KR102117531B1 - 연소진동 저감을 위한 음향 감쇠 구조를 갖는 가스터빈 연소기용 버너 - Google Patents

연소진동 저감을 위한 음향 감쇠 구조를 갖는 가스터빈 연소기용 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체를 분사하고 연소하는 가스터빈 연소기에 사용되는 버너로서, 둘레를 따라 형성된 복수개의 분사구를 통해 연료를 분사하는 노즐 본체; 노즐 본체의 주위를 둘러싸는 통형상이며 하류측이 개방 단부로서 상기 연소부의 연소실과 연통하는 노즐 가이드; 노즐 가이드의 주위를 둘러싸는 통형상이며 상류측이 개방 단부이고 하류측은 폐쇄 단부로 구성된 이너 가이드; 및 연소용 공기를 노즐 본체와 노즐 가이드 사이의 제1 유로로 유도하는 공기 공급유로;를 포함하는 가스터빈 연소기용 버너를 제공한다.

Description

연소진동 저감을 위한 음향 감쇠 구조를 갖는 가스터빈 연소기용 버너 {Burner for gas turbine combustor with acoustic damping structure for reduction of combustion oscillation }
본 발명은 가스터빈 연소기용 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스터빈 연소기의 연소진동 저감을 위해 음향 감쇠 구조를 구비한 가스터빈 연소기용 버너에 관한 것이다.
가스터빈, 보일러 등과 같이 연료를 사용하는 발전장치는 연소기를 구비한다. 연소기는 일반적으로 버너와 그 하류의 연소부로 구성되며 버너에서 연료와 공기를 혼합하여 혼합 기체를 연소실로 분사하고 연소실에는 혼합기체가 연소하는 연소 영역이 형성된다.
이 때 연소실 내부에는 연소로 인한 진동(연소진동)이 발생하는데, 연소진동의 음향 주파수가 연소실 구조물의 고유주파수 또는 유동의 특성주파수와 일치하면 음향 공진이 발생하고 이러한 공진과 열음향 불안정성은 연소실을 포함한 연소기 구조물을 파손시킬 수도 있다.
도1은 종래 예시적인 가스터빈 연소기를 나타낸다. 가스터빈 연소기는 연료와 공기를 분사하는 버너부와 연소실로 구성된다. 버너부는 연료 분사구(2-1)를 통해 연료를 분사하는 노즐(2)과 노즐(2) 둘레의 공기유로(4)로 구성되고 연소부는 버너부의 후단(하류측)에 위치하며 덤프면(6)과 라이너(7)에 의해 둘러싸여 정의되는 연소실(5)로 구성되며, 버너에서 연료와 공기를 혼합하여 혼합가스를 연소실(5)로 분사하고 연소실(5)에서 연소가 이루어진다.
그런데 이러한 종래의 가스터빈 연소기에서는 혼합가스가 연소할 때 연소 진동이 발생 할 수 있는데 이러한 연소 진동이 버너부로 유입되면서 음향 증폭에 의해 연소 진동이 더 커지게 되고 이는 가스터빈 운전시 소음이나 진동의 주원인이며 가스터빈 연소기의 성능 및 내구성을 저해하는 요인이기도 하다. 따라서 연소시 발생하는 연소 진동을 가능한 한 억제하고 감소시킴으로써 가스터빈 연소기의 진동 및 소음을 저감하고 연소기의 성능 및 내구성을 향상시킬 필요성이 제기되고 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2017-0008395호 (2017년 1월 24일 공개) 특허문헌2: 한국 공개특허 제2017-0028728호 (2017년 3월 14일 공개) 특허문헌3: 일본 공개특허 제2013-019567호 (2013년 1월 31일 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스터빈 연소기의 버너에 바이어스 유로를 형성하여 연소 진동에 의한 음파가 바이어스 유로에 의해 흡수되거나 소산되어 연소 진동을 감쇠할 수 있는 가스터빈 연소기용 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 바이어스 유로의 폭(L)이 원주방향 또는 축방향에 따라 변하도록 가변 직경의 이너 가이드를 설치함으로써 연소 진동 흡수의 피크 값이 특정 주파수에 집중하지 않고 분산되도록 하여 연소 진동을 감소시킬 수 있는 가스터빈 연소기용 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 바이어스 유로의 유속을 조절하거나 또는 노즐 가이드의 다공율을 조절함으로써 주어진 진동 감쇠 특성을 최적화할 수 있는 가스터빈 연소기용 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체를 분사하고 연소하는 가스터빈 연소기에 사용되는 버너로서, 둘레를 따라 형성된 복수개의 분사구를 통해 연료를 분사하는 노즐 본체; 노즐 본체의 주위를 둘러싸는 통형상이며 하류측이 개방 단부로서 상기 연소부의 연소실과 연통하는 노즐 가이드; 노즐 가이드의 주위를 둘러싸는 통형상이며 상류측이 개방 단부이고 하류측은 폐쇄 단부로 구성된 이너 가이드; 및 연소용 공기를 노즐 본체와 노즐 가이드 사이의 제1 유로로 유도하는 공기 공급유로;를 포함하며, 상기 노즐 가이드의 측면에 복수개의 관통구가 형성되고, 공기 공급유로를 따라 공급되는 공기의 적어도 일부가 노즐 가이드와 이너 가이드 사이의 제2 유로로 유입되어 관통구를 통과하여 상기 제1 유로로 합류하도록 구성함으로써 연소 진동을 감쇠하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체를 분사하고 