KR102096579B1 - 액체 연료 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 연소기 - Google Patents

액체 연료 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 연소기 Download PDF

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Abstract

개시되는 발명은 액체 연료 노즐에 관한 것으로서, 공기 유입구를 구비하는 환형의 아우터 바디와, 상기 아우터 바디의 반경 방향 내측에 배치되는 원뿔 형태의 스플래시 플레이트와, 상기 아우터 바디와 스플래시 플레이트를 동심으로 연결하면서 그 사이에 연소용 공기 유로를 형성하도록 원주방향을 따라 분산 배치된 복수 개의 스트럿과, 상기 스플래시 플레이트를 향하도록 상기 아우터 바디의 내측과 상기 스플래시 플레이트의 외측 사이에 구비되는 복수 개의 메인 노즐 홀을 구비하는 노즐 헤드;와, 상기 아우터 바디의 제1 접속면에 결합하는 외측 튜브;와, 상기 외측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 아우터 바디의 제2 접속면에 결합하는 제1 내측 튜브; 및 상기 제2 내측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 스플래시 플레이트의 제3 접속면에 결합하는 제2 내측 튜브;를 포함하고, 상기 제1 내측 튜브 및 제2 내측 튜브 사이의 환형 공간은 상기 복수 개의 메인 노즐 홀에 연통하며, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 상기 복수 개의 스트럿 사이의 스플래시 면을 향하도록 배치되되 상기 스플래시 면은 상기 메인 노즐 홀에 대해 오목면을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

액체 연료 노즐 및 이를 포함하는 가스 터빈 연소기{LIQUID FUEL NOZZLE AND GAS TURBINE COMBUSTOR HAVING THE SAME}
본 발명은 연소기용 노즐, 특히 액체 연료를 위한 노즐과 이를 포함하는 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축된 공기에 대해 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생한 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 공기에 대해 연료를 분사 또는 혼합해서 연소시킨다. 연소 과정을 통해 발생한 연소 가스는 터빈으로 공급되고, 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 됨으로써 동력이 발생한다.
연료는 각 연소기 내에 설치된 노즐을 통해서 분사되며, 노즐은 액체 연료를 분사할 수 있다 이들 노즐은 전형적으로는 정량의 연료를 연소실 내에 분무하는 액체 미립화 노즐을 포함한다. 액체 연료 노즐은 특히 액체 연료를 연소하기에 적합한 크기로서 효율적으로 미립화할 수 있어야 하며, 미립화 성능은 연소 품질에 지대한 영향을 미친다.
PCT 국제특허공보 WO 2013/115671 (2013.08.08 공개)
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 액체 연료를 효율적으로 미립화할 수 있는 액체 연료 노즐 및 가스 터빈 연소기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 액체 연료 노즐에 관한 것으로서, 공기 유입구를 구비하는 환형의 아우터 바디와, 상기 아우터 바디의 반경 방향 내측에 배치되는 원뿔 형태의 스플래시 플레이트와, 상기 아우터 바디와 스플래시 플레이트를 동심으로 연결하면서 그 사이에 연소용 공기 유로를 형성하도록 원주방향을 따라 분산 배치된 복수 개의 스트럿과, 상기 스플래시 플레이트를 향하도록 상기 아우터 바디의 내측과 상기 스플래시 플레이트의 외측 사이에 구비되는 복수 개의 메인 노즐 홀을 구비하는 노즐 헤드;와, 상기 아우터 바디의 제1 접속면에 결합하는 외측 튜브;와, 상기 외측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 아우터 바디의 제2 접속면에 결합하는 제1 내측 튜브; 및 상기 제1 내측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 스플래시 플레이트의 제3 접속면에 결합하는 제2 내측 튜브;를 포함하고, 상기 제1 내측 튜브 및 제2 내측 튜브 사이의 환형 공간은 상기 복수 개의 메인 노즐 홀에 연통하며, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 상기 복수 개의 스트럿 사이의 스플래시 면을 향하도록 배치되되 상기 스플래시 면은 상기 메인 노즐 홀에 대해 오목면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스플래시 면은 상기 스트럿을 경계로 서로 분절된 복수 개의 불연속 오목면으로 이루어지고, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 대응하는 하나의 불연속 오목면을 향하게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 각각의 불연속 오목면은 적어도 두 개 이상의 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면이 연결되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면 중의 어느 인접한 두 개의 오목면은 상기 스트럿 사이에서 연결될 수 있으며, 또한 상기 각 메인 노즐 홀은 상기 스트럿 사이에서 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계선을 향할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 스트럿의 내부에 상기 공기 유입구와 상기 스플래시 플레이트의 반경 방향 내측면을 연통하는 제1 냉각용 공기 유로가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 스플래시 플레이트의 반경 방향 내측면에 형성된 상기 제1 냉각용 공기 유로의 환형 출구에는 원주방향을 따라 복수 개의 냉각 핀이 구비될 수 있다.
