KR102089774B1

KR102089774B1 - 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR102089774B1
Application number: KR1020190160856A
Authority: KR
Inventors: 엄종호; 김근철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-03-17
Also published as: KR20190140426A

Abstract

본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로서, 연소기 내부에서 압촉공기의 흐름방향상에 배치되는 공기유동 가이드 조립체에 대한 다양한 형상 설계를 통해 연소기 내 복수의 연료 노즐 내의 공기 유동 분포를 고르게 할 수 있다.

Description

연소기 및 이를 포함하는 가스터빈{COMBUSTOR AND GAS TURBINE HAVING THE SAME}

본 발명은 가스터빈 연소기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연소기 내 복수의 연료 노즐에 공기 유동 분포를 고르게 하기 위한 공기 유동 분리기를 포함하는 연소기에 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 연료 및 공기혼합기를 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, 연소기내로 유입되는 공기는 연소기 하단부에서 상단부로 흐르면서U자 형태로 흐른다. 이러한 과정에서, 연소기 상단부에 체결된 연료 노즐 중 중앙에 위치된 연료 노즐에 공기가 집중적으로 흐르게 되고, 반면에 연소 체임버 내벽을 따라 배치된 주변 연료 노즐들에는 상대적으로 공기가 덜 흐르게 된다. 이에 따라, 공기가U자 형태로 꺾이는 위치 부근에 포켓 형태로 공기가 비는 구역이 형성되는 등, 연소 공기 공급에 지장이 생기게 된다. 따라서, 복수의 연료 노즐에 유입되는 공기 유동 분포를 고르게 만들기 위한 대책이 요구되어 왔다.

미국 특허US7523614호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연소기 내 복수의 연료 노즐에 공기 유동 분포를 고르게 하기 위한 공기 유동 분리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연소기에 관한 것으로, 일측에 엔드커버가 배치되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 배치되는 노즐튜브;와, 상기 노즐튜브의 중앙부에 형성된 중심노즐;과, 상기 노즐튜브의 외측 둘레를 따라 형성된 복수의 주변노즐; 및 상기 엔드커버에 마련된 연료노즐 베이스에 연결되고 상기 중심노즐과 상기 주변노즐에 배치되는 복수의 센터바디;를 포함하는 연료노즐 조립체; 상기 케이싱의 내측과 상기 노즐튜브의 외측 사이에 형성되는 압축공기 유로; 및 상기 압축공기 유로에서 상기 엔드커버를 우회하여 상기 중심노즐과 상기 주변노즐로 유동하는 압축공기의 흐름을 가이드하도록, 상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에 배치되는 공기유동 가이드 조립체;를 포함하되, 상기 공기유동 가이드 조립체는, 상기 연료노즐 베이스에 연결되는 장착부; 상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에서 상기 복수의 센터바디가 형성하는 외주면을 감싸며 배치되는 공기유동분리기; 및 상기 공기유동분리기를 지지하도록, 상기 장착부와 상기 공기유동분리기를 연결하는 지지대;를 포함하되, 상기 공기유동분리기는, 상기 공기유동분리기의 외측보다 내측으로 흐르는 압축공기의 유동량이 상대적으로 크도록, 상기 압축공기 유로의 내측벽보다 큰 크기를 갖으며, 상기 복수의 주변노즐에 대응되는 개수로 형성된 제1 볼록 단부; 및 상기 복수개의 주변노즐에 외접하는 원보다 작은 크기를 갖으며, 상기 복수의 주변노즐에 대응되는 개수로 형성된 제2 볼록 단부; 를 포함하되, 상기 제1 볼록 단부는 상기 엔드커버 측에 인접하고 상기 제2 볼록 단부는 상기 센터 바디 측에 인접하게 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동 가이드 조립체는, 상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에서 조립이 용이하도록, 복수개의 가이드유닛으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 가이드유닛은 동일 형상이거나 또는 상기 복수의 가이드유닛 중 적어도 어느 하나는 다른 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 압축공기 유로의 내측벽보다 큰 크기를 갖는 제1 원형 단부; 및 상기 복수의 주변노즐에 외접하는 원보다 작은 크기를 갖는 제2 원형 단부;를 포함하되, 상기 제1 원형 단부는 상기 엔드커버 측에 인접하고 상기 제2 원형 단부는 상기 센터 바디 측에 인접하게 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는 상기 센터바디의 길이방향을 기준으로, 상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로 갈수록 크기가 축소되게 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 일정비율로 직경이 축소되는 직선 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 외측 방향으로 돌출된 볼록 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 내측 방향으로 함몰된 오목 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 센터바디의 길이방향을 기준으로 상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로 갈수록 크기가 축소되게 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 일정비율로 직경이 축소되는 직선 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 외측 방향으로 돌출된 볼록 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 내측 방향으로 함몰된 오목 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 공기유동분리기는, 상기 제1 볼록 단부와 상기 제2 볼록 단부를 방사방향으로 연결하며 형성되는 이음부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명인 가스터빈은 공기를 압축하는 압축기 섹션; 상기 압축기 섹션과 연결되고 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 상술한 연소기; 상기 연소기와 연결되고 연소가스로 동력을 발생시키는 터빈 섹션; 및 상기 압축기 섹션과 터빈 섹션을 연결하는 토크튜브;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소기 내 복수의 연료 노즐 내의 공기 유동 분포를 고르게 만들 수 있다.

