KR101967052B1 - 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체; 상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인; 및 상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 구비하는 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈을 제공한다.
이러한 본 발명의 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈에 의하면, 상류 및 하류 돌출부에 의해 상류에서는 압축공기의 유동 특성을 변화시키고, 하류에서는 압축공기와 연료의 혼합 및 유동특성을 변화시킬 수 있다. 이에 따라 압축공기와 연료의 다양한 혼합 및 유동 특성을 구현하여 요구되는 연소특성을 만족하는 설계의 다양성을 제공하고, 결과적으로 NOx 저감 및 화염부착(Flame holding) 및 역화(Flashback)를 감소시키는 최적의 교차유동을 실현할 수 있다.

Description

연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈{Nozzle for combustor and gas turbine having the same}
본 발명은 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가스터빈용 연소기의 내부로 유입되는 압축공기에 연료를 분사하여 압축공기와 연료를 혼합시키는 연소기용 노즐과, 이를 구비하는 가스터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈이란 고온 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관을 의미한다. 가스터빈은 기본적인 요소로서 공기를 압축시키는 압축기, 이러한 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키는 연소기, 연소기로부터 뿜어져 나온 고온 고압의 가스를 통해 날개를 회전시켜 전력을 발생시키는 터빈을 포함한다.
상기 연소기는 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키고, 이와 같이 생성된 연소가스를 터빈에 공급하는 것으로서, 이를 위해 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 압축공기와 연료의 혼합물을 만들기 위한 연소기용 노즐을 구비한다. 통상 이러한 연소기용 노즐에는 압축공기와 연료의 효율적인 혼합을 위해 스월베인(Swirl Vane)이 구비된다.
상기한 바와 같은 연소기용 노즐과 관련된 기술로서, 미국등록특허 US8,220,270호에서는, 연료를 분사하여 연료와 압축공기를 혼합시키는 스워즐(Swozzle)에 대해 개시하고 있다.
상기 종래의 연소기용 노즐에서는, 스월베인의 일면에서 연료를 분사하고, 이와 같이 분사된 연료와 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기가 혼합되도록 한다. 이 때, 서로 인접하는 연료 분사홀의 사이에 가이딩부를 구비하여 연료와 압축공기의 혼합 특성을 개선하고, 혼합물의 유동을 안내한다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 연소기용 노즐은, 연료와 압축공기가 서로 혼합하기 이전에 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동 특성을 변화시킬 수 없다. 또한 단순히 연료와 압축공기가 서로 섞이기 시작한 후, 서로간의 혼합 및 혼합물의 유동을 안내할 뿐, NOx 증가 및 화염부착(Flame holding) 또는 역화(Flashback)를 감소시킬 수 있는 최적의 유동 특성을 제공하는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 압축공기와 연료 사이에 최적의 교차유동을 실현하여 혼합특성을 개선할 뿐만 아니라, NOx저감, 화염부착 및 역화를 감소시킬 수 있는 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체; 상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인; 및 상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 구비한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 노즐을 통해 주입된 연료와 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기의 혼합물을 연소시켜 연소가스를 발생시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 생산하는 터빈을 포함하되, 상기 연소기의 노즐은, 내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체와, 상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여, 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인과, 상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 포함하는 가스터빈이 제공된다.
상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치될 수 있다. 여기서 상기 연소기의 노즐은 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비할 수 있다. 이때 상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치될 수 있다. 나아가 상기 복수개의 하류 돌출부는, 상기 스월베인의 형상에 대응하여 길이방향을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치될 수도 있다.
한편, 상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치될 수도 있다. 여기서 상기 연소기의 노즐은 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비할 수도 있다.
상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단은, 상기 스월베인의 측면으로부터 수직하게 돌출되거나 경사지게 돌출될 수 있다. 더 나아가, 상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단은, 볼록하거나 오목하게 경사질 수도 있다.
상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 하향 또는 상향 경사질 수 있다. 여기서 상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 볼록하거나 오목하게 경사질 수도 있다.
상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 그 평단면이 사각형, 사다리꼴형, 원형, 타원형 및 익형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 선택적 조합의 형상일 수 있다.
