KR102044668B1 - 연소진동 저감용 노즐 가이드를 구비한 가스터빈 연소기 - Google Patents

연소진동 저감용 노즐 가이드를 구비한 가스터빈 연소기 Download PDF

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황정재
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기로서, 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부; 상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실; 및 상기 노즐부의 출구와 연소실의 입구를 연결하는 노즐 가이드;를 포함하고, 상기 노즐 가이드는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상이며, 상류측의 제1 단부가 노즐부의 출구에 일체로 연결되고 하류측의 제2 단부가 상기 연소실의 덤프면에 일체로 연결되며, 상기 노즐 가이드의 측면은 노즐 가이드의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기를 개시한다.

Description

연소진동 저감용 노즐 가이드를 구비한 가스터빈 연소기 {Gas turbine combustor having nozzle guide for combustion oscillation reduction}
본 발명은 가스터빈 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스터빈 연소기의 연소진동을 저감하고 연소기 내구성을 향상시킬 수 있는 노즐 가이드를 구비한 가스터빈 연소기에 관한 것이다.
가스터빈, 보일러 등과 같이 연료를 사용하는 발전장치는 연소기를 구비한다. 연소기는 일반적으로 노즐부와 그 하류의 연소실로 구성되며 노즐부에서 연료와 공기를 혼합하여 혼합 기체를 연소실로 분사하고 연소실에는 혼합기체가 연소하는 연소 영역이 형성된다.
이 때 연소실 내부에는 연소로 인한 진동(연소진동)이 발생하는데, 연소진동의 음향 주파수가 연소실 구조물의 고유주파수와 일치하면 음향 공진이 발생하고 이러한 공진과 열음향 불안정성은 연소실을 포함한 연소기 구조물을 파손시킬 수도 있다.
도1의 종래 예시적인 가스터빈 연소기를 참조하면, 연소기는 노즐부(100)와 연소실(200)을 구비한다. 노즐부(100)의 노즐 본체부(120)의 측면에 일정 간격 형성된 복수개의 연료 분사구(123)에서 분사되는 연료가 공기유로(130)를 통해 유입하는 공기와 혼합되고, 이 혼합된 기체가 연소실(200)로 분사된다.
이 때 상대적으로 좁은 노즐부(100)의 노즐 출구(노즐 에지(150))를 통과한 혼합 기체가 상대적으로 큰 직경의 연소실(200) 내부 공간으로 분사될 때 유로의 급격한 변화(증가)로 인해 와류 진동(vortex shedding)이 발생한다. 이와 같이 연소실 입구에서 발생하는 와류에 의해 연료/공기의 혼합 기체에 대한 연소반응이 지연되고 열방출에 주기적인 섭동이 발생하며 이는 음향파와 커플링되어 연소진동을 증폭시키는 역할을 한다. 따라서 와류 형성을 가능한 한 억제하여 연소진동을 감소시킴으로써 진동 및 소음을 저감하고 연소기 내구성을 향상시킬 필요성이 제기되고 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2017-0008395호 (2017년 1월 24일 공개) 특허문헌2: 한국 공개특허 제2017-0028728호 (2017년 3월 14일 공개) 특허문헌3: 일본 공개특허 제2013-019567호 (2013년 1월 31일 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스터빈 연소기의 노즐부와 연소실 사이에 직경이 점차 증가하는 노즐 가이드를 설치하여 노즐부와 연소실 사이의 직경의 급작스러운 증가를 방지하고 와류 진동의 발생을 억제할 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐 가이드의 하류측 단부(에지)와 연소실 내측면 라이너 사이의 거리(h) 및 하류측 단부(에지)와 덤프면 사이의 거리(L)를 원주방향을 따라 변하도록 구성함으로써 와류의 주파수가 특정 주파수에 집중하지 않고 분산되므로 연소진동을 감소시킬 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐부의 연료 분사구의 위치와 크기 및 선회 날개의 위치, 리딩 에지와 트레일링 에지의 형상 등을 다양하게 변화시킴으로써 와류의 위상차를 길이방향, 원주방향, 및 방사상 방향으로 다양하게 분산시킬 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기로서, 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부; 상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실; 및 상기 노즐부의 출구와 연소실의 입구를 연결하는 노즐 가이드;를 포함하고, 상기 노즐 가이드는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상이며, 상류측의 제1 단부가 노즐부의 출구에 일체로 연결되고 하류측의 제2 단부가 상기 연소실의 덤프면에 일체로 연결되며, 상기 노즐 가이드의 측면은 노즐 가이드의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기로서, 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부; 상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실; 및 상기 연소실의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드;를 포함하고, 상기 노즐 가이드는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상이며, 상류측의 제1 단부가 노즐부의 노즐 에지에 연결되고 하류측의 제2 단부는 연소실의 내부 공간 내에 배치되며, 상기 노즐 가이드의 측면은 노즐 가이드의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기로서, 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부; 상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실; 및 상기 연소실의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드 어셈블리;를 포함하고, 상기 노즐 가이드 어셈블리는 각각이 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 복수개의 노즐 가이드를 포함하고, 상기 복수개의 노즐 가이드는 동일 중심축을 갖도록 정렬되어 상기 연소실 내부 공간에서 하류측 방향으로 일렬로 배치되고, 서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서는 서로 이격됨으로써 두 측면 사이에 슬롯이 형성되며, 하류측 노즐 가이드의 상류측 단부가 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 직경이 작고 하류측 노즐 가이드의 하류측 단부는 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 더 큰 직경을 가짐으로써, 상기 슬롯을 통해 노즐 가이드 어셈블리 내측의 혼합 기체의 일부가 노즐 가이드 어셈블리 외측으로 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기로서, 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부; 상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실; 및 상기 연소실의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드 어셈블리;를 포함하고, 상기 노즐 가이드 어셈블리는 각각이 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 복수개의 노즐 가이드를 포함하고, 상기 복수개의 노즐 가이드는 동일 중심축을 갖도록 정렬되어 상기 연소실 내부 공간에서 하류측 방향으로 일렬로 배치되고, 서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서는 서로 이격됨으로써 두 측면 사이에 슬롯이 형성되며, 하류측 노즐 가이드의 상류측 단부가 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 더 큰 직경을 가짐으로써, 상기 슬롯을 통해 노즐 가이드 어셈블리 외측의 기체의 일부가 노즐 가이드 어셈블리 내측으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기의 노즐부와 연소실 사이에 직경이 점차 증가하는 노즐 가이드를 설치함으로써 노즐부와 연소실 사이의 직경의 급작스러운 증가를 방지하여 와류 진동의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐 가이드의 하류측 단부(에지)와 연소실 내측면 라이너 사이의 거리(h) 및 하류측 단부(에지)와 덤프면 사이의 거리(L)를 원주방향을 따라 변하도록 구성함으로써 와류의 주파수가 특정 주파수에 집중하지 않고 분산되므로 연소진동의 영향을 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐부의 연료 분사구의 위치와 크기 및 선회 날개의 위치, 리딩 에지와 트레일링 에지의 형상 등을 다양하게 변화시킴으로써 와류의 위상차를 길이방향, 원주방향, 및 방사상 방향으로 다양하게 분산시킬 수 있으므로 코히어런스를 저감하고 진동 에너지를 분산하여 진동 감소를 유도할 수 있다.
