KR101873574B1 - 히트 실드를 구비한 액체 연료 노즐 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 메인 노즐과 파일럿 노즐로 각각 액체 연료를 공급하는 메인 유로와 파일럿 유로를 구비하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐에 관한 것으로서, 중앙에 배치된 파일럿 노즐과 연결되어 상기 파일럿 유로를 형성하는 제1 튜브;와, 상기 제1 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 환형 공간인 상기 메인 유로를 형성하는 제2 튜브;와, 상기 제2 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 공기 통로를 형성하는 외피 관; 및 상기 외피 관과 상기 제2 튜브 사이에 배치되어 환형 공간을 형성하고, 그 단부가 노즐 홀더에 끼움 결합되는 히트 실드;를 포함한다.

Description

히트 실드를 구비한 액체 연료 노즐{Liquid fuel nozzle having heat shield}

본 발명은 가스 터빈의 연소기에 설치되는 액체 연료 노즐에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 고온의 연소용 공기에 의한 액체 연료의 온도 상승을 억제함으로써 연소 과정 중의 질소산화물 생성을 감소시킬 수 있는 히트 실드를 그 내부에 구비한 액체 연료 노즐에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충돌력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로서 증기를 이용하면 증기 터빈, 연소가스를 이용하면 가스 터빈이라고 한다.

가스 터빈의 열 사이클은 브레이튼 사이클(Brayton cycle)이며, 압축기와 연소기, 터빈으로 구성된다. 가스 터빈의 작동원리는 먼저 대기의 공기를 흡입하여 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 연소가스를 만들어서 터빈을 동작시키고, 배기가스를 대기중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 이루어지는 것이다.

가스 터빈의 압축기는 대기로부터 공기를 흡입하여 연소기에 연소용 공기를 공급하는 역할을 하며, 단열압축 과정을 거치므로 압력과 공기온도가 올라가며, 연소기에 도달하기까지 라이너와 트랜지션 피스 등으로 구성된 연소 덕트 표면을 냉각시키는 과정에서 열을 받아 더욱 온도가 상승한다.

연소기에서는 유입된 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 내며, 효율을 올리기 위해 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.

가스 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환시킨다. 터빈에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는데 이용된다.

가스 터빈은 주요 구성부품에 왕복운동이 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

그러나, 가스 터빈은 액체 또는 기체 연료를 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 만들어야 하기 때문에 이런 연소 과정 중에 필연적으로 대기환경을 오염시키는 각종 산화물이 부수적으로 생성된다. 이러한 배기가스는 환경규제의 대상이 되기 때문에 이를 줄이기 위한 각종 방안이 강구되어야 하고, 이는 가스 터빈의 개발, 제조업체에는 큰 과제로 남는다.

각종 배기가스 중에 가장 해결하기 어려운 것 중의 하나는 질소산화물이다. 흔히 NOx라 불리는 질소산화물은 고온의 연소환경에서 만들어지는데 환원 반응을 통해 인체에 무해한 질소와 산소로 정화하는 기술이 널리 적용되고 있지만, 갈수록 강화되는 규제를 만족시키기 위해서는 질소산화물의 생성 자체를 억제하는 연소 제어가 필요하다.

일본등록특허 제4312462호(2009.08.12 발행)

본 발명은 가스 터빈의 연소기에서 생성되는 연소가스 중의 질소산화물을 저감할 수 있도록 연소실 내부에서의 연소 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 액체 연료 노즐을 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 메인 노즐과 파일럿 노즐로 각각 액체 연료를 공급하는 메인 유로와 파일럿 유로를 구비하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐에 관한 것으로서, 중앙에 배치된 파일럿 노즐과 연결되어 상기 파일럿 유로를 형성하는 제1 튜브;와, 상기 제1 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 환형 공간인 상기 메인 유로를 형성하는 제2 튜브;와, 상기 제2 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 공기 통로를 형성하는 외피 관; 및 상기 외피 관과 상기 제2 튜브 사이에 배치되어 환형 공간을 형성하고, 그 단부가 노즐 홀더에 끼움 결합되는 히트 실드;를 포함한다.

본 발명의 실시형태에 따라서는, 상기 히트 실드와 상기 제2 튜브 사이에 배치되어 환형 공간인 냉각수 유로를 형성하는 워터 튜브를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 냉각수 유로는 상기 공기 통로와 연통할 수 있다.

그리고, 상기 히트 실드와 노즐 홀더 사이의 결합부는 밀봉되지 않을 수 있다.

그리고, 상기 히트 실드와 상기 제2 튜브 또는 상기 워터 튜브 사이에 형성된 환형 공간에는 공기층이 형성된다.