본 발명에 따른 연소기용 노즐 및 이를 구비하는 가스터빈에 의하면, 상류 및 하류 돌출부에 의해 상류에서는 압축공기의 유동 특성을 변화시키고, 하류에서는 압축공기와 연료의 혼합 및 유동특성을 변화시킬 수 있다. 이에 따라 압축공기와 연료의 다양한 혼합 및 유동 특성을 구현하여 요구되는 연소특성을 만족하는 설계의 다양성을 제공하고, 결과적으로 NOx 저감, 화염부착(Flame holding) 및 역화(Flashback)를 감소시키는 최적의 교차유동을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 가스터빈을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 가스터빈에 구비된 연소기의 단면도,
도 3은 도 2에 나타낸 연소기용 노즐의 부분 절개 사시도,
도 4a는 본 발명이 제1실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도,
도 4b는 도 4a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도,
도 4c는 도 4a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 교차유동을 설명하기 위한 단면도,
도 5a는 본 발명이 제2실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도,
도 5b는 도 5a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도,
도 6a는 본 발명이 제3실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도,
도 6b는 도 6a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도,
도 7a는 본 발명이 제4실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도,
도 7b는 도 7a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도,
도 8a는 본 발명이 제5실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도,
도 8b는 도 8a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도,
도 9a 내지 9c는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단의 다양한 실시예들을 도시한 단면도,
도 10a 및 10b는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 다양한 실시예들을 도시한 단면도,
도 11a 내지 11e는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 다양한 실시예들을 도시한 평단면도이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 가스터빈을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 가스터빈에 구비된 연소기의 단면도이며, 도 3은 도 2에 나타낸 연소기용 노즐의 부분 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 가스터빈(1)은, 압축기(20), 연소기(10) 및 터빈(30)을 구비한다.
상기 압축기(20)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축시켜 상기 연소기(10)로 공급한다. 상기 연소기(10)는 상기 압축기(20)로부터 공급받은 압축공기에 연료를 분사하여 혼합시킨 후, 혼합물을 연소시켜 연소가스를 발생시킨다. 이와 같이 발생된 연소가스는 상기 터빈(30)으로 전달되며, 상기 터빈(30)는 연소기(10)로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 생산한다. 여기서 상기 압축기(20) 및 터빈(30)의 세부 기술구성은 공지의 기술에 해당하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연소기(10)는 공급받은 압축공기(A)와 연료(F)를 혼합하기 위하여 연료(F)를 분사하는 노즐(100)을 구비한다.
상기 연소기(10)의 노즐(100)은, 도 3과 같이 내부를 통해 연료(F)를 공급하는 노즐본체(110)와, 이러한 노즐본체(110)로부터 공급된 연료(F)를 분사하는 복수개의 분사구(121)가 측면에 형성된 복수개의 스월베인(120)을 구비한다. 여기서 상기 스월베인(120)은 연료를 공급 받기 위해 상기 노즐본체(110)의 내부와 연통하고, 상기 노즐본체(110)의 외측면 상에 결합한다. 이와 같은 연소기(10)의 노즐(100)에서는 상기 스월베인(120)의 선단으로 압축공기(A)가 유입되어 상기 분사구(121)을 통해 분사되는 연료(F)와 교차 유동(Cross flow)을 한다.
이하, 상기 연소기용 노즐(100)의 실시예들에 대해 상세히 설명하도록 한다. 다만 후술되는 실시예들 및 첨부 도면에는 상기 스월베인(120)의 측면에 두 개의 분사구(121)가 각각 형성된 것으로 나타내고 있지만, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 본질적인 기술 구성은 세 개의 이상의 분사구(121)가 스월베인(120)의 측면에 각각 형성된 경우에도 적용 가능하다고 할 것이다.
도 4a는 본 발명이 제1실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도, 도 4b는 도 4a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도, 도 4c는 도 4a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 교차유동을 설명하기 위한 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(100A;100)은, 상기 스월베인(120)의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부(130)를 구비한다. 이러한 상류 돌출부(130)는 스월베인(120)의 선단으로 유입되는 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구(121)의 상류에 위치한다. 이 때 상기 분사구(121)와 상류 돌출부(130)는, 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치된다.
