KR102138015B1

KR102138015B1 - 버너와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈

Info

Publication number: KR102138015B1
Application number: KR1020190054418A
Authority: KR
Inventors: 도윤영; 셔시노브 보리스
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-07-27

Abstract

본 발명은 가스 터빈의 버너에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 슈라우드; 상기 슈라우드의 중앙에 구비되는 센터 노즐 조립체;와 상기 센터 노즐 조립체와 이격되어 방사상으로 구비되는 적어도 한 개 이상의 아우터 노즐 조립체;를 포함하고, 상기 아우터 노즐 조립체는 노즐 슈라우드;와 상기 노즐 슈라우드의 중앙에서 연료를 공급하는 연소 노즐;와 상기 연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되어 상기 연소 노즐로부터 연료를 공급받아 분사하는 복수 개의 연료구멍이 구비된 복수개의 스월러;를 포함하되, 상기 복수개의 스월러는 상기 노즐 슈라우드의 내부공간을 구획하여 복수 개의 영역을 형성하고, 상기 영역들 중 상기 슈라우드와 인접한 영역(최소영역)의 부피가 가장 작은 버너를 제공할 수 있다.

Description

버너와 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈{BURNER AND COMBUSTOR AND GAS TURBINE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 버너에 관한 것으로서, 구체적으로 슈라우드 내 영역별 연료혼합비율을 동일하게 유지할 수 있는 버너에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.

이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.

연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.

상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

버너는 연료와 공기를 혼합하는 구성으로서, 라이너의 표면을 따라 슈라우드 내부로 유입되는 공기는 스월러에서 분사되는 연료와 혼합된다. 가스 터빈의 에너지 효율은 슈라우드 내부에서 연료와 공기가 혼합되는 정도에 따라 상이해 질 수 있어 슈라우드 내 일정 공기량에 혼합되는 연료량 비율이 중요하다.

본 발명에 따른 버너의 실시예들은 공기량에 따라 혼합되는 연료량을 조절하여 가스 터빈의 에너지 생성 효율을 향상시키고자 한다.

본 발명에 따른 버너의 일 실시예는 슈라우드;와 상기 슈라우드의 중앙에 구비되는 센터 노즐 조립체;와 상기 센터 노즐 조립체와 이격되어 방사상으로 구비되는 적어도 한 개 이상의 아우터 노즐 조립체;를 포함할 수 있고, 상기 아우터 노즐 조립체는 노즐 슈라우드;와 상기 노즐 슈라우드의 중앙에서 연료를 공급하는 연소 노즐;와 상기 연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되어 상기 연소 노즐로부터 연료를 공급받아 분사하는 복수 개의 연료구멍이 구비된 복수개의 스월러;를 포함하되, 상기 복수개의 스월러는 상기 노즐 슈라우드의 내부공간을 구획하여 복수 개의 영역을 형성하고, 상기 영역들 중 상기 슈라우드와 인접한 영역(최소영역)의 부피가 가장 작을 수 있다.

본 발명의 따른 버너의 실시예들은 공기량이 가장 많은 슈라우드 부근에서 스월러를 통해 분사되는 부피당 연료량을 증가시키고, 공기량이 가장 적은 센터 노즐 조립체 부근에서 스월러를 통해 분사되는 부피당 연료량을 감소시켜 슈라우드 내 영역별로 연료혼합비율이 비슷하게 형성될 수 있다.

또한, 슈라우드 내 일정공기량에 혼합되는 연료량을 슈라우드 내부영역별로 일정하게 맞추어 가스 터빈의 에너지 생성효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 버너를 포함하는 가스 터빈의 전체적인 구조를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 버너를 포함하는 연소기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 버너의 제1 실시예에 대한 개념을 도시한 정면도,
도 4a는 상기 제1 실시예의 아우터 노즐 조립체에 대한 개념을 도시한 정면도,
도 4b는 본 발명에 따른 버너의 제2 실시예에서 아우터 노즐 조립체에 대한 개념을 도시한 정면도,
도 4c는 본 발명에 따른 버너의 제3 실시예에서 아우터 노즐 조립체에 대한 개념을 도시한 정면도이다.

