KR101669373B1 - 연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈 - Google Patents

연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

이 연소기 노즐 조립체(20)는, 터빈 차실에 형성되어 있는 연소기 삽입 개구를 막는 노즐 장착 기체(70)와, 노즐 장착 기체를 관통하며, 터빈 차실의 내측으로 봉 선단부(41t)가 돌출하는 동시에 터빈 차실의 외측으로 봉 기단부(41b)가 돌출하는 노즐봉(40)과, 노즐봉 내에 전체가 삽입되며, 관 선단부(61t)가 노즐봉에 있어서의 봉 선단부에 고정되고, 관 기단부(61b)가 노즐봉의 봉 기단부 내에 삽입되며, 봉 기단부를 거쳐서 연료(Fmo)가 내부에 공급되고, 관 선단부로부터 노즐봉의 봉 선단부를 거쳐서 연료를 분사하는 오일 연료관(60)과, 노즐봉의 봉 기단부 내에 배치되며, 노즐봉의 내주측과 오일 연료관의 외주측 사이에서, 관 선단부측으로의 연료의 누출을 억제하는 O링(36b, 36c)을 구비한다.

Description

연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈{COMBUSTOR NOZZLE ASSEMBLY, AND COMBUSTOR AND GAS TURBINE PROVIDED WITH SAME}
본 발명은 연료를 분사하는 연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈에 관한 것이다. 본원은 2012년 7월 30일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제 2012-168535 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
가스 터빈의 연소기는, 가스 터빈의 압축기로부터의 압축 공기 중에 연료를 분사하는 노즐을 갖는 노즐 조립체와, 노즐로부터 분사된 연료가 이 압축 공기에 혼합되어 연소함으로써 생성된 고온 가스를 터빈으로 인도하는 미통(尾筒)을 구비하고 있다. 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니지만, 노즐에는, 연료유와 연료 가스의 쌍방을 분사하는, 이른바 듀얼 노즐이라 불리는 것이 있다.
듀얼 노즐은, 예컨대, 이하의 특허문헌 1의 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 이중관 구조를 이루고 있으며, 통형상의 노즐봉과, 이 노즐봉 내에 배치되어 있는 관형상의 오일 연료관을 갖고 있다. 이 노즐봉에는, 오일 연료관이 삽입되는 관 삽입 공간보다 외주측의 부분에 가스 연료가 통과하는 가스 연료 유로가 형성되어 있다. 또한, 이 노즐봉은, 가스 터빈 차실에 형성되어 있는 연소기 삽입구를 막는 노즐 장착 기체에 고정되어 있다. 오일 연료관의 관 선단부는 노즐봉의 봉 선단부에 고정되어 있다. 이 오일 연료관의 관 기단부는, 노즐봉의 봉 기단부 및 노즐 장착 기체로부터 돌출되어 있으며, 노즐 장착 기체에 고정되어 있는 오일 매니폴드 내에 삽입되어 있다. 오일 연료는 이 오일 매니폴드 내에 공급되며, 거기로부터 오일 연료관 내에 유입한다.
이 듀얼 노즐로부터 오일 연료를 분사하여, 이 오일 연료를 연소시키고 있을 때(오일 연소 운전), 오일 연료관은 이 관 내를 흐르는 오일 연료에 의해 냉각된다. 한편, 노즐봉은, 가스 터빈의 압축기로부터의 압축 공기의 흐름에 노출되어 있기 때문에, 이 압축 공기에 의해서 가열된다. 이 때문에, 오일 연료관과 노즐봉의 온도는 가스 터빈의 정지시에는 균일하지만, 가스 터빈을 오일 연소 운전하고 있을 때에는, 노즐봉의 온도가 오일 연료관의 온도에 대해 상대적으로 높아진다. 이 온도차에 의해 오일 연료관과 노즐봉 사이에서의 열신장 차이가 생긴다.
또한, 듀얼 노즐로부터 가스 연료를 분사하여, 이 가스 연료를 연소시키고 있을 때(가스 연소 운전), 오일 연료관은 오일 연료에 의해 냉각되지 않는다. 그 때문에, 오일 연료관은 노즐봉의 온도에 가까운 온도가 되어, 오일 연료를 연소시키고 있을 때보다 고온이 된다. 그렇지만, 오일 연료관의 온도는 직접적으로 압축 공기의 흐름에 노출되어 있는 노즐봉의 온도만큼은 상승하지 않는다. 따라서, 가스 터빈의 가스 연소 운전시라도, 오일 연료관과 노즐봉 사이의 온도차가 생기고, 이것에 의해 오일 연료관과 노즐봉 사이에서의 열신장 차이가 생긴다.
이와 같이, 오일 연료관과 노즐봉 사이에서의 열신장 차이가 생기기 때문에, 오일 연료관의 관 선단부는 노즐봉의 봉 선단부에 고정되어 있지만, 오일 연료관의 관 기단부는 오일 매니폴드에 대해 상대 이동 가능하게 이 오일 매니폴드 내에 삽입되어 있다. 오일 연료관의 관 기단부의 외주와 오일 매니폴드의 내면과의 사이에는, 오일 연료관의 신장 차이를 허용하면서도, 그 사이로부터의 오일 연료의 누출을 억제하기 위해서, O링이 배치되어 있다.
그런데, 이상에서 설명한 듀얼 노즐에서는, 가스 터빈 차실 내의 열이 노즐 장착 기체 및 오일 매니폴드를 거쳐서, O링이나 오일 연료봉의 봉 기단부에 전달되기 쉽다. 이 때문에, O링은 이 열에 의해 단기간 내에 손상되어 버리는 경우가 있다.
