KR102146564B1 - 연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈에 관한 것으로, 노즐튜브에 배치되는 복수의 연료노즐, 버너 케이싱의 노즐베이스에 연결되고, 상기 연료노즐의 내부로 배치되는 센터노즐, 상기 연료노즐의 내부면와 상기 센터노즐의 외부면 사이에 배치되는 스월러, 라이너와 상기 노즐튜브가 형성하는 연소실 및 상기 복수의 연료노즐에서 상기 연소실로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체의 공진주파수가 상기 노즐튜브의 표면에서 일치되는 것을 차단하여 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브와 상기 연소실에 연계되어 형성되는 연소공진완화수단을 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 복수의 연료노즐에서 연소실로 유입되는 각각의 연료-공기 혼합유체의 고유주파수가 서로 일치되는 것을 방해하여 공진상태를 차단함으로써, 연소공진을 완화하는 효과가 있다.

Description

연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈{Combustor and gas turbine with reduction structure of combustion resonance}

본 발명은 연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐튜브의 단부에 압축공기 분사홀과 배플(baffle)을 배치하여 복수의 연료노즐에서 연소실로 유입되는 각각의 연료-공기 혼합유체의 고유주파수가 서로 일치되는 것을 방해하여 공진상태를 차단함으로써, 연소진동 및 소음을 완화하는 연소기 및 가스터빈에 관한 것이다.

일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas), 스팀(steam) 등 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로, 유체에 의해 축회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphram)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하고 있다.

여기서, 가스터빈은 압축기 섹션와 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다. 연소기에서 발생된 고온·고압의 가스는 터빈 섹션을 통과하면서 터빈의 로터를 회전시켜 발전기를 구동시킨다.

가스터빈의 구성 중 연소기는 압축기 섹션에서 압축된 공기에 연료를 분사, 혼합시켜 연소실에 연소가 이뤄지도록 한다. 연소실로 공기와 혼합된 연료를 공급할 때, 공기-연료 혼합도를 높이는 것이 중요하다. 공기-연료 혼합도가 개선되면 연소실에서 연소시 연소 진동이 감소하게 되어 전체적으로 가스터빈의 발전효율이 향상되게 된다.

도 1에는 종래 연소기의 개략적인 형태가 게시되어 있다. 도 1를 참고하면, 압축기로부터 압축공기(C)가 플로우슬리브(미도시)의 내측과 라이너(96)의 외측 사이에 형성된 공기유로(A)를 따라 연소기로 유입된다.

버너케이싱(91)의 노즐베이스(92)에는 연료가 흐르는 센터바디(93)이 장착되고, 노즐튜브(97)에는 복수의 연료노즐(95)가 배치되며, 센터바디(93)의 외주면과 연료노즐(95)의 내주면 사이에는 압축공기(C)를 회오리치게 만들어 연료와의 혼합도를 높이도록 스월러(94)가 배치된다.

압축공기(C)는 스월러(94)를 통과하며 회오리치게 되고, 이때 스월러(94)에서 분사되는 연료와 혼합되며 연소실(B)로 유입되게 된다. 이때 복수의 연료노즐(95)에서 유입되는 각각의 연료-공기 혼합유체는 동일한 스월러각에 의해 회오리치며 유입되므로, 연소실(B)의 입구부분(D)에서 고유주파수가 일치하는 경우가 발생할 수 있다. 혼합유체의 고유주파수가 일치하게 되면 공진상태가 되어 혼합유체의 파동이 커지고, 이는 연소시 큰 진동 및 소음이 발생하는 문제가 있다.