상기 본 발명의 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(100A;100)에서는, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 각 분사구(121)로부터 분사되는 연료(F)와 교차 유동하는 압축공기(A)의 유속이, 상기 상류 돌출부(130)에 의해 상기 각 분사구(121) 주위에서 최대가 되도록 증가시키고, 부분적으로 유동 분리 및 가이드의 역할로 인접하여 분사되는 연료의 궤적이 병합(Coalescene)되는 것을 줄여준다. 이에 따라 결과적으로, NOx 저감, 화염부착(Flame holding)이나 역화(Flashback)를 감소시킬 수 있다.
좀 더 부연하면, 도 4c와 같이 상기 스월베인(120)의 선단으로 유입된 압축공기(A)는 상류 돌출부(130)에 의해 유동특성(Velocity Profile)이 변경된 후, 상기 분사구(121)을 통해 분사되는 연료(F)와 교차 유동(Cross flow)을 한다. 여기서 상류 돌출부(130)로 인해 압축공기(A)의 유동을 가이드하고, 상기 각 분사구(121) 주위에서 최대의 유속을 가지도록 변경된 압축공기(A)는, 상기 각 분사구(121)의 하류에 형성된 재순환 영역(Recirculation Region)에 빠른 공기속도를 유도시킴으로써, 결과적으로 NOx 저감 및 화염부착이나 역화(Flashback)를 감소시킬 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(100)에 대해 설명하도록 한다.
도 5a는 본 발명이 제2실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도이다. 여기서 도 4a 및 도 4b에 나타낸 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 구성을 갖는 동일부재로서, 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(100B;100)은, 상기 제1실시예에 따른 연소기용 노즐(100A)과 비교하여, 복수개의 하류 돌출부(140)를 더 구비한다.
좀 더 상세히 설명하면, 상기 각 하류 돌출부(140)는 상기 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구(121)의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인(120)의 측면 상에 돌출된다. 이 때 상기 복수개의 분사구(121)와 하류 돌출부(140)는, 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(100B;100)에서는, 도 5b와 같이 상기 복수개의 하류 돌출부(140)가 각 분사구(121)의 하류에서 압축공기(A)와 연료(F)의 혼합 유동이 각 분사구(121)에 따라 분리된 상태를 유지하도록 한다. 이에 따라 NOx 저감 및 화염부착이나 역화는 더욱 감소될 수 있다.
이하 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(100)에 대해 설명하도록 한다.
도 6a는 본 발명이 제3실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도이다. 여기서도 여기서 도 4a 내지 도 5b에 나타낸 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 구성을 갖는 동일부재로서, 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(100C;100)은, 상기 제2실시예에 따른 연소기용 노즐(100B)과 비교하면, 상기 하류 돌출부(141;140)의 형상이 다르다는 차이점을 갖는다.
좀 더 부연하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(100C;100)에서 각 하류 돌출부(141)는, 상기 스월베인(120)의 형상에 대응하여 길이방향을 따라 연장된다. 즉, 상기 하류 돌출부(141)는, 상기 스월베인(120)의 직선구간과 경사구간을 따라 대응하는 형상으로 연장된 형상이다.
따라서 본 발명의 제3실시예에 따른 연소기용 노즐(100C;100)에서는, 도 6b와 같이 상기 각 하류 돌출부(141;140)에 의해 각 분사구(121)의 하류에서 압축공기(A)와 연료(F)의 혼합 유동이 각 분사구(121)에 따라 분리된 상태를 더욱 오랫 동안 유지하도록 한다. 이에 따라 NOx저감 및 화염부착이나 역화에 더욱 효과적일 수 있다.
이하 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(100)에 대해 설명하도록 한다.
도 7a는 본 발명이 제4실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도이고, 도 7b는 도 7a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도이다. 여기서도 여기서 도 4a 내지 도 6b에 나타낸 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 구성을 갖는 동일부재로서, 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(100D;100)은, 상기 제2실시예의 연소기용 노즐(100B)과 비교하면, 상기 하류 돌출부(140)의 배치가 다르다는 차이점을 갖는다.
상기 연소기용 노즐(100D;100)에서는 상기 각 분사구(121)와 하류 돌출부(140)는, 도 7a와 같이 상기 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 각 분사구(121)와 서로 대응하여 나란하게 배치된다.