그래서, 특허문헌 1에서는, 특허문헌 1의 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 노즐 장착 기체로부터 오일 매니폴드를 이격시키는 동시에, 노즐 장착 기체로부터의 오일 연료관의 돌출량을 크게 하고, 이 오일 연료관의 관 기단부를 오일 매니폴드 내에 삽입하는 것을 제안하고 있다. 또한, 특허문헌 1에서는, O링의 손상에 의한 오일 연료 누출을 방지하기 위해서, 오일 매니폴드 내로서, O링을 기준으로 하여 오일 연료관의 관 선단부측에 누유 회수실을 마련하는 것도 제안하고 있다.
일본 특허 공개 제 2008-190402 호 공보
상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 확실히 O링으로의 전열량이 적어지기 때문에, 단기간에서의 O링의 손상을 방지할 수 있다. 게다가, 만일 O링이 손상되어도 누유 회수실이 있기 때문에, 외부로의 오일 연료 누출을 방지할 수 있다. 그렇지만, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 누유 회수실을 마련하고 있는 것에 의해 오일 매니폴드의 구조가 복잡하게 될 뿐만 아니라, 이 오일 매니폴드를 지지하는 지지구가 별도로 필요하게 되어, 제조 비용이 늘어난다고 하는 과제가 있다.
본 발명은 제조 비용을 억제하면서도, 외부로의 연료 누설을 방지할 수 있는 연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 따른 연소기 노즐 조립체는, 터빈 차실에 형성되어 있는 연소기 삽입 개구를 막는 노즐 장착 기체와, 통형상을 이루며 상기 노즐 장착 기체를 관통하고, 상기 터빈 차실의 내측으로 봉 선단부가 돌출하는 동시에 상기 터빈 차실의 외측으로 봉 기단부가 돌출하는 노즐봉과, 관형상을 이루며 상기 노즐봉 내에 전체가 삽입되고, 관 선단부가 상기 노즐봉에 있어서의 상기 봉 선단부에 고정되며, 관 기단부가 상기 노즐봉의 상기 봉 기단부 내에 삽입되고, 상기 봉 기단부를 거쳐서 연료가 내부에 공급되며, 상기 관 선단부로부터 상기 노즐봉의 상기 봉 선단부를 거쳐서 상기 연료를 분사하는 연료관과, 상기 노즐봉의 상기 봉 기단부의 내에 배치되며, 상기 노즐봉의 내주측과 상기 연료관의 외주측 사이에서, 상기 관 선단부측으로의 상기 연료의 누출을 억제하는 시일 부재를 구비하고 있다.
상기 연소기 노즐 조립체에서는, 터빈 차실의 외측으로 돌출되어 있는 노즐봉의 봉 기단부 내에 시일 부재를 배치하고 있으므로, 노즐 장착 기체 등으로부터 열에 의한 시일 부재의 가열을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 열에 의한 시일 부재의 손상을 억제할 수 있다.
또한, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 노즐봉 내에 연료관 전체가 삽입되어 있으므로, 노즐봉의 내주측과 연료관의 외주측 사이에서 관 선단부측으로의 연료의 누출을 억제하는 시일 부재가 손상되어도, 이 연료는 노즐봉의 내주면과 연료관의 외주면 사이에 유입되기 때문에, 연료의 누설을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 누유 회수실이 형성되어 있는 복잡한 형상의 오일 매니폴드나 그 지지구가 불필요하게 되므로, 제조 비용을 억제할 수 있다.
상기 연소기 노즐 조립체에 있어서, 상기 노즐봉은, 상기 노즐 장착 기체 내에 위치하는 장착부와, 상기 장착부와 상기 봉 기단부 사이로서, 상기 노즐봉이 연장되어 있는 방향에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이, 상기 장착부의 최대 단면적보다 작은 단면적 감소부를 갖고 있어도 좋다.
상기 연소기 노즐 조립체에 있어서의 노즐봉의 봉 기단부는, 노즐 장착 기체 내에 위치하는 장착부와의 사이에 단면적 감소부가 개재되기 때문에, 노즐 장착 기체로부터 비교적 이격된 위치에 존재한다. 이 때문에, 노즐봉의 봉 기단부는 노즐 장착 기체로부터 받는 열을 줄일 수 있다. 또한, 노즐봉의 단면적 감소부의 단면적이 노즐봉의 장착부의 최대 단면적보다 작기 때문에, 노즐 장착 기체 등으로부터 봉 기단부로의 전열 경로에 있어서의 열저항이 증대한다.
이 때문에, 상기 연소기 노즐에서는, 열에 의한 봉 기단부 내의 시일 부재의 손상을 억제할 수 있다.
상기 노즐봉이 상기 단면적 감소부를 갖는 상기 연소기 노즐 조립체에 있어서, 상기 노즐봉의 상기 단면적 감소부는 연소기 외부에 노출되어 있는 것이 바람직하다.
상기 연소기 노즐 조립체에서는, 노즐봉의 장착부와 봉 기단부 사이의 단면적 감소부가 연소기 외부에 노출되어 있기 때문에, 장착부로부터의 단면적 감소부에 전달된 열을 연소기 외부로 방출할 수 있다. 따라서, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 단면적 감소부로부터 봉 기단부로 전달되는 열을 줄일 수 있어서, 시일 부재의 고온화에 의한 손상을 억제할 수 있다.
또한, 이상 중 어느 하나의 상기 연소기 노즐 조립체에 있어서, 상기 노즐봉의 상기 봉 기단부는 연소기 외부에 노출되어 있어도 좋다.