도 1은 가스터빈의 길이방향 단면도.
도 2는 연소기의 길이방향 단면 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 유동 분리기가 장착된 연소기에 대한 부분 단면도.
도 4는 도 3에 게시된 측면 오목형 공기 유동 분리기에 대한 측면도 및 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 유동 분리기가 장착된 연소기에 대한 부분 단면도.
도 6은 도 5의 공기 유동 분리기에 대한 측면도.
도 7a는 도 4에 게시된 공기 유동 분리기를 형성하는 가이드유닛에 대한 사시도.
도 7b는 측면 직선형 공기 유동 분리기에 대한 측면도 및 사시도.
도 7c는 측면 볼록형 공기 유동 분리기에 대한 측면도 및 사시도.
도 8a는 공기 유동 분리기의 제1 형상(전면 진원형)에 대한 전면도.
도 8b는 도 8a에 게시된 공기 유동 분리기에 대한 O-O 단면도.
도 9a 및 도 9b는 공기 유동 분리기의 제2 형상(전면 볼록형)에 대한 전면도.
도 9c는 도 9a에 게시된 공기 유동 분리기에 대한 M-M 단면도.
도 10a 및 도 10b는 공기 유동 분리기의 제3 형상(전면 오목형)에 대한 전면도.
도 10c는 도 10a에 게시된 공기 유동 분리기에 대한 N-N 단면도.

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 연소가스로 동력을 발생시키는 터빈과 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 연료노즐(105, 107)과 연료 노즐(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)로 구성된다.

라이너(191)는 연료노즐(105, 107)에 의해 분사되는 연료가 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.

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

연료 노즐 조립체(157)는 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 베인들(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 의해 연결되어 있고, 상기 엔드 커버(150)는 적어도 부분적으로 연료를 공급받기 위한 구성을 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 유동 분리기가 장착된 연소기의 부분 단면도이다.

도시된 연소기(100)의 노즐 튜브(103)에는 한 개의 중심 노즐(107) 및 상기 중심 노즐(107)을 둘러싸는 복수의 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.

도 3을 통해 연소기 전체의 연료 및 공기의 흐름을 쉽게 알 수 있다. 설명을 위해, 단면도의 상하부에는 주변 노즐(105)을 표시하였고, 가운데에는 중심 노즐(107)을 표시하였다.

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

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

공기 유동 가이드 조립체(200)는 중심 노즐(107) 및 복수의 주변 노즐(105)을 포함하는 연료 노즐 조립체(157)와 엔드 커버(150) 사이에 위치된다.

도 4는 도 3의 공기 유동 분리기의 측면도 및 사시도이다.