또한, 상기 스트럿의 내부에는, 상기 제1 냉각용 공기 유로의 하류 측에 제2 냉각용 공기 유로가 더 형성될 수도 있으며, 상기 제2 냉각용 공기 유로는 상기 스플래시 플레이트의 중심부에 구비된 파일럿 노즐 홀 주변으로 연통한다.
그리고, 실시형태에 따라서는, 상기 제2 냉각용 공기 유로는 사행 유로를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 스트럿은 에어포일 단면 형상을 가지고, 상기 에어포일 단면의 최대 두께 위치는 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계 영역에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 스트럿의 트레일링 에지는 상기 스플래시 면의 외곽에 다다르기 이전에 종결되는 것으로 단축 설계될 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 복수의 액체 연료 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합하여 상기 연료와 공기가 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 가스 터빈 연소기를 제공한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 액체 연료 노즐은 서로 분절된 복수 개의 불연속 오목면으로 이루어진 스플래시 면을 구비함에 따라 균일한 두께의 연료 필름 형성이 촉진되고, 이를 통해 연소 성능을 향상시켜 배출물질의 저감에도 기여하게 된다.
또한, 본 발명의 액체 연료 노즐은 스트럿 내부에 하나 이상의 냉각용 공기 유로를 구비함으로써 복합적인 냉각 구조를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 가스 터빈의 내부가 도시된 도면.
도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 연소기에 구비되는 본 발명의 액체 연료 노즐을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 액체 연료 노즐에 대한 단면 사시도.
도 5는 도 3의 액체 연료 노즐의 노즐 헤드 부분을 확대 도시한 단면도.
도 6은 튜브를 제외한 노즐 헤드를 도시한 단면도.
도 7은 도 6의 "A-A" 선을 따라 절개한 사시도.
도 8은 복수 개의 불연속 오목면으로 이루어진 스플래시 면에 대한 개념도.
도 9는 노즐 헤드에 구비되는 공기 유로를 도시한 단면도.
도 10은 노즐 헤드를 분사방향을 마주보는 방향에서 도시한 도면.
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. 이때, 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 도시될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 액체 연료 노즐 및 이를 구비하는 연소기가 적용될 수 있는 가스 터빈에 대해서 먼저 간략히 설명한다.
도 1은 가스 터빈의 내부가 도시된 도면이며, 도 2는 도 1의 연소기를 도시한 도면이다.
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 가스 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. 혼합 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 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)를 포함할 수 있다. 덕트 조립체(1280)는 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)의 바깥을 유동 슬리브(1270)가 감싸는 이중 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 유동 슬리브(1270) 안쪽의 환형 공간 안으로 침투하여 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 냉각시킨다.
라이너(1250)는 연소기(1200)의 버너(1220)에 연결되는 덕트 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 트랜지션 피스(1260)에 결합된다.
그리고, 트랜지션 피스(1260)는 터빈(1300)의 입구와 연결되어 고온의 연소가스를 터빈(1300)으로 유도하는 역할을 한다. 트랜지션 피스(1260)의 길이방향 일측 단부는 라이너(1250)와 결합되고, 트랜지션 피스(1260)의 길이방향 타측 단부는 터빈(1300)과 결합된다. 유동 슬리브(1270)는 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)를 보호하는 한편 고온의 열기가 외부로 직접 방출되는 것을 막아주는 역할을 한다.
