KR102138016B1 - Combustor with axial fuel staging and gas turbine including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 축 방향으로 이격된 스테이지에서 연료/공기 혼합물이 분사되는 축방향 연료 스테이징(axial fuel staging) 시스템을 가지며, 2차적 연료/공기 혼합물이 분사되는 인젝터에 있어서 연료와 공기의 혼합도가 향상되며 역화(flashback)를 방지할 수 있는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다. The present invention relates to a combustor and a gas turbine including the same, and more particularly, to have an axial fuel staging system in which a fuel/air mixture is injected in two axially spaced stages, and a secondary fuel / It relates to a combustor and a gas turbine including the same that improves the mixing degree of fuel and air in an injector in which an air mixture is injected and prevents flashback.
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 고속 회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다. In general, a turbine is a machine that converts the energy of a fluid such as water, gas, steam, etc. into mechanical work. Usually, several feathers or wings are planted on the circumference of a rotating body, and steam or gas is blown therein to impulse or reaction force. A turbo type machine that rotates is called a turbine.
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. The types of turbines include hydro turbines using energy of high water, steam turbines using energy of steam, air turbines using energy of high pressure compressed air, and gases using energy of high temperature and high pressure gas. And turbines.
일반적으로 가스 터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다. In general, a gas turbine is a type of internal combustion engine that converts thermal energy into mechanical energy by injecting and rotating a high-temperature, high-pressure combustion gas generated by combustion after mixing fuel with compressed air at high pressure in a compressor.
이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.Since these gas turbines do not have a reciprocating mechanism such as a piston of a four-stroke engine, there is no mutual friction part such as a piston-cylinder, so the consumption of lubricant is extremely small, the amplitude characteristic of reciprocating machines is greatly reduced, and high-speed motion is possible. There are advantages.
가스 터빈은 기본적인 요소로서 공기를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 공급받은 압축공기와 연료를 연소시켜 연소가스를 생성시키는 연소기 및 연소기로부터 뿜어져 나온 고온 고압의 가스를 통해 날개를 회전시켜 전력을 발생시키는 터빈을 포함한다.A gas turbine is a basic element, a compressor that compresses air, a compressor that generates compressed gas by burning compressed air and fuel supplied from the compressor, and a turbine that generates power by rotating the blades through high-temperature and high-pressure gas emitted from the combustor It includes.
상기 연소기에서 발생되는 연소 상태는 등압가열 과정으로서 연소가스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승시키는데, 상기 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하고 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 부분에 해당된다.The combustion state generated in the combustor is an isothermal heating process, which raises the combustion gas temperature to a temperature that the turbine metal can withstand. The combustor reacts with high temperature and high pressure air from the compressor with fuel to have high energy, and this turbine Corresponds to the part that serves to drive the turbine by passing on it.
일부 연소기에서, 연소 가스들의 생성은 2개의 축 방향으로 이격된 스테이지에서 일어난다. 그러한 연소기들은, 연소기의 헤드 단부 하류의 하나 이상의 연료 분사기로 연료 및 산화제를 운반하는, "축 방향 연료 스테이징(AFS)" 시스템을 포함하는 것으로 언급된다. AFS 시스템을 갖는 연소기에서, 연소기의 상류 측 단부에서 1차적 연료 노즐이, 연료 및 공기(또는 연료/공기 혼합물)를 축 방향으로 1차적 연소 구역 내로 분사한다. 그리고, 1차적 연료 노즐의 하류에 위치하는 AFS 연료 분사기가, 연료 및 공기(또는 2차적 연료/공기 혼합물)를 1차적 연소 구역의 하류의 2차적 연소 구역 내로 교차-유동으로서 분사한다. 교차-유동은 일반적으로, 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동을 가로지른다. 축 방향으로 단계화된 분사는, 이용 가능한 연료의 완전 연소의 가능성을 증가시키며, 이는 결과적으로 대기 오염 배출물을 감소시킨다.In some combustors, the production of combustion gases takes place in stages spaced in two axial directions. Such combustors are said to include a "axial fuel staging (AFS)" system that delivers fuel and oxidant to one or more fuel injectors downstream of the combustor's head end. In a combustor with an AFS system, a primary fuel nozzle at the upstream end of the combustor injects fuel and air (or fuel/air mixture) axially into the primary combustion zone. Then, the AFS fuel injector located downstream of the primary fuel nozzle injects fuel and air (or secondary fuel/air mixture) into the secondary combustion zone downstream of the primary combustion zone as cross-flow. Cross-flow generally traverses the flow of combustion products from the primary combustion zone. Axial staged injection increases the likelihood of complete combustion of available fuel, which in turn reduces air pollution emissions.
일부의 경우에, 연료 및 공기를 2차적 연소 구역 내로 혼합물로서 도입하는 것이 바람직하다. 그에 따라, AFS 분사기의 혼합 능력은, 가스 터빈의 전체 작동 효율 및/또는 배기가스에 영향을 미친다.In some cases, it is desirable to introduce fuel and air as a mixture into the secondary combustion zone. Accordingly, the mixing ability of the AFS injector affects the overall operating efficiency and/or exhaust gas of the gas turbine.
또한, AFS 분사기를 통해 2차적 연료/공기 혼합물을 분사하는 경우 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동에 의해 2차적 연료/공기 혼합물의 역화(flashback)가 일어나는 문제점이 발생할 수 있다. Also, when injecting the secondary fuel/air mixture through the AFS injector, a problem may occur in which the secondary fuel/air mixture flashback is caused by the flow of combustion products from the primary combustion zone.