공기 유동 가이드 조립체(200)는 원형의 공기 유동 분리기(210) 및 장착부(220)를 포함하고, 상기 공기 유동 분리기(210)는 제1 압축공기 유로(192)의 내측 벽보다 큰 지름을 갖는 제1 원형 단부(216) 및 상기 복수의 주변 노즐(105)의 센터 바디(104)에 외접하는 원보다 작은 지름을 갖는 제2 원형 단부(215)를 포함한다.

상기 공기 유동 분리기(210)는 엔드 커버(150) 또는 노즐 베이스(102)에 장착될 수 있도록 장착부(220)와 결합되고, 상기 공기 유동 분리기(210)와 장착부(220) 사이에서 공기가 자유롭게 유동할 수 있도록 가느다란 형태의 복수의 지지 대(230)가 연장한다.

공기 유동 분리기(210)는 도4와 같이 곡면으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)까지 지름이 줄어드는 형태의 곡면이 형성된다. 특히, 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)은 오목하게 형성되고, 내벽(212)은 볼록하게 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 연소기(100)의 횡단면을 기준으로 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215) 방향으로 연장될 때 기울기가 점차 감소하는 곡면이 형성된다. 결론적으로, 공기 유동 분리기(210)는 벨 마우스 형태가 될 수 있다.

또한, 상기 장착부(220)에는 복수의 구멍(225)이 형성되고, 상기 복수의 구멍(225)을 통해 볼트로 엔드 커버(150)에 결합될 수 있다. 상기 장착부(220)는 엔드 커버(150)에 직접 결합될 수도 있고, 상기 노즐 베이스(102)가 엔드 커버(150)에 결합되는 나사를 공유하여 간접적으로 결합되도록 구성될 수도 있다.

대안적으로, 장착부(220)는 엔드 커버(150)에 나사 결합되는 방식 외에도 용접에 의해 장착될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 유동 분리기가 장착된 연소기의 부분 단면도이다.

공기 유동 가이드 조립체(200')는 중심 노즐(107) 및 복수의 주변 노즐(105)을 포함하는 연료 노즐 조립체(157)와 엔드 커버(150) 또는 노즐 베이스(102) 사이에 위치된다.

도 6은 도 5의 공기 유동 가이드 조립체(200')의 측면도 및 사시도이다.

공기 유동 가이드 조립체(200')는 원형의 공기 유동 분리기(210) 및 지지장착부(240)를 포함하고, 상기 공기 유동 분리기(210)는 제1 압축공기 유로(192)의 내측 벽보다 큰 지름을 갖는 제1 원형 단부(216) 및 상기 복수의 주변 노즐(105)의 센터바디(104)에 외접하는 원보다 작은 지름을 갖는 제2 원형 단부(215)를 포함한다.

상기 공기 유동 분리기(210)는 버너의 케이싱(101)에 직접 장착되는 지지장착부(240)와 결합된다.

공기 유동 분리기(210)는 도6과 같이 곡면으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)까지 지름이 줄어드는 형태의 곡면이 형성된다. 특히, 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)은 오목하게 형성되고, 내벽은 반대로 볼록하게 형성된다. 다시 말하면, 연소기(100)의 횡단면을 기준으로 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215) 방향으로 연장될 때 기울기가 점차 감소하는 곡면이 형성된다. 결론적으로, 벨 마우스 형태를 유지하여 내벽보다는 외벽(211)을 통해 흘러 들어가는 공기량을 더 많게 설정할 수 있다. 공기 유동 분리기(210)는 벨 마우스 형태가 될 수 있다.

지지장착부(240)는 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)으로부터 반경 방향으로 연장하는 형태를 가진다. 바람직하게는, 지지장착부(240)는 복수의 지지대를 포함하고, 상기 복수의 지지대 일단은 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)에, 타단은 케이싱(101)에 직접 연결될 수 있다.

대안적으로, 상기 지지장착부(240)는 공기공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)으로부터 반경 방향으로 연장하는 메쉬 형태를 가질 수 있다. 지지장착부(240)의 설치에도 불구하고 압축공기가 자유롭게 유동하도록 하기 위함이다.