이하, 첨부된 도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 액체 연료 노즐(100)에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 연소기에 구비되는 본 발명의 액체 연료 노즐(100)을 도시한 도면, 도 4는 도 3의 액체 연료 노즐(100)에 대한 단면 사시도이며, 도 3은 액체 연료 노즐(100)의 노즐 헤드 부분(110)을 확대 도시한 단면도이고, 도 4는 튜브(160, 170, 180)를 제외하고 노즐 헤드(110)만을 도시한 단면도이다.
본 발명의 액체 연료 노즐(100)은 노즐 헤드(110)와, 공기와 연료의 공급 유로를 분리 형성하기 위한 외측 튜브(160), 제1 및 제2 내측 튜브(170, 180)를 포함한다.
노즐 헤드(110)는 액체 연료를 분사하는 선단부를 구성하며, 공기와 연료를 미립화하여 분사하기 위한 구조를 가진다. 노즐 헤드(110)에 대해 외측 튜브(160), 제1 및 제2 내측 튜브(170, 180)가 결합하여 공기 유로, 메인 연료 유로, 파일럿 연료 유로가 형성된다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 노즐 헤드(110)는 공기 유입구(114)를 구비하는 환형의 아우터 바디(112), 아우터 바디(112)의 반경 방향 내측에 배치되는 원뿔 형태의 스플래시 플레이트(120), 그리고 아우터 바디(112)와 스플래시 플레이트(120)를 동심으로 연결하면서 그 사이에 연소용 공기 유로(126)를 형성하도록 원주방향을 따라 분산 배치된 복수 개의 스트럿(130)을 포함한다. 즉, 노즐 헤드(110)는 기본적으로 스트럿(130)에 의해 아우터 바디(112)와 스플래시 플레이트(120) 사이에 공간이 형성되어 있으며, 이 공간이 연소용 공기 유로(126)를 형성한다. 이 연소용 공기 유로(126) 안에서 연료와 공기의 혼합 및 미립화가 일어난다.
연소용 공기 유로(126) 안에서 연료, 특히 메인 연료를 분사하기 위한 복수 개의 메인 노즐 홀(150)은 아우터 바디(112)의 내측과 스플래시 플레이트(120)의 외측 사이에 구비된다. 복수 개의 메인 노즐 홀(150)은 균일한 메인 연료 분사를 위해 방사상으로 균등 배치되며, 모든 메인 노즐 홀(150)은 스플래시 플레이트(120)를 향하고 있다.
메인 노즐 홀(150)은, 아우터 바디(112)와 마주보는 스플래시 플레이트(120)의 외측면, 즉 원뿔면에 유사한 스플래시 면(122)을 향해 연료를 분사하며, 분사된 연료는 스플래시 면(122)에 충돌하여 비산하면서 연소용 공기 유로(126)를 통해 공급되는 고압의 공기에 도입된다. 이 과정에서 다시 공기와 충돌, 혼합하면서 얇은 필름 형태로 미립화되어 공기 흐름에 실려 반경 방향 외측으로 퍼져나가며, 최종적으로는 스플래시 면(122)을 이탈하여 연소실로 분사된다.
그리고, 외측 튜브(160)는 아우터 바디(112)의 제1 접속면(116)에 결합하고, 제1 내측 튜브(170)는 외측 튜브(160)에 대해 반경 방향 내측에서 아우터 바디(112)의 제2 접속면(118)에 결합한다. 외측 튜브(160)와 제1 내측 튜브(170)에 의해 외측 튜브(160) 바깥쪽의 공기 유로와 제1 내측 튜브(170) 안쪽 연료 유로가 서로 분리된다.
제2 내측 튜브(180)는 제1 내측 튜브(170)에 대해 반경 방향 내측에서 스플래시 플레이트(120)의 제3 접속면(124)에 결합한다. 이에 따라, 제1 및 제2 내측 튜브(170, 180) 사이의 환형 공간이 메인 연료 유로로 형성되고, 또한 제2 내측 튜브(180) 안쪽의 원통형 공간이 파일럿 연료 유로를 형성하게 된다. 메인 연료로는 물과 액체 연료가 혼합된 에멀젼 형태의 혼합 연료가 공급될 수 있으며, 파일럿 연료로는 순수한 액체 연료가 공급될 수 있다. 이때 액체 연료는 경유로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 파일럿 연료로는 가스 연료가 공급될 수도 있다.
