KR102095035B1 - 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드가 일체로 형성되는 노즐판과 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부 및 상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 노즐판과 노즐슈라우드를 일체형으로 제작하여 조립시간 단축 및 제조 단가를 절감할 수 있고, 열변형 공간이 보상되도록 설계하여 고온 작동환경에서의 열변형을 방지하는 효과가 있다.

Description

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

본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐판과 노즐슈라우드를 일체형으로 제작하여 무게 저감, 조립 시간 단축 및 제조단가를 절감할 수 있고, 열변형 공간이 보상되도록 설계하여 고온 작동환경에서의 열변형을 방지한 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas), 스팀(steam) 등 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로, 유체에 의해 축회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphram)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하고 있다.

여기서, 가스터빈은 압축기 섹션와 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다. 연소기에서 발생된 고온·고압의 가스는 터빈 섹션을 통과하면서 터빈의 로터를 회전시켜 발전기를 구동시킨다.

도 1에는 종래 연소기의 노즐판(9a)과 노즐슈라우드(9b)의 조립된 상태가 도시되어 있다. 도 1에 게시된 것과 같이, 장착되는 연료분사노즐이 6개인 경우, 노즐판(9a)의 개구홀상에 노즐슈라우드(9b)를 각각 배치하고, 브라켓(9c)을 볼트(9d)체결하여 노즐슈라우드(9b)를 고정하게 된다. 이때 필요한 부품수는 노즐판 1개, 노즐슈라우드 6개, 브라켓 5개가 필요하고, 체결되는 볼트수는 15개이다.

종래 연소기는 상기와 같이, 여러 개의 부품을 일일이 조립 위치를 일치시키고, 각각 볼트체결해야 하므로, 작업자의 업무부하가 높아지고 조립시간이 오래 소요되며, 복수개의 부품을 적용함에 따라 생산단가가 올라가는 문제가 있다.

한국특허 공개번호:10-2014-0035415

본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 노즐판과 노즐슈라우드를 일체형으로 제작하여 무게 저감, 조립 시간 단축 및 제조단가를 절감할 수 있고, 열변형 공간이 보상되도록 설계하여 고온 작동환경에서의 열변형을 방지한 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 가스터빈의 연소기에 있어서, 연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드가 일체로 형성되는 노즐판과 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부 및 상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 상기 노즐슈라우드를 원주방향으로 복수 개의 단위 슈라우드블록으로 분할하는 분할부를 포함하되, 상기 분할부는 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향 열변형 공간을 보상하도록, 상기 단위 슈라우드블록간에 소정 간격을 이격하며, 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향을 따라 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제1 슬롯을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 슬롯은 상기 분할부에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향으로 신장된 형태로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 분할부의 내측 단부에 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록간의 이음부위에서의 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제2 슬롯을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 라운딩홈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 상기 경계부에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 함몰된 형태로 제공되는 함몰부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 함몰부는 상기 경계부의 둘레를 따라 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 곡면처리될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 고온환경에서 상기 함몰부의 열변형 공간을 보상하도록, 상기 함몰부상에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 형성되는 보조홈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 상기 함몰부의 강성이 향상되도록, 상기 함몰부에서 상기 보조홈의 반대측에 형성되는 보조돌기를 더 포함할 수 있다.

본 발명인 가스터빈은 케이싱과 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션과 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기와 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져를 포함하되, 상기 연소기는 연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드가 일체로 형성되는 노즐판과 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부 및 상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 상기 노즐슈라우드를 원주방향으로 복수 개의 단위 슈라우드블록으로 분할하는 분할부를 포함하되, 상기 분할부는 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향 열변형 공간을 보상하도록, 상기 단위 슈라우드블록간에 소정 간격을 이격하며, 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향을 따라 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제1 슬롯을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 슬롯은 상기 분할부에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향으로 신장된 형태로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 분할부의 내측 단부에 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록간의 이음부위에서의 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제2 슬롯을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 열변형 보상부는, 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 라운딩홈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 상기 경계부에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 함몰된 형태로 제공되는 함몰부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 함몰부는 상기 경계부의 둘레를 따라 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 곡면처리될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 고온환경에서 상기 함몰부의 열변형 공간을 보상하도록, 상기 함몰부상에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 형성되는 보조홈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 열변형 보상부는, 상기 함몰부의 강성이 향상되도록, 상기 함몰부에서 상기 보조홈의 반대측에 형성되는 보조돌기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 연소기의 노즐판과 노즐슈라우드를 금형을 통해 일체로 제작함으로써, 종래에 사용되던 노즐판과 노즐슈라우드를 체결하기 위해 브라켓 및 볼트를 제외할 수 있어, 조립시간을 단축할 수 있고, 제조단가를 낮출 수 있다.

