도, 도 2는 도 1의 A 영역의 확대 분해 사시도, 도 3은 공기유동 균일 유도부의 정면 구조도, 그리고 도 4는 공기유동홀의 직경에 따른 속도분포 해석 그래프이다.

이들 도면을 참조하되 주로 도 1을 참조하면, 본 실시예의 가스터빈 연소기는, 크게 케이싱(10), 라이너(20) 및 공기유동 균일 유도부(30)를 포함할 수 있다.

케이싱(10)은 본 실시예의 가스터빈 연소기에서 외관을 형성하는 부분이다. 고온 및 고압에 견딜 수 있는 강성 및 내부식성이 우수한 금속 재질로 제작될 수 있으며, 대략 원통구조를 가질 수 있다.

이러한 케이싱(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 케이싱부분(11)과 제2 케이싱부분(12)으로 분리되어 제작될 수 있으며, 제1 케이싱부분(11)과 제2 케이싱부분(12)은 플랜지(flange) 결합될 수 있다.

즉 제1 및 제2 케이싱부분(11,12)에 각각 형성된 제1 및 제2 플랜지(13,14)에 형성된 통공(13a,14a)들로 볼트(B)를 삽입하여 반대편에서 너트(N)로 체결함으로써 제1 및 제2 케이싱부분(11,12)은 결합될 수 있다.

제1 및 제2 케이싱부분(11,12)의 결합 시 제1 및 제2 플랜지(13,14) 사이에 기밀유지를 위한 개스킷(gasket)이 더 배치될 수 있다.

제1 케이싱부분(11)과 제2 케이싱부분(12)의 결합에 의해 형성될 수 있는 케이싱(10)의 일측, 다시 말해 제1 케이싱부분(11) 쪽에는 연료가 분사되는 연료분사노즐(40)이 결합된다. 그리고 케이싱(10)의 타측, 다시 말해 제2 케이싱부분(12) 쪽에는 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부(50)가 형성된다.

연료분사노즐(40)은 라이너(20)내의 연소실(20a)로 연료를 분사시키기 위한 것으로 공기유입부(50)에서 멀리 떨어져 설치된다.

연료분사노즐(40)의 단부 측에는 도 1의 화살표 방향으로 유동되면서 그 온도가 상승된 공기를 연료분사노즐(40)의 분사 측으로 유도하는 선회기(41)가 마련된다. 선회기(41)에는 공기의 유입을 위한 다수의 슬롯(41a)이 형성된다.

별도의 독립된 제품 형태로 제작되는 연료분사노즐(40)과는 달리 공기유입부(50)는 제2 케이싱부분(12)의 일측에서 제2 케이싱부분(12)의 길이 방향에 교차되는 방향으로 형성되는 홀(hole) 쪽에 마련되는데, 이러한 공기유입부(50) 쪽에는 별도의 컴프레서가 연결될 수 있다.

라이너(20)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(20a)을 형성한다.

이러한 라이너(20)는 케이싱(10)의 내부에 케이싱(10)과 동축적으로 배치되되 케이싱(10)과의 사이에 연소용 공기의 공기유동공간(S)을 형성한다. 즉 라이너(20)는 케이싱(10)보다는 부피가 작게 형성되어 케이싱(10)의 내부에 케이싱(10)과 동축적으로 결합된다.

따라서 라이너(20)와 케이싱(10) 사이에는 일정한 공간(S)이 형성되는데, 이 공간(S)을 통해 공기유입부(50)에서 제공되는 연소용 공기가 유동된다.

본 실시예의 경우, 라이너(20)가 케이싱(10)의 내부에 결합되는 구조를 개시하였지만 라이너(20)가 제2 케이싱부분(12)에 일체로 마련되어 제1 케이싱부분(11)과 제2 케이싱부분(12)이 결합될 때, 라이너(20)가 내부에 배치되도록 구성할 수도 있을 것이다.

