KR101477746B1 - 열팽창으로 인한 응력을 줄일 수 있는 가스 터빈 연소기 실험 장치 - Google Patents

열팽창으로 인한 응력을 줄일 수 있는 가스 터빈 연소기 실험 장치 Download PDF

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한국기계연구원
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Abstract

가스 터빈 연소기 실험 장치에 있어서, 일측에 연료가 분사되는 연료분사부가 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이스; 연료와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너부; 케이스와 라이너부 사이에 위치되며, 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부; 및 라이너부로 파일럿 연료를 주입하기 위한 것으로서, 신축성 있는(flexible) 재질로 구성된 파일럿 연료 주입부;를 포함하는 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.

Description

열팽창으로 인한 응력을 줄일 수 있는 가스 터빈 연소기 실험 장치{Gas turbine combustor experimental apparatus capable of reduction of stress by thermal expansion}
본 발명은 열팽창으로 인한 응력을 줄일 수 있는 가스 터빈 연소기 실험 장치에 관한 것이다.
가스터빈 연소기는 가스터빈에서, 압축기를 나온 고압공기에 연료를 분사하여 혼합하고, 이것을 연소시켜 가열하는 내연식 가열장치이다.
도 1은 종래의 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(10), 라이너부(20), 공기유동 균일 유도부(30), 파일럿 연료 주입부(39), 및 공기를 유입받는 공기 유입부(50)를 포함한다.
케이스(10)는 가스터빈 연소기에서 외관을 형성하는 부분이다.
케이스(10)의 일측에는 연료가 분사되는 연료 분사부(40)가 결합되며, 케이스(10)의 타측에는 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부(50)가 형성된다.
연료분사부(40)의 단부 측에는 온도가 상승된 공기를 연료분사부(40)의 분사 측으로 유도하는 선회기(41)가 마련되고, 라이너부(20)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(20a)을 형성한다.
파일럿 연료 주입부(39)는 파일럿 팁(TIP)과 파일럿 연료 주입 라인을 포함한다.
공기유동 균일 유도부(30)는, 케이스(10)의 길이 방향에 교차되는 방향을 따라 제1 케이스 부분(12)의 내부에 마련되는 격판부재(34)와, 격판부재(34)의 판면에 형성되는 다수의 공기유동홀(미도시)과 고정판(32)을 포함할 수 있다.
공기유동 균일 유도부(30)에 대한 보다 상세한 설명은 한국등록특허 1165604호 (2012.07.09)에 공개된 기술을 참조하기 바라며, 한국등록특허 1165604호에 기재된 내용은 본원 명세서의 내용과 상충되지 않는 범위에서 본원 명세서의 일부로 결합된다.
한편, 상술한 바와 같은 도 1의 가스 터빈 연소기 실험 장치는 고온 연소로 인한 열팽창 반복시, 'A'로 표시한 부분은 고정되어 있고, 'B'로 표시한 부분(라이너부(20)와 격판부재(34)의 결합부분)이 분리되어 있어서 그 틈을 통해서 공기가 외부(라이너부(20))로 누설되는 문제가 있고, 라이너부(20)와 케이스(10)의 열팽창 계수 차이로 인하여 파일럿 연료가 주입되는 파일럿 연료 주입부(39)의 파일럿 팁이 손상되는 문제가 발생된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온 연소 실험시에도 열 팽창으로 인한 응력을 감소시킬 수 있는 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소용 공기가 라이너부로 새지 않는 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유지 또는 보수가 편리한 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 터빈 연소기 실험 장치에 있어서, 일측에 연료가 분사되는 연료분사부가 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이스; 연료와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너부; 케이스와 라이너부 사이에 위치되며, 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부; 및 라이너부로 파일럿 연료를 주입하기 위한 것으로서, 신축성 있는(flexible) 재질로 구성된 파일럿 연료 주입부;를 포함하는 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가스 터빈 연소기 실험 장치에 있어서, 일측에 연료가 분사되는 연료분사부가 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이스; 상기 연료와 상기 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너부; 및 상기 케이스와 상기 라이너부 사이에 위치되며, 상기 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부;를 포함하며, 상기 연료분사부는, 신축성 있는 부분을 적어도 일부 포함하는 연료분사 튜브를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기 실험 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 고온 연소 실험시에도 열 팽창으로 인한 응력을 감소시킬 수 있고, 연소용 공기가 라이너부로 새지 않게 된다. 나아가, 유지 또는 보수가 편리한 효과가 있다.