도1은 종래 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도2는 제1 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도3은 일 실시예에 따른 노즐 가이드의 사시도,
도4는 일 실시예에 따른 노즐 가이드의 단면도,
도5는 노즐 가이드 형상의 변형례를 설명하는 도면,
도6은 제2 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도7 및 도8은 제2 실시예의 노즐 가이드의 변형례를 설명하는 도면,
도9는 제2 실시예에 따른 연소진동 감소 효과를 설명하는 도면,
도10은 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 노즐 가이드 및 그 변형례를 설명하는 도면,
도11은 도10(a)의 실시예의 노즐 가이드의 측면을 개략적으로 도시한 도면,
도12는 제4 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 노즐 가이드를 설명하는 도면,
도13은 제5 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도14는 도13의 실시예의 연료 분사구의 예시적 형상을 도시한 도면,
도15는 제6 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도16 및 도17은 제6 실시예에 따른 선회 날개의 다양한 변형례를 설명하는 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 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 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 실시예를 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 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타내고, 도3은 이 가스터빈 연소기에 설치되는 예시적인 노즐 가이드의 사시도이고 도4는 노즐 가이드의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서 노즐부(100)의 출구에서 연소실(200)의 입구까지의 구간을 완만한 곡면으로 변경하여 와류 진동(vortex shedding)의 발생을 근본적으로 억제하도록 구성한다.
구체적으로, 도2(a)를 참조하면 일 실시예에 따른 가스터빈 연소기는 노즐부(100), 연소실(200), 및 노즐부(100)와 연소실(200) 사이에 개재된 매립형의 노즐 가이드(10)를 포함한다. 노즐부(100)는 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측의 연소실(200)로 분사한다. 연소실(200)은 노즐부(100)의 하류측에 배치되어 노즐부(100)와 연통하도록 구성되고, 노즐부(100)로부터 분사되는 혼합 기체를 연소한다.
노즐 가이드(10)는 노즐부(100)와 연소실(200) 사이에 개재되어 배치되어 노즐부(100)의 출구와 연소실(200)의 입구를 유로를 연결한다. 도3에 도시한 것처럼 노즐 가이드(10)는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 측면부(11), 상류측의 제1 단부(12), 및 하류측의 제2 단부(13)로 구성될 수 있다. 노즐 가이드의 측면(11)은 하류를 향할수록 직경이 점차 증가하도록 곡면으로 형성되되 노즐 가이드(10)의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된다. 도2(a)의 실시예에서 상류측의 제1 단부(12)는 노즐부(100)의 출구에 일체로 연결되고 하류측의 제2 단부(13)는 연소실(200)의 덤프면(210)에 일체로 연결됨으로써 노즐 가이드(10)가 노즐 유로의 일부를 구성하게 된다.
한편 도2(b)의 실시예에서 가스터빈 연소기는 노즐부(100), 연소실(200), 및 연소실(200)에 배치된 돌출형의 노즐 가이드(20)를 포함한다. 이 실시예에서 노즐 가이드(20)는 연소실(200)의 덤프면(210)에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된다. 노즐 가이드(20) 자체의 형상은 도2(a)의 노즐 가이드(10)와 동일 또는 유사하다. 즉 도3에 도시한 것처럼 노즐 가이드(20)는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 측면부(21), 상류측의 제1 단부(22), 및 하류측의 제2 단부(23)로 구성될 수 있다. 노즐 가이드의 측면부(21)는 노즐 가이드(20)의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된다.
도2(b)의 실시예에서 노즐 가이드(20)의 상류측의 제1 단부(22)는 연소실(200)의 덤프면(210)에 부착되어 노즐부(100)의 노즐 에지(150)와 연통하고 하류측의 제2 단부(23)는 연소실(200)의 내부 공간에서 하류측을 향하도록 배치된다.
도4는 도2(a)와 도2(b)의 노즐 가이드(10,20)의 측면부(11,21)의 곡면 형상을 설명하기 위한 도면으로, 설명의 편의를 위해 도2(b)의 돌출형 노즐 가이드(20)를 예로 들어 설명한다. 도4(a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 노즐 가이드(20)는 상류측의 제1 단부(22)에서부터 하류로 갈수록 측면부(21)의 직경이 점진적으로 계속 증가하는 형상을 갖되 노즐 가이드(20)의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성된다.
또는 다르게 표현하면, 도4(a)와 같이 측단면에서 볼 때 노즐 가이드(20)의 내부 표면의 임의의 점에서의 접선과 노즐 가이드(20)의 중심축이 이루는 각을 "θ"라고 할 때, 노즐 가이드의 측면부(21)는 하류측으로 갈수록 이 각(θ)이 점차 증가하도록 구성된다. 도4(a)에 도시한 것처럼 측면부(21)의 임의의 두 지점 중 상류측 지점에서의 접선과 중심축 사이의 각(θ1) 보다 하류측 지점에서의 접선과 중심축 사이의 각(θ2)이 항상 큰 값을 갖도록 측면부(21)의 형상이 정해진다.
한편 도4(b)의 대안적 실시예에서, 노즐 가이드(20)의 측면부(21)가 노즐 가이드(20)의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성되되 측면부(21)의 최소 직경부(25)가 제1 단부(22)가 아니라 제1 단부(22)의 하류측에 위치하도록 구성할 수 있다. 즉 측면부(21)는 제1 단부(22)에서부터 최소 직경부(25)까지 직경이 감소하는 직경감소 영역과 최소 직경부(25)부터 제2 단부(23)까지의 직경이 증가하는 직경증가 영역으로 이루어진다.
