KR102099300B1 - 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너 - Google Patents

스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너에 관한 것으로, 상세히는 연소 노즐 및 상기 연소 노즐의 원주열을 따라 다수 형성된 스월러를 감싸는 슈라우드에 적용되는 구조로서, 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성됨으로써, 예혼합 연소를 위해 제공되는 압축공기 및 연료의 믹싱 효과를 극대화하고, 플레임 홀딩을 보강하여 슈라우드 내부로의 인입을 차단할 수 있는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너에 관한 것이다.

Description

스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너{SHROUD STRUCTURE FOR ENHANCING SWOZZLE FLOWS AND A BURNER INSTALLED ON GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세히는 가스 터빈용 연소기의 버너에 적용되는 슈라우드 구조에 관한 것이다.
가스 터빈용 연소기는, 압축기 및 터빈 사이에 구비되어 압축기에서 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 연소가스의 열에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 터빈에 보내는 역할을 수행한다.
이를 위하여 연소기는 압축기로부터 제공되는 압축 공기를 연소기 케이싱 내부에서 연료와 혼합시켜 라이너 내부의 연소실에서 점화 및 연소시키는 구조를 취하고 있다. 구체적으로, 연소기의 관 조립체의 외면을 따라 흘러 들어온 압축 공기는 연소 노즐 쪽으로 공급되어 환형의 연소기 케이싱 내부로 진입하면서 연료와의 혼합되기 시작되는데, 이는 독립된 루트를 통하여 연료가 제공되는 각 연료주입부에서 공기의 흐름에 따라 순차적으로 주입되는 과정을 거친다(도 2 참조). 이러한 예혼합 공기의 흐름은 연소기 버너에 적용되는 슈라우드의 형상 및 구조와 밀접한 관련이 있다.
그런데 종래의 슈라우드 구조에 의하면, 이러한 예혼합 공기의 형성 과정은 단순한 유동 루트로 인하여 효율적인 연소를 위한 연료 및 압축공기간의 실질적인 혼합율에 미치지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있었다.
또한, 종래처럼 슈라우드 내부의 스월러를 통과한 유동에 의해 발휘되는 와류로 인한 플레임 홀딩은 실질적으로 역류를 차단할 수 있을 만큼 충분한 지지력을 갖추지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있었다.
미국 등록특허공보 제8,024,932호(명칭 : SYSTEM AND METHOD FOR A COMBUSTOR NOZZLE)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 예혼합 연소를 위해 제공되는 압축공기 및 연료의 믹싱 효과를 극대화하고, 플레임 홀딩을 보강하여 슈라우드 내부로의 인입을 차단할 수 있는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 가스 터빈용 연소기 버너를 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조는, 연소 노즐 및 상기 연소 노즐의 원주열을 따라 다수 형성된 스월러를 감싸는 슈라우드에 적용되는 구조로서, 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 슈라우드 외주면의 원주열을 따라 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 원주열에 있어서 연소기 케이싱의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드 외주면에만 배치되는 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀에는 상기 인입홀 주변에 흐르는 일정영역의 압축 공기를 상기 인입홀을 관통하여 흐르도록 포집수단이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포집수단은 스쿠프로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포집수단은 인입홀로 형성될 슈라우드 외주면의 일부가 펀칭처리되어 외측으로 벌어지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 적어도 2개 이상의 원주열에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 원주열 및 제2 원주열에 배치된 인입홀은 원주열 상에서 엇갈리도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조를 적용한 버너는, 연소기를 구성하는 버너로서, 압축 공기와 혼합되도록 연료를 분사하는 연소 노즐, 상기 연소 노즐의 원주방향을 따라 형성된 다수의 스월러 및 상기 연소 노즐을 감싸면서, 상기 스월러를 내측에 구비하여 예혼합 공기의 스워즐 유동을 형성하도록 내부 공간이 마련된 슈라우드를 포함하되, 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 슈라우드 외주면의 원주열을 따라 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 원주열에 있어서 연소기 케이싱의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드 