단면 구조로 도시된 도 1에는 도시되지 않았지만 라이너(20)의 외벽에는 다수의 홀(hole)이 더 형성될 수 있다. 다수의 홀 중에서 상류측에 배치된 것은 주연소 용도로 사용될 수 있고, 하류측에 배치된 것은 희석 용도로 사용될 수 있다. 희석 용도로 사용되는 홀들은 질소산화물(NOx)등의 저감 발생을 위한 것으로서, 이미 연소가 끝난 후 온도를 낮춤과 동시에 연소기 출구온도분포를 균일하게 하기 위한 용도일 수 있다.

한편, 공기유동 균일 유도부(30)는 케이싱(10)과 라이너(20) 사이의 공기유동공간(S)에 마련되어 도 1의 화살표 방향을 따라 유동되는 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 역할을 한다.

이러한 공기유동 균일 유도부(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 케이싱부분(11)과 제2 케이싱부분(12) 사이에 배치될 수 있다.

도 2를 참조하여 공기유동 균일 유도부(30)에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 공기유동 균일 유도부(30)는, 케이싱(10)의 길이 방향에 교차되는 방향을 따라 제1 케이싱부분(12)의 내부에 마련되는 격판부재(31)와, 격판부재(31)의 판면에 형성되는 다수의 공기유동홀(32)을 포함할 수 있다.

격판부재(31)는 케이싱(10)의 내부공간에 배치되는 금속 재질의 판 구조물이다. 본 실시예의 경우, 격판부재(31)는 평평한 판상의 플레이트 구조물이 아닌 공기유입부(50) 쪽을 향해 평면 렌즈(lens) 형상을 가질 수 있다.

격판부재(31)가 평면 렌즈(lens) 형상을 가짐으로써 도 1의 화살표 방향을 따라 유동되는 연소용 공기가 격판부재(31)의 판면에 부딪힐 때, 반대 방향으로 향하면서 공기의 흐름을 지연시키는 현상을 줄일 수 있다. 격판부재(31)는 제1 케이싱부분(11)에 결합될 수도 있고, 일체형으로 형성될 수도 있다.

격판부재(31)의 중앙 영역에는 라이너(20)가 통과되는 라이너 통과공(33)이 더 형성되는데, 다수의 공기유동홀(32)은 다수의 공기유동홀(32)을 축심으로 하여 원주 방향을 따라 다수 개 배치된다.

특히, 본 실시예에서 다수의 공기유동홀(32)은 격판부재(31)의 원주 방향을 따라 상호간 등각도 간격을 가지고 규칙적으로 배열됨으로써 연소용 공기의 유동이 균일하게 유도될 수 있어 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있다.

게다가 공기유입부(50) 쪽에서 케이싱(10)의 내부로 유입되는 공기는 라이너(20)와 케이싱(10) 사이의 공간(S)에서 라이너(20)의 외부, 즉 연소실(20a)의 외부를 감싸면서 공급되기 때문에 공급 공기의 가열뿐만 아니라 외벽 보호용으로도 사용이 가능하다는 추가의 이점이 있다.

공기유동홀(32)의 직경은 35mm 초과, 95mm 이하일 수 있으며, 그 개수는 8개 이상일 수 있다.

본 발명적 개념의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 75mm의 직경을 갖는 12개의 공기유동홀을 적용하고 있으며, 유속 균일도를 보다 향상시키기 위해서 공기유동홀 개수를 증가(8개에서 12개로)시켰고, 격판부재의 면적을 유지하기 위해서 공기유동홀의 직경도 95mm에서 75mm로 변경할 수 있다. 이렇게 변경함으로써, 홀 출구를 통해서 유출되는 평균 유속의 속도 편차가 보다 감소될 수 있다. 도 11의 (a)과 (b)는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 유속 분포 결과를 보여주는 도면이며, 이들 도면을 참조하면, 공기유동홀의 직경과 공기유동홀의 개수를 조절함에 따른 유속의 균일도 향상의 효과를 이해할 수 있을 것이다.