미국특허 공개번호: US 2017-0102147 A1

본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 노즐튜브의 단부에 압축공기 분사홀과 배플(baffle)을 배치하여 복수의 연료노즐에서 연소실로 유입되는 각각의 연료-공기 혼합유체의 공진주파수가 서로 일치되는 것을 방해하여 공진상태를 차단함으로써, 연소진동 및 소음을 완화하는 연소기 및 가스터빈을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연소공진 완화구조를 구비한 연소기에 관한 것으로, 노즐튜브에 배치되는 복수의 연료노즐; 버너 케이싱의 노즐베이스에 연결되고, 상기 연료노즐의 내부로 배치되는 센터바디; 상기 연료노즐의 내부면와 상기 센터노즐의 외부면 사이에 배치되는 스월러; 라이너와 상기 노즐튜브가 형성하는 연소실; 및 상기 복수의 연료노즐에서 상기 연소실로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체의 고유주파수가 상기 노즐튜브의 표면에서 일치되는 것을 방해하여 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단함으로써 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브와 상기 연소실에 연계되어 형성되는 연소공진완화수단;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소공진완화수단은, 상기 노즐튜브의 표면에서 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체의 유동범위를 제한하기 위해, 상기 노즐튜브의 표면에 배치되고 상기 연소실 방향으로 돌출되게 형성되는 배플부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소공진완화수단은, 상기 노즐튜브에 형성되고, 압축공기가 유입되는 중앙유로; 및 상기 배플부에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 상기 배플부의 단부에 압축공기를 분사하는 제1 분사홀;을 포함하되, 상기 제1 분사홀은 상기 배플부의 단부에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체간의 유동범위를 제한하여 각각의 혼합유체간의 고유주파수가 일치되는 것을 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소공진완화수단은, 상기 노즐튜브에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 상기 노즐튜브의 표면에 압축공기를 분사하는 제2 분사홀;을 포함하되, 상기 제2 분사홀은 상기 노즐튜브의 표면에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체와 추가로 혼합되며 각 혼합유체들의 고유주파수를 분산시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소공진완화수단은, 상기 노즐튜브에 형성되고, 압축공기가 유입되는 중앙유로; 및 상기 노즐튜브의 표면에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 압축공기를 분사하는 제2 분사홀;을 포함하되, 상기 제2 분사홀은 상기 노즐튜브의 표면에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체와 추가로 혼합되며 각각의 혼합유체의 고유주파수를 분산시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 배플부는, 상기 노즐튜브의 표면에서 복수개가 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 노즐튜브의 중앙부에는 중앙연료노즐이 배치되고, 상기 노즐튜브의 원주방향을 따라 복수의 주변연료노즐이 배치되되, 상기 배플부는 상기 중앙연료노즐의 외측 둘레에서 상기 노즐튜브의 외측 단부까지 연장되어 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 배플부는, 상기 노즐튜브의 표면에 복수개가 배치되되, 상기 중앙연료노즐의 외주면에서 상기 노즐튜브의 외주면까지 연장되어 배치되는 상기 복수의 배플부는 상기 복수의 주변연료노즐의 사이에 각각 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 분사홀은, 상기 노즐튜브의 표면에 복수개가 배치되되, 압축공기를 다방향으로 분사할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 제2 분사홀 중 하나 이상은, 압축공기를 상기 노즐튜브의 표면에서 경사방향으로 분사하는 경사부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 제2 분사홀 중 하나 이상은, 압축공기가 회전하며 상기 노즐튜브의 표면으로 분사되도록 하는 나선부가 형성될 수 있다.

본 발명인 가스터빈은 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션; 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 상기 연소공진완화수단을 포함하는 연소기; 상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및 상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 노즐튜브의 단부에 복수의 압축공기 분사홀을 배치하고 압축공기를 분사함으로써, 연소시 노즐튜브의 단부를 냉각함과 아울러, 복수의 연료노즐에서 분사되는 각각의 연료-공기 혼합유체간의 고유주파수가 일치되는 것을 방해하게 된다.

그리고 노즐튜브의 단부에 복수의 배플(baffle)을 배치함으로써, 연소실의 입구부분에 회오리치며 유입되는 혼합유체가 배플에 의해 노즐튜브의 표면 방향 유동이 방해받아 각각의 혼합유체간의 고유주파수가 일치되는 것을 방해하게 된다.

이때 배플의 단부에는 추가적인 압축공기 분사홀이 배치되어 있어, 배플의 냉각과 동시에, 추가적은 고유주파수 일치 현상을 방해하게 된다.

