KR101326803B1 - 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기로써, 원통형 및 환형 연소기에 모두 적용 가능하며, 회전속도 제어가 가능한 회전식 분사장치를 저공해 가스터빈 연소기의 예 혼합기 내에 설치하여 엔진의 출력에 관계없이 낮은 연료 공급압력을 유지하면서도, 회전식 분사장치의 회전수를 조절하여 이때 발생하는 원심력으로 엔진의 출력과 상관없이 미세한 연료를 분사할 수 있도록 하여, 분사된 미세한 연료입자와 공기를 균일하게 혼합하여 연소기에 공급할 수 있는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기에 관한 것이다.
본 발명의 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기는, 연소실의 전방에 배치되어 상기 연소실과 연통되는 혼합관과; 상기 혼합관의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관의 내부에 연료를 분사하는 연료분사부와; 상기 연료분사부에 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 혼합관의 전방에 장착되어 상기 연료분사부의 주위에 배치되고, 상기 혼합관에 공기를 공급하는 제1선회기와; 상기 혼합관의 후방에 장착되어 상기 혼합관 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실로 배출시키는 제2선회기와; 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부를 회전시키는 모터; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기 { Fuel air premixer with rotary injector and gas turbine combustor with the same }

본 발명은 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기로써, 회전속도 제어가 가능한 회전식 분사장치를 저공해 가스터빈 연소기의 예 혼합기 내에 설치하여 엔진의 출력에 관계없이 낮은 연료 공급압력을 유지하면서도, 회전식 분사장치의 회전수를 조절하여 이때 발생하는 원심력으로 엔진의 출력과 상관없이 미세한 연료를 분사할 수 있도록 하여, 분사된 미세한 연료입자와 공기를 균일하게 혼합하여 연소기에 공급할 수 있는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

발전용 등에 이용되는 저공해 가스터빈 연소기는 저공해 특성이 매우 중요하며 이를 위해 이론혼합비 보다 연료농도가 낮은 희박 연료 공기 혼합비에서 연소하게 된다.

희박 연소시에는 연료농도가 낮아 연소 불안정이 발생할 수 있고, 불안정 연소로 화염이 꺼지는 경우도 발생 할 수 있다.

이러한 희박 연소를 위해서는 연료와 공기를 균일하게 혼합한 후 증발시켜 연소기로 공급하는 예 혼합기의 사용이 필수적으로 요구된다.

기존의 예 혼합기는 1개 또는 다수의 연료를 공급하는 압력식 분무노즐, 공기를 회전시키는 선회기, 그리고 연료와 공기를 혼합하는 혼합관으로 구성된다.

예 혼합기는 연료와 공기의 균일한 혼합 및 빠른 증발을 위해 미세한 연료입자를 필요로 하며, 미세연료입자를 얻기 위해서는 고압의 압력 분무식 연료노즐을 이용 하거나 또는 연료 분출공을 예 혼합기내 선회기 근처에 다수 설치하여 균일한 연료 공기 혼합가스를 만들게 된다.

이때, 압력 분무식 노즐의 경우 미세한 연료 입자 알갱이를 만들기 위해 과도한 연료공급 압력을 필요로 하게 된다.

또한, 균일한 연료 공기 혼합가스를 공급하기 위해 선회기 주위에 설치한 다수의 연료 분출공의 경우 장치가 매우 복잡하게 되어 제작 및 제어가 어려운 단점이 있다.

또한, 위 두 가지 경우 모두 가스터빈엔진의 정격부하에 맞추어 연료 분출오리피스 설계가 이루어져 부분 부하시 연료공급량이 줄어들 경우, 압력 분무식 노즐의 성능특성으로 인해 연료분사특성이 정격 부하시에 비해 악화되는 경우가 발생할 수 있다.

연료분무의 악화로 인해 부분 부하시에 연소기내에 화염의 불안정이 발생하여 소염되거나 또는 불균일한 연료 공기 혼합가스로 인해 불완전 연소가 발생하여 정격 부하시에 비해 다량의 공해가스가 배출되는 문제점이 일어날 수 있다.

즉, 가스터빈 엔진의 출력에 따라 연료량이 가감되며 이에 대응해서 기존의 압력식 분사기의 경우 연료공급압력을 조정하게 되며, 연료공급압력에 따라 분무입자의 크기가 변화하게 된다.

공개특허공보 제10-2006-0132297호에는 종래의 가스터빈엔진이 개시되어 있다.

도 1은 종래의 가스터빈엔진의 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 가스터빈엔진은, 흡입공기를 압축시키는 압축기(100); 연료를 공급하는 연료공급장치(430); 상기 압축기(100)에서 공급된 압축공기와 상기 연료공급장치(430)에서 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 주연소기(200); 상기 주연소기(200)에서 발생되어 배출되는 연소가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기(100)를 구동시키는 구동축(310)을 구비하며, 상기 주연소기(200)에서 발생되는 연소가스가 배출되는 터빈(300); 상기 터빈(300)의 연소가스가 배출되는 단부에 배치되며, 상기 터빈(300)으로부터 배출된 연소가스와 상기 연료공급장치(430)로부터 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 보조연소기(700); 상기 터빈(300)의 구동축으로부터 연장되는 구동축(310)에 의해 회전되며, 상기 보조연소기(700)에 연료를 분사하는 연료분사장치(400);로 이루어진다.