상기 장착부(220) 및 상기 지지장착부(240)는 장착이 되는 대상물에 용접되거나 볼트 결합될 수 있다.

도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 각 실시예에 따른 공기 유동 분리기의 표면 형태를 나타낸 도면이다.

상기 공기 유동 가이드 조립체(200)는 일체로 형성되기 어렵기 때문에, 연소기 내의 부품들, 예를 들면 연료 노즐(105) 및 센터바디(104) 등과 간섭하지 않도록 구성하여 장착의 용이성을 확보하기 위해서는 반경 방향으로 절단된 복수개의 가이드 유닛(201)으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉 복수개의 가이드 유닛(201)이 원주방향으로 접합되며, 공기 유동 가이드 조립체(200)를 형성한다.

이러한 복수개의 가이드 유닛(201)을A-A를 따라 절단한 단면은 도 7a 및 도 7c와 같이 유선형일 수 있고, 도 7b와 같이 직선형일 수 있다.

여기서 도 7a에 게시된 가이드유닛(201)이 원주방향으로 복수개가 접합될 때, 도 4에 게시된 공기 유동 가이드 조립체(200)가 형성된다. 즉 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)까지 지름이 줄어드는 형태의 곡면 형상이다.

특히, 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)과 내벽(212) 모두 축 방향 또는 횡단면 방향으로 일정한 기울기를 갖는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 연소기(100)의 횡단면을 기준으로 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215) 방향으로 연장될 때 기울기가 일정한 곡면이 형성된다. 결론적으로, 공기 유동 분리기(210)는 기울기가 일정한 벨 마우스 형태가 될 수 있다.

도 7b에서는 복수개의 가이드유닛(201)이 접합된 공기 유동 가이드 조립체(200)에서 도 7a 및 도 4와는 달리, 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)까지 지름이 줄어드는 형태의 직선 형상으로 형성되고, 절단면A-A를 원주방향으로 연장할 때 원뿔의 꼭지점을 포함하는 상단부 절단된 형태가 될 수 있다.

도 7c는 복수개의 가이드유닛(201)이 접합된 공기 유동 가이드 조립체(200)에서 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)까지 지름이 줄어드는 형태의 곡선 형상으로 형성되고, 도 7a 및 도 4와는 달리, 공기 유동 분리기(210)의 외벽(211)은 볼록하게 형성되고, 내벽(212)은 오목하게 형성되어 외벽(211)보다는 내벽(212)을 통해 흘러 들어가는 공기량을 더 많게 설정할 수 있다.

도 8a는 연료 노즐의 전면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제1 형상을 나타내고, 도 8b는 도 8a에 게시된 O-O 단면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제1 형상에 대한 측면을 나타낸다.

우선 도 8a를 참고하면, 복수개의 가이드유닛(201)이 접합되어 공기 유동 분리기(210)를 형성할 수 있다. 도 8a에서는 2개의 가이드유닛(201)이 접합부(201a)에서 용접되어 공기 유동 분리기(210)를 형성하나, 반드시 상기 개수에 한정되는 것은 아니며, 또한 접합방식이 용접이외에 다른 방법도 적용될 수 있다.

상기 공기유동분리기(210)은 엔드커버(150)와 노즐튜브(103) 사이에서 복수의 센터바디(104)가 형성하는 외주면(104a)을 감싸며 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 주변노즐(105)에 배치되는 5개의 센터바디(104)가 제공될 수 있으며, 상기 외주면(104a)는 5개의 센터바디(104)의 외측을 가상으로 연결하는 외접원을 의미할 수 있다.

상기 공기 유동 분리기(210)의 제1 형상은 진원 형상일 수 있다. 이때 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215)로 갈수록 직경이 좁아질 때, 도 7b와 같은 직선 형상이 선택될 수 있다. 도 8b를 참고하면, 직선 형상이 채택된 공기 유동 분리기(210)의 제1 형상을 확인할 수 있다. 물론 직선 형상 이외에 도 7a 및 도 7c에서와 같은 유선형(볼록형, 오목형)이 선택될 수 있다. 또한 설계 목표에 따라 다른 형상도 채택될 수 있음은 물론이다.

