KR102164618B1 - 연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈 - Google Patents

연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈에 관한 것으로, 연료노즐의 내주면과 센터바디의 외주면 사이에 배치되는 스월러바디와, 상기 스월러바디에 배치되는 연료분사홀과, 상기 센터바디의 내부에 배치된 연료유로 및 상기 연료분사홀과 연결되며 상기 스월러바디의 내부에 형성되는 연료매니폴드부 및, 상기 연료매니폴드부의 연료 유입부에 형성되고, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하는 와류완화수단을 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 스월러 내부에 배치된 연료 매니폴드에서의 연료 와류 발생을 최소화하여 안정적인 연료 분사를 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈{Swirler having fuel manifold, and a combustor and a gas turbine including the same}
본 발명은 연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스월러 내부에 배치된 연료 매니폴드에서의 연료 와류 발생을 최소화하는 구조를 설계하여 안정적인 연료 분사를 가능하게 하는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 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.
공기-연료 혼합도를 높이는 것에는 스월러의 연료분사홀에서 안정적인 연료분사도 한 역할을 한다. 도 1에는 종래 스월러 구조가 게시되어 있다. 도 1를 참고하면, 노즐튜브(91)에 형성된 복수개의 중공부에 관 형상의 연료노즐(95)가 각각 배치되고, 연료노즐(95)의 중앙부에는 노즐베이스(미도시)에 연결된 센터바디(93)가 배치된다.
그리고 센터바디(93)의 외부면과 연료노즐(95)의 내부면 사이에는 압축공기를 선회되며 연소실(97) 방향으로 공급하는 스월러(92)가 소정간격을 두고 이격되어 복수로 배치된다. 이러한 스월러(92)의 표면에는 복수개의 연료분사홀(94)가 배치되어 있으며, 이는 센터바디(93)의 내부에 형성되고 연료가 유동하는 연료유로(96)가 연결된 매니폴드 공간에 연결되어 있다.
연료유로(96)를 통해 유입된 연료는 매니폴드 공간에서 각각의 연료분사홀(94)로 유동하며 스월러(92)의 외부로 분사되며 압축공기와 혼합되게 된다.
그런데 종래 매니폴드 공간의 진입부위(B)는 기계적 가공에 따라 각진 형태로 되어 있어, 연료가 진입부위(B)를 통과할 때, 충돌이 일어나 흐름이 원활하지 않게 되어 매드폴드 공간의 내부에 와류(C)를 형성하게 된다. 이는 연료분사홀(94)에서 연료의 안정적인 흐름을 방해하고, 궁극적으로 연료-공기 혼합도에 나쁜 영향을 주게 된다.
미국특허 등록번호:US 7490471 B2
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 스월러 내부에 배치된 연료 매니폴드에서의 연료 와류 발생을 최소화하는 구조를 설계하여 안정적인 연료 분사를 가능하게 하는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 가스터빈을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 스월러에 관한 것으로, 연료노즐의 내부면과 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러바디; 상기 스월러바디에 배치되는 연료분사홀; 상기 센터바디의 내부에 배치된 연료유로 및 상기 연료분사홀과 연결되며 상기 스월러바디의 내부에 형성되는 연료매니폴드부; 및 상기 연료매니폴드부의 연료 유입구에 형성되고, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하는 와류완화수단;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 와류완화수단은, 상기 연료매니폴드부의 연료 유입부에서, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 점차 연료의 유동공간이 확대되게 경사진 경사부로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 와류완화수단은, 상기 연료매니폴드부의 연료 유입부에서, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 점차 연료의 유동공간이 확대되게 곡률진 곡선부로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 압축공기가 연소실 방향으로 흐르는 연료노즐의 내부면과 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러바디; 상기 스월러바디에 배치되는 연료분사홀; 상기 센터바디의 내부에 배치된 연료유로 및 상기 연료분사홀과 연결되며 상기 스월러바디의 내부에 형성되는 연료매니폴드부; 및 상기 연료매니폴드부의 내부에 형성되고, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하는 와류완화수단;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 압축공기의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 상측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실의 반대방향으로 연장되고, 상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 상측부가 연장되는 방향으로 경사지어, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 연료분사홀로 분산 유입되도록 하는 경사날개부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 와류완화수단은, 상기 연료매니폴드부의 연료 유입부에서, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 점차 연료의 유동공간이 확대되게 곡률진 곡선부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료분사홀은, 연료의 유동방향을 기준으로, 상기 연료매니폴드부의 상측부에 배치되는 제1 분사홀; 및 상기 연료매니폴드부의 하측부에 배치되는 제2 분사홀;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 상측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실의 반대방향으로 연장되고, 상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 상측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 제1 분사홀로 분산되도록 하는 제1 곡선날개부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 하측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실 방향으로 연장되고, 상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 하측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료매니폴드부의 상측부에서 상기 연료매니폴드부의 하측부로 흐르는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 제2 분사홀로 분산되도록 하는 제2 곡선날개부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료분사홀은 상기 압축공기의 유동방향으로 길게 형성된 장공 형태일 수 있다.
