KR102109082B1 - 가스 터빈의 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 가스 터빈의 연소기는, 연료와 공기를 혼합하여 분사하는 노즐과, 상기 노즐에서 분사된 혼합 가스가 연소되는 연소 챔버를 포함하고, 상기 노즐의 반경 방향 외측에는 연료 공급부가 결합하되, 상기 연료 공급부와 상기 노즐 사이에 위치하여, 상기 연료 공급부에서 상기 노즐로 전달되는 연료의 유동 경로를 사행하게 유도하는, 연료 컨디셔너를 포함한다. 이에 의하여, 균일한 연료 공급 및 분사가 이루어질 수 있다.

Description

가스 터빈의 연소기{GAS TURBINE COMBUSTOR}

본 발명은, 가스 터빈의 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐에 공급되는 연료의 경로에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.

이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.

이 중, 가스 터빈은 압축기, 연소기. 터빈을 포함한다.

상기 압축기는 서로 교대로 배치되는 복수의 압축기 베인과 복수의 압축기 블레이드를 포함하며, 공기를 압축하여 상기 연소기로 보낸다.

상기 연소기는 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 공급하여 점화함으로써 고온, 고압의 연소 가스를 생성한다.

상기 터빈은 서로 교대로 배치되는 복수의 터빈 베인과 복수의 터빈 블레이드를 포함하며, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 발생시킨다.

이때, 대형 가스 터빈에서는 상기 연소기가 복수로 형성될 수 있고, 복수의 상기 연소기는 가스 터빈의 축을 중심으로 환형으로 배열될 수 있다.

그리고, 상기 연소기는 연료를 분사하는 노즐을 포함한다. 상기 노즐에서는 연료와 공기가 각각 공급되어 미리 혼합되어 분사할 수 있다.

상기 노즐에는 연료와 공기의 혼합을 촉진하기 위한 복수의 스월러가 구비될 수 있고, 상기 스월러에 복수의 연료 분사구가 형성되는 구조가 알려져 있다.

그러나, 이러한 종래의 가스 터빈의 연소기에 있어서는, 복수의 상기 연료 분사구 각각에서 분사되는 연료의 유량 또는 압력이 균일하지 못해, 연료와 공기와 적절하게 혼합되지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 연료를 균일하게 분사할 수 있는 가스 터빈의 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연료 공급 경로를 변경함으로써 가스 터빈 연소기 노즐에 연료를 균일하게 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 연료와 공기를 혼합하여 분사하는 노즐과, 상기 노즐에서 분사된 혼합 가스가 연소되는 연소 챔버를 포함하는 연소기에 있어서, 상기 노즐의 반경 방향 외측에는 연료 공급부가 결합하되, 상기 연료 공급부와 상기 노즐 사이에 위치하여, 상기 연료 공급부에서 상기 노즐로 전달되는 연료의 유동 경로를 사행하게 유도하는, 연료 컨디셔너를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기를 제공한다.

상기 연료 컨디셔너는, 상기 노즐의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다.

상기 연소기는, 상기 노즐이 삽입되기 위한 개구가 형성되는 노즐 케이싱을 포함하고, 상기 노즐은, 외관을 형성하는 원통형의 아우터 튜브를 포함하며, 상기 연료 공급부는 상기 노즐 케이싱의 외주면에 결합할 수 있다.

상기 연료 컨디셔너는, 상기 노즐 케이싱의 일측 내면에서부터 타측을 향하여 연장되고, 상기 연료 컨디셔너와 상기 노즐은 서로 이격되어, 연료가 유동할 수 있는 제1 공간이 형성될 수 있다.

상기 연료 컨디셔너는, 타측 단부에서 상기 아우터 튜브를 향하여 절곡 연장되는 연장부를 더 포함할 수 있다.

상기 연장부는, 상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.

상기 연장부는, 일부가 상기 아우터 튜브까지 연장되며, 상기 아우터 튜브까지 연장되지 않은 부분으로 제2 공간이 형성되어, 상기 제2 공간으로 연료가 유동할 수 있다.

상기 제2 공간은 복수 개가 상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 서로 이격되도록 형성될 수 있다.

복수의 상기 제2 공간은 일정한 간격으로 이격될 수 있다.

상기 연장부는, 상기 아우터 튜브까지 연장되되, 일부 구간에서는, 상기 아우터 튜브와 상기 연료 컨디셔너 사이에, 연료가 유동할 수 있는 제3 공간이 형성될 수 있다.

상기 제3 공간은 상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 복수로 형성될 수 있다.

복수의 상기 제3 공간은 일정한 간격으로 이격될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 연료와 공기를 혼합하여 분사하는 노즐; 및 상기 노즐에서 분사된 혼합 가스가 연소되는 연소 챔버;를 포함하며, 상기 노즐의 반경 방향 외측에는 연료 공급부가 결합하되, 상기 연료 공급부와 상기 노즐 사이에 위치하여, 상기 연료 공급부에서 상기 노즐로 전달되는 연료의 유동 경로를 사행하게 유도하는, 연료 컨디셔너를 포함하는 연소기를 적어도 하나 포함하는 가스 터빈을 제공한다.