여기서 상기 제2 원형 단부(215)는 주변노즐(105)의 일부를 덮을 정도로, 그 직경의 축소가 이뤄질 수 있다. 다시 도 8a를 참고하면, 원주방향으로 배치된 복수의 주변노즐(105)에 외접하는 원(이하‘외접원’ 칭함;105a)을 가정하면, 상기 제2 원형 단부(215)는 상기 외접원(105a)보다 작은 직경으로 이뤄질 수 있다.

여기서 상기 제1 원형 단부(216)는 상기 엔드커버(150) 측에 인접하고 상기 제2 원형 단부(215)는 상기 센터 바디(104) 측에 인접하게 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 5개의 주변노즐(105)이 원주방향을 따라 배치되어 있고, 제2 원형 단부(215)는 5개의 주변노즐(105)의 외곽부 일부를 덮으며 배치되고 있다. 이러한 배치 구조에 따라, 제1 압축공기 유로(192)를 통해 공기 유동 분리기(210)로 유입된 압축공기 중 내측 방향으로 유동하는 압축공기는, 제1 원형 단부(216)에서 제2 원형 단부(215) 방향으로 직경이 좁아지는 형상에 의해 센터바디(104) 방향으로 집중되어 흐르게 되어, 주변 노즐(105)상에서 연료와의 혼합이 보다 효과적으로 이뤄질 수 있다.

다음으로, 도 9a 및 도 9b는 연료 노즐의 전면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제2 형상의 여러 형태를 나타내고, 도 9b는 도 9a에 게시된 M-M 단면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제2 형상에 대한 측면을 나타낸다.

우선 도 9a 및 도 9b를 참고하면, 복수개의 가이드유닛(201)이 접합되어 공기 유동 분리기(210)를 형성할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에서는 2개의 가이드유닛(201)이 접합부(201a)에서 용접되어 공기 유동 분리기(210)를 형성하나, 반드시 상기 개수에 한정되는 것은 아니며, 또한 접합방식이 용접 이외에 다른 방법도 적용될 수 있다.

상기 공기 유동 분리기(210)의 제2 형상은 제2 볼록 단부(217a), 제1 볼록 단부(217b) 및 이음부(217c, 217d)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 상기 제1 볼록 단부(217b)는 상기 엔드커버(150) 측에 인접하고 상기 제2 원형 단부(217a)는 상기 센터 바디(104) 측에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 제1,2 볼록 단부(217a,217b)는 복수개의 주변 노즐(105)에 대응하는 개수로 원주방향을 따라 형성될 수 있으며, 원주방향으로 배치되는 복수개의 제1,2 볼록 단부(217a,217b) 사이에는 제1,2 볼록 단부(217a,217b)를 방사방향으로 연결하는 이음부(217c,217d)가 형성될 수 있다.

상기 이음부(217c,217d)는 도 9a에서와 같이 진원에 해당하는 원주율을 유지하도록 구성되거나, 도 9b에서와 같이 원주방향으로 이어지는 복수개의 제1,2 볼록 단부(217a,217b)간의 유선 형상이 자연스럽도록, 그에 비례하여 내측으로 오목한 형상으로 구성될 수 있다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서 상기 공기 유동 분리기(210)는 제1 볼록 단부(217b)에서 제2 볼록 단부(217a)로 갈수록 크기가 좁아지는 도 7b와 같은 직선 형상이 선택될 수 있다.

도 9c를 참고하면, 직선 형상이 채택된 공기 유동 분리기(210)의 제2 형태를 확인할 수 있다. 공기 유동 분리기(210)의 M-M 단면 도시에 따라 볼록 형상이 함께 표현되나, 볼록 형상도 측면에서 바라보았을 때는 직선형으로 표현된다.

물론 직선 형상 이외에 도 7a 및 도 7b에서와 같은 유선형(볼록형, 오목형)이 선택될 수 있다. 또한 설계 목표에 따라 다른 형상도 채택될 수 있음은 물론이다.

