KR102071324B1

KR102071324B1 - 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈

Info

Publication number: KR102071324B1
Application number: KR1020180019984A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 마야트레프; 석정민; 보리스 세르쉬뇨프
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US11215365B2; US20190257522A1; KR20190099916A

Abstract

본 발명은 연료를 효율적으로 미립화할 수 있는 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 외측 튜브, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브. 및 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트를 포함하고, 상기 스플래시 플레이트는 선단으로 갈수록 외측으로 확장 형성된다.

Description

연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스 터빈{NOZZLE FOR COMBUSTOR, COMBUSTOR, AND GAS TURBINE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.

연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며 노즐은 액체 연료를 분사할 수 있다 이들의 노즐은 전형적으로는 정량의 연료를 연소실 내에 분무하는 액체 미립화 노즐을 포함한다. 노즐은 간단한 구조로 이루어질 필요가 있으며, 연료를 효율적으로 미립화할 수 있어야 한다.

대한민국 등록특허 제 10-1760736호

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 연료를 효율적으로 미립화할 수 있는 노즐, 연소기 및 가스 터빈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 연소기용 노즐은, 외측 튜브, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브. 및 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트를 포함하고, 상기 스플래시 플레이트는 선단으로 갈수록 외측으로 확장 형성된다.

여기서, 상기 분사 슬롯은 상기 외측 튜브의 외주면과 상기 스플래시 플레이트의 선단 사이에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 공간에는 상기 제1 공간의 둘레 방향으로 이격 배치되되 상기 스플래시 플레이트와 상기 외측 튜브를 연결하는 복수의 스트럿이 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 공간은 상기 스트럿에 의하여 분할된 분할 영역과 상기 스플래시 플레이트의 둘레 방향으로 이어져 형성된 연결 영역을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 공간과 상기 공기 통로 사이에는 제1 베리어가 형성되고, 상기 제1 베리어에는 상기 제1 공간과 상기 공기 통로를 연결하는 복수의 제1 연결 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로 사이에는 제2 베리어가 형성되고, 상기 제2 베리어에는 상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로를 연결하는 복수의 제2 연결 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 파일럿 연료 통로의 선단에는 분사 홀이 형성되고, 상기 분사 홀의 전방에는 상기 분사 홀의 전방 공간을 감싸는 커튼 베리어가 형성되며, 상기 커튼 베리어에는 공기 통로와 연결된 복수의 에어 커튼 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 에어 커튼 홀은 상기 공기 통로와 복수의 연결 통로를 매개로 연결되며, 상기 연결 통로들에는 상기 제2 내측 튜브의 둘레 방향으로 이어진 냉각 가이드 유로가 연결 형성될 수 있다.

또한, 상기 노즐의 선단에는 상기 스플래시 플레이트에 의하여 형성된 경사부와 상기 경사부와 연결되며 평면으로 이루어진 평판부와 상기 평판부에서 함몰 형성된 홈부가 형성되고, 상기 홈부의 측면에 커튼 베리어가 형성되며, 상기 홈부의 바닥에는 상기 분사 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 파일럿 연료 통로의 내부에는 유동 가이드부재가 설치되고, 상기 유동 가이드부재는 외주면에 나선형으로 이어진 가이드 홈이 형성된 헤드부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유동 가이드부재는 상기 헤드부와 연결 형성되되 내부에 분산 유로가 형성된 가이드 관을 더 포함하고, 상기 가이드 관의 후단에는 상기 분산 유로와 연결된 입구 통로가 형성되고, 상기 가이드 관의 외주에는 상기 분산 유로와 연결된 복수의 출구 통로가 형성될 수 있다.

또한, 상기 출구 통로가 형성된 상기 가이드 관의 외주면은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 헤드부에는 상기 헤드부의 후방으로 돌출된 원뿔 형상의 가이드 돌기가 연결 형성될 수 있다.

또한, 상기 가이드 돌기의 외주면에는 상기 가이드 돌기의 중심에서 외측으로 이어지되 상기 가이드 돌기의 길이방향으로 이어진 복수의 채널이 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기는, 상기 노즐은, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브와, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브와, 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하되 상기 메인 연료 통로에서 전달된 연료를 확산시키는 스플래시 플레이트를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈은, 상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고, 상기 노즐은 상기 노즐은, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브와, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브와, 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트를 포함하고, 상기 파일럿 연료 통로의 선단에는 분사 홀이 형성되고, 상기 분사 홀의 전방에는 상기 분사 홀의 전방 공간을 감싸는 커튼 베리어가 형성되며, 상기 커튼 베리어에는 공기 통로와 연결된 복수의 에어 커튼 홀이 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 노즐, 연소기 및 가스 터빈에 의하면, 스플래시 플레이트를 이용하여 연료를 효율적으로 미립화할 수 있다.