상기 연소기는, 상기 노즐이 삽입되기 위한 개구가 형성되는 노즐 케이싱을 포함하고, 상기 노즐은, 외관을 형성하는 원통형의 아우터 튜브를 포함하며, 상기 연료 공급부는 상기 노즐 케이싱의 외주면에 결합할 수 있다.

상기 연료 컨디셔너는, 상기 노즐 케이싱의 일측 내면에서부터 타측을 향하여 연장되고, 상기 연료 컨디셔너와 상기 노즐은 서로 이격되어, 연료가 유동할 수 있는 제1 공간이 형성될 수 있다.

상기 연료 컨디셔너는, 타측 단부에서 상기 아우터 튜브를 향하여 절곡 연장되는 연장부를 더 포함할 수 있다.

상기 연장부는, 일부가 상기 아우터 튜브까지 연장되며, 상기 아우터 튜브까지 연장되지 않은 부분으로 제2 공간이 형성되어, 상기 제2 공간으로 연료가 유동할 수 있다.

상기 연장부는, 상기 아우터 튜브까지 연장되되, 일부 구간에서는, 상기 아우터 튜브와 상기 연료 컨디셔너 사이에, 연료가 유동할 수 있는 제3 공간이 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 가스 터빈의 연소기는, 연료 컨디셔너가 구비됨으로써 사행 유로를 형성하여 균일한 연료 공급 및 분사가 이루어질 수 있다.

또한, 노즐의 주변부로부터 연료가 공급되도록 함으로써 연료 공급 경로를 단순화할 수 있다. 따라서 연료의 누설이 최소화된다.

도 1은 가스 터빈의 전체적인 구조를 도시한 도면,
도 2는 가스 터빈의 연소기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 연소기 노즐부를 도시한 절개 사시도,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 터빈의 연소기 노즐부를 일측에서 바라본 도면,
도 5는 도 3의 단면 일부를 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 도 3의 스월러를 도시한 사시도,
도 7은 도 3의 플레이트를 도시한 사시도,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 노즐 케이싱을 도시한 사시도,
도 9a 내지 도 9c는 도 8a 내지 도 8c를 투시한 사시도,
도 10a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 10b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 10c는 본 발명의 제4 또는 제5 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 일방향에서 바라본 상태를 도시한 도면,
도 11a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 11b는 본 발명의 제7 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 11c 내지 도 11h는 본 발명의 제6 또는 제7 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 일방향에서 바라본 상태를 도시한 도면,
도 12a는 본 발명의 제8 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 12b는 본 발명의 제9 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 개략적으로 도시한 도면,
도 12c 내지 도 12h는 본 발명의 제8 또는 제9 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 일방향에서 바라본 상태를 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.

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.

도 1에 도시된 바와 같이, 위와 같은 브레이튼 사이클을 실현하는 가스 터빈은 압축기와 연소기, 터빈을 포함한다.

가스 터빈(1000)의 압축기(1100)는 공기를 흡입하여 압축하는 역할을 하는 부분이며, 연소기(1200)에 압축 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.

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) 내에 복수 개의 노즐(300)이 배치된 노즐 조립체(1220)를 포함하며, 각 노즐(300)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. 즉, 다양한 상태의 유체 연료가 사용될 수 있다.

연소기(1200)에서는 예혼합 연소가 일어날 수 있다. 예혼합 연소는 점화 전에 연료와 공기를 미리 혼합한 후, 노즐(300)을 통해 혼합 가스를 분사하여 혼합 가스를 점화하여 연소시키는 방식이다.

이때, 공기와 연료의 예혼합을 촉진하기 위하여 상기 노즐(300)에 스월러(330)를 설치할 수 있으며, 예혼합 가스의 최초 점화는 점화기를 이용하여 이루어지고, 이후 연료와 공기의 혼합기를 지속적으로 공급하는 것으로 연소가 유지된다.

연소기(1200)는 가스 터빈(1000)에서 가장 고온 환경을 이루기 때문에 적절한 냉각이 필요하다. 도 2를 참조하면, 노즐 조립체(1220)와 터빈(1300) 사이를 연결하여 덕트 조립체, 즉 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260), 유동 슬리브(1270) 사이로 이루어진 환형관(1280) 을 따라 압축공기가 흘러서 노즐(300) 쪽으로 공급되는 유로를 확인할 수 있다. 압축공기가 환형관(1280)을 따라 이동하는 과정 중에 고온의 연소가스에 의해 가열된 라이너(1250)와 트랜지션 피스(1260)가 적절히 냉각된다.

연소기(1200)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 덕트 조립체 내부를 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.

[제1 실시예]

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소기(1200)는, 연료와 공기가 혼합되어 분사되는 노즐부(100), 상기 노즐부(100)에서 분사된 예혼합 가스가 연소되는 연소 챔버(200)를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 노즐부(100)는 원통의 형상으로, 전체적인 외관을 형성하는 노즐부 케이싱(102), 연료와 공기의 혼합 가스를 분사하는 복수의 노즐(300), 상기 노즐(300)이 삽입되기 위한 개구가 형성되는 노즐 케이싱(400), 상기 노즐(300)에 연료를 공급하기 위한 연료 공급부(500)를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(100)는 방사상으로 복수의 영역으로 구획된다. 그리고, 구획된 각 영역에는 상기 노즐(300)이 하나씩 포함된다. 즉, 영역의 개수는 상기 노즐(300)의 개수와 일치하도록 구획되며, 각 영역은 서로 같은 중심각을 갖는 부채꼴로 형성되나, 반드시 동일할 필요는 없다.