여기서 상기 제2 볼록 단부(217a)는 도 9a 및 도 9b에서와 같이 주변노즐(105)의 일부를 덮을 정도로, 제2 볼록 단부(217b)에서 제2 볼록 단부(217a) 방향으로 그 크기의 축소가 이뤄질 수 있다. 도 9a 및 도 9b를 참고하면, 복수의 주변노즐(105)의 외접원(105a)을 기준으로, 상기 제2 볼록 단부(217a)는 상기 외접원(105a)보다 작은 크기로 이뤄질 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 5개의 주변노즐(105)이 원주방향을 따라 배치되어 있고, 제2 볼록 단부(217a)는 5개의 주변노즐(105)의 외곽부 일부를 덮으며 배치되고 있다.

제1,2 볼록 단부(217a,217b)로 이뤄진 공기유동분리기(210)의 경우 제1,2 원형 단부(215,216)로 이뤄진 공기유동분리기(210)에 비해, 압축공기를 공기유동분리기(210)의 외측보다는 내벽(212) 안쪽으로 상대적으로 더 흐르도록 하는 것을 목적으로 한다.

이때 제1 압축공기 유로(192)를 통해 공기 유동 분리기(210)로 유입된 압축공기 중 내측 즉 내벽(212)을 따라 유입된 압축공기는, 제1 볼록 단부(217b)에서 제2 볼록 단부(217a) 방향으로 크기가 좁아지는 형상에 의해 센터바디(104) 방향으로 집중되어 흐르게 되어, 주변 노즐(105)상에서 연료와의 혼합이 보다 효과적으로 이뤄지게 된다.

즉, 제작자는 공기유동분리기(210)의 내측 또는 외측으로 유동하고자 하는 압축공기량에 대한 설계목표에 따라 상기 제1,2 볼록 단부(217a,217b)의 곡률 또는 축소비율을 조절할 수 있다. 상기 제1,2 볼록 단부(217a,217b)의 곡률값 또는 축소비율값에 따라 압축공기의 유동량은 조절되며, 이와 같은 설계방식으로 압축공기의 흐름을 안내하게 된다.

다음으로, 도 10a 및 도 10b는 연료 노즐의 전면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제3 형상의 여러 형태를 나타내고, 도 10b는 도 10a에 게시된 N-N 단면에서 바라보았을 때의 공기 유동 분리기의 제3 형상에 대한 측면을 나타낸다.

우선 도 10a 및 도 10b를 참고하면, 복수개의 가이드유닛(201)이 접합되어 공기 유동 분리기(210)를 형성할 수 있다. 도 10a 및 도 10b에서는 2개의 가이드유닛(201)이 접합부(201a)에서 용접되어 공기 유동 분리기(210)를 형성하나, 반드시 상기 개수에 한정되는 것은 아니며, 또한 접합방식이 용접이외에 다른 방법도 적용될 수 있다.

상기 공기 유동 분리기(210)의 제3 형상은 제2 오목 단부(218a), 제1 오목 단부(218b) 및 이음부(218c, 218d)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 상기 제1 오목 단부(218b)는 상기 엔드커버(150) 측에 인접하고 상기 제2 오목 단부(218a)는 상기 센터 바디(104) 측에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 제1,2 오목 단부(218a,218b)는 복수개의 주변 노즐(105)에 대응하는 개수로 원주방향을 따라 형성될 수 있으며, 원주방향으로 배치되는 복수개의 제1,2 오목 단부(218a,218b) 사이에는 제1,2 오목 단부(218a,218b)를 방사방향으로 연결하는 이음부(218c,218d)가 형성될 수 있다.

상기 이음부(218c,218d)는 도 10a에서와 같이 진원에 해당하는 원주율을 유지하도록 구성되거나, 도 10b에서와 같이 원주방향으로 이어지는 복수개의 제1,2 오목 단부(218a,218b)간의 유선 형상이 자연스럽도록, 그에 비례하여 외측으로 볼록한 형상으로 구성될 수 있다. 다만 반드시 이에 한정될 것은 아니다.