구체적으로 상기 연료공급장치(430)는 상기 주연소기(200)와 보조연소기(700)에 있는 회전식 연료분사장치(40,400)에 연료를 공급하며, 상기 연료분사장치(40,400)의 회전에 의한 원심력으로 연료가 분사된다.

그러나 이러한 종래의 가스터빈엔진은 상기 연료분사장치(40,400)가 상기 터빈(300)의 구동축으로부터 연장되어 상기 구동축(310)에 의해 회전하기 때문에, 상기 구동축(310)의 회전속도에 따라 상기 연료분사장치(40,400)의 회전속도가 가변되어 연료의 분사압력이 증가하거나 감소할 수 있다.

즉, 가스터빈 엔진 출력 저하시 상기 연료분사장치(40,400)의 연료분사압력의 저하에 따라 연료의 분무입자의 크기가 커지게 되며 이것은 연료 공기 혼합기의 혼합 및 증발이 원활하지 않게 되어 결국 연소기로 공급된 불균일한 혼합 가스는 연소 불안정을 일으킬 가능성이 있다.

또한, 종래의 가스터빈엔진은 상기 구동축(310) 상에 연료분사장치(40,400)가 위치하고 있어 환형 연소기(annular combustor)가 장착된 가스터빈에는 회전형 연료분사장치의 적용이 가능하나, 다수개의 원통형 연소기(can combustor)가 장착된 가스터빈에는 회전형 연료 분사장치를 적용할 수 없는 한계가 있다.

그리고 상기 연료공급장치(430)에서 각 상기 연료분사장치(40,400)로 연료를 공급하기 위해서는 상기 연료공급장치(430)에 연결된 연료공급라인(410)을 상기 구동축(310) 내부에 배치된 연료공급라인(412)과 연결해야 하지만, 상기 구동축(310)은 회전하고 있기 때문에 상기 연료공급라인(410,412)이 상기 구동축(310)과 함께 회전하지 않으면서 상기 구동축(310) 내부에 배치된 상기 연료공급라인(412)을 통해 상기 연료분사장치(40,400)에 연료를 공급하기 위한 별도의 구성이 필요하다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스터빈 엔진출력과 상관없이 독립적으로 구동되는 회전식 연료분사장치를 이용하여 항상 균일하고 미세하게 연료를 분사할 수 있으며, 구조가 간단하면서 회전하고 있는 연료분사장치에 연료를 공급할 수 있는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기는, 연소실의 전방에 배치되어 상기 연소실과 연통되는 혼합관과; 상기 혼합관의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관의 내부에 연료를 분사하는 연료분사부와; 상기 연료분사부에 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 혼합관의 전방에 장착되어 상기 연료분사부의 주위에 배치되고, 상기 혼합관에 공기를 공급하는 제1선회기와; 상기 혼합관의 후방에 장착되어 상기 혼합관 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실로 배출시키는 제2선회기와; 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부를 회전시키는 모터; 를 포함하여 이루어진다.

상기 연료분사부는, 일단이 상기 모터에 장착되어 회전하는 연료분사 노즐축과; 상기 연료분사 노즐축의 타단에 형성되어 상기 연료분사 노즐축을 중심으로 회전하고, 전방 또는 후방으로 개방된 수용홈이 형성되며, 측면에 연료분사 오리피스가 관통 형성된 분사몸체; 로 이루어지되, 상기 연료공급부는, 상기 분사몸체에서 상기 수용홈이 형성된 방향에 배치되고 상기 수용홈 방향으로 절곡되어, 상기 수용홈에 연료를 공급하며, 상기 수용홈에 공급된 연료는 상기 분사몸체의 회전에 의해 상기 연료분사 오리피스를 통해 상기 혼합관의 내부로 분사된다.

상기 수용홈은 상기 분사몸체에서 전방으로 개방 형성되고, 상기 연료공급부는 상기 분사몸체의 전방에 배치된다.

상기 분사몸체는, 원판형상으로 형성된 회전판과; 상기 회전판의 테두리에서 전방으로 절곡 형성되어 전방으로 개방된 상기 수용홈을 형성하고, 상기 연료분사 오리피스가 형성된 측면부; 로 이루어지되, 상기 수용홈은, 상기 회전판의 중심부가 상기 연료분사 노즐축에서 연장 형성되고 상기 측면부가 상기 연료분사 노즐축과 이격 배치되어, 상기 연료분사 노즐축을 중심으로 하는 링(ring) 형상으로 형성되고, 상기 연료공급부는 연료가 분사되는 단부가 상기 수용홈에 삽입되어 상기 연료분사 노즐축과 측면부 사이에 배치된다.