단, 이때 상기 노즐부(100)의 구획에도 불구하고, 상기 노즐부 케이싱(102)은 구획되지 않은 채 일체형으로 형성된다.

한편, 본 실시예의 경우 상기 노즐부(100)가 5개의 영역으로 구획되었으나, 다르게 하면 5개보다 적거나 많은 개수의 영역으로 구획될 수도 있다. 단, 이때에도 각 영역에는 상기 노즐(300)이 하나씩 포함되고, 각 영역은 서로 같은 중심각을 갖도록 형성되나, 반드시 동일할 필요는 없다.

그리고, 상기 노즐부(100)가 복수의 영역으로 구획됨에 따라서, 상기 노즐 케이싱(400), 상기 연료 공급부(500)도 함께 구획된다. 즉, 각 영역의 노즐 케이싱(400)은 다른 영역과 서로 분리된 공간을 형성한다. 그리고, 각 영역은 독립된 연료 공급 경로에 의한 상기 연료 공급부(500)를 갖게 된다.

상기 노즐(300)은 원통형으로 형성되며 상기 노즐 케이싱(400)에 삽입된다. 그러나 상기 노즐(300)의 축방향 전체 길이가 상기 노즐 케이싱(400)의 축방향 길이와 반드시 일치하는 것은 아니며, 따라서 상기 노즐(300)의 일부분은 상기 노즐 케이싱(400)에 완전히 삽입되지 않고 돌출된 채로 남아있을 수 있다.

그리고, 상기한 바와 같은 구획으로 인하여, 상기 노즐(300) 각각은 서로 독립된 상기 연료 공급부(500)로부터 연료를 공급받는다. 즉, 임의의 노즐은 다른 노즐과 서로 분리된 연료 공급 경로를 갖게 된다.

이하에서는 상기 노즐(300)의 각 구성요소를 구체적으로 설명한다.

상기 노즐(300)은 양 끝단이 열린 원통형의 아우터 튜브(310), 상기 아우터 튜브(310)의 공동에 위치하고, 상기 연소 챔버(200)를 바라보는 측의 일단이 닫힌 원통형의 이너 튜브(320), 그리고 일측이 상기 이너 튜브(320)의 외주면에, 타측이 상기 아우터 튜브(310)의 내주면에 결합하는 스월러(330)를 포함한다.

상기 아우터 튜브(310)는 상기 노즐(300)의 외관을 형성하고, 상기 아우터 튜브(310)의 외주면을 통하여 연료가 상기 노즐(300)로 공급된다.

상기 이너 튜브(320)는 상기 아우터 튜브(310)와 일치하는 중심을 갖도록 배치되고, 상기 아우터 튜브(310)의 공동에 고정된다. 이에 있어서, 상기 아우터 튜브(310)와 상기 이너 튜브(320) 사이에 위치하는 상기 스월러(330)로 인하여 상기 이너 튜브(320)가 지지될 수 있다.

상기 스월러(330)는 연료를 분사하는 기능과 동시에 분사된 연료와 공기의 혼합을 촉진하기 위한 역할을 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 스월러(330)는 내부에 연료가 체류할 수 있는 공간인 스월러 플레넘(332)과, 상기 스월러 플레넘(332)에 연료가 전달되기 위한 스월러 개구(334), 상기 스월러 플레넘(332)으로부터 연료가 분사되는 연료 분사구(336)가 형성된다.

상기 스월러 플레넘(332)은 상기 스월러 개구(334)로부터 전달된 연료로 채워진다. 이때, 균일한 연료 분포를 위하여 상기 스월러 개구(334)는 상기 스월러 플레넘(332)과 대응되는 형상 및 크기로 형성될 수 있다. 상기 스월러 개구(334)는 상기 스월러(330)가 상기 아우터 튜브(310)에 결합하는 측에 형성된다.

상기 연료 분사구(336)는 상기 스월러(330)의 일측 면에 형성되어, 상기 아우터 튜브(310)와 상기 이너 튜브(320) 사이의 공간을 향하여 연료가 분사된다. 상기 연료 분사구(336)는 상기 스월러(330) 하나에 복수개가 형성될 수 있으며, 이때 상기 연료 분사구(336) 각각의 크기는 서로 다르게 형성될 수 있다.

이하에서는 도 8a 및 도 9a 등을 참조하여 상기 노즐 케이싱(400)의 구조에 관하여 설명한다.

상기 노즐 케이싱(400)은 모든 영역이 결합하였을 때에는 원통의 형상이나, 방사상으로 복수의 영역으로 구획되므로 일 영역의 상기 노즐 케이싱(400) 단면은 부채꼴의 중심각에 인접한 일부분이 잘려진 형태의 부채꼴이 된다. 그리고, 상기 노즐 케이싱(400)의 양 끝단에는 상기 노즐(300)이 삽입되기 위한 개구가 형성된다.