상술한 실시예는 예시적인 것들에 불과하며, 연소용 공기의 균일도 향상을 위해서는 공기유동홀(32)의 크기에 대한 유동해석을 수행하여 공기유동홀(32) 면적비를 토출할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기유동홀(32)과 격판부재(31)간의 면적 비율을 조절하여 공기의 속도균일성을 향상시킬 수 있다. 공기유동홀(32)의 면적이, 격판부재(31)의 면적의 5% 이상 ~ 25% 이하의 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

도 4를 참조하면, 공기 유동홀의 면적/격판부재(B/A)의 면적의 비율을 변화시킨 결과를 나타낸 것으로서, 공기유동홀(32)의 직경을 35mm에서부터 70mm 및 95mm로 증가시킬수록 공기의 속도균일성은 증가하는 것으로 관찰되고 있다. 여기서, 직경이 35mm 인 경우는 B/A의 비율이 5 % 미만인 경우이고, 직경이 70mm와 95mm 인 경우는 B/A의 비율이 5 % 이상 ~ 25% 이하인 경우에 해당한다.

도 4의 해석결과에 나타난 것처럼, 공기유동홀(32)의 직경이 35mm 보다는 70mm 및 95mm로 증가한 경우가 보다 균일한 속도분포가 형성되는 것을 알 수 있다. 이처럼, 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도함으로써 연료/공기 혼합가스를 완전히 연소시킬 수 있을 뿐만 아니라 압력손실을 감소시킬 수 있고, 나아가 연소용 공기의 넓은 혼합비 범위에 걸쳐 항상 안정된 연소를 이끌어낼 수 있다.

그러면 격판부재(31)의 면적과 연소용 공기의 속도는 그대로 유지하면서도 유속균일도 향상을 기대할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 가스터빈 연소기의 동작에 대해 알아보면 다음과 같다.

연료분사노즐(40)을 통해 연료가 고압으로 분사되고, 동시에 고압의 공기가 공기유입부(50)를 통해 케이싱(10)과 라이너(20) 사이의 공기유동공간(S)을 통해 유입된다.

이처럼 공기유입부(50) 쪽에서 케이싱(10)의 내부로 유입되는 공기는 라이너(20)와 케이싱(10) 사이의 공기유동공간(S)에서 라이너(20)의 외부, 즉 연소실(20a)의 외부를 감싸면서 공급되기 때문에 공급 공기는 가열될 수 있다.

특히, 공기유동공간(S)을 지나는 공기는 격판부재(31)에 형성되는 다수의 공기유동홀(32)을 통해 분산되어 실질적으로 균등하게 유동됨으로써 연소용 공기의 유동이 균일하게 유도될 수 있다. 따라서 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있다.

한편, 격판부재(31)를 지나면서 균일하게 유동되는 공기, 특히 가열된 공기는 선회기(41)로 향하게 되고, 선회기(41)를 통과하면서 스월(swirl)작용에 의해 연료와 공기의 혼합이 촉진된 다음, 라이너(20) 내의 연소실(20a) 내에서 화염을 일으켜 연소된다.

이와 같은 구조와 동작을 갖는 본 실시예의 가스터빈 연소기는 종래의 통상적인 가스터빈 연소기와는 달리 연소용 공기가 유동하는 케이싱(10) 내에 공기유동홀(32)을 구비하는 공기유동 균일 유도부(30)가 마련됨에 따라 가스터빈 연소기의 각 부분에 공급되는 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도할 수 있어 연소용 공기의 균일도를 향상시킬 수 있다.

따라서 연료/공기 혼합가스를 완전히 연소시킬 수 있을 뿐만 아니라 압력손실을 감소시킬 수 있고, 나아가 연소용 공기의 넓은 혼합비 범위에 걸쳐 항상 안정된 연소를 이끌어낼 수 있게 된다.