외주면에만 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조를 적용한 버너 어셈블리는, 환형을 이루는 연소기 케이싱을 따라 복수의 버너가 배치된 버너 어셈블리로서, 상기 각 버너는, 압축 공기와 혼합되도록 연료를 분사하는 연소 노즐, 상기 연소 노즐의 원주방향을 따라 형성된 다수의 스월러 및 상기 연소 노즐을 감싸면서, 상기 스월러를 내측에 구비하여 예혼합 공기의 스워즐 유동을 형성하도록 내부 공간이 마련된 슈라우드를 포함하되, 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소기 케이싱의 내부 중심에는 센터 버너가 구비되고, 상기 센터 버너의 주변을 따라 복수의 보조 버너가 구비되되, 상기 인입홀은 상기 보조 버너의 슈라우드 외주면에만 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 연소기 케이싱과 마주하는 버너의 슈라우드 외주면에만 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 각 버너의 슈라우드 외주면의 원주열을 따라 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입홀은 상기 연소기 케이싱과 마주하는 버너의 슈라우드 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 슈라우드 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 슈라우드 구조를 버너 및 이를 포함한 가스 터빈의 연소기에 적용함으로써, 예혼합 연소를 위해 제공되는 압축공기 및 연료의 믹싱 효과를 극대화하고, 슈라우드 내부의 공기막을 보강하여 플레임 역류를 효과적으로 차단하는 이점이 있다.
또한, 예혼합 공기가 통과하는 슈라우드 내부에 최적화된 유량의 순수 압축공기를 인입시킴으로써 질소산화물 등을 저감시켜 배출가스의 건전성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 가스 터빈의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 가스 터빈의 연소기 및 버너에서 예혼합 공기의 흐름을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조에 따른 일 실시예를 전체적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3인 슈라우드 구조에 따른 단면 및 예혼합 공기의 흐름을 설명한 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명인 슈라우드 구조에 형성된 인입홀 및 포집수단의 실시예들을 나타낸 것이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조에 따른 다른 실시예들을 전체적으로 도시한 도면이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 도 6의 슈라우드 구조에 따른 단면을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조가 적용된 버너 어셈블리의 종단면을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부여할 것이며, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.
그리고, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되면서 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고도 이해되어야 할 것이다.
가스 터빈의 열역학적 사이클은 이상적으로는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따른다. 브레이튼 사이클은 등엔트로피 압축(단열 압축), 정압 급열, 등엔트로피 팽창(단열 팽창), 정압 방열로 이어지는 4가지 과정으로 구성된다. 즉, 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출한다. 즉, 압축, 가열, 팽창, 방열의 4 과정으로 사이클이 이루어진다.
위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈은 압축기와 연소기, 터빈을 포함한다. 도 1은 가스 터빈(1000)의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 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.
가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분이며, 연소기(1200)에 연소용 공기를 공급하는 한편 가스 터빈(1000)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급하는 것이 주된 역할이다. 흡입된 공기는 압축기(1100)에서 단열압축 과정을 거치게 되므로, 압축기(1100)를 통과하는 공기의 압력과 온도는 올라가게 된다.
가스 터빈(1000)에 포함되는 압축기(1100)는 보통 원심 압축기(centrifugal compressors)나 축류 압축기(axial compressor)로 설계되는데, 소형 가스 터빈에서는 원심 압축기가 적용되는 반면, 도 1에 도시된 대형 가스 터빈(1000)은 대량의 공기를 압축해야 하기 때문에 다단 축류 압축기(1100)가 적용되는 것이 일반적이다. 압축기(1100)의 회전축과 터빈(1300)의 회전축은 직결되어 있고, 따라서 압축기(1100)는 터빈(1300)에서 출력되는 동력의 일부를 사용하여 구동된다.