상기 연소기 노즐 조립체에서는, 봉 기단부에 전달된 열을 연소기 외부로 방출할 수 있다. 따라서, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 봉 기단부로부터 시일 부재에 전달되는 열을 줄일 수 있어서, 시일 부재의 고온화에 의한 손상을 억제할 수 있다.
또한, 상기 어느 하나의 상기 연소기 노즐 조립체에 있어서, 상기 노즐봉의 상기 봉 기단부에 접속되며, 상기 봉 기단부를 거쳐서 상기 연료를 상기 연료관 내에 공급하는 연료 수용관을 구비하고 있어도 좋다.
노즐봉의 봉 기단부를 거쳐서 연료를 연료관 내에 공급하는 경우, 봉 기단부를 연료 공급용 매니폴드로 덮는 방법과, 상기 연소기 노즐 조립체와 같이 연료 수용관을 마련하는 방법이 고려된다. 전자의 방법에서는, 봉 기단부가 연료 공급용 매니폴드로 덮이므로, 봉 기단부로부터 외부로의 열 방출을 그다지 기대할 수 없다. 한편, 후자의 방법에서는, 봉 기단부가 연료 공급용 매니폴드로 덮이는 일이 없으므로, 봉 기단부로부터 외부로의 열 방출을 기대할 수 있다.
따라서, 상기 연소기 노즐 조립체에서는, 봉 기단부로부터 시일 부재에 전달되는 열을 줄일 수 있어서, 시일 부재의 고온화에 의한 손상을 억제할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따른 연소기는, 상기 어느 하나의 연소기 노즐 조립체와, 상기 연소기 노즐 조립체의 상기 노즐로부터 분사된 연료가 연소함으로써 생성된 연소 가스를 터빈으로 인도하는 미통을 구비하고 있다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 가스 터빈은, 상기 연소기와, 상기 연소기로부터의 연소 가스로 회전하는 터빈 로터와, 상기 터빈 로터를 덮는 동시에, 상기 연소기가 장착되는 상기 터빈 차실을 구비하고 있다.
본 발명에서는, 누유 회수실이 형성되어 있는 복잡한 형상의 오일 매니폴드를 마련하지 않아도, 연료의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 지지구도 마련할 필요가 없기 때문에, 제조 비용을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 요부를 절결한 전체 측면도,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 연소기 주위의 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연소기 노즐 조립체의 요부 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 메인 노즐의 전체 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 메인 노즐의 기단부의 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 1 변형예에 있어서의 노즐봉의 요부 단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 2 변형예에 있어서의 노즐봉의 요부 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 3 변형예에 있어서의 노즐봉의 요부 단면도,
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 4 변형예에 있어서의 노즐봉의 요부 단면도.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 연소기 노즐 조립체, 연소기 노즐 조립체를 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈의 일 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시형태의 가스 터빈은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 외기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기(1)와, 연료 공급원으로부터의 연료를 압축 공기에 혼합하여 연소시켜 연소 가스를 생성하는 복수의 연소기(2)와, 연소 가스에 의해 구동하는 터빈(3)을 구비하고 있다.
터빈(3)은 터빈 차실(4)과, 이 터빈 차실(4) 내에서 회전하는 터빈 로터(5)를 구비하고 있다. 이 터빈 로터(5)는, 예컨대, 이 터빈 로터(5)의 회전으로 발전하는 발전기(도시되어 있지 않음)와 접속되어 있다. 복수의 연소기(2)는 터빈 로터(5)의 회전 축선(Ar)을 중심으로 하여 둘레 방향으로 서로 등간격으로 터빈 차실(4)에 고정되어 있다. 연소기(2)는, 고온·고압의 연소 가스를 터빈 로터(5)의 날개에 이송하는 미통(10)과, 이 미통(10) 내에 연료 및 압축 공기를 공급하는 연소기 노즐 조립체(20)를 구비하고 있다. 또한, 이하에서는, 연소기 노즐 조립체(20)를 단순히 노즐 조립체(20)라 칭한다.
노즐 조립체(20)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 파일럿 노즐(21)과, 이 파일럿 노즐(21)을 중심으로 하여 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있는 복수의 메인 노즐(31)과, 파일럿 노즐(21) 및 복수의 메인 노즐(31)이 장착되어 있는 노즐 장착 기체(70)를 갖고 있다.
터빈 차실(4)에는 연소기 삽입 개구(4a)가 형성되어 있다. 노즐 장착 기체(70)는 이 연소기 삽입 개구(4a)를 막고 있다. 노즐 장착 기체(70)는 파일럿 노즐(21) 및 복수의 메인 노즐(31)이 장착되어 있는 노즐대(71)와, 이 노즐대(71)가 고정되어 있는 노즐대 프레임(75)을 갖고 있다. 노즐대 프레임(75)은 터빈 차실(4)에 볼트에 의해 고정되어 있다.
파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(31)은 모두 봉형상을 이루며, 동일 방향을 향하고 있다. 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(31)은 모두 노즐 장착 기체(70)를 관통하고 있다. 파일럿 노즐(21)의 선단부(21t) 및 메인 노즐(31)의 선단부(31t)는 터빈 차실(4) 내로 돌출되어 있다. 또한, 파일럿 노즐(21)의 기단부(21b) 및 메인 노즐(31)의 기단부(31b)는 터빈 차실(4)의 외측으로 돌출되어 있다. 또한, 이하에서는, 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(31)이 연장되어 있는 방향을 노즐 길이 방향(D)으로 하고, 이 노즐 길이 방향(D)에서 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(31)의 선단부(21t, 31t)의 방향을 선단측(Dt)으로 하며, 이 노즐 길이 방향(D)에서 파일럿 노즐(21) 및 메인 노즐(31)의 기단부(21b, 31b)의 방향을 기단측(Db)으로 한다.