또한 연소기의 고온 작동환경을 고려하여, 노즐슈라우드를 원주방향을 따라 분할하고, 노즐판과 노즐슈라우드의 경계부를 굴곡되게 형성함으로써, 열변형 공간이 보상되어, 고온 작동환경에서 금속재질의 열팽창에 의한 부품의 열변형을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 노즐판과 노즐슈라우드의 체결 구조를 나타낸 도면.
도 2는 가스터빈의 구조를 나타낸 측단면도.
도 3은 연소기의 구조를 나타낸 단면사시도.
도 4는 본 발명인 연소기 중 노즐판과 노즐슈라우드의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명인 연소기 중 제1 열변형 보상부의 제1 형태를 나타낸 측면도.
도 6은 본 발명인 연소기 중 제1 열변형 보상부의 제2 형태를 나타낸 측면도.
도 7은 본 발명인 연소기 중 제1 열변형 보상부의 제3 형태를 나타낸 측면도.
도 8은 본 발명인 연소기 중 제1 열변형 보상부의 제4 형태를 나타낸 측면도.
도 9는 본 발명인 연소기 중 제2 열변형 보상부의 제1 형태를 나타낸 측면도.
도 10은 본 발명인 연소기 중 제2 열변형 보상부의 제2 형태를 나타낸 측면도.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈(1)의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2을 참조하면, 가스터빈은 기본적으로 외관을 형성하는 케이싱(casing;2), 공기를 압축하는 압축기 섹션(compressor section;4), 공기를 연소하는 연소기(combuster;10), 연소된 가스를 이용하여 발전하는 터빈섹션(turbine section;6), 배기가스를 배출하는 디퓨져(diffuser;7) 및 압축기섹션(4)과 터빈섹션(6)을 연결하여 회전동력을 전달하는 로터(rotor;3)를 포함하여 구성될 수 있다.

열역학적으로 가스터빈의 상류측에 해당하는 압축기 섹션(compressor section)으로는 외부의 공기가 유입되어 단열압축 과정을 거치게 된다. 압축된 공기는 연소기 섹션(combuster section)으로 유입되어 연료와 혼합되어 등압연소 과정을 거치고, 연소가스는 가스터빈의 하류측에 해당하는 터빈 섹션(turbine section)으로 유입되어 단열팽창 과정을 거치게 된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 전방에 압축기 섹션(4)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(6)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(4)과 상기 터빈 섹션(6)의 사이에는 상기 터빈 섹션(6)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(4)로 전달하는 토크튜브(3b)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(4)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(4a)이 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a)들은 타이로드(3a)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a) 중앙을 상기 타이로드(3a)이 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(blade;4b)(또는 bucket으로 지칭)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(4b)은 도브 테일부(미도시)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(4a)에 체결된다.

도브 테일부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 압축기 블레이드(4b)을 압축기 로터 디스크(4a)에 체결할 수 있다.

이때 케이싱(2) 중 압축기 섹션(4)의 내주면에는 상기 압축기 블레이드(4b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.

상기 타이로드(3a)은 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(4a)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크(4a) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(3b)에 고정된다.

상기 타이로드(3a)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 타이로드(3a)이 압축기 로터 디스크(4a)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드(3a)이 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저의 다음 위치에 가이드깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(10)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기(10) 및 터빈 섹션(6)의 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기(10)은 셀 형태로 형성되는 케이싱(2) 내에 다수가 배열될 수 있다.

연소기(10)의 구조는 도 3를 참고하여 이하 자세히 살펴보도록 한다.

한편, 일반적으로 터빈 섹션(6)에서는 연소기(10)에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 섹션(6)의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.

터빈 섹션(6)에서 얻은 기계적 에너지는 압축기 섹션(4)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈 섹션(6)에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.

