KR102184778B1 - 가스터빈용 선회기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스터빈용 선회기를 개시한다. 본 발명은, 외부로부터 공급되는 연료가 분사되는 분사부를 구비하는 지지플레이트와, 상기 지지플레이트와 연결되는 지지축과, 상기 지지플레이트와 상기 지지축과 연결되며, 상기 지지플레이트의 측면으로 입사하는 유체와 상기 분사부에서 분사되는 상기 연료를 혼합하여 상기 지지축의 길이 방향인 제 1 방향 및 상기 지지축을 선회하는 방향인 제 2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 가이드하는 가이드부와, 상기 지지플레이트로부터 이격되어 배치되며, 상기 가이드부와 결합하여 상기 가이드부와 함께 상기 유체의 이동유로를 형성하는 커버하우징을 포함한다.

Description

가스터빈용 선회기{Swirler for gas turbine}
본 발명은 가스터빈용 선회기에 관한 것이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 열기관으로 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기를 이용해서 공기를 압축시킨 후 연소기에서 연료를 분산해서 연소하고, 고온 고압의 공기가 터빈에서 팽창하면서 동력을 생산한다.
연소기에서 화염이 휩쓸려가지 않고 적절한 위치에 고정되는 영역을 재순환 영역(Central recirculation zone, CRZ)이라고 한다. 연소기에서 연소가 지속적으로 유지하고, 연료와 산화제의 혼합을 촉진하기 위해서는 유동에 따른 적절한 재순환영역(CRZ)를 유지하는 것이 중요하다.
재순환영역을 유지하기 위해서는 유동에 회전 성분(Swirl)을 부여하여야 한다. 일반적으로 회전 성분(Swirl)을 발생시키는 노즐을 스월러(선회기,　Swirler)라 하고, 설계된 형상에 따라 Axial swirler, Radial swirler, Tangential swirler, Cone swirler 등으로 나누어 진다.
각 스월러가 설계된 형상에 따라서 회전 강도가 결정되게 되므로, 엔진 작동 환경 및 운전조건에 따라 회전강도를 제어할 수 없다.
상기와 같이 일반적인 모터 어셈블리는 한국공개특허 제1999-0063275호(발명의 명칭 : 가스터빈 엔진의 연소실용 스월러 및 그 성형 방법)에 구체적으로 개시되어 있다
한국공개특허공보 제1999-0063275호
본 발명의 실시예들은 연소효율을 증대시키는 가스터빈용 선회기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 외부로부터 공급되는 연료가 분사되는 분사부를 구비하는 지지플레이트와, 상기 지지플레이트와 연결되는 지지축과, 상기 지지플레이트와 상기 지지축과 연결되며, 상기 지지플레이트의 측면으로 입사하는 유체와 상기 분사부에서 분사되는 상기 연료를 혼합하여 상기 지지축의 길이 방향인 제 1 방향 및 상기 지지축을 선회하는 방향인 제 2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 가이드하는 가이드부와, 상기 지지플레이트로부터 이격되어 배치되며, 상기 가이드부와 결합하여 상기 가이드부와 함께 상기 유체의 이동유로를 형성하는 커버하우징을 포함하는 가스터빈용 선회기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 상기 지지축의 길이방향으로 나선형을 형성하도록 상기 지지축에 설치될 수 있다.
또한, 상기 지지플레이트와 상기 지지축은 수직하게 연결될 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 복수개 구비되며, 상기 복수개의 가이드부는 서로 일정 간격 이격되도록 배치되어 상기 유체가 유입되는 주입부와 상기 복수개의 가이드부 사이로 안내된 상기 유체가 토출되는 토출부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 지지플레이트의 후면에 연결되어 외부로부터 공급되는 상기 연료를 상기 분사부로 균일하게 안내하는 연료균일화부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분사부는 상기 가이드부가 안내하는 상기 유체의 이동방향으로 상기 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 내부 재순환 유량을 증대시킴으로써 연소효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 선회기가 설치된 연소기의 일부를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스터빈용 선회기를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가스터빈용 선회기의 일부를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 단면도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈용 선회기가 설치된 연소기의 일부를 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 가스터빈용 선회기를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 가스터빈용 선회기의 일부를 보여주는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 연소기(10)는 외관을 형성하는 하우징(미도시)을 포함할 수 있다. 또한, 연소기(10)는 상기 하우징 내부에 설치되며, 상기 하우징 내면과 유로를 형성하는 케이스(2)를 포함할 수 있다. 이때, 가스터빈용 선회기(100)는 케이스(2)와 연결되도록 설치될 수 있다. 상기와 같은 케이스(2)는 내부에 공간이 형성되어 가스터빈용 선회기(100)에서 토출된 유체가 이동할 수 있다. 상기와 같이 형성되는 연소기(10)는 외부로부터 압축된 유체를 공급받는 압축기(미도시)와 연결될 수 있다.