그러나 이 대안적 실시예의 경우에도 측면부(21)의 내부 표면의 임의의 점에서의 접선과 노즐 가이드(20)의 중심축이 이루는 각(θ)은 하류로 갈수록 증가한다. 4(b)에 도시한 것처럼 직경감소 영역의 임의의 지점에서의 각(θ1)은 마이너스 값이고 직경증가 영역에서는 임의의 두 지점 중 상류측 지점에서의 각(θ2) 보다 하류측 지점에서의 각(θ3)이 항상 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
이와 같이 노즐 가이드(10,20)를 노즐부(100)와 연소실(200) 사이에 개재하여 설치함으로써 연소실 입구에서의 와류 진동(vortex shedding)을 억제할 수 있다. 노즐 가이드(10,20)가 없다면 노즐부(100)의 출구와 연소실(200)의 입구 사이의 갑작스런 직경 변화로 인해 와류 진동이 발생하지만, 도2(a)와 같이 매립형의 노즐 가이드(10)를 노즐부(100)의 출구와 연소실(200)의 입구 사이에 일체로 설치하면 노즐부(100) 출구와 연소실(200) 입구 사이의 갑작스런 직경 변화가 없어지고 노즐부(100)에서 분사되는 혼합 기체가 노즐 가이드(10)의 벽면을 따라 방사상으로 확산하며 분사되기 때문에 와류 진동의 발생을 억제할 수 있다.
도5는 상술한 노즐 가이드(10,20)의 다양한 변형례를 나타낸다. 도5(a) 내지 도5(c)는 도2(a)의 매립형 노즐 가이드(10)의 다양한 형상을 나타낸다. 도5(a)에서 노즐 가이드의 측면부(11a)는 임의의 소정 곡률반경을 갖는 원호 형상이고, 도5(b)의 노즐 가이드의 측면부(11b)는 타원호 형상이다. 도5(c)는 노즐 가이드의 측면부(11c)의 하류측 단부가 연소실의 라이너(220)까지 연장되어 있어 덤프면(210)이 없는 구조이다. 이와 같이 노즐 가이드(10)의 측면부는 각(θ)이 하류측을 갈수록 증가하는 한 다양한 형상과 길이를 가질 수 있다.
도5(d)와 도5(e)는 도2(b)의 돌출형 노즐 가이드(20)의 다양한 형상을 나타낸다. 도5(d)는 측면부(21a)가 소정 곡률반경을 갖는 원호이고 도5(e)는 측면부(21b)가 타원호 형상이다. 위와 마찬가지로 노즐 가이드(20)의 측면부도 각(θ)이 하류측을 향할수록 증가하는 한 다양한 형상과 길이를 가질 수 있으며, 따라서 도5에 도시한 변형례는 본 발명의 노즐 가이드(10,20)의 변형 가능한 일부 예시에 불과하며 도시한 형상 외에도 다양한 변형례가 있음을 이해할 것이다.
이제 도6 내지 도9를 참조하여 제2 실시예에 따른 노즐 가이드 및 그 변형례의 노즐 가이드를 구비한 가스터빈 연소기를 설명하기로 한다.
도6은 제2 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타낸 것으로, 도6(a) 내지 도6(c)는 각각 가스터빈 연소기의 측단면, 횡단면, 및 평면을 개략적으로 나타낸다. 도면을 참조하면 제2 실시예의 노즐 가이드(30)는 제1 실시예의 노즐 가이드(10,20)와 유사하게 하류측으로 직경이 점차 증가하는 통형상을 가지며 중심축을 향해 볼록한 측면부(31), 상류측의 제1 단부(32), 및 하류측의 제2 단부(33)로 이루어진다.
다만 제2 실시예에서 노즐 가이드(30)의 제1 단부(32)는 원형 형상이지만 제2 단부(33)는 타원형 형상이다. 도6(b)에서 알 수 있듯이, 연소실(200)의 내측면, 즉 라이너(220)의 내측면과 제2 단부(33) 사이의 거리를 "h"라고 하면, 이 값(h)이 제2 단부(33)의 원주방향을 따라 변하도록 구성된다.
이와 같이 노즐 가이드(30)의 끝부분(즉 제2 단부(33))과 리니어(220) 사이의 거리(h)가 원주방향을 따라 변하도록 노즐 가이드를 구성할 경우, 노즐 가이드(30)의 끝부분에서 와류 진동이 발생하는 경우에도 진동 주파수를 분산시켜 특정주파수의 공진에 의한 진동 증폭을 최소화할 수 있다. 이에 대해서는 도9를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
한편 도6에서는 매립형의 노즐 가이드(30)를 도시하였지만 제2 단부(33)를 타원으로 형성하는 제2 실시예의 노즐 가이드(30)는 도2(b)와 같은 돌출형 노즐 가이드에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도7은 제2 실시예의 노즐 가이드의 일 변형례를 도시한 것으로, 도7(a)와 도7(b)는 각각 가스터빈 연소기의 측단면과 횡단면을 개략적으로 나타낸다. 도면을 참조하면, 노즐 가이드(40)는 제1 실시예의 노즐 가이드(10,20)와 유사하게 하류측으로 직경이 점차 증가하는 통형상을 가지며 중심축을 향해 볼록한 측면부(41), 상류측의 제1 단부(42), 및 하류측의 제2 단부(43)로 이루어진다.
도7의 실시예에서 노즐 가이드(40)의 제1 단부(42)는 원형 형상이지만 제2 단부(43)는 횡단면에서 볼 때 파형(wavy) 형상을 가진다. 따라서 노즐 가이드(40)의 제2 단부(43)에서 연소실(200)의 라이너(220)까지의 수직 거리(h)가 제2 단부(42)의 원주방향을 따라 변하도록 구성된다.
도8은 제2 실시예의 노즐 가이드의 또 다른 일 변형례를 도시한 것으로, 도8(a)와 도8(b)는 각각 가스터빈 연소기의 측단면과 횡단면을 개략적으로 나타낸다. 도면을 참조하면, 노즐 가이드(50)는 제1 실시예의 노즐 가이드(10,20)와 유사하게 하류측으로 직경이 점차 증가하는 통형상을 가지며 중심축을 향해 볼록한 측면부(51), 상류측의 제1 단부(52), 및 하류측의 제2 단부(53)로 이루어진다.
도8의 실시예에서 노즐 가이드(50)의 제1 단부(52)는 원형 형상이지만 제2 단부(53)는 횡단면에서 볼 때 파형(wavy) 형상을 가지며 또한 측면에서 볼 때에도 제2 단부(53)가 직선이 아니라 파형 형상을 가진다. 따라서 이 실시예의 노즐 가이드(50)는 제2 단부(53)에서 연소실의 라이너(220)까지의 거리(h)뿐만 아니라 제2 단부(53)에서 연소실의 덤프면(210)까지의 거리(L)도 제2 단부(53)의 원주방향을 따라 변하도록 구성한 것이다.
한편 위의 도7 및 도8과 같이 제2 단부(53)에서 라이너(220)까지의 거리(h) 및 덤프면(210)에서 제2 단부(53)까지의 거리(L) 중 적어도 하나를 원주방향을 따라 변하도록 하는 구성은 도2(a) 또는 도6과 같은 매립형 노즐 가이드(40)에도 적용할 수 있음은 물론이다.