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 노즐이 구비되며, 이 연소 노즐에서 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 노즐로부터 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 노즐을 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 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 압축공기가 흘러서 연소 노즐 쪽으로 공급되는 유로를 확인할 수 있다. 압축공기가 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.

본 발명에 따른 버너(1210)는 연료가 혼합된 공기를 연소실(1240)로 공급하기 위한 구성으로서, 적어도 한 개 이상의 아우터 노즐 조립체(1220)와 센터 노즐 조립체(1230)를 포함한다.

버너(1210)는 일반적으로 본원에 첨부된 도 2에서 도시하는 바와 유사하게 중앙에 센터 노즐 조립체(1230)가 위치되고, 복수 개의 아우터 노즐 조립체(1220)가 상기 센터 노즐 조립체(1230)와 이격되어 방사상으로 위치되고, 센터 노즐 조립체 및 아우터 노즐 조립체를 슈라우드(1240)가 둘러싼다.

아우터 노즐 조립체(1220)는 일반적으로 노즐 슈라우드와 노즐 슈라우드의 중앙에서 연료를 공급하는 연소 노즐과 연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되는 복수 개의 스월러를 포함한다. 스월러는 연료혼합공기를 형성하기 위한 구성으로서, 연소 노즐로부터 연료를 공급받아 유입되는 공기에 연료를 분사한다.

공기는 일반적으로 라이너(1250) 및 슈라우드(1240)의 외측유로를 거쳐 슈라우드의 끝단에서 방향이 급전환되어 슈라우드의 내부로 유입되고, 급전환된 공기는 슈라우드의 내부공간에서 바깥쪽으로 편향되어 슈라우드의 내면을 따라 연소실로 유동된다. 따라서 슈라우드의 내부공간에서 공기량은 구간별로 상이하게 되고, 슈라우드 부근의 공간에 공기량이 상대적으로 많게된다.

본 발명에 따른 버너(1210)에 구비되는 아우터 노즐 조립체(1220)는 슈라우드(1240)의 내부공간 내 공기량에 따라 연료를 분사하기 위한 것으로서, 스월러의 각도나 위치를 조정하여 슈라우드의 내 공기량에 따른 영역별로 분사되는 연료량을 조절할 수 있다.

본 발명에 포함되는 아우터 노즐 조립체(1220)는 도 3에서 도시하는 바와 같이 스월러(1224)에 의해 내부공간이 구획되어 복수 개의 영역이 형성된다. 상기 영역들 중 슈라우드에 인접한 영역은 부피가 가장 작은 영역으로 최소영역(A)이라 한다. 슈라우드(1240) 부근에 유입되는 공기량이 가장 많기 때문에 슈라우드에 인접한 영역의 부피가 가장 작다. 공기량이 상대적으로 많은 슈라우드에 인접한 영역의 부피를 줄여 일정공간 내 혼합되는 연료량을 높이고, 공기량이 상대적으로 적은 센터 노즐 조립체(1230)에 인접한 영역의 부피를 키워 일정공간 내 혼합되는 연료량을 줄이기 위함이다.

본원에서는 스월러(1224)에서 연소 노즐과 인접한 부분을 스월러의 첫머리로 정하고 스월러 첫머리 간격을 제1 간격이라 한다. 또한 본원에서는 스월러에서 노즐 슈라우드(1226)와 인접한 부분을 스월러의 끝머리로 정하고 스월러 끝머리 간격을 제2 간격이라 한다. 따라서 연소 노즐(1222)의 둘레방향으로 제1 간격이 연속하여 존재하고, 노즐 슈라우드의 둘레방향으로 제2 간격이 연속하여 존재한다.

본원에 첨부된 도 3은 본 발명에 따른 버너의 제1 실시예(1210)에 대한 개념도로서, 상기 실시예는 스월러(1224) 간격을 통해서 상기 영역의 부피를 조절하여 슈라우드(1240) 내 공기량에 따른 영역별로 분사되는 연료량을 다르게 할 수 있다.

상기 실시예는 8개의 아우터 노즐 조립체(1220)를 포함하나, 아우터 노즐 조립체의 개수는 반드시 이에 한정되지는 않는다. 아울러 상기 실시예는 8개의 영역을 포함하나, 영역의 개수는 반드시 이에 한정되지는 않는다.