가스터빈용 선회기(100)는 연소기(10)에 설치되는 지지플레이트(110)를 포함할 수 있다. 이때, 지지플레이트(110)는 판 형태로 형성되어 유체가 지지플레이트(110)의 후면으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 지지플레이트(110)는 외부로부터 공급되는 연료를 분사하는 분사부(140)를 구비할 수 있다. 이때, 분사부(140)는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 분사부(140)는 지지플레이트(110)를 관통하도록 형성되는 분사홀(141)을 구비할 수 있다. 또한, 분사부(140)는 지지플레이트(110)에 연결되며, 후술할 커버하우징(150)과 연결되며 후술할 가이드부(120) 사이로 연료를 분사하는 돌출부(142)를 구비할 수 있다. 이때, 돌출부(142)에는 다수개의 홀이 형성되어 분사홀(141)과 같이 연료를 가이드부(120)를 따라 이동하는 유체의 흐름 방향으로 연료를 분사할 수 있다.
상기와 같은 분사부(140)는 분사홀(141) 및 돌출부(142) 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 분사부(140)가 분사홀(141) 및 돌출부(142)를 모두 구비하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
한편, 분사홀(141)은 지지플레이트(110)의 외주면과 유사하게 환형으로 지지플레이트(110)를 관통하도록 형성될 수 있다. 또한, 돌출부(142)는 분사홀(141)과 유사하게 환형으로 지지플레이트(110)에 연결될 수 있으며, 돌출부(142)는 복수개 구비되어 지지플레이트(110)와 후술할 커버하우징(150)을 연결할 수 있다.
상기와 같은 복수개의 돌출부(142)에는 홀이 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(142)에 형성되는 홀은 가이드부(120) 사이의 공간으로 연료를 분사하도록 형성될 수 있다.
가스터빈용 선회기(100)는 지지플레이트(110)에 연결되도록 설치되는 지지축(130)을 포함할 수 있다. 이때, 지지축(130)은 지지플레이트(110)를 관통하도록 설치되어 후술할 연소기(10)에 고정될 수 있다. 또한, 지지축(130)은 지지플레이트(110)의 일면과 일정 각도를 형성하도록 설치될 수 있다. 특히 지지축(130)은 지지플레이트(110)의 일면에 수직하게 설치될 수 있다. 상기와 같은 지지축(130)은 지지플레이트(110)와 일체로 형성될 수 있으며, 별도로 형성되어 서로 결합하는 것도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 지지축(130)과 지지플레이트(110)가 일체로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
한편, 가스터빈용 선회기(100)는 지지플레이트(110)와 지지축(130)에 형성되어 지지플레이트(110)의 측면으로 입사하는 유체를 지지축(130)의 길이 방향인 제 1 방향 및 지지축(130)을 선회하는 방향인 제 2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 가이드하는 가이드부(120)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 가이드부(120)는 복수개 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 가이드부(120)는 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)를 구비할 수 있다. 특히 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)는 서로 교번하여 설치될 수 있으며, 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)에 의하여 유체가 주입되는 주입부(123)와 유체가 토출되는 토출부(124)를 형성할 수 있다.
이때, 주입부(123)의 폭과 토출부(124)의 폭은 서로 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 주입부(123)의 폭은 토출부(124)의 폭보다 작게 형성될 수 있다. 뿐만 아니라 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122) 사이의 간격은 주입부(123)로부터 토출부(124) 측으로 갈수록 작아지도록 형성할 수 있다. 따라서 주입부(123)로 입사한 유체는 속도가 증가하여 토출부(124) 측으로 토출될 수 있다.
