KR101438106B1 - 가스 터빈의 연소기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 터빈의 연소기에 관한 것으로서, 라이너와, 이 라이너의 외측에 배치되고 라이너와 사이에 공기유로가 형성되는 외관과, 라이너와 사이에 공기통로가 형성되게 이격되고 외관의 단부에 상대 이동 가능하게 삽입되는 삽입부를 구비한 전이편을 구비하고, 이 삽입부는 열팽창에 의해 공기유량을 제어하게 구성된다. 이에 의해, 열팽창에 의해 공기량을 제어하여 화염안정성을 제고시킬 수 있다.

Description

가스 터빈의 연소기{COMBUSTION APPARATUS FOR GAS TURBIN}
본 발명은, 가스 터빈의 연소기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열팽창에 의해 공기량이 제어될 수 있도록 한 가스 터빈의 연소기에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 가스 터빈 엔진은, 회전식 내연기관의 일종이다.
상기 가스터빈 엔진은, 외부로부터 공기를 공급받아 고압으로 압축시키는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급되는 고압의 공기와 연료탱크로부터 공급되는 연료가스를 혼합하여 혼합가스를 발생 및 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 배출되는 고압의 배출가스에 의해 회전되는 터빈을 구비할 수 있다.
도 1은 종래의 가스 터빈의 연소기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 터빈의 연소기(10)는, 예를 들면, 연료와 공기가 분리되어 연소실로 유입되는 소위 확산 화염을 사용하게 구성될 수 있다.
상기 가스터빈 연소기(10)는, 연소 및 공기가 유입되어 혼합되는 헤드부(20)와, 상기 헤드부(20)의 일 단에 연결되는 라이너(50)와, 상기 라이너(50)의 일 측에 연결되는 소위 트랜지션 피스 또는 전이편(60)(이하, '전이편(60)'으로 표기함)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 헤드부(20)의 일 측에는 연료가 유입되는 연료유입부(30)가 구비될 수 있다.
상기 연료유입부(30)는 주포트(31) 및 부포트(32)를 구비할 수 있다.
상기 주포트(31)는 주연료공급채널(35)에 연결될 수 있다.
상기 부포트(32)는 부연료공급채널(36)에 연결될 수 있다.
상기 헤드부(20)의 다른 일 측에는 공기가 유입되는 공기유입부(37)가 마련될 수 있다. 상기 공기유입부(37)를 통해서 가스터빈 압축기(미도시)로부터 압축된 고압의 공기가 내부로 유입될 수 있다.
상기 공기유입부(37)는 상기 주연료공급채널(35) 및 부연료공급채널(36)에 각각 연결될 수 있다.
상기 헤드부(20)의 또 다른 일 측에는 점화장치(38)가 구비될 수 있다.
상기 헤드부(20)의 내측에는 상기 연료와 공기가 혼합되어 혼합가스가 되는 공간부(39)가 마련될 수 있다.
상기 라이너(50)의 내부에는 상기 공간부(39)에서 혼합되고 상기 점화장치(38)에 의해 점화된 화염을 상시 유지함과 아울러 계속해서 상기 헤드부(20)에서 제공되는 혼합가스를 연소시키는 화염구역(51)이 형성될 수 있다.
상기 라이너(50)의 내부에서는 혼합가스가 계속해서 연소되면서 고온고압의 배출가스가 발생될 수 있다.
상기 라이너(50)에서 배출되는 배출가스는 상기 전이편(60)을 통해 가스터빈으로 유입되어 가스터빈(미도시)을 회전시킬 수 있다.
상기 가스터빈의 연소기(10)는 통상 상기 가스터빈에 환형으로 복수 개가 설치되게 구성될 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 가스터빈의 연소기(10)에 있어서는, 점화 초기 및 전 부하 운전시에 소요되는 공기량이 서로 상이함에도 불구하고 상기 헤드부(20)에 점화 초기 및 전 부하 운전시 동일하게 공기가 공급되도록 되어 있어, 상대적으로 공기 소요량이 작은 점화 초기에는 공기량이 오히려 과다하게 되어 화염의 안정정이 저해될 수 있다. 반대로, 상대적으로 많은 공기량이 소요되는 전 부하 운전시에는 오히려 공기량이 부족하게 되는 것에 의해 화염 안정성이 저해될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 열팽창에 의해 공기량을 제어하여 화염안정성을 제고시킬 수 있는 가스터빈의 연소기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 라이너; 상기 라이너의 외측에 배치되고 상기 라이너와 사이에 공기유로가 형성되는 외관; 및 상기 라이너와 사이에 공기통로가 형성되게 이격되고 상기 외관의 단부에 상대 이동 가능하게 삽입되는 삽입부를 구비한 전이편;을 포함하고, 상기 삽입부는 열팽창에 의해 공기유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기를 제공한다.