이제 위와 같이 노즐 가이드의 제2 단부에서 라이너까지의 거리(h)와 덤프면(210)까지의 거리(L)를 변하도록 구성한 경우의 기술적 효과를 도9를 참조하여 설명하기로 한다.
도1을 참조하여 설명하였듯이 혼합 기체가 노즐부(100)의 출구와 연소실(200)의 입구를 통과할 때 유로의 급격한 변화(증가)로 인해 와류 진동(vortex shedding)이 발생한다. 와류는 주기적으로 생성, 소멸되면서 혼합 기체에 대한 연소반응을 지연시키고 열방출에 주기적인 섭동을 일으키며 연소실 구조물의 고유진동수와 커플링되면 진동을 증폭시키는 역할을 하여 큰 진동과 소음을 발생시킨다. 따라서 와류의 발생 자체를 완전히 방지할 수 없다면 와류에 의한 진동수가 연소실 구조물의 고유 진동수와 커플링되지 않도록 와류의 발생 주기를 분산시키는 것이 한가지 해결방안이 될 수 있다.
와류의 특성을 설명할 때 무차원인 스트로홀 수(Strouhal Number: St)를 사용할 수 있는데, 스트로홀 수(St)는 아래와 같이 정의된다.
St = (f * h) / U
위 식에서 "f"는 와류의 주파수이고, "h"는 노즐 가이드의 제2 단부에서 라이너까지의 거리(h)이고, "U"는 혼합 기체의 속도이다.
스트로홀 수(St)는 광범위한 레이놀즈 수(Re)에 걸쳐 대략 0.2 내지 0.3 사이의 일정한 값을 가질 수 있다. 이 값(St)이 예컨대 0.25로 일정한 값을 가진다고 하면, 위 식에 따르면 노즐 가이드의 제2 단부에서 라이너까지의 거리(h)와 유체 속도(U)가 정해진 경우 특정 주파수(f)를 갖는 와류가 생성됨을 알 수 있다. 그러므로 이 와류 주파수(f)가 연소기 구조물이나 음파의 주파수와 커플링되면 연소진동이 증폭되는 문제가 발생한다.
본 발명의 일 실시예에서는 노즐 가이드의 에지(제2 단부)에서 라이너까지의 거리(h)가 원주방향을 따라 변하는 형상으로 구성하여 노즐 가이드 에지에서 원주방향에 따라 와류 주파수(f)가 변하도록 하여 상기 문제를 해결할 수 있다. 즉 도9에 도시한 것처럼, 노즐 가이드가 없는 도1의 연소기 구조에서는 와류가 특정한 주파수(f1)에 집중하여 발생하므로 연소진동이 증폭되는 문제가 있었지만, 본 발명과 같이 노즐 가이드를 설치하고 노즐 가이드의 에지에서의 거리(h) 값을 원주방향으로 변하도록 구성하면 노즐 가이드의 제2 단부에서 와류가 생성되더라도 각 와류의 주파수가 특정 주파수에 집중되지 않고 넓게 퍼지는 분포를 나타낸다. 따라서 진동 에너지의 피크가 줄어들고 진동 에너지가 주파수별로 분산되므로 연소진동의 영향이 감소하게 된다.
또한 본 발명의 일 실시예와 같이 덤프면(210)에서 노즐 가이드의 제2 단부까지의 거리(L)를 원주방향을 따라 변화하도록 구성하면 와류의 생성 지점이 원주방향에 따라 각기 달라지며 이로 인해 와류의 위상(phase) 차이가 발생한다. 따라서 노즐 가이드의 제2 단부에서 와류가 생성되더라도 위상차가 각기 다른 와류들이 생성되므로 역시 진동에너지가 한 지점에 집중하지 않고 분산되어 연소진동의 영향을 감소시킬 수 있다.
도10(a) 및 도10(b)는 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 노즐 가이드를 나타내고, 도11은 도10(a)의 노즐 가이드를 측면에서 바라본 형상을 개략적으로 나타낸다.
제3 실시예에 따른 노즐 가이드(60)는 측면부(61)의 표면에 원주방향 및 축방향으로 일정한 간격의 슬롯을 형성하여 측면부(61)의 내측면을 흐르는 유체 흐름의 일부가 슬롯을 통해 측면부(61) 외측으로 배출되거나 또는 반대로 측면부(61)의 외측면을 흐르는 유체 흐름의 일부가 슬롯을 통해 측면부(61) 내측으로 유입되도록 구성하였다.
우선 도10(a)와 도11을 참조하면, 일 실시예에 따른 노즐 가이드(60)는 제1 실시예의 노즐 가이드(20)와 유사하게, 하류측으로 직경이 점차 증가하는 통형상을 가지며 중심축을 향해 볼록한 측면부(61), 상류측의 제1 단부(62), 및 하류측의 제2 단부(63)로 이루어진다.
노즐 가이드의 측면부(61)에는 원주방향 및 축방향으로 서로간에 이격된 복수개의 슬롯(65)이 형성되어 있다. 복수개의 슬롯(65)의 각각은 소정 길이를 가지며, 슬롯(65)의 각각의 입구는 노즐 가이드(60)의 안쪽을 향하고 출구는 노즐 가이드(60)의 바깥쪽을 향하도록 형성되어 있다. 노즐 가이드(60) 내측의 혼합 기체가 상류에서 하류측으로 분사될 때 측면부(61)의 내측면을 흐르는 혼합 기체의 일부가 슬롯(65)을 통해 측면부(61) 외측으로 흘러 나갈 수 있다.
이 구성에 따르면 도면에 도시한 것처럼 슬롯(65)을 통해 노즐 가이드(60)의 측면부(61) 외측으로 일부 혼합 기체가 분출되므로 측면부(61)의 외측과 덤프면(210) 사이의 공간(A)에서 유체의 선회 흐름이 활발해지므로 노즐 가이드(60)의 끝부분(즉 제2 단부(63))에서 유체의 내측 흐름(inner flow)과 외측 흐름(outer flow) 간의 유동 속도 차이가 줄어들게 되어 와류 진동 생성을 억제할 수 있다.
도10(b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 노즐 가이드(60)는 도10(a)의 노즐 가이드(20)와 유사하게, 하류측으로 직경이 점차 증가하는 통형상을 가지며 중심축을 향해 볼록한 측면부(61), 상류측의 제1 단부(62), 및 하류측의 제2 단부(63)로 이루어진다. 이 때 도10(b)의 실시예에서는 도4(b)의 노즐 가이드(21) 형상을 적용하여, 노즐 가이드(60)의 최소 직경부(68)가 제1 단부(62)가 아니라 제1 단부(62)의 약간 하류측에 형성되어 있다고 가정한다.