이를 위해, 상기 터빈 섹션(6)에는 복수의 터빈 로터 디스크(6a)이 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크(6a)은 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크(4a)과 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크(6a) 역시 이웃한 터빈 로터 디스크(6a)과 결합되기 위한 구비한 플랜지(미도시)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(6b)(또는 bucket으로 지칭)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(6b) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(6a)에 결합될 수 있다.

이때 케이싱(2) 중 터빈 섹션(6)의 내주면에는 상기 터빈 블레이드(6b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(4)에서 압축되고, 연소기(10)에서 연소된 후, 터빈 섹션(6)로 이동되어 발전 구동하고, 디퓨저(7)을 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기 토크튜브(3b), 압축기 로터 디스크(4a), 압축기 블레이드(4b), 터빈 로터 디스크(6a), 터빈 블레이드(6b), 타이로드(3a) 등은 회전 구성요소로서 일체로 로터(3) 또는 회전체라고 지칭될 수 있다. 그리고 케이싱(2), 베인(vane;미도시), 다이아프램(diaphram;미도시) 등은 비회전 구성요소로서 일체로 스테이터(stator) 또는 고정체라고 지칭될 수 있다.

가스터빈에 대한 일반적인 한 형태의 구조는 상기와 같으며, 이하에서는 이러한 가스터빈에 적용되는 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 연소기의 길이방향 절단 사시도이다. 연소기(10)는 버너(10a)를 구성하는 연료분사노즐(15, 17)과 연료노즐(15, 17)을 둘러싸는 버너 케이싱(11), 연소실(31a)을 형성하는 라이너(31; Liner)와 라이너(31)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(35), 및 연소기(100)와 터빈(20)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(3; Transition Piece)와 트랜지션 피스(33)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(35)를 구성된다.

라이너(31)는 연료노즐(15, 17)에 의해 분사되는 연료가 를 통해 유입되는 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소실(31a)을 제공한다. 라이너(31)는 외주에 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브(35)에 의해 압축공기 유로(32)를 통해 라이너(31)를 냉각시킬 수 있다. 라이너의 전단에는 연료노즐(15, 17)이 결합된다.

한편 라이너(31)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(33)가 연결된다. 이러한 라이너(31)와 트랜지션피스(33)는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 라이너(31)와 트랜지션피스(33) 감싼 플로우슬리브(35)에 의해 형성된 환형공간 즉, 압축공기 유로(32,34)로 공급된 압축공기에 의해 냉각된다.

복수의 연료 노즐(18)은 하우징으로서 기능하는 버너 케이싱(11)에 환형으로 둘러 싸여 있고, 라이너(31)와 연결된다. 복수의 연료 노즐(18)이 라이너(31)와 연결되는 부분 내부에는 복수의 개구가 형성된 원통형의 부재가 삽입될 수 있는데, 이 원통형의 부재는 복수의 연료 노즐(18)을 포함하는 노즐 튜브 (13)이다. 상기 노즐 튜브(13)에 형성된 복수의 개구는 연료 노즐(18)로서 기능하며, 상기 연료 노즐(18)은 중심 노즐(17) 및 이를 둘러싸는 복수의 주변 노즐(15)들로 구성될 수 있다.

연료 노즐(18)은 원통형 공간의 중심에서 연소기 전후 방향으로 연장하는 센터바디(14)를 둘러싸도록 구성된다. 상기 센터바디(14)의 일단은 연료 노즐 베이스(12)에 연결되어 그로부터 연료를 공급받고, 이러한 연료는 상기 센터바디(14) 및/또는 상기 센터바디(14)의 둘레에 형성되는, 스월러로 불리는 스월 베인(20)에 형성된 연료 분사 개구(21)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(12)는 엔드 커버(22)에 연결되어 있고, 상기 엔드 커버(22)는 적어도 부분적으로 연료를 공급받기 위한 구성을 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명인 연소기(10) 중 노즐판(50)과 노즐슈라우드(60)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참고하면, 본 발명인 연소기(10)는 노즐판(50), 노즐슈라우드(60), 제1 열변형 보상부(70) 및 제2 열변형 보상부(80)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 노즐판(50)에는 복수 개의 개구부(50a)가 형성되어 있으며, 본 발명에서는 6개의 개구부(50a)로 구성될 수 있다. 이는 노즐판(50)상에 6개의 연료분사노즐(15,17)이 장착됨을 의미한다.