또한, 에어 커튼 홀이 형성되어 파일럿 연료를 미립화시키면서 효율적인 냉각을 수행할 수 있다. 또한, 스트럿이 형성되어 넓게 형성된 스플래시 플레이트가 외측 튜브에 안정적으로 지지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 도면이다.
도 5는 도 3에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.

본 실시예를 따르는 가스 터빈(1000)의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따를 수 있다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성될 수 있다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어질 수 있다.

위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100), 연소기(1200) 및 터빈(1300)을 포함할 수 있다. 이하의 설명은 도 1을 참조하겠지만, 본 발명의 설명은 도 1에 예시적으로 도시된 가스 터빈(1000)과 동등한 구성을 가진 터빈 기관에 대해서도 폭넓게 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1100)는 압축기 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1200)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다. 이때, 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열 압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과한 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.

압축기(1100)는 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 것과 같은 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 이때, 다단 축류 압축기(1100)에서는, 압축기(1100)의 블레이드(1130)는 로터 디스크의 회전에 따라 회전하여 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 압축기 베인(1140)으로 이동시킨다. 공기는 다단으로 형성된 블레이드(1130)를 통과하면서 점점 더 고압으로 압축된다.

압축기 베인(1140)은 하우징(1150)의 내부에 장착되며, 복수의 압축기 베인(1140)이 단을 형성하며 장착될 수 있다. 압축기 베인(1140)은 전단의 압축기 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단의 블레이드(1130) 측으로 안내한다. 일 실시예에서 복수의 압축기 베인(1140) 중 적어도 일부는 공기의 유입량의 조절 등을 위해 정해진 범위 내에서 회전 가능하도록 장착될 수 있다.

압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결될 수 있다. 대형 가스 터빈(1000)의 경우, 터빈(1300)에서 생산되는 출력의 거의 절반 정도가 압축기(1100)를 구동시키는데 소모될 수 있다. 따라서, 압축기(1100)의 효율을 향상시키는 것은 가스 터빈(1000)의 전체 효율을 향상시키는데 직접적인 영향을 미치게 된다.

한편, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 적용되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 연소기 케이싱(1210), 버너(1220), 노즐(1400), 덕트 조립체(1280)를 포함할 수 있다.

연소기 케이싱(1210)은 복수의 버너(1220)를 감싸며 대략 원형 형상으로 이루어질 수 있다. 버너(1220)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 배치될 수 있다. 각 버너(1220)에는 수 개의 노즐(1400)이 구비되며, 이 노즐(1400)에서 분사되는 연료가 공기와 적절한 비율로 혼합되어 연소에 적합한 상태를 이루게 된다.

가스 터빈(1000)에는 가스 연료와 액체 연료, 또는 이들이 조합된 복합 연료가 사용될 수 있다. 법적 규제 대상이 되는 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소 온도를 낮추고 균일한 연소를 만들어 배출가스를 줄일 수 있다는 장점이 있어 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.

예혼합 연소의 경우에는 압축 공기가 노즐(1400)에서 미리 분사되는 연료와 혼합된 후 연소실(1240) 안으로 들어간다. 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지며, 이후 연소가 안정되면 연료와 공기를 공급하는 것으로 연소는 유지된다.

도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체(1280)의 외면을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(1400) 쪽으로 공급되며, 이 과정에서 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체(1280)가 적절히 냉각된다.

덕트 조립체(1280)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260), 유동 슬리브(1270)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1280)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)의 바깥을 유동 슬리브(1270)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1270) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)를 냉각시킨다.

라이너(1250)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 관 부재로서, 라이너(1250) 내부의 공간이 연소실(1240)을 형성하게 된다. 라이너(1250)의 길이방향 일측 단부는 버너(1220)에 결합되고 라이너(1250)의 길이방향 타측 단부는 트랜지션피스(1260)에 결합된다.