노즐 가이드의 측면부(61)에는 원주방향 및 축방향으로 서로간에 이격된 복수개의 슬롯(67)이 형성되어 있다. 복수개의 슬롯(67)의 각각의 입구는 노즐 가이드(60)의 바깥쪽을 향하고 출구는 노즐 가이드(60)의 안쪽을 향하도록 슬롯(67)이 형성되어 있다. 이에 따라, 노즐 가이드(60) 내측의 혼합 기체가 상류에서 하류측으로 분사될 때 측면부(61)의 외측을 흐르는 기체의 일부가 슬롯(65)을 통해 노즐 가이드(60) 내측으로 유입될 수 있다.
이 구성에 따르면 혼합 기체가 노즐 가이드(60) 내부에서 빠른 속도로 분사됨에 따라 측면부(61)의 외측과 덤프면(210) 사이의 공간(A)의 유체를 슬롯(67)을 통해 노즐 가이드(60) 내부로 흡입하려는 흡입력이 생기고 이 흡입력에 의해 공간(A)의 유체 일부가 슬롯(67)을 통해 노즐 가이드(60) 내측으로 유입되고 공간(A)에서 유체의 선회 흐름이 활발해진다. 따라서 노즐 가이드(60)의 에지(즉 제2 단부(63))에서 유체의 내측 흐름과 외측 흐름 간의 유동 속도 차이가 줄어들기 때문에 노즐 가이드(60) 에지에서의 와류 진동 생성을 억제할 수 있다.
또한 노즐 가이드(60) 바깥쪽 공간(A)의 유체가 노즐 가이드 내부로 유입되면 노즐 가이드(60) 안쪽의 내부 재순환(inner recirculation)이 강화된다. 내부 재순환이 강화되면 연소영역의 화염 쪽으로 고온의 가스가 재공급되기 때문에 안정된 화염이 형성되어 보염 성능을 향상시킬 수 있고 이에 따른 진동 감소 효과도 얻을 수 있다.
특히 도10(b)와 같이 최소 직경부(68)를 제1 단부(62)에서 약간 하류측에 형성하면 혼합 기체의 분사 속도가 최소 직경부(68) 지점에서 최대가 되므로 흡입력도 최대가 되어 공간(A)에서의 유체 흐름을 더욱 증가시킬 수 있다. 즉 노즐 가이드(60)의 최소 직경부(68)를 제1 단부(62)의 하류측에 위치하도록 노즐 가이드(60)를 형성하고, 직경증가 영역(즉, 최소 직경부(68)에서부터 제2 단부(63)까지의 영역)에 슬롯(67)을 형성하면 위와 같은 흡입력 증가 효과를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는, 직경증가 영역 중에서도 최소 직경부(68)쪽으로 인접한 영역에 슬롯(67)을 형성하면 흡입력을 더 높일 수 있다.
한편 도10(a) 또는 도10(b)의 실시예에서 슬롯(65,67)의 형태나 크기, 개수, 슬롯 방향 등은 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어 복수개의 슬롯(65,67)을 불규칙하게 배열하거나 크기나 방향을 서로 상이하게 형성하면 노즐 가이드(60) 내부의 혼합 기체와 노즐 가이드 외부 공간(A)의 기체 사이의 혼합 특성 및 난류 강도를 증가시킬 수 있으므로 와류 진동 생성을 더욱 억제할 수 있다.
도12는 제4 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 노즐 가이드 어셈블리(70)를 나타내는 것으로, 도12(a)는 노즐 가이드 어셈블리(70)의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이고 도12(b)는 도12(a)의 A-A' 선을 따라 절단한 횡단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 제4 실시예의 노즐 가이드 어셈블리(70)는 복수개의 노즐 가이드로 이루어진다. 도시한 실시예에서 노즐 가이드 어셈블리(70)는 3개의 노즐 가이드(710,720,730)로 구성된다. 그러나 노즐 가이드 어셈블리(70)를 구성하는 노즐 가이드의 개수는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
각각의 노즐 가이드(710,720,730)는 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 측면부와 상류측의 제1 단부 및 하류측의 제2 단부로 구성된다. 복수개의 노즐 가이드(710,720,730)는 동일 중심축을 갖도록 정렬되어 연소실(200) 내부 공간에서 하류측 방향으로 일렬로 배치된다. 가장 상류측의 노즐 가이드(710)의 상류측의 제1 단부는 연소실(200)의 덤프면(210)에 부착되어 노즐 가이드 어셈블리(70)가 연소실 내부 공간에서 하류측을 향하도록 배치될 수 있다.
서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면부의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서는 서로 이격됨으로써 두 측면부 사이에 슬롯(74)이 형성되도록 배치된다. 즉 도12(a)에 도시한 것처럼, 측면에서 볼 때 제1 노즐 가이드(710)의 측면부의 하류측 일부 영역과 제2 노즐 가이드(720)의 측면부의 상류측의 일부 영역이 겹쳐져서 중첩 영역(As)이 형성되고 마찬가지로 제2 노즐 가이드(720)와 제3 노즐 가이드(730) 사이에도 중첩 영역(As)이 형성된다.
또한 이 때 제2 노즐 가이드(720)의 하류측 단부의 직경이 제1 노즐 가이드(710)의 하류측 단부의 직경보다 크도록 구성하고 제3 노즐 가이드(730)의 하류측 단부의 직경이 제2 노즐 가이드(720)의 하류측 단부의 직경보다 크도록 구성하여, 점선(71)으로 표시한 것처럼 노즐 가이드 어셈블리(70)의 측면부가 하류측으로 갈수록 점차 증가하도록 구성한다.
한편 도면에 도시한 것처럼, 중첩 영역(As)에서 제1 노즐 가이드(710)의 하류측 단부가 제2 노즐 가이드(720)의 상류측 단부보다 직경이 더 크기 때문에 제2 노즐 가이드(720)의 측면부 외측과 제1 노즐 가이드(710)의 측면부 내측 사이가 이격되어 이격 공간(슬롯)(74)이 형성된다. 도시한 일 실시예에서 이 슬롯(74) 간격을 유지하고 두 노즐 가이드(710,720)를 서로 연결하여 지지하기 위해 복수개의 연결판(75)이 슬롯(74) 공간에 설치될 수 있다. 연결판(75)은 원주방향을 따라 서로간에 소정 거리 이격되어 배치뒬 수 있다. 도면에서는 90도 간격으로 4개의 연결판(75)을 설치한 것으로 도시하였지만 구체적 실시 형태에 따라 다양한 이격 간격으로 다양한 개수의 연결판이 사용될 수 있다.