상기 실시예는 상기 제1 간격이 모두 동일하나 상기 제2 간격이 모두 동일하하지 않은 경우로, 적어도 상기 제2 간격 중 슈라우드(1240)와 인접한 영역인 최소영역(A)의 제2 간격이 가장 작다. 또한 적어도 최소영역(A)에서 제1 간격이 제2 간격보다 크다.

따라서 도 3에서 도시하는 바와 같이 복수 개의 아우터 노즐 조립체(1220)는 슈라우드와 인접한 영역인 최소영역의 제1 간격이 가장 작도록 센터 노즐 조립체를 둘러싼다. 이와 같은 배치를 통해 공기량이 가장 많은 슈라우드의 내면측 연료혼합비율과 센터 노즐 조립체 부근의 연료혼합비율을 비슷하게 맞출 수 있다.

상기 제1 실시예(1210)에서 스월러(1224)는 연소 노즐 내 연료공급유로와 연결되어 연료를 분사할 수 있는 복수 개의 연료구멍을 포함한다.

상기 복수 개의 연료구멍은 스월러의 폭방향(연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되는 방향)으로 적어도 하나의 열을 형성하여 배치된다. 따라서 유입되는 공기에 연료가 골고루 분포될 수 있다.

상기 실시예에서는 상기 복수 개의 연료구멍 중 연소 노즐과 인접한 연료구멍의 직경이 다른 연료구멍들에 비해 가장 클 수 있다. 도 4a에서 도시하는 바와 같이 최소영역의 경우 제1 간격이 제2 간격보다 크기 때문이다. 즉, 최소영역(A)에서 연소 노즐(1222)에 인접한 공간이 노즐 슈라우드(1226)에 인접한 공간보다 크고, 큰 공간에 보다 많은 양의 연료를 분사하기 위함이다.

또한, 상기 복수 개의 연료구멍은 스월러(1224)의 폭방향을 따라 연소 노즐(1222)에 가까워질수록 점차적으로 각각의 연료구멍의 직경이 커질 수 있다. 즉, 노즐 슈라우드(1226)와 인접한 연료구멍의 직경이 가장 작을 수 있고, 연소 노즐(1222)과 인접한 연료구멍의 직경이 가장 클 수 있다.

상기 제1 실시예(1210)는 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역들의 부피는 센터 노즐 조립체(1230)에 인접할수록 커질 수 있다. 슈라우드(1240)의 중앙에 위치한 센터 노즐 조립체 부근의 공기량이 슈라우드 내부에서 가장 적기 때문이다. 따라서 공기량이 적은 영역의 부피가 확장되어 일정공기량 대비 연료혼합비율을 슈라우드 내 다른 영역들과 비슷하게 맞출 수 있다.

따라서 도 4a에서 도시하는 바와 같이 제1 실시예의 아우터 노즐 조립체(1220)는 최소영역에서 멀어질수록 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역의 부피는 커질 수 있다.

상시 아우터 노즐 조립체 내 스월러(1224) 간격은 센터 노즐 조립체(1230)측으로 갈수록 커진다. 센터 노즐 조립체(1230) 부근의 공기량이 슈라우드(1240) 부근의 공기량에 비해 상대적으로 적기 때문이다. 따라서 슈라우드 내 일정공기 대비 연료혼합비율은 슈라우드의 내부공간 전반적으로 비슷할 수 있다.

도 4a은 아우터 노즐 조립체(1220)가 좌우대칭임을 도시하나, 반드시 좌우대칭으로 한정되는 것은 아니다. 또한 도 4a는 2개의 최소영역(A)을 도시하나, 2개의 영역이 슈라우드에 동일하게 인접한 결과로서 최소영역(A)의 개수 역시 제한되지 않는다. 이는 후술할 실시예들 모두에 적용되는 내용이다.

본원에 첨부된 도 4b은 본 발명에 따른 버너의 제2 실시예에 구비되는 아우터 노즐 조립체(1220)에 대한 개념도로서, 상기 실시예는 스월러(1224) 간격을 통해서 상기 영역의 부피를 조절하여 슈라우드 내 공기량에 따른 영역별로 분사되는 연료량을 다르게 할 수 있다.