그리고, 트랜지션피스(1260)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션피스(1260)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1250)와 결합되고, 트랜지션피스(1260)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1270)는 라이너(1250)와 트랜지션피스(1260)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 도시한 사시도이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 노즐(1400)은 외측 튜브(1410), 제1 내측 튜브(1420), 제2 내측 튜브(1430), 스플래시 플레이트(1440), 유동 가이드부재(1480)를 포함한다.

외측 튜브(1410)는 대략 원형의 관으로 이루어지며, 내부 공간을 갖는다. 외측 튜브(1410)의 외측에는 외측 튜브(1410)를 감싸면서 공기의 유동을 안내하는 쉬라우드(shroud, 미도시)가 설치될 수 있다.

제1 내측 튜브(1420)는 외측 튜브(1410) 내에 삽입 배치되며, 외측 튜브(1410)와 동축 구조로 설치될 수 있다. 제1 내측 튜브(1420)는 외측 튜브(1410)와의 사이에서 공기 통로(1411)를 형성한다. 제1 내측 튜브(1420)는 원형으로 관으로 이루어지며 내부 공간을 갖는다. 제2 내측 튜브(1430)는 제1 내측 튜브(1420) 내에 삽입 배치되며 제1 내측 튜브(1420)와 동축 구조로 설치될 수 있다. 제2 내측 튜브(1430)는 제1 내측 튜브(1420)와의 사이에서 메인 연료 통로(1421)를 형성한다. 또한, 제2 내측 튜브(1430)는 원형의 관으로 이루어지며, 제2 내측 튜브(1430)의 내측에는 파일럿 연료 통로(1431)가 형성될 수 있다.

메인 연료 통로(1421)에는 물과 연료가 혼합된 에멀젼 형태의 혼합 연료가 공급되며, 파일럿 연료 통로(1431)에는 액체 연료가 공급될 수 있다. 이때 연료는 경유로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 메인 연료 통로(1421)와 파일럿 연료 통로(1431)에는 가스 연료가 공급될 수도 있다.

도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 도면이고, 도 5는 도 3에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 스플래시 플레이트(1440)는 선단으로 갈수록 외측으로 확장 형성되도록 경사진 측면을 갖는데, 스플래시 플레이트(1440)는 대략 원뿔대 형상의 판으로 이루어질 수 있다. 스플래시 플레이트(1440)는 제2 내측 튜브(1430)의 선단에 연결 형성되거나, 제2 내측 튜브(1430)의 선단에 삽입 설치될 수 있다.

스플래시 플레이트(1440)는 외측 튜브(1410)에서 이격되어 외측 튜브(1410)와의 사이에서 제1 공간(1413)과 분사 슬롯(1416)을 형성한다. 스플래시 플레이트(1440)는 제1 공간(1413)으로 유입된 연료를 확산시킨다.

제1 공간(1413)은 스플래시 플레이트(1440)의 외주면과 외측 튜브(1410)의 내주면 사이에 형성되며 스플래시 플레이트(1440)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있다. 분사 슬롯(1416)은 외측 튜브(1410)의 외주면과 스플래시 플레이트(1440)의 선단 사이에 형성되며, 스플래시 플레이트(1440)의 둘레 방향으로 이어져 형성되되 스트럿(1415)에 의하여 분할될 수 있다.

제1 공간(1413)에는 제1 공간(1413)의 둘레 방향으로 이격 배치된 복수의 스트럿(1415)이 설치되는데, 스트럿(1415)은 스플래시 플레이트(1440)와 외측 튜브(1410)를 연결하여 지지한다. 스트럿(1415)은 대략 평판 형태로 이루어질 수 있으며, 스플래시 플레이트(1440)가 외측 튜브(1410)에 안정적으로 고정될 수 있도록 지지한다.

스트럿(1415)은 제1 공간(1413)의 선단에서 내측으로 이어져 형성되되 제1 공간(1413)의 일부에만 형성되며, 이에 따라 제1 공간(1413)은 스트럿(1415)에 의하여 분할된 분할 영역(S1)과 스플래시 플레이트(1440)의 둘레 방향으로 이어져 형성된 연결 영역(S2)을 포함한다.