그리고, 연소기(1200)는 압축기(1100)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들어 낸다. 도 2는 가스 터빈(1000)에 구비되는 연소기(1200)의 일례를 보여준다. 연소기(1200)는 압축기(1100)의 하류에 배치되며, 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 복수 개의 버너(1220)가 배치된다. 각 버너(1220)에는 수 개의 연소 노즐(1230)이 구비되며, 이 연소 노즐(1230)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 있는데, 일산화탄소와 질소산화물 등의 배출량에 대해서는 엄격한 규제가 따른다.
가스 터빈(1000)에서 일어나는 연소의 종류는 크게 확산 연소와 예혼합 연소로 나눌 수 있다. 확산 연소는 연료만 연소 노즐(1230)로부터 분사시키면서 연소에 필요한 공기는 화염 주변에서 확산에 의해 도입하여 공기와 연료를 서서히 혼합시키면서 연소하는 방식이다. 확산 연소는 연소속도가 느리고 화염 온도가 낮지만, 플래시 백(역화)의 위험이 없고 연소 제어가 용이하여 안정적으로 연소를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 예혼합 연소는 연료와 공기를 미리 혼합한 후 연소 노즐(1230)을 통해 분사하여 연소하는 방식이다. 예혼합 연소는 확산 연소와는 반대의 특성을 가진다.
일산화탄소와 질소산화물 등의 배출가스 양을 저감하기 위한 연소 환경을 만드는 것이 중요한데, 연소 제어가 상대적으로 어렵기는 하지만 연소온도를 균일하게 만듦으로써 질소산화물이 발생하는 국부적인 고온 영역을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 배기가스 규제 중 가장 달성하기 어려운 것이 질소산화물이기 때문에 근래에는 예혼합 연소가 많이 적용된다.
공기와 연료의 예혼합을 촉진하기 위하여 연소 노즐(1230) 주변에 스월러를 설치하는 기술이 공지되어 있으며, 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지고 이후 연소가 안정되면 연료와 공기의 혼합기를 공급하는 것으로 연소가 유지된다.
연소기(1200)는 가스 터빈(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 도 2를 참조하면, 버너(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 고온의 연소가스가 유동하는 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270)로 이루어진 관 조립체의 외면을 따라 압축 공기가 흘러서 연소 노즐(1230) 쪽으로 공급되는 유로를 확인할 수 있다. 압축 공기가 관 조립체의 외면을 따라 이동하는 과정 중에 고온의 연소가스에 의해 가열된 덕트 조립체가 적절히 냉각된다.
연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체를 통해 터빈(1300)에 공급된다. 터빈(1300)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 터빈(1300)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 터빈(1300)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기(1100)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
가스 터빈(1000)은 주요 구성부품이 왕복운동을 하지 않기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복운동 기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
그리고, 브레이튼 사이클에서의 열효율은 공기를 압축하는 압축비가 높을수록, 그리고 등엔트로피 팽창 과정으로 유입되는 연소가스의 온도(터빈 입구 온도)가 높을수록 올라가기 때문에 가스 터빈(1000)도 압축비와 터빈(1300) 입구에서의 온도를 올리는 방향으로 발전하고 있다.
이하 도 2 내지 도 8을 참조하여, 상기 가스 터빈(1000)의 연소기(1200) 및 버너(1220)에 적용되는 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 가스 터빈의 연소기 및 버너에서 예혼합 공기의 흐름을 설명한 도면이다.