도 1은 종래의 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 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 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 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.
본원의 상세한 설명 및/또는 청구범위에서 구성요소 A와 구성요소 B가 서로 연결(또는 접속 또는 체결 또는 결합)되어 있다는 표현은 구성요소 A와 구성요소 B가 직접 연결되거나 또는 다른 하나 이상의 구성요소의 매개에 의해 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 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 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(110), 라이너부(120), 및 공기유동 균일 유도부(130)를 포함할 수 있다.
케이스(110)는 가스터빈 연소기에서 외관을 형성하는 부분으로서, 고온 및 고압에 견딜 수 있는 강성 및 내부식성이 우수한 금속 재질로 제작될 수 있으며, 대략 원통 구조를 가질 수 있으나, 본원 발명이 원통 구조에만 한정되는 것은 아니다.
케이스(110)는 제1 케이스 부분(111)과 제2 케이스 부분(112)으로 분리되어 제작될 수 있으며, 제1 케이스 부분(111)과 제2 케이스 부분(112)은 플랜지(flange) 결합될 수 있다.
제1 케이스 부분(111)과 제2 케이스 부분(112)의 결합에 의해 형성될 수 있는 케이스(110)의 일측, 제1 케이스 부분(111) 쪽에는 연료가 분사되는 연료분사부(140)가 결합되며, 케이스(110)의 타측, 즉 제2 케이스 부분(112) 쪽에는 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부(150)가 형성된다.
연료분사부(140)는 라이너부(120)내의 연소실(120a)로 연료를 분사시키기 위한 것으로 공기유입부(150)에서 멀리 떨어져 설치된다.
연료분사부(140)의 단부 측에는 도 2의 화살표 방향으로 이동되면서 그 온도가 상승된 공기를 연료분사부(140)의 분사 측으로 유도하는 선회기(141)가 마련된다. 선회기(141)에는 공기의 유입을 위한 다수의 슬롯(미도시)이 형성된다.
공기유입부(150)는 제2 케이스 부분(112)의 일측에서 제2 케이스 부분(112)의 길이 방향에 교차되는 방향으로 형성되는 홀(hole) 쪽에 마련되는데, 이러한 공기유입부(150) 쪽에는 별도의 컴프레서가 연결될 수 있다.
라이너부(120)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(120a)을 형성한다. 이러한 라이너부(120)는 케이스(110)의 내부에 케이스(110)와 동축적으로 배치되되 케이스(110)와의 사이에 연소용 공기의 공기유동공간을 형성한다.
본 실시예에 따르면, 격판부재(134)와 케이스(110)가 서로 분리되어 있고('A' 참조), 라이너부(120)와 격판부재(134)가 고정 결합되어 있어서, 연소 실험시 열팽창이 반복되더라도 공기가 라이너부로 누설될 위험이 없게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(210), 라이너부(220), 공기유동 균일 유도부(230), 파일럿 연료 주입부(239)를 포함할 수 있다.
케이스(210)는 제1 케이스 부분(211)과 제2 케이스 부분(212)을 포함할 수 있다.
연료분사부(240)는 라이너부(220)내의 연소실(220a)로 연료를 분사시킨다.
선회기(241)는 온도가 상승된 공기를 연료분사부(240)의 분사 측으로 유도할 수 있으며, 선회기(241)에는 공기의 유입을 위한 다수의 슬롯(미도시)이 형성될 수 있다.
라이너부(220)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(220a)을 형성한다.
도 2와 도 3의 실시예를 비교하면, 격판부재(234)와 라이너부(220)의 결합 방법에 있어서 주로 차이점이 있으므로, 이러한 차이점을 위주로 도 3의 실시예를 설명하기로 한다.
도 3의 실시예에 따르면 격판부재(234)와 라이너부(220)는 볼트(238)에 의해 고정결합된다. 상세하게, 격판부재(234)는 2 부분(234a, 234b: 설명의 목적을 위해서 234a 부분을 상부 격판부재, 234b를 하부 격판부재로 칭하기로 한다)으로 나뉘어진다.
상부 격판부재(234a)는 볼트(238)에 의해 라이너부(220)의 수직 단부(220b)와 볼트(238)에 의해 고정결합되고, 하부 격판부재(234b)는 라이너부(220)와 용접과 같은 방법에 의해 결합된다. 이후, 격판부재(234)의 위에 고정판(232)이 덮는 형태로 구성된다.
이처럼, 하부 격판부재(234b)는 라이너부(220)와 용접으로 결합되어 있으므로, 연소 공기는 라이너부(200) 내부로 누설될 위험은 전혀 없으며, 볼트(238) 부분으로 공기가 누설된다고 하더라도 윈드박스(windox)(버너가 존재하는 공간)로 유입될 뿐이다.