여기서, 전술한 바와 같이, 메인 노즐 홀(150)은 원뿔면에 유사한 스플래시 면(122)을 향해 연료를 분사하며, 분사된 연료는 스플래시 면(122)에서 공기의 흐름에 도입되어 얇은 필름 형태로 미립화되어 반경 방향 외측으로 퍼져나간다. 따라서, 연료의 미립화는 연료와 스플래시 면(122) 사이에서 일어나는 충돌 메커니즘에 크게 영향을 받는다.
종래의 스플래시 플레이트(예를 들어, 특허문헌 1)는 통상적인 원뿔 형태를 이루고 있기 때문에, 연료가 충돌하는 스플래시 면은 볼록면을 이루게 된다. 이에 따라, 스플래시 면에 충돌한 연료는 충돌 영역에서 바깥으로 퍼져나가는 경향이 강하게 일어나고, 이는 복수의 메인 노즐 사이에서 상대적으로 연료가 집중되는 결과를 야기한다. 결과적으로, 스플래시 면에서의 연료 필름의 두께는 불균일해지고, 불균일한 연료 분포는 연소에도 영향을 미쳐 배출물질, 대표적으로는 질소산화물의 농도를 증가시키는 악영향을 미친다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 특유한 구조의 스플래시 면(122)을 구비한다. 본 발명의 스플래시 면(122)은 도 6의 "A-A" 선을 따라 절개한 사시도인 도 7과, 복수 개의 불연속 오목면(123)으로 이루어진 스플래시 면(122)에 대한 개념도인 도 8을 통해 자세히 파악할 수 있다.
도 7은 스플래시 플레이트(120)의 구조를 잘 보여주기 위해 아우터 바디(112)를 제거하여 도시한 것이다. 도면에 잘 나타나 있는 것처럼, 각각의 메인 노즐 홀(150)은 복수 개의 스트럿(130) 사이의 스플래시 면(122)을 향하도록 배치되어 있는데, 상기 스플래시 면(122)은 메인 노즐 홀(150)에 대해 오목면(123)을 형성하는 곡면을 이루고 있다.
그리고, 도 8의 스플래시 면(122)의 개념도에 도시된 것과 같이, 본 발명은 하나의 메인 노즐 홀(150)에 대해 하나의 독립된 스플래시 면(122)을 형성하고 있다. 즉, 스플래시 면(122)은 스트럿(130)을 경계로 서로 분절된 복수 개의 불연속 오목면(123)으로 이루어져 있으며, 복수 개의 메인 노즐 홀(150)은 각각 대응하는 하나의 불연속 오목면(123)을 향하고 있다(도시된 실시형태에서, 메인 노즐 홀과 불연속 오목면은 각각 10개씩 구비되어 있음).
스플래시 면(122)이 메인 노즐 홀(150)의 개수에 대응하는 불연속 오목면(123)을 이룸에 따라, 불연속 오목면(123) 사이에는 뾰족한 경계선이 형성된다. 이러한 불연속 오목면(123)에 의해, 연료가 충돌하는 스플래시 면(122)이 오목하기 때문에 스플래시 면(122)에 충돌한 연료가 충돌 영역에서 바깥으로 쉽게 퍼져나가려는 경향이 억제된다. 또한, 불연속 오목면(123) 사이에 뾰족한 경계선이 형성되도록 분리되어 있기 때문에 서로 영향을 미쳐 연료 필름 두께를 증가시키는 현상도 억제된다. 결국, 본 발명의 복수의 불연속 오목면(123)으로 이루어진 스플래시 면(122)은 연료 필름의 두께를 균일화시킬 수 있으며, 이는 배출물질을 감소시키는 순기능을 발휘하게 된다.
