KR102065723B1 - 가스터빈 연소기의 스월 베인 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은, 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함하고, 상기 연소기에 설치된 연료 노즐의 복수개의 스월 베인의 형상 또는 위치를 서로 다르게 형성함으로써 각 베인들 사이에서 형성되는 공기 및 연료의 혼합을 다르게 하고, 이에 의해 연소기의 연소실 내에서 연료 노즐을 통해 발생한 화염 간의 간섭을 최소화함으로써 연소기 진동을 최대한 방지할 수 있다.

Description

가스터빈 연소기의 스월 베인{SWIRL VANES OF COMBUSTOR FOR GAS TURBINE}

본 발명은 가스터빈 연소기 내에 부착된 각 연료 노즐의 스월 베인 형태에 관한 것으로서, 복수의 스월 베인의 형태를 다양하게 구성하여 연소기 내 화염에 의한 진동을 감소시키기 위한 연소기 내의 화염 비대칭 구조에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

상기 연소기는 고압으로 압축된 연소공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만든다.

상기 연소기에서 발생되는 연소 상태는 등압가열 과정으로서 연소가스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승시키는데, 상기 가스터빈 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하고 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 부분에 해당된다.

한편, 통상 상기 연소기 내 연료 노즐이 복수개가 구비되고, 각 연료 노즐마다 공기와 연료가 반응하면서 화염(flame)이 형성된다. 이렇게 형성된 화염들에 의해 생성된 에너지가 터빈을 구동하게 되는 것인데, 이 때 복수개의 화염 서로 간의 간섭에 의해 연소기 내 진동이 발생하게 된다. 즉, 복수개의 화염들의 형태가 동일하여 동일한 지점에서 간섭을 일으키면, 발생하는 진동의 진폭이 커지게 되고, 이러한 진동은 장기적으로 연소기 및 그 주변부의 내구성을 약화시키는 원인이 된다. 따라서, 화염 간의 간섭을 방지하기 위한 대책이 요구되어 왔다.

미국 특허 US8261555호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연소기 내에 형성된 각 연료 노즐 내에 설치된 복수개의 스월 베인의 형상 또는 위치를 서로 다르게 형성함으로써 각 연료 노즐에서 형성되는 화염 형상을 국부적으로 변경하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈은, 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함하고, 상기 연소기는 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기를 포함하고, 상기 연료 노즐과 센터바디 사이에 스월 베인이 형성되는 가스터빈이다. 상기 연소기는, 원통형의 센터바디; 및 상기 센터바디의 외부면에 상기 중심체의 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고, 상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며, 상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하며, 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인의 형태는 서로 동일하다.

상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태는 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태와 다른 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인들의 제2 하프 베인의 형태는 서로 다를 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제1 스월 베인 세트의 베인 개수는 상기 제2 스월 베인 세트의 베인 개수보다 많거나 같을 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 하나 이상의 곡선부로 구성되도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 제1 측면의 길이와 제2 측면의 길이가 다르게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 연소기는, 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기로서, 상기 연료 노즐과 센터바디 사이에 스월 베인이 형성되는 가스터빈의 연소기이다. 상기 연소기는 원통형의 센터바디; 및 상기 센터바디의 외부면에 상기 중심체의 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고, 상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며, 상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하며, 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인의 형태는 서로 동일하다.

상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태는 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태와 다른 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인들의 제2 하프 베인의 형태는 서로 다를 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 제1 측면의 길이와 제2 측면의 길이가 다르게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부로 구성되도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부를 포함하도록 형성되고, 상기 2 이상의 직선부가 만나는 지점은 둥글게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 곡선부로 구성되도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 볼록하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 제1 스월 베인 세트의 베인들은 서로 인접하여 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 연소기는, 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기로서, 상기 연료 노즐과 센터바디 사이에 스월 베인이 형성되는 가스터빈의 연소기이다. 상기 연소기는 중심 연료 노즐; 및 상기 중심 연료 노즐을 중심으로 이격되어 배치되는 복수의 주변 연료 노즐;을 포함하고, 상기 복수의 주변 노즐은 원통형의 센터바디; 및 상기 센터바디의 외부면에 상기 중심체의 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고, 상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며, 상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하며, 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인의 형태는 서로 동일하다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 복수의 주변 노즐 각각에 배치된 제2 스월 베인 세트는 상기 중심 연료 노즐을 기준으로 서로 다른 각도로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 복수의 주변 노즐 중 일부 주변 노즐은 제1 스월 베인 세트만으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소기 내에 형성된 각 연료 노즐 내에 설치된 복수개의 스월 베인의 형상 또는 위치를 서로 다르게 형성함으로써 각 연료 노즐로부터 형성된 화염 형상을 변경함으로써 연소기 내 연소 진동을 방지하거나 운전 영역의 범위를 넓힐 수 있다.

도 1은 가스터빈의 길이방향 단면도이다.
도 2는 연소기의 길이방향 사시도이다.
도 3은 연소기 연소실내에서 화염이 형성되는 형태를 도시한 개략도이다.
도 4는 종래의 연료 노즐의 정면도 및 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 스월 베인들 사이의 각도를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 4의 (a)와 (b) 각각의 경우에 발생되는 화염의 형태를 간략히 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인의 단면도 및 스월 베인 길이 연장의 예시를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6(b)의 실시예에 따른 스월 베인 세트들의 예시를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6(c)의 실시예에 따른 다양한 길이를 갖는 제2 스월 베인 세트의 개별 베인들의 길이 조합을 도시한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인들의 일부 사시도 및 단면도이다.
도 10은 도 9의 실시예에 따른 스월 베인 세트들의 예시를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 9의 실시예에 따른 개별 스월 베인의 쉬라우드 측과 센터바디 측의 교차각을 비교한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인의 사시도 및 트레일링 에지의 확대도이다.
도 13은 도 12의 트레일링 에지의 변형례를 나타낸 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 연료 노즐 내 베인의 배치의 예를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명에 따른 터빈의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈은 하우징(12)을 구비하고 있고, 상기 하우징(12)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(16)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 디퓨저(16)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(100)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(12)의 상류측에 압축기 섹션(10)이 위치하고, 하류측에 터빈 섹션(20)이 배치된다. 그리고, 상기 압축기 섹션(10)과 상기 터빈 섹션(20)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(30)가 배치되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(10)에서 압축되고, 연소기(14)에서 연소된 후, 터빈 섹션(20)으로 보내져 터빈을 구동하고, 디퓨저(16)를 통해 대기중으로 배출된다.