이는 궁극적으로 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단함으로써, 연소시 연소공진을 완화하여 소음 및 진동을 줄여, 가스터빈의 운용안정성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 연소기의 개략적인 형태를 나타낸 측단면도.
도 2는 가스터빈의 개략적인 구조를 나타낸 측단면도.
도 3은 연소기의 개략적인 구조를 나타낸 사시단면도.
도 4는 본 발명인 연소기의 구조를 나타낸 측단면도.
도 5는 본 발명인 연소기의 노즐튜브에 배치된 제1,2 분사홀과 배플부 구조를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명인 제1,2 분사홀의 다른 실시예를 나타낸 측단면도.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 대한 설명에 앞서 가스터빈(1)의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 가스터빈은 기본적으로 외관을 형성하는 케이싱(casing;2), 공기를 압축하는 압축기 섹션(compressor section;4), 공기를 연소하는 연소기(combuster;10), 연소된 가스를 이용하여 발전하는 터빈섹션(turbine section;6), 배기가스를 배출하는 디퓨져(diffuser;7) 및 압축기섹션(4)과 터빈섹션(6)을 연결하여 회전동력을 전달하는 로터(rotor;3)를 포함하여 구성될 수 있다.

열역학적으로 가스터빈의 상류측에 해당하는 압축기 섹션(compressor section)으로는 외부의 공기가 유입되어 단열압축 과정을 거치게 된다. 압축된 공기는 연소기 섹션(combuster section)으로 유입되어 연료와 혼합되어 등압연소 과정을 거치고, 연소가스는 가스터빈의 하류측에 해당하는 터빈 섹션(turbine section)으로 유입되어 단열팽창 과정을 거치게 된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(10)의 전방에 압축기 섹션(4)이 위치하고, 후방에 터빈 섹션(6)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(4)과 상기 터빈 섹션(6)의 사이에는 상기 터빈 섹션(6)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션(4)로 전달하는 토크튜브(3b)이 구비된다.

상기 압축기 섹션(4)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(4a)이 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a)들은 타이로드(3a)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다.

상기 각각의 압축기 로터 디스크(4a) 중앙을 상기 타이로드(3a)이 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주부 부근에는 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(미도시)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크(4a)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(blade;4b)(또는 bucket으로 지칭)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(4b)은 도브 테일부(미도시)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(4a)에 체결된다.

도브 테일부의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 도브 테일외의 다른 체결장치를 이용하여 상기 압축기 블레이드(4b)을 압축기 로터 디스크(4a)에 체결할 수 있다.

이때 케이싱(2) 중 압축기 섹션(4)의 내주면에는 상기 압축기 블레이드(4b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.

상기 타이로드(3a)은 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(4a)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크(4a) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(3b)에 고정된다.

상기 타이로드(3a)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도면에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다.

하나의 타이로드(3a)이 압축기 로터 디스크(4a)의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드(3a)이 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저의 다음 위치에 가이드깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.

상기 연소기(10)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압 연소과정으로 연소기(10) 및 터빈 섹션(6)의 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기(10)은 셀 형태로 형성되는 케이싱(2) 내에 다수가 배열될 수 있다.

연소기(10)의 구조는 도 2를 참고하여 이하 자세히 살펴보도록 한다.

한편, 일반적으로 터빈 섹션(6)에서는 연소기(10)에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 섹션(6)의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다.

터빈 섹션(6)에서 얻은 기계적 에너지는 압축기 섹션(4)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산하게 된다.

상기 터빈 섹션(6)에는 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치 형성되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동시킴으로써 발전기가 연결되는 출력축을 회전 구동시키고 있다.

이를 위해, 상기 터빈 섹션(6)에는 복수의 터빈 로터 디스크(6a)이 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크(6a)은 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크(4a)과 유사한 형태를 갖는다.

상기 터빈 로터 디스크(6a) 역시 이웃한 터빈 로터 디스크(6a)과 결합되기 위한 구비한 플랜지(미도시)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(6b)(또는 bucket으로 지칭)를 포함한다. 상기 터빈 블레이드(6b) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(6a)에 결합될 수 있다.

이때 케이싱(2) 중 터빈 섹션(6)의 내주면에는 상기 터빈 블레이드(6b)의 상대 회전운동에 대한 베인(미도시)(또는 노즐이라 지칭)이 다이아프램(미도시)상에 장착되며 배치될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 압축기 섹션(4)에서 압축되고, 연소기(10)에서 연소된 후, 터빈 섹션(6)로 이동되어 발전 구동하고, 디퓨저(7)을 통해 대기중으로 배출된다.