아울러, 도 8에 도시된 것처럼, 각각의 불연속 오목면(123)은 적어도 두 개 이상의 서로 다른 곡률반경(예를 들어, R1∼R3)을 가진 오목면(123)이 연결되어 이루어진 복합적인 곡면을 형성할 수 있다. 곡률반경을 가변시킴으로써 공기 유동이 작용하는 힘을 단계적으로 조절하고, 이를 통해 연료 필름이 퍼져나가는 속도를 제어함으로써 필름 두께를 더욱 균일하게 만들 수 있다.
또한, 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면(123) 중의 어느 인접한 두 개의 오목면(예를 들어, 도 8에서의 R1, R2)이 스트럿(130) 사이에서 연결되도록 하고, 이에 대응하여 각 메인 노즐 홀(150)은 스트럿(130) 사이에서 두 개의 오목면(123)이 연결되는 경계선을 향하도록 설계할 수 있다. 메인 연료가 두 개의 오목면(123)이 연결되는 경계선 영역에 분사되면, 곡률반경이 변하는 지점이기 때문에 충돌시 연료의 미립화를 강화하게 된다.
도 9는 노즐 헤드(110)에 구비되는 공기 유로를 도시한 단면도이다. 도 9는, 도 5 및 도 6과 다르게, 스트럿(130)을 가로지르도록 절개함으로써 그 내부 구조를 보여주고 있으며, 이 때문에 연소용 공기 유로(126)를 흐르는 공기를 파선으로 도시하였다.
도 9를 보면, 우선 스트럿(130)의 내부에 공기 유입구(114)와 스플래시 플레이트(120)의 반경 방향 내측면(스플래시 면의 반대면)을 연통하는 제1 냉각용 공기 유로(132)가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 연소용 공기는 스플래시 면(122)을 따라 흐르기 때문에, 그 빈대면이면서 연소 화염에 더 근접해 있는 스플래시 플레이트(120)의 반경 방향 내측면은 더 많은 열을 받게 된다. 제1 냉각용 공기 유로(132)는 바로 스플래시 면(122)의 반대면을 따라 냉각용 공기가 흐르도록 함으로써 스플래시 플레이트(120)의 냉각성능을 보완하는 역할을 한다.
또한, 도 9의 실시형태와 같이, 스트럿(130)의 내부에는 제1 냉각용 공기 유로(132)의 하류 측(공기 흐름 기준)에 제2 냉각용 공기 유로(136)가 더 형성되어 있을 수 있다. 제2 냉각용 공기 유로(136)는 스플래시 플레이트(120)의 중심부에 구비된 파일럿 노즐 홀(128) 주변으로 연통하며, 이에 따라 제2 냉각용 공기 유로(136)는 스플래시 플레이트(120)의 중앙부를 냉각하는 동시에 파일럿 연료의 미립화에도 기여하게 된다.
그리고, 제2 냉각용 공기 유로(136)는 그 흐름 방향이 S자를 이루는 것과 같은 사행 유로를 형성할 수 있다. 제2 냉각용 공기 유로(136)를 사행 유로로 형성하면 유동 거리가 길어진 만큼 열전달(냉각) 효과를 개선할 수 있으며, 또한 난류 발생이 촉진되어 그만큼 스플래시 플레이트(120) 내부에서의 열전달을 상승시키고 파일럿 연료의 미립화도 강화하게 된다.
도 10은 노즐 헤드(110)를 분사방향을 마주보는 방향에서 도시한 도면으로서, 메인 연료가 분사되는 불연속 오목면(123)인 스플래시 면(122)과, 이에 인접한 제1 냉각용 공기 유로(132)의 환형 출구가 잘 나타나 있다. 또한, 도 10에 나타난 것처럼, 스플래시 플레이트(120)의 반경 방향 내측면에 형성된 제1 냉각용 공기 유로(132)의 환형 출구에는 원주방향을 따라 복수 개의 냉각 핀(134)이 구비되어 열전달 면적 증가와 난류 형성에 의한 냉각 효과의 상승을 도모할 수 있다.