상기 연소기(100)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소 과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.

도 2는 연소기의 길이방향 절단 사시도이다. 연소기(100)는 기본적으로 연료분사노즐(105, 107)과 연료노즐(105, 107)을 둘러싸는 케이싱(101), 연소실(191a)을 형성하는 라이너(191; Liner)와 라이너(191)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(195), 및 연소기(100)와 터빈(20)의 연결부가 되는 트랜지션 피스 바디(193; Transition Piece body)와 트랜지션 피스 바디(193)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(195)를 구성된다.

라이너(191)는 연료노즐(105, 107)에 의해 분사되는 연료가 를 통해 유입되는 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소실(191a)을 제공한다. 라이너(191)는 외주에 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브(195)에 의해 제1 압축공기 유로(192)를 통해 라이너(191)를 냉각시킬 수 있다. 라이너의 전단에는 연료노즐(105, 107)이 결합된다.

한편 라이너(191)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스 바디(193)가 연결된다. 이러한 라이너(191)와 트랜지션피스 바디(193)는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 라이너(191)와 트랜지션피스 바디(193) 감싼 플로우슬리브(195)에 의해 형성된 환형공간 즉, 제1 압축공기 유로(192) 및 제2 압축공기 유로(194)로 공급된 압축공기에 의해 냉각된다.

복수의 연료 노즐(157)은 하우징으로서 기능하는 케이싱(101)에 환형으로 둘러 싸여 있고, 라이너(191)와 연결된다. 복수의 연료 노즐(157)이 라이너(191)와 연결되는 부분 내부에는 복수의 개구가 형성된 원통형의 부재가 삽입될 수 있는데, 이 원통형의 부재는 복수의 연료 노즐(157)을 포함하는 노즐 튜브 (103)이다. 상기 노즐 튜브(103)에 형성된 복수의 개구는 연료 노즐(157)로서 기능하며, 상기 연료 노즐(157)은 중심 노즐(107) 및 이를 둘러싸는 복수의 주변 노즐(105)들로 구성될 수 있다.

연료 노즐(157)은 원통형 공간의 중심에서 연소기 전후 방향으로 연장하는 센터바디(104)를 둘러싸도록 구성된다. 상기 센터바디(104)의 일단은 연료 노즐 베이스(102)에 연결되어 그로부터 연료를 공급받고, 이러한 연료는 상기 센터바디(104) 및/또는 상기 센터바디(104)의 둘레에 형성되는, 스월러로 불리는 스월 베인(110)에 형성된 연료 분사 개구(124)를 통해 분사되어 압축공기와 혼합될 수 있다. 연료가 공급되는 연료 노즐의 위치 및 형태는 도 2에 도시된 형태에 한정되지 않고, 도면은 단지 예시일 뿐이라는 것에 주의해야 한다.

상기 노즐 베이스(102)는 엔드 커버(150)에 연결되어 있고, 상기 엔드 커버(150)는 적어도 부분적으로 연료를 공급받기 위한 구성을 포함할 수 있다.

도 3은 연소기 내에서 화염이 형성되는 형태를 도시한 도면이고, 이를 통해 연료 노즐(157)에서 형성되는 화염의 형태를 이해할 수 있다.

도시된 연소기(100)의 노즐 튜브(103)에는 한 개의 중심 노즐(107) 및 상기 중심 노즐(107)을 둘러싸는 다섯 개의 주변 노즐(105)이 형성된다. 여기서, 노즐의 개수는 한정되는 것이 아니라, 설계에 따라 변경될 수 있으나, 하나의 중심 노즐(107)에 5개 내지 6개의 주변 노즐(105)이 형성되는 것이 바람직하다.

좌측의 단면도는 연료 노즐(157)의 배치를 예로서 나타내며, 우측의 측단면도는 각 연료 노즐(157)에서의 연료 및 공기의 흐름이 알기 쉽게 도시되어 있다. 설명을 위해, 측단면도의 상하부에는 주변 노즐(105)을 표시하였고, 가운데에는 중심 노즐(108)을 표시하였다.

노즐 베이스(102)로부터 각 센터바디(104, 108) 내부로 연료가 공급되면, 연료는 센터바디(104, 108)의 둘레에 형성된 복수의 스월 베인(110)들로 공급될 수 있다. 상기 복수의 스월 베인(110)들에는 연료 분사 개구(124, 도 3에 번호 표시 필요)가 형성되어 있어서, 연료 분사 개구(124)를 통해 방출되는 연료는 유입되는 압축공기와 쉽게 혼합될 수 있다.

공기는 제1 압축공기 유로(192)를 지나, 대체로 U자 형태인 경로를 따라 연료 노즐 측으로 유입되고 연료와 혼합된다.

연료-공기 혼합물은 점화플러그의 불꽃과 만나 일정한 화염의 형태를 형성한다. 제1 화염(F1) 및 제2 화염(F2)은 화염의 형태를 예로 든 것이다. 제1 화염(F1)과 제2 화염(F2)의 형태는 다양한 형태를 도시한 것일 뿐, 주변 노즐(105)에서 발생되는 화염이 중심 노즐(107)에서 발생되는 화염과 다르게 형성되는 것을 의미하지는 않는다.

화염의 형태에 관하여 제1 화염을 예를 들면, 주변 노즐(105)의 내부 구성이 대칭적으로, 또는 균등하게 형성되면 화염은 제1 화염(F1)의 형태와 같이 균등하게 형성될 것이다. 여기서 "대칭적으로" 또는 "균등하게"는 센터바디(104)를 중심으로 복수의 스월 베인(110)들이 서로 원점 대칭을 이루는 것과 같이 화염이 원점을 기준으로 일반적으로 일정하게 형성되는 경우를 의미한다.

화염의 형태에 관하여 제2 화염을 예를 들면, 중심 노즐(107)의 내부 구성이 대칭적으로, 또는 균등하게 형성되면 화염은 제2 화염(F2)의 형태와 같이 균등하게 형성될 것이다. 여기서 "대칭적으로" 또는 "균등하게"는 제1 화염(F1)의 경우와 동일한 의미를 가진다.