한편, 도 5는 도 1의 연료분사노즐의 단면을 개략적으로 도시한 단면 구조도이다.

도 5에 도시된 연료분사노즐(40)은 내부가 비어있는 판을 나팔 또는 콘(cone) 모양으로 폴딩한 형태를 가지며, 폴딩에 의해 만나는 판의 양 끝부분, 즉, 폴딩에 의해 중첩되는 판의 양 끝 부분은 공간이 형성되도록 서로 이격될 수 있다. 형성된 공간은 후술할 연소용 공기(Combustion Air)가 유입되는 경로(예를 들어, 후술할 공기 유입홀(56))로 사용되고, 판의 비어있는 내부는 가스 연료가 유입되어 이동하는 가스이동경로(예를 들어, 후술할 가스이동경로(54))로 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 연료분사노즐(40)은 액체 주입부(51), 분사부(52), 가스 주입부(53) 및 가스이동경로(54)를 포함한다.

액체 주입부(51)는 액체 연료(Liquid Fuel)가 주입되는 입구이다. 액체 주입부(51)로 주입되는 액체 연료는 분사부(52)로 유입된다.

분사부(52)는 액체 주입부(51)로 주입되어 유입된 액체 연료를 분사 영역(N)으로 분사시킨다. 분사부(52)는 다수의 노즐들(52a)을 포함하므로, 액체 연료는 다수의 노즐들에 의해 분사 영역(N)으로 증발되듯이 분사(Spray Evaporation)될 수 있다.

가스 주입부(53)는 액체 주입부(51)를 둘러싼 형태로 형성되며, 가스 연료(Gaseous Fuel)가 주입된다. 가스 주입부(53)로 주입되는 가스 연료는 가스이동경로(54)를 통해 이동될 수 있다.

가스이동경로(54)는 연료분사노즐(40)과 동축적으로 배치된다. 가스이동경로(54)는 가스 주입부(53)로 주입된 가스 연료를 이동시키는 경로를 제공하며, 분사 영역(N)을 향하는 부분에 가스 연료를 분사 영역(N)으로 유입시키는 다수의 가스 유동홀들(Gas Injection Holes, 55)을 포함할 수 있다. 다수의 가스 유동홀들(55)은 도 5에 도시된 바와 같이 길이방향을 따라 배열되거나 또는 도 6a에 도시된 바와 같이 나팔 형태의 원주방향을 따라 배열될 수 있다.

또한, 가스이동경로(54)의 하단에는 공기 또는 순산소(이하, ‘공기 또는 순산소’는 ‘연소용 공기‘라 한다)가 유입되는 공기 유입홀(56)이 마련될 수 있다. 공기 유입홀(56)은 상술한 바와 같이 판의 양단이 포개지는 부분을 소정 거리(설정된 거리)로 이격시킴으로써 만들어지는 공간일 수 있다. 여기서, 공기 유입홀(56)의 길이는 판이 포개지는 양단의 길이와 동일하거나 그 길이보다 작을 수 있다. 공기 유입홀(56)은 가스이동경로(54) 중 일부에 둘러싸인 형태로 형성되며, 공기유동공간(S)을 통해 유입되는 연소용 공기가 분사 영역(N) 내로 이동되는 통로를 제공할 수 있다.

분사부(52)에 의해 분사 영역(N)으로 분사되는 액체 연료, 다수의 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되는 가스 연료 및 후술할 공기 유입홀(56)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되는 연소용 공기는 분사 영역(N)에서 혼합되고, 혼합된 혼합물은 연료분사노즐(40)의 끝단, 즉, 분사 영역(N)과 라이너(20)가 연결되는 위치에서 점화(Ignition)될 수 있다.

도 6a는 도 5의 연료분사노즐을 A-A' 방향으로 절단한 경우의 단면 구조도이고, 도 6b는 도 5의 연료분사노즐을 A-A' 방향으로 절단한 경우의 단면 구조도이되, 공기 유입홀(56)이 한 개 마련된 경우의 단면 구조도이다.