파일럿 노즐(21)의 기단부(21b)에는, 오일 연료(Fpo)를 수용하는 P 오일 연료 수용관(81)과, 가스 연료(Fpg)를 수용하는 P 가스 연료 수용관(82)이 접속되어 있다. 이 파일럿 노즐(21) 내에는, 오일 연료(Fpo)가 흐르는 오일 연료 유로(도시하지 않음)와, 가스 연료(Fpg)가 흐르는 가스 연료 유로(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 이들 유로는 모두 파일럿 노즐(21)의 선단부(21t)에서 개구하고 있으며, 여기로부터 각 연료(Fpo, Fpg)가 분사된다.
메인 노즐(31)은 통형상의 노즐봉(40)과, 이 노즐봉(40) 내에 전체가 삽입되는 관형상의 오일 연료관(60)을 갖고 있다. 노즐봉(40)은 노즐 장착 기체(70)의 노즐대(71)를 관통하고 있다. 노즐봉(40)의 봉 선단부(41t)가 터빈 차실(4) 내로 돌출되는 동시에, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)가 터빈 차실(4)의 외측으로 돌출되어 있다. 이 노즐봉(40)에서 노즐 장착 기체(70) 중에 위치하는 장착부(41a)는 노즐 장착 기체(70)의 노즐대(71)에 용접으로 고정되어 있다. 또한, 오일 연료관(60)의 전체가 노즐봉(40) 내에 삽입되기 때문에, 노즐봉(40)의 봉 선단부(41t)는 메인 노즐(31)의 선단부(31t)를 이루고, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)는 메인 노즐(31)의 기단부(31b)를 이룬다.
노즐대(71)의 외주측에는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 가스 연료(Fmg)를 수용하는 M 가스 연료 수용관(89)이 접속되어 있다. 이 노즐대(71)의 내부에는, 복수의 메인 노즐(31)보다 외주측의 위치에, M 가스 연료 수용관(89)으로부터의 가스 연료(Fmg)가 흐르는 환상 연료 유로(72)가 형성되어 있다. 또한, 이 노즐대(71)에는, 환상 연료 유로(72)로부터 각 메인 노즐(31)을 향하여 분기되어 있는 분기 유로(73)와, 분기 유로(73)로부터의 가스 연료(Fmg)를 노즐봉(40)의 장착부(41a) 주위로 인도하는 대 내 연료 공간(74)이 형성되어 있다.
노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)에는, 봉 기단부(41b)를 기단측(Db)으로부터 선단측(Dt)의 방향으로 보아, 원통형상의 기단부 내 공간(42)이 형성되어 있다. 이 봉 기단부(41b)에는, 오일 연료(Fmo)를 수용하며, 기단부 내 공간(42)과 연통하는 M 오일 연료 수용관(85)이 접속되어 있다. 또한, 이 노즐봉(40)에는, 기단부 내 공간(42)으로부터 봉 선단부(41t)까지 연장되며, 오일 연료관(60)이 삽입되는 관 삽입 공간(44)이 형성되어 있다. 또한, 이 노즐봉(40)에는, 관 삽입 공간(44)보다 외주측의 위치에, 이 노즐봉(40)의 장착부(41a)로부터 그 봉 선단부(41t)까지 연장되는 가스 연료 유로(45)가 형성되어 있다. 이 가스 연료 유로(45)는 장착부(41a)에서 개구하고 있으며, 대 내 연료 공간(74)과 연통하고 있다. 또한, 이 가스 연료 유로(45)는 봉 선단부(41t)에서 개구하고 있으며, 이 개구가 연료의 분사구(46)를 이루고 있다.
노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)와 장착부(41a) 사이는 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이 장착부(41a)의 최대 단면적보다 작은 단면적 감소부(41d)를 이루고 있다. 또한, 이 단면적 감소부(41d)의 단면적은 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 봉 기단부(41b)의 최대 단면적보다 작다.
오일 연료관(60)의 관선단부(61t)는 노즐봉(40)의 관 삽입 공간(44) 내에 배치되며, 이 노즐봉(40)의 봉 선단부(41t)의 위치에서 용접에 의해 고정되어 있다. 또한, 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)는 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내까지 연장되어 있다. 이 오일 연료관(60)에는, 오일 연료관(60)의 기단측(Db)으로부터 선단측(Dt)까지 관통되어 있는 오일 연료 유로(62)가 형성되어 있다. 이 오일 연료 유로(62)는 관 기단부(61b) 및 관 선단부(61t)에서 개구하고 있다. 오일 연료(Fmo)는 관 기단부(61b)의 개구로부터 오일 연료 유로(62) 내에 유입하고, 관 선단부(61t)의 개구로부터 유출하여, 노즐봉(40)의 분사구(46)로부터 메인 노즐(31) 외부로 분출한다.
메인 노즐(31)은, 이상에서 설명한 노즐봉(40) 및 오일 연료관(60) 외에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 노즐봉(40)의 원기둥 형상의 기단부 내 공간(42) 내에 수납되는 원기둥 형상의 중자(中子)(32)와, 시일 부재로서의 복수의 O링(36)과, 접시 스프링 등의 탄성체(37)를 갖고 있다. 메인 노즐(31)은 또한 기단부 내 공간(42)에 있어서의 봉 기단부(41b)의 기단측(Db)의 개구를 막으면서, 탄성체(37)를 가압하는 볼트(38)와, 이 볼트(38)의 볼트 헤드부와 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)와의 사이를 시일하는 패킹(39)을 갖고 있다.