연소하는 가스터빈 연소기에 사용되는 버너로서, 둘레를 따라 형성된 복수개의 분사구를 통해 연료를 분사하는 노즐 본체; 상기 노즐 본체의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 노즐 본체와 동축으로 배치되며 상기 연소실과 연통하는 메인 유로; 외부에서 공급되는 연소용 공기를 상기 메인 유로로 유도하는 공기 공급유로; 상기 메인 유로의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 메인 유로와 동축으로 배치되는 바이어스 유로; 및 상기 노즐 본체의 적어도 일부를 둘러싸는 통형상이며 상기 메인 유로와 바이어스 유로 사이에 개재되어 배치됨으로써 메인 유로와 바이어스 유로를 구획하는 노즐 가이드;를 포함하며, 상기 노즐 가이드의 측면에 복수개의 관통구가 형성되고, 공기 공급유로를 따라 공급되는 공기의 적어도 일부가 바이어스 유로로 유입된 후 상기 관통구를 통해 메인 유로로 합류하는 공기 흐름이 형성됨으로써 연소 진동을 감쇠하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈 연소기의 노즐 가이드를 다공성 구조로 구성하고 노즐 가이드의 외측에 이너 가이드를 추가 설치하여 바이어스 유로를 형성함으로써 연소 진동에 의한 음파가 바이어스 유로에 의해 흡수되거나 소산되도록 하여 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
또한 이 때 가변 직경의 이너 가이드를 사용하여 바이어스 유로의 폭이 원주방향에 따라 변하도록 구성함으로써 연소 진동 흡수의 피크 값이 특정 주파수에 집중하지 않고 분산되어 넓은 주파수 대역에서 연소 진동을 감소시킬 수 있는 효과를 가진다.
도1은 종래 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도2와 도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도4와 도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도6과 도7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도8과 도9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도10과 도11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 설명하는 도면,
도12는 바이어스 공기의 유속에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 도면,
도13은 노즐 가이드의 다공율에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 도면,
도14는 바이어스 유로의 폭에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도2와 도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타내는 도면으로, 도2는 가스터빈 연소기의 주요 구성의 사시도이고 도3은 측단면을 개략적으로 도시하였다.
도면을 참조하면 일 실시예에 따른 가스터빈 연소기는 버너(burner)부(100)와 연소부(200)를 포함한다. 버너부(100)는 공기와 연료를 혼합하여 혼합 기체를 하류측의 연소부(200)로 분사한다. 연소부(200)는 버너부(100)의 하류측에 배치되어 버너부(100)와 연통하도록 구성되고 버너부(100)로부터 분사되는 혼합 기체를 연소한다.
일 실시예에서 버너부(100)는 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 이너 가이드(inner guide)(40), 백 가이드(backed guide)(50), 및 격벽부(60)를 포함한다. 노즐 본체(20)는 표면의 둘레를 따라 형성된 복수개의 연료 분사구(21)를 구비하며, 이 분사구(21)를 통해 연료를 분사한다. 도시한 실시예에서는 노즐 본체(20)가 대략 통 형상으로 도시되었지만 이는 예시적인 구조이며 구체적 실시 형태에 따라 노즐 본체(20)의 형상이 달라질 수 있다. 연료 분사구(21)도 도면에 도시한 형태에 한정되지 않으며 분사구(21)의 형상이나 크기, 개수, 배열 등의 구성은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 또한 대안적 실시예에서, 노즐 본체(20)의 표면에서 방사상 외측으로 날개부(vane)가 돌출되고 이 날개부에 연료 분사구가 형성될 수도 있다.
노즐 가이드(30)는 노즐 본체(20)의 적어도 일부의 주위를 둘러싸는 통형상의 구조물이다. 노즐 가이드(30)의 상류측 단부는 개방 단부이고 가스터빈 연소기의 공기 공급유로(AC)와 연통하며, 하류측 단부도 개방 단부이고 연소부(200)와 연통한다. 노즐 본체(20)의 외측면과 노즐 가이드(30)의 내측면 사이가 이격되어 있으며 이 공간은 연소용 공기를 연소부(200)로 공급하는 메인 유로(MC)로서 역할을 한다. 예컨대, 도시한 것처럼 가스터빈 연소기의 케이스(11) 내부로 공급된 연소용 공기가 공기 공급유로(AC)를 따라 이송된 후 노즐 본체(20)와 노즐 가이드(30) 사이의 메인 유로(MC)를 따라 연소부(200)로 공급된다.