상기 노즐판(50)의 각 개구부(50a)상에는 상기 노즐슈라우드(60)가 일체로 형성될 수 있다. 종래와 달리 본 발명에서는 상기 노즐판(50)과 상기 노즐슈라우드(60)가 금형 설계를 통해 일체로 제작될 수 있다.

일체형 노즐판(50)과 노즐슈라우드(60)를 적용하는 경우, 종래기술의 문제점으로 지적된, 연소기(10) 조립시간을 단축할 수 있으며, 체결을 위한 별도의 브라켓 및 볼트와 같은 부품수를 줄일 수 있어 제조단가가 절감되는 효과를 기대할 수 있다.

다음 상기 제1 열변형 보상부(70)는 상기 노즐슈라우드(60)의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드(60)의 열변형 공간이 보상되도록 제공될 수 있다.

그리고 상기 제2 열변형 보상부(80)는 상기 노즐슈라우드(60)와 상기 노즐판(50)의 경계부(A)에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부(A)의 열변형 공간이 보상되도록 제공될 수 있다.

일반적으로 상기 노즐판(50)과 상기 노즐슈라우드(60)는 연소기(10)의 고온 작동환경에서 열팽창이 일어나는 금속재질로 구성되어 있다. 따라서, 별도의 열변형 보상 공간이 마련되지 않으면, 일체형으로 제작시 열팽창에 의해 부품의 열변형이 발생될 수 있으며, 이는 부품의 열손상을 일으켜, 연소기(10)의 수명 단축 및 기능 저하를 유발할 수 있다

상기 제1,2 열변형 보상부(70,80)는 상기된 열손상 문제를 방지하기 위해 일체형으로 제작된 노즐판(50)과 노즐슈라우드(60)의 열변형 보상 공간을 형성하는 것이다.

구체적으로 우선 상기 제1 열변형 보상부(70)에 대한 다양한 실시 형태를 살펴보도록 한다.

도 5는 본 발명인 연소기(10) 중 제1 열변형 보상부(70)에 대한 제1 형태를 나타낸 측면도이다.

도 5를 참고하면, 노즐판(50)상에 노즐슈라우드(60)가 일방향으로 돌출되며 일체로 형성되어 있고, 노즐슈라우드(60)상에는 분할부(71)가 형성되어 있다.

상기 분할부(71)는 상기 노즐슈라우드(60)의 둘레를 따라 형성되고, 상기 노즐슈라우드(60)를 원주방향으로 복수 개의 단위 슈라우드블록(61)으로 분할하게 된다.

이때 상기 분할부(71)는 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향 열변형 공간을 보상하도록, 상기 단위 슈라우드블록(61)간에 소정 간격을 이격하며, 상기 단위 슈라우드블록(61)의 길이방향을 따라 형성될 수 있다.

연소기(10)의 고온 작동환경에서 노즐슈라우드(60)는 원주 방향을 따라 열팽창이 일어날 수 있고, 이는 노즐슈라우드(60)의 일그러짐을 유발할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해, 본 발명에서는 노즐슈라우드(60)를 복수 개의 단위 슈라우드블록(61)으로 분할하는 것이다.

상기 분할부(71)가 형성되므로, 고온환경에서도 열팽창할 수 있는 공간이 형성되고, 이는 노즐슈라우드(60)의 원주방향으로의 일그러짐 열변형을 방지할 수 있다. 이는 단위 슈라우드 블록에서는 폭 방향으로의 일그러짐 열변형을 방지하는 것이다.

다음 도 6은 본 발명인 연소기(10) 중 제1 열변형 보상부(70)의 제2 형태를 나타낸 측면도이다.

도 6를 참고하면, 상기 제1 열변형 보상부(70)는 상기 분할부(71) 이외에 제1 슬롯(73), 제2 슬롯(75)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 슬롯(73)은 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록(61)의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공될 수 있다.

연소기(10)의 고온 작동환경에서 노즐슈라우드(60)는 원주방향뿐만 아니라, 길이방향으로도 열팽창이 일어날 수 있다. 이때 원주방향으로의 열팽창은 상기 분할부(71)에서 열변형 공간을 보상해주고, 길이방향으로의 열팽창은 상기 제1 슬롯(73)에서 열변형 공간을 보상해주는 것이다.