본 발명은 2개의 축 방향으로 이격된 스테이지에서 연료/공기 혼합물이 분사되는 축방향 연료 스테이징(axial fuel staging) 시스템을 가지며, 2차적 연료/공기 혼합물이 분사되는 인젝터에 있어서 연료와 공기의 혼합도가 향상되며 역화(flashback)를 방지할 수 있는 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 것에 목적이 있다. The present invention has an axial fuel staging system in which a fuel/air mixture is injected in two axially spaced stages, and the degree of mixing of fuel and air in an injector in which a secondary fuel/air mixture is injected The object is to provide a gas turbine including a combustor and a gas burner capable of improving and preventing flashback.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 연소 챔버를 한정하는 라이너와, 상기 라이너의 후단에 결합되는 트랜지션 피스와, 상기 라이너와 트랜지션 피스를 둘러싸도록 이격 형성되는 유동 슬리브 및 상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 둘레 방향을 따라 배치되며, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나 이상의 인젝터를 포함하며, 상기 인젝터는, 상기 라이너와 유동 슬리브 또는 상기 트랜지션 피스와 유동 슬리브를 동시에 관통하도록 반경방향으로 연장 형성되는 분사관 및 상기 분사관의 중심에 빈 공간이 형성되도록 상기 분사관의 내면에 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인을 포함하는, 연소기를 제공한다. An embodiment of the present invention for solving the above problems, a liner defining a combustion chamber, a transition piece coupled to the rear end of the liner, and a flow sleeve and the liner spaced apart to surround the liner and the transition piece Or is disposed along the circumferential direction of the transition piece, and includes at least one injector for injecting a mixture of fuel and air, the injector being radially through the liner and the flow sleeve or through the transition piece and the flow sleeve simultaneously. It provides a combustor comprising an injection pipe that is extended and a plurality of vanes disposed along a circumferential direction on an inner surface of the injection pipe so that an empty space is formed in the center of the injection pipe.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 분사관을 둘러싸도록 배치되는 연료 플리넘을 더 포함하며, 상기 인젝터는, 상기 각각의 베인 내부에 구비되며, 상기 연료 플리넘과 유체 연통하는 복수의 연료 연통 유로 및 상기 연료 연통 유로로부터 상기 베인의 외부로 연료를 분사하기 위해 상기 각각의 베인에 형성되는 복수의 제1 연료 포트를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, further comprising a fuel plenum disposed to surround the injection pipe, the injector is provided inside each vane, a plurality of fuel communication passages in fluid communication with the fuel plenum And a plurality of first fuel ports formed in each vane to inject fuel from the fuel communication passage to the outside of the vane.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 연료 플리넘으로 연료를 공급하기 위해 상기 유동 슬리브의 축 방향을 따라 연장 형성되는 연료 공급 유로를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a fuel supply flow path extending along an axial direction of the flow sleeve may be further included to supply fuel to the fuel plenum.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 각각의 베인에는 복수 개의 제1 연료 포트가 구비되며, 상기 복수 개의 제1 연료 포트는 베인의 서로 마주보는 측면에 각각 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, each vane is provided with a plurality of first fuel ports, and the plurality of first fuel ports can be provided with at least one of each of the vanes facing each other.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인젝터는, 상기 연료 플리넘으로부터 상기 분사관의 내부로 연료를 분사하기 위해 상기 분사관에 형성되는 복수의 제2 연료 포트를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the injector may further include a plurality of second fuel ports formed in the injection pipe to inject fuel from the fuel plenum into the interior of the injection pipe.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 제2 연료 포트는 상기 복수의 베인 사이마다 적어도 하나 이상 구비되도록 배치될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the plurality of second fuel ports may be arranged to be provided with at least one between the plurality of vanes.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 분사관은 원통형의 관으로 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the injection tube may be formed of a cylindrical tube.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인젝터는, 상기 분사관의 중심에 구비되어 상기 복수의 베인을 통과한 연료와 공기의 혼합물을 상기 분사관의 중심부로 가이드하기 위한 센터바디를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the injector may further include a center body provided at the center of the injection pipe to guide a mixture of fuel and air passing through the plurality of vanes to the center of the injection pipe. have.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 베인을 통과한 연료와 공기의 혼합물이 가이드되는 상기 센터바디의 단부는 콘(cone) 형상일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an end portion of the center body to which a mixture of fuel and air that has passed through the plurality of vanes is guided may have a cone shape.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 센터바디는 상기 복수의 베인의 내측단부와 맞닿을 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the center body may contact the inner end of the plurality of vanes.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 분사관의 적어도 일부는 상기 유동 슬리브 측에서 상기 라이너 또는 트랜지션 피스 측으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, at least a portion of the injection pipe may be formed to be narrower in width toward the liner or transition piece from the flow sleeve side.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 분사관의 단부는 상기 센터바디의 단부 형상에 대응하여 동일한 기울기로 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the end portion of the injection pipe may be formed with the same slope corresponding to the end shape of the center body.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인젝터는, 외부와 내부를 연통하는 적어도 하나의 연통홀이 구비되고, 내부에 일정한 체적(volume)을 형성하며 상기 분사관의 상부를 덮도록 결합되는 댐퍼를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the injector is provided with at least one communication hole communicating the outside and the inside, forming a constant volume (volume) inside the damper coupled to cover the upper portion of the injection pipe It may further include.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인젝터는, 상기 연통홀에 슬라이드 가능하게 결합되며, 내부를 관통하는 관통유로를 갖는 실린더를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the injector is slidably coupled to the communication hole, and may further include a cylinder having a through passage through the inside.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 둘레 방향을 따라 복수 개가 배치되며, 상기 각각의 인젝터가 상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 접선과 이루는 각도들 중 적어도 일부는 서로 상이할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a plurality of injectors are disposed along the circumferential direction of the liner or transition piece, and at least some of the angles each injector forms with the tangent line of the liner or transition piece may be different from each other. Can.
또한, 상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 공기를 흡입하여 고압으로 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하고 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 생성하는 연소기 및 상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈을 포함하는, 가스터빈을 제공한다. 상기 연소기는 상기에서 살펴본 실시 예들을 동일하게 포함할 수 있다. In addition, an embodiment of the present invention for solving the above problems, a compressor for inhaling air and compressing it at high pressure, and mixing and burning compressed air and fuel in the compressor to produce high-temperature, high-pressure combustion gas A gas turbine comprising a combustor and a turbine that generates power by obtaining rotational force by the combustion gas delivered from the combustor. The combustor may include the embodiments described above.
본 발명에 따르면, 연소기의 1차적 연소 구역에서 연료와 공기의 예혼합 연소가 이루어짐과 동시에, 1차적 연소 구역의 하류에 위치하는 연소기의 2차적 연소 구역으로 인젝터를 통해 연료와 공기 혼합물을 직접 주입함에 따라 가스터빈의 질소산화물(NOx) 배출 수준이 감소될 수 있다. According to the present invention, premixed combustion of fuel and air is achieved in the primary combustion zone of the combustor, and fuel and air mixtures are directly injected through the injector into the secondary combustion zone of the combustor located downstream of the primary combustion zone. As a result, the nitrogen oxide (NOx) emission level of the gas turbine may be reduced.
이때, 2차적 연소 구역 내로 연료 및 공기 혼합물을 분사하는 인젝터는 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인을 포함하여, 연료와 공기의 혼합 능력을 향상시킴과 동시에 인젝터의 중심에 강한 유동을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동에 의해 역화(flashback)가 일어나는 것을 방지할 수 있다. At this time, the injector for injecting the fuel and air mixture into the secondary combustion zone includes a plurality of vanes arranged along the circumferential direction to improve the mixing ability of the fuel and air and at the same time to generate a strong flow in the center of the injector. have. Accordingly, it is possible to prevent flashback from being caused by the flow of combustion products from the primary combustion zone.