이너 가이드(40)는 노즐 가이드(30)의 적어도 일부의 주위를 둘러싸는 통형상의 구조물이며, 상류측이 개방 단부이고 하류측은 폐쇄 단부로 구성된다. 이너 가이드(40)의 상류측 개방 단부는 공기 공급유로(AC)와 연통할 수 있고, 하류측 폐쇄 단부는 예컨대 연소부(200)의 내부 공간을 정의하는 덤프면(220)에 부착되어 폐쇄되어 있다.
노즐 가이드(30)의 외측면과 이너 가이드(40)의 내측면 사이가 이격되어 있어 내부 공간이 형성되며 이 공간을 본 명세서에서 "바이어스 유로"(BC) 또는 "캐비티"(cavity)라 칭하기로 한다. 도시한 것처럼 일 실시예에서 바이어스 유로(BC)는 상류측 단부가 개방되어 있고 바이어스 유로(BC)의 공간은 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 및 덤프면(220)에 의해 정의될 수 있다.
도시한 실시예에서 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 및 이너 가이드(40)는 모두 원통 형상을 가지며 동일한 중심축을 갖도록 동축으로 정렬되어 있다. 가장 안쪽의 노즐 본체(20)와 이를 둘러싸는 노즐 가이드(30) 사이에 메인 유로(MC)가 형성되고 노즐 가이드(30)와 이를 둘러싸는 이너 가이드(40) 사이에 바이어스 유로(BC)가 형성된다. 이 때 노즐 가이드(30)는 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC) 사이에 개재되어 배치됨으로써 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC)를 구획하는 역할도 한다.
한편 노즐 가이드(30)는 다공성 구조로 구성된다. 즉 노즐 가이드(30)는 측면에 형성된 복수개의 관통구(31)를 포함하며, 이 관통구(31)에 의해 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC)가 연통하게 된다. 관통구(31)의 형상이나 크기 및 관통구의 개수는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
또한 도시한 실시예에서 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 및 이너 가이드(40)는 모두 원통 형상을 가지며 동일한 중심축을 갖도록 동축으로 정렬되어 있다. 그러나 다른 대안적 실시예에서, 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 및 이너 가이드(40)의 적어도 하나가 비대칭 형상의 통형상일 수도 있고 중심축이 서로 정렬되지 않을 수도 있다.
격벽부(60)는 노즐 가이드(30)의 외주면을 둘러싸는 환형 형상의 구조물로서, 이너 가이드(40)의 상류측에 설치되어 공기 공급유로(AC)와 바이어스 유로(BC) 사이를 구획하도록 배치된다. 격벽부(60)는 공기가 통과할 수 있는 복수개의 관통홀(61)을 구비한다. 관통홀(61)의 형상이나 크기 및 관통홀(61)의 개수는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
이 때 격벽부(60)를 고정시키기 위해 백 가이드(50)가 추가적으로 설치될 수 있다. 백 가이드(50)는 이너 가이드(40)의 외측면을 둘러싸는 통형상의 부재이며, 도3에 도시한 것처럼, 백 가이드(50)의 하류측 단부는 예컨대 덤프면(220)에 고정되어 부착되고 상류측 단부는 격벽부(60)의 외주면과 결합됨으로써 격벽부(60)를 고정시킬 수 있다. 또한 백 가이드(50)는 이너 가이드(40)의 상류측 단부와도 결합됨으로써 이너 가이드(40)를 지지할 수 있다. 이너 가이드(40)와 백 가이드(50) 사이의 영역은 빈 공간일 수도 있고 임의의 지지재나 보강재 등의 구조물이 설치되거나 임의의 재료로 충진되어 있을 수도 있다. 한편 대안적 실시예에서 백 가이드(50)가 존재하지 않을 수도 있으며, 이 경우 이너 가이드(40)의 상류측 단부와 격벽부(60)가 결합되어 서로 지지하며 고정될 수 있음을 이해할 것이다. 또한 또 다른 대안적 실시예에서 격벽부(60)는 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 및 백 가이드(50) 중 어느 하나와 일체로 구성될 수도 있다.
상술한 구성에 따르면, 외부에서 공기 공급유로(AC)를 따라 가스터빈 연소기 내부로 공급된 공기의 대부분은 노즐 본체(20)와 노즐 가이드(30) 사이의 공간인 메인 유로(MC)를 통해 하류로 흐르며, 메인 유로(MC)를 통과할 때 노즐 본체(20)의 분사구(21)에서 분사되는 연료와 혼합하고 이 혼합된 기체가 연소부(200)로 분사되어 연소가 이루어진다. 공기 공급유로(AC)를 따라 공급된 공기 중 일부는 격벽부(60)의 관통홀(61)을 통해 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 공간, 즉 바이어스 유로(BC)로 유입되고 그 후 노즐 가이드(30) 표면의 관통구(31)을 통해 메인 유로(MC)로 합류하여 연소부(200)로 분사된다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐 가이드(30)를 다공성 구조로 형성하고 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이에 바이어스 유로(BC)를 형성함으로써 가스터빈 연소시의 연소 진동을 감소시킬 수 있다. 즉 연소부(200)에서의 연소시 발생하는 음파가 메인 유로(MC)를 통해 전파되다가 관통구(31)를 통해 바이어스 유로(BC)에 유입되고 바이어스 유로(BC)에서 음파를 흡수하거나 관통구(31)를 지나면서 와류 등의 형태로 소산되어 연소 진동이 감소하게 된다.