앞서 설명한 것처럼, 연소기(1200)는 압축기(1100)로부터 제공되는 압축 공기를 연료와 연소기 케이싱(1210) 및 버너(1220) 영역에서 혼합시켜 예혼합 공기를 형성하여 라이너(1240) 내부인 연소실(1240)에서 점화 및 연소시키는 구조를 취하고 있다. 구체적으로 도 2를 참조하면, 덕트 조립체를 이루는 라이너(1250) 및 유동 슬리브(1270)의 이중 구조 내 공간부를 따라 이동하던 압축 공기(A)는 환형의 연소기 케이싱(1210) 내부로 진입하면서 연료(F)와의 믹싱(Mixing)이 시작되는데, 이는 독립된 루트를 통하여 제1 연료(F1) 및 제2 연료(F2)가 차례대로 주입되는 과정을 거친다. 자세히는, 제1 연료(F1)는 케이싱(1210) 내주면과 마주하는 슈라우드(100) 외주면 사이에서 분사되고, 제2 연료(F2)는 슈라우드(100) 내부에서 분사된다.
하지만, 이러한 예혼합 공기의 형성 과정은 단순한 유동 루트로 인하여 효율적인 연소를 위한 연료(F) 및 압축공기(A)간의 실질적인 혼합율에 미치지 못하는 경우가 발생하였으며, 종래처럼 슈라우드(100) 내부의 스월러를 통과한 유동에 의해 발휘되는 와류로 인한 플레임 홀딩은 실질적으로 역류를 차단할 수 있을 만큼 충분한 지지력을 갖추지 못하는 경우가 발생하기도 하였다.
이를 위하여, 본 발명은 앞서 설명한 문제들을 개선하기 위하여 압축 공기 및 예혼합 공기의 유동과 밀접한 관련이 있는 슈라우드 구조를 개선하여 새로운 스워즐 유동을 제안하고자 한다.
도 3은 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조에 따른 일 실시예를 전체적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3인 슈라우드 구조에 따른 단면 및 예혼합 공기의 흐름을 설명한 도면이다.
이를 참조하면, 연소기(1200)의 버너(1220)는 연소 노즐(1230), 스월러(1231) 및 슈라우드(100)로 구성되는데, 구체적으로 상기 연소 노즐(1230)은 압축 공기(A)와 혼합되도록 연료를 분사하도록 관 형상으로 구비되고, 상기 스월러(1231)는 상기 연소 노즐(1230)의 원주방향을 따라 다수가 형성되며, 상기 슈라우드(100)는 상기 연소 노즐(1230)을 감싸면서, 상기 스월러(1231)를 내측에 구비하여 예혼합 공기의 스워즐 유동을 형성하도록 내부 공간이 마련된다.
본 발명인 슈라우드(100)의 구조는 이처럼 연소기(1200)를 구성하는 단일 버너(1220)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 연소 노즐(1230) 및 상기 연소 노즐(1230)의 원주열을 따라 다수 형성된 스월러(1231)를 감싸는 슈라우드(100)에 적용되는 구조이면 족하므로, 슈라우드(100)는 단일 부재로 제작된 구조에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 연소 노즐(1230)을 감싸는 외주면의 일부는 상기 스월러(1231)와 결합된 협의의 슈라우드로 형성되면서 나머지 부분의 연소 노즐(1230)을 감싸는 외주면은 복수의 버너(1220)가 연소실(1240) 전단에 끼워지도록 구비되는 노즐캡 어셈블리(도면 미도시)의 일부로 형성되는 경우와 같이 슈라우드(100) 구조는 다수의 부재가 이어지도록 조립된 구조도 포함한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 슈라우드(100)의 외주면에 인입홀(200)이 형성되되, 상기 인입홀(200)은 케이싱(1210) 내주면에 구비된 제1 연료주입부(1211)와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열(RY) 이전에 형성되고, 상기 인입홀(200)로 유도되는 압축 공기(A1)는 슈라우드(100) 내부에서 상기 스월러(1231)에 구비된 제2 연료주입부(1232) 영역에 배출되도록 형성됨으로써, 상기 슈라우드(100)의 외부로 흐르는 압축 공기(A1)가 제1 연료(F1)와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드(100) 내부로 인입하여 예혼합 공기(A2, A3)과 믹스될 수 있게 된다. 즉, 상기 인입홀(200)은 버너(1220)로 흘러들어온 압축 공기(A1)가 예혼합 공기(A2, A3)로 변환되기 이전 단계에서 슈라우드(100) 내측으로 유도하는 역할을 수행한다.