여기서, 상기 삽입부의 내면에는 상기 라이너에서 배기되는 배기가스의 이동방향을 따라 내측으로 경사지게 배치되는 경사부를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 경사부는 열팽창시 상기 공기통로가 좁아지게 상기 외관의 내부로 더 깊이 삽입되어 상기 라이너에 접근되게 형성될 수 있다.
상기 삽입부의 외면은 상기 외관의 내면과 미끄럼접촉가능하게 형성될 수 있다.
상기 라이너와 상기 외관 사이에 구비되는 스페이서를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 라이너의 외측에 공기유로가 형성되게 배치되는 외관과, 외관의 내부에 삽입되며 라이너의 단부와 사이에 공기통로를 형성하는 삽입부를 구비한 전이편을 구비하되, 삽입부는 열팽창에 의해 공기유량을 제어하도록 함으로써 화염 안정성을 제고시킬 수 있다.
즉, 상기 삽입부는 점화 초기에는 상기 라이너의 단부로부터 이격되어 공기통로를 좁아지게 함으로써 화염영역으로 유입되는 공기량을 줄여 화염안정성을 제고시킬 수 있다.
또한, 상기 삽입부는 전부하 운전시에는 열팽창에 의해 상기 라이너와 사이의 공기통로가 좁아지게 되어 상기 공기통로로 유입되는 공기량을 줄임으로써 상기 화염영역으로 유입되는 공기량을 증대시킬 수 있다. 이에 의해, 전부하 운전시 화염 안정성이 제고될 수 있다.
또한, 삽입부는 외관의 내벽에 미끄럼 마찰되게 구성됨으로써 열팽창시 상대 운동이 원활하게 될 수 있다.
도 1은 종래의 가스 터빈의 연소기를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 연소기의 단면도,
도 3은 도 2의 요부확대도,
도 4는 도 2의 연소기의 열팽창시 공기유량이 제어과정을 설명하기 위한 도 3에 대응되는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 연소기는, 라이너(130)와, 상기 라이너(130)의 외측에 배치되고 상기 라이너(130)와 사이에 공기유로(135)가 형성되는 외관(140)과, 상기 라이너(130)와 사이에 공기통로(154)가 형성되게 이격되고 상기 외관(140)의 단부에 상대 이동 가능하게 삽입되는 삽입부(152)를 구비한 전이편(150)을 포함하고, 상기 삽입부(152)는 열팽창에 의해 공기유량을 제어하게 구성될 수 있다.
상기 라이너(130)는, 예를 들면, 내부에 공간이 형성된 대략 원통형상을 구비할 수 있다.
상기 라이너(130)의 일 측은 헤드부(110)에 연결될 수 있다.
상기 헤드부(110)는, 예를 들면, 연료와 공기가 서로 분리되어 유입되게 구성될 수 있다.
상기 헤드부(110)의 일 측에는 연료가 유입되는 연료유입부(120)가 구비될 수 있다.
상기 연료유입부(120)는 주포트(121) 및 부포트(122)를 구비할 수 있다.
상기 주포트(121)는 주연료공급채널(125)에 연결될 수 있다.
상기 부포트(122)는 부연료공급채널(126)에 연결될 수 있다.
상기 헤드부(110)의 다른 일 측에는 공기가 유입되는 공기입구(127)가 마련될 수 있다. 상기 공기입구(127)를 통해 상기 헤드부(110)의 내보로 가스터빈 압축기(미도시)로부터 압축된 고압의 공기가 유입될 수 있다.
상기 공기입구(127)는 상기 주연료공급채널(125) 및 부연료공급채널(126)에 각각 연결될 수 있다. 상기 헤드부(110)의 또 다른 일 측에는 점화장치(128)가 구비될 수 있다.
상기 헤드부(110)의 내측 공간에서는 상기 연료와 공기가 혼합되어 혼합가스로 될 수 있다.
한편, 상기 라이너(130)의 외측에는 외관(140)이 구비될 수 있다.
