KR102066942B1

KR102066942B1 - 가스터빈 연소기

Info

Publication number: KR102066942B1
Application number: KR1020140132495A
Authority: KR
Inventors: 박형호
Original assignee: 한화에어로스페이스 주식회사
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2020-01-16
Also published as: KR20160039434A

Abstract

본 발명의 실시예들에 따르면, 연료가 연소하는 연소실과 외측면에 형성되는 관통공을 구비하는 본체와, 관통공을 덮도록 외측면을 향해 돌출하도록 형성되는 돌출부를 구비하여 본체의 외측에 설치되고, 돌출부는 관통공을 덮는 위치와 관통공을 개방하는 위치 사이에서 본체에 대해 이동 가능한 것을 특징으로 하는 이동부와, 이동부에 연결되어 이동부가 본체의 외측면을 따라 이동하도록 이동부의 운동을 조절하는 구동부를 구비하는 가스터빈 연소기를 제공한다.

Description

가스터빈 연소기{Gas turbine combustor}

실시예들은 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기를 이용해서 공기를 압축시킨 후 연소기에서 연료를 분산하여 연소시키고, 고온 고압의 연소가스가 터빈에서 팽창하면서 동력을 생산한다.

최근 들어, 국제적으로 가스터빈 연소기의 배기가스 배출 규제 강화로 질소산화물(NOx) 또는 일산화탄소(CO) 등의 배출을 최소화시킬 수 있는 저공해 연소기의 개발이 요구되고 있다.

가스터빈 연소기의 배기가스는 가스터빈 연소기의 주 연소 영역 (Primary combustion zone), 또는 예 혼합 영역(Preliminary zone)의 연소 화염 온도(Combustion flame temperature)와 밀접한 관련이 있다. 주 연소 영역의 연소 화염 온도를 높여서 설계하면 불완전 연소가 줄어들어 일산화탄소의 배출이 감소하나, 질소산화물의 배출은 더 증가한다. 반대로, 연소 화염 온도를 낮추면 불완전 연소로 인한 일산화탄소의 배출이 증가하나, 질소산화물의 배출은 감소한다.

이러한 주 연소 영역에서의 연소 화염 온도는 가스터빈 연소기의 운전조건에 따라 정해진다. 일반적으로 연소 화염 온도는 일산화탄소와 질소산화물의 배출을 모두 고려하여 최적화(trade-off)되도록 정해지며, 이러한 최적화는 주로 연소기 내부로 유입되는 연료와 공기의 혼합비율을 조절함으로써 이루어진다.

연소기 내의 연소 화염 온도를 최적화하기 위한 기술 개발은 꾸준히 이루어져 왔는데, 예를 들어, 일본 공개특허공보 2002-317650호에는 연소기의 측면에 바이패스통로를 구비하여 연소기 내로 압축 공기를 균등하게 공급하는 가스터빈 연소기에 관한 기술이 개시되어 있다.

실시예들의 목적은 연소실 내로 유입되는 압축 공기의 유량을 제어할 수 있는 가스터빈 연소기를 제공하는데 있다.

일 실시예에 관한 가스터빈 연소기는 연료가 연소하는 연소실과 외측면에 형성되는 관통공을 구비하는 본체와, 관통공을 덮도록 외측면을 향해 돌출하는 돌출부를 구비하여 본체의 외측에 설치되고, 돌출부는 관통공을 덮는 위치와 관통공을 개방하는 위치 사이에서 본체에 대해 이동 가능한 이동부와, 이동부에 연결되어 이동부가 본체의 외측면을 따라 이동하도록 이동부의 운동을 조절하는 구동부를 구비한다.

또한, 돌출부는 관통공을 덮음으로써 관통공으로 유입되는 공기를 차단하는 슬라이더와, 슬라이더에 연결되어 관통공을 향하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 구비할 수 있다.

또한, 본체는 외측면에서 관통공에 인접하도록 형성되어 슬라이더의 이동을 제한하는 단차부와, 관통공을 기준으로 단차부의 반대편에서 슬라이더를 관통공으로 인도하는 경사부를 더 구비할 수 있다.

또한, 돌출부는 홈을 더 구비하고, 슬라이더와 탄성체는 홈에 수용될 수 있다.

또한, 이동부는 본체의 외측을 따라 회전 운동하도록 배치될 수 있다.

또한, 이동부는 본체의 연장 방향을 따라 이동하도록 배치될 수 있다.