또한, 실시 예에 따라 인젝터는 2차적 연소 구역으로 가까워질수록 폭이 좁아지도록 형성됨으로써, 2차적 연소 구역으로 분사되는 연료 및 공기 혼합물의 중심 유동이 강해지고 속도가 증가할 수 있어, 역화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. In addition, according to the embodiment, the injector is formed to be narrower as it gets closer to the secondary combustion zone, so that the central flow of the fuel and air mixture injected into the secondary combustion zone can be strengthened and the speed can be increased, so that backfire is more It can be effectively prevented.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 가스터빈에 포함된 연소기를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 A-A 단면에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 4는 도 2의 제1 실시 예에 따른 인젝터 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 5는 도 4의 인젝터를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인젝터 부분을 도시한 도면.
도 7은 도 6의 인젝터를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인젝터 부분을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인젝터 부분을 도시한 도면. 1 is a view showing a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a combustor included in the gas turbine of FIG. 1.
Figure 3 is a view showing a state viewed from section AA of Figure 2;
FIG. 4 is an enlarged view of a portion of the injector according to the first embodiment of FIG. 2.
5 is a view showing the injector of FIG. 4 as viewed from above.
6 is a view showing an injector portion according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view of the injector of FIG. 6 as viewed from above.
8 is a view showing an injector part according to a third embodiment of the present invention.
9 is a view showing an injector portion according to a fourth embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the combustor of the present invention and a gas turbine including the same will be described with reference to the accompanying drawings.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice, and the following embodiments do not limit the scope of the present invention, but rather the scope of the present invention. It is only exemplary of the components presented in the claims.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar elements throughout the specification. Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further provided, not excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
우선, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 구성을 도 1 및 2를 참조하여 설명하도록 한다. First, a configuration of a gas turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(10)과, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(30)와, 상기 연소기(30)로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈(40)을 포함할 수 있다. Gas turbine (1) according to an embodiment of the present invention, the
상기 케이싱(10)은, 상기 압축기(20)가 수용되는 압축기 케이싱(12), 상기 연소기(30)가 수용되는 연소기 케이싱(13) 및 상기 터빈(40)이 수용되는 터빈 케이싱(14)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압축기 케이싱(12), 상기 연소기 케이싱(13) 및 상기 터빈 케이싱(14)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.The
상기 케이싱(10)의 내부에는 로터(중심축; 50)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(50)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(10)의 하류 측에는 상기 터빈(40)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다. A rotor (center axis; 50) is rotatably provided inside the
상기 로터(50)는, 상기 압축기 케이싱(12)에 수용되는 압축기 로터 디스크(52), 상기 터빈 케이싱(14)에 수용되는 터빈 로터 디스크(54) 및 상기 연소기 케이싱(13)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54)를 연결하는 토크 튜브(53), 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)를 체결하는 타이 로드(55)와 고정 너트(56)를 포함할 수 있다.The
상기 압축기 로터 디스크(52)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(52)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(52)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(22)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.The
상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 압축기 로터 디스크(52)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(54)는 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(54)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(42)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.The
상기 토크 튜브(53)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(52)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(53)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 터빈 로터 디스크(54) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(53)가 상기 압축기 로터 디스크(52) 및 상기 터빈 로터 디스크(54)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.The
또한, 상기 토크 튜브(53)는, 상기 압축기(20)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(53)를 통과하여 상기 터빈(40)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 토크 튜브(53)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.Further, the
상기 타이 로드(55)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(20)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(56)와 체결될 수 있다. The
여기서, 상기 고정 너트(56)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 상기 압축기(20) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)가 상기 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(52), 상기 토크 튜브(53) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(54)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.Here, the fixing
한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다. On the other hand, in the case of this embodiment, one of the tie rods is formed to penetrate through the center of the plurality of compressor rotor disks, the torque tube, and the plurality of turbine rotor disks, but is not limited thereto. That is, separate tie rods may be provided on the compressor side and the turbine side, and a plurality of tie rods may be radially disposed along the circumferential direction, and mixing of these is possible.
이러한 구성에 따른 상기 로터(50)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다. The
상기 압축기(20)는, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(22) 및 상기 압축기 블레이드(22)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 압축기 케이싱(12)에 설치되는 압축기 베인(24)을 포함할 수 있다.The
상기 압축기 블레이드(22)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(22)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(22)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The
즉, 상기 압축기 블레이드(22)의 루트부(22a)는 상기 압축기 로터 디스크(52)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(22a)는 상기 압축기 블레이드(22)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(22a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다. That is, the
본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(22a)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.In the present embodiment, the compressor
여기서, 상기 압축기 로터 디스크(52)와 상기 압축기 블레이드(22)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(22a)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(52)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.Here, the
상기 압축기 베인(24)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(24)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(24)과 상기 압축기 블레이드(22)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 상기 압축기 베인(24)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The compressor vanes 24 may be formed in plural, and the
상기 연소기(30)는 상기 압축기(20)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.The
구체적으로, 상기 연소기(30)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(30)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.Specifically, the
본 발명의 연소기(30)는 제1 연료/공기 혼합물이 고 에너지 연소 가스의 메인 유동을 생성하기 위해 연소기의 1차적 연소 구역에 분사되고 점화되며, 제2 연료/공기 혼합물이 1차적 연소 구역으로부터 하류에 배치되는 2차적 연소 구역에 분사되고 점화되는 축 방향 연료 스테이징(axial fuel staging) 시스템을 가진다. 이는, 다단 분사 시스템 또는 지연 희박(late-lean) 분사 시스템 등으로도 불린다. 축 방향으로 후속 단계의 제2 연료/공기 혼합물은 고 에너지 연소 가스의 메인 유동 내로 분사되고 메인 유동과 혼합되며, 이는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.