모든 주변 노즐(105)과 중심 노즐(107)의 내부 구성이 대칭적으로, 또는 균등하게 형성되면 화염이 모든 주변 노즐(105)과 중심 노즐(107)에서 발생되는 화염의 형태가 제1 화염(F1)과 제2 화염(F2)과 같이 어느 하나의 형태로 동일하게 나타나게 된다. 실제의 경우, 약간의 편차는 있을 수 있으나 대체로 동일한 형상의 화염이 형성되는데, 이렇게 동일한 형상의 화염들이 인접하여 형성되면, 화염 간의 간섭이 증가하여 연소 진동의 진폭이 커지게 되고, 이는 연소기의 내구성을 약화시키는 원인이 된다. 따라서, 주변 노즐(105)들 중 일부에서 발생되는 화염의 형태를 제1 변형 화염(F11, F12) 또는 제2 변형 화염(F21, F22)과 같이 비대칭형 또는 불균일형으로 형성하게 되면, 직접 인접한 화염과의 간섭으로 발생하는 간섭이 줄어들게 된다.

도 4는 종래의 연료 노즐의 정면도 및 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐의 스월 베인들 사이의 각도를 나타낸 개략도이다.

도 4의 (a)는 연료 노즐(157)을 엔드 커버(150) 측에서 연소실(191a) 측을 향해 바라볼 때의 정면도이다. 총 10개의 스월 베인(110)들이 센터바디(104, 108)를 중심으로 균등한 간격으로 배치되어 있고, 이 간격을 간략히 나타내기 위해 스월 베인들의 일측 상에 윤곽선(g1)을 도시하였고, 이들 사이의 각도는 36°다. 이는 종래의 스월 베인의 형태를 도시한 것이다. 이러한 스월 베인(110)들을 사용하면, 균등한 화염의 형태가 형성되고, 인접한 화염들과 함께 진동을 일으킬 수 밖에 없다.

도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인의 윤곽선(g2)만을 표시한 개략도로서, 여기에 (a)에서 도시되었던 윤곽선(g1)을 함께 도시하여 종래의 스월 베인과 본 발명의 일 실시예의 스월 베인의 차이점이 두드러지도록 하였다. 본 명세서에서 "윤곽선"이란, 스월 베인들끼리 대응되는 위치를 반경 방향의 직선으로 표시한 것을 의미하는 것으로서, 예를 들면 모든 베인들의 리딩 에지를 직선으로 간략히 표시한 것이거나 모든 베인들의 트레일링 에지를 직선으로 간략히 표시한 것일 수 있다.

총 10개의 스월 베인(110)들이 형성하는 10개의 공간들(S1, S2) 중 아래에 균일한 각도로 형성되는 공간들(S11, S12, S13, S14, S15)을 제1 스월 공간 세트(S1)라 정의하고, 위쪽에 불균일한 각도로 형성되는 공간들(S21, S22, S23, S24, S25)을 제2 스월 공간 세트(S2)라 정의한다. 상기 제1 스월 공간 세트(S1)는 34°로 표시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 제1 스월 공간 세트(S1)의 개별 공간들이 서로 동일한 각도를 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 상기 제2 스월 공간 세트(S2)는 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 공간들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 마찬가지로, 제2 스월 공간 세트(S2)는 36°, 39°, 및 44°로 표시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 공간들은 제1 스월 공간 세트(S1)의 개별 공간들이 갖는 각도와는 다른 각도로 형성된다는 것을 의미한다. 또한, 상기 제2 스월 공간 세트(S2)는 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 공간들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 다만, 제1 스월 공간 세트(S1)의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하고, 마찬가지로 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.

이제 도시된 예시에 따라 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 윤곽선(G2)에 따라 나뉘는 제1 및 제2 스월 공간 세트(S1, S2)를 참조하면, 제1 스월 공간 세트(S1)의 경우 각각 34°를 가지고, 제2 스월 공간 세트(S2)의 경우 모두가 34°보다 큰 각도인 36°, 39°, 그리고 44°를 갖는다. 이들의 각도를 모두 합치면 정확히 360°가 되어야 함은 자명하다.

각도가 위와 같은 경우에, 동일한 조건, 즉 연료 분사량, 공기 혼합량 등 다른 조건들이 대체로 동일하다면 각도가 큰 공간으로부터 분사되는 연료-공기 혼합물의 경우 연료 비율이 낮아진다. 연료-공기 혼합물에서 연료의 비율이 줄어들면 화염의 길이가 길어지는 변화가 발생하는데, 이는 도 5에 간략히 도시되어 있다.

도 5는 도 4의 종래의 연료 노즐과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 노즐 각각의 경우에 발생되는 화염의 형태를 보기 쉽게 도시한 도면이다. 여기서 화염의 방향이 연료 노즐의 반경 방향으로 나가는 것처럼 도시되었으나, 이는 단지 길이의 비교를 위한 것일 뿐, 화염이 뿜어져 나가는 방향과는 무관함에 주의하여야 한다. 주지된 것과 같이, 각 공간들로부터 형성되는 화염은 연료 노즐에서 연소실(191a) 측으로 동일한 방향을 향해 내뿜어진다.

도 5의 (a)의 경우, 모든 스월 공간들(S1, S2)에서 발생되는 화염의 길이는 동일하다. 이렇게 모든 스월 공간들(S1, S2)에서 동일한 화염이 발생하면 연료 노즐(105, 107)들에서 발생하는 화염의 형태가 동일해지고, 모든 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 연료 노즐에서 발생한 화염들과의 간섭을 발생시켜 연소기 전체에서 진동이 증폭될 수 있다. 반면 도 5의 (b)의 경우, 제1 스월 공간 세트(S1)의 각 공간(S11, S12, S13, S14, S15)에서 발생되는 화염의 길이는 동일하지만, 제2 스월 공간 세트(S2)의 각 공간(S21, S22, S23, S24, S25)에서 발생되는 화염의 길이는 다양하며, 특히 제1 스월 공간 세트(S1)에서 형성된 화염의 길이와 다르다. 이렇게 각 스월 공간들(S1, S2)에서 상이한 화염이 발생하면, 연료 노즐마다 스월 공간의 크기(각도)를 다르게 형성함으로써 연료 노즐(105, 107)들에서 발생하는 화염의 형태가 달라지게 형성할 수 있고, 각 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 화염들의 간섭을 덜 받게 되어 연소기 전체에서 진동이 감소될 수 있다.