중자(32)는 노즐봉(40)의 기단부 내 공간(42) 내의 선단측(Dt)의 영역에 수납되어 있다. 이 중자(32)에는, 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)가 삽입되는 관 삽입 공간(33)과, 오일 연료관(60)과 M 오일 연료 수용관(85)을 연통시키는 연통로(34)와, O링(36)이 장착되는 시일 홈(35)이 형성되어 있다. 연통로(34)는, M 오일 연료 수용관(85)으로부터의 오일 연료(Fmo)의 유량을 제한하여, 오일 연료관(60)에 유입하는 오일 연료(Fmo)의 유량을 목적의 유량으로 하는 오리피스로서의 역할도 담당하고 있다.
시일 홈(35)으로서는, 원기둥 형상의 중자(32)의 외주면에 형성되어 있는 제 1 시일 홈(35a)과, 중자(32)의 선단측(Dt)의 단면에 형성되어 있는 제 2 시일 홈(35b)과, 관 삽입 공간(33)에 대향하는 제 3 시일 홈(35c)이 있다. 각 시일 홈(35)에는 각각 O링(36)이 배치되어 있다. 제 1 시일 홈(35a) 및 제 2 시일 홈(35b)에 배치되어 있는 O링(36a, 36b)은 중자(32)의 외면과 봉 기단부(41b)의 내면과의 사이를 시일하는 역할을 담당하고 있다. 또한, 제 3 시일 홈(35c)에 배치되는 O링(36c)은 중자(32)의 관 삽입 공간(33) 내에서 노즐 길이 방향(D)으로의 오일 연료관(60)의 열신축을 허용하면서, 중자(32)의 내면과 오일 연료관(60)의 외면과의 사이를 시일하는 역할을 담당하고 있다.
또한, 제 1 시일 홈(35a)에 배치되어 있는 O링(36a)은 중자(32)의 외면과 봉 기단부(41b)의 내면과의 사이를 시일하여, 이 사이로부터 오일 연료(Fmo)가 기단측(Db)으로 누출되는 것을 억제하고 있다. 한편, 제 2 시일 홈(35b)에 배치되어 있는 O링(36b) 및 제 3 시일 홈(35c)에 배치되는 O링(36c)은 중자(32)의 외면과 봉 기단부(41b)의 내면과의 사이나 중자(32)의 내면과 오일 연료관(60)의 외면과의 사이를 시일하여, 이들 사이부터 오일 연료(Fmo)가 선단측(Dt)으로 누출되는 것을 억제하고 있다.
탄성체(37)는 그 탄성 방향을 노즐 길이 방향(D)을 향하여, 중자(32)보다 기단측(Db)의 기단부 내 공간(42) 내에 배치되어 있다. 이 탄성체(37)는, 전술한 바와 같이, 봉 기단부(41b)의 개구를 막는 볼트(38)에 의해 선단측(Dt)으로 눌려 있다. 이 때문에, 중자(32)는 탄성체(37)에 의해 기단부 내 공간(42)에서 선단측(Dt)으로 가압되어 있다.
노즐봉(40)에 접속되어 있는 M 오일 연료 수용관(85)은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 복수의 메인 노즐(31)의 노즐봉(40)에 있어서의 봉 기단부(41b) 상호를 연결하는 복수의 연결관(86)과, 하나의 연결관(86)에 오일 연료(Fmo)를 공급하는 주 수용관(87)을 갖고 있다. 복수의 메인 노즐(31)은 전술한 바와 같이 파일럿 노즐(21)을 중심으로 하여 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 이 때문에, 복수의 메인 노즐(31)의 노즐봉(40)에 있어서의 봉 기단부(41b)를 상호 연결하는 복수의 연결관(86)은 파일럿 노즐(21)을 중심으로 하여 둘레 방향으로 나열되어 있다.
본 실시형태의 가스 터빈의 오일 연소 운전시, 복수의 메인 노즐(31)에는, 외부로부터 M 오일 연료 수용관(85)을 거쳐서 오일 연료(Fmo)가 공급된다. 이 오일 연료(Fmo)는 메인 노즐(31)의 노즐봉(40)에 있어서의 기단부 내 공간(42)에 유입한다. 이 오일 연료(Fmo)는 이 기단부 내 공간(42) 내에 배치되어 있는 중자(32)의 연통로(34)를 거쳐서, 중자(32)의 관 삽입 공간(33)에 삽입되어 있는 오일 연료관(60)의 오일 연료 유로(62)에 유입되며, 노즐봉(40)의 분사구(46)로부터 메인 노즐(31) 외부로 분사된다. 메인 노즐(31) 외부로 분사된 오일 연료(Fmo)는 압축기(1)로부터의 압축 공기와 혼합되어 연소한다. 이 연소로 생성된 고온·고압의 연소 가스는 미통(10)에 의해 터빈 로터(5)의 날개로 인도된다.
오일 연료관(60)은 오일 연료관(60) 내를 흐르는 오일 연료에 의해 냉각된다. 한편, 노즐봉(40)은 압축기(1)로부터의 고온·고압의 압축 공기의 흐름에 노출되어 있기 때문에, 이 압축 공기에 의해서 가열된다. 이 때문에, 오일 연료관(60)과 노즐봉(40)의 온도는 가스 터빈의 정지시에는 균일하지만, 오일 연소 운전시에는, 노즐봉(40)의 온도가 오일 연료관(60)의 온도에 대해 상대적으로 높아진다. 이 온도차에 의해 오일 연료관(60)과 노즐봉(40) 사이에서의 열신장 차이가 생긴다.