상술한 바와 같은 실시예들에 따르면, 연소실 내로 유입되는 압축 공기의 유량을 제어할 수 있는 가스터빈 연소기를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일 실시예에 관한 가스터빈 연소기의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 가스터빈 연소기의 일부를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 이동부의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 A 부분을 확대하여 도 3의 이동부가 관통공을 개방하는 위치에서 관통공을 덮는 위치로 이동하는 것을 나타낸 작동 상태도이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 관한 가스터빈 연소기의 이동부가 관통공을 개방하는 위치에서 관통공을 덮는 위치로 이동하는 것을 나타낸 작동 상태도이다.
도 6은 도 5a 및 도5b의 가스터빈 연소기의 일부를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 구동부의 변형예를 나타낸 분해 사시도이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 축 정렬 장치의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 ‘및/또는’의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.

도 1은 일 실시예에 관한 가스터빈 연소기의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 가스터빈 연소기의 일부를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 이동부의 단면을 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 나타난 일 실시예에 관한 가스터빈 연소기(10)는, 내부에서 압축 공기와 연료가 혼합되어 연소가 일어나는 본체(100, 100a)와, 본체(100, 100a)에 대해 이동 가능하도록 배치되는 이동부(200, 200a)와, 이동부(200, 200a)에 연결되어 이동부(200, 200a)에 구동력을 제공하는 구동부(300a)와, 본체(100, 100a)에 연료 및 압축 공기를 공급하는 연료공급기(400)를 구비한다.

도 2를 참조하면, 본체(100a)는 연료가 연소하는 연소실(110)과 외측면에 형성되는 관통공(120a)을 구비할 수 있다.

연소실(110)은 크게 주 연소 영역(primary zone)과 주 연소 영역(PZ)보다 하류 측에 배치되는 희석 영역(dilution zone)으로 나눌 수 있다. 예컨데, 도 1에 나타난 참조부호 PZ는 주 연소 영역을 나타내며, 참조부호 DZ는 희석 영역을 나타낸다.

주 연소 영역(PZ)에서는 연료공급기(400)를 통해 연소실(110) 내로 공급되는 연료와 압축기(미도시)에서 압축되어 연소실(110)로 인도되는 압축 공기가 혼합되고, 이러한 연료와 압축 공기의 혼합 가스에 점화플러그(미도시)를 이용하여 스파크를 방전시킴으로써 혼합 가스의 연소가 시작된다. 연소된 혼합 가스는 고온 고압의 연소가스로, 본체(100a)의 하류 측에 위치하는 희석 영역(DZ)을 거쳐 터빈(미도시)으로 공급된다.

최근에는 국제적으로 가스터빈 연소기(10)의 배기가스 배출 규제 강화로 질소산화물 및/또는 일산화탄소 등의 배출을 최소화시킬 수 있는 저공해 가스터빈 연소기(10)의 개발이 요구되고 있다.

질소산화물의 배출과 일산화탄소의 배출은 주 연소 영역(PZ)에서의 연소 화염 온도와 밀접한 관련이 있다. 즉, 주 연소 영역(PZ)에서의 연소 화염 온도가 높을 경우에는, 일산화탄소의 배출은 감소하나 질소산화물의 배출은 증가하게 된다. 반대로, 주 연소 영역(PZ)에서의 연소 화염 온도가 낮을 경우에는 질소산화물의 배출은 감소하나, 불완전 연소로 인해 일산화탄소의 배출은 증가하게 된다.

일반적으로, 압축기에서 가스터빈 연소기(10)로 유입되는 압축 공기 중 60% 정도는 연료공급기(400)를 통해 연소실(110)의 주 연소 영역(PZ)으로 유입되며, 나머지 40% 가량은 희석 영역(DZ)으로 유입된다. 이때, 희석 영역(DZ) 측으로 유입되는 압축 공기의 40%는 연소 화염 온도가 적정 온도 이상으로 높아지는 것을 방지하기 위한 역할을 하며, 또한 터빈에서 가스터빈 연소기(10) 방향으로 연소된 고압의 연소 가스가 역류하는 것을 방지하는 역할을 할 수도 있다.

연소 화염 온도는 가스터빈(미도시)의 운전 조건의 변화 및/또는 연소실(110) 내로 유입되는 연료와 압축 공기량의 비율에 따라 달라진다. 여기에서 운전 조건의 변화라 함은 일반적으로 가스터빈의 부하 변동을 일컫는다.

따라서, 질소산화물과 일산화탄소 배출량을 적절한 수준에서 최적화하기 위해서는, 가스터빈의 부하 변동에도 불구하고 연소 화염 온도가 적정 수준에서 유지되도록 연료와 압축 공기량의 비율을 조절할 필요가 있다.

희석 영역(DZ)으로 압축 공기를 유입시키는 역할을 수행하는 관통공(120a)은 본체(100)의 외측면에 형성된다. 상술한 바와 같이, 관통공(120a)은 본체(100a)를 관통하도록 연소실(110)의 희석 영역(DZ) 측에 배치되어 연료공급기(400)를 통해 연소실(110)로 유입되는 일부 압축 공기를 제외한 나머지 40% 가량의 압축 공기를 연소실(110) 내부로 유입시킨다. 후술하겠으나, 관통공(120a)은 돌출부(210b)(도 5a 및 5b 참조)의 형상에 따라 원(circle)과 사각형 형상 중 하나로 형성될 수 있다.