본 실시예의 변형례에서, 연료 노즐 하나가 갖는 스월 베인의 개수는 달라질 수 있으나, 9 내지 11개인 것이 바람직하고, 특히 10개인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 스월 베인의 개수가 많아질수록 연료-공기 혼합물이 분사되는 압력이 감소되고, 또한 연소기 전체 시스템의 압력 강화 손실로 인한 가스터빈 효율이 저하되며, 스월 베인의 개수가 적어질수록 연료-공기 혼합물의 혼합도가 낮아지는 단점이 생기기 때문이다.

스월 베인(110)의 개수가 9개인 경우에는 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 스월 공간들은 3개 내지 4개인 것이 바람직하고, 스월 베인(110)의 개수가 10개 또는 11개인 경우에는 제2 스월 공간 세트(S2)의 개별 스월 공간들은 3개 내지 5개인 것이 바람직하다.

또한, 각도가 동일하게 형성되는 제1 스월 공간 세트(S1)의 각 스월 공간들의 각도는 30° 내지 44°인 것이 바람직하며, 이는 정수(integer)에 한정되지 않는다. 마찬가지로, 각도가 다양하게 형성되는 제2 스월 공간 세트(S2)의 각 스월 공간들은 30° 내지 44°인 것이 바람직하며, 이는 정수에 한정되지 않는다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인의 단면도이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 스월 베인(110)은 제1 하프 베인(120) 및 제2 하프 베인(130)을 포함하고, 제1 하프 베인(120)은 공기가 유입되는 측에, 제2 하프 베인(130)은 공기가 유출되는 측에 배치된다. 여기서 "하프(half)"는 기하학적으로 절반을 의미하는 것은 아니고, 단지 두 부분으로 나누어진 스월 베인(110)의 각 부분을 표시하기 위한 용어다.

제1 하프 베인(120)은 가상의 제1 중심선(C1)을 가지고, 제2 하프 베인(130)은 가상의 제2 중심선(C2)을 가진다. 각 중심선들(C1, C2)의 길이는 제1 길이(l1) 및 제2 길이(l2)로 정의될 수 있다.

도 4의 (a)에서 본 바와 같이, 예를 들어 스월 베인(110)이 10개라면, 그 중 다섯개는 제1 스월 베인 세트(V1), 나머지 다섯개는 제2 스월 베인 세트(V2)로 정의될 수 있다.

본 실시예에서, 제1 스월 베인 세트(V1)의 모든 스월 베인(110)들은 동일한 길이를 가지고, 제2 스월 베인 세트(V2)는 제1 스월 베인 세트(V1)의 각 베인(110)들의 제2 하프 베인(130)이 갖는 길이와 다른 길이를 가질 수 있다.

도 6의 (b)에 따르면, 상기 제2 스월 베인 세트(V2)의 제2 하프 베인(130)은 d1 내지 d5의 길이를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 베인들의 제2 하프 베인(130)의 제2 길이(l2)는 다양할 수 있다는 것을 의미한다.

도 6의 (c)에 따르면, 상기 제2 스월 베인 세트(V2)의 제1 하프 베인(120)은 d1 내지 d5의 길이를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 베인들의 제2 하프 베인(130)의 제2 길이(l2)는 다양할 수 있다는 것을 의미한다.

도 7을 참조하면, 제1 스월 베인 세트(V1) 및 제2 스월 베인 세트(V2)가 예시적으로 도시되어 있다. 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 스월 베인(110)들 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 베인들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 마찬가지로, 제2 스월 베인 세트(V2)는 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 공간들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 다만, 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하고, 마찬가지로 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 7을 참조하면, 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 스월 베인(110)의 길이보다 제2 스월 베인 세트(V2)의 모든 스월 베인(110)의 길이가 길게 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이다. 다만, 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 베인들의 제1 하프 베인(120) 또는 제2 하프 베인(130)의 길이는 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 베인들의 제1 하프 베인(120) 또는 제2 하프 베인(130)의 길이보다 각각 긴 것이 바람직하다.

이제 도시된 예시에 따라 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 제1 스월 베인 세트(V1)의 모든 개별 베인들의 트레일링 에지(138)는 기준선(z)까지 연장하지만, 제2 스월 베인 세트(V2)의 모든 개별 베인들의 트레일링 에지(138)는 기준선(z)을 넘어서까지 연장된다.

각도가 위와 같은 경우에, 동일한 조건, 즉 연료 분사량, 공기 혼합량 등 다른 조건들이 대체로 동일하다면 길이가 다르게 형성되는 베인들 사이, 즉 제2 스월 베인 세트(V2)에서 발생하는 화염들은 길이가 동일하게 형성되는 베인들 사이, 즉 제1 스월 베인 세트(V1)에서 발생하는 화염들과 그 길이 등의 형태가 달라지게 된다.

종래와 같이 연소기 내 모든 스월 베인(110)의 길이가 동일하다면, 모든 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 연료 노즐에서 발생한 화염들과의 간섭을 발생시켜 연소기 전체에서 진동이 증폭될 수 있다. 반면 본 실시예의 경우, 제1 스월 베인 세트(V1)의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 길이는 동일하지만, 제2 스월 베인 세트(V2)의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 길이는 다양하며, 특히 제1 스월 베인 세트(V1)에서 형성된 화염의 길이와 다르다. 이렇게 각 스월 베인 세트들(V1, V2)에서 상이한 화염이 발생하면, 연료 노즐마다 스월 베인들의 형태(길이)를 다르게 형성함으로써 연료 노즐(105, 107)들에서 발생하는 화염의 형태가 달라지게 형성할 수 있고, 각 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 화염들의 간섭을 덜 받게 되어 연소기 전체에서 진동이 감소될 수 있다.

본 실시예의 변형례에서, 연료 노즐 하나가 갖는 스월 베인의 개수는 달라질 수 있으나, 9 내지 11개인 것이 바람직하고, 특히 10개인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 스월 베인의 개수가 많아질수록 연료-공기 혼합물이 분사되는 압력이 감소되고, 또한 연소기 전체 시스템의 압력 강화 손실로 인한 가스터빈 효율이 저하되고, 스월 베인의 개수가 적어질수록 연료-공기 혼합물의 혼합도가 낮아지는 단점이 생기기 때문이다.