또한, 상기 노즐 케이싱(400)은 내부를 2개의 공간으로 분리하는 격벽을 포함한다. 상기 격벽은 상기 노즐 케이싱(400)의 축방향과 수직한 방향으로 배치된다. 이에 따라, 상기 노즐 케이싱(400)의 내부 공간이 연료 플레넘(410) 및 공기 플레넘(420)으로 분리된다. 단, 상기 격벽은 상기 노즐 케이싱(400)의 단면 전체를 막는 것이 아니라 상기 노즐(300)이 삽입되기 위한 개구가 마련되어 있으므로, 상기 연료 플레넘(410)과 상기 공기 플레넘(420)의 완전한 공간적 분리는 상기 노즐 케이싱(400)에 상기 노즐(300)이 삽입되었을 때 실현된다. 다시 말하면, 상기 노즐(300)이 상기 노즐 케이싱(400)에 삽입된 상태에서는, 상기 연료 플레넘(410)과 상기 공기 플레넘(420)간 유체의 이동이 불가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 플레넘(410)은 상기 노즐 케이싱(400)에서 상기 연료 공급부(500)가 위치하는 방향, 즉 상기 연소 챔버(200)의 반대측에 위치한다. 그리고, 상기 공기 플레넘(420)은 상기 노즐 케이싱(400)에서 상기 연소 챔버(200)측에 위치한다.

상기 연료 플레넘(410)은 상기 연료 공급부(500)로부터 전달받은 연료가 체류하는 공간으로, 공간 전체에 걸쳐서 균일한 연료 분포가 형성된다. 상기 연료 플레넘(410)으로 인하여, 상기 노즐(300)로 균일한 유량의 연료가 공급될 수 있다.

상기 공기 플레넘(420)은 상기 압축기로부터 전달되는 공기의 일부가 체류하는 공간으로, 상기 공기 플레넘(420)이 위치하는 부위의 상기 노즐 케이싱(400) 외주면에는 제1 개구(422)가 형성된다. 상기 제1 개구(422)를 통하여 공기가 상기 공기 플레넘(420)으로 유입될 수 있다. 이때, 상기 제1 개구(422)는 복수로 형성될 수 있으며, 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.

그러나, 상기 제1 개구(422)에도 불구하고 상기 압축기로부터 상기 연소기로 전달되는 공기의 대부분은 상기 노즐(300)로 공급된다.

상기 공기 플레넘(420)의 상기 연소 챔버(200) 측에는 구멍이 형성된 플레이트(440)가 위치한다. 따라서, 상기 플레이트(440)는 고온의 연소가스에 노출되어 있어 손상을 방지하기 위하여 냉각이 필요하다, 따라서, 상기 제1 개구(422)는 상기 플레이트(440)를 냉각하기 위하여 필요한 공기 유량에 따라서 적절한 위치 및 크기로 형성된다.

따라서, 상기 제1 개구(422)를 통해 상기 공기 플래넘으로 유입된 공기는 상기 공기 플래넘을 채우게 된다. 이때, 상기 공기 플래넘에 체류하는 공기와 상기 플레이트(440)의 온도차로 인해 상기 공기 플레넘(420)으로의 열전달이 이루어져 상기 플레이트(440)가 냉각된다.

즉, 상기 공기 플레넘(420)은 상기 플레이트(440)의 냉각을 위하여 형성되는 것이다. 그리고, 상기 공기 플레넘(420)에 체류하는 공기가 상기 플레이트(440)를 냉각시키고 상기 플레이트(440)의 구멍을 통해 연소 챔버(200)로 토출된다.

이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(440)는 제1 플레이트(442) 및 제2 플레이트(444)를 포함하는 복수 단으로 형성될 수 있다. 상기 제1 플레이트(442)는 공기의 유동 방향상 상류측에, 상기 제2 플레이트(444)는 하류측에 각각 위치한다. 즉, 공기는 상기 제1 플레이트(442)에 먼저 충돌하는데, 공기의 일부는 상기 제1 플레이트(442)에 형성된 구멍을 통과하여 상기 제2 플레이트(444)에 충돌하고, 상기 제2 플레이트(444)에 형성된 구멍을 통과하여 상기 연소 챔버(200)로 유동한다. 이때, 상기 제1 플레이트(442) 및 제2 플레이트(444)에 형성된 구멍은 공기의 유동 방향을 기준으로 서로 일치하지 않도록 엇갈리게 형성된다. 다만, 상기 플레이트(440)는 반드시 상기 제1 플레이트(442)를 포함하는 것은 아니다. 즉, 일부 또는 전부의 영역에서, 상기 플레이트(440)는 상기 제2 플레이트(444)만으로 구성될 수도 있다.

상기 연료 공급부(500)는 상기 노즐(300)에 연료를 공급하기 위한 것으로, 상기 노즐 케이싱(400)의 외주면에 결합한다. 상기 연료 공급부(500)는 제1 연료 공급관(510), 연료 채널(520), 제2 연료 공급관(530)을 포함한다.