제1 공간(1413)과 외측 튜브(1410) 사이에는 제1 베리어(1451)이 형성되고, 제1 공간(1413)과 제1 내측 튜브(1420) 사이에는 제2 베리어(1452)이 형성된다. 여기서 제1 베리어(1451)은 외측이 전방으로 더 돌출되도록 경사지게 형성되고, 제2 베리어(1452)은 내측이 전방으로 더 돌출되도록 경사지게 형성될 수 있다. 제1 베리어(1451)과 제2 베리어(1452)은 노즐(1400)의 둘레 방향을 따라 이어져 대략 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

제1 베리어(1451)에는 복수의 제1 연결 홀(1457)이 형성되는데, 제1 연결 홀(1457)에 의하여 제1 공간(1413)과 공기 통로(1411)가 서로 연결될 수 있다. 제2 베리어(1452)에는 복수의 제2 연결 홀(1456)이 형성되며, 제2 연결 홀(1456)에 의하여 메인 연료 통로(1421)와 제1 공간(1413)이 연결될 수 있다. 이에 따라 제1 공간(1413)은 공기 통로(1411) 및 메인 연료 통로(1421)와 연결되어 공기와 연료가 제1 공간(1413)으로 유입될 수 있다. 제1 연결 홀(1457)은 노즐(1400)의 중심을 향하는 방향으로 형성되고, 제2 연결 홀(1456)은 노즐(1400)의 외측을 향하는 방향으로 형성될 수 있다.

제2 연결 홀(1456)에서 제1 공간(1413)으로 전달되는 연료는 물과 연료의 에멀젼 형태의 혼합 연료로서 스플래시 플레이트(1440)에 부딪히면서 스플래시 플레이트(1440)의 표면을 따라 이동한다. 이 때, 제1 연결 홀(1457)에서 유입된 공기가 스플래시 플레이트(1440)의 표면을 향하여 분사되므로 혼합 연료는 스플래시 플레이트(1440)의 표면에서 얇고 넓게 퍼지게 된다. 스플래시 플레이트(1440)를 따라 분사 슬롯으로 이동한 혼합 연료는 스플래시 플레이트(1440)의 선단에서 이탈하면서 미립화되어 분무될 수 있다. 또한, 공기는 스플래시 플레이트(1440)와 외측 튜브(1410)를 냉각하면서 분사 슬롯(1416)으로 혼합 연료와 함께 배출된다.

한편, 제1 노즐(1400)의 선단에는 주변보다 내경이 작은 분사 홀(1432)이 형성되며 분사 홀(1432)을 통해서 파일럿 연료 통로(1431)로 이동하는 연료가 분사될 수 있다. 제2 내측 튜브(1430)는 분사 홀(1432)로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

분사 홀(1432)의 전방에는 분사 홀(1432)의 전방 공간을 감싸는 커튼 베리어(1453)가 형성되며, 커튼 베리어(1453)에는 공기 통로와 연결된 복수의 에어 커튼 홀(1458)이 형성될 수 있다. 커튼 베리어(1453)는 원형의 고리 형상으로 이루어질 수 있다.

노즐(1400)의 선단에는 스플래시 플레이트(1440)에 의하여 형성된 경사부(1441)와 경사부(1441)의 하단에 연결 형성되며 평면으로 이루어진 평판부(1442)와 평판부(1442)에서 함몰 형성된 홈부(1443)가 형성되며, 홈부(1443)의 측면이 커튼 베리어(1453)를 이루고, 홈부(1443)의 바닥에는 분사 홀(1432)이 형성된다.

한편, 제2 연결 홀(1456)은 제2 베리어(1452)의 두께방향으로 형성되는데, 제2 베리어(1452)에는 제2 베리어(1452)의 폭방향으로 이어진 복수의 연결 통로(1461)가 형성된다. 연결 통로는 제2 연결 홀과 교차하는 방향으로 이어지되 제2 연결 홀과 연통되지는 않는다.

복수의 연결 통로(1461)는 공기 통로(1411)와 에어 커튼 홀(1458)을 연결하여 공기 통로(1411)에서 에어 커튼 홀(1458)로 공기를 전달한다. 연결 통로들(1411)에는 제2 내측 튜브(1430)의 둘레 방향으로 이어진 냉각 가이드 유로(1462)가 연결 형성되고, 냉각 가이드 유로(1462)가 에어 커튼 홀(1458)과 연결될 수 있다. 따라서 각각의 연결 통로(1461)에서 유입된 공기는 냉각 가이드 유로(1462)에서 합류된 후, 에어 커튼 홀(1458)로 이동한다.