여기서, 상기 토크튜브(3b), 압축기 로터 디스크(4a), 압축기 블레이드(4b), 터빈 로터 디스크(6a), 터빈 블레이드(6b), 타이로드(3a) 등은 회전 구성요소로서 일체로 로터(3) 또는 회전체라고 지칭될 수 있다. 그리고 케이싱(2), 베인(vane;미도시), 다이아프램(diaphram;미도시) 등은 비회전 구성요소로서 일체로 스테이터(stator) 또는 고정체라고 지칭될 수 있다.

가스터빈에 대한 일반적인 한 형태의 구조는 상기와 같으며, 이하에서는 이러한 가스터빈에 적용되는 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 연소기의 길이방향 절단 사시도이다. 연소기(10)는 버너(10a)를 구성하는 연료노즐(15, 17)을 둘러싸는 버너 케이싱(11), 연소실(31a)을 형성하는 라이너(31; Liner)와 라이너(31)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(35), 및 연소기(10)와 터빈 섹션(6)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(33; Transition Piece)와 트랜지션 피스(33)를 환형으로 둘러 싼 플로우 슬리브(35)를 구성된다.

라이너(31)는 연료노즐(15, 17)에 의해 분사되는 연료가 유입되는 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소실(31a)을 제공한다. 라이너(31)는 외주에 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브(35)에 의해 압축공기 유로(32)를 통해 라이너(31)를 냉각시킬 수 있다. 라이너(31)의 전단에는 연료노즐(15, 17)이 결합된다.

한편 라이너(31)의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 섹션으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스(33)가 연결된다. 이러한 라이너(31)와 트랜지션피스(33)는 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 라이너(31)와 트랜지션피스(33) 감싼 플로우슬리브(35)에 의해 형성된 환형공간 즉, 압축공기 유로(32,34)로 공급된 압축공기에 의해 냉각된다.

복수의 연료 노즐(18)은 하우징으로서 기능하는 버너 케이싱(11)에 환형으로 둘러 싸여 있고, 라이너(31)와 연결된다. 복수의 연료 노즐(18)이 라이너(31)와 연결되는 부분 내부에는 복수의 개구가 형성된 원통형의 부재가 삽입될 수 있는데, 이 원통형의 부재는 복수의 연료 노즐(18)을 포함하는 노즐 튜브(13)이다. 상기 노즐 튜브(13)에 형성된 복수의 개구는 연료 노즐(18)로서 기능하며, 상기 연료 노즐(18)은 중앙 연료 노즐(17) 및 이를 둘러싸는 복수의 주변 연료 노즐(15)들로 구성될 수 있다.

연료 노즐(18)은 원통형 공간의 중심에서 연소기 전후 방향으로 연장하는 센터바디(14)를 둘러싸도록 구성된다. 상기 센터바디(14)의 일단은 노즐베이스(12)에 연결되어 그로부터 연료를 공급받고, 이러한 연료는 스월러(19) 및/또는 상기 센터바디(14)의 둘레에 형성되는 연료 분사 개구(미도시)를 통해 분사되어 압축공기와 혼합될 수 있다. 본 발명에서는 스월러(19)상에 연료 분사 개구(미도시)가 형성된다. 연료가 공급되는 연료 노즐의 위치 및 형태는 도 2에 도시된 형태에 한정되지 않고, 도면은 단지 예시일 뿐이라는 것에 주의해야 한다.