다음으로, 이동부(200a)는 관통공(120a)을 덮도록 본체(100a)의 외측면을 향해 돌출하도록 형성되는 돌출부(210a)를 구비하여 본체(100a)의 외측에 설치되고, 돌출부(210a)는 관통공(120a)을 덮는 위치와 관통공(120a)을 개방하는 위치 사이에서 본체(100a)에 대해 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

이동부(200a)는 관통공(120a)을 개폐하여 연소실(110) 내부로 유입되는 압축 공기의 유량을 조절하는 역할을 할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소기(10)는 이동부(200a)를 구비함으로써 가스터빈 연소기(10)의 운전 조건이 변경되는 경우에도 연소 화염 온도를 적정한 온도 범위 내에서 유지할 수 있다. 한편, 구체적인 이동부(200a)의 본체(100a)에 대한 이동에 대해서는 후술하기로 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 구동부(300a)는 이동부(200a)에 연결되어 이동부(200a)로 하여금 본체(100a)의 외측면을 따라 이동하도록 이동부(200a)에 구동력을 제공한다. 도 3에 나타난 구동부(300a)는 이동부(200a)가 본체(100a)의 외측면에 대해 회전 이동 가능하도록 구동력을 제공하는 모습을 나타내나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되는 것이 아니며, 후술하겠으나, 다른 변형예의 구동부(300b)(도 7 참조)는 이동부(200b)가 본체(100a)가 연장 형성되는 방향, 즉 도 7의 z축 방향으로 이동 가능하도록 배치되어 이동부(200a)에 구동력을 제공할 수도 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 3의 A 부분을 확대하여 도 3의 이동부가 관통공을 개방하는 위치에서 관통공을 덮는 위치로 이동하는 것을 나타낸 작동 상태도이고, 도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 관한 가스터빈 연소기의 이동부가 관통공을 개방하는 위치에서 관통공을 덮는 위치로 이동하는 것을 나타낸 작동 상태도이며, 도 6은 도 5a 및 도5b의 가스터빈 연소기의 일부를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이동부(200a)는 돌출부(210a)를 구비하여 돌출부(210a)의 높이만큼 본체(100a)와 이격되어 배치된다. 돌출부(210a)는 본체(100a)의 외주면에 접촉하도록 배치되어, 관통공(120a)을 덮는 위치와 관통공(120a)을 개방하는 위치 사이에서 본체(100a)의 외주면을 따라 회전할 수 있다. 도 4a는 돌출부(210a)가 본체(100a)의 외주면에 접촉하여 관통공(120a)을 개방하고 있는 모습을 나타내며, 도 4b는 돌출부(210a)가 본체(100a)의 외주면에 접촉하여 관통공(120a)을 덮는 모습을 나타낸다.

또한, 도 4b는 돌출부(210a)가 관통공(120a)을 완전히 덮는 모습을 나타내나, 돌출부(210a)는 본체(100a)의 외주면을 따라 회전 운동이 가능하므로 관통공(120a)의 일부를 덮을 수도 있다. 이렇게 돌출부(210a)가 관통공(120a)의 일부나 관통공(120a)의 전체 면적을 모두 덮음으로써, 관통공(120a)을 통해 연소실(110)의 희석 영역(DZ)으로 유입되는 압축 공기의 유량을 조절할 수 있게 된다.

한편, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이동부(200b)는 다른 변형예로서 슬라이더(211)와, 탄성체(212) 및 홈(213)을 구비하는 돌출부(210b)를 구비할 수 있으며, 이때 본체(100b)는 외측면에서 관통공(120b)에 인접하도록 형성되어 슬라이더(211)의 이동을 제한하는 단차부(130a)와, 관통공(120b)을 기준으로 단차부(130a)의 반대편에서 슬라이더(211)를 관통공(120b)으로 인도하는 경사부(140a)를 더 구비할 수 있다.

슬라이더(211)는 원통(cylinder)과 구(sphere) 중 하나의 형상으로 본체(100b)의 외주면에 접촉하도록 형성되며, 탄성체(212)에 의해 이동부(200b)와 연결된다. 만약 슬라이더(211)가 원통 형상일 경우에는 슬라이더(211)가 끼워지는 관통공(120b)은 사각형 형상으로 형성되며, 슬라이더(211)가 구 형상일 경우에는 관통공(120b)은 원 형상으로 형성된다.

한편, 탄성체(212)는 슬라이더(211)에 연결되어 관통공(120b)을 향하는 방향으로 슬라이더(211)에 탄성력을 제공하는 역할을 수행한다.