도4와 도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타내는 도면으로, 도4는 가스터빈 연소기의 주요 구성의 사시도이고 도5는 버너부(100)를 축방향에서 바라볼 때의 단면을 개략적으로 도시하였다.
제2 실시예에서 가스터빈 연소기는 버너부(100)와 연소부(200)를 포함하며, 버너부(100)가 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 백 가이드(50), 및 격벽부(60)를 포함하는 점에서 도2의 제1 실시예의 가스터빈 연소기와 동일 또는 유사하므로 이들 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
제2 실시예는 이너 가이드(40)의 내부 표면에 다수의 댐퍼(45)가 형성된 점에서 제1 실시예와 차이가 있다. 도시한 것처럼 제2 실시예의 이너 가이드(40)는 내측면의 적어도 일부 표면에 형성된 복수개의 돌기형 댐퍼(45)의 포함한다. 댐퍼(45)는 이너 가이드(40) 내부의 전체 표면에 걸쳐 분포할 수도 있고 일부분, 예컨대 노즐 가이드(30)의 관통구(31)를 마주보는 영역에만 형성될 수도 있다. 일 실시예에서 각각의 댐퍼(45)는 쐐기 형태(wedge-type) 또는 원뿔 형상일 수 있고 이너 가이드(40)의 내부 표면에 소정 영역에 2차원적으로 배열되어 있다. 대안적 실시예에서 댐퍼(45)는 예컨대 다각뿔 형상일 수도 있고 이너 가이드(40)의 표면에서 돌출 형성된 임의의 비정형 형상을 가질 수도 있다.
이와 같이 이너 가이드(40)의 내부 벽면에 구성된 댐퍼(45)는 연소 진동을 흡수하는 역할을 한다. 즉 도5(b)에 도시한 것처럼, 가스터빈 연소시 발생하는 음파가 바이어스 유로(BC)로 유입된 후 댐퍼(45)에 부딪혀 반사를 반복하면서 음파 에너지가 소산되면서 연소 진동이 감쇠될 수 있다.
또한 일 실시예에서 각각의 댐퍼(45)가 다공성 물질로 구성되거나 또는 각 댐퍼(45)의 표면에 미세한 다공홀이 형성될 수 있다. 이 경우 이러한 다공 구조에 의해 댐퍼(45)가 음파를 직접적으로 흡수하므로 연소 진동을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다.
도6과 도7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타내는 도면으로, 도6은 제3 실시예의 가스터빈 연소기의 측단면을 개략적으로 도시하였다. 제3 실시예에서 가스터빈 연소기는 버너부(100)와 연소부(200)를 포함하며 버너부(100)가 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 백 가이드(50), 및 격벽부(60)를 포함하는 점에서 상술한 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일 또는 유사하며 따라서 이들 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
제3 실시예는 격벽부(60)(이하에서 “제1 격벽부”라 함)에 인접하여 배치된 또 하나의 격벽부(70)(이하에서 “제2 격벽부”라 함)를 더 포함하는 점에서 제1 또는 제2 실시예와 차이가 있다.
도7(a)는 일 실시예에 따른 제1 격벽부(60)와 제2 격벽부(70)의 예시적 형상을 개략적으로 도시하였다. 제2 격벽부(70)는 제1 격벽부(60)와 동축으로 정렬되어 제1 격벽부(60)와 중첩되도록 배치되는 환형 형상의 부재이며 공기가 통과할 수 있는 복수개의 관통홀(71)을 가진다. 제1 격벽부(60)의 관통홀(61)과 제2 격벽부(70)의 관통홀(71)의 크기나 형상은 서로 동일하여도 되고 달라도 무방하다. 또한 도6에서 제2 격벽부(70)가 제1 격벽부(60)의 왼쪽, 즉 제1 격벽부(60)의 상류측에 배치된 것으로 도시하였지만 대안적 실시예에서 제2 격벽부(70)가 제1 격벽부(60)의 오른쪽, 즉 하류측에 배치될 수도 있다.