공기는 연결 통로(1461)를 통해서 냉각 가이드 유로(1462)로 진입하여 제2 내측 튜브(1430)의 선단을 냉각하고, 에어 커튼 홀(1458)을 통해서 배출되면서 에어 커튼 홀(1458)을 냉각한다. 또한 공기는 에어 커튼 홀(1458)을 통해서 배출되면서 연료의 미립화를 도울 뿐만 아니라 메인 연료 통로(1421)의 내측과 외측의 압력 차이를 유지하고 화염 또는 연소 가스가 역류하는 것을 방지한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 파일럿 연료 통로(1431)의 내측에는 유동 가이드부재(1480)가 삽입 설치되는데, 유동 가이드부재(1480)는 헤드부(1481)와 헤드부(1481)와 연결 형성되되 내부에 분산 유로(1484)가 형성된 가이드 관(1482)을 포함한다. 헤드부(1481)는 대략 원기둥 형상으로 이루어지며 외주면에 나선형으로 이어진 가이드 홈(1483)이 형성된다. 헤드부(1481)에는 복수의 가이드 홈(1483)이 형성되며 가이드 홈(1483)은 헤드부(1481)의 후단에서 선단까지 이어져 형성된다.

헤드부(1481)의 외면은 제2 내측 튜브(1430)의 외면과 맞닿도록 설치되며 이에 따라 연료는 가이드 홈(1483)을 통해서만 이동할 수 있다. 가이드 홈(1483)은 나선형으로 이어져 연료의 유동에 스월을 형성한다. 헤드부(1481)의 전면은 평면으로 이루어지고, 헤드부(1481)의 후면은 경사면으로 이루어질 수 있다.

가이드 관(1482)의 내부에는 가이드 관(1482)의 길이방향으로 이어진 분산 유로(1484)가 형성되며 가이드 관(1482)의 후단에는 분산 유로(1484)와 연결된 입구 통로(1485)가 형성되고, 가이드 관(1482)의 외주에는 분산 유로(1484)와 연결된 복수의 출구 통로(1486)가 연결 형성된다. 입구 통로는 후방에서 전방으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

가이드 관(1482)에는 3개의 출구 통로(1486)가 형성될 수 있으며, 출구 통로(1486)는 가이드 관(1482)의 중심에서 외측을 향하여 경사지게 형성될 수 있다. 출구 통로(1486)가 형성된 가이드 관(1482)의 외주면은 경사지게 형성되면 전방으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 가이드 관(1482)은 연료의 유동을 3개로 분할하고, 분할된 연료는 헤드부(1481)에 형성된 가이드 홈(1483)을 따라 이동하면서 스월을 형성한 후, 분사 홀(1432)을 통해서 배출된다.

상기한 바와 같이 제1 실시예에 따르면 스플래시 플레이트(1440)가 제1 공간(1413)과 분사 슬롯(1416)을 형성하고, 제1 공간(1413)이 제1 연결 홀(1457)과 제2 연결 홀(1456)에 의하여 공기 통로(1411)와 메인 연료 통로(1421)와 연결되므로 메인 연료 통로(1421)를 통해서 이동하는 혼합 연료를 보다 용이하게 미립화할 수 있을 뿐만 아니라 스플래시 플레이트(1440)를 효율적을 냉각할 수 있다. 또한, 상대적으로 넓은 면적을 갖는 스플래시 플레이트(1440)가 스트럿(1415)에 의하여 외측 튜브(1410)에 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 커튼 베리어(1453)에 에어 커튼 홀(1458)이 형성되어 노즐(1400)의 선단을 효율적으로 냉각하면서 파일럿 연료를 효율적으로 분사할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 노즐(2400)은 유동 가이드부재(2450)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

파일럿 연료 통로(1431)의 내측에는 유동 가이드부재(2450)가 삽입 설치되는데, 유동 가이드부재(2450)는 헤드부(2451)와 헤드부(2451)와 연결 형성된 가이드 돌기(2452)를 포함한다. 헤드부(2451)는 대략 원기둥 형상으로 이루어지며 외주면에 나선형으로 이어진 가이드 홈(2453)이 형성된다. 헤드부(2451)에는 복수의 가이드 홈(2453)이 형성되며 가이드 홈(2453)은 헤드부(2451)의 후단에서 선단까지 이어져 형성된다. 가이드 홈(2453)은 나선형으로 이어져 연료의 유동에 스월을 형성한다. 헤드부(2451)의 전면과 후면은 평면으로 이루어질 수 있다. 가이드 돌기(2452)는 헤드부(2451)의 후면에서 후방으로 돌출 형성되며 헤드부(2451)의 외경보다 더 작은 외경을 갖는 원기둥으로 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐에 대해서 설명한다. 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐을 도시한 단면도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동 가이드부재를 도시한 사시도이다.