상기 각 연소기(30)는 상기 압축기(20)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너(100)와, 상기 라이너(100)의 후방에 위치하여 연소가스를 상기 터빈(40)으로 안내하는 트랜지션 피스(200)를 포함한다. 상기 라이너(100)는 내부에 연소 챔버(120)를 형성하고, 유동 슬리브(300)가 상기 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)를 둘러싸도록 배치되어 그 사이에 환형의 유동공간을 형성한다. Each
또한, 상기 각 연소기(30)는 상기 압축기(20)로부터 공급받은 압축공기와 연료를 혼합시키는 복수의 연소기용 노즐 어셈블리(400)를 구비하며, 상기 노즐 어셈블리(400)는 상기 라이너(100)의 전방에 결합된다. 상기 연소기 케이싱(13) 또는 상기 유동 슬리브(300)의 전방에는 엔드 플레이트(420)가 결합되며, 상기 엔드 플레이트(420)에 의해 상기 노즐 어셈블리(400)가 지지되고, 연소기가 밀봉될 수 있다. In addition, each combustor 30 is provided with a plurality of
이에 따라, 상기 연소기 케이싱(13)에 의해 한정되어 상기 압축기(20)로부터 배출되는 압축공기가 수용되는 수용공간(302)으로부터 상기 유동 슬리브(300)에 형성되는 다수의 유동홀(320)을 통해 상기 라이너(100)와 유동 슬리브(300) 사이의 환형 유로(140)로 압축공기(연소용 공기)가 유입될 수 있다. 이와 같이, 상기 라이너(100)와 슬리브(300) 사이의 환형 유로(140)로 유입된 압축공기는 연소기의 전방으로 유동되어 상기 엔드 플레이트(420)까지 도달한 후 반대 방향으로 전환되어 상기 노즐 어셈블리(400)로 공급된다. 즉, 상기 압축기(20)로부터 유입되는 압축공기는 상기 노즐 어셈블리(400)를 통해 연료와 혼합되면서 상기 연소 챔버(120) 내로 분사되며, 상기 연소 챔버(120)에서는 점화 플러그(미도시)에 의해 점화되어 연소가 일어나게 된다. Accordingly, it is limited by the
이때, 상기 라이너(100)는 적어도 부분적으로, 상기 노즐 어셈블리(400)에 의해 분사되는 제1 연료/공기 혼합물을 연소시키기 위한 1차적 연소 구역(102)을 한정할 수 있으며, 연소기의 축 방향으로 1차적 연소 구역(102)으로부터 하류에 형성되는 2차적 연소 구역(104)을 한정할 수 있을 것이다. At this time, the
상기 연소기(30)는 축 방향으로 후속 단계에 해당하는, 2차적 연소 구역(104)에 제2 연료/공기 혼합물을 분사하기 위한 인젝터(500)를 더 포함한다. The
상기 인젝터(500)는 연소기의 축 방향으로 상기 노즐 어셈블리(400)의 하류에, 그리고 터빈(40)의 상류에 배치되며, 다수 개의 인젝터(500)가 단일 연소기(30) 내에서 사용될 수 있다. 본 실시 예에서, 상기 인젝터(500)는 상기 라이너(100)의 후단부에 배치되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 트랜지션 피스(200)의 전단부 또는 후단부에 배치될 수도 있음은 물론이다. The
상기 다수 개의 인젝터(500)는 상기 라이너(100)의 둘레 방향을 따라 이격 배치되며, 본 실시 예에서 상기 다수 개의 인젝터(500)는 단일 평면 내에 구비되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 2개 이상의 축 방향으로 이격된 복수의 평면 내에 형성될 수도 있다. 상기 인젝터(500)는 상기 라이너(100)와 유동 슬리브(300)를 통해 반경방향으로 연장되어 상기 수용공간(302)과 연소 챔버(120)의 유체 연통을 제공한다. 즉, 상기 인젝터(500)는 상기 환형 유로(140) 내 압축공기의 유동을 가로지르는 방향으로 연장 형성된다. The plurality of
상기 압축기(20)에서 배출되어 상기 수용공간(302)에 수용되는 압축공기의 일부는 상기 인젝터(500)로 유입되어 연료와 혼합된 후 상기 연소 챔버(120) 내로, 즉 2차적 연소 구역(104) 내로 분사된다. 상기 인젝터(500)에 의해 분사된 제2 연료/공기 혼합물은 상기 1차적 연소 구역(102)에서 연소된 고온의 연소 가스와 혼합된다. 상기 인젝터(500)에 관해서는 아래에서 자세히 살펴보도록 한다. Part of the compressed air discharged from the
이때, 고온 및 고압의 연소가스에 노출된 상기 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)를 냉각시키는 것은 연소기 내구성 증가를 위해 중요한 부분이다. 이를 위해, 상기 유동 슬리브(300)에 형성된 유동홀(320)을 통해 압축공기가 유입되어 상기 라이너(100)와 트랜지션 피스(200)의 외벽부와 수직으로 충돌함에 따라 상기 라이너와 트랜지션 피스를 냉각시킬 수 있다. At this time, cooling the
다음으로, 상기 터빈(40)은 상기 압축기(20)와 유사하게 형성될 수 있다. 상기 터빈(40)은, 상기 로터(50)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(42) 및 상기 터빈 블레이드(42)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 터빈 케이싱(14)에 고정 설치되는 터빈 베인(44)을 포함할 수 있다.Next, the
상기 터빈 블레이드(42)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(42)는 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(42)는 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The
즉, 상기 터빈 블레이드(42)의 루트부(42a)는 상기 터빈 로터 디스크(54)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(42a)는 상기 터빈 블레이드(42)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(42a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다. That is, the
상기 터빈 베인(44)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(44)은 상기 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(44)과 상기 터빈 블레이드(42)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 복수의 상기 터빈 베인(44)은 각 단마다 상기 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The turbine vanes 44 may be formed in plural, and the plurality of
여기서, 상기 터빈(40)은 상기 압축기(20)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. 이를 위해, 상기 압축기(20)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(40)으로 공급하기 위한 냉각 유로를 포함할 수 있다.Here, unlike the
상기 냉각 유로는 실시 예에 따라, 상기 케이싱(10)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(50)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. According to an embodiment, the cooling passage may extend from the outside of the casing 10 (outside passage), or may extend through the interior of the rotor 50 (inside passage), and both the outside passage and the inside passage You can also use
이때, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(42)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(42)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(42)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(42)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다. 상기 터빈 베인(44) 역시 상기 터빈 블레이드(42)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.At this time, the cooling flow path communicates with the turbine blade cooling flow path formed inside the
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소기는 일반적인 가스터빈은 물론, 공기와 연료의 연소가 이루어지는 제트 엔진까지 넓게 적용될 수 있다. Here, the gas turbine is only an embodiment of the present invention, and the combustor of the present invention, which will be described in detail below, can be widely applied to a jet engine in which air and fuel are combusted, as well as a general gas turbine.