또한, 상기 공기층을 형성하는 공기 중의 적어도 일부는 상기 공기층의 온도 상승에 따라 상기 히트 실드와 노즐 홀더 사이의 결합부를 통해 배출될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 가스 터빈용 액체 연료 노즐은 메인 유로와 파일럿 유로를 감싸면서 공기층을 형성하는 히트 실드를 구비함에 따라 고온의 연소용 공기로부터의 열전달에 의해 연료의 온도가 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 가스 터빈용 액체 연료 노즐은 히트 실드에 의해 가스 터빈의 정격 운전 환경에서도 연료의 온도 상승을 억제할 수 있고, 이에 따라 연소 온도를 종래에 비해 낮출 수 있어 질소산화물의 생성을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 출원인이 개발한 종래의 가스 터빈용 액체 연료 노즐의 내부 구조를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 가스 터빈용 액체 연료 노즐의 내부 구조를 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되어 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명은 가스 터빈을 이루는 구성 중 연소실 내로 액체 연료와 압축공기의 혼합기체를 분사하는 액체 연료 노즐(10)에 관련된 것이다.

도 1은 본 출원인이 개발한 종래의 가스 터빈용 액체 연료 노즐(이하, '액체 연료 노즐'이라 함)의 내부 구조를 도시한 것이다.

도시된 액체 연료 노즐(10)은 메인 노즐(100)과 파일럿 노즐(110)로 각각 액체 연료를 공급하는 메인 유로(130)와 파일럿 유로(140)를 구비하고 있다.

액체 연료 노즐(10)의 구조를 중앙에서부터 반경 방향을 따라 차례로 설명하면 다음과 같다.

액체 연료 노즐(10)의 중앙에는 파일럿 노즐(110)과 연결되는 제1 튜브(200)가 배치되며, 이에 따라 제1 튜브(200)는 파일럿 노즐(110)에 액체 연료를 공급하는 파일럿 유로(140)를 형성하게 된다.

그리고, 중앙의 제1 튜브(200)를 감싸면서 동심을 이루도록 제2 튜브(210)가 배치된다. 이에 따라, 제1 튜브(200)와 제2 튜브(210) 사이에는 환형 공간이 형성되는데, 이 환형 공간이 메인 노즐(100)에 액체 연료를 공급하는 메인 유로(130)를 형성하게 된다. 메인 노즐(100)에는 원주 방향을 따라 복수 개의 메인 노즐 홀이 등각도로 이격 배치되며, 이에 따라 중앙의 파일럿 노즐(110)을 복수 개의 메인 노즐 홀이 둥글게 감싸는 형태를 이루게 된다.

그리고, 외피 관(240)이 제2 튜브(210)를 감싸면서 동심을 이루도록 배치된다. 외피 관(240)은 액체 연료 노즐(10)의 가장 바깥에 배치되어 몸체를 구성하는 관인데, 제2 튜브(210)와의 사이에 형성된 환형 공간은 액체 연료를 연소시키기 위한 공기를 공급하는 공기 통로(170)를 이루게 된다.

그런데, 전술한 바와 같이, 연소용 공기는 가스 터빈의 압축기가 대기로부터 흡입한 공기를 고압으로 압축하여 공급되는데, 공기를 압축할 때 단열압축 과정을 거침에 따라 압력뿐만 아니라 온도까지 올라가게 되고, 연소기에 도달하기까지 라이너와 트랜지션 피스 등으로 구성된 연소 덕트 표면을 흘러가며 냉각시키는 과정에서 열을 받아 더욱 온도가 상승한다. 따라서, 정격 운전 중에 가스 터빈의 액체 연료 노즐(10) 안으로 공급되는 연소용 공기는 470℃를 상회하게 된다.

이와 같이 고온인 연소용 공기가 메인 유로(130)를 형성하는 제2 튜브(210)의 바깥쪽을 흐름에 따라 제2 튜브(210)의 온도도 함께 상승하고, 이에 따라 액체 연료와 접촉하는 제2 튜브(210)의 내주면 온도는 팁 부에서 194℃ 정도까지 상승하게 된다. 그리고, 제2 튜브(210)의 온도 상승은 결국 액체 연료를 가열하여 상당한 정도로 연료 온도를 높이게 되고, 이는 연소 온도를 상승시켜 질소산화물의 생성을 촉진하는 결과로 이어진다.

이에 본 발명의 액체 연료 노즐(10)은 연소용 공기로 인한 메인 유로(130)의 온도 상승을 억제하기 위하여, 도 2에 도시된 것과 같이, 그 단부가 노즐 홀더(120)에 끼움 결합되는 히트 실드(230)를 외피 관(240)과 제2 튜브(210) 사이에 배치하여 제2 튜브(210) 바깥쪽에 환형 공간을 형성함으로써 연소용 공기로부터의 열전달을 상당량 차단하도록 구성하였다.

즉, 히트 실드(230)와 제2 튜브(210) 사이에 형성된 환형 공간에는 공기층(160)이 형성되는데, 히트 실드(230)의 단부는 노즐 홀더(120)에 끼움 결합되기 때문에 이 공기층(160)은 유동이 거의 없게 된다. 공기층(160)의 유동이 거의 없고 공기 자체의 열 전달률은 극히 낮기 때문에 이 공기층(160)은 연소용 공기로부터의 열전달을 차폐하는 역할을 할 수 있다.