상기 측면부의 전방에는 상기 연료분사 노즐축 방향으로 돌출되어 상기 연료분사 노즐축을 감싸도록 배치된 원형의 돌출부가 형성되되, 상기 연료공급부의 단부는 상기 돌출부와 연료분사 노즐축 사이에 배치되어 상기 수용홈에 삽입된다.

상기 모터는, 상기 혼합관의 전방에 배치된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 장착되고, 후방에 상기 연료분사부가 장착된 회전축과; 상기 회전축의 외주면에 장착된 회전날개와; 상기 하우징에 장착되어 상기 회전날개에 공기를 분사하는 공기공급관과; 상기 하우징에 장착되어 상기 하우징의 내부공기가 외부로 배출되는 공기배출관; 으로 이루어지되, 상기 회전축은 상기 공기공급관을 통해 상기 회전날개에 분사되는 공기에 의해 회전하여 상기 연료분사부를 회전시킨다.

상기 공기공급관에는 상기 공기공급관을 통해 분사되는 공기량을 조절하는 공기량조절밸브가 장착되고, 상기 공기배출관에는 상기 공기배출관을 통해 외부로 배출되는 공기량을 조절하는 공기배출밸브가 장착된다.

본 발명의 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는, 후방에 터빈부가 장착되고, 외주면에 공기흡입구가 형성된 케이스와; 상기 케이스의 내부에 장착되고, 내부에 연소실이 형성되어 연소가스 배출구를 통해 연소가스가 상기 터빈부로 배출되는 라이너와; 상기 케이스의 내부에 장착되고, 상기 라이너의 전방에 배치되어 상기 연소실에 연료 공기 혼합가스를 공급하는 예 혼합기와; 상기 케이스와 라이너 사이에 형성되어 상기 공기흡입구를 통해 유입된 공기를 상기 예 혼합기에 공급하는 유로와; 상기 라이너에 장착되어 상기 연소실로 공급된 상기 연료 공기 혼합가스를 연소시키는 점화기; 를 포함하여 이루어지되, 상기 예 혼합기는, 상기 연소실의 전방에 배치되어 상기 연소실과 연통되는 혼합관과; 상기 혼합관의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관의 내부에 연료를 분사하는 연료분사부와; 상기 연료분사부에 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 혼합관의 전방에 장착되어 상기 연료분사부의 주위에 배치되고, 상기 혼합관에 상기 유로를 통해 상기 케이스의 내부로 유입된 공기를 공급하는 제1선회기와; 상기 혼합관의 후방에 장착되어 상기 혼합관 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실로 배출시키는 제2선회기와; 상기 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부를 회전시키는 모터; 를 포함하여 이루어진다.

상기 라이너에는 상기 연소실과 유로를 연통시켜 상기 유로를 통과하는 공기의 일부가 상기 연소실로 유입되도록 하는 공기공이 형성된다.

본 발명의 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는 다음과 같은 효과가 있다.

엔진 출력 변화시 연료공급량의 변화에 따른 연료분사입자가 크기를 일정하게 유지할 수 있고, 연료공급량의 변화에 따른 연소 불안정을 해소할 수 있으며, 하나의 시스템을 제어가 가능하여 기존의 복잡한 저공해 연소기 시스템을 단순화하고 최소화할 수 있다.

또한, 연료가 분사되는 연료공급부의 단부가 연료분사부에 링(ring) 형상으로 형성된 수용홈에 삽입되어 연료분사 노즐축과 측면부 사이에 배치됨으로써, 연료공급부는 간단한 구조로 이루어져 회전하지 않으면서 회전하는 연료분사부에 형성된 수용홈에 연료를 공급할 수 있다.

또한, 모터는 공기공급관을 통해 회전날개에 공기가 분사되어 회전축이 회전함으로써, 엔진의 출력과 관계없이 연료분사부를 일정한 속도로 회전시킬 수 있다.

또한, 공기공급관에는 공기공급관을 통해 분사되는 공기량을 조절하는 공기량조절밸브가 장착되고, 공기배출관에는 공기배출관을 통해 외부로 배출되는 공기량을 조절하는 공기배출밸브가 장착됨으로써, 연료분사부를 회전시키는 모터를 제어하기 용이하다.

또한, 연료 공기 혼합가스가 연소되는 라이너에는 연소실과 유로를 연통시켜 유로를 통과하는 공기의 일부가 연소실로 유입되도록 하는 공기공이 형성됨으로써, 연소실에서 연소된 연소가스를 냉각시킨 후 터빈부로 연소가스를 배출시켜 고온가스에 의한 터빈부의 손상을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 가스터빈엔진의 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기의 구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기의 구조도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기의 작동상태도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기의 구조도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기의 구조도이며, 도 4(a)는 본 발명의 실시예에 따른 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기의 작동상태도이고, 도 4(b)는 연료 공기 예 혼합기를 별도로 도시하여 나타낸 작동상태도이다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 케이스(1), 라이너(2), 점화기(3), 유로(4) 및 예 혼합기(5)로 이루어진다.