상기 제1 연료 공급관(510)은 상기 노즐 케이싱(400)의 외주면에 직접 결합하는 것으로, 상기 노즐부(100) 영역별로 각각 결합한다. 즉, 상기 제1 연료 공급관(510)의 개수는 상기 노즐(300)의 개수와 같거나 더 많을 수 있다..

상기 연료 채널(520)은 상기 노즐부(100) 각 영역의 중심각에 대응되는 아크(arc) 형상으로 형성되고, 상기 노즐 케이싱(400)의 외주면과 일정 거리 이격되어 있다. 상기 노즐 케이싱(400)과 상기 연료 채널(520)은 상기 제1 연료 공급관(510)으로 연결된다. 상기 연료 채널(520)에는 연료가 체류할 수 있는 공간이 형성된다. 즉, 상기 연료 채널(520)은 단순한 연료 공급 수단이 아니라, 상기 노즐(300)에 공급되는 연료의 균일한 분포를 위하여 연료를 잠시 체류 시키며 유량이나 압력 등이 적절히 조절되도록 하는 역할을 한다.

상기 제2 연료 공급관(530)은 상기 연료 채널(520)에 결합하여 연료를 공급한다. 상기 제2 연료 공급관(530)은 상기 연료 채널(520)의 외주면에서, 상기 노즐부(100)의 반경 방향을 향하여 결합할 수 있으나, 이와 달리 상기 노즐부(100)의 축방향을 향하여 결합할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 상기 노즐부(100)에 있어서, 연료 전달 경로는 다음과 같다.

먼저, 상기 제2 연료 공급관(530)을 거쳐 상기 연료 채널(520)에 연료가 체류하며 균일한 분포를 형성한다. 그리고, 상기 제1 연료 공급관(510)을 통해 상기 연료 플레넘(410)으로 연료가 전달된다. 상기 연료 플레넘(410)에서는 연료가 체류하며 균일한 분포를 형성한다. 이어서, 연료가 상기 스월러 개구(334)를 통하여 상기 스월러 플레넘(332)으로 전달된다. 마지막으로, 상기 스월러 플레넘(332)에서 상기 연료 분사구(336)를 통해 연료가 분사된다. 분사된 연료는 공기와 혼합되어 혼합 가스가 되어 상기 연소 챔버(200)에서 연소된다. 이때 상기 스월러(330)는 연료와 공기의 균일한 혼합을 촉진하는 기능을 한다.

그리고, 상기 노즐부(100)에 있어서, 상기 압축기에서 압축된 공기의 전달 경로는 다음과 같다.

상기 압축기로부터 상기 연소기로 유동하는 공기는 상기 노즐 케이싱(400)과 상기 노즐부 케이싱(102) 사이의 공간을 거쳐서, 상기 노즐부(100)의 상단에 이르러서 유동 방향이 180도 역전되어 상기 노즐(300)로 유입된다. 그리고, 상기 노즐(300)로 유입되는 공기는 상기 노즐 내부 공간에 위치한 상기 스월러(330)에서 분사되는 연료와 혼합되어 상기 연소 챔버(200)로 분사된다.

이때, 상기 노즐 케이싱(400)과 상기 노즐부 케이싱(102) 사이의 공간에서, 공기의 일부가 상술한 바와 같이 상기 제1 개구(422)를 통해 상기 공기 플레넘(420)에 유입된다. 상기 공기 플레넘(420)에 유입되는 공기는 상기 노즐(300)의 냉각을 위한 것으로, 이에 대한 설명은 상술한 바와 같다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 작용효과는 다음과 같다.

상기 노즐부(100)가 방사상 복수의 영역으로 구획됨에 따라서, 상기 노즐부(100)의 조립 및 해체가 용이해진다. 또한, 일부 영역에 대하여 상기 노즐(300) 등에 대한 보수작업이 필요할 경우, 해당 영역만 따로 분리할 수 있어 보수작업의 편의성이 향상된다.

그리고, 상대적으로 좁은 상기 노즐부(100)의 중심부가 아닌, 상대적으로 넓은 주변부에 상기 연료 공급부(500)가 위치하게 되어, 연료 공급 경로의 설계가 단순화된다.

그리고, 상기 연료 플레넘(410)으로 인하여 연료의 분포가 균일하게 유지되므로, 분사된 연료의 양이 어디에서나 일정하여 연료와 공기의 혼합이 원활해진다.

그리고, 상기 공기 플레넘(420)으로 인하여 공기의 분포가 균일하게 유지되므로, 상기 노즐(300)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

[제2 실시예]

한편, 도 8b 및 도 9b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 상기 노즐 케이싱(400')은 도면상 상측에 연료 플레넘이 위치하고, 하측 일부에 소정의 두께를 갖는 공기 플레넘이 위치한다. 즉, 연료 플레넘과 공기 플레넘이 서로 이격되어 위치하고, 그 사이의 공간에는 케이싱 부재가 없다.