상기 외관(140)은, 예를 들면, 상기 라이너(130)와 사이에 공기유로(135)를 형성할 수 있게 원통 형상을 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 외관(140)은 상기 라이너(130)의 외면(외경)보다 확장된 내면(내경)을 구비하게 구성될 수 있다.
상기 외관(140)에는 상기 가스터빈 압축기로부터 압축되어 제공된 공기가 내부(상기 공기유로(135))로 유입될 수 있게 공기유입부(142)가 형성될 수 있다.
상기 공기유입부는 상기 외관(140)을 관통하여 형성된 복수의 관통공(144)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 외관(140)의 일 측에는 전이편(150)(또는 트랜지션 피스)이 구비될 수 있다.
상기 전이편(150)은 도면상 외관(140)의 하측에 일 단부가 연결될 수 있다.
상기 전이편(150)의 타 단부는 가스터빈(미도시)에 연결될 수 있다. 이에 의해, 상기 라이너(130)에서 발생된 고온 고압의 배기가스가 상기 가스터빈에 유입되어 상기 가스터빈을 회전구동시킬 수 있다.
상기 전이편(150)은, 예를 들면, 배기가스의 이동방향을 따라 상류측이 넓고 하류측이 좁게 형성될 수 있다.
상기 전이편(150)은 상기 외관(140)의 내부에 삽입되는 삽입부(152)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 삽입부(152)는 예를 들면, 상기 외관(140)에 대해 미끄럼 접촉 가능하게 구성될 수 있다. 이에 의해, 상기 라이너(130) 및 전이편(150)의 열 팽창시 상기 외관(140) 및 상기 전이편(150)의 손상 발생이 억제될 수 있다.
상기 외관(140)의 하단부(143)에는 상기 삽입부(152)와 미끄럼접촉되는 미끄럼접촉부(145)가 형성될 수 있다.
상기 미끄럼접촉부(145)와 상기 삽입부(152)의 외면(153)은 서로 면접촉되게 구성될 수 있다. 이에 의해, 혼합가스 또는 배기가스의 누설이 억제될 수 있다.
상기 미끄럼접촉부(145)는, 예를 들면, 동일한 내경을 구비한 원통 형상을 구비할 수 있다.
상기 삽입부(152)의 외면(153)은, 예를 들면, 동일한 외경을 구비한 원통 형상을 구비할 수 있다.
한편, 상기 라이너(130)의 하류측 단부(132)는, 예를 들면, 동일한 직경을 구비한 원통 형상으로 구성될 수 있다.
상기 삽입부(152)의 내면은 경사부(155)를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 경사부(155)는 상기 배기가스 또는 배출가스의 이동방향을 따라 내측으로 경사지게(도면상 하향 경사지게) 형성될 수 있다.
상기 경사부(155)는 상대적으로 온도가 낮은 점화 초기에는 상기 라이너(130)의 하류측 단부(132)로부터 미리 설정된 간격(D1)로 이격되어 있어 상기 공기유입부(142)를 통해 유입된 공기 중 설정된 량이 상기 전이편(150)의 내측으로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 화염구역(133)으로 유입되는 공기(유입)량은 상대적으로 감소될 수 있다. 이에 의해, 점화 초기의 화염안정성이 제고될 수 있다.
한편, 상기 라이너(130)와 상기 외관(140) 사이에는 예를 들면, 스트럿 또는 스페이서(160)(이하, '스페이서(160)'로 표기함)가 구비될 수 있다.
상기 스페이서(160)의 일 단부는 상기 라이너(130)에 접촉되고 타 단부는 상기 외관(140)에 접촉될 수 있다. 이에 의해, 상기 열 팽창시 상기 라이너(130)와 상기 외관(140)의 동심도가 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 공기유로(135)의 공기 유동단면적이 일정하게 유지될 수 있어 공기유량의 변화를 억제할 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 상기 라이너(130)의 외측에 상기 외관(140)이 구비될 수 있다. 이때, 상기 스페이서(160)에 의해 상기 라이너(130)와 상기 외관(140) 사이에 공기유로(135)의 유동단면적이 일정하게 유지될 수 있어 공기유입량이 일정하게 유지될 수 있다.
상기 외관(140)의 하류측 단부(143)에 상기 전이편(150)의 삽입부(152)가 미리 설정된 깊이로 삽입 결합될 수 있다.