볼트(238)는 고정판(232) 아래에 매몰된 형태로 구성되게 된다.
전술한 바와 같이 격판부재(234)를 2 부분으로 분리하여 구성함으로써, 유사시 보수나 개조하기가 용이하다.
도 3의 실시예에서 설명하지 않은 구성요소들은, 도면번호가 유사하게 부여된 도 2에서의 구성요소들에 대한 설명을 참조하기 바란다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(310), 라이너부(320), 및 공기유동 균일 유도부(330), 및 연료 주입부(340)를 포함할 수 있다.
케이스(310)는 제1 케이스 부분(311)과 제2 케이스 부분(312)을 포함할 수 있다.
연료분사부(340)는 라이너부(320)내의 연소실(320a)로 연료를 분사시킨다.
선회기(341)는 온도가 상승된 공기를 연료분사부(340)의 분사 측으로 유도할 수 있으며, 선회기(341)에는 공기의 유입을 위한 다수의 슬롯(미도시)이 형성될 수 있다.
라이너부(320)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(320a)을 형성한다.
도 3와 도 4의 실시예를 비교하면, 연료 주입부(34)에 있어서 주로 차이점이 있으므로, 이러한 차이점을 위주로 도 4의 실시예를 설명하기로 한다.
도 4의 실시예에 따르면 연료 주입부(340)는, 신축성 있는 부분(FT)을 적어도 일부 포함하는 연료분사 튜브를 포함한다. 여기서, 연료분사 튜브에는 오링(O-ring)이 장착될 수 있다.
본 실시예처럼 연료 주입부(340)가 구성하는 연료분사 튜브가 신축성 있는 부분(FT)를 가짐으로써, 고온 연소 실험시에도 열팽창으로 인한 응력을 흡수할 수 있게 된다.
도 4의 실시예에서 설명하지 않은 구성요소들은, 도면번호가 유사하게 부여된 도 3 또는 도 4에서의 구성요소들에 대한 설명을 참조하기 바란다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(410), 라이너부(420), 공기유동 균일 유도부(430), 파일럿 연료 주입부(439)를 포함할 수 있다.
케이스(410)는 제1 케이스 부분(411)과 제2 케이스 부분(412)을 포함할 수 있다.
연료분사부(440)는 라이너부(420)내의 연소실(420a)로 연료를 분사시킨다.
선회기(441)는 온도가 상승된 공기를 연료분사부(440)의 분사 측으로 유도할 수 있고, 라이너부(420)는 그 내부에서 연소와 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실(420a)을 형성한다.
도 5 와 도 3의 실시예를 비교하면, 파일럿 연료 주입부(439)에 있어서 주로 차이가 있으므로 이러한 차이점을 위주로 도 5의 실시예를 설명하기로 한다.
도 5의 실시예에 따르면, 파일럿 연료 주입부(439)는 라이너부(420)로 파일럿 연료를 주입하기 위한 것으로서, 적어도 일부가 신축성 있는(flexible) 재질로 구성된 파일럿 연료 주입부를 포함하며, 파일럿 연료 주입부(439)는 케이스(410) 외부로 소정 길이(h) 연장되어 있다.
파일럿 연료 주입부(439)의 적어도 일부가 신축성 있는 재질로 구성되고 소정 길이(h) 연장됨으로써, 파일럿 연료 주입부(439)의 파일럿 팁(TIP)이 손상되지 않게 되며, 고온 연소 실험시에도 열팽창으로 인한 응력을 감소시킬 수 있게 된다.
도 5의 실시예에서 설명하지 않은 구성요소들은, 도면번호가 유사하게 부여된 도 3에서의 구성요소들에 대한 설명을 참조하기 바란다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 터빈 연소기 실험 장치는, 케이스(510), 라이너부(520), 공기유동 균일 유도부(530), 파일럿 연료 주입부(539), 및 연료 주입부(540)를 포함할 수 있다.
도 6의 실시예는, 도 3을 참조하여 설명한 격판부재와 라이너부간의 결합구조, 도 4를 참조하여 설명한 신축성 있는 부분(FT)을 적어도 일부 포함하는 연료분사 튜브를 가진 연료분사부, 및 도 5를 참조하여 설명한 적어도 일부를 신축성 있는 재질로 구성하고 소정 길이(h) 연장된 파일럿 연료 주입부의 구성을 모두 포함한다.
따라서, 격판부재(534), 라이너부(520), 볼트(538), 및 고정판(532)에 대한 설명은 도 3의 실시예를 참조하고, 신축성 있는 부분(FT)을 적어도 일부 포함하는 연료분사 튜브를 가진 연료분사부(540)에 대한 설명은 도 4의 실시예를 참조하고, 적어도 일부를 신축성 있는 재질로 구성하고 소정 길이(h) 연장된 파일럿 연료 주입부(539)의 구성은 도 5의 실시예를 참조하기 바란다.
도 6의 실시예는 위와 같이 구성됨으로써, 고온 연소 실험시에도 열 팽창으로 인한 응력을 감소시킬 수 있고, 공기가 라이너부로 새지 않는 효과를 발휘할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예들과 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 110, 210, 310, 410, 510: 케이스
11, 111, 211, 310, 410, 510: 제1 케이스
12, 112, 212, 312, 412, 512: 제2 케이스
20, 120, 220, 320, 420, 520: 라이너부
30, 130, 230, 330, 430, 530: 공기유동 균일 유도부
32, 132, 232, 332, 432, 532: 고정판
34, 134, 234, 334, 434, 534: 격판 부재
40, 140, 240, 340, 440, 540: 연료 주입부
41, 141, 241, 341, 441, 541: 선회기
50, 150: 연소용 공기