또한 본 발명인 연소기 및 가스터빈은, 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션; 상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 제1항 또는 제4항의 스월러를 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, 스월러의 내부에 형성된 연료 매니폴드 공간의 진입부위를 개선함으로써, 연료가 연료 매니폴드 공간에 와류 발생을 최소화하며 진입할 수 있으며, 이는 스월러의 연료분사홀에서 안정적인 연료 분사를 가능하게 하여, 연료-공기 혼합도를 확보할 뿐만 아니라, 궁극적으로 연소효율 향상에도 기여하게 된다.
도 1은 종래 스월러 내부의 연료 매니폴드 공간 구조를 나타낸 도면.
도 2는 가스터빈의 일반 구조를 나타낸 측단면도.
도 3은 연소기의 일반 구조를 나타낸 사시단면도.
도 4는 본 발명인 스월러 내부의 연료 매니폴드부 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명인 스월러 내부의 연료 매니폴드부 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명인 스월러 내부의 연료 매니폴드부 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명인 스월러 내부의 연료 매니폴드부 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 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 중심 노즐(17) 및 이를 둘러싸는 복수의 주변 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(100) 및/또는 상기 센터바디(14)의 둘레에 형성되는 연료 분사 개구(미도시)를 통해 분사되어 압축공기와 혼합될 수 있다. 본 발명에서는 스월러(100)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.
도 4는 본 발명인 스월러(100) 내부의 연료 매니폴드부(120) 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면이다. 그리고 도 5는 본 발명인 스월러(100) 내부의 연료 매니폴드부(120) 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
우선 도 4를 참고하면, 본 발명인 스월러(100)의 제1 실시예는 스월러바디(110), 연료분사홀(130), 연료매니폴드부(120) 및 와류완화수단(140)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 스월러바디(110)는 연료노즐(18)의 내부면과 센터바디(14)의 외부면 사이에 배치될 수 있으며, 도면으로 도시되지는 않았지만, 일반적으로 압축공기(A)가 선회되며 연소실(31a)로 공급되도록 일정곡률로 형성된 곡선 형상일 수 있다.
다음 상기 연료분사홀(130)은 상기 스월러바디(110)에 복수개가 배치될 수 있다. 또한 연료분사홀(130)은 연료(C)가 안정적으로 분사되도록, 압축공기(A)의 유동방향으로 길게 형성된 장공 형태일 수 있다.
그리고 상기 센터바디(14)의 내부에는 연료유로(150)가 배치되어 있으며, 연료유로(150)는 노즐베이스로부터 연료(C)를 공급받는다. 여기서 상기 연료매니폴드부(120)는 상기 스월러바디(110)의 내부에 형성되고, 상기 연료유로(150) 및 복수의 연료분사홀(130)과 연결되어 있어, 연료유로(150)에서 공급된 연료(C)는 연료매니폴드부(120)에서 복수의 연료분사홀(130)로 분산되며 스월러(100) 외부로 분사되게 된다.