도 6a를 참조하면, 연료분사노즐(40)은 두 개의 공기 유입홀(56)을 포함하고 있다. 연소용 공기는 두 개의 공기 유입홀들(56)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되며, 가스 연료는 가스이동경로(54)를 통해 이동되어 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 유입된다. 두 개의 공기 유입홀들(56) 중 하나는 가스이동경로(54)의 내면(54b)과 외면(54c) 사이에 마련된 공간에 형성되고, 다른 하나는 외면(54a)과 내면(54d) 사이에 마련된 공간에 형성됨을 알 수 있다. 외면(54a, 54c)과 내면(54b, 54d)은 연료분사노즐(40)의 외곽을 이루는 판이 중첩되도록 폴딩된 경우, 판의 외면과 내면일 수 있다.

도 6b를 참조하면, 연료분사노즐(40)은 한 개의 공기 유입홀(56)을 포함하고 있다. 연소용 공기는 공기 유입홀(56)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되며, 가스 연료는 가스이동경로(54)를 통해 이동되어 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 유입된다. 공기 유입홀(56)은 폴딩에 의해 판이 중첩된 부분 중 상부에 위치하는 내면(54b)과 중첩된 부분 중 하부에 위치하는 외면(54a) 사이에 마련된 공간에 형성됨을 알 수 있다.

도 7은 도 1의 연료분사노즐의 실제 내부 사진이다.

도 7을 참조하면, 연료분사노즐(40)의 내부 표면에는 분사부(52)의 표면(원으로 표시된 부분), 가스이동경로(54)에 형성되는 다수의 가스 유동홀들(55) 및 공기 유입홀(56)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 다수의 가스 유동홀들(55)은 도시된 바와 같이 가스이동경로(54)에 설정된 간격만큼 이격되어 형성될 수 있다. 공기 유입홀(56)은 판의 중첩되는 부분에 중첩되는 길이 방향을 따라 형성되므로, 도시된 바와 같이 직선 형태로 보여질 수 있다.

도 8은 도 1의 연료분사노즐 중 분사부의 단면 구조도이다.

도 8을 참조하면, 분사부(52)는 다수의 노즐들(52a)을 포함한다. 도 8에는 5개의 노즐들(52a)이 도시되어 있으나, 개수는 5개에 한정되지 않으면 5개 이상 또는 미만일 수 있다. 다수의 노즐들(52a)은 액체 연료를 미립자화(Atomization)하여 분사시키는 Swirl Nozzle 형태를 가질 수 있다.

도 9는 도 5의 연료분사노즐의 일 실시예를 설명하기 위한 단면 구조도이다.

도 9에서 도 5에 도시된 구성요소와 동일한 식별번호를 가지는 구성요소는 동일한 기능을 담당하거나 동일한 형태를 가질 수 있다.

도 9를 참조하면, 연료분사노즐(40)은 액체 주입부(51), 분사부(52), 가스 주입부(53), 가스이동경로(54), 다수의 가스 유동홀들(55), 공기 유입홀(56), 공기 배출홀(57) 및 다수의 희석용 공기홀들(58)을 포함한다.

액체 주입부(51)는 액체 연료가 주입되는 입구이다.

분사부(52)는 액체 주입부(51)로 주입되어 유입된 액체 연료를 분사 영역(N)으로 분사시킨다. 분사부(52)는 다수의 노즐들(52a)을 포함하며, 분사부(52)의 단면은 도 8과 같은 형태를 가질 수 있다.

가스 주입부(53)는 액체 주입부(51)를 둘러싼 형태로 형성되며, 가스 연료가 주입된다.