가스 터빈이 정격으로 운전되는 동일한 조건에서 공기층(160)을 형성하는 히트 실드(230)를 추가하면, 액체 연료와 접촉하는 제2 튜브(210)의 내주면 온도는 팁 부에서 43℃까지 떨어지게 된다. 비교하면, 히트 실드(230)가 없는 도 1의 액체 연료 노즐(10)의 경우에 비해 약 150℃ 정도로 제2 튜브(210)의 온도가 하강하는 효과를 얻게 된다.

메인 유로(130)를 형성하는 제2 튜브(210)의 온도 저하는 당연히 액체 연료의 온도 상승을 상당히 억제하게 되고, 이러한 상대적으로 낮은 액체 연료의 온도는 연소 온도를 낮춤으로써 질소산화물 생성을 줄이는 연소 환경을 조성하게 한다.

액체 연료 노즐(10)의 실시형태에 따라서는, 히트 실드(230)와 제2 튜브(210) 사이에 배치되어 환형 공간인 냉각수 유로(150)를 형성하는 워터 튜브(220)를 더 포함할 수 있다. 워터 튜브(220)를 흐르는 물은 기본적으로 냉각수의 역할을 한다. 비열이 높은 물이 제2 튜브(210)를 감쌈에 따라 히트 실드(230)가 형성하는 공기층(160)과 함께 제2 튜브(210)의 온도를 더욱 효과적으로 낮출 수 있다. 이 경우 히트 실드(230)는 워터 튜브(220)의 바깥쪽에 공기층(160)을 형성하게 되며, 이를 통해 워터 튜브(220) 안을 흐르는 냉각수의 온도 상승을 1차적으로 억제하게 된다.

여기서, 워터 튜브(220)가 형성하는 냉각수 유로(150)는 연소용 공기가 흐르는 공기 통로(170)와 연통할 수 있다. 냉각수 유로(150)를 흐르는 물은 공기 통로(170)로 유입되면서 미립화되어 연소실 내부로 공급되고, 이 연소실 안으로 들어간 물은 열용량을 증가시켜 역시 연소 온도를 낮추는 역할을 하게 된다.

그리고, 끼움 결합하는 히트 실드(230)와 노즐 홀더(120) 사이의 결합부는 별도의 밀봉 처리, 예를 들면 브레이징 처리와 같은 밀봉 처리 없이 단순한 끼움 결합 상태로 남겨두는 것이 바람직할 수 있다.

이는 히트 실드(230) 내부에 형성된 공기층(160)이 가스 터빈의 운전에 따라 온도가 상승하여 부피가 팽창함에 따라 공기층(160)을 이루는 공기 중의 적어도 일부가 히트 실드(230)와 노즐 홀더(120) 사이의 결합부를 통해 배출되도록 하기 위한 것이다.

공기보다 진공의 열 전달률이 더 낮기 때문에 공기층(160)의 밀도를 낮출수록 히트 실드(230)의 열 차단효과는 더욱 좋아지므로, 오히려 히트 실드(230)와 노즐 홀더(120) 사이의 결합부에 별도의 밀봉 처리를 하지 않는 것이 좀더 유리할 수 있다.

또한, 공기층(160)의 온도가 상승함에 따라 팽창하여 히트 실드(230) 내부의 압력이 증가하는 것을 피하는 것이 내구성의 측면에서도 유리한 점이 있기 때문이기도 하다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 액체 연료 노즐 100: 메인 노즐
110: 파일럿 노즐 120: 노즐 홀더
130: 메인 유로 140: 파일럿 유로
150: 냉각수 유로 160: 공기층
170: 공기 통로 200: 제1 튜브
210: 제2 튜브 220: 워터 튜브
230: 히트 실드 240: 외피 관

Claims (6)

1. 메인 노즐과 파일럿 노즐로 각각 액체 연료를 공급하는 메인 유로와 파일럿 유로를 구비하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐에 있어서,
   중앙에 배치된 파일럿 노즐과 연결되어 상기 파일럿 유로를 형성하는 제1 튜브;
   상기 제1 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 환형 공간인 상기 메인 유로를 형성하는 제2 튜브;
   상기 제2 튜브를 감싸면서 동심을 이루도록 배치되어 공기 통로를 형성하는 외피 관;
   상기 외피 관과 상기 제2 튜브 사이에 배치되어 환형 공간을 형성하고, 그 단부가 노즐 홀더에 끼움 결합되는 히트 실드; 및
   상기 히트 실드와 상기 제2 튜브 사이에 배치되어 환형 공간인 냉각수 유로를 형성하는 워터 튜브;를 포함하고,
   상기 냉각수 유로는 상기 공기 통로와 연통되어 있고, 이를 통해 상기 냉각수 유로를 흐르는 물은 상기 공기 통로로 유입되면서 미립화되어 연소실 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 히트 실드와 노즐 홀더 사이의 결합부는 밀봉되지 않은 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐.
5. 제4항에 있어서,
   상기 히트 실드와 상기 워터 튜브 사이에 형성된 환형 공간에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐.
6. 제5항에 있어서,
   상기 공기층을 형성하는 공기 중의 적어도 일부는 상기 공기층의 온도 상승에 따라 상기 히트 실드와 노즐 홀더 사이의 결합부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈용 액체 연료 노즐.
   

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