다음 상기 와류완화수단(140)은 상기 연료매니폴드부(120)의 연료 유입부에 형성되고, 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하도록 제공될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서 상기 와류완화수단(140)은 상기 연료매니폴드부(120)의 연료 유입부에서 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 점차 연료(C)의 유동공간이 확대되게 경사진 경사부(141)로 형성될 수 있다.
도 1과 같이 종래 연료 매니폴드공간의 유입부분(B)은 각진 형상임에 따라 연료(C)가 유입되는 과정에서 와류 발생이 심하였으나, 본 발명의 제1 실시예에서는 도 4에서와 같이, 경사부(141)를 형성함으로써, 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)는 충돌하며 유동방해가 일어나는 부위가 감소하고, 오히려 연료매니폴드부(120) 방향으로 점차 유동면적이 확대됨에 따라 안정적인 유동이 가능해진다. 이는 연료매니폴드부(120)로 진입할 때, 연료(C)의 와류발생을 최소화하게 하며, 연료분사홀(130)로의 안정적인 진입을 가능하게 한다.
한편 도 5를 참고하면, 본 발명인 스월러(100)의 제2 실시예가 게시되어 있는데, 본 발명의 제2 실시예에서 상기 와류완화수단(140)은, 상기 연료매니폴드부(120)의 연료 유입부에서, 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 점차 연료(C)의 유동공간이 확대되게 곡률진 곡선부(143)로 형성될 수 있다. 이때 연료(C)는 곡선부(143)를 따라 부드럽게 연료매니폴드부(120)로 진입하게 된다.
즉 상기 곡선부(143)를 형성함으로써, 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)가 충돌되며 유동방해가 일어나는 부위를 감소시키고, 오히려 부드러운 진입을 가능하게 하는 것이다, 더하여 연료매니폴드부(120) 방향으로 점차 유동면적을 확대되므로, 연료(C)의 안정적인 유동 또한 가능하게 한다. 이는 연료매니폴드부(120)로 진입할 때, 연료(C)의 와류발생을 최소화하여, 연료분사홀(130)로의 안정적인 진입/분사를 가능하게 하는 것이다.
한편, 도 6은 본 발명인 스월러(100) 내부의 연료 매니폴드부(120) 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6를 참고하면, 본 발명인 스월러(100)의 제3 실시예는 스월러바디(110), 연료분사홀(130), 연료매니폴드부(120) 및 와류완화수단(140)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 스월러바디(110)는 연료노즐(18)의 내부면과 센터바디(14)의 외부면 사이에 배치될 수 있으며, 도면으로 도시되지는 않았지만, 일반적으로 압축공기(A)가 선회되며 연소실(31a)로 공급되도록 일정곡률로 형성된 곡선 형상일 수 있다.
다음 상기 연료분사홀(130)은 상기 스월러바디(110)에 복수개가 배치될 수 있다. 또한 연료분사홀(130)은 연료(C)가 안정적으로 분사되도록, 압축공기(A)의 유동방향으로 길게 형성된 장공 형태일 수 있다.
그리고 상기 센터바디(14)의 내부에는 연료유로(150)가 배치되어 있으며, 연료유로(150)는 노즐베이스로부터 연료(C)를 공급받는다. 여기서 상기 연료매니폴드부(120)는 상기 스월러바디(110)의 내부에 형성되고, 상기 연료유로(150) 및 복수의 연료분사홀(130)과 연결되어 있어, 연료유로(150)에서 공급된 연료(C)는 연료매니폴드부(120)에서 복수의 연료분사홀(130)로 분산되며 스월러(100) 외부로 분사되게 된다.
다음 상기 와류완화수단(140)은 상기 연료매니폴드부(120)의 내부에 형성되고, 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)의 와류발생을 완화하도록 제공될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에서는 압축공기(A)의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디(110)의 상측부는 상기 연료노즐(18)의 내부면에서 상기 센터바디(14)의 외부면으로 갈수록 상기 연소실(31a)의 반대방향으로 연장된 형태이고, 이때 상기 와류완화수단(140)은 상기 스월러바디(110)의 상측부가 연장되는 방향으로 경사지어, 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)가 와류발생없이 확산되며 상기 연료분사홀(130)로 분산 유입되도록 하는 경사날개부(145)를 포함할 수 있다.