상기 케이스(1)는 후방에 터빈부(미도시)가 장착되고, 외주면에 공기흡입구(11)가 형성된다.

상기 공기흡입구(11)는 원형관 또는 환형 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 공기흡입구(11)를 통해 상기 케이스(1)의 내부로 공기가 유입된다.

이러한 상기 케이스(1)는 원통 형태의 금속재질로 이루어지며, 저공해 가스터빈 연소기의 외관을 형성한다.

상기 라이너(2)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 케이스(1)의 내부에 장착되고, 내부에 연소실(21)이 형성되어 연소가스 배출구(22)를 통해 연소가스가 상기 터빈부로 배출된다.

상기 라이너(2)에는 상기 연소실(21)과 유로(4)를 연통시켜 상기 유로(4)를 통과하는 공기의 일부가 상기 연소실(21)로 유입되도록 하는 공기공(23)이 형성된다.

상기 라이너(2)의 표면에는 다수개의 상기 공기공(23)을 형성할 수 있다.

상기 공기공(23)을 통해 상기 유로(4)를 통과하는 공기의 일부가 상기 연소실(21)로 유입됨으로써, 상기 연소실(21)에서 연소된 연소가스를 냉각시킨 후 상기 터빈부로 연소가스를 배출시켜 고온가스에 의한 상기 터빈부의 손상을 최소화할 수 있다.

그리고 상기 라이너(2)는 전방에 배치된 상기 예 혼합기(5)의 제2선회기(53)와 연결된다.

상기 점화기(3)는 상기 라이너(2)에 장착되어 상기 연소실(21)로 공급된 상기 연료 공기 혼합가스를 연소시킨다.

상기 유로(4)는 상기 케이스(1)와 라이너(2) 사이에 형성되어 상기 공기흡입구(11)를 통해 유입된 공기를 상기 예 혼합기(5)에 공급한다.

구체적으로 상기 유로(4)는 상기 케이스(1)와 라이너(2) 사이에 공기가 흐를 수 있도록 환형 링(ring) 형태로 길게 형성된다.

상기 예 혼합기(5)는 상기 케이스(1)의 내부에 장착되고, 상기 라이너(2)의 전방에 배치되어 상기 연소실(21)에 연료 공기 혼합가스를 공급한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기(5)에 대하여 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.

상기 예 혼합기(5)는 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합관(51), 제1선회기(52), 제2선회기(53), 연료분사부(54), 연료공급부(55) 및 모터(56)로 이루어진다.

상기 혼합관(51)은 상기 연소실(21)의 전방에 배치되어 상기 연소실(21)과 연통된다.

구체적으로 상기 혼합관(51)은 원통 형태로 이루어지고, 상기 연소실(21)이 배치된 후방으로 공기를 가속할 수 있도록 후방으로 갈수록 단면적이 점점 작아진다.

상기 제1선회기(52)는 상기 혼합관(51)의 전방에 장착되어 상기 연료분사부(54)의 주위에 배치되고, 상기 혼합관(51)에 상기 유로(4)를 통해 상기 케이스(1)의 내부로 유입된 공기를 공급한다.

이러한 상기 제1선회기(52)는 시계 또는 반시계 방향으로 공기를 회전시킬 수 있는 다수개의 직선형 또는 에어포일 형태의 베인으로 구성된다.

상기 제1선회기(52)는 공기의 회전각을 약 10°에서 60°사이로 유도하여 10m/s~150m/s의 유속으로 상기 혼합관(51)에 공급한다.

상기 제2선회기(53)는 상기 혼합관(51)의 후방에 장착되어 상기 혼합관(51) 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실(21)로 배출시킨다.

이러한 상기 제2선회기(53)는 시계 또는 반시계 방향으로 연료 공기 혼합가스를 회전시킬 수 있는 다수개의 직선형 또는 에어포일 형태의 베인으로 구성된다.

또한, 상기 제2선회기(53)는 상기 제1선회기(52)와 같이 연료 공기 혼합가스의 회전각을 약 10°에서 60°사이로 유도하여 10m/s~150m/s의 유속으로 상기 연소실(21)에 공급한다.

상기 연료분사부(54)는 상기 혼합관(51)의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관(51)의 내부에 연료를 분사한다.

상기 연료분사부(54)는 연료분사 노즐축(541)과 분사몸체(542)로 이루어진다.

상기 연료분사 노즐축(541)은 일단이 상기 모터(56)에 장착되어 회전한다.

그리고 상기 연료분사 노즐축(541)은 상기 모터(56)의 회전축(562)과 너트(543)로 체결된다.

상기 분사몸체(542)는 상기 연료분사 노즐축(541)의 타단에 형성되어 상기 연료분사 노즐축(541)을 중심으로 회전하고, 전방 또는 후방으로 개방된 수용홈(544)이 형성되며, 측면에 연료분사 오리피스(547)가 관통 형성된다.

본 실시예에서 상기 수용홈(544)은 상기 분사몸체(542)에서 전방으로 개방 형성된다.