제2 격벽부(70)는 중심축에 대해 소정 각도 범위에서 회전할 수 있도록 결합된다. 제1 격벽부(60)의 내연부와 외연부는 각각 노즐 가이드(30)와 백 가이드(50)에 결합되어 고정되지만 제2 격벽부(70)는 제1 격벽부(60)에 대해 일정 각도 회전할 수 있으며, 이에 의해 제1 격벽부의 관통홀(61)과 제2 격벽부의 관통홀(71)이 겹치는 영역이 가변하게 된다. 도7(a)에는 제2 격벽부(70)를 회전시키는 예시적 구성으로서 랙(73)과 피니언(75) 기어를 도시하였다. 피니언(75)은 회전축(77)에 결합되고 회전축(77)은 예컨대 가스터빈 연소기의 케이스(11) 외부에 배치된 구동부(78)에 의해 회전하도록 구성될 수 있다. 그러나 이러한 랙-피니언 기어 구성은 예시적인 것이며 구체적 실시 형태에 따라 제2 격벽부(70)를 회전시키는 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도7(b)는 제1 격벽부(60)에 제2 격벽부(70)의 관통홀(71)이 겹쳐진 모습을 개략적으로 도시한 것으로, 제1 격벽부(60)의 관통홀(61)과 제2 격벽부(70)의 관통홀(71)이 부분적으로 겹쳐 있는 상태를 나타내었다. 이와 같이 두 개의 관통홀(61,71)이 부분적으로 중첩되면 이 중첩된 영역으로만 연소용 공기가 통과할 수 있다. 그러므로 구체적 실시 형태에 따라 제1 격벽부(60)에 대해 제2 격벽부(70)를 일정 각도 회전하여 결합함으로써 두개의 관통홀(61,71)이 중첩되는 면적을 조절할 수 있으며 공기 공급유로(AC)로부터 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC)로 각각 분배되는 공기 유량을 조절할 수 있다. 바이어스 유로(BC)로 유입된 공기 유량에 따라 노즐 가이드(30)의 관통구(31)를 통과하는 공기의 유속이 달라지며 이 유속을 조절하면 연소 진동의 감쇠율을 조절할 수 있다. 따라서 실제 구현되는 가스터빈 연소기의 구체적 구조에 따라 두개의 관통홀(61,71)이 중첩되는 면적을 조절함으로써 해당 가스터빈 연소기의 연소 진동의 감쇠 특성을 최적화할 수 있다.
도8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 나타내는 도면으로 가스터빈 연소기의 측단면을 개략적으로 도시하였다. 제4 실시예에서 가스터빈 연소기는 버너부(100)와 연소부(200)를 포함하며 버너부 100)가 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 백 가이드(50), 및 격벽부(60)를 포함하는 점에서 상술한 제1 내지 제3 실시예와 동일 또는 유사하며 따라서 이들 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
제4 실시예는 노즐 가이드(30)의 외측면의 적어도 일부를 둘러싸는 슬라이딩 가이드(80)를 더 포함하고 슬라이딩 가이드(80)를 움직이면서 관통구(31)의 관통 면적을 조절할 수 있는 점에서 전술한 실시예와 차이가 있다.
이와 관련하여 도9는 슬라이딩 가이드(80)가 노즐 가이드(30)를 둘러싸고 있는 모습을 개략적으로 나타내었다. 도면에서 슬라이딩 가이드(80)는 노즐 가이드(30)의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸는 통형상이며 이 통형상의 측면 둘레를 따라 복수개의 관통구(81)가 형성되어 있다. 슬라이딩 가이드(80)의 관통구(81)는 노즐 가이드(30)의 관통구(31)와 동일 크기이고 동일한 배열로 구성될 수 있지만 두 관통구(31,81)의 크기나 형상 또는 배열이 달라도 무방하다.
슬라이딩 가이드(80)는 축방향을 따라 소정 범위에서 이동할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 모터 등의 구동원(86)에 의해 회전하는 구동축(87)에 부착된 웜 기어(88) 및 이와 맞물리며 슬라이딩 가이드(80)의 외측면에 형성된 나사산(83)을 구비함으로써 슬라이딩 가이드(80)를 움직일 수 있다. 구동원(86)은 연소기의 케이스(11) 내부 또는 외부의 임의의 위치에 배치될 수 있으며, 구동원(86)의 구동에 의해 웜기어(88)가 회전하여 슬라이딩 가이드(80)를 움직일 수 있다. 그러나 도시한 실시예 외에 다른 구동방식에 의해 슬라이딩 가이드(80)를 움직이도록 하여도 무방하다.
또한 일 실시예에서 슬라이딩 가이드(80)의 움직임을 제한하는 스토퍼 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어 슬라이딩 가이드(80)의 표면에 슬롯(85)이 형성되고 노즐 가이드(30)는 이 슬롯(85)을 통해 돌출되는 돌출부(35)를 포함할 수 있다. 이 구성에 의하면, 돌출부(35)가 슬롯(85) 내에서만 움직일 수 있으므로 슬라이딩 가이드(80)가 슬롯(85)의 길이 범위 내에서만 슬라이딩 할 수 있다.
이와 같이 슬라이딩 가이드(80)를 노즐 가이드(30)에 대해 축방향으로 슬라이딩 이동시킴에 따라 노즐 가이드의 관통구(31)와 슬라이딩 가이드의 관통구(81)가 겹치는 영역이 가변하게 되어 노즐 가이드(30)의 실질적인 다공율(porosity)이 변한다. 여기서 다공율은 노즐 가이드(30)의 전체 표면적 대비 관통구(31)의 관통 면적을 의미하며 다공율은 연소 진동의 감쇠율에 영향을 미친다. 따라서 실제 구현되는 가스터빈 연소기의 구체적 구조에서 슬라이딩 가이드(80)를 움직여 노즐 가이드(30)의 다공율을 조절함으로써 해당 가스터빈 연소기의 연소 진동의 감쇠 특성을 최적화할 수 있다.