스월 베인(110)의 개수가 9개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 스월 베인(110)들은 3개 내지 4개인 것이 바람직하고, 스월 베인(110)의 개수가 10개 또는 11개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 스월 베인들은 3개 내지 5개인 것이 바람직하다.

또한, 제2 스월 베인 세트(V2)의 각 스월 베인들의 제1 하프 베인(120)들의 제1 길이(l1)는 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 스월 베인들의 제1 하프 베인(120)들의 제1 길이를 기준으로 1% 내지 60% 범위까지 연장될 수 있다.

또한, 제2 스월 베인 세트(V2)의 각 스월 베인들의 제2 하프 베인(130)들의 제2 길이(l2)는 제1 스월 베인 세트(V1)의 개별 스월 베인들의 제2 하프 베인(130)들의 제1 길이를 기준으로 1% 내지 60% 범위까지 연장될 수 있다.

도 8은 도 6의 실시예에 따른 다양한 길이를 갖는 제2 스월 베인 세트의 개별 베인들의 길이 조합을 도시한 예시도이다. 도시된 베인 길이 프로파일들은 제1 하프 베인(120)의 제1 길이(l1)와 제2 하프 베인(130)의 제2 길이(l2)에 모두 해당될 수 있다. 기준선(z)은 제1 스월 베인 세트(V1)의 단부와 대응되는 길이를 나타내고, 기준선(z)으로부터 굵은선까지가 제2 스월 베인 세트(V2)의 개별 베인들의 길이 프로파일들을 나타낸다. 이에 의하면, 가스터빈의 기초 설계에 기반하여, 화염에 의한 진동을 최소화하기 위한 다양한 프로파일을 적용할 수 있다.

본 실시예의 변형례에서, 도 6의 제1 중심선(C1) 및 제2 중심선(C2)은 쉬라우드 측 중심선이며, 제3 중심선(C3) 및 제4 중심선(C4)은 센터바디(104, 108)에 접하는 센터바디 측 중심선으로 정의된다. 즉, 제2 스월 베인 세트(V2)의 베인들의 제1 중심선(C1)은 제3 중심선(C3)과 대향하는 관계에 있으나 길이가 다르게 설계될 수 있다. 또한, 제2 중심선(C2)은 제4 중심선(C4)과 대향하는 관계에 있으나 길이가 다르게 설계될 수 있다.

구체적으로, 제1 중심선(C1)의 제1 길이(l1)가 제3 중심선(C3)의 제3 길이보다 길거나 짧을 수 있고, 제2 중심선(C2)의 제2 길이(l2)가 제4 중심선(C4)의 제4 길이보다 길거나 짧을 수 있다.

또한, 제1 스월 베인 세트(V1)의 베인들의 길이와 비교하여, 제2 스월 베인 세트(V2)의 베인들의 제1 길이(l1), 제2 길이(l2), 제3 길이(l3), 및 제4 길이(l4) 중 어느 하나가 제1 스월 베인 세트(V1)의 베인들의 대응 구성의 길이보다 길게 형성되도록 구성할 수도 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인들의 일부 사시도 및 단면도이다.

스월 베인(110)들은 센터바디(104, 108)의 둘레에 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치된다. 센터바디(104, 108) 내부를 통해 공급되는 연료는 스월 베인(110)의 연료 분사 개구(124)를 통해 분출되고, 리딩 에지(128)로부터 트레일링 에지(138) 방향으로 유동하는 압축공기와 혼합되어 제2 하프 베인(130)이 꺾인 각도에 따라 연소실(191a)로 배출되어 화염을 생성한다.

제1 하프 베인(120)은 가상의 제1 중심선(C1)을 가지고, 제2 하프 베인(130)은 가상의 제2 중심선(C2)을 가진다. 두 중심선들(C1, C2)은 예각인 교차각을 형성한다.

도 4의 (a)에서 본 바와 같이, 예를 들어 스월 베인(110)이 10개라면, 그 중 다섯개는 제1 스월 베인 세트(V1'), 나머지 다섯개는 제2 스월 베인 세트(V2')로 정의될 수 있다. 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 스월 베인(110)들의 제1 교차각(θ1)은 본 명세서에서 기본 교차각으로 정의된다.

본 실시예에서, 제1 스월 베인 세트(V1')의 모든 스월 베인(110)들은 동일한 제1 교차각(θ1)을 가지고, 제2 스월 베인 세트(V2')는 제1 스월 베인 세트(V1')의 각 베인(110)들의 제1 교차각(θ1)과 다른 제2 교차각(θ2, θ1+α, θ1-α)을 가질 수 있다. 여기서 α는 양수로 정의하고, 제2 교차각(θ1+α)은 제1 교차각(θ1)보다 α만큼 더 꺾인 것을 의미하며, 제2 교차각(θ1-α)은 제1 교차각(θ1)보다 α만큼 덜 꺾인 것을 의미한다.

도 9에 따르면, 상기 제2 스월 베인 세트(V2')는 α만큼 더 꺾이거나 덜 꺾이는 각도를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 정해진 상수가 아니며, 다양한 수치로 변화될 수 있다.

도 10을 참조하면, 제1 스월 베인 세트(V1') 및 제2 스월 베인 세트(V2')가 예시적으로 도시되어 있다. 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 스월 베인(110)들 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 마찬가지로, 제2 스월 베인 세트(V2')는 모두가 인접한 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 공간들이 모두 인접하게 형성되는 것으로 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 다만, 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하고, 마찬가지로 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 공간들은 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 10을 참조하면, 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 스월 베인(110)의제1 교차각(θ1)보다 제2 스월 베인 세트(V2')의 모든 스월 베인(110)의 제2 교차각(θ2)이 크게 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이다. 다만, 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 베인들의 제2 교차각(θ2)은 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들의 제1 교차각(θ1)보다 각각 큰 것이 바람직하다. 또한, 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 베인의 수가 n개일 때, 각 베인들은 θ1+α1, θ1+α2, θ1+α3, θ1+α4, ..., θ1+αn의 다양한 제2 교차각(θ2)을 가질 수 있다.

위와 반대로, 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 베인들의 제2 교차각(θ2)이 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들의 제1 교차각(θ1)보다 작은 경우라면, 각 베인들은 θ1-α1, θ1-α2, θ1-α3, θ1-α4, ..., θ1-αn의 다양한 제2 교차각(θ2)을 가질 수 있다.