가스이동경로(54)는 연료분사노즐(40)과 동축적으로 배치되어, 가스 주입부(53)로 주입된 가스 연료를 이동시키는 경로를 제공할 수 있다. 가스이동경로(54)는 분사 영역(N)을 향하는 부분에 가스 연료를 분사 영역(N)으로 유입시키는 다수의 가스 유동홀들(55)을 포함할 수 있다. 다수의 가스 유동홀들(55)은 도 9에 도시된 바와 같이 길이방향을 따라 배열되거나 또는 도시되지는 않았으나 나팔 형태의 원주방향을 따라 배열될 수 있다.

또한, 가스이동경로(54)의 하단에는 연소용 공기가 유입되는 공기 유입홀(56)이 마련될 수 있다. 공기 유입홀(56)은 상술한 바와 같이 판의 양단이 포개지는 부분을 상하로 이격시킴으로써 만들어지는 공간일 수 있다. 공기 유입홀(56)은 가스이동경로(54)의 일부에 둘러싸인 형태로 형성되며, 공기유동공간(S)을 통해 유입되는 연소용 공기가 분사 영역(N) 내로 이동되는 통로를 제공할 수 있다.

분사부(52)에 의해 분사 영역(N)으로 분사되는 액체 연료, 다수의 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되는 가스 연료 및 공기 유입홀(56)을 통해 분사 영역(N)으로 유입되는 연소용 공기는 분사 영역(N)에서 혼합되고, 분사 영역(N)과 라이너(20)가 연결되는 위치에서 점화될 수 있다.

공기 배출홀(57)은 도 5에 도시된 다수의 공기 유입홀들(56)과는 다른 역할을 담당한다. 즉, 공기 배출홀(57)은 공기 유입홀(56)에 의해 분사 영역(N)으로 유입된 공기 중 산소를 제외한 공기가 외부로 배출되도록 하는 통로를 제공할 수 있다. 이는, 점화에는 공기 전부가 사용되지 않고 순산소만 사용되므로, 순산소 외의 기체는 외부로 배출시키는 역할을 하기 위함이다.

다수의 희석용 공기홀들(58)은 점화에 의해 생성되는 불꽃의 크기를 조절하기 위한 공기가 유입되는 통로를 제공할 수 있다. 따라서, 희석용 공기홀들(58)을 통해 유입되는 공기는 연소실(20a)로 유입되어 불꽃의 크기, 즉, 화력의 세기를 조정하는데 사용된다.

도 5 내지 도 9를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 연료분사노즐(40)은 액체 연료와 가스 연료를 서로 다른 경로를 통해 주입시킬 수 있다. 특히, 액체 연료는 다수의 노즐들(52a)을 통해 분사 영역(N)으로 분사시키고, 가스 연료는 다수의 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 유입시키며, 연소용 공기는 공기 유입홀(56)을 통해 분사 영역(N)으로 유입시킬 수 있다. 이에 의해, 연료분사노즐(40)은 가스터빈 연소기의 소음과 진동과 코팅온도가 감소되는 효과를 제공할 수 있다. 코팅온도는 연료분사노즐(40) 또는 가스터빈 연소기의 표면 온도이거나 다수의 희석용 공기홀들(58)이 마련되는 프레임의 온도일 수 있다.

도 10은 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명한 연료분사노즐을 사용함으로써 감소되는 소음의 효과의 일 예를 보여준다.

도 10의 (a)는 분사부(52)에 노즐들(52a)이 마련되지 않은 경우 기체 가스를 연료로 사용할 때, 가스터빈 연소기에서 발생하는 소음이 대략 -13dB임을 보여준다.

도 10의 (b)는 분사부(52)에 노즐들(52a)이 마련되지 않은 경우 기체 가스를 다수의 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 투입하여 연료로 사용할 때, 가스터빈 연소기에서 발생하는 소음이 대략 -16dB임을 보여준다. 도 10(b)를 계속 참조하면, 도 10(a)와 같이 기체 가스를 다수의 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 투입하며, 아울러 가스 유동홀들(55)을 통한 연료 분사 균일도를 향상시키기 위해서 가스 유동홀들(55)의 개수와 그 직경을 조절(예를 들면 32개에서 42개로 홀의 개수를 증가시켰고, 홀 직경을 1.5mm에서 1.3mm로 변경하였음)하였다. 여기서, 홀 직경은 연료홀 면적 유지를 위해서 조절되었다.