본 실시형태의 가스 터빈의 가스 연소 운전시, 복수의 메인 노즐(31)에는, M 가스 연료 수용관(89)을 거쳐서 가스 연료(Fmg)가 공급된다. 이 가스 연료(Fmg)는 M 가스 연료 수용관(89)으로부터 노즐대(71) 내의 환상 연료 유로(72)에 유입하며, 거기로부터 노즐대(71) 내의 분기 유로(73) 및 대 내 연료 공간(74)을 거쳐서, 노즐봉(40) 내의 가스 연료 유로(45)에 유입한다.
이 가스 연료(Fmg)는 노즐봉(40)의 분사구(46)로부터 메인 노즐(31) 외부로 분사된다.
메인 노즐(31) 외부로 분사된 가스 연료(Fmg)는 오일 연소 운전시와 같이 압축기(1)로부터의 압축 공기와 혼합되어 연소한다. 이 연소로 생성된 고온·고압의 연소 가스는 미통(10)에 의해 터빈 로터(5)의 날개로 인도된다.
이 가스 연소 운전시, 오일 연료관(60)에는 오일 연료(Fmo)가 공급되지 않기 때문에, 오일 연료(Fmo)에 의해서 냉각되지 않는다. 그 때문에, 오일 연료관(60)은 노즐봉(40)의 온도에 가까운 온도가 되어, 오일 연료를 연소시키고 있을 때보다 고온이 된다. 그렇지만, 오일 연료관(60)의 온도는 직접적으로 압축 공기의 흐름에 노출되어 있는 노즐봉(40)의 온도만큼은 상승하지 않는다. 따라서, 가스 연소 운전시와 오일 연소 운전시라도, 오일 연료관(60)과 노즐봉(40) 사이의 온도차가 생기고, 이것에 의해 오일 연료관(60)과 노즐봉(40) 사이에서의 열신장 차이가 생긴다.
그런데, 오일 연료관(60)의 관 선단부(61t)는 전술한 바와 같이 노즐봉(40)의 봉 선단부(41t)에 용접에 의해 고정되어 있다. 이 때문에, 노즐봉(40)의 길이에 대한 오일 연료관(60)의 길이가 상대 변화되면, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)의 위치에 대해 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)의 상대 위치가 변화된다. 구체적으로, 예컨대, 가스 터빈 정지시에 비해, 오일 연소 운전시의 오일 연료관(60)의 온도는 노즐봉(40)의 온도에 대해 상대적으로 저하하기 때문에, 노즐봉(40)의 길이에 대한 오일 연료관(60)의 길이는 상대적으로 짧아진다. 따라서, 오일 연소 운전시에는, 가스 터빈 정지시와 비교하여, 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)의 위치가 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)의 위치에 대해 선단측(Dt)으로 이동한다.
이와 같이, 가스 터빈의 운전 상태에 따라서, 노즐 길이 방향(D)에서, 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)의 위치가 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)의 위치에 대해 상대 이동한다. 이 때문에, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내에 배치되어 있는 중자(32)의 제 3 시일 홈(35c)에 배치되는 O링(36c)은 중자(32)의 내면과 오일 연료관(60)의 외면과의 사이를 시일하면서도, 중자(32)의 관 삽입 공간(33) 내에서 노즐 길이 방향(D)으로의 오일 연료관(60)의 열 신축을 허용하고 있다.
또한, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내의 중자(32)는 오일 연료관(60)의 관 기단부(61b)의 이동에 의해 관 기단부(61b)의 이동 방향과 동일한 방향으로 이동하려고 한다. 또한, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)와 중자(32)와의 사이에도 열신장 차이가 생긴다. 이러한 열신장 차이에 의해, 중자(32)는 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내에서 이동하려고 한다. 이 때문에, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내에 배치되어 있는 중자(32)의 제 1 및 제 2 시일 홈(35a, 35b)에 배치되는 O링(36a, 36b)은 중자(32)의 외면과 봉 기단부(41b)의 내면과의 사이를 시일하면서도, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b) 내에서 중자(32)의 노즐 길이 방향(D)으로의 이동을 허용하고 있다.