각도가 위와 같은 경우에, 동일한 조건, 즉 연료 분사량, 공기 혼합량 등 다른 조건들이 대체로 동일하다면 교차각이 다르게 형성되는 베인들 사이, 즉 제2 스월 베인 세트(V2')에서 발생하는 화염들은 교차각이 동일하게 형성되는 베인들 사이, 즉 제1 스월 베인 세트(V1')에서 발생하는 화염들과 그 길이 등의 형태가 달라지게 된다.

종래와 같이 연소기 내 모든 스월 베인(110)의 길이가 동일하다면, 모든 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 연료 노즐에서 발생한 화염들과의 간섭을 발생시켜 연소기 전체에서 진동이 증폭될 수 있다. 반면 본 실시예의 경우, 제1 스월 베인 세트(V1')의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 길이는 동일하지만, 제2 스월 베인 세트(V2')의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 길이는 다양하며, 특히 제1 스월 베인 세트(V1')에서 형성된 화염의 길이와 다르다. 이렇게 각 스월 베인 세트들(V1', V2')에서 상이한 화염이 발생하면, 연료 노즐마다 스월 베인들의 형태(교차각)를 다르게 형성함으로써 연료 노즐(105, 107)들에서 발생하는 화염의 형태가 달라지게 형성할 수 있고, 각 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 화염들의 간섭을 덜 받게 되어 연소기 전체에서 연소 진동이 감소될 수 있다.

본 실시예의 변형례에서, 연료 노즐 하나가 갖는 스월 베인의 개수는 달라질 수 있으나, 9 내지 11개인 것이 바람직하고, 특히 10개인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 스월 베인의 개수가 많아질수록 연료-공기 혼합물이 분사되는 압력이 감소되고, 또한 연소기 전체 시스템의 압력 강화 손실로 인한 가스터빈 효율이 저하되고, 스월 베인의 개수가 적어질수록 연료-공기 혼합물의 혼합도가 낮아지는 단점이 생기기 때문이다.

스월 베인(110)의 개수가 9개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 스월 베인(110)들은 3개 내지 4개인 것이 바람직하고, 스월 베인(110)의 개수가 10개 또는 11개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 스월 베인들은 3개 내지 5개인 것이 바람직하다.

또한, 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들의 제1 교차각(θ1)은 30° 내지 60° 범위 내에서 정해질 수 있고, 제2 스월 베인 세트(V2')의 개별 베인들의 제2 교차각(θ2)도 30° 내지 60° 범위 내로 달라질 수 있다. 즉, 변화각(α)은 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들의 제1 교차각(θ1)이 30° 일 경우 최대 30°까지 증가가 가능하고, 반대로 제1 스월 베인 세트(V1')의 개별 베인들의 제1 교차각(θ1)이 60° 일 경우 최소 30°까지 감소가 가능하다.

도 11은 도 9의 실시예에 따른 개별 스월 베인의 쉬라우드 측과 센터바디 측의 교차각을 비교한 도면이다. 본 변형례에서, 도 9의 제1 중심선(C1) 및 제2 중심선(C2)은 쉬라우드 측 중심선이며, 제3 중심선(C3) 및 제4 중심선(C4)은 센터바디(104, 108)에 접하는 센터바디 측 중심선으로 정의된다. 즉, 제1 중심선(C1)과 제3 중심선(C3)은 대향하는 관계에 있고, 제2 중심선(C2)과 제4 중심선(C4)도 대향하는 관계에 있다. 이러한 제2 스월 베인 세트(V2')의 베인들의 제1 중심선(C1)과 제2 중심선(C2)이 갖는 제2 교차각(θ2)은 제3 중심선(C3)과 제4 중심선(C4)이 갖는 제4 교차각(θ4)과 다르게 형성될 수 있다.

구체적으로, 제2 교차각(θ2)이 제4 교차각(θ4)보다 크거나 작을 수 있고, 물론 제2 교차각(θ2)은 제4 교차각(θ4)과 동일할 수도 있다.

또한, 제1 스월 베인 세트(V1')의 제1 교차각(θ1)과 제1 교차각(θ1)에 대향하는 제3 교차각(θ3)이 이루는 각도를 제1 휨각(β1)이라 하고, 제2 스월 베인 세트(V2')의 제2 교차각(θ2)과 제2 교차각(θ2)에 대향하는 제4 교차각(θ4)이 이루는 각도를 제2 휨각(β2)이라 할 때, 제1 휨각(β1)과 제2 휨각(β2)은 다를 수 있으며, 제2 휨각(β2)은 베인들마다 다양할 수 있다.

본 실시예에서, 교차각이 큰 베인들 사이를 통과하는 화염은 짧게 형성되고, 교차각이 작은 베인들 사이를 통과하는 화염은 길게 형성될 수 있다. 따라서, 화염들 간의 간섭이 적어지므로, 연소기 내 진동을 줄일 수 있게 된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 베인의 사시도 및 트레일링 에지의 확대도이다.

도 4의 (a)에서 본 바와 같이, 예를 들어 스월 베인(110)이 10개라면, 그 중 다섯개는 제1 스월 베인 세트(V1''), 나머지 다섯개는 제2 스월 베인 세트(V2'')로 정의될 수 있다.

본 실시예에서, 제1 스월 베인 세트(V1'')의 모든 스월 베인(110)들은 동일한 제1 트레일링 에지(1381)를 가지고, 제2 스월 베인 세트(V2'')는 제1 스월 베인 세트(V1'')의 각 스월 베인(110)들의 트레일링 에지(1381)와 다른 형태의 제2 트레일링 에지(1382)를 가질 수 있다.

도 12에 따르면, 상기 제2 스월 베인 세트(V2'')의 제2 트레일링 에지(1382)는 상단부(132)가 길고 하단부(136)가 짧은 형태로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고 도 13에 도시된 것처럼 다양한 형태를 가질 수 있다.

반면, 제1 스월 베인 세트(V1'')의 제1 트레일링 에지(1381)는 기준선(z)을 따라 연장한다.

도 13을 참조하면, 트레일링 에지(138)의 8가지 실시예들이 예시적으로 도시되어 있다.