한편, 본 명세서에서 '이전' 및 '이후'의 의미는 압축 공기 흐름을 기준으로 정해진다. 즉, 어떤 지점 이전의 의미는, 압축 공기가 흐르는 방향을 기준으로 이전 영역을 의미하고, 예를 들어 슈라우드(100) 외주면의 어느 원주열을 기준으로 이전이라 함은, 압축 공기가 흐르는 상류영역을 의미하고(도 4에서 우측 영역), 슈라우드 내주면의 어느 원주열을 기준으로 이후라 함은, 예혼합 공기가 흐르는 하류영역을 의미한다(도 4에서 우측 영역).
또한, 상기 인입홀(200)은 상기 슈라우드 외주면의 원주열(R)을 따라 이격되어 배치될 수 있다. 상기 원주열(R)은 프리믹스(Pre-mix) 단계 이전의 순수 압축공기와 접하도록 제1 연료주입부(1211)와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열(RY) 이전에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 인입홀(200)은 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열(RX) 이전에 형성될 수 있는데, 다시 말하면 상기 인입홀(200)은 제1 연료주입부(1210)와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열(RY) 이전이면서, 스월러(1231)가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열(RX) 이후에 형성될 수 있다.
이에 따라, 연소기 케이싱(1210)으로 흘러 들어온 압축 공기(A)는, 순수한 압축 공기(A1)로서 그 일부가 인입홀(200)로 관통하여 슈라우드(100) 내부로 향하되, 나머지는 제1 연료주입부(1231)가 위치한 영역으로 이동하여 제1 연료(F1)와 혼합되고, 이러한 예혼합 공기(A2)는 슈라우드 주입부(110)를 돌아 슈라우드(100)의 내부로 진입하여 스월러(1231)를 통과하면서 제2 연료주입부(1232)에 의해 주입되는 제2 연료(F2)와 혼합되어 연료 혼합도가 상승된 예혼합 공기(A3)가 형성된 상태에서 상기 인입홀(200)을 통하여 인입된 순수 압축공기(A1)와 추가적 믹싱이 진행됨으로써, 점화 및 연소에 최적화된 혼합율을 지닌 예혼합 가스가 연소실(1240)로 배출되면서 고압의 보강된 와류를 형성하여 플레임 홀딩의 지속성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 최초 인입되는 압축공기(A1)의 분포와 포집률을 고려하여 상기 인입홀(200)은 상기 원주열(R)에 있어서 연소기 케이싱(1210)의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드(100) 외주면에만 배치되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 인입홀은 상기 슈라우드(100)의 외부로 흐르는 압축 공기(A1) 유량의 10% 내지 20%가 내부로 인입되도록 원주열(R)을 따라 배치될 수 있다.
이는, 상기 인입홀(200)로 인입되는 유량이 상기 슈라우드(100)의 외부의 압축 공기(A1) 유량의 10%보다 적을 경우, 순수 압축공기(A1)가 스월러(1231)에 구비된 제2 연료주입부(1232) 영역에 배출되는 유량이 극히 적어 실질적으로 종래의 슈라우드(100) 구조가 적용된 버너(1220)의 불충분한 믹싱 및 플레임 역류 문제를 극복하는데 한계가 있다.
반면, 상기 인입홀(200)로 인입되는 유량이 상기 슈라우드(100)의 외부의 압축 공기(A1) 유량의 20%보다 적을 경우, 제1 연료(F1) 및 제2 연료(F2)와 프리믹스되어야 할 선회하는 압축 공기(A)가 부족하여 실질적인 혼합율 감소로 이어질 수 있게 된다.