제2 실시예에서 연료 플레넘의 구조와 역할은 제1 실시예에서와 동일하다. 그러나, 제2 실시예에서 공기 플레넘은 제1 실시예와 비교하였을 때 그 높이가 축소되어, 상기 노즐부(100)의 하측 일부에만 위치하게 된다. 이때, 제2 실시예의 공기 플레넘에는 외주면에 제1 개구(422')가 형성될 뿐 아니라, 상기 노즐(300)의 축방향을 바라보는 방향으로 제2 개구(404')가 형성된다. 상기 제2 개구(404')는 복수로 형성될 수 있으며, 상기 제2 개구(404') 각각의 크기는 다르게 형성될 수도 있다.

도 9b를 참조하여 상기 노즐 케이싱(400')의 구조에 따른 공기 전달 경로에 대하여 설명한다. 공기는 상기 노즐 케이싱(400')과 상기 노즐부 케이싱(102) 사이의 공간으로 전달된다. 이때, 상기 노즐 케이싱(400')이 상기 노즐(300)의 상측과 하측에만 형성됨에 따라, 공기는 직접 상기 아우터 튜브(310)에 닿게 된다. 그리고 공기는 계속하여 상방향으로 유동하여 상기 노즐부(100)의 상단에서 유동 방향이 180도 역전되어 상기 노즐(300)로 유입된다. 그러나, 이때에도 일부의 공기는 하측으로 유동하는데, 하측으로 향하는 공기는 상기 제2 개구(404')를 통하여 공기 플레넘으로 유입된다. 상기 공기 플레넘에 체류하는 공기가 고온의 연소가스에 노출된 상기 플레이트(440)를 냉각시키고, 상기 플레이트(440)에 형성된 구멍을 통해 연소 챔버(200)측으로 토출되는 것은 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 작용효과는 다음과 같다.

도 9a 및 도 9b를 참조하여 제1 실시예와 제2 실시예를 비교해보면, 제1 실시예에서는 노즐 케이싱(400)이 상기 노즐(300)의 외주면 대부분을 감싸도록 형성된다. 그리고 상방향으로 유동하는 공기는 부채꼴의 노즐 케이싱(400')의 원주방향에서는 균일하지 못한 공기의 유동이 형성된다. 이러한 불균일한 공기 유동은 상기 노즐(300)의 입구에 유입될 때 불균일한 공기 유동으로 인해 상기 노즐내에서 공기와 연료의 혼합도가 좋지 않게 되어 연소기 성능의 주요인자인 NOx를 높이는 결과를 초래한다.

반면, 제2 실시예에서는 상기 노즐 케이싱(400')이 상기 노즐(300) 주위의 일부에서만 형성됨에 따라서, 상기 노즐(300)의 외주면 주위 대부분은 열린 공간이 형성되고, 이 공간을 상기 압축기에서 압축된 공기가 균일하게 채우게 된다. 그리고, 상기 노즐(300) 입구에 유입되는 공기가 균일하게 분포되어 상기 노즐(300) 내에서 공기와 연료가 균일하게 혼합되는 결과, 연소기의 성능이 향상된다.

[제3 실시예]

한편, 도 8c 및 도 9c에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 노즐 케이싱(400")의 연료 플레넘 부분이 상기 노즐(300)에 대응되는 환형으로 형성된다. 이는 제1 및 제2 실시예에서 연료 플레넘이 부채꼴의 단면을 갖는 형상인 것과는 다르며, 그에 따라 연료 플레넘의 전체 부피가 다소 축소될 수 있다.

그리고, 상기 공기 플레넘에 형성되는 제1 개구(422") 및 제2 개구(404")에 관하여서는 상기한 제2 실시예에서 설명한 바와 같다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 작용효과는 다음과 같다.

제3 실시예의 연료 플레넘은, 부채꼴이 아닌 원형의 단면을 가짐으로써, 원주 방향 전체에서 고른 연료 분포를 기대할 수 있다. 그리고, 공기의 유동에 있어서 약간의 차이는 있을 수 있으나, 제2 실시예에서 설명한 것과 유사한 효과를 가질 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 연료 플레넘(410)에는 연료의 유속 또는 압력, 방향 등을 변화시키기 위한 수단 및 연료 분사구(336)에서 보다 향상된 연료의 균일도를 달성하기 위한 수단으로, 연료의 경로를 유도하는 연료 컨디셔너를 더 포함할 수 있다.

상기 연료 컨디셔너는 상기 연료 플레넘(410) 및 상기 스월러 플레넘(332)에서의 균일한 연료 분포, 복수의 상기 연료 분사구(336) 각각에서의 균일한 연료 분사의 목적으로 구비된다.

이하에서 상기 연료 컨디셔너와 관련된 실시예들을 설명할 때에, "상측", "하측"등과 같이 방향을 나타내는 용어는 설명의 편의를 위하여 도면상에서의 방향을 가리키는 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 반드시 이러한 방향으로 위치되어야 한다는 의미는 아니다.

[제4 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제4 실시예에 대하여 도 10a를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412a)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 하측 일부가 개방되도록 구비된다. 이때 연료는 상기 연료 컨디셔너(412a)에 충돌하며 하측으로 꺾인 후에, 상기 연료 컨디셔너(412a)와 상기 아우터 튜브(310) 사이의 제1 공간(414a)에서 상측으로 이동한다.