이하, 첨부된 도 3 내지 5을 참고하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인젝터(500)에 관하여 상세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, the
인젝터(500)는 상기에서 살펴본 바와 같이 라이너(100)의 둘레 방향을 따라 배치되어, 연료와 공기의 혼합물을 2차적 연소 구역(104)으로 분사한다. 상기 라이너(100)의 둘레 방향을 따라 복수 개의 인젝터(500)가 일정하게 이격된 상태로 배치될 수 있으며, 본 실시 예에서는 4개의 인젝터(500)가 배치되고 있다. As described above, the
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복수 개의 인젝터(500)는 각 인젝터가 설치되는 위치에서 상기 라이너(100)의 접선에 대해 일정한 각도를 이루도록 설치된다. 이때, 상기 각각의 인젝터(500)가 상기 라이너(100)의 접선에 대해 이루는 각도 중 적어도 일부는 서로 상이할 수 있다. 도 3에서 상기 각각의 인젝터(500)가 상기 라이너(100)의 접선에 대해 이루는 각도를 α1, α2, α3, α4로 나타내었으며, 본 실시 예에서는 α1, α2, α3, α4가 모두 동일하지 않고 서로 상이한 경우를 도시하고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, α1, α2, α3, α4 중 일부는 상이하고, 일부는 동일할 수도 있음은 물론이다. 이에 따라, 상기 각각의 인젝터(500)에서 2차적 연소 구역(104)으로 2차 연료/공기 혼합물이 분사되는 각도가 서로 상이하며, 2차적 연소 구역(104) 내 화염의 형상을 조정할 수 있어 연소기의 연소진동을 저감하는 효과를 얻을 수 있다. As shown in FIG. 3, the plurality of
도 4 및 5를 참고하여 각각의 인젝터(500)에 관한 구조를 자세하게 살펴보면, 상기 각각의 인젝터(500)는, 상기 라이너(100)와 유동 슬리브(300)를 동시에 관통하도록 반경방향으로 연장 형성되는 분사관(520) 및 상기 분사관(520)의 중심에 빈 공간이 형성되도록 상기 분사관(520)의 내면에 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인(540)을 포함한다. Looking at the structure of each
상기 분사관(520)은 원통형의 관으로 구성될 수 있으며, 내부에 분사통로(522)를 한정한다. 상기 분사관(520)은 상기 수용공간(302)과 상기 라이너(100) 내부의 연소 챔버(120)를 연통하며, 2차적 연소 구역(104)으로 2차 연료/공기 혼합물을 분사하기 위해 상기 환형 유로(140)를 거쳐 상기 라이너(100)까지 연장 형성된다. 실시 예에 따라, 상기 분사관(520)은 상기 라이너(100)의 내부로 돌출되도록 연장될 수도 있다. The
상기 복수의 베인(540)은 상기 분사관(520)의 내면에 원주방향을 따라 배치되며, 본 실시 예에서 상기 복수의 베인(540)은 상기 분사관(520)의 최상단부에, 즉 상기 유동 슬리브(300) 측에 결합되고 있다. 상기 복수의 베인(540)은 일정하게 이격된 상태로 배치되는 것이 바람직하며, 상기 분사관(520)의 내면으로부터 중심을 향해 일정한 길이로 돌출되어 상기 분사관의 중심에는 원통형의 빈 공간이 형성되도록 한다. 이때, 상기 베인(540)의 길이, 즉 상기 분사관(520)의 내면으로부터 중심을 향해 돌출되는 길이는 상기 분사관의 지름(D)의 1/3 ~ 1/4에 해당하는 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 도 5에는 상기 베인(540)의 길이가 상기 분사관의 지름(D)의 1/3에 해당하는 경우가 도시되고 있으며, 이에 따라 상기 분사관(520)의 중심에는 분사관의 지름(D)의 1/3에 해당하는 지름을 갖는 원통형의 빈 공간이 형성된다. The plurality of
상기 인젝터(500)에서 연료와 공기의 혼합이 이루어지는 구조를 살펴보도록 한다. 상기 분사관(520)을 둘러싸도록 상기 유동 슬리브(300)에는 연료 플리넘(620)이 구비될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 연료 플리넘(620)은 원통형의 분사관(520)에 대응하여 원통형의 공간부로 형성되고 있다. 상기 연료 플리넘(620)은 각각의 베인(540)과 유체 연통되어야 하므로, 상기 복수의 베인(540)이 구비되는 위치와 대응될 수 있도록 구비된다. The structure in which fuel and air are mixed in the
상기 연료 플리넘(620)의 연료를 상기 분사통로(522)로 분사하기 위해 상기 각각의 베인(540)에는 연료 연통 유로(542)와 제1 연료 포트(544)가 구비된다. 구체적으로, 상기 연료 연통 유로(542)는 각각의 베인 내부에 형성되며 상기 연료 플리넘(620)과 유체 연통된다. 상기 제1 연료 포트(544)는 상기 연료 연통 유로(542)로부터 상기 베인(540)의 외부, 즉 분사통로(522)로 연료를 분사하기 위한 것으로, 베인 내부의 연료 연통 유로(542)로부터 베인의 외벽면까지 관통 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 상기 각각의 베인(540)에 3개의 제1 연료 포트(544)가 구비되며, 상기 베인(540)의 반경방향 내측 단부와 서로 마주보는 측면에 각각 하나씩 구비되고 있다. 이에 따라, 상기 분사관(520) 중심의 빈 공간을 향해 연료가 분사될 수 있음과 동시에 베인에 의해 구획되는 양측의 분사통로로 각각 연료가 분사될 수 있고, 인접하는 베인에서 각각 서로 마주보도록 연료가 분사되므로 연료가 서로 충돌하여 혼합도가 더욱 향상될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 베인의 일면에만 하나의 연료 포트가 구비될 수 있음은 물론, 각 베인의 서로 마주보는 측면에 각각 복수 개의 연료 포트가 구비될 수도 있다. In order to inject the fuel of the
또한, 상기 연료 플리넘(620)으로 연료를 공급하기 위해 상기 유동 슬리브(300)의 축 방향을 따라 연장 형성되는 연료 공급 유로(640)를 더 포함할 수 있다. 상기 연료 공급 유로(640)는 외부의 연료 공급원(미도시)에 접속되어 상기 연료 플리넘(620)으로 연료를 공급하는 역할을 하며, 본 실시 예에서 상기 연료 공급 유로(640)는 상기 유동 슬리브(300) 내에 수용되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 라이너와 유동 슬리브 사이에 형성될 수도 있다. In addition, to supply fuel to the
이와 같이, 상기 분사통로(522)의 일단은 상기 수용공간(302)과 연통되므로 압축공기가 상기 분사통로(522)로 유입되고, 상기 제1 연료 포트(544)를 통해 분사통로(522)로 연료가 분사됨에 따라, 연료와 공기가 혼합되면서 분사통로(522)를 통과하게 된다. 특히, 상기 베인(540)에 의해 스월유동이 발생되어 연료와 공기의 혼합이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 상기 분사관 중심의 빈 공간에서의 중심 유동이 베인을 통과하는 주변 유동에 비해 강하고 속도가 빠르게 형성되므로, 2차 연료/공기 혼합물이 2차적 연소 구역(104)으로 분사된 후 1차적 연소 구역(102)에서 연소에 의해 생성된 연소 생성물, 즉 hot gas의 유동에 의해 역화(flashback)가 일어나는 것이 방지될 수 있다. As described above, since one end of the
또한, 실시 예에 따라 상기 분사관(520)에는 상기 연료 플리넘(620)으로부터 분사관의 내부, 즉 분사통로(522)로 연료를 분사하기 위한 복수의 제2 연료 포트(524)가 더 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 제2 연료 포트(524)는 상기 복수의 베인(540) 사이마다 적어도 하나씩 구비되도록 배치될 수 있으며, 이에 따라 복수의 베인에 의해 구획되는 분사통로마다 연료를 반경방향 내측으로 분사할 수 있다. 이로 인해, 상기 분사통로(522)로 충분한 연료가 공급될 수 있으며, 연료와 공기의 혼합도가 보다 향상될 수 있다. In addition, a plurality of