상기 실시예는 상기 제1 간격이 모두 동일지 않은 경우로 적어도 제1 간격들 중 슈라우드와 인접한 영역인 최소영역의 제1 간격이 가장 작고, 상기 제2 간격들이 모두 동일하다.

또한, 복수 개의 아우터 노즐 조립체(1220)는 슈라우드와 인접한 영역인 최소영역(A)의 제2 간격이 가장 작도록 센터 노즐 조립체를 둘러싼다. 이와 같은 배치를 통해 공기량이 가장 많은 슈라우드(1240)의 내면측 연료혼합비율과 센터 노즐 조립체(1230) 부근의 연료혼합비율을 비슷하게 맞출 수 있다.

상기 제2 실시예에서 적어도 상기 최소영역(A)에 구비되는 스월러(1224)는 연소 노즐 내 연료공급유로와 연결되어 연료를 분사할 수 있는 복수 개의 연료구멍을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 연료구멍은 스월러(1224)의 폭방향(연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되는 방향)으로 적어도 하나의 열을 형성하여 배치된다. 따라서 유입되는 공기에 연료가 골고루 분포될 수 있다.

상기 제2 실시예에서는 상기 복수 개의 연료구멍 중 노즐 슈라우드(1226)와 인접한 연료구멍의 직경이 다른 연료구멍들에 비해 가장 클 수 있다. 도 4b에서 도시하는 바와 같이 최소영역의 경우 제2 간격이 제1 간격보다 크기 때문이다. 즉, 최소영역에서 노즐 슈라우드(1226)에 인접한 공간이 연소 노즐(1222)에 인접한 공간보다 크고, 큰 공간에 보다 많은 양의 연료를 분사하기 위함이다.

또한, 상기 복수 개의 연료구멍은 스월러(1224)의 폭방향을 따라 노즐 슈라우드(1226)에 가까워질수록 점차적으로 각각의 연료구멍의 직경이 커질 수 있다. 즉, 연소 노즐(1222)과 인접한 연료구멍의 직경이 가장 작을 수 있고, 노즐 슈라우드(1226)와 인접한 연료구멍의 직경이 가장 클 수 있다.

상기 제2 실시예에서 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역들의 부피는 센터 노즐 조립체(1230)에 인접할수록 커질 수 있다. 슈라우드(1240)의 중앙에 위치한 센터 노즐 조립체(1230) 부근의 공기량이 슈라우드(1240) 내부에서 가장 적기 때문이다.

따라서 도 4b에서 도시하는 바와 같이 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역의 부피는 최소영역(A)에서 멀어질수록 커질 수 있다.

상시 아우터 노즐 조립체 내 스월러(1224)의 제1 간격은 센터 노즐 조립체(1230)측으로 갈수록 커진다. 센터 노즐 조립체 부근의 공기량이 슈라우드(1240) 부근의 공기량에 비해 상대적으로 적기 때문이다. 따라서 슈라우드 내 일정공기 대비 연료혼합비율은 슈라우드의 내부공간 전반적으로 비슷할 수 있다.

본원에 첨부된 도 4c는 본 발명에 따른 버너의 제3 실시예에 구비되는 아우터 노즐 조립체(1220)에 대한 개념도로서, 상기 실시예는 스월러(1224) 간격을 통해서 상기 영역의 부피를 조절하여 슈라우드(1240) 내 공기량에 따른 영역별로 분사되는 연료량을 다르게 할 수 있다.

상기 실시예는 상기 제1 간격들 중 적어도 어느 하나의 간격이 다르고, 상기 제2 간격들 중 적어도 어느 하나의 간격이 다르다. 또한, 적어도 상기 제1 간격들 중 슈라우드(1240)와 인접한 영역인 최소영역(A)의 제1 간격이 가장 작고, 적어도 상기 제2 간격들 중 슈라우드와 인접한 영역인 최소영역의 제2 간격이 가장 작다. 또한, 적어도 최소영역의 제2 간격이 최소영역의 제1 간격보다 크다.

상기 제3 실시예에서 적어도 상기 최소영역(A)에 구비되는 스월러(1224)는 연소 노즐(1222) 내 연료공급유로와 연결되어 연료를 분사할 수 있는 복수 개의 연료구멍을 포함할 수 있다.