상기 제1 슬롯(73)은 도 6에는 단위 슈라우드블록(61)에 하나씩만 형성되어 있으나, 설계에 따라 복수 개가 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 복수 개가 배치되는 경우, 서로 다른 크기 및 형상으로도 제작될 수 있다. 따라서 반드시 도 6에 게시된 구조에 한정되는 것은 아니다.

그리고 상기 제2 슬롯(75)은 상기 분할부(71)의 내측 단부에 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록(61)간의 이음부위에서의 열변형 공간을 보상하도록 제공될 수 있다.

연소기(10)의 고온 작동환경에서 노즐슈라우드(60)는 복수 개의 슈라우드블록(61)간의 이음부위에서도 열팽창이 일어날 수 있다. 이때 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향으로의 열팽창은 상기 분할부(71), 길이방향으로의 열팽창은 상기 제1 슬롯(73)에서 열변형 공간을 보상해주며, 상기 단위 슈라우드블록(61)간의 이음부위에서의 열팽창은 상기 제2 슬롯(75)에서 열변형 공간을 보상해주는 것이다.

상기 제2 슬롯(75)은 도 6에는 타원형상, 트랙형상으로 형성되어 있으나, 설계에 따라 다른 크기 및 형상으로도 제작될 수 있다. 따라서 반드시 도 6에 게시된 구조에 한정되는 것은 아니다.

다음 도 7은 본 발명인 연소기(10) 중 제1 열변형 보상부(70)의 제3 형태를 나타낸 측면도이다.

도 7를 참고하면, 도 6에 게시된 제1 슬롯(73)과 달리, 도 7에 게시된 제1 슬롯(73)은 상기 분할부(71)에서 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향으로 신장된 형태로 형성될 수 있다. 즉 상기 분할부(71)와 연계된 형태로, 상기 단위 슈라우드블록(61)의 길이방향으로의 열팽창 보상 공간을 형성하는 것이다.

상기 제1 슬롯(73)은 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록(61)의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공될 수 있다.

상기 제1 슬롯(73)은 도 7에는 단위 슈라우드블록(61)에 하나씩만 형성되어 있으나, 설계에 따라 복수 개가 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 복수 개가 배치되는 경우, 서로 다른 크기 및 형상으로도 제작될 수 있다. 따라서 반드시 도 7에 게시된 구조에 한정되는 것은 아니다.

다음 도 8은 본 발명인 연소기(10) 중 제1 열변형 보상부(70)의 제4 형태를 나타낸 측면도이다.

도 8을 참고하면, 상기 제1 열변형 보상부(70)는 상기 분할부(71) 이외에 라운딩홈(77)을 더 포함할 수 있다. 상기 라운딩홈(77)은 상기 단위 슈라우드블록(61)의 폭 방향을 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록(61)의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공될 수 있다.

연소기(10)의 고온 작동환경에서 노즐슈라우드(60)는 원주방향뿐만 아니라, 길이방향으로도 열팽창이 일어날 수 있다. 이때 원주방향으로의 열팽창은 상기 분할부(71)에서 열변형 공간을 보상해주고, 길이방향으로의 열팽창은 상기 라운딩홈(77)에서 열변형 공간을 보상해주는 구조이다.

상기 라운딩홈(77)은 본 발명에서는 도 8에서와 같이 소정간격을 두고 단위 슈라우드블록(61)상에 2단으로 형성될 수 있으나, 설계에 따라 다른 단수로 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 복수 개가 배치되는 경우, 서로 다른 크기 및 형상으로도 제작될 수 있다. 따라서 반드시 도 8에 게시된 구조에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 9 및 도 10를 참고하여, 상기 제2 열변형 보상부(80)의 다양한 형태에 대해 살펴보도록 한다. 설명에 앞서, 도 9 및 도 10에 게시된 노즐슈라우드(60)의 돌출 방향(정방향)을 방향부호 Z 로 정의하고, 노즐판(50)의 직경방향을 방향부호 X 로 정의한다. 따라서 노즐슈라우드(60)의 돌출 반대방향은 -Z 로 해석될 수 있다.

도 9는 본 발명인 연소기(10) 중 제2 열변형 보상부(80)의 제1 형태를 나타낸 측면도이다.