[제5 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제5 실시예에 대하여 도 10b를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412aa)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 상측 일부가 개방되도록 구비된다. 이때 연료는 상기 연료 컨디셔너(412aa)에 충돌하며 상측으로 꺾인 후에, 상기 연료 컨디셔너(412aa)와 상기 아우터 튜브(310) 사이의 제1 공간(414aa)에서 하측으로 이동한다.

제4 및 제5 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 위에서 바라본 개략도가 도 10c에 도시되어 있다. 즉, 상기 노즐(300)의 외관을 형성하는 상기 아우터 튜브(310)의 외측에 상기 연료 컨디셔너(412a)가 위치하고, 상기 아우터 튜브(310) 및 상기 연료 컨디셔너(412a) 사이의 제1 공간(414a)으로 연료가 이동한다.

[제6 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제6 실시예에 대하여 도 11a를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412b)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 하측 일부가 개방되도록 구비된다. 그리고, 상기 연료 컨디셔너(412b)는 하측 단부에서 상기 아우터 튜브(310)를 바라보는 방향으로 절곡 형성되는 연장부(413b)를 포함하나, 상기 연장부(413b)는 상기 아우터 튜브(310)에 완전히 닿지 않은 채로 열려 있는 제2 공간(414b)이 형성되어, 상기 제2 공간(414b)으로 연료가 통과할 수 있다.

[제7 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제7 실시예에 대하여 도 11b를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412bb)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 상측 일부가 개방되도록 구비된다. 그리고, 상기 연료 컨디셔너(412bb)는 상측 단부에서 상기 아우터 튜브(310)를 바라보는 방향으로 절곡 형성되는 연장부(413bb)를 포함하나, 상기 연장부(413bb)는 상기 아우터 튜브(310)에 완전히 닿지 않은 채로 열려 있는 제2 공간(414bb)이 형성되어, 상기 제2 공간(414bb)으로 연료가 통과할 수 있다.

제6 및 제7 실시예에 따른 연료 컨디셔너와 그 주위를 위에서 바라본 개략도가 도 11c 내지 도 11h에 도시되어 있다. 즉, 상기 노즐(300)의 외관을 형성하는 상기 아우터 튜브(310)의 외측에 상기 연료 컨디셔너(412b)가 위치하고, 상기 연장부(413b)에 의하여 일부가 막혀 있으나, 상기 제2 공간(414b)이 열려있다. 이때, 상기 제2 공간(414b)의 단면은 도 11c 내지 도 11h에 도시된 바와 같이, 환형으로 형성되거나, 직선이 각도를 이루며 연결되거나, 직선과 직선이 곡선으로 만나거나, 혹은 곡선만으로 형성되는 등의 여러가지 형상으로 실시될 수 있으며, 이들 도면에 도시된 형상 이외에도 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

[제8 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제8 실시예에 대하여 도 12a를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412c)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 하측 일부가 개방되도록 구비된다. 그리고, 상기 연료 컨디셔너(412c)는 하측 단부에서 상기 아우터 튜브(310)를 바라보는 방향으로 절곡 형성되는 제1연장부(413c)와, 상기 아우터 튜브(310) 하측에서 확장된 제2연장부(415c)를 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2연장부(413c, 415c)는 완전히 닫혀 있지 않고 제3 공간(414c4)이 형성되어, 상기 제3 공간(414c)으로 연료가 통과할 수 있다.

[제9 실시예]

연료 컨디셔너를 포함하는, 본 발명의 제9 실시예에 대하여 도 12b를 참조하여 설명한다. 연료 컨디셔너(412cc)는 상기 아우터 튜브(310)와 연료 공급부(500) 사이에서 상측 일부가 개방되도록 구비된다. 그리고, 상기 연료 컨디셔너(412cc)는 상측 단부에서 상기 아우터 튜브(310)를 바라보는 방향으로 절곡 형성되는 제1연장부(413cc)와, 상기 아우터 튜브(310) 하측에서 확장된 제2연장부(415cc)를 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2연장부(413cc, 415cc)는 완전히 닫혀 있지 않고 제3 공간(414cc)이 형성되어, 상기 제3 공간(414cc)으로 연료가 통과할 수 있다.

제8 및 제9 실시예에 따른 연료 컨디셔너(412c)와 그 주위를 위에서 바라본 개략도가 도 12c 내지 도 12h에 도시되어 있다. 즉, 상기 노즐(300)의 외관을 형성하는 상기 아우터 튜브(310)의 외측에 상기 연료 컨디셔너(412c)가 위치하고, 상기 제1 및 제2연장부(413c, 415c)에 의하여 일부가 막혀 있으며, 제3 공간(414c)이 열려있다. 이때, 상기 제3 공간(414c)의 단면은 도 12c 내지 도 12h에 도시된 바와 같이, 원이나 다각형 등 여러가지 형상으로 실시될 수 있으며, 이들 도면에 도시된 형상 이외에도 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 제4 내지 제9 실시예에 따르면, 상기 연료 컨디셔너는 연료의 직선 유동을 방해하도록 형성되고, 그 결과 연료는 사행유로로 이동하면서 유속이 감소된다.