한편, 도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명인 슈라우드 구조에 형성된 인입홀 및 포집수단의 실시예들을 나타낸 것이다.
이를 참조하면, 상기 인입홀(200)에는 포집수단(201)이 형성됨으로써, 상기 인입홀(200) 주변에 흐르는 일정영역의 압축 공기를 상기 인입홀(200)을 관통하여 흐르도록 인위적으로 조절할 수 있게 된다.
도 5의 (a)를 참조하면, 상기 포집수단은 스쿠프(201a)로 구성될 수 있다. 상기 스쿠프(201a)의 일 실시예로, 상기 인입홀(202b)이 형성된 가장자리에 근접하여 돌출 형성되도록 곡선의 융착부가 구비되되, 상기 융착부로부터 소정의 인입직경을 가지면서 곡면으로 형성된 덮개부가 구비되고, 상기 덮개부의 내부에는 냉각용 압축공기의 유입방향을 향한 개구부를 지닌 포집부가 마련되도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 스쿠프(201a)로 감싸여진 인입홀(202b)은 슈라우드(100) 외벽을 관통하도록 직선 또는 사선으로 형성될 수 있다.
또한, 도 5의 (b)를 참조하면, 상기 포집수단은 인입홀(202b)로 형성될 슈라우드 외주면의 일부(201b)가 펀칭처리되어 외측으로 벌어지도록 구성될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 포집수단(201)을 별도로 제작하여 상기 인입홀(200)이 위치한 슈라우드(100)의 외주면을 따라 용접하는 공정 수요가 절감되어 시간 및 비용이 절감될 수 있다.
나아가, 상기 인입홀(200)에는 슈라우드(100) 내측으로 돌출되면서 직경을 좁히도록 형성된 유량조절수단이 더 형성될 수 있다. 상기 유량조절수단은 내부에 슬롯 또는 오리피스를 구비함으로써 인입홀(200)의 직경과 상관없이 독립적으로 유량을 조절할 수 있게 된다. 상기 유량조절수단은 상기 실시예로 한정되는 것이 아님은 물론이고, 홀 직경을 좁힐 수 있는 관 형상의 금속부재이면 족하다.
도 6의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조에 따른 다른 실시예들을 전체적으로 도시한 도면이고, 도 7의 (a) 및 (b)는 각각 도 6의 슈라우드 구조에 따른 단면을 도시한 도면이다.
이를 참조하면, 상기 인입홀은 적어도 2개 이상의 원주열(R)에 배치될 수 있다. 이는, 다양한 버너(1220) 또는 슈라우드(100) 제품에 따라 축방향 길이, 직경 및 단일부재로 구성된 것인지 여부 등이 달라지는데, 그럼에도 적절한 유량의 압축 공기(A)가 슈라우드(100) 내부로 인입되도록 본 발명의 슈라우드 구조에 있어 그 호환성을 확보하기 위함이다. 도 6에서는, 적절한 인입 유량을 확보하기 위하여 인입홀(200)이 배치된 원주열(R)을 부가함에 있어 다양한 실시예들을 보여준다.
일 실시예에 따르면(도 6의 (a) 참조), 인입홀(210, 220)이 배치된 2개의 원주열(R1, R2)은 스월러(1231)가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열(RX) 이전에 축방향을 따라 이격되도록 배치될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면(도 6의 (b) 참조), 부가되는 원주열(300)은 제1 연료주입부(1211)와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열(RY) 이전이면서, 스월러(1231)가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열(RX) 이후의 영역으로 특정될 수 있다.
이처럼 인입홀이 형성된 원주열의 개수 및 배치를 포함하여, 인입홀의 직경, 원주열 내에서의 인입홀의 분포 등은 다양한 슈라우드(100) 제품 또는 종류에 따른 구조 또는 형상의 상대성을 고려하면서 적절한 인입 유량, 예를 들면 슈라우드(100)의 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%로 한정되도록 변경될 수 있다.