마찬가지로 제2 노즐 가이드(720)와 제3 노즐 가이드(730) 사이에도 이러한 슬롯(74)이 형성되며 슬롯(74) 간격을 유지하고 제2 및 제3 노즐 가이드(720,730)를 서로 연결하고 지지하기 위해 복수개의 연결판(75)이 설치된다.
일 실시예에서 연결판(75)은 분사되는 혼합 기체의 흐름을 방해하지 않도록 얇은 판상 형태이고 노즐 가이드 어셈블리(70)의 중심축에 대해 평행하게 설치될 수 있다. 그러나 대안적 실시예에서 노즐부(100)로부터 분사되는 혼합 기체가 선회 유동(swirl flow)하며 연소실로 분사되는 경우, 연결판(75)의 각각은 이 선회 유동의 유선(streamline)에 평행하게(즉, 노즐 가이드 어셈블리(70)의 중심축에 대해 비스듬하게) 배치되어 선회 유동에 대한 연결판(75)의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 복수개의 노즐 가이드를 중심축을 따라 일렬로 배치하고 중첩 영역(As)에 슬롯(74)을 형성하도록 노즐 가이드 어셈블리(70)를 구성하면, 슬롯(74)을 통해 혼합 기체 중 일부가 노즐 가이드 어셈블리(70) 외측으로 흘러 나가게 되므로 도10(a)를 참조하여 설명한 것과 동일한 작용에 의해 와류진동 감소 효과를 얻을 수 있다.
또한 대안적 실시예로서, 복수개의 노즐 가이드를 중첩되게 배치하여 노즐 가이드 어셈블리를 형성하되 도10(b)와 같이 노즐 가이드 외부의 기체가 노즐 가이드 내측으로 유입하도록 구성할 수도 있다. 즉 서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면부의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서 서로 이격되도록 하여 두 측면부 사이에 슬롯을 형성하고 하류측 노즐 가이드의 상류측 단부가 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 더 큰 직경을 갖도록 하면, 슬롯의 출구가 노즐 가이드 어셈블리(70)의 안쪽으로 들어가는 방향이 된다. 이 경우 노즐 가이드 어셈블리(70) 외측의 기체의 일부가 슬롯을 통해 노즐 가이드 어셈블리 내측으로 유입될 수 있으며 도10(b)를 참조하여 설명한 것과 같은 작용에 의해 와류진동 감소 효과를 얻을 수 있다.
또한 도12의 노즐 가이드 어셈블리(70)에 대해서도 도6 내지 도8의 실시예와 같이 최하류측 단부의 형상을 파형(wavy)으로 형성하는 구성을 적용할 수 있다. 즉 노즐 가이드 어셈블리(70)의 최하류측 노즐 가이드(도10의 경우 제3 노즐 가이드(730))의 하류측 단부(이하 "최하류측 단부"라 함)와 연소실의 라이너(220) 사이의 거리(h) 및 연소실의 덤프면(210)으로부터 상기 최하류측 단부까지의 거리(L) 중 적어도 하나가 최하류측 단부의 원주방향을 따라 달라지도록 구성할 수 있으며, 이 경우 도9를 참조하여 설명한 것과 같은 원리에 의해 와류진동 감소 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 도13 내지 도17을 참조하여 연소진동을 감소시키는 또 다른 원리 및 그에 따른 가스터빈 연소기 구성을 설명하기로 한다.
도13은 제5 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타낸다. 도면을 참조하면, 제5 실시예에 따른 예시적인 가스터빈 연소기는 상술한 실시예들과 유사하게 공기와 연료를 혼합하여 하류로 분사하는 노즐부(100)와 이 노즐부(100)의 하류에 배치되고 혼합 기체를 연소하는 연소실(200)로 구성될 수 있다.
원통형의 노즐 본체부(120)가 노즐부(100)에 배치되고, 노즐 본체부(120)의 표면에는 노즐 본체부(120)의 둘레를 따라 연료를 공기 유로(130)로 분사하는 복수개의 연료 분사구(123)가 형성되어 있다. 이 때 제5 실시예에 따르면 노즐 본체부(120)의 축방향에 대한 연료 분사구(123)의 위치와 연료 분사구의 크기 중 적어도 하나가 각 연료 분사구(123)마다 서로 상이하도록 구성한다.
예를 들어 도면에 도시한 것처럼 연료 분사구(123)의 어레이(125)가 노즐 본체부(120)의 중심축에 대해 수직으로 배열되지 않고 비스듬하게 배치되어 각 연료 분사구(123)로부터 연소실(200)의 연소영역까지의 거리를 각기 다르게 설정할 수 있고 또한 각 연료 분사구(123)의 크기도 서로 상이하게 형성할 수 있다.
도1에 도시한 것처럼 모든 연료 분사구(123)를 축방향을 따라 동일한 위치에 설치할 경우 연료 분사구(123)에서 분사된 연료가 공기와 혼합되어 연소 영역까지 이동하는 거리(이 거리를 "대류 거리"(convection length)라고도 함)가 일정하게 되므로 대류 시간(τ)도 일정 값에 집중되어 코히어런트가 증가하며 결과적으로 연소진동 발생시 진동 에너지가 특정 주파수(예컨대, 1/τ)에 집중되어 진동 강도가 증가한다.
그러나 도12에 도시한 것처럼 연료 분사구(123)의 위치를 중심축에 대해 각기 다르게 형성하면 대류 거리가 L1, L2 등으로 차이가 발생하여 대류 시간(τ)이 분산되므로 서로간의 코히어런트가 감소한다. 따라서 해당 주파수(1/τ)에서 연소진동 발생시 진동 에너지가 특정 단일 주파수에 집중되지 않고 분산되므로 주 진동(peak amplitude)을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
더욱이 연료 분사구(123)의 위치뿐만 아니라 분사구 크기에도 다양한 변화를 주면 각 분사구(123)에서 분사되어 연소영역까지 이동하는 연료 이동 경로도 서로 차이가 나므로 대류 시간(τ)을 분산시키는 효과가 있고 진동 저감을 한층 감소시키는 역할을 한다.
예를 들면 각 연료 분사구(123)의 형상을 도14에 도시한 것과 같이 다양하게 변형할 수 있다. 도14(a) 내지 도14(e)는 연료 분사구(123)를 각각 삼각형, 마름모(또는 사각형), 육각형, 타원형, 및 반원형으로 형성한 구성을 나타내며, 이러한 형상 외에도 다양한 형상과 크기로 연료 분사구(123)를 다양하게 변형할 수 있다.
도15는 제6 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하기 위한 도면으로, 설명의 편의를 위해 노즐부(100)와 연소실(200)을 생략하고 노즐 본체부(120)만 도시하였다.