상기 수용홈(544)에 공급된 연료는 상기 분사몸체(542)의 회전에 의해 상기 연료분사 오리피스(547)를 통해 상기 혼합관(51)의 내부로 분사된다.

이러한 상기 분사몸체(542)는 가볍고 튼튼한 티타늄 또는 이와 동일하거나 우수한 금속재질을 이용하여 제작할 수 있으며, 고속 회전시의 진동 감소를 위하여 정밀한 밸런싱을 적용할 수 있다.

구체적으로 상기 분사몸체(542)는 회전판(545)과 측면부(546)로 이루어진다.

상기 회전판(545)은 원판형상으로 형성된다.

상기 측면부(546)는 상기 회전판(545)의 테두리에서 전방으로 절곡 형성되어 전방으로 개방된 상기 수용홈(544)을 형성한다.

그리고 상기 측면부(546)에 상기 연료분사 오리피스(547)가 형성된다.

상기 연료분사 오리피스(547)는 상기 분사몸체(542), 즉 상기 측면부(546) 표면에 관통된 다수개의 원형구멍으로 구성될 수 있다.

상기 원형구멍은 크기가 큰 구멍과 작은 구멍 등으로 구성할 수 있고, 가공각도는 직각, 예각, 둔각 등 다양한 각도로 가공할 수 있다.

또한, 상기 측면부(546)의 전방에는 상기 연료분사 노즐축(541) 방향으로 돌출되어 상기 연료분사 노즐축(541)을 감싸도록 배치된 원형의 돌출부(548)가 형성된다.

상기 돌출부(548)는 상기 연료분사부(54)가 회전하면서 상기 수용홈(544)에 공급된 연료가 전방으로 흘러나가는 것을 최소화한다.

따라서 상기 수용홈(544)은, 상기 회전판(545)의 중심부가 상기 연료분사 노즐축(541)에서 연장 형성되고 상기 측면부(546)가 상기 연료분사 노즐축(541)과 이격 배치되어, 상기 연료분사 노즐축(541)을 중심으로 하는 링(ring) 형상으로 형성된다.

한편, 상기 수용홈(544)은 후방으로 개방되어 상기 분사몸체(542)의 후방에 상기 연료공급부(55)를 배치시킬 수도 있으나, 이 경우에는 상기 연료분사 오리피스(547)로부터 분사되어 공기와 혼합된 연료 공기 혼합가스가 후방으로 흐르면서 상기 연료공급부(55)에 접하여 응결될 수 있기 때문에 연료 공기 혼합가스를 기화시키는데 문제점이 있다.

또한, 상기 수용홈(544)이 전방으로 개방되어 있을 경우에는, 상기 수용홈(544)의 전방에 배치되어 있는 상기 제1선회기(52)로부터 공급되어 후방으로 흐르는 공기에 의해 상기 수용홈(544)에 공급된 연료가 전방으로 흘러나가는 것을 최소화할 수 있지만, 상기 수용홈(544)이 후방으로 개방되어 있을 경우에는 연료 공기 혼합가스의 흐름에 의해 상기 수용홈(544)의 후방에 와류가 발생할 가능성이 있으며 이에 따라 상기 수용홈(544)에 공급된 연료가 후방으로 흘러나가기 쉬워진다.

이에 따라 본 실시예에서는 상기 수용홈(544)이 전방으로 개방되도록 형성하고, 상기 연료공급부(55)가 상기 수용홈(544)의 전방에 배치되도록 하였다.

상기 연료공급부(55)는 상기 연료분사부(54)에 연료를 공급한다.

즉, 상기 연료공급부(55)는, 상기 수용홈(544)이 형성된 상기 분사몸체(542)의 전방에 배치되고 상기 수용홈(544) 방향으로 절곡되어, 상기 수용홈(544)에 연료를 공급한다.

구체적으로 상기 연료공급부(55)는 연료가 분사되는 단부가 상기 수용홈(544)에 삽입되어 상기 연료분사 노즐축(541)과 측면부(546) 사이에 배치된다.

즉, 상기 연료공급부(55)의 단부는 상기 연료분사부(54)가 회전하여도 상기 돌출부(548)와 연료분사 노즐축(541) 사이에 배치되어 상기 수용홈(544)에 삽입되어 있게 된다.

이와 같이 연료가 분사되는 상기 연료공급부(55)의 단부가 상기 연료분사부(54)에 링(ring) 형상으로 형성된 상기 수용홈(544)에 삽입되어 상기 연료분사 노즐축(541)과 측면부(546) 사이에 배치됨으로써, 상기 연료공급부(55)는 간단한 구조로 이루어져 회전하지 않으면서 회전하고 있는 상기 연료분사부(54)에 형성된 상기 수용홈(544)에 연료를 공급할 수 있다.

상기 연료공급부(55)의 단부에는 하나 또는 다수개의 원형구멍으로 구성된 연료공급 오리피스로 이루어질 수 있다.

이러한 상기 연료공급부(55)는 연료에 부식되지 않는 스테인레스 등의 금속재질로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 연료공급부(55)에는 연료량조절밸브(551)가 장착되어 원격으로 연료의 양과 압력을 조절할 수 있다.