도 5a는 돌출부(210b)가 관통공(120b)을 개방하고 있는 모습을 나타낸다. 이때, 탄성체(212)는 수축되어 있는 상태이며, 슬라이더(211)가 본체(100b)에 접촉하도록 슬라이더(211)에 탄성력을 제공하고 있는 모습을 나타낸다.

도 5a에 나타난 돌출부(210b)가 구동부(300a)의 구동에 의해 도 5b에 나타난 바와 같이 관통공(120b)을 덮는 위치까지 이동하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 구동부(300a)의 구동에 의해 돌출부(210b)는 반시계 방향으로 이동하게 된다. 이때 슬라이더(211)는 탄성체(212)의 인장(stretch)에 의해 본체(100b)에 접촉한 채로 경사부(140a)에 진입한다. 돌출부(210b)가 계속적으로 반시계 방향으로 이동하면, 슬라이더(211)는 경사부(140a)를 따라 관통공(120b) 쪽으로 이동하여 도 5b에 나타난 바와 같이 관통공(120b)을 덮게 된다. 이때, 단차부(130a)는 슬라이더(211)가 관통공(120b)에 끼워진 위치에서 더 반시계 방향으로 이동하지 않도록 슬라이더(211)의 이동을 방지하는 역할을 한다.

한편, 슬라이더(211)는 도 5a와 도 5b에 나타난 바와 같이 반시계 방향으로 이동하여 관통공(120b)을 덮을 수도 있으나, 이에 한정되지 않으며, 도 5a와 도 5b에 나타난 단차부(130a)와 경사부(140a)가 관통공(120b)을 중심으로 대칭하도록 위치하여 슬라이더(211)가 시계 방향으로 이동하여 관통공(120b)을 덮도록 배치될 수도 있음은 물론이다.

또한, 돌출부(210b)는 슬라이더(211)와 탄성체(212)를 수용하는 홈(213)을 더 구비할 수도 있다. 홈(213)은 슬라이더(211)와 탄성체(212)가 관통공(120b)을 개방하는 위치와 덮는 위치를 오갈 때 탄성체(212)의 변형으로 인해 슬라이더(211)가 관통공(120b)을 개폐하지 못하고 이탈되는 것을 방지한다.

도 7은 도 6의 구동부의 변형예를 나타낸 분해 사시도이다.

도 7을 참조하면, 구동부(300b)는 이동부(200b)가 본체(100c)의 연장 방향, 즉 z축 방향으로 이동할 수 있도록 이동부(200b)에 연결된다. 이에 따라, 관통공(120c)과 단차부(130b) 및 경사부(140b) 또한 이동부(200b)가 z축 방향으로 이동 가능하도록 z축 방향으로 형성될 수 있다.

상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 가스터빈 연소기 210a, 210b: 돌출부
100, 100a, 100b: 본체 211: 슬라이더
110: 연소실 212: 탄성체
120a, 120b, 120c: 관통공 213: 홈
130a, 130b: 단차부 300a, 300b: 구동부
140a, 140b: 경사부 400: 연료공급기
200, 200a, 200b: 이동부

Claims

연료가 연소하는 연소실과 외측면에 형성되는 관통공을 구비하는 본체;
상기 관통공을 덮도록 상기 외측면을 향해 돌출하도록 형성되는 돌출부를 구비하여 상기 본체의 외측에 설치되고, 상기 돌출부는 상기 관통공을 덮는 위치와 상기 관통공을 개방하는 위치 사이에서 상기 본체에 대해 이동 가능한 이동부; 및
상기 이동부에 연결되어 상기 이동부가 상기 본체의 상기 외측면을 따라 이동하도록 상기 이동부의 운동을 조절하는 구동부를 포함하며,
상기 돌출부는, 상기 관통공을 덮음으로써 상기 관통공으로 유입되는 공기를 차단하는 슬라이더를 포함하는, 가스터빈 연소기.
제 1항에 있어서,
상기 돌출부는, 상기 슬라이더에 연결되어 상기 관통공을 향하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함하는, 가스터빈 연소기.
제 2항에 있어서,
상기 본체는 상기 외측면에서 상기 관통공에 인접하도록 형성되어 상기 슬라이더의 이동을 제한하는 단차부와, 상기 관통공을 기준으로 상기 단차부의 반대편에서 상기 슬라이더를 상기 관통공으로 인도하는 경사부를 더 구비하는, 가스터빈 연소기.
제 3항에 있어서,
상기 돌출부는 홈을 더 구비하고,
상기 슬라이더와 상기 탄성체는 상기 홈에 수용되는, 가스터빈 연소기.
제 1항에 있어서,
상기 이동부는 상기 본체의 상기 외측을 따라 회전 운동하도록 배치되는, 가스터빈 연소기.
제 1항에 있어서,
상기 이동부는 상기 본체의 연장 방향을 따라 이동하도록 배치되는, 가스터빈 연소기.