상기와 같은 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)는 서로 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제 1 가이드부(121)를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
제 1 가이드부(121)는 지지축(130)의 길이 방향으로 나선형을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제 1 가이드부(121)는 지지플레이트(110)에 일부분이 연결되도록 형성될 수 있으며, 다른 부분은 지지축(130)의 길이 방향으로 지지축(130)의 외주면을 따라 회전하도록 형성될 수 있다. 이때, 지지플레이트(110)에 형성되는 제 1 가이드부(121)의 일부분은 지지플레이트(110)의 외면에 수직하게 형성될 수 있다.
한편, 가스터빈용 선회기(100)는 가이드부(120)의 상면을 덮도록 형성되는 커버하우징()을 포함할 수 있다. 이때, 커버하우징(150)은 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)가 형성하는 유로의 상면을 덮음으로써 외부로 유체가 유출되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 커버하우징(150)은 본 발명의 실시예에 따라서 설치될 수도 있고 설치되지 않을 수 있다. 이때, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 커버하우징(150)이 설치되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
가스터빈용 선회기(100)는 지지플레이트(110)의 후면에 설치되는 연료균일화부(160)를 포함할 수 있다. 이때, 연료균일화부(160)는 외부로부터 공급되는 연료를 일시적으로 저장한 후 일정한 압력으로 분사부(140)로 공급할 수 있다.
상기와 같은 연료균일화부(160)는 연료가 주입되는 주입홀(161a)이 형성된 커버플레이트(161)를 구비할 수 있다. 또한, 연료균일화부(160)는 내부에 공간이 형성되며, 연료를 일시적으로 저장하는 저장케이스(162)를 구비할 수 있다.
가스터빈용 선회기(100)는 지지축(130)에 설치되는 점화기(170)를 구비할 수 있다. 이때, 점화기(170)는 유동하는 연료에 에너지를 가할 수 있는 모든 장치 및 구조를 포함할 수 있다. 특히 점화기(170)는 일반적으로 가스터빈에서 사용되는 점화기와 동일 또는 유사할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기와 같은 가스터빈용 선회기(100)는 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 예를 들면, 가스터빈용 선회기(100)는 단조를 통하여 제작될 수 있으며, 금형을 통하여 제작될 수 있다. 뿐만 아니라 가스터빈용 선회기(100)는 절삭 가공을 통하여 제작될 수 있다.
또한, 가스터빈용 선회기(100)는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 가스터빈용 선회기(100)는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 특히 가스터빈용 선회기(100)는 내열성, 내부식성을 갖는 금속 재질로 형성될 수 있다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 연소기(1)가 작동하는 경우, 상기 압축기에서 압축된 공기는 상기에서 설명한 바와 같이 케이스(2)와 상기 하우징이 형성하는 유로를 따라서 가스터빈용 선회기(100)로 공급될 수 있다.
상기와 같이 가스터빈용 선회기(100)로 유체가 공급되면, 유체는 주입부(123)로 유입되어 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122) 사이를 이동할 수 있다. 이때, 유체는 상기에서 설명한 바와 같이 속도가 빨라질 수 있다.
상기와 같이 유체가 유입되는 경우 분사홀(141)과 돌출부(142)에서 분사되는 연료가 유체와 혼합하여 제 1 가이드부(120)와 제 2 가이드부(120) 사이를 통하여 토출부(124)로 이동할 수 있다. 이때, 커버하우징(150)은 제 1 가이드부(120), 제 2 가이드부(120), 지지축(130)과 함께 유로를 형성하여 유체 및 연료를 선회시키면서 가이드할 수 있다.
상기와 같이 이동하는 유체 및 연료는 토출부(124)를 통하여 가스터빈용 선회기(100)로부터 케이스(2) 내부로 토출될 수 있다. 이때, 유체 및 연료는 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122)의 표면 등을 따라서 이동하면서 선회 운동할 수 있다. 또한, 유체 및 연료의 일부는 제 1 가이드부(121)와 제 2 가이드부(122) 사이를 직선으로 통과하면서 지지축(130)의 길이 방향으로 분사될 수 있다.