상기 모터(56)는 상기 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부(54)를 회전시킨다.

이러한 상기 모터(56)는 하우징(561), 회전축(562), 회전날개(563), 공기공급관(564) 및 공기배출관(565)으로 이루어진다.

상기 하우징(561)은 상기 혼합관(51)의 전방에 배치된다.

상기 회전축(562)은 상기 하우징(561)의 내부에 회전 가능하게 장착되고, 후방에 상기 연료분사부(54)가 장착된다.

상기 회전축(562)은 베어링(566)에 의해 상기 하우징(561)에 장착된 베어링 하우징(567)에 지지된다.

상기 베어링(566)은 볼베어링(566), 롤러 베어링(566) 또는 공기 베어링(566) 등과 같은 베어링(566)을 적용할 수 있다.

그리고 상기 회전축(562)의 표면 일부에는 회전수 측정마크(568)를 부착하거나 홈을 형성할 수 있으며, 상기 하우징(561)에 회전수 측정센서(569)를 설치하여 상기 회전수 측정마크(568)에 일정 신호를 보내고 그 응답특성으로 상기 회전축(562)의 회전수를 알 수 있게 해준다.

상기 회전수 측정센서(569)는 레이저, 자기장 또는 전기장에 기반한 센서이다.

상기 회전날개(563)는 상기 회전축(562)의 외주면에 장착된다.

상기 회전날개(563)는 축류형으로 2개에서 20개 사이의 날개 개수로 구성될 수 있다.

상기 공기공급관(564)은 상기 하우징(561)에 장착되어 상기 회전날개(563)에 고압공기를 분사한다.

상기 공기공급관(564)에는 상기 공기공급관(564)을 통해 분사되는 공기량을 조절하는 공기량조절밸브(570)가 장착된다.

상기 공기량조절밸브(570)는 공기의 유량과 압력을 원격으로 조절할 수 있다.

상기 공기배출관(565)은 상기 하우징(561)에 장착되어, 상기 하우징(561)의 내부공기가 외부로 배출된다.

상기 공기배출관(565)에는 상기 공기배출관(565)을 통해 외부로 배출되는 공기량을 조절하는 공기배출밸브(571)가 장착된다.

전술한 바와 같은 상기 모터(56)는 상기 공기공급관(564)을 통해 상기 회전날개(563)에 분사되는 공기에 의해 상기 회전축(562)이 회전하여 상기 연료분사부(54)를 회전시키는 에어모터로 이루어지며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 전기모터로 대체할 수도 있다.

이와 같이 상기 모터(56)는 상기 공기공급관(564)을 통해 상기 회전날개(563)에 공기가 분사되어 상기 회전축(562)이 회전함으로써, 엔진의 출력과 관계없이 상기 연료분사부(54)를 일정한 속도로 회전시킬 수 있다.

또한, 상기 공기공급관(564)에는 상기 공기공급관(564)을 통해 분사되는 공기량을 조절하는 상기 공기량조절밸브(570)가 장착되고, 상기 공기배출관(565)에는 상기 공기배출관(565)을 통해 외부로 배출되는 공기량을 조절하는 상기 공기배출밸브(571)가 장착됨으로써, 상기 연료분사부(54)를 회전시키는 상기 모터(56)를 제어하기 용이하다.

상술한 바와 같은 본 실시예에 따른 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는 엔진 출력 변화시 연료공급량의 변화에 따른 연료분사입자가 크기를 일정하게 유지할 수 있고, 연료공급량의 변화에 따른 연소 불안정을 해소할 수 있으며, 하나의 시스템을 제어가 가능하여 기존의 복잡한 저공해 연소기 시스템을 단순화하고 최소화할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기의 작동방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는 저공해 가스터빈 연소기로써, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상기 공기흡입구(11)를 통해 압축기(미도시)에서 압축된 고압 고온의 공기가 유입된다.

상기 공기흡입구(11)를 통해 유입된 공기는 상기 케이스(1)와 라이너(2) 사이에 형성된 상기 유로(4)를 따라 상기 예 혼합기(5)로 흐르게 되며, 이 공기는 상기 제1선회기(52)를 통해 회전하면서 상기 혼합관(51)으로 유입된다.

이때, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 공기공급관(564)을 통해 가스터빈 엔진 외부의 차가운 고압 공기가 상기 공기량조절밸브(570)에 의해 적절한 압력으로 상기 회전날개(563)를 향해 공급되며, 이 고압의 공기로 인해 상기 회전날개(563)는 최소 1,000 rpm에서 최대 50,000 rpm으로 회전운동을 시작하게 된다.

상기 회전날개(563)와 연결된 상기 회전축(562)은 같은 회전수로 회전하게 되며, 회전수는 상기 회전축(562)에 표시된 회전수 측정마크(568)와 회전수 측정센서(569)의 작동으로 측정되어 제어신호로 활용된다.