우선 도 9를 참고하면, 상기 제2 열변형 보상부(80)는 함몰부(81)를 포함할 수 있다. 상기 함몰부(81)는 상기 노즐슈라우드(60)와 상기 노즐판(50)의 경계부(A)에 형성되고, 상기 경계부(A)에서 상기 노즐슈라우드(60)의 반대방향(-Z)으로 함몰된 형태로 제공될 수 있다.

상기 함몰부(81)의 형상은 상기 함몰부(81)는 상기 경계부(A)의 둘레를 따라 상기 노즐슈라우드(60)의 반대방향(-Z)으로 곡면 형상으로 구성될 수 있다.

만약 상기 노즐판(50)과 상기 노즐슈라우드(60)의 경계부(A)에 상기 함몰부(81)가 형성되어 있지 않은 경우, 연소기(10)의 고온 작동환경에서 상기 노즐판(50)은 개구부(50a) 내측으로 열팽창이 일어나고, 상기 노즐슈라우드(60)는 방사방향으로 열팽창이 일어나므로, 상호 간에 열변형 공간이 형성되지 않아, 상기 경계부(A)에서의 열손상이 발생될 수 있다.

이때 상기 함몰부(81)가 상기 경계부(A)에 형성되는 경우, 상기 노즐판(50)의 개구부(50a) 내측으로의 열팽창은 상기 함몰부(81)의 상측에서 상기 노즐슈라우드(60) 방향으로 이뤄지고, 상기 노즐슈라우드(60)의 방사방향 열팽창은 상기 함몰부(81)의 상측에서 상기 노즐판(50) 방향으로 이뤄지므로, 열변형 공간이 확보되어 있어, 열손상이 방지되게 된다.

또한 상기 노즐슈라우드(60)의 길이방향으로의 열팽창은 상기 함몰부(81)의 하측 방향으로 이뤄지므로, 역시 열변형 공간이 확보되므로, 상기 노즐슈라우드(60)의 길이방향 열손상도 방지될 수 있다.

다음, 도 10은 본 발명인 연소기(10) 중 제2 열변형 보상부(80)의 제2 형태를 나타낸 측면도이다.

도 10를 참고하면, 상기 제2 열변형 보상부(80)는 상기 함몰부(81) 이외에 보조홈(83) 및 보조돌기(85)를 더 포함할 수 있다.

상기 보조홈(83)은 상기 함몰부(81)상에서 상기 노즐슈라우드(60)의 반대방향(-Z)으로 형성될 수 있다. 상기 보조홈(83)은 연소기(10)의 고온 작동환경에서 상기 함몰부(81)의 열팽창에 대한 열변형 보상 공간을 마련해주게 된다. 상기 보조홈(83)은 상기 함몰부(81)를 따라 원주방향으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 보조돌기(85)는 상기 보조홈(83)이 형성됨에 따라, 상기 함몰부(81)의 강성이 약해질 수 있는데, 이러한 상기 함몰부(81)의 강성이 향상되도록, 상기 함몰부(81)에서 상기 보조홈(83)의 반대측에 형성될 수 있다.

고온환경에서 열팽창시에는 상기 보조돌기(85)는 상기 보조홈(83)의 반대방향(-Z)으로 열변형이 이뤄지므로, 상기 함몰부(81) 및 상기 보조홈(83)의 기능을 방해하지 않으면서, 상기 함몰부(81)의 강성은 유지될 수 있도록 한다.

한편, 본 발명인 가스터빈(1)은 케이싱(2)과, 상기 케이싱(2)의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션(4)과, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 압축기 섹션(4)과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기(10)와, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 연소기(10)와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션(6) 및, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 터빈 섹션(6)과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져(7)를 포함할 수 있다.

여기서 상기 연소기(10)는 연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드(60)가 일체로 형성되는 노즐판(50)과, 상기 노즐슈라우드(60)의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드(60)의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부(70) 및 상기 노즐슈라우드(60)와 상기 노즐판(50)의 경계부(A)에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부(A)의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부(80)를 포함할 수 있다.