(a)의 경우, 트레일링 에지(138)는 상부 트레일링 에지(138a)와 하부 트레일링 에지(138b)를 포함하고, 상부 트레일링 에지(138a)와 하부 트레일링 에지(138b)가 만나는 지점에는 교차점(139)이 형성된다. 트레일링 에지(138)의 높이(R)는 교차점(139)을 기준으로 하부 높이(R1)와 상부 높이(R2)로 구분될 수 있고, 하단부(136')는 기준선(z)으로부터 제5 길이(l5)만큼 안쪽에 형성된다. 이러한 트레일링 에지는 대체로 사다리꼴 형태로 움푹 파인 형태를 갖는다.

(b)의 경우, 트레일링 에지(138)는 상부 트레일링 에지(138a)와 하부 트레일링 에지(138b)를 포함하고, 상부 트레일링 에지(138a)와 하부 트레일링 에지(138b)가 만나는 지점에는 교차점(139)이 형성된다. 트레일링 에지(138)의 높이(R)는 교차점(139)을 기준으로 하부 높이(R1)와 상부 높이(R2)로 구분될 수 있고, 상단부(132')는 기준선(z)으로부터 제5 길이(l5)만큼 안쪽에 형성된다. 이러한 트레일링 에지는 대체로 사다리꼴 형태로 움푹 파인 형태를 갖는다.

(c)의 경우, (a)의 실시예에서 단지 상부 트레일링 에지(138a)와 하부 트레일링 에지(138b)가 곡선으로 형성되는 점만 달라진다. 즉, 상부 트레일링 에지(138a)는 제1 곡선(x1) 또는 제2 곡선(x2)의 형태를 가질 수 있고, 하부 트레일링 에지(138b)는 제3 곡선(x3) 또는 제4 곡선(x3)의 형태를 가질 수 있다. (a)와 (b)의 관계처럼, 상하가 반전되는 것도 가능하다.

위 (a), (b), (c)의 경우, 교차점(139)이 둥글게 형성될 수 있다. 또한, 제5 길이(l5)는 제2 하프 베인(130)의 제2 길이(l2)의 0.1 내지 0.9배의 범위일 수 있고, 상부 높이(R2)는 트레일링 에지 전체 높이(R)의 0.1 내지 0.9배의 범위일 수 있다.

(d)의 경우, 트레일링 에지(138)가 반원형 트레일링 에지(138')로 형성된다. 도시된 것과 같이 돌출 형성될 수도 있지만, 반대로 오목하게 파이는 형태로 반원형 트레일링 에지(138')가 생성될 수도 있다. 하지만 반드시 반원형만으로 제한되지 않고, 다양한 형태의 곡면을 포함할 수 있다.

(e) 내지 (h)의 경우, 트레일링 에지(138)가 사다리꼴 형태로 형성된다. (f)와 (h)에 도시된 것과 같이 돌출 형성될 수도 있지만, 반대로 오목하게 파이는 형태로 사다리꼴 트레일링 에지가 생성될 수도 있다. 사다리꼴 트레일링 에지는 상부 트레일링 에지(138a), 하부 트레일링 에지(138b), 상기 상부 및 하부 트레일링 에지의 단부를 잇는 중간 트레일링 에지(138c)를 포함할 수 있고, 중간 트레일링 에지(138c)가 상부 트레일링 에지(138a)와 만나는 지점이 제1 교차점(139a), 중간 트레일링 에지(138c)가 하부 트레일링 에지(138b)와 만나는 지점이 제2 교차점(139b)이다. (e)와 (f)에서는 꼭지점을 형성한 제1 및 제2 교차점(139a, 139b)이 (g)와 (h)에서는 둥글게 변형되어 있다.

이제 도시된 예시에 따라 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 제1 스월 베인 세트(V1'')의 모든 개별 베인들의 제1 트레일링 에지(1381)는 기준선(z)을 따라 연장하지만, 제2 스월 베인 세트(V2'')의 모든 개별 베인들의 트레일링 에지(1382)는 예를 들면 도 13의 (a) 내지 (h)와 같은 형태로 형성됨으로써 적어도 일부가 기준선(z)을 벗어나서 형성된다.

위와 같은 경우에, 동일한 조건, 즉 연료 분사량, 공기 혼합량 등 다른 조건들이 대체로 동일하다면 트레일링 에지의 형태가 다르게 형성되는 베인들 사이, 즉 제2 스월 베인 세트(V2'')에서 발생하는 화염들은 트레일링 에지의 형태가 동일하게 형성되는 베인들 사이, 즉 제1 스월 베인 세트(V1'')에서 발생하는 화염들과 그 길이 등의 형태가 달라지게 된다.

종래와 같이 연소기 내 모든 스월 베인(110)의 트레일링 에지가 동일하다면, 모든 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 연료 노즐에서 발생한 화염들과의 간섭을 발생시켜 연소기 전체에서 진동이 증폭될 수 있다. 반면 본 실시예의 경우, 제1 스월 베인 세트(V1'')의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 형태는 동일하지만, 제2 스월 베인 세트(V2'')의 각 스월 베인(110)들 사이에서 발생되는 화염의 형태는 다양하며, 특히 제1 스월 베인 세트(V1'')에서 형성된 화염의 형태와 다르다. 이렇게 각 스월 베인 세트들(V1'', V2'')에서 상이한 화염이 발생하면, 연료 노즐마다 스월 베인들의 형태(트레일링 에지의 형상)를 다르게 형성함으로써 연료 노즐(105, 107)들에서 발생하는 화염의 형태가 달라지게 형성할 수 있고, 각 연료 노즐들에서 발생한 화염들이 인접한 화염들의 간섭을 덜 받게 되어 연소기 전체에서 연소 진동이 감소될 수 있다.

본 실시예의 변형례에서, 연료 노즐 하나가 갖는 스월 베인의 개수는 달라질 수 있으나, 9 내지 11개인 것이 바람직하고, 특히 10개인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 스월 베인의 개수가 많아질수록 연료-공기 혼합물이 분사되는 압력이 감소되고, 또한 연소기 전체 시스템의 압력 강화 손실로 인한 가스터빈 효율이 저하되고, 스월 베인의 개수가 적어질수록 연료-공기 혼합물의 혼합도가 낮아지는 단점이 생기기 때문이다.

스월 베인(110)의 개수가 9개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2'')의 개별 스월 베인(110)들은 3개 내지 4개인 것이 바람직하고, 스월 베인(110)의 개수가 10개 또는 11개인 경우에는 제2 스월 베인 세트(V2'')의 개별 스월 베인들은 3개 내지 5개인 것이 바람직하다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기의 연료 노즐 내 베인의 배치의 예를 나타낸 개략도이다.