즉 제1,2 실시예와 달리, 제3 실시예에서는 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로의 보다 안정적인 연료(C) 유입을 위해 상기 경사날개부(145)를 구성한 것이고, 이에 따라 연료매니폴드부(120)의 연료 유입부가 확장되므로, 연료(C)의 유입과정에서 충돌하는 부분이 감소하게 되어 연료(C)의 와류발생은 감소하게 되며, 도 6에서와 같이 연료(C)는 안정적으로 연료분사홀(130)로 분산되게 된다.
또한 추가로 상기 와류완화수단(140)은, 상기 연료매니폴드부(120)의 연료 유입부에서, 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 점차 연료(C)의 유동공간이 확대되게 곡률진 곡선부(143)로 형성될 수 있다. 이로 인해 연료(C)는 곡선부(143)를 따라 부드럽게 연료매니폴드부(120)로 진입하게 된다.
상기 곡선부(143) 형성으로 인해 연료유로(150)에서 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)가 충돌되며 유동방해가 일어나는 부위는 감소되고, 연료매니폴드부(120) 방향으로 유동면적은 점차 확대되므로, 연료(C)는 안정적으로 유동하여 와류발생을 최소화하게 된다.
한편, 도 7은 본 발명인 스월러(100) 내부의 연료 매니폴드부(120) 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7를 참고하면, 본 발명인 스월러(100)의 제4 실시예는 스월러바디(110), 연료분사홀(130), 연료매니폴드부(120) 및 와류완화수단(140)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 스월러바디(110), 연료분사홀(130), 연료매니폴드부(120) 및 와류완화수단(140)에 대한 기본 설명은 제3 실시예와 동일하므로, 이하 구별되는 구성에 대해 설명하도록 한다.
본 발명인 스월러(100)의 제4 실시예에서 상기 연료분사홀(130)은 연료(C)의 유동방향을 기준으로, 상기 연료매니폴드부(120)의 상측부에 배치되는 제1 분사홀(131) 및 상기 연료매니폴드부(120)의 하측부에 배치되는 제2 분사홀(133)로 구성될 수 있다.
이때 스월러바디(110)는 연료(C)의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디(110)의 상측부는 상기 연료노즐(18)의 내부면에서 상기 센터바디(14)의 외부면으로 갈수록 상기 연소실(31a)의 반대방향으로 연장된 형태로 구성되고, 상기 스월러바디(110)의 하측부는 상기 연료노즐(18)의 내부면에서 상기 센터바디(14)의 외부면으로 갈수록 상기 연소실(31a) 방향으로 연장된 형태로 구성될 수 있다.
그리고 상기 구조를 바탕으로 하여 상기 와류완화수단(140)은 제1 곡선날개부(147) 및 제2 곡선날개부(148)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 제1 곡선날개부(147)는 상기 스월러바디(110)의 상측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 유입되는 연료(C)가 와류발생없이 확산되며 상기 제1 분사홀(131)로 분산되도록 구성될 수 있다.
다음 상기 제2 곡선날개부(148)는 상기 스월러바디(110)의 하측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료매니폴드부(120)의 상측부에서 상기 연료매니폴드부(120)의 하측부로 흐르는 연료(C)가 와류발생없이 확산되며 상기 제2 분사홀(133)로 분산되도록 구성될 수 있다.
이러한 구조에 의해 연료(C)는 상기 제1 곡선날개부(147)를 따라 부드럽게 연료매니폴드부(120)로 유입되며 안정적으로 제1 분사홀(131)로 분산되게 된다. 이는 상기 제1 곡선날개부(147)가 구성되어 있어 상기 연료유로(150)에서 상기 연료매니폴드부(120)로 점차 연료(C)의 유동공간이 확대되므로, 연료(C)가 충돌이 발생하지 않아 와류발생이 현저하게 줄어들기 때문이다.