상기 노즐 베이스(12)는 엔드 커버(22)에 연결되어 있고, 상기 엔드 커버(22)는 적어도 부분적으로 연료를 공급받기 위한 구성을 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 주요특징에 대해 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명인 연소기(10)의 구조를 나타낸 측단면도이고, 도 5는 본 발명인 연소기(10)의 노즐튜브(13)에 배치된 제1,2 분사홀(130,140)과 배플부(110) 구조를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명인 연소기(10)는 연료노즐(18), 센터바디(14), 스월러(19), 연소실(B) 및 연소공진완화수단(100)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선 버너케이싱(11)의 노즐베이스(12)에는 센터바디(14)가 연결되고, 센터바디(14)의 내부에는 연료가 유동하는 연료유로(미도시)가 형성되어 있다. 그리고 노즐튜브(13)에는 복수의 중공부가 형성되어 있으며, 각 중공부에는 원통형상의 연료노즐(18)이 배치된다. 여기서 센터바디(14)는 각각의 연료노즐(18)의 내부로 연장되어 배치되고, 센터바디(14)의 외부면과 연료노즐(18)의 내부면 사이에는 스월러(19)가 배치된다. 스월러(19)는 압축공기 유로(A)를 통해 압축기 섹션에서 연소기(10)로 유입되는 압축공기(C)를 회오리치게 만들어, 센터바디(14)의 내부유로를 통해 스월러(19)에 형성된 연료분사홀(미도시)을 통해 분사되는 연료와의 혼합도를 높이도록 한다.

본 발명에 적용되는 연료노즐(18)은 중앙연료노즐(17)과 주변연료노즐(15)로 이뤄진다. 즉 노즐튜브(13)의 중앙부에 중앙연료노즐(17)이 배치되고, 노즐튜브(13)의 주변부 원주방향을 따라 복수의 주변연료노즐(15)이 배치되는 구조이다.

상기 연료노즐(18)을 통해 연료-공기 혼합유체는 연소실(B)로 분사된다. 연소실(B)은 라이너(31)와 노즐튜브(13)에 의해 구획되어 형성된다.

여기서 상기 연소공진완화수단(100)은 상기 복수의 연료노즐(18)에서 상기 연소실(B)로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사되는 혼합유체의 고유주파수가 상기 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 일치되는 것을 차단하여 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브(13)와 상기 연소실(B)에 연계되어 형성될 수 있다.

이러한 목적 달성을 위해 상기 연소공진완화수단(100)은 배플부(110), 중앙유로(120), 제1 분사홀(130) 및 제2 분사홀(140)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선 상기 배플부(110)는 상기 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 상기 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사되는 혼합유체의 유동범위를 제한하기 위해, 상기 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 배치될 수 있다. 이때 상기 배플부(110)는 상기 연소실(B) 방향으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다.

통상 연료노즐(18)의 내부에서 스월러(19)에 의해 회오리치며 연소실(B)로 연료-공기 혼합유체가 유입되는데, 여기서 노즐튜브(13)에는 복수의 연료노즐(18)이 배치되어 있고, 각각의 연료노즐(18)에서는 연소실(B)로 혼합유체를 노즐튜브(13)의 표면(13a)을 따라 분사하게 된다. 이때 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서는 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사된 혼합유체들이 섞이게 된다.

만약 각각의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체가 비교적 동일한 고유주파수를 가지는 경우, 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 혼합되었을 때, 혼합유체의 파동은 공진상태가 되어 증폭되게 된다. 이러한 상태에서 불꽃점화에 의한 연소시, 연소공진 현상이 증폭되게 된다. 이는 연소시 심한 진동 및 소음을 발생시키게 된다.

본 발명은 상기된 문제를 해결하기 위해, 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 배플부(110)를 배치하여 각각의 연료노즐(18)에서 분사된 연료-공기 혼합유체가 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 섞이는데 방해를 함으로써, 각각의 혼합유체가 가지고 있는 고유주파수가 서로 불일치하도록 하는 것이다.

즉 어느 하나의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체가 다른 하나의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체가 섞이기 위해서는 배플부(110)를 넘어서 유동해야 하는데, 이때 넘는 과정에서 고유주파수는 변경되게 되므로, 다른 하나의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체의 고유주파수와 일치되는 확률인 굉장히 낮아지게 되므로써, 공진상태가 될 가능성은 현저하게 낮아지게 된다.

도 4를 참고하면, 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 연소실(B) 방향으로 돌출된 배플부(110)를 확인할 수 있다. 가령 중앙연료노즐(17)에서 분사되는 혼합유체가 주변연료노즐(15)에서 분사되는 혼합유체와 섞이기 위해서는 배플부(110)를 넘어야 하는데, 이때 필연적으로 고유주파수가 변경되게 되므로, 공진상태가 될 확률은 현저하게 낮아지는 것이다.