도10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스터빈 연소기를 도시한 것으로, 도10(a)는 가스터빈 연소기의 개략적인 사시도이고 도10(b)는 도10(a)의 A-A' 선을 따라 절단했을 때 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40)의 단면 형상을 개략적으로 나타내었다.
도면을 참조하면, 제5 실시예에서 가스터빈 연소기는 노즐 본체(20), 노즐 가이드(30), 이너 가이드(40), 백 가이드(50), 및 격벽부(60)를 포함하는 점에서 전술한 제1 내지 제4 실시예와 동일 또는 유사하며 이들 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
제5 실시예는 이너 가이드(40)를 축방향에서 바라볼 때 이너 가이드(40)의 단면이 원이 아니라 가변 직경을 갖도록 구성된다. 도10(b)에 도시한 것처럼, 바이어스 유로(BC)의 폭(즉, 노즐 가이드(30)의 외측면에서부터 방사상 방향으로 이너 가이드(40)의 내측면까지의 거리)을 L이라고 할 때 이 값(L)이 소정의 최대값(Lmax)과 최소값(Lmin) 사이에서 원주방향을 따라가며 가변하는 형상으로 구성된다.
일반적으로 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 거리(L)가 특정 값을 갖도록 설계되면 특정 주파수에서 연소진동 감쇠율이 가장 크고 다른 주파수 대역에서는 감쇠율이 작아진다. 그러나 본 발명에서와 같이 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 거리(L)가 원주 방향을 따라 변하는 가변 직경으로 구성할 경우, 연소 진동 흡수의 피크 주파수를 분산시켜 넓은 주파수 대역에서 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
도11(a) 내지 도11(e)는 제5 실시예의 이너 가이드(40)의 다양한 변형례를 도시한 것으로, 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40)의 예시적 단면 구조를 각각 나타내었다. 도11(a) 내지 도11(c)에 도시한 것처럼 이너 가이드(40)의 단면 형상은 다양한 파형(wavy) 형상을 가질 수 있으며, 노즐 가이드(30)에서 이너 가이드(40)까지의 거리(L)가 원주 방향을 따라 계속 변하는 가변 직경으로 구성함으로써 넓은 주파수 대역에서 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
도11(d) 및 도11(e)는 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40)의 측면을 개략적으로 나타낸 것으로, 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 거리(L)가 축방향(길이방향)을 따라 소정 최대값(Lmax)과 최소값(Lmin) 사이에서 계속 변하는 가변 직경으로 구성함으로써 넓은 주파수 대역에 걸쳐 연소진동을 감소시키는 구성을 나타낸다.
이제 본 발명에 따른 연소 진동 감소 효과를 도12 내지 도14를 참조하여 설명하기로 한다. 우선 본 발명과 같이 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이에 바이어스 유로(BC)를 형성하고 노즐 가이드(30)의 관통구(31)를 통한 바이어스 공기 흐름을 형성할 경우의 연소 진동 흡수율을 수식으로 설명하기로 한다.
일반적으로 음파가 벽 등의 매질에 의해 흡수되는 흡수율(α)은 아래 수학식1과 같이 매질의 임피던스(ζ)의 함수로 표현된다.
Figure 112019114521277-pat00001
(수학식1)
위 식에서 R은 매질의 반사율이다.
도2에서와 같이 바이어스 유로(BC)의 공기가 노즐 가이드(30)의 관통구(31)를 통과할 때 임피던스는 아래 수학식2와 같이 노즐 가이드(30)의 임피던스(ζ p ) 및 캐비티(즉, 바이어스 유로(BC))의 임피던스(ζ cavity )의 합이며 각 임피던스는 수학식3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019114521277-pat00002
(수학식2)
Figure 112019114521277-pat00003
(수학식3)
위 식에서 k는 파수(wave number)이며 (k=ω/c = 2πf/c)의 관계가 성립한다. 또한 노즐 가이드의 임피던스(ζ p )의 실수부와 허수부는 각각 아래 수학식4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019114521277-pat00004
(수학식4)
위 수식에서 c는 음속(sound speed), d는 관통구(31)의 지름, M은 바이어스 유로의 마하 넘버(Mach number)(즉, 관통구(31)를 통과하는 바이어스 공기의 속도를 음속(c)으로 나눈 값), t는 노즐 가이드(30)의 두께, σ는 다공율(porosity), 그리고 ν는 점성도(viscosity)이다. 그리고 수학식1의 흡수율(α)을 수학식2와 수학식3을 이용하여 정리하면 아래 수학식5와 같이 표현된다.