상기 제3 실시예에서는 상기 복수 개의 연료구멍 중 노즐 슈라우드(1226)와 인접한 연료구멍의 직경이 다른 연료구멍들에 비해 가장 클 수 있다. 도 4c에서 도시하는 바와 같이 최소영역(A)의 경우 제2 간격이 제1 간격보다 크기 때문이다. 즉, 최소영역에서 노즐 슈라우드(1226)에 인접한 공간이 연소 노즐(1222)에 인접한 공간보다 크기 때문이다.

상기 제2 실시예에서 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역들의 부피는 센터 노즐 조립체(1230)에 인접할수록 커질 수 있다. 슈라우드(1240)의 중앙에 위치한 센터 노즐 조립체 부근의 공기량이 슈라우드 내부에서 가장 적기 때문이다.

따라서 도 4c에서 도시하는 바와 같이 스월러(1224)에 의해 구획되는 영역의 부피는 최소영역에서 멀어질수록 커질 수 있다.

상시 아우터 노즐 조립체 내 스월러(1224)의 제1 간격과 제2 간격은 센터 노즐 조립체(1230)측으로 갈수록 커진다. 센터 노즐 조립체 부근의 공기량이 슈라우드(1240) 부근의 공기량에 비해 상대적으로 적기 때문이다. 따라서 슈라우드 내 일정공기 대비 연료혼합비율을 슈라우드 내부공간 전반적으로 비슷하게 맞출 수 있다.

본 발명에 따르는 버너(1210)는 연소기에 포함될 수 있다. 상기 연소기(1200)는 연료가 혼합된 연료혼합공기를 공급하는 버너와 상기 연료혼합공기가 점화되어 고온의 가스가 형성되는 라이너(1250)와 상기 고온의 가스를 터빈(1300)측으로 안내하는 트랜지션 피스(1260)를 포함할 수 있고, 상기 버너는 본 발명에 따르는 버너이다.

또한, 상기 연소기는 가스 터빈(1000)에 포함될 수 있다. 상기 가스 터빈(1000)은 압축공기를 형성하여 공급하는 압축기(1100)와 연료혼합공기가 연소되어 고온의 가스가 형성되는 연소기(1100)와 공급받은 상기 고온의 가스의 열에너지 및 팽창에너지를 회전에너지를 거쳐 전기에너지로 변환하는 터빈(1300)을 포함할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 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.

1210 : 버너
1220 : 아우터 노즐 조립체
1222 : 연소 노즐
1224 : 스월러
1226 : 노즐 슈라우드
1230 : 센터 노즐 조립체
1240 : 슈라우드
A : 최소영역