그리고, 도 7로 돌아가면, 스트럿(130)이 에어포일 단면(140) 형상을 가짐을 볼 수 있다. 에어포일 단면(140) 형상의 스트럿(130)은 연소용 공기 유로(126)를 지나는 공기의 흐름을 유연하게 만들어 준다.
이때, 에어포일 단면(140)의 최대 두께 위치(144)를 두 개의 오목면(123)이 연결되는 경계 영역에 있도록 할 수 있는데, 이를 통해 가장 좁은 영역에 분사된 메인 연료가 그 이후에 트레일링 에지(142)를 향해 좁아지는 에어포일 면을 따라 방해 없이 급격히 확산되도록 할 수 있다.
또한, 스트럿(130)의 트레일링 에지(142)는 스플래시 면(122)의 외곽에 다다르기 이전에 종결되도록 단축될 수 있으며, 이로써 분절된 불연속 오목면(123)으로 서로 분리 형성된 연료 필름이 연소기로 분사되기 직전에 서로 합류함으로써 스플래시 면(122) 외곽의 원주방향을 따라 연료 필름이 부족하거나 결여되는 희박 영역이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이는 연료의 균일한 분사, 이를 통한 균일한 공연비 형성이라는 측면에서 연소 환경 개선에 도움이 된다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 복수의 액체 연료 노즐(100)을 갖는 버너(1220), 버너(1220)의 일측에 결합하여 연료와 공기가 연소된 가스를 터빈(1300)으로 전달하는 덕트 조립체(1280)를 포함하는 가스 터빈 연소기(1200)를 제공한다. 가스 터빈 연소기(1200)의 제반 구성에 대해서는 상세한 설명의 앞 부분을 참고한다.
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.
100: 액체 연료 노즐 110: 노즐 헤드
112: 아우터 바디 114: 공기 유입구
116: 제1 접속면 118: 제2 접속면
120: 스플래시 플레이트 122: 스플래시 면
123: 불연속 오목면 124: 제3 접속면
126: 연소용 공기 유로 128: 파일럿 노즐 홀
130: 스트럿 132: 제1 냉각용 공기 유로
134: 냉각 핀 136: 제2 냉각용 공기 유로
140: 에어포일 단면 142: 트레일링 에지
144: 최대 두께 위치 150: 메인 노즐 홀
160: 외측 튜브 170: 제1 내측 튜브
180: 제2 내측 튜브

Claims (20)

  1. 공기 유입구를 구비하는 환형의 아우터 바디와, 상기 아우터 바디의 반경 방향 내측에 배치되는 원뿔 형태의 스플래시 플레이트와, 상기 아우터 바디와 스플래시 플레이트를 동심으로 연결하면서 그 사이에 연소용 공기 유로를 형성하도록 원주방향을 따라 분산 배치된 복수 개의 스트럿과, 상기 스플래시 플레이트를 향하도록 상기 아우터 바디의 내측과 상기 스플래시 플레이트의 외측 사이에 구비되는 복수 개의 메인 노즐 홀을 구비하는 노즐 헤드;
    상기 아우터 바디의 제1 접속면에 결합하는 외측 튜브;
    상기 외측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 아우터 바디의 제2 접속면에 결합하는 제1 내측 튜브; 및
    상기 제1 내측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 스플래시 플레이트의 제3 접속면에 결합하는 제2 내측 튜브;를 포함하고,
    상기 제1 내측 튜브 및 제2 내측 튜브 사이의 환형 공간은 상기 복수 개의 메인 노즐 홀에 연통하며, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 상기 복수 개의 스트럿 사이의 스플래시 면을 향하도록 배치되되 상기 스플래시 면은 상기 메인 노즐 홀에 대해 오목면을 형성하는 액체 연료 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스플래시 면은 상기 스트럿을 경계로 서로 분절된 복수 개의 불연속 오목면으로 이루어지고, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 대응하는 하나의 불연속 오목면을 향하는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각각의 불연속 오목면은 적어도 두 개 이상의 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면이 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면 중의 어느 인접한 두 개의 오목면은 상기 스트럿 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 메인 노즐 홀은 상기 스트럿 사이에서 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계선을 향하는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스트럿의 내부에는, 상기 공기 유입구와 상기 스플래시 플레이트의 반경 방향 내측면을 연통하는 제1 냉각용 공기 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스플래시 플레이트의 반경 방향 내측면에 형성된 상기 제1 냉각용 공기 유로의 환형 출구에는 원주방향을 따라 복수 개의 냉각 핀이 구비되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스트럿의 내부에는, 상기 제1 냉각용 공기 유로의 하류 측에 제2 냉각용 공기 유로가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 냉각용 공기 유로는 상기 스플래시 플레이트의 중심부에 구비된 파일럿 노즐 홀 주변으로 연통하는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 냉각용 공기 유로는 사행 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 스트럿은 에어포일 단면 형상을 가지고, 상기 에어포일 단면의 최대 두께 위치는 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스트럿의 트레일링 에지는 상기 스플래시 면의 외곽에 다다르기 이전에 종결되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 노즐.