도 10의 (c)는 기체 가스를 분사부(52)에 구비된 3개의 노즐들(52a)을 통해 분사 영역(N)으로 분사하고, 도 10의 (b)에 적용한 가스 유동홀들(55)을 통해 분사 영역(N)으로 투입될 때, 가스터빈 연소기에서 발생하는 소음이 대략 -18dB임을 보여준다. 도 10의 (a)와 (c)에 도시된 결과를 비교하면 소음은 -13dB에서 -18dB로 약 40% 정도 감소되었음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 케이싱 11 : 제1 케이싱부분
12 : 제2 케이싱부분 20 : 라이너
20a : 연소실 30 : 공기유동 균일 유도부
31 : 격판부재 32 : 공기유동홀
33 : 라이너 통과공 40 : 연료분사노즐
50 : 공기유입부 51 : 액체 주입부
52 : 분사부 53 : 가스 주입부
54 : 가스이동경로 55 : 가스 유동홀
56 : 공기 유입홀 57 : 공기 배출홀
58 : 희석용 공기홀

Claims (10)

1. 일측에 연료가 분사되는 연료분사노즐이 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이싱;
   상기 케이싱의 내부에 상기 케이싱과 동축적으로 배치되되 상기 케이싱과의 사이에 상기 연소용 공기의 공기유동공간을 형성하며, 내부에서 상기 연료와 상기 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너; 및
   상기 케이싱과 상기 라이너 사이의 공기유동공간에 마련되어 상기 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부를 포함하며,
   상기 공기유동 균일 유도부는, 상기 케이싱의 길이 방향에 교차되는 방향을 따라 상기 케이싱의 내부에 마련되는 격판부재와, 상기 격판부재의 판면에 형성되는 다수의 공기유동홀을 포함하며, 상기 격판부재의 중앙 영역에는 상기 라이너가 통과되는 라이너 통과공이 더 형성되며, 상기 다수의 공기유동홀은 상기 라이너 통과공을 축심으로 하여 원주 방향을 따라 다수 개 배치되며,
   상기 연료분사노즐은, 액체 연료가 주입되는 액체 주입부, 상기 액체 주입부로 주입된 액체 연료를 분사 영역으로 분사시키는 분사부, 상기 액체 주입부를 둘러싼 형태로 형성되며, 가스 연료가 주입되는 가스 주입부, 및 상기 연료분사노즐과 동축적으로 배치되고, 상기 가스 주입부로 주입된 가스 연료를 상기 분사 영역으로 이동시키는 다수의 가스 유동홀들을 포함하는 가스이동경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 연료분사노즐이 결합되는 제1 케이싱부분; 및
   상기 제1 케이싱부분과 플랜지(flange) 결합되는 제2 케이싱부분을 포함하며,
   상기 공기유동 균일 유도부는 상기 제1 및 제2 케이싱부분 사이 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 공기유동홀은 상기 격판부재의 원주 방향을 따라 상호간 등각도 간격을 가지고 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공기유동홀의 직경은 35mm 초과, 95mm 이하인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 공기유동홀의 개수는 8개 이상인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 연료분사노즐은,
   상기 가스이동경로의 일부에 둘러싸인 형태로 형성되며, 상기 공기유동공간을 통해 유입되는 연소용 공기가 상기 분사 영역으로 이동되는 통로를 제공하는 공기 유입홀;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 분사부는 다수의 노즐들을 이용하여 상기 액체 연료를 상기 분사 영역으로 분사시키며, 상기 분사 영역과 상기 라이너가 연결되는 위치에서 상기 액체 연료, 상기 가스 연료 및 상기 연소용 공기는 점화되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.

Images