그런데, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)는 터빈 차실(4)의 외측으로 돌출하여 마련되어 있다. 이 때문에, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)는 노즐 장착 기체(70)로부터의 열을 받기 어렵다. 또한, 노즐봉(40)의 단면적 감소부(41d)는, 전술한 바와 같이, 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이 노즐봉(40)의 장착부(41a)에 있어서의 최대 단면적보다 작다. 이 때문에, 노즐봉(40)의 단면적 감소부(41d)는 터빈 차실(4)로부터 봉 기단부(41b)로의 전열 경로에 있어서의 열저항을 증대시킨다. 또한, 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)는 연소기(2) 외부에 노출되어 있기 때문에, 외부와의 열교환에 의한 냉각 효과도 기대할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 연료의 연소에 수반하는 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)의 온도 상승 및 이 봉 기단부(41b)의 온도 상승에 수반하는 O링(36)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, O링(36)의 열에 의한 손상을 억제할 수 있어서, O링(36)의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 만일, 선단측(Dt)으로의 오일 연료(Fmo)의 누출을 방지하는 O링(36b, 36c)이 손상되어도, 외부로의 오일 연료(Fmo)의 누출을 방지할 수 있다. 이것은 노즐봉(40)의 기단부 내 공간(42)에 유입한 오일 연료(Fmo)가, O링(36c)이 시일하고 있던 중자(32)의 내면과 오일 연료관(60)의 외면과의 사이, 또는 O링(36b)이 시일하고 있던 중자(32)의 외면과 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)의 내면과의 사이를 거쳐서, 노즐봉(40)의 내면과 오일 연료관(60)의 외면과의 사이의 단열 공간에 유입되기 때문이다. 즉, 본 실시형태에서는, 이 단열 공간이 O링(36b, 36c)의 손상시 누유 회수 공간으로서의 역할을 담당하게 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 만일, 기단측(Db)으로의 오일 연료(Fmo)의 누출을 방지하는 O링(36a)이 손상되어도, 이 O링(36a)보다 기단측(Db)에 패킹(39)이 존재하기 때문에, 외부로의 오일 연료(Fmo)의 누출을 방지할 수 있다. 여기서, 패킹(39)은 온도 변화에 의해서 거의 상대 이동하지 않는 볼트(38)의 볼트 헤드부와 노즐봉(40)의 봉 기단부(41b)와의 사이를 시일하는 것이기 때문에, O링(36a)보다 수명이 길다. 이 때문에, 패킹(39)의 손상에 의한 외부로의 오일 연료(Fmo)의 누출에 대해서는, O링(36)의 손상만큼 고려할 필요는 없다.
따라서, 본 실시형태에서는, 누유 회수실이 형성되어 있는 복잡한 형상의 오일 매니폴드나 그 지지구가 불필요하게 되므로 제조 비용을 억제할 수 있다.
다음에, 노즐봉의 각종 변형예에 대해 도 6 내지 도 9를 이용하여 설명한다.
우선, 도 6을 이용하여, 노즐봉의 제 1 변형예에 대해 설명한다.
본 변형예의 노즐봉(40s)은 그 형상이 상기 실시형태의 노즐봉(40)의 형상과 약간 상이하다.
본 변형예의 노즐봉(40s)에서 노즐 장착 기체(70) 내에 위치하는 장착 부(41as)는, 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이 최대인 주 장착부(41ax)와, 축경부(41ay)를 갖고 있다. 축경부(41ay)는 주 장착부(41ax)의 기단측(Db)에 형성되며, 축경부(41ay)의 단면적은 노즐봉(40s)의 단면적 감소부(41d)의 단면적과 동일하다.
이와 같이, 노즐봉(40s)의 장착부(41as)가 축경부(41ay)를 갖고 있어도, 단면적 감소부(41d)의 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이 장착부(41as)의 최대 단면적보다 작으면, 상기 실시형태와 마찬가지로, 터빈 차실(4)로부터 봉 기단부(41b)로의 전열 경로에 있어서의 열저항을 증대시킬 수 있다.
다음에, 도 7을 이용하여, 노즐봉의 제 2 변형예에 대해 설명한다.
본 변형예의 노즐봉(40t)도, 그 형상이 상기 실시형태의 노즐봉(40)의 형상과 약간 상이하다.
본 변형예의 노즐봉(40t)에 있어서의 단면적 감소부(41dt)는 그 외경이 장착부(41a)의 외경과 동일하며, 단면적 감소부(41dt)의 내경은 장착부(41a)의 내경보다 크다. 이 때문에, 이 단면적 감소부(41dt)는 단면적 감소부(41dt)의 외경이 상기 실시형태의 단면적 감소부(41d)의 외경보다 커지지만, 노즐 길이 방향(D)에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적은 상기 실시형태와 마찬가지로 노즐봉(40t)의 장착부(41a)의 최대 단면적보다 작게 되어 있다. 이 때문에, 본 변형예에서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 터빈 차실(4)로부터 봉 기단부(41b)로의 전열 경로에 있어서의 열저항을 증대시킬 수 있다.
다음에, 도 8을 이용하여 노즐봉의 제 3 변형예에 대해, 도 9를 이용하여 노즐봉의 제 4 변형예에 대해 설명한다.
제 3 변형예의 노즐봉(40u)은, 상기 실시형태에 있어서의 노즐봉(40)과 동일 형상이다. 다만, 본 변형예의 노즐봉(40u)은 노즐봉(40u)의 선단측(Dt)의 부재와 노즐봉(40u)의 기단측(Db)의 부재를 용접으로 접합하여 형성하고 있다. 또한, 제 4 변형예의 노즐봉(40v)은 제 2 변형예의 노즐봉(40t)과 동일 형상이다. 다만, 본 변형예의 노즐봉(40v)도 제 3 변형예와 마찬가지로 노즐봉(40v)의 선단측(Dt)의 부재와 노즐봉(40v)의 기단측(Db)의 부재를 용접으로 접합하여 형성하고 있다. 이 때문에, 이들 변형예의 노즐봉(40u, 40v)은 예컨대 단면적 감소부(41d, 41dt)에 용접부(m)가 존재한다.
이상, 제 3 및 제 4 변형예의 노즐봉(40v, 40u)과 같이, 노즐봉의 선단측(Dt)의 부재와 노즐봉의 기단측(Db)의 부재를 용접으로 접합하여 형성해도, 상기 실시형태의 노즐봉(40)이나 제 2 변형예의 노즐봉(40t)과 기본적으로 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 3 및 제 4 변형예의 노즐봉(40v, 40u)에서는, 단면적 감소부(41d, 41dt)에 용접부(m)를 존재시키면, 터빈 차실(4)로부터 봉 기단부(41b)로의 전열 경로에 있어서의 열저항을 보다 증대시킬 수 있다.