  13. 연료와 공기를 분사하는 복수의 액체 연료 노즐을 갖는 버너, 상기 버너의 일측에 결합하여 상기 연료와 공기가 연소된 가스를 터빈으로 전달하는 덕트 조립체를 포함하는 가스 터빈 연소기에 있어서,
    상기 액체 연료 노즐은,
    공기 유입구를 구비하는 환형의 아우터 바디와, 상기 아우터 바디의 반경 방향 내측에 배치되는 원뿔 형태의 스플래시 플레이트와, 상기 아우터 바디와 스플래시 플레이트를 동심으로 연결하면서 그 사이에 연소용 공기 유로를 형성하도록 원주방향을 따라 분산 배치된 복수 개의 스트럿과, 상기 스플래시 플레이트를 향하도록 상기 아우터 바디의 내측과 상기 스플래시 플레이트의 외측 사이에 구비되는 복수 개의 메인 노즐 홀을 구비하는 노즐 헤드;
    상기 아우터 바디의 제1 접속면에 결합하는 외측 튜브;
    상기 외측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 아우터 바디의 제2 접속면에 결합하는 제1 내측 튜브; 및
    상기 제1 내측 튜브에 대해 반경 방향 내측으로 배치되고, 상기 스플래시 플레이트의 제3 접속면에 결합하는 제2 내측 튜브;를 포함하고,
    상기 제1 내측 튜브 및 제2 내측 튜브 사이의 환형 공간은 상기 복수 개의 메인 노즐 홀에 연통하며, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 상기 복수 개의 스트럿 사이의 스플래시 면을 향하도록 배치되되 상기 스플래시 면은 상기 메인 노즐 홀에 대해 오목면을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스플래시 면은 상기 스트럿을 경계로 서로 분절된 복수 개의 불연속 오목면으로 이루어지고, 상기 복수 개의 메인 노즐 홀은 각각 대응하는 하나의 불연속 오목면을 향하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 각각의 불연속 오목면은 적어도 두 개 이상의 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면이 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 서로 다른 곡률반경을 가진 오목면 중의 어느 인접한 두 개의 오목면은 상기 스트럿 사이에서 연결되고, 상기 각 메인 노즐 홀은 상기 스트럿 사이에서 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계선을 향하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 스트럿의 내부에는, 상기 공기 유입구와 상기 스플래시 플레이트의 반경 방향 내측면을 연통하는 제1 냉각용 공기 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스트럿의 내부에는, 상기 제1 냉각용 공기 유로의 하류 측에 제2 냉각용 공기 유로가 더 형성되고, 상기 제2 냉각용 공기 유로는 상기 스플래시 플레이트의 중심부에 구비된 파일럿 노즐 홀 주변으로 연통하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 스트럿은 에어포일 단면 형상을 가지고, 상기 에어포일 단면의 최대 두께 위치는 상기 두 개의 오목면이 연결되는 경계 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 스트럿의 트레일링 에지는 상기 스플래시 면의 외곽에 다다르기 이전에 종결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 연소기.
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WO2011104304A2 (fr) * 2010-02-26 2011-09-01 Snecma Systeme d'injection pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant des moyens d'injection d'air ameliorant le melange air-carburant
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