Claims

가스 터빈의 버너에 관한 것으로서,
슈라우드;와 상기 슈라우드의 중앙에 구비되는 센터 노즐 조립체;와 상기 센터 노즐 조립체와 이격되어 방사상으로 구비되는 적어도 한 개 이상의 아우터 노즐 조립체;를 포함하고,
상기 아우터 노즐 조립체는 노즐 슈라우드;와 상기 노즐 슈라우드의 중앙에서 연료를 공급하는 연소 노즐;와 상기 연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되어 상기 연소 노즐로부터 연료를 공급받아 분사하는 복수 개의 연료구멍이 구비된 복수개의 스월러;를 포함하되,
상기 복수개의 스월러는 상기 노즐 슈라우드의 내부공간을 구획하여 복수 개의 영역을 형성하고, 상기 영역들 중 상기 슈라우드와 인접한 영역(최소영역)의 부피가 가장 작은 버너.
제1항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격)이 모두 동일하나,
상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격) 중 상기 최소영역의 끝머리 간격(제2 간격)이 가장 작으며 적어도 상기 최소영역에서 상기 제1 간격이 상기 제2 간격보다 큰 버너.
제2항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 스월러는 상기 연소 노즐 부근에 상기 복수 개의 연료구멍 중 직경이 가장 큰 연료구멍을 포함하는 버너.
제2항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 복수 개의 연료구멍의 직경은 상기 스월러의 폭방향을 따라 상기 연소 노즐에 가까워질수록 커지는 버너.
제1항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격) 중 상기 최소영역의 첫머리 간격(제1 간격)이 가장 작고, 상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격)이 모두 동일한 버너.
제5항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 스월러는 상기 노즐 슈라우드 부근에 상기 복수 개의 연료구멍 중 직경이 가장 큰 연료구멍을 포함하는 버너.
제5항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 복수 개의 연료구멍의 직경은 상기 스월러의 폭방향을 따라 상기 노즐 슈라우드에 가까워질수록 커지는 버너.
제1항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격) 중 상기 최소영역의 첫머리 간격(제1 간격)이 가장 작고,
상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격) 중 상기 최소영역의 끝머리 간격(제2 간격)이 가장 작으며 적어도 상기 최소영역에서 제2 간격이 제1 간격보다 큰 버너
제8항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 스월러는 상기 노즐 슈라우드 부근에 상기 복수 개의 연료구멍 중 직경이 가장 큰 연료구멍을 포함하는 버너.
제8항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 복수 개의 연료구멍의 직경은 상기 스월러의 폭방향을 따라 상기 노즐 슈라우드에 가까워질수록 커지는 버너.
가스 터빈의 버너에 관한 것으로서,
슈라우드;와 상기 슈라우드의 중앙에 구비되는 센터 노즐 조립체;와 상기 센터 노즐 조립체와 이격되어 방사상으로 구비되는 적어도 한 개 이상의 아우터 노즐 조립체;를 포함하고,
상기 아우터 노즐 조립체는 노즐 슈라우드;와 상기 노즐 슈라우드의 중앙에서 연료를 공급하는 연소 노즐;와 상기 연소 노즐의 표면에서 방사상으로 연장되어 상기 노즐 슈라우드의 내부공간을 구획하여 복수 개의 영역을 형성하는 복수개의 스월러;를 포함하되,
상기 영역들 중 상기 슈라우드와 인접한 영역(최소영역)의 부피가 가장 작고, 상기 최소영역으로부터 멀어질수록 상기 영역들의 부피가 순차적으로 커지는 버너.
제11항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격)이 모두 동일하나,
상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격) 중 상기 최소영역의 끝머리 간격(제2 간격)이 가장 작으며 적어도 상기 최소영역에서 상기 제1 간격이 상기 제2 간격보다 큰 버너.
제11항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격) 중 상기 최소영역의 첫머리 간격(제1 간격)이 가장 작고, 상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격)이 모두 동일한 버너.
제13항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 스월러는 상기 노즐 슈라우드 부근에 상기 복수 개의 연료구멍 중 직경이 가장 큰 연료구멍을 포함하는 버너.
제13항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 복수 개의 연료구멍의 직경은 상기 스월러의 폭방향을 따라 상기 노즐 슈라우드에 가까워질수록 커지는 버너.
제11항에 있어서,
상기 스월러에서 상기 연소 노즐과 인접한 첫머리 간격(제1 간격) 중 상기 최소영역의 첫머리 간격(제1 간격)이 가장 작고,
상기 스월러에서 상기 노즐 슈라우드와 인접한 끝머리 간격(제2 간격) 중 상기 최소영역의 끝머리 간격(제2 간격)이 가장 작으며 적어도 상기 최소영역에서 제2 간격이 제1 간격보다 큰 버너
제16항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 스월러는 상기 노즐 슈라우드 부근에 상기 복수 개의 연료구멍 중 직경이 가장 큰 연료구멍을 포함하는 버너.
제16항에 있어서,
적어도 상기 최소영역에 구비된 상기 복수 개의 연료구멍의 직경은 상기 스월러의 폭방향을 따라 상기 노즐 슈라우드에 가까워질수록 커지는 버너.
가스 터빈의 연소기에 관한 것으로서,
연료가 혼합된 연료혼합공기를 공급하는 제1항의 버너;와 상기 연료혼합공기가 점화되어 고온의 가스가 형성되는 라이너;와 상기 고온의 가스를 터빈측으로 안내하는 트랜지션 피스;를 포함하는 연소기.
가스 터빈에 관한 것으로서,
압축공기를 형성하여 공급하는 압축기;와 상기 압축공기로부터 형성된 연료혼합공기가 연소되어 고온의 가스가 생성되는 제19항의 연소기;와 상기 고온의 가스의 열에너지 및 팽창에너지를 회전에너지를 거쳐 전기에너지로 변환하는 터빈;을 포함하는 가스 터빈.