한편, 운전이 개시되면, 상기 헤드부(110)의 내부에서 연료와 공기가 혼합되어 혼합가스로 되고 상기 점화장치(128)에 의해 점화될 수 있다. 상기 라이너(130)의 내부에는 화염구역이 형성되어 혼합가스가 계속해서 연소될 수 있다. 이때 발생된 고온고압의 배기가스는 상기 전이편(150)을 경유해 상기 가스터빈으로 유입되어 가스터빈을 회전구동시킬 수 있다.
본 실시예의 가스터빈의 연소기는, 점화초기에는 상대적으로 온도가 낮으므로 상기 삽입부(152)가 미리 설정된 깊이로 상기 외관(140)의 하류측 단부 또는 하하단부(143)에 삽입된 상태로서, 상기 공기유입부(142)를 통해 내부로 유입된 공기 중 일부는 상기 화염구역(133)으로 이동되고 다른 일부는 상기 공기통로(154)를 통해 상기 전이편(150)의 내측으로 이동될 수 있다.
상기 삽입부(152)의 내면, 즉, 상기 경사부(155)는 미리 설정된 간격(D1)으로 상기 라이너(130)의 하류측 단부(132)로부터 이격되어 있어 상대적으로 많은 양의 공기가 상기 공기통로(154)를 통해 상기 전이편(150)의 내측으로 유입되므로 상기 화염구역(133)으로 이동되는 공기유량이 상대적으로 작아질 수 있다. 이에 의해, 점화 초기의 화염 안정성이 제고될 수 있다.
또한, 운전이 진행되어 전부하 운전시에는, 상기 화염구역(133)의 온도가 상승되고, 이에 따라 상기 라이너(130) 및 상기 전이편(150)이 열 팽창될 수 있다. 상기 라이너(130) 및 전이편(150)이 열 팽창되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 라이너(130)와 상기 삽입부(152)는 각각 신장되어 상호 접근될 수 있다.
상기 라이너(130)의 하류측 단부 또는 하단부(132)는 도면상 하측으로 이동되고, 상기 삽입부(152)는 도면상 상측으로 이동될 수 있다. 이에 의해, 상기 라이너(130)와 상기 삽입부(152) 또는 경사부(155) 사이에 형성되는 공기통로(154)의 간격(D2)이 초기 점화시의 간격(D1)보다 좁아질 수 있다. 이에 따라, 상기 공기통로(154)를 통해 상기 전이편(150)의 내부로 유입되는 공기량이 상대적으로 작아지고, 상기 화염구역(133)으로 이동되는 공기량이 상대적으로 증가할 수 있다. 이에 의해, 전부하 운전시의 화염 안정성이 제고될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 위에서 설명된 실시예는 그 상세한 설명의 내용에 의해 제한되지 않아야 한다.
또한, 앞서 기술한 상세한 설명에서 일일이 나열되지 않은 실시예라 하더라도 첨부된 특허청구범위에서 정의된 그 기술 사상의 범위 내에서 넓게 해석되어야 할 것이다. 그리고, 상기 특허청구범위의 기술적 범위와 그 균등범위 내에 포함되는 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포섭되어야 할 것이다.
110 : 헤드부 120 : 연료유입부
128 : 점화장치 130 : 라이너
132 : 하류측 단부, 하단부 133 : 화염구역
135 : 공기유로 140 : 외관
142 : 공기유입부 144 : 관통공
145 : 미끄럼접촉부 150 : 전이편
152 : 삽입부 153 : 외면
154 : 공기통로 155 : 경사부
160 : 스페이서

Claims (5)

  1. 라이너;
    상기 라이너의 외측에 배치되고 상기 라이너와 사이에 공기유로가 형성되는 외관; 및
    상기 라이너와 사이에 공기통로가 형성되게 이격되고 상기 외관의 단부에 상대 이동 가능하게 삽입되는 삽입부를 구비한 전이편;을 포함하고,
    상기 삽입부는 열팽창에 의해 공기유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부의 내면에는 상기 라이너에서 배기되는 배기가스의 이동방향을 따라 내측으로 경사지게 배치되는 경사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경사부는 열팽창시 상기 공기통로가 좁아지게 상기 외관의 내부로 더 깊이 삽입되어 상기 라이너에 접근되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삽입부의 외면은 상기 외관의 내면과 미끄럼접촉가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 라이너와 상기 외관 사이에 구비되는 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 연소기.
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