주변 노즐(105)은 불균일부(141) 및 균일부(142)를 포함하는데, 불균일부(141)는 연소 노즐 내의 기하학적 형태가 원주 방향으로 일정하지 않게 형성되는 부분이고, 균일부(142)는 종래의 연소기처럼 연소 노즐 내의 기하학적 형태가 원주 방향으로 일정하게 형성되는 부분이다.

본 발명의 일 실시예에서, 주변 노즐(105)의 불균일부(141)는 도 14의 (a)에서와 같이 모두 같은 곳을 바라볼 수 있고, 바람직하게는 중심을 향할 수도 있지만, 도 14의 (b)와 같이 모두가 다른 곳을 바라볼 수도 있다. 이렇게 연소기(100) 전체의 관점에서 불균일부(141)의 위치를 다양하게 설계함으로써 다양한 설계값을 갖는 가스터빈들의 연소기 진동을 최소화할 수 있게 된다.

본 발명의 모든 실시예에서, 균일한 부분으로 언급되었던 부분들, 예를 들어 제1 스월 공간 세트(S1), 제1 스월 베인 세트(V1, V1', V1'')의 경우는 균일부(142)에 속하고, 불균일한 부분으로 언급되었던 부분들, 예를 들어 제2 스월 공간 세트(S1), 제2 스월 베인 세트(V2, V2', V2'')의 경우는 불균일부(141)에 속할 수 있다. 즉, 앞에 언급된 모든 실시예에 따른 연소 노즐(105, 107)의 구성은 연소기 전체에서 도 14와 같이 연소기 전체 구성의 일부로서 적용될 수 있다.

Claims (21)

1. 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함하고,
   상기 연소기는 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기로 구성되는 가스터빈에 있어서,
   상기 연료 노즐은,
   원통형의 센터바디; 및
   상기 센터바디의 외부면에 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고,
   상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고,
   상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며,
   상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하되,
   상기 제1 하프 베인과 제2 하프 베인은 서로 접하는 교차점에서 교차각을 형성하고,
   상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인과 제2 하프 베인의 교차각은 서로 동일하고,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인과 제2 하프 베인의 교차각은 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인과 제2 하프 베인의 교차각과 변화각(α)만큼 차이가 있고, 상기 변화각(α)은 상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인마다 다른, 가스터빈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태는 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태와 다른, 가스터빈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인들의 제2 하프 베인의 형태는 서로 다른, 가스터빈.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 스월 베인 세트의 베인 개수는 상기 제2 스월 베인 세트의 베인 개수보다 많거나 같은, 가스터빈.
   
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부로 구성되고, 상기 2 이상의 직선부가 만나는 지점은 둥글게 형성되는, 가스터빈.
   
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 하나 이상의 곡선부로 구성되도록 형성되는, 가스터빈.
   
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 제1 측면의 길이와 제2 측면의 길이가 다르게 형성되는, 가스터빈.
   
8. 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기로서, 상기 연료 노즐과 센터바디 사이에 스월 베인이 형성되는 가스터빈의 연소기에 있어서, 상기 연료 노즐은,
   원통형의 센터바디; 및
   상기 센터바디의 외부면에 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고,
   상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고,
   상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며,
   상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하며,
   상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인의 형태는 서로 동일하되,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부를 포함하도록 형성되고, 상기 2 이상의 직선부가 만나는 지점은 둥글게 형성되는, 가스터빈의 연소기.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태는 상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제2 하프 베인의 형태와 다른, 가스터빈의 연소기.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인들의 제2 하프 베인의 형태는 서로 다른, 가스터빈의 연소기.
    
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 제1 측면의 길이와 제2 측면의 길이가 다르게 형성되는, 가스터빈의 연소기.
    
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 스월 베인 세트의 베인들은 서로 인접하여 배치되는, 가스터빈의 연소기.
    
18. 연료 노즐, 연료 노즐을 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱 일측에 상기 연료 노즐과 연통하는 연소실을 형성하는 라이너, 상기 라이너 일측에 상기 연소실과 연통하도록 연소기와 터빈의 연결부로서 형성되는 트랜지션 피스 바디를 포함하는 연소기로서, 상기 연료 노즐과 센터바디 사이에 스월 베인이 형성되는 가스터빈의 연소기에 있어서,
    중심 노즐; 및
    상기 중심 노즐을 중심으로 이격되어 배치되는 복수의 주변 연료 노즐;을 포함하고,
    상기 복수의 주변 노즐은
    원통형의 센터바디; 및
    상기 센터바디의 외부면에 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 리딩 에지(leading edge)가 형성되는 제1 하프 베인 및 트레일링 에지(trailing edge)가 형성되는 제2 하프 베인을 포함하는 복수의 스월 베인들;을 포함하고,
    상기 복수의 스월 베인들은 리딩 에지, 트레일링 에지, 상기 리딩 에지와 트레일링 에지를 잇는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하고,
    상기 제1 측면은 베인의 바깥쪽인 쉬라우드 측면이고, 상기 제2 측면은 센터바디와 연결되는 센터바디 측면이며,
    상기 복수의 스월 베인들은 동일한 형태를 갖는 제1 스월 베인 세트 및 상기 제1 스월 베인 세트의 스월 베인들과 다른 형태를 갖는 제2 스월 베인 세트를 포함하며,
    상기 제1 스월 베인 세트 내 각 베인의 제1 하프 베인의 형태는 서로 동일하되,
    상기 제2 스월 베인 세트 내 적어도 일부 베인의 제 2 하프 베인은 트레일링 에지가 2 이상의 직선부를 포함하도록 형성되고, 상기 2 이상의 직선부가 만나는 지점은 둥글게 형성되는, 가스터빈의 연소기.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 주변 노즐 각각에 배치된 제2 스월 베인 세트는 상기 중심 노즐을 기준으로 서로 다른 각도로 배치되는, 가스터빈의 연소기.
    
20. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 주변 노즐 각각에 배치된 제2 스월 베인 세트는 상기 중심 노즐을 기준으로 서로 동일한 각도로 배치되는, 가스터빈의 연소기.
    
21. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 주변 노즐 중 일부 주변 노즐은 제1 스월 베인 세트만으로 구성되는, 가스터빈의 연소기.
    

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