Claims (10)

  1. 가스 터빈 연소기 실험 장치에 있어서,
    일측에 연료가 분사되는 연료분사부가 결합되고 타측에 연소용 공기(combustion air)가 유입되는 공기유입부가 형성되는 케이스;
    상기 연료와 상기 연소용 공기에 의해 발화된 화염의 연소실을 형성하는 라이너부;
    상기 케이스와 상기 라이너부 사이에 위치되며, 상기 연소용 공기의 유동을 균일하게 유도하는 공기유동 균일 유도부; 및
    상기 라이너부로 파일럿 연료를 주입하기 위한 것으로서, 신축성 있는(flexible) 재질로 구성된 파일럿 연료 주입부;를 포함하며,
    상기 연료분사부는 신축성 있는 연료분사 튜브를 가지며,
    상기 공기유동 균일 유도부는, 상기 케이스의 길이 방향에 교차되는 방향을 따라 상기 케이스의 내부에 마련되는 격판부재를 포함하며,
    상기 격판부재는 상부 격판부재와 하부 격판부재로 분리되고, 상기 상부 격판 부재는 상기 라이너부와 볼트에 의해 결합되고, 상기 하부 격판부재는 상기 라이너부와 용접에 의해 결합되어 있고,
    상기 파일럿 연료 주입부는 상기 케이스의 외부로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기 실험 장치.
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