여기서 상기 공기 유동 분리기(210)는 제1 오목 단부(218b)에서 제2 오목 단부(218a)로 갈수록 크기가 좁아지는 도 7b와 같은 직선 형상이 선택될 수 있다.

도 10c를 참고하면, 직선 형상이 채택된 공기 유동 분리기(210)의 제3 형태를 확인할 수 있다. 공기 유동 분리기(210)의 N-N 단면 도시에 따라 오목 형상이 함께 표현되나, 오목 형상도 측면에서 바라보았을 때는 직선 형상으로 표현될 수 있다.

물론 직선형 이외에 도 7a 및 도 7b에서와 같은 유선형(볼록형, 오목형)이 선택될 수 있다. 또한 설계 목표에 따라 다른 형상도 채택될 수 있음은 물론이다.

여기서 상기 제2 오목 단부(218a)는 주변노즐(105)의 일부를 덮을 정도로, 제1 오목 단부(218b)에서 제2 오목 단부(218a) 방향으로 그 크기의 축소가 이뤄질 수 있다.

도 10a 및 도 10b를 참고하면, 복수의 주변노즐(105)의 외접원(105a)을 기준으로, 상기 제2 오목 단부(218a)는 상기 외접원(105a)보다 작은 크기로 이뤄질 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 5개의 주변노즐(105)이 원주방향을 따라 배치되어 있고, 제2 오목 단부(218a)는 5개의 주변노즐(105)의 외곽부 일부를 덮으며 배치되고 있다. 제1,2 오목 단부(218a,218b)로 이뤄진 공기유동분리기(210)의 경우 제1,2 원형 단부(215,216)로 이뤄진 공기유동분리기(210)에 비해, 압축공기를 공기유동분리기(210)의 내벽(210) 안쪽보다는 외벽(211) 바깥쪽으로 상대적으로 더 흐르도록 하는 것을 목적으로 한다.

이때 제1 압축공기 유로(192)를 통해 공기 유동 분리기(210)로 유입된 압축공기 중 내측 즉 내벽(212)을 따라 유입된 압축공기는, 제1 오목 단부(218b)에서 제2 오목 단부(218a) 방향으로 크기가 좁아지는 형상에 의해 센터바디(104) 방향으로 집중되어 흐르게 되어, 주변 노즐(105)상에서 연료와의 혼합이 보다 효과적으로 이뤄지게 된다.

즉, 제작자는 공기유동분리기(210)의 내측 또는 외측으로 유동하고자 하는 압축공기량에 대한 설계목표에 따라 상기 제1,2 오목 단부(218a,218b)의 곡률 또는 축소비율을 조절할 수 있다. 상기 제1,2 오목 단부(218a,218b)의 곡률값 또는 축소비율값에 따라 압축공기의 유동량은 조절되며, 이와 같은 설계방식으로 압축공기의 흐름을 안내하게 된다.

100:연소기 101:케이싱
102:연료노즐 베이스 103:노즐튜브
104:센터바디 104a:외주면
105:주변노즐 105a:외접원
107:중심노즐
110:스월러 124:연료분사개구
150:엔드커버 157:연료노즐 조립체
191:라이너 191a:연소실
192:제1 압축공기유로 193:트랜지션피스 바디
194:제2 압축공기유로 195:플로우슬리브
200,200':공기유동 가이드 조립체
201:가이드유닛 201a:접합부
210:공기유동분리기 211:외벽
212:내벽 215:제2 원형단부
216:제1 원형단부 217a:제2 볼록단부
217b:제1 볼록단부 217c:이음부
218a:제2 오목단부 218b:제1 오목단부
218c:이음부 220:장착부
225:볼트구멍 230:지지대
240:지지장착부