도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 노즐(3400)은 유동 가이드부재(3450)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 노즐과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

파일럿 연료 통로(1431)의 내측에는 유동 가이드부재(3450)가 삽입 설치되는데, 유동 가이드부재(3450)는 헤드부(3451)와 헤드부(3451)와 연결 형성된 가이드 돌기(3452)를 포함한다. 헤드부(3451)는 대략 원기둥 형상으로 이루어지며 외주면에 직선으로 이어진 가이드 홈(3453)이 형성된다. 헤드부(3451)에는 복수의 가이드 홈(3453)이 형성되며 가이드 홈(3453)은 헤드부(3451)의 후단에서 선단까지 이어져 형성된다. 가이드 홈(3453)은 나선형으로 이어져 연료의 유동에 스월을 형성한다. 헤드부(3451)의 전면과 후면은 평면으로 이루어질 수 있다. 가이드 돌기(3452)는 헤드부(3451)의 후면에서 후방으로 돌출 형성되며 대략 원뿔 형상으로 이루어질 수 있다. 가이드 돌기(3452)의 외주면에는 가이드 돌기(3452)의 중심에서 외측으로 이어지되 가이드 돌기(3452)의 길이방향으로 이어진 복수의 채널(3454)가 형성될 수 있으며, 채널(3454)는 가이드 홈과 연결될 수 있다. 이에 따라 파일럿 연료 통로(1431)를 따라 이동하는 연료를 보다 용이하게 안내할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1000: 가스 터빈
1100: 압축기
1130: 압축기 블레이드
1140: 베인
1150: 하우징
1200: 연소기
1210: 연소기 케이싱
1220: 버너
1240: 연소실
1400: 노즐
1410: 외측 튜브
1411: 공기 통로
1420: 제1 내측 튜브
1421: 메인 연료 통로
1430: 제2 내측 튜브
1432: 분사 홀
1453: 커튼 베리어
1458: 에어 커튼 홀
1431: 파일럿 연료 통로
1440: 스플래시 플레이트
1413: 제1 공간
1415: 스트럿
1416: 분사 슬롯
1451: 제1 베리어
1452: 제2 베리어
1457: 제1 연결 홀
1456: 제2 연결 홀
1461: 연결 통로
1462: 냉각 가이드 유로
1480, 2450, 3450: 유동 가이드부재
1481, 2451, 3451: 헤드부
1482: 가이드 관
1483, 2453: 가이드 홈
1484: 분산 유로
1485: 입구 통로
1486: 출구 통로
2452, 3452: 가이드 돌기
3454: 채널