또한, 실시 예에 따라 상기 분사관(520)의 적어도 일부는 상기 유동 슬리브(300) 측에서 상기 라이너(100) 측으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분사관(520)은 상기 베인(540)의 하단부로부터 라이너(100) 측으로 연장되는 끝단까지 폭이 좁아지도록 형성될 수 있으며, 폭이 좁아지는 부분의 기울기(β)는 30 ~ 60°인 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 분사통로(522)를 통과하는 2차 연료/공기 혼합물의 중심 유동이 보다 강해지고 속도가 빨라질 수 있으므로, 2차 연료/공기 혼합물이 2차적 연소 구역(104)으로 분사된 후 1차적 연소 구역(102)으로부터의 연소 생성물의 유동에 의해 역화(flashback)가 일어나는 것이 방지될 수 있다. Further, according to an embodiment, at least a portion of the
다음으로, 첨부된 도 6 및 7을 참고하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인젝터(2500)에 관하여 설명하도록 한다. Next, the
제2 실시 예에 따른 인젝터(2500)는 상기에서 살펴본 제1 실시 예에 따른 인젝터(500)와 동일한 구성을 포함하며, 다만 상기 분사관(520)의 중심에 구비되어 상기 복수의 베인(540)을 통과한 연료와 공기의 혼합물을 상기 분사관의 중심부로 가이드하기 위한 센터바디(2700)를 더 포함한다. The
상기 센터바디(2700)는 실시 예에 따라 상기 분사관(520) 또는 베인(540)에 결합될 수 있으며, 상기 분사관 중심의 빈 공간에 배치되되 상기 복수의 베인(540)의 내측단부와 이격된 상태로 배치될 수도 있고 맞닿은 상태로 배치될 수도 있다. 본 실시 예에서 상기 센터바디(2700)는 상기 복수의 베인(540)의 내측단부와 맞닿도록 결합됨에 따라, 상기 센터바디의 일부(2700a)는 상기 분사관의 지름(D)의 1/3에 해당하는 지름을 갖는 원통형으로 형성된다. 또한, 상기 복수의 베인(540)을 통과한 연료와 공기의 혼합물이 가이드되는 상기 센터바디의 단부(2700b)는 콘(cone) 형상인 것이 바람직하다. 이때, 상기 센터바디 단부(2700b)의 기울기(γ)는 30 ~ 60°일 수 있으며, 특히 상기 분사관(520)에서 폭이 좁아지는 부분의 기울기(β)와 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 분사관(520)의 단부는 상기 센터바디의 단부(2700b) 형상에 대응될 수 있다. The
이와 같이, 상기 베인(540)을 통과한 제2 연료/공기 혼합물이 상기 센터바디(2700)에 의해 상기 분사관(520)의 중심부로 가이드됨에 따라 중심 유동이 강해질 수 있으며, 상기 분사관(520)에 의해 제2 연료/공기 혼합물의 속도가 보다 더 효과적으로 빨라질 수 있다. As such, as the second fuel/air mixture passing through the
이때, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 분사관의 중심에는 센터바디(2700)가 배치되므로, 상기 각각의 베인(540)에는 2개의 제1 연료 포트(544)가 서로 마주보는 측면에 각각 하나씩 구비될 수 있다. 또한, 복수의 제2 연료 포트(524)에 의해 연료가 분사통로(522)로 반경방향 내측을 향해 분사될 수도 있음은 물론이다. At this time, as shown in Figure 7, the
다음으로, 첨부된 도 8을 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인젝터(3500)에 관하여 설명하도록 한다. Next, an
제3 실시 예에 따른 인젝터(3500)는 상기에서 살펴본 제1 실시 예에 따른 인젝터(500)와 동일한 구성을 포함하며, 다만 외부와 내부를 연통하는 적어도 하나의 연통홀(3820)이 구비되고, 내부에 일정한 체적(volume)을 형성하며 상기 분사관(520)의 상부를 덮도록 결합되는 댐퍼(3800)를 더 포함한다. The
상기 댐퍼(3800)는 상기 분사관(520)과 동일한 크기로 형성되어, 상기 분사관(520)의 상부를 전체적으로 덮도록 결합될 수 있다. 즉, 상기 댐퍼(3800)는 상기 분사관의 지름(D)과 동일한 지름을 갖는 원통형으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 댐퍼(3800)는 일정한 높이를 가져 그 내부에 일정한 체적을 형성한다. 상기 댐퍼(3800)의 내부 체적과 외부, 즉 상기 수용공간(302)을 연통하는 적어도 하나의 연통홀(3820)은 상기 댐퍼(3800)의 측면과 상면 중 어디에도 형성될 수 있으나, 본 실시 예에서는 상기 댐퍼(3800)의 상면에 복수 개의 연통홀(3820)이 구비되고 있다. The
이에 따라, 상기 수용공간(302)의 압축공기가 상기 복수 개의 연통홀(3820)을 통해 상기 댐퍼(3800)의 내부 체적을 거쳐 상기 분사관의 분사통로(522)로 유입됨에 따라 연소진동이 감소될 수 있다. 이때, 상기 라이너(100)의 둘레 방향을 따라 설치되는 복수 개의 인젝터(3500) 각각에 설치되는 댐퍼(3800)의 내부 체적이 서로 상이하게 형성될 수도 있다. Accordingly, as the compressed air of the
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 댐퍼(3800)의 구성은 제2 실시 예에 따른 인젝터(2500)에도 부가될 수 있다. However, the present invention is not limited thereto, and the configuration of the
마지막으로, 첨부된 도 9를 참고하여 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인젝터(4500)에 관하여 설명하도록 한다. Finally, the
제4 실시 예에 따른 인젝터(4500)는 상기에서 살펴본 제1 실시 예에 따른 인젝터(500)와 동일한 구성을 포함하며, 다만 외부와 내부를 연통하는 적어도 하나의 연통홀(4820)이 구비되고, 내부에 일정한 체적(volume)을 형성하며 상기 분사관(520)의 상부를 덮도록 결합되는 댐퍼(4800) 및 상기 연통홀(4820)에 슬라이드 가능하게 결합되며, 내부를 관통하는 관통유로(4842)를 갖는 실린더(4840)를 더 포함한다. The
상기 댐퍼(4800)는 상기 분사관(520)과 동일한 크기로 형성되어, 상기 분사관(520)의 상부를 전체적으로 덮도록 결합될 수 있다. 즉, 상기 댐퍼(4800)는 상기 분사관의 지름(D)과 동일한 지름을 갖는 원통형으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 댐퍼(4800)는 일정한 높이를 가져 그 내부에 일정한 체적을 형성한다. 상기 댐퍼(4800)의 내부 체적과 외부, 즉 상기 수용공간(302)을 연통하는 적어도 하나의 연통홀(4820)은 상기 댐퍼(4800)의 측면과 상면 중 어디에도 형성될 수 있으나, 본 실시 예에서는 상기 댐퍼(4800)의 상면에 복수 개의 연통홀(4820)이 구비되고 있다. The
이때, 상기 각각의 연통홀(4820)에는 실린더(4840)가 슬라이드 가능하게 결합되며, 예를 들어 베어링 등으로 실린더의 축 방향을 따라 슬라이드 가능하게 결합될 수 있다. 본 실시 예에서는 각각의 연통홀마다 실린더가 결합되고 있으나, 복수 개의 연통홀 중 일부에만 실린더가 결합될 수도 있다. 이와 같이, 상기 실린더(4840)가 상기 연통홀(4820) 내부에서 슬라이드 됨에 따라 상기 댐퍼(4800)의 내부로 돌출되는 길이가 달라질 수 있으며, 결과적으로 상기 댐퍼(4800)의 내부 체적이 변화될 수 있다. At this time, the
또한, 상기 댐퍼(4800)의 내부 체적과 외부의 연통을 위해 상기 각각의 실린더(4840)에는 중심을 관통하는 관통유로(4842)가 구비된다. 이에 따라, 상기 수용공간(302)의 압축공기가 상기 실린더(4840)의 관통유로(4842)를 통해 상기 댐퍼(4800)의 내부 체적을 거쳐 상기 분사관의 분사통로(522)로 유입됨에 따라 연소진동이 감소될 수 있다. In addition, for the internal volume of the
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 댐퍼(4800) 및 실린더(4840)의 구성은 제2 실시 예에 따른 인젝터(2500)에도 부가될 수 있다. However, the present invention is not limited thereto, and configurations of the