이에 따라 상기 스월러 플레넘(332)으로 유입된 연료의 분포가 균일하게 유지될 수 있다. 나아가서는 복수의 상기 연료 분사구(336)를 통해 분사되는 연료에 있어서, 각각의 상기 연료 분사구(336)별로 연료의 유량이나 압력 등에 편차가 생기는 것을 방지할 수 있다.

100: 노즐부
102: 노즐부 케이싱
200: 연소 챔버
300: 노즐
310: 아우터 튜브
320: 이너 튜브
330: 스월러
332: 스월러 플레넘
334: 스월러 개구
336: 연료 분사구
400, 400', 400": 노즐 케이싱
422, 422', 422": 제1 개구
404', 404": 제2 개구
410: 연료 플레넘
412a, 412aa, 412b, 412bb, 412c, 412cc: 연료 컨디셔너
420: 공기 플레넘
440: 플레이트
442: 제1 플레이트
444: 제2 플레이트
500: 연료 공급부
510: 제1 연료 공급관
520: 연료 채널
530: 제2 연료 공급관

Claims (18)

1. 연료와 공기를 혼합하여 분사하는 노즐과, 상기 노즐에서 분사된 혼합 가스가 연소되는 연소 챔버를 포함하는 연소기에 있어서,
   상기 노즐의 반경 방향 외측에는 연료 공급부가 결합하되,
   상기 연료 공급부와 상기 노즐 사이에 위치하여, 상기 연료 공급부에서 상기 노즐로 전달되는 연료의 유동 경로를 사행하게 유도하는, 연료 컨디셔너를 포함하고,
   상기 연료 컨디셔너와 상기 노즐은 서로 이격되어, 연료가 유동할 수 있는 제1 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료 컨디셔너는, 상기 노즐의 원주 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 연소기는, 상기 노즐이 삽입되기 위한 개구가 형성되는 노즐 케이싱을 포함하고,
   상기 노즐은, 외관을 형성하는 원통형의 아우터 튜브를 포함하며,
   상기 연료 공급부는 상기 노즐 케이싱의 외주면에 결합하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 연료 컨디셔너는,
   상기 노즐 케이싱의 일측 내면에서부터 타측을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연료 컨디셔너는,
   타측 단부에서 상기 아우터 튜브를 향하여 절곡 연장되는 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 연장부는,
   상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 서로 다른 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 연장부는,
   일부가 상기 아우터 튜브까지 연장되며,
   상기 아우터 튜브까지 연장되지 않은 부분으로 제2 공간이 형성되어,
   상기 제2 공간으로 연료가 유동하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 공간은 복수 개가 상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
9. 제8항에 있어서,
   복수의 상기 제2 공간은 일정한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
10. 제5항에 있어서,
    상기 연장부는,
    상기 아우터 튜브까지 연장되되,
    일부 구간에서는, 상기 아우터 튜브와 상기 연료 컨디셔너 사이에, 연료가 유동할 수 있는 제3 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 공간은 상기 아우터 튜브의 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 복수로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
12. 제11항에 있어서,
    복수의 상기 제3 공간은 일정한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈의 연소기.
13. 연료와 공기를 혼합하여 분사하는 노즐; 및
    상기 노즐에서 분사된 혼합 가스가 연소되는 연소 챔버;를 포함하며,
    상기 노즐의 반경 방향 외측에는 연료 공급부가 결합하되,
    상기 연료 공급부와 상기 노즐 사이에 위치하여, 상기 연료 공급부에서 상기 노즐로 전달되는 연료의 유동 경로를 사행하게 유도하는, 연료 컨디셔너를 포함하고,
    상기 연료 컨디셔너와 상기 노즐은 서로 이격되어, 연료가 유동할 수 있는 제1 공간이 형성되는 연소기를 적어도 하나 포함하는 가스 터빈.
14. 제13항에 있어서,
    상기 연소기는, 상기 노즐이 삽입되기 위한 개구가 형성되는 노즐 케이싱을 포함하고,
    상기 노즐은, 외관을 형성하는 원통형의 아우터 튜브를 포함하며,
    상기 연료 공급부는 상기 노즐 케이싱의 외주면에 결합하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
15. 제14항에 있어서,
    상기 연료 컨디셔너는,
    상기 노즐 케이싱의 일측 내면에서부터 타측을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
16. 제15항에 있어서,
    상기 연료 컨디셔너는,
    타측 단부에서 상기 아우터 튜브를 향하여 절곡 연장되는 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
17. 제16항에 있어서,
    상기 연장부는,
    일부가 상기 아우터 튜브까지 연장되며,
    상기 아우터 튜브까지 연장되지 않은 부분으로 제2 공간이 형성되어,
    상기 제2 공간으로 연료가 유동하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
18. 제16항에 있어서,
    상기 연장부는,
    상기 아우터 튜브까지 연장되되,
    일부 구간에서는, 상기 아우터 튜브와 상기 연료 컨디셔너 사이에, 연료가 유동할 수 있는 제3 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.

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