또한, 2개 이상의 원주열을 배치하더라도, 제1 원주열(R1) 및 제2 원주열(R2)에 배치된 인입홀(200)은 원주열 상에서 엇갈리도록 배치됨으로써, 인입 유량을 적절히 끌어올릴 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명인 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조가 적용된 버너 어셈블리의 종단면을 도시한 도면이다.
앞서 설명한 것처럼, 복수의 버너(1220)는 환형을 이루는 연소기 케이싱(1210)을 따라 내부에 배치되는 버너 어셈블리(400)를 형성한다. 구체적으로, 상기 연소기 케이싱(1210)의 내부 중심에는 센터 버너(1220a)가 구비되고, 상기 센터 버너(1220a)의 주변을 따라 복수의 보조 버너(1220b)가 구비될 수 있으며, 복수의 보조 버너(1220b)의 개수 및 직경의 상대성은 유량 및 스워즐 유동의 속도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 인입홀(200)은 상기 보조 버너(1220b)의 슈라우드 외주면에만 형성되되, 상기 인입홀(200)이 형성된 슈라우드(100) 구조는, 상기 슈라우드(100)의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료(F)와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드(100) 내부로 인입되도록 상기 슈라우드(100)의 외주면에 인입홀(200)이 형성되되, 상기 인입홀(200)은 케이싱(1210) 내주면에 구비된 제1 연료주입부(1211)와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀(200)로 유도되는 압축 공기는 슈라우드(100) 내부에서 상기 스월러(1231)에 구비된 제2 연료주입부(!232) 영역에 배출되도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 최초 연소기 케이싱(1210) 내부로 인입되는 압축공기(A)의 분포와 포집률을 고려하고, 동시에 전체 인입되는 압축 공기 유량과 대비하여 복수의 버너(1220) 내부로 인입되는 압축 공기 유량의 총합이 실질적인 연소에 최적화된 비율, 예를 들면 10% 내지 20%로 한정되도록 구성할 수 있게 된다.
나아가, 버너 어셈블리의 전체 구조 및 복합적인 스워즐 유동을 기초로 효과적인 연소를 위한 실질적인 믹싱 효과 증진 및 플레임 홀딩의 보강을 구현하기 위해서는, 상기 원주열(R)을 따라 이격되어 배치되는 인입홀(200)은 상기 연소기 케이싱(1210)과 마주하는 버너의 슈라우드(100) 외주면에만 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 연소기 케이싱(1210)과 마주하는 버너의 슈라우드 외주면 영역으로서, 1/2 원주면 영역에만 특정되어 배치될 수 있다.
이처럼, 본 발명인 슈라우드 구조를 연소기 버너 및 이를 포함한 가스 터빈에 적용함으로써, 예혼합 연소를 위해 제공되는 압축공기 및 연료의 믹싱 효과를 극대화하고, 슈라우드 내부의 공기막을 보강하여 플래시 백(역화)을 더욱 안정적으로 억제시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 예혼합 공기가 통과하는 슈라우드 내부에 최적화된 유량의 순수 압축공기를 인입시킴으로써, 질소산화물 등을 저감시켜 가스 터빈에 있어 배출가스의 건전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 의한 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조 및 이를 적용한 연소기 버너에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다.