본 발명에 따르면, 연소기의 1차적 연소 구역에서 연료와 공기의 예혼합 연소가 이루어짐과 동시에, 1차적 연소 구역의 하류에 위치하는 연소기의 2차적 연소 구역으로 인젝터를 통해 연료와 공기 혼합물을 직접 주입함에 따라 가스터빈의 질소산화물(NOx) 배출 수준이 감소될 수 있다. According to the present invention, premixed combustion of fuel and air is achieved in the primary combustion zone of the combustor, and fuel and air mixtures are directly injected through the injector into the secondary combustion zone of the combustor located downstream of the primary combustion zone. As a result, the nitrogen oxide (NOx) emission level of the gas turbine may be reduced.
이때, 2차적 연소 구역 내로 연료 및 공기 혼합물을 분사하는 인젝터는 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인을 포함하여, 연료와 공기의 혼합 능력을 향상시킴과 동시에 인젝터의 중심에 강한 유동을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 1차적 연소 구역으로부터의 연소 생성물의 유동에 의해 역화(flashback)가 일어나는 것을 방지할 수 있다. At this time, the injector for injecting the fuel and air mixture into the secondary combustion zone includes a plurality of vanes arranged along the circumferential direction to improve the mixing ability of the fuel and air and at the same time to generate a strong flow in the center of the injector. have. Accordingly, it is possible to prevent flashback from being caused by the flow of combustion products from the primary combustion zone.
또한, 실시 예에 따라 인젝터는 2차적 연소 구역으로 가까워질수록 폭이 좁아지도록 형성됨으로써, 2차적 연소 구역으로 분사되는 연료 및 공기 혼합물의 중심 유동이 강해지고 속도가 증가할 수 있어, 역화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. In addition, according to the embodiment, the injector is formed to be narrower as it gets closer to the secondary combustion zone, so that the central flow of the fuel and air mixture injected into the secondary combustion zone can be strengthened and the speed can be increased, so that backfire is more It can be effectively prevented.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the specific embodiments and descriptions described above, and various modifications can be carried out by anyone having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. And such modifications are within the protection scope of the present invention.
10: 케이싱 12: 압축기 케이싱
13: 연소기 케이싱 14: 터빈 케이싱
20: 압축기 22: 압축기 블레이드
22a: 압축기 블레이드 루트부 24: 압축기 베인
30: 연소기 40: 터빈
42: 터빈 블레이드 42a: 터빈 블레이드 루트부
44: 터빈 베인 50: 로터
52: 압축기 로터 디스크 53: 토크 튜브
54: 터빈 로터 디스크 55: 타이로드
56: 고정너트
100: 라이너 102: 1차적 연소 구역
104: 2차적 연소 구역 120: 연소 챔버
140: 환형 유로 200: 트랜지션 피스
300: 유동 슬리브 302: 수용공간
320: 유동홀 400: 노즐 어셈블리
420: 엔드 플레이트 500: 인젝터
520: 분사관 522: 분사통로
524: 제2 연료 포트 540: 베인
542: 연료 연통 유로 544: 제1 연료 포트
620: 연료 플리넘 640: 연료 공급 유로
2500: 인젝터 2700: 센터바디
3500: 인젝터 3800: 댐퍼
3820: 연통홀
4500: 인젝터 4800: 댐퍼
4820: 연통홀 4840: 실린더
4842: 관통유로10: casing 12: compressor casing
13: Combustor casing 14: Turbine casing
20: compressor 22: compressor blade
22a: Compressor blade root part 24: Compressor vane
30: combustor 40: turbine
42:
44: turbine vane 50: rotor
52: compressor rotor disc 53: torque tube
54: turbine rotor disc 55: tie rod
56: fixing nut
100: liner 102: primary combustion zone
104: secondary combustion zone 120: combustion chamber
140: annular flow path 200: transition piece
300: floating sleeve 302: receiving space
320: flow hole 400: nozzle assembly
420: end plate 500: injector
520: spray pipe 522: spray passage
524: Second fuel port 540: Bain
542: fuel communication flow path 544: first fuel port
620: fuel plenum 640: fuel supply flow path
2500: Injector 2700: Center body
3500: Injector 3800: Damper
3820: Communication Hall
4500: Injector 4800: Damper
4820: communication hole 4840: cylinder
4842: through passage
Claims (16)
상기 라이너의 후단에 결합되는 트랜지션 피스;
상기 라이너와 트랜지션 피스를 둘러싸도록 이격 형성되는 유동 슬리브; 및
상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 둘레 방향을 따라 배치되며, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나 이상의 인젝터;를 포함하며,
상기 인젝터는,
상기 라이너와 유동 슬리브 또는 상기 트랜지션 피스와 유동 슬리브를 동시에 관통하도록 반경방향으로 연장 형성되는 분사관; 및
상기 분사관의 중심에 빈 공간이 형성되도록 상기 분사관의 내면에 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인;을 포함하며,
상기 분사관을 둘러싸도록 배치되는 연료 플리넘;을 더 포함하며,
상기 인젝터는,
상기 각각의 베인 내부에 구비되며, 상기 연료 플리넘과 유체 연통하는 복수의 연료 연통 유로; 및
상기 연료 연통 유로로부터 상기 베인의 외부로 연료를 분사하기 위해 상기 각각의 베인에 형성되는 복수의 제1 연료 포트;를 더 포함하고,
상기 각각의 베인에는 복수 개의 제1 연료 포트가 구비되되,
상기 복수 개의 제1 연료 포트는 상기 각각의 베인에서 베인의 서로 마주보는 측면과 베인의 반경방향 내측 단부에 각각 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는, 연소기.