또한 제1 곡선날개부(147)를 통과한 연료(C)의 일부는 상기 제1 분사홀(131)을 통해 스월러(100) 외부로 분사되고, 나머지 연료(C)는 재차 제2 곡선날개부(148)를 따라 부드럽게 유동하며 상기 제2 분사홀(133)로 분산되게 된다. 역시 곡선 형상임에 따라 부드럽게 연료(C)가 유동하므로 와류발생이 현저하게 줄어들고 안정적인 분사가 가능하게 된다.
상기된 바와 같이, 본 발명인 스월러(100)의 실시예들은 연료매니폴드부(120)로 연료(C)가 와류발생을 최소화하며 유입되도록 하는 구조를 설계함으로써, 연료(C)의 안정적인 분사를 가능하게 하여 연료-공기 혼합도를 향상시키게 된다. 이는 궁극적으로 연소효율을 높이는 것이다.
한편, 본 발명인 연소기(10) 및 가스터빈(1)은, 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 센터바디(14)(100)를 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 연료 매니폴드를 가지는 스월러 및 이를 포함하는 연소기와 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 13:노즐튜브
14:센터바디 18:연료노즐
31a:연소실
100:스월러 110:스월러바디
120:연료매니폴드부 130:연료분사홀
131:제1 분사홀 133:제2 분사홀
140:와류완화수단 141:경사부
143:곡선부 145:경사날개부
147:제1 곡선날개부 148:제2 곡선날개부
150:연료유로
A:압축공기의 유동 C:연료의 유동

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 압축공기가 연소실 방향으로 흐르는 연료노즐의 내부면과 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러바디;
    상기 스월러바디에 배치되는 연료분사홀;
    상기 센터바디의 내부에 배치된 연료유로 및 상기 연료분사홀과 연결되며 상기 스월러바디의 내부에 형성되는 연료매니폴드부; 및
    상기 연료매니폴드부의 내부에 형성되고, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하는 와류완화수단;을 포함하고,
    압축공기의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 상측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실의 반대방향으로 연장되고,
    상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 상측부가 연장되는 방향으로 경사지어, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 연료분사홀로 분산 유입되도록 하는 경사날개부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스월러.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 와류완화수단은, 상기 연료매니폴드부의 연료 유입부에서, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 점차 연료의 유동공간이 확대되게 곡률진 곡선부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스월러
  7. 압축공기가 연소실 방향으로 흐르는 연료노즐의 내부면과 센터바디의 외부면 사이에 배치되는 스월러바디;
    상기 스월러바디에 배치되는 연료분사홀;
    상기 센터바디의 내부에 배치된 연료유로 및 상기 연료분사홀과 연결되며 상기 스월러바디의 내부에 형성되는 연료매니폴드부; 및
    상기 연료매니폴드부의 내부에 형성되고, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료의 와류발생을 완화하는 와류완화수단;을 포함하고,
    상기 연료분사홀은, 연료의 유동방향을 기준으로,
    상기 연료매니폴드부의 상측부에 배치되는 제1 분사홀; 및
    상기 연료매니폴드부의 하측부에 배치되는 제2 분사홀;을 포함하고,
    연료의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 상측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실의 반대방향으로 연장되고,
    상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 상측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료유로에서 상기 연료매니폴드부로 유입되는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 제1 분사홀로 분산되도록 하는 제1 곡선날개부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스월러.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    연료의 유동방향을 기준으로, 상기 스월러바디의 하측부는 상기 연료노즐의 내부면에서 상기 센터바디의 외부면으로 갈수록 상기 연소실 방향으로 연장되고,
    상기 와류완화수단은 상기 스월러바디의 하측부가 연장되는 방향으로 곡률지어, 상기 연료매니폴드부의 상측부에서 상기 연료매니폴드부의 하측부로 흐르는 연료가 와류발생없이 확산되며 상기 제2 분사홀로 분산되도록 하는 제2 곡선날개부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스월러.
  10. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    상기 연료분사홀은 상기 압축공기의 유동방향으로 길게 형성된 장공 형태인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 스월러.
  11. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 배치되고 유입된 공기를 압축하는 압축기 섹션;
    상기 케이싱 내부에서 상기 압축기 섹션과 연결되며 배치되고, 압축된 공기를 연소하는 제4항 또는 제7항의 스월러를 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 포함하는 가스터빈.

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