따라서 본 발명의 제4실시예에 따른 연소기용 노즐(100D;100)에서는, 도 7b와 같이 각 하류 돌출부(140)가 각 분사구(121)를 통한 분사 연료(F)의 하류 흐름을 교란한다. 이에 따라 연료(F)와 압축공기(A)의 혼합특성을 개선시킬 수 있다.
이하 본 발명의 제5실시예에 따른 연소기용 노즐(100)에 대해 설명하도록 한다.
도 8a는 본 발명이 제5실시예에 따른 연소기용 노즐의 스월베인을 도시한 사시도이고, 도 8b는 도 8a에 나타낸 연소기용 노즐에서 압축공기와 연료의 유동 및 혼합 특성을 설명하기 위한 개념도이다. 여기서도 여기서 도 4a 내지 도 7b에 나타낸 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 구성을 갖는 동일부재로서, 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 연소기용 노즐(100E;100)은, 상기 제1실시예의 연소기용 노즐(100A)과 비교하여, 상기 상류 돌출부(130)의 배치가 다르다는 차이점을 갖는다.
좀 더 부연하면, 상기 연소기용 노즐(100E;100)에서는 상기 각 분사구(121)와 상류 돌출부(130)는, 도 8a와 같이 상기 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치된다.
상기 본 발명의 제5실시예에 따른 연소기용 노즐(100E;100)에서는, 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 각 분사구(121)로부터 분사되는 연료(F)와 교차 유동하는 압축공기(A)의 유속이, 상기 상류 돌출부(130)에 의해 상기 각 분사구(121) 주위에서 최소가 되도록 감소한다. 이와 같이 상기 각 분사구(121) 주위에서 압축공기(A)의 유속이 감소됨으로서, 연료(F)의 궤적을 좀 더 위로 향하게 되며, 이에 따라 상기 각 분사구(121)의 하류에 형성된 재순환 영역(도 4c 참조)은 확장된다. 특히, 분사구(121)의 크기가 작을수록 연료 궤적은 더욱 위로 향하게 되고, 재순환 영역도 더욱 확장된다. 이와 같은 유동 특성을 반영하여 연료 분사구(121)의 크기 등을 결정하는 것과 같이, 설계의 다양성을 부여할 수 있다. 여기서 도시하지는 않았지만, 상기 노즐(100E;100)이 상기 스월베인(120)의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부(140)를 더 구비하도록 하여, 설계의 다양성을 더욱 넓힐 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연소기용 노즐(100;100A,100B,100C,100D,100E)에 구비된 각 상류 및 하류 돌출부(130)(140)의 다양한 실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 9a 내지 9c는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단의 다양한 실시예들을 도시한 단면도이다.
도 9a와 같이, 각 상류 및 하류 돌출부(130a;130)(140a;140)의 선단 및 후단(E1)(E2)은 상기 스월베인(120)의 측면으로부터 수직하게 돌출될 수 있다. 대안으로서, 도 9b 및 9c와 같이 상기 각 상류 및 하류 돌출부(130b,130c;130)(140b,140c;140)의 선단 및 후단(E1)(E2)이 상기 스월베인(120)의 측면으로부터 경사지게 돌출될 수 있는데, 볼록(130b,140b)하거나 오목(130c,140c)하게 경사질 수도 있다.
다음으로, 도 10a 및 10b는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 다양한 실시예들을 도시한 단면도이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부(130a1,130a2;130)(140a1,140a2;140)는, 상류에서 하류로 갈수록 하향(130a1,140a1) 또는 상향(130a2,140a2) 경사질 수 있다. 나아가, 도 10b와 같이 상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부(130b1,130b2;130)(140b1,140b2;140)는, 상류에서 하류로 갈수록 볼록(130b1,140b1)하거나 오목(130b2,140b2)하게 경사질 수도 있다.