다음 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 배플부(110)는 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 복수개가 배치될 수 있다. 구체적으로는 중앙연료노즐(17)의 외측둘레를 따라 소정간격을 두고 배치되되, 노즐튜브(13)의 외측단부까지 연장되어 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 주변연료노즐(15)이 6개가 배치됨에 따라 배플부(110)는 주변연료노즐(15)을 구획하기 위해 그 사이에 6개가 배치된다. 다만 배플부(110)의 개수는 연료노즐(18)의 배치 형태에 따라 달라져 적용될 수 있음은 물론이다.

다음으로, 연소공진완화수단(100)은 상기된 중앙유로(120), 제1 분사홀(130) 및 제2 분사홀(140)을 추가로 포함하는데, 도 4를 참고하면, 우선 상기 중앙유로(120)는 노즐튜브(13)에서 연료노즐(18)이 배치되는 중공부 이외에 부분에 형성될 수 있다. 압축공기 유로(A)를 통해 유입된 압축공기(C)의 일부는 중앙유로(120)의 내부로 유입되게 된다.

여기서 제1 분사홀(130)은 배플부(110)에 형성되고 중앙유로(120)와 연결되며, 압축공기를 배플부(110)의 단부에 분사하도록 제공될 수 있다. 이러한 제1 분사홀(130)은 상기 배플부(110)의 단부 표면에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사되는 혼합유체간의 유동범위를 제한하여 각각의 혼합유체간의 고유주파수가 일치되는 것을 방해하는 기능을 한다.

구체적으로 각각의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체들이 배플부(110)를 넘어 섞일 때, 제1 분사홀(130)에서 분사된 압축공기가 혼합유체의 유동을 방해하고 고유주파수가 변경되도록 하는 것이다. 이에 따라 복수의 연료노즐(18)에서 분사된 혼합유체들간의 고유주파수는 일치되어 파동이 커지는 공진상태가 될 가능성이 더욱 현저하게 낮아지게 된다. 여기서 제1 분사홀(130)에서 분사된 압축공기가 각 혼합유체들의 공진상태를 저지하는 영역을 제1 연소공진 차단영역(F)으로 정의할 수 있다.

물론 배플부(110)의 단부로 분사된 압축공기는 연소실(B)의 연소온도보다는 상대적으로 낮으므로, 배플부(110)를 연소열로부터 냉각하여 보호하는 기능도 하게 된다.

다음 제2 분사홀(140)은 노즐튜브(13)에 형성되고 상기 중앙유로(120)와 연결되며, 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 압축공기를 분사하도록 제공될 수 있다. 이러한 제2 분사홀(140)은 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사되는 혼합유체와 추가로 혼합되며, 각 혼합유체들의 고유주파수를 분산시키게 된다.

구체적으로 도 5를 참고하면, 노즐튜브(13)의 표면(13a)에는 복수개의 제2 분사홀(140)이 배치되어 있으며, 각각의 제2 분사홀(140)에서 분사되는 압축공기는 복수의 배플부(110)에 의해 구획된 복수의 연료노즐(18)에서 각각 분사되는 혼합유체와 섞이게 되면서 각 혼합유체들의 고유주파수를 변경하게 된다. 이후 배플부(110)를 넘어 다른 혼합유체들간에 섞이더라도 공진상태가 될 확률은 더욱 현저히 낮아지게 된다. 여기서 제2 분사홀(140)에서 분사된 압축공기가 각 혼합유체들의 공진상태를 저지하는 영역을 제2 연소공진 차단영역(E)으로 정의할 수 있다.

또한 노즐튜브(13)의 표면(13a)으로 분사된 압축공기는 연소실(B)의 연소온도보다는 상대적으로 낮으므로, 노즐튜브(13)의 표면(13a)을 연소열로부터 냉각하여 보호하는 기능도 하게 된다.

한편, 도 6에는 본 발명인 제2 분사홀(140)의 다른 실시예가 게시되어 있다.

도 6를 참고하면, 상기 제2 분사홀(140)은 도 5에서와 같이 노즐튜브(13)의 표면(13a)에 복수개가 배치되어 있는데, 압축공기를 다방향으로 분사하도록 형성될 수 있다.