Figure 112019114521277-pat00005
(수학식5)
도12는 위 수학식에 기초하여 바이어스 공기의 유속에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 그래프이다. 도면에서 수평축은 주파수이고 수직축은 흡수율이며, 노즐 가이드(30)의 두께를 10-3(m), 관통구(31)의 지름이 2*10-3(m), 다공율은 1%, 그리고 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 거리(L)를 0.05(m)로 설정하고 바이어스 공기 유속이 각각 0, 3, 5, 10, 20, 30, 및 40 (m/s)일 때의 흡수율을 나타내었다. 이 때 바이어스 공기의 유속은 예컨대 도6에 도시한 것처럼 두 개의 격벽부(60,70)를 설치하고 제2 격벽부(70)를 회전함으로써 조절할 수 있다.
도시한 그래프에서 알 수 있듯이, 바이어스 공기의 속도가 0인 경우(예컨대, 관통홀(61,71)의 중첩 영역이 없도록 제2 격벽부(70)를 회전한 경우) 전체 주파수 대역에 걸쳐 흡수율이 가장 낮았다. 바이어스 공기 유속을 3(m/s)에서 40(m/s)까지 점차 높이면 도면에 화살표로 표시한 것처럼 흡수율의 피크 값이 점차 작아지지만 흡수되는 주파수 대역은 점차 넓어진다. 따라서 예를 들어 가스터빈 연소기가 특정 흡수대역을 갖는 경우 바이어스 공기 속도를 줄여서 피크 값이 그 특정 흡수대역에 속하도록 유속을 설정할 수 있고 그렇지 않다면(특정 흡수대역이 없는 경우라면) 바이어스 공기 속도를 높여서 넓은 주파수 대역에 걸쳐 음파를 흡수하도록 유속을 설정할 수 있다.
도13은 노즐 가이드의 다공율(σ)에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 그래프이다. 도면에서 수평축은 주파수이고 수직축은 흡수율이며, 바이어스 공기 유속을 10(m/s), 노즐 가이드(30)의 두께를 10-3(m), 관통구(31)의 지름을 2*10-3(m), 그리고 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 거리(L)를 0.1(m)로 설정하고 노즐 가이드(30)의 다공율을 각각 0.5, 1, 2, 3, 4, 5%까지 증가시킬 때의 각각의 흡수율을 나타내었다. 이 때 노즐 가이드(30)의 다공율은 예컨대 도8과 도9에 도시한 것처럼 슬라이딩 가이드(80)를 이용하여 조절할 수 있다.
도시한 그래프에서 알 수 있듯이 다공율이 0.5%(노란색), 1%(파란색), 2%(녹색), 및 3%(검은색)으로 점차 증가할수록 피크 값의 흡수율이 높아지고 피크일 때의 주파수도 점차 높아지는 쪽으로 이동하지만 다공율이 4% 및 5%로 증가할 때는 피크 값이 다시 작아진다. 그러나 다공율이 증가할수록 전체 주파수 대역에 걸쳐 전체적인 흡수율은 증가한다.
도14는 바이어스 유로의 폭(L)에 따른 연소진동 감소 효과를 나타내는 그래프이다. 도면에서 수평축은 주파수이고 수직축은 흡수율이며, 바이어스 공기 유속을 10(m/s), 노즐 가이드(30) 두께를 10-3(m), 관통구(31)의 지름을 2*10-3(m), 그리고 다공율을 3%로 설정하고 바이어스 유로의 폭(L)을 각각 0.3, 0.2, 0.1, 0.05, 0.03, 및 0.02(m)로 점차 감소시킬 때의 각각의 흡수율을 나타내었다.
도시한 그래프에 따르면 바이어스 유로의 폭(L)이 하나의 특정 값을 가질 때 하나 또는 다수의 특정 피크 주파수를 가지며 바이어스 유로의 폭(L)이 점차 작아질수록 기본 주파수(다수의 피크 주파수 중 주파수 값이 가장 작은 주파수)가 점차 높아지는 쪽으로 이동한다. 즉 바이어스 유로의 폭(L)이 작으면 상대적으로 높은 주파수 대역의 흡수율이 좋아지고 폭(L)이 커지면 상대적으로 낮은 주파수 대역의 흡수율이 좋아진다.