상기 회전축(562)은 상기 베어링(566)에 의해 상기 베어링 하우징(567)에 지지되고, 상기 베어링 하우징(567)은 상기 하우징(561)의 내부에 장착되며, 상기 하우징(561)은 상기 케이스(1)에 의해 지지된다.

상기 회전날개(563)를 구동한 고압의 차가운 공기는, 상기 유로(4)를 통해 상기 케이스(1)의 내부로 유입되는 고온 고압의 공기에 의해 가열된 상기 모터(56)를 냉각한 후, 상기 공기배출관(565)을 통해 대기로 배출된다.

이때, 공기배출밸브(571)를 이용하여 공기의 배출압력 및 유량을 조절할 수 있다.

그리고 상기 회전축(562)과 너트(543)로 직렬 연결된 상기 연료분사 노즐축(541)은 상기 회전축(562)과 같은 회전수로 회전하게 되며, 결국 상기 연료분사 노즐축(541)과 일체로 형성된 상기 분사몸체(542)를 회전시키게 된다.

이때, 상기 연료공급관을 통해 연료가 외부에서 상기 혼합관(51)으로 공급되며, 공급된 연료는 연료량조절밸브(551)를 거쳐 압력과 유량이 조정된 연료가 상기 수용홈(544)에 공급된다.

상기 수용홈(544)에 공급된 연료는 회전하는 상기 분사몸체(542)의 원심력으로 상기 수용홈(544)의 내측 벽면을 타고 흘러 상기 연료분사 오리피스(547)로 이동되며, 상기 연료분사 오리피스(547)를 통해 상기 제1선회기(52)에 의해 유입되는 공기를 향해 미세하게 분사된다.

이때 연료는 상기 분사몸체(542)의 내측 벽면을 따라 흐르면서 상기 분사몸체(542)를 냉각시키는 기능도 겸한다.

상기 제1선회기(52)를 통해 유입되는 공기와 상기 연료분사 오리피스(547)를 통해 분출된 연료입자는 상기 혼합관(51)에서 균일하게 혼합되며, 연료는 고온의 공기로 인해 점차 증발되어 증발된 혼합가스 형태로 변하게 된다.

연료 공기 혼합가스는 상기 제2선회기(53)에서 선회성분을 부여받은 후 상기 라이너(2)로 흘러가게 된다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 선회성분을 가진 연료 공기 혼합가스는 상기 점화기(3)에서 점화에너지를 공급받아 점화된 후 연소된다.

이때, 상기 점화기(3)는 최초 1회에 한해 작동된다.

상기 라이너(2)에서 연소된 기연가스는 상기 공기공(23)을 통해 유입되는 공기와 혼합되어 일정온도로 냉각된 후 상기 연소가스 배출구(22)를 통해 가스터빈의 터빈부로 이송된다.

전술한 바와 같은 상기 연료분사부(54)는 회전수, 상기 제1선회기(52)를 통과하는 공기의 속도 및 선회성분의 강도에 따라 연료입자의 크기를 제어할 수 있다.

따라서 상기 회전수 측정센서(569)에 의해 측정된 상기 회전축(562)의 회전수를 조절하기 위해, 상기 공기량조절밸브(570)의 조정을 통해 상기 회전날개(563)의 회전운동을 가감하여, 상기 연료분사부(54)의 회전수를 적절하게 조절할 수 있고, 이를 통해 가스터빈의 연료공급량이 변동되더라도 연료분사입자의 균일성을 확보할 수 있다.

본 발명인 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기 및 이러한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

1 : 케이스, 11 : 공기흡입구,
2 : 라이너, 21 : 연소실, 22 : 연소가스 배출구, 23 : 공기공,
3 : 점화기,
4 : 유로,
5 : 예 혼합기,
51 : 혼합관, 52 : 제1선회기, 53 : 제2선회기, 54 : 연료분사부, 541 : 연료분사 노즐축, 542 : 분사몸체, 543 : 너트, 544 : 수용홈, 545 : 회전판, 546 : 측면부, 547 : 연료분사 오리피스, 548 : 돌출부, 55 : 연료공급부, 551 : 연료량조절밸브, 56 : 모터, 561 : 하우징, 562 : 회전축, 563 : 회전날개, 564 : 공기공급관, 565 : 공기배출관, 566 : 베어링, 567 : 베어링 하우징, 568 : 회전수 측정마크, 569 : 회전수 측정센서, 570 : 공기량조절밸브, 571 : 공기배출밸브,

Claims (9)