Claims

일측에 엔드커버가 배치되는 케이싱;
상기 케이싱의 내부에 배치되는 노즐튜브;와, 상기 노즐튜브의 중앙부에 형성된 중심노즐;과, 상기 노즐튜브의 외측 둘레를 따라 형성된 복수의 주변노즐; 및 상기 엔드커버에 마련된 연료노즐 베이스에 연결되고 상기 중심노즐과 상기 주변노즐에 배치되는 복수의 센터바디;를 포함하는 연료노즐 조립체;
상기 케이싱의 내측과 상기 노즐튜브의 외측 사이에 형성되는 압축공기 유로; 및
상기 압축공기 유로에서 상기 엔드커버를 우회하여 상기 중심노즐과 상기 주변노즐로 유동하는 압축공기의 흐름을 가이드하도록, 상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에 배치되는 공기유동 가이드 조립체;를 포함하되,
상기 공기유동 가이드 조립체는,
상기 연료노즐 베이스에 연결되는 장착부;
상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에서 상기 복수의 센터바디가 형성하는 외주면을 감싸며 배치되는 공기유동분리기; 및
상기 공기유동분리기를 지지하도록, 상기 장착부와 상기 공기유동분리기를 연결하는 지지대;를 포함하되,
상기 공기유동분리기는, 상기 공기유동분리기의 외측보다 내측으로 흐르는 압축공기의 유동량이 상대적으로 크도록,
상기 압축공기 유로의 내측벽보다 큰 크기를 갖으며, 상기 복수의 주변노즐에 대응되는 개수로 형성된 제1 볼록 단부; 및
상기 복수개의 주변노즐에 외접하는 원보다 작은 크기를 갖으며, 상기 복수의 주변노즐에 대응되는 개수로 형성된 제2 볼록 단부;
를 포함하되, 상기 제1 볼록 단부는 상기 엔드커버 측에 인접하고 상기 제2 볼록 단부는 상기 센터 바디 측에 인접하는 연소기.
제1항에 있어서,
상기 공기유동 가이드 조립체는, 상기 엔드커버와 상기 노즐튜브 사이에서 조립이 용이하도록, 복수개의 가이드유닛으로 구성되는 연소기.
제2항에 있어서,
상기 복수의 가이드유닛은 동일 형상이거나 또는 상기 복수의 가이드유닛 중 적어도 어느 하나는 다른 형상인 연소기.
제1항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 압축공기 유로의 내측벽보다 큰 크기를 갖는 제1 원형 단부; 및
상기 복수의 주변노즐에 외접하는 원보다 작은 크기를 갖는 제2 원형 단부;를 포함하되,
상기 제1 원형 단부는 상기 엔드커버 측에 인접하고 상기 제2 원형 단부는 상기 센터 바디 측에 인접하는 연소기.
제4항에 있어서,
상기 공기유동분리기는
상기 센터바디의 길이방향을 기준으로, 상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로 갈수록 크기가 축소되는 연소기.
제5항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 일정비율로 직경이 축소되는 직선 형상인 연소기.
제5항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 외측 방향으로 돌출된 볼록 형상인 연소기.
제5항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 원형 단부에서 상기 제2 원형 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 내측 방향으로 함몰된 오목 형상인 연소기.
제1항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 센터바디의 길이방향을 기준으로 상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로 갈수록 크기가 축소되는 연소기.
제9항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 일정비율로 직경이 축소되는 직선 형상인 연소기.
제9항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 외측 방향으로 돌출된 볼록 형상인 연소기.
제9항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 볼록 단부에서 상기 제2 볼록 단부로의 축소 형상은, 상기 공기유동분리기의 내측 방향으로 함몰된 오목 형상인 연소기.
제1항에 있어서,
상기 공기유동분리기는,
상기 제1 볼록 단부와 상기 제2 볼록 단부를 방사방향으로 연결하며 형성되는 이음부;를 더 포함하는 연소기
공기를 압축하는 압축기 섹션;
상기 압축기 섹션과 연결되고 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 제1항의 연소기;
상기 연소기와 연결되고 연소가스로 동력을 발생시키는 터빈 섹션; 및
상기 압축기 섹션과 터빈 섹션을 연결하는 토크튜브;
를 포함하는 가스터빈.