따라서 도10 또는 도11과 같이 이너 가이드(40)가 가변 직경을 갖도록 구성하여 바이어스 유로의 폭(L)이 다양한 값을 갖도록 하면 연소진동 흡수의 피크 주파수가 다양하게 분산되면서 피크 값이 특정 주파수에 집중되지 않고 넓게 퍼지는 분포를 갖게 되어 넓은 주파수 대역에서 연소 진동을 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어 상술한 제2 내지 제5 실시예는 서로 양립가능한 구성이므로 예컨대 제2 내지 제5 실시예 중 임의의 둘 이상의 실시예를 조합할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
20: 노즐 본체 30: 노즐 가이드
40: 이너 가이드 50: 백 가이드
60, 70: 격벽부 80: 슬라이딩 가이드
100: 버너부 200: 연소부

Claims (12)

  1. 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체를 분사하고 연소하는 가스터빈 연소기에 사용되는 버너로서,
    둘레를 따라 형성된 복수개의 분사구(21)를 통해 연료를 분사하는 노즐 본체(20);
    노즐 본체(20)의 주위를 둘러싸는 통형상이며 하류측이 개방 단부로서 연소부의 연소실과 연통하는 노즐 가이드(30);
    노즐 가이드(30)의 주위를 둘러싸는 통형상이며 상류측이 개방 단부이고 하류측은 폐쇄 단부로 구성된 이너 가이드(40); 및
    연소용 공기를 노즐 본체(20)와 노즐 가이드(30) 사이의 제1 유로로 유도하는 공기 공급유로(AC);를 포함하며,
    상기 노즐 가이드(30)의 측면에 복수개의 관통구(31)가 형성되고,
    공기 공급유로(AC)를 따라 공급되는 공기의 적어도 일부가 노즐 가이드(30)와 이너 가이드(40) 사이의 제2 유로로 유입되어 관통구(31)를 통과하여 상기 제1 유로로 합류하도록 구성함으로써 연소 진동을 감쇠하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    노즐 가이드(30)의 외측면과 이너 가이드(40)의 내측면 사이의 거리(L)가 원주방향 또는 축방향을 따라 소정의 최대값(Lmax)과 최소값(Lmin) 사이에서 가변하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급유로(AC)에서 상기 제2 유로로 유입되는 공기의 유량을 조절함으로써 연소 진동의 감쇠율을 조절하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기 공급유로(AC)와 상기 제2 유로 사이에 고정 배치되고 공기가 통과할 수 있는 복수개의 관통홀(61)을 갖는 환형 형상의 제1 격벽부(60); 및
    상기 제1 격벽부(60)와 동축으로 정렬되어 상기 제1 격벽부(60)와 중첩되도록 배치되고 공기가 통과할 수 있는 복수개의 관통홀(71)을 갖는 환형 형상의 제2 격벽부(70);를 포함하고,
    상기 제2 격벽부(70)가 상기 제1 격벽부(60)에 대해 소정 각도 회전함에 따라 제1 격벽부의 관통홀(61)과 제2 격벽부의 관통홀(71)이 겹치는 영역이 가변하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드(30)의 관통구(31)의 관통 면적을 조절함으로써 연소 진동의 감쇠율을 조절하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드(30)의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸는 통형상이며 이 통형상의 측면 둘레를 따라 복수개의 관통구(81)가 형성되고 축방향으로 슬라이딩 가능하도록 구성된 슬라이딩 가이드(80);를 더 포함하고,
    상기 슬라이딩 가이드(80)가 상기 노즐 가이드(30)에 대해 축방향으로 슬라이딩 함에 따라 노즐 가이드의 관통구(31)와 슬라이딩 가이드의 관통구(81)가 겹치는 영역이 가변하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이너 가이드(40)의 내측면의 적어도 일부 표면에 형성된 복수개의 돌기형 댐퍼(45)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 돌기형 댐퍼가 다공성 물질로 형성되거나 또는 돌기형 댐퍼의 표면에 다공 홀이 형성됨으로써 돌기형 댐퍼가 연소 진동을 흡수하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  9. 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체를 분사하고 연소하는 가스터빈 연소기에 사용되는 버너로서,
    둘레를 따라 형성된 복수개의 분사구(21)를 통해 연료를 분사하는 노즐 본체(20);
    상기 노즐 본체의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 노즐 본체와 동축으로 배치되며 연소부의 연소실과 연통하는 메인 유로(MC);
    외부에서 공급되는 연소용 공기를 상기 메인 유로(MC)로 유도하는 공기 공급유로(AC);
    상기 메인 유로의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 메인 유로와 동축으로 배치되는 바이어스 유로(BC); 및
    상기 노즐 본체의 적어도 일부를 둘러싸는 통형상이며 상기 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC) 사이에 개재되어 배치됨으로써 메인 유로(MC)와 바이어스 유로(BC)를 구획하는 노즐 가이드(30);를 포함하며,
    상기 노즐 가이드(30)의 측면에 복수개의 관통구(31)가 형성되고,
    공기 공급유로(AC)를 따라 공급되는 공기의 적어도 일부가 바이어스 유로(BC)로 유입된 후 상기 관통구(31)를 통해 메인 유로(MC)로 합류하는 공기 흐름이 형성됨으로써 연소 진동을 감쇠하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이어스 유로(BC)는 이 바이어스 유로를 둘러싸는 통형상의 이너 가이드(40)에 의해 내부 공간이 정의되고,
    상기 이너 가이드(40)는, 노즐 가이드(30)의 외측면에서부터 방사상 방향으로 이너 가이드(40)의 내측면까지의 거리(L)가 원주방향 또는 축방향을 따라 소정의 최대값(Lmax)과 최소값(Lmin) 사이에서 가변하는 형상을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기 공급유로(AC)와 상기 바이어스 유로(BC) 사이에 배치되고 공기가 통과할 수 있는 복수개의 관통홀(61)을 갖는 환형 형상의 제1 격벽부(60)를 더 포함하고,
    상기 관통홀(61)의 관통 면적을 가변하도록 구성함으로써 연소 진동의 감쇠율을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 노즐 가이드(30)의 관통구(31)의 관통 면적을 조절함으로써 연소 진동의 감쇠율을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기용 버너.
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