1. 연소실에서 연료 공기 혼합가스를 연소시키고, 연소실의 후방에 배치된 터빈부로 연소가스를 배출시켜 동력을 생산하는 가스터빈에 장착되는 연료 공기 예 혼합기에 있어서,
   상기 연소실의 전방에 배치되어 상기 연소실과 연통되는 혼합관과;
   상기 혼합관의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관의 내부에 연료를 분사하는 연료분사부와;
   상기 연료분사부에 연료를 공급하는 연료공급부와;
   상기 혼합관의 전방에 장착되어 상기 연료분사부의 주위에 배치되고, 상기 혼합관에 공기를 공급하는 제1선회기와;
   상기 혼합관의 후방에 장착되어 상기 혼합관 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실로 배출시키는 제2선회기와;
   상기 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부를 회전시키는 모터; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료분사부는,
   일단이 상기 모터에 장착되어 회전하는 연료분사 노즐축과;
   상기 연료분사 노즐축의 타단에 형성되어 상기 연료분사 노즐축을 중심으로 회전하고, 전방 또는 후방으로 개방된 수용홈이 형성되며, 측면에 연료분사 오리피스가 관통 형성된 분사몸체; 로 이루어지되,
   상기 연료공급부는, 상기 분사몸체에서 상기 수용홈이 형성된 방향에 배치되고 상기 수용홈 방향으로 절곡되어, 상기 수용홈에 연료를 공급하며,
   상기 수용홈에 공급된 연료는 상기 분사몸체의 회전에 의해 상기 연료분사 오리피스를 통해 상기 혼합관의 내부로 분사되는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 수용홈은 상기 분사몸체에서 전방으로 개방 형성되고,
   상기 연료공급부는 상기 분사몸체의 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 분사몸체는,
   원판형상으로 형성된 회전판과;
   상기 회전판의 테두리에서 전방으로 절곡 형성되어 전방으로 개방된 상기 수용홈을 형성하고, 상기 연료분사 오리피스가 형성된 측면부; 로 이루어지되,
   상기 수용홈은, 상기 회전판의 중심부가 상기 연료분사 노즐축에서 연장 형성되고 상기 측면부가 상기 연료분사 노즐축과 이격 배치되어, 상기 연료분사 노즐축을 중심으로 하는 링(ring) 형상으로 형성되고,
   상기 연료공급부는 연료가 분사되는 단부가 상기 수용홈에 삽입되어 상기 연료분사 노즐축과 측면부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 측면부의 전방에는 상기 연료분사 노즐축 방향으로 돌출되어 상기 연료분사 노즐축을 감싸도록 배치된 원형의 돌출부가 형성되되,
   상기 연료공급부의 단부는 상기 돌출부와 연료분사 노즐축 사이에 배치되어 상기 수용홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모터는,
   상기 혼합관의 전방에 배치된 하우징과;
   상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 장착되고, 후방에 상기 연료분사부가 장착된 회전축과;
   상기 회전축의 외주면에 장착된 회전날개와;
   상기 하우징에 장착되어 상기 회전날개에 공기를 분사하는 공기공급관과;
   상기 하우징에 장착되어 상기 하우징의 내부공기가 외부로 배출되는 공기배출관; 으로 이루어지되,
   상기 회전축은 상기 공기공급관을 통해 상기 회전날개에 분사되는 공기에 의해 회전하여 상기 연료분사부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 공기공급관에는 상기 공기공급관을 통해 분사되는 공기량을 조절하는 공기량조절밸브가 장착되고,
   상기 공기배출관에는 상기 공기배출관을 통해 외부로 배출되는 공기량을 조절하는 공기배출밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기.
8. 후방에 터빈부가 장착되고, 외주면에 공기흡입구가 형성된 케이스와;
   상기 케이스의 내부에 장착되고, 내부에 연소실이 형성되어 연소가스 배출구를 통해 연소가스가 상기 터빈부로 배출되는 라이너와;
   상기 케이스의 내부에 장착되고, 상기 라이너의 전방에 배치되어 상기 연소실에 연료 공기 혼합가스를 공급하는 예 혼합기와;
   상기 케이스와 라이너 사이에 형성되어 상기 공기흡입구를 통해 유입된 공기를 상기 예 혼합기에 공급하는 유로와;
   상기 라이너에 장착되어 상기 연소실로 공급된 상기 연료 공기 혼합가스를 연소시키는 점화기; 를 포함하여 이루어지되,
   상기 예 혼합기는,
   상기 연소실의 전방에 배치되어 상기 연소실과 연통되는 혼합관과;
   상기 혼합관의 내부에 배치되고, 회전에 의해 상기 혼합관의 내부에 연료를 분사하는 연료분사부와;
   상기 연료분사부에 연료를 공급하는 연료공급부와;
   상기 혼합관의 전방에 장착되어 상기 연료분사부의 주위에 배치되고, 상기 혼합관에 상기 유로를 통해 상기 케이스의 내부로 유입된 공기를 공급하는 제1선회기와;
   상기 혼합관의 후방에 장착되어 상기 혼합관 내의 연료 공기 혼합가스를 상기 연소실로 배출시키는 제2선회기와;
   상기 터빈부에 의해 발생하는 동력과 독립적으로 상기 연료분사부를 회전시키는 모터; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 라이너에는 상기 연소실과 유로를 연통시켜 상기 유로를 통과하는 공기의 일부가 상기 연소실로 유입되도록 하는 공기공이 형성된 것을 특징으로 하는 회전식 분사장치를 이용한 연료 공기 예 혼합기가 장착된 가스터빈 연소기.

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