먼저 상기 복수의 제2 분사홀(140) 중 하나 이상은 압축공기를 상기 노즐튜브(13)의 표면(13a)에서 경사방향으로 분사하도록, 노즐튜브(13)의 내부에 경사지게 형성될 수 있다. 이러한 경사부(145)가 형성된 제2 분사홀(140)은 다방향으로 압축공기를 분사하므로, 혼합유체의 고유주파수를 다변화시켜, 공진상태가 될 가능성은 더욱 현저하게 낮아지게 된다.

다음 상기 복수의 제2 분사홀(140) 중 하나 이상은 압축공기가 회전하며 노즐튜브(13)의 표면(13a)으로 분사되도록, 그 내부에 나선부(146)가 형성될 수 있다.

이 경우 압축공기는 나선부(146)를 따라 회전하면서 노즐튜브(13)의 표면(13a)으로 분사되므로, 혼합유체의 고유주파수를 보다 더 흩뜨리게 되므로, 공진상태가 될 가능성은 더욱 현저하게 낮아지게 된다.

본 발명은 상기와 같이, 배플부(110) 및 제1,2 분사홀(130,140)을 통해 복수의 연료노즐(18)에서 분사되는 각 혼합유체들간의 고유주파수가 일치되는 것을 방해하여 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단하는 것이다. 이러한 결과로 연소시 연소공진은 완화되고 진동 및 소음은 저감되게 된다.

한편, 본 발명인 가스터빈은 케이싱(2)과, 상기 케이싱(2)의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션(4)과, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 압축기 섹션(4)과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 상기 연소공진완화수단(100)을 포함하는 연소기(10)와, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 연소기(10)와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션(6) 및, 상기 케이싱(2) 내부에서 상기 터빈 섹션(6)과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져(7)를 포함하여 구성될 수 있다.

이상의 사항은 연소공진 완화구조를 구비한 연소기 및 가스터빈의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

10:연소기 11:버너 케이싱
12:노즐베이스 13:노즐튜브
13a:노즐튜브의 표면 14:센터바디
15:주변연료노즐 17:중앙연료노즐
18:연료노즐 19:스월러
31:라이너
100:연소공진완화수단 110:배플부
120:중앙유로 130:제1 분사홀
140:제2 분사홀 145:경사부
146:나선부
A:압축공기 유로 B:연소실
C:압축공기 흐름 E:제2 연소공진 완화영역
F:제1 연소공진 완화영역

Claims (12)

1. 노즐튜브에 배치되는 복수의 연료노즐;
   버너 케이싱의 노즐베이스에 연결되고, 상기 연료노즐의 내부로 배치되는 센터바디;
   상기 연료노즐의 내부면와 상기 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러;
   라이너와 상기 노즐튜브가 형성하는 연소실; 및
   상기 복수의 연료노즐에서 상기 연소실로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체들의 고유주파수가 상기 노즐튜브의 표면에서 일치되는 것을 방해하여 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단함으로써 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브와 상기 연소실에 연계되어 형성되는 연소공진완화수단;을 포함하고,
   상기 연소공진완화수단은,
   상기 노즐튜브의 표면에서 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체의 유동범위를 제한하기 위해, 상기 노즐튜브의 표면에 배치되고 상기 연소실 방향으로 돌출되게 형성되는 배플부;를 포함하며,
   상기 연소공진완화수단은,
   상기 노즐튜브에 형성되고, 압축공기가 유입되는 중앙유로; 및
   상기 배플부에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 상기 배플부의 단부에 압축공기를 분사하는 제1 분사홀;을 포함하는, 연소기.
   