100 : 슈라우드 200, 300 : 인입홀
201 : 포집수단 400 : 버너 어셈블리
1000 : 가스 터빈 1200 : 연소기
1210 : 케이싱 1210 : 제1 연료주입부
1220 : 버너 1230 : 연소 노즐
1231 : 스월러 1232 : 제2 연료주입부
1250 : 라이너 A1 : 압축 공기,
A2, A3 : 예혼합 공기 F1 : 제1 연료
F2 : 제2 연료 R : 원주열

Claims (20)

  1. 연소 노즐 및 상기 연소 노즐의 원주열을 따라 다수 형성된 스월러를 감싸는 슈라우드에 적용되는 구조로서:
    상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되고,
    상기 인입홀은 상기 슈라우드 외주면의 적어도 2개 이상의 원주열을 따라 서로 이격되게 복수 개가 배치되며,
    제1 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되는 한편 제2 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이후에 형성되고,
    상기 인입홀은 상기 원주열에 있어서 연소기 케이싱의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드 외주면의 1/2 원주면 영역에만 배치되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인입홀은 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인입홀에는 상기 인입홀 주변에 흐르는 일정영역의 압축 공기를 상기 인입홀을 관통하여 흐르도록 포집수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포집수단은 스쿠프로 구성되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 포집수단은 인입홀로 형성될 슈라우드 외주면의 일부가 펀칭처리되어 외측으로 벌어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 연소기를 구성하는 버너로서:
    압축 공기와 혼합되도록 연료를 분사하는 연소 노즐;
    상기 연소 노즐의 원주방향을 따라 형성된 다수의 스월러; 및
    상기 연소 노즐을 감싸면서, 상기 스월러를 내측에 구비하여 예혼합 공기의 스워즐 유동을 형성하도록 내부 공간이 마련된 슈라우드를 포함하되,
    상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되고,
    상기 인입홀은 상기 슈라우드 외주면의 적어도 2개 이상의 원주열을 따라 서로 이격되게 복수 개가 배치되며,
    제1 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되는 한편 제2 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이후에 형성되고,
    상기 인입홀은 상기 원주열에 있어서 연소기 케이싱의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드 외주면의 1/2 원주면 영역에만 배치되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조를 적용한 버너.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 인입홀은 상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 스워즐 유동을 개선하는 슈라우드 구조를 적용한 버너.
  15. 삭제
  16. 환형을 이루는 연소기 케이싱을 따라 복수의 버너가 배치된 버너 어셈블리로서:
    상기 각 버너는,
    압축 공기와 혼합되도록 연료를 분사하는 연소 노즐;
    상기 연소 노즐의 원주방향을 따라 형성된 다수의 스월러; 및
    상기 연소 노즐을 감싸면서, 상기 스월러를 내측에 구비하여 예혼합 공기의 스워즐 유동을 형성하도록 내부 공간이 마련된 슈라우드를 포함하되,
    상기 슈라우드의 외부로 흐르는 압축 공기가 연료와 믹싱되기 전에 상기 슈라우드 내부로 인입되도록 상기 슈라우드의 외주면에 인입홀이 형성되되, 상기 인입홀은 케이싱 내주면에 구비된 제1 연료주입부와 마주하는 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되고, 상기 인입홀로 유도되는 압축 공기는 슈라우드 내부에서 상기 스월러에 구비된 제2 연료주입부 영역에 배출되도록 형성되고,
    상기 인입홀은 상기 슈라우드 외주면의 적어도 2개 이상의 원주열을 따라 서로 이격되게 복수 개가 배치되며,
    제1 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이전에 형성되는 한편 제2 원주열을 따라 배치된 인입홀은 상기 스월러가 형성된 슈라우드 외주면의 원주열 이후에 형성되고,
    상기 연소기 케이싱의 내부 중심에는 센터 버너가 구비되고, 상기 센터 버너의 주변을 따라 복수의 보조 버너가 구비되되 상기 인입홀은 상기 보조 버너의 슈라우드 외주면에만 형성되며,
    상기 인입홀은 상기 원주열에 있어서 연소기 케이싱의 내주면과 마주하는 상기 슈라우드 외주면의 1/2 원주면 영역에만 배치되는 것을 특징으로 하는 버너 어셈블리.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제16항에 있어서,
    상기 인입홀은 상기 연소기 케이싱과 마주하는 버너의 슈라우드 외부로 흐르는 압축 공기 유량의 10% 내지 20%가 슈라우드 내부로 인입되도록 원주열을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 버너 어셈블리.
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