이상의 사항은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

1:가스터빈
2:케이싱
3:로터
4:압축기 섹션
6:터빈 섹션
7:디퓨져
10:연소기
15,17:연료분사노즐
50:노즐판
60:노즐슈라우드
61:단위 슈라우드블록
70:제1 열변형 보상부
71:분할부
73:제1 슬롯
75:제2 슬롯
77:라운딩홈
80:제2 열변형 보상부
81:함몰부
83:보조홈
85:보조돌기
A:경계부

Claims (20)

1. 가스터빈의 연소기에 있어서,
   연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드가 일체로 형성되는 노즐판;
   상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부; 및
   상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부;를 포함하되,
   상기 제2 열변형 보상부는,
   상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 상기 경계부에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 함몰된 형태로 제공되는 함몰부;를 포함하는 연소기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 상기 노즐슈라우드를 원주방향으로 복수 개의 단위 슈라우드블록으로 분할하는 분할부;를 포함하되,
   상기 분할부는 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향 열변형 공간을 보상하도록, 상기 단위 슈라우드블록간에 소정 간격을 이격하며, 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향을 따라 형성되는 연소기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 열변형 보상부는,
   상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제1 슬롯;을 더 포함하는 연소기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 슬롯은 상기 분할부에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향으로 신장된 형태로 형성되는 연소기.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1 열변형 보상부는,
   상기 분할부의 내측 단부에 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록간의 이음부위에서의 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제2 슬롯;을 더 포함하는 연소기.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 제1 열변형 보상부는,
   상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 라운딩홈;을 더 포함하는 연소기.
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 함몰부는 상기 경계부의 둘레를 따라 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 곡면처리된 연소기.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제2 열변형 보상부는,
   고온환경에서 상기 함몰부의 열변형 공간을 보상하도록, 상기 함몰부상에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 형성되는 보조홈;를 더 포함하는 연소기.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 열변형 보상부는,
    상기 함몰부의 강성이 향상되도록, 상기 함몰부에서 상기 보조홈의 반대측에 형성되는 보조돌기;를 더 포함하는 연소기.
    
11. 케이싱;과 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;과 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 연소기;와 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함하되,
    상기 연소기는
    연료분사노즐이 장착되는 복수의 노즐슈라우드가 일체로 형성되는 노즐판;
    상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 노즐슈라우드의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제1 열변형 보상부; 및
    상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 고온환경에서 상기 경계부의 열변형 공간이 보상되도록 제공되는 제2 열변형 보상부;를 포함하되,
    상기 제2 열변형 보상부는,
    상기 노즐슈라우드와 상기 노즐판의 경계부에 형성되고, 상기 경계부에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 함몰된 형태로 제공되는 함몰부;를 포함하는 가스터빈.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 열변형 보상부는, 상기 노즐슈라우드의 둘레를 따라 형성되고, 상기 노즐슈라우드를 원주방향으로 복수 개의 단위 슈라우드블록으로 분할하는 분할부;를 포함하되,
    상기 분할부는 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향 열변형 공간을 보상하도록, 상기 단위 슈라우드블록간에 소정 간격을 이격하며, 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향을 따라 형성되는 가스터빈.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 열변형 보상부는,
    상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 적어도 하나 이상 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제1 슬롯;을 더 포함하는 가스터빈.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 슬롯은 상기 분할부에서 상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향으로 신장된 형태로 형성되는 가스터빈.
    
15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 열변형 보상부는,
    상기 분할부의 내측 단부에 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록간의 이음부위에서의 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 제2 슬롯;을 더 포함하는 가스터빈.
    
16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 열변형 보상부는,
    상기 단위 슈라우드블록의 폭 방향을 따라 형성되고, 고온환경에서 상기 단위 슈라우드블록의 길이방향 열변형 공간을 보상하도록 제공되는 라운딩홈;을 더 포함하는 가스터빈.
    
17. 삭제
18. 제11항에 있어서,
    상기 함몰부는 상기 경계부의 둘레를 따라 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 곡면처리된 가스터빈.
    
19. 제11항에 있어서,
    상기 제2 열변형 보상부는,
    고온환경에서 상기 함몰부의 열변형 공간을 보상하도록, 상기 함몰부상에서 상기 노즐슈라우드의 돌출 반대방향(-Z)으로 형성되는 보조홈;를 더 포함하는 가스터빈.
    
20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 열변형 보상부는,
    상기 함몰부의 강성이 향상되도록, 상기 함몰부에서 상기 보조홈의 반대측에 형성되는 보조돌기;를 더 포함하는 가스터빈.
    

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