그 다음으로, 도 11a 내지 11e는 도 4a 내지 도 8b에 나타낸 상류 및 하류 돌출부의 다양한 실시예들을 도시한 평단면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부(130)(140)는, 그 평단면이 사각형(도 11a), 사다리꼴형(도 11b), 원형(도 11c), 타원형(도 11d) 및 익형(도 11e)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 선택적 조합((도 11f)의 형상일 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연소기용 노즐(100) 및 이를 구비하는 가스터빈(1)에 의하면, 상류 및 하류 돌출부(130)(140)에 의해 상류에서는 압축공기(A)의 유동 특성을 변화시키고, 하류에서는 압축공기(A)와 연료(F)의 혼합 및 유동특성을 변화시킬 수 있다. 이에 따라 압축공기(A)와 연료(F)의 다양한 혼합 및 유동 특성을 구현하여 요구되는 연소특성을 만족하는 설계의 다양성을 제공하고, 결과적으로 NOx 저감 및 화염부착(Flame holding) 및 역화(Flashback)를 감소시키는 최적의 교차유동을 실현할 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 실시예에서는 가스터빈의 연소기용 노즐에서 교차 유동하는 압축공기와 연료의 혼합 및 유동특성을 위주로 설명하였으나, 이러한 본 발명의 본질적인 기술적 구성은 가스터빈에 한정되지 않으며, 서로 다른 유체가 물체의 표면에서 교차 유동할 때, 이러한 교차 유동의 혼합 및 유동특성 변화시키는 데 적용될 수 있다.
1 : 가스터빈 10 : 연소기
20 : 압축기 30 : 터빈
100(100A~100E) : 노즐 110 : 노즐본체
120 : 스월베인 121 : 분사구
130 : 상류 돌출부 140 : 하류 돌출부

Claims (20)

  1. 내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체;
    상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인; 및
    상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 구비하되,
    상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치되며,
    상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비하고,
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 하향 또는 상향 경사진 연소기용 노즐.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서
    상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치된 연소기용 노즐.
  5. 청구항 4에 있어서
    상기 복수개의 하류 돌출부는, 상기 스월베인의 형상에 대응하여 길이방향을 따라 연장된 연소기용 노즐.
  6. 청구항 1에 있어서
    상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치된 연소기용 노즐.
  7. 내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체;
    상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인; 및
    상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 구비하되,
    상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치되며,
    상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비하고,
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 하향 또는 상향 경사진 연소기용 노즐.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단은, 상기 스월베인의 측면으로부터 수직하게 돌출되거나 경사지게 돌출된 연소기용 노즐.
  10. 청구항 9에 있어서
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부의 선단 및 후단은, 볼록하거나 오목하게 경사진 연소기용 노즐.
  11. 삭제
  12. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 볼록하거나 오목하게 경사진 연소기용 노즐.
  13. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 그 평단면이 사각형, 사다리꼴형, 원형, 타원형 및 익형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 선택적 조합의 형상인 연소기용 노즐.
  14. 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
    노즐을 통해 주입된 연료와 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기의 혼합물을 연소시켜 연소가스를 발생시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 생산하는 터빈을 포함하되,
    상기 연소기의 노즐은,
    내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체와,
    상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여, 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인과,
    상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 포함하고,
    상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치되며,
    상기 연소기용 노즐은, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비하고,
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 하향 또는 상향 경사진 가스터빈.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 14에 있어서
    상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상하로 어긋나게 배치된 가스터빈.
  18. 청구항 14에 있어서
    상기 복수개의 분사구와 하류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치된 가스터빈.
  19. 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
    노즐을 통해 주입된 연료와 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기의 혼합물을 연소시켜 연소가스를 발생시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 생산하는 터빈을 포함하되,
    상기 연소기의 노즐은,
    내부를 통해 연료를 공급하는 노즐본체와,
    상기 노즐본체의 내부와 연통하도록 상기 노즐본체의 외측면 상에 결합하여, 상기 노즐본체로부터 공급된 연료를 분사하는 복수개의 분사구가 측면에 형성된 복수개의 스월베인과,
    상기 분사구을 통해 분사되는 연료와 교차 유동하도록 상기 스월베인의 선단으로 유입되는 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 상류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 상류 돌출부를 포함하고,
    상기 복수개의 분사구와 상류 돌출부는, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 서로 대응하여 나란하게 배치되며,
    상기 연소기용 노즐은, 상기 압축공기의 유동방향을 기준으로 하여 상기 분사구의 하류에 위치하도록, 상기 스월베인의 측면 상에 돌출된 복수개의 하류 돌출부를 더 구비하고,
    상기 복수개의 상류 및 하류 돌출부는, 상류에서 하류로 갈수록 하향 또는 상향 경사진 가스터빈.
  20. 삭제
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