또한, 여기에서는, 상기 실시형태의 노즐봉(40)이나 제 2 변형예의 노즐봉(40t)과 동일 형상의 노즐봉(40v, 40u)을 2개의 부재의 용접에 의한 접합으로 형성하고 있지만, 제 1 변형예의 노즐봉(40s)과 동일 형상의 노즐봉도 2개의 부재의 용접에 의한 접합으로 형성해도 좋다. 또한, 여기에서는, 2개의 부재를 용접으로 접합하여 노즐봉을 형성하고 있지만, 상기 실시형태의 오일 연료관(60)과 동일 형상의 오일 연료관도 2개의 부재를 용접으로 접합하여 형성해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 유량을 조절하는 등을 위해서, 중자(32)를 노즐봉(40)의 기단부 내 공간(42)에 배치하고 있지만, 이 중자(32)를 생략해도 좋다. 이 경우, 이 기단부 내 공간(42) 내에서, M 오일 연료 수용관(85)으로부터 오일 연료(Fmo)를 수용하는 부분에, 오일 연료(Fmo)의 유량을 조절하는 기능을 갖게 된다.
또한, 상기 실시형태의 메인 노즐(31)은 연료유와 연료 가스의 쌍방을 분사하는, 이른바 듀얼 노즐이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 노즐봉과 오일 연료관을 갖고 있으면, 연료 가스를 분사하지 않는 노즐이어도 좋다.
이 연소기 노즐 조립체에 의하면, 누유 회수실이 형성되어 있는 복잡한 형상의 오일 매니폴드를 마련하지 않아도, 연료의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 지지구도 마련할 필요가 없기 때문에, 제조 비용을 억제할 수 있다.
1 : 압축기 2 : 연소기
3 : 터빈 4 : 터빈 차실
4a : 연소기 삽입 개구 5 : 터빈 로터
10 : 미통 20 : 노즐 조립체
21 : 파일럿 노즐 31 : 메인 노즐
32 : 중자 33 : 관 삽입 공간
36 : O링(시일 부재) 37 : 탄성체
38 : 볼트 39 : 패킹
40, 40s, 40t, 40u, 40v : 노즐봉 41b : 봉 기단부
41d, 41dt : 단면적 감소부 41a : 장착부
41t : 봉 선단부 42 : 기단부 내 공간
44 : 관 삽입 공간 45 : 가스 연료 유로
46 : 분사구 60 : 오일 연료관
61b : 관 기단부 61t : 관 선단부
62 : 오일 연료 유로 70 : 노즐 장착 기체
71 : 노즐대 75 : 노즐대 프레임

Claims (7)

  1. 터빈 차실에 형성되어 있는 연소기 삽입 개구를 막는 노즐 장착 기체와,
    통형상을 이루며 상기 노즐 장착 기체를 관통하고, 상기 터빈 차실의 내측으로 봉 선단부가 돌출하는 동시에 상기 터빈 차실의 외측으로 봉 기단부가 돌출하는 노즐봉과,
    관형상을 이루며 상기 노즐봉 내에 전체가 삽입되고, 관 선단부가 상기 노즐봉에 있어서의 상기 봉 선단부에 고정되며, 관 기단부가 상기 노즐봉의 상기 봉 기단부 내에 삽입되고, 상기 봉 기단부를 거쳐서 연료가 내부에 공급되며, 상기 관 선단부로부터 상기 노즐봉의 상기 봉 선단부를 거쳐서 상기 연료를 분사하는 연료관과,
    상기 노즐봉의 상기 봉 기단부의 내에 배치되며, 상기 노즐봉의 내주측과 상기 연료관의 외주측 사이에서, 상기 관 선단부측으로의 상기 연료의 누출을 억제하는 시일 부재를 구비하고,
    상기 노즐봉은,
    상기 노즐 장착 기체 내에 위치하는 장착부와,
    상기 장착부와 상기 봉 기단부 사이로서, 상기 노즐봉이 연장되어 있는 방향에 대해 수직인 단면에 있어서의 단면적이 상기 장착부의 최대 단면적보다 작은 단면적 감소부를 갖는
    가스 터빈의 연소기 노즐 조립체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐봉의 상기 단면적 감소부는 연소기 외부에 노출되어 있는
    가스 터빈의 연소기 노즐 조립체.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 노즐봉의 상기 봉 기단부는 연소기 외부에 노출되어 있는
    가스 터빈의 연소기 노즐 조립체.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 노즐봉의 상기 봉 기단부에 접속되며, 상기 봉 기단부를 거쳐서 상기 연료를 상기 연료관 내에 공급하는 연료 수용관을 더 구비하고 있는
    가스 터빈의 연소기 노즐 조립체.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 가스 터빈의 연소기 노즐 조립체와,
    상기 연소기 노즐 조립체의 상기 노즐로부터 분사된 연료가 연소함으로써 생성된 연소 가스를 터빈으로 인도하는 미통(尾筒)을 구비하고 있는
    가스 터빈의 연소기.
  7. 제 6 항에 기재된 연소기와,
    상기 연소기로부터의 상기 연소 가스로 회전하는 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터를 덮는 동시에, 상기 연소기가 장착되는 상기 터빈 차실을 구비하고 있는
    가스 터빈.
KR1020157002072A 2012-07-30 2013-03-12 연소기 노즐 조립체, 이것을 구비하고 있는 연소기 및 가스 터빈 KR101669373B1 (ko)

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