Claims

연소기용 노즐에 있어서,
외측 튜브;
상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브;
상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브; 및
상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트;를 포함하고,
상기 스플래시 플레이트는 선단으로 갈수록 외측으로 확장되며,
상기 제1 공간은 상기 분사 슬롯과 연결되며 분할된 분할 영역(S1)과 상기 연료 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 연결 영역(S2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 분사 슬롯은 상기 외측 튜브의 외주면과 상기 스플래시 플레이트의 선단 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
연소기용 노즐에 있어서,
외측 튜브;
상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브;
상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브; 및
상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트;를 포함하고,
상기 스플래시 플레이트는 선단으로 갈수록 외측으로 확장되며,
상기 제1 공간에는 상기 제1 공간의 둘레 방향으로 이격 배치되되 상기 스플래시 플레이트와 상기 외측 튜브를 연결하는 복수의 스트럿이 설치된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제3 항에 있어서,
상기 제1 공간은 상기 스트럿에 의하여 분할된 분할 영역과 상기 스플래시 플레이트의 둘레 방향으로 이어져 형성된 연결 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
연소기용 노즐에 있어서,
외측 튜브;
상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브;
상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브; 및
상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트;를 포함하고,
상기 스플래시 플레이트는 선단으로 갈수록 외측으로 확장되며,
상기 제1 공간과 상기 공기 통로 사이에는 제1 베리어가 형성되고, 상기 제1 베리어에는 상기 제1 공간과 상기 공기 통로를 연결하는 복수의 제1 연결 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제5 항에 있어서,
상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로 사이에는 제2 베리어가 형성되고, 상기 제2 베리어에는 상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로를 연결하는 복수의 제2 연결 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 파일럿 연료 통로의 선단에는 분사 홀이 형성되고, 상기 분사 홀의 전방에는 상기 분사 홀의 전방 공간을 감싸는 커튼 베리어가 형성되며, 상기 커튼 베리어에는 공기 통로와 연결된 복수의 에어 커튼 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제7 항에 있어서,
상기 에어 커튼 홀은 상기 공기 통로와 복수의 연결 통로를 매개로 연결되며, 상기 연결 통로들에는 상기 제2 내측 튜브의 둘레 방향으로 이어진 냉각 가이드 유로가 연결 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제7 항에 있어서,
상기 노즐의 선단에는 상기 스플래시 플레이트에 의하여 형성된 경사부와 상기 경사부와 연결되며 평면으로 이루어진 평판부와 상기 평판부에서 함몰 형성된 홈부가 형성되고, 상기 홈부의 측면에 커튼 베리어가 형성되며, 상기 홈부의 바닥에는 상기 분사 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제1 항에 있어서,
상기 파일럿 연료 통로의 내부에는 유동 가이드부재가 설치되고, 상기 유동 가이드부재는 외주면에 나선형으로 이어진 가이드 홈이 형성된 헤드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제10 항에 있어서,
상기 유동 가이드부재는 상기 헤드부와 연결 형성되되 내부에 분산 유로가 형성된 가이드 관을 더 포함하고, 상기 가이드 관의 후단에는 상기 분산 유로와 연결된 입구 통로가 형성되고, 상기 가이드 관의 외주에는 상기 분산 유로와 연결된 복수의 출구 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제11 항에 있어서,
상기 출구 통로가 형성된 상기 가이드 관의 외주면은 선단으로 갈수록 외경이 점진적으로 감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제10 항에 있어서,
상기 헤드부에는 상기 헤드부의 후방으로 돌출된 원뿔 형상의 가이드 돌기가 연결 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
제13 항에 있어서,
상기 가이드 돌기의 외주면에는 상기 가이드 돌기의 중심에서 외측으로 이어지되 상기 가이드 돌기의 길이방향으로 이어진 복수의 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 연소기용 노즐.
연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 연소기에 있어서,
상기 노즐은, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브와, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브와, 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하되 상기 메인 연료 통로에서 전달된 연료를 확산시키는 스플래시 플레이트를 포함하며,
상기 제1 공간은 상기 분사 슬롯과 연결되며 분할된 분할 영역(S1)과 상기 연료 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 연결 영역(S2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
외부에서 유입된 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 연소된 연소 가스에 의해 회전하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈을 포함하는 가스 터빈으로서,
상기 연소기는, 연료와 공기를 분사하는 복수의 노즐을 갖는 버너와 상기 버너의 일측에 결합되며 상기 연료와 상기 공기가 내부에서 연소되며 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하고,
상기 노즐은, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브의 내부에 설치되어 상기 외측 튜브와의 사이에서 공기 통로를 형성하는 제1 내측 튜브와, 상기 제1 내측 튜브의 내부에 설치되어 상기 제1 내측 튜브와의 사이에서 메인 연료 통로를 형성하고 내측에 파일럿 연료 통로를 형성하는 제2 내측 튜브와, 상기 외측 튜브와의 사이에서 상기 메인 연로 통로 및 상기 공기 통로와 연결된 제1 공간과 상기 제1 공간과 연결된 분사 슬롯을 형성하는 스플래시 플레이트를 포함하고,
상기 파일럿 연료 통로의 선단에는 분사 홀이 형성되고, 상기 분사 홀의 전방에는 상기 분사 홀의 전방 공간을 감싸는 커튼 베리어가 형성되며, 상기 커튼 베리어에는 공기 통로와 연결된 복수의 에어 커튼 홀이 형성되며,
상기 에어 커튼 홀은 복수의 연결 통로를 매개로 상기 공기 통로와 연결되며,
상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로 사이에는 제2 베리어가 형성되고,
상기 제2 베리어에는 상기 제1 공간과 상기 메인 연료 통로를 연결하는 복수의 제2 연결 홀과 상기 연결 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 터빈.