한편, 상기와 같이 유체 및 연료가 이동하여 토출부(124)를 통하여 케이스() 내부레 분사될 때, 점화기(170)가 작동하여 연료를 연소시킬 수 있다. 이때, 연료는 유체와 반응하여 연소하고, 연소가스 및 화염을 생성하여 케이스()로 분사될 수 있다.
이때, 상기와 같이 제 1 방향 및 제 2 방향으로 운동하는 유체 및 연료의 경우 케이스(2) 내부에서 연소가스 및 화염의 재순환을 생성시킬 수 있다. 특히 가스터빈용 선회기(100)에서 도 3에 도시된 것과 같이 회전 운동과 순환 운동을 함으로써 연료와 유체의 혼합을 원활히 하고 연소에 필요한 유체의 양을 풍부하게 할 수 있다.
한편, 상기와 같이 유체 및 연료가 유동하는 경우 지지축(130)을 중심으로 지지축(130)을 선회 운동하는 성분은 재순환 유량을 증대시켜 미연가스 감소로 인한 연소효율을 증대시키고 화염안정성을 확보할 수 있도록 한다. 그러나 상기와 같이 유체가 지지축(130)을 선회 운동하는 양이 너무 많은 경우에는 연료가 연소된 후 연소가스가 케이스(2) 내부에 오래 체류함으로써 불완전 연소의 원인이 될 수 있다.
이때, 가스터빈용 선회기(100)는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 방향, 즉 지지축(130)의 길이 방향의 유체 및 연료 유동도 함께 제공함으로써 연소 후 발생하는 연소가스를 신속하게 배출시킬 수 있다.
따라서 가스터빈용 선회기(100)는 연소기(10) 내부의 재순환 유량을 증대시켜 연소효율 증대 및 화염안정성을 확보할 수 있으며, 지지축(130)의 길이 방향의 유동을 동시에 형성함으로써 오염물이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라 가스터빈용 선회기(100)는 단순한 구조를 차용하여 제작이 간편함으로써 제조 비용을 저감시키고 수리 및 교체를 신속하게 할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 연소기
100: 가스터빈용 선회기
110: 지지플레이트
120: 가이드부
121: 제 1 가이드부
123: 주입부
122: 제 2 가이드부
124: 토출부
130: 지지축

Claims (6)

  1. 외부로부터 공급되는 연료가 분사되는 분사부를 구비하는 지지플레이트;
    상기 지지플레이트와 연결되는 지지축;
    상기 지지플레이트와 상기 지지축과 연결되며, 상기 지지플레이트의 측면으로 입사하는 유체와 상기 분사부에서 분사되는 상기 연료를 혼합하여 상기 지지축의 길이 방향인 제 1 방향으로 가이드하면서 상기 지지축을 선회하는 방향인 제 2 방향으로 가이드하는 가이드부; 및
    상기 지지플레이트로부터 이격되어 배치되며, 상기 가이드부와 결합하여 상기 가이드부와 함께 상기 유체의 이동유로를 형성하는 커버하우징;을 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 지지플레이트로부터 상기 지지축의 끝단까지 상기 지지축의 길이방향으로 나선형을 형성하도록 상기 지지축에 배치되는 가스터빈용 선회기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지플레이트와 상기 지지축은 수직하게 연결되는 가스터빈용 선회기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드부는 복수개 구비되며,
    상기 복수개의 가이드부는 서로 일정 간격 이격되도록 배치되어 상기 유체가 유입되는 주입부와 상기 복수개의 가이드부 사이로 안내된 상기 유체가 토출되는 토출부를 형성하는 가스터빈용 선회기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지플레이트의 후면에 연결되어 외부로부터 공급되는 상기 연료를 상기 분사부로 균일하게 안내하는 연료균일화부;를 더 포함하는 가스터빈용 선회기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사부는 상기 가이드부가 안내하는 상기 유체의 이동방향으로 상기 연료를 분사하는 가스터빈용 선회기.
KR1020130159386A 2013-12-19 2013-12-19 가스터빈용 선회기 KR102184778B1 (ko)

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