도면을 참조하면, 원통 형상의 노즐 본체부(120)는 이 노즐 본체부(120)의 둘레를 따라 방사상 방향으로 돌출 형성된 복수개의 선회 날개(swirl vane)(170)를 구비하고, 각각의 선회 날개(170)에는 연료를 분사하기 위해 선회 날개의 표면에 형성된 복수개의 연료 분사구(173)를 포함한다.
일 실시예에서 각 선회 날개(170)의 복수개의 연료 분사구(173)의 각각은 노즐 본체부(120)의 중심축 방향으로 서로 다른 위치에 형성하고 각 연료 분사구(173)의 크기도 서로 상이하도록 구성할 수 있다. 이 구성에 의하면 도13을 참조하여 설명한 것처럼 각 연료 분사구(173)에서 분사되는 연료의 대류 거리에 차이가 발생하므로 진동 에너지가 특정 주파수에 집중되는 것을 방지할 수 있다.
또한 일 실시예에서 각각의 선회 날개(170)의 리딩 에지(leading edge)(171)와 트레일링 에지(trailing edge)(172) 중 적어도 한쪽 에지를 파형(wavy) 형상으로 구성할 수 있다.
선회 날개(170)의 리딩 에지(171)를 파형 형상으로 할 경우, 리딩 에지(171)에서 공기의 난류가 생성되고 연료가 연료 분사구(173)를 통해 이 난류를 향해 분사되므로 공기와 연료가 잘 혼합될 수 있다. 또한 리딩 에지(171)에서 와류(vortex)가 발생하더라도 와류에 방사상 방향의 위상차가 발생하여 대류 시간이 서로 상이하므로 진동 에너지가 집중되지 않고 넓게 분산된다.
선회 날개(170)의 트레일링 에지(172)를 파형 형상으로 할 경우, 트레일링 에지(172)에 도달하는 유동 시간에 차이가 발생하여 트레일링 에지(172)에서 와류가 형성되더라도 와류에 방사상 방향의 위상차가 발생하고 또한 파형의 에지(172)에서 유동과의 접촉면 증가로 난류 혼합이 증대되어 유동의 코히어런스를 저감할 수 있다.
도16 및 도17은 도15의 제6 실시예에 따른 선회 날개(170)의 다양한 변형례를 나타낸다. 일 실시예에서 선회 날개(170)의 트레일링 에지(172)를 도14와 같이 다양한 형태로 구성할 수 있다. 도16(a)에 도시한 것처럼 트레일링 에지(172)가 전형적인 파형(wavy) 형상을 가질 수 있고, 대안적으로 도16(b) 또는 도16(c)에 도시한 것처럼 뾰족한 파형이나 톱니형으로 형성할 수도 있다.
도16(d) 내지 도16(f)는 선회날개(170)의 트레일링 에지(172) 근처에 관통구(177)를 형성한 실시예를 나타낸다. 관통구(177)는 선회날개(170)의 양쪽 면을 관통하도록 구성되어 공기가 통과하는 공기유로로서 역할을 한다. 도16(d) 내지 도16(f)에 도시한 것처럼 관통구(177)의 형상은 원, 삼각형, 반원형 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 이와 같이 트레일링 에지(172)를 파형으로 구성함과 동시에 관통구(177)를 형성함으로써 트레일링 에지(172) 근방에서의 난류 혼합이 한층 증대될 수 있다.
도17은 노즐 본체부(120)의 방사상 방향에서 선회 날개(170)를 바라본 모습을 도식적으로 도시한 것으로, 복수개의 선회날개(170)가 노즐 본체부(120)의 측면 둘레를 따라 설치된 모습을 나타낸다. 이 때 본 발명의 일 실시예에서, 서로 이웃하는 선회날개(170)의 길이를 서로 다르게 하거나 또는 선회 날개(170)의 축방향 부착 위치를 다르게 하여 서로 이웃하는 선회 날개(170)의 리딩 에지(171)의 위치를 서로 다르게 구성할 수 있다. 이와 같이 각 선회 날개(170)의 길이나 설치 위치를 각기 다르게 변화시킴으로써 원주방향으로 와류의 위상차를 발생시켜 유동의 코히어런스를 저감할 수 있다.
이와 같이 도13 내지 도17을 참조하여 설명한 구성을 조합하면 난류 발생으로 인해 공기와 연료의 혼합을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 연료의 대류 길이와 대류 시간을 다양하게 조절할 수 있으므로 노즐 본체부(120)의 길이방향, 원주방향, 및 방사상 방향으로 와류의 위상차를 다양하게 변화시켜 코히어런스를 저감하고 진동 에너지를 분산하여 진동 감소를 유도할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 20, 30, 40, 50, 60, 710, 720, 730: 노즐 가이드
11, 21, 31, 41, 51, 61: 측면부
12, 22, 32, 42, 52, 62: 상류측(제1) 단부
13, 23, 33, 43, 53, 63: 하류측(제2) 단부
65, 67: 슬롯 70: 노즐 가이드 어셈블리
75: 연결판 100: 노즐부
120: 노즐 130: 공기유로
150: 노즐 에지 170: 선회 날개
200: 연소실 210: 덤프면
220: 라이너

Claims (16)

  1. 가스터빈 연소기로서,
    공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부(100);
    상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실(200); 및
    상기 노즐부(100)의 출구와 연소실(200)의 입구를 연결하는 노즐 가이드(10);를 포함하고,
    공기와 연료는 상기 노즐 가이드(10)를 통해서만 연소실로 분사되도록 구성되고,
    상기 노즐 가이드(10)는 내부에 공간을 갖는 통형상이며, 상류측의 제1 단부(12)가 노즐부의 출구에 일체로 연결되고 하류측의 제2 단부(13)가 상기 연소실의 덤프면(210)에 일체로 연결되며, 상기 노즐 가이드의 측면(11)은 노즐 가이드의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성되고,
    상기 노즐 가이드의 제2 단부(13)와 상기 연소실의 내측면 사이의 거리(h)가 제2 단부의 원주방향을 따라 달라지도록 구성하여, 혼합 기체가 연소실로 분사될 때 발생하는 와류 진동의 진동 에너지를 분산시킴으로써 연소 진동을 저감하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부는 원통형의 노즐 본체부(120) 및 이 노즐 본체부의 둘레를 따라 연료를 분사하는 복수개의 연료 분사구(123)를 구비하고,
    노즐 본체부의 축방향에 대한 연료 분사구의 위치 및 연료 분사구의 크기 중 적어도 하나가 상기 각 연료 분사구마다 서로 상이한 것을 특징으로 가스터빈 연소기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부는 원통형의 노즐 본체부(120) 및 이 노즐 본체부의 둘레를 따라 방사상 방향으로 돌출 형성된 복수개의 선회 날개(170)를 구비하고,
    각각의 선회 날개(170)는 연료를 분사하기 위해 선회 날개의 표면에 형성된 복수개의 연료 분사구(173)를 포함하며,
    각각의 선회 날개(170)의 리딩 에지(171)가 파형(wavy) 형상이고,
    노즐 본체부의 축방향에 대한 연료 분사구의 위치 및 연료 분사구의 크기 중 적어도 하나가 상기 각 연료 분사구마다 서로 상이한 것을 특징으로 가스터빈 연소기.