A liner defining a combustion chamber;
A transition piece coupled to the rear end of the liner;
A flow sleeve spaced apart to surround the liner and the transition piece; And
It includes at least one injector disposed along the circumferential direction of the liner or transition piece, and injecting a mixture of fuel and air;
The injector,
An injection tube extending radially to penetrate the liner and the flow sleeve or the transition piece and the flow sleeve simultaneously; And
It includes; a plurality of vanes disposed in the circumferential direction on the inner surface of the injection tube so that an empty space is formed in the center of the injection tube;
It further includes a fuel plenum disposed to surround the injection pipe;
The injector,
A plurality of fuel communication passages provided inside each vane and in fluid communication with the fuel plenum; And
It further includes a plurality of first fuel ports formed in each vane to inject fuel from the fuel communication passage to the outside of the vane.
Each vane is provided with a plurality of first fuel ports,
The plurality of first fuel ports are characterized in that each of the vanes are provided with at least one at each side of the vanes facing each other and radially inner ends of the vanes.
상기 라이너의 후단에 결합되는 트랜지션 피스;
상기 라이너와 트랜지션 피스를 둘러싸도록 이격 형성되는 유동 슬리브; 및
상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 둘레 방향을 따라 배치되며, 연료와 공기의 혼합물을 분사하는 적어도 하나 이상의 인젝터;를 포함하며,
상기 인젝터는,
상기 라이너와 유동 슬리브 또는 상기 트랜지션 피스와 유동 슬리브를 동시에 관통하도록 반경방향으로 연장 형성되는 분사관;
상기 분사관의 중심에 빈 공간이 형성되도록 상기 분사관의 내면에 원주방향을 따라 배치되는 복수의 베인;
외부와 내부를 연통하는 적어도 하나의 연통홀이 구비되고, 내부에 일정한 체적(volume)을 형성하며 상기 분사관의 상부를 덮도록 결합되는 댐퍼; 및
상기 연통홀에 슬라이드 가능하게 결합되며, 내부를 관통하는 관통유로를 갖는 실린더;를 포함하는, 연소기.
A liner defining a combustion chamber;
A transition piece coupled to the rear end of the liner;
A flow sleeve spaced apart to surround the liner and the transition piece; And
It includes at least one injector disposed along the circumferential direction of the liner or transition piece, and injecting a mixture of fuel and air;
The injector,
An injection tube extending radially to penetrate the liner and the flow sleeve or the transition piece and the flow sleeve simultaneously;
A plurality of vanes arranged along the circumferential direction on the inner surface of the spray tube to form an empty space at the center of the spray tube;
A damper having at least one communication hole communicating with the outside and the inside, and forming a constant volume therein to be coupled to cover the upper portion of the injection pipe; And
A cylinder that is slidably coupled to the communication hole and has a through passage through the inside.
상기 연료 플리넘으로 연료를 공급하기 위해 상기 유동 슬리브의 축 방향을 따라 연장 형성되는 연료 공급 유로;를 더 포함하는, 연소기.
According to claim 1,
And a fuel supply flow path extending along an axial direction of the flow sleeve to supply fuel to the fuel plenum.
상기 인젝터는,
상기 연료 플리넘으로부터 상기 분사관의 내부로 연료를 분사하기 위해 상기 분사관에 형성되는 복수의 제2 연료 포트;를 더 포함하는, 연소기.
According to claim 1,
The injector,
And a plurality of second fuel ports formed in the injection pipe to inject fuel from the fuel plenum into the interior of the injection pipe.
상기 복수의 제2 연료 포트는 상기 복수의 베인 사이마다 적어도 하나 이상 구비되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 연소기.
The method of claim 5,
The plurality of second fuel ports are arranged so that at least one is provided for each of the plurality of vanes, the combustor.
상기 분사관은 원통형의 관으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연소기.
According to claim 1,
The injection tube is characterized in that it is formed of a cylindrical tube, a combustor.
상기 분사관의 적어도 일부는 상기 유동 슬리브 측에서 상기 라이너 또는 트랜지션 피스 측으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연소기.
According to claim 1,
At least a part of the injection pipe is characterized in that the combustor is formed so that the width becomes narrower toward the liner or transition piece side from the flow sleeve side.
상기 인젝터는,
외부와 내부를 연통하는 적어도 하나의 연통홀이 구비되고, 내부에 일정한 체적(volume)을 형성하며 상기 분사관의 상부를 덮도록 결합되는 댐퍼;를 더 포함하는, 연소기.
According to claim 1,
The injector,
At least one communication hole communicating with the outside and the inside is provided, the damper is formed to form a constant volume (volume) and coupled to cover the upper portion of the injection pipe; further comprising, a combustor.
상기 인젝터는,
상기 연통홀에 슬라이드 가능하게 결합되며, 내부를 관통하는 관통유로를 갖는 실린더;를 더 포함하는, 연소기.
The method of claim 13,
The injector,
A cylinder which is slidably coupled to the communication hole and has a through passage through the inside.
상기 인젝터는 상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 둘레 방향을 따라 복수 개가 배치되며, 상기 각각의 인젝터가 상기 라이너 또는 트랜지션 피스의 접선과 이루는 각도들 중 적어도 일부는 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 연소기.
According to claim 1,
A plurality of the injectors are arranged along the circumferential direction of the liner or transition piece, and at least some of the angles each injector makes with the tangent line of the liner or transition piece are different from each other.
상기 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하고 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 생성하는, 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항, 제11항 및 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 연소기; 및
상기 연소기로부터 전달된 연소가스에 의해 회전력을 얻어 전력을 발생시키는 터빈;을 포함하는, 가스터빈.
A compressor that sucks air and compresses it at a high pressure;
Claims 1 to 3, 5 to 7, 11 and 13 to 15 to generate a high-temperature, high-pressure combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel in the compressor. Combustor according to any one of the preceding; And
A turbine comprising: a turbine that generates power by obtaining rotational force by the combustion gas transmitted from the combustor.
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WO2023058907A1 (en) * | 2021-10-07 | 2023-04-13 | 한국과학기술원 | Injector, combustor comprising same, and gas turbine comprising same |
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- 2019-06-11 KR KR1020190068873A patent/KR102138016B1/en active IP Right Grant
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