2. 노즐튜브에 배치되는 복수의 연료노즐;
   버너 케이싱의 노즐베이스에 연결되고, 상기 연료노즐의 내부로 배치되는 센터바디;
   상기 연료노즐의 내부면와 상기 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러;
   라이너와 상기 노즐튜브가 형성하는 연소실; 및
   상기 복수의 연료노즐에서 상기 연소실로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체들의 고유주파수가 상기 노즐튜브의 표면에서 일치되는 것을 방해하여 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단함으로써 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브와 상기 연소실에 연계되어 형성되는 연소공진완화수단;을 포함하고,
   상기 연소공진완화수단은,
   상기 노즐튜브의 표면에서 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체의 유동범위를 제한하기 위해, 상기 노즐튜브의 표면에 배치되고 상기 연소실 방향으로 돌출되게 형성되는 배플부;를 포함하며,
   상기 노즐튜브의 중앙부에는 중앙연료노즐이 배치되고, 상기 노즐튜브의 원주방향을 따라 복수의 주변연료노즐이 배치되되,
   상기 배플부는 상기 중앙연료노즐의 외측 둘레에서 상기 노즐튜브의 외측 단부까지 연장되어 배치되는, 연소기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 분사홀은 상기 배플부의 단부에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체들간의 유동범위를 제한하여 각 혼합유체들간의 고유주파수가 일치되는 것을 차단하는, 연소기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 연소공진완화수단은,
   상기 노즐튜브에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 상기 노즐튜브의 표면에 압축공기를 분사하는 제2 분사홀;을 포함하되,
   상기 제2 분사홀은 상기 노즐튜브의 표면에 압축공기를 분사하여, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체와 추가로 혼합되며 각 혼합유체들의 고유주파수를 분산시키는 것을 특징으로 하는, 연소기.
   
5. 노즐튜브에 배치되는 복수의 연료노즐;
   버너 케이싱의 노즐베이스에 연결되고, 상기 연료노즐의 내부로 배치되는 센터바디;
   상기 연료노즐의 내부면와 상기 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러;
   라이너와 상기 노즐튜브가 형성하는 연소실; 및
   상기 복수의 연료노즐에서 상기 연소실로 연료-공기 혼합유체가 분사되고 연소될 때, 상기 복수의 연료노즐에서 각각 분사되는 혼합유체들의 고유주파수가 상기 노즐튜브의 표면에서 일치되는 것을 방해하여 혼합유체의 파동이 커지는 공진상태를 차단함으로써 연소공진이 완화되도록, 상기 노즐튜브와 상기 연소실에 연계되어 형성되는 연소공진완화수단;을 포함하고,
   상기 연소공진완화수단은,
   상기 노즐튜브에 형성되고, 압축공기가 유입되는 중앙유로; 및
   상기 노즐튜브의 표면에 형성되고 상기 중앙유로와 연결되며, 압축공기를 분사하는 제2 분사홀;을 포함하며,
   상기 제2 분사홀은, 상기 노즐튜브의 표면에 복수개가 배치되되, 압축공기를 다방향으로 분사하는, 연소기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 배플부는, 상기 노즐튜브의 표면에서 복수개가 배치되는, 연소기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 노즐튜브의 중앙부에는 중앙연료노즐이 배치되고, 상기 노즐튜브의 원주방향을 따라 복수의 주변연료노즐이 배치되되,
   상기 배플부는 상기 중앙연료노즐의 외측 둘레에서 상기 노즐튜브의 외측 단부까지 연장되어 배치되는, 연소기.
   
8. 제2항 또는 제7항에 있어서,
   상기 배플부는, 상기 노즐튜브의 표면에 복수개가 배치되되,
   상기 중앙연료노즐의 외주면에서 상기 노즐튜브의 외주면까지 연장되어 배치되는 상기 복수의 배플부는 상기 복수의 주변연료노즐의 사이에 각각 배치되는, 연소기.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 제2 분사홀은, 상기 노즐튜브의 표면에 복수개가 배치되되, 압축공기를 다방향으로 분사하는, 연소기.
   
10. 제5항 또는 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제2 분사홀 중 하나 이상은, 압축공기를 상기 노즐튜브의 표면에서 경사방향으로 분사하는 경사부가 형성되는, 연소기.
    
11. 제5항 또는 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제2 분사홀 중 하나 이상은, 압축공기가 회전하며 상기 노즐튜브의 표면으로 분사되도록 하는 나선부가 형성되는, 연소기.
    
12. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;
    상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항의 연소기;
    상기 케이싱 내부에서 상기 연소기와 연결되며 배치되고, 연소된 공기를 이용하여 동력을 생산하는 터빈 섹션; 및
    상기 케이싱 내부에서 상기 터빈 섹션과 연결되며 배치되고, 공기를 외부로 배출하는 디퓨져;
    를 포함하는, 가스터빈.
    

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