  5. 가스터빈 연소기로서,
    공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부(100);
    상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실(200); 및
    상기 연소실(200)의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드(20);를 포함하고,
    공기와 연료는 상기 노즐 가이드(20)를 통해서만 연소실로 분사되도록 구성되고,
    상기 노즐 가이드(20)는 내부에 공간을 갖는 통형상이며, 상류측의 제1 단부(22)가 노즐부의 노즐 에지(150)에 연결되고 하류측의 제2 단부(23)는 연소실의 내부 공간 내에 배치되며,
    상기 노즐 가이드의 측면(21)은 노즐 가이드의 중심축을 향해 볼록한 곡면으로 형성되고,
    상기 노즐 가이드의 제2 단부(23)와 상기 연소실의 내측면 사이의 거리(h) 및 상기 연소실의 덤프면(210)으로부터 제2 단부(23)까지의 거리(L) 중 적어도 하나가 제2 단부의 원주방향을 따라 달라지도록 구성하여, 혼합 기체가 연소실로 분사될 때 발생하는 와류 진동의 진동 에너지를 분산시킴으로써 연소 진동을 저감하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드의 측면에는 원주방향 및 축방향으로 서로간에 이격된 복수개의 슬롯(65)을 포함하며, 이 슬롯(65)을 통해 노즐 가이드 내측의 혼합 기체의 일부가 노즐 가이드 외측으로 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드의 측면에는 원주방향 및 축방향으로 서로간에 이격된 복수개의 슬롯(67)을 포함하며, 이 슬롯(67)을 통해 노즐 가이드 외측의 기체의 일부가 노즐 가이드 내측으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드의 최소 직경부(25)가 상기 제1 단부의 하류측에 위치함으로써, 상기 노즐 가이드의 측면이 상기 제1 단부에서부터 최소 직경부까지의 직경감소 영역과 상기 최소 직경부에서부터 제2 단부까지의 직경증가 영역으로 구성되고,
    상기 복수개의 슬롯(67)이 상기 직경증가 영역 중 상기 최소 직경부에 인접한 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐부는 원통형의 노즐 본체부(120) 및 이 노즐 본체부의 둘레를 따라 연료를 분사하는 복수개의 연료 분사구(123)를 구비하고,
    노즐 본체부의 축방향에 대한 연료 분사구의 위치 및 연료 분사구의 크기 중 적어도 하나가 상기 각 연료 분사구마다 서로 상이한 것을 특징으로 가스터빈 연소기.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐부는 원통형의 노즐 본체부(120) 및 이 노즐 본체부의 둘레를 따라 방사상 방향으로 돌출 형성된 복수개의 선회 날개(170)를 구비하고,
    각각의 선회 날개(170)의 리딩 에지(171)가 파형(wavy) 형상인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각각의 선회 날개(170)는 연료를 분사하기 위해 선회 날개의 표면에 형성된 복수개의 연료 분사구(173)를 포함하고,
    노즐 본체부의 축방향에 대한 연료 분사구의 위치 및 연료 분사구의 크기 중 적어도 하나가 상기 각 연료 분사구마다 서로 상이한 것을 특징으로 가스터빈 연소기.
  13. 가스터빈 연소기로서,
    공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부(100);
    상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실(200); 및
    상기 연소실(200)의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드 어셈블리(70);를 포함하고,
    상기 노즐 가이드 어셈블리(70)는 각각이 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 복수개의 노즐 가이드를 포함하고, 상기 복수개의 노즐 가이드는 동일 중심축을 갖도록 정렬되어 상기 연소실 내부 공간에서 하류측 방향으로 일렬로 배치되고,
    서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서는 서로 이격됨으로써 두 측면 사이에 슬롯이 형성되며, 하류측 노즐 가이드의 상류측 단부가 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 직경이 작고 하류측 노즐 가이드의 하류측 단부는 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 더 큰 직경을 가짐으로써, 상기 슬롯을 통해 노즐 가이드 어셈블리 내측의 혼합 기체의 일부가 노즐 가이드 어셈블리 외측으로 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  14. 가스터빈 연소기로서,
    공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측으로 분사하는 노즐부(100);
    상기 노즐부의 하류측에 배치되며 노즐부로부터 분사되는 혼합 기체를 연소하는 연소실(200); 및
    상기 연소실(200)의 덤프면에 부착되어 연소실 내부 공간을 향하도록 배치된 노즐 가이드 어셈블리(70);를 포함하고,
    상기 노즐 가이드 어셈블리(70)는 각각이 하류로 갈수록 직경이 점차 증가하는 통형상의 복수개의 노즐 가이드를 포함하고, 상기 복수개의 노즐 가이드는 동일 중심축을 갖도록 정렬되어 상기 연소실 내부 공간에서 하류측 방향으로 일렬로 배치되고,
    서로 이웃하는 두 노즐 가이드끼리는, 축방향을 따라 두 측면의 일부 영역이 중첩되되 방사상 방향을 따라서는 서로 이격됨으로써 두 측면 사이에 슬롯이 형성되며, 하류측 노즐 가이드의 상류측 단부가 상류측 노즐 가이드의 하류측 단부보다 더 큰 직경을 가짐으로써, 상기 슬롯을 통해 노즐 가이드 어셈블리 외측의 기체의 일부가 노즐 가이드 어셈블리 내측으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드 어셈블리의 최하류측 노즐 가이드의 하류측 단부(이하 "최하류측 단부"라 함)와 상기 연소실의 내측면 사이의 거리(h) 및 상기 연소실의 덤프면(210)으로부터 상기 최하류측 단부까지의 거리(L) 중 적어도 하나가 상기 최하류측 단부의 원주방향을 따라 달라지도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    서로 이웃하는 두 노즐 가이드 사이에서 노즐 가이드의 두 측면을 방사상 방향으로 이격시키기 위해 두 측면과 각각 결합되고 원주방향을 따라 서로간에 소정 거리 이격되어 배치된 복수개의 연결판(75)을 더 포함하고,
    노즐부로부터 분사되는 혼합 기체가 선회 유동하며 연소실로 분사되는 경우, 상기 복수개의 연결판의 각각이